(57)【要約】手術装置用の照明システムが提供される。照明システムは、遠位端部と近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔を有する、光透過材料でできた管状体を含む。照明システムは、光源を更に含む。少なくとも１つの内孔内には、少なくとも１つの光拡散光ファイバが配設され、少なくとも１つの光拡散光ファイバは、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、光源に光学的に結合された端部とを更に含む。ファイバは、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させるよう構成される。
2018516609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手術装置用の照明システムにおいて、
光透過材料でできた管状体であって、周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、前記遠位端部と前記近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔とを含む管状体、
２００ｎｍ〜２０００ｎｍの少なくとも１つの波長を有する光を発生する光源、および、
前記少なくとも１つの内孔内に配設された少なくとも１つの光拡散光ファイバであって、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、前記光源に光学的に結合された端部とを更に含む少なくとも１つの光拡散光ファイバ
を含み、
前記ファイバが、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光を前記ナノサイズ構造によって前記コアから離れる方向に前記外面を通して散乱させるよう構成されたことを特徴とする照明システム。
【請求項２】
前記管状体を解剖学的構造体内へと案内するよう構成された外科的導入器を更に含む、請求項１記載の照明システム。
【請求項３】
前記管状体が、前記遠位端部と前記近位端部との間に延びる第２の内孔を更に含む、請求項１記載の照明システム。
【請求項４】
前記ナノサイズ構造が、前記コア内に、またはコア−クラッド境界に位置する、請求項１記載の照明システム。
【請求項５】
略均一な散乱強度を提供するための、前記クラッドを囲むコーティング内に設けられた蛍光種および／または散乱種を更に含む、請求項１記載の照明システム。
【請求項６】
前記光源が、２００〜５００ｎｍの波長範囲内の光を発生し、前記蛍光種および／または散乱種が、白色光、緑色光、赤色光、または近赤外（ＮＩＲ）光を発生する、請求項５記載の照明システム。
【請求項７】
前記光源に光学的に結合された前記端部とは反対側の前記少なくとも１つのシリンダ形状の光拡散器の端部が反射コーティングおよび吸収コーティングのうちの一方でコーティングされた、請求項１記載の照明システム。
【請求項８】
前記光源が約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの少なくとも１つの波長を有する光を発生する、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
解剖学的構造体を照明する方法において、
光透過材料でできた管状体の少なくとも一部を、解剖学的構造体の内部に挿入する工程であって、前記管状体が、
周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、前記遠位端部と前記近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔であって、前記遠位端部における開口部および前記近位端部における開口部を有する少なくとも１つの内孔と、
前記少なくとも１つの内孔内に配設された少なくとも１つの光拡散光ファイバであって、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、光源に光学的に結合された端部とを更に含み、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光を前記ナノサイズ構造によって前記コアから離れる方向に前記外面を通して散乱させるよう構成された、少なくとも１つの光拡散光ファイバと
を含む、工程と、
前記光源からの光を、前記光源に光学的に結合された前記少なくとも１つの光拡散光ファイバの前記端部に導入し、前記光を前記ファイバの外面を通して発して、前記光源ファイバ部をその長さにわたって照明する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記解剖学的構造体が透照されるように、該解剖学的構造体の一部を照明する工程を更に含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ファイバの外面を通して発せられた光が前記解剖学的構造体によって反射されるように、該解剖学的構造体の一部を照明する工程を更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
手術中に操作者が前記解剖学的構造体の一部に接触することを回避できるように、前記解剖学的構造体の前記一部を照明する工程を更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
手術中に操作者が前記解剖学的構造体の一部を標的にできるように、前記解剖学的構造体の前記一部を照明する工程を更に含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記光源からの光を導入する前記工程が、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの少なくとも１つの波長を有する光を導入することを含む、請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
前記光源からの光を導入する前記工程が、前記医療用装置の少なくとも一部が患者の体内に配置されている間に行われる、請求項１０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権の主張】
【０００１】
本願は、２０１５年８月２１日に出願された米国特許出願第６２／２０８２５５号および２０１５年３月２４日に出願された米国特許出願第６２／１３７４１６号による優先権を主張するものであり、その内容の全体を本明細書に参照して組み込む。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、一般的に、照明手術装置に関する。より具体的には、本開示は、光拡散ファイバを有する照明手術装置、および、光拡散ファイバを有する手術装置を用いて解剖学的構造体を照明する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
腹腔鏡手術は、従来の観血的手術を、低侵襲的方法で行うことを可能にする技術である。この手術を行うために、外科医は、配置される器具を通すための幾つかの小さい切開を行う。これらの器具は、手術器具と、患者の内部の視覚的検査を可能にする専用カメラである腹腔鏡とを含む。腹腔鏡は、画像を手術室内のビデオモニタに送信し、外科医は、特定の手術を行うために器具を操作しながら、この画像を見ることができる。
【０００４】
腹腔鏡手術は、例えば、胆嚢除去（胆嚢摘出）、虫垂切除、膜ヘルニア修復、結腸または小腸の一部の除去（結腸切除）、酸逆流疾患に対する手術（噴門形成術）、副腎の除去、および脾臓の除去を含む多くの手術を行うために適用されている。更に、腹腔鏡手術は、例えば、子宮の除去（腹腔鏡子宮摘出）、筋腫の除去（腹腔鏡筋腫摘出）、卵巣嚢胞の外科治療（腹腔鏡嚢胞切除）、子宮外妊娠、並びに子宮内膜症および骨盤痛の治療（腹腔鏡仙骨前交感神経切断術）等の複数の婦人科手術において用いられている。この技術は、肺疾患の治療（例えば、肺腫瘍の除去等）、並びに、泌尿器科的処置（例えば、腎臓嚢胞、腎臓結石、および前立腺の一部の除去等）にも用いられている。
【０００５】
腹腔鏡手術中、並びに、他の診断検査および手術中、外科医が特定の解剖学的構造体の位置を意識するのはしばしば困難であり得る。また、外科医が、手術中に回避すべき解剖学的構造体から、手術の標的である解剖学的構造体を区別するのも困難であり得る。
【０００６】
上述の手術のうちの幾つかにおいて回避すべき例示的な解剖学的構造体としては、尿管、血管、胃腸腔、胆管、リンパ腔、髄腔、気管支腔、鼻腔、および他の任意の管腔臓器が挙げられる。しかし、腹腔鏡手術中に、手術部位に対する外科医の視野はしばしば限られていると共に、従来の観血的手術の技術で利用可能な直接的な触覚的知覚を利用できない。従って、そのような手術中には、意図せぬ傷を生じさせるリスクが高まる。
【発明の概要】
【０００７】
本開示の一実施形態によれば、手術装置用の照明システムが提供される。照明システムは、光透過材料でできた管状体であって、周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、遠位端部と近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔とを有する管状体を含む。照明システムは、２００ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲の少なくとも１つの波長を有する光を発生する光源を更に含む。少なくとも１つの内孔内には、少なくとも１つの光拡散光ファイバであって、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、光源に光学的に結合された端部とを更に含む少なくとも１つの光拡散光ファイバが配設される。ファイバは、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させるよう構成される。
【０００８】
本開示の別の実施形態によれば、解剖学的構造体を照明する方法が提供される。本方法は、光透過材料でできた管状体の少なくとも一部を解剖学的構造体の内部に挿入する工程を含む。管状体は、周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、遠位端部と近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔であって、遠位端部における開口部および近位端部における開口部を有する少なくとも１つの内孔とを含む。管状体は、少なくとも１つの内孔内に配設された少なくとも１つの光拡散光ファイバであって、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、光源に光学的に結合された端部とを更に含む少なくとも１つの光拡散光ファイバを更に含む。ファイバは、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させるよう構成される。本方法は、光源からの光を、光源に光学的に結合された少なくとも１つの光拡散光ファイバの端部に導入し、その光をファイバの外面を通して発して、光源ファイバ部をその長さにわたって照明する工程を更に含む。
【０００９】
更なる特徴および長所は、以下の詳細な説明で述べられると共に、部分的にはその説明から当業者に自明であり、または、以下の詳細な説明、特許請求の範囲、および添付の図面を含む本明細書に記載されるように実施形態を実施することによって認識される。
【００１０】
上記の概要説明および以下の詳細説明は、単に例示的なものであり、特許請求の範囲の性質および特徴を理解するための概観または枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。添付の図面は、更なる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれてその一部をなすものである。図面は１以上の実施形態を示しており、明細書と共に、様々な実施形態の原理および作用を説明する役割をするものである。
【００１１】
本開示は、純粋に限定しない例として与えられる以下の説明および添付の図面から、より明確に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】光拡散光ファイバの例示的な実施形態の一部分の模式的な側面図
【図２】図１の方向２−２に沿って見た光ファイバの模式的な断面図
【図３Ａ】光拡散ファイバの例示的な実施形態についての、ファイバ半径に対する相対屈折率のプロットを模式的に示す
【図３Ｂ】光拡散ファイバの別の例示的な実施形態についての、ファイバ半径に対する相対屈折率のプロットを模式的に示す
【図３Ｃ】光拡散ファイバの別の例示的な実施形態を示す
【図４Ａ】波長（ｎｍ）に対するファイバ減衰（損失）（単位はｄＢ／ｍ）を示す
【図４Ｂ】波長（ｎｍ）に対するファイバ減衰（損失）（単位はｄＢ／ｍ）を示す
【図５】本開示の実施形態による照明システムの管状体を示す
【図６】本開示の実施形態による照明システムの管状体を示す
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本実施形態を詳細に参照する。それらの例が添付の図面に示されている。可能な場合には常に、同一または類似の部分を参照するために、図面を通して同一の参照番号が用いられる。
【００１４】
本明細書で用いられる名詞は、特に明記しない限り、複数の対象を指す。同じ特性を述べている全ての範囲の終点は、それぞれ独立して組合せ可能であり、述べられている終点を含む。全ての参照文献は、本明細書に参照して組み込まれる。
【００１５】
本開示の一実施形態によれば、手術装置が提供される。この手術装置は、手術を行う操作者（例えば、外科医等）に対する解剖学的構造体の視認性を高めるように、解剖学的構造体を照明することを容易にする少なくとも１つの光拡散光ファイバを含む。
【００１６】
照明システムは、管状体の少なくとも１つの内孔内に配設された少なくとも１つの光拡散光ファイバを含む。少なくとも１つの光拡散光ファイバは、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを含む。光ファイバは、外面と、光源に光学的に結合された端部とを更に含む。光拡散光ファイバは、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させるよう構成され得る。
【００１７】
「柔軟な光拡散導波路」という用語は、照明を提供するために、光が導波路のコアから離れる方向に導波路の外面を通して案内されるように、光をファイバの側面から外へと散乱または拡散させるために用いられるナノサイズ構造を用いた、柔軟な光導波路（例えば、光ファイバ等）を指す。特許請求される主題の基礎となる原理に関する概念は、米国特許出願公開第２０１１／０１２２６４６Ａｌ号明細書に開示されており、その内容の全体を本明細書に参照して組み込む。
【００１８】
「光源」という用語は、可視光範囲内の波長の電磁放射、または、可視波長範囲内の光を発するために発光団と相互作用可能な波長の電磁放射を発することができるレーザ、発光ダイオード、または他の構成要素を指す。
【００１９】
「発光団」という用語は、発光を示す原子または化合物を指し、様々な蛍光色素および蛍光物質を含む。
【００２０】
以下の用語および語句は、ナノサイズ構造を有する光拡散ファイバに関して用いられる。
【００２１】
「屈折率プロファイル」とは、屈折率または相対屈折率と導波路（ファイバ）半径との間の関係である。
【００２２】
「相対屈折率パーセント」は、
Δ（ｒ）％＝１００×［ｎ（ｒ）２−ｎＲＥＦ２）］／２ｎ（ｒ）２
として定義され、ここで、ｎ（ｒ）は、特に明記しない限り、半径ｒにおける屈折率である。相対屈折率パーセントは、特に明記しない限り、８５０ｎｍにおいて定められる。１つの態様では、基準屈折率ｎＲＥＦは、８５０ｎｍにおいて１．４５２４９８の屈折率を有するシリカガラスであり、別の態様では、８５０ｎｍにおけるクラッドガラスの最大屈折率である。本明細書において用いられる相対屈折率は、Δによって表され、その値は、特に明記しない限り、「％」の単位で与えられる。或る領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦより小さい場合には、相対屈折率パーセントは負であり、低下した領域、即ち低下した屈折率を有するものとして参照され、最小相対屈折率は、特に明記しない限り、相対屈折率が最も負である点において算出される。或る領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦより大きい場合には、相対屈折率パーセントは正であり、その領域は、上昇した領域である、即ち正の屈折率を有すると言える。
【００２３】
本明細書において用いられる「アップドーパント」という用語は、ドーピングされていない純粋なＳｉＯ２と比べて屈折率を上昇させる傾向を有するドーパントであると見なされる。本明細書において用いられる「ダウンドーパント」という用語は、ドーピングされていない純粋なＳｉＯ２と比べて屈折率を低下させる傾向を有するドーパントであると見なされる。アップドーパントは、アップドーパントではない１以上の他のドーパントを伴った際に、光ファイバの負の相対屈折率を有する領域内に存在し得る。同様に、アップドーパントではない１以上の他のドーパントは、光ファイバの正の相対屈折率を有する領域内に存在し得る。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない１以上の他のドーパントを伴った際に、光ファイバの正の相対屈折率を有する領域内に存在し得る。
【００２４】
同様に、ダウンドーパントではない１以上の他のドーパントは、光ファイバの負の相対屈折率を有する領域内に存在し得る。
【００２５】
本明細書において用いられる「αプロファイル」または「アルファプロファイル」という用語は、「％」を単位とするΔ（ｒ）（ここで、ｒは半径である）に関して表された相対屈折率プロファイルを指し、Δ（ｒ）は以下の式に従う。
Δ（ｒ）＝Δ（ｒｏ）（１−［｜ｒ−ｒｏ｜／（ｒ１−ｒｏ）］α）
式中、ｒｏはΔ（ｒ）が最大になる点であり、ｒ１はΔ（ｒ）％が０になる点であり、ｒはｒ１≦ｒ≦ｒｆの範囲内であり、Δは上述の定義の通りであり、ｒ１はαプロファイルの最初の点であり、ｒｆはαプロファイルの最後の点であり、αは実数である指数である。
【００２６】
従って、本明細書において用いられる「放物線」という用語は、コア内の１以上の点において２．０のα値から僅かに変化し得る略放物線形状の屈折率プロファイル、並びに、小さいばらつきおよび／または中心線の沈みを有するプロファイルを含む。幾つかの例示的な実施形態では、αは、８５０ｎｍにおいて測定された場合に１．５より大きく且つ２．５未満であり、より好ましくは１．７より大きく且つ２．３未満であり、更に好ましくは１．８〜２．３である。他の実施形態では、屈折率プロファイルの１以上の部分が、８５０ｎｍにおいて測定された場合に８より大きい、より好ましくは１０より大きい、更に好ましくは２０より大きいα値を有する略段状の屈折率形状を有する。
【００２７】
本明細書において用いられる「ナノ構造ファイバ領域」という用語は、ガスが充填された多数の空隙または他のナノサイズ構造を有する領域を有するファイバを記述する。この領域は、ファイバの断面において５０個を超える、１００個を超える、または２００個を超える空隙を有し得る。ガスが充填された空隙は、例えば、ＳＯ２、Ｋｒ、Ａｒ、ＣＯ２、Ｎ２、Ｏ２、またはそれらの混合物を含み得る。本明細書において記載されるナノサイズ構造（例えば、空隙）の断面サイズ（例えば、直径）は、約１０ｎｍ〜約１．０μｍ（例えば、約５０ｎｍ〜約５００ｎｍ）の範囲で様々であり得、長さは、約１．０ミリメートル〜約５０メートルの範囲（例えば、約２．０ｍｍ〜約５．０メートル、または約５．０ｍｍ〜約１．０ｍの範囲）で様々であり得る。
【００２８】
標準的なシングルモードまたはマルチモード光ファイバでは、１３００ｎｍ未満の波長における損失は、レイリー散乱によって支配される。これらのレイリー散乱損失ＬＳは、材料の特性によって決定され、可視波長（４００〜７００ｎｍ）については典型的には約２０ｄＢ／ｋｍである。レイリー散乱損失は、強い波長依存性も有し（即ち、ＬＳ∝１／λ４、図４Ｂの比較例のファイバＡを参照）、このことは、入射した光の９５％を超える光を放散させるには、少なくとも約１．０ｋｍ〜２．０ｋｍのファイバが必要であることを意味する。そのようなファイバの長さが短いほど、照明効率は低くなり、一方、長い長さ（約１．０ｋｍ〜約２．０ｋｍ、またはそれ以上）を用いる場合には、よりコストがかかり得ると共に、管理が困難であり得る。
【００２９】
照明用途の特定の構成においては、より短い長さ（例えば、約０．０２メートル〜約１００メートル）のファイバを用いるのが望ましい。これには、ファイバの屈曲部における明るい点を回避するために、良好な角度散乱特性（ファイバの軸から離れる方向に均一な光の放散）および良好な曲げ性能を維持可能でありつつ、ファイバからの散乱損失を増加させることが必要である。本明細書において記載される本開示の実施形態の少なくとも一部の望ましい属性は、ファイバ照明器の長さに沿った均一な高い照度である。光ファイバは柔軟であるので、様々な照明形状の配置が可能である。ファイバの屈曲点における（上昇した曲げ損失に起因する）明るい点は実質的に存在しないのが好ましく、ファイバによって供給される照明のばらつきは約３０％を超えず、好ましくは約２０％未満であり、より好ましくは約１０％未満である。例えば、少なくとも幾つかの実施形態では、ファイバの平均散乱損失は約５０ｄＢ／ｋｍより大きく、約０．２ｍの長さを有する任意の所与のファイバ部分にわたる散乱損失のばらつきは約３０％を超えない（即ち、散乱損失は平均散乱損失の±３０％以内である）。ファイバの平均散乱損失は約５０ｄＢ／ｋｍより大きくなり得、約０．０５ｍ未満の長さを有するファイバ部分にわたる散乱損失のばらつきは約３０％未満である。ファイバの平均散乱損失は約５０ｄＢ／ｋｍより大きくなり得、約０．０１ｍの長さを有するファイバ部分にわたる散乱損失のばらつきは約３０％未満である。更に、ファイバの平均散乱損失は約５０ｄＢ／ｋｍより大きくなり得、約０．０１ｍの長さのファイバ部分にわたる散乱損失のばらつきは約２０％未満、好ましくは約１０％未満である。
【００３０】
本開示の実施形態によれば、ファイバのターゲット長さ（例えば、約０．０２メートル〜約１００メートルの長さであり得る）についての、照明波長における、ファイバの側面を通って拡散される積分光強度のばらつきは、約３０％未満である。特定の照明波長における、ファイバの側面を通って拡散される積分光強度は、クラッドまたはコーティングに蛍光材料を組み込むことによって変えることができる。蛍光材料による光の散乱の波長は、ファイバ内を伝搬する光の波長とは異なる。
【００３１】
本明細書に記載されるファイバ設計は、ファイバのコア領域内に配置された、またはコアに非常に近接して配置された、ナノ構造ファイバ領域（ナノサイズ構造を有する領域）を有する。ファイバは、約５０ｄＢ／ｋｍを超える（例えば、約１００ｄＢ／ｋｍより大きい、約２００ｄＢ／ｋｍより大きい、約５００ｄＢ／ｋｍより大きい、約１０００ｄＢ／ｋｍより大きい、約３０００ｄＢ／ｋｍより大きい、または約５０００ｄＢ／ｋｍより大きい）散乱損失を有する。散乱損失、およびそれに従って照度、即ちこれらのファイバによって放射される光は、角度空間内において均一である。
【００３２】
ファイバの屈曲部における明るい点を低減または解消するために、曲げ直径が５０ｍｍ未満であるとき、ファイバの９０°の屈曲部における減衰の増加は約５．０ｄＢ／ｔｕｒｎ未満（例えば、約３．０ｄＢ／ｔｕｒｎ未満、約２．０ｄＢ／ｔｕｒｎ未満、または約１．０ｄＢ／ｔｕｒｎ未満）であるのが望ましい。例示的な実施形態では、より小さい曲げ直径（例えば、約２０ｍｍ未満、約１０ｍｍ未満、および約５．０ｍｍ未満）でも、低い曲げ損失が達成される。約５．０ｍｍの曲げ半径において、減衰の増加の合計は、９０度の曲げ（ｔｕｒｎ）当たり約ｌ．０ｄＢ未満であり得る。
【００３３】
曲げ損失は、直線状のファイバのコアからの固有の散乱損失に等しいか、またはそれより小さい。固有の散乱は、主に、ナノサイズ構造からの散乱に起因する。従って、少なくとも光ファイバの曲げの影響を受けない実施形態によれば、曲げ損失はそのファイバの固有の散乱を超えない。しかし、散乱レベルは曲げ直径の関数であるので、ファイバの曲げ配置は、その散乱レベルに依存する。例えば、ファイバは約３．０ｄＢ／ｔｕｒｎ未満、または約２．０ｄＢ／ｔｕｒｎ未満の曲げ損失を有し得るので、ファイバを、明るい点を生じることなく、半径約５．０ｍｍ程度の小さい半径を有する円弧状に曲げることができる。
【００３４】
幾つかの実施形態によれば、光拡散ファイバ１２は、光を散乱させるためのナノ構造が少なくとも部分的に詰められたコアと、コアを囲むクラッドと、クラッドを囲む少なくとも１つのコーティングとを含む。例えば、コアおよびクラッドは、一次コーティング層および二次コーティング層によって、並びに／またはインク層によって囲まれ得る。幾つかの実施形態では、インク層は、更なる吸収を提供して、ファイバによって散乱される光のスペクトルを変更する（例えば、拡散される光に更なる色を与える）顔料を含有する。他の実施形態では、コーティング層のうちの１以上は、ファイバコーティングから発する光（ファイバによって拡散される光）が異なる波長のものとなるように、ファイバコアを通って伝搬する光の波長を変換する分子を含む。幾つかの実施形態では、インク層および／またはコーティング層は、コアから散乱した光を異なる波長の光に変換するために、蛍光物質を含み得る。幾つかの実施形態では、蛍光物質および／または顔料は一次コーティング中に分散される。幾つかの実施形態では、顔料は二次コーティング中に分散され、幾つかの実施形態では、顔料は一次コーティングおよび二次コーティング中に分散される。幾つかの実施形態では、蛍光物質および／または顔料はポリマークラッド中に分散される。ナノ構造は、ＳＯ２が充填された空隙であるのが好ましい。
【００３５】
幾つかの実施形態によれば、光ファイバ１２は、一次コーティング、一次コーティングを囲む必要に応じて設けられる二次コーティング、および／または、例えば、クラッド上に直接配置された、またはコーティングのうちの１つの上に配置されたインク層を含む。一次コーティングおよび／または二次コーティングは、顔料、蛍光物質、蛍光材料、紫外線吸収材料、親水性材料、光変更材料、またはそれらの組合せのうちの少なくとも１つを含み得る。
【００３６】
幾つかの実施形態によれば、光拡散光ファイバは、（１）ガラスコアと、クラッドと、コア内またはコア−クラッド境界に位置する複数のナノサイズ構造とを含み、光ファイバは、外面を更に含み、（ｉ）導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させ、（ｉｉ）照明波長において散乱によって生じる５０ｄＢ／ｋｍを超える減衰を有するよう構成されており、（２）１以上のコーティングを含み、クラッドまたは少なくとも１つのコーティングは蛍光物質または顔料を含む。幾つかの実施形態によれば、これらの顔料は、ファイバの外面によって提供される照明（拡散された光）が、ファイバコアを通って伝搬する光の波長とは異なる波長のものとなるように、光の波長を変えることができるものであり得る。ナノ構造は、ＳＯ２が充填された空隙であるのが好ましい。
【００３７】
幾つかの実施形態によれば、光拡散光ファイバは、ガラスコアと、クラッドと、コア内またはコア−クラッド境界に位置する複数のナノサイズ構造とを含む。光ファイバは、外面を更に含み、（ｉ）導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させ、（ｉｉ）照明波長において散乱によって生じる５０ｄＢ／ｋｍを超える減衰を有するよう構成されており、コア全体がナノサイズ構造を含む。そのようなファイバは、必要に応じて、少なくとも１つのコーティングを含んでもよく、クラッドまたは少なくとも１つのコーティングは蛍光物質または顔料を含む。幾つかの実施形態によれば、ナノ構造は、ＳＯ２が充填された空隙である。
【００３８】
幾つかの実施形態によれば、光拡散光ファイバは、ガラスコアと、コア内に位置する複数のナノサイズ構造とを含み、コア全体がナノ構造を含み、光ファイバは外面を更に含み、（ｉ）導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させ、（ｉｉ）照明波長において散乱によって生じる５０ｄＢ／ｋｍを超える減衰を有するよう構成されており、ファイバはクラッドを含まない。幾つかの実施形態によれば、ナノ構造は、ＳＯ２が充填された空隙である。ナノ構造領域内のＳＯ２が充填された空隙は、散乱（散乱の改善）に大きく寄与する。
【００３９】
幾つかの実施形態によれば、光拡散光ファイバは、ガラスコアと、コア内に位置する複数のナノサイズ構造とを含み、コア全体がナノ構造を含み、光ファイバは外面を更に含み、（ｉ）導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させ、（ｉｉ）照明波長において散乱によって生じる５０ｄＢ／ｋｍを超える減衰を有するよう構成されており、ファイバはクラッドを含まない。幾つかの実施形態によれば、ファイバは、少なくとも１つのコーティングを含み、クラッドまたはコーティングは蛍光物質または顔料を含む。幾つかの実施形態によれば、ナノ構造は、ＳＯ２が充填された空隙である。上述のように、ナノ構造領域内のＳＯ２が充填された空隙は、散乱（散乱の改善）に大きく寄与する。
【００４０】
図１は、中心軸または中心線１６を有する光拡散光ファイバ１２のコア内に複数の空隙を有する光拡散ファイバの一部分の模式的な側面図である。図２は、図１の方向２−２に沿って見た光拡散光ファイバ１２の模式的な断面図である。光拡散光ファイバ１２は、例えば、周期的または非周期的なナノサイズ構造３２を有するナノ構造ファイバ領域を有する様々なタイプの光ファイバのうちの任意の１つであり得る。一例として、ファイバ１２は、３つの部分または領域に分割されたコア２０を含む。これらの部分または領域は、中実の中心領域２２と、ナノ構造リング部分２６と、ナノ構造リング部分２６を囲む中実の外側部分２８とを含む。クラッド４０はコア２０を囲み、外面を有する。クラッド４０は、例えば、紫外線硬化性もしくは熱硬化性フルオロアクリレートまたはシリコーン等の低屈折率ポリマー材料であり得る。クラッド４０は、純粋な低屈折率ポリマーを含み得る。更に、クラッド４０は、純粋なシリカまたはＦ添加シリカを含み得る。クラッド４０は、高い開口数（ＮＡ）を設けるために低い屈折率を有し得る。ファイバ１２のＮＡは、光をファイバ１２内へと向かわせる光源のＮＡに等しいか、またはそれより大きいものであり得る。本開示の実施形態によれば、ファイバ１２のＮＡは、約０．２より大きい、約０．３より大きい、または約０．４より大きいものであり得る。
【００４１】
例示的な実施形態によれば、光拡散ファイバ１２のナノ構造リング部分２６は、複数の非周期的に設けられたナノサイズ構造３２（例えば、図２の拡大部に詳細に示されている例示的な空隙等）が内部に位置するガラスマトリックス３１を含む。空隙は（例えば、フォトニック結晶光ファイバのように）周期的に設けられてもよく、この場合、空隙は、典型的には、約１．０×ｌ０−６ｍ〜約１．０×１０−５ｍの直径を有する。空隙の直径は少なくとも約１０ｎｍであり得る。空隙は、非周期的またはランダムに設けられてもよい。ナノ構造リング部分２６内のガラスマトリックス３１は、例えば、フッ素添加シリカまたはドーピングされていない純粋なシリカであり得るが、それらに限定されない。
【００４２】
ナノサイズ構造３２は、コア２０から離れる方向にファイバの外面に向かって光を散乱させる。次に、散乱した光はファイバ１２の外面を通って拡散されて、照明を提供する。即ち、光の大半は、ファイバ１２の長さに沿ってファイバ１２の側面を通って散乱によって拡散される。本開示の実施形態によれば、ファイバは、その長さにわたって略均一な放射を発し、ファイバは、照明波長において、散乱によって生じる約５０ｄＢ／ｋｍより大きい減衰を有する。照明波長における、散乱によって生じる減衰は、約１００ｄＢ／ｋｍより大きい、約５００ｄＢ／ｋｍより大きい、約１０００ｄＢ／ｋｍより大きい、約２０００ｄＢ／ｋｍより大きい、または約５０００ｄＢ／ｋｍより大きいものであり得る。これらの散乱損失は、標準的なシングルモードおよびマルチモード光ファイバにおけるレイリー散乱損失よりも約２．５〜約２５０倍大きい。散乱による損失の量は、ファイバ１２の特性、ナノ構造領域２６の幅、並びにナノサイズ構造３２のサイズおよび密度を変えることによって増加させることができる。
【００４３】
幾つかの実施形態では、ナノ構造領域２６は、複数のナノサイズ構造３２を含む純粋なシリカを含む。ナノ構造領域２６の最小相対屈折率および平均実効相対屈折率は、何らかの空隙の存在を考慮すると、共に約−０．１％未満であり得る。ナノサイズ構造３２、または空隙は、例えば、アルゴン、窒素、酸素、クリプトン、もしくはＳＯ２等の１以上のガスを含んでもよく、または、ガスが実質的に存在しない真空を含んでもよい。しかし、ガスの有無に関係なく、ナノ構造領域２６における平均屈折率は、ナノサイズ構造３２の存在に起因して低くなる。ナノサイズ構造３２は、ナノ構造領域２６内にランダムまたは非周期的に設けられてもよい。或いは、ナノサイズ構造３２はナノ構造領域２６内に周期的に設けられてもよい。
【００４４】
例示的な実施形態によれば、中実の中心領域２２は酸化ゲルマニウム添加シリカを含んでもよく、コア内側環状領域２８は純粋なシリカを含んでもよく、クラッド４０はガラスまたは低屈折率ポリマーを含んでもよい。ナノ構造領域２６は、純粋なシリカ内に複数のナノサイズ構造３２を含んでもよく、或いは、ナノ構造領域２６は、フッ素添加シリカ内に複数のナノサイズ構造３２を含んでもよい。他の例示的な実施形態によれば、コア全体２０にナノ構造が設けられ（例えば、空隙が詰められ）てもよく、コア２０はクラッド４０によって囲まれてもよい。コア２０は、例えば、α値が１．８〜２．３であるαプロファイルを有する、「段状」の屈折率Δを有してもよく、または勾配のあるコアプロファイルを有してもよい。
【００４５】
中実の中心領域２２およびコア内側環状領域２８内のガラスは、アップドーパント（例えば、Ｇｅ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐ、およびそれらの組合せ等）を含み得る。「非周期的に設けられた」または「非周期的な分布」とは、例えば図２に示されているように、光ファイバの断面を見たときに、ナノサイズ構造３２がファイバの一部分にわたってランダムまたは非周期的に分布していることを意味する。一例として、ナノサイズ構造３２は空隙を含み、ファイバの長さに沿ったそれぞれ異なる点において見た類似の断面は、それぞれ異なる断面空隙パターンを見せる。即ち、様々な断面は、それぞれ異なる空隙パターンを有し、空隙の分布および空隙のサイズは一致しない。即ち、空隙は非周期的である、即ち、空隙はファイバ構造内に周期的には設けられていない。これらの空隙は光ファイバの長さに沿って（即ち、縦軸に対して平行に）引き延ばされ（伸長され）ているが、伝送ファイバの典型的な長さについては、ファイバ全体の全長には延びていない。空隙は、ファイバ１２の長さに沿って約１０メートル未満、多くのケースでは約１．０メートル未満延びていてもよい。
【００４６】
上述のように、中実の中心領域２２およびコア内側環状領域２８は、ゲルマニウムが添加されたシリカ、即ち、酸化ゲルマニウム添加シリカを含み得る。光ファイバ１２のコア内、特に、中心線１６またはその付近においては、所望の屈折率および密度を得るために、ゲルマニウム以外のドーパントが、単独でまたは組み合わせて用いられてもよい。本明細書において開示される光ファイバ１２の相対屈折率プロファイルは、コア部分の中実の中心領域２２およびコア内側環状領域２８において負ではない。光ファイバは、コア内に屈折率を低下させるドーパントを含まなくてもよい。更に、光ファイバの相対屈折率プロファイルは、中実の中心領域２２、ナノ構造リング部分２６および／またはコア内側環状領域２８において負ではなくてもよい。
【００４７】
ファイバ１２は、必要に応じて、クラッド４０を囲むコーティング４４を含む。コーティング４４は、低弾性率の一次コーティング層および高弾性率の二次コーティング層を含み得る。コーティング４４は、例えば、アクリレート系またはシリコーン系ポリマー等のポリマーコーティングであり得る。コーティングは、ファイバの長さに沿って一定の直径を有し得る。コーティング４４は、コア２０からクラッド４０を通過する光の分布および／または性質を強化するよう設計される。クラッド４０の外面、または必要に応じて設けられるコーティング４４の外面は、ファイバ１２の側面４８を表し、そこを通って、本明細書に記載されるように、ファイバ内を進む光が散乱によって外に出る。
【００４８】
本開示の実施形態によれば、コア２０は、屈折率の勾配を有するコアであってもよく、コアの屈折率プロファイルは放物線（または略放物線）形状を有してもよい。例えば、コア２０の屈折率プロファイルは、８５０ｎｍにおいて測定されたα値が約２．０であるα形状を有し得る。α値は約１．８〜約２．３であってもよい。他の例示的な実施形態によれば、屈折率プロファイルの１以上の部分は、８５０ｎｍにおいて測定された、α値が約８．０より大きい、約１０より大きい、または約２０より大きい略段状の屈折率形状を有し得る。コアの屈折率は、コア２０の最大屈折率および光ファイバ１２全体の最大屈折率が、中心線１６から小さい距離だけ離れて位置するような、中心線の沈みを有してもよい。或いは、コア２０の屈折率には中心線の沈みはなく、コア２０の最大屈折率および光ファイバ１２全体の最大屈折率は中心線に位置する。例示的な実施形態によれば、ファイバ１２の屈折率は半径方向に対称であり得る。
【００４９】
本開示の実施形態によれば、ファイバ１２は、シリカ系コア２０と、（シリカと比較して）低い屈折率のポリマークラッド４０とを有する。低屈折率ポリマークラッド４０は、負の相対屈折率を有し得る。例えば、低屈折率ポリマークラッド４０の相対屈折率は、約−０．５％未満、または約−１．０％未満であり得る。クラッド４０は約２０μｍより大きい厚さを有してもよく、クラッド４０の外径は、ファイバ１２の長さに沿って一定の直径を有してもよい。クラッド４０はコア２０より低い屈折率を有してもよく、約１０μｍより大きい厚さを有してもよい。クラッド４０は、２×Ｒｍａｘの外径を有し得る。例えば、クラッド４０は、約１２５μｍ（例えば、約１２０μｍ〜１３０μｍ、または約１２３μｍ〜約１２８μｍ等）の外径を有し得る。或いは、クラッド４０は、約１２０μｍ未満（例えば、約６０μｍ〜約８０μｍ等）の直径を有し得る。
【００５０】
コア２０の外径２Ｒ３は、ファイバ１２の長さに沿って一定であり得る。更に、中実の中心領域２２、ナノ構造リング部分２６、およびコア内側環状領域２８の外径も、ファイバ１２の長さに沿って一定であり得る。一定であるとは、平均値に対する直径のばらつきが、例えば、約１０％未満、約５．０％未満、または約２．０％未満であることを意味する。
【００５１】
コア２０の外半径Ｒｃは、約１０μｍより大きく且つ約６００μｍ未満（例えば、約３０μｍ〜約４００μｍ、または約１２５μｍ〜約３００μｍ）であり得る。コア２０の外半径Ｒｃは、約５０μｍ〜約２５０μｍであり得る。図３Ａに示されるように、コア２０の外半径Ｒｃは、コア内側環状領域２８の外半径Ｒ３に等しい。
【００５２】
中実の中心領域２２は、０．ｌＲｃ≦Ｒ１≦０．９Ｒｃ、または０．５Ｒｃ≦Ｒ１≦０．９Ｒｃである半径Ｒ１を有し得る。Ｒ１は約２４μｍ〜約５０μｍであり得、中実の中心領域２２の直径は約４８μｍ〜１００μｍである。例えば、Ｒ１は約２４μｍより大きい、約３０μｍより大きい、または約４０μｍより大きいものであり得る。ナノ構造リング領域２６は、０．０５Ｒｃ≦Ｗ２≦０．９Ｒｃ、または０．ｌＲｃ≦Ｗ２≦０．９Ｒｃである幅Ｗ２を有し得る。更に、幅Ｗ２は０．５Ｒｃ≦Ｗ２≦０．９Ｒｃであり得る。本開示の実施形態によれば、同じ密度のナノサイズ構造３２について、ナノ構造領域２６の幅が広いほど、散乱によって生じる減衰が高くなる。ナノ構造領域２６の半径方向の幅Ｗ２は、約１．０μｍより大きいものであり得る。例えば、Ｗ２は約５．０μｍ〜約３００μｍ（例えば、約２００μｍ未満等）であり得る。また、Ｗ２は、例えば、約２．０μｍ〜約１００μｍ、約２．０μｍ〜約５０μｍ、少なくとも２．０μｍ〜約２０μｍ、または約２．０μｍ〜約１２μｍであり得る。Ｗ２は、例えば、少なくとも約７．０μｍであり得る。コア内側環状領域２８は、Ｗ３＝Ｒ３−Ｒ２である幅Ｗ３を有してもよく、Ｒ３ＭＩＤ＝（Ｒ２＋Ｒ３）／２である中点Ｒ３ＭＩＤを有する。コア内側環状領域２８は、０．ｌＲｃ＞Ｗ３＞０．９Ｒｃである幅Ｗ３を有し得る。例えば、Ｗ３は約１．０μｍ〜約１００μｍであり得る。更に、クラッド４０は、光ファイバ１２の最も外側の周囲でもある半径Ｒ４を有する。Ｒ４−Ｒ３に等しいクラッド４０の幅は、例えば、約２０μｍより大きい、約５０μｍより大きい、または約７０μｍより大きいものであり得る。
【００５３】
図３Ａは、図２に示されている例示的なファイバ１２についての、ファイバ半径に対する例示的な相対屈折率Δのプロットである（実線）。コア２０も、α値が約１．７〜約２．３（例えば、約１．８〜約２．３）であるαプロファイルを有する勾配のあるコアプロファイルを有してもよい。中実の中心領域２２は、中心線からその外半径Ｒｌまで半径方向外側に延び、最大屈折率ｎ１（および相対屈折率パーセントΔ１ＭＡＸ）に対応する相対屈折率プロファイルΔ１（ｒ）を有する。図３Ａの実施形態によれば、基準屈折率ｎＲＥＦはクラッドにおける屈折率である。ナノ構造領域２６は、最小屈折率ｎ２と、相対屈折率プロファイルΔ２（ｒ）と、最大相対屈折率Δ２ＭＡＸと、最小相対屈折率Δ２ＭＩＮとを有し、幾つかの実施形態ではΔ２ＭＡＸ＝Δ２ＭＩＮである。コア内側環状領域２８は、最大屈折率ｎ３と、最大相対屈折率Δ３ＭＡＸおよび最小相対屈折率Δ３ＭＩＮを有する相対屈折率プロファイルΔ３（ｒ）とを有し、幾つかの実施形態ではΔ３ＭＡＸ＝Δ３ＭＩＮである。更に図３Ａに示されるように、クラッド４０は、屈折率ｎ４と、最大相対屈折率Δ４ＭＡＸおよび最小相対屈折率Δ４ＭＩＮを有する相対屈折率プロファイルΔ４（ｒ）とを有する。幾つかの実施形態では、Δ４ＭＡＸ＝Δ４ＭＩＮである。幾つかの実施形態ではΔ１ＭＡＸ＞Δ４ＭＡＸであり且つΔ３ＭＡＸ＞Δ４ＭＡＸである。幾つかの実施形態ではΔ２ＭＩＮ＞Δ４ＭＡＸである。図２および図３Ａに示されている実施形態では、Δ１ＭＡＸ＞Δ３ＭＡＸ＞Δ２ＭＡＸ＞Δ４ＭＡＸであり、これらの領域の屈折率は、ｎ１＞ｎ３＞ｎ２＞ｎ４の関係を有する。
【００５４】
中実の中心領域２２およびコア内側環状領域２８は、図３Ａに示されるように、一定のΔ１（ｒ）およびΔ３（ｒ）を有する略一定の屈折率プロファイルを有し得る。更に、Δ２（ｒ）は僅かに正（０＜Δ２（ｒ）＜０．１％）、負（−０．１％＜Δ２（ｒ）＜０）、または略一定であり得る。Δ２（ｒ）の絶対的な大きさは約０．１％未満（例えば、約０．０５％未満）であり得る。本開示の実施形態によれば、Δ２（ｒ）の絶対的な大きさは、ナノ構造リング部分２６の半径方向の幅の約５０％を超える部分について、約０．０２５％未満、または約０．０１％未満であり得る。クラッド４０は、図３Ａに示されるように、一定のΔ４（ｒ）（ここで、Δ４（ｒ）＝０％）を有する略一定の屈折率プロファイルを有し得る。幾つかの実施形態では、クラッド４０は、−０．０５％＜Δ４（ｒ）＜０．０５％である屈折率を有し得る。中実の中心領域２２は、Δ１（ｒ）＞０％である屈折率を有し得る。更に、ナノ構造リング部分２６は、絶対的な大きさが約０．０５％未満の負の屈折率を有する相対屈折率プロファイルΔ２（ｒ）を有してもよく、コア内側環状領域２８のΔ３（ｒ）は、例えば、正または０であり得る。少なくとも一部の実施形態では、ｎ１＞ｎ２であり且つｎ３＞ｎ４である。
【００５５】
図３Ｂは、光拡散ファイバ１２の例示的な実施形態を模式的に示す。図示されるように、ファイバ１２は、相対屈折率Δ１を有するコア２０と、コア２０を覆って囲むように位置するナノ構造領域２６’とを含む。コア２０は、例えば、約１．８〜約２．３のα−値を有するα−プロファイルを有する段状の屈折率プロファイルまたは勾配のあるコアプロファイルを有し得る。ナノ構造領域２６’は、複数の空隙を有する環状のリングである。ナノ構造領域２６の’幅は約１．０μｍ〜約２．０μｍ程度の小さいものであり得、負の平均相対屈折率Δ２を有し得る。クラッド４０はナノ構造領域２６’を囲んでおり、クラッド４０は約１．０μｍ程度の小さい幅を有し得る。クラッド４０は、負、正、または略一定の相対屈折率を有し得る。図３Ａに示されている例と図３Ｂに示されている例との主な違いは、図３Ａに示されているナノ構造領域２６は光拡散ファイバ１２のコア２０内に位置し、図３Ｂに示されているナノ構造領域２６’はコア２０とクラッド４０との界面に位置する点である。中心線から半径方向外側に移動する方向において、ナノ構造領域２６’は、コアの相対屈折率が最初に約−０．０５％未満の値に達するところで開始する。図３Ｂに示されている実施形態では、クラッド４０は、最大の絶対的な大きさが約０．１％未満であり、Δ３ＭＡＸ＜０．０５％であり且つΔ３ＭＩＮ＞−０．０５％である相対屈折率プロファイルΔ３（ｒ）を有し、ナノ構造領域２６’は、空隙が詰まった領域内の最も外側の空隙が生じるところで終わる。更に、図３Ｂに示されるように、コア２０の屈折率は、ナノ構造領域２６’の屈折率ｎ２より大きく、クラッド４０の屈折率ｎ１も、ナノ構造領域の屈折率ｎ２より大きい。
【００５６】
図３Ｃは、本開示による光ファイバ１２の実施形態を示す。作製されたファイバ１２は、コア領域２２と、ナノ構造領域２６と、第３のコア領域２６と、ポリマークラッド４０とを有する。ファイバ１２は、約３３．４μｍの外半径Ｒ１を有する第１のコア領域２２と、約４２．８μの外半径Ｒ２を有するナノ構造領域２６と、約６２．５μｍの外半径Ｒ３を有する第３のコア領域２８と、約８２．５μｍの外半径Ｒ４を有するポリマークラッド４０（図示せず）とを有した。コアの材料は純粋なシリカとし、クラッド４０の材料は低屈折率ポリマー（例えば、米国ミシンガン州ミッドランドに所在するダウコーニング社からＱ３−６６９６の商品名で市販されている１．４１３の屈折率を有する紫外線硬化性シリコーン）とした。ファイバ１２は０．３のＮＡを有した。ファイバ１２は、ＳＯ２ガスを含むナノサイズ構造を有した。本出願人は、ナノ構造リング２６内のＳＯ２が充填された空隙にが、散乱に大きく寄与することを見出した。更に、ナノ構造を形成するためにＳＯ２ガスを用いた場合には、このガスが、熱可逆的な損失を得ることを可能にすることが見出された。即ち、６００℃より低い温度では、ナノ構造ファイバは光を散乱させるが、６００℃を超えると、同じファイバが光を導くようになる。このＳＯ２が付与する独特の挙動も、同じファイバを６００℃より低い温度に冷やした際には、ファイバ１２が光拡散光ファイバとして作用し、再び観察可能な散乱効果を生じる点で、可逆的である。
【００５７】
本開示の実施形態による光拡散ファイバ１２は、固化したガラスブランク内に、かなりの量のガスが閉じ込められることにより、固化したガラス光ファイバプリフォーム内における空隙の形成を生じる、プリフォーム固化条件を用いる方法によって製造され得る。これらの空隙を除去する工程を行うのではなく、得られたプリフォームは、空隙、即ちナノサイズ構造を内部に有する光ファイバを形成するために用いられる。得られたファイバのナノサイズ構造、即ち空隙は、光を、ファイバから出るように、ファイバの長さに沿ってファイバの側面を介して散乱または導光するために用いられる。即ち、所望の照明を提供するために、光は、コア２０から離れる方向にファイバの外面を通して導光される。
【００５８】
本明細書において用いられるナノサイズ構造（例えば、空隙等）の直径とは、ファイバの縦軸に対して横断方向の垂直な断面において光ファイバを見たときに、ナノサイズ構造内に含まれる、終点がナノサイズ構造の境界にある最も長い線分である。ナノサイズの空隙を有する光ファイバを製造する方法は、例えば、米国特許出願公開第２００７／０１０４４３７Ａｌ号明細書に記載されており、この文献を本明細書に参照して組み込む。
【００５９】
本開示の実施形態によれば、光拡散ファイバ１２は、ファイバ１２の長さに沿って均一な照明を提供する。ファイバの表面から軸方向に散乱する光は、平均散乱強度に対して約５０％未満、約３０％未満、約２０％未満、または約１０％未満のばらつきを有する。ナノサイズ構造を有しない従来のシリカ系光ファイバにおける主要な散乱機構は、広い角度分布を有するレイリー散乱である。ファイバの長さに沿った照明の均一性は、最小散乱照度が最大散乱照度の約０．７以上であるよう制御され得る。以下に述べるように、そのような最小散乱照度は、延伸プロセス中のファイバの張力を制御することによって、または、適切な延伸張力を選択することによって達成され得る。適切な延伸張力は、例えば、約３０ｇ〜約ｌ００ｇ、または約４０ｇ〜約９０ｇであり得る。
【００６０】
図４Ａは、例えば、ＳＯ２ガスが充填された空隙を含んだ図３Ｃに示されているようなファイバについての、波長に対する減衰のプロットである。この図は、９０ｇの張力で延伸された光拡散ファイバ１２および４００ｇの張力で延伸された光拡散ファイバ１２についての、波長の関数としての減衰を示す。図４Ａは、光拡散ファイバ１２が、可視波長範囲において、非常に大きい散乱損失を達成でき、従って、高い照度を提供できることを示している。より具体的には、図４Ａは、ファイバ延伸張力が高いほど、散乱損失が低くなり、ファイバ延伸張力が低いほど、高い散乱損失、およびそれに従って強い照明を有するファイバ部分が得られることを示している。
【００６１】
図４Ｂは、９０ｇの張力で延伸された光拡散ファイバ１２、４０ｇの張力で延伸された光拡散ファイバ１２、正規化された損失を有する比較例のマルチモードファイバ（ラベルづけされたファイバＡ）、および１／λの損失依存性を有する理論的なファイバについての、波長に対する減衰のプロットである。図４Ｂに示されている光拡散ファイバ１２は、ＳＯ２ガスを含むナノサイズ構造を含んだ。（図４Ｂのグラフは、損失の波長依存性を示す。この例では、光ファイバ１２とファイバＡとの散乱スロープを比較するために、２つのプロットを同じ図面に容易に示すことができるように、低損失ファイバ（ファイバＡ）の損失に２０を乗算した。）図示されるように、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの平均スペクトル減衰は、約４０ｇの張力で延伸されたファイバについては約０．４ｄＢ／ｍであり、約９０ｇの張力で延伸されたファイバについては約０．１ｄＢ／ｍであった。図４Ｂは、光ファイバ１２が、標準的なシングルモード伝送ファイバ（例えば、ＳＭＦ−２８ｅＲファイバ等）と比較して、波長に対する比較的平坦な（弱い）依存性を有することを示す。標準的なシングルモードまたはマルチモード光ファイバにおいては、約１３００ｎｍ未満の波長における損失はレイリー散乱によって支配される。これらのレイリー散乱損失は、材料の特性によって決定され、レイリー散乱損失がλ−ｐ（ここで、ｐは約４である）に比例する約４００ｎｍ〜約７００ｎｍ可視波長については、典型的には約２０ｄＢ／ｋｍである。それとは対照的に、本開示による光拡散ファイバ１２は１／λ−ｐ（ここで、ｐは２未満、１未満、または０．５未満である）に比例する散乱損失を有する。本開示の実施形態によれば、４００ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲の少なくとも約８０％にわたって、ｐは２未満、１未満、または０．５未満であり得る。
【００６２】
何らかの特定の理論に縛られるものではないが、延伸張力が例えば約９０ｇから約４０ｇまで減少した際の散乱損失の増加は、ナノ構造の平均直径の増加に起因すると考えられる。従って、このファイバ張力の効果は、延伸プロセス中のファイバ張力を変えることにより、ファイバの長さに沿った一定の減衰を生じるために用いられ得る。例えば、高い張力Ｔ１で延伸された、α１の損失および長さＬ１を有する第１のファイバセグメントは、光学パワーを入力レベルＰ０からＰ０ｅｘｐ（−α１＊Ｌｌ／４．３４３）まで減衰させる。第１のファイバセグメントに光学的に結合された、より低い張力Ｔ２で延伸された、α２の損失および長さＬ２を有する第２のファイバセグメントは、光学パワーをＰ０ｅｘｐ（−α１＊Ｌｌ／４．３４３）からＰ０ｅｘｐ（−α１＊Ｌｌ／４．３４３）ｅｘｐ（−α２＊Ｌ２／４．３４３）まで更に減衰させる。第１のファイバセグメントおよび第２のファイバセグメントの長さおよび減衰を調節することで、連結されたファイバの長さに沿って均一な強度を提供できる。
【００６３】
本開示の実施形態によれば、ファイバ１２は、発光団インクコーティングを含み得る。発光団インクは、散乱した光をより長い波長の光に変換する蛍光材料であり得る。そのようなコーティングを有する光拡散ファイバ１２を光源に結合することにより、ファイバ１２の外面から外に白色光が拡散され得る。例示的な実施形態では、蛍光白色光の角度分布は角度空間内において略均一である。例えば、蛍光白色光の角度分布は、角度空間内において約２５％〜約４００％、約５０％〜約２００％、約５０％〜約１５０％、約７０％〜約１３０％、または約８０％〜約１２０％である。
【００６４】
図５は、本開示の実施形態による照明システムの管状体１００を示す。管状体１００は光透過材料でできており、周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、遠位端部と近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔１０２とを有する。管状体１００は、柔軟な材料で形成され得る。柔軟な材料は、管状体１００を患者の開口部に挿入するのを容易にすると共に、管状体１００の少なくとも一部を、手術中に照明対象の解剖学的構造体内へと前進させるのを容易にする、非剛性の医療グレード材料であり得る。手術中に照明され得る例示的な解剖学的構造体としては、尿管、血管、胃腸腔、胆管、リンパ腔、髄腔、気管支腔、および鼻腔が挙げられるが、それらに限定されない。
【００６５】
管状体１００の少なくとも１つの内孔１０２は、光拡散光ファイバ１２を収容するのに十分に大きい内径を有する。例えば、ファイバ１２が約１２５μｍの外径を有する場合には、管状体１００の少なくとも１つの内孔１０２の内径は、約１２５μｍより大きい。管状体１００は、管状体１００が様々な形状およびサイズの解剖学的構造体内に挿入されるのを可能にする寸法を有するよう構成される。管状体１００の外径は、照明システムの全体的な寸法を制限するよう構成され得る。例えば、外径は、ファイバ１２の外径の約１１０％未満であり得る。或いは、外径は、ファイバ１２の外径の約１０５％未満、またはファイバ１２の外径の約１０１％未満であり得る。少なくとも１つの内孔１０２を説明する目的で、図５は、管状体１００の内径とファイバ１２の外径との間に間隙を示している。しかし、管状体１００の内径とファイバ１２の外径との間の間隙はほとんどまたは全くなくてもよく、ファイバ１２は管状体１００の内径に接触してもよい。
【００６６】
更に、管状体１００は、管状体１００を患者の開口部に挿入するのを可能にすると共に、管状体１００の少なくとも一部を、手術中に照明対象の解剖学的構造体内へと前進させるのを可能にする長さを有する。例えば、管状体１００は、約０．０２メートル〜約１００メートルの長さを有し得る。より具体的には、管状体１００は、約０．０２メートル〜約３．０メートルの長さを有し得る。管状体１００の長さは、光拡散光ファイバ１２の長さと略等しいものであり得る。或いは、管状体１００の長さは、光拡散光ファイバ１２の長さより小さいものであり得る。管状体１００の長さがファイバ１２の長さより小さい場合には、光ファイバ１２の更なる長さ部分は患者に挿入されず、医療処置中に患者の外側に位置して、ファイバ１２が光源に結合される位置まで延びることになる。
【００６７】
図６は、本開示の実施形態による照明システムの別の例示的な管状体２００を示す。管状体２００は、光拡散ファイバ１２を収容するよう構成された第１の内孔２０２と、管状体２００の遠位端部と近位端部との間に延びる第２の内孔２０４とを含む。第２の内孔２０４は両端部において開口しており、患者の内部の解剖学的構造体と外部の貯蔵部とを連通させる。例えば、管状体２００が患者の尿管を介して腎臓に導入される場合には、第２の内孔は、患者の腎臓から尿を排出するために用いられ得る。
【００６８】
照明システムは、光源も含む。「光源」という用語は、可視光範囲内の波長の電磁放射、または、可視波長範囲内の光を発するために発光団と相互作用可能な波長の電磁放射を発することができるレーザ、発光ダイオード、または他の構成要素を指す。「発光団」という用語は、発光を示す原子または化合物を指し、様々な蛍光色素および蛍光物質を含む。
【００６９】
本開示の実施形態によれば、光拡散ファイバ１２は、光源からの光がファイバに入力される端部とは反対側の光拡散ファイバ１２の端部に設けられたコーティングを含み得る。コーティングは、光拡散ファイバ１２内で導光される光がファイバの端部を透過して外に出るのを防止するように、光拡散ファイバ１２の端部の少なくとも一部を覆い得る。コーティングは、少なくともコアの端部を覆ってもよく、その周囲のクラッドの一部を覆ってもよい。コーティングは、例えば、反射コーティングまたは吸収コーティングであり得る。本開示の実施形態の特定の用途では、シリンダ形状の光拡散器の端部からの光の透過を制限して、拡散器から発せられた光の実質的に全てが拡散器の外面を通して発せられるようにすることが有利であり得る。
【００７０】
必要に応じて、照明システムは、外科的導入器を更に含み得る。導入器は、管状体を患者の内部の解剖学的構造体内へと案内するために用いられる高度な方向制御を有する管である。例えば、管状体が患者の尿管に導入される場合には、導入器は、管状体が尿管を通過して患者の腎臓と膀胱との間に配置され得るように、尿管を通り抜けるために用いられ得る。導入器自体は、ガイドワイヤにわたって前進され得る。導入器は、その近位端部に加えられる力によって、患者の解剖学的構造体を通して押されるのに十分な軸方向の強度を有すると共に、ねじれに抵抗しつつも、解剖学的構造体の形状に実質的に沿う十分な柔軟性を有するよう構成される。更に、導入器は、導入器が様々な形状およびサイズの解剖学的構造体に挿入されるのを可能にする寸法を有すると共に、管状体を収容するのに十分に大きい内径を有する少なくとも１つの内孔を有するよう構成される。
【００７１】
本明細書において、解剖学的構造体を照明する方法も提供される。本方法は、光透過材料でできた管状体の少なくとも一部を解剖学的構造体の内部に挿入する工程を含む。管状体は、周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、遠位端部と近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔であって、遠位端部における開口部および近位端部における開口部を有する少なくとも１つの内孔とを含む。管状体は、少なくとも１つの内孔内に配設された少なくとも１つの光拡散光ファイバであって、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、光源に光学的に結合された端部とを更に含む少なくとも１つの光拡散光ファイバを更に含む。ファイバは、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光をナノサイズ構造によってコアから離れる方向に外面を通して散乱させるよう構成される。本方法は、光源からの光を、光源に光学的に結合された少なくとも１つの光拡散光ファイバの端部に導入し、その光をファイバの外面を通して発して、光源ファイバ部をその長さにわたって照明する工程を更に含む。
【００７２】
本方法は、手術中に操作者が解剖学的構造体の一部に接触することを回避できるように、解剖学的構造体の一部を照明する工程を更に含み得る。或いは、本方法は、手術中に操作者が解剖学的構造体の一部を標的にできるように、解剖学的構造体の一部を照明する工程を更に含み得る。本明細書において用いられる照明する工程は、照明システムから発せられた光が解剖学的構造体を通過するように、解剖学的構造体を透照することを含み得る。或いは、照明する工程は、照明システムから発せられた光を、光が解剖学的構造体によって反射されるように、解剖学的構造体の表面に向かわせることを含み得る。
【００７３】
本方法は、細菌を含み得る解剖学的構造体または解剖学的構造体内の人体の物質を殺菌するために、解剖学的構造体の一部を短波長の可視光で照射する工程を更に含み得る。本明細書において用いられる「短波長の可視光」という用語は、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍである光の波長に対して用いられる。最近の研究では、短波長の可視光（例えば、紫色光および青色光等）が、特定の照射量で細菌を殺すことが示されている。そのような短波長の可視光は、例えば、約４００ｎｍ〜約４５０ｎｍ、または約４０５ｎｍ〜約４１５ｎｍであり得る。照射光は、例えば、患者内の細菌の存在によって生じる疾患を治療するために、解剖学的構造体内またはその周囲の組織または体液を殺菌するために用いられ得る。一例として、敗血症であると診断された患者の血管に、患者の血液中の細菌を低減またはなくすために短波長の可視光が照射され得る。他の疾患（例えば、感染症または嚢胞等）も、本開示に従って同様に治療され得る。
【００７４】
本開示の実施形態は、手術中の解剖学的構造体の照明を提供する。特に、複数の実施形態は、腹腔鏡手術中の解剖学的構造体の照明を提供し、低侵襲的処置中に、操作者が患者の内腔をより良好に可視化するのを可能にする。
【００７５】
複数の実施形態は、照明システム、特に管状体が、細い寸法を有すると共に柔軟であることを可能にする。これにより、患者の開口部への挿入が容易になると共に、管状体の少なくとも一部を、手術中に照明対象の解剖学的構造体内へと前進させるのが容易になる。更に、本明細書に記載される実施形態の細い寸法および柔軟性は、管状体が様々な形状およびサイズの解剖学的構造体に挿入されるのを可能にする。特に、管状体は、例えば、尿管、血管、胃腸腔、胆管、リンパ腔、髄腔、気管支腔、および鼻腔等であるが、それらに限定されない、より小さい解剖学的構造体に挿入されるのに十分に細いものであり得る。
【００７６】
更に、本開示の実施形態による光拡散光ファイバの使用は、可視波長範囲内の高い照度と、光拡散光ファイバの長さに沿って均一な照明とを提供する。高い照度は、照明された解剖学的構造体の明瞭な可視化を可能にし、それにより、手術中に操作者が解剖学的構造体に接触して意図せぬ傷を生じさせるリスクが低減される。同様に、ファイバの長さに沿って均一な照明は、解剖学的構造体全体の明瞭な可視化を可能にし、それにより、手術中に意図せぬ傷を生じさせるリスクが更に低減される。また、光源は、照明対象の解剖学的構造体から離れた位置に設けられるので、本開示の実施形態は、患者の内部に熱を導入しない。
【００７７】
上述の実施形態は、特定の外科手術または特定の解剖学的構造体に特有の特定の特徴を述べたが、本開示の実施形態はそのようには限定されず、本明細書に記載される照明システムは、任意の腹腔鏡手術中に解剖学的構造体を照明するために有利に用いられ得ることを理解されたい。
【００７８】
本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更および変形が行われ得ることが、当業者には自明である。
【００７９】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００８０】
実施形態１
手術装置用の照明システムにおいて、
光透過材料でできた管状体であって、周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、前記遠位端部と前記近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔とを含む管状体、
２００ｎｍ〜２０００ｎｍの少なくとも１つの波長を有する光を発生する光源、および、
前記少なくとも１つの内孔内に配設された少なくとも１つの光拡散光ファイバであって、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、前記光源に光学的に結合された端部とを更に含む少なくとも１つの光拡散光ファイバ
を含み、
前記ファイバが、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光を前記ナノサイズ構造によって前記コアから離れる方向に前記外面を通して散乱させるよう構成されたことを特徴とする照明システム。
【００８１】
実施形態２
前記光拡散光ファイバが、散乱によって生じる約５０ｄＢ／ｋｍを超える減衰を有する、実施形態１記載の照明システム。
【００８２】
実施形態３
前記管状体を解剖学的構造体内へと案内するよう構成された外科的導入器を更に含む、実施形態１記載の照明システム。
【００８３】
実施形態４
前記管状体が、前記遠位端部と前記近位端部との間に延びる第２の内孔を更に含む、実施形態１記載の照明システム。
【００８４】
実施形態５
前記光拡散光ファイバの放射が、最小散乱照度と最大散乱照度との間の差が該最大散乱照度の約３０％未満となるよう略均一である、実施形態１記載の照明システム。
【００８５】
実施形態６
前記光拡散光ファイバが、散乱によって生じる約１００ｄＢ／ｋｍ〜約６，０００ｄＢ／ｋｍの減衰を有する、実施形態１記載の照明システム。
【００８６】
実施形態７
前記ナノサイズ構造が、前記コア内に、またはコア−クラッド境界に位置する、実施形態１記載の照明システム。
【００８７】
実施形態８
前記コア全体がナノサイズ構造を有する、実施形態１記載の照明システム。
【００８８】
実施形態９
前記光拡散光ファイバの前記コアがシリカを含む、実施形態１記載の照明システム。
【００８９】
実施形態１０
前記ナノサイズ構造が前記コア内に位置する、実施形態７記載の照明システム。
【００９０】
実施形態１１
前記光拡散光ファイバの前記コアが、ゲルマニウムおよびフッ素から成る群から選択されるドーパントが添加されたシリカを含む、実施形態１記載の照明システム。
【００９１】
実施形態１２
前記クラッドがシリカ系ガラスまたはポリマーを含み、前記クラッドが少なくとも約２０μｍの厚さを有する、実施形態１記載の照明システム。
【００９２】
実施形態１３
略均一な散乱強度を提供するための、前記クラッドを囲むコーティング内に設けられた蛍光種および／または散乱種を更に含む、実施形態１記載の照明システム。
【００９３】
実施形態１４
前記光源が、２００〜５００ｎｍの波長範囲内の光を発生し、前記蛍光種および／または散乱種が、白色光、緑色光、赤色光、または近赤外（ＮＩＲ）光を発生する、実施形態１２記載の照明システム。
【００９４】
実施形態１５
前記ナノサイズ構造が、ガスが充填された約１０ｎｍより大きい直径を有する空隙である、実施形態１記載の照明システム。
【００９５】
実施形態１６
前記複数のナノサイズ構造が、コア−クラッド境界にナノ構造領域を形成し、該ナノ構造領域が、少なくとも約７．０μｍの幅を有する前記ナノサイズ構造を含み、前記クラッドが少なくとも約１２５μｍの直径を有する、実施形態１記載の照明システム。
【００９６】
実施形態１７
前記光源に光学的に結合された前記端部とは反対側の前記少なくとも１つの光拡散光ファイバの端部が反射コーティングでコーティングされた、実施形態１記載の照明システム。
【００９７】
実施形態１８
前記光源に光学的に結合された前記端部とは反対側の前記少なくとも１つのシリンダ形状の光拡散器の端部が吸収コーティングでコーティングされた、実施形態１記載の照明システム。
【００９８】
実施形態１９
前記光源が約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの少なくとも１つの波長を有する光を発生する、実施形態１記載のシステム。
【００９９】
実施形態２０
解剖学的構造体を照明する方法において、
光透過材料でできた管状体の少なくとも一部を、解剖学的構造体の内部に挿入する工程であって、前記管状体が、
周囲壁と、遠位端部と、近位端部と、前記遠位端部と前記近位端部との間に延びる少なくとも１つの内孔であって、前記遠位端部における開口部および前記近位端部における開口部を有する少なくとも１つの内孔と、
前記少なくとも１つの内孔内に配設された少なくとも１つの光拡散光ファイバであって、コアと、一次クラッドと、複数のナノサイズ構造とを有し、外面と、光源に光学的に結合された端部とを更に含み、その長さにわたって略均一な放射を発する長さを有する光源ファイバ部を構成するために、導光される光を前記ナノサイズ構造によって前記コアから離れる方向に前記外面を通して散乱させるよう構成された、少なくとも１つの光拡散光ファイバと
を含む、工程と、
前記光源からの光を、前記光源に光学的に結合された前記少なくとも１つの光拡散光ファイバの前記端部に導入し、前記光を前記ファイバの外面を通して発して、前記光源ファイバ部をその長さにわたって照明する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【０１００】
実施形態２１
前記解剖学的構造体が透照されるように、該解剖学的構造体の一部を照明する工程を更に含む、実施形態２０記載の方法。
【０１０１】
実施形態２２
前記ファイバの外面を通して発せられた光が前記解剖学的構造体によって反射されるように、該解剖学的構造体の一部を照明する工程を更に含む、実施形態２０記載の方法。
【０１０２】
実施形態２３
手術中に操作者が前記解剖学的構造体の一部に接触することを回避できるように、前記解剖学的構造体の前記一部を照明する工程を更に含む、実施形態２０記載の方法。
【０１０３】
実施形態２４
手術中に操作者が前記解剖学的構造体の一部を標的にできるように、前記解剖学的構造体の前記一部を照明する工程を更に含む、実施形態２０記載の方法。
【０１０４】
実施形態２５
前記光拡散光ファイバが、散乱によって生じる約５０ｄＢ／ｋｍを超える減衰を有する、実施形態２０記載の方法。 
【０１０５】
実施形態２６
前記光源からの光を導入する前記工程が、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの少なくとも１つの波長を有する光を導入することを含む、実施形態２０記載の方法。
【０１０６】
実施形態２７
前記光源からの光を導入する前記工程が、前記医療用装置の少なくとも一部が患者の体内に配置されている間に行われる、実施形態２０記載の方法。
【０１０７】
実施形態２８
前記光源からの光を導入する前記工程が、約４００ｎｍ〜約５００ｎｍの少なくとも１つの波長を有する光を導入することを含む、実施形態２７記載の方法。
【符号の説明】
【０１０８】
１２  光拡散ファイバ
２０  コア
２２  中実の中心領域
２６  ナノ構造リング部分
２８  中実の外側部分（コア内側環状領域）
３１  ガラスマトリックス
３２  ナノサイズ構造
４０  クラッド
４４  コーティング
４８  側面
１００、２００  管状体
１０２  少なくとも１つの内孔
【図１】
2018516609.tif 000003
【図２】
2018516609.tif 000004
【図３Ａ】
2018516609.tif 000005
【図３Ｂ】
2018516609.tif 000006
【図３Ｃ】
2018516609.tif 000007
【図４Ａ】
2018516609.tif 000008
【図４Ｂ】
2018516609.tif 000009
【図５】
2018516609.tif 000010
【図６】
2018516609.tif 000011
【国際調査報告】
2018516609.tif 000012
2018516609.tif 000013