Doctor holding medical endoscope

Fünf Gründe: Darum eignet sich Glas optimal für medizintechnische Geräte

Bei der Lichtübertragung bieten Glasfasern viele Vorteile gegenüber Polymerfasern. Fünf Gründe, warum Glas die beste Wahl für die Übertragung von Licht in medizintechnischen Geräten wie Endoskopen und Dentalinstrumenten ist.

1. Überragende Lichtleistung

Optische Fasern bilden die Grundlage für flexible und starre Lichtleiter. Das Material Glas gewährleistet hierbei eine besonders performante Lichtübertragung. Aufgrund des hohen Farbwiedergabeindex (CRI) von Glas wird die Wellenlänge des Lichts, das in die Fasern bzw. Lichtleiter eintritt und austritt, kaum verändert. So lässt sich Gewebe bei medizinischen Untersuchungen mit höchster Farbechtheit betrachten. Zudem bieten Glasfasern eine hohe numerische Apertur von bis zu 1. Das bedeutet, dass mehr Licht in und durch die Fasern geleitet werden kann, was wiederum ein größeres Sichtfeld ermöglicht. Es bedeutet auch, dass ein dünneres Glasfaserbündel zum Beleuchten größerer Flächen eingesetzt werden kann. Im Gegensatz dazu erreichen optische Polymerfasern aufgrund limitierender Materialeigenschaften nur eine maximale Apertur von 0,5.

 

2. Stabil und biegsam zugleich

Glas ist auf einzigartige Weise stabil, jedoch wird es in sehr dünnen Materialstärken flexibel. Diese Kombination von Eigenschaften macht es möglich, dass Glasfasern für Lichtleiter mit einem Durchmesser von gerade einmal 30 Mikrometern (weniger als halb so dick wie ein menschliches Haar) hergestellt werden können. Diese geringen Durchmesser ermöglichen enge Biegeradien. Nur so können Endoskope sehr flexible bewegt werden. Die dünnsten Polymerfasern weisen dagegen einen Durchmesser von 500 Mikrometern  auf – und sind in den meisten Fällen sogar mindestens 1 mm (1.000 Mikrometer) dick. Bei Bildgebungsverfahren können Glasfasern mit Durchmessern von nur 4 Mikrometern eingesetzt werden, um höchste Auflösungen zu realisieren. So lassen sich besonders klare und detailgenaue Bilder von einem Ende das Faserbündels zum anderen übertragen.

Arzt im Operationssaal hält ein medizinisches Endoskop

Das Autoklavieren bzw. Wiederaufbereiten bei 134 Grad Celsius, wie es bei Endoskopen oder starren faseroptischen Dentalstäben erfolgt, ist mit Lichtleitern aus Glasfasern problemlos möglich.

Zum Knoten gebundener Glasfaserstrang

Fasern aus Spezialglas sind biegsamer und flexibler als Kunststofffasern. Sie haben eine signifikant höhere Elastizität.

3. Stabil bei hohen Temperaturen

Glas bleibt bei Temperaturen von bis zu 350 °C stabil, sodass flexible Glasfaserbündel oder starre Lichtleiter den 134 °C beim Autoklavieren problemlos standhalten. Das macht Glas zum geeigneten Material für die Lichtübertragung in wiederverwendbaren Geräten wie Dentalinstrumenten und Endoskopen, die regelmäßig gereinigt und sterilisiert werden. Für Instrumente mit Polymerfasern ist das Autoklavieren in der Regel nicht zu empfehlen, da Temperaturen über 80 °C diese Materialien beschädigen können.

 

4. Mehr Möglichkeiten

Dank der extrem geringen Durchmesser von Glasfasern passt eine sehr hohe Zahl einzelner Fasern in ein relativ kleines Faserbündel. So lassen sich mit diesen kleinen Faserbündeln auch komplexe Geometrien realisieren. Werden sie zur Lichtübertragung bei Einweg-Endoskopen verwendet, können die optischen Fasern dank ihres geringen Durchmessers so um eine Kamera herum positioniert werden, dass sie der Übersättigung der Kamera entgegenwirken. Außerdem können Glasfaserbündel genutzt werden, um Licht von einer einzelnen Lichtquelle auf mehrere Arme aufzuteilen und zu verschiedenen Zielen zu übertragen. Durch das Mischen von rotem, grünem und blauem LED-Licht in Glasfaserbündeln lässt sich anderen Ende homogenes weißes Licht erzeugen. Und weil Glasfasern so dünn sind, passen mehr von ihnen in ein Bündel mit einem bestimmten Durchmesser, als dies mit dickeren Polymerfasern der Falle wäre. Diese höhere Faserzahl sorgt für ein homogeneres Lichtbild.

 

5. Hohe chemische Beständigkeit

Glas besitzt eine hohe chemische Beständigkeit und reagiert nicht mit Reinigungsmitteln, Säuren, Basen, Lösungsmitteln oder Klebstoffen. Dadurch sind Glaskomponenten langlebig und leicht zu reinigen. Außerdem ruft Glas aufgrund seiner Beständigkeit keine unerwünschte Immunantwort und dementsprechend auch keine allergischen Reaktionen hervor. Polymere hingegen können mit einer Vielzahl von Chemikalien reagieren und in manchen Fällen Immunreaktionen im Körper verursachen. Auch für Niedertemperaturverfahren wie die Plasmasterilisation sind Polymere nicht geeignet, da sie mit dem dabei verwendeten Wasserstoffperoxid reagieren.

Wie leiten Glasfasern Licht?

Glasfasern werden aus Kernstäben mit Hilfe von Faserziehprozessen hergestellt und in der Regel zu Faserbündeln weiterverarbeitet. Eine Glasfaser besteht aus einem Mantel und einem lichtleitenden Kern aus Glas. Das Prinzip der sogenannten Totalreflexion kommt zur Anwendung, um Licht möglichst verlustfrei durch die Faser nach „vorne“ zu leiten.

Dabei wird das Licht an der Grenzfläche von Fasermantel und Faserkern nicht gebrochen, sondern vollständig reflektiert. Dafür muss der Fasermantel einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als der Faserkern. Dies gilt bis zu einem minimalen Grenzwinkel – der zugleich der maximale Öffnungswinkel der Faser ist –, in dem das Licht auf den Mantel trifft.

Schematische Darstellung von Licht, das durch eine Glasfaser fließt

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