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Leuchttechnik

Steuerbares Licht im OP

Im Operationssaal geht es mitunter hektisch zu. Da muss alles stimmen, auch die Beleuchtung. Neue Maßstäbe setzt eine Lichtquelle, die den Wünschen der Operateure entgegenkommt. Leuchtdioden haben erstaunliche Eigenschaften mit wachsendem Anwendungspotenzial.
Vor zehn Jahren munkelten Fachleute bereits von einer Revolution der Beleuchtungstechnik. Light Emitting Diodes, kurz LED, zählten seit ihrer Entdeckung im Jahre 1962 zu den heimlichen Favoriten unter den innovativen Lichtquellen. Durch die beharrliche Weiterentwicklung der Herstellungstechniken und das Engagement großer Technologiehersteller wie der japanischen Nichia Corporation, Siemens-Tochter Osram oder Philips, erfuhr die Leuchtdiode erhebliche Entwicklungssprünge, die immer mehr Branchen und Anwendungsfelder in ihren Bann zieht.

Im medizinischen Umfeld tauchten LED-Techniken vor vier Jahren verstärkt auf. Trumpf stellte 2005 die erste OP-Leuchte auf LED-Basis vor und kreierte mit „iLED” eine Produktmarke, die vom Trumpf-Standort Puchheim bei München aus ihren Weg in die Krankenhäuser machte. Während neuartige Leuchttechniken auch Kontroversen auslösen – im Fall der LED-Technik geht es um Entsorgungsfragen und Strahlungsgefahren – beweisen LED-Leuchten im Operationssaal, dass Sicherheit kein Risiko sein muss. Im Gegenteil, die guten Lichtspezifikationen und die flexible Handhabung für jeden Einsatzfall bescheren den LED-basierten Leuchtsystemen wachsenden Zuspruch in der Ärzteschaft.

Leuchtende Mikrochips
Ärzte benötigen bei der Arbeit schattenfreies Licht und scharfen Kontrast. Vier Eigenschaften zählen deshalb bei OP-Leuchten zu den Gradmessern für die passende Lichtquelle: eine hohe Lichtausbeute, einstellbare Farbtemperaturen, wenig Verlustwärme und eine lange Lebensdauer. Auf allen Themenfeldern setzen die lichtemittierenden Leuchtdioden neue Maßstäbe. Eine LED-Lampe besteht im Wesentlichen aus einem Halbleiterkristall, in dem nach Anlegen einer Gleichspannung von einigen Volt eine Rekombination von Ladungsträgern unterschiedlicher Polarität stattfindet. Als Folge davon wird neben einer moderaten Erwärmung des Festkörpers Energie in Form von Strahlung frei.

Da die LED eine Lumineszenzstrahlung emittiert, entsteht beim Aufleuchten praktisch keine Abwärme. Einzig beim lichtemittierenden Halbleiterchip steigt die Arbeitstemperatur, so dass eine Kühlung die Elektronik vor dem Ausfall schützen muss. Das kalte und infrarotfreie Licht schätzen Operateure nicht nur wegen der angenehmeren Arbeitsbedingungen, auch Patienten profitieren davon. Das am Operationsort gebündelte Licht führt bei lang anhaltenden Eingriffen zu keiner Organaustrocknung.

Der Produktmanager bei Trumpf, Werner Eisele, nennt zudem die wählbare Farbtemperatur zu den großen Pluspunkten der LED: „Durch die Kombination farbiger LEDs und unterschiedlich starker relativer Dimmung zueinander lässt sich die Farbtemperatur des gemischten Lichtes über einen breiten Bereich hinweg verändern”, sagt Eisele.

Die Lichtintensität der OP-Leuchte lässt sich an einem Tastenfeld stufenweise einstellen. Blaue LEDs erzeugen durch Hinzugabe einer Konversionsschicht, ähnlich dem Prinzip der Leuchtstofflampe, ein weißes Farbspektrum. Weitere Varianten entstehen durch Zumischen von Rot-Anteilen, das dann ein warmweißes Licht ergibt, oder von blauen Anteilen, das zu einem kälteren Tageslicht führt. Dies kommt dem subjektiven Farbempfinden zugute. Außerdem sind die Reflektionseigenschaften vieler Gewebearten höchst unterschiedlich. Eine kontrastreiche Darstellung des Operationsfeldes hängt dadurch indirekt von der spektralen Zusammensetzung des beleuchtenden Lichtes ab.

Robert Pfarrwaller, neuer Generaldirektor von Philips Austria und demnächst Leiter der gesamten Licht-Aktivitäten von Philips in Österreich, ist davon überzeugt, dass Leuchtdioden, schon wegen ihrer ökonomischen und ökologischen Vorteile, „zu den effizientesten Lichtquellen überhaupt gehören.” So verbrauchen Leuchtdioden deutlich weniger Energie als Glühbirnen. Das liegt an ihrem Funktionsprinzip. Während bei einer Glühlampe nur fünf Prozent der thermisch erzeugten Strahlung in sichtbares Licht umgesetzt werden und 95 Prozent als Wärme verloren gehen, wandelt die aus einem Festkörper bestehende Leuchtdiode wesentlich mehr Energie in Licht um. Experten haben errechnet, dass bei einem Komplettaustausch sämtlicher Glühlampen gegen Leuchtdioden ein Energieeinsparpotenzial entstünde, das 12,5 Millionen Tonnen Steinkohle oder 68 Milliarden Autobatterien pro Jahr entspricht.

Steigende Leuchtkraft dank Elektronik
Das Geheimnis größerer Lichtströme für Beleuchtungsanwendungen von Weißlicht-LEDs steckt hauptsächlich in der Aufbau- und Verbindungstechnik des lichtemittierenden Halbleiterbauelements. Entwickler der Siemens-Tochter Osram testen bereits Prototypen einer neuen LED-Familie mit einer Größe von einem Quadratmillimeter. Die weißen Leuchtdioden erreichen unter Standard-Messbedingungen eine Helligkeit von 155 Lumen bei 350 Milliampere. Die LED hat eine Effizienz von 136 Lumen pro Watt und stellt damit auch jede herkömmliche Energiesparlampe in den Schatten. Die Halbleiter eignen sich zudem für höhere Betriebsströme: Bei 1,4 Ampere können die Winzlinge bis zu 500 Lumen erzeugen, das ist etwas heller als eine 40-Watt-Glühbirne. Diese bringt aber nur eine Effizienz von etwa 15 Lumen pro Watt, das heißt, die meiste Energie geht als Wärme verloren.

Lagen die bisherigen Helligkeitswerte für LED-Leuchten bei etwa 80 Lumen pro Watt, überflügelt die jüngste Produktgeneration alle bisher zur Verfügung stehenden Lichtquellen. Den Durchbruch bei der Helligkeit der Labor-LEDs schafften die Forscher von Osram Opto Semiconductors aus Regensburg, indem sie verschiedene Techniken kombinierten. Sie verwendeten ein optimiertes Epitaxieverfahren zum Aufbringen der dünnen Licht erzeugenden Schicht auf dem Halbleitersubstrat und änderten das Design des Chips. Weiteres Optimierungspotenzial hoben sie beim Zusammenspiel des blauen Lichts, das unmittelbar aus dem Chip emittiert wird, mit dem darüberliegenden Phosphor, der gelbes Licht aussendet, was in der Mischung weißes Licht ergibt.

Ein weiterer Pluspunkt für die Trumpf-Ingenieure ist die Lebensdauer der LED-Arrays. Das aktuelle OP-Lichtsystem TruLight beispielsweise bringt es dank ausgeklügeltem Thermomanagement und integrierter Wärmeableitung auf 40 000 Betriebsstunden und mehr. Solche Zeitspannen sind mit altehrwürdigen Glühbirnen nicht zu erreichen. Der Glühfaden hält im Durchschnitt 1 500 Stunden, Leuchtstoffröhren bringen es auf etwa 8 000 Betriebsstunden. Das aber ist noch nicht alles.
Da sich die einzelnen Leuchtdioden elektronisch ansteuern lassen, kann mit dem Verfahren der Pulsweitenmodulation der gesamte Helligkeitsbereich gedimmt werden. Dabei ändern sich wichtige photometrische Größen wie die Farbtemperatur oder die Farbwiedergabeeigenschaften so gut wie nicht. Auch lässt sich je nach Abstand zum Operationsfeld und dem Abstrahlwinkel der Leuchtkörper die Helligkeit einzelner LED-Gruppen beeinflussen. Das führt zu einer homogenen Beleuchtung des Operationsbereichs, die dank ihrer Abstrahlwinkel und ihrer Position im Leuchtenkörper das meiste Licht für das OP-Feld beisteuern.

Fluoreszenz für Lupen und Mikroskope
LED-Technik macht sich nicht nur im Operationssaal breit. In der Medizintechnik wächst ebenfalls das Anwendungspotenzial. Allmählich tauchen immer häufiger LED-Komponenten im Portfolio der MedTec-Industrie auf. DCI, ein Spezialist für Dentallupen aus Kiel, hat sein Programm um eine hochwertige LED Beleuchtung erweitert. Die Weißlicht-Lupe erreicht mit 18 000 Lux bei 35 cm Arbeitsabstand ein schattenfreies Sichtfeld. Selbst nach zehn Stunden Betriebsdauer muss der Dentist nach Firmenangaben noch keine neuen Batterien einlegen. Die Lampe wiegt gerade mal 17 Gramm, ein zusätzlicher Pluspunkt gerade bei schwierigen Arbeitssituationen.

Der in Wetzlar ansässige Mikroskop­hersteller Hund rüstet normale Lichtmikroskope mit Hilfe eines Nachrüstsatzes auf Fluoreszenz-Licht um. Der Auflicht-Fluoreszenzilluminator wird einfach zwischen Stativ und Binokulartubus gesteckt und passt auf alle aufrechten Mikroskope der Marken Hund und einige Gerätetypen von Will. Der Umstieg auf die sichere Fluoreszenz-Diagnostik ist nicht allein deshalb kostengünstig, weil das bereits vorhandene Mikroskop genutzt wird. Die LEDs als Lichtquelle sorgen für einen stromsparenden Betrieb und haben zudem den Vorteil, dass weder ein eigenes Lampenhaus noch ein Vorschaltgerät, wie bei konventionellen Fluoreszenz-Illuminatoren, notwendig sind. Außerdem sorgt die Lebensdauer einer LED von etwa 50 000 Stunden für geringere Folgekosten.

Fortschritte in der LED-Herstellung und Weiterentwicklung gehen in Richtung noch größerer Lichtsausbeute, einer weiter verbesserten Ansteuerungstechnik und konstruktiven Änderungen beim thermischen Design der mikroelektronischen Bauelemente. Hersteller von elektronischen Produktionssystemen stellen sich mit speziellen Maschinentypen bereits auf einen Boom in der LED-Technik ein. Der Schweizerische Maschinenbauer Essemtec beispielsweise hat seine Dosiersysteme und Montageautomaten für die LED-Fertigung erweitert. Bei Leuchtdioden werden die Dosierautomaten zum Beispiel zur Herstellung der LED-Linse auf Boardlevel eingesetzt, aber auch zur Verkapselung oder zum Dosieren von Lotpaste und Kleber bei der Montage auf Flexboard oder PCB (Printed Circuit Board).

Der SMD-Montageautomat FLX2011 ist das flexibelste Bestückungssystem weltweit und besonders vielseitig einsetzbar. Die Maschine ist in verschiedenen Größen erhältlich als Standalone-, Inline- oder Batchsystem mit oder ohne Vakuumtisch. Zusätzlich kann sie mit einem oder zwei Dosierventilen ausgerüstet werden und ist somit ein universelles System für alle möglichen Montageaufgaben. Dazu zählen die SMD-Montage, die Bestückung von Through-Hole-Bauteilen, z.B. LED-Arrays, die Platzierung von Steckern, das Aufkleben von nackten Chips (Die Bonding) oder auch das Aufbringen von Schaltelementen (Metal Domes).
http://www.de.trumpf.com/produkte/medizintechnik.html
Lesen Sie dazu auch ein Interview mit Rudolf Marka, Leiter Entwicklung und Konstuktion bei Trumpf Medizin Systeme