DE4442523A1 - Faseroptik-Diffusorspitze für die photodynamische Therapie - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft einen verbesserten faseroptischen Diffusor zur Verwendung bei der photodynamischen Therapie (hiernach PDT). Genauer ist die Erfindung auf den Aufbau einer Faseroptikspitze gerichtet, die die Verteilung des Lichtes ver­ bessert, die von der optischen Faserspitze dispergiert und sich fortpflanzt, um ein nahezu gleichförmiges zylindrisches Licht­ muster zu erhalten.

In den letzten Jahren ist die PDT eine übliche Technik bei der Behandlung von Krebs durch Verwenden von lichtinduzierten che­ mischen Reaktionen geworden. Zum Beispiel liefert die US-A 4,660,925 eine Offenbarung vieler Techniken und Probleme, die mit der PDT zusammenhängen, von denen nicht das Geringste die Vorrichtung ist, die eine starke Strahlung ohne Überhitzen oder Selbstzerstörung aushalten muß. Es ist festgestellt worden, daß die Vorrichtung, die für die PDT-Laserlichtübertragung entlang einer Faseroptik in der Lage sein muß, eine solche starke Strahlung zu übertragen, ohne "heiße Flecken" (optische, ther­ mische oder mechanische), und in der Lage sein muß, solche optischen Strahlungsaufgaben unter nachteiligen Umgebungsbedin­ gungen durchzuführen. Es ist bekannt gewesen, eine Vielfalt chemischer Ätztechniken und Aufrauhprozeduren zu verwenden, um die gewünschte Diffusion des Lichtes in das gewünschte Strah­ lungsmuster zu bewirken. Tatsächlich bezieht sich die US-A 4,660,925 auf eine Quentron-Faser mit einer abgeschrägten Spitze.

Aufgaben der Erfindung

Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ver­ besserte Vorrichtung zum Abstrahlen von Licht an der Spitze einer optischen Faser zur Verfügung zu stellen, auf eine solche Weise, daß das gewünschte gleichförmige zylindrische Licht­ muster, das für bestimmte Typen der PDT erwünscht ist, angenä­ hert wird.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine verbesserte optische Faserspitze für die PDT zur Verfügung zu stellen, die leicht herzustellen und im Betrieb haltbar ist, wobei sie die gewünschte Lichtverteilung erzeugt.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, den Aufbau der Vorrichtung für eine optische Faserspitze für PDT verwendbar herzustellen, wobei das Lichtverteilungsmuster vorhersagbar und durch Massenherstellungstechniken wiederholbar ist.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine PDT-Vor­ richtung zur Verfügung zu stellen, die in der Lage ist, eine verbesserte Lichtverteilung zu liefern, wobei sie die starken optischen Energiestrahlungswerte trägt, ohne kritischen optischen, thermischen oder mechanischen Schaden zu erleiden.

Andere Aufgaben werden teilweise offensichtlich sein und teil­ weise hiernach in weiteren Einzelheiten aufgeführt werden.

Ein besseres Verständnis der Erfindung wird aus der folgenden genauen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen einer ver­ anschaulichenden Anwendung der Erfindung erhalten werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Endpaßgerät zur Verwen­ dung mit umhüllten optischen Fasern gerichtet, wobei die Vor­ richtung mit dem abisolierten (nicht umhüllten) Endstück einer optischen Faser zusammenwirkt, wobei die Faser über wenigstens einen Teil ihrer Länge an ihrem Ende nach innen abgeschrägt ist (mit sich verringerndem Durchmesser in Richtung auf das distale Ende), so daß Lichtstreumedium, das zwischen einem Glasrohr angeordnet ist, welches wenigstens den abgeschrägten Faserendabschnitt umgibt, mit Lichtstreumedium zusammenwirkt, das zwischen das Glasrohr der optischen Faser gebracht ist, wobei die Medien zu einer starren räumlichen Beziehung ausge­ härtet werden. Eine solche Vorrichtung liefert eine verbesserte Lichtverteilung.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht, die die spezifische Beziehung zeigt, die zwischen einer umhüllten optischen Faser, dem nicht umhüll­ ten Abschnitt der Faser, der Lichtstreuungs­ mischung und dem abgeschrägten Endabschnitt der Faser herrscht, die alle von einem im wesentlichen zylindrischen Glaskapillarrohr umschlossen sind;

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer typi­ schen handelsüblichen Form der Erfindung, wobei eine ummantelte Faseroptik mit einem Abschnitt versehen ist, von dem der Puffer und der Mantel entfernt worden sind, und einem zweiten Abschnitt, von dem die Umhüllung entfernt worden ist, um die Einrichtung eines Gehäuses für die Diffusorspit­ zenanordnung der Fig. 1 zu ermöglichen;

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Weges der typischen Lichtstrahlenwirkung der Spitze dieser Erfindung; und

Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht ähnlich der Fig. 1, die jedoch die Lichtwege in der Faserop­ tikspitze zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Man wende sich zunächst der Fig. 1 zu, wobei die schematische Querschnittsansicht eine optische Faser zeigt, die im allgemei­ nen mit 10 bezeichnet ist, wobei die Faser ein abgeschrägtes Ende oder einen distalen Abschnitt hat, der im allgemeinen mit 12 bezeichnet ist, wobei die Faser 10 mit dem herkömmlichen Hartüberzug oder der Umhüllung 14 versehen ist. Aus Gründen, die später in weiteren Einzelheiten beschrieben werden, endet die Umhüllung am Punkt 16, der die Faser in einen geraden Abschnitt und in einen abgeschrägten Endabschnitt der Faser ohne Umhüllung teilt.

Entsprechend den Techniken der photodynamischen Therapie (PDT) wird beabsichtigt, daß das Licht aus dem nichtumhüllten Abschnitt der Faseroptik 10 in einer gesteuerten Weise aus­ tritt, und in dieser speziellen Ausführungsform wird monochro­ matisches Licht von einer Laserquelle (nicht gezeigt) durch die Faseroptik 10 geliefert, um irgendeine geeignete photosensitive Droge zu aktivieren, die in der PDT verwendet wird. In vielen Anwendungssituationen ist es wünschenswert, eine Faseroptik­ spitze zu haben, die Licht in einer gleichförmigen Weise lie­ fert, wobei für Tumore, die ein hohes Aspektverhältnis haben (d. h. lang und dünn sind), es wünschenswert ist, die Energie im wesentlichen gleichförmig über die Länge des Tumors zu liefern. Wie es im Stand der Technik ausgeführt ist, ist der freilie­ gende Endabschnitt der Faseroptik von einem Lichtstreumedium umgeben, wobei das Lichtstreumedium im allgemeinen ein härt­ bares Epoxyharz mit hohem Brechungsindex umfaßt, das zwei Gew.-% bis 10 Gew.-% Titandioxid oder Aluminiumoxid enthält; dieser Stand der Technik benutzt eine mittlere Teilchengröße von 0,3 bis 5 Mikrometer, wobei die Teilchen 5 bis 10% der Epoxymischung bilden. Es ist wohlbekannt, daß die Lichtmenge, die von der optischen Faser dispergiert wird, im allgemeinen als Streuleistung bezeichnet wird, und somit, wegen der Streu­ ung, die am Anfangsende des nichtumhüllten Abschnittes der Faser auftritt, weniger Licht am distalen abgeschrägten Ende der Faseroptik verfügbar ist; um somit eine gleichförmige Lichtintensität beizubehalten, muß die Streuleistung erhöht werden, wenn ein gleichformiges, im allgemeinen zylindrisches Muster erhalten werden soll.

Bei der vorliegenden Erfindung erhöht sich die Menge an Streu­ material in einer gesteuerten Weise, wenn man sich an das distale Ende der abgeschrägten Faseroptik 10 nähert, wobei der Zuwachs gesteuert ist, da wenigstens der distale Abschnitt 12 der Faseroptik 10 von einer Hochpräzisions-Glaskapillare umge­ ben ist, wobei die Kapillare umgeben ist, wobei die Kapillare einen konstanten Durchmesser hat und der Raum zwischen der Innenwand der Glaskapillare 20 und dem Faserabschnitt 12 mit dem lichtstreuenden Epoxymischmaterial befüllt ist. Somit erhöht sich die Menge an lichtstreuendem Material in radialer Richtung, wenn man sich an das Ende der Faseroptik 10 annähert, und der lichtstreuende Effekt entlang der Abschrägung wird erhöht, um so die Vorhersagbarkeit für das emittierte Licht beizubehalten. Im Gegensatz jedoch zu vielen Schemata des Stan­ des der Technik wird die Menge an lichtstreuendem Material in der Vorrichtung dieser Erfindung wegen der Natur der Abschrä­ gung des Faseroptikendes 12 und dem Abstand der Faser 12 von der Innenwand der zylindrischen Kapillare 20 kontrolliert. Wie zuvor angemerkt, kann irgendein geeignetes Streumaterial und eine Epoxymischung in der vorliegenden Erfindung verwendet wer­ den, wobei es wünschenswert ist, daß die Epoxymischung ausge­ härtet wird, nachdem die Faseroptikspitze in die Glaskapillare gelegt ist. Falls gewünscht, kann eine Spiegelendfläche 21 zur Verfügung gestellt werden.

Das wünschenswerte Zentrieren der Faser 12 in dem Kapillarrohr 20 wird von dem verlängerten Abschnitt 21 der Glaskapillare 20 über den Umhüllungsabschnitt und in engem Eingriff mit dem umhüllten Abschnitt 14 der Faser unterstützt, um somit eine selbstzentrierende Beziehung für das Ende der Kapillare 20 relativ zur der Faseroptik 10 einzurichten.

Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß kleine (ungefähr 5,5 Mikrometer große) Aluminiumoxidteilchen in die Lichtstreumischung 17 gebracht werden können, um somit eine Wandtrennung zwischen dem Innendurchmesser der Wand der Kapil­ lare 20 und dem Faseroptikabschnitt 12 von wenigstens 5,5 Mikrometer sicherzustellen, was somit als eine zusätzliche Zen­ trierungstechnik wirkt, die gewährleistet, daß die Faser nicht in Kontakt mit der Kapillarwand kommen wird, so daß uner­ wünschte Reflexionen oder heiße Flecken oder andere Energie- Nichtgleichförmigkeit in dem Lichtverteilungsmuster vermieden wird. Somit, wobei ein Ende der Kapillare 20 von der Umhüllung 14 gegriffen und zentriert wird und nach dem Härten das abge­ schrägte Ende der Faseroptik 10 fest innerhalb des Kapillarroh­ res 20 positioniert ist, wird ein wiederholbares und vorhersag­ bares Lichtverteilungsmuster erhalten.

Das Positionieren der Faseroptik 10 und insbesondere des Faser­ optikendabschnittes 12 innerhalb des Kapillarrohres 20 wird noch enger kontrolliert (vor dem Aushärten des Epoxyharzes), indem Glas- oder Keramikteilchen in dem Größenbereich von 5 bis 10 Mikrometer zu der Streumischung hinzugefügt werden, um die zentrierende, beabstandende Wirkung zwischen der Kapillare 20 und den Faseroptikabschnitten 10 und 12 zu verbessern. Genauer stellt ein solches Glas- oder Keramikmaterial mit einem Brechungsindex nahe dem des ausgewählten Epoxyharzes weiterhin die Trennung der Faserspitze 12 von der Kapillarwand 20 sicher. Eine solche Abstand haltende Technik schaltet Vielstrahl-Inter­ ferenzeffekte aus, die von kleinen Abständen verursacht werden, und erhöhen die Vorhersagbarkeit und Gleichförmigkeit der Lichtverteilung.

Man wendet sich als nächstes der Fig. 2 zu, in der eine han­ delsüblich erscheinende Vorrichtung in Querschnittsform offen­ bart ist, die einen Kabelmantel 25 zeigt, der entfernt worden ist, um den Pufferüberzug 28 freizulegen, üblicherweise einen TEFZEL® (eingetragenes Warenzeichen von DuPont), wobei der Puffer an seinem Ende 31 mit getriebenen Gewinden 30 versehen ist. Der umhüllte Abschnitt 14 und der nichtumhüllte Abschnitt 11 der Faseroptik 10 mit dem abgeschrägten Ende 12 der Faserop­ tik bestehen somit aus einem abgeschrägten Abschnitt und einem im wesentlichen geraden Abschnitt 13, über den sich das Kapil­ larrohr 20 erstreckt; das Gehäuse 30 ist bevorzugt ein Polycar­ bonat-Material, das über den größten Teil für die zu verwen­ dende Laserlicht-Wellenlänge transparent ist, wobei das Gehäuse mit Innengewinden 31 versehen ist, die mit den Gewinden zusam­ menwirken, die auf dem Puffer 28 vorgesehen sind. Ein gespitz­ tes Ende 32 kann irgendeine gewünschte Ausgestaltung haben, wie es durch die Benutzungsumgebung festgelegt ist.

Es sollte bemerkt werden, daß der gerade Abschnitt der Faser innerhalb der Kapillare vorliegt und nicht abgeschrägt ist, bis er den vorgeschriebenen Durchmesser des distalen Endes des Dif­ fusors zu erreichen beginnt. Die Verwendung des geraden Abschnittes innerhalb des Kapillarrohres ermöglicht die Steue­ rung der anfänglichen Lichtverteilung. Derselbe gerade Abschnitt wird für das Positionieren der Faseroptikspitze rela­ tiv zu dem Kapillarrohr benutzt. Auf ähnliche Weise, durch Steuern der Lichtmenge, die über den geraden Abschnitt der Faser freigesetzt wird, unterliegt die Lichtverteilung über die gesamte Länge der Abschrägung einer besseren Kontrolle.

Man wendet sich als nächstes der Fig. 3 zu, denn die Verwen­ dung eines optischen Klebematerials (Epoxyharz) mit einem Faserkern erfordert das Verständnis des Brechungsindex jeder Komponente. In Fig. 3 gibt der Pfeil P den erwarteten Weg eines Lichtstrahles an, der auf eine Kern/Epoxyharz-Übergangs­ fläche fällt, so daß der Brechungswinkel gleich dem Einfalls­ winkel ist. In dem Fall der Epoxy-Faser-Beziehung der vorlie­ genden Erfindung paßt der Brechungsindex des Epoxyharzes nicht zu dem der Faser; der Epoxyharzindex wird bevorzugt zu 1,52 gewählt. Der Strahl, der entlang der Richtung Q fortschreitet, wird von der normalen geraden Trajektorie P um einen Betrag abweichen, der im allgemeinen durch das Snelliussche Brechungs­ gesetz bestimmt ist.

ΔΘ zeigt die winkelmäßige Änderung im gebrochenen Strahlenwin­ kel, verursacht durch eine gegebene Änderung, Δn beim Brechungsindex durch das neu umhüllende Epoxyharz (realtiv zum Kernindex); somit tritt eine tatsächliche Änderung in der Wegrichtung auf, wenn sich der Brechungsindex des Epoxyharzes vom Brechungsindex des Kerns entfernt, da in der vorliegenden Erfindung ΔΘ ≠ 0 ist, und dieses verstärkt ein Merkmal der Erfindung, nachdem der Brechungsindex des Epoxyharzes nicht mit dem Brechungsindex des Faserkerns übereinstimmt.

Man wendet sich als nächstes der Fig. 4 zu, in der eine sche­ matische Darstellung des Weges eines typischen Lichtstrahlwir­ kung in der Faseroptikspitze der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Der meridionale Strahl R, der auf das große Ende der Abschrägung der Faser 10 unter dem Winkel Θi einfällt (gebildet mit der Achse der Faser) wird mit zunehmend geringeren Ein­ fallswinkeln von der konischen Wand reflektiert. Beginnend mit einem Anfangswert von Θi wird der Fortpflanzungswinkel Θ um 2β bei jeder Reflexion an der Kernhüllen-Trennschicht zunehmen. Wenn die Faserabschrägung glatt ist und die Anzahl der Refle­ xionen groß ist, ist der Wert von Θo durch die Beziehung gege­ ben:

Wenn Φ geringer als der kritische Winkel wird, so daß der Strahl nicht mehr von dem Kern geführt wird, wird er zu der Umhüllung laufen und auf das Streumedium auftreffen. Somit wird der Strahl in den Bereich des Index n_o entweichen, wenn:

Diese Gleichung gilt natürlich für den Fall des Fehlens des Streumediums. Wenn Streumedium vorliegt, wird der Wirkungsgrad der Kopplung der Strahlen an dem Bereich des Index n_o stark zunehmen.

All das Vorangehende ist beabsichtigt, um eine Theorie der Betriebsweise für die einzigartige Struktur aufzustellen, die eine Gelegenheit für eine spezifischere wiederholbare vorher­ sagbare Kontrolle über die Lichtverteilungsintensität in einer PDT-Lichtsonde erzeugt.

Die Verfahren des Befestigens der Faserabschrägung, des Mischens der Streuverbindung usw. bildet keinen Teil dieser Erfindung, mit der Ausnahme, daß das Vorsehen von Teilchen einer bestimmten vorausgewählten Teilchenart für das Streume­ dium und eine Teilchengröße der Glas- oder Keramikteilchen aus­ gewählt ist, um das genaue Zentrieren des abgeschrägten Endes der Faser innerhalb des Kapillarrohres sicherzustellen. Das Anbringen des Kapillarrohres auf der umhüllten Faser, um das Herstellen von Konzentrizität des Endes der Kapillare in bezug auf die abgeschrägte Faser zu unterstützen, das Aushärten des Epoxyharzes, sollen alles wichtige Gegenstände bei der pragma­ tischen Verwendung der Erfindung sein.

Obwohl die Erfindung in bezug auf beispielhafte Ausführungsfor­ men veranschaulicht und beschrieben worden ist, sollte es von den Fachleuten verstanden werden, daß vorangehende und andere Änderungen, Weglassungen und Zusätze gemacht werden können, ohne daß man sich vom Gedanken und Rahmen der Erfindung ent­ fernt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirk­ lichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Bezugszeichenliste

10 optische Faser, Faseroptik
11 nicht umhüllter Abschnitt
12 abgeschrägtes Ende
13 gerader Abschnitt
14 Hartüberzug oder Umhüllung
16 Hüllenden
17 Lichtstreumischung
20 Glaskapillare
21 Spiegelendfläche, verlängerter Abschnitt
25 Kabelmantel
28 Pufferüberzug
30 Gewinde, Gehäuse
31 Ende, Innengewinde
32 gespitztes Ende

Claims (6)

1. Vorrichtung für die photodynamische Therapie, mit:

• - einer umhüllten optischen Faser (10) mit einem geraden umhüllten Abschnitt (14) und einem Endabschnitt (12), von dem die Umhüllung entfernt worden ist, um umhüllte und nichtumhüllte Endabschnitte zur Verfügung zu stellen, wobei die Endabschnitte einen geraden, im allgemeinen zylindrischen Faserabschnitt (13) und einen Endabschnitt mit einem nach innen abgeschrägten Längsschnitt haben;
• - einem Glasrohr (20), das den geraden, umhüllten optischen Faserendabschnitt einschließlich wenigstens des nichtum­ hüllten, abgeschrägten Endabschnittes (12) umgibt, wobei das Rohr (20) einen im wesentlichen konstanten Innen­ durchmesser hat, der größer ist als der Außendurchmesser des nichtumhüllten Faserabschnittes (11); und
• - einem Lichtstreumedium (17), das zwischen dem Glasrohr (20) und wenigstens dem nichtumhüllten Abschnitt der optischen Faser (20) angeordnet ist und den freien Raum zwischen diesen füllt, so daß Licht in einer kontrollier­ ten Weise von dem nach innen abgeschrägten Endabschnitt (12) diffundiert wird, wobei der Raum zwischen der Innen­ wand des Glasrohres (20) und dem Endabschnitt (12) der optischen Faser im wesentlichen mit einem härtbaren Mate­ rial befüllt ist, um das Rohr (20) relativ zu dem nichtumhüllten Faserendabschnitt (11) nach dem Aushärten starr zu positionieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das härtbare Material ein Epoxyharz ist, einschließlich lichtstreuender Teilchen, von denen einige eine Größe haben, die den Faserendabschnitt (11) innerhalb des Roh­ res (20) zentrieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Endabschnittes der optischen Faser (10) an gleicher Stelle wie das Glasrohr (20) endet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtstreuenden Teilchen Glasperlen umfassen, die im wesentlichen für das Laserfrequenzlicht transparent sind und dabei helfen, das Faserende koaxial zu dem Rohr (20) zu positionieren.

5. Vorrichtung zur Verwendung in der photodynamischen Thera­ pie zum Bestrahlen von Abschnitten des menschlichen Kör­ pers, mit:

• - einer umhüllten optischen Faser (10) mit einem Endab­ schnitt (11), von dem die Umhüllung entfernt ist;
• - einem Glasrohr (20), das die umhüllten und nichtumhüllten Abschnitte der optischen Faser (10) umgeben, wobei sich das Rohr (20) gemeinsam mit dem nichtumhüllten Abschnitt und wenigstens eines Teiles des umhüllten Abschnittes erstreckt, wobei das Rohr (20) einen Innendurchmesser hat, der mit geringem Abstand zu dem umhüllten Abschnitt der Faser (10) liegt;
• - wobei der nichtumhüllte Abschnitt der Faser von dem Bereich des umhüllten Abschnittes zum distalen Faserende hin abgeschrägt ist und ein härtbares Epoxyharz den freien Raum zwischen der Faser und dem Rohr füllt, um das Rohr relativ zu dem Faserendabschnitt starr zu positio­ nieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Epoxyharz lichtstreuende Teilchen enthält.