DE4112275A1 - Vorrichtung zur photodynamischen therapie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung mit einer Lampe als Licht­ quelle, mit einer Lichtquellensteuerungsvorrichtung, mit einer Stromversor­ gung, mit einem Reflektor, mit optischen Filterkomponenten und mit einer Abbildungsoptik. Bestrahlungsvorrichtungen zur Photodynamischen Therapie (PDT) finden in der Onkologie Verwendung, um in Tumoren, bei denen Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs mit einem anregbaren Farbstoff photo­ dynamisch zusammenwirkt, eine Nekrose herbeizuführen.

Bislang wird als Bestrahlungsvorrichtung zur PDT ein Lasersystem, in der Hauptsache der Argon gepumpte Farbstofflaser bevorzugt. Die nötige Anre­ gungsenergie von z. B. 100 Joule des Farbstoffes Hämatoporphyrinderivat (HPD) bzw. Photofrin II bei einem Absorptionsnebenmaximum bei 630 nm erfordert eine Bestrahlungsstärke von z. B. 100 mW/cm² über 1000 sec. an der Tumoroberfläche. Strahlquellenausgangsleistungen von bis zu 4 Watt bei 630 nm genügten daher in den häufigsten Fällen. Diese Leistungsanforderungen, und die Möglichkeit intrakorporale Applikationen mit angekoppeltem Licht­ wellenleiter zu erschließen, ließen den Einsatz eines Lasersystems als Strahl­ quelle wahrscheinlich werden.

Der erfolgreiche Therapieverlauf wird allerdings nicht durch typische Laser­ eigenschaften, wie strenge Monochromasie oder Kohärenz der Laserstrahlung begünstigt. Der für die PDT derzeit meist verwendete Argon Dye Laser hat einen hohen Anschaffungspreis (ca. DM 180 000.- bis DM 220 000.-) und ist als Lasertyp mit besonders hohen Betriebskosten bekannt. Es ist mit hohen jähr­ lichen Service-, Reparatur- und Ersatzteilkosten (ca. DM 20 000.-) zu rechnen. Aufgrund der geringen Zuverlässigkeit bzw. der häufig notwendigen Nach­ justage und Reinigung der optischen Komponenten, wird in Kliniken oftmals die Planstelle eines Lasertechnikers erforderlich.

Das Absorptionsspektrum der photosensiblen Substanz zeigt im genutzten Nebenmaximum bei 630 nm keine schmalbandige Spitze, sondern eine breitere Bande ähnlich der Glockenkurvencharakteristik. Durch jeweilig unterschiedli­ che physiologische Bedingungen, ist mit patientenindividuell abhängigen Wel­ lenlängenverschiebungen der maximalen Absorption um wenige Nanometer zu rechnen. Dies hat zur Folge, daß eine Halbwertsbreite von zumindest +/- 5 nm uni 630 nm des anregenden Lichtes therapeutisch ebenso sinnvoll ist wie 630 nm monochromatischer Laserstrahlung. Je größer allerdings die Bandbreite des Anregungslichtes ist, desto mehr Lichtleistung wird erforderlich sein, um einen mit monochromatischer Anregung vergleichbaren photodynamischen Therapieerfolg zu erzielen. Bei welcher maximalen Bandbreite allerdings der photodynamische den hyperthermen Effekten - infolge höherer notwendiger Strahlungsenergiedepositionen im Tumorgewebe - sinnvoll eindeutig über­ wiegt, muß eine experimentelle Studie zeigen.

Diese Zusammenhänge legen eine Abkehr vom Lasersystem als Bestrahlungs­ vorrichtung und eine Zuwendung zur lichttechnischen Lösung nahe. Bisherige Versuche für die PDT eine Lampe zu verwenden, waren aus folgenden Grün­ den eher gescheitert. Die gewählte Bandbreite des anregenden Lichtes war zu groß, (d. h. < 60 nm). Es ist mit hyperthermen Effekten zu rechnen. Oder: die Bandbreite der Filteranordnung war schmalbandig, hatte aber eine zu kurze Lebensdauer. Absorbierende Filterkomponenten erwärmten sich, und leiteten derart ihre Selbstzerstörung ein.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem, auf das sich sämtliche Patent­ ansprüche beziehen ist, eine eher schmalbandige und effiziente Filterung zu ermöglichen. Bei einem üblicherweise breiteren Emissionsspektrum einer z. B. 1 Kilowatt Lampe (z. B. weißer Strahler) würde weniger als 4% der gesamten abgestrahlten Energie genutzt. Eine effiziente Filterung (hohe Trans­ missions- bzw. Reflexionsgrade und somit geringe Eigenerwärmung der Filter­ komponenten) ist somit unabdingbar. Dichroitisch beschichtete Farbteiler erfüllen diese Bedingung sehr gut. Mit den Ansprüchen 1 und 2 wird durch Kombination von Langpaßfilter und Kurzpaßfilter solcher Farbteiler eine Bandpaßcharak­ teristik des therapeutisch relevanten Wellenlängenbereiches erzeugt. Beide Ansprüche unterscheiden sich darin, ob der transmittierte Anteil (Anspruch 1) oder der reflektierte Anteil (Anspruch 2) des Lampenlichtes nutzbar gefiltert wird. Abhängig von der gewünschten Bandbreite (z. B. größere Bandbreite, da breitbandig absorbierender Farbstoff verwendet wird), des Emissionsspek­ trums der Lichtquelle (z. B. bereits selektiv therapeutisch relevant emittierende Lampe) und der anderen Filterkomponenten (z. B. mit zum Farbteiler entgegen­ gesetzter Charakteristik eines Absorptionskantenfilters) kann bereits mit einem dichroitisch beschichteten Farbteiler eine effiziente Filterung möglich sein (An­ spruch 3). Überdies sind dichroitische Beschichtungen erwerbbar, die zwar als Langpaßfilter oder Kurzpaßfilter vom Hersteller bezeichnet werden, dabei kann aufgrund eines begrenzt herstellbaren Transmissionsbereiches oder Refle­ xionsbereiches funktionell eine Bandpaßcharakteristik gegeben sein (Anspruch 3). Anspruch 4 beinhaltet, daß die in den vorhergehenden Ansprüchen be­ schriebenen Filtercharakteristiken nicht auf gesonderten dichroitischen Strahl­ teilerplättchen im 45 Grad Winkel zur optischen Achse oder auf anderem reali­ siert sind, sondern ganz oder zum Teil bereits auf dem Reflektor der Licht­ quelle aufgetragen ist. (Definition Reflektor hier: Vorrichtung zum Sammeln und Zurückwerfen von Lichtstrahlen in einer bestimmten Richtung. Die geo­ metrische Form könnte elliptisch, paraboloid oder aspährisch sein.) Ein Inter­ ferenzfilter nach Anspruch 5 kann - hohe Transmission des Durchlaßbereiches vorausgesetzt - eine sinnvolle Ergänzung darstellen. Weiterhin könnten un­ erwünschte spektrale Durchlaßbereiche durch Interferenzfilter abgeblockt wer­ den. Hierzu sind auch Absorptionsfilter (Anspruch 6) geeignet. Außerdem sind Absorptionskantenfilter bei Bedingungen wie bei den zu Anspruch 3 erläuterten, gut einsetzbar. Insbesonders sich zu stark erwärmende Absorp­ tionsfilter sollen, sofern sie wohl unverzichtbar sind, nach Anspruch 7 wasser­ gekühlt werden.

Ein weiteres, der in allen Ansprüchen angegebenen Erfindung zugrunde lie­ gendes Problem ist, die Kosten, die mit der Bestrahlungsquelle Laser gegen­ über der Lampe verbunden sind, drastisch zu verringern, die Zuverlässigkeit zu erhöhen, die Bedienerfreundlichkeit und die Handhabbarkeit (geringes Gerätevolumen) zu steigern.

Ein Ausführungsbeispiel soll im folgenden näher beschrieben werden. Von zentraler Bedeutung für die weitere Ausstattung der Bestrahlungsvorrichtung ist die Auswahl des Lichtquellentyps. Es wird vom derzeitigen medizinisch­ technischen Stand der Dinge ausgegangen. Der Farbstoff Photofrin II legt so­ mit den benötigten Wellenlängenbereich um 630 nm fest. Weiterhin soll die Option für intrakorporale Anwendungen durch ein Lichtwellenleiter (LWL)-System gegeben sein. Die Lichtquelle muß somit um 630 nm ausgeprägt emit­ tieren und eine hohe Leuchtdichte besitzen. Den Anforderungen genügen u. a. Xenon-Kurzbogengasentladungslampen, Halogen-Metalldampflampen, Zinn­ halogenid-Lampen, Halogenlampen mit Xenon Füllgas und besonders dotierte Füllgase für Halogen- oder Gasentladungslampen im Leistungsbereich bis 1.2 Kilowatt.

Die Wahl trifft hier die Xenon-Kurzbogengasentladungslampe mit 1 kW. Sie wird in waagrechter Brennlage, in der optischen Achse liegend eingebaut. Der Parabolreflektor ist dichroitisch beschichtet gemäß Anspruch 2. Als Abbil­ dungsoptik kommt u. a. für LWL-einkopplung eine Kondensorlinse oder die Mikroskopobjektivoptik in Frage, für extrakorporale Anwendung ist z. B. prin­ zipiell eine Diaprojektorabblidungsoptik oder eine Bikonvexlinse geeignet. Die Wahl trifft hier die Bikonvexlinse. Danach folgen im optischen Strahlengang Absorptionslangpaßfilter und Absorptionskurzpaßfilter, um die Blockungs­ qualität zu erhöhen.

Ein Lüfter kann seitlich zur optischen Achse oder hinter dem Reflektor sein, falls die spezielle Lichtquelle eine forcierte Kühlung benötigt. Die Xenon-Kurz­ bogenlampe kann mit käuflich erwerbbarem Vorschalt- und Zündgerät betrie­ ben werden. Eine Glättungseinrichtung im Vorschaltgerät sorgt für eine gleich­ mäßig hohe Lichtleistung. Die Stromversorgung ist vom Netz entkoppelt (gal­ vanische Trennung) und durch Entstörfilter (Kondensatoren) weiterhin von äußeren Netzschwankungen unabhängig. Das elektrische System ist gegen Kurzschluß durch eine Sicherung geschützt. Auf der Bedientafel wird der Hauptschalter mittels eines Schlüssels betätigt. Eine Siliziumphotodiode mißt die per Druckknopf eingestellte Strahlleistung, die über ein LCD-Display ange­ zeigt wird.

Das Gehäuse entspricht den Auflagen der MedGV. Es ist derart konstruiert, daß die Umgebung vor UV-Strahlung, Streustrahlung und direkter Blendung durch den Lichtbogen geschützt ist. Bei Zerstörung der Lampe treten keine Glassplitter aus. Ein Schalter schaltet die Stromversorgung bei Öffnen des Ge­ häuses selbständig ab.

Claims (7)

1. Bestrahlungsvorrichtung mit einer Lampe als Lichtquelle, mit einer Licht­ quellensteuerungsvorrichtung, mit einer Stromversorgung, mit einem Reflek­ tor, mit optischen Filterkomponenten und mit einer Abbildungsoptik, dadurch gekennzeichnet, daß die am Austritt emittierte Strah­ lung mit ausreichender Leistung und im therapeutisch relevanten Wellenlän­ genbereich, das heißt wirksam, zur Bestrahlung von beispielsweise Tumoren nach dem Wirkungsprinzip der Photodynamischen Therapie (PDT) geeignet ist, wobei die optischen Filterkomponenten wenigstens je einen dichroitisch be­ schichteten Farbteiler mit Langpaßcharakterristik unterhalb des therapeutisch relevanten Wellenlängenbereiches und mit Kurzpaßcharakterristik oberhalb des therapeutisch relevanten Wellenlängenbereiches enthalten.

2. PDT wirksame Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Filterkomponenten wenigstens je einen dichroitisch beschichteten Farbteiler mit Langpaßcharakterristik oberhalb des therapeutisch relevanten Wellenlängenbereiches und mit Kurzpaßcharak­ terristik unterhalb des therapeutisch relevanten Wellenlängenbereiches enthal­ ten.

3. PDT wirksame Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der Bandpaßcharakteri­ stik des therapeutisch relevanten Wellenlängenbereiches wenigstens ein di­ chroitischer Farbteiler beiträgt.

4. PDT wirksame Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1,2, oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Reflektor des Lichtquellen­ bildes mittels dichroitischer Beschichtung zumindest einen Teil des therapeu­ tisch relevanten Wellenlängenbereiches mit Filtercharakteristik wie in An­ spruch 1, 2 oder 3 reflektiert.

5. PDT wirksame Bestrahlungsvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprü­ chen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens ein Interferenzfilter zur Bandpaßcharakteristik des therapeutisch relevanten Wel­ lenlängenbereiches beiträgt.

6. PDT wirksame Bestrahlungsvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprü­ chen, dadurch gekennzeichnet, daß die dichroitisch beschichte­ ten Lang- und Kurzpaßfilter ganz oder teilweise durch die entsprechenden Absorptionslangpaßfilter und Absorptionskurzpaßfilter ersetzt werden.

7. PDT wirksame Bestrahlungsvorrichtung nach den vorhergehenden Ansprü­ chen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bandpaßcharakteristik des therapeutisch relevanten Wellenlängenbereiches dienende optische Filter­ komponenten wassergekühlt sind.