CN106659536A - 具有放射分布模式的光纤激光手术器械 - Google Patents

具有放射分布模式的光纤激光手术器械 Download PDF

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Abstract

一种激光手术系统(10)，其包括：激光能量源(14)；控制器(13)，所述控制器操作联接到所述激光能量源(14)；和激光手术器械。该激光手术器械包括：护套(22，42)，所述护套具有第一折射率；光纤芯部(21，41)，所述光纤芯部同轴布置在所述护套(22，42)内并且具有第二折射率，所述第二折射率高于所述第一折射率，所述光纤芯部(21，41)构造成在近端处与所述激光能量源操作接合；光纤末端(27，47)，所述光纤末端形成在所述光纤芯部(21，41)的远侧部分处并且其中所述光纤末端(27，47)从所述护套(22，42)向外延伸；和多个折射表面(21，41)，其形成在所述光纤末端(27，47)周围，每个折射表面(25，45)均相对于所述光纤末端(27，47)的纵向轴线至少形成一角度并且构造成以放射方式分布激光能量。

Description

具有放射分布模式的光纤激光手术器械
技术领域
本公开整体涉及一种手术器械，并且更加具体地涉及一种激光消融器械，所述激光消融器械具有光纤输出末端，所述光纤输出末端利用微棱镜结构来输送均匀的放射分布模式。
背景技术
在医疗领域中基于激光的器械被日益接受而在微创手术(诸如，激光腹腔镜)中使用。例如，激光治疗是一种被广泛接受的用于组织消融手术的模式。已知基于激光的器械利用光缆将激光能量从激光源输送到目标组织。
光缆由一根或者多根透明的玻璃或者塑料光纤构成，光在最小损失的情况下被有效地传导通过所述一根或者多根透明的玻璃或者塑料光纤。称作芯部的光导光纤被包封在称作护套层的第二介质中，所述护套层的折射率小于芯部的折射率，以提供通过芯部传播的光线的全内反射。即，行进通过光纤的光以小角度反弹并且完全被保持在光纤内，原因在于光以小于临界角的角度碰到芯部和护套之间的界面。在这些角度处，光不会穿过到第二介质，而是在芯部内继续反射直到其抵达光纤的终端或者端部。
使用现有基于激光的器械实施手术的外科医生通常面临非均匀温度分布的挑战，原因在于通过光纤终端的激光分布呈大体圆锥模式从器械末端处的点源辐射，从而致使末端处的温度快速增加至800℃-1300℃，而与此同时温度随着距末端的距离增加而快速减小。这种大幅度温度变化可能具有缺陷。例如，温度随着距光纤末端的距离增加而降低的趋势可能不必要地使得血管消融手术复杂化。
发明内容
在一个方面中，本公开涉及一种用于激光手术的器械。在实施例中，公开的器械包括：护套，所述护套具有第一折射率；和光纤芯部，所述光纤芯部同轴布置在护套内并且具有第二折射率，所述第二折射率高于第一折射率。光纤芯部构造成在光纤芯部的近端处与激光能量源操作接合。器械包括光纤末端，所述光纤末端形成在光纤芯部的远端上并且构造成从护套向外延伸。该器械还包括形成在光纤末端周围的多个折射表面。每个折射表面相对于光纤末端的纵向轴线至少形成一个角度并且构造成以放射模式分布激光能量。
在一些实施例中，该器械还包括限定在光纤末端周围的多个环形棱镜。在一些实施例中，多个折射表面中的每一个均布置在多个环形棱镜中的对应一个上。在一些实施例中，多个环形棱镜中的每一个的直径随着每一个环形棱镜距光纤末端的远端的距离减小而减小。
在一些实施例中，在每个折射表面和光纤芯部的纵向轴线之间的角度根据在每个折射表面和光纤末端的远端之间的距离而发生变化。在一些实施例中，第一折射表面的角度大于第二折射表面的角度，所述第二折射表面距光纤末端的远端的距离远于第一折射表面距光纤末端的远端的距离。在一些实施例中，每个折射表面的角度随着每个折射表面距光纤末端的远端的距离减小而减小。
在一些实施例中，多个折射表面中的每一个均包括限定在光纤末端中的凹透镜。在一些实施例中，光纤末端的限定有凹透镜的远侧部分限定成锥形。
在另一个方面中，本公开涉及一种激光手术系统。该激光手术系统包括激光能量源、操作联接到激光能量源的控制器和激光手术器械。该激光手术系统的激光手术器械包括：护套，所述护套具有第一折射率；和第一光纤芯部，所述第一光纤芯部由护套包围并且具有第二折射率，所述第二折射率高于第一折射率。该光纤芯部构造成在光纤芯部的近端处与激光能量源操作接合。该器械包括形成在光纤芯部的远端上的光纤末端和形成在光纤末端周围的多个折射表面。每个折射表面均与光纤末端的纵向轴线形成至少一个角度并且构造成以放射模式分布激光能量。
在一些实施例中，该器械包括限定在光纤末端周围的多个环形棱镜。在一些实施例中，多个折射表面中的每一个均布置在多个环形棱镜中的对应一个上。在一些实施例中，多个环形棱镜中的每一个的直径均随着环形棱镜中的每一个距光纤末端的远端的距离减小而减小。
在一些实施例中，在折射表面和光纤芯部的纵向轴线之间的角度根据在每个折射表面和光纤末端的远端之间的距离而发生变化。在一些实施例中，第一折射表面的角度大于第二折射表面的角度，所述第二折射表面距光纤末端的远端的距离大于第一折射表面距光纤末端的远端的距离。在一些实施例中，每个折射表面的角度均随着每个折射表面距光纤末端的远端的距离减小而减小。
在一些实施例中，多个折射表面中的每一个均包括限定在光纤末端中的凹透镜。在一些实施例中，光纤末端的限定有凹透镜的远侧部分成锥形。
在一些实施例中，激光手术系统包括电源，所述电源操作联接到控制器和/或激光能量源。
在又一个实施例中，本公开涉及一种使用激光治疗组织的方法。在实施例中，该方法包括提供具有光纤芯部的器械，所述光纤芯部在光纤芯部的远端处具有多个折射表面，所述多个折射表面构造成以放射模式分布激光能量。该方法包括：将光纤芯部的远端放置在目标组织附近；将激光能量传输通过光纤芯部；和将激光能量经由多个折射表面以放射模式输送到组织。
附图说明
当结合附图时根据以下详细描述，本公开的上述和其它方面、特征和优势将变得更加显而易见，其中：
图1是根据本公开的实施例的激光手术系统的示意图；
图2A是现有激光手术器械的现有光纤终端的截面图；
图2B是现有激光手术器械的辐射模式的透视示意图；
图3A是根据本公开的实施例的具有径向辐射模式的激光手术器械的光纤径向终端的截面图；
图3B是根据本公开的图3A中的激光手术器械的光纤径向终端的透视图；
图3C是图3A的激光手术器械的热辐射的辐射模式的透视示意图；
图3D是图3A的光纤径向终端的一部分的放大截面图；
图4A是根据本公开的实施例的激光手术器械的截面图，所述激光手术器械包括锥形光纤终端，以产生锥形辐射模式；
图4B是根据本公开的图4A的激光手术器械的锥形光纤终端的透视图；
图4C是包括图4A的激光手术器械的热辐射的锥形模式的图示的透视示意图；
图5A是根据本公开的另一个实施例的光纤径向末端的截面图；
图5B是图5A的光纤径向末端的透视示意图；
图5C是图5A的光纤径向末端的一部分的放大截面图；
图5D是包括图5A的光纤径向末端的辐射模式的图示的示意图；
图6A是根据本公开的又一个实施例的锥形光纤末端的截面图；并且
图6B是图6A的锥形光纤终端的透视示意图。
具体实施方式
本公开涉及一种光纤探头，所述光纤探头通过从暴露出的光纤末端的表面以360°的放射模式辐射激光能量而消除了极端末端温度。根据本公开，公开的探头的温度分布是可控均匀的，并且可以调制成以任何可以适于实现预期目的的所需模式辐射激光能量。在一个方面中，本公开的实施例使得外科医生能够使用“逐段”方法而非现有装置所需的“逐点”方法来治疗血管结构。以这种方式，可以缩短手术时间，继而可以提高治疗成效并且缩短恢复时间。另外，使用根据本公开的实施例可以使得外科医生能够避免因极端温度和突变的温度梯度而导致的并发症，极端温度和突变温度梯度是现有装置的特征。在另一个方面中，所述探头可以按照各种长度和/或辐射模式制造而成，以适应具体介入方案。例如，可以针对血管手术提供细长圆筒轮廓，而可以针对肿瘤消融手术提供更长的锥形轮廓。
参照附图在下文描述了本公开的特定图解实施例；然而，公开的实施例仅仅为以各种形式实施的示例。没有详细描述众所周知的功能或者构造以及重复事项，以避免本公开在不必要或者冗余的细节中变得模糊。因此，在本公开中描述的具体结构和功能细节不应理解为限制，而仅仅作为权利要求的基础以及作为教导本领域技术人员在实质上任何适当的详细结构中多方面采用本公开的代表性基础。
如图所示并且如以下描述所述，作为惯例，当参照关于物体的相对定位时，术语“近侧”指的是设备更靠近用户的一端而术语“远侧”指的是设备更远离用户的一端。另外，当在此使用时，在说明书和权利要求中，参照在此示出和描述的附图和特征使用涉及方向的术语，例如“顶”、“底”、“上”、“下”、“左”、“右”等。应当理解的是，根据本公开的实施例可以不受限制地以任何方向来实践。在本说明书以及在附图中，相同的附图标记表示可以实施相同、类似或者等效功能的元件。在此使用的词语“示例性”表示“作为示例、例子或例示”。在此描述为“示例性”的任何实施例均不必理解为较之其它实施例优选或者有利。词语“示例”可以与术语“示例性”互换地使用。
参照图1，根据本公开的激光手术系统10包括电源12，所述电源12构造成将启动能量输送到激光器14。激光器14可以包括能够提供手术使用的激光能量的任何适当的结构，包括但不局限于CO2激光器、准分子激光器、半导体激光器(例如，激光二极管)或者光纤激光器。电源12构造成将线路电压转换成适于激光器14操作的形式并且可以包括线性电源电路和/或切换模式的电压变换器电路。激光手术系统10包括控制器13，所述控制器13与用户界面15通信并且将一个或者多个控制信号传送到电源12和/或激光器14，以有助于激光手术系统10操作。例如，激光功率水平、脉冲率、脉冲宽度、工作周期、调制、波长、操作电压等可以经由用户界面15直接或者间接建立并且与电源12和/或激光器14通信。控制器13包括存储单元17(如，非易失性存储器)，所述存储单元17构造成存储校准数据、用户偏好数据、治疗参数等。在实施例中，控制器13可以构造成实施诊断功能、内置测试(BIT)功能和加电自检(POST)，以识别实施检修和维护的任何需求，以便更换消耗品等，从而确保激光手术系统10实施适当功能。具有径向终端20的轴16包括光纤组件29，所述径向终端20布置在轴16的远端处，所述光纤组件29与激光器14的输出装置18可操作通信并且构造成将激光能量传送到组织T。
在图2A和2B中示出了光缆和现有基于激光的器械的终端。芯部是光纤的最靠内部分，光纤由护套包围，护套继而包封在防护罩中。芯部传递光并且折射率高于包围芯部的护套的折射率。通过这个布置方案，芯部中的光以小于基于芯部和护套的折射率的临界角的角度与芯部和护套之间的边界相交，因此通过全内反射反射回芯部中。这沿着光纤的长度重复，直到抵达终端为止。在该处，因为芯部中的光以大于基于芯部和空气的折射率的临界角的角度相交，所以光被传递通过终端和环境的边界并且离开光纤芯部。如图2B所示，当激光在终端处离开时，温度辐射模式的特征是大体圆锥状，所述大体圆锥状具有在终端处的顶点并且从终端向远侧逐渐增宽。因为激光集中在终端处，例如，集中在辐射模式的顶端处，所以终端处的温度快速升高至800℃-1300℃，这可能是不理想的。
现在参照图3A、3B和3C，径向终端20布置在光纤组件29的远端处。光纤组件29包括光纤芯部21，所述光纤芯部21是透明的并且具有折射率。光纤芯部21具有细长圆筒状并且可以由玻璃形成(包括但不局限于二氧化硅、氟锆酸盐、氟铝酸盐、硫化物和蓝宝石玻璃)或者可以由透明聚合材料形成，所述透明聚合材料诸如但不局限于聚甲基丙烯酸甲酯(也叫丙烯酸类聚合物)。光纤芯部21包封在护套22中，所述护套22由折射率小于光纤芯部21的折射率的材料形成。护套22继而包封在防护罩23中，所述防护罩23构造成向护套22和光纤芯部21提供机械防护和支撑。防护罩23可以由任何适当材料制成，诸如但不局限于聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)等。通常，防护罩23由光学不透明的材料形成，以减小通过光纤21透射的光的干涉和/或泄露。光纤组件20可以包括附加层(没有清楚示出)，所述附加层向光纤组件20提供了附加防护和/或修改了性能特征(例如，光学性质)。
光纤芯部21的一部分向远侧延伸超过护套22的远端、防护罩23和轴16，形成径向末端27。径向末端27包括限定在径向末端27周围的一系列环形棱镜30，其中，每个棱镜30均具有折射表面25。该折射表面25布置成相对于对应于光纤芯部21的中心线的纵向轴线A成棱镜角θR。在图3A、3B和3D中最充分描述了该实施例。每个折射表面25的棱镜角θR与相关棱镜30距径向末端27的远端26的距离有关。如图3A所示，每个相继的远侧棱镜30的棱镜角θR均小于前一(近侧紧接)棱镜30的棱镜角。通过这种布置方案，在使用期间，激光能量射线R向远侧传播通过光纤芯部21，并且最终以大于临界角的角度与一个折射表面25相交(从而没有满足全内反射条件)并且因此以辐射模式28离开光纤芯部21(图3C)。不透明或者半透明涂层31可以布置在远端26上，以减小或者消除从远端26发射的激光。
可以根据激光源的性质和光纤21的数值孔径布置棱镜角θR、棱镜高度h和棱镜长度l。因此，通过定制棱镜30的角度和尺寸，能够根据需要定制从光纤芯部21离开的射线分布。在激光源强度分布和数值孔径固定的实施例中，棱镜30设计成获得如图3C所示的均匀分布放射状发射的激光轮廓，这继而沿着径向末端27的长度提供恒定温度。
棱镜的尺寸(即，棱镜角θR、棱镜高度h和棱镜长度l)可以取决于激光的波长而不取决于激光类型。即，激光的波长越长，则棱镜的尺寸越大，反之亦然。在实施例中，棱镜角θR可以在0度至90度的范围，并且棱镜高度和长度可以在0.1mm至1.0mm的范围。数值孔径可以在0.1至0.5的范围。
现在参照图4A、4B和4C，示出了根据本公开的锥形终端40的实施例。锥形终端40包括光纤组件49，所述光纤组件49包括同轴布置在护套42内的芯部41，所述护套42继而同轴布置在防护罩43内。光纤组件49纵向布置在激光手术器械(未明确示出)的轴44内，以有利于用其治疗组织。
光纤芯部41的一部分向远侧延伸越过光纤组件49的其它元件和轴44(例如，向远侧延伸越过护套42的远端、防护罩49和轴44)，以形成锥形末端47，所述锥形末端47包括限定在锥形末端47周围的一系列环形棱镜50，每个棱镜50均具有折射表面45。在这个实施例中，如图4A和4B充分所示，随着每个棱镜50距径向末端47的远端46的距离减小，每个棱镜的对应折射表面45的棱镜角也减小。另外，随着每个棱镜50距径向端部46的距离减小，每个棱镜的直径也减小，从而产生了锥形末端47的锥形轮廓。通过这种布置方案，在使用期间，向远侧传播通过光纤芯部45的激光能量射线R以大于基于光纤芯部41和空气的折射率的临界角的角度与不同的一个或者多个折射表面45相交(没有满足全内反射的条件)，因此以锥形模式48离开光纤芯部41(图4C)。
现在参照图5A、5B和5C，图解了光纤末端60的另一个实施例，所述实施例具有多个凹透镜62，每个凹透镜62均具有折射表面66。多个凹透镜62限定在光纤芯部61的外表面64中。如图5A和5B所示，多个凹透镜62布置成规则模式。然而，多个凹透镜62可以布置成随机、伪随机或者任意模式。另外，多个凹透镜62中的每个的尺寸和形状可以互相不同。例如并且非局限地，多个凹透镜62中的每个的直径、深度、凹度以及形状(例如椭圆形)可以不同。因为激光射线R与多个凹透镜62中的每个的折射表面66以大于临界角的角度相交，所以没有发生全内反射，结果激光射线R以大体辐射模式68离开光纤芯部61。
一个或者多个凹透镜62可以限定在光纤芯部61的远端63处。附加地或者替代地，不透明或者半透明涂层65可以布置在远端63上，以减小或者消除从远端63发射激光。使用一个或者多个凹透镜62和/或不透明或者半透明涂层65可以有助于在使用期间控制从远端63发射的激光辐射模式。
图5D图解了在图5A的光纤末端60的使用期间产生的辐射模式，其中，一个或者多个凹透镜62限定在光纤芯部61的远端63中。能够发现，这种布置方案呈现了具有半球形远端区域69的大体辐射模式68，其中，半球形远端区域69具有整体平均分布的温度模式。
在图6A和6B中阐释了光纤末端70的又一个实施例，其中，多个凹透镜72限定在光纤芯部71的圆锥形末端75的外表面74中，所述多个凹透镜72中的每个均具有折射表面76。如图所示，多个凹透镜72布置成随机模式。然而，多个凹透镜72可以布置成规则、伪随机或者任意模式。另外，多个凹透镜72中的每个的尺寸和形状可以相互不同，例如，直径、深度、凹度和形状(例如，椭圆)相互不同。在光纤末端70的使用期间，圆锥形末端75和/或多个凹透镜72的布置方案用于产生大体圆锥辐射模式，所述大体圆锥辐射模式具有均匀温度分布。
本公开的描述实施例旨在阐释而非限制，并且并不旨在代表本公开的每个实施例。在字面上以及法律认可的等同物的含义上不背离本公开的在以下权利要求中陈述的精神和范围的前提下，所述解剖器械的上述公开构造的进一步变形方案以及这些和其它实施例和其它特征和功能的变型方案及其替代方案可以制造或者按需组合成许多其它不同的系统或应用。

Claims (20)

1.一种用于激光手术的器械，其包括：
护套，所述护套具有第一折射率；
光纤芯部，所述光纤芯部同轴布置在所述护套内并且具有第二折射率，所述第二折射率高于所述第一折射率，所述光纤芯部构造成在近端处与激光能量源操作接合；
光纤末端，所述光纤末端形成在所述光纤芯部的远侧部分处并且构造成从所述护套向外延伸；和
多个折射表面，其形成在所述光纤末端周围，每个折射表面均相对于所述光纤末端的纵向轴线至少形成一角度，并且构造成以放射模式分布激光能量。
2.根据权利要求1所述的用于激光手术的器械，还包括限定在所述光纤末端周围的多个环形棱镜。
3.根据权利要求2所述的用于激光手术的器械，其中，所述多个折射表面中的每一个均布置在所述多个环形棱镜中的对应一个上。
4.根据权利要求2所述的用于激光手术的器械，其中，所述多个环形棱镜中的每一个的直径随着所述环形棱镜中的每一个距所述光纤末端的远端的距离减小而减小。
5.根据权利要求1所述的用于激光手术的器械，其中，在每个折射表面和所述光纤芯部的纵向轴线之间的角度根据在每个折射表面和所述光纤末端的远端之间的距离而变化。
6.根据权利要求5所述的用于激光手术的器械，其中，第一折射表面的角度大于第二折射表面的角度，所述第二折射表面距所述光纤末端的所述远端的距离大于所述第一折射表面距所述光纤末端的所述远端的距离。
7.根据权利要求5所述的用于激光手术的器械，其中，每个折射表面的角度均随着每个折射表面距所述光纤末端的远端的距离减小而减小。
8.根据权利要求1所述的用于激光手术的器械，其中，所述多个折射表面中的每一个均包括限定在所述光纤末端中的凹透镜。
9.根据权利要求8所述的用于激光手术的器械，其中，所述光纤末端的限定有所述凹透镜的远侧部分成锥形。
10.一种激光手术系统，其包括：
激光能量源；
控制器，所述控制器操作联接到所述激光能量源；和
激光手术器械，其包括：
护套，所述护套具有第一折射率；
光纤芯部，所述光纤芯部同轴布置在所述护套内并且具有第二折射率，所述第二折射率高于所述第一折射率，所述光纤芯部构造成在近端处与所述激光能量源操作接合；
光纤末端，所述光纤末端形成在所述光纤芯部的远端上，其中所述光纤末端从所述护套向外延伸；和
多个折射表面，其形成在所述光纤末端周围，每个折射表面均相对于所述光纤末端的纵向轴线至少形成一角度并且构造成以放射模式分布激光能量。
11.根据权利要求10所述的激光手术系统，还包括限定在所述光纤末端周围的多个环形棱镜。
12.根据权利要求11所述的激光手术系统，其中，所述多个折射表面中的每一个均布置在所述多个环形棱镜中的对应一个上。
13.根据权利要求11所述的激光手术系统，其中，所述多个环形棱镜中的每一个的直径随着所述环形棱镜中的每一个距所述光纤末端的远端的距离减小而减小。
14.根据权利要求10所述的激光手术系统，其中，在每个折射表面和所述光纤芯部的纵向轴线之间的角度根据在每个折射表面和所述光纤末端的所述远端之间的距离而变化。
15.根据权利要求14所述的激光手术系统，其中，第一折射表面的角度大于第二折射表面的角度，所述第二折射表面距所述光纤末端的远端的距离大于所述第一折射表面距所述光纤末端的远端的距离。
16.根据权利要求14所述的激光手术系统，其中，每个折射表面的角度均随着每个折射表面距所述光纤末端的远端的距离减小而减小。
17.根据权利要求10所述的激光手术系统，其中，所述多个折射表面中的每一个均包括限定在所述光纤末端中的凹透镜。
18.根据权利要求17所述的激光手术系统，其中，所述光纤末端的限定有所述凹透镜的远侧部分成锥形。
19.根据权利要求10所述的激光手术系统，还包括电源，所述电源操作联接到所述控制器或者所述激光能量源中的至少一个。
20.一种使用激光治疗组织的方法，其包括：
提供具有光纤芯部和多个折射表面的器械，所述多个折射表面构造成在所述光纤芯部的远端处以放射模式分布激光能量；
将所述光纤芯部的远端放置在目标组织附近；
将激光能量传递通过所述光纤芯部；和
经由所述多个折射表面以放射模式将激光能量输送到组织。
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