Projekt 17504/01

Substitution quecksilberhaltiger UV-Lichtquellen durch elektrodenlose Lichtquellen auf Excimerbasis als Beitrag zur Minderung des Aufkommens und der Umweltbelastung durch Quecksilber

Projektträger

OptoMed Optomedical Systems GmbH
Rudower Chaussee 29
12489 Berlin
Telefon: 030/67774960

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Ziel des Projekts war die Entwicklung einer neuartigen quecksilberfreien Excimer-UV-Lichtquelle mit Mikrowellen-Anregung für medizinische Einsatzgebiete mit mindestens gleicher oder besserer Wirksamkeit als die bisher bei der UV-Therapie ausschließlich eingesetzten quecksilberhaltige Strahler. Bisherige Lampen altern sehr schnell, so dass bereits nach 50 - 60 Betriebsstunden ein Tausch der Strahler erfolgt, die als Sondermüll entsorgt werden müssen.
Es sollten Hochleistungs-Strahlungsquellen mit definiertem, auf den Anwendungsbereich optimierten Wellenlängenspektrum entwickelt werden. Diese können in unterschiedlichen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen, das Projekt zielt auf einen medizinischen Ersteinsatz in der Bestrahlungstherapie.
Schätzungen gehen davon aus, dass in Deutschland über 4 Mio. Patienten an Neurodermitis erkrankt sind. Allein in diesem Anwendungsbereich kann eine Substitution quecksilberhaltiger Strahler bereits deutliche Umweltentlastungen bewirken.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenUm das Projektziel zu erreichen, waren folgende Arbeitsschritte vorgesehen:
- Modelluntersuchungen der verschiedenen Teilentladungsphasen,
- Ermittlung von Resonanzfrequenzen,
- Bestimmung der auftretenden Moden,
- Erstellung eines Wärmetransfermodells und einer Energiebilanz,
- Analyse der Potentialverläufe, Untersuchungen zur Eignung von Excimeren,
- Optimierung des Plasmaverhaltens,
- Versuchsaufbau und Testbetrieb,
- Entwicklung eines Systems zur Patientenkühlung,
- Aufbau und Test des Labormodells.
Die therapeutisch nutzbare Strahlung sollte durch elektrodenlose Einkoppelung eines Mikrowellenfeldes in ein Plasma in einem Entladungsgefäß erzeugt werden. Neben der Optimierung von Mikrowellenerzeugung, Entladungsgefäß und dessen Gasfüllung waren auch die Energiequelle, deren Stromversorgung sowie Steuerung und Regelung zu entwickeln.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden unterschiedliche Resonatoren zur Verbesserung der Einkopplungsdichte untersucht. Hierbei ergaben sich bei niedrigen Einkopplungsfrequenzen starke Feldgradienten. Darüber hinaus wurden räumliche Instabilitäten der Entladung festgestellt. Hierbei ist die Energie der in der Gasentladung enthaltenen Elektronen und damit auch die Emission der Gasteilchen im Bereich der Wandflächen des Rohres größer und nimmt zur Mitte, also zur optischen Achse hin, ab. Diese Wirkung konnte bei Entladungsgefäßen kleinern Durchmessers vermindert werden , jedoch stieg hierdurch der mechanische Justageaufwand. Durch Änderungen des Resonatorkäfigs wurde die Hochdruckgasentladung im mittleren Bereich des Resonatorgasvolumens stabilisiert, so dass bei kleinen Druck- und Leistungsschwankungen die räumliche und zeitliche Stabilität der Hochdruckgasentladung verbessert werden konnte. Der Pulsstrom war während der Pulsdauer durch nahezu konstanten Drosselstrom gekennzeichnet. (Rechtecksignale).
Die 25 cm langen Gasampullen, in denen unterschiedliche Gaszusammensetzungen und Konzentrationen bzw. Gasdrücke zum Einsatz kamen, hatten einen Durchmesser von ca. 13 mm.
Sie wurden zentralaxial in einem Resonatorzylinder mit ausreichenden Wandabstand platziert; so war eine Kühlung durch einen seitlichen Luftstrom möglich.
Die Wärmeleitung im Plasma und die spezifische Wärmekapazität spielten eine entscheidende Rolle. Während Quecksilberdampf unterhalb ca. 6000 K eine annähernd konstante Wärmekapazität aufwies, zeigten z. B. Plasmen mit Metall-Halogen-Dotierungen sehr starke Temperaturabhängigkeiten. Durch die Dotierung entstand ein Molekülmantel im Randbereich mit sehr hoher thermischer Trägheit, der bei Pulsüberlagerung zu einem steileren Temperaturprofil führte. Hierdurch erklärten sich verschiedene Brüche von Entladungsgefäßen unter Impulslast. Der Frequenzbereich wurde so gewählt, dass alle Hochdrucklampen sicher und ohne akustische Resonanzerscheinungen betrieben werden konnten.
Bei einer Excimer-UV-Lichtquelle wird die Ladung eines auf eine hohe Spannung aufgeladenen Kondensators mit hoher Geschwindigkeit über einen Magnetkompressor zu einem Entladungsrohr entladen, wodurch Lichtemission angeregt wird. Die Tauglichkeit eines Impulsstrahlers ist umso größer, je höher die Anzahl von Lichtanregungen ist, d. h. je höher die Anzahl der Wiederholungen des Ladens und Entladens des energiespeichernden Kondensators ist. Aus diesem Grund wurden Versuche unternommen, eine hohe Wiederholungsfrequenz erreichen.
Bei den untersuchten Hochdruckstrahlern waren die Strahlungsprozesse entscheidend von der Plasmatemperatur abhängig. Damit war die sich im Verlauf eines Pulses einstellende Temperaturverteilung und insbesondere die Achsentemperatur von Bedeutung. Eine erhöhte Pulsleistung führte erst nach zeitlicher Verzögerung zu einer erhöhten Strahlungsleistung, da die Plasmatemperatur aufgrund der thermischen Trägheit des Plasmas der Pulsleistung verzögert folgt.
So weist der Verlauf der Strahlungsleistung gegenüber dem Leistungspuls eine Verzögerung von ca. 200 µs auf. Deshalb führen sehr kurze Pulse nicht zu denselben Strahlungseigenschaften wie längere Pulsformen. Dies konnte durch zeitaufgelöste Messungen nachgewiesen werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse sind in Fachkreisen bekannt. Sie wurden auf Fachtagungen und Kongressen publiziert. Auch in den Medien wurde über die UV-freie Bestrahlung bei Neurodermitis berichtet. Veröffentlichungen sind unter dem Suchbegriff Neurodermitis im Internet zugänglich.


Fazit

Der Einsatz von Quecksilber in Lichtquellen hat sich in den letzten Jahren nicht vermindert, sondern hat sogar zugenommen, dies führt zu Umweltgefährdungen bei Einsatz, Transport und Entsorgung.
Im Projekt ist es gelungen, ein quecksilberfreies Labormodell zu konstruieren, das den Anforderungen an ein Phototherapiesystem ohne hautschädigende UV-Strahlung grundsätzlich gerecht wird. Die oben benannten Arbeitspakete und die bestehenden Fragenstellungen konnten erfolgreich bearbeitet werden. Über die rein technischen Entwicklungsaufgaben für einen im Vergleich mit Quecksilberlampen konkurrenzfähigen UV-Strahler hinaus mussten die Anforderungen des Medizinproduktegesetzes beachtet werden, um ein zulassungsfähiges System zu entwickeln. Hier waren Sicherheitsaspekte bei hohen Zünd-spannungen im kV-Bereich sowie eine mögliche Strahlungsgefährdung bei Mikrowellen-Systemen zu be-achten. Noch zu lösende Aufgaben beziehen sich auf die weitere Verbesserung des Labormodells, z. B. die Stabilisierung des Entladungsbogens. Weiter muss die klinische Effizienz eines Funktionsmusters er-fasst und bewertet werden.
Die Projektergebnisse werden in der OptoMed LichtKlinik AG, Homburg/Saar in farbstofflaserähnlichen Therapiesystemen genutzt, um nebenwirkungsträchtige Behandlungen mit Kortisonpräparaten, Immunmodulatoren und bei Langzeiteinsatz hautschädigenden UV-Bestrahlungen zu ersetzen.