一种近红外超透镜及用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统的制作方法

1.本发明涉及超透镜领域，尤其涉及一种近红外超透镜及用于颅内肿瘤热 疗的导光光学系统。


背景技术：

2.血脑屏障阻止了传统抗肿瘤药物通过血液进入颅内肿瘤。肿瘤热疗通过 颅脑开孔精准将光致热纳米颗粒通过包裹在金属针头内的输药管道送到肿瘤 区域，再通过导光系统照射吸收了纳米颗粒的肿瘤。纳米颗粒吸收红外光迅 速升温从而杀死肿瘤细胞。传统的导光系统需要在导光波导端面安装一个传 统透镜来发散红外光。然而，传统透镜有着体积大、结构复杂、不易集成等 方面的不足。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种近红外超透镜及包含近红 外超透镜的用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统。
4.本发明实施例的第一方面提供一种近红外超透镜，包括：
5.基板，能够透过近红外光；和
6.多个超表面结构单元，设于所述基板同一表面，其中，多个所述超表面 结构单元呈阵列状排列，所述超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个 超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位 置分别设有一个纳米结构；所述超表面结构单元能够高效率透过近红外波段 为925至955nm的光。
7.可选地，所述纳米结构为纳米柱结构，所述纳米柱结构为圆形纳米柱结 构、方形纳米柱结构、圆孔纳米柱结构和方孔纳米柱结构中的一种；不同位 置的所述纳米结构在不同波长下的光相位不同。
8.可选地，所述基板为石英玻璃或者肖特玻璃或者冕牌玻璃，所述基板的 厚度为0.05至1mm。
9.可选地，所述近红外超透镜的相位满足发散透镜相位：
[0010][0011]
其中，为发散超透镜对红外光的相位分布，r为所述近红外超透镜表面 沿半径方向的位置，λ在波段为915-955nm的近红外光中，f为发散超透镜对 近红外光的焦距，且焦距为负数；所述近红外超透镜的相位满足多焦点透镜 相位分布。
[0012]
本发明的近红外超透镜，结构简单、重量轻、体积小具有易于集成的优 势。
[0013]
本发明实施例的第二方面提供一种用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统， 包括：
[0014]
金属套管；
[0015]
至少一根导光波导，其一端位于所述金属套管内；
[0016]
近红外光源，位于至少一根所述导光波导的另一端；
[0017]
至少一个如上任意一项所述的近红外超透镜，设置于至少一根所述导光 波导远离所述近红外光源的一端；
[0018]
优选地，还包括至少一个转向棱镜。
[0019]
可选地，该用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统包括多根导光波导、与导 光波导数目对应的多个如上任意一项所述的近红外超透镜；优选地，所述用 于颅内肿瘤热疗的导光光学系统还包括与多根所述导光波导数量对应的多个 转向棱镜，其中转向棱镜的一个端面与导光波导端面粘合，转向棱镜的另一 个端面与近红外超透镜粘合。
[0020]
可选地，所述金属套管的材料为刚性好、韧性高且耐腐蚀性强的金属；优选 地，所述金属套管的内径为1mm-3mm，外径为1.2mm-3.2mm；优选的，所述金 属套管为不锈钢套管、钛合金套管或镍合金套管。
[0021]
可选地，所述近红外光源为中心波长在940nm的激光器或大功率led。
[0022]
可选地，所述导光波导可传导925-955nm的近红外光；导光波导直径为 50μm-500μm。
[0023]
可选地，该用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统包括一根导光波导和一个 贴在导光波导端面上的一个如上任意一项所述的近红外超透镜。
[0024]
由以上本发明第二方面提供的用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统，该导 光光学系统，将本发明的近红外超透镜设置于一端位于金属套管内另一端连 接近红外光源的导光波导的远离近红外光源的一端，采用本发明的近红外超 透镜代替传统透镜，近红外超透镜极大的减小了整个光学系统的体积，从而 减小了金属套管的直径，进而减小了所需颅上开孔直径，起到了减轻患者痛 苦的良好效果。
[0025]
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性 的，并不能限制本发明。
附图说明
[0026]
图1是本发明一实施例中的近红外超透镜结构示意图；
[0027]
图2a是本发明一实施例中的超表面的正六边形排列图；
[0028]
图2b是本发明一实施例中的超表面的正方形排列图；
[0029]
图3a是本发明一实施例中的圆形纳米柱结构的示意图；
[0030]
图3b是本发明一实施例中的圆孔纳米柱结构的示意图；
[0031]
图3c是本发明一实施例中的方形纳米柱结构的示意图；
[0032]
图3d是本发明一实施例中的方孔纳米柱结构的示意图；
[0033]
图4a是本发明一实施例中的工作波长925-955nm光相位与石英基底和非 晶体硅材质的纳米柱结构直径关系图；
[0034]
图4b是本发明一实施例中的工作波长925-955nm光透过率与石英基底和 非晶体硅材质的纳米柱结构直径关系图；
[0035]
图4c是本发明一实施例中的工作波长925-955nm光相位与石英基底和非 晶体硅材质的方形纳米柱结构编号关系图；
[0036]
图4d是本发明一实施例中的工作波长925-955nm光透过率与石英基底和 非晶体硅材质的方形纳米柱结构编号关系图；
[0037]
图5a是本发明一实施例中的工作波长在940nm的直径为62.5μm，焦距 为-18μm，发散角为120
°
的负透镜半径与相位的关系图；
[0038]
图5b是本发明一实施例中的一工作波长在940nm的直径为62.5μm，焦 距为18μm，焦面上有四个焦点的多点透镜相位图；
[0039]
图6是本发明一实施例中的一种用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统的示 意图；
[0040]
图7a是如图5a所示的近红外超透镜贴在直径为62.5μm的导光波导上 构成的导光系统示意图；
[0041]
图7b是如图5b所示的近红外超透镜贴在直径为62.5μm的导光波导上构 成的导光系统示意图；
[0042]
图7c是本发明一实施例中的双光波导、双转向棱镜和双近红外构成的导 光系统示意图；
[0043]
图8是如图7a所示系统在近红外超透镜后18μm处的相对光强分布图；
[0044]
图9是如图7b所示系统近红外超透镜焦平面上的相对光强分布图；
[0045]
附图标记：
[0046]
100：近红外超透镜；
[0047]
1：基板；
[0048]
2：超表面结构单元；21：纳米结构；211：圆形纳米柱结构；212：圆孔 纳米柱结构；2121：第一柱体；2122：第一中空部；213：方形纳米柱结构； 214：方孔纳米柱结构；2141：第四柱体；2142：第四中空部；
[0049]
金属套管31，导光波导32，近红外光源33，转向棱镜34，输药管35。
具体实施方式
[0050]
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的 描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的 要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所 有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一 些方面相一致的装置和方法的例子。
[0051]
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制 本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述
”ꢀ
和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解， 本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或 所有可能组合。
[0052]
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种 信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼 此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第 二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所 使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。 在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
[0053]
血脑屏障阻止了传统抗肿瘤药物通过血液进入颅内肿瘤。肿瘤热疗通过 颅脑开孔精准将光致热纳米颗粒通过包裹在金属针头内的输药管道送到肿瘤 区域，再通过导光系统照射吸收了纳米颗粒的肿瘤。纳米颗粒吸收红外光迅 速升温从而杀死肿瘤细胞。传统
的导光系统需要在导光波导端面安装一个传 统透镜来发散红外光。然而，传统透镜有着体积大、结构复杂、不易集成等 方面的缺点。
[0054]
光学超表面快速兴起并成为一种实现小型化、平面化光学的主流方式。 光学超表面已经展示了基于超表面的锥透镜、闪耀光栅、偏振片、全息干板 和平面透镜。连续的2π相位变化的超表面使得单层消球差超透镜成为现实。 与此同时，消色差超表面也用于白光成像。
[0055]
实施例一：
[0056]
本发明实施例的第一方面提供一种近红外超透镜100，包括：基板，能够 透过近红外光；和设于所述基板同一表面的多个超表面结构单元。示例性的， 请参考图1，所述近红外超透镜由基板1和置于基板1一侧的多个超表面结构 单元2构成。其中，多个所述超表面结构单元2呈阵列状排列，所述超表面 结构单元2为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元2的中心位置，或 者每个超表面结构单元2的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构21； 所述超表面结构单元2能够高效率透过近红外波段的光，所述近红外波段为 925-955nm。
[0057]
可选地，所述基板1为石英玻璃或者肖特玻璃或者冕牌玻璃，所述基板1 的厚度为0.05mm至1mm。示例性的，基板1材料为第一近红外光与第二近 红外光高透过率材料，例如，石英玻璃、k9玻璃等等。基板1厚度在0.05mm 至1mm之间，厚度可以设置为0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、 0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm等等。
[0058]
示例性的，请参见图2b，每个超表面结构单元2的中心位置分别设有一 个纳米结构21，这样的阵列排布，形成的近红外超透镜的超表面结构单元2 的纳米结构21的数量最少，同时形成的超表面结构单元2的性能也符合需求； 示例性的，请参见图2a，每个超表面结构单元2的顶点位置和每个超表面结 构单元2的中心位置分别设有一个纳米结构21。
[0059]
示例性的，在一些实施例中，请参见图2a，所有超表面结构单元2均为 正六边形；在另外一些实施例中，请参见图2b，所有超表面结构单元2均为 正方形；在另外一些实施例中，多个超表面结构单元2包括正六边形的阵列 单元和正方形超表面结构单元2。应当理解地是，在其他实施例中，超表面结 构单元2也可以设计为其他密堆积形或者扇形结构。
[0060]
本实施例中，所述纳米结构21可以在915-955nm(中心波长940nm)具 有大于80％的平均透过率。
[0061]
本实施例中，所述纳米结构21沿第一轴和第二轴分别轴对称，且将所述 纳米结构21沿着第一轴和第二轴进行切分获得的多个纳米结构单元相同，这 种结构对入射光的偏振性不敏感。其中，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和 第二轴分别垂直于纳米结构的高度方向。需要说明的是，第一轴、第二轴穿 过纳米结构21的中心且平行于水平面，可以任意选一个过所述纳米结构21 中心的直线作为第一轴，和它垂直的另一条过中心的直线即为第二轴。
[0062]
本实施例中，不同位置的所述纳米结构21在不同波长下的光相位不同， 以限定超表面结构单元在不同波长下的光相位分布。需要说明的是，本发明 实施例的多个纳米结构21形成的整体结构可高透过率地透过近红外光。
[0063]
示例性的，所述纳米结构21材质可以为石英玻璃、晶体硅或者非晶硅； 应当理解的，纳米柱的材质也可以为除此之外的其它材料。
[0064]
示例性的，纳米结构21可以为纳米柱结构，也可以为其他沿水平轴和竖 直轴分别轴对称的纳米结构。
[0065]
下面，以纳米结构21为纳米柱结构为例进行说明；应当理解的，当纳米 结构21为其他结构时，下述实施例中纳米柱结构可以替换成对应的结构。
[0066]
纳米柱结构可以包括圆形纳米柱结构211、圆孔纳米柱结构212、方形纳 米柱结构213和方孔纳米柱结构214中的至少一种。示例性的，纳米柱结构 为圆形纳米柱结构211、圆孔纳米柱结构212、方形纳米柱结构213和方孔纳 米柱结构214中的一种，方便加工。
[0067]
本技术实施例中，纳米结构光相位与纳米柱结构的高度、横截面的形状 以及纳米柱结构的材质。
[0068]
请参见图3a至图3d，纳米柱结构的高度(即纳米柱结构z方向上的高 度)为h。
[0069]
纳米柱结构的高度h大于或等于300nm，并小于或等于3500nm，相邻的 纳米柱结构之间的间距(即相邻的两个纳米柱结构的中心之间的间距)大于 或等于40nm，并小于或等于640nm，纳米结构的最小尺寸和相邻的两个纳米 柱结构间的最小间距(即相邻的两个纳米柱的边缘的最小距离)可为40nm。 示例性的，纳米柱结构的高度h为300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、 800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、2500nm或 者3500nm等等。示例性的，相邻的纳米柱结构之间的间距为40nm、140nm、 240nm、340nm、440nm、540nm或640nm等等。
[0070]
请参见图3a，圆形纳米柱结构211可以包括第一圆柱体，该第一圆柱体 为实心结构。圆形纳米柱结构211在x-y平面中有截面直径d，其范围在40nm 至600nm之间，如d可以设置为40nm、50nm、150nm、200nm、250nm、300nm、 350nm、400nm、500nm、600nm等等。
[0071]
请参见图3b，圆孔纳米柱结构212可以包括第一柱体2121，第一柱体 2121的横截面的形状与超表面结构单元2的形状相同，示例性的，当超表面 结构单元2为六边形时，第一柱体2121的横截面的形状也为六边形；当超表 面结构单元2为正方形时，第一柱体2121的横截面的形状也为正方形。在本 实施例中，第一柱体2121的横截面的大小与超表面结构单元2的大小相同。 第一柱体2121设有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第一中空部2122，并且， 第一柱体2121和第一中空部2122共轴。圆孔纳米柱结构212在x-y平面(即 横截面)中有截面直径d，其范围在40nm至600nm之间，如d可以设置为 40nm、50nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、500nm、 600nm等等。
[0072]
请参见图3c，方形纳米柱结构213可以包括第三柱体，第三柱体为实心 结构，且第三柱体的横截面的形状为正方形。
[0073]
请参见图3d，方孔纳米柱结构214可以包括第四柱体2141，第四柱体 2141的横截面的形状与超表面结构单元2的形状相同，示例性的，当超表面 结构单元2为六边形时，第四柱体2141的横截面的形状也为六边形；当超表 面结构单元2为正方形时，第四柱体2141的横截面的形状也为正方形。在本 实施例中，第四柱体2141的横截面的大小与超表面结构单元2的大小相同。 进一步的，第四柱体2141设有自其顶部延伸至底部的第四中空部2142，第四 中空部2142的横截面的形状为正方形，且第四柱体2141与第四中部共轴。
[0074]
示例性的，在某些实施例中，纳米柱结构为圆形纳米柱结构。对设计工 作在近红外波长925-955nm，圆形纳米柱结构的材质为非晶硅，圆形纳米柱结 构211采用如图4a所示的圆形纳米柱结构，且圆形纳米柱结构211的高度h 为600nm，对应的正六边形基本单元的
边为550nm。图4a给出了近红外波长 925-955nm，近红外超透镜的光相位与圆形纳米柱结构211的直径的关系，图 4a中，横坐标为圆形纳米柱结构的直径，纵坐标925-955nm下的光相位。图 4b给出了近红外波长925-955nm，近红外超透镜的透过率与圆形纳米柱结构 211的直径的关系，图4b中，横坐标为圆形纳米柱结构211的直径，纵坐标 925-955nm下的光相位。图4c给出了近红外波长925-955nm，近红外超透镜 的光相位与方形纳米柱结构213编号的关系，图4c中，横坐标为方形纳米柱 结构213编号，纵坐标925-955nm下的光相位。图4d给出了近红外波长 925-955nm，近红外超透镜的透过率与方形纳米柱结构213编号的关系，图4d 中，横坐标为方形纳米柱结构213编号，纵坐标925-955nm下的光相位。
[0075]
示例性的，所述近红外超透镜的相位满足发散透镜相位：
[0076][0077]
其中，为发散超透镜对红外光的相位分布，r为近红外超透镜表面沿半 径方向的位置，λ在近红外光915-955nm中，f为发散超透镜对近红外光的焦 距(焦距为负数)。请参考图5a，在某些实施例中，工作波长在940nm的直 径为62.5μm，焦距为-18μm，发散角为120
°
的近红外超透镜表面半径与相位 的关系图。
[0078]
示例性的，所述近红外超透镜的相位满足多焦点透镜相位分布，此多焦 点相位分布可由最优化算法得到。请参考图5b，在某些实施例中，工作波长 在940nm的直径为62.5μm，焦距为18μm，焦面上有四个焦点的近红外超透 镜表面相位图。
[0079]
实施例二：
[0080]
本发明实施例的第二方面提供一种用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统， 请参考图6，包括：
[0081]
金属套管31；
[0082]
至少一根导光波导32，其一端位于所述金属套管31内；
[0083]
近红外光源33，位于至少一根所述导光波导32的另一端；
[0084]
至少一个如上任意一项所述的近红外超透镜100，设置于至少一根所述导 光波导32远离所述近红外光源33的一端。
[0085]
本发明的基于近红外超透镜100的用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统， 用近红外超透镜100代替传统透镜，因此，该用于颅内肿瘤热疗的导光光学 系统结构简单、重量轻、体积小且易于集成。另外，近红外超透镜100极大 的减小了整个光学系统的体积，从而减小了金属套管31的直径，进而减小了 所需颅上开孔直径，起到了减轻患者痛苦的作用。
[0086]
作为本发明的优选实施例，该用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统包括多根导 光波导32、与导光波导32数目对应的多个上任意一项所述的近红外超透镜 100；如图7c，所述用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统还包括与多根所述导光 波导32数量对应的多个转向棱镜34，其中转向棱镜34的一个端面与导光波 导32端面粘合，转向棱镜34的另一个端面与近红外超透镜100粘合。所述 导光波导32的一侧设置有输药管35。当包括与多根所述导光波导32及多个 转向棱镜34时，可以确保该用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统更加全面地覆 盖全空间角。
[0087]
所述金属套管31的材料为刚性好、韧性高且耐腐蚀性强的金属；优选地， 金属套管可以为不锈钢材质，所述金属套管的内径为1mm-3mm，外径为 1.2mm-3.2mm；本实施例中，
优选所述金属套管31为不锈钢套管、或者钛合 金套管、或者镍合金套管。
[0088]
可选地，所述近红外光源33为中心波长在940nm的激光器或大功率led。 示例性的，所述中心波长在940nm的激光器输出光功率可调，从0至 10000mw；半发散角小于2
°
，光偏振状态为圆偏振。示例性的，中心波长为 940nm的led光源的半发散角小于10
°
，光谱宽度为30nm，输出光功率为5w。 所述近红外光源33可以是仅有一个，当所述导光波导32为多根时，所述近 红外光源33通过所述导光波导32分成多束。
[0089]
可选地，所述导光波导可传导925-955nm的近红外光；导光波导直径为 50μm-500μm。优选地，所述导光波导32为单模光纤、多模光纤和光子晶体 光纤中的一种。
[0090]
作为本发明的另一优选实施例，该用于颅内肿瘤热疗的导光光学系统也 可包括一根导光波导32和一个贴在导光波导32端面上的一个如上所述的近 红外超透镜100。如此可以使得所述近红外超透镜100的结构更简单、工艺成 熟、可靠性高、更易于集成。
[0091]
示例性的，请参考图7a及7b，其中图7a为如图5a所示的近红外超透 镜贴在直径为62.5μm的导光波导上构成的导光系统示意图；其中图7b为如 图5b所示的近红外超透镜贴在直径为62.5μm的导光波导上构成的导光系统 示意图。
[0092]
示例性的，请参考图7c，其中图7c是双光波导、双转向棱镜和双近红 外构成的导光系统示意图。两个转向棱镜分别将光导向两个相反的半空间， 经两个近红外超透镜100散光后最大范围的覆盖全空间。
[0093]
示例性的，请参考图8，图8是如图7a所示系统在近红外超透镜后18 μm处(参考面)的相对光强分布图。其中，参考面上的轴上光强最高，边 缘点最低。
[0094]
示例性的，请参考图9，图9是如图7b所示系统在近红外超透镜焦平面 上的相对光强分布图。其中，焦平面上有四个焦点呈对称分布。
[0095]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前 述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术 特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离 本发明各实施例技术方案的精神和范围。