CN107666849B - 医学光学连接器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于可逆地连接用于在医学介入中使用的两条相关联的光纤(12、14)的医学光学连接器，包括：纤维承载单元(16、18)，其用于插入所述相关联的光纤(12、14)中的到少一条的末端部分；以及光学布置(20)，其用于与来自所述相关联的光纤(12、14)中的一条的光束相互作用，并且在所述医学光学连接器的连接状态下将所述光束传导到所述相关联的光纤(12、14)中的另一条，所述光学布置(20)包括至少两个梯度折射率元件(22a、22b)和被布置在所述至少两个梯度折射率元件之间的额外光学元件(23、25)，其中，所述额外光学元件提供了所述相关联的光纤(12、14)之间的无菌屏障。

Description

医学光学连接器系统
技术领域
本发明涉及用于可逆地连接两条相关联的光纤的医学光学连接器系统和方法。它应用于介入医学设备和介入处置流程中，具体应用于微创医学介入中的光学探询技术中。
背景技术
在微创医学介入中，介入设备(诸如针、导丝、护套和导管)被插入在患者体内，以便一方面发现并测量患者的相关解剖结构，并且另一方面处置或放置医学仪器(诸如支架)。在这些医学应用中，介入设备的被插入到患者体内的部分在整个处置持续时间期间必须是无菌的，或者应当仅被来自患者本身的流体和组织污染。
当介入设备(具体地针、导丝或者导管)被装备有传感器或激活器时，必须进行一个或多个连接(例如电线或光纤)，以便向被放置在远离患者的非无菌区域中的控制器或探询器传输信息或功率或从其接收信息或功率。这意味着在沿着信息/功率传输线的某个地方，无菌区域与非无菌区域相会。因此，需要对无菌性的适当管理。
这种无菌性管理对于光学形状感测(OSS)也是重要的，所述光学形状感测使用在沿着光学传感器的分布式位置处的背散射光(例如红外光(IR))来确定沿着该传感器的长度的应变。能够根据该应变测量来重建该光学传感器的对应形状。当光学传感器被并入到柔性医学装置(诸如导丝或导管)内时，该技术能够提供患者身体内的医学设备的形状。光学形状感测(OSS)技术也被称为光纤真实形状(FORS)技术。
在OSS流程期间，需要在一方为被插入在患者体内并且必须是无菌的光学传感器、并且另一方为被放置在远离患者的非无菌区域中的转接线、控制器或探询器之间建立光学连接。在进行了光学连接后，光学传感器的无菌近端与非无菌转接线、控制器或探询器的配合套筒接触，由此变得非无菌。在医学程序期间，当被连接到转接线、控制器或探询器的光学波导需要被断开并且光学传感器的新的非无菌近端需要进入无菌区域时或者当医学设备(诸如导管、导丝或护套)需要在光学传感器上面滑动时，可能会出现无菌性问题。光学传感器或光学波导例如是光纤。在光学传感器上面滑动并且与患者的内部身体直接接触的医学设备因此将任何污染物运送到患者的身体内。
一种解决无菌性问题的方式是在光学传感器的无菌近端与非无菌转接线、控制器或探询器之间引入无菌屏障。US 5949929公开了一种用于与光纤成像导管一起使用的旋转光学连接系统。该系统包括静止无菌屏障。该静止无菌屏障由生物相容性注塑成型的弹性体制作，诸如聚乙烯、聚烯烃、PEBAX。进一步的，在其中公开的无菌屏障不保护连接处的光学界面。
假如无菌屏障被放置在光纤之间中，由于高光学插入损失，该系统可能是不利的。为了减少光学插入损失，无菌屏障需要被制作得非常薄，使得它变得相当脆弱并且易于破裂。此外，降低插入损失的目标也对无菌和非无菌侧上的光纤的相对对齐提出了严格的要求。具体地，相对对齐必须是模场直径的分数，其为大约几微米。
EP 2267501 A2公开了一种光纤连接器和内窥镜系统，其中光纤连接器包括用作准直器透镜的两个梯度折射率纤维，所述两个梯度折射率纤维之间具有空气间隙。
WO 2014/142958 A1公开了一种光学压力传感器组件，其包括使用梯度折射率透镜的光学连接器。
EP 2353490 A1公开了一种包括光学连接器的医学装备，所述光学连接器将插头可拆卸地连接到被提供在装备主体中的插座中以光学地连接插头侧光纤和插座侧光纤。
发明内容
本发明的目的是提供用于可逆地连接两条相关联的光纤的医学光学连接器系统和方法，所述用光学连接器系统和方法实现相关联的光纤之间的无菌屏障，同时提供更高的机械稳定性并减少光纤之间的光学插入损失。
在本发明的第一方面中，提供了一种用于可逆地连接两条相关联的光纤的医学光学连接器系统，所述医学光学连接器系统包括：纤维承载单元，其用于插入所述相关联的光纤中的至少一条的末端部分；以及光学布置，其用于与来自所述相关联的光纤中的一条的光束相互作用，并且在所述医学光学连接器的连接状态下将所述光束传导到所述相关联的光纤中的另一条，所述光学布置包括至少两个梯度折射率元件和被布置在所述至少两个梯度折射率元件之间的额外光学元件，其中，所述额外光学元件是可替换的并且提供所述相关联的光纤之间的无菌屏障。
在本发明的又一方面中，一种用于光学地耦合到介入医学设备的光学系统，其中所述光学系统包括两条相关联的光纤、如在上面描述的用于可逆地连接所述两条相关联的光纤的医学光学连接器。
在本发明的又一方面中，提供了一种用于可逆地连接两条相关联的光纤的方法，所述方法包括：将所述相关联的光纤中的至少一条的末端部分插入到纤维承载单元内；使用包括至少两个梯度折射率元件的光学布置与来自所述相关联的光纤中的一条的光束相互作用并且将所述光束传导到所述相关联的光纤中的另一条；并且将额外光学元件布置在所述至少两个梯度折射率元件之间，其中，所述额外光学元件提供了所述相关联的光纤之间的无菌屏障。
在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。应当理解，所述方法具有与要求保护的医学光学系统以及与在从属权利要求中所限定的类似和/或相同的优选实施例。
可以包括一个或多个套管的纤维承载单元被配置为保持一条或两者光纤的末端部分，其中(一条或多条)光纤的末端部分能够被插入到纤维承载单元内。这有利地确保了两条光纤之间的牢固连接，使得防止至少一条光纤的末端部分被损坏。
光学布置由一个或多个光学元件组成，当两条光纤由医学光学连接器进行连接时，所述一个或多个光学元件与由两条光纤中的一条传输的光束相互作用，并且将光束传导到另一条光纤。所述一个或多个光学元件可以由二氧化硅制作。
同时，所述一个或多个光学元件还形成所述两条相关联的光纤之间的无菌屏障。有利地，所述光学布置同时实现了两种技术功能：一方面提供了两条相关联的光纤之间的光学连接，并且防止两条光纤的无菌侧被非无菌侧污染，由此减轻了医学介入中的无菌性问题。
除了实现更简单的构造外，相比于过去已知的系统，本发明还实现了增加机械稳定性。具体地，前面提到的美国专利5949929中的用作无菌屏障的固定屏蔽由其弹性性质和机械变形性已知的弹性体制作。虽然提供了无菌屏障，但是这种弹性体屏蔽承受的缺点是较不稳定。因此，两条相关联的光纤之间的不对齐是不可避免的，导致光学连接的插入损失。相比之下，本发明使用(一个或多个)光学元件作为实现高机械稳定性和降低的插入损失的无菌屏障。
此外，所述光学布置包括一个或多个梯度折射率(GRIN)元件。具体地，所述光学布置可以包括仅一个为GRIN元件的光学元件；或者替代地包括多个光学元件，所述多个光学元件中的至少一个是GRIN元件。有利地，至少一个GRIN元件进一步增加了光学连接的机械稳定性，同时对两条相关联的光纤之间和/或这些与光学布置之间的不对齐更不敏感。
一个或多个光学元件可以是一个或多个反射镜、透镜、光学透明的间隔件和/或棱镜。纤维承载单元可以是用来至少部分地封装一个或两条光纤的末端的一个或多个元件，并且一般可以由例如聚合物、金属或其组合的各种材料形成。两条相关联的光纤中的至少一条可以是包括中心芯的多芯光纤，所述中心芯由沿着中心芯的延伸盘绕的一个或多个外芯环绕。
在有利的实施例中，至少一个梯度折射率元件被包括在无菌屏障中。以此方式，所述光学布置的一个或多个梯度折射率元件同时实现了两种技术功能：一方面提供了两条光纤之间的光学连接；并且另一方面防止了两条光纤的无菌侧以及患者身体被污染。有利地，光学连接被构造以更高的机械稳定性和两条光纤之间的减少的插入损失。优选地，被布置为在无菌侧接收光纤的GRIN元件可以与光纤直接接触，例如没有到无菌光纤的间距，由此增加机械稳定性并且显著减少杂散反射。这在光学传感器必须被干涉测量地读出(诸如在光学形状感测(OSS)期间)的应用中是特别有利的。在这种情况下，GRIN元件本身应当是无菌的。
在另一有利的实施例中，一个或多个梯度折射率元件的总节距基本上等于正整数除以二。节距是光学元件(特别是透镜)的长度，以由在光学元件中传播的光束行进的周期性路径的周期长度为单位。总节距是每个GRIN元件的个体节距的和。有利地，当正整数等于2或2的倍数(即2，4，6，…)时，医学光学连接器更容许两条光纤之间和/或光学布置与纤维承载单元之间的不对齐。因此，优选地，所述正整数等于2或2的倍数(即2，4，6等)。
在例如存在两个GRIN元件的另一有利实施例中，每个梯度折射率元件的总节距基本上等于正整数除以二与四分之一之间的差。优选地，GRIN元件的总节距等于正整数除以二。GRIN元件(特别是GRIN透镜)因此可以被实现为能够修正由于医学光学连接器的部件和/或光纤之间的不对齐的光束传播方向的光准直器。有利地，医学光学连接器甚至更加容许不对齐。此外，两条光纤之间的插入损失被进一步减少。针对至少两个GRIN元件的正整数可以不同。
在另一有利实施例中，一个或多个梯度折射率元件的数值孔径等于或高于所述两条相关联的光纤的数值孔径中的更大数值孔径。光学布置的光学元件之间和/或光学布置与至少一条光纤之间和/或两条光纤之间的最大偏心量取决于所述一个或多个梯度折射率元件的数值孔径。有利地，本发明实现了光学连接中可允许的最大不对齐的更高值。GRIN透镜与光纤之间的不对齐优选为大约或小于1μm。
在另一有利实施例中，一个或多个梯度折射率元件包括一个或多个梯度折射率透镜和/或一个或多个梯度折射率纤维。有利地，GRIN透镜和/或纤维提供了相关联的光纤之间的各种光学连接。优选地，至少一个GRIN透镜是GRIN棒透镜。进一步优选地，至少一个GRIN透镜的折射率沿着垂直于GRIN透镜的光轴的径向方向增加或减小。GRIN纤维可以是实现传输光的多个模式的GRIN多模纤维。
在另一有利实施例中，至少两个梯度折射率元件具有不同的直径。以此方式，医学光学连接器能够被构造为实现医学介入期间的各种尺寸要求。进一步的，医学光学连接器能够被构成具有可后装载性，即医学光学连接器的至少一侧能够集成在医学介入设备(诸如导丝、护套或导管)。优选地，至少一个GRIN元件具有等于或小于导丝或导管的外径的外径。
在另一有利实施例中，梯度折射率元件中的一个能够集成在介入医学设备中，其中，两条相关联的光纤中的一条的末端部分能够集成在所述介入医学设备中。这有利地实现医学光学连接器的可后装载性，其中，被插入在介入医学设备中的光学布置与光纤的不对齐被进一步减少。介入医学设备(诸如导丝)的至少近端部分可以形成纤维承载单元的一部分。可集成的梯度折射率元件可以在其与介入医学设备相对或面向非无菌侧的近端处被提供有透明材料(诸如透明胶合物)。具体地，透明胶合物的使用使充满由于GRIN元件之间的长度差异的空间和介入设备内的用于容纳GRIN元件的空间成为可能，使得可集成的GRIN元件可以在长度公差内进行选择。假如GRIN元件被配置为准直来自光纤的光，经由医学设备获取的图像有利地无失真。
优选地，所述梯度折射率元件中的另一个梯度折射率元件由所述纤维承载单元接收，所述两条相关联的光纤中的另一个的末端部分可插入在所述纤维承载单元中。进一步优选地，另一个梯度折射率元件可以是用作无菌屏障的一次性元件。优选地，两个GRIN元件(具体地GRIN透镜)彼此直接接触，这有利地增加了医学光学连接器的机械稳定性。
在另一有利实施例中，光学布置的额外光学元件被布置在两个梯度折射率元件之间，无菌屏障包括额外光学元件和/或两个梯度折射率元件中的至少一个。有利地，额外光学元件减少了两个GRIN元件之间的不对齐。优选地，所述额外光学元件包括玻璃板、膜层和/或棱镜。具体地，所述额外光学元件可以是透明元件，其厚度可以显著大于30μm。进一步优选地，所述棱镜可以是可旋转道威棱镜。有利地，这提供了两个GRIN元件之间和/或任一GRIN元件与对应光纤之间的不对齐的容易的调整。进一步的，可旋转道威棱镜使得能够旋转地对齐所述两条相关联的光纤中的至少一条的偏离中心芯。额外光学元件(诸如玻璃板)可以通过其本身形成无菌屏障，其中，任一GRIN元件都不是无菌的。
在另一有利的实施例中，提供了连接器套筒以连接所述光学布置的光学元件与所述纤维承载单元。以此方式，形成了光学元件与纤维承载单元之间的牢固的机械连接，使得两条相关联的光纤之间和/或光学布置与两条光纤中的至少一条之间的不对齐被有利地减少。优选地，所述连接器套筒是陶瓷分离式配合套筒。
在另一有利实施例中，两个梯度折射率元件的梯度常数相差小于预定值。以此方式，被组合的两个GRIN元件的光学放大系数能够接近于一致，这对于实现低插入损失是有利的。预定值可以是在0与10％之间，优选地在0与5％之间，进一步优选地在0与1％之间。
附图说明
本发明的这些和其他方面将参考下文描述的(一个或多个)实施例变得显而易见并将参考其得以阐述。在以下附图中：
图1示出了每个对应于梯度折射率(GRIN)透镜的三个节距的图示性表示；
图2示出了医学光学连接器的第一实施例的示意图；
图3示出了医学光学连接器的第二实施例的示意图；
图4示出了绘制了最大可允许不对齐对在图3中示出的医学光学连接器的GRIN透镜的数值孔径的曲线图；
图5示出了将纤维和GRIN透镜组装到医学设备(诸如导丝)内的可能方式，具体地在图3中示出的医学光学连接器的GRIN透镜，其中，透明胶合物被提供在GRIN透镜的一侧上；
图6示出了医学光学连接器的第三实施例的示意图；
图7示出了与医学光学连接器一起使用的医学介入设备的示意图；
图8示出了具有分别使用图2的医学光学连接器和使用常规的医学光学连接器的反射率测量结果的曲线图；并且
图9示出了医学光学连接器的又一实施例的示意图。
具体实施方式
在微创医学介入中，介入设备(诸如针、导丝、护套和导管)被插入在患者体内，以便一方面发现并测量患者的相关解剖结构，并且另一方面处置或放置医学仪器(诸如支架)。在这些流程中，至关重要的是，设备的被插入到患者体内的部分在整个程序期间必须是无菌的，或者应当仅被患者本身的流体和/或组织污染。
当针、导丝或者导管被装备有传感器或激活器时，必须进行一些连接，以便从传感器向控制器或探询器传输信息和/或功率，并且反之亦然。控制器或探询器被放置在远离患者的非无菌区域中。这样的连接能够由电线或光纤来提供。在沿着传输线的某个地方，无菌区域与非无菌区域相会。因此，需要对无菌性的适当管理。
光学形状感测(OSS)使用沿着光纤(具体地多芯光纤)的背散射光来确定沿着该传感器的长度的应变。能够根据多芯光纤中的每个芯中的应变测量结果来重建纤维的对应形状。当光纤被并入到柔性医学装置(诸如导丝或导管)内时，该技术能够提供患者的身体内的设备的形状。
在OSS中使用的多芯光纤具有中心芯和盘绕中心芯的多个外芯。当纤维必须被连接到本身被连接到或被插入在光学探询器或转接线中的另一纤维时，这种几何形状造成了额外的挑战。除了将两条光纤居中以确保两个中心芯之间的良好耦合外，还必须提供适当的旋转对齐以便连接两条光纤的外芯。
为了分别提供无菌侧和非无菌侧的两条光纤之间的光学连接，并且为了实现两条纤维之间的适当的无菌屏障，一个或多个梯度折射率(GRIN)元件被使用。GRIN元件或GRIN光学部件具有渐变的位置依赖的折射率变化，这对于控制通过相应元件的光传播是有利的。
GRIN光学器件可以包括由具有仅沿着径向距离r改变的折射率的圆柱形部件组成的子集。例如，GRIN棒透镜具有为实质上抛物线形的径向折射率概况：
Figure GDA0001491128940000081
此处，g是梯度常数，n0是透镜的中心中的折射率，r是径向位置，并且"sech"是双曲正切函数。进入GRIN棒透镜的光被连续折射，并且这种GRIN棒透镜内部的光学场因此沿着具有周期长度z周期的z-轴周期性地改变：
Figure GDA0001491128940000082
描述GRIN棒透镜的长度的常见方式是使用节距P，所述节距P是透镜的几何长度L除以周期长度z周期：
Figure GDA0001491128940000091
具有节距P＝1，2，3，4，...的GRIN棒透镜将其前部平面成像到其后部平面上，并且反之亦然。具有节距P＝0.5，1.5，2.5，...的GRIN棒透镜也将前部平面成像到后部平面上，但是图像现在被反转。另一常用的节距值是P＝1/4，3/4，5/4，...，其中GRIN棒透镜理想地将来自其前部平面上的每一个点的光准直。
图1示出了均具有不同节距值的GRIN棒透镜的三个范例。在图1A中，第一GRIN棒透镜的长度L1等于GRIN棒透镜的周期长度z周期的四分之一，导致节距值P＝0.25。在图1B中，第二GRIN棒透镜的长度L2等于GRIN棒透镜的周期长度z周期的一半，导致节距值P＝0.5。在图1C中，第三GRIN棒透镜的几何长度L3等于周期长度z周期，导致节距值P＝1。
GRIN棒透镜的数值孔径由棒透镜的中心处的折射率和外边界处的折射率进行定义：
Figure GDA0001491128940000092
其中，NA是GRIN棒透镜的数值孔径，并且d是直径，优选地GRIN棒透镜的外径。
如果最小所需的NA和最大直径d是已知的，则能够设计具有梯度常数g的GRIN棒透镜来适配应用中的不同需要：
Figure GDA0001491128940000093
当所需的节距P是进一步已知的，GRIN棒透镜要被抛光到的几何长度L能够被确定为：
Figure GDA0001491128940000094
图2示出了用于可逆地连接用于在医学介入中使用的第一光纤12与第二光纤14的医学光学连接器10a。医学光学连接器10a包括由第一套管16和第二套管18组成的纤维承载单元。第一套管16被用于插入第一光纤12的末端部分13。第二套管18被用于插入第二光纤14的末端部分15。
医学光学连接器10a还包括光学布置20。光学布置20由梯度折射率(GRIN)透镜22组成。优选地，GRIN透镜22具有对应于在图1C中示出的GRIN透镜的节距值P＝1。GRIN透镜22被配置为与第一和第二光纤12、14中的一条的光束相互作用，并且当医学光学连接器10a处于连接状态(即两条光纤12、14经由光学布置20被光学地连接)时，将光束传导到第一和第二光纤12、14中的另一个。第一和/或第二光纤12、14可以包括多芯光纤，其中，GRIN透镜22被配置为将第一光纤12、14中的(一个或多个)芯光学地耦合到第二光纤14中的(一个或多个)芯。
在使用光学形状感测(OSS)的微创医学介入中，两条光纤12、14中的一条被连接到放置在远离患者的非无菌区域中的控制器、探询器和/或转接线，而两条光纤12、14中的另一条被并入到柔性医学设备(诸如导丝、护套和/或导管)内，所述柔性医学设备然后被引入到患者的身体内。例如，第一光纤12被连接到转接线、控制器或探询器，由此用作光学波导。第二光纤14可以被并入到柔性医学设备(诸如导丝、护套和/或导管)内，由此用作光学传感器。
优选地，第一和第二光纤12、14均通过连接器套筒32、34被连接到光学布置20。连接器套筒32、34被提供有具有内径的内部空间30、28，使得套管16、18的外部部分和光学布置20的外部部分两者(具体地GRIN透镜22)由内部空间30、28接收。优选地，GRIN透镜22是GRIN棒透镜。进一步优选地，GRIN棒透镜22被安装在保持器26上。每条光纤12、14被封装在对应的光学套管16、18内。GRIN棒透镜22的外径优选与一个或两个套管16、18的外径相匹配。连接器套筒32、34优选为分离式配合套筒。有利地，连接器套筒32、34改善了任一光纤12、14与GRIN棒透镜22之间的对齐，由此减少了光学连接的光学插入损失。
除了提供两条光纤12、14之间的光学连接外，GRIN棒透镜22还用作两条光纤12、14之间的无菌屏障。以此方式，能够防止来自医学介入的非无菌侧(例如光学波导、转接线、控制器和/或探询器)的污染进入医学介入的无菌侧(具体地光学传感器、柔性医学设备(诸如导丝、导管和/或护套))。有利地，能够防止处置中的患者受来自环境的污染。保持器26可以用作无菌屏障的一部分。
优选地，两条光纤12、14之间的旋转对齐能够使用标准光学连接器上的一个或多个键和/或配合套筒上的一个或多个键槽来进行控制。进一步优选地，GRIN透镜被构造为具有关于光轴的旋转对称，使得它能够以随机的方向被旋转而不影响成像结果。
GRIN棒透镜的节距P优选地基本等于：
P＝n/2， (7)
其中n是正整数，n＝1，2，...。以此方式，GRIN棒透镜22充当将其前表面21a成像到后表面21b上的中继透镜，并且反之亦然。第一光纤12的末端部分13被插入在其中的第一套管16可以紧密地朝向GRIN棒透镜22的前表面21a被布置。额外地或替代地，第二光纤14的末端部分15被插入在其中的第二套管18可以紧密地朝向GRIN棒透镜22的后表面21b被布置。以此方式，两条光纤12、14能够与彼此光学地连接。当第一和/或第二光纤12、14被充分紧密地机械连接到GRIN棒透镜22使得光纤12、14与GRIN棒透镜22前和/或后表面21a、21b实质上不存在自由空间时，由GRIN棒透镜22提供的光学连接是特别稳定的，并且物理连接使杂散反射显著减少。这种机械上稳定的耦合在光学传感器必须被干涉测量地读出(OSS的情况也是如此)的应用中是特别有利的。
应注意，任一光纤12、14与GRIN棒透镜22的前或后表面21a、b之间的自由空间被绘制用于更好的可见性，并不代表部件之间的实际距离。
当等式(7)的n是奇整数时，GRIN棒透镜22的图像平面相对于其对象平面被反转。前/后表面对应于GRIN透镜22的对象/图像平面。在这种情况下，能够通过简单地相对于第一光纤12旋转第二光纤14来使图像平面匹配第一光纤12的位置和/或取向，或者反之亦然。当来自等式(7)的n是偶整数时，两条光纤12、14可以具有相同的取向，并且不需要相对于彼此旋转。在两种情况(n是奇整数或偶整数)下仍然会需要一定量的较小旋转，以便抵消两个纤维之间的任何旋转不对齐。
为了减少医学光学连接器10a的光学插入损失，实现任一光纤12、14的几何中心与GRIN棒透镜22的光轴的适当对齐是至关紧要的。为此，连接器套筒32、34优选是陶瓷分离式配合套筒。额外地或替代地，第一和第二套管16、18优选是标准陶瓷光纤套管。
进一步的，GRIN棒透镜22的外径被配置为实质上匹配陶瓷光纤套管16、18的外径，使得连接器套筒32、34(优选地配合套筒)能够对齐GRIN棒透镜22和光纤套管16、18的中心。
如果GRIN棒透镜22的节距P被选择为P＝n/2，其中n是偶正整数(2，4，6，...)，则医学光学连接器10a更有利地容许GRIN棒透镜22与任一光纤套管16、18之间的不对齐。原因是由第一光纤12提供的“对象”借助于处于“4-f”构造的GRIN棒透镜22被成像到由第二光纤14承载的“图像”上。“4-f”构造在对象平面与图像平面之间具有等于焦距“f”的四倍的距离。如果对象点偏离轴线，对应的图像点也以与对象点相同的量并且相对于光轴沿相同的方向偏离轴线。
除了任一光纤套管16、18与GRIN棒透镜22之间的对齐，实现两条光纤12、14本身之间的适当对齐也是重要的。当具有偏离轴线的芯的光纤被使用(这通常是OSS中的情况)，这是特别重要的。优选地，包括连接器主体的光学连接器(诸如SC或FC连接器)的标准解决方案可以被应用。类似于陶瓷分离式套筒在例如FC和SC连接器中使用的方式，我们能够在这种连接器32、34中使用这些套筒。这些连接器通常具有指示被容纳在它们内部的光纤的取向的键。两侧上具有一个或多个键槽的配合套筒可以用来固定两个连接器套筒32、34之间的相对旋转。优选地，配合套筒被修改为提供由GRIN棒透镜22占据的额外空间。进一步优选地，当GRIN棒透镜22的节距是P＝n/2时，其中n＝1，3，5…，配合套筒的两侧上的键槽相对于彼此被倒转。两条光纤中的一条芯承载的图像在另一条光纤中被上下颠倒地投射在GRIN透镜的另一侧上。因此，另一条光纤需要相对于第一光纤被旋转。
优选地，最大光学插入损失是大约1dB。为此目的，GRIN棒透镜22优选被配置有从其目标外径改变小于1微米的外径，所述目标外径等于套管的外径并且通常接近于2.5mm。外径可以取决于光纤的数值孔径(NA)，其中更低的NA指示更大的焦深，而更大的NA指示更短的焦深和更紧的容差。对于奇或偶正整数是这样的情况。此外，GRIN棒透镜22优选地被配置有从其目标长度改变小于30微米的长度。此外，两个套管16、18被配置为使得两个纤维12、14之间的横向不对齐小于1微米。
在图2中，光学布置20由单个GRIN棒透镜22组成。替代地，多个GRIN棒透镜可以被应用，其中。总节距(即每个个体GRIN棒透镜的个体节距值的和)优选地充分接近于n/2，n是正整数，n＝1，2，3，...。进一步的，第一和/或第二光纤12、14可以是包括由多个外芯环绕的中心芯的多芯形状感测光纤，所述多个外芯沿着纤维的延伸部分盘绕中心芯。应理解，第一光纤12可以用于无菌侧，而第二光纤14用于非无菌侧，或反之亦然。
图3示出了根据第二实施例的医学光学连接器10b。医学光学连接器10b用于可逆地连接用于医学介入的两条相关联的光纤12、14，类似于在图2中的医学光学连接器10a。医学光学连接器10b包括第一套管16，第一光纤12的末端部分13被插入或被封装在所述第一套管16中。光学布置20还提供用于与来自光纤12、14中的一条的光束相互作用，并且在医学光学连接器10b的连接状态下将光束传导到光纤12、14中的另一个。
不同于在图2中示出的实施例，图3中的光学布置20不是由单个GRIN棒透镜组成，而是由第一GRIN棒透镜22a和沿着第一GRIN棒透镜22a的光轴布置的第二GRIN棒透镜22b组成。第一GRIN棒透镜22a实质上与在图2中示出的GRIN棒透镜22相同，除了其节距值。陶瓷分离式配合套筒32优选被提供为对齐一方面为容纳第一光纤12的末端部分13的第一套管16与另一方面为第一GRIN棒透镜22a，使得第一光纤12的末端部分13中的中心被对齐到第一GRIN棒透镜22a的光轴。
第二GRIN棒透镜22b被集成在导丝18'中，第二光纤14的末端部分15(优选整个第二光纤14)被插入或被封装在所述导丝18'中。第二GRIN棒透镜22b被连接到第二光纤14的末端部分15。应理解，柔性医学设备18'可以是导丝、护套和/或导管。进一步的，柔性医学设备18'可以与第一套管16一起被形成为纤维承载单元的一部分。替代地，柔性医学设备18'可以与医学光学连接器10b分开的设备。
第一和第二GRIN棒透镜22a、22b的节距优选地实质上等于：
Pi＝(mi/2–1/4)， (8)
其中，mi是正整数，mi＝1，2，...，并且下标i表示第一GRIN棒透镜22a(i＝1)和第二GRIN棒透镜22b(i＝2)。优选地，对于第一和第二GRIN棒透镜22a、22b，值mi能够是不同的。如在图3中示出的，针对第一GRIN棒透镜22a的值m1优选是2，导致节距值P1＝3/4。用针对第二GRIN棒透镜22b的值m2优选是1，导致节距值P2＝1/4。
除了节距值外，两个GRIN棒透镜22a、22b也可以在其外径上不同。第一GRIN棒透镜22a的外径优选与第一套管16的外径相匹配，而第二GRIN棒透镜22b的外径被减小以适配在柔性医学设备18'(具体地导丝)内部。有利地，这增加了医学光学连接器10b的可后装载性，因为连接器10b的至少一侧具有等于或小于医学设备18'的外径的外径。进一步有利地，同时提供了两条光纤12、14之间的适当对齐。一般来说，第一GRIN棒透镜22a的外径能够与在医学应用中需要的一样大。优选地，更大外径是两个GRIN透镜22a、22b中的更小外径的至少两倍，更优选地至少三倍。
第一GRIN棒透镜22a优选地被配置为接收并且然后准直从第一光纤12出来的光束。随后，第二GRIN棒透镜22b优选地朝向第二光纤14聚焦经准直的光束。第一和/或第二光纤12、14可以是包括中心芯和多个外芯的多芯光纤。在这种情况下，经准直的光束优选地由第二GRIN棒透镜22b朝向为多芯光纤的第二光纤14的多个外芯和/或中心芯进行聚焦。
优选地，第一GRIN棒透镜22a是无菌的，使得它能够充当无菌屏障。两个GRIN棒透镜22a、22b可以被连接为使得第一GRIN棒透镜22a的远端直接接触第二GRIN棒透镜22b的近端。额外地或替代地，玻璃板23或薄透明膜可以被布置在两个GRIN棒透镜22a、22b之间，其中玻璃板23或膜可以充当整个无菌屏障或它的一部分。玻璃板23在图3中示出，其中，第一GRIN棒透镜22a和/或玻璃板23形成医学光学连接器10b的无菌屏障。
由于来自任一光纤12、14的光束能够分别由第一GRIN棒透镜22a或第二GRIN棒透镜22b进行准直，通过玻璃板23或膜的额外的光学路径长度有利地对成像性能没有显著影响，由此不引起额外的插入损失。由于该原因，相比于不使用GRIN透镜的解决方案，玻璃板23和/或膜可以显著厚于30微米。
有利地，可以被允许第一和第二光纤12、14之间的增加的不对齐，同时维持光学连接的低光学插入损失。具体地，光束在两个GRIN棒透镜22a、22b之间的界面处被准直。因此，两个GRIN棒透镜22a、22b之间的沿着光轴的横向偏移因此将不会引起GRIN透镜22b与纤维15之间的界面上的成像光束与芯位置之间的不对齐。以此方式，光学插入损失被保持低。针对适当的光学连接的边界条件是纤维12、14与其相应的GRIN透镜22a、22b的很好地对齐。这种对齐能够例如已经在受控的环境中在GRIN透镜22a、22b与纤维12、14的组装期间被完成。
两条光纤12、14之间能够被容许的而不造成任何显著插入损失的横向不对齐量Δr等于
Figure GDA0001491128940000151
其中NA透镜是被集成到医学设备18'内的第二GRIN棒透镜22b的数值孔径，NA纤维是光纤12、14的数值孔径，并且g是透镜的梯度常数。以增加的不对齐，来自第一光纤14的光可以被传导为使得它不到达第二GRIN棒透镜22b，导致插入损失。对于具有数值孔径0.21的典型光纤与具有梯度常数g＝0.95mm-1的GRIN棒透镜的所允许的不对齐的最大值在图4中被示为第二GRIN棒透镜22b的数值孔径的函数。
优选地，在两个GRIN棒透镜22a、22b之间可允许的最大不对齐是具有最小尺寸(具体地外径和/或长度)GRIN棒透镜(即用于医学光学连接器10b的第二GRIN棒透镜22b)的数值孔径的函数。额外地或替代地，最大不对齐是被集成到医学设备18'内的GRIN棒透镜的数值孔径的函数。有利地，第一和第二GRIN棒透镜22a、22b可以被配置为允许两个透镜22a、22b之间的大的最大不对齐。同时，提供GRIN棒透镜22a、22b相对于光纤12、14的适当对齐是重要的。优选地，连接器套筒32可以是常规的配合套筒，使得通常在光学连接器组件中使用的常规对齐方法能够被应用以对齐光学连接的非无菌侧(优选地转接线侧)的套管16和第一GRIN棒透镜22a。这样的连接器套筒能够通常被提供有任何内镜，使得它能够接收套管16和第一GRIN棒透镜22a。
在光纤14被集成到柔性医学设备18'(具体地导丝)内的无菌侧，第二GRIN棒透镜22b需要具有受医学设备18'的横向尺寸限制的外径。优选地，第二GRIN棒透镜22b使用商用接合装置被直接接合到第二光纤14的近端上。近端指的是在非无菌侧与无菌侧之间延伸的对象(诸如光纤)的末端或末端部分，其中，所述近端面向非无菌侧或者是非无菌侧的一部分。优选地，例如为导丝的整个医学设备18'(包括第二GRIN棒透镜22b)是无菌的。在非无菌侧与无菌侧之间延伸的对象(诸如光纤)的远端是面向无菌侧的末端。额外地或替代地，GRIN多模纤维能够被使用，所述GRIN多模光纤具有足够大的芯直径(诸如400或500微米)并且被直接接合到第二光纤14的近端。有利地，例如通过使用商用接合机器或技术，第二光纤14与第二GRIN棒透镜22b之间的不对齐能够被减小至大约1微米。
当将GRIN棒透镜或GRIN多模纤维直接集成到导丝内时，GRIN棒透镜或GRIN多模纤维的外径需要足够小，具体地小于在光学连接的非无菌侧使用的GRIN棒透镜。同时，为了保持被组合的两个GRIN棒透镜的放大倍率接近于一致，两个GRIN棒透镜22a、22b具有充分类似的梯度常数g是有利的。具体地，两个GRIN棒透镜22a、22b的梯度常数g相差小于预定值，优选地小于3％，更优选地小于1％。例如，两个GRIN棒透镜22a、22b的梯度常数可以匹配到具有更小厚度的GRIN棒透镜和/或被布置在介入设备无菌侧上的GRIN棒透镜。组合的两个GRIN棒透镜22a、22b的光学放大倍率与值1相差优选地小于3％，更优选地小于1％。
在另一有利的实施例中，组合的两个GRIN棒透镜22a、22b的长度和/或两个GRIN棒透镜22a、22b的梯度常数更取决于来自两个GRIN棒透镜22a、22b的更薄GRIN棒透镜的设计参数。在光学布置20包括三个或更多个GRIN棒透镜的又一实施例中，被组合的所有梯度透镜的总长度和/或总梯度常数优选更取决于最薄GRIN棒透镜(与其他GRIN棒透镜相比)的设计参数。
优选地，提供了用于机械地旋转第一套管16以便相对于彼此对齐第一和第二光纤12、14的机构。该机构可以是旋转第一套管16的伺服马达。进一步的，光学测量信号可以用作检查由该机构实现的对齐的反馈信号。有利地，即使在导丝和/或光纤被插入到医学光学连接器10b内之后，医学设备18'(诸如导丝)和/或第二光纤14的取向也能够被知晓。以此方式，在导丝上不需要键或标记。
在另一有利的实施例中，可以为无菌设备的近端(具体地第二GRIN棒透镜22b)提供透明材料(诸如透明胶合物)，而不影响GRIN棒透镜到第二光纤14(具体地到为多芯光纤的第二光纤14的多个芯)的耦合。由于被集成到医学设备18'内的第二GRIN棒透镜22b的布置，这种透明材料的应用是特别容易的。
图5A-C示出了将第二光纤14与第二GRIN棒透镜22b一起安装到医学设备18'(具体地导丝)内的可能方法。在导丝18'的近侧部分中，提供了大到足以容纳GRIN棒透镜22b的腔室19。GRIN棒透镜22b可以被直接接合到第二光纤14，以形成然后能够被插入到导丝18'的腔室19内的组件。优选地，腔室19足够大和/或足够长，使得它适合于具有不同长度的导丝和光纤一起使用。
为了填充腔室19的未被GRIN棒透镜22b或光纤14占据的其余部分，可以为腔室空间的其余部分提供少量的透明胶合物。优选地，所述透明材料可以是光学级的胶合物。进一步优选地，导丝18'的近端可以在应用透明胶合物36之后被抛光，以便确保光学连接的高光学质量。这些得到在图5C中示出的被插入在导丝18'中的GRIN棒透镜22b和光纤14的组件。应注意，如图5B、C示出的，导丝18'的腔室空间19未通过组装或透明胶合物36被完全填充。替代地，额外的(诸如透明胶合物)可以被应用以完全填充腔室19。
图6示出了医学光学连接器10c的又一实施例，所述医学光学连接器10c包含与在图3中示出的实施例实质上相同的部件，除了在图6中示出的光学布置20包括额外的棱镜25。优选地，棱镜25是被布置在第一GRIN棒透镜22a与玻璃板23之间的可旋转道威棱镜。应注意，代替玻璃板23，薄透明膜可以被使用。以此方式，提供了两条光纤12、14之间的旋转对齐的可能性，而无需相对于两条光纤12、14中的一个旋转另一条光纤。
两条光纤12、14可以被任意地连接，其中，任一光纤12、14的一个或多个芯被布置为偏离轴线使得无需知晓其准确的相对取向。第一光纤12的中心芯优选被布置在第一套管16的中心中，使得中心芯与GRIN棒透镜22a的光轴一致。道威棱镜25然后能够被旋转以将第一光纤12对齐到第二光纤14。进一步的，能够使用光学测量信号作为检查两条光纤12、14之间的对齐的反馈信号。应注意，由于光纤12、14的偏离轴线布置的不对齐不能通过道威棱镜25来补偿。
图7示出了与第一和第二光纤12、14一起使用的医学光学连接器10a-c的示意图。医学光学连接器10a-c、第一和第二光纤12、14一起形成用于光学地耦合到介入医学设备的光学系统。介入医学设备可以是导管、导丝或护套。在图7中，介入医学设备与第二光纤14集成在一起。替代地，介入医学设备可以是被光学地连接到第二光纤14的单独设备。
第一光纤12的近端被连接到光学探询器46。第二光纤14的远端被插入到患者的身体37内。第一光纤12的远端被插入在第一套管16中，而第二光纤14的近端被插入在第二套管18或替代地导丝18'中。在另一有利的实施例中，整个第二光纤14被插入或被封装在柔性医学设备(诸如导丝、护套和/或导管)中，其中所述柔性医学设备可以被引入到患者的身体37内。
第二光纤14的远端被布置为使得它在由组织40环绕的管腔38内。如能够从图7中的放大表示看见的，第二光纤14是包括由多个外芯44(优选地三个外芯44)环绕的中心芯42的多芯光纤。第二光纤14用作拾取光学信号(具体地沿着纤维的长度的反射率信号)的光学传感器。这些信号然后经由光学布置20和用作波导的第二光纤12被传输给光学探询器46。光学探询器46被配置为读出光学信号，所述光学信号然后被变换为由在图7的曲线图中示出的曲线48表示的依赖于位置信号。此处，位置指标由具有单位mm的z来表示，其中信号强度由具有单位分贝的S来表示。
GRIN透镜的使用可以导致从透镜的表面的额外反射。通过使通过GRIN透镜的中心处的折射率与配合医学光学连接器10a-c使用的光纤的折射率尽可能匹配，这些反射可以被最小化。具体地，第一和/或第二GRIN棒透镜12、14的中心处的折射率与第一和/或第二光纤12、14的折射率相差优选小于1％。进一步的，至少一个GRIN透镜与至少一条光纤12、14之间的界面可以被抛光，使得该界面相对于光轴形成一角度。以此方式，在该界面处被反射的光不被传导到光纤12、14的传播模式内。优选地，界面与光轴之间的角度θ在8°≤θ≤15°的范围内。额外地或替代地，可以为至少一个GRIN透镜的表面提供一个或多个防反射涂层。
在一实施例中，透镜的(平均)折射率被选择为充分接近于纤维的折射率，以减少其界面之间的任何反射。在一个实施例中，GRIN透镜由掺杂石英制作并且与石英纤维相组合来使用。
对于较小Δn，折射率n1＝n和n2＝n+Δn的材料之间的单个界面处的反射光强度由以下给出：
Figure GDA0001491128940000191
通常会希望将反射降至水平R<10-6，因此在n≈1.5的情况下，那么发现纤维和透镜材料的折射率应当不多于Δn<3×10-3。
图8示出了反射率测量的结果被描绘为两个曲线的曲线图。实线曲线已经使用在图2中示出的包括GRIN透镜的医学光学连接器10a来获得；虚线曲线已经使用常规的医学光学连接器来获得。该曲线图示出了多芯纤维的偏离中心芯中的一个中的空间求解的反射率信号。
光学频域反射仪(OFDR)用来光学地对能够用于光学形状感测的多芯纤维进行解调，其中，反射计并且因此光学解调分别针对中心芯和每个偏离中心芯执行。在图8中示出的结果能够使用如在图7中示出的系统来获得。
两个曲线表示作为沿着用作光纤传感器的多芯光纤的偏离中心芯的以米为单位的位置指标z的函数的以分贝为单位的反射率信号或反射强度。为了清楚起见，在图8中示出的数据已经在若干厘米内被平滑。
医学光学连接器并且因此光学连接位于z＝0附近，其中，多芯转接线被连接到多芯纤维传感器。存在沿着纤维传感器的长度“写入”的多个纤维布拉格光栅，其中沿正方向从z＝0开始的反射位置主要由这些纤维布拉格光栅提供。
使用GRIN透镜的组合，使得被组合的总节距是P＝1。在图8中，能够看出，包括GRIN透镜的医学光学连接器在光学连接(z＝0)的位置处给予了相比于常规连接器更高的反射峰值。这种差异主要是由于光纤与GRIN透镜之间的折射率的失配。这种失配的另一影响是在使用GRIN透镜的情况下相比于常规连接器存在额外的光学耦合损失。通过更好地匹配GRIN透镜与光纤的折射率，能够显著地改善光学耦合并减少反射。GRIN透镜与光纤之间的改善的折射率匹配例如可以通过使用梯度折射率纤维来实现。
图9示出了医学光学连接器的又一实施例。类似于在图3中示出的实施例，医学设备18’要被连接。如结合图3描述的，为了最小化损失，最小GRIN透镜的设计导致透镜长度和梯度常数的确定。梯度常数的类似性上的这种约束能够通过制造与连接器的两侧上的两个相同GRIN透镜的连接来减少。因此代替像图3中一样使一个GRIN透镜大于另一个GRIN透镜，在图9的实施例中，两个GRIN透镜22a和22b具有有着相同厚度和梯度常数的相同类型。能够利用透镜的个体抛光来调整的长度仍然能够是不同的。
由于连接的两侧上的透镜的直径在该实施例中是相同的，因而它们现在都受GRIN透镜22b被集成在其中的医学设备18’的外径约束。这种受限制的直径意味着难于以足够的准确性将GRIN透镜22a对齐到纤维12。然而，这以与已经针对医学设备内部的GRIN透镜22b与纤维14之间的对齐进行解决相同的方式来解决；即通过在受控的接合机器中将它们接合在一起。这种接合确保了角度和位置两者上的稳定且精确的对齐。
提供无菌屏障的额外光学元件(例如在图3和图9中示出的实施例的玻璃板23或膜层)实现了若干光学性质。首先，它由充分透明的材料以其较小厚度(通常小于1毫米)制作。这意味着材料的散射和吸收两者都低到足以限制插入损失，并且散射单独低到足以限制多芯光纤的不同芯之间的串扰。进一步的，它优选具有非常接近于透镜的折射率的折射率，通常Δn<3×10-3，类似于纤维与透镜之间的折射率的差，再次最小化反射。
那么存在组合的光学和机械特性的无菌屏障的额外光学元件的进一步有利性质。第一这种性质是可压缩性，这对于补偿导丝和套管(图9中的套管16)的抛光角度和其他表面不规则性的较小差异是非常有用的。典型功能范例由导丝与套管之间的(软)压缩下变形使得无菌箔与两者完全且完美光学接触的聚合物箔给出。第二性质是帮助防止(导丝和套管两者的)透镜表面在使用(诸如导丝的插入和导丝或套管的旋转以获得多芯纤维的所有芯的最佳对齐)期间的磨损和刮擦。优选地，无菌箔的任何变形是弹性而非塑性特性，使得足够数量的连接能够在医学程序期间可靠地进行。从一个流程到下一个流程，新的无菌箔必须被插入，并且对箔的任何机械损坏都应当被限制，直至重新放置。
医学光学连接器10a-c能够被连接为用来使两个光学连接器套管并拢在一起的“更大连接器”。这样的"更大连接器"包括除了两条光纤12、14之间的光学连接外的额外功能，即支持一个或多个部件的对齐、无菌性、清洁、装载。
尽管已经在附图和上述描述中详细图示并描述了本发明，但是这些图示和描述应被视为是说明或示范性的，而不是限制性的。本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和从属权利要求，在实践所请求保护的本发明时，能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成在权利要求中记载的若干项目的功能。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于可逆地连接用于在医学介入中使用的两条相关联的光纤(12、14)的医学光学连接器，包括：
纤维承载单元(16、18)，其被配置用于接收所述相关联的光纤(12、14)中的至少一条的末端部分，以及
光学布置(20)，其被配置用于与来自所述相关联的光纤(12、14)中的一条的光束相互作用，并且在所述医学光学连接器的连接状态下将所述光束传导到所述相关联的光纤(12、14)中的另一条，所述光学布置(20)包括两个梯度折射率元件(22a、22b)和被布置在所述两个梯度折射率元件之间与所述两个梯度折射率元件中的每个直接接触的额外光学元件(23、25)，
其中，所述额外光学元件是可替换的，
其中，所述医学光学连接器包括所述相关联的光纤(12、14)之间的无菌屏障，并且
其中，所述无菌屏障包括所述额外光学元件。
2.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述无菌屏障还包括所述两个梯度折射率元件(22a、22b)中的一个。
3.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件(22a、22b)的总节距实质上等于正整数除以二。
4.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件的节距实质上等于正整数除以二与四分之一之间的差。
5.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件(22、22a、22b)彼此具有不同的节距。
6.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件(22、22a、22b)的数值孔径等于或高于所述两条相关联的光纤(12、14)的数值孔径中的较大数值孔径。
7.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件(22、22a、22b)中的至少一个包括梯度折射率透镜和/或梯度折射率纤维。
8.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件(22、22a、22b)具有不同的外径。
9.根据权利要求8所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件中的具有最小外径的一个梯度折射率元件(22b)被配置为集成在介入医学设备(18')中，所述两条相关联的光纤(12、14)中的一条的末端部分能够插入到所述介入医学设备(18')中。
10.根据权利要求9所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件中的另一个梯度折射率元件(22a)由所述纤维承载单元接收，所述两条相关联的光纤(12、14)中的另一条的末端部分能够插入在所述纤维承载单元中。
11.根据权利要求9所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件中的一个具有等于或小于所述介入医学设备(18')的外径的外径。
12.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述额外光学元件包括玻璃板(23)、膜层和/或棱镜(25)。
13.根据权利要求1所述的医学光学连接器，还包括用于将所述光学布置(20)的光学元件与所述纤维承载单元(16、18)连接的连接器套筒。
14.根据权利要求1所述的医学光学连接器，其中，所述两个梯度折射率元件(22、22a、22b)的梯度常数相差小于预定值。
15.一种用于光学地耦合到介入医学设备的光学系统，其中，所述光学系统包括：
两条相关联的光纤(12、14)；
根据权利要求1所述的用于可逆地连接用于在医学介入中使用的两条相关联的光纤(12、14)的医学光学连接器(10a、10b、10c)。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7288906B2 (ja) * 2017-08-18 2023-06-08 ヴェナ メディカル ホールディングス コーポレーション 脈管構造をイメージングする装置および方法
EP3461388A1 (en) 2017-09-28 2019-04-03 Koninklijke Philips N.V. Optical connection device and method
EP3508899A1 (en) 2018-01-05 2019-07-10 Koninklijke Philips N.V. Method of making an optical connector and such optical connector
US10992078B2 (en) 2018-01-29 2021-04-27 Bard Access Systems, Inc. Connection system for establishing an electrical connection through a drape and methods thereof
EP3518010A1 (en) 2018-01-30 2019-07-31 Koninklijke Philips N.V. Optical shape sensor, optical shape sensing console and system, and optical shape sensing method
EP3793464A4 (en) 2018-05-18 2021-07-21 Bard Access Systems, Inc. CONNECTION SYSTEM AND METHOD FOR MAKING AN ELECTRICAL CONNECTION THROUGH A COVERING CLOTH
CN112805604A (zh) * 2018-09-05 2021-05-14 扇港元器件股份有限公司 用于光纤的具有自调节棱镜的检查尖端和方法
US11737848B2 (en) 2019-07-29 2023-08-29 Bard Access Systems, Inc. Connection systems and methods for establishing optical and electrical connections through a drape
WO2021026502A1 (en) 2019-08-08 2021-02-11 Bard Access Systems, Inc. Optical-fiber connector modules including shape-sensing systems and methods thereof
JP7524305B2 (ja) 2019-08-12 2024-07-29 バード・アクセス・システムズ，インコーポレーテッド 医療機器用の形状センシングシステム
WO2021090378A1 (ja) * 2019-11-06 2021-05-14 オリンパス株式会社 光学系、光学系の製造方法、および内視鏡
CN214804697U (zh) 2019-11-25 2021-11-23 巴德阿克塞斯系统股份有限公司 光学尖端追踪系统
US11525670B2 (en) 2019-11-25 2022-12-13 Bard Access Systems, Inc. Shape-sensing systems with filters and methods thereof
US11474310B2 (en) 2020-02-28 2022-10-18 Bard Access Systems, Inc. Optical connection systems and methods thereof
EP4127798A1 (en) 2020-03-30 2023-02-08 Bard Access Systems, Inc. Optical and electrical diagnostic systems and methods thereof
US11622816B2 (en) 2020-06-26 2023-04-11 Bard Access Systems, Inc. Malposition detection system
CN113926050A (zh) 2020-06-29 2022-01-14 巴德阿克塞斯系统股份有限公司 用于光纤的自动尺寸参考系
CN216317552U (zh) 2020-07-10 2022-04-19 巴德阿克塞斯系统股份有限公司 用于检测医疗装置的光纤技术的损坏和潜在损坏的医疗装置系统
WO2022031613A1 (en) 2020-08-03 2022-02-10 Bard Access Systems, Inc. Bragg grated fiber optic fluctuation sensing and monitoring system
WO2022067096A1 (en) 2020-09-25 2022-03-31 Bard Access Systems, Inc. Fiber optics oximetry system for detection and confirmation
EP4229456A1 (en) 2020-10-13 2023-08-23 Bard Access Systems, Inc. Disinfecting covers for functional connectors of medical devices and methods thereof
WO2023043947A1 (en) * 2021-09-16 2023-03-23 Bard Access Systems, Inc. Swappable high mating cycle fiber connection interface
US11914168B2 (en) * 2022-01-12 2024-02-27 Northrop Grumman Systems Corporation Direct glue compact two dimensional fiber launcher assembly
US12089815B2 (en) 2022-03-17 2024-09-17 Bard Access Systems, Inc. Fiber optic medical systems and devices with atraumatic tip

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5329936A (en) 1991-02-04 1994-07-19 Citation Medical Corporation Portable arthroscope with periscope optics
US5371814A (en) * 1993-11-08 1994-12-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Passive, multi-channel fiber optic rotary joint assembly
US5872879A (en) * 1996-11-25 1999-02-16 Boston Scientific Corporation Rotatable connecting optical fibers
DE19802095C1 (de) * 1998-01-21 1999-08-19 Litef Gmbh Verfahren und Einrichtung zur Stabilisierung des Skalenfaktors eines faseroptischen Kreisels
JP2002196181A (ja) * 2000-12-25 2002-07-10 Nippon Sheet Glass Co Ltd レンズ機能付き光ファイバおよびその製造方法
JP2004537065A (ja) * 2001-07-24 2004-12-09 タイコ・エレクトロニクス・コーポレイション 拡大ビームコネクタシステム
US6749344B2 (en) * 2001-10-24 2004-06-15 Scimed Life Systems, Inc. Connection apparatus for optical coherence tomography catheters
JP2005107308A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Nissei Electric Co Ltd ライトガイド
JP5192452B2 (ja) 2009-06-25 2013-05-08 富士フイルム株式会社 光ファイバの接続構造及び内視鏡システム
JP5448885B2 (ja) 2010-01-28 2014-03-19 富士フイルム株式会社 医療機器及び内視鏡装置
WO2012124092A1 (ja) * 2011-03-16 2012-09-20 東洋ガラス株式会社 マイクロイメージングプローブ及びその製造方法
KR101721742B1 (ko) * 2012-07-03 2017-03-30 쿠카 레보라토리즈 게엠베하 외과용 기구 배열체, 외과용 기구를 위한, 특히 로봇에 의해 안내되는 외과용 기구를 위한 드라이브 트레인 배열체, 및 외과용 기구
US20140055582A1 (en) * 2012-08-27 2014-02-27 Joseph R. Demers Endoscopic calibration method and apparatus
US9408527B2 (en) 2012-11-01 2016-08-09 Karl Storz Imaging, Inc. Solid state variable direction of view endoscope with rotatable wide-angle field for maximal image performance
WO2014142958A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Avinger, Inc. Optical pressure sensor assembly
JP6164986B2 (ja) * 2013-08-29 2017-07-19 オリンパス株式会社 内視鏡用光コネクタ
CN105636501B (zh) * 2014-06-09 2017-11-21 奥林巴斯株式会社 内窥镜系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3304149A1 (en) 2018-04-11
JP6859271B2 (ja) 2021-04-14
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US10299661B2 (en) 2019-05-28
JP2018516391A (ja) 2018-06-21
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US20180140170A1 (en) 2018-05-24

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