(57)【要約】【課題】輪郭が明瞭な高コントラストのエッジを有する均一な光照射野を提供する。【解決手段】ＬＥＤ光デバイス（１００、１５０、１７０）は、Ｘ線ビーム（２１２）が規定された軸（２１４）に沿って患者（２０６）上の指定した対象ゾーン（２２０）上に導かれるようにＸ線コリメータ（２０４）内で使用することができる。コリメータは、ＬＥＤアレイ（２０２）と光学集光器（１０４、１５４、１７４）とを備えている。ＬＥＤアレイは、円錐角で外方に広がる光ビームを規定された軸方向に導く。光学集光器は、反射表面を有し、光ビームは、該反射表面によって規定されるビーム円錐角でＬＥＤアレイから放出される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発生させるためのＬＥＤと、
高輝度の照明、均一な光照射野及び先鋭なエッジ・コントラストを有するように光ビームを集光させている反射体と、
を備えるＬＥＤ光デバイス。
【請求項２】
前記ＬＥＤが複合放物面集光器（ＣＰＣ）形状の円錐の内部に収容されている、請求項１に記載のＬＥＤ光デバイス。
【請求項３】
外部の複合放物面集光器（ＣＰＣ）形状円錐によって、ＬＥＤからの光を所望の円錐角まで集束させている、請求項１に記載のＬＥＤ光デバイス。
【請求項４】
Ｘ線装置からのＸ線ビームが規定された軸の方向でありかつ患者上の指定した対象ゾーン上まで導かれるように患者及びＸ線装置の互いに対する位置決めを容易にするためのＸ線コリメータであって、
光ビームを発生させこの光ビームを規定された軸の方向に導くための少なくとも１つの高エネルギーＬＥＤアレイであって、該光ビームは該ＬＥＤアレイからあるビーム円錐角で外方に広がっているような少なくとも１つの高エネルギーＬＥＤアレイと、
１つの反射表面を有する光学集光器であって、その光ビームが該光学集光器の反射表面によって規定されるあるビーム円錐角で前記ＬＥＤアレイから放出されているような光学集光器と、
を備えるコリメータの内部にあるＬＥＤベースの光源。
【請求項５】
前記光ビームが前記ＬＥＤアレイから外方に放出されている、請求項４に記載のコリメータ。
【請求項６】
Ｘ線装置と患者を互いに対して位置決めする方法であって、
前記Ｘ線装置に対して、ＬＥＤアレイであって、光ビームを発生させ該ＬＥＤアレイからあるビーム円錐角で外方に広がるように該光ビームを所与の軸の方向に導くためのＬＥＤアレイを設けるステップと、
前記光ビームのパス内にビーム円錐角を外方に広げるためのレンズを位置決めするステップと、
前記光ビームが患者の規定された対象エリア上に入射するように患者及びＸ線装置を互いに対して位置決めするステップと、
前記Ｘ線装置を使用してＸ線ビームを発生させ、前記所与の軸上でありかつ患者の前記規定された対象エリア上まで該Ｘ線ビームを導くステップと、
を含む方法。
【請求項７】
前記光ビームがＬＥＤアレイから外方に１０°〜１５°の間のビーム円錐角で広がっていること、
前記レンズが前記ビーム円錐角を概ね３５°まで広げていること、
を特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記光ビームがＬＥＤアレイから外方に概ね１５°のビーム円錐角で広がっていること、
前記レンズが前記ビーム円錐角を概ね３５°まで広げていること、
を特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
Ｘ線装置であって、
Ｘ線ビームを発生させかつ該ビームを所与の軸の方向に導くためのビーム発生装置と、
該Ｘ線装置からのＸ線ビームが患者上の指定した対象ゾーン上まで導かれるように患者及び該Ｘ線装置の互いに対する位置決めを容易にするためのコリメータであって、
ｉ）光ビームを発生させこの光ビームを所与の軸の方向に導くための少なくとも１つの高エネルギーＬＥＤアレイであって、該光ビームは該ＬＥＤアレイからあるビーム円錐角で外方に広がっているような少なくとも１つの高エネルギーＬＥＤアレイと、
ｉｉ）前記ビーム円錐角を広げるように前記光ビームのパス内に位置決めした少なくとも１つのレンズと、
を含んでいるコリメータと、
を備えるＸ線装置。
【請求項１０】
前記光ビームがＬＥＤアレイから外方に１０°〜１５°の間のビーム円錐角で広がっていること、
前記レンズが前記ビーム円錐角を概ね３５°まで広げていること、
を特徴とする請求項９に記載のＸ線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的にはＬＥＤベースの光源、並びにこうした光源を使用したシステムに関する。本発明は、より具体的には、輪郭が明瞭な高コントラストのエッジを有する均一な光照射野を提供できるＬＥＤベースの光源、並びにこうした光源を使用したシステムまたは装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
輪郭が明瞭なエッジを有する均一な光照射野を提供できる光源に対しては広範な要求が存在している。例えば、こうした光源は自動車や実験器具の用途や、輪郭が明瞭なエッジを有する均質な光照射野が要求されるようなその他の任意の用途で使用することができる。別の例として、これらの光源は、不可視の電磁放射線や粒子ビームを発生させるか使用しているようなシステムなど、様々な医用システムで使用することができる。
【０００３】
不可視の電磁放射線や粒子ビームを用いた医用システムは現在、診断と治療の両方の目的で普及している。一般に患者は、治療及び診断の両方に関して、投光デバイスを基準としてはっきりと規定した位置に配置させると共に、身体の残りの部分に対する無用な放射線を確実に最小にさせるように患者が範囲を十分に限定させた照射を受けるようにする必要がある。放射線源に対するこのような患者位置決めは、放射線ビームの幾何学構成のシミュレーションとなる可視光光源を介して明瞭としている。
【０００４】
特にＸ線を使用する医用システムでは、コリメータと呼ぶデバイスがＸ線吸収材料からなる可動ブレードによって、Ｘ線ビームの範囲を円錐状に規定している。こうしたコリメータは、患者を基準としたＸ線ビームの位置を視覚的に示すための可視光光源を含むことがあり、これによって患者の当該の診断エリアまたは治療エリア上にＸ線が投射されるようになる。コリメータからのあらゆる距離において曝射エリアを正確に表すには、その光線束をＸ線線束と一致させなければならない。光源とＸ線源とは別々の実体であるため、この両者を物理的に一致させることはできず、このため対象からの光学距離がＸ線源と同じになるようにして、光源をＸ線ビームの脇に位置決めしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｘ線ビーム軸を基準とした中心でありかつ光源およびＸ線源から同じ距離に、Ｘ線に対する透明性が高い光学ミラーを配置している。このミラーは、光ビームがＸ線ビームと一致した反射を受けるような角度に傾斜させている。光ビームとＸ線ビームとの重ね合わせを達成するには、光源とミラーの角度との精密な一致が必要である。光源に関連しては、幾つかの追加的な要件が存在する。廉価であること、高輝度を有すること、輪郭が明瞭な光照射野エッジ（良好なコントラスト）を提供すること、並びにサービス寿命が長いことが必要である。
【０００６】
医用システムにおけるＸ線コリメータ及びその他の光源の大部分では、ローカライザ光用の低電圧のハロゲン投光器ランプ（例えば、１２Ｖ、１５０Ｗ）が使用されている。これらのランプは、十分な光出力を提供できると共に、フィラメント・サイズが小さいため満足のゆくエッジ・コントラストを提供することができる。しかし、光出力とフィラメント寿命との間には本質的にトレードオフ関係があるため、ハロゲン投光器ランプは定格寿命が短く、典型的には数百時間でしかない。このことは、ランプ交換においてランプの精密な光学的一致が不可欠であるようなコリメータ用途では欠点となり、この作業は熟練したサービス・エンジニアや技能者による実行が必要である。このことは、不定期のダウンタイムや頻繁なランプ交換に関する労働コストにつながる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様では、光ビームを発生させるためのＬＥＤと、高輝度の照明、均一な光照射野及び先鋭なエッジ・コントラストを有するように光ビームを集光させている反射表面と、を備えるＬＥＤ光デバイスを提供する。
【０００８】
一例として本発明の第２の態様では、そのＬＥＤ光デバイスは、規定された軸に沿いかつ患者上の指定した対象ゾーン上にＸ線装置からのＸ線ビームを導くような患者及びＸ線装置の互いに対する位置決めを容易にするために、Ｘ線コリメータ内で使用することができる。このコリメータの光源は、少なくとも１つの高エネルギーＬＥＤアレイと、１つの光学集光器と、１つのミラーと、を備える。この光ビームは、光コネクタの反射表面によって画定されるビーム円錐角でＬＥＤアレイから放出されている。
【０００９】
このＬＥＤ光源は、コリメータのサービス寿命（例えば、５０，０００時間）を超える長さの定格寿命を有しており、光源から１００ｃｍの距離における強度が２００ルクスを超えており、かつ２ｍｍ×２ｍｍのエリア内にＬＥＤ光源を装着できることが好ましい。さらにこの好ましい実施形態では、その光ビームはＬＥＤ光源から外方に４５°を超えるビーム円錐角で広がっており、またその光学集光器はビーム円錐角を概ね３５°〜４０°に集束させている。この実施形態は、良好な光照射野エッジ・コントラストを提供するために、光源から画像レセプターまでの距離の約１／５の位置に位置決めしたＸ線吸収性の絞り（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）を含むことが好ましい。
【００１０】
本発明は実際に、１５０ワットのハロゲン・ランプを用いて実現できるのと同様の光出力及びエッジ・コントラストを有しており、一方寿命が有意により長くかつ電力が有意により低いような照明デバイスを開発するために利用することができる。それ自体が組み込まれているシステム（例えば、医用コリメータ）のサービス寿命と比べてより長い定格寿命をもつローカライザ・ランプを使用することは、極めて魅力的である。これによって、ランプの現地交換に伴うシステムのダウンタイムやこれに関連する労働コストが不要になる。これによりさらに、ランプへのアクセス及び整列作業に備える必要がないため、システム（コリメータ）の機械設計が簡略化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第１の態様では、高輝度の照明、均一な光照射野、及び先鋭なエッジ・コントラストを提供できるような光源を提供する。光源から所与の距離において絞りが先鋭なエッジ・コントラストを有するようにするには、光源のサイズを小さくする必要がある。
【００１２】
ＬＥＤ光ビームを所望の円錐角まで集約させるには様々な光学設計が存在する。図１は、本発明に従った第１の光デバイス１００を表している。デバイス１００は、光ビームを発生させるためのＬＥＤ１０２と、高輝度の照明、均一な光照射野及び先鋭なエッジ・コントラストを有するように光ビームを集光させる絞り（Diaphragm）１０４と、を備えている。デバイス１００では、絞り１０４は複合放物面コントラクタ（ＣＰＣ）の形状をしており、またこのデバイスでは、ＣＰＣ１０４はダイ１０２のすぐ上を覆っている。このコントラクタは、その左端と右端に円形の開口を有すると共に、左端の開口半径（Ｒ１）は１．５ｍｍでありまた右端の開口半径（Ｒ２）は４．５ｍｍである。コントラクタの長さ（Ｌ）は１５ｍｍであり、またコントラクタから放出される光の円錐角（Ａｎｇｌｅ）は１７．７°（ＦＷＨＭ）である。さらに、その平均照明効率は３５．９％であり、各四分円の中心における照度は１８２．２ルクスであり、最小照度は１３６ルクスであり、また最大照度は１９５ルクスである。
【００１３】
図２は、組み込んだＣＰＣ円錐１０４によって集束させたＬＥＤダイ１０２から対象上への照明パターンを表している。グラフ１１２に示すように、光照射野１１０は、最低照度と最高照度の比が約６２％であるような均一性である。この円錐は、７ｍｍ直径の射出瞳（ｅｘｉｔ  ｐｕｐｉｌ）を有している。ＬＥＤダイから、１メートル離れた０．５×０．５メートルの対象への照明効率は３５％以上である。図３及び４は、デバイス１００を用いて実現される先鋭なエッジ・コントラストを表している。デバイス１００では、平均エッジ・コントラスト（中心線から３ｍｍ下と中心線から３ｍｍ上）は１．５であり、エッジ１１４に沿った１０％〜９０％の範囲は３０ｍｍであり、またエッジ傾斜１１６は４．７９ルクス／ｍｍである。図５は、デバイス１００での使用に適した、単一基板上の４つの１ｍｍ2ＬＥＤからなるようなＬＥＤアレイ１２０を表している。図６は、組み込みレンズを備えるモジュール１２２内のＬＥＤアレイ１２０を表している。５ワット入力のモジュールの光束は、１２０°（ＦＷＨＭ）のビーム角で１２０ルーメン（ｌｍ）である。図７は、ＬＥＤアレイ１２０の可視スペクトル出力１２４を表している。
【００１４】
図８はＬＥＤ１５２及び反射体（ＣＰＣ）１５４を備えた別の代替的ＬＥＤ光デバイス１５０を表し、また図９〜１１はデバイス１５０の照明強度出力を示している。ＬＥＤダイ１５２は市販の組み込みレンズ１５６の内部に収容している。しかし、このパッケージによって投光する光照射野は、医学用途その他の今日の用途で使用するには低過ぎることがある。したがって、ＣＰＣ円錐１５４はＬＥＤ組み込みレンズ・パッケージの最上部でビームを集束するように設計している。外部ＣＰＣ円錐の射出瞳は約１５ｍｍである。図９は、デバイス１５０によって投光されるエリア１５６を示しており、またグラフ１６０はこのエリア全体にわたる照明強度の変動の様子を示している。この実施形態では、ＣＰＣ１５４はダイ・パッケージ１５２を覆っており、Ｒ１＝３．２ｍｍ、Ｒ２＝７．５ｍｍ、Ａｎｇｌｅ＝１５°及びＬ＝１０ｍｍである。さらに、平均照明効率は３７．２％であり、各四分円の中心における照度は１８７ルクスであり、最小照度は１０８ルクスであり、また最大照度は２０３ルクスである。実施形態１５０では、平均エッジ・コントラスト（中心線から３ｍｍ下と中心線から３ｍｍ上）は１．４５８であり、エッジ１６２に沿った１０％〜９０％の範囲は３８ｍｍであり、またエッジ傾斜１６４は４．１７ルクス／ｍｍである。
【００１５】
図１２は、第２の設計１５０と同様であるがＴＩＲ円錐１７４が楕円形状であるような本発明による第３の設計１７０を表している。この外部楕円錐の射出瞳も１５ｍｍである。前出の２つの設計１０４及び１５４と比較して、円錐１７４はより良好なエッジ・コントラストを有している。図１３〜１５はデバイス１７０の照明強度出力を示している。設計１７０は図８に示す設計１５０と同様であるが、ＴＩＲ円錐１７４は楕円形状である。図１３はデバイス１７０により投光されるエリア１７２を示しており、またグラフ１７４はこのエリア全体にわたる照明強度の変動の様子を表している。デバイス１７０は、ＬＥＤ１７２及びＴＩＲ円錐１７４を備えている。この実施形態では、絞り１７４はダイ・パッケージ１７２を覆っている楕円錐であり、Ｒ１＝３．２ｍｍ、Ｒ２＝７ｍｍ及びＬ＝１０ｍｍである。さらに、その平均照明効率は３７．２％であり、各四分円の中心における照度は１６９．１４ルクスであり、最小照度は１２５．１３ルクスであり、また最大照度は１９４．６８ルクスである。実施形態１７０では、その平均エッジ・コントラスト（中心線から３ｍｍ下と中心線から３ｍｍ上）は１．９２３であり、エッジ１８２に沿った１０％〜９０％の範囲は１９ｍｍであり、またエッジ傾斜１８４は７．７１３ルクス／ｍｍである。
【００１６】
図１６は、本発明を医用Ｘ線システムにどのように適用できるかに関する一例として、コリメータ２０４内にＬＥＤベースの光源２０２を有するＸ線装置２００の全体図を表している。治療または検査を実施しようとする患者２０６は、装置２００に隣接して位置決めし、次いでＸ線源２１０によって、焦点２１６から患者の治療ゾーン２２０まで軸２１４に沿ってＸ線ビーム２１２を投射する。この放射線ビームは、電子放射（例えば、放射線治療）や光量子放射とすることができる。Ｘ線装置２００は、水平軸の周りでのＸ線装置の旋回（ｓｗｉｖｅｌ）または回転（ｒｏｔａｔｅ）を可能にしているガントリ（図示せず）によって支持しており、またこれによって、Ｘ線を患者の様々なエリアに導くことができる。
【００１７】
光源２０２からの可視光ビーム２３０は軸２１４に沿って投射されており、オペレータは、この軸並びにこの軸に沿って投射されるビームの寸法を非侵襲的に調整することができる。システム２００を動作モードに切り替えた場合、可視光が放射線ビーム２１２に置き換えられる。鉛ブレード２３４は光ビーム２３０及びＸ線ビーム２１２を治療ゾーン２２０に合わせて制限またはコリメートしている。
【００１８】
図１７は、Ｘ線装置２００の設定に使用する可視光を提供するためにＸ線システム２００内で利用することが好ましいコリメータ２０４の一部分であるような光アセンブリ２４０を表している。一般に、コリメータ２０４は、少なくとも１つの高パワーＬＥＤアレイ２４２と、ビームを所望の円錐角にまで集束させるための１つの光学コントラクタ２４４と、を含んでいる。この好ましい実施形態ではさらに、ＬＥＤアレイ２４２のサイズは、面積が２×２ｍｍ2未満の円または正方形内に装着できるように十分に小さくする必要がある。より一般的な用途では、その絞りを必ずしもＸ線吸収性とする必要はなく、多くの非Ｘ線用途では光吸収性とするだけで十分である。
【００１９】
コリメータのサービス寿命と比べて定格寿命がより長いローカライズ用ランプを使用することには大きな利点がある。こうすると、ランプの現地交換に伴うシステムのダウンタイムやこれに関連する労働コストを排除することができる。これによりさらに、ランプへのアクセス及び整列作業に備える必要がないため、コリメータの機械設計が簡略化される。
【００２０】
図１８は、コリメータ２０４の一部分とすることがあるような代替的なＬＥＤ光アセンブリ２６０を表している。一般に、このＬＥＤ光アセンブリ２６０は、狭いビーム角を有する少なくとも１つの高出力ＬＥＤアレイ２６２と、１つまたは複数のレンズ２６４と、を含んでいる。このＬＥＤアレイは光ビーム２６６を提供しており、また好ましくは、この光ビームは光源から１００ｃｍの距離において少なくとも２００ルクスの輝度を有している。ＬＥＤアレイ２６２のサイズは、好ましくは面積が３００ｍｍ2未満の円または正方形内に装着できるように十分に小さくすべきである。各ＬＥＤ２６２は狭いビーム角（１５°未満の円錐）を有する必要がある。１つまたは複数の光学レンズ２６４を使用すると、ビーム２６６は、患者２０６の対象エリア２２０を投光するように所望の（３５〜４５°の）円錐角まで広げられる。コリメータ２６０の光学系はさらに、仮想ＬＥＤ光源２７０のサイズを小さくさせ、患者対象エリア位置でのエッジ・コントラストをさらに良好にするのに役立てられる。
【００２１】
本明細書で開示した発明は上述した目的を満足させるように適正に計算していることは明らかであるが、当業者であれば多くの修正及び実施形態を考案できること、並びに添付の特許請求の範囲は本発明の真の精神及び趣旨の域内にあるようなあらゆる修正及び実施形態を包含していること、を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明によるＬＥＤ光デバイスの図である。
【図２】図１のデバイスによって投光されるエリアの図である。
【図３】図１の光デバイスによって投光されるエリア上の照明強度を表すグラフである。
【図４】図１のＬＥＤ光デバイスによって投光されるエリアのエッジを表した図である。
【図５】図１の光デバイスで使用できるＬＥＤアレイを表した図である。
【図６】図５のアレイを含むＬＥＤデバイスを表した図である。
【図７】図５のＬＥＤアレイの出力スペクトルを、波長に対する強度の関数として表した図である。
【図８】本発明による代替的なＬＥＤ光デバイスの１つの図である。
【図９】図８のＬＥＤ光デバイスからの照明出力を表している、図２に対応する図である。
【図１０】図８のＬＥＤ光デバイスからの照明出力を表している、図３に対応する図である。
【図１１】図８のＬＥＤ光デバイスからの照明出力を表している、図４に対応する図である。
【図１２】本発明による別のＬＥＤ光源の１つの図である。
【図１３】図１２のＬＥＤ光デバイスからの照明出力を表している、図２に対応する図である。
【図１４】図１２のＬＥＤ光デバイスからの照明出力を表している、図３に対応する図である。
【図１５】図１２のＬＥＤ光デバイスからの照明出力を表している、図４に対応する図である。
【図１６】本発明によるコリメータを有するＸ線システムの模式図である。
【図１７】図１６のＸ線システムで使用する本発明を具現化したＸ線コリメータ光の模式図である。
【図１８】代替的なＬＥＤ光アセンブリの１つの図である。
【図１】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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