DE3704872C2 - Lichtleiter zum Einsatz in einer Beleuchtungseinrichtung und Verwendung des Lichtleiters in einer Beleuchtungseinrichtung in der medizinischen Endoskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter zum Einsatz in einer Beleuchtungseinrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im Hinblick auf die DE 24 06 424 C2 als bekannt vorausgesetzt wird, sowie seine Verwendung zur Strahlenpolymerisation von Dentalmassen und für die medizinische Endoskopie.

Diese bekannte Beleuchtungseinrichtung ist in Verbindung mit dem dort beschriebenen Flüssigkeitslichtleiter in erster Linie zur Strahlungs­ polymerisation von Dentalmassen durch kurzwellige Strahlung einschließlich des nahen Ultravioletts bestimmt. Als Füllflüssigkeit für den Flüssigkeitslichtleiter kommen dort wässrige Salzlösungen oder mehrwertige Alkohole wie Glycerin oder Ethylenglycol in Betracht. Sie soll möglichst wasserähnlich sein, d. h. möglichst viele OH-Gruppen enthalten, damit die Füllflüssigkeit den sie einschließenden Schlauch aus Fluorkohlenstoffkunststoff möglichst wenig benetzt und ein Abdiffundieren der Flüssigkeit dadurch weitestgehend vermieden wird. Als Schlauchmaterial kann bei dem bekannten Flüssigkeitslichtleiter PFA (Tetrafluorethylen-Perfluorpropylvinyläther-Copolymer), PTFE (Polytetrafluorethylen) oder ein Copolymer von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (FEP) verwendet werden, wobei das letztgenannte Material in Kombination mit einer Füllung aus einer wäßrigen Calcium­ chloridlösung bevorzugt wird.

Zwar hat sich die bekannte Beleuchtungseinrichtung bei der Polymerisation von Dentalmassen ausgezeichnet bewährt. Es gibt aber Anwendungen, wie z. B. die medizinische Endoskopie, bei denen noch Wünsche offen bleiben, insbesondere hinsichtlich der Lichttransmission des Lichtleiters im sichtbaren Spektralbereich. So wird die Licht­ transmission des Lichtleiters bei der bekannten Beleuchtungseinrichtung insbesondere im Rotbereich durch die oben erwähnten OH-Gruppen gemindert. Vor allem aber wurde in der Praxis festgestellt, daß die Lichttransmission kein konstanter Faktor ist, sondern sich während des Gebrauchs je nach Biegung des Lichtleiterschlauches ändern kann. Dieses Problem ist bei den bisher üblichen Flüssigkeitslichtleitern mit FEP-Schläuchen insbesondere bei dickerer Ausführung gegeben. Wenn ein noch flexiblerer Fluorkunststoff als Schlauchmaterial verwendet wird, kann aufgrund der damit möglichen stärkeren Biegung die Transmission noch stärker beeinträchtigt werden.

Der Erfindung liegt daher ausgehend von der DE-24 06 424 C2 die Aufgabe zugrunde, einen Lichtleiter für eine Beleuchtungseinrichtung für die Stahlungspolymerisation von Dentalmassen und für die medizi­ nische Endoskopie zu schaffen, der eine gute Lichttransmission im sichtbaren Spektralbereich mit besonderer Berücksichtigung des Rotbereiches hat, und dessen Lichttransmission wesentlich weniger biegeabhängig ist als bisher.

Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1, nämlich durch den Einsatz von bisher in Flüssigkeitslichtleitern noch nicht verwendeten Phenylmethylsilikonölen, gelöst.

Zwar ist die Verwendung einer anderen Silikonflüssigkeit in einem biegsamen Flüssigkeitslichtleiter an sich aus der DE-OS 20 12 100 bekannt. Das dort beschriebene Silikon weist jedoch einen niedrigen Brechungsindex von n = 1.49 auf. Hinzu kommt, daß die in der DE-OS 20 12 100 aufgeführten Mantel- oder Schlauchmaterialien, nämlich Mono- oder Copolymere von 4-Methylpenten-1 sowie PVC, einen wesentlich höheren Brechungsindex aufweisen als die erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstoff-Fluor-Polymere. Als Folge davon weisen die Flüssigkeitslichtleiter der DE-OS 20 12 100 eine ausgeprägte Biegeabhängigkeit der Transmission auf.

Die Erfindung beruht jedoch auf der überraschenden Erkenntnis, daß durch den erheblich vergrößerten Unterschied zwischen dem Brechungs­ index des aus Fluorkunststoff bestehenden Schlauches (in der Größenordnung von 1,35 oder weniger) und dem auf seinen Phenylgruppen beruhenden höheren Brechungsindex (1,55 bis 1,57) des erfindungsgemäß verwendeten speziellen Siliconöls die bisher beobachteten Transmissionsverluste bei Biegung des Schlauches weitgehend vermieden werden. Überraschenderweise steht diesem Vorteil keine geringere Beständigkeit des Lichtleiters gegenüber, obwohl das Siliconöl das Schlauchmaterial wesentlich stärker benetzt als die Füllflüssigkeit der bekannten Beleuchtungseinrichtungen. Trotz der Benetzung tritt dank der hohen Viskosität des verwendeten Siliconöls auch kein Flüssigkeitsverlust durch Kapillarwirkung auf, und dank des extrem niedrigen Dampfdruckes dieser Flüssigkeit ist auch keine Verdampfung durch den unvermeidbar permeablen Schlauch zu befürchten, so daß der Lichtleiter für lange Zeit ohne die von einem Flüssigkeitsverlust verursachte Bläschenbildung im Inneren des Flüssigkeitslichtleiters arbeiten kann.

Überhaupt keine Bläschenbildung, beispielsweise bei Temperatur­ änderungen, ist dann zu erreichen, wenn man als Mantel- Schlauchmaterial eine möglichst weiche Modifikation des Fluorkunststoffs TFB einsetzt.

Im Anwendungsbereich der medizinischen Endoskopie hat das verwendete Siliconöl den zusätzlichen Vorteil, physiologisch unbedenklich zu sein, was im Hinblick auf die nicht auszuschließende Gefahr eines im Körperinneren auftretenden Lecks wichtig ist.

Ein anderer, optischer Vorteil der erfindungsgemäß verwendeten Füllflüssigkeit mit ihrem hohen Brechungsindex ist eine extrem hohe numerische Apertur (ca. 0,8). Das bedeutet, daß wesentlich mehr Licht von einer am Lichtleiterende angeordneten Halogenlampe oder sonstigen Lichtquelle durch den Lichtleiter transmittiert werden kann, und zwar insbesondere dann, wenn das Abschlußfenster aus einem Glas mit ähnlich hohem Brechungsindex besteht. Das Abschlußfenster kann hierfür zweckmäßig aus einem Flintglas bestehen, das zugleich die vorteilhafte Eigenschaft hat, kurzwelliges Licht im Spektralbereich unterhalb etwa 320 nm wegzufiltern, das eine photochemische Zersetzung der Füllflüssigkeit bewirken und somit die gewünschte Langzeitbeständigkeit des Lichtleiters beeinträchtigen könnte.

Die Valenzen des im Flüssigkeitslichtleiter verwendeten Phenyl­ methylsilikonöls bestehen in vorteilhafter Weise zu mehr als 20% aus Phenylgruppen. Besonders vorteilhaft sind Silikonöle, welche Ketten mit mehr als 2 Siliciumatomen enthalten, wie Trisiloxane mit 4 oder 5 Phenylgruppen bzw. Mischungen daraus.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert: Die in der Zeichnung dargestellte Beleuchtungseinrichtung 10 enthält eine Lichtquelle 12 und einen Lichtleiter 14. Die Lichtquelle 12 hat ein nur schematisch angedeutes Gehäuse 16, in dem sich eine Wolfram- Halogen-Lampe 18 befindet, die mit einem ellipsoidförmigen Kaltlicht­ spiegel 20 versehen ist und beispielsweise eine handelsübliche 150-W- Projektionslampe sein kann. Als Lampe 18 kann auch eine Hochdruck- Bogenentladungslampe verwendet werden. Die Lampe 18 ist mit einer nur schematisch dargestellten, konventionellen Stromversorgung 22 verbunden, die beispielsweise einen Netztransformator enthalten und durch einen Fußschalter schaltbar sein kann (nicht dargestellt), wie es bei Endoskop-Lichtquellen allgemein üblich ist.

Der Lichtleiter 14 enthält einen zumindest an der Innenseite aus einem Kohlenstofffluorpolymer oder - copolymeren bestehenden flexiblen Schlauch 24, wobei das Kohlenstofffluorpolymer vorzugsweise aus TFB (einem Ter- oder Quater-Copolymeren, das Vinylidenfluorideinheiten enthält), aus PFA (Copolymerisat aus Tetrafluorethylen und Perfluor­ propylvinyläther) oder auch aus FEP (Copolymerisat aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen) bzw. einem anderen geeigneten Fluorkunststoff, der einen möglichst niedrigen Brechungsindex haben soll, bestehen kann. Der Schlauch 24 ist mit dem transparenten, lichtleitenden Phenylmethylsilikonöl 26 gefüllt und am Lichteintrittsende sowie am Lichtaustrittsende jeweils durch Abschluß­ fenster 28 bzw. 30 vorzugsweise aus Flint- oder Kronglas verschlossen. Das Lichteintrittsende mit dem Abschlußfenster 28 ist im Fokusbereich des Spiegels 20 angeordnet, so daß das Licht von der Lampe 18 in das Lichteintrittsende des Lichtleiters 14 fokussiert wird. Der Lichtleiter 14 kann beispielsweise eine Länge von 2 m bis 3 m haben, wobei der Innen­ durchmesser des Schlauches 24 im Bereich von 2 bis 20 mm liegen kann.

Die freien Valenzen der Si-O-Kette absättigenden Reste (Radikal­ gruppen) des Phenymethylsilikonöls sollten zu mehr als 20% aus Phenylgruppen bestehen, weil diese zu einem hohen Brechungsindex führen. Je größer nämlich der Unterschied zwischen dem Brechungs­ index der Füllflüssigkeit und dem niedrigeren Brechungsindex der C-F- haltigen Schlauchinnenwandung des Schlauches ist, desto weniger ändert sich die Transmission des Lichtleiters beim Biegen des Schlauches. Die Ketten des Silikonöls können drei oder mehr Siliciumatome enthalten. Bevorzugt werden Trisiloxane, also Ketten mit drei Si-Atomen, die vier oder fünf Phenylgruppen und folglich nur vier oder drei CH₃-Gruppen aufweisen oder Mischungen aus diesen beiden Trisiloxanen. Eine derartige Füllflüssigkeit hat einen Brechungsindex von etwa 1,55 bzw. 1,58, der somit um mindestens 2/10 über dem Brechungsindex der C-Fhaltigen Schlauchinnenwandung liegt.

Die Füllflüssigkeit der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung sorgt nicht nur für eine gute Biegeunabhängigkeit der Transmission, sondern ist auch besonders günstig für die Durchlässigkeit im Rotbereich des sichtbaren Spektrums. Sie eignet sich ferner für Anwendungen bei tiefen und hohen Temperaturen und hat zudem den Vorteil einer extrem hohen optischen Apertur. Zur Ausnutzung des letztgenannten Vorteils trägt das erwähnte Fenster 28 aus hoch brechendem Glas, z. B. Flintglas, bei, dessen Brechungsindex ähnlich hoch ist wie der der Füllflüssigkeit. Es besteht also eine optimale Anpassung zwischen dem Fenster und der. Füllflüssigkeit ohne wesentliche Reflexionsverluste an den Grenzflächen. Im Gegensatz zu einem Quarzfenster, das photochemisch aktive Strahlung unterhalb etwa 320 nm durchläßt, wird diese Strahlung durch das Fenster 28 aus hochbrechendem Glas weggefiltert.

Für gewisse spezielle Hochdruck-Bogenentladungslampen, die als Lichtquelle 12 verwendet werden können, aber auch für Glühlampen oder dgl. kann es zweckmäßig sein, an der Lichteintrittsseite des Lichtleiters ein dielektrisches Wärmeschutzfilter vorzusehen, das auf die der Lichtquelle zugewandte Stirnfläche des Fensters 28 aufgedampft wird, wie es bei 32 angedeutet ist, aber auch auf einem eigenen Träger angeordnet sein kann.

Die Stirnflächen der Fenster, insbesondere die äußeren Stirnflächen, können darüberhinaus mit reflexionsvermindernden dielektrischen Beschichtungen versehen sein.

Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung kann die Füll­ flüssigkeit der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung einen fluoreszierenden Farbstoff enthalten, der in der Flüssigkeit löslich sein soll. Hier kommen vorzugsweise Perylen-Farbstoffe oder -Pigmente, wie die als Warenzeichen bekannten Lumogen F, Lumogen F Orange 240 oder Lumogen F Rot 300 oder Lumogen F Violett 570 (BASF) in einer Konzentration von z. B. 0,02% oder mehr oder auch Rhodamine u. a. m. in Betracht. Der fluoreszierende Stoff wird so gewählt, daß, er durch das zur Verfügung stehende Anregungslicht zur Fluoreszenz angeregt wird und Fluoreszenzstrahlung in einem brauchbaren Wellenlängenbereich liefert. Der den fluoreszierenden Farbstoff enthaltende Lichtleiter hat den Vorteil, daß man zur Erzeugung der erforderlichen Lichtleistung nicht nur Licht in den relativ kleinen Querschnitt des Lichtleiterendes einkoppeln muß, sondern auch transversal zur Schlauchlängsachse Anregungslicht einkoppeln kann. Häufig genügt eine großflächige Niederdruck-Gasentladungs­ lampe (Leuchtstofflampe), und selbst mit Umgebungslicht einschließlich diffusem Sonnenlicht lassen sich Beleuchtungsstärken erreichen, die für viele Zwecke genügen. Auch für diesen Vorteil ist die geringe Dämpfung im Rotbereich aufgrund der verwendeten Füllflüssigkeit wichtig.

Bei Verwendung des Lichtleiters für einen photovoltaischen Generator kann ein Ende oder beide Enden des Kunststoffschlauches durch einen Stopfen verschlossen sein, an dessen Innenfläche sich eine Silicium- Photozelle in direktem Kontakt mit der inerten Füllflüssigkeit befindet. Hierdurch werden die sonst an den Grenzflächen eines transparenten Fensters auftretenden Lichtverluste vermieden. Bei dieser und anderen Anwendungen, bei denen die die Fluoreszenz des gelösten Farbstoffes anregende Strahlung nicht axial durch ein stirnseitiges Fenster, sondern radial durch den Kunststoffschlauch eingestrahlt wird, kann an einem Ende des Schlauches ein Spiegel angeordnet sein, wodurch die Intensität der am anderen Ende zur Verfügung stehenden Fluoreszenz­ strahlung erheblich erhöht wird.

Besonders vorteilhaft werden die Flüssigkeitslichtleiter nach den Ansprüchen 1-6 in Verbindung mit der Beleuchtungseinrichtung für medizinische Zwecke eingesetzt, insbesondere zur Strahlen­ polymerisation von Dentalmassen oder zur Beleuchtung in der medizinischen Endoskopie.

Claims (10)

1. Lichtleiter zum Einsatz in einer Beleuchtungseinrichtung 10, der einen zumindest an der Innenseite aus einem Kohlenstoff-Fluor- Polymeren oder - Copoymeren bestehenden biegsamen Schlauch 24 enthält, der an den Enden durch transparente Abschlußfenster 28 bzw. 30 verschlossen und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllflüssigkeit 26 ganz oder teilweise aus einem Phenylmethylsilikonöl besteht.

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die freien Valenzen absättigenden Reste des Silikonöls zu mehr als 20% aus Phenylgruppen bestehen.

3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikonöl Ketten mit mehr als zwei Siliciumatomen enthält.

4. Lichtleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikonöl aus Trisiloxanen mit vier oder fünf Phenylgruppen oder Mischungen hieraus besteht.

5. Lichtleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch 24 TFB, FEP oder PFA enthält.

6. Lichtleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllflüssigkeit 26 einen fluoreszierenden Farbstoff enthält.

7. Lichtleiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllflüssigkeit 26 einen Perylen-Farbstoff wie Lumogen F Orange 240 oder Rot 300 oder Violett 570 enthält.

8. Lichtleiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Kunststoffschlauches 24 ein Spiegel angeordnet ist.

9. Lichtleiter 14 nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das der Lichtquelle 12 zugewandte Abschlußfenster 28 des Lichtleiters 14 aus Flintglas oder einem anderen Glas besteht, welches unterhalb etwa 380 nm absorbiert und einen ähnlichen Brechungsindex hat wie die Füllflüssigkeit 26.

10. Verwendung eines Lichtleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 9 in einer - Beleuchtungseinrichtung 10 mit einer Wolfram- Halogen-Glühlampe 18 oder einer Hochdruck-Bogenentladungs­ lampe als Lichtquelle 12, die optisch mit einem Lichteintrittsende des Lichtleiters 14 gekoppelt ist, für medizinische Zwecke, insbesondere zur Strahlungspolymerisation von Dentalmassen oder zur Beleuch­ tung in der medizinischen Endoskopie, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lichteintrittsseite des Lichtleiters 14 ein dielektrisches Wärmeschutzfilter 32 vorgesehen ist, welches entweder auf die der Lichtquelle zugewandten Stirnfläche des Fensters 28 aufgedampft oder auf einem eigenen Träger angeordnet ist.