CN114980831A - 用于估计光纤末端之间距离的方法和系统 - Google Patents

用于估计光纤末端之间距离的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤反馈(FFB)技术，并且提供了一种用于估计光纤末端与目标之间的距离的方法和系统。该方法包括通过光发射、传送和检测(LETD)系统，使用不同的激光光源，用具有低吸水系数和高吸水系数的不同波长的激光照射目标，以及接收对应于不同波长的入射激光的返回信号，并检测返回信号以测量特定波长的返回信号的强度值。使用测量的强度值，处理单元可以估计光纤末端和目标之间的距离。本发明能够实现光纤末端和目标之间的距离的精确估计，并且还提供了一种与不同类型目标兼容的稳健的距离估计技术。

Description

用于估计光纤末端之间距离的方法和系统
技术领域
本公开总体上涉及光纤反馈(FFB)技术领域。具体地，但非排他地，本公开涉及用于估计光纤末端和目标之间的距离的方法和系统。
背景技术
将激光引入医学领域和使用激光的光纤技术的发展已经在治疗、诊断、疗法等方面开辟了广泛的应用。此类应用范围从有创治疗和无创治疗到内窥镜手术和图像诊断。例如，在泌尿结石治疗中，需要将结石破碎成更小的碎片。一种称为激光碎石术的技术可被用于这种碎裂过程，其中，对于中小型泌尿结石，将刚性或柔性输尿管镜放置穿过泌尿道进行照明和成像。同时，通过输尿管镜的单个工作通道将光纤插入到目标位置，即膀胱、输尿管或肾脏中存在结石的位置。然后激光被激活，将石头碎裂成更小的碎片或对其进行除尘。在另一种情况下，激光和光纤技术被用于凝固或消融治疗。在消融治疗期间，激光被递送到组织以汽化组织。在凝固治疗期间，激光被用于在组织内引起热损伤。这种消融治疗可以被用于治疗各种临床病症，诸如良性前列腺增生(BPH)、癌症(诸如前列腺癌、肝癌、肺癌等)，以及用于通过消融和/或凝固心脏中的部分组织来治疗心脏病症。
这些使用激光和光纤技术的治疗需要高精度以确保激光瞄准正确的目标(结石、组织、肿瘤等)，以实现组织消融、凝固、结石碎裂、除尘等临床目的。更具体地，动态地并且在治疗期间估计目标和光纤末端(远端)之间的距离至关重要，这是因为激光治疗参数诸如能量、脉冲宽度、激光功率调制、重复率的优化也是光纤尖端和目标组织之间距离的函数。因此，治疗的效率取决于光纤尖端相对于目标的相对位置和取向。然而，由于各种因素，诸如光纤相对于受试者(例如，患者)体内的位置和取向的移动、组织环境、组织的移动、目标的表面、目标的颜色、激光治疗期间的光纤尖端退化等，当将光纤尖端被插入到受试者体内时，确定或估计光纤尖端与目标之间的距离是极其困难的。距离和取向的不正确估计可能导致将激光瞄准在目标中不是感兴趣区域的区域。这可能导致不必要的并发症，并且在某些情况下还可能导致受试者的组织、器官等的某些部分永久性损伤，这可能使该身体部分功能失调。在其他一些情况下，不正确的距离保持和取向可能会导致治疗持续时间增加，或者可能导致低质量的消融/碎裂等。在某些情况下，诸如BPH或癌症，如果肿瘤没有被正确消融，则它可能导致这种肿瘤的再生，从而导致进一步的并发症。因此，在使用如上所述的激光和光纤技术进行某些治疗的同时，保持光纤尖端和目标之间的精确距离极其重要。
现有技术之一提供了一种通过测量和比较光束的反射强度值来估计目标组织和光纤远端之间的距离的方法，其中，通过调制光束的数值孔径来使光束通过光纤传送。然而，改变光束的数值孔径并不总是方便的。此外，距离估计所需的不同数值孔径的光束反射的分离可能是困难的。
因此，需要提供一种有效的方法和系统来精确估计光纤远端和目标之间的距离。
发明内容
本公开公开了一种光纤反馈(FFB)技术，其提供了一种用于估计光纤末端和目标之间的距离的方法和系统。该方法包括：通过光发射、传送和检测(Light Emitting，Transmitting and Detecting，LETD)系统，使用不同的激光光源，而用具有低吸水系数和高吸水系数的不同波长的激光照射目标。可以以如下这样的方式选择波长，使得它们彼此接近并且属于相同的“nm尺度(scale)”。此外，LETD系统接收对应于不同波长的入射激光的返回信号。返回信号包括从目标后照射反射的光束。LETD系统中配置的一个或多个光检测器可以检测返回信号以测量特定波长的返回信号的强度值。使用测量的强度值，处理单元然后可以估计光纤末端和目标之间的距离。本公开使用不同配置下的LETD系统，该不同配置包括各种光学部件(诸如光束组合器、分束器、偏振器、准直器、波分复用器(WDM)、光检测器等)的不同布置。本公开使得能够精确估计光纤末端与目标之间的距离，并且还提供了一种与不同类型目标兼容的稳健的距离估计技术。此外，本公开可以被用于智能激光发射的目的。例如，在治疗期间，目标可能会前后移动或除此以外地，或者可能会改变其形状和大小。因此，在开始对目标发射激光之前预设的激光源参数可能会变得不太有效。传统上，这些预设参数是被手动更改的，这可能容易出错且耗时，或者在某些情况下，预设参数可能保持不变，这可能导致光纤距离目标太近或太远的情况。因此，本公开允许对光纤与目标之间距离的自动实时监测，并使得能够自动改变激光发射预设参数，以根据目标形状、位置等来调整激光，以获得最佳效果。
在一个方面，一种用于精确地估计光纤末端和目标之间的距离的利用治疗光源治疗皮肤组织的系统，该系统包括：光纤，该光纤被配置为将源自于多个激光源的激光束递送到目标，并且被配置为将从目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器；光发射、传送和检测(LETD)；以及处理单元。光发射、传送和检测(LETD)系统包括：
(i)多个激光光源，包括：第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)，以及一个或多个其他激光源，第二偏振激光源具有不同于第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长，该多个激光光源被配置为生成用于治疗目标的入射激光束；
(ii)第一分束器，其被配置为：接收来自第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)的入射激光束；并且将入射激光束沿单一光路对齐；
(iii)偏振器，其被配置为接收来自第一分束器的对齐的入射激光束，并输出偏振激光束；
(iv)第一光束组合器；
(v)第二分束器；
(vi)偏振分束器；
(vii)第一光检测器；以及
(viii)第二光检测器。
第一光束组合器被配置为：
(a)接收来自偏振器的偏振激光束；
(b)将偏振激光束与从一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束。
第二分束器被配置为：
(a)接收来自第一光束组合器的组合激光束；
(b)将组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由光纤将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标；
(d)在将第二分束器的对齐的组合激光束递送到目标后，经由光纤接收反射光；
(e)将反射光的激光束沿单一光路对齐；以及
(f)将反射光的对齐激光束传送到偏振分束器。
偏振分束器被配置为：接收来自第二分束器的反射光的对齐激光束；并将反射光的对齐激光束分成反射S偏振波束和透射P偏振波束。
第一光检测器被配置为：检测和测量反射光的透射P偏振波束的强度；并且将测量出的反射光的透射P偏振波束的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元。
第二光检测器被配置为：检测和测量反射光的反射S偏振波束的强度；并将测量出的反射光的反射S偏振波束的强度传送到处理单元。
处理单元被配置为：分别接收来自第一光检测器和第二光检测器的测量出的反射光的透射P偏振波束和反射S偏振波束的强度；并且基于测量出的强度、多个激光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端与目标之间的距离。
在另一方面，该系统还包括与第一分束器相关联的功率检测器，其被配置为测量由第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)生成的入射激光束的光功率。此外，该系统还包括与处理单元相关联的指示器，该指示器被配置为指示估计出的光纤的远端和目标之间的距离，其中，该指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。该系统，其中，第一激光光源的波长具有比第二激光光源的波长更高的吸水系数。该系统，其中，第一激光光源和第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得波长在波长尺度上是接近的。该系统，其中，反射光的激光束包括：从目标反射的光束、从所述目标周围的区域反射的光束和从光纤的远端反射的光束中的至少一种。
在另一方面，一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，该系统包括：光纤；光发射、传送和检测(LETD)；以及处理单元。光发射、传送和检测(LETD)系统包括：
(i)多个激光光源，包括：第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)，以及一个或多个其他激光源，第二偏振激光源具有不同于第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长，该多个激光光源被配置为生成用于治疗目标的激光束；
(ii)第二光束组合器，其被配置为：接收来自第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)的入射激光束；并组合入射的激光束；
(iii)偏振器，其被配置为：接收来自第二光束组合器的组合入射激光束，并输出偏振激光束；
(iv)第一光束组合器；
(v)第二分束器；
(vi)偏振分束器；
(vii)第一光检测器，其被配置为：检测和测量反射光的透射P偏振波束的强度；并将测量出的反射光的透射P偏振波束的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元；以及
(viii)第二光检测器。
光纤被配置为：将源自多个激光光源的激光束递送到目标，并将从目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器。
第一光束组合器被配置为：
(a)接收来自偏振器的偏振激光束；
(b)将偏振激光束与从一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗束波组合；以及
(c)输出组合激光束。
第二分束器被配置为：
(a)接收来自第一光束组合器的组合激光束；
(b)将组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由光纤将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标；
(d)在将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由光纤接收反射光；以及
(e)将反射光的激光束沿单一光路对齐，并将反射光的对齐激光束传送到偏振分束器。
偏振分束器被配置为：接收来自第二分束器的反射光的对齐激光束；并将反射光的对齐激光光束分成反射S偏振波束和透射P偏振波束。
第二光检测器被配置为：检测和测量反射光的反射S偏振波束的强度；并将测量出的反射光的反射S偏振波束的强度传送到处理单元。
处理单元被配置为：分别接收来自第一光检测器和第二光检测器的测量出的反射光的透射P偏振波束和反射S偏振波束的强度；以及基于测量出的强度、多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端与目标之间的距离。
该系统还包括与第二分束器相关联的功率检测器，其被配置为测量组合激光的光功率，该组合激光包括由第一偏振激光源(L1)、第二偏振激光源(L2)和一个或多个其他激光器生成的入射激光束。该系统还包括与处理单元相关联的指示器，其中，该指示器被配置为指示估计出的光纤的远端与目标之间的距离，其中，该指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。该系统，其中，第一激光光源的波长具有比第二激光光源的波长更高的吸水系数。该系统中，其中，第一激光光源和第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得波长在波长尺度上是接近的。该系统中，其中，反射光的激光束包括从目标反射的光束、从目标周围的区域反射的光束和从光纤远端反射的光束中的至少一种。
在另一方面，存在一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，该系统包括：
光纤；
处理单元；以及
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)多个激光光源包括第一非偏振激光源(L1’)和第二非偏振激光源(L2’)，以及一个或多个其他激光源，第二非偏振激光源(L2’)具有不同于第一非偏振激光源(L1’)的吸水系数的波长，该多个激光光源被配置为生成用于治疗目标的入射激光束；
(ii)第一分束器；
(iii)第一光束组合器；
(iv)第二分束器；以及
(v)第三光检测器。
光纤被配置为：将源自多个激光光源的激光束递送到目标；并将从目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器。
第一分束器被配置为：接收来自第一非偏振激光源(L1’)和第二非偏振激光源(L2’)的入射激光束；并将入射激光束沿单一光路对齐。
第一光束组合器被配置为：
(a)从第一分束器接收对齐入射激光束；
(b)将对齐入射激光束与从一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束。
第二分束器被配置为：
(a)接收来自第一光束组合器的组合激光束；
(b)将组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由光纤将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标；
(d)在将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由光纤接收反射光；以及
(e)将反射光的激光束沿单一光路对齐，并将反射光的对齐激光束传送到第三光检测器。
第三光检测器被配置为：检测和测量反射光的对齐激光束的强度；并将测量出的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元。
处理单元被配置为：接收来自第三光检测器的测量出的反射光的对齐激光束的强度；以及基于测量出的强度、多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端与目标之间的距离。
在另一方面，该系统包括与第一分束器相关联的功率检测器，其被配置为测量由第一非偏振激光源(Ll’)和第二非偏振激光源(L2’)生成的激光束的光功率。该系统还包括与处理单元相关联的指示器，其中，该指示器被配置为指示估计出的光纤的远端与目标之间的距离，其中，该指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。该系统，其中，第一激光光源的波长具有比第二激光光源的波长更高的吸水系数。该系统中，其中，第一激光光源和第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得波长在波长尺度上是接近的。该系统中，其中，反射光的激光束包括从目标反射的光束、从目标周围区域反射的光束和从光纤的近端和远端反射的光束中的至少一种。
在一个方面，存在一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，该系统包括：
处理器；
光纤；以及
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)多个激光光源；
(i)第一分束器；
(i)第三分束器；
(iv)偏振器；
(v)第一光束组合器：
(vi)第二分束器；
(vi)偏振分束器；
(vi)第一光检测器；以及
(ix)第二光检测器。
光纤被配置为：将源自多个激光光源的激光束递送到目标；并将从目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器。
多个激光光源包括：
(a)第一偏振激光源(L1)；
(b)第二偏振激光源(L2)，其具有不同于第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长；
(c)第三偏振激光源(L3)，其具有不同于第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)的吸水系数的波长；以及
(d)一个或多个其他激光源，其中，多个激光光源被配置为生成用于治疗目标的入射激光束。
第一分束器被配置为：接收来自第一偏振激光源(Ll)、第二偏振激光源(L2)和第三偏振激光源(L3)的入射激光束；并将入射激光束沿单一光路对齐。
第三分束器被配置为：接收来自第一分束器的对齐入射激光束；并且将第一分束器的对齐入射激光束与从第三偏振激光源(L3)接收的入射激光束沿单一光路对齐。
偏振器被配置为：接收来自第三分束器的对齐入射激光束；并输出偏振激光。
第一光束组合器被配置为：
(a)接收来自偏振器的偏振激光束；
(b)将偏振激光束与从一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束。
第二分束器被配置为：
(a)对齐来自第一光束组合器的组合激光束；
(b)组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由光纤将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标；
(d)在将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由光纤接收反射光；
(e)反射光的激光束沿单一光路对齐；以及
(f)将反射光的对齐激光束传送到偏振分束器。
偏振分束器被配置为将反射光的对齐激光束分成反射S偏振波束和透射P偏振波束。
第一光检测器被配置为：检测和测量反射光的透射P偏振波束的强度；以及将测量出的反射光的透射P偏振波束的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元。
第二光检测器被配置为：检测和测量反射光的反射S偏振波束的强度；并将测量出的反射光的反射S偏振波束的强度传送到处理单元。
处理单元被配置为：分别接收来自第一光检测器和第二光检测器的测量出的反射光的透射P偏振波束和反射S偏振波束的强度；以及基于测量出的强度、多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端与目标之间的距离。
在该系统的又一方面中，该系统还包括与第三分束器相关联的功率检测器，该功率检测器被配置为测量由第一偏振激光源(Ll)、第二偏振激光源(L2)和第三偏振激光源(L3)生成的激光束的光功率。该系统还包括与处理单元相关联的指示器，其中，该指示器被配置为指示估计出的光纤的远端与目标之间的距离，其中，该指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。该系统，其中，第一激光光源(L1)的波长比第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水率，并且第三激光光源(L3)的波长比第一激光光源(L1)和第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水率。该系统中，其中，第一激光光源和第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得波长在波长尺度上是接近的。该系统中，其中，反射光的激光束包括从目标反射的光束、从目标周围的区域反射的光束和从光纤的近端和远端反射的光束中的至少一种。
在一个方面，存在一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，该系统包括：
光纤；
处理器；
光发射、传送和检测(LETD)系统。
光发射、传送和检测(LETD)系统包括：
(i)多个激光光源，包括：第一偏振激光源(Ll)，具有不同于第一偏振激光源(Ll)的吸水系数的波长的第二偏振激光源(L2)，具有不同于第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)的吸水系数的波长的第三偏振激光源(L3)，以及一个或多个其他激光源，多个激光光源被配置为生成用于治疗目标的入射激光束；
(ii)波分复用器(WDM)；
(iii)第四分束器；
(iv)准直器；
(v)第一光束组合器；
(vi)第二分束器；
(vii)第三光检测器。
光纤被配置为：将源自多个激光光源的激光束递送到目标；以及将从目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器。
WDM被配置为：接收来自第一偏振激光源(Ll)、第二偏振激光源(L2)、第三偏振激光源(L3)的入射激光束，以及由一个或多个其他激光源生成的瞄准波束；并将入射激光束沿单一光路对齐。
第四分束器被配置为：接收来自WDM的对齐入射激光束；并将波分复用器的入射激光束沿单一光路对齐。
准直器被配置为：接收来自第四分束器的对齐入射激光束；并将对齐输出激光束缩窄为平行激光束。
第一光束组合器被配置为：
(a)接收来自偏振器的平行激光束；
(b)将平行光束与从一个或多个其他激光源接收的另一个瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束。
第二分束器被配置为：
(a)接收组合激光束；
(b)将组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由光纤将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标；
(d)在将第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由光纤接收反射光；
(e)将反射光的激光束沿单一光路对齐；以及
(f)将反射光的对齐光束传送到第三光检测器。
第三光检测器被配置为：检测和测量反射光的对齐激光束的强度；并且将测量出的反射光的对齐激光束的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元。
处理单元被配置为：接收测量出的反射光的对齐激光束的强度；以及基于测量出的强度、多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端与目标之间的距离。
在又一方面，该系统还包括与第四分束器相关联的功率检测器，其被配置为测量由第一偏振激光源(Ll)、第二偏振激光源(L2)、第三偏振激光源(L3)和一个或多个其他激光源生成的激光束的光功率。该系统还包括与处理单元相关联的指示器，其中，该指示器被配置为指示估计出的光纤的远端与目标之间的距离，其中，该指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
该系统中，其中，第一激光光源(Ll)的波长比第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数，并且第三激光光源(L3)的波长比第一激光光源(L1)和第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数。该系统中，其中，第一激光光源(L1)、第二激光光源(L2)和第三激光光源(L3)的波长是预定义的，并且被选择为使得波长在波长尺度上是接近的。该系统，其中，反射光的激光束包括：从目标反射的光束、从目标周围的区域反射的光束和从光纤的近端和远端反射的光束中的至少一种。
用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统的一个方面，该系统包括：
处理器；
光纤；以及
光发射、传送和检测(LETD)系统。
光发射、传送和检测(LETD)系统包括：
(i)多个激光光源，包括：第一偏振激光源(Ll)，具有不同于第一偏振激光源(Ll)的吸水系数的波长的第二偏振激光源(L2)，具有不同于第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)的吸水系数的波长的第三偏振激光源(L3)，以及一个或多个其他激光源，该多个激光光源被配置为生成用于治疗目标的入射激光束；
(ii)波分复用器(WDM)；
(iii)第四分束器；
(iv)环形器；
(v)准直器；和
(vi)第一光束组合器。
光纤被配置为将源自多个激光光源的激光束递送到目标，并且将从目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器。
波分复用器(WDM)被配置为：接收来自第一偏振激光源(Ll)、第二偏振激光源(L2)、第三偏振激光源(L3)和由一个或多个其他激光源生成的瞄准波束的入射激光束；并将入射激光束沿单一光路对齐。
第四分束器被配置为：接收来自WDM的对齐的入射激光束；并将WDM的入射激光束沿单一光路对齐。
环行器被配置为：接收来自第四分束器的对齐入射激光束；并使对齐入射激光束能够沿单一方向传播。
准直器被配置为：接收来自环行器的对齐入射激光束；并将从环行器接收的对齐激光束缩窄为平行激光束。
第一光束组合器被配置为：
(a)接收来自偏振器的平行激光束；
(b)将平行光束与从一个或多个其他激光源接收的另一个瞄准波束和治疗波束组合；
(c)输出组合激光光束；以及
(d)经由光纤将第一光束组合器的组合激光束递送到目标。
环形器进一步被配置为：
(a)在将第一光束组合器的组合激光束递送到目标后，经由光纤接收反射光；
(b)使反射光的激光束在单一方向上传播；以及
(c)将来自准直器的反射光的激光束传送到第三光检测器。
第三光检测器被配置为：检测并测量从准直器接收到的反射光的对齐激光束的强度；并且将测量出的反射光的对齐激光束的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元。
处理单元被配置为：接收测量出的反射光的对齐激光束的强度；以及基于测量出的强度、多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端与目标之间的距离。
该系统还包括与第四分束器相关联的功率检测器，其被配置为测量由第一偏振激光源(L1)、第二偏振激光源(L2)、第三偏振激光源(L3)和一个或多个其他激光源生成的激光束的光功率。该系统还包括与处理单元相关联的指示器，其中，该指示器被配置为指示估计出的光纤的远端与目标之间的距离，其中，该指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
该系统中，其中，第一激光光源(Ll)的波长比第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数，并且第三激光光源(L3)的波长比第一激光光源(L1)和第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数。该系统中，其中，第一激光光源(L1)、第二激光光源(L2)和第三激光源(L3)的波长是预定义的，并且被选择为使得波长在波长尺度上是接近的。该系统中，其中，反射光的激光束包括从目标反射的光束、从目标周围的区域反射的光束以及从光纤的近端和远端反射的光束中的至少一种。该系统中，其中，第三偏振激光源(L3)被配置用于校准光纤状态。该系统中，其中，光纤状态是光纤远端的光学质量。该系统中，其中，校准是实时进行的，并且与校准的偏差指示光纤远端的光学状态的退化。
该系统还包括与处理单元相关联的第二指示器，该第二指示器被配置为向用户指示光纤远端的光学状态的退化。该系统中，其中，光纤的近端涂覆有抗反射涂层以减少在光纤的近端处产生的噪声，并增加从目标接收的反射光的动态范围。该系统中，其中，光纤的近端以预定角度被切割，以使来自光纤近端的不需要的反射光能够转向。该系统中，其中，第一光束组合器被配置为从一个或多个其他激光源接收至少一个非偏振治疗波束并输出组合激光束。
在另一个方面，存在一种估计光纤末端和目标之间的距离的方法，该方法包括：
提供包括多个激光源和多个光检测器的光发射、传送和检测(LETD)系统；
提供处理单元；
由LETD系统使用多个激光源中的至少一个，经由光纤用多个波长的入射激光束照射目标；
由LETD系统经由光纤和多个光检测器接收来自目标的反射光；由LETD系统经由光检测器测量多个波长中的每一个的反射光的光束强度；
由LETD系统将测量出的强度传送到处理单元，
其中，处理单元从LETD系统接收测量出的多个波长中的每一个的反射光的光束的强度，并基于测量出的强度、相应的多个波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端和目标之间的距离。
在又一方面，存在一种估计光纤末端和目标之间的距离的方法，该方法包括：
提供光发射、传送和检测(LETD)系统，该系统包括具有多个波长的多个激光光源和多个光检测器；
提供处理单元；
由处理单元从LETD系统接收测量出的多个波长中的每一个的反射光的光束的强度，其中，LETD系统被配置为：
(i)使用多个激光光源中的至少一个，经由光纤用多个波长的入射激光束照射目标；以及
(ii)测量多个波长中的每一个的反射光的光束的强度；
由处理单元基于测量出的强度、相应的多个波长的吸水系数以及目标反射系数来估计光纤的远端与目标之间的距离。
该方法中，其中，多个激光光源包括：具有高吸水系数(HI)的波长的第一偏振激光源(Ll)、具有低吸水系数(LO)的第二偏振激光源(L2)、具有比第一偏振激光源(L1)更高的吸水系数的波长的第三偏振激光源(L3)、具有高吸水系数(HI)的波长的第一非偏振激光源(L1’)、具有低吸水系数(LO)的第二非偏振激光源(L2’)、具有比第一非偏振激光源(L1’)更高吸水系数的波长的第三非偏振激光源(L3’)、以及一个或多个其他激光源。
该方法中，其中，第一偏振激光源(L1)和第一非偏振激光源(L1’)的吸水系数高于第二偏振激光源(L2)和第二非偏振激光源(L2’)的吸水系数；并且第三偏振激光源(L3)和第三非偏振激光源(L3’)的吸水系数高于第一偏振激光源(L1)和第一非偏振激光源(L1’)的吸水系数，以及第二偏振激光源(L2)和第二非偏振激光源(L2’)的吸水系数。
该方法中，其中，估计光纤的远端与目标之间的距离包括：
由处理单元确定属于多个波长中的两个不同波长的反射光的光束的测量出的强度的比值，其中，两个不同的波长属于第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)或者第一非偏振激光源(L1’)和第二非偏振激光源激光源(L2’)之一，使用公式：
Figure BDA0003743591960000151
其中,I(HI)和I(LO)分别是对应于两个不同波长的光束的测量出的强度，
Figure BDA0003743591960000152
是属于两个不同波长的反射光的光束的测量出的强度之比，
R是目标反射系数，
λLO和λHI分别是两个不同波长的吸水系数，
X是光纤远端与目标之间的距离；以及
由处理单元基于两个不同波长的测量出的强度(I(HI)和I(LO))的比值、两个不同波长的吸水系数(λLO和λHI)和目标反射系数(R)来估计光纤末端与目标之间的距离(X)，使用公式：
Figure BDA0003743591960000153
其中“ln”为自然对数。
该方法还包括通过与处理单元相关联的指示器指示估计出的光纤的远端和目标之间的距离，其中，指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一个。该方法还包括由功率检测器测量由多个激光光源生成的激光束的光功率。该方法中，其中，第三偏振激光源(L3)和第三非偏振激光源(L3’)被配置用于实时校准光纤状态。该方法中，其中，该方法使用系统中的至少一个来执行。
该方法中，其中，校准光纤状态包括：
(a)由处理单元从LETD系统接收属于多个波长中的每一个的反射光的光束的测量出的强度；
(b)由处理单元基于属于第三偏振激光光源(L3)或第三非偏振激光光源(L3’)的波长的反射光的光束的测量出的强度(IR(CAL))确定校准因子，在“无目标条件”下实施，以及属于第三偏振激光光源(L3)或第三非偏振激光光源(L3’)的波长的反射光的光束的测量出的强度(I(CAL))被确定；以及
(c)由处理单元基于测量出的强度、多个激光光源的相应波长的吸水系数、确定的校准因子和目标反射系数来估计光纤的远端和目标之间的距离，从而校准光纤状态，
其中，LETD系统被配置为：
(i)在“无目标条件”下，使用多个激光光源和一个或多个其他激光源中的至少一个，经由光纤用多个波长的入射激光束照射目标，用于“无目标条件”；
(ii)经由光纤接收多个波长中的每一个的入射激光束的反射光；以及
(iii)测量属于多个波长中的每一个的反射光的光束的强度，其中，将测量出的强度传送到处理单元。
上述方法还包括由处理单元从LETD系统接收在“无目标条件”下属于反射光的多个波长中的至少三个波长中的每一个的光束的测量出的强度。其中，LETD系统被配置为：
(i)在“无目标条件”下使用多个激光光源中的至少三个，经由光纤用多个波长的入射激光束照射目标；
(ii)经由光纤接收多个波长中的至少三个波长中的每一个的入射激光束的反射光；
(iii)测量多个波长中的至少三个波长的每一个的入射激光束的反射光的强度；
(iv)将多个波长中的至少三个波长的每一个的入射激光束的反射光的测量出的强度传送到处理单元。
在接收之后，由处理单元将多个波长中的至少三个波长中的每一个的入射激光束的反射光的测量出的强度存储为内部反射预处理值(IR cal-pre)。
该方法还包括在存储内部反射预处理值之后，由处理单元从LETD系统接收属于多个波长中的每一个的反射光的光束的新测量出的强度。由处理单元基于以下至少一项来确定校准因子：
(i)第三偏振激光光源(L3)的所存储的内部反射预处理值(IR CAL-PRE)，以及属于第三偏振激光光源的波长的反射光的光束的新测量出的强度(IR CAL-DUR)；或者
(ii)第三非偏振激光光源(L3’)的所存储的内部反射预处理值(IR CAL-PRE)，以及属于第三非偏振激光光源(L3’)的波长的反射光的光束的新测量出的强度(IR CAL-DUR)。
确定光纤状态包括：由处理单元基于测量出的强度、多个激光光源的相应波长的吸水系数、确定的校准因子和目标反射系数来估计光纤的远端与目标之间的距离，从而校准光纤状态。
该方法，其中，校准因子使用下式确定：
Figure BDA0003743591960000171
其中，CF是校准因子。
该方法中，其中，估计光纤的远端与目标之间的距离包括：
由处理单元基于属于多个波长中的两个不同波长的反射光的光束的测量出的强度，确定属于多个波长中的两个不同波长的反射光的光束的新校准的强度，其中，两个不同波长属于第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)或者第一非偏振激光源(L1’)和第二非偏振激光源(L2’)之一，使用公式：
I″＝I-IR×CF
其中，I”为特定波长的反射光的光束的新校准的强度，I为特定波长的反射光的光束的测量出的强度，CF为确定的校准因子，并且IR为在“无目标条件”下测量的特定波长的反射光的光束强度；
由处理单元确定属于多个波长中的两个不同波长的反射光的光束的新校准的强度的比，使用公式：
Figure BDA0003743591960000181
其中，I”(HI)和I”(LO)分别是对应于两个不同波长的光束的新校准的强度，
Figure BDA0003743591960000182
为属于两种不同的波长的反射光的光束的新校准的强度之比，
R是目标反射系数，
λLO和λHI分别是两个不同波长的吸水系数，
X是光纤远端与目标之间的距离，以及
由处理单元基于两个不同波长的新校准的强度(I”(HI)和I”(LO))的比、两个不同波长的吸水系数(λLO和λHI)和目标反射系数(R)来估计光纤的远端与目标之间的距离(X)，使用公式：
Figure BDA0003743591960000183
其中“ln”为自然对数。
附图说明
当结合附图阅读时，通过参考以下说明性实施例的详细描述，可以最好地理解本公开的实施例本身及其优选的使用模式、进一步的目标和优点。现在仅以示例的方式，参考附图描述一个或多个实施例，其中：
图1A显示了根据本公开的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间的距离的示例性架构；
图1B显示了根据本公开的一些实施例的示例性光纤；
图2A-2F显示了根据本公开的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间的距离的示例性配置；
图2G显示了根据本公开的一些实施例，以特定角度切割的光纤近端的示例性视图；
图3示出了流程图，其显示了根据本公开的一些实施例的估计光纤末端和目标之间的距离的方法；
图4是用于实施符合本公开的实施例的示例性计算机系统的框图。
附图描述本公开的实施例仅用于说明的目的。本领域技术人员将容易地从以下描述中认识到，在不脱离本文所述公开的原则的情况下可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例。
具体实施方式
前述内容已经概括了本公开的特征和技术优势，以便更好地理解下文对本公开的详细描述。本领域技术人员应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地被用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。当结合附图考虑时，从以下描述中将更好地理解被认为是本公开的特性的新颖特征，包括其组织和操作方法，以及进一步的目的和优点。然而，应当明确理解的是，每个附图仅为了说明和描述的目的被提供，并不旨在作为本公开的限制的定义。
图1A示出了根据本公开的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间距离的示例性架构。
在一个实施例中，示例性架构100包括目标101、光纤103、光发射、传送和检测(LETD)系统105、处理单元107和指示器109。在一些实施例中，目标101可以是受试者体内需要被治疗、消融或破坏的组织、结石、肿瘤、囊肿等。在一些实施例中，受试者可以是人或动物。此外，光纤103包括近端和远端。近端是光纤103的端部，光束通过该端部进入光纤103，并且远端是光纤103的端部，光束通过该端部被引导到目标101上。因此，光束(在IB中显示为“入射光”)在光纤103的近端进入，传播通过光纤103的长度并从光纤103的远端被引导到目标101上，如图1B所示。在一些实施例中，光束可以是从光源引导的波束。作为示例，本公开的上下文中的光源是激光光源。作为示例，激光光源可以包括但不限于固态激光器、气体激光器、二极管激光器和光纤激光器。光束可包括但不限于：(1)瞄准波束，其为低强度光束，并通过光纤103传送以估计光纤末端与目标101之间的距离，但不治疗目标101，(2)治疗波束，其为高强度光束，并通过光纤103传送以治疗目标101，(3)或通过光纤103传送的任何其他波束。在一些实施例中，光束可以由一个或多个激光光源产生。例如，瞄准波束可以由一个激光源生成，并且治疗波束可以由另一个激光源生成。在另一个示例中，瞄准波束和治疗波束均可以由单个激光源生成。在另一个示例中，可以使用不同的激光光源来生成不同波长、特性等的光束。
此外，光纤103可以与LETD系统105相关联，如图1A所示，以接收光束，瞄准目标101，并递送从目标101周围的表面和区域反射的反射光束。在一些实施例中，光纤103可以经由端口(图1A中未示出)与LETD系统105相关联。
在一些实施例中，LETD系统105包括光学部件，其可以包括但不限于激光光源、偏振器、分束器、光束组合器、光检测器、波分复用器、准直器、环行器中的一个或多个，它们以各种不同的组合进行配置，如在本公开的进一步部分中详细解释的。为了更好地理解本公开，下面提供了上述光学元件中的每一个的功能。
激光光源：激光光源被配置为生成激光光束，诸如用于瞄准目标101的低强度瞄准波束和用于治疗目标101的高强度治疗波束，以及基于需要的不同强度的光束。在一些实施例中，每个激光光源可以是相同的波长或者是具有不同吸水系数的不同波长。此外，每个激光光源可以具有相同的孔径或不同的孔径。在一些实施例中，每个激光光源可以被指定有不同的目的，例如，一个激光光源可以被配置为生成特定强度的瞄准波束，并且一个激光光源可以被配置为生成特定强度的治疗波束，并且一个或多个激光光源可以被配置为生成具有特定吸水系数的特定波长的光束。
偏振器：偏振器是用作光学滤波器的光学部件，即偏振器被配置为允许特定偏振的光束通过，并阻挡不同偏振的光束。因此，当未定义的或混合极性的光束被提供作为偏振器的输入时，偏振器提供明确定义的单偏振光束作为输出。
分束器：分束器是用于将入射光按指定比例分为两束独立波束的光学部件。此外，分束器可以基于要求被设计为使光以期望的入射角(AOI)入射。因此，分束器主要可以被配置有两个参数，即分离比和AOI。该比例通常表示反射/透射(R/T)比。例如，如果分束器的分离比指示为50:50，则这意味着分束器以50:50的R/T比分离入射光束，即分束器通过改变50％的反射光束和另50％的透射光束的路径来分离入射光束。此外，作为示例，如果分束器的AOI指示为45度，则这意味着分束器确保光束将以45度的角度入射。分束器可以包括但不限于偏振分束器和非偏振分束器。偏振分束器被设计成将入射光束分为反射S偏振波束和透射P偏振波束。非偏振分束器被设计成将入射光束分为特定的R/T比，但保持入射光束的原始偏振状态。
光束组合器：光束组合器是部分反射器，其利用针对分束器解释的透射和反射原理，组合两个或更多个波长的光。基本上，光束组合器是分束器和反射镜的组合，其执行组合两个或更多个波长的光的功能。
光检测器：光检测器是检测特定类型光束(如预配置的)并将与检测到的光束相关联的光能转换为电信号的设备。
波分复用器：波分复用是一种涉及在使用不同波长的激光的同时将多个光载波信号同时传输到单根光纤上的技术。
准直器：准直器是一种缩窄光束的设备。为了使光束变窄，准直器可以被配置成使运动方向变得在特定方向上更加一致(例如，平行光线)，或者使波束的空间横截面变得更小。换句话说，准直器是一种用于将发散光从点光源改变为平行波束的设备。
环行器：环行器是三端口或四端口光学设备，其被设计使得进入任何一个端口的光从下一个端口出去。这些环行器被用于使光束仅沿一个方向传播。
LETD系统105还经由通信网络与处理单元107相关联。在一些实施例中，通信网络可以是有线通信网络或无线通信网络。处理单元107可以被配置为从LETD系统105接收测量值，以估计光纤103的远端与目标101之间的距离。在一些实施例中，处理单元107可以是具有距离估计所需的处理能力的独立设备。在一些其他实施例中，处理单元107可以是计算设备，诸如笔记本电脑、台式电脑、移动电话、平板电话等，其被配置为使用其处理能力执行距离估计。此外，处理单元107可以与指示符109相关联，以指示光纤103的远端与目标101之间的估计距离。作为示例，指示器109可以包括但不限于显示估计距离的视觉指示器、宣布估计距离的音频指示器或经由振动模式指示估计距离的触觉指示器。在一些实施例中，被配置为处理单元107的计算设备可以被配置为执行指示符109的功能。在一些其他实施例中，指示器109可以是独立设备，其被配置为指示光纤103的远端与目标101之间的估计距离。
在一些实施例中，下面详细解释用于估计光纤末端和目标之间距离的各种示例性配置。然而，与在下面解释的配置中的每一个中使用的不同光学部件相关联的值和参数应被认为是纯粹的示例性的，而不应被解释为对本公开的限制。
图2A示出了根据本公开的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间距离的示例性配置。
示例性配置1：
在该示例性配置中，LETD系统105可以包括一个或多个偏振激光器、一个或多个分束器、偏振器、光束组合器和一个或多个光检测器。一个或多个分束器可以是偏振分束器、非偏振分束器或偏振分束器和非偏振分束器两者的组合。如图2A所示，LETD系统105包括偏振激光源(L1)、偏振激光源(L2)、第一分束器203、功率检测器205、偏振器207、第一光束组合器209、第二分束器211、偏振分束器213、第一光检测器215和第二光检测器217。在该配置中，如图2A所示，偏振激光源(L1)具有高吸水系数(HI)的波长，并且偏振激光源(L2)具有低吸水系数(LO)的波长。作为示例，激光源L1和L2可以是保偏(Polarization Maintaining，PM)尾纤光纤激光器。来自L1和L2的入射光束作为输入被提供给第一分束器203，第一分束器203被配置为以50:50的比例分离入射光束，使得L1和L2的入射光束沿着单一光路对齐。与第一分束器203相关联的功率检测器205可以测量对应于每个波长的光信号(光束)中的光功率。在一些实施例中，术语“光功率”可能是指单位时间内由某个激光束传输的能量。此外，第一分束器203的输出是沿单一光路对齐的入射光束，可以作为输入被提供给偏振器207，用于提供明确定义的单偏振光束作为输出。在一些实施例中，可以预先配置偏振器207的极性。此后，从偏振器207获得的作为输出的偏振光可以作为输入被提供给第一光束组合器209。如图2A所示，第一光束组合器209可以将偏振光束与瞄准波束和治疗波束组合。在一些其他实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由除激光源L1和L2之外的一个或多个激光源生成。作为示例，治疗波束可以由固态激光器或光纤激光器(诸如钬(HO)激光器)生成。然而，这不应被认为对本公开的限制，因为治疗波束可以由除钬激光器以外的激光器生成，诸如钕、铒、铥等。在一些其他实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由激光源L1和L2生成。包括来自激光源L1和L2的偏振光束和瞄准波束、治疗波束的组合光束可以经受第二分束器211，其具有比例50:50和入射角(AOI)45度的配置。第二分束器可以50:50的比例分离组合光束，使得来自激光源L1和L2的偏振光束和瞄准波束、治疗波束可以沿着单一光路对齐。如图2A所示，作为第二分束器211的输出的光束221然后经由端口219被传送到光纤103。来自第二分束器211的光束221被传送到光纤103的近端，然后通过光纤103的长度传播，并从光纤103的远端被递送到目标101。作为示例，目标101可以是受试者体内需要治疗、消融或破坏的组织、结石、肿瘤、囊肿等。当光束221经由光纤103被递送到目标101时，目标101可以反射一部分光远离光纤103和反射一部分光朝向光纤103，其中，反射朝向光纤103的该部分光可以在光纤103的远端重新进入光纤103。在远端重新进入的反射光部分可以被称为反射光223a。反射光223a可以在光纤103中从光纤103的远端向后被传送到近端。当反射光223a到达光纤103的近端时，反射光223a可以经受第二分束器211。反射光223a可以包括来自光纤103近端、来自光纤103远端等的众多反射，因此反射光223a不再偏振。为了使反射光223a偏振，反射光首先经受第二分束器211以对齐反射光223a的光路，并且然后经受偏振分束器213。反射光223a将以45度角入射到第二分束器211，并以50:50的比例进行分离。从第二分束器211中出来的反射光223b随后经受偏振分束器213，如图2A所示。偏振分束器213可以将反射光223b分为反射S偏振波束和透射P偏振波束。在一些实施例中，第一光检测器215可以被配置为检测反射光223b的透射P偏振波束。在一些实施例中，第二光检测器217可以配置为检测反射光223b的反射S偏振波束。第一光检测器215和第二光检测器217可以分别测量反射光223b的检测光束的强度，并将该强度传送到处理单元107。在一些实施例中，处理单元107可以基于测量出的强度估计光纤103的远端和目标101之间的距离。在本公开的图3中详细解释了基于测量出的强度估计光纤103的远端与目标101之间的距离的方法。
图2B示出了根据本公开的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间的距离的另一个示例性配置。
示例性配置2：
该示例性配置在两个构造方面不同于示例性配置1。当与示例性配置1相比时，该配置中不同的构造方面之一是第一分束器203的布置。在示例性配置2中，第一分束器203被替换为第二光束组合器225。由于第一分束器203被替换为第二光束组合器225，因此在示例性配置1中与第一分束器203相关联的功率检测器205被布置为与示例性配置2中的第二分束器211相关联。
在示例性配置2中，LETD系统105可以包括一个或多个偏振激光器、一个或多个分束器、偏振器、一个或多个光束组合器和一个或多个光检测器。一个或多个分束器可以是偏振分束器、非偏振分束器或偏振分束器和非偏振分束器的组合。如图2B所示，LETD系统105包括偏振激光源(L1)、偏振激光源(L2)、功率检测器205、偏振器207、第一光束组合器209、第二光束组合器225、第二分束器211、偏振分束器213、第一光检测器215和第二光检测器217。在该配置中，如图2B所示，偏振激光源(L1)具有高吸水系数(HI)的波长，偏振激光源(L2)具有低吸水系数(LO)的波长。作为示例，激光源L1和L2可以是保偏(PM)尾纤光纤激光器。来自L1和L2的入射光束作为输入被提供给第二光束组合器225，第二光束组合器225被配置为组合由激光源L1和L2生成的入射光束。此外，第二光束组合器225的输出可以作为输入被提供给偏振器207，用于提供明确定义的单偏振光束作为输出。在一些实施例中，可以预先配置偏振器207的偏振。此后，从偏振器207获得的作为输出的偏振光可以作为输入被提供给第一光束组合器209。如图2B所示，第一光束组合器209可以将偏振光束与瞄准波束和治疗波束组合。在一些实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由除激光源L1和L2之外的一个或多个激光源生成。作为示例，治疗波束可以由固态激光器或光纤激光器(诸如钬(HO)激光器)生成。然而，这不应被认为是对本公开的限制，因为治疗波束可以由除钬激光器之外的激光器生成，诸如钕、铒、铥等。在一些其他实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由激光源L1和L2生成。包括来自激光源L1和L2的偏振光束和瞄准波束、治疗波束的组合光束可以经受第二分束器211，该第二分束器211具有比例50:50和入射角(AOI)45度的配置。第二分束器可以以50:50的比例分离组合光束，使得来自激光源L1和L2的偏振光束和瞄准波束、治疗波束可以沿着单一光路对齐。与第二分束器211相关联的功率检测器205可以测量对应于每个波长的光信号(光束)中的功率。在一些其他实施例中，功率检测器205可以检测在第二分束器211处接收的光信号的累积能量。在一些实施例中，术语“光功率”可以是指单位时间内由某个激光束传输的能量。如图2B所示，作为第二分束器211的输出的光束221然后经由端口219被传送到光纤103。来自第二分束器211的光束221被传送到光纤103的近端，然后其通过光纤103的长度传播，并从光纤103的远端被递送到目标101。作为示例，目标101可以是受试者体内需要治疗、消融或破坏的组织、结石、肿瘤、囊肿等。当光束221经由光纤103被递送到目标101时，目标101可以反射一部分光远离光纤103并且反射一部分光朝向光纤103，其中，反射朝向光纤103的一部分光可以在光纤103的远端重新进入光纤103。在远端重新进入的反射光部分可以被称为反射光223a。反射光223a可以在光纤103中从光纤103的远端向后被传送到近端。反射光223a可以包括来自光纤103近端、来自光纤103远端等的众多反射，因此反射光223a不再偏振。为了使反射光223a偏振，反射光首先经受第二分束器211以对齐反射光223a的光路，然后经受偏振分束器213。反射光223a将以45度角入射到第二分束器211，并以50:50的比例进行分离。从第二分束器211出来的反射光223b随后经受偏振分束器213，如图2B所示。偏振分束器213可以将反射光223b分为反射S偏振波束和透射P偏振波束。在一些实施例中，第一光检测器215可以被配置为检测反射光223b的透射P偏振波束。在一些实施例中，第二光检测器217可以被配置为检测反射光223b的反射S偏振波束。第一光检测器215和第二光检测器217可以分别测量反射光223b的检测光束的强度，并将强度传送到处理单元107。在一些实施例中，处理单元107可以基于测量出的强度估计光纤103的远端与目标101之间的距离。在本公开的图3的讨论中详细解释了基于测量出的强度估计光纤103的远端与目标101之间的距离的方法。
图2C示出了根据本公开的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间距离的又一个示例性配置。
示例性配置3：
本公开能够与偏振激光源和非偏振激光源一起工作。因此，在该配置中，用于提供入射光束(源光)的激光源L1’和L2’是非偏振激光源，如图2C所示。作为示例，激光源L1’和L2’可以是单模(Single Mode，SM)光纤尾纤激光器。当激光源L1’和L2’为非偏振激光源时，不需要偏振器207、偏振分束器213、用于检测透射P偏振光束的第一光检测器215和用于检测反射S偏振光束的第二光检测器217，如示例性配置1和2中所需。
在示例性配置3中，LETD系统105可以包括一个或多个非偏振激光器、一个或多个分束器、光束组合器、和光检测器。一个或多个分束器可以是非偏振分束器。如图2C所示，LETD系统105包括非偏振激光源(L1’)、非偏振激光源(L2’)、第一分束器203、功率检测器205、第一光束组合器209、第二分束器211和第三光检测器227。在该配置中，如图2C所示，非偏振激光源(L1’)具有高吸水系数(HI)的波长，非偏振激光源(L2’)具有低吸水系数(LO)的波长。来自L1’和L2’的入射光束作为输入被提供给第一分束器203，第一分束器203被配置为以50:50的比例分离入射光束，使得来自L1’和L2’的入射光束沿单一光路对齐。与第一分束器203相关联的功率检测器205可以测量对应于每个波长的光信号(光束)中的功率。在一些实施例中，术语“光功率”可以指每单位时间由某个激光束传输的能量。由于该示例性配置3是在非偏振环境中被实施的，因此从配置中删除了光学部件“偏振器”和“偏振分束器”。因此，第一分束器203的输出，即沿单一光路对齐的入射光，可以作为输入被提供给第一光束组合器209，该第一光束组合器209可以将来自第一分束器203的光束与瞄准波束和治疗波束组合，如图2C所示，而不是如在示例性配置1和2中所见那样的偏振器。在一些实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由除了激光源L1’和L2’之外的一个或多个激光源生成。作为示例，治疗波束可以由固态激光器或光纤激光器(诸如钬(HO)激光器)生成。然而，这不应被认为是对本公开的限制，因为治疗波束可以由除钬激光器之外的激光器生成，例如钕、铒、铥等。在一些其他实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由激光源L1’和L2’生成。包括瞄准波束、治疗波束和来自激光源L1’和L2’的非偏振光束的组合光束可以经受第二分束器211，其具有比例50:50和入射角(AOI)45度的配置。第二分束器可以将组合光束以50:50的比例分离，使得来自激光源L1和L2的非偏振光束和瞄准波束、治疗波束可以沿着单一光路对齐。作为第二分束器211的输出的光束221然后经由端口219被传送到光纤103，如图2C所示。来自第二分束器211的光束221被传送到光纤103的近端，然后其通过光纤103的长度传播，并从光纤103的远端被递送到目标101。作为示例，目标101可以是受试者体内需要治疗、消融或破坏的组织、结石、肿瘤、囊肿等。当光束221经由光纤103被递送到目标101时，目标101可以反射一部分光离开光纤103并且一部分光朝光纤103，其中，反射的朝向光纤103的一部分光可以在光纤103的远端重新进入光纤103。在远端重新进入的反射光部分可以被称为反射光223a。反射光223a可以在光纤103中从光纤103的远端向后被传送到近端。反射光223a可以包括来自光纤103的近端、来自光纤103的远端等的众多反射，因此反射光223a没有偏振。由于该示例性配置3是在非偏振环境中被实施的，因此反射光223a仅经受第二分束器211以对齐反射光223a的光路，而不是经受如在示例性配置1和2中所见的光学部件“偏振分束器”。反射光223a将以45度角入射到第二分束器211并以50:50的比例被分离。从第二分束器211出来的反射光223b可以由单个检测器即第三光检测器227直接检测。第三光检测器227可以分别测量反射光223b的检测光束的强度，并且将该强度传送到处理单元107。在一些实施例中，处理单元107可以基于测量出的强度估计光纤103的远端和目标101之间的距离。在本公开的图3的讨论中详细解释了基于测量出的强度来估计光纤103的远端和目标101之间的距离的方法。
图2D示出了根据本发明的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间距离的又一个示例性配置。
示例性配置4：
示例性配置4与先前的示例性配置1-3的不同之处在于，示例性配置4包括第三偏振激光器(L3)，其为了实时校准光纤状态的目的而被引入。作为示例，光纤103的状态可以包括但不限于光纤103的远端或近端的任何变化或退化、光纤弯曲对偏振加扰的影响或在光纤103中发生的任何其他退化和变化。光纤103的状态变化，特别是光纤103的尖端/末端可能对反射光束产生不利影响，导致大量反射、能量损失和不准确的测量。这可能会影响距离估计的精确性，从而导致在治疗期间光纤103的不正确定位。
在该示例性配置中，LETD系统105可以包括一个或多个偏振激光器、一个或多个分束器、偏振器、光束组合器和一个或多个光检测器。一个或多个分束器可以是偏振分束器、非偏振分束器或偏振分束器和非偏振分束器的组合。如图2D所示，LETD系统105包括偏振激光源(L1)、偏振激光源(L2)、偏振激光源(L3)、第一分束器203、功率检测器205、偏振器207、第一光束组合器209、第二分束器211、偏振分束器213、第一光检测器215、第二光检测器217和第三分束器229。在该配置中，如图2D所示，偏振激光源(L1)具有高吸水系数(HI)的波长，并且偏振激光源(L2)具有低吸水系数(LO)的波长。作为示例，激光源L1和L2可以是保偏(PM)尾纤光纤激光器。来自L1和L2的入射光束作为输入被提供给第一分束器203，第一分束器203被配置为以50:50的比例分离入射光束，使得L1和L2的入射光束沿单一光路对齐。此外，作为沿单一光路对齐的入射光束的第一分束器203的输出可以作为输入被提供给第三分束器229，第三分束器229也被配置为以50:50的比例分离光束。如2D所示，在第三分束器229处，来自用于校准的偏振激光源(L3)的入射光束与第一分束器203的输出一起被提供作为输入。与第三分束器229相关联的功率检测器205可以测量对应于到达第三分束器229的每个波长的光信号(光束)中的功率。在一些实施例中，术语“光功率”可以指每单位时间由某个激光束传输的能量。随着第一分束器203的输出，第三分束器229接收来自偏振激光源(L3)的入射光束。在一些实施例中，偏振激光源(L3)具有具有非常高的吸水系数的波长，其完全吸收水。作为示例，偏振激光源(L3)的波长可以是1435nm。基于偏振激光源(L3)的读数，被配置在处理单元107中的光纤反馈机制可以定义远端光纤尖端质量的光学基线特性。由于L3在水中被高度吸收，所以它不会到达目标组织并且几乎没有任何L3背反射光作为反射光223a的一部分进入光纤。因此，L3反射223c读数主要反映光纤远端的光学特性。正是光纤的同一远端在激光治疗期间由于例如热和空化而经历退化。背反射光223c的增加的强度读数可以指示光纤尖端退化。在从针对特定光纤的基线读数的强度变化的某个阈值(例如10％-100％)处，控制器通过用户界面可以指示必须检查或替换光纤。此外，光纤尖端退化可能导致来自光纤远端的偏振激光源L1和L2的更高内部反射。此外，光纤尖端退化可能会改变背反射光223a或223c中的极性P和极性S之间的比例。因此，为当前使用的特定光纤创建基线读数，并即时监测这些基线，可以实现更精确的距离估计，即使在光纤尖端退化时和退化期间也是如此并且直到退化达到光纤必须被替换的点为止。此外，第三分束器229的输出包括来自沿单一光路对齐的L1、L2和L3的入射光束，该输出可以作为输入被提供给偏振器207以获得明确定义的单偏振光束作为输出。在一些实施例中，可以预先配置偏振器207的偏振。此后，从偏振器207作为输出获得的偏振光可以作为输入被提供给第一光束组合器209。第一光束组合器209可以将偏振光束与瞄准波束和治疗波束组合，如2D中所示。在一些实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由除了激光源L1和L2之外的一个或多个激光源生成。作为示例，治疗波束可以由固态激光器或光纤激光器(诸如钬(HO)激光器)生成。然而，这不应被认为是对本公开的限制，因为治疗波束可以由除钬激光器之外的激光器生成，诸如钕、铒、铥等。在一些其他实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由激光源L1和L2生成。包括来自激光源L1和L2的偏振光束和瞄准波束、治疗波束的组合光束可以经受第二分束器211，其具有比例50:50和入射角(AOI)45度的配置。第二分束器211可以以50:50的比例分离组合光束，使得来自激光源L1和L2的偏振光束和瞄准波束、治疗波束可以沿着单一光路对齐。作为第二分束器211的输出的光束221然后通过端口219被传送到光纤103，如图2D所示。来自第二分束器211的光束221被传送到光纤103的近端，然后其通过光纤103的长度传播，并从光纤103的远端被递送到目标101。作为示例，目标101可以是受试者体内需要治疗、消融或破坏的组织、结石、肿瘤、囊肿等。当光束221经由光纤103被递送到目标101时，目标101可以反射一部分光离开光纤103并且反射一部分光朝向光纤103，其中，反射朝向光纤103的一部分光可以在光纤103的远端重新进入光纤103。在远端重新进入的反射光的部分可以被称为反射光223a。反射光223a可以在光纤103中从光纤103的远端向后被传送到近端。反射光223a可以包括来自光纤103的近端、来自光纤103的远端等的众多反射，因此反射光223a不再偏振。为了使反射光223a偏振，反射光首先经受第二分束器211以对齐反射光223a的光路，然后经受偏振分束器213。反射光223a将以45度角入射到第二分束器211，并且以50:50的比例被分离。从第二分束器211出来的反射光223b随后经受偏振分束器213，如图2D所示。偏振分束器213可以将反射光223b分成反射S偏振波束和透射P偏振波束。在一些实施例中，第一光检测器215可以被配置为检测反射光223b的透射P偏振波束。在一些实施例中，第二光检测器217可以被配置为检测反射光223b的反射S偏振波束。第一光检测器215和第二光检测器217可以分别测量反射光223b的检测光束的强度，并将该强度传送到处理单元107。在一些实施例中，处理单元107可以基于测量出的强度估计光纤103的远端和目标101之间的距离。在本公开的图3的讨论中详细解释了基于测量出的强度来估计光纤103的远端和目标101之间的距离的方法。
在一些实施例中，如上所述的示例性配置4也可以使用非偏振激光源来实施。
图2E示出了根据本公开的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间的距离的又一个示例性配置。
示例性配置5：
该示例性配置5首先在非偏振环境中被实施。此外，该配置5是基于半光纤的设计，其中，在先前的配置(诸如示例性配置4)中看到的两个输入分束器被波分复用器(WDM)代替。与分束器相比，WDM消耗的能量减少了近50％，这使其成为一个高效的系统。示例性配置5还使用第三非偏振激光器(L3’)以及第一非偏振激光器和第二非偏振激光器(L1’和L2’)。第三非偏振激光器(L3’)是为了实时校准光纤状态的目的而被引入。作为示例，光纤103的状态可以包括但不限于光纤103的远端或近端的任何变化或退化、光纤弯曲对偏振加扰的影响或光纤103中发生的任何其他退化和变化。光纤103的状态变化，特别是光纤103的尖端/末端，可能会对反射光束产生不利影响，导致大量反射、能量损失和不准确的测量。这可能影响距离估计的精确性，从而导致在治疗期间光纤103的不正确定位。
在该示例性配置中，LETD系统105可以包括一个或多个非偏振激光器、一个或多个分束器、光束组合器、一个或多个光检测器、波分复用器(WDM)和准直器。如图2E所示，LETD系统105包括非偏振激光源(L1’)、非偏振激光源(L2’)、非偏振激光源(L3’)、功率检测器205、第一光束组合器209、第二分束器211、第三光检测器227和WDM 231、第四分束器233和准直器235。在该配置中，如图2E所示，非偏振激光源(L1’)具有高吸水系数(HI)的波长，并且非偏振激光源(L2’)具有低吸水系数(LO)的波长。此外，非偏振激光源(L3’)具有具有非常高的吸水系数的波长，其完全吸收水。作为示例，非偏振激光源(L3’)的波长可以是1435nm。基于非偏振激光源(L3’)的读数，被配置在处理单元107中的光纤反馈机制可以定义远端光纤尖端质量的光学基线特性。由于L3’在水中被高度吸收，所以它不会到达目标组织并且几乎没有任何L3’背反射光作为反射光223a的一部分进入光纤。因此，L3’反射223c读数主要反映光纤远端的光学特性。正是光纤的同一远端在激光治疗期间由于例如热和空化而经历退化。背反射光223c的增加的强度读数可以指示光纤尖端退化。在从针对特定光纤的基线读数的强度变化的某个阈值(例如10％-100％)处，控制器通过用户界面可以指示务必检查或替换光纤。此外，光纤尖端退化可能导致来自光纤远端的非偏振激光源L1’和L2’的更高内部反射。此外，光纤尖端退化可能会改变背反射光223a或223c中极性P和极性S之间的比例。因此，为当前使用的特定光纤创建基线读数，并即时监测这些基线，可以实现更精确的距离估计，即使在光纤尖端退化时和退化期间也是如此并且直到退化达到光纤必须被替换的点为止。作为示例，非偏振激光源L1’、L2’和L3’可以是单模(SM)光纤尾纤激光器。
如上所述，在该示例性配置5中，如图2D所示的第一分束器203和第三分束器229被如图2E所示的WDM 231代替。在一些实施例中，为了确保正确使用非偏振激光源(L3’)，作为实时校准器，来自非偏振激光器L1’、L2’和L3’中的每一个的入射光束在相同的点处并以相同的角度进入在光纤103的近端是至关重要的。然而，来自非偏振激光器L1’、L2’和L3’中的每一个的这种入射光束不能仅通过使用如在先前示例性配置中所见的组合器/分离器而被对齐以在相同的点处和以相同的角度进入。为了确保遵守该相同点和相同角度的条件，示例性配置5在初始阶段使用WDM 231代替分束器，如图2E所示。WDM 231确保来自非偏振激光器L1’、L2’和L3’中的每一个的所有入射光束在相同点处并以相同角度进入光纤103的近端。此外，当与导致50％-75％功率损耗的分束器相比时，使用WDM 231会导致更低的功率损耗。
来自L1’、L2’、L3’的入射光束和瞄准波束作为输入被提供给WDM 231，WDM 231被配置为以光束相同移动的方式组合入射光束。此外，WDM 231的输出可以作为输入被提供给基于光纤的分束器，即第四分束器233，其以95:5的比例分离入射光束，如图2E所示。在一些实施例中，第四分束器是基于光纤的分束器。与第四分束器233相关联的功率检测器205可以测量对应于每个波长的光信号(光束)中的功率。在一些实施例中，术语“光功率”可以指每单位时间由某个激光束传输的能量。此外，第四分束器233的输出，即沿单一光路对齐的入射光，可以作为输入被提供给准直器235以将光束缩窄为平行光束。此后，准直器235的输出可以被提供给第一光束组合器209，第一光束组合器209将从准直器235出来的光束与瞄准波束和治疗波束组合，如图2E所示。在一些实施例中，瞄准波束可以在开始时被引入到WDM 231中，如图2E所示，或者可以在第一光束组合器209处被引入，如图2E所示，或者可以在两种情况下都被引入。在一些实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由除了激光源L1’、L2’和L3’之外的一个或多个激光源生成。作为示例，治疗波束可以由固态激光器或光纤激光器(诸如钬(HO)激光器)生成。然而，这不应被认为是对本公开的限制，因为治疗波束可以由除钬激光器之外的激光器生成，例如钕、铒、铥等。在一些其他实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由激光源L1’、L2’和L3’生成。从第一光束组合器209接收的包括瞄准波束、治疗波束和来自激光源L1’、L2’、L3’的光束的组合光束可以经受第二分束器211，其具有比例50:50和入射角(AOI)45度的配置。第二分束器211可以以50:50的比例分离组合光束，使得来自激光源L1和L2的偏振光束和瞄准波束、治疗波束可以沿着单一光路对齐。作为第二分束器211的输出的光束221然后经由端口219被传送到光纤103，如图2E所示。来自第二分束器211的光束221被传送到光纤103的近端，然后其通过光纤103的长度传播，并从光纤103的远端被递送到目标101。作为示例，目标101可以是受试者体内需要治疗、消融或破坏的组织、结石、肿瘤、囊肿等。当光束221经由光纤103被递送到目标101时，目标101可以反射一部分光离开光纤103并且反射一部分光朝向光纤103，其中，反射朝向光纤103的部分光可以在光纤103的远端重新进入光纤103。在远端重新进入的反射光的部分可以被称为反射光223a。反射光223a可以在光纤103中从光纤103的远端向后被传送到近端。当反射光223a到达光纤103的近端时，反射光223a可以经受第二分束器211。反射光223a可以包括来自光纤103的近端、来自光纤103的远端等的众多反射，因此反射光223a没有偏振。由于该示例性配置5是在非偏振环境中被实施的，因此反射光223a仅经受第二分束器211以对齐反射光223a的光路，而不经受如在示例性配置1、2和4中所见的光学部件“偏振分束器”。反射光223a以45度角入射到第二分束器211并以50:50的比例被分离。从第二分束器211出来的反射光223b可以由单个检测器即第三光检测器227检测。第三光检测器227可以分别测量反射光223b的检测光束的强度，并将该强度传送到处理单元107。在一些实施例中，处理单元107可以基于测量出的强度估计光纤103的远端和目标101之间的距离。在本公开的图3的讨论中详细解释了基于测量出的强度来估计光纤103的远端和目标101之间的距离的方法。
图2F示出了根据本发明的一些实施例的用于估计光纤末端和目标之间的距离的又一个示例性配置。
示例性配置6：
该示例性配置6也可以在类似于示例性配置5的非偏振环境中被实施。此外，该配置6是基于全光纤的设计，其不包含输入分束器，其诸如在示例性配置4的先前配置中所见。分束器被波分复用器(WDM)完全代替。与分束器相比，WDM消耗的能量减少了近50％，这提供了一个高效的系统。示例性配置5还使用了第三非偏振激光器(L3’)以及第一非偏振激光器和第二非偏振激光器(L1’和L2’)。第三个非偏振激光器(L3’)为了实时校准光纤状态的目的而被引入。作为示例，光纤103的状态可以包括但不限于光纤103的远端或近端的任何变化或退化、光纤弯曲对偏振加扰的影响或在光纤103中发生的任何其他退化和变化。光纤103的状态变化，特别是光纤103的尖端/末端可能对反射光束产生不利影响，导致大量反射、能量损失和不准确的测量。这可能会影响距离估计的精确性，从而导致治疗期间光纤103的错误移动。此外，在该示例性配置6中引入了串联环行器(in-line circulator)，其中串联环行器被配置为使光束在单个方向上传播。
在该示例性配置中，LETD系统105可以包括一个或多个非偏振激光器、一个或多个分束器、光束组合器、一个或多个光检测器、波分复用器(WDM)、环形器和准直器。如图2F所示，LETD系统105包括非偏振激光源(L1’)、非偏振激光源(L2’)、非偏振激光源(L3’)、功率检测器205、第一光束组合器209、第三光检测器227、WDM 231、第四分束器233、准直器235和环行器237。在该配置中，如图2F所示，非偏振激光源(L1’)具有高吸水系数(HI)的波长，并且非偏振激光源(L2’)具有低吸水系数(LO)的波长。此外，非偏振激光源(L3’)具有具有非常高的吸水系数的波长，其完全吸收水。作为示例，非偏振激光源(L3’)的波长可以是1435nm。基于非偏振激光源(L3’)的读数，被配置在处理单元107中的光纤反馈机制可以定义远端光纤尖端质量的光学基线特性。由于L3’在水中被高度吸收，所以它不会到达目标组织并且几乎没有任何L3’背反射光作为反射光223a的一部分进入光纤中。因此，L3’反射223c读数主要反映光纤远端的光学特性。正是光纤的同一远端在激光治疗期间由于例如热和空化而经历退化。背反射光223c的增加的强度读数可以指示光纤尖端退化。在从针对特定光纤的基线读数的强度变化的某个阈值(例如10％-100％)处，控制器通过用户界面可以指示必须检查或替换光纤。此外，光纤尖端退化可能导致来自光纤远端的非偏振激光源L1’和L2’的更高内部反射。此外，光纤尖端退化可能会改变背反射光223a或223c中的极性P和极性S之间的比例。因此，为当前使用的特定光纤创建基线读数，并即时监测这些基线，可以实现更精确的距离估计，即使在光纤尖端退化时和退化期间也是如此并且直到退化达到光纤必须被替换的点为止。作为示例，非偏振激光源L1’、L2’和L3’可以是单模(SM)光纤尾纤激光器。
如上所述，在该示例性配置6中，如图2D中所示的第一分束器203和第三分束器229被如图2F中所示的WDM 231代替。此外，在该示例性配置6中，在所有上述示例性配置中被布置成将光束递送到端口219的第二分束器211也被去除，从而使该示例性配置6成为全光纤设计。分束器将输出功率降低50％，并在接收到返回信号后额外降低50％的输出功率。因此，在该示例性配置6中移除分束器显著增加了信号和输出功率。
在一些实施例中，为了确保正确使用非偏振激光源(L3’)，作为实时校准器，来自非偏振激光器L1’、L2’和L3’中的每一个的入射光束在相同点处并以相同角度进入光纤103的近端是至关重要的。然而，来自非偏振激光器L1’、L2’和L3’中的每一个的这种入射光束不能仅通过使用如在先前示例性配置中所见的组合器/分离器而被对齐以在相同点处并以相同角度进入。为了确保该遵守相同点和相同角度的条件，示例性配置6在初始阶段使用WDM 231代替分束器，如图2F所示。WDM 231确保来自非偏振激光器L1’、L2’和L3’中的每一个的所有入射光束在相同点处并以相同角度进入光纤103的近端。此外，当与导致50％-75％功率损耗的分束器相比时，使用WDM 231会导致更低的功率损耗。
来自L1’、L2’、L3’的入射光束和瞄准波束作为输入被提供给WDM 231，WDM 231被配置为以光束相同移动的方式组合入射光束。此外，WDM 231的输出可以作为输入被提供给第四分束器233，第四分束器233以95:5的比例分离入射光束，如图2F所示。在一些实施例中，第四分束器233是基于光纤的分束器。与第四分束器233相关联的功率检测器205可以测量对应于每个波长的光信号(光束)中的功率。在一些实施例中，术语“光功率”可以指每单位时间由某个激光束传输的能量。此外，作为沿单一光路对齐的入射光的第四分束器233的输出可以作为输入被提供给环行器237。环行器237确保使所有光束沿一个方向传播，并且将光束从光束进入的端口之外的端口提供给准直器235，以便将光束缩窄为平行光束。此后，准直器235的输出可以被提供给第一光束组合器209，第一光束组合器209将从准直器235出来的光束与瞄准波束和治疗波束组合，如图2F所示。在一些实施例中，瞄准波束可以在开始时被引入到WDM231中，如2F所示，或者可以在第一光束组合器209处被引入，如2F所示，或者可以在两种情况下都被引入。在一些实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由除了激光源L1’、L2’和L3’之外的一个或多个激光源生成。作为示例，治疗波束可以由固态激光器或光纤激光器(诸如钬(HO)激光器)生成。然而，这不应被认为是对本公开的限制，因为治疗波束可以由除钬激光器之外的激光器生成，例如钕、铒、铥等。在一些实施例中，瞄准波束和治疗波束可以由激光源L1’和L2’生成。从第一光束组合器209接收到的包括来自激光源L1’、L2’、L3’的光束和瞄准波束、治疗波束的组合光束可以经由端口219被传送到光纤103，如图2F所示。光束221被传送到光纤103的近端，其然后通过光纤103的长度传播，并从光纤103的远端被递送到目标101。作为示例，目标101可以是受试者体内需要治疗、消融或破坏的组织、结石、肿瘤、囊肿等。当光束221经由光纤103被递送到目标101时，目标101可以反射一部分光离开光纤103并且反射一部分光朝向光纤103，其中，反射朝向光纤103的部分光可以在光纤103的远端重新进入光纤103。在远端重新进入的反射光部分可以被称为反射光223a。反射光223a可以在光纤103中从光纤103的远端向后被传送到近端。当反射光223a到达光纤103的近端时，反射光223a可以经受环形器237。反射光223a可以包括来自光纤103的近端、来自光纤103的远端等的众多反射，因此反射光223a没有偏振。由于该示例性配置6在非偏振环境中被实施的，因此反射光223a经受环形器237，而不经受如在示例性配置1、2和4中所见的光学部件“偏振分束器”。在单个方向上从环行器237出来的反射光223b可以由单个检测器即第三光检测器227检测。第三光检测器227可以分别测量反射光223b的检测光束的强度，并且将该强度传送到处理单元107。在一些实施例中，处理单元107可以基于测量出的强度来估计光纤103的远端和目标101之间的距离。在本公开的图3的讨论中详细解释了基于测量出的强度来估计光纤103的远端和目标101之间的距离的方法。
在一些实施例中，在上述示例性配置的每一个中，光纤103的近端可以被涂覆特殊涂层，诸如抗反射(AR)涂层。AR涂层有助于减少在光纤103的近端处产生的噪声并增加动态范围。在一些实施例中，进入光检测器的光信号(反射光束)可以包含：
a.来自端口透镜的反射
b.来自防爆屏蔽(blast shield)的反射
c.来自光纤近端的反射
d.来自光纤远端的反射
在光纤103近端处的AR涂层可以将(a)来自端口透镜的反射减少到小于1％，(b)来自防爆屏蔽的反射减少到小于1％，(c)来自反射光纤103近端的反射减少到接近3.5％，以及(d)来自光纤103远端的反射减少到接近0.2％。在一些实施例中，来自诸如石头的目标101的反射信号可以具有非常低的能量，例如，接近光纤输出功率的1％，其中从光纤尖端到组织的距离约为0mm。通过将来自光纤103的近端的反射减少到接近0.5％，本公开可以帮助改善从目标101反射的信号的动态范围。
在一些其他实施例中，在上述示例性配置的每一个中，基本上位于光纤103的近端的超小型A(SMA)连接器可以被抛光或以8度角被切割，如图2G所示。如图2G所示，以8度角的倾斜方式切割，实现了来自光纤103的近端的反射光束(由近端、远端等引起的不需要的反射)的转向，这反过来可以降低实质性噪音并增加动态范围。在一些实施例中，进入光检测器的光信号(反射光束)可以包含：
a.来自端口透镜的反射
b.来自防爆屏蔽的反射
c.来自光纤近端的反射
d.来自光纤远端的反射
如上所述，光纤103近端的AR涂层可以将(a)来自端口透镜的反射减少到小于1％，(b)来自防爆屏蔽的反射减少到小于1％，(c)来自光纤103近端的反射减少到接近3.5％，以及(d)来自光纤103远端的反射减少到接近0.2％。然而，光纤103的成角度更精细的近端有助于减少不需要的反射，并改善从目标101反射的信号的动态范围。
图3示出了根据本公开的一些实施例的的流程图，该流程图显示了估计光纤末端和目标之间的距离的方法。
在块301处，该方法包括通过光发射、传送和检测(LETD)系统105，使用多个激光源，经由光纤103，用多个不同波长的激光照射目标101。在一些实施例中，多个不同波长的激光可以被提供给光纤103，用于使用本公开中以上讨论的示例性配置1-6中的一个来照射目标101。在一些实施例中，本公开可以使用具有不同吸水系数的两种波长，以便确保针对不同类型的目标101、目标成分、目标颜色、目标表面等的稳健性。在一些实施例中，可以选择两个波长，使得一个是具有低吸水系数(LO)的波长，并且另一个是具有高吸水系数(HI)的波长。作为示例，这两个波长可以是1310nm和1340nm。然而，该示例不应被解释为限制，因为可以使用具有不同吸水系数的不同波长。在一些实施例中，可以使用诸如L1和L2的两个激光源来发射如上所述的两种不同波长的光。在一些实施例中，激光源可以是偏振激光源、非偏振激光源、或偏振激光源和非偏振激光源组合中的至少一种。作为示例，为了测量光纤103的末端和目标101之间的距离，可以使用(但不限于)低功率红外(IR)激光器经由光纤103照射目标101。
在块303处，该方法包括由LETD系统105经由光纤103接收来自目标101的反射光束。在一些实施例中，反射光束可以包括来自光纤103远端、来自光纤103的近端、来自防爆屏蔽等的反射的混合。LETD系统105可以被配置为识别适于测量强度的反射光束。
在块305处，该方法包括由LETD系统105通过使用在LETD系统105中配置的一个或多个光检测器检测返回信号来测量反射光束(也被称为返回信号)的强度。在一些在实施例中，由于两个不同的波长被用于照射目标101，所以测量出的强度是关于两个不同的波长。因此，对应于激光源的两个不同波长的两个测量出的强度可以被传送到与LETD系统105相关联的处理单元107。
在块307处，该方法包括由处理单元107接收从LETD系统105传送的返回信号的测量出的强度。
在块309处，该方法包括由处理单元107基于返回信号的测量出的强度来估计光纤103的远端和目标101之间的距离。在一些实施例中，处理单元107可以将测量出的强度代入公式1中，如下所示：
返回信号的强度＝R*e(-λ*X) 公式1
在上述公式1中，
“R”指由目标成分、目标颜色/颜料、目标角度、目标表面等影响的目标反射系数；
“λ”指特定波长的吸水系数；以及
“X”指光纤103的远端和目标101之间的距离。
在上述公式1中，“X”和“R”是需要由处理单元107确定的未知参数。因此，为了确定“X”和“R”的值，处理单元107可以将两个测量出的强度值代换到上述公式1中，从而获得具有测量出的强度和对应波长的吸水系数的代换值的两个公式。例如，具有代换值的两个公式可能如下所示。
I(HI)＝R*e(-λ_HI*X) 公式1.1
I(LO)＝R*e(-λ_LO*X) 公式1.2
处理单元107可以进一步简化上述代换公式1.1和1.2，如以下两个步骤所示：
步骤1：计算针对两个不同波长的返回信号获得的测量出的强度值的比率。
Figure BDA0003743591960000381
步骤2：使用自然对数确定距离值，如下所示：
Figure BDA0003743591960000382
因此，处理单元107可以通过简化如上所示的公式1.1和1.2来估计光纤103的远端和目标101之间的距离(X)。在上面的公式2.2中，“ln”是指自然对数。在一些实施例中，距离(X)可以以毫米为单位被测量。在确定“X”的值后，处理单元107可以使用公式1.1和1.2中的该值来确定“R”的值。在一些实施例中，“X”对于两个波长来说是相同的距离，并且如果所选择的波长在“nm尺度”(例如1310nm和1340nm)上彼此接近，则对于两个波长来说R(目标反射)几乎相同。因此，这在距离估计中，选择低吸收系数和高吸收系数的波长使得波长在“nm尺度”上彼此接近是至关重要的。
在一些实施例中，光纤103的状态可能由于诸如光纤103的远端或近端的变化或退化、光纤弯曲对偏振加扰的影响或光纤103中发生的任何其他退化和变化等因素而受到影响。光纤103的光学条件的变化，特别是光纤103的尖端/末端的变化，可能会对辐射光束的质量、内部反射光束的强度、来自进入光纤的目标的背反射光的量、到达目标的能量损失和不准确的测量产生不利影响。这可能会影响距离估计的精确性，从而导致在治疗期间光纤103的不正确定位或错误计算能量优化，这基于申请人的美国临时专利申请No.63/118,117中所述的距离估计，该申请通过引用并入本文。
来自与光纤(例如光纤近端或光纤远端)相关联的平面或与与光纤光学连接的其他光学元件(例如透镜或屏蔽)相关联的平面的内部反射会生成寄生的和不需要的反射。此外，由于光纤或其他元件的退化，这些内部反射可能会随着时间而改变。此外，光纤退化可能随着时间改变朝向目标组织辐射的激光束的质量，并且还可能改变来自目标组织的背反射光的强度，其作为光束223a和223b进入并通过光纤。为了在光纤退化和内部反射变化期间保持精确的距离测量，根据一个实施例，需要在治疗开始之前测量每个激光器的内部反射，记录这些值并监测它们随时间的变化。该过程可以对激光系统中使用的任何单根光纤进行。如将在下面解释的，可以通过监测这些变化来校正距离测量值。处理单元107被配置为由系统预处理校准过程来读取这种寄生/不需要反射的基线值。在一些实施例中，系统预处理校准过程可以包括在没有目标的水中设置治疗光纤。在这种情况下，“没有目标(notarget)”例如可能意味着最近的目标(诸如石头)可能位于离光纤尖端更远的位置，因此没有来自目标组织的反射可以作为信号223a反射回光纤中。这样的距离例如是距光纤103的远端10mm或更大。此后，在这些条件下，系统可以在偏振环境中发射激光，诸如(L1和L2)，或者在非偏振环境中发射激光(L1’和L2’)。由于这些条件下的背反射光223a非常低，因此到达光检测器的信号主要关乎于与光纤相关联的内部反射。这种情况下的内部反射(IR)光束可以使用光检测器来检测，并且测量出的强度值可以由处理单元107存储为IR(HI)和IR(LO)。IR(HI)是当光纤尖端附近没有目标时，具有较高吸水系数的入射光的内部反射强度，并且IR(LO)是光纤尖端附近当没有目标时，具有低吸水系数的入射光的内部反射强度。此后，在正常工作期间，当目标被放置在离光纤103的远端足够近的距离处并且可以生成信号223a时，可以使用光检测器检测来自目标的反射光束，并且测量出的强度值可以由处理单元107存储为I(HI)和I(LO)，I(HI)是“来自对应于与具有较高吸水系数(HI)的波长的目标组织的返回信号的强度”，而I(LO)是“来自对应于具有较低吸水系数(LO)的波长的目标组织的返回信号的强度”。然而，为了从实际返回信号的读数中消除寄生/不需要的反射值，处理单元107可以分别从实际返回信号I(HI)的读数中减去/减少IR(HI)(如下面的公式3.1所示)和从实际返回的信号I(LO)的读数中减去/减少IR(LO)，如下面的公式3.1和公式3.2所示。
I′(HI)＝I(HI)-IR(HI) 公式3.1
I′(LO)＝I(LO)-IR(LO) 公式3.2
在上述公式3.1中
I’(HI)是指对应于具有较高吸水系数(HI)的波长的返回信号的新计算的强度(没有寄生/不需要的反射)；
I(HI)是指对应于具有较高吸水系数(HI)的波长的返回信号的测量出的强度(具有寄生/不需要的反射)；以及
IR(HI)是指具有较高吸水系数的入射光的内部反射的测量出的强度(“没有目标”下的测量)
在上述公式3.2中，
I’(LO)是指对应于具有较低吸水系数(LO)的波长的返回信号的新计算的强度(没有寄生/不需要的反射)；
I(LO)是指对应于具有较低吸水系数(LO)的波长的返回信号的测量出的强度(具有寄生/不需要的反射)；以及
IR(LO)是指具有较低吸水系数的入射光的内部反射的测量出的强度(“没有目标”下的测量)。
因此，使用新的强度计算值I’(HI)和I’(LO)，处理单元107可以通过代换公式2.2中新的校准值I’(HI)和I’(LO)来确定光纤103的远端和目标101之间的距离，如下所示：
Figure BDA0003743591960000401
在一些实施例中，上述“X”的公式也可以被表示为如下所示：
Figure BDA0003743591960000402
如上所述，内部反射可能不随时间恒定并且可能由于系统的内部光学参数的一些变化而变化(与由于系统外部的治疗环境的动态变化相反)，诸如光纤103远端的光学质量。由于治疗激光的高功率和在光纤尖端处发生的一些空化效应，由于治疗的液体环境，光纤并且主要是光纤的远端经历退化。因此，为了实时监测和纠正这种内部反射的变化，执行实时校准很重要。因此，为了进行实时校准，如上述本公开的实施例4、5和6所示，引入了偏振(L3)或非偏振(L3’)的校准激光器，从而确保在光纤退化期间更精确的距离估计。如在实施例4、5和6中所解释的，校准激光器(L3/L3’)具有在水中具有非常高的吸收系数的波长。作为示例，偏振激光源(L3)的波长可以是1435nm。由于校准激光(L3/L3’)如此强烈地被液体环境吸收，如上所述，几乎没有任何来自介质的背反射223a回到光纤中。因此，在发射校准激光(L3/L3’)时，相关联的光检测器主要测量激光器(L3/L3’)的内部反射强度。处理单元107被配置为在治疗开始之前读取和存储激光器(L3/L3’)的内部反射的一个或多个基础值。这些一个或多个基础值代表治疗开始之前光纤的光学质量，诸如光纤尖端的光学质量。此外，处理单元107被配置为在治疗期间继续实时测量校准激光器(L3/L3’)的内部反射，并识别与基础的偏差。监测这些偏差提供了对光纤的光学质量退化的指示，并且可以被用于校正与信号223a相关联的任何测量的背反射强度。基于校准激光器(L3/L3’)的内部反射的读数，处理单元107可以纠正主激光器(L1/L1’)和(L2/L2’)测量的校准参数。
在一些实施例中，实时校准过程可以包括，最初在水中设置治疗纤维，并读取和存储校准激光器(L3/L3’)的一个或多个内部反射值。由于校准激光(L3/L3’)在水中被高度吸收，因此相对于激光器L1/L1’和L2/L2’，在L3/L3’的校准读数期间对目标组织的距离的灵敏度要低得多。如下文将解释的，当目标组织也可以靠近光纤尖端时，这允许在治疗期间继续校准激光测量。此后，可以使用如本公开中以上讨论的示例性配置4、5或6之一，在偏振环境中使用激光器(L1，L2)，或在非偏振环境中使用激光器(L1’，L2’)来照射目标。在这种情况下，可以使用光检测器检测反射光束223a和223b，并且测量出的强度值可以由处理单元107存储为I(LO)、I(HI)以及校准激光器(L3/L3’)的内部反射的附加的和相关的测量值IR(CAL)。I(HI)是来自具有较高吸水系数的入射光的目标组织的背反射强度，I(LO)是来自具有低吸水系数的入射光的目标组织的背反射强度，IR(CAL)是入射校准激光器(L3/L3’)的内部反射强度。在一些实施例中，目标的存在或不存在可以不影响反射IR(CAL)，因为来自校准传感器(L3、L3’)的入射光被水高度吸收。在一些实施例中，IR(CAL)值的变化可能由于光纤103，特别是光纤103的尖端的退化变化而发生。在一些实施例中，基于IR(CAL)值的相对变化，处理单元107可以调整先前测量的IR(HI)和IR(LO)值或当前测量的I(LO)或I(HI)。
此后，在实时工作期间，即当正在进行实时治疗时，当存在目标101时，即当目标101处于足够近的距离以生成背反射信号223a时，诸如当目标在离光纤103的远端小于10mm的距离时，用于激光器L1/L1’和激光器L2/L2’的背反射光束223a和来自校准激光器L3/L3’的内部反射223c可以使用光检测器检测，并且测量出的强度值可以由处理单元107存储为I(HI)、I(LO)和IR(CAL)，I(HI)是“对应于具有较高吸水系数(HI)的波长的返回信号的强度”，I(LO)是的“对应于具有较低吸水系数(LO)的波长的返回信号的强度”，IR(CAL)是“对应于校准激光器(CAL)的具有最高吸水系数的波长的返回的内部反射信号的强度”。此外，为了确定校准因子，处理单元107可以将来自校准过程预处理的IR(CAL-PRE)的读数与来自治疗期间的校准过程完成的IR(CAL-DUR)的读数相除，如下面的公式4所示。
Figure BDA0003743591960000421
只要在治疗之前和治疗期间校准激光器L3/L3’的内部反射相同，当光纤103没有变化时，校准因子可以是“1”。此外，为了校准主激光器(L1/L1’)和(L2/L2’)的纠正参数，处理单元107可以使用校准因子，如以下公式5.1和5.2所示的。
I"(HI)＝I(HI)-IR(HI)×CF 公式5.1
I"(LO)＝I(LO)-IR(LO)×CF 公式5.2
在上述公式5.1中，
I”(HI)是指来自目标组织的背反射信号的新计算的校准强度，对应于具有较高吸水系数(HI)的波长；
I(HI)是指来自目标组织的背反射信号的测量出的强度，对应于具有较高吸水系数(HI)的波长；
IR(HI)是指具有较高吸水系数的入射激光的内部反射的测量出的强度(“没有目标”下的测量)；以及
CF是指使用公式4确定的校准因子。
在上述公式5.2中，
I”(LO)是指来自目标组织的背反射信号的新计算的校准强度，对应于具有较低吸水系数(LO)的波长；
I(LO)是指来自目标组织的背反射信号的测量强度，对应于具有较低吸水系数(LO)的波长；
IR(LO)是指具有较低吸水系数的入射激光的内部反射的测量出的强度(“没有目标”下的测量)；以及
CF是指使用公式4确定的校准因子。
因此，使用新的校准强度值I”(HI)和I”(LO)，处理单元107可以通过代换公式2.2中的新的校准值I”(HI)和I”(LO)来确定光纤103的远端和目标101之间的距离，如下所示：
Figure BDA0003743591960000431
因此，以这种方式，处理单元107执行系统预处理校准和实时校准，以确保当光纤经历退化时光纤103的远端与目标101之间的估计距离的精确性，并且改变校准因子。
在块311处，该方法包括由处理单元107经由与处理单元107相关联的指示器109指示估计出的光纤103的远端和目标101之间的距离。作为示例，指示器109可以是视觉指示器、音频指示器或触觉指示器。在一些实施例中，基于估计出的光纤103的远端和目标101之间的距离，可以实时地改变光纤103的位置、改变光纤103的方向、改变治疗波束的特性等，以便精确地瞄准目标101。
图4是用于实施符合本公开的实施例的示例性计算机系统的框图。
在一些实施例中，图4示出了用于实施符合本公开的实施例的示例性计算机系统400的框图。在一些实施例中，计算机系统400可以是处理单元107，以估计光纤103的末端和目标101之间的距离。计算机系统400可以包括中央处理单元(“CPU”或“处理器”)402。处理器402可以包括至少一个数据处理器，用于执行用于执行用户或系统生成的业务过程的程序部件。用户可以包括人、使用诸如本发明中包括的那些设备的人、或这种设备本身。处理器402可以包括专用处理单元，诸如集成系统(总线)控制器、存储器管理控制单元、浮点单元、图形处理单元、数字信号处理单元等。
处理器402可以被设置成经由I/O接口401与输入设备411和输出设备412通信。I/O接口401可以采用通信协议/方法，诸如但不限于音频、模拟、数字、立体声、IEEE-1394、串行总线、通用串行总线(USB)、红外、PS/2、BNC、同轴、分量、复合、数字视频接口(DVI)、高清多媒体接口(HDMI)、射频(RF)天线、S-Video、视频图形阵列(VGA)、IEEE 802.n/b/g/n/x、蓝牙、蜂窝(例如，码分多址(CDMA)、高速分组接入(HSPA+)、全球移动通信系统(GSM)、长期演进(LTE)、WiMax等)等。
使用I/O接口401，计算机系统400可以与输入设备411和输出设备412通信。
在一些实施例中，处理器402可以被设置成经由网络接口403与通信网络409通信。网络接口403可以与通信网络409通信。网络接口403可以采用连接协议，包括但不限于直接连接、以太网(例如，双绞线10/100/1000Base T)、传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)、令牌环、IEEE 802.1la/b/g/n/x等。使用网络接口403和通信网络409，计算机系统400可以与光发射、传送和检测(LETD)系统105和指示器109通信。通信网络409可以被实施为不同类型的网络之一，诸如内联网或局域网(LAN)、闭域网(CAN)等。通信网络409可以是专用网络或共享网络，其代表使用多种协议(例如，超文本传输协议(HTTP)、CAN协议、传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)、无线应用协议(WAP)等)来彼此通信的不同类型的网络的关联。此外，通信网络409可以包括各种网络设备，包括路由器、网桥、服务器、计算设备、存储设备等。在一些实施例中，处理器402可以被设置成经由存储接口404与存储器405(例如，未在图4中示出的RAM、ROM等)通信。存储接口404可以使用诸如串行高级技术附件(SATA)、集成驱动电子设备(IDE)、IEEE-1394、通用串行总线(USB)、光纤通道、小型计算机系统接口(SCSI)等连接协议连接到存储器405，包括但不限于存储器驱动器、可移动磁盘驱动器等。存储器驱动器还可以包括磁鼓、磁盘驱动器、磁光驱动器、光驱、独立磁盘冗余阵列(RAID)、固态存储设备、固态驱动器等。
存储器405可以存储程序或数据库部件的集合，包括但不限于用户界面406、操作系统407、网络浏览器408等。在一些实施例中，计算机系统400可以存储用户/应用数据，诸如本发明所述的数据、变量、记录等。这种数据库可以被实施为容错的、关系型的、可扩展的、安全的数据库，诸如Oracle或Sybase。
操作系统407可以促进计算机系统400的资源管理和操作。操作系统的示例包括但不限于
Figure BDA0003743591960000441
OS
Figure BDA0003743591960000442
类UNIX系统发行版(例如，BERKELEYSOFTWARE
Figure BDA0003743591960000443
(BSD)、
Figure BDA0003743591960000444
Figure BDA0003743591960000445
OPENBSD等)、
Figure BDA0003743591960000446
DISTRIBUTIONS(例如，RED
Figure BDA0003743591960000447
Figure BDA0003743591960000448
等)、
Figure BDA0003743591960000449
(
Figure BDA00037435919600004410
Figure BDA00037435919600004411
/7/8、10等)、
Figure BDA00037435919600004412
GOOGLETM ANDROIDTM、
Figure BDA00037435919600004413
OS等。用户界面406可以通过文本或图形工具促进程序部件的显示、执行、交互、操纵或操作。例如，用户界面可以在可操作地连接到计算机系统400的显示系统上提供计算机交互界面元素，诸如光标、图标、复选框、菜单、滚动条、窗口、小部件等。可以采用图形用户界面(GUI)，包括但不限于
Figure BDA0003743591960000451
操作系统的
Figure BDA0003743591960000452
(例如，Aero、Metro等)、Web界面库(例如，
Figure BDA0003743591960000453
AJAX、HTML、
Figure BDA0003743591960000454
等)等。
在一些实施例中，计算机系统400可以实施网络浏览器408存储的程序部件。Web浏览器408可以是超文本查看应用程序，诸如
Figure BDA0003743591960000455
INTERNET
Figure BDA0003743591960000456
Figure BDA0003743591960000457
等。可以使用安全超文本传输协议(HTTPS)、安全套接字层(SSL)、传输层安全性(TLS)等来提供安全网络浏览。网络浏览器408可以利用诸AJAX、DHTML、
Figure BDA0003743591960000458
应用编程接口(API)等工具。在一些实施例中，计算机系统400可以实施邮件服务器存储的程序部件。邮件服务器可以是诸如Microsoft Exchange等的因特网邮件服务器。邮件服务器可以利用诸如动态服务器页面(ASP)、
Figure BDA0003743591960000459
C++/C#、
Figure BDA00037435919600004510
.NET、CGI SCRIPTS、
Figure BDA00037435919600004511
PHP、
Figure BDA00037435919600004512
等工具。邮件服务器可以利用通信协议，诸如互联网消息访问协议(IMAP)、消息应用编程接口(MAPI)、
Figure BDA00037435919600004513
交换、邮局协议(POP)、简单邮件传输协议(SMTP)等。在一些实施例中，计算机系统400可以实施邮件客户端存储程序部件。邮件客户端可以是邮件查看应用，诸如
Figure BDA00037435919600004514
MAIL、
Figure BDA00037435919600004515
Figure BDA00037435919600004516
等。
此外，一个或多个计算机可读存储介质可被用于实施符合本发明的实施例。计算机可读存储介质是指可以存储处理器可读的信息或数据的任何类型的物理存储器。因此，计算机可读存储介质可以存储用于由一个或多个处理器执行的指令，包括用于使处理器执行与本文描述的实施例一致的步骤或阶段的指令。术语“计算机可读介质”应当被理解为包括有形物品并且不包括载波和瞬态信号，即非瞬态的。示例包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、易失性存储器、非易失性存储器、硬盘驱动器、光盘(CD)ROM、数字视频光盘(DVD)、闪存驱动器、磁盘和任何其他已知的物理存储介质。
本公开的优点：
本公开使得能够通过使用具有低吸水系数和高吸水系数的两种不同波长的激光来估计光纤远端与目标之间的距离。基于这种波长选择的距离估计确保了针对不同类型的目标、目标成分、目标颜色、目标表面等的稳健性。
本公开中公开的基于波长调制的技术用于估计光纤远端和目标之间的距离，有助于精确估计距离，因为估计过程对于如上所述的各种类型的目标是稳健的。
因此，本公开使得能够精确瞄准目标，从而消除了可能导致永久性损伤的消融/破碎不正确的部分，并且也减少了消融/破碎目标的时间。
本公开的应用：
本公开可以被用于穿透灰尘。在该应用中，在治疗例如肾结石的过程中，由于存在结石碎片或灰尘，水可能变得浑浊。这可能会降低(或完全取消)看到目标(例如石头)的能力。因此，在这种情况下，本公开中讨论的光纤反馈(FFB)技术能够精确地识别并通知治疗医生光纤的放置，即光纤是否被放置在目标前方，或者没有目标，或者光纤瞄准的是不需要的区域而不是目标。
此外，本公开可以被用于距离测量和目标识别。在该应用中，目标(例如：石头)可能会在治疗期间四处移动，这可能导致将激光施加到不需要的区域，诸如健康组织，而不是将激光施加到目标。因此，本公开使得能够自动和实时地监测光纤和目标之间的距离，这进而消除了对不需要的区域产生激光的可能性。
此外，本公开可以被用于智能激光发射的目的。在该应用中，在治疗过程中，目标可能会前后移动，或者可能会改变其形状和大小。因此，在开始瞄准目标之前为激光源预设的参数可能变得不太有效。传统上，这种预设参数是被手动改变的，这可能容易出错且耗时，或者在某些情况下，预设参数可能保持不变，这可能导致光纤距离目标太近或太远的情况。因此，如本公开中所公开的，对光纤与目标之间距离的自动和实时监测使得能够根据目标形状、位置等自动改变激光预设参数来调整激光发射，以获得最佳效果(即智能激光)。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用适当地从复数翻译成单数和/或从单数翻译成复数。为了清楚起见，可以在本文中明确阐述各种单数/复数排列。
本领域内的技术人员将理解，一般而言，本文使用的术语并且通常旨在作为“开放”术语(例如，术语“包括”应该被解释为“包括但不限于”，术语“具有”应该被解释为“至少具有”，术语“包括”应解释为“包括但不限于”等)。本领域内的技术人员将进一步理解，如果旨在介绍的权利要求陈述是特定数量的。例如，为了帮助理解，详细描述可以包含使用介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”来介绍权利要求陈述。然而，此类短语的使用不应被解释为暗示由不定冠词“a”或“an”介绍的权利要求陈述将包含此类介绍的权利要求陈述的任何特定权利要求限制为仅包含一个此类陈述的发明，即使当同一权利要求包括介绍性短语“一个或多个”或“至少一个”和不定冠词，诸如“a”或“an”(例如，“a”和/或“an”通常应被解释为“至少一个”或“一个或多个”)；用于介绍权利要求陈述的定冠词的使用也是如此。此外，即使明确地列举了特定数量的引入的权利要求陈述，本领域技术人员将认识到，这种陈述通常应该被解释为至少表示所列举的数量(例如，没有其他修饰语的“两个陈述”的简单陈述，通常意味着至少两个陈述，或两个或更多个陈述)。
尽管本文已经公开了各个方面和实施例，但其他方面和实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是出于说明的目的而不是旨在限制性的，其中真正的范围和精神由以下详细描述来指示。

Claims (59)

1.一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，所述系统包括：
光纤，所述光纤被配置为将源自多个激光光源的激光束递送到目标，并且被配置为将从所述目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器；
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)所述多个激光光源，其包括：第一偏振激光源(L1)和具有不同于所述第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长的第二偏振激光源(L2)，以及一个或多个其他激光源，所述多个激光光源被配置为生成用于治疗所述目标的入射激光束；
(ii)第一分束器，其被配置为接收来自所述第一偏振激光源(L1)和所述第二偏振激光源(L2)的入射激光束，并被配置为将所述入射激光束沿单一光路对齐；
(iii)偏振器，其被配置为接收来自所述第一分束器的对齐入射激光束，并输出偏振激光束；
(iv)第一光束组合器，其被配置为：
(a)接收来自所述偏振器的所述偏振激光束；
(b)将所述偏振激光束与从所述一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束；
(v)第二分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述第一光束组合器的所述组合激光束；
(b)将所述组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由所述光纤将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到目标；
(d)在将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由所述光纤接收反射光；
(e)将所述反射光的激光束沿单一光路对齐；以及
(f)将所述反射光的对齐激光束传送到偏振分束器；
(vi)偏振分束器，其被配置为接收来自所述第二分束器的所述反射光的对齐激光束，并将所述反射光的对齐激光束分成反射S偏振波束和透射P偏振波束；
(vii)第一光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的透射P偏振波束的强度；
(b)将测量出的所述反射光的透射P偏振波束的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元；以及
(viii)第二光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的反射S偏振波束的强度；以及
(b)将测量出的所述反射光的反射S偏振波束的强度传送到所述处理单元；并且
所述处理单元被配置为：
(i)分别接收来自所述第一光检测器和所述第二光检测器的测量出的所述反射光的透射P偏振波束和反射S偏振波束的强度；以及
(ii)基于测量出的强度、所述多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述第一分束器相关联的功率检测器，所述功率检测器被配置为测量由所述第一偏振激光源(L1)和所述第二偏振激光源(L2)生成的入射激光束的光功率。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述处理单元相关联的指示器，被配置为指示估计出的所述光纤的远端与所述目标之间的距离，其中，所述指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一激光光源的波长具有比所述第二激光光源的波长更高的吸水系数。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一激光光源和所述第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得所述波长在波长尺度上是接近的。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述反射光的激光束包括：从所述目标反射的光束、从所述目标周围的区域反射的光束和从所述光纤的远端反射的光束中的至少一种。
7.一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，所述系统包括：
光纤，所述光纤被配置为：
(i)将源自多个激光光源的激光束递送到目标；以及
(ii)将从所述目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器；
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)所述多个激光光源，其包括：第一偏振激光源(L1)和具有不同于第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长的第二偏振激光源(L2)，以及一个或多个其他激光源，所述多个激光光源被配置为生成用于治疗所述目标的激光束；
(ii)第二光束组合器，其被配置为接收来自所述第一偏振激光源(L1)和所述第二偏振激光源(L2)的入射激光束，并组合所述入射激光束；
(iii)偏振器，其被配置为：
(a)接收来自所述第二光束组合器的组合入射激光束；以及
(b)输出偏振激光光束；
(iv)第一光束组合器，其被配置为：
(a)从所述偏振器接收所述偏振激光束；
(b)将所述偏振激光束与从所述一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束；
(v)第二分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述第一光束组合器的组合激光束；
(b)将所述组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由所述光纤将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到所述目标；
(d)在将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由所述光纤接收反射光；以及
(e)将所述反射光的激光束沿单一光路对齐，并将所述反射光的对齐激光束传送到偏振分束器；
(vi)所述偏振分束器被配置为：
(a)接收来自所述第二分束器的所述反射光的对齐激光束；以及
(b)将所述反射光的对齐激光束分成反射S偏振波束和透射P偏振波束；
(vii)第一光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的透射P偏振波束的强度；
(b)将测量出的所述反射光的透射P偏振波束的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元；以及
(viii)第二光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的反射S偏振波束的强度；以及
(b)将测量出的所述反射光的反射S偏振波束的强度传送到所述处理单元；并且
所述处理单元被配置为：
(i)分别接收来自所述第一光检测器和所述第二光检测器的测量出的所述反射光的透射P偏振波束和反射S偏振波束的强度；以及
(ii)基于测量出的强度、所述多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括与所述第二分束器相关联的功率检测器，所述功率检测器被配置为测量组合激光的光功率，所述组合激光包括由所述第一偏振激光源(L1)、所述第二偏振激光源(L2)和所述一个或多个其他激光器生成的所述入射激光束。
9.根据权利要求7所述的系统，还包括与所述处理单元相关联的指示器，其中，所述指示器被配置为指示估计出的所述光纤的远端与所述目标之间的距离，其中，所述指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一激光光源的波长具有比所述第二激光源的波长更高的吸水系数。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一激光光源和第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得所述波长在波长尺度上是接近的。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述反射光的激光束包括：从所述目标反射的光束、从所述目标周围的区域反射的光束和从所述光纤的远端反射的光束中的至少一种。
13.一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，所述系统包括：
光纤，所述光纤被配置为：
(i)将源自多个激光光源的激光束递送到目标；以及
(ii)将从所述目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器；
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)所述多个激光光源，其包括：第一非偏振激光源(L1’)和具有不同于第一非偏振激光源(L1’)的吸水系数的波长的第二非偏振激光源(L2’)，以及一个或多个其他激光源，所述多个激光光源被配置为生成用于治疗所述目标的入射激光束；
(ii)第一分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述第一非偏振激光源(L1’)和所述第二非偏振激光源(L2’)的入射激光束；以及
(b)将所述入射激光束沿单一光路对齐；
(iii)第一光束组合器，其被配置为：
(a)从所述第一分束器接收对齐入射激光束；
(b)将所述对齐入射激光束与从所述一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束；
(iv)第二分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述第一光束组合器的组合激光束；
(b)将所述组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由所述光纤将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到所述目标；
(d)在将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由所述光纤接收反射光；以及
(e)将所述反射光的激光束沿单一光路对齐，并将所述反射光的对齐激光束传送到第三光检测器；
(v)所述第三光检测器被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的对齐激光束的强度；以及
(b)将测量出的强度传送到与LETD系统相关联的处理单元；并且
所述处理单元被配置为：
(i)接收来自所述第三光检测器的测量出的所述反射光的对齐激光束的强度；以及
(ii)基于测量出的强度、所述多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计光纤的远端与目标之间的距离。
14.根据权利要求13所述的系统，还包括与所述第一分束器相关联的功率检测器，所述功率检测器被配置为测量由所述第一非偏振激光源(L1’)和所述第二非偏振激光源(L2’)生成的激光束的光功率。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括与所述处理单元相关联的指示器，其中，所述指示器被配置为指示估计出的所述光纤的远端和所述目标之间的距离，其中，所述指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
16.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一激光光源的波长具有比所述第二激光光源的波长更高的吸水系数。
17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一激光光源和第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得所述波长在波长尺度上是接近的。
18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述反射光的激光束包括：从所述目标反射的光束、从所述目标周围的区域反射的光束和以及从所述光纤的远端和近端反射的光束中的至少一种。
19.一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，所述系统包括：
光纤，所述光纤被配置为：
(i)将源自多个激光光源的激光束递送到目标；以及
(ii)将从所述目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器；
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)所述多个激光光源，包括：
(a)第一偏振激光源(L1)；
(b)具有不同于所述第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长的第二偏振激光源(L2)；
(c)具有不同于所述第一偏振激光源(L1)和所述第二偏振激光源(L2)的吸水系数的波长的第三偏振激光源(L3)；以及
(d)一个或多个其他激光源，其中，所述多个激光光源被配置为生成用于治疗所述目标的入射激光束；
(ii)第一分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述第一偏振激光源(L1)、所述第二偏振激光源(L2)和所述第三偏振激光源(L3)的入射激光束；以及
(b)将所述入射激光束沿单一光路对齐；
(iii)第三分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述第一分束器的对齐入射激光束；以及
(b)将所述第一分束器的对齐入射激光束和从所述第三偏振激光源(L3)接收的入射激光束沿单一光路对齐；
(iv)偏振器，其被配置为：
(a)接收来自所述第三分束器的对齐入射激光束；以及
(b)输出所述偏振激光；
(v)第一光束组合器，其被配置为：
(a)接收来自所述偏振器的偏振激光束；
(b)将所述偏振激光束与从所述一个或多个其他激光源接收的瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束；
(vi)第二分束器，其被配置为：
(a)对齐来自所述第一光束组合器的组合激光束；
(b)将所述组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由所述光纤将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到目标；
(d)在将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到目标后，经由所述光纤接收反射光；
(e)将所述反射光的激光束沿单一光路对齐；以及
(f)将所述反射光的对齐激光束传送到偏振分束器；
(vii)所述偏振分束器被配置为将所述反射光的对齐激光束分成反射S偏振波束和透射P偏振波束；
(viii)第一光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的透射P偏振波束的强度；以及
(b)将测量出的所述反射光的透射P偏振波束的强度传送到与所述LETD系统相关联的处理单元；
(ix)第二光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的反射S偏振波束的强度；以及
(b)将测量出的所述反射光的反射S偏振波束的强度传送到所述处理单元；并且
所述处理单元被配置为：
(i)分别接收来自所述第一光检测器和所述第二光检测器的测量出的所述反射光的透射P偏振波束和反射S偏振波束的强度；以及
(ii)基于测量出的强度、所述多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离。
20.根据权利要求19所述的系统，还包括与所述第三分束器相关联的功率检测器，所述功率检测器被配置为测量由所述第一偏振激光源(L1)、所述第二偏振激光源(L2)和所述第三偏振激光源(L3)生成的激光束的光功率。
21.根据权利要求19所述的系统，还包括与所述处理单元相关联的指示器，其中，所述指示器被配置为指示估计出的所述光纤的远端和所述目标之间的距离，其中，所述指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第一激光光源(L1)的波长比所述第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水率，并且所述第三激光光源(L3)的波长比所述第一激光光源(L1)和所述第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水率。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第一激光光源和第二激光光源的波长是预定义的，并且被选择为使得所述波长在波长尺度上是接近的。
24.根据权利要求19所述的系统，其中，所述反射光的激光束包括：从所述目标反射的光束、从所述目标周围的区域反射的光束和从所述光纤的远端和近端反射的光束中的至少一种。
25.一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，所述系统包括：
光纤，所述光纤被配置为将源自多个激光光源的激光束递送到目标，以及将从所述目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器；
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)所述多个激光光源，其包括：第一偏振激光源(L1)，具有不同于所述第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长的第二偏振激光源(L2)，具有不同于所述第一偏振激光源(L1)和所述第二偏振激光源(L2)的吸水系数的波长的第三偏振激光源(L3)，以及一个或更多其他激光源，所述多个激光光源被配置为生成用于治疗所述目标的入射激光束；
(ii)波分复用器(WDM)，其被配置为：
(a)接收来自所述第一偏振激光源(L1)、所述第二偏振激光源(L2)、所述第三偏振激光源(L3)的入射激光束，以及由所述一个或多个其他激光源生成的瞄准波束；以及
(b)将入射激光束沿单一光路对齐；
(iii)第四分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述WDM的对齐入射激光束；以及
(b)将所述WDM的入射激光束沿单一光路对齐；
(iv)准直器，其被配置为：
(a)接收来自所述第四分束器的对齐入射激光束；以及
(b)将对齐输出激光束缩窄为平行激光束；
(v)第一光束组合器，其被配置为：
(a)接收来自所述偏振器的平行激光束；
(b)将所述平行光束与从所述一个或多个其他激光源接收的另一个瞄准波束和治疗波束组合；以及
(c)输出组合激光束；
(vi)第二分束器，其被配置为：
(a)接收组合激光束；
(b)将所述组合激光束沿单一光路对齐；
(c)经由所述光纤将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到所述目标；
(d)在将所述第二分束器的对齐组合激光束递送到所述目标后，经由所述光纤接收反射光；
(e)将所述反射光的激光束沿单一光路对齐；以及
(f)将所述反射光的对齐光束传送到第三光检测器；
(vii)所述第三光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量所述反射光的对齐激光束的强度；以及
(b)将测量出的所述反射光的对齐激光束的强度传送到与所述LETD系统相关联的处理单元；并且
所述处理单元被配置为：
(i)接收测量出的所述反射光的对齐激光束的强度；以及
(ii)基于测量出的强度、所述多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离。
26.根据权利要求25所述的系统，还包括与所述第四分束器相关联的功率检测器，所述功率检测器被配置为测量由所述第一偏振激光源(L1)、所述第二偏振激光源(L2)、所述第三偏振激光源(L3)和所述一个或多个其他激光源生成的所述激光束的光功率。
27.根据权利要求25所述的系统，还包括与所述处理单元相关联的指示器，其中，所述指示器被配置为指示估计出的所述光纤的所述远端和所述目标之间的距离，其中，所述指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
28.根据权利要求25所述的系统，其中，所述第一激光光源(L1)的波长比所述第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数，并且所述第三激光光源(L3)的波长比所述第一激光光源(L1)和所述第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数。
29.根据权利要求25所述的系统，其中，所述第一激光光源(L1)、所述第二激光光源(L2)和所述第三激光光源(L3)的波长是预定义的，并且被选择为使得所述波长在波长尺度上是接近的。
30.根据权利要求25所述的系统，其中，所述反射光的激光束包括：从所述目标反射的光束、从所述目标周围的区域反射的光束和从所述光纤的近端和远端反射的光束中的至少一种。
31.一种用于精确估计光纤末端和目标之间的距离的系统，所述系统包括：
光纤，所述光纤被配置为将源自多个激光光源的激光束递送到目标，以及将从所述目标反射的激光束递送到一个或多个光检测器；
光发射、传送和检测(LETD)系统，包括：
(i)所述多个激光光源，其包括：第一偏振激光源(L1)，具有不同于所述第一偏振激光源(L1)的吸水系数的波长的第二偏振激光源(L2)，具有不同于所述第一偏振激光源(L1)和所述第二偏振激光源(L2)的吸水系数的波长的第三偏振激光源(L3)，以及一个或更多其他激光源，所述多个激光光源被配置为生成用于治疗所述目标的入射激光束；
(ii)波分复用器(WDM)，其被配置为接收来自所述第一偏振激光源(L1)、所述第二偏振激光源(L2)、所述第三偏振激光源(L3)的入射激光束，以及由所述一个或多个其他激光源生成的瞄准波束，并且将入射激光束沿单个光路对齐；
(iii)第四分束器，其被配置为：
(a)接收来自所述WDM的对齐入射激光束；以及
(b)将所述WDM的入射激光束沿单个光路对齐；
(iv)环行器，其被配置为：
(a)接收来自所述第四分束器的对齐入射激光束；以及
(b)使所述对齐入射激光束沿单一方向传播；
(v)准直器，其被配置为：
(a)接收来自所述环行器的对齐入射激光束；以及
(b)将从所述环形器接收的对齐激光束缩窄为平行激光束；
(vi)第一光束组合器，被配置为：
(a)接收来自所述偏振器的平行激光束；
(b)将所述平行光束与从所述一个或多个其他激光源接收的另一个瞄准波束和治疗波束组合；
(c)输出组合激光束；以及
(d)将所述第一光束组合器的组合激光束经由所述光纤递送到所述目标；
(vii)所述环行器，其被配置为：
(a)在将所述第一光束组合器的组合激光束递送到所述目标后，经由所述光纤接收反射光；
(b)使所述反射光的激光束以单一方向传播；
(c)将来自所述准直器的反射光的激光束传送到第三光检测器；
(viii)所述第三光检测器，其被配置为：
(a)检测和测量从所述准直器接收的所述反射光的对齐激光束的强度；以及
(b)将测量出的所述反射光的对齐激光束的强度传送到与所述LETD系统相关联的处理单元；并且
所述处理单元被配置为：
(i)接收测量出的所述反射光的对齐激光束的强度；以及
(ii)基于测量出的强度、所述多个激光光源的相应波长的吸水系数和目标反射系数，估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离。
32.根据权利要求31所述的系统，还包括与所述第四分束器相关联的功率检测器，所述功率检测器被配置为测量由所述第一偏振激光源(L1)、所述第二偏振激光源(L2)、所述第三偏振激光源(L3)和所述一个或多个其他激光源生成的激光束的光功率。
33.根据权利要求31所述的系统，还包括与所述处理单元相关联的指示器，其中，所述指示器被配置为指示估计出的所述光纤的所述远端和所述目标之间的距离，其中，所述指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
34.根据权利要求31所述的系统，其中，所述第一激光光源(L1)的波长比所述第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数，并且所述第三激光光源(L3)的波长比所述第一激光光源(L1)和所述第二激光光源(L2)的波长具有更高的吸水系数。
35.根据权利要求31所述的系统，其中，所述第一激光光源(L1)、所述第二激光光源(L2)和所述第三激光光源(L3)的波长是预定义的，并且被选择为使得所述波长在波长尺度上是接近的。
36.根据权利要求31所述的系统，其中，所述反射光的激光束包括：从所述目标反射的光束、从所述目标周围的区域反射的光束和从所述光纤的近端和远端反射的光束中的至少一种。
37.根据权利要求19、25或31中任一项所述的系统，其中，所述第三偏振激光源(L3)被配置用于校准光纤状态。
38.根据权利要求37所述的系统，其中，所述光纤状态是所述光纤的远端的光学质量。
39.根据权利要求37所述的系统，其中，所述校准是实时进行的，并且与所述校准的偏差表明所述光纤的远端的光学状态的退化。
40.根据权利要求39所述的系统，还包括与所述处理单元相关联的第二指示器，所述第二指示器被配置为向用户指示所述光纤的远端的光学状态的退化。
41.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光纤的近端涂覆有抗反射涂层以减少在所述光纤的近端处产生的噪声，并增加从所述目标接收的反射光的动态范围。
42.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述光纤的近端以预定的角度被切割，以使能来自所述光纤的近端的不需要的反射光转向。
43.根据权利要求1、8、14、19、25或31中任一项所述的系统，其中，所述第一光束组合器被配置为从所述一个或多个其他激光源接收至少一个非偏振治疗波束，并输出所述组合激光束。
44.一种估计光纤末端和目标之间的距离的方法，所述方法包括：
提供包括多个激光光源和多个光检测器的光发射、传送和检测(LETD)系统；
提供处理单元；
由LETD系统使用所述多个激光光源中的至少一个经由光纤用多个波长的入射激光束照射目标；
由LETD系统经由所述光纤和所述多个光检测器接收来自所述目标的反射光；
由LETD系统经由所述光检测器测量所述多个波长中的每一个的反射光的光束强度；
由LETD系统将测量出的强度传送到处理单元，
其中，所述处理单元从所述LETD系统接收测量出的所述多个波长中的至少两个的反射光的光束的强度，并基于测量出的强度、所述相应多个波长的吸水系数和目标反射系数，估计所述光纤的远端和所述目标之间的距离。
45.一种估计光纤末端和目标之间的距离的方法，所述方法包括：
提供包括具有多个波长的多个激光光源和多个光检测器的光发射、传送和检测(LETD)系统；
提供处理单元；
由所述处理单元接收来自所述LETD系统的测量出的所述多个波长中的至少两个的反射光的光束的强度，其中，所述LETD系统被配置为：
(i)使用所述多个激光光源中的至少一个，经由光纤用所述多个波长的入射激光束照射目标；以及
(ii)测量所述多个波长中的每一个的反射光的光束的强度；并且
由所述处理单元基于测量出的强度、所述相应多个波长的吸水系数和目标反射系数，估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，估计所述光纤的远端与所述目标之间的所述距离包括：
由所述处理单元确定属于所述多个波长中的两个不同波长的所述反射光的光束的测量出的强度的比值，其中，所述两个不同波长属于第一偏振激光源(L1)和第二偏振激光源(L2)、或者第一非偏振激光源(L1’)和第二非偏振激光源(L2’)中之一，使用公式：
Figure FDA0003743591950000141
其中,
I(HI)和I(LO)分别是对应于所述两个不同波长的光束的测量出的强度，
Figure FDA0003743591950000142
是属于所述两个不同波长的所述反射光的光束的测量出的强度的比值，
R是所述目标反射系数，
λLO和λHI分别是所述两个不同波长的吸水系数，
X是所述光纤远端与所述目标之间的所述距离；并且
由所述处理单元基于所述两个不同波长的测量出的强度(I(HI)和I(LO))的比值、所述两个不同波长的所述吸水系数(λLO和λHI)和所述目标反射系数(R)来估计所述光纤末端与所述目标之间的所述距离(X)，使用公式：
Figure FDA0003743591950000143
其中“ln”为自然对数。
47.根据权利要求44或45所述的方法，还包括：由与所述处理单元相关联的指示器来指示所述光纤的远端和所述目标之间的所述估计距离，其中，所述指示器包括视觉指示器、音频指示器和触觉指示器中的至少一种。
48.根据权利要求44或45所述的方法，还包括：由所述功率检测器测量由所述多个激光光源生成的激光束的光功率。
49.根据权利要求44-48所述的方法，所述方法使用根据前述权利要求1、7、13、19、25和权利要求31的所述系统中的至少一个来执行。
50.根据权利要求45或权利要求46所述的方法，还包括：
由所述处理单元从所述LETD系统接收在“无目标条件”下属于所述反射光的多个波长中的至少三个波长中的每一个的光束的测量出的强度，
其中，所述LETD系统被配置为：
(i)在“无目标条件”下，使用多个激光光源中的至少三个，经由光纤用多个波长的入射激光束照射目标；
(ii)经由所述光纤接收所述多个波长中的至少三个波长中的每一个的所述入射激光束的反射光；
(iii)测量多个波长中的所述至少三个波长中的每一个的所述入射激光束的反射光的强度；以及
(iv)将多个波长中的所述至少三个波长中的每一个的所述入射激光束的反射光的测量出的强度传送到所述处理单元，
由所述处理单元将多个波长中的所述至少三个波长中的每一个的入射激光束的反射光的测量出的强度存储为内部反射预处理值(IR cal-pre)。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述多个激光光源包括：具有高吸水系数(HI)的波长的第一偏振激光源(L1)、具有低吸水系数(LO)的第二偏振激光源(L2)、具有比所述第一偏振激光源(L1)更高吸水系数的波长的第三偏振激光源(L3)。
52.根据权利要求51所述的方法，其中：
所述第一偏振激光源(L1)的吸水系数高于所述第二偏振激光源(L2)的吸水系数；以及
所述第三偏振激光源(L3)的吸水系数高于所述第一偏振激光源(L1)的吸水系数和所述第二偏振激光源(L2)的吸水系数。
53.根据权利要求50所述的方法，其中，所述多个激光光源包括：具有高吸水系数(HI)的波长的第一非偏振激光源(L1’)、具有低吸水系数(LO)的第二非偏振激光源(L2’)、具有比所述第一非偏振激光源(L1’)更高吸水系数的波长的第三非偏振激光源(L3’)，以及一个或多个其他激光源。
54.根据权利要求53所述的方法，其中：
所述第一非偏振激光源(L1’)的吸水系数高于所述第二非偏振激光源(L2’)的吸水系数；以及
所述第三非偏振激光源(L3’)的吸水系数高于所述第一非偏振激光源(L1’)和所述第二非偏振激光源(L2’)的吸水系数。
55.根据权利要求52或54所述的方法，还包括：
由所述处理单元从所述LETD系统接收属于所述多个波长中的每一个的反射光的光束的新测量出的强度；
由所述处理单元基于以下至少一项来确定校准因子：
(i)第三偏振激光光源(L3)的所存储的内部反射预处理值(IRCAL-PRE)，以及属于所述第三偏振激光光源(L3)的波长的所述反射光的光束的新测量出的强度(IRCAL-DUR)；或者
(ii)第三非偏振激光光源(L3’)的所存储的内部反射预处理值(IRCAL-PRE)，以及属于所述第三非偏振激光光源(L3’)的波长的所述光反射的光束的新测量出的强度(IRCAL-DUR)。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，确定光纤状态包括：由所述处理单元基于测量出的强度、所述多个激光光源的相应波长的吸水系数、所确定的校准因子和所述目标反射系数，来估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离，从而校准所述光纤状态。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，实时校准和估计所述光纤的远端与所述目标之间的距离包括：
由所述处理单元基于属于所述多个波长中的两个不同波长的所述反射光的光束的测量出的强度，确定属于所述多个波长中的两个不同波长的所述反射光的光束的新校准的强度，其中，所述两个不同波长属于所述第一偏振激光源(L1)和所述第二偏振激光源(L2)、或者所述第一非偏振激光源(L1’)和所述第二非偏振激光源(L2’)中之一，使用公式：
I″＝I-IR×CF
其中，
I”为特定波长的所述反射光的光束的新校准的强度，I为所述特定波长的所述反射光的光束的测量出的强度，CF为所确定的校准因子，并且IR为在“无目标条件”下测量的所述特定波长的所述反射光的光束的强度；
由所述处理单元确定属于所述多个波长中的所述两个不同波长的所述反射光的光束的新校准的强度的比值，使用公式：
Figure FDA0003743591950000171
其中，
I”(HI)和I”(LO)是分别对应于所述两个不同波长的光束的新校准的强度，
Figure FDA0003743591950000172
为属于所述两种不同波长的所述反射光的光束的新校准的强度的比值，
R是所述目标反射系数，
λLO和λHI分别是所述两个不同波长的吸水系数，
X是所述光纤的远端与所述目标之间的距离，以及
由所述处理单元基于所述两个不同波长的新校准的强度(I”(HI)和I”(LO))的比值、所述两个不同波长的吸水系数(λLO和λHI)和所述目标反射系数(R)来估计所述光纤的远端与所述目标之间的所述距离(X)，使用公式：
Figure FDA0003743591950000173
其中“ln”为自然对数。
58.根据权利要求55所述的方法，使用以下公式确定所述校准因子：
Figure FDA0003743591950000174
其中，CF是所述校准因子。
59.根据权利要求50-58所述的方法，所述方法使用根据前述权利要求19、25和权利要求31的所述系统中的至少一个来执行。
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