FR2653235A1 - Sonde de traitement a fibre optique et procede de reglage de la distribution lumineuse d'une telle sonde. - Google Patents
Sonde de traitement a fibre optique et procede de reglage de la distribution lumineuse d'une telle sonde. Download PDFInfo
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Abstract
L'invention concerne une sonde de traitement à fibre optique. Elle se rapporte à une sonde comprenant une fibre optique ayant une âme (20) et un revêtement (24) dont une extrémité d'entrée est couplée à un laser. Selon l'invention, la face d'extrémité d'entrée (30) est inclinée (thetaF ) par rapport à son axe (18) afin qu'elle sélectionne les modes d'ordre supérieur qui se propagent dans la fibre. De cette manière, à la sortie de la fibre, une distribution convenable d'énergie lumineuse est obtenue. Application aux sondes de traitement utilisées dans la thérapie par laser.
Description
La présente invention concerne des éléments optiques à fibre et plus
précisément des sondes de traitement à fibre optique destinées à être utilisées en thérapie photodynamique. La thérapie photodynamique implique l'utilisation de produits chimiques photoactivés pour le traitement de diverses maladies importantes telles que le cancer. En pratique, un produit chimique photoactivé, par exemple la "Photofrin" de Quadra Logic Technologies Inc. est injecté
dans le patient et s'accumule dans les cellules cancé-
reuses. Un certain temps après, normalement deux jours, la lumière du laser est transmise à l'emplacement cancéreux par un bout de diffusion d'une sonde de traitement à fibre optique destinée à activer le produit chimique et à traiter
le cancer.
Par exemple, la lumière du laser est transmise par un laser médical, par exemple un laser à argon de forte
puissance assurant le pompage d'une tête de laser à colo-
rant, à la sonde de traitement par l'intermédiaire d'une lentille de focalisation et d'une fibre de couplage (fibre intermédiaire). La lumière créée par ces lasers est sous forme d'un faisceau gaussien ayant un petit angle de lancement (angle de sortie), par exemple de 10 , et ayant
une longueur d'onde d'environ 630 nanomètres (nm).
La sonde de traitement est formée d'un tronçon de câble à fibre optique ayant un raccord à une première extrémité pour l'accouplement, à la fibre, de la lumière
du laser ou une fibre intermédiaire, et un bout de diffu-
sion placé à l'autre extrémité et par lequel la lumière du laser est diffusée et transmise au patient. Il existe trois types de bout diffusant: les diffuseurs cylindriques, les diffuseurs sphériques et les microlentilles. Chaque type de diffuseur nécessite un niveau différent de puissance lumineuse et une durée différente de traitement, suivant les calculs du médecin. Le type de diffuseur utilisé pour le traitement est choisi d'après un protocole donné qui dépend du type de traitement et de l'emplacement de la zone
de traitement.
Normalement, il est souhaitable que la lumière du laser quittant le diffuseur ait une répartition uniforme de puissance. La répartition uniforme de puissance donne l'efficacité maximale de traitement sans détérioration (brûlure) du tissu sain, dans les zones de densité élevée d'énergie. Cependant, comme l'angle de sortie du faisceau laser quittant le laser est faible, les modes d'ordre inférieur dirigés essentiellement vers l'avant de la fibre
de la sonde de traitement sont excités pendant la transmis-
sion de la lumière et la densité élevée résultante des
modes d'ordre inférieur dans le diffuseur donne une répar-
tition irrégulière d'énergie de la lumière quittant le diffuseur. Un autre problème posé par le nombre élevé de modes d'ordre inférieur est que la plupart de la lumière est projetée vers le bout d'un diffuseur cylindrique ou est diffusée dans une petite région d'un diffuseur sphérique ou à microlentilles, si bien qu'une zone de densité élevée d'énergie est formée. Des points chauds apparaissent dans les zones de densité élevée d'énergie dans le diffuseur et peuvent provoquer une brûlure et une réduction de la durée
d'utilisation de la sonde de traitement.
L'addition d'une fibre de couplage (fibre intermé-
diaire) entre le laser et la sonde de traitement a tendance à mélanger les modes de la lumière du laser dans une certaine mesure si bien que, lorsque la lumière quitte la fibre intermédiaire, elle s'est étalée dans des modes
d'ordre plus élevé, par exemple avec un angle de 28 .
Cependant, les fibres de traitement ont normalement des modes d'ordre plus élevé disponibles par exemple dans un
angle total de 40 , obtenu par addition de la fibre inter-
médiaire. En outre, la fibre intermédiaire augmente les pertes de lumière si bien qu'une puissance réduite est
transmise au diffuseur.
On connaît un certain nombre d'autres procédés d'excitation des modes d'ordre supérieur de la lumière
transmise au diffuseur. Un premier procédé est l'utilisa-
tion d'une courbure de la fibre, provoquant un mélange des
modes et un remplissage résultant des modes d'ordre élevé.
Cependant, il n'est pas possible de prévoir quels modes d'ordre élevé sont formés, et la contrainte appliquée à la fibre peut provoquer des ruptures et un raccourcissement de
la durée de l'utilisation de la fibre.
Un second procédé est la formation de la sonde de traitement par mise en butée d'un diffuseur de saphir et d'une extrémité plate et polie d'une fibre. La lumière mélange les modes lorsqu'elle pénètre dans le diffuseur et donne une répartition plus uniforme de puissance & la sortie du diffuseur. Cependant, ce procédé pose un certain nombre d'autres problèmes. Des points chauds se forment au raccord du diffuseur et de la fibre. La jonction a tendance à être plus faible que le reste de la sonde, et la longueur du diffuseur formé par le cylindre de saphir est limitée
étant donné les possibilités de rupture.
Un troisième procédé comprend l'effilement d'une
extrémité de la fibre avec une forme conique et l'introduc-
tion de cette extrémité dans un diffuseur ayant une ouver-
ture de forme cylindrique. L'angle formé à l'extrémité de la fibre crée des pertes de lumière de manière réglée avec remplissage des modes d'ordre élevé et obtention d'une distribution plus régulière de puissance dans la lumière diffusée. Cependant, l'extrémité de la fibre garde encore les modes d'ordre inférieur et donne une densité élevée d'énergie et des points chauds localement. En outre, la
longueur de la sonde est limitée.
L'invention a donc essentiellement pour objet la réalisation d'une structure à fibre optique permettant un réglage des modes excités dans une fibre optique d'une sonde de traitement à fibre optique, afin que les zones de densité élevée d'énergie, dans un diffuseur de lumière de
la sonde de traitement, soient éliminées et que la réparti-
tion de puissance lumineuse fournie par le diffuseur puisse
être réglée.
L'invention concerne aussi une sonde à fibre optique destinée à être directement couplée à une source laser afin
que l'utilisation d'une fibre de couplage (fibre intermé-
diaire) ne soit plus nécessaire, avec suppression des pertes associées de lumière de la fibre de traitement, si bien que la puissance lumineuse fournie au diffuseur est accrue. L'invention concerne aussi une sonde de traitement à fibre optique qui peut donner une distribution uniforme de
la puissance lumineuse à l'aide du diffuseur.
L'invention concerne aussi une sonde perfectionnée à fibre optique dont la fabrication est peu coûteuse et dont
l'utilisation est facile.
Une sonde à fibre optique selon l'invention comprend un tronçon de fibre optique ayant une extrémité d'entrée destinée à coupler la fibre à une source de lumière laser qui émet de la lumière avec un certain angle de lancement (angle de sortie) par rapport à un axe optique de la sonde, et une extrémité de sortie ayant un diffuseur destiné à
disperser la lumière du laser. Une face d'extrémité d'en-
trée est inclinée par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe optique de la sonde, l'angle étant choisi afin qu'il permette l'excitation des modes voulus de la lumière dans
la fibre.
L'invention constitue un progrès par rapport aux
sondes de traitement de type connu parce que la distribu-
tion d'énergie de la lumière provenant d'un diffuseur de la sonde de traitement peut être prévue d'après l'angle de lancement du laser, les caractéristiques du matériau de la fibre, et l'angle de la face d'extrémité de la sonde de traitement, si bien qu'un angle de la face de traitement qui donne une distribution uniforme d'énergie de la lumière
provenant du diffuseur peut être sélectionné, avec élimina-
tion des points chauds formés par des régions de densité
élevée de puissance dans le diffuseur. Une fibre intermé-
diaire n'est plus nécessaire pour l'excitation des modes d'ordre supérieur, si bien qu'une plus grande puissance lumineuse est transmise au diffuseur grâce à la réduction des pertes de lumière, et le coût total de l'utilisation de la sonde de traitement peut être réduit. En outre, le diffuseur peut être formé directement sur la fibre, avec élimination des points chauds & l'interface du diffuseur et de la fibre, si bien que des diffuseurs plus puissants
peuvent être utilisés, avec réduction du coût de fabrica-
tion de la sonde.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion seront mieux compris à la lecture de la description
qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective avec des parties arrachées d'une sonde de traitement à fibre optique selon l'invention, en coopération avec une source de lumière laser; la figure 2 est une vue schématique de la face inclinée d'extrémité d'entrée de la sonde à fibre optique de la figure 1; la figure 3 est une vue schématique d'une sonde de traitement ayant un angle de sa face d'extrémité égal à 0 et représentant les modes lumineux excités dans la fibre; la figure 4 est une vue schématique d'une sonde de traitement ayant une face d'extrémité faisant un angle de 10 , et représentant les modes lumineux qui sont excités dans la fibre; la figure 5 est une vue schématique d'une sonde de traitement ayant une face d'extrémité faisant un angle de , et représentant les modes lumineux excités dans la fibre; et la figure 6 représente graphiquement la distribution
d'énergie obtenue dans les fibres des figures 3, 4 et 5.
La figure 1 représente une sonde 10 de traitement à fibre optique collectée à une source de lumière laser 11 tel qu'un laser médical. La source laser est formée d'un laser de type connu 12, par exemple un laser à argon de forte puissance qui pompe une tête laser à colorant, destinée à donner un faisceau 14 de lumière laser qui est focalisé sur un raccord de sortie 15 par une lentille 16 de focalisation. Le faisceau lumineux d'un laser médical 11 a par exemple une distribution gaussienne d'énergie, à une longueur d'onde d'environ 630 nm, avec un niveau de puis- sance de sortie de la sonde correspondante de traitement de 4 W. Le faisceau lumineux quitte le laser dans un cône 17 qui est coaxial à l'axe optique 18 de la figure 2 de la sonde de traitement et un demi-angle au sommet 19 (angle de lancement) sur la figure 2 (0X) par rapport à l'axe optique 18. On se réfère à nouveau à la figure 1; la sonde de traitement 10 comprend un tronçon d'une fibre optique 20 ayant une extrémité 21 d'entrée et une extrémité 22 de sortie. La fibre optique a une structure classique et est formée d'une âme 23 de guidage de lumière entourée d'un matériau 24 de revêtement. Ce matériau de revêtement a un indice de réfraction inférieur à celui du matériau d'âme et permet ainsi au rayon lumineux convenablement dirigé dans l'âme d'être réfléchi le long de l'âme. Tout type de fibre optique connu peut être utilisé dans la sonde de traitement selon l'invention, par exemple des fibres optiques à âme de verre, de silice fondue ou d'un polymère.tel qu'un acrylate ou méthacrylate, entourée d'un revêtement de verre ou d'un polymère. Les rayons lumineux entrant dans la fibre sont réfractés et se propagent en faisant un angle interne (BY) sur la figure 2 par rapport à l'axe de la fibre. Chaque angle interne avec lequel les rayons lumineux se propagent correspond à un mode de la fibre. L'ouverture numérique de la fibre détermine l'angle critique de la fibre qui est le plus grand angle interne (mode d'ordre le plus élevé) pour lequel la lumière peut se propager dans la fibre. Si l'angle interne du rayon lumineux dépasse l'angle critique, le rayon n'est pas réfléchi dans l'âme par le revêtement, si bien que la puissance lumineuse transmise par la fibre est réduite. L'angle critique de la fibre correspond à un angle d'acceptation maximale de la fibre qui est l'angle de lancement à l'extrémité d'entrée de la fibre, avec une face plane d'extrémité perpendiculaire à l'axe optique de la fibre qui forme un rayon lumineux, dans la fibre, faisant un angle interne égal à l'angle
critique. De préférence, la fibre est une fibre "HCS" ayant un dia-
màtre d'âme de 0,4 Irm, à ouverture nornmale, ayant des indices de ré-
fraction de l'âme et du revêtement de 1,46 et 1,41 respectivement et ayant une ouverture numérique de 0,37 correspondant à un angle maximal
d'acceptation de 22 (demi-angle).
Selon une variante, la fibre est une fibre ayant une ouverture numérique de 0,48 correspondant à un angle maximal d'acceptation de
29 (demi-angle).
Un diffuseur 26, par exemple un diffuseur cylindrique, est for-
me à l'extrémité 22 de sortie de la fibre. Le diffuseur est forme d'a-
bord par-extraction d'un tronçon de revêtement à l'extrémité de sortie de la fibre, avec exposition de l'âme puis par remplacement du tronçon de revêtement par un matériau ayant un indice de réfraction supérieur ou égal à celui du matériau d'âme, formé par
exemple d'un verre ou d'un polymère. Le matériau de rempla-
cement est imprégné d'un fluide de diffusion, par exemple des perles de verre de l'ordre du micron, de l'oxyde
d'aluminium ou de l'oxyde de zinc. Le matériau de rempla-
cement ayant un indice de réfraction supérieur ou égal permet à la lumière transmise par l'âme d'être réfléchie par le diffuseur. Le matériau diffusant disperse la lumière
réfractée en dehors de l'âme.
L'extrémité 21 d'entrée de la fibre a une face
inclinée d'entrée 30, sur la figure 2, permettant l'admis-
sion de la lumière dans l'âme de la fibre, et un raccord d'entrée 31, sur la figure 1, destiné à coopérer avec le raccord 15 de sortie du laser afin que la sonde 10 de
traitement soit couplée au laser médical 11.
On se réfère à la figure 2; la face d'extrémité 30
de la fibre fait un angle (OF) 35 avec le plan 36 perpendi-
culaire à l'axe de la fibre. L'angle OF 35 est choisi afin que les modes d'ordre supérieur de la fibre soient excités par la lumière du laser et donnent une distribution plus uniforme d'énergie à la lumière quittant le diffuseur en
empêchant la formation de points chauds dans le diffuseur.
L'angle 8F 35 est limité afin que l'angle critique ne soit pas dépassé si bien que la sortie de lumière de la fibre
est limitée.
Les modes excités dans la fibre peuvent être prévus d'après la relation suivante (tirée de la loi de Descartes): 8 = eF - sin [(nî/n2)sin(8F+8X)] nI étant l'indice de réfraction du milieu environnant et n2
celui de l'âme de la fibre.
Cette relation est purement théorique et peut être affectée par divers effets de surface et de pureté du matériau. On peut mieux comprendre la mise en oeuvre de l'invention en référence à un exemple. Si une sonde à fibre optique ayant un indice de réfraction d'âme de 1,46 et un angle de sa face d'extrémité d'entrée (8F) de 0 est utilisée avec un laser ayant un angle de lancement (0X) de au total, les modes excités dans la fibre (BY) sont énumérés dans le tableau suivant: 8F eX 8Y
0O 50 - 3,40
0 40 - 2,7
0 30 - 2,1
0' 2 - 1,4
0 10 - 0,7
0 0 0
0 - 1 0,7
0o - 20 1,4
O - 30 2,10
0 - 4 2,7
O' _ 5 3,4
Comme l'indique la figure 3, seuls les modes d'ordre inférieur dirigés vers l'avant de la fibre de traitement sont excités. Ceci donne une distribution gaussienne d'énergie de la lumière dans la fibre comme l'indique la présentation (a) de la figure 6, avec une distribution
irrégulière de la lumière provenant du diffuseur.
Si l'on utilise une sonde à fibre optique ayant un
indice de réfraction de 1,46 et un angle de sa face d'en-
trée (OF) de 10 , avec le même laser, des modes d'ordre supérieur (@Y) de la fibre sont excités, comme indiqué dans le tableau qui suit:
OF OX (Y
5 0- 0,2
4 0,5
o 30 1,10
10 20 1,8
10 2,5
o 0o 3,1 o - 10 3,8
2 4,5
10 - 30 5,20
- 4 5,90
0 50 6,6
Comme l'indique la figure 4, les modes d'ordre élevé de la fibre sont remplis et la distribution de lumière dans
la fibre est plus uniforme comme l'indique la représenta-
tion (b) de la figure 6 si bien que la distribution de
lumière provenant du diffuseur est plus régulière.
Comme l'indique la figure 5, si l'inclinaison de la face d'extrémité de la fibre augmente encore, des modes d'ordre encore plus élevé sont excités dans la fibre, et la distribution résultante d'énergie lumineuse dans la section de la fibre présente des maxima comme représenté par la
courbe (c) de la figure 6.
La fibre de l'exemple précédent a un angle maximal d'acceptation correspondant à un demi-angle de 22 . En conséquence, l'angle maximal de la face d'extrémité (OF)
destiné à être utilisé avec le laser des exemples précé-
dents est de 35 afin que l'angle critique ne soit pas dépassé. Grâce à la variation de l'angle d'inclinaison de la face d'extrémité de la fibre, la distribution de la lumière provenant du diffuseur peut être modifiée. En conséquence, pour un laser particulier ayant un angle fixe de lancement, un angle de la face d'extrémité de la sonde peut être choisi pour qu'il donne un signal voulu de sortie. Etant donné les lasers médicaux actuellement utilisés, la face d'extrémité peut avoir un angle compris entre 0,5 et 450, en fonction des conditions de transmission. Dans la plupart des applications, un angle compris entre 50 et 300 est le
plus avantageux.
La sonde de traitement est représentée comme ayant un diffuseur cylindrique mais l'invention peut aussi être
utilisée avec un diffuseur sphérique ou à microlentilles.
En outre, la sonde à fibre optique est représentée directe-
ment couplée au laser. Cependant, l'invention peut aussi être mise en oeuvre avec une fibre de couplage (fibre
intermédiaire) placée entre la sonde et le laser.
Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux sondes à fibre optique qui viennent d'être décrites uniquement à titre d'exemples
non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (19)
1. Sonde & fibre optique destinée à être utilisée avec une source de lumière laser ayant un axe faisant un
angle de sortie avec l'axe optique de la sonde, caracté-
risée en ce qu'elle comprend: un tronçon de fibre optique ayant une âme (20) et un revêtement (24), l'âme ayant une gamme de modes disponibles déterminée par une ouverture numérique de l'âme, l'âme et le revêtement ayant tous deux des indices de réfraction tels que l'âme a un indice de réfraction supérieur à celui du revêtement, si bien que la lumière peut se propager le long de la fibre avec les modes de l'âme, l'extrémité de sortie, à une première extrémité de la fibre, ayant un diffuseur destiné à disperser la lumière qui se propage dans la fibre, et une extrémité d'entrée (30), placée à l'autre extrémité de la fibre, assurant le couplage de la lumière du laser à la fibre, cette extrémité d'entrée (30) faisant
un angle (OF), l'angle de la face d'extrémité étant déli-
mité entre un plan normal à l'axe optique et le plan de la face d'entrée, l'angle étant choisi afin que les modes
voulus soient excités dans la fibre et donnent la distribu-
tion voulue de lumière dispersée par le diffuseur.
2. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'angle (8F) de la face d'entrée est compris entre
0,5 et 45 .
3. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en
ce que le diffuseur est un diffuseur cylindrique.
4. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en
ce que le diffuseur est un diffuseur sphérique.
5. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en
ce que le diffuseur est du type à microlentilles.
6. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en
ce que la fibre a une ouverture numérique de 0,37, corres-
pondant à un angle maximal d'acceptation de 22 (demi-
angle).
7. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en
ce que la fibre a une ouverture numérique de 0,48 corres-
pondant à un angle maximal d'acceptation de 29 (demi-
angle).
8. Sonde selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'angle de la face d'entrée est compris entre 5 et .
9. Sonde selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une fibre de couplage de
l'extrémité d'entrée de la fibre au laser.
10. Procédé de réglage de la distribution de la lumière donnée par un diffuseur d'une sonde à fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: la disposition d'une source de lumière laser (12) dont le faisceau est compris dans un cône (17) coaxial à l'axe optique (18) de la sonde,
le couplage de la lumière à une face (30) d'extré-
mité d'entrée de la sonde, et l'inclinaison de la face (30) d'extrémité d'entrée de la sonde par rapport au plan normal à l'axe de la sonde, l'angle (OF) étant choisi afin qu'il assure l'excitation des modes voulus dans la fibre, si bien que la distribution lumineuse voulue est obtenue après dispersion par le diffuseur.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend la sélection de l'angle (OF) de la face d'extrémité d'entrée de manière qu'il soit compris
entre 0,5 et 45 .
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que le diffuseur est un diffuseur cylindrique.
13. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que le diffuseur est un diffuseur sphérique.
14. Procédé selon la revendication 10, caractérisé
en ce que le diffuseur est du type à microlentilles.
15. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en vce qu'il comprend en outre la disposition d'une fibre de couplage, et le couplage de la face d'extrémité d'entrée du laser par l'intermédiaire de la fibre de couplage.
16. Procédé selon la revendication 10, carac-
térisé en ce que la fibre a une ouverture numérique de 0,37 correspondant à un angle maximal d'acceptation de
22 (demi-angle).
17. Procédé selon la revendication 10, carac-
térisé en ce que la fibre a une ouverture numérique de 0,48 correspondant à un angle maximal d'acceptation de
29 (demi-angle).
18. Procédé selon la revendication 16, carac-
térisé en ce qu'il comprend en outre la sélection de l'angle de la face d'extrémité d'entrée afin qu'il soit
compris entre 5 et 30 .
19. Procédé de réglage de la distribution de la lumière donnée par un diffuseur d'une sonde à fibre optique; le diffuseur étant formé à l'extrémité de la fibre pour distribuer la lumière réfractée à partir de la fibre, caractérisé en ce qu'on réalise une sonde à fibre optique avec une âme et ur revêtement; ladite âme ayant une gamme de modes disponibles déterminés par une ouverture numérique de l'âme, ladite âme et ledit revêtement ayant tous deux des indices de réfraction tels que ladite âme a un indice de réfraction supérieur à celui du revêtement pour permettre à la lumière de se propager le long de la fibre selon les modes de ladite âme; - on dispose une source de lumière laser (12) dont le faisceau est compris dans un cône (17) coaxial à l'axe optique (18) de la sonde, - on réalise sur la fibre une face d'entrée plane et inclinée avec un angle (eF); ledit angle de face d'entrée étant délimité entre le plan perpendiculaire à l'axe optique et le plan de la face d'entrée et - on couple la lumière de ladite source laser à ladite face d'entrée de telle sorte que ledit angle de la face d'entrée commande les modes excités dans ladite âme et commande ainsi la distribution de lumière dispersée à
partir du diffuseur.
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