CN108472496B - 用于经由光纤光学地刺激大脑的设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种备，其包括：被安装在壳体(109)中的光源(103)，壳体(109)包括与光源(103)相对的透明窗口(111)；光纤(101)，其适配有适合于与壳体(109)可拆卸地接合的连接器(113)，以保持光纤(101)的输入表面(101a)经由窗口(111)与光源(103)相对；以及由透明弹性体材料制成的接口元件(301)，其适合于在连接位置被保持以便被压缩在窗口(111)与在光纤(101)的输入表面(101a)之间。
Description
本专利申请要求法国专利申请FR15/62525的优先权权益，所述申请通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及可植入设备领域，并且更具体地针对用于通过光学照射对人或动物大脑的深部刺激的可植入光学设备。
背景技术
深部脑刺激是一种包括在患者的大脑中植入能够刺激大脑的特定部分的设备的治疗技术。特别提供了通过利用以红外发射的光源对大脑部分进行光学照射的对某些神经功能障碍(诸如帕金森氏疾病)的治疗。
已经提供了能够借由引入至患者的大脑中的光纤对大脑进行深部光学刺激来实施治疗的可植入设备，源自大脑外部的光源的光经由光纤而被引导朝向大脑。在由该申请人先前提交的法国专利申请FR3010321中描述了此类设备的示例。
文献US2011/125077描述了用于通过深部光学刺激大脑进行治疗的设备的另一示例。
然而，期望能够至少部分地改进对大脑的深部光学刺激的已知设备的某些方面。
发明内容
因此，实施例提供了一种设备，包括：光源，其被组装在封装中，所述封装包括与所述光源相对的透明窗口；光纤，其适配有连接器，所述连接器113能够可拆卸地与所述封装接合以保持所述光纤的输入表面经由所述窗口与所述光源相对；以及接口元件，其由透明弹性体材料制成，能够在连接位置保持被压缩在所述窗口与所述光纤的输入表面之间。
根据一个实施例，与所述接口元件与所述光纤的输入表面接触放置的区域相对，所述接口元件在断开位置具有第一厚度并且在连接位置具有第二厚度，所述第一厚度比所述第二厚度大1.1至1.3倍。
根据一个实施例，在断开位置，用于与所述光纤的输入表面接触放置的所述接口元件的表面凸出。
根据一个实施例，在断开位置，用于与所述光纤的输入表面接触放置的所述接口元件具有纳米结构或微结构。
根据一个实施例，所述接口元件由硅树脂或聚氨酯制成。
根据一个实施例，所述光源是激光源。
根据一个实施例，所述窗口由蓝宝石或硅石制成。
根据一个实施例，封装被密封封闭。
根据一个实施例，该设备还包括光学系统，其能够在连接位置将由所述光源发射的光聚焦至所述光纤的输入表面上。
根据一个实施例，所述接口元件被刚性地组装至所述封装或所述连接器。
根据一个实施例，所述设备还包括由连接电缆(107)耦合至所述光源(103)的电源和控制单元(105)。
附图说明
前述的以及其他的特征和优点将在下面结合附图的特定实施例的非限制性描述中被详细讨论，其中：
图1是用于大脑的光学照射的可植入设备的示例的简化表示；
图2是更详细地示出用于大脑的光学照射的可植入设备的示例的截面图；
图3A和图3B是示出用于大脑的光学照射的可植入设备的实施例的示例的截面图；
图4是示出图3A和图3B的设备的替代实施例的截面图；
图5是示出图3A和图3B的设备的另一替代实施例的截面图；并且
图6是示出图3A和图3B的设备的另一替代实施例的截面图。
具体实施方式
在不同的附图中，相同的元件已经用相同的附图标记来指代，并且此外各种图未按比例绘制。为清楚起见，仅示出并详述对所描述的实施例的理解有帮助的那些元件。术语“近似”、“基本上”以及“大约”在本文中被用于指定所探讨的值的正负10％、优选地正负5％的公差。
图1是用于大脑的光学照射的可植入设备的示例的简化表示。该设备包括光纤101，其具有用于被植入在与期望待刺激的大脑部分相对的大脑的内部的第一端或远端101b。图1的设备还包括被耦合至光纤101的第二端或近端101a的光源103。图1的设备还包括用于对光源103进行供电和控制的单元105，例如包括电池以及能够控制光源103以对大脑实施期望的刺激的控制电路。在实践中，为了使患者的风险最小化，只有光纤101被有效地植入在患者的大脑中，其他元件在整个治疗期间保持在大脑的外部。光源103和电源以及控制单元105可以例如被植入在患者身体的其他部分。作为示例，光源103可以被植入患者的头皮之下或被植入患者的颅骨中，并且电源和控制单元105可以被植入患者的胸部的水平。在这种情况下，该设备可以包括连接电缆107、耦合单元105和光源103。作为变型，光源103可以被刚性地组装至电源和控制单元105。
为了在不必从患者的大脑中提取光纤101的情况下执行某些设置或维护操作，光源103被可拆卸地或可移除地耦合至光纤101是重要的。为实现之，源103被布置在保护封装109中，该封装包括面向光源103的透明窗111。此外，该设备在光纤101的近端101a侧包括被刚性地组装至光纤101的连接器113。连接器113能够与封装109可拆卸地或可移除地配合，以保持光纤的近端101a通过窗口111与光源103相对。在所示的示例中，该设备在封装109的内部还包括光学系统115，其能够在连接位置(即，当连接器113被连接至封装109时)将源103发射的光聚焦至光纤101的输入表面101a上。在连接位置，由光源103发射的光通过其近端101a穿透进入光纤101，被光纤101引导至大脑中，然后通过其远端101b从光纤101出来以照射大脑。
造成的问题是保持光源103的保护封装109的窗口111与光纤101的输入表面101a之间的界面干净。必须避免杂质介入窗口111与光纤101的输入表面101a之间，杂质的介入会降低光学传输的质量。这个问题特别出现在可植入设备的情况下，其中生理液体可能介于窗口111和光纤101的输入表面101a之间(手术期间或由于渗透)。
图2是更详细地示出关于图1描述的类型的设备的示例的截面图。为了简化，图2中未示出电源和控制单元105以及单元105与光源103之间的连接107。图2中仅示出了光源103、保护封装109及其窗口111、光学系统115、连接器113和光纤101。
光源103例如是激光源。作为示例，源103是红外源，例如以从650至1100nm范围内的波段发射。光纤101可以包括由生物相容性材料制成的外护套，以及在其远端101b侧和/或其近端101a侧上包括由透明的生物相容性材料制成的保护套。封装109例如由一种或多种生物相容性材料制成。作为示例，封装109包括由不透明的生物相容性材料(例如钛)制成的主体201，并且窗口111可以由透明的生物相容性材料(例如蓝宝石或硅石)制成。封装109例如能够密封隔离其包含的所有非生物相容性部件。作为示例，在中性气氛(无氧)下封闭封装109，例如在氩气下封闭封装109。窗口111例如被布置在主体201的开口中，密封的生物相容性焊料203(例如金焊料)确保开口的壁与窗口之间的密封性。能够将光源103电耦合至电源和控制单元105的封装109的电馈通装置(未示出)例如由生物相容材料(例如用于导电部分的铱-铂和用于绝缘部分的陶瓷或蓝宝石)制成。这种电馈通装置可以通过密封的生物相容性焊料封闭，例如通过金焊料封闭。类似地，连接器113可以由一种或多种生物相容性材料制成。
窗口111在封装109的外侧上包括例如平坦的外表面或输出表面111b。当连接器113被连接至封装109时，窗口111的输出表面111b与光纤101的输入表面101a接触。窗口111在封装的内侧(与表面111b相对)还包括内表面或输入表面111a。在图2的示例中，窗口111的输入表面111a是凸面的，使得窗口111表现为透镜并且有助于由源103发射的光束的成形。在该示例中，包括光学系统115和窗口111的光学组件能够将由光源103发射的光基本上聚焦至窗口111的输出表面111b上。窗口111可以在其内表面111a上包括抗反射层。
连接器113包括例如由钛制成的主体205，其被刚性地组装至光纤101的近端。当连接器113被连接至封装109时，光纤101的输入表面101a与被放置为与窗口的外表面111a接触的主体205的表面基本齐平。为了简化，未示出用于将连接器113锁定在连接位置的元件。这些元件可以例如包括螺旋夹环，卡口连接器或任何其他适合的锁定机构。
为了防止能够降低光学传输质量的物质介入窗口111的输出表面111b与光纤101的输入表面101a之间，图2的设备还包括围绕光纤101的近端101a的O形环207。在连接位置，O形环207在连接器113的主体205与窗口的外表面111b之间保持被压缩，以防止不想要的物质渗透进入窗口111与光纤101之间的光学耦合区域。
图2的设备的缺点在于连接器113的尺寸相对较大，特别是由于围绕光纤101的输入表面101a的O形环207的存在。进一步难以保证光纤和窗口之间的良好接触。此外，在折射率匹配较差的情况下，可能会出现特别是直接关于激光器本身的光反射问题。这可能导致激光器的不稳定并导致其故障。
图3A和图3B是示出用于大脑光学照射的可植入设备的实施例的截面图。图3A和图3B的设备包括许多与图1和图2的设备共同的元件。因此在下文中这些元件将不再详细描述。下文中，将仅强调与图1和图2的设备的不同之处。
如在图2的示例中，图3A和图3B的设备包括光纤101、光源103、提供有透明窗口111的用于保护光源103的封装109、用于对由源103发射的光进行成形的光学系统115、以及能够将光纤101连接至封装109以经由窗口111实现光源103与光纤101之间的光学耦合的连接器113。
图3A示出处于断开位置的设备，即，当连接器113与封装109断开连接时，那么在光纤101与光源103之间不存在耦合。图3B示出处于连接位置的设备，即，当连接器113被连接至封装109时，那么光纤101被光学地耦合至光源103。以与图2中相同的方式，用于将连接器113锁定在连接位置以及用于将其解锁的元件未在图3A和图3B中示出。
图3A和图3B的设备与图2的设备的不同之处在于其不包括在光纤101的输入表面101a周围、在连接器113的主体205与封装109之间的O形环。
然而，图3A和图3B的设备包括由透明弹性体材料制成的接口元件301，当连接器113被连接至封装109时，所述接口元件301能够在窗口111的输出表面111b与光纤101的输入表面101a之间保持挤压或压缩。接口元件301例如是板或盘。作为示例，接口元件301由杨氏模量在1至100MPa范围内的材料制成。接口元件301例如由生物相容性材料制成。作为示例，接口元件301由硅树脂或聚氨酯制成。接口元件301包括第一表面或输入表面301a，当连接器113被连接至封装109时，所述第一表面或输入表面301a与窗口111的输出表面111b接触。接口元件301还包括与表面301a相对的第二表面或输出表面301b，当连接器113被连接至封装109时，所述第二表面或输出表面301b与光纤101的输入表面101a接触。元件301的表面301a和301b例如基本上平坦的并且彼此平行。接口元件301例如在断开状态固定到封装109。作为示例，接口元件301可以被插入到为此目的而设置的封装109的壳体中与窗口111相对的位置。作为变型，元件301可以在断开位置固定到连接器113。作为变型，元件301可以是独立的可移除的部分，即既不附贴至连接器113也不附贴至处于断开状态的封装109。
在断开位置(图3A)，元件301在其与光纤101耦合的区域(即，与用于在连接器113与封装的连接期间与光纤101的输入表面101a接触放置的其表面301b的部分相对)的水平处具有第一厚度(或在其表面301a和301b之间的距离)e1。作为示例，厚度e1在0.5到2mm的范围内。
在断开位置(图3B)，与光纤101的输入表面101a相对的元件301的厚度e2小于厚度e1。作为示例，处于断开位置的元件301的厚度e1在处于连接位置的元件301的厚度e2的1.1至1.3倍的范围内。在实践中，在元件301由不可压缩的或几乎不可压缩的材料制成的情况下，连接器113和/或封装109可以定义能够在与光纤101耦合的区域的外周处容纳过量材料的通风口或壳体。
在图3A和图3B的设备中，包括光学系统115、窗口111和接口元件301的光学组件能够将由源103产生的光聚焦在封装109的外部，其与窗口111的输出表面111b的距离基本上等于处于连接位置的接口元件301的厚度e2。因此，在连接位置下，由光源103产生的光基本上被聚焦至光纤101的输入表面101a上，并由光纤101传导至其输出表面101b。应该注意的是，尽管在图3A和图3B的示例中已经将窗口111示出为具有凸面的输入表面111b，但是所描述的实施例不限于该特定情况。作为变型，窗口111可以具有基本上平行于其输出表面111a的平坦的输入表面111b或凹面的输入表面111b。
由于其回弹特性，并且由于其在窗口111与光纤101之间保持压缩，因此接口元件301形成密封，防止在连接位置下不想要的物质介入在窗口111的输出表面111b与光纤101的输入表面101a之间。因此不必在光纤101的输入表面101a周围提供O形环，这使得能够减小连接器113相对于关于图2描述的类型的系统的尺寸。
图3A和图3B的设备的另一个优点是接口元件301b使得能够减少光源103上的光的反向散射的反射损失和/或寄生现象，这在激光源的情况下特别成问题。作为示例，接口元件301由具有基本上等于光纤101的输入表面101a的材料的光学指数的光学指数的材料制成，或者由具有介于窗111的材料的光学指数与光纤101的输入表面101a的材料的光学指数之间的光学指数的材料制成。因此光纤的输入表面101a上的光的寄生反射相对于关于图2描述的类型的设备减少。在图3A和图3B的设备中，寄生反射可能发生在接口元件301的输入表面301a上。然而这样的反射干扰较少，因为其出现在光学系统的焦平面之外。
还应该注意的是，在图3A和图3B的设备中，由于接口元件301的回弹特性，光纤101的输入表面101a沿着源103的轴线的定位的公差界限大于关于图2描述的类型的系统的公差界限，其中刚性窗口与光纤101的输入表面101a接触直接放置(在实践中，那么应当设置弹簧机构以保持光纤101的输入表面101a被压靠于窗111的输出表面111b，而独立于O形环207的挤压力选出保持力)。与关于图2描述的类型的设备相比，这使得能够简化连接器113。
图4是示出图3A和图3B的像素的替代实施例的截面图。图4的设备与图3A和图3B的设备的不同之处本质上在于，在图4的示例中，接口元件301的输出表面301b不平坦，而是具有凸出或凸面的表面，这使得能够在连接器113与封装109连接时，限制在元件301的输出表面301b与元件301的输入表面301b以及光纤101的输入表面101a之间捕获可能的气泡的风险。在连接位置，由于元件301的挤压，与光纤101的输入表面101a接触的元件301的表面再次变得基本平坦并且与接口元件301的输入表面301a平行。
图5是示出图3A和图3B的设备的另一替代实施例的截面图。图5的设备与图4的设备的区别本质上在于，在图5的示例中，接口元件301的输出表面301b在其整个表面上不是凸出的，而是在中心部分具有凸出的突出部(excrescence)501，用于被放置为与光纤101的输入表面101a接触。接口元件301的输出表面301b的周缘部分基本上平行于元件301的输入表面301a。如在图4的示例中那样，在元件301的表面301b上设置凸出部分使得能够在连接器113与封装109连接时，限制在元件301的表面301b与光纤101的输入表面101a之间捕获可能的气泡的风险。在连接位置下，由于元件301的挤压，与光纤101的输入表面101a接触的元件301的表面再次变得基本平坦并且与接口元件301的输入表面301a平行。
在另一个替代实施例(未示出)中，光纤101的输入表面101a不垂直于光的主传播轴线，而是相对于该轴线具有例如8至12度的倾角，以拒绝在激光耦合角度之外的光束。
图6是示出图3A和图3B的设备的另一替代实施例的截面图。图6的设备与图4的设备的不同之处本质上在于，在图6的示例中，接口元件301的输出表面301b不是光滑的，而是在其部分或全部表面上具有纳米结构或微结构601，例如，具有在200纳米到200微米范围内的尺寸的结构。在断开位置，结构601衍射光束，这减少了使操作该设备的操作者眩目或灼伤的风险，特别是当光源103是激光源时。在连接位置，由于元件301的挤压，与光纤101的输入表面101a接触的元件301的表面再次变得平滑。尽管图6示出了具有输出表面301b的接口元件301，所述输出表面301b具有凸出的总体形状(类似于图4的设备的形状)，但是可以实施图6的变型，无论接口元件301的输出表面301b的总体形状如何。
已经描述了具体的实施例。本领域技术人员会想到各种改变、修改和改进。特别地，所描述的实施例不限于上述应用于可植入医疗设备的示例。更一般地，所提供的解决方案可以应用于期望将光源耦合至光纤同时保护光源与光纤之间的光学耦合界面免受杂质影响的其他领域。材料的选择可以特别相应地进行调整。
Claims (11)
1.一种可植入光学设备，包括：
光源(103)，其被组装在封装(109)中，所述封装(109)包括与所述光源(103)相对的透明窗口(111)；
光纤(101)，其适配有连接器(113)，所述连接器(113)能够可拆卸地与所述封装(109)接合以保持所述光纤(101)的输入表面(101a)经由所述窗口(111)与所述光源(103)相对；以及
接口元件(301)，其由透明弹性体材料制成，能够在连接的位置保持被压缩在所述窗口(111)与所述光纤(101)的输入表面(101a)之间。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，与所述接口元件和所述光纤(101)的输入表面(101a)接触放置的区域相对，所述接口元件(301)在断开位置具有第一厚度(e1)并且在连接位置具有第二厚度(e2)，所述第一厚度(e1)比所述第二厚度(e2)大1.1至1.3倍。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，在断开位置，用于与所述光纤(101)的输入表面(101a)接触放置的所述接口元件(301)的表面凸出。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，在断开位置，用于与所述光纤(101)的输入表面(101a)接触放置的所述接口元件(301)具有纳米结构或微结构(601)。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述接口元件(301)由硅树脂或聚氨酯制成。
6.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述光源(103)是激光源。
7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述窗口(111)由蓝宝石或硅石制成。
8.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述封装(109)被密封封闭。
9.根据权利要求1或2所述的设备，还包括光学系统(115)，其能够在连接位置将由所述光源(103)发射的光聚焦至所述光纤(101)的输入表面(101a)上。
10.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述接口元件(301)被固定至所述封装(109)或所述连接器(113)。
11.根据权利要求1或2所述的设备，还包括由连接电缆(107)耦合至所述光源(103)的电源和控制单元(105)。
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