CN104083212B - 一种高止血性能激光刀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高止血性能激光刀，采用至少两种激光源，其中一个激光源作为切割激光源，另一个激光源为止血激光源，对止血激光源输出的激光脉冲波形可以通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制，以达到最佳的止血效果。该至少两种激光源的激光输出通过激光束合成单元，耦合到单个激光束输出器件，且该至少两种激光源的激光参数相互独立可调。切割激光源可以是脉冲或连续激光源，脉冲切割激光源的激光脉冲波形可进行编程控制、连续激光源的输出可以调制，以达到最佳的切割效果。具有优良止血性能的激光手术刀也可以采用只有一种激光源，对其激光脉冲波形进行可编程控制，同时实现最佳的切割和止血效果。

Description

一种高止血性能激光刀

技术领域

本发明属于一款微创激光手术设备，选择特定波长的激光源，并对其激光脉冲波形状及宽度进行可编程的控制，使得激光脉冲能量对手术组织具有可控的穿透深度，并实现临床手术时最佳的止血要求。该微创激光手术设备在微创手术中除了具有优良的止血性能包括止血层深度的可控外，还具有优良的组织切割性能，同时对周围正常组织的不良影响降低到最小，其切割和止血的能力有效地提高手术治疗效率。

背景技术

微创手术的目标是采用手术的方法，在最小的创伤和最少的出血量前提下，治愈病人的疾病。激光是一种特殊的光波能量源，可通过柔软的光纤传输而精确到达人体病灶处，进行需要的手术，具有强大的临床应用生命力。

激光的波长、波形等物理参数的选择，对临床手术中的切割效果及止血性能具有很大的影响。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

现有技术的一些激光手术设备具有一定的止血性能，但普遍因为具有较大的未加以控制的组织穿透深度，容易对周围正常组织带来伤害，并造成一些并发症。因此，研发既具有良好切割性能，同时又具有很好的、并可控的止血性能的激光手术设备，不但能够帮助医生提高微创手术疗效，同时还能大大扩宽激光手术刀应用的领域。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种高止血性能激光刀。所述技术方案如下：

手术上讲的止血性能，是指通过热效应凝固出血点周围的组织，或者直接封闭出血源头血管破裂点，达到止血的效果的能力。激光波长往往决定了被人体组织吸收的强度以及在人体组织中所穿透的深度，通过选择那些在人体组织中具有所需的穿透深度及组织吸收效果的激光波长如2000nm左右，1064nm,808nm，940nm等的激光作为止血用激光源，可以较好的穿透那些手术点处裸露的组织层到达隐藏于下面引发出血的源头或者血管，直接对这些出血源头进行凝固而止血。例如，这些激光中，1064nm的钕激光理论上具有4mm左右的最大组织穿透深度。

连续波工作模式的激光在与人体组织作用时，由于热积累效应容易造成局部过热而结痂，本发明通过对连续激光器的输出功率的调制，可以控制热积累效应，并且同时实现理想的切割和止血效果。

对于非连续波工作模式即脉冲工作模式的激光，激光脉冲产生的热在脉冲间歇期间可以通过组织传导开去，不容易结痂。

特别是在脉冲工作模式中，本发明提出，具有相对缓慢上升与下降沿的矩形或特殊可编程形状的激光脉冲较目前激光设备中常规采用的钟形或高斯脉冲而言具有更好的凝固效果与穿透效果，同时可减少钟形或高斯脉冲容易造成的爆破效果。

为了适应临床上的精确微创手术应用，可以进一步通过改变特殊形状的激光脉冲的宽度以帮助获得最佳的穿透深度从而达到更加精确的止血性能。通常，在同样的激光能量条件下，脉冲宽度越小，激光的组织穿透深度就越小，这对一些非常重要的器官手术尤为重要。这种特殊形状的激光脉冲的宽度的选择使得手术大夫在不同的组织、不同部位的临床应用时，可达到最好的微创止血效果，并减小对正常组织的不良影响。

这种具有特殊形状和宽度的激光脉冲可以通过对激光器的驱动电路的电流进行特别的可编程的控制来实现。这种具有特殊形状和宽度的激光脉冲包括了上升与下降沿可控的矩形脉冲，也可以有至少两个以上的子脉冲系列组成。

在实践中，可以刻意选择切割性能好的激光源与止血性能优异的激光源配置在同一台激光刀设备中，这样可以获得既有最好的切割性能，同时也有优良的止血性能激光脉冲。切割用的激光源可以使用连续脉冲、经调制的连续脉冲或脉冲状态。工作在脉冲状态时也可选择可编程控制的具有特殊形状和宽度的激光脉冲以达到对人体组织最佳的爆破或者切割效果。止血性能优异的激光源也可以工作在连续或脉冲的状态，工作在脉冲状态时可选择可编程控制的具有特殊形状和宽度的激光脉冲以达到最佳的止血效果。这两种激光源的激光波长，连续工作时的连续功率及其调制、脉冲工作时的脉冲形状和宽度均可调制，脉冲能量、脉冲相互之间的延迟时间均可调，从而能够获得最理想的切割及止血的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的激光手术设备的结构示意图；

图2a是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图2b是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图2c是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图3a是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图3b是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图3c是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图4a是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图4b是本发明又一实施例提供的激光脉冲波形的示意图；

图5是本发明又一实施例提供的激光脉冲合成的结构示意图；

图6是本发明又一实施例提供的激光脉冲合成的结构示意图；

图7是本发明又一实施例提供的激光脉冲合成的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

半导体激光器可以很容易的通过控制其激光电源的驱动电流波形来直接控制其激光脉冲波形和能量，其激光波长一般在600至1500nm之间。直接由半导体激光器泵浦的光纤激光器和固体激光器如1064nm或1300nm的Nd:YAG或Yb:YAG激光器，也可以通过控制它们的泵浦半导体激光器的激光电源的驱动电流波形来实现光纤激光器和固体Nd:YAG或Yb:YAG激光器激光脉冲波形的控制。

图1为高止血性能激光刀的结构示意图。它列举了一种由两个激光源组成的激光刀，其中110为主要用于切割的激光源，其驱动电源为101，其激光输出为102，160为另一个主要用于止血的激光源，其驱动电源为201，其激光输出为202，203为激光束202的光束转折控制元件。两路激光束102和202通过光束合成单元150合并为一路同轴光束151，它可以通过波导方式输出如光纤传导或者导光臂等输出，也可直接输出。120为激光刀信号控制及激光可编程脉冲控制单元。

主要用于切割的激光源110可以是波长为600至1600nm的半导体激光器，或由半导体激光器泵浦的波长为1000至2000nm的光纤激光器，或由半导体激光器泵浦或灯泵浦的波长为500至3000nm的固体激光器，如波长为1064nm或1300nm的Nd:YAG或Yb:YAG激光器及它们的倍频激光器，波长为2060nm的CTH:YAG激光器等。他们可以是连续工作的连续激光器，也可以是脉冲工作的脉冲激光器。无论是连续激光器还是脉冲激光器，都可以通过对其泵浦半导体激光器或灯的驱动电流的控制来实现对激光束输出的可编程控制，包括连续激光器的输出功率调制、脉冲激光器输出的脉冲控制，具体包括脉冲形状、脉冲宽度、脉冲能量、子脉冲个数等。

主要用于止血的激光源160可以是波长为600至1600nm的半导体激光器，或由半导体激光器泵浦的波长为1000至2000nm的光纤激光器，或由半导体激光器泵浦或灯泵浦的，波长为500至3000nm的固体激光器，如波长为1064nm的Nd:YAG或Yb:YAG激光器及它们的倍频激光器，波长为2060nm的CTH:YAG激光器等。他们可以是连续工作的连续激光器，也可以是脉冲工作的脉冲激光器。无论是连续激光器，还是脉冲激光器，都可以通过对其泵浦半导体激光器或灯的驱动电流的控制来实现对激光束输出的可编程控制，包括连续激光器的输出功率的调制、脉冲激光器输出的脉冲控制，具体包括对脉冲形状、脉冲宽度、脉冲能量、子脉冲个数等的控制。

这种由两个激光器组成的激光刀，可以有多种不同的手术工作模式，如边切割边止血的同步模式即切割和止血激光脉冲时间上有重叠，或间隙切割-止血交替模式即切割和止血激光脉冲时间上不重叠，或单独切割模式及单独止血模式。每一个激光器的输出波形等参数可以在手术中保持不变，也可以根据手术的进展变化。

图1所示的激光刀也可以由一个激光器组成，也可以由两个以上的激光器组成。

激光刀信号控制及激光可编程脉冲控制单元120可根据不同的临床应用，通过对120中相关的函数发生器电路或其他电路方法的编程控制，来产生具有特定波形及相关时序关系的控制信号。该控制信号再通过激光源的驱动电源101和201，产生泵浦半导体激光器或泵浦灯的可编程控制的驱动电流，进而实现对激光输出102和202的可编程控制，包括连续激光器的输出功率调制，或脉冲激光器输出的脉冲形状、脉冲宽度、脉冲能量、子脉冲个数等。相关可编程控制的各种程序方案可以以不同的激光手术方案程序(与人体身体的部位相关联)预先存储在激光刀设备的程序库中，临床医生在实际临床应用时可以方便的从程序库中调用相关的程序方案。

图2a-图2c为止血激光脉冲波形的示意图。它列举了止血激光脉冲采用可编程控制的特殊脉冲形状的一些实例。图2a为具有可控的近似线性缓慢上升的上升沿Tr，可控的下降时间Tf以及可控的脉冲宽度Ton的基本为矩形的脉冲，以保证对特定组织手术时最佳的止血效果；图2b为止血激光脉冲采用可编程控制的特殊脉冲形状的另一个实例，它的特点是在基本为矩形的脉冲的中部有一个幅度宽度及波形可控的下陷，以控制热效应，保证对特定组织手术时最佳的止血效果；图2c为止血激光脉冲采用可编程控制的特殊脉冲形状的另一个实例，它的特点是在基本为矩形的脉冲的中部有一个幅度宽度及波形可控的凸起，以控制穿透深度，以保证对特定组织手术时最佳的止血效果。其他可行的可编程控制的特殊脉冲或脉冲组合形状可以有很多，不一一列举。

图3a-图3c为激光刀输出激光束波形实例图，即切割激光束和止血激光束合成后的输出激光束波形图。

一般情况下，如采用两种以上的不同激光源分别作为切割与止血源时，其最大的优点是切割激光束和止血激光束的激光波长可以不同。如波长为2.1微米的脉冲钬激光，连续的2微米铥激光作为切割用的激光源时，激光与人体组织作用时的穿透深度小于0.4mm，532nm绿激光在富含血红蛋白的组织中的穿透深度只有0.3mm，波长为10微米的CO₂激光器的激光穿透深度更小，只有0.1mm。532nm绿激光和CO₂激光器对于高效吸收的组织加上矩形脉冲形状会具有非常好的组织爆破效果，因而切割效果极好，但同时其止血效果就不太理想。同时选择额外专门止血用的激光源可以在激光器波长上有更大的选择自由，包括如2微米的激光波长、1064nm、940nm、808nm或980nm的激光波长。在采用脉冲工作模式时，可以对其脉冲波形、脉冲宽度或脉冲能量进行优化调节，以获得不同的组织穿透深度来适应在不同部位对不同组织手术时不同的止血要求。

除了波长，切割激光束和止血激光束的脉冲波形、宽度、及能量可以相同，也可以不同。它们还可以分别工作在不同的脉冲或连续波状况下。它们在整个手术中可以保持不变，也可以在手术中根据手术的进展而变化。采用多个激光器也可提供更高的总的激光功率和能量。

当然，切割激光脉冲和止血激光脉冲也可由单一激光源经编程控制产生。此时设备简单，但切割激光脉冲和止血激光脉冲为同一个激光波长，并且脉冲总能量也会受到限制。

切割和止血脉冲可以是单个脉冲，如图3a所示脉冲M1为切割脉冲，它为一个常规的钟形或高斯脉冲。它也可以是一个可控波形的脉冲，脉冲宽度为Tp1。脉冲M2为止血脉冲，为前沿、后延、脉冲宽度Tp2和脉冲高度(脉冲能量)均可控的矩形脉冲。脉冲M2也可以是一个常规的钟形或高斯脉冲。M1和M2之间的延迟时间为Td。Td根据需要可控。当Td小于Tp1时，切割和止血激光脉冲在时间上有重叠，此时的工作模式可以称为边切割边止血的同步工作模式。当Td大于Tp1时，切割和止血激光脉冲在时间上不重叠，此时可以称为间隙切割-止血交替模式。当只有脉冲M1而没有脉冲M2时，为单独切割模式。当只有脉冲M2而没有脉冲M1时，为单独止血模式。M1的重复周期时间为Trep。M2和M1间的延迟时间可以从零至Trep间可控。

切割和止血脉冲也可以是由两个或两个以上的子脉冲组成，如图3b所示。图3b中，脉冲M1为切割脉冲，它由两个子脉冲M11和M12组成。如图中所示，它们都是常规的钟形或高斯脉冲。脉冲宽度Tp11、Tp12和两个子脉冲间的延迟时间Td1都可控。各个子脉冲可以是各种特定的可控波形。脉冲M2为止血脉冲，它也由两个子脉冲M21和M22组成。它们的脉冲宽度分别为Tp21和Tp22，相互间的延迟时间为Td2。图中所示M21为一个前沿、后延、脉冲宽度和脉冲高度(脉冲能量)均可控的矩形脉冲，而M22为一个前沿、后延、脉冲宽度和脉冲高度(脉冲能量)均可控的矩形脉冲，同时在脉冲的特定时间处有个可控的凹陷。M21和M22的波形可以相同，也可以不同。它们也可以是常规的钟形或高斯脉冲。M2和M1间的延迟时间为Td，且Td可调。子脉冲的个数可以多于两个。

切割激光可以是连续波(CW)激光器的斩波输出，如图3c所示。M1为连续波(CW)激光器的斩波输出，斩波输出时间长度为Tp1，也可以将这种M1激光看作为一种特殊的矩形脉冲输出。

图4a和图4b为激光刀连续激光源经调制后输出波形的实例。此时激光刀采用的是一个连续工作的激光器。其激光波长的选择使它可以兼顾切割和止血的要求，同时主要通过对激光的功率的调制来优化切割和止血的效果。图4a中，激光强度为I1时，主要为切割工作，激光强度为I2时，主要为止血工作。切割时间为Tp1，止血时间为Tp2。I1、I2、Tp1及Tp2均可以根据需要通过对泵浦电流的控制而予以调整。图4b中，激光强度为I1时，主要为切割工作，此时激光输出加有一个尖峰调制，在激光的连续输出上带有多个尖峰，以加强激光切割效果。可以通过对激光器泵浦电流的调制，或在激光器结构上施加一个机械调制来得到这种激光连续输出的尖峰调制。

图1中激光输出合成单元150可以由光学元件组成，如图5所示。也可以用光学加机械运动的方式，如图6来完成。

图5为切割激光束与止血激光束采用纯光学元件的一种合成方法。

光束合成镜片200两面分别都有光学膜。其一面是光学膜210，它是对切割激光110高反射但对止血激光160高透过的光学膜，光学膜210面对切割激光源110；另外一面230是对止血激光160高透射光学膜，光学膜230面对止血激光源。通常光束合成镜片200放置位置是其光学面的法线N255与切割激光和止血激光的入射角度为45度。

这种方法适用于切割激光和止血激光的波长不同时的情况。它的优点是简单，并且可以允许切割和止血激光脉冲同时工作。

图6和图7为由光学元件加机械运动的方式实现切割激光和止血激光光束合成的实例。

一个以轴405旋转的光机元件400，其旋转和切割脉冲及止血脉冲的交替同步。光学元件400上面有两个光学窗口410与460，当光学窗口460旋转到图5中的位置，即光学窗口460的中心点与光学耦合器300的光轴N300重合时，止血激光160发射激光脉冲,光学窗口460是对止血激光高反射的窗口。当光学窗口410的中心旋转到与光学耦合器300的光轴N300重合时，切割激光110发射激光。合成后的激光束光轴与光纤耦合器300的光轴N300重合。

图6和图7所示的合成单元，优点是它可以工作于两个激光器波长相同时或不同时的激光束合成。其缺点是两个激光的输出不能同时工作，它们的输出之间的转换必须有足够的时间间隔，以允许相应光机元件400完成其旋转并稳定下来，达到要求的精度。

还有其它多种光学，光学加机械的方法来合成切割激光110和止血激光160的激光束，这种激光束的合成技术在很多教科书里和文献里都有描述，不在此赘述。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种高止血性能激光刀，其特征在于，所述激光刀包含至少两种脉冲激光源，其中至少一种激光源是半导体激光器，工作波长为600至1600nm，所述半导体激光器输出的激光脉冲波形由通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制，可编程控制的脉冲波形在手术中保持不变，或者在手术中根据需要变化，该半导体激光器和至少另一种激光源的脉冲激光输出通过激光束合成单元，耦合到单个激光束输出器件，半导体激光器脉冲对于至少另一种激光源的脉冲激光输出的同步延迟在该至少另一种激光源的脉冲激光的两个相邻脉冲范围内可调，该至少两种脉冲激光源的激光脉冲的能量及脉冲宽度相互独立可调，至少另一种激光源的脉冲波形是固定的，或者由通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制。

2.根据权利要求1所述的激光刀，其特征在于，至少另一种激光源为半导体激光器、光纤激光器、Nd:YAG激光器、Nd:YAG的倍频激光器、Yb：YAG激光器、Yb：YAG倍频激光器、CO₂激光器、Er：YAG激光器或CTH:YAG激光器。

3.一种高止血性能激光刀，其特征在于，所述激光刀包含至少两种脉冲激光源，其中至少一种激光源是光纤激光源，工作波长为1000至2100nm，所述光纤激光源输出的激光脉冲波形由通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制，可编程控制的脉冲波形在手术中保持不变，或者在手术中根据需要变化，该光纤激光器和至少另一种激光源的脉冲激光输出通过激光束合成单元，耦合到单个激光束输出器件，光纤激光器脉冲对于至少另一种激光源的脉冲激光输出的同步延迟在该至少另一种激光源的脉冲激光的两个相邻脉冲范围内可调，该至少两种脉冲激光源的激光脉冲的能量及脉冲宽度相互独立可调，至少另一种激光源的脉冲波形是固定的，或者由通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制。

4.根据权利要求3所述的激光刀，其特征在于，至少另一种激光源为半导体激光器、光纤激光器、Nd:YAG激光器、Nd:YAG的倍频激光器、Yb：YAG激光器、Yb：YAG倍频激光器、CO₂激光器、Er：YAG激光器或CTH:YAG激光器。

5.一种高止血性能激光刀，其特征在于，所述激光刀包含至少两种脉冲激光源，其中至少一种激光源是CTH:YAG激光器，工作波长为2100nm，所述CTH:YAG激光器输出的激光脉冲波形由通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制，可编程控制的脉冲波形在手术中保持不变，或者在手术中根据需要变化，该CTH:YAG激光器和至少另一种激光源的脉冲激光输出通过激光束合成单元，耦合到单个激光束输出器件，CTH:YAG激光器脉冲对于至少另一种激光源的脉冲激光输出的同步延迟在该至少另一种激光源的脉冲激光的两个相邻脉冲范围内可调，该至少两种脉冲激光源的激光脉冲的能量及脉冲宽度相互独立可调，至少另一种激光源的脉冲波形是固定的，或者由通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制。

6.根据权利要求5所述的激光刀，其特征在于，至少另一种激光源为半导体激光器、光纤激光器、Nd:YAG激光器、Nd:YAG的倍频激光器、Yb：YAG激光器、Yb：YAG倍频激光器、CO₂激光器、Er：YAG激光器或CTH:YAG激光器。

7.一种高止血性能激光刀，其特征在于，所述激光刀包含一种其输出的激光脉冲波形由通过对其驱动电流的可编程控制进行可编程控制的激光源，可编程控制的脉冲波形在手术中保持不变，或者在手术中根据需要变化，所述激光刀输出的每个激光脉冲由至少两个子脉冲组成，第一个子脉冲为切割脉冲，第二个子脉冲为止血脉冲，该至少两个子脉冲的波形、能量能够相互独立地可编程调控，止血脉冲的起始时间为在切割子脉冲结束及下一个激光脉冲发射之前可调。

8.根据权利要求7所述的激光刀，其特征在于，所述激光源为半导体激光器、光纤激光器、Nd:YAG激光器、Nd:YAG的倍频激光器、Yb：YAG激光器、Yb：YAG倍频激光器、CO₂激光器、Er：YAG激光器或CTH:YAG激光器。

9.一种高止血性能激光刀，其特征在于，所述激光刀包含至少两种脉冲激光源，其中至少一种为主要切割用激光源，至少另一种为主要止血用激光源，该至少两种激光源的脉冲激光输出通过激光束合成单元，耦合到单个激光束输出器件，主要止血用激光源的脉冲对于主要切割用激光源的脉冲输出的同步延迟在该切割用激光源的脉冲激光的两个相邻脉冲范围内可调，该至少两种脉冲激光源的激光脉冲的能量及脉冲宽度相互独立可调，主要止血用激光源的激光脉冲波形为可编程控制波形，所述可编程控制波形包括钟形、矩形、三角形、或高斯形，或者所述可编程控制为钟形、矩形、三角形和高斯形中的至少两种波形形成的组合波形。

10.根据权利要求9所述的激光刀，其特征在于，主要止血用激光源为半导体激光器、光纤激光器、Nd:YAG激光器、Nd:YAG的倍频激光器、Yb：YAG激光器、Yb：YAG倍频激光器、CO₂激光器、Er：YAG激光器或CTH:YAG激光器。

11.一种高止血性能激光刀，其特征在于，所述激光刀包含至少两种激光源，其中至少一种为主要切割用的输出经调制的连续激光源，至少另一种为主要止血用脉冲激光源，该至少两种激光源的激光输出通过激光束合成单元，耦合到单个激光束输出器件，该至少两种激光源的激光脉冲的能量、脉冲宽度和连续激光器功率相互独立可调，主要止血用激光源的激光脉冲波形为可编程控制波形，所述可编程控制波形包括钟形、矩形、三角形、或高斯形，或者所述可编程控制为钟形、矩形、三角形和高斯形中的至少两种波形形成的组合波形。

12.根据权利要求11所述的激光刀，其特征在于，所述主要止血用脉冲激光源为半导体激光器、光纤激光器、Nd:YAG激光器、Nd:YAG的倍频激光器、Yb：YAG激光器、Yb：YAG倍频激光器、CO₂激光器、Er：YAG激光器或CTH:YAG激光器。