CN102614045A - 被照亮注射插管 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在眼科手术期间照亮某一区域的透明被照亮注射插管。可以离开该插管一段距离设置光纤，使得在光纤远端周围流过并进入透明插管的液体可以以比现有技术快得多的流速发生。可以优化光纤插管空间，使得液体导管的横截面基本上保持恒定，以实现高透光率和高液体流速之间的最佳折衷。

Description

被照亮注射插管
本申请是申请日为2006年12月18日、申请号为200680052382.6、发明名称为“被照亮注射插管”的发明专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求2005年12月16日提交的、标题为“TransparentIlluminated Infusion Cannula”的美国临时专利申请No.60/751,175的优先权并且将其整体包括在此作为参考。
本申请要求2005年2月15日提交的、标题为“High ThroughputEndo-Illuminator Probe”的美国临时专利申请No.60/653,265的优先权并且将其整体包括在此作为参考。
本申请要求2006年2月15日提交的、标题为“High ThroughputEndo-Illuminator Probe”的美国非临时专利申请No.11/354,615的优先权并且将其整体包括在此作为参考。
技术领域
本发明一般地涉及外科手术仪器。具体而言，本发明涉及用于在眼科手术期间照亮某一区域的外科手术仪器。更具体地，本发明涉及具有用于照亮眼球内部的照明单元的注射仪。
背景技术
在眼科手术中，特别是在玻璃体视网膜手术中，期望使用广角手术显微镜系统来观察视网膜的尽可能大的部分。存在用于这种显微镜系统的广角物镜，但是它们需要的照明场比典型光纤探针的照明圆锥所提供的要宽。结果，已经开发出各种技术来增加光纤照明器所提供的相对非相干光的束散。这些已知的广角照明器因此可以照亮当前广角手术显微镜系统所需的更大部分的视网膜。
也已经已知将光纤并入外科手术仪器的工作端。这消除了需要单独的照明端口并且提供了将光束与仪器一起引导至目标位置上的优点。但是，仪器尺寸必须相应地增加并且可能需要较大的巩膜切口。另一套程序是采用被照亮注射插管以在一个点上集成注射和照明功能。
组合注射插管和照明源的一个实例在美国专利4,820,264中给出。’264的设备包括注射通道，光传输光纤穿过该通道以在排出眼内冲洗液的点将光导入眼球中。这种照明方法不会通过操纵切割仪器而自动进行。此外，光纤直接在注射通道内运行，并且照明和注射部分在眼附近不可分离。
这些现有技术组合了注射插管，但是显示出各种缺点。这些缺点包括不希望的低透光率和不希望的液体流速，尤其是当组合在例如20G(gauge)插管中时。
因此，需要一种被照亮注射插管，其可以减少或消除现有技术的组合插管的问题，尤其是低的透光率和低的液体流速的问题。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于在眼科手术期间照亮某一区域的系统和方法，其基本上解决了以上所提出的需求以及其它需求。一个实施例提供了一种可操作用于在眼科手术期间照亮某一区域的透明被照亮注射插管。光纤可以离开该插管一定距离，使得在光纤末端周围流过并进入透明插管的液体可以以比现有技术快得多的流速发生。可以优化光纤插管空间，使得液体导管的横截面基本上保持恒定，以实现高透光率和高液体流速之间的最佳折衷。
附图说明
为了更加完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图的描述，在附图中，相似的参考标号代表相似的特征，其中：
图1提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的下游端的视图；
图2提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的上游端的视图；
图3提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的视图；
图4提供了根据本发明实施例的光纤/20G插管的实例配置的视图；
图5提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的视图，其中光纤和液体软管在巩膜入口的上游聚集在一起；
图6提供了根据本发明实施例的自切开(如果将环形凸起加到插管上则并且是自保持的)透明被照亮注射插管的视图；
图7提供了根据本发明实施例的自切开(如果将环形凸起加到插管上则并且是自保持的)透明被照亮注射插管的视图；
图8-11示出根据本发明实施例，离散射线和整个光束在液体(例如盐水)模式和气体(例如空气)模式下穿过插管的通路；
图12-14示出根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的各种光学特征；
图15示出由直接从光纤末端穿过直插管末端处的开口并且进入眼睛的未扩散光产生的“热点”；
图16示出根据本发明实施例的解决图15中示出的“热点”问题的方案；
图17示出根据本发明的实施例，解决图15中示出的“热点”问题的方案，其采用了弯曲金属插管设计，导致气体(比如空气)或液体(比如盐溶液)中的宽角度输出光束；
图18示出根据本发明的实施例，解决图15中示出的“热点”问题的方案，其采用了弯曲透明插管设计，导致气体(比如空气)或液体(比如盐溶液)中的宽角度输出光束；
图19-21提供了根据本发明实施例的并入锥形光纤的透明被照亮注射插管的视图；
图22示出了根据本发明实施例的、与图19-21中的透明被照亮注射插管相关的、所发出光束在空气中的结果大角度扩散；
图23提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的视图，其具有成角反射涂层以防止发出的光直接照亮插管；以及
图24提供了复合抛物面聚光器/截锥的光纤锥形的视图。
具体实施方式
本发明的优选实施例在附图中示出，其中各个附图中相似的标号用于表示相似的和相应的部分。
图1提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的下游端的视图。本实施例提供了被照亮注射插管100，其包括以下元件：(1)内照明器100，其包括锥形高数值孔径(NA)光纤101，比如钟形20mil直径、0.63NA的Toray光纤103，(2)用于传输液体或气体的软管104，(3)套筒106，在其中所述内照明器和软管聚在一起，(4)透明插管108，在套筒下游，可以包括一个自保持环，以及(5)高反射涂层110，位于插管的外侧表面的一部分上。可选地，该透明插管的末梢部分可以是弯曲的，或者可以包括比如扩散、衍射或微米阵列表面的特征，以将光分散到所需的角度分布中。
图2提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的上游端的视图。此上游端可以包括在共同拥有的美国临时专利申请No.60/653,265(2005年2月15日提交的)和美国非临时专利申请No.11/354,615(2006年2月15日提交的)中公开的“高吞吐量照明器探针”，将二者全文包括在此作为参考。
根据本发明的实施例，形成注射插管上游端的步骤可以包括若干步骤。首先，可以将中等NA的大直径光纤202连接到高NA锥形光纤204，如2005年2月15日提交的美国临时专利申请No.60/653,265中所描述的。作为实例，使用Dymax 142-M光学粘合剂206将29.5mil直径、0.5NA的光纤202连接到29.5→20mil的锥形0.63NA的Toray光纤204。然后，可以提供灵活的塑料软管208用于传输液体或气体。可选地，光纤202和软管208可以被包围在保护套210中以形成单根线缆。然后，由透明塑料机械加工或注模玻璃柱状插管，其足够长以穿过巩膜(至少0.53”)并且可选地具有环形保持环，以使插管一旦插入能够保持在眼内。
图3提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的视图。在此实例中，20G透明插管300可以由丙烯酸制成并且可以具有31mil的内径、36mil的外径和58mil的长度。可以利用金属或电介质多层涂覆工艺或其它类似工艺将涂层302施加到插管300的内径或外径柱状表面304的一部分上。在图3的实例中，在插管的外柱状表面涂覆38mil的长度。涂层应具有高反射性并且是生物适应的。银和铝是对于可见光有高度反射性并且应该具有可接受的生物适应性的涂料。
返回图1，通过机械加工或注模形成的塑料套筒106和塑料帽112将光纤103和液体软管104连接到透明插管108。可以分开制造塑料套筒106和塑料帽112然后搭扣和/或粘合在一起，或者可以将塑料套筒106和塑料帽112制成一个部件。将透明插管108搭扣和/或粘合到塑料套筒106的远端。或者，可以将透明插管和套筒制成一个连续部件。塑料帽具有两个孔，一个用于光纤而一个用于塑料软管。将光纤和软管插入帽中。塑料帽横向定位光纤使得它与透明插管的轴同轴。光纤103插入穿过塑料帽112，使得其远端与插管的近端隔开适当距离(参见以下讨论的“基本原理”)，然后将光纤结合到塑料帽112。
图4提供了根据本发明实施例的光纤103(20G)插管108的实例配置的视图。在此实例中，光纤-插管间隔是7.7mil。另外，如果有必要，可以将塑料软管104粘合到塑料帽112。
本发明实施例提供的透明被照亮注射插管提供了：(1)比同类被照亮注射插管高的透光率；(2)比同类被照亮注射插管更好的液体流速；(3)在同一个被照亮注射插管中同时包括了透光率的提高和液体流速的提高；以及(4)通过20G插管实现了高的透光率和高的流速。
美国临时专利申请No.60/653,265中描述的原理允许光穿过小的孔径(锥形高NA光纤远端处的孔径)，同时实现很高的相对透光率。光纤远端处的孔径小于透明插管孔径。
由于锥形光纤末梢孔径小于透明插管孔径，所以光纤发出的几乎所有光都将穿过透明插管近端的内径孔径，即使光纤的远端距离透明插管的近端有一定距离。用于保持高吞吐量的该最大分离距离粗略地被定义为S＝[(Dc-Df)/2]/tanθcutoff，其中，Dc＝透明插管内径，Df＝光纤远端直径，以及θcutoff＝光纤的截止角。对于空气中0.63NA、20mil的Toray光纤和31mil的透明插管内径来说，截止角＝39.1°，并且最大分离距离S＝6.8mil。
如果透明插管不被涂覆，则进入插管的内径近端孔径的光线将穿过插管壁并且因为巩膜内的吸光而损失掉。但是，如果使用高反射性金属或多层电介质涂层来涂覆插管的内或外径圆柱侧壁的一部分(穿过巩膜的那部分)，则插管内的光在穿过巩膜时将被涂层反射从而保留在插管内。将涂层设计成一旦插管从巩膜露出就结束。当光穿过插管未经涂覆的部分时，将穿过插管壁并且将照亮眼内的视网膜。
将光纤和插管相互隔开一定距离，使得液体能以比光纤-插管距离S为0时可能的流速高得多的流速，在光纤远端周围流过并进入透明插管。本发明的实施例提供了光纤/插管接口，使得液体导管的截面表面面积在各处都是最优的(即，不存在液体流的截面面积小的位置)。流速应大致与截面面积成比例。
将该光纤/插管接口设计成在高透光率和高液体流速之间实现最佳折衷。在图4中描述的20G结构中，理论预测的空气中的透光率(相对于20G、29.5mil直径和0.5NA的光纤)是～82％并且流速是.000755平方英寸。这表示，相对于某些现有技术的被照亮注射插管设计(参见“现有技术”)，透光率得到1.71X提高并且流速得到1.74X提高。
将插管外圆柱表面上的环形自保持“凸起”404设计成使得被照亮注射插管在插入之后固定在眼内。
本发明实施例在给定例如以下限制的情况下，最大化通过被照亮注射插管进入眼内的透光率和流速：
·将照明器灯设计成将光聚焦到20G(.0295”直径)的光纤内。
·注射插管必须具有不大于0.36”的外径以允许自缝合的20G手术。
·注射插管必须具有最小壁厚以保持最小硬度。
已经进行了许多努力来解决此问题。Synergetics具有商用20G被照亮注射插管探针，其包括：(1)500微米(20mil)直径、若干英尺长、大概0.5NA的非锥形光纤，(2)用于输送液体或气体的灵活的塑料软管，(3)在上游距离光纤远端若干英寸的连接光纤和塑料软管的套筒，(4)套筒下游的光纤和软管的一部分，其中光纤在软管内，(5)20G的金属插管，具有31mil ID，软管/光纤组合适配到ID中(软管滑过插管，而光纤穿过插管)，以及(6)～40mil长的光纤远端经过插管远端，其中，光纤线性地逐渐变细为一个虚点。此设计产生.000441平方英寸的截面流动面积以及相对于Alcon标准的20G内照明器(使用Accurus或AHBI照明器)的47％的测量透光率(空气中)。
使用此设计的问题在于，光纤和液体竞争20G插管内部的固定31mil ID内的同一截面面积。因此，在光纤截面面积(并且因此透光率)和液体截面面积(并且因此液体流速)之间存在直接折衷。当一个增加时，另一个成比例降低。在此方法中无法避免此折衷。
Alcon提供了第二种解决方案，除了以下几点之外，其提供了与Synergetics的设计类似的19G被照亮注射插管：(1)插管OD是42.5mil，(2)插管ID是37.5mil，(3)光纤直径是30mil，以及(4)液体截面面积是.000398平方英寸。
像Synergetics的设计一样，此设计的问题在于，光纤和液体竞争19G插管内部的固定37.5mil ID内的同一截面面积。因此，在光纤截面面积(并因此透光率)和液体截面面积(并因此液体流速)之间存在直接折衷。当一个增加时，另一个成比例降低。在此方法中无法避免此折衷。
此设计的另一个问题是外径是19G(42.5mil)而不是20G(36mil)。较大的插管尺寸使得眼科手术创伤更大、不能自缝合、并且导致治愈时间更长。
本发明的实施例提供了对于现有解决方案的各种优点。例如，可以提供20G而不是19G的被照亮注射插管。新设计的更小的20G尺寸(36mil OD)使得眼科手术创伤较小、能自缝合、并且缩短了治愈时间。
在图4的示例性实施例中，与Synergetics的现有技术(使用Accurus或AHBI照明器)相比，实现了(空气中的)透光率的1.74X提高。同样，在Synergetics的现有技术基础上实现了截面面积和流速的1.71X提高，并且在Alcon的现有技术基础上实现了截面面积和流速的1.90X提高。
图5-7示出了本发明的其它实施例。图5提供了根据本发明实施例的透明被照亮注射插管的视图，其中光纤103/204和液体输送软管104在巩膜入口的上游聚集在一起。图6和7描述了根据本发明实施例的自切开(如果将环形凸起加到插管则并且是自保持的)透明被照亮注射插管600，其包括弹簧加载金属切开插管602和榴弹状销604。在其初始位置，如图6中所示，切开插管602伸出以使得能够在巩膜中形成切口。当榴弹状销604被拉出时，切开插管602缩回，如图7中所示，将光纤103/204和透明插管108留在它们的正确相对位置上，以提供透光率和流速的最佳组合。
图8-11示出根据本发明的实施例，离散光线和整个光束在液体(例如盐水)模式和气体(例如空气)模式下穿过插管的通路。在气体模式下，光束的角度扩散比盐水模式下要宽。因此，错过插管近端入口孔径的光所导致的任何透光率损失(由于光纤/插管间隔过大)在气体模式下将比在液体模式下要大。
以上讨论的现有技术包括远端逐渐变细为一个近点的光纤。此变细的结果是所发出的光束的角度加宽为比从不变细的光纤发出的光束大的角度。图1-11中描述的透明被照亮注射插管的实施例包括不变细的光纤和直的不变细的插管。因此，从本实施例中发出的光的角度扩散大概等于从不变细的光纤本身的角度扩散；即，角度扩散比现有技术窄得多。对于本发明的一些实现而言，期望增加所发出的光束的角度扩散，使得跨视网膜的照度相对均匀。有两种途径增加所发出光束的角度扩散：(1)修改插管，(2)修改光纤。
一种插管修改方式是通过在透明插管的所选区域上使用金属或电介质涂层，或通过使得插管自身由反射金属制成，使插管的各部分或者全部成为反射性的。其它插管修改方式涉及包括比如散射表面、衍射表面和/或微透镜阵列的光学特征以便将光分散到所需角度分布。或者，可以像贴花一样对透明插管末梢部分的外圆柱表面涂以散射、衍射、反射或折射膜，以提供所需的光线分布。这些光学特征在图12-14中描述。图12提供了一种透明插管1202，在插管1202的外侧或插管1202的内侧上设置有表面散射体1204。也可以提供一个不透明插管1206，在插管的内径上设置有表面散射体1208。图13描述了在插管1304内表面或外表面上使用散射漆1302，或对插管1304使用整体塑料散射体材料1306。图14提供了一种透明插管1402，其中反射透镜1404施加于圆柱状表面，以便提供所需光线分布。
但是，所有这些特征都具有一个问题-直接从光纤103/204远端穿过直插管的末端开口并进入眼的不散射光1504所形成的“热点”1502(见图15)。对于热点问题的一种解决方案是以下列方式弯曲透明插管1600或不透明插管1602：使得没有光线可以从光纤103/204直接进入眼而不碰到插管1602(见图16)。图17中示出的是弯曲金属插管设计1700，其在气体(比如空气)或液体(比如盐溶液)中产生角度宽、广的输出光束。在图18的弯曲透明插管1800的设计中实现类似的角度扩散性能(其中，除了有斜面的远端之外，插管的大部分都被涂覆反射性金属)。
对光束进行角度加宽的其它方式是令光纤103/204的远端1902逐渐变细。在图19-21中示出了包括锥形光纤的本发明实施例。在该优选实施例中，插管108的近端1904略微张开，使得光纤和插管之间的截面面积不小于插管下游端的面积(在图20和21的实例中是.000755平方英寸)。图22中示出在空气中所发出光束的最终大角度扩散。此设计中光输出比Synergetics的方法大36％，截面流面积大71％。另外，可以将成角反射涂层2302添加至透明插管100，如图23中所示，以防止发出的光直接照亮插管。
对于传输光束半角为θin的光束，并且被设计成有效地将光发送为半角为θout的角度均匀光束的光纤来说，线性锥形不是最佳的锥形形状。对于假想的二维光纤(其中，光纤和光线完全被限制在二维平面内)，最佳的锥形形状应该是复合抛物面聚光器(CPC)，与截顶的线性锥形圆锥对接(如图24的实例中所示出的)。末梢光纤直径与近端光纤直径的比应等于sinθin/sinθout。对于此锥形形状，忽略菲涅耳反射损耗，发送到周围空气介质中的效率将是100％，并且最终发出的光束的照度对于大到θout的角度将是均匀的，并且对于大于θout的角度将是0。
对于实际的三维光纤，情况更复杂。一些离轴角小于θin的斜光线(斜光线是在包括光纤轴的平面之外经过的光纤)将通过全内反射返回，并且将朝向源倒退穿过光纤。同样，一些离轴角大于θin的斜光线将穿出锥形光纤的远端。因此，对于实际的三维光纤，发出光束的透射率vs角度特性在θout处将不会突然截止，但是将迅速滚降，在θout处大约是50％透射率点。此外，由于这些斜光线，最佳效率的光纤锥形形状不是图24的复合抛物面聚光器/截锥，而是复杂得多的形状。最佳形状部分取决于耦合到光纤中的光束的精确照度vs角度特性、光纤离轴衰减特性、和所发出光束的精确所需输出特性。此最佳形状可以通过使用光学设计程序，比如Zemax来确定，其能够自动修改光纤锥形形状直到得到最佳的所需输出。
图19-21中示出了本发明的实施例。在本实施例中，光纤线性变细，并且从光纤发光的效率大约是60％。此线性锥形可以由类似于图24的CPC/截锥的复杂锥形形状代替，并且最终的光纤发光效率将很接近100％。(此最佳光纤锥形形状的设计会考虑影响所发出光束的输出特性的插管反射率以及锥形形状)。但是，由于对这种最佳光纤锥形形状来说，光纤的远端将变为一个点而不是终结在小直径的末梢面中，所以此光纤和图19-21的插管之间的截面流面积将会受到限制。换言之，液体将流到光纤远端处的瓶颈中。可以通过将最佳锥形光纤离开插管移动一小段距离(在图20中朝左)和/或增加光纤的张开近端的张角来防止这种情况。最终的光纤/插管组合会保留.000755平方英寸的较高流面积，并且可能比图19-21的实施例具有甚至更高的光吞吐量。
因此，一个实施例是对图19-21的实施例在以下方面进行修改：光纤锥形形状和插管锥形形状，并且修改光纤/插管相对位置以产生这样的系统：以最佳的光通量效率跨整个视网膜表面均匀地发光。
如本领域技术人员将理解的，在此所使用的术语“基本上”或“大致”提供了对其相应术语在工业上可接受的容限。这种工业可接受容限的范围从小于百分之一到百分之二十，并且对应于但不限于元器件的值、集成电路工艺变化、温度变化、上升和下降时间、和/或热噪声。如本领域技术人员将进一步理解的，在此所使用的术语“可操作地耦合”包括直接耦合和通过其它组件、元件、电路或模块间接耦合，其中，对于间接耦合，居间组件、元件、电路或模块不修改信号的信息，而是可以调整其电流等级、电压等级和/或功率等级。同样，如本领域技术人员将理解的，推断的耦合(即，一个元件通过推断耦合到另一个元件)包括两个元件之间以与“可操作地耦合”相同的方式直接和间接耦合。如本领域技术人员将进一步理解的，在此所使用的术语“最佳比较”是指两个或多个元件、项目、信号等之间的比较提供所需关系。例如，当所需关系是信号1幅度比信号2大时，最佳比较可以在信号1的幅度比信号2的幅度大时或者信号2的幅度比信号1的幅度小时实现。
尽管具体描述了本发明，但是应该理解，可以作出各种变更、替代和更改而不脱离如所述的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种透明的被照亮注射插管(600)，包括：
内照明器(103，204)，可操作用于提供光以照亮眼内的区域；
软管(104)，可操作用于传输液体；
保护套(210)，可操作用于在单根线缆内组合所述内照明器和软管；
切开插管(602)，可操作用于切开眼的巩膜；以及
围绕所述切开插管的透明插管(108)，其中：
所述透明插管与所述内照明器同轴设置；以及
在所述内照明器的远端和所述透明插管的近端之间限定一个空间；
其特征在于，
所述切开插管(602)被弹簧偏置在缩回位置和伸出位置之间，使得在其初始位置，所述切开插管伸出以使得能够在巩膜中形成切口，并且被调适成能够缩回到第二位置，以便将内照明器(103，204)和透明插管(108)留在它们的正确相对位置上，使得所述内照明器的远端和所述透明插管的近端之间的空间允许液体在所述内照明器的远端周围流过、进入所述透明插管并进入巩膜孔径。
2.如权利要求1的被照亮注射插管，其中，在所述软管(104)、插管(108)、以及软管、插管和内照明器(103，204)之间的接口内，流截面面积基本上恒定。
3.如权利要求1的被照亮注射插管，其中，所述内照明器(204)包括光纤(103)。
4.如权利要求3的被照亮注射插管，其中，所述光纤的远端被成形，并且其中，所述光纤/透明插管基本上均匀地发光。
5.如权利要求4的被照亮注射插管，其中，所述光纤(103)是锥形高数值孔径(NA)光纤，比如钟形0.51mm(20mil)直径、0.63NA的Toray光纤。
6.如权利要求1的被照亮注射插管，其中，所述内照明器(103，204)的远端(1902)逐渐变细，并且所述透明插管(108)的近端(1904)张开。
7.如权利要求1的被照亮注射插管，其中，所述插管(108)的至少一部分(302，2302)反射从内照明器(100)发出的光。
8.如权利要求7的被照亮注射插管，其中，散射表面(1204，1208，1302)、衍射表面、和/或微透镜阵列(1404)可操作用于以所需角度分布来发散从内照明器发出的光。
9.如权利要求8的被照亮注射插管，其中，在所述软管(104)、插管(108)、以及软管、插管和内照明器(103，204)之间的接口内，流截面面积基本上恒定。
10.如权利要求1的被照亮注射插管，其中，所述透明插管(108)包括环形凸起(404，1404)，其可操作用于将所述透明插管在插入之后固定到眼睛。
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