Optische Datenkommunikation Das erste kabellose Endoskop funkt per Licht

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Fraunhofer-Institut f. Nachrichten technik, Heinrich-Hertz-Institut

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Kabel können im medizinischen Umfeld schnell zu einem Hygieneproblem werden. Der Einsatz herkömmlicher Funksysteme scheitert in der Regel an den strengen Latenz- und Sicherheitsvorgaben. Forscher haben nun ein Endoskop entwickelt, das 4K-Videodaten per LiFi verzögerungsfrei überträgt.

Bildgebende medizinische Geräte wie Endoskope sind teilweise über massive Kabelstränge mit Monitoren und dem Krankenhausinformationssystem verbunden. Bei kommerziell erhältlichen Endoskopiesystemen sind in der Regel zwei Verbindungen nötig: ein optischer Wellenleiter für die Lichtführung sowie ein Kabel für die Energieversorgung und die Datenübertragung.

Im klinischen Alltag sorgt das für Probleme, da die Kabel aufwendig mit sterilen Hüllen isoliert werden müssen. Außerdem schränken sie die Bewegungsfreiheit des Chirurgen bei laparoskopischen Eingriffen (Bauchspiegelungen) massiv ein. Ein Verzicht auf Kabel würde Arbeitsabläufe beschleunigen und die Gerätereinigung erleichtern.

Doch die Umstellung auf Wireless ist in der Medizinelektronik komplex: Standard-Funktechnologien wie WLAN oder Bluetooth stoßen bei den medizintechnischen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Datensicherheit, elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und vor allem bei der Latenz von unkomprimierten oder leicht komprimierten hochauflösenden Videostreams an ihre Grenzen.

Lichtwellen statt Funkfrequenzen

Das vom BMBF geförderte Projekt OWIMED (Optische Drahtloskommunikation für bildgebende medizinische Geräte) geht daher einen anderen Weg. Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI), setzen die Entwickler auf die optische Drahtloskommunikation (LiFi).

„Anstelle von Funkwellen verwenden wir moduliertes LED-Licht“, erklärt Dr. Anagnostis Paraskevopoulos, Projektleiter am Fraunhofer HHI. „Aufgrund der lokal begrenzten Lichtausbreitung ist LiFi für die Medizintechnik ideal. Die Anforderungen nach hohen Datenraten über kurze Distanzen können wir damit schon heute erfüllen.“

Akkus, Mikroprozessoren und Halbkugel-Abstrahlung

Für ein komplett kabelloses Endoskop mussten die Entwickler von IT Concepts und des Fraunhofer HHI die Systemarchitektur grundlegend umbauen. Die optische Lichtquelle (LED) für die Ausleuchtung des Bauchraums wurde direkt in das Endoskop integriert und wird von einem Akku gespeist.

Für die Kommunikation sitzt am Endoskop ein ebenfalls akkubetriebenes, sehr kompaktes LiFi-Modul. Ein integrierter Modulator schaltet die LED-Signale für die Datenübertragung in einer für das menschliche Auge unsichtbaren Frequenz auf und ab. Um eine robuste Verbindung zu gewährleisten, auch wenn sich der Chirurg bewegt, wurden die LiFi-Module so gestaltet, dass sie eine homogene, halbkugelförmige Ausstrahlung in einem Radius von 180 Grad erreichen.

Die Empfänger-Gegenstücke der LiFi-Technik sind in die OP-Leuchten über dem Tisch integriert. Sie nutzen die optimale Line-of-Sight, also die Sichtverbindung zum Endoskop. Daten werden per Lichtimpulse über Fotodioden empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Anschließend werden die elektrischen Daten an den Monitor weitergeleitet. Das System ist bidirektional ausgelegt: So lassen sich vom Monitor aus auch Befehle zurück an das Endoskop senden, beispielsweise um Kameraeinstellungen anzupassen.

Latenzarme Datenkompression

Eine besondere Herausforderung bei der drahtlosen Videoübertragung ist das Powermanagement. Der im Endoskop integrierte Kamerachip arbeitet daher mit einem dedizierten Mikroprozessor zusammen, der eine latenzarme Datenkompression direkt auf dem Gerät übernimmt. So können 4K-Videostreams bei gleichzeitig minimalem Energieverbrauch übertragen werden.

Die Praxistauglichkeit des Prototyps wurde vom medizinischen Personal des Projektpartners, dem St. Joseph Krankenhaus Berlin-Tempelhof, intensiv an einem OP-Simulator getestet. Das Ergebnis ist vielversprechend: Das LiFi-Endoskop konnte bezüglich Latenz, Datenraten, Zuverlässigkeit und Ergonomie voll überzeugen. „Das Feedback des OP-Teams war durchweg positiv. Wenn unser System fertig entwickelt ist, würden die Ärzte es der kabelgebundenen Variante bevorzugen“, resümiert Paraskevopoulos abschließend. (heh)

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