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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Abstimmbare
Laserquellen sind auf eine Vielzahl von diagnostischen und therapeutischen medizinischen
Anwendungen anwendbar. Optische Kohärenztomographie wird verwendet,
um eine räumliche
Auflösung
bereitzustellen, was das Abbilden interner Strukturen ermöglicht.
Eine Spektroskopie wird verwendet, um die Zusammensetzung von Strukturen
zu charakterisieren, was die Diagnose medizinischer Zustände ermöglicht,
wobei zwischen kanzerösen,
dysplastischen und normalen Zellenstrukturen unterschieden wird.
Fluoreszenz und exogene Chromosporen können verwendet werden, um das
Signal-zu-Rausch-Verhältnis
bei diesen Abläufen
zu erhöhen,
was für
eine präzisere
Diagnostik sorgt.
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Ein
bestimmtes Beispiel einer Anwendung für Spektroskopie betrifft Arteriosklerose.
Dies ist eine Arterienerkrankung, welche die Gefäßwände von mittleren oder großen Arterien
betrifft, einschließlich
der Aorta, Halsschlagader, Koronar- und Zerebralarterien. Arteriosklerotische
Verletzungen oder Plaques enthalten eine komplexe Gewebematrix,
die Collagen, Elastin, Proteoglycane und extrazelluläre und intrazelluläre Lipide
mit schaumartigen Makrophagen und glatten Muskelzellen enthält. Zusätzlich können Entzündungszellenkomponenten
(z. B. T-Lymphozyten, Makrophagen und einige Basophile) auch in
diesen Plaques gefunden werden.
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Ein
Riss oder Bruch von arteriosklerotischen Plaques scheint die Hauptursache
von Herzinfarkten und Schlaganfällen
zu sein, da sich nach dem Riss der Plaques lokal verschließende Thrombosen
in den Blutgefäßen bilden.
Obwohl das Risiko eines Plaquebruchs für gewöhnlich nicht vorhergesagt werden kann,
haben viele Obduktionen ergeben, dass das Risiko hauptsächlich von
der Plaquezusammensetzung abhängt.
Die meisten gebrochenen arteriosklerotischen Plaques sind strukturell
durch die Bildung eines großen,
weichen, lipidreichen nekrotischen Kerns gekennzeichnet, der von
einer dünnen
faserigen Haube bedeckt ist, die dicht von Makrophagen durchdrungen
ist. Von diesen Merkmalen ist eine Lipidansammlung in sogenannten "Lipidpools" die am häufigsten
beobachtete Vorraussetzung für
einen Bruch. Eine Entzündung
ist auch ein wesentliches Kennzeichen von nicht gebrochenen, aber
erodierten, thrombotischen Plaques.
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Nahinfrarot
(NIR)-Spektroskopie und statistische Methoden können verwendet werden, um nützliche
Information aus den NIR-Spektraldaten niedriger Auflösung zu
erlangen. Beispielsweise kann eine Chemometrik, welche Spektroskopie
und Mathematik kombiniert, eine deutliche qualitative als auch quantitative
Information bereit stellen.
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Insbesondere
gibt es das Bestreben, Blutgefäßwände im lebenden
Organismus spektroskopisch zu analysieren, und zwar unter Verwendung
von Infrarotwellenlängen,
um die Blutgefäßwände zu beleuchten.
Das diffus reflektierte Licht, das aus der Beleuchtung der Wände resultiert,
kann entweder analysiert werden, während sich Blut im Blutgefäß befindet
oder optional mit dem Blut vorübergehend
aus dem Blutgefäß entfernt
oder ersetzt.
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US 5,807,261 offenbart ein
Instrument zur nichtdestruktiven Untersuchung des Gewebes, umfassend
einen Lichtquellenemitter und einen Detektor, welche zur Untersuchung
direkt am chirurgischen Instrument in einer das Gewebe berührenden
Oberfläche
angebracht sein mögen
oder entfernt angebracht sein mögen
und über
faseroptische Kabel zum chirurgischen Gebiet geleitet werden können. Die Lichtquelle
kann breitbandig sein und eine Wellenlängendifferenzierung kann über Filter
oder Gitter oder mittels Verwendens von zeitlich, frequenz- oder räumlich aufgelösten Verfahren
am Detektor erreicht werden. Alternativ kann eine diskrete monochromatische
Lichtquelle bereitgestellt werden, welche in Folge mittels Zeit-
oder Frequenzmultiplexens in einen einzelnen Detektor gemultiplext
werden kann. Die optischen Abtastelemente können in ein chirurgisches Instrument
und eine Handhabungsspitze eingebaut sein, wie beispielsweise ein
Gewebegreifinstrument, welches zusammenarbeitende Backen (zweischaliges
oder Multielement) besitzt. In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Lichtquelle (oder der faseroptische Leiter) an einer Backe
angebracht, und der Detektor (oder faseroptische Leiter) ist an
der entgegengesetzten Backe angebracht, sodass der Lichtemitter
und der Detektor einander direkt gegenüber liegen (d. h., auf derselben
optischen Achse, wenn das Instrument geschlossen ist) oder spitzwinklig(?)
(d. h., mit sich scheidenden optischen Achsen, sodass das emittierte
Licht erfasst wird). In diesem Fall arbeitet der Sensor in einem Übertragungsmodus.
Anordnungen, bei denen die optischen Komponenten am selben Element
einer Einzelelement- oder Multielementstruktur angebracht sind und
auf eine reflektierende Weise arbeiten, sind offenbart.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Genauigkeit der Diagnose medizinischer Zustände unter Verwendung einer
Spektroskopie steigt mit Anstiegen im Wellenlängenband, über welches die spektroskopischen
Daten erlangt werden. Viele Anwendungen erfordern Abtastbandbreiten
von fast 100 Nanometer (nm) und mehr. Idealerweise würde das
Spektralband einen großen
Bereich des Infrarot zwischen 850 nm und 1–2 Mikrometer (μm) abdecken.
Kleinere Bereich umfassen 1100 bis 1450 nm allgemein, oder 1100
nm bis 1350 nm, 1150 nm bis 1250 nm, 1175 nm bis 1280 nm und 1190
nm bis 1250 nm im Besonderen.
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Wenige
existierende Technologien können jedoch
ein optisches Signal bereitstellen, das über solch einen großen Wellenlängenbereich
hinweg abstimmbar und dennoch kompakt, stabil und kostengünstig ist.
Halbleiterquellen sind relativ preiswert und klein, aber die Verstärkungsbandbreiten
von optischen Verstärkern
sind beispielsweise auf 0,1 bis 100 nm beschränkt, und zwar abhängig vom
bestimmten Materialsystem, das verwendet wird, um die Chips herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem für ein spektroskopisches Kathetersystem. Das
Lasersystem verwendet mehrfache Halbleiterverstärkungsmedien, die Verstärkungsspitzen
bei unterschiedlichen Wellenlängen
aufweisen. Als ein Ergebnis weist der Laseroszillator eine Spektralausgabe
auf, die breiter als die Verstärkungsbandbreite
eines einzelnen Mediums ist, um es zu ermöglichen, auf das gesamte Spektrum
von Interesse zuzugreifen. Die Ausgabe vom Verstärkungsmedium wird vorzugsweise
in eine Einzelmodenfaser eingekoppelt, und zwar unter Verwendung
von hermetisch abgedichteten optoelektronischen Packmethoden, um eine
stabile und kontrollierte Umgebung für einen langfristigen Betrieb
ohne Leistungsabfall bereitzustellen.
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Die
Architekturen der verschiedenen Ausführungsformen können in
zwei Klassen unterteilt werden: seriell und parallel.
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In
den seriellen Architekturen sind zwei oder mehr Verstärkungsmedien
mit versetzten Mittenwellenlängen
in der Laserkavität
vorhanden. Ein frequenzselektives Element, wie beispielsweise ein
Gitter, wird zuerst über
einen ersten Wellenlängenbereich
des ersten Verstärkungsmediums überstrichen, dann über einen
zweiten Wellenlängenbereich
des zweiten Verstärkungsmediums überstrichen,
usw., und zwar abhängig
von der Anzahl von Additions-Verstärkungsmedien, die vorhanden
sind. Somit stimmt es auf eine serielle Weise ab.
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Es
existieren verschiedene Schemata zum Kombinieren der Ausgabe von
einer Mehrfachverstärkungsmedium-Intrakavität. Ein Ansatz
verwendet einen Leistungskombinierer oder Strahlteiler, ein weiterer
nutzt die verschiedenen Polarisationszustände von zwei unterschiedlichen
Verstärkungsmedien
aus, noch ein weite rer verwendet frequenzselektive oder WDM ("wavelength division
multiplexing"; Wellenlängenmultiplex)-Filter,
um die Ausgabe des Verstärkungsmediums
zu kombinieren, und schließlich
ein kann ein Schalter verwendet werden, um zwischen den verschiedenen
Verstärkungsmedien
umzuschalten.
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In
den parallelen Architekturen sind mehrere Verstärkungsmedien kombiniert, und
das frequenzselektive Element ist so abgestimmt wird, dass beide Verstärkungsmedien
gleichzeitig und parallel eine Rückkopplung
empfangen. Daher werden mehrfache Spektrallaserspitzen an der Ausgabe
erscheinen, und da das selektive Element abgestimmt ist, werden diese
Spitzen gleichzeitig abgetastet, was einen Zugriff auf mehrere Wellenlängenbereiche
ermöglicht. Ansätze zum
Kombinieren der Verstärkungsmedien umfassen
ein Verwenden eines frequenzselektiven Spiegels (WDM) und ein Versetzen
des Einfallswinkels der Lichtquellen auf ein Beugungsgitter.
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Allgemein
beinhaltet die Erfindung ein spektroskopisches Kathetersystem mit
breit abstimmbarer Quelle. Dieses System weist einen Katheter zum Einführen in
einen Patienten auf, um Licht zum Patienten zu senden. Eine abstimmbare
Laserquelle wird bereitgestellt, die zumindest zwei SOA ("semiconductor optical
amplifier"; optische
Halbleiterverstärker)-Chips
und zumindest ein frequenzselektives, abstimmbares Element zum Steuern
einer Frequenz von Licht aufweist, das in die zumindest zwei optischen
Halbleiterverstärkerchips
rückgeführt wird.
Ein Ausgabekoppler koppelt Licht von den zumindest zwei SOA-Chips
in den Katheter ein. Schließlich
ist zumindest ein Detektor zum Erfassen von Licht bereitgestellt,
das vom Patienten zurückkehrt,
um dadurch die spektroskopische Analyse zu ermöglichen.
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In
der bevorzugten Anwendung wird der Katheter in ein Lumen des Patienten,
wie beispielsweise ein Blutgefäß, eingeführt. Er
wird aktuell für
die Diagnose von Arteriosklerose verwendet.
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In
der vorliegenden Ausgestaltung sind die zumindest zwei optischen
Halbleiterverstärkerchips reflektierende
SOA-Chips. Sie sind vorzugsweise in separate optoelektronische Module
mit Anschlussfaser gepackt, welche dazu beitragen, einen langfristigen
stabilen Betrieb sicherzustellen. Sie können unter Verwendung eines
In-GaAs- oder AlInGaAs-Materialsystems
hergestellt werden.
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Die
zumindest zwei SOA-Chips weisen unterschiedliche Verstärkungsbandbreiten
auf. Als ein Ergebnis können
sie zusammenwirkend arbeiten, um die Spektralbandbreite des Systems über die
Bandbreite eines einzelnen Elements oder Chips hinaus zu erhöhen.
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Unterschiedliche
Ausgestaltungen können für den Ausgabekoppler
verwendet werden. In einer Ausführungsform
wird ein N×N-Koppler
zum Koppeln von Licht zwischen dem zumindest einen frequenzselektiven,
abstimmbaren Element und den zumindest zwei SOA-Chips und dem Katheter
verwendet.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Ausgabekoppler ein Teiler ("Splitter"). Ferner können Polarisationskombinierer
dazu verwendet werden, das Licht von den zumindest zwei SOA-Chips
zu kombinieren. Ein Schalter kann auch verwendet werden, um zwischen
den SOA-Chips umzuschalten.
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In
noch weiteren bevorzugten Ausführungsformen
kann der Ausgabekoppler als ein teilweise reflektierender Spiegel
implementiert sein, der sowohl Rückkopplung
und den Laserausgabeanschluss bereitstellt.
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In
noch weiteren bevorzugten Ausführungsformen
können
Kombinationen von Multiplexern/Demultiplexern verwendet werden,
um Licht von den SOA-Chips zu kombinieren.
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Um
Leistungsniveaus zu steuern, werden vorzugsweise veränderliche
optische Dämpfer
verwendet.
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Ein
Abstimmen wird aktuell mittels Steuerns des Winkels eines Beugungsgitters
erreicht, um dadurch die spektrale Rückkopplung in die SOA-Chips zu
steuern. In einigen Ausgestaltungsformen wirkt das System so, dass
es Licht seriell in Folge zurück in
die SOA-Chips koppelt. In weiteren Ausführungsformen wird es gleichzeitig
zurückgekoppelt,
um dadurch das gleichzeitige Abrufen zwei unterschiedlicher Teile
des Spektrums zu ermöglichen.
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Ferner
ist ein Verfahren zum Bereitstellen von lichtabstimmbarer Frequenz
zu einem Patienten offenbart. Dieses Verfahren weist ein Einführen eines Katheters
in den Patienten auf. Dann wird Licht in zumindest zwei SOA-Chips
erzeugt. Die Frequenz des Lichts, das in die SOA-Chips rückgekoppelt
wird, wird so gesteuert, dass es die Betriebswellenlänge abstimmt.
Schließlich
wird Licht von den zumindest zwei SOA-Chips in den Katheter eingekoppelt.
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Ferner
ist eine breit abstimmbare Quelle offenbart. Diese Quelle weist
ein erstes Halbleiterverstärkungsmodul
mit Anschlussfaser mit einer ersten Verstärkungsbandbreite und ein zweites
Halbleiterverstärkungsmodul
mit Anschlussfaser mit einer zweiten Verstärkungsbandbreite auf. Ein frequenzselektives,
abstimmbares Element wird mit der ersten Anschlussfaser des ersten
Halbleiterverstärkungsmoduls
mit Anschlussfaser und der zweiten Anschlussfaser des zweiten Halbleiterverstärkungsmoduls
mit Anschlussfaser gekoppelt. Das frequenzselektive, abstimmbares
Element steuert eine Frequenz von Licht, das in die Halbleiterverstärkungsmodule
rückgeführt wurde.
Ein Ausgabekoppler zum Koppeln von Licht von den Halbleiterverstärkungsmodulen
in eine Ausgabe-Wellenleitungs-Vorrichtung, wie beispielsweise eine
optische Faser, wird bereitgestellt. Ein Controller steuert das
frequenzselektive, abstimmbare Element so, dass es eine Wellenlänge von
erzeugtem Licht ändert.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen
Lösungen
bereit. Erstens kann sie kostengünstig
und in Massen hergestellt werden, da sie für die Telekommunikationsindustrie
verfügbare
Technologien wirksam einsetzt. Darüber hinaus können diese
hermetisch abgedichteten Module klein sein und einen hochgradig
stabilen Betrieb über
breite Umgebungstemperaturbereiche und die Zeit hinweg aufweisen.
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Die
obigen und andere Merkmale der Erfindung, einschließlich verschiedener
neuartiger Konstruktionsdetails und Kombinationen von Teilen, und andere
Vorteile werden nun mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen genauer
beschrieben und in den Ansprüchen
dargelegt. Es ist zu beachten, dass das bestimmte Verfahren und
Vorrichtung, die die Erfindung verkörpern, nur in beispielhafter
Form gezeigt sind und nicht als Beschränkung der Erfindung. Die Prinzipien
und Merkmale dieser Erfindung können
in verschiedenen und zahlreichen Ausführungsformen verwendet werden,
ohne vom Umfang der Erfindung, welcher in den Ansprüchen definiert
ist, abzuweichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In
den beiliegenden Zeichnungen bezeichnen Bezugszeichen die gleichen
Teile über
die verschiedenen Ansichten hinweg. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise
maßstabsgetreu;
stattdessen wurde die Betonung auf das Darstellen der Prinzipien
der Erfindung gelegt. Zu den Zeichnungen:
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1A ist
ein schematisches Blockdiagramm, welches das spektroskopische Kathetersystem
mit dem abstimmbaren Lasersystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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1B ist
eine Querschnittsansicht des Katheterkopfs, der eine spektroskopische
Analyse an einem Zielgebiet eines Blutgefäßes durchführt;
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer abstimmbaren Laserquelle;
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3 ist
eine Auftragung der Verstärkung
(in beliebigen Einheiten) als eine Funktion der Bandbreite (in beliebigen
Einheiten) für
die zwei SOA-Chips;
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Die 4A, 4B und 4C sind
Auftragungen der Relaxionsoszillation einer Laserkavität als einer
Funktion der Zeit, des angelegten Stroms an den Halbleiterchip als
einer Funktion der Zeit und der Ausgabe nach einer Relaxionsoszillationsunterdrückung als
einer Funktion der Zeit;
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5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer
weit abstimmbaren Quelle gemäß einer
weiteren Konfiguration;
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6 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer ersten bevorzugten Ausführungsform
der weit abstimmbaren Quelle gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer weit abstimmbaren Quelle gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer dritten bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen weit
abstimmbaren Quelle;
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9 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer vierten bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen weit
abstimmbaren Quelle;
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10 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer fünften bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen weit
abstimmbaren Quelle;
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11 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer sechsten bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen weit
abstimmbaren Quelle;
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12 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer siebten bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen weit
abstimmbaren Quelle; und
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13 ist
ein schematisches Blockdiagramm einer achten bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen weit
abstimmbaren Quelle.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1A zeigt
ein spektroskopisches Kathetersystem 50, auf welches das
abstimmbare Lasersystem 100 anwendbar ist.
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Insbesondere
weist das Kathetersystem 50 einen Katheter 56 auf,
der eine optische Faser oder ein optisches Faserbündel umfasst.
Der Katheter 56 wird typischerweise über ein peripheres Blutgefäß, wie beispielsweise
die Oberschenkelarterie 10, in den Patienten 2 eingeführt. Der
Katheterkopf 58 wird dann zu einem gewünschten Zielgebiet, wie beispielsweise
einer Koronararterie 18 oder der Halsschlagader 14,
bewegt. Im Beispiel wird dies mittels Bewegens des Katheterkopfs 58 aufwärts durch
die Aorta 12 erreicht.
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Wenn
er an der gewünschten
Stelle angekommen ist, wird eine abstimmbare Nahinfrarotstrahlung
("near infrared
radiation"; NIR)
mittels eines abstimmbaren Lasersystems 100 über das
interessierende Spektralband erzeugt. Sie wird in die optische Faser
des Katheters 56 eingekoppelt, um zum Katheterkopf 58 übertragen
zu werden.
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Detaillierter
bezüglich 1B wird
das abstimmbare optische Signal 102 für die optische Faser des Katheters 56 mittels
eines Faltspiegels 62 gerichtet, um beispielsweise vom
Katheterkopf 58 auszutreten und auf das Zielgebiet 22 der
Arterienwand 24 aufzutreffen. Der Katheterkopf 58 sammelt
dann reflektierte und gestreute Strahlung vom Zielbereich 22,
um sie die optische Faser des Katheters 56 abwärts zurück zu einem
Splitter bzw. Teiler oder Zirkulator 54 zu übertragen.
Dies stellt die zurückkehrende Strahlung
einem Detektorsystem 51 bereit. Im dargestellten Beispiel
weist das Detektorsystem 51 mehrere, z. B. zwei, Detektoren 52-1 und 52-2,
auf.
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Der
Controller 60 überwacht
die Antwort des Detektorsystems 51, während er das abstimmbare Lasersystem 100 steuert,
um die Nahinfrarotspektralantwort des Zielbereichs 22 abzutasten.
Das abstimmbare Lasersystem 100 wird mittels des Controllers 60 mit
einem Leistungs- und Wellenlängendetektor-Untersystem 105 überwacht.
Dies ermöglicht
es dem Controller 60, sowohl die Wellenlänge als
auch die Leistungsausgabe des abstimmbaren Lasersystems 100 nachzuhalten.
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2 zeigt
die allgemeine Konfiguration eines abstimmbaren Lasersystems 100,
welches gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebaut worden ist.
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Insbesondere
weist es in der gezeigten Ausführungsform
zwei optoelektronische Halbleitermodule 110-1 und 110-2 auf.
In anderen Ausführungsformen,
bei denen breitere Abstimmbereiche benötigt werden, können mehr,
beispielsweise vier bis acht, oder noch mehr Module verwendet werden,
und zwar abhängig
vom interessierenden Spektralbereich.
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Jedes
der Module 110-1, 110-2 weist einen Halbleiterchip 116 auf.
In der bevorzugten Ausgestaltung ist der Chip 116 ein optischer
Halbleiterverstärkerchip
und insbesondere ein reflektierender SOA. Die Rückfassetten 122 der
Chips weisen eine hochgradig reflektierende ("highly reflective"; HR) Ummantelung auf. Die Vorderfassetten
weisen eine antireflektierende ("anti-reflective"; AR) Ummantelung 120 auf.
Als ein Ergebnis wirken die Verstärkungswellenleiter 117 der
Chips als breitbandige optische Energiequellen.
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Licht,
das von den Vorderfassetten 120 der Chips 116 austritt,
wird in entsprechende Anschlussfasern 114-1 und 114-2 eingekoppelt.
Vorzugsweise sind diese Anschlussfasern 114-1, 114-2 Einzelmodenfasern,
die sich durch Faserdurchführungen
in die hermetisch abgedichteten Packungen 112 der Module 110-1 und 110-2 erstrecken.
Diese hermetisch abgedichteten Packungen 112 können dual-inline
(DIP)- oder Butterfly-Packungen sein, und zwar abhängig von
der Ausgestaltung.
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In
noch weiteren Ausführungsformen
können standardmäßige SOA-Module
mit Doppelanschlussfaser verwendet werden. In diesem Fall ist eine
Rückreflektorrückkopplung
vorzugsweise mit Faser-Bragg-Gittern ausgestattet, die in einem
der Anschlussfasern oder mittels flachen Spaltens der Anschlussfasern
und folgendem HR-Beschichtens der Faserfassetten ausgebildet sind.
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Jede
der Anschlussfasern 114-1 und 114-2 von den Halbleitermodulen 110-1 und 110-2 wird
von einem Ausgabekoppler 130 aufgenommen. Dieser Ausgabekoppler 130 stellt
einen Ausgabeanschluss für
die Laserkavität
bereit, welcher die SOA-Chips 116 der
Module 110-1 und 110-2 umfasst. Dieser Ausgabekoppler 130 stellt
das optische Ausgabesignal 102 bereit, das in den Katheter 56 eingekoppelt wird.
Ein Teil der Ausgabe wird jedoch vom Leistungs- und Wellenlängendetektor 105 dazu
verwendet, eine Rückkopplungssteuerung
des abstimmbaren Lasersystems 100 mittels des Controllers 60 bereitzustellen.
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Optische
Energie, die nicht als das Ausgabesignal 102 bereitgestellt
wird, wird in ein frequenzselektives, abstimmbares Element 140 über eine
Freiraumübertragung
unter Verwendung eines Kollimators 142 eingekoppelt. In
einem Beispiel ist der Kollimator 142 eine Linse mit Gradienten-Brechungsindex
oder eine andere Art von Linse.
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Das
frequenzselektive, abstimmbare Element 140 stellt eine
abstimmbare Schmalbandrückkopplung
in die SOA-Chips 116 der Halbleitermodule 110-1 und 110-2 bereit.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist das frequenzselektive, abstimmbare
Element 140 ein Beugungsgitter. Es wird unter der Steuerung
des Controllers 60 winkel-abgestimmt, um dadurch die Schmalbandrückkopplung
in die Module 110-1 und 110-2 zu modulieren oder zu ändern und dadurch
die Wellenlänge
des Ausgabesignals 102 zu steuern.
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In
einer aktuellen Ausgestaltung wird der Winkel des Gitters 140 unter
Verwendung eines Resonanzgalvanometers gesteuert. Es ist vorzugsweise
so abstimmt, dass es das Spektrum in weniger als 50 Millisekunden
abtastet, um Bewegungsartefakte aufgrund des Herzschlags zu entfernen.
Vorliegend wird das Spektrum in weniger als 10 ms oder vorzugsweise
in 5 ms oder weniger abgetastet.
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In
einigen anderen der hierin diskutierten Ausführungsformen können andere
Arten von frequenzselektiven, abstimmbaren Elementen verwendet werden.
Beispielsweise können
in den seriellen Konfigurationen akustooptische Filter und Bragg-Gitter
anstelle des Beugungsgitters verwendet werden.
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Die
vorliegend vorgeschlagene Konfiguration beinhaltet ein Beugungsgitter
mit 600 Linien/Millimeter (mm), welches eine Größe von 12 × 12 × 6 mm besitzt (Optometrics,
LLC, Teile-Nr. 3-4669).
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3 zeigt
die Verstärkungsbandbreiten
der Chips 116 für
die Module 110-1 und 110-2. Insbesondere sind
sie spektral verteilt, was verschiedene Verstärkungsbandbreiten abdeckt.
Als ein Ergebnis besitzt das abstimmbare Lasersystem eine breitere
Betriebsbandbreite als die Bandbreiten jedes der Module 110-1 und 110-2 einzeln
gesehen. Auf diese Weise ist das System weit bzw. breit abstimmbar,
um eine spektroskopische Analyse über eine breite Bandbreite,
wie beispielsweise das Nahinfrarotspektrum, hinweg zu ermöglichen.
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Die 4A–4C zeigen
die Steuerung, die mittels des Controllers 60 durch das Überwachen des
Leistungs- und Wellenlängendetektors 105 ausgeführt wird,
um eine stabile Leistungsausgabe vom abstimmbaren Lasersystem 100 zu
erlangen.
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Insbesondere,
können
die SOA-Chips 116 der Module 110-1 und 110-2,
wie in 4A gezeigt, anfällig für Relaxionsoszillationen
in den Laserkavitäten
ihrer jeweiligen Verstärkungswellenleiter 117 sein.
Insbesondere kann das Ausgabesignal 102 als Antwort auf
ein Abstimmen in das Verstärkungsspektrum "klingeln", was bewirkt, dass
sich die Verstärkungsmedien
von einem Zustand hoher Verstärkung und
niedriger Ausgabe in einen gesättigten
Zustand umwandeln. Es bestehen Bedenken, dass die Spitzenleistungen,
die während
dieser Oszillation auftreten, Schaden verursachen könnten.
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4B zeigt
einen beispielhaften Antriebsstrom zu den Chips 116 der
Module 110-1, 110-2.
Insbesondere wird, falls der Antriebsstrom so gewählt ist,
dass er azyklisch zu den natürlichen
Relaxionsoszillationen der Laserkavitäten läuft, die Ausgabe dann eine
Stufenausgabe erzeugen, wie in 4C gezeigt.
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5 zeigt eine weitere bevorzugte Konfiguration
des erfinderischen abstimmbaren Lasersystems 100. Wie zuvor
diskutiert, werden zwei oder mehr Module 110-1, 110-2 als Verstärkung für die Laserkavität verwendet.
Sie koppeln optische Energie in Anschlussfasern 114-1, 114-2 ein,
welche vom Ausgabekoppler 130 empfangen wird. Der Ausgabekoppler 130 stellt
das Ausgabesignal dem Katheter 56 bereit.
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Der
Controller 60 überwacht
jedoch die Ausgabe, und zwar unter Verwendung des Leistungs/Wellenlängen-Detektors 105 und
moduliert die Dämpfung,
die mittels eines veränderlichen
optischen Dämpfers 180 in
der Laserkavität
bereitgestellt wird. Dieser veränderliche
optische Dämpfer 180 reguliert
den Dämpfungsgrad
in oder den Qualitätsfaktor
der Kavität.
Dies ermöglicht
es dem Controller 60, den Leistungspegel des Ausgabesignals 102 zu überwachen
und dann die Leistung mittels Steuerung des Dämpfungsgrads unter Verwendung
des VOA 180 zu ändern.
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In
anderen Ausführungsformen
wird die Ausgabe von der Gitterseite des VOA 180 genommen, siehe
Bezugsziffer 102'.
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6 zeigt
eine erste bestimmte Ausführungsform
des abstimmbaren Lasersystems 100. Insbesondere ist jede
der Anschlussfasern 114-1, 114-2 von den Lasermodulen 110-1, 110-2 mit
einem 2×2-Koppler
verbunden, der als der Ausgabekoppler 130 fungiert. In
einer Ausgestaltung ist der 2×2-Koppler
eine verbundene bikonische konusförmige Faservorrichtung. Ein
dritter Anschluss des 2×2-Kopplers
ist mit dem Freiraumkollimator 142 verbunden, welcher ein
Signal zum und vom frequenzselektiven, abstimmbaren Element 140 bereitstellt. Der
vierte Anschluss des 2×2-Kopplers 130 stellt
das Ausgabesignal 102 dem Katheter 56 bereit.
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Während eines
Betriebs wird die erste Ausführungsform
mittels fortschreitenden Steuerns der Neigung des frequenzselektiven,
abstimmbaren Elements 140 abgestimmt. Wenn seine Rückkopplung durch
die Verstärkungsbandbreite
des SOA-Chips des
ersten Moduls 110-1 läuft,
stellt das erste Modul die optische Verstärkung in der Laserkavität bereit. Dann,
wenn sich das frequenzselektive, abstimmbare Element weiter dreht,
läuft seine
Rückkopplung durch
die Verstärkungsbandbreite
des zweiten Moduls 110-2, welches dann die Verstärkung der
Kavität bereitstellt.
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7 zeigt
eine zweite bestimmte Ausführungsform
der abstimmbaren Laserquelle 100, welche eine Polarisations-Diversität verwendet,
um eine Kombination der Ausgaben von den zwei Modulen mit niedrigem
Verlust zu erreichen. Die Faseranschlussfasern 114-1, 114-2 von
den Modulen 110-1, 110-2 weist eine polarisationserhaltende
("polarization-maintaining"; PM) Faser auf.
Diese Faser hält
den Polarisationszustand der typischerweise hochgradig polarisierten
Energie von den Chips 116 der Module 110-1, 110-2.
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Eine
der Anschlussfasern 114-1, 114-2 weist eine Achse
auf, die um 90 Grad bezüglich
der anderen Faser an einem Polarisationskombinierer/Ausgabekoppler 130 gedreht
ist. Als ein Ergebnis wird die optische Energie von den Modulen 110-1, 110-2 kombiniert
und dem Freiraumkollimator 142 bereitgestellt und dann
dem frequenzselektiven, abstimmbaren Element 140, welches
die Schmalbandrückkopplung bereitstellt.
Zusätzlich
wird optische Energie auch als das Ausgabesignal 102 dem
Katheter 56 bereitgestellt.
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8 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der abstimmbaren Laserquelle 100. Diese Ausführungsform
verwendet, ähnlich
der zweiten Ausführungsform,
einen Polarisationskombinierer. In diesem Beispiel wirkt der Polarisationskombinierer 150 einfach so,
dass er die Energie von den polarisationserhaltenden Faseranschlussfasern 114-1, 114-2 kombiniert.
Ein Teiler bzw. Splitter dient als der Ausgabekoppler 130.
Insbesondere dient der Teiler 130 als eine Intrakavitätsanzapfung,
um das Ausgabesignal 102 bereitzustellen.
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9 zeigt
eine vierte Ausführungsform
der optischen Laserquelle 100. In diesem Beispiel wird ein
WDM-Kombinierer 152 verwendet, um die optischen Signale
an den Anschlussfasern 114-1, 114-2 von den Modulen 110-1, 110-2 zu
kombinieren und aufzuteilen. Ein WDM-Kombinierer 152 ist
typischerweise ein dichroitischer Dünnfilmfilter. Er verwendet die
spektral verteilten Ausgaben von den zwei Modulen 110-1, 110-2,
um ihre jeweiligen optischen Signale zu kombinieren. Ein Teiler/Ausgabekoppler 130 koppelt
mit dem frequenzselektiven, abstimmbaren Element 140 über den
Freiraumkollimator 142 und stellt die Anzapfung für das Ausgabesignal 102 bereit.
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Die
vierte Ausführungsform
weist eine blinde bzw. tote Spektralzone aufgrund des Übergangs
im WDM-Filter 152 auf. Diese Totzone wird typischerweise
ungefähr
0,5 Nanometer der Abstimmkurve verbrauchen. Ferner kann die Leistung
mittels Polarisationskombinierens zweier Module für jedes
Wellenlängenband
verdoppelt werden.
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10 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform des
abstimmbaren Lasersystems 100. In diesem Beispiel wird
ein 1×2-Schalter 154 verwendet,
um eines der Module 110-1, 110-2 auszuwählen, und
stellt seine Ausgabe einem Teiler/Ausgabekoppler 130 bereit. In
diesem Beispiel stellt nur eines der Lasermodule 110-1, 110-2 die
Verstärkung
in jedem Moment während
eines Betriebs der Laserkavität
bereit.
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In
anderen Ausführungsformen,
bei denen zusätzliche
Module kombiniert werden, kann dieses System auf breitere Betriebsbandbreiten
skaliert werden, und zwar mittels Erhöhen der Anschlussanzahl des
Schalters 154 auf einen 1×n-Schalter, wobei n der Anzahl
von Modulen entspricht.
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Die
fünfte
Ausführungsform
stellt jedoch aufgrund des Betriebs des Schalters 154 eine
nicht Null dauernde Umschaltzeit von einigen Millisekunden bereit.
Dies erzeugt eine begrenzte spektrale blinde Strecke. Andererseits
kann die Leistung mittels Polarisationskombinierens der Ausgabe
von zwei Modulen an jedem Schalteranschluss verdoppelt werden.
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11 zeigt
eine sechste bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Hier endet jede der Anschlussfasern 114-1, 114-2 von
den jeweiligen Modulen 110-1, 110-2 in
entsprechenden Freiraumkollimatoren 142-1, 142-2.
In einem Beispiel sind diese Kollimatoren in einer V-Nut-Siliziumbank 156 aufgenommen,
um eine sta bile Freiraumschnittstelle mit dem frequenzselektiven,
abstimmbaren Element 140 bereitzustellen.
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Die
Winkelabstimmung des frequenzselektiven, abstimmbaren Elements 140 stellt
eine unterschiedliche Spektralrückkopplung
in jedes der Module 110-1, 110-2 bereit, wobei
die Ausgabe durch den teilweise reflektierenden Spiegel/Ausgabekoppler 130 genommen
wird. Als ein Ergebnis wird das Ausgabesignal 102 in den
Katheter zwei verschiedene, spektral getrennte Signale umfassen,
die dem gleichzeitigen Betrieb der Module 110-1, 110-2 zugeordnet sind.
Als ein Ergebnis kann diese System dazu verwendet werden, zwei Bereiche
des interessierenden Spektrums gleichzeitig abzutasten bzw. durchzuscannen.
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Um
die unterschiedliche Spektralrückkopplung
bereitzustellen, muss der Einfallswinkel für Licht von den zwei Kollimatoren 142-1, 142-2 unterschiedlich
sein. In einer Ausgestaltung wird dies mit einer Siliziumbank erreicht,
in welcher die Kollimatoren 142-1, 142-2 in einer
nichtparallelen Beziehung gehalten werden. In einer weiteren Ausgestaltung
wird eine dazwischenliegende Linse verwendet, um ein Unterschiedlichkeit
des Einfallswinkels zwischen den Strahlen von den Kollimatoren 142-1, 142-2 zu
erzeugen.
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Die
sechste Ausführungsform
ist auf n Wellenlängenbereiche
skalierbar, und zwar mittels Hinzufügens von Modulen 110 und
entsprechenden Kollimatoren 142 in der V-Nut-Anordnung 156.
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Bezüglich 1A stimmt
in dieser sechsten Ausführungsform
die Anzahl von Detektoren 52 mit der Anzahl von verwendeten
Modulen 110 überein. Insbesondere
gibt es einen Detektor 52-n für jedes Modul 110-n,
um dadurch die gleichzeitige Erfassung der spektralen Komponenten
im Ausgabesignal 102 zu ermöglichen.
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12 zeigt
eine siebte Ausführungsform des
abstimmbaren Lasersystems 100. Dieses verwendet eine Kombination
eines WDM-Multiplexers 158 und eines WDM-Demultiplexers 160 in
einer Littrow-Konfiguration. Als ein Ergebnis wird die Ausgabe von
jedem der Module 110-1, 110-2 auf einer einzigen
Faser 162 kombiniert und dann gedemultiplext, um durch
die entsprechenden Freiraumkollimatoren 142-1, 142-2 in
das frequenzselektive, abstimmbare Element 140 eingekoppelt
zu werden. Ein teilweise reflektierender Spiegel dient als der Ausgabekoppler 130 und
Laserkavitätsspiegel.
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Obwohl
die siebte Ausführungsform
zwei Module 110-1, 110-2 zeigt, ist sie auf n
Wellenlängenbereiche
skalierbar. Darüber
hinaus kann die Leistung in jedem Band mittels Polarisationskombinierens
zweier Module vor dem WDM-Multiplexer 158 verdoppelt werden.
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13 zeigt
eine achte bestimmte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Diese ist eine Variante der siebten
Ausführungsform.
Insbesondere fungiert ein 2×2-Ausgabekoppler als
ein Intrakavitätsteiler.
Er wird auf der Faserverbindung 162 zwischen dem WDM-Multiplexer 158 und
dem Demultiplexer 160 platziert. Dies stellt das Ausgabesignal 102 dem
Katheter 56 bereit.
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Während diese
Erfindung insbesondere bezüglich
bevorzugter Ausführungsformen
gezeigt und beschrieben worden ist, wird dem Fachmann klar sein,
dass verschiedenen Änderungen
in Form und Einzelheiten durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der von den beiliegenden Ansprüchen umfasst
ist.