Lebensnotwendige Präzision: Messung der Laserqualität in medizinischen Anwendungen


Abb 1.: Operation mit einem Laser
Flickr creative commons image via CMRF Crumlin
Laserstrahlen liefern Energie ohne jeglichen physischen Kontakt und lassen sich darüber hinaus äußerst präzise steuern. Beides sind ideale Voraussetzungen für zahlreiche Anwendungen im weiten Feld der Medizintechnik: Laser werden anstelle eines Skalpells als chirurgisches Werkzeug genutzt, um unterschiedliche Gewebearten zu durchtrennen; gleichzeitig setzt man sie bei der Verödung von Blutgefäßen ein, um Blutungen zu stillen. In einigen ophthalmologischen Anwendungen schneiden Excimer Laserstrahlen Gewebe basierend auf den physikalischen Eigenschaften der kurzwelligen UV-Strahlung. Bei der Produktion medizinischer Komponenten werden Laser beim Schneiden und Schweißen von Implantaten wie Stents eingesetzt, Akkuanschlüsse von Herzschrittmachern werden damit verlötet.

Unabhängig davon, ob ein Laser direkt zur Behandlung eines Patienten genutzt oder ein medizinisches Produkt damit hergestellt wird: Die wesentlichen Parameter des Laserstrahls müssen immer exakt eingestellt sein. Der Überprüfung der Strahlqualität kommt gerade in medizinischen Anwendungen eine besondere Bedeutung zu.

Wie und wo wird gemessen
Lasermessgeräte zur Leistungs- und Energiemessung ebenso wie Strahlprofilmessgeräte sind aus der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von Laser-basierenden medizinischen Systemen nicht wegzudenken. Die Aussagefähigkeit ihrer Ergebnisse hängt auch davon ab, wie und an welcher Stelle des Prozesses die Messungen integriert werden. Grundsätzlich unterscheidet man bei der Art der Prüfung zwei grundlegende Methoden:

  1. Der Sensor verfügt über eine direkte Schnittstelle beispielsweise über RS232 zum on-board Controller des Medizingeräts oder der Produktionsanlage, so dass die gemessene Laserleistung sofort an die Prozesssteuerung weitergegeben wird und Schwankungen sofort ausgeglichen werden können.
  2. Erwartet man bei einer Anwendung dagegen nur eine geringe Drift, genügt es unter Umständen den Laserstrahl einmal am Tag mit einem separaten Leistungsmessgerät auf die Einhaltung der Grenzwerte hin zu prüfen.

 

Bezüglich des Messorts gibt es ebenfalls unterschiedliche Vorgehensweisen:

  1. Der Messkopf wird in der Nähe des Lasers integriert und überwacht den Strahl dort:
    • Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl dazu in regelmäßigen Abständen für wenige Sekunden auf den Sensor um. Nach Abschluss der Messung wird der Spiegel wieder zurückgezogen.
    • Alternativ kann ein Bruchteil des Strahls permanent durch den Einsatz eines Strahlteilers, einer Faser oder einem teildurchlässigen Resonatorspiegel (Rear Mirror Leak) überwacht werden.
    1. Die untere Option bietet den Vorteil, dass der produktive Prozess durch die Messung nicht unterbrochen werden muss. Dadurch, dass nur ein Teil des Strahls umgelenkt wird, kann auch ein kleinerer Sensor genutzt werden. Allerdings werden bei der Messung direkt am Laser etwaige Einflüsse im Strahlgang nicht berücksichtigt, überwacht wird ausschließlich die korrekte Funktion des Lasers selbst.

      Abb. 2: Der Laserstrahl wird komplett umgelenkt und entweder im „Beam Dump Mode“ oder im „Sampling Mode“ gemessen.


      Abb. 3: Ein Teil des Laserstrahls wird mit dem „Rear-Mirror-Leak-Mode“ vom Sensor kontinuierlich überwacht.

    1. Der Strahl wird am Zielort gemessen:
      Bei diesem Ansatz wird der Strahl genau dort gemessen, wo er auch auf das eigentliche Ziel treffen würde (das zu schneidende Gewebe, das zu schweißende Material, ...). Der große Vorteil liegt darin, dass sämtliche Veränderungen des Laserstrahls registriert werden, ob sie durch den Laser, die Optiken oder an einer anderen Stelle verursacht werden. Die Herausforderungen dabei sind:
      • Der Messkopf muss auf den vollständigen Strahl ausgelegt sein.
      • Eine solche Messung unterbricht den Prozess, so dass diese nur in gewissen Abständen durchgeführt werden kann.
      • Die Auskopplung eines Anteils des Strahls am Zielort, beispielsweise durch einen festinstallierten Strahlteiler kann dafür eine Lösung sein. Allerdings erweist sich dieser Ansatz nicht immer als praktisch.

      Sehr häufig kombiniert man beide Varianten: Über den Kalibrations-Port an der Seite des Lasersystems wird von Zeit zu Zeit der komplette Strahl auf ein Messgerät gerichtet. Die Ergebnisse davon werden genutzt, um automatisch einen kleineren Sensor im System zu kalibrieren, der den Strahl näher am Laser selbst überprüft. Damit lassen sich kurzfristige Veränderungen der Laserleistung, die durch die Laserquelle selbst verursacht werden, kontinuierlich korrigieren. Gleichzeitig wird auch die Drift überwacht.


    Abb. 4: Die schematische Darstellung zeigt den Aufbau eines Kalibrations-Ports.

     

    Abb. 5: An der Seite eines medizinischen Lasersystems befindet sich ein Kalibrations-Port.

    Unterschiedliche Herausforderungen im Produktionszyklus
    Die Art des Messverfahrens und des gewählten Messgeräts hängt von dem genutzten Laser und den Anforderungen innerhalb des Produktionsprozesses ab. Dabei tauchen immer wieder sehr individuelle Herausforderungen auf:

    Herstellung von Laserstrahlquellen
    Bei der Entwicklung und der Produktion von Laserstrahlquellen müssen deren Qualitätsparameter sehr genau überprüft werden. Leistungs- oder Energiemessgeräte kommen dabei ebenso zum Einsatz wie Kamera-basierte Strahlprofilmessgeräte. Im Rahmen der Endkontrolle prüfen die Hersteller in der Regel mit einem speziellen Messsystem das M2 des Strahls. Entscheidend ist dabei die präzise Einrichtung und Kalibrierung des Messgeräts selbst, wie das folgende Beispiel verdeutlicht:

    Ein Hersteller Laser-basierter Systeme für die Dentaltechnik nutzt zur Kalibrierung seiner Produkte am Ende des Fertigungsprozesses pyroelektrische Sensoren mit eingebauten Diffusor (damit kann eine höhere Energiedichte ohne Beschädigung am Sensor gemessen werden). Schrittweise wird dabei die Energie erhöht und die Pulse werden dabei gemessen. Die Messdaten werden in einem automatisierten Prozess genutzt, um die interne Steuerung, die den Laser mit einem Leistungssignal versorgt, zu kalibrieren. Dabei kam es allerdings zu inkonsistenten Messungen und es stellte sich heraus, dass die Messköpfe ohne präzise Justagehilfen eingerichtet wurden. Da der Reflexionsgrad des Diffusors vom Einfallwinkel abhängt, verursachten schon kleinere Abweichungen bezüglich der Winkelposition des Sensors Messungenauigkeiten. Durch die exakte Ausrichtung des Messkopfs konnten diese Probleme schnell behoben werden.


    Abb. 6: Diese pyroelektrischen Energiesensoren mit Diffusoren messen im Rahmen der Qualitätsprüfung die emittierte Energie eines Lasersystems, das in der Dentaltechnik verwendet wird.

    Fertigung von Medizinprodukten
    In diesem Bereich geht es oft um sehr filigrane Strukturen. Häufig kommen gepulste Laser zum Einsatz, deren Energie regelmäßig überprüft werden muss. Tauchen dabei Fehler auf, werden unter Umständen weitere Messgeräte benötigt, um deren Ursache zu finden. Die Herstellung des in Abbildung 7 gezeigten Implantats erfordert einen kritischen Schweißvorgang. Das Produkt wird parallel an zwei Produktionsstandorten mit der gleichen Laserschweißanlage gefertigt. Nun mussten an einem der Standorte regelmäßig Teile aussortiert werden, da sie den Qualitätsanforderungen nicht entsprachen. Der Prozess schien zunächst völlig identisch zu sein, erst die Messung der Laserenergie und des Strahlprofils (Abb. 8) bewies das Gegenteil: Die Ergebnisse zeigten, dass die gelieferte Pulsenergie des einen Lasers trotz gleicher Parametrierung zu niedrig lag und deutlich erhöht werden musste.

    Abb. 7: Beispiel für das Lasergeschweißte Bauteil Abb. 8: Strahlanalyse-System auf der Schweißanlage
    Abb. 9: Beide Laser sollten bei 9 Hz und einer Pulsdauer von 5 ms laut Spezifikation die gleiche Pulsspitzenleistung erzeugen. Auf den Bildern ist deutlich zu erkennen, dass die Laserenergie rechts deutlich schwächer ist. Die Laserstrahlanalyse gab damit den entscheidenden Hinweis darauf, warum eine der beiden Laseranlagen so viel Ausschuss produzierte.

    Therapie mit einem Laser
    Bei der Vielzahl der medizinischen Anwendungen und unterschiedlichen Systemen gibt es natürlich auch eine große Bandbreite an genutzten Messgeräten. Viele Laser, die direkt am Patienten eingesetzt werden, verfügen zudem über ein eingebautes Energiemessgerät. Dessen Ergebnis wird zusätzlich mit einem externen Messsystem überprüft, um jeden Fehler auszuschließen. Ophir Spiricon unterstützt Kunden auch bei der Entwicklung eigener Prüfsysteme, wie dieses Beispiel zeigt:

    Bei dieser Anwendung geht es um eine lichtemittierende Faser, die in der Laparoskopie genutzt wird. Der Kunde suchte einen Weg, um die zylindrisch emittierte Leistung an der Spitze der Faser direkt vor der Anwendung am Patienten zu messen. Abbildung 10 zeigt dazu einen eigens entwickelten „integrierenden Zylinder“. Die Faser wird in eine Küvette innerhalb des Messsystems eingeführt und die gesamte emittierte Leistung wird präzise mit einem Photodioden-basierenden Sensor nach dem Prinzip der Ulbricht-Kugel gemessen.
    Abb. 10: Spezieller Sensor, der das emittierte Licht einer zylindrischen Strahlquelle für laparoskopische Anwendungen misst.

    Qualitätskontrollen sind unerlässlich
    Laser-basierende Anwendungen in der Medizintechnik entwickeln sich stetig weiter und werden immer komplexer. Der Qualität der Lasersysteme selbst kommt damit eine sehr große Bedeutung zu. Diese präzise zu überwachen gilt schon lange nicht mehr als Luxus, sondern als Notwendigkeit, die keine Nachlässigkeiten duldet. Individuelle Lösungen, wie sie in diesem Beitrag aufgezeigt wurden, tragen erheblich zur Sicherung der Laserqualität bei und entlasten Entwickler und Anwender medizinischer Lasersysteme gleichermaßen. Sie können ihre Prozesse damit jederzeit optimieren und kontrollieren. Damit steigt selbstverständlich auch das Vertrauen in die Qualität und Profitabilität ihrer Arbeit.

    Mark Slutzki und Christian Dini