Stromversorgung
Netzteile für medizinische Laseranwendungen
Hier steht nicht nur die Applikation unter Strom
Als Max Planck 1900 den Zusammenhang zwischen Energie und der Frequenz von Strahlung ableitete, markierte seine Theorie einen Wendepunkt in der Physik. Doch kaum jemand hätte damals voraussagen können, welche Auswirkungen das Plancksche Strahlungsgesetz auf die Medizin haben würde. Auf Plancks Entdeckung folgten 60 Jahre mit zahlreichen Publikationen, Erfindungen und Innovationen, bis die beiden Bell-Labs-Forscher Charles Townes und Arthur Schawlow am 22. März 1960 das US-Patent mit der Nummer 2.929.922 für ihren optischen Maser erhielten – heute als LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) bekannt.
2020 feiert nicht nur die Laser-Technologie ihr 60-jähriges Jubiläum, sondern im Grunde auch die erste medizinische Laser-Anwendung. Am 16. Mai 1960 konstruierte Theodore H. Maiman den ersten Laser. Er verwendete hierzu einen Zylinder aus synthetischem Rubin mit einem Durchmesser von 1 cm und einer Länge von 2 cm, dessen Enden versilbert wurden, um sie reflektierend zu machen. Damit konnte der Zylinder als Fabry-Perot-Resonator dienen, der fotografische Blitzlampen als Pumpquelle für das Laserlicht nutzte. Bereits zwei Jahre später experimentierte der Dermatologe Leon Goldman mit einer Version des Maiman-Rubinlasers zur Entfernung unerwünschter Tätowierungen.
So trugen die Entwicklungen von Maiman und Goldman zu einer der wohl populärsten Anwendungen des medizinischen Lasers im Jahr 2020 bei: dem Entfernen von Tattoos. Die Geschichte der Tattoo-Entfernung mag anekdotisch erscheinen, doch medizinische Laser haben seit dieser frühen Anwendung ihren Weg in viele medizinischer Einsatzbereiche gefunden. So gibt es zahlreiche Beispiele für Laserbehandlungen in der Augenheilkunde, Onkologie und anderen chirurgischen Gebieten, von denen wohl jeder von uns bereits profitiert oder zumindest gehört hat.
Die Art der Laserquelle ist je nach beabsichtigter Behandlung unterschiedlich. Die Lichtemissionen reichen von 193 Nanometern (Excimer ArF) bis 10.600 Nanometern (CO2) (Bild 1), mit Pulsen von 5 Nanosekunden bis zu 1 Millisekunde. Doch sie alle haben eins gemeinsam: Sie benötigen Strom. Abhängig von der Endanwendung benötigt jeder Laser-Typ eine andere Art der Stromversorgung. Sie reichen von Stromgeneratoren für Dauerstrich-Diodenlaser bis hin zu komplexen Stromversorgungslösungen für Gas-Laser oder Lampenpumpen mit Blitzlampen als
Lichtgenerator. Netzteilhersteller klassifizieren all diese in zwei Typen:
- Konstantstrom-Typen zur Versorgung von LED-Lasern
- Hochspannungstypen zur Versorgung von Blitzlampen und Entladungsröhren
Stromversorgung für LED-Laser
Ursprünglich in ihrer Leistung begrenzt, waren Diodenlaser in medizinischen Anwendungen nicht sehr verbreitet. Mit der Entwicklung einer breiten Palette von Dioden, die Wellenlängen von 405 Nanometern bis 2.200 Nanometern erzeugen, setzen sie sich jedoch im Bereich der photodynamischen Therapie durch, in dem die Wellenlänge entscheidender ist.
Wie bei anderen Anwendungen mit LEDs (zum Beispiel Beleuchtung) wird die Stromversorgung oft als LED-Treiber definiert. Laser-LED-Treiber, die sowohl in der neusten Generation von Festkörperlasern als auch als Generatoren eingesetzt werden, erfordern besondere Aufmerksamkeit, was die Stabilität des Stroms und die Kompensation der gelieferten Energie (Aufheizung des LED-Elements) betrifft. Moderne Stromgeneratoren für LED-Laser basieren auf digitaler Technologie mit einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, die es ermöglicht, die Stromversorgung zu überwachen und zu steuern, um den Anforderungen der Anwendung gerecht zu werden. Mithilfe prädiktiver Algorithmen kann die Leistungsstufe so programmiert werden, dass sie sicher arbeitet und genau die Energie liefert, die für einen einzelnen Puls erforderlich ist.
Ein LED-Laser könnte bei Verwendung einer LED-Matrix, wie sie in LED-Festkörper-Pumplichtern verwendet wird, im Bereich von wenigen Milliwatt bis zu mehr als 100 Watt arbeiten. Seit der Entwicklung von Superkondensatoren nutzen LED-Lasertreiber diese oft als Energiespeicher. In solchen Fällen enthält die Stromversorgung eine spezielle Schaltung, die die im Superkondensator gespeicherte Energie steuert, um das Niveau der an die Last gelieferten Energie zyklusweise zu optimieren.
Stromversorgung für Gas- und Hochenergie-Festkörperlaser
Aus der Perspektive eines Stromversorgungsentwicklers ähneln Stromversorgungs- und LED-Laseranwendungen konventionellen Stromgeneratoren. Ganz anders ist es jedoch bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen für Gas-Laser oder Lampenpumpen mit Entladungsröhre. Gas- und Hochenergie-Festkörperlaser verwenden Lichtblitze oder Entladungsröhren, die hohe Spannungen benötigen, um die zur Einleitung des »Pumpvorgangs« erforderlichen Energieniveaus zu erzeugen. Bei dieser Art von Anwendung benötigen Entwickler spezielle Kenntnisse in der Hochspannungsschaltung und Energiespeicherung.
Die Spezifikationen für lampengepumpte Festkörperlaser und Gaslaser-Netzteile sind sehr komplex und umfassen zwei Elemente: ein Netzteil, das die Netzwechselspannung in die für die emittierende Komponente benötigte Hochspannung umwandelt, und eine Hochspannungskondensator-Energiebank zur Energiespeicherung. Die Spannung hängt von der Höhe der Energie ab, die zum Aktivieren des Pumpvorgangs benötigt wird. Bei konventionellen medizinischen Anwendungen liegt sie oft zwischen 600 VDC und 3.000 VDC. Ähnlich wie bei einem Kamera-Blitz lädt das Netzteil einen Kondensator auf, der dann die Energie an die Blitzlampe liefert. Während man jedoch beim Aufladen des Kamera-Blitzes eine kleine Verzögerung in Kauf nehmen kann, muss im Falle eines medizinischen Lasers die Energie unmittelbar zur Verfügung stehen, was eine Kondensatorbank zur Speicherung großer Energiemengen erforderlich macht. Entwickler, die im Umgang mit hohen Energieübertragungstopologien wenig erfahren sind, dürften Schwierigkeiten haben, die Größe der Energiehülle und die bevorzugte Steuerungsmethode zur Optimierung der Leistungsstufe abzuschätzen.
Hersteller von medizinischen Lasern splitten die Stromversorgungslösung sehr häufig in zwei Teile auf: zum einen das Netzteil selbst (Bild 2) und zum anderen die Hochspannungskondensator-Bank, die aus Sicherheitsgründen in einem abgedichteten Tank untergebracht werden kann. Was die Technologie betrifft, so verwenden moderne Stromversorgungen digitale Steuerungstechniken, die nicht nur den Wirkungsgrad verbessern, sondern im Falle von medizinischen Lasern auch die Zuverlässigkeit der Geräte erhöhen, deren Funktionsprinzip auf gepulster Energie basiert, die für elektronische Komponenten belastend ist. Wie weiter oben im Abschnitt »Stromversorgung für LED-Laser« beschrieben, lässt sich das Energiemanagement durch den Einsatz digitaler Steuerung erheblich optimieren. So ist es möglich, die Stromversorgung auf Bit genau zu steuern und sämtliche Parameter für jeden einzelnen Zyklus abzustimmen. Ein Chirurg könnte beispielsweise während der Operation mehr Leistung oder längere Pulse für die Tumorablation anfordern. Gesteuert durch das eingebettete Computersystem, lässt sich das Netzteil zwischen zwei Impulsen programmieren und so die Ladespannung und/oder die vom emittierenden Element benötigte Energiemenge ändern.
Stromversorgung für tragbare Laser
Viele Jahre lang war die Größe einer Stromversorgung für den medizinischen Lasereinsatz kein bedeutender Faktor – aber die Dinge ändern sich. Hersteller medizinischer Laser erwägen eine neue Generation tragbarer Laser für die häusliche Pflege und zur Erhöhung der Mobilität medizinischer Dienste. Die Forschung zur Entwicklung leistungsfähigerer und mit kombinierten Wellenlängen ausgestatteter LED-Laser macht gute Fortschritte. Die Geräte lassen sich leicht über ein Tablet steuern, sodass eingebaute Displays überflüssig werden. Wirklich portable Laser benötigen allerdings deutlich verschlankte Komponenten.
Im Falle von LED-Lasern bieten Superkondensatoren auf der Basis von Nanotechnologien beeindruckende Kapazitäten zur Speicherung hoher Energie. Durch den Einsatz von Breitbandlücken-Halbleitern, zum Beispiel Galliumnitrid und Siliziumkarbid, könnte die Größe der Stromversorgung um den Faktor x3 verringert werden.
Der Autor
Patrick Le Fèvre ist Vorstand für Marketing und Kommunikation bei Powerbox
Anmerkung
Dieser Artikel erschien zuerst in der medical design 6/2020 (S. 18 – 21). Hier geht’s zum kostenfreien ePaper.
