CN114469336A - 一种激光输出装置和激光消融系统 - Google Patents
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Abstract
本申请适用于光学领域，提供了一种激光输出装置和激光消融系统。激光输出装置包括：依次连接的激光器和耦合模块；激光器用于生成向耦合模块发射的初始光束，初始光束为符合高斯能量分布的光束；耦合模块包括依次连接的激光缩束模块、匀化模块和聚焦耦合模块，用于将初始光束转换为目标光束，并将目标光束耦合到导管上，目标光束为能量均匀分布的光束。本申请的实施例可以使到达导管的激光光束能量均匀化，降低了光束的空间相干性，避免了激光的能量横向重新分布烧坏导管，也减少对输出激光的能量损耗，提高激光的能量转换率，从而提升了激光消融对斑块的消融速度。
Description
技术领域
本申请属于光学领域，尤其涉及一种激光输出装置和激光消融系统。
背景技术
高血压、高血脂、大量吸烟、患有糖尿病、肥胖等人群容易产生动脉粥样硬化。动脉粥样硬化会造成血管腔狭窄或阻塞，导致血液不流通，进而产生生命危险。
动脉介入治疗已经成为动脉粥样硬化患者治疗的有效手段。动脉介入治疗通过将器械导管输送到血管内，利用激光消融等手段来疏通狭窄或阻塞的血管。
激光消融技术是指利用紫外线激光照射血管内的粥样硬化斑块使其消融的一项医疗技术。紫外线被粥样硬化斑块吸收后，能够破坏斑块分子的碳-氢键，使得斑块组织温度升高并在导管前端产生微蒸汽气泡，这些微蒸汽气泡的膨胀和暴缩能够瓦解阻塞血管的斑块。同时，导管尖端的碎片被分解成水、气体及小于10μm的微小颗粒，最终被网状内皮系统吸收，从而避免微血管的阻塞。
在现有技术中，激光消融设备采用准分子激光器，具有体积大、造价高、预热慢、能量损耗多的缺点，在临床使用上消融耗时久，进而影响手术进度，可能会造成患者生命危险。
发明内容
本申请实施例提供一种激光输出装置和激光消融系统，可以使输出激光的能量均匀分布，减少对输出激光的能量损耗。
第一方面，本申请实施例提供一种激光输出装置，包括：依次连接的激光器和耦合模块；
所述激光器用于生成向所述耦合模块发射的初始光束，所述初始光束为符合高斯能量分布的光束；
其中，所述耦合模块包括依次连接的激光缩束模块、匀化模块和聚焦耦合模块；
所述激光缩束模块用于将接收到的所述初始光束转换为第一光束，所述第一光束的第一光束截面积小于所述初始光束的初始光束截面积；
所述匀化模块用于接收所述第一光束，对所述第一光束进行第一次匀化得到所述第二光束，所述第二光束为能量初步均匀分布的光束；
所述聚焦耦合模块用于接收所述第二光束，将所述第二光束聚焦得到目标光束，将所述目标光束耦合到所述导管上，所述目标光束为能量均匀分布的光束。
进一步的，所述耦合模块还包括：匀化光纤和中继耦合模块；
所述匀化光纤和所述中继耦合模块依次连接于所述聚焦耦合模块与所述导管之间，所述聚焦耦合模块与所述匀化光纤同轴设置；
相应的，所述聚焦耦合模块用于将所述目标光束聚焦到所述匀化光纤的端面上；
所述匀化光纤用于对所述目标光束进行第二次匀化；
所述中继耦合模块用于将第二次匀化后的所述目标光束耦合进入导管。
具体的，所述激光缩束模块包括第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜用于将所述初始光束汇聚后入射至所述第二透镜，所述第二透镜用于将汇聚后的所述初始光束发散为所述第一光束，所述第一光束为平行光；
其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为平凸透镜或平凹透镜，所述第一透镜的平面与所述第二透镜的平面相对设置且同轴；所述第一透镜的焦距大于所述第二透镜的焦距，并且，所述第一透镜的焦点与所述第二透镜的焦点重合。
示例性的，所述聚焦耦合模块包括两个第三透镜；
所述第三透镜为平凸透镜，两个所述第三透镜的凸面相对设置且同轴。
在一个实施方式中，所述匀化光纤由一根多模光纤组成；所述匀化光纤的长度大于0.2米；所述匀化光纤的芯径大于所述目标光束的截面直径。
进一步的，所述匀化光纤的芯径为所述目标光束的截面直径的1.2倍。
示例性的，所述中继耦合模块包括三个第四透镜；
所述第四透镜为平凸透镜，三个所述平凸透镜的凸面均朝向所述目标光束的出射方向。
进一步的，所述耦合模块还包括导管插口；
所述导管插口设置于所述中继耦合模块与所述导管之间，用于与所述导管连接；
所述导管插口设置有与所述导管的导管定位槽对应的导管插头定位柱。
作为一种可能的实现方式，所述激光器和所述耦合模块为一体化结构；
所述一体化结构是以固定所述激光器的底板为基准面，以所述激光器的出光口中心轴为中轴的笼式结构。
第二方面，本申请实施例还提供一种激光消融系统，包括：第一方面所述的激光输出装置和导管；
所述导管与所述耦合模块连接，用于输出所述目标光束，以使所述目标光束作用于待消融组织。
本申请的实施方式中，通过耦合模块将高斯能量分布的的初始光束转换为能量均匀分布的目标光束，可以使到达导管的激光光束能量均匀化，降低了光束的空间相干性，避免了激光的能量横向重新分布烧坏导管，减少对输出激光的能量损耗，提高激光的能量转换率，从而提升了激光消融对斑块的消融速度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种激光输出装置的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的另一种激光输出装置的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的激光输出装置的具体结构示意图；
图4是本申请实施例提供的激光消融系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护。
图1示出了本申请实施例提供的一种激光输出装置的结构示意图，该激光输出装置能够降低光束的空间相干性，避免激光的能量横向重新分布烧坏导管，提高激光的能量转换率。
具体的，上述激光输出装置可以包括依次连接的激光器10和耦合模块20。
激光器10用于生成初始光束，并向耦合模块20输出该初始光束。
本实施例采用的激光器10可以为固体泵浦激光器。激光器10输出的初始光束为波长355nm的紫外激光，作为一种优选的实施方式，初始光束不含波长1064nm和532nm的杂光。
示例性的，初始光束的脉宽可以为8.5ns，重复频率可以为40Hz，光斑直径可以达到9mm，单脉冲能量的输出大小可随外部信号的控制而改变，可达到50mJ以上。
需要说明的是，在本申请的一些实施方式中，上述激光输出装置还可以包括与激光器10连接的主控制器，该主控制器用于根据外部信号和/或外部接口控制激光器10的单脉冲能量输出大小。
现有的激光消融设备一般使用准分子激光器发射308nm波长的激光。但研究发现，波长308nm的激光源是气体放电机制激光，受限于放电气体腔和脉冲电源的复杂结构，在激光消融设备中使用准分子激光器将导致设备体积庞大，并且，308nm的激光应用范围窄、难以量产，同时由于准分子激光器造价高昂，难以在临床大规模推广应用。其次，现有的激光消融设备采用石英光纤的导管传输波长308nm的激光时，激光损耗非常严重，仅有10％的激光能量能够到达待消融组织，因此，需要输入能量很高的初始光束才能实现较好的激光消融效果；而能量很高的初始光束容易造成导管光纤自身损伤，导致设备维护成本增加、资源消耗量增大。而且，准分子激光器需要开机需要预热半小时以上，在血栓高负荷的急性心梗PCI(percutaneous coronary intervention，经皮冠状动脉介入治疗)的应用中将受到限制。
本实施例的激光器10可以避免准分子激光器的相同问题，在本申请的实施方式中，半导体泵浦激光器结构简单，能够减小激光消融设备的体积，同时可以减少激光能量的损耗，缩短预热时间，提高消融效率。
耦合模块20用于将接收到的初始光束转换为目标光束，再将目标光束耦合进入导管30。初始光束为符合高斯能量分布的光束，具有较强的空间相干性，易发生能量横向重新分布；目标光束为能量均匀分布的光束，空间相干性较弱。
其中，耦合模块20包括依次连接的激光缩束模块201、匀化模块202和聚焦耦合模块203，用于将接收到的初始光束转换为目标光束，并将目标光束耦合到导管30上。
激光缩束模块201用于将接收到的初始光束转换为第一光束，其中，第一光束的第一光束截面积小于初始光束的初始光束截面积。缩束能减小后置的匀化模块202对光束的有效散射面积，但不影响匀化模块202对光束的有效散射角度，进而减少匀化模块202的扩散作用所导致的光束的能量损耗。
匀化模块202用于接收第一光束，对第一光束进行初步的第一次匀化，将高斯能量分布的第一光束散射转化得到第二光束，第二光束为能量近似均匀分布的光束。匀化模块202降低了第一光束的空间相干性，使得高能量脉冲在导管中不会发生横向干涉，避免了能量横向重新分布烧坏导管光纤。
聚焦耦合模块203用于接收第二光束，将第二光束聚焦得到目标光束，将目标光束耦合到导管30上。
利用本实施例提供的激光输出装置进行实验，该装置的能量输出效率约为40.5％。其中，激光缩束模块201损耗的光能量为0.5％以下(趋近于0)，匀化模块202损耗的光能量为20％，聚焦耦合模块203损耗的光能量为2％，导管30耦合损耗的光能量大约为37％，因此，最后输出的能量为40.5％左右。该激光输出装置主要的光能量损耗是匀化模块201的散射导致部分光线溢出耦合模块20，以及耦合模块20聚焦的光斑尺寸大于导管30中光纤的端面截面积，导致的光能量损失。也就是说，当激光器10输出能量为50mJ的初始光束，最终输出的目标光束的能量约为20.25mJ。
图2示出了本申请实施例提供的另一种激光输出装置的结构示意图。在上述结构的基础上，耦合模块20还包括：匀化光纤204和中继耦合模块205。
匀化光纤204和中继耦合模块205依次连接于聚焦耦合模块203与导管30之间，为保证光束的传输效果，聚焦耦合模块203与匀化光纤204同轴设置.
与上述实施例不同的是，聚焦耦合模块203将目标光束聚焦到匀化光纤204的端面上。
匀化光纤204用于在传输过程中对目标光束进行第二次匀化，进一步降低目标光束的空间相干性，这就要求匀化光纤204具备一定的长度，且直径大于目标光束的截面直径。
中继耦合模块205用于接收第二次匀化后的目标光束，并将目标光束耦合进入导管30。中继耦合模块205增加了耦合容差，以使该激光输出装置能够兼容不同尺寸大小的导管30。
其中，第一光束、第二光束、目标光束和初始光束的出射方向相同。
利用本实施例提供的激光输出装置进行实验，该装置的能量输出效率约为19.5％。其中，激光缩束模块201损耗的光能量为0.5％以下(趋近于0)，匀化模块202损耗的光能量为20％，聚焦耦合模块203损耗的光能量为2％(趋近于0)，匀化光纤204耦合损耗的光能量为8％左右，中继耦合模块205损耗的光能量为10％，导管30损耗的光能量大约为40％，因此，最后输出的能量为19.5％左右。
该激光输出装置主要的光能量损耗是匀化模块201的散射导致部分光线溢出耦合模块20，以及匀化光纤204和导管30中的医用光纤激光参数跌落导致的光能量损失。也就是说，当激光器10输出能量为50mJ的初始光束，最终输出的目标光束的能量约为9.75mJ。
相较于现有的将准分子激光器发射激光直接聚焦到导管中对应的10％的能量输出效率，本申请上述实施例提供的激光输出装置大大提高了激光能量的输出效率，也变相地提高了激光消融的效率。
本实施例采用激光器输出特定波长且质量较好的紫外激光，将高斯能量分布的光束经缩束、匀化处理后得到能量均匀分布的光束，聚焦到匀化光纤的端面，对光束进行进一步的匀化，最终将降低了空间相干性的光束耦合到导管中。通过本实施例提供的激光输出装置，能够降低光束的空间相干性，避免能量聚集烧坏导管光纤，同时提高了激光的能量转换率，可以使目标光束对待消融组织的消融效果更佳。
现有技术中，激光输出装置还可能包含若干个用于改变光束方向的反光镜。但考虑到反光镜造成的激光能量损失以及设备制造成本的增加，在本申请的一些实施方式中，上述激光输出装置以激光器10的出光口中心轴为中轴进行设计。
具体的，上述激光器10和耦合模块20可以为一体化结构。其中，上述一体化结构是以固定激光器10的底板为基准面，并以激光器10的出光口中心轴为中轴的笼式结构。通过上述结构，激光输出装置的结构的中轴为激光器10的出光口中心轴，光束在上述激光输出装置中传播时不需要再经反光镜反射。
图3是本申请实施例提供的激光输出装置的具体结构示意图。如图3所示，下面通过举例说明该激光输出装置的一种可能的实现方式。
在本实施例的激光输出装置中，激光缩束模块201可以包括第一透镜2011和第二透镜2012。激光器10发射的初始光束经第一透镜2011汇聚后，使初始光束截面积减小，入射至第二透镜2012，第二透镜2012可以将汇聚后的初始光束发散为平行光，得到第一光束。
其中，上述第一透镜2011可以为平凸透镜，第二透镜2012则可以为平凸透镜或平凹透镜。第一透镜2011的焦距大于第二透镜2012的焦距，并且，第一透镜2011的平面与第二透镜2012的平面相对设置且同轴，以使第一透镜2011和第二透镜2012的焦点重合。
在本实施例中，通过第一透镜2011能够减小初始光束的光束截面积，同时通过第二透镜2012可以保障第一光束以平行光出射至匀化模块202，增强匀化模块202的散射效果。
具体的，上述匀化模块202可以为扩散片，扩散片的直径为25nm。
在本申请的一些实施方式中，上述聚焦耦合模块203可以包括两个第三透镜2031，第三透镜2031为平凸透镜，两个第三透镜的凸面相对设置且同轴。其中，匀化模块202扩散后得到的弱相干性的第二光束，经两个第三透镜2031汇聚后得到目标光束，目标光束被聚焦耦合模块203耦合到匀化光纤204的端面上，因此，需要将聚焦耦合模块203与匀化光纤204同轴设置。
相应的，在本申请的一些实施方式中，上述第一透镜2011、第二透镜2012和第三透镜2031均可以为适用波长范围覆盖上述紫外激光波长的透镜。作为优选的实施方式，上述透镜全部采用紫外熔融石英透镜，直径为25nm，波长为250nm～425nm。
本实施例中，匀化光纤204是由一根多模光纤组成的高能大芯径光纤，芯径约为1.5mm，长度大于0.2米。为使目标光束进入匀化光纤204后能够被进一步的匀化，降低空间相干性，使得后续的导管30能够安全地传输高能量脉冲激光，匀化光纤204的芯径应大于目标光束的截面直径，优选的，匀化光纤204的芯径为目标光束的截面直径的1.2倍。
具体的，中继耦合模块205包括三个第四透镜2051，第四透镜2051为平凸透镜，三个平凸透镜的凸面均朝向目标光束的出射方向。第四透镜2051也可采用紫外熔融石英透镜，优选直径为4.5nm。
中继耦合模块205将大芯径的匀化光纤204和导管30中的医用光纤连接起来，将匀化光纤204输出的第二次匀化后的目标光束高效耦合进入导管30中的医用光纤，并增加耦合容差，以使该激光输出装置能够兼容不同尺寸大小的导管。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的各个装置，还可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的耦合模块仅仅是示意性的；又例如，各个组件的划分，仅仅为一种功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略。
图4是本申请实施例提供的激光消融系统的结构示意图。如图4所示，本实施例还提供一种激光消融系统，包括：上述实施例提供的激光输出装置1和导管30。
导管30与耦合模块20连接，用于输出目标光束，以使目标光束作用于待消融组织。
可以理解的是，耦合模块20还包括导管插口(图中未示出)。导管插口设置于聚焦耦合模块203与导管30之间，或者设置于中继耦合模块205与导管30之间，用于与导管30连接。导管插口设置有与导管30的导管定位槽对应的导管插头定位柱，能够在插接、更换导管时提供定位辅助。
导管30的后端是便携插拔的导管接头，导管接头上设置导管定位槽，与导管插口插接，用于接收目标光束，导管30的前端将经过导管30传输的目标光束输出，作用于待消融组织。
作为一种可能的实施方式，导管30的腔体内部包括消融光纤和导丝，消融光纤用于传输上述目标光束，通过控制导丝可以引导导管前端到达血管中的指定位置。其中，消融光纤的直径大于导丝的直径，且消融光纤、导丝与导管腔体为非同轴心设置，即消融光纤与导丝在导管腔体中偏心设置。
进一步的，导管接头上还设置有转轴以及用于控制转轴转动的驱动装置，转轴转动可带动导管转动，同时由于消融光纤的偏心设置，在转动的过程中，消融光纤的实际照射路径的面积会显著大于消融光纤的截面面积，从而有效增大激光消融面积，有利于提高手术效率，方便使用。
具体的，消融光纤可以是单根芯径较大的光纤，也可以是多根紫外多模光纤组成的光纤束。单根大芯径光纤的结构强度高，使用时不易断裂破损；而光纤束采用的紫外多模光纤，可有效保证其工作性能的稳定性，各有优势，可根据实际情况选择。
作为一种改进的实施方式，导管30的腔体内部还可以包括光学相干断层成像(optical coherence tomography，OCT)探头，OCT探头为拼接光纤，拼接光纤由多段光纤沿导管的长度方向连接而成，多段光纤依次是单模光纤、无芯光纤和渐变折射率光纤。若消融光纤为单根大芯径光纤，则OCT探头在导管腔体中与消融光纤、导丝、导管腔体为非同轴心设置；若消融光纤为光纤束，则可在光纤束中任意位置设置一个或多个OCT探头，例如，沿光纤束的周向间隔分布多个OCT探头。
OCT探头将探查到的图像信号反馈到主控制器，图像信号可以是光学相干断层扫描信号，也可以是血管内斑块的衰减指数，主控制器根据收到的图像信号(即上述外部信号)判断待消融组织所属的斑块类型(如纤维斑块、脂质斑块等)，并根据斑块类型选择相应的脉冲能量大小，控制激光器10发出相应脉冲能量的激光光束。本实施例针对探查到的斑块类型输出相应脉冲能量的激光光束，可以减少医生在介入手术时对能量大小的尝试次数，提高消融效率，为患者赢得宝贵的治疗时间。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光输出装置，其特征在于，包括：依次连接的激光器和耦合模块；
所述激光器用于生成向所述耦合模块发射的初始光束，所述初始光束为符合高斯能量分布的光束；
其中，所述耦合模块包括依次连接的激光缩束模块、匀化模块和聚焦耦合模块；
所述激光缩束模块用于将接收到的所述初始光束转换为第一光束，所述第一光束的第一光束截面积小于所述初始光束的初始光束截面积；
所述匀化模块用于接收所述第一光束，对所述第一光束进行第一次匀化得到第二光束；
所述聚焦耦合模块用于接收所述第二光束，将所述第二光束聚焦得到目标光束，将所述目标光束耦合到导管上，所述目标光束为能量均匀分布的光束。
2.如权利要求1所述的激光输出装置，其特征在于，所述耦合模块还包括：匀化光纤和中继耦合模块；
所述匀化光纤和所述中继耦合模块依次连接于所述聚焦耦合模块与所述导管之间，所述聚焦耦合模块与所述匀化光纤同轴设置；
相应的，所述聚焦耦合模块用于将所述目标光束聚焦到所述匀化光纤的端面上；
所述匀化光纤用于对所述目标光束进行第二次匀化；
所述中继耦合模块用于将第二次匀化后的所述目标光束耦合进入导管。
3.如权利要求1所述的激光输出装置，其特征在于，所述激光缩束模块包括第一透镜和第二透镜；
所述第一透镜用于将所述初始光束汇聚后入射至所述第二透镜，所述第二透镜用于将汇聚后的所述初始光束发散为所述第一光束，所述第一光束为平行光；
其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为平凸透镜或平凹透镜，所述第一透镜的平面与所述第二透镜的平面相对设置且同轴；所述第一透镜的焦距大于所述第二透镜的焦距，并且，所述第一透镜的焦点与所述第二透镜的焦点重合。
4.如权利要求1所述的激光输出装置，其特征在于，所述聚焦耦合模块包括两个第三透镜；
所述第三透镜为平凸透镜，两个所述第三透镜的凸面相对设置且同轴。
5.如权利要求2所述的激光输出装置，其特征在于：
所述匀化光纤由一根多模光纤组成、所述匀化光纤的长度大于0.2米和/或所述匀化光纤的芯径大于所述目标光束的截面直径。
6.如权利要求5所述的激光输出装置，其特征在于，所述匀化光纤的芯径为所述目标光束的截面直径的1.2倍。
7.如权利要求2所述的激光输出装置，其特征在于，所述中继耦合模块包括三个第四透镜；
所述第四透镜为平凸透镜，三个所述平凸透镜的凸面均朝向所述目标光束的出射方向。
8.如权利要求2所述的激光输出装置，其特征在于，所述耦合模块还包括导管插口，用于与所述导管连接；
所述导管插口设置于所述聚焦耦合模块与所述导管之间，或者设置于所述中继耦合模块与所述导管之间；
所述导管插口设置有与所述导管的导管定位槽对应的导管插头定位柱。
9.如权利要求1所述的激光输出装置，其特征在于，所述激光器和所述耦合模块为一体化结构；
所述一体化结构是以固定所述激光器的底板为基准面，以所述激光器的出光口中心轴为中轴的笼式结构。
10.一种激光消融系统，其特征在于，包括：权利要求1至9任一项所述的激光输出装置和导管；
所述导管与所述耦合模块连接，用于输出所述目标光束，以使所述目标光束作用于待消融组织。
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