Das Jahr 2020 markiert nicht nur den 60. Jahrestag der Geburtsstunde der Lasertechnologie, sondern auch den Jahrestag ihrer ersten Anwendung in der Medizin.
Am 16. Mai 1960 konstruierte Theodore H. Maiman den ersten Laser. Er verwendete dafür einen synthetischen Rubinzylinder mit 1 cm Durchmesser und 2 cm Länge, dessen Enden mit Silber beschichtet waren, um sie reflektierend zu machen und als Fabry-Perot-Resonator zu fungieren. Als Pumpquelle dienten ihm Blitzlampen. 1962 experimentierte der Dermatologe Leon Goldman mit einer Variante des Maiman-Rubinlasers zur Entfernung unerwünschter Tätowierungen. Tatsächlich kann man sagen, dass die Erfindungen und Entdeckungen von Maiman und Goldman zu einer der populärsten Anwendungen medizinischer Laser im Jahr 2020 beigetragen haben: der Entfernung unerwünschter Tätowierungen (Abbildung 02).
Auch wenn die Entfernung von Tätowierungen zunächst anekdotisch erscheinen mag, haben medizinische Laser von dieser frühen Anwendung an ihren Weg in eine Vielzahl medizinischer Bereiche gefunden, und ohne sie alle aufzuzählen, gibt es viele Beispiele für Laserbehandlungen in der Augenheilkunde, Onkologie und anderen Bereichen der Chirurgie, von denen wir alle profitiert oder von denen wir gehört haben.
Wenn eine Stromversorgung die Lichtemission ermöglicht:
Laser, die für gezielte Behandlungen eingesetzt werden – also Licht im Bereich von 193 Nanometern (ArF-Excimerlaser) bis 10.600 Nanometern (CO₂-Laser) (Abbildung 3) und Pulse von 5 Nanosekunden bis 1 Millisekunde erzeugen –, haben eines gemeinsam: eine Stromversorgung.
Medizinische Laser benötigen neben der Versorgung eingebetteter Computer und anderer elektronischer Geräte hochspezifische Stromversorgungssysteme, die hohe Spitzenenergie (Spannung oder Strom) sicher und zuverlässig liefern können.
Je nach Anwendung benötigt jeder Lasertyp eine andere Stromversorgung, von einem Stromgenerator für einen Dauerstrich-Diodenlaser bis hin zu komplexen Stromversorgungslösungen für Gaslaser oder Lampenpumpen mit Blitzlampen als Lichtquelle.
Es gäbe vermutlich so viele Netzteile wie Lasertypen in der Medizin. Als Netzteilhersteller beschränken wir uns jedoch auf zwei Typen:
Konstantstromnetzteile für LED-Laser
und Hochspannungsnetzteile für Blitzlampen und Entladungsröhren.
Aufgrund ihrer begrenzten Leistung waren Diodenlaser in der Medizintechnik zunächst wenig verbreitet. Mit der Entwicklung einer breiten Palette von Dioden, die Wellenlängen von 405 bis 2200 Nanometern erzeugen, gewinnen sie jedoch in der photodynamischen Therapie, wo die Wellenlänge entscheidend ist, zunehmend an Bedeutung.
Wie bei anderen LED-Anwendungen (z. B. Beleuchtung) wird das Netzteil oft als LED-Treiber bezeichnet. LED-Lasertreiber, die sowohl in der neuen Generation von Festkörperlasern als auch im Lasergenerator selbst eingesetzt werden, erfordern besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich Stromstabilität und Kompensation der zugeführten Leistung in Abhängigkeit von der LED-Temperatur. Moderne Stromgeneratoren für LED-Laser basieren auf digitaler Technologie mit einer Ein-/Ausgangsschnittstelle (I/O), die die Überwachung und Steuerung der Stromquelle zur Erfüllung der Anwendungsanforderungen ermöglicht. Mithilfe von Vorhersagealgorithmen lässt sich die Leistungsstufe so programmieren, dass sie sicher arbeitet und die benötigte Energie mit einem einzigen Puls liefert.
Ein LED-Laser kann mit einer LED-Anordnung, wie sie in LED-Lampen verwendet wird, im Leistungsbereich von wenigen Milliwatt bis über 100 Watt betrieben werden. Dank der Entwicklung von Superkondensatoren nutzen LED-Treiber für Laser diese häufig zur Energiespeicherung. In solchen Fällen verfügt das Netzteil über eine spezielle Schaltung, die die im Superkondensator gespeicherte Energie steuert, um die an die Last abgegebene Energie Zyklus für Zyklus zu optimieren.
Aus Sicht eines Netzteilentwicklers ähneln LED-Laser- und Leistungsanwendungen stark denen konventioneller Stromgeneratoren. Dies ist jedoch nicht der Fall bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen für Gaslaser oder Lampenpumpen mit Entladungsröhre.
Stromversorgung von Hochenergie-Gas- und Festkörperlasern:
Hochenergie-Gas- und Festkörperlaser verwenden Blitzlampen oder Entladungsröhren, die hohe Spannungen benötigen, um die für den Pumpvorgang erforderlichen Energieniveaus zu erzeugen. In dieser Anwendung erfordert die Entwicklung von Stromversorgungen spezifisches Fachwissen im Bereich Hochspannungsschaltung und Energiespeicherung.
Lampengepumpte Festkörperlaser und Gaslaser-Stromversorgungen weisen komplexe Spezifikationen auf und benötigen zwei Komponenten: ein Netzteil, das die Netzspannung in die für das emittierende Element benötigte Hochspannung umwandelt, und einen Hochspannungskondensator zur Energiespeicherung. Die Spannung hängt vom für den Pumpvorgang erforderlichen Energieniveau ab, liegt aber in herkömmlichen medizinischen Anwendungen typischerweise zwischen 600 und 3000 V DC.
Ähnlich wie bei einem Kamerablitz lädt das Netzteil einen Kondensator auf, der die Energie dann an die Blitzlampe abgibt. Während wir bei unserer Kamera eine kurze Verzögerung beim Laden des Kondensators akzeptieren können, muss die Energie bei einem medizinischen Laser verzögerungsfrei verfügbar sein, was einen Kondensator zur Speicherung großer Energiemengen erfordert.
Für Entwickler von Stromversorgungen, die mit Hochleistungsübertragungstopologien nicht vertraut sind, kann die Abschätzung der Energiefeldgröße und der bevorzugten Regelungsmethode zur Optimierung der Leistungsstufe eine Herausforderung darstellen.
Die für lampengepumpte Festkörperlaser oder gepulste Hochleistungs-Excimerlaser benötigte Ausgangsleistung wird typischerweise in Joule pro Sekunde angegeben und ist eine Funktion der Ladezeit, der Wiederholrate, der Ausgangsspannung und der Bauteileigenschaften. Während eines Lade-Entlade-Zyklus ist die Spannungsänderungsrate nicht konstant, was sich deutlich von herkömmlichen Anwendungen unterscheidet, bei denen Spitzenstrom und Laderate üblicherweise genau definiert sind. Die Entwicklung solcher Stromversorgungen erfordert eine enge Zusammenarbeit mit dem Gerätehersteller, um die Stromversorgungslösung unter realen Bedingungen zu testen.
Es ist üblich, dass Hersteller von Medizinlasern die Stromversorgungslösung in zwei Teile unterteilen: das Netzteil selbst (Abbildung 4) und den Hochspannungskondensator, der aus Sicherheitsgründen in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht sein kann.
Technologisch gesehen nutzen moderne Stromversorgungen digitale Regelungstechniken, die nicht nur die Effizienz verbessern, sondern im Fall von Medizinlasern auch die Zuverlässigkeit der Geräte erhöhen. Dies liegt daran, dass ihr Funktionsprinzip auf gepulster Energie basiert, die bekanntermaßen elektronische Bauteile stark beansprucht. Wie bereits im Abschnitt über LED-Laser-Leistungslösungen erläutert, bietet die digitale Steuerung erhebliche Vorteile im Hinblick auf das Energiemanagement. Die Leistungseinheit lässt sich bitgenau steuern und alle Parameter zyklusweise anpassen. Beispielsweise kann der Chirurg während einer Operation zur Tumorablation mehr Leistung oder längere Pulse anfordern. Die vom Bordcomputer gesteuerte Stromversorgung kann zwischen den Pulsen programmiert werden, um die Ladespannung und/oder die vom emittierenden Element benötigte Energie zu ändern.
Was sollten Entwickler von Stromversorgungen sonst noch beachten?
Sicherheit – Der Umgang mit Hochspannungen und großen Energiemengen erfordert zweifellos höchste Sicherheitsvorkehrungen. Stromversorgungen, die üblicherweise in Endgeräte integriert sind, müssen selbstverständlich den allgemeinen Sicherheits- und Umweltvorschriften entsprechen. Während des Entwicklungsprozesses müssen Entwickler jedoch allen Risiken, die mit den inhärenten Gefahren von Hochspannung verbunden sind, besondere Aufmerksamkeit widmen.
Risiko – Bei Stromversorgungen, die in Endgeräte und nicht in medizinische Geräte selbst integriert sind, fordern einige Kunden eine umfassende Risikoanalyse, beispielsweise nach ISO 14971, die von Anfang an berücksichtigt werden muss. Elektromagnetische
Störungen (EMI) – Leistungsspitzen beim Schalten erzeugen elektromagnetische Emissionen und Netzstörungen, die andere medizinische Geräte beeinträchtigen können. Filterung und Leistungsfaktorkorrektur erfordern daher in der Entwicklungsphase besondere Aufmerksamkeit, nicht nur um die Normen und Vorschriften zum Zeitpunkt der Zertifizierung zu erfüllen, sondern auch um die Alterung von Filterkomponenten wie Elektrolytkondensatoren über die gesamte Lebensdauer des Geräts zu berücksichtigen.
Geräusche und Wärme – Zusätzlich zu den lokalen Vorschriften fordern Krankenhäuser, medizinische Einrichtungen und paramedizinische Institutionen, dass elektronische Geräte geräuschlos arbeiten. Da Lasergeräte mehrere Kühlkörper enthalten, ist eine Zwangskühlung oft notwendig. Um eine effektive Kühlung bei minimaler Geräuschentwicklung zu erreichen, setzen Hersteller große, langsam laufende Lüfter ein. Aus Sicherheitsgründen sind Kondensatorbatterien und Netzteile in abgedichteten Gehäusen untergebracht, wodurch die Kühlung auf die Wärmeleitung durch das Gehäuse beschränkt wird. Dies ist ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Netzteilen für medizinische Laser.
Wie können neue Energietechnologien medizinische Laser verbessern?
Lange Zeit spielte die Größe von Netzteilen für medizinische Laser keine große Rolle, doch das ändert sich. Hersteller medizinischer Laser entwickeln eine neue Generation tragbarer Laser für die häusliche Pflege und um die Mobilität medizinischer Leistungen zu erhöhen. Die Forschung an leistungsstärkeren Lasern, darunter LED-Laser mit kombinierten Wellenlängen, macht gute Fortschritte. Die Bedienung erfolgt bequem über ein Tablet (eingebaute Bildschirme gehören der Vergangenheit an), allerdings muss das Gewicht einiger Geräte deutlich reduziert werden, um die Tragbarkeit zu gewährleisten.
Im Fall von LED-Lasern bieten nanotechnologiebasierte Superkondensatoren beeindruckende Speicherkapazitäten für große Energiemengen. Durch den Einsatz von Breitband-Halbleitern wie Galliumnitrid oder Siliziumkarbid könnte die Größe des Netzteils um den Faktor drei reduziert werden. Das ist vielversprechend, und ich bin überzeugt, dass medizinische LED-Laser von den neuesten Technologien und Innovationen in der Netzteilbranche profitieren werden. Abbildung 03: Wellenlängen und Beispiele für Laseranwendungen in der Medizin.
Abbildung 04: PRBX-Netzteil mit hohen Lastspitzen für den Einsatz in medizinischen Lasern
Über Powerbox: Powerbox
wurde 1974 gegründet, hat seinen Hauptsitz in Schweden und ist in 15 Ländern auf vier Kontinenten tätig. Das Unternehmen bedient Kunden weltweit. Powerbox konzentriert sich auf vier Kernmärkte – Industrie, Medizin, Transport/Bahn und Verteidigung – für die es hochwertige Stromwandlungssysteme für anspruchsvolle Anwendungen entwickelt und vermarktet. Powerbox hat es sich zur Aufgabe gemacht, seine Expertise zu nutzen, um die Wettbewerbsfähigkeit seiner Kunden durch die Erfüllung all ihrer Energieanforderungen zu steigern. Jeder Aspekt der Geschäftstätigkeit ist auf dieses Ziel ausgerichtet – von der Entwicklung fortschrittlicher Komponenten für die Produkte bis hin zum erstklassigen Kundenservice. Powerbox ist bekannt für seine technischen Innovationen zur Reduzierung des Energieverbrauchs und seine Fähigkeit, den gesamten Produktlebenszyklus unter Minimierung der Umweltbelastung zu managen. Powerbox ist ein Unternehmen der Cosel-Gruppe.
Über den Autor:
Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor bei Powerbox, ist ein hochqualifizierter und erfahrener Ingenieur mit 35 Jahren Berufserfahrung in der Leistungselektronik. Er gilt als Pionier in der Kommerzialisierung neuer Technologien wie digitaler Energie und technischer Initiativen zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Le Fèvre hat zahlreiche Fachartikel und Beiträge verfasst und auf den weltweit führenden internationalen Konferenzen für Leistungselektronik präsentiert. Diese wurden über 250 Mal in Medien weltweit veröffentlicht. Darüber hinaus engagiert er sich in verschiedenen Umweltforen und teilt dort sein Fachwissen im Bereich sauberer Energie.
Patrick Le Fèvre,
Direktor für Marketing und Kommunikation bei Powerbox
