CN103347457B - 发射到纳米纤维中用于手术照明的白相干激光 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种示例性手术照明***，其包括配置成发射具有第一光谱范围的第一光束的第一激光器，和可光连接到第一激光器的照明探头。第一激光器可以配置成超连续谱激光器。该手术照明***可以包括配置成发射具有第二光谱范围的第二光束的第二激光器，和光束组合器，该光束组合器用于组合第一和第二激光束以形成具有第一和第二激光器的光谱范围的第三激光束。照明探头包括用于将第一光束的至少一部分输送到手术部位的光纤线缆。光纤线缆包括具有100微米或更小的直径的光纤芯。

Description

发射到纳米纤维中用于手术照明的白相干激光

背景技术

在解剖学上，眼睛可以被分成两个不同部分——前段和后段。前段包括晶状体并且从角膜的最外层（角膜内皮）延伸到晶状体囊的后部。后段包括在晶状体囊之后的眼睛的一部分。后段从前玻璃体膜（玻璃体的一部分）延伸到视网膜，后玻璃体膜与视网膜直接接触。后段比前段大得多。

后段包括玻璃体——透明、无色、凝胶状物质。它组成眼睛的体积的大约三分之二，在出生之前赋予它形式和形状。玻璃体由1％的胶原和透明质酸钠以及99％的水组成。玻璃体的前边界是接触晶状体的后囊的前玻璃体膜，而后玻璃体膜形成它的后边界，并且与视网膜接触。玻璃体不类似于房水自由流动并且具有正常解剖附着部位。这些部位中的一个是玻璃体基底部，玻璃体基底部是覆盖锯齿缘的大约3-4mm宽的带。视神经头、黄斑和血管弓也是附着的部位。玻璃体的主要功能是保持视网膜就位、保持眼球的完整性和形状、吸收由于运动引起的震动并且在后部为晶状体提供支撑。与房水相对比，玻璃体没有连续地被替换。玻璃体随着年龄在被称为脱水收缩的过程中变得更流体。脱水收缩导致玻璃体的收缩，这会对它的正常附着部位施加压力或牵引。如果施加足够的牵引，玻璃体可能从其视网膜附着部拉扯自身并且产生视网膜撕裂或裂孔。

被称为玻璃体－视网膜程序的各种手术程序通常在眼睛的后段中执行。玻璃体－视网膜程序适合于治疗后段的许多严重状况。玻璃体－视网膜程序治疗各状况，例如年龄相关性黄斑变性（AMD）、糖尿病视网膜病变和糖尿病玻璃体出血、黄斑裂孔、视网膜脱落、视网膜前膜、CMV视网膜炎和许多其它眼科状况。

外科医生用显微镜和设计成提供后段的清晰图像的专用透镜执行玻璃体－视网膜程序。在巩膜上在扁平部制造长度仅仅为一毫米左右的若干微小切口。外科医生通过切口***微手术器械，例如***光纤光源以照明眼睛的内部；***输注管线以在手术期间保持眼睛的形状；以及***器械以切割和去除玻璃体。当同时使用多个器械时可以为每个微手术器械提供分离的切口。

在这样的手术程序期间，眼睛的内部的适当照明是重要的。典型地，将细光纤***眼睛中以提供照明。诸如卤钨灯或高压弧光灯（金属卤化物，Xe）的光源可以用于产生由光纤运载到眼睛中的光。光穿过若干光学元件（典型地，透镜、反射镜和衰减器）并且传输到将光运载到眼睛中的光纤。

与多数手术程序一样，有益的是最小化执行玻璃体－视网膜程序所需的切口的数量和尺寸。切口典型地仅大到足以适应被***眼睛的内部中的微手术器械的尺寸。最小化切口尺寸的努力通常包括减小微手术器械的尺寸。减小切口的数量可以通过整合各种微手术器械实现。例如，光纤可以被合并到微手术器械的工作端部中。这可以消除对于分离的照明切口的需要并且提供通过巩膜中的共同开口将光束与微手术器械一起引导到目标部位的优点。遗憾的是，整合多个微手术器械的至少一些现有尝试导致更大的器械，从而需要更大的切口以便***眼睛的内部区域中，或者伴随着整合的手术器械之一或两者的性能的对应降低。

附图说明

图1是眼睛的横截面图，示出眼睛的内部解剖结构；

图2是显示为照明图1的眼睛的内部区域的示例性照明探头的示意图；

图3是使用大体宽带激光光源的示例性眼内照明***的示意图，该大体宽带激光光源可以选择性地光学地连接到照明探头；

图4是显示为通过眼睛的巩膜中的切口突出的照明探头的端部的示意性部分横截面图；

图5是可以用于图3和6的眼内照明***的示例性整合输注套管和照明探头的示意性部分横截面图；

图6是使用多个窄带激光器作为光源的示例性眼内照明***的示意图；

图7是可以用于图3和6的眼内照明***的示例性照明探头的示意性部分横截面图，该照明探头包括具有成形端部的纳米级光纤，所述成形端部用于选择性地定制从照明探头发射的光的分布；以及

图8是可以用于图3和6的眼内照明***的示例性照明探头的示意性部分横截面图，该照明探头包括高数值孔径和纳米级照明光纤。

具体实施方式

现在参考下面的论述和附图，详细地描述所公开的***和方法的示例性方案。尽管附图表示一些可能的方案，但是附图不必按比例绘制并且某些特征可以放大、去除或部分地剖切以更好地示出和解释本公开。此外，本文中所述的描述不旨在是排他的，或以另外方式将权利要求限制或约束到在附图中显示并且在以下详细描述中公开的确切形式和配置。

图1示出眼睛20的解剖结构，眼睛包括角膜22、虹膜24、瞳孔26、晶状体28、晶状体囊30、小带32、睫状体34、巩膜36、玻璃体区域38、视网膜40、黄斑42和视神经44。角膜22是在眼睛20的表面上的用作窗口的透明的、圆顶状的结构，让光进入眼睛。虹膜24对应于的眼睛的有色部分，是围绕瞳孔26的肌肉，所述肌肉松弛和收缩以控制进入眼睛20的光量。瞳孔26是虹膜24中的圆形、中心开口。晶状体28是帮助将光聚焦在视网膜40上的眼睛20内部的结构。晶状体囊30是包围晶状体30的弹性袋，当眼睛聚焦于处于不同距离处的物体时帮助控制晶状体28的形状。小带32是将晶状体囊30附着到眼睛20的内部的细长韧带，将晶状体28保持就位。睫状体34是附着到晶状体28的肌肉区域，所述肌肉区域收缩和松弛以控制晶状体的尺寸以便聚焦。巩膜36是保持眼睛的形状的眼睛20的强韧、最外层。玻璃体区域38是大的、充有凝胶的部分，所述部分朝着眼睛20的后部定位，帮助保持眼睛的曲率。视网膜40是在眼睛20的后部的光敏感神经层，其接收光并且将光转换为信号以发送到大脑。黄斑42是眼睛20的后部中的区域，其包括用于检测被观察图像中的精细细节的感受器。视神经44将来自眼睛20的信号传输到大脑。

参考图2，与执行玻璃体－视网膜程序结合，各种微手术器械可以通过巩膜36（大体上在扁平部处）***玻璃体区域38中。这些可以包括但不限于玻璃体切除探头46、输注套管48和用于照明眼睛20的内部的照明探头50。照明探头50可以包括光纤线缆52以用于在各种术中程序、例如玻璃体－视网膜手术期间传递来自光源的光以照明眼睛20的玻璃体区域38的内部。

参考图3，示例性内部照明器51可以包括照明器52和照明探头50。照明器52可以包括用于以特定光通量和色度生成光的光引擎54。由照明器52产生的光可以通过照明探头50传输到眼睛的内部区域。光引擎54可以使用激光器56生成光。可以使用激光器的各种类型和配置，包括但不限于气体激光器、染料激光器、金属蒸汽激光器、固态激光器、半导体激光器、光纤激光器和超连续谱激光器。取决于所使用的激光器的类型，光可以在较宽或较窄光谱范围上从激光器56发射。与其它光源、例如LED和基于灯的照明器相比，激光器大体上能够产生具有较高空间相干度的光。高空间相干能够将发射光聚焦到更小斑尺寸以便高效传输到光纤线缆。将发射光聚焦到小斑尺寸的能力可以能够使用小光纤，例如纳米级光纤，这又可以允许更小的手术切口以便将照明探头50***眼睛20中。与包括玻璃体－视网膜程序的许多手术程序的情况一样，通常期望将手术切口限制到尽可能小的尺寸。更小的光纤通常需要用于***眼睛中的更小手术切口。取决于所使用的光纤的尺寸，切口可以小到足以使最后产生的伤口大致自愈合，由此不需要使用附加程序闭合伤口，例如缝合。

激光器56可以配置成产生用于照明眼睛20的内部区域的大体宽带白光。例如，激光器56可以配置作为能够在较宽光谱范围上产生大体宽带光的超连续谱激光器。超连续谱激光器例如通过将大体窄带宽脉冲泵浦光束穿过色散、非线性介质（例如光子晶体光纤）而操作。当泵浦光束传播通过色散、非线性介质时，一系列非线性过程作用于泵浦光束以导致初始泵浦光束的光谱增宽。结果是在可见光谱的至少一部分上延伸的连续光谱。激光器56也可以配置成发射覆盖整个可见光谱并且延伸到不可见光谱的部分中的光。

继续参考图3，照明器52可以包括用于控制和监测激光器56的操作的各种装置，包括但不限于驱动电子设备58、功率监测器60和控制器62。功率监测器60可以配置成监测从激光器56发射的光束64的功率。分束器66或另一合适的光学装置可以用于将光束64的一部分68引导到功率监测器60。功率监测器60可以配置成生成指示从激光器56发射的光的功率的电子信号。功率监测器60可以有线地或无线地电连接到控制器62。

控制器62可以至少部分地控制驱动电子设备58的操作。各种信息输入可以由控制器62接收，包括但不限于各种用户输入和从功率监测器60传输的功率信号，并且然后试探法（即，逻辑规则或过程）可以应用于输入。然后可以生成在照明器52的总体操作的背景下影响电子设备58的操作的输出。

在某些照明应用中，例如当使用超连续谱激光器时，可能有益的是在时域中进一步展宽从激光器56发射的光束脉冲。这可以通过将色散元件70布置在用于生成从激光器56发射的大体宽带白光的色散、非线性介质的光路下游而实现。色散元件70可以配置作为一长度的色散光纤。色散元件70可以包括用于将照明探头50选择性地光耦合到照明器52的光耦合器71。替代地，色散元件可以整合作为照明探头50的一部分。

继续参考图3，照明器52可以包括用于俘获和聚焦从激光器56发射的光束64并且聚焦光以便输送到色散元件70的光耦合器72。光耦合器72可以包括各种光学元件，例如用于接收从激光器56发射的大体发散光束64的准直透镜74和光学地布置在准直透镜74的下游的聚光透镜76。准直透镜74接收从激光器56发射的光束64，并且折射光以形成大体准直光束77。准直光束77穿过聚光透镜76，聚光透镜操作以聚焦准直光束以便输送到色散元件70。光耦合器72可以替代地使用球透镜以便将激光器56光耦合到色散元件70。这些仅仅是可以用于将激光器56光耦合到光纤线缆52的各种光学耦合***的两个例子。也可以使用其它光学耦合***。

继续参考图3，照明探头50可以包括用于将从激光器56发射的光传输到眼睛20的内部的光纤线缆78。光纤线缆78可以包括用于将光纤线缆78光连接到色散元件70的光纤连接器80。光纤连接器80可释放地连接到可操作地与照明器52关联的对应配置的光耦合器71。光连接器71和80能够使光纤线缆78选择性地附接和脱离照明器52。在图3中所示的内部照明器51的示例性配置中，光纤线缆78显示为直接连接到色散元件70。实际上，各种附加光学元件可以设置在照明器52和光纤线缆78之间的光路中。例如，照明器52可以容纳在手术控制台内。类似于光耦合器71配置的光连接器可以布置在手术控制台上的容易接近的位置以提供方便将光纤线缆78光连接到连接器。一系列光学元件，例如附加长度的光纤（其可以是永久的或用后可弃的），可以用于将照明器52光连接到布置在手术控制台的外部上的光连接器。其它光学元件也可以用于将光纤线缆78光连接到照明器52。

也参考图4，光纤线缆78可以具有各种配置中的任何一种。光纤线缆78可以包括柔性配置以允许照明探头50的大体无阻碍操作。光纤线缆78可以包括光传输光纤芯82，该光传输光纤芯由具有大体上比光纤芯82低的折射系数的覆盖材料84围绕。光纤芯82可以由各种材料制造，包括但不限于玻璃和塑料。取决于特定应用的要求，光纤线缆78也可以包括附加层。例如，光纤线缆78可以包括包覆覆盖材料84的缓冲材料，以及用于防护线缆的内部部件免于损坏的外护套（例如塑料或金属管）。

当使用超连续谱激光器作为激光器56时，发射光束64大体上具有高空间相干度。高空间相干典型地能够将光束聚焦到小斑尺寸以便输送到光纤线缆。将从超连续谱激光器发射的光聚焦到小斑尺寸的能力可以能够使用纳米级光纤以便将从激光器56发射的传输到眼睛20的内部。纳米级光纤大体上具有小于100微米的直径（或其它最大横截面尺度）。当用作照明探头50的光纤芯82时，纳米级光纤的小直径可以能够减小探头的横截面积，这又可以减小***探头所通过的眼睛20（参见图1和2）的巩膜36中的手术切口的尺寸。

由于纳米级光纤的小尺寸，能够整合照明探头50和另一手术器械，包括但不限于输注套管48（参见图2），从而减少在玻璃体视网膜程序期间***手术器械所需的手术切口的数量。使用整合照明光纤的输注套管的一些示例性配置在Smith等人于2010年8月24日提交的美国专利第7,783,346号（“‘346专利”）中公开。‘346专利通过引用完整地被合并于本文中。参考图5，示例性配置的整合照明探头/输注套管86可以包括用于将从激光器56发射的光传输到眼睛20的内部的纳米级光纤线缆88。软管90可以被提供用于输运液体或气体以便输送到眼睛20的内部。套壳（hub）92互连纳米级光纤线缆88和软管90。套管94可以附接到套壳92。套管94提供通道以用于接收纳米级光纤线缆88的端部96，并且用于将流体或气体输送到眼睛20的内部。纳米级光纤线缆88和软管90可以封闭在防护鞘98中。整合照明探头/输注套管86的示例性配置能够使两个手术器械通过单个手术切口同时接入眼睛20的内部区域。纳米级光纤线缆88可以类似地与其它微手术器械整合。

参考图6，内部照明器100可以包括用于以特定光通量和色度生成光的替代配置的光引擎102。光引擎102可以与光引擎54（参见图3）类似地配置，但是区别在于包括用于生成大体宽带白光以便照明眼睛20的内部的多个激光器。除了光引擎102以外，内部照明器100与图3中所示的内部照明器52类似地配置。不同于使用用于生成大体宽带白光的单激光器，例如用于激光光源56（参见图3）的超连续谱激光器，内部照明器100的光引擎102使用两个或更多个激光器以产生具有选定光谱性质的光。在图6中所示的内部照明器100的示例性配置中，光引擎102包括四个激光器104、106、108和110。每个激光器可以配置成在期望光谱范围的不同部分上生成光。光束组合器112可以被提供以用于将从各个激光器发射的光束组合成具有期望光谱范围的单个光束64。光束64将具有的光谱范围包括从激光器104、106、108和110发射的光束的光谱范围。在内部照明器100的示例性配置中显示四个激光器，如图3中所示，但是实际上，可以使用更多或更少的激光器。所使用的激光器的实际数量将至少部分地取决于各个激光器的波长范围。一般地，光谱范围越宽，用于在期望波长范围上产生光所需的激光器的数量将越少。尽管每个激光器在不同光谱范围上产生光，但是可能有益的是具有在光谱范围之间的至少一些重叠以帮助保证发射光的均匀光谱分布。

例如用光引擎102执行的、通过组合多个单独的光束以产生具有各个光束的光谱范围的单个光束而产生的光束可能受到被称为散斑（speckling）的现象。当具有不同相位的多个光波彼此干涉时发生散斑。当加在一起时，干涉产生具有随机变化的强度的光波。用于减小散斑的选择例如包括使用布置在光束64的光路中的旋转漫射器或透镜以破坏发射激光的空间相干。其它选择包括使相加的光束穿过光纤的振动或拉伸线圈（例如第二色散元件70）以产生均匀照明。

通常期望从照明探头50发射的光具有较宽角分布以能够照明眼睛20内的对应宽术野。从例如可以用于光纤线缆78的纳米级光纤发射的光可以由于光纤的小数值孔径或光纤内的光束的小数值孔径而具有较小角分布。参考图7，用于获得发射光的更宽角分布的一个选择是选择性地锥化光纤芯82的端部114。取决于特定应用的设计参数和期望的角分布，可以使用各种锥体，例如复合抛物面聚光器。诸如将漫射剂加入光纤的端部的替代方法可以用于产生更大的照明角。

参考图8，也可以通过使用具有高数值孔径的光纤线缆增加从光纤线缆78发射的光的角分布。高数值孔径指示光纤芯82和覆盖物84之间的折射系数的大差异。具有大数值孔径的光纤线缆可以大体上在比具有更小数值孔径的光纤线缆更宽的入射角范围上接收光。增加光进入光纤线缆78的入射角116大体上导致从光纤线缆发射的光的角分布的增加。当与输送到光纤线缆的光的增加的入射角结合使用时，增加光纤线缆78的数值孔径可以改善从照明探头50发射的光的角分布。

在某些情况下，可能出现光暗化或色心。光暗化是多光子过程，并且它的出现的概率与脉冲的峰值功率成比例。因此，在某些实施例中，在光具组中的脉冲展宽元件可以减轻该状况。例如，脉冲展宽元件可以将100到200皮秒（ps）脉冲展宽到1纳秒（ns）。在某些实施例中，暂时色散元件也可以实现该目的。

将领会本文中所述的示例性手术照明***具有广泛应用。选择并且描述前述配置是为了举例说明方法和装置的原理以及一些实际应用。前面的描述能够使本领域的技术人员在各种配置中并且以适合于预期的特定用途的各种修改利用方法和装置。根据专利法的规定，已在示例性配置中解释和举例说明了所公开的手术照明***的原理和操作模式。

本方法和装置的范围旨在由以下权利要求限定。然而，必须理解所公开的手术照明***可以以不同于具体解释和举例说明的方式实施而不脱离它的精神或范围。本领域的技术人员应当理解本文中所述的配置的各种替代可以用于实施权利要求而不脱离在以下权利要求中限定的精神和范围。所公开的手术照明***的范围不应当参考以上描述进行确定，而是应当参考随附的权利要求以及这样的权利要求享有的等效物的完整范围进行确定。可以预料和想到未来的发展将出现在本文所述的领域中，并且所公开的***和方法将包含到这样的未来例子中。此外，在权利要求中使用的所有术语旨在给出本领域技术人员所理解的它们的最广义的合理解释和它们的一般含义，除非在本文中进行相反的明确指示。特别地，诸如“一”、“所述”等的单数冠词的使用应当被理解为记载一个或多个指示元件，除非权利要求相反地记载明确限制。以下权利要求旨在限定装置的范围并且在这些权利要求及其等效物的范围内的方法和装置由此被涵盖。总之，应当理解装置能够修改和变化并且仅仅由以下权利要求限制。

Claims (16)

1.一种手术照明***，其包括：

第一激光器，被配置成发射具有第一光谱范围的第一光束；

第二激光器，被配置成发射具有第二光谱范围的第二光束；

布置在所述第一激光器和所述第二激光器中的至少一个与照明探头之间的光路中的光束组合器，所述光束组合器被配置成：

组合所述第一光束和所述第二光束；并且

发射具有第三光谱范围的第三光束，所述第三光谱范围包括所述第一光谱范围和所述第二光谱范围；以及

所述照明探头，所述照明探头包括用于将所述第三光束的至少一部分输送到手术部位的光纤线缆。

2.根据权利要求1所述的手术照明***，其中所述第一光谱范围和所述第二光谱范围至少部分地重叠。

3.根据权利要求1所述的手术照明***，其中所述光纤线缆包括具有100微米或更小的直径的光纤芯。

4.根据权利要求1所述的手术照明***，其中所述光纤线缆包括具有用于发射所述第三光束的所述至少一部分的轮廓端部的光纤芯。

5.根据权利要求1所述的手术照明***，其中所述第一光谱范围在可见光谱的至少一部分上延伸。

6.根据权利要求1所述的手术照明***，其中所述第一光谱范围在基本上整个可见光谱上延伸。

7.根据权利要求1所述的手术照明***，其中所述第一激光器是超连续谱激光器。

8.根据权利要求1所述的手术照明***，其还包括用于将所述第三光束光连接到所述照明探头的光耦合器。

9.根据权利要求1所述的手术照明***，其还包括用于选择性地调节所述第三光束的时域的色散元件，所述色散元件布置在所述第一激光器和所述照明探头之间的光路中。

10.根据权利要求1所述的手术照明***，其还包括与所述照明探头整合的手术探头。

11.一种手术照明***，其包括：

光引擎，其包括：

第一激光器，所述第一激光器配置成发射具有第一光谱范围的第一光束；

第二激光器，所述第二激光器配置成发射具有第二光谱范围的第二光束；

布置在所述第一激光器和所述第二激光器中的至少一个的光路中的光束组合器，所述光束组合器可操作地组合所述第一光束和所述第二光束以生成具有第三光谱范围的第三光束，所述第三光谱范围包括所述第一光束的所述第一光谱范围和所述第二光束的所述第二光谱范围；

照明探头，所述照明探头包括具有100微米或更小的直径的光纤芯；以及

光耦合器，所述光耦合器将所述照明探头的所述光纤芯光耦合到所述光引擎。

12.根据权利要求11所述的手术照明***，其中所述第一光谱范围与所述第二光谱范围重叠。

13.根据权利要求11所述的手术照明***，其中所述第一激光器和所述第二激光器中的至少之一配置作为超连续谱激光器。

14.根据权利要求11所述的手术照明***，其还包括布置在所述光引擎和所述照明探头之间的光路中的色散元件和降斑元件中的至少一个。

15.根据权利要求11所述的手术照明***，其中所述第一光谱范围包括基本上整个可见光谱范围。

16.根据权利要求11所述的手术照明***，其中所述第一光束的强度分布成形为获得期望的输出图案。