側出光雷射光纖結構的製作方法

2023-09-13 13:59:50

專利名稱：側出光雷射光纖結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種醫用雷射光導纖維結構，尤其是一種在有水環境下對組織進行雷射汽化切除時使用的側出光雷射光纖結構。
背景技術：
雷射具有高亮度(高功率)性和高方向性(形成高功率密度/高能量密度)，易於控制並可使光聚焦到一點上，有些波長的雷射還可以用光導纖維傳輸，將光導入體腔。雷射還具有單色性(利於不同物質的選擇性吸收)以及相干性等特點，使得雷射在醫學中獲得了廣泛應用。其中大多數醫療應用是利用雷射能量的熱效應來凝固、碳化、汽化組織，使肌體組織消融或切割而達到治療目的。利用光導纖維將某些波長的高功率或高能量雷射傳輸到組織的靶點上實施治療，可以簡化光學傳輸系統，不需要結構複雜的機械導光關節臂，而且光纖使用方便靈活，體積小，直徑一般在2mm以下，可以通過內窺鏡將雷射輸入體腔內進行治療。
石英光纖是目前常用的醫用雷射光導纖維，它用石英作芯徑，外層包以折射率小的光學媒質，光從光密媒質入射到光疏媒質的界面，當入射角大於臨界角時就產生光的全反射。進入光導纖維的雷射反覆在界面上產生全反射，從而傳輸雷射。為了保護易折的光纖，光纖外部包以具有彈性的塑料增加其強度。醫用雷射光導纖維的芯徑一般在0.2mm到1.0mm。
對於光纖末端平面垂直於光纖軸線的平頭光纖，出射雷射是以光纖軸線為中心具有一定發散角的錐形光束，只能向前照射組織。為了滿足治療的需求，有時把光纖末端做成球形、錐形或散射形等，以獲得不同特性的治療光束。傳統使用的側出光光纖結構是在平頭光纖的前面設置一個與光纖軸線成45°角的反射鏡，並用金屬套將其與光纖連接在一起，結構複雜，加工難度大，且一些部件採用貴重金屬，成本高。另外，該結構的光纖不太適合在有水條件下使用。
此外，現有技術的側出光光纖在使用中還存在出光遮擋甚至容易燒壞的缺陷。因為雷射照射治療中會出現組織凝固、碳化和汽化，側出光光纖在治療中有時也會產生組織碳化。由於傳統光纖結構的設計缺陷，其出光面一般與碳化組織直接接觸，碳化物就會粘在光纖帽上。碳化物一方面會阻擋雷射照射別處的組織，另一方面會吸收了大量的雷射能量，局部會產生高溫，甚至引起光纖帽的出光面燒壞，從而破壞光纖的全反射條件，有時必須更換新的光纖才能繼續進行治療。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種新型結構的側向輸出雷射的光纖，既適用於在有水條件下對組織進行雷射汽化切除，滿足治療的特殊需求，又具有結構簡單、成本低、操作簡便等特點。
本實用新型的另一目的針對現有技術光纖在使用中存在出光遮擋甚至燒壞的缺陷，提供一種光纖出光面不與組織直接接觸的側出光光纖結構，使側出光光纖使用的安全性和可靠性得到提高。
為了實現上述目的，本實用新型提供了一種側出光雷射光纖結構，包括一端為光纖連結器、另一端為雷射輸出末端的醫用石英光纖，其特徵在於，所述雷射輸出末端的光纖末端設置成能使傳輸的雷射從偏離光纖軸線的側向射出的斜面，所述光纖末端還連接有將所述斜面密閉在空氣中的光纖帽。
所述光纖末端斜面的法線與光纖軸線的夾角為當斜面外側為空氣時被傳輸波長的雷射束所包含的光線均能產生全反射所對應的夾角，當光纖數值孔徑為0.22時，所述光纖末端斜面的法線與光纖軸線的夾角為49°～70°，所述斜面上還可鍍有高反射膜。
所述光纖帽為一端封閉的透明筒體，封閉頂端設置成弧形，開口端套接在所述光纖末端上，並與所述光纖固接，形成將所述斜面密閉的空氣腔體。
在上述技術方案中，所述光纖帽的頂端外還連接有透明球體，所述透明球體的直徑大於所述光纖帽的直徑。進一步地，所述光纖帽的直徑小於1.5mm，所述透明球體的直徑小於1.8mm。
所述光纖上還設置有操作手柄，其上可設置有指示光纖末端斜面方向的標記物。所述操作手柄可以是一柱型體，軸向設有通孔，套接在所述光纖上，並與光纖固接，也可以是具有螺母鎖緊的彈性卡頭。所述操作手柄與光纖末端的距離大於與之配套使用的內窺鏡的長度，一般為40～50cm。
本實用新型提出了一種新型結構的側出光雷射光纖結構，實現了在有水環境下能對光纖側面的組織進行照射或進行汽化切割。本實用新型的技術方案基於全反射原理，將光纖末端設置成斜面，並通過設置光纖帽使該斜面密閉在空氣中，在保證被傳輸波長的雷射束所包含的光線均產生全反射的條件下，實現了雷射從偏離光纖軸線的側向射出。優選的技術方案是將光纖末端斜面的法線與光纖軸線的夾角設置成49°～70°，使被傳輸波長的雷射束的中心以偏離光纖軸線40°～82°的角度射出。
本實用新型還通過將光纖出光面與組織有效隔離的技術方案，提高了側出光光纖使用的安全性和可靠性。具體的技術手段是在所述光纖帽的頂端設置透明球體，當光纖接觸到組織時球體就會頂住組織，使組織與光纖的出光面保持一定的縫隙。因治療是在注水的條件下進行，因此縫隙中充滿了水，它可以透過雷射，同時又使碳化組織不會粘在光纖帽上，達到了消除遮光現象，並保護光纖帽不被燒壞。進一步地，所述透明球體的直徑大於所述光纖帽的直徑，使隔離效果更加突出。
本實用新型還設置了帶有指示光纖側出光方向標記物的操作手柄，操作者可以拉動或旋轉操作手柄帶動光纖輸出末端伸進、抽出或轉動，並可根據標記物的方向判斷出光方向，將光照射到組織的不同部位，操作簡單、可靠。
本實用新型的上述技術方案可以在有水的條件下對組織進行雷射汽化切除時，將沿光纖軸線傳輸的雷射以與光纖軸線成40°～82°的角度Φ射出，滿足了治療的特殊需求，具有廣泛的應用前景。
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本實用新型結構示意圖；圖2為本實用新型原理示意圖；圖3為本實用新型斜面角度設計示意圖；圖4為本實用新型操作手柄的結構示意圖；圖5為本實用新型帶透明球體的光纖帽結構示意圖；圖6為本實用新型透明球體偏心設置結構示意圖。
附圖標記說明1-光纖；2-斜面；3-光纖帽；31-透明球體； 4-操作手柄；41-標記物；42-卡頭； 43-螺母； 5-光纖連接器。
具體實施方式
圖1為本實用新型結構示意圖，本實用新型側出光雷射光纖結構包括一端為光纖連接器5、另一端為雷射輸出末端的醫用石英光纖1，雷射輸出末端的光纖末端被設置成斜面2，將傳輸的雷射偏離光纖軸線射出，同時光纖末端還套接了將斜面2密閉在空氣腔體內的光纖帽3。進一步地，光纖1上還設置了操作手柄4，操作手柄4與光纖末端的距離大於與之配套使用的內窺鏡的長度。在治療使用時，將帶有光纖帽3的光纖1通過內窺鏡的通孔插入，將光纖末端送達治療部位，雷射器發射的雷射經與雷射耦合器連接的光纖連接器5將雷射耦合到光纖1中進行傳輸，雷射在光纖末端的斜面2處全反射，穿過光纖帽3側向輸出。操作者可以拉動或旋轉操作手柄4帶動光纖輸出端伸進、抽出或轉動，將光照射到組織的不同部位。
本實用新型優選的技術方案是將光纖末端研磨拋光成斜面2，斜面2的法線與光纖軸線的夾角設計成49°～70°，使被傳輸波長的雷射束所包含的光線均產生全反射，且沿光纖軸線傳播的出射光以偏離光纖軸線40°～82°的角度射出。斜面2法線與光纖軸線的夾角進一步優選為52.5°～57.5°，使沿光纖軸線傳播的光線以偏離光纖軸線65°～75°的角度射出。
圖2和圖3為本實用新型的原理示意圖和斜面角度設計示意圖，斜面2的法線與光纖軸線的夾角δ由以下條件確定當斜面2外側為空氣時，被傳輸波長的雷射光束內所有光線的入射角γ均應大於全反射角，即最小的入射角γm＞全反射角。本實用新型在設計計算時注意到以下幾點第一，同一光媒質對不同波長的光的折射率不同，計算全反射角時應按石英光纖對傳輸雷射波長的折射率進行；第二，雷射在光纖內並非都是沿著光纖軸向傳播，而是在光纖壁上多次全反射向前傳播，因此這些光線與光纖軸線有一小的夾角，如果最大的夾角為αm，則所對應的入射光線CB也應獲得全反射，即角γm應大於全反射角。
由圖3所示，在ΔCBO1中∠BO1O＝∠CBO1+∠BCO1∵∠BO1O＝δ，∠CBO1＝γm，∠BCO1＝αm，∴δ＝γm+αm又∵γm＞全反射角∴δ＞全反射角+αm上述分析計算表明，當斜面外側為空氣時，要使被傳輸波長的雷射束內的所有光線的入射角均大於全反射角而獲得全反射時，即要求斜面2的法線與光纖軸線的夾角δ應大於全反射角加上傳輸光束中光線偏離光纖軸線的最大夾角αm。粗略地計算，石英光纖的全反射角為40.5°，而光線偏離光纖軸線的最大夾角αm可用光纖的數值孔徑NA計算。當數值孔徑NA為0.22時，αm為8.21°，本實施例中取αm為8.5°。因此斜面2的法線與光纖軸線的夾角δ應大於49°，而小於70°。因為大於70°時出射光束已接近光纖的軸線，已失去了側向輸出光的意義了。當斜面2的法線與光纖軸線的夾角δ在49°～70°範圍內變化時，沿光纖軸線傳播的出射光與光纖軸線的夾角Φ在82°～40°之間，即可獲得出射雷射束中心為40°～82°的側出光。
上面僅以沿光纖1軸向的Z軸剖面為例進行了說明，考慮到雷射經過斜面反射後從光纖射出的面為圓柱面，而且在光纖內傳播的光束是在立體角內各向分布，以及雷射離開光纖後還要經過光纖帽3弧形面的反射和折射等情況，實際情況會複雜得多，上述原因也會導致少量光線不能獲得全反射，產生傳輸損耗。
光纖帽3為一端封閉的透明筒體，用石英材料製作。封閉的頂端設計成半球形或橢球形，中部為直徑略大於光纖芯的圓管，底部為平面或弧面，並且沒有稜角。將光纖1從底部插入圓管中，並將二者固接，即可形成將斜面2密閉的空氣腔體。本實施例中，光纖帽3與光纖1採用粘接劑連接密封。光纖帽3的直徑小於1.5mm，以便於從內窺鏡直徑2mm的通孔中穿過，將雷射傳輸到體腔。
本實用新型設置光纖帽3是為了將光纖末端的斜面2密封在空氣中，使光纖帽3中的空氣起到保證獲得全反射的重要作用。本實用新型一般是在有水的環境中使用，如果沒有光纖帽3，斜面2外側的水媒質將使臨界角增大而破壞全反射條件。
為提高斜面2的反射特性，本實施例中光纖輸出末端的斜面2上還可鍍有高反射膜。
操作手柄4設置在光纖1上，與光纖末端的距離大於內窺鏡的長度，在本實施例中，操作手柄4距光纖末端的距離設置為40～50cm。操作手柄4上設置有指示光纖末端斜面方向的標記物41，操作者可以拉動或旋轉操作手柄4帶動光纖輸出末端伸進、抽出或轉動，並可根據標記物41的方向判斷出光方向，將雷射照射到組織的不同部位。標記物41可以採用多種結構，本實施例中採用簡單的凸起標記物形式。
操作手柄4為一柱型體，軸向設有通孔，套接在光纖1上，並與光纖1固接。具體地說，操作手柄4為扁型手柄，軸向有一略大於光纖1外徑的通孔，並與光纖1粘接。上述結構是一體結構，當然也可以是組裝結構，如由兩塊軸向具有半圓柱形凹槽的扁型手柄，將光纖1夾在凹槽中粘接或用螺釘固定。
圖4為本實用新型操作手柄的結構示意圖，在本實施例中，操作手柄4由一個具有螺母鎖緊的彈性卡頭組成，當光纖1插入卡頭42和螺母43中心的通孔後，用螺母43將卡頭42鎖緊來固定穿在操作手柄4中的光纖1。
圖5為本實用新型帶透明球體的光纖帽結構示意圖，光纖帽3的頂部連接一個透明球體31，透明球體31的直徑略大於光纖帽3的直徑，但小於內窺鏡光纖工作通道的直徑，因此光纖仍能順利地通過內窺鏡光纖工作通道進入需要雷射照射的體腔。當內窺鏡光纖工作通道的直徑為2mm時，玻璃球31的直徑小於1.8mm，而光纖帽3的直徑一般小於1.5mm。因此當光纖伸入體腔時，透明球體31會首先頂住組織而使側出光光纖的出光面與組織間形成由水填充的縫隙，有效阻止了碳化組織粘在光纖帽3上，從而避免光纖的燒壞。優選的透明球體31採用與光纖帽一樣的材質，二者既可以通過熔接方式連接，也可以通過將光纖帽頂部吹製成像電燈泡的球形來實現本實用新型的結構。當然，透明球體31也可以是實心的玻璃球體製品。
圖6為本實用新型透明球體偏心設置結構示意圖。在圖5所示的技術方案中，光纖帽3和透明球體31為同軸設置，當光纖帽3的直徑D1為1.5mm、透明球體31的直徑D2為1.8mm時，透明球體31的寬度比光纖帽3多出0.3mm，即兩側各多出0.15mm。為提高透明球體31頂隔離組織的效果，本實用新型還設計了光纖帽3和透明球體31偏心設置的技術方案，使透明球體31的中心稍偏於光纖帽3的中心0.1mm～0.15mm，當光纖帽3的直徑D1為1.5mm、透明球體31的直徑D2為1.8mm時，在總寬度不會超過1.8mm的前提下，光纖出光面方向可多出一縫隙H，例如H＝0.3mm，增加了出光面與組織的縫隙厚度。
綜上所述，本實用新型側出光雷射光纖結構可以在有水的條件下對組織進行雷射汽化切除時，將沿光纖軸線傳輸的雷射以與光纖軸線成40°～82°的角度Φ射出，滿足治療的特殊需求。同時，通過將光纖出光面與組織有效隔離的技術方案，提高了側出光光纖使用的安全性和可靠性。
所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和範圍。
權利要求1.一種側出光雷射光纖結構，包括一端為光纖連結器、另一端為雷射輸出末端的醫用石英光纖，其特徵在於，所述雷射輸出末端的光纖末端設置成能使傳輸的雷射從偏離光纖軸線的側向射出的斜面，所述光纖末端還連接有將所述斜面密閉在空氣中的光纖帽。
2.如權利要求1所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述光纖末端斜面的法線與光纖軸線的夾角是在斜面外側為空氣狀態，被傳輸波長的雷射束所包含的光線均能產生全反射所對應的夾角，在光纖數值孔徑為0.22的狀態，所述光纖末端斜面的法線與光纖軸線的夾角為49°～70°。
3.如權利要求1或2所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述光纖末端的斜面上還可鍍有高反射膜。
4.如權利要求1所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述光纖帽為一端封閉的透明筒體，封閉頂端設置成弧形，開口端套接在所述光纖末端上，並與所述光纖固接，形成將所述斜面密閉的空氣腔體。
5.如權利要求1或4所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述光纖帽的頂端外還連接有透明球體。
6.如權利要求5所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述透明球體的直徑大於所述光纖帽的直徑。
7.如權利要求6所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述光纖帽的直徑小於1.5mm，所述透明球體的直徑小於1.8mm。
8.如權利要求1或2所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述光纖上還設置有操作手柄，所述操作手柄與光纖末端的距離大於與之配套使用的內窺鏡的長度。
9.如權利要求8所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述操作手柄上設置有指示光纖末端斜面方向的標記物。
10.如權利要求8所述的側出光雷射光纖結構，其特徵在於，所述操作手柄為軸向設有通孔、套接在所述光纖上、並與光纖固接的柱型體，或為具有螺母鎖緊的彈性卡頭。
專利摘要本實用新型涉及一種側出光雷射光纖結構，包括一端為光纖連結器、另一端為雷射輸出末端的醫用石英光纖，雷射輸出末端的光纖末端被研磨拋光成斜面，使傳輸的雷射從偏離光纖軸線的側向射出，所述光纖末端還連接有將所述斜面密閉在空氣中的光纖帽。所述斜面的法線與光纖軸線的夾角為49°～70°，使被傳輸波長的雷射束所包含的光線均產生全反射。本實用新型在光纖帽的頂端設置有透明球體，當光纖接觸到組織時球體就會頂住組織，使組織與光纖的出光面保持一定縫隙，提高了側出光光纖使用的安全性和可靠性。本實用新型可在有水條件下對組織進行雷射汽化切除時將沿光纖軸線傳輸的雷射以與光纖軸線約成40°～82°的角度射出，滿足治療的特殊需求。
文檔編號G02B6/00GK2824861SQ20052014459
公開日2006年10月11日 申請日期2005年12月13日 優先權日2005年10月28日
發明者粱志遠 申請人:北京光電技術研究所