DE60105473T2 - Therapeutische Lichtquelle - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine nicht phasengleiche Lichtquelle zur Verwendung bei Therapien, wie zum Beispiel der photodynamischen Therapie (PDT), insbesondere unter Verwendung von Leuchtdioden (LEDs).
  • Die photodynamische Therapie umfasst das Auftragen eines photosensibilisierenden Arzneimittels auf ein betroffenes Gebiet und die darauf folgende Bestrahlung mit Licht – siehe zum Beispiel „The Physics of Photodynamic Therapy" von B.C. Wilson und M.S. Patterson, Physics in Medicine & Biology 31 (1986), April Nr. 4, London, Großbritannien.
  • Das Schriftstück GB 2,212,010 offenbart eine therapeutische Lichtquelle, die eine Anordnung von einzelnen LEDs als Alternative zu Lasern oder Laserdioden verwendet. Die Abgabe der LEDs ist gebündelt, um die erforderliche Intensität bereitzustellen.
  • Das Schriftstück WO 94/15666 offenbart eine therapeutische Lichtquelle speziell für PDT mit einer geschlossenen Anordnung von LEDs, die am äußeren Ende eines Handstücks befestigt ist. Die LEDs werden übersteuert, um die erforderliche Intensität abzugeben, und werden durch den Strom von Wasser in einem geschlossenen Kreis, der entlang des Handstücks verläuft, gekühlt. Das Schriftstück US 5728090 offenbart eine relativ ähnliche Vorrichtung mit verschiedenen Arten von Köpfen, die geschlossene LED-Matrizen enthalten. Diese Vorrichtungen erfordern komplizierte Flüssigkeitskühlkreisläufe, welche die Kosten der Vorrichtung erhöhen, und den Umfang des Handstücks vergrößern, was für eine invasive Verwendung nachteilig ist.
  • Das Schriftstück US 5728090 erwähnt, dass die Wellenlänge der LEDs zwischen 300 nm und 1300 nm beträgt und basierend auf dem jeweils bei der PDT verwendeten lichtempfindlichen Farbstoff gewählt wird. Jedoch sind die Wellenlängen von LEDs, die imstande sind, die für die PDT erforderliche Intensität bereitzustellen, innerhalb dieses Bereichs nicht frei wählbar.
  • Das Schriftstück US 5364711 offenbart eine tragbare Leuchtvorrichtung für Phototherapie, umfassend eine LED-Matrix und einen faseroptischen Kegel oder eine Linse zum Konzentrieren des Lichts auf einen Photoreaktionsbereich. Die LED-Matrix ist luftgekühlt.
  • Das Schriftstück WO 93/21842 offenbart eine leistungskräftige LED-Anordnung für photodynamische Therapie, die eine direkte Bestrahlung des Zielgebiets verwendet. Die Mittelwellenlänge des Emissionsbands kann durch Verwendung eines voreingestellten Betriebsstroms und gezielte Verwendung der Kühlung abgestimmt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine therapeutische Lichtquelle nach Anspruch 1 bereitgestellt. Im Folgenden sind spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 eine graphische Darstellung einer Parallel-Serien-Matrix einzelner LEDs, die bei der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist;
  • 2 eine sichtgerechte graphische Darstellung der ersten Ausführungsform ist;
  • 3 eine Querschnittdarstellung eines Teils der ersten Ausführungsform ist;
  • 4 ein Schaubild ist, das die Intensitätsänderung in einem Querschnitt der Abgabe der ersten Ausführungsform zeigt; und
  • 5 ein Schaubild ist, welches das Absorptionsspektrum von PpIX und die Emissionsspektren von zwei Beispielen von LEDs, die zur Verwendung mit der Ausführungsform geeignet sind, zeigt.
  • Wie in 1 bis 5 dargestellt, wird Licht bei einer therapeutischen Lichtquelle einer Ausführungsform von einer Parallel-Serien-Matrix von LEDs L, die durch einen Strombegrenzungswiderstand mit einer Spannungsquelle +V verbunden ist, ausgestrahlt. Die LED-Matrix ist mit Haltestäben parallel zu und in einem Abstand von einer Anordnung von Ventilatoren F an einer Anordnung von Kühlkörpern H befestigt. Die Anordnung von Ventilatoren F bläst Luft auf die Rückseite der Anordnung von Kühlkörpern H.
  • Wie in 3 im Detail abgebildet, umfasst die Anordnung von Kühlkörpern H eine Mehrzahl von einzelnen Kühlkörpern h, die an den Enden der Füße der LEDs, die durch eine Trägerplatte P durchführen, befestigt sind. Jeder Fuß ist mit einem benachbarten Fuß einer anderen der LEDs in derselben Spalte verlötet. Die Trägerplatte P ist perforiert, um Luft freier rund um die Kühlkörper h und die LEDs L strömen zu lassen.
  • Die LEDs sind so angeordnet, dass sie eine im Wesentlichen gleichmäßige Bestrahlung von ±10 % oder weniger über ein Behandlungsfeld erzeugen, indem die Strahlstreuung und die Abstände der LEDs L so gewählt sind, dass sich deren einzelne Strahlen überlappen, ohne erhebliche Intensitäts-Peaks oder -Täler zu verursachen. Beim Beispiel, das in 4 abgebildet ist, ist eine Gleichmäßigkeit von ±6 erreicht worden. Bei dieser Ausführungsform ist kein optisches System zwischen den LEDs und dem Patienten erforderlich; stattdessen strahlt das Licht direkt von den LEDs auf den Patienten. Da das Licht durch kein optisches System konzentriert ist, weisen die LEDs einzelne Abgabeleistungen von mindestens 5 mW und vorzugsweise mindestens 10 mW auf, um die erforderlichen Flussraten im Behandlungsfeld von mindestens 30 mW/cm2 im roten Bereich des Spektrums und mindestens 10 mW/cm2 im blauen Bereich zu erbringen.
  • Bei einem speziellen Beispiel ist eine Anordnung von 288 „Super flux"-LEDs mit einem Durchmesser von 15 cm verwendet worden, um eine Gesamtlichtabgabe von 8 W bei 45 mW/cm2 im Behandlungsfeld zu erzeugen. Die LEDs sind mit einer Strombelastung gespeist, die höher als die gemäß ihrer Spezifikation ist, während sie durch die Umluftkonvektion der Ventilatoren F gekühlt werden. Bei diesem speziellen Beispiel ist der Strom auf 90 mA pro Diodenspalte beschränkt worden, kann jedoch auf 120 mA oder mehr erhöht werden, falls eine erhöhte Lichtabgabe benötigt wird. Die Diodenanzahl in Serie in jeder Spalte ist so gewählt, dass die Gesamtdurchlassbetriebsspannung so nahe wie möglich bei, jedoch unter der Stromversorgungsausgangsspannung, in diesem Fall 48 V, liegt. Diese Anordnung vermeidet kostspielige Stromkreiserhitzung und maximiert den Betriebswirkungsgrad des elektrischen Systems.
  • Bei einem Behandlungsverfahren, das die Vorrichtung der Ausführungsform verwendet, wird die LED-Anordnung ungefähr parallel zu einem betroffenen Außenbereich eines zu behandelnden Patienten angeordnet, und zwar in einem Abstand, zum Beispiel 2 bis 5 cm, der ausreicht, um die gleichmäßige Beleuchtung wie in 4 gezeigt zu erreichen. Die Vorrichtung kann für kosmetische oder teilweise kosmetische Behandlung mit einem photosensibilisierenden Arzneimittel zur Entfernung von Portwein-Flecken und Haarwiederherstellung/-entfernung, und ohne ein photosensibilisierendes Arzneimittel für Hautverjüngung, Faltenentfernung oder Biostimulierung (einschließlich Wundheilung) verwendet werden.
  • Die Lampe kann auch zur Fluoreszenzerkennung (Photo diagnose) verwendet werden.
  • Im Folgenden ist die Auswahl geeigneter Einzel-LEDs für PDT unter Verwendung der Ausführungsform, gruppiert nach dem jeweiligen Chipmaterial, beschrieben.
  • Eine erste geeignete Art von LED basiert auf Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid/Galliumphosphid (AlInGaP/GaP) der lichtdurchlässigen Trägermaterial (TS)- oder absorbierenden Trägermaterial (AS)-Art. Die Ausgabewellenlängen liegen im Bereich von 590 bis 640 nm, mit Spitzenemissionswellenlängen von 590, 596, 605, 615, 626, 630 und 640 nm. Handelsübliche Beispiele sind die „SunPower"TM oder „Precision Optical Power"TM-Reihen von der Firma Hewlett Packard, entwickelt für die Verwendung in der Automobilindustrie, für gewerbliche Außenwerbung und Verkehrslenkung. Geeignete LEDs sind die unter den folgenden Bezeichnungen verpackten: SMT-(Oberflächenmontagetechnik), z.B. die HSMA, HSMB, HSMC, HSML-Reihe und vorzugsweise HSMB HR00 R1T20 oder HSMB HA00R1T2H; axial, z.B. die HLMA oder HLMT-Reihe; T1, z.B. die HLMP-Reihe, vorzugsweise HLMP NG05, HLMP NG07, HLMP J105; T13/4, z.B. die HLMP-Reihe, vorzugsweise HLMP DG08, HLMP DG15, HLMP 0008, HLMP DD16; SuperfluxTM, z.B. die HPWA oder HPWT-Reihe, vorzugsweise HPWA (MH/DH/ML/DL) 00 00000, HPWT (RD/MD/DD/BD/RH/MH/DH/BH/RL/ML/DL/BL) 00 00000, und am bevorzugtesten HPWT (DD/DH/DL/MH/ML/MD) 00 00000; SnapLEDTM, z.B. die HPWT, HPWS, HPWL-Reihe, vorzugsweise HPWT (SH/PH/SL/PL) 00, HPWT (TH/FH/TL/FL) 00 oder HPWS (TH/FH/TL/FL) 00. Geeignete Produkte von anderen Hersteller umfassen: von der SMT-Art, Advanced Products Inc. (API), Artikelnummer HCL4205A0; der T1-Art, American Bright Optoelectronics (ABO), Artikelnummer BL BJ3331E oder BL BJ2331E; der Superflux-Art, ABO-Artikelnummern BL F2J23, BL F2J33 und BL F1F33.
  • Eine zweite geeignete Art von LED ist die Aluminium-Indium- Gallium-Phosphid/Galliumarsen (AlInGaP/GaAs)-Art, mit Emissionswellenlängen im Bereich von 560 bis 644 nm und Spitzenemissionswellenlängen von 562 nm, 574 nm, 590 nm, 612 nm, 620 nm, 623 nm und 644 nm. Handelsübliche Beispiele von Toshiba in T1-Verpackung sind die TLRH, TLRE, TLSH, TLOH oder TLYH-Reihe, vorzugsweise TLRH 262, TLRH 160, TLRE 160, TLSH 1100, TLOH 1100, TLYH 1100 oder S4F4 2Q1; oder in T13/4-Verpackung die TLRH oder TLSH-Reihe, vorzugsweise TLRH 180P oder TLSH 180P. Ein weiteres Beispiel ist die Kingbright L934SURC-E.
  • Eine dritte geeignete Art von LED ist die Aluminium-Gallium-Arsen-Art (AlGaAs), mit Emissionswellenlängen im Bereich von 650 bis 660 nm. Beispiele in T1-Packung umfassen die Toshiba TLRA-Reihe, vorzugsweise TLRA 290P oder TLRA 293P und Kingbright L934 SRCG, L934 SRCH und L934 SRCJ und in T13/4-Packung z.B. die Kingbright L53 SRCE.
  • Eine vierte geeignete Art von LED ist die Galliumphosphid-Art (GaP), mit Emissionswellenlängen im Bereich von 550 bis 570 nm.
  • Eine fünfte geeignete Art von LED ist Indium-Gallium-Nitrit (InGaN). Handelsübliche Beispiele der Art mit einer Emissionswellenlänge von 525 nm umfassen: in SMT-Packung, APIs HCL 1513AG; und in T1-Packung, Farnells #942 467, Radio Spares #228 1879 und #249 8752, APIs HB3h 443AG und Plus Optos NSPG500S. Beispiele der Art mit Emissionswellenlängen von 470 und 505 nm und T1-Packung sind Farnells #142 773, Radio Spares #235 9900 und American Bright Optoelectronics Inc.s BL BH3PW1.
  • Eine sechste geeignete Art von LED ist Galliumnitrit/Silizium (GaN/Si), mit einer Emissionswellenlänge von 430 nm. Ein handelsübliches Beispiel ist Siemens LB3336 (auch bekannt als RS #284 1386).
  • Jede der obigen LED-Arten ist so gewählt, dass sie ein Emissionsspektrum aufweist, das im Wesentlichen mit dem Absorptionsspektrum eines oder mehrerer der folgenden üblichen Photosensibilisatoren, die in der folgenden Tabelle 1 angegeben sind, übereinstimmt, wodurch Ausführungsformen, die solche LEDs aufweisen, für die PDT geeignet sind. 9 zeigt zum Beispiel das Absorptionsspektrum von PpIX, das Peaks bei 505 nm, 545 nm, 580 nm und 633 nm aufweist. Eingesetzt sind die Emissionsspektren von LED-Artikelnummer HPWA DL00 mit einem Peak bei 590 nm und LED-Artikelnummer HPWT DH00 mit einem Peak bei 630 nm, in Peakintensitätseinheiten und auf derselben Wellenlängenachse, wobei die Peaks eine ausreichende Breite aufweisen, um eine erhebliche Überlappung mit den Peaks bei 580 nm beziehungsweise 633 nm im Absorptionsspektrum von PpIX zu ergeben.
  • Tabelle 1
    Figure 00070001
  • Die Einzel-LED-Anordnung kann mehr als eine verschiedene Art von LED umfassen, wobei jede dieser Arten ein anderes Emissionsspektrum aufweisen kann, die so gewählt sind, dass sie mit verschiedenen Absorptionsbändern der gewählten Photosensibilisatoren zusammenpassen. Jede LED-Art kann unabhängig geschaltet werden. Die Eindringtiefe (d.h. die Tiefe, bei der sich die Intensität auf e–1 abgeschwächt hat) kann auch variiert werden, indem man nur eine Art von LEDs in der Anordnung einschaltet, um dadurch ein geeignetes Emissionsband auszuwählen, da die Eindringtiefe eine Funktion der Wellenlänge ist.
  • Die LED-Anordnung kann sich zusammensetzen aus einzeln schaltbaren, räumlich getrennten Segmenten von LEDs. Ausgewählte Segmente können eingeschaltet werden, um einen ausgewählten Bereich des Patienten innerhalb der Gesamtfläche der Matrixanordnung zu behandeln.
  • Die Lampe kann einen elektrooptischen Sensor aufweisen, der darauf eingerichtet ist, die gelieferte Lichtdosis zu überwachen und die Lichtemission auszuschalten, wenn eine Zieldosis erreicht ist. Ersatzweise oder zusätzlich dazu ist der Sensor darauf eingerichtet, die augenblickliche Lichtintensität zu überwachen und die elektrische Leistung, mit der die Röhren gespeist werden, zu verändern, um die Intensität innerhalb vorbestimmter Grenzen zu halten, und/oder um die Lichtemission abzuschalten, wenn eine Maximalgrenze überschritten ist.
  • Bei Tests, die der Erfinder durchgeführt hat, ist die Wirksamkeit von PDT unter Verwendung roter (ungefähr 630 nm) Emission von LEDs in In-Vivo-Vergleichsstudien nachgewiesen worden, bei denen die Nachwuchsverzögerungsanalyse eines subkutanen Mammatumors verwendet worden ist. Unter Verwendung von radiobiologischen Endpunkten ist nachgewiesen worden, dass die Festkörperprototypwirksamkeiten vergleichbar mit denen von teueren, herkömmlichen Lasern für PDT waren (d.h. kein. merklicher Unterschied, p=0,21). Diese Ergebnisse wurden durch weitere klinische Studien bei der Behandlung der Bowen-Krankheit und Basalzellenkarzinomen bestätigt, in denen Vergleichsgesamtansprechraten erreicht wurden, die mit denen der Laser-PDT vergleichbar sind.

Claims (20)

  1. Therapeutische Lichtquelle umfassend eine Anordnung von Leuchtdioden (L), die so angeordnet sind, daß Licht aus den Leuchtdioden mit einer Ausgangsintensität von mindestens 10 mW/cm2 und einer räumlichen Intensitätsschwankung von höchstens 10% direkt auf das Behandlungsfeld einfällt, sowie eine Einrichtung (F, H) zum Kühlen der Dioden durch Umluftkonvektion, wobei die Dioden mit einer Anordnung individueller Kühlkörper (h) thermisch verbunden sind.
  2. Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die räumliche Intensitätsschwankung höchstens 6% beträgt.
  3. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leuchtdioden einzeln befestigt sind.
  4. Lichtquelle nach Anspruch 3, wobei die Leuchtdioden in einer Parallel-Serien-Matrix elektrisch verbunden sind.
  5. Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtdioden und die Kühlkörper auf gegenüberliegenden Seiten einer Trägerplatte befestigt sind.
  6. Lichtquelle nach Anspruch 5, wobei die Trägerplatte perforiert ist, damit Luftströmung um die Kühlkörper und die Leuchtdioden möglich ist.
  7. Therapeutische Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leuchtdioden Emissionswellenlängen im Bereich von 550 bis 660 nm aufweisen.
  8. Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei die Emissionswellenlängen im Bereich von 590 bis 640 nm liegen.
  9. Lichtquelle nach Anspruch 8, wobei die Dioden aus Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid-/Galliumphosphid-Chipmaterial sind.
  10. Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei die Emissionswellenlängen im Bereich von 560 bis 644 nm liegen.
  11. Lichtquelle nach Anspruch 10, wobei die Dioden aus Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid-/Gallium-Arsen-Chipmaterial sind.
  12. Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei die Emissionswellenlängen im Bereich von 650 bis 660 nm liegen.
  13. Lichtquelle nach Anspruch 12, wobei die Dioden aus Aluminium-Gallium-Arsen-Chipmaterial sind.
  14. Lichtquelle nach Anspruch 7, wobei die Emissionswellenlängen im Bereich von 550 bis 570 nm liegen.
  15. Lichtquelle nach Anspruch 14, wobei die Dioden aus Galliumphosphid-Chipmaterial sind.
  16. Therapeutische Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dioden Peaks im Emissionsspektrum bei ungefähr 470 nm, 505 nm oder 525 nm aufweisen.
  17. Lichtquelle nach Anspruch 16, wobei die Dioden aus Indium-Gallium-Nitrit-Chipmaterial sind.
  18. Therapeutische Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dioden Peaks im Emissionsspektrum bei ungefähr 430 nm aufweisen.
  19. Lichtquelle nach Anspruch 18, wobei die Dioden aus Galliumnitrit-/Silizium-Chipmaterial sind.
  20. Verwendung einer Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur kosmetischen Behandlung eines Patienten, wobei die kosmetische Behandlung Hautverjüngung oder Faltenentfernung umfaßt.
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