DE3941706C1 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur isotropen Abgabe und zur isotropen Aufnahme von Licht nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei gattungsgemäßen Vorrichtungen wird ein schwach absorbierender Streukörper auf dem planen, distalen Ende eines LWL befestigt.
Bei isotropen Strahlern strahlt der LWL (=Lichtwellenleiter) ein zur seiner Achse symmetrisches, divergentes Lichtbündel ab. (Theoretischer Maximalwert der Divergenz bzw. Akzeptanz gängiger Quarzglasfasern: ca. 30°).
In den Streukörper eingedrungene Photonen wechseln ihre Richtung in Abhängigkeit von der zurückgelegten Wegstrecke und der Streuteilchendichte mehrfach. Dies führt nur im Idealfall zu einer ungerichteten Abstrahlung.
Bei isotropen Detektoren dringen Photonen aus beliebigen Raumrichtungen in einen kugelähnlichen Streukörper ein, in dem sie ihre ursprüngliche Richtung verlieren. Photonen, die innerhalb des Akzeptanzwinkels auf die plane Lichtleiterendfläche treffen, können in den LWL eintreten.
Diese Prinzipien liegen allen bisher bekannten Entwicklungen isotroper Strahler bzw. Detektoren zugrunde. Variiert wurde bisher lediglich die Ausführung des Streukörpers bzw. dessen Befestigung auf dem LWL, nicht aber die Endflächengeometrie des LWL im Sinne einer gezielten Beeinflussung seiner Abstrahl- bzw. Detektionscharakteristik.
Das US-Patent, Nr. 46 93 556, Mc Caughan, Jr. bezieht sich auf ein Verfahren zur Streukörperherstellung, das sich einer UV- härtenden Suspension aus Kleber und Streuteilchen bedient. Diese wird schichtweise auf einem planen LWL-Ende aufgebracht und ausgehärtet, wodurch nach mehreren Arbeitsgängen der Streukörper entsteht.
In Advances in Laser Medicine, Safety and Laser tissue interaction (Editoren: G. J. Müller, H. P.: Berlien), ecomed, Landsberg, 1989, Seite 358-368 beschrieben W. M. Star und J. P. A. Marÿnissen die Herstellung von isotropen Detektoren aus gebohrten und auf das LWL-Ende aufgeklebten Kunststoffkugeln.
In Photodynamic Therapy of Tumors and Other Diseasas (Editoren: G. Jori, C. Perria), Liberia progetto editore padova, 1985, Seite 371-385 beschreibt V. Russo u. a. konische distale LWL-Enden. Hier geht es jedoch lediglich um eine seitliche (ringförmige) Lichtabstrahlung. Ein mathematischer Zusammenhang zwischen Kegelwinkel und Abstrahlcharakteristik wird nicht hergestellt (die verwendete Ätztechnik zur Herstellung von Kegelenden ist ohnedies schlecht reproduzierbar).
Aus der DE-OS 21 31 500 ist es bekannt eine LWL kegelförmig auszubilden. Der LWL ist ein Gradientenlichtleiter und die kegelförmige Ausbildung soll eine optimale Einkopplung von paralleler Strahlung in den Lichtleiter bewirken.
Eine isotrope Abstrahlcharakteristik läßt sich damit nicht erreichen.
Des weiteren ist aus der US-PS 47 40 047 eine Bestrahlungsvorrichtung bekannt, bei der ein einseitig abgeschrägter LWL so von einer Umhüllung umgeben ist, daß zwischen dem LWL Ende und der Umhüllung ein Hohlraum entsteht.
Die Abstrahlcharakteristik wird dadurch extrem asymmetrisch.
Bei allen bekannten Lösungen wird die axial gerichtete Abstrahlcharakteristik des LWL nur unvollständig in eine kugelsymmetrische Charakteristik umgewandelt. Besonders kritisch ist eine zu ineffektive Abstrahlung in die rückwärtige Hemisphäre. Dies ist bedingt durch:
Abschattung durch Verbindungselemente zwischen Streukörper und LWL sowie durch den LWL selbst (Verbindungselemente werden z. B. nötig, wenn die Leistungsdichte auf der Lichteintrittsfläche des Streukörpers durch eine Vergrößerung des Abstandes zwischen LWL und Streukörper reduziert werden muß).
Begrenzte Optimierbarkeit der Lichtumlenkung, wenn die Streukörperabmessungen (endoskopische Anwendungen!) und Absorptionsverluste (Überhitzung des Streukörpers!) klein gehalten werden sollen.
Gängige isotrope Strahler (Durchmesser: 3-4 mm) sind zu groß für die meisten Endoskop- und Katheterkanäle. Eine Reduzierung der Strahlerabmessungen ist daher anzustreben. Gleichzeitig sind Abgabeleistungen von mindestens 2 W gefordert. Bei Verwendung planer Lichtleiterenden können beide Ziele nicht erreicht werden, da eine nicht akzeptable Verschlechterung der Abstrahlcharakteristik die Folge wäre.
Die bekannten isotropen Detektoren zeichnen sich durch geringe Empfindlichkeit aus.
Der Lichtleiter mit planem Faserende besitzt eine im Vergleich zur Streukörperoberfläche kleine Eintrittsfläche, an der Photonen nur in einem stark eingeengten Raumwinkelbereich (maximale Akzeptanz ca. 30°) eintreten können.
Um eine ausreichende Lichtumlenkung im Streukörper zu gewährleisten, muß die Streuteilchendichte so hoch gewählt werden, daß ein großer Anteil des auftreffenden Lichts vom Streukörper zurückgestreut wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die Bestrahlung und Lichtdetektion in schwer zugänglichen Hohlräumen über LWL, z. B. bei medizinischen Laseranwendungen wie der integrale photodynamischen Therapie von Hohlorganen zu entwickeln. Dabei soll eine möglichst kugelsymmetrische Richtcharakteristik bei kleinen Durchmesser realisiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich insbesondere folgende Vorteile erzielen.
Der Streukörper wird funktionell entlastet, d. h. er muß lediglich die Abstrahl- bzw. Detektionscharakteristik des Lichtleiterendes glätten.
Die Gesamtzahl der für eine kugelksymmetrische Abstrahlung bzw. Detektion benötigten Streuvorgänge sinkt. Aus der Daher möglichen Reduzierung der Streuteilchen(dichte) folgt:
Ein geringerer Absorptionsverlust im Streukörper und damit ein hoher Schwellenwert für einen Strahlerdefekt durch Überhitzung.
Reduzierung der Detektionsverluste durch Rückstreuung an der Streukörperoberfläche.
Im Vergleich zum planen Faserende bestrahlt das Kegelende stets eine deutlich größere Fläche, z. B. in einer zylindrischen Bohrung des Streukörpers. Eine Reduzierung der Leistungsdichte durch rückwärtig versetzte Lichtleiterbefestigung kann daher vermieden werden. Abschattungen nach hinten werden so auf die Lichtleitfaser selbst reduziert und somit minimiert.
Im Vergleich zu konventionellen Ausführungen sind kleinere Strahlerabmessungen und eine homogenere Abstrahlcharakteristik bei mindestens gleicher Belastbarkeit möglich.
Das kegelförmige LWL-Ende detektiert über einen großen Bereich erlaubter Eintrittswinkel und besitzt somit eine höhere Empfindlichkeit als ein planes LWL-Ende.
Falls erwünscht, kann durch gezielte Variation des Kegelwinkels auch eine betonte Bestrahlung der rückwärtigen Hemisphäre erfolgen.
Dies ist dann vorteilhaft, wenn bei Integration des Strahlers in einen Katheter verstärkt Abschattungen durch den Katheter zu befürchten sind.
Bei der integralen photodynamischen Therapie nach tumorselektiver Anreicherung eines Photosensibilisators in der Organwand wird Tumoren und benachbartem gesundem Gewebe eine gemeinsame, im Idealfall über die gesamte Organwand örtlich konstante Lichtdosis appliziert.
Die dazu nötige homogene Ausleuchtung erreicht man in kugelähnlichen Organen wie der Harnblase am besten mit Hilfe eines "isotropen" Strahlers angenähert kugelsymmetrischer Abstrahlung.
Ausgehend von klinischen Erfahrungswerten sind an einen geeigneten isotropen Strahler vor allem folgende Anforderungen zu stellen:
Die Abstrahlcharakteristik soll sektoriell möglichst ausgeglichen sein, Asymmetrien vor allem zu Ungunsten der rückwärtigen Hemisphäre vermieden werden.
Seine Abgabeleistung im Dauerbetrieb muß mindestens 2 Watt betragen, um die benötigte Lichtenergie in einer akzeptablen Behandlungszeit applizieren zu können.
Der Strahler muß in klinische Endoskop- bzw. Kathetersysteme integrierbar sein (Durchmesser selbsttragender Streukörper: deutlich kleiner als 3 mm).
Für Simulationen in Laboraufbauten werden geringere Abgabeleistungen, optimierte Abstrahlcharakteristik und je nach Verwendungszweck minimierte Abmessungen benötigt.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 Beispiele für die Strahler, und
Fig. 3 zeigt einen zentralen Längsschnitt durch das distale Ende des Lichtwellenleiters.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen LWL mit Kern 1, Cladding 2 und Mantel 3, dessen distale Endfläche 4 eine der folgenden Formen aufweist: Kegel, Kegelstumpf jeweils mit Kegelwinkel 5. Ein das LWL-Ende umgebendes und im Vergleich zu diesem optisch dünneres Medium 6. Ein Streukörper 7, der auf dem LWL-Mantel 3 mittels der Verbindung 8 befestigt ist.
Der Streukörper ist ein selbsttragender Körper aus einem Trägermaterial (z. B. Kunststoff, Glas oder Verbundwerkstoff) und einer streuenden Substanz (z. B. BaSO₄, TiO₂) dessen Durchmesser kleiner ist als 5 mm und bei dem das Verhältnis von Streukörper- zu LWL-Manteldurchmesser größer ist als 2.
Variante I (Fig. 1) zeigt einen massiven vorzugsweise kugelförmigen Streukörper mit einem Sackloch zur Aufnahme des LWL und
Variante II (Fig. 2) einen vorzugsweise hohlkugelförmigen Streukörper mit einer röhrenförmigen Führung zur Aufnahme und zur Befestigung des LWL.
Der Streukörper 7 hat folgende optische Eigenschaften:
Variante I:
Absorption in 7: <10%
Rückstreuung aus 7 in 6: <50%
Transmission durch 7: <50%
Variante II:
Absorption in 7: <10%
Rückstreuung aus 7 in 6: <50%
Transmission durch 7: <50%
Der benötigte Brechungsindex des mediumerfüllten Raums 6 richtet sich nach dem Brechungsindex von 1. Das Indexverhältnis 3 zu 6 muß größer als 1,3 sein.
Das konische Ende 4 des LWL 1, 2, 3 dient der steuerbaren Lichtabstrahlung in die vordere (Abstrahlwinkel zur LWL-Achse: βa < 90°) und in die rückwärtige Hemisphäre βa < 90°). Die Lichtaufteilung auf beide Hemisphären ist in Abhängigkeit vom Kegelwinkel 5, von der Winkelverteilung der Photonen vor der ersten Grenzflächenberührung (repräsentiert durch die Winkel zwischen den Photonenwegen und der LWL-Achse) und dem Verhältnis der Brechungsindices n₁ und n₆ von 1 und 6 wie folgt zu erzielen:
Unter der Annahme, daß der LWL-Kern 1 optisch dichter ist als das umgebende Medium 6, sind bei einer Grenzflächenberührung eines im LWL befindlichen Photons zwei Phänomene möglich:
  • 1. Brechung: das Photon tritt aus dem LWL aus, es ändert seine Richtung nach dem Brechungsgesetz.
  • 2. Totalreflexion: das Photon bleibt im LWL, es ändert seine Richtung nach dem Reflexionsgesetz.
    Der Grenzwinkel der Totalreflexion αg und der Aufprallwinkel α 10 des Photons zur Grenzflächennormalen bestimmen, welches Phänomen auftritt. Es gilt: Brechung: | α | αg (1)Totalreflexion: | α | < αg (2)In konischen LWL-Enden gilt für den Aufprallwinkel α bei der n-ten Grenzflächenberührung (zweidimensionales Modell):α = 90° - Φ - δ/2 * (2 * n - 1) (3)mit:
    Φ: Winkel zwischen Photonenweg und LWL-Achse vor der 1. Grenzflächenberührung (positives Vorzeichen: Photonenweg zeigt von der LWL-Achse weg und umgekehrt, in Fig. 3: 9)
    δ: Kegelwinkel 5 (Winkel zwischen den Mantellinien)
    Für den Abstrahlwinkel 11 βa gilt:βa = 90° - δ/2 - arc sin (n₁/n₆ *sin α)Von besonderer Bedeutung für die Erfindung sind die in Fig. 3 zweidimensional dargestellten exemplarischen Strahlenwege 12, 13 und 14.
    Für diese gilt unter den Bedingungen a) und b):
    • a) Kegelwinkelbereich: 80° δ 90°
    • b) Verhältnis der Brechungsindices: n₁/n₆ < 1,3
12 = Primäre Brechung (n = 1):
α αg 0 βa δ
Führt stets zu Abstrahlung in die vordere Hemisphäre.
13 = Primäre Totalreflexion (n = 1), sekundäre Brechung (n = 2):
n = 1: α < αg
n = 2: | α | αg ca. 70° < βa < 135°.
Mit diesem Anteil kann je nach Parameterwahl nur die rückwärtige Hemisphäre oder beide Hemisphären bestrahlt werden.
14 = Primäre Totalreflexion (n = 1), sekundäre Totalreflexion (n = 2):
n = 1: α < gα
n = 2: | α | < αg, α negativ
Dieser Anteil wird in den Lichtleiter zurückreflektiert, geht damit verloren.
Durch Variation des Winkels 5 (δ), der Winkelverteilung im LWL (also dem Vorrat an Winkeln 9) und des Brechungsindexsprungs 1, 6 kann der Gesamtphotonenfluß durch den Lichtleiter gezielt auf die Strahlenwege 12, 13 und 14 verteilt werden.
Das konische LWL-Ende ermöglicht so eine gezielte, den Eigenschaften des Streukörpers angemessene Lichteinstrahlung in beide Hemisphären.
Mit den Bedingungen a) und b) (s. o.) wird der gewünschte Spielraum des Rückwärts-vorwärts-Verhältnisses v von 1 < v < 3 abgedeckt:
Zur Erhöhung des in die vordere Hemisphäre abgestrahlten Lichts kann das konische LWL-Ende 4 abgestumpft werden.
Für isotropen Detektoren sind die Streukörper 7 genau so gebaut, wie für die isotropen Lichtquellen.
Für die kegelförmigen Lichtleiterenden gilt folgendes:
Am Lichtleiterende können Photonen unter einem großen Winkelbereich in den Lichtleiter eintreten und somit detektiert werden.
Die für den isotropen Strahler definierten Strahlenwege 12 und 13 sind umkehrbar, Strahlenweg 14 tritt nicht auf (Geometrie analog zu Fig. 3).
Detektionswinkel βe (Analog zu 11) unter Bedingungen a) und b) (siehe Strahler):
  • 1: 0° < βe < δ bei N. A. (numerische Apertur des LWL) = 0,4
  • 2: ca. 70° < βe < ca. 135° bei N. A. = 0,4
Die Detektionsraten der Strahlenwege 12 und 13 für Photonen, die auf die Kegelmantelfläche prallen, ist von der Richtungsverteilung der Photonen - somit indirekt von den optischen Eigenschaften des Streukörpers -, von der numerischen Apertur des Lichtleiters, vom Kegelwinkel 5 (δ) und vom Brechungsindexsprung 1, 6 abhängig.
Durch geeignete Wahl obiger Parameter läßt sich die Detektionscharakteristik optimieren.
Der erfinderische Gedanke ist die Kombination eines kegelförmigen Lichtleiterendes mit einem Streukörper, wobei die Abstrahl- bzw. Detektionscharakteristik durch den Kegelwinkel in einem definierten Bereich maßgeblich bestimmt wird.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur isotropen Abgabe und zur isotropen Aufnahme von Licht, welche aus einem Lichtwellenleiter besteht, dessen distales Ende sich in einem Streukörper befindet, dadurch gekennzeichnet, daß das distale Ende des Lichtwellenleiters (1, 2, 3) kegelförmig ausgebildet ist und von einem an seinen Berührungsstellen (8) mit dem Mantel (3) des Lichtwellenleiters fest mit diesem verbundenen Streukörper (7) derart umschlossen wird, daß zwischen Lichtwellenleiterende (4) und Streukörper ein Hohlraum (6) entsteht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukösper (7) eine Hohlkugel ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper eine Kugel mit einem Sackloch zur Aufnahme des Lichtwellenleiters (1, 2, 3) ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtwellenleiterende (4) ein abgestumpfter Kegel ist.
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