CN113616329A - 一种具有体内3d导航手术功能的介入式激光消融系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述系统由导航光纤、光纤套管、导航光纤活动连接器、解调仪模块、和计算机组成；其中导航光纤具有四个单模纤芯和一个环形纤芯，单模纤芯上分布有FBG单元阵列，用于3D形状传感；导航光纤的纤端具有锥体圆台结构，用于反射聚焦环形芯内的消融光束，提高能量密度；导航光纤活动连接器将导航光纤和解调仪模块连接，解调仪模块对四个单模纤芯进行循环扫描，实现导航光纤的形状进行实时动态解调的同时，向环形芯内提供消融光束。本发明可用于体内微创介入式消融治疗，尤其适用于血管内介入治疗，例如血栓消融。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，属于医疗器械技术领域。
背景技术
血管癌栓是肿瘤发展过程中各阶段均可出现的常见病症。例如，门静脉癌栓是肝癌发展过程中的一种常见的病症，是肝癌患者死亡的直接原因之一，因此，今早发现并去除血管癌栓，就显得尤为重要。
光纤具有纤细柔韧、生物兼容、安全可靠等优点，使得光纤型传感器能够有效地嵌入针头、导管、内窥镜等医疗器械，通过插入人体的各种腔体和通道，达到病患区域，实现微创、精准检测和治疗，有效避免了开刀等危险又痛苦的手术过程，减少手术失血，缩短术后恢复时间。光纤形状传感器能够实时动态地反馈其附着医疗导管在人体内的形状和位置，这使得其有望在很多微创介入治疗手术中替代危险昂贵的X光透视成像技术。
激光已被应用于肿瘤的治疗，如原发性肿瘤、转移性肿瘤和术后复发的肿瘤，尤其是适用于不能耐受再次手术的肿瘤患者。对于肝癌、乳腺癌、肾上腺腺癌、骨样骨瘤、垂体瘤和前列腺瘤等肿瘤，用激光治疗时，在超声波检查仪、X射线透视仪、计算机控制的核磁共振仪等影像系统定位引导下，将普通穿刺针经皮穿刺到瘤体内，激光光纤通过普通穿刺针针管直插治疗部位，即可进行激光治疗。由于激光治疗具有良好的杀伤分界线，可通过调控完全杀死肿瘤细胞，而使消融区域外的细胞免受损伤。
目前，尽管已有基于多芯光纤的形状传感器被提出并有可能可应用于血管内的3D形状传感导航(
Sonja,et al.Three-dimensional guidance including shapesensing of a stentgraft system for endovascular aneurysm repair.Internationaljournal of computer assisted radiology and surgery,2020,15:1033-1042.)，但是该光纤未能起到激光手术治疗的作用。当然，光纤作为手术激光传导介质已是一种成熟的医疗手段方案，但是现有的光纤手术激光传到光纤通常也只是简单的多模的传能光纤，不具备3D导航功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统。
如图1所示，所述系统由导航光纤1、光纤套管2、导航光纤活动连接器3、解调仪模块4、和计算机5组成；其中导航光纤1具有四个单模纤芯和一个环形纤芯，单模纤芯上分布有FBG单元阵列6，用于3D形状传感；导航光纤1的纤端具有锥体圆台7结构，用于反射聚焦环形芯内的消融光束8，提高能量密度；导航光纤活动连接器3将导航光纤1和解调仪模块4连接。解调仪模块4对四个单模纤芯进行循环扫描，实现导航光纤1的形状进行实时动态解调的同时，向环形芯内提供消融光束8。
如图2所示，所述导航光纤包括同轴分布的环形芯1-1、四个单模纤芯1-2和1-3、包层以及涂覆层，其中单模纤芯外由一层低折射率隔离层，用于防止芯间信号串扰。
所述的导航光纤的四个单模纤芯中的三个1-3呈正三角形分布，另外一个纤芯1-2位于光纤中间。
所述导航光纤1内还可以包含微流通道1-4，当光纤介入体内，例如血管内，可以在手术激光消融目标后，通过该微流通道向探针端提供定点给药。
所述导航光纤的末端有旋转对称的反射锥体圆台结构7，用于反射聚焦环形芯内传输的消融光束，提高能量密度和实现更高的消融空间分辨率。
所述FBG单元阵列位于四个单模纤芯上，四个单模纤芯相同位置处的四个光栅为一组，每组光栅为同一参数光栅掩模版制备而成，不同组的光栅为不同参数的光栅掩模版制成。
所述导航光纤活动连接器3为FC连接器，具有光纤方向定位键，使导航光纤1与解调仪模块4能够定轴连接。
所述解调仪模块4包括光路和电路两个部分，如图4所示。其中光路包括可调谐激光器10、二维MEMS反射镜11、半反半透镜12、二向色镜13、消融激光光源14、光电探测器16、聚焦准直透镜组15、导航光纤连接法兰盘9；电路包括可调谐激光器(TLD)驱动和温控电路17、消融激光光源(LD)驱动电路18、光电转换电路19、二维MEMS反射镜控制电路20。
所述的解调仪模块中可调谐激光器10输出的波长扫描光束被解调仪模块内部的二维MEMS反射镜11反射，通过控制调节二维MEMS反射镜11的反射角可以控制波长扫描光束巡回输入导航光纤1的四个单模纤芯。
所述的四个单模纤芯上FBG单元反射回来的光通过解调仪模块4中的半反半透镜12后，被二向色镜13反射到光电探测器16上检测。
消融激光光源14的光束透过二向色镜13、半反半透镜12、聚焦准直透镜组15后输入导航光纤1的环形芯1-1内。
要实现单根光纤的形状传感，完成3D手术导航，就要同时完成弯曲与扭转的测量任务。这要求单根光纤最少具有三个单模纤芯。考虑到温度与基体整体形变将会给弯曲与扭转的测量带来一个环境系统偏差，为了消除这个系统偏差，提高系统测量精度，还需要一个能给提供这种环境温度与基体应变的公共参考纤芯。因此本发明采用的多芯光纤包含了四个单模纤芯，并通过三个三角分布的纤芯与中央公共参考纤芯的差动来消除外界环境的影响，从而实现弯曲与扭转的绝对测量。
为实现基于曲率信息的多芯光纤在血管内的形态重构运算，将FBG解调系统所采集获得的波长数据需转化为曲率数据，并利用曲率连续化与重构算法，实现三维结构形态变化的重构。
针对本发明由光纤光栅获得的动态数据，经由高速FBG解调系统解调后，进一步转换成为实时的反射波长位移数据集。这些数据集构成了二维、三维甚至高维数据场，包含了介入血管的空间三维形状信息及其体内温度分布信息。
本发明的显著的有益效果在于：
(1)采用特种多芯光纤，将手术光束传导功能和3D手术导航功能集成到同一根光纤内部，器件小巧灵活，尤其适合血管内的介入手术。
(2)光纤上分布的FBG阵列可用于介入体内不同部位的温度分布式测量，获取分布式温度体征参数，中间芯的纤端具有FBG，可以用于监测手术点局部的温度来反馈手术效果。
(3)解调仪模块采用二维MEMS作为多芯光纤的每个纤芯通道的扇入扇出连接，使得特种导航光纤与解调仪模块可直接活动连接，光纤连接简单，系统简洁。
附图说明
图1是具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统的结构图。
图2是导航光纤的端面结构图。
图3是带有微流通道到的导航光纤的端面结构图。
图4是解调仪模块的结构图。
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。
导航光纤在使用前需要标定测试，测试步骤如下。
(1)将导航光纤放置于形状标定器上，将导航光纤活动连接器连接上解调仪模块。
(2)打开可调谐激光器，其波长扫描输出波段选择1529nm～1569nm，扫描频率1kHz，波长分辨率由于1pm，波长精度小于±1pm。
(3)调节二维MEMS反射镜，标定可调谐激光器输出的光波耦合到导航光纤四个单模纤芯内的反射角度和对应的电压值。
(4)每个单模纤芯通道扫描一个完整的波段范围后，切换至另一个单模纤芯通道，如此对4个单模纤芯逐芯巡回扫描，通过解调仪模块光纤探测器得到的反射光谱信息对导航光纤的标定形状进行解调和标定。
将本系统用于血管内的癌栓消融治疗。
(1)先对患者待手术的血管进行血管内造影，得到血管的实际空间分布。在计算机上建立绝对坐标系。
(2)然后，将穿刺针刺到合适的血管位置，抽出穿刺针针芯，沿穿刺针针管插入导丝至穿刺针针管顶端；拔出穿刺针针管，插入多芯光纤。
(3)打开解调仪模块，在计算机的监视器上监控导航光纤的动态形状，通过导航光纤的形状和造影血管的吻合程度，判断光纤纤端在血管内部的前进情况以及当前所处位置。根据这样的3D导航，对光纤的前进方向进行调整，直至光纤端到达病患的癌栓处。
(4)打开消融激光光源，消融光束经过导航光纤连接器注入环形芯内部，最后经过纤端的锥体圆台结构聚焦，作用于病变组织，达到精准消融的目的。通过光纤光栅解调仪监测得到的中间芯纤端位置的光栅的反射波长，监控纤端局部温度，防止温度过高，损伤正常组织。
(5)通过调整消融激光光源的脉冲强度和脉冲周期，来改善手术效果。
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 (9)
1.一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述系统由导航光纤、光纤套管、导航光纤活动连接器、解调仪模块、和计算机组成；其中导航光纤具有四个单模纤芯和一个环形纤芯，单模纤芯上分布有FBG单元阵列，用于3D形状传感；导航光纤的纤端具有锥体圆台结构，用于反射聚焦环形芯内的消融光束；导航光纤活动连接器将导航光纤和解调仪模块连接，解调仪模块对四个单模纤芯进行循环扫描。
2.根据权利要求1所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述导航光纤包括同轴分布的环形芯、四个单模纤芯、低折射率隔离层、包层以及涂覆层。
3.根据权利要求1所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述导航光纤内还可以包含微流通道。
4.根据权利要求1所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述FBG单元阵列分布于四个单模纤芯上，每组光栅为同一参数光栅掩模版制备而成，不同组的光栅为不同参数的光栅掩模版制成。
5.根据权利要求1所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述导航光纤活动连接器具有光纤方向定位键，使导航光纤与解调仪模块能够定轴连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述解调仪模块包括光路和电路两个部分，其中光路包括可调谐激光器、二维MEMS反射镜、半反半透镜、二向色镜、消融激光光源、光电探测器、聚焦准直透镜组、导航光纤连接法兰盘；电路包括可调谐激光器驱动和温控电路、消融激光光源驱动电路、光电转换电路、二维MEMS反射镜控制电路。
7.根据权利要求1或权利要求6所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述的解调仪模块中可调谐激光器输出的波长扫描光束被解调仪模块内部的二维MEMS反射镜反射，通过控制调节二维MEMS反射镜的反射角可以控制波长扫描光束巡回输入四个单模纤芯。
8.根据权利要求1或权利要求6所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：所述的四个单模纤芯上FBG单元反射回来的光通过解调仪模块中的半反半透镜后，被二向色镜反射到光电探测器上检测。
9.根据权利要求1或权利要求6所述的一种具有体内3D导航手术功能的介入式激光消融系统，其特征是：消融激光光源的光束透过二向色镜、半反半透镜、聚焦准直透镜组后输入导航光纤的环形芯内。
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