DK167131B1 - Fiberoptisk kobler og fremgangsmaade til fremstilling af denne - Google Patents

Description

i DK 167131 B1

Den foreliggende opfindelse omhandler et apparat til overførsel af højenergielektromagnetisk stråling fra en laserkilde gennem en optisk fiber til et mål og af den i krav l's indledning angivne art. Opfindelsen angår des-5 uden en fremgangsmåde til fremstilling af apparatet.

Apparatet ifølge den foreliggende opfindelse er specielt velegnet til brug i apparater til overføring af laserlys til mål såsom blodpropper og atherosclerotiske læsioner.

10

Den almindeligt udbredte sygdom atherosclerose er særegen ved, at der dannes atherosclerotiske læsioner (også kendt som atherosclerotiske plader) på aortas og de store og mellemstore arteriers indervægge. Det væsentligste symp-15 tom i sygdommens tidlige udviklingstrin er forhøjet blodtryk. Hvis sygdommen imidlertid ikke behandles, kan den medføre total tilstoppelse af blodkar, hvilket i sidste ende kan medføre patientens død. De atherosclerotiske læsioner er depoter af fedtholdigt materiale, der er sam-20 menknyttet med fibrøst bindevæv, og der findes også ofte sekundære aflejringer af calciumsalte og blodbestanddele. Humane atherosclerotiske læsioner er særegne ved et stort lipid indhold, der kan udgøre op til 60% af visse fremskredne læsioners tørvægt. Der findes i disse læsioner 25 tre hovedgrupper af lipider, cholesterol, cholesterol estere og phosphorlipider.

En teknik, der sædvanligvis anvendes til udbedring af de skader, der optræder i forbindelse med atherosclerotiske 30 læsioner, er coronar eller kransarterie (bypass) kirurgi, hvor et blodkar, der er fjernet fra en anden del af patientens krop, f. eks. benet, eller et syntetisk karimplant implanteres parallelt med den tilstoppede arterie. Selv om arteriel (bypass) kirurgi er foretaget med stort held 35 i mange år, er det en stor operation med de dertil knyttede uundgåelige risici, og lægevidenskaben har derfor fortsat forsøgt at finde teknikker, der kan reducere vas- DK 167131 B1 2 kulære tilstopninger såsom atherosclerotiske læsioner, uden at der skal udøves "bypass" kirurgi.

En anden teknik der ofte anvendes med stor succes, er 5 transluminal angioplasti, hvor et ballonkateter indføres i det beskadigede blodkar, hvorefter ballonen ekspanderes mod tilstopningen, hvorved der gendannes en kanal i blodkarret. En ulempe ved denne teknik er, at den ikke kan anvendes, når blodkarret allerede er fuldstændig tilluk-10 ket (eller næsten fuldstændig tillukket). Derudover er resultatet af operationen i væsentlig grad en omfordeling (nemlig en kompression) snarere end en fysisk eller kemisk fjernelse af det materiale, der indgår i læsionen, så at det meste af materialet forbliver i det påvirkede 15 blodkar og kan tjene som grobund for yderligere blodpropper.

Man har på det sidste foreslået at reducere blodpropper såsom atherosclerotiske læsioner ved hjælp af laserrevas-20 kularisering, hvor den elektromagnetiske stråling, der frembringes af en laser, overføres af en eller flere optiske fibre til proppen og rettes mod denne. Når det materiale, der danner blodproppen, absorberer laserstrålingen, omsættes det til organiske materialer med forholdvis 25 lav molekylvægt, og disse lavmolekylære materialer opløses og fragtes væk af blodstrømmen. Eksempler på apparater til udøvelse af laserrevaskularisering er beskrevet i USA patentskrift nr. 4 207 874, USA patentskrift nr. 4 418 688, offenetliggjort PCT-ansøgning nr. 8301893, of-30 fentliggjort PCT-ansøgning nr. 8303188 og offentliggjort PCT-ansøgning nr. 8302885.

En væsentlig fordel ved laserreveaskulariseringen er, at den kan medføre fuldstændig fjernelse af en blodprop ved 35 en kirurgisk fremgangsmåde, der er væsentligt mindre in-vasiv end "bypass" kirurgien. På grund af vanskelighederne ved at konstruere et laserkateter system, der ved brug DK 167131 B1 3 sikrer, at laserstrålen er nøje rettet udelukkende mod den uønskede prop, er der imidlertid ved udøvelsen af denne teknik en risiko for beskadigelse af blodbestand-dele og sundt omgivende væv, specielt det omgivende ikke-5 atherosclerotiske blodkarvæv.

Europæisk offentliggørelse nr. 0152766 beskriver en fremgangsmåde til reduktion af en atherosclerotisk læsion uden væsentlig risiko for beskadigelse af omgivende blod 10 og sundt væv, ifølge hvilken fremgangsmåde der anvendes elektromagnetisk stråling, hvor tilnærmelsesvis al den elektromagnetiske stråling, der rettes mod læsionen, har en bølgelængde i det ultraviolette eller synlige område, ved hvilken energi absorberes selektivt sammenlignet med 15 absorptionen for blod og ikke atherosclerotisk blodkarvæv af en læsionskomponent, der er tilstede i læsionen ved en større vægtprocentdel (på tørstofbasis) end i blodet og det omgivende ikke-atherosclerotiske blodkarvæv. Den følgende reaktion og dekomposition af den aktuelle læsions-20 komponent medfører direkte læsionens reduktion, uden væsentlig risiko for beskadigelse åf det omgivende blod, eller skulle den elektromagnetiske stråling utilsigtet blive styret forkert, af det omgivende sunde væv. Den elektromagnetiske stråling, der rettes mod læsionen, er 25 fortrinsvis monochromatisk, dvs. at al stråling fortrinsvis ligger inden for et snævert bølgelængdeområde. Fortrinsvis frembringes den monochromatiske elektromagnetiske stråling af en laser og bringes i umiddelbar nærhed af læsionen ved hjælp af i det mindste én optisk fiber.

30 Monochromatisk ultraviolet energi frembringes fortrinsvis af en excimer laser.

Cholesterol, der er en vanlig del af atherosclerotiske læsioner, absorberer selektivt elektromagnetisk stråling 35 ved en bølgelængde på ca. 248 nm, og en behandling som ovenfor beskrevet med laserlys af denne bølgelængde medfører en reduktion af læsionen.

DK 167131 B1 4 Når termen "reduktion af en atherosclerotisk læsion" eller lignende anvendes i denne ansøgning, menes der hermed en væsentlig reduktion af læsionens størrelse. Fortrinsvis fortsættes behandlingen, til der er opnået en tilnær-5 melsesvis fuldstændig fjernelse af læsionen.

Anvendelsen af elektromagnetisk stråling ved en given bølgelængde til selektivt at reducere eller fjerne athe-rosclerotiske læsioner beror ikke på anvendelsen af et 10 specielt fremføringssystem, men kun på anvendelsen af denne type stråling. Ved et fra JP-A-52.134449 kendt apparat, der vedrører en fiberoptisk kobler er overførselsvirkningsgraden fra laseren til fiberen imidlertid utilfredsstillende lav, hvilket reducerer apparatets brugs-15 værdi.

Opfindelsen har til formål at afhjælpe eller reducere denne ulempe ved et apparat af den omhandlede art ved at angive en kobler, som giver en bedre overførselsvirk-20 ningsgrad end den i det kendte apparat anvendte.

Dette formål opnås ved, at apparatet er udformet som angivet i krav l's kendetegnende del. Apparatet ifølge opfindelsen er specielt velegnet til, men dog ikke begræn-25 set til, brug ved laserrevaskularisering.

Numerisk apertur, N.A., er en grundliggende karakteristik for en specifik fiber. Denne størrelse kan betragtes som udtryk for størrelsen af "åbningsgraden", af fiberens ac- 30 ceptanskonus. Matematisk defineres numerisk apertur som sinus til acceptanskonus'ens halwinkel «.

En optisk fibers lysindsamlingsevne eller fluxoverfø-ringskapacitet er lig med kvadratet på den numeriske 35 apertur, hvilket er forholdet mellem arealet af en enhedskugle, der er indeholdt i acceptanskonus'en, og arealet af en halvkugle (2 t x topvinklen).

DK 167131 B1 5

Den maksimale vinkel under hvilken lys accepteres til indførsel og ledning gennem en optisk fiber, kan beregnes ud fra Snell's lov: , 2 2, 1/2 5 »A slno max (“ - “ >

C

hvor sine er den numeriske apertur, u, er luftens max A

brydningsindeks (1,00), u. er brydningsindekset for fiber-10 kernen og u er brydnings indekset for fiberkappen.

Den ovenfor angivne formel til beregning af den numeriske apertur tager ikke hensyn til en række fænomener, overfladeuregelmæssigheder og diffraktion, som har tendens 15 til at dekollimere strålen. Som beskrevet herefter vil apparatet ifølge den foreliggende opfindelse eliminere fejl, der skyldes overfladeuregelmæssigheder i fiberen.

Den foretrukne anvendelse af apparatet ifølge opfindelsen 20 er i forbindelse med laserkirurgi, og opfindelsen beskrives specielt med henvisning til denne anvendelse, men apparatet kan også anvendes på mange andre måder, hvor der ønskes en kobling mellem en laserkilde og en strålingsoverføringsenhed, og hvor det er ønskeligt at koncentrere 25 eller fokusere den elektromagnetiske stråling og/eller beskytte overføringsdelen, dvs. den optiske fiber. Et typisk eksempel på en alternativ anvendelse er til lasersvejsning.

30 Opfindelsen angår også fremgangsmåder til fremstilling af det angivne apparat, og det ejendommelige ved fremgangsmåderne ifølge opfindelsen er angivet i krav 4-6.

Opfindelse skal beskrives nærmere i det følgende med hen-35 visning til tegningen, på hvilken: DK 167131 B1 6

Fig. 1 skematisk viser en optisk fibers acceptanskegle, og fig. 2 er et skematisk billede af en foretrukken udførel-5 sesform for opfindelsen.

Fig. 1 viser en acceptanskonus 1 for stråling, der træder ind i en optisk fiber 2. Sinus til halvvinkelen a definerer fiberens numeriske apertur.

10

Det i fig. 2 skematisk viste apparat er en kobler 3, der omfatter et konisk legeme, hvis ene ende er konveks og udgør en fokuseringslinse 4. Den koniske kobler er ved sin anden ende fastgjort til en optisk fiber 2 og udgør 15 sammen med denne en integreret enhed.

Koblerens spidsning er defineret ved vinkelen Θ. Fokuseringslinsen afbøjer den elektromagnetiske stråling, der passerer gennem kobleren, mod den optiske fibers ind-20 gangsoverflade. Herved opnås en reduktion af strålingstværsnittet, og da kobleren er integreret i fiberen, forårsager denne koncentrering af energien ikke nogen nedbrydning af den optiske fibers materiale.

25 Apparatet ifølge opfindelsen, der i al væsentligt er en integreret optisk fiberkobler, gør det muligt at overføre elektromagnetisk stråling med højt energiindhold, nærmere betegnet ultraviolet stråling, fra en laser til en optisk fiber. Fortrinsvis er den integrerede enhed fremstillet 30 af smeltet silica med et brydningsindeks på fra 1,43 til 1,47. Når dette materiale anvendes, er topvinkelen fortrinsvis 9,79°.

Kobleren er fortrinsvis indrettet til funktion sammen med 35 en laser, der frembringer stråling med en bølgelængde fra 100 til 2000 nm, fortrinsvis omkring 248 nm.

DK 167131 B1 7

Ved en særlig foretrukken udførelsesform er laseren en kryptonfluorid excimer laser, der frembringer ultraviolet stråling med en bølgelængde på 248 nm.

5 Kobleren ifølge den foreliggende opfindelse bevarer ikke alene energiindholdet i laserimpulsen, men gør det også muligt at beskytte fiberens indgangsflade. Da det er næsten umuligt at polere en optisk fibers overflade så godt, at uregelmæssigheder der er mindre end 1 laserbøl-10 gelængde, som i tilfælde af den nævnte excimerlaser er 0,2 mikrometer, fjernes, vil kobleren ifølge opfindelsen, idet den er integreret med fiberen, fungere som en fysisk forlængelse af fiberen, og derved gøre det muligt at opnå energioverførsel til fiberen, uden at dennes indgangsfla-15 de beskadiges.

Frembringelsen af kobleren som en integreret del af den optiske fiber kan ske på forskellige måder, og ifølge den foreliggende opfindelse er der tre foretrukne fremgangs-20 måder til opbygningen af denne kobler.

Den første foretrukne fremgangsmåde til fremstilling af et apparat ifølge opfindelsen går ud på, at en stav smeltet silica trækkes til et konusformet legeme, hvis ene 25 ende krummes til en konveks, fokuserende linse, og hvis modstående, tynde ende bringes til at have tilnærmelsesvis den samme diameter som den optiske fiber, til hvilken konus'en skal fastgøres. Konus'en fastgøres til den optiske fibers indgangsende ved sammensmeltning, hvorved der 30 opbygges en integreret fiber/koblerenhed. Den konusformede dels spidse ende smeltes fortrinsvis fast til fiberen ved hjælp af lysbuesvejsning.

En anden foretrukken fremgangsmåde til frembringelse af 35 et apparat ifølge opfindelsen går ud på at frembringe den konusformede kobler som en integreret forlængelse af en optisk fiber ved at frembringe den optiske fiber ved en DK 167131 B1 8 sædvanlig trækkeproces, idet trækkehastigheden nedsættes, hvorved fiberens diameter forøges i umiddelbar nærhed af det punkt, hvor fibermaterialet ekstruderes, og det er da muligt at styre trækkehastigheden og det tryk, der på-5 trykkes fibermaterialet, på en sådan måde, at den ene ende af fiberen bliver konusformet med de ønskede mål.

En tredje foretrukken fremgangsmåde til frembringelse af et apparat ifølge opfindelsen går ud på at bearbejde en 10 stav af smeltet silica til dannelse af et konusformet legeme, idet diameteren ved den ene ende af dette legeme er større end diameteren af den optiske fiber, til hvilken det konusformede legeme skal fastgøres, hvorefter den optiske fibers indgangsende ved hjælp af sædvanlige opvarm-15 nings- og presseteknikker påvirkes til frembringelse af en lille udbulning, der har i det væsentlige samme diameter som det konusformede legemes tynde ende, hvorefter fiberen og konus'en samles ved konus'ens tynde ende. Det konusformede legeme og den optiske fiber samles fortrins-20 vis ved opvarmning.

Ved brug af apparatet ifølge den foreliggende opfindelse træder ultraviolet stråling med en bølgelængde på 248 nm, der f. eks. frembringes af en laser, ind i kobleren gen-25 nem en apertur, der fjerner enhver aberration i den oprindelige laserstråle. Strålingen passerer da ind i kobleren gennem den fokuseringslinse, der er frembragt på kobleren, og derefter, uden at der sker nogen medieovergang, ind i den optiske fibers indgangsoverflade.

30

Hvis det ønskes, kan kobleren indsættes i en koblerholder. Derved kan et metalsvøb anvendes til at justere kobleren ind i forhold til laserstrålen således, at strålen træder ind i kobleren parallelt med linsefladens normal.

Typiske dimensioner for en foretrukken udførelsesform for opfindelsen er som følger: 35 DK 167131 B1 9

Kernediameter af den optiske fiber er mellem 200 til 600 mikrometer.

Fiberen og kobleren er fremstillet af smeltet silica med 5 brydningsindeks på 1,43 til 1,47.

Topvinklen er ca. 9,79°.

Fiberens numeriske apertur er mellem 0,1 til 0,5.

10

Hele enhedens længde er ca. 2 meter.

Den ovenfor angivne udførelsesform er indrettet til at fungere med elektromagnetisk stråling fra en laser, hvil-15 ken stråling har en bølgelængde fra 100 nm til 2000 nm, fortrinsvis 100 til 400 nm. Specielt foretrækkes der ultraviolet stråling med en bølgelængde på 248 nm, hvilken stråling frembringes af en kryptonfluorid excimer laser.

20 Den ovenfor beskrevne udførelsesform for opfindelsen er specielt velegnet til brug ved laserkirurgi. Ved en sådan operation kan den optiske fiber indføres direkte i en arterie, eller man kan alternativt, for at betragte laserstrålingens virkning på en arteriosclerotisk læsion, åbne 25 arterien i langsgående retning og positionere fiberen vinkelret over målet, hvorved det er muligt at fotografere laserens virkning, når de arteriosclerotiske plader ødelægges. Denne form for operationer vil normalt udføres af en karkirurg eller en hjertekarkirurg.

30

Fiberen kan også indføres perkutant i en arterie, med henblik på ødelæggelse af helt eller delvist aflukkende arteriosclerotiske læsioner.

35

Claims (6)

1. Apparat til overførsel af højenergielektromagnetisk 5 stråling fra en laser til en optisk fiber (2), omfattende en konusformet kobler (3), på hvis basisende der findes en konveks flade (4), der tjener som en fokuserende linse, som er indrettet til at modtage stråling fra laseren og til at lede denne stråling ind i og gennem den optiske 10 fiber (2), og hvis anden ende er fastgjort til indgangsenden af den optiske fiber (2) til dannelse af en integreret del af denne, kendetegnet ved, at kobleren (3) er fremstillet af et materiale med samme brydningsindeks som den optiske fiber og har en halv topvin-15 kel Θ, der er defineret ved ligningen: θ= sin _1 (N.A./u) hvor N.A. er det numeriske apertur af fibermaterialet, og 20 u er koblermaterialets brydningsindeks ved den indfaldende strålings bølgelængde.

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den integrerede optiske fiber (2) og kobler (3) er frem- 25 stillet af smeltet silica med et brydningsindeks på fra 1,43 til 1,47.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at den halve topvinkel er ca. 9,79°. 30

4. Fremgangsmåde til fremstilling af et apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at en fast stav af smeltet silica trækkes ud til et konusformet legeme, hvis tykke ende formes til dannelse af en konveks fokuserings- 35 linse, og hvis tynde ende har tilnærmelsesvis den samme diameter som en optisk fiber, til hvilken det skal fastgøres, hvorefter det konusformede legemes tynde ende og DK 167131 B1 11 den optiske fibers indgangsende smeltes sammen til frembringelse af en integreret enhed.·

5. Fremgangsmåde til fremstilling af et apparat ifølge 5 krav 1, kendetegnet ved, at den konusformede kobler frembringes som en integreret forlængelse af en optisk fiber, ved frembringelse af den optiske fiber ved en sædvanlig trækkeproces, idet trækhastigheden reduceres, hvorved fiberdiameteren øges nær det punkt, hvor fΙ-ΙΟ bermaterialet ekstruderes, idet trækhastigheden og det tryk, der påføres formen, styres således, at fiberen tildannes i den ønskede konusform.

6. Fremgangsmåde til fremstilling af et apparat ifølge 15 krav 1, kendetegnet ved, at en fast stav af smeltet silica bearbejdes til et konusformet legeme, hvis tykke ende har en diameter, der er større end diameteren af en optisk fiber, til hvilken det konusformede legeme skal fastgøres, hvorefter den optiske fibers indgangsende 20 opvarmes og presses til frembringelse af en lille udbulning med en diameter, der er sammenlignelig med det konusformede legemes mindste diameter, hvorefter udbulningens overflade smeltes sammen med det konusformede legemes tynde ende til frembringelse af en integreret enhed. 25 30 35