CN1997323A - 用于医疗设备的光纤探针尖端的制造方法 - Google Patents

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Abstract

此处说明的发明是一种改进的光纤探针(10)。探针(10)的尖端由透明填充材料(18)制成，该透明填充材料连接到传统光纤(12)的末端(14)。使光纤(12)变尖，填充材料(18)连接到光纤并通常从光纤(12)向外延伸，就像光纤(12)的延续部分一样。填充材料(18)的外径优选地与光纤(12)基本相同。填充材料(18)可以含有使光在射出光纤(12)时扩散的光散射元件。

Description

用于医疗设备的光纤探针尖端的制造方法
技术领域
本发明一般地涉及医疗设备。更具体地说，本发明涉及通过光纤向待治疗区域发送电磁辐射的医疗设备。
背景技术
光动力治疗(“PDT”)已被用于治疗多种疾病。PDT常常包括使用光敏剂，光敏剂由电磁辐射(例如激光这样的光)活化。这种类型的治疗已经公知多年。例如，在某些情况下，它们已被应用于对局限性癌症(localized cancer)进行治疗。已有例如血卟啉衍生物(hematoporphyrinderivative)的光敏药品对肿瘤具有选择性的适用性。这些药品在暴露于光而受到活化时可能造成细胞坏死。这种治疗的一个示例公开于美国专利No.4,336,809。
PDT已经用作一种对牙周病进行治疗的方法。在与适当的光敏化合物一同使用时，已知光活化(例如通过光或激光进行)辐射会杀死造成多种与口腔或牙齿相关的疾病(包括慢性牙周炎)的细菌种类。这种处理有时称为光动力消毒(PDD)。
经常采用某些类型的光纤来传送与PDT相结合的光活化所用的光。例如，美国专利No.6,019,605中图示了通常如何使用光纤。在该专利中，将光纤***牙齿附近的牙周袋(参见’605专利的图1，标号20的条目)。这种类型的光纤光发送探针将光供给需要治疗处的特定组织。将光发送或施加到该组织的方式取决于光纤最末端处尖端的特性和形状。
无论将光纤(或“光纤探针”)与PDT结合使用还是用在向人体内的区域或空腔提供光的其他种类医疗应用中，有时都希望来自探针末端的光具有横向散布或扩散。通常，从光纤末端发射出的大部分或者几乎全部的光是以狭窄的锥形发射的，该锥形由光纤末端定向并与之同轴。因此，它会发送到组织区域上基本上成为“斑点”，该“斑点”基本上相应于光纤直径，或者只比光纤直径略大。为了使光在更大面积上散布或扩散，已有这样的情况，即将光纤探针设计为带有“珠子”元件，该“珠子”元件覆盖光纤的最末端以粗略地模拟菲涅耳透镜产生的效果。尽管这种设计可以使光相对于光纤横向散布，但是它在一些方面也有缺点。
首先，这种探针使外径扩大到超过了光纤的正常直径。通常的光纤具有范围在300-600微米的直径。因为与医疗过程结合使用时比较具有无创伤性，所以这样的小直径是期望的。如果要将探针放在牙齿和齿龈之间的牙周腔中，光纤探针的小直径就更加重要。因此，在用于这种应用场合时，加大的探针尖端是不受欢迎的。其次，除非采用了特别紧固的连接模式，否则这种尖端可能易于从光纤脱离。通常在牙周腔中或者人体内希望被发送光的任何其他地方，不希望探针尖端有任何部分脱离。
本发明是一种改进，解决了传统探针中的这些设计缺陷和/或其他种类的设计缺陷。
发明内容
在一个实施方式中，本发明是一种改进的光纤探针或探针尖端。它包括光纤，该光纤的外径适于***牙周袋或者人体内其他类型的腔或区域。该光纤通常具有变尖端，末端材料或填充物材料优选地由与组成光纤的材料不同的材料组成，所述末端材料或填充物材料通常连接到光纤的变尖端。在一种优选实施例中，末端材料的外径与光纤的外径基本相同。采用这种结构，在作为将电磁辐射(例如激光)传递到治疗区域的光纤探针的一部分使用时，光纤(例如光纤变尖端)、填充材料或这二者不同的光学特性使光从探针末端横向扩散。此外，通过在从光纤到其他材料的过渡过程中保持不变的外径，这种探针能够在保持无创伤性的同时使光扩散。
可以较理想地用聚合物包层制造探针，所述聚合物包层覆盖了末端材料连接到光纤变尖端处的过渡区域。此外，可以较理想地在末端材料中包括辐射元件或光散射元件。二氧化钛(TiO2)适于用在这个方面。铝化合物也同样适用。
通过研究下面的详细说明可以对本发明有更好的理解，这些详细说明应当与附图结合阅读。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的标号和字母表示相同的部分，除非另有指明。
图1是根据本发明一种优选实施例构成的光纤探针尖端的图示；
图2是图1所示探针尖端的侧剖视图，示出了延伸到探针末端附近的包层；
图3是探针尖端的侧视图，但外部包层已从探针尖端剥离；
图4是探针尖端的透明元件的立体剖视图；
图5是图示了探针尖端在可能的牙医或医学应用方面一种示例的示意图；
图6是适用于下述探针尖端的一种医疗设备的示意图；
图7是光纤在制成根据本发明的光纤探针尖端之前的侧剖视图；
图8是类似于图7的视图，但是图示了用于使聚合物包层外鞘或覆盖物中的光纤变尖的刻蚀处理；
图9是类似于图7一图8的视图，图示了如何将末端材料或填充物材料施加并连接到光纤变尖端的一种实施例。
具体实施方式
现在参考图1，标号10大体上示出了根据本发明一种优选实施例构成的光纤探针或探针尖端。探针尖端由光纤12(例如天然的、熔融的石英光缆)构成。光纤12的末端以图示方式变尖。虽然附图示出了一种带有切顶或平面16的对称圆锥形状，但是应当明白，这种变尖形可以不遵循精确的几何结构。变尖端14的形状可以根据制造技术而变化。例如，变尖端14可以形成完整的或部分的楔形，也可以形成使光纤12的截面积在该末端逐渐减小的任何其他形状。
探针的最末端由填充材料或末端材料18组成，该材料通常是透明或半透明，但是该材料不需要是整个透明的。如图2和图4所示，填充材料可以包括由二氧化钛或其他类似的光反射化合物(例如铝化合物)制成的散射元件或散射中心20。可以利用制造传统光纤的方法来制造探针尖端10。本领域技术人员应当明白，与附图中所示光纤12相似或相同的光纤种类通常带有标准的聚合物包层，附图中用标号22表示该包层。例如，对于通常的光纤12，包层的厚度可以在250微米量级。
可以想到，可以采用几种不同技术来形成变尖的端部14。例如，可以以化学方式除去部分光纤来形成变尖的端部。或者，也可以用一种或多种工具来除去部分光纤并形成变尖的端部。也可以采用其他技术。
在一种优选实施例中，采用刻蚀来除去部分光纤12。在该优选实施例中，可以整齐地在末端切断带有包层的光纤12，产生图7中标号24所示的构造。由于光纤——特别是光纤的芯层——主要是玻璃，所以易受到用于刻蚀玻璃、硅晶片等常用的酸的破坏。聚合物包层22不易受到这些酸的破坏。因此，可以通过使光纤24的末端经受适当的腐蚀溶液来“刻蚀”出变尖部分14。一种示例溶液有一份NH4F、一份H2O和八份普通或其他HF，但是本领域技术人员应当明白，在本发明的范围内，还可以采用多种其他溶液。使光纤经受这样的溶液会使光纤以虚线26A、26B、26C和26D依次所示的方式逐渐回蚀，直到得到图1-图4所示的变尖形状。但是，可以想到，可以通过控制刻蚀工艺(例如通过掩模)来得到不同的形状，这也可以作为一种改变探针尖端10光学特性的方式。
参考图9，当刻蚀处理完成时，由于包层未受刻蚀处理影响，所以光纤的变尖端14凹进聚合物包层22中。这样就形成了中空的空间34，空间34由包层22(例如包层内壁)、变尖端14或二者共同限定并通常与之毗邻。
中空的空间34形成之后，通常为其提供或填充填充材料。通常，可以用各种技术来向中空的空间34提供填充材料。例如，可以将填充材料注射、滴注、灌注或以其他方式提供到中空的空间34。
在一种优选实施例中，将填充材料抽入中空的空间34。在这样的实施例中，可以在包层22中制造合适的孔或切口28，以便将填充材料抽入中空的空间34中，既在变尖部分14周围也在其前方。这是在填充材料是比较有粘性的液体、能够抽取时，沿箭头35所示方向由真空方式通过挤压或抽吸处理完成的。
作为这种抽吸处理的一种示例，可以将包层22的末端置于真空压力源中，从而使中空的空间34与真空形成流体连通。在这样的实施例中，用作流体密封的密封件(例如O形圈)可以用来密封在包层22周围。作为这种处理的另一个步骤，孔28可以连接到填充材料32的来源，从而使填充材料32与中空的空间34形成流体连通。接着，真空压力将填充材料抽入中空的空间34中(例如经过孔)。应当明白，可以以任何其他顺序在中空的空间34、真空压力源与填充材料之间建立流体连通，只要所述顺序能够使真空将填充材料抽入中空的空间34中。
作为填充中空空间34所用处理的另一示例，可以在填充材料32仍处于粘性状态时将光纤24的顶端浸入填充材料32中。然后向孔28施加真空，造成填充材料32沿着与箭头35相反的方向被抽入中空的空间34中。
不管采用什么技术来提供填充材料，填充材料优选地但并非必需地形成圆形的端部。在图9所示实施例中，填充材料沿着虚线36A、36B和36C的次序方向挤出，产生延伸超过围绕聚合物包层22的外边缘24的圆形末端(例如球形或半球形38)。透明或半透明的填充材料通过凝固、硬化或通过这二者形成图1-图4所示结构。此后，可以视情况剥去光纤末端，使得将包层22切回到图3中标号40所示位置。这样使探针尖的末端暴露。对于某些应用，可能期望剥去较少的包层(例如不剥去任何包层)或剥去更多包层，可以是几英寸或更多。
本领域技术人员会明白，有不同类型的材料(通常是聚合物材料，例如环氧树脂、聚亚安酯或类似材料)适合用作填充材料。这样的材料通常可以通过暴露于某些环境而凝固，所述环境例如空气、化学物质、高温、光(例如紫外辐射)或其组合等。合适材料的一种示例是以EPO-TEK301的商品名出售的胺可凝固环氧树脂，它可以从14 Fortune Drive，Billerica，MA01821-3972的Epoxy Technology，Inc.买到。
如前所述，填充材料通常包括散布在材料中的一个或多个光散射元件。或者，填充材料可以具备固有的光散射元件或特性。光散射元件的示例包括但不限于铝化合物、氧化物(例如氧化铝、氧化钡)、陶瓷、聚合物、折射率高于或低于填充材料的团(例如珠子、球或球体)(例如蓝宝石球、中空的微球体)、或其组合等。在一种优选实施例中，使用二氧化钛团。如果使用二氧化钛的光反射元件20，可以在挤压处理期间或其他时候将其混合到填充材料中。某些应用中也可能不需要光散射元件20。
应当明白，此处所用的术语“光”意在覆盖整个电磁辐射谱，除非另有指明。对于本发明，光通常会包括来自下列项中任一个或任一组的基本单一的波长、连续或间断的波长范围或其组合：红外辐射、可见光、紫外辐射或其组合。
将变尖的结构、光纤与填充物材料之间不同折射率或反射率以及散射元件都组合起来时，产生了这样的效果：沿这段光纤透射的光会沿许多不同方向(包括横向)扩散。在从光纤末端发射光时这非常重要，但是在其他情况下也可能很重要。如果没有扩散，则光(例如激光)通常会易于作为直线形光束或狭窄的锥形射出光缆末端。根据本发明构造的探针尖端使光可以从尖端以横向并围绕尖端区域的方式定向(例如衍射、反射、折射、散射或其组合)，这使之更适于与某些种类的光治疗结合使用。例如，可以用该探针使更大面积的组织暴露于光。此外，还可能通过结合所用材料的折射率对变尖的形状进行调整来影响或增强横向的光扩散。
作为一种示例，图5图示了***牙齿46附近牙周腔44中的光纤42。这可以是通常类型的PDT，其中在***光纤42时，合适的光敏剂位于腔中(例如在两侧、一个位置、整个腔中或以其他方式位于腔中)。使用这里公开的探针尖端10，结合这种类型的治疗，意味着用于对光敏剂进行活化的光(例如激光)会被发送到腔中更大的组织区域，从而由于会将光从探针尖端发射到许多不同方向而提供更好的治疗。
尖端10设计为使得填充物材料18的外径基本上与玻璃光纤或光学元件12的外径相同，这意味着填充物材料18不会对***造成阻碍。光纤的变尖端14产生了相当大的表面积来与填充物材料18结合。这使得在医疗过程中使用探针尖端10时，填充物材料18不大可能脱离光纤12末端。
已经设计了与PDT一同使用的手持光设备，但是它们不带上述的独特尖端。图6图示了一种通常的手持探针48，它通过光缆52连接到光(例如激光)源50。上述的探针尖端设计10意在用作一种改进的尖端，它可以取代图6中标号54所示位置处目前使用的这种发送尖端。
上面的说明仅仅是为了示例目的。本领域技术人员应当明白，有不同种类的材料可以用来制造上述探针尖端10。这可能包括反射率不同的、或变尖形状不同的材料，这些差异会对激光如何从探针尖端射出造成影响。因此，前述说明并非意在限制本发明的精神和范围。本发明的范围仅由权利要求限制，对其的解释应当根据对专利权利要求进行解释的标准规则来进行。
除非另有声明，这里所示各种结构的尺寸和几何形状并不表示对本发明的限制，其他的尺寸和几何形状也是可行的。多个结构部件可以用单一的一体结构来提供。或者，单一的一体结构也可以分成单独的几个部件。另外，尽管可能只在图示实施例中之一的上下文中说明了本发明的特征，但是对于任何给定的应用，这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征相结合。根据上述还应理解，此处的独特结构的制造及其操作也构成了根据本发明的方法。

Claims (24)

1.一种形成光纤探针的方法，包括：
提供具有外径的光纤，其中，所述光纤由覆盖物围绕，所述光纤包括末端；以及
在所述光纤的末端提供填充物材料，使得所述填充物材料具有与所述光纤的所述外径基本相同的外径。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光纤的末端变尖。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述填充物材料连接到所述光纤的所述末端。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述提供光纤的步骤包括形成所述光纤的所述末端，使得所述末端凹进所述包层中以形成中空的空间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，形成所述光纤的所述末端是通过对所述光纤的末端进行刻蚀来完成的。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中，所述中空的空间围绕所述光纤的所述末端。
7.根据权利要求4、5或6所述的方法，其中，所述提供填充物材料的步骤包括向所述中空的空间提供所述填充物材料，使得所述填充物材料至少部分位于所述光纤前方。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，向所述中空的空间提供所述填充物材料包括：
i.在所述覆盖物中形成孔，所述孔用于通到所述中空的空间；以及
ii.通过在真空压力下使所述填充物材料作为较粘的流体经过所述孔抽入所述中空的空间中，而向所述中空的空间提供填充物材料。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的方法，还包括将至少部分所述覆盖物从所述填充物材料剥去，留下的所述填充物材料外径与所述光纤的所述外径基本相同。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，还包括使所述填充物材料凝固和/或硬化。
11.根据权利要求1-10中任意一项所述的方法，其中，所述填充物材料与所述光纤的所述末端共轴地向外延伸。
12.根据权利要求1-11中任意一项所述的方法，其中，提供所述填充物材料使其至少部分围绕所述光纤的所述末端。
13.根据权利要求1-12中任意一项所述的方法，其中，所述光纤的所述末端是圆锥形状。
14.根据权利要求1-13中任意一项所述的方法，其中，所述填充物材料由与所述光纤的材料不同的材料制成。
15.根据权利要求1-14中任意一项所述的方法，其中，所述覆盖物至少在与所述光纤和所述填充物材料连接在一起之处相邻近的区域处覆盖所述探针。
16.根据权利要求1-15中任意一项所述的方法，其中，所述覆盖物是包层。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述包层由聚合物材料形成。
18.根据权利要求1-17中任意一项所述的方法，其中，所述填充物材料具有至少一个光散射元件。
19.根据权利要求1-18中任意一项所述的方法，其中，所述填充物材料包括多个光散射元件或具有固有的光散射元件。
20.根据权利要求1-19中任意一项所述的方法，其中，所述填充物材料包括含有TiO2的多个光散射元件。
21.根据权利要求1-20中任意一项所述的方法，其中，所述填充物材料具有圆形末端。
22.根据权利要求1-21中任意一项所述的方法，其中，所述填充物材料是含有钛光散射元件的可凝固环氧树脂材料。
23.根据权利要求1-22中任意一项所述的方法，其中，所述探针设置为用于进行光动力治疗。
24.一种根据权利要求1-23中任意一项所述的方法形成的探针。
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