光动力治疗灯 【技术领域】
本发明涉及一种用于光动力治疗(PDT)的照明源(也称灯)
背景技术
光动力疗法(PDT)是一种正在发展中疗法，目前用于治疗各种肿瘤以及包括感染、伤口愈合和各种皮肤病在内的非恶性病。该方法是以专用氧光敏剂和光的交互作用为基础的。临床经验已显示PDT对于包括痤疮角化病和各种皮肤癌在内的几种病理状况的治疗具有超越其它疗法的优越性。PDT临床应用的一般背景资料可见于US6225333，US6136841，US6114321，US6107466，US6036941，US5965598和US5952329。
几种光敏剂可从市场上购得并处于临床应用前或临床开发中，这些光敏剂包括5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)，5-ALA衍生物和卟啉衍生物。现有技术中提出的其它一些光敏剂，例如可参见于Harat，M.等在Neurologia iNeurochirurgia Polska 34，973(2000)，Sharma，S.在Can.J.Ophthalmology36，7(2001)，Pervaiz，S.在FASEB Journal 15，612(2001)，Korner-Stifbold，U.在Therapeutische Umschau 58，28(2001)，Soubrane，G.等在Brit.J.Ophthalmology 85，483(2001)，Despettre，T.等在J.Fr.Ophthalomologie 24，82(2001)，Barr，H.等在Alimentary Pharmacology & Therapeutics 15，311(2001)，Schmidt-Erfurth，U.等在Ophthalmologie 98，216(2001)以及Rockson，S.G.等在Circulation 102，591(2000)中所提到的。
安全和有效的PDT中的一个关键部件是光源。临床应用的光源应满足几个条件：高光强度(即高辐射通量)；易于设置光剂量；关注区域内发射光谱的峰值波长；关注区域内均匀的辐射光强度；具有运行成本低和结构简单的可靠构造。
在现有技术中描述了几种用于PDT的光源：US5441531(DUSA)描述了一种用于PDT方法，该方法包括若干涉及到滤光器和两向色镜的步骤，以便选择正确的波长以及去除红外辐射；US5782895(DUSA)描述了一种包括灯座、滤光器和二向色镜的PDT用照明器，US5961543(Herbert Waldman)描述了一种具有灯光反射器、滤光单元和一对鼓风机的PDT照射装置，US5634711(Kennedy)描述了一种PDT用手提式便携发光装置，US5798523(Theratechnologies)描述了一种PDT用装有电动机的装置，US5843143(Cancer Research Campaign Technology)提出一种非激光光源，其包括输出强度大于每平方厘米75mW、带宽0-30nm范围的高强度灯，US5849027(MBG Technologies)描述了一种非相干性电磁能源，其能够产生大约300-400W的宽波长辐射能，US6007225(AdvancedOptical Technologies)描述了一种采用锥形反光器的定向发光装置，US6048359(Advanced Photodynamic Technologies)描述了涉及用于皮肤病诊断的光学系统的装置和方法，US6096066(Light Sciences Limited Partnership)描述了一种光治疗修补，US6128525(Zeng等)描述了一种用于控制PDT剂量测定地装置，WO00/00250(Genetronics)描述了一种用于细胞电穿孔和对穿孔细胞进行光激发的装置。WO99/10046(Advanced Photodynamic Technologies)描述了一种光发射治疗装置，其包括由合成材料制成的壳体和衬套。WO98/04317(Light Sciences Limited Partnership)提出一种应用高温来增强光疗效果的装置，WO85/00527(M.Utzhas)描述了一种带有多个滤光器特别适用于皮肤病的照射装置，WO99/56827(DUSA)描述了一种包括多个光源用于波状外形表面的光源，EPO604931(Matushita Electric Industrial Co.)描述了一种医用激光装置，WO99/06113(Zeng等)描述了一种用于控制PDT剂量测定的装置，WO84/00101(The JohnHopkins University)描述了一种监控PDT效果和指定治疗光辐射正确剂量的装置。WO45/32441(The Government of the United States of America)提出一种带光导纤维的光传输装置，WO00/25866(Gart)描述了一种用于PDT的装置，其采用带滤光和聚焦装置的非相干光能，用于产生大带宽的辐射能。
用于光动力治疗的其它设备描述于下列专利中：US4576173(JohnsHopkins University)，US4592361(Johns Hopkins University)，US4973848(J.McCaughan)，US5298742(Dep.Health，USA)，US5474528(DUSA)，US5489279(DISA，US5500009(Amron))，US5505726(DUSA)，US5519435(GovemmentUSA)，US5521392(EFOS)，US5533508(PDTSystem)，US5643334(ESC Medical Systems Ltd.)和US5814008(LightScience Limited Partnership)。
代替采用常规灯，现有技术中的几个专利建议采用基于发光二极管(LEDS)的光动力治疗灯；WO94/15666(PDT Systems)，FR2492666(Maret)，WO95/19812(Markham)，US5259380(Amcor)，EP0266038(Kureha KagakuKogyo)，US5698866(PDT Systems)，US5420768(Kennedy)，US5549660(Amron)和US6048359(Advanced Photodynamic Technologies)。
采用LED技术代替常规灯被认为具有很多优点。例如，可以形成一LED阵列覆盖大面积。另外，它们的高效率保证了只需要较少的热消耗。而且，LEDs具有长期的稳定性并因此而较容易设计出适合于工作几万小时的灯。其它一些优点包括运行成本和维修费用低，可增强安全性的低驱动电压，它们的机械坚固特性，压模轻型结构以及容易移动和运输。
然而，尽管采用现有技术所述的LED技术来进行光动力治疗具有显著的优点，但它仍存在一些缺点，这影响了PDT中LED灯的有效率。
采用二维阵列LED灯的主要缺点是光的均匀性不好，难以获得安全和有效的PTD治疗。这是因为LED’s的光图像可例如定形为具有宽输出角的蝙蝠翼形(be bat wing shaped)。采用已知PTD-LED技术的其它不足包括：由于需要液晶冷却系统而造成成本较高和较复杂，较宽的光频(600-700nm)和导致治疗时间长的有限光输出量。
【发明内容】
按照本发明，提供一种用于光动力治疗的照射源，包括一LED(发光二极管)二维阵列并进一步包括用于对LED发射的光进行准直的装置。
通过这种方式准直该光，大大减小了光强度随离照射源的距离的变化，这意味着病人与光源间的距离对所于接收的剂量不起决定作用。这既简化了治疗又使得非平面表面的有效和均匀治疗成为可能。而且在离光源任一有效距离处光强度增加了并且本发明也使得产生更均匀的照射图案成为可能。
在每个LED灯具有一个相关附加透镜系统的情况下，除LED以外再使用透镜可获得最有效的准直并且是最优选的。以这种方式在离身体的任何工作距离处都可获得最均匀的光。
尽管可使用多部件的透镜，但是最好给每个LED提供一单个的附加透镜。用于本发明的优选的透镜是一种可以将光进行引导以便在整个关注区域保证均匀光强度的透镜。一些有代表性的透镜是由合成材料或玻璃制成的透镜。最优选的透镜类型是轴锥体准直光波导。最优选的是这种透镜应设计为可减少散射效应，否则这种效应会引起邻近准直光束的其他的光的外部的光损失。
尽管至此所述的设置提供了明显胜于现有技术的益处，进一步保证了更宽的均匀性光区域，但透镜系统最好是由一些六边形透镜单元组成，这些透镜单元可按六边形图案紧密地组装在一起，最好是在该二极管矩阵上。因此这些单个透镜最好是在平面上呈六边形的、或大体上是六边形的。这本身被认为是有创造力的，所以从另一方面本发明提供了一种PDT灯，它包括按蜂房式图案排列的一般六边形透镜阵列。每个透镜最好靠着邻近的透镜。关注区域上的光强度的变化应该小于+/-15％，优选地小于+/-10％，最好小于+/-7％。
尽管如果需要可以采用低输出，但是按照本发明的光源输出优选地是至少20mW/cm2。同样优选地是基于大约18nm的半最大值全宽(Full WidthHalfMaximum，)(FWHM)，5cm标称距离处输出不超过100mW/cm2。为避免治疗时间过长，优选地5cm距离处的输出大于40mW/cm2。
虽然实际的LED的数量为1-3000，但也可根据照射面积改变LED的数量。较优选的数量为4-512，最优选的数量为8-246个LED。
照射面积可根据透镜排列和LED数量而改变，但优选地为1-3000cm2。
用于照射面积为40mm×50mm的区域的灯可具有例如16个二极管。用于照射面积为90mm×190mm的区域的灯可具有例如128个二极管。各二极管间的距离优选地为2mm-20mm范围；这取决于光强度。
在PDT中，使用例如光卟啉IX是很有有效的，该光的峰值波长优选地为620-645nm范围，更优选地为625-640nm，最优选地为630-640nm。然而该灯也可以具有不同的波长-用不同的LED覆盖其它光敏剂如Photofrin，Phorphycenes，Sn-Etiopurin，m-THPC，NpE6，Zn-Phtalocyanine和Benzoporphyrin的峰面积。
尽管LED基底的灯本身产生的热量少于其它类型的光源，但是该灯仍选择装有病人风扇以冷却病人的目标区域。优选地灯本身带有冷却系统。由此，例如，该灯可装有一冷却风扇，其既可引导空气对LED进行冷却(直接或间接地)又可在与发射光相同的总方向上离开该灯，这样病人的受照射部位可被冷却。例如，由风扇吸进灯内的空气可分为两条气流，一条气流用于一种目的。
这些二极管优选地与一散热的散热片相连接，并且反过来该散热片又可通过风扇所提供的气流被冷却。这可以连续进行或由单恒温开关控制进行，但优选地例如根据温度传感器的输入由微处理器控制。如果需要，可控制LED的温度以便改变峰输出频率。这种控制可由NTC电阻器提供，例如向微处理器提供一个输入。一典型的频率变化是0.2nm/K。
这个构思本身被认为是有创造性的，因此从另一方面考虑，可提供一种用于PDT的光源，其中该光源包括LED阵列并且该LED的输出频率可通过控制它们的温度而改变。
优选地该灯是由微处理器控制的，这样，可另外或可选择地，提供一剂量计时器和/或测定灯使用寿命的计时器(根据总使用期)。也可提供自动测距装置，这样可调整照射剂量(自动或手动地)以根据与该源的距离来修正剩余强度变化。
同样，优选地在微处理器的控制下，也可提供调节光源的装置，这样可以，例如根据存在计算机存储器中的程序随着时间的逝去来改变光的幅值和频率。在某些情况下这种调节可以提供更有效的治疗。例如，要认识到跟随有简短停顿的光脉冲串将允许细胞获得更多的氧。优选地该调节是用户可编程的。提供可调节灯(优选地如刚描述的)本身被认为是具有创造性的并且构成了本发明的另一方面。因此，从本发明的另一方面可见，本发明提供了一种用于PDT的灯，其具有多个在使用中可调节的LED光源。
又一个优选的特征是提供用于减小照明面积的分段措施。因此，例如或者选择性地关闭8组LED，或者在灯内部提供一些罩以防止来自所选定的LED的光到达病人。
虽然，借助于本发明，以及特别是以其优选形式提供的光对于任何PDT应用来说将是足够均匀，但是仍可以通过提供LED机械振荡进一步改进均匀性，使得每个准直过的光束都移动经过靶面。将要明了的是，例如只需要很小程度的移动就能够使一束光的光轴朝着靶上的一点移动一半长度，该点是由邻近光束的光轴的前一位置(即运动之前)所确定的。此外，这个构思被认为是具有独立的创造性的并且构成了本发明的另一方面，因此从另一方面可见，本发明提供了一种用于PDT的灯，其包括一设置为可振荡的光源阵列。
本发明还延伸为一种提供PDT的方法，因此从又一方面可见，本发明提供了一种PDT的方法，其包括根据本发明的任一方面的灯或光源的使用。优选地该方法包括根据本发明的任一优选结构的灯或光源的使用。
【附图说明】
现在将通过实施例并结合附图来描述本发明的
图1是本发明第一实施例的透视图，示出了其安装臂；
图2是图1第一实施例从下方看时的透视图；
图3是图1实施例从上方看时的透视图；
图4是图1实施例的分解图(对应于图2)；
图5是从图1实施例的下面和一侧看时的分解图；
图6是从图1实施例的下面和另一侧看时的分解图；
图7是本发明第二实施例从上方看时的透视图，示出了其安装臂；
图8是从图7第一实施例下方看时的透视图；
图9是从图7实施例上方看时的透视图；
图10是从图7实施例上方看时的分解图；
图11是从图7实施例下面看时的分解图；
图12是表示用于两个实施例中的光学系统的射线的示意图；
图13是表示这些实施例中LED的布置的示意图；
图14是用于本发明的一个透镜的透视图；
图15a和15b示出了用于本发明实施例的透镜的效果；
图16示出了LED结温对峰值波长的变化效果。
【具体实施方式】
首先参见图1，一种光疗灯包括一带有夹钳(未示出)的支撑平衡臂2，一外部电源(未示出)，和一灯头3。该图示出了本发明的第一实施例，而第二实施例也设有一类似的臂(见图7)。该臂使得灯能够固定到例如医生诊疗室中的一桌状表面上。该臂基本上是常规的并允许灯头可移动到待治疗患者身体的一个部位之上的位置处。
现在转而看图2，可以看见第一实施例的灯头3回转地安装到一侧臂2a，该侧臂的形状通常与灯头的外部形状一致。(这在图5中也许看得更清楚，在图5中可见侧臂2a与枢销2c相啮合。)侧臂本身是通过一回转接头4连接到主臂2b上的。回转接头4允许两个成直角的轴的运动，而侧臂与灯头的枢轴安装提供了附加运动。
在外罩6的下表面有一开口，在此可透过薄的漫射体7看到光源5。从图3可以看到外罩6的上部设有以通风孔形式在外罩自身上形成的排气口8。还有一控制面板和显示单元9。
现参见图4-6，可以看到，外罩6是由几个模制塑料部件构成的，它们是：上盖10，下盖11，和端盖12和13。两个端盖上都设有通风孔，以便允许空气穿过使用中的灯流动，端盖13上的那些孔是进气口，端盖12上的那些孔是排气口。
在外罩内具有由几个LED‘S组成的光源，一控制单元，一冷却系统和设在一壳体中的透镜系统。这些部件将在下面作更详细的论述。
该光源由一至二个模块阵列20组成，每个模块阵列包含64个LED21。如图13所示，该LED以蜂房式图案排列(即六边形排列)。每个LED具有630-640nm范围内的峰值波长和5cm处60w/cm2的输出。
在LED阵列20下面的是一透镜组件22，该透镜组件包含透镜23，每一LED一个。在此之下依次是薄漫射体7，其位于下盖11开口的凹口处。
图14示出了透镜23中的一个，图12是表示其操作的射线图。LED 21在该图的底部，而透镜23位于其上。为了清楚起见，省略了漫射体7。由该射线图可见，来自于LED 21的基本上所有的光汇集为位于透镜和LED光轴中心的基本上平行和狭窄的光束。作为下面要讨论的，透镜的效果显示在图15a和15b中。
流入LED模块的电流是通过基于微处理机的控制单元25由电源来提供的，该电源是常规的，因此将不作进一步描述。控制单元不但控制着LED21的电流供应，而且还控制着电冷却风扇和各种其它部件例如灯使用寿命监视器，剂量计时器等等。
为了保持期望的输出射线频率，要使LED’s 21不能太热但又能够控制在一稳定的温度是很重要的。因此风扇是空气冷却系统的一部分，该系统进一步地包括一固定在LED板背部的散热器28。该风扇促使空气移动穿过盖13中的进气口，到达LED阵列20的上面，并穿过冷却肋片经由盖12中的出气口出去。通过一传感器(未示出)来检测该工作温度并提供一反馈系统以使微处理器可控制该温度。
如果需要的话，可以改变该LED的温度以调节该LED的输出峰值波长。LED结温和波长之间存在大致线形的关系。图16示出了表明这种关系的试验结果。在这一试验中，记录了不同LED结温的LED频谱并绘出了峰值波长与结温的曲线图。这显示在图16中，由该图可见峰值波长与结温成正比。对于这些数据点的最佳线性拟合给出了每度C 0.208nm的比例。因此，可以控制LED等的结温以确保光敏剂(例如光卟啉IX)的吸收光谱和LED发射光谱之间的重叠。
该气流事实上在吸入口处被分为两路。一路指向散热器28，另一路设置为将空气吹到病人的皮肤上。这提供了冷却效应，可减轻化学药物反应所引起的疼痛。
在使用中，通过臂2a、2b和夹子(未示出)将灯固定到一个表面。然后再将灯放在要照射的病人皮肤区域的上面。
对灯的控制可在控制面板/显示单元9中看到。
该系统是通过按压ON/OFF按钮来开和关。当开启该系统时，压下该按钮并持续到显示窗口中出现文字“CURELIGHT V x.x，Ser.No：0100XXXX”。然后松开按钮。几秒之后，显示信息“REMAINING LAMP LIFE：XXhXX”。这显示出剩余的FULL LIGHT工作时间，这由微处理器来计算，用小时和秒来显示。当计时器显示0h00时，就不能再使用。还设有一剂量计时器，其指示在一次具体的治疗过程中灯将开多长时间。
通过再次压下ON/OFF按钮，关闭该系统。压下按钮发出嘟嘟声，该系统就关闭了。
为了准确地将灯放到待治疗区域，操作者压下GUIDE LIGHT按钮，打开该低功率灯。然后移动该灯使得正确的皮肤区域处于照射之下。尽管将显示剂量计时器的电流值，但在低亮模式下计时器也不受影响。正常地，除非正在进行的FULL LIGHT处理已停止，这个计时器通常将为0:00。通过再次压下GUIDE LIGHT按钮，将该灯关闭。
如果该灯在压下GUIDE LIGHT按钮之前为FULL LIGHT模式，则该灯切换为GUIDE LIGHT而且计时器将停止。
此外还提供有一PAUSE按钮，其可用于暂时停止该处理。再次压下该按钮将继续进行余下的治疗。
还有一个MODE按钮，其用于选择一SET DOSE功能以便在必要时调整光剂量。该按钮与SET DOSE功能一起使用以调整该剂量值。+/-按钮以1J/cm2的振幅调整该剂量，并且相应的剂量时间将被计算出并同时按分和秒显示。通过保持该按钮被按下将出现快增或快降调节。37J/cm2的光剂量被认为是最有效的。MODE按钮也可用于启动其它一些功能，象减少受照区域部分(较小的治疗区域)。
当正确地设置该灯以后，操作者压下START按钮将该灯切换到治疗强度。当灯处于FULL LIGHT模式时，剂量计时器和灯计时器倒计数，只显示剂量计时器。
当剂量计时器达到0:00时，灯自动关掉并显示闪烁信息“END OFDOSE”。发出脉冲声直到压下RESET按钮(见下面)。
STOP/RESET按钮可用于中断一正在进行的操作或清除“END OFDOSE”或错误信息。
虽然本发明第二实施例在大部分操作方面与第一实施例类似，但从图7-11可见它具有一相当不同的外观和结构。具体的讲，该外罩实际上可作90度旋转，这使得臂2可经由回转接头4直接地连接到外罩的侧面，而不用侧臂。另外，吸气口和出气口设在端盖12，13中，在这里可在接头4的对侧发现它们。
从图10和11可见，灯头3具有一由两端盖12，13和前、后盖(为清楚起见在这些图中未示出)所形成的外罩3。
图11极好地说明了一光源排列，如以前的实施例，其包括一薄漫射体7，一透镜阵列22，LED阵列20和散热器28。然而将注意到，LED和透镜的数量大大地减少，因而要认识到这个灯是打算用于较小皮肤面积。构成该盖的另一部分的是灯的外包层29。
接近该图的最左侧，如前面所论述的，风扇27将空气通过吸入口吸进并引导它到散热器28上面。
在散热器上方设有控制系统和显示器这些可从图10中清楚地看到。
第二实施例的灯与上面有关第一实施例所讨论的灯的工作方式相同。
最后，在图14中显示了用于两个实施例的一种透镜的一个实例。应注意的是该透镜具有一六边形外形以便它能够装进图13所示的六边形排列中。该透镜是一个准直光波导的轴棱镜并被加工成型使得它可提供如图12所示的基本上准直过的光束。
图15a和15b示出了说明透镜阵列22效果的试验结果。带有(图15a)和没有透镜(图15b)的两个LED阵列放在毛玻璃下面并在毛玻璃和照相机之间相距同样距离之处进行照相。由图15a可见透镜将光聚集到一限定区域，而在图15b中光更分散些。
如前所述，由于有效地准直了光束，灯和病人之间的距离对所输送的剂量(光能)并不是起决定性作用的。这不仅意味着灯离病人皮肤不必有一精确距离，而且还意味着可以有效地治疗非平面的表面，而在凸起的和低的区域之间的剂量没有明显的变化。