MZB Haut für gepulste CW-Laserdiode

[SamLaser]

Hallo liebe Forummitglieder,

im Rahmen meiner Abschlussarbeit werde ich einen Pulsoximeter entwickeln. Ein Pulsoximeter misst den Sauerstoffgehalt im Blut mit spektroskopischen Methoden, indem die Haut bestrahlt wird. Normalerweise werden LEDs verwendet, ich werde allerdings untersuchen ob mit Laserdioden bessere Ergebnisse erzielt werden können.
Aus diesem Grund ist es wichtig den MZB für die Haut zu bestimmen.

Ich wäre froh wenn jemand meine Berechnung anschauen könnte und mir sagen könnte ob ich alles richtig gerechnet habe.


Daten für die Berechnung:
- CW-Laserdiode, Leistung=5mW, wird gepulst betrieben, Impulsdauer=1µs, Impulsperiode=2µs, Frequenz f=500kHz
- Blendendurchmesser d=3,5mm (gemäß BGV B2 Tabelle 5) --> Wirkfläche A=π*(d/2)^2=9,62*10^(-6)
- Einwirkungsdauer 24 Stunden, da der Sauerstoffgehalt einen ganzen Tag überwacht werden soll
für 24 Stunden gibt es aber kein Vergleichswert deshalb: neue Annahme Einwirkungsdauer: T=3*10^4 also ca. 8 Stunden, da es der maximale Vergleichswert gemäß BGV B2 Tabelle 7 ist
- Anzahl Impulse N = T*f = 1,5*10^10

1. Einzelimpulskriterium
H_einzel = (5*10^-3 * 10^-6)/(9,62*10^-6) = 5,20 * 10^-4 J/m^2 (Energiedichte H für einen Impuls)
MZB_einzel = 1,1 * 10^4 * t^0,25, mit t=1µs --> 347,85 J/m^2   (MZB für einen Einzelimpuls der Länge 1µs gemäß BGV B2 Tabelle 7)
H_einzel << MZB_einzel --> Kriterium eindeutig erfüllt

2. Mittelwertkriterium
H_gesamt = H_einzel * Anzahl Impulse N = 7796257,80 J/m^2 --> E_mittel=H_gesamt/T= 7796257,80 J/m^2 / 3*10^4 = 259,88 W/m^2 (mittlere Leistungsdichte E)
MZB_mittel: E=2000W/m^2 (MZB für einen Einzelimpuls der Länge T=3*10^4 gemäß BGV B2 Tabelle 7)
E_mittel < MZB_mittel --> Kriterium erfüllt

3. Reduziertes Einzelimpulskriterium
Annahmen Einwirkungsdauer für Kriterium 3: T2=100s (maximaler Wert gemäß BGV B2 Tabelle8 )
Unterhalb 18µs müssen Impulse zusammengefasst werden. Anzahl der Impulse: 100s/18µs = 5555556 Impulse
(In 18µs gibt es 9 Impulse, also 9µs muss ich das irgendwie in der Berechnung beachten? habe ich hier nicht gemacht...)
MZB_Impulsfolge = MZB_einzel*C5 = MZB_einzel*N^(-1/4) = 7,16 J/m^2
H_einzel < MZB_Impulsfolge --> Kriterium erfüllt

Vielen Dank,
Sam

[ekkard]

Könntest du bitte die Wellenlänge nachliefern?! (Kann ja sein, dass sie keine Rolle spielt, aber sie gehört zu den Prüfgrößen.)

[ekkard]

Ich wäre froh wenn jemand meine Berechnung anschauen könnte ...

Dann wollen wir mal - zumindest einige Schritte ...

Daten für die Berechnung:
- CW-Laserdiode, Leistung=5mW, wird gepulst betrieben, Impulsdauer=1µs, Impulsperiode=2µs, Frequenz f=500kHz
- Blendendurchmesser d=3,5mm (gemäß BGV B2 Tabelle 5) --> Wirkfläche A=π*(d/2)^2=9,62*10^(-6)
- Einwirkungsdauer 24 Stunden, da der Sauerstoffgehalt einen ganzen Tag überwacht werden soll
für 24 Stunden gibt es aber kein Vergleichswert deshalb: neue Annahme Einwirkungsdauer: T=3*10^4 also ca. 8 Stunden, da es der maximale Vergleichswert gemäß BGV B2 Tabelle 7 ist
- Anzahl Impulse N = T*f = 1,5*10^10

Die Frequenz ist also 500 kHz mit einem Tastverhältnis von 1:1, Impulsdauer 1µs ok
Blendendurchmesser ok; Fläche korrekt.
Zeitbasis: 30000 s ok
Wellenlänge nicht angegeben!

1. Einzelimpulskriterium
H_einzel = (5*10^-3 * 10^-6)/(9,62*10^-6) = 5,20 * 10^-4 J/m^2 (Energiedichte H für einen Impuls)
MZB_einzel = 1,1 * 10^4 * t^0,25, mit t=1µs --> 347,85 J/m^2   (MZB für einen Einzelimpuls der Länge 1µs gemäß BGV B2 Tabelle 7)
H_einzel << MZB_einzel --> Kriterium eindeutig erfüllt

H-Berechnung (Bestrahlung) korrekt.
MZB(1µs): Formel & Berechnung korrekt.
Klar, der einzelne Impuls spielt erwartungsgemäß keine Rolle!

2. Mittelwertkriterium
H_gesamt = H_einzel * Anzahl Impulse N = 7796257,80 J/m^2 --> E_mittel=H_gesamt/T= 7796257,80 J/m^2 / 3*10^4 = 259,88 W/m^2 (mittlere Leistungsdichte E)
MZB_mittel: E=2000W/m^2 (MZB für einen Einzelimpuls der Länge T=3*10^4 gemäß BGV B2 Tabelle 7)
E_mittel < MZB_mittel --> Kriterium erfüllt

Hm, umständlich. Der Mittelwert ergibt sich aus dem Tastverhältnis zu 0,5 x Maximum, also 2,5 mW. Dies ist auf eine Fläche von 3,5 mm Durchmesser zu beziehen, wenn der Strahldurchmesser kleiner ist. Oder auf die Strahlquerschnittsfläche, sollte der Durchmesser größer sein als 3,5 mm, wobei das Maximum der Bestrahlungsstärke gesucht werden muss. (Meist in der Strahlachse). Nehmen wir den Fall eines sehr engen Strahls, dann muss man auf die o. a. Fläche beziehen und erhält

E = 2,5 mW/9,62*10^(-6)m² = 259,88 W/m², also korrekt.
Die MZB ist ok, also eingehalten.

3. Reduziertes Einzelimpulskriterium
...

Bitte die Norm oder die BGV B2 genau lesen! In der Norm steht folgender Satz, der auch in der BGV irgendwo stehen sollte:

"Die MZB für eine Bestrahlung der Augen für Wellenlängen unter 400 nm und die MZB für eine Bestrahlung der
Haut ist durch die Benutzung der restriktivsten der Anforderungen a) und b) bestimmt.
a) Die Bestrahlung durch jeden Einzelimpuls einer Impulsfolge darf nicht den MZB-Wert für einen Einzelimpuls
überschreiten.
b) Die mittlere Bestrahlungsstärke für eine Impulsfolge der Einwirkungsdauer T darf den MZB-Wert der Tabellen
A.1, A.2 und A.3 für einen Einzelimpuls der Einwirkungsdauer T nicht übersteigen.
c) 1) Für konstante Impulsenergie und Impulsdauer:..."

Also ist c) irrelevant für die Haut und wir sind mit Einzelimpuls- bzw. Mittelwertkriterium fertig!

[ekkard]

Noch eine kleine Anmerkung:
Nicht einfach losrechnen, sondern sich überlegen, wo du vereinfachen kannst und was du brauchst.
Im vorliegenden Fall k a n n der einzelne Impuls die Haut nicht schädigen; denn selbst 5 mW auf rund 10^-05 m² (runden, dann kann man im Kopf rechnen) ergibt einen Wert von 500 W/m². Aber 2000 W/m² sind bei kleiner bestrahlten Fläche zulässig.
Folglich k a n n auch die Hälfte (Mittelwert) nicht schädigend wirken. Fertig!
Solche Abschätzungen machen sich auch in wissenschaftlichen Arbeiten gut! Weil der Leser mitkommt.

Das "reduzierte Einzelimpulskriterium" gilt für bestimmte Wellenlängen (>400nm) n u r für das Auge!

[undineSpektrum]

Hallo zusammen,
Lieber Sam,

kann es sein... dass die gesuchte Wellenlänge 650 nm ( "rot strahlende Diode" ) ist ?
Das würde auch mit den typischen Daten aus der Berechnung hier übereinstimmen ( z.B. 5 mW im der Laserdiode bei Dauerstrichbetrieb )...
Gemessen wird mit dieser Methode "Standard-Verfahren" meisten bei zwei charakteristischen Wellenlängen, das sind 650 / 660 nm und als Referenzpunkt meistens 940 nm ...
Hier wird nicht das gesamte Absorbtionsspektrum bestimmt sondern nur der Absorbtionskoeffizient / die Extinktion bei zwei signifikanten Messpunkten, die durch diese Wellenlängen gegeben sind - das funktioniert in vielen Fällen in der Molekülspektroskopie.
In manchen Fällen liefert diese Methode zwar falsche Werte ( Kohlenmonoxid-Vergiftung z.B.) so dass dann mehrere Stützstellen aus dem Spektrum bei unterschiedlichen Wellenlängen als nur zwei gebraucht werden um den SpO²-Wert zu bestimmen... aber das ist hier ja nicht wichtig, denke ich, weil es um die Standard-Messung geht.

Ich selber mache solche Messungen mit der metallorganischen Verbindung Chlorophyll die für das Blattgrün verantwortlich ist - einer vom Aufbau her ganz ähnlichen Substanz ... die Wellenlängen sind da aber andere...

Grüße,

Undine

[mackel]

Hi,

undine hat da recht. Er wird zwei Quellen brauchen 650nm und 660nm.

Aus persönlicher Erfahrung (RettSan) weiß ich aber nicht ob die Umstellung von konventionellem Licht (LED)
auf koherentem Licht (Laser-Diode) wirklich etwas bringt, da die unterschiedliche Absorption der beiden
Wellenlängen verrechnet wird um die Sauerstoffsättigung im Blut zu messen. Macht man meherere Messungen
pro Sekunde kann man darüber hinaus auch den Puls messen und eine Pulskurve (Pleth) anzeigen.
Ich kann mir nicht vorstellen dass die Kohrerenz da große Vorteile hat.

CW ist eingendlich auch falsch, da es gängige Praxis ist, die Dioden zwischenszeitlich auszuschalten,
um ne Differenzmessung ohne Betrahlung durchzuführen um Umgebungslicht (z.b. Sonnenlicht) rauszufiltern.
Daher würden die Laser sowiso nur kurz flashen wenn der Wert mit Beleuchtung erhoben wird.

Mackel

[SamLaser]

vielen Dank für eure Hilfe!

Die Wellenlänge, die ich für die Berechnung hergenommen habe liegt bei 660nm.
Das ist richtig, dass ich zwei Wellenlängen benutzen muss, ich wollte aber erst die MZB grob für eine Wellenlänge berechnen.

[undineSpektrum]

Hallo Sam, ( und alle anderen hier ) :

Freut mich die Wellenlänge in etwa jetzt angegeben zu haben ... ich denke dass hast Du in Deiner Rechnung zu dem MZB-Werten berücksichtigt ohne es allerdings geschrieben zu haben - und nicht jede(r) kennt ja dieses Messverfahren.
Deshalb auch ekkards Frage nach der Wellenlänge - wir wissen ja auch nicht was Du genau entwickelt hast, denn das Verfahren ist ja schon seit längerem bekannt. Es ging ja um ein sicherheitsrelevantes Thema und z.B. 405 nm wirken anders als 650 nm Wellenlänge...

@ Mackel:
Damit hast Du völlig recht:
Zitat anfang

CW ist eingendlich auch falsch, da es gängige Praxis ist, die Dioden zwischenszeitlich auszuschalten,
um ne Differenzmessung ohne Betrahlung durchzuführen um Umgebungslicht (z.b. Sonnenlicht) rauszufiltern.
Daher würden die Laser sowiso nur kurz flashen wenn der Wert mit Beleuchtung erhoben wird

Zitat ende

Ich meinte damit die Beschreibung der Diode mit einer Dauerstrichleistung von 5 mW - allgemein ist auch cw-Betrieb ein "dehnbarer" Begriff bei Lasern - auch sog. Pulslaser wie der Rubinlaser der in der Kosmetik u.a. verwendet wird ist ein "kurzzeitig eingeschalteter Dauerstrichlaser" weil die Inversion nur für kurze Zeit durch die Pumplichtquelle soweit aufgebaut wird dass die Schwellwertbedingung nach Towens überschritten ist und das Licht kurzzeitig wie im Dauerstrichbetrieb aufblitzt - für Uns erscheint das dann als "Pulslaser" ... auch die MZB-Werte werden dabei nach den schon beschriebenen Kriterien erhoben... bei z.B. Rechteckmodulation im Großsignalbereich ist das bei der Diode hier nichts anderes.

Bei großen Zeitdauern und einer Impulswiederholung deren Spitzenleistungen nicht zu stark von der mittleren Leistung abweichen ist - insbesondere bei thermisch beeinflussend wirkenden Wellenlängen - das Mittelwertkriterium sehr ausschlaggebend da die Verteilung der Wärme in schlechten Wärmeleitern wie Gewebe oder Wasser sehr langsam im Verhältnis zu den Zeitkonstanten der einfallenden Strahlung ist - aber das wurde ja alles schon vorgerechnet oben und ist auch so in Ordnung.
Nichts anderes sagen die gezeigten Rechnungen in diesem Fall hier ja auch aus.

Weiterhin schreibst Du noch:
Zitat anfang

Aus persönlicher Erfahrung (RettSan) weiß ich aber nicht ob die Umstellung von konventionellem Licht (LED)
auf koherentem Licht (Laser-Diode) wirklich etwas bringt, da die unterschiedliche Absorption der beiden
Wellenlängen verrechnet wird um die Sauerstoffsättigung im Blut zu messen.

Zitat ende ...

Ich sehe da aus meiner Sicht auch nicht den Vorteil... es ist aus meiner Sicht keine Anwendung die durch den Laser verbessert wird... aber vielleicht verstehen wir ja gar nicht was der Gegenstand von Sams Prüfungsarbeit ist - und das kann nur er uns erklären... es wird wohl irgend einen Sinn haben dass er es mit Lasern untersucht...
sowie:
Zitat anfang

Ich kann mir nicht vorstellen dass die Kohrerenz da große Vorteile hat.

Zitat ende...
Eben, die spielt da gar nicht mit rein... ist halt eine sehr langsame, zeitaufgelöste Absorbtionsspektroskopie... Aber vielleicht ist da ein Vorteil gegenüber der LED... die Intensität das Lasers ist stärker gerichtet und das Ausgangssignal vielleicht deutlicher... aber das kann ich nur vermuten... Wenn Du magst : Sam, klär uns doch mal auf ...

Von der Sicherheit her - um die geht´s ja hier - ist der Unterschied von der LED zum Diodenlaser dieser Leistungsklasse mittlerweile fast unerheblich... zumindest bei dieser Anwendung.

Grüße, ( und viel Erfolg bei der Prüfung , Sam!)

Undine