專(zhuān)利名稱(chēng)：光纖以及利用了該光纖的水中沖擊波發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖以及利用了該光纖的水中沖擊波發(fā)生裝置。更詳細(xì)地說(shuō)，涉及用于向水中照射脈沖激光而產(chǎn)生水中沖擊波的光纖以及利用了該光纖的水中沖擊波發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，作為對(duì)患部的非藥物療法，高頻消融治療正在廣泛普及。但是，該治療法是利用電極灼燒治療部位，所以難以進(jìn)行快速性心律失常中的深部的心律失常的治療，此外有可能由于發(fā)生的熱而使患部并發(fā)重癥的血栓閉塞癥的這樣的問(wèn)題。此外，確立了使向水中照射脈沖激光而發(fā)生的水中沖擊波集中，在局限的空間中瞬間地產(chǎn)生高壓，破碎去除尿路、腎結(jié)石的體外碎石術(shù)(Extracorporeal Shock WaveLithotripsy (ESWL)X本申請(qǐng)的申請(qǐng)人，如例如專(zhuān)利文獻(xiàn)I所示地，成功地提供了一種將上述水中沖擊波集中法小型化到能集成在導(dǎo)管內(nèi)的大小的水中沖擊波發(fā)生裝置。此外，如非專(zhuān)利文獻(xiàn)I的3.6中所示地，已知將光纖的表面設(shè)為粗面，與設(shè)為鏡面相比發(fā)生更強(qiáng)的沖擊波?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本特開(kāi)2009 - 61083號(hào)公報(bào)
非專(zhuān)利文獻(xiàn)1:H.NOSE et al., Effect of Optical Fiber Output Surfaceon Laser Induced Shock Wave and Its Application, Japanese Journal of AppliedPhysics Vol.43，N0.9A，2004，pp.6145-615
發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)研讀可知，專(zhuān)利文獻(xiàn)I的水中沖擊波發(fā)生裝置解決了能夠治療位于深部的患部的問(wèn)題、以及由于在治療部位不發(fā)生熱所以不發(fā)生血栓閉塞癥的問(wèn)題，但耐久性低。特別地，可知會(huì)在成型等中產(chǎn)生的表面的微細(xì)的龜裂進(jìn)水，或在照射激光時(shí)以細(xì)微的龜裂起點(diǎn)而產(chǎn)生破壞。所以，可知僅照射I次到多次的激光，就會(huì)損傷光纖的前端，并且由此發(fā)生的沖擊波的強(qiáng)度急劇減小。所以，為了構(gòu)筑更好的水中沖擊波發(fā)生裝置，使光纖的耐久性提高是必不可少的。本發(fā)明的目的在于提供一種能夠高效地使能量大的沖擊波發(fā)生且耐久性高的水中沖擊波發(fā)生裝置用的光纖以及使用該光纖的沖擊波發(fā)生裝置。本發(fā)明的光纖是向水中照射脈沖激光而發(fā)生水中沖擊波的水中沖擊波發(fā)生裝置用的光纖，其特征在于被構(gòu)成為:由線狀的本體部和設(shè)于其前端的激光集中部構(gòu)成，上述激光集中部越向前直徑越小，呈以軸中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體，上述激光集中部呈其前端對(duì)于上述軸成為垂直的平面部的近圓錐臺(tái)，上述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊對(duì)于半徑方向的內(nèi)角，向前逐漸變小。
這樣的光纖優(yōu)選上述激光集中部的表面是鏡面的那種。此外，優(yōu)選:上述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由多條直線構(gòu)成，上述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由曲線構(gòu)成，或者上述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由直線以及曲線構(gòu)成。本發(fā)明的水中沖擊波發(fā)生裝置具備:本發(fā)明的光纖、在前端形成凹面的柱狀的反射體、使該凹面封閉的截?cái)嗄?、充填在上述凹面與截?cái)嗄ぶg的液體。此外，其特征在于，反射體具有:具有以長(zhǎng)軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢圓面形狀的上述凹面、和形成于長(zhǎng)軸上并使與上述凹面連通的光纖通過(guò)的中心孔，上述光纖被固定為激光集中部的前端朝來(lái)到述反射體的凹面的焦點(diǎn)。本發(fā)明的光纖由線狀的本體部和設(shè)于其前端的激光集中部構(gòu)成，上述激光集中部越向前直徑越小，呈現(xiàn)以軸為中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體，所以能使從基端向光纖的前端照射的激光，能夠高效地使更強(qiáng)的沖擊波發(fā)生在精確位置。特別地，構(gòu)成為了上述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊對(duì)于半徑方向的內(nèi)角向前逐漸地變小，所以根據(jù)光線追蹤法能使激光集中。此夕卜，上述激光集中部的前端呈現(xiàn)變?yōu)閷?duì)軸垂直的平面部的近圓錐臺(tái)，所以耐久性高。在為這樣的光纖且上述激光集中部的表面為鏡面的情況下，能夠防止表面的微細(xì)的龜裂等，能夠使其耐久性提高。此外，能防止激光集中部的內(nèi)面的亂反射，能夠提高朝向前端集中的激光能量密度。特別地，將激光 集中部設(shè)為前端收縮直徑的近圓錐臺(tái)，其機(jī)械性強(qiáng)度比圓筒狀的小，但與以往的成型法相比，所發(fā)生的沖擊波強(qiáng)，且耐久性高。在為這樣的光纖且激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由多條直線構(gòu)成的情況下，激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由I或2以上的曲線構(gòu)成的情況下，或上述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由I或2條以上的曲線構(gòu)成的情況下，能夠根據(jù)光線追蹤法使激光集中，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的沖擊波。本發(fā)明的水中沖擊波發(fā)生裝置使用了本發(fā)明的光纖，所以光纖的耐久性高，作為裝置整體的耐久性也高。此外，構(gòu)成為激光在光纖的前端集中，所以發(fā)生的沖擊波也準(zhǔn)確地在反射體外的焦點(diǎn)集中，能量效率也高。此外，在距裝置更遠(yuǎn)的距離中使沖擊波發(fā)生。所以，能夠用于更高度的治療。


圖1 (a)是表示本發(fā)明的水中沖擊波發(fā)生裝置的一個(gè)實(shí)施方式的截面?zhèn)纫晥D，圖1 (b)是由該水中沖擊波發(fā)生裝置發(fā)生的沖擊波的反射圖。圖2 (a) (e)是示出各個(gè)本發(fā)明的光纖的激光集中部的一個(gè)實(shí)施方式的外形圖。圖3 (a)是示出圖2 (a)的激光集中部的數(shù)式的概略圖，圖3 (b)是向圖2 (a)的光纖的激光集中部照射激光時(shí)的激光的集中圖。圖4是示出圖1 (a)的反射體的截面?zhèn)纫晥D。圖5是由水中沖擊波發(fā)生裝置發(fā)生的沖擊波的距裝置前端的距離與強(qiáng)度的關(guān)系的圖表。附圖標(biāo)記說(shuō)明10:水中沖擊波發(fā)生裝置；11:光纖；12:反射體；13:截?cái)嗄ぃ?4:液體；15:導(dǎo)管；16:本體部；17:激光集中部；17a 17e:激光集中部:側(cè)邊；18a 立而；18b:基立而；22:四面；23:中心孔。
具體實(shí)施例方式接下來(lái)使用圖1說(shuō)明本發(fā)明的水中沖擊波發(fā)生裝置。水中沖擊波發(fā)生裝置10具備:光纖11、固定該光纖的反射體12、封閉該反射體12的前端的凹面開(kāi)口部的截?cái)嗄?3、在凹面和截?cái)嗄ぶg充填的液體14。該水中沖擊波發(fā)生裝置10是安裝于導(dǎo)管15的前端的小型的裝置。光纖11由線狀的本體部16和設(shè)于其前端的激光集中部17構(gòu)成，是經(jīng)脫羥基處理后的石英制的光纖。作為其本體部16的直徑，使用0.1 1.0mm、0.5 0.7mm、特別是
0.6mm的直徑。激光集中部17呈現(xiàn)朝向前直徑變小、呈以本體部的軸中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體、前端變?yōu)閷?duì)于本體部的軸垂直的平面部18a的小的大致圓錐臺(tái)的形狀(參照?qǐng)D2)。激光集中部17的前端平面部18a的直徑與基端18b的直徑的比為1/1.5 1/6、優(yōu)選為1/2 1/3、特別優(yōu)選為1/2。激光集中部的軸線截面的側(cè)邊對(duì)于半徑方向的內(nèi)角Θ從基端側(cè)向著前端側(cè)(朝向前)逐漸變小。此外，如果考慮激光集中部的耐久性，則優(yōu)選其高度比纖維的直徑低。激光集中部17的表面設(shè)為鏡面，沒(méi)有表面的微細(xì)的龜裂或凹凸。所以，能夠防止表面性的微細(xì)的龜裂、凹凸進(jìn)水，從該龜裂開(kāi)始的激光集中部17的破壞。作為激光集中部17的鏡面加工的方法，使用光學(xué)透鏡的制成方法。詳細(xì)地說(shuō)能舉出使用光學(xué)透鏡用的預(yù)定的道具，制備從直徑24微米到直徑I微米的多個(gè)研磨劑，從大直徑的開(kāi)始順序地研磨，加工為鏡面的方法。作為這樣的激光集中部17的大致圓錐臺(tái)的形狀能舉出圖2a e等。圖2a的激光集中部17a的前端18a的直徑Y(jié)為基端18b的直徑X的約一半，激光集中部17a的軸線截面的形狀呈大致梯形。該梯形的側(cè)邊由3個(gè)直線(17a1、17a2、17a3)構(gòu)成，從各個(gè)基端部(本體部、圖中左)側(cè)對(duì)于梯形的底邊(大致圓錐臺(tái)的半徑方向)的內(nèi)角(θ Α、Θ B、Θ c)逐漸變小(θ Α > Θ B > Θ c)。在圖2a的激光集中部17a中，舉出軸線截面形狀、即梯形的側(cè)邊由3條直線構(gòu)成的例子，但如果要滿(mǎn)足下面的數(shù)式，則可以由兩條直線構(gòu)成，也可以由4條以上的直線構(gòu)成。從基端向前端，設(shè)置各個(gè)直線對(duì)于半徑方向的內(nèi)角(θρ θ 2>…θη-1、θη)。(數(shù)I)0.4 < tan (2 θ n - 1/2 Ji ) /tan Θ n < 0.52 Θ n — 1/2 Ji < Θ n+1 < Θ n，n = 1，2，3...
其中，1/4< Θ n < 1/2 Ji通過(guò)這樣設(shè)定，如圖3a所示，在相對(duì)于半徑方向的內(nèi)角為Θ n的直線C的內(nèi)面反射后的激光，必然通過(guò)由該直線的基端、前端形成的面Α、面B之間的平坦面D。所以，能夠高效地將激光進(jìn)行聚光，能使更強(qiáng)的沖擊波發(fā)生。此外，如果考慮激光集中部的耐久性，則優(yōu)選大致圓錐臺(tái)的高度比纖維的直徑低。

圖2b的激光集中部17b中，前端18a的直徑Y(jié)對(duì)于基端18b的直徑X是約1/6，軸線截面的梯形的側(cè)邊由3條直線(17131、17132、17133)構(gòu)成。此外，將該激光集中部17b的高度(A’ +B’ + C’)設(shè)為與基端18b的直徑X相同。構(gòu)成為從各個(gè)基端部(本體部、圖中左)側(cè)開(kāi)始，對(duì)于梯形的底邊(大致圓錐臺(tái)的半徑方向)的內(nèi)角(ΘΑ、ΘΒ、Θ。)逐漸變小(ΘΑ> ΘΒ> Θ c),以使全部的激光反射光通過(guò)前端18a的平坦面的方式進(jìn)行設(shè)定。圖2c的激光集中部17c中，前端18a的直徑Y(jié)是基端18b的直徑X的約1/3。軸線截面的梯形的側(cè)邊由2條直線(17ClU7c2)構(gòu)成，從各個(gè)基端部(本體部、圖中左)側(cè)開(kāi)始對(duì)于梯形的底邊(大致圓錐臺(tái)的半徑方向)的內(nèi)角(ΘΑ、ΘΒ)越向前，越是逐漸變小(ΘΑ>Θ B)。在該實(shí)施方式中，將直線17Cl的內(nèi)角ΘΑ設(shè)定為臨界角附近。也即，設(shè)水的折射率為1.329、光纖的折射率為1.435時(shí)，根據(jù)臨界角的定義(臨界角Θ c = arcsin (n2/nl)，nl:光纖的折射率，n2:水的折射率)，在理論上通過(guò)直線17(^而透過(guò)到水中的激光消失的臨界角度是67.84度。進(jìn)而，如果考慮激光集中部的耐久性，則優(yōu)選大致圓錐臺(tái)比纖維的直徑低，在這種情況下，變?yōu)?6.8度以下。因此，67.84度< ΘΑ<76.8度。圖2d的激光集中部17d的前端18a的直徑Y(jié)對(duì)于基端18b的直徑X約為一半。軸線截面的梯形的側(cè)邊Hd1由向外凸出的彎曲線構(gòu)成。另一方面，側(cè)邊Hd1也可以由兩條以上的彎曲線構(gòu)成。圖2e的激光集中部17e的前端18a的直徑Y(jié)為基端18b的直徑X的一半。軸線截面的梯形的側(cè)邊由一條直線Ue1和一條彎曲線17e2構(gòu)成。圖2a e的激光集中部17a e，如果呈激光集中部的前端18a比基端18b小的大致圓錐臺(tái)形狀，且激光集中部17的軸線截面形狀的側(cè)邊對(duì)于半徑方向的內(nèi)角向前連續(xù)或者不連續(xù)地逐漸地變小，則能夠得到聚光效率的提高、以及光纖的激光集中部17的耐久性的提高這樣的本發(fā)明的效果。這樣構(gòu)成了光纖11，則例如圖3b所示地，如果向圖2a的激光集中部17a照射激光R，則根據(jù)光線追蹤 法，激光集中。反射體12，如圖4所示，是具備具有設(shè)為長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢圓面形狀的凹面22、形成于反射體的軸中心并通過(guò)與凹面22連通的光纖11的中心孔23的圓柱狀的部分。作為凹面22的短徑(開(kāi)口部直徑Z)，優(yōu)選為2.0 2.5_，特別優(yōu)選為2.3_。長(zhǎng)徑能夠根據(jù)患部的深度而決定，但長(zhǎng)短徑比優(yōu)選為1.2 1.6，特別優(yōu)選為1.4 1.45。圖1的截?cái)嗄?3是塑料制的薄膜，能使用具有彈性的材料。作為這樣的材質(zhì)，能舉出聚乙烯等。作為液體14，能舉出水、食鹽水等。導(dǎo)管15是具有可撓性的材料，能使用聚氨酯、聚酰胺、與它們類(lèi)似的彈性體、硅橡膠等合成樹(shù)脂制。本發(fā)明的水中沖擊波發(fā)生裝置10中，通過(guò)反射體12的中心孔23而固定光纖11，以使光纖11的激光集中部17的前端18a位于反射體12的凹面22 —個(gè)焦點(diǎn)Fl (參照?qǐng)Dlb)。由此，經(jīng)由光纖11而照射的激光在反射體的凹面22的焦點(diǎn)Fl發(fā)生沖擊波。發(fā)生的沖擊波從該焦點(diǎn)向360度擴(kuò)散，但向反射體12的凹面反射，并向著反射體12之外的第2焦點(diǎn)F2而進(jìn)行集中。這樣，本發(fā)明的水中沖擊波裝置10，能夠使沖擊波集中到從前端開(kāi)始的某一定距離。例如，能夠使快速性心律失常中的深部的心律失常治療準(zhǔn)確且安全地進(jìn)行。特別地，光纖11的激光集中部17，多次使用也不發(fā)生損傷而耐久性高，以小能量發(fā)生大的沖擊波。
作為使用于本發(fā)明的水中沖擊波發(fā)生裝置的激光，使用脈沖寬度為50 120納秒、優(yōu)選為70 100納秒、特別優(yōu)選為70納秒、能量為每I脈沖30mJ 50mJ的激光。作為這樣的激光，優(yōu)選為帶Q開(kāi)關(guān)的Ho =YAG激光。實(shí)施例如下地加工接下來(lái)的光纖的前端。[實(shí)施例1]制作基端18b的直徑X為0.6mm、前端18a的直徑Y(jié)為0.344mm、構(gòu)成截面形狀的側(cè)邊的3條直線(17&1、17%、17&3)的角度(ΘΑ、ΘΒ、Θ。)為78.9度、73.4度、65.6度、高度(A，、B，、C，)為 0.175mm、0.186mm、0.072mm 的圖 2a 的激光集中部 17a (實(shí)施例1)。將該激光集中部17a的表面，用使用于光學(xué)透鏡的制成方法的道具，從粗的研磨劑(熔融氧化鋁(24微米、16微米、10微米)、二氧化鈰(I微米))開(kāi)始順序研磨，而制成鏡面。[實(shí)施例2]制作基端18b的直徑X為0.6mm、前端18a的直徑Y(jié)為0.106mm、構(gòu)成截面形狀的側(cè)邊的三條的直線(171^、17132、17133)的角度(ΘΑ、ΘΒ、Θ。)為70度、61度、55度、高度(A’、B，、C，)為 0.457mm、0.060mm、0.083mm 的圖 2b 的激光集中部 17b (實(shí)施例 2)。[實(shí)施例3]
制作基端18b的直徑X為0.6mm、前端18a的直徑Y(jié)為0.148mm、構(gòu)成截面形狀的側(cè)邊的兩條直線(17c1、17c2)的角度(ΘΑ、ΘΒ)為69度、60度、高度(Α’、Β，)為0.213mm、
0.242mm的圖2c的激光集中部17c (實(shí)施例3)。[實(shí)施例4]準(zhǔn)備具有實(shí)施例1的激光集中部17a的光纖11、和具有短徑4mm的半截橢圓體形狀的凹面(反射鏡)的反射體12。在該反射體12的凹面22裝滿(mǎn)純凈水(液體14)，以厚度
0.1mm的硅橡膠制的截?cái)嗄?3密封該反射體的開(kāi)口端，制作水中沖擊波發(fā)生裝置10 (實(shí)施例4)。光纖的激光集中部17a以其前端位于反射體的第I焦點(diǎn)(圖1b的Fl)的方式進(jìn)行固定。[比較例I]準(zhǔn)備具有進(jìn)行劈開(kāi)處理后的圓筒狀的前端的通常的光纖，用實(shí)施例1的反射體
12、截?cái)嗄?3、液體14制造水中沖擊波發(fā)生裝置(比較例I)。光纖的前端固定于反射體的第I焦點(diǎn)。[比較例2]準(zhǔn)備具有基端的直徑為0.6mm、前端的直徑Y(jié)為0.35mm、高度Z為0.43mm的旋轉(zhuǎn)圓錐臺(tái)的激光集中部的光纖。激光集中部的表面用4000號(hào)的砂紙?zhí)幚?粗面)。以實(shí)施例1的反射體12、截?cái)嗄?3、液體14制造水中沖擊波發(fā)生裝置(比較例2)。光纖的激光集中部的前端以配置到反射體的第I焦點(diǎn)的方式進(jìn)行固定。[比較例3]制備具有作為基端的直徑為0.6_、作為截面形狀的側(cè)面向著前端而彎曲，前端變?yōu)榍娴恼w而變?yōu)榉乔蛐螤?彈丸形狀)的激光集中部的光纖。激光集中部的表面以4000號(hào)的砂紙?zhí)幚?粗面)。用實(shí)施例1的反射體12、截?cái)嗄?3、液體14制造水中沖擊波發(fā)生裝置(比較例3)。光纖的激光集中部的前端以配置于反射體的第I焦點(diǎn)的方式進(jìn)行固定。
向?qū)嵤├?以及比較例1、2、3的水中沖擊波發(fā)生裝置照射Ho:YAG激光(振蕩周期3Hz、激光出射端中的能量為35mJ/pulse)，使沖擊波發(fā)生。圖5示出對(duì)于與裝置的前端的距離的沖擊波最大過(guò)剩壓的變化。如圖5所示，在使用實(shí)施例4時(shí)能夠確認(rèn)55 65MPa的沖擊波(集中波)。另一方面，在使用比較例I時(shí)只能確認(rèn)15MPa前后的沖擊波(集中波)。在使用比較例2、3時(shí)，也只能確認(rèn)35 45MPa前后的沖擊波。此外，在實(shí)施例4中，相對(duì)于與裝置的前端的距離在2mm以上時(shí)觀測(cè)到了最大值，而在比較例I 3中，在與裝置的前端的距離在2mm前時(shí)觀測(cè)到了最大值。此外，光纖的耐久性，在比較例2中以300秒的連續(xù)照射而損傷激光集中部，在比較例3中以5秒的連續(xù)照射而損傷激光集中部。在實(shí)施例4中，在激光能量為45mJ/pulSe時(shí)，反復(fù)5秒連續(xù)照射80次，也未能 確認(rèn)到損傷。
權(quán)利要求
1.一種向水中照射激光而使水中沖擊波發(fā)生的水中沖擊波發(fā)生裝置用的光纖，其特征在于， 由線狀的本體部和設(shè)于該本體部的前端的激光集中部構(gòu)成， 所述激光集中部越向前直徑變得越小，呈以軸為中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體， 所述激光集中部呈其前端為對(duì)于所述軸垂直的平面部的大致圓錐臺(tái)， 所述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊對(duì)于半徑方向的內(nèi)角構(gòu)成為越向前越逐漸地變小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，所述激光集中部的表面為鏡面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，所述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由多條直線構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，所述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由曲線構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，所述激光集中部的軸線截面的側(cè)邊由直線以及曲線構(gòu)成。
6.一種水中沖擊波發(fā)生裝置，其特征在于， 具有:權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的光纖、在前端形成凹面的柱狀的反射體、封閉該凹面的截?cái)嗄?、和在所述凹面和截?cái)嗄ぶg充填的液體， 所述反射體具備具有以長(zhǎng)軸為旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)橢圓面形狀的所述凹面、和形成在長(zhǎng)軸上并通過(guò)與所述凹面連通的光纖的中心孔， 所述光纖固定為激光集中部的前端來(lái)到`所述反射體的凹面的焦點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供激光的聚光效率高、耐久性高的光纖以及使用該光纖的沖擊波發(fā)生裝置。光纖(11)用于向水中照射激光而使水中沖擊波發(fā)生的水中沖擊波發(fā)生裝置(10)。光纖(11)構(gòu)成為具有本體部(16)和設(shè)于其前端的激光集中部(17)，激光集中部(17)呈前端(18a)的直徑比基端(18b)的直徑小的大致圓錐臺(tái)的形狀，并且軸線截面的側(cè)邊對(duì)于半徑方向的內(nèi)角(θ)越向前越是逐漸變小。
文檔編號(hào)A61B17/22GK103167836SQ20118005040
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月19日
發(fā)明者高山和喜, 山本裕明, 下川宏明 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人東北大學(xué)