Ausgabequalität von Displays erhöhen
Med-Screens: Hidden Champions auf Station
Ob im OP, am Medizingerät oder auf dem Patientenwagen: Med-Displays müssen höchsten Anforderungen an Präzision und Wiedergabequalität genügen. Wie kann die Medtech-Entwicklung die besten Display-Eigenschaften erzielen, worauf kommt es an und welche Verfahren eignen sich? Eine Handreichung.
Entwicklungen wie die Einführung der elektronischen Patientenakte (EHR), der Telemedizin oder übergreifende Megatrends wie Digitalisierung, KI, Augmented Reality (AR) und Touch-Technologien stärken die Bedeutung von Displays in der Medizintechnik. Mit dem Aufkommen von KI-gestützten Anwendungen in der Medizin werden Displays zunehmend relevanter, da sie ein zwingender Baustein sind, um KI-Analysen und -Empfehlungen zu visualisieren. Ihr Einsatz im innovationsgetriebenen Medtech-Markt wächst ständig, und zwar nicht nur in der Diagnostik, Überwachung, Therapie und Rehabilitation, sondern auch in Kommunikation und Verwaltung, bei Trainings und Simulationen. Displays leisten zudem einen wichtigen Beitrag zur Barrierefreiheit.
Displays: Basiskomponente der Medizin
Erst die aktuellen Fortschritte der Displaytechnologie ermöglichen eine höhere Genauigkeit der Diagnose und eine präzisere Versorgung von Patienten. Moderne Bildgebungstechnologien können medizinische Scans klarer und detaillierter darstellen, wie MRTs, CTs, Röntgen- und OP-Aufnahmen sowie 3D-Anzeigen und Augmented Reality (AR)-Applikationen. Die verbesserte Auflösung der Displays hilft Radiologen und anderen Klinikern, Krankheiten mit größerer Präzision frühzeitig zu erkennen und zu diagnostizieren (Bild 1), was letztendlich dem gesamten Gesundheitswesen dient.
Die wichtigste Fähigkeit medizinischer Displays ist die präzise Bildwiedergabe. Hierfür sind zwei Faktoren wesentlich: Helligkeit und Kontrast. So müssen medizinische Großmonitore aus unterschiedlichen Blickwinkeln gut lesbar sein. Bei qualitativ weniger hochwertigen Displays verschlechtert sich bei erweitertem Betrachtungswinkel der Kontrast, was bis zu einem nicht mehr lesbaren Displayinhalt führen kann.
Kontrast-Verbesserung
Um den Kontrast zu verbessern, gibt es verschiedene Methoden: Zum einen kann die Gesamtreflexion durch eine spezielle Behandlung oder Beschichtung des Deckglases reduziert, zum anderen die interne Reflexion durch Optical Bonding eliminiert werden. Bei der Behandlung des Deckglases sind ebenfalls unterschiedliche Herangehensweisen möglich: Die Antireflexions(AR)-Behandlung, die auf der Interferenz der verschiedenen Schichten basiert, sowie die Anti-Blend(AG = Anti-Glare)-Behandlung, die auf mechanischer Entspiegelung oder Ätzung und somit auf Veränderung der diffusen Reflexion basiert.
Antireflektions-Beschichtung durch Aufdampfung: Die einfachste AR-Beschichtung besteht aus transparentem Material mit einer einzelnen Viertelwellenschicht und einem resultierenden Brechungsindex, welcher der Quadratwurzel des Brechungsindexes des Glassubstrats entspricht. Das Material, das diesem Wert am nächsten kommt, ist Magnesiumfluorid MgF2 mit einem Index von 1,38. Dieses wird durch ein chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD) aufgedampft, bei dem das Substrat während der Abscheidung gedreht wird, um eine gleichmäßige Schichtdicke zu erreichen. Der Nachteil: Das CVD-Verfahren ist um einiges kostenintensiver als andere Verfahren.
AR –Flüssigbeschichtung: Um Flüssigkeit auf ein Deckglas aufzubringen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die ideale Methode wird durch die physikalischen Eigenschaften des aufzutragenden Beschichtungsmaterials und die Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke bestimmt. Allgemein kann es sich dabei um Sprüh-, Tauch-, Schleuder-, Walz- oder Fließbeschichtungsverfahren handeln und um einen vergleichsweise kostengünstigen Weg, ein gutes Reflexionsverhältnis zu erreichen. Tauch- oder Fließbeschichtungsmethoden haben sich bewährt, um eine gleichmäßige Schichtdicke zu ergeben. Das Beschichtungsmaterial muss transparent sein und einen Brechungsindex von <1,30 aufweisen, um die Reflexion der Einzelschichtinterferenzen (SLI) bei Ein- und Austritt der Lichtwellen zu verringern, die man als Prismen-Phänomen z. B. von Ölfilmen kennt (Bild 2).
AG (Anti Glare) –Beschichtungen: Auch bei der Blendschutz (AG = Anti-Glare)- Glasbehandlung gibt es verschiedene Optionen. Geätztes AG-Glas wird durch ein kontrolliertes Säureätzverfahren hergestellt, das gleichmäßige, diffuse Oberflächen erzeugt. Die Ätztiefe liegt im Bereich von 50-70µm. Das Licht, das auf die raue Oberfläche trifft, wird in verschiedene Winkel gestreut, was das Blendlicht der Anzeige in Richtung Betrachter reduziert. Der Vorteil: AG-Ätzung ist sehr schwer abzulösen, sehr abriebfest und erfüllt hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit.
Bei der AG-Beschichtung wird die Schicht auf der Glasoberfläche üblicherweise durch Sprühen mit Pistole oder Zerstäuber aufgebracht. Im Vergleich zum AG-Ätzen ist die Methode weniger aufwändig, es fallen geringere Kosten an und es können verschiedene Stärken ausgeführt werden, um unterschiedliche Glanz- bzw. Trübungsgrade zu erzielen. Dennoch sind einige Nachteile nicht von der Hand zu weisen: Unterschiedliche Glanz- oder Trübungsgrade durch Anpassung der Rauheit sind nicht möglich und die Abriebfestigkeit ist etwa dreimal geringer als beim AG-Ätzen.
Das Verfahren bei einer AG-Film-Beschichtung ist ähnlich, hat aber den Vorteil, kompatibel mit gekrümmten oder anderen frei gestalteten Oberflächen sowie kostengünstiger als Ätzen zu sein. Allerdings die Oberfläche empfindlicher, da die Schicht einen geringeren Härtegrad als die Glasoberfläche aufweist und anfällig für Kratzer ist.
Optical Bonding
Eine weitere Maßnahme für gute Lesbarkeit – insbesondere bei hellem Umgebungslicht - ist die Eliminierung interner Reflexionen durch Anpassung des Brechungsindex der verwendeten Displaykomponenten zueinander, die am besten durch optisches Bonding erreicht wird. Das für das optische Bonding verwendete Material wird zwischen den Displaykomponenten eingesetzt und kann entweder auf das Touchpanel, das Deckglas oder das LCD aufgetragen werden. Nach der Vorhärtung und in Form einer weichen, geleeartigen Schicht wird es anschließend durch Laminieren mit dem Touchpanel, dem Deckglas oder dem Display verbunden.
Im Gegensatz zum Tape-Bonding, bei dem Deckglas und Display nur am Rand mit Klebeband verklebt werden, wird beim optischen Bonding der Spalt zwischen Display und Deckglas komplett gefüllt, und somit die Luft dazwischen vollkommen verdrängt. Das Verfahren koppelt das Licht hinter dem Glas vollständig, so dass es praktisch keine Reflexion ergibt. Der optische Brechungsindex des Bonding-Materials wird dem des Deckglases und dem des Displays angeglichen. Die beiden Layer haben unterschiedliche Brechungsindizes und ohne »Füllung« würden störende interne Reflexionen entstehen, die jedoch mit sehr guten Technologien und Materialien komplett beseitigt werden können.
Stabil, langlebig, nachhaltig und resistent: Ein spezielles, proprietäres Klebematerial ist Via Bond Plus des hier als Referenz genannten Herstellers Via Optronics, das durch die Eliminierung der Reflexion ein hohes Kontrastverhältnis und außergewöhnliche Lesbarkeit erzielt. Ein weiterer positiver Effekt ist, dass die Verhinderung von Feuchtigkeit oder Partikeln zwischen den Displayschichten die Stabilität und Langlebigkeit der Displays fördert. Die Verklebung hält das Glas an Ort und Stelle und dämpft Erschütterungen, so dass sowohl Display als auch Deckglas nicht zerbrechen können. Außerdem sind dadurch ein schlankes Produktdesign und flexible Anwendungen auf biegsamen, faltbaren und gebogenen Display-Oberflächen möglich. Ein Nachhaltigkeitsaspekt ist zudem, dass die Verklebung rückgängig gemacht werden kann, um entweder das Display oder das Deckglas bzw. den Touchpanel wieder- oder weiterzuverwerten.
Im Vergleich zu anderen Materialien, wie Acrylat-Materialien bietet das Silikon-basierte Material noch weitere Vorteile: Es ist farbecht, klar und transparent, vergilbt nicht und schrumpft nicht mit der Zeit. Es benötigt keine externen Aktivierungsmittel und ist im Gegensatz zu anderen Materialien auch bei hohen Temperaturen stabil. Der Härtungsgrad kann angepasst werden und die Verarbeitung ist umweltfreundlich und nicht toxisch.
Ein wichtiger Aspekt ist auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Reinigungschemikalien, die medizinischen Gerätschaften aseptische sauber halten. Das optische Bonding-Verfahren von Via optronics ermöglicht den Einsatz unterschiedlicher Deckgläser mit unterschiedlichen Beschichtungen, so auch hydrophober Anti-Schmutz-Nanobeschichtungen. Diese werden auf ein entspiegeltes Glas aufgebracht wird, um Fingerabdrücke zu verringern bzw. die Reinigung zu erleichtern.
Verbesserung der Helligkeit
Um die Helligkeit in LEDs zu verbessern, muss die Hintergrundbeleuchtung erhöht werden. Aktive Erweiterungen wie zusätzliche Lichtquellen haben jedoch den Nachteil, dass sie die Eigenschaften des Displays drastisch verändern. Die zusätzliche Wärme reduziert ggf. die Zuverlässigkeit und Leistung des Systems. Daher ist eine passive Verbesserung der Helligkeit zu bevorzugen, dies schont auch Stromverbrauch und Umwelt. Es sind verschiedene Verfahren denkbar, wie etwa die Optimierung des optischen Systems (Stacks) eines Bildschirms hinter dem LCD-Glas, um ein Maximum des erzeugten Lichts (CCFL oder LED) auf die Vorderseite des Bildschirms zu bringen, ohne dabei neue, stromfressende Lichtquellen hinzuzufügen. Das Licht wird durch einen Reflexionspolarisator so umgeleitet, dass der größte Teil des Lichts das LCD-Glas passieren kann, ohne absorbiert oder reflektiert zu werden.
Alternativ kann der LCD-Modus von transmissiv zu transflektiv modifiziert werden. Dazu gehört die Optimierung des Hintergrundbeleuchtungssystems und die Nutzung externen Lichts zur Unterstützung der LCD-Helligkeit. Transmissive LCD-Displays benötigen eine Hintergrundbeleuchtung, um sichtbar zu sein. Das Licht durchdringt die Anzeige und beleuchtet die Pixel. Es funktioniert am besten bei schlechten Lichtverhältnissen, da die Hintergrundbeleuchtung kontinuierlich eingeschaltet ist. Transflektive LCD-Displays kombinieren die Vorteile von transmissiven und reflektiven Displays. Sie verfügen über einen transflektiven Film, der sowohl das Umgebungslicht reflektiert als auch das Licht der Hintergrundbeleuchtung durchlässt. Bei hellem Umgebungslicht kann die Hintergrundbeleuchtung ausgeschaltet werden, um Strom zu sparen. Umgekehrt kann bei schwachem Umgebungslicht die Hintergrundbeleuchtung eingeschaltet werden.
Aufgrund der transflektiven Modifikation ist das Display bei verschiedenen Lichtverhältnissen gut lesbar und der Stromverbrauch wird gesamtheitlich reduziert. Mithilfe eines Reflexionspolarisators – ähnlich wie man es von Lasern kennt – wird das verfügbare Licht gesammelt und fokussiert; von nicht kollimiertem, d. h. divergierendem Licht, zu kollimiertem, gebündeltem Licht konvertiert und die Helligkeit damit erhöht. Mikroprismen im Inneren des Lichtleiters und vom reflektierenden Polarisator zurückkehrendes Licht optimieren die Helligkeitsabgabe.
Reichen die passiven Maßnahmen nicht aus, können als aktive Verstärkung CCFL- oder LED-Lichtquellen zusätzlich kombiniert werden. Dies sollte behutsam geschehen, um das Gefüge nicht zu überlasten, und indem LED-Schienen oder -Lampen mit höherer Helligkeit bestehende LEDs ersetzen. Sie können dabei einen Helligkeitswert von >1000 cd/m² erreichen.
Touch-Funktionalität
Displays werden nicht mehr nur als Informationsausgabesysteme, sondern seit dem Einzug der Touch-Technologie auch als Human Machine Interface (HMI) und unverzichtbarer Bestandteil zur Bedienung und Steuerung von Anwendungen eingesetzt. Leitfähigkeit für Touch-Empfindlichkeit, um etwa im Patientenmonitoring eine schnelle Reaktion zu ermöglichen, ist also eine weitere Voraussetzung (Bild 3).
Für eine hohe Touch-Sensibilität bieten sich Metal Mesh Touch-Sensoren an, deren leitfähige Schicht aus Kupfer besteht und die in einem ultradünnen Gitter aus feinen Metalldrähten auf Folie aufgebracht werden, um ein kapazitives Feld zu erzeugen, das Eingaben über Berührung ermöglicht. Durch den geringen Oberflächenwiderstand und die signifikant höhere Leitfähigkeit erreicht das Kupfer Metal Mesh deutlich bessere technische Eigenschaften und Flexibilität im Vergleich zu anderen Touch-Sensoren (Bild 4). Es ist flexibel, langlebig und besonders energieeffizient, weshalb es sich nicht nur für großformatige Displays, sondern ebenso gut für tragbare Geräte eignet und darauf basierende Displays mit Handschuhen und Stift bedient werden können. Für Echtzeit-Verarbeitung und KI verfügt eine spezielle Touch Controller-Technologie außerdem über eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit.
Bildgebung macht Displays essenziell
Damit Displays im Medizinmarkt ihre essentielle Rolle in der Kommunikation, Diagnostik und Patientenversorgung spielen können, ist eine hochauflösende, gut lesbare und kontrastreiche Bildgebung unverzichtbar. Eine ganze Reihe ausgefeilter Technologien gibt Medizingerätehersteller vielfältige Optionen, um für die jeweilige Bildgebungsapplikation beste Les- und Sichtbarkeit zu erzielen. (uh)
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Tag der offenen Tür
Hy-Line lässt in sein neues EMV-Labor blicken
Zwei neue Display-Größen
Sony baut Angebot an 4K-2D-Mini-LED-Chirurgie-Monitoren aus
Automotive-Palette erweitert
Innolux-Tochter CarUX übernimmt Pioneer
Medtech-Material gibt Designfreiheiten
TPU-Folien für präzise und komfortable Medizin-Wearables
Ressourcen, Regulatorik, Kompatibilität
Peripherals: Die Achillesferse medizinischer Komplettsysteme
Signale von der Display Week in San José
Unerwarteter Rückenwind für die deutsche Display-Industrie
HMI im Blick des Patienten
Gekrümmte Deckgläser für schicke Medizindisplays
Trendstudie Sensorik
Smarte Sensoren für die Medizin von morgen
Neurotechnologie wird Alltagselektronik
Der Apple-Moment fürs Gehirn
Bildverarbeitung für die Medizintechnik
»Jeder Brillenträger hat wohl schon in eine IDS-Kamera geschaut«
Das aktuelle Magazin und E-Paper
Die Elektronik medical, Ausgabe 3-2025
Medtech im Gespräch | Sebastian Hilke
»Innovation nicht nur fördern, sondern zur Marktreife bringen«
