Aktueller Stand der Technik zur OP-Feldbeleuchtung

Eine grundlegende Anforderung an eine OP-Leuchte besteht darin, das Auftreten von Schlagschatten zu reduzieren, ohne die für das Erkennen von Strukturen notwendige Tiefenwirkung zu eliminieren. Gelöst wird diese Aufgabe durch die gerichtete Mehrfachüberlagerung des Leuchtfeldes aus möglichst vielen Bereichen der Lichtaustrittsfläche. Weitere Anforderungen an eine OP-Feldbeleuchtung, inklusive sicherheitsrelevanter Grenzwerte wie. z.B. der Gesamtbestrahlungsstärke oder auch bezüglich der photobiologischen Sicherheit, finden sich in der internationalen Sicherheitsnorm IEC 60601-2-41 [1]. Die Norm geht darüber hinaus auch auf wesentliche Leistungsmerkmale ein, wie die mindestens geforderte Beleuchtungsstärke von 40 klx bei einer Einzelleuchte oder eine einzuhaltende Leuchtfeldverteilung. Des Weiteren werden die Auswirkungen von Abschattungen der Lichtaustrittfläche oder eines variablen Arbeitsabstands auf die verbleibende Leuchtfeldqualität quantifiziert sowie die Qualität der spektralen Verteilung auf Basis des Farbwiedergabeindex und der Farbtemperatur definiert.

Diese Anforderungen werden in modernen OP-Leuchtensystemen (OLS) auf unterschiedlichste Weise umgesetzt. So sind am Markt befindliche Lösungen in der Lage, Objekte zu detektieren, die die Lichtaustrittfläche bzw. den sie passierenden Strahlengang abschatten. Betroffene Bereiche des optischen Systems werden deaktiviert und andere hervorgehoben, um solche Abschattungen zu kompensieren [2]. Zudem gibt es sensorunterstütze Systeme, welche den Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche und dem zu beleuchtenden Feld messen, um die Leuchtfeldparameter entsprechend konstant zu halten [4].

Auch die Anpassung der spektralen Verteilung an verschiedene chirurgische Eingriffe wird in modernen OLS umgesetzt. Diese basieren jedoch derzeit stets auf der Variation der Farbtemperatur bei gleichbleibend hoher Farbwiedergabe (vgl. Abb. 1), was keine eindeutige Bewertung der zugrundeliegenden spektralen Verteilung zulässt.

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Biodynamische Lichtsteuerung

Licht beeinflusst nicht nur die visuelle Wahrnehmung, sondern auch das sogenannte nicht-visuelle System, welches sich direkt auf die menschliche Physiologie auswirkt und einer der wichtigsten Treiber des zirkadianen Rhythmus ist. Indizien für eine solche physiologische Wirkung sind Veränderungen der Kortisol- und Melatonin-Konzentration im Blut zu unterschiedlichen Tageszeiten [5]. Der innerhalb des Gehirns befindliche suprachiasmatischer Nucleus (SCN) ist die übergeordnete Hauptuhr (Master Clock), welche den Schlaf-Wach-Zyklus eines Organismus reguliert und die überall im menschlichen Körper befindlichen Taktgeber synchronisiert. Seine eigene Synchronisation zum umgebenden Wechsel von Tag und Nacht erfolgt über das nicht-visuelle System. Zeitverschiebung, Stress, Schlafentzug oder falsche Beleuchtung können negative Folgen wie saisonal abhängige Depression oder Schlaf- und zirkadiane Rhythmusstörungen zur Folge haben. Mögliche Kurzzeiteffekte sind Konzentrationsstörungen, Aufmerksamkeitsverluste sowie Beeinträchtigungen bei der Verarbeitung von Informationen im Gehirn. Diese potentiellen negativen Wirkungen auf Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit müssen bei der Konzeption eines ganzheitlichen Ansatzes einer biodynamischen Lichtsteuerung eines OLS berücksichtigt werden.

Die physiologischen Mechanismen von visuellem und nicht-visuellem System unterscheiden sich grundlegend. Beim Sehen (visuell) werden Stäbchen und Zapfen der Retina durch elektromagnetische Strahlung stimuliert und diese Anregung in ein elektrisches Signal konvertiert, welches im visuellen Cortex bildhaft verarbeitet wird. Dem gegenüber stehen die Rezeptoren des nicht-visuellen Systems, die sogenannten intrinsischen fotosensitiven retinalen Ganglienzellen (ipRGC), deren Signale entlang einer abweichenden Informations- und Reizleitung an verschiedenen Stellen des zentralen Nervensystems eine entsprechende Reaktion hervorrufen, wie die Ausschüttung spezifischer Hormone, die bereits beschriebene Beeinflussung des zirkadianen Rhythmus oder auch die Steuerung der Pupillenmotorik. Dabei ist die Funktion des nicht-visuellen Systems primär von der totalen Lichtexposition und weiterhin vom Einstrahlwinkel in das Auge abhängig. Die ipRGCs, deren Fotopigment das Melanopsin ist, agieren nicht ausschließlich allein. Die Verschaltung mit Stäbchen und Zapfen mittels bipolarer (Stäbchen)- und amakrinen Zellen innerhalb der Retina legt nahe, dass eine Beziehung zu den Empfängern des visuellen Systems existiert. So ergibt sich eine melanopische Wirkungsfunktion, welche ein Maximum in der relativen spektralen Empfindlichkeit bei 480 nm aufweist (vgl. Abb. 2). Darüber hinaus sind die ipRGCs, verglichen mit Stäbchen und speziell den Zapfen, weniger sensitiv gegenüber geringen Intensitäten. Es kann somit zusammengefasst werden, dass das nicht-visuelle System auf einer komplexen und sehaufgabenspezifischen Interaktion aller fotosensitiven Empfänger der Retina basiert.

Diese bekannten physiologischen Mechanismen können bei der Entwicklung einer biodynamischen Lichtsteuerung innerhalb eines OLS berücksichtigt werden. Dadurch kann ein signifikant positiver Effekt auf Patienten und medizinisches Personal realisiert werden, da das OLS im Vergleich zur Allgemeinbeleuchtung eine deutlich höhere Beleuchtungsstärke emittiert. Im Jahr 2005 wurde eine Studie der Firma Berchtold GmbH & Co. KG zusammen mit der Technischen Universität Ilmenau veröffentlicht, in welcher die statistische Irrtumswahrscheinlichkeit unter einer OP-Feldbeleuchtung mit 4.300 K im Gegensatz zu 3.400 K untersucht wurde. Es wurde nachgewiesen, dass diese in den Wintermonaten bei einer Beleuchtung mit höheren Farbtemperaturen signifikant niedriger ausfällt [6]. In den letzten 15 Jahren hat sich der Umfang des Wissens über diese nicht-visuellen Mechanismen sehr stark erweitert. Unabhängig davon müssen für die erfolgreiche Konzeption einer biodynamischen OP-Feldbeleuchtung noch weitere Untersuchungen zur Charakterisierung der relevanten Sehaufgabe des Chirurgen, bei verschiedenen zu kategorisierenden chirurgischen Eingriffen, durchgeführt werden.

Gewebespezifische Lichtsteuerung

Einen weiteren Ansatz zur Verbesserung der Beleuchtungssituation im Operationssaal, stellt die Umsetzung einer gewebespezifischen Lichtsteuerung dar. Ziel einer solchen Lichtsteuerung ist die Unterstützung des Chirurgen bei der Differenzierung verschiedener Gewebe oder Gewebezustände. Um die optimale Beleuchtung für ein Gewebe zu finden, kann anhand des Reflexionsverhaltens des Gewebes eine mathematische Optimierung durchgeführt werden [8, 9]. Eine umfassende Beschreibung des Reflexionsverhaltens biologischer Gewebe, das sowohl winkel- als auch wellenlängenabhängig ist, liegt in der Literatur noch nicht vor. Daher soll die Optimierung der Spektralverteilung auf der im Folgenden beschriebenen Messung bidirektionaler Reflexionsverteilungsfunktionen (BRDF) basieren. Ziel der mathematischen Optimierung ist die Maximierung des Farbabstands ΔE, während die Farbtemperatur (CCT) und der allgemeine Farbwiedergabeindex (CRI) als Randbedingungen betrachtet werden.

Abb. 3 zeigt das Messverfahren zur Messung der BRDF biologischer Gewebe. Die Probe bildet den Mittelpunkt der Messung und ist von 0°…360° drehbar sowie zwischen 0°…180° kippbar. Die Lichtquelle hingegen kann zwischen 0°…90° bewegt werden, während die Position des Detektors, der im bestehenden System ein Spektrometer ist, nicht verändert wird. Die Lichtquelle, die zur Messung der BRDF verwendet wird, ist eine Vollspektrum LED von Seoul Semiconductor, da die Spektralverteilung der LED ein Signal zwischen 400…750 nm liefert (vgl. Abb. 2, breitbandiges LED-Spektrum) [9]. Die LED ist mit einer TIR-Linse ausgestattet worden, welche die Lambert’sche Lichtverteilung in eine gerichtete Abstrahlung mit einem Halbwertswinkel von 8° bündelt.

Nicht nur die Messung, sondern auch die Präparation der biologischen Gewebe stellt aus vielen Gründen eine große Herausforderung dar: Die Gewebe degradieren über die Zeit, wobei eine Abhängigkeit von der Raumfeuchtigkeit und der Umgebungstemperatur besteht. Weiterhin kann durch die Vorbereitung der Probe das Messergebnis verfälscht werden, da durch die Bearbeitung der Gewebeoberfläche das Streuverhalten der Probe verändert wird. Zudem stellt jede Probe ein biologisches Unikat dar, weshalb selbst bei konstanten Messbedingungen abweichende Ergebnisse erzielt werden können.

Eine Reflexionsfunktion liefert ein relatives Spektrum, welches das Resultat der Division eines Probekörpers durch ein Referenzspektrum darstellt. Im beschriebenen System wird das Referenzspektrum mit Hilfe eines annähernd perfekten Spiegels (Alanod MIRO-Silver® 2) ermittelt, der zunächst an der Position der Probe angebracht wird [10]. Anschließend wird die Reflexionsfunktion, die mit Hilfe des Spiegels aufgezeichnet wurde, durch das Ausgangsspektrum der Lichtquelle dividiert. Die dadurch erhaltene Referenzmessung entspricht somit der Reflexionsfunktion des Spiegels. In Abb. 4 wird die Referenzmessung (blauer Graph) unter einem Einfallswinkel von 10° mit den Herstellerangaben bei 8° (grüner Graph) verglichen. Es zeigt sich, dass die gemessenen Referenzdaten mit den Herstellerangaben übereinstimmen, da diese eine Trendlinie zur gemessenen Referenz bilden. Der Graph bildet eine näherungsweise Konstante mit einem leichten Abfall zum roten Ende des sichtbaren Spektrums. Lediglich im Bereich zwischen 400…450 nm liegen Abweichungen vor, die auf die Signaldifferenzen der Vollspektrum LED zurückzuführen sind.

Basierend auf den dadurch gemessenen BRDF kann schließlich eine mathematische Optimierung durchgeführt werden. Ziel der Optimierung ist die Maximierung des Farbabstands ΔE, wohingegen der allgemeine Farbwiedergabeindex sowie die Farbtemperatur als Randbedingungen betrachtet werden können, deren Kennzahlen in der internationalen Sicherheitsnorm IEC 60601-2-41 vorgegeben sind [1, 11]. Im Gegensatz zur Messung der Reflexionsfunktion, die im beschriebenen System mit einer Vollspektrum LED aufgenommen wird, werden zur Optimierung dynamische und steuerbare Lichtquellen benötigt. Diese können entweder aus Breitbandlichtquellen mit Filtervorschub oder einer Vielzahl monochromatischer LEDs bestehen, um jede beliebige Spektralverteilung zu erzeugen [12, 13]. Erst durch die individuelle Steuerung der Lichtquelle kann schließlich die Spektralverteilung optimiert werden, um in Folge den Farbabstand ΔE zu maximieren.

Das ganzheitliche Beleuchtungskonzept

Das beschriebene ganzheitliche Beleuchtungskonzept im Operationssaal kann sowohl biodynamische als auch gewebespezifische Aspekte bei der Steuerung des OLS berücksichtigen. Bevor jedoch ein solches Konzept umgesetzt werden kann, müssen zunächst alle Umwelteinflüsse sowie die Sehaufgabe des Chirurgen und des medizinischen Personals analysiert und verstanden werden. Abb. 5 illustriert die Komplexität der Umweltweinflüsse auf die menschliche Wahrnehmung.

Nicht nur die Spektralverteilung des OLS, sondern auch die Reflexionen von Wänden, Instrumenten und gelegentlich Tageslicht beeinflussen die Wahrnehmung und das menschliche Sehen. Durch eine festgelegte Steuerung können Konzentrations- und Entspannungsphasen beim Chirurgen und medizinischen Personal während einer Operation unterstützt werden. Das OLS kann selbst über die Operationsdauer hinaus, während der Vor- und Nachbereitung, positiv auf das medizinische Personal wirken, indem durch eine geeignete Spektralverteilung das Melatoninlevel reguliert wird.

Künftige Entwicklungen befassen sich zunehmend mit der Implementierung von Sensoren, um die Sehaufgabe des Chirurgen zu erfassen und beschreiben zu können. Anhand der aufgezeichneten Daten kann das OLS automatisch die Beleuchtungsstärke, die Spektraleigenschaften oder die Anpassung des FOVs vornehmen. Diese Entwicklungen müssen jedoch in enger Zusammenarbeit mit dem medizinischen Personal durchgeführt werden und dürfen die Vorgänge im Operationssaal nicht einschränken. Es ist eine große Herausforderung, die optimale Beleuchtungslösung zu finden, da jede Situation im Operationssaal neu bewertet werden muss und die optimale Beleuchtungslösung stets ein Kompromiss zwischen biodynamischer und gewebespezifischer Optimierung sein wird.

Literatur

[1] IEC 60601-2-41: Medizinische elektrische Geräte – Teil 2-41: Besondere Festlegungen für die Sicherheit von Operationsleuchten und Untersuchungsleuchten (IEC 60601-2-41:2009 + A1:2013); Deutsche Fassung EN 60601-2-41:2009 + A1:2015

[2] Getinge Group, Maquet PowerLED II Surgical Light: Product Brochure – Driving surgical efficiency to the next level. Januar 2019

[3] Trumpf Medizin Systeme GmbH, 2009, Operationsleuchte mit abstandsabhängiger Helligkeitsregelung, Marka, Rudolf, European Patent: EP 2 136 129 B1

[4] Berchtold Stryker Group: Chromophare E558/E778 Surgical Light

[5] Brainard GC, Hanifin JP, Greeson JM et al.: Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. In: The Journal of Neuroscience 2001; 15;21(16):6405-12.

[6] Vandahl C, Gall D, Scholz M, Dockhorn V.: Physio-psychologische Aspekte der Operationsfeldbeleuchtung. Zeitschrift LICHT 57 (4) 2005, S. 312–315.

[7] Wang H, Cuijpers RH, Luo MR, Heynderickx I, Zheng Z: Optimal illumination for local contrast enhancement based on the human visual system in Journal of Biomedical Optics 2015; 20: pp. 0150051-8.

[8] Wang H, Cuijpers RH, Vogels IMLC, Heynderickx I, Luo MR, Zheng Z. Simultaneous Optimization of Color Contrast and Color Rendering Index for Surgical Lighting. SID Symposium Digest of Technical Papers 2016; 47: 197–199.

[9] Seoul Semiconductor: Pre-Product Data Sheet. S4SM-1566xx9736-0C500H3S-00001, SunLike COB Series. 12. September 2019

[10] Alanod GmbH & Co. KG: Miro-Silver® 2 |4200 AG. Oberflächen-Streucharakteristik. 6. Juni 2019.

[11] DIN EN ISO 11664-6: Farbmetrik – Teil 6: CIEDE2000 Formel für den Farbabstand (ISO/CIE 11664-6:2014); Deutsche Fassung EN ISO 11664-6:2016.

[12] Wang H-C, Chen Y-T, Lin J-T, Chiang C-P, Cheng F-H. Enhanced visualization of oral cavity for early inflamed tissue detection. Optics express 2010; 18: 11800–11809.

[13] Wang H, Cuijpers RH, Vogels I, Ronnier Luo M, Heynderickx I, Zheng Z. Optimising the illumination spectrum for tissue texture visibility. Lighting Research & Technology 2017; 50: 757–771.