CN115553918A - 一种脉冲激光消融系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲激光消融系统，包括第一光源，第一光路匀化系统，消融导管以及OCT成像系统，所述第一光源用于生成初始光束；所述光路匀化系统用于将初始光束匀化整形为能量均匀分布的光束；所述合束聚焦系统用于将光路匀化系统的匀化光束经过合束，并聚焦耦合至消融导管；所述消融导管与OCT成像系统协同对病理治疗；飞秒具有所有类型激光中最窄的脉冲宽度，同样的单脉冲能量之下，其峰值功率为最高其产生的超短脉冲与材料作用时间极短，不会给材料周边带来热影响，具更优的加工效果及加工效率；加入光学相干断层成像探头实时监控激光消融进程，同时实时反馈的病变处信号也可为进一步的治疗提供参数设定依据。

Description

一种脉冲激光消融系统

技术领域

本发明涉及一种脉冲激光消融系统，属于光电医疗领域。

背景技术

随着人口老龄化及诸如肥胖、高血压/高血脂、烟酒等不良生活习惯及其所造成的影响健康的疾病的日益增多，血管内疾病（PAD、CAD）发病率及影响范围也随之增长，其中仍以血管内钙化、CTO、ISR等疾病为治疗难点，这类病变质地较为坚硬，传统球囊扩张受限，而机械旋磨手术存在血管穿孔或夹层的风险。此类疾病若不能及时干预救治或治疗手段的失当，则易导致血液的不流通，继而造成生命危险。

紫外激光消融基于血管内激光斑块消蚀技术，利用光纤束导管将紫外高能激光传输至血管腔内病变位置，使其作用于狭窄/阻塞等患处，利用光化学、光热和光机械作用，将斑块消蚀粉碎至微米量级的颗粒，进而实现减容和扩大管腔的功效；

对常见的紫外波段激光而言，波长较短，单光子能量较高，在工业应用角度常称之为冷激光，即与材料反应热效应不明显，进而造成的热损伤也低。对于308nm准分子激光具有4eV单光子能量，其可直接辐射打断病患斑块分子键并使之分解，此过程即为光化学作用，但该激光脉宽一般为百纳秒量级，热弛豫时间长，即增加了热效应；

355nmND：YAG三次谐波固体激光，单光子能量为3.5eV，其较低的单光子能量通常被认为不适合作为斑块消融的波段，但固体激光脉冲宽度较准分子激光为窄，仅为10ns量级，故峰值功率更高，与308准分子激光相比，此消彼长情况之下，热效应同样不显著，但其在液体中产生的向前爆破的气泡动能更高，即光机械作用占比增高。

血管内OCT（光学相干断层成像）是一种高分辨率的血管内或者腔道成像手段，分辨率大约是10~20微米，穿透深度大约1~2mm。可以对血管或者腔道进行高分辨率的实时成像。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种脉冲时间更短，热影响较低，治疗效果及效率更高的脉冲激光消融系统。

本发明通过以下技术方案实现：一种脉冲激光消融系统，包括第一光源，第一光路匀化系统，消融导管以及OCT成像系统，所述第一光源用于生成初始光束；所述光路匀化系统用于将初始光束匀化整形为能量均匀分布的光束；所述合束聚焦系统用于将光路匀化系统的匀化光束经过合束，并聚焦耦合至消融导管；所述消融导管与OCT成像系统协同对病理治疗。

进一步地，所述第一光源为飞秒激光设备，所述飞秒激光设备为波长1030nm，单脉冲能量不小于300μJ，脉冲宽度＜600fs，重复频率100kHz（typical），近场光斑约3mm，光束质量因子M²不高于1.5。

进一步地，还包括扩束系统，所述扩束系统设置于第一光源与光路匀化系统之间；所述光路匀化系统包括平顶光束整形器，所述平顶光束整器件衍射效率＞90%，并针对1030nm及附近波段镀增透膜。

进一步地，第一光源与光路匀化系统之间设置45°反射镜，所述45°反射镜为紫外熔融石英材质。

进一步地，所述扩束系统包括第一镜片和第二镜片，第一镜片为凸透镜或者凹透镜，第二镜片为凸透镜。

进一步地，所述合束聚焦系统包括第一合束镜，镀膜参数为S1:T＞99%@1030nm，45°AOI；S2:T＞99%@1030nm，R＞99%@1310nm，45°AOI；

进一步地，还包括第二光源，第二光路匀化系统、第二合束镜，光束经由第二合束镜传送至第一合束镜。

进一步地，所述第二光源为355nm紫外激光，第二合束镜，镀膜参数为：S1:R＞99%@355nm，45°AOI；S2:R＞99%@355nm，T＞99%@1310nm，45°AOI；第一合束镜，镀膜参数为：S1:T＞99%@1030nm，45°AOI；S2:T＞99%@1030nm，R＞99%@1310nm&355nm，45°AOI。

进一步地，所述消融导管包括近端的入射端和远端的治疗端，所述远端套设显影环；所述消融导管包括外管与内管，外管与内管之间设置光纤束腔；所述内管包括抽吸腔，导丝腔，以及OCT探头腔。

进一步地，所述OCT探头腔设置两个，导丝腔与抽吸腔分别通过Luer接头与外部联通。

本发明的有益效果有：

超快激光（皮秒/飞秒量级），拥有比上述激光更窄的脉冲宽度，即皮秒（ps）为10^{- 12}s，飞秒（fs）为10^-15s，与此二者相比，纳秒（ns）仅为10^-9s，飞秒具有所有类型激光中最窄的脉冲宽度，同样的单脉冲能量之下，其峰值功率为最高（单脉冲能量=峰值功率*脉冲宽度），其产生的超短脉冲与材料作用时间极短，不会给材料周边带来热影响；在工业精密领域，超快激光有比传统激光更优的加工效果及加工效率；

本发明方案的提出弥补了飞秒激光脉冲用于心血管疾病空白；

结合此二类激光器共同使用，结合紫外波段较高的单光子能量及超快激光较高的峰值功率，从而实现光化学作用和光机械作用的最优组合，更有利于消融治疗；加入光学相干断层成像（OCT）探头以实时监控激光消融进程，避免激光打在非病变位置，同时实时反馈的病变处信号也可为进一步的治疗提供参数设定依据；

本技术方案中的355nmND：YAG固体三次谐波激光器方案，代表厂商为AngioDynamics旗下Auryon系列产品，脉宽较准分子激光更短（10~25ns），因而同等脉冲能量下拥有更高的峰值功率，更利于消融过程；另外该种技术方案造价更低，体积重量更为小巧轻便，同时该波段激光在造影剂中表现并不剧烈，可允许治疗过程的实时显影；

二者合一共同使用，出射激光经匀化耦合光路将初始的高斯光匀化/整形为空间强度均匀分布的匀化光，该匀化光相较初始激光可允许更高的能量通过消融导管而不损坏导管的光纤束端面。

附图说明

图1为本发明实施例1的脉冲激光消融系统的结构示意图；

图2为激光合束镜的结构示意图；

图3为本发明消融导管平面示意图；

图4为本发明消融导管远端截面结构示意图；

图5为本发明消融导管的横切面工作状态结构示意图；

图6为本发明图3消融导管的细化结构示意图；

图7为本发明消融导管内的光纤束端面结构示意图；

图8为本发明实施例2脉冲激光消融系统结构示意图；

图9为本发明紫外激光和飞秒激光二合一消融系统结构示意图；

图10为本发明实施例1中光束的匀化原理及效果示意图；

其中：1，飞秒激光设备；2，扩束系统；3，第一光路匀化系统；4，第一合束镜；5，第一聚焦透镜；6，消融导管；7，OCT成像系统；8，45°反射镜；9，导管连接头；10，Luer接头；11,显影环；12，外管；13，导丝腔；14，抽吸腔；15，OCT探头腔道；16，多腔管；17，光纤束腔；18,355nm激光设备；19，45°反射镜；20，第二光路匀化系统；21，第二合束镜；22，第二聚焦透镜；23，固定底座；24，光纤束端面；25，矩形凹槽。

具体实施方式

为了更清楚的说明本申请的技术方案，下面通过实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。

本发明的脉冲激光消融系统包括光源、光路匀化系统、消融导管、OCT成像系统；光源可以为单一光源，也可以由两种不同的光源形成二合一的光束，下面列举不同方案的实施例进行说明。

实施例1

如图1所示，该实施例中脉冲激光消融系统包括，第一光源、扩束系统2、第一光路匀化系统3，第一合束镜4、第一聚焦透镜5、消融导管6、及OCT成像系统7；其中第一光源为飞秒激光设备1，该设备的参数为波长1030nm，单脉冲能量不小于300μJ，重复频率100kHz（typical），近场光斑约3mm，光束质量因子M²不高于1.5；

双45°反射镜8为激光调平输出用，追求耦合光路简化也可不用，如果舍去该部分，则要求激光器调测阶段光斑在出光口和距出光口至少1.5米的距离上的位置保持一致。进一步地，45°反射镜为紫外熔融石英材质，为减少传输损耗，镜片应双面镀增透膜：HR＞99.5%@1030nm，45°AOI；

扩束系统2，飞秒激光光斑较小，能量密度较高，需要扩束即增大光斑面积，减小其能量密度，避免因能量密度过高损坏光学元件，扩束系统分为开普勒式和伽利略式，图1所示为开普勒式扩束系统，镜片1、2均为凸透镜且镜片2焦距要大于镜片1的焦距，若使用伽利略式，则镜片1为凹透镜，镜片2为凸透镜，无论那种方案，均能将激光进行扩束，为增加光束透过率，所述两个镜片可针对包含1030nm的波段镀增透膜；

第一光路匀化系统3，该例为衍射光学器件（DOE）中的平顶光束整形器，其作用是将高斯分布的空间光匀化整形为平顶分布的矩形光斑，但相较于传统的微透镜阵列，平顶光束整形器更适合此场景的单模激光类型，要求该器件衍射效率＞90%，并针对1030nm及附近波段镀增透膜以提高其透射效率；如图10所示，光束匀化原理及效果示意图。

第一合束镜，如图2所示，其中镀膜参数为：S1:T＞99%@1030nm，45°AOI；S2:T＞99%@1030nm，R＞99%@1310nm，45°AOI；

第一聚焦透镜为平凸透镜或者消色差的非球面透镜，为提高透射效率，可针对包括1030nm波段和1310nm的OCT光源波段镀增透膜；

消融导管6，如图3所示，消融导管分为近端（耦合端）和远端（治疗端），近端为经均匀化的激光的入射端，远端为进入血管内进行消融操作的治疗端，入射端光纤束排布根据已匀化光斑形状而定，一般为方形，所述光纤束的光纤为芯径100μm或更低的高羟基光纤，带聚酰亚胺涂层。导管整体及近远端示意如图3所示，显影环11通过锻压套在外管12上，显影环材质为铂铱合金或者钽金属材质，显影环为对X射线不透过材质，可在术中实时显示导管尖端在人体血管内的位置，外管为环形的中空的薄壁管；

如图4所示，多腔管16作为内管，多腔管有四个空腔道，如图所示分别为“抽吸腔14”，“导丝腔13”以及两个“OCT探头腔15”，多腔管各腔道内壁可涂覆氟类涂层以增强其管壁的润滑性，增强导丝等介入器械的通过性；在外管12和多腔管16之间的环形区域内填充光纤束，单个光纤为芯径100μm或更低的紫外高羟基光纤，且带聚酰亚胺涂层，增强其抗拉和抗折弯性能，光纤总数量依不同规格导管所预留的空腔面积而定，不做具体限定；

图6 所示，导管连接头9的固定底座23中含矩形凹槽25，光纤束及OCT探头光纤可在此处定型为矩形的端面，图7中黑色为OCT探头连接光纤，在安装过程中位置尽量靠近端面中央，将光纤束压在凹槽中需要用到胶水或者使用物理弹压片的方式进行固定；

图5为消融导管工作状态结构示意图，如图，OCT探头腔道有两个，相互配合对远端外的斑块进行成像，图中因剖面投影关系只显示其中一个；OCT探头的连接光纤和光纤束在导管连接头处一起固定；Luer接头10设置有两个，导丝腔道通过第一Luer接头与外部相通，第一Luer接头也可接入生理盐水注射装置，便于消融进程进行实时冷却；抽吸腔道居中，与外部经第二luer接头相连接，外接蠕动泵，可将消融过程产生的病变碎屑抽吸至体外，防止斑块颗粒脱落后造成远端栓塞；

OCT成像光源为时域OCT、频域OCT或者全场OCT成像光源，其发射红外激光经半透半反射镜，合束镜进入光纤束导管，并从远端传输至病变处，远端之外的血栓等病变反射该光束并经由OCT探头采集传输，图像处理后即可显示病变位置的实时图像，供医务人员参考并依此调整激光消融的参数和导管远端的位置，从而实现更为精准的治疗，也防止了传统治疗因无法观测病变处的实时影像所造成的穿孔夹层等医疗事故发生。

实施例2

如图8所示该实施例中的脉冲激光消融系统包括第二光源、第二光路匀化系统20、第二合束镜21、第二聚焦透镜22、消融导管6和OCT成像系统7；

第二光源为355nm激光设备18，也是独立光源，具体的，单脉冲能量应＞70mJ，脉冲宽度＜10ns，重复频率≥50Hz连续可调，因较高的激光重复频率有利于钙化病变的消蚀，近场光斑约6mm。该激光光束质量因子M2不低于10，且在一定范围内越高越好，最优的为大于30甚至大于100；

双45°反射镜8为激光调平输出用，同实施例1，追求耦合光路简化也可不用，如果舍去该部分，则要求激光器调测阶段光斑在出光口和距出光口至少1.5米的距离上的位置保持一致。反射镜为紫外熔融石英材质，为减少传输损耗，镜片应双面镀增透膜HR＞99.5%@355nm，45°AOI；

第二匀化系统20包括匀化器件，匀化器件为双微透镜阵列，因激光器输出原始光斑空间能量分布为高斯分布，如果不经匀化处理即聚焦至消融导管，容易损毁导管的入射端面，微透镜阵列可将高斯分布的光斑匀化整形为能量均匀分布的光斑，光斑经均匀化后不易损坏导管的入射面。双微透镜阵列规格应完全一致，材质为损伤阈值较高的紫外熔融石英，子单元为矩形、六角形或其他形状，但更为一般的为使用正方形，匀化后光斑也为正方形，子单元尺寸应介于300μm~1mm之间，为减少系统传输损耗，此微透镜阵列双侧镀355nm增透膜，参考图10所示原理图；

第二合束镜，合束镜镀膜参数为：S1:T＞99%@355nm，45°AOI；S2:T＞99%@355nm，R＞99%@1310nm，45°AOI；

其他同实施例1。

实施例3

将第一光源与第二光源的进行二合一形成综合光源，如图7所示，355nm激光设备加飞秒激光设备二合一方案，具体的如图9所示，包括第一光源，扩束系统2、第一光路匀化系统3，第一合束镜4、第一聚焦透镜5、消融导管6；以及第二光源、第二光路匀化系统20、第二合束镜21、消融导管6和OCT成像系统7；

飞秒超快激光器1，波长1030nm，单脉冲能量不小于300μJ，脉冲宽度＜600fs，重复频率100kHz（typical），近场光斑约3mm，光束质量因子M²不高于1.5；

第一合束镜4镀膜参数为：S1:T＞99%@1030nm，45°AOI；S2:T＞99%@1030nm，R＞99%@1310nm&355nm，45°AOI；

第二合束镜21镀膜参数为：S1:R＞99%@355nm，45°AOI；S2:R＞99%@355nm，T＞99%@1310nm，45°AOI；

第一聚焦透镜为平凸透镜或者消色差的非球面透镜，为提高透射效率，可针对包括355nm、1030nm和1310nm三个波段镀增透膜。

第二合束镜为透射紫外激光，反射OCT激光（1310nm），从而将此二者光路合并至一路至飞秒合束镜的S2面，激光合束镜S1及S2面双面镀355nm增透膜，S2面镀针对OCT光源波段的45°高反射膜；如图所示两路激光具有独立的匀化整形外光路，经过匀化后光斑有更均匀的空间分布，相比于初始的未经处理的高斯分布光斑，在后续的空间光耦合过程中，可允许更高能量的入射而更不易损坏导管的光纤束端面。

实施例3可视为实施例1和实施例2的的整合，结合两种方案中紫外激光的光化学效应和飞秒超快激光的光机械作用更好的进行消融治疗，该方案将355nm紫外激光和飞秒超快激光通过合束镜进行光路合并，然后耦合至治疗导管中，借此可同时使用两种激光进行消融治疗。

本发明的具体工作流程及原理为：单一光源的匀化光或者双光源的两束匀化光经过合束并经由聚焦透镜聚焦耦合至消融导管前部的近端，导管治疗端通过导丝介入至血管病变处（通过显影环确认介入至血管内的具体位置），此时发射激光进行治疗，斑块被消蚀成为可被人体吸收的10μm级别微粒，然而仍会有较大的破损的斑块无法正常排出，导管治疗头端治疗过程与斑块紧密贴合，抽吸腔可将较大斑块抽运至体外，抽吸腔道与蠕动泵连接进行负压抽吸该消融斑块；

治疗同时，OCT成像光源发射近红外激光，通过激光合束镜进入导管内部的光纤束并被传输至斑块处，该处斑块会反射成像光束，并被消融导管收集回传至系统，与系统内部的参考光干涉成像。可以实现实时的消融效果评估，有利于医生控制推进速度和调整推进方向，高质量的完成激光消融手术。由于OCT可以穿透1~2mm的斑块进行成像，并且可以有效识别出血管中膜，还可以同提前预警血管穿孔的风险，提醒医生调整消蚀导管的方向，避免血管穿孔。

Claims (10)

1.一种脉冲激光消融系统，其特征在于，包括第一光源，第一光路匀化系统，消融导管以及OCT成像系统，

所述第一光源用于生成初始光束；

所述光路匀化系统用于将初始光束匀化整形为能量均匀分布的光束；

所述合束聚焦系统用于将光路匀化系统的匀化光束经过合束，并聚焦耦合至消融导管；

所述消融导管与OCT成像系统协同对病理治疗。

2.权利要求1所述脉冲激光消融系统，其特征在于，所述第一光源为飞秒激光设备，所述飞秒激光设备为波长1030nm，单脉冲能量不小于300μJ，脉冲宽度＜600fs，重复频率100kHz（typical），近场光斑约3mm，光束质量因子M²不高于1.5。

3.权利要求2所述脉冲激光消融系统，其特征在于，还包括扩束系统，所述扩束系统设置于第一光源与光路匀化系统之间；所述光路匀化系统包括平顶光束整形器，所述平顶光束整器件衍射效率＞90%，并针对1030nm及附近波段镀增透膜。

4.权利要求3所述脉冲激光消融系统，其特征在于，第一光源与光路匀化系统之间设置45°反射镜，所述45°反射镜为紫外熔融石英材质。

5.权利要求4所述脉冲激光消融系统，其特征在于，所述扩束系统包括第一镜片和第二镜片，第一镜片为凸透镜或者凹透镜，第二镜片为凸透镜。

6.权利要求5所述脉冲激光消融系统，其特征在于，所述合束聚焦系统包括第一合束镜，镀膜参数为S1:T＞99%@1030nm，45°AOI；S2:T＞99%@1030nm，R＞99%@1310nm，45°AOI。

7.权利要求1至4任一所述脉冲激光消融系统，其特征在于，还包括第二光源，第二光路匀化系统、第二合束镜，光束经由第二合束镜传送至第一合束镜。

8.权利要求7所述脉冲激光消融系统，其特征在于，所述第二光源为355nm紫外激光，第二合束镜，镀膜参数为：S1:R＞99%@355nm，45°AOI；S2:R＞99%@355nm，T＞99%@1310nm，45°AOI；第一合束镜，镀膜参数为：S1:T＞99%@1030nm，45°AOI；S2:T＞99%@1030nm，R＞99%@1310nm&355nm，45°AOI。

9.权利要求8中所述任一脉冲激光消融系统，其特征在于，所述消融导管包括近端的入射端和远端的治疗端，所述远端套设显影环；所述消融导管包括外管与内管，外管与内管之间设置光纤束腔；所述内管包括抽吸腔，导丝腔，以及OCT探头腔。

10.权利要求9所述脉冲激光消融系统，其特征在于，所述OCT探头腔设置两个，导丝腔与抽吸腔分别通过Luer接头与外部联通。

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