CN110300540B - 用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术 - Google Patents

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Abstract

基于光纤的模式混合技术可以用于使得用于手术照明的光纤中的不同模式均匀。振动光纤机构可以使光纤的一部分进行机械运动以从相干光源产生均匀照明场。

Description

用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术
技术领域
本披露涉及手术照明、更具体地涉及用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术。
背景技术
在眼科学中，在眼睛和附属视觉结构上执行眼睛手术或眼科手术。更具体地，玻璃体视网膜手术涵盖涉及眼睛的内部部分(诸如玻璃体液和视网膜)的各种不同的棘手程序。使用不同的玻璃体视网膜手术程序(有时使用激光)来改善许多眼睛疾病(包括黄斑前膜、糖尿病视网膜病变、玻璃体出血、黄斑裂孔、视网膜脱落、以及白内障手术的并发症等等)的治疗中的视觉感观性能。
在玻璃体视网膜手术期间，眼科医师典型地使用手术显微镜穿过角膜来查看眼底，同时可以引入穿透巩膜的手术器械以便进行各种不同的程序中的任一种。患者在玻璃体视网膜手术期间典型地仰卧在手术显微镜下方，并且使用窥器保持眼睛暴露。取决于所使用的光学系统的类型，眼科医师具有给定的眼底视野，所述给定的眼底视野可以从窄视野变化到可以延伸到眼底的周边区域的宽视野。
此外，典型地将照明源引入眼底以照亮外科医生将要工作的区域。照明源典型地被实现为具有照明器组件的手术工具，所述照明器组件也穿透巩膜并且可以与其他手术工具组合。期望将传输相干光的光纤用作手术的照明源，因为在光纤可用的非常小的物理尺寸内提供高光强度。
发明内容
本披露所披露的实施例提供用于使得用于手术照明的光纤中的不同模式均匀的基于光纤的模式混合技术。振动光纤机构可以使光纤的一部分进行机械运动以从相干光源产生均匀照明场。
在一方面，所披露的用于手术照明的方法包括将来自相干光源的第一光投射到第一光纤中，所述相干光源用于在手术期间照亮患者。所述方法还可以包括将所述第一光从所述第一光纤传输到光纤模式混合器装置。在所述方法中，所述光纤模式混合器装置可以包括接收所述第一光的内部光纤以及联接至所述内部光纤的振动光纤机构。在所述方法中，可以通过所述振动光纤机构使得所述第一光在所述内部光纤内均匀以产生第二光，所述光纤模式混合器装置输出所述第二光。所述方法可以进一步包括将所述第二光从所述光纤模式混合器装置传输到第二光纤。在所述方法中，所述第二光纤可以终止于第三光纤，所述第三光纤将所述第二光投射到所述患者上。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述手术可以是眼科手术，同时所述第三光纤可以将所述第二光投射到所述患者的眼睛中。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述相干光源可以是单色激光器。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述相干光源可以是多个单色激光器，所述多个单色激光器组合以产生所述第一光。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以包括压电致动器，所述压电致动器机械地联接至所述内部光纤。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以包括电磁致动器，所述电磁致动器机械地联接至所述内部光纤。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以包括机电致动器，所述机电致动器机械地联接至所述内部光纤。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以使所述内部光纤的至少一部分进行往复运动和圆形运动中的至少一种。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以使所述内部光纤的至少一部分进行随机运动。
在所述方法的所披露的实施例的任一个中，所述光纤模式混合器装置可以进一步包括：用于连接至所述第一光纤的输入光学连接器；用于连接至所述第二光纤的输出光学连接器；以及为所述振动光纤机构供电的电源。在所述方法中，所述振动光纤机构可以使得所述内部光纤以大于30Hz的频率进行往复运动。
在另一方面，所披露的光纤均匀器装置用于手术照明。所述光纤均匀器装置可以包括：用于连接至第一光纤的输入光学连接器，所述第一光纤传输来自相干光源的第一光，所述相干光源用于在手术期间照亮患者；联接至所述输入连接器以接收所述第一光的内部光纤。所述光纤均匀器装置还可以包括机械地联接至所述内部光纤的振动光纤机构。在所述光纤均匀器装置中，可以通过所述振动光纤机构使得所述第一光在所述内部光纤内均匀以产生第二光，所述光纤均匀器装置输出所述第二光。所述光纤均匀器装置可以进一步包括用于连接至第二光纤的输出光学连接器，所述输出光学连接器接收来自所述内部光纤的所述第二光。在所述光纤均匀器装置中，所述第二光纤可以终止于第三光纤，所述第三光纤将所述第二光投射到所述患者上。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述手术可以是眼科手术，并且所述第三光纤可以将所述第二光投射到所述患者的眼睛中。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述相干光源可以是单色激光器。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述相干光源可以是多个单色激光器，所述多个单色激光器组合以产生所述第一光。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以包括压电致动器，所述压电致动器机械地联接至所述内部光纤。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以包括电磁致动器，所述电磁致动器机械地联接至所述内部光纤。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以包括机电致动器，所述机电致动器机械地联接至所述内部光纤。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以使所述内部光纤的至少一部分进行往复运动和圆形运动中的至少一种。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以使所述内部光纤的至少一部分进行随机运动。
在所述光纤均匀器装置的所披露的实施例的任一个中，所述振动光纤机构可以使得所述内部光纤以大于30Hz的频率进行往复运动。
附图说明
为了更加完整地理解本披露及其特征和优点，现在参考结合附图进行的以下说明，在附图中：
图1是使用手术显微镜和具有照明器组件的手术工具的眼科手术的实施例的绘图；
图2是光纤模式产生的不均匀光的图像；
图3是具有基于光纤的模式混合的手术照明系统的实施例的绘图；
图4是光纤均匀器的实施例的绘图；并且
图5是用于手术激光照明的方法的选定要素的流程图。
具体实施方式
在以下说明中，通过举例的方式阐述了细节以便于讨论所披露的主题。然而，本领域普通技术人员应了解的是，所披露的实施例是示例性的而不是所有可能的实施例的穷举。
如本文所使用的，连字符形式的附图标记是指元件的具体实例，而无连字符形式的附图标记是指统称元件。因此，例如，装置‘12-1’是指装置类别的实例，所述装置类别可以统称为装置‘12’，并且所述装置类别中的任一个装置可以概括性地称为装置‘12’。
如上所述，因为在光纤的非常小的物理尺寸内提供高光强度，所以手术照明期望使用光纤和相干光源。虽然此类手术照明源可以在各种医疗和手术应用中使用，但是一个示例性应用是用于眼睛手术，例如玻璃体视网膜手术。
对于玻璃体视网膜手术，例如，照明源典型地实现为具有照明器组件的手术工具，所述照明器组件穿透巩膜并且可以与其他手术工具结合。在照明器组件的远端处，可以使用直径非常小的光纤将光投射到眼底中以便为在眼睛内进行的手术程序照明。例如具有大约25-100μm的光纤芯的直径非常小的光纤通常联接到近端联接至相干光源(诸如激光源)的光纤上。虽然可以使用各种类型的光纤，但是可以使用多模光纤将相干光传输到眼睛中以进行照明。
但是，当相干光传输穿过多模光纤时，光纤内的相干光的不同光子群(称为“模式”)可能经过略微不同的路径长度。由于光纤内的不同模式经历的路径长度不同，所述模式在传播期间在光纤内可能相互相长和相消干涉。当不同的模式从光纤芯离开光纤时，出射光提供的照明场可能由于模间干涉而看起来不均匀。模间干涉可能对温度、光纤应变、光纤运动高度敏感并且通常人眼可能非常容易察觉，因为代替均匀照明场投射均匀背景光，不均匀照明场投射不期望的动态图案。因为不均匀照明场表现为不同区域具有不同颜色的光(可能是动态的)，因此不均匀照明场可能不适于手术照明。
例如，在玻璃体视网膜手术中，非常期望清晰且明确地查看眼睛中各种精细的生物结构，以使得外科医生能够安全有效地操作，这是不均匀照明场所不能提供的。特别地，在一些实现方式中，用单色激光源或单色激光源的组合观察到不均匀照明场。单色激光源可以展现较少的模式并且因而，光纤内有较少程度的模式混合，使得能够将相干光均匀化成期望的均匀照明场。此外，随着设计和实现了各种手术工具，诸如内照明器或组合照明式手术工具，越来越期望使用光强度高的较小光纤直径。但是，随着光纤大小(即，直径)的减小，模间干涉问题变得越来越严重，这可能不利地限制了此类紧凑照明系统的使用。而且，在手术照明应用中，使用长度相对较短(诸如长度为大约2-3m)的光纤。因为产生更均匀的照明场的模式混合随着光纤长度而增大，因此在手术照明应用中使用的较短的光纤可能经历不充分的模式混合，从而导致不均匀照明场。而且，由玻璃芯组成的光纤可以展现出更少的模式以及更少的模式混合并且可能尤其是产生不均匀照明场。
如将进一步详细描述的，披露了用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术。本文披露的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术可以使用光纤传输相干光来为手术照明提供均匀照明场。本文披露的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术可以与相对较短并且直径相对较小的光纤一起使用。本文披露的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术可以与具有玻璃芯的光纤一起使用。本文披露的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术可以实现在用于手术照明的光源处。本文披露的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术可以实现为光学装置，所述光学装置可以联接至从相干光源提供手术照明的光纤。本文披露的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术可以用于在眼科手术(诸如玻璃体视网膜手术)期间照亮患者的眼睛。
在图1中展示了可以使用照明组件100的一种方式，其中，外科医生120正使用手术工具122对患者130的眼睛104进行眼科手术。在图1中，眼睛104已经使用窥器140暴露，并且接触透镜150在眼睛104上被保持就位并且在视觉上与手术显微镜102对准以便看见眼睛104的内部结构。外科医生120使用手术工具122对眼睛104的内部结构进行手术。
例如，当手术工具122是玻璃体切除术探针时，则外科医生120可以使用手术工具122来去除通常填充眼睛104内部的透明凝胶状玻璃体，小心地基本上仅去除玻璃体，同时避免与对任何机械作用非常敏感的附近眼睛结构(比如视网膜)相互作用。照明组件100提供的均匀照明场有利于外科医生清晰地查看眼底的能力。应注意，手术工具122可以是各种手持式手术工具中的任一种。在一些实施例中，照明组件100可以集成在手术工具122内以提供照明，而不必使用辅助照明工具。
在图1的插图中，示出了手术期间的眼睛104的附加细节。可以看到用于使插管穿透巩膜的两个巩膜端口108，一个巩膜端口用于手术工具122并且一个巩膜端口用于照明器组件100。如图所示，照明器组件100可以包括用于手术激光照明的基于光纤的模式混合的装置，如以下进一步详细描述的。因此，照明器组件100可以用于使用光纤将相干光投射到眼睛104中，所述光纤用于传输光以将均匀照明场(图1中不可见)投射到眼底中。
在不脱离本披露的范围的情况下，可以对照明器组件100进行修改、添加或省略。如本文中所描述的，手术照明器组件100的部件和元件可以根据具体应用进行集成或分离。在一些实施例中，可以使用更多、更少或不同部件来实现照明器组件100。
图2展示了光纤模式产生的不均匀光的图像200。图像200描绘了来自光纤的投射到屏幕上的相干光，所述屏幕相对于页面倾斜定向。在图像200中，描绘的屏幕在不均匀照明场的上方和下方具有用黑墨写的没有关联的标注。图像200中的不均匀照明场是由光纤内的模式混合不充分导致的。图像200中的不均匀照明场可以展现出最高达大约500％的强度变化，所述变化在许多应用和使用场景中可能是动态的，如之前解释的，对于手术照明而言这是不期望的。图像200中的不均匀照明场可以通过应用本文披露的用于模式混合的技术立即转变成均匀照明场，诸如基本上均匀强度的照明场(未示出)。
现在参考图3，示出了手术照明系统300的实施例的绘图。如图3所示，手术照明系统300可以在图1示出的眼睛104上的眼科手术中使用。图3是示意图并且并未按比例或视角绘制。在图3中，示出了眼睛104的截面视图，使得能够看到上文关于图1描述的各种元件。具体地，接触透镜120被示出为提供眼睛104的眼底的相对广角视图，而两个巩膜端口108穿透眼睛104的巩膜。手术工具122被示出为穿透一个巩膜端口108，而照明组件穿透另一个巩膜端口108。
如图3所示，照明器组件100将均匀照明场310投射到眼睛104中。具体地，照明器组件100在远侧终止于光纤部分308，所述光纤部分可以外露以将光透射到眼睛中。光纤部分308联接至外部光纤304。在一些实施例中，光纤部分308可以是外部光纤304本身的远侧部分。光纤304被示出为具有第一段光纤304-1以及第二段光纤304-2，所述第一段光纤从手术控制台312延伸到光纤均匀器302，所述第二段光纤从光纤均匀器302延伸到光纤308。而且，第二段光纤304-2被示出为穿过手机306，所述手机可以包括围绕光纤304-2的护套或管以使得能够在巩膜端口108插入插管。
在图3中，光纤均匀器302可以应用本文披露的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术。具体地，光纤均匀器302可以将机械移动或振动施加至光纤(图3中不可见)以便进行模式混合并且使得由光纤304-2传输的第二光均匀。以这种方式，光纤均匀器302在手术期间在眼睛104中提供均匀照明场310。光纤均匀器302可以包括用于分别连接至光纤304-1和304-2的光学连接器。在一些实施例中，光纤均匀器302可以实现在手术控制台312内或与其成一体，所述手术控制台还可以包括相干光源(不可见)以产生均匀照明场310。手术控制台312可以提供各种其他设备和功能，诸如用于手术工具122的驱动设备、以及用于数据操作和图像处理的用户界面。光纤均匀器302的进一步内部细节在下文结合图4进行了描述。
现在参考图4，描绘了光纤均匀器302的进一步细节。图4是示意图并且并未按比例或视角绘制。在图4中，示意性地示出了被包括在光纤均匀器302内的元件。应理解的是，光纤均匀器302可以实现为光学装置，所述光学装置例如具有外壳(未示出)以容纳图4展示的部件。
具体地，光纤均匀器302被示出为具有用于连接至光纤304-1的输入光学连接器402、并且具有用于连接至光纤304-2的输出光学连接器406。在各种实施例中，输入光学连接器402和输出光学连接器406可以是与附接至光纤304-1和304-2的对应连接器配合的可拆连接器(未示出)。在一些实施例中，输入光学连接器402和输出光学连接器406可以是固定连接器。如图所示，输入光学连接器402、输出光学连接器406、以及光纤模式混合器装置404位于固定表面436上，所述固定表面可以表示可以包封光纤均匀器302的壳体(未示出)的底座。输入光学连接器402可以接收第一光400-1，所述第一光在从相干光源(未示出)发射之后可以在光纤304-1中经历不充分的模式混合。相干光源可以是单色激光器或多个单色激光器的组合，所述单色激光器组合以产生第一光400-1。因此，第一光400-1可以包括不同频率(即，颜色)的光。
图4中还与光纤均匀器302一起示出的是内部光纤408，所述内部光纤通过附接件438联接至光纤模式混合器装置404。内部光纤408的长度可以变化并且可以根据光纤均匀器302的期望物理尺寸进行调节。附接件438可以表示联接至内部光纤408的任何类型的机械附接件或固定件或构件。例如，附接件438可以包括夹具以在外部附接到内部光纤408的一部分上。光纤模式混合器装置404可以包括振动光纤机构，所述振动光纤机构由用于使附接件438移动或振动的机械部件组成，光纤模式混合器装置404固定到所述附接件上。振动光纤机构可以包括用于产生附接件438的运动、并且由此使内部光纤408运动的各种机械致动器中的任一种，所述内部光纤不以其他方式连接到固定表面436上。被包括在光纤模式混合器装置404中的机械部件或致动器的实例可以包含：旋转马达、线性马达、压电致动器、气动致动器、液压致动器、电磁致动器、机电致动器、及其各种不同组合。振动光纤机构可以实现振动、旋转、平移或其组合。因此，振动光纤机构可以使内部光纤408的至少一部分进行往复运动和圆形运动中的至少一种。在一些实施例中，振动光纤机构可以使内部光纤408进行随机运动。电磁致动器可以包括具有受电子控制的磁体或磁体线圈(电磁体)的各种致动器。机电致动器可以包括电子和机械系统或部件的各种组合，诸如一体式机器人驱动器。
因为光纤模式混合器装置404在外部联接至内部光纤408，所以使内部光纤408进行高精度运动可能是多余的，并且较低精度可以适用于使得第二光400-2均匀的期望的模式混合效果，所述第二光离开内部光纤408经由输出光学连接器406到达光纤304-2。在不同实施例中，光纤模式混合器装置404可以以一定频率(诸如以大约30Hz或更高的频率)往复、旋转或振荡以产生人眼看不见的运动。以这种方式，光纤模式混合器装置404可以在内部光纤408内引起模式混合以产生人眼看来是一致的均匀照明场310。
图4中还与光纤均匀器302一起示出的是电源410，所述电源可以为被包括在光纤模式混合器装置404中的机械部件提供电力。在一些实施例中，电源410可以表示光纤均匀器302的内部电源(诸如电池)以使得能够实现远程操作。在其他实施例中，电源410可以表示外部电源，诸如用于外电源供应器(未示出)的线路功率或直流电的连接器。
现在参考图5，以流程图的形式描绘了本文中所描述的用于手术激光照明的基于光纤的模式混合技术的方法500的选定要素的流程图。应注意，方法500中描述的某些操作可以是可选的、或者可以在不同的实施例中重新布置。方法500可以使用本文中所描述的照明组件100和光纤均匀器302来执行。
方法500可以开始于步骤502：将来自相干光源的第一光投射到第一光纤中，相干光源用于在手术期间照亮患者。在步骤504，将第一光从第一光纤传输到光纤模式混合器装置，其中，光纤模式混合器装置包括接收第一光的内部光纤以及联接至内部光纤的振动光纤机构，并且其中，通过振动光纤机构使得第一光在内部光纤内均匀以产生第二光，光纤模式混合器装置输出所述第二光。在步骤506，将第二光从光纤模式混合器装置传输到第二光纤，其中，第二光纤终止于第三光纤，所述第三光纤将第二光投射到患者上。
如本文披露的，基于光纤的模式混合技术可以用于使得用于手术照明的光纤中的不同模式均匀。振动光纤机构可以使光纤的一部分进行机械运动以从相干光源产生均匀照明场。
以上披露的主题应认为是说明性而非限制性的，并且所附权利要求旨在覆盖所有此类修改、增强、以及落入本披露的真实精神和范围内的其他实施例。因此，在法律允许的最大程度上，本披露的范围将由对以下权利要求及其等效物的最宽允许解释来确定并且不应受限于或局限于上述详细说明。

Claims (15)

1.一种用于手术照明的方法，所述方法包括：
将来自相干光源的第一光投射到第一光纤中，所述相干光源用于在手术期间照亮患者；
将所述第一光从所述第一光纤传输到光纤模式混合器装置，其中，所述光纤模式混合器装置包括接收所述第一光的内部光纤以及联接至所述内部光纤的振动光纤机构，其中，通过所述振动光纤机构使得所述第一光在所述内部光纤内均匀以产生第二光，所述光纤模式混合器装置输出所述第二光；并且
将所述第二光从所述光纤模式混合器装置传输到第二光纤，其中，所述第二光纤终止于第三光纤，所述第三光纤将所述第二光投射到所述患者上；
其中，所述振动光纤机构使所述内部光纤的至少一部分进行以下中的至少一种：频率大于30Hz的往复运动、圆形运动和随机运动。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述手术是眼科手术，并且所述第三光纤将所述第二光投射到所述患者的眼睛中。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述相干光源是单色激光器。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述相干光源是多个单色激光器，所述多个单色激光器组合以产生所述第一光。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述振动光纤机构包括压电致动器，所述压电致动器机械地联接至所述内部光纤。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述振动光纤机构包括电磁致动器，所述电磁致动器机械地联接至所述内部光纤。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述振动光纤机构包括机电致动器，所述机电致动器机械地联接至所述内部光纤。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述光纤模式混合器装置进一步包括：
用于连接至所述第一光纤的输入光学连接器；
用于连接至所述第二光纤的输出光学连接器；以及
为所述振动光纤机构供电的电源。
9.一种用于手术照明的光纤均匀器装置，所述光纤均匀器装置包括：
用于连接至第一光纤的输入光学连接器，所述第一光纤传输来自相干光源的第一光，所述相干光源用于在手术期间照亮患者；
联接至所述输入连接器以接收所述第一光的内部光纤；
机械地联接至所述内部光纤的振动光纤机构，其中，通过所述振动光纤机构使得所述第一光在所述内部光纤内均匀以产生第二光，所述光纤均匀器装置输出所述第二光；以及
用于连接至第二光纤的输出光学连接器，所述输出光学连接器接收来自所述内部光纤的所述第二光，其中，所述第二光纤终止于第三光纤，所述第三光纤将所述第二光投射到所述患者上；
其中，所述振动光纤机构使所述内部光纤的至少一部分进行以下中的至少一种：频率大于30Hz的往复运动、圆形运动和随机运动。
10.如权利要求9所述的光纤均匀器装置，其中，所述手术是眼科手术，并且所述第三光纤将所述第二光投射到所述患者的眼睛中。
11.如权利要求9所述的光纤均匀器装置，其中，所述相干光源是单色激光器。
12.如权利要求9所述的光纤均匀器装置，其中，所述相干光源是多个单色激光器，所述多个单色激光器组合以产生所述第一光。
13.如权利要求9所述的光纤均匀器装置，其中，所述振动光纤机构包括压电致动器，所述压电致动器机械地联接至所述内部光纤。
14.如权利要求9所述的光纤均匀器装置，其中，所述振动光纤机构包括电磁致动器，所述电磁致动器机械地联接至所述内部光纤。
15.如权利要求9所述的光纤均匀器装置，其中，所述振动光纤机构包括机电致动器，所述机电致动器机械地联接至所述内部光纤。
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