ИСТОЧНИК СВЕТА С НАСТРОЕННЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ
LIGHT SOURCE WITH ADAPTED SPECTRAL DISTRIBUTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к твердотельным светоизлучающим устройствам, приборам и осветительным системам, использующим преобразующие длину волны материалы для обеспечения желаемого спектрального распределения.
Предпосылки создания изобретения
Флуоресцентными биомаркерами (биологическими маркерами) являются флуоресцентные молекулы, которые могут быть использованы для обнаружения биологического состояния или процесса, такого как патогенное состояние или процесс, или конкретного типа клеток или тканей. Флуоресцентные биомаркеры могут быть использованы, например, для обнаружения таких заболеваний, как рак. Флуоресцентные молекулы могут быть введены в пациента или биологический образец и скапливаются в месте раковой опухоли. При облучении возбуждающим светом флуоресцентные молекулы излучают свет заранее заданной длины волны. Таким образом, местонахождение раковых тканей может быть определено по локализации флуоресцентного сигнала. Однако флуоресцентный сигнал может быть трудным для обнаружения, особенно в условиях операционной, которая требует сильного освещения.
US 2011/0082369 раскрывает установку для отображения медицинских изображений во время минимально инвазивной хирургической операции. Установка нацелена на улучшение клинического использования одновременного отображения изображения ткани в белом свете и улучшенного изображения ткани, которое выполнено визуализирующим, например, с помощью инъекции флуоресцирующими или излучающими биомаркерами. Установка содержит дисплей, который отображает ненасыщенное изображение ткани и улучшенное цветное изображение в сочетании с ненасыщенным изображением. Относительная яркость между ненасыщенным изображением и улучшенным цветным изображением устанавливается так, чтобы обеспечить улучшенное информационное содержание.
Тем не менее, в данной области остается потребность в улучшенных средствах обнаружения флуоресцентных молекул, особенно флуоресцентных биомаркеров, в частности, в операционных.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в преодолении этой проблемы и обеспечении источника света, в частности прожектора, имеющего спектр излучения, который предназначен для облегчения обнаружения флуоресцентной молекулы.
В соответствии с первым аспектом данного изобретения эта и другие цели достигаются с помощью прожектора, предназначенного для производства белого света, содержащего:
- по меньшей мере один твердотельный светоизлучающий элемент, предназначенный для излучения первичного света, и
- множество преобразующих длину волны материалов, предназначенных для преобразования части упомянутого первичного света во вторичный свет, выполненное в виде массива независимых преобразующих длину волны областей, содержащих преобразующие длину волны материалы, производящие различные полосы или пики излучения вторичного света, при этом каждый преобразующий длину волны материал выполнен с возможностью преобразования первичного света во вторичный свет с другим диапазоном длин волн, при этом общее излучение упомянутого вторичного света, обеспеченное упомянутыми преобразующими длину волны материалами, предусматривает широкополосный спектр излучения за исключением по меньшей мере одного определенного узкого диапазона длин волн, в котором прожектор не создает или создает значительно ослабленное световое излучение, и при этом комбинированное излучение света, преобразованного преобразующими длину волны материалами, является управляемым с целью образования спектра излучения без или значительно ослабленным световым излучением в упомянутом по меньшей мере одном определенном узком диапазоне длин волн.
Под «прожектором» подразумевается искусственный источник света, создающий относительно сфокусированный световой пучок для освещения определенной или ограниченной площади (в отличие от лампы или светильника для общего освещения).
Используемый здесь термин «полоса длин волн» относится к диапазону длин волн электромагнитного спектра, данному в нанометрах (нм). «Полоса длин волн» и «диапазон длин волн» могут использоваться взаимозаменяемо.
Используемый здесь «полоса излучения» относится к диапазону длин волн или полосе длин волн света, который излучается, например, светоизлучающим элементом или люминесцентным материалом. Полоса излучения часто включает в себя пик излучения с максимумом интенсивности где-то в пределах полосы излучения и с более низким излучением на концах диапазона. В контексте настоящего изобретения «широкополосное излучение» обычно относится к полосам излучения с пиком излучения, имеющим полную ширину на половине высоты (ПШПВ) более 50 нм. Следовательно, «широкополосный спектр излучения» относится к спектру излучения, включающему в себя такой пик излучения.
Кроме того, «узкополосное излучение», «узкая полоса излучения» относится к полосам излучения с пиком излучения, имеющим полную ширину на половине высоты (ПШПВ) 50 нм или менее.
«Узкий диапазон длин волн» в контексте полосы длин волн, в которой не имеется или имеется только небольшое световое излучение, как правило, относится к диапазонам длин волн, имеющим охват 100 нм или менее, такой как 60 нм или менее, например, 50 нм или менее.
В контексте настоящего изобретения свет, излучаемый твердотельным светоизлучающим элементом, называют «первичным светом» или иногда «светом накачки» и он обычно предназначен для по меньшей мере частичного преобразования люминесцентным материалом. Первичный свет может быть видимым светом, например, синим или фиолетовым светом, или может быть ультрафиолетовым светом.
Свет, излучаемый люминесцентным материалом (преобразующим длину волны материалом) при преобразовании первичного света, может называться как «вторичный свет» или «преобразованный свет». Этот свет, как правило, является видимым светом.
Прожектор в соответствии с данным изобретением в особенности подходит для освещения объекта, генерирующего флуоресцентный или люминесцентный сигнал, подлежащий обнаружению. Спектр излучения прожектора может быть предназначен для облегчения обнаружения любого флуоресцентного или люминесцентного сигнала. Прожектор может излучать белый свет полного спектра за исключением спектральной «дыры», расположенной в полосе длин волн, которая может соответствовать излучению люминесцентной молекулы (маркера). Под «соответствует» здесь понимается, что полоса длин волн «дыры» и полоса длин волн флуоресцентного сигнала являются одинаковыми или по существу одинаковыми, или по меньшей мере частично перекрываются.
Поскольку прожектор в целом создает белый свет, предпочтительно имея точку цветности на или рядом с линией цветности черного тела, как показано на цветовом графике Международной комиссии по освещению (МКО), он обеспечивает общее освещение высокого качества для многих применений, включая хирургию.
Прожектор содержит множество преобразующих длину волны материалов, каждый из которых выполнен с возможностью преобразования первичного света во вторичный свет с другим диапазоном длин волн, при этом каждый преобразующий длину волны материал выполнен с возможностью вносить вклад в спектр общего излучения по меньшей мере одной полосой или по меньшей мере одним пиком излучения, и при этом комбинированное излучение света, преобразованного преобразующими длину волны света материалами, является управляемым с целью образования спектра излучения без или со значительно ослабленным световым излучением в упомянутом по меньшей мере одном определенном узком диапазоне длин волн. Таким образом, спектром общего излучения можно управлять для облегчения обнаружения конкретного флуоресцентного или люминесцентного сигнала.
В частности, прожектор содержит массив независимых преобразующих длину волны областей, при этом различные преобразующие длину волны области содержат преобразующие длину волны материалы, создающие различные полосы или пики излучения вторичного света. Такие преобразующие длину волны области могут быть независимо управляемыми, например, с помощью соответствующего СИДа с накачкой или с помощью экранирующего элемента. В некоторых вариантах осуществления прожектор может дополнительно содержать экранирующий элемент, выполненный с возможностью экранирования по меньшей мере одной преобразующей длину волны области от приема первичного света. Экранирующим элементом можно управлять для экранирования различных преобразующих длину волны областей. В качестве альтернативы или дополнительно прожектор может содержать множество независимо управляемых твердотельных источников света (светоизлучающих элементов), при этом каждая преобразующая длину волны область выполнена с возможностью приема света, излучаемого одним из упомянутых независимо управляемых твердотельных источников света. По меньшей мере один преобразующий длину волны материал может содержать один или несколько типов квантовых точек. В качестве альтернативы или дополнительно упомянутый по меньшей мере один преобразующий длину волны материал содержит один или несколько типов преобразующих длину волны органических материалов. Как квантовые точки, так и преобразующие длину волны органические материалы являются преимущественными, поскольку они создают узкие полосы излучения и могут быть объединены с другими типами квантовых точек и/или преобразующих длину волны органических материалов для создания белого света полного спектра.
В вариантах осуществления данного изобретения прожектор дополнительно содержит датчик света и блок управления, функционально связанный с упомянутым датчиком света и упомянутым управляемым экранирующим элементом и/или упомянутыми независимо управляемыми источниками света, при этом упомянутый блок управления выполнен с возможностью управления спектром излучения прожектора. Таким образом, прожектор может быть выполнен с возможностью автоматического управления спектром интенсивностей излучаемого света в ответ на флуоресцентный или люминесцентный сигнал, обнаруженный датчиком света.
Прожектор в соответствии с первым аспектом данного изобретения особенно полезен в медицинских или лабораторных условиях, где выполняется обнаружение флуоресцентных маркеров, например, во время операции или во время обследования пациентов или биологических образцов.
Таким образом, в другом аспекте данное изобретение обеспечивает фонарь, содержащий описанный здесь прожектор. Световой фонарь может быть головным фонарем или портативным фонариком.
В другом аспекте данное изобретение обеспечивает хирургическую осветительную систему, содержащую по меньшей мере один описанный здесь прожектор.
Под «хирургическим источником света» подразумевается источник света, такой как прожектор, предназначенный для использования в операционных или больничных условиях, например, для освещения во время операции или медицинского обследования. Под «хирургической осветительной системой» подразумевается осветительную установку, содержащую по меньшей мере один хирургический источник света, соединители и опорную конструкцию, например, для монтажа на потолке или на стене, и необязательно содержащую оптические компоненты, такие как отражатели, линзы и т.д.
В еще одном аспекте данное изобретение обеспечивает применение описанного здесь прожектора для освещения объекта, содержащего флуоресцентную молекулу. В некоторых вариантах осуществления флуоресцентная молекула излучает свет диапазона длин волн, соответствующего диапазону длин волн, в котором прожектор не создает или создает световое излучение низкой интенсивности. В некоторых вариантах осуществления прожектор создает спектр излучения, содержащий пик излучения в диапазоне длин волн, где флуоресцентная молекула имеет пик поглощения; следовательно, излучение от прожектора может обеспечить первичный свет для преобразования флуоресцентной молекулой и тем самым повысить флуоресцентный сигнал.
В дополнительном аспекте данное изобретение обеспечивает способ обнаружения флуоресцентной молекулы, включающий в себя освещение объекта, содержащего флуоресцентную молекулу с помощью описанного здесь прожектора. В вариантах осуществления данного изобретения флуоресцентной молекулой может быть биомаркер, а освещаемым объектом может быть биологический материал.
Наконец, в дополнительном аспекте данное изобретение обеспечивает способ работы прожектора, содержащего светоизлучающее устройство, датчик света и блок управления, функционально связанный с упомянутым датчиком света и управляемым экранирующим элементом и/или независимо управляемыми источниками света, причем данный способ включает в себя:
- обнаружение света, излученного объектом, подлежащим освещению прожектором, как правило, с помощью датчика света;
- управление работой по меньшей мере одного твердотельного светоизлучающего элемента или экранирующего элемента соответственно для предотвращения или ослабления светового излучения диапазона длин волн, излучаемых освещаемым объектом; и
- освещение объекта светом, излученным прожектором.
Как правило, этап управления работой упомянутого по меньшей мере одного твердотельного светоизлучающего элемента выполняется, по меньшей мере частично, с помощью блока управления.
Следует отметить, что данное изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, перечисленных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
Этот и другие аспекты настоящего изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие вариант(ы) осуществления изобретения.
Фиг.1а представляет собой график, иллюстрирующий типовой спектр интенсивности излучения источника света в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Фиг.1б представляет собой график, показывающий спектр излучения флуоресцентной молекулы, которая может быть обнаружена с помощью источника света со спектром, показанным на фиг.1а.
Фиг.2 показывает другой типовой спектр излучения источника света в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Фиг.3 представляет собой вид сбоку светоизлучающего устройства, используемого в вариантах осуществления данного изобретения.
Фиг.4а схематически показывает множество светоизлучающих элементов и преобразующих длину волны материалов, которые использованы в вариантах осуществления данного изобретения, и полученный в результате спектр излучения.
Фиг.4б схематически показывает множество светоизлучающих элементов и преобразующих длину волны материалов, которые использованы в других вариантах осуществления данного изобретения, и полученный в результате спектр излучения.
Фиг.5а представляет собой вид сбоку светоизлучающего устройства, включающего в себя экранирующий элемент, используемый в вариантах осуществления данного изобретения.
Фиг.5б представляет собой график, иллюстрирующий типовой спектр излучения светоизлучающего устройства, показанного на фиг.5а.
Фиг.6а-б представляют собой схематические виды сбоку светоизлучающего устройства, содержащего электрически управляемый экранирующий элемент, используемый в вариантах осуществления данного изобретения.
Фиг.7а представляет собой вид сбоку светоизлучающего устройства, содержащего фильтр определенной длины волны или поглощающий материал.
Фиг.7б представляет собой график, показывающий типовой спектр излучения светоизлучающего устройства, показанного на фиг.7а.
Фиг.8 схематически представляет компоненты источника света, включая датчик света для обнаружения света, излучаемого флуоресцентной молекулой, блок управления и светоизлучающее устройство согласно вариантам осуществления данного изобретения.
Фиг.9 представляет собой блок-схему, представляющую способ работы источника света в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Фиг.10 представляет собой вид сбоку, иллюстрирующий человека, носящего головной фонарь, содержащий прожектор в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
фиг.11 представляет собой перспективный вид, иллюстрирующий хирургическую осветительную систему в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
Изображенные на чертежах размеры слоев и областей преувеличены для иллюстративных целей и приведены, таким образом, для иллюстрации общих структур вариантов осуществления настоящего изобретения. Одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам по всему документу.
Подробное описание
Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлены предпочтительные в настоящее время варианты осуществления изобретения. Это изобретение, однако, может быть реализовано во многих различных формах и не должно быть истолковано как ограниченное изложенными здесь вариантами осуществления; эти варианты осуществления предоставлены скорее для тщательности и полноты и полностью передают объем изобретения специалистам в данной области.
Настоящие изобретатели осознали, что в ходе исследования ткани с введенным флуоресцентным биомаркером во время операции хирургический свет может перекрываться с излучением от маркера, что делает флуоресценцию биомаркеров трудной для распознавания. Изобретатели обнаружили, что использование источника света, как правило прожектора с «дырой» или «провалом» интенсивности в спектре излучения на полосе длин волн, которая соответствует излучению молекулы флуоресцентного маркера, может увеличить обнаруживаемость маркера, все еще обеспечивая белый свет, требуемый для хорошей видимости, например, при хирургической процедуре. Предлагаемый источник света может быть обеспечен с помощью одного или более твердотельных светоизлучающих элементов, таких как светоизлучающие диоды (СИДы), и одного или более преобразующих длину волны материалов (люминофоров), возможно в сочетании с блокирующим или поглощающим длины волн элементом. Кроме того, изобретатели обнаружили, что источник света, который создает спектральный пик, который соответствует поглощению маркера, может дополнительно увеличить обнаруживаемость маркера.
Флуоресцентная маркировка включает в себя ковалентное прикрепление флуорофора к молекуле-мишени, такой как белок или нуклеиновая кислота. Обычно это осуществляется с помощью реакционноспособной производной флуорофора, которая селективно связывается с функциональной группой молекулы-мишени. Молекула-мишень может быть использована в качестве зонда для обнаружения цели в биологическом образце или в организме пациента.
Реакционноспособные флуоресцентные красители доступны из многих источников и могут быть получены с различными реакционноспособными группами для прикрепления к различным функциональным группам в молекуле-мишени. Общие реакционноспособные группы включают в себя:
- Производные флуоресцеина и родамина, такие как FITC и TRITC; реакционноспособные по отношению к первичным аминам с образованием тиоуреидо мостика между представляющим интерес соединением и красителем.
- Сложные сукцинимидил эфиры, такие как NHS-флуоресцеин; реакционноспособные по отношению к аминогруппам с образованием амидной связи.
- Активированные малеимидом флуорофоры, такие как флуоресцеин-5-малеимид; легко реагируют с сульфгидрильными группами. Сульфгидрильная группа присоединяется к двойной связи малеимида.
Кроме того, в качестве флуоресцентных маркеров также могут быть использованы квантовые точки. В вариантах осуществления изобретения может быть использован любой известный тип флуоресцентного маркера.
Фиг.1а представляет собой график, иллюстрирующий типовой спектр интенсивности излучения источника света в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Источник света, который, как правило, является прожектором, излучает белый свет 10 полного спектра за исключением спектральной «дыры» 11. Спектральная «дыра» 11 расположена в диапазоне 12 длин волн, который соответствует излучению 13 флуоресцентной молекулы, схематически изображенному на фиг.1б. Под «соответствует» здесь понимается, что диапазон 12 длин волн «дыры» 11 и диапазон длин волн излучения 13 одинаковы или практически одинаковы, или, по меньшей мере частично, перекрываются.
Данный спектр излучения источника света может быть получен, например, при использовании излучающего синий или УФ свет твердотельного светоизлучающего элемента, как правило, по меньшей мере одного светодиодного элемента и одного или более преобразующих длину волны материалов. Фиг.2 показывает другой типовой спектр излучения источника света в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения, в котором используется по меньшей мере один светодиодный элемент синего свечения и множество преобразующих длину волны материалов, например, квантовые точки и/или органические люминофоры. Упомянутый по меньшей мере один светодиодный элемент обеспечивает синее световое излучение 20, а упомянутые преобразующие длину волны материалы (которые используют для преобразования часть синего света, излучаемого светодиодом) обеспечивают пики 23a, 23b, 23с, 23d, 23e, 23f, 23g, 23h вторичного светового излучения. Смежные полосы излучения преобразующих длину волны материалов могут частично перекрываться, так что получающийся в результате спектр является непрерывным по диапазону длин волн, который шире, чем полоса излучения единственного преобразующего длину волны материала. Кроме того, излучение светодиодного элемента может частично перекрываться с полосой излучения вторичного излучения, например, с пиком 23a. Излучение 23 преобразующих длину волны материалов в сочетании с излучением 20 светодиодного элемента охватывает диапазон длин волн видимого света, обеспечивая тем самым белый свет, за исключением определенного диапазона 22 длин волн, в котором нет излучения, формируя таким образом «дыру» 21 в спектре излучения. Эта дыра, как правило, соответствует излучению флуоресцентной молекулы, обнаруживаемой с помощью источника света.
В некоторых вариантах осуществления, которые будут описаны более подробно ниже, может быть некоторое излучение более низкой интенсивности в полосе длин волн, соответствующей излучению молекулы флуоресцентного обнаруживаемого маркера, однако в таких вариантах осуществления интенсивность излучения этой полосы излучения является значительно более низкой (например, с пиком интенсивности, который составляет 50% или менее, таким как 30% или менее, например, 10% или менее), чем средняя интенсивность остальной части спектра, излучаемого источником света.
Существуют различные способы получения вышеописанных спектров 10, 23 излучения, включающих «дыры» 11, 21.
В вариантах осуществления изобретения спектр, аналогичный показанному на фиг. 2, может быть получен с использованием по меньшей мере одного твердотельного светоизлучающего элемента, в данном случае светодиодного элемента, и множества преобразующих длину волны материалов. Фиг.3 показывает светоизлучающее устройство 100, используемое в вариантах осуществления данного изобретения, содержащее множество светодиодных элементов 101a-e, расположенных на нижней части 102 светоотражающей камеры 103 смешения, содержащей по меньшей мере одну светоотражающую боковую стенку 104 (например, цилиндрическую боковую стенку) и окно 105 выхода света. Каждый светодиодный элемент 101a-e снабжается соответствующим преобразующим длину волны материалом 106a-e, тем самым образуя множество светодиодов с преобразованием люминофором. Однако предусматривается, что нет необходимости располагать преобразующий длину волны материал непосредственно наверху соответствующего светодиодного элемента, как в случае по фиг.3, а он может быть обеспечен в более удаленном месте по отношению к светодиодным элементам. Каждый светодиодный элемент и его соответствующий преобразующий длину волны материал также могут быть обеспечены в отдельной светоотражающей камере, цилиндре, отсеке или т.п. с целью уменьшения перекрестных помех между соседними светодиодами. В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы один или более светодиодных элементов, а преобразующие длину волны материалы 106a-e могут быть обеспечены в удаленном месте от светодиодного элемента(ов), например, в окне 105 выхода света, так что свет, излучаемый конкретным светодиодным элементом, может быть принят более чем одним преобразующим длину волны материалом.
Светодиодный элемент(ы) может излучать, например, синий свет или УФ свет. Если используются светодиодные элементы, излучающие УФ свет, то может быть использован преобразующий в длину волны синего цвета материал для преобразования части ультрафиолетового света в синий свет, а остальные преобразующие длину волны материалы, как правило, предназначены для преобразования УФ света во вторичный свет соответствующих диапазонов длин волн. Если используется излучающий синим светодиодный элемент, то преобразующий в длину волны синего цвета материал может быть исключен.
Каждый тип преобразующего длину волны материала 106a-e обеспечивает отдельную полосу излучения (как правило, включая пик излучения), которая может вносить свой вклад в общий выходной спектр, который, как правило, воспринимается как белый свет. В качестве примера в одном варианте осуществления светодиод синего свечения используется в сочетании с преобразующим в длину волны желтого цвета материалом, преобразующим в длину волны оранжевого цвета материалом, преобразующим в длину волны оранжево-красного цвета материалом и преобразующим в длину волны темно-красного цвета материалом. Однако в светоизлучающем устройстве может отсутствовать преобразующий в длину волны зеленого цвета материал, так что не создается излучения в зеленой части спектра, образуя, следовательно, «дыру» в спектре.
Как показано на фиг.3, в вариантах осуществления настоящего изобретения светоизлучающее устройство может содержать множество светодиодов с преобразованием люминофором, в котором каждый светодиод связан с и накачивает определенный преобразующий длину волны материал. В таких вариантах осуществления преобразующие длину волны материалы 106a-e вместе могут представлять весь спектр видимого света (возможно за исключением синего, который может быть обеспечен первичным светом светодиодного элемента), т.е. источнику света необходимо не иметь конкретного преобразующего длину волны материала для того, чтобы создавать «дыру» в спектре общего излучения. Вместо этого, как схематично показано на фиг.4а, светодиодный элемент 101b, связанный с преобразующим длину волны материалом 106b, излучающим свет в диапазоне длин волн, соответствующем излучению флуоресцентной обнаруживаемой молекулы, может быть просто выключен. В качестве альтернативы, как схематически показано на фиг.4б, светодиодным элементом 101d можно управлять для создания светового излучения низкой интенсивности по сравнению с излучением других светодиодов с преобразованием люминофором, так что излучение упомянутого связанного преобразующего длину волны материала 106d значительно снижается, образуя «провал» в спектре общего излучения.
Светодиодные элементы могут быть независимо управляемыми.
Следует отметить, что спектральная «дыра» или «провал» могут представлять любой желаемый диапазон длин волн, соответствующий излучению любой флуоресцентной молекулы.
В другом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.5а, светоизлучающее устройство 500 содержит множество светодиодных элементов 501a-e, как правило, светодиодных элементов синего свечения, расположенных в пределах камеры смешения света, аналогичной описанной выше со ссылкой на фиг.3. В этом варианте осуществления в световом выходном окне 505 обеспечены множество преобразующих длину волны областей 506a-f для приема света от светодиодных элементов, и каждая преобразующая длину волны область содержит конкретный тип преобразующего длину волны материала. Следует отметить, что число преобразующих длину волны материалов и/или преобразующих длину волны областей не обязательно должно равняться числу светодиодных элементов. В действительности может оказаться возможным использование единственного светодиодного элемента вместо множества светодиодных элементов 501a-e.
Дополнительно, на пути света от светодиодных элементов 501a-e к окну выхода света обеспечивается экранирующий элемент 507 для предотвращения достижения светом от светодиодных элементов по меньшей мере одной преобразующей длину волны области, в данном случае преобразующей длину волны области 506d. Экранирующий элемент 507 может иметь размеры, аналогичные или идентичные размерам преобразующей длину волны области. Фиг.5б показывает типовой спектр излучения, который может быть получен при экранировании преобразующей длину волны области 506d.
Как можно понять из сравнения спектров, показанных на фиг.4а-б и 5б, подобный или идентичный спектр излучения может быть получен с помощью различных средств, в данном случае путем регулирования на понижение или выключения конкретного светодиодного элемента или частичного или полного экранирования конкретного преобразующего длину волны материала от приема первичного света.
В некоторых вариантах осуществления экранирующий элемент 507 является перемещаемым между различными положениями в плоскости между светодиодным элементом(ами) и преобразующими длину волны областями, так что он может управляться с целью экранирования любой из преобразующих длину волны областей 505a-f. Экранирующий элемент может быть механически или электрически управляемым, например, пользователем источника света.
В одном варианте осуществления управление экранирующим эффектом может быть достигнуто с помощью электрического средства. Например, экранирующий элемент может включать в себя электрически управляемый слой, содержащий множество независимо управляемых экранирующих областей, где каждая область выполнена с возможностью экранирования преобразующей длину волны области. Электрически управляемый слой может, например, содержать электрооптическое устройство, оптическими свойствами (в частности, светопропускание) которого можно управлять путем приложения электрического потенциала. Фиг.6а-б иллюстрируют пример такого экранирующего элемента 607 в виде электрически управляемого слоя, содержащего множество независимо управляемых экранирующих областей 607a-f, расположенных на пути света между источником 601 света и преобразующими длину волны областями 606a-e. Каждая экранирующая область 607a-f может быть обратимо переключаемой между светопропускающим состоянием (например, области 607b-f на фиг.6а и области 607a и 607c-f на фиг.6б), где свет (указанный стрелками) может быть принят соответствующей преобразующей длину волны областью, расположенной за упомянутой экранирующей областью, если смотреть от твердотельного светоизлучающего элемента 601, и состоянием с блокированием или экранированием света (область 607a на фиг.6а и область 607b на фиг.6б), в котором экранирующая область является не пропускающей и, таким образом, блокирует достижение светом соответствующей преобразующей длину волны области. Примеры подходящих электрически управляемых приборов включают в себя жидкокристаллические устройства, такие как устройства с дисперсными матрицами типа полимер-жидкий кристалл (ПДЖК) или устройства с жидкокристаллическим гелем, электрофорезные устройства с изменением ориентации доменов в одной плоскости, электрохромные устройства и устройства электросмачивания.
Фиг.7а-б иллюстрирует источник света, содержащий один или более преобразующих длину волны материалов в сочетании с фильтром определенной длины волны или поглощающим материалом. Светоизлучающее устройство 700 содержит один или более светодиодных элементов 701, расположенных в светоотражающей камере 703, необязательно аналогичной описанной выше со ссылкой на фиг.3, и по меньшей мере один преобразующий длину волны материал 706, расположенный в окне 705 выхода света для приема света, излучаемого светодиодными элементами 701. Преобразующий длину волны материал 706 может быть единственным преобразующим длину волны материалом, обеспечивающим широкую полосу излучения, или может состоять из множества различных преобразующих длину волны материалов, излучающих узкие полосы, которые вместе обеспечивают широкую полосу излучения, так что комбинированное излучение светодиодных элементов и преобразующего длину волны материала(ов) может быть воспринято как белое.
Дополнительно, на стороне выхода света преобразующего длину волны материала 706 (то есть за преобразующим длину волны материалом 706, если смотреть на путь света от светодиодных элементов 701a-e) обеспечен фильтр 707 определенной длины волны, который может поглощать и/или отражать свет конкретного диапазона длин волн, соответствующего диапазону длин волн, в котором желательно ослабление или отсутствие излучения, например, зеленого света. Другие длины волн, как правило, пропускаются. Полученный в результате типовой спектр излучения, имеющий провал интенсивности в полосе излучения, представляющий зеленый свет, показан на фиг.7б. Вполне возможно, что фильтр 707 определенной длины волны может полностью блокировать пропускание конкретного диапазона длин волн для образования «дыры» в спектре излучения.
В вариантах осуществления изобретения спектр излучения источника света может содержать пик интенсивности в диапазоне длин волн, в котором флуоресцентная молекула имеет пик поглощения. Следовательно, при подаче дополнительного света возбуждения, источник света может усилить флуоресцентный сигнал от молекулы маркера, освещенной источником света, который может дополнительно увеличить обнаруживаемость молекулы маркера. Пик интенсивности может быть достигнут, например, при использовании дополнительных светоизлучающих элементов и/или преобразующих длину волны материалов, дающих соответствующую полосу излучения, или путем управления светоизлучающим элементом с преобразованием люминофором, дающим соответствующую полосу излучения, для излучения света повышенной интенсивности по отношению к другим светоизлучающим элементам источника света.
В вариантах осуществления изобретения спектр излучения, испускаемого источником света, может быть управляемым в зависимости от флуоресцентной обнаруживаемой молекулы. Например, спектр излучения может быть получен с помощью ручной настройки источника света для создания света, имеющего спектральную дыру в желаемом положении, например, в заданном диапазоне длин волн, который может быть одним из нескольких возможных заданных диапазонов длин волн. В таких вариантах осуществления источник света обычно содержит настраиваемый элемент, который регулируется пользователем источника света, и прибор управления, функционально связанный с настраиваемым элементом и соответствующей частью(ями) светоизлучающего устройства, например, одним или более светодиодным элементом(ами) и/или экранирующим элементом.
В качестве альтернативы, как показано на фиг.8, источник света 810 в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения может быть выполнен с возможностью автоматического управления интенсивностью спектра излучаемого света E в ответ на флуоресцентный сигнал S от объекта 801, содержащего флуоресцентную молекулу 802. В таких вариантах осуществления источник света 810 может включать в себя светоизлучающее устройство 800, которая может быть такой, как описано выше со ссылкой на любую из фиг.3-7, датчик 820 света для обнаружения флуоресцентного сигнала S и блок 830 управления для приема информации от датчика света 820 о флуоресцентном сигнале, при этом блок управления функционально связан с соответствующей частью(ями) светоизлучающего устройства 800 для управления, например, работой светодиодного элемента(ов) и/или экранирующего элемента так, чтобы создавать выходной спектр излучения E без или с ослабленным излучением в диапазоне длин волн, соответствующем обнаруженному флуоресцентному сигналу S.
Фиг.9 представляет собой блок-схему, схематически иллюстрирующую способ работы источника света, например, прожектора в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения. Способ включает в себя этап 910 обнаружения света, излучаемого объектом, содержащим флуоресцентную молекулу. Подразумевается, что объект должен быть освещен источником света. Этап 910 может быть осуществлен с помощью датчика света, как описано выше, или самим пользователем при визуальном осмотре объекта. Этап 920 включает в себя управление работой по меньшей мере одного твердотельного светоизлучающего элемента источника света и/или управление работой экранирующего элемента, чтобы частично или полностью предотвратить или ослабить излучение света в диапазоне длин волн, в котором излучает флуоресцентная молекула, так, чтобы создать настроенный спектр излучения с «дырой» или «провалом» в требуемом положении. Этап 930 включает в себя освещение объекта с помощью источника света, создающего упомянутый настроенный спектр излучения.
В вариантах осуществления изобретения преобразующий длину волны материал(ы) может содержать один или более неорганический люминофор(ы), один или более органический люминофор(ы) и/или квантовые точки.
3
5
12
3
5
12
1-x
3
x
2-x-z
x
5-y
y
8-y
y
z
Примеры преобразующих длину волны неорганических материалов могут включать в себя, но не ограничиваться этим, АИГ (YAlO) или ЛАГ (LuAlO), активированные церием (Ce). АИГ, активированный Ce, излучает желтоватый свет, в то время как LuAG, активированный Ce, излучает желто-зеленоватый свет. Примеры других неорганических люминофорных материалов, которые излучают красный свет, могут включать в себя, но не ограничиваться этим, ECAS (CaAlSiN:Eu, где 0<x≤1; предпочтительно 0<х≤0,2) и BSSN (BaMSiAlNO:Eu, где M представляет Sr или Ca, 0≤х≤1, 0≤y≤4 и 0,0005≤z≤0,05, предпочтительно 0≤х≤0,2). В качестве единственного преобразующего длину волны материала(ов) может быть использован один или более неорганических материалов или он может быть объединен с одним или более органическим люминофором(ами) и/или квантовыми точками.
Органические люминофоры имеют преимущество в том, что ширина полосы и положение спектра излучения в диапазоне длин волн видимого света могут быть легко построены, как желательно, путем выбора конкретной молекулярной структуры, излучающей свет желаемого распределения длин волн. Комбинируя органические молекулы люминофора с различными характеристиками излучения, можно получить спектр излучения с требуемой спектральной «дырой». В настоящем изобретении может быть использовано любое подходящее сочетание преобразующих длину волны органических материалов, необязательно с неорганическим люминофорным материалом(ами) и/или квантовыми точками. Примеры преобразующих длину волны органических материалов, которые могут быть использованы, включают в себя органические люминесцентные материалы на основе производных перилена, например, соединения, продаваемые BASF под названием Lumogen. Примеры подходящих соединений включают, но не ограничиваются этим, Lumogen Red F305, Lumogen Orange F240, Lumogen Yellow F083 и Lumogen F170.
2
2
Квантовые точки представляют собой небольшие кристаллы полупроводникового материала, как правило, с шириной или диаметром лишь в несколько нанометров. При возбуждении падающим светом квантовая точка излучает свет цвета, определяемого размером и материалом кристалла. Поэтому свет определенного цвета может быть создан путем настройки размера точек. Наиболее известные квантовые точки с излучением в диапазоне видимого света основаны на селениде кадмия (CdSe) с такой оболочкой, как сульфид кадмия (CDS) и сульфид цинка (ZnS). Также могут быть использованы квантовые точки, не содержащие кадмий, такие как фосфид индия (InP) и сульфид индия-меди (CuInS), и/или сульфид индия-серебра (AgInS). Квантовые точки демонстрируют очень узкие полосы излучения. Квантовые точки любого конкретного размера, как правило, имеют распределение света (пик излучения) с полной шириной на половине высоты (ПШПВ) в диапазоне 30-60 нм. Кроме того, цвет излучения может быть легко настроен путем настойки размера квантовых точек. в настоящем изобретении может быть использован любой тип квантовой точки, известный в данной области. Однако, по причинам безопасности и заботы об окружающей среде может быть предпочтительно использовать квантовые точки, не содержащие кадмия, или по меньшей мере квантовые точек с относительно низким содержанием кадмия. Квантовые точки на основе кадмия имеют, как правило, меньшую ПШПВ по сравнению с квантовыми точками, не содержащими кадмий.
В вариантах осуществления настоящего изобретения обычно несколько типов квантовых точек используются в сочетании, и необязательно с одним или более другими неорганическим и/или органическим люминофором(ами). В качестве альтернативы в сочетании с одним или более неорганическим и/или органическим люминофором(ами) может быть использован единственный тип квантовой точки.
В качестве примера в вариантах осуществления изобретения может быть использовано множество преобразующих длин волн материалов, как правило, квантовых точек, выбранных из материалов 1-16, имеющих диапазоны излучения, как указано в таблице 1.
Таблица 1
Тип преобразующего длину волны материала
Длины волн излучения (преобразованные)
Цвет излучаемого света
1
400-440 нм
сине-фиолетовый (СФ)
2
440-460 нм
фиолетово-синий (ФС)
3
460-480 нм
синий (С)
4
480-490 нм
зелено-синий (ЗС)
5
490-500 нм
сине-зеленый (СЗ)
6
500-530 нм
зеленый (З)
7
530-560 нм
желто-зеленый (ЖЗ)
8
560-570 нм
зелено-желтый (ЗЖ)
9
570-580 нм
Желтый
10
580-590 нм
оранжево-желтый (ОЖ)
11
590-600 нм
желто-оранжевый (ЖО)
12
600-620 нм
оранжевый (О)
13
620-640 нм
красно-оранжевый (КО)
14
640-700 нм
оранжево-красный (ОК)
15
700-750 нм
красный (К)
16
750-800 нм
ближний инфракрасный (БИК)
Необязательно могут быть использованы вместе все 16 типов материалов, хотя также возможно использование менее 16 различных типов материалов. Например, в вариантах осуществления изобретения могут быть использованы по меньшей мере три и, как правило, по меньшей мере пять различных преобразующих длину волны материалов, выбранных из материалов 1-16, перечисленных в таблице 1. Как правило, используется достаточное количество преобразующих длину волны материалов для обеспечения спектра общего излучения, который дает белый свет, предпочтительно имеющий точку цветности на или рядом с линией цветности черного тела, как показано на цветовом графике МКО.
В вариантах осуществления настоящего изобретения преобразующий длину волны материал может быть обеспечен непосредственно на полупроводниковом светоизлучающем элементе, например, образуя светодиод с преобразованием люминофором, как показано, например, на фиг.3. В качестве альтернативы преобразующий длину волны материал может быть обеспечен на небольшом расстоянии от твердотельного светоизлучающего элемента, что иногда называют как «ближний режим» или «ближней конфигурацией». В других вариантах осуществления преобразующие длину волны материалы могут быть расположены удаленно от твердотельного светоизлучающего элемента (что также называется «удаленным люминофором» или «удаленной конфигурацией»), например, как показано на любой из фиг.5а, 6а-б, 7а.
Несмотря на то, что твердотельный светоизлучающий элемент, описанный выше со ссылкой на чертежи, представлен светодиодным элементом синего или УФ свечения, предполагается, что могут быть использованы и другие твердотельные светоизлучающие элементы, в том числе, например, светодиодные элементы других цветов свечения (например, фиолетового), органические светодиоды (ОСИДы) и лазерные диоды. Твердотельные светоизлучающие элементы в общем являются недорогими и имеют высокую эффективность и длительный срок службы.
Свет (спектр общего излучения), излучаемый светоизлучающими устройствами, источниками света, прожекторами и т.д., описанный здесь, предпочтительно является белым светом, который может иметь точку цветности на линии цветности черного тела, как показано на цветовом графике МКО. Кроме того, излучаемый свет может иметь индекс цветопередачи (CRI) по меньшей мере 80.
В соответствии с настоящим изобретением вышеописанное светоизлучающее устройство преимущественно используют в прожекторе, в частности в прожекторе для применения в качестве или в хирургическом источнике света. Фиг.10 показывает головной фонарь 90, предназначенный для ношения человеком, например, хирургическим персоналом, содержащий прожектор 91, в котором имеется по меньшей мере одно светоизлучающее устройство, как описано здесь. Головной фонарь, как правило, содержит по меньшей мере один прожектор, установленный на регулируемый элемент, приспособленный для ношения на голове. В качестве альтернативы, светоизлучающее устройство, описанное выше, может быть использовано в портативном фонарике.
Фиг.11 показывает другой вариант осуществления изобретения, представленный хирургической осветительной системой 900, содержащей множество прожекторов 92, размещенных здесь по три стандартным для хирургических осветительных систем образом. Осветительная система, как правило, выполнена с возможностью монтажа на потолке помещения, например, операционной комнаты, как показано на фиг.10, или на стене, или на стоящей опоре, например, с помощью регулируемого и/или раздвижного опорного рычага 93.
Вышеописанные светоизлучающие устройства, источники света и прожекторы и т.д. могут быть с преимуществом использованы для освещения объектов, содержащих флуоресцентную молекулу, в частности, флуоресцентную молекулу, которая имеет пик излучения, соответствующий «дыре» или «провалу» в спектре излучения светоизлучающего устройства, источника света, прожектора и т.д., как описано выше. Следовательно, светоизлучающие устройства, источники света и прожекторы и т.д. могут быть применены в способе обнаружения флуоресцентной молекулы, включающем в себя этап освещения объекта, содержащего флуоресцентную молекулу, с помощью источника света, прожектора и т.д. в соответствии с вариантами осуществления данного изобретения.
В вариантах осуществления флуоресцентная молекула может быть биомаркером, а объект, содержащий биомаркер, может быть биологическим материалом. Примеры биологических материалов включают в себя живой и мертвый биологический материал, такой как биологический образец, взятый из живого или мертвого организма; клетки; ткани; органы; и человеческие, и животные объекты, например, пациента, проходящего или собирающегося пройти медицинское обследование, диагностику, лечение и/или операцию.
Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, в пределах объема прилагаемой формулы изобретения возможны многие модификации и вариации. Например, светоизлучающие устройства, источники света, прожекторы и т.д., описанные здесь, могут быть использованы для обнаружения флуоресцентных молекул в условиях и контекстах, отличных от хирургических или медицинских, таких как обнаружение или усиление флуоресцентных сигналов в исследованиях и/или коммерческих применениях в других технических (немедицинских) областях, применениях в системах безопасности, декоративных применениях и т.д.
Кроме того, вариации к раскрытым вариантам осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области при практической реализации заявленного изобретения из изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а единственное число не исключает множества. Тот факт, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована для преимущества.