CN110755154A - 适用于降低激光束在液体介质中的衰减的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种对用激光照射靶向区域进行最优化的方法，该方法包括选择并安装激光照射传输设备，或者是使用导波器或者是光纤类型的仪器；同样地，选择至少以下参数的其中之一：选择将要被传输到靶向区域的至少一个序列脉冲的总能量，和选择从发射端的终部到靶向区域的距离；然后，开始对靶向区域进行照射至少一个脉冲序列，这是通过使用足够的能量(Eⁱ)来产生第一激光脉冲从而在液体介质中形成水气泡来完成的；允许所形成的水气泡膨胀到足够的数量，从而替换介于发射端的终端和靶向区域之间的液体介质中的大部分；以及在选定的时间延迟(T^d)足以形成水气泡到达其最优化的范围之后，产生第二激光脉冲(E^p)，第二激光脉冲通过所形成的水气泡传输到靶向区域。

Description

适用于降低激光束在液体介质中的衰减的装置和方法

本申请是2017年6月6日递交的申请号为201780006078.6，发明名称为“适用于降低激光束在液体介质中的衰减的装置和方法”的分案申请。

相关申请

本申请涉及的是2016年6月9日提交的第62/347685号美国临时专利申请，并在此要求享有所述临时申请的优先权，其内容通过引证并入本文。

技术领域

本发明涉及的是激光能量源，以及涉及用于减少穿过液体环境达到靶组织的激光束的减弱的方法和装置。

背景技术

在过去的二十年间，在医学领域，用激光设备进行处置已经成为一种常见到的形式。新的激光技术和传输系统，伴随着低价格和高质量的激光传输系统仅仅是一种新的驱动力。某些激光处置是在自由、开发的空间内通过直射的方式来进行的，例如，在皮肤表面上进行的激光处置。然而，某些处置是需要传输系统的支持来完成的，例如，通过光纤或者光导来传输激光束。在上述处置的某些实施方案中，处置位置的体征在于气态环境(例如，在由吹入气体控制的腹腔镜检查规程中)。

然而，部分激光处置是液体环境中进行的，例如，肾结石的破碎或者义肢增生的消除，在此仅仅提到上述两种。从光学透视的角度来考虑，在其他的事物中，从激光束到靶向组织的能量传输效率取决于激光束从其光源传输到靶向组织所通过的介质。一般来说，与气态介质相比，液体介质趋向于吸收更多的光并使光发生散射。液体介质可能会包括组成其中一部分的水，众所周知的是，通常情况下，水能够强烈地吸收光能，尤其是红外光的波长。

红外线激光，举例来说，铥、钬、铒、二氧化碳激光，或者类似的激光通常在普通外科、整形外科、泌尿外科的规程中是常用的。由于这些规程中的大部分是在体内进行的，因此，可以预见的是从光导或者光纤的输出端发射出的激光能量中的部分甚至绝大部分在到达靶向组织之间就被液体介质吸收了。

然而，正如第5,321,715号(‘715专利)美国专利所教导的那样，在某些情况下，向靶向组织发射的通过液体介质的激光能将会被吸收，但是，这样的吸收是小于预期的。这是由于所谓的“摩西影响”，其中发射出的能量的第一部分被液体吸收，并在液体介质中形成气泡，以致剩余的能量可以通过较少限制的或者吸收气体/蒸汽介质，其特征在于较低的光衰减性。

‘715专利描述了一种用于增强将要到达靶向组织的激光能量的脉冲格式。根据其中所描述的内容，发射第一短且低的能量初始脉冲以便产生气泡，其后跟随的是较高能量的处置脉冲。当其穿过产生的和新形成的气泡时，第二处置脉冲经历的是较低的吸收率，这是由于气泡存在的缘故(以及缺乏液体)。而且，‘715专利教导了第一气泡的初始脉冲的能量将是足以启动水蒸汽气泡的形成的。因此，之后就会产生气泡，然后其将替代位于光线端和靶向组织之间的液体介质中的大部分。

第一和第二脉冲之间的时间周期是可以计算的，并且可以在气泡的预期膨胀率和从光纤端或光导端到靶向组织之间的实际距离的基础上确定。一旦产生气泡，就会出现能够控制其自发膨胀的某些因素，而且在这之后发生出第二脉冲，根据专利‘715的教导，优先于气泡破裂。Van Leeuwen在现有技术(“Non-contact Tissue Ablation by Holmium:YSGGLaser Pulses in Blood,”Lasers in Surgery and Medicine，1991年第11卷)中教导我们：气泡的直径的扩展范围是100微秒内大约1mm到200微秒内的2mm。因此，‘715专利教导的时间周期是小于气泡的初始脉冲和随后的处置脉冲之间的200微秒的。

根据‘715专利，气泡的初始脉冲优选的是小于50微秒，而且更为优选的是小于30微秒。在‘715专利中所描述的一个实施例中，其中提供的是钬处置激光束而且其使用的是0.5mm光纤直径，气泡的初始脉冲将至少为0.02焦耳-能量需要通过光纤端发射的2.1微米的激光束来使水沸腾。根据这一实施例，气泡的初始脉冲的消耗为1焦耳的处置脉冲的2％。

第5,632,739号美国专利教导我们，在气泡的初始脉冲和处置脉冲之间的延迟是精心确定的，以致当气泡的尺寸和所替换的液体的对应数量达到其最大范围时就可以发射第二脉冲。

然而，当前的情况是脉冲能量中的大部分在其通向靶向组织的过程中仍然被水或者生物液体吸收。非最佳的光纤末端-靶向组织的距离可能极大地影响处置效率，而且在实际上会降低处置效。

然而，现有技术未能提供任何一种关于如何控制和优化气泡的膨胀阶段的方法，即对第一初始脉冲进行限定、调整和最优化，第一初始脉冲是由激光系统所发射的，其作为特定参数组的函数，所述参数组限定的是由用户所选择的用于处置的特定的工作包络-总脉冲能量，处置脉冲的重复频率，光纤直径和工作距离，从光纤端或者导波器到靶向组织的距离和激光类型。除此之外，现有技术未能提供一种确定初始脉冲和处置脉冲之间的延迟的最优化方法。而本发明的某一个方面就能解决现有技术中的上述不足之处。

实施方案中还包括对激光脉冲进行整形和调整从而提供更为有效的激光-组织之间的相互作用的处置参数的最优化。这可能会涉及对脉冲能，脉冲能量的水平，脉冲的数量，所使用的光纤的类型和尺寸，以及光纤端到靶向组织之间的距离的最优化。可能会使用到两个脉冲，从而第二脉冲可以穿越到由脉冲的第一部分所形成的气泡中。因此，第二脉冲的计时和第一脉冲和第二脉冲之间的任何延迟都可能会提供进一步的最优化利益。此外，最优化可以是在“闭环”模型中进行工作，从而各种可控的参数在过程中可以被控制和改变从而提供最有效的处置。

发明内容

从某一方面来说，用激光辐射靶向目标的最优化的照射方法，其中激光辐射与激光辐射传输设备相关，而且激光辐射通过波导或者光学纤维的方式传输到靶向目标，波导或者光学纤维中的每一个都具有远部传输末端，其中远部传输末端与靶向目标是间隔开的，其中波导的远部传输末端和靶向目标之间的间距被液体介质所占据，而且其中激光辐射是沿着至少波长的激光脉冲链的其中之一的光路径进行传输的，其至少部分地被液体介质所吸收，至少一个脉冲链具有第一激光脉冲和第二激光脉冲。方法包括的步骤有：选择并安装将要用于辐射靶向目标的激光辐射传输设备、波导或者光学纤维的类型；然后，选择至少以下参数：选择将要被传输到靶向目标的脉冲链的至少其中之一的总能量，和选择从远部传输末端到靶向目标的距离；方法还进一步包括提供控制器，该控制器对激光辐射传输设备进行控制，并执行选定由激光辐射传输设备进行传输的总能量和选定从远部传输末端到靶向目标的距离的步骤；方法进一步包括启动对靶向目标的辐射，适用于通过产生第一激光脉冲的至少一个脉冲链，其具有充足的能量(Eⁱ)，从而可以在远部传输末端的液体介质中水汽气泡形成；允许所形成的水汽气泡膨胀到足够的数量以取代远部传输末端和靶向目标之间的液体介质的实质部分；然后，在选定足以形成水汽气泡并达到其最优化的程度的延迟时间(T^d)之后，形成第二激光脉冲(E^p)，第二激光脉冲通过所形成的水汽气泡被传输到靶向目标，从而将被液体介质所吸收的激光辐射的数量最小化，并将达到靶向目标的激光辐射最大化。控制器可以进一步包括存储器，该存储器包含有检索表格，检索表格包括众多参数Eⁱ、E^p和T^d，而且其中选择波导或者光纤类型的步骤，选定将要用于辐射的总能量的步骤和选定从远部传输末端到靶向目标的距离的步骤会导致控制器加速检索表格从而为Eⁱ、E^p和T^d选定对应的参数，并导致传输设备能够产生并传输具有为Eⁱ、E^p和T^d所选定的参数的激光辐射。

从另外一个方面来说，Eⁱ/E^p的比率可以从10:1到1:10，脉冲链的至少其中之一包括两个脉冲或者多于两个脉冲。脉冲链的至少其中之一可能多于一个脉冲链，而选择的步骤可以进一步包括为不止一个脉冲链的传输选择重复频率。

从又一个方面来说，方法进一步包括如下步骤：测量由激光器照射的实际能量；将实际测量到的照射能量与选定的总能量进行对比；以及，如果对比的结果证实实际测量到的能量与选定的总能量之间存在差异，就需要对随后的任何一个脉冲链的一个或多个选定的参数进行判断，从而获得传输到靶向目标的选定能量。靶向目标可以是人体内的组织、器官或者已经形成的结石。

在更进一步的方面来看，检索表格包括一个或多个数据库，其中包含的Eⁱ、E^p和T^d最优化数值，适用于数量众多的波导或者光纤类型和从远部传输末端到靶向目标的距离，而且选择波导或者光纤类型的步骤会导致控制器加速检索表格从而确定Eⁱ、E^p和T^d的最优化数值。

在又一个更进一步的方面来看，波导和光纤的类型包括至少以下参数的其中之一：纤维直径，纤维材质，纤维数值孔径和远部传输末端的外形。

从一个方面来看，选择从远部传输末端到靶向目标的距离的步骤包括进一步测量距离和选择测量后的距离。更进一步说，测量由激光器传输的实际能量的步骤是由位于激光辐射的光学路径上的光电探测器来执行的。调整一个或者多个参数的步骤是由闭环反馈回路来完成的，其可以选择性地连接到可编程的控制器上。

从另外一个方面来看，选择波导类型或者光纤类型的步骤包括进一步将波导或者光纤安装到传输设备上的步骤，而且其中设备可以自动识别波导或者光纤的参数。更进一步说，自动识别的步骤是通过识别码来完成的，所述识别码安装在传输设备上和安装在波导或者光纤上。

又从进一步的方面来看，可编程的控制器在用户界面上指示出与可编程的控制器相关的信息，而无论波导或者光纤类型是否适合于所选定的一个或者多个参数。更进一步说，至少一个脉冲链包括一个或者多个以下参数：Eⁱ和多于一个的E^p。

在另外一个方面，控制器对激光辐射的传输设备进行控制，并执行选择由激光辐射传输设备所传递的总能量的步骤，以及执行选择从远部传输末端到靶向目标的距离的步骤，这是以安装在传输设备上的波导或光纤类型为基础的。

在一个方面，用激光辐射对靶向目标进行辐射的方法，其中所述放射是通过具有传输末端的导体来传输到靶向目标上的，而且其中传输末端是与靶向目标间隔开的，而且其中波导的传输末端与靶向目标件的距离被液体介质所占据，而且其中激光辐射具有波长，该波长在液体介质中被吸收，方法包括如下步骤：产生第一激光脉冲，其具有足够的能量以便在波导的传输末端的液体介质中形成水汽气泡；以及在第一激光脉冲之后的预定时间内产生第二激光脉冲，所述预定时间是被选取用于允许水汽气泡可以膨胀到足够的数量以取代波导的传输末端和靶向目标之间的液体介质的实质部分，以致所述的第二激光脉冲可以通过水汽气泡传输到靶向目标，从而将被液体介质所吸收的激光辐射的数量最小化，并将达到靶向目标的激光辐射最大化。

在又一个方面，用于处置组织的医疗用的激光系统具有激光束，其中组织处于主要是由水组成的液体介质中，该系统包括：固态增益介质产生的输出波长在1.0和10.6微米之间；用于激发增益介质产生激光束的闪灯；适用于将激光束从增益介质引导到靶向目标的光纤，所述光纤具有传输末端，其与将要被处置的靶向目标非常靠近但是是与靶向目标间隔开的；以及控制器，该控制器用于控制闪灯，并且起到继续产生一系列第一和第二激光脉冲的功能的作用，其中每一个所述的第一激光脉冲都具有足够的能量，从而可以在光纤的传输末端的液体介质中形成水汽气泡，而且其中每一个所述的第二激光脉冲是在第一激光脉冲之后的预定的时间内形成的，所述的预定时间被选定用于允许水汽气泡是由第一激光脉冲产生的，并可以膨胀到足够的数量以取代光纤的传输末端和靶向目标之间的液体介质的实质部分，以致所述的第二激光脉冲可以通过水汽气泡传输到靶向目标，从而将被液体介质所吸收的激光辐射的数量最小化，并将达到靶向目标的激光辐射最大化。

附图说明

附图1A，1B和1C对常规脉冲(1C)和双倍脉冲(1A和1B)之间的不同进行原理上的解释说明。

附图2对通过图表的方式对本发明的设备的一个实施方案进行解释说明。

附图3A和3B是流程图，其对附图2中的本发明的设备的操作进行了解释说明。

附图4是数阵，其对适用于200微米的光纤的参数之间的关系进行了。

附图5A和5B以及附图6A和6B分别对于输出功率和光纤尺寸相关的最优化距离进行了解释说明。

附图7是对气泡长度和输出功率之间的关系进行解释说明的图表。

附图8，附图9和附图10对本发明中的钬型和铥型激光腔的各种不同的实施方案的示意性图表进行了解释说明。

附图11A对本发明中的设备论证的操作的实验性证实的实施例进行了解释说明。

附图11B到附图11G对附图11A中的设备的操作的实验性结果进行了解释说明。

具体实施方式

根据本发明的一个方面，在发射出第一初始脉冲之后，仅仅在气泡产生之后以及仅仅在气泡已经达到其最大尺寸之后就发射第二处置脉冲，所述气泡是由第一初始脉冲产生的。

现在参考附图1A和附图1B，这些附图涉及的是随时间变化(附图1A)的脉冲能的数量，以及涉及的是随时间变化(附图1B)的所形成的气泡的尺寸。第一初始脉冲10在时间点T1被发射，随后，在延迟t后发射第二处置脉冲20，其发射时间点是T2。初始脉冲的特征在于具有能量E_i，而处置脉冲的特征在于具有能量E_t。在液体介质中被吸收的能量E_i，位于光纤端和靶向组织之间的液体介质在T1之后的短延迟时间内形成气泡。该气泡发生膨胀并在时间T2附近达到其可能达到的最大尺寸。根据本发明的这个方面的内容，第二处置脉冲是仅仅在非常接近T2的时间点上发射的，在该时间点附近，气泡的尺寸接近其最大尺寸。

值得一提的是，在其他事物中，实际的最优化点也取决于总的脉冲能、脉冲重复频率、光纤类型和光纤端到靶向组织的距离。根据本发明的这一方面的内容，在时间T2之后，气泡开始收缩直至时间T3完全破裂。在时间T2之后的过程中，当气泡开始破裂时，靶向组织可能会经历一种吸引力的驱动，如果可能(举例来说，如果靶向组织是一种在体液内漂浮的肾结石)的话，会朝向光纤或光导的能量输出端。这种相同的吸引力可能进一步减少激光束穿过介质的距离，直至其达到靶向组织为止，因此，能量的衰减就会降低。

现在回到附图1C，这一附图对钬激光器的脉冲辐射到液体环境(例如，水或者生物溶液)中进行了解释说明，这导致形成空腔气泡。形成气泡所需要的能量是以损失传输到靶向组织的能量为条件的，这是一种直接的能量损失。从另外一个方面来说，一旦形成，气泡将会减少位于光纤端和靶向组织之间的液体层的厚度，激光束会穿过液体层，并降低其在水中的总吸收量。

上述过程在附图1C中有所示意性显示，附图的左侧一栏代表的是激光脉冲的能量取决于时间域P(t)，有3个不同的阶段。中间一栏代表的是脉冲能量是如何分散传递到靶向组织的距离上的，适用相同的脉冲相位。虚线圆圈代表的是发展生成中的气泡。附图的右侧显示的是，导致脉冲传输到靶向组织(对比于没有气泡产生的情况)的相依时间。

对上述附图从上到下进行分析可以显而易见的看到，对于脉冲的相同相位来说，传输到靶向组织的能量水平是不同的，如其下：

·在第一排中，脉冲刚刚开始，可以从中间的曲线上看出其能量处于低位。形成的气泡也很小。

·向下的第二排中，脉冲的能量达到其最高值。因此，中间的曲线也显示出处于较高的能量级。气泡也较大，虽然此时气泡并未达到其最大值，这是由于需要时间继续膨胀的缘故。在气泡中没有能量损失，这可以从曲线的平底部分看到。

·在最后一排中，脉冲的能量已经衰减了，然而气泡的尺寸到达其最大值，因此，传输到靶向组织的能量仍然是足够的。

根据以上解释的内容，图表的右栏显示的是传输到靶向组织的理想状态的能量，考虑气泡的影响(实线部分)和没有考虑气泡的影响(虚线部分)。可以看到的是，实际传输的能量是较高的，这是由于形成的并存在的气泡所导致的。

可以清楚地看到，从某种程度上说，气泡的形成促进脉冲传播通过液体环境。本发明的主要方面在于对处理过程进行最优化，从而尽可能多地获得靶向组织或者结石。

实现这一目标的一个潜在的方法是特殊的脉冲调整，其中脉冲能量被某段时间间隔分成两个不同的部分传输到靶向区域。附加值是源于以下事实，即，初始气泡(在所提及的时间间隔的过程中)周围的液体出现惰性运动而没有能量损失。通过改变分割脉冲的这两部分能量的比率，以及它们之间的时间间隔，就可以获得最优化的能量传输条件。

在激光处置的过程中，其中的一个挑战在于，一旦靶向组织吸收到光能，如何将其保持在适当的位置上。在某些情况下，靶向组织可能会在推动其远离光纤顶端的方向上具有一定的自由度。举例来说，当靶向组织是尿道中将被处置的结石的情况，这就可能会发生上面所说的移动。被结石所吸收的光能可能会发生改变，至少是部分地改变为动能，所说动能会推动结石朝着远离光纤顶端的方向移动。对于本领域内的任何一名普通技术人员来说，这一现象就是众所周知的后退。根据本发明的内容，后退意味着激光束必须从光纤顶端到靶向组织之间的距离可能会增加。增加的激光束的通行距离可能会意味着能量损失的增大，这是由于周围介质中的吸收和散射所导致的。因此，根据本发明的另外一个方面，在气泡破裂的过程中发射出处置能量脉冲从而减少靶向组织的后退同时提高粉碎靶向结石的能力。

一般来说，在激光系统中，由激光所产生的脉冲能量取决于多个因素。这些因素中包括激光的效率，其可能会在一个腔室到另外一个腔室之间发生变化，而且可能会变化为工作温度的函数或者变化为泵送效率的函数。每一个因素也都可能随时间发生变化。这些变化完全有可能影响到计时，以及气泡的形成程度与初始阶段和处置脉冲。为了克服作为结果发生的脉冲能量的波动，本文中所描述的闭环控制系统也是可以操作的，以用作本发明的另外一个内容。为了确保每一个气泡的初始脉冲的能量级被限定在特定的预先确定的能量范围之内，闭环控制系统可能是需要的，从而导致气泡的尺寸和膨胀率是可以预测的。

因此，根据本发明的这一方面的内容，系统被配置用于测量脉冲能量，将所测量到的脉冲能量与预先确定的能量级进行对比，并反馈到闭环反馈回路中，泵送能量源对错误的赋能脉冲进行补偿，从而确保每一个气泡的初始脉冲的能量级在预先确定的数值的范围之内。

现在参考附图2，该附图对本发明的一个实施方案进行了示意性解释说明。激光系统20是由激光模块21和控制部件22组成的。由激光模块21发射的激光束23被配置为通过连接器25传送到光波导24中。部分透明的镜面26a沿着激光束23的光学路径进行定位，并被配置用于将至少一部分的激光束23反射到光电探测器模块27中。来自于靶向组织的背散射光中的一部分进入到光波导24中并通过连接器25，其被配置为部分地以转动镜面26b为靶向并进入到模块29中。模块29被配置用于测量波导24的顶端和靶向组织之间的距离。模块27和模块29也都可以通过可编程的控制器22进行控制。在操作的过程中，可编程的控制器部件22接收来自于模块27的第一电信号，其代表激光脉冲的能量级别，无论Ei或者Et，而来自于距离测量模块29的第二电信号，其代表的是波导24的顶端和靶向组织之间的距离变化。以至少第一和第二指示信号的其中之一为基础的激光系统20被配置用于调整电流量，其提供给激光传输单元从而可以保持能量级Ei和Et在使用者所选定的参数的范围之内，并可以根据激光性能或者与靶向组织的距离的任何动态变化来调整电流量。

附图3A和附图3B是流程图，其中显示的是附图2中的激光系统的操作过程，其被配置用于对上文中所讨论的双倍脉冲范围进行优化。本发明中的双倍脉冲范围在本说明书和所揭示的内容中也可能表示为“B-脉冲”。在步骤200，使用者选定使用过程中所需要的光纤类型。根据附图3A中所描述的实施方案，使用者可能是手动选择将要在处置过程中使用的光纤类型。可以选择的是，正如在附图3B中所示，也可以使用自动的光纤识别系统。在步骤300,使用者选择所需要的处置能量级。由使用者为处置所限定的脉冲能量可能是总能量，预计的情况是由激光系统在初始阶段和处置脉冲成对发射。换句话说，以及将要在下文中讨论的那样，系统是通过适当的可编程控制进行可编程的和可配置的，从而在传输到使用者的方式中设定双倍脉冲模式。在这一实施方案中的使用者并不要求设定E_i和t的数值。

在步骤400中，使用者选定脉冲重复频率。在本文中将会提到脉冲重复频率，从使用者的角度来说，脉冲重复频率是成对脉冲之间的重复频率。每一对脉冲都包含初始脉冲和处置脉冲。在步骤500中，根据附图3A，使用者选定光纤顶端和靶向组织之间理想的(平均)工作距离。

根据本发明的另外一个实施方案，正如在附图3B中所示，工作距离可以是由系统自动确定的，举例来说，通过在美国第13/811,926号申请专利中所描述的距离评估技术，该技术同样由本发明的受让人享有，其全部教导通过引证并入本文。在步骤600中，在之前手动的加载或者自动检测的参数的基础上，系统从目录中查找与最相匹配的可编程的控制器进行限定，或者为双倍的脉冲范围、适用于气泡初始脉冲所需的能量Ei,适用于处置脉冲所需的能量Ep和适用于延迟的脉冲间隔时间t计算出工作数值，直至一旦初始脉冲终止，就发射处置脉冲。

在此需要提及的是，Eⁱ可能是一种单脉冲，其被配置用于在光纤顶端和靶向组织之间的液体介质中形成单个气泡。根据另外一个实施方案，Eⁱ可能是一连串的两个或者更多的脉冲。第二脉冲Ei可能会穿过第一气泡，一旦其退出第一气泡并再次回到液体介质中还会形成第二气泡。在这条通道上，多个Eⁱ脉冲可能会形成多个气泡琏。因此，根据本发明的这个方面的内容，光纤顶端与靶向组织之间的距离的跨径会超过一个气泡，从而减少液体介质的吸收水平。根据本发明的另外一个方面的内容，用于产生多个脉冲Eⁱ的时序应当进行最优化，这样以来，在由之前的脉冲所产生的气泡仍会存在而且其不会整个破裂的同时发射出下一个Eⁱ脉冲。

在步骤700，处置激光发射向靶向组织发射出成对的脉冲。系统可能被配置用于测量每一个脉冲的真实的数值。在步骤800和步骤900中，系统被配置用于将测量到的数值与在步骤600中预先确定的数值进行对比。如果测量到的参数偏离于预先确定的参数，在步骤1000系统会自动地修正偏离值，并且一组新的工作参数会被发送到可编程的控制器中，然后，在步骤700中形成下一组成对的脉冲。这样以来，系统将实际的工作数值维持在预先确定的范围之内。人们可以理解的是，在步骤800的过程中，系统可以被配置用于测量与实际的激光脉冲能量相关的不同参数。

举例来说，根据一个实施方案，系统可能采用的是一种光电探测器，其被配置用于测量E_i,E_p或总脉冲能量的输出光能。根据另外一个实施方案，举例来说，系统可能会被配置用于测量被发射到激光传输能量源中的电流或者电压脉冲。因此，反馈回路可能被配置用于在每一个测量数值的基础上进行反馈，而无论这是一个测量到的光学数值，测量到的电流或电压数值或者是任何其他测量到的参数，只要其与脉冲能量相关即可。

现在参考附图4，这一图表显示的是一组最优化的双倍脉冲可以效仿的参数，其适用于一种特定的光纤，该光纤是由本文的申请人所出售的，即以色列的Lumenis有限责任公司，其被称之为SlimLine 200，具有的核心尺寸是272微米。根据这一实施例，该组参数显示的是适用于这样一种特定的光纤的最优化的双倍脉冲的参数组，所述特定的光纤适用的理想工作距离是1mm。值得注意的是，明显具有不同数值的典型的参数组对应的是不同的光纤和/或不同的理想工作距离。图表中左侧一栏列出的是从光纤的顶端发射出来的可行的以焦耳为单位的工作能，而且其是可以通过与系统相关联的最为适当的用户界面的操作由使用者来进行选择的。再次说明的是，这一数字反应的是成对脉冲的总能量，正如上文中所提到的内容那样。表格中的上面一列显示的是可行的重复率，其也是通过系统的用户界面来由使用者进行选择的。正如所看到的那样，对于能量与重复率的每一种组合来说都存在两组参数：Ei和t。在这一表格中，Ei是以焦耳为单位的，其被传输到泵送系统至指示灯。因此，作为一个实施例来说，如果使用者选择的工作能量为0.6焦耳，重复率为20Hz，那么系统将会自动限定Ei的工作能为23焦耳，t为20微秒。附图4的图表中的内容可以被编程到查询目录，正如在上文中所提到的内容那样。可以为不同的激光，不同的光纤等等编制不同的表格。

现在参考附图5A和附图5B，它们显示的是双倍脉冲模式的最优化的组，其适用于两组不同的工作距离，例如，365微米的光纤和和常用的工作标签，1焦耳，70Hz。可以在附图5A中看到的那样，工作距离是大约1mm，在常规脉冲模式(R-脉冲)和双倍脉冲模式下到达靶向组织的能量差达到最大程度(线40)。这种双倍脉冲的最优化程度的特征在于两个参数组E_i和t，将其值进行最优化以便适用于特定的工作条件。在这一实施例中，传输能量E_i＝29J，而时间t＝220兆秒。一组类似的描述最优化的点的数据在附图4中有所显示，其位于附图5和附图6的图表的后面。在附图5B中，显示出E_i和t的最优化的点适用于在工作条件为1焦耳，70Hz的相同的365微米的光纤，但是距离为大约1.5mm(线41)。在这一实施例中，传输能量Ei＝35J，而时间t＝250兆秒。

现在参考附图6A和附图6B，其中所示的是双倍脉冲参数的最优化组的实施例(线50和线51)，其适用于在相同的工作标签下和相同的距离为大约2mm的条件下工作的两种不同的光纤。适用于这两种不同的光纤的双倍脉冲数值是不同的。

现在转向附图7，这一附图显示的是有效的气泡长度与侧面发射的激光源的设定能量对比的曲线图。附图7中的曲线论证说明了气泡的尺寸取决于脉冲能量趋向饱和。因此，正如附图所示，能量从4J上升到6J，并没有显著改变所形成的气泡的长度。更进一步说，在脉冲的末尾从光纤顶端分离的气泡的影响并限制传输到靶向组织的能量数量。

可以相信的是，气泡膨胀和破裂的时间可以通过流体力学的法则进行确定。当高能脉冲的持续时间变得比气泡的“寿命”更长时，脉冲的剩余能量被用于形成新的气泡。这一新的气泡是独立与第一个破裂的气泡的。理论上的考虑(在足够长度的限定范围内，对比气泡的寿命和脉冲)预见到的是气泡将会在大约

的时间内膨胀。

由于脉冲能量及其持续时间之间的均衡性，适用于的气泡尺寸同样取决于能量的大约

附图7中的所示的曲线对这一预见的解释说明与实验性数据极大地相互吻合。因此，出现这样的情况：(1)适用于高能脉冲的最大的气泡尺寸趋向于饱和时靠近7mm；(2)当脉冲的持续时间变得比气泡的寿命长时，第二气泡是独立与所形成的第一气泡的。由于这种独立性，能量可能会不达到靶向组织；以及(3)实验曲线首先提供的是大约E^0.3296，这取决于气泡的最大尺寸和脉冲能量。

然而，钬和铥激光器源的使用已经在上文中进行了大致的讨论，这两种类型的激光腔的其他组合也已经被描述为根据本发明能够有效地提供脉冲来形成气泡的可行性。所述的这样一种布置在共同待审的美国临时专利第62/482335号有所描述，该专利是在2017年4月6日提交的，而且其权利的受让人与本申请的受让人一致。那份申请中全部公开的内容通过引证并入本文。

在上文中引用的临时内容中，所揭示的是，虽然钬激光器的使用在处置良性的前列腺增生(BPH)方面可能是“黄金标准”，在其他的理由中，这是由于钬激光器源的峰值功率高出铥激光器源的峰值功率20倍，这也存在一种潜在的不理想的方面，即，包括不需要的组织凝结物和组织的碳化物。

考虑到铥的波长在组织中比钬的波长的吸收更为有效，所以对于钬激光器而言，可以通过提供1ms的脉冲持续周期来获得相同的或者大致相同的结果，而且其可以降低组织碳化的风险。并且，为了保持平均功率的平衡一致，出于相同的因素，需要提高重复率的数值如下：20W＝0.5Kw x 1mS x 40Hz。因此，前述内容被认为是对于组织应用来说是最为有效的处置方式。控制脉冲形状的能力，其固化到IPG光线激光器中，这使得实现所谓的“摩西”特征成为可能，摩西特征在上文中所引述的美国专利和美国临时专利中都有所揭示，其结果是导致在人体的体液环境中进行改良的处置。

正如所提到的内容那样，铥激光器的一个主要的劣势在于其低的峰值功率(铥的0.5–1.0Kw对比于钬的10Kw)。这会导致不同的激光/组织的相互作用。对于低峰值功率的两个基础性的原因是：

1.LED的传输限制。

2.铥光纤的激光器的小光纤的横截面。

钬的固态激光器的主要的劣势在于其低利用率，这是需要多级传输过程的结果(Cr>Tm>Ho)。在每一个阶段都会有能量损失，结果就是与15-20％的光纤铥的激光器相比总能量减少4％。

根据本发明的实施方案，为了形成峰值功率的钬激光器的腔体和提高其利用率，在此提供的是一种CTH传输的固态钬激光器的腔体，正如附图8中所示。Tm部件110被配置用于传输钬激光器棒112，其位于后视镜113和光开关114之间。光开关114可以是任何一种光机械式开关或者光电式开关。光机械式开关的方案可能是以任何一种可旋转或者可移动的光学部件为基础的。可旋转的棱镜或者镜面都仅仅是可以采用的光机械式开关的两种非限制性的实施例。一种Q-型开关的模块仅仅是光电式开关的一个实施例。传输CTH YAG晶体的发光衰变时间大约是10毫秒，其至少是一个长于钬激光脉冲的持续时间的数量级。因此，抑制激光形成的过程，至少是传输过程的时间的一部分，这将会允许在钬晶体中累积反向的电荷布居数，其需要获得峰值功率的脉冲。抑制的形成可能是通过，例如，借助启动Q-型开关模块来完成的，或者甚至是通过机械式的旋转镜面、棱镜或者其他的光学移动或者旋转的部件来完成的。

正如在附图1中所示，旋镜114可以被配置用于允许当旋镜114是大致上平行于镜面113时并与激光棒112垂直相交时形成激光。因此，光开关14可以是处于两种状态中的一种状态。在第一开启状态，钬腔体被配置用于从腔体中增强并发射出激光束。在第二关闭状态，钬腔体被配置用于阻止激光的增强和发射。钬激光器腔体的开启和关闭持续时间可以通过光开关114进行控制。一种可旋转的镜面是可以通过系统的可编程的控制器来进行控制的，从而可以确定开启和关闭的时间，举例来说，以镜面的角速度为基础。根据另外一个实施例，旋镜可以通过步进马达进行控制。所述步进马达可以启动镜面，从至少一个开启位置到至少一个或者多个关闭位置。在光开关114的关闭位置，传输的能量可能会在钬激光棒112中累积。在光开关114的开启位置，激光束可能在腔体中被增强并从腔体中发射出去。

根据本发明的另外一个实施方案，为了形成峰值功率的钬激光器腔体和为了利用在相关引用的参考文件中所描述的多倍脉冲技术，在此提供的是一种直接的铥传输的固体钬激光器腔体，正如在附图9中所示。使用的Tm光纤激光源来直接传输钬固态的激光将有可能会导致效率的显著提高。根据一个实施方案的内容，光纤铥激光器的腔体121被配置用于直接传输钬激光棒22，其位于后腔镜面123和位于前方的光开关124之间。在这一实施方案中，钬激光器的腔体的开启和关闭机械装置类似于上文中所提到的在附图8中适用于其他实施方案的装置。镜面125被配置用于传输钬激光束126退出钬激光器的腔体，并且同时进行反射，如果折叠，铥激光器的光束127会来自于传输的铥激光器的模块121。沿着铥激光器121的光学路径的第二光开关128被配置为与一个或者多个铥气泡初始脉冲同步，并且随后是钬处置脉冲。正如上文中所描述的内容那样，铥激光器的在液体中吸收要比在钬激光器中的吸收更强烈。为了提高摩西影响以及在相关引用的参考文件中所描述的发明技术，铥激光器可以用于产生一个或更多的初始气泡和/或控制随后由钬激光器的处置脉冲所跟随的脉冲。

现在参考附图10，光纤激光器130被配置用于传输至少一个发送部件131，其可以任意地连接到光纤激光器130上。连接器133被配置用于连接光导134，以便将激光能量传输到靶向组织。正如在相关的引用参考文件中所揭示的内容那样，反向散射光线可能通过波导134从靶向组织区域进行收集，并传输到光纤完整模块中或者传输到组织的距离评估模块中(FFB)。因此，根据这一实施方案，至少一个FFB模块132可能是光连接都光纤激光器30上，通过类似的方法，传输模块131可以是光连接到激光器光纤130上，从而实现在这些参考的发明中的光纤激光器。

因此，可以看到的是，上文临时申请文件中所揭示的附图8,9或10中的任何一个所显示的步骤中的一个的使用都会导致提高气泡的形成和气泡的完整性。

实施例

附图11A是根据本发明的测试设备的操作的可效仿的步骤，附图11B是测试结果。

附图11A中的测试步骤的实验是通过使用特定设计的跳汰1100来执行的，其在附图11A中有所展示。这样的跳汰使得模拟真实的脉冲通过水层传播到靶向部位成为可能。

水槽1102具有窗口1104，对于钬波长是透明的，水槽中充满着水并被放置在功率表的前面。光纤1108位于测试的下方，其可以精确地移动，从而可以控制光纤顶端和窗口的玻璃表面1110之间的距离1111。测量到的功率数值模拟的是对于给定的距离和激光器的设定来说实际传输到靶向组织(玻璃的内表面)的总能量。这种不同的调制模块参数的脉冲可以相互进行对比。

可以发现的是，调制参数的不同设定取决于平均距离，在手术过程中由外科医生来保持这些数值。使用三种不同的距离来确定最佳参数：3mm、2mm和1mm。

为了确定本发明的特征是可靠的和稳定的，传输到组织中的功率被测量作为光纤顶端的距离的函数，适用于给定的调制参数组，适用于给定的发射激光的方式和适用于给定的光纤。

在如下的表1中，其中列出所有的光纤和发射激光的方式，其中的功率-距离是测量获得的。

表1–光纤列表和测量到的发射激光的方式

附图11B到附图11G显示的是传输到位于光纤顶端的靶向组织的功率对距离的依靠性。这些是典型的曲线；其他的看起来都非常相似，只是数量上有差异。正是由于这些图表是从不同的SW版本中获取的，有时成对的调制参数是T1、T2(传输的脉冲持续时间和对应的时间间隔)，而有时是E1、T2(传输的脉冲能量和时间间隔)。

在图表中的百分比例指的是激光器的设定，举例来说(附图3中)，从1mm的距离常规脉冲传输到靶向组织，设定值为27％的0.2J*80Hz＝16W的设定功率，而B-脉冲为47％。

在这一实验中所使用到的窗口并不会允许在非常近的距离内进行测量。这对于纤细的光纤来说是非常重要的，原因就在于气泡的气穴现象变得更具破坏性。这也就是到靶向组织的距离的范围被限制在十分之毫米的缘故。

在某些图表中“净增值”是B-脉冲与常规模式之间的差值。

收集到的所有的功率与距离的对比图表都显示出这样的倚靠性被称之为“雪茄”型。

这意味着，常规脉冲和B-型脉冲在距离范围边缘之间并不存在显著的不同。当光纤顶端非常靠近靶向组织时，气泡的作用就变为镜面，因此，传输到靶向组织的能量是相同的。当距离超过大约3–3.5mm时，传输到靶向组织的能量的数量变得没有意义，即使是最强的(5–6J)脉冲的情况。这再次意味着，常规脉冲和B-型脉冲之间并没有差异，正如所传输的能量也是微不足道的。

最大的差异(总是出现在B-型脉冲中)的发生在调制参数最优化的距离上。这意味着，一旦优选的工作距离被确定，最优化的参数在该点上就完成了。值得注意的是，最优化的参数得以完成而减少的距离会导致降低B-型脉冲对比于常规脉冲的优势(“雪茄”式的外形变得更单薄)。

鉴于所说的摩西影响或者特征(传递到靶向组织的能量的增加)是由气泡的形成所导致的，可以看出的是所说的影响极大地取决于光纤的尺寸，其确定的是功率密度。这也就是每一种光纤类型需要特定优化的激光脉冲的调制参数。

Claims (16)

1.一种使用激光束处置靶向组织部分的医疗用的激光系统，所述靶向组织部分是在体腔内可移动的并处于主要是由水组成的液体介质中，该系统包括：适用于产生输出激光束的激光器装置；适用于将所述激光束引导至所述组织部分的光纤，所述光纤具有传输末端，其与待处置的靶向组织部分靠近但是与所述靶向组织部分间隔开的；以及控制器，所述控制器用于控制所述激光器装置，并且起到继续产生至少一系列第一和第二激光脉冲的功能的作用，所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲实质上沿着相同的纵轴，以及其中所述的第一激光脉冲具有足够的能量，从而在光纤的传输末端的液体介质中形成水汽气泡，而且其中所述的第二激光脉冲是在第一激光脉冲之后的预定的时间内形成的，所述的预定时间被选定用于允许水汽气泡是由第一激光脉冲产生的，并可以膨胀到足够的数量以取代光纤的传输末端和靶向组织部分之间的液体介质的实质部分，其中所述控制器控制所述第二激光脉冲的启动，以致当所述水汽气泡已经到达其最大程度并已经开始收缩之后，所述的第二激光脉冲可以通过水汽气泡传输到所述靶向组织部分，其中当所述第二激光脉冲被传输时，所述收缩的气泡使所述组织部分保持实质上的静止从而减少所述组织部分的后退。

2.一种使用激光束处置靶向组织部分的医疗用的激光系统，所述组织部分处在体腔内的液体介质中，该系统包括：激光器装置，其适用于产生激光束；光纤，其具有传输末端用于将所述激光束引导至所述靶向组织部分；以及控制器，所述控制器用于控制所述激光器装置继续产生至少一个第一和一个第二激光脉冲，其中所述第一激光脉冲和所述第二激光脉冲实质上沿着相同的纵轴，以及其中所述的第一激光脉冲具有足够的能量，从而在光纤的传输末端的液体介质中形成水汽气泡，而且其中所述的第二激光脉冲是在第一激光脉冲之后的预定的时间内形成的，所述的预定时间被选定用于允许水汽气泡是由第一激光脉冲产生的，并可以膨胀到足够的数量以取代光纤的传输末端和靶向组织部分之间的液体介质的实质部分，其中所述控制器控制所述第二激光脉冲的启动，以使当所述水汽气泡已经到达其最大程度并已经开始收缩之后，所述的第二激光脉冲可以通过水汽气泡传输到所述靶向组织部分，其中当所述第二激光脉冲被传输时，所述收缩的气泡使所述组织部分保持实质上的静止从而减少所述组织部分的后退。

3.一种使用激光束处置靶向组织的方法，所述靶向组织是在体腔内可移动的并处于液体介质中，所述方法包括：提供用于产生激光束的激光器装置；提供具有传输末端的光纤，其用于将所述激光束引导至所述靶向组织；提供控制器，所述控制器使所述激光器装置产生实质上沿着相同纵轴的一个或多个激光脉冲；所述控制器使所述激光器装置提供第一激光脉冲，所述的第一激光脉冲具有足够的能量，从而在光纤的传输末端的液体介质中形成水汽气泡；所述控制器继续使所述激光器装置提供第二激光脉冲，所述第二激光脉冲的启动时间被选定为允许由所述第一激光脉冲产生的水汽气泡膨胀到足够的数量以取代光纤的传输末端和靶向组织之间的液体介质的实质部分，当所述水汽气泡已经到达其最大程度并已经开始收缩之后，所述第二脉冲通过所述水汽气泡被传输至所述靶向组织；以及其中当所述第二激光脉冲被传输时，所述收缩的气泡使所述靶向组织保持实质上的静止从而减少所述组织部分的后退。

4.一种使用激光束处置靶向组织的方法，所述靶向组织是在体腔内可移动的并处于液体介质中，所述方法包括：提供用于产生激光束的激光器装置；提供具有传输末端的光纤，其用于将所述激光束引导至所述靶向组织；提供控制器，所述控制器使所述激光器装置产生实质上沿着相同纵轴的一个或多个激光脉冲；所述控制器使所述激光器装置提供一个或多个激光脉冲，所述一个或多个激光脉冲由所述控制器配置为具有足够的能量，从而在光纤的传输末端的液体介质中形成水汽气泡；所述一个或多个脉冲被选定为允许所述水汽气泡膨胀到足够的数量以取代光纤的传输末端和靶向组织之间的液体介质的实质部分，当所述水汽气泡已经到达其最大程度并已经开始收缩之后，所述一个或多个脉冲通过所述水汽气泡被传输到所述靶向组织；以及其中，随着所述一个或多个激光脉冲被传输，所述收缩的气泡使所述组织部分保持实质上的静止，进而减少所述靶向组织的后退。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述一个或多个激光脉冲为多于一个的脉冲链，进一步包括控制器的以下步骤：为所述多于一个的脉冲链的传输选择重复频率。

6.根据权利要求4的方法，进一步包括：通过控制器选定至少一个以下参数：为待传输至所述靶向组织的一个或多个脉冲选定总能量，以及选定所述传输端至所述靶向组织的距离。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括以下步骤：测量由所述激光器装置照射的实际能量；将实际测量到的能量与由控制器选定的总能量进行对比；以及，如果对比的结果证实实际测量到的能量与选定的总能量之间存在差异，所述的控制器调整用于随后的任何一个脉冲的能量从而获得传输到靶向组织的选定能量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中测量由激光器装置传输的实际能量的步骤是由位于激光辐射的光学路径上的光电探测器来执行的。

9.根据权利要求7所述的方法，其中所述控制器调整能量的步骤是由闭环反馈回路来完成的，其可以选择性地连接到所述控制器上。

10.根据权利要求6所述的方法，其中选定所述传输端至所述靶向组织的距离的步骤包括进一步的步骤：测量所述距离和选定所述测量到的距离。

11.根据权利要求4所述的方法，其中所述靶向组织可以是人体内的组织、器官或者已经形成的结石。

12.根据权利要求4所述的方法，进一步包括在所述激光器装置上选定和安装用于辐射所述靶向组织的光纤类型的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述光纤的类型包括至少以下参数的其中之一：纤维直径，纤维材质，纤维数值孔径和远部传输末端的形状。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述控制器间歇性地识别与安装到所述激光器装置上的光纤类型相关的参数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中自动识别的步骤是通过RFID识别码来完成的，所述识别码安装在传输设备上和安装在波导或者光纤上。

16.根据权利要求12所述的方法，其中如果光纤类型可用于所选定的处置，所述控制器在用户界面上指示出与所述控制器相关的信息。

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