Ohne herumliegende Kabel laufen Operationen effizienter ab, lassen sich medizinische Geräte einfacher reinigen und desinfizieren. Allerdings erfüllen die heute üblichen Funksysteme noch nicht die medizintechnischen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Sicherheit und Latenz. »Anstelle von Funkwellen verwenden wir für die Drahtloskommunikation LED-Licht, das moduliert wird. Aufgrund der lokal begrenzten Lichtausbreitung ist die Datenübertragung mit Licht, die auch als LiFi-Technologie bezeichnet wird (LiFi, kurz für Light Fidelity), für die Medizintechnik ideal. Die Anforderungen nach hohen Datenraten über kurze Distanz können schon heute erfüllt werden«, sagt Dr. Anagnostis Paraskevopoulos, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI. Im Projekt OWIMED (Optische Drahtloskommunikation für bildgebende medizinische Geräte, siehe unten) untersu-chen die Forschenden Ansätze, wie die LiFi-Technologie im OP-Bereich ermöglicht werden kann. Hierfür entwickeln sie in enger Zusammenarbeit mit der IT Concepts GmbH und dem St. Joseph Krankenhaus Berlin-Tempelhof ein drahtloses Endoskop, das für Bauchspiegelungen (Laparoskopien) genutzt werden kann. Sie integrieren die LiFi-Technik in OP-Leuchten und nutzen deren optimale Sichtverbindung, um die Daten des Endoskops zu empfangen und an den Monitor weiterzuleiten, wo die Bilder aus dem Bauchinnenraum in 4K-Bildqualität dargestellt werden.
Abhilfe beim Kabelgewirr
Kommerziell erhältliche Endoskopiesysteme benötigen zwei Kabelverbindungen, eine für die Lichtdurchführung (einen optischen Wellenleiter) und eine weitere für die Energieversorgung und die Datenverbindung, damit die Kameraaufnahmen bzw. der Videostream auf dem Monitor angezeigt werden können. Diese Kabelverbindungen sind nicht hygienisch. Sie müssen durch eine Hülle isoliert werden und liegen auf dem Patienten oder auf dem Boden. Somit stören sie erheblich den OP-Verlauf. »Dieses Problem umgehen wir mit unserem drahtlosen Endoskop. Wir integrieren die optische Lichtquelle in Form einer LED direkt in das Endoskop, das über einen Akku betrieben wird. Zudem integrieren wir ein akkubetriebenes LiFi-Modul am Endoskop, über das die Daten optisch an die OP-Umgebung und den Monitor übertragen werden. Dazu benötigen wir wenige zusätzliche LiFi-Module an der OP-Leuchte oberhalb des OP-Tisches«, erläutert der Projektleiter. Ein Modulator schaltet die LED mit einer für das menschliche Auge nicht wahrnehmbaren Geschwindigkeit schnell ein und aus. Eine Fotodiode erfasst diese Lichtimpulse und wandelt sie in elektrische Signale um. Die optische Drahtlosverbindung ist bidirektional, wodurch auch vom Monitor aus die Kameraeinstellungen des Endoskops verändert werden können.
Um eine homogene halbkugelförmige Ausstrahlung im Radius von 180 Grad und somit eine robuste und schnelle Datenverbindung herzustellen, wurden die LiFi-Module kompakt gestaltet. Der integrierte Kamerachip mit Mikroprozessor gewährleistet eine latenzarme Datenkompression und ermöglicht die Datenweiterleitung bei geringem Energieverbrauch.
Das OP-Team des St. Joseph Krankenhauses Berlin-Tempelhof spielte im Gesamtverlauf des Projekts eine wesentliche Rolle, indem es die technologische Entwicklung fortwährend beratend begleitete. Abschließend testete das Ärzteteam den Prototyp des drahtlosen Endoskops und die dazugehörige LiFi-Infrastruktur in einer reellen OP-Umgebung mithilfe eines OP-Simulators in Form einer Simulationspuppe. »Mit den Tests konnten wir demonstrieren, dass unsere LiFi-Lösung in Bezug auf Latenz, also die Zeitverzögerung der Daten, Zuverlässigkeit, Datenraten, Lichtqualität und Ergonomie sehr gut funktioniert. Das Feedback des OP-Teams war durchweg positiv. Wenn unser System fertig entwickelt ist, würden die Ärzte es gegenüber der kabelgebundenen Variante bevorzugen«, so Paraskevopoulos.
Projekt OWIMED
Optische Drahtloskommunikation für bildgebende medizinische Geräte
Laufzeit:
02/2023 – 04/2026
Fördergeldgeber:
Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt im Rahmen von KMU-innovativ
Projektpartner:
• Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI, Berlin (Spezialist für die LiFi-Technologie, Koordinator)
• IT Concepts GmbH, Lahnau/Wetzlar (Endoskopentwicklung, liefern die Expertise bei der Bildgebung)
• St. Joseph Krankenhaus Berlin-Tempelhof GmbH, Berlin
Fraunhofer-Gesellschaft
