光学馈通连接器的制作方法

相关申请数据

本申请要求于2014年7月29日提交的美国临时申请系列号62/030,446的优先权。上述申请的全部内容在此通过引用结合到本申请中。

本发明大体涉及用于光学馈通的系统、设备和方法，尤其涉及用于医疗设备的密闭光学馈通装置。

背景技术：

将光从密封封壳内传送到照明对象的能力通常使用简单的窗或光纤耦合器完成。然而，这些措施不足以使光源封壳和光学传送装置分离，并且一旦结合便名义上被密封，例如在可植入式医疗设备中可能希望的。此类可植入式医疗设备可用于光学医疗和光遗传疗法中。此类系统被记载在国际申请no.pct/us2013/000262中，该申请与本申请共享至少一名发明人，并且在此通过引用以其全部内容并入本文。

技术实现要素：

一个实施例针对一种将来自位于密封壳体的内部的光源的光学输出操作地耦合至外部光纤的系统，其包括：第一光纤，其设置成毗邻所述光源并且配置成接收所述光学输出的至少一部分；第二光纤，其操作地耦合至所述第一光纤并且配置成捕获来自所述第一光纤的输出的至少一部分；至少部分地透明的主密封机构，其在所述光源与所述第二光纤之间操作地联接至所述壳体；和次级密封机构，其位于所述第二光纤与环境之间。所述第一光纤可容纳在套管内。所述套管可形成所述主密封机构。所述套管可容纳在连接器本体内。所述连接器本体可形成所述主密封机构。所述套管可包含从由熔融石英、玻璃、氧化锆、不锈钢、钛、黄铜和红铜组成的群组中选择的材料。连接器本体可包括从由熔融石英、玻璃、氧化锆、不锈钢、钛、黄铜和红铜组成的群组中选择的材料。所述密封件可通过从由硬纤焊/铜焊、软钎焊/锡焊和粘附组成的群组中选择的技术。所述主密封机构可通过从由硬纤焊、软钎焊和粘附组成的群组中选择的技术。所述主密封机构可包括从由以下元件组成的群组中选择的元件：套管、连接器本体、光学窗口和透镜。所述第一光纤的远侧表面和所述第二光纤的近侧表面可物理接触。光可从所述第一光纤射出并且随后经由所述主密封机构通过透镜聚焦到所述第二光纤的近侧表面上。所述主密封机构还可包括与容纳所述第二光纤的壳体中的互补配准特征匹配的物理配准特征。所述物理配准特征可从由凹进特征和凸起特征组成的群组中选择。所述第二光纤可容纳在套管内。所述套管可包含从由熔融石英、玻璃、氧化锆、不锈钢、钛、黄铜和红铜组成的群组中选择的材料。弹簧可构造成推动所述套管与所述主密封机构的透明区域物理接触。所述包括窗口或透镜的材料可从由玻璃、熔融石英和蓝宝石组成的群组中选择。紧随着所述主密封机构的第二透镜可配置成将光聚焦到所述第二光纤的近侧表面上。所述次级密封机构可包括沿其长度的单独的轴向密封件。电连接可在所述次级密封机构内完成。所述第一光纤可包括从由阶梯折射率光纤、渐变/梯度折射率光纤和空心光纤组成的群组中选择的构型。所述第二光纤可包括从由阶梯折射率光纤、渐变折射率光纤和空心光纤组成的群组中选择的构型。所使用的透镜可配置成以相等放大倍率工作。所述第二透镜可配置成以相等的放大倍率工作。

附图说明

图1示出针对供可植入式医疗系统使用的本发明的实施例。

图2示出针对供图1的系统互补使用的本发明的实施例。

图3示出又一个实施例，其中弹簧力用于保持光纤端部彼此接触。

图4示出针对用于光耦合的聚焦系统的使用的本发明的又一实施例。

图5示出又一实施例，其中透镜用于形成壳体中的密封件。

图6示出又一实施例，其中透镜或窗口中的凹部用于使光纤对齐。

图7示出又一实施例，其中透镜或窗口中的凸起特征用于使光纤对齐。

图8示出又一实施例，其中两个透镜允许相耦合的两条光纤之间的距离可变。

具体实施方式

图1示出供可植入式医疗设备使用以使得其可在不利用温度损坏光纤或光导的光学特性的情况下形成密闭的实施例。来自光源(为了简单和清楚起见未示出该光源)的光可经由光纤2传送。光纤2可耦合到套管4，该套管又可耦合到光学输出模块6。如图所示，光纤8配置成与连接器本体同心。连接器本体可由诸如不锈钢、聚碳酸酯或类似材料的金属、聚合物或陶瓷材料组成。

光纤的类型可取决于所使用的光的特性和预期的治疗的性质。例如，在照射大脑内的周围神经或结构的可见光的情况下，可对光纤8使用二氧化硅芯直径为105μm、二氧化硅覆层直径为125μm、丙烯酸盐缓冲层直径为250μm、0.22na阶跃折射率的低oh光纤，例如thorlabsp/nfg105lca或fiberguidep/nsfs105/125/250y。可使用诸如精密光纤产品(precisionfiberproducts)p/nmm-fer2030-25001.25mm外径的氧化锆套管来构造套管4和/或套管10。套管4可被硬纤焊在光学输出模块6中。通过采用由souriaupa&e制造的kryoflex多晶陶瓷作为氧化锆套管与光学输出模块6的金属表面之间的硬纤焊化合物，可实现在1个大气压差下小于1×10^-7cc/sec氦气的泄漏率。替代地，各元件可被镀金和金钎焊以形成密闭。光学输出模块6可随后被激光焊接到壳体12上以如图所示在密闭表面14周围形成密封，所述密封表面可构造成是钛凸缘。

光纤8的近端可从密封区16伸出约1-4mm。光纤8分别经由套管10和套管4与光纤2的轴向对齐可通过将连接器构造成包括对齐套筒18来实现，所述对齐套筒可由氧化锆制成以方便插入，尤其在套管10和套管4也由二氧化硅制成时。对齐套筒18的壁厚可制造成更大以容纳套管4和10的较短接合长度，同时提供均匀的轴向力以维持它们各自的光纤之间的同心。例如，对于可各自由上述外径为1.25mm的氧化锆套管组成的两个套管4和10的3mm露出而言，对齐套筒18可构造成具有150μm的壁厚和沿内表面的在0.5μm内的精加工光滑度。光耦合接口20可构造成是例如使用pc、apc和upc型光纤终端实现的物理接触耦合部。

传送部段24内的电连接表面22与壳体12的壳体连接器部分26内的电连接部之间的连接例如可如balsealsygnus设备中的连接那样，如poon和balsells的美国专利no.6,835,084中详细说明的，该美国专利在此通过引用以其全部内容并入本文。壳体连接器部分26可包括例如上述构件的环氧树脂包覆成型件。电连接件可由利用不锈钢、铂-铱或类似的材料制作的缆线制成，如上述参考文献中所述。

远侧密封区28和管套区30的密封不必与包括密封件32和密封表面34的连接器内的密封一样紧密，并且内径可大于这些元件的内径。因此，远侧密封区28和管套区30可供用于使传送部段24的密封区16更容易插入壳体连接器部分26中。

图2示出构造成供本发明使用并且包括经由起伏部38操作地耦合/联接至传送部段24的施加器36的传送部段24的示例性实施例。传送部段24还可包括用于向施加器36传导光并且经由施加器36向目标组织传导光的光纤8、操作地耦合至电接触表面40的电线44、构造成封装电线44和光纤8并将电线44和光纤8与植入环境隔离的护套42，密封表面46、远侧密封件48和管套50可将植入环境与电连接表面40的电连接部进一步隔离，并且提供用于利用密封区52将传送部段连接到未示出的壳体的手段。密封区52可通过使连接器和管套50的整个组件模塑成型(或二次成型)并且与护套42的近端结合以使其形成连续的闭合部段而制成。护套42可由生物相容的管——例如，通过非限制性的例子，聚乙烯、硅树脂、ptfe、eptfe和/或peek——制成。构成连接器的一部分的密封区52可由类似材料制成。电连接表面40可由例如铂或不锈钢制成。在所示的示例性构型中，内径500μm外径700μm的硅树脂管可用作护套42，并且可制成为多达19条外径为100μm的电线44。光纤8包括近端54和远端56。光纤8的远端向施加器36提供光(并且大概从希望得到光学反馈时起)，而光纤8的近端可用于将来自一个或多个光源的光耦合至传送部段24。

替代地，可去除施加器36，从而提供由单个端部发光的光纤组成的传送部段。这种构型可适合于植入患者的大脑内以进行例如cns的治疗。

图3示出构造成供本发明使用并且包括用于维持经耦合的两条光纤之间的接触的弹簧加载套管的耦合接口的示例性实施例。可使用不锈钢来构造弹簧盖58。弹簧盖58可借助于壳体连接器部分内的球头弹簧定位销(例如来自mcmaster-carr的零件号3408a65)或类似特征结构而保持在未示出的壳体连接器部分内的适当位置。弹簧60作用在弹簧盖58上并且经由传送部段套管壳体62靠着传送部段套管10施力，从而保持光纤8的近端与光纤2的远端接触并且最大限度地减小接口处的光/能量损失的量。替代地，弹簧盖58可以不实际覆盖弹簧60，而是代替地作为防止弹簧60沿远侧方向移动的简单凸缘。在所示的示例性构型中，弹簧60经由传送部段套管壳体62向传送部段套管10施力。替代实施例可直接向传送部段套管10施加弹簧力。替代实施例可代替地结合一弹簧60以直接或间接地向光源套管4施力，或可使用两个弹簧60以直接或间接地向两个套管4和10施力。

如图4的示例性实施例中所示，也可使用光动力耦合器实现光耦合，诸如通过光学窗口66使光纤2的远端重新成像在光纤8的近端上。这可通过用光学窗口66代替套管以限定出壳体12的外表面和透镜70来实现，例如，通过非限制性的例子的方式继光纤2的远端之后放置直径为1.0mm×焦距为2.0mm的平凸透镜(例如，来自edmundoptical的p/n65-276)，并且该平凸透镜被放置在用于将光引导到光纤8的近端中的壳体12内的光学输出模块6内，例如远离光纤2两个焦距处放置透镜70以以名义上相等的放大倍率工作，其中距离d1和d2可由于通过窗口引入的光程长度的差异而不相等。为了解除光纤2和8之间的轴向对齐约束，光纤2可配置成具有比光纤8小的芯直径，或者替代地，通过减小光学系统的放大倍率以形成名义上比光纤2在光纤8的表面上的光斑更小的光斑。为了解除光纤2和8之间的角对齐约束，光纤2可配置成具有比光纤8小的数值孔径。用于光纤2的芯的尺寸可由未示出的光源的亮度决定。通过非限制性的例子的方式，窗口可由外径为5mm且厚度为1mm的蓝宝石或玻璃板构成并且窗口边缘被金属化处理以允许通过窗口形成硬纤焊或软钎焊的密封。

图5示出与图4相似的又一实施例，其中变更为使用透镜70来既形成壳体中的密封又将来自光纤2的光聚焦到光纤8中。已增设间隔件68以将光纤8的输入端配置在离透镜70的适当距离处。此外，壳体壁上或其内的对齐特征结构可用于将光纤8的输入端设置在适当位置。

图6示出与图4和5相似的又一实施例，其中在透镜或窗口66的表面中增加了凹部72形式的物理配准特征结构以使光纤8对齐。该凹部可确定尺寸为在光纤8未被套管10覆盖的情况下接纳套管10的近端或光纤8的近端。

在与图4和5相似的又一实施例中，图7示出以下变型：使用透镜或窗口66的表面上的凸起的物理配准特征76，以利用对齐套筒68——其可直接配合在凸起特征76的某些机械部位上或者与所述机械部位接合——来使光纤8对齐。凸起特征76和对齐套筒68可确定尺寸为与不同尺寸的光纤8和/或套管10相配合，例如针对图1的元件18所实现的。

图8示出了又一实施例，其中使用两个透镜来产生/接收准直光。离开光纤2的光进入透镜78并且以名义上准直的方式离开。名义上准直的光然后在进入透镜80之前行进一段距离。由于光名义上准直，所以透镜78与透镜80之间的距离d2可以变化，而不严重影响光纤2和8之间的传输和/或光耦合效率。在离开透镜80之后，光聚焦到光纤8的近端上。与以上在图7中描述的示例相似的具有对齐特征90的间隔件68可用于使透镜80和/或光纤8相对于透镜70的光学输出定位。光纤2与透镜70之间的距离d1可以是透镜70的焦距。对齐特征90可构造成与如参照图7所述的凸起特征76接合，并且可成型为形成与凸起特征76的边缘接合的截头圆锥形(frustoconical)部段(如图所示)。在该准直构型中，在聚焦光斑中以侧向位移平移的角度错位与系统放大倍率成比例，由此可以向这些缺陷提供一定程度的不敏感度并且产生临床上更牢靠的系统。当然，其它这样的匹配方案被认为落入本发明的范围内。间隔件68也可构造成使得其包含用于将透镜80和套管10保持于其内的装置，如图所示。

尽管已着重针对用于可植入式光学医疗设备的实施例进行了说明——这是由于它们是最难以理解的，但是这并不排除它们也可用于其它用途。

本文中描述了本发明的各种示例性实施例。在非限制的意义上参考这些实施例。提供它们以更广泛地显示本发明的适用方面。可以对所描述的本发明做出各种改变并且可以以等价形式替换而不脱离本发明的真实精神和范围。此外，可以作出许多修改以使得特定情形、材料、材料组成、方法、加工动作或步骤适应于本发明的目的、精神或范围。另外，如本领域技术人员将领会的，本文所描述和展示的每种个体变型具有可以轻易地与其它几种实施例中的任一者的特征分离或与之组合的独立组分和特征，而不脱离本发明的范围或精神。全部这些修改均意图落入与本公开相关的权利要求的范围之内。

用于实施主题诊断流程或介入手术的所描述的任何装置可以以经包装的组合的形式提供以用于执行这类介入。这些供应“套件”还可包含使用说明书并包装在如通常用于此目的无菌托盘或容器中。

本发明包括可以使用主题装置来执行的方法。所述方法可以包括提供这种合适装置的动作。这类提供可以由终端用户来执行。换而言之，“提供”动作仅需要终端用户在主题方法中获得、取得、接近、定位、建立、启动、加电或以其它方式动作以提供必要的装置。本文中所描述的方法可以按所记载的事件的逻辑上可能的任何顺序以及按事件的所记载的顺序来实施。

上文已经连同有关材料选择和制造的细节一起阐述了本发明的示例性方面。至于本发明的其他细节，这些细节可以联系以上参考的专利和出版物来理解，并且是本领域技术人员通常已知或能够理解的。例如，本领域技术人员将理解的是，一种或多种润滑性涂层(例如，亲水聚合物如基于聚乙烯吡咯烷酮的组合物、含氟聚合物如四氟乙烯、亲水性凝胶或硅酮)可以例如与所述装置的多个部分(必要时，如可移动地偶联的部件的相对较大的界面表面)结合使用，以促进这类物体相对于仪器的其他部分或附近组织结构的低摩擦操作或推进。在如通常或逻辑上使用的附加动作方面，就基于方法的本发明各方面，同样可以适用。

此外，尽管已经参考可选地并入多种特征的多个实施例来描述了本发明，但是本发明不旨在限于被描述或显示为针对本发明的每种变型所构思的那个实施例。可以对所描述的本发明做出多种改变并且可以以等价形式替换(无论该等价形式是否在文本中已被记载或是出于简洁目的而未被包括)而不脱离本发明的真实精神和范围。此外，在提供值范围的情况下，应当理解，本发明范围内涵盖在这个范围的上限和下限之间的每个居间值或所述范围中任何其他所述值或居间值。

另外，可设想，所描述的本发明的变型的任何可选特征可以单独地或与本文中所描述的任一个或多个特征相结合地说明与陈述。对于单数项，也包括存在多个相同项的可能性。更具体地，如本文和相关的权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括复数形式，除非另有特殊说明外。换而言之，冠词的使用涉及上述说明书以及与本公开相关的权利要求书中的“至少一个”主题事项。进一步指出，可以起草这类权利要求以排除任何可选要素。因而，该声明意在充当与权利要求要素的记载相结合的排他性术语如“单独”、“仅”等的使用或“否定式”限制的使用的先行基础。

在不使用这类排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包含”应当认为包含任何附加要素，无论在这类权利要求中是否列举出给定数目的要素，或附加特征可以被视作转变这类权利要求中所述的要素的性质。除非如本文中特别限定，否则本文所使用的全部技术术语和科学术语旨在以尽可能宽的通常理解的含义给出，同时维持权利要求有效性。

本发明的范围不限于所提供的示例或主题说明书，而是仅受到与本公开相关的权利要求用语的范围限制。