CN103768728B - 基于3d‑led阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D‑LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪。该仪器包括LED芯片4、散热板1、风扇、供电部分、按键部分3、驱动器、电位器，该仪器还包括匀光板6、显示部分2、报警部分8、排风口、起振部分、复位部分、CPU部分，供电部分分别与驱动器连接，驱动器分别与风扇、电位器连接，电位器与LED芯片连接，供电部分与CPU部分连接，CPU部分分别通过电路与按键部分3、显示部分2、报警部分8、起振部分、复位部分连接。本发明仪器可获得大功率、窄光范围的3D－LED阵列均匀光，用于肿瘤光动力/光热治疗，实现彻底清除扩散的肿瘤细胞及术中残留肿瘤细胞，降低复发率目的。

Description

基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪

技术领域

本发明属于医疗器械领域，特别涉及一种基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪。

背景技术

肿瘤发现至今已有很长的一段历史，但是如何真正的将其治愈，一直是困扰医学界的一个难题。最早的治疗方法是利用手术来进行，所以一大批手术功夫精湛的医生因此而成名。随着医学科学的飞跃发展，肿瘤癌症的治疗也是一直随着医学的发展而不断获得前进的，其治愈率不断上升，治疗方法也不断推陈出新，相继出现了放疗、化疗和免疫疗法等治疗手段，但是手术切除肿瘤医用费很高，有些病人在经济上难以承受，放疗和化疗治疗方法对病人产生的副作用很明显，治疗时病人心理有时难以接受。如今，出现了肿瘤的光动力治疗和光热疗法（Photothermal therapy, PTT）和光动力治疗（Photodynamic therapy，PDT）是完全不同于手术、放疗、化疗和免疫治疗之后的正在研究、快速发展中的崭新疗法，由于它不产生抗药性，所以不少国家已经将PDT视为治疗早期肿瘤以及减缓已产生抗药性的晚期肿瘤患者症状的一项常规手段。PDT通过结合靶向光敏剂药物、光照、组织内的氧分子发生光动力反应，生成活性氧成分(ROS)实现对肿瘤细胞的选择性杀伤；而PTT既利用吸光/波材料在肿瘤组织中聚集，通过光照而产生热效应，使肿瘤组织温度上升至有效治疗温度，并维持一定时间，以达到及时缩小或消除肿瘤，又不致损伤正常组织的目的的一种治疗方法。肿瘤光动力、光热疗法已成为继手术、放疗、化疗和免疫疗法之后的第五大疗法，是治疗肿瘤的一种新的独立手段。光动力、光热疗能够有效地杀伤肿瘤细胞，又不产生抗药性，能提高病人的生存质量，延长病人的存活期，而被国际医学界称之为“绿色疗法”，而受到广泛的应用。

LED是继白炽灯和荧光灯之后的第四代半导体照明光源。随着红、绿、白、蓝光LED的照明灯的问世，一些以激光、白炽灯、卤素灯在医学领域上的应用，也将会被替代。LED由于光效率较激光、白炽灯高，光波长范围比白炽灯窄，比激光宽，正好可以与常见的光敏剂、光热剂的吸收波长相匹配，且能耗小、寿命长、可靠耐用、安全、环保等优点，其在医疗市场需要也将愈来愈大。

目前在国内外医疗市场上也发现有单个LED制成的照射装置或通过组合方式将若干个单体LED合成的医疗照射装置，但它们用在医疗领域中都因光功率密度小或照射光斑面小，所以现在仍只能停留在一些对功率要求不高，照射面积不大的点式照射治疗。有些装置用矩阵排列后能得到很大功率的光源，但是由于其发光不均匀，发出的光线照射到组织上成光斑状，虽然局部光功率密度很高，但由于光斑的不均匀性，无法大面积同时清除残存或扩散的肿瘤细胞。而且这种方式为了获得较大功率，往往需要大量单体LED组合，除体积大之外，散热也很困难。

美国、日本、加拿大等国家已先后批准肿瘤光动力治疗（PDT）的临床应用，我国也有激光临床应用和有关的研究报道，但难以在临床上大量推广使用。其原因是采用激光光源，它是线性、点光源，在实施肿瘤光动力治疗时，它只能对瘤腔及扩散区域实施逐行扫描式的清除，难免遗漏，因为肿瘤细胞会随着血液或淋巴液迁移。激光光源存在成本高、功率小、辐射面积过窄，间歇式发光，难以同时大面积、多方位、快速清除残存瘤细胞的难题。

发明内容

本发明开发的一种基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，该设备功率大、液晶显示、发光均匀且效率高、使用寿命长、穿透能力强、可均匀发出肿瘤治疗最佳光学窗口的红光、近红外及红外3D- LED光。该治疗仪通过照射被肿瘤组织或细胞靶向吸收的光敏剂/光热转换剂纳米粒子，借助光动力反应、吸光发热等效应，能快速选择性清除扩散或术中瘤腔附近残存的肿瘤细胞。

本发明的技术方案如下：一种基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，该仪器包括LED芯片4、散热板1、风扇7、供电部分、按键部分3、驱动器、电位器，该仪器还包括匀光板6、显示部分2、报警部分8、排风口5、起振部分、复位部分、CPU部分，供电部分分别与驱动器连接，驱动器分别与风扇7、电位器连接，电位器再与LED芯片4连接，供电部分与CPU部分连接，CPU部分分别通过电路与按键部分3、显示部分2、报警部分8、起振部分、复位部分连接。电位器用于调节驱动器输出的电流。

作为本发明的进一步改进，所述的LED芯片4安装于散热板1的正表面，包括单个或两个及以上支电路，每个支电路将若干个特定波长的LED灯珠串联在一起后安装在散热板上，LED芯片表面用硅胶或树脂封装成方型或是圆型（或用COB陶瓷基板封装LED模组再封上树脂胶）LED灯珠光线发射角度为10º~140°，LED芯片4上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为455nm-1300nm。本发明用贴片芯片并、串联结合焊接在PCB板上，或采用COB技术封装的裸芯片，是在芯片主体和I/O端子在晶体上方，在焊接时将此裸芯片用导电/导热胶粘接在PCB上，凝固后，用 Bonder 机将金属丝(Al或Au)在超声、热压的作用下，分别连接在芯片的I/O端子焊区和PCB相对应的焊盘上，测试合格后，再封上树脂胶。

本发明可采用的LED灯珠，是每个工作电压2~2.6V（其它规格的也行，不只局限于此功率灯泡，满足电子线路要求即可），额定电流是500－700mA，LED芯片上灯珠的数量为1~70个，并串结合电路，灯珠均匀分布形成圆形或者方型形状。LED芯片4包括LED阵列匀光、冷光光源，其发光光谱位于可见光、近红光及红外光波段的窄光（波长宽度范围约20nm）。可与各种光敏剂、或对可见光、近红外光、红外光有强吸收的纳米材料配合使用，尤其可以与利用卟啉、蚕沙、亚甲蓝、花青染料类开发的特有的可见光、近红外有强吸收的光热治疗剂、光敏纳米靶向剂配合使用，实现波长范围在450-1100nm之间，主要波长有455nm、 465 nm、500 nm、 510 nm、 520 nm、 525 nm、 560 nm、 570 nm、 620 nm、 610 nm、630 nm、 660nm、680nm、690nm、700nm、730nm、750nm、760nm、770nm、780nm、800 nm、810 nm、830 nm、850nm、870 nm、880 nm、890 nm、900 nm、910 nm、940 nm、950 nm、970 nm、1020 nm、1050 nm。能满足肿瘤光动力治疗、光热治疗的最佳波长范围内600－1300 nm的多数发射波长。

作为本发明的进一步改进，所述的匀光板6为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点5~10cm处。亚克力匀光板可改变传统导光板的发光原理，利用均匀分散在导光板中的纳米粒子的光散射效应，将多珠LED阵列光源转变为均匀的3D光源，使透光率更好。

作为本发明的进一步改进，所述的散热板1为铝基材或是铜基材或陶瓷基散热板，散热板1后表面安装有风扇7，风扇7用于散热，散热片11垂直位于外壳9上，热量进入散热片11与外壳9形成的U型散热槽，U型槽与风扇7相对，再从排风口5排出。利用其散热基板材料本身具有较佳的热传导性，将热源从LED晶粒导出，它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能，加上内置风扇联合散热，可保持LED阵列光源温度不超过室温10℃，且温度可调控。风扇7的数量为1个以上，3个为佳，可根据散热槽的位置需要，增加风扇的数量、调整风扇7的风向，一般情况下，风扇7对准散热板材1吹。

作为本发明的进一步改进，所述的显示部分2为数字液晶屏显示部分，可显示LED芯片4的电压、照度、温度、照射时间。

作为本发明的进一步改进，所述的LED驱动器至少一个或以上，其中单个LED的驱动器可以输出1-700mA 的电流，最大输出60W的功率。本发明中可使用单个、两个或多个LED驱动器，以两个并列的LED驱动器为例，每个可以输出60W的功率，总功率120W,可以同时驱动30个2.0－2.6V，500-700mA, 3W的LED灯珠，且驱动器能带动所有灯珠同时发亮，并且可以通过电位器控制电流，实现1-680mA连续调节所有灯珠的亮度。

作为本发明的进一步改进，报警部分8用于检测散热板1温度，当报警部分8检测到散热板1温度大于设定温度时，信号传输至显示部分2进行警示并声音报警。

作为本发明的进一步改进，所述的供电部分三条并联支路可输出电压1~110VDC，总电流1-2040mA,总功率180W，通过电位器实现电流1-680mA连续可调；所述按键部分3用于设置仪器参数；所述起振部分用于为CPU部分提供脉冲；所述复位部分用于对CPU部分程序进行清零。

作为本发明的进一步改进，该基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪还包括电压测量部分，能够测定仪器的总电压，测定精度达到mv级别，测定得到的数据可显示在显示部分2上。

本发明装置的基本原理如下：由于激光光源是线性、点光源，实施肿瘤光动力治疗时，它只能对瘤腔及扩散区域实施逐行扫描式的清除，难免遗漏，因为肿瘤细胞会随着脉管系统如血液或淋巴液迁移。为了解决激光光源成本高、功率小、辐射面积窄，间歇式发光，解决现有LED阵列光源发光不均匀，难以同时大面积、多方位、快速清除残存瘤细胞的难题。本发明采用能3D发光的、大功率LED阵列冷光源，采用铝基、铜基、陶瓷基散热板+风冷技术协同冷却，数字液晶屏实时显示LED光源的电压、照度、温度、照射时间，利用亚克力匀光板改变传统导光板的发光原理，其均匀分散在导光板中的纳米粒子发生光散射效应，将多珠LED阵列光源转变为均匀的3D光源，波长在肿瘤光动力治疗的红光、近红外光及红外光最佳范围内可选，可与各种光敏剂、或在近红外有吸收的纳米材料配合使用，实现波长范围在450~1100nm之间，多种功率可选，可达180W以上，照度1-5000 lux可调，可及时大面积清除残存的肿瘤细胞，防止复发。

本发明的有益效果为：

（1）3D-LED阵列匀光改进。利用亚克力匀光板改变传统导光板的发光原理，利用均匀分散在导光板中的纳米粒子的光散射效应，将多珠LED阵列光源转变为均匀的3D光源，使透光率更好，获得大功率、窄光范围（20 nm左右）的3D－LED阵列发出匀光的、可供肿瘤光动力治疗、光热治疗的冷光源，以彻底清除扩散的肿瘤细胞及术中残留肿瘤细胞，降低复发率，对多数早期癌症可达到根治目的。现有技术肿瘤光动力/光热治疗仪所得的光线不均匀，发出的光成光斑状，光斑亮的地方可杀死肿瘤细胞、光斑间较暗处的肿瘤细胞则难以杀死。也就是无法同时、大面积、有效地清除手术后残存的肿瘤细胞与扩散的肿瘤细胞，只有均匀的光源才能有效清除肿瘤细胞，达到治疗的目的。

（2）本发明治疗仪的波长在肿瘤光动力治疗的红光、近红外光及红外光最佳窗口内可选，可与各种光敏剂、或在红光、近红外、及红外区有吸收的纳米靶向材料配合使用，实现波长范围在450~1300nm之间，各种功率可选，单个LED阵列支路功率可达60W及以上，三条并联支路总功率达180W, 治疗仪照度可在1-5000 lux可调,可及时大面积清除残存的肿瘤细胞，防止复发。

（3）设备功能齐全，安全系数高。本发明仪器包括显示部分、报警部分、复位部分、电压测量部分等，设备功能齐全，报警部分可监测LED阵列光源温度不超过室温10℃，且报警温度可调控，安全系数高。

附图说明

图1.本发明仪器技术实现示意图。

图2.本发明仪器结构示意图。图中标示：散热板1、显示部分2、按键部分3、LED芯片4、排风口5、匀光板6、报警部分8、外壳9。

图3.本发明仪器散热功能结构示意图。图中标示：散热板1、LED芯片4、风扇7、其他部分10。其他部分10包括：供电部分、CPU部分、驱动器、电位器、起振部分、复位部分、电压测量部分。

图4.本发明仪器U型散热槽结构示意图。图中标示：外壳9、散热片11，外壳9和散热片11可形成U型散热槽。

图5.本发明仪器杀除肿瘤细胞效果。左侧图：为照射之前肿瘤细胞显绿色；右侧图仪器照射1分钟，等20分钟后显微镜观察，肿瘤细胞全死亡显红色。

具体实施方式

实施例1

按照如图1所示的技术原理，连接组合得到如图2所示的基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，该仪器包括LED芯片4、散热板1、风扇7、供电部分、按键部分3、驱动器、电位器，该仪器还包括匀光板6、显示部分2、报警部分8、排风口5、起振部分、复位部分、CPU部分，供电部分，供电部分分别与驱动器连接,每个驱动器可输出电压110VDC，500mA的电流,功率55W，通过电位器调节电流4－500mA连续可调，驱动器分别与风扇7、电位器连接，电位器再与LED芯片4连接，供电部分与CPU部分连接，CPU部分分别通过电路与按键部分3、显示部分2、报警部分8、起振部分、复位部分连接。图3中其他部分10用于放置：供电部分、CPU部分、驱动器、起振部分、复位部分、电压测量部分。图4中外壳9、散热片11，散热片11垂直位于外壳9上，外壳9和散热片11可形成U型散热槽。

本实施例LED芯片4安装于散热板1的正表面，包括两个并联电路，两个支电路是将55个（27,28各一串）深红光LED灯珠（功率3W,电压2.0-2.4V,电流700mA）串并结合在一起后，安装在散热板上，LED芯片表面用硅胶装成圆型，LED灯珠光线发射角度为120º~140°，LED芯片4上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为660nm（实测波长范围为636－664nm）。匀光板6为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点7cm处。散热板1为铜基材散热板。驱动器为三个，两个LED驱动器，一个电扇驱动器，LED驱动器输出电流通过电位器调节，实现电流4－500mA连续可调，功率为55W（LED驱动器总功率110W, LED阵列最大功率165W，以保护LED灯珠），直流12V电扇驱动器最大输出功率为10W（本实施例有3个风扇，每个风扇功率为2.64W）。

报警部分8用于检测散热板1温度，当报警部分8检测到散热板1温度大于设定温度时，信号传输至显示部分2进行警示并声音报警。按键部分3用于设置仪器参数，起振部分用于为CPU部分提供脉冲，复位部分用于对CPU部分程序进行清零。

实施例2

本实施例中与实施例1不同的是：本实施例LED芯片4安装于散热板1的正表面，包括直流12V、6W电扇驱动器，驱动两个散热风扇；两个并联LED支电路，分别由两个输出15V，15W驱动器驱动，通过电位调节器调节电流在4－680mA，每个支电路是将6个橙色LED灯珠（功率为3W）串联在一起后安装在散热板上，LED芯片表面用硅胶装成方型，LED灯珠光线发射角度为10º~50°，LED芯片4上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为590~610nm。匀光板6为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点10cm处。散热板1为铜基材散热板。其余结构与实施例1相同。

实施例3

本实施例中与实施例1不同的是：本实施例LED芯片4安装于散热板1的正表面，包括三个并联支电路，三个支电路是将69个(23*3)红外光LED灯珠（功率为3W）分三组并-串联结合在一起后安装在散热板上，LED芯片表面用硅胶装成圆型，LED灯珠光线发射角度为70º~140°，LED芯片4上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为1300nm。匀光板6为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点5cm处。散热板1为铜基材散热板。驱动器为四个，三个LED驱动器，一个电扇驱动器，每个LED驱动器输出电压85VDC, 电流700mA（通过电位器控制电流在4-680mA），功率为60W（LED驱动器总功率180W，LED灯珠最大功率207W,以保护LED阵列），电扇驱动器为12V直流，输出功率为12W（本实施例有四个风扇，每个风扇功率为2.76W）。

其余结构与实施例1相同。

实施例4

本实施例LED芯片4安装于散热板1的正表面，包括1个支电路，将12个蓝光LED灯珠（功率为3W）串联在一起后安装在铝基板散热板上，功率为36W，LED芯片表面用硅胶装成圆型，封装在象鼻灯座上，可自由旋转350º，以便调整治疗的角度。LED灯珠光线发射角度为110º~140°，LED芯片4上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为455nm。匀光板6为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点6~7cm处。散热板1为铝基板散热板，散热板1后表面安装有风扇7，风扇7用于散热，热量进入散热片11与外壳9形成的U型散热槽，再从排风口5排出。显示部分2为数字液晶屏显示部分，可显示LED芯片4的电压、照度、温度、照射时间。一个电扇驱动器，电扇驱动器输出功率为3W，电压为12V， 1个LED驱动器，LED驱动器输出电压30-48VDC，输出电流680mA, 通过电位器调节电流4-650mA,最大功率为30W。

其余结构与实施例1相同。

实施例5

本实施例中与实施例1不同的是：本实施例LED芯片4安装于散热板1的正表面，包括3条并联支电路，将60个（每条支路20个）近红外光LED灯珠（功率为3W）串联在一起后安装在散热板上，LED芯片表面用硅胶装成圆型，LED灯珠光线发射角度为50º~80°，LED芯片4上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为760nm。匀光板6为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点6cm处。散热板1为铝基材散热板。驱动器为四个，三个LED驱动器， 每个LED驱动器输出电压85VDC, 电流700mA（通电位器调节电流4-650mA） 功率为55W（LED驱动器总功率165W, LED阵列总功率180W），12V直流风扇驱动器输出功率为12W（本实施例有四个风扇，每个风扇功率为2.76W）。

其余结构与实施例1相同。

实施例6

本实施例中与实施例1不同的是：本实施例LED芯片4安装于散热板1的正表面，包括一个支电路，支电路是将1个橙色LED灯珠（功率1W ，电流350mA,电压3.0-3.4V，140º）安装在散热板上，LED芯片表面用硅胶装成方型，LED灯珠光线发射角度为140°，LED芯片4上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为600~605nm。匀光板6为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点10cm处。散热板1为铜基材散热板。驱动器为一个LED驱动器，LED驱动器输出功率为1W（350mA,2V-4V），通过电位器控制电流1-300mA，保证安全。

其余结构与实施例1相同。

实施例7 应用实施例

应用实施例1~6所得到的肿瘤光动力/光热治疗仪，其操作使用：选择各实施例中特定的波长和特定数量灯珠3D－LED肿瘤治疗仪，打开电源开关，电扇自动开始工作，按键设定光源温度约比室温高10℃～20℃左右。旋转LED调压旋钮，LED芯片阵列开始发光，显示部分自动开始光照时间计时，同时显示左右电压控制旋钮的工作电压、显示光强（单位Lux）。将培养好的乳腺癌MDA-MB-435细胞培养皿，加入亚甲蓝荧光纳米靶向剂，37℃恒温箱中培养约30分钟，置灯下照射1分钟，实施光动力治疗，等待20分钟后，观察肿瘤细胞全部被杀死，癌细胞杀死率达90%以上（如图5所示，左侧为照射之前活肿瘤细胞显绿色，右侧照射1分钟后，等20分钟观察，肿瘤细胞全死亡显红色，右侧图中基本不再出现绿色细胞）。

本发明上述实施例方案仅是对本发明的说明而不能限制本发明，权利要求中指出了本发明装置构成特征示意，而上述的说明并未指出本发明参数的范围，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应当认为是包括在权利要求书的范围内。

Claims (6)

1.一种基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，该仪器包括LED芯片（4）、散热板（1）、风扇（7）、供电部分、按键部分（3）、驱动器、电位器，其特征在于：该仪器还包括匀光板（6）、显示部分（2）、报警部分（8）、排风口（5）、起振部分、复位部分和CPU部分，所述供电部分与驱动器连接，驱动器分别与风扇（7）、电位器连接，电位器再与LED芯片（4）连接，供电部分与CPU部分连接，CPU部分分别通过电路与按键部分（3）、显示部分（2）、报警部分（8）、起振部分、复位部分连接；

所述的LED芯片（4）安装于散热板（1）的正表面，包括一个及以上支电路，每个支电路是将若干个特定波长的LED灯珠串联在一起后安装在散热板上，LED芯片表面用硅胶或树脂装成方型或是圆型，LED灯珠光线发射角度为10 º~140°，LED芯片（4）上形成LED灯珠阵列发光光谱波长为455nm-1300nm；

所述的匀光板（6）为亚克力匀光板，安装在距离LED芯片光线发射原点5~10cm处。

2.根据权利要求1所述的基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，其特征在于，所述的散热板（1）为铝基材、铜基材或陶瓷基散热板，散热板（1）后表面安装有风扇（7），风扇（7）用于散热，热量进入散热片（11）与外壳（9）形成的U型散热槽，再从排风口（5）排出。

3.根据权利要求1所述的基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，其特征在于，所述的显示部分（2）为数字液晶屏显示部分，可显示LED芯片（4）的电压、照度、温度、照射时间。

4.根据权利要求1所述的基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，其特征在于，所述的驱动器为一个及以上，单个驱动器输出功率为1W~60W。

5.根据权利要求1所述的基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，其特征在于，报警部分（8）用于检测散热板（1）温度，当报警部分（8）检测到散热板（1）温度大于设定温度时，信号传输至显示部分（2）进行警示。

6.根据权利要求1所述的基于3D-LED阵列冷光源的肿瘤光动力/光热治疗仪，其特征在于，所述的供电部分包括一条及以上支路，支路连接方式为并联，可输出电压1~110VDC，电流1-2040mA；所述按键部分（3）用于设置仪器参数；所述起振部分用于为CPU部分提供脉冲；所述复位部分用于对CPU部分程序进行清零。