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Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, welches ein an eine Spannungsversorgungseinheit anschließbares und/ oder einer Spannungsversorgungseinheit zuordenbares Aufsatzteil aufweist, welches in einem Leuchtabschnitt am einen Ende des Aufsatzteils zumindest ein Leuchtmittel, bevorzugt mindestens eine lichtemittierende Diode zur direkten Beleuchtung von Oberflächen und am anderen Ende des Aufsatzteils zur Spannungsversorgungseinheit korrespondierende Kontaktelemente ausweist, sowie ein Distanzelement aufweist. Die Erfindung umfasst ebenso die Kombination des Beleuchtungssystems in Kombination mit der Spannungsversorgungseinheit.
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Derartige Beleuchtungssysteme sind im Dental-Bereich als Aushärtegeräte für Zahnfüllungen bekannt. Dabei werden Zahnfüllungen, bestehend aus einem organischem Harzsystem, welches bevorzugt mit Glas- bzw. Glaskeramikpulver gefüllt ist, mittels geeignetem blauem Licht ausgehärtet.
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Eine andere Anwendung derartiger Systeme betrifft auch die Wundbehandlung mit Licht. Dabei werden z.B. mittels Rotlicht oder Infrarot-Licht Gewebeoberflächen bestrahlt, um die Wundheilung zu stimulieren und/ oder zu beschleunigen.
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Ebenfalls bekannt sind Anwendungen, bei denen beispielsweise mit Licht im tief blauen bzw. nahen UV-Bereich, z.B. bei einer Wellenlänge von 405 nm, Gewebeoberflächen beleuchtet werden, um anhand einer Fluoreszenz z.B. krebsartige Veränderungen frühzeitig im Gewebe zu erkennen.
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Zum Einsatz dafür kommen derzeit insbesondere Systeme, bei denen das Licht aus einem Handstück, welches die Spannungsversorgung, ein oder mehrere LEDs und entsprechende Ansteuereinheiten für diese LEDs beinhaltet, über Glasfaserstäbe zum zu behandelten Zahn geführt wird. Derartige Systeme werden u.a. in der
WO015073370 A1 und
WO 2013/050589 A2 beschreiben.
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Inzwischen kommen auch Systeme zum Einsatz, bei denen die LED direkt am Ende des Aufsatzstückes angeordnet ist. Hierbei ist die LED bzw. ggf. auch mehrere LEDs in einem hermetisch dichtschließenden Gehäuse angeordnet. In der
DE 20 2005 020763 U1 ist beispielsweise ein Handgriffelement für eine medizinische Vorrichtung mit einem gekapseltem LED-Modul beschrieben. Das LED-Modul ist hier als zweiteiliges Gehäuse ausgeführt, welches ein transparentes Abdeckglas über der LED und ein metallisches Gehäuse zur Aufnahme der LED umfasst. Entsprechende hermetisch gekapselte LEDs sind u.a. aus der
DE 10 2015 103 331 A1 bekannt. Hier sind mehrere LEDs in einem Metallgehäuse gekapselt.
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Dies ist insbesondere erforderlich, um die Anforderungen an die Aufbereitbarkeit in der Medizintechnik zu gewährleisten. Derartige Geräte müssen zudem zerlegbar sein. Als Aufbereitungsmethoden sind hier insbesondere Reinigungs- und/ oder Desinfektionsverfahren mit stark basischen Lösungen und die Sterilisation mittels Autoklavieren bei Temperatur von bis zu 135° C und typischen Dampfdrücken von etwa 3 bar zu nennen. Daher eignen sich insbesondere starre oder flexible Faseranordnungen aus Glas- oder Quarzglasfasern.
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Aus der
DE 10 2013 208 838 B4 der Anmelderin sind Faserstäbe bekannt, die insbesondere verbesserte optische Eigenschaften im blauen Spektralbereich aufweisen, was z.B. Anwendungen im Dentalbereich, wie zuvor beschrieben wurden, begünstigt.
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Die
DE 10 2013 219 039 A1 beschreibt Faserstäbe, bei denen ein optisches Element aus hochtransparentem LSR (Liquid Silicone Rubber) am Faserstabende angeordnet ist.
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Als problematisch hat sich in der Praxis allerdings herausgestellt, dass insbesondere in schwer zugänglichen Bereichen im Mundraum, z.B. bei der Behandlung von Backenzähnen, heutige Systeme aufgrund ihrer Bauform Nachteile haben. Hier sind insbesondere flach aufbauende und ggf. auch flexible Systeme wünschenswert.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Beleuchtungssystem, insbesondere mit einem flach aufbauenden Leuchtabschnitt bereitzustellen, mit der eine optimierte Aushärtung von Füllmaterial in schwer zugänglichen Mundbereichen bzw. eine flächige Bestrahlung von Gewebe im Mundbereich realisiert werden kann. Wobei in beiden Fällen eine gezielte, örtlich begrenzte Bestrahlung der zu behandelnden Bereiche erreicht werden soll, um beispielsweise unerwünschte, nachteilige Wechselwirkung von applizierter Strahlung mit umliegendem Gewebe weitgehend zu vermeiden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Leuchtabschnitt als flache Platine ausgeführt ist, auf die eine Vielzahl von LEDs beispielsweise in einem Raster angeordnet sind, und die Platine mit den LEDs mit einer zumindest im Bereich der LEDs bereichsweise transparenten Schutzhülle stoffschlüssig gekapselt sind. Damit lassen sich insbesondere sehr effiziente Beleuchtungsmodule realisieren, die das Licht flächig und gleichmäßig verteilt abstrahlen. Zudem können mit diesem Ansatz sehr flache Bauformen realisiert werden, die insbesondere in schwer zugänglichen Mundbereichen eine für den Patienten komfortablere Behandlung ermöglichen. Lichtemittierende Dioden können neben LEDs auch Laserdioden (LD) umfassen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzhülle aus einem temperatur- und feuchtebeständigem und hochtransparentem Kunststoffmaterial auf Basis eines Silikons ausgebildet, welches bevorzugt bei einer Schichtdicke von 1 mm eine Transmission zwischen 300 nm und 1000 nm von grösser gleich 85 % aufweist. Als besonders geeignet hat sich dabei ein Material auf Basis von hochtransparenten Flüssig-Silikonen (LSR - Liquid Silicone Rubber) gezeigt, welche mittels Spritzgießen die Platine umhüllend appliziert werden können. Damit können Wandstärken im Bereich von 1 mm problemlos realisiert werden, so dass die Gesamthöhe eines solchen Beleuchtungsabschnittes nur etwa 2,5 bis 3,5 mm beträgt. Die Platine ist insbesondere ebenfalls flach; vorteilhaft beträgt ihre Dicke etwa 0,8 mm bis 2 mm, insbesondere vorteilhaft von 0,8 mm bis 1,5 mm. Weiterhin vorteilhaft ist, dass eine derartige Schutzhülle insbesondere sehr gute Temperatur- und Feuchtebeständigkeit aufweist, wie sie insbesondere beim Autoklavieren mit Heißdampf gefordert sind. Ebenso ist auch eine gute chemische Beständigkeit, z.B. gegenüber Alkohol, wie er zur Wischdesinfizierung eingesetzt wird, zu nennen.
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Alternativ ist auch eine Schutzhülle denkbar, welche aus einem zumindest 2-teiligen Gehäuse besteht, welches einen transparenten, die LEDs stoffschlüssig abdeckenden Abschnitt und einen metallischen Gehäuseabschnitt zur Aufnahme der Platine aufweist.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schutzhülle im Bereich über den LEDs bzw. der die LEDs abdeckende Abschnitt eine Oberflächentextur aufweist. Eine derartige Oberflächentextur kann beispielsweise als diffus streuende Oberfläche ausgebildet sein, womit eine verbesserte homogene Abstrahlung ermöglicht wird.
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Die Oberflächentextur kann auch als Linsenarray ausgebildet sein, womit die Abstrahlung jede der LEDs kollimiert werden kann. Dadurch kann eine erhöhte Effizienz erzielt werden. Bereits eine ca. 1 mm hohe Linsenkuppe über jede der LEDs bewirkt einen hinreichend guten Fokuseffekt. Vorteilhaft bei Verwendung von LSR als Schutzhülle ist, dass derartige Texturen bzw. Linsenarrays direkt im Spritzgußwerkzeug angeformt werden können, was insbesondere hinsichtlich der Herstellkosten Vorteile bietet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Platine als starre Platine, beispielsweise als sogenannte IMS-Platine (IMS - Insulated Metal Substrate) oder Metallkernleiterplatte ausgeführt. Es handelt sich dabei beispielsweise um Aluminium als Trägermaterial, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hinsichtlich der verschiedenen Anwendungen im Mundbereich kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Leuchtabschnitt als zumindest semiflexible Platine ausgeführt ist. Hierfür kommen beispielsweise Kupfer-kaschierte Leiterbahnen auf Polyimid-Basis in Frage, die zudem eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Hierbei sind auch dickere Kupferlagen (> 50 µm, vorzugsweise > 100 µm) realisierbar, die zudem eine verbesserte Wärmeabfuhr ermöglichen.
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In einer Variante ist das Distanzelement als im wesentlichen starrer Rohrabschnitt ausgeführt, der aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet ist. Der Rohrabschnitt kann weiterhin einen Mantel aus Kunststoffmaterial aufweisen, der den Rohrabschnitt hermetisch umschließt. Als gut wärmeleitendes Material kommt beispielsweise Kupfer oder Messing in Frage. Messing kann zudem verchromt ausgeführt sein, um den Aufbereitungsanforderungen gerecht zu werden. Eine Umhüllung aus Kunststoffmaterial ermöglicht ebenfalls ein Schutz vor den Bedingungen, wie sie beim Aufbereiten vorherrschen können. Zudem ergibt sich ein weiterer Vorteil hinsichtlich einer thermischen Isolation. Zudem wird ein direkter Kontakt des metallischen Rohrabschnitts mit Zähnen verhindert. Des Weiteren wird eine kritische Erwärmung im Mund verhindert. Als besonders gut geeignete Materialien für einen derartigen Mantel hat sich ebenfalls das oben genannte LSR-Material herausgestellt, welches auch eingefärbt werden kann. Der Rohrabschnitt kann auch zumindest bereichsweise flexibel ausgeführt sein, was einen verbesserten Zugang in den hinteren Mund- und Rachenraum ermöglicht, was beispielsweise die Behandlung von Mucositis, einer Entzündung des Rachens, durch Bestrahlung unterstützt.
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Eine besonders gute Lichtverteilung kann erzielt werden, wenn die LEDs eine kleine Bauform mit einer Chipgröße im Bereich < 1 mm2, vorzugsweise < 0,5 mm2 aufweisen. Dann können beispielsweise 20 bis 30 derartige LEDs pro Quadratzentimeter Fläche des Leuchtabschnitts auf der Platine untergebracht werden. Dies begünstigt einerseits die Homogenität der Abstrahlung und anderseits kann damit die Wärmeentwicklung flächig verteilt werden. Einerseits können die LEDs nur aus einem LED-Typ bestehen. Andererseits bietet eine derartige, gegebenenfalls rasterförmige Anordnung auch die Möglichkeit, mehrere unterschiedlichen LED-Typen, welche im Betriebszustand unterschiedliche Emissionswellenlängen bzw. Emissionsspektren aufweisen, anzuordnen. Damit können Anwendungen adressiert werden, bei denen unterschiedliche Wellenlängen benötigt werden.
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Für Anwendungen, bei denen es um die Aushärtung von Zahnfüllungen geht, werden bevorzugt LEDs eingesetzt, welche im Betriebszustand eine Wellenlänge von ≤ 520 nm emittieren. Vorteilhaft liegt das gesamte Strahlungsspektrum im Betriebszustand unterhalb einer Wellenlänge von höchstens 520 nm. Hier kommt es insbesondere auf eine hohe Effizienz im Bereich insbesondere der Wellenlängen von 380 nm bis 510 nm mit Schwerpunkten hinsichtlich einer optimalen Absorption des Harzmaterials der Zahnfüllung bei 380 nm bis 390 nm, 460 nm bis 470 nm und/ oder 490 nm bis 520 nm an. Beispiele für derartige LEDs sind die LUXEON UVFC1 LEDs der Fa. LUMILEDS, welche beispielsweise in unterschiedlichen Spektralbereichen erhältlich sind und eine Baugröße von etwa 1 mm2 aufweisen.
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Für z.B. Wundbehandlungsanwendungen sind LED-Typen mit einem Strahlungsspektrum im grünen (etwa bei 550 nm), gelben (etwa bei 580 nm bis 600 nm) oder roten sichtbaren Spektralbereich (etwa zwischen 630 nm und 780 nm) oder im IR-Spektralbereich, insbesondere im Bereich von 800 nm bis 1000 nm, besonders vorteilhaft.
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Durch entsprechende Kombination von verschiedenen Wellenlängen kann zudem eine Kontrastverstärkung erzielt werden, was insbesondere spezielle Diagnosen begünstigt.
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In einer weiteren Ausführungsvariante weist der Beleuchtungsabschnitt mindestens einen Sensor und/ oder Kamerachip auf. Damit kann eine Erfassung von zurückreflektiertem Licht oder einer Abbildung der bestrahlten Gewebeoberfläche ermöglicht werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist die Spannungsversorgungseinheit Kontrolleinrichtungen zur Ansteuerung der LEDs sowie Zeitsteuereinheiten zur Begrenzung der Beleuchtungsdauer auf. Einerseits können dies Stromregler sein, die LED-Strom exakt vorgeben und damit die Flächenleistung des Leuchtabschnitts vorgeben. Andererseits kann eine Zeitsteuerung (Timer-Funktion) vorteilhaft für Aushärtevorgänge oder Wundbehandlungen eingesetzt werden, um hier die Zeit der Lichteinwirkung und damit die Gesamtdosis zu begrenzen. Weiterhin kann die Kontrolleinrichtung Umschalteinheiten umfassen, welche es ermöglichen, unterschiedliche LED-Typen anzusteuern.
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Die bevorzugte Verwendung des Beleuchtungssystems, wie es zuvor beschrieben wurde, sieht den Einsatz als Aushärtegerät für Zahnfüllungen, insbesondere im schwer zugänglichen Backenbereich vor.
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Alternativ oder in Kombination kann damit auch ein Behandlungsgerät zur Wundheilung in vorteilhafter Weise realisiert werden. Auch hierbei kann der besondere Vorteil der flachen Bauweise des Leuchtabschnitts besonders vorteilhaft eingesetzt werden.
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Im Hinblick auf Anwendungsbereiche im Bereich optischer Biopsie, bei der ein Fluoreszenzbild von der zu untersuchenden Gewebeoberfläche analysiert werden kann, bietet dieses Beleuchtungssystem den Vorteil, dass damit flächig größere Gewebeflächen im Mundraum, insbesondere mit blauem Licht um 405 nm ausgeleuchtet werden, und entsprechende Fluoreszenz-Reaktionen vom Gewebe beobachtet werden können.
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Denkbar ist auch der Einsatz als Detektionsgerät zur Karieserkennung. Unabhängig von diesen medizintechnischen Anwendungen sind auch Anwendungen im Industriebereich denkbar, bei denen es um die Ausleuchtung von schwerzugänglichen Bereichen bzw. bei denen es um die Aushärtung von lichthärtenden Klebern geht.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1: schematisch ein Beleuchtungssystem mit einem Aufsatzteil mit einem flach ausgeformten Leuchtabschnitt,
- 2: das Aufsatzteil in einer Draufsicht und
- 3a bis 3c: verschiedene Ausführungsbeispiele für den Leuchtabschnitt des Aufsatzteils.
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines Beleuchtungssystems 1 gemäß der Erfindung.
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Im gezeigten Beispiel besteht das Beleuchtungssystem (1) aus einer Spannungsversorgungseinheit (20), welche als Griff ausgebildet ist. In der Spannungsversorgungseinheit (20) ist steckbar ein wechselbares Aufsatzteil (10) vorgesehen, welches ein starres Distanzelement (11) und einen daran anschließenden im Wesentlichen flach ausgeformten flächigen Leuchtabschnitt (12) aufweist. Beispielhaft ist hier ein Aufsatzteil (10) mit einem zum Distanzelement (11) leicht abgewinkelten Leuchtabschnitt (12) dargestellt.
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Das starre Distanzelement (11) besteht aus einem gut wärmeleitenden Rohrabschnitt (11.1), welcher beispielsweise als Kupferrohr ausgeführt sein kann, in welchem Stromleitungen verlaufen, die zur Versorgung des Leuchtabschnittes (12) dienen. Der daran anschließende Leuchtabschnitt (12) ist als Platine (12.1) ausgeführt, auf der in bspw. einer Matrixanordnung LEDs (12.2) aufgelötet sind. Das starre Distanzelement (11) ist mit einem Mantel (11.2) aus wärmeisolierendem, autoklavierbeständigem Material, z.B. Silikon, ausgebildet und umschließt den Rohrabschnitt (11.1) hermetisch. Der Mantel (11.2) kann als opakes oder semitransparentes, ggf. auch eingefärbtes Material ausgeführt sein. Der Leuchtabschnitt (12) mit der Platine (12.1) und den LEDs (12.2) ist von einer hochtransparenten, autoklavierbeständigen Schutzhülle (12.3) umgeben. Als besonders geeignetes Material für diese Schutzhülle (12.3) hat sich ein Flüssigsilikon herausgestellt, welches im Spritzgußverfahren aufgebracht werden kann. Derartige Silikone sind beispielsweise unter dem Namen Lumisil® der Fa. WACKER bekannt. Besonders geeignet hinsichtlich der Haptik ist die Variante LUMISIL® 7601 mit der Shorehärte 70°. Besonders vorteilhaft ist, dass mittels des Spritzgußprozesses eine optisch wirksame Struktur z.B. in Form eines Linsenarrays (12.4) aufbringbar ist. Die jeweils dabei ausbildbaren Einzellinsen kollimieren das emittierte Licht der LEDs (12.2). Mit anderen optisch wirksamen Strukturen können beispielsweise auch gezielte Streueffekte erzielt werden, um beispielsweise die Homogenität der Lichtabstrahlung zu verbessern. Ebenso können definiert eingebrachte Streupartikel (z.B. TiO2-Partikel) in die Schutzhülle eine homogene Abstrahlung verbessern.
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Das starre Distanzelement (11) besitzt korrespondierend zu entsprechenden Aufnahmen in der Spannungsversorgungseinheit (20) elektrische Kontaktelemente (13). Die Spannungsversorgungseinheit (20) enthält zusätzliche Timer- und Controllerfunktionen zur Ansteuerung der LEDs (12.2). Damit wird einerseits ermöglicht, dass die Behandlungszeit z.B. beim Aushärten von Zahnfüllungen auf eine bestimmte Zeit, üblicherweise ca. 1 Minute begrenzt werden kann. Die Controllerfunktion dient zur Regulierung der Abstrahl-Leistungsdichte, wobei in einfachster Weise an der Spannungsversorgungseinheit (20) eine Vorgabe bezüglich des Betriebstromes der LEDs (12.2) erfolgt, welche als Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung auf der Platine (12.1) angeordnet sind.
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Für ein Aushärtegerät für Zahnfüllungen sind beispielsweise die LEDs als blau leuchtende LEDs ausgeführt. Die Wellenlänge des blauen Lichts liegt üblicherweise zwischen 390 nm und 520 nm und ist dabei insbesondere auf die Reaktionskinetik des Zahnfüllmaterials abgestimmt.
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Für andere Anwendungen, wie beispielsweise eine Gewebebehandlung von Zahnfleisch, können die LEDs auch als Weißlicht-LEDs, Grünlicht-LEDs, Rotlicht-LEDs oder auch als LEDs, welche im NIR-Bereich, beispielsweise zwischen 800 nm und 1000 nm, abstrahlen, ausgeführt sein.
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Für Fluoreszenzanwendungen, z.B. zur Tumorerkennung und/ oder Karieserkennung, werden LEDs verwendet, die bei 405 nm emittieren.
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Ebenso denkbar ist die Bestückung der Platine (12.1) mit unterschiedlichen LED-Typen, welche für die jeweilige Behandlung von der Spannungsversorgungseinheit (20) aus ansteuerbar sind.
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2 zeigt die Beleuchtungssystem (1) mit dem Distanzelement (11) und dem Leuchtabschnitt (12) mit der Platine (12.1) und den LEDs (12.2) in einer Draufsicht. Der Leuchtabschnitt (12) hat typische Abmessungen in der Größenordnung von 1 bis 2 cm2 und besitzt beispielsweise eine quadratische, rechteckige oder ovale Form. Die Dicke des Leuchtabschnittes (12) beträgt vorzugsweise nur wenige Millimeter, typischerweise 3 bis 6 mm, womit eine bevorzugt gezielte, örtlich begrenzte Behandlung und/oder Bestrahlung an schwer zugänglichen Mundregionen ermöglicht wird.
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In den 3a bis 3c sind verschiedenen Ausführungsbeispiele für das Aufsatzteil (10) gezeigt.
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3a zeigt eine Anordnung bei der der Leuchtabschnitt (12) in gestreckter Form an das Distanzelement (11) angebracht ist. Eine derartige Ausführung eignet sich besonders gut, wenn beispielsweise Zahnfüllungen von Backenzähnen ausgehärtet werden sollen.
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In 3b ist eine abgewinkelte Version dargestellt. Hiermit können besonders gut tief im Mundraum liegende Gewebe- bzw. Zahnflächen erreicht werden.
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Die in 3c dargestellte Variante besitzt eine zumindest semiflexible Platine (12.1), die es ermöglicht, sich an Zahnleisten anzupassen. Dies kann auch, wie dargestellt, in einer Raumrichtung geformt ausgeführt werden. Die Ausführung mit einer geformten Oberfläche ist allerdings nicht auf eine Raumrichtung beschränkt, sondern kann in allen drei Raumrichtungen bevorzugt stetig verformte Oberflächen umfassen.
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Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung (1) hat den Vorteil, dass sie unterschiedliche Behandlungsaufgaben insbesondere im Dentalbereich auch in schwer zugänglichen Mundregionen ermöglicht. Insbesondere die Einkapselung der Platine (12.1) mit den LEDs (12.2) mittels hochtransparentem LSR-Material als Schutzhülle (12.3) ermöglicht eine robuste Handhabung und stellt die im Medizinbereich erforderliche Aufbereitbarkeit sicher.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beleuchtungssystem
- 10
- Aufsatzteil
- 11
- Distanzelement
- 11.1
- Rohrabschnitt
- 11.2
- Mantel
- 12
- Leuchtabschnitt
- 12.1
- Platine
- 12.2
- lichtemittierende Diode, LED
- 12.3
- Schutzhülle
- 12.4
- Linsen-Array
- 13
- Kontaktelemente
- 20
- Spannungsversorgungseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 015073370 A1 [0005]
- WO 2013/050589 A2 [0005]
- DE 202005020763 U1 [0006]
- DE 102015103331 A1 [0006]
- DE 102013208838 B4 [0008]
- DE 102013219039 A1 [0009]
