CN111603133A - 一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：它由具有环形波导的安德森局域光纤、照明光源、手术光源、光纤波分复用器、光纤侧抛耦合器、相机系统组成。所述组成中：(1)照明光源和手术光源的光波经过光纤波分复用器和光纤侧抛耦合器后输入具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯内传输；(2)环形波导内传输的照明光束提供血管内照明，具有环形波导的安德森局域光纤的安德森局域光波导通道将血管内图像信息收集并传输至相机系统探测，寻找病变区域；(3)环形波导内传输的手术光束去除血管内病变区域。本发明可用于血管内肿瘤或血栓等病变区域的成像及手术，在心血管疾病的治疗领域有广泛应用。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，属于医疗器械技术领域。
(二)背景技术
目前，动脉插管技术已经非常成熟。该技术在临床影像医学引导下，通过经皮穿刺血管途径或人体原有的孔道，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，成为现代介入治疗的基本操作技术，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、化疗等方面取得了良好的效果。但是由于治疗受限于治疗方法的局限性，很少有能将光引入血管及体内。
肿瘤光动力疗法与手术、化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空孔道，这很大程度上限制了其在医学领域的应用。公开号为201611234625.X的专利提出了一种血管光纤导丝，该光纤导丝可进入人体的动脉血管内，将光引入血管内病变位置进行光动力治疗。但是其结构简单，功能单一，无法对血管内进行成像。
对于传统的显微成像技术来说，深入活体器官或者组织内部获取图像信息极其困难。虽然人们已经利用光纤成像系统易于小型化和可任意弯折的特性初步解决了此类成像技术难题，但是传统的光纤成像系统仍然面临诸多瓶颈。这些问题主要集中在以下几点：1.对宽带光源的兼容性差；2.成像单元体积巨大、结构复杂；3.成像质量低、成像速度慢；4.鲁棒性差。光纤成像系统性能的局限性主要源于传统光纤的物理特性以及图像重建技术的缺陷。JianZhao等人提出了基于深度学习与安德森局域光纤的新一代光纤成像系统(Zhao J,SunY,Zhu Z,et al.Deep Learning Imaging through Fully-Flexible Glass-AirDisordered Fiber[J].ACS Photonics,2018.)。这套系统结构简单、成本低廉、鲁棒性极高。该光纤成像系统可以在非相关宽带光源下以20Hz高速实时传输无缺陷细胞图像。并且，系统在机械弯折扰动以及温度剧烈变化下仍然可以保持高速高质量的细胞图像传输。其无透镜状态下可以使成像深度延伸至4mm附近。
上述的成像系统虽然可用于细胞的成像传输，但是其需要另外的照明光源，并不适用于血管以及体内的成像。本发明提出一种血管内插入式柔性光纤手术工具，该光纤能够轻易插入血管内部，具有照明光束传输通道和图像传输通道，通过深度学习的解调方法，对血管内进行成像，方便准确寻找并定位病变区域。然后通过激光照射消融，对血管内的血栓、肿瘤等病变区域进行治疗，以满足生物、医疗等领域的诊断和治疗需求。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，可用于血管内肿瘤或血栓等病变区域的成像及手术，在心血管疾病的治疗领域有广泛应用。
本发明的目的是这样实现的：
一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，它由具有环形波导的安德森局域光纤、照明光源、手术光源、光纤波分复用器、光纤侧抛耦合器、相机系统组成。所述系统中：(1)照明光源和手术光源的光波由单模光纤引出，经过光纤波分复用器和光纤侧抛耦合器输入具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯内传输；(2)照明光束提供血管内照明，具有环形波导的安德森局域光纤的安德森局域光波导通道将血管内图像收集并传输至相机系统探测，寻找病变区域；(3)手术光束去除血管内病变区域。
安德森局域光纤是指光纤横向无序折射率结构能够对光波产生强的横向散射，导致光波被横向局域约束，并沿在纵向自由传播。因此，这些光纤表现出大芯径光纤的多模传输特性，并且绝大多数模式具有高度局域化的特点。这一特性使它们成为图像传输应用的理想选择。如图1所示，本发明中所述的具有环形波导的安德森局域光纤1包含环形的纤芯波导通道1-1和安德森局域光波导通道1-2，两通道同轴分布。
优选地，所述的具有环形波导的安德森局域光纤是石英玻璃的，环形芯波导为锗掺杂的纤芯，安德森局域光波导通道是石英和空气孔随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。
优选地，组成安德森局域光波导通道随机分布的空气孔的总面积占整个通道的面积比例为25％～50％，空气孔的直径在0.1λ～10λ随机分布，λ为传输光波长。
可选地，所述的具有环形波导的安德森局域光纤也可以是透明有机材料的，环形芯波导为PS(聚苯乙烯)材料，包层材料为PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料，安德森局域光波导通道是PS材料和PMMA材料随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。同样的，所述的有机材料的安德森局域光波导通道也可以稳定传输光纤横向限制安德森局域模式，可用于图像传输。
为了不破坏中间的安德森局域光波导通道的结构，保证图像传输的稳定性和质量，如图2所示，所述的光纤侧抛耦合器是将单模光纤2和具有环形波导的安德森局域光纤1分别侧抛后，贴合侧抛面，让单模光纤和具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯光路耦合，将单模光纤2的输入光3耦合进安德森局域光纤1的环形芯中传输，安德森局域波导1-2用于图像信息4的传输。
优选地，所述的具有环形波导的安德森局域光纤的探头端有锥台结构5，能聚焦环形芯内传输的光束，如图3所示，该结构通过光纤端精密研磨技术制备得到。由于环形芯内传输的是照明光束和手术光束两种光束3，对于荧光激发的照明光束来说，聚焦效果能增强荧光的激发强度，从而保证光纤中间的安德森局域光波导通道收到足够的荧光信号，保证成像效果。对于手术激光而言，聚焦的光束有更强的能量密度和更小的光斑面积，使病区消融去除手术更加精确。
可选地，所述的照明光源是非相干宽带光源，安德森局域光波导通道传输血管内组织包含图像信息的散射光。
可选地，可先使用荧光染料对血管内病变组织进行荧光染色，此时，所述的照明光源可以是病变组织处荧光激发光源，安德森局域光波导通道传输荧光图像，为了排除激发光对成像效果的影响，相机系统装有激发光滤光片。
优选地，所述的手术光源是病变组织强吸收波段的脉冲激光光源，能够消融血管内的病变区域，例如血栓或肿瘤。
所述的相机系统在探测到安德森局域光波导传回的包含图像信息的散射光后，通过深度学习算法对包含图像信息的散射光进行解调，得到图像。
本发明具有以下显著优势：
(1)系统结构简单、成本低廉，鲁棒性极高。
(2)使用安德森具有光波导传输图像，使光纤在机械弯折扰动以及温度剧烈变化下仍然可以保持高速高质量的图像传输。
(3)系统独特的环形波导通道结合光纤端的锥台聚焦结构，能够实现血管内的照明和消融手术，做到了将照明、成像、手术的功能全部集中在同一根光纤内的目的，不但能对血管内的病变区域进行成像诊断，还能在激光消融手术的同时实现实时监控，保证手术质量。
(4)由于将诸多的功能集成在一根光纤内，整个光纤的直径纤细，尤其适合纤细的血管内的疾病诊断和治疗。
(四)附图说明
图1是具有环形波导的安德森局域光纤1，包含环形纤芯波导1-1和安德森局域波导1-2。
图2是光纤侧抛耦合器。将单模光纤2的输入光3耦合进安德森局域光纤1的环形芯中传输，安德森局域波导1-2用于图像信息4的传输。
图3是安德森局域光纤的探头端的锥台结构5。该结构能聚焦环形芯内传输的光束3。
图4是实施例1中所述的本发明用于血管内血栓消融手术的系统。11表示血管，11-1表示照明区域，11-2表示手术区域，12表示血栓。
图5是安德森局域光纤的探头在血管内的工作原理图。
图6是安德森局域光纤用于图像传输示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：血管内血栓消融手术。
本实施例采用如图1所示的具有环形波导的安德森局域光纤1，整个系统如图4所示。系统包含非相干宽带照明光源7、功率可调的手术激光光源8、光纤波分复用器9、光纤侧抛耦合器6、具有环形波导的安德森局域光纤1以及相机系统10。
其中照明光源7采用中心波长为460nm的LED光源；手术激光光源8选用810nm波长的红外半导体激光器，功率0～3W可调；相机系统采用CCD探测器，探测器前有红外截止滤光片，以防止手术激光到达探测器，影响成像效果。
首先，将本发明提出的光纤探针1通过穿刺针插入动脉血管11(如图5)，为了寻找准确的血栓区域12，需要获得血管内的图像信息。打开照明光源7，照明光束为血管内部提供照明，照明区域为11-1。
接着，血管11内血栓12的散射光被光纤的安德森局域光波导通道收集并传输，该图像信号光15通过物镜13后，在CCD14上获得图像信号光的分布，如图6所示。通过深度学习算法对图像信号光的分布进行解调重构，得到血管内的图像。
最后，调整光纤探针1在血管内的位置，直至图像采集系统采集到血栓区域的图像后，打开手术光源，调节功率大小，对血栓进行消融手术，手术区域为11-2。
通过图像采集系统监控血管内的血栓清除状态，直至血栓完全清除。
实施例2：基于荧光成像的血管内血栓消融手术。
本实施例和实施例1的区别在于：
(1)本实施例需要提前向血管内注射一定量的荧光标记物，待病变的血栓区域特异性吸收荧光标记物后再进行手术。
(2)本实施例采用的照明光源选用荧光标记物的荧光激发波段的激光器。待病变区的细胞吸收荧光标记药物后，打开荧光激发照明光源，血管内只有病变的血栓区域会发射荧光，荧光信号经过多功能光纤的安德森局域光波导通道，传输回成像系统，可获得确切的病变区域荧光图像。然后再使用手术光源进行血栓清除。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。
Claims (10)
1.一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：它由具有环形波导的安德森局域光纤、照明光源、手术光源、光纤波分复用器、光纤侧抛耦合器、相机系统组成；所述系统中：(1)照明光源和手术光源的光波经过光纤波分复用器和光纤侧抛耦合器后输入具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯内传输；(2)环形波导内传输的照明光束提供血管内照明，具有环形波导的安德森局域光纤的安德森局域光波导通道将血管内图像收集并传输至相机系统探测，寻找病变区域；(3)环形波导内传输的手术光束去除血管内病变区域。
2.根据权利要求1所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的具有环形波导的安德森局域光纤包含环形的纤芯波导通道和安德森局域光波导通道，两通道同轴分布。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的具有环形波导的安德森局域光纤是石英玻璃的，环形芯波导为锗掺杂的纤芯，安德森局域光波导通道是石英和空气孔随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。
4.根据权利要求1-2任意一项所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的具有环形波导的安德森局域光纤是透明有机材料的，环形芯波导为聚苯乙烯，包层材料为聚甲基丙烯酸甲酯，安德森局域光波导通道是聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯随机分布组成的具有安德森局域效应的波导。
5.根据权利要求1所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的具有环形波导的安德森局域光纤的探头端有研磨得到的锥台结构，能聚焦环形芯内传输的光束。
6.根据权利要求1所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的光纤侧抛耦合器是将单模光纤和具有环形波导的安德森局域光纤分别侧抛后，贴合侧抛面，让单模光纤和具有环形波导的安德森局域光纤的环形芯光路耦合。
7.根据权利要求1所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的照明光源是非相干宽带光源，安德森局域光波导通道传输血管内组织包含图像信息的散射光。
8.根据权利要求1所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的照明光源是病变组织处荧光激发光源，安德森局域光波导通道传输荧光图像，相机系统装有激发光滤光片。
9.根据权利要求1所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的手术光源是病变组织强吸收波段的脉冲激光光源。
10.根据权利要求1所述的一种血管内插入式可视化柔性光纤手术工具，其特征是：所述的相机系统在探测到安德森局域光波导传回的包含图像信息的散射光后，通过深度学习算法对包含图像信息的散射光进行解调，得到图像。
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