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Fünf gute Gründe, warum Glasfasern erste Wahl für die optimale Übertragung von Licht in der Medizintechnik sind.

Fünf gute Gründe, warum Glasfasern erste Wahl für die optimale Übertragung von Licht in der Medizintechnik sind.

Optische Glasfasern kommen in der Medizintechnik vielfältig zum Einsatz, so zum Beispiel als zuverlässige und langlebige Lichtleiter in der Endoskopie, Zahnbehandlung, Operationsmikroskopie, Fluoreszenzdiagnostik oder Lichttherapie. Dass Spezialglas als technischer Werkstoff für die Faseroptik beste Voraussetzungen und Resultate bietet, dafür gibt es vielerlei Gründe.

Unsere Top fünf sind:

Mehr als nur schwarz und weiß

Glas als Materialbasis für optische Fasern – wie sie für flexible und starre Lichtleiter verwendet werden – ermöglicht, dass Licht in höchster Qualität an die gewünschte Austrittsstelle geliefert wird. Dies liegt unter anderen an dem hohem Farbwiedergabeindex CRI (color rendering index) des Systems aus Lichtquelle und Glasfasern. Die Glasfaser als passives Element kann man sich als eine Art Filter vorstellen, der die ursprüngliche Farbwiedergabe der Lichtquelle nur sehr wenig verändert. Dadurch können Ärzte das zu untersuchende Gewebe mit hoher Farbechtheit sehen – ein Faktor, der für präzise Diagnosen entscheidend ist.

Ein weiterer Vorteil von Mehrkomponenten-Glasfasern sind die großen Öffnungswinkel von bis zu 120 Grad. Dadurch kann zum einen sehr viel Licht von der Lichtquelle, z.B. einem LED-Chip, eingekoppelt werden; zum anderen wird das Licht in diesem Winkel wieder abgestrahlt und somit ein größeres Sichtfeld ausgeleuchtet. Polymerfasern sind aktuell nur mit einem Öffnungswinkel von unter 70 Grad verfügbar.

Ganz fein, aber härter als Stahl

Die theoretische Grundfestigkeit von Glas ist höher als die anderer Materialien – sogar höher als Stahl. Anfällig sind Gläser nur an ihrer Oberfläche. Von hier aus könnten sich mechanische Verletzungen durch Kratzer oder Risse weiter in das Material hineinarbeiten. Dem kann man aber durch entsprechende Maßnahmen vorbeugen: Durch geschickte Auswahl von Kern- und Mantelglas wird innerhalb der Glasfasern eine Druckspannung erzeugt, die genau diesem Risswachstum entgegensteht. Derart stabilisierte Fasern lassen sich mechanisch problemlos bis auf kleinste Durchmesser im Bereich von 30 Mikrometern herunterziehen. Optisch halten sich die Streuverluste bei der Totalreflektion an der Grenzfläche Kern/Mantelglas auch bei diesen kleinen Durchmessern in vertretbaren Grenzen.

Bei Polymerfasern ist durch den Herstellprozess die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel nicht so präzise definiert. Dadurch kommt es zu vermehrter Streuung bei der Totalreflektion. Je dünner die Faser, desto größer die Verluste, da mehr Kontakte mit Totalreflektionen auftreten. Ein Grund dafür, dass die Durchmesser von Polymerfasern um eine Größenordnung höher bei mindestens 250 Mikrometern liegen.

Optische Glasfasern von SCHOTT sind zuverlässige und langlebige Lichtleiter in der Medizin. Dank ihrer hohen Temperaturbeständigkeit (bis zu 350 Grad Celsius) eignen sie sich perfekt auch für den dauerhaften Einsatz mit Hochleistungslichtquellen. Bild: SCHOTT
Bei der Totalreflektion in einer Glasfaser wird das Licht an der Grenzfläche des Fasermantels und dem lichtleitenden Faserkern nicht gebrochen, sondern vollständig reflektiert. Grafik: SCHOTT

Um die Ecke gebracht

Wer an Alltagsgläser denkt, mag es nicht glauben: Fasern aus Spezialglas sind biegsamer und flexibler als solche aus Kunststoff. Je kleiner der Faserdurchmesser desto geringer die realisierbaren Biegeradien – rein mechanisch betrachtet. Aber was passiert mit dem Licht in der Faser? An der Biegestelle ändern sich die Bedingungen für die Totalreflektion – der Grenzwinkel wird überschritten und Licht koppelt aus der Faser aus. Hier sind Materialien mit großem Öffnungswinkel im Vorteil, da sie auch bei Biegungen mehr Licht in der Faser halten. Auch hier punkten Mehrkomponentenglasfasern gegenüber Polymerfasern.

Dies schafft große Vorteile etwa in flexiblen Endoskopen: Darin eingepackt, müssen sich Lichtleiter geschmeidig und nachgiebig durch den menschlichen Körper mitbewegen und an ihren Einsatzort führen lassen. Zudem beanspruchen dünnere Fasern weniger Platz für ihren Einbau in Geräten, erlauben so die Konstruktion dünnerer Endoskope und begünstigen damit auch die Wundheilung nach minimalinvasiven Eingriffen.

Unsere Fasern mögen es heiß

Glasfasern bieten bei der Temperaturfestigkeit gegenüber Kunststofffasern eindeutige Vorteile. Hohe Temperaturen kommen beim Einsatz der Lichtquellen und bei der Wiederaufbereitung von Medizinprodukten vor.

Lichtquellen erzeugen Wärme, die einkoppelseitig Temperaturen im Bereich von mehr als 100 Grad leicht überschreiten. Kunststofffasern weisen hierfür keine ausreichende Temperaturfestigkeit auf, da sie bereits bei mehr als 80 Grad verbrennen. Glasfasern eignen sich auch für den Einsatz mit Hochleistungslichtquellen z.B. auf Xenon-Basis oder moderne LED-Lichtquellen. Für diesen Fall werden die Glasfaserbündel heiß verschmolzen statt mit Epoxidklebern endkonfektioniert. Dadurch werden Temperaturfestigkeiten bis 350 Grad erreicht – ein unschlagbares Argument für den Langzeiteinsatz!

Auch bei der Wiederaufbereitung sind sichere Hochtemperatur-Sterilisationsverfahren wie das Autoklavieren bei bis zu 137 Grad Celsius keine Herausforderung für Glasfasern. Diese Verfahren sind Standard bei starren Endoskopen wie Laparoskopen oder faseroptischen Dentalstäben.

Das Autoklavieren bzw. Wiederaufbereiten bei 134 Grad Celsius, wie dies bei Endoskopen oder starren faseroptischen Dentalstäben erfolgt, ist mit Lichtleitern aus Glasfasern problemlos möglich. Foto: SCHOTT
Fasern aus Spezialglas sind biegsamer und flexibler, als Kunststofffasern. Sie haben ein deutlich höheres Elastizitätsmodul. Bild: SCHOTT

Die Chemie stimmt

Für die Medizin unverzichtbar: Der Werkstoff Glas ist chemisch und biologisch inert, daher sehr gut verträglich. Anders als manche Kunststoffe löst er keine Allergien aus. In diesem Materialvergleich hat Glas zudem die deutlich höhere chemische Beständigkeit, ist stabil gegen vielerlei Lösungs- und Reinigungsmittel, Säuren und Laugen und zeigt keinerlei Wechselwirkungen mit anderen chemischen Stoffen.

Dies ist ein weiterer Vorteil von Glaserfasern auch mit Blick auf die wiederholte Aufbereitung (Reinigung und Sterilisation) mittels chemischer Verfahren wie die Reinigung im Thermodesinfektor oder Niedertemperatursterilisationsverfahren auf Basis von Plasma oder Wasserstoffperoxid. Diesen haben im Allgemeinen starke Wechselwirkungen mit Kunststoffen und können nicht dauerhaft eingesetzt werden.

Fazit: Überall dort, wo es um hohe Qualität und Leistung, um medizinische und regulatorische Höchstanforderungen geht, trumpft der Werkstoff Spezialglas mit vielseitigen und außergewöhnlichen Eigenschaften in der Anwendung Faseroptik. Weil die Ansprüche an die Lichttechnik in der Medizin noch steigen, wird sich auf manchen Feldern für Glasfasern in Zukunft ein noch breiteres Einsatzfenster öffnen.

Wie leiten Glasfasern Licht?

Glasfasern werden aus gläsernen 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. Zur möglichst verlustarmen Lichtleitung Richtung Faserstirnseite kommt das Prinzip der sogenannten Totalreflektion zur Anwendung. Dabei wird das Licht an der Grenzfläche des Fasermantels und dem Faserkern nicht gebrochen, sondern vollständig reflektiert. Dies gelingt, wenn der Fasermantel einen niedrigeren Brechungsindex aufweist 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.

30. September 2020

Kontakt

Dr. Haike Frank
Lighting & Imaging
SCHOTT AG

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