DE60320024T2

DE60320024T2 - Spektroskopisches Kathetersystem mit leistungsstabiler abstimmbarer Lichtquelle

Info

Publication number: DE60320024T2
Application number: DE60320024T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Lexington KORN
Original assignee: Infraredx Inc
Current assignee: Infraredx Inc
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2009-07-23
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: DE60320024D1; AU2003299594A1; EP1579539A2; EP1579539A3; US6980573B2; US20040109478A1; AU2003299594A8; US20050286571A1; JP2006509210A; EP1868267A2; WO2004054048A3; EP1868267A3; EP1579539B1; ATE390743T1; WO2004054048A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
Beispielsweise wird in einer Ausgestaltung zur Spektroskopie die abstimmbare Laserquelle dazu verwendet, ein interessierendes Spektralband abzutasten, wie beispielsweise ein Abtastband im nahen Infrarot oder beispielsweise bei 850 Nanometern (nm) bis 1–2 Mikrometern (μm). Das erzeugte Licht wird dazu verwendet, Gewebe in einem Zielgebiet zu beleuchten. Diffus reflektiertes Licht, das aus der Beleuchtung resultiert, wird dann aufgefangen und an einen Detektor übertragen. Mittels Korrelierens des Abtastens der abstimmbaren Laserquelle auf die zeitveränderliche Antwort des Detektors kann die Spektralantwort des Zielbereichgewebes aufgelöst werden. Ferner können statistische Methoden verwendet werden, um nützliche Information aus den Spektraldaten selbst bei niedriger Auflösung zu erlangen. Beispielsweise kann eine Chemometrik, welche Spektroskopie und Mathematik kombiniert, eine deutliche qualitative als auch quantitative Information bereitstellen.
Ein bestimmtes Beispiel einer Anwendung zur Spektroskopie betrifft die Diagnose von Arteriosklerose. Dies ist eine Arterienerkrankung, welche die Intimae von mittleren oder großen Arterien betrifft, einschließlich der Aorta, Halsschlagader, Koronar- und Zerebralarterien. Arteriosklerotische Verletzungen oder Plaques enthalten eine komplexe Gewebematrix, die Kollagen, Elastin, Proteoglykane 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. Es gibt Bestrebungen, Blutgefäßwände im lebenden Organismus spektroskopisch zu analysieren, und zwar unter Verwendung von Infrarotwellenlängen, um die Zusammensetzungen von arteriosklerotischen Verletzungen zu identifizieren und zugänglich zu machen.
US 6,088,373 offenbart einen abstimmbaren Hybrid-Bragg-Laser, der einen Verstärkungsbereich mit doppelter Heterostruktur, einen Bragg-Reflektorbereich, der optisch mit dem Verstärkungsbereich gekoppelt ist, und eine optische Erweiterung umfasst, die so aufgebaut ist, dass sie eine Vielzahl von Longitudinalmoden erzielt. Vorzugsweise weist der optische Bereich eine vorbestimmte Länge und eine effektive Reflektivität auf, die daran angepasst ist, die Vielzahl von Longitudinalmoden zu erzielen.
US 5,263,037 offenbart einen elektrisch abstimmbaren optischen Oszillator. Ein akusto-optisch abstimmbares Filter befindet sich in einem Rückkopplungspfad eines optischen Oszillators. Das Filter bricht das Lichtsignal nicht-kolinear, um den Oszillator selektiv abzustimmen. In einer Ausführungsform läuft das Licht zweimal durch ein einziges Filter in einem einzigen Übergang um den Rückkopplungspfad. In einer weiteren Ausführungsform läuft das Licht durch ein Paar von Filtern, welche so angeordnet sind, dass jegliche Frequenzverschiebung, die von einem Filter erzeugt wird, durch das andere ausgelöscht wird.
US 5,496,305 offenbart einen Laserkatheter, bei dem optische Fasern, die Laserlicht tragen, in einem Katheter zum Einführen in eine Arterie angebracht sind, um eine gesteuerte Zufuhr eines Laserstrahls für eine perkutane intravaskuläre Laserbehandlung einer arteriosklerotischen Erkrankung bereitzustellen. Eine transparente Schutzabschirmung ist am distalen Ende des Katheters zum mechanischen Entfernen von intravaskulärem Blut und zum Schützen der Fasern vor den intravaskulären Füllungen bereitgestellt, sowie zum Schützen des Patienten im Falle eines Defekts der Faseroptik. Mehrere optische Fasern erlauben die Auswahl von zu entfernendem Gewebe. Ein computergesteuertes System richtet Fasern automatisch mit dem Laser aus und steuert die Bestrahlungszeit. Eine spektroskopische Diagnostik bestimmt, welches Gewebe zu entfernen ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die für diese Anwendungen benötigten abstimmbaren Lichtquellen weisen Idealerweise einen bestimmten Satz von Betriebsparametern auf, die sie von funktional gleichen, in anderen Anwendungen verwendeten Vorrichtungen unterscheiden. Beispielsweise weisen die meisten halbleiterbasierten Laser normalerweise kurze optische Kavitäten auf. Die Laserchips selbst sind für gewöhnlich weniger als 1 Millimeter lang. Kurze Kavitäten führen vorzugsweise bei den meisten Anwendungen zu schmalen, spektral reinen Lasersignalen, da im Betrieb nur eine Longitudinalmode oszilliert. Im Gegensatz dazu sind in spektroskopischen Anwendungen, wie zur Erkennung von arteriosklerotischen Verletzungen, die interessierenden spektralen Merkmale relativ breit. Somit ist eine schmale Linienbreite keine Notwendigkeit. Außerdem muss die Abtastgeschwindigkeit relativ schnell sein, insbesondere für Messungen im lebenden Organismus, um das Auftreten von bewegungsindizierten Artefakten zu verringern.
Eine weitere Anforderung an spektroskopisch abstimmbare Laserquellen ist eine Leistungsstabilität während der Abtastung. Der Detektor zeichnet den Pegel an reflektiertem Licht auf, um das Spektrum aufzulösen. Der Pegel des reflektierten Lichts hängt teilweise vom Pegel des einfallenden Lichts ab. Ein Longitudinalmodenspringen ist jedoch eine Eigenschaft von Lasern, und insbesondere von abstimmbaren Lasern, die eine augenblickliche Menge von Licht beeinträchtigen kann, die vom Laser erzeugt wird, wenn er abtastet bzw. scannt.
Ein Laser arbeitet durch die Erzeugung einer stehenden Welle in der optischen Kavität. In einer Kavität mit fester Länge kann nur ein diskreter Satz von stehenden Wellen erzeugt werden. Dieses Phänomen ist durch den Modenabstand der Kavität gekennzeichnet, welcher c/(2 L) beträgt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und L die Länge des optischen Pfads der Kavität ist, und zwar unter Berücksichtigung des Brechungsindex'. Ein Springen von einer Kavitätsmode zur nächsten verursacht eine Leistungsschwankung, da die Moden eine leicht unterschiedliche Verstärkung in der Kavität unterlaufen, was die augenblickliche Ausgabeleistung des Lasers beeinträchtigt.
Im Folgenden wird eine abstimmbare Laserquelle beschrieben, die eine stabile Ausgabeleistung während des Wellenlängenabtastens aufweist, und insbesondere eine abstimmbare Laserquelle, die für ein spektroskopisches Kathetersystem ausgestaltet ist. Wenn abstimmbare Quellen mit anderen Anwendungen verglichen werden, weist die beschriebene Quelle eine übermodierte Laserkavität auf. Das heißt, dass der Longitudinalmodenabstand sehr eng ist, was es mehreren Moden ermöglicht, gleichzeitig zu schwingen. Als ein Ergebnis werden, wenn die Quelle über ihr Abtast- bzw. Scanband abstimmt, Veränderungen dahingehend, wie die optische Leistung in den Lasermoden verteilt ist, nicht zu einer wesentlichen Veränderung in der Quellenausgabeleistung führen, da die hohe Anzahl von Lasermoden in der Verstärkungsbandbreite der Kavität dazu neigt, den Einfluss von Veränderungen in der Leistung in jeglicher einzelnen Mode zu minimieren. Als ein Ergebnis werden Schwankungen in der Ausgabeleistung aufgrund eines Modenspringens abgemildert, wenn der Laser ges cannt wird. Es werden trotzdem noch Schwankungen aufgrund einer Modenschwebung vorhanden sein, aber diese sind hochfrequent.
Allgemein wird eine abstimmbare Laserquelle beschrieben, die eine stabile Ausgabeleistung während des Wellenlängenabtastens aufweist. Die Quelle weist eine Laserkavität auf, die einen Wellenlängenselektor zum Scannen bzw. Überstreichen eines Durchlassbands über einem Scanband bzw. Abtastband und einen Laserverstärkungschip aufweist, der Longitudinalmoden der Laserkavität eine Verstärkung bereitstellt. Der Wellenlängenselektor ermöglicht eine Netto-Verstärkung für Longitudinalmoden innerhalb einer bestimmten Verstärkungsbandbreite, die durch das Durchlassband des Wellenlängenselektors bestimmt ist. Die Laserkavität ist durch einen Kavitätslongitudinalmodenabstand gekennzeichnet, der mehr als zweimal kleiner ist als die Verstärkungsbandbreite. Als ein Ergebnis lasern mehrere Longitudinalmoden gleichzeitig, wodurch die Leistungsstabilität während des Abtastens bzw. Scannens verbessert wird.
Beispielhafte Scan- bzw. Abtastbänder für die Erkennung von arteriosklerotischen Verletzungen umfassen allgemein 1100 bis 1450 Nanometer (nm), oder 1100 nm bis 1350 nm, 1150 nm bis 1250 nm, 1175 nm bis 1280 nm und 1190 nm bis 1250 nm im Besonderen.
Im vorliegenden Beispiel weist der Wellenlängenselektor ein Bulk-Beugungsgitter auf, obwohl akusto-optische Filter und Bragg-Gitter in anderen Ausgestaltungen verwendet werden können.
In einem weiteren Beispiel weist die Laserkavität ferner eine Optofaser-Anschlussfaser auf, die den Laserverstärkungschip und den Wellenlängenselektor koppelt. Dies verbessert die Herstellbarkeit und verringert auch die Empfindlichkeit der Quelle gegenüber Veränderungen im Umgebungsluftdruck, wie beispielsweise mit der Höhe.
Erfindungsgemäß wird ein Ausgabekoppler zum Auskoppeln von Laserlicht aus der Laserkavität bereitgestellt, um das Licht zu einem Katheter zu liefern, der in einen Patienten eingeführt wird.
Der Laserverstärkungschip weist vorzugsweise einen optischen Halbleiterverstärker auf, wie beispielsweise einen reflektierenden optischen Halbleiterverstärker.
Um zu gewährleisten, dass mehrere Longitudinalmoden über den Scan lasern, wird die Laserkavität vorzugsweise lang ausgestaltet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Kavität größer als 10 Zentimeter und vorzugsweise größer als 50 Zentimeter. Dies ergibt eine übermodierte Kavität, in welcher die Moden einen Abstand von weniger als 15 Gigahertz (GHz) und vorzugsweise weniger als 1,5 GHz aufweisen. Dies, gekoppelt mit einer breiten Verstärkungsbandbreite, gewährleistet, dass mehrere Moden gleichzeitig lasern. Insbesondere beträgt die Verstärkungsbandbreite mehr als 10 GHz und vorzugsweise mehr als 50 GHz.
Zwei Verstärkungschips können dazu verwendet werden, die Leistung oder die spektrale Breite des Abtastbands zu erhöhen. Der Chip oder die Chips sind zur vereinfachten Herstellung vorzugsweise in einer oder mehreren hermetisch abgedichteten Packungen mit Anschlussfaser enthalten.
Allgemein stellt die Erfindung wie in Anspruch 1 definiert ein spektroskopisches Kathetersystem bereit, welches einen Katheter zum Einführen in einen Patienten, um Licht zum Patienten zu übertragen, und eine abstimmbare Laserquelle aufweist. Erfindungsgemäß weist die Quelle eine Laserkavität auf, die einen Wellenlängenselektor zum Überstreichen bzw. Scannen eines Durchlassbands über einem Abtastband umfasst. Ein Laserverstärkungschip stellt Moden der Laserkavität in einer durch das Durchlassband bereitgestellten Verstärkungsbandbreite eine Verstärkung bereit. Ein Ausgabekoppler koppelt Laserlicht von der Laserkavität in den Katheter ein. Zumindest ein Detektor ist zum Erfassen von Licht, das vom Patienten zurückkehrt, bereitgestellt. Die Laserkavität ist durch einen Kavitätsmodenabstand gekennzeichnet, der um das Zweifache oder mehr kleiner ist als die Verstärkungsbandbreite, und mehrere Longitudinalmoden der Laserkavität lasern gleichzeitig während des Überstreichens bzw. Scannens über dem Abtastband.
In der vorliegenden Anwendung wird der Katheter in ein Lumen des Patienten, wie beispielsweise ein Blutgefäß, eingeführt und bis zum Herz des Patienten geschoben.
Im Folgenden wird auch ein Verfahren zum Bereitstellen von Licht mit abstimmbarer Frequenz für einen Patienten beschrieben. Das Verfahren weist ein Einführen eines Katheters in einen Patienten auf, ein Erzeugen von Licht mit einem abstimmbaren Laser, ein Abstimmen einer Frequenz des Lichts über ein Abtastband und ein Erfassen von Licht, das vom Patienten zurückkehrt, um eine Spektralantwort von Gewebe innerhalb des Patienten über das Abtast- bzw. Scanband zu bestimmen. Die Länge einer Laserkavität des abstimmbaren Lasers wird so gewählt, dass während des Schritts des Abstimmens der Frequenz des Lichts über das Abtastband mehr als zwei Longitudinalmoden der Laserkavität jederzeit gleichzeitig lasern.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung, einschließlich verschiedener neuartiger Konstruktionsdetails und Kombinationen von Teilen, und andere Vorteile werden nun mit Bezug auf die 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 abzuweichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beiliegenden Zeichnungen bezeichnen Bezugszeichen die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen wurde die Betonung auf das Darstellen der Prinzipien der Erfindung gelegt. In den Zeichnungen:
ist 1A ein schematisches Blockdiagramm, welches das spektroskopische Kathetersystem für die abstimmbaren Laserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
ist 1B eine Querschnittsansicht des Katheterkopfs, der so positioniert ist, dass er eine spektroskopische Analyse an einem Zielgebiet eines Blutgefäßes durchführt;
ist 2 ist ein schematisches Blockdiagramm einer abstimmbaren Laserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung;
ist 3 eine Auftragung der Verstärkung (in beliebigen Einheiten) als eine Funktion der Wellenlänge (in Nanometern) über das Abtastband für die erfinderische Laserquelle;
ist 4 eine Auftragung der Ausgabeleistung (in beliebigen Einheiten) als eine Funktion der Wellenlänge über das Abtastband für eine herkömmliche Quelle und die erfinderische Quelle.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1A zeigt ein erfindungsgemäßes spektroskopisches Kathetersystem 50, auf welches die abstimmbare Laserquelle 100 anwendbar ist.
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 bewegt, wie beispielsweise einer Koronararterie 18 des Herzen 16 oder der Halsschlagader 14. Im Beispiel wird dies mittels Bewegens des Katheterkopfs 58 aufwärts durch die Aorta 12 erreicht.
Wenn er an der gewünschten Stelle angekommen ist, wird eine Nahinfrarotstrahlung ("near infrared radiation"; NIR) mittels der Laserquelle 100 erzeugt und über ein Abtastband, welches das interessierende Spektralband abdeckt, abgestimmt. Sie wird in die optische Faser des Katheters 56 eingekoppelt, um zum Katheterkopf 58 übertragen zu werden.
Detaillierter wird bezüglich 1B 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 fängt dann reflektierte und gestreute Strahlung aus dem Zielbereich 22 auf.
Nun zurück zu 1A wird das reflektierte Licht die optischen Fasern des Katheters 56 hinunter zu einem Verteiler oder Zirkulator 54 oder in separate optische Fasern rückübertragen. Dies stellt die zurückkehrende Strahlung einem Detektorsystem 52 bereit, welches einen oder mehrere Detektoren aufweisen kann.
Der Controller 60 überwacht die Antwort des Detektorsystems 52, während er das abstimmbare Lasersystem 100 steuert, um die Nahinfrarotspektralantwort des Zielbereichs 22 abzutasten. Der Controller 60 mit einem Leistungs- und Wellenlängendetektor-Subsystem 105 überwacht das abstimmbare Lasersystem 100. Dies ermöglicht es dem Controller 60, sowohl die Wellenlänge als auch die Leistungsausgabe des abstimmbaren Lasersystems 100 nachzuhalten.
2 zeigt die allgemeine Konfiguration eines abstimmbaren Lasersystems 100, welches gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut worden ist.
Insbesondere weist es zumindest ein optoelektronisches Halbleitermodul 110 auf. In Ausführungsformen, bei denen breitere Abstimmbereiche oder mehr Leistung benötigt werden, werden mehrere Module verwendet, wie beispielsweise zwei bis acht oder mehr, und zwar abhängig vom interessierenden Spektralbereich und der insgesamt benötigten Leistung.
Das Modul 110 weist einen Halbleiterchip 116 auf. In der bevorzugten Ausgestaltung ist der Chip 116 ein optischer Halbleiterverstärkerchip und insbesondere ein reflektierender SOA. Die Rückfassette des Chips weist eine hochgradig reflektierende ("highly reflektive"; HR) Beschichtung 122 auf. Die Vorderfassette weist eine nichtreflektierende ("anti-reflective"; AR) Beschichtung 120 auf. Der Verstärkungswellenleiter 117 des Chips dient als optische Breitbandenergiequelle.
Licht, das von der Vorderfassette 120 des Chips 117 austritt, wird in eine Anschlussfaser 114 eingekoppelt. Vorzugsweise ist die Anschlussfaser 114 eine Einzelmodenfaser, die sich durch eine Faserdurchführung in eine hermetisch abgedichtete Packung 112 des Moduls 110 erstreckt. Diese Packung 112 kann eine Dual-Inline-(DIP)- oder eine Butterfly-Packung sein, und zwar abhängig von der Ausgestaltung. In jedem Fall verringert die Verwendung von herkömmlichen hermetisch gepackten Chips die Gesamtkosten der Quelle 100.
In noch weiteren Ausführungsformen kann ein standardmäßiges SOA-Modul mit Doppelanschlussfaser verwendet werden. In diesem Fall ist eine Rückreflektorrückkopplung vorzugsweise mit einem Faser-Bragg-Gitter ausgestattet, das in einer der Anschlussfasern oder mittels flachen Spaltens der Anschlussfaser und folgendem HR-Beschichten der Faserfassette ausgebildet ist.
Die Anschlussfaser 114 der Faser ist vorzugsweise lang, um dadurch eine lange Laserkavität zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführungsform ist die optische Länge der Laserkavität größer als 10 Zentimeter und vorzugsweise länger als 50 Zentimeter. In einigen Beispielen weist sie eine optische Länge von mehr als 1 Meter auf.
Diese lange Kavität hat die Wirkung, dass sie einen kleinen Kavitätsmodenabstand von weniger als ungefähr 15 Gigahertz und sogar weniger als 1,5 Gigahertz aufweist. Als ein Ergebnis weist die Laserkavität eine stark verringerte Fähigkeit auf, zwischen Longitudinalmoden zu diskriminieren.
Wenn die optische Faser als ein Wellenleiter zum Definieren der Kavität verwendet wird, beträgt die tatsächliche physikalische Länge der Kavität weniger als die optische Länge, da der Brechungsindex der Faser 114 größer ist als der von Luft. Beispielsweise weist eine typische Einzelmodenfaser einen Brechungsindex von ungefähr 1,4 auf. Somit werden nur ca. 70 Zentimeter der Faser benötigt, falls die optische Länge 1 Meter beträgt.
Ein Ausgabekoppler 130 nimmt das distale Ende der Anschlussfaser 114 von den Halbleitermodulen 110 auf. Dieser Ausgabekoppler 130 stellt einen Ausgabeanschluss für die Laserkavität bereit und insbesondere das optische Ausgabesignal 102, das in den Katheter 56 eingekoppelt wird. Im gezeigten Beispiel wird ein Teil der Ausgabe von dem Leistungs- und Wellenlängendetektor 105 dazu verwendet, eine Rückkopplungssteuerung des abstimmbaren Lasersystems 100 mittels des Controllers 60 bereitzustellen. In einer Ausgestaltung ist der Ausgabekoppler 130 eine Anzapfungsvorrichtung mit drei Anschlüssen.
Optische Energie, die nicht als das Ausgabesignal 102 bereitgestellt wird, wird über eine Freiraumübertragung unter Verwendung eines Kollimators 142 in ein frequenzselektives, abstimmbares Element 140 eingekoppelt. In einem Beispiel ist der Kollimator 142 eine Linse mit Gradienten-Brechungsindex oder eine andere Art von Linse. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Kollimator 142 eine zylindrische Linse und wird in Kombination mit einer kollimierenden Fokussierlinse 141 verwendet, um Herstellungstoleranzen zu verbessern.
Das frequenzselektive, abstimmbare Element 140 stellt eine abstimmbare Rückkopplung in den SOA-Chip 116 des Halbleitermoduls 110 bereit. In der vorliegenden Ausgestaltung ist das frequenzselektive, abstimmbare Element 140 ein Beugungsgitter. Es wird unter der Kontrolle des Controllers 60 winkelabgestimmt, um dadurch die Rückkopplung in das Modul 110 zu modulieren oder zu ändern und dadurch die Wellenlänge des Ausgabesignals 102 zu steuern.
In einer aktuellen Ausgestaltung wird der Winkel des Gitters 140 unter Verwendung eines Resonanzgalvanometers gesteuert. Es ist vorzugsweise abstimmt, um so das Spektrum relativ schnell, vorzugsweise in weniger als 50 Millisekunden (ms), abzutasten, um Bewegungsartefakte aufgrund des Herzschlags zu entfernen. Vorliegend wird das Spektrum in weniger als 10 ms oder vorzugsweise 5 ms oder weniger abgetastet.
In anderen Ausführungsformen werden andere Arten von frequenzselektiven ab stimmbaren Elementen verwendet. Beispielsweise können akusto-optische Filter und Bragg-Gitter anstelle des Beugungsgitters verwendet werden.
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).
3 ist eine Auftragung der Verstärkung als eine Funktion der Wellenlänge über dem Abtast- bzw. Scanband 320. Insbesondere weist die Winkelabstimmung des Gitters 140 die Wirkung des Abstimmens eines Durchlassbands 310 über das Abtastband 320 auf. Die Form und, wichtiger, die spektrale Breite des Durchlassbands 310 ist eine Funktion der Auflösung des Gitters 140 in Kombination mit der numerischen Apertur des Kollimators 142 und jeglicher anderen Apertur zwischen der Faser 114 und dem Gitter 140. Das Durchlassband kennzeichnet die effektive Wellenlängenselektivität des Kollimator/Gitter-Systems.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Kollimator/Gitter-System so gewählt, dass es eine relativ breite Bandbreite aufweist. Insbesondere ist die Breite des Durchlassbands, das oberhalb der Laserschwelle 312 liegt, was somit die Verstärkungsbandbreite 314 definiert, größer als 10 Gigahertz (GHz).
Vorzugsweise ist die Verstärkungsbandbreite größer als 50 GHz und kann bis zu 100 der 200 GHz oder mehr erreichen.
Der Breitbandverstärkungsbereich führt zu einem relativ breitbandigen Laserausgabesignal 102. Für einige Anwendungen wäre dieses breitbandige, spektral unreine Signal problematisch. In der vorliegenden Anwendung sind die spektralen Merkmale auch relativ breit und diffus. Somit weist das System immer noch die benötigte spektrale Auflösung für diese Anwendung auf.
Die breite Verstärkungsbandbreite erstreckt sich so weit, dass sie mehrere Kavitätsmoden 330 abdeckt. Die Moden werden gleichzeitig lasern, falls das Verstärkungsmedium rein nicht-homogen verbreitert ist. Somit kommen mehrere Kavitätsmoden zur Resonanz, da der Kavitätsmodenabstand 332 kleiner ist als die Verstärkungsbandbreite 314. Insbesondere ist die Verstärkungsbandbreite mehr als zweimal größer als der Kavitätslongitudinalmodenabstand. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Kombination des Kavitätsmodenabstands, d. h., der Laserkavitätslänge, und der Verstärkungsbandbreite dergestalt, dass 10 oder mehr Longitudinalmoden gleichzeitig lasern werden.
4 ist eine Auftragung der Ausgabeleistung und eine Funktion der Wellenlänge über dem Abtastband 320. Der Datensatz 1 410 wurde von einem herkömmlichen abstimmbaren Laser mit kurzer Kavität aufgenommen. Die Oszillationen in der Ausgabeleistung sind auf ein Modenspringen zurückzuführen. Die Verstärkungsbandbreite liegt somit in der Größenordnung des Kavitätsmodenabstands, so dass dann, wenn die Verstärkungsbandbreite spektral über die Kavitätsmoden abgestimmt wird, verschiedene Moden lasern und eine sehr unterschiedliche effektive Verstärkung in der Laserkavität sehen. Der Datensatz 2 412 ist von einem abstimmbaren Laser mit längerer Kavität abgeleitet, in welchem die Kavität lang genug ist, so dass mehr als einige Moden kontinuierlich über dem Abtastband lasern. Modensprunginduzierte Leistungsschwankungen werden stark verringert. Schließlich wurde Datensatz 3 durch einen Laser mit noch längerer Kavität erzeugt. Hier umfasst die Verstärkungsbandbreite zehn oder mehr Moden. Modensprunginduzierte Leistungsschwankungen sind fast gänzlich beseitigt.
Während diese Erfindung insbesondere bezüglich bevorzugter Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, wird dem Fachmann klar sein, dass verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten daran durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der von den beiliegenden Ansprüchen umfasst ist.

Claims

Spektroskopisches Kathetersystem (50), aufweisend: einen Katheter (56) zum Einführen in einen Patienten (2), um Licht zum Patienten zu senden; eine abstimmbare Laserquelle (100) mit einer Laserkavität (L), umfassend: einen Wellenlängenselektor (140) zum Abtasten eines Durchlassbands über einem Abtastband, einen Laserverstärkungschip (116), welcher Moden der Laserkavität innerhalb einer mittels des Durchlassbands bereitgestellten Verstärkungsbandbreite eine Verstärkung bereitstellt; wobei die Laserkavität durch einen Kavitätsmodenabstand gekennzeichnet ist, der um das Zweifache oder mehr kleiner ist als die Verstärkungsbandbreite und mehrere Longitudinalmoden der Laserkavität gleichzeitig während des Abtastens des Durchlassbands über dem Abtastband lasern, und einen Ausgabekoppler (130) zum Einkoppeln von Laserlicht von der Laserkavität in den Katheter; und zumindest einen Detektor (52) zum Erfassen von Licht, das vom Patienten (2) zurückkehrt, um eine Spektroskopieanalyse durchzuführen.
System nach Anspruch 1, bei dem der Wellenlängenselektor ein Beugungsgitter aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wellenlängenselektor ein Bulk-Beugungsgitter aufweist.
System nach Anspruch 1, bei dem der Wellenlängenselektor ein Bragg-Gitter aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Laserkavität ferner eine Optofaser-Anschlussfaser (114) aufweist, die den Laserverstärkungschip (116) und den Wellenlängenselektor (140) koppelt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Ausgabekoppler (130) zum Auskoppeln von Laserlicht aus der Laserkavität.
System nach Anspruch 6, bei dem der Ausgabekoppler (130) das Laserlicht einem Katheter zum Einführen in einen Patienten bereitstellt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserverstärkungschip einen optischen Halbleiterverstärker aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserverstärkungschip einen reflektierenden optischen Halbleiterverstärker aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine optische Länge der Laserkavität mehr als 10 Zentimeter beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine optische Länge der Laserkavität mehr als 50 Zentimeter beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine optische Länge der Laserkavität mehr als 1 Meter beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kavitätsmodenabstand weniger als 15 Gigahertz beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kavitätsmodenabstand weniger als 1,5 Gigahertz beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verstärkungsbandbreite mehr als 10 Gigahertz beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verstärkungsbandbreite mehr als 50 Gigahertz beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verstärkungsbandbreite mehr als 100 Gigahertz beträgt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend zumindest zwei Laserverstärkungschips.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserverstärkungschip in einer hermetisch abgedichteten Packung (110) mit Anschlussfaser enthalten ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Katheter dazu vorgesehen ist, in ein Lumen des Patienten eingeführt zu werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Katheter dazu vorgesehen ist, in ein Blutgefäß des Patienten eingeführt zu werden.