Licht im Operationssaal Wundbeleuchtung

Ihre bekannten Vorteile lassen Leuchtdioden auch für Anwendungen in der Medizintechnik geeignet erscheinen - vom Endoskop bis hin zur ultrahellen Operations-beleuchtung. Von der Umstellung sind Komponenten wie Stromversorgungen, aber auch Lichtleiter betroffen.

Am Anfang steht der Begriff des Farbwiedergabeindexes (Color Rendering Index, CRI).

Dieser dient der Charakterisierung von Leuchtquellen.

Je größer er ist, desto natürlicher werden Farben wiedergegeben und desto angenehmer werden sie empfunden.

Sonnenlicht hat einen CRI von 100 (unter bestimmten Bedingungen, siehe Kasten »Farbtreues Licht?«).

Farbtreues Licht?
Beim Farbwiedergabeindex handelt es sich um einen Metamerieindex. Das bedeutet in der Optik, dass verschieden zusammengesetzte Lichtspektren beim Menschen den gleichen Farbeindruck hervorrufen können. Die unterschiedlichen Farbreize mit gleichem Farbeindruck heißen metamere oder bedingt gleiche Farben. Als Referenz zur Beurteilung der Wiedergabequalität dient bis zu einer Farbtemperatur von 5000 K das Licht, das von einem schwarzen Strahler der entsprechenden Farbtemperatur abgegeben wird, darüber referenziert man gegenüber einer tageslichtähnlichen Spektralverteilung. Beispielsweise dient für die Berechnung der Farbwiedergabe einer Haushaltsglühlampe (die in guter Näherung ein planckscher Strahler ist) das Spektrum eines schwarzen Strahlers mit einer Temperatur von 2700 K als Referenz, für eine Leuchtstofflampe mit der Lichtfarbe 865 (8 für einen Farbwiedergabeindex von mehr als 80, 65 für eine Farbtemperatur von 6500 K) dagegen das Tageslichtspektrum der Normlichtart D65 (nach CIE). Der Farbwiedergabeindex ist nicht von einer bestimmten Farbtemperatur abhängig. Jede Lichtquelle, die das Spektrum eines schwarzen Strahlers gleicher (korrelierter) Farbtemperatur im Bereich der sichtbaren Wellenlängen perfekt nachbildet, erreicht einen Farbwiedergabeindex von 100.  Spektralanteile außerhalb des sichtbaren Bereiches bleiben unbeachtet, da sie visuell nicht wahrnehmbar sind. Theoretisch ist es auch möglich, eine Lichtquelle zu synthetisieren (beispielsweise aus fünf verschiedenfarbigen Leuchtdioden, deren Spektralverlauf völlig von dem eines Schwarzen Strahlers abweicht, aber trotzdem einen Farbwiedergabindex von 100 erreicht). Der CRI-Wert ist also durchaus mit Vorsicht zu genießen - für sich genommen hat er nur bedingte Aussagekraft.
(Quellen: Brockhaus, Wikipedia)

Die heute in der Medizintechnik häufig eingesetzten Halogen-, Xenon- oder Metall-Halid-Lampen mit CRI-Werten in einem Bereich zwischen 80 und 98 kommen dem recht nahe (Bild 1).

Wenn Messungen elektronisch aufgezeichnet werden, muss die Emissionscharakteristik der Lichtquelle auf die Empfängerempfindlichkeit angepasst werden, diese unterscheidet sich im Allgemeinen von der farbabhängigen Empfindlichkeit des Auges.

Jeder Lampentyp besitzt auch Eigenschaften, die sich negativ auswirken können: Die mit einer Lichtausbeute von 80 lm/W bis 90 lm/W ziemlich effizienten Metall-Halid-Lampen beispielsweise haben eine Lebenserwartung von nur 200 bis 1000 Betriebsstunden und benötigen relativ aufwändige Stromversorgungen. Ähnliches gilt für Xenon-Lampen, die mit 20 lm/W bis 30 lm/W deutlich weniger effizient sind.

Beide weisen eine Farbtemperatur von typischerweise 6000 K auf. Halogenlampen strahlen das von der heißen Wolfram-Wendel emittierte Licht ab. Wolfram kann eine der höchsten Festkörpertemperaturen erreichen, bevor es schmilzt (Schmelztemperatur = +3422 °C). Die Farbtemperatur dieses Lampentyps liegt charakteristischerweise bei etwa 3200 K.

Gegenüber dem emittierten weißen Licht einer Gasentladungslampe (Xenon oder Metall-Halid) ist die Wahrnehmung des Halogenlichts daher eher gelblich. Ähnlich wie Xenon-Lampen erreichen Halogenlampen Effizienzwerte um 20 lm/W bis 30 lm/W, benötigen jedoch weniger aufwändige Stromversorgungen. Die Lampenlebensdauern liegen typisch zwischen 50 und 2000 Betriebsstunden, abhängig vom Typ und der Spannung.

Je nach Anwendung müssen also entsprechend viele Ersatzlampen auf Lager gehalten werden und natürlich müssen die Geräte so konstruiert sein, dass ein Austausch möglichst einfach ist und vor allem nicht allzu lange dauert.

Siegeszug der Leuchtdiode

Vor diesem Hintergrund wundert es nicht, dass sich heute Leucht-dioden (LEDs) zunehmender Beliebtheit erfreuen. Die Intensität einer LED ist unter anderem abhängig von der Stromstärke. Dadurch lassen sie sich einfach ansteuern und auch dimmen. Weißes Licht kann durch Farbmischung erzeugt werden, etwa durch Kombination roter, grüner und blauer LEDs.

Besonders effizient sind weiße LEDs, bei denen ein eigentlich blau emittierender Chip mit Phosphoren beschichtet ist (Bild 2). Sie erreichen eine Effizienz um 100 lm/W bei einem CRI zwischen 70 und 95 und einer Farbtemperatur von circa 5500 K. Wegen der verhältnismäßig starken LED-Emission im blauen Spektralbereich benötigen kamerabasierte Abbildungssysteme (beispielsweise in der Endoskopie) nicht so hohe Signalverstärkungen wie es mit Halogen- oder Xenonlicht der Fall wäre.

In der Folge ergibt sich für schwach ausgeleuchtete Bildabschnitte ein deutlich reduziertes Bildrauschen. Ein weiterer Vorteil ist die Stabilität der Farbtemperatur in Abhängigkeit vom LED-Strom, sodass sich weiße LEDs für Anwendungen eignen, die Tageslichtqualität verlangen. Dass LEDs keine Hochspannung benötigen, kommt den Anforderungen der Medizintechnik entgegen, da keine aufwändigen Schutzmaßnahmen erforderlich sind.

Die Leuchtdiode schaltet außerdem sehr schnell vom leuchtenden in den nicht leuchtenden Zustand. Der Lichtstrahl lässt sich bei Bedarf bis in den MHz-Bereich takten. Als Festkörper sind LEDs zudem stoß- und vibrationsunempfindlich und erreichen eine Lebensdauer von typischerweise 30 000 bis 50 000 Betriebsstunden, also weit mehr als sich mit konventioneller Glühlampentechnik erreichen lässt.

In den meisten Anwendungen ist es während der Gerätebetriebszeit überhaupt nicht nötig, die Leuchtdioden auszutauschen, was die Konstruktion des LED-Moduls und damit jene des Endproduktes deutlich vereinfachen kann. Um die hohe Lebenserwartung zu erreichen, ist jedoch eine effiziente Kühlung vonnöten. LEDs emittieren zwar im Gegensatz zu Glühlampen keine beziehungsweise kaum Wärmestrahlung, trotzdem aber Wärme.

Die Verlustwärme muss zwingend durch Wärmeleitung an die Umgebung abgegeben werden, wohingegen konventionelle Leuchtmittel im Allgemeinen durchaus hohe Betriebstemperaturen haben dürfen.

Dass LEDs jedoch »kalte« Lichtquellen sind, hat den Vorteil, dass die Optik nahe am Emitter positioniert werden kann - bei konventioneller Glühlampentechnik ein Unding. Dort sammelt die Optik höchstens 20% bis 40% des erzeugten Lichts. Anders sieht das bei LEDs aus (Bild 3).

Optische Kunststofflinsen (TRI-Linsen), bei denen der weitwinkelige Anteil der LED-Emission an der Außenfläche total reflektiert wird, sammeln das Licht direkt am Emitter und konzentrieren es auf eine Targetebene, sodass es beispielsweise direkt über Faseroptiken weitergeleitet werden kann.

Dadurch lassen sich bis zu 85% des erzeugten Lichtes nutzen. Für medizintechnische Geräte, die auf eine leistungsfähige Beleuchtung angewiesen sind, bieten sich LEDs auch deshalb als Alternative zu konventioneller Lampentechnik an. Für eine effiziente Lichtübertragung sorgen schließlich faseroptische Sys-teme (Bild 4).

Volpi verwendet je nach Applikation Glas-, Quarz- oder Kunststoffmaterialien. Die Fasern sind hochflexibel, elektrisch und thermisch isolierend und eignen sich für Anwendungen in der Endoskopie, der Patienten-überwachung oder für die fotodynamische Therapie im Körperinneren.

Der Hersteller hat sich darauf spezialisiert, in enger Zusammenarbeit mit den Anwendern »maßgeschneiderte« Beleuchtungslösungen zu erarbeiten - für die biomedizinische Sensorik und das Patientenmonitoring ebenso wie für Ophthalmologie, HNO-Heilkunde, die fotodynamische Therapie oder die invasive und minimalinvasive Chirurgie.

Weitere Einsatzbereiche finden sich in der Molekulardiagnostik beziehungsweise bei der In-vitro-Diagnostik, der Lumineszenz-Detektion, der Spektroskopie, in der Laborautomatisierung oder beim Monitoring medizinischer Parameter.