激光发射探针及其制造方法

专利名称：激光发射探针及其制造方法
技术领域：
本发明是关于一个激光发射探针及其制做方法，该探针可用于切开动物机体的活组织，并使之汽化，或进行高温治疗。
诸如用激光辐射切开动物机体活组织的医疗方法近来因其止血能力而格外引入注目。传统的方法是将激光从光导纤维系统的前端辐射出来，而光导纤维系统并不和活组织接触。但这种方法会造成光导纤维系统前端的严重破坏。所以后来人们使用了如下方法激光在发射到光导纤维系统之后，首先被送入探针的发射器，探针或与活组织接触，或不与活组织接触(下面有时把“活组织”只表达为“组织”)然后把激光从探针表面辐射到组织上。
本发明者已开发了许多用于各种目的的接触式探针。

图11示出了一个实施方案，这个探针由兰宝石、石英等类物质组成。通常，探针表面光滑，没有表层，而且探针尖端为圆锥形。
参照图11，激光L借助于光导纤维51送入探针50，探针为细长的圆锥形，端部圆尖，外表面平滑。通过探针50的激光L经过内表面的反射和折射到达尖端，最后从尖端发射出来。
在这种情况下，激光L的功率密度及其分布在图11中分别用等高线H和曲线Pd示出。因此，激光显然是从探针50的尖端集中发射出来的。当凝结层C的厚度(浓度)T1增加时，激光并未有效地沿探针侧面辐射到组织上，因而沿探针侧面的切开效果和止血效果减弱了。结果在切开如肝脏之类的出血组织时，探针必须沿同一切入线一点一点地来回移动。因而，这样做外科手术非常辛苦，并必须十分小心。
对于这些情况，发明者发现了一种探针表面处理方法，即，使探针表面粗糙化来扩大激光辐射的有效区域，因为激光在粗糙表面上折射就会向各个方向发射。
尽管靠上面的方法能够扩大用上述方法进行的激光辐射的有效区域，但其效率还是不够。为了补偿沿探针侧面切开组织的低效率，就要提高激光发生器的输出功率。然而，高功率的激光会造成组织的严重损坏。因而这种探针不适合用于切开出血的内部器官。
发明者已针对这些缺陷作了大量研究，有如下发现。
在切开位置的侧面部分，切开效果由于探针表层形成覆有激光散射粒子的粗糙表面结构而得到增强。这是由于散射效果在探针表层及其外表面上借助于激光散射粒子而得到了增强的缘故。
参照图12，利用具有上述表层50a的探针50A，就可得到一个宽的激光辐射模型，这里凝结层的厚度T2减小了。因此，切开组织的侧面部分的切开效果就提高了。
然而，上述探针仍存在某些缺陷。第一个缺陷是关于止血。由于激光主要是从探针尘端发射出来，只是很少是从探针侧面发射出来的，因而在探针侧面部分，组织的凝结层并不那么厚。所以可想而知由凝结层厚度表现出来的止血效果被减弱了。如果在探针侧面部分邻近该薄凝结层的地方有一条血管，则易引起出血。
第二个缺陷是关于切开过程。当探针开始沿切开线移动时，探针尖端切开组织。所以，探针在组织的表面上移动要相对容易些。然而，探针的侧面部分在组织内移动尚有困难。换句话说，开始切开容易，而沿切开线继续下切就困难了。
另一个缺陷是难于知道组织被切开的深度。因为探针在组织表面极易移动。
另一方面，止血决不能从出血少的组织如皮肤、脂肪层等类似组织的切开情况来考虑。而为了补偿被切开组织的侧面部分切开效果的减弱，就需要有较高的激光功率。这会引起对组织的损坏，而且，这也需要一个功率高、造价昂贵的激光发生器。如果激光功率仍保持低能级，则探针移动必须很慢。因此，使用这种探针作外科手术不可能进行得很快。
本发明的第一个目的是提供这样一种激光发射探针，它具有较大的激光辐射有效区域并在被切开组织的侧面部分依靠组织的汽化而产生较高的切开效率和止血效率。
本发明的另一个目的是提供这样一种激光发射探针，它在切开出血少的组织时需要的激光能级较低。
本发明的又一个目的是提供这样一种激光发射探针，它在切开出血组织时能迅速移动，在切开出血少的组织时也能迅速移动。
本发明的再一个目的是提供一种在切开组织时容易操作的激光发射探针。
本发明还有一个目的是提供这种激光发射探针的制造方法。
本发明其他更进一步的目的、特征及优点将从下文的描述中更全面地展示出来。
本发明的特征是激光发射探针沿纵轴方向有一个基端、一个针体和一个尖端，激光照在基端，穿过针体，从尖端发射出来，探针的尖端覆有激光散射表面并在轴截面上弯成一定角度。
在本发明的一个较佳实施方案中，未弯曲部分的中心线和探针尖端弯曲部分外凸面切线的法线所成的角度大于探针材料对空气的临界角。
在本发明另一个较佳实施方案中，上述的弯曲尖端是锥形的。
在本发明又一个较佳实施方案中，探针涂覆有一层含有激光吸收粒子和激光散射粒子的表层，散射粒子的折射率大于探针材料的折射率，至少在弯曲部分到上述尖端端部的表面上如此。
在本发明再一个较佳实施方案中，表层包含所述两种粒子和一种由可透过激光的材料制成的粘合剂。
在本发明的另一个较佳实施方案中，使探针弯曲尖端部分的表面粗糙化，并在上述粗糙表面上形成所述表层。
在本发明还有一个较佳实施方案中，上述弯曲尖端的外凸表面是在横截面上朝外侧弯曲的锥形。
本发明的激光发射探针的制造方法包括以下几个步骤(a)至少把可透光部件的尖端做成锥形，(b)把上述可透光部件的尖端在轴截面上弯曲成一定角度，(c)使上述可透光部件和一种至少包括所述两种粒子和可透光粒子的悬浮液相接触，可透光粒子的熔点等于或低于部件的熔点，(d)在一定温度下烘烤上述带有悬浮液的部件，这个温度高于上述可透光粒子的熔点而又在能使可透光部件保持原形状的限度内，图1是关于本发明探针和支撑部件结构的轴向剖视图;
图2和图3是关于本发明激光发射探针放大的主视图和剖面图;
图4是一个示意图，它表示一个激光外科手术刀的激光发射探针的实施方案以及该实施方案中激光的功率密度分布图;
图5和图6是放大的表层剖视图;
图7、图8、图9和图10是探针尖端弯成各种角度时相应的激光功率密度分布图;
图11和图12是表示传统探针实施方案及其激光功率密度分布的示意图;
图13是关于本发明一个实验的说明图;
图14是关于图13所示实验结果的曲线。
根据本发明，覆在探针尖端的激光散射表面增强了激光辐射模型。因为，穿过探针的激光在探针表面散射，因此从探针尖端发射出来的激光功率减小了，与此同时从探针侧面发射出来的激光功率增大了。此外，上述探针有一个在轴截面上弯成一定角度的尖端，因此激光功率就集中在弯曲尖端的外凸一侧的那部分而是其内侧部分，在内侧部分有一个弯曲的曲率中心，于是在探针的侧面部分就有较强功率的激光辐射到组织上，如图4的功率密度分布图所示，因而加速了探针侧面部分被切开组织的汽化，从而便于切开该组织。而且，由于增加了切开得到的凝结层厚度，因此可以切开出血组织而不会流血太多。
如图5所示，通过在可透光部件1上形成光散射层5而不是仅仅使表面粗糙化，在可透光部件1上形成一表层5。这里，表层5包含有兰宝石等类似物质组成的激光散射粒子2，这些物质的折射率比可透光部件1的折射率要大。可透光部件1发射出来的激光L通过表层5时，照射在激光散射粒子2上的激光L，部分从粒子2上反射回来，部分穿入粒子2通过折射从粒子2发射出去。因此，激光L从整个表面层5上沿各个方向发射出去。结果，所形成的上述表层5就产生了比仅使表面粗糙化而形成的激光散射表面更大的激光辐射区。
此外，表层5上最好包含了由碳等类似物质组成的激光吸收粒子3。于是，当激光L照在激光吸收粒子3上时，激光L的大部分能量借助激光吸收粒子3转换成为热能He，组织就被来自表层5的热能He加热。
这样做，由于组织汽化加快了，所以用较低的能量穿过部件1就能切开组织。因此，当组织被切开时，可透光部件1就可以迅速移动了。而且，激光穿入可透光部件1所需的能量较低。结果，外科手术可以在短时间内进行，并且可以使用廉价和小规模的激光发生器。
最好使可透光部件1的表面粗糙化，然后再将该粗糙的可透光部件表面涂覆上所述的表层，以得到足够的激光散射效果。
另一方面，如果把含有上述激光吸收粒子和激光散射粒子的悬浮液涂覆在可透光部件表面上，则在悬浮液媒介蒸发之后，具有该表层的探针和组织或其他物质接触时会引起表层的损坏。因为上述两种粒子只是依靠物理吸附能力附在该部件表面上的。
所以，通过使用一种把激光吸收粒子和激光散射粒子粘到可透光部件表面上的粘合剂，来增加表层对可透光部件的附着力。
在这种情况下，可取的粘合剂是由可透光材料4(如石英等类物质)组成，以保证激光能从表层5发射出去。另一方面，可透光粒子的熔点低于或等于上述可透光部件的熔点，它用作可透光材料4并与上述可透光粒子一起分散到适当的液体(如水)中。然后在一定温度下烘烤涂有这种悬浮液的可透光部件1，这个温度高于可透光粒子的熔点而又在能使可透光部件维持原形状的限度内。于是，可透光粒子熔化，和激光吸收粒子以及激光散射粒子一起形成高机械强度的表层。所以能够降低表面的损坏情况。
现在，更为具体地描述一下本发明。
图5是图1所示探针10的表层5的放大剖面图，其尖端的实例示于图3。在可透光部件1上形成了含有激光散射粒子2和激光吸收粒子3的表层5，它以可透激光材料4作为粘合剂，该粘合剂按需要在表层形成前为熔融状态。
在这种情况下，在可透光部件1上若形成粗糙表面1a就增加了激光的散射效果，如图6所示。
上述探针10及其支撑部件的结构实例如图1所示。
该探针10包括一个圆锥形插入部分30、一个主支撑部分31、一个介于他们之间的凸缘32和弯曲的尖端20。探针10的主支撑部分31固定在圆柱形阴接头33上，并通过在啮合表面之间嵌入配合部分33a或使用一种陶瓷型粘合剂，或者把这两个装置组合起来而使阴接头33与主支撑部分31固定成一个整体。在探针10基端的侧面部分，即，阴接头33的内表面上有阴螺纹34，它适于可移动地与阳接头35上的阳螺纹36啮合。阴接头33上有小孔38，可使其内外的冷却水W很方便地从中流过。小孔38安排在邻近探针10的受光基面37顶部的地方，例如，相对地设置在阴接头33周边上，图1中只表示出其中之一。
另一方面，阳接头35受压嵌入一个用韧性材料(如聚四瓶乙烯)制成的管套39的端面。阳接头35在其基部有台阶部分40以适应这种挤压式连接。要把阳接头35紧紧地抱住，以防其从管套39中脱出。
把附有光导纤维12的激光传输光导纤维11插入管套39和阳接头35中。在光导纤维11和管套39之间有一个间隙42，可使冷却水通过。传输光导纤维11的端部紧密固定在阳接头35的台阶部分40处，不过，台阶部分40在其周边相对地形成有，例如两个让冷却水通过的缝隙40a。冷却水W通过缝隙40a和阳接头35端部表面与传输光导纤维外表面11之间的通路。
将具有上述结构的发射激光的尖端配上一个内诊镜和某些适当的把、柄，同时把阴接头33和阳接头35连接啮合起来。或者，将附有探针10的阴接头33直接装在某些适当的已装有传输光导纤维11的把上。
这样，通过光导纤维12引入的像YAG(钇铝石榴石)等类的脉冲激光就从受光基面37穿入探针10，然后主要从弯曲尖端20的整个外表面发射出来。同时，冷却水W通过间隙42、缝隙40a和间隙41使探针10冷却，再通过孔38流出到组织表面，使组织得以冷却。
本发明的可透光部件最好由天然或人工陶瓷材料(如金刚石、兰宝石、石英等类似物质)制成，因为它们耐热。
本发明所用的激光散射粒子对激光的折射率比可透光部件的折射率要高，这些粒子由如下这些天然或人工材料构成;金刚石、兰宝石高熔点石英、单晶氧化锆(ZrO2)、高熔点玻璃、可透光的耐热合成树脂、如金、铝之类的激光反射金属，和经过镀金等表面处理而涂覆有金、铝之类的激光反射金属的激光反射粒子或非激光反射的金属粒子。
可透射激光的材料由能熔化制成薄膜的可透光粒子构成较好，最好是由耐热的材料构成，如天然或人工的兰宝石、石英-玻璃、可透光并耐热的合成树脂等类似物质。要考虑相应的可透光部件的材料来从这些材料中选取合适的可透光材料。
激光吸收粒子由碳、石墨、氧化铁、二氧化锰和任何其他能吸收激光而产生热能的材料构成。
在表层里每种粒子的含量(重量百分比)和平均大小在如下表所示的范围内较好。
每种粒子的含量和大小最好取括号里的值。
含量(重量百分比)粒子大小(微米)光散射粒子(A)90-10.2-300(70-20)(1-50)可透光粒子(B)10-900.2-500(20-50)吸收粒子(C)90-10.2-500(70-10)(1-100)表层厚度为10微米-5毫米较好，最好是20微米-1毫米。表层由下述几种方法形成(如果用其中某一方法的一步没能形成理想的表层厚度，则要重复这一步，直至得到理想的厚度为止)把所述三种粒子分散在悬浮液媒介中，再加热到高于可透光粒子熔点的温度，把可透光部件浸在悬浮液中;
再一种方法是把上述三种粒子熔化后一起喷到可透光部件上。
另外，也可以采用其他合适的方法形成表层。
于是，用上面所述的第一种方法，就可把分散着上述三种粒子的悬浮液涂到可透光部件上。而且，这种浸涂方法容易操作，因为只需要把待成为可透光材料表层的那部分或最好只把尖端待弯曲的那部分浸在悬浮液中再从中取出来就行了。因此这是一种实用而合理的方法。
至于悬浮液的媒介，可使用适当的液体如水、酒或它们的混合液。此外还可加入蔗糖或淀粉以增加悬浮液媒介的粘性。
如前所述，依照本发明，在可透光部件1上形成表层5扩大了受激光辐射的组织的面积，因为如图4所示，激光是从表层5向各个方向发射出来的。
另一方面，发明者用一个未弯曲的直形探针做了下面提到的实验，此探针如图13所示。
在下文中，激光散射粒子、可透光粒子和激光吸收粒子的含量将分别称为(A)、(B)、(C)。发明者在(A)∶(B)＝2∶1的固定条件下，考察了下列两个参数相对于(C)的变化情况。一个被考察的参数是能开始切入猪肝脏的激光功率能级。另一个参数是在碳化层X下面凝结层Y的厚度T。得到的结果示于图14。
根据这个结果，当(C)的百分比高时，切入可以在较低功率能级下开始，这样探针有可能移动得快些。然而，已知在探针尖端周围触及到的组织的止血效果因凝结层Y的厚度的减小而减弱。因为止血效果依赖于凝结层的厚度，所以，证明表层上具有高的(C)百分比的探针有效地运用于切开组织，这些组织上的皮肤、脂肪层等要受到某种程度的损坏。
另一方面，证明具有低的(C)百分比的探针对切入非常需要止血的组织(如肝脏、心脏等)是很有用处的。显然，在这种情况下，从激光发生器而来的输出功率能级必须提高，探针也必须缓慢移动。参照上述实验，发明者引入了下面两个公式(1)和(2)((C))/((A)+(B)+(C))
(放热激光量)/(入射激光量) (1)((A)+(B))/((A)+(B)+(C))
(透射激光量)/(入射激光量) (2)公式(1)意味着热量的产生是随(C)的增加而增加的，而切开主要是靠汽化进行的。所以，激光不能穿入组织太深，因为入射激光能量的大部分用在了放热上。结果，由于在组织里激光入射不深，从而使凝结层的厚度减小。
公式(2)意味着随(C)的减小，大量照射激光能量深深地穿入了组织，这样吸收激光的组织就被加热，从而在组织里产生了凝结。
如果预先准备了几种(C)百分比不同的探针，则可根据医疗目的来选择一种适当的探针，进行适当的治疗。
本发明的这种探针必须涂覆有激光散射表面，但上述的表层并非是必需的，仅仅是表面粗糙的探针也行。
虽然，本发明的探针必须有一个在轴截面上弯曲成一定角度的尖端，但，“弯曲”的意思既包括直角弯曲也包括曲线弯曲。
激光功率密度分布随弯曲角度的变化示于图7、8、9和10。增大弯曲角度就增加了探针侧表面发射出来的激光功率比。弯曲角度θ是在轴截面上未弯曲部分的中心线和尖端弯曲部分外凸面切线的法线所成的角度，如图1所示。角度θ最好大于探针材料(可透光部件)对空气的临界角，以使能获得来自探针侧表面的足够的激光散射效果。
当弯曲尖端的厚度一致时，从弯曲尖端发射出来的激光增加，而从探针侧表面发射出的激光减少。所以弯曲尖端最好是锥形的。
如果探针的截面是图2所示的圆形，则从其周边上发射出的激光基本上是一致的。然而如果如图3所示，弯曲尖端的外面一侧的截面向外侧减小(在图3上是向右或向右下侧)，则向外侧发射的激光增加。这在图3的激光路线图上是显而易见的。这样做，切入就容易多了。此外，向外侧的尖锐边缘也使得机械切入和激光切入都容易进行。结果，大大增强了切开效果。
下面介绍一种制做上述形状探针所用方法的实例。
首先，把锥形探针加热到高于探针软化温度的温度。
仅把探针的尖端部分在轴截面上弯成一定角度。
从截面上尖端外表面的前后两方挤压弯曲尖端的外凸侧面部分，这样就得到了上述探针。
如果在探针表面上涂覆上前述的表层，则该探针的特性就更加优越了。
本发明中探针表面的形状并不局部于图1和图4所示的圆柱形。也可以是其他形状如锥形圆锥、棱形等形状。
权利要求
1.一种激光发射探针，它沿纵轴方向有一个基端、一个针体和一个尖端，激光照在基端上、穿过针体、从尖端发射出来，探针尖端覆有激光散射表面并在轴截面上弯成一定角度。
2.如权利要求1所述的激光发射探针，其中，未弯曲部分的中心线和尖端弯曲部分外凸表面切线的法线所成的角度大于探针材料对空气的临界角。
3.如权利要求1或2所述的激光发射探针，其中，所说的弯曲尖端是锥形的。
4.一种激光发射探针，它沿纵轴方向有一个基端、一个针体和一个尖端，激光照在基端上、穿过针体、从尖端发射出来，尖端在轴截面上弯成一定角度并至少在该弯曲部分到所述弯曲尖端的端部涂覆有一个表层，表层中含有激光吸收粒子和激光散射粒子，激光散射粒子的折射率大于探针材料的折射率。
5.如权利要求4所述的激光发射探针，其中，上述表层含有激光吸收粒子、激光散射粒子和一种用可透射激光的材料制成的粘合剂，激光散射粒子的折射率大于探针材料的折射率。
6.如权利要求4或5所述的激光发射探针，其中，至少在探针弯曲尖端的表面是粗糙的，并且上述表层形成在上述粗糙表面上。
7.如权利要求1或4所述的激光发射探针，其中，上述弯曲尖端的外凸表面在截面上呈向外侧的锥形。
8.一种激光发射探针的制做方法，它包括下列步骤(1)至少把可透激光部件的尖端加工成锥形，(2)把上述可透激光部件的尖端在轴截面上弯成一定角度;(3)使上述可透激光部件和至少含有激光吸收粒子、激光散射粒子和可透激光粒子的悬浮液相接触，激光散射粒子的折射率大于可透激光部件的折射率，可透激光粒子的熔点等于或低于可透激光部件的熔点，(4)在一定温度下烘烤带有悬浮液可透激光部件，该温度高于上述可透射激光粒子的熔点而又在能使可透激光部件保持原状的限度之内。
全文摘要
一种医疗用激光发射探针，它沿轴向有基端、针体和尖端，激光照在基端上、穿过针体、从尖端发射，其尖端覆有激光散射表面并弯成一定角度。尖端最好涂覆有包括激光吸收粒子和折射率大于探针材料的激光散射粒子的表层。其制作方法为至少把可透激光部件的尖端加工成锥形；将其尖端弯曲；使之与至少包含上述两种粒子和熔点不高于可透激光部件熔点的可透激光粒子的悬浮液接触；在高于可透激光粒子熔点又能使可透激光部件保持原状的温度下烘烤该部件。
文档编号A61B18/20GK1044218SQ9010024
公开日1990年8月1日 申请日期1990年1月17日 优先权日1989年1月17日
发明者大工園则雄 申请人:外科镭射科技日本公司