JPH0910225A - 照明範囲の動的調整が可能な外科手術用小型投光システム - Google Patents

照明範囲の動的調整が可能な外科手術用小型投光システム

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JPH0910225A
JPH0910225A JP7187725A JP18772595A JPH0910225A JP H0910225 A JPH0910225 A JP H0910225A JP 7187725 A JP7187725 A JP 7187725A JP 18772595 A JP18772595 A JP 18772595A JP H0910225 A JPH0910225 A JP H0910225A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型、計量で高効率で、照明範囲の動的調整
を行うことができる小型外科手術用ヘッドランプを提供
する。 【解決手段】 このヘッドランプは、少なくともシング
ル・コア光ファイバ伝送光ガイドと、調整できる投光シ
ステムと、外科医の目に近接するヘッドランプを移動可
能に支持する取付機構とを備えている。移動できるレン
ズを用いて照明範囲を調整している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバ光学
系、特に外科医が装着するヘッドランプなどの外科手術
用照明システムにおける光ファイバ伝送光ガイドおよび
投光システムの使用に関するものである。
【0002】
【従来の技術】外科手術用照明システムは可視光線を手
術範囲に送る手段である。このシステムは、単に固定し
た照明範囲を形成する自立型ユニットとして使用される
と共に、外科手術用ルーペなどの拡大システムと併せて
使用される。中心軸に対して垂直な手術範囲に位置する
平面上に照明範囲を形成する光ビームは、理想的には、
外科医の視野と同軸になることが望ましい。光ビームと
外科医の視野を同軸にするためには、照明システムの位
置を固定しても、移動可能にしてもよく、また被照明範
囲の大きさも固定または調整可能にすることができる。
倍率が一定な外科手術用ルーペを使用する場合のよう
に、視野が固定されている時は、固定照明範囲の固定照
明システムが望ましい。照明範囲の倍率が調整可能な場
合には、ビームの直径が調整可能でなければならない。
照明システムを自立型ユニットとして使用する場合、様
々な手術範囲に対応するには、位置およびビーム直径が
共に変化することが望ましい。
【0003】一般に照明システムは、3つの主要コンポ
ーネント、すなわち、(i)伝送光ガイド、(ii)投
光システム、および(iii)取付機構から構成され
る。従来のシステムにおいては、光伝送ケーブルが、光
源と照明システムとをつなぐ光ファイバの束になってい
る。光源からケーブルの集光端などの小さな目標に光を
結合する場合、従来の照明システムでは制約があるた
め、光ファイバの束を伝送ケーブルとして使用する必要
がある。十分な光量を伝送ケーブル内に導入して、手術
範囲の照明を十分に行うことができるようにするには、
通常、3mmから5mmといった、総直径が比較的大き
な光ファイバ束を使用する必要がある。
【0004】通常、従来の技術による照明システムの投
光システムは、伝送ケーブルの出力端とレンズとを直接
に接続するものと、回転ミラーまたはレンズ、あるいは
その両方を光ケーブルの出力端とレンズの間に配設して
光をレンズに導く複合接続を備えたものとの2種に分類
できる。Klootsに付与された米国特許第4516
190号に開示されているシステムなどの、複合接続投
光システムを有するヘッドランプでは、ビーム直径の調
整、したがって、照明範囲を調整光ビームの行路に配置
した絞りなどの調整できる開口によって制御する。被照
明範囲の大きさを小さくする場合、絞りの開口径をそれ
に合わせて減少させる必要があり、絞り開口径を小さく
すると、被照明範囲の大きさに応じてシステムからの光
の出力も減衰する。
【0005】ヘッドランプの取付システムは、投光シス
テムを取り付け、位置決めするための様々なクランプ、
ブラケット、ヒンジ、ピボット機構などを取り付けたヘ
ッドバンドであるのが普通である。たとえば、従来技術
によるあるヘッドランプ(Chesterに対して付与
された米国特許第3830230号)では、ヘッドラン
プをヘッドバンドへ回転できるようにピボット部材で結
合した2つの回転ジョイントを介して、投光システムを
ヘッドバンドに接続している。
【0006】外科手術用の照明システムは、長年にわた
って使用されてきたが、従来技術の設計によるシステム
の3つの主要コンポーネントには、それぞれ多数の欠点
がある。光ファイバ束による伝送光ガイドの欠点の一つ
として、重量がありすぎる点をあげることができ、これ
が原因となって、ヘッドランプの使用中、外科医が首の
疲労を覚えることになる。光ファイバ束を分岐させて、
光ファイバ束の抵抗を減少させ、外科医の頭部にある取
付アセンブリのバランスを向上させようとしている設計
もある。そのほか、光ファイバ束の欠点としては、単位
長さ当たりの光の損失が、1フィート当たり10%から
15%ときわめて高いために、伝送ケーブルの長さに対
する制約が大きくなる点が上げられる。ケーブルが長い
ほど、医師に供給される光は減少し、したがって、ケー
ブルを短くし、光ファイバ束の直径を大きくする必要が
ある。実際には、直径5mmの光ファイバ束からできて
いる伝送ケーブルは、長さ10フィート以下にする必要
がある。ケーブルが医師の着衣に取り付けられてしまう
と、ケーブルには、医師が手術台の周りを移動するだけ
の長さの余裕はほどんどないため、このような要件によ
って医師の自由な動きはきわめて限られることになる。
【0007】従来のヘッドランプの投光システムは、直
接接続型のものにも複合接続型のものにも、欠点があ
る。光ファイバ束の直径が比較的大きいために、直接接
続したレンズは、伝送光を制限しないように、十分大き
な開口を有する必要がある。さらに、ケーブルからのビ
ーム出力が大きいために、シングル・レンズ・システム
を使用する場合、ほぼ平行で同軸のビームを生成するこ
とが困難である。一方、複合結合を備えている投光シス
テムを使用する場合は、システムが非常にかさばり、光
ファイバ束から照明範囲に光を伝送する効率が低下す
る。伝送効率が低下すると投光システムのハウジングの
温度がきわだって高くなる。しかし、複合システムで
は、均一性、平行性、同軸性が直接結合システムに比べ
て高いこと特徴とした、質の高い光を供給しやすい。最
も重要な点は、上に述べた従来の伝送ケーブルおよび投
光システムの効率の悪さが複合的に結び付くために、手
術範囲に伝送される光の総量が通常望ましい量よりも少
なくなる場合が多いことである。
【0008】従来のヘッドランプの投光システムを支持
するために使用する取付機構については、さまざまなも
のがあるが、これらを使用するとかならずヘッドバンド
形状が大きくなり、重量もきわだって重くなる。さら
に、最初に調整してから、ヘッドランプを所定位置に固
定しなければならないため、ヘッドバンド自体を医師の
頭部に固定して動かないようにする必要がある。今日使
用されている代表的なヘッドバンドは、頭部に密着する
ように周の長さを調整できるリングから成り、装着者の
頭部形状にそって湾曲した伝送ケーブル支持用湾曲支持
部材が付属している。重量のほかに、このヘッドバンド
の欠点としては、長時間の手術中に動いて装着に違和感
を生じることがないように、頭部にややきつく密着させ
なければならない点があげられる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、従来の照明システムの機能を備えながら、しか
も使用時の装着感を大幅に向上させ、装着形態をさらに
多様化した小型、軽量な外科手術用照明システムを提供
することにある。
【0010】さらに本発明の目的は、光ファイバ束より
も非常に軽いシングル・コアの光ファイバで投光システ
ムに光を供給することによって、照明強度、照明の均一
性において質の高い被照明範囲を提供し、疲労を防止し
ながら外科医の動きの自由度を高めることである。
【0011】さらに本発明の目的は、単純なネジ機構を
使って移動可能なフィールド・レンズに直接接続したシ
ングル光ファイバ伝送光ガイドを具備する投光システム
を備え、さらに伝送光ファイバから出る光ビーム出力を
集中し、被伝送光の総出力を浪費せずに小さな照明範囲
を十分に照明する外科手術用小型照明システムを提供す
ることにある。
【0012】さらに本発明の目的は、外科医の視界をさ
えぎることなく両眼の間に投光システムを都合よく配置
できる取付機構により、外科医の視線と同軸な、近似平
行光ビームを提供することにある。
【0013】
【発明の要旨】本発明は、照明範囲の動的調整が可能な
外科手術用小型照明システム、すなわちヘッドランプを
提供するものである。本外科手術用照明システムは、少
なくとも、シングル光ファイバ伝送光ガイドと、調整で
きる投光システムと、外科医の目の近くに当該照明シス
テムを移動可能に支持する取付機構とを備えている。ま
た投光システムの構造体を支持し、伝送光ファイバを投
光システムに接続するための収容ブロックも備えてい
る。伝送光ファイバは、その出力端をフェルールに通
し、フェルールの付いた出力端をさらに円筒状経路に通
し、ネジ・クランプ(またはベイオネット金具)をフェ
ルールの周りに締め付けて伝送光ファイバを所定位置に
固定することにより、受光ブロックに着脱可能に接続し
ている。伝送光ガイドは、直径0.48mmの水晶コア
を具備する光伝送効率の高いシングル光ファイバと、テ
トラフルオロエタンを伴う11,3−ジオキソール−
4,5−ジフルオロ−2,2−ビス(トリフルオロメチ
ル)−ポリマを含むアモルファス過フッ化炭化水素から
成るクラッドと、シリコーン・バッファとを備えてい
る。
【0014】投光システムは、出力光ビームの発散角度
を制御し、したがって、照明範囲の大きさを制御する。
投光システムは、同軸配置した円筒状空洞を有する円筒
状ハウジング・マウントを備えており、この円筒状空洞
は、伝送光ファイバのフェルールに通した出力端を収容
するとともに、出力端からの光出力を当該ハウジング・
マウントの当該空洞内で発散させることを目的としてい
る。ハウジング・マウントの外表面には、対応するネジ
付円筒状レンズ・ハウジングを収容するためにネジが切
ってある。また、これに代わるものとして、ハウジング
・マウントの外表面およびハウジングを滑らかに作製
し、システムが回転することなく前後に滑動できるよう
にしたものもある。ハウジング・マウントに対向するレ
ンズ・ハウジングの第1の端部には、レンズ座部を設け
ることによって、フィールド・レンズの収容部を形成し
ている。この構成では、ネジでレンズ・ハウジングを移
動させるか滑動させてハウジング・マウントに出入れす
ることにより、レンズを伝送光ファイバの出力端の光軸
にそって前後に移動できるようになっている。
【0015】伝送光ファイバの出力端はハウジング・マ
ウントの空洞内の挿入点に固定されており、この空洞
は、システムが引込み位置にある場合に、光ファイバか
ら出る光ビーム出力の発散の総立体角がフィールド・レ
ンズの出力端面全体と一致する点に決められている。選
択した伝送光ファイバの発散の立体角とレンズの出力端
面とが一致しているので、出力端面から出る光が、引込
み位置では、手術領域の照明範囲の大きさが最大になっ
ている。伝送光ファイバから出る光すべてが、フィール
ド・レンズの出力端面に入射するとは限らないため、シ
ステムを引き伸ばし位置に移動した場合、照明範囲の大
きさは最小になる。
【0016】レンズが引き伸ばし位置から移動するにつ
れて、ハウジング内の集光効率は減少するが、総照明面
積はレンズの集光力によってさらに小さくなり、面積の
せまい被照明範囲の総光強度は大幅に増大する。その結
果、本発明では、被照明範囲が小さくなる引き伸ばし位
置に向かってレンズを移動させると、さらに明るい照明
範囲が得られる。さらに、ハウジング・マウントによっ
て形成されている空洞内で様々な光学系(すなわちフィ
ルタや偏光子)を実施して、シングル伝送光ファイバの
出力端から出る光線の集光を向上させることができる。
本発明では上記の投光システムを高強度の光源から外科
手術用照明システムに光を効率的に伝送するシングル光
ファイバ伝送光ガイドと組み合わせているため、外科手
術用照明システムの大きさと重量が最小限に抑えられて
いる。
【0017】取付機構は、一般に直方体の形をした収容
ブロックの下側隅に剛性ポストによって接続された玉継
手を備えている。ジョイスティックを取り付けると、照
明システムの位置を正確に制御して、出力光ビームを適
切に配置できる。玉継手は、ブラケットに固定すること
が望ましく、このブラケットを容易に環状ヘッド・マウ
ントに取り付けて、外科医がしっかりと装着しているヘ
ッドバンドに環状ヘッド・マウントを着脱可能に挿入す
る。伝送光ファイバの接続部における屈曲を最小限度に
すること、または外科医の視野と照明範囲を同軸に配置
すること、およびその双方を目的として、収容ブロック
はさらに様々な形状、配置を取ることもある。
【0018】
【実施の形態】本発明は、照明範囲の動的調整を行うこ
とができる外科手術用小型照明システムを提供するもの
であり、このシステムは外科医が装着するヘッドランプ
および外科医から離れた所で使用する独立したユニット
として使用するものである。以下の説明では、本発明を
完全に明らかにするために、寸法、距離、光学コンポー
ネントなどの詳細について述べるが、その目的は説明で
あって限定ではない。ところで、本発明が前記詳細とは
別の実施例において具体化される場合もあることは、当
業者にとって明らかである。そのほかの例にあっては、
本発明についての説明が、不必要な詳細を加えたために
不明瞭とならないように、周知の要素、特徴、および技
術については説明を省略する。
【0019】本発明による外科手術用照明システムは、
図1〜図4に示すように、少なくとも3つの主な要素、
すなわち、(1)シングル光ファイバ伝送光ガイド1
(「伝送光ファイバ」ともいう)と、(2)調整できる
投光システム2と、(3)照明システムを外科医の目の
近くにまたは外科医から離れた所に可動的に支持する取
付機構3とを備えている。たとえば、本照明システム
は、外科医が装着するヘッドバンド、眼鏡、または外科
手術用ルーペに取り付ける場合もあれば、手術室の天井
や壁、器具トレイなどに取り付ける場合もある。投光シ
ステム2の構造を支持し、伝送光ファイバ1を投光シス
テムに接続するために、さらに収容ブロック4を備えて
いる。
【0020】図1(a)および図2(a)に示すよう
に、好適な実施の形態において収容ブロック4は、ハウ
ジング・マウント6を底部に固定する凹部を備えてい
る。そのハウジング・マウント6には投光システム2の
円筒状レンズ・ハウジング8を可動的に支持している。
収容ブロック4の凹部の裏側には、摩擦ネジ・クランプ
12(または、バヨネット金具など、そのほかの接続手
段)の付いたクランプ・マウント10が設けてある。こ
のマウントは収容ブロックを貫通して凹部に貫入する円
筒状経路14を備えている。凹部には投光システム2が
保持されている。伝送光ファイバ1は、その出力端7を
フェルール18に通し、そのフェルールの付いた出力端
をさらに円筒状経路14に通し、ネジ・クランプ12を
フェルール18の周りに締め付けて当該ファイバ1を所
定位置に固定することにより、収容ブロック4に可動的
に接続されている。伝送光ファイバ1の出力端7は、フ
レキシブル・ジャケット20で覆うことが望ましく、こ
のジャケットはフェルール18の背面に取り付けられ
て、伝送光ファイバ1を所定長さだけ取り囲み、伝送光
ファイバ1にかかる応力を緩和するものである。光ファ
イバと照明システムとの接続部で発生する屈曲を抑制す
るために、ジャケット20はプラスチックやゴムなどの
弾性材料で作られており、屈曲部で光ファイバにかかる
応力を原因とする光の損失を最小限度に抑えている。強
化プラスチックで作ることが適当である場合も考えられ
るが、本外科手術用照明システムのその他すべてのコン
ポーネントとともに(フィールド・レンズおよび伝送光
ファイバを除き)収容ブロック4は、アルミニュームな
どの軽金属で作製することが望ましい。
【0021】(1)シングル光ファイバ伝送光ガイド 可視光線はシングル・コア光ファイバ1を通って投光シ
ステムに伝送される。この光ファイバは好適な実施例で
は、直径0.48mmの水晶コアと、テトラフルオロエ
タンを伴う1,3−ジオキソール−4,5−ジフルオロ
−2,2−ビス(トリフルオロメチル)−ポリマを含む
アモルファス過フッ化炭化水素から成るクラッドと、シ
リコーン・バッファとを備えている。この光ファイバを
選択すると、開口数0.68で、発散立体角約90°に
相当する伝送光ガイド1となる。コアの直径は、手術範
囲を十分に照明するのに必要な光量のほかに、光ガイド
に対する所期の柔軟性を考慮して選択する必要がある
が、上に指定した光ファイバはどんな直径のものでも使
用することが可能である。直径が大きくなるほど光ファ
イバが伝送する光量は増加するが、ファイバの半径の三
乗に比例して柔軟性が低下するので、本発明において
は、直径1.0mm以下の光ファイバを使用することが
望ましいと判明した。
【0022】別法として、ポリマ・クラッド光ファイバ
や水晶クラッド光ファイバなど、シングル・コア水晶光
ファイバ光ガイド1ならどんなものでも使用することが
できる。これらの光ファイバは開口数が小さいため、フ
ァイバに接続できる光の量もそれに応じて減少する。さ
らに、原則としては、ホウケイ酸ガラスやプラスチック
など、そのほかのコア材料から成る光ファイバを使用し
て照明システムの投光システム2に光を伝送できるが、
温度について配慮した場合、このような光ファイバを強
度の高い光源(図示せず)に直接接続することはできな
い。通常、以上の材料は、伝送光ファイバ1の入力端5
で生じる高温に耐えることができず、したがって、光フ
ァイバ1は溶融する。しかし、水晶コアの光ファイバを
強度の高い光源の一端に接続し、ホウケイ酸ガラスやプ
ラスチックなどから作られる光ファイバを、ファイバ対
ファイバの接続により入力端5に接続する場合もある。
【0023】シングル光ファイバ光ガイド1は、従来の
技術で光源から照明システムへの光の伝送に使用した光
ファイバ束に比べて非常に軽いため、伝送光ガイド1の
長さが比較的長い割に重量が減少して、外科医の動きが
大幅に自由になる。さらに、上の述べた伝送光ガイド1
での光の伝送損失が非常に小さいため、伝送光ファイバ
1の長さを非常に長くし、遠方にある光源を使用して、
そのほかの外科手術用機器との干渉を最小限度に抑える
ことも可能になる。しかし、以下の説明から明らかにな
るように、本発明の照明システムは、シングル光ファイ
バ伝送光ガイド1だけに限定されるものではなく、光フ
ァイバ束を構成する光ファイバの数が少なく、かつファ
イバそれぞれの直径が小さい場合は、光ファイバ束伝送
ケーブルを使用することもできる。
【0024】好適な実施例で使用している光源につい
て、本発明では、光を高い効率でシングル光ファイバ伝
送光ガイド1に結合できる短アーク・キセノン・ランプ
を用いた軸外れ光学結合システムを備えている。この形
式の光学結合システムの例は、米国特許第475743
1号に記載されている。
【0025】(2)投光システム 本発明の投光システム2は、出力光ビームの発散角度を
制御し、したがって、照明範囲の大きさを制御する。投
光システムから出る光ビーム出力の発散の立体角は、固
定でもよくまたは照明範囲の大きさを変化させることが
できるように調整できるようにしてもよい。光ファイバ
1自身の出力端7から射出される光は、それ自身を投光
システム2として使用できるが、実際には、光ファイバ
の出力端7に、少なくとも結像光素子または非結像光素
子を1つ接続して、照明範囲の大きさと質を制御するよ
うにすることが望ましい。好適な実施例において、投光
システム2では、光ビームを特定の発散角で手術範囲に
投光するフィールド・レンズ9に伝送光ファイバ1から
出る光出力を直接結合している。ところで、使用する特
定の形式のレンズには、レンズ・システム、レンズ・ア
レイ、グレーデッド・インデクス・レンズ、フレネル・
レンズなどがある。しかし、当業者には明らかである
が、本発明では、さらに以下述べるように、伝送光ファ
イバ1とフィールド・レンズ9の間(あるいは、投光シ
ステム2に対して外部)に配設した結像光学系(すなわ
ちレンズ)または非結像光学系(たとえば、中実または
中空の集光器)のいずれかを使用して、光の複合接合を
行っている。さらに、ある種の用途では、偏光、色また
は色温度、または光のスペクトル分布、あるいはそれら
の組み合わせを制御する偏光子またはフィルタ、あるい
はその両方を利用することが望ましい。
【0026】図2(a)に完全に示したように、投光シ
ステム2は同軸の円筒状空洞15を具備する円筒状ハウ
ジング・マウント6を備えている。伝送光ファイバ1の
出力端7からの光出力をその空洞15内で初期発散させ
る。ハウジング・マウント6の外表面には、対応するネ
ジ付円筒状レンズ・ハウジング8を収容するためにネジ
が切ってある。また、これに代わるものとして、ハウジ
ング・マウント6およびレンズ・ハウジング8の表面を
滑らかに作製し(またはボール・ベアリングと摩擦スラ
イド機構のいずれか一方、またはその両方の手段を備え
て)、システムが回転することなく前後に滑動できるよ
うにしてある場合もある。ハウジング・マウント6に対
向するレンズ・ハウジング8の第1の端部には、フィー
ルド・レンズ9の座部を設けることによって、フィール
ド・レンズ9の収容部を形成している。これは、空洞1
5内の、レンズ9の肉厚に等しい深さの地点でレンズ・
ハウジング8の内部側壁上に形成した環状フランジ22
(または内部側壁に固定した透明プレート23、あるい
はその両方)を使用して行う。フィールド・レンズ9を
ハウジング8の座部内に保持するには、やはり円筒状経
路を有するレンズ・キャップ25に、照明システム27
の出力開口部となるレンズ・キャップ25の端部平面に
形成した内部側壁フランジ26(またはレンズ・キャッ
プ25の側壁に固定した透明プレート24、あるいはそ
の両方)を設ける。レンズ・ハウジング8の外部円筒壁
とレンズ・キャップ25の内部側壁の双方には、レンズ
・キャップ25をレンズ・ハウジング8上にネジ込んで
レンズ9をハウジング8の第1の端部とキャップ25の
間にしっかりと保持できるように、ネジ山を設ける。
【0027】この構成では、ネジを回してレンズ・ハウ
ジング8をハウジング・マウント6に出入れすることに
より、レンズ9を伝送光ファイバ1の出力端7の光軸に
そって前後に移動できる。ハウジング・マウント6、レ
ンズ・ハウジング8、およびレンズ9の破損防止および
これらの間の心出し不良の防止を目的として、環状フラ
ンジの形をした第1の止め部材28を、レンズ・ハウジ
ング8の外部円筒壁でレンズ・ハウジング8の第1の端
面の反対にある第2の端面の位置に設ける。ハウジング
8をマウント6にネジ込んでいくにつれて、第1の止め
部材が受光ブロック4の背面に当たって、ハウジング8
がそれ以上収容ブロック4の方向へ進むのを妨げる(す
なわち、投光システム2の閉止位置つまり引込み位
置)。ハウジング8が誤ってハウジング・マウント6か
ら離脱するのを防止するには、ワッシャの形をした第2
の着脱可能な止め部材29をブロック4の凹部に隣接し
て設ける。それはネジで収容ブロック4に取り付けられ
ている。ワッシャ29は、レンズ・ハウジング8の近く
まで凹部の内側に突出され、ハウジング8が緩んでマウ
ント6から離脱する場合に、ハウジング8の第1の止め
部材28が凹部から外れてしまうのを防止している。止
め部材28および29が互いに接触する際、投光システ
ム2は開位置すなわち引き伸ばし位置にある。
【0028】被照明範囲の大きさを外科医の視野に対応
するように調整するには、ネジを回してレンズ・ハウジ
ング8をハウジング・マウント6に出入れし、伝送光フ
ァイバ1の出力端7とレンズ9の間の距離df(図5に
図示)を変化させる。図2(b)に示すように、伝送光
ファイバ1の出力端7はハウジング・マウントの空洞内
の挿入点に固定されている。この挿入点は、システム2
が引込み位置にある場合に、光ファイバ1から出る光ビ
ーム出力の発散の総立体角がフィールド・レンズ9の出
力端部の面全体に広がる位置である。レンズ9の出力端
面から出る光が、選択した特定の伝送光ファイバ1の発
散の立体角を完全に満たすことができるため、引込み位
置では、手術域の照明範囲の大きさが最大になっている
(すなわち、発散の立体角は、レンズ9の開口数に適合
する)。伝送光ファイバ1から出る光すべてが、フィー
ルド・レンズ9の出力端面に入射するとは限らないの
で、距離dfが最大である引き伸ばし位置にシステムを
2移動した場合、照明範囲の大きさは最小となる(すな
わち、発散の立体角がレンズ9の開口数よりも大き
い)。
【0029】従来の技術、すなわち調整できるフィール
ド照明システムでは、絞りを使用して、ビームの光強度
を一定に維持しながら発散の度合が高い光線を吸収する
ことにより、照明範囲の大きさを小さくしていた。とこ
ろが、本発明においては、レンズが引き伸ばし位置から
移動するにつれて、ハウジング内の集光効率は減少する
が、総被照明面積はレンズの集光力によってさらに小さ
くなり、面積のせまい被照明範囲の総光強度は大幅に増
大する。さらに、この効果を最適化するために、レンズ
9が引き伸ばし位置にある場合、フィールド・レンズ9
の焦点距離を距離dfにほぼ等しくなるように選択す
る。よって、レンズ9が引き伸ばし位置(すなわち、焦
点位置)にある場合、輝度のみならず鮮明度も最大の状
態で、光源の像が手術範囲に映し出される。
【0030】本発明では、上記の投光システムを高強度
の光源から外科手術用照明システムに光を効率的に伝送
するシングル光ファイバ伝送光ガイドと組み合わせてい
るため、外科手術用照明システムの大きさと重量が最小
限に抑えられている。出願人らの知る限りにおいて、従
来の技術にあっては移動可能レンズを備えた投光システ
ムが利用されていなかった。これは、作業範囲を十分に
照明するために従来の技術において必ず使用する大直径
の光ファイバ束では、照明範囲の大きさを比較的小さく
するのに、光ファイバとレンズ間の距離dfを非常に大
きくしなければならないという事実による。
【0031】外科医は通常、数センチメートル程度の大
きさの対象を見るので、手術中は照明範囲が小さいこと
が望ましい。手術域に隣接する組織が熱による損傷を受
けるのを防止するため、手術中、被照明範囲はできるだ
け小さく保つ必要がある。さらに、耳や鼻の内部など、
極端に狭い空洞内を見るには、光を半反射して外科医の
視野を霞ませる空洞壁やその周囲部分を照明することな
く、空洞の底部を照明する必要がある。ところで、上に
述べた投光システム2で10mm以下の小さな照明範囲
に対応するには、小直径のシングル光ファイバ(ファイ
バ束の場合もありえる)伝送光ガイド1が必要である。
その理由は、直径が大きな伝送光ガイドを使用すると、
投光システムのレンズを、距離dfで約11〜13セン
チメートル移動する必要があるからである。大きさが最
小でも13センチメートルの照明システムは、外科医が
頭部に装着するには非常に扱いにくく、重いし、また自
由な視認の大きなさまたげとなる。
【0032】たとえば、図5を参照すると、外科手術用
照明システムでは、直径が最小10mmから最大100
mmまでの調整可能な照明範囲を生成することが望まし
い。このような照明範囲を、本発明の投光システム2を
備えた直径5mmの従来の伝送ケーブルを使用して得る
には、システム2の倍率Mは2倍から20倍の範囲にな
っている必要がある。図5を参照すると、投光システム
2の倍率Mは、dfを光ファイバ−レンズ間の距離、d
iをレンズ−照明範囲間の距離、総作業距離をWD=d
f+diとして、式 M=df/diで定義することが
できるため、以下のように変形してdfについて解く
と、 M=df/di,df=Mdi WD=df+di,WD=df(M+1) df=WD/(M+1)
【0033】したがって、業界の定義による最小作業距
離WDを13インチすなわち286mmとして、光ファ
イバ束伝送ケーブル用の投光システムは、少なくとも距
離dfが95.3mm(すなわち、df=286/3)
になっている必要があることがわかる。同様に、業界の
定義による最小作業距離WDを18インチすなわち39
6mmとして、システムの距離dfは、少なくとも13
2mm(すなわち、df=396/3)なければならな
い。
【0034】しかし、本発明によれば、直径わずか0.
5mmではあるが、手術範囲に十二分の光を伝送するこ
とができるシングル光ファイバ伝送光ガイド1を使用す
ると、システムの倍率Mが20倍から200倍となって
都合がよいことがわかる。したがって、最小作業距離W
D286mmに対して最大距離dfは、わずかに1.4
mm、すなわち、光ファイバ束に必要な最小距離dfの
ほぼ9分の1である。同様に、最大作業距離WD396
mmに対して最大距離dfは、わずかに18.9mm、
すなわち、光ファイバ束を伝送光ガイドとして使用した
場合の最大距離dfのほぼ7分の1である。小直径の伝
送光ガイド1を使用することにより、上記の投光システ
ム2の重量ばかりでなく大きさも約8分の1にできる点
が重要であることは明らかである。
【0035】本システムにより、光伝送の効率が高くな
るため、小直径のビームが、手術範囲を見る場合にしば
しば必要な大直径のビームよりも非常に明るくなる。明
るいビームは2つの点で特に有用である。上に述べたよ
うに、狭小で深い空洞を見る場合、照明範囲の直径が非
常に小さいということだけでなく、明るさを最大限に高
くして空洞内の深い位置にある対象を容易に見ることが
できるようにすることが重要となる。さらに重要な点と
しては、本設計の投光システム2によれば、出力が高
く、集中した光ビームが発生し、フィールド・レンズ9
に入射するので、照明システムから出る総光出力をあま
り減衰させることなく、焦点距離が非常に長いレンズを
システム2で使用することができることである。したが
って、設計者は、過去に使用されていたレンズよりも大
幅に倍率が高いレンズを実現することができる。
【0036】従来技術による調整できるフィールド照明
システムと比較すると、従来の装置によって生じる被照
明範囲は、伝送ケーブルとフィールド・レンズの間に配
設した絞りを使用することにより変化させられていた。
照明範囲を縮小する場合、それに応じて絞りの開口直径
を小さくする必要があり、開口直径の減少により、被照
明範囲の大きさに応じてシステムの光出力も減衰する。
したがって、光ファイバ束ケーブルからの光出力が、ケ
ーブルの単位長さ当たりの大幅な光伝送損失によってす
でに減少しているため、照明範囲をさらに小さくするに
は絞りにおいてさらに光出力を減衰させる必要があり、
このため、照明範囲を所期の大きさにすることが可能で
ある場合でも、手術域の十分な照明が非常に抑制され
る。
【0037】本発明によれば、約20倍の理想倍率Mを
備え、最小作業距離WDが286mmのとき被照明スポ
ットの大きさが10mmから100mmの最適範囲にあ
るシステム2を達成するには、理想的なフィールド・レ
ンズの直径は約22mm、焦点距離は約11mmとな
る。このような理想的な特性によれば、集光力および照
明範囲調整能力にすぐれたフィールド・レンズ9を作製
することができるが、均一性および鮮明性において照明
の質が不十分になることがわかった。さらに実験を進め
た結果、直径10mm、焦点距離20mmのアクロマチ
ック・フィールド・レンズが、一定した照明範囲調整能
力を示すかなり短い光ファイバ、レンズ間距離dfを維
持しながら照明の質について最高の性能を発揮するた
め、このアクロマチック・フィールド・レンズを選択す
るのが望ましいことになった。たとえば、作業距離WD
が286mmの場合、100mmの結像サイズに対する
最小距離dfは、11mmとなるが、結像サイズ10m
mに対する最大距離dfは、18mmである。ところ
が、直径1mmから22mm、焦点距離が1mmから2
0mmの範囲にあるフィールド・レンズは、被照明範囲
の質および均一性の点で十分な性能を発揮することがわ
かった。よって、投光システム2の全長をさらに削減
し、ネジによる移動または滑動が可能なレンズ・システ
ムの実現によって、本発明による長さ約32mmの投光
システム2を、図2(a)に示すように実現することが
可能である。
【0038】上に述べた投光システムのそのほかの実施
の形態としては、以下のような変更例がある。様々な光
学系を、ハウジング・マウント6で決められる空洞15
内で実現して、シングル伝送光ファイバ1の出力端7か
ら出る光線の集光を高めることができる。ある実現態様
では、この光学系にコンデンサ・レンズシステムなど
の、結像光学系(すなわち、レンズ)を備えている。ま
た別の実現態様では、凹面パラボラ・コンセントレータ
や楕円コンセントレータなど[図6(a)]、円錐形コ
ンセントレータ[図6(b)]、トランペット形コンセ
トレータ[図6(c)]等の非結像光学系を利用して、
伝送光ファイバ1の出力端7から出る光の効果的な開口
数を変化させることができる。結像光学系と非結像光学
系を組み合わせて、選択した非光学系から出る光を視準
レンズでさらに伝送し、照明システムから出る光出力を
視準するようにしてもよい。さらに、偏光子およびフィ
ルタを伝送光ファイバ1とレンズ9の間に配置し、特殊
な用途に使用してもよい。
【0039】また、特殊な用途を対象として、絞りなど
の調整できる開口部を伝送光ファイバ1の入力端5また
は出力端7で使用して、被照明範囲の大きさを開口部の
直径に応じて調整することも可能になる。出力端7に開
口部を配置すると、光のレベルが一定になるが、直径の
小さい被照明スポットには不十分なこともある。入力端
5に開口部を配置すると、伝送光ファイバ1に入射する
光の開口数を変化させることによって、ビームの直径が
変化し、その結果、短い光ファイバについては、光ファ
イバの出力端7における立体発散角がビーム直径の変化
に応じて変化する。
【0040】(3)取付機構 図1(a)および図2(a)に示した好適な実施の形態
では、本発明の取付機構3は、一般に直方体の形をした
収容ブロック4の下側隅に、取付機構3と収容ブロック
4との間に固定した剛性ポスト32によって接続された
玉継手30を備えている。ボール31は、スプリングに
より負荷をかけられて継手の収容部のソケットに押し込
まれ、このボール31の動きに対する抵抗が生じるよう
になっている。ソケットの開口部は、ポスト32、した
がって外科手術用照明システムの運動可能範囲を表す回
転(ほぼ180°)の立体角にしたがって形成される。
ジョイスティック35を固定または着脱可能(消毒目
的)な状態に取り付けると、照明システムの位置を正確
に制御して、出力光ビームを適切に配置できる。図1
(a)、図4(a)、および図4(b)に示すように、
玉継手30はブラケット36(ベース部37を備える)
に固定することが望ましく、このブラケットを容易に環
状ヘッド・マウント38に取り付けて、外科医がしっか
りと装着しているヘッドバンド40にその環状ヘッド・
マウント38を着脱可能に挿入できる。これに代わるも
のとしては、玉継手30をクリップまたはクランプ具4
2に固定し[図1(b)]、次にこのクリップまたはク
ランプ具を、環状ヘッド・マウント38に固定した受け
ブラケット、眼鏡フレーム、外科手術用ルーペの取付ポ
スト、またはグース・ネック金具にクランプすることが
でき、これによって照明システムの通常位置を調整でき
る。そのようなクリップまたはクランプ具42を使用す
ることは、照明システムを外科医から離れた構造物に取
り付けられるので都合がよい。しかし、外科医の頭部近
くにシステムを装着した場合、システムが玉継手の周り
に回転すると、外科医が装着している外科手術用ルーペ
または眼鏡50との一般同軸調整、または外科医の視野
との単純同軸調整が可能になる。
【0041】本発明による取付機構3のその他の実施の
形態においては、伝送光ファイバ1と収容ブロック4の
接続部における屈曲を最小限度にすること、または外科
医の視野と照明範囲を同軸に配置すること、およびその
双方を目的として、収容ブロック4はさらに様々な形
状、配置を取ることもある。図1(a)に示した収容ブ
ロック4は、一般的な直方体形状の非常に小さな収容ブ
ロックによる照明システムの「頭上」配置を利用してい
る。さらに、この収容ブロック4のネジ・クランプ(ま
たはバヨネット金具)12は、伝送光ファイバ1を屈曲
しなくてもブロック4に取り付けられるようにブロック
4の背面に配置することができる。
【0042】図4(a)および図4(b)に示すよう
に、収容ブロック4は、「段付」形状の本体を備え、入
力開口部およびネジ・クランプ12がブロック4の再上
部に位置している。このようになっていると、外科医の
前頭部と接続部が干渉しないので、伝送光ファイバ1と
ブロック4との接続にさらに余裕ができ、光ファイバ1
が大きく屈曲するのが防止される。収容ブロック4をこ
のように構成すると、投光システムの位置が下がり外科
医の視線と一致するような高い位置で、取付機構3のポ
スト32をブロック4に固定できる[図4(b)]。し
たがって、比較的小さな構造の照明システムを外科医の
両眼の間に配置して、外科医の視界をさまたげずに、視
野と同軸になった照明範囲を生成できる。
【0043】「段付」形状の収容ブロック4を使用する
と、伝送光ケーブル1の、出力端7に近い部分をハウジ
ング・マウント6の空洞15に挿入するには、約90°
屈曲しなければならない。通常の光ファイバ束伝送ケー
ブルでこのような接続を行おうとすると、屈曲部でケー
ブルにかかる応力によって、ケーブルから出る光出力の
予想外に大きな損失が起こる。ところが、直径の小さい
(すなわち、約0.5mm)シングル光ファイバ伝送光
ガイド1については、このように大きな屈曲であって
も、伝送時にわずかな光損失が発生するだけであって、
従来の技術に比べて照明システムを外科医の前頭部の近
くに配置することができる。
【0044】90°の角度を付けて伝送光ファイバ1を
ハウジング・マウント6に接続するのを容易ために、さ
らに本発明では、別の実施の形態において、工場の技術
者が収容ブロック4の内部に適切に配置できる短い延長
光ファイバ45の使用についても開示している。このよ
うな延長光ファイバは、光伝送ファイバ1と材質、仕様
が同一であるか、または材質、仕様が共に異なるか、あ
るいはそのどちらかが異なるかのいずれかである(たと
えば、材料が異なる場合、ホウケイ酸かプラスチッ
ク)。延長光ファイバ45の出力端46は、ハウジング
・マウント6の空洞15内の所定位置に滑り込ませ、出
力端46とフィールド・レンズ9とが同軸になっている
状態を維持するように、延長光ファイバ45の、ブロッ
ク4の上部から延びている部分はしっかりとクランプす
る。さらに、延長光ファイバ45の入力端47には、伝
送光ファイバ1の出力端7を収容するために、ファイバ
対ファイバのカップリング48を取り付ける。このよう
にすると、伝送光ファイバ2と外科手術用照明システム
との接続および分離の際に、延長光ファイバ45とフィ
ールド・レンズ9との適切な同軸状態が維持される。
【0045】以上まとめると、本発明の外科手術用照明
システムは、光学的にも機能的にもすぐれているという
ことになる。光学的な利点としては、どんなビーム直径
でも均一な照明範囲が得られることである。伝送光の損
失が非常に少ないため、効率が高く、アクロマチック・
レンズ9で発生する熱量は無視できる程度のものとな
る。直径が異なるファイバによると、照明システム全体
の重量をさほど増加させることなく光の最大伝送量を選
択できる。機能上の利点としては、従来技術による照明
システムに比べて照明システムのアセンブリを小型化で
き、これに伴って重量および長時間にわたる使用時の不
快感を最小限に抑えることができる点があげられる。さ
らに、シングル光ファイバを通して伝送できる光の強度
が高いこと、およびレンズへの直接接続が効率的である
ことから、照明システムから出る光出力の全強度、質、
および均一性がすぐれている点があげられる。直径の小
さい光ファイバがあれば、構造が単純で効率的な投光シ
ステムが可能になる。光の強度が高ければ、偏光した光
やフィルタにかけた光を使用して特殊な観察ができる。
また、小型化により、様々な取付システムを採用でき、
また外科医にとって障害となることが少なく外科医の視
野と同軸状に配置できる外科手術用照明システムの設計
が多様化できる。
【0046】本発明を好適な実施の形態と結び付けて説
明したが、ほかにも多数の別法、説明法、変形、用途が
あることは、前記の説明に照らせば当業者には明らかで
ある。したがって、本発明は前記の詳細説明によって限
定されるものではなく、以下の特許請求の範囲により規
定されるものと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による外科手術用照明システムの第1
の実施の形態の側面図であり、外科医が装着したヘッド
バンド、眼鏡またはルーペ上のクリップに当該システム
を取り付けた様子を示している。
【図2】 本発明による外科手術用照明システムの第1
の実施の形態の断面図であり、引き伸ばし位置、引込み
位置にある投光システムを示している。
【図3】 本発明による外科手術用照明システムの第2
の実施の形態を示している。
【図4】 本発明による外科手術用照明システムの第3
の実施の形態を示している。
【図5】 本発明による外科手術用照明システムから出
る光ビーム出力の側面図であり、照明範囲の大きさ、光
ファイバからレンズまでの距離df、およびレンズから
照明範囲までの距離diの相互関係を示している。
【図6】 本発明による投光システム内で実現する複合
パラボラ形コンセントレータ、複合円錐形コンセントレ
ータ、トランペット形複合コンセントレータの断面図で
ある。
【符号の説明】
1 シングル光ファイバ伝送光ガイド 2 調整できる投光システム 3 取付機構 4 収容ブロック 8 円筒状レンズ・ハウジング 20 ジャケット 25 レンズ・キャップ 38 環状ヘッド・マウント 40 ヘッドバンド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーブン・マレイ アメリカ合衆国 94025 カリフォルニア 州・メンロ パーク・サン アントニオ ストリート・1536 (72)発明者 ザフィリオス・グーゴウリアトス アメリカ合衆国 90004 カリフォルニア 州・ロサンゼルス・サウス ルーサーン ブーレバード・127 (72)発明者 ダグラス・エム・ブレナー アメリカ合衆国 90067 カリフォルニア 州・ロサンゼルス・ケーベック ドライ ブ・6346

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外科手術の際に手術領域に入射する調整
    可能な照明範囲を形成する外科手術用照明システムを対
    象とする投光システムにおいて、 ほぼ円筒状の空洞を有する第1の端部と、さらに壁部を
    有する第2の端部とを具備する第1のハウジング部材で
    あって、前記空洞が前記第1の端部に対して垂直な中央
    軸を有し、前記空洞の中央軸に沿って前記壁部に中空コ
    ネクタを取り付け、その中空コネクタに、出力端部を前
    記壁部を介して前記第1の端部の前記円筒状空洞内に挿
    入してあるシングル光ファイバを取り付けた第1のハウ
    ジング部材と、 第1および第2の端部を具備する第2のハウジング部材
    であって、その第2のハウジング部材の第1の端部を通
    過して前記第2の端部まで延びる円筒状の経路を備え、
    前記第2のハウジング部材の前記第2の端部が前記第1
    のハウジング部材の前記第1の端部と移動可能に係合し
    て、前記円筒状空洞の前記中心軸にそって前記第1のハ
    ウジング部材と前記第2のハウジング部材とが相対運動
    できるようになっている第2のハウジング部材と、 前記円筒状空洞内の前記第2のハウジング部材の前記第
    1の端部に配置された出力端面を有し、前記シングル光
    ファイバの前記出力端から受けた光を手術領域に伝送す
    るシングル・レンズであって、前記第1および第2のハ
    ウジング部材が相対運動を行うことによって、前記第1
    のハウジング部材の前記第1の端部が前記第2のハウジ
    ング部材の前記第2の端部に隣接する引込み位置と、前
    記第1のハウジング部材の前記第1の端部が前記第2の
    ハウジング部材の前記第2の端部に隣接する引き伸ばし
    位置との間を運動し、連続的に調整可能なスポット・サ
    イズ範囲内で手術領域に対して均一な照明を行うことが
    できるシングル・レンズとを備え、 前記シングル光ファイバの前記出力端が前記第1のハウ
    ジング部材の前記円筒状空洞内の点により前記円筒状空
    洞の前記中心軸にそって規制される挿入点に配設してあ
    り、前記第1および第2のハウジング部材が前記引込み
    位置にある場合に、前記挿入点において、前記シングル
    光ファイバの前記出力端から出る光出力の発散の総立体
    角が前記レンズの前記出力端面全体と一致することを特
    徴とする投光システム。
  2. 【請求項2】 外科手術の際に手術領域に入射する調整
    可能な照明範囲を形成する外科医の頭部に装着される外
    科手術用ヘッドランプにおいて、 ブラケットを支持するヘッドバンドと、 光源から前記外科手術用ヘッドランプに光を伝送するた
    めの出力端を有するシングル光ファイバと、 投光システムであって、 第1の開口端部と前記シングル光ファイバの前記出力端
    を収容する中空コネクタを取り付けた壁部を具備する第
    2の端部とを有する第1の中空ハウジング部材、 第1の端部と第2の開口端部とを有する第2の中空ハウ
    ジング部材であって、その第2の中空ハウジング部材の
    前記第1の端部と前記第2の開口端部の間に中央経路が
    あり、その経路が前記第1のハウジング部材を挿入でき
    るだけの大きさがあって、前記第1のハウジング部材が
    前記中央経路内で相対的に前後に移動することができる
    第2の中空ハウジング部材、及び前記シングル光ファイ
    バの前記出力端部から受けた光を手術領域に伝送するた
    めのもので、前記中央経路内にあって、前記第2のハウ
    ジング部材の前記第1の端部に配置された出力端面を有
    するシングル・レンズ、を備えた投光システムと、 前記投光システム用の取付機構であって、 ブラケット、 前記ブラケットを支持する手段を有する伸縮自在なヘッ
    ドバンド、 前記ヘッドバンドで支持されるブラケットに取り付けら
    れたベース部、 前記取付機構のベース部に接続されている第1の端部
    と、回転可能なボールを収容し内部の所定位置に支持す
    るソケットを設けた第2の端部とを有する継手収容部、
    及び前記継手収容部の前記ソケット内のボールに接続さ
    れている第1の端部と、前記投光システムの前記第1の
    ハウジング部材に接続された第2の端部とを有し、外科
    医の頭部に取り付けられて前記投光システムを回転でき
    るようにするポストを備えた取付機構とを備えている外
    科手術用ヘッドランプ。
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