用于微创手术的飞秒激光器装置制造方法及图纸

一种装置提供了极高峰值强度的飞秒光脉冲的传递和控制

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于微创手术的飞秒激光器装置


[0001]本申请涉及激光手术装置
。

技术介绍

[0002]现有的用于动脉粥样硬化切除术
(atherectomy
，斑块切除术
)
的装置通常以两种方式清除斑块：
(i)
通过机械操作去除物质；和
(ii)
通过经由来自激光源的高能紫外光破坏分子键来去除物质
。
基于激光去除的方法是优选的，因为在健康组织附近通过强有力的机械操作去除不想要的物质会带来很大的风险，例如血管穿孔
。
[0003]目前最先进的基于受激准分子
(excimer
，激态分子
)
激光的装置采用纳秒脉冲，在线性吸收模式中执行物质去除
。
然而，线性吸收模式中的有效去除对物质的吸收特性很敏感，并且在处理具有高矿物质含量的堵塞物时作用有限
。
为了解决这个问题，最近推出了同时使用激光和机械两者去除物质的混合系统
。
[0004]相比之下，在飞秒激光的情况下，将光能压缩成超短脉冲
(
约
10
‑
12
‑
10
‑
15
秒
)
会产生足以使原子电离的峰值功率密度，从而导致物质的光学击穿
(
进一步称为消融
)。
[0005]用于热传输的时间尺度
(timescales
，时间量程
)<br/>太短，这消除了局部热量积聚以及消除了相应的对附近组织和血管的热损伤
。
此外，消融术对组织吸收特性的依赖性小得多
。
因此，该装置可以采用近红外光进行消融，这种波长范围的光本身危害较小，从而最大限度地减少由于杂散光照射而对活体组织造成的外周损伤
。
相比之下，目前用于动脉粥样硬化切除术的纳秒脉冲受激准分子激光器中使用的紫外线辐射有可能在细胞层面上造成损伤
。
最后，飞秒脉冲光由于在非线性高峰值功率密度模式下工作，因此提供了改进的切割精确度并避免断裂
。
[0006]若干研究小组已尝试使用具有超短脉冲
(
约
lps)
的内部手术
(internal surgery)
装置用于表面显微手术，并取得了一些成功
。
一种方法使用压电
(piezo)
悬臂谐振器在目标上精确地引导聚焦激光光斑
。
另一种方法使用传统的多芯光纤束以啁啾脉冲
(chirped pulse)
的形式传递光能，然后通过波前整形重新聚焦脉冲以实现消融
。
这两种方法虽然对表面显微手术有用，但与装置尺寸相比只能处理较小的视场，因此与动脉粥样硬化切除术不兼容
。
[0007]尽管超短脉冲消融具有优势，但由于缺乏在体内传递和控制高能飞秒脉冲的手段，基于飞秒的动脉粥样硬化切除术一直未能实现
。

技术实现思路

[0008]用于微创手术的飞秒激光器装置包括超快
(
飞秒或低于
100
皮秒
)
脉冲光源，该光源与能够传输飞秒或皮秒脉冲的柔性光纤联接
。
光纤将光输送到体内的手术位置
。
一实施方案包括用于光纤的端帽，该光纤将飞秒光从激光器传输到手术位置
(
图
1)。
光纤部件和端帽能够处理在聚焦区域上实现至少
1.5TW/cm2的目标峰值功率密度所需的脉冲能量和持续时间，以确保有机和无机物质的消融
。
为了应对操纵飞秒脉冲的部件的光学击穿损坏阈值
的挑战，一实施方案包括内部自由空间，以允许从光纤传播的激光光束发散
。
发散距离由光纤的数值孔径
(numerical aperture)
决定
。
将该距离选择为使得入射激光光束填充位于光路上的聚焦光学器件的后孔且不超过这些部件的损坏阈值
。
然后使用聚焦光学器件来获得适于消融目标物质的更高强度的聚焦区域
。
多种聚焦光学器件
(
包括折射
、
反射
、
衍射或其组合
)
可用于实现为特定应用定制的聚焦形状，例如为特定应用定制的线状
、
螺旋状或点云状或任意图案
。
这些形状可以通过光聚焦光学元件中的一个或组合来实现，所述光聚焦光学元件例如：柱面或非球面透镜
、
曲面反射镜
、
衍射光栅
、
全息衍射光栅
、
相位掩模或光学元表面
(meta surface)。
这些聚焦光学器件固定在位于密封外壳中的致动器上
。
独立于外壳或通过整个装置的旋转，致动器通过光学部件的平移或旋转使一个或多个光学元件相对于输出光束移动
。
这允许高强度聚焦的飞秒脉冲被传递到手术部位并被控制以实现消融强度
。
该设计还可防止损坏光学器件，并保持内部部件与外部环境之间的隔离
(
图
2)。
附图说明
[0009]图1描绘了利用飞秒装置传输和控制飞秒脉冲的系统，用于动脉粥样硬化切除术和其他内部手术应用
。
[0010]图2描绘了用于传输和控制飞秒脉冲的飞秒装置的一般工作原理
。
[0011]图3描绘了用于动脉粥样硬化切除术和其他内部手术应用的装置和支撑元件的部件和设计的高层次概述
。
[0012]图4描绘了用于动脉粥样硬化切除术和其他内部手术应用的第一实施方案的部件，其产生用于消融的面向前的光片
(forward
‑
facing light sheet)。
[0013]图5描绘了第一实施方案中的光传播和面向前的光片的控制
。
[0014]图6描绘了通过产生侧向光片
(lateral light sheet)
而用于动脉粥样硬化切除术和其他内部手术应用的第二实施方案的部件
。
[0015]图7描绘了第二实施方案中的侧向光片的光传播和控制
。
[0016]图8描绘了第一实施方案
、
第二实施方案和第四实施方案在动脉粥样硬化切除术和相关手术操作中的潜在应用
。
具体实施方式
[0017]在一个实施方案中，系统包括：超快激光器，配置为产生小于
100
皮秒的光脉冲；光纤，配置为传输来自超快激光器的光脉冲；包括一个或多个光学元件的光纤端帽装置，配置为降低且然后升高来自光纤的光脉冲的强度，并从光纤的光脉冲产生任意光学图案
。
所述一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.
一种系统，包括：激光器，配置为产生低于
100
皮秒的光脉冲；光纤，配置为传输来自所述激光器的光脉冲；光纤端帽装置，包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件配置为使来自所述光纤的光脉冲的强度降低然后升高，并由所述光纤的光脉冲产生任意光学图案；其中所述一个或多个光学元件配置为将来自所述光纤的入射光束聚焦至大于
10
12
W/cm2的峰值功率密度
。2.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤端帽装置的直径小于
7mm。3.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学元件配置为产生光学图案，所述光学图案是线状
、
螺旋状或点云状
。4.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤端帽装置包括间隔物，所述间隔物配置为在所述光纤输出的光束由所述光学元件聚焦之前，允许所述光束发散至低于光学损坏阈值的峰值功率密度
。5.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述光纤端帽装置还包括致动器，所述致动器配置为通过使所述光学元件或所述光纤端帽装置围绕中心轴线旋转来使最终消融图案旋转或平移
。6.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学元件包括：第一透镜，配置为将入射光束聚焦到第一方向的线上；以及第二透镜，配置为使所述光束在垂直于所述第一方向的第二方向上扩展
。7.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学元件包括：透明光学柱；以及反射镜，与所述透明光学柱对角线相交，配置为使入射光束在垂直方向上通过所述透明光学柱反射
。8.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学元件包括：透明光学柱；分束器，配置为使所述入射光束的一部分通过所述透明光学柱反射；以及一个或多个透镜，配置为将所述入射光束的非反射部分聚焦并扩展成面向前的光片
。9.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学元件还包括：透明光学柱；以及能够电切换的半透半反射式镜，配置为在使所述入射光束通过所述透明光学柱反射和使所述入射光束通过一个或多个透镜聚焦之间切换，所述一个或多个透镜配置为将所述入射光束聚焦成面向前的光片
。10.
根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个光学元件嵌入在柔性中空外壳的侧面中，所述外壳包括中心腔，所述中心腔配置为用于捕获异物
。11.
一种使用飞秒激光消融装置来执行激光消融术的方法，所述方法包括：将光纤和消融装置插入到血管中；通过飞秒激光器产生多个光脉冲，所述光脉冲小于
100
皮秒且脉冲能量在
10
‑7J
和
10
‑2J
之间；其中所述消融装置包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件配置为将入射
光束聚焦至大于
10
12
W/cm2的峰值功率密度；并且将激光消融装置的输出聚焦到所述血管中的消融部位上
。12.
根据权利要求
11
所述的方法，其中，所述消融装置包括间隔物，所述间隔物配置为在所述光纤输出的光束由聚焦光学器件聚焦之前，使所述光束发散至低于
10
12
W/cm2的峰值功率密度
。13.
根据权利要求
11
所述的方法，其中，所述一个或多个光学元件包括：第一透镜，配置为将入射光束聚焦到第一方向上的线上；以及第二透镜，配置为使所述光束在垂直于所述第一方向的第二方向上扩展
。14.
根据权利要求
11

【专利技术属性】
技术研发人员：V，
申请(专利权)人：冲绳科学技术大学院大学，
类型：发明
国别省市：