JP2012085812A - 光ファイバーおよびそれを用いた水中衝撃波発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水中にレーザー光を照射して水中衝撃波を発生させる水中衝撃波発生装置10に用いられる光ファイバー11。光ファイバー11は、本体部16と、その先端に設けられたレーザー収束部17とからなり、レーザー収束部17が先端18aの径が基端18bの径より小さい略円錐台の形状を呈しており、かつ、軸線断面の側辺の半径方向に対する内角θが、先に向かって徐々に小さくなるように構成されている。
【選択図】図2
Description
また、水中にパルスレーザー光を照射し発生させた水中衝撃波を収束させて、限局した空間に瞬間的に高圧を発生させ、尿路や腎臓結石を破砕除去する体外破砕術(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy (ESWL))が確立されている。
本出願人は、例えば特許文献1に示すように、上記水中衝撃波収束法をカテーテルに組み入れ可能な大きさまでにまで小型化し、その水中衝撃波発生装置を提供することに成功している。
また、非特許文献1の3.6で示すように、光ファイバーの表面を粗面とする方が鏡面とすることより強い衝撃波を発生させることが知られている。
本発明は、エネルギーの大きい衝撃波を効率よく発生させることができ、かつ、耐久性の高い水中衝撃波発生装置用の光ファイバーおよびそれを用いた衝撃波発生装置を提供することを目的としている。
な平面部となった略円錐台を呈しており、前記レーザー収束部の軸線断面の側辺の半径方向に対する内角が、先に向かって徐々に小さくなるように構成されていることを特徴としている。
このような光ファイバーであって、前記レーザー収束部の表面が鏡面になっているものが好ましい。また、前記レーザー収束部の軸線断面の側辺が、複数の直線から構成されているもの、前記レーザー収束部の軸線断面の側辺が曲線から構成されているもの、または、前記レーザー収束部の軸線断面の側辺が直線および曲線から構成されているものが好ましい。
このような光ファイバーであって、レーザー収束部の軸線断面の側辺が複数の直線から構成されている場合、レーザー収束部の軸線断面の側辺が1または2以上の曲線から構成されている場合、または、前記レーザー収束部の軸線断面の側辺が1または2以上の曲線から構成される場合、レーザー光を光線追跡法に基づいて収束させることができ、安定した衝撃波を発生させることができる。
水中衝撃波発生装置10は、光ファイバー11と、その光ファイバーを固定する反射体12と、その反射体12の先端の凹面開口部を閉じる遮断膜13と、凹面と遮断膜との間に充填される液体14とから構成される。この水中衝撃波発生装置10は、カテーテル15の先端に取り付けられる小型のものである。
レーザー収束部17は、先に向かって径が小さくなり、本体部の軸中心に回転した回転体を呈しており、先端が本体部の軸に対して垂直な平面部18aとなった小さい略円錐台の形状を呈している(図2参照)。レーザー収束部17の先端平面部18aの径の基端18bの径に対する比は1/1.5〜1/6、好ましくは1/2〜1/3、特に好ましくは1/2である。
レーザー収束部の軸線断面の側辺の半径方向に対する内角θは、基端側から先端側に向かって(先に向かって)徐々に小さくなるように構成されている。また、レーザー収束部の耐久性を考慮するとその高さはファイバーの直径より低いことが好ましい。
レーザー収束部17の鏡面仕上げの方法としては、光学レンズの作成方法が用いられる。詳しくは、光学レンズ用の所定の道具を用いて、径24ミクロンから径1ミクロンまでの複数の研磨剤を用意し、大きいものから順番に研磨して鏡面に仕上げる方法が挙げられる。
図2aのレーザー収束部17aは、基端18bの径Xに対して先端18aの径Yが約半分となっているものであり、軸線断面の形状が略台形を呈する。この台形の側辺は3つの直線(17a1、17a2、17a3)からなっており、それぞれ基端部(本体部、図中左)側から台形の底辺(略円錐台の半径方向)に対する内角(θA、θB、θC)が徐々に小さくなるように構成されている(θA>θB>θC)。
(数1)
0.4 < tan(2θn-1/2π)/tanθn < 0.5
2θn-1/2π<θn+1<θn、n=1,2,3…
ただし1/4π<θn<1/2π
このように設定することによって、図3aに示すように、半径方向に対する内角がθnの直線Cの内面で反射したレーザー光は、その直線の基端、先端によって形成される面A、面Bの間の平坦面Dを必ず通過する。そのため、レーザー光を効率よく集光でき、一層強い衝撃波を発生させることができる。また、レーザー収束部の耐久性を考慮すると略円錐台の高さはファイバーの直径より低いことが好ましい。
この実施形態では、直線17c1の内角θAを臨界角付近に設定している。つまり、水の屈折率を1.329、光ファイバーの屈折率を1.435としたとき、臨界角の定義(臨界角θc=arcsin(n2/n1)、n1:光ファイバーの屈折率、n2:水の屈折率)より直線17c1を通過して水中に透過するレーザー光が理論上無くなる臨界角度は、67.84度である。さらに、レーザー収束部の耐久性を考慮すると略円錐台はファイバーの直径より低いことが好まく、その場合は76.8度以下となる。したがって,67.84度<θA<76.8度としている。
図2eのレーザー収束部17eは、基端18bの径Xに対して先端18aの径Yが半分となっている。軸線断面の台形の側辺が一つの直線17e1と、1つの湾曲線17e2より構成されている。
このように光ファイバー11は構成されているため、例えば図3bに示すように、図2aのレーザー収束部17aにレーザー光Rを照射するとレーザー光は光線追跡法に基づいて収束する。
液体14としては、水、食塩水等が挙げられる。
カテーテル15は、可撓性を有するものであり、ポリウレタン、ポリアミド、それらに類するエラストマー、シリコンゴムなどの合成樹脂製が用いられる。
[実施例1]
基端18bの径Xが0.6mmであり、先端18aの径Yが0.344mmであり、断面形状の側辺を構成する3つの直線(17a1、17a2、17a3)の角度(θA、θB、θC)が78.9度、73.4度、65.6度であり、高さ(A’、B’、C’)が0.175mm、0.186mm、0.072mmである図2aのレーザー収束部17aを作製した(実施例1)。
このレーザー収束部17aの表面を、光学レンズの作成方法に使用する道具で、粗い研磨剤(溶融アルミナ(24ミクロン、16ミクロン、10ミクロン)、酸化セリウム(1ミクロン))から順に磨いて鏡面とした。
基端18bの径Xが0.6mmであり、先端18aの径Yが0.106mmであり、断面形状の側辺を構成する3つの直線(17b1、17b2、17b3)の角度(θA、θB、θC)が70度、61度、55度であり、高さ(A’、B’、C’)が0.457mm、0.060mm、0.083mmである図2bのレーザー収束部17bを作製した(実施例2)。
基端18bの径Xが0.6mmであり、先端18aの径Yが0.148mmであり、断面形状の側辺を構成する2つの直線(17c1、17c2)の角度(θA、θB)が69度、60度であり、高さ(A’、B’)が0.213mm、0.242mmである図2cのレーザー収束部17cを作製した(実施例3)。
実施例1のレーザー収束部17aを備えた光ファイバー11と、短径4mmの半切楕円体形状の凹面(反射鏡)を備えた反射体12とを用意した。その反射体12の凹面22に
精製水(液体14)を満たし、その反射体の開口端を厚さ0.1mmのシリコンゴム製の遮断膜13で密封し、水中衝撃波発生装置10(実施例4)を製造した。光ファイバーのレーザー収束部17aは、その先端が反射体の第1の焦点(図1bのF1)と位置するように固定した。
へき開処理をした円筒状の先端を有する通常の光ファイバーを用意し、実施例1の反射体12、遮断膜13、液体14で水中衝撃波発生装置(比較例1)を製造した。光ファイバーの先端は、反射体の第1焦点に固定した。
基端の径が0.6mmであり、先端の径Yが 0.35mmであり、高さZが
0.43mmである回転円錐台のレーザー収束部を備えた光ファイバーを用意した。レーザー収束部の表面は、ナンバー4000の紙やすりで処理した(粗面)。実施例1の反射体12、遮断膜13、液体14で水中衝撃波発生装置(比較例2)を製造した。光ファイバーのレーザー収束部の先端が、反射体の第1焦点に配置されるように固定した。
基端の径が0.6mmであり、断面形状の側面が先端に向かってが湾曲しており、先端が曲面となっている全体として非球形状(弾丸形状)となっているレーザー収束部を備えた光ファイバーを用意した。レーザー収束部の表面は、ナンバー4000の紙やすりで処理した(粗面)。実施例1の反射体12、遮断膜13、液体14で水中衝撃波発生装置(比較例3)を製造した。光ファイバーのレーザー収束部の先端が、反射体の第1焦点に配置されるように固定した。
一方、比較例1を用いた場合、15MPa前後の衝撃波(収束波)しか確認できなかった。比較例2、3を用いた場合でも、35〜45MPa前後の衝撃波しか確認できなかった。
また、実施例4では、装置の先端からの距離が2mm以上において最大値が観測されたのに対し、比較例1〜3では、装置の先端からの距離が2mm前において最大値が観測された。
また、光ファイバーの耐久性は、比較例2は300秒の連続照射で損傷し、比較例3は5秒の連続照射でレーザー収束部が損傷した。実施例4では、レーザーエネルギーが45mJ/pulseのとき,5秒連続照射を80回繰り返しても損傷は認められなかった。
11 光ファイバー
12 反射体
13 遮断膜
14 液体
15 カテーテル
16本体部
17 レーザー収束部
17a〜17e レーザー収束部
17a1〜17a3、17b1〜17b3、17c1、17c2 側辺
18a 先端
18b 基端
22 凹面
23 中心孔
Claims (6)
- 水中にレーザー光を照射して水中衝撃波を発生させる水中衝撃波発生装置用の光ファイバーであって、
線状の本体部と、その先端に設けられたレーザー収束部とからなり、
前記レーザー収束部が、先に向かって径が小さくなり、軸中心に回転した回転体を呈しており、
前記レーザー収束部は、その先端が前記軸に対して垂直な平面部となった略円錐台を呈しており、
前記レーザー収束部の軸線断面の側辺の半径方向に対する内角が、先に向かって徐々に小さくなるように構成されている、
光ファイバー。 - 前記レーザー収束部の表面が鏡面になっている、
請求項1記載の光ファイバー。 - 前記レーザー収束部の軸線断面の側辺が複数の直線から構成される、
請求項1記載の光ファイバー。 - 前記レーザー収束部の軸線断面の側辺が曲線から構成される、
請求項1記載の光ファイバー。 - 前記レーザー収束部の軸線断面の側辺が直線および曲線から構成される、
請求項1記載の光ファイバー。 - 請求項1ないし5いずれか記載の光ファイバーと、先端に凹面が形成された柱状の反射体と、その凹面を閉じる遮断膜と、前記凹面と遮断膜との間に充填される液体とから構成されており、
前記反射体が、長軸を回転軸とした回転楕円面形状を有する前記凹面と、長軸上に形成され、前記凹面と連通する光ファイバーを通す中心孔とを有しており、
前記光ファイバーは、レーザー収束部の先端が前記反射体の凹面の焦点にくるように固定されている、
水中衝撃波発生装置。
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