рассеиватель света
Классы МПК: | G02B23/26 с использованием световодов A61N5/06 с использованием света |
Автор(ы): | Хуберт ван ден Берг (CH), Джером Мизерет (CH) |
Патентообладатель(и): | Новартис АГ (CH) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-03-23 публикация патента:
20.01.2000 |
Рассеиватель света используются в фотодинамической терапии. Рассеиватель света содержит оптический волновод, у дальнего конца которого в активной области удалена оболочка. В активной области сердцевины с удаленной оболочкой предусмотрены средства для оптического отделения сердцевины от вещества, содержащего рассеивающие частицы, и удержания сердцевины, оптически отделенной от вещества, содержащего рассеивающие частицы, до отдаленного конца активной области. Обеспечена равномерность распределения интенсивности света вдоль оси рассеивателя и повышена надежность. 9 з.п.ф-лы., 10 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10
Формула изобретения
1. Рассеиватель света (1) для радиального излучения света, подаваемого в рассеиватель в аксиальном направлении, содержащий оптический волновод (2), имеющий сердцевину (20) и оболочку (21), при этом у дальнего конца (201) волновода (2) в активной области (200) с сердцевины (20) удалена оболочка (21) и активная область (200) сердцевины (20) с удаленной оболочкой (21) погружена в вещество, содержащее рассеивающие частицы, причем это вещество окружено снаружи трубкой (5), отличающийся тем, что в активной области (200) сердцевины (20) с удаленной оболочкой (21) предусмотрены средства для оптического отделения сердцевины (20) от вещества, содержащего рассеивающие частицы, и удержания сердцевины (20), оптически отделенной от вещества, содержащего рассеивающие частицы, до отдаленного конца (201) активной области (200). 2. Рассеиватель света по п.1, отличающийся тем, что активная область (200) сердцевины (20) с удаленной оболочкой (21) имеет шероховатость, а средства для оптического отделения сердцевины (20) включают первый слой (3) эластичного вещества, которое не содержит рассеивающие частицы и имеет показатель преломления, аналогичный показателю преломления оболочки (21), сердцевина погружена в первый слой (3) эластичного вещества, а первый слой погружен по меньшей мере еще в один, второй слой (4) эластичного вещества, содержащего рассеивающие частицы (40), причем это вещество окружено снаружи трубкой (5). 3. Рассеиватель света по п.2, отличающийся тем, что рассеивающие частицы (40) во втором слое (4) распределены равномерно по меньшей мере в аксиальном направлении. 4. Рассеиватель света по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в отдаленном конце (201) предусмотрено зеркало (6) для отражения света, появляющегося из волновода в аксиальном направлении. 5. Рассеиватель света по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что у отдаленного конца наружной трубки (5) предусмотрена заглушка (7). 6. Рассеиватель света по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что диаметр сердцевины (20) волновода (2) составляет от 250 до 3000 мкм. 7. Рассеиватель света по п.6, отличающийся тем, что диаметр сердцевины (20) волновода (2) составляет в диапазоне от 500 мкм до 750 мкм, внутренний диаметр наружной трубки (5) на 100 мкм больше диаметра сердцевины (20) волновода (2), а внешний диаметр наружной трубки (5) составляет от 0,9 мм до 1,2 мм. 8. Рассеиватель света по любому из пп.2 - 7, отличающийся тем, что активная область (200) волновода, которая помещена в эластичное вещество, имеет длину до 100 мм. 9. Рассеиватель света по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что сердцевина (20) волновода (2) изготовлена из полиметилметакрилата, оболочка (21) изготовлена из фторированного полимера, эластичным веществом является силикон, рассеивающими частицами (40) являются частицы TiO2, имеющие диаметр 200 нм, наружная трубка (5) выполнена из полиамида, из политетрафторэтилена или из полипропилена. 10. Рассеиватель света по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что он имеет у своего ближнего конца соединитель (8), который предназначен для подключения к соответствующему аналогу в устройстве для подачи света в рассеиватель.Описание изобретения к патенту
Настоящее изобретение относится к рассеивателю света для радиального излучения света, подаваемого в рассеятель в аксиальном направлении. Рассеиватели света, радиально излучающие свет, подаваемый в рассеиватель аксиально, хорошо известны в области техники, особенно в области фотодинамической терапии (PDT). Несколько таких рассеивателей света, используемых при промежуточном PDT-лечении, а также при PDT полых органов, например, таких как верхний аэропищеварительный тракт, трахеобронхиальное дерево или пищевод, основаны на фронтальном проникновении светового луча в рассеивающую среду. Свет испускается из оптического волновода, в который свет попадает от источника света или специального устройства для подачи света в волновод в аксиальном направлении в рассеивающую среду или в среду, содержащую рассеивающие частицы. Известные рассеиватели выполнены из оптических волокон с сердцевиной из диоксида кремния и окружающим слоем, выполненным из полиакрилата (имеющего тот же показатель преломления, что и сердцевина), который заполнен рассеивающими частицами. Одним из основных недостатков таких рассеивателей радиального проникновения света является то, что сердцевина, выполненная из диоксида кремния, требует снятия оболочки и поэтому подвергается воздействию окружающего воздуха. Данная операция делает область рассеивания крайне хрупкой. Другим недостатком известных рассеивателей является то, что свет проходит в среде, содержащей рассеивающие частицы, и поэтому количество света, проникающее наружу, снижается с расстоянием вдоль оси рассеивателя, если концентрация рассеивающих частиц остается постоянной. Кроме того, поскольку свет проходит через слой, содержащий рассеивающие частицы, то возникает вероятность местного нагрева и повреждения рассеивателя. Более близкое техническое решение из известных к предложенному описано в патенте США N 5151096. В нем раскрыт рассеиватель света для радиального излучения, подаваемого в рассеиватель в аксиальном направлении, содержащий оптический волновод, имеющий сердцевину и оболочку, при этом активная область сердцевины с удаленной оболочкой погружена в вещество, содержащее рассеивающие частицы, причем это вещество окружено снаружи трубкой, снабженной наконечником для легкого проникновения внутрь злокачественных опухолей. Одним из основных недостатков фронтального проникновения является то, что концентрация рассеивающих частиц, которые содержатся в рассеивающей среде, как правило, не постоянная. Ее обычно повышают с расстоянием, пройденным через рассеивающую среду с тем, чтобы добиться равномерного распределения интенсивности света в ткани вблизи поверхности, где свет испускается радиально из рассеивателя. Эта возрастающая концентрация рассеивающих частиц света компенсирует потерю интенсивности нерассеянного света вдоль главной цилиндрической оси вследствие рассеяния света. Другие желательные профили интенсивности могут быть получены за счет изменения надлежащим образом местной концентрации рассеивающих частиц в рассеивающей среде. Тем не менее точные профили неравномерной концентрации рассеивающих частиц очень трудно получить. Поэтому данная проблема решалась, например, путем создания ряда отдельных зон рассеивания, обычно от трех до пяти зон, каждая из которых имеет разную концентрацию рассеивающих частиц. Это на самом деле является одним возможным решением задачи, каким образом можно преодолеть трудность при получении профиля неравномерной концентрации частиц. Однако несколько различных зон концентрации частиц все же требуют относительно высоких расходов на производство таких рассеивателей. Помимо этого, хотя и можно достигнуть относительно равномерного распределения, все же остается некоторый потенциал для повышения равномерности распределения интенсивности света вдоль основной цилиндрической оси рассеивателя. Другим недостатком известных рассеивателей является то, что все рассеивающие частицы, содержащиеся в рассеивающей среде, расположены непосредственно на пути основного луча света в рассеивателе и поэтому они могут абсорбировать определенное количество света. Это может привести к сильному местному нагреву, который может повредить рассеиватель. Задача настоящего изобретения состоит в создании рассеивателя света, который лишен вышеупомянутых недостатков известных технических решений. Эта задача решается с помощью предложенного рассеивателя света для радиального излучения света, подаваемого в рассеиватель в аксиальном направлении, содержащий оптический волновод, имеющий сердцевину и оболочку, при этом у дальнего конца волновода в активной области с сердцевины удалена оболочка и активная область сердцевины с удаленной оболочкой погружена в вещество, содержащее рассеивающие частицы, причем это вещество окружено снаружи трубкой. Согласно изобретению, в активной области сердцевины с удаленной оболочкой предусмотрены средства для оптического отделения сердцевины от вещества, содержащего рассеивающие частицы, и удержания сердцевины, оптически отделенной от вещества, содержащего рассеивающие частицы, до отдаленного конца активной области. В предпочтительной форме реализации изобретения активная область сердцевины с удаленной оболочкой имеет шероховатость, а средства для оптического отделения сердцевины включают первый слой эластичного вещества, которое не содержит рассеивающие частицы и имеет показатель преломления, аналогичный показателю преломления оболочки, сердцевина погружена в первый слой эластичного вещества, а первый слой погружен по меньшей мере еще в один, второй слой эластичного вещества, содержащего рассеивающие частицы, причем это вещество окружено снаружи трубкой. Желательно сделать так, чтобы рассеивающие частицы во втором слое были распределены равномерно по меньшей мере в аксиальном направлении. Целесообразно для отражения света, появляющегося из волновода в аксиальном направлении, установить в отдаленном конце рассеивателя зеркало. При этом также целесообразно у отдаленного конца наружной трубки разместить внутри нее заглушку. Важно при реализации изобретения диаметр сердцевины волновода выбрать от 250 до 3000 мкм. Наиболее предпочтительно, когда диаметр сердцевины волновода составляет от 500 мкм до 750 мкм, внутренний диаметр наружной трубки на 100 мкм больше диаметра сердцевины волновода, а внешний диаметр наружной трубки составляет от 0,9 мм до 1,2 мм. Активная область сердцевины с удаленной оболочкой, которая помещена в эластичное вещество, может иметь длину до 100 мм. Экспериментально установлено, что наилучшие результаты могут быть достигнуты, когда сердцевина волновода изготовлена из полиметилметакрилата, оболочка - из фторированного полимера, эластичным веществом является силикон, рассеивающими частицами являются частицы TiO2, имеющие диаметр 200 нм, наружная трубка выполнена из полиамида, из политетрафторэтилена или из пропилена. Предложенный рассеиватель в одной из форм выполнения имеет у своего ближнего конца соединитель, который предназначен для подключения к соответствующему аналогу в устройстве для подачи света в рассеиватель. Таким образом, рассеиватель в соответствии с изобретением позволяет свету проходить в среде, которая оптически очищена, до отдаленного конца рассеивателя. Рассеивающую среду отделяют (радиально) и оптически выделяют из среды, в которой распространяется свет. Поскольку материалы, используемые для различных слоев, являются эластичными, то они не придают рассеивателю крайнюю хрупкость, и поэтому такой рассеиватель пригоден, в отличие от известных, для промежуточного лечения PDT. Более того, поскольку нет никаких рассеивающих частиц, встречающихся либо непосредственно на пути прохождения света, либо в непосредственном контакте или близко к наружной поверхности сердцевины, то устраняется появление значительного местного нагрева, а следовательно, повреждения рассеивателя, которое может произойти в результате подобного местного нагрева. Важное преимущество вытекает из того, что в непосредственном контакте с наружной поверхностью сердцевины нет никаких рассеивающих частиц. Большая часть света, распространяемого в сердцевине, отражается на наружной поверхности сердцевины и таким образом продолжает распространяться в сердцевине, то есть не появляется сквозь наружную поверхность сердцевины. Даже нераспространяющаяся волна, эта часть света, отраженного у поверхности сердцевины, которая незначительно проникает в тонкий слой, покрывающий сердцевину, по существу не вступает в соприкосновение со слоем, содержащим рассеивающие частицы. Эту часть света, появляющуюся сквозь наружную поверхность сердцевины, которая затем рассеивается при помощи рассеивающих частиц, можно регулировать путем изменения шероховатости сердцевины. Поскольку лишь относительно малая часть света появляется сквозь наружную поверхность сердцевины, то в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, есть возможность за счет изменения шероховатости поверхности сердцевины вдоль аксиального направления достичь равномерного распределения интенсивности света. За счет создания слоя с равномерной концентрацией (по меньшей мере в аксиальном направлении) рассеивающих частиц свет, покидающий сердцевину, которая имеет направление вперед (то есть, в направлении распространения света в сердцевине), в конце концов становится всенаправленным. Благодаря наличию зеркала в рассеивателе, свет, появляющийся из концевой грани оптического волновода, отражается в зеркале и затем распространяется назад через волновод в обратном направлении. Части этого отраженного света вновь появляются через наружную поверхность сердцевины и затем рассеиваются за счет рассеивающих частиц. С помощью этого зеркала большая часть света, подаваемого к ближнему концу рассеивателя, используется для облучения, а степень равномерности распределения света вдоль основной цилиндрической оси рассеивателя дополнительно повышается. Для эффективного закрытия и стабилизации отдаленного конца рассеивателя используется указанная выше заглушка. Эта заглушка может иметь форму острого наконечника с целью упрощения ввода рассеивателя в ткань при промежуточном PDT-лечении. При выбранных значениях диаметра сердцевины можно подавать на сердцевину свет мощностью до 4 Вт с очень малой вероятностью вызвать повреждение рассеивателя. Как уже отмечалось, внутренний диаметр наружной трубки на 100 мкм больше внешнего диаметра сердцевины волновода, а внешний диаметр наружной трубки при диаметре сердцевины от 500 мкм до 750 мкм составляет от 0,9 мм до 1,2 мм, но могут быть получены значительно меньшие диаметры. Следовательно, наружные размеры всего рассеивателя являются относительно малыми, но в то же время они позволяют подавать в рассеиватель свет высокой мощности. Применение в рассеивателе соединителя у его ближнего конца может быть особенно интересно для использования в стерильной среде, поскольку отпадает необходимость проведения специальных настроек, а стоит лишь вставить соединитель в соответствующую часть, и рассеиватель готов к употреблению. Далее изобретение поясняется более подробно описанием примеров выполнения с ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:фиг. 1 показывает вариант выполнения наиболее существенных частей рассеивателя света в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 2 показывает вариант фиг. 1, который дополнительно содержит зеркало и стопор;
фиг. 3 показывает общий вид рассеивателя света, снабженного соединителем;
фиг. 4-10 показывают пример осуществления различных стадий способа изготовления рассеивателя света. В соответствии с фиг. 1, существенные части всего рассеивателя 1, который представлен на фиг. 3, включают оптический волновод 2, имеющий сердцевину 20 и оболочку 21. Сердцевина 20 очищается от оболочки 21 и делается шероховатой в активной области 200 ближе к ее отдаленному концу 201. Активная область 200 возле отдаленного конца 201 сердцевины 20 погружена в первый слой 3 эластичного вещества, который не содержит никаких рассеивающих частиц. Первый слой 3 эластичного вещества погружен во второй слой 4 эластичного вещества, который содержит рассеивающие частицы 40. Этот второй слой 4 окружен снаружи трубкой 5. Относительно распространения и рассеивания различных лучей света, также представленных на фиг. 1, следует отметить, что работа рассеивателя будет пояснена более подробно ниже. На фиг. 2 приведен вариант рассеивателя света, представленного на фиг. 1, однако этот вариант дополнительно содержит зеркало 6 и заглушку 7 у отдаленного конца рассеивателя. Фиг. 3 показывает общий вид рассеивателя 1, который снабжен соединителем 8 со стороны своего ближнего конца. Соединитель 8 может быть подключен к соответствующему аналогу устройства (не показано) для подачи света в рассеиватель 1. Рассеиватель 1, в соответствии с данным вариантом, дополнительно содержит по существу непрозрачную защитную наружную трубку 5a, простирающуюся от ближнего конца к области 202 около активной области 200 у отдаленного конца 201 волновода, где он может быть приклеен к наружной трубке 5. Общая длина рассеивателя может составлять, например, около двух метров, тогда как длина активной области 200 может быть, например, около 200 мм. Экспонируемая активная область 200 около отдаленного конца 201 может иметь длину примерно от 25 мм до 100 мм. В зависимости от соответствующего PDT-применения длина l2 активной области 200, конечно, может варьироваться за пределами данного диапазона. Волновод 2 может быть, например, оптическим волокном, поставляемым фирмой Toray Industries (Япония), сердцевина изготавливается из полиметилметакрилата с показателем преломления n = 1,492, а оболочка изготавливается из фторированного полимера с показателем преломления n = 1,419. Числовая апертура этого волокна представляет собой NA = 0,46, что соответствует углу приема около 55o. Данные волокна имеют коэффициент затухания приблизительно







Класс G02B23/26 с использованием световодов
Класс A61N5/06 с использованием света