MESSUNGDER BIOLOGISCH RELEVANTEN

UV-STRAHLENBELASTUNG.

UNTERSUCHUNGEN IN EINER ZAHNARZTPRAXIS

Inaugural-Dissertationzur Erlangung des Doktorgrades

der Hohen Medizinischen Fakultätder Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität

zu Bonn

vorgelegt von

Jochem Manfred Hugo Braches

aus Wermelskirchen

Bonn 2001

Angefertigt mit Genehmigungder Hohen Medizinischen Fakultät

der Universität Bonn

1. Gutachter: Prof. Dr. H. Rink2. Gutachter: Prof. Dr. R. Gerzer

Tag der mündlichen Prüfung: 20. 9. 2001

Aus demInstitut für Luft- und Raumfahrtmedizin

- Strahlenbiologie -des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt (DLR)

Direktor: Prof. Dr. R. Gerzer

und der

Radiologischen Universitätsklinik- Experimentelle Radiologie und Strahlenbiologie -

der Universität Bonn

Direktor: Prof. Dr. H. Schild

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INHALTSVERZEICHNIS

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ..............................................................6

1. EINLEITUNG...........................................................................................7

1.1. Ultraviolette Strahlung .............................................................................7

1.1.1. Strahlungsphysikalische Charakterisierung der UV-Strahlung ...............7

1.1.2. Bestimmung photobiologisch wirksamer Strahlungsgrößen ...................9

1.2. Biologische Wirkungen der UV- Strahlung............................................10

1.3. Gewichtete Spektroradiometrie .............................................................21

1.4. Der Biofilm als UV-Dosimeter ...............................................................22

1.5. Lichttechnische Raumzoneneinteilung eines zahnärztlichen

Behandlungsraumes .............................................................................25

1.6. Fragestellung.........................................................................................27

2. MATERIAL UND METHODEN .............................................................28

2.1. Physikalische Messgeräte zur Erfassung der UV-Strahlung ................28

2.1.1. Das UVX-Radiometer............................................................................28

2.1.2. Das Spektroradiometer .........................................................................29

2.2. Bestrahlungsquellen..............................................................................30

2.2.1. Niederdruck-Quecksilberlampe.............................................................30

2.2.2. Deckenleuchte.......................................................................................31

2.2.3. Halogenleuchten an Turbine, Winkelstück und Zahnsteinentfernungs-

gerät ......................................................................................................31

2.2.4. Polymerisationsleuchte .........................................................................33

2.2.5. Behandlungsleuchte..............................................................................33

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2.3. UV-Filter ................................................................................................34

2.3.1. UV-Kantenfilter ......................................................................................35

2.3.2. Mylarfolie ...............................................................................................35

2.3.3. WHIRL-PAK-Folie .................................................................................36

2.3.4. OP-Handschuhe....................................................................................37

2.4. Der Biofilm .............................................................................................37

2.4.1. Sporenherstellung .................................................................................38

2.4.2. Herstellung des Biofilms........................................................................39

2.4.3. Expositionseinheiten .............................................................................40

2.4.4. Kalibrierung des Biofilms.......................................................................41

2.4.5. Entwicklung des Biofilms.......................................................................42

2.4.6. Bildanalytische Auswertung des Biofilms..............................................43

2.5. Untersuchungen der Lichtquellen zur Bestimmung der UV-Belastung

in einem Behandlungsraum einer Zahnarztpraxis (Grundkonzept) ......45

2.5.1. Geometrie der Bestrahlungsbedingungen ............................................46

2.6. Untersuchung der UV-Belastung durch während der Behandlungs-

zeit getragene Personendosimeter. ......................................................47

3. ERGEBNISSE .......................................................................................48

3.1. Expositionsversuch mit der Deckenleuchte ..........................................48

3.2. Expositionsversuche mit den Halogenleuchten an Turbine, Winkel-

stück und Zahnsteinentfernungsgerät...................................................48

3.3. Expositionsversuche mit der Polymerisationsleuchte ...........................49

3.3.1. UVX-Meter Messungen (Polymerisationsleuchte) ................................49

3.3.2. Spektroradiometrische Vermessung der Polymerisationsleuchte ........52

3.3.3. Bestrahlung des DLR-Biofilms ..............................................................53

3.4. Expositionsversuche mit der Behandlungsleuchte ...............................58

3.4.1. UVX-Meter-Messungen.........................................................................58

3.4.2. Spektroradiometrische Vermessung der Behandlungsleuchte .............60

3.4.3. Bestrahlung des DLR-Biofilms ..............................................................61

3.5. UV-Belastung im Routinebetrieb der Zahnarztpraxis............................65

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4. DISKUSSION ........................................................................................67

4.1. UV-Belastung des Behandlers und des Patienten................................72

4.2. Wellenlängenbereiche der UV-Belastung .............................................74

4.3. Bewertung der Lichtquellen in der Zahnarztpraxis in Bezug auf

gesundheitliche Schäden ......................................................................74

4.4. Maßnahmen zur Reduktion der UV-Belastung .....................................75

5. ZUSAMMENFASSUNG ........................................................................76

LITERATURVERZEICHNIS..................................................................77

DANKSAGUNG ....................................................................................81

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ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS

A Biologische AktivitätAbb. AbbildungAqua dest. Destilliertes WasserArt.- Nr. ArtikelnummerBF BiofilmBL BehandlungsleuchteCIE Commission Internationale de l' Eclairaged Φ StrahlungsflussDIN Deutsche Industrie-NormenDLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.DNA DesoxyribonukleinsäureE Bestrahlungsstärke in (W/m²)E 1 Raumzone eines zahnärztlichen Behandlungsraumes nach DIN 67505E 2 Raumzone eines zahnärztlichen Behandlungsraumes nach DIN 67505E 3 Raumzone eines zahnärztlichen Behandlungsraumes nach DIN 67505Ebiol Photobiologisch wirksame Bestrahlungsstärke in (W/m²)EN EuropanormGG-Filter Grün-Gelb-FilterH Bestrahlung in (J/m²)Hbiol Photobiologisch wirksame Bestrahlung (Dosis) in (J/m2 )Hg QuecksilberHs,biol Schwellenbestrahlung: Photobiologisch wirksame Bestrahlung, die eine

gerade merkliche Schwellenreaktion erzeugt in (J/m²)INIRC International Non-Ionizing Radiation CommitteeIRPA International Radiation Protection Associationlx LuxMED Minimale Erythemdosisn Anzahl der durchgeführten Versuchenm NanometerOD Optische DichtePa Pascal (Einheit des Druckes)pH Negativer dekadischer Logarithmus der WasserstoffionenkonzentrationRNA RibonukleinsäureS( λ )biol,rel Relative spektrale biologische EmpfindlichkeitSE Standardfehlert S ,biol SchwellenbestrahlungsdauerTris TrishydroxymethylaminomethanUpm Umdrehungen pro MinuteVDC Volt Direct CurrentWG-Filter Weiß-Glas-FilterWMO World Meterological OrganisationXP Xeroderma pigmentosum

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1. EINLEITUNG

1.1. Ultraviolette Strahlung

Ultraviolette Strahlen gehören zum Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Sie

sind elektromagnetische Wellen, deren Frequenzen oberhalb von denen des sichtbaren

Lichtes liegen ( λ ≤ 400 nm) und die bis hin zu den Frequenzen weicher Röntgenstrah-

len reichen ( λ ≤ 30 nm). Der UV-Spektralbereich wird weiter unterteilt in:

• UV-A mit Wellenlängen von 400 nm bis 315 nm.

• UV-B mit Wellenlängen von 315 nm bis 280 nm.

• UV-C mit Wellenlängen von 280 nm bis 180 nm.

Unterhalb 180 nm schließt sich das Vakuumultraviolett an, das natürlicherweise nur im

Weltraum vorkommt, da UV- Strahlung in diesem Bereich von der Erdatmosphäre voll-

ständig absorbiert wird. Seine Verwendung auf der Erde erfordert das Arbeiten im Va-

kuum.

Die natürliche UV-Strahlung des Sonnenlichtes besteht aus UV-A-, UV-B- und UV-C-

Strahlung, wobei die UV-B-Strahlung zu ca.90% und die UV-C-Strahlung fast vollständig

in der Erdatmosphäre zurückgehalten werden. Die Intensität des Sonnenspektrums auf

der Erdoberfläche ändert sich in Abhängigkeit vom Sonnenstand, der Wetterlage und

der Dicke der Ozonschicht. Die Gesamt-UV-Strahlung macht aber nur 6% der Gesamt-

strahlung des Sonnenlichts aus.

1.1.1. Strahlungsphysikalische Charakterisierung der UV-Strahlung

Die strahlungsphysikalische Charakterisierung der UV-Strahlung erfolgt durch die ra-

diometrischen Messgrößen Bestrahlungsstärke Ee(W/m²) und Bestrahlung He (J/m²),

wobei letztere auch als Dosis bezeichnet wird. Der Index “e“ kennzeichnet die strah-

lungsphysikalischen Daten der UV-Quellen. (Der Dosisbegriff wird in vielen Fällen für

photobiologisch bewertete Bestrahlungen insbesondere für das Erythem verwendet).

Abb. 1 zeigt die Einheiten zur Beschreibung von UV-Strahlen.

Die Bestrahlungsstärke Ee eines Flächenelements ist der Quotient aus dem auf das Flä-

chenelement auffallenden Strahlungsfluss dΦe und dem Flächeninhalt dA des Flächen-

elementes. Sie ergibt sich auch durch Integration der spektralen Bestrahlungsstärke E λüber einen definierten Wellenlängenbereich in spektralen Schritten d λ :

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Bestrahlungsstärke

W/m2

Photobiologisch

wirksame

Bestrahlungsstärke

W/m2

Zeit

(t)

Einheiten zur

Beschreibung von

UV-Strahlung

Zeit

(t)

Bestrahlung He

J/m2

Photobiologisch wirk-

same Bestrahlung

(Dosis) Hbiol

J/m2

Abb. 1. Graphische Darstellung der strahlungsphysikalischen Charakterisie-rung (nach Schulze und Kiefer 1977).

∫= λλdEEe (1)

Die Bestrahlung He eines Flächenelements ist der Quotient aus der auf das Flächen-

element auffallenden Strahlungsenergie dQe und dem Flächeninhalt dA des Flächen-

elements. Sie kann auch durch Integration der (veränderlichen) Bestrahlungsstärke Ee

über die Zeitspanne t ermittelt werden:

∫∞

=0

ee dtEH (2)

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1.1.2. Bestimmung photobiologisch wirksamer Strahlungsgrößen

Für rein photochemische Prozesse gilt das Gesetz der Reziprozität, da hier die Wirkung

nur vom Produkt (Dosis (J/m²)) aus Intensität und Expositionszeit abhängt. Für biologi-

sche Vorgänge kann trotz gleicher Dosis eine kurzzeitige Bestrahlung mit großer Inten-

sität anders wirken als eine Langzeitbestrahlung mit kleiner Intensität. Außerdem muss

die biologische Wirksamkeit verschiedener UV-Wellenlängen bei gleicher physikalischer

Bestrahlung bewertet werden. Daher müssen Untersuchungen über eine bestimmte

Wirkung jeder Wellenlänge der UV-Strahlungen eine relative Wirksamkeit gegenüber

einer Bezugswellenlänge zuordnen, so dass in Erweiterung der strahlenphysikalischen

Größen photobiologisch wirksame Strahlungsgrößen definiert werden müssen. Sie sind

jeweils einem zu untersuchenden Effekt zugeordnet, so dass sich die für die biologische

Bewertung maßgeblichen Strahlungsparameter erweitern.

Nimmt man noch die Überlegung hinzu, dass die Summenwirkung der Teilstrahlungen

aus den verschiedenen Wellenbereichen unabhängig von der Art der Teilstrahlungen ist,

werden die folgenden photobiologisch wirksamen Strahlungsgrößen definiert.

Die photobiologisch wirksame Bestrahlungsstärke Ebiol mit der Einheit Wm-2 ist entspre-

chend der relativen spektralen biologischen Empfindlichkeit S( λ )biol,rel der betrachteten

photobiologischen Reaktion:

)()( , λλλ dSEE relbiol0

biol ∫∞

= (3)

Hierin bedeutet S( λ )biol,rel die relative spektrale biologische Empfindlichkeit, normiert auf

S ( λ )biol,rel,max=1.

Sie wird für die unterschiedlichen biologischen UV-Wirkungen entweder als Kurve oder

in Form einer Tabelle angegeben (Relative spektrale Empfindlichkeit “Wirkungsspekt-

rum“ für DNA- Schäden, malignes Melanom, Erythem, Hautkrebs und Biofilm). Die pho-

tobiologisch wirksame Bestrahlung (Dosis) Hbiol mit der Einheit Jm-2 ist das Integral der

photobiologisch wirksamen Bestrahlungsstärke Ebiol über die Zeit t, wobei t1 die Dauer

des Bestrahlungsvorganges ist.

∫=1

biolbiol

t

0

dtEH (4)

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Als Schwellenbestrahlung Hs,biol wird die photobiologisch wirksame Bestrahlung be-

zeichnet, die eine gerade merkliche Schwellenreaktion erzeugt (z.B. minimale Erythem-

dosis, MED). Die MED ist diejenige Bestrahlung, die bei einer festgelegten Zeitspanne

zwischen Bestrahlungsbeginn und Beobachtungszeitpunkt eine gerade wahrnehmbare

Rötung der Haut erzeugt.

Die Schwellenbestrahlungsdauer t S,biol ist diejenige Bestrahlungsdauer, nach der bei

gegebener photobiologisch wirksamer Bestrahlungsstärke Ebiol die Schwellenbestrah-

lung Hs,biol erreicht wird:

biolllbioSbiolS EHt //= ,, (5)

1.2. Biologische Wirkungen der UV- Strahlung

Man kann die Wirkungen der UV-Strahlung auf das Auge und die Haut in akute Effekte

und Langzeiteffekte unterteilen. Die dominierenden akuten Effekte auf das Auge (We-

gener 1999) sind Photokonjunktivitis, Photokeratitis und Verbrennungen bei einem lin-

senlosen Auge. Das wesentliche Langzeitrisiko für das Auge ist die Katarakt. UV-

Strahlen durchdringen die beiden transparenten Gewebe des vorderen Augensegments,

wobei Kornea und Linse die UV-Strahlung in verschiedenem Maße absorbieren. Die

Absorptionseigenschaften sind direkt abhängig von der Wellenlänge (je kürzer die Wel-

lenlänge ist, um so mehr Energie wird absorbiert, s. Abb. 2).

Die Konjunktiva reagiert auf UV-B/C-Strahlung mit einer akuten Entzündungsreaktion,

die nach Entfernung des Reizes verschwindet, wenn dieser keine Gewebeverbrennung

verursacht hat.

Die Kornea weist keine messbaren akuten oder chronischen Gewebsveränderungen

oder Gewebsschädigungen durch alleinige UV-A-Strahlung auf. Der Grund ist wahr-

scheinlich die geringe Höhe der absorbierten UV-A-Strahlungsenergie und das beson-

dere Heilungsvermögen von Epithel und Bindegewebe der Kornea. Bei jungen Individu-

en kann dies durch die geringere Absorption über 300 nm erklärt werden. Bei älteren

Menschen steigt jedoch die UV-A-Absorption in der Kornea an. Nur in Kombination mit

anderen Risikofaktoren, wie zum Beispiel photosensibilisierenden Drogen (Jose et al.

1982), führt UV-A-Strahlung zu schweren Schäden der Kornea. Die Kornea wird haupt-

sächlich durch Absorption der UV-Strahlen im UV-C- und UV-B-Bereich geschädigt. Sie

zeigt hierbei eine akute Reaktion (Photokeratitis), welche durch ein schmerzhaftes Ö-

dem und eine vorübergehende Trübung charakterisiert ist (Schmidt et al. 1990).

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Abb. 2 UV-Absorption der Kornea, Kammerwasser und Linse, (Wegener1999, nach Lerman 1980a).

Bei einem intensiven langandauernden Reiz folgt der akuten Reaktion eine permanente

Schädigung der Kornea, die durch bindegewebige Neovaskularisation und Keratopathie

(Labrador-Keratopathie) und schließlich sogar durch vollständige Undurchsichtigkeit des

Korneagewebes charakterisiert ist (Taylor 1989, Taylor et al.1988).

Eine Verringerung der Dicke des Endothels (Pitts et al. 1987) wird diskutiert.

Die Lichtbrechung der Linse wird durch alleinige UV-A Strahlung nicht verändert, wie

experimentelle Studien mit Nagetieren bewiesen haben. Es traten auch keine Verände-

rungen bei Bestrahlungsperioden von einigen Monaten und normaler Erweiterung der

Pupillen während der Bestrahlung auf (Wegener 1995).

Es konnten jedoch pathologische Veränderungen an inkubierten Ratten- und Kanin-

chenlinsen, hervorgerufen durch UV-A-Strahlung, nachgewiesen werden, welche einen

Verlust der Transparenz zur Folge hatten (Hightower und McCready 1992).

Bei UV-B (und UV-C) Strahlung wurden in Tierstudien akute und chronische Wirkungen

auf die Linse nachgewiesen. Akute Reaktionen kommen im Linsenepithel in Form eines

hypoplastischen Zellwachstums vor, welches zur Bildung einer vorderen Polarkatarakt

führt (Schmidt et al. 1988, Schmitt et al. 1989). Hierbei wird die DNA durch Absorption

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der UV-Strahlung direkt geschädigt (Jose et al. 1977). Diese akute Reaktion tritt inner-

halb der ersten 4 Wochen einer Exposition mit 0,2 J/cm² auf. Bei einer Ausdehnung der

Expositionszeit treten auch chronische Veränderungen auf, welche sich als hintere sub-

kapsuläre und kortikale Katarakte manifestieren.

Beim Menschen sind aufgrund der im allgemeinen auftretenden geringen UV-B Belas-

tung akute epitheliale Reaktionen kaum zu finden.

Chronische Reaktionen in Form einer kortikale Katarakt (Müller-Breitenkamp et al. 1997)

und Veränderungen im Kristallin der Linse (Proteinbräunung nach jahrzehntelanger Ex-

position; Dillon 1985, Lerman 1980b, Zigman 1985) wurden nachgewiesen.

Viele direkt oder indirekt beeinflussende Faktoren wirken speziell in der Linse mit UV-

Strahlung zusammen, welche zu unterschwelligen Reaktionen entsprechend der Me-

chanismen von co- und synkataraktogenesischen Wirkungen führen (Hockwin und Koch

1975). Besonders Diabetes mellitus, Vitamin E- und Zinkmangel und photosensibilisie-

rende Agenzien wurden als solche Faktoren identifiziert (Taylor et al. 1988).

Die Retina unterliegt hauptsächlich einer photochemischen Schädigung durch blaues

Licht, das hauptsächlich bei Kindern und bei Personen mit chirurgisch entfernter Linse

(Aphakie) die Retina erreicht. Die allmähliche Braunfärbung der Linse während des Al-

terns führt zu einer verminderten Transmission für blaues Licht, UV-C und UV-B, wo-

durch die Retina stärker geschützt wird.

Auch die Haut zeigt akute und chronische Schäden, die in Tabelle 1 nach Wellenlän-

genbereichen unterschieden werden.

Die dominierenden akuten Effekte der Haut sind Erythem, Pigmentierung, phototoxische

Prozesse, Photoallergien, polymorphe Lichtdermatosen, photoporphyrinämische Licht-

dermatosen und schließlich die Bildung von Vitamin D3 aus 7-Dehydrocholesterin, die

als einzige positive Wirkung anzusehen ist. Ein Mangel dieses Vitamins führt zu Minera-

lisationsstörungen, beim Säugling und Kleinkind zu Rachitis, beim Erwachsenen zu

Osteomalazie und sekundärem Hyperparathyreoidismus.

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Tab. 1 Akute und chronische Schäden der Haut

Typ Wellenlänge Akute Schäden Chronische Schäden

UV-B 280-320 nm Sonnenbrand BindegewebsschädenDNA-SchädenHautkrebsHautalterungImmunsuppression

UV-A 320-400 nm PhotoallergiePhototoxischeProzesseMallorca-Akne

Lichtbedingte Hautalterung- Fältchenbildung- Verlust an Elastizität- Altersflecken

SichtbaresLicht

400-780 nm(blau - rot)

PhototoxischeProzesse

Lichtbedingte Hautalterung- Fältchenbildung- Verlust an Elastizität- Altersflecken

Infrarot 780-5000 nm Keine Keine

Nur 5% der auf die Haut einfallenden UV-Strahlung werden vom Stratum corneum direkt

reflektiert. Ein großer Prozentsatz der Strahlung tritt in Wechselwirkung mit den einzel-

nen Schichten der Haut. Die Schutzmechanismen der Haut bestehen aus ihrer Möglich-

keit zur Melaninsynthese, zur Reparatur der lichtbedingten DNA-Schäden sowie zur A-

kanthose und Hyperkeratose der Epidermis (Lichtschwiele). Entsprechend der individu-

ell sehr unterschiedlichen Hautreaktion auf Exposition mit Sonnenlicht (30 min) ist der

Hauttyp des Menschen bestimmt, wobei die Hauptcharakteristiken das Erythem und die

Fähigkeit zur Pigmentierung sind.

Die Hauttypen werden nach der Reaktion der nicht vorbestrahlten Haut auf natürliche

Sonnenbestrahlung nach Greiter (1984) festgelegt (s. Tab. 2).

Das Erythem ist eine entzündliche Rötung der Haut, wobei die Wirksamkeit der UV-

Strahlung stark wellenlängenabhängig ist. Als Vergleichsbasis dient die minimale

Erythemdosis (MED), d.h. jene Bestrahlung (J/m2), die nach festgelegter Zeitspanne

(24h) zwischen Bestrahlung und Beobachtungszeitpunkt eine gerade wahrnehmbare

Rötung der Haut erzeugt. Stellt man die MED in Abhängigkeit von der Wellenlänge dar,

so erhält man die „relative spektrale Erythemempfindlichkeit“ auch „Ultraviolett-

Wirkungsspektrum“ genannt.

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Wellenlänge (nm)

240 260 280 300 320 340 360 380 400 420

Rel

ativ

e E

mp

fin

dlic

hke

it

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

BiofilmDNAHautkrebs

CIE ErythemMalignes Melanom (Fisch)

Abb. 3 Wirkungsspektren für biologische Reaktionen: Biofilm (nach Quin-tern et al. 1992), DNA-Schäden (nach Setlow 1974, Madronich und deGruijl 1994), Hautkrebs (nach de Gruijl et al. 1993; Madronich und deGruijl 1994), Erythem (nach McKinley and Diffey 1987) und malignesMelanom (Setlow et al. 1993).

Durch experimentelle Studien wurde ein Referenzwirkungsspektrum für das Erythem

entwickelt (McKinlay und Diffey 1987). Dabei wird die Erythemwirksamkeit bei verschie-

denen Wellenlängen relativ zur Wellenlänge maximaler Empfindlichkeit (250-298 nm =

1) dargestellt (s. Abb. 3). Dieses Referenzspektrum wurde von der Commission Interna-

tionale de l' Eclairage (CIE 1987) angenommen. Es ist auch Basis der Europanorm 60

335-2-27 (EN 60335-2-27. 1989).

Für unvorbestrahlte Haut (Hautyp II) beträgt die mittlere erythemwirksame Dosis (MED)

durch UV-Strahlung der Wellenlänge 298 nm 250 J/m² (Piazena und Meffert 1994).

Die Pigmentierung, die bestrahlte Personen erworben haben, ergibt einen relativen

Schutz vor einem Erythem bei erneuter Bestrahlung. Der Verlauf der resultierenden Wir-

kungsspektren für das Erythem und für die minimale Melanogenese (Pigmentierung) ist

weitgehend parallel, und die jeweilige Schwellendosis ist für Hauttyp I und II für beide

Tab. 2 Einteilung der Hauttypen der mitteleuropäischen Bevölkerung nach der Reaktion der nicht vorbestrahltenHaut auf natürliche Sonnenbestrahlung nach Greiter (1984)

Haut-Typ Beschreibung Bezeichnung Reaktion auf die Sonne

Sonnenbrand Bräunung Eigenschutzzeitin der Sonne

I Haut: auffallend hellSommersprossen: starkHaare: rötlichAugen: blau, selten braunBrustwarzen: sehr hell

Keltischer Typ(2 %)

Nur schwer,schmerzhaft

Keine Rötung;nach 1-2 Tagen weißHaut schält sich

5-10 Minuten

II Haut: etwas dunkler als ISommersprossen: seltenHaare: blond bis braunAugen: blau, grün, grauBrustwarzen: hell

Hellhäutiger Europäer(12 %)

Immer schwer,schmerzhaft

Kaum, Haut schältsich

10-20 Minuten

III Haut: hell bis hellbraun, frischSommersprossen: keineHaare: dunkelblond, braunAugen: grau, braunBrustwarzen: dunkler

DunkelhäutigerEuropäer(78 %)

Seltener mäßig Durchschnitt 20-30 Minuten

IV Haut: hellbraun, olivSommersprossen: keineHaare: dunkelbraunAugen: dunkelBrustwarzen: dunkel

Mittelmeerischer Typ( 8 % )

Kaum Schnell und tief 40 Minuten

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Effekte sehr ähnlich. Für die Hauttypen III und IV liegen die Schwellenwerte für das

Erythem höher, die Dosis für die minimale Melanogenese ist bei 365 nm hingegen etwa

ein Viertel der minimalen Erythemdosis (Keck et al. 1991).

Die phototoxischen Prozesse entstehen beim Zusammenwirken von UV-Bestrahlung der

Haut und chemischen Substanzen, die vom Licht angeregt, wirksam werden. Hierunter

fällt z.B. die Wiesengräserdermatitis. Pflanzliche Stoffe aus der Stoffgruppe der Psora-

lene (Furocumarine) wirken als Photosensibilisatoren, die mit UV-A und sichtbarem Licht

zu einer phototoxischen Hautreaktion führen (Jung 1991a, Rink und Koch 1985).

Photoallergien sind Sonderformen der lymphozytenvermittelten allergischen Spätreakti-

on vom Typ IV. Die Besonderheit liegt darin, dass das Allergen als kleinmolekulares

Hapten nur unter Lichteinfluss (Energiezufuhr) eine chemische Reaktion mit Trägerpro-

teinen eingeht, wodurch das vollwertige Antigen entsteht. Diese photochemische Reak-

tion kann eine Haptenaktivierung, eine Präparierung des Trägermoleküls oder eine Akti-

vierung des umgebenden Substrats sein und mag in vielen Fällen mehrere dieser Reak-

tionswege betreffen. Die auslösenden Wellenlängen liegen im UV-A-Bereich, gelegent-

lich ausgeweitet in den sichtbaren und auch in den UV-B-Bereich (Voigtländer 1991).

Polymorphe Lichtdermatosen treten bei Hautempfindlichkeit und in der Natur vorkom-

menden Strahlendosen auf. Die Ätiologie ist unbekannt. Die Pathogenese zeigt eine

allergische Spättypreaktion. Ein Allergen ist nicht bekannt (Jung 1991b) . Weiterhin kön-

nen Hautkrankheiten durch UV-Strahlung verschlimmert werden. Hierzu gehört der dis-

coide Lupus erythematodes, der, wie von Stern und Docken (1986) beschrieben, durch

UV-A-Strahlung von Solarien, bzw. wie von Paravecchio (1977) beschrieben, durch

Strahlung einer zahnärztlichen Behandlungsleuchte, verschlechtert wird. Hierbei handelt

es sich um eine chronisch verlaufende entzündliche Dermatose vorwiegend des Ge-

sichtes, gekennzeichnet durch scheibenförmige (discoide) gerötete, schuppende Pla-

ques, die mit zentraler Atrophie abheilen (Rauterberg 1991).

Photoporphyrinämische Lichtdermatosen treten als angeborener Enzymdefekt der Fer-

rochelastase auf, wodurch die jungen Erythrozyten Protoporphyrin in großen Mengen

anreichern. Bei der Passage der Erythrozyten durch lichtexponierte Haut unterliegen sie

der Photohämolyse. Die Photoporphyrine treten ins perivaskuläre Gewebe aus und füh-

ren unter Bestrahlung zu massiven Zellschäden, welche die juckenden und brennenden

Rötungen ergeben (Jung 1991c).

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Die wesentlichen chronischen Effekte auf die Haut sind Alterungsprozesse, Bindege-

websveränderungen, immunologische Effekte und Hautkrebs.

Alterungsprozesse und Bindegewebsveränderungen sind gekennzeichnet durch trocke-

nes, grobes und ledriges Aussehen der Haut, verbunden mit Faltenbildung und Alters-

flecken (Keck et al.1991). Es wird diskutiert, dass nicht nur UV-B, sondern auch das ge-

samte UV-A in hohen Dosen zu Bindegewebsveränderungen führen kann, wobei die

Degeneration des Kollagens in der Haut eine Rolle spielt (Elastose). In diesem Zusam-

menhang wurde in Tierversuchen festgestellt, dass UV-A-Strahlung bei Mäusen Haut-

schäden verursacht (Kligman et al. 1987; Bisset et al. 1989). Ähnliche Effekte können

beim Menschen durch übermäßige Nutzung von Solarien erwartet werden (International

Non-Ionizing Radiation Committee of the International Radiation Protection Association

(IRPA/INIRC) 1991) .

Immunologische Effekte der UV-Strahlung werden in der Literatur beschrieben (Mampel

und Franke 1990). Es wird diskutiert, ob bei Strahlenbelastung die Schwächung des

Immunsystems neben der Tumorpromotion auch eine Steigerung der Krankheitsanfäl-

ligkeit gegenüber den durch die Haut eindringenden Erregern mit sich bringt.

Hautkrebs entsteht aus einer Vorkrebserkrankung (z.B. Naevus pigmentosus) bzw. einer

Prädisposition (z.B. Xeroderma pigmentosus) oder aus chronischen Reizschäden (z.B.

Licht-, Röntgen-, Teer-, Arsen-, Lupus-, Narben-, Geschwulst-, Fistelkrebs). Hinzu

kommen Hautmetastasen eines Organkarzinoms. Die lichtbedingten malignen Hauttu-

more sind Spinaliom, Basaliom und malignes Melanom.

Das Spinaliom ist ein Tumor epidermalen Ursprungs, der in seiner intradermalen Form

einem Carcinoma in situ entspricht und der nach unterschiedlich langer Zeit (Wochen

bis Jahre) in die invasive Form mit den Charakteristika eines echten malignen Tumors

übergeht (Abb. 4). Das Spinaliom wächst destruierend, metastasiert lymphogen und

hämatogen und kann zu letalem Ausgang führen.

Die meisten Spinaliome kommen im Bereich sonnenexponierter Haut, wie Gesicht,

Hände und Unterarme sowie im Bereich der Schleimhäute und Übergangsschleimhäute

vor. Lippenkarzinome, vor allem Unterlippenkarzinome, treten besonders häufig auf, da

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Abb. 4 Schema der zeitlichen und klonalen Entwicklung epidermaler Tumoren.(S = sonnengeschädigte Zelle).

die Unterlippe als sogenannter Sonnenbalkon wegen des ungünstigen Sonnenlichtein-

fallswinkels der Sonnenstrahlung besonders stark ausgesetzt ist.Tierexperimente er-

möglichen eine Aussage über die Wellenlängenabhängigkeit der Karzinogenität bei UV-

Strahlung. Es wurden Datenreihen für Hauttumore erstellt, indem man haarlose Albino-

mäuse (SKH:HR1 Mäuse) einer chronischen UV- Exposition aussetzte. Die Daten sind

von der photobiologischen Abteilung des Haut- und Krebshospitals in Philadelphia und

der Abteilung für Dermatologie der Universität Ütrecht ermittelt worden. Die Wellenlän-

genabhängigkeit wurde von diesen Datenreihen abgeleitet und durch das Hautkrebs-

Ütrecht-Philadelphia-Wirkungsspektrum dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine

Reihe von Faktoren, die bei Exposition mit verschiedenen Wellenlängen entsprechend

ihrer jeweiligen Tumorwirksamkeit bewertet werden.

Die maximale Wirksamkeit wurde bei einer Wellenlänge von 280 nm festgestellt. Ober-

halb von 340 nm ergab sich nur noch eine Wirksamkeit von 10-4 des Maximums. Die

Abbildung 3 zeigt das Hautkrebs-Wirkungsspektrum.

Das Basaliom ist ein von den Zellschichten der Epidermis und dem Follikel ausgehender

Tumor, der invasiv und destruierend wächst, jedoch nicht metastasiert. Es fehlt somit ein

Charakteristikum des echt malignen Wachstums; deshalb wird das Basaliom auch als

semimaligner Tumor bezeichnet, womit eine Abgrenzung zu den malignen Tumoren ei-

nerseits und zu den benignen Geschwülsten andererseits erfolgt. Das Basaliom ist der

häufigste Tumor der Haut. Die bevorzugte Lokalisation ist der zentrofaciale Bereich, wo-

- 19 -

bei 90% der Basaliome in den extrem sonnenexponierten Arealen, den sogenannten

Lichtterrassen, auftreten.

Das maligne Melanom ist ein hochgradig maligner Tumor, der von den melaninbilden-

den Zellen (Melanocyten) ausgeht. Er metastasiert frühzeitig auf lymphogenem und hä-

matogenem Weg. Das rasche Einwandern von Melanomzellen in die dünnwandigen

Lymphgefäße des oberen Koriums und die damit frühzeitig einsetzende Metastasierung

erklärt sich dadurch, dass Melanocyten, sowohl benigne wie maligne, nicht im Zellver-

band wachsen und keine Interzellularbrücken bilden. Sie segregieren nach einer Zell-

teilung. Die Verteilung und relative Häufigkeit von Melanomen bei Männern und Frauen

zeigt die Abbildung 5.

Ein Wirkungsspektrum (Abb. 3) für die Wellenlängenabhängigkeit der Entstehung von

malignen Melanomen wurde 1993 von Setlow et al. erstellt. Stark pigmentierte Rück-

kreuzungshybriden der Gattung Xiphophorus (Plattfische mit Schwertschwänzen) rea-

gieren stark mit Melanombildung bei UV-Bestrahlung. Gruppen von 6 Tage alten Fi-

schen wurden mit Strahlung enger Wellenlängenbereiche bei 302, 313, 365, 405 und

436nm bestrahlt. Nach 4 Monaten wurde die Melanomhäufigkeit untersucht. Das Wir-

kungsspektrum der Melanominduktion wurde erstellt, indem man die Wirksamkeit pro

Photon als Funktion der Wellenlänge darstellte.

Abb. 5 Verteilung und relative Häufigkeit von Melanomen bei Männern undFrauen (Herz 1991).

- 20 -

Die oben beschriebenen drei Hautkrebserkrankungen stehen in ihrer Entstehung in ei-

nem bestimmten Zusammenhang mit UV-Strahlung. Folgende 8 Argumente werden als

Belege angegeben (Keck et al. 1991):

1. In den Tierexperimenten treten Hauttumore durch die Behandlung mit UV-Strahlung

auf. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der dabei verabreichten tägli-

chen UV-Dosis und der mittleren Tumorinduktionszeit.

2. Basaliome und Spinaliome treten vorwiegend in höherem Alter auf.

3. Beide Hautkrebsarten sind auf die der Sonne exponierten Körperteile, insbesondere

Gesicht, Kopf und Genick, konzentriert. Das Basaliom tritt etwas häufiger als das

Spinaliom auch an nicht dauerhaft der Sonne exponierten Körperteilen auf.

4. Bei im Freien Beschäftigten treten diese beiden Krebsarten häufiger auf als beim

Durchschnitt der Bevölkerung.

5. In der schwarzen Bevölkerung der USA sind diese Krebsarten wesentlich seltener.

6. Patienten mit Xeroderma pigmentosum, deren Reparatursystem für UV-induzierte

DNA-Schäden defekt ist, zeigen eine stark erhöhte Häufigkeit an Spinaliomen und

Basaliomen.

7. Konstitutionelle Risikofaktoren, z.B. helle Haut oder mangelnde Bräunungsfähigkeit,

bzw. hohe Sonnenbrandempfindlichkeit, sind wichtige Risikofaktoren. Die kumulierte

Expositionszeit zur Sonne erwies sich in einer Studie an Krebspatienten als der do-

minierende Risikofaktor.

8. Die Inzidenzrate weltweit und auch innerhalb der USA und Australien steigt mit fal-

lendem Breitengrad unter der Bedingung einheitlicher Hauttypenverteilung zum

Äquator hin an. In den USA liegen Messungen zur UV-Belastung vor. Untersuchun-

gen zeigen eine mit steigender jährlicher Belastung durch UV-Strahlung ansteigende

Inzidenz der beiden Hautkrebsarten. Die Inzidenz des Spinalioms weist dabei einen

steileren Anstieg mit der geographischen Breite auf, als die des Basalioms.

Abb. 6 zeigt eine Prognose der World Meterological Organisation (WMO 1998) für die zu

erwartenden zusätzlichen Hautkrebsfälle bis zum Jahr 2100, unter der Annahme, dass

unterschiedliche Schutzszenarien zur Erhaltung und Rekonstitution der Ozonschicht der

Erdatmosphäre zum Tragen kommen.

- 21 -

Abb. 6 Prognose der zusätzlichen Hautkrebsfälle bis zum Jahre 2100 (WMO1998).

1.3. Gewichtete Spektroradiometrie

Die Spektroradiometrie ist die grundlegende radiometrische Technik. Biologische Effek-

tivspektren werden durch Multiplikation von Spektraldaten mit einem Wirkungsspektrum

einer relevanten photobiologischen Reaktion (mathematische Faltung) erreicht. Wir-

kungsspektren spielen eine entscheidende Rolle bei der Charakterisierung der biologi-

schen Reaktion einer elektromagnetischen Strahlung (Horneck 1995).

Wie schon in Kapitel 1.1.2. beschrieben ist die biologisch effektive Bestrahlungsstärke

Ebiol (in Watt/m²) wie folgt bestimmt:

)()( , λλλ dSEE relbiol0

biol ∫∞

= (6)

wobei Eλ das bestimmte Spektrum und Sλ( λ )biol,rel das Wirkungsspektrum ist. Die Wir-

kungsspektren für DNA-Schäden, Hautkrebs, maligne Melanome und Erythem können

so als biologische Wichtungsfunktionen für gemessene UV-Spektren genutzt werden.

Die Vorteile der gewichteten Spektroradiometriemethode sind die hohe Genauigkeit der

spektroradiometrisch bestimmten Daten, die Fähigkeit Einflüsse verschiedener Para-

meter zu identifizieren und sich eine große Mannigfaltigkeit an Wichtungsfunktionen zu

- 22 -

Nutze zu machen. Außerdem werden die Daten zur Bewertung von Modellkalkulationen

genutzt.

Der entscheidende Nachteil der Methode ist, dass eine einfache Addierbarkeit der ver-

schiedenen Wellenlängenkomponenten vorausgesetzt wird, wenn man eine multiplikati-

ve Konstante für jede Wellenlänge anwendet. Dies basiert darauf, dass die meisten Wir-

kungsspektren mit monochromatischem Licht entwickelt worden sind. Wenn Wechsel-

wirkungen vorkommen, von denen bei verschiedenen Effekten berichtet wurde, ist eine

einfache Addition eine inadäquate Basis für eine biologisch gewichtete Dosimetrie. Der

Vergleich der biologischen Effektivspektren von Biofilm, Hautkrebs, DNA-Schäden, E-

rythem und malignem Melanom lässt eine Aussage über mögliche Gefährdungen nach

Auswertungen von UV-Expositionen des Biofilms zu.

1.4. Der Biofilm als UV-Dosimeter

Ein UV-Dosimeter wurde für Routinemessungen entwickelt, welches hauptsächlich die

verschiedenen Komponenten des Spektrums im Verhältnis zu ihren schädlichen Effek-

ten auf Mikroorganismen wichtet. Für diesen Zweck wurde der DLR Biofilm entwickelt,

der getrocknete Sporen von Bacillus subtilis (Wildtyp oder DNA-reparaturdefekter

Stamm), immobilisiert auf transparenten Polyesterplastikfolien, enthält. Nach Bestrah-

lung wird der Biofilm in einem Wachstumsmedium inkubiert. Dabei keimen die Sporen

aus, und die Zellen vermehren sich (Abb. 7).

A BAbb. 7 Biofilm nach Belichtung, Kalibrierung und Entwicklung. A: Geringe

Schädigung der Organismen, B: Starke Schädigung der Organismen.

- 23 -

Die Proteine, welche von den immobilisierten Mikroorganismen nach Sporenkeimung

und mehreren Zellteilungen synthetisiert werden, werden gefärbt und photometrisch be-

stimmt, wobei der Proteingehalt ein Maß für die biologische Aktivität der Zellen darstellt.

Somit ist die abnehmende Färbungsintensität ein Maß für die zunehmende Schädigung

der Organismen (Quintern et al. 1992).

Die Dosiseffektkurve des Biofilms wurde mit monochromatischem UV-Licht mittels eines

UV-Monochromators (VM-502, Polytek, 200 Watt, Xenon-Quecksilber-Kompakt Bogen-

lampe Hanovia 901-B-1) bei einer Luftfeuchtigkeit von 50 % ermittelt. Das Wirkungs-

spektrum wurde bei verschiedenen Wellenlängen (2 nm Bandbreite im Bereich von 280-

400 nm) bestimmt. Der reziproke Wert der Dosis, die erforderlich ist, um die biologische

Aktivität A um 75% zu reduzieren, wurde gegen die Wellenlänge aufgetragen (s. Abb.

3). Die Abb. 8 zeigt einen Vergleich der Wirkungsspektren von Biofilm und Erythem. Das

Wirkungsspektrum des DLR-Biofilms weicht im UV-B- und UV-A-Bereich (290-360 nm)

vom Standard-Erythemspektrum um weniger als den Faktor 2 ab.

Abb. 8 Vergleich des Biofilm-Wirkungsspektrums mit dem des Erythems(Horneck 1995).

- 24 -

Die Wirkung der Temperatur auf die Biofilmreaktion während des Bestrahlungsprozes-

ses wurde im Bereich von -20 °C bis +70 °C unter Trockenkonditionen (in der Gegen-

wart von Silicagel) und in dem Temperaturbereich von +1 °C bis +50 °C bei 50% relati-

ver Luftfeuchtigkeit bestimmt. Es ergab sich hierbei keine signifikante Abhängigkeit der

Biofilmreaktion von der Temperatur. Die relative Luftfeuchtigkeit hat im Bereich von 37%

bis 80% keinen wesentlichen Einfluss auf die UV-Reaktion des Biofilms. Unter 37% re-

lativer Luftfeuchtigkeit erhöht sich die Sensibilität des Biofilms.

In Abb. 9 wird die Reaktion des Biofilms nach Bestrahlung bei verschiedenen Einfalls-

winkeln dargestellt. Die Messwerte wurden ohne einen Zerstreuer oder ein anderes op-

tisches System bestimmt. Sie zeigen eine Filmsensibilität, welche einer kosinusabhän-

gigen Funktion gleicht. Dies bedeutet, dass die gesamte Strahlung des 2π Halbraums

erfasst wird und entsprechend dem Kosinus des zwischen Flächennormale und Einfalls-

richtung gebildeten Winkels bewertet wird. Zwischen der Bestrahlungsstärke I bei senk-

rechter Strahlungsrichtung und derjenigen bei Einfall unter dem Winkel θ muss also fol-

gende Beziehung bestehen:

θcos•= 0II (6)

Bestrahlungsw inkel (°)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Rel

ativ

e B

iofi

lmre

akti

on

0

0

0

0

0

1

1

Abb. 9 Oben: Bestrahlungsgeometrie: Links globale oder kosinusgewichteteStrahlung, rechts direkte Strahlung. Unten: UV-Sensibilität des Bio-films als Funktion des Strahlungseinfallswinkels. Die Daten sind Mit-telwerte ± SE; n=4 (nach Quintern et al. 1992).

- 25 -

Auf der Basis des Biofilms wurde ein biologisch wichtendes Personendosimeter entwi-

ckelt, um Daten über die individuelle UV-Belastung zu erhalten. Es besteht aus einem

Kunststoffgehäuse mit Halterung zur Befestigung an der Kleidung, einer Abdeckschab-

lone mit quadratischen Aussparungen und einem in einer Folie (WHIRL-PAK) einge-

schweißten Biofilm (s. Abb. 24).

Bei der individuellen UV-Belastung muss zwischen der natürlichen (s. S. 7) und der

künstlichen Belastung unterschieden werden.

Künstliche UV-Strahlenbelastung wird bekannterweise durch Solarien erzeugt, außer-

dem am Arbeitsplatz (Schweißer, Laborpersonal) und bei der Exposition von Patienten

(Desensitivierung, Vitamin D-Bildung, Behandlung von Psoriasis Patienten). In der

Zahnarztpraxis wurde bereits eine Belastung durch die Polymerisationsleuchten disku-

tiert (Chadwick et al. 1994). Außerdem kommen weitere Lichtquellen, wie die Allge-

meinbeleuchtung des Behandlungsraumes, die Behandlungsleuchte, die Halogen-

leuchten an den Hand- und Winkelstücken und dem Zahnsteinentfernungsgerät als UV-

Strahlungsquellen in Frage.

1.5. Lichttechnische Raumzoneneinteilung eines zahnärztlichen Behand-

lungsraumes

Die DIN 67505 beschreibt in ihrem Abschnitt 3.1 drei Raumzonen eines zahnärztlichen

Behandlungsraumes (s. Abb. 10) in Bezug auf die unterschiedlichen lichttechnischen

Voraussetzungen (Kimmel 1999).

Abb. 10 Schema der Raumzoneneinteilung nach DIN 67505 (Kimmel, K. 1999).

- 26 -

• Zone E1: Verkehrs- und Vorbereitungszone mit der Allgemeinbeleuchtung (Nennbe-

leuchtungsstärke 500 Lux nach DIN 5035-1). Bei Arbeitsplätzen mit erhöhten Seh-

anforderungen über den eigentlichen Behandlungsplatz hinaus ist zusätzliche Be-

leuchtung erforderlich.

• Zone E2: Behandlungsplatz mit den verschiedenen Ausrüstungselementen und Ab-

lageflächen im Greifraum von Zahnarzt und Behandlungsassistenz. Die Beleuchtung

soll die Ausführung von Feinarbeiten erlauben (Nennbeleuchtungsstärke 1000 lx

nach DIN 5035-1).

• Zone E3: Arbeitsfeld (Mund des Patienten). Wegen der hohen fachspezifischen und

arbeitsphysiologischen Anforderungen sind spezielle Arbeitsfeld- (= Behandlungs-

feld) Leuchten erforderlich (s. Abb. 11). Die Beleuchtungsstärke sollte 8000 lx (DIN

67505 max. 12000 lx; EN ISO 9680: max. 15000 lx) betragen. Für besondere Aufga-

ben in der Tiefe der Mundhöhle sind technische Arbeitsmittel mit zusätzlichen Licht-

leitern z.B. Lichtleiter an Turbine, Winkelstück und Zahnsteinentfernungsgerät emp-

fehlenswert.

Abb. 11 Je nach Behandlungssituation im Ober- oder Unterkiefer ist die Be-handlungsleuchte entsprechend einzustellen (Kimmel 1999).

- 27 -

1.6. Fragestellung

Augen und Hauterkrankungen bis hin zu malignen Formen wie Spinaliomen und Mela-

nomen werden immer häufiger mit UV-Strahlung in Zusammenhang gebracht. Diese

Erkenntnis stellt zur Diskussion, in wieweit auch andere UV-Quellen neben dem Son-

nenlicht schädigend sein können. Es ist das Ziel dieser Arbeit, mit dem von der DLR

entwickelten biologisch wichtenden Dosimetersystem, der “Biofilmtechnik“, festzustellen,

ob und in welchem Maße Patient und Behandler durch Beleuchtungskörper in der

Zahnarztpraxis UV-Strahlung ausgesetzt sind und dadurch möglicherweise geschädigt

werden können. Dabei kommen folgende in der Zahnarztpraxis eingesetzte Strahlen-

quellen in Betracht:

1. Die Deckenleuchte

2. Die Polymerisationsleuchte

3. Die Halogenleuchten an der Turbine, dem Winkelstück und dem Zahn-steinentfernungsgerät

4. Die Behandlungsleuchte

Im Einzelnen sind folgende Punkte zu bearbeiten:

1. Wie hoch ist die UV-Belastung für Behandler und Patient?

2. Aus welchen UV-Wellenlängenbereichen setzt sich die UV-Belastung zu-sammen?

3. Wie sind Lichtquellen in der Zahnarztpraxis in Bezug auf gesundheitlicheSchäden zu bewerten?

4. Wie kann man die UV-Belastung reduzieren?

Parallel zu den Untersuchungen mit der Biofilmtechnik werden die UV-Quellen spektro-

radiometrisch vermessen. Die Spektraldaten werden mit Wirkungsspektren der rele-

vanten photobiologischen Reaktionen verrechnet, wodurch man die biologisch-effektive

Strahlung erhält. Da Wirkungsspektren für die Biofilmreaktion als auch für Erytheme,

Melanome und Spinaliome bekannt sind, sind durch Vergleiche Aussagen über diese

Erkrankungen möglich.

- 28 -

2. Material und Methoden

2.1. Physikalische Messgeräte zur Erfassung der UV-Strahlung

2.1.1. Das UVX-Radiometer

Das in den Versuchen benutzte UVX-Radiometer beruht auf dem System des Silizium-

detektors, dessen Sensoren konzipiert sind, um Strahlungsmessungen bei Teilwellen-

längen durchzuführen.

Abbildung 12 zeigt die typischen Spektral-Reaktions-Charakteristiken der UVX-25 und

UVX-31 Seriensensoren. In jedem Fall ist die absolute Reaktionskurve typisch. Jeder

Sensor kann allerdings Abweichungen in der Reaktion bei Wellenlängen, die von der

Kalibrierungswellenlänge abweichen, aufweisen. Alle Sensoren sind auf eine Reaktion

von 1 bei der speziellen Kalibrierungswellenlänge kalibriert.

Wellenlänge (nm)

240 260 280 300 320 340 360 380 400

Sen

sorr

eakt

ion

0.01

0.10

1.00

0.02

0.05

0.20

0.50

2.00

5.00

0.01

0.10

1.00

Sensorkopf UVX-25Sensorkopf UVX-31

Abb. 12 Spektralreaktionen für die Sensorköpfe UVX-25 und UVX-31 (UVP,Inc., 1997).

- 29 -

In dem UVX -Sensor ist ein zusätzlicher Stromkreis eingebaut, um den temperaturindu-

zierten Fehler weitgehend auszuschalten. Das Resultat ist ein Sensor mit einem Tempe-

raturkoeffizienten von nur ±0,04 °C in dem Temperaturbereich von 0 °C bis 40 °C . Die

UVX-Sensoren erfüllen in Bezug auf den Strahlungseinfallswinkel die bereits in 1.4. be-

schriebene Kosinusfunktion. Das bedeutet, dass die gesamte Strahlung des 2π Halb-

raums erfasst wird und entsprechend dem Kosinus des zwischen Flächennormale und

Einfallsrichtung gebildeten Winkels bewertet wird (s. Abb. 9).

Der UVX-Sensor hat einen Diffusor an der Einfallsoberfläche. Dieser Diffusor befähigt

Strahlung bis zu Einfallswinkeln von ±81° von der Normalen zu messen.

2.1.2. Das Spektroradiometer

Das Spektroradiometer dient dazu, Strahlung in die einzelnen Wellenlängen aufzuteilen

und die Strahlung jeder Wellenlänge zu messen. Das Spektroradiometer besteht aus

folgenden Komponenten (Bentham Instruments 1994, Gigaherz 1997):

• Die Eingangsoptik dient dazu das Wellenband der Strahlung einzuschränken, wel-

ches den Monochromator erreicht. Zur Messung der UV-Strahlen wird eine Quarz-

Glasfaser und ein planarer Quarzdiffusor benutzt.

• Der zentrale Teil des verwendeten Spektroradiometers ist ein Gitterdoppelmono-

chromator zur Wellenlängenauflösung mit symmetrischer Czerny-Turner-Anordnung

und direkt angetriebenen Gittern (300 mm Brennweite, Streulichtunterdrückung ca.

10-8 , bei Spaltbreite 1,48 mm Halbwertsbreite 1,5 nm, ebene holographische Beu-

gungsgitter 68*84 mm, 2400 Linien pro mm für den Wellenlängenbereich 200-675

nm, Wellenlängengenauigkeit 0,15 nm).

• Bei den verwendeten Detektoren handelt es sich um die Photomultiplier DH3 und

DH3-BI der Firma Bentham. Während DH3 bis etwa 850 nm einsetzbar ist, bietet

DH3-BI bei kleinerem Wellenlängenbereich eine erhöhte Empfindlichkeit im UV-

Bereich, Nachweisgrenze 1 µW/m2 nm. Basisfunktionsteil des Photomultipliers ist die

Vakuumphotodiode. Sie besteht aus einer Photokathode und einer Anode innerhalb

einer evakuierten Hülle (Vakuumröhre). Auf die Photokathode auftreffende Photonen

von ausreichender Energie setzen Elektronen frei, deren kinetische Energie durch

die Photonenenergie abzüglich der Freisetzungsenergie bestimmt wird. Das Elektron

kann von der Kathodenoberfläche austreten, wenn es genügend kinetische Energie

hat. Eine zwischen Kathode und Anode angelegte Spannung lässt das Elektron

- 30 -

Richtung Anode fließen, und es entsteht ein messbarer Strom. Die Stromstärke ist

der Intensität der einfallenden Strahlung proportional.

• Eine 100 W Wolfram-Halogen-Lampe wird zur Kalibrierung benutzt, um definierte

Abgabewerte der Lampe mit dem Signal des Spektroradiometers bei jeder Wellen-

länge gleichzusetzen und eine Serie von Kalibrierungsfaktoren zu erhalten.

2.2. Bestrahlungsquellen

2.2.1. Niederdruck-Quecksilberlampe

Die Quecksilberdampflampe (Hg-Lampe) ist eine häufig verwendete UV-Strahlenquelle.

Man unterscheidet verschiedene Lampentypen entsprechend dem Dampfdruck des

Quecksilbers in der Entladungsphase. Die Niederdruckentladung liegt vor bei einem

Dampfdruck zwischen 1,33 Pa und 133 Pa.

Eine solche Niederdruck-Quecksilberlampe (HNS 10, Osram) wird zur Kalibrierung des

Biofilms benutzt. Die typische Emission der verwendeten Niederdruck-Quecksilber-

lampe zeigt Abb. 13.

Wellenlänge ( nm)

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

Bes

trah

lun

gss

tärk

e / m

W m

- 2n

m-1

10-1

100

101

102

103

Abb. 13 Typische Emission der verwendeten Niederdruck-Quecksilberlampe.

- 31 -

2.2.2. Deckenleuchte

Es handelt sich bei der untersuchten Deckenleuchte um das Modell 458 EL der Firma D-

tec, Hönö, Schweden (s. Abb. 14). Der rechteckige Lampenkörper (1665*700*96 mm)

beinhaltet 4 Leuchtstoffröhren (230 V, 50-60 HZ, 4*58 W ), sowie Hochleistungsspiegel-

reflektoren, die aus Reinstaluminium hergestellt sind. Sie haben Parabolform und erge-

ben in Verbindung mit dem Vollreflex-Raster ein optimales fast blendfreies Licht. Das

Infra-Rot-Filter minimiert Abstrahlung von Wärme und schützt die Leuchte vor eindrin-

gendem Staub. Die Lampe wird durch einen Ventilator belüftet, da die Leuchtstoffröhren

die höchste Lichtausbeute abgeben, wenn sie bei einer niedrigen Betriebstemperatur

arbeiten. Die Reflektoren und das Raster führen zu einer gleichmäßigen Ausleuchtung

des Arbeitsbereiches, wie in 1.5 (Raumzonenaufteilung) durch die Zone E2 beschrie-

ben.

Abb. 14 Die Deckenleuchte 458 EL.

2.2.3. Halogenleuchten an Turbine, Winkelstück und Zahnsteinentfernungs-

gerät

Untersucht wurden die Turbine (Super-Torque LUX 2, Modell 640, Firma Kaltenbach

und Voigt, Biberach, Deutschland) mit der Multiflex Kupplung (Multiflex LUX 465 LRN,

Firma Kaltenbach und Voigt), das Winkelstück (INTRAmatic LUX 25 LN, Firma Kalten-

- 32 -

bach und Voigt) mit dem Mikromotor (INTRAmatic LUX 196, Firma Kaltenbach und

Voigt) und das Zahnsteinentfernungsgerät (SONOSOFT LUX, Firma Kaltenbach und

Voigt). Die Lichtquelle (Hochdrucklampe, max. 3,3 VDC, max. 2,5 Watt) und die Licht-

leiter zum Gerätekopf stimmen weitgehend überein. Als Beispiel zeigt die Abb. 15 die

Abb. 15 Darstellung von Turbine und Multiflexkupplung.

Abb. 16 Darstellung von Winkelstück und Mikromotor.

Abb. 17 Darstellung des Zahnsteinentfernungsgerätes.

- 33 -

Turbine und die Multiflex Kupplung, Abb. 16 Winkelstück und Mikromotor und Abb. 17

das Zahnsteinentfernungsgerät. Die Leuchtstärke ist in ihrer Intensität bei allen Geräten

von 1 bis 9 regelbar.

2.2.4. Polymerisationsleuchte

Die Polymerisationsleuchte Prismetics Lite 2, (DENTSPLY DeTrey, Konstanz, Deutsch-

land) ist eine Lichtquelle hoher Intensität für sichtbares Halogen-Blaulicht, die für die

Polymerisation lichthärtender Füllungswerkstoffe konzipiert wurde. Die Lichthärtung der

Zahnfüllungen beruht auf einer fotochemischen Reaktion. Das Einkomponenten-

Füllungsmaterial enthält fotosensible Moleküle, welche die Strahlungsenergie der Licht-

quelle (Polymerisationsleuchte) in chemische Energie umwandeln. Nach Beschreibung

der Lichtpolymerisationsgeräte (Lutz et al. 1992a, 1992b) werden als Fotoinitiatoren Di-

ketonverbindungen, vor allem Kampherchinon (0,17-1,03 Gew.-%), in Kombination mit

organischen Aminen als Akzeleratoren verwendet. Das Absorptionsspektrum von

Kampherchinon reicht von 350-515 nm mit einem Nutzbereich von 410 bis 500 nm und

einem Absorptionsmaximum bei ca. 468 nm (Taira et al.1988). Die Bestrahlungszeit mit

der Polymerisationsleuchte zur Aushärtung von Kunststoff-Füllungen beträgt pro Schicht

etwa 30 bis 40 sec bei einem Abstand von ca. 2 mm (Lichtaustrittsfenster zu Füllungs-

oberfläche). Als Lichtquelle dient eine 75 Watt starke Quarz-Halogen-Lampe mit einem

integrierten elliptischen Lichtsammelspiegel, optischem Filter (Blaufilter), Reflektor und

Absorber. Ein im Handstück integrierter Ventilator schaltet sich bei Bedarf ein und aus

(De Trey Dentsply, Prismetics Lite 2). Abb. 18 zeigt die Polymerisationsleuchte.

2.2.5. Behandlungsleuchte

Es handelt sich um eine Behandlungsleuchte "Kavolux 1410", Firma Kaltenbach und

Voigt, Biberach, Deutschland, eingebaut in die zahnärztliche Behandlungseinheit "Este-

tika 1042" der Firma Kaltenbach und Voigt, Biberach, Deutschland. Die Behandlungs-

leuchte hat eine Wolfram-Halogenlampe (24 V, 150 W) mit stufenloser Leuchtstärkenre-

gelung (1-10) und einer Leistung von 8000 bis 25000 Lux. Der Leuchtreflektor besteht

aus Quarzglas. Der Splitterschutz wird durch ein geschlossenes Lampengehäuse ge-

währleistet. Ein Ventilator sorgt für Kühlung. Abb. 19 zeigt die Darstellung der Behand-

lungsleuchte.

- 34 -

Abb. 18 Die Polymerisationsleuchte Prismetics Lite 2.

Abb. 19 Darstellung der Behandlungsleuchte "Kavolux ®1410".

2.3. UV-Filter

UV-Filter wurden in den durchgeführten Versuchen benutzt, um verschiedene Wellen-

längenbereiche der Lichtquellen einzugrenzen.

- 35 -

2.3.1. UV-Kantenfilter

In Verbindung mit dem UVX-Meter wurden zur Eingrenzung verschiedener Wellenlän-

genbereiche folgende drei UV-Kantenfilter der Firma Schott benutzt, deren spektrale

Transmission in Abb. 20 dargestellt ist.

1. Schott, Typ WG 305, Schmelze 348853, ∅ 50 mm, Dicke 2,0 mm

2. Schott, Typ WG 335, Schmelze 101004, ∅50 mm, Dicke 2,0 mm

3. Schott, Typ GG 420, Schmelze 17158, ∅ 50 mm, Dicke 2,0 mm

Wellenlänge /nm

200 250 300 350 400 450 500

Tra

nsm

issi

on

/%

0

20

40

60

80

100WG305-2WG335-2GG420-2

Abb. 20 Spektrale Transmission von UV - Kantenfiltern ; 2 mm Schichtdicke(WG- und GG- Gläser).

2.3.2. Mylarfolie

Die Mylarfolie, die bei den Versuchen mit dem Personendosimeter benutzt wurde,

grenzt den UV-B-Bereich (Abb. 21) aus und ermöglicht somit eine alleinige Auswertung

der UV-A-Strahlung. Im Vergleich der Ergebnisse mit und ohne Mylarfolie bei gleicher

Bestrahlungsquelle und Bestrahlungsdosis kann man rechnerisch den UV-B-Anteil der

Strahlung bestimmen.

- 36 -

2.3.3. WHIRL-PAK-Folie

Die WHIRL-PAK-Folie wird als Schutzfolie für den Biofilm bei dem Personendosimeter-

system (s. Kap. 1.4) benutzt. Der Biofilm wird in Folie eingeschweißt. Das Transmissi-

onsverhalten zeigt Abb. 21. Die Ergebnisse der Biofilm-Expositionsversuche werden

durch die WHIRL-PAK-Folie in einer Größenordnung beeinflusst, die dem Transmissi-

onsverhalten der Folie (s. Abb. 21) entspricht. Den Korrekturwert erhält man, indem man

die spektroradiometrischen Vermessungsergebnisse mit dem Wirkungsspektrum des

Biofilms nach der Formel

( ) ( )∫ ⋅= λλλ λλ dSEEbiol (7)

(s. Kap. 1.3.) verrechnet. Dieses Integral wird verglichen mit dem Integral, das sich aus

der biologisch effektiven Strahlungsstärke Ebiol und dem Transmissionsverhalten der

WHIRL-PAK-Folie nach Formel (8)

( ) ( ) ( )∫ ⋅⋅= λλλλλ λλλ dTdSEEbiol 8)

ergibt, wobei Tλ( λ ) das Transmissionsverhalten der WHIRL-PAK-Folie über den Spekt-

ralbereich beschreibt.

Wellenlänge /nm

200 250 300 350 400 450 500

Tra

nsm

issi

on

/%

0

20

40

60

80

100MylarWHIRL-PAK2x WHIRL-PAK

Abb. 21 Transmission der Mylarfolie und der WHIRL-PAK-Folie in Abhängig-keit von der Wellenlänge im Bereich von 290 nm bis 340 nm.

- 37 -

2.3.4. OP-Handschuhe

Die in der Praxis und bei den Versuchen verwendeten OP-Handschuhe (Latex Medical

Examination Gloves, nach DIN EN 455 T1 02.94 und DIN EN 455 T2 04.95) wurden bei

verschiedenen Spannungszuständen spektrophotometrisch vermessen. Ein Stück eines

Handschuhs wurde hierbei über einen Rahmen gelegt bzw. gespannt.

Wellenlänge /nm

200 250 300 350 400 450 500

Tra

nsm

issi

on

/%

0

5

10

15

20

25

30 1.0x 2.4x 7.5x13.2x

Abb. 22 Transmissionsverhalten der OP-Handschuhe bei 4 verschiedenenSpannungszuständen.

Nach den spektrophotometrischen Vermessungen bei den einzelnen Spannungszu-

ständen wurde jeweils eine definierte Fläche ausgestanzt und gewogen, wobei der

spannungslose Zustand gleich Eins gesetzt wurde. Durch die Abnahme des Gewichtes

wurden die verschiedenen Spannungszunahmen in Bezug zu dem spannungslosen Zu-

stand (1x) ermittelt. Das Transmissionsverhalten bei den verschiedenen Spannungszu-

ständen zeigt Abb. 22.

2.4. Der Biofilm

Der DLR-Biofilm ist ein wellenlängen- und zeitintegrierendes biologisches UV-

Dosimeter, welches die UV-Strahlung bezüglich ihres DNA-Schädigungspotentials

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wichtet. Der Biofilm besteht aus einer Polyesterfolie, die einseitig mit Sporen des für den

Menschen ungefährlichen Bacillus subtilis beschichtet ist. Nach der UV-Exposition wird

jeder Biofilm mit monochromatischem UV-C der Wellenlänge 254 nm auf vorher nicht

exponierten Kalibrierungsflächen kalibriert. Aus der folgenden Bebrütung in einem

Nährmedium resultiert ein Bakterienwachstum der ungeschädigten oder nur leicht ge-

schädigten Sporen. Nach Anfärbung der hierbei innerhalb des Biofilms entstehenden

Biomasse (Eiweiß) wird die Auswertung mittels einer Bildanalyse durchgeführt. Als Er-

gebnis wird für jedes Messfeld die biologische Effektivdosis als Äquivalenzdosis von

Strahlung der Wellenlänge 254 nm bestimmt, die den gleichen biologischen Effekt her-

vorbringt (Rettberg 1999).

2.4.1. Sporenherstellung

Bei den vorliegenden Untersuchungen wurden Sporen der Bakterienart Bacillus subtilis

Stamm HA 101 (Stamm Marburg, Kulturensammlung der Mikrobiologie Frankfurt) ver-

wendet. Zur Stammhaltung und Sporengewinnung wurde der Stamm HA 101 in dem

Sporulationsmedium (Tab. 3) angezogen und bei einem Sporenanteil von ca. 80% (Be-

stimmung in einer Zählkammer) für 10 min bei ca. 7000 Upm (Sorvall Centrifuged Su-

perspeed Centrifuge, Dupont Instruments) geerntet.

Danach wurde einmal mit sterilem Aqua bidest. gewaschen, um Reste des Nährmedi-

ums zu entfernen. Anschließend erfolgte eine enzymatische Reinigung der Sporen. Da-

zu wurde das Bakterienpellet in 10 ml Tris-Puffer (Tab. 3) resuspendiert und mit 0,01 ml

DNase (2 mg/ml DNase (40000 E/20mg)), 0,1 ml MgSO4 (0,01 M MgSO4) und 0,1 ml

Lysozym (20 mg/ml Lysozym (15000E/mg)) versetzt. Dieses Gemisch wurde unter

leichtem Schütteln 30 Minuten bei 37°C inkubiert, um die vegetativen Zellen zu lysieren.

Anschließend wurden die Enzyme durch Inkubation bei 80°C 10 min inaktiviert. Die

Zellfragmente wurden bei 7000 Upm von den Sporen getrennt, und die so angereicher-

ten Sporen wurden noch zweimal mit Aqua bidest gewaschen.

Um Sporen einheitlicher Dichte zu erhalten, wurden die so gewonnenen Rohsporen ei-

ner Urografin-Dichtegradienten-Zentrifugation (Tamir und Gilvarg 1966, Baltschukat und

Horneck 1991) unterzogen. Mit Hilfe eines Gradientenmischers wurde in einem Zentrifu-

genröhrchen ein kontinuierlicher Gradient von 47% bis 73% (Tab. 4) hergestellt und mit

ca. 0,5 ml (109-1010 Sporen/ml) der Sporensuspension überschichtet. Nach Zentrifugati-

on (1 Stunde, 16000 Upm, ungebremster Auslauf, Ultrazentrifuge, SW TI Rotor)

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Tab. 3 Lösungen für die Sporengewinnung

Substanz Mol Menge(ad 1000 ml Aqua bidest)

Sporulationsmedium

Difco Nutrient Broth 16 g

KCl 5 g

CaCl*2 H2O 2 mM 117,6 mg

FeCl3*6 H2O 10 µM 2,7 mg

MnSO4*1 H2O 20 µM 3,4 mg

MgSO4*7H2O 0,1µM 24,7 mg

Glucose 0,01 M 1 g

Tris-Puffer

Trishydroxymethylaminomethan (Tris) 1,2 g(mit konzentrierter HCl aufpH 7,0 justieren)

Urografin-Lösungen

Urografin-Ausgangslösung 76%

73 Teile Urografin + 3 Teile Aqua bidest. 73%

47 Teile Urografin + 29 Teile Aqua bidest. 47%

hatten sich drei Banden im Gradienten angesammelt, wovon die mittlere Bande die rei-

ne Sporenfraktion darstellt. Die älteren, schwereren Sporen befinden sich am Röhr-

chenboden, während die unreifen, leichten Vorsporen den Gradienten überhaupt nicht

durchwandern. Die mittlere Sporenbande wurde mit Hilfe einer Pasteurpipette entnom-

men und mehrmals mit sterilem Aqua bidest. zum Entfernen des Urografins gewaschen.

Die so gereinigte Sporensuspension wurde nach Bestimmung der Keimzahl bis zum

Gebrauch mit wenig Chloroform überschichtet bei 4 °C gelagert.

2.4.2. Herstellung des Biofilms

500 ml Aqua bidest. werden in einer 1-l-Glasflasche mit Deckel und Rührfisch mit 2,5 g

Agarose (Serva) unter Rühren versetzt. Die Suspension wird auf einem Magnetheizrüh-

rer aufgekocht und 3 min sprudelnd gekocht bis die Agarose schlierenfrei ist. Die

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Tab. 4 Biofilmformate

Bezeichnung Abmessungen

Gel-Bond-Folie (Grundform) 12,5 cm * 26 cm

Biofilm für Expositionseinheit "Reversi" 12,5 cm * 13 cm

Biofilm für Personendosimeter 7,8 cm * 2,8 cm

gelöste Agarose wird in ein 60 °C Schüttelwasserbad gestellt und ca.30 min. inkubiert,

bevor die entsprechende Menge Bakteriensporen (40 µl Sporen der Stammlösung (Ba-

cillus subtilis HA 101) auf 70 ml 0,5% Agarose) unter Rühren zupipettiert wird, um die

erforderliche Sporenzahl (5*105 Sporen/cm² Film) zu erreichen. Nachdem Agarose und

Bakteriensporen durchmischt sind, werden 70 ml auf die hydrophile Fläche einer Gel

Bond Agarose- Folie (12,5 cm*26 cm), die auf einer austarierten Edelstahlplatte (Tem-

peratur >23 °C) liegt, gegossen. Nach dem Gießen lässt man die Folien 5 min erstarren.

Die beschichteten Folien werden bei 60 °C 10 Stunden im Brutschrank getrocknet.

Durch Trennen bzw. Ausstanzen erhält man verschiedene Formate, die in Tab. 4 darge-

stellt sind. Die Filme werden in Papiertücher eingewickelt und in Alufolie eingepackt, um

anschließend bei Raumtemperatur trocken und lichtgeschützt gelagert zu werden.

2.4.3. Expositionseinheiten

Die in 2.4.2. beschriebenen Biofilmformate (Tab. 4) werden zur Exposition in eine Box

(''Reversi'') oder in ein Personendosimeter eingelegt. Diese Expositionseinheiten werden

in den folgenden Abschnitten beschrieben.

2.4.3.1. Die Biofilm Expositionseinheit "Reversi"

Das "Reversi" ist eine lichtundurchlässige Box (129x124 mm Außenmaß) mit 11 Exposi-

tionsfeldern (Ø 12 mm), die einzeln mit lichtundurchlässigen Magneten abgedeckt wer-

den können, so dass die einzelnen Felder getrennt belichtet werden können (Abb. 23).

Der in der Belichtungseinheit eingelegte Biofilm wird somit entsprechend dem geöffne-

ten Expositionsfeld hier kreisförmig belichtet. Der Biofilm ist im Bereich der später zu

Kalibrierungszwecken dienenden Randbereiche durch die Expositionseinheit abgedeckt.

Die Kalibrierung des Biofilms (s. Kap. 2.4.3.) erfolgt mit Hilfe einer Kalibrierungseinheit,

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Abb. 23 Darstellung der Biofilm Expositionsbox "Reversi".

bei der die Kalibrierungsfelder geöffnet und nach bestimmten Zeitabschnitten geschlos-

sen werden können. Um die einzelnen Expositionsfelder und Kalibrierfelder sind spe-

zielle Bereiche vorgesehen, die bei der photometrischen Auswertung als Dunkelfeld-

kontrolle dienen sollen.

2.4.3.2. Das Personendosimeter

Das Personendosimeter besteht aus einem Kunststoffgehäuse mit Halterung zur Befes-

tigung an der Kleidung, einer Abdeckschablone mit quadratischen Aussparungen und

einem in einer Folie (WHIRL-PAK, Transmissionsverhalten s. Abb. 21) eingeschweißten

Biofilm, dessen Testfelder durch eine Pappschicht von den Kalibrierfeldern getrennt

sind. Abb. 24 zeigt den Aufbau des Personendosimetersystems.

2.4.4. Kalibrierung des Biofilms

Zur Kalibrierung wird die unter 2.2.1. beschriebene Niederdruck-Quecksilber-Lampe be-

nutzt. Mittels eines UVX Radiometers (s. Kap. 2.1.1.) mit dem Sensorkopf UVX-25 De-

tektor (kalibriert für λ=254 nm) wird eine Bestrahlungsstärke von 40,0 µW/cm² vorgege-

ben. Die verschiedenen Kalibrierfelder werden mit Dosen von 15,78 bis

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Abb. 24 Biofilm-Personendosimeter.

197,25 J/m² (Veränderung der Bestrahlungszeit) bestrahlt. Nach der Entwicklung, Fär-

bung und bildanalytischer Auswertung des Biofilms kann für jeden Film eine individuelle

Kalibrierkurve der biologischen Aktivität (A) als Funktion der Dosis erstellt werden.

2.4.5. Entwicklung des Biofilms

Die Biofilmentwicklung besteht aus den Arbeitsgängen Bebrütung, Fixierung, Färbung

und Entfärbung. Alle Arbeitsgänge werden bei 37 °C in dem Entwicklungsgerät CPA 2

der Fa. Jobo (Einstellung: rechts-links-Rotation) in den Entwicklungstrommeln Jobo

Drum Expert 3004 oder 3006 (Filmformat 12,5*26 cm in 3004, Filmformat 12,5*13cm

(für Reversi Expositionseinheit) in 3006) bei 37 °C durchgeführt. Filme, die kleiner sind

als die angegebenen Formate (z.B. Personendosimeterfilme (7,8*2,8 cm)), können

durch Aufkleben mit Klebeband an einen Trägerfilm in Jobo Drum entwickelt werden.

Der Biofilm wird zunächst zur Bebrütung mindestens 4 Stunden in autoklaviertem Be-

brütungsmedium (30 g/l Tryptic-Soy-Broth, (Difco Art-Nr. 0370-17-3)) bei 37 °C inkubiert.

Nach Spülung unter fließendem Wasser wird der Biofilm 5 min fixiert (Fixierer: 30%

Methanol (Merck Art-Nr. 1.06008.6025), 10% Eisessig (Merck Art.-Nr.818755 ), 60%

Aqua bidest). Der Fixierer wird dekantiert und der Biofilm mit Blue W (C42 H46 N3O6S2

*Na, 0,42g / 1l, Serva Art-Nr. 35053) 10 min gefärbt. Die Färbelösung wird dekantiert

und die Entwicklungstrommel mit H20 ausgespült. Danach erfolgt die Entfärbung 2 min,

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5 min, 10 min, 10 min unter Zugabe bzw. Austausch von Aqua bidest. Abschließend

wird der Biofilm mit einem Fön getrocknet.

2.4.6. Bildanalytische Auswertung des Biofilms

Ein direktes Maß für die Überlebensfähigkeit der Sporen ist die Intensität der Färbung.

Die abnehmende Färbungsintensität ist ein Maß für die zunehmende Schädigung der

Organismen. Zur Bestimmung der biologischen Aktivität (A) wird der Biofilm (s. Abb.

25A) auf einen Leuchttisch aufgelegt und mittels einer mit einem Breitbandfilter ausge-

rüsteten hochauflösenden Kamera und eines computerunterstützten Bildverarbeitungs-

systems in ein digitales Graubild überführt (s. Abb. 25B). Zur Definition und Eingrenzung

der auszuwertenden Bereiche wird das digitale Graubild mit einer Binärmaske überla-

gert (s. Abb. 25C). Die roten runden Flächen sind die Bereiche der Messexpositionen,

die rechteckigen Flächen im Randbereich des Graubildes die Bereiche der Kalibrie-

rungsexpositionen und die roten Balken die Bereiche des unbestrahlten Hintergrundes.

Da der Biofilm nicht homogen ist (s. Abb. 25A), muss zur Bestimmung der biologischen

Aktivität (A) jedem Kalibrierungs- bzw. Messfeld ein separates Hintergrundfeld zugeord-

net werden. Die biologische Aktivität (A) wird dann durch die unterschiedlichen opti-

schen Dichten bei 590 nm wie folgt bestimmt:

100*0OD

OD XA = (9)

wobei

A = Biologische Aktivität ( % )

OD x = Optische Dichte des auszuwertenden Kalibrierungs- bzw. Messfeldes, wobei dieOD dem negativen dekadischen Logarithmus des Grauwertes des zu bestim-menden Feldes, dividiert durch den Grauwert eines Feldes nach vollständigerUV-Inaktivierung der Sporen entspricht

OD0 = Optische Dichte des Hintergrundfeldes, wobei die OD dem negativen dekadi-schen Logarithmus des Grauwertes des Hintergrundfeldes, dividiert durch denGrauwert eines Feldes nach vollständiger UV-Inaktivierung der Sporen entspricht

Eine typische Kalibrierkurve (Dosis-Effektkurve) für Bacillus subtilis HA101 Wildtyp zeigt

die Abbildung 26. Ausgehend von diesen Kurven kann die biologische Effektivdosis in

Beziehung zur DNA-Schädigungskapazität von jeder anderen UV-Quelle als äquivalente

Schädigungsdosis bei 254 nm (Niederdruck-Quecksilber-Lampe) bestimmt werden.

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A

B

C

Abb. 25 Bildanalytische Auswertung des Biofilms.

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Abb. 26 Typische Kalibrierkurve für Bacillus subtilis HA101. Hbiol (biologischwirksame Bestrahlung), gemessen mit dem Biofilmdosimeter undaus der Kalibrierungskurve bei der Referenzwellenlänge 254 nm be-stimmt (Horneck 1997).

2.5. Untersuchungen der Lichtquellen zur Bestimmung der UV-Belastung

in einem Behandlungsraum einer Zahnarztpraxis (Grundkonzept)

Die in 2.2.2. bis 2.2.5. beschriebenen Lichtquellen wurden in der Regel in folgender

Weise untersucht:

1. Untersuchungen zur Strahlungsabgabe der Lichtquellen und Eingrenzung der Wel-

lenlängenbereiche mittels des UVX-Meters (s. Kap. 2.1.1.) bzw. des UVX-Meters mit

verschiedenen Filtern (s. Kap. 2.3.1.).

2. Spektroradiometrische Vermessung der Lichtquellen, bei denen durch die Untersu-

chungen mittels des UVX-Meters (s. Punkt 1) UV-Anteile festgestellt wurden.

3. Bestimmung der biologischen Reaktion des Biofilms auf die Lichtquellen, bei denen

durch die Untersuchungen mittels des UVX-Meters (s. Punkt 1) UV-Anteile festge-

stellt wurden.

4. Untersuchung der UV-Belastung durch während der Behandlungszeit getragene

Personendosimeter.

- 46 -

2.5.1. Geometrie der Bestrahlungsbedingungen

Aus folgender Tabelle sind für die untersuchten Lichtquellen die jeweiligen Abstände

(Leuchte-Messgerät), die jeweilige Leistung der Leuchte und das jeweils verwendete

Messinstrument zu ersehen.

Die Leuchten und Messinstrumente wurden so zueinander angeordnet, dass der Zent-

ralstrahl senkrecht auf die Mitte des Messinstrumentes traf. Die Raumtemperatur wurde

weitgehend konstant gehalten. Der Behandlungsraum wurde während der Expositions-

zeit weitgehend abgedunkelt, um auszuschließen, dass eventuell beobachtete Effekte

auf den Einfluß anderer Lichtquellen zurückgeführt werden könnten.

Zur spektroradiometrischen Vermessung der Behandlungsleuchte im Institut für Luft-

und Raumfahrtmedizin des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) war es

erforderlich, die Behandlungsleuchte aus der Behandlungseinheit auszubauen. Die

Stromzufuhr für die Behandlungsleuchte läuft über einen in die Behandlungseinheit in-

tegrierten Transformator. Bei den Untersuchungen bei dem DLR musste ein Transfor-

mator mit gleicher Leistung vorgeschaltet werden, damit vergleichbare Versuchsbedin-

gungen herrschten.

Tab. 5 Geometrie der Bestrahlungsbedingungen

Leuchte Abstand Leuchtezu Messgerät

Leistung Messinstrument

Deckenleuchte 150cm Volle Leistung UVX-Meter

Turbine und Winkelstück 1cm Volle Leistung UVX-Meter

Zahnsteinentfernungsgerät 3cm Volle Leistung UVX-Meter

Polymerisationsleuchte Variabel Volle Leistung UVX-MeterBiofilm

Polymerisationsleuchte 0,2cm Volle Leistung UVX-MeterBiofilmSpektroradiometer

Behandlungsleuchte Variabel Volle Leistung UVX-Meter

Behandlungsleuchte 50cm Volle Leistung Biofilm

Behandlungsleuchte 50cm Variabel Spektroradiometer

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Vor der spektroradiometrischen Vermessung der Behandlungsleuchte wurde in der

Zahnarztpraxis der eingebaute Transformator und der transportable Transformator mit-

tels eines Dimmers so aufeinander abgestimmt, dass die UVX-Werte übereinstimmten.

Unterschiedliche Spannungswerte der primären Stromversorgung zwischen Praxis und

DLR konnten somit auch mittels des Dimmers zur Übereinstimmung gebracht werden.

2.6. Untersuchung der UV-Belastung durch während der Behandlungszeit

getragene Personendosimeter.

Die Personendosimeter wurden vom behandelnden Zahnarzt am rechten Handgelenk

und im Nackenbereich getragen. Die bereits mehrfach beschriebenen Personendosi-

meter, bestückt mit dem Biofilm HA101, wurden am Behandlungskittel im Bereich des

Handgelenks und im Bereich des Nackens befestigt. Diese Anordnung beinhaltet, dass

das Handgelenkdosimeter weitgehend in der Raumzone E3 und das Nackendosimeter

weitgehend in der Raumzone E2 positioniert wurde. Die Behandlungsleuchte war immer

auf die maximale Intensität eingestellt.

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3. Ergebnisse

3.1. Expositionsversuch mit der Deckenleuchte

Der Versuch wurde wie unter 2.5.1. beschrieben durchgeführt, wobei die Bestrahlungs-

dauer 1 min betrug. Die UVX-Meter Sensoren (UVX-25 und UVX-31) wurden zunächst

ohne Filter, dann nacheinander mit den Filtern WG 305, WG 335 und GG 420 exponiert

(gemessen mit der UVX-Meter-Einstellung im Sensitivitätsbereich bis 200 µW/cm²). Die

Tabelle 6 zeigt, dass die Messwerte gegen Null gehen, wenn man die Messungenauig-

keiten des UVX-Meters (s. Kap. 2.1.1.) in die Betrachtung einbezieht. Die UV-Belastung

durch die Deckenleuchte ist unbedeutend, was auch im Vergleich zu den UVX-

Messwerten des Sonnenlichtes hinter Glas (Fensterbank Behandlungsraum, 19.Juni, 12

Uhr, wolkenlos, 24° C) deutlich wird. Aus diesem Grund wurden keine weiteren Unter-

suchungen der Deckenleuchte durchgeführt.

Tab. 6 Versuchsergebnisse zu Versuch 3.1.

Filter UVX-25(µW/cm²)

UVX-31(µW/cm²)

UVX-25(µW/cm²)

UVX-31(µW/cm²)

Deckenleuchteim abgedunkelten Raum

Sonnenlicht hinter Glas(Fensterbank Behandlungsraum)19.Juni, 12 Uhr, wolkenlos, 24°C

Ohne Filter 0,3 0,5 2,0 15,1

WG 305 0,3 0,5 1,8 13,4

WG 335 0,3 0,0 1,7 8,2

GG 420 0,0 0,0 0,0 0,2

3.2. Expositionsversuche mit den Halogenleuchten an Turbine, Winkel-

stück und Zahnsteinentfernungsgerät

Der Versuch wurde wie unter 2.5.1. beschrieben durchgeführt. Es ergaben sich jeweils

zwei Messreihen aufgrund der beiden UVX- Messköpfe. Die UVX-Meter Sensoren

(UVX-25 und UVX-31) wurden zunächst ohne Filter, dann nacheinander mit den Filtern

WG 305, WG 335 und GG 420 exponiert. Es wurde im Sensitivitätsbereich bis

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200 µW/cm² gemessen, und die Leuchtstärke wurde auf die maximale Stärke einge-

stellt. Die Versuchsergebnisse zeigt die Tabelle 7.

Die Tabellen zeigen, dass die Messwerte gegen Null gehen, wenn man die Messunge-

nauigkeiten des UVX-Meters (s. Kap. 2.1.1.) in die Betrachtung einbezieht. Die UV-

Belastung durch die Lichtquellen in den beschriebenen Instrumenten ist unbedeutend,

was auch im Vergleich zu den UVX-Messwerten des Sonnenlichtes hinter Glas (Fens-

terbank Behandlungsraum; 19.Juni, 12 Uhr, wolkenlos, 24°C) deutlich wird und wurde

deshalb nicht weiter untersucht.

3.3. Expositionsversuche mit der Polymerisationsleuchte

3.3.1. UVX-Meter Messungen (Polymerisationsleuchte)

Der erste Versuch wurde wie unter 2.5.1. beschrieben durchgeführt, wobei die Licht-

quelle bei verschiedenen Abständen und einminütiger Exposition untersucht wurde. Es

ergaben sich zwei Messreihen aufgrund der beiden UVX-Messköpfe. Es wurde im Sen-

sitivitätsbereich bis 200 µW/cm² gemessen. Die Versuchsergebnisse zeigen Tabelle 8

und Abb. 27.

Tab. 7 Versuchsergebnisse zu Versuch 3.2.

Ohne Filter WG 305 WG 335 GG 420

Turbine

UVX-25(µW/cm²) 0,5 0,5 0,5 0

UVX-31 (µW/cm²) 0,7 0,5 0,5 0,4

Winkelstück

UVX-25(µW/cm²) 0,3 0,5 0,5 0,2

UVX-31 (µW/cm²) 0,7 0,6 0 0,4

Zahnsteinentfernungsgerät

UVX-25(µW/cm²) 0,3 0,2 0,5 0

UVX-31 (µW/cm²) 0,6 0,5 0,3 0

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Tab. 8 Ergebnisse des Expositionsversuchs mit der Polymerisations-leuchte (UVX-Meter, verschiedene Abstände)

Abstand cm UVX-25(µW/cm²)

UVX- 31(µW/cm²)

0,2 289,3

0,5 175,2

1,0 90,0

1,1 97,0 5,5

1,9 34,6 2,1

2,0 33,3

2,24 36,4 1,6

2,7 15,6 1,4

3,0 14,0

4,0 7,7

4,4 6,0 0,7

5,0 3,1

6,0 2,1

6,6 1,9 0,5

7,0 1,5 0,5

Abstand /cm

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Bes

trah

lun

gss

tärk

e µW

/cm

2

0

0

10

100

1000

UVX-25

UVX-31

Abb. 27 Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse für die SensorenUVX-25 und UVX-31, Werte aus Tabelle 8.

- 51 -

Die graphische Darstellung der UVX-25 Messungen (Abb. 27) zeigt, dass die Bestrah-

lungsstärke Ee mit zunehmendem Abstand (Lichtquelle zu UVX-Sensor) abnimmt. Die

UVX-31 Werte gehen gegen Null.

Auch der zweite Versuch wurde wie unter 2.5.1. beschrieben durchgeführt. In diesem

Versuch wurden die UV-Bereiche der Emission der Polymerisationslampe mit dem UVX-

Meter und den angegebenen Filtern untersucht, wobei der Abstand mit 2,24 cm willkür-

lich festgelegt und die Zeit mit einer Minute konstant gehalten wurden. Die Versuchser-

gebnisse sind in Tabelle 9 festgehalten.

Die Tabelle erlaubt, wenn man die Sensor-Spektralreaktionen des UVX-25 und des

UVX-31 betrachtet (s. Abb. 12) und die Transmissionskurven der Kantenfilter WG 305,

WG 335 und GG 420 (s. Abb. 20) einbezieht, folgende Aussagen über die UV-Bereiche,

die in der Emission der Polymerisationsleuchte vorhanden sind:

1. Da die Werte bei Messung mit dem Sensor UVX-25 ohne Filter, mit WG 305 und mit

WG 335 nahezu identisch sind und der Wert bei GG 420 deutlich niedriger liegt,

muss die von der Polymerisationsleuchte abgegebene Strahlung im UV-A-Bereich

liegen.

2. Die gleiche Aussage trifft auch auf die Messungen mit UVX-31 zu. Diese Daten be-

legen ebenfalls, dass das von der Polymerisationsleuchte abgegebene Licht im UV-

A-Bereich liegt, da ohne Filter, mit WG 305 und mit WG 335 die Werte nahezu iden-

tisch sind. Der Messwert bei Verwendung des Filters GG 420 ist nicht nur auf das

charakteristische Transmissionsverhalten des Filters sondern auch auf die eingren-

zende Sensorspektralreaktion des UVX-31 ab ca. 370 nm zurückzuführen. Durch

diese Sensor-Spektralcharakteristik sind auch die einzelnen Werte bei UVX-31 ins-

gesamt niedriger. Festzuhalten ist, dass auch hier die erhaltenen Werte wie im ers-

ten Versuch gegen Null tendieren, weshalb in allen folgenden Versuchen mit der

Polymerisationsleuchte auf Messungen mit UVX-31 verzichtet wurde.

Tab. 9 Ergebnisse des Expositionsversuchs mit der Polymerisations-leuchte (UVX-Meter mit verschiedenen Filtern.)

Ohne Filter WG 305 WG 335 GG 420

Polymerisationsleuchte

UVX-25 (µW/cm²) 36,4 37,0 36,8 10,5

UVX-31 (µW/cm²) 1,6 1,8 1,7 0,3

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3.3.2. Spektroradiometrische Vermessung der Polymerisationsleuchte

Der Versuch wurde wie unter 2.5.1. beschrieben durchgeführt, wobei die 4 folgenden

unterschiedlichen Konstellationen untersucht wurden:

1. Neue Polymerisationslampe und neues Filter

2. Neue Polymerisationslampe und gebrauchtes Filter

3. Gebrauchte Polymerisationslampe und neues Filter

4. Gebrauchte Polymerisationslampe und gebrauchtes Filter

Die gebrauchte Lampe und das gebrauchte Filter sind bereits ca. 30 Stunden vor der

Vermessung in Betrieb gewesen. Aus der Anzahl der gelegten Kunststoff-Füllungen und

Multiplikation mit der mittleren Anzahl der pro Füllung benötigten Schichten sowie der

zur Schichtpolymerisation benötigten Zeitdauer (Durchschnittsbestrahlungszeit ca. 1min

pro Füllung) wurde der ungefähre Zeitraum von den oben angeführten 30 Stunden be-

stimmt. Abb. 28 zeigt die graphische Darstellung der Ergebnisse der spektroradiometri-

schen Vermessungen bei einem Abstand von 0,2 cm (≈ 400 µW/cm2 UVX-25).

Wellenlänge /nm

300 350 400 450 500 550Bes

trah

lun

gss

tärk

e (m

W m

-2n

m-1

)

0

20000

40000

60000

80000

100000(A) Lampe alt, Filter alt(B) Lampe alt, Filter neu(C) Lampe neu, Filter alt(D) Lampe neu, Filter neu

Abb. 28 Graphische Darstellung der spektroradiometrischen Vermessungen.

- 53 -

Die Integration der Bestrahlungsstärke für den Wellenlängenbereich von 320 bis

400 nm ergab für die untersuchten Lampen/Filterkombinationen folgende Bestrah-

lungsleistungen:

A: Gebrauchte Polymerisationslampe und gebrauchtes Filter ∫ =279.3W/m²

B: Gebrauchte Polymerisationslampe und neues Filter ∫ = 356.2 W/m²

C: Neue Polymerisationslampe und gebrauchtes Filter ∫ = 396.5 W/m²

D: Neue Polymerisationslampe und neues Filter ∫ =425.5 W/m²

Der Vergleich der einzelnen Kurven lässt folgende Aussagen zu:

1. Der Einfluss des Alterungsprozesses der Polymerisationslampe auf die Strahlungs-

abgabe resultiert in einem deutlichen Nachlassen der Strahlungsabgabe (16,2%).

Bei der Verwendung von einem gebrauchten Filter ist der Effekt wesentlich höher

(34,4%).

2. Der Einfluss des Alterungsprozesses des Filters auf die Strahlungsabgabe zeigt,

dass bei Verwendung der gebrauchten Polymerisationslampe die Lichtausbeute ge-

ringer ist (um 21%) als bei Verwendung der neuen Polymerisationslampe (um 7%).

3. Im Wellenlängenbereich von ca. 480 nm bis 485 nm liegen die Maxima aller Kurven.

Es zeigt sich hier, dass zwischen neuer Polymerisationslampe mit neuem Filter und

gebrauchter Polymerisationslampe mit gebrauchtem Filter ein Unterschied von etwa

30 W nm-1 m-2 besteht. Nach ca. 30 Stunden Betriebsdauer hat die Leistung der Po-

lymerisationsleuchte um etwa 1/3 abgenommen. Das bedeutet, dass wegen dieses

Leistungsabfalls die Polymerisationsleuchte regelmäßig überprüft werden muss, um

den optimalen Ablauf der Polymerisation (wie unter 2.2.4. beschrieben) zu gewähr-

leisten.

3.3.3. Bestrahlung des DLR-Biofilms

Der erste Expositionsversuch mit dem DLR-Biofilm wurde mit den in Tab. 10 dargestell-

ten Bestrahlungsstärken durchgeführt. Zur Verwendung kam das Reversiformat, wobei

Expositionszeiten von 15-60 s bei Polymerisationsleuchte-Biofilm-Abständen von 0,5-6

cm eingesetzt wurden. Hierbei konnten auf dem Biofilm selbst bei einer maximalen Do-

sis von 175,2 µW/cm2 * 30 s = 5256 µW/cm² also 52,56 J/m2 keine Veränderungen der

exponierten Felder nachgewiesen werden.

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Tab. 10 Ergebnisse zum Biofilm-Expositionsversuch (Alte Polymerisati-onsleuchte mit gebrauchtem Filter, Reversi, verschiedene Abstän-de)

Abstandcm

Expositionszeit(sec)

UVX-Meter 25(µW/cm²)

6,0 30 2,1

5,0 30 3,1

4,0 30 7,7

3,0 30 14,0

2,0 30 33,3

1,0 30 90,0

0,5 30 175,2

1,5 15 54,1

1,5 30 54,1

1,5 45 54,1

1,5 60 54,1

Da der bisherige Expositionsversuch mit der Polymerisationsleuchte auf dem Biofilm

keinerlei Veränderungen verursachte, wurden erhöhte Expositionsdauer und kürzere

Abstände (Polymerisationsleuchte-Biofilm) gewählt. Es wurde die photobiologisch wirk-

same Bestrahlung (Dosis in J/m²; s. Kap. 1.1.2.), ausgehend von der Polymerisations-

lampe auf den Biofilm (Wirkungsspektrum s. Abb. 3), bestimmt. Der Abstand von 2,24

cm zwischen Lichtaustrittsfenster der Polymerisationslampe und des jeweiligen Exposi-

tionsfeldes des Reversi wurde konstant gehalten, die Bestrahlungszeit variiert von 1-10

min (maximale Dosis von 36,4 µW/cm2 × 60 s × 10 min = 21840 µW/cm² also 218,4

J/m2, s. Tab. 8). Eine UV-Strahlungsbelastung war mittels des Biofilms auch bei diesem

Versuch nicht nachweisbar.

Beim folgenden Versuch wurde der Abstand Polymerisationsleuchte - Personendosi-

meter weiter reduziert und die Bestrahlungszeiten nochmals erhöht. Statt des Reversi

wurde nun das Personendosimetersystem bei Verwendung der neuen Polymerisations-

lampe und des neuen Filters eingesetzt. Der in WHIRL-PAK-Folie verpackte Biofilm

wurde entsprechend zu den während der Behandlungszeiten getragenen Personendo-

simetern verwendet. Das Personendosimeter wurde mit Abdeckschablonen versehen,

- 55 -

so dass von den 6 Feldern jeweils nur ein Feld geöffnet war und hier der Biofilm expo-

niert wurde.

Der Abstand zwischen Austrittsfenster der Polymerisationsleuchte und Eintrittsfenster

des Sensorkopfes bzw. des Expositionsfeldes des Biofilms wurde auf 2 mm reduziert,

ein Abstand, der im Mund des Patienten zur Aushärtung von Kunststoff-Füllungen ver-

wendet wird. Die gewählten Bestrahlungszeiten, die in ihrer Dauer zur Aushärtung von

Kunststoff-Füllungen (30 bis 40 sec pro Schicht) zwar unrealistisch sind, betrugen 5 bis

30 min. Vor und nach der Biofilmexposition wurden mittels des UVX-Meters die Be-

strahlungswerte überprüft. Die begleitenden UVX-25 Messungen ergaben einen Mittel-

wert von 400.3 ± 9.3 µW/cm2 bei einem Stichprobenumfang von 48. Die maximal appli-

zierte physikalische Dosis betrug 400.3 µW/cm2 × 60 s × 30 min = 720540 µW/cm² also

7205,40 J/m2 UV-A-Licht (Abb. 28). (Diese physikalische Dosis entspricht 0.033 mJ/m2

effektive Bestrahlung, wenn die spektrale Empfindlichkeit des BF-Dosimeters nach Abb.

39 zugrunde gelegt wird.)

Eine photometrische Auswertung des Biofilms war nicht möglich, da die Kalibrierung

aufgrund eines Fehlers an dem Kalibrierungsgerät misslang. Es zeigten sich aber Ver-

änderungen auf den Kalibrierflächen des Biofilms, die analog zur Steigerung der Be-

strahlungsdauer intensiver wurden (Abb. 29). Es war zu erkennen, dass bei Überde-

ckung der Testfelder und den für die Kalibrierung vorgesehenen Filmabschnitten eine

Übereinstimmung in der Intensität der Bestrahlungswirkung bestand. Testfelder und

Abb. 29 Biofilm (Personendosimeterformat) nach Expositionsversuch mit derPolymerisationsleuchte (neue Polymerisationslampe, neues Filter).Bestrahlungszeiten 5 bis 30 min, 0,2 cm Abstand Lichtquelle - Test-feld des Biofilms. Links: Expositionsfelder. Rechts: Durch Wärme-wirkung auf den für die Kalibrierung vorgesehenen Filmabschnittenentstandene Veränderungen.

- 56 -

Kalibrierbereich sind bei dem Personendosimetersystem beim Zusammenlegen durch

eine Pappschicht und durch die doppelte Polyesterschicht des Biofilms voneinander ge-

trennt, so dass eine UV-Wirkung auf den Kalibrierbereich unwahrscheinlich ist. Es muss

sich also um eine Wirkung der erhöhten Temperatur bei diesem geringen Abstand von

Lichtquelle zum Testfeld des Biofilms (0,2 cm) handeln.

Wegen dieser Erkenntnis wurden elektronische Temperaturmessungen (Technoterm

9400) derart durchgeführt, dass die Spitze des Messfühlers so in das Personendosime-

ter appliziert wurde, dass sie in der Mitte des jeweiligen bestrahlten Testfensters auf der

Oberfläche des Biofilmes lag. Die während der verschiedenen Bestrahlungszeiten ge-

messenen Temperaturen sind in Abbildung 30 dargestellt.

Abb. 30 zeigt, dass nach 30 Minuten Bestrahlungszeit eine Höchsttemperatur von

59,5 °C erreicht wurde, wobei bereits nach 5 min Bestrahlungszeit eine Temperatur von

55,8 °C abgelesen wurde. Es wurde bereits nach 5 min Bestrahlungszeit eine Tempe-

ratur erreicht, die bei höheren Bestrahlungszeiten sich nur noch geringfügig erhöhte,

also weitgehend konstant blieb. Trotz dieser geringen Temperaturerhöhung erhöhte sich

die Wirkung der Bestrahlung auf den Biofilm mit erhöhter Zeitdauer kontinuierlich, wo-

durch weitere Versuche erforderlich wurden.

Im folgenden Versuch wurde zusätzlich eine Alufolie zwischen den Testfeldern und dem

Kalibrierbereich des Films oberhalb der Pappschicht eingelegt. Durch diese weitere Iso-

lierung des Kalibrierbereiches und zusätzlicher Wärmeableitung durch die Alufolie sollte

die Temperaturbeeinflussung auf den Kalibrierbereich weitgehend ausgeschaltet wer-

den. Nach der Entwicklung des Biofilms zeigten sich nun keine Veränderungen auf dem

Kalibrierbereich. Durch die zusätzliche Isolierung, welche die Alufolie gegenüber dem

Kalibrierbereich des Biofilms darstellt (Wärmeableitung), ist davon auszugehen, dass in

den vorherigen Versuchen die erhöhte Temperatur maßgeblich für die Veränderungen

des Biofilms in Frage kam, zumal wie bereits beschrieben die UV-Strahlung weitgehend

durch Pappe und Polyesterfolien eliminiert wurde.

Ein weiterer Versuch unter Verwendung des Biofilms im Reversiformat sollte dieses Er-

gebnis untermauern. Der Abstand (Austrittsfenster Lichtleiter zum Expositionsfeld des

Reversi) betrug 2 mm. Als Expositionszeiten wurden 5 min bis 30 min gewählt. Die bild-

analytische Auswertung erlaubte eine Quantifizierung der photobiologisch wirksamen

- 57 -

Expositionszeit /min

0 5 10 15 20 25 30

Tem

per

atu

r /°

C

0

20

40

60

80

100

Ph

oto

bio

l. w

irks

ame

Bes

trah

lun

g /J

m-2

0

20

40

60

80

100

Jm-2°C

Abb. 30 Abhängigkeit der photobiologisch wirksamen Bestrahlung von derBestrahlungszeit. Es existiert keine lineare Dosiseffektbeziehung, dieKurve zeigt bereits nach 5 min Bestrahlungszeit Dosen, die weit hö-her sind als es bei dieser UV-Exposition zu erwarten wäre. Das zuVergleichszwecken aufgenommene Temperaturprofil lässt eineHitzeinaktivierung eher wahrscheinlich sein.

Bestrahlung (Abb. 30). Dabei ließen sich photobiologisch wirksame Dosiswerte bis zu

80 J/m² berechnen. Vergleicht man die Zunahme der photobiologisch wirksamen Do-

siswerte mit der Bestrahlungszeit und die entsprechende Temperaturkurve, so folgt sie

in etwa der bereits beschriebenen Temperaturkurve. Da die spektroradiometrische Ver-

messung (s. Kap. 3.3.2.) der Polymerisationsleuchte jedoch nur geringe UV-A-Anteile

ergab, kann es sich hier nur um eine temperaturbedingte Inaktivierung der Bakterien-

sporen handeln. Zudem kann vermutet werden, dass die mit dem Temperaturfühler auf

dem Biofilm gemessene Temperatur und die im Biofilm tatsächlich herrschende Tempe-

ratur divergieren, da der Fühler nur die Oberflächentemperatur und nicht die innerhalb

der Sporenschicht herrschende höhere Temperatur erfassen kann.

Der optische Vergleich der Biofilme aus den bisherigen Versuchen lässt folgende zu-

sammenfassende Aussagen zu:

1. Der Biofilm des Personendosimeters ohne Alufolie zeigt eine stärkere Veränderung

als die des Biofilms mit Alufolie zeigt.

- 58 -

2. Der Biofilm des Personendosimeters mit Alufolie zeigt eine stärkere Veränderung als

der Biofilm des Reversi.

3. Die beiden vorgenannten Punkte bestätigen den Temperatureinfluss für die Biofilm-

veränderungen (verschiedene Wärmeisolierungen bzw. Wärmeableitungen).

3.4. Expositionsversuche mit der Behandlungsleuchte

3.4.1. UVX-Meter-Messungen

Zunächst wurden mittels des UVX-Meters bei verschiedenen Abständen (10 bis 90 cm)

zu der Behandlungsleuchte die Bestrahlungsstärken und somit auch die maximale Be-

lastung festgestellt. Zusätzlich sollten mit Hilfe verschiedener Cut-off-Filter der Wellen-

längenbereich der von der Behandlungsleuchte ausgehenden Emissionen bestimmt

werden. Außerdem wurde nach Ausschalten der Behandlungsleuchte eine Dunkelkon-

trolle durchgeführt. Die Behandlungsleuchte wurde mit maximaler Intensität betrieben.

Die Versuchsergebnisse sind in den Abb. 31 und 32 zu ersehen.

Aus den Graphiken können folgende Ergebnisse abgeleitet werden:

1. Abb. 31 zeigt, dass in der Emission der Behandlungsleuchte UV-Anteile vorhanden

sind, die mehr im Bereich der Sensor-Spektralreaktion des UVX-31 als in der des

UVX-25 liegen. Die höchsten gemessenen Werte (µW/cm²) liegen bei dem Abstand

Behandlungsleuchte zu UVX-Meter von 50 cm, was auch weitgehend dem Abstand

der Behandlungsleuchte zum zahnärztlichen Behandlungsfeld entspricht.

2. Abb. 32 zeigt, dass der Hauptanteil der durch die Sensor-Spektralreaktion des UVX-

31 und der verschiedenen Filter erfassten Emissionswerte der Behandlungsleuchte

im UV-A-Bereich und ein geringer Anteil im UV-B-Bereich liegt. (Zu ersehen aus den

Differenzen der einzelnen Balken zueinander). Die Differenz zwischen WG 305 und

WG 335 ist niedriger bei Verwendung des Sensorkopfes UVX-25, was auf dessen

Messcharakteristik zurückzuführen ist.

- 59 -

Abstand /cm

0 20 40 60 80 100

Bes

trah

lun

gss

tärk

e µW

/cm

2

0

5

10

15

20UVX-31

UVX-25

Abb. 31 Graphische Darstellung der Mittelwerte der UVX-31 und UVX-25Messwerte.

Filterung

ohne Filter WG 305 WG 335 GG 420

Bes

trah

lun

gss

tärk

e µW

/cm

2

0

5

10

15

20UVX-31

UVX-25

Abb. 32 Graphische Darstellung der UVX-31 und UVX-25-Messwerte ohne Fil-terung und abgedeckt mit den Filtern WG 305, WG 335 und GG 420.Dargestellt sind die Mittelwerte und Standardabweichungen aus 4 ge-trennten Versuchen.

- 60 -

3.4.2. Spektroradiometrische Vermessung der Behandlungsleuchte

Zur spektroradiometrischen Vermessung wurde der Zentralstrahl bei einem Abstand von

50 cm auf den Sensorkopf des Spektroradiometers gerichtet. Mittels des regelbaren

Transformators wurde ein UVX-25-Meter-Wert von 12,5 µW/cm² (Mittelwert der bisheri-

gen Versuche bei 50 cm) vorgegeben, um vergleichbare Bedingungen zwischen Praxis

und Institut zu schaffen. Abb. 33 zeigt die Ergebnisse für 3 verschiedene Intensitäten

der Leuchte. Durch Integration der spektralen Bestrahlungsstärken der Behandlungs-

leuchte für die dargestellten Lampenintensitäten über den Wellenlängenbereich von 280

bis 400 nm können folgende Dosisleistungen berechnet werden:

• geringe Intensität (1) ∫ = 0.561 W/m2

• mittlere Intensität (5) ∫ = 2.895 W/m2

• maximale Intensität (10) ∫ = 3.944 W/m2

Wellenlänge /nm

275 300 325 350 375 400 425 450 475Bes

trah

lun

gss

tärk

e (m

W m

-2n

m-1

)

0

50

100

150

200

250

300

350Intensität 1Intensität 5Intensität 10

Abb. 33 Graphische Darstellung der spektroradiometrischen Vermessung derBehandlungsleuchte.

- 61 -

3.4.3. Bestrahlung des DLR-Biofilms

Zunächst wurde in einem Vorversuch ein großformatiger Biofilm halbseitig mit Alufolie

abgedeckt und bei einem Abstand von 50 cm (Lichtquelle zu Biofilm) für 8 Stunden bei

maximaler Intensität der Behandlungsleuchte exponiert. Nach der Filmentwicklung

zeigte der Biofilm auf der exponierten Hälfte eine deutlich reduzierte Blaufärbung (nicht

gezeigt). Dies wurde zum Anlass genommen, weitere Versuche durchzuführen.

Da es sich bei der Behandlungsleuchte nicht um eine punktförmige Strahlenquelle han-

delt, ist von einem inhomogen bestrahlten Feld auszugehen. Daher wurde im folgenden

Versuch die Strahlungsstreuung der Behandlungsleuchte bei einem Abstand von 50 cm

und maximaler Intensität untersucht. Da der Zentralstrahl bei der zahnärztlichen Be-

handlung weitgehend auf Mundschleimhaut und Lippenbereich des Patienten gerichtet

ist, muss angenommen werden, dass hier die höchste Strahlenbelastung für den Pati-

enten besteht. Die Gesichtshaut bzw. die Augen im peripheren Bereich würden dann

weniger belastet werden. Der Zentralstrahl der Behandlungsleuchte wurde senkrecht

auf das Zentralfeld des Biofilms im Reversiformat gerichtet (Abb. 34A, Lokalisation des

Lichtkegelzentrums mittels UVX-Meter). Nach 8-stündiger Belichtung zeigt der Biofilm

die stärkste Reaktion (geringere Blaufärbung) im zentral bestrahlten Feld (Zentralstrahl

der Behandlungsleuchte). Alle umliegenden Felder zeigen mit zunehmender Entfernung

vom Zentralfeld abnehmende Reaktionen, was die Streuung dokumentiert (s. Abb. 34C).

Um das Zentralfeld (Abb. 34B, Markierung: roter Kreis), auf das der Zentralstrahl der

Behandlungsleuchte gerichtet war, sind in Y-Richtung 3 Reihen von Expositionsfeldern

mit in X-Richtung drei verschiedenen Abständen angeordnet. Die Mittelwerte und Stan-

dardabweichungen (aus 4 Experimenten) der biologisch effektiven Bestrahlungswerte

sind für die verschiedenen Abstände in Abb. 34C dargestellt. Zum Verständnis sind die

Säulen mit den Positionsfarben, die in Abb. 34B benutzt wurden, unterlegt.

Der folgende Versuch wurde durchgeführt, um die UV-Belastung durch die Behand-

lungsleuchte in Abhängigkeit von der Expositionszeit bei 50 cm Abstand (Behandlungs-

leuchte zu Expositionsfeldern eines Personendosimeter) und maximaler Intensität zu

ermitteln. Zunächst wurde ein Biofilm im Personendosimeterformat bei Verwendung von

WHIRL-PAK-Folie eingesetzt. Im folgenden Versuch wurde der Biofilm zusätzlich mit

einer Mylarfolie versehen, um so die UV-A-Anteile der biologisch effektiven Bestrahlung

aus der Differenz zu den vorherigen Experimenten zu bestimmen. In Abb. 35A sind die

Versuchsergebnisse dargestellt, die auf den Messwerten für die unterschiedlichen Filter-

- 62 -

B

Abstand vom Zentralfeld in X-Richtung (mm)

-48 -32 -16 0 16 32 48

Flu

enz

(J/m

2 )

0

5

10

15

20

25

30

A C

Abb. 34 Graphische Darstellung der Mittelwerte und Standardabweichungenfür die 11 Positionen aus 4 Experimenten.

Schutzfolien-Kombinationen beruhen. Für den Spektralbereich, in dem die Behand-

lungsleuchte emittiert, sind aus den spektroradiometrischen Vermessungen (Abb. 33)

die Dosisleistung (4.01 W/m2 bei maximaler Intensität) und aus den Transmissionsmes-

sungen (Abb. 21) die Durchlässigkeit der unterschiedlichen Filter bzw. der Schutzfolie

bekannt. Aus der Verrechnung dieser Daten lässt sich für die WHIRL-PAK-Folie der

prozentuale Unterschiedsbetrag wie folgt ermitteln (s. auch Kap. 2.3.3.):

- 63 -

%14,77²/093,3

100²/01,4 =⇒= X

XmWmW

(11)

Dieser errechnete Prozentsatz besagt, dass die vom Biofilm ermittelte biologisch effekt i-

ve Dosis mit WHIRL-PAK-Umhüllung nur 77,14 % der tatsächlichen Dosis beträgt.

Daraus lässt sich die vom Biofilm ermittelte biologisch effektive Dosis ohne Schutzfolie

ermitteln. Abb. 35B zeigt die so auf die UV-Bereiche UV-A bzw. UV-A plus UV-B

Bio

l. ef

fekt

ive

Bes

trah

lun

g (

J/m

2 )

0

5

10

15

20

25

30

35

40BF + WHIRL-PAK

BF + WHIRL-PAK + Mylar

Expositionszeit (h)

0 2 4 6 8 10 12

0

5

10

15

20

25

30

35

40BF

BF + Mylar

A

B

Abb. 35 Abhängigkeit der UV-Belastung durch die Behandlungsleuchte vonder Expositionszeit.

- 64 -

korrigierten biologisch effektiven Bestrahlungswerte. Die Abbildung zeigt, dass beide

Kurven mit zunehmender Versuchsdauer höhere Bestrahlungswerte anzeigen, wobei

die Mittelwerte ohne Mylar höher liegen und auch eine größere Kontinuität zeigen. Die

unterschiedlichen Wellenbereiche (die Mylarfolie schließt den UV-B-Bereich aus) erge-

ben die unterschiedlichen Kurven, deren Abstandswerte den UV-B-Bereich beinhalten.

Der abschließende Expositionsversuch wurde durchgeführt, um zu ermitteln, in welcher

Größenordnung Operationshandschuhe die Strahlenbelastung reduzieren. Die Durch-

führung stimmt weitgehend mit dem Vorherigen überein mit den Unterschieden, dass

erstens der Biofilm ohne WHIRL-PAK exponiert wurde, um einen direkten Vergleich und

eine Überprüfung der direkt ermittelten Werte und der später zu errechnenden Werte zu

ermöglichen, und zweitens der Biofilm zusätzlich mit einem Teil eines Untersuchungs-

handschuhs (Transmissionsverhalten s. Kap. 2.3.4.) abgedeckt wurde, um die tatsächli-

che UV-Belastung des Zahnarztes im Handbereich zu ermitteln. Dieses Teilstück wurde

so in einen Spannrahmen appliziert, dass es auf dem Personendosimeter glatt auflag.

Die Expositionszeit betrug für beide Versuchsteile jeweils 12 Stunden. Wie Abb. 36

zeigt, reduziert sich durch Tragen von OP-Handschuhen die UV-Belastung für den

Zahnarzt um ca. 62 %.

Bio

l. ef

fekt

ive

Bes

trah

lun

g (

J/m

2 )

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60ohne OP-Handschuh

mit OP-Handschuh

Abb. 36 Reduktion der UV-Belastung durch Behandlungshandschuhe.

- 65 -

3.5. UV-Belastung im Routinebetrieb der Zahnarztpraxis

Die Untersuchung wurde wie in 2.6. beschrieben durchgeführt, wobei die Personendo-

simeter zunächst in drei Versuchsabschnitten für den Zeitraum von einer Behandlungs-

woche, zwei Behandlungswochen und schließlich drei Behandlungswochen getragen

wurden. Die Tabelle 11 und Abb. 37 zeigen die Ergebnisse der Auswertung der Biofilme

für die drei Behandlungszeiträume sowohl für die mit WHIRL-PAK-Folie umhüllten Per-

sonendosimeter als auch nach Korrektur (vergl. Abb. 35).

Tabelle 11 zeigt den photobiologisch wirksamen Bestrahlungswert des Biofilmfeldes,

das den höchsten Wert anzeigte. Den höchsten Wert ergaben allerdings bei den ver-

schiedenen Biofilmen auch verschiedene Felder, was hauptsächlich durch die verschie-

denen Arbeitshaltungen (s. Abb. 11) zu erklären ist. Der Handrücken wird, je nach Ar-

beitshaltung, unter verschiedenen Einfallswinkeln, mit unterschiedlichen Abständen und

unterschiedlichen vom Zentralstrahl der Behandlungsleuchte getroffenen Hautarealen

exponiert. Die Behandlungsleuchte kann man als einzige wirksame Strahlungsquelle im

Behandlungsraum annehmen, da alle anderen Lichtquellen nach den vorhergegange-

nen Versuchen als Quelle einer UV-Belastung auszuschließen sind.

Die Biofilme des Nackendosimeters, das zeitlich parallel zu dem Handgelenkdosimeter

getragen wurde, zeigten in allen Zeitabschnitten keinerlei Veränderungen. Der Nacken-

bereich wird also nach obigen Ausführungen von dem Zentralstrahl der Behandlungs-

leuchte nicht bzw. nur kurzfristig getroffen.

Tab. 11 Zur UV-Belastung eines Zahnarztes im Routinebetrieb.Das Personendosimeter wurde für 1 bis 3 Behandlungswochen amÄrmelaufschlag des Arztkittels getragen.

Behandlungs-wochen

Behandlungszeith:min

Photobiologisch wirk-same Bestrahlung

(J/m²)BF+WHIRL-PAK

Photobiologisch wirk-same Bestrahlung

(J/m²)BF

1 22:48 kein Effekt kein Effekt

1 32:30 kein Effekt kein Effekt

1 57:00 kein Effekt kein Effekt

2 82:15 10,037 13.011

2 87:15 12,822 16.621

3 91:15 12,674 16.429

3 106:10 18,116 23.483

- 66 -

Expositionszeit (h)

0 20 40 60 80 100 120Bio

l. ef

fekt

ive

Bes

trah

lun

g (

J/m

2 )

0

5

10

15

20

25

BF + WHIRL-PAKBF

Abb. 37 Zur Abhängigkeit der UV-Belastung eines Zahnarztes.Ermittelte Dosis in Abhängigkeit von der Behandlungszeit im Praxis-betrieb bei wechselnden Tätigkeiten.

- 67 -

4. Diskussion

Das Ziel dieser Arbeit ist es, die im Behandlungsraum einer Zahnarztpraxis befindlichen

Lichtquellen, von denen eine UV-Belastung für Behandler und Patient ausgehen könnte,

zu untersuchen. Als relevante Lichtquellen wurden die Deckenleuchte, die Halogen-

leuchten an Turbine, Winkelstück und Zahnsteinentfernungsgerät, die Polymerisations-

leuchte und die Behandlungsleuchte betrachtet.

Durch Messungen mit dem UVX-Radiometer konnten die Deckenleuchte, die Halogen-

leuchten an Turbine, Winkelstück und Zahnsteinentfernungsgerät als belastende UV-

Strahlungsquellen ausgeschlossen werden, da die UVX-Messwerte gegen Null gehen.

Bei Polymerisationsleuchte und Behandlungsleuchte machten die ermittelten UVX-

Messwerte eine weitere Untersuchung mittels des Spektroradiometers und der Biofilm-

technik erforderlich (Abb. 38).

Wellenlänge (nm)

250 300 350 400 450Bes

trah

lun

gss

tärk

e (m

W m

-2n

m-1

)

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

SonnenlichtPolymerisationsleuchteBehandlungsleuchte

Abb. 38 Spektroradiometrische Vermessungen von Polymerisationsleuchteund Behandlungsleuchte. Zum Vergleich wird zusätzlich ein Spekt-rum der Sonne vom 3.7.1996, 13:30 h gezeigt.

- 68 -

Wellenlänge (nm)

250 300 350 400 450

Eff

ekti

ve B

estr

ahlu

ng

sstä

rke

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

SonnenlichtPolymerisationsleuchteBehandlungsleuchte

Hb

iol B

F (

mW

m-2

nm

-1)

Abb. 39 Spektroradiometrischen Vermessungen aus Abb. 38, nach Wichtungmit den Werten aus dem Aktionsspektrum des Biofilms aus Abb. 3.

Wellenlänge (nm)

250 300 350 400 450

Eff

ekti

ve B

estr

ahlu

ng

sstä

rke

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

SonnenlichtPolymerisationsleuchteBehandlungsleuchte H

bio

l CIE

(m

W m

-2n

m-1

)

Abb. 40 Spektroradiometrischen Vermessungen aus Abb. 38, nach Wichtungmit den Werten aus dem CIE-Wirkungsspektrum aus Abb. 3.

- 69 -

Tab. 12 Differenzierung der physikalischen Bestrahlungsstärken der UV-Quellen: Sonne, Polymerisationsleuchte und Behandlungsleuchtein den UV-Bereichen von 280-290 nm, 290-315 nm, 315-400 nm so-wie dem Gesamt-UV-Bereich (280-400 nm) und nach Wichtung mitden Aktionsspektren des Biofilms (Abb. 39) und der CIE-Kurve(Abb. 40). Die Dosiswerte wurden durch Integration der in den Ab-bildungen dargestellten Kurven für die angegebenen Spektralbe-reiche ermittelt.

Wellenlängen-

bereich (nm)

Sonne Polymerisations-

leuchte

Behandlungs-

leuchte

Bestrahlungsstärke (W/m2)

280-290 - - 0.00004

290-315 1.285 - 0.010

315-400 30.875 425.491 3.933

280-400 32.160 425.491 3.943

Effektive Bestrahlungsstärke BF (W/m2)

280-290 - - 0.000073

290-315 0.004839 - 0.000122

315-400 0.002876 0.000020 0.000038

280-400 0.007714 0.000020 0.000235

Effektive Bestrahlungsstärke MED/h (W/m2)

280-290 - - 0.000156

290-315 0.103300 - 0.001747

315-400 0.037099 0.081715 0.001227

280-400 0.140399 0.081715 0.003133

- 70 -

Abbildung 38 gibt die Ergebnisse der spektroradiometrischen Vermessung wieder. Ein

Vergleich der sich aus diesen Vermessungen ergebenden Integrale der Bestrahlungs-

stärken von Polymerisationsleuchte und Behandlungsleuchte mit dem Sonnenlicht ergibt

folgende Ergebnisse:

1. Das Strahlungsspektrum der Behandlungsleuchte liegt in dem Bereich von 280 nm

bis 400 nm. Ein Vergleich der Integrale der Bestrahlungsstärken (Behandlungs-

leuchte-Sonne, s. Tab. 12) im Bereich von 290 nm bis 400 nm ergibt einen um

87,7% niedrigeren Wert für die Behandlungsleuchte. Die Behandlungsleuchte gibt

UV-Strahlung unter 290nm ab, die bei der Sonne nicht vorkommt.

2. Das Strahlungsspektrum der Polymerisationsleuchte liegt in dem Bereich von 320 bis

400 nm. Ein Vergleich der Integrale der Bestrahlungsstärken (Polymerisationsleuch-

te- Sonne, s. Tab. 12) im Bereich von 315 nm bis 400 nm ergibt einen um 92,7 %

höheren Wert für die Polymerisationsleuchte. Die Sonne zeigt allerdings zusätzlich

UV-Strahlung im Bereich von 290-315nm.

Abb. 39 und Tabelle 12 zeigen die biologischen Effektivspektren ( Biofilm) und die dar-

aus resultierenden effektiven Bestrahlungsstärken der Behandlungsleuchte und der Po-

lymerisationsleuchte.

Die Behandlungsleuchte zeigte bei der spektroradiometrischen Vermessung UV-A- und

UV-B-Anteile, die auf Grund des Biofilm-Wirkungsspektrums eine Veränderung des Bio-

films erwarten ließen. Die Versuche hinsichtlich der photobiologisch wirksamen Be-

strahlung ergaben Dosiswerte bis zu 37,95 J/m² bei einer Exposition des Biofilms von

12 Stunden.

Bei der Exposition des Biofilms mit der Strahlung der Polymerisationslampe zeigten sich

in einem Abstand von 0,2 cm und Expositionszeiten von bis zu 30 min, die allerdings für

die zahnärztliche Behandlung unrealistisch sind, Dosiswerte von bis zu 78,401 J/m². Da

auf Grund der schädlicheren Strahlung im UV-B-Bereich das Integral der biologisch ef-

fektiven Bestrahlungsstärke (Biofilm) der Behandlungsleuchte um das 11,7-fache höher

ist und zusätzlich die Bestrahlungszeit mit der Behandlungsleuchte um das 24-fache

höher war als bei der Polymerisationsleuchte, kann es sich bei einem in etwa doppelten

Dosiswert bei der Polymerisationsleuchte nur um eine Wärmewirkung handeln. Dies

bestätigt die in Bezug auf die Wärmewirkung mit der Polymerisationsleuchte durchge-

führten Versuche.

- 71 -

Die Veränderungen des Biofilms durch UV-Strahlung sind nur bei einer Beteiligung der

Behandlungsleuchte auszumachen. Da die einzelnen Expositionsversuche eine UV-

Belastung durch alle anderen Lichtquellen des Behandlungsraumes ausschließen, ist

auch die Biofilmveränderung der während der Behandlungszeit getragenen Personen-

dosimeter nur auf die Wirkung der Behandlungsleuchte zurückzuführen.

Bereits 1977 wurde von Paravecchio ein Krankheitsfall (Lupus erythematosus, s. Poly-

morphe Lichtdermatosen, Kap. 1.2) beschrieben, der bei einer Patientin nach einer

halbstündigen Exposition mit einer zahnärztlichen Behandlungsleuchte auftrat. Das Ge-

sicht der Patientin zeigte 16 Stunden nach Behandlungsende das klassische Muster

eines discoiden lupus erythematosus. Die Läsionen persistierten über einen Zeitraum

von 8 Wochen. Paravecchio erwähnt ausdrücklich, dass keine andere UV-Quelle (Feb-

ruar, bedeckt und regnerisch) für den akuten Ausbruch des lupus erythematosus in Fra-

ge kam.

Um eine Aussage über mögliche Gefährdungen nach Auswertungen des UV-

exponierten Biofilms machen zu können, müssen die Spektraldaten der Behandlungs-

leuchte mit dem Erythem-Wirkungsspektrum (s. Abb. 3) verrechnet werden. Abb. 40

zeigt die mit dem Erythem-Wirkungsspektrum verrechneten Spektraldaten der Behand-

lungsleuchte.

Die photobiologisch wirksame Bestrahlung (Dosis in J/m²) der Biofilm-Versuchsergeb-

nisse kann dann zu der entsprechenden minimalen Erythemdosis (MED) (s. Kap. 1.2,

Erythem) in Beziehung gesetzt werden, indem die biologisch effektive Bestrahlungsstär-

ke(W/m² MED) durch Integration der biologischen Effektivspektren bestimmt und mit der

entsprechenden Expositionsdauer verrechnet (J/m² MED) wird. Dieser Wert lässt sich

direkt in ein Verhältnis zu dem Wert 250 J/m² setzen, der definitionsgemäß einer MED

entspricht. Diesem MED-Wert lässt sich für diese spezielle Behandlungsleuchte ein aus

einer Biofilmexposition bestimmter Dosiswert (J/m² Biofilm) zuordnen (s. Tab. 13).

Das heißt, dass für den Zentralstrahl der Behandlungsleuchte nach 12 Stunden Exposi-

tionszeit und einem Abstand Behandlungsleuchte-Biofilm von 50 cm, was weitgehend

der Einstellung der Behandlungsleuchte auf den Mund des Patienten gleicht, 37,956

J/m² BF etwa 0,541 MED entsprechen. Dies ergibt einen Wert von 3,163 J/m²BF bzw.

0,045 MED/h.

- 72 -

Tab. 13 Photobiologisch wirksame Bestrahlung der Biofilm-Versuchsergebnisse und ihre Beziehungen zu biologisch effektivenBestrahlungsstärken durch Multiplikation der physikalischen Dosenmit den Wirkungsspektren CIE und Biofilm

Versuchs-dauer

Bestrah-lung

Effektive Bestrahlungsdosen unterZugrundelegung der Wirkungsspektren

(CIE und Biofilm)

Messwerte ohneWHIRL-PAK

(errechnet) aus Abb.35B

(h) J/m2

physika-lisch

J/m2

eff J CIE MEDJ/m2

eff J BF254

J/m2

eff J BF290

J/m2

eff J BF

0 0 0 0 0 0 0

2 28396.8 22.5576 0.090 1.692 9.295 13.8855

4 56793.6 45.1152 0.180 3.384 18.590 18.2976

6 85190.4 67.6728 0.271 5.076 27.886 24.1849

8 113587.2 90.2304 0.361 6.768 37.181 27.4005

10 141984.0 112.788 0.451 8.460 46.476 32.4543

12 170380.8 135.346 0.541 10.152 55.771 37.9530

Für das am Handgelenk des Behandlers getragene Personendosimeter sind identische

Umrechnungen erforderlich, um auch hier einen MED-Wert zu erhalten. Aus der Summe

der Tragezeiten und der Summe der biologisch wirksamen Bestrahlungswerte (s. Tab.

11) ergibt sich für 12 Stunden ein UV-Belastungswert von 1,742 J/m² bzw. 0.145 J/m²/h.

Das bedeutet unter Berücksichtigung der Relationen der Tabelle 13 für 12 Stunden ei-

nen Wert von 0,025 MED bzw. 0,002 MED/h.

4.1. UV-Belastung des Behandlers und des Patienten

Bei den Versuchen hat sich herausgestellt, dass von allen Lichtquellen in dem Behand-

lungsraum bei der Polymerisationsleuchte und vor allem bei der Behandlungsleuchte

eine relevante UV-Strahlung gemessen werden konnte. Bei der Polymerisationsleuchte

war diese wegen der äußerst geringen biologisch wirksamen Strahlungswerte nur mit-

- 73 -

tels der Spektroradiometrie messbar. Dies bestätigt die Ergebnisse der bereits 1994 von

Chadwick et al an mehreren Polymerisationsleuchten durchgeführten Untersuchungen,

dass die UV-A-Abgabe minimal ist. Die Biofilmveränderungen durch die Bestrahlung mit

der Polymerisationsleuchte sind, wie oben eingehend beschrieben, auf Wärmewirkung

zurückzuführen, die allerdings auch nur bei sehr geringem Abstand (2mm Abstand

Lichtquelle - Biofilm) und erhöhter Expositionsdauer (untersucht ab 5 min) auftraten. Der

Abstand von 2mm entspricht etwa dem Abstand Zahnoberfläche - Lichtquelle bei der

Polymerisation von Kunststoff-Füllungen, wobei allerdings die Zeit von 5 min mit 30 - 40

sec pro Kunststoffpolymerisationsschicht deutlich unterschritten wird. Wegen der Wir-

kung auf ein biologisch wichtendes Dosimetersystem stellt sich hier die Frage, ob Pulpa

und Gingiva durch die Wärmewirkung, wie auch bereits von Kimmel (1999) diskutiert,

irritiert werden. Die Optimierung der Kühltechnik gehört nach Aussage von Kimmel „zu

den wesentlichen Elementen der Weiterentwicklung von Arbeitsmittel und Verfahrens-

technik“.

Im Gegensatz zu der Polymerisationsleuchte bewirkte die Behandlungsleuchte als ein-

zige Lichtquelle des Behandlungsraumes (die anderen Lichtquellen wurden bereits

durch die UVX-Meter Versuche als Belastungsquellen ausgeschlossen) eine UV-

bedingte Veränderung des Biofilms im UV-A- plus UV-B-Bereich bzw. UV-A-Bereich (s.

Abb. 35). Bei der Bewertung der UV-Belastung für den Patienten ist zu berücksichtigen,

dass die Versuchsergebnisse Extremwerte darstellen, die durch unterschiedliche Ein-

fallswinkel, unterschiedliche Abstände, unterschiedliche Intensitätseinstellungen, unter-

schiedliche Position zum Zentralstrahl und durch die Bewegungsabläufe von Patient und

Behandler verringert werden. Für den Behandler sind die Versuchsergebnisse, die

durch das im Handgelenksbereich getragene Personendosimeter (das Personendosi-

meter im Nackenbereich zeigte keine Biofilmveränderungen) ermittelt wurden, anders zu

bewerten. Vor allen Dingen sind die Handbewegungen für die Reaktion des Biofilms von

Bedeutung, weshalb hier die tatsächlichen Belastungswerte höher sein werden als die

ermittelten Werte.

Zu erwähnen ist noch, dass anhand der spektroradiometrisch bestimmten Spektraldaten

der Behandlungsleuchte das Integral des Biofilms und das Integral des Biofilms ein-

schließlich WHIRL-PAK-Transmission bestimmt wurden. Der berechnete prozentuale

Unterschiedswert (Biofilm mit und ohne WHIRL-PAK, Abb. 35) stimmt weitgehend mit

den experimentell ermittelten Werten (Abb. 36 ohne Handschuhe) überein, was die

Qualität des Biofilms als biologisch wichtendes Dosimetersystem unterstreicht.

- 74 -

4.2. Wellenlängenbereiche der UV-Belastung

Wie bereits mehrfach erwähnt ist eine biologisch wirksame UV-Strahlung mittels des

Biofilms nur bei einer Lichtquelle des Behandlungsraums feststellbar, und zwar bei der

Behandlungsleuchte. Die spektroradiometrische Ausmessung ergab die höchsten Be-

strahlungsstärken im UV-A-Bereich und nur äußerst geringe Bestrahlungsstärken im

UV-B-Bereich. Bei der Bestrahlung des Biofilms durch die Versuche mit und ohne My-

larfolie ergaben sich Ergebnisse, die eine Unterteilung in einen UV-A-Anteil von 58,81 %

und einen UV-B-Anteil von 41,19 % zulassen. Diesem durch Biofilm Expositionsversu-

che ermittelten Verhältnis lässt sich ein durch Berechnung der biologisch effektiven Be-

strahlungsstärke BF (Spektroradiometrisch bestimmte Bestrahlungsstärken verrechnet

mit Biofilm-Wirkungsspektrum) bestimmtes Verhältnis von 16,17 % UV-A zu 82,98 %

UV-B zuordnen. Diese Differenz ergibt sich wahrscheinlich durch die Tatsache, dass

das Biofilm-Wirkungsspektrum mit monochromatischem Licht bestimmt wurde, was

mögliche Interaktionen zwischen einzelnen Wellenlängen, wie sie möglicherweise bei

der Biofilm-Exposition gegenüber polychromatischem Licht vorkommen, nicht in die

Wichtung mit einbezieht

4.3. Bewertung der Lichtquellen in der Zahnarztpraxis in Bezug auf ge-

sundheitliche Schäden

Wie bereits beschrieben ist die minimale Erythemdosis (MED) jene Bestrahlung in J/m²,

die nach festgelegter Zeitspanne zwischen Bestrahlungsbeginn und Beobachtungszeit-

punkt eine gerade wahrnehmbare Rötung der Haut erzeugt, wobei für den Hauttyp II

ohne Vorbestrahlung der absolute Wert für 1 MED mit 250 J/m² festgelegt wurde. Be-

trachtet man die durch die Versuche ermittelten Werte von 0,045 MED/h für den Pati-

enten bzw. von 0,002 MED/h für den Behandler, so ergibt sich für beide eine äußerst

geringe Belastung. Da man die Schädigungskapazität der Behandlungsleuchte als äqui-

valente Schädigungsdosis auf den Biofilm bei 254 nm darstellt, kann man, wenn man

den Expositionsgrenzwert bei 254nm (60 J/m² für 8 Stunden) des Bundesamtes für

Strahlenschutz zum Vergleich hinzuzieht (Empfehlung der Strahlenschutzkommission

1993), feststellen, dass dieser Grenzwert nicht erreicht wird.

Demnach sind chronische UV-Wirkungen, die wie zum Beispiel DNA-Schäden, maligne

Melanome, Spinaliome und Basaliome auslösen, weitgehend auszuschließen. Akute

UV-Wirkungen auf die Haut sind, wie von Paravecchio (1977) in Bezug auf einen Pati-

enten mit Lupus erythematosus beschrieben, nur bei Prädispositionen möglich.

- 75 -

Auch sollten Patienten, die an Xeroderma pigmentosum erkrankt sind, nicht der Strah-

lung der Polymerisationsleuchte ausgesetzt werden, weil UV-induzierte Epithelschäden

Dysplasien verursachen können, wenn der DNA Reparaturmechanismus funktionsunfä-

hig ist (Patton and Valdez 1991).

Zu erwähnen sind noch Schädigungen der Augen, wobei Cornea, Linse und Retina ge-

sondert beurteilt werden müssen. Wie beschrieben treten Veränderungen der Cornea

bei besonders schweren Expositionen durch Absorption der UV-Strahlen im UV-C- und

UV-B-Bereich auf, wobei ein Wert ähnlich der MED für die Haut nicht angegeben wird.

Obwohl die Bestrahlung durch die Behandlungsleuchte sicherlich keine besonders

schwere Exposition darstellt, ist wegen der fehlenden Schwellenwertangaben eine defi-

nitive Beurteilung nicht möglich. Veränderungen der Linse werden aufgrund von Tierver-

suchen beschrieben. Da auch hier Schwellenwertangaben fehlen, ist auch hier eine Be-

urteilung schwierig.

Die Retina unterliegt hauptsächlich einer photochemischen Schädigung durch blaues

Licht, und zwar hauptsächlich bei Kindern und bei Personen mit chirurgisch entfernter

Linse. Da bei der spektroradiometrischen Vermessung der Polymerisationsleuchte die-

ser Wellenlängenbereich (s. Abb. 28) eine besonders hohe Strahlungsabgabe zeigt,

sollten Patient und Behandler Halogen-Schutzbrillen tragen.

4.4. Maßnahmen zur Reduktion der UV-Belastung

Wegen der sehr geringen UV-Belastung in einer Zahnarztpraxis bedarf es für die unter-

suchten Zeiträume keiner bestimmten Schutzmaßnahmen, vor allen Dingen nicht für

den Patienten. Der Behandler sollte allerdings neben den hygienischen Faktoren auch

hinsichtlich der UV-Strahlung durch die Behandlungsleuchte aus prophylaktischen

Gründen Schutzhandschuhe tragen, da diese die zwar geringe, aber doch existierende

UV-Belastung noch einmal reduzieren. Eine weitere Reduzierung (bis zu 86 %) wird, wie

die spektroradiometrischen Vermessung der Behandlungsleuchte zeigt, durch eine Ein-

stellung der Behandlungsleuchte auf eine geringere Intensität erreicht. Der Behandler

sollte hieraus den Schluss ziehen, nicht bei jeder Behandlungssituation die stärkste In-

tensität der Behandlungsleuchte zu wählen.

Außerdem sollten die Schutzhandschuhe beim Gebrauch der Polymerisationsleuchte

trotz der an sich geringen UV-A-Belastung aus Gründen der Summationsbelastung aus

Strahlung und chemischen Prozessen (Chadwick et al 1994) getragen werden.

- 76 -

5. Zusammenfassung

Alle Lichtquellen eines Behandlungsraums einer Zahnarztpraxis und zwar die Decken-

leuchte, die Halogenleuchten an Turbine, Winkelstück und Zahnsteinentfernungsgerät,

die Polymerisationsleuchte und die Behandlungsleuchte wurden auf UV-Strahlung un-

tersucht. Durch Messungen mit einem auf dem System eines Siliciumdetektors beru-

henden UVX-Radiometers wurden zunächst die Polymerisationsleuchte und die Be-

handlungsleuchte als alleinige UV-Strahlenquellen ermittelt. Diese beiden Lichtquellen

wurden weiterhin spektroradiometrisch und mittels des Biofilms untersucht.

Die Polymerisationsleuchte zeigte bei der spektroradiometrischen Vermessung einen

geringen UV-A-Anteil, der auf Grund des Biofilm-Wirkungsspektrums keine Veränderung

auf dem Biofilm bewirkte. Erhöht man jedoch die Zeitdauer der Exposition, die allerdings

für die zahnärztliche Behandlung unrealistisch ist, so zeigen sich bei einem Abstand von

0,2 cm und Expositionszeiten von bis zu 30 min Dosiswerte von bis zu 78,4 J/m². Ein

derart hoher Dosiswert kann, wenn man die anderen Versuchsergebnisse in Betracht

zieht, nur auf eine Wärmewirkung zurückgeführt werden.

Die Behandlungsleuchte zeigte bei der spektroradiometrischen Vermessung UV-A- und

UV-B-Anteile, die auf Grund des Biofilm-Wirkungsspektrums eine Veränderung des Bio-

films erwarten ließen. Die Versuche hinsichtlich der photobiologisch wirksamen Be-

strahlung ergaben für den Patienten im Mundbereich bzw. den Behandler im Handge-

lenkbereich folgende UV-Belastungen:

• Patient: 3,163 J m-2 Biofilm / h entsprechend 0,045 MED/h

• Behandler: 0,145 Jm-2 Biofilm / h entsprechend 0,002 MED/h

Diese Versuchsergebnisse bedeuten, dass eine äußerst geringe UV-Belastung für Pati-

ent und Behandler durch Lichtquellen in der Zahnarztpraxis besteht. Wenn die Schädi-

gungskapazität der Behandlungsleuchte als äquivalente Schädigungsdosis auf den Bio-

film bei 254 nm dargestellt wird, wird der Expositionsgrenzwert bei 254 nm (60 J/m² für 8

Stunden) des Bundesamtes für Strahlenschutz nicht erreicht. Danach sind chronische

UV- Wirkungen, die wie z.B. DNA-Schäden, maligne Melanome, Spinaliome und Basali-

ome auslösen, weitgehend auszuschließen. Akute UV-Wirkungen auf die Haut sind, nur

bei entsprechenden Prädispositionen möglich. Für den Behandler ist eine Reduzierung

der UV-Belastung durch das Tragen von Schutzhandschuhen möglich. Obwohl es sich

um sehr geringe Belastungswerte handelt, sollten neben hygienischen Faktoren aus

prophylaktischen Gründen Schutzhandschuhe getragen werden, da der Behandler

schließlich Jahrzehnte mit diesen Lichtquellen konfrontiert wird.

- 77 -

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- 81 -

Danksagung

Bedanken möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr. H. Rink, der sich als mein Doktorvater

darum bemüht hat, dass ich die Möglichkeit bekam bei dem Institut für Luft- und Raum-

fahrtmedizin, Abteilung Strahlenbiologie des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum-

fahrt (DLR), die Biofilmtechnik zu erlernen und aufgrund dieser Erkenntnisse meine Un-

tersuchungen durchführen zu können.

Bedanken möchte ich mich bei Frau Dr. G. Horneck, die mich in dem Institut betreute

und bei auftretenden Problemen für mich immer ansprechbar war. Bedanken möchte ich

mich bei Frau Dr. C. Baumstark-Khan für die Einweisung in die Versuchsproblematik

und die kritische Durchsicht der einzelnen Kapitel. Besonderen Dank möchte ich Herrn

Dr. R. Facius aussprechen, der mich bei den physikalischen Untersuchungen unterstützt

hat und die Geduld aufgebracht hat, mir die komplexen physikalischen Berechnungen

nahe zu bringen. Bedanken möchte ich mich auch bei Frau K. Scherer und bei Frau U.

Eschweiler für die große Unterstützung bei der Bearbeitung und Auswertung der Biofil-

me.

Allen Mitarbeitern der Strahlenbiologie des Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin des

Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) danke ich für ihre Hilfe und Unter-

stützung, sowie die immer herzliche Arbeitsatmosphäre.

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LEBENSLAUF

Persönliche DatenName: Jochem Manfred Hugo BrachesGeburtstag: 12.08.1961Geburtsort: WermelskirchenNationalität: Deutsch

Schulbildung1968 bis 1972: Besuch der Ernst-Moritz-Arndt-Schule (Grundschule) in

Burscheid-Hilgen1972 bis 1980: Besuch des Städtischen-Gymnasiums Wermelskirchen.1980 bis 1982: Besuch des Landrat-Lucas-Gymnasiums in Leverkusen.15.06.1982: Erlangung der allgemeinen Hochschulreife am Landrat-

Lucas- Gymnasium in Leverkusen.

Studium1982 bis 1983: Studium der Zahnmedizin an der Rijksuniversiteit-Gent,

Belgien1986-1995: Studium der Zahnmedizin an der Rheinischen Friedrich-

Wilhelms-Universität, Bonn19.03.1987: Naturwissenschaftliche Vorprüfung12.09.1990: Zahnärztliche Vorprüfung24.07.1995: Zahnärztliche Prüfung17.08.1995: Approbation

Soziales Engagement08.08.1983: Verpflichtung für 10 Jahre zum Dienst im Katastrophen-

schutz des Rheinisch-Bergischen-Kreises des Arbeiter-Samariter-Bundes

Berufliche Tätigkeit1983 bis 1986: Zahntechnikerlehre bei der Firma Werner Sirker in Köln01.10.1995-31.12.1997: Ganztägige Tätigkeit als Vorbereitungsassistent in der

Praxis Dr. Manfred Braches01.01.1998: Gründung einer Gemeinschaftspraxis mit Dr. Manfred

Braches01.03.2001: Gründung einer Praxisgemeinschaft mit Dr. Manfred

Braches