CN113671622A - 一种用于介入消融手术的多功能光纤及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种用于介入消融手术的多功能光纤及其制备方法，其特征是：所述光纤包括呈正三角分布的三个单模纤芯、一个中间单模纤芯、三个环形破缺的纤芯、包层以及分布在单模纤芯上的光纤布拉格光栅阵列。其中三个环形破缺的纤芯用于手术激光的光束能量传输，四个单模纤芯及其上面分布的光纤布拉格光栅阵列用于形状传感。光纤上分布的光栅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。本发明可用于介入式手术3D导航和病变区域的消融，可广泛用于微创介入手术医疗领域。

Description

一种用于介入消融手术的多功能光纤及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种用于介入消融手术的多功能光纤，还涉及该光纤的一种制备方法，属于光纤制备技术领域。
背景技术
心血管疾病是人类最常见的疾病之一，也是世界人口死亡的主要原因之一。我国是该病发病率和死亡率最高的国家之一，因此，心血管疾病的防治对我国人民的生命健康有着十分重要的意义。血管微创介入手术(invasive vascular surgery)是在医学影像设备的引导下，借助于介入导管沿血管的管腔到达较远的病变部位(如冠状动脉、脑部、肝脏和肾脏的血管内)，然后对病变部位实行微创治疗的一种新兴医疗手术。
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(
Figure BDA0003231429770000011
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用于介入消融手术的多功能光纤，还提供该光纤的一种制备方法。
一种用于介入消融手术的多功能光纤，如图1所示，所述多功能光纤1包括呈正三角分布的三个单模纤芯1-1、一个中间单模纤芯1-2、三个环形破缺的纤芯1-3、包层1-4以及分布在单模纤芯上的光纤布拉格光栅阵列1-5。其中三个环形破缺的纤芯1-3用于手术激光的光束能量传输，四个单模纤芯及其上面分布的光纤布拉格光栅阵列1-5用于形状传感。
如图2(a)，所述的三个环形破缺纤芯1-3和呈正三角分布的三个单模纤芯1-1分布在同一个环形上。
如图2(b)，可选地，所述的四个单模纤芯外有一圈氟掺杂的低折射率层1-6，用于单模纤芯的隔离，防止信号串扰。
优选地，所述的单模纤芯和环形破缺纤芯为锗元素掺杂纤芯，方便光纤载氢并刻写光纤布拉格光栅。
如图3，所述的光纤布拉格光栅阵列位于四个单模纤芯上，每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。
所述的光纤外有生物兼容的耐温丙烯酸树脂材料的涂覆层，以增加光纤强度。
如图4，介绍一种用于介入消融手术的多功能光纤的制备方法，制备步骤为：
步骤1：采用等离子体化学气相沉积的方法在石英套管2-1内部依次沉积一层锗掺杂的环形纤芯、纯石英内包层、氟掺杂的隔离层、锗掺杂的单模纤芯，得到预制管2-2，最后高温缩棒，形成预制棒2-3；
步骤2：采用超声打孔的方法，在预制棒上打三个孔，得到预制棒2-3，孔的圆心位置在环形芯上等间隔分布；
步骤3：制备三根同样的单模预制棒，插入步骤2中制备的预制棒2-3孔内，高温缩棒，得到预制棒2-5；
步骤4：高温下拉纤，并使用耐温丙烯酸树脂涂敷、固化，形成光纤涂覆层，得到光纤2-6。
步骤5：光纤放置在载氢釜中载氢，完成载氢后局部去除涂覆层，采用不同参数的光栅掩模版刻写布拉格光栅阵列、再涂敷、退火后形成所需多功能光纤1。
由于该光纤是特种光纤，其每个纤芯波导的连接方法是该光纤能否得到应用的关键问题。本光纤可采用下述的光纤扇入扇出连接器：如图5所示，可选取一个七芯光纤扇入扇出器件4与多功能光纤1对芯熔接，该器件的一端和7根单模光纤3连接，另一输出端4-1有七个单模输出纤芯，其中环形分布的六个纤芯中的三个和本发明中提出的多功能光纤1的三个单模纤芯对应匹配，另外三个纤芯和三个环形破缺纤芯对应匹配。如此可实现本发明的扇入扇出连接。
该光纤的多功能特性体现在以下几个方面：
(1)四个锗掺杂的单模纤芯上制备了布拉格光纤光栅阵列，可用于三维的分布式形状传感，用于光纤介入血管的3D导航。
(2)光纤中间芯上分布的光栅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。
(3)三个环形破缺的纤芯具有很大的模场面积，可以传输较大功率的激光，用于血管内介入式激光消融治疗的光束传输通道。
(4)该光纤的纤端经过精密研磨加工，可制备锥体圆台结构，反射聚焦三个环形破缺的纤芯内传输的手术激光，进一步提高手术激光的能量密度。
附图说明
图1是用于介入消融手术的多功能光纤，在光纤上有FBG阵列，放大区是光纤的端面结构图。
图2是两种用于介入消融手术的多功能光纤的端面图，其中图2(b)与图2(a)的差别在于其4个单模纤芯的外圈增加了低折射率的隔离层。
图3是多功能光纤1的三维结构图，其中光纤光栅阵列1-5按组分布在4个单模纤芯上。
图4是用于介入消融手术的多功能光纤的制备方法流程图。
图5是用于介入消融手术的多功能光纤的扇入扇出连接器的结构图。
图6是多功能光纤用于血管内激光消融治疗系统的结构图。
图7多功能光纤用于血管内形状重构的原理图。
图8是用于介入消融手术的多功能光纤的三维形状传感实时动态显示的流程图。
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。
实施例：用于血管内的血栓消融治疗。
整个系统如图6所示，多功能光纤1的一端与七芯光纤扇入扇出器件4连接，其中对应三个环形破缺纤芯的输入端与手术激光光源6连接，另外对应多功能光纤1的四个单模纤芯的输入端与四通道光纤光栅解调系统5连接，该系统可通过多功能光纤1上的光栅阵列1-5反射回来的波长来实时实现光纤的形状重构。多功能光纤1的另一端可插入血管10内，由于光纤是柔软灵活的，插入血管10后，多功能光纤1重构的形状即可以认为是血管10的形状。从而获得多功能光纤1纤端的探针在血管10内部所处的位置。多功能光纤1的纤端通过精密研磨后，得到一个对称的反射锥体圆台结构8，该圆台结构8能够实现三个环破缺纤芯内传输的手术激光6-1的反射汇聚，从而在纤端处形成一个高能量密度、小尺寸的聚焦光斑，用于血管内血栓7的消融，从而实现血管内血栓的微创介入式治疗，纤端中间芯上的布拉格光栅9还可以用来监测激光加热消融的温度，防止温度过高，对血管10产生损伤。
在本实施例实施前，需要对待手术的血管进行血管内造影，得到血管的实际空间分布。然后，本发明的血管内导航原理是通过对介入血管的多功能光纤进行形状分布的实时动态重构，再将得到的重构的光纤形状与造影得到的血管形状进行坐标融合比对，从而判断光纤端进入到血管内的位置。要实现单根光纤同时完成弯曲与扭转的测量任务，最少需要单根光纤具有三个单模纤芯。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。因此多功能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功能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。
由于多功能光纤FBG传感阵列探测的光纤形变参量是离散的数据，所以可采用线性插值、二次插值、B样条插值等方法来实现这些数据的连续化，得到光纤曲率和扭转的连续变化函数：κ(s)和τ(s)。进而根据曲率和扭转的连续变化数据来重构整个光纤传感器的三维空间位置函数
Figure BDA0003231429770000041
下面将简要地分析这一函数的重构过程。
为了便于分析，在通过重构光纤形状的过程中，只分析多功能光纤的写有FBG阵列的四个单模纤芯。如图7所示，定义沿着光纤弯曲方向的单位切向量
Figure BDA0003231429770000051
沿着光纤弯曲方向的单位法向量
Figure BDA0003231429770000052
和负法向量
Figure BDA0003231429770000053
这里
Figure BDA0003231429770000054
这样，由弗朗内—塞雷(Frenet-Serret)公式可得：
Figure BDA0003231429770000055
而弗朗内—塞雷公式的一个重要特征是，
Figure BDA0003231429770000056
和
Figure BDA0003231429770000057
可以表示成其积分形式：
Figure BDA0003231429770000058
一旦标定好多功能光纤传感器的各项参数，确定初始位置(即
Figure BDA0003231429770000059
和
Figure BDA00032314297700000510
已知)，联立以上两个公式就可以求出多功能光纤传感器的空间位置函数，重构传感器形变轮廓：
Figure BDA00032314297700000511
通过弗朗内—塞雷(Frenet-Serret)公式可以将多功能光纤光栅传感阵列的弯曲和扭转抽象为空间三维曲线，将光纤类比为线性基尔霍夫杆，表现为弹性均匀、结构对称、圆形截面密度均匀，于是光纤在三维空间的框架和自然曲线框架之间的关系将保持不变。
而光纤曲率和扭转的连续变化函数κ(s)和τ(s)可通过下述方法确定。在多功能光纤FBG传感阵列进行形状检测的过程中，多功能光纤由于弯曲和扭转使整根传感光纤光栅阵列变成复杂的曲线。
根据四个单模纤芯的几何关系，如图7所示。纤芯上FBG的应变和光纤曲率的关系如下式给出：
Figure BDA0003231429770000061
纤芯i的局部曲率为
Figure BDA0003231429770000062
式中εi为第i个光栅的应变值，由下式给出
Figure BDA0003231429770000063
每个纤芯的局部曲率矢量的大小都依赖于其测量的应变和距离光纤中心的径向距离，而矢量方向取决于纤芯的角度偏移。对于四个单模纤芯的光纤，曲率向量的矢量被定义为
Figure BDA0003231429770000064
弯曲方向被定义为
Figure BDA0003231429770000065
对于离散的曲率和弯曲方向采用三次样条插值法对整条光纤的曲率和弯曲方向进行插值，而挠率函数是弯曲角度函数的微分
κ(s)＝θ′(s) (9)
一旦确定了光纤曲率和扭转的连续变化函数κ(s)和τ(s)，以及多功能光纤传感器的初始位置(即
Figure BDA0003231429770000066
和
Figure BDA0003231429770000067
)，就可以由式(2)和(3)重构出传感光纤在空间的三维形状了。
针对本发明由大量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。
为实时地显示血管的分布形状，需要将拟合与重构方法借助于计算获得的点坐标数据，通过Open GL技术显示在计算机屏幕上。
如图8，利用重构算法拟合运算所获得的空间坐标值和计算机图形处理技术，对光纤三维形状进行准确、高效、动态的可视化重建。三维形态重构的数据处理流程包含原始数据采集、曲率转换、曲率插值、坐标点拟合、坐标数据融合和图形渲染等步骤，其中，坐标数据融合是实现动态显示效果的关键环节。
坐标数据融合主要目的是将光纤和血管上的各个点的相对坐标值融合到一个统一的坐标系内，形成统一而完整的模型结构坐标点集合。坐标点融合的处理过程如下：
(1)建立血管结构的固定坐标系。
(2)通过建立各个光纤光栅传感点所在的坐标系与固定坐标系的变换关系，并依据变换关系将各个光纤光栅传感点独立坐标系中重构的各个特征点的相对坐标统一到固定坐标系中，即确定各个特征点在整个光纤结构固定坐标系中的坐标值。
(3)最后在固定坐标系下进行各个单元的坐标融合，实现坐标点重建，从而血管形状重构。
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 (7)

1.一种用于介入消融手术的多功能光纤，其特征是：所述多功能光纤包括呈正三角分布的三个单模纤芯、一个中间单模纤芯、三个环形破缺的纤芯、包层以及分布在单模纤芯上的光纤布拉格光栅阵列。
2.根据权利要求1所述的一种用于介入消融手术的多功能光纤，其特征是：所述的三个环形破缺纤芯和呈正三角分布的三个单模纤芯分布在同一个环形上。
3.根据权利要求1所述的一种用于介入消融手术的多功能光纤，其特征是：所述的四个单模纤芯外有一圈氟掺杂的低折射率层。
4.根据权利要求1所述的一种用于介入消融手术的多功能光纤，其特征是：所述的单模纤芯和环形破缺纤芯为锗元素掺杂纤芯。
5.根据权利要求1所述的一种用于介入消融手术的多功能光纤，其特征是：所述的光纤布拉格光栅阵列位于四个单模纤芯上，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。
6.根据权利要求1所述的一种用于介入消融手术的多功能光纤，其特征是：所述的多功能光纤外有生物兼容的丙烯酸树脂材料的涂覆层。
7.一种用于介入消融手术的多功能光纤的制备方法，其特征是：
步骤1：采用等离子体化学气相沉积的方法在石英套管内部依次沉积一层锗掺杂的环形纤芯、纯石英内包层、氟掺杂的隔离层、锗掺杂的单模纤芯，最后高温缩棒，形成预制棒；
步骤2：采用超声打孔的方法，在预制棒上打三个孔，孔的圆心位置在环形芯上等间隔分布；
步骤3：制备三根同样的单模预制棒，插入步骤2中制备的预制棒孔内，高温缩棒；
步骤4：高温下拉纤，使用耐温丙烯酸树脂涂敷、固化，形成光纤涂覆层。
步骤5：光纤放置在载氢釜中载氢，完成载氢后局部去除涂覆层，采用不同参数的光栅掩模版刻写布拉格光栅阵列、再涂敷并退火后形成所需多功能光纤。
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