DE10214811B4

DE10214811B4 - Wellenleiter zur Aufnahme und/oder Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung und Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellenleiters

Info

Publication number: DE10214811B4
Application number: DE10214811A
Authority: DE
Inventors: Lars Dipl.-Ing. Ziegenhagen; Gereon Dr.rer.nat. Hüttmann
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: DE10214811A1; US20030190120A1; US6970620B2

Abstract

Wellenleiter (1) zur Aufnahme und/oder Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, welcher im Bereich (1a) eines distalen Endes an seinem Umfang für die Strahlung, welche unter geeigneten Winkeln auf die Oberfläche des Wellenleiters (1) auftrifft, durchlässig ausgebildet ist und bei welchem im Bereich des distalen Endes im Inneren des Wellenleiters (1) Streuelemente derart angeordnet sind, dass eine in Richtung des distalen Endes von dem Wellenleiter (1) übertragene Strahlung anteilig in eine Richtung mit proximalwärts gerichteter Komponente gestreut wird und am Umfang des Wellenleiters (1) aus diesem austritt und insgesamt eine kugelförmige Abstrahlcharakteristik erzielt wird, und/oder dass eine kugelförmig gerichtete am Umfang des Wellenleiters (1) in diesen eintretende Strahlung von dem Wellenleiter (1) in Richtung des proximalen Endes übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter zur Aufnahme und/oder Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Wellenleiters.
Für eine Reihe von technischen und medizinischen Verwendungen ist es notwendig, einen Hohlraum gleichmäßig auszuleuchten. Für kugelförmige Hohlräume kann diese durch eine isotrope Strahlenquelle, die sich im Zentrum des Hohlraums befindet, geschehen. Soll oder kann die Strahlungsquelle selber nicht in den Hohlraum eingebracht werden, wie z. B. bei der Untersuchung und Therapie von Hohlorganen im menschlichen Körper, kann ein Lichtleiter, der an seinem Ende mit einem isotrop abstrahlenden Streukörper versehen ist, das Licht oder die Strahlung von der Quelle in das Innere des Hohlraums leiten und dort isotrop abstrahlen.
Ein Beispiel der Anwendung einer derartigen Vorrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung bzw. Bestrahlung der Innenoberfläche eines kugelförmigen menschlichen Hohlorgans ist die Integrale Photodynamische Therapie (PDT) in einer Harnblase mit multifokalem Tumorbefall. Für den Erfolg dieser Therapie ist es notwendig, dass die z. B. durch einen Ballonkatheter kugelförmig stabilisierte Blaseninnenwand homogen bestrahlt wird. Eine nicht homogene Intensitätsverteilung der auf die Innenwand der Harnblase gerichteten Lichtstrahlung führt an Orten mit geringeren Bestrahlungs dosen zu keiner oder mangelhafter Zerstörung des fotosensibilisierten Tumorgewebes.
Alle bisher bekannten isotrop abstrahlenden Streukörper besitzen folgendes grundlegendes Prinzip, wie es z. B. in den Druckschriften DE 3 941 706 C1 , US 5 074 634 A , US 5 190 536 A und WO 99/15 236 A1 beschrieben wird: Auf dem Ende eines Lichtwellenleiters befindet sich eine Kugel aus lichtstreuendem Material. Bei dieser bekannten, nachstehend Applikator genannten Vorrichtung, werden die aus dem Lichtwellenleiter austretenden Photonen in der Kugel mehrfach diffus gestreut, so dass sie ihre ursprüngliche Richtung verlieren. Bei geeigneter Wahl der Zusammensetzung des Streumediums führt dies zu einer annähernd kugelförmigen Abstrahlcharakteristik des Applikators. Um genügend Lichtintensität, auch in Richtung des Lichtwellenleiters, d. h. in proximale Richtung, abzustrahlen und somit Abschattungseffekte durch den Lichtwellenleiterzu verringern, ist im Stand der Technik der Kugeldurchmesser des Streukörpers etwa vier mal größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters. Dies ist mit folgenden Nachteilen verbunden.
Die Bauform des bekannten Applikators verursacht an der Verbindungsstelle des Lichtwellenleiters mit dem kugelförmigen Streukörper besonders bei kleinen Applikatorgrößen Probleme hinsichtlich der mechanischen Stabilität. Weiterhin begrenzt der Durchmesser des Lichtwellenleiters die maximal in den Hohlraum transmittierbare Leistung. Bei räumlich inkohärenter Strahlung ist die Fokussierbarkeit begrenzt und nur ein ausreichend großer Lichtwellenleiter erlaubt eine effektive Transmission des Lichtes. Bei Laserstrahlung, die aufgrund ihrer Kohärenz und monochromen Eigenschaft sehr gut fokussiert werden kann, begrenzen die Zerstörschwelle des Lichtwellenleiters oder der Verbindung desselben zum Streukörper die übertragbare Leistung. In beiden Fällen steigt die durch den Lichtwellenleiter übertragbare Leistung mit dessen Querschnittsfläche. Es ist daher wünschenswert, den Durchmesser des Lichtwellenleiters so groß wie möglich an den jeweiligen Hohlraumdurchmesser bzw. Zugangskanal zum Hohlraum anzupassen. Bei den Streukörpern der im Stand der Technik beschriebenen Applikatoren, die eine weitgehend homogene Ausleuchtung des Hohlraums garantieren, ist jedoch der Durchmesser des zuführenden Lichtleiters auf ein Viertel des Durchmessers des Streukörpers und damit des Durchmessers des Zugangs zum Hohlraum begrenzt.
In Medizin und Technik sind in der Regel kugelförmige oder ähnliche Hohlräume nur über relativ kleine Zugangskanäle zu erreichen. Bei der oben erwähnten Photodynamischen Therapie (PDT) der Harnblase sollte aufgrund der engen Harnröhre der Durchmesser des kugelförmigen Streukörpers des Applikators ≤ 3 mm sein. Damit würde beim Applikator des Standes der Technik der Durchmesser des Lichtwellenleiters auf ≤ 0,75 mm beschränkt bleiben. Durch den somit relativ geringen Lichtleiterquerschnitt und durch den hohen Streukoeffizienten des Streukörpers treten bereits bei relativ geringen Laserleistungen ≤ 3 W an der Austrittsfläche des Lichtwellenleiters so hohe Strahlungsintensitäten auf, dass die dabei erzeugte Erwärmung zur Zerstörung des Applikators führen kann.
Im Patent DE 3 941 705 C2 ist eine Vorrichtung zur homogenen Bestrahlung von Hohlräumen beschrieben, die aus einem Ballonkatheter besteht, in dem das konisch angespitzte Ende eine Lichtwellenleiters zentrisch zur Ballonmitte im Katheter positioniert wird. Der Ballon ist mit einer diffus streuenden Flüssigkeit gefüllt und nimmt dabei kugelförmige Gestalt an. Da der eigentliche Applikator erst beim Anwender durch Befüllung des Ballons entsteht, fehlt eine genaue Qualitätskontrolle hinsichtlich der Güte der Abstrahleigenschaften des Bestrahlungsapplikators. Weiterhin ist es für den Anwender etwas unhandlich und aufwändig, den Ballon absolut luftblasenfrei zu befüllen. Außerdem kann der Ballon beim Einführen in die Kavität perforiert werden. Da auch ein zusätzlicher Kanal für das Befüllen vorgesehen sein muss und der Ballon auch im nicht gefüllten Zustand einigen Platz einnimmt, kann auch hier nicht der volle Durchmesser des Zugangskanals für den Durchmesser des Lichtwellenleiters genutzt werden.
DE 39 01 931 A1 , DE 43 29 914 A1 und US 6,270,492 B1 offenbaren Lichtleitfasern zur Bestrahlung von Hohlräumen mit Licht. Die Lichtleitfasern weisen an ihren distalen Enden im Inneren Streukörper bzw. Streuelemente auf, welche eine Streuung des Lichtes in radialer Richtung bewirken. Zur Verstärkung dieses Effektes sind am distalen Stirnende der verwendeten Lichtleitfasern Reflektionselemente bzw. -schichten vorgesehen, welche das Licht zurück zu den Streukörpern reflektieren. Mit diesen Streukörpern kann eine im Wesentlichen zylindrische bzw. azimutale Abstrahlcharakteristik erreicht werden, welche jedoch nicht zu gleichmäßigen Bestrahlung der Innenoberfläche eines kugelförmigen menschlichen Hohlorgans geeignet ist.
US 5,190,531 A , US 5,074,632 A und US 5,196,005 A offenbaren Streukörper, welche am distalen Ende eines Lichtleiters angesetzt sind. Auch bei diesen Anordnungen ist nachteilig, dass die Streukörper bzw. Streuelemente einen größeren Durchmesser bzw. Querschnitt als der eigentliche Lichtleiter aufweisen. Dies hat den Nachteil, das entweder der Querschnitt des Lichtleiters relativ klein sein muss, so dass die transmittierbare Leistung begrenzt ist, oder der Streukörper am distalen Ende im Durchmesser so groß werden, dass er nur schwer oder gar nicht in bestimmte Hohlräume einführbar ist.
Im Hinblick auf die Nachteile des Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wellenleiter zur Aufnahme und/oder Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, mit einer bestimmten Abstrahl- bzw. Aufnahmecharakteristik zu schaffen, welcher bei kompakten Abmessungen die Übertragung einer hohen Leistung ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wellenleiters bereit zu stellen.
Diese Aufgaben werden durch einen Wellenleiter mit dem in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 17 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den entsprechenden Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter zur Aufnahme und/oder Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Licht, ist im Bereich seines distalen Endes an seinem Umfang für die Strahlung, welche unter geeigneten Winkeln auf die Oberfläche des Wellenleiters auftrifft, durchlässig ausgebildet. Das distale Ende des Wellenleiters ist das dasjenige Ende, welches zur Abstrahlung bzw. Aufnahme von Licht verwendet wird und beispielsweise in ein Hohlorgan eines menschlichen Körpers eingeführt wird. Die Durchlässigkeit für die Strahlung wird in diesem Bereich so ausgebildet, dass sie nur durch den Grenzwinkel der Totalreflektion beschränkt ist. Hierzu wird der Unterschied der Brechungsindizes zwischen dem Wellenleiter und der Umgebung, üblicherweise Luft, möglichst gering gewählt, um eine große Durchlässigkeit für die Strahlung zu gewährleisten. Die untere Grenze für den Brechungsindexunterschied ist dadurch gegeben, dass die strahlungsleitenden Eigenschaften des Wellenleiters erhalten bleiben müssen. Dies bedeutet der Brechungsindexunterschied muß so gewählt werden, dass eine Strahlung, welche unter einem vorbestimmten Winkel am proximalen Ende in den Wellenleiter eingeleitet wird, von diesem möglichst verlustfrei übertragen wird. Strahlung, welche jedoch unter einem größerem Winkel als diesem Grenzwinkel auf die Oberfläche des Wellenleiters auftrifft, kann zumindest im Bereich des distalen Ende am Umfang des Wellenleiters in diesem ein- oder austreten.
Ferner sind im Inneren des Wellenleiters im Bereich dessen distalen Endes Streuelemente derart angeordnet, dass eine in Richtung des distalen Endes von dem Wellenleiter übertragene Strahlung zumindest anteilig in einer Richtung mit proximalwärts gerichteter Komponente gelenkt oder gestreut wird und am Umfang des Wellenleiters aus diesem austritt. Das bedeutet, die Strahlung wird derart gestreut, dass sie zurückgeworfen wird und durch den Wellenleiter hindurch zurück in den rückwärtigen Raum gelenkt wird. Auf diese Weise kann durch die Anordnung der Streuelemente im Inneren des Wellenleiters und durch die strahlungsdurchlässige Ausgestaltung der Wellenleiteroberfläche eine kugelförmige bzw. isotrope Abstrahlcharakteristik erreicht werden. Dabei wird der maximale Außenumfang des strahlungsabgebenden Elementes durch den Außenumfang bzw. Außendurchmesser des Wellenleiters bestimmt. Es ist nicht mehr erforderlich einen im Durchmesser größeren Streukörper vorzusehen, um den gegenüber dem distalen Ende des Wellenleiter rückwärtigen bzw. proximalen Raum auszuleuchten bzw. zu bestrahlen. Somit kann der Durchmesser des Wellenleiters auf das Maximum, welches durch die Größe eines Zugangskanals zu einem Hohlorgan beispielsweise im menschlichen Körper begrenzt ist, vergrößert werden. Auf diese Weise ist die Übertragung von Strahlung mit größerer Leistung möglich, ohne das es zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Lichtleiters kommt.
Der erfindungsgemäße Wellenleiter kann zum einen, wie beschrieben, als Strahlungsquelle, welche Strahlung nach außen abgibt verwendet werden. Zum anderen kann der Wellenleiter in umgekehrter Weise jedoch auch zur Aufnahme elektromagnetischer Strahlung verwendet werden, wobei er einen Sensor mit isotroper Empfindlichkeit bildet. Bei der Aufnahme elektromagnetischer Strahlung wird eine Strahlung, welche in einer Richtung mit distalwärts gerichteter Komponente am Umfang des Wellenleiters in diesen eintritt, in dem Wellenleiter durch die Streuelemente derart umgelenkt bzw. gestreut, dass die Strahlung in Richtung des proximalen Endes durch den Wellenleiter übertragen wird. Das heißt, die Strahlung, welche in einem spitzen Winkel auf die Oberfläche des Wellenleiters auftrifft, tritt durch den für die Strahlung durchlässigen Umfangsbereich in den Wellenleiter ein und wird durch die im Inneren des Wellenleiters angeordneten Streuelemente derart umgelenkt bzw. gestreut, dass sie in proximaler Richtung zurückgeworfen wird und durch den Wellenleilter in proximaler Richtung übertragen wird. Somit kann der erfindungsgemäße Wellenleiter beispielsweise als Sensor bzw. Beobachtungselement eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Streuelemente im Inneren des Wellenleiters ausgebildet. Derartige Streuelemente können auf verschiedene Weise im Inneren des Wellenleiters erzeugt werden. Beispielsweise können Streuelemente in Form von Kugeln im Inneren des Streukörpers gezielt an vorbestimmten Stellen angeordnet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an dem distalen Ende des Wellenleiters eine konkave Fassung ausgebildet, in welche ein korrespondierender Streukörper derart eingepasst ist, dass der Streukörper zumindest teilweise im Inneren des Wellenleiters angeordnet ist, wobei an oder in dem Streukörper die Streuelemente ausgebildet sind. Die konkave Fassung ist vorzugsweise an der distalen Stirnseite des Wellenleiters angeordnet. Diese getrennte Ausbildung von Streukörper und Wellenleiter ermöglicht eine einfachere Fertigung des Wellenleiters, da der Streukörper mit den Streuelementen separat gefertigt und dann am distalen Ende des Wellenleiters eingesetzt werden kann. Der Durchmesser bzw. Außenumfang des Streukörpers weist vorzugsweise eine maximale Größe auf, welche gleich oder geringer ist als der Außendurchmesser des Wellenleiters. Auf diese Weise wird auch bei dieser Ausführungsform sichergestellt, dass die maximalen Außenabmessungen des Wellenleiters durch dessen Durchmesser und nicht durch den verwendeten Streukörper vorgegeben werden.
Bevorzugt ist der Streukörper aus einem für die elektromagnetische Strahlung transparenten Material ausgebildet und zumindest ein Teil der Streuelemente im Inneren des Streukörpers angeordnet. Dabei können die Streuelemente gezielt im Inneren des Streukörpers positioniert werden, um eine vorbestimmte Streucharakteristik zu erzeugen. Es wird eine Streu- bzw. Umlenkcharakteristik des Streukörpers eingestellt, welche eine ausreichende Ausleuchtung des bezüglich des distalen Endes des Wellenleiters proximalen Raumes gewährleistet. Die von den Streuelementen in dem Streukörper gestreute Strahlung tritt am distalen Ende wieder in den Wellenleiter ein und dann an dessen äußerem Umfang aus diesem aus. Beim Austritt am Außenumfang des Wellenleiters, welcher für die Strahlung durchlässig ausgebildet ist, wird die Strahlung ferner vorzugsweise zusätzlich in proximaler Richtung des Wellenleiters gebrochen, so dass der proximalseitige Raum im Umfang des Wellenleiters ausreichend bestrahlt werden kann und es zu keiner Abschattung durch den Wellenleiter kommt.
Ferner kann der Streukörper aus einem für die zu übertragende Strahlung transparenten Material ausgebildet sein und zumindest ein Teil der Streuelemente auf der Oberfläche des Streukörpers angeordnet sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Fertigung des Streukörpers, da die einzelnen Streuelemente auf relativ einfache Weise definiert an der Oberfläche des Streukörpers angeordnet werden können.
Bevorzugt sind die Streuelemente zumindest an einer proximalen Oberfläche des Streukörpers zwischen dem Streukörper und der Fassung in dem Wellenleiter angeordnet. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, dass ein Teil der elektromagnetischen Strahlung, welche von dem Wellenleiter in Richtung des Streukörpers abgestrahlt wird von den zwischen dem Streukörper und dem Wellenleiter angeordneten Streuelementen gestreut oder umgelenkt wird. Die Strahlung wird durch die Streuelemente zurück in den Wellenleiter geworfen und so abgelenkt, dass sie an der strahlungsdurchlässigen Umfangsfläche des Wellenleiters aus diesem austritt.
Weiter bevorzugt ist zumindest ein Teil der Streuelemente über die gesamte Oberfläche des Streukörpers verteilt angeordnet. Das bedeutet, ein Teil der Streuelemente ist auch an der distalen Seite des Streukörpers angeordnet, welche dem distalen Ende des Wellenleiters abgewandt ist. Diese Streuelemente sorgen für eine Streuung der von dem Streukörper abgestrahlten Strahlung. Dabei wird ein Teil der Strahlung auch in das Innere des Streukörpers und des Wellenleiters zurückgeworfen, so dass sie in proximaler Richtung bzw. einer Richtung mit proximaler Komponente an der strahlungsdurchlässigen Umfangsfläche des Wellenleiters aus diesem austritt. Durch gezielte und definierte Anordnung der einzelnen Streuelemente auf der Oberfläche des Streukörpers kann eine vorbestimmte Abstrahlcharakteristik des Streukörpers, insbesondere eine kugelförmige bzw. isotrope Abstrahlcharakteristik erzeugt werden. Neben einer isotropen Abstrahlcharakteristik, kann beispielsweise eine elliptische Abstrahlcharakteristik erzeugt werden. Es ist möglich nahezu jede beliebige Abstrahlcharakteristik durch definierte Anordnung der Streuelemente zu erzeugen, da durch die erfindungsgemäße Anordnung der Streuelemente auch eine Ausleuchtung des proximalen Raumes erreicht wird.
An der proximalen Oberfläche des Streukörpers kann eine geringere Anzahl von Streuelementen verteilt sein als an der distalen Oberfläche. Durch die größere Konzentration von Streuelementen an der distalen Oberfläche wird ein Teil der Strahlung in das Innere des Streukörpers und das Innere des Wellenleiters zurückgeworfen und kann dann an der strahlungsdurchlässigen Umfangsfläche des Wellenleiters in proximaler Richtung austreten.
Weiter bevorzugt ist in einem umfänglichen bzw. äquatorialen Oberflächenbereich zwischen der distalen Oberfläche und der proximalen Oberfläche des Streukörpers eine größere Anzahl von Streuelementen verteilt als in den übrigen Oberflächenbereichen. Durch diese Anordnung der Streuelemente wird die isotrope Abstrahlung der elektromagnetischen Strahlung verbessert. Die Anzahl der eingesetzten Streuelemente ist propor tional bzw. synonym zur Stärke bzw. dem Ausmaß der erzeugten Streuung.
Der Streukörper ist bevorzugt kugelförmig und die konkave Fassung ist vorzugsweise als Halbkugelschale ausgebildet. Dabei ist die Halbkugelform der konkaven Fassung korrespondierend zur Form des Streukörpers. Auf diese Weise wird der kugelförmige Streukörper bevorzugt nahezu mit einer gesamten Hälfte im Inneren der Fassung aufgenommen. Durch die kugelförmige Ausbildung des Streukörpers wird die isotrope Abstrahlung des Streukörpers und des distalen Endes des Wellenleiters weiter begünstigt. Je nach Einsatzgebiet kann, beispielsweise wenn eine andere Abstrahlcharakteristik gewünscht ist, auch ein nicht kugelfärmiger Streukörper eingesetzt werden. Beispielsweise ist eine eiförmige oder kugelförmige bzw. konische Gestalt des Streukörpers denkbar, wobei die Fassung jeweils korrespondierend geformt ist.
Zweckmäßigerweise sind die Streuelemente derart verteilt, dass mindestens 50% der durch den Wellenleiter übertragenen Strahlung mit einer proximalwärts gerichteten Komponente gestreut wird. Das bedeutet mindestens die Hälfte der Strahlung wird durch die Streuelemente derart gestreut bzw. abgelenkt, dass sie unter einem spitzen Winkel zur Längsachse des Wellenleiters proximalwärts zurückgeworfen wird. Die Strahlung tritt dann an der strahlungsdurchlässigen Umfangsoberfläche des Wellenleiters aus diesem aus und wird aufgrund des Brechungsindexunterschieds zur Umgebung zusätzlich zur Längsachse des Wellenleiters hin gebrochen. Auf diese Weise kann eine gute Ausleuchtung des rückwärtigen bzw. proximalwärtigen Bereichs erreicht werden. Somit kann die gewünschte isotrope bzw. gleichmäßige Abstrahlung erreicht werden.
Bevorzugt ist der zuvor beschriebene Wellenleiter als Lichtleiter zur Übertragung von Licht ausgebildet. Beispielsweise kann Laserlicht zur Bestrahlung von Gewebe durch den Lichtleiter übertragen werden.
Bevorzugt ist der Wellenleiter aus Glas oder Quarz ausgebildet. Dabei hat der Wellenleiter zweckmäßigerweise eine stabförmige Gestalt von im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Glas oder Quarz ermöglichen eine weitgehend verlustfreie Übertragung von Licht. Bis auf den für Strahlung durchlässigen Bereich am distalen Ende des Wellenleiters ist die Oberfläche des Wellenleiters vorzugsweise mit einer für die Strahlung undurchlässigen Deckschicht versehen. Auf diese Weise wird die Strahlungsleitfähigkeit bzw. Lichtleitfähigkeit des Wellenleiters weiter verbessert.
Die Streuelemente weisen vorzugsweise gasgefüllte Glaselemente und insbesondere gasgefüllte Glaskügelchen auf. Derartige Glaselemente oder Glaskügelchen können insbesondere auf die Oberfläche eines Streukörpers aufgebracht werden. Sie können sehr gezielt und definiert an der Oberfläche des Streukörpers angeordnet werden, um eine vorbestimmte definierte Streucharakteristik des Streukörpers zu erzeugen.
Zusätzlich kann im Bereich des distalen Endes des Wellenleiters zumindest eine teilweise oder vollständig reflektierende Schicht zur Umlenkung der Strahlung vorgesehen sein. Eine solche Schicht kann beispielsweise auch auf die Oberfläche eines Streukörpers aufgebracht werden. Die reflektierende Schicht kann auf der Grenzschicht zwischen Wellenleiter und Streukörper aufgebracht sein. Die Schicht bewirkt, dass zumindest ein Teil der Strahlung reflektiert und in das innere Wellenleiters zurückgeworfen wird, so dass es, wenn es unter geeignetem Winkel auf die strahlungsdurchlässige Oberfläche des Wellenleiters auftrifft, aus diesem austreten kann. Auf diese Weise kann die Umlenkung der Strahlung in proximaler Richtung bzw. in einer Richtung mit einer proximalen Komponente weiter verstärkt werden, um die Ausleuchtung des proximalseitigen Raumes weiter zu verbessern.
Weiterhin ist es möglich im Bereich des distalen Endes Brechungsindexvariationen zur Umlenkung der Strahlung vorzusehen. Es ist möglich, im Inneren des Wellenleiters oder auf der Oberfläche oder im Inneren des Streukörpers Elemente oder Bereiche mit unterschiedlichen Brechungsindizes auszubilden. Auch auf diese Weise kann eine gezielte Umlenkung der Strahlung erzeugt werden, um insbesondere eine ideale isotrope Abstrahlcharakteristik zu erzielen.
Die räumliche Anordnung der Streuelemente oder Bereiche mit veränderten Brechungsindex sowie deren Dimension ist vorzugsweise größer als die Wellenlänge der zu übertragenden Strahlung. Hierdurch wird erreicht, dass die Strahlungsumlenkung weitgehend unabhängig von der Wellenlänge der Strahlung ist.
Der Wellenleiter mit der zuvor beschriebenen Ausgestaltung ist als Applikator für medizinische Anwendungen verwendbar. Der beschriebene Wellenleiter kann insbesondere zur Bestrahlung von Hohlorganen verwendet werden. Beispielsweise für die integrale photodynamische Therapie (PDT) in einer Harnblase kann der erfindungsgemäße Wellenleiter verwendet werden. Der Wellenleiter ist für eine derartige Verwendung geeignet, da mit ihm eine nahezu isotrope Abstrahlcharakteristik erreicht werden kann, ohne dass Streukörper vorgesehen werden müssen, welche größere Abmessungen aufweisen, als der Außendurchmesser des Wellenleiters. Auf diese Weise ist es möglich, große Strahlungsintensitäten bzw. -leistungen durch verhältnismäßig enge Zugänge in das Innere von Hohlorganen zu übertragen.
Die Bauform des Applikators ist vorzugsweise stabförmig und besitzt keine Teile, die größer sind als der Durchmesser des licht- bzw. strahlungsführenden Elements, d. h. des Lichtwellenleiters. Somit können der Applikator und alle relevanten Elemente eines zugehörigen Untersuchungs- bzw. Therapiegeräts maximal an den jeweiligen Hohlraumzugangskanal angepasst werden, was besonders bei Bestrahlung mit relativ schlecht fokussierbaren Bestrahlungsquellen, wie z. B. Lichtbogenlampen, die Einkoppel- und Übertragungsverluste auf ein größtmögliches Minimum reduziert. Die Abstrahlcharakteristik des Applikators ist durch geeignete Formgebung und Beschichtung des Streukörpers einstellbar. Auf diese Weise können Applikatoren hergestellt werden, die z. B. überwiegend nach vorn, zur Seite oder zurück, d. h. in proximale Richtung abstrahlen. Der Applikator ist durch seine kompakte Bauform mechanisch sehr stabil und leicht zu handhaben.
Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wellenleiters sind folgende Schritte vorgesehen. Zunächst wird an dem distalen Ende des Wellenleiters eine konkave Fassung ausgebildet. Dabei bildet die Fassung vorzugsweise eine Ausnehmung an der distalen Stirnseite des Wellenleiters. Ferner wird ein Streukörper bereitgestellt, welcher zumindest einen konvexen Oberflächenabschnitt mit einer zu der Fassung korrespondierenden Gestalt aufweist. Diese Gestalt ermöglicht, den Streukörper passend in die konkave Fassung einzusetzen. Als nächster Schritt wird ein Klebstoff auf zumindest den konvexen Oberflächenabschnitt und/oder die Fassung aufgebracht. Bei dem Klebstoff handelt es sich um einen aushärtenden bzw. aushärtbaren Werkstoff. Insbesondere geeignet sind Materialien, welche gute optische Eigenschaften bzw. eine geeignete Strahlungsdurchlässigkeit aufweisen. Bevorzugt sollte der Klebstoff einen ähnlichen Brechungsindexwie der angrenzende Wellenleiter und Streukörper aufweisen. Beispielsweise sind Epoxidharze oder Klebstoffe auf Acrylbasis geeignet
Als nächster Schritt werden Streuelemente in den Klebstoff auf zumindest dem konvexen Oberflächenabschnitt und/oder der Fassung eingebracht. Dabei können die einzelnen Streuelemente an vorbestimmten Positionen angeordnet werden, um die Streucharakteristik genau einzustellen. Die Streuelemente sind anschließend in dem Klebstoff eingebettet, so dass keine weiteren Grenzflächen oder Störungen vorhanden sind, welche die Strahlungsübertragung beeinträchtigen. Anschließend wird der Streukörper mit seinem konvexen Oberflächenabschnitt in die Fassung eingesetzt, wobei der Klebstoff vorzugsweise eine feste Verbindung zwischen dem Streukörper und dem Wellenleiter herstellt. Je nach verwendeten Klebstoff kann das Klebstoffmaterial anschließend beispielsweise durch ultraviolette Strahlung oder Wärme ausgehärtet werden. Nach Abschluss dieses Verfahrens sind die einzelnen Streuelemente in dem Klebstoff in der Grenz schicht zwischen Streukörper und Wellenleiter angeordnet. Ferner wird der Wellenleiter so ausgebildet, dass im Bereich seines distalen Ende die Umfangsfläche strahlungsdurchlässig ist. Dazu wird die Umfangsoberfläche des Lichtleiters derart ausgebildet, dass sie gute optische Oberflächeneigenschaften aufweist. Insbesondere ist der Wellenleiter in diesem Bereich nicht mit einer strahlungsundurchlässigen Beschichtung versehen. Als Material für den Wellenleiter eignet sich bei Verwendung als Lichtleiter insbesondere Glas oder Quarz. Es können jedoch auch geeignete Kunststoffe, beispielsweise Acrylglas verwendet werden. Die Materialwahl hängt insbesondere von der Wellenlänge der zu übertragenden Strahlung ab. So kann beispielsweise auch Silizium für eine Strahlung im infraroten Bereich geeignet sein.
Die Streuelemente sind vorzugsweise gasgefüllte Glaselemente und insbesondere gasgefüllte Glaskügelchen. Durch derartige Streuelemente kann eine definierte Streuung erreicht werden. Ferner können diese Streuelemente verhältnismäßig leicht in definierte Weise auf die Streukörperoberfläche aufgebracht werden. Sie können in den gewünschten Bereichen auf die Oberfläche, welche zuvor mit dem Klebstoff versehen worden ist, aufgestreut oder einzeln aufgesetzt werden.
In einer Verfahrensvariante können der Klebstoff und die Streuelemente auf die gesamte Oberfläche des Streukörpers aufgebracht werden. Dadurch wird erreicht, dass die Streuelemente nicht nur in der Grenzschicht zwischen Streukörper und Wellenleiter angeordnet sind. Durch die Verteilung von Streuelementen über die gesamte Oberfläche des Streukörpers kann die Abstrahlcharakteristik des Streukörpers genauer eingestellt werden. Es ist möglich, die Streuelemente in unterschiedlichen Konzentrationen an verschiedenen Bereichen der Oberfläche anzuordnen.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1a eine Prinzipdarstellung mit gewählten Strahlengängen zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
1b vergrößert einen möglichen Strahlungsverlauf bei Rückwärtsstreuung im Streukörper,
2 graphisch ein Diagramm zur Erläuterung der Abstrahlcharakteristik der Vorrichtung,
3 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestrahlung sphärischer Hohlräume, und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem der Streukörper weiter entfernt vom distalen Ende des Wellenleiters angeordnet ist.
Es sei hier erwähnt, dass für die Beschreibung der Vorrichtung zweidimensionale Darstellungen, wie sie die oben aufgelisteten Figuren enthalten, verwendet werden, da bei der beschriebenen Vorrichtung Rotationssymmetrie vorliegt.
1a zeigt prinzipiell den Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese weist aus einen für die zu übertragende Strahlung transparenten Wellenleiter 1 auf. Vorzugsweise handelt es sich um einen Lichtleiter bzw. Lichtwellenleiter 1, z. B. einen Glas-, Quarz- oder Acrylglasstab. Ferner umfaßt die Vorrichtung einen die Strahlung, insbesondere Licht, diffus streuenden Streukörper 2, der am distalen Ende des Lichtwellenleiters 1 befestigt ist. Der Lichtwellenleiter 1 und der Streukörper 2 bilden einen Applikator, der entweder direkt oder über einen weiteren Lichtwellenleiter 3 mit einer geeigneten Lichtquelle verbunden werden kann, wobei der lichtleitende Kern des Lichtwellenleiters 3 einstückig mit dem Lichtwellenleiter 1 ausgebildet sein kann. Der Streukörper 2 weist einen kleineren oder gleichen Durchmesser wie der Lichtwellenleiter 1 auf und ist teilweise im Inneren von diesem angeordnet.
Der Lichtwellenleiter 3 ist an seinem Außenumfang von einer strahlungs- bzw. lichtundurchlässigen Ummantelung umgeben, welche die Übertragungseigenschaften des Lichtwellenleiters verbessert. Der Lichtwellenleiter 1 bildet den Kern des Lichtwellenleiters 3, wobei im Bereich des Lichtwellenleiters 1 die Ummantelung 3a entfernt ist oder nicht aufgebracht ist, um die strahlungs- bzw. lichtdurchlässige Oberfläche 1a zu schaffen.
Strahlung bzw. Licht treten in den Lichtwellenleiter 1 unter einem Winkel α zur Längsachse des Lichtwellenleiters 1 ein. Wählt man das Material des Lichtwellenleiters 1 so, dass dessen Brechungsindex n₁ größer als der Brechungsindex n₂ des umgebenden Mediums ist, so wird Strahlung, die sich in einem Winkel α < α_G in dem Lichtwellenleiter 1 ausbreitet, an seiner Wandung total reflektiert. Für den Grenzwinkel α_G gilt:
worin n₁ der Brechungsindex des Lichtwellenleiters 1 und n₂ der Brechungsindex des umgebenden Mediums sind. Wird nun bei der Einkopplung des Lichts dafür Sorge getragen, dass die eintretenden Lichtstrahlen den Grenzwinkel α_G nicht überschreiten, überträgt der Lichtwellenleiter 1 das eingekoppelte Licht nahezu verlustfrei zum Streukörper 2, wobei zwischen Lichtwellenleiter 1 und Streukörper 2 im Wesentlichen keine Brechung auftritt. Der Streukörper 2 streut das Licht diffus in alle Raumrichtungen. Erfolgt die Streuung am Streukörper 2 z. B. isotrop, wie es in 1a dargestellt ist, so wird in Vorwärtsrichtung die Strahlungsintensität isotrop über die vordere Hemisphäre verteilt. In Richtung der hinteren Hemisphäre, d. h. zur proximalen Richtung hin, gestreute Photonen bzw. Strahlen werden wieder in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt (1b) und je nach dem Winkel α' an der Wand des Lichtwellenleiters 1 total reflektiert (α' > α_G) oder an der Grenzschicht des Lichtwellenleiters 1 zum umgebenden Medium gebrochen (α' < α_G' wobei α_G' = 180° – α_G). Im ersten Fall gehen die Photonen für die Bestrahlung der hinteren Hemisphäre verloren. Im zweiten Fall verlassen die Photonen den Lichtwellenleiter 1 an der Umfangsfläche 1a unter einem auf dessen Längsachse bezogenen Winkel α'':
worin α'' den Winkel zwischen der den Lichtwellenleiter 1 verlassenden Lichtstrahlung und der Längsachse der Vorrichtung, α' den Winkel zwischen dem Photonen- bzw. Strahlenpfad im Lichtwellenleiter 1 und einem auf dessen Längsachse stehenden Lot, n₁ den Brechungsindex des Lichtwellenleiters 1 und n₂ den Brechungsindex des umgebenden Mediums angeben. Um das Austreten des Lichtes aus dem Lichtwellenleiter 1 zu ermöglichen, ist dieser in seinem Umfangsbereich 1a für die zu übertragende Strahlung, d. h. für Licht transparent ausgebildet.
Aus dieser Gleichung (2) lässt sich folgendes wichtiges Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ableiten: Wenn n₁ > n₂ ist, wird die am Streukörper 2 zurückgestreute Strahlung mit α' > α_G' an der Grenzfläche des Lichtwellenleiters 1 zum umgebenden Medium in den gesamten hinteren halben Raumwinkel hineingebrochen. Dies gilt unabhängig von der Größe des Brechungsindexverhältnisses n₁/n₂.
2 verdeutlich anhand von vier verschiedenen Beispielen mit jeweils unterschiedlichen Brechungsindexverhältnissen n₁/n₂ den Zusammenhang zwischen den Winkeln α' und α'', wobei in diesem Beispiel für den Brechungsindex n₁ der Brechungsindex von Acrylglas (n₁ = 1,49) angenommen wurde. Die Kurven in 2 verlaufen für größere Winkel linear. Wenn sich der Winkel α'' dem Grenzwinkel α_G nähert, steigt α'' stärker als α'. Bei isotroper Rückstreuung erhält man somit für größere α' eine nahezu isotrope Intensitätsverteilung. Obwohl in Abhängigkeit vom Winkel α' Licht durch Fresnelreflexion verloren geht, kann mit dieser Anordnung bei isotroper Lichtverteilung durch den Streukörper 2 auch in Rückwärtsrichtung bzw. proximaler Richtung eine recht gleichmäßige Ausleuchtung erreicht werden.
Durch die Nichtlinearität des Brechungsgesetzes, die sich in den Kurven in 2 widerspiegelt, wird das Licht über einen größeren Winkel verteilt und die Bestrahlungsintensität im rückwärtigen Streubereich der Vorrichtung insgesamt um den Faktor n₂/n₁ verringert.
Mit abnehmendem Brechungsindexunterschied wird auch der Grenzwinkel für die Totalreflexion kleiner, wodurch sich der Anteil an zurückgestreuter Strahlung, welcher die Vorrichtung in Richtung der hinteren Hemisphäre, d. h. zur proximalen Richtung hin verlässt, vergrößert.
Für eine möglichst homogene Intensitätsverteilung auf der gesamten hinteren Hemisphäre und um die Intensitätsverluste der Vorrichtung möglichst gering zu halten, ist es daher sinnvoll, den Brechungsindexunterschied zwischen dem Lichtwellenleiter 1 und den umgebenden Medium so gering wie möglich zu halten, wobei jedoch der Grenzwinkel α_G den Winkel, mit dem sich die eingekoppelte Strahlung im Lichtwellenleiter 1 ausbreitet, nicht unterschreiten darf, da sonst der Lichtwellenleiter 1 der Vorrichtung seine zu Anfang beschriebenen Eigenschaften als Lichtwellenleiter verlieren würde. Auf jeden Fall geht ein Teil des Lichtes, welches in die rückwärtige Hemisphäre gestreut wird, durch Reflexion am Mantel des Lichtwellenleiters 1 verloren, so dass ein rückwärtiger bzw. proximaler Bereich bzw. distaler Bereich schwächer ausgeleuchtet wird als ein vorderer. Dies kann, wie Monte-Carlo-Be rechnungen und Experimente gezeigt haben, durch eine asymmetrische Auslegung der Streueigenschaften des Streukörpers 2 ausgeglichen werden.
In 3 ist ein praktisches Realisierungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestrahlung von sphärischen Hohlräumen gezeigt. Für die Vorrichtung kann Lichtwellenleiter 1 in Form eines Acrylglasstabes oder Glasstabes in geeigneter Länge und passendem Durchmesser verwendet werden. Ein Ende des Lichtwellenleiters 1 besitzt eine konkave, halbkugelförmige Vertiefung 4, in die ein aus zwei Kugelhalbschalen 2', 2'' gebildeter Streukörper 2 mit entsprechender Größe eingefasst wird. Erfindungsgemäß weist der Streukörper 2 einen gleich großen oder geringeren Durchmesser auf als der Lichtwellenleiter 1. Die beiden transparenten Kugelhalbschalen 2' und 2'' sind mit diffus streuenden Werkstoffen, wie z. B. BaSO₄ oder TiO₂ oder gasgefüllten Glaskugeln dotiert. Das Ausmaß der Dotierung ist in 3 beispielhaft als Graustufenschattierung dargestellt. Über den Grad der Dotierung ist die Reflektivität beider Kugelhalbschalen 2', 2'' und somit die Abstrahlcharakteristik der Vorrichtung einstellbar. Die in 3 dunkler dargestellten Bereiche der Kugelhalbschalen 2', 2'' sind stärker dotiert als die heller dargestellten Bereiche. Insbesondere ist die distale Kugelhalbschale 2' stärker dotiert als die proximale Halbschale 2''. Der bezüglich der Längsachse des Lichtwellenleiters 1 umfängliche Randbereich der Kugelhalbschalen 2' und 2'' ist stärker dotiert als die übrigen Bereiche. Auf diese Weise wird im distalen und im umfänglichen Bereich des Streukörpers 2 eine größere Streuung erzeugt, so dass eine möglichst isotrope Abstrahlcharakteristik erreicht werden kann.
Experimentell zeigte sich, dass z. B. für eine annähernd kugelsymmetrische Abstrahlcharakteristik die Reflektivität der Kugelhalbschale 2' in der Richtung zur vorderen Hemisphäre hin, d. h. in distale Richtung, gegenüber der Kugelhalbschale 2'' in Richtung zur hinteren Hemisphäre, d. h. in proximale Richtung, etwa doppelt so groß sein muss, um die Strahlungsintensitäten in distaler und proximaler Richtung anzugleichen. Die besten Ergebnisse erhält man, wenn die Dotierung der Kugelhalbschalen 2' und 2'' dabei nicht gleichmäßig ist, sondern z. B. zum Äquator A hin zunimmt. Dadurch wird die Intensitätsverteilung des seitlich abgestrahlten Lichts optimiert.
Durch eine geeignete Formgebung und Dotierung des Streukörpers 2 können auch erfindungsgemäße Vorrichtungen mit annähernd elliptischer Abstrahlcharakteristik hergestellt werden. Ebenso lassen sich erfindungsgemäße Vorrichtungen herstellen, die überwiegend in distale Richtung, Seitwärtsrichtung oder in proximale Richtung abstrahlen.
Werden in den Streukörper 2 Streupartikel eingebettet, deren Durchmesser wesentlich größer als die Lichtwellenlänge ist, so werden dessen Streueigenschaften weitgehend unabhängig von der Wellenlänge, und der Streukörper kann auch für mehrfarbiges Licht eingesetzt werden. Dies lässt sich sehr effektiv durch die Einbettung luftgefüllter Glaskugeln mit einem Durchmesser von einigen 10 μm erreichen, die in ein lichttransparentes Medium des Streukörpers 2 eingebettet sind.
In 3 ist die Ausbildung des Streukörpers 2 durch zwei Kugelhalbschalen 2' und 2'' beschrieben. Alternativ kann der Streukörper als transparente Kugel korrespondierend geformt zu der Vertiefung 4 ausgebildet werden. Auf diese Kugel kann über die gesamte Oberfläche oder auch nur auf den der Vertiefung 4 zugewandten Oberflächenbereich ein aushärtender bzw. aushärtbarer Werkstoff, beispielsweise ein Klebstoff, aufgebracht werden, in den Streuelemente wie beispielsweise die zuvor beschriebenen Glaskügelchen eingebettet werden. Diese Streuelemente können in unterschiedlicher Konzentration an den verschiedenen Bereichen der Streukörperoberfläche angeordnet werden, um die zuvor beschriebenen Streueigenschaften zu erzielen. Anstatt einer stärkeren Dotierung gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel wird in diesem Fall in den entsprechenden Bereichen eine größere Anzahl von Streuelementen bzw. Glaskügelchen angeordnet, um eine stärkere Streuung zu erreichen. In den zuvor beschriebenen Ausführungs-beispielen ist der Streukörper 2 jeweils kugelförmig ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar, den Streukörper in einer anderen Form auszubilden, wobei dann vorteilhafterweise die Vertiefung 4 in dem Lichtwellenleiter 1 eine entsprechende Form aufweist. Beispielsweise kann der Streukörper 2 einen elliptischen Querschnitt aufweisen und die Vertiefung 4 eine entsprechende konkave Form. Anstatt die Streuelemente auf der Streukörperoberfläche anzuordnen, können die Streuelemente auch im Inneren des Streukörpers ausgebildet bzw. angeordnet sein.
Anstatt den Streukörper 2 als separates Bauteil von dem Lichtwellenleiter 1 auszubilden, können Streuelemente auch direkt im Inneren des Lichtwellenleiters 1 angeordnet werden. Hierzu ist es möglich entsprechende Streupartikel im Inneren des Lichtwellenleiters entsprechend gezielt zu verteilen, um eine Streuung in den rückwärtigen bzw. proximalen Raum des Lichtwellenleiters 1 zu erzielen. Insbesondere ist es möglich die Streupartikel bzw. Streuelemente ebenfalls im Wesentlichen in einer kugelförmigen Verteilung im Inneren des Lichtwellenleiters 1 anzuordnen, so dass eine Verteilung entsprechend der zuvor beschriebenen Beispiele erzielt wird.
4 zeigt ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Lichtwellenleiters. Der Lichtwellenleiter 3 und der Lichtwellenleiter 1 entsprechen im Wesentlichen den in den vorangehenden Ausführungsformen beschriebenen Lichtwellenleitern. Der Lichtwellenleiter 3 ist mit einer nicht transparenten Ummantelung versehen, während der Lichtwellenleiter 1, welcher vorzugsweise einstückig mit dem Kern des Lichtwellenleiter 3 ausgebildet ist, eine strahlungs- bzw. lichtdurchlässige Oberfläche 1a aufweist. Im Unterschied zu dem in 1a und 3 gezeigten Lichtwellenleiter 1 ist in 4 der Streukörper 2 nicht am distalen Ende des Lichtwellenleiters 1 sondern in einem Mittelbereich angeordnet. Dazu ist der Lichtwellenleiter 1 vorzugsweise geteilt ausgebildet, wobei in jeder der Hälften eine entsprechende konkave Vertiefung 4 ausgebildet ist, in denen der Streukörper eingefasst ist. Der Streukörper 2 kann, wie anhand von 3 erläutert, aus zwei Halbkugelschalen bestehen oder als transparenter Kugelkörper mit auf- oder eingebrachten Streuelementen ausgebildet sein. Das distale Ende 5 des Lichtwellenleiters 1 ist vorzugsweise reflektierend ausgebildet, so dass von dieser Stirnseite 5 die Strahlung bzw. die Lichtstrahlen zurück zu dem Streukörper 2 reflektiert werden und von diesem nach Außen gestreut werden. Auch in dieser Ausführungsform werden die von dem Streukörper 2 in proximaler Richtung umgelenkten bzw. gestreuten Lichtstrahlen wieder in den Lichtleiter 1 eingekoppelt und treten durch die Umfangsfläche 1a in proximaler Richtung bzw. in einer Richtung mit proximaler Komponente aus. In der distal gelegenen Hälfte des Lichtleiters 1 werden die von der Stirnseite 5 reflektierten Lichtstrahlen ebenfalls durch den Streukörper 2 umgelenkt, so dass sie in distaler Richtung bzw. einer Richtung mit distaler Komponente wieder in den Lichtleiter 1 eingekoppelt werden und an der Umfangsfläche 1a austreten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie vorstehend beschrieben ist, kann nicht nur zur Ausleuchtung oder Bestrahlung von Hohlräumen verwendet werden. Mit ihr ist es auch möglich, einen Strahlungssensor, z. B. Lichtdetektor mit räumlich isotroper Empfindlichkeit zu konstruieren, wenn am proximalen Ende des Lichtwellenleiters statt einer Lichtquelle ein Strahlungssensor wie z. B. ein Photodetektor platziert wird. Weiterhin ist zu bemerken, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung geeignet ist.

1: Lichtwellenleiter
1a: Oberfläche
2: Streukörper
2–2'': Halbkugelschalen
3: Lichtwellenleiter
3a: Ummantelung
4: Vertiefung
5: distale Stirnseite
A: Äquator

Claims

Wellenleiter (1) zur Aufnahme und/oder Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung, welcher im Bereich (1a) eines distalen Endes an seinem Umfang für die Strahlung, welche unter geeigneten Winkeln auf die Oberfläche des Wellenleiters (1) auftrifft, durchlässig ausgebildet ist und bei welchem im Bereich des distalen Endes im Inneren des Wellenleiters (1) Streuelemente derart angeordnet sind, dass eine in Richtung des distalen Endes von dem Wellenleiter (1) übertragene Strahlung anteilig in eine Richtung mit proximalwärts gerichteter Komponente gestreut wird und am Umfang des Wellenleiters (1) aus diesem austritt und insgesamt eine kugelförmige Abstrahlcharakteristik erzielt wird, und/oder dass eine kugelförmig gerichtete am Umfang des Wellenleiters (1) in diesen eintretende Strahlung von dem Wellenleiter (1) in Richtung des proximalen Endes übertragen wird.
Wellenleiter nach Anspruch 1 bei welchem an dem distalen Ende des Wellenleiters (1) eine konkave Fassung (4) ausgebildet ist, in welche ein korrespondierender Streukörper (2) derart eingepasst ist, dass der Streukörper (2) zumindest teilweise im Inneren des Wellenleiters (1) angeordnet ist, wobei an oder in dem Streukörper (2) die Streuelemente ausgebildet sind.
Wellenleiter nach Anspruch 2, bei welchem der Streukörper (2) aus einem für die elekfromagnetische Strahlung transparenten Material ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Streuelemente im Inneren des Streukörpers (2) angeordnet ist.
Wellenleiter nach Anspruch 2, bei welchem der Streukörper (2) aus einem für die zu übertragende Strahlung transparenten Material ausgebildet ist und zumindest ein Teil der Streuelemente auf der Oberfläche des Streukörpers (2) angeordnet ist.
Wellenleiter nach Anspruch 4, bei welchem die Streuelemente zumindest an einer proximalen Oberfläche des Streukörpers (2) zwischen dem Streukörper (2) und der Fassung (4) in dem Wellenleiter (1) angeordnet sind.
Wellenleiter nach Anspruch 4 oder 5 bei welchem zumindest ein Teil der Streuelemente über die gesamte Oberfläche des Streukörpers (2) verteilt angeordnet ist.
Wellenleiter nach Anspruch 6, bei welchem an der proximalen Oberfläche des Streukörpers (2) eine geringere Anzahl von Streuelementen verteilt ist als an der distalen Oberfläche.
Wellenleiter nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem in einem umfänglichen Oberflächenbereich (A) zwischen der distalen Oberfläche und der proximalen Oberfläche des Streukörpers (2) eine größere Anzahl von Streuelementen verteilt ist als in den übrigen Oberflächenbereichen.
Wellenleiter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem der Streukörper (2) kugelförmig ausgebildet ist und die konkave Fassung (4) eine Halbkugelschale bildet.
Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Streuelemente derart verteilt sind, dass mindestens 50% der durch den Wellenleiter (1) übertragenden Strahlung mit einer proximalwärts gerichteten Komponente gestreut wird.
Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher als Lichtleiter ausgebildet ist.
Wellenleiter nach Anspruch 11, welcher aus Glas oder Quarz ausgebildet ist.
Wellenleiter nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem die Streuelemente gasgefüllte Glaselemente und insbesondere gasgefüllte Glaskügelchen aufweisen.
Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem im Bereich des distalen Endes zumindest eine teilweise oder vollständig reflektierende Schicht zur Umlenkung der Strahlung vorgesehen ist.
Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem im Bereich des distalen Endes Brechungsindexvariationen zur Umlenkung der Strahlung vorgesehen sind.
Wellenleiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die räumliche Anordnung der Streuelemente oder Bereiche mit verändertem Brechungsindex sowie deren Dimension größer ist als die Wellenlänge der zu übertragenden Strahlung.
Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit folgenden Schritten: Ausbilden einer konkaven Fassung (4) am distalen Ende des Wellenleiters (1), Bereitstellen eines Streukörpers (2), welcher zumindest einen konvexen Oberflächenabschnitt mit einer zu der Fassung (4) korrespondierenden Gestalt aufweist, Aufbringen eines Klebstoffes auf zumindest den konvexen Oberflächenabschnitt und/oder die Fassung (4), Einbringen von Streuelementen in den Klebstoff auf zumindest dem konvexen Oberflächenabschnitt und/oder der Fassung (4), und Einsetzen des Streukörpers (2) mit seinem konvexen Oberflächenabschnitt in die Fassung (4).
Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Streuelemente gasgefüllte Glaselemente und insbesondere gasgefüllte Glaskügelchen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem der Klebstoff und die Streuelemente auf die gesamte Oberfläche des Streukörpers (2) aufgebracht werden.