CN101230972A - 耐热照明探针末端 - Google Patents

Abstract

在本发明的实施例中，一塑料光纤连接到一高温远端部分形成一耐热照明探针。该远端部分是短的，由高温材料制造，在需要的应用中具有一合适的形状以进行导光，并可覆盖有一反射层以确保当该部分的侧面接触到高折射率或吸收材料时将光线限制在该部分而不泄漏。该远端部分可以由高温材料如高温塑料棒、玻璃光纤等制成。该远端部分逐渐变细或雕刻成需要的结构。该塑料光纤和该高温远端部分可以在钢套管、塑料片、光连接器等里面使用光学粘合剂连接。

Description

耐热照明探针末端

相关申请的交叉引用

本申请基于35U.S.C.§119要求2007年1月23日提交的美国临时专利申请No.60/886,140的优先权，在此引入其全部内容作为参考。该申请涉及以下共同待决的美国专利申请并以参考方式引入它们：序列号No.11/354,615，2006年2月15日提交，题为“高通量内部照明探针”，其要求2005年2月15日提交的美国临时专利申请No.60/653,265的优先权；2006年12月18日提交的美国专利申请No.11/612,234，题为“照明注入套管”，其要求2005年12月16日提交的美国临时专利申请No.60/751,175的优先权；和2003年10月30日提交的美国专利申请No.10/697,350，题为“外科手术宽角度照明器”；在此引入以上所有内容。

技术领域

该申请一般涉及照明探针。更特别地，该申请涉及具有光纤末端的照明探针。甚至更特别地，该申请具体涉及耐热照明探针末端。

背景技术

光纤在许多照明应用中是有用的。例如，它们在医学或其它领域中可以用作光导，这些领域中需要将明亮的光照射在外科手术位置或对象上。通常，光探针由于它们许多期望的特征而由塑料光纤制造。比如，塑料光纤非常柔软，易于成形，有相对高的数值孔径(“NA”)，以及通常没有玻璃光纤贵。而且，它们比玻璃光纤更容易拉伸和形成具有逐渐变细的形状。商业上可获得的塑料光纤甚至在20规格直径上也是柔软的，易于形成近似钟形物，和具有0.63一样高的数值孔径。另外，与塑料光纤有关的光连接物、连接器和装置要比通过玻璃光纤连接相对便宜。玻璃光纤在20规格直径时是僵直的、难于形成近似钟形的近末端以及在安装和维护时费用相对更贵。

用塑料光纤制造光探针的一个缺陷是如果它们接触到任何象血液或人体组织的吸收性材料时易于使末端变形。例如，图1显示了由塑料光纤101和钢套管103组成的一个简单内部照明探针100的末端。塑料光纤101是一圆柱形电介质波导，由被包层以已知方式包围的芯组成。塑料光纤101通过全内反射过程沿着它的光轴传输光，这是本领域技术人员知道的一种光学现象。塑料光纤101的芯具有高的光学透明性，可以传输非常大量的白光光束105而不损伤塑料光纤101。这是可能的，因为光纤的吸收非常低。因而，大量的光可以通过塑料光纤而不会将其加热到软化点或变形点。

然而，如果任何吸收性材料(例如一滴血或一个人体组织的涂片)接触到探针100的尾端，下面的失控的循环会迅速发生：

·吸收性组织吸收部分可见光并加热到一个非常高的温度(如大约130℃或更高)；

·与光纤处于物理接触，热的组织导致该光纤的末端加热；

·光纤末端的温度超过了光纤的软化点；

·存储在固体光纤内部的线性压缩力被释放，导致光纤的末端后撤和光纤末端的直径增大；

·当套管内的末端后撤，从该光纤射出的光现在照射在套管末端，导致它变热；

·该热的套管导致临近的光纤加热超过软化温度并最终形变；和

·很快地，光纤末端的形变使探针无效。

由于这一系列的反应，当光能量传送到一个堵塞的光纤末端，该末端的温度可能很快升高，导致末端变形，并在一些情况下，导致末端的“迅速增大”。一个不再工作的光纤探针是不希望的，但是安全冒险也是不必需的。然而，如果光探针通过一个小的切口插入到一个外科手术位置处，光纤末端的迅速增大可能意味着该切口需要增大以适合变形的探针末端。当前的缓解方法是教导外科医生限制照明光源的光输出。

例如，枝型(chandelier)探针在照明大面积的外科手术位置上是有用的，在眼科外科手术中，特别地在玻璃质视网膜外科手术中，希望观察到尽可能大的视网膜部分。因此，枝型探针有时通过巩膜里的一个小切孔插入。如果枝型探针里的塑料光纤变形成一个圆形物、直径增大的球状物，如果吸收性污染物接触到末端就会发生该情况，增大的末端将很难通过该切开孔撤回。结果，为了移除探针，外科医生需要将切口扩大以避免伤口撕裂。虽然这并不会造成病人的危险，但会给外科医生带来麻烦并打断正常的外科手术流程。

因此，需要一种利用塑料光纤的优点而避免末端变形的新方法。这里所揭露的本发明的实施例能满足这个需要甚至更多。

发明内容

本发明的实施例提供了一种解决照明探针末端变形问题的新方法。特别地，本发明的实施例提供了具有耐热末端的塑料光纤的照明探针。

在本发明的一个实施例中，塑料光纤的远端结合到一个短的高温远端部分，该部分由高温材料制成，并在期望的应用中具有一个用于导光的合适形状。在一些实施例中，该高温远端通过模铸、机器制造或塑成。在一些实施例中，该高温远端部分包括一个或多个由可以传输光的高温材料制成的部分，例如高温塑料末端、玻璃光纤或其结合。其它合适的高温材料也可以。在一些实施例中，该高温远端部分包括一个远端玻璃光纤。在一些实施例中，如果需要，该远端玻璃光纤可具有一个雕刻的远端。

在本发明的实施例中，塑料光纤的远端通过光学粘合剂结合到一个高温远端部分，可以包括附加部分以加强该光学结合和/或提供其它附加用途。例如，塑料光纤的远端可以在一钢套管、套筒、光连接器等里结合到一高温远端部分。再例如，塑料光纤的远端可以在里面结合到一高温远端部分以及由一个或多个部分制成的塑料片(plastic hub)。依靠该结构，组成部分例如塑料片可以在固定位置支撑照明探针、允许流体流动或者以上两者。其它功能也可以实现。在一些实施例中，照明探针可以在高温远端结合一个光学元件例如一个特别的蓝宝石球状物，该球状物可具有宽角度透镜的功能。

在一些情况下，当高温远端部分的侧面与除空气外的任何物体(例如，粘合剂，套管，巩膜等)接触时，必须用反射层涂敷一部分高温远端部分来保证光线限制在该部分里，避免泄漏。合适的涂层包括银、铝、高反射二向色性涂层等。

本发明的实施例比以往的技术有很多优点。例如，不象常规的光纤末端，当一些吸收性杂质接触到末端时，耐热照明探针的末端不变形，从而确保使用者感受到塑料光纤的优点和好处，而不用担心由于末端变形带来的问题和麻烦。

附图说明

通过下面的结合附图的详细描述，能够对本发明及其优点有更完整的理解，附图中相同的编号代表相同的特征，其中：

图1是由钢套管和塑料光纤组成的简单内部照明探针的示意图，塑料光纤具有传统的光纤末端，当吸收性材料接触到探针的末端时该光纤末端易于变形；

图2是依据本发明一个实施例的耐热内部照明探针的示意图；

图3是依据本发明另一个实施例的耐热枝型探针的示意图；

图4是依据本发明另一个实施例的耐热蓝宝石宽角度探针的示意图；

图5是依据本发明一个实施例的耐热照明注入套管的示意图；

图6是适合应用于本发明的一些实施例如一耐热照明注入套管中的近端张开、远端渐细的玻璃光纤的示意图；

图7是一个玻璃光纤的示意图，其具有围绕玻璃光纤的近端张开部分的保护套；

图8是根据本发明一个实施例的塑料光纤的示意图，该塑料光纤连接有一个玻璃光纤，该玻璃光纤在光连接器里有一个包围玻璃光纤近端张开部分的保护套，该塑料光纤形成具有耐热末端的照明探针；和

图9是根据本发明一个实施例的适合应用于耐热照明探针的全向反射套管的示意图。

具体实施方式

图中说明本发明的优选实施例，不同图中相同的编号代表相同的和相应的部件。

本发明的不同实施例提供了具有耐热末端塑料光纤的照明探针。本发明的实施例能适用于所有规格(如20，23，25等)的塑料光纤。现在趋向于规格25和特别是规格23-较小的直径指示，其允许巩膜的无缝线伤口。耐热照明探针是外科手术系统(如眼科照明装置)的一部分，在许多医疗过程是有用的，如玻璃视网膜/眼后段外科手术。一个典型的眼科照明器可以包括一个从光源(如，氙光源，卤素光源等)通过光纤传送相对不相干光束到外科手术区的手动部件。这里披露的耐热照明探针实施例应用时可使用任何合适的手动部件，如德克萨斯州Fort Worth的Alcon实验室有限公司卖的Alcon-GrieshaberRevolution-DSP手动部件。手动部件的末端结合到一个支撑部分(套管)或者配置成容纳一个这里披露的照明探针的类似物。在一个实施例中，耐热照明探针是一个一次性外科手术产品。本领域技术人员考虑并可以认识到本发明的范围并不局限于眼科学，也可广泛地应用到其它需要高照射量、高标准照明的外科手术领域。

图2是依据本发明一个实施例的耐热内部照明探针200的示意图。不像图1中的探针100，支撑部分208(例如，一个规格25的钢套管)罩着两种不同类型的光纤：塑料光纤202和玻璃光纤206，使用光粘合剂204将二者结合在一起。光粘合剂204可以是本领域技术人员已知的任何指数匹配的光学级粘合剂(如，Dymax142-M光学粘合剂，该粘合剂当暴露在紫外线或低波长可见光中时迅速硬化)。类似地，支撑部分208可以是本领域技术人员已知的不锈钢或合适的生物适合的聚合物(如，PEEK、聚酰亚胺等)。在这里披露的范围内，支撑部分208罩着所谓的远端光纤，远端光纤的上游端与容纳在连接手动部件和光源的光缆里的近端光纤光学结合。近端光纤光学连接到该光源。为了最好的照明光性能，所述耐热光纤的近端直径和数值孔径应等于或大于所述塑料光纤的远端直径和数值孔径。为了避免发射光束的角度不均匀性，该耐热光纤的近端直径应该与塑料光纤的远端直径尽可能接近地匹配，而且该两个光纤应该在空间上很好的准直。

在一个实施例中，塑料光纤202和玻璃光纤206使用光粘合剂204光学地连接在一起从而形成远端光纤。支撑部分208可以以本领域技术人员已知的任何方式连接到该远端光学纤维。玻璃光纤206为照明探针200提供高温部分，这样，照明探针200在外科手术过程中发射光时不会变形。塑料光纤202提供一个柔软的光通道以接收从光源来的光(例如，通过一个近端光纤和/或其它光连接器)。

图3是根据本发明另外一个实施例的一个耐热枝型探针300的示意图。在这个例子中，在塑料片310里，塑料光纤302到达并连接到一个模铸或机械制造的高温塑料末端306。片310配置成用来固定巩膜上的探针300以避免探针在外科手术过程中移动。片310可以提供机械结合或者以其它方式支持塑料光纤302和高温塑料末端306之间的粘连。更特别地，光粘合剂304从塑料光纤302和高温塑料末端306间溢出到它们和塑料片310间的缝隙中，这样，在塑料光纤302、片310和高温塑料末端306之间就有了粘合剂。

如图3所示，高温塑料末端306具有一个近端邻接塑料光纤302和一个在远端发射光的锥形部分。该锥形部分可通过机械加工、金刚石镟制、铸造或注射成型制造而成。高温塑料末端306是一个雕刻的、没有阻止漏光包层的高温塑料棒。其数值孔径因而决定于锥形部分的折射率和周围介质的折射率。例如，如果该锥形部分暴露在空气中，锥形部分的数值孔径则基本上为1。这个数值孔径远大于光束经由锥形部分通过的数值孔径；因此，通过锥形部分的光传输可以高达100％。如果该锥形部分可能暴露在液体中(例如，来自眼睛内的盐溶液)，合成数值孔径会减小但在一些情况下仍会适当地高。例如，如果该高温塑料末端306材料的折射率为1.53，该末端浸入到折射率大约为1.36的盐溶液中，则合成数值孔径为0.70。然而，如果高温塑料末端306接触任一高折射率液体，如油或光学粘合剂，它们典型地具有1.5的折射率或更高，或者吸收材料如片310或巩膜，光会离开该塑料末端进入周围介质并损失掉。为了阻止这个发生，把反射涂层312应用到高温塑料末端306的外表以将光限制在高温塑料末端306内(也就是光不泄漏)。反射涂层312可以是能反射的金属或电介质涂层。在一个实施例中，利用了银涂层。银涂层的长度可以取决于光探针的特别结构和高温塑料末端暴露在周围介质中而不是空气或低折射率液体中的可能性。虽然银反射大约98％的光，但这不是100％的反射，因而并不能提供“全内反射”。在这种情况下，可能需要最小化银涂层的长度。另一方面，银涂层可能需要用来保护高温塑料棒以避免其暴露于不太合乎需要的介质(例如，从片310溢出的光学粘合剂304、来自外科手术处的液体等)。

图4是根据本发明另外一个实施例的耐热蓝宝石宽角度探针400的示意图。象图2中的探针200，支撑部分408容纳两种不同类型的光纤：塑料光纤402和玻璃光纤406，它们通过光学粘合剂404结合在一起。光学粘合剂404可以是任何指数匹配的光学级粘合剂(例如，Dymax142-M光学粘合剂)。类似地，支撑部分408可以是不锈钢或合适的生物适合的聚合物(如，PEEK、聚酰亚胺等)。在这个例子中，支撑部分408被设置成结合起到宽角镜头功能的蓝宝石球形物414。支撑部分408可以以本领域技术人员已知的任何方式连接到塑料光纤402和玻璃光纤406上。玻璃光纤406和蓝宝石球形物414都是高温材料，在外科手术过程中发射光时不会变形。

图5是根据本发明一个实施例的耐热照明注入套管500的示意图。照明注入套管500可以结合液体通道和照明探针以提供液体流动、眼睛加压和照明，方便地消除将三个分离探针插入一个外科手术位置的需要。在这个实施例中，柔软的塑料软管516提供液体流动通道并连接到塑料帽或片510。塑料光纤502和高温塑料棒506使用光学粘合剂504在片510内连接在一起。光学粘合剂504从塑料光纤502和高温塑料棒506间的间隙溢出，进入结合点周围的间隙，以提供与片510的粘合，使塑料光纤502适当地沿着套管的轴线定位。然而，光纤并不需要相对套管轴线横向居中。即使沿着套管的侧面接触到套管内壁，它的光学性能也不会受到影响。塑料软管516和塑料光纤502可以被容纳在一个保护套(未显示)里。

片510特别构造成精确地容纳或者以其它方式紧紧地连接到套针套管508。套针套管508构造成适合片510的下游末端，以适应来自塑料软管516的液体流动路径，和容纳高温塑料棒506，其可以是或不是与液体流动路径共轴。象图3中的片310、片510和套管508可以是将塑料或生物适合的材料模铸或机械制造而成。套管508可以用于在确定位置(如在巩膜上)固定探针500。在一个实施例中，套管508包括两部分-圆柱的钢或聚酰亚胺或PEEK套管，连接到或结合到另一个典型注射模制塑料片。

如果高温塑料棒506暴露于吸收介质，如巩膜或高折射率介质如光学粘合剂或油，暴露的部分用折射层512涂覆以阻止光泄漏。套针套管508的末端雕刻成易于通过切口进入外科手术位置。高温塑料棒506的末端可以模铸、机械制造或成形(如激光热成形)变细成预定的形状。当获得高发射效率时，一个有效地传播光越过一个宽角度范围的锥形形状是复合抛物线集中器(CPC)-锥形。反射涂层512可以是反射金属(如银)或电介质(如聚四氟乙烯(Teflon)或者多层电介质堆叠)涂层。

图6是近端张开、远端锥形的玻璃光纤600的示意图，适合应用实现本发明的一些实施例，例如在耐热照明注射套管中。在一个实施例中，光纤600是可从Polymicro获得的FSU光纤。它具有许多独特的特点，使之成为耐热照明探针高温远端部分的一个合适的候选者。例如：

·它有非常低的折射率(～1.30-1.33)的475μ+/-13μ聚四氟乙烯(Teflon)包层604(包层厚度为9.0μ+/-3.0μ)，能够使光纤600达到0.66这样一个很高的数值孔径(NA)。NA是关于光纤传播光的可接受角度的度量。

·它的远端601渐细以成为类似于复合抛物线集中器(CPC)-锥形。这可以通过激光热成形来完成-通过准确控制高温激光使远端601成为预先设计好的形状。在这一步骤中，在激光成形的区域(“a”+“b”)中的聚四氟乙烯(Teflon)包层被烧掉。非锥形区域“a”应尽可能的短。例如，雕刻成的锥形区域“b”可以是723.8μ。只要裸露的硅芯603(457μ+/-10μ)只接触到空气或盐溶液，光会主要被限制在光纤芯603中。

·它的光滑的、平坦的近端602是线性张开的。此外，这可以通过激光热成形完成-使用精确控制高温激光使光纤近端张开。在这一步骤中，在激光成形的区域(w4)聚四氟乙烯(Teflon)包层被烧掉。例如，张开的区域w5可以大约有3100μ-4500μ，在近端602具有737μ+/-10μ的直径(d)。光纤600(w1)的总长是12”+/-0.25”，其中一部分覆盖有552μ+/-30μ的硅树脂缓冲层605。未覆盖的部分(w2和w3)可以分别是11.0mm+/-1.0mm和9.0mm+/-1.0mm。

很重要的是，这个在近端张开区域中裸露的芯603除了空气之外不能暴露于任何物质中。图7是包含玻璃光纤600的一光学元件700的示意图，该玻璃光纤600具有一在空气711中包围玻璃光纤600的近端张开部分的保护套707。光纤600与由玻璃制造的保护层707通过粘结剂704结合在一起。玻璃保护层707仅在接触点709接触到光纤600的裸露的近端张开的芯603，其中接触点709在光纤600的最近端在光纤600外围附近。这样将从张开的芯泄露到环境中的光减少到最小。

图8是一个光纤与光纤的连接器800的示意图，其包含与光学元件700连接的塑料光纤802和在光学连接器820内部的高温、高数值孔径的玻璃光纤600。按照本发明的一个实施例，通过使用光学粘合剂804和连接器820将玻璃光纤600的近端与塑料光纤802的远端连接在一起，可以容易的装配成一个高性能的耐热照明光纤探针，连接器820是特别为容纳具有包围玻璃光纤600近端张开部分的保护套的光学元件700而设计的。

图9是按照本发明的一个实施例的适合于实现耐热照明探针的一个全向反射套管的示意图。在这一例子中，高透光率的光纤探针900与一ACMI连接器930连接，且包含塑料光纤910，该塑料光纤910光学地连接于一中空的全向反射套管。该套管具有被一“涂层”包围的中空的空气芯，该涂层是一个具有特殊性质的圆柱涂层。

传统的涂层包括(1)介质层堆叠，其具有高反射性和低吸收性，但有强的波长和角度选择性，和(2)金属层，其是具有吸收损失和低于100％反射率的全向反射器。这里所描述的特定涂层类似于电介质层，但是包括电介质材料，所述电介质材料的反射率如此地不同以致最终的涂层结合了电介质堆叠和金属层的优点-在宽光谱和角度带宽上的超高全向反射率。本质上，在涂层中能产生一维带隙，它阻止光子进入涂层结构。因为光子不能进入涂层结构，也就不能传播或吸收，因此没有选择，只能反射。

该技术被证明用于红外波长，如果该技术对于可见波长可行，带能够在中空套管中产生100％反射。因此，相比较于目前市场上能得到的最高数值孔径0.63(Toray光纤)的光纤，锥形中空光纤920和直的中空光纤925跨越可见光谱可潜在具有高达1.0的光纤数值孔径(也就是，对于高达90度离轴的离轴光线有高透光度)。

实际中，会有一些衰减损失，可能达到约0.65dB/m。100英寸(2.54米)长的光纤意味着只有68％的光被传播。然而，值得注意的是一个数值孔径为1.0的光束的68％提供了比数值孔径为0.63的光束的95％还显著多的光线。此外，使用在最远端的该特殊的光纤可能只有短的几英寸长，因此最终衰减损失将会很少。

如果这样一个特殊的光纤是锥形，则如图9中所示的高透光率的设计成为可能。更特别的是，数值孔径为0.63的Toray光纤910可以有效地从光纤照明装置(例如，Alcon的Accurus氙照明装置)传输到远端。在这点上，锥形中空光纤920会迫使光束进入一个更窄的直径中，导致光束角度的宽度(也就是光束数值孔径NA)增加。对于数值孔径为1的光纤，锥形部分后的光束会有效地传播通过光纤900的窄直径的直的部分925。注意的是用BSS或油充满中空的光纤会影响它的光通量传播特性。如果这个特别的光纤不能成锥形，则需要一锥形玻璃或塑料棒(或许在侧表面有银涂层将光线限制在锥形中)将塑料邻近光纤中的光连接到中空远端套管中。

虽然本发明已经参照具体实施例进行描述，应该理解具体实施例是例证性的，且本发明的范围并不限于这些实施例。对以上所述的实施例的许多变动、修改、增加和改进都是可能的。可以预期的是如下面权利要求中所述的一样，这些变动、修改、增加和改进都落入本发明的保护范围中。

Claims (21)

1.一种耐热照明探针，包括：

塑料光纤；

高温远端部分；和

壳；其中为了使光传输通过该高温远端部分，将塑料光纤光学地连接到该高温远端部分，其中在该壳中该塑料光纤连接到该高温远端部分，并且其中该高温远端部分是玻璃光纤或高温塑料棒。

2.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该壳是一由不锈钢或生物适合材料制成的套管。

3.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该高温远端部分是用一种或多种高温材料制成。

4.如权利要求3所述的耐热照明探针，其中该高温远端部分具有一雕刻的或锥形远端。

5.如权利要求3所述的耐热照明探针，其中该高温远端部分具有一张开的近端。

6.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该高温棒的一部分涂覆有反射层。

7.如权利要求6所述的耐热照明探针，其中该反射层是银。

8.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该壳由一种或多种包括塑料的生物适合材料制成。

9.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该壳配置成在外科手术过程中在一确定的位置固定该耐热照明探针。

10.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该壳配置成在该高温远端部分的远端结合一个宽角度透镜。

11.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该壳配置成除了光传输通过该光学连接的塑料光纤和该高温远端部分外，还容纳一供液体流动的通道。

12.如权利要求11所述的耐热照明探针，其中该壳包括一连接到套管的片。

13.如权利要求12所述的耐热照明探针，其中为了通过切口进入外科手术位置而使该套管的远端成斜角。

14.如权利要求12所述的耐热照明探针，进一步包括连接该塑料光纤和该高温远端部分的光学粘合剂，其中该光学粘合剂溢出该塑料片之外，以将所述塑料光纤定位在一个需要的位置。

15.如权利要求1所述的耐热照明探针，进一步包括连接该塑料光纤和该高温远端部分的光学粘合剂。

16.如权利要求15所述的耐热照明探针，其中该光学粘合剂在该塑料光纤、该高温远端部分和该壳之间提供粘附力。

17.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该玻璃光纤包括硅芯和折射率大约为1.30-1.33的电介质包层，使得该玻璃光纤获得0.66的数值孔径。

18.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该玻璃光纤的远端逐渐变细为一复合抛物线集中器锥体形状。

19.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该玻璃光纤的近端被包含在一保护套里。

20.如权利要求19所述的耐热照明探针，进一步包括一光纤-光纤结合连接器，用于将该塑料光纤的远端光学地连接到包含在该保护套里的该玻璃光纤的近端。

21.如权利要求1所述的耐热照明探针，其中该高温远端部分是一全向反射中空套管，其内表面涂覆有由电介质材料组成的反射层，该电介质材料在该反射层里在可见光波段产生一维带隙以阻止光子进入该套管。

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