JPH10503109A - 生体細胞に光を照射するための装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 取り外し自在の多側面ヘッドが取り付けられた、実質的に円筒形の支持体を持つ、光力学的治療（ＰＤＴ）で使用するための装置を提供する。ヘッドの各側面は、感光性染料を賦活する単色光を提供する発光ダイオードのアレイを有する。本装置は、脳腫瘍等の侵入的手術で使用できる。本装置は、取り外し自在の反射器を発光ヘッドに取り付けることによって、局所的治療に使用できる。ヘッドの温度は制御され、ヘッドの冷却は、ヘッドを通して冷却流体を循環することによって行われる。冷却流体を使用することによって、ＬＥＤをその定格容量を越えて駆動できる。更に、カテーテルは、膨張可能な光ディフューザーを更に含む。光ディフューザーは、発光ヘッド上に取り付けられ、脂質溶液等のディフューザー流体で充填される。装置は、放射エネルギを植物又は非ＰＤＴの患者に与えるのにも使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 生体細胞に光を照射するための装置 発明の背景 本発明は、患者の又は他の生体細胞に光を照射するのに使用するための装置に 関する。更に詳細には、本発明は、腫瘍の治療及び微生物の破壊に使用される光 力学的治療用のカテーテルに関する。 腫瘍、皮膚の病変、等の治療に光力学的治療（photodynamic therapy：ＰＤＴ ）が使用されることが多くなってきている。ＰＤＴを使用して悪性腫瘍を治療す る場合、所期の治療の少なくとも２４時間前に患者に感光性染料を注入する。感 光性染料は、代表的には、悪性組織に保持されるヘマトポルフィリン誘導体であ る。これらの染料は、癌組織を貫通する波長の光を吸収し、微生物及び悪性細胞 を破壊する一重項酸素（singlet oxygen）を生体内で発生する。 特定波長の大量の光照射を腫瘍に送出し、感光性染料を賦活する必要がある。 多くの感光性染料は、約３００nm乃至８００nmの波長で賦活される。しかしなが ら、波長が長くなればなる程（最大１３００nm）、腫瘍を良好に貫通するという ことが知られている。 代表的な従来技術のＰＤＴ光送出システムは、単色レーザーを光ファイバカテ ーテルと組み合わせて使用する。このような光送出システムの一つが、１９８９ 年１２月２６日にドーガティー等に賦与された米国特許第４，８８９，１２９号 に開示されている。このような代表的な従来技術のシステムでは、レーザーが光 ファイバケーブルに単色光を提供し、光ファイバケーブルが光ディフューザーを 介して光を腫瘍に伝達する。 このような従来技術の装置には幾つかの欠点があった。第１の欠点は、これら の装置はレーザー源、電子制御装置、及び光ファイバカテーテルを必要とするた め、複雑であり且つ高価であるということである。 第２の欠点はこのような従来技術のシステムは効率が悪いということである。 代表的な光ファイバカテーテルは、利用可能な光エネルギの約３０％乃至５０％ しか伝達しない。更に、カテーテルの発光端を取り囲み、カテーテルからの光を 分散するディフューザーでエネルギの損失が起こる。血液及び周囲組織は入力し た出力の大部分を減衰する。最終的には、感光性染料の賦活に利用できるのは、 出力の約２５％乃至３０％程度に過ぎない。かくして、入力が２ｗのレーザー光 源は、カテーテルでの出力時に約１ｗを発生し、感光性染料を注入した組織では ０．４w/cm²になる。このような電力の損失について、１９９４年３月２９日に ナルシーゾ・ジュニアに賦与された米国特許第５，２９８，０１８号で議論がな されている。 これらのエネルギ損失は、光源に必要とされる大きさ及び価格を増大するばか りでなく、治療の有効性も低下させる。これは、組織内への光の浸透深さが低下 するためである。浸透深さが低下した場合には、光力学的治療の開始前に悪性組 織の大部分を除去するための外科的技術が必要とされ、全ての悪性組織を破壊す る可能性が低下する。 代表的には、皮膚の病変、咽頭癌、皮膚が冒された状態を治療するために発光 ダイオード（ＬＥＤ）のアレイが光力学的治療で使用されてきた。１９９３年１ 月に刊行された「医療用レーザー及びシステムII」のＳＰＩＥ第１８９２巻の「 医療治療用ＬＥＤアレイ光源」（ケネスＪ．シュレイガー及びロナルドＷ．イグ ナチウス著）を参照されたい。しかしながら、このようなＬＥＤアレイの使用は 皮膚の用途に限られている。 発明の概要 光力学的治療（ＰＤＴ）の目的で放射エネルギを患者に提供し、他の目的で患 者を照射し、或いは他の植物又は動物の生体細胞を照射するための装置を開示す る。本装置は、好ましくは外科用鋼製の支持部材を含む。支持部材は、基端を有 し、この基端に光伝送ヘッドが取り外し自在に連結される。ヘッドは、少なくと も２つの好ましくは８つの側面及び端面を有し、これらの各々には複数のオプト エレクトロニック装置が設けられる。複数のオプトエレクトロニック装置の各々 は、好ましくは、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイである。 ヘッドは、好ましくは取り外し自在であり、局所治療用の取り外し自在の反射 器又は膨張可能な光ディフューザーを装着できる。光ディフューザーを使用した 場合には、装置は、ディフューザーに流体を供給するための手段を含む。この手 段には、流体を受け入れる流体通路、入口端、及び支持部材の基端近くの出口が 含まれる。 装置は、好ましくは、ヘッドの温度を制限するための手段を更に有する。この 温度制限手段は、冷却流体を受け取りこれをヘッドに搬送するための、支持部材 に設けられた第１通路及び冷却流体をヘッドから遠ざかるように搬送する第２通 路を含む。温度制限手段は、ヘッドの温度を検出するための温度センサ、及びヘ ッドの温度が設定レベルを越えた場合にオプトエレクトロニック装置への電力を 減少させるか或いは切るための手段を更に有する。連続的に変化させることがで きる電源を使用してオプトエレクトロニック装置の出力を調節するのがよい。 一実施例では、支持部材及び光伝送ヘッドが一緒になって、悪性脳腫瘍の治療 といった侵入的外科的方法で使用されるカテーテルを構成する。いずれにせよ、 ヘッドは、好ましくは、波長が３００nm乃至１３００nmの実質的に単色の光を放 出する。 本発明の特長及び利点は、侵入的外科手術中に使用できる光力学的治療を行う ための装置を提供することである。 本発明の別の特長及び利点は、高価なレーザーを使用せずに実質的に単色の光 エネルギを出力する、患者に光照射を行うための装置を提供することである。 本発明の更に別の特長及び利点は、レーザー及び光ファイバを使用する代表的 な光送出システムのエネルギ損失を大幅に減少する、光力学的治療で使用するた めの装置を提供することである。 本発明のこの他の特長及び利点は、生体細胞に光を照射する様々な侵入的又は 非侵入的手術で使用できる装置を提供することである。 本発明のこれらの及び他の特長及び利点は、当業者には、好ましい実施例の以 下の詳細な説明を添付図面を参照して読むことにより明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 第１図は、取り外し自在の光ディフューザーを持つ本発明によるカテーテルの 側面図である。 第２図は、取り外し自在の反射器を持つヘッド支持アッセンブリの側面図であ る。 第３図は、冷却流体通路を示す、ヘッド基材−支持アッセンブリの側面図であ る。 第４図は、膨張可能な光ディフューザーを充填するための流体通路を示す、ヘ ッド基材の側面図である。 第５図は、冷却流体通路及びディフューザー流体通路の両方を示す、ヘッド基 材支持アッセンブリの側面図である。 第６図は、オプトエレクトロニック装置を取り外したヘッド−支持アッセンブ リを示す側面図である。 第７図は、本発明による発光ヘッドの第１側面図である。 第８図は、発光ヘッドの反対側からの側面図である。 第９図は、発光ヘッドの端面図である。 第１０図は、本発明の概略ダイヤグラムである。 好ましい実施例の詳細な説明 第１図は、本発明で使用するヘッド支持アッセンブリ１０の側面図である。第 １図では、ヘッド１２は、外科用鋼製肩部１４を有し、この肩部には、外科用鋼 製支持部材１６がプレス嵌めされている。ヘッド１２は、エポキシ樹脂製の透明 な層１８に封入されている。 ヘッド１２は、複数の側面及び端面を持つ実質的に封入された基材２０（第３ 図乃至第６図参照）を含む。添付図面に示し、本明細書中において説明する実施 例では、ヘッド１２は、８つの側面と１つの端面を有するが、側面及び端面の数 はこれと異なっていてもよい。第３図及び第４図には、三つの側面２０ａ、２０ ｂ、及び２０ｃが描いてある。 側面及び端面の各々の上側には、好ましくは、オプトエレクトロニック装置の アレイが配置されている。第７図、第８図、及び第９図には、これらのオプトエ レクトロニック装置のアレイが示されている。オプトエレクトロニック装置は、 好ましくは、日本国の三菱化成ポリテック社が製造している種類の実質的に単色 のダブルヘテロ結合の砒化ガリウム−アルミニウム発光ダイオードであり、日本 国の昭和電工社又はスタンレー社、又はカリフォルニア州パロアルトのヒューレ ット−パッカード社から入手できる。オプトエレクトロニック装置は、１９９４ 年１月１１日にイグナチウス等に賦与された米国特許第５，２７８，４３２号に 記載されている方法で互いに接続される。同特許に触れたことにより、その特許 に開示されている内容は本明細書中に組入れたものとする。 第７図、第８図、及び第９図では、並列に接続された１６個のオプトエレクト ロニック装置２２からなるアレイがヘッド１２の側面及び端面の各々に設けられ ている。レーザー−光ファイバ装置の代わりに電子式オプトエレクトロニック装 置を使用することにより、出力の損失及び装置の価格を大幅に低下する。 第７図は、アレイ２４、２６、２８、３０、及び３２を示す。第８図は、ヘッ ドの三つの追加の側面に配置されたアレイ３４、３６、及び３８を示す。第９図 は、端面に配置されたアレイ４０を示す。アレイ４０は、並列に接続された二つ のサブアレイ４０ａ及び４０ｂからなる。 アレイ２４乃至４０の各々は、並列に接続された１６個のオプトエレクトロニ ック装置を有し、これらのアレイ自体は直列に接続されている。このように構成 することによって、アレイに必要な電圧を最小にすると同時に入力電流を高くし 光エネルギ出力を高くすることができる。 各アレイは、イグナチウス等に賦与された上掲の米国特許第５，２７８，４３ ２号に開示されているように、セラミック製の基材上に形成されている。 電力は絶縁導線４２及び４４によってアレイ２４乃至４０に提供される。導線 ４６及び４８はサブアレイ４０ａ及び４０ｂの夫々に電力を提供する。サブアレ イ４０ａ及び４０ｂは、絶縁導線５０及び５２によって互いに接続されている。 アレイ２４及び２６は絶縁導線５４（第７図参照）によって互いに接続されてい る。アレイ２６及び２８は絶縁導線５６によって直列に接続されている。アレイ ３０及び３２は絶縁導線５８によって直列に接続されている。第８図では、アレ イ２４及び３４が絶縁導線６０によって互いに接続されている。アレイ３６及び ３８は絶縁導線６２によって直列に接続されている。最後に、アレイ３８及び３ ２は絶縁導線６４によって直列に接続されている。 再び第１図及び第２図を参照すると、支持部材１６は、医師が患者の治療中に 保持するのに適した実質的に円筒体の細長い剛性部材を含む。リブ６５は、支持 部材１６の把持に使用できる。支持部材１６は、好ましくは、生理食塩水等の冷 却流体を受け入れてヘッド１２内に搬送する第１チューブ状通路６６を包囲する のに充分な空間を内部に有する中空チューブである。冷却流体及び熱電冷却機を 使用することによって、ＬＥＤをその定格容量を越えて最大１０倍以上で駆動で きる。支持部材１６は、冷却流体をヘッド１２から遠ざかる方向に搬送する第２ 通路６８を更に有する。通路６６及び６８は、第３図に最もよく示してある。 第３図にも示してあるように、通路６６は、ヘッド１２と一体に形成されたチ ューブ状部材７０にプレス嵌めしてある。同様に、通路６８は、ヘッドと一体に 形成されたチューブ状部材７２にプレス嵌めしてある。 第３図、第５図、及び第６図に最もよく示してあるように、ヘッド１２は、通 路６６及びチューブ７０から冷却流体を受け入れる通路７４を有する。この通路 は、冷却流体をチューブ状部材７２及び通路６８に送る。 ヘッドの温度を制御する手段及び冷却流体を圧送する手段は、第１０図と関連 して最もよく理解される。第１０図では、ヘッドの温度を検出するのに使用され る熱電対７６がヘッド１２に設けられている。熱電対７６は、温度表示／制御装 置８０に接続されたライン７８に供給される電流によって賦勢され、ライン８２ 上の信号を制御装置８０に提供する。一つの適当な制御装置は、コネチカット州 スタンフォードのオメガ社が製造しているＣＮ９００型である。ヘッドの温度が ３５．６℃（９６°F）程度の所定レベルを越えると、制御装置８０の遮断スイ ッチ８６を開くことによって、ライン８４に供給される電力を遮断する。設定点 温度は、ボタン８８を押すことによって上げることができ、又はボタン９０を押 すことによって下げることができる。温度設定ボタン９３を押したときに設定点 温度が制御装置８０のディスプレー９２上に表示されるか、或いはヘッド１２の 現在の温度がディスプレー９２上に表示される。制御装置８０は、２４ｖの電源 ９４で賦勢される。一つの適当な電源は、東光アメリカ社のＳＷ１００−２４Ｆ 型である。 交流ライン電流が、ライン９６及び９８を介して断続スイッチ１００、ヒュー ズ１０２、及び接地済みのプラグ１０４を通して電源９４に提供される。交流ラ イン電流は、ライン１０６及び１０８を介して１２ｖの電源１１０にも提供され る。この電源１１０は、液体−空気式熱電冷却機１１２の賦勢に使用される。適 当な１２ｖの電源１１０は、東光アメリカ社が製造しているＳＷ１００−１２Ｆ 型である。適当な熱電冷却機は、スウェーデン国ゴッセンバーグのクール社が製 造しているＬＡ−０５０−１２−０２型である。交流ライン電流は、ライン９６ 及び９８を介して制御装置８０に提供される。 冷却流体は、ポンプ１１４を介してヘッド１２に圧送される。ポンプ１１４は 通路６６を通して流体を圧送する。適当なポンプ・モータアッセンブリは、カリ フォルニア州コンコルドのマイクロポンプ社が製造しているＭＣＰ０４０型及び ＭＣＰ３３２型である。加熱された流体は、通路６８を通って冷却機１１２内に 戻る。冷却機１１２には、ヒートシンク１１６が設けられている。流体は、次い で、通路１１９を介して水リザーバ１１８に戻される。ポンプ１１４は、リザー バ１１８から通路１２０を介して流体を引き出す。 本発明は、ディフューザー流体をヘッド１２に提供するための手段並びにヘッ ド１２に取り外し自在に取り付けられる取外し自在の膨張可能な光ディフューザ ーを更に有する。 第１図に最もよく示すように、脂質溶液であるのがよい、ディフューザー流体 は、支持部材１６内の通路１２４に相互連結されたチューブ１２２を介して支持 部材１６に提供される。通路１２４は、支持部材１６の基端１６ａの近くに出口 １２６を有する。基端１６ａの近くには、バルーン等の膨張可能なディフューザ ー部材１２８を受け入れるリブ１６ｂも配置されている。膨張可能なディフュー ザー部材は、リブ１６ｂに取り付けられる。別の態様では、大型のディフューザ ーが必要とされる場合には、ディフューザー部材１２８は、リブ６５上に取り付 けられる。チューブ１２２、通路１２４、及び出口１２６を通過した脂質溶液が ディフューザー１２８を所望の大きさに膨張させる。注射器（図示せず）を使用 し、ディフューザー流体をチューブ１２２に加える。第４図に最もよく示してあ るように、チューブ１２４は、ヘッド１２と一体に形成された剛性のチューブ１ ３０にプレス嵌めされている。 勿論、本発明は、侵入的光力学的治療、又は他のディフューザー１２８を用い ない侵入的方法で使用できる。確かに、ＬＥＤアレイがヘッド１２上に対称をな して配置されていることに鑑みると、ディフューザーは、全体として不必要であ る。 本発明は、取り外し自在の反射器１３２（第２図参照）を支持部材１６に取り 付けることにより、局所的非侵入的治療にも使用できる。反射器１３２は、側方 に向いたＬＥＤアレイからの光を反射して第２図に示すような実質的に平行な光 線１３６にする反射面１３４を有する。侵入的方法では、反射器１３２を取り外 し、装置をディフューザー１２８付きで又はディフューザーなしで使用する。 本発明の別の特長は、ＬＥＤアレイに供給される電力を連続的に変化させてア レイの全体としての出力を増減させることができるということである。これは、 第１０図に示す回路によって行われる。第１０図では、電位差計１３６を使用し て所望の電力レベルを設定する。電位差計１３６は、演算増幅器１３８の正入力 端に基準信号を提供する。増幅器１３８の負入力端は、電力用トランジスター１ ４２からライン１４０を介してフィードバック信号を受け取る。トランジスター １４２のベースは、演算増幅器１３８の出力によって抵抗器１４４を通して制御 される。１２ｖの基準電源１４６が、抵抗１４８を通して電位差計１３６に電力 を提供する。 作動では、オペレータが電位差計１３６で所望の電カレベルを設定する。ＬＥ Ｄアレイに供給される実際の電力は、ライン１４０を介して増幅器１３８にフィ ードバックされる。増幅器１３８の出力は、電位差計１３６の設定と対応する電 力がＬＥＤアレイに提供されるように、電力用トランジスター１４２のゲートを 制御する。 本発明の実際の電子装置は、好ましくは、実質的に単色の発光ダイオードであ り、約３００nm乃至１３００nmの波長の光エネルギを出力する。オプトエレクト ロニック装置の波長は、光力学的治療中に使用される特定の感光性染料に基づい て選択される。 本発明を侵入的ＰＤＴ法で使用しようとする場合には、施術前２４時間乃至７ ２時間に患者に感光性染料を注入するのがよい。感光性染料は、悪性細胞に集ま る傾向がある。しかしながら、本発明は、他の方法で患者又は他の生体細胞を照 射するのに使用できる。 本発明の好ましい用途は、悪性脳腫瘍の破壊である。この方法では、外科医は 頭蓋に開口部を形成し、悪性腫瘍の一部を除去する。しかしながら、光が腫瘍内 比較的深くに届くことができるのに充分な程、ＬＥＤの出力波長が長く且つ全電 力出力が大きい場合には、腫瘍の部分を除去する必要がない。いずれにせよ、カ テーテルを頭蓋の開口部に挿入し、次いで、悪性腫瘍内に又は悪性腫瘍の近傍に 挿入する。次いで、電力をカテーテルヘッド及びＬＥＤに提供し、これによって 感光性染料を賦活する。賦活された染料が悪性細胞を上文中に論じたように破壊 する。 本発明を皮膚の病変、皮膚腫瘍、又は皮下腫瘍の局所的ＰＤＴ治療に使用しよ うとする場合、又は植物を照射しようとする場合、反射器をヘッドに取り付け、 ヘッドを所望の場所の上に配置する。次いで電力をＬＥＤに加え、感光性染料を 賦活する。 本発明の幾つかの実施例を図示し且つ説明したが、当業者にとって、本発明の 所期の範囲内の変形例は明らかであろう。従って、本発明は、以下の請求の範囲 によってのみ限定される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．放射エネルギを生体細胞に加えるための装置において、 基端を持つ支持部材と、 前記基端に相互連結された光伝送ヘッドとを有し、該光伝送ヘッドは、 少なくとも二つの側部と、 前記側部の各々に設けられた複数のオプトエレクトロニック装置とを含む、こ とを特長とする装置。 ２．前記支持部材は、細長い剛性部材からなる、請求項１に記載の装置。 ３．前記光伝送ヘッドは、前記側部の各々に設けられた発光ダイオードのアレイ を含む、請求項１に記載の装置。 ４．前記ヘッドの温度を制限するための手段を更に有する、請求項１に記載の装 置。 ５．前記温度制限手段は、 冷却流体を受け入れてこれを前記光伝送ヘッドに搬送する、前記支持部材に設 けられた第１通路と、 前記冷却流体を前記光伝送ヘッドから遠ざかるように搬送する、前記支持部材 に設けられた第２通路とを有する、請求項４に記載の装置。 ６．前記温度制限手段は、 前記光伝送ヘッドの温度を検出するための温度センサと、 前記温度が設定レベルを越えた場合に前記オプトエレクトロニック装置への電 力を減少するための手段とを更に有する、請求項５に記載の装置。 ７．前記オプトエレクトロニック装置に電力を供給する、連続的に変化させるこ とができる電源を更に有する、請求項１に記載の装置。 ８．前記オプトエレクトロニック装置は、波長が３００nm乃至１３００nmの実質 的に単色の光を放出する、請求項１に記載の装置。 ９．前記ヘッドの周りに配置された取り外し自在の反射器を更に有する、請求項 １に記載の装置。 10．光エネルギを生体細胞に提供するために使用されるカテーテルにおいて、 基端を持つ支持部材と、 前記支持部材の前記基端に相互連結された光伝送ヘッドとを有し、該光伝送ヘ ッドは、 少なくとも二つの側部と、 前記側部の各々に配置された、光を放出するオプトエレクトロニック装置のア レイとを含む、ことを特長とする装置。 11．前記支持部材は、 冷却流体を前記光伝送ヘッドに搬送する第１内部通路と、 冷却流体を前記光伝送ヘッドから遠ざかるように搬送する第２内部通路とを有 する、請求項１０に記載のカテーテル。 12．前記オプトエレクトロニック装置は、波長が３００nm乃至１３００nmの実質 的に単色の光を放出する、請求項１０に記載のカテーテル。 13．光エネルギを生体細胞に提供するために使用されるカテーテル用の光伝送ヘ ッドにおいて、 少なくとも二つの側面を持つ実質的に封入された基材と、 前記側面の各々上に配置されたオプトエレクトロニック装置のアレイとを有す ることを特長とする光伝送ヘッド。 14．前記装置は、波長が３００nm乃至１３００nmの実質的に単色の光を放出する 請求項１３に記載のヘッド。 15．前記装置の各々は、実質的に単色の発光ダイオードである、請求項１０に記 載のヘッド。 16．前記基材は少なくとも８つの側面及び一つの端面を有し、オプトエレクトロ ニック装置のアレイが前記側面の各々及び前記端面上に配置されている、請求項 １０に記載のヘッド。