(57)【要約】【課題】眼科用照明システムの使用寿命を増大させる方法及びシステムを提供すること。【解決手段】眼科用照明器が開示される。一つの実施形態は：アークを発生する照明源；照明源アークによって生じた光を集光するレンズ；及び集光された光を眼などの外科処置部位へ運ぶ光ファイバー；を含む。照明源は照明源アークが時間と共にシフトするのを補正するために光ファイバーの長手方向軸からオフセットされた位置にある。オフセットされた位置は、照明源が光ファイバーの長手方向軸から垂直方向にオフセットされた位置にあるようなものであってよい。長手方向軸は光ファイバーの光路軸に対応する。眼科用照明器はさらに照明源アークによって生じた光を反射する反射体を含むことができ、反射体は照明源陰極の侵食速度を小さくするために照明源からオフセットされた位置にある。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
眼科用照明器であって、
アークを発生する照明源と、
該照明源アークによって生じた光を集光するレンズと、
集光された光を外科処置部位へ運ぶ光ファイバーと、
を有し、前記照明源アークが時間と共にシフトするのを補正するように、該照明源が前記光ファイバーの長手方向軸からオフセットされた位置にあることを特徴とする眼科用照明器。
【請求項２】
前記照明源アークによって生じた光を反射する反射体を更に有し、
該反射体は前記照明源陰極の侵食速度を小さくするように前記照明源からオフセットされた位置にあることを特徴とする請求項１に記載の眼科用照明器。
【請求項３】
前記照明器が高輝度照明器であることを特徴とする請求項１に記載の眼科用照明器。
【請求項４】
前記照明源がキセノン・ランプであることを特徴とする請求項１に記載の眼科用照明器。
【請求項５】
前記集光レンズから出る光を前記光ファイバーと一直線にするコネクタと、
前記光ファイバーを運び、片手で操作できるハンドピースと、
前記光ファイバーを前記外科処置部位に運ぶプローブと、を
有する、請求項１に記載の眼科用照明器。
【請求項６】
前記コネクタに取り付けたり取り外したりできるポートを更に有し、
該ポートは前記集光レンズから出る光を前記光ファイバーと一直線にすることを特徴とする請求項５に記載の眼科用照明器。
【請求項７】
前記照明源のオフセットされた位置は、前記照明源が前記光ファイバーの長手方向軸から垂直方向にオフセットされたような位置であり、前記長手方向軸が前記光ファイバーの光路軸に対応することを特徴とする請求項１に記載の眼科用照明器。
【請求項８】
前記レンズが集光レンズであることを特徴とする請求項１に記載の眼科用照明器。
【請求項９】
前記外科処置部位が眼であることを特徴とする請求項１に記載の眼科用照明器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に照明システムの分野に関する。詳しくは、本発明は、眼科用照明システムに関し、さらに詳しくは眼科用照明システムの使用寿命を増大させる方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの眼科外科処置では、患者の眼の一部分を照明して外科医が外科処置部位を観察できるようにする必要がある。いろいろな異なるタイプの照明器具が知られており、眼科外科医が眼の内部を照明するために利用できる。例えば、典型的な眼科用照明器の手で持つ（プローブ）部分は、突出するチップ（tip）を有するハンドルとある長さの光ファイバーを含み、光ファイバーはハンドルの基端から入ってハンドルとチップをチップの先端まで通り、そこから光ファイバーを通ってきた光が出てゆくことができる。光ファイバーの基端は、高輝度照明器などの光源に光学的に結合され、ファイバーを伝わる光を受け取る。このタイプの手持ち照明器は、普通、プローブのチップを眼の小さな切開を通して挿入することによって使用される。このようにして、照明器光源からの光が光ファイバーに沿って運ばれ、ハンドピースを通ってプローブの先端から放出されて外科医のために外科処置部位を照明する。ある長さの光ファイバーを用いて光源から外科処置部位まで光を運び導く眼科用照明システムは当業者に公知である。
【０００３】
このような眼科用照明システムは、普通、プローブを含む手持ち部分を有し、筐体に入れられた光源からの光を送達する。筐体は、典型的には、光源、光源からプローブの光ファイバーまで光をガイドする関連光学系、電源、信号処理を含むエレクトロニクス、及び関連コネクタ、及び当業者に公知のその他のインターフェースを含む。好ましい光源はキセノン・ランプであるが、眼科用照明システムによっては他のタイプのランプを光源として用いるものもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
眼科用照明システムのキセノン・ランプは、普通、アークが比較的小さい（例えば、使用時間ゼロ時間のOsram 75Wキセノン電球の場合、幅が約0.18 mmである）。照明システム内部の光学系を用いてアークの像をプローブの光ファイバーに集光するので、キセノン電球を精密に整列させて、最適な量の光が光ファイバーに結合され、ファイバーから最適な光束が出てゆくようにしなければならない。光ファイバーのコア直径は、アークの像がファイバーのコア面積にフィットするように十分な大きさに選ばれる。しかし、キセノン電球が老化してくると、電球の陰極が劣化し、電球の陽極から離れる。陰極が劣化すると、アークのサイズが大きくなり、ピーク高度が減少しアークの中心が陽極から離れてゆく。
【０００５】
キセノン電球は、アーク像が光ファイバーのコア入射面に落ちるように位置決めされる。従来の照明システムでは、キセノン電球は、使用時間ゼロで（すなわち、キセノン電球の寿命の最初に）ファイバーからの最大出力（throughput）が得られるように位置決めされる。しかし、典型的な照明システムでは、アークは（陰極の劣化のために）最初の200時間の使用の間に約250ミクロンよりも大きく動くことがある。したがって、時刻ゼロでファイバー出力が最大になるようにキセノン電球を配置させても、アークの動き（その結果、アーク像の大きな部分がファイバーのコア面積の外へはみ出す）とアークのピーク光度の減少が組み合わされて、ファイバーからの出力は顕著に低下し、外科処置部位での照明が顕著に低下することになる。
【０００６】
従来の眼科用照明システムにおいてこの問題を解決する一つの方法は、光ファイバー・コアの基端の直径を大きくすることである。しかし、光ファイバーの直径を大きくすることにはいくつか欠点がある。一つは、ファイバー直径の増大が光ファイバーのこわさ（stiff）を増大させ、動作環境でそれを容易に操作できなくなることである。さらに、大きな直径のファイバーは、光ファイバーの単位長さあたりに用いられるファイバー材料が多くなり、光ファイバーがより高価になる。さらに、大きな直径のファイバーは、プローブの必要条件によって許容できないほど大きくなることがある。例えば、20ゲージの眼科用照明プローブ（カニューレ外径は、0.355インチ）は、ファイバーとクラッディングの最大直径で0.0295インチしか収容できない。さらに、小さく集光されたアーク像が大きな直径のファイバーによって形成される大きな直径のビームに広がることを許すために光源からの光の散逸が生ずる。この光の集中がいったん失われると、それを再び捕らえることはできない。光ファイバーが基端から下流の小さな直径にテーパーする場合、光がテーパーのついたファイバーを効率的に透過できるかどうかは、ファイバーのテーパーが始まる前の光の集中に依存する。アーク像が空間的に広がって光の集中が失われることを許すと、テーパーがついたファイバー部分を光が透過する効率が低くなる。
【０００７】
したがって、上で述べたような従来の眼科用照明システムの問題を解消して眼科用照明システムの使用寿命を増大させる方法及びシステムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された眼科用照明器を提供する。
【０００９】
眼科用照明システムの使用寿命を増大させる本発明の方法及びシステムの実施形態はこれらのニーズ及びその他のニーズを満たす。本発明のある実施形態は、眼科用照明器であって：アークを発生する照明源；該照明源アークによって生じた光を集光する集光レンズなどのレンズ；及び該集光された光を眼などの外科処置部位へ運ぶ光ファイバー；を含む。該照明源アークが時間と共にシフトするのを補正するために、該照明源が該光ファイバーの長手方向軸からオフセットされた位置にある。オフセットされた位置は、照明源が光ファイバーの長手方向軸から垂直方向にオフセットされるような位置である。この長手方向軸は光ファイバーの光路軸に対応する。眼科用照明器は、さらに、照明源アークによって生じた光を反射する反射体；を含み、反射体は照明源陰極の侵食速度を小さくするために照明源からオフセットされた位置にある。
【００１０】
眼科用照明器は、高輝度照明器であってもよく、照明源はキセノン・ランプであってもよい。眼科用照明器は、また、集光レンズから出る光を光ファイバーと整列させるためのコネクタ；光ファイバーを担持する片手で操作できるハンドピース；及び光ファイバーを外科処置部位に運ぶプローブ；を含むことができる。コネクタは集光レンズから出る光を光ファイバーと整列させるためのポートに取り付け（取り外す）ことができる。
【００１１】
本発明の他の実施形態は、本発明の教示に従ってキセノン・ランプ・アークを軸からオフセットすることによって眼科用照明器の使用寿命を増大させる方法を含む。
【００１２】
本発明の実施形態は、眼科その他の外科治療で用いられる外科機械又はシステム内で実施できる。特に、本発明の眼科用照明システムの使用寿命を増大させる方法及びシステムは、キセノン光源の光ビームを小さな直径の光ファイバーに効率的に結合することが望ましい任意の眼科用照明システムに実施、又は組み込むことができる。本発明の方法及びシステムのその他の応用は当業者には明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の好ましい実施形態が図面に示されている。同じような参照番号によっていろいろな図面の同様の及び対応するパーツを表す。
【００１４】
本発明の眼科用照明システムの使用寿命を増大させる方法及びシステムのいろいろな実施形態は、予め定められた使用時間（例えば、200時間）の後で照明システムに望まれる出力条件を満たす最適な出力を有する強化光ファイバー照明器を提供する。ある実施形態では、初期使用時間（例えば、200時間まで）の間の出力は、望ましい初期使用時間の終わりで（例えば、200時間で）の出力と少なくとも同程度に高い。本発明の実施形態はさらに初期使用時間の間比較的一定なファイバー出力を与えることができる。キセノン・ランプのアークを最初にランプ陽極の方向にずらしておくことによって、初期使用時間の間の最適出力が達成されると共に、初期使用時間の後の照明器の寿命の間、同等又はそれよりも高い出力が達成される。
【００１５】
本発明の実施形態は、光ファイバー照明システムであって、キセノン・アーク電球が光ファイバーの光路軸に対応する軸から（例えば、当業者に公知の従来のシステムの初期位置から）オフセットされた位置にあって（例えば、垂直方向にオフセットされた位置にあって）キセノン光源の寿命の最初にアークを軸外にずらしたキセノン光源を含むシステムを含む。キセノン光源は、眼科用照明器などの照明器として高強度の光を得るために必要な特性を有する当業者に公知のどんなキセノン・ランプであってもよい。例えば、キセノン光源は、Osram 75Wキセノン電球であってもよい。
【００１６】
最初に使用時間ゼロでキセノン・ランプを軸から外れた位置（初期位置）に配置することによって、ランプが老化して陰極が劣化するためにキセノン・ランプのアークの位置が陽極から離れてゆくと、アークはだんだん軸に近づき、光ファイバーとの結合効率は高くなる。この効果が、使用時間が増すにつれてアークのピーク光度が減少する効果をうち消すように働いて、光ファイバー（例えば、手持ち照明器プローブ・ファイバー）を通って出てゆく全体的な光出力はランプが老化してもほぼ一定にとどまるようになる。キセノン・ランプの最初の位置は、出力する光ファイバーを通って最大の光束が得られるようにキセノン電球を最初に位置決めして決定される。次に、電球（又は電球／ミラー・アセンブリ）を所定の量だけ垂直方向に整列からずらして、その位置でセットする。電球の所望の初期位置は以下で説明するように決定される。
【００１７】
図１は、本発明の高輝度眼科用照明器システムのある実施形態を示す概略図である。照明器システム１０は、電源１２と照明源１４，コールドミラー１６，ホットミラー１８，ビームスプリッター２０，ミラー２１，光ファイバー・ポート２４及び減衰器２２を含む。照明器システム１０は、また、照明源１４から光を受けて外科処置部位に伝達するための一つ以上の光ファイバー・プローブ２６を含む。光ファイバー・プローブ２６は、筐体１１の内部で照明源１４と光学的に結合した、光ファイバー３４を含む照明器システム１０の手持ち部分を含む。高輝度照明器システム１０は単に一例であって、本発明の範囲をいかなる意味でも制限するものではない。本発明の実施形態は、任意のこのような眼科用照明器、医療用レーザー、又は照明源の使用寿命を延ばすことが望ましいその他の任意のシステム又は機械を強化するために利用できる。
【００１８】
照明器システム１０の光源１４は、この例ではキセノン・ランプを備えているが、陰極が年と共に劣化しアークの位置と強度に影響を及ぼす当業者に公知のどんな適当な光源であってもよい。キセノン・ランプ１４は光ビーム２８を放出し、それは、コールドミラー１６，ホットミラー１８，ビームスプリッター２０，ミラー２１，減衰器２２，及び光ファイバー・ポート２４を含む光路に沿って導かれる。この例では、ビームスプリッター２０は光ビーム２８を二つの光路に分割し、望むなら二つの光学プローブ２６を可能にする。コールドミラー１６とホットミラー１８は、組み合わされて光ビーム２８の赤外及びUV成分（熱）を除き、下流の光学コンポーネントに冷却可視光ビーム２８を供給する。これは当業者には周知である。減衰器２２は光ビーム２８を減衰させる。減衰器２２は各々がそれぞれの光路に合わせて設計され、同一である必要はないが、同一であってもよい。さらに、各減衰器２２は、例えばPCB３０によって、独立にコントロールできる。
【００１９】
高輝度照明器システム１０は二つの光ファイバー・ポート２４を（非球面レンズ又はその他の集光エレメントと共に）含むように示されているが、照明器システム１０内で単一の光ポート２４又は多数の光ポート２４を実施できることは当業者には明らかであろう。照明器システム１０は、さらに、印刷回路基板（“PCB”）３０，又は等価なエレクトロニクスを信号処理及び制御機能として備えている。PCB３０はここで説明される当業者には明らかな所望の処理及び制御機能を実行できる任意の仕方及び形態で実施される。光ポート２４は、光プローブ２６に対応する光ファイバー３４の基端を受け入れるレセプタクルを含み、それが高輝度照明器１１に挿入され、照明源１４に接続されて光を所望の部位へ導く。
【００２０】
図２は、図１の照明器システム１０の一部をさらに詳しく示す概略図である。照明源１４のアーク領域（例えばキセノン・アーク・ランプ）から放出される光は集光レンズ１３によって集光され、コールドミラー１６，ホットミラー１８，及び減衰器２２によってフィルターされる。光は、次に集光レンズ２３（これは光ファイバー・ポート２４の一部であってもよい）によって光ファイバー３４に集光される。照明源１４から光ファイバー３４への光の結合は、アーク領域が非常に小さく、照明器システムの光学系の倍率が十分小さく光ファイバー３４上のアーク像の面積が光ファイバー３４のコア面積にフィットし、照明源１４の電球が配置されアーク像のサイズが小さく保たれ、アーク像は光ファイバーのコア面積内にフィットするようになっていれば効率的である。
【００２１】
図３は、Osram 75Wキセノン電球を備えた照明源１４からの光をファイバーに光学的に結合する一例を示す。図３に示されているように、光源１４のアークは、この例では涙滴の形で長軸が垂直であり、幅が約0.18 mmである。光ファイバー３４は、この例では1.14 mmの直径の基端を有し、照明器システム１０の光学コンポーネントは倍率が約1.41である。この例では、アーク像５２は光ファイバー３４のコア面積内にフィットし、アークの涙滴の形のために、ホットスポット５０が光ファイバー３４の長手方向軸に対して垂直に中心から外れたときに最適なファイバー出力が得られる。
【００２２】
図４は、キセノン・ランプを備えた照明源１４のアーク領域をクローズアップして示した図である。アーク５５は陽極６０と陰極６５の間に生成される。図４から見られるように、アーク５５は陰極６５の方に近い。アーク５５が放出する光が照明器システム１０から得られる。
【００２３】
照明源１４の電球が老化すると、陰極６５のチップ（tip）が侵食され、陰極６５のチップは（典型的な設置の場合）下方に陽極６０から離れる方向に移動し、丸みをおびる。陰極６５が侵食されると、アーク５５のサイズが大きくなり、ピーク光度が減少し、陰極６５と同様に陽極６０から離れる方向に移動し、照明器システムの光出力が単調にかつ急速に減少する。Osram 75W電球に関して得られた測定されたアーク光度vs.使用時間の変化が図５のグラフに示されている。ここで示される例はOsram 75W電球に関するものであるが、他のこの種の照明源でも分析と結果は同じようになると予期される。
【００２４】
アーク５５の位置は、このような陰極の劣化のために、電極使用の最初の200時間で約250ミクロン移動する。したがって、システムの使用時刻ゼロでファイバー出力が最大になるように照明源１４が配置されると、アーク５５の移動とアーク５５のピーク光度の減少が組み合わされてファイバー出力が顕著に減少する可能性がある。本発明の実施形態では、照明源１４の電球が光ファイバー３４の長手方向軸に対してオフセットされた位置（例えば、垂直方向から外れた位置）にあるので、所望の初期高性能使用期間（例えば、約200時間）の終わりにおける照明源１４の性能は所望の最適レベルにある。時刻ゼロではアーク５５は所望のピーク光度を有するが、垂直方向からずれている。初期使用期間の終わりに、アーク５５のピーク光度は低下するが（図５を見よ）、垂直方向に一致している。これら二つの効果は互いにうち消し合うように働くので、ファイバー出力は、時刻ゼロでも、初期使用期間（例えば、200時間）の終わりでも、それらの間の時間でもほぼ同じ（ほぼ一定）になる。
【００２５】
ここで説明された効果は、Zemax光線追跡ソフトウエアを用いてOsram 75Wキセノン照明源を有する照明器システム１０を分析することによって理論的に実証された。このような分析の結果を図６に示す。
【００２６】
図６に示されているように、照明源１４の電球の垂直部分を5.5時間の使用で所望の最適出力が達成されるように位置決めした場合、電球の出力は約219時間後に約35%減少する。しかし、電球の垂直位置を、219時間後に所望の最適出力を達成するように調整した場合、5.5時間後から219時間後までの出力の減少は約7%未満である。この場合、出力は約5.5時間後から約219時間後までの間ずっとゆっくりと単調に劣化する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、照明器システム１０は、図７に示されているように、照明源１４のアークの背後に後方反射ミラー（又はその他の反射体）７０を備えることができる。後方反射ミラー７０は、反射されたアーク５５の像のパワーの大部分を陰極６５から外して陰極６５の侵食速度を小さくするように、照明源１４の電球に対して垂直方向に少しずらして（オフセットして）位置決めできる。
【００２８】
図８Aと８Bは、理論的なZemaxソフトウエアによるシミュレーションと実験データ（理論的なシミュレーションと異なるOsram 75W電球に関する）の比較の結果を示している。約ゼロ時間と約200時間という使用時間についての結果は（約ゼロ時間の使用時間でのピーク出力値を1に規格化して）理論と実験の良い一致を示している。
【００２９】
本発明のいろいろな実施形態は、小ゲージの光ファイバーとの光学的結合、及びそれによる光伝達、の改善を可能にする。さらに、本発明の実施形態は、キセノン光源が老化するにつれて時間と共に結合効率が低下するのを顕著に抑えることができる。本発明の実施形態は、小ゲージの光ファイバーとの光ビームの光学的結合が望まれるキセノン・ランプを用いる任意の光学デバイス、例えば眼科用照明器、に組み込むことができる。
【００３０】
本発明について、いくつかの好ましい実施形態によって説明してきたが、本発明は、その精神と本質的な特徴から逸脱することなく他の特定の形態又はその変形によっても実施できることは理解されるであろう。したがって、上で説明した実施形態はあらゆる意味で例示的であって制限的なものではないと考えられ、本発明の範囲は添付された特許請求の範囲によって示される。
【００３１】
本発明とその利点についてのさらに完全な理解は、以下の説明を添付図面と合わせて参照することによって得られるであろう。図面では、同様の特徴は同様の参照番号で表される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のある実施形態に係わる強化された高輝度眼科用照明器システムを示す概略図である。
【図２】図１の照明器システム１０の一部をさらに詳しく示す概略図である。
【図３】Osram 75Wキセノン電球を含む照明源１４に関するアーク像位置の一例を示す図である。
【図４】キセノン・ランプを含む照明源１４のアーク領域をクローズアップして示す図である。
【図５】Osram 75Wキセノン電球照明源の例について、測定されたアーク光度vs.使用時間で得られた変化を示すグラフである。
【図６】いろいろな使用時間について、光束に対する照明源電球垂直位置を示すグラフである。
【図７】照明源１４アークの背後に後方反射ミラー７０をさらに含む図１の照明器システム１０の一部分を詳しく示す概略図である。
【図８Ａ】理論的なZemaxソフトウエア・シミュレーションを示すグラフである。
【図８Ｂ】実験データを示すグラフである。
【符号の説明】
【００３３】
１０    照明システム
１１    筐体
１２    電源
１３    集光レンズ
１４    照明源
１６    コールドミラー
１８    ホットミラー
２０    ビームスプリッター
２１    ミラー
２２    減衰器
２４    光ファイバー・ポート
２６    光学プローブ
２８    光ビーム
【図１】
2008093444.tif 000003
【図２】
2008093444.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008093444.tif 000006
【図５】
2008093444.tif 000007
【図６】
2008093444.tif 000008
【図７】
2008093444.tif 000009
【図８Ａ】
2008093444.tif 000010
【図８Ｂ】
2008093444.tif 000011
【外国語明細書】
2008093444000001.pdf