激光手术刀的制作方法

专利名称：激光手术刀的制作方法
技术领域：
本发明涉及医学、生物等领域，特别是一种用于医学、生物等领域的 激光手术刀。
背景技术：
激光光波照射生物组织可产生光致脱落、光致凝固和光致汽化等效应， 有关原理已被用于制作具有不同功能的激光手术刀。由于激光手术具有传 统手术目前尚无法达到的许多优势，激光手术刀的需求量与日倶增、功能 品种越来越专业化。由于各种不同的手术，尤其是各种不同的内腔镜手术 需要具有不同特定功能的激光手术刀头，由此发明创造了许多新的激光手 术刀技术。
实际操作中， 一般采用激光器和手术刀头分离的工作方式，通过两者 各种不同参数的配合满足不同的手术需要。在影响手术刀头功能和效率的 各种参数中，光学参数特别是光束参数，如光束对称轴的空间角度、波面 形状与焦距等直接决定了手术部位的空间光功率密度分布。而对于被光束 照射的特定生物组织上的某点而言，所产生的光致效应是切开、凝固、汽 化或者上述不同效应的组合，在很大程度上直接取决于该点的光功率密度。 在激光器输出功率确定的前提下，选择具有特定光束(对称轴)发射角度、 波面形状与焦距组合的手术刀头，实际上就是选择了特定空间方位、特定 形状(如点状、柱状、线状、面状等)和功率密度的汇聚或者发散光斑， 从而直接决定了手术刀头的功能、效率和操作便利性。
现有激光手术装置大多采用能量传送光纤将激光器发出的光能传送到 手术部位。由于光纤参数不同，光纤端面的输出光束可呈现不同的空间强 度分布。常见的能量光纤横截面多为圆形，在该截面上折射率呈双层、均 匀、同心圆状分布，由光纤出射端面上发出光束的强度分布关于光纤中心 轴呈对称的喇叭状、或者截去顶端的圆锥状空间分布。刀头设计的目的在 于改变光束关于中心对称轴的空间扩展角度(可以光纤轴心在发射端面上 的延长线为参照，用光锥的最大扩展半锥角表示)、光束横截面的形状(垂 直于光纤中心轴或者其延长线的截面，可呈圓锥、椭圓锥等)和焦距(使
其往不同的距离汇聚或者发散),从而控制出射光束在需要手术的空间方位 和区域产生需要的能量密度分布。
尽管从原理上看，采用微光学器件实施光纤光束变换并非难事。但是， 手术特别是内腔镜手术的某些特定功能以及较为苛刻的环境条件，对于刀
头制作技术提出了严格的要求。现有刀头制作技术存在如下不足
1 )现有技术， 一般通过将光纤加工成一定的形状或者采用球面透镜或 者面镜等方法实现光束发射角度和面形、焦距变换，存在结构复杂、功率 损耗大等问题。更为严重的是，现有技术大多只能造成光束发散而难以取 得光束汇聚。为了取得手术必要的汽化等效果，不得不加大激光器功率， 直接导致激光器成本提高、刀头热损伤隐患加大、刀头散热困难等一系列 问题。由于内腔镜结构对于手术刀尺寸的限制，以及高功率、高热、高湿 等条件制约，不宜采用较为复杂的刀头光学结构。另外，为了减少交叉感 染机会，手术刀头一般一次性使用，不宜采用高复杂度、高成本的光束变 换方案。故亟需比现有技术更为高效、简单、可靠、低成本的光束变换方 案。
2 )迄今为止，未发现可变换侧向或者前后侧向发射光束参数的激光手 术刀商品。尽管个别专利，如EP 0 372 362 A2涉及到光束焦距改变，即通 过将光纤拉制成圓锥形、或者在光纤末端增加球面透镜、或者将光纤末端 制作成球状透镜等达到改变光束焦距的目的，但是其结构仅适用于轴向发 射(垂直于光纤中心轴的光束截面呈点状或者园斑状)的轴对称光束分布， 不适用于侧向发射和非轴对称(垂直于光纤轴的光束截面呈线状或者椭圓 斑状)光束。另有个别专利，如US 5,366,456涉及到前侧向或者后侧向光 束焦距改变，即通过在光纤正前方增加特定球对称形状的反射镜改变发射 光束的焦距，但是其作用主要在于沿着光纤轴心的轴向，而不在于垂直于 轴心的侧向，且所采用的反射面镜为球形，只能变换关于光纤中心轴对称 的波面发散度或者焦距，无法将其变换成其它形状，例如与光纤轴心平行 或者呈一定角度的非轴对称的线状或者椭圆柱状光束。
3)现有技术激光手术刀头的光学面容易受到不同程度的接触性污染以 及与接触性污染相关的刀头热损伤。由于光致凝固作用，如果手术刀头存 在一个或者多个可能与被照射生物组织相接触的光学表面，如光纤端面、 保护窗口、反射或聚光镜表面等，则被照射的生物组织极容易粘连在与其接触的光学表面上。这些污染物除了会直接遮挡发射光束，造成发光功率 损失外，如果污染物上积聚的热量得不到及时散发，可导致光学面甚至整 个刀头温度骤升，造成光学薄膜或者光学面本身材料的热损伤或者应力损
伤，最终导致手术刀头失效。尽管个别专利，如US 5,366,456，所采用的 中间镂空带散热孔的刀头结构，可同时减少光学表面与生物组织接触的机 会。但是，由于该专利涉及的刀头结构复杂，不容易制成可满足内窥镜手 术的微小尺寸。
4 )现有刀头的散热技术存在不同程度的刀头热损伤隐患。除了上面所 述的镜面光学面污染外，手术操作本身如汽化等所产生的热量如果散发不 当，足以导致整个刀头温度骤变，所产生的巨大应力可导致刀头变形、零 部件爆裂、脱胶等，最终可导致刀头失效，甚至造成意外事故。尽管部分 专利如US 5,366,456，甚至设计了可变孔径的散热通道，但由于刀头整体 结构复杂，不容易小型化，该结构对于内腔镜手术刀头散热方面的实用性 难以预期。

发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供一种可控制光束发射角度、 面形与焦距的激光手术刀。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是其包括刀头，所述的刀 头包括刀头主体，能量传送光纤以及光束发射角度控制单元，所述的刀头 主体用于支撑该能量传送光纤以及光束发射角度控制单元，所述的能量传 送光纤包括发射端面，所迷的光束发射角度控制单元包括光纤尾纤，尾纤 发射端面以及反射面镜，所述的反射面镜与该发射端面相对设置并成一定 角度，所述的反射面镜或者尾纤发射端面的表面中至少一表面上设置有三 维微纳结构。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的光纤尾纤以及尾纤发射 端面是沿轴向将纤芯和包层加工成一定角度与直径分布的。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的反射面镜包括一个平面 或者曲面镜单独或者与透镜或者其它反射镜组合，所述的面镜可以为平面， 曲面，球面或者椭3求面。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的三维微纳结构是呈周期性分布的栅状沟槽结构。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的栅状沟槽结构包括中心 沟槽和侧沟槽，所述的中心沟槽位于能量传送光纤的对称轴上且贯穿整个 栅状沟槽结构，所述的侧沟槽位于该中心沟槽的两侧且关于中心沟槽呈对 称分布。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的三维微纳结构的厚度为 激光波长的0. 1至IO倍，所述的侧沟槽的深度为激光波长的0. 1至10倍。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的三维微纳结构是圆形或 者椭圆形的。
本发明解决进一步技术问题的方案是将位于光束发射路径上的刀头 主体和其他光学结构镂空，使得发射光束覆盖范围内不存在可与生物组织 直接接触的光学或者结构表面。
本发明解决进一步技术问题的方案是该激光手术刀的其他部分应尽 可能镂空，并尽量保证镂空部位和光学面一同构成流线型。
本发明解决进一步技术问题的方案是其中该刀头主体均采用不锈钢 材料或者陶瓷材料。
本发明解决进一步技术问题的方案是所述的发射端面的末端结构加 工成圆锥台面、椭圆形斜切面、椭圓锥形切面或者半球面之一
相较于现有技术，本发明的激光手术刀通过在刀头的能量传送光纤的 端面上，或者在位于能量传送光纤对称轴沿线上的具有一定角度和曲面面 型的光束发射角度控制单元的反射面镜或者尾纤发射端面上，加工具有一 定表面形状和深度的三维微纳结构，如栅状沟槽结构。这种具有微纳尺度 的三维结构与入射光束相互作用，理论上不仅可将入射光束定向发射到空 间任意方向，而且其衍射光斑的大小或者其发射光束的空间发散角、或者 其发射光束的焦距，及其发射光束的横截面形状可完全由该三维微纳结构 控制，而不必另外增加其它光学器件。


图l是本发明的激光手术刀的结构示意图。
图2是本发明的激光手术刀的另一结构示意图。
图3a至图3d是本发明的激光手术刀的三维微纳结构的形状及效果结 构图。
图4是本发明的激光手术刀的三维微纳结构的另一种形状及效果结构图。
具体实施例方式
本发明的激光手术刀包括刀头，图l是本发明的激光手术刀的刀头光 学总体结构图，该刀头包括支撑结构ll,刀头主体12,聚焦整形器件13， 光缆内层包裹材料14，能量传送光纤15,光缆外层保护套16以及光束发 射角度控制单元17。所述的能量传送光纤15包括发射端面。所述的光束 发射角度控制单元17包括沿轴向将纤芯和包层加工成一定角度与直径分 布的光纤尾纤、尾纤发射端面以及反射面镜，所述的尾纤发射端面、反射 面镜的表面上设置具有三维微纳结构的光学或者金属薄膜。所述的反射面 镜与该发射端面成一定角度相对设置。
该反射面镜包括一个平面或者曲面反射镜单独或者与透镜或者其它反 射镜组合，所述的反射镜可以为平面，曲面，^求面或者椭球面。
其中能量传送光纤15发射主要用于将激光器发出的激光光束传导至 该刀头，能量传送光纤15的末端可以加工成垂直于光纤纤心对称轴的平 面。
所述的刀头主体12用于固定支撑结构11，能量传送光纤15,聚焦整 形器件13以及光束发射角度控制单元17。同时，出于散热考虑，该刀头 主体12的结构与材料应尽量避免产生光学面污染及其相关热损伤，并应可 完成整个刀头所需要的导热、散热功能。
聚焦整形器件13与能量传送光纤15配合，完成光束整形与聚焦功能。 所述的聚焦整形器件13上设置有具有三维微纳结构的金属薄膜(未标示)， 其结构与功能示意图详见图3a至图3d。聚焦整形器件13的功能在于通过 其表面具有特定微纳结构的金属薄膜将来自光纤的锥筒状激光光束聚焦与 面形变换等，使之以手术所需要的波面形状与焦距汇集到空间特定方位与 范围。
图1中，光束发射角度控制单元17主要用于与位于能量传送光纤15 表面的具有微纳结构的金属薄膜配合，进一步完成光束发射角度控制。该 光束发射角度控制单元17包括一个平面或者曲面反射镜单独或者与透镜 或者其它反射镜组合，其功能在于通过将来自光纤的锥筒状激光光束进行 反射、折射等，使之以手术所需要的(光束对称轴)角度汇集到空间特定 方位。
显然，图1中聚焦整形器件13和光束发射角度控制单元17除了完成 所需要的光束变换功能外，器件本身及其支撑结构的材料应当能够承受得 起手术过程当中产生的高温、高湿以及较为剧烈的温度与应力变化等。
所述的具有三维微纳结构的金属薄膜也可以设置在光束发射角度控制 单元17的表面，用于对能量传送光纤发出的激光进行控制，使得激光的出 光角度达到需要。
当然，为了满足实际手术中的需要，所述的三维微纳结构可以同时设 置在能量传送光纤的端面上和光束发射角度控制单元的反射面上，其原理 及工作的过程与上面的描述相似。
本发明的激光手术刀通过在刀头的能量传送光纤的端面上，或者在位 于能量传送光纤对称轴沿线上的具有一定角度和曲面面型的光束发射角度 控制单元上，加工具有一定表面形状和深度的三维微纳结构，如栅状沟槽 结构。这种具有微纳尺度的三维结构与入射光束相互作用，理论上不仅可 将入射光束定向衍射到空间任意方向，而且其4汙射光斑的大小或者其发射 光束的空间发散角、或者其发射光束的焦距，及其发射光束的横截面形状 可完全由该三维^l纳结构控制，而不必另外增加其它光学器件。
上述激光手术刀的三维微纳结构可采取两种具体实现方法
第一种方法，将能量传送光纤加工成垂直于光纤对称轴心的端面，在 端面上加工具有一定三维结构的金属薄膜，采用不同的三维结构，可使得 发射光束具有不同的面形、焦距与空间分布，甚至可产生超越书f射理论预 期的衍射光束分布，即经过微纳尺度三维结构作用的光束没有传统衍射理 论所预期的衍射旁瓣，发射光束角度集中。举例说明，采用图3a、图3b 和图M所示的位于光纤表面的三维微纳结构，可使发出的光束横截面分布 如图3c所示。其中，所述的具有三维微纳结构的金属薄膜31的厚度与手 术所采用的激光波长相当(例如，波长的0. l-10倍)，其下表面34与能 量传送光纤的上表面重合，其材料为金属，如金。该金属薄膜31的上表面 上的三维微纳结构是呈周期性分布的栅状沟槽结构，其中位于光纤对称轴 上的一条中心沟槽32贯穿整个该金属薄膜31,其它沟槽33位于该中心沟 槽32的左右，该沟槽33的深度约等于激光波长的0. 1-10倍，左右两边的
沟槽33关于中心沟槽32呈对称分布。所谓的栅状沟槽呈周期性分布，是 指从位于该金属薄膜31上表面的沟槽37与38之间的垂直距离等于沟槽 38与39之间的垂直距离。所述的栅状沟槽的周期可以做到激光波长的十 分之一，形成超衍射。在微纳光学加工领域，上述结构的设计参数可依据 该领域的公知理论和计算方法获得，有关结构的加工可采用压印光刻等主 要工艺、流程实现。
所述的三维微纳结构是也可以是圓形或者椭圆形，如图4所示。
第二种方法，将能量传送光纤的末端可以加工成一定的光学结构，以 便配合光纤延长线上设置的光束发射角度控制单元以及位于该单元表面的 具有^(敫纳尺度的三维结构，产生所需要的光束面形、焦距等。举例说明， 能量传送光纤的末端结构可以加工成圆锥台面、椭圓形斜切面、椭圆锥形 切面、半球面等。上述不同的光纤末端结构，完成发射光束的初步整形、 聚焦与发射角度调整。借助于反射面镜表面具有三维结构的金属薄膜，可 使得发射光束获得进一步整形、焦距与发射角度控制，同样可产生超越衍 射理论预期的衍射光束分布。其效果不再一一赘述。同样，在微纳光学加 工领域，上述结构的设计参数可依据该领域的爿>知理论和计算方法获得； 有关结构的加工可采用压印光刻等工艺、流程实现。
上述两种方法各有特点。第一种方法，优点在于刀头整体结构简单， 光束能量集中。但是因为需要在光纤端面上加工维纳结构，需要采用专门 的光纤端面维纳加工设备和工艺，有关技术为本领域的公知技术。第二种 方法，刀头结构较第一种方法稍微复杂，但是在反射镜面加工维纳结构相 对于光纤端面稍微容易，有关技术也为本领域的公知技术。第二种方法用 稍微复杂的结构，获得了较大的光束尺寸、多变的发射角度和光束形状。
将位于光束发射路径上的刀头主体和光学结构镂空，使得发射光束覆 盖范围内不存在可与生物组织直接接触的光学或者结构表面，从根本避免 了生物组织在光学表面上的光致凝结。
镂空部位的另一个好处是便于水\汽化物\热量通过内腔镜预留孔道导 出手术部位，因此在保证结构强度的前提下，除了光学面外，其他部分应尽 可能镂空，并尽量保证镂空部位和光学面一同构成流线型。
鉴于刀头光学部分采用两种不同的方法来实现光束整形与聚焦方法， 故本部分设计需要与其配合，具体描述如下
首先，无论采用那种光学整形方法，刀头主体均可采用现有商品镜面 不锈钢毛细管加工获得。
其次，由于采用两种不同的光学整形方法，所产生的光束空间分布有
所不同，故结构镂空需要兼顾两者。镂空设计原则为无论何种情况，发
射光束覆盖范围内均不存在可与生物组织直接接触的光学或者结构表面。 换言之，如果存在可能对于光束造成遮挡的表面，无论光学表面还是不锈 钢表面，均应镂空处理。
另外，在满足上述要求的同时，应尽量使得整个刀头结构具有足够的 支撑强度，以便保证对于有关光学零部件的支撑在高温、高湿、高应力变 化等条件下稳定、可靠、安全。除此而外，整个刀头结构的设机，应该便 于整个刀头装置容易穿过现有内腔镜或者内窥镜的预留孔洞，便于透过内
前后移动、转动等操作，并便于预留与内腔镜预留水流通道等配合。
刀头主体12均可采用不锈钢材料或者陶瓷材料，光束发射角度控制单 元均可采用不锈钢或者石英材料。上述材料的热膨胀系数^f氐，热传导和热 辐射性能佳，经得起手术过程产生的高热、高湿和高应力变化冲击。
刀头主体的部分非光学表面区域适当镂空，以便形成可供水流经过的 散热通道，走手术过程所产生的热量。上述水流可由位于内腔镜或者内窥 镜的导流孔发出并回收， 一个位于刀头以外的水泵可用于产生一定流速的 水流。
明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通4支术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以估夂出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种激光手术刀，其包括刀头，所述的刀头包括刀头主体，能量传送光纤以及光束发射角度控制单元，所述的刀头主体用于支撑该能量传送光纤以及光束发射角度控制单元，所述的能量传送光纤包括发射端面，所述的光束发射角度控制单元包括光纤尾纤，尾纤发射端面以及反射面镜，所述的反射面镜与该发射端面相对设置并成一定角度，其特征在于所述的反射面镜或者尾纤发射端面的表面中至少一表面上设置有三维微纳结构。
2. 根据权利要求l所述的激光手术刀，其特征在于所述的光纤尾纤 以及尾纤发射端面是沿轴向将纤芯和包层加工成一定角度与直径分布的。
3. 根据权利要求1所述的激光手术刀，其特征在于所述的反射面镜 包括一个平面或者曲面镜单独或者与透镜或者其它反射镜组合，所述的面 镜可以为平面，曲面，球面或者椭〗求面。
4. 根据权利要求1所述的激光手术刀，其特征在于所述的三维微纳 结构是呈周期性分布的栅状沟槽结构。
5. 根据权利要求4所述的激光手术刀，其特征在于所述的栅状沟槽 结构包括中心沟槽和侧沟槽，所述的中心沟槽位于能量传送光纤的对称轴 上且贯穿整个栅状沟槽结构，所述的侧沟槽位于该中心沟槽的两侧且关于 中心沟槽呈对称分布。
6. 根据权利要求5所述的激光手术刀，其特征在于所述的三维微纳 结构的厚度为激光波长的0. 1至IO倍，所述的侧沟槽的深度为激光波长的 0. 1至10倍。
7. 根据权利要求4所述的激光手术刀，其特征在于所述的三维微纳 结构是圆形或者椭圆形的。
8. 根据权利要求l所述的激光手术刀，其特征在于将位于光束发射 路径上的刀头主体和其他光学结构镂空，使得发射光束覆盖范围内不存在 可与生物组织直接接触的光学或者结构表面。
9. 根振权利要求8所述的激光手术刀，其特征在于该激光手术刀的 其他部分应尽可能镂空，并尽量保证镂空部位和光学面一同构成流线型。
10. 根据权利要求1所述的激光手术刀，其特征在于其中该刀头主 体均采用不锈钢材料或者陶瓷材料。
11. 根据权利要求1所述的激光手术刀，其特征在于所述的发射端 面的末端结构加工成圓锥台面、椭圆形斜切面、椭圆锥形切面或者半球面 之一。
全文摘要
本发明提供一种激光手术刀，其包括刀头，所述的刀头包括刀头主体，能量传送光纤以及光束发射角度控制单元，所述的刀头主体用于支撑该能量传送光纤以及光束发射角度控制单元，所述的能量传送光纤包括发射端面，所述的光束发射角度控制单元包括光纤尾纤，尾纤发射端面以及反射面镜，所述的反射面镜与该发射端面相对设置并成一定角度，所述的反射面镜或者尾纤发射端面的表面中至少一表面上设置有三维微纳结构。
文档编号A61B18/20GK101194857SQ20071012556
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者马君显 申请人:马君显