通过弯曲将光纤配置成发射辐射

申请号 CN201380017555.0 申请日 2013-01-31 公开(公告)号 CN104220908A 公开(公告)日 2014-12-17
申请人 阿西梅特里克医疗有限公司; 发明人 奥里·韦斯伯格; 摩西·艾希柯;
摘要 本文提供了一种光纤,其包括纤芯和包层,并具有包层的至少一个区域,该包层的至少一个区域布置成当将光纤弯曲超过弯曲 阈值 时从纤芯发射电磁 辐射 。光纤被集成在设备中,该设备使用弯曲的光纤或在 接触 目标时诱发弯曲,以在目标处发射辐射。
权利要求

1.一种光纤,包括具有折射率的纤芯和具有折射率的包层,所述光纤具有所述包层的至少一个指定区域,所述包层的至少一个指定区域布置成当在所述至少一个指定区域处将所述光纤弯曲超过指定的弯曲阈值时从所述纤芯发射电磁辐射
2.根据权利要求1所述的光纤,其中所述包层在所述至少一个指定区域处在横截面上是不对称的,并包括至少一个发射分区和至少一个非发射分区。
3.根据权利要求2所述的光纤,其中所述至少一个发射分区具有比所述包层的折射率大的折射率。
4.根据权利要求3所述的光纤,其中所述至少一个发射分区的折射率与所述包层的折射率的差别大于0.1%。
5.根据权利要求2所述的光纤,其中所述至少一个非发射分区被微结构化,以将其有效折射率减少至低于所述至少一个发射分区的折射率。
6.根据权利要求2所述的光纤,其中所述至少一个非发射分区被微结构化,以向所述至少一个发射分区引导辐射。
7.根据权利要求6所述的光纤,其中至少一个微结构化的非发射分区包括栅格和空气孔中的至少一种。
8.根据权利要求2所述的光纤,其中所述光纤是不对称的布拉格光纤、不对称的光子晶体光纤或不对称的有孔光纤。
9.根据权利要求2所述的光纤,其中所述至少一个发射分区包括至少两个发射分区,该至少两个发射分区在其对于发射的指定弯曲阈值上不同。
10.根据权利要求9所述的光纤,包括至少一个另外的纤芯,其中所述纤芯与一个发射分区相关联且所述至少一个另外的纤芯与相应的发射分区相关联。
11.根据权利要求1所述的光纤,其中所述包层在所述至少一个指定区域处径向地呈锯齿状。
12.根据权利要求1所述的光纤,其中所述包层包括在所述至少一个指定区域处的至少一个圆形段,所述至少一个圆形段具有界定所述至少一个发射分区并且还在平面处发射电磁辐射的弧。
13.根据权利要求1所述的光纤,其中所述纤芯在所述至少一个指定区域处在横截面上为不对称的,并包括至少一个发射分区和至少一个非发射分区。
14.根据权利要求1所述的光纤,其中所述纤芯在所述至少一个指定区域处不对称地定位在所述光纤内,以界定至少一个发射分区和至少一个非发射分区。
15.根据权利要求1所述的光纤,选自:实芯光纤、中空光纤、金属波导、布拉格光纤和光子晶体光纤。
16.根据权利要求1所述的光纤,还包括涂层。
17.根据权利要求16所述的光纤,其中所述涂层在所述至少一个指定区域中缺失。
18.根据权利要求16所述的光纤,其中所述涂层在所述至少一个指定区域处在横截面上是不对称的,并包括至少一个发射分区和至少一个非发射分区。
19.根据权利要求16所述的光纤,其中所述涂层包括在所述至少一个指定区域处的至少一个圆形段,所述至少一个圆形段具有界定所述至少一个发射分区并且还在平面处发射电磁辐射的弧。
20.根据权利要求1所述的光纤,其中所述包层包括在光纤的端部处的至少一个圆形段,所述至少一个圆形段具有界定至少一个端部发射分区的在平面处发射电磁辐射的弧。
21.根据权利要求1所述的光纤,其中所述包层布置成当在所述至少一个指定区域处施加应变时变得在横截面上不对称。
22.根据权利要求21所述的光纤,其中所述不对称在于以下中的至少一项:所述包层的形式、所述包层的厚度和所述包层的折射率。
23.根据权利要求21所述的光纤,其中所述不对称配置成聚焦或增强发射的电磁辐射。
24.一种设备,包括:
至少一个光纤,其包括至少一个纤芯,和包层,每个光纤具有所述包层的至少一个指定区域,所述包层的至少一个指定区域布置成当在所述至少一个指定区域处将所述光纤弯曲超出指定弯曲阈值时从所述纤芯发射电磁辐射;以及
至少一个光源,其布置成通过所述至少一个光纤来传输电磁辐射。
25.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光纤作为圈套形成,所述圈套布置成在由所述圈套界定的平面中发射电磁辐射。
26.根据权利要求25所述的设备,还包括第二指定区域,所述第二指定区域布置成相对于由所述圈套界定的平面成一度发射具有指定特征的电磁辐射。
27.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光纤被以一定角度弯曲,且所述弯曲布置成在由所述角度界定的平面中发射电磁辐射。
28.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光纤包括处于可收缩的支架状结构的多个光纤。
29.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光纤与支架关联。
30.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光源配置成通过感应激活。
31.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光源包括至少两个光源,所述至少两个光源配置成通过所述至少一个光纤传送至少一个治疗束和至少一个引导束。
32.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光纤的端部是反射的。
33.根据权利要求24所述的设备,其中所述至少一个光纤的端部布置成发射辐射。
34.根据权利要求24所述的设备,还包括在所述至少一个光纤的末端处的吸收槽。
35.根据权利要求24所述的设备,还包括支撑结构,所述支撑结构配置成以导致所述至少一个光纤弯曲以在目标处发射电磁辐射的方式相对于目标定位所述至少一个光纤。
36.根据权利要求35所述的设备,其中所述支撑结构在相对于目标的相对侧上附接到所述至少一个光纤。
37.根据权利要求35所述的设备,其中所述支撑结构是球囊,且所述至少一个光纤包括围绕所述球囊缠绕的多个光纤,且其中所述光纤的弯曲通过将所述球囊充气成接触目标来实现。
38.根据权利要求37所述的设备,其中所述目标包括至少一个梗阻。
39.根据权利要求37所述的设备,其中所述多个光纤以下面中的至少一个的构型缠绕:垂直于、平行于或倾斜于所述球囊的纵向轴线。
40.根据权利要求37所述的设备,其中所述多个光纤以可收缩的支架状的构型被缠绕。
41.根据权利要求35所述的设备,其中所述支撑结构是镊子状的。
42.根据权利要求41所述的设备,其中所述至少一个光纤布置成穿过镊子状的支撑结构应用指定的发射分布。
43.根据权利要求35所述的设备,其中所述镊子状的支撑结构包括设计成在组织接触时控制所述至少一个光纤的弯曲的表面特征。
44.根据权利要求24所述的设备,还包括检测器,所述检测器与所述至少一个光纤相关联并布置成测量和指示所发射的辐射。
45.一种配置从光纤发射的方法,所述方法包括将所述光纤中的至少一个指定区域布置成当在所述至少一个指定区域处将所述光纤弯曲超出指定弯曲阈值时通过所述光纤的包层发射从纤芯输送的电磁场辐射。
46.根据权利要求45所述的方法,其中所述布置包括将所述包层配置成在所述至少一个指定区域处在横截面上是不对称的并包括至少一个发射分区和至少一个非发射分区,并且将所述至少一个发射分区的有效折射率nE设置成比包层折射率nM更接近纤芯折射率nK,以当在所述至少一个指定区域处将所述光纤弯曲超过指定弯曲阈值时通过所述至少一个发射分区产生传输。
47.根据权利要求46所述的方法,其中设置有效折射率nE通过以下中的至少一个来实现:将nM改变成nE、使所述包层呈锯齿状、使所述包层微结构化、将所述纤芯不对称地或偏心地定位在所述包层内、将不对称涂层施加到所述包层上、以及使光纤发生应变。
48.根据权利要求45所述的方法,还包括:将所述至少一个指定区域配置成在由所述光纤界定的平面中发射电磁辐射。
49.根据权利要求45所述的方法,还包括将具有所述至少一个指定区域的至少一个光纤附接到支撑结构,并将所述支撑结构配置成以导致所述至少一个光纤弯曲以在目标处发射电磁辐射的方式将所述至少一个光纤相对于目标定位。
50.一种移除梗阻的方法,该方法包括将至少一个光纤的至少一个指定区域应用到梗阻,所述至少一个指定区域布置成当所述光纤在所述至少一个指定区域处弯曲超过指定弯曲阈值时通过所述光纤的包层发射从纤芯传送的电磁辐射。
51.根据权利要求50所述的方法,其中通过使球囊充气来将所述至少一个光纤应用到梗阻,所述至少一个光纤抵着梗阻附接到所述球囊,以在所述至少一个指定区域处产生所述至少一个光纤的超过指定弯曲阈值的弯曲。
52.根据权利要求50所述的方法,其中所述至少一个指定区域配置成在由所述光纤界定的平面中发射电磁辐射,且所述应用通过用所述平面交叉阻梗来实现。

说明书全文

通过弯曲将光纤配置成发射辐射

[0001] 背景1.技术领域
[0002] 本发明涉及光纤领域,且更具体地,涉及配置成通过弯曲来发射辐射的光纤。
[0003] 2.相关技术的讨论
[0004] 光纤是将电磁辐射(例如激光)传递到目标的常见的方法。光纤以直接地或斜向一边伸出地从端面发出的紧密光束通过镜传递辐射。光纤组件通常包括四个部分:纤芯、包层、涂层和护套。纤芯是光线被引导的区域;在全内反射(TIR)光纤的情况下,其通常被较低折射率的包层覆盖。在例如具有蜂窝状结构的光子晶体光纤(PCF)、具有光子带隙镜的全方位向导(Omni Guide)、布拉格光纤等的情况下,包层实际上包括更高折射率材料的复杂结构(例如在US7142756中公开的,在此通过引用以其整体并入)。在金属波导中,纤芯是较低折射率的且包层为涂层金属,通常为由碘化涂覆的银。在所有这些光纤类型中,正常条件下,光被限制在纤芯区,而在极端的弯曲时,光漏出纤芯,且甚至可以漏出整个光纤。
[0005] 众所周知,在弯曲时波导和光纤遭受损耗。这些损耗是由射线在纤芯/包层(镜)界面上的更高的入射度造成的。这通常是大多数厂家尽量避免的主要的限制;参见例如康宁公司的ClearCurve光纤(在US5278931中公开,其在此通过引用以其整体并入)。另一种方法是使用外部的布线(如在US4078853中,其在此通过引用以其整体并入),以限制光纤的弯曲和由此的损耗。其它设备利用基于弯曲中的损耗的在传感器结构中的光功率损耗(例如在US4770047中公开,其在此通过引用以其整体并入)。
[0006] 在另一个例子中,US5138676(其在此通过引用以其整体并入)公开了通过减少光纤外径(OD)并相对于低指数的环境来限制光所实现的具有低损失的急弯。通过去除包层的一部分或在弯曲部分中将光纤向下拉来实现OD减少。其它方面通过US5278931、US4078853、US4770047和US5138676公开,其在此通过引用以其整体并入。
[0007] 以三种主要方法进行组织切割和处理:手术刀(冷技术)、电手手术和激光手术。激光手术主要用于软组织的切除凝固中。在激光手术中,光纤常被用于以在途中的最小损失来将激光能量传送到所需的部位。
[0008] 在软组织切割和光纤的大多数其它医疗用途情况下,激光在治疗部位处从光纤的端部射出。光纤被用于安全将能量传递至斑点形式的精确位置,如在Lumenis公司的VersaPulse中。在某些情况下,光纤端部的局部重定向用于改善目标命中,例如在US7238180中所公开的,其在此通过引用以其整体并入。
[0009] 在其它情况下,光纤被操纵以允许激光以90°角发射到光纤端部,术语“侧烧”,其使在要求的方向上弯曲光纤端部在几何上更难的情况下,更容易使用。平角是使用镜或侧烧机制来实现的。有时当侧烧的方法被使用时,需要光纤边缘的特殊处理以防止局部损伤和促进有效的端部侧烧,例如,如在US20070106286中公开的,其在此通过引用以其整体并入。在某些情况下,端部侧烧通过使光纤纤芯成锥形来实现,例如,如在US20110002584中公开的,其在此通过引用以其整体并入。可选择地,通过使用外部激光源优先加热侧烧增加在一侧上包层的折射率来实现(例如在US6606431中公开的,其在此通过引用以其整体并入)。
[0010] 以下美国专利讲授用于利用激光辐射来切割的设备。这些专利通过引用以其整体并入本文。US4266547讲授线性作用在发射器和接收器之间的激光刀;US5151097讲授了一种激光发射器,其在通过元件中未覆盖的区域(其否则被不透光材料覆盖)发射辐射;US5470331讲授了一种可传送激光的探针系统,其设置有用于夹持组织一对相对的可传送激光的探针;US6283962讲授了一种医疗切除设备且US6221069讲授了具有拥有钩状形式的外探针和用于接触外探针的内探针并加热放置在内探针和外探针之间的目标组织的设备。US专利5531741和6409719(其在此通过引用以其整体并入)讲述了利用光纤来照亮场景的设备,其中支架植入物
[0011] 简短概述
[0012] 本发明的一个方面提供一种包括纤芯和包层的光纤,该光纤具有包层的至少一个指定区域,该至少一个指定区域布置成当将光纤在该至少一个指定区域处弯曲超过指定的弯曲阈值时从纤芯发射电磁辐射。
[0013] 本发明的这些、另外的和/或其他的方面和/或优点:在下面的详细描述中陈述;是可能从该详细描述中可推论的;和/或是通过本发明的实践可学习的。
[0014] 附图简述
[0015] 为了更好地理解本发明的实施方案并示出该实施方案可如何被付诸实施,现在将纯粹以示例的方式参照附图,在附图中,自始至终类似的标号表示相应的元件或部分。
[0016] 在附图中:
[0017] 图1A是根据本发明的一些实施方案的光纤的发射区的高级别示意性框图
[0018] 图1B是根据本发明的一些实施方案的通过指定区域所发射的辐射对弯曲半径的依赖关系的示意图;
[0019] 图1C是根据本发明的一些实施方案的通过指定区域发射的辐射对弯曲半径(y轴)和比率nE/nK(x轴)的依赖关系的示意图;
[0020] 图2A-2I是根据本发明的一些实施方案的具有横截面不对称的包层的光纤的各种实施方式的高级别示意图;
[0021] 图2J示出了根据本发明的一些实施方案的带有具有在指定发射区域处的间隙或在指定发射区域处缺失的涂层的光纤的实施方案;
[0022] 图2K示出了根据本发明的一些实施方案的具有在指定发射区域处的间隙的金属波导的实施方案;
[0023] 图3A是根据本发明的一些实施方案的具有平的支撑结构的光纤的高级别示意图,该平的支撑结构附接在光纤的相对于发射区的相对侧上和目标上;
[0024] 图3B是根据本发明的一些实施方案的具有侧部圆形段的光纤的高级别示意图;
[0025] 图3C是根据本发明的一些实施方案的具有在光纤端部处的圆形段的光纤的高级别示意图;
[0026] 图4A-4C和4E-4J是根据本发明的一些实施方案的使用弯曲发射的设备的高级别示意图;
[0027] 图4D示出了在根据本发明的一些实施方案光纤圈套设备和的电外科圈套器之间的关于发射分布的实验性比较;
[0028] 图5A-5C图示了根据本发明的一些实施方案的控制通过光纤传输的电磁辐射的结构;
[0029] 图6A-6J是根据本发明的一些实施方案的具有缠绕在诸如球囊的支撑结构上的表现出弯曲发射的光纤的设备的高级别示意图;
[0030] 图7A-7E示出了根据本发明的一些实施方案的光纤的包层,当在指定的区域处施加应变时,该光纤的包层的横截面变得不对称;
[0031] 图8A和8B展示了根据本发明的一些实施方案的用于图2H所示的光纤结构(锯齿形光纤)的弯曲发射;
[0032] 图9是根据本发明的一些实施方案的从光纤配置发射和随其移除梗阻的方法的高级别示意性流程图
[0033] 图10A和图10B示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的具有在发射区域的三个发射分区的光纤和使用该光纤的钩状设备;
[0034] 图11A-11E示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的配置为镊子的设备;
[0035] 图12A和12B示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的具有用于控制发射的辐射的反馈回路的设备;
[0036] 图13示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的具有在发射区域中的多个发射分区的光纤;
[0037] 图14示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的用于切割血管的设备;
[0038] 图15A和15B示出了根据本发明的一些实施方案的用于通过将设备在目标上按压来治疗目标的设备。
[0039] 详述
[0040] 现在详细地具体参考附图,需要强调的是,所示的细节是通过举例的方式并仅用于本发明的优选实施方案的说明性讨论的目的,且为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用且容易理解的原因的描述而提供。在这方面,不尝试比对于本发明的基本理解所需要的更详细地示出本发明的结构细节,结合附图的描述使本发明的数种形式可以如何在实践中实施对于本领域技术人员变得明显。
[0041] 在详细地说明本发明的至少一个实施方案之前,应当理解的是,本发明并不限于其应用到下面的描述中阐述的或附图中图示的构造的细节和部件的布置。本发明是可应用于其它实施方案的或以各种方式被实践或实施。另外,也应理解,本文使用的措辞和术语是用于描述的目的,而不应被视为限制。
[0042] 图1A是根据本发明的一些实施方案的光纤110的发射区的高级别示意性框图。光纤110包括具有折射率nK的纤芯130和具有折射率nM的包层115。光纤110具有包层
115的至少一个指定区域,其布置成当在该指定区域处将光纤110弯曲超过相对于弯曲半径r105的指定弯曲阈值时从纤芯130发射电磁辐射。在弯曲光纤110时从纤芯130的电磁辐射的发射以下作为弯曲发射(BE)被涉及。弯曲发射取决于各种光纤特性和辐射特性,如光纤的大小、结构和材料、弯曲半径105、辐射频率等等。该光纤被设计成实现仅在指定区域和分区中的弯曲发射,同时继续防止在光纤的其它部分中通过包层进行的传输。
[0043] 应当注意的是,弯曲发射可以配置为相对于弯曲的方向向内或向外发生。还应当注意的是,所公开的原理也适用于其它类型的波导,例如RF波导(例如,见图示金属波导的图2K),其可被调整以用于允许高度控制和指定发射模式的特定几何参数。
[0044] 弯曲发射可通过在光纤110实际应用之前弯曲光纤110来实现,例如,将光纤110弯曲成具有圈套状形式以及成角度的形式、支架状形式等等(见下文示例),并且然后当将光纤110的弯曲的区域放置在可操作位置上时通过光源控制弯曲发射。可选择地或补充地,弯曲发射可处于几何控制下,通过利用目标对象的自然曲率以从波导产生所需的能量释放分布来实现。光纤110中的某些区域可以被设计成在弯曲成与目标接触时弯曲发射,如下面举例说明的,并且这些区域中的弯曲中发射的能量实际上被用来实现预期的目标。在这种情况下,除控制光源之外或代替控制光源,可以由实际的弯曲控制发射。
[0045] 任何类型的光纤110可布置成在特定的弯曲时发射辐射,例如,波导(其可包括金属波导)、实心纤芯光纤、中空光纤和光子晶体光纤(如有孔光纤、布拉格光纤或任何其它微结构光纤)。非发射分区可以是微结构的(例如,带有栅格或空气孔)以将其有效折射率减少至低于发射分区的有效折射率和/或朝向发射分区引导辐射。
[0046] 光纤110可以是单模或多模的,在后一种情况下,特定的发射区域和弯曲阈值可以相对于所需模式选定,以控制所发射的能量。此外,特定的发射区域和弯曲阈值可以相对于光束的偏振来选择,并被光束的偏振所控制。
[0047] 光纤110中可用在发射区域120B中的弯曲包括微弯曲(从光纤的直线性的局部偏离,以相对小的弯曲半径)和大弯曲(micro-bend)(光纤的方向的角度的变化,通常较大的弯曲半径)。例如,对于单模光纤,从大弯曲所发射的辐射可以由该表达式估计:3
Exp(8.5-519·D·(λce/(2λ·MFR))),单位为dB/m,其中D为弯曲半径,单位为mm,λ为波长,单位为μm,λce是光纤的截止波长,单位为μm,且MFR为单模光纤半径,单位为μm。
[0048] 图1A通过示出沿着光纤110行进的光的可能轨迹的示例来示出了根据本发明的一些实施方案的用于弯曲发射的条件。光以角度α到达弯曲的指定区域120B的开始处,角度α对于BT还不足够,这是由于在这一点处弯曲半径不足够小(即α仍大于θ发射区=-1sin (nE/nK))。因此,光被反射到包层侧115A且以角度β内部反射(角度β大于θ包层=-1
sin (nM/nK)),并保持在纤芯130内。在从包层115A反射时,光以角度γ到达具有包层115B-1
的分区120B(角度γ现在小于θ发射区=sin (nE/nK)),这是由于弯曲半径在这一点处达到阈值半径并超出光纤110的指定区域的特定弯曲阈值(即弯曲半径变得小于阈值半径)。
传输的光以角度θ离开区域120B。确切的计算采用“微波和光学通讯”49:9,2133-2138中的Wang以及其他人的(2007)“Investigation of Macrobending Losses ofStandard Single Mode Fiber with Small Bend Radii(具有小的弯曲半径的标准单模光纤的宏弯损失的研究)”。弯曲发射可近似为以角度θ弯曲开始发生,θ弯曲用弯曲半径r105定义为:θ-1 -1
弯曲=sin (r弯曲/(r弯曲+ID)),ID是内部直径,即纤芯直径。弯曲发射的条件为:sin (nM/-1
nK)=θ包层<θ弯曲<θ发射区=sin (nE/nK)。
[0049] 除了现有技术,本发明使用从光纤的有条件的和可控的侧向发射。相比侧烧光纤(side firing fiber),本发明的光纤当是直的或低于弯曲阈值弯曲时不发射任何辐射。仅在光纤以预定的弯曲半径弯曲时例如通过待被光纤移除的梗阻或根据特定的设备设计激活侧向发射。
[0050] 在用发射辐射治疗期间,治疗目标的各部分(例如流动梗阻或息肉)被移除,导致目标被摧毁和变平。在一些实施方案中,目标平变平减小了光纤110的弯曲(增加了其弯曲半径),并导致弯曲发射减少,直到治疗结束。当选择弯曲阈值时,这种效果可能被期望和考虑进去。在一些实施方案中,不同的指定区域可以接收治疗,并且可以由不同的弯曲阈值激活,以允许多阶段治疗。
[0051] 图1B是根据本发明的一些实施方案的通过指定区域所发射的辐射对弯曲半径105的依赖关系的示意图;图1B示出了在约1-3mm的弯曲半径处的发射辐射的宽峰,其中通过光纤110传输的电磁辐射中的90%以上通过指定区域发射。此外,图1B示出了在弯曲时从包层115发射的并非明确地来自指定区域的辐射(虚线)在强度上小得多,并且以小得多的弯曲半径(大多在0.5mm以下)发生。因此,图1B表明了通过指定区域的设计发射的辐射的良好可控制性。
[0052] 在一个示例中,指定区域拥有具有在非发射分区120A中的折射率nM的包层115A和具有在发射分区120B中的折射率nE的包层115B。在实心纤芯光纤的情况下,折射率满足nK≥nE>nM。在中空(空气)纤芯光纤的情况下,折射率满足nM、nE>nK。在后者的情况下,实施方案可包括nM≥nE或nE≥nM,取决于折射率和材料的吸收、散射和微结构。
[0053] 图1C是根据本发明的一些实施方案的通过指定区域所发射的辐射对弯曲半径105(y轴)的和比率nE/nK(x轴)的依赖关系的示意图。图1C中的线表示通过指定的区域发射的电磁辐射与通过光纤110传输的电磁辐射的比率即0.2、0.4、0.6和0.8,其也是在图
1B的y轴上表示的值。图1C图示了随着nE/nK比率接近0.99(以固定的半径105)而增加的发射,并随着减少弯曲半径105(即以光纤110的更强的弯曲)(以固定的nE/nK比率)而增加的发射。
[0054] 在实施方案中,一个或多个光纤110可包含在设备100中(例如参见图5C、图6A和图6C),该设备100具有至少一个光源,该光源布置为通过一个或多个光纤110传输电磁辐射。下面的描述以光纤110的实施方案开始,并以设备100的实施方案继续。为了描述简便起见,应该理解的是,光纤的实施方案中的任何一个可以在该设备的实施方案中任何一个中来实现,并且所有可能的组合因此都包括在本发明中。
[0055] 图2A-2I为根据本发明的一些实施方案的具有在横截面中不对称的包层115的光纤110的各种实施方案的高级别的示意图。图2A-2I示出了通过指定区域的横截面。一般地,发射分区被编号为120B(和120C,如果有数个发射分区),而非发射分区被编号为120A。各涂层分区被分别编号为115B和115A。图2A-2I作为例子示出了一个或两个发射分区,根据给定的要求,光纤110可布置成包括沿光纤110在不同指定区域处的多于两个发射分区
120B、120C、多个不同的分区和任何其他区域和分区结构。
[0056] 图2A示出了具有两个不同的包层类型115A、l15B的光纤110,该两个不同的包层类型115A、l15B分别具有不同折射率nM、nE。nE一般更接近nK,使得在指定区域处将光纤110弯曲超出弯曲阈值的结果是通过指定区域中分区120B的辐射的发射152,如造下面的计算中所示例的。
[0057] 在实施方案中,指定发射区域的包层和非发射区域的包层之间的标准化的折射率差别可大于约0.1%(例如,Δ=(nE-nM)/nE),并可大于约0.5%。差异可更大或更小,这取决于使用的确切材料和结构以及可操作的(预定义的或产生的)弯曲半径105(如非限制性的粗略估计,折射率的差别越大,阈值弯曲半径越小)。
[0058] 涉及具有nK=1.457(在633nm)的折射率的商业SiO2光纤的两个非限制性示例是(i)nM=1.456和nE=1.457,及(ii)nM=1.000和nE=1.450。
[0059] 图2B示出了具有两个不同的包层类型115A、115B的光纤110,该两个不同的包层类型115A、115B分别具有不同类型的微结构116A、116B,在图示的情况下为包层115的不同布拉格类型结构。在图示的例子中,布拉格结构116A在包层115A中比布拉格结构116B在包层115B中更广泛,导致在弯曲超过阈值时通过分区120B的发射152。其它实施方案可以包括单侧的布拉格微结构或具有不同的布拉格微结构的多个区域。此外,结构116B可不具有布拉格层且可由单一的材料构造。
[0060] 图2C示出了具有两个不同的包层类型115A、115B的光纤110,该两个不同的包层类型115A、115B具有微结构117A、117B,诸如孔(例如空气孔),其相对于发射区120B中的nE减少了非发射区120A中的nM。在一般情况下,光纤110可以是不对称的光子晶体光纤,其也可以用于其它目的。光纤110可以是不对称的光子晶体光纤(PCF),例如根据图示的实施方案之一,其也可用于其它目的。微结构117A、117B可在不同程度上(关于微结构117A、117B的数量、其参数和其空间扩张)存在于发射区120B和非发射区120A中,或仅存在于一侧,例如仅在非发射区域120A中存在微结构117A,以防止从那里发射。
[0061] 图2D示出了具有设计成具有在非发射区域120A中的大的空气间隙118的包层115和可与光纤110不对称定位(即偏离中心或偏心)的另外的纤芯130的光纤110。纤芯130还可以是非圆形的(例如,图2D中为椭圆形)以根据要求来定义弯曲阈值。空气间隙118的形式和程度、包层115和纤芯130的特殊设计可以适合于指定的弯曲发射参数和规格。
[0062] 图2E示出了另一种非对称光纤结构,包括偏离光纤110的中心定位的非对称纤芯130以及包括布置成界定非发射区域120A的多个空气孔119的包层115。纤芯130和包层
115的确切构造可以根据具体弯曲发射参数和规格进行选择。
[0063] 图2F示出了非对称光纤110的另一例子,即具有包层115的发射分区115B和纤芯130的具体形式和位置的实施方案。
[0064] 图2G示出了具有多个发射分区的光纤110,其可以设计在光纤110的横截面中的不同位置处。在作为非限制性示例的图示的案例中,两个相对的发射分区120B、120C,其可以具有相似的或不同的发射特性。发射分区120B、120C可以彼此成不同的角度,并且可以包括多于两个的发射分区。发射分区120B、120C可以分别与不同的纤芯130B、130A相关联,例如配置为发射具有不同的参数(例如波长、强度)的电磁辐射152B、152A。发射分区120C可与另外的纤芯130A相关联。发射分区120B、120C也可以相对于发射方向具有不同的弯曲阈值(可在向内或向外弯曲时发射)。
[0065] 诸如激光能量的电磁辐射可同时地或顺序地被输送到芯130B、130A的任一个或两个。不失一般性地,光纤110可以具有数个指定区域和/或数个发射分区120B、120C等,其可被轴向地构造,以便沿着光纤110将能量输送到不同的指定区域和/或发射分区可被切向地构造以同时地或顺序地沿光纤110将能量输送到数个区域。
[0066] 图2H示出了光纤110,其具有在指定区域处的径向锯齿状包层115,其中锯齿之间的空间121A、121B根据指定的弯曲阈值被界定。在弯曲光纤110时,光纤110上的一侧上的锯齿彼此更靠近地移动(空间121A相对于直光纤110变得更小),而光纤110的相对侧上的锯齿舒展开(空间121B相对于直光纤110变得更大)。发射区120B可以在光纤110的任一侧上,取决于nK和nM之间的关系。对于nK>nM(实芯),聚集在一起的锯齿将包层115的有效折射率增加到接近nK,且发射区120B因此在凹侧上,而舒展开的锯齿减少了包层115的有效折射率,且非发射区域因此在光纤110的凸侧上。
[0067] 凹侧上的锯齿可以以周期性的方式引导能量(参见图8B),将能量集中到沿指定区域的所需区域。图8A(见下文)示出了光纤110中模拟的90°弯曲中的能量输送。通过包层的能量输送是实线且通过指定区域的辐射是虚线。由于在凹的弯曲区域中的锯齿,发射的辐射被周期性地集中。此外,锯齿也实现了以更小的弯曲半径机械地弯曲光纤110。
[0068] 图2I示出了非对称光纤110的另一示例,即具有包层115的发射分区115B和纤芯130的特定的形式和位置的实施方案。纤芯130是长形的且相对于包层115是偏心的,并具有有效半径131。横截面结构可设计为将发射的辐射152引导到例如在发射分区115B的径向对称轴上的聚焦点154。纤芯——包层界面153可成形为影响发射特性。
[0069] 光纤的横截面可以配置为不仅在特定的方向发射辐射152,而且按特定的分布发射。来自纤芯130的光可以根据需要被光学操纵以按窄的平的分布或可选择地分散的分布退出波导。纤芯——包层界面153可被设计成作为透镜以聚焦自然分散的能量。例如,图2I示出了用于聚焦能量的分布中的一个的截面图。在这种情况下,发射的辐射152的轨迹
153到达纤芯——包层界面153,且然后向内聚焦到焦点154,由于纤芯130的较短的有效半径131,比将从径向对称的界面发射的辐射更接近于纤芯130。独特的组装结构允许远离芯130非对称地将能量发射到仅一侧,并且还以指示了精确的发射分布的非常具体的方式操纵界面153。其它的分布可以通过图2D-2F中示例的光纤截面分布产生。
[0070] 折射率也依赖于温度。通常,温度的增加导致折射率增加。在光纤110是如图2I中的内在地非对称的实施方案中,能量释放152也可以是不对称的。因为能量152在弯曲的内侧上被释放,因此该侧变得更暖,产生正反馈环路,其增加了释放152并且因而也增加了准确度和安全性,这是因为该效果仅在治疗部位处发生。温度的升高导致了发射分区120B中的更高的折射率,且从而导致增加的能量释放和更多的加热,增强了释放机制。拉直弯曲部停止并逆转了该过程。组织的切割/加热的精确目标能量被调整以加强和提高弯曲发射辐射152的有效性。包层材料可以被选择成具有特定的吸收以控制弯曲发射的效果。
[0071] 图2J图示了根据本发明的一些实施方案的带有涂层140的光纤110的实施方案,涂层140具有间隙或在指定发射区域120B处是缺少的;涂层140可具有内部反射表面,该内部反射表面产生或增强了弯曲发射和其方向性。通常,在指定区域120B处,涂层140在横截面上可以是非对称的。光纤110的其它部分或设备(见下文)可配置为提高光束的发射。
[0072] 图2K示出了根据本发明的一些实施方案的具有在指定发射区域120B处的间隙的金属波导。对于本文提出的光纤110和设备100的设计和应用性概念可以应用到金属波导,输送例如电磁辐射。金属波导中的间隙可以用于发射辐射152,借此应用治疗。
[0073] 图3A是根据本发明的一些实施方案的具有附接到光纤110的相对于发射区120B和目标的相对侧上的支撑结构141的光纤110的高级别示意图。支撑结构141可用于将光纤110定向成以相对于目标的正确的方向来定位发射区域120并将过多能量反射到目标上。支撑结构141可在设备100的各种实施方案中是关联的(见下文)。
[0074] 为了结构目的,光纤110可附接到加强结构或稳定器141或嵌入加强结构或稳定器141中,以确保稳定性并防止断裂。加强结构141可以是由塑料或金属制成的半管(例如,类似于图2J中的涂层140)或带状物(例如,如在图3A中)。在某些情况下,在其稳定器141被设置在所需的位置之后(例如,稳定器141已经被插入待切除的梗阻95周围(例如息肉或肿瘤)之后),光纤110可被插入到稳定器141中。此外,加强结构141可用于发射能量152的向内反射。
[0075] 图3B是根据本发明的一些实施方案的具有侧部圆弧段142的光纤110的高级别示意图。段142具有界定界发射分区且还在由该弧限定的平面处发射电磁辐射152的弧。光纤110可以包括在指定的区域处的一个或多个这样的段142。段142可以是包层115的一部分,例如,通过切割到包层材料中产生,是涂层140的一部分或是附加结构。段142还可以将辐射152聚焦到目标上。
[0076] 图3C是根据本发明的一些实施方案的在光纤端部处带有圆形段143(诸如圆盘)的光纤110的高级别示意图。圆形段143具有至少一个圆形段143,该圆形段143具有界定的至少一个端部发射分区、在由该弧界定的平面处发射电磁辐射152的弧。端部发射分区可在光纤110弯曲时操作或独立于此地操作。
[0077] 本发明的实施方案还包括具有不对称横截面的光纤,并且特别是具有不对称包层的光纤,其中在横截面上的不对称界定至少一个发射分区和至少一个非发射分区。在发射分区和非发射分区之间的折射率的差别可以大于0.1%、大于0.5%或者大于在发射分区和光纤的纤芯之间的折射率的差别。
[0078] 下面的图描绘了用于设备100的示例,其实现了呈现弯曲发射的光纤110。根据设备的规格,每个设备100可以在由制造问题而不是由概念性问题导致的约束下采用以上描述的光纤110的任何实施方案来实现。
[0079] 图4A-4C和图4E-4J是根据本发明的一些实施方案的使用弯曲发射的设备100的高级别示意图。图4A-4C示出了光纤圈套设备100,图4D示出了光纤圈套设备和电外科圈套之间关于发射分布的实验比较;图4E、4F、4H和4I示出了光纤钩设备;图4G示出了用于治疗流动梗阻的设备并且图4J示出了带有设计成从光纤产生平面发射的光学元件的设备。
[0080] 装置100包括至少一个光纤110和设置成通过该至少一个光纤110传送电磁辐射的至少一个光源70(例如,参见图5C)。光纤110包括至少一个纤芯130和包层115。每个光纤110具有至少一个指定区域,该至少一个指定区域布置成在这些区域处将光纤110弯曲超出指定的弯曲阈值时从纤芯130发射电磁辐射。发射区域120B可以是单个或多个,并且可以用于以不同的强度和波长范围输送辐射,以可能用于不同的目的,诸如切割、切除、不同种类的治疗和标记。
[0081] 例如,光纤110可以形成为圈套(图4A、4B),该圈套具有布置成在由该圈套界定的平面中发射电磁辐射152的顶端弯曲区域。设备100可以通过创建精确得多和清洁得多的梗阻95的切割(例如,息肉的切割,如图4B所示)来在电外科圈套的现有技术上加以提高。发射152的平面在圈套的内部部分中,且发射152由光纤110在圈套的顶端区域处的弯曲引起。在实施方案中,在区域120A中没有辐射或非常低的辐射被向外发射。作为应用示例,图4B示出了穿过内窥镜76的通道77施加的圈套状光纤110。
[0082] 在实施方案中,圈套的光纤110可以具有另外的发射区120C,例如由包层的分区115C界定,包层的分区115C成一定角度以维持包层的主发射分区115B。区域120C可以发射具有与用于切割的电磁辐射152不同的特性的电磁辐射151,例如,较弱的辐射或在不同的波长范围的辐射,其可能是有用的,例如用于切除梗阻95的边缘,以防止出血和防止感染。值得注意的是,因为由于圈套本身的结构,辐射151被顺利地和以正确的方向施加,这种切除比现有技术的激光切除更有效(参见图4B)。
[0083] 光纤圈套110相对于现有技术的电外科圈套的另外的优点在图4D中的实验结果中被示出,也就是光纤圈套110的切割平面比电外科圈套的切割平面窄得多,从而导致对邻近组织更少的破坏并生产更清洁的切割。
[0084] 图4E和图4F示出了光纤钩设备100,其中光纤110被以一定角度弯曲,并被保持器111保持或自我维持(分别地)且该弯曲被布置成在由预定义的弯曲角度界定的平面中发射电磁辐射152(分别地)。这种光纤钩设备100可在不同几何结构的梗阻95下方类似于光纤圈套来操作。例如,在用内镜黏膜下剥离术(ESD)治疗上消化道病变时,光纤钩可代替类似的电外科钩。
[0085] 在装置100的实施方案中,光源70可包括至少两个光源70,该至少两个光源70配置成通过至少一个光纤110传送至少一个治疗束和至少一个引导束。例如,引导束可以用于标记光纤圈套110或光纤钩110的治疗平面而不影响梗阻95。这种引导束对于手术计划可能是非常有用的且可进一步提高使用设备100操作的精确度。
[0086] 图4G图示了通过支撑结构122进行的流动梗阻95的治疗,支撑结构122允许通过诸如血管90(如动脉)的内腔85的持续的流动86。附接到支撑结构122的光纤110的弯曲施加辐射152作为对梗阻95的治疗,并且在梗阻95移除时,弯曲变平并且治疗停止。
[0087] 图4H和图4I将光纤110作为J形设备示出,其中发射的辐射152在来自“J”的弯曲部分的平面中被发射,或者向外,如图4H中描述的,或向内,如图4I中描述的,根据临床需要和设计考虑选择(单一设备100可以具有两个功能,例如具有用于各自目的的不同的光纤,或者在不同的波长区域不同地操作,或不同的设备可被设计以用于这些发射模式)。图4I还示出了一种实施方案,其中光纤端部被设计为例如通过设计在端部处的反射元件
165(例如,涂层或附接的镜)引导在辐射的平面中从光纤端部发射的能量斜向一边,该反射元件165联接到圆形段143,圆形段143设计为引导在发射平面中发射的端部能量斜向一边。
[0088] 图4J示出了根据本发明的一些实施方案的具有设计成从光纤110产生平面发射152的光学元件144的设备100。例如,光学元件144可以被设计为反射在指定的平面中从光纤110的弯曲发射区域120B发射的辐射152(例如,作为上文描述的圈套状设备的增强)。
[0089] 图5A-5C示出了根据本发明的一些实施方案的控制通过光纤110传送的电磁辐射的结构。相对于设备100的设计,非被发射的所传送的辐射必须进行控制和调节。
[0090] 在图5C所示的实施方案中,传送的辐射可以从光源70和引导性光纤161通过光纤110到达退出光纤168和在光纤末端处的吸收槽169(当然引导光纤161、治疗光纤110和退出光纤168可作为单一光纤实现,仅光纤110在指定区域中呈现弯曲发射)。当光纤110围绕球囊122(见下文)被编织且然后将传送的辐射引导到退出光纤168时,也可以应用这样的结构。吸收槽169也可以位于设备100的端部处,如以下图6A所示。
[0091] 在图5A和图5B中所示的实施方案中,光纤110的端部163是反射性的,以反射非发射的电磁辐射。在图5A中,反射率由一个适当特性的布拉格光栅164实现,图5B中,该反射率由涂层165(或附接的镜165)实现,且退出光纤168布置成接收反射的电磁辐射。使用反射端部163不仅有助于处理过量的辐射,而且通过经过指定区域运行两次辐射也加倍了潜在的弯曲发射。
[0092] 图6A-6J是根据本发明的一些实施方案的具有呈现弯曲发射的光纤110的设备100的高级别示意图,该光纤110缠绕在诸如柔顺的球囊和非柔顺的球囊的支撑结构122上。
[0093] 图6A示出了体现为球囊122的支撑结构122,光纤110被附接到球囊122。球囊122可以由75充气,并通过诸如内窥镜的输送系统76和通道77被插入,可能由导线138引导(参见图6F)。球囊122可以被接近其的引导件139固定和控制。球囊122可包括在其端部处的吸收槽169,或缠绕光纤110可以是圆形的且向回引导过度的辐射(如在图5C中示意性示出的)。
[0094] 光纤110可以以不同的构型被缠绕并附接到球囊122。图6B示出了球囊横截面,其中光纤110均匀地分布在球囊122的表层上。图6C示出了一种实施方案,其中光纤110横向于球囊122的应用方向缠绕。图6D、6E、6H和6I示出了更复杂的缠绕模式,包括在两个方向的螺旋缠绕。光纤110的缠绕相对于球囊122的长度轴线可以是横向的或纵向的,或呈现为其任何组合或其它形式。在一般情况下,光纤110可以以垂直于、平行于或倾斜于气囊122的纵向轴线或以其组合的构型被缠绕。
[0095] 光纤110的缠绕可以是支架状的,具有可收缩的支架状构型(图6F)和展开的支架状构型(图6G)。图6H和图6I也可被以支架状设计实现。图6H和图6I示出了包括激活光纤110的植入支架100,当能量从体内或体外的源167传送166时,激活光纤110通过弯曲的发射区域120B发射能量152(在此图中未示出)。图6H示出了设备100,其可以被植入梗阻95的区域中,诸如在例如食管(胃食管反流病GERD)或支气管(哮喘)中的斑或其它病变区域,以实现斑块/组织95的逐渐切除或通过药物激活PDT的局部治疗。例如,一个或多个光纤110可被包含在任何类型的支架内,以输送辐射,该辐射激活与支架相关联的药物。此外,设备100可以在任何实施方案中包括药物洗提装置,诸如布置成在辐射发射的附近洗提药物的针。然后,该辐射可被用来激活药物或该药物可用于增强激光治疗的效果。图6I示出了设备100,其中所发射的能量152可以用于抑制或激活例如在肾动脉中的神经发射96以阻挡来自肾脏的交感神经流出物,且从而降低全身血压以阻止在某些情况下疼痛信号,或以控制饮食失调或肥胖的饥饿感。这样的状态也可以通过在其它实施方案中所示的光纤110和设备100进行治疗。图6J示出了包括围绕支架112缠绕或代替编织支架112的线中的一个或多个的光纤110的设备100。弯曲的光纤110可以布置成发射辐射,其支持支架112的放置,切除环绕支架112(例如,愈合过程之前、期间或之后)或与洗提药物相互作用的组织。
[0096] 在实施方案中,任何光纤可以与支架结合使用,以用于激活诸如切除、辐射敏感药物的活化或神经末梢的激活的治疗,以用于各种目的。从光纤端部的规则发射可以除了弯曲发射之外或代替弯曲发射用于输送所需的辐射和应用特定的治疗。
[0097] 设备100的支撑结构122配置为以引起全部、一些或至少一个光纤110弯曲超出关于目标95的其特定的弯曲阈值以在目标95处发射电磁辐射152的方式相对于目标95(如流动梗阻)定位光纤110。在球囊122的情况下,充气球囊122可能会导致光纤110在接触目标95时弯曲超过发射阈值。
[0098] 外形引起的该弯曲可以用来具体地将能量输送到需要治疗的那些区域,如流动梗阻斑块(见例如下面图4G和图6C)。可用标准的导管输送系统递送的球囊122在原位置被充气,导致球囊122表面上的光纤110被按压在动脉和斑块上且以该外形被压印。压印引起在光纤中的弯曲,其诱导其用于治疗病变的所需的弯曲发射。
[0099] 图6C示出了流动梗阻95,诸如在动脉分叉部中的血管病变。虽然由于治疗区域的几何结构,分岔部中的病变的现有技术的治疗是特别困难的,但是因为球囊122和附接到其的光纤110的弯曲通过困难的几何结构被增强,设备100利用困难的几何结构以提高治疗,且从而有利于治疗。在实施方案中,梗阻95的移除可以简单地通过弯曲半径的最终增加超过特定的阈值来完成治疗。设备110明确允许几个梗阻的治疗,如在图4F和图6C中所示。病变部位95位于血管85的侧面处和分叉部的顶点处。发射区域120B、120C可以是多个,并且光纤110可以配置为基于区域120B、120C中的不同阈值发射辐射,并且从而实现用于分叉部的专治疗。例如,不同发射区的参数可以由目标95的几何考虑和周围的操作和其与设备100的结构的关系,以及治疗考虑(在不同区域应用的治疗的类型、辐射强度、安全考虑等)来决定。
[0100] 图6E示出了由外部源166操作的设备100的实施方案。外部源166可通过施加到设备100的任何类型的辐射或场来激活设备100。这种设备100可具有如支撑结构122的球囊,或光纤110可以是支架状的,具有可收缩的支架状构型(图6F)和展开的支架状构型(图6G)。设备100可以在过程期间被急性地使用或被植入以用于永久使用。
[0101] 在实施方案中,光纤110可以布置为谐振器,其扩大从源166引起的辐射,且从而产生用于治疗所需的辐射,而不使用内部光源70。
[0102] 图6F和图6G示出了在治疗心脏60中的梗阻时设备100的收缩构型和展开构型(被配置为球囊或支架)。这些实施方案可包括用于光纤能量的停止点或能量槽,例如在图5A-5C和图6A中所示的。
[0103] 图7A-7E示出了根据本发明的一些实施方案的光纤110的包层115,在指定区域处应用应变171时,该包层115在横截面上变得不对称。
[0104] 一般情况下,类似的光纤材料趋向于具有比压应低的拉应力。基本上,这意味着当弯曲对称的光纤时,断裂点通常由达到拉应力极限来决定。在一个实施方案中,有效的拉应力极限采用诸如管的中空结构在几何上增加。光纤110可被构造为中空管(图7A、7B),或该中空管可位于仅弯曲的光纤110的外部凸缘上(例如,图2D中大的空气间隙
118)。该中空管可具有圆形、椭圆形或其它横截面,以便增加向内收缩的自然趋势(图7A)。
当光纤110被弯曲时,在光纤110的外部边缘上的应变171增加(图7B)。由于中心是中空的,因此向内收缩是可能的。这种收缩意味着更大的弯曲半径105(图7C中的172A到
172B),其进而意味着有效地减弱的应力,因此意味着对于相同的应力断裂值更小的弯曲半径(更尖锐的弯曲)的可能性。管壁厚度和材料适应于弯曲的可能性。这种方法允许光纤
110的更紧的弯曲而不破坏它。另一种可能的实施方案是使用在光纤弯曲区域的外侧上的锯齿,如在图2H中,这也有效地减少了外部凸缘上的应力值。
[0105] 在实施方案中,包层115可以布置成在指定区域处应用应变171时在横截面上变得不对称。不对称性可以表示为包层115的形式、包层115的厚度和/或包层115的折射率。不对称性可配置为聚焦发射的电磁辐射152。
[0106] 图7A-7C示出了三种类型的应变171。图7A示出不对称横截面(例如椭圆横截面)的光纤110,其随着偏心度增加从状态170A变形到状态170B。图7B示出了圆形横截面的光纤110,其在一侧从状态170A变形到状态170B,从而导致应变171的变化。图7C示出了弯曲的光纤110,其中弯曲应变以应变171减小,而光纤110的弯曲半径从状态170A中的172A增加到状态170B中的172B。
[0107] 图7D示出了光纤110从状态170A至状态170B的弯曲导致相对于该弯曲的两侧——光纤110的内侧173A和光纤110的外侧173B中的不同应变。因此,侧173A、173B经受不同的应变,其可能引起两侧的折射率的变化,导致弯曲发射在任一侧发生,其取决于光纤的类型和设计。
[0108] 在实施方案中,光测弹性可用于根据应力改变折射率,以微调波导(例如光纤110)不对称地释放能量的能力。大多数材料的折射率取决于应力。通常在玻璃中,当应力增大时折射率也增加。光测弹性由原子和分子的电子壳层的变形以及由光学各向异性的分子或这些分子的组分的方向造成;在聚合物中,光测弹性是由聚合物链的展开和方向造成的。对于小的单轴拉伸或压缩,满足布鲁斯特定律,使得光程等于折射率乘以几何指数或应力指数乘以应力和几何路径。
[0109] 当类似光纤的波导被弯曲时,对称破坏发生在光纤的截面中的应力分布中。内侧面173A被压缩且外侧面173B扩展,从而增加拉伸应力。解决欧拉-伯努利梁方程意味着纯的(凸)弯曲导致在中性轴处的零应力(图7D)、在凸缘173B处的拉应力和在凹缘173A处的压应力;其也意味着,最大拉应力发生在凸表面处且最大压应力发生在凹表面处。
[0110] 该弯曲引起该弯曲的内侧上的包层115、辐射发射部分和该弯曲的外侧上的包层115之间的对称性破坏。通常,包层的折射率比纤芯130的折射率低约0.5%。光纤中的弯曲有效地弥补了压缩侧173A中的指数差距且另一方面增加了外侧173B上的间隙。这使光限制在内侧上更弱,使其更渗漏。
[0111] 由于该弯曲而引起的不对称性引导了释放152。通过弯曲波导以及随后特别是在弯曲173A的内侧处的折射率增加,释放152的方向被控制。在纤芯130和包层115之间的边界处指数差别根据引发释放152所需的弯曲来调整。
[0112] 图7E示出了弯曲的光纤110的横截面,其中包层115具有不同厚度,其引发分区120B聚焦所发射的电磁辐射152。包层115的变形和随后的指数变化可进一步辅助通过发射分区120B聚焦辐射152。
[0113] 光纤110的横截面可以被设计为控制应力分布。例如,图7E示出了作为包层115的凹部的发射分区120B,其被构造成用作在发射分区120B处的会聚透镜。在这种情况下,凹侧中的压应力增加,其改变了在该区域中的折射指数,使得实际上获得包层115的凹侧中的透镜。
[0114] 图8A和图8B展示的是根据本发明的一些实施方案的用于图2H所示的光纤构型(锯齿形光纤)的弯曲发射。
[0115] 图8A示出了功率输出,功率输出作为在弯曲时从指定区域中传送的辐射(虚线)相比于通过包层115A在发射分区120B外的发射的辐射(实线)的百分比。在圆形光纤横截面的40-160μm的弧长度范围处,即在特定的弯曲分区中,清楚的发射峰是明显的。
[0116] 图8B是光纤110中的传输的光的直接的照片,示出通过光纤110的弯曲侧120B的发射。一般而言,弯曲光纤中的机械拉伸降低了外侧上的折射率并且提高了内侧上的折射率,以作为弯曲的几何形状和材料影响的组合结果产生弯曲发射。
[0117] 图9是根据本发明的一些实施方案的配置从光纤发射(步骤201)和随其移除梗阻(步骤278)的方法200的高级别示意性流程图。
[0118] 方法200包括:将光纤中的至少一个指定区域布置成当光纤在该至少一个指定区域处弯曲超过特定的弯曲阈值时通过光纤的包层从纤芯发射传送的电磁辐射(步骤210)。
[0119] 方法200还可以包括将包层配置成在该至少一个指定区域处在横截面上不对称(步骤220),并包括至少一个发射分区和至少一个非发射分区。方法200还可以包括将该至少一个发射分区的有效折射率nE设置成比包层折射率nM更接近纤芯的折射率nK(步骤230),以当光纤在该至少一个指定区域处弯曲超过特定的弯曲阈值时通过该至少一个发射分区产生传输。
[0120] 设定有效折射率nE(步骤230)可通过以下中的一项被执行:将nM改变至nE(步骤232);使包层成锯齿状(步骤234);使包层微结构化(步骤236);可选择地将纤芯不对称地或偏心地定位在包层内(步骤238);将不对称涂层施加到包层上(步骤242);以及使光纤发生应变(步骤244),例如机械地、热地或采用辐射(如紫外光)。
[0121] 方法200可包括将该至少一个指定区域配置成在由光纤界定的平面中发射电磁辐射(步骤250),并通过由该平面交叉梗阻(步骤280)来去除梗阻(步骤278)。
[0122] 方法200还可包括将具有至少一个指定区域的至少一个光纤附接到支撑结构(步骤260),并将该支撑结构配置成以导致该至少一个光纤弯曲超过关于目标的其特定的弯曲阈值的方式相对于目标定位该至少一个光纤(270),以便在目标处发射电磁辐射(步骤275)。
[0123] 移除梗阻(步骤278)可通过将至少一个光纤的至少一个指定区域应用到梗阻(步骤277)来执行,该至少一个光纤的至少一个指定区域布置成当光纤在该至少一个指定区域处弯曲超过特定的弯曲阈值时通过该光纤的包层发射从纤芯传送的电磁辐射。
[0124] 可以通过为球囊充气(步骤295)将该至少一个光纤应用到梗阻(步骤277),其中至少一条光纤抵着梗阻附接到球囊(步骤290)以产生该至少一个光纤在该至少一个指定区域处弯曲超过特定的弯曲阈值的。
[0125] 在实施方案中,设备100和方法200在医疗过程中被用于辅助,特别是通过利用用于激光能量释放的光纤弯曲的软组织切割。在临床设置中的自然曲率被用来诱发安全的、受控的和预定的来自光纤的侧部的激光释放,以用于各种目的,如软组织、软骨和骨的切割、切除和凝固。此外,受控的释放可用于其它目的而没有限制,诸如感测、材料加工和其它应用。
[0126] 装置100和方法200可用于切割和/或去除息肉、病变、软组织肉瘤、良性和恶性肿瘤和其它软组织的应用。在另一个实施方案中,其用于中等组织损伤的治疗,如心房纤颤、去神经支配或神经抑制和/或激发和通过光动力疗法的药物活化。设备100和方法200可用于提供将光能量输送到所需位置、调整成特定的几何形状和能量发射到组织以允许以精确的和可控制的方式的组织的安全切除/凝固/切割的手段。设备100和方法200可用于动物或人体的不同部位中,诸如:结肠、回肠、盲肠、食道、胃和消化系统的所有其它部位;尿道、膀胱、输尿管、肾或泌尿系统的任何其它部位;还有阴道宫颈、子宫、卵巢、前列腺、阴茎和生殖系统的所有其它部位;鼻腔和口腔、会厌、气管、支气管、和呼吸系统的所有其它部位;脑、脊髓和神经系统的所有其它部位;以及循环系统的所有部位,静脉、动脉、心脏等。其也可对皮肤的部位或皮肤学相关的过程、整形和普通外科手术过程进行手术。
[0127] 在实施方案中,设备100和方法200可用于由激光粥样斑块切除术通过特别地将激光能量传递到硬化病变来治疗动脉粥样硬化,通过利用光纤的外形以诱导光纤中的急弯,其依次引发光束“泄漏”出光纤且被传递到病变来将激光能量传递到硬化病变。因此,装置100和方法200利用病变的几何结构以在治疗部位处唯一地以该释放为目标。
[0128] 下面是一些非限制性示例,以用于相对于各种梗阻的弯曲阈值。应当注意的是,如下面所示,大致上有两个尺寸涉及弯曲半径或曲率半径。一个是血管90的半径(在垂直于血管的平面中),而另一个涉及沿着血管90的纵向路径(在血管90的纵向截面中)。其结果是,光纤110可以是不对称的,并且在不同的方向具有不同的尺寸,或者以沿着设备
100(并相对于血管90)的不同方式定向。弯曲阈值或曲率阈值在不同的方向可以不同,如在纵向轴线中参考半径(没有任何梗阻95的血管90的参考半径)是非常大的,而在该横截面轴线中参考半径(没有梗阻95)要小得多。因此,不同的发射参数可以被定义以用于这些方向,并且可用于可能在梗阻95的不同区域中同时地或在梗阻95的一个区域中顺序地和补充地应用更简略的精细治疗。
[0129] 在非限制性示例中,以下可以是用于不同的梗阻情况下的弯曲阈值的典型参数。具有0.1mm和2mm之间的半径的冠状动脉病变的情况下,特定的弯曲阈值可以是病变半径的约两倍,或至多病变半径的五倍,以实现更彻底的病变的清除。光纤110和设备100可根据待随其除去的特定的病变来调整或选择。
[0130] 在具有1mm和10mm之间的半径的血管病变的情况下,特定的弯曲阈值可以是病变半径的约两倍,或至多病变半径的五倍,以实现更彻底的病变的清除。光纤110和设备100可根据待随其除去的特定的病变来调整或选择。
[0131] 在具有对于小梗阻的0.5mm和5mm之间的半径和具有对于大梗阻的5mm和20mm之间的半径的呼吸道病变的情况下,特定的弯曲阈值可为梗阻半径的约两倍,或至多为梗阻半径五倍,以实现更彻底的梗阻的清除。光纤110和设备100可根据待随其除去的特定的病变来调整或选择。
[0132] 在具有10mm和100mm之间的半径的胃肠梗阻的情况下,特定的弯曲阈值可以是梗阻半径的约两倍,或至多梗阻半径的五倍,以实现更彻底的梗阻的清除。光纤110和设备100可根据待随其除去的特定的病变来调整或选择。
[0133] 在具有半径50mm和500mm之间的管或排污管阻塞的情况下,特定的弯曲阈值可以是阻塞半径的约两倍,或至多阻塞半径的五倍,以实现更彻底的梗阻的清除。光纤110和设备100可根据待随其除去的特定的病变来调整或选择。
[0134] 设备100可以是动脉导管系统的一部分,该系统包括柔性的长形的构件或导管,其具有外表面,适于进入动脉的远端区域和从患者的血管延伸允许由医生在患者身体外控制的近端区域。在导管的远端区域处是动脉粥样硬化治疗组件,其可包括抽吸和/或药物管理表面和球囊扩张单元。
[0135] 图10A和图10B示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的具有在发射区域中的三个发射分区120B、120C和120D的光纤110和使用该光纤的钩状设备100。发射分区120B、120C和120D分别具有包层材料115B、115C和115D,其不同于非发射分区120A中的包层材料115A,且分别在发射的辐射152B、152C、152A的特性上也可以彼此不同。例如,中央发射分区120B可配置为切割组织,而外侧发射分区120C和120D可配置为通过发射具有特定参数(例如,相比于发射的辐射152B的不同的波长范围、不同的弯曲阈值和不同强度)的辐射152C和152D来凝结切割的侧。
[0136] 图11A-11E示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的配置为镊子的设备100。图11A和11B分别示出了设备100的开放的、非发射的位置和激活位置。光纤110以当用设备100处理组织时引发光纤110的弯曲和改善所处理的组织的治疗的从该弯曲区域的辐射发射的方式被集成在镊子设备100中。例如,光纤110可以和镊子设备100的一个臂310相结合,且在将光纤压靠在镊子设备100的第二臂311上时,光纤弯曲可能发生。镊子的臂中的任何一个可以包括突出部分313和/或相应的凹槽312,以在通过镊子100处理组织时加强光纤弯曲。镊子状设备100可包括设计为当组织接触时控制光纤110的弯曲的表面特征。图11C示出了具有多个光纤110的镊子设备100,该多个光纤110可具有不同的发射特性,例如配置成对治疗的组织应用不同的效果。
[0137] 镊子设备100因此允许机械操作,同时使用激光以用于切割组织。该发射可通过得到的光纤110的弯曲的程度依赖于由医师施加的力的程度。臂310、311被压在一起越紧密,光纤弯曲和发射的辐射就变得越大。
[0138] 图11C示意性地示出了将臂310、311的表面区域(即突起部313和凹槽312)设计成在使用镊子时导致光纤110的不同程度的弯曲。臂的表面可以设计成引发来自光纤110的不同的辐射强度(由于光纤110以不同水平被弯曲),且从而施加不同水平的治疗以处理组织。光纤参数和臂表面参数可以被组合以诱导沿着镊子设备100和穿过镊子设备100的可变的治疗水平和效果。例如,在图11C中的中间更弯曲的线可能导致来自中央光纤110的更多的发射并从而切割组织,而外侧较少弯曲的线可能由外侧光纤110的较小的弯曲仅导致组织上的焊接效果。图11D示出一种实施方案,其包含另外的感测光纤315,其可用于通过感测由光纤110发射的辐射水平来控制由光纤110发射的辐射。当由于镊子设备100的闭合引起光纤110接近光纤315时,以及当没有组织妨碍辐射路径时,发射的辐射152中的一些可进入感测光纤315。进入的辐射的强度可以用来表示治疗功效,并提供关于处理的组织的信息。任何其他的传感器可代替另外的光纤315或除了另外的光纤315之外来使用,例如可以使用温度传感器或阻抗传感器。
[0139] 图11E和11F分别示出了设备100的开放的、非发射的位置和激活位置。光纤110以当用设备100处理组织时引发光纤110的弯曲和改善所处理的组织的治疗的从该弯曲区域的辐射发射的方式被集成在镊子设备100中。例如,光纤110可以和镊子设备100的一个臂310相结合,且在将光纤压靠在镊子设备100的第二臂311上时,光纤弯曲可能发生。在图示的实施方案中,镊子状设备100包括一个臂320和第二臂322,臂320是弯曲的和刚性的,第二臂322是柔性的,光纤110被附接到第二壁322。臂320、322可包括分别相互接合的端部321A、321B,当设备100的全封闭时端部321A、321B接合。光纤110可以布置成在柔性第二臂322的最终弯曲处发射。多个光纤实施方案可以设计成提供不同的组织处理效果。
[0140] 在实施方案中,光纤110可以达到臂322的端部321A并被另外用作端部发射光纤(“直射激光”)。
[0141] 图12A和12B示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的具有用于控制发射的辐射152的反馈回路的设备100。例如,反馈回路可以用于从图11D所示的另外的感测光纤315或其它传感器感测数据。图12A示出了辐射源70和辐射检测器330,辐射检测器330在发射的辐射152沿光纤被发射后测量辐射,以确定的辐射发射152的程度以及因此确定治疗的程度。辐射检测器可被温度传感器替换或增强。图12B示出了具有光纤110的发射区域的镊子设备100,辐射被从镊子设备100发射。来自检测器330的数据可用于控制诸如激活、波长范围和强度的辐射参数以及设备100的参数——例如为治疗医师提供反馈,改变装置100的电子参数等。检测器330可以通过当组织被凝固或切割时发生的组织的折射率的自然变化来测量弯曲发射辐射152中的变化。
[0142] 图13示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的具有在发射区域中的多个发射分区120B、120C、120D、120E和120F的光纤110。发射分区可被设计成具有不同的弯曲阈值,以使得来自光纤110的发射强度具有相对于发射区域的周围的特定分布。例如,中央分区可能具有最低弯曲阈值(也就是最大的阈值弯曲半径)以第一和最强地发射以用于例如切割治疗,而周边分区可能具有更高的弯曲阈值(即更小的阈值弯曲半径)以最后和较弱地发射以用于较不强化的组织治疗,例如凝固或焊接治疗。在实施方案中,发射分区的配置可以是围绕中央分区120D对称的。
[0143] 除了提供发射分布,设备100和光纤110可设计成将施加在其上的力与辐射152的强度关联,因为更大的力产生光纤110的更强的弯曲,导致更强的辐射。这样的设计可以加强通过设备100提供的感觉,且使该感觉更类似于一个普通手术刀的机械地切割。
[0144] 图14示意性地示出了根据本发明的一些实施方案的用于切割血管的设备100。设备100包括固定臂340(例如钩)和包括被支撑结构141可选择地支撑的光纤110的切割臂,以及使目标95(如血管)和光纤110与其的接触稳定的第二固定臂345。切割臂可包括单一光纤110(例如如图13所示的具有多个发射分区的光纤110)或者可选择地附接到支撑结构141的具有类似或不同的特性的多根光纤110。在实施方案中,固定臂340和345可以是如镊子状设备100的变型的支撑结构的一部分。当将固定臂340围绕目标95(诸如血管)压靠切割臂(由第二固定臂345支撑)时,血管95的切割和血管95的切割端部的直接焊接例如通过如上所述的不同治疗效果的激活被执行。可选择地,具有第二固定臂345的切割臂可以使血管95压靠固定臂340,且任一臂可以发射辐射以对血管95应用治疗。
[0145] 图15A和15B示出了根据本发明的一些实施方案的用于通过将设备100按压在目标95上来治疗目标设备100。设备100可类似于图11E和11F中示出的镊子设备100机械地配置成,并将辐射外部地发射到设备100被压靠的目标95。设备100可以具有单一的臂350,该臂350支撑光纤110并允许光纤110在接触目标95时根据所施加的压力和对应于目标95的形式而使弯曲。例如,光纤110可以松散地或可移动地附接到臂350的端部,光纤110可以是柔性的或在设备100可以设计成当光纤110与目标95接触时提供光纤110的一些加长。
[0146] 所示的具有臂310和311、320和322、340和345的镊子可以是上述的支撑结构141的实施方案。
[0147] 在以上描述中,实施方案是本发明的示例或实施方式。“一个实施方案”,“实施方案”或“一些实施方案”的各种外表不一定都指的是相同实施方案。
[0148] 尽管本发明的各种特征可在单一实施方案的上下文中进行描述,但是这些特征也可以单独地或以任何适当组合来提供。相反,虽然本发明为了清楚起见可在本文中以分开的实施方案的背景描述,但是本发明也可在单一实施方案中实现。
[0149] 本发明的实施方案可以包括来自上述公开的不同实施方案的特征,且实施方案可包含来自上面公开的其他实施方案的元件。本发明的元件的在具体的实施方案的背景中的公开内容不应被理解为限制它们仅在特定的实施方案中使用。
[0150] 此外,还应当理解,本发明可以以各种方式实施或实践,并且本发明可以在除以上描述中概述的实施方案外的实施方案中被执行。
[0151] 本发明并不限于这些图或相应的描述。例如,流程不需要移动经过每个图示的框或状态,或与说明和描述的顺序完全相同。
[0152] 本文所用的技术和科学术语的含义应如本发明所属的领域的普通技术人员所通常理解的,除非另有定义。
[0153] 虽然本发明已相对于有限数量的实施方案被描述,但是这些不应被解释为对本发明范围的限制,而是作为优选实施方案中的一些的范例。其他可能的变型、修改和应用也在本发明的范围之内,本发明的范围不应由迄今已描述的内容所限制,而是由所附权利要求及其法律等同物限制。
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