フラットトップビーム技術でメディカル用ビーム伝送ファイバーを改良

比類のない視認性とUV信頼性

「フラットトップ」または「トップハット」分布と呼ばれる均一な強度プロファイルを持つレーザビームにより、一般的に従来のガウス型強度プロファイルよりも高い効率と優れた手術結果を実現できます。 しかし、ほとんどのレーザの場合、本来ガウス強度出力を生成し、これをフラットトップ分布に変換することは、コストと性能の両方の理由から、メディカル用レーザシステムでは通常実用的でありません。 このニーズに応えるため、Coherentは、入力されたガウスビームをフラットトップに変換する内部構造を持つ新世代のビーム伝送用ファイバーを開発しました。 これにより、ファイバービーム伝送システムにおいて、システムのコストや複雑さを大幅に増加させることなく、フラットトップ出力を得るための簡便な方法が実現されました。

レーザは、様々な理由から、医学や歯科医学の様々な外科手術や治療用途に広く活用されています。 例えば、組織の選択的な除去や治療が可能であること、場合によっては同一線源で組織の切断、切除、凝固が可能であること、内視鏡的投与に適合していることなどが挙げられます。 レーザ治療の利点としては、手術結果の向上、術後の痛みや浮腫みの軽減、回復の早さなどが挙げられます。

このようなメリットは、レーザ特有の特性によるものです。 例えば、レーザは非常に小さなスポットサイズに集光できるため、空間選択性が可能になります。 そのため、周辺組織へのダメージが軽減されます。 さらに、レーザの波長を選択することで、特定の組織に特定の出力を与えることができ（光増感剤と組み合わせる場合もあります）、周辺組織や構造へのダメージを回避することができます。 また、レーザは使用時に振動や圧力が発生しないため、手術の外傷をより最小限に抑えることができます。

レーザの効果を最大化する

ほとんどのレーザ手術は光熱モードで行われます。 つまり、レーザ光が組織や感光剤に吸収されて加熱され、その結果、組織が破壊または除去されます。 実際にこれを実現するには、通常レーザを比較的小さなスポットに集光する必要があります。 これによりレーザ光が集光され、その強度は、所望の結果（例: 切除、凝固、またはその両方）を得るために必要な閾値を超えるように高められます。 また、この加熱が起こる領域を限定することで、レーザの空間選択性が実現されます。

手術に使われる固体レーザ（Er:YAG、Nd:YAG、Ho:YAGなど）の多くは、ガウス型の強度分布を持つビームを発生させます。 内視鏡でビームを照射するための光ファイバーは、この強度プロファイルをほぼ維持しています。

残念ながら、このガウス分布はほとんどのメディカル用途で不利に働きます。 最も重要なことは、ビームの強度を位置の関数としてプロットした図に示されているように、この強度分布はエネルギーを浪費しているということにあります。

ガウス分布の傾斜が比較的緩やかなため、中心領域以外のビームの大部分は組織のアブレーション閾値に達するほどの強度を持っていません。 つまり、このエネルギーは組織を加熱することはあっても、組織を除去したり、その他の効果をもたらしたりすることはありません。 術野に加えられた過剰な熱や放射線などが、周囲の健康な組織に意図しないダメージを与えることがあります。 さらに、ガウスビームが緩やかにフェードアウトするため、患部のエッジが鋭くならず、はっきりとしないものになります。 そのため、空間選択性が低下してしまいます。

逆に、ビームの中心部の多くでは、光強度がアブレーション閾値より大幅に高くなります。 つまり、必要な効果を得るために必要以上のエネルギーを供給していることになります。 そのため、レーザ出力の多くが無駄になってしまいます。

フラットトップビームプロファイルでは、最大強度がアブレーション閾値のすぐ上になるようにレーザ出力を設定すれば、このような問題をすべて回避することができます。 そして、レーザエネルギーの大部分は目的の処理を行うために使われ、ほとんど無駄にはならず、単に組織を加熱するためだけに使われることもなくなります。 しかも、ビーム強度がアブレーション閾値以下になる領域はかなり小さいものになります。 これにより処理精度が向上し、レーザ処置を行った部分のエッジがより鮮明になります。

ビーム強度を変換するための従来のコンポーネント

医療以外の分野でもフラットトップのレーザビームが望まれるため、ガウスビームをフラットトップに変換するさまざまな方法が長年にわたり開発されてきました。 これらは通常、レーザの出力強度分布を変換するためにレーザ自体の外で使用される光学部品、またはコンポーネントアセンブリです。 

これらのコンポーネントは、従来の屈折光学系や反射光学系を用いたものと、回折光学系を用いたものとに大別されます。 屈折方式には、従来の球面レンズや非球面レンズを用いたもの、あるいは自由曲面光学系があります。 結局のところ、これらの方法はいずれも、強度プロファイルを平坦にするために、ビームの中心からエッジへ光の一部を選択的にリダイレクトするものです。 

この手法により、非常に高いレベルでビームの均一性を実現することができます。 しかし、これらのシステムは複数の素子を使用することが多いため、物理的に大きくなり、一般的にコストが高くなります。 また、入射ビーム径の変化にも比較的敏感であることが一般的です。 

回折方式には、従来の表面レリーフグレーティングとホログラフィックコンポーネントの両方があります。 これらは、入力ビームを多くの異なるビームに分解し、それらを組み合わせて遠方界にフラットトッププロファイルを生成することができる、レンズレットアレイの形態をとることがあります。 同様に、ホログラフィックグレーティングは、入力ビームをいくつかの重なり合ったビームレットに回折させ、焦点面においてフラットトップのプロファイルを得ることができます。 

回折方式は部品が1つで済むことが多く、屈折方式に比べてコストが低く、物理的にも小型化できます。 しかし、強度の均一性という点では、一般的に同じ品質の結果を得ることはできません。 また、回折方式のコンポーネントは、一般的に屈折方式よりもアライメントや波長の影響を受けやすいと言われています。 

フラットトップビーム伝送ファイバー

ディスクリート光学コンポーネントに依存する方法は、メディカル用途に必要な光学的、機械的、コスト的特性の組み合わせを本当の意味で実現できるものはありません。 外科手術や治療用レーザ手術の多くは、すでにファイバー伝送を行っているため、ファイバーそのものを使用して強度分布を変換することは、理想的なソリューションと言えます。 システムの規模を大きくしたり、複雑にしたりすることはなく、システム全体のコストに与える影響も比較的小さくなります。 

また、ビームや強度プロファイルを調整するための特殊な光ファイバーも以前から販売されています。 これらは、成形コア、長周期グレーティング、マルチモード干渉法などの様々な異なる技術を活用しています。 これらの方式はいずれも、低挿入損失、小型化、高い信頼性など、ファイバー技術に付随する利点を備えています。 しかし、様々な理由から、導入が現実的でなかったり、必要な性能を発揮できなかったりすることもあります。 そのため、高性能でスケーラブルな、全ファイバーによるビームプロファイル変換の必要性が残されていました。 

Coherentは、このニーズを満たすために特別に新しいファイバー技術を開発しました。 これは、ほとんどの光ファイバーが少なくとも潜在的には数百から数千の異なる横モードをサポートできるという事実に依存しています（図2を参照）。 一般に、ファイバーやファイバー結合光学系は、高次モードへの結合を最小限にするように特別に設計されています。そうすることで、集光スポットサイズが大きくなり、ビーム中心から強度が離れてしまうからです。 

しかし、この場合は、高次モードに結合することが有効となります。 ところが、必要なサイズと発散角を持つフラットトップの強度分布を生成するためには、完全に決定論的かつ信頼性の高い方法で行う必要があります。 

これを実現するには、複数のモードを適切な比率で重ね合わせることで、必要な出力分布を正確に得られるような、特定のモードをいくつか選択することが重要となります。 Coherentは今回、「モードミキシング」素子をファイバーコアに組み込むことで、これを確実かつ繰り返し実現するファイバーを作り上げました。 これらのモードミキシング素子には、屈折率変化とアライメント変化の組み合わせが用いられています。 必要な光量を選択された高次モードに分配します。 

図は、NuBEAMフラットトップと呼ばれるCoherentのフラットトップファイバーの横モード分布とその結果得られるフラットトップ出力強度プロファイルの例です。 具体的には、フラットトップファイバーに単一モードのレーザビームを発射したときの、最初の400横モードの相対的なエネルギー分布をプロットしたものです。 比較のため、同じ動作条件での標準的なマルチモードファイバーのモード構成を示しています。

その結果、フラットトップ出力は極めて均一で、減衰量は純シリカコアを持つ標準的なステップインデックスファイバーと大きな差はありません。 また、このフラットトップファイバーは、標準的なビーム伝送用ファイバーと同じ仕様で設計されていることも重要なポイントです（表を参照）。 このように、NuBEAMフラットトップは、標準的なファイバーの他のすべての物理的および光学的特性を維持しながら、所望の出力特性を提供します。 そのため、最小限の設計変更で、既存のシステムに簡単に組み込むことができます。 

NuBEAMフラットトップ技術のもう一つの重要な点は、容易に拡張できることです。 具体的には、このタイプのファイバーのビームパラメータ積（BPP）は、十分に均質化されたフラットトップのビームプロファイルを維持したまま変更することができます。 これは、モードミキシング素子の設計を調整し、サポートするモードの正確な組み合わせと、それぞれに結合するエネルギー量を変更することで実現されます。 そのため、用途に応じたファイバー出力が可能となります。