JPH0459611B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野 本発明は、人体や動物の内部、特に胃、子宮、
膀胱などの臓器内を精密に観察するのに適した医
療用イメージスコープに関する。 従来の技術 医療技術の最近における進歩に伴い、人体や動
物の内部を直接仔細に観察する目的で可撓性、機
械的強度に優れ、しかも可及的に細径の医療用イ
メージスコープが要求されている。 従来、人体や動物用の内視鏡として多数本の多
成分ガラス系光フアイバの束を画像伝送体として
用いたフアイバスコープや多数の光学レンズを従
属配列した所謂レンズスコープが知られている。 レンズスコープは、それが剛直であるために臓
器内への曲所への挿入が困難であつたり首振り機
構を備えつけることができないので観察可能領域
が狭い、極めて高価である、レンズ自体の細径化
に限界がある、などの欠点がある。 従来、医療用イメージスコープとしては、多成
分ガラス系光フアイバの多数本を単に束ねただけ
のマルチプルフアイバを画像伝送路として有する
ものが用いられてきている。このタイプのマルチ
プルフアイバを一層細径化するには、個々の光フ
アイバとして今以上に細径化したのものを用いる
必要があるが、多成分ガラスは一般に含有不純物
が多くてこの含有不純物のために石英ガラスと比
較して線引性が悪く、現在使用されている光フア
イバさえ略限界に近い線引率で製造されたもので
あるので今以上の細径化は頗る困難である。 マルチプルフアイバのもう１つの製造方法とし
て光フアイバの多数本の束を加熱線引きして光フ
アイバ同士を互いに融着させ且つ外径を縮小させ
る方法がある。しかしながら、この方法によつて
も多成分ガラスの上記した含有不純物のために得
られたマルチプルフアイバは脆く、折れ易い欠点
がある。 これに対して石英系ガラスは、線引き性に優れ
ているために基本的構造としてコアとクラツド層
とからなる光フアイバ母材の必要多数本の束を線
引きすることにより、多成分ガラスでは到底製造
することができない細径のマルチプルフアイバを
容易に製造することができる長所を有する。 光フアイバ母材のコア部分がドーパント入り石
英ガラスからなる場合、ドーパントの種類、ドー
パント量などを変えることによりクラツド層との
屈折率差を大きくすることができ、その結果、薄
いクラツド層にても漏光を防止する効果が高くな
るので線引き率を大きくして一層細径のマルチプ
ルフアイバを製造することができる。 解決を要すべき問題点 ところで、コア部分がドーパント入り石英ガラ
スからなる上記の光フアイバ母材を製造するには
たとえばドーパント入り石英ガラス製のコア用ロ
ツドが必要となるが、そのようなコア用ロツドは
イメージスコープの製造用としてではなく、通信
用光フアイバを製造するためのものとして従来実
用されているに過ぎない。しかも、従来のコア用
ロツドはその屈折率分布が第７図における曲線１
として示すようにロツド中心より外表面に向かつ
て屈折率が急激に低下するタイプのものである。
そのため、かかるコア用ロツドを用いてマルチプ
ルフアイバを製造した場合、得られたマルチプル
フアイバはその画素としての各フアイバにおける
中心部のみが明るくて中心より離れるに従い急激
に暗くなり、細径のマルチプルフアイバとする程
伝送画像が極めて見づらいものになるという問題
があつた。 問題点を解決するための手段 本発明は、グレーデドインデツクス形のコアを
有するマルチプルフアイバでありながら、上記の
問題が克服された、したがつて細径でも鮮明で且
つ明るい画像を伝送できるマルチプルフアイバを
画像電送路として有する医療用イメージスコープ
を提供しようとするものである。 すなわち、本発明は画像伝送のためのマルチプ
ルフアイバとライトガイドからなり、該ライトガ
イドの少なくとも先端部分はマルチプルフアイバ
と併設されてマルチプルフアイバの全長を保護す
る保護管中に収められており、また上記マルチプ
ルフアイバはコアの上に、順次、ドープド石英ガ
ラスからなる第１クラツド層、ドープド石英ガラ
スからなる第２クラツド層および純石英ガラスか
らなる第３クラツド層を有する石英ガラス系光フ
アイバの5000本より多くが互いに融着した構造を
有し、上記コアの屈折率分布がコアの半径をr₁、
コアの中心部における最大屈折率値をn₀、コアの
最外部に置ける最小屈折率値をn₁としたときコア
の中心軸から半径0.65r₁の位置における屈折率n₂
が下式を満足する値を有し、且つ第１クラツド層
は第２クラツド層よりも低屈折率を有し、第２ク
ラツド層は第３クラツド層よりも低屈折率を有す
ることを特徴とする医療用イメージスコープを提
供しようとするものである、 n₂≧n₁＋
0.65（n₀−n₁）。 作 用 画像伝送路として機能するマルチプルフアイバ
中の各光フアイバのコアはその屈折率分布は１種
のGI形でありながら中心部より半径0.65r₁までの
区間において屈折率の低下が小さく、かつ一定値
以上の屈折率を有しているので、その中心部より
少なくとも半径0.65r₁の区間は勿論のこと、それ
より多少外側の領域でさえ実用上充分な明るさを
有する。さらに、コアの上にドープド石英ガラス
からなる第１クラツド層を有するため、コアの高
屈折率と第１クラツド層の低屈折率とから極めて
大きな実効開口率が実現される。なお、コアと第
１クラツド層が共にドープド石英ガラスからなる
場合、ドープド石英ガラスは一般に線引き時の高
温度で過流動を起こして異常変形し易いが、それ
らの上に高溶融粘度を有する純石英ガラスからな
る第３クラツド層が存在するので上記の異常変形
が防止され、各画素の配列性が向上する。また更
に、第１クラツド層の屈折率を小さくするために
ドーパントを多量に含有するドープド石英ガラス
を用いると、該ガラス熱膨張係数も大となり、こ
の層が熱膨張係数の小さい純石英ガラスの第３ク
ラツド層と直接接触構造であると、線引き直後あ
るいはその後において第１クラツド層又は第３ク
ラツド層がひび割れする問題もあるが、第１クラ
ツド層と第３クラツド層の中間の屈折率を有し而
して熱膨張係数の点においても中間である第２ク
ラツド層がそれら層間に介在するので上記のひび
割れ問題も解消する。この結果、本発明において
は第１クラツド層はひび割れを懸念することな
く、その屈折率を従来以上に低下せしめることが
でき、この結果大きな実効開口率を有するマルチ
プルフアイバが工業的に実現可能となる。 上記マルチプルフアイバは、細径にても画像伝
送性に優れており、この点を利用して、本発明で
は5000より多い大画素数としても従来品以上に細
径化が達成される。このため照明用のライトガイ
ドをマルチプルフアイバと共に保護管内に一緒に
併設しても、保護管の自体さえも細径のもので済
む。大画素数とすることにより伝送画像の解像度
が向上し、体内各種臓器、管の詳細な観察が可能
となる。 発明の具体的な説明 第１図及び第３図は参考例マルチプルフアイバ
の、第５図は本発明で用いられるマルチプルフア
イバの、それぞれ断面図であり、第２図、第４
図、第６図はそれぞれ第１図、第３図、第５図の
部分拡大断面図である。 第７図は、マルチプルフアイバを構成する各光
フアイバのコアにおける屈折率分布を示す図であ
る。 第８図は、本発明の実施例たる医療用イメージ
スコープの断面図である。 第８図において、１は画像伝送体として用いら
れるマルチプルフアイバ、２はマルチプルフアイ
バ１の先端に取りつけられた対物レンズ、３はマ
ルチプルフアイバ１の後端に取りつけられた着脱
自在形のアイピース、３１はアイピース３内に設
置された接眼レンズ、４は照明用のライトガイド
である。ライトガイド４の先端部分の少なくとも
一定長は、マルチプルフアイバ１と併設されてマ
ルチプルフアイバの全長を保護する保護管５中に
収められており、残余後部は分岐して保護管６中
に収められている。イメージスコープが可撓性よ
りも耐熱性が要求される場合、保護管５および保
護管６としてはステンレス、チタン、銅などの金
属製のものが用いられ、可撓性が特に要求される
場合には、有機高分子、たとえばナイロン、ポリ
エチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなど
の可撓性のものが用いられる。保護管５内にはラ
イトガイド４の他に更に送水・送気管、鉗子、バ
ルーン、先端首振り装置、レーザフアイバ、電気
的コアギユレータあるいはその他の装置が必要に
応じてマルチプルフアイバ１と併設される。 第１図および第６図において、１はマルチプル
フアイバ、７はマルチプルフアイバ１を構成する
光フアイバである。８はマルチプルフアイバ１の
最外部に設けられたスキン層、９はたとえば熱硬
化性有機高分子や熱可塑性有機高分子、あるいは
それら有機高分子のチヤー化物などからなる補強
層である。 第１図、第２図に示す参考例においては、多数
本の光フアイバ７はそれぞれコア７１とその上に
設けられたクラツド層７２とからなり、隣接する
クラツド層７２同士の融着により互いに接合して
いる。第３図、第４図に示す参考例においては、
第１クラツド層７２の上に更に第２のクラツド層
７３を有し、隣接する第２クラツド層７３同士の
融着により互いに接合している。第５図、第６図
に示す実施例においては、第２クラツド層７３の
上に更に第３のクラツド層７４を有し、隣接する
第３クラツド層７４同士の融着により互いに接合
している。 第２図、第４図、および第６図において、D_f
は光フアイバ７の径、D_cはコア７１の径（なお
コア７１は、平均半径r₁を有するものとする）、
T₁は第１クラツド層７２の厚み、T₂は第２クラ
ツド層７３の厚み、T₃は第３クラツド層７４の
厚み、D_nはマルチプルフアイバの径、T_sはスキ
ン層８の厚みをそれぞれ示す。 マルチプルフアイバ１は、たとえば上記光フア
イバ７と同じ断面構成を有する断面円形の光フア
イバ母材の5000本より多い所望の本数、たとえば
5500〜300000本、好ましくは6000〜100000本を天
然石英ガラスまたは合成石英ガラス、好ましくは
合成石英ガラスからなるスキンパイプ（第１図、
第３図、または第５図のスキン層８の形成材料）
中に整列状態にて充填し、ついでスキンパイプご
と線引きして製造することができる。この線引き
の際の光フアイバ同士の融着により、各光フアイ
バは第２図、第４図または第６図に示す通り断面
６角形に、または６角形が少々又はかなり崩れた
形状に変形する。以下において特に断らぬ限り、
上記D_f、D_c、T₁、T₂、T₃の各値は、断面６角形
における図示する通りの平行部分の値を代表的に
示すが、６角形からかなり変形した形状のものに
ついてはその形状と断面積の等しい６角形につい
ての図示する通りの平行部分の値を示すものとす
る。なおコア７１の屈折率分布については、第７
図にてコアが平均半径r₁の断面円形を有するもの
として説明するが、コアが６角形あるいはその他
の円以外の断面形状を有するときは、それら断面
と等しい面積の円についての説明が該当するもの
とする各光フアイバ７は、該光フアイバ断面にお
けるコア７１の占積率が少なくとも10％であるこ
とを必須とする。コア占積率が10％未満であると
コア７１の光伝送量が乏しくて明るい画像の伝送
が困難となる。なおコア占積率が過大であるとマ
ルチプルフアイバの可撓性を犠牲にする場合以外
はクラツド層が薄くなり過ぎて伝送画像に滲み現
象が生じて鮮明な画像が得難い問題がある。した
がつてコア占積率は、70％以下、特に25〜50％と
することが好ましい。 第２図において、D_f、T₁の各値はそれぞれ３
〜16μｍ、0.5〜5μｍ程度、好ましくはそれぞれ４
〜15μｍ、１〜4μｍ程度である。第４図において
D_f、T₁、T₂の各値はそれぞれ３〜15μｍ、0.3〜
4μｍ、0.01〜2μｍ程度、好ましくはそれぞれ３〜
8μｍ、５〜1.5μｍ、0.03〜0.6μｍ程度、特にそれ
ぞれ3.5〜6.5μｍ、0.7〜1.2μｍ、0.05〜0.4μｍ程度
である。第６図において、D_f、T₁、T₂、T₃の各
値はそれぞれ３〜16μｍ、0.01〜1.2μｍ、0.1〜
2.5μｍ、0.01〜1.5μｍ程度、好ましくはそれぞれ
３〜8μｍ、0.02〜0.7μｍ、0.1〜1.5μｍ、0.02〜
0.6μｍ特に、それぞれ3.5〜5.6μｍ、0.05〜0.4μｍ、
0.2〜1.3μｍ、0.05〜0.4μｍ程度である。 第７図において、曲線２が本発明実施例マルチ
プルフアイバ１を構成する各光フアイバ７のコア
７１における屈折率分布曲線例であり、曲線１は
参考のために示した通常の通信用GI形光フアイ
バの製造に用いられるコア用ロツドにおける屈折
率分布曲線例である。曲線２において、コア７１
の中心r₀の屈折率n₀（通常は最大屈折率を有す
る。）とコア最外部r₁の屈折率n₁（通常は最小屈折
率を有する。）との差（Δn）、すなわち（n₀−n₁）
は、0.015〜0.080、好ましくは0.02〜0.050、特に
0.02〜0.045である。 曲線２に示す屈折率分布においては、コアの中
心r₀より平均半径r₂、すなわち0.65r₁までの区間
において屈折率の低下が緩やかであり、コアの平
均半径r₂から平均半径r₁すなわちコアの最外部ま
での区間においては屈折率が急激に低下してい
る。換言すると、区間r₀からr₂においては屈折率
の変化が小さい。しかも半径r₂の位置における屈
折率n₂がn₁＋0.65（Δn）（たとえばΔnが0.025のと
き、n₁＋0.65×0.025＝n₁＋0.016）以上の値を有
している。したがつてコア７１は、その屈折率分
布は１種のGI形でありながら中心部r₀よりr₂の区
間においては屈折率の低下が小さく、かつ一定値
以上の屈折率を有しているので、その区間は勿論
のことそれより多少外側の領域でさえ実用上充分
な明るさを有する。 さらに曲線２は、r₂（＝0.65r₁）の屈折率n₂が、
上記の値を有するだけでなく、しかもr₃（＝0.5r₁）
の屈折率n₃および／またはr₄（＝0.33r₁）の屈折率
n₄は、それぞれ下式(2)〜(5)にて示す値を有するこ
とが好ましい。 n₃≧n₁＋0.75（n₀−n₁） ……(2) 特に n₃≧n₁＋0.85（n₀−n₁） ……(3) n₄≧n₁＋0.80（n₀−n₁） ……(4) 特に n₄≧n₁＋0.90（n₀−n₁） ……(5) 曲線２においては、さらにコアの平均半径
0.7r₁の位置においてn₁＋0.50（△ｎ）の屈折率条
件を満足し、かつ上記した屈折率分布条件を満足
するものは特に好ましい。 コアの上記した屈折率分布は、石英ガラスの屈
折率を高める作用をなすドーパント、たとえばゲ
ルマニウムや燐などを用い、VAD法、CVD法な
どにてドーパント量を上記屈折率分布にしたがつ
て加減することにより達成することができる。ド
ーパントとして好ましいものは、ゲルマニウムま
たはそれを主成分とするものである。 第６図に示す実施例においては、第１クラツド
層７２はコア７１の最外部における最小屈折率値
n₁よりは勿論のこと、第２クラツド層７３および
第３クラツド層７４のいずれの層よりも低屈折率
を有し、一方第２クラツド層７３は第３クラツド
層７４よりも低屈折率を有することが好ましい。
すなわち第１クラツド層７２はコア７１の最外部
における最小屈折率値n₁より少なくとも0.004、
特に少なくとも0.006低屈折率を有し、第２クラ
ツド層よりも少なくとも0.002、特に少なくとも
0.004低低屈折率を有することが好ましく、第２
クラツド層７３は、第３クラツド層７４よりも少
なくとも0.004特に少なくとも0.008、さらに特に
少なくとも0.010低屈折率を有することが好まし
い。 第２図のクラツド層７２、第４図の第１クラツ
ド層７２、第６図の第１クラツド層７２および第
２クラツド層７３は、いずれも弗素および／また
は硼素あるいはそれらの少なくとも１種を主成分
とするドーパントによりドーピングされた石英ガ
ラスにて構成されることが好ましい。特に好まし
くはドーパントプリカーサとしてBCl₃、BF₃ある
いはそれらの混合物を用いてドープした純石英ガ
ラスである。これに対して第２図の第２クラツド
層７３および第６図の第３クラツド層７４は、線
引き温度が少なくとも1800℃の純石英ガラス、特
に純度99.99重量％以上の高純度のものにて構成
されることが好ましい。その場合には、次に述べ
るような利点もある。 マルチプルフアイバ１の断面の中心より少なく
とも半径80％以内の部分に存在する光フアイバが
可及的に規則的なハニカム構造に互いに融着して
いると（この半径80％以内の部分に多少のハニカ
ム構造が崩れた部分や暗点などの欠陥部分が存在
していてもよく、また上記ハニカム構造について
も幾何学的６角形の集合のみでなく多少変形した
６角形の集合であつても差し支えないが）、本発
明で用いる光フアイバ７の上記構造と5000本より
多数本の光フアイバを含むことと相乗して一層鮮
明な伝送画像が得られる。 そのような構造のマルチプルフアイバは、一般
的には、光フアイバ７の最外層を形成する層（第
４図の第２クラツド層７３、第６図の第３クラツ
ド層７４など）のガラス材として前記した純石英
ガラスを用い、該ガラスの線引き温度またはそれ
よりやや高い目の温度で光フアイバ母材束を線引
きすることによつて得られる。このようにする
と、線引き時において内部層のガラス材が大きな
流動性を示しても、最外層を形成するガラス材が
線引きに必要な最小限の流動性しか示さないので
過流動（これが光フアイバ７の不規則断面の原因
となる）を防止する作用をなす。 なお上記の線引き温度とは、被検石英ガラスを
もつて製造した内径23mm、外径26mmの管を加熱軟
化して内径2.3mm、外径2.6mmの縮小管を毎分0.5ｍ
で線引きするときの線引き張力が500ｇ以下とな
る最低温度と定義される。 第１図、第３図、および第５図において、スキ
ン層８の厚さは少なくとも3μｍ程度、特には５
〜20μｍとすることが好ましい。また、補強層９
の厚さは少なくとも5μｍ程度、特には10〜150μ
ｍとすることが好ましい。またスキン層８の外径
（D_n＋2T_s）は、0.2〜3.0mm程度、特に0.4〜2.5mm
程度である。 本発明において用いるマルチプルフアイバが下
記(1)〜(3)の条件を満足する場合、かかるマルチフ
アイバを画像伝送体として用いた本発明のイメー
ジスコープは食道、胃、腸などの消化器の内視鏡
として好適である。 (1) マルチプルフアイバ中の光フアイバの本数を
30000本以下、好ましくは8000〜25000本とする
こと、 (2) スキン層８の外径（D_n＋2T_s）を0.2〜1.5mm
程度、特に0.4〜1.0mm程度とすること、 (3) 第８図のイメージスコープにおける保護管５
の外径は、３〜10mm程度、特に４〜７mm程度と
し、さらに保護管５の先端５〜15cm程度の部分
は外径1.8mm以下程度とすること。 また更にマルチプルフアイバが上記(1)〜(3)の条
件に加えて下記の(4)〜(6)の条件を満足する場合、
かかるマルチプルフアイバを画像伝送体として用
いた本発明のイメージスコープは子宮鏡、膀胱
鏡、胎児鏡、関節鏡あるいはその他の器官の内視
鏡として特に従来使用のレンズスコープに代わる
精密観察用の内視鏡として好適である。 (4) マルチプルフアイバ中の光フアイバの本数を
10000〜200000本、好ましくは30000〜100000本
とすること、 (5) スキン層８の外径（D_n＋2T_s）を0.8〜2.0mm
程度、特に1.0〜1.5mm程度とすること、 (6) 第８図のイメージスコープにおける保護管５
の外径は、２〜10mm程度、特に３〜７mm程度と
し、さらに保護管５の先端５〜15cm程度の部分
は外径1.8mm以下程度とすること。 実施例 以下、実施例および比較例により本発明を一層
詳細に説明する。 実施例１〜５、比較例１〜３ 第１表には各実施例、比較例において用いた光
フアイバ母材の詳細な構造、該光フアイバ母材の
所定本数（同表のマルチプルフアイバの構造にお
ける符号Ｎの欄を示す）を純石英ガラス管に緻密
に充填して該純石英ガラス管毎2100℃で線引きし
て得たマルチプルフアイバの構造、並びに各マル
チプルフアイバの伝送画質についての性能を示
す。表中に示す各屈折率は、20℃における波長
0.90μｍの赤外線についての値である。またn₁の
値は、1.453である。 伝送画質については、つぎに述べる方法により
評価した。 各実施例および比較例のマルチプルフアイバか
ら長さ５ｍのサンプルを採取し、両端にそれぞれ
レンズを取りつけてイメージスコープを作成（接
眼レンズ倍率：200倍、対物レンズ倍率：0.5倍）
し、対物レンズから５ｍ離れた位置にある30Wの
蛍光灯を直視した。一般にマルチプルフアイバ中
の各クラツド層の光閉じ込め効果が乏しい程、蛍
光灯の発光部周辺に強い着色が存在するように観
察される。そこで、蛍光灯の発光部周辺の着色度
に応じて下記の通りに等級付けした。 優：着色が観察されない。 良：極薄くはあるが、赤色または緑色の着色が観
察される。 可：かなり強い着色が観察される。

【表】

【表】 効 果 本発明の医療用イメージスコープは、それに用
いるマルチプルフアイバ中に含まれる光フアイバ
は、互いに融着しているにもかかわらず伝送画像
が鮮明であり、又該マルチプルフアイバの融着構
造並びに石英ガラスの優れた線引き性の故に細径
化が可能であるので、食道、胃、腸などの消化器
の内視鏡として、あるいは子宮鏡、膀胱鏡、歯科
鏡、胎児鏡、耳鼻鏡、眼科鏡、脳鏡、関節鏡など
として、特に従来使用されてきたレンズスコープ
の代替品として頗る有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は参考例のマルチプルフアイ
バの、第５図は本発明で用いられるマルチプルフ
アイバの、それぞれ断面図であり、第２図、第４
図、第６図はそれぞれ第１図、第３図、第５図の
部分拡大断面図である。第７図はマルチプルフア
イバを構成する各光フアイバのコアにおける屈折
率分布を示す図であり、第８図は本発明の実施例
たる医療用イメージスコープの断面図である。 １……マルチプルフアイバ、２……対物レン
ズ、３……着脱自在形のアイピース、４……照明
用のライトガイド、５……保護管、６……保護
管、７……マルチプルフアイバ１を構成する光フ
アイバ、７１……コア７１、７２……クラツド
層、７２……クラツド層、７３……クラツド層、
７４……クラツド層、８……スキン層、９……補
強層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 画像伝送のためのマルチプルフアイバとライ
   トガイドからなり、該ライトガイドの少なくとも
   先端部分はマルチプルフアイバと併設されてマル
   チプルフアイバの全長を保護する保護管中に収め
   られており、また上記マルチプルフアイバはコア
   の上に、順次、ドープド石英ガラスからなる第１
   クラツド層、ドープド石英ガラスからなる第２ク
   ラツド層および純石英ガラスからなる第３クラツ
   ド層を有する石英ガラス系光フアイバの5000本よ
   り多くが互いに融着した構造を有し、上記コアの
   屈折率分布がコアの半径をr₁、コアの中心部にお
   ける最大屈折率値をn₀、コアの最外部に置ける最
   小屈折率値をn₁としたとき、コアの中心軸から半
   径0.65r₁の位置における屈折率n₂が下式を満足す
   る値を有し、かつ第１クラツド層は第２クラツド
   層よりも低屈折率を有し、第２クラツド層は第３
   クラツド層よりも低屈折率を有することを特徴と
   する医療用イメージスコープ、n₂≧n₁＋0.65（n₀
   −n₁）。 ２ コアは、ゲルマニウムまたはそれを主成分と
   するドーパントによりグレーデドインデツクス形
   にドーピングされた石英ガラスからなるものであ
   る特許請求の範囲第１項に記載の医療用イメージ
   スコープ。 ３ 第１クラツド層及び第２クラツド層が弗素お
   よび／または硼素あるいはそれらの少なくとも１
   種を主成分とするドーパントによりドープされた
   石英ガラスからなるものである特許請求の範囲第
   １項又は第２項記載の医療用イメージスコープ。