CN104873268A - 一种光纤激光手术刀 - Google Patents

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李文煜
唐瑶云
王洪波
焦洋
梁雷
张巧巧
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Abstract

本发明公开了一种光纤激光手术刀，包括光纤激光器、激光刀头、分别设在光纤激光器和激光刀头内的增益光纤和激光传导光纤、设在光纤激光器和激光刀头之间连接所述增益光纤和激光传导光纤的插拔式光纤连接器、将所述光纤激光器产生的热量散热的制冷器。本发明采用全光纤结构，从激光的产生、传导等环节器件都是光纤，光束质量好、连续、稳定，具有结构紧凑，操作便利，维护简单，效率高，节能环保，成本低的优点。在光纤激光器和激光刀头之间通过插拔式光纤连接器连接，可以方便地为手术配备不同长度传导光纤和不同的激光刀头，实现更换方便，提高手术效率。本发明适用于多种体内介入外科微创激光手术。

Description

一种光纤激光手术刀
技术领域
本发明属于微创激光手术设备，具体涉及一种光纤激光手术刀。
背景技术
激光器自问世以来，由于具备输出功率高、光束质量好等很多其他工具无法替代的优点，被广泛应用于工业加工、军事国防、光通信、医疗等领域。在医学领域的激光技术研究和应用非常早。随着激光技术的不断发展和成熟，应用激光技术进行疾病的诊断、治疗等的研究工作日益活跃，相应成果应用日益广泛。
全固态的光纤激光器具有光束质量优良，转换效率高，热管理方便，结构紧凑轻便及集成特性好等优势，将在诸多应用领域取代传统激光器。而且，光纤制造工艺与作为泵浦源的半导体激光器生产技术的日趋成熟，特殊波段光纤激光技术的探索研究的深入，为相应波段高功率光纤激光的实现和应用提供了有利条件。
目前，在各类成熟和应用较广的激光治疗、手术设备中，主要有准分子激光、CO2激光、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石晶体)激光、 绿激光（KTP倍频）、Ho:YAG(掺钬钇铝石榴石晶体)激光等。除开波长为193nm的超紫外准分子激光，激光的能量几乎完全被角膜上皮细胞和基质吸收，专用于眼科手术外。Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石晶体)激光、 绿激光（KTP倍频）、Ho:YAG(掺钬钇铝石榴石晶体)激光可配备传导光纤，利于介入微创手术，但是，其激光器采用分立光学原件和空间光学光路，系统环境敏感性较强，系统的稳定性受到影响，从而运行维护等方面的成本较高，由于系统的不稳定故障发生率相对较高，严重时甚至影响到正常的手术速度和效率。而且Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石晶体)激光、 绿激光（KTP倍频）的气化-切割能力不足。
而对软组织气化切割能力好的CO2激光，由于激光器本身为气体激光器，设备不可避免地存在高电压、体积大、需水冷却等问题，导致系统维护工作量增加，也降低了它使用便利性。目前，10.6微米的CO2激光主要通过导光臂传导，只能对那些暴露好的部位进行切割，无法进行介入微创手术。在耳鼻喉科，尤其喉部手术，其手术操作部位与麻醉管非常近，如果操作不慎，很有可能击穿麻醉管，致氧气外泄，手术部位失火，而造成喉部严重灼伤的可能。因此，此类手术操作对医生的技术要求甚高。对于那些肥胖、颈短、患有颈部疾病的患者，手术难度更大。
目前已有带光纤的CO2激光，但是采用的特种传输光纤传输效率低下、有毒、易碎，导致手术风险加大。而且，此类设备价格昂贵，很大程度上限制了其应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种光束质量好、连续、稳定、成本低、操作便利、维护简单的适用于多种体内介入外科微创手术的光纤激光手术刀。
本发明提供的光纤激光手术刀，包括光纤激光器、激光刀头、分别设在光纤激光器和激光刀头内的增益光纤和激光传导光纤、设在光纤激光器和激光刀头之间连接所述增益光纤和激光传导光纤的插拔式光纤连接器、将所述光纤激光器产生的热量散热的制冷器。
所述光纤激光器包括种子激光器、隔离器、放大器、制冷器，所述激光器通过所述隔离器与放大器连接，所述激光手术刀头与所述放大器连接，所述种子激光器产生的种子激光经隔离器后注入所述放大器；所述2微米波段连续波激光由所述种子激光器产生，经所述隔离器、放大器向所述激光手术刀头输出；所述种子激光器、隔离器、放大器产生的热量由所述制冷器散热。
所述种子激光器包括若干第一泵浦源半导体激光器、第一泵浦耦合器（泵浦合束器）、光纤光栅、第一增益光纤，所述光纤光栅采用两个与所述第一增益光纤构成线性腔结构的谐振腔，所述第一泵浦源半导体激光器通过第一泵浦耦合器与所述第一增益光纤连接。
所述放大器包括若干个第二泵浦源半导体激光器、第二泵浦耦合器和第二增益光纤，所述第二泵浦源半导体激光器通过第二泵浦耦合器和第二增益光纤连接。
所述种子激光器采用线性腔结构，由一对中心波长为2微米的光纤光栅(FBG)与掺杂光纤熔接而成。
所述第一、第二增益光纤均为双包层结构的大模场掺铥光纤。
所述激光刀头包括所述激光传导光纤的尾部、套在尾部的护套，所述护套的端部设有轴向出光孔或径向出光孔将所述光纤中的激光引出护套外；其中设径向出光孔的护套内设有激光反射部件与所述径向出光孔相对应，所述光纤中的激光经激光反射部件反射后从所述径向出光孔引出。
本发明的有益效果：
本发明采用全光纤结构，从激光的产生、传导等环节器件都是光纤，光束质量好、连续、稳定，具有结构紧凑，操作便利，维护简单，效率高，节能环保，成本低的优点。在光纤激光器和激光刀头之间通过插拔式光纤连接器连接，可以方便地为手术配备不同长度传导光纤和不同的激光刀头，实现更换方便，提高手术效率。本发明适用于多种体内介入外科微创激光手术。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中光纤激光器的结构示意图。
图3是本发明中激光刀头的结构示意图。
图4是发明中激光刀头的另一种结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的光纤激光手术刀，包括光纤激光器1、激光刀头3、插拔式光纤连接器2和制冷器6，光纤激光器1内设有增益光纤1014，激光刀头3内设有激光传导光纤5，光纤激光器1和激光刀头3之间通过插拔式光纤连接器2连接，使增益光纤4和激光传导光纤5连通，制冷器6设在光纤激光器1的底部，将光纤激光器1产生的热量散热。
所述光纤激光器1采用中国人民解放军国防科技大学研制的全光纤结构百瓦级输出功率的掺铥光纤激光器，输出功率范围在10～100W可调。如图2所示，该光纤激光器1采用了主振荡器功率放大（MOPA）方案，从主体功能上，光纤激光器1主要由种子激光器（主振荡器）101和放大器103两部分组成，它们之间通过隔离器102连接，种子激光器（主振荡器）101产生的种子激光经隔离器102后注入放大器103，种子激光器101、隔离器102、放大器103产生的热量由所述制冷器6散热；增益光纤4包括分别设在种子激光器101和放大器103内的第一增益光纤1014和第二增益光纤1033。
种子激光器（主振荡器）101包括3个泵浦源半导体激光器1011（可根据实际功率需求来配置）、第一泵浦耦合器（泵浦合束器）1012、光纤光栅1013、第一增益光纤1014。该激光器采用线性腔结构，谐振腔由一对中心波长为2微米的光纤光栅(FBG) 1013与掺杂的第一增益光纤1014熔接而成。该对光纤光栅1013在中心波长1952nm处的反射率分别为99%和10%，第一增益光纤1014为5米长规格为10/130掺铥增益光纤、纤芯和内包层的数值孔径为0.15和0.46。中心波长为79x纳米的泵浦源半导体激光器（尾纤尺寸为105微米）1011通过第一泵浦耦合器1012与第一增益光纤1014连接，其产生的激光注入第一增益光纤1014。
所述放大器103包括4个泵浦源半导体激光器1031、1个(6+1)×1的第二泵浦耦合器1032和一段长为9.5 m的25/400掺铥的第二增益光纤1033，泵浦源半导体激光器1031通过第二泵浦耦合器1032的泵浦输入端与第二增益光纤1033连接；由种子激光器101产生的2微米波段连续波激光经过隔离器102注入放大器103，与放大器103中泵浦源半导体激光器1031发出的泵浦光一起由第二泵浦耦合器1032导入第二增益光纤1033中，向激光手术刀头2输出功率放大的2微米波段连续波激光。
所述泵浦波长处包层吸收系数为2dB/m，数值孔径分别为0.09和0.46。第二泵浦耦合器1032的信号端和输出端光纤均为10/125的双包层光纤，且纤芯和内包层的数值孔径分别为0.15、0.46，与掺铥的第二增益光纤1033匹配。第二泵浦耦合器1032的泵浦输入端采用了纤芯直径为200μm的单包层光纤。放大器采用四个尾纤纤芯直径为200μm、最大输出功率为50W的泵浦源半导体激光器1031作为泵浦源，其中心波长为79x nm，经第二泵浦耦合器1032后可得到最大泵浦光输出功率为300W。输出端做8°斜角处理减小反馈，并在输出端前处做5厘米的泵浦倾泻剥模器。
整个光纤激光器1放置在制冷器3的金属盘上进行传导冷却，进行整体集中热管理，可提高稳定性、使系统结构紧凑。其中增益光纤盘绕在制冷器3的金属盘上进行制冷。冷却方式采用风冷加TEC制冷的方式，将泵源热沉的温度控制在24到26摄氏度之间，金属盘的温度控制在20到30摄氏度之间。
所述激光刀头可以采用不同的结构，其结构之一如图3所示，包括激光传导光纤5的尾部501、套在尾部501的护套301，护套301的端部设有轴向出光孔302将所述光纤5中的激光引出护套301外；激光刀头的另一种结构如图4所示，其护套301的端部设有径向出光孔303，护套301内设有激光反射部件与所述径向出光孔303相对应，激光反射部件包括石英反光楔305和镀在反光楔305上的高反镀膜304，光纤5中的激光经高反镀膜304反射后从径向出光孔303引出护套301外。
插拔式光纤连接器2采用高功率的标准FC/PC型光纤连接器，外部加强方式是采用金属套, 有一螺帽拧到适配器上，优点是牢靠、防灰尘。
传导光纤用400微米石英光纤，光纤连接直接端面对接，光纤端面微球面研磨抛光，外加机械加强和洁净保护。激光刀头护套301用316L不锈钢制造，可与光纤牢靠结合，反光楔305由石英制成，高反镀膜304（大于99.9%）为银膜。

Claims (7)

1.一种光纤激光手术刀，其特征是包括光纤激光器、激光刀头、分别设在光纤激光器和激光刀头内的增益光纤和激光传导光纤、设在光纤激光器和激光刀头之间连接所述增益光纤和激光传导光纤的插拔式光纤连接器、将所述光纤激光器产生的热量散热的制冷器。
2.根据权利要求2所述的光纤激光手术刀，其特征是所述光纤激光器包括种子激光器、隔离器、放大器、制冷器，所述激光器通过所述隔离器与放大器连接，所述激光手术刀头与所述放大器连接，所述种子激光器产生的种子激光经隔离器后注入所述放大器；所述2微米波段连续波激光由所述种子激光器产生，经所述隔离器、放大器向所述激光手术刀头输出；所述种子激光器、隔离器、放大器产生的热量由所述制冷器散热。
3.根据权利要求2所述的光纤激光手术刀，其特征是所述种子激光器包括若干第一泵浦源半导体激光器、第一泵浦耦合器、光纤光栅、第一增益光纤，所述光纤光栅采用两个与所述第一增益光纤构成线性腔结构的谐振腔，所述第一泵浦源半导体激光器通过第一泵浦耦合器与所述第一增益光纤连接。
4. 根据权利要求2或3所述的光纤激光手术刀，其特征是所述放大器包括若干个第二泵浦源半导体激光器、第二泵浦耦合器和第二增益光纤，所述第二泵浦源半导体激光器通过第二泵浦耦合器和第二增益光纤连接。
5.根据权利要求4所述的光纤激光手术刀，其特征是所述种子激光器采用线性腔结构，由一对中心波长为2微米的光纤光栅(FBG)与掺杂光纤熔接而成。
6.根据权利要求5所述的光纤激光手术刀，其特征是所述第一、第二增益光纤均为双包层结构的大模场掺铥光纤。
7.根据权利要求6所述的光纤激光手术刀，其特征是所述激光刀头包括所述激光传导光纤的尾部、套在尾部的护套，所述护套的端部设有轴向出光孔或径向出光孔将所述光纤中的激光引出护套外；其中设径向出光孔的护套内设有激光反射部件与所述径向出光孔相对应，所述光纤中的激光经激光反射部件反射后从所述径向出光孔引出。
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