JP2021132756A - 光ファイバプローブ - Google Patents

Abstract

【課題】発熱を抑制した光ファイバプローブを提供する。【解決手段】光ファイバプローブ１Ａは、コア１１およびクラッド１２を有する光ファイバ１０と、基端２０ａが光ファイバ１０の出射端１０ａに接続されたコアレスファイバ２０と、を備える。コアレスファイバ２０は、基材２１と基材２１内に分散された気泡２２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバプローブに関する。

例えば、前立腺肥大症治療法である前立腺レーザ蒸散術、早期肺がん等の治療法である光線力学治療、アレルギー性鼻炎治療法である下甲介粘膜レーザ治療、等では、医療用レーザ発振器に接続した光ファイバを利用して患部にレーザ光を照射することが行なわれている。
光ファイバから患部へのレーザ光照射は、照射範囲の増大、患部への確実なレーザ光照射等を目的に、光ファイバ先端からその光軸方向に沿った前方への照射よりも、光ファイバの先端部から側方への照射が有効とされている。そのため、光ファイバの先端に、内部に散乱媒体が収容された散乱チップアセンブリが接続された光線治療装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の光線治療装置では、散乱媒体内に散乱粒子が分散して配置され、光ファイバから散乱チップアセンブリに入射した光は、散乱粒子により散乱し、側方から出射される。

特表平１０−５０４９８９号公報

特許文献１の光線治療装置では、散乱媒体内の散乱粒子は、アルミナ、シリカ、チタン化合物等により形成されている。このため、散乱粒子は、光ファイバから散乱チップアセンブリに入射した光を吸収し、発熱してしまい、その結果、散乱チップアセンブリ全体が発熱し、周辺患部だけでなく正常組織の熱変質を引き起こすという問題が生じる。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、発熱を抑制することが可能な光ファイバプローブを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第一態様に係る光ファイバプローブは、コアおよびクラッドを有する光ファイバと、基端が前記光ファイバの出射端に接続されたコアレスファイバと、を備え、前記コアレスファイバは、基材と前記基材内に分散された気泡とを有する。

上記態様によれば、光ファイバからコアレスファイバに進入した光は、基材の屈折率と気泡の屈折率との相違によって屈折し、散乱されコアレスファイバの側方から出射される。このように、気泡を用いて光を散乱させても、気泡自体は光をほとんど吸収しない。したがって、例えばアルミナ等の散乱粒子を用いて光を散乱させる場合と比較して、散乱粒子による光の吸収が抑制される。これにより、コアレスファイバ内において散乱粒子が光を吸収することによる発熱を抑制した光ファイバプローブを提供することができる。

ここで、前記気泡の密度が、前記コアレスファイバの前記基端側から前記コアレスファイバの先端側に向かって増加してもよい。

また、前記コアレスファイバの外周面に凹凸が形成されていてもよい。

また、前記コアレスファイバの外周面には光を透過する被覆層が設けられ、前記被覆層の外周面に凹凸が形成されていてもよい。

また、前記コアレスファイバの先端に反射材が設けられていてもよい。

本発明の上記態様によれば、発熱を抑制することが可能な光ファイバプローブを提供することができる。

第１実施形態に係る光ファイバプローブを示す断面図である。 第１実施形態に係る光ファイバプローブの変形例１を示す断面図である。 第１実施形態に係る光ファイバプローブの変形例２を示す断面図である。 第２実施形態に係る光ファイバプローブを示す断面図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態に係る光ファイバプローブの構成を、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、光ファイバプローブ１Ａは、光ファイバ１０と、コアレスファイバ２０と、を備えている。コアレスファイバ２０は、光ファイバ１０の先端側に設けられており、コアレスファイバ２０の基端２０ａが、光ファイバ１０の出射端１０ａに接続されている。

（方向定義）
ここで本実施形態では、光ファイバプローブ１Ａの長手方向を単に長手方向といい、光ファイバプローブ１Ａの中心軸線を中心軸線Ｏという。また、中心軸線Ｏに直交する断面を横断面という。横断面視で、中心軸線Ｏに交差する方向を径方向という。

（光ファイバプローブ）
光ファイバ１０は、横断面視において中央部に設けられたコア１１と、コア１１の外周を覆うクラッド１２とを有している。クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率よりも低い。本実施形態では、光ファイバ１０の材質として、コア−クラッド構造の石英ガラスを用いる。

光ファイバ１０及びコアレスファイバ２０は、横断面視において、それぞれ円形状に形成され、径方向の寸法は同一である。光ファイバ１０とコアレスファイバ２０とは、同軸に接続されている。光ファイバ１０の出射端１０ａとコアレスファイバ２０の基端２０ａとは、融着により接続されている。これにより、コアレスファイバ２０の基端２０ａが光ファイバ１０の出射端１０ａと連続するように、コアレスファイバ２０は、光ファイバ１０に一体化されている。

コアレスファイバ２０の外径は、光ファイバ１０のコア１１の外径と同じ、または、光ファイバ１０のコア１１の外径よりも大きくてもよい。ただし、コアレスファイバ２０を光ファイバ１０に接続する際の作業性の観点から、コアレスファイバ２０の外径は光ファイバ１０（クラッド１２の外径）の外径の１．５倍以下であることが好ましい。
なお、コアレスファイバ２０の光ファイバ１０の出射端１０ａへの融着接続は、市販の融着接続機等を用いるなど公知の方法を利用することができる。

コアレスファイバ２０は、基材２１と基材２１内に分散された気泡２２とを有している。基材２１の屈折率と気泡２２の屈折率とは異なる。具体的には、気泡２２は空気であるため、気泡２２の屈折率ｎ２は、１．００であり、基材２１の屈折率をｎ１とすると、屈折率ｎ２は、屈折率ｎ１より小さい。このように、基材２１と気泡２２との屈折率が異なるため、基材２１を伝搬し、気泡２２に入射した光は屈折、散乱し、コアレスファイバ２０の側面２０ｃから出射される。
本実施形態では、コアレスファイバ２０の材質として、石英ガラスを用いる。また、コアレスファイバ２０の長さ（長手方向に沿う寸法）は、例えば、１０〜１００ｍｍ程度である。

（反射膜）
第１実施形態に係る光ファイバプローブは反射材としての反射膜３０をさらに有していてもよい。反射膜３０は、コアレスファイバ２０の先端２０ｂ全体に層状に形成された部材である。
光ファイバ１０は、コアレスファイバ２０が接続された出射端１０ａとは反対側の入射端から入射された光Ｌを出射端１０ａに向かって導光する。すなわち、光ファイバ１０は、入射端から導光された光Ｌを光ファイバ１０の出射端１０ａからコアレスファイバ２０内へ出射する。
コアレスファイバ２０は、光ファイバ１０から出射された光を基端２０ａから先端２０ｂに向かって伝搬させる。
反射膜３０は、光を反射する材料から構成される。すなわち、反射膜３０は、光ファイバ１０によって導光され、光ファイバ１０の出射端１０ａから出射され、コアレスファイバ２０内を伝搬し、先端２０ｂに到達した光を基端２０ａの方向に反射する。

反射膜３０は、光ファイバ１０及びコアレスファイバ２０を伝搬する光を反射可能なものであれば特に限定されない。
光ファイバ１０の入射端から入射させる光が、前立腺レーザ蒸散術、光線力学治療、下甲介粘膜レーザ治療等のために人体の患部へ照射するレーザ光である場合、反射膜３０は、その反射特性の安定維持等の点で金属膜や誘電体多層膜を採用することが好ましい。

反射膜３０は、例えば、コアレスファイバ２０の先端２０ｂに形成された無電解めっき層を好適に採用できる。また、反射膜３０は、コアレスファイバ２０の先端２０ｂに形成された金属蒸着膜等であってもよい。反射膜３０の材質は、例えばニッケル、錫、金、銀やこれらから選択される２以上を含む合金等を挙げることができる。

（被覆層）
コアレスファイバ２０の側面（外周面）２０ｃには、被覆層４０が設けられていてもよい。被覆層４０は、光透過性を有する樹脂被覆層である。被覆層４０は、コアレスファイバ２０の側面２０ｃ全面を覆っている。被覆層４０は、コアレスファイバ２０と同等かコアレスファイバ２０よりも高い屈折率を有する。被覆層４０は、コアレスファイバ２０内を伝搬する光を透過させて被覆層４０から出射することができる。
被覆層４０は、コアレスファイバ２０の側面２０ｃに塗布した硬化性の液状樹脂材料の硬化等によって形成できる。硬化性の液状樹脂材料は、例えば、熱硬化性樹脂、反応硬化型樹脂、紫外線硬化樹脂等を用いることができる。

光ファイバ１０の側面（外周面）１０ｂには、ファイバコート層４１が設けられていてもよい。ファイバコート層４１は、例えば、ポリイミドによって形成されていることが好ましい。ポリイミドは、耐熱性に優れているため、ファイバコート層４１をポリイミドによって作製することにより、光ファイバ１０に入射したレーザ光のエネルギによって光ファイバ１０が発熱しても、光ファイバ１０の側面１０ｂを覆った状態を安定に保つことができる。

次に、光ファイバプローブ１Ａの作用について説明する。
図１に示すように、光ファイバ１０の入射端から導光された光（伝送光）Ｌは、光ファイバ１０の出射端１０ａからコアレスファイバ２０内に出射され、コアレスファイバ２０内に入射した光Ｌは、基材２１を伝搬し、コアレスファイバ２０の先端２０ｂ側に向かう。

コアレスファイバ２０を伝搬する光Ｌのうち、多くの光Ｌ１は、基材２１と屈折率の異なる気泡２２に入射し、気泡２２から基材２１に出射される過程で屈折し、反射膜３０に到達せずに、コアレスファイバ２０の側面２０ｃからコアレスファイバ２０の外側へ出射される。
また、コアレスファイバ２０内に入射した光Ｌのうち、反射膜３０まで到達した光Ｌ２は、反射膜３０にて反射し、コアレスファイバ２０の基端２０ａ側に向かって伝搬する。光Ｌ２は、光Ｌ１と同じく気泡２２で屈折し、コアレスファイバ２０の側面２０ｃからコアレスファイバ２０の外側へ出射される。本実施形態では、気泡２２は、空気であるため、光が気泡２２で屈折しても、気泡２２において光はほとんど吸収されない。

このほか、コアレスファイバ２０内に入射した光Ｌのうち、気泡２２で屈折せずにそのままコアレスファイバ２０の側面２０ｃから外側へ出射される光Ｌ３も存在する。
コアレスファイバ２０の外側へ放出される光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、被覆層４０が形成されている場合、被覆層４０を透過して被覆層４０の外周面から外部へ出射される。
このようにして、光ファイバ１０の入射端から光を入射させることにより、コアレスファイバ２０の側面２０ｃから光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を出射させ、これらの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３をコアレスファイバ２０の周囲の照射対象物に照射する。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバプローブ１Ａは、光ファイバ１０と、基端２０ａが光ファイバ１０の出射端１０ａに接続されたコアレスファイバ２０と、を備えている。そして、コアレスファイバ２０は、基材２１と基材２１内に分散された気泡２２とを有する。

このような光ファイバプローブ１Ａによれば、光ファイバ１０からコアレスファイバ２０に進入した光は、基材２１から気泡２２に入射し、基材２１へ出射する過程で基材２１の屈折率と気泡２２の屈折率との相違によって屈折し、コアレスファイバ２０から側方に照射される。このように、気泡２２を用いて光を屈折させても、気泡２２自体は光をほとんど吸収しない。したがって、例えばアルミナ等の散乱粒子を用いて光を散乱させる場合と比較して、散乱粒子による光の吸収が抑制される。これにより、コアレスファイバ２０内において散乱粒子が光を吸収することによる発熱を抑制した光ファイバプローブ１Ａを提供することができる。

なお、光ファイバ１０の材質及びコアレスファイバ２０の材質は、石英ガラスに限定されず、適宜変更してもよい。
また、コアレスファイバ２０の先端２０ｂに反射膜３０を設けたが、コアレスファイバ２０内に入射した光Ｌの多くは、気泡２２で屈折されて、コアレスファイバ２０の側面２０ｃからコアレスファイバ２０の外側へ出射されるため、反射膜３０は設けられていなくてもよい。

（製造方法）
次に、光ファイバプローブ１Ａの製造方法の一例について説明する。
まず、気泡２２を有するコアレスファイバ２０を作製する。コアレスファイバ２０は光ファイバを製造するときに一般的に用いられるＶＡＤ法等を使用して製造することができる。具体的には、バーナの火炎中にガラス微粒子を生成させ、生成したガラス微粒子を石英等からなる出発基材に堆積させながら、出発基材を徐々に引き上げて円柱状のガラス微粒子堆積体を形成する。次いでガラス微粒子体を脱水、焼結しガラス母材を製造する。通常のＶＡＤ法ではＨｅ雰囲気下で焼結するが、気泡２２を生成させるため、本実施形態ではＨｅに窒素を混入させた雰囲気下で焼結を行う。気泡２２をどの程度の数にするかは、窒素を混入する割合によって調整することができる。
そして、上述したガラス母材を延伸し、所望の外径を有するコアレスファイバ２０を作製する。

次に、光ファイバ１０の出射端１０ａにコアレスファイバ２０を融着接続し、所定の長さに切断する。
次に、コアレスファイバの先端２０ｂに、反射膜３０を接着または融着または蒸着により作製する。そして、コアレスファイバ２０を被覆層４０で覆うことで、図１に示す光ファイバプローブ１Ａが製造される。

［変形例１］
図２に示すように、変形例１の光ファイバプローブ２Ａでは、被覆層４０の外周面全体に、微小な凹凸を有する粗面部４０ａが形成されている。粗面部４０ａは、被覆層４０に対してレーザ加工、プラズマ加工、サンドブラスト加工等を施すことによって形成できる。
粗面部４０ａは、コアレスファイバ２０から被覆層４０に入射した光を散乱させて、被覆層４０から外側へ出射される光の強度を均等化する。

このように、光ファイバプローブ２Ａでは、コアレスファイバ２０の側面２０ｃに光を透過する被覆層４０が設けられ、被覆層４０の外周面に凹凸が形成されている。この構成では、コアレスファイバ２０の側面２０ｃから射出された光Ｌ１，Ｌ２,Ｌ３の強度の長手方向におけるムラを抑えることができる。

［変形例２］
図３に示すように、変形例２の光ファイバプローブ３Ａでは、被覆層４０を備えておらず、コアレスファイバ２０の側面２０ｃ全体に微小な凹凸を有する粗面部２０ｄが形成されている。粗面部２０ｄは、コアレスファイバ２０の側面２０ｃに対してレーザ加工、プラズマ加工、サンドブラスト加工、フッ素エッチング等を施すことによって形成できる。
この場合も、変形例１と同様の作用効果が得られ、かつ、変形例１よりも構造を簡略化することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、第１実施形態と基本的な構成は同様である。このため、同様の構成には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
本実施形態の光ファイバプローブ４Ａでは、図４に示すように、コアレスファイバ６０の構成及びコアレスファイバ６０内の気泡２２の配置（分散の仕方）において、第１実施形態と異なる。

本実施形態では、コアレスファイバ６０は、第１領域６１と、第２領域６２と、第３領域６３と、を有している。
第１領域６１は、光ファイバ１０の出射端１０ａに配置され、第２領域６２は、第１領域６１の先端６１ａに配置され、第３領域６３は、第２領域６２の先端６２ａに配置されている。

コアレスファイバ６０内の気泡２２の密度は、コアレスファイバ６０の基端６０ａ側からコアレスファイバ６０の先端６０ｂ側に向かって段階的に増加する。具体的には、第１領域６１内の気泡２２の密度より第２領域６２内の気泡２２の密度の方が高く、第２領域６２内の気泡２２の密度より、第３領域６３内の気泡２２の密度の方が高い。すなわち、気泡２２の密度は、第１領域６１、第２領域６２、第３領域６３の順に段階的に増加する。なお、気泡２２の密度とは、コアレスファイバ６０の長手方向における単位長さあたりの気泡２２の数である。すなわち、第１領域６１、第２領域６２、第３領域６３の長手方向の長さが等しい場合、気泡２２の数が、第１領域６１、第２領域６２、第３領域６３の順に段階的に増加すると言い換えることもできる。
なお、気泡２２の数の大小は、分割した各領域（分割片）の一方の端部に光ファイバを光学的に接続し、他方の端部に対向するように光検知器を置き、光ファイバから分割片の一方の端部に光を入射させ、他方の端部から出射される光の強度、すなわち光検知器で検知される光の強度を測定することで判断することができる。気泡２２の数が多ければ、光は散乱され側面から出射されてしまうので、検知される光の強度は低く、気泡２２の数が少なければ光は散乱されず検知される光の強度は高くなる。

（製造方法）
次に、光ファイバプローブ４Ａの製造方法の一例について説明する。
まず、所定の気泡２２の密度を有する３種類のコアレスファイバを作製する。各コアレスファイバは、第１実施形態と同様の方法で作製され、互いの外径は等しい。上述したように気泡２２の密度は焼結時に混入する窒素の割合で調節することができる。

次に、光ファイバ１０の出射端１０ａに、３種類のファイバのうち最も気泡２２の密度が低いファイバを融着接続し、所定の長さに切断し、第１領域６１を作製する。
次いで、２番目に気泡２２の密度が高いファイバを第１領域６１の先端６１ａに融着接続し、所定の長さに切断し、第２領域６２を作製する。
次いで、最も気泡２２の密度が高いファイバを第２領域６２の先端６２ａに融着接続し、所定の長さに切断し、第３領域６３を作製する。
次に、第３領域６３となるファイバの先端６３ａに、反射膜３０を接着または融着または蒸着により作製する。そして、第１領域６１、第２領域６２、第３領域６３を被覆層４０で覆うことで、図４に示す光ファイバプローブ４Ａが製造される。

次に、光ファイバプローブ４Ａの作用について説明する。
図４に示すように、光ファイバ１０の入射端から導光された光（伝送光）Ｌは、コアレスファイバ６０の先端６０ｂに向かう。
第１領域６１において、光Ｌの一部（光Ｌａ）は気泡２２により屈折して側方に照射される。第２領域６２には、第１領域６１において側方に照射されなかった光Ｌ、すなわち残留した光が進入する。第２領域６２でも、光Ｌの一部（光Ｌｂ）は気泡２２により屈折して側方に照射される。第３領域６３でも同様に、残留した光Ｌの一部（光Ｌｃ）が側方に照射される。

ここで、コアレスファイバ６０の第１領域６１においては、光Ｌの強度が高いため、光Ｌは第１領域６１の気泡２２で屈折することが多くなり、第１領域６１の側面から光Ｌａとして出射されやすい。第２、第３領域６２、６３では、第１領域６１よりも光Ｌの強度が低くなり、気泡２２で屈折することが第１領域６１に比べて少なくなり、第２、第３領域６２、６３の側面から光Ｌｂ、Ｌｃとして出射されにくくなる。従って、光Ｌａの強度と、光Ｌｂ、Ｌｃの光強とを比較すると、光Ｌｂ、Ｌｃの強度は、光Ｌａの強度より低下する。これにより、コアレスファイバ６０の側面６０ｃから出射される光の強度が長手方向において不均一になる。
本実施形態では、コアレスファイバ６０の第１領域６１に比べて第２、第３領域６２、６３に分散される気泡２２の数が多くなるように構成されているため、第２、第３領域６２、６３で屈折される光の数が増加し、第２、第３領域６２、６３から光Ｌｂ、Ｌｃとして出射される光を増やすことができる。これにより、コアレスファイバ６０の側面６０ｃから出射される光の強度を長手方向においてより均一にすることができる。

以上説明したように、本実施形態の光ファイバプローブ４Ａでは、気泡２２の密度が、コアレスファイバ６０の基端６０ａ側から先端６０ｂ側に向かって増加する。これにより、コアレスファイバ６０内を伝搬する光Ｌが基端６０ａ側で屈折されにくく先端６０ｂに向かうに従って屈折されやすくなることで、コアレスファイバ６０の側面６０ｃから出射される光の強度の長手方向におけるバラつきを抑制することができる。
特に、コアレスファイバ６０の長手方向の長さが長い場合に、光ファイバプローブ４Ａを用いることが有効である。

なお、本実施形態では、コアレスファイバ６０内の気泡２２の密度が、コアレスファイバ６０の基端６０ａ側からコアレスファイバ６０の先端６０ｂ側に向かって段階的に増加したが、密度は連続的に増加してもよい。
また、コアレスファイバ６０は、気泡２２の密度が異なる３種類の領域６１，６２，６３を有する構成としたが、気泡２２の密度が異なる２種類、あるいは、４種類以上の領域を有する構成であってもよい。
また、第２実施形態において、第１実施形態の変形例１に示すように、被覆層４０に粗面部４０ａが形成されていてもよい。また、変形例２に示すように、被覆層４０を設けず、コアレスファイバ６０の側面６０ｃに凹凸が形成されていてもよい。

Ａ１，Ａ２…外周部 Ｂ１，Ｂ２…中央部 １Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａ，５Ａ…光ファイバプローブ ｎ１…基材の屈折率 ｎ２…気泡の屈折率 １０…光ファイバ ２０，６０…コアレスファイバ ２０ａ，６０ａ…基端 ２０ｂ，６０ｂ…先端 ２０ｃ…側面（外周面） ２１…基材 ２２…気泡 ３０…反射膜（反射材） ４０…被覆層

Claims (5)

1. コアおよびクラッドを有する光ファイバと、
   基端が前記光ファイバの出射端に接続されたコアレスファイバと、を備え、
   前記コアレスファイバは、基材と前記基材内に分散された気泡とを有する、光ファイバプローブ。
2. 前記気泡の密度が、前記コアレスファイバの前記基端側から前記コアレスファイバの先端側に向かって増加する、請求項１記載の光ファイバプローブ。
3. 前記コアレスファイバの外周面に凹凸が形成されている、請求項１または２に記載の光ファイバプローブ。
4. 前記コアレスファイバの外周面には光を透過する被覆層が設けられ、
   前記被覆層の外周面に凹凸が形成されている、請求項１または２に記載の光ファイバプローブ。
5. 前記コアレスファイバの先端に反射材が設けられている、請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバプローブ。

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