Светорассеивающие устройства для использования в фотоиммунотерапии
LIGHT-SCATTERING DEVICES FOR USE IN PHOTOIMMUNOTHERAPY

ИСПРАШИВАНИЕ ПРИОРИТЕТА, СВЯЗАННОГО С ДАТОЙ ПОДАЧИ ЗАЯВКИ
[0001] Данная заявка претендует на преимущество, связанное с датой подачи предварительной заявки на патент США, серийный № 62/412,606, под названием: «Светорассеивающее устройство для использования в фотоиммунотерапии», поданной 25 октября 2016 года и предварительной заявки на патент США, серийный номер 62/529,507, под названием: «Фронтальное светорассеивающее устройство для использования в фотоиммунотерапии», поданной 7 июля 2017 года, которая включена сюда посредством ссылки для любых целей.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к медицинскому устройству для проведения фотоиммунотерапии («ФИТ»), фотодинамической терапии («ФДТ») или другим способам лечения путем воздействия активированного света на ткани организма, клеточные или неклеточные организмы и способам применения такого медицинского устройства в ФИТ, ФДТ или других способах лечения активированным светом. Более конкретно, данное изобретение представляет собой оптоволоконный рассеиватель, предназначенный для доставки света с желаемым распределением облучения и длиной волны для ФИТ, ФДТ или других видов фототерапии в обрабатываемую область.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] ФИТ, ФДТ и другие способы лечения активированным светом применяют для лечения различных расстройств и заболеваний. ФИТ и ФДТ и другие способы лечения активированным светом часто включают использование экзогенного или эндогенного фотосенсибилизирующего агента или вещества, активируемого электромагнитным излучением (например, светом, таким как лазерный свет, светодиодный свет и т. д.). ФИТ основана на новой лекарственной системе, состоящей из нацеленного на раковые клетки моноклонального антитела, конъюгированного с молекулой фотоактивируемого вещества. Целевой агент может включать другие функциональные компоненты, такие как лиганды, вирусный капсид, пептиды, липосомы, наночастицы и т.д. Данный лекарственный конъюгат не является фармакологически активным до тех пор, пока данный конъюгат не свяжется с раковыми клетками и не приобретет противоопухолевую активность при опосредованной светом активации в участке расположения опухоли. Нацеленность на опухоль и точная контекстная активация данного лекарственного препарата обеспечивают исключительную специфичность к раковым клеткам и обеспечивают быстрое уничтожение раковых клеток без повреждения окружающих здоровых тканей. ФИТ является высокоэффективным способом лечения рака, и данный способ лечения применим с использованием множества типов моноклональных антител и других нацеленных функциональных компонентов, что обеспечивает нацеливание на широкий спектр раковых антигенов и типов опухолей. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничивается нацеливанием на участки локализации опухоли. Вместо этого настоящее изобретение также может быть использовано для воздействия на другие клеточные и бесклеточные организмы, включая бактерии, грибки, вирусы, прионы и т.д. для лечения или предотвращения заболевания(й).
2
[0004] Основные требования, предъявляемые к источникам света, используемым для ФИТ и/или ФДТ, следующие: данные источники должны соответствовать спектру активации экзогенного или эндогенного фотосенсибилизатора (обычно это максимальная длина волны абсорбции) и генерировать надлежащую мощность на данной длине волны, которую можно эргономично и с высокой эффективностью доставить в целевую ткань. Как правило, для доставки лечения в течение десятков минут необходима полезная мощность 1-5 Вт в диапазоне длин волн 630-850 нм при излучении до нескольких сотен мВт/см. Кроме того, данные источники должны быть надежными в клинических условиях и быть экономически эффективными.
[0005] Для освещения обрабатываемой области («область лечения») обычно применяют цилиндрические и фронтальные (поверхностные) рассеиватели, иногда также называемые «микролинзовыми рассеивателями». Оптоволоконные цилиндрические (боковое свечение) и поверхностные (фронтальное свечение) рассеиватели состоят из мультимодальных волоконных сборок с круглой структурой сердцевина/оболочка с диаметром сердцевины волокна 50-1000 мкм с прикрепленной рассеивающей секцией, которая может быть подключена непосредственно к источнику света, например, через оптический разъем.
I. Обычные цилиндрические рассеиватели света
[0006] На ФИГ. 1 приведен пример типичного имеющегося в продаже цилиндрического светорассеивающего устройства 100, содержащего оптический разъем 10, соединяющийся с источником света (не показан) на одном конце, оптическое волокно 12 и цилиндрический рассеиватель 16 на другом конце. Во время работы оптическое волокно 12 находится в оптической связи с цилиндрическим светорассеивателем 16, в результате чего цилиндрический светорассеиватель 16 выводит свет в продольно-радиально-симметричное распределение излучения 18 по продольной длине 19 цилиндрического светорассеивателя 16.
2
2
[0007] Карта освещенности в вертикальном (т.е. широтном) поперечном сечении (показано цифрой «11» на ФИГ. 1) через сердцевину оптического волокна 12, взятая непосредственно перед тем, как оптическое волокно 12 входит в цилиндрический светорассеиватель 16, представлена на ФИГ. 2. В данном примерном варианте осуществления изобретения используемый источник света представляет собой лазер с длиной волны 690 нм с выходной мощностью 1 Вт, и данную мощность регулировали до тех пор, пока излучение 18, измеряемое в центре 17 продольной длины рассеивателя 16, не составило 150 мВт/см. Данное измерение проводят на расстоянии 0,75 мм от центральной оси указанного местоположения светорассеивателя 16. Длина оптического волокна 12 от источника света, ведущего к цилиндрическому рассеивателю 16 («ведущее волокно»), составляет 2 метра. Наружный диаметр («НД») стеклянной сердцевины оптоволокна 12 составляет 700 μм и НД оболочки составляет 740 μм. Во время работы оптическое волокно 12 заполняется лазерным излучением с угловым распределением числовой апертуры («ЧА») 0,22. Поперечное сечение 11 измеряли через 2 метра ведущего волокна (12). Соответствующие графики распределения освещенности на ФИГ. 2, составленные по результатам измерений, проведенных в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через центр карты освещенности, указывают на плохую пространственную однородность распределения излучения в сердцевине оптического волокна 12 («распределение излучения в сердцевине волокна»). Большие значения в центре графиков указывают на то, что излучение в центре сердцевины волокна значительно выше, чем вблизи краев волокна. На графике в верхней части ФИГ. 2 показано распределение освещенности горизонтального поперечного сечения, в то время как на графике в правой стороне ФИГ. 2 показано распределение освещенности в вертикальном сечении. Как показано на ФИГ. 2, оба графика имеют две оси: одна ось представляет ширину (например, диаметр) в мм, а другая ось представляет освещенность в Вт/см.
2
[0008] Не только распределение излучения внутри сердцевины оптического волокна 12 характеризуется плохой пространственной однородностью, но и исходящее продольное радиально-симметричное распределение излучения вдоль внешней поверхности излучающего эмиссионного участка цилиндрического светорассеивателя 16 («распределение рассеянного излучения») также характеризуется плохой пространственной однородностью, и это приводит к неидеальному распределению излучения, как показано на ФИГ. 3. Такое неравномерное распределение освещенности нежелательно, поскольку однородность освещенности не удовлетворяет потребности в надлежащей «дозиметрии», которая означает правильное излучение в области силы света/площади поверхности для оптимальной эффективности лечения. На ФИГ. 3 на горизонтальной оси представлена продольная длина (в мм), используемая для измерения длины 19 цилиндрического светорассеивателя 16, и на вертикальной оси показано исходящее излучение на поверхности цилиндрического светорассеивателя 16 в Вт/см, измеренное на расстоянии 0,75 мм от центральной оси.
[0009] На ФИГ. 4 представлен пример типичного имеющегося в продаже цилиндрического светорассеивающего устройства 200, содержащего оптический разъем 20, соединяющий источник света (не показан) на одном конце и оптическое волокно 22 и цилиндрический рассеиватель 26 на другом конце. Во время работы оптическое волокно 22 находится в световом сообщении со смесителем 24 мод и цилиндрическим светорассеивателем 26, и это приводит к тому, что цилиндрический светорассеиватель 26 пропускает свет в продольно-радиально-симметричном распределении 28 излучения по продольной длине 29 цилиндрического светорассеивателя 26.
2
2
[0010] На ФИГ. 5 представлена карта освещенности в вертикальном сечении (обозначена цифрой «21» на ФИГ. 4) через сердцевину оптического волокна 22, проходящего непосредственно перед тем, как оптическое волокно 22 входит в цилиндрический светорассеиватель 26. В данном примерном варианте осуществления изобретения используемый источник света представляет собой лазер с длиной волны 690 нм и выходной мощностью 1 Вт, и данную мощность регулировали до тех пор, пока излучение 28, измеряемое в центре 27 продольной длины рассеивателя 26, не составило 150 мВт/см. Данное измерение проводят на расстоянии 0,75 мм от центральной оси указанного местоположения светорассеивателя 26. Длина оптического волокна 22 от источника света, ведущего к цилиндрическому рассеивателю 26 («ведущее волокно»), составляет 2 метра. Оптическое волокно 22 имеет стеклянную сердцевину с наружным диаметром 700 мкм и оболочку с наружным диаметром 740 мкм. Во время работы оптическое волокно 22 заполняется лазерным излучением с угловым распределением числовой апертуры («ЧА») 0,22. Поперечное сечение 21 измерили через 2 метра ведущего волокна (22). В отличие от ФИГ. 2, на соответствующих графиках распределения освещенности, представленных на ФИГ. 5, составленных по результатам измерений, проведенных в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через центр карты освещенности, показано, что при использовании смесителя мод (24) с оптическим волокном 22 достигается «top hat» профиль распределения освещенности (т. е., изменение распределения интенсивности излучения по всему сечению составляет менее ±20% от средней интенсивности излучения, и это указывает на высокую степень однородности распределения интенсивности излучения в сердцевине волокна 22 (например, оптимальное распределение интенсивности излучения в сердцевине). Подобно ФИГ. 2 на графике в верхней части ФИГ. 5 представлено распределение освещенности в горизонтальном поперечном сечении, в то время как на графике на правой стороне ФИГ. 5 представлено распределение освещенности в вертикальном поперечном сечении. Как показано на ФИГ. 5, оба графика имеют две оси: на одной оси представлена ширина (например, диаметр) в мм, а на другой оси представлена освещенность в Вт/см.
0
2
[0011] В отличие от графика, представленного на ФИГ. 3, исходящее продольное радиально-симметричное распределение излучения вдоль внешней поверхности излучающего эмиссионного участка цилиндрического светорассеивателя 26 (например, распределение рассеивающего излучения) характеризуется пространственной однородностью, и это приводит к оптимальному «top hat» распределению рассеянного излучения, как показано на ФИГ. 6. На ФИГ. 6 показано, что изменение распределения исходящего излучения должно быть «цилиндром» с менее чем ±20% от среднего значения («I») оптического излучения для цилиндрического светорассеивателя в терминах распределения радиально испускаемого излучения (например, оптимального распределения рассеянного излучения). На горизонтальной оси на ФИГ. 6 представлена продольная длина в мм, и горизонтальная стрелка указывает на длину 29 цилиндрического светорассеивателя 26. На вертикальной оси на ФИГ. 6 представлена плотность исходящего излучения на поверхности цилиндрического светорассеивателя 26 в Вт/см, которую измеряли на расстоянии 0,75 мм от центральной оси.
[0012] Как показано выше, для достижения «top hat» распределения рассеянного излучения для обычного цилиндрического светорассеивателя требуется оптимальное смешивание мод (например, с использованием эффективного смесителя мод) в оптическом волокне. Смеситель мод 24, представленный на ФИГ. 4, создается в оптическом волокне 22 серией из пяти последовательных изгибов с переменным радиусом. Другой обычный способ смешивания мод (не показан) состоит в том, чтобы несколько раз плотно обернуть оптическое волокно 22 вокруг объекта (например, вокруг оправки). Применение данных популярных способов смешивания мод приводит к созданию пространственной однородности за счет увеличения потерь при передаче, что часто приводит к потерям, составляющим ≥50%. Кроме того, использование данных способов также приводит к созданию точек напряжения внутри оптического волокна 22. Напряжение внутри оптического волокна является проблемой в связи с тем, что данное напряжение может привести к необратимому повреждению данного оптического волокна, поскольку наличие микроизгиба приводит к повышению изгибающей силы оптического волокна до максимального предельного значения усталости стеклянного волокна. Кроме того, данные оптические узлы с цилиндрическим рассеивателем иногда применяют с оптической мощностью, которая может превышать 1 Вт, что приводит к еще большему снижению максимальных предельных значений усталости вследствие теплового нагрева светом, потерянного от сердцевины волокна. Данная проблема теплового нагрева может оказать негативное влияние как на стекло, так и на полимерные материалы. На практике произошло термическое разрушение смесителей мод, что представляет собой один из основных факторов, способствующих замене данных традиционных смесителей мод альтернативными в соответствии с описанным изобретением.
2
[0013] Следует обратить внимание на то, что эффективный смеситель мод сам по себе является недостаточным для обеспечения диффузного распределения рассеянного излучения. Также необходим эффективный рассеиватель света или светорассеивающий элемент. Для цилиндрических светорассеивателей на участке светорассеивателя обычно применяют дополнительные элементы и/или обработку участка светорассеивателя для достижения «top hat» распределения рассеянного излучения. Как показано на ФИГ. 7, одним обычным способом является удаление оболочки наконечника 30 волокна (участка рассеивания) и травление оголенной сердцевины волокна плавиковой кислотой или шлифование ее на полировочном устройстве. Полученный в результате конический наконечник с матированной поверхностью затем покрывают защитной прозрачной оболочкой 32. Со ссылкой на ФИГ. 8 другим традиционным способом является изготовление отдельного светорассеивателя 34, содержащего рассеивающую среду 36, состоящей из частиц оксида титана (TiO) микронного размера, встроенных в прозрачный эпоксидный или силиконовый эластомер, помещенный в защитную тефлоновую оболочку 38. Отражатель 40, прикрепленный к пластиковой заглушке 42, затем вставляют в открытый дистальный конец данной оболочки 38. Назначение заглушки 42 с покрытием состоит в отражении любого света, сохраняемого при прямом распространении обратно через рассеивающую среду 36, где он может быть перераспределен, что приводит к улучшению однородности профиля эмиссии. Еще один способ конструирования может быть описан как гибрид двух ранее описанных способов, отличающийся тем, что оболочку оптического волокна механически удаляют, оставляя поверхность сердцевины шероховатой. Затем данную поверхность покрывают силиконовым эластомером, на который наносят второй слой эластомера, пропитанный частицами оксида титана. Наконец, весь рассеивающий наконечник помещают в наружную трубку из ПТФЭ, на конце которой, в свою очередь, расположен отражающий концевой колпачок способом, аналогичным описанному выше способу и представленному на ФИГ. 8. Данные описанные способы являются дорогостоящими, трудоемкими и времязатратными. Поэтому данные светорассеиватели очень дорогие.
[0014] Следует отметить, что существуют другие обычные технологии получения рассеивателя света, способного создавать «top hat» распределение рассеянного излучения, например, снабженные светорассеивающими элементами на внешней стороне поверхности оптического волокна (такими, как углубления, резьба, выемки, общая шероховатость или им подобные). Данные способы являются трудоемкими, и получаемая в результате однородность структуры светового потока сильно зависит от постоянного диаметра волокна, который может варьировать до ±5%, и это затрудняет достижение постоянных и воспроизводимых результатов в процессе производства. Кроме того, характеристики рассеивания света на гладкой внешней поверхности волокна часто оказывают влияние на механическую прочность волокна, таким образом, что, например, прочность на растяжение существенно снижается.
II. Обычные фронтальные рассеиватели света
[0015] Со ссылкой на ФИГ. 37A, примерный вариант осуществления типичного фронтального (поверхностного) рассеивателя 500 принимает свет с длиной волны 690 нм, вводимый в оптическое волокно 506 (например, цилиндрическое оптическое волокно) с сердцевиной волокна диаметром 550 мкм через оптоволоконный соединитель 503. Линзовый компонент 504 с градиентным индексом («GRIN»), с углом наклона ¼, с шагом 1 мм, расположенный на выходной поверхности 510 дистального конца оптического волокна 506, генерирует выходной свет 502. Поскольку желаемая область лечения (т.е. мишень) 508 имеет гораздо больший диаметр (например, 42 мм) по сравнению с диаметром оптического волокна 506 (например, 550 мкм), то эффект линзового компонента 504 в первом приближении заключается в формировании изображения выходной поверхности 510 оптического волокна 506 на поверхности мишени 508, где мишень 508 расположена на некотором расстоянии отклонения 512 (например, 64 мм) от линзового компонента 504. Таким образом, пространственное распределение излучения поперечного сечения вдоль мишени 508, как показано на ФИГ. 37C, тесно связано с пространственным распределением излучения вдоль поперечного сечения 510, как показано на ФИГ. 37B. Следует отметить, что данный примерный вариант осуществления характеризуется низкими потерями (например, -0,25 дБ), где входная мощность 1,0 Вт является достаточной для создания распределения излучения, представленной на ФИГ. 37C. Распределение пространственной освещенности волокна на 510 цилиндрического волокна 506 обычно является неоднородным, что приводит к неоднородному целевому распределению пространственной освещенности на мишени 508. Это не является идеальным для применения в ФИТ и ФДТ, где требуется постоянное, равномерное распределение пространственной освещенности по всей мишени 508 - области лечения.
[0016] Со ссылкой на ФИГ. 38A типичный предшествующий уровень техники является решением проблемы неоднородного целевого распределения пространственной освещенности в мишени 508, как показано на ФИГ. 37C, путем включения участка смешивания мод 520 в волокне 506 в предварительно определенном удаленном местоположении перед линзовым компонентом 504. Назначение участка смешения мод 520 состоит в преобразовании неравномерного распределения пространственного излучения в поперечном сечении на участке 510, как показано на ФИГ. 38B, к значительно более равномерному распределению поперечного сечения пространственной освещенности на участке 514, как показано на ФИГ. 38C. Следовательно, как показано на ФИГ. 38D, целевое распределение пространственного излучения, создаваемое линзовым компонентом 504 на мишени 508, будет характеризоваться пространственным распределением излучения, которое также является более равномерным.
[0017] Типичный участок смешивания мод 520 предшествующего уровня техники не только создает более равномерное распределение пространственной освещенности волокна, но также создает более равномерное распределение угловой интенсивности на выходе волокна 506. Однако при использовании проекционной линзы 504 для освещения мишени 508, как показано на ФИГ. 38А, распределение угловой интенсивности не так важно, как распределение пространственной освещенности. Это обусловлено тем, что изображение, сформированное проекционной линзой 504, по существу отображает весь свет, поступающий из одного местоположения в волокне 506 в местоположение на мишени 508 вне зависимости от угла излучения.
[0018] Как обсуждалось выше, участок смешивания мод 520, найденный в предшествующем уровне техники, может быть изготовлен из змеевидного участка с одним или несколькими изгибами с жестким радиусом, как показано на ФИГ. 39А-39В, спирального участка из плотно прилегающих друг к другу петель с изгибом малого радиуса, как показано на ФИГ. 39C, или участка с несколькими витками спирали с изгибом малого радиуса, как показано на ФИГ. 39D. Также могут быть использованы другие раскрытые в данной области техники варианты осуществления участка смешивания мод 520 (например, чередующиеся участки оптических волокон с плавным и ступенчато изменяющимся показателем преломления и т. д.). Однако все данные способы имеют существенный недостаток: они создают хорошее смешивание мод за счет создания больших потерь в участке смешивания мод 520. В одном примерном варианте осуществления изобретения предшествующего уровня техники конфигурация на ФИГ. 38А идентична конфигурации на ФИГ. 37А с добавлением участка смешивания мод 520, образованного, как показано на ФИГ. 39А, с радиусами изгиба 7,5 мм. Данный вариант осуществления изобретения характеризуется потерей -2,32 дБ, и для этого необходимо 3,25 Вт входной мощности для генерации распределения излучения на мишени, представленной на ФИГ. 38D.
[0019] В самом худшем случае данные потери означают утечки мощности из волокна 506, достаточные для нагревания участка 520 смешения мод, что приводит к катастрофическому отказу светорассеивателя 500 и даже представляет собой проблему безопасности для оператора и пациента. Более подробные недостатки заключаются в том, что потери, которые несут эти типы участков 520 смесителя мод, имеют тенденцию варьировать от устройства к устройству, что затрудняет производство согласованного продукта и затрудняет калибровку выходного сигнала при сопряжении одного устройства с другим источником света.
[0020] Следует отметить, что линзовый компонент 504 может состоять из комбинации одного или нескольких оптических элементов, включая сферические, асферические, градиентные и дифракционные элементы. В типичном известном уровне техники волокно 506 и линза 504 часто являются частью одноразового узла, и линзовый компонент 504 имеет тенденцию иметь небольшой диаметр.
[0021] Со ссылкой на ФИГ. 40A, это создает условие, при котором луч света 502, выходящий из линзового компонента 504, является расходящимся. Склонность к неоднозначности, по природе свойственная типичной проекционной линзе 504 приводит к разным размерам луча в точках 516, 508 и 518 целевого местоположения, расположенных на некотором расстоянии 520, 512 и 522, соответственно, на ФИГ. 40А. При перемещении мишени из положения 516, после 508 с окончанием в 518, общая мощность в итоговом луче остается без изменений. Однако, как показано на основании целевых распределений пространственной освещенности на ФИГ. 40B, размер распределения освещенности в целевых местоположениях увеличивается с расстоянием, в то время как значение показателя освещенности падает. Это не соответствует идеальной ситуации, поскольку величина излучения данного луча (мощность/площадь) снижается в соответствии с функцией расстояния от выходной поверхности линзового компонента 504, в то время как освещаемая область увеличивается, и это приводит только к узкому диапазону значений отклонения, где облучение соответствует желаемым значениям для проведения лечения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
[0022] Признаки и изобретательские аспекты настоящего изобретения станут более очевидными после прочтения следующего подробного описания, формулы изобретения и чертежей, краткое описание которых приведено далее.
ФИГ. 1 представляет собой графическое изображение примерного цилиндрического светорассеивающего устройства предшествующего уровня техники;
ФИГ. 2 - карта освещенности в вертикальном сечении оптического волокна цилиндрического светорассеивающего устройства, как показано на ФИГ. 1 и связанных с ним графиках распределения освещенности;
ФИГ. 3 - график распределения продольно-радиально-симметричного распределения исходящего излучения цилиндрического светорассеивающего устройства, как показано на ФИГ. 1;
ФИГ. 4 - графическое изображение примерного цилиндрического светорассеивающего устройства предшествующего уровня техники, отличающееся тем, что используют смеситель мод;
ФИГ. 5 - карта освещенности в вертикальном сечении оптического волокна цилиндрического светорассеивающего устройства, как показано на ФИГ. 3 и связанных с ним графиках распределения освещенности;
ФИГ. 6 - график распределения продольно-радиально-симметричного распределения исходящего излучения цилиндрического светорассеивающего устройства, как показано на ФИГ. 3;
ФИГ. 7 - графическое изображение примерного цилиндрического светорассеивателя предшествующего уровня техники;
ФИГ. 8 - графическое изображение другого примерного цилиндрического светорассеивателя предшествующего уровня техники;
ФИГ. 9 - графическое изображение цилиндрического светорассеивающего устройства в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ. 10 - вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 11 - графическое изображение другого варианта цилиндрического светорассеивающего устройства в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ. 12 - вертикальное поперечное сечение некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 13 - вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 14 - вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна примерного варианта осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 15 - вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна примерного варианта осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 16 - вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна примерного варианта осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 17 представляет собой вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 18 - вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света;
ФИГ. 19 - вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна примерного варианта осуществления настоящего изобретения на участке с внутренним свойством рассеивания света на участке рассеивания света;
ФИГ. 20 представляет собой вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения на участке с внутренним свойством рассеивания света на участке рассеивания света;
ФИГ. 21 представляет собой вертикальное поперечное сечение некруглой сердцевины волокна примерного варианта осуществления настоящего изобретения на участке с внутренним свойством рассеивания света на участке рассеивания света;
ФИГ. 22 представляет собой вид в вертикальном сечении некруглой сердцевины волокна примерного варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением на участке с внутренним свойством рассеивания света на участке рассеивания света с другим набором внутренних характеристик рассеивания.
ФИГ. 23 - вид в продольном сечении светорассеивающего участка некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 24 - вид в продольном сечении светорассеивающего участка некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 25 - вид в продольном сечении светорассеивающего участка некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 26 - вид в продольном сечении светорассеивающего участка некруглой сердцевины волокна в примерном варианте осуществления настоящего изобретения;
ФИГ. 27 - карта освещенности в вертикальном сечении оптического волокна цилиндрического светорассеивающего устройства, представленного на ФИГ. 9 и 14 и связанные с ними графики распределения освещенности;
ФИГ. 28 - график распределения продольно-радиально-симметричного распределения исходящего излучения цилиндрического светорассеивающего устройства, представленного на ФИГ. 9, 10 и 14;
ФИГ. 29 - вертикальное поперечное сечение сердцевины волокна квадратной формы в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения с проецируемыми траекториями его косых и меридиональных лучей;
ФИГ. 30 - вертикальный разрез поперечного сечения сердцевины волокна в соответствии с примерным вариантом осуществления изобретения с проецируемыми траекториями его косых и меридиональных лучей;
ФИГ. 31 - графическое изображение примерного цилиндрического светорассеивающего устройства в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ. 32 - карта освещенности в вертикальном сечении оптического волокна цилиндрического светорассеивающего устройства, представленного на ФИГ. 31, и связанные с ним графики распределения освещенности;
ФИГ. 33 представляет собой вертикальный разрез поперечного сечения сердцевины волокна примерного варианта осуществления изобретения на участке с внутренним свойством рассеивания света;
ФИГ. 34 - график распределения продольно-радиально-симметричного распределения исходящего излучения цилиндрического светорассеивающего устройства из ПРИМЕРА II;
ФИГ. 35 - карта освещенности в вертикальном поперечном сечении оптического волокна цилиндрического светорассеивающего устройства, как показано на ФИГ. 11 и 12 и связанные с ними графики распределения освещенности;
ФИГ. 36 - график распределения продольно-радиально-симметричного распределения исходящего излучения цилиндрического светорассеивающего устройства, как показано на ФИГ. 11 и 12;
ФИГ. 37А - графическое изображение примерного фронтального светорассеивающего устройства из уровня техники;
ФИГ. 37B представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (510) оптического волокна фронтального светорассеивающего устройства на ФИГ. 37А; ФИГ. 37C представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (508) мишени с использованием фронтального светорассеивающего устройства на ФИГ. 37А;
ФИГ. 38А представляет собой графическое изображение фронтальное светорассеивающее устройство известного уровня техники с участком смешивания мод;
ФИГ. 38B представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (510) оптического волокна устройства фронтального рассеивания света, представленного на ФИГ. 38А;
ФИГ. 38C представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (514) оптического волокна устройства фронтального рассеивания света, представленного на ФИГ. 38А;
ФИГ. 38D представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (508) мишени с использованием фронтального светорассеивающего устройства, представленного на ФИГ. 38А;
ФИГ. 39А представляет собой графическое изображение участка смешивания оптоволоконных мод предшествующего уровня техники с четырьмя четвертными оборотами с малыми радиусами;
ФИГ. 39B представляет собой графическое изображение участка смешивания оптоволоконных мод предшествующего уровня техники с двенадцатью четвертными оборотами с малыми радиусами;
ФИГ. 39C представляет собой графическое изображение участка смешивания оптоволоконных мод предшествующего уровня техники с тремя петлями малого радиуса, образованными вокруг оси, перпендикулярной оси волокна;
ФИГ. 39D представляет собой графическое изображение участка смешивания оптоволоконных мод предшествующего уровня техники с двумя спиральными петлями, образованными вокруг оси, параллельной оси волокна;
ФИГ. 40А представляет собой графическое изображение устройства фронтального рассеивания света предшествующего уровня техники, представленного с целевой областью лечения на различных расстояниях отклонения (520, 512, 522);
ФИГ. 40B представляет собой график распределений пространственного излучения вдоль вертикальных поперечных сечений (516, 508, 518) целевой области лечения на различных расстояниях отклонения (520, 512, 522) с использованием устройства фронтального рассеивания света на ФИГ. 40А;
ФИГ. 41А представляет собой графическое изображение примерного варианта осуществления фронтального светорассеивающего устройства в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ. 41B представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (608) оптического волокна устройства фронтального рассеивания света, представленного на ФИГ. 41А;
ФИГ. 41C представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (610) оптического волокна устройства фронтального рассеивания света, представленного на ФИГ. 41А;
ФИГ. 41D представляет собой график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (614) цели с использованием фронтального светорассеивающего устройства, представленного на ФИГ. 41А;
ФИГ. 42А представляет собой графическое изображение другого примерного варианта осуществления изобретения - фронтального светорассеивающего устройства в соответствии с настоящим изобретением;
ФИГ. 42B - график распределения пространственного излучения вдоль вертикального поперечного сечения (718) фронтального светорассеивающего устройства, как показано на ФИГ. 42А и вдоль вертикальных поперечных сечений (720, 722) целевой области лечения на двух расстояниях (724, 726) отклонения, полученные с использованием фронтального светорассеивающего устройства, представленного на ФИГ. 42А; и
ФИГ. 43 представляет собой вертикальное поперечное сечение некруглой сердцевины волокна примерного варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением на участке непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом участка рассеивания света.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
I. Светорассеивающее устройство, обеспечивающее «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна без обычного смесителя мод
[0023] Со ссылкой на ФИГ. 9-26 настоящее изобретение представляет собой светорассеивающее устройство 300 с некруглым волокном 302, сердцевина которого обеспечивает «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна (т.е. оптимальное распределение излучения в сердцевине волокна) без необходимости использования смесителя мод (например, 24, представленный на ФИГ. 4). Светорассеивающее устройство 300 в соответствии с настоящим изобретением испускает излучение в виде радиально-симметричного продольного «top hat» рассеивающего излучения (т.е. в виде оптимального распределения рассеивающего излучения) без необходимости использования вышеописанных известных рассеивателей света и/или светорассеивающих участков.
[0024] Со ссылкой на ФИГ. 9 и 11 устройство 300 дополнительно включает вводное оптическое волокно 304 и, по меньшей мере, один оптический соединитель 306. Во время работы один конец вводного оптического волокна 304 находится в световой связи с источником света (не показан), тогда как другой конец вводного оптического волокна 304 находится в световой связи с проксимальным концом некруглого базового волокна 302 посредством, по меньшей мере, одного оптического соединителя 306, как показано на ФИГ. 9 и 11. Некруглая сердцевина волокна 302 дополнительно включает участок рассеивания света 308, имеющий рассеивающий проксимальный конец 310 и рассеивающий дистальный конец 312.
[0025] В примерных вариантах осуществления, представленных на ФИГ. 9 и 11, участок светорассеивания 308 расположен вблизи дистального конца некруглой сердцевины волокна 302. Кроме того, некруглая сердцевина волокна 302 может при необходимости включать в себя средство светоизоляции 314 (например, физический колпачок, покрытие, например, алюминиевое напыление или ему подобное), которое предотвращает поверхностное или фронтальное излучение света дистальным концом некруглого волокна с сердцевиной 302. В одном варианте осуществления изобретения средство светоизоляции 314 представляет собой зеркало, которое отражает свет и использует его повторно, избегая при этом чрезмерного освещения области лечения. Это обеспечивает высокоэффективное светорассеивающее устройство, поскольку только приблизительно 6% запускаемого света возвращается обратно во вводное оптическое волокно 304.
[0026] В одном варианте осуществления изобретения вводное оптическое волокно 304 соединено с источником света через дополнительный оптический соединитель 306. Вводное оптическое волокно 304 может представлять собой любое обычное оптическое волокно, включая, но не ограничиваясь оптическим волокном (12, 22), описанным выше. По меньшей мере, один оптический соединитель 306 соединяет и позволяет вводному оптическому волокну 304 находиться в световой связи с некруглым базовым волокном 302 во время работы. Альтернативой по меньшей мере одному оптическому соединителю 306 является обычное клеевое или сварное соединение между вводным оптическим волокном 304 и некруглым внутренним волокном 302. Кроме того, и в альтернативном примерном варианте осуществления изобретения некруглая сердцевина волокна 302 фактически также служит в качестве вводного оптического волокна 304 (что приводит к единственному оптическому волокну) и подключается к источнику света посредством, по меньшей мере, одного оптического соединителя 306, клеевого/сварочного шва или других обычных соединительных средств. По меньшей мере, один оптический разъем 306 может представлять собой любой оптический разъем, раскрытый в данной области техники (например, соединитель SMA-типа или ему подобные).
[0027] На каждой из ФИГ. 13-18 представлено вертикальное (т. е., широтное) поперечное сечение некруглой сердцевины волокна 302 в местоположении 316, которое находится непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом 310 участка рассеивания света 308 (см. ФИГ. 9 и 11). На каждой из ФИГ. 10, 12 и 19-22 представлено вертикальное поперечное сечение рассеивающего дистального конца 312 участка рассеивания света 308, как показано на ФИГ. 9 и 11. Волокно 302 с некруглой сердцевиной включает сердцевину волокна 350. Некруглая сердцевина волокна 302 может при необходимости включать оболочку 352, как показано на ФИГ. 10, 12-14 и 16-18. Сердцевина волокна 350 имеет некруглую форму, такую как шестиугольник (как показано на ФИГ. 10 и 12-15), квадрат (как показано на ФИГ. 16-18), прямоугольник, треугольник, восьмиугольник, другие правильные многоугольники и нерегулярные многоугольники. Соответственно, существует широкий диапазон потенциальных некруглых форм сердцевины волокна, внутри которой может быть достигнуто однородное излучение. Некоторые характеристики формы особенно важны для целей настоящего изобретения. Хотя радиальная симметрия не требуется, она обеспечивает преимущества простоты изготовления и радиально-симметричную диаграмму выходного излучения. Включение точек перегиба в профиль поперечного сечения, где тангенс формы быстро меняется, способствует лучшему смешиванию за счет испускания близлежащих лучей в разных направлениях. Включение граней также способствует лучшему смешиванию благодаря избеганию автофокусировки. Избегание использования повторной формы облегчает производство и позволяет избежать получения физически слабых конструкций. Данные объединенные характеристики формы имеют тенденцию способствовать использованию правильных многоугольников в качестве основы для некруглой формы сердцевины. Также следует отметить, что сердцевина волокна со спиральной или скрученной формой также может представлять интерес для создания пространственно однородного излучения в сердцевине волокна.
[0028] Оболочка 352 может иметь такую же некруглую вертикальную (т.е. широтную) форму поперечного сечения, что и волокнистая сердцевина 350 (см., например, ФИГ. 12, 13 и 16). В ином случае оболочка 352 может иметь круглую форму 354 внешней поверхности с геометрией 356 внутренней поверхности, которая имеет ту же общую форму, что и сердцевина волокна 350 (см., например, ФИГ. 10, 14, 17 и 18).
[0029] Со ссылкой на ФИГ. 15, 19-22 в некоторых примерных вариантах осуществления настоящего изобретения оболочка 352 отсутствует и заменена замкнутой открытой полостью или окружающей средой (например, воздухом) 358 между сердцевиной волокна 350 и покрытием 360, которое является концентрическим в отношении сердцевины волокна 350 и радиально охватывает (но не плотно примыкает) сердцевину волокна 350. Покрытие 360 может представлять собой любой подходящий полимерный материал, раскрытый в данной области техники (например, «Пебакс») и обычно имеет круглую форму, как показано на ФИГ. 11, 12, 15, 18-22. Покрытие 360 обеспечивает дополнительную защиту для некруглой сердцевины волокна 302. Покрытие 360 может быть прозрачным или полупрозрачным. Если покрытие прозрачное, то покрытие 360 не обеспечивает рассеивание света и, следовательно, не приводит к дополнительным потерям света. Если покрытие полупрозрачное, то внутреннее рассеивание света на покрытии 360 может способствовать улучшению однородности распределения рассеянного излучения. Однако слишком сильное внутреннее светорассеяние покрытием 360 может привести к избыточным потерям света в связи с поглощением.
[0030] Как показано на ФИГ. 12 и 18, можно смешивать и совмещать сердцевину волокна 350 и оболочку 352 с различными формами вертикального поперечного сечения и сочетать их с замкнутой открытой полостью 358 и/или покрытием 360. В качестве примера и со ссылкой на ФИГ. 18 показали, что вертикальное поперечное сечение некруглого волокна с сердцевиной 302 представлена, что сердцевина волокна 350 имеет квадратную форму. Геометрия внутренней поверхности 356 оболочки 352 соответствовала данной квадратной форме, в то время как геометрия внешней поверхности 354 оболочки 352 имеет круглую форму. Некруглая сердцевина волокна 302 дополнительно включает замкнутую открытую полость 358, которая находится между оболочкой 352 и покрытием 360. Покрытие 360 имеет круглую форму.
[0031] В одном примерном варианте осуществления изобретения устройства 300 и со ссылкой на ФИГ. 9 и 14, сердцевине волокна 350 из некруглой сердцевины волокна 302 изготовлен из поли-(метилметакрилата) («ПММА») с в форме шестигранника, вписанного в окружность диаметром 660 мкм. Сердцевина волокна 350 покрыта оболочкой 352 с формой внутренней поверхности 356, которая соответствуют той же форме шестигранника, что и сердцевина волокна 350. Однако геометрия внешней поверхности 354 оболочки 352 является круглой. Оболочка 352 изготовлена из силикона и ее наружный диаметр (НД) составляет 740 μм. Входное волокно 304 устройства 300 включает стеклянную сердцевину с НД = 200 мкм и оболочку с НД = 230 мкм. Длина некруглой сердцевины волокна 302 составляет 30 см. Во время работы сердцевина оптического волокна 302 заполняется лазерным излучением с угловым распределением ЧА = 0,22. Следует отметить, что другие варианты осуществления изобретения могут включать различные материалы как сердцевины, так и оболочки, включая различные прозрачные или полупрозрачные стекла и полимеры. Если общая длина рассеивателя мала, то поглощение не имеет первостепенного значения, но данные материалы не должны быть непрозрачными при интересующих длинах волн. Например, если данный рассеиватель используют в качестве источника ультрафиолетового излучения, тогда подходящим является световод с кремниевой сердцевиной волокна, в то время как применение средневолнового инфракрасного света будет стимулировать использование флюоритового или галогенидосеребряного стекла. Для применения в видимой и ближней ИК-области спектра подходят многие литьевые полимерные материалы, включая, но не ограничиваясь следующими материалами: ПММА, поликарбонат (ПК) и полистирол (ПС). Также представляют интерес различные литейные материалы, включая эпоксидные смолы и силиконы. Во всех случаях следует проявлять осторожность, чтобы гарантировать, что данные материалы могут пропускать необходимую оптическую мощность без вредных воздействий, таких как плавление или образование трещин.
2
[0032] На ФИГ. 27 представлена карта освещенности в вертикальном сечении (обозначена как «316» на ФИГ. 9) сердцевины волокна 350 непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом 310. В качестве источника света использовали лазер с длиной волны 690 нм и выходной мощностью 0,125 Вт, и данную мощность регулировали до тех пор, пока измеряемое в центре 307 продольной длины светорассеивающего участка 308 излучение не составило 150 мВт/см. Данное измерение производят на расстоянии 0,75 мм от центральной оси указанного местоположения участка рассеивания света 308. Общая длина оптического волокна (комбинация вводного волокна 304 и некруглой сердцевины волокна 302) от источника света до данного местоположения 316 составляет 2 метра. На соответствующих графиках распределения освещенности, представленных на ФИГ. 27, составленные по результатам измерений, проведенных в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через центр карты освещенности, показано то же самое «top hat» распределение освещенности в сердцевине волокна, что и в описанном выше обычном цилиндрическом устройстве рассеивания света 200 (представленном на ФИГ. 5), для которого требуется смеситель мод (24). Данное «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна указывает на высокую степень однородности распределения излучения внутри сердцевины волокна 350 (т.е. оптимальное распределение излучения в сердцевине волокна). «Top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна и/или оптимальное распределение излучения внутри сердцевины волокна должно быть определено в дальнейшем в настоящей спецификации как все излучение на поперечном сечении сердцевины волокна 350, которое должно находиться в пределах, по меньшей мере, ± 20% от средней интенсивности излучения поперечного сечения сердцевины волокна 350, что указывает на высокую степень равномерности распределения освещенности в сердцевине волокна 22. В некоторых примерных вариантах осуществления изобретения данное значение, составляющее, по меньшей мере, ± 20%, может быть дополнительно снижено до диапазона ± 15% или даже до диапазона ± 10%.
[0033] Исследование двух типов лучей, которые могут распространяться в идеально симметричном цилиндрическом световоде, может способствовать пониманию того, как некруглая сердцевина волокна 302 в соответствии с настоящим изобретением может обеспечить «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна 350. Свет может распространяться вперед в виде «косых лучей», закрученных по спирали вокруг внешнего края сердцевины волокна 350, не проходя через центральную часть сердцевины волокна 350. Это изображено на ФИГ. 30, где представлено вертикальное поперечное сечение сердцевины волокна 301 круглой формы, где находится проецируемая траектория распространяющегося косого луча 366, который всегда остается вблизи края сердцевины волокна 351. Также возможно использовать меридиональные лучи 368, траектории которых лежат на плоскости таким образом, что лучи с началом на центральной оси световода всегда в обратном направлении пересекают центральную ось сердцевины волокна 351. Для сравнения и со ссылкой на ФИГ. 29, где представлено вертикальное поперечное сечение некруглой сердцевины волокна 302 квадратной формы с проецированной траекторией лучей, распространяющихся подобным образом. Данный косой луч 370 по-прежнему распространяется, не пересекая центральную ось сердцевины волокна 350, но теперь его траектория такова, что энергия данного луча в некоторых местоположениях может быть обнаружена вблизи краев сердцевины волокна 350, тогда как в других местоположениях энергию луча можно обнаружить ближе к центру сердцевины волокна 350. Меридиональный луч 372, который начинается на центральной оси сердцевины волокна 350, может иметь траекторию, которая охватывает большую часть площади сердцевины волокна 350 без повторного пересечения данной оси. В двух данных примерах показали, как введение большого набора лучей с диапазоном различных углов запуска в некруглую сердцевину волокна 302 может привести к распределению излучения сердцевины волокна «top hat» после короткой длины распространения, соответствующей только нескольким внутренним отражениям.
[0034] В нашем исследовании показали, что замена некруглой сердцевины волокна 302, представленного на ФИГ. 14, любым из рассмотренных выше различных вариантов осуществления изобретения некруглой сердцевины волокна 302, тем не менее, привела бы к обеспечению желаемого «top hat» распределения излучения сердцевины волокна устройства 300 (например, см. ФИГ. 13-18). Например, сердцевина волокна 350, представленная на ФИГ. 13 такая же, как сердцевина волокна 350, представленная на ФИГ. 14. Обе данных сердцевины изготовлены из ПММА в форме шестигранника, вписанного в окружность диаметром 660 мкм.
Некруглая сердцевина волокна 302, представленная на ФИГ. 13, отличается от сердцевины волокна, представленной на ФИГ. 14, тем, что оболочка 352, показанная на ФИГ. 13 имеет шестиугольную форму. Оболочка 352 на ФИГ. 13 изготовлена из фторсодержащего полимера, ограничивающего окружность диаметром 740 мкм.
[0035] В другом примере осуществления изобретения и со ссылкой на ФИГ. 15 сердцевина волокна 350 имеет такую же форму и размеры, что и сердцевина волокна на ФИГ. 14, за исключением того, что данная сердцевина изготовлена из полистирола вместо ПММА. Однако некруглая сердцевина волокна 302, как показано на ФИГ. 15, не имеет оболочки 352. Напротив, данная сердцевина волокна (302) дополнительно включает замкнутую открытую полость 358 и покрытие 360. Покрытие 360 изготовлено из полупрозрачной смолы «Пебакс» с НД = 1000 мкм и внутренним диаметром (ВД) 900 мкм. В данном примерном варианте осуществления изобретения захваченный воздух, содержащийся в открытой полости 358, действует как оболочка для обеспечения удержания света внутри сердцевины волокна 350.
[0036] В примерных вариантах осуществления изобретения, представленных на ФИГ. 16-17 используют ту же сердцевину волокна 350, изготовленную из ПММА в форме квадрата размером 500 μм × 500 μм. Некруглая сердцевина волокна 302, представленная на ФИГ. 16, имеет оболочку 352, изготовленную из фторированного полимера в форме квадрата размером 540 мкм × 540 мкм. Некруглая сердцевина волокна 302, представленная на ФИГ. 17, имеет другую оболочку 352, поскольку она имеет квадратную форму внутренней поверхности 356 и круглую форму внешней поверхности 354. Оболочка 352 изготовлена из силикона с НД = 740 мкм.
[0037] В другом примере осуществления и со ссылкой на ФИГ. 18, сердцевина волокна 350 имеет такую же форму и размеры, что и сердцевина волокна 350, как показано на ФИГ. 17, за исключением того, она изготовлена из полистирола вместо ПММА. Оба имеют одинаковую оболочку 352. Однако некруглая сердцевина волокна 302, представленная на ФИГ. 18, дополнительно включает замкнутую открытую полость 358 и покрытие 360. Покрытие 360 изготовлено из полупрозрачной смолы «Пебакс» с НД = 1000 мкм и ВД = 900 мкм.
[0038] Еще в одном примере осуществления изобретения и со ссылкой на ФИГ. 12 некруглая сердцевина волокна 302 представляет собой комбинацию сердцевины волокна, представленной на ФИГ. 13, замкнутой открытой полости 358 и покрытия 360. Покрытие 360 изготовлено из полупрозрачной смолы «Пебакс» с НД = 1000 мкм и ВД = 900 мкм.
[0039] Как обсуждалось выше, некруглая сердцевина волокна 302 в соответствии с настоящим изобретением с его разнообразием форм, материалов, типов оболочки (352) и покрытия (360) может обеспечивать «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна без использования смесителя мод, таким образом обеспечивая менее дорогое и прочное устройство для рассеивания света (300). Некруглая сердцевина волокна 302 в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в комбинации с одним из вышеописанных обычных светорассеивателей или рассеивающих участков для обеспечения «top hat» распределения рассеянного излучения.
II. Цилиндрическое светорассеивающее устройство, обеспечивающее «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна
[0040] Для того чтобы устройство 300 обеспечивало «top hat» распределение рассеянного излучения без использования такого традиционного рассеивателя света или участка рассеивания, устройство 300 должно включать в себя внутренние (т.е. не доходящие до внешней поверхности сердцевины волокна 350) рассеивающие элементы 362 предпочтительно вписанные или выгравированные лазером, внутри участка рассеивания света 308, как показано на ФИГ. 9 и 11.
0
[0041] «Top hat» распределение рассеянного излучения определено в настоящей Спецификации как имеющее продольное отклонение рассеянного исходящего излучения, которое составляет менее ± 20% от среднего значения («I») оптического излучения для цилиндрического светорассеивателя в терминах распределения испускаемого в радиальном направлении излучения (см., например, ФИГ. 6), что указывает на высокую степень однородности. В некоторых примерных вариантах осуществления изобретения данное значение, составляющее, по меньшей мере, ± 20%, может быть дополнительно снижено до диапазона ± 15% или даже до диапазона ± 10%.
[0042] Элементы внутреннего рассеивания 362 обычно начинаются на рассеивающем проксимальном конце 310 и заканчиваются на рассеивающем дистальном конце 312. Элементы 362 могут иметь различные формы и шаблоны, как показано на ФИГ. 10, 12, 19-22. На ФИГ. 10, 12, 19-22 представлен вертикальный (т.е. широтный) вид поперечного сечения рассеивающего дистального конца 312 рассеивающего свет участка 308. Например, признаками 362 могут быть (i) три цилиндра, ориентированные вокруг центральной оси сердцевины волокна 350 с приращениями, составляющими 60°, как показано на ФИГ. 10, 12 и 19; (ii) единственная линия сфер, концентрическая в отношении центральной оси сердцевины волокна 350, как показано на ФИГ. 20; (iii) симметричный массив эллиптических элементов (например, элементов эллиптической или сферической формы), центрированных по радиусу вокруг центральной оси сердцевины волокна 350 с приращением, составляющим 60°, как показано на ФИГ. 21, и распределены по заранее определенной продольной длине сердцевины волокна 350 в виде линейного, нелинейного, спирального или псевдослучайного шаблона; и (iv) два параллельных цилиндра 361, где каждый цилиндр пары расположен на заранее установленном расстоянии от центральной оси сердцевины волокна 350, с последующей парами цилиндров, расположенными в различных местоположениях вдоль участка рассеивания света 308, ориентированных под разными углами вокруг центральной оси сердцевины волокна 350 (например, два параллельных цилиндров 363 расположены в другом поперечном сечении волокна и имеют тактовую частоту 60° в отношении пары 361). Следует обратить внимание на то, что, хотя в обсуждаемых здесь вариантах осуществления изобретения используют приращение на 60°, также могут быть подходящими другие заранее установленные шаблоны, такие как, без ограничений и с приращениями 45°, 72°, 90°, 120°, 180°.
[0043] Каждый элемент 362 рассеивания может быть получен с использованием подходящего лазера, раскрытого в данной области техники. Например, сфокусированный лазерный импульс 10 пикосекунд с длиной волны 532 нм с синхронизацией мод при средней мощности 1,5 Вт может быть использован для создания элементов 362, представленных на ФИГ. 10, состоящих из трех цилиндров, каждый с диаметром приблизительно 27 μм и длиной 270 μм, ориентированных вокруг центральной оси сердцевины волокна 350 с приращением, составляющим 60°. В другом примере серия из 400 фемтосекундных лазерных импульсов с длиной волны 520 нм и средней мощностью 2,0 Вт, сфокусированных через линзу объектива с числовой апертурой 0,4, может быть использована для создания элементов 362, представленных на ФИГ. 43 (более подробное обсуждение см. далее), каждая из которых имеет сферу диаметром около 40 мкм, центрированную вокруг центральной оси сердцевины волокна 350 с приращением 60°. Следует обратить внимание на то, что, хотя в обсуждаемых здесь вариантах осуществления изобретения используют приращения на 60°, другие приращения степени также подходят, например, на 45°, 72°, 90°, 120°, 180° и так далее.
[0044] Характеристики рассеивания каждого из элементов 362 варьируют в зависимости от материала, формы и обработки. Доля света, рассеянного по длине или по элементу 362, должна увеличиваться по мере того, как плотность света по длине участка рассеивания света 308 уменьшается в связи с рассеиванием света из некруглой сердцевины волокна 302. Это может быть достигнуто путем изменения числа элементов 362 на единицу длины или размера элементов 362 в зависимости от длины. В зависимости от приемлемого количества отраженного света, линейного увеличения размера может быть достаточно, но нелинейное увеличение размера по сравнению с длиной может быть предпочтительным. В другом примерном варианте осуществления изобретения число признаков 362 на единицу длины может возрастать, тогда как размер признаков 362 как функция длины может снижаться. Следует отметить, что для специалиста в данной области техники также возможно изменить параметры обработки, чтобы изменить величину рассеивания на элемент 362.
[0045] Когда элементы внутреннего рассеивания 362 распределены на участке рассеивания света 308 вдоль центральной оси 364 некруглой сердцевины волокна 350, как показано на ФИГ. 9 и 11, свет распространяется вниз по участку рассеивания света 308, и в самом участке рассеивания света 308 происходит постоянное смешивание. Когда свет в центре сердцевины волокна 350 вступает во взаимодействие с внутренними рассеивающими элементами 362 и рассеивается на участке рассеивания света 308, перераспределение света является гарантией того, что излучение в центре сердцевины волокна 350 будет восполняться. Это упрощает задачу поиска шаблона рассеивающих элементов 362 для достижения равномерной диаграммы излучения и в то же время позволяет рассеивающим элементам 362 оставаться меньшего размера и быть расположенными к центру участка рассеивания света 308, что приводит к получению потенциально более физически устойчивого устройства с улучшенными свойствами эмиссии.
[0046] Со ссылкой на ФИГ. 23-26 признак 362 также может быть рассредоточен в пространстве в продольном направлении с использованием разных шаблонов. Например, элементы 362 могут быть расположены в продольном направлении равномерно линейно, концентрически в отношении центральной оси 364 сердцевины волокна 350, как показано на ФИГ. 23. Элементы 362 могут быть расположены в продольном направлении неравномерно линейным образом путем изменения числа элементов 362 на единицу длины, как показано на ФИГ. 24. На ФИГ. 24 число элементов 362 на единицу длины возрастает при движении от рассеивающего проксимального конца 310 к рассеивающему дистальному концу 312 участка рассеивания света 308. Как обсуждалось выше и в качестве альтернативы, число элементов 362 на единицу длины может снижаться при переходе от рассеивающего проксимального конца 310 к рассеивающему дистальному концу 312 светорассеивающего участка 308, но размер элементов 362 может увеличиваться при переходе от рассеивающего проксимального конца 310 к рассеивающему дистальному концу 312 участка рассеивания света 308.
[0047] Кроме того, при линейном увеличении размера элементы 362 могут быть расположены в продольном направлении равномерно линейным образом, как показано на ФИГ. 25. Наконец, при нелинейном увеличении размера элементы 362 могут быть расположены в продольном направлении равномерно, как показано на ФИГ. 26.
III. Устройство рассеивания фронтального света, обеспечивающее «top hat» пространственное распределение излучения
[0048] Со ссылкой на ФИГ. 41A, настоящее изобретение обеспечивает устройство рассеивания фронтального света 600, включающее оптоволоконный соединитель 603, цилиндрический участок оптического волокна 602, некруглый участок сердцевины волокна 604, сопряжение оптических волокон 605, соединяющее два участка волокна, и линзовый компонент 606. Во время работы устройства 600 цилиндрический участок оптического волокна 602 находится в световой связи с участком некруглой сердцевины волокна 604 и участок некруглой сердцевины волокна 604 также находится в световой связи с линзовым компонентом 606. Участок некруглой сердцевины волокна 604 может иметь те же характеристики, что и рассмотренная выше некруглая сердцевина волокна 302, которая обеспечивает «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна (без необходимости в использовании смесителя мод), за исключением того, что он не включает дополнительное средство 314 блокировки света, рассмотренное выше. Следует обратить внимание на то, что поперечное сечение также может изменяться вдоль по широтной длине участка некруглой сердцевины волокна 604, чтобы способствовать созданию лучшего эффекта перемешивания, например, может быть одна или несколько областей 604, где внешний размер сердцевины волокна возрастает, а затем снижается, или сердцевина 604 может иметь различную степень кручения (т. е., вращения вокруг продольной оси участка 604 волокна) вместо прямой экструзии, или может изменяться форма некруглого профиля участка 604 от одной до другой (например, от шестиугольника до квадрата). Участок некруглой сердцевины волокна 604 действует как пространственный смеситель мод, являясь причиной нескольких внутренних отскоков распространяющегося света, таким образом, что потери распространяющегося света практически отсутствуют.
0
[0049] Как обсуждается далее и в одном примерном варианте осуществления изобретения, во время работы цилиндрический участок оптического волокна 602 характеризуется неравномерным распределением светового излучения в пространственном волокне, которое показано на ФИГ. 41B и которое измеряли в поперечном сечении 608. На выходе данного участка некруглой сердцевины волокна 604 находится значительно более равномерное распределение пространственной освещенности смешанного волокна, как показано на ФИГ. 41C и как измеряли в поперечном сечении 610. Целевое распределение пространственной освещенности, представленное на ФИГ. 41D, создаваемое линзовым компонентом 606 в целевом поперечном сечении 614, также является более равномерным. Соответственно, как смешанное пространственное распределение излучения, измеренное на участке 610, так и целевое пространственное распределение излучения, измеренное на участке 614, характеризуются желаемым «top hat» пространственным распределением излучения. Данное «top hat» пространственное распределение излучения и/или оптимальное распределение пространственной освещенности в дальнейшем будет определено как имеющее отклонение распределения исходящего пространственного излучения менее, чем на ± 20% от среднего значения («I») оптического излучения фронтального светорассеивателя с точки зрения распределения испускаемого излучения, что указывает на высокую степень однородности пространственного распределения излучения в соответствующем местоположении (например, на участке 610 и/или в мишени 614). В некоторых примерных вариантах осуществления изобретения данное значение, составляющее, по меньшей мере, ± 20%, может быть дополнительно снижено до диапазона ± 15% или даже до диапазона ± 10%.
[0050] В предшествующем уровне техники смешение углов распространения означает, что некоторые лучи света, которые распространялись вниз по сердцевине волокна, приходят в возмущение под углами, превышающими критический угол для данного волокна, и испускаются, что приводит к потерям при передаче и другим нежелательным явлениям, таким как локальное нагревание окружающих материалов. На данном участке некруглой сердцевины волокна 604 не происходит изменения углов, так что они не могут распространяться, они только перестраивают траектории лучей с сохранением угла каждого луча к оптической оси участка некруглой сердцевины волокна 604. Как обсуждалось выше, можно создавать изменения в форме или размере участка некруглой сердцевины волокна 604 вниз по длине участка смешивания таким образом, что контролируемые величины углового перемешивания могут быть включены в эффект участка некруглой сердцевины волокна 604, при этом любое повышение углового смешения также будет сопровождаться соответствующими потерями при передаче.
[0051] В одном альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения участок некруглой сердцевины волокна 604 может простираться от источника света до проекционной линзы (например, 606) или, как показано на ФИГ. 41A, короткий участок 604 может быть использован после цилиндрического участка волокна 602 и перед линзовым компонентом 606. Следует отметить, что если между участком некруглой сердцевины волокна 604 и линзовым компонентом 606 используется отрезок цилиндрического волокна 602, то следует обратить внимание на то, чтобы он не был слишком длинным (например, менее 0,25 м или тому подобное), в ином случае смешанное распределение пространственной освещенности, измеренное до участка 606, может снова стать неоднородным.
[0052] Как обсуждалось выше для некруглой сердцевины волокна 302, участок некруглой сердцевины волокна 604 может быть отдельным куском материала, соединенным с использованием стандартных оптоволоконных соединителей 605, или может быть постоянно прикреплен к одному концу участка цилиндрического волокна 602 посредством клея или даже вставленного на место путем оплавления (например, сварка или тому подобное). Также возможно путем литья или чеканки преобразовать нецилиндрический участок 604 в иной цилиндрический участок волокна 602. Следует позаботиться о том, чтобы спроектировать соединение между секцией цилиндрического волокна 602 и секцией некруглой сердцевины волокна 604 таким образом, чтобы минимизировать потери, например, обеспечить соответствующие размеры и максимальные углы распространения.
[0053] Со ссылкой на ФИГ. 41А и в одном примерном варианте осуществления изобретения устройства 600, участок цилиндрического оптического волокна 602 состоит из сердцевины волокна, изготовленного из стекла с сердцевиной волокна с НД = 600 мкм, покрытым оболочкой с НД = 630 мкм. Данный участок характеризуется числовой апертурой (ЧА) = от 0,22 до 0,26, участок 604 сердцевины из некруглого волокна имеет длину по меньшей мере 50 мм и изготовлен из стекла в форме шестигранника с ВД = 600 мкм и оболочкой с НД = 680 мкм. Линзовый компонент 606 состоит из линзы с градиентным показателем преломления, с углом наклона 1/4 и диаметром 1 мм.
2
[0054] В одном примерном варианте осуществления изобретения используемый источник света представляет собой лазер с длиной волны 690 нм с выходной мощностью 2,4 Вт, и данную мощность регулировали до тех пор, пока измеренное излучение на мишени 614 не составило 150 мВт/см с «top hat» распределением с внутренним диаметром 42 мм при измерении на некотором расстоянии (например, 616) равным 64 мм. Данный вариант осуществления изобретения характеризуется низкими потерями при передаче -0,36 дБ. Общая длина оптического волокна (комбинация цилиндрического участка оптического волокна 602 и участка некруглой сердцевины волокна 604) от источника света до проекционной линзы 606 составляет 2 метра.
Во время работы цилиндрический участок оптического волокна 602 характеризуется неравномерным распределением светового излучения в пространственном волокне, которое показано на ФИГ. 41B и которое измеряли в поперечном сечении 608. На выходе данного участка некруглой сердцевины волокна 604 находится значительно более равномерное распределение пространственной освещенности смешанного волокна, как показано на ФИГ. 41C и как измеряли в поперечном сечении 610. Целевое распределение пространственной освещенности, представленное на ФИГ. 41D, создаваемое линзовым компонентом 606 в целевом поперечном сечении 614, также является более равномерным. Соответственно, как смешанное пространственное распределение излучения, измеренное на участке 610, так и целевое пространственное распределение излучения, измеренное на участке 614, характеризуются желаемым «top hat» пространственным распределением излучения.
[0056] Как показано на ФИГ. 40А и на ФИГ. 40B, фронтальные осветители предшествующего уровня техники характеризуются расходящимися лучами. Это вынуждает оператора удерживать осветитель на очень специфическом отклонении от целевой зоны во время лечения, чтобы достичь желаемых уровней освещенности. Идеальный фронтальный осветитель характеризовался одинаковой освещенностью цели вне зависимости от расстояния отклонения. Кроме того, идеальный фронтальный осветитель также позволяет легко регулировать размер и форму распределения облучения на мишени.
[0057] Со ссылкой на ФИГ. 42A настоящее изобретение обеспечивает устройство 700 для рассеивания фронтального света, которое соответствует достижению данных целей, содержащее оптическое волокно 702 с проксимальным соединителем 703, дистальное окончание 705 и узел коллимационной линзы 704. Оптическое волокно 702 может представлять собой цилиндрическое волокно, некруглую сердцевину волокна (например, 302, 604) или их комбинацию, рассмотренную выше. Узел коллимационной линзы 704 включает коллимационную линзу 706, которая может быть изготовлена из прозрачного оптического материала, т.е. из стекла, кристалла, прозрачного полимера или светоотражающего материала. Коллимационная линза 706 может состоять из одного оптического элемента или комбинации оптических элементов. Коллимационная линза 706 может включать любую комбинацию сферических, асферических, преломляющих, дифракционных или отражающих поверхностей, и данные материалы могут характеризоваться градиентным показателем преломления. Естественно расходящийся световой выход 708 волокна 702 может расширяться до тех пор, пока он не достигнет коллимационной линзы 706. Волокно 702 расположено таким образом, что его выходная поверхность 710 находится приблизительно на заднем фокусном расстоянии 712 коллимационной линзы 706. Переменная апертура 714 расположена вблизи или на выходе коллимационной линзы 704, где она может блокировать части светового выхода 708, создавая световой выходной луч 716 с протяженностью, соответствующей отверстию в 714. Как показано на ФИГ. 42A, только центральная часть светового выхода 708 из волокна 702 пропускается через отверстие 714 (т.е. коллимированный световой выход 716). Данный результирующий коллимированный выход света 716 характеризуется «top hat» распределением излучения, как показано на ФИГ. 42B, которое по существу имеет такую же величину (например, разность значений составляет менее ± 20%, менее ± 15% или даже ± 10%) в (i) ближнем поле (например, в поперечном сечении 720 на расстоянии отклонения 724), (ii) в дальнем поле (например, в поперечном сечении 722 на расстоянии отклонения 726) и на расстоянии между ближним полем и дальним полем, которое в дальнейшем определяют как «плоское распределение освещенности».
[0058] Расширяющемуся конусу лучей, выходящих из волокна 702, намеренно позволяют переполнять коллимирующую линзу 706. Сплошной линией на графике на ФИГ. 42B показано распределение освещенности, измеряемое в местоположении 718, представленном на ФИГ. 42А. Порциям распределения с большими вариациями позволяют приземлиться на структуру коллимационной линзы 704 и они заизолированы, отражены или поглощены. Только равномерная центральная часть распределения излучения проходит через коллимационную линзу 706 и переменную апертуру 714, чтобы создать выходной луч 716, что приводит к плоскому распределению 720 излучения, представленному на пунктирной линии на ФИГ. 42В.
[0059] Апертура 714, расположенная на выходной стороне коллимационной линзы 704, блокирует участки выхода света 708, который является нежелательным. В предпочтительном варианте осуществления изобретения отверстие 714 представляет собой диафрагму, которая позволяет изменять диаметр пучка от 1 мм до 12 мм. В ином случае апертура 714 может быть сконструирована для создания квадратного, прямоугольного или даже несимметричного светового выхода.
[0060] Коллимированный световой выход 716 после апертуры 714 характеризуется очень низкой расходимостью, таким образом, что световой выход 718 имеет приблизительно такой же размер в ближнем поле в местоположении 720 на ФИГ. 42A, как и в дальней зоне в местоположении 722 на ФИГ. 42А. Со ссылкой на ФИГ. 42B данное итоговое распределение плоского излучения в поперечном сечении 720 (показано пунктирной линией) и в поперечном сечении 722 (показано штрихпунктирной линией) характеризуется распределением излучения, очень близким к плоской вершине, и размер луча с изменением расстояния значительно не изменяется (в дальнейшем определяют как «распределение плоского излучения»).
2
[0061] В одном примерном варианте осуществления изобретения фронтального светорассеивающего устройства 700 входное волокно имеет диаметр сердцевины волокна 400 мкм, диаметр оболочки 430 мкм и заполняется 1,01 Вт света с длиной волны 690 нм и числовой апертурой 0,29. Коллимационная линза 706 состоит из плосковыпуклой линзы диаметром 25 мм и фокусным расстоянием 75 мм. В данном варианте осуществления изобретения величина избыточной оптической мощности, поглощаемой ручным блоком при генерировании пучка диаметром 12 мм и плотностью потока энергии 150 мВт/см в поперечном сечении 720 составляет менее 0,85 Вт; и данная оптическая мощность легко рассеивается корпусом ручного блока. Со ссылкой на ФИГ. 41A-42B распределение плоского излучения в поперечном сечении 720 измеряют на расстоянии 100 мм (724) от отверстия 714, а распределение плоского излучения в поперечном сечении 722 измеряют на расстоянии 200 мм (726) от отверстия 714.
2
[0062] Производительность данного варианта осуществления изобретения 700 характеризуется несколькими преимуществами. Во-первых, размер и форму светоотдачи можно регулировать в широком диапазоне без изменения освещенности (мВт/см) мишени. Во-вторых, излучение, создаваемое на мишени, очень мало зависит от расстояния между проектором и мишенью. Данные функции облегчают калибровку выходного сигнала источника света для создания желаемых уровней лечебного света и облегчают оператору установку осветителя для достижения желаемых уровней воздействия. Следует отметить, что световой поток немодифицированного цилиндрического оптического волокна 702 использовали на ФИГ. 42А. При использовании участка смешения угловых мод или участка некруглой сердцевины волокна (например, 302, 606), которая создает более равномерное угловое распределение с плоской вершиной, чем 718 на ФИГ. 42B, можно получить более широкий выходящий луч. Также можно использовать некруглую сердцевину входного волокна.
ПРИМЕР I
2
2
[0063] В одном варианте осуществления изобретения и со ссылкой на ФИГ. 31 предусмотрено цилиндрическое светорассеивающее устройство 400, отличающееся тем, что оно (400) точно такое же, как цилиндрическое светорассеивающее устройство 100, рассмотренное выше, за исключением того, что оно (400) имеет некруглую сердцевину волокна 302 вместо обычного круглого оптического волокна 12 устройства 100. Вертикальный (т.е. широтный) вид поперечного сечения некруглой сердцевины волокна 302 такой же, как вариант осуществления изобретения, представленный на ФИГ. 14. Использование лазера 690 нм с выходной мощностью 1 Вт в качестве источника света и регулировка мощности до тех пор, пока излучение, измеряемое в центре 17 продольной длины светорассеивателя 16, не составит 150 мВт/см, привело к «top hat» распределению излучения сердцевины, которое представлено на ФИГ. 32. Значение измерения освещенности 150 мВт/см измеряют на расстоянии 0,75 мм от центральной оси указанного местоположения светорассеивателя 16. На ФИГ. 32 представлено распределение освещенности сердцевины в вертикальном сечении (например, обозначенное цифрой «11» на ФИГ. 31) через некруглую сердцевину волокна 302 на участке непосредственно перед цилиндрическим светорассеивателем 16. На соответствующих графиках распределения освещенности, представленных на ФИГ. 32 и составленных по результатам измерений, проведенных в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через центр карты освещенности, показано такое же «top hat» распределение освещенности в сердцевине, как и в описанном выше обычном цилиндрическом светорассеивающем устройстве 200, для которого требуется смеситель мод (24). Данное «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна указывает на высокую степень однородности распределения излучения в сердцевине волокна 350. На основании этого показали, что включение некруглой сердцевины волокна 302 перед цилиндрическим светорассеивателем 16 может улучшить характеристики излучения или светоотдачи устройства 400. Тем не менее, следует обратить внимание на то, что устройство 400 не может достичь «top hat» распределения рассеянного излучения, как показано на ФИГ. 6, 28 и 35, если конструкция цилиндрического светорассеивателя 16 не оптимизирована с учетом условий запуска. Настоящее изобретение включает устройство 400 с таким оптимизированным цилиндрическим светорассеивателем 16, чтобы обеспечить «top hat» распределение рассеянного излучения, как показано на ФИГ. 6, 28 и 36.
ПРИМЕР II
2
2
[0064] В другом варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено цилиндрическое светорассеивающее устройство. Данное устройство имеет те же компоненты, что и устройство 400, рассмотренное выше в ПРИМЕРЕ I и представленное на ФИГ. 31, за исключением того, что цилиндрический рассеиватель 16 теперь является обычным оптическим волокном с круглой сердцевиной, включающим участок излучения света, содержащий элементы внутреннего рассеивания 362, как показано на ФИГ. 33. На ФИГ. 33 показан вид в вертикальном сечении участка излучения света 301 данного световода с круглой сердцевиной волокна, оболочкой 352 и круглой сердцевиной волокна 351, содержащей элементы внутреннего рассеивания 362. Использование лазера 690 нм с выходной мощностью 0,2 качестве источника света и регулировкой мощности до тех пор, пока излучение, измеряемое в центре 17 продольной длины светорассеивателя 16, не составит 150 мВт/см, привело к «top hat» распределению излучения сердцевины, представленному на ФИГ. 34, которое обеспечивает распределение рассеянного излучения, как правило, «top hat». Измерение освещенности 150 мВт/см провели на расстоянии 0,75 мм от центральной оси указанного местоположения участка рассеивания света. Распределение рассеянного излучения, представленное на ФИГ. 34 ближе к оптимальному распределению рассеянного излучения «top hat», представленному на ФИГ. 6, 28 и 36, особенно по сравнению с распределением рассеянного излучения устройства 100, которое представлено на ФИГ. 3. Для целей настоящего описания термин «top hat» распределение рассеянного излучения должен включать как общее «top hat» распределение рассеянного излучения, представленное на ФИГ. 34, так и оптимальное «top hat» распределение рассеянного излучения, представленное на ФИГ. 6, 28 и 36.
[0065] На ФИГ. 34 показано, что существует потенциал для неоптимальной эффективности и эффективности при использовании внутренних рассеивающих элементов 362 в оптическом волокне с круглой сердцевиной для создания участка рассеивания света, предназначенного для излучения желаемого «top hat» распределения рассеянного излучения, поскольку при распространении света вперед в светоизлучающем участке излучение на оптической оси оптического волокна будет постепенно уменьшаться, когда свет сталкивается с последующими рассеивающими элементами и покидает участок рассеивания света. Поскольку на данном участке рассеивания света с круглой сердцевиной волокна отсутствует смешивание мод, то диаграмма направленности вертикального поперечного сечения будет менее равномерной, причем интенсивность излучения будет выше вблизи краев сердцевины волокна и будет снижена вблизи центра, где расположены рассеивающие элементы.
[0066] На основании этого показали, что на участке излучения света, содержащем элементы внутреннего рассеивания 362, предпочтительнее использовать некруглую сердцевину волокна 350 по сравнению с круглой сердцевиной волокна. Тем не менее настоящее изобретение включает цилиндрическое светорассеивающее устройство, представленное в данном примере, и, как правило, «top hat» распределение рассеянного излучения, присущее данному устройству, поскольку возможно, что данное устройство и, как правило, «top hat» распределение рассеивающего излучения, присущее данному устройству, являются достаточными для определенных примеров использования.
ПРИМЕР III
[0067] В одном примерном варианте осуществления изобретения устройства 300 и со ссылкой на ФИГ. 9, 10 и 14 устройство 300 включает некруглую сердцевину волокна 302, вводное оптическое волокно 304 и, по меньшей мере, один оптический соединитель 306. Во время работы вводное оптическое волокно 304 находится в световой связи с (i) источником света (не показан) и (ii) некруглой сердцевиной волокна 302 посредством, по меньшей мере, одного оптического соединителя 306. Входное волокно 304 имеет стеклянную сердцевину с наружным диаметром 200 мкм и оболочку с наружным диаметром 230 мкм. Длина некруглой сердцевины волокна 302 составляет 30 см, и на дистальном конце сердцевина переходит в светоизолирующее средство 314, которое представляет собой отражающее покрытие из алюминия. Во время работы некруглая сердцевина волокна 302 заполняется лазерным излучением с угловым распределением ЧА = 0,22.
[0068] С ссылкой на ФИГ. 10 и 14 сердцевина волокна 350 некруглой сердцевины волокна 302 изготовлена из ПММА в форме шестигранника, вписанного в окружность диаметром 660 мкм. Сердцевина волокна 350 покрыта оболочкой 352 в форме внутренней поверхности 356, которая соответствует той же форме шестигранника, что и сердцевина волокна 350. Однако геометрия внешней поверхности 354 оболочки 352 является круглой. Оболочка 352 изготовлена из силикона ее наружный диаметр составляет 740 μм.
i
i
i
2
3
[0069] Некруглая сердцевина волокна 302 дополнительно включает участок рассеивания света 308, имеющий рассеивающий проксимальный конец 310 и рассеивающий дистальный конец 312. Данный участок рассеивания света 308 имеет продольную длину 10,8 мм, и данные внутренние рассеивающие элементы 362 начинаются у рассеивающего проксимального конца 310 и заканчиваются у рассеивающего дистального конца 312. Элементы 362 состоят из 27 наборов по три цилиндра. Диаметр каждого цилиндра составляет приблизительно 27 μм и длину 270 μм, и данные цилиндры ориентированы вокруг центральной оси 364 с приращением 60°, как показано на ФИГ. 9 и 10. Данные 27 наборов элементов 362 расположены нелинейным образом в соответствии со следующей формулой: z = 0,5i + 0,0045i - 0,0003i где индекс я целое число со значениями от 0 до 26 и z является относительным расположением z-го элемента 362 вдоль оси 364. Следует обратить внимание на то, что настоящее изобретение не ограничивается данной формулой, размером элементов 362, числом элементов 362 на единицу длины участка рассеивания 308 или величиной рассеивания на элемент 362. Вместо этого настоящее изобретение включает другие подходящие интервалы, размеры, число элементов 362 на единицу длины и величины рассеивания на элемент 362.
[0070] Кроме того, следующие характеристики устройства 300 могут быть отрегулированы для дальнейшей оптимизации его распределения рассеянного излучения: продольная длина и диаметр участка рассеивания 308, размер и геометрия сердцевины волокна 350 и любой оболочки 352, характеристики рассеивания из признаков 362, максимальный угол, выходящий из источника света и/или вводного волокна 304, и включение средства 314 блокирования света на дистальном конце некруглой сердцевины волокна 302. Данная оптимизация может быть проведена экспериментально или с использованием CAD-программы трассировки лучей. Общим фактором при определении оптимального распределения рассеянного излучения является разработка линейного увеличения эффективного рассеивания в расчете на постепенно возрастающий объем, поскольку в сердцевине волокна 350 происходит линейное снижение плотности света в расчете на постепенно возрастающий объем.
2
[0071] Как обсуждалось выше, на ФИГ. 27 представлена карта освещенности в вертикальном сечении (обозначена как «316» на ФИГ. 9) через сердцевину волокна 350, полученную непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом 310 для данного примерного варианта осуществления изобретения устройства 300. В качестве источника света использовали лазер с длиной волны 690 нм и выходной мощностью 0,125 Вт, и данную мощность регулировали до тех пор, пока измеряемое в центре 307 продольной длины светорассеивающего участка 308 излучение не составило 150 мВт/см. Данное измерение производят на расстоянии 0,75 мм от центральной оси указанного местоположения участка рассеивания света 308. Общая длина оптического волокна (комбинация вводного волокна 304 и некруглой сердцевины волокна 302) от источника света, ведущего к данному местоположению 316, составляет 2 метра. Во время работы некруглая сердцевина волокна 302 заполняется лазерным излучением с угловым распределением ЧА = 0,22.
[0072] На соответствующих графиках распределения освещенности, представленных на ФИГ. 27 и составленных по результатам измерений, проведенных в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через центр карты освещенности, показано такое же «top hat» распределение освещенности в сердцевине, как и в описанном выше обычном цилиндрическом светорассеивающем устройстве 200, для которого требуется смеситель мод 24. Данное «top hat» лучевое распределение излучения внутри сердцевины волокна указывает на высокую степень однородности распределения излучения внутри сердцевины волокна 350 (например, оптимальное распределение излучения в сердцевине волокна).
2
[0073] На ФИГ. 28 представлено распределенное в продольном направлении радиально-симметричное распределение исходящего излучения вдоль внешней поверхности участка рассеивания света 308 (например, распределение рассеивающего излучения) для данного примерного варианта осуществления изобретения устройства 300. Распределение рассеянного излучения представляет собой оптимальное «top hat» распределение излучения, и это указывает на пространственную однородность исходящего продольного радиально-симметричного излучения вдоль внешней поверхности участка рассеивания света 308. На горизонтальной оси на ФИГ. 28 представлена продольная длина в мм, и горизонтальная стрелка указывает на продольную длину участка рассеивания света 308. На вертикальной оси на ФИГ. 28 представлено исходящее излучение на поверхности участка рассеивания света 308 в Вт/см, которую измеряли на расстоянии 0,75 мм от центральной оси.
ПРИМЕР IV
[0074] В примерном варианте осуществления изобретения и со ссылкой на ФИГ. 11 и 12 устройство 300 включает некруглую сердцевину волокна 302, вводное оптическое волокно 304 и, по меньшей мере, один оптический соединитель 306. Во время работы вводное оптическое волокно 304 находится в световой связи с (i) источником света (не показан) и (ii) некруглой сердцевиной волокна 302 посредством, по меньшей мере, одного оптического соединителя 306. Входное волокно 304 имеет стеклянную сердцевину с наружным диаметром 200 мкм и оболочку с наружным диаметром 230 мкм. Длина некруглой сердцевины волокна 302 составляет 30 см, и на дистальном конце сердцевина переходит в светоизолирующее средство 314, которое представляет собой отражающее покрытие из алюминия.
[0075] Со ссылкой на ФИГ. 12 некруглая сердцевина волокна 302 включает сердцевину волокна 350, изготовленную из ПММА с в форме шестигранника, вписанного в окружность диаметром 660 мкм. Сердцевина волокна 350 покрыта оболочкой 352 в форме внутренней поверхности 356, которая соответствует той же форме шестигранника, что и сердцевина волокна 350. Однако геометрия внешней поверхности 354 оболочки 352 является круглой. Оболочка 352 изготовлена из полимера и ее наружный диаметр (НД) составляет 740 μм. Некруглая сердцевина волокна 302 дополнительно включает замкнутую открытую полость 358 и покрытие 360. Покрытие 360 изготовлено из полупрозрачной смолы «Пебакс» с НД = 1000 мкм и ВД = 900 мкм. Данное покрытие прикрепляют посредством термосварки на одном или обоих концах.
[0076] Некруглая сердцевина волокна 302 дополнительно включает участок рассеивания света 308, имеющий рассеивающий проксимальный конец 310 и рассеивающий дистальный конец 312. Данный участок рассеивания света 308 точно такой же, как участок рассеивания света 308 варианта осуществления изобретения, описанного выше в Примере III, включая его внутренние элементы рассеивания 362.
2
[0077] ФИГ. 35 представлена карта освещенности в вертикальном поперечном сечении (показано цифрой «316» на ФИГ. 11) через сердцевину волокна 350, полученная непосредственно перед рассеивающим проксимальным концом 310 для данного примерного варианта осуществления изобретения устройства 300. В качестве источника света использовали лазер с длиной волны 690 нм и выходной мощностью 0,125 Вт, и данную мощность регулировали до тех пор, пока излучение, измеряемое в центре 307 продольной длины светорассеивающего участка 308 не составило 150 мВт/см. Данной измерение проводили на расстоянии 0,75 мм от центральной оси указанного местоположения участка рассеивания света 308. Общая длина оптического волокна (комбинация вводного волокна 304 и некруглой сердцевины волокна 302) от источника света, ведущего к данному местоположению 316, составляет 2 метра. Во время работы некруглая сердцевина волокна 302 заполняется лазерным излучением с угловым распределением ЧА = 0,22.
[0078] На соответствующих графиках распределения освещенности, представленных на ФИГ. 35 и составленных по результатам измерений, проведенных в вертикальном и горизонтальном сечениях, проходящих через центр карты освещенности, показано такое же «top hat» распределение освещенности в сердцевине, как и в описанном выше обычном цилиндрическом светорассеивающем устройстве 200, для которого требуется смеситель мод (24). Данное «top hat» распределение излучения внутри сердцевины волокна указывает на высокую степень однородности распределения излучения в сердцевине волокна 350.
2
[0079] На ФИГ. 36 представлено радиально-симметричное распределение исходящего в продольном направлении излучения вдоль внешней поверхности участка рассеивания света 308 (например, распределение рассеивающего излучения) для данного примерного варианта осуществления изобретения устройства 300. Распределение рассеянного излучения представляет собой оптимальное «top hat» распределение излучения, и это указывает на пространственную однородность исходящего продольного радиально-симметричного излучения вдоль внешней поверхности участка рассеивания света 308. На горизонтальной оси на ФИГ. 36 представлена продольная длина в мм, и горизонтальная стрелка указывает на продольную длину участка рассеивания света 308. На вертикальной оси на ФИГ. 36 представлено исходящее излучение на поверхности участка рассеивания света 308 в Вт/см, которую измеряли на расстоянии 0,75 мм от центральной оси.
ПРИМЕР V
[0080] В примерном варианте осуществления изобретения и со ссылкой на ФИГ. 11 и 43 устройство 300 включает некруглую сердцевину волокна 302, вводное оптическое волокно 304 и, по меньшей мере, один оптический соединитель 306. Во время работы вводное оптическое волокно 304 находится в световой связи с (i) источником света (не показан) и (ii) некруглой сердцевиной волокна 302 посредством, по меньшей мере, одного оптического соединителя 306. Входное волокно 304 имеет стеклянную сердцевину с наружным диаметром 200 мкм и оболочку с наружным диаметром 230 мкм. Длина некруглой сердцевины волокна 302 составляет 30 см, и на дистальном конце сердцевина переходит в светоизолирующее средство 314, которое представляет собой отражающее покрытие из алюминия.
[0081] Со ссылкой на ФИГ. 43 некруглая сердцевина волокна 302 включает сердцевину волокна 350, изготовленную из ПММА с в форме шестигранника, вписанного в окружность диаметром 460 мкм. Сердцевина волокна 350 покрыта оболочкой 352 в форме внутренней поверхности 356, которая соответствует той же форме шестигранника, что и сердцевина волокна 350. Однако геометрия внешней поверхности 354 оболочки 352 является круглой. Оболочка 352 изготовлена из стекла и ее наружный диаметр (НД) составляет 480 μм. Некруглая сердцевина волокна 302 дополнительно включает замкнутую открытую полость 358 и покрытие 360. Покрытие 360 изготовлено из полупрозрачной смолы «Пебакс» с НД = 1000 мкм и ВД = 800 мкм. Данное покрытие прикрепляют посредством термосварки на одном или обоих концах.
i
i
i
2
3
[0082] Некруглая сердцевина волокна 302 дополнительно включает участок рассеивания света 308, имеющий рассеивающий проксимальный конец 310 и рассеивающий дистальный конец 312. Данный участок рассеивания света 308 имеет продольную длину 11,3 мм, и данные внутренние рассеивающие элементы 362 начинаются у рассеивающего проксимального конца 310 и заканчиваются у рассеивающего дистального конца 312. Даннные элементы 362 состоят из 37 наборов по 6 эллипсов. Каждый эллипс имеет почти сферическую форму с диаметром 40 μм и расположен в 100 мкм от центральной оси сердцевины волокна 350 и распределен с приращениями, составляющими 60°, как показано на ФИГ. 43. Данные 37 наборов элементов 362 расположены нелинейным образом в соответствии со следующей формулой: z = 0,35i + 0,00015i - 0,000032i, где индекс z - целое число со значениями от 0 до 26 и z является относительным расположением z-го элемента 362 вдоль оси 364. Следует обратить внимание на то, что настоящее изобретение не ограничивается данной формулой, размером элементов 362, числом элементов 362 на единицу длины участка рассеивания 308 или величиной рассеивания на элемент 362. Вместо этого настоящее изобретение включает другие подходящие интервалы, размеры, число элементов 362 на единицу длины и величины рассеивания на элемент 362.
[0083] Источник света и общая длина точно такие, как в варианте осуществления изобретения, описанном выше в примере IV, и карта освещенности в вертикальном сечении 316 характеризуется значениями, которые находятся в пределах ± 10% от значений, представленных на ФИГ. 35. Когда источник скорректирован таким же образом, как в Примере IV, распределение рассеянного излучения представляет собой оптимальное «top hat» распределение излучения, которое характеризуется значениями в пределах ± 20%, как показано на ФИГ. 36.
ПРИМЕР VI
[0084] В примере осуществления и со ссылкой на ФИГ. 41A, настоящее изобретение обеспечивает устройство рассеивания фронтального света 600, включающее оптоволоконный соединитель 603, цилиндрического оптоволоконную участка 602, некруглое волокно 604 с сердцевиной волокна, два оптических соединителя 605 и линзовый компонент 606. Во время работы цилиндрический участок волокна 602 находится в световой связи с (i) источником света (не показан) через оптоволоконный соединитель 603 и (ii) участок некруглой сердцевины волокна 604 также имеет световую связь с линзовым компонентом 606.
[0085] Данный оптоволоконный соединитель 603 изготовлен в стиле SMA, и участок цилиндрического волокна 602 имеет стеклянную сердцевину с НД = 200 мкм, оболочку с НД = 220 мкм и тефзелевую оболочку с НД = 700 мкм. Пара оптоволоконных соединителей 605 изготовлена в стиле SMA, и некруглая сердцевина волокна 604 имеет стеклянную сердцевину волокна в форме шестигранника, вписанного в окружность диаметом 460 мкм, и цилиндрическую стеклянную сердцевину волокна с внешним диаметром 480 мкм и покрытую тефзелевой оболочкой диаметром 1,05 мм. Линзовый компонент 606 представляет собой линзу с ЧА = 0,5, градиентным показателем преломления, с углом наклона 1/4 и НД = 0,8 мм, прикрепленную к дистальному концу некруглой сердцевины волокна 604 оптической эпоксидной смолой. Длина некруглой сердцевины волокна составляет 30 см, и общая длина фронтального светорассеивающего устройства 600 составляет 2 метра.
2
[0086] В качестве источника света используют лазер с длиной волны 690 нм и выходной мощностью 2,2 Ватт при входной мощности ЧА = 0,22 на выходе в волокне 602, и данную мощность регулируют до тех пор, пока измеренное излучение на мишени 614 с отклонением 616, равным 80 мм, не составит 150 мВт/см с «top hat» распределением с внутренним диаметром 40 мм, значения которого находятся в пределах ± 10% от изображенного на ФИГ. 41D.
[0087] Следует обратить внимание на то, что если прямо не указано иное, все данные о распространении рассеянного излучения, представленные в данной спецификации и на чертежах (например, на ФИГ. 2-3, 5-6, 27-28, 34-36) получены на расстоянии 0,75 мм от центральной оси соответствующего местоположения либо от сердцевины волокна, либо от светорассеивателя.
[0088] Способ в соответствии с настоящим изобретением дополнительно включает нанесение светочувствительной лекарственной композиции на желаемый участок лечения; размещение устройства (300, 400), описанного интерстициально, в желательном месте лечения и подачу света, доставляемого устройством 300, на участок лечения при длине волны, поглощаемой светочувствительной лекарственной композицией, с целью подавить жизнедеятельность клеток-мишеней, расположенных на участке лечения.
[0089] Несмотря на то, что выше по тексту находится описание оптоволоконного светорассеивающего устройства и способ для ФИТ, ФДТ и других активируемых светом способов лечения в соответствии с настоящим изобретением, в целях иллюстрации преимущества данного изобретения, должно быть ясно, что данное изобретение этим не ограничено. Соответственно, любые и все модификации, вариации или эквивалентные устройства, которые могут возникнуть у специалистов в данной области техники, должны рассматриваться как находящиеся в пределах объема настоящего изобретения, как определено в прилагаемых пунктах формулы изобретения.