Рассеиватель света - RU2144688C1

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

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 55^o. Данные волокна имеют коэффициент затухания приблизительно α = 0,13 дБ/м при длине волны λ = 514,5 нм, коэффициент затухания приблизительно α = 0,47 дБ/м при длине волны λ = 630 нм и коэффициент затухания приблизительно α = 0,15 дБ/м при длине волны λ = 652 нм. Эластичным веществом первого слоя 3 может быть Rhodorsil^® RTV 141, то есть силиконовый эластомер, содержащий смолу и отвердитель. Данный эластомер имеет показатель преломления n = 1, 406 после полимеризации и поставляется фирмой Rhone Poulenc. Это вещество является в основном прозрачным при любых длинах волн. Веществом второго слоя 4 также может быть силиконовый эластомер, но этот второй слой 4 содержит рассеивающие частицы. Эти рассеивающие частицы могут быть, например, TiO₂-частицами, имеющими диаметр около 200 нм. Наружная трубка 5 может быть изготовлена из политетрафторэтилена (PTFE), имеющего показатель преломления n = 1,35, или из полиамида, имеющего показатель преломления n = 1,51. Полипропилен, имеющий показатель преломления n = 1,49, является другой альтернативой для материала, из которого можно изготовить наружную трубку 5.

Сердцевина 20 волновода 2 в этом конкретном случае имеет диаметр 203, равный приблизительно от 500 мкм до 750 мкм, однако можно выбрать значительно больший или меньший диаметр. В варианте, приведенном на фиг. 2, сердцевина имеет диаметр 203, равный 500 мкм. Внутренний диаметр 50 наружной трубки 5 приблизительно на 100 мкм больше диаметра сердцевины 20. Внешний диаметр 51 наружной трубки 5 в этом конкретном случае находится в интервале от 0,9 мм до 1,2 мм, однако можно выбрать больший или меньший диаметр в зависимости от диаметра сердцевины 20. В варианте, показанном на фиг. 2, внешний диаметр 51 наружной трубки 5 составляет около 0,9 мм. Дополнительная защитная наружная трубка 5a имеет внешний диаметр 51a, равный 1 мм. Со стороны ближнего конца рассеивателя 1 предусмотрен соединитель 8 (фиг. 3), которым может стать любой пригодный соединитель, легко подключаемый к соответствующему аналогу устройства (не показано) для подачи света в рассеиватель 1.

Вновь обращаясь к фиг. 1, можно видеть, что при эксплуатации свет l, подаваемый в рассеиватель 1 или волновод 2, соответственно, распространяется по сердцевине 20 и впоследствии достигает установленной активной области 200, в которой свободная от оболочки сердцевина становится шероховатой. Поскольку активная область 200 погружена в первый слой 3 эластичного вещества, который не содержит никаких рассеивающих частиц, и так как показатель преломления первого слоя 3 меньше показателя преломления сердцевины 20, то свет обычно не проникает сквозь радиальную наружную поверхность сердцевины 20. Однако, за счет того, что активная область 200 сердцевины шероховатая, небольшая часть света проникает сквозь наружную поверхность сердцевины 20. На эту часть l₁ света, которая проникает сквозь наружную поверхность сердцевины 20, можно воздействовать посредством изменения степени шероховатости - чем грубее поверхность сердцевины, тем большее количество света проникает сквозь радиальную наружную поверхность. В описываемом варианте предлагаемого изобретения только малая часть l₁ света проникает сквозь радиальную наружную поверхность. Большая часть света отражается и тем самым распространяется дальше по сердцевине 20. Свет l₁, который проник сквозь наружную поверхность, излучается в нескольких направлениях, а в описываемом варианте он имеет максимальную интенсивность под углом около 45^o относительно основной цилиндрической оси. Поскольку первый слой 3 не содержит рассеивающих частиц, свет может рассеиваться и проходить непосредственно через этот слой. Большое преимущество в результате этого эффекта заключается в том, что благодаря отсутствию непосредственного контакта рассеивающих частиц с наружной поверхностью 20 не может произойти никакого значительного местного нагрева и, соответственно, никакого повреждения рассеивателя, которое могло бы иметь место в результате такого нагрева. Таким образом слой 3 действует в качестве оптической прокладки.

Свет l₁, прошедший сквозь первый слой 3, затем достигает второго слоя 4, который содержит рассеивающие частицы 40. Во время столкновения частиц 40 свет рассеивается изотропно, как показано стрелками S. Так как распределение частиц 40 во втором слое 4 равномерное по меньшей мере в направлении основной цилиндрической оси (а также на 360^o вокруг цилиндра), радиальное излучение света (вокруг цилиндра) является очень равномерным.

Свет, отраженный у радиальной наружной поверхности сердцевины 20, наконец проникает сквозь конечную грань у отдаленного конца 201 волновода 2 и ударяется о зеркало 6, где он отражается и распространяется по сердцевине 20 в обратном направлении. Когда свет ударяется о радиальную наружную поверхность сердцевины 20, часть света вновь проникает через радиальную наружную поверхность сердцевины 20, а основная часть отражается и распространяется в обратном направлении в сердцевине 20.

В некоторых вариантах применения настоящего изобретения может быть желательно, чтобы свет проникал также и аксиально, то есть в направлении основной цилиндрической оси. В таких случаях зеркало 6 не включается в состав рассеивателя. Также может быть желательно изготовить, например, 180^o-рассеиватели, которые радиально испускают свет только под углом 180^o. Для достижения такого эффекта радиальная наружная поверхность может дополнительно содержать отражающую поверхность или покрытие. Все типы описанных выше рассеивателей пригодны для различный видов фотодинамической терапии (PDT), в особенности для промежуточного PDT-лечения, при котором предлагаемый рассеиватель может быть введен в желаемое место, например, с использованием иглы для подкожных инъекций.

Дополнительное преимущество рассеивателя, в соответствии с настоящим изобретением, заключается в том, что он является и прочным, и гибким с возможным радиусом кривой порядка 10 мм. Кроме того, он не очень чувствителен к тепловому удару или химическому разрушению и поэтому может быть легко простерилизован после использования.

Пример способа изготовления рассеивателя поясняется на фиг. 4-10, которые показывают одиночные стадии, подлежащие осуществлению с целью изготовления рассеивателя. Сначала концевую поверхность волновода 2, который может быть вышеупомянутым волноводом с сердцевиной, выполненной из полиметилметакрилата (PMMA) и имеющей показатель преломления n = 1,492, и с оболочкой, выполненной из фторированного полимера и имеющей показатель преломления n = 1,419, который поставляется фирмой Toray Industries с различными диаметрами, полируют до зернистости поверхности, например, 0,3 мкм (не показана). Затем оболочку 21 снимают с сердцевины 20, тем самым экспонируя у отдаленного конца 201 сердцевины 20 активную область 200, которую делают шероховатой. Это удаление оболочки 21 и придание шероховатости сердцевине 20 можно осуществить, например, с использованием специальной наждачной бумаги для оптического полирования с пригодным растворителем, например, смесью H₂O и этанола при соотношении 2:1. Такая шероховатая сердцевина 20 изображена на фиг. 4.

После окончания стадии придания шероховатости на сердцевину 20 наносят праймер (грунтовочное покрытие) P по всей длине l₂, активной области 200 (фиг. 5) с целью повышения сцепления с ней силиконового эластомера. В качестве растворителя грунтовочного покрытия может быть использован метанол. Нанесенный праймер затем оставляют сохнуть в течение около получаса.

Следующей стадией является нанесение на сердцевину 20 тонкого слоя силиконового эластомера (смола с отвердителем), толщина которого составляет обычно около 10-20 мкм (фиг. 6). Силиконовый эластомер обезгаживают перед нанесением на сердцевину 20. После нанесения эластомера начинают полимеризацию, при этом волновод 2 располагают вверх его отдаленным концом 201 с тем, чтобы обеспечить истечение избыточного количества эластомера.

Следующей стадией (фиг. 7) является введение жидкого силиконового эластомера (смола плюс отвердитель, без рассеивающих частиц) по длине, например, 1/3 от длины 1, области 202, которая покрыта наружной трубкой 5. Последняя может быть изготовлена из PTFE (политетрафторэтилена) или других материалов, упомянутых выше. Введение жидкого силиконового эластомера можно осуществить, например, путем создания разрежения (подсоса) у ближнего конца. После всасывания в чистый эластомер силиконовый эластомер (смола плюс отвердитель), нагруженный частицами TiO₂, имеющими диаметр около 200 нм, отсасывают в наружную трубку 5 на длину, например, 1/2 от длины l₂ активной области 200. Помимо частиц TiO₂ силикон может быть нагружен некоторым количеством частиц Al₂O₃, имеющих диаметр около 10-30 мкм. Концентрация частиц TiO₂ может быть порядка 1-5% по массе, концентрация частиц Al₂O₃ по меньшей мере в 10 раз ниже концентрации частиц TiO₂. Основной целью присутствия частиц Al₂O₃ является функция прокладки между вставленной сердцевиной и наружной трубкой 5 с тем, чтобы центрировать сердцевину 20 в наружной трубке 5.

В зависимости от того, требуется или не требуется дополнительное аксиальное испускание света, в наружную трубку вводят зеркало 6 от отдаленного конца, при этом его отражающая поверхность 60 обращена в сторону ближнего конца (фиг. 8). Отражающая поверхность 60 зеркала 6 может быть покрыта тонким слоем праймера для лучшего сцепления. Зеркало проталкивают достаточно далеко в наружную трубку 5 для того, чтобы оставить место для размещения заглушки.

В следующей стадии (фиг. 9) в наружную трубку 5 вставляют заглушку 7 и проталкивают вплоть до его соприкосновения с зеркалом 6, после чего заглушку фиксируют на месте с помощью зажима 9. Затем волновод 2 вводят через ближний конец в наружную трубку 5, активную область направляют сквозь наружную трубку 5 до тех пор, пока она окажется в силиконе, содержащем рассеивающие частицы, в частности, до тех пор, пока она коснется отражающей поверхности 60 зеркала 6. И теперь полимеризуемые среды полимеризуют, например, в течение 24 часов при комнатной температуре.

Если требуется особая конструкция заглушки 7, как это может быть в случае промежуточных применений, тогда заглушка 7, которая была введена в наружную трубку 5 перед полимеризацией, можно вытащить из наружной трубки 5. Пространство, оставленное заглушкой, может быть очищено, и подходящая металлическая или иная заглушка, например, заглушка, имеющая острый наконечник для промежуточных применений, можно вставить и приклеить на место, как показано на фиг. 10. Для таких применений, при которых требуется также аксиальное излучение света, зеркало 6 можно исключить, а металлический наконечник можно заменить прозрачным пластмассовым наконечником с тем, чтобы обеспечить одновременное аксиальное освещение ткани. Конечно, можно (как показано на фиг. 10), чтобы и зеркало и заглушка были выполнены в виде одной части, которую заостряют перед введением.

Реферат

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.

Формула