一种基于稳定环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法

1.本发明涉及激光医疗技术领域，具体涉及一种基于稳定环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法。


背景技术：

2.牙齿和骨头是人体的重要组成部分，在日常的牙科和外科治疗中，通常需要对这些坚硬的组织进行处理。如在牙科中的龋齿治疗、牙周炎治疗和去除牙石等，在一些外科手术中需对一些骨组织进行切割。而在这些处理过程中，电钻、电锯等是一种常用的手术器具，但电钻、电锯等传统手术器械都存在一些严重缺陷，如操作过程中切削组织时引起的噪声、振动和疼痛；以及磨削时产生较大的压力和热量；操作不灵活，费时较多，操作者体力消耗较大等。这些缺陷都让患者望而止步，但这也促进了各种新型器械的发展及应用，特别是激光消融在牙科和骨外科中的应用。
3.因为激光光束可以通过光学器件、电子技术和计算机进行精确定位和控制，因此可以实现高精度的消融。一方面，激光光束可以耦合到光导纤维导入体内各器官病变处，将创伤治疗变为无创或微创治疗。另一方面，在激光手术过程中，手术视野不会出现震动、骨屑飞溅和手术金属器械的磨损等现象。此外，某些波长激光还可以实现无菌、少血甚至无血手术，保证手术视野干净、清晰，缩短手术时间，减少病人痛苦等。激光消融技术的上述优点能很好的弥补传统手术器械的不足，并表现出许多独特性能。
4.激光器的种类繁多，其中能应用于牙科和骨外科治疗的激光器包含了：波长1.064μm的nd:yag激光、波长2.78μm的er,cr:ysgg激光器、波长2.94μm的er:yag激光器以及9.3um、9.6μm、10.3um、10.6μm的co2激光器。其中er:yag、er,cr:ysgg和co2等激光消融时，生物硬组织中羟基磷灰石和水对激光具有较高的吸收系数，这意味着采用水介导进行冷却过程中，水对激光的吸收大大削弱了激光的消融作用。因此如何实现高效消融的同时有效冷却是激光消融硬组织的需解决的关键性问题。因此对于喷水冷却辅助激光在牙科与外科骨切割方面的应用需解决的关键性问题是：如何降低激光被水吸收保证高的消融效率，同时保证有效的冷却。
5.因为水介导激光消融过程中，虽然水流冲击消融部位能加快对流散热使消融区域在短时间内迅速冷却，使其具有低热损伤、微裂纹少及表面碎屑少等特点。但是现有的水介导激光消融过程中也存在一些显著缺陷，如在消融过程中，激光光束从激光器出光口到组织表面暴露在自由空间的光程过长，容易造成光束聚焦过程中的非稳定性；而且水射流冲击组织表面会造成反弹、飞溅形成水雾或小水珠，形成的液滴不仅吸收大量的激光能量，还会使激光束产生偏折、散射，降低激光能量的利用率；此外，随着消融深度增加，现有的水喷雾和水膜层不能很好的作用于切口的内部，这就导致后续的消融因缺乏水而发生严重热损伤和因碎屑屏蔽引起消融效率降低。


技术实现要素：

6.本发明的目的是设计一种基于稳定环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法。本发明包含两种不同的喷嘴结构，且都能生成稳定空心环形水束。具体为控制器控制激光器出光后，利用光束变换系统将光束耦合到传输光纤中，通过传输光纤将激光束传输到手机端，也可以使用导光臂直接传输到喷嘴内的聚焦透镜上。第一种结构如图6，通过反射镜将激光束反射到聚焦透镜上，然后通过聚焦透镜聚焦耦合到空芯石英波导光纤中，利用空芯石英波导光纤空芯的特性，在传输激光的同时利用其空芯向下输送低压气体。通过喷嘴的独特结构、凸出的空芯石英波导光纤和空芯波导输送的气体三者共同作用在喷嘴处形成中心通气且具有一定稳定长度的空心环形水束。第二种结构如图7，激光束经聚焦透镜聚焦后在气腔中向下传输，利用喷嘴气腔壁的凸起结构和液腔壁形成环形间隙使液体通过，同时在气腔壁内的低压气体的作用下，最终形成一定稳定长度的空心环形水束。激光束从空芯波导中（或气腔）出来后在环形水束内部的空气中低损耗传输，然后直接作用于生物硬组织表面实现高效消融。同时周围的环形水束不断冲刷生物硬组织表面去除熔融碎屑和稀松组织防止碎屑屏蔽效应，同时带走多余温度达到高效冷却防止热损伤，从而同时实现高效消融和冷却。其中在光束变换传输的过程中，光路在壳体内所设计的光学元器件和光纤中进行传输，这降低了光束在自由空间传输光程过长而导致的非稳定性；随后光束经过通过反射镜将激光束反射到聚焦透镜上，然后通过聚焦透镜聚焦耦合到空芯石英波导光纤（或通过聚焦透镜聚焦在气腔中传输）再通过稳定环形水束作用于生物硬组织表面。一方面，减少了光束在空气的自由空间传输光程；更为重要的是，激光束通过环形水束内部的气体传输不仅减少了水射流冲击使液体溅射对光路传输造成的干扰，而且内部低压吹气，可以大大减缓消融区域水雾对激光能量的吸收，提高了激光束的能量利用率；同时连续的环形水束不断地冲击生物硬组织消融表面可带走附于弹坑内壁的组织细屑和稀松组织，实现增强消融效果。此外，随着激光消融深度增加，水束依然能有效冲洗消融切口内部提高消融效率，并能够改善生物硬组织消融的质量。
7.本发明的另一目的是基于上述稳定环形水束的激光消融设计的激光消融系统。本发明设计的一种基于空心环形水束的消融系统包括显示器、控制器、激光器、光束传输系统、气液供给系统和废液回收系统。其中显示器、控制器、激光器、光束变换系统、气液供给系统全部安装在机器内部，第一种结构的光束传输系统包含光束变换系统、传输光纤、反射镜、聚焦透镜和空芯石英波导光纤。第二种结构的光束传输系统包含光束变换系统、导光臂、聚焦透镜。考虑到本发明用于医疗领域，为防止感染，溶液在使用后按医疗标准做安全处理，故供液系统与废液回收系统分离。同时考虑到操作性，将操作部分设计成手机的形式，光束通过光束传输系统或者导光臂传输，最后作用于生物硬组织。
8.所述光束变换系统、传输光纤的入光端及出光端、反射镜、聚焦透镜、空芯石英波导光纤均安装及固定在相应的保护壳体内。第一种结构的传输光纤出光经反射镜反射后要求光束能很好的通过聚焦透镜耦合到空芯石英波导光纤中。所述空芯石英波导光纤直径500μm~1500μm，空芯石英波导光纤下尖端与液腔喷嘴距离1~3mm，与生物硬组织表面距离为3~5mm。第二种结构要求聚焦后的激光束要能通过喷嘴气腔内孔而不损伤喷嘴且焦点距离喷嘴最下端3~5mm，这需要根据所使用的喷嘴气腔内径和生物硬组织作用点的距离选择合适的焦距。液压供给系统采用低压泵，供水压力为1~5bar。激光可采用er：yag激光器、er,
cr:ysgg激光器、nd：yag激光器和co2激光器，激光功率为15~200w，单脉冲能量为100~2000mj，脉宽为50ns~50ms，根据需要自行调整。本发明有益效果与现有的水介导消融技术相比，本发明一种基于稳定环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法的优点为：激光发射器所产生的激光在保护壳体内通过光束传输系统进行传输，随后反射镜反射到聚焦透镜上，然后通过聚焦透镜聚焦耦合到空芯石英波导光纤（或结构二直接聚焦透镜聚焦）再通过环形水束作用于生物硬组织。本发明一方面，减少了光束在空气的自由空间传输的光程；另一方面，光束通过环形水束内部传输不仅减少了水射流冲击使液体溅射等外部因素对光路传输造成的干扰，而且内部低压吹气，可以大大减少消融区域水雾干扰，提高了激光束的能量利用率；此外，借助同轴水束的冲击冷却作用进行生物硬组织中残渣的进一步去除及冷却，并且随着激光消融深度增加，水束依然能有效冲洗消融切口内部提高消融效率，并能够改善生物硬组织消融的质量。
附图说明
9.图1为本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法整体结构示意图；图2为本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法中a区域对应供气系统示意图；图3为本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法中b区域对应供液系统示意图；图4为本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法中c区域对应光束变换系统示意图；图5为本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法中d区域对应废液回收系统示意图；图6为本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法中e区域对应第一种结构的空芯波导手机剖面示意图；图7为本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法中e区域对应第二种结构的聚焦透镜手机剖面示意图；图内标号为：1、显示器，2、激光器，3、控制器，4、空气压缩机，5、供水箱，6、过滤网，7、水泵，8、调压阀，9、进水管，10、进气管，11、传输光纤，12、凸透镜，13、平凸透镜，14、凹透镜，15、光纤、气管及水管保护层，16、手机，17、空心环形水束，18、生物硬组织，19、固定装置，20、回水槽，21、过滤网，22、工作台，23、废液池，24、手柄外壳，25、传导光纤出光端固定装置，26、反射镜安装及气腔密封块，27、反射镜，28、聚焦凸透镜，29、气腔，30、空芯石英波导光纤，31、压紧法兰盘，32、空芯波导固定橡胶块，33、气腔外壳，34、液腔，35、液腔外壳，36、入射激光，37、聚焦透镜固定块，38、喷嘴气腔壁，39、聚焦透镜，40、光学垫圈，41、内部气腔，42、气体入口接口，43、聚焦后的激光束，44、液腔，45、液体入口接口，46、液腔壁，47、环形水束内部低压气体，48、稳定的环形水束。
具体实施方式
10.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
11.本一种基于空心环形水束的激光消融生物硬组织装置及方法实施例的整体结构示意图如图1所示：控制器3控制激光器2产生激光，激光光束经过光束变换系统c变换后耦合到传输光纤11的进光端；使用第一种结构如图6时，光束从传输光纤11的出光端通过反射镜27反射后通过聚焦透镜28耦合到空芯石英波导光纤30中，然后通过稳定环形水束17作用于生物硬组织18。使用第二种结构如图7时，光束通过聚焦透镜39后在气腔41中完成聚焦和传输，然后通过稳定环形水束48内部的低压空气47作用于生物硬组织表面18。其中生物硬组织18被固定在固定装置19上，而固定装置19安装在回水槽20上；消融过程中形成的碎屑、熔融物及环形水束冲击后的液体经过工作台22上的回水槽，再通过过滤网21流到废液池23中，废液池23的废液在完成治疗后按医疗标准做安全处理；本例中的供气系统a由空气压缩机4形成的稳定气流，然后通过封装于保护层16内的气管10传输，使用第一种结构如图6时，气管10尾端穿过手机外壳24内部与气腔外壳33的入气口相连，气体通过气腔29后进入空芯石英波导光纤30内部的空心向下吹出，通过气体与液腔35的喷嘴结构和空芯石英波导光纤30的共同作用使得水流在喷嘴处形成稳定环形水束17。使用第二种结构如图7时，气管10尾端通过手机内部与喷嘴气腔壁38的入气口42相连，气体通过气腔41后向下吹出，通过气体与液腔46喷嘴结构和气腔的喷嘴结构38的共同作用使得水流在喷嘴处形成空心的47稳定的环形水束48。
12.本例中可调压的高压供液系统b形成的稳定水流，通过密封于保护层15内的水管9传输，使用第一种结构如图6时，水管9末端通过手机外壳24内部与液腔外壳35的高压入水口相连，水流通过气腔外壳33和液腔外壳35形成内部的液腔34，而后水流通过液腔外壳35与空芯石英波导光纤30的外形以及气体的共同作用形成稳定环形水束17。使用第二种结构如图7时，水管9末端通过手机内部与液腔外壳46的高压入水口45相连，水流通过气腔外壳38和液腔外壳46形成内部的液腔44，而后水流通过气腔外壳38和液腔外壳46间的间隙及气体的共同作用形成稳定环形水束48。
13.本例中供液系统b安装水泵7和调压阀9，能实现变压调速；本例中液腔外壳35/46内部设有1个高压入水口，也可设置成2~6个周向均匀分布的入水口，以达到溢流后稳流的效果。
14.与现有的水介导消融技术相比，本发明一种基于稳定环形水束的激光消融生物硬组织的装置及方法的优点为：激光发射器所产生的激光在保护壳体内通过光束传输系统进行传输，随后耦合到空芯石英波导光纤或聚焦透镜再通过内部冲低压气体的空心环形水束作用于生物硬组织。一方面，光束在稳定环形水束内部气体中传输，不仅减少了水射流冲击使液体溅射等外部因素对光路传输能量的损失，另一方面，内部吹低压气体，避免生物组织消融局域水雾和消融残渣的影响，提高了激光束的能量利用率；此外，借助同轴稳定水束的冲击冷却作用，进行消融残渣的清除和高效冷却，并且随着激光消融深度增加，水束依然能有效冲洗消融切口内部提高消融效率，并能够改善生物硬组织消融的质量。
15.上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改
进等，均包含在本发明的保护范围之内。