DE60128925T2 - Lichtdiffusor für eine photodynamische therapie - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Vorrichtungen und insbesondere einen faseroptischen Diffusor zum Bereitstellen eines allgemein zylindrischen Lichtemissionsmusters.
  • Für eine Vielzahl medizinischer Erkrankungen werden verschiedenartige licht-basierte Behandlungen (z.B. Fototherapie) verwendet oder in Betracht gezogen. Eine Fototherapie von geschädigtem Gewebe beinhaltet verschiedene Behandlungsformen, wie beispielsweise Fotoablation, fotodynamische Therapie oder Fotokoagulation. Bei jeder dieser Therapien basiert eine Kontrolle des Behandlungsergebnisses auf einer Kontrolle der verabreichten Lichtdosis sowie der Dosis jeglicher weiterer Zusatzstoffe, wie beispielsweise Fotosensibilatoren, die in Verbindung mit dem therapeutischen Licht verwendet werden.
  • Die fotodynamische Therapie (PDT) ist eine sich in der Entwicklung befindende Behandlung, in der die Wechselwirkung zwischen fotoaktiven Arzneimitteln und Licht mit einer geeigneten Wellenlänge zum Zerstören von geschädigtem oder bösartigem Gewebe genutzt wird. Während einer PDT-Behandlung werden ein oder mehrere fotosensitive Moleküle in ein Zielgewebe eines Patienten verabreicht und dann mit fototherapeutischem Licht mit einer Wellenlänge bestrahlt, die dazu geeignet ist, eine Wechselwirkung mit den fotosensitiven Molekülen zu bewirken, um eine fotoaktivierte Spezies der Moleküle zu erzeugen, die therapeutische Eigenschaften aufweist. Die gebildete fotoaktivierte Spezies zerstört entwe der Zellen oder stoppt eine physiologische Aktivität im betroffenen geschädigten Gewebe, wodurch eine Behandlung des Zielgewebes bewirkt wird.
  • In PDT-Behandlungen sowie in bestimmten anderen biomedizinischen Anwendungen werden (nachstehend als "optische Fasern" bezeichnete) Lichtwellenleiter verwendet, um die therapeutische Lichtenergie inneren Bereichen des menschlichen Körpers zuzuführen, die durch die Lichtquelle nicht leicht direkt zugänglich sind. In vielen dieser medizinischen Anwendungen muss ein gleichmäßiges zylindrisches Lichtmuster zugeführt werden, wie beispielsweise bei der Bestrahlung eines zylindrischen Bereichs eines Blutgefäßes. In derartigen Therapien verwendete optische Fasern bestehen typischerweise aus einem Innenkern mit einem Brechungsindex, der von einem Mantel mit einem etwas niedrigeren Brechungsindex umgeben ist. Sowohl der Kern als auch der Mantel können entweder aus optischem Glas oder aus einem Polymermaterial (z.B. Kunststoff) besehen. Licht breitet sich durch totale Innenreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Innenkern und dem Mantel entlang der optischen Faser aus. Die optische Faser ist an ihrem distalen Ende durch einen Diffusor mit einer für das spezifische Behandlungsprotokoll geeigneten Strahlungsverteilung abgeschlossen. Die optische Faser ist häufig durch eine äußere Schutzumhüllung umschlossen. Alternativ kann Licht unter Verwendung eines Lichtwellenleiters in den Körper geleitet werden, der nur aus einem Kernabschnitt besteht, wobei die Lichtwellenleitung durch die Grenzfläche zwischen dem Kern und dem umgebenden Medium erzielt wird. Ein derartiger Lichtwellenleiter wird hierin ebenfalls als optische Faser bezeichnet.
  • Sowohl für interstitielle als auch für intraluminale Anwendungen stehen verschiedenartige Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen der gewünschten Ausgangsprofile zur Ver fügung. Eine derartige Vorrichtung besteht aus einer optischen Faser, deren distales Ende durch eine Einrichtung abgeschlossen ist, die einen Diffusionsabschnitt der Vorrichtung bildet. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise im US-Patent Nr. 5196005 von Dorion et al. und im US-Patent Nr. 5303324 von Lundahl et al. beschrieben. Eine andersartige Vorrichtung besteht aus einer optischen Faser, deren distales Ende modifiziert ist. In Light Scattering Properties of a Rough-ended Optical Fiber, Fuji et al., Optics and Laser Technology, Februar 1984, ist beispielsweise ein Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Weitwinkelabstrahung eines Laserstrahls durch chemisches Aufrauhen des Ausgangsendes einer Glasfaser beschrieben. In ähnlichen Verfahren wird der Glaskern einer optischen Faser durch Entfernen der Umhüllung und des Mantels freigelegt, woraufhin der Kern chemisch geätzt wird, um das Licht in Schichten zu verteilen, die Streupartikel enthalten, um ein gleichmäßiges zylindrisches Strahlungsmuster zu erzeugen.
  • Eine herkömmliche Technik zum Konstruktieren eines Diffusors besteht darin, Streuelemente in einem klaren oder transparenten Material, wie beispielsweise Epoxid, häufig mit einem Dichtegradient der Streuelemente, zu verteilen, um ein entlang der Länge des Diffusors gleichmäßiges Strahlungsmuster zu erhalten. Ein Nachteil dieser Technik ist, dass der Diffusor separat konstruiert und dann am Ende der Faser befestigt wird, wodurch der Fertigungsprozess schwierig wird. Ein anderer Nachteil ist, dass es schwierig ist, ein signifikantes Strahlungsmuster auszubilden, weil es schwierig ist, die Streuelemente auf eine systematische Weise anzuordnen. Außerdem führt diese Technik häufig zu einem faseroptischen Diffusor mit einem maximalen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Faser.
  • Eine andere herkömmliche Technik zum Konstruieren eines Diffusors besteht darin, die Faser selbst zu modifizieren, um eine totale Innenreflexion von Licht an der Kern-Mantel-Grenzfläche zu verhindern. Dies kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Eine Weise besteht darin, das Verhältnis der Brechungsindizes zwischen dem äußeren Mantel und dem Kernbereich der optischen Faser derart auszuwählen, dass die Innenreflexion innerhalb des Kernbereichs wesentlich geringer ist als eine Totalreflexion. Dadurch wird veranlasst, dass Licht durch die Seite des Kernbereichs nach außen abgestrahlt wird und durch einen (vorzugsweise transparenten) Mantel emittiert wird. Eine andere Weise besteht darin, die Grenzfläche zwischen dem Kern der optischen Faser und dem Mantel zu verändern, um die seitliche Abstrahlung zu erhöhen. Ein herkömmliches Verfahren besteht darin, die Außenfläche des Kernbereichs zu strukturieren, um den Effekt von geschliffenem Glas zu erzielen. Ein anderes Verfahren besteht darin, Lichtstreuelemente, z.B. winzige Partikel, an der Oberfläche des Kerns der optischen Faser in der Nähe der Grenzfläche zum Mantel anzuordnen oder einzubetten. Außerdem können Lichtstreupartikel im gesamten Mantel eingebettet werden, um die seitliche Abstrahlung zu verstärken. Eine noch andere Technik besteht darin, das distale Ende der Faser zu schmelzen oder anderweitig zu verformen, um die Lichtwellenleitungswirkung zu vermindern und zu ermöglichen, dass Licht entlang des verformten Bereichs emittiert wird.
  • Die herkömmlichen Techniken, in denen die Faser selbst modifiziert wird, bieten nur eine begrenzte Möglichkeit für eine Anpassung der Strahlungsverteilung. Diffusoren, die auf einer mechanischen Änderung der Kern-Mantel-Grenzfläche oder der Verwendung eines verformten distalen Endes basieren, haben außerdem den Nachteil, dass die mechanischen Eigenschaften der Faser geschwächt werden.
  • Daher besteht eine anhaltende Nachfrage nach einem verbesserten optischen Lichtdiffusor, der ein im Wesentlichen zylindrisches Lichtemissionsmuster erzeugt. Der optische Lichtdiffusor sollte vorzugsweise relativ einfach herstellbar und zuverlässig betreibbar sein. Außerdem sollte die Länge des vom verbesserten optischen Lichtdiffusor emittierten zylindrischen Lichtemissionsmusters durch geringfügige Änderungen des Fertigungsprozesses veränderbar sein.
  • Es wird auf US-Patent Nr. 5709653 verwiesen, in dem ein Ballonkatheter beschrieben wird, in dem durch eine optische Faser eine Einrichtung zum Bestrahlen eines Fluids für eine fotodynamische Behandlung von einem abgeschliffenen oder abgeriebenen Abschnitt an ihrem distalen Ende bereitgestellt wird.
  • Durch den erfindungsgemäßen Lichtdiffusor wird eine wirtschaftlich und einfach herstellbare Vorrichtung bereitgestellt, die ein im Wesentlichen zylindrisches Lichtemissionsmuster erzeugt, das in verschiedenen medizinischen Anwendungen verwendbar ist, z.B. in fotodynamischen und fotochemischen Behandlungen, in denen eine gleichmäßige Bestrahlung von innerem Gewebe erforderlich ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Lichtdiffusor zum Bereitstellen eines im Wesentlichen zylindrischen Lichtemissionsmusters, mit: einer optischen Faser mit einem lichtleitenden Kern und einem den Kern umgebenden Mantel, wobei die optische Faser ein proximales Ende, das dazu geeignet ist, mit einer optischen Strahlungsquelle gekoppelt zu werden, und ein distales Ende zum Aussenden optischer Strahlung aufweist, wobei die optische Faser dazu geeignet ist, die optische Strahlung von ihrem proximalen Ende zu ihrem distalen Ende zu übertragen. Erfindungsgemäß weist die optische Faser an ihrem distalen Ende einen zu- oder abgeschliffenen bzw. abgeriebenen Abschnitt auf, der sich in eine geschossförmige bzw. abgerundete Spitze verjüngt, wobei dieser Abschnitt ermöglicht, dass Licht über den geschliffenen Abschnitt gleichmäßig abgestrahlt wird, so dass ein im Wesentlichen zylindrisches Muster von diffusem Licht entsteht, das das distale Ende der optischen Faser umgibt. Die Oberfläche der Faser am distalen Ende kann mechanisch abgeschliffen oder abgerieben werden, typischerweise durch Ausbilden im Wesenlichen gerader Nuten sowohl in der axialen Richtung als auch quer zur axialen Richtung im Kern und im Mantel. In bevorzugten Ausführungsformen erstreckt sich der abgeschliffene Abschnitt der optischen Faser anfangs nur im Mantel, wobei die Eindringtiefe entlang der Länge des abgeschliffenen Abschnitts graduell zunimmt und sich schließlich durch den Mantel hindurch in den Kern erstreckt.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die eine Längsansicht eines erfindungsgemäßen optischen Lichtdiffusors zeigt.
  • Der optische Lichtdiffusor 10 wird aus einer optischen Faser 12 gebildet, die dazu geeignet ist, therapeutisches Licht zu übertragen. Eine bevorzugte optische Faser 12 weist einen Fused-Silica-(Kieselglas)Kern (der dazu geeignet ist, Licht mit Wellenlängen im Bereich von 300–1100 nm zu übertragen) auf, der von einem Silica-Mantel umgeben ist. Der Kern kann einen Durchmesser im Bereich von 100–1500 μm haben, und der Mantel kann 5–60 μm dick sein. Für Fachleute ist ersichtlich, dass innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung andere Materialien und Größen für die optische Faser 12 verwendet werden können. Derartige alternative Materialien sind beispielsweise transparentes Glas, Polymere (z.B. Kunststoff) oder ein beliebiges anderes geeignetes Material, das dazu geeignet ist, Licht zu übertra gen, wie beispielsweise nicht-hohle Lichtwellenleiter. Die lichtzuführende optische Faser 12 kann auch eine Umhüllung oder ein Puffermaterial zum Verstärken der Faser 12 aufweisen, wie beispielsweise eine dünne, chemisch verbundene Polyimidbeschichtung.
  • Die Länge der optischen Faser 12 wird derart gewählt, dass ihr distales Ende in der Nähe eines oder in einem gewünschten, entfernt angeordneten Zielgewebe (z.B. in vivo) angeordnet werden kann, und ihr proximales Ende sich aus dem Patienten heraus erstreckt, so dass es mit einer optischen Strahlungsquelle verbunden werden kann. Die optische Faser 12 muss dazu geeignet sein, an ihrem proximalen Ende optische Strahlung zu empfangen und den größten Teil der derart empfangenen optischen Strahlung zu ihrem distalen Ende zu übertragen. Das sich durch die optische Faser ausbreitende Licht wird im Allgemeinen vom distalen Ende emittiert und beleuchtet das umgebende Zielgewebe, und das Licht wird anschließend durch das Gewebe absorbiert und gestreut. Wenn der optische Lichtdiffusor 10 in Verbindung mit einer PDT-Behandlung verwendet wird, kann durch das durch die optische Faser 12 zugeführte Behandlungslicht eine chemische Reaktion von Fotosensibilisatoren eingeleitet werden, die zuvor in das Zielgewebe injiziert oder darin absorbiert wurden.
  • Das distale Ende der optischen Faser 12 weist einen abgeschliffenen Abschnitt 14 auf, der durch Abschleifen der optischen Faser 12 zum Auftrennen des Mantels und des Kerns der optischen Faser 12 gebildet wird. Das Abschleifen der optischen Faser 12 beginnt im Mantel am proximalen Ende des abgeschliffenen Abschnitts 14, wobei die Eindringtiefe graduell erhöht wird und sich schließlich durch den Mantel hindurch in den Kern der optischen Faser 12 erstreckt, wodurch eine Verjüngung ausgebildet wird, die in einer abgerundeten Spitze 16 des abgeschliffenen Abschnitts 14 endet. Die abge rundete Spitze 16 ist, wie in 1 dargestellt, geschossförmig ausgebildet. Die Eindringtiefe ändert sich gemäß der zum Herstellen des optischen Lichtdiffusors 10 verwendeten spezifischen optischen Faser 12. Daher ist im proximalen Abschnitt des abgeschliffenen Abschnitts 14 zunächst nur der Mantel aufgetrennt, während der Mantel zum Ende des distalen Abschnitts des abgeschliffenen Abschnitts 14 (und der optischen Faser 12) hin schließlich vollständig entfernt und auch der Kern abgeschliffen ist.
  • Der abgeschliffene Abschnitt 14 kann unter Verwendung mehrerer verschiedener Techniken ausgebildet werden. Beispielsweise beinhaltet eine Technik das Abschmirgeln des distalen Abschnitts einer optischen Faser 12 von Hand, um den abgeschliffenen Abschnitt 14 zu bilden. Das Abschmirgeln von Hand kann unter Verwendung von für einen optischen Poliervorgang geeignetem Schmirgelpapier ausgeführt werden. Die optische Faser 12 wird vorzugsweise von Hand abgeschmirgelt, bis erreicht wird, dass der abgeschliffene Abschnitt Licht über die gewünschte Länge der optischen Faser 12 gleichmäßig abgibt und ein im Wesentlichen zylindrisches Muster 18 von diffusem Licht erzeugt wird. Im Handschmirgelprozess kann der abgeschmirgelte Abschnitt 14 erzeugt werden, indem im distalen Ende der optischen Faser 12 sich in Längsrichtung (entlang der Achse der Faser 12) und in der Querrichtung (quer zur Achsenrichtung) erstreckende Nuten ausgebildet werden. Ein bevorzugtes Verfahren besteht darin, den Handschmirgelprozess am distalen Ende des abgeschliffenen Abschnitts 14 zu beginnen, um das geschossförmige Ende auszubilden, und dann zu schmirgeln, bis eine Lichtdiffusion aus der optischen Faser 12 heraus erhalten wird (d.h., bis Licht aus der optischen Faser 12 entweicht). Der Schmirgelprozess wird dann zum proximalen Ende des abgeschliffenen Abschnitts 14 hin fortgesetzt, um die Lichtemission vom distalen Ende der optischen Faser 12 zu vermindern, bis eine gleichmäßige Lichtverteilung erhalten wird. Während der Herstellung kann eine optische Lichtquelle mit dem proximalen Ende der optischen Faser 12 gekoppelt werden, um während des Abschleifprozesses optisches Licht durch die Faser einzustrahlen. Außerdem können herkömmliche Geräte, z.B. ein Laserstrahlanalysator und ein Profilmessgerät (Profiler), verwendet werden, um die Gleichmäßigkeit des vom Lichtdiffusor 10 abgestrahlten Lichtmusters zu prüfen. Vorzugsweise wird durch den Fertigungsprozess ein optischer Diffusor mit einem abgeschliffenen Abschnitt erhalten, der Licht mit einem im Allgemeinen angepassten zylindrischen Muster emittiert.
  • Der abgeschliffene Abschnitt 14 des optischen Diffusors 10 kann gemäß der gewünschten Anwendung verschiedene Längen haben. Unter Verwendung des neuartigen Verfahrens sind Diffuseren mit einer Länge von mehr als 20 cm und mit einer guten Gleichmäßigkeit der Lichtemission hergestellt worden. Es ist außerdem festgestellt worden, dass die Ausbildung einer abgerundeten, geschossförmigen Spitze 16 entscheidend für die Herstellung eines Lichtdiffusors 10 mit einem im Wesentlichen zylindrischen Muster von diffusem Licht ist.
  • Während der Anwendung wird der distale Abschnitt des optischen Diffusors 10 in einem Patienten in der Nähe des Gewebes von Interesse oder im Gewebe von Interesse interstitiell platziert. Wenn der optische Diffusor in Verbindung mit einer PDT-Behandlung verwendet wird, wird dem Patienten wahrscheinlich im Voraus ein Dosis eines geeigneten Fotosensibilisators, wie beispielsweise ein Hämatoporphyrinderivat (HpD) verabreicht, das bei einer Wellenlänge von 633 nm aktiviert wird, Zinnethyletiopurpurin (SnET2), ein Fotosensibilisator der zweiten Generation, der maximal bei einer Wellenlänge von 665 nm aktiviert wird, oder ein beliebiger anderer in PDT-Behandlungen verwendeter Fotosensibilisator, wie beispielsweise Purpurine, Chlorine und Phthalocyanine. Eine optische Strahlungsquelle zum Erzeugen des Behandlungslichts wird mit dem proximalen Ende der optischen Faser 12 verbunden. Beispielsweise wird ein Helium-Neon-(Hehe)Laser, ein Diodenlaser, ein Argon-Farbstofflaser oder eine beliebige andere geeignete Lichtquelle, die dazu geeignet ist, rotes Licht mit einer Wellenlänge zu erzeugen, die dazu geeignet ist, den ausgewählten Fotosensibilisator zu aktivieren, unter Verwendung geeigneter Koppler am proximalen Ende der lichtzuführenden optischen Faser 12 angebracht. Das Licht vom Laser kann beispielsweise unter Verwendung eines herkömmlichen SMA-Linsenadapters und einer Faserabschlussanordnung in das proximale Ende der lichtzuführenden optischen Faser 12 eingekoppelt und fokussiert werden. Durch die Zufuhr von therapeutischen Licht zum Zielgewebe wird der Fotosensibilisator im Zielgewebe aktiviert, wodurch toxische Spezies von Sauerstoff und andere chemische Radikale entstehen und zellulare Nekrose einleiten.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird eine kostengünstige Vorrichtung zur Verwendung in fotodynamischen und fotochemischen Anwendungen bereitgestellt, die eine Lichtverabreichung für eine Arzneimittelaktivierung erfordern. Durch die Vorrichtung wird ein (interstitiell und interluminal) einstellbarer Diffusor bereitgestellt, der dazu geeignet ist, eine gleichmäßige zylindrische Lichtdiffusion bereitzustellen. Aufgrund der Flexibilität bestimmter Materialien, die zum Herstellen der optischen Faser 12 verwendbar sind, der Einfachheit der Herstellung und der Fähigkeit zum Anpassen der Diffusorlänge, ist diese Vorrichtung leicht für viele Anwendungen anpassbar. Durch die monolithische Konstruktion werden an der mechanischen Grenzfläche zwischen der Faser und dem Diffusor häufig auftretende Probleme eliminiert. Weitere Vorteile, die aufgrund der monolithischen Konstruk tion erzielt werden, sind die Einfachheit der Nachführung und die Fähigkeit zum Aufrechterhalten eines gleichmäßigen Lichtausgangssignals, wenn der optische Diffusor sich biegt, während er um einen engen Radius vorwärtsbewegt wird. Die Merkmale des erfindungsgemäßen optischen Lichtdiffusors machen ihn zur Verwendung in vielen fotodynamischen Behandlungen geeignet, wie beispielsweise zur Behandlung von Restenose zum Unterdrücken von aufgrund von Koronarangioplastie auftretender intimaler Hyperplasie, sowie in verschiedenen onkologischen Anwendungen, wie beispielsweise Erkrankungen der Speiseröhre und der Lunge.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ausführlich beschrieben worden ist, sind andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise ist der erfindungsgemäße optische Lichtdiffusor für viele fotodynamische Behandlungen geeignet, z.B. zur Behandlung von Restenose zum Unterdrücken von aufgrund von Koronarangioplastie auftretender intimaler Hyperplasie. Außerdem kann der optische Lichtdiffusor in onkologischen Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise zum Behandeln der Speiseröhre und der Lunge.

Claims (7)

  1. Optischer Lichtdiffusor (10), der eine allgemein zylindrisches Lichtdiagramm (18) ausstrahlt und eine optische Faser (12) mit einem leitenden Kern und einem den Kern umgebenden Mantel umfasst, wobei die optische Faser ein proximales Ende zum Koppeln mit einer optischen Strahlungsquelle und ein distales Ende zum Aussenden von optischer Strahlung aufweist und die Aufgabe hat, die optische Strahlung von ihrem proximalen Ende zu ihrem distalen Ende zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser einen abgeriebenen Abschnitt (14) an ihrem distalen Ende hat, der sich zu einer geschossförmigen Spitze (16) verjüngt, wobei dieser Abschnitt Licht gleichförmig über den abgeriebenen Abschnitt entweichen lässt, so dass ein allgemein zylindrisches Diagramm von diffusem Licht entsteht, das das distale Ende der optischen Faser umgibt.
  2. Optischer Lichtdiffusor nach Anspruch 1, wobei der abgeriebene Abschnitt (14) der optischen Faser (12) anfänglich in den Mantel eindringt und allmählich in seiner Eindringtiefe über die Länge des abgeriebenen Abschnitts durch den Mantel und in den Kern fortschreitet.
  3. Lichtdiffusor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit der Aufgabe, Licht zu einem zylindrischen Strahlungsdiagramm (18) mit Bezug auf die mittlere Achse der optischen Faser (12) zu diffundieren.
  4. Lichtdiffusor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der abgeriebene Abschnitt (14) eine Länge von höchstens 20 cm hat.
  5. Lichtdiffusor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der abgeriebene Abschnitt (14) dadurch gebildet wird, dass der Kern und der Mantel mit allgemein linearen Nuten in axialer und queraxialer Richtung unterbrochen werden.
  6. Lichtdiffusor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der leitende Kern aus transparentem Glas oder Kunststoffpolymer gebildet wird.
  7. Lichtdiffusor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die optische Faser (12) aus einem Kunststoff besteht.
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