Herausforderungen bei der Stromversorgung von medizinischen Lasern
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1916 veröffentlichte Albert Einstein seinen Aufsatz „Zur Quantentheorie der Strahlung“, in welchem er die stimulierte Emission postulierte. Trifft ein Photon mit passender Energie auf ein Atom in angeregtem Zustand, so kann das Atom in einen Zustand niedrigerer Energie wechseln und ein weiteres Photon derselben Energie aussenden (Abbildung 1). Die beiden Photonen sind kohärent zueinander, haben also die gleiche Wellenlänge und Polarisationsrichtung und bewegen sich in dieselbe Richtung. Die physikalische Grundlage und Vorrausetzung für die Funktion eines Lasers (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) war geboren.
Schon in den1960er Jahren experimentierte Leon Goldmann, auch „Vater der dermatologischen Laserchirurgie“ genannt, mit Lasern zum Entfernen von Tätowierungen. Heute sind Laser aus der Medizin nicht mehr wegzudenken, sie finden beispielsweise in der Dermatologie, Chirurgie, Zahnmedizin und Diagnostik Anwendung.
Aufbau eines Lasers
Laser haben drei zentrale Bestandteile: ein Lasermedium, eine „Pumpe“ und den Laserresonator (Abbildung 2).
Das Lasermedium ist das Material im Inneren des Lasers, in dem die Lichtemission stattfindet. Die Wahl des Lasermediums hängt von der gewünschten Anwendung ab, da unterschiedliche Materialien unterschiedliche Eigenschaften und Emissionswellenlängen aufweisen. Zum Beispiel können Halbleiter als Lasermedium für die Erzeugung von Infrarotlicht für die Datenübertragung verwendet werden, während YAG-Kristalle (Yttrium-Aluminium-Granat) für die Erzeugung von Laserstrahlen für chirurgische Eingriffe verwendet werden.
Um im Lasermedium eine stimulierte Emission auszulösen, muss eine Besetzungsinvasion eines angeregten Zustandes geschafft werden. Dies ist die Aufgabe der Pumpe. Durch kontinuierliches Einbringen von Energie wird eine Besetzungsinversion erreicht. Im Falle eines YAG-Lasers erfolgt dies beispielsweise durch Lichteinstrahlung von einer Blitzlampe. Bei der Betrachtung der Stromversorgung eines Lasers, muss also in erster Linie die Versorgung der Pumpquelle betrachtet werden. Um die für eine Blitzlampe typische pulsweise Versorgung sicherzustellen, wird diese durch einen Kondensator versorgt, welcher durch ein Kondensatorladegerät kontinuierlich geladen werden muss.
Ein Resonator in einem Laser ist ein optisches System aus Spiegeln, das dazu dient, Lichtwellen gleicher Frequenz zu verstärken und auszurichten. Erbesteht im einfachsten Fall aus zwei Spiegeln, welche parallel zueinander angeordnet sind. Die Resonatorlänge entspricht einem Vielfachen der halben Wellenlänge. Durch konstruktive Interferenz werden hierdurch Lichtwellen gleicher Wellenlänge gestärkt. Einer der beiden Spiegel ist nur teilreflektierend aufgebaut. Durch ihn kann ein Teil des Lichts den Resonator verlassen und wird als Laserstrahl ausgegeben.
Stromversorgung eines medizinischen Lasers
Die Pumpe eines Lasers wird oftmals durch einen Kondensator gespeist, um hohe und pulsweise auftretende Ströme in hoher Frequenz zu Verfügung zu stellen. Dieser Kondensator muss durch ein Kondensatorladegerät kontinuierlich geladen werden. Hierfür werden hohe Leistungen und hohe Spannungen benötigt und eine kontinuierliche Impuls-zu-Impuls-Stabilität muss gewährleistet sein.
Zeitgleich werden in einem medizinischen Lasergerät auch gewöhnliche Kleinspannungen benötigt, um andere Komponenten wie beispielsweise Displays, Pumpen oder Kühlelemente zu versorgen. Hierfür war es bisher unabdingbar, zusätzliche Netzteile zu verbauen (Abbildung 3).
Der Einsatz von mehreren Stromversorgungen hat nicht zuletzt den Nachteil, dass sich die Patientenableitströme addieren, was im Endsystem ein großes Problem bei der Zertifizierung mit sich führen kann.
Kombination aus Kondensatorladung und Niederspannungsversorgung: Flexicharge FC1500 von Excelsys
Das FC1500 ist ein integriertes Kondensatorladegerät und AC/DC-Netzteil mit modularem Ausgang. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen, die mehrere Netzteile benötigen, um hohe Spannungen zur Kondensatorladung und niedrige DC-Spannungen für elektronische Systeme wie Touchpanels, Pumpen und Kühlelemente bereitzustellen, erfüllt das FC1500 all diese Anforderungen in einem Gerät (Abbildung 4).
Für die Kondensatoraufladung kann das FC1500 mit großen und kleinen Kapazitäten arbeiten und bis zu 1500 W konstante Leistung (1500 J / Sekunde) mit programmierbaren Ladespannungen von 0 bis 1000 VDC liefern. Eine Puls-zu-Puls-Stabilität mit einer Wiederholgenauigkeit von +/- 0,2 % wird durch adaptive Steuerung jedes Impulses erreicht. Zudem wird die Stromaufnahme durch eine programmierbare Leistungsbegrenzung des Systems optimiert. Ein Strommesssignal erhöht die Zuverlässigkeit durch eine genaue Belastungsberechnung der Systemkondensatoren.
Für die Systemleistung bietet das FC1500 eine maximale Nennleistung von 800 W und bis zu 10 isolierte DC-Ausgänge. Vor Ort konfigurierbare Ausgangsmodule bieten einen "Plug-and-Play"-Ansatz, um spezifische Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Durch die Möglichkeit Ausgangsmodule in Reihe und parallel zu schalten, können Entwickler höhere Spannungen und Ströme realisieren.
Der FC1500 verfügt über eine intelligente analoge und digitale Steuerung über den PMBus mit "Set and Forget"-Funktionen und Speichermöglichkeiten, die eine schnellere Markteinführung für medizinische OEMs ermöglichen. Das interne lüftergekühlte Netzteil entspricht den Normen IEC60601-1 (3. Auflage) und IEC60601-1-2 (4. Auflage), ist für Überspannungsschutz der Stufe 4 ausgelegt, bis zu einer Höhe von 3000 m sicherheitsgeprüft und hat eine MTBF von über 900.000 Stunden.
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Datum: 22.03.2023 - 17:16 Uhr
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