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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lokalen Erwärmung der Haut, insbesondere für die dermatologische Behandlung, mit einer Infrarotstrahlungsquelle.
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Eine derartige Vorrichtung ist als Standgerät bekannt, das einen Halogenstrahler als Infrarotstrahlungsquelle aufweist und nachfolgend die Strahlung des Halogenstrahlers durch eine Wasser enthaltende Küvette führt. Dabei ist die Wasserschicht etwa 4 bis 10 mm stark. Ein derartiges Gerät ist unter dem Markennamen „Hydrosun” als wassergefilteres Infrarot A Therapiegerät am Markt. Wassergefiltertes Infrarot A kann eingesetzt werden zur Therapie von akuten und chronischen Wunden, bei Warzen, Herpes, Akne, bei Verspannungen, Hexenschuss, rheumatischen Erkrankungen, Arthrose sowie auch in der Veterinärmedizin.
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Nachteilig ist, dass das Therapiegerät sehr groß und teuer ist und daher in der Regel nur von Ärzten angewendet wird. Ferner ist nachteilig, dass das bekannte Infrarot A Therapiegerät sehr große Flächen von einigen 10 cm2 bestrahlt und somit kleinräumige Behandlungen nur mit entsprechender Abschirmung möglich sind.
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Ferner ist aus der
EP 1 231 875 B1 eine Einrichtung zur lokalen thermischen Behandlung von Insektenstichen und -bissen bekannt, die ein elektrisches Heizelement enthält, das eine thermische Kontaktfläche auf eine Temperatur von 50 bis 65°C erhitzt und diese Temperatur für einen vorgebbaren Zeitraum von einigen Sekunden aufrecht erhält.
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Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der
WO 2006/076896 A1 bekannt, die insbesondere zur Behandlung von Herpeserkrankungen ausgebildet ist. Dieses Handgerät ist unter dem Markennamen „Herpotherm” am Markt bekannt.
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Nachteilig an diesen Handgeräten ist, dass sie eine sehr geringe Leistungskraft besitzen und aufgrund der durch Wärmeleitung von der kleinen auf die Haut aufgelegten Heizplatte bewirkten Erwärmung nur eine sehr geringe Eindringtiefe in die Haut erreichen. Ferner besteht die Gefahr, dass die Oberhaut schnell überhitzt und irreversibel geschädigt werden kann.
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Ferner ist es bekannt, Infrarotlaser mit einem Wellenlängenbereich zwischen ca. 780 bis 900 nm für dermatologische Behandlungen anzuwenden. Mit Infrarotlasern kann eine hohe Eindringtiefe bei einer kurzen und gut regelbaren Anwendung erreicht werden. Nachteilig ist jedoch, dass derartige Geräte sehr groß und teuer sind und deren Einsatz große Gefahren einer Schädigung beinhalten, so dass sie nur unter ärztlicher Aufsicht angewendet werden dürfen.
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Nachfolgend ist es Aufgabe der Erfindung, ausgehend von den bekannten Therapiegeräten mit Infrarot A-Anwendung ein kleines, handliches und kostengünstiges Therapiegerät anzugeben, das auch ungefährlich in der Anwendung ist und gleichwohl den erwünschten Therapieerfolg erreicht.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1.
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Dadurch, dass als Infrarotstrahlungsquelle eine Vielzahl von Infrarot-LEDs vorgesehen sind, die auf einen gemeinsamen Brennpunkt ausgerichtet sind, wird mit kostengünstigen Infrarot-LED's eine schonende Erwärmung von Oberflächen, insbesondere für die menschliche oder tierische Haut erzielt, wobei der Wellenlängenbereich bei Infrarot-LED's z. B. für einen Wellenlängenbereich zwischen 600 und 950 nm, insbesondere 700 nm bis 900 nm, ausgewählt wird. Diese Wellenlängen werden nicht sofort an der oberen Hautoberfläche absorbiert, sondern dringen einige mm tief in die Haut ein, bis sie dort vollständig absorbiert werden. Die maximale Eindringtiefe dürfte bei ca. 5 mm liegen. Durch die Verwendung einer Vielzahl von Infrarot-LED's, die auf einen gemeinsamen Brennpunkt ausgerichtet sind, wird dabei eine für den Therapiezweck erforderliche Intensität der Infrarotstrahlung erreicht.
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Beispielsweise können 10 bis 200, bevorzugt 20 bis 100, besonders bevorzugt 37 bis 55 IR-LEDs zu einer Infrarot-LED-Anordnung in einem Halter zusammengestellt werden. Der Halter dient damit zur Fixierung der Lage der Infrarot-LED's zueinander, um die Strahlungsintensität der im Halter angeordneten LED's möglichst auf einen Brennpunkt zu sammeln.
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Um einen möglichst gleichmäßigen Leistungsbeitrag jeder IR-LED zu erzielen, ist der Halter konkav gewölbt, sodass die Strahlungskegel der darin gehalterten IR-LEDs an einem Brennpunkt zusammenfallen.
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Alternativ zur konkaven Anordnung der IR-LED's können die IR-LEDs in dem Halter in einer Ebene angeordnet und im Strahlengang ein IR-Bündelungsmittel vorgesehen sein. In diesem Fall ist die Herstellung und Ausrichtung der IR-LED's in dem ebenen Halter einfacher, jedoch ist ein zusätzliches IR-Bündelungsmittel, entweder eine Infrarot aktive Linse, ein entsprechender Parabolspiegel, eine Fresnellinse oder eine Matrix von Einzelspiegeln erforderlich. Mit dieser Anordnung ist dann ebenfalls ein im Wesentlichen gleich starker Beitrag der nebeneinander angeordneten Infrarot-LED's in Bezug auf die Applikationsstelle möglich.
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Um bei dieser Art der Überlagerung und somit Addition der Strahlungsintensitäten, eine möglichst kleinräumige Anordnung zu schaffen, sind die Infrarot LED's entweder konzentrisch um eine oder drei mittlere IR-LED's angeordnet, dies können beispielsweise 38 oder 48 konzentrisch angeordnete IR-LED's sein, oder in einer rechtwinkligen Rasteranordnung mit beispielsweise 7 × 7 = 49 IR-LED's oder verschiedenen wabenartigen Anordnungen, bei denen eine sehr hohe Packungsdichte erreicht werden kann, beispielsweise 37, 52 oder 55 IR-LED's.
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Um eine möglichst wirksame Therapie zu ermöglichen, sollte der optimale Abstand der Infrarot-LED's bzw. des Halters zur Applikationsstelle präzise eingehalten werden, wofür ein Abstandshalter vorgesehen ist. Dabei kann der Abstandshalter so abgestimmt werden, dass der gemeinsame Brennpunkt der Infrarot LED's etwa 2 bis 3 mm hinter dem Abstandshalter, also in der Haut des Patienten liegt, womit an dieser Stelle trotz der in der Hautoberfläche wirkenden Absorption eine möglichst wirksame Erwärmung erfolgt und gleichzeitig die darüber liegende Haut, insbesondere Oberhaut nicht übermäßig erwärmt, also nicht irreversibel geschädigt wird.
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Um durch etwaige Streustrahlung eine unbeabsichtigte Erwärmung von umliegenden Gegenständen, insbesondere organischen Objekten zu vermeiden, kann eine Abschirmungsblende vorgesehen werden, innerhalb der von der Infrarot-LED-Anordnung abgegebene Strahlungskegel angeordnet ist. Dabei ist der durch die Infrarot-LED-Anordnung abgegebene Strahlungskegel bzw. Überlagerung vieler Strahlungskegel innerhalb der Abschirmungsblende enthalten.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist der Abstandshalter und die Abschirmungsblende in Form einer kegelstumpfförmigen Blende mit Applikationsöffnung am schmaleren Ende des Kegelstumpfes ausgebildet, wobei die Höhe des Kegelstumpfes den Applikationsabstand definiert. Diese Ausführung erlaubt eine besonders einfache Anwendung, da die an der kegelstumpfförmigen Blende ausgebildete Applikationsöffnung nur auf die zu behandelnde Hautstelle aufzulegen ist und dann die Strahlungsapplikation ausgelöst werden muss.
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Wenn die Vorrichtung ein Handgerät mit einer bevorzugt wiederaufladbaren Batterie als Spannungsversorgung ist, lässt sich das Gerät sehr leicht anwenden und eignet sich auch für den Heimbereich. Da die aufzuwendende Strahlungsleistung und somit die Stromleistung für eine derartige IR-LED-Anordnung relativ niedrig ist, können handelsübliche Batterien oder Akkumulatoren als Spannungsversorgung für eine Vielzahl von Applikationen verwendet werden. Bevorzugt ist ein Zeitgeber, der die Dauer der Applikation steuert, um eine ausreichend lange und andererseits nicht zu lange Applikation durch das Handgerät sicherzustellen.
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In weiterer Ausgestaltung ist ein Oberflächentemperatursensor vorgesehen, der die momentane Temperatur der bestrahlten Oberfläche während der Applikation misst. Damit kann eine zu geringe oder zu hohe Oberflächentemperatur ermittelt werden und beispielsweise durch entsprechende Warnsignale dem Anwender angezeigt werden.
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Dadurch, dass eine Regeleinheit vorgesehen ist, die die Infrarot-LEDs in Abhängigkeit der gemessenen Oberflächentemperatur ansteuert, wird während der Anwendung die von der Infrarot-LED-Anordnung abgegebene Strahlungsenergie anhand der gemessenen Oberflächentemperatur nachgeregelt, womit ein optimaler Therapieerfolg erzielt werden kann. Somit können mit dieser bevorzugt als Handgerät ausgebildeten Vorrichtung entzündliche Prozesse, die auch einige mm tief in der Haut liegen, gezielt lokal erwärmt werden, um damit die in der entzündlichen Stelle befindlichen Erreger zu schädigen und die Entzündung zu heilen. Zwar kann durch die Erwärmung auch das Gewebe geschädigt werden, jedoch wird dies durch die gezielte Erwärmung mittels der relativ leistungsschwachen Infrarot-LED's kaum möglich und bei Verwendung einer entsprechenden Oberflächentemperaturmessung durch den beschriebenen Regelvorgang minimiert. Gleichzeitig wird mit der voreinstellbaren Einwirkungsdauer, dem definierten Applikationsabstand und/oder durch die Temperaturregelung eine optimale therapeutische Wirkung erzielt.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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Darin zeigt:
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1 in einer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Applikation und
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2a–f verschiedene Anordnungen der IR-LED's.
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In 1 ist in einem Querschnitt ein Ausschnitt einer menschlichen Haut 2 und ein auf der Hautoberfläche 20 aufgelegtes Handgerät 1 dargestellt. Die Haut 2 besteht aus der Oberhaut 21 (Epidermis), die nur einige hundertstel mm stark ist, der Lederhaut 22 (Dermis) sowie der Unterhaut 23 (Subcutis). Auf der Hautoberfläche 20 ist ein Handgerät 1 aufgesetzt, das eine Vielzahl von Infrarot-LED's 11 in einem konkav gewölbt ausgestalteten Halter 12 aufweist. Am Halter 12 ist eine kegelstumpfförmige Blende 13 angeordnet, die sowohl eine Abschirmungsblende wie auch einen Abstandshalter bildet und eine Applikationsöffnung 131 am schmaleren Ende des Kegelstumpfes aufweist. Diese Applikationsöffnung 131 ist auf die Hautoberfläche 20 an der zu therapierenden Stelle aufgelegt.
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Alternativ kann der Abstandshalter auch aus einem Ring bestehen, der die Applikationsfläche (Applikationsöffnung) definiert und der mit beispielsweise 4 Streben mit dem Handgerät 1 verbunden ist. Die Streben geben dabei den genauen Abstand zur Applikationsstelle an. Der Vorteil bei dieser Lösung liegt darin, dass die Applikationsstelle bei Auflegen des Handgeräts auf die Hautoberfläche 20 sichtbar bleibt, was die Orientierung vereinfacht. Ferner ist während der Applikation auch die Lichtwirkung der LED's sichtbar.
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Das Handgerät 1 hat ein Gehäuse 10. Im Gehäuse 10 ist eine Stromquelle 14 in Form einer ggf. wiederaufladbaren Batterie und eine nachgeschaltete Regeleinheit 15 enthalten.
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In 1 sind 7 der insgesamt 37 in einem wabenförmigen Raster gemäß 2e angeordnete IR-LED's 11 abgebildet. Ferner sind die jeweils von den IR-LED's ausgesandten Strahlungskegel S grafisch dargestellt. Die gewölbte Anordnung in dem Halter 12 der IR-LED's 11 ist so ausgebildet, dass deren Strahlungskegel S sich in einem Brennpunkt B, der ca. 2 bis 3 mm unter der Hautoberfläche 20 liegt, überlappen. Entsprechend wird dort eine relativ hohe Strahlungsintensität erreicht, die jedoch durch die in der Haut wirkende Absorption gemindert ist.
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In den 2a bis f sind verschiedene Anordnungen für die Infrarot-LED's 11 dargestellt, wobei diese lediglich beispielhaft sind und sowohl bei ebener Anordnung wie auch in gewölbter Anordnung wie in 1 verwendet werden können. Bei gewölbter Anordnung gemäß 1 ist eine Bündelung der Strahlungskegel S auf den Brennpunkt B bereits in der Anordnung berücksichtigt. Bei einer ebenen Anordnung der Infrarot-LED's 11 sind zusätzliche Bündelungsmittel, beispielsweise IR-aktive Linsen, Parabolspiegel oder Einzelspiegel für jede IR-LED erforderlich.
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In 2a ist eine konzentrische Anordnung der IR-LED's 11 um drei zentral angeordnete LED's wiedergegeben. In 2b ist eine entsprechende konzentrische Anordnung mit einer zentral angeordneten IR-LED 11 wiedergegeben. In 2c ist eine rechtwinklig rasterförmige Anordnung mit 7 × 7 IR-LED's 11, also insgesamt 49 LED's dargestellt. 2d bis f zeigen wabenartig angeordnete IR-LED's 11, wobei 2d 55 IR-LED's 11, 2e 37 IR-LED's 11 und 2f 52 IR-LED's 11 in ihren Anordnungen aufweisen. Zu 2e ist die in 1 dargestellte Schnittlinie I-I eingezeichnet.
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Nachfolgend wird eine Leistungsberechnung sowie einige Messergebnisse dargestellt.
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Der Strahlungskegel S einer bekannten Infrarot-LED bestrahlt bei einem Abstand von etwa 30 mm von der LED zur Hautoberfläche 20 einen Kreis von ca. 6 mm Durchmesser. Durch die beschriebene Anordnung in dem Halter 12 mit oder ohne Bündelungsmittel wird dann eine Fokussierung auf einen gemeinsamen Brennpunkt B kurz unterhalb der Hautoberfläche (2 bis 3 mm) angestrebt. Da sowohl diese Fokussierung wie auch die Auswirkungen der Absorption nicht eindeutig vorhersagbar sind, wird angenommen, dass eine Gewebeoberfläche in einem Kreis von 9 mm Durchmesser erwärmt werden muss. Da ferner nach den bisherigen Ermittlungen eine Eindringtiefe von maximal 5 mm bei einer Wellenlänge bis 950 nm zugrunde zu legen ist, entspricht dies ungefähr einem Gewebevolumen im Fokusbereich von 0,32 cm3. Daraus ergibt sich ein Energiebedarf für eine Erwärmung um 10°C bei einer linearen Absorption von 0 bis 5 mm, gleich 100%. Bei einer Gleichsetzung des Gewebes mit Wasser ergibt sich daraus ein Energiebedarf von 13,34 Watt/sek für das Fokusvolumen.
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Die abgestrahlte Energie einer Hochleistungs IR-LED beträgt 55 mW im Dauerbetrieb. Entsprechend könnten 48 IR-LED's also eine Strahlleistung von 2,64 Watt aufweisen. Die Einwirkzeit müsste also 13,34 Watt/sek/2,64 Watt = 5,05 sek betragen. Da noch weitere zur Zeit nicht genau bestimmbare Wärmeverluste zu berücksichtigen sind, die aus Rückstrahlverlusten, Streuung im Gewebe, Flüssigkeitskonvektion, Verluste im Strahlengang der LED's und Abkühlungsverluste an der Luft wird somit eine Gesamteinwirkzeit von 25 sek vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Handgerät
- 10
- Gehäuse
- 11
- IR-LED
- 12
- Halter
- 13
- (kegelstumpfförmige) Blende oder Abstandshalter
- 131
- Applikationsöffnung
- 14
- Stromquelle, Batterie
- 15
- Regeleinheit
- 2
- Haut
- 20
- Hautoberfläche
- 21
- Oberhaut, Epidermis
- 22
- Lederhaut, Dermis
- 23
- Unterhaut, Subcutis
- B
- Brennpunkt
- S
- Strahlungskegel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1231875 B1 [0004]
- WO 2006/076896 A1 [0005]
