CN1026617C - 光纤光扩散器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是荧光疗法中使用的经过改进的光纤光扩散器及制造方法，这种光纤光扩散器可以是管形的，使光成管形扩散，光纤的一头剥去包层，裸露的纤头上涂一层薄光散射介质，一头封闭的套件套在光纤上，但不触到光散射介质，并固定在光纤包层上。这种光纤光扩散器也可以是球形的，使光成球形向外辐射。球形扩散器包括一个剥去包层的光纤头，一个两端不封口的小套管环绕在光纤头上，并固定在光纤包层上，球形导光体包住小套管的一部分和光纤头。

Description

本发明涉及一种用于产生大致均匀的散射光输出的光纤装置，特别是对两种可在生物环境中使用的光纤光扩散器的改进，及制造这种装置的方法。

近年来，“荧光疗法”（PDT）在治疗癌症、肿瘤及其它人类甚至动物疾病方面得到了广泛应用。美国第4889129号专利就专门讨论了这种荧光疗法以及进行治疗所用的设备。荧光疗法主要使用三种光学设备向治疗部位进行光配送。光纤微镜就是其中之一，它可将一束扩散光传导到可接触到的细胞组织表面。管形光纤光扩散器（也叫“线状光源”）是另外一种装置，它相对于光纤的中轴线使光成管形扩散输出，可用于支气管和食管等管形部位。第三种装置是球形光纤光扩散器（也叫“光球”），可产生球形的散射光。球形扩散器常用于治疗球状的空腔，如膀胱或肿瘤切除手术造成的空腔。

1987年4月28日授予美国的小詹姆斯·S·麦高恩的第4442950号专利介绍了一种管形光纤光扩散器及其制造方法。这种管形扩散器包括一个一端露出芯部的光纤，涂于暴露的芯子表面和 邻近的光纤包层上的光散射介质，以及一根端部开口的固定在散射介质的管子。这种扩散器的制造过程主要包括以下步骤：将光纤一头的外部包层除去，露出一段纤芯;对露出的纤芯进行抛光;在纤芯和邻近的光纤上涂上一层光散射层;将光散射介质紧紧插入管内;在光散射介质和管子之间的缝隙中再注入光散射介质;以及将其中截留的空气排除。

1987年9月15日授予美国的小詹姆斯·S·麦高恩的第4693556号专利介绍了一种典型的球形光纤光扩散器及其制造方法。该方法主要包括如下步骤：除去光纤一头的外部包层，以提供一暴露的纤芯部;将露出的纤芯抛光;以及在露出的纤芯和邻近的光纤外层上反复涂光散射介质，直到形成一个导光的球体。

在进行荧光治疗时，对光纤光扩散器的基本要求是：在含有肿瘤的细胞组织内，光的分布要尽可能均匀，机械性能必须可靠。如果光纤光扩散器组件在插入或治疗时折断，光的分布就会不适当。而且，还有可能会使折断一段光纤留下，如果氧气聚集多了还有着火的危险，因为光纤折断处具有较高的功率密度。此外，光纤光扩散器的刚性也是荧光疗法的一个重要指标。这是因为光纤在内窥镜和肿瘤中穿行时是受插入方向来控制，而不是受细胞组织或肿瘤的不规则的机械特性的控制。光纤光扩散器功率损耗要小，而功率控制能力要强。

普通装置由于结构上和制造上缺陷颇多，因此无法满足这些要 求。

本发明对现有的光纤光扩散器及其制造方法作了很大改进，包括现有的管形和球形光纤光扩散器。

本发明的目的是提供一种能发生均匀散射光且具有良好的机械性能的光纤光扩散器。

这种具有良好光学性能和机械性能的扩散器可以在生物环境中使用。

该扩散器的制造方法比一般方法要简单。

该扩散器可以是管形的，它相对于光纤的中轴线均匀地扩散，具有良好的机械性能。

这种管形扩散器功率损耗小，可以达到至少630nm光连续600mw/cm无损耗，还具有良好的机械强度和刚性，使光纤可以平滑地插入和通过内窥镜沿直线通道进入肿瘤。

该扩散器也可以是球形的，可产生球形的均匀的光，具有良好的机械性能。

这种球状扩散器功率损耗小，可达到连续功率程度至少630nm光3瓦无损耗，还具有良好的物理特性，可承受冷冻消毒，并顺利通过细胞镜。

本发明还提供了一种经过改进的散射光源，可用于光纤光扩散器，并具有良好的光学特性。

本发明是荧光治疗法中使用的一种经过改进的光纤光扩散器。 这种扩散器可以是管形的，光纤的一头剥示包层露出纤芯，纤芯表面涂一层薄薄的光散射介质，光纤头上套一个无色的套件，它固定在光纤的包层上，但不接触光散射介质。在最佳实施例中，套件带有与光纤中轴线成一定角度的芯头。套件最好通过螺纹以水密的方式固定在光纤包层上。如果是短头光扩散器，可简单地把裸露的短芯头抛光成平的矩形端面，不涂光散射介质。

扩散器也可以是球形的，光纤的一头剥去包层露出纤芯，一小套管沿圆周方向围绕露出的芯头并固定在光纤的包层上，纤芯头上以及套管的一部分上涂一层球形光散射介质。在制造过程中，可以用硅胶模子达到光散射介质一次成型，而不必一遍一遍地涂。本发明还公开了一种可减少功率损耗、提高光纤光扩散器功率操纵能力的光散射剂。

图1是本发明的一种管形光纤光扩散器的剖视图。

图2A、2B、2C是用于本发明的管形光纤光扩散器的套件的锥形头部的三个实施例的剖视图。

图3是本发明管形光纤光扩散器的另一个实施例的剖视图。

图4是本发明的球形光纤光扩散器一个优选实施例的剖视图。

图5是光纤套管组件以及套管和光纤包层之间的优选连接方法的剖视图。

图6是制造带多空腔的硅胶模子的金属模具的剖视图。

图7示意地示出制造本发明的球形光纤光扩散器的光散射球的 优选方法。

下面参照附图进行详细说明，图1示出一个管形光纤光扩散器20，它包括一个纵向的光纤10，光纤的头部露出纤芯头15，纤芯头上涂了一层光散射介质16，纤芯头上套了一个套件18，该套件固定在靠近纤芯头15的光纤10的包层上，但不接触光散射介质16。相对于光纤10的中轴线24，管形光扩散器20向外发出大致均匀的光。

光纤10是一种石英光纤，其石英芯直径为400微米。纤芯14裹着的包层由内层13和外层12组成。纤芯14外面先裹一层10-20微米厚的透明聚合物层13，外面再包一层起保护作用的“特氟泽尔”（tefzel）外层12，整个光纤的外径约为860微米。外层12的外径可以有所变化，但860微米是有效的，因为用000-120的标准尺寸（即钟表匠的尺寸）做螺纹最为理想。光纤10的长度约为2米。

光纤10的一头有一个SMA连接器（图上未示），与一根长10米、纤芯粗100微米的连接光纤连接，该连接光纤与一激光器发出的光匹配，例如5mv的氦氖激光器（NeHe    laser）。

光纤10另一头的外层用剥皮器剥掉、内层则用微型汽油喷灯或其他方法除去，露出纤芯头15。裸露的纤芯头15的长度最好是0.5到2.5厘米，但在有的情况可能需要更长些。

然后在裸露的纤芯头15上涂一层光散射介质16，它由光学粘接剂组成，例如“诺兰德61”（Norland61）或“艾泼泰克301”（Epo-Tek301）树脂，粉状合成兰宝石（氧化铝）那样的粉状光散射体，金 刚砂或氧化铝粉。这些光散射体对于630nm光的折射指数在1.7到2.2范围内。也可使用其他一些材料，但光学粘接剂必须尽可能与石英折射指数（约1.3）吻合，以消除在石英和粘结剂结合表面的内部反向。光散射的折射指数必须有别于粘接剂的折射指数。为了制造低损耗的光扩散器，所使用的材料必须要保证在所应用的光源的波长范围内尽可能少吸收光，粘接剂和粉状光散射材料必须是光学透明的。

裸露的纤芯头15上最好涂一层薄薄的光散射介质16，可按下列程序进行。首先在纤芯头15上涂上薄薄一层光学透明粘接剂，然后用一把小刷子往涂了粘结剂的纤芯头上涂光散射体，涂光散射体要根据氦氖激光器发出的光纤中传导的光来进行。在涂的过程中，光纤与一张白纸保持平行（离表面大约1毫米距离）。假如纸位于光纤和操作人的眼睛之间，从闪亮的小红点的大小和形状上就可看出光是否均匀。达到所需结果之后，用紫外线将“诺兰德＃61”（Norland61）这样的粘接剂凝固，或者对于环氧树脂让其自行凝固。

使用具有一封闭头部19的管形无色透明套件18就可满足机械方面的要求。套件18的内孔尺寸大于涂了光散射体的纤芯头的直径，这样就不会与纤芯头接触，也便于固定在靠近纤芯头15的光纤10的包层上。套件18可用“列克森”聚碳酸酯（Lexanpolycarbonate）制造。在图1所示的实施例中，套件18与光纤10的包层采用螺纹连接。首先按照000-120丝锥的直径（＃70钻头）对 1.8毫米外径的“列克森”管进行钻孔。钻头进入封闭头19内1-2毫米。然后攻出3毫米深的螺纹（000-120）。“列克森”管的钻孔长度至少要比裸露的纤芯头长3毫米。然后将做好的套件18螺纹固定在光纤10的包层上。包层上的螺纹可以事先用金属模具滚攻而成，或者在连接时直接用套件18攻出螺纹。连接前要在套件18的螺纹上涂一点环氧树脂，可以起防水密封的作用，还可使连接更加牢固。如果连接适当的话，套件18就不会触到光散射介质16，中间有空隙22（如图所示），这样，扩散器的光学性能就不会受套件18的影响，套件则保护扩散器在使用中不受机械应力的损伤。这种设计易于制造，同时又可防止因纤芯头上光散射介质不平造成的光线不均匀，而在现有的设计中则有可能出现这种毛病。

图2是套件18的一个优选实施例。套件18的头部呈尖锥状19，锥形状19的角度R在30到90度范围内，通过选择角度使光纤光扩散器组件便于通过内窥镜进入肿瘤。

在100多次一个周期的试验当中，这种管形光纤光扩散器从未出过毛病，还反复经受了冷冻消毒和蒸汽消毒试验。

关于较短的光纤光扩散器（大约1cm或更短），例如图3所示的本发明的一个实施例，其制造方法是，先把光纤10剥开，把裸露的光纤头15抛光成平的方端面，然后将套件18与光纤包层12螺纹连接。锥形套件18的扩散表面把光纤10的经过抛光的纤芯端发出的光散射开来。采用这一工艺时，要小心将光纤剥开，使芯头距包层 一很短的距离，例如不到1毫米。

参看图4，图4示出本发明的一种球形光纤光扩散器30。该扩散器30包括一根具有裸露芯头15的光纤10，一个无色的小套管35，其开口端环绕着光纤芯头15并固定在光纤10的包层11上，以及一个包住小套管35的一部分和光纤头15的球形光散射介质。

光纤10还包括一根由包层11保护的纤芯14，而包层又由内层和外层构成（图上未示）。光纤10有一个剥去包层的纤芯头15，即裸露的芯头。

小套管35吸收光的程度必须是在有关波长范围内最低的。小套管35可用“列克森”聚碳酸酯制造。在一个优选实施例中，小套管35与光纤10的包层11螺纹连接。就象本发明的管形光扩散器的螺纹制造工艺那样，在小套管35上攻出000-120螺纹。但有一个区别，即小套管35两端不封口，在制造过程中，光纤头要擦拭干净并抛光成方的平头，然后象图5所示，插入透明的聚碳酸酯小套管35中。图5还显示了不同尺寸的光纤小套管组件34。

光散射球38由透光的光学粘接剂和粉末状的光散射材料构成。就象本发明的管形扩散器那样，最好的材料是在有关波长范围内吸光程度最低的材料。环氧树脂可作为光学粘接剂。其折射指数必须与石英的指数吻合，以尽量减少二得结合表面的反射损耗。环氧树脂可以是各种透明无色的材料，如“艾泼泰克301”（Epo-tek301）。兰宝石粉末、金刚砂或氧化锆粉等低损耗光散射体适于做光散射 材料。

环氧树脂的具体成分取决于好几种因素，如扩散器的总体直径、光散射的折射指数和尺寸等。然而，只有使用尽可能少的光散射材料，同时使光均匀地扩散，才能尽量减少损耗，达到最大限度的功率可操纵性。从重量结构上看，光散射体占5-20%比较理想，兰宝石粉占7%最佳。

根据本发明，光散射球可以造得既有效价钱又低，主要是采用模具技术，用一个可反复使用的硅胶模子制造环氧树脂光散射球。模具可以是多空腔的，一次可做出几个球形光扩散器。如图6所示，包括有许多相同空腔的硅胶模具是由一个模腔41制造的，模腔里面盛着溶化的硅胶44，以及一个金属固定器（图上未示出）将一排相同的球状金属模具42挂住。用带孔的1/8英寸的镀铜滚珠支承并插上1/16英寸的不锈钢轴就能很容易地造出这种球状金属模具42。待硅胶凝固之后，就将金属模具从有弹性的模具上取下，不会损伤模具。

参看图7，用一根玻璃管自下而上往硅胶模具45里注准备好的环氧树脂溶液38，直到模具装满，晃动并挤压模具45，使里面的空气和气泡排出，再用一个固定器将做好的光纤小套管组件34插入模具，使其在一定的温度下凝固一段时间，比如在60℃温度下凝固2小时。在溶液38凝固的过程中，光纤10的头部在光散射球中的位置可以精确地进行控制。这是十分重要的，因为光的输出是否均匀 取决于光纤头部的位置。通过调整光纤头部在小套管中的位置就可使光输出均匀。

此外，扩散器的光的分布还同溶液38的预先配制方法有关。在一个实施例中，先把环氧树脂与兰宝石混合3分钟，再放1小时，然后再混合1分钟，最后用真空泵除气2分钟。预先配制溶液的凝固时间可以调整，以便达到理想的光的分布。

球形光纤光扩散器的光的分布和均匀的情况可用一个可调的测量仪器进行测量。该仪器包括一个5mV氦氖激光源和一个带数字式电压表的锁定接收机。

尽管本发明已经介绍了一些很好的实施例，但对于本领域技术人员来说，在不背离本发明基本原理的前提下，完全可以作许多改形。下面所讲的各条权利要求中就涉及了与本发明的精神和范围相符的各项改形。

Claims (27)

1、一种光纤光扩散器，它包括一根由纤芯和包层组成的光纤，用于传导光能，该光纤具有一剥去包层的芯头部；一个套件它环绕所述纤头部但并不触到纤头，并且固定在纤头部旁边的包层上，所述套件具有一封闭端头部和一开口端部。

2、根据权利要求1的光纤光扩散器，其特征在于，所述纤芯头上涂了一层光散射介质。

3、根据权利要求1或2的光纤光扩散器，其特征在于，它相对于光纤的中轴线成管形。

4、根据权利要求1的光纤光扩散器，其特征在于，所述套件具有一直径大于纤芯或涂了光散射体的纤芯头的直径的内孔，并且套件呈一头封闭的管形。

5、根据权利要求4的光纤光扩散器，其特征在于，所述套件与光纤包层螺纹连接。

6、根据权利要求5的光纤光扩散器，其特征在于，所述套件在装上时，要在螺纹上加一些粘合材料，作为套件和光纤包层之间的水密材料。

7、一种管形光纤光扩散器，其以圆柱形向外散射的方式向外发出大致均匀的光，并可用于生物环境，该扩散器包括：一根具有一头剥去包层的芯头并用于发射光能的光纤，涂覆于所述裸露的纤头上用于散射光的一层薄的光散射介质，一个一头封闭的套件，其另一头固定在所述裸露纤头旁的包层上，用于不触及涂于所述纤芯头上的所述光散射介质而包围所述纤芯头。

8、根据权利要求7的光纤光扩散器，其特征在于，所述套件包括一个与光纤中轴线成一定角度的锥形头。

9、根据权利要求7或8的光纤扩散器，其特征在于，所述套件与纤头旁边的包层螺纹连接。

10、根据权利要求9的光纤光扩散器，其特征在于所述套件在装上时，要在螺纹上加一些粘合材料，作为套件和包层之间的水密材料，也可起到加固的作用。

11、根据权利要求7的光纤光扩散器，其特征在于，所述光散射介质由光学粘接材料和粉末状光散射材料构成。

12、一种制造光纤光扩散器的方法，其步骤如下：

剥去光纤一头一定长度的内层和外层，裸露出一段纤芯;

将所述裸露的纤芯抛光成清洁平滑的表面;

取一段对一预定波长的光无色透明材料制成一定形状，其长度大于所述裸露的纤芯的长度;

对所述成形材料钻孔，制成一头封闭的套件;

将裸露的纤芯头插入套件;

把套件开口的一头固定在靠近纤芯头的光纤包层上。

13、根据权利要求12的制造方法，其还包括一个步骤，即在抛磨过的纤芯头上涂一层薄的均匀的光散射介质，涂了光散射介质的纤头的外径小于套件的内径。

14、根据权利要求12或13的制造方法，其还包括一个步骤，即所述套件的封闭端按一预定角度制成锥形，以提供一尖的头部。

15、根据权利要求2的制造方法，其特征在于，所述的固定步骤分以下几个分步骤：

（1）在套件的内表面和靠近纤头的包层上分别攻出螺纹;

（2）在套件装上时，往螺纹上加一些粘合材料，既可作为水密材料，又可起到加固的作用。

16、使光呈球形扩散的球形光纤光扩散器，包括：一根具有在一端剥去包层的裸露芯头的光纤;一个套管环绕所述纤芯头，但并不触及纤芯头，并固定在靠近纤芯头的包层上;一个光散射介质呈球形包住所述套管的一部分和所述裸露的纤芯头。

17、根据权利要求16的球形光纤光扩散器，其特征在于，所述套管与光纤包层螺纹连接。

18、根据权利要求16的球形光纤光扩散器，其特征在于所述光散射介质由光学粘合材料和粉末状光散射材料混合制成。

19、根据权利要求18的球形光纤光扩散器，其特征在于，所述光散射介质中光散射材料的重量最好占5%到20%。

20、光呈球形发射的球形光纤光扩散器的制造方法，其步骤如下：

剥去光纤一头一定长度的内层和外层，裸露出一段纤芯;将纤芯表面抛磨成清洁平滑的表面;准备一个包括圆形容器部和一段细颈容器部的硅胶模具;将光散射混合物慢慢注入所述模具;把所述光纤头插入注满光散射混合物的模具中;在一定温度下让光散射混合物溶液凝固。

21、根据权利要求20的制造方法，其还包括一个步骤，即在所述插入步骤之前先把套管固定在所述光纤的包层上，使套管环绕所述裸露的纤芯头。

22、根据权利要求20的制造方法，其还包括一个制备光散射混合物的预制备步骤，该步骤包括以下几个分步骤：

（1）对粘合材料与粉末状光散射材料进行一段时间的混合;

（2）把混合物放置一段时间;

（3）用真空泵对混合物进行一定时间的抽气。

23、根据权利要求20或21的制造方法，其还包括一个步骤，即调整所述光纤头在所述充满溶液的模具中的位置，或调整所述光纤头在所述套管中的位置。

24、根据权利要求2的光纤光扩散器，其特征在于光散射介质涂于所述剥去包层的芯头部上并包括其折射指数与纤芯吻合的光学粘合材料，和折射指数与粘合材料不同的粉末状光散射材料，所述粉末光散射材料的重量占所述混合物的5-20%。

25、根据权利要求24的光纤光扩散器，其特征在于所述粉末状光散射材料从下面一组材料中选择，该组材料包括：兰宝石粉末（氧化铝）、金刚石粉末或氧化锆粉末。

26、根据要求24或25的光纤光扩散器，其特征在于所述粉末状光散射材料的重量最好占所述混合物的5-15%。

27、根据权利要求26的光纤光扩散器，其特征在于所述光学粘合材料是环氧树脂。

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