CN101518672A - 光动力治疗的照射装置 - Google Patents

Abstract

一光动力治疗的高效照射装置，是利用紫质(又名卟啉)族系光感物质的最佳吸收波长为集中于405nm附近，利用组织，特别是深层组织的光学特性及改变光学接口等特性，以克服该范围的发光波长不易深入组织的困难。

Description

光动力治疗的照射装置

技术领域

本发明涉及一种光动力治疗的照射装置，尤指一种适用于深层组织并且在波长大约为405nm附近具有最大发光效率的光动力治疗的照射装置。

背景技术

现今光动力治疗的基本原理(见图1)是利用病变组织内含的光感物质(如痤疮内的痤疮杆菌)或将光感物质局部涂抹或静脉注射到病人身上，然后再以特定波长的光(通常是红光)照射病变组织，此时光能会经由光感物质转移给组织内的其它物质，而发生光化学作用，进而产生对细胞有毒性的分子而毒杀肿瘤细胞或其它病灶。由于光动力治疗的基本构成要素是光感物质和激发光源，因此必须要在这两个要素的共同作用下才能产生疗效。

一般而言，光动力治疗所用的激发光源其波长是在可见光范围的非游离性辐射，所以光照本身并不会对身体产生任何毒性或副作用，光动力治疗所使用的光感药物必须经过特定波长的照射光激发后，才会在照射的部位产生细胞毒性，换句话说，光动力治疗所使用的光感药物和激发光在分开情形时，完全没有作用，也没有任何毒性。只有当二者碰在一起时，才会有疗效。除此之外，近年来的研究还显示出，光动力治疗尚能摧毁肿瘤的血管，阻绝其血液供应，更能活化人体的免疫系统，增加肿瘤免疫力以对抗癌细胞。另一方面除了癌肿瘤治疗之外，现有的光动力治疗也陆续的被应用于疣、痤疮、美容及兽医等用途。

然而，目前的光动力治疗也不是没有缺点，由于光在组织内的透射率普遍不佳(如图2A所示)，其能量在组织内依距离深度呈指数型式递减，因此对于较深的病灶，其治疗的效果并不好。虽然多数光感物质对波长较短的紫光较敏感(例如图2A中Photofrin的Soret band)，为了达到较深层的治疗效果，在目前的光动力治疗多采用组织透射率较高的红光(见图2A)，目前最深的治疗深度大约可以达到一厘米深。也有采用较短波长的蓝光设计，但因其波长对组织的透射率较低，即使采用较高能量的蓝光激光二极管做为光源也仅适用于痤疮(不外加光感物质)等的浅层治疗用途，加以蓝光激光因具有单价太高、寿命有限、功率太低并且不易取得等缺点，而不符合经济效益。

为改善前述光源在组织内的有限穿透深度，在现有技艺中往往透过聚焦一矩阵光源以提高单位面积内光照的能量(图3)，或以矩阵光源直接照射以提高照光均匀性(图4A)。但皮肤、肌肉、脏器等组织(以下简称组织)的折射率多半在1.4附近(图4B)，明显大于空气(折射率＝1)，光在组织表面会发生反射、散射等现象而导致入射效率大幅降低。另一方面组织表面型貌往往非平面，造成光入射角度产生不可预期变化而影响入射率而造成较差的入射均匀性。其中，光从不同角度照射皮肤的透射率变化由图5可看出。

因此，需要一套照明装置搭配适当的光感物质，使其能够有效的将具有最佳波长的激发光以能量均匀且足够强度的照射而深入组织内，以达到最理想的光动力治疗功效。

发明内容

因此，本发明的一目的在于提供一种在380nm～430nm波长范围具有最大发光效率(见图9)的氮化铝镓铟(AlInGaN)发光二极管(LED)作为照射光源，并配合在相同波长范围有最佳吸收带的原紫质等紫质族系光感物质的光动力治疗的照射装置。

本发明的又一目的在于提供一种光动力治疗的照射装置，该照射装置透过最前端光学组件(以下简称光传导物件)的出光面直接接触组织，可有效降低因组织折射率及表面型貌造成的光反射损失及光入射不均匀问题，并同时降低了该光传导物件出光面的内部反射。

本发明的又一目的在于提供一种光动力治疗的照射装置，该照射装置的光传导物件表面为柔软可透光结构，以利贴附于各种型貌的组织表面，还可以液体或胶体填充于光传导物件与组织接触面的间隙，以进一步降低因组织表面细微变化(如皮肤表面纹路)造成的气泡等微间隙引起的光散射。

本发明的又一目的在于提供一种光动力治疗的照射装置，透过光传导物件对组织施加压力以排除组织局部的血液，可有效降低因组织内血液中血红素吸收照射光源而造成入射光能量的损失。

本发明的又一目的在于提供一种光动力治疗的照射装置，透过接触组织的光传导物件可对照射部位提供冷、热敷或音波振动以降低治疗的不适或提高光动力治疗的效果。

本发明的又一目的在于提供一种光动力治疗的照射装置，其接触组织的光传导物件或该光传导物件的表面为可替换结构，以达到替换或分离消毒的目的。

本发明的又一目的在于提供一种光动力治疗的照射装置，可利用容器内的液体作为光导介质，可将组织浸泡在该液体中以达到均匀入射的目的。

本发明的又一目的在于提供一种光动力治疗的照射装置，利用一光源检测器以掌握及控制照射光源的亮度，并可了解光源老化状况而适时更替。

附图说明

图1为典型光敏感剂在光线激发下的光动力反应程序；

图2A为人体组织的透射率(虚线)及Photofrin光感物质的吸收率(图左多峰实线)与光波长的关系；

图2B为目前已商业化的光动力治疗用光感物质与其常用的激发波长；

图3为现有技术的照射装置；

图4A为现有技术的照射装置；

图4B为皮肤、肌肉、脏器等组织的折射率；

图5为光自空气入射皮肤的光透射率与其入射角(θ)的关系；

图6为本发明的第一较佳实施例的示意图；

图7A为紫质典型的吸收光谱，在400nm附近的最强吸收峰为其SoretBand；

图7B为部份紫质(卟啉)的最强吸收峰(Soret Band)波长；

图8为ALA-PpIX在组织内的代谢流程；

图9表示市售氮化铝镓铟族系LED的光电转换效率(外部量子效率)与波长分布关系，可明显看出在405nm附近的发光效率最佳，而此范围与多数紫质380nm～430nm的Soret Band分布范围重迭；

图10为典型的405nm氮化铝镓铟LED的光谱及PpIX吸收光谱；

图11为本发明的第二较佳实施例的示意图；

图12表示光自n＝1.5透明材料内部射出比例与入射角度的关系；

图13表示光自n＝1.5透明材料内部射出至n＝1.4组织的透射比例与入射角度的关系；

图14为模型计算光媒介物质的折射率(n)对光能量总入射率的影响，其中LED晶粒(chip)的光场采用lambertian光场模型，光传导物件及组织折射率分别假设为1.5及1.4；

图15为模型计算光媒介物质的折射率为1.44及无光媒介物质(n＝1)各角度入射光能量的差异，其中光源(LED-chip)的光场采用lambertian光场模型，光传导物件及组织折射率分别假设为1.5及1.4；

图16为本发明的第三较佳实施例的示意图；

图17为本发明的第四较佳实施例的装置图；

图18为人体乳房的各波长吸收系数；

图19为人体血红素的吸收系数与波长关系；

图20为本发明的第五较佳实施例的示意图。

【主要组件符号说明】

氮化铝镓铟(AlInGaN)发光二极管 601

电源及调控回路 602、1102、1602、1702、2002

反射镜 603、1604、1704、2003

光学镜面 604

紫质族系光敏感剂或其前驱体 605、1107、1607

组织 606、1106、1606、1708、2008

发光二极管 1101、1601、1701、2001

实心压克力光引导物件 1103、1603、1703

光传导物件 1104、1706

光媒介物质 1105

液体填充囊体 1605

管路 1651、1652

固体微粒 1707、2005

振动装置 1705

排除血液方向 1709

光传导液体容器 2004

光检测器 2006

光传导液体 2007

具体实施方式

请参考图6为本发明光动力治疗(Photodynamic Therapy，PDT)的照射装置的第一较佳实施例，本实施例的照射装置用于照射一被施予紫质族系光敏感剂或其前驱体605的组织606。本实施例的照射装置可包含一发光二极管(LED)光源601、一电源及调控回路602、一反射镜603及一光学镜面604，其中，该发光二极管601发出的光线经由反射镜603及光学镜片604将光线投射于已投药(例如可为紫质族系光敏感剂或其前驱体605)的组织606。其中，该发光二极管601可为氮化铝镓铟(AlInGaN)发光二极管。其中，紫质族系(porphyrin，又名卟啉)光敏感剂或其前驱体605指任一种含卟吩(porphin)结构的化合物，在紫光或近紫外光波段有强烈的吸收峰一般称之为Soret Band为其光学特征(见图7A)。此强烈吸收峰多数落在波长380nm～430nm之间，图7B中显示部份紫质族系光敏感剂或其前驱体605的最佳吸收波长。多种紫质族系光敏感剂或其前驱体605在吸收光的能量之后，其能量可转移至氧分子而造成有极强生物毒性的单相氧自由基，适合于作为光动力治疗及光动力诊断的光感物质，在图2B中的光敏感剂多属紫质族系光敏感剂或其前驱体605并且其Soret Band也落在相同波长范围。

紫质族系光敏感剂中以原紫质(Protoporphyrin，PpIX，又名原卟啉)为最具代表性的光感物质，其具有吸收峰约在405nm附近、无明显组织排斥现象、对病变组织有高选择比等特性，有利于选择性治疗，其中氨基酮戊酸(Aminolevulinic Acid，简称ALA、5-ALA、δ-ALA)为原紫质理想的前趋体(precursor)，因其分子量较低而易于在组织中渗透及扩散，利于投药，其代谢流程见图8。半导体类发光原件具有波长分布集中、功率可调整、体积小、发热有限、单价低以及容易大量生产等优点，非常适合作为光动力治疗的光源。其它适合于紫质族系光敏感剂或其前驱体的SoretBand的较短波长的其它半导体类发光原件还可包含有III族氮化物(氮化铝镓铟)发光二极管、II-IV族化合物(氧化锌、硫化锌、硒化锌等)发光二极管及电致发光(EL)等。

本实施例的发光二极管采用氮化铝镓铟族系发光二极管601，且该族系发光二极管波长峰值介于380纳米(nm)至430纳米之间。虽然该族系发光二极管一般应用于蓝、白及绿光LED，但其最佳的光电转换效率(外部量子效益)恰发生在波长大约为405nm附近的紫光或近紫外光区域(见图9)，刚好落在多数紫质族系光敏感剂或其前驱体605的Soret Band分布范围。由于半导体类发光二极管的光谱集中，可让大部分的能量落在紫质族系的最佳吸收带中(见图10)，尤其最近数年间，在405nm附近的氮化铝镓铟族系发光二极管601的发光功率已达到大于100mW，明显优于同波长的激光二极管，并且氮化铝镓铟族系发光二极管601在价格及产品寿命上均优于激光二极管。因此，以氮化铝镓铟族系发光二极管601作为激发光源配合紫质族系光敏感剂或其前驱体605，实为各种最佳化条件的交集。此外，本实施例的照射装置还可装设一具有630纳米波长或其它可见光的发光二极管光源，用以作为辅助光源，加强对组织深处的照射功效。

请参考图11为本发明光动力治疗(Photodynamic Therapy，PDT)的照射装置的第二较佳实施例。本实施例的照射装置用于照射一被施予紫质族系光敏感剂或其前驱体1107的组织。本实施例的照射装置可包含一发光二极管光源1101、一电源及调控回路1102、一实心压克力(聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA)光引导物件1103、一光传导物件1104。其中，实心压克力光引导物件1103的表面具有一全反射面，光传导物件1104的表面具有一出光面，并且光传导物件1104材质可为玻璃、塑料、PC、压克力(聚甲基丙烯酸甲酯、PMMA)、硅胶、液体填充物、胶体填充物或柔软硅胶。在本实施例中，光传导物件1104的材质使用柔软硅胶加以说明。

一般而言，只要光经过两折射率不同介质的界面，即会因反射、散射等原因造成光能量损失(以下简称折射率损失)。界面两端的折射率差异愈大此折射率损失愈高，尤其从高折射率端至低折射率端甚至易发生全反射现象而造成最大的折射率损失。本实施例中所使用的实心压克力光引导物件1103及柔软硅胶光传导物件1104的折射率约略相同(～1.5)，光自发光二极管光源1101射出后不会经过任何空气(n＝1)间隙，因此，实心PMMA光引导物件1103及柔软硅胶光传导物件1104可视为单一光学结构体，几无光路径折射率损失。但当光传导至柔软硅胶光传导物件1104的表面时，光自高折射率端进入折射率为1的空气时造成第一折射率损失(见图12)，而自空气再近入组织(n～1.4，如图4B)时又发生第二折射率损失(见图5)，而折射率总损失为第一折射率损失加上第二折射率损失的总和。若将此柔软硅胶光传导物件1104的出光面直接接触于组织，使该柔软硅胶光传导物件1104与组织1106无空气间隙，则仅有一次折射率损失(见图13)，并且该一次折射率损失明显低于光自柔软硅胶光传导物件1104进入空气再由空气进入组织1106的损失。

但部分组织如皮肤表面有细微的纹路，在柔软硅胶光传导物件1104与组织1106间，势必有细微的空气间隙发生。为减少此类型的折射率损失，可在组织1106的表面涂布一光媒介物质1105(例如，水、透明的液体或更易操作的胶状或膏状物质)，如此可彻底消除柔软硅胶光传导物件的出光面与组织之间的细微空气间隙，进一步降低折射率损失。依光学原理，此光媒介物质1105的折射率，最好介于柔软硅胶光传导物件1104与组织1106之间，其数值约为1.33～1.55(见图14)。在此光媒介物质1105存在的条件下可大幅降低大角度的折射率损失，如图15所示，因此可改善因组织表面形貌及光源入射角度变化造成的入射不均匀现象。

请参考图16为本发明光动力治疗(Photodynamic Therapy，PDT)的照射装置的第三较佳实施例。本实施例的照射装置用于照射一被施予紫质族系光敏感剂或其前驱体1607的组织。本实施例的照射装置可包含一发光二极管光源1601、一电源及调控回路1602、一实心压克力光引导物件1603、一反射镜面1604及一液体填充囊体1605。在本实施例中以柔软液体填充囊体作为光传导物件，其柔软并具弹性的表面可轻易贴附于多数形貌的组织1606。并且可利用管路1651、1652，将冷、热液体输入该液体填充囊体中，如此可对治疗部位的组织1606进行冷、热敷以减轻治疗造成的疼痛或不适。

请参考图17为本发明光动力治疗(Photodynamic Therapy，PDT)的照射装置的第四较佳实施例。本实施例的照射装置用于照射一被施予紫质族系光敏感剂或其前驱体的组织。本实施例的照射装置包含一发光二极管(LED)光源1701、一电源及调控回路1702、一实心压克力光引导物件1703、一反射镜面1704及一振动装置1705。因为发现，人体组织中对于光的吸收主要来自于血液中的血红素，图18为人体组织(乳房)的各波长吸收光谱，和其它多数组织一样可以明显的可以看出其在略大于400nm及550nm附近的两个强烈吸收峰完全吻合于图19中血红素及带氧血红素的吸收特征，而其略大于400nm的强烈吸收峰即为血红素的Soret Band。在本实施例中，用实心压克力光引导物件1703施与适当程度的压力于该接触部位可轻易排除组织1708内局部的血液，以降低血红素对入射光的吸收，尤其是在400nm附近的波长。而当压力释放时周边的血液将回流以补充光动力治疗所需的氧。而重复此压迫照光以及释放压力的过程，如同水泵般不断的交换富氧的血液进入照射区域，可持续补充因为光动力治疗消耗掉的氧。

如图17所示，本实施例的振动装置可为压电原件或偏心轮等任何可产生振动的振动装置1705。透过光传导物件1706将振动传递至组织1708，可降低治疗时的不适，并且因振动而提高分子碰撞机率，也可增进光动力治疗的效果。另外，本实施例的光传导物件具有固体微粒1707，以作为光扩散结构，该固体微粒1707成份可为氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、锐钛矿相(anatase phase)的二氧化钛(TiO₂)等折射率不同于光传导物件的材料，可造成光的散射，以达到极佳的照射均匀性。

请参考图20为本发明光动力治疗(Photodynamic Therapy，PDT)的照射装置的第五较佳实施例。本实施例的照射装置用于照射一被施予紫质族系光敏感剂或其前驱体的组织。本实施例的照射装置包含一发光二极管光源2001、一电源及调控回路2002、一反射镜面2003、一光传导液体容器2004、一固体微粒2005及一光检测器2006。其中，光传导液体容器2004装有一光传导液体2007，并且光传导液体2007内掺杂固体微粒2005。因光传导液体2007折射率大于空气，光线易被反射回光传导液体2007，再加上固体微粒2005的散射作用，此光传导液体2007内充满各方向均匀的光线。组织2008浸泡于此液体中，各位置及角度都可获得均匀性甚佳的照射，特别适用于形状极不平坦的组织2008。其中，光线检测器2006耦合于光传导液体容器2004用以检测该光传导液体2007内光输出状况，产生检测信号来调整电流，也可透过回路进行自动光强度控制，甚或程序化的光强度控制，如此可充分掌握光照射计量。光线检测器2006若有波长检测功能则还可用以掌握光源老化状态，适时更换光源。

无论以上任何一种设计，其光传导物件皆可设计为易与发光二极管等电子组件分离的可拆卸替换结构(例如，光传导物件为一可分离的披覆物件)，如此仅将接触组织的部份分开消毒或抛弃，可避免在消毒作业时损害电子组件。当然也可能采用透明可替换的薄片或薄膜覆盖于光传递物件表面达到相同功效。

以上诸实施例仅为本发明相关概念及方法的描述，各概念及方法均可交叉配合使用，并不囿于所揭露的诸实施例。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (30)

1.一种光动力治疗的照射装置，用于照射一被施予紫质族系光敏感剂或其前驱体的组织，其特征在于，包含：

一氮化铝镓铟(AlInGaN)发光二极管(LED)光源，其中该氮化铝镓铟发光二极管波长峰值介于380纳米(nm)至430纳米之间。

2.如权利要求1所述的照射装置，其特征在于，该紫质族系光敏感剂或其前驱体为原紫质(protoporphyrin IX，PpIX)。

3.如权利要求2所述的照射装置，其特征在于，该光敏感剂的前驱体系为氨基酮戊酸(5-aminolevulinic acid)。

4.如权利要求1所述的照射装置，其特征在于，该光动力治疗照射装置还包含一具有630纳米波长或其它可见光LED光源。

5.一种光动力治疗的照射装置，其特征在于，包含：

一光源；

一电源供应器，是耦接于该光源；及

一光传导物件，具有一出光面；

其中，该出光面位于该光传导物件的表面并且该出光面直接接触于一组织。

6.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，该光传导物件的材质为玻璃、塑料、PC、压克力、硅胶、液体填充物、胶体填充物或柔软硅胶。

7.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，该光传导物件为一可拆卸替换结构。

8.如权利要求7所述的照射装置，其特征在于，该可拆卸替结构为一可分离的披覆物件。

9.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，该组织的表面，具有一光媒介物质，其中该光媒介物质可为水、液体或胶体，并且该第一出光面与该光媒介物直接接触。

10.如权利要求9所述的照射装置，其特征在于，该光媒介物值的折射率约为1.33～1.55之间。

11.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，该光传导物件可施压力或振动于该组织。

12.如权利要求6所述的照射装置，其特征在于，该液体填充物传导物件还具有一可替换填充液体的管路，并且透过输入的液体调控温度。

13.如权利要求6所述的照射装置，其特征在于，该液体填充物传导物件的填充液体，其折射率约为1.33～1.55之间。

14.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，该光源为一半导体固态光源。

15.如权利要求14所述的照射装置，其特征在于，该半导体固态光源为发光二极管。

16.如权利要求14所述的照射装置，其特征在于，该半导体固态光源至该出光表面间无间隙。

17.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，该光传导物件具有一光扩散结构。

18.如权利要求17所述的照射装置，该光扩散结构具有一固体微粒作为该光扩散结构。

19.如权利要求18所述的照射装置，其特征在于，该固体微粒成份为氧化铝(Al₂O₃)、氧化锌(ZnO)、锐钛矿相(anatase phase)的二氧化钛(TiO₂)等折射率不同于光传导物件主体的材料。

20.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，还包含一光检测器耦合于其该光传导物件用以检测及或控制光输出。

21.如权利要求20所述的照射装置，其特征在于，还包含一控制电路，耦接于该光源的电源供应器，并依据该光检测器的检测信号调整该光源亮度。

22.如权利要求5所述的照射装置，其特征在于，该组织被施予一紫质族系光敏感剂或一紫质族系光敏感剂的前驱体。

23.一种光动力治疗的照射装置，其特征在于，包含：

一光源；

一电源供应器，是耦接于该光源；及

一光传导液体容器，具有一光传导液体；

其中该光传导液体用于浸泡一组织。

24.如权利要求23所述的照射装置，其特征在于，该光传导液体中具有一固体微粒作为光扩散结构。

25.如权利要求24所述的照射装置，其特征在于，该固体微粒成份为二氧化硅(SiO₂)、氧化铝、氧化锌、锐钛矿相的二氧化钛等折射率不同于该光传导液体的材料。

26.如权利要求23所述的照射装置，其特征在于，还包含一光检测器，耦合于该光传导液体容器用以检测该光传导液体内光输出状况。

27.如权利要求23所述的照射装置，其特征在于，还包含一控制电路，耦接于该光源的电源供应器，可依据该光检测器的检测信号来调整该光源亮度。

28.如权利要求23所述的照射装置，其特征在于，该光传导液体的折射率约为1.33～1.55之间。

29.如权利要求23所述的照射装置，其特征在于，该光传导液体为水或其组成物。

30.如权利要求23所述的照射装置，其特征在于，该组织被施予一紫质族系光敏感剂或一紫质族系光敏感剂的前驱体。

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