CN110339489A - 一种新型的血管光纤导丝 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型的血管光纤导丝。它包括金属轴丝和环绕所述金属轴丝的光纤;所述光纤包括芯丝和包裹所述芯丝的包层。上述的血管光纤导丝中,在所述的光纤导丝进行光传导的部分,所述光纤环绕所述金属轴丝的弯曲半径大于临界弯曲半径;在所述的光纤导丝进行光散射出来的区域,所述光纤环绕所述金属轴丝的弯曲半径小于临界弯曲半径。本发明能够通过经皮穿刺技术进入血管,在血管中通过医学影像设备引导,并在头部进行侧面发光的光纤导丝。

Description

一种新型的血管光纤导丝
技术领域
本发明属于医疗和光学领域,其涉及一种新型的血管光纤导丝,尤其涉及一种侧面发光的血管光纤导丝。
背景技术
目前,Seldinger动脉插管技术已经非常成熟。该技术在临床影像医学(X-ray、CT、MR、B-us等)引导下,通过经皮穿刺血管途径或人体原有孔道,将特制的导管、导丝等细微器械插至病变部位进行诊断性造影和治疗。该技术采用金属导丝经皮穿刺血管途径进入血管抵达病变部位,该方法操作简单、损伤小、无需缝合血管,完全替代了以往手术切开暴露血管的方法,成为现代介入放射学的基本操作技术,在肿瘤的供血栓塞与药物灌注、动脉内照射、放射性损伤的预防、化疗、术前栓塞肿瘤血管、血管作用性药物及酒精等灌注取得了较好的效果。但是,由于受限于治疗方式的局限性,基本上以栓塞造成组织缺血缺氧坏死或灌注药物抑止细胞生长或释放植入医疗器械改变器官组织形态为主,无法将光引入血管及体内或引出血管及体外。
肿瘤光动力疗法与手术、化疗、放疗等常规治疗手段相比,具有创伤小、毒性低微、靶向性好、适用性好的诸多优点,但是光照方式局限于体表或较粗的孔道,由于受到激光发射机制和光敏剂药物性能的限制,其光动力仅有几毫米作用范围,大大限制了其在医学领域的应用。
光纤在医疗领域用于将光从光源引导至病灶部位,广泛应用于光动力治疗、外科手术止血和肿瘤激光热疗。由于光纤端面一般仅有几微米至百微米量级,出射的激光对组织的照射面积很小,需要一种匀光装置将激光均匀分布在病灶部位。一般来说,对匀光装置的要求为沿侧面出光,均匀发光长度为5mm-50mm左右,并且要足够细以利于在穿刺针、内窥镜等装置中使用。
目前已有多种散射型侧面发光匀光装置,通过光芯丝中的散射体(例如粉末、小球、光栅等)将光散射出光纤侧面。例如美国专利U.S.Pat Nos.5196005和5330465在光纤尾部的二氧化硅芯层中埋入了散射体粉末,并且散射体粉末的浓度随着长度增加而增加。U.S.PatNos.5269777中的散射体粉末选择在光纤的外包层中掺入,而不是掺杂在光芯丝层中。U.S.PatNo.4986628采用了聚合物中掺入散射体的办法。美国专利U.S.PatNos.6398778B1采用了在光纤中制作光纤光栅对光进行散射,光纤光栅是type II型布拉格光栅,通过光栅引起折射率调制将光沿光纤侧向散出。U.S.Pat No.5207669提出了将多模光纤的外包层沿光纤长度方向逐渐减薄的方式构成。由于外包层的减薄,光芯丝中传输的部分光通过疏逝波的方式向侧面耦合发出,剩下的继续在芯层中传输并持续耦合出光纤。
以上种种构成匀束器的办法具有一些不足点,包括制作特殊掺杂浓度的散射体和渐变规格的光纤光栅需要较高的加工工艺,不可避免的造成造价的上升;部分散射体结构在光强较强的时候容易产生热吸收导致的破损,从而破坏匀光器功能;这些散射体的直径一般较大,不能够进行人体血管之中并通过导管进行引导。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的血管光纤导丝,本发明能够通过经皮穿刺技术进入血管,在血管中通过医学影像设备引导,并在头部进行侧面发光的光纤导丝。
本发明提供的一种侧面发光的血管光纤导丝,该光纤导丝包括光传导部和发光部;二者相互连接。
所述发光部包括金属轴丝和环绕所述金属轴丝的光纤;所述光纤包括芯丝和包裹所述芯丝的包层。
上述的血管光纤导丝中,所述发光部的位置可为光纤导丝中,距离顶端50mm处。
在所述发光部中,若所述光纤环绕所述金属轴丝的弯曲半径小于临界弯曲半径时,包层便不能够约束芯丝中传输的光,导致光从侧壁穿过包层泄露出来;若所述光纤环绕所述金属轴丝的弯曲半径大于临界弯曲半径时,光在芯丝中传输,无法穿过包层从侧壁泄露出来。
本发明中,具体地一个例子中所述的光纤导丝的光传导部长度为1.6m,距离顶端50mm处是侧面发光结构,即发光部。
本发明中,所述光纤是一种通过芯丝和包层的折射率对比对传输于芯丝中的光进行约束的光传导器件;
所述光纤的弯曲半径中包含所述临界弯曲半径Rc的值,所述临界弯曲半径Rc为包层恰好能够约束芯丝中传输的光,导致光不从侧壁泄露出来的最小半径。具体地,在所述光纤导丝的光传导部,所述光纤的旋转螺距较大,使其弯曲半径远远大于Rc,光被约束于所述包层中传输;而在需要将光散射出来的区域,例如光纤导丝的头部(即所述发光部),将所述光纤环绕的螺距减小,减小光纤的弯曲半径,使其小于Rc,光从所述包层中泄漏并从外部侧面散发到空间中。光纤环绕金属轴丝的螺距是一个可变量,当这个可变量随轴丝径向的改变具有合适数值时,从侧面散射光的强度保持不变,达到侧面均匀发光的效果。
上述的血管光纤导丝中,所述光纤由于环绕所述金属轴丝的弯曲造成传输功率的弯曲损耗为光从弯曲侧面出射的光功率;
单模光纤的弯曲损耗与所述光纤的弯曲半径的关系,按照如下式I计算:
αc=AcR-1/2exp(-UR) 式I
其中,
式I、式I-1、式I-2中,αc表示单模光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB;R表示光纤的弯曲半径,单位为mm;Ac表示与光纤结构有关的参数,单位为a表示光纤的芯丝半径,单位为μm;λc表示光纤传输的截止波长,单位为nm;Δn表示芯丝-包层的折射率差;
式I-1中,k0为真空波数,λ表示光纤的传输波长;n2分别表示光纤的芯丝、包层的折射率;Vc表示截止频率,Vc=2.40483。
上述的血管光纤导丝中,所述光纤的弯曲半径和所述光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角有关,按照如下式II计算:
式II中,R表示所述光纤的弯曲半径,θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角,r表示所述光纤的螺旋线旋绕半径;
所述光纤环绕的纵向长度和所述光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角关系,按照如下式III计算:
式III中,z表示光纤沿金属轴的纵向长度,θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角;αc表示单模光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB;s1表示初始功率,s0表示功率衰减的速率。
上述的血管光纤导丝中,根据式III计算得到的θ(z),带入如下式IV计算所述光纤侧面出射的光功率;
P(z)表示光纤侧面出射的光功率,即出射的光功率与光纤沿金属轴的纵向长度的分布;z表示光纤沿金属轴的纵向长度;θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角;αc表示单模光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB。
上述的血管光纤导丝中,所述光纤的螺距设定距离,根据式II或式III计算得到的螺旋线与圆柱体侧边线的夹角,带入式V计算得到;
h=2πr·cot(θ) 式V
式V中,h表示所述光纤的螺距,r表示所述光纤的螺旋线旋绕半径;θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角。
上述的血管光纤导丝中,所述金属轴丝的直径可为50μm~1mm;
为了增加所述光纤缠绕的牢固程度,所述金属轴丝上设置螺旋形凹槽,将所述光纤嵌入所述螺旋形凹槽中;
上述的血管光纤导丝中,为了增加所述金属轴丝的柔韧性,所述金属轴丝上设置孔状结构,降低所述金属轴丝的硬度;
所述的光纤导丝外层还包裹一层聚合物材料套管,增加整体结构的稳定性和安全性。
本发明中,所述聚合物材料套管采用的聚合物材料选自聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、脂肪族聚酯、甲壳素和聚乳酸中的至少一种。
上述的血管光纤导丝中,所述金属轴丝于设置螺旋形凹槽相对的侧面上设置纵向结构螺旋凹槽,以降低所述金属轴丝的硬度;
在所述聚合物材料套管外设置具有亲水和/或疏水涂层,减小血管光纤导丝在血液中的阻力,提高其生物相容性。
上述的血管光纤导丝中,所述光纤的材料选自石英光纤、聚合物光纤和玻璃光纤中的至少一种;
所述金属轴丝材料选自不锈钢、铝合金、钛合金、镍钛合金、碳纤维和聚合物材料中的至少一种。
本发明中,所述金属轴丝材料采用的聚合物材料选自聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、脂肪族聚酯、甲壳素和聚乳酸中的至少一种。
本发明中,所述光传导部的一端和发光部连接,另一端连接有能够与激光器或其它光纤连接的插头,该插头优选为记忆合金插头。
本发明具有以下优点:
1、本发明光纤环绕金属轴丝的螺距是一个可变量,当这个可变量随轴丝径向z的改变设置合适数值时,从侧面散射光的强度保持不变,达到侧面均匀发光的效果。
2、在光纤导丝的主体光传导部分,不需要将光从包层中泄漏出来,将螺距设定为远大于临界弯曲半径Rc的值;而在光纤导丝的顶部,比如距离顶端50mm处,将螺距设定为逐渐减小,变化的数值按照如图4所示的关系,顶端将沿侧壁出射恒定强度的散射光。
3、螺旋形凹槽的设置能增加光纤缠绕的牢固程度。
4、孔状结构的设置能增加轴丝的柔韧性。
5、纵向结构螺旋凹槽降低轴丝的硬度。
6、聚合物材料套管,增加整体结构的稳定性和安全性,在聚合物套管外设置的亲水/疏水涂层,能减小血管光纤导丝在血液中的阻力,提高其生物相容性。
7、本发明血管光纤导丝通过记忆合金插头与激光器或其他设备相连,从而可将血管光纤导丝延长能够实现体内治疗,或者与激光器等连接从而将激光引入血管光纤导丝中实现治疗,采用记忆合金插头与其它插孔套件连接时,插入和拔出操作方便,在插入后还可进行光纤旋转操作而不影响耦合效率。
附图说明
图1为侧面发光的血管光纤导丝结构示意图。
图2为螺旋线按照圆柱体侧面的展开。
图3为光纤弯曲损耗αc与θ的关系。
图4为θ与z的关系。
图5为功率在光纤中随z的衰减。
图6为恒定螺距和变化螺距的光纤导丝。
图7a为轴丝的结构示意图。
图7b为轴丝的另一个结构示意图。
图8为光纤导丝的横截面示意图。
图9为本发明带有记忆合金插头的血管光纤导丝的结构示意图。
图10为图9中血管光纤导丝的结构示意图。
图11为图9中记忆合金插头的结构示意图。
图12为图9中记忆合金插头剖面图。
图13为插孔套件的结构示意图。
图14为记忆合金插头插入插孔套件插入时的剖面图。
图15为记忆合金插头插入插孔套件完成后的剖面图。
图1-15中的附图标记如下:
1、光纤;2、金属轴丝;3、光散射点;4、螺距;5、螺旋形凹槽;6、孔;7、结构螺旋凹槽;8、聚合物和/或疏水涂层;9、弹性形变螺旋结构;10、主体;11、弹性销;12、空腔;13、滚环;14、连接光纤;16、开孔。20、发光部;21、光传导部;22、记忆合金插头;23、光纤芯丝;24、光纤包层;25、金属管;26、聚合物涂层;27、手柄;28、固定凹槽;29、套管;30、螺旋管;110、连接部;111、弹性部;112、固定部;210、传导部光纤。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1
如图1所示,为本发明的基本原理结构图。本发明侧面发光的血管光纤导丝,其包括用于输送激光的光传导部,所述光传导部的一端(即进入人体内部的一端)连接有能够将光发射出来的发光部;二者连接的方式很多,如焊接、一体成型、可拆装连接等等均可,现有技术中的常用连接方式均可,且光传导部中的光纤和发光部的光纤是对合在一起的以使光能全部传输至发光部的光纤中,光纤优选一体成型,光传导效率高,具体可根据实际情况而定。
发光部包括金属轴丝2和环绕所述金属轴丝的光纤1。光纤1包括芯丝和包裹芯丝的包层,包层的光传导率小于芯丝,则正常情况下,光只能从芯丝中传导,而无法穿过包层散射出去,这是一种通过芯丝和包层的折射率(如芯丝折射率1.5,包层折射率1.3)对比对传输于芯丝中的光进行约束的光传导器件。
在所述发光部中,若所述光纤1环绕所述金属轴丝的弯曲半径小于临界弯曲半径时,包层便不能够约束芯丝中传输的光,导致光从侧壁穿过包层泄露出来,即为侧面发光;若所述光纤环绕所述金属轴丝的弯曲半径大于临界弯曲半径时,光在芯丝中传输,无法穿过包层从侧壁泄露出来。在实际应用中,发光部中的光纤在金属轴丝外围螺旋缠绕时,其不同地方的弯曲半径可以不同,如,只在需要侧出光的地方使其弯曲半径小于临界弯曲半径,其它不需要侧出光的地方,其弯曲半径均大于临界弯曲半径。当然,也可以根据需要,使得在光纤的多处地方均可出光,甚至是光纤的每个地方均可出光。
光传导部的长度可为0.1~2m,如1.6m,发光部的长度可为10-100mm,如50mm,具体根据实际需要而定。
在本实施例中,光纤的弯曲半径R中包含所述临界弯曲半径Rc的值,临界弯曲半径Rc为包层恰好能够约束芯丝中传输的光,导致光不从侧壁泄露出来的最小半径。具体地,在发光部中,将所述光纤环绕的螺距减小,减小光纤的弯曲半径R,使其小于Rc,光从所述包层中泄漏并从外部侧面散发到空间中。光纤环绕金属轴丝的螺距是一个可变量,当这个可变量随轴丝径向的改变具有合适数值时,从侧面散射光的强度保持不变,达到侧面均匀发光的效果。
在本实施例中,光纤弯曲处的弯曲损耗为光从弯曲侧面出射的光功率,弯曲损耗与所述光纤的弯曲半径的关系参见发明内容中的公式Ⅰ;
光纤的弯曲半径和光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角有关,按照公式Ⅱ计算;
光纤环绕的纵向长度和光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角关系,按照公式Ⅲ计算:
光纤侧面出射的光功率按照公式Ⅳ计算;
式Ⅰ~Ⅳ参见发明内容中的具体公式。通过这些公式,能够通过不同的参数计算具体的出光(如光功率、弯曲耗损等)、弯曲半径等等,具体根据所需要了解或计算的参数来选择对应的公式便可,方便快捷。
另外,在本实施例中,可设置为只在发光部的一侧出光,即光纤1在出光的这一侧时,其弯曲半径小于临界弯曲半径,则每个螺旋圈中,出光的地方连接在一起形成了一个与光纤导丝的轴线z平行的直线,相当于出光是沿着光纤导丝的轴线z分布。参见图1,出光的地方均在每个螺旋圈的顶部,即光散射点3指示的位置。在实际应用中,通常设置为只在光纤导丝的一侧或两侧沿着轴线z出光。
在本实施例中,光纤导丝的光传导部的结构包括但不限于1)-5)中的任一种:1)与发光部的结构一样,即包括传导部金属轴丝和环绕传导部金属轴丝的传导部光纤,传导部光纤同样包括传导部光纤芯丝和包裹在光纤芯丝外围的光纤包层,但传导部光纤的弯曲半径都大于临界弯曲半径,使得光只能被约束在光纤芯丝中传输,而无法散射出光纤包层外,因为光传导部的主要作用是传导光。2)仅包括传导部光纤,该传导部光纤包括光纤芯丝和包裹在光纤芯丝外围的光纤包层,光只能在光纤芯丝中传输,并从端头散射出光,不能侧面发光。3)包括传导部光纤及包裹在传导部光纤外的聚合物层或金属层。4)包括传导部光纤及螺旋缠绕在传导部光纤外的金属丝,当然,金属丝外还可涂覆聚合物层等。5)可与本申请人在先申请的其它专利技术中涉及到的任意一种光纤结构类似。为了与发光部中的光纤、芯丝、包层等名词区别开来,在本段关于光传导部的结构中,采用了传导部光纤、光纤芯丝、光纤包层等词来限定光传导部中的光纤结构,以免混淆。
实施例2
在实施例1的基础上,当光纤1弯曲时,如果弯曲处的弯曲半径小于一定值Rc(临界弯曲半径,包层恰好能够约束芯丝中传输的光,导致光不从侧壁泄露出来的最小半径),包层将不能够约束芯丝中传输的光,导致光从侧壁泄露出来。本发明利用此原理构成光纤环绕金属轴丝的结构,则在光纤导丝进行光传导的部分,既不需要侧面出光的部分,光纤的旋转螺距较大,使其弯曲半径远远大于Rc,光无法从包层中射出,而被约束于包层中传输;而在需要将光散射出来的区域,例如光纤导丝的头部,将光纤环绕的螺距减小,减小光纤的弯曲半径,使其小于Rc,光从包层中泄漏并从外部侧面散发到空间中。光纤环绕金属轴丝的螺距是一个可变量,当这个可变量随轴丝径向z(参见图2)的改变具有合适数值时,从侧面散射光的强度保持不变,达到侧面均匀发光的效果。
光纤由于弯曲造成光从包层中逸出,逸出光减小了芯丝中传输的光功率,造成传输功率的弯曲损耗。
根据单模光纤的弯曲损耗计算公式(1),每单位长度的损耗为:
αc=AcR-1/2exp(-UR) (1)
其中,
a和Δn分别是芯丝半径和芯丝-包层的折射率差,u、W和V分别为径向归一化相位常数、径向归一化衰减常数、归一化频率。其表达式分别为:
V=ak0(n1-n2)1/2≈ak0(2n2Δn)1/2
其中k0为真空波数:βz是z方向的传播常数。
根据光纤的传输方程,可以得到光纤传输的一些特征参数:
截止频率Vc=2.40483
截止波长:
将V和W采用上述特征参数表示为:
从而得到U的近似表达式:
其单位为m-1
另外,可以简化为
其单位为
这样就获得了单模光纤的弯曲损耗公式与弯曲半径R的关系。
假设光纤的长度为L,由于弯曲损耗,出射功率与入射功率的关系为:
这里将以10为底的对数log变换为自然对数ln。其中P(0)为入射光功率,P(L)为出射光功率。于是有:
当αc由于螺距改变而随着长度L变化时,上式的微分形式为:
另外,由于螺距的变化,光纤环绕长度L与纵向长度z不再是线性关系。我们的最终目的是使得沿z发光尽量均匀,而不是沿光纤环绕长度L发光均匀,因此需要对L和z的关系进行变换。
如图2a所示,螺旋线旋绕半径为r的圆柱体进行螺旋,螺距为h。如果将此圆柱体的侧面展开为平面,如图2b所示,螺旋线与圆柱体侧边线的夹角为θ。当此θ角变化时,螺旋线的螺距变化,并且曲率半径R也发生变化。
螺旋线的曲率半径与螺距h和环绕半径r的关系为:
由于h=2πr·cot(θ),因此
这样,光纤的曲率半径R,或者说αc仅与变量角度θ有关,并且L与z有如下关系:
dl=cos(θ)dz
于是有:
这里将L和θ都最终表示为z的函数。
最终实现的光纤中功率变化的效果为:
功率随着z的增加而以恒定速率线性衰减,衰减的光从光纤侧面出射,出射的光功率与沿长度z的分布为一个恒定的比率。
将上式进行积分,得到:
P(z)=-s0·z+s1
上式的物理意义为:在z=0时,初始功率为s1,功率衰减的速率为s0。将(4)式的微分公式变化一下形式:
dP(z)=-s0dz
并对照(3)式,得到如下等式:
再将P(z)的表达式带入上式,获得:
上式是θ(z)函数关于变量z的隐函数的超越公式,通过数值解可获得θ(z)与z的关系。
具体的,以如下参数说明上述设计过程:
假设激光在光纤入射端功率为1W,即P(0)=1,在出射端出射功率为0W(全部散射出来),螺旋光纤的金属轴心长度为50mm(0.05m),P(z=0.05)=0,
可得到s0=20,s1=1。
单模光纤的芯丝半径4.5μm,包层直径125μm,折射率分别为n1=1.445593,n2=1.444687,光纤环绕圆柱形的半径为200μm,传输波长为652nm。
根据上述参数,如果将光纤螺旋的θ角由0变为8度,如图3所示,则损耗在4度附近出现急剧上升,利用这个损耗的巨大变化,将光线从芯丝中散射出来。
将上述参数带入(6)式中,通过数值算法(例如二分法或迭代法)求得每一个z对应的θ值,如图4所示。
按照图4所计算出来的数据设定光纤沿轴心旋转的角度θ,就可获得一个螺距变化的螺旋形光纤形状。
根据公式(5),获得功率的变化形式:
将上面计算得到的θ(z)关系带入上式,获得如图5所示功率与z的关系。
通过上述得出:
1、光纤由于环绕金属轴丝的弯曲造成传输功率的弯曲损耗为光从弯曲侧面出射的光功率;
单模光纤的弯曲损耗与光纤的弯曲半径的关系,按照如下式(1)计算:
αc=AcR-1/2exp(-UR) (1)
其中,
式(1)、式(1)-1、式(1)-2中,αc表示光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB;R表示光纤的弯曲半径,单位为mm;Ac表示与光纤结构有关的参数,单位为a表示光纤的芯丝半径,单位为μm;λc表示光纤传输的截止波长,单位为nm;Δn表示芯丝-包层的折射率差;
式(1)-1中,k0为真空波数,λ表示光纤的传输波长;n1、n2分别表示光纤的芯丝、包层的折射率;Vc表示截止频率,Vc=2.40483。
2、光纤的弯曲半径和光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角有关,按照如下式计算:
上式中,R表示光纤的弯曲半径,θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角,r表示光纤的螺旋线旋绕半径;
3、光纤环绕的纵向长度和光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角关系,按照如下式III计算:
式III中,z表示光纤沿金属轴的纵向长度,θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角;αc表示单模光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB;s1表示初始功率,s0表示功率衰减的速率。
4、根据式III计算得到的θ(z),带入如下式IV计算光纤侧面出射的光功率;
P(z)表示光纤侧面出射的光功率,即出射的光功率与光纤沿金属轴的纵向长度的分布;z表示光纤沿金属轴的纵向长度;θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角;αc表示单模光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB。
上述的血管光纤导丝中,光纤的螺距设定距离,根据式II或式III计算得到的螺旋线与圆柱体侧边线的夹角,带入式V计算得到;
h=2πr·cot(θ) 式V
式V中,h表示光纤的螺距,r表示光纤的螺旋线旋绕半径;θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角。
具体的一个例子中,光纤导丝的光传导部长度为1.6m,距离顶端50mm处(即发光部,公式中z的长度)是侧面发光结构开始,环绕半径r=200微米。根据上述公式,求出的螺旋线与圆柱体侧边线的夹角θ与z的关系为图4所示。如果需要知道h和R,根据h=2πr·cot(θ),和可进行计算。
图5是由于上述变螺距的螺旋光纤设计,使得光纤弯曲半径逐步变小,光从包层中出射导致的光纤1中的功率衰减,这说明光沿着z的出射速率是恒定的。
进一步的,如图6所示,在光纤导丝的主体光传导部分,不需要将光从包层中泄漏出来,将螺距设定为远大于临界弯曲半径Rc的值;而在光纤导丝的顶部,比如距离顶端50mm处,将螺距设定为逐渐减小,变化的数值按照如图4所示的关系,顶端将沿侧壁出射恒定强度的散射光。
进一步,金属轴丝2的直径可为50μm-1mm粗细,为了增加光纤1缠绕的牢固程度,可在金属轴丝2上加工如图7所示的螺旋形凹槽5,将光纤1嵌入螺旋形凹槽5中。为了增加金属轴丝2的柔韧性,可以在金属轴丝2侧面加工如图7所示的孔状结构(具体如孔6),降低金属轴丝2的硬度。还可加工如图7所示的纵向结构螺旋凹槽7降低金属轴丝2的硬度。
进一步,光纤导丝外层可以包裹一层聚合物材料套管,增加整体结构的稳定性和安全性,在聚合物套管外还可以具有亲水和/或疏水涂层8,减小血管光纤导丝在血液中的阻力,提高其生物相容性。聚合物材料套管采用的聚合物材料选自聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、脂肪族聚酯、甲壳素和聚乳酸中的至少一种
本发明中的光纤1材料可以是石英光纤、聚合物光纤活或玻璃光纤。包层的材料也可为石英等,只要折射率低于光纤便可,使得光只能在光纤中传输而不会从包层射出。
本发明中的金属轴丝2材料可以是不锈钢、铝合金、钛合金或镍钛合金,还可以是碳纤维、聚合物材料等。采用的聚合物材料选自聚乙烯、聚氯乙烯、环氧树脂、脂肪族聚酯、甲壳素和聚乳酸中的至少一种。
实施例3
在实施例1或2的基础上,所述光传导部21的另一端(即位于体外的一端)连接记忆合金插头22。记忆金属插头22的设置使得血管光纤导丝可与其它光纤连接实现延长,或者使得血光光纤导丝方便与激光器连接实现激光引入光传导部21中。
如图9所示,为本发明带有记忆合金插头的血管光纤导丝的结构示意图。光传导部21的一端连接有发光部20,另一端连接记忆合金插头22,其整体形状可为圆柱形或类似圆柱形。
其中光传导部21的结构如图10所示,记忆合金插头12如图11所示。光传导部21包括传导部光纤210,传导部光纤210包括光纤芯丝23和光纤包层24。
记忆合金插头22由手柄27、固定凹槽28和套管29组成。手柄27是手持操作部分,固定凹槽28与手柄27连接段的半径较与套管29连接段的半径大,即固定凹槽28为由一端(即与手柄27连接的一端)至另一端(即与套管29连接的一端)外径依次减小的圆台型结构,其与手柄27连接的一端直径大,与套管29连接的一端直径小,固定凹槽28用于与外部插件配合起到锁定作用。套管29上设置弹性形变螺旋结构9,该弹性形变螺旋结构9可设置在套管29中间位置,即将套管29分割成两部分,两部分之间恰好设置有弹性形变螺旋结构9,弹性形变螺旋结构9为由多个螺旋圈构成的螺旋结构,其是通过螺旋切割记忆合金材料制得,记忆合金材料例如镍钛合金或铜锌合金,采用记忆合金使得其弹性形变更大,能重复使用的次数更多。
传导部光纤210贯穿记忆金属插头22,即记忆金属插头22包裹在传导部光纤210外围,如图12所示,优选传导部光纤210或光传导部21的外围和套管29之间具有一个很小的缝隙,当套管29受到压力伸缩时,套管29壳沿光纤导丝21或传导部光纤纵向滑动。
记忆合金插头22可插入插孔套件之中,插孔套件如图13所示,该插孔套件包括一个主体10;沿主体10轴向,主体10一端的内部轴心处设置连接光纤14,主体10的另一端为能够容纳记忆金属插头22的空腔12,以使记忆合金插头22伸入空腔内时,记忆合金插头22轴心处包裹的传导部光纤恰好与连接光纤14对合在一起,使得传导部光纤与连接光纤14接触或靠近,光可以从连接光纤14中传递到传导部光纤中,且传导效率高。主体10上套设一个弹性销11,当记忆合金插头22伸入至主体10的空腔12中时,弹性销11能够卡接在固定凹槽28上从而与记忆金属插头22固定。
参见图13-15,弹性销11包括能够与主体10连接的连接部110,连接部110的两端均对称连接有具有弹性的弹性部111,两个所述弹性部111的端头均向内设置有固定部112,固定部112与连接部110平行,两个所述弹性部111均为由后端(即与连接部连接的一端)至前端(即与固定部连接的一端)依次向内倾斜,形成了固定部一端的直径小、连接部110的一端直径大的弹性销11。所述主体10从连接部110穿入弹性销中,并从弹性销小直径端的两个固定部112之间穿出,且在弹性销内的所述主体10上套合有滚环13,滚环13可沿着主体10滚动或滑动,滚环13在主体10上移动使得弹性销11产生形变,以插入或释放记忆合金插头22。
如图13-15所示,所述主体10上设置两个相对的、贯穿所述空腔内外两侧的开孔16,两个所述开孔16分别对应两个所述固定部112设置,弹性销的自然状态下,即弹性销闭合时,两个固定部112分别位于主体10两侧的开孔16内,且滚环13位于弹性销内的大直径一端,滚环13的外径与弹性销11大直径一端的内径一致。由于弹性销11为一个平面锥形结构或平面的圆台型结构,其内径也为前端小后端大,因此,当滚环13向弹性销的小直径端(即向固定部112所在方向)移动时,滚环13外径会逐渐给弹性部111向外的力,从而使弹性部111打开,固定部112从开孔16出来,当滚环13向后端移动时,抵在弹性部111上的力消失,弹性部111回弹至原始位置,固定部112又回到开孔16中,即相当于弹性销11闭合。
优选地,所述固定部112的端面为与固定凹槽28相配合的斜面,即由前至后依次向内倾斜,形成前端直径大后端直径小的结构,则当记忆金属插头22中的套管29插入空腔12内时,两个固定部112的斜面(即端面)恰好位于固定凹槽28中,配合好,固定稳固。
如图14-15所示,主体10内部轴心具有连接光纤14,当记忆合金插头22插入插孔套件的空腔12中时,套管29经过开孔16处时,将开孔16处的固定部112顶起,而固定部112带动弹性部111弹起,即弹性销11在套管29的推动下张开,记忆合金插头22的套管29进入插孔12之中。当记忆合金插头22插入到充满插孔深度,在压力之下记忆合金插头22上的弹性形变螺旋结构9中的螺距收缩,固定凹槽28恰好位于开孔16处,固定部112恰好比卡接在固定凹槽28中,使得弹性销11卡住记忆金属插头22上的固定凹槽28,使光纤导丝内部的传导部光纤与插孔套件中的连接光纤14进行对接,实现耦合。固定部112的斜面为由前至后依次向内倾斜,其也有利于套管29顺利穿过开孔并将固定部112顶起。
如图15所示。而连接光纤14与激光器连接,使用时,光纤导丝中发光部的一端进入体内,一般是通过血管进入人体患处,如肝脏肿瘤组织处;然后激光器发出激光,通过连接光纤14传递给传导部光纤,再从传导部光纤传递给发光部的光纤,发光部的光纤将光发射至人体患处,实现治疗。当完成激光治疗工作后,关掉激光器,将滚环13向固定部112方向推动,迫使弹性销11张开,记忆合金插头22在弹性形变螺旋弹力的作用下从空腔12中弹出。在本实施例中,采用记忆合金插头相对于普通金属插头而言,其弹性形变更大,重复使用次数多,且精确性不变。而且弹性形变螺旋结构9中的螺旋和弹性销组成的配合结构,其弹性保证了光纤精密配合的力度,并且在多次使用情况下不会疲劳断裂。综合效果好。
优选地,记忆合金插头22中心设有金属管25,金属管25向光传导部方向延伸并包裹在传导部光纤外围,位于传导部光纤外围的金属管经过螺旋切割形成螺旋管30,能够对光纤导丝21进行保护和支撑。螺旋管30外具有聚合物涂层26,增加光传导部21在血液中的润滑度和生物相容性,降低阻力。
需要说明的是,金属管25可包裹在记忆金属插头内部所贯穿的整个传导部光纤(或光传导部21)外,此时,管套29便与金属管25之间设有一个小缝隙,以便在套管29受到压力伸缩时,套管29壳沿金属管25滑动。
在本实施例中,血管光纤导丝通过记忆合金插头与激光器或其他光纤、设备相连,记忆合金插头插入和拔出弹性销11操作方便,在插入后还可进行光纤旋转操作而不影响耦合效率。金属管经过螺旋切割形成螺旋管,对传导部光纤进行保护和支撑。
本发明中的“传导部光纤210”、“光纤1”、“连接光纤14”等,其名称叫法虽然不一样,但其截面结构等都一样,均包括传递光的纤芯和约束光的包层。
在本发明中,弯曲半径R与临界弯曲半径Rc均为现有技术中的概念,Rc属于或包含于R,Rc为R中的一个特殊的值。弯曲半径是曲率半径,通俗地说,是把曲线上一个极小的段用一段圆弧代替,这个圆的半径即为弯曲半径。本发明中的临界弯曲半径Rc可通俗的理解为:包层恰好能够约束芯丝中传输的光,导致光不从侧壁泄露出来的最小弯曲半径,只要小于这个半径,光就会泄露出来。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种侧面发光的光纤导丝,该光纤导丝包括光传导部,其特征在于:光传导部的一端和发光部连接;
所述发光部包括金属轴丝和环绕所述金属轴丝的光纤;所述光纤包括芯丝和包裹所述芯丝的包层。
2.根据权利要求1所述的血管光纤导丝,其特征在于:在所述发光部中,当所述光纤环绕所述金属轴丝的弯曲半径小于临界弯曲半径时,所述芯丝中的光能够从侧壁散射出来实现出光。
3.根据权利要求2所述的血管光纤导丝,其特征在于:所述光纤由于环绕所述金属轴丝的弯曲造成传输功率的弯曲损耗为光从弯曲侧面出射的光功率;
单模光纤的弯曲损耗与所述光纤的弯曲半径的关系,按照如下式I计算:
αc=AcR-1/2exp(-UR) 式I
其中,
式I、式I-1、式I-2中,αc表示光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB;R表示光纤的弯曲半径,单位为mm;Ac表示与光纤结构有关的参数,单位为a表示光纤的芯丝半径,单位为μm;λc表示光纤传输的截止波长,单位为nm;Δn表示芯丝-包层的折射率差;
式I-1中,k0为真空波数,λ表示光纤的传输波长;n1、n2分别表示光纤的芯丝、包层的折射率;Vc表示截止频率,Vc=2.40483。
4.根据权利要求3所述的血管光纤导丝,其特征在于:所述光纤的弯曲半径和所述光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角有关,按照如下式II计算:
式II中,R表示所述光纤的弯曲半径,θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角,r表示所述光纤的螺旋线旋绕半径;
所述光纤环绕的纵向长度和所述光纤螺旋线与螺旋线旋绕半径为r的圆柱体侧边线的夹角关系,按照如下式III计算:
式III中,z表示光纤沿金属轴的纵向长度,θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角;αc表示单模光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB;s1表示初始功率,s0表示功率衰减的速率。
5.根据权利要求4所述的血管光纤导丝,其特征在于:根据式III计算得到的θ(z),带入如下式IV计算所述光纤侧面出射的光功率;
P(z)表示光纤侧面出射的光功率,即出射的光功率与光纤沿金属轴的纵向长度的分布;z表示光纤沿金属轴的纵向长度;θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角;αc表示单模光纤每单位长度的损耗功率,单位为dB。
6.根据权利要求4或5所述的光纤导丝,其特征在于:所述光纤的螺距设定距离,根据式II或式III计算得到的螺旋线与圆柱体侧边线的夹角,带入式V计算得到;
h=2πr·cot(θ) 式V
式V中,h表示所述光纤的螺距,r表示所述光纤的螺旋线旋绕半径;θ表示螺旋线与圆柱体侧边线的夹角。
7.根据权利要求1所述的血管光纤导丝,其特征在于:所述金属轴丝的直径为50μm~1mm;
所述金属轴丝上设置螺旋形凹槽。
8.根据权利要求1所述的血管光纤导丝,其特征在于:所述金属轴丝上设置孔状结构;
所述的光纤导丝外层还包裹一层聚合物材料套管。
9.根据权利要求8所述的血管光纤导丝,其特征在于:所述金属轴丝于设置螺旋形凹槽相对的侧面上设置纵向结构螺旋凹槽;
在所述聚合物材料套管外设置具有亲水和/或疏水涂层。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的血管光纤导丝,其特征在于:所述光传导部的一端和发光部连接,另一端连接有能够与激光器或其它光纤连接的插头。
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