JP6068448B2 - 光導波路用結合装置 - Google Patents

Description

本発明は、光導波路を関連する光導波路接続部に接続する結合装置に関する。

結合装置は、さらなる使用のために、レーザ光源によって生成された光を光導波路に連結する。光導波路は、例えば、治療目的又は診断目的のために、レーザ光を人間の体又は動物の体に導入するためのカテーテルの一部又は医療品の一部である。別の手段として、光導波路は、通信技術と情報技術（ＩＴ）の分野で、物質処理又は情報伝送のために使用可能である。特に、医療技術のカテーテルとして使用される場合は、光導波路の過熱の危険性がかなりある。不良品又は汚れた光導波路を使用した場合、レーザ光は光導波路ファイバを囲むクラッド及び／又はコアの切断点で吸収される。その結果、ファイバは加熱される。この加熱は、ファイバの材料が溶ける原因又はさらに蒸発する原因となりうる。具体的に、ファイバの破損が原因でレーザ光の吸収が増加すると、例えば液体に包まれた心臓カテーテルの場合、１０００℃までの温度を持った血漿の形成をもたらす可能性がある。特に、心臓カテーテルを使用している患者は、過熱が起こった場合、形成された血漿により死亡する危険性が５０％ある。光導波路の過熱は、導光ファイバの破損によって引き起こされる典型的な結果である。

本発明は、光導波路の過熱を所定時間内に検出することを目的とする。

本発明の結合装置は、請求項１の特徴により定義される。
本発明の請求項１に記載の結合装置は、レーザ光源と光導波路接続部との間のビーム経路に配置された屈折又は回折のフィルタを有する。フィルタは、第１波長領域又は第１偏光方向の光を反射し、第２波長領域又は第２偏光方向の光を透過する。光の反射又は透過は、波長又は偏光に依存する光学フィルタで達成される。よって、結合装置では、光導波路が過熱状態になるときに発生する熱輻射又は血漿により生成される可視光線の波長領域の白色光は、レーザ光のビーム経路と異なるビーム経路に沿ったフィルタにより導かれる。従って、本発明の基本的な思想は、波長依存及び／又は偏光依存により、レーザ光のビーム経路と熱輻射／白色光（以下、信号散乱と呼ぶ）のビーム経路とを分離して、光導波路が単独で過熱したときに生成される信号散乱を検出して、それを光導波路の過熱の兆候と認識することができるようにすることである。

ここで、光学フィルタを誘電体ミラーとして設計し、レーザ光を９０°の角度で光導波路接続部上に反射することは一般に考えられる。一方、例えば、過熱中に生成され且つ光導波路により光学フィルタ上に反射された信号散乱は、光学フィルタを透過して、光学フィルタの反対の光導波路接続部側で検出される。別の方法では、光学フィルタは、レーザ光がレーザ光源から光学フィルタを通って反対側の光導波路接続部に伝達されるように設計されうる。一方、光導波路接続部から反射された信号散乱は、ミラーにより、例えば、９０°の角度で反射される。結合装置において、光導波路に結合された光のビーム経路を
、光導波路の過熱により反射される信号散乱のビーム経路と分離するために、光学フィルタが波長依存又は偏光依存の反射及び透過を行うことは決定的である。その結果、反射された信号散乱を光導波路の過熱の兆候として、別に検出することができる。

別の方法として、光学フィルタは、波長、偏光、及び入射角に従って、光導波路から異なる方向に反射された信号散乱を回折又は屈折する、回折反射又は透過格子又は分散プリズムとして、設計されてもよい。これにより、信号散乱は、複数の検出器の空間的な分離により、スペクトル的に分解されうる。好ましくは、第１光計測手段が、光導波路接続部から光学フィルタを通って第１光計測手段に至るビーム経路に配置される。これにより、第１光計測手段は、過熱時に生成され反射された信号散乱を測定することができる。好ましくは、第１光計測手段は、光学フィルタに対して光導波路接続部の反対側に配置される。光学フィルタは、反射された信号散乱を透過し、レーザ光源からのレーザ光を光導波路接続部へ反射する。

別の方法として又はさらに、第２光計測手段が、レーザ光源と光学フィルタとの間の光導波路の過熱又はケーブル破損を検出可能にするために、レーザ光源から光学フィルタを通って第２光計測手段に至るビーム経路に配置されてもよい。ここで、第１光計測手段及び／又は第２光計測手段はそれぞれ、例えば、ファイバ過熱が発生したときに信号散乱のみを測定する（測定結果を危うくするレーザ光のノイズ部分を検出しない）ために、第１波長領域又は第２波長領域のいずれかの光の出力を測定するように設計される。

好ましくは、第１光計測手段及び／又は第２光計測手段は、フォトダイオードと光学フィルタとの間のビーム経路にフォトダイオードと光学フィルタを含み、光学フィルタは一方の波長領域にある光だけを透過し、その他の波長領域にある光を遮断する。別の方法として、第１光計測手段及び／又は第２光計測手段は、一列に並んで配置された複数の光学センサを備えた検出セルであってもよい。

好ましくは、光学フィルタにより反射される第１波長領域は、可視光領域の外側の少なくとも１つのレーザ光源の波長領域を含む。これにより、レーザ光のみが光学フィルタにより反射され、可視の信号散乱は反射されない。第１波長領域は、８００ｎｍより大きい赤外領域内であってもよい。一方、第２波長領域は、可視光線の波長領域、特に８００ｎｍ未満の波長領域である。よって、光学フィルタは、ファイバ破損によって過熱が生じたときに生成される白色光状の信号散乱のみを透過する。一方、レーザ光源からのレーザ光は透過しない。透過された信号散乱は、光計測手段のうちの１つにより検出される。光計測手段のうちの１つにより信号散乱が検出されると、非常停止機能が作動可能となり、光導波路が過熱してから数ミリ秒の期間内でレーザ光源の動作を停止させる。これにより、患者の健康上の危険を回避する。

光学フィルタは、第１波長領域の光出力（すなわち、レーザ光）の一部を反射し、第１波長領域の光出力の一部を透過することが可能である。例えば、反射されたレーザ光は、レーザ光源から光導波路接続部に向かう。一方、その他のレーザ光は、レーザ光源と光学フィルタとの間の供給ビーム経路に対する損傷を測定された光出力からすぐに検出するために、２つの光計測手段のうちの一つに向かって透過される。

好ましくは、結合装置は、光導波路接続部以外に、外部レーザ光源のレーザ光を結合装置に供給するために、第２光導波路を接続可能な導波路入力部をさらに有する。

レーザ光又は信号散乱を束ねるための結束光学素子が、第２光導波路と光学フィルタとの間、光学フィルタと第１光導波路との間、光学フィルタと第１光計測手段との間、及び／又は、光学フィルタと第２光計測手段との間に設けられてもよい。

以下、本発明の実施形態の詳細について説明する。

従来設計のレーザ装置１０では、レーザ光を生成するレーザダイオードであるレーザ光源１１を含んでいる。レーザ光は約９８０ｎｍの有効波長を有しており、それは、可視光線である３８０−７８０ｎｍの波長領域の外側にある。生成されたレーザ光は第２光導波路１２に結合され、導波路入口１４を介して本発明の結合装置１６に結合される。結合されたレーザ光は、結束光学素子１８を通って光学フィルタ２０に向けられる。光学フィルタ２０は、導波路入口１４から光学フィルタ２０へのビーム経路に、レーザ光の伝搬路に対して約４５°の傾きで配置される。

光学フィルタ２０は、８５０ｎｍより大きい第１波長領域２２の光を反射し、８５０ｎｍより小さい第２波長領域２４の光を透過させる。よって、波長が９８０ｎｍである結合されたレーザ光は、光学フィルタ２０により、光導波路接続部２６の方向へ９０°反射されて、光導波路接続部２６を介して第１光導波路２８に結合される。光導波路２８は、心臓病学において適用されるレーザ心臓カテーテルであって、約４０Ｗの典型的な出力を持ったレーザ光を心筋の病変部位に導き、心筋又は心律動の心不全又は障害を治療する。導波路の破損又は導波路の複数のファイバの破損が生じた場合、エネルギーは破損部位で熱に変換される。患者の血液が充満した心臓の中で又は血管系の中で使用する場合、結果として生じる１０００℃まで、あるいは１０００℃を超える温度により血漿が生じ、血漿は信号を白色光のかたちで散乱させる。レーザ光と信号散乱（白色光）の違いは、基本的に専ら波長に依存し、又は該当する場合には偏光に依存し、出力とは無関係である。そのため、レーザ光に対して著しく低い出力を持って、光導波路２８を通って光導波路接続部２６に戻ってくる信号散乱を検出することも可能である。

光導波路接続部２６によって反射された白色光は、光導波路接続部２６と光学フィルタ２０との間の結束光学素子３０を通って光学フィルタ２０に導かれ、光学フィルタ２０で導波路入口１４に反射されることなく、第１計測手段３２へ向けて透過される。白色光の最大７８０ｎｍの波長は、ミラー２０によって反射されずに透過される８５０ｎｍ未満の第２波長領域２４内にあるため、白色光は透過されて反射はされない。第１計測手段３２は、光学フィルタ２０に対して光導波路接続部２６とは反対側に配置されており、その結果、ビーム経路は、光導波路接続部２６から光学フィルタ２０を通り第１計測手段３２のフォトダイオードに向かう直線コースをたどる。

第１計測手段３２は、光学フィルタ２０と第１計測手段３２のフォトダイオードとの間に光学フィルタをさらに備えている。光学フィルタは可視光線領域に通過帯域を持ったバンドパスフィルタであり、９００ｎｍより大きい波長を持ったレーザ光が来た場合に、それがフォトダイオードに達しないようにする。

第２光計測手段３４は光学フィルタ２０に対して光導波路入口１４とは反対側に配置されていて、光導波路入口１４からの光は、光学フィルタ２０を通過して第２計測手段３４のフォトダイオードに届く。よって、結合される第２光導波路１２内の破損に起因する白色光が光導波路入口１４に到達すると、その白色光は、光学フィルタ２０を透過し、第２計測手段３４のフォトダイオードで測定することができる。さらに、光学フィルタ２０は、第１波長領域２２のレーザ光の約９９．９９％を反射し、その出力の約０．０１％を透過するように設計されている。よって、第２光導波路１２が損傷を受けていない通常の動作では、第２計測手段３４は、レーザ出力の０．０１％を検出する。非常に小さなレーザ光が結合装置１０に達するが故に（それは例えば、導波路の破損又は亀裂、あるいはレーザ光源１１の故障により、又はレーザ光源１１の故障によって結合されるレーザ光の出力が患者に危険を及ぼす程度に過剰となる場合）レーザ光の出力が０．０１％から著しく異なる場合には、測定信号は、レーザ光源を停止させるための非常停止機能を作動させることができる。

レーザ光源１１によって生成されたレーザ光は、９８０ｎｍのレーザの有効波長の範囲に、値１として標準化された最大値を持つ。光学フィルタ２０の透過曲線によれば、９８０ｎｍの有効波長を持つレーザ光は透過することなく反射される。第２波長領域２４内で、６７０〜７５０ｎｍの範囲に、別の極大がある。この波長成分は、光導波路２８の損傷によって生じる可視光線（白色光）領域での信号散乱に起因している。この信号散乱の波長成分は、光学フィルタ２０によりほぼ完全に透過され、反射されない。

第１実施形態において、レーザ光の大部分が光導波路入口１４から光導波路接続部２６に反射され、レーザ光の小部分が第２計測手段３４の方へ透過される。光学フィルタ２０は、光導波路２８内で反射された信号散乱を光導波路接続部２６から第１計測手段３２に完全に透過する。

第２実施形態は、光導波路入口１４と光導波路接続部２６が直線経路に沿って光学フィルタ２０の両側に配置されている点で、第１実施形態と異なる。第１波長領域２２（レーザ光）の光の大部分が光学フィルタ２０を通って光導波路接続部２６の方へ透過され、第１波長領域２２の光出力の小部分が光学フィルタ２０により第２計測手段３４の方へ反射される。光導波路２８内で反射された信号散乱は、光導波路接続部２６から第１計測手段３２の方へ光学フィルタ２０により完全に反射される。

第３実施形態は、第１波長領域２２の光出力が、その一部も透過されることなく、光学フィルタ２０により光導波路入口１４から光導波路接続部２６へ完全に反射される点で、第１実施形態と異なる。第１計測手段３２は提供されない。

第４実施形態は、第１波長領域２２の光出力（レーザ光）が、その一部が反射されることなく、光導波路入口１４から光学フィルタ２０を通って光導波路接続部２６の方へ完全に透過される点で、第２実施形態と異なる。第２光計測手段３４は提供されない。

信号の光２２は、回折により別々の部分的な光線２４ａ、２４ｂ、２４ｃにスペクトル的に分解されて、光計測手段３２ａ、３２ｂ、３２ｃに分配される。

Claims (9)

1. 光導波路の加熱を検出するように構成された結合装置（１６）であって、
   当該結合装置（１６）は、第１光導波路（２８）用の光導波路接続部（２６）を有し、 当該結合装置（１６）は、レーザ光源（１１）と光導波路接続部（２６）の間のビーム経路に配置された光学フィルタ（２０）を有しており、当該光学フィルタ（２０）は、前記第１波長領域（２２）の光出力の一部を反射し、前記第１波長領域（２２）の光出力の一部を透過し、かつ第２波長領域（２４）の光を透過し、
   レーザ光源（１１）により生成されたレーザ光のビーム経路及び光導波路接続部（２６）に接続された第１光導波路（２８）の加熱により生成された信号散乱が、その波長に応じて分離され、これにより、信号散乱を光導波路の加熱の兆候として、別に検出する、ことを特徴とする結合装置（１６）。
2. 第１光計測手段（３２）が、前記光導波路接続部（２６）から前記光学フィルタ（２０）を通って前記第１光計測手段（３２）に至るビーム経路に配置されていることを特徴とする、請求項１記載の結合装置（１６）。
3. 第２光計測手段（３４）が、前記レーザ光源（１１）から前記光学フィルタ（２０）を通って前記第２光計測手段（３４）に至るビーム経路に配置されていることを特徴とする、請求項１または２記載の結合装置（１６）。
4. 前記第１光計測手段（３２）又は前記第２光計測手段（３４）は、それぞれ、前記第１波長領域（２２）または前記第２波長領域（２４）のいずれかの光の出力を測定するように設計されていることを特徴とする、請求項２または３記載の結合装置（１６）。
5. 前記第１光計測手段（３２）又は前記第２光計測手段（３４）は、それぞれ、フォトダイオードと光学フィルタ（２０）の間のビーム経路に更なる光学フィルタを含み、
   前記光学フィルタ（２０）は、一方の波長領域にある光だけを透過させることを特徴とする、請求項４記載の結合装置（１６）。
6. 前記第１波長領域（２２）は、可視光領域の外側の少なくとも１つのレーザ光源の波長領域、好ましくは８００ｎｍより大きい赤外波長領域を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の結合装置（１６）。
7. 前記第２波長領域（２４）は、可視光線の波長領域、特に、８００ｎｍより小さい波長領域であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の結合装置（１６）。
8. 前記レーザ光源（１１）は第２光導波路（１２）に結合され、
   光結束光学素子（１８、３０）が、前記光学フィルタ（２０）と前記第１光導波路（２８）との間、前記光学フィルタ（２０）と前記第２光導波路（１２）との間、前記光学フィルタ（２０）と前記第１光計測手段（３２）との間、又は、前記光学フィルタ（２０）と前記第２光計測手段（３４）との間に設けられていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の結合装置（１６）。
9. 前記レーザ光源（１１）に結合された第２光導波路（１２）用の光導波路入口（１４）を有していて、
   前記光学フィルタ（２０）は、前記光導波路入口（１４）と前記光導波路接続部（２６）との間のビーム経路に配置されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の結合装置（１６）。