JPH10511005A - 可潜レンズファイバオプチック組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 平成２年１２月１日前の出願であるので、条約に定める要約の翻訳文の提出が義務づけられていないため、要約及び選択図は掲載しない。

Description

【発明の詳細な説明】 可潜レンズファイバオプチック組立体 関連出願に対するクロスリファレンス 共通の主題が存在する程度まで、本願は１９８８年１１月８日出願され、本発 明と同じ譲受人に譲渡された『生体内蛍光光度計』と称する出願第268723号の一 部継続である。 発明の背景 本発明は生物学的環境に使用するための可潜レンズファイバオプチック組立体 に関し、特に光ファイバからの光線を周囲の組織に移送するための光力学的治療 処置（以下、ＰＤＴと称する）のための可潜ボールレンズファイバオプチック組 立体に関する。 ＰＤＴ処置において光の送出しのために使用されるファイバオプチックスとし ては既存の３種類がある。これらの３種の公知な構成を第１Ａ図、第１Ｂ図およ び第１Ｃ図に示してある。 第１Ａ図は円筒形の拡散器として知られている構成を示している。この構成で は、円筒形の光要素１１が光ファイバ１２に当てられており、これに出力された 光を光ファイバを経て円筒形に拡散するように機能する。 第１Ｂ図は球状拡散器として知られている従来の構成を示している。この構成 では、球状の光要素１１が光カップリング１５により光ファイバ１４に連結され ており、光ファイバからの光を周囲の組織に球状に拡散するように機能する。 第１Ａ図および第１Ｂ図に示す従来の構成の１つの欠点は、拡散材上のいずれ の点光源も無秩序な方向に光を発し、すなわち、処置すべき特定の組織について の局部化制御が行われないと言う点である。第３の従来の構成を第３Ｃ図に示し てあり、この構成は可潜ミクロレンズとして知られる構成である。第３Ｃ図の構 成では、レンズの機能により、光線が制御された発散で発せられる。この構成で は、ハウジング１６が小型レンズ１７を包囲しており、このハウジングは透明な カバー板１８により閉じられている。光ファイバ１９の端部はレンズ１７の後方 焦点に位置決めされている。レンズの後方焦点の位置はレンズと、レンズおよび 光ファイバ表面と接触している媒体との屈折率により影響される。第１Ｃ図に示 す構成では、後方焦点はハウジング１６および窓またはカバー板１８の使用によ り空気中にファイバおよびレンズをシールすることによって固定されている。こ の組立体を水または塩溶液中に沈めると、ビームの発散が減じられるが、光ファ イバの端部または面は焦点に留まる。何故なら、レンズの湾曲屈折面を取り囲む 媒体が変化しないからである。 光ファイバからの光線を組織に出力する理想の組立体は、どこの横断面も空気 中または水中で光ファイバの端部または面の拡大像であるような非常に発散性の ビームを生じる組立体である。第１Ｃ図の構成は、これらの目的の多くを達成す るが、複雑であり、従って製造するのに高価である。 発明の目的および概要 本発明の目的は簡単で安価且つ製造容易な可潜レンズファイバオプチック組立 体を提供することである。 本発明の他の目的は、どこの横断面も水中または空気中でファイバの端部の拡 大像に非常に近いような非常に発散性の光ビームを生じることができる新規な可 潜レンズファイバオプチック組立体を提供することである。 本発明の他の目的はレンズ部品を組立体を使用する媒体から隔離するための任 意の光窓の使用を必要としない可潜レンズファイバオプチック組立体を提供する ことである。 本発明の更に他の目的は『前方視型』レンズにとって接近不可能な領域の処置 のために側方視型ファイバオプチックスコープとともに使用することができる可 潜レンズファイバオプチック組立体を提供することである。 簡単に説明すると、本発明の一実施例によれば、生物学的環境で、特に処置に 使用するための可潜レンズファイバオプチック組立体は、光エネルギを発するた めの端部を有する光ファイバと、この光ファイバを固定し且つ保護するためのフ ァイバジャケットと、光ビームを移送し、ビームの発散を制御するためのジルコ ニア性レンズと、ファイバジャケットおよびレンズを固定するためのハウジング とを有している。ジルコニアは機械的および熱的衝撃に耐える良好な特性を有す るので、従来技術の場合のように窓を使用する必要がない。好適な実施例では、 レンズはボールレンズでありファイバジャケットおよびハウジングは、ジャケッ ト上でハウジングを回転させるだけで光ファイバ面とボールレンズとの間の距離 を調整することができるように、ねじ連結状態にある。レンズがボール形状であ るので、組立体は良好な発散特性および像形成特性を有する。他の実施例では、 本発明は、通常の『前方視型』レンズにとって接近不可能な領域へ光ビームを移 送するための光ファイバ端部に球状面が面している半球レンズを使用するＰＤＴ 処置に使用する新規な可潜レンズファイバオプチック組立体を提供する。 図面の簡単な説明 第１Ａ図、第１Ｂ図および第１Ｃ図はＰＤＴ処置に光を送出すために使用され る３種類の従来の組立体を示している。 第２図は本発明の可潜レンズファイバオプチック組立体の好適な実施例を示し ている。 第３図は本発明の可潜ボールレンズファイバオプチック組立体の空気中の１mm のジルコニア製ボールレンズの概略光線図である。 第４図は空気中の１mmのジルコニア製ボールレンズの出力ビームの光線軌跡を 概略的に示している。 第５図は本発明の可潜ボールレンズファイバオプチック組立体の１mmのジルコ ニア製ボールレンズから１mmのところの点を横切る光分布の図である。 第６図は本発明の空気中の直径0.8 mmのジルコニア製ボールレンズの概略光線 図である。 第７図は本発明の空気中の直径0.6 mmのジルコニア製ボールレンズの概略光線 図である。 第８ａ図は本発明の可潜ボールレンズファイバオプチック組立体の水中および 空気中の１mm、0.8 mmおよび0.6 mmのジルコニア製ボールレンズの場合のレンズ からの距離に対する光ビームの直径の変化を概略的に示している。 第８ｂ図は本発明の可潜ボールレンズファイバオプチック組立体の空気中の１ mm、0.8 mmおよび0.6 mmのジルコニア製ボールレンズの場合のレンズからの距離 に対する光ビームの直径の変化を概略的に示している。 第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図は『前方視型』レンズにとって接近不可能 な処置領域へ光ビームを送り出すことができる本発明の他の好適な実施例の３つ の異なる構成を概略的に示している。 第１０図は本発明の側方視型可潜レンズファイバオプチック組立体に使用され る頂カバー部分を有するハウジングの具体例を概略的に示している。 詳細な説明 上記のように、本発明の重要な目的のうちの１つは、設備を製造する際に最小 限を必要とし、空気中および水中の両方において長さに沿って対称な横断面を有 する非常に発散性の光ビームを生じる簡単で安価な可潜レンズファイバスコープ 組立体を提供することである。第２図を参照して説明すると、可潜レンズファイ バスコープ組立体の好適な実施例はボールレンズ２０と、ファイバジャケット２ ２を有する光ファイバ２１と、円筒形のハウジング２３とを有している。 ボールレンズ２０は好ましくは機械特性、熱特性および光学特性のためにジル コニア製である。詳細には、ジリコニアは非常に硬質な材料である。ジリコニア ボールを実験台に置き、例えば、大工ハンマで打ちたたくと、台の頂部には、へ こみが得られるが、ボールには、目に見える損傷がない。このように乱暴な取扱 いに耐えることができることにより、組立体の手順を簡単になる。円筒形ハウジ ング２３は黄銅のような金属製であるのがよい。金属ハウジングの一端は、圧嵌 めボールレンズ２０を受け入れるように、穴が開けられている。金属ハウジング ２３およびファイバジャケット２２は、好ましくは、ハウジング２３を回すだけ で光ファイバ面とボールレンズとの間の距離を正確に調整することができるよう に、ねじ連結されている。圧嵌めおよびファイバジャケット上の詰まったねじ山 により、ボールの投入側の空気室（全体として参照番号２４で示す）に水密シー ルを作る。ボールレンズがファイバの面にある粒子の拡大像を生じるので、この 容積部は組み立て中には粒子がないことを注意しなければならない。 ボールレンズ２０の露出面は特殊な保護または清浄手順を必要としない。これ は下記の実験で実証された。すなわち、この実験では、ボールレンズファイバオ プチックスをアルゴン圧送ダイレーザに連結して人の血液の試験管に沈めた。レ ンズの表面に隣接した血液が激しく沸騰するまで、ダイレーザのパワーを増大し た。ボールレンズファイバオプチックスを取出して煙らせた。いぶらされた血液 をナイフの刃でレンズの表面から掻き取り、この表面をアルコール含浸ガーゼで きれいに拭いた。このボールレンズを使用して焦点合わせした点は試験前と同じ であると思われた。 特定な一実施例によれば、ボールレンズ２０はジルコニア製の直径１mmの精密 な光学球であり、金属ハウジングすなわち円筒体２３は１インチあたり１２０の ねじ山のタップを受け入れるために反対側から貫通して穴が開けられている。適 当なジルコニア球はプレコンプ社（ニューヨーク、グレートネック）から市販さ れている。磨かれたファイバ端部が球と接触するまで、金属ハウジングを直径４ ００ミクロメートルの光ファイバのジャケット２２にねじ込み、次いで２分の１ 回転戻す。沈められたボールレンズ組立体の後方焦点はボールレンズの表面から １０８ミクロメートルである。これはねじ部の半回転である。空気中のレンズの 後方焦点は得難く、ボールの内側に３３ミクロメートルである。しかしながら、 ファイバの端部は、空気中では、よく焦点を合わせられ、水中では、ファイバが ボールと接触していても、鮮明に見える。 空気中のボールレンズに対する光の通過は第３図及び第４図に示すように斜め の子午光線の追跡により実証される。波長は６３０ nm であり、このためには、 ジルコニアの屈折率は２．１５２である。第３図は１００倍の規模で描かれてお り、ボール内およびボールの近くの明視野を示している。第４図は１０倍の規模 で描かれており、レンズから２ cm の距離にわたるビームを示している。 ファイバは第３図ではボールと接触している。ファイバの表面の各点はファイ バの開口数（Ｎ．Ａ．）により与えられる頂点角度の円錐体になるように光を発 するものと考えられる。（Ｎ．Ａ．は頂点角度の半分の正弦に等しい）。９つの このような点が図に明示されている。ボールレンズがいかにファイバ端部の集束 像を形成するかを示すために、各点からの３つの光線を描いてある。 光線軌跡は光軸（球の中心を通り、ファイバ面と直角である線）を中心に対称 である。共通の方向を有するファイバからのすべての光線が入力面によってボー ルの内側の点に集束される。円錐体の３つの光線についてのかかる３つの焦点が 第３図に示されている。レンズが球状であり、その屈折率が２より大きく、球の 入力面が空気中にあるので、レンズの内側における光線のこの集束が起こる。光 ビームはその最も小さい直径が球の内側にある。光線は焦点から発散し、出力面 で屈折されて（空気中で）より急に、或いは（水中で）さほど急でなく発散する ビームを形成する。 第３図におけるレンズの近くの出力ビームの光線は第４図では遠い場へ延長さ れている光線の起源点が図面の右側に番号で示されている。ファイバ面上の任意 の点からの光線は出力ビームに略平行な光線として現れ、光軸の反対側にある。 例えば、第３図におけるファイバの頂部からの３つの発散光線は第４図ではビー ムの低部で３つの略平行な光線として現れる。かくして、レンズの遠い場におけ るビームの任意の横断面はファイバ面の拡大された逆の略集束された像である。 従って、従来技術の場合のように、レンズに窓を必要としない。 出力ビームの発散度およびボールレンズの出力面におけるビームの直径につい ての近軸光線の等式から、近似的だが有用な式が得られる。これらの等式はファ イバ、ボールレンズおよびボールレンズが沈められる媒体の物性が出力ビームの パラメータを定める方法を示している。これらの等式は下記の如くである。 U = 360/π・Df/Db （１−２/n＋ １/n¹） (1) Do = （1−2/n）Df＋2/n Db（N.A.） (2) （上記式中、U = 全角ビーム発散度 Df = 光ファイバの直径 db = ボールレンズの直径 n = ボールレンズ材料の屈折率（２より大きいか、あるいは２に等 しくなければならない） n¹ = レンズが沈められる媒体の屈折率（空気の場合には、１に等 しく、水の場合には、1.33に等しい） Do = ボールの出力面におけるビームの直径 N.A. = 空気中におけるファイバの開口数 等式（２）の実際の適用はボールレンズの露出面におけるビームの強さ（ワッ ト／cm²）の算出である。直径１mmのジルコニア製ボールレンズおよび0.22の開 口数を有する直径400 ミクロンのファイバの場合、ボール表面におけるビームの 直径は 0.23 mmである。100 mW/cm²の電力密度で直径１cmの腫瘍を処置するのに 80ミリワットを必要とする。ボール表面におけるビームの強さは計算すると、19 0 ワット／cm²であり、かなりのエネルギ束である。等式(1)によれば、ビームの 強さは空気中でレンズから11 mm のところで100 mW/cm²まで降下する。 焦点合わせされたファイバの端部または点は目には非常に一様に見える。第５ 図は１ mm のボールレンズから4.1 cmのところの点を横切る測定された光の分布 のプロットである。ボールレンズファイバをヘリウム―ネオンレーザに連結し、 このレーザの出力を1.5 kHz にチョップした。器具はモデル 4010 のレーザガイ ドファイバオプチック導光器、光検出器、1.5 kHz の信号に連動された増幅相、 およびデジタル電圧計よりなっていた。導光器は袋状組織のＰＤＴ処置に通常使 用される球状拡散器である。この拡散器は光拡散性材料の直径1.7 mmの球から球 対称の明視野を生じる。この拡散器は、逆方向に使用すると、ほとんどすべての 方向から光を集める。 ビームを横切って２ mm 毎に測定を行った。各走査を５回繰り返した。測定値 を平均し、中心の値に対して標準化した。データを±１シグマ誤差バーで第５図 にプロットしてある。放射はビームの横断面のほとんどにわたる最大値の８０％ 又はそれ以上である。ボールおよびファイバが完全には整合されなかったので、 分布は正確には対称でない。中心および縁部の近くのピークは多重反射に起因し ている。 第２図に示すような本発明の構成では材料コストが低いと言うことを指摘すべ きである。直径 １mmのボール100 個を各々４０¢でプレコンプ社から購入した 。製造業者の許容差は直径で±１ mm であり、球面上の５８７nmで４分の１波ま たはそれ以上である。直径400 ミクロンの光ファイバを１メートルあたり４＄で エンサイン―ビックフォードオプチックから購入した。このファイバは硬質ポリ マー外装およびテッツエルジャケットを有している。このファイバは非常に耐久 性のファイバである。 直径のもっと小さいボールは、夫々0.8 および0.6 mmのボールレンズについて 第６図および第７図に示すように、大きい発散のビームを生じる。内側焦点は、 １ mmのボールレンズと同様に、0.6 mmのボールレンズでははっきりしていない 。これは屈折性表面の曲率の増大に伴って像の質が落ちることを示している。 ファイバ縁部から発せられた水平な光線の軌跡を使用して出力ビームの大きさ を定める。出力表面での屈折後にこの光線が光軸となす角度は半角ビームの発散 度である。この光線は球の出力表面に近い光軸上の点から来るものと思われる。 レンズからの任意の距離のところのビームの直径はこの距離の積および半角発散 度の正接の２倍により得られる。 水中および空気中の１ mm、0.8 mmおよび0.6 mmのボールレンズについてのビ ームの直径のプロットを夫々第８Ａ図および第８Ｂ図に示してある。ビームの全 発散角を各曲線の次に示してある。ボールレンズを沈めたときには、水が出力表 面での光線の屈折を減じるので、これらの角度は小さい。１mmのボールレンズの 場合の測定値は理論予想値と一致している。比較として、レーザガイドミクロレ ンズモデル５０６０は直径８００ミクロンのボールレンズについて予想したもの と同じ発散度を有している。 第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図を参照すると、『前方視型』レンズにとっ て接近不可能な領域の処置のために側方視型ファイバオプチックスコープととも に使用することができる本発明の可潜レンズファイバオプチック装置の他の好適 な実施例が示されている。この実施例では、レンズはジルコニア性の半球形おレ ンズであり、その球面は光ファイバの端部に面している。この種類の可潜レンズ ファイバオプチック装置はファイバの軸線から１２０°までの角度で出力ビーム を生じる。空気を平らな表面に維持すれば、９０°までのビームの屈折のために 全内部反射（ＴＩＰ）が起こる。より大きい角度では、反射被膜を必要とする。 第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図は装置の出力ビームがファイバ軸線からそれ ぞれ６０°、９０°および１２０°である異なる構成を示している。 第１０図は側方視型可潜レンズファイバオプチック装置のファイバジャケット ２２およびレンズ２０を固定するのに使用されるハウジング３０の具体例を示し ている。このハウジング３０は、前方視型組立体で説明したスリーブ構成体２３ の外に、更に光出力通路として機能する側に円形の開口部２７を有する頂カバー 部分２５と、レンズの平らな表面用の空気室２８を構成するように半球レンズに 嵌合されるエアキャップ２６とを備えている。頂カバー部分２５は好ましくはエ ポキシのようなプラスチック材料で出来ている。頂カバー部分２５は下記のよう に形成することができる。まず、ファイバ装置およびレンズをエアキャップとと もに適当な装置で保持し、ファイバに対する球の正確な整合を行う。次いで、レ ンズを蝋引取付け具でファイバ装置に固定し、エポキシ注型用のシリコーンゴム 型に注入する。エポキシ頂カバー２５によってファイバ装置とともにレンズを固 定した後、ファイバジャケット２２を組立体から外し、ワックスをエーテルまた は高温の湯で除去してレンズとファイバとの間に空気室２４を構成する。最後に ファイバを清浄し、ねじ込んで使用するための適切な焦点に戻す。 もちろん、本発明を説明した本発明の概念から逸脱することなしに頂カバーに 関するいくつかの変更例が可能である。本発明の精神内ですべてのこのような変 更例を添付の請求の範囲に包含する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＴ，ＬＵ，ＮＬ，Ｓ Ｅ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＭ，ＧＡ，ＭＬ ，ＭＲ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ， ＧＲ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＵ，ＭＣ，Ｍ Ｇ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＲＯ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＵ (72)発明者 ポター ウィリアム アール アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14072 グランド アイランド ウェスト リヴ ァー ロード 2413

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光エネルギを発するための端面を有する光ファイバと、 上記光ファイバを固定し且つ保護するためのファイバジャケット手段と、 上記光ファイバからの光ビームを移送し、ビームの発散を制御するためのジル コニア製ボールレンズと、 上記ファイバジャケット手段に固定され、上記ボールレンズおよび上記光ファ イバの上記端面を互いに対して所定の関係で包囲するハウジング手段とを備えた ことを特徴とするＰＤＴ処置のための可潜ボールレンズファイバオプチック組立 体。 ２．光ファイバの端部と上記ボールレンズとの間の距離が調整できるように、上 記ハウジングおよび上記ファイバジャケット手段がねじ連結されていることを特 徴とする請求項１に記載の可潜ボールレンズファイバオプチック組立体。 ３．光エネルギを発するための端面を有する光ファイバと、 上記光ファイバを固定し且つ保護するためのファイバジャケット手段と、 上記光ファイバからの光ビームを移送し、ビームの発散を制御するためのジル コニア製レンズと、 上記ファイバジャケット手段に固定され、上記レンズおよび上記光ファイバの 端面を互いに対して所定の関係で包囲するハウジング手段とを備えたことを特徴 とする生物学的環境に使用するための可潜レンズファイバオプチック組立体。 ４．上記レンズは球面が上記光ファイバ端部に面した半球レンズであることを特 徴とする請求項３に記載の可潜レンズファイバオプチック組立体。 ５．上記半球レンズは更にその平らな面に反射被膜を有することを特徴とする請 求項４に記載の可潜レンズファイバオプチック組立体。 ６．上記ハウジング手段および上記ファイバジャケット手段がねじ連結されてい ることを特徴とする請求項３に記載の可潜レンズファイバオプチック組立体。 ７．光エネルギを発するための端面を有する光ファイバと、 上記光ファイバを固定し且つ保護するためのファイバジャケット手段と、 上記光ファイバの端面と所定の関係にあり、上記光ファイバからの光ビームを 送り出し、ビームの発散を制御するためのボールレンズと、 上記ファイバジャケット手段に固定され、上記ボールレンズを取付けるハウジ ング手段とを備えたことを特徴とする生物学的環境に使用するための可潜ボール レンズファイバオプチック組立体。 ８．上記ボールレンズの屈折率が６３０ｎｍの波長を有する光については２より 大きいことを特徴とする請求項７に記載の可潜ボールレンズファイバオプチック 組立体。 ９．上記ハウジング手段および上記ファイバジャケット手段がねじ連結されてい ることを特徴とする請求項７に記載の可潜ボールレンズファイバオプチック組立 体。 １０．上記ハウジング手段は黄銅製であることを特徴とする請求項９に記載の可 潜ボールレンズファイバオプチック組立体。 １１．光エネルギを発するための端面を有する光ファイバと、 上記光ファイバを固定し且つ保護するためのファイバジャケット手段と、 球面が上記光ファイバ端部に面している半球レンズと、 上記ファイバジャケット手段に固定され、上記レンズを取付けるハウジング手 段とを備えたことを特徴とするＰＤＴ処置のための可潜ボールレンズファイバオ プチック組立体。 １２．上記レンズの屈折率が６３０ｎｍの波長を有する光については２より大き いことを特徴とする請求項１１に記載の可潜ボールレンズファイバオプチック組 立体。 １３．上記レンズがジルコニア製であることを特徴とする請求項１２に記載の可 潜ボールレンズファイバオプチック組立体。 １４．上記レンズは更にその平らな表面に反射被膜を有することを特徴とする請 求項１１に記載の可潜ボールレンズファイバオプチック組立体。 １５．上記ハウジング手段は上記レンズを平面内に固定するための頂カバー部分 を有しており、上記頂カバー部分は光出力路として機能する側に開口部を有する ことを特徴とする請求項１１に記載の可潜ボールレンズファイバオプチック組立 体。