专利名称：利用由辐射诱导的全反射的医学激光治疗装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于医学治疗的激光系统，并且具体地，涉及激光外科手术。更具体地，其涉及用于各种医疗条件(包括良性前列腺增生(BPH))的外科治疗的光纤系统和方法。
背景技术：
许多医疗应用(例如，静脉曲张的腔内治疗、BPH或痔疮的激光治疗)需要对不直接位于光纤前部而是位于侧部的目标组织区域的治疗。由于许多这些疗法必须在仅提供狭小空间的环境内在体内执行，因此不可应用所谓裸光纤的光纤头的直接定位和指向。具有特制的发射特性的光纤探针(例如，侧向发射光纤side firing fibers)对于那些治疗手术来说是可行的，并且证实是有利的。已经提出了使用反射效果来横向导向光的许多尝试。在最早期，Abe等人在美国专利4，740，047中提出一种侧光纤，其被构造为使得透明的管状构件通过两个涂层结合到光纤的前向端部，并且抗反射涂层形成在从透明管状构件的激光束出射表面上。实例的包层-纤芯尺寸为约1.5至1。另外，Brown等人的美国专利5，292, 320公开了一种具有纤芯和包层的光纤，其中所述包层的折射率小于所述纤芯的折射率，所述光纤具有被适当地构造为连接到合适的辐射源的输入端并且具有远端，两个或更多个凹槽在远端附近穿透到纤芯中。所述凹槽具有至少部分反射器性能，从而以一个或多个预定图案将辐射径向地偏转至其。在一个实施例中，本发明在光纤的远端包层上具有覆盖管的熔接近端，以在结构化远端头上产生空气间隙。在Cecchetti等人的美国专利5，509，917中能够获知侧光纤近期现有技术的另一个实例。在文中提出的侧光纤中，由于光纤纤芯和形成在帽中的空气间隙之间的折射率的差异，因此，光纤中的激光束运用斜切头全部向下朝着光纤的侧部反射，辐射传输路径中的帽可在远端熔接到包层光纤，以当侧向发射光纤传输激光能量时减少/消除菲涅耳损失。在Harschack等人的美国专利申请 No. 2007/0106286中找到另一个实例，其提出用于高功率应用的侧向发射光纤头。在光纤的远端上的输出头的预定长度由光纤纤芯和预选厚度的包层形成，其中包层与纤芯的直径比为1.2。在光纤输出端上，将二氧化硅毛细管熔接到暴露的包层。这些类型的光纤探针将光辐射导向到期望的方向，这是由于它们在具有可行的折射率梯度(即，在所述边界层的另一侧上的折射率明显低于在玻璃光纤内部的折射率)的边界层处利用全反射的效果。通常，光纤头与小体积的空气一起被包封在密封帽中。被包围的空气提供必要的折射率梯度，这允许由玻璃光纤引导的光辐射的重定向。此外，端帽保护结构化光纤端头免受环境影响， 因此，例如，保护其免受机械损坏和保护患者免受损伤。Hanley等人在美国申请公布2009/(^87198Α1中提出一种设备，所述设备包括具有多层电介质涂层的光纤纤芯的远端，所述多层电介质涂层在纤芯远端处被设置在倾斜表面上，以在所述倾斜表面上产生激光能量的内反射，所述涂层和所述倾斜表面被共同构造以横向地改变激光能量的方向。Brekke等人在美国专利7，463，801中提出一种同时具有纤芯和包围所述纤芯的包层的侧光纤。所述光纤在远端头处终止，所述远端头具有相对于光纤的轴线倾斜的表面。管状构件在它的远端处包围所述光纤。光纤的远端具有与所述管状构件相对的部分用于结合到所述管状构件。远端部分通过中间材料被结合到所述管状构件，选择所述中间材料使其具有与纤芯和管状构件的折射率匹配的折射率。Rink等人的美国专利5，366，456公开了一种带有发射头的装置，所述装置具有高度抛光的镜面表面的插入物，所述插入物被摆放在相对于光纤的纵向轴线成特定角度处。因此，冲击激光辐射被反射到所述侧部并且与所述光纤成直角传送。再一次能够理解的是，存在复杂的构造，这些复杂的构造尝试在不同材料之间达到合适的折射率差的组合以沿期望的方向将辐射反射。端盖被胶粘和/或熔接到玻璃光纤上。因此，那些光纤探针的远端经常是庞大的并难以生产。此外，端盖和玻璃光纤的粘合可能受到减小的损伤阈值的破坏，尤其是在光纤与端盖胶粘并且所述治疗需要高光学能量的情况下。另外，许多这些发明需要相对大的探针直径。许多微创治疗手术需要穿过内窥镜递送玻璃光纤。因此，医疗探针的最大外径被内窥镜的通道的内径限定。通常，所述内径约为 2mm。因此，需要提供如由本发明进一步描述的这种器械和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于诸如泌尿疾病治疗和组织消融术的高级外科手术的装置和方法。本发明的另一目的是借助于对前列腺组织的高功率蒸发以及叶挖掘(lobe excavation)而更容易地治疗良性前列腺增生。本发明的另一目的是提供一种以改进的有效的方式用于去除肿瘤或增生组织或体内的其它不期望组织的外科装置和方法。简而言之，提供一种用于高级外科手术的装置和方法，以将不期望的或增生组织从患者体内去除。具体地说，激光消融术、泌尿疾病治疗、良性前列腺增生治疗和其它应用受益于所述装置和方法。特制的光波导头允许用包括激光二极管、亮LED或灯的光源增强对期望组织的照射。所述波导材料和周围介质的折射率为使得在波导中传播的大部分的光辐射耦合出波导，穿过在远端处或远端附近的周边表面进入周围介质中。光辐射被选择为具有合适的波长和足够的功率密度，使得周围介质将在周边表面区域的至少一部分的附近变化。周围介质的变化导致其折射率的变化，使得改变光辐射的方向。所述装置对于在入口和/或治疗空间有限/受限的患者体内的治疗尤其有用。本发明的上述和其它目的、特征和优点将从以下结合附图(其中，在不同附图中的相同的附图标记指代相同或相似的元件)阅读的描述中变得清楚。
图Ia和Ib图示本发明的优选实施例，其中所公开的装置包括带有圆锥头的玻璃光纤。图加和2b描绘本发明的优选实施例，其中所公开的装置包括带有弯曲光纤头的玻璃光纤。图3a和北图示本发明的优选实施例，其中所公开的装置包括带有表面的平面区域的玻璃光纤，以改变被传输的激光辐射的方向。图如和4b描绘本发明的优选实施例，其中所公开的装置包括具有玻璃套管的玻璃光纤。所述玻璃套管在所述套管的近端被熔接到玻璃光纤上。在光纤和套管的远端处， 在光纤的表面和套管的内表面之间存在间隙。
具体实施例方式光波导(例如，玻璃光纤、光纤束或平板波导)被气体或液体或固体状态的介质环绕。波导材料和周围介质的折射率使得在波导中传输的光辐射的大部分耦合出在周边表面区域中的波导而进入周围介质中。如果光辐射具有合适的波长和充分的功率密度，则周围介质将在所述周边表面区域的至少一部分的附近发生变化。所述周边表面区域是光辐射在辐射改变周围介质的光学性能之前能够射出波导的波导区域。远端表面区域是在波导的远端处的区域，并且是波导的一部分，当周围介质的折射率已经改变时光辐射从该部分发射。所述光辐射可源于激光、LED、LED阵列、卤素灯或提供合适波长和功率密度水平以改变在波导的周边表面区域附近的周围介质的光学性能(即，其折射率)的任何其它光源。周围介质的变化导致其折射率的变化(通常是折射率的降低)，使得改变射出波导的光辐射的方向。液体介质的蒸发或固体材料或一些其组成成分的液化可导致周围介质的这种变化。医疗环境中的周围液体介质能够是例如血液、盐溶液或在医疗治疗期间存在的任何其它水溶液或非水溶液。在血液和水溶液的情形中，像例如980nm、1470nm或约2 μ m (包括1950nm)的波长是有利的，这是因为它们被包含在液体介质中的水分子良好地吸收。能够使用波长的组合，其中，诸如1470nm的第一波长被用于部分蒸发周围水溶液以影响放射特性，并且诸如980nm的第二波长被用于凝固或消融靠近光纤的远端的生物组织。在医学治疗期间的周围固态材料能够是例如前列腺组织、肌肉组织、脂肪组织或血管壁。除了这些类型的组织本身之外，包围的水、血液或脂肪细胞能够是吸收成分。因此， 良好地被水分子吸收的光波长对于固态材料的改变也是有利的。在血液或包含组织的血液的情形中，有关改变周围介质的折射率的可行性而言， 在绿色光谱区中的波长(例如，532nm)基于其在血红蛋白部分中的高吸收率可以是有利的。以下实例图示本发明的优选实施例。实例1——具有圆锥形光纤头的玻璃光纤图Ia和Ib示意性地描绘一个优选实施例，其包括玻璃光纤，所述玻璃光纤具有折射率为Ii1的光纤纤芯(12)和折射率为n2的光纤包层(11)，其中n2小于ηι。光纤远端头(13)具有圆锥体形状。当这种探针被水溶液包围时(例如，在供应有血液的血管中时)，在光纤纤芯内部传输的光辐射(14)的大部分将传播通过圆锥形光纤头并如图Ia中图示的沿向前方向(15) 发射。如图Ib中描绘的，沿向前方向发射的光功率被周围的液体介质吸收，该液体介质蒸发并因此在光纤远端(这里在圆锥形光纤头(1 )的周边表面的附近形成蒸汽泡(17)。 由于水蒸汽的折射率明显低于液体水的折射率，因此光纤材料(11、1幻和周围介质(现在是蒸汽)之间的折射率梯度明显增大。因此，光学探针的发射特性变化，即，大部分的光辐射沿着径向方向(16)发射。在另一个优选实施例中，沿向前方向发射的光功率的至少一部分加热光纤远端头 (13)。被加热的波导又加热周围介质。因此，在所述周边表面区域的至少一部分附近的周围介质的折射率间接地被改变。因此，光学探针的发射特性被改变，使得光辐射的更大的部分沿径向方向(16)发射。实例2——带有弯曲光纤头的玻璃光纤图加和2b示意性地描绘包括玻璃光纤的优选实施例，所述玻璃光纤具有折射率为Ii1的光纤纤芯02)和折射率为n2的光纤包层01)，其中n2小于ηι。光纤头侧向弯曲以偏离光纤轴线的长轴线。光纤轴线08)与光线端面的法线09)形成角度α。通常，α的值约为20 ；35°。图加图示光功率05)的大部分沿向前方向传播。实例3——具有带斜面的头的光纤另一个优选实施例是具有带斜面的光纤头的光纤，如图3a和图北中所示。激光辐射(34)借助于在纤芯/包层界面处的全内反射传播通过光纤纤芯(32)，在所述界面处， 光纤包层(31)具有比纤芯的折射率(Ii1)低的折射率n2。由于周围水溶液的折射率低于Ii1但大于空气或甚至水蒸汽的折射率，因此激光沿正前方向(3 发射通过带斜面的头(3 。一旦激光辐射(3 蒸发指定量的水溶液并且产生蒸汽泡(37)，则改变了光纤纤芯及其周围之间的折射率梯度。蒸发的水溶液(37)的折射率足够低，使得在纤芯/蒸汽界面处发生近似全反射。因此，激光辐射被向侧面(36)导向。实例4——光纤的远端被玻璃套管保护的带有光纤头的玻璃光纤具有被光纤包层Gl)包围的光纤纤芯0 的玻璃光纤被插入到保护套管G3) 中，其中所述套管的内径(稍)大于光纤包层Gl)的外径。因此，在玻璃光纤的表面和保护套管^幻的内壁之间存在间隙G8)。保护套管的近端通过熔接、拼接或胶粘被连接G9)到玻璃光纤。光纤和套管之间的所述间隙G8)在光纤远端附近保持不受影响。套管和光纤在所述远端的附近弯曲。液体可进入所述间隙，且因此可引起所述光辐射0 的一部分的输出耦合。在光辐射被填充间隙的液体吸收的情形中，所述液体蒸发G7)且因此被从光纤的表面被移除。由此引起的填充间隙的材料的折射率的变化导致光纤远端的发射特性06)的变化。液相中的数值孔径能够高于波导本身的数值孔径NA。该优选实施例在图如和图4b中图示。已经参考附图描述了本发明的优选实施例，应当理解的是，本发明不限于具体的实施例，并且在不偏离由所附权利要求限定的本发明的范围或精神的前提下，本领域技术人员可以做出各种改变和修改。
权利要求
1.一种装置，其包括光波导，所述光波导将光辐射从所述光波导的近端传输至所述光波导的远端，并且所述光波导至少在其远端的区域中被介质包围，并且其中指定部分的光至少最初发射通过所述光波导的周边表面区域，并且其中所述部分的光至少在所述周边表面区域的附近影响所述周围介质的折射率，由此改变所述远端的发射特性。
2.根据权利要求1所述的装置，其中在所述部分的光最初发射通过所述波导的所述周边表面区域之后，在所述周边表面区域附近的所述周围介质的折射率降低。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述周围介质选自气体材料、固体材料和液体材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述周围介质是液体材料，所述液体材料能被所述部分的光蒸发。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述周围固体材料是生物组织。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述生物组织选自肌肉组织、脂肪组织、前列腺组织、血管壁。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述光波导是玻璃光纤，所述玻璃光纤具有折射率为H1的纤芯，所述纤芯被折射率为n2的包层包围，并且其中ηι > n2。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述光是激光辐射，其至少一个波长被所述周围介质良好地吸收。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述周围介质是水溶液，并且所述激光波长优选地选自800 1100nm、1400 1600nm禾口 1800 2IOOnm的光谱范围。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述波长选自约980nm、约1470nm和约1950nm。
11.根据权利要求1所述的装置，所述装置用于医学治疗。
12.根据权利要求8所述的装置，其中至少两个激光波长传输通过所述装置，并且其中至少一个波长被所述周围介质良好地吸收，而第二波长用于医学治疗。
13.根据权利要求12所述的装置，其中第一波长用于部分地蒸发周围水溶液以影响所述装置的发射特性，并且其中第二波长用于以接触或非接触方式凝固和/或消融邻近于所述光纤远端的生物组织。
14.根据权利要求13所述的装置，其中所述波长优选为980士40nm和1470士40nm。
15.根据权利要求13所述的装置，所述装置用于良性前列腺增生(BPH)的治疗。
16.根据权利要求13所述的装置，所述装置用于静脉学中的治疗、用于借助腔内手术的静脉曲张的治疗。
17.根据权利要求7所述的装置，其中在所述玻璃光纤的远端处具有圆锥头。
18.根据权利要求1所述的装置，其中包围所述光纤头的介质被从所述光纤头发射的激光辐射的一部分蒸发，并形成包围所述光纤头的蒸汽泡，并且其中由于蒸汽的折射率低于液体水溶液的折射率，所以所述光辐射的剩余部分激光从所述光纤头沿径向方向发射。
19.根据权利要求7所述的装置，其中所述玻璃光纤在其远端处弯曲，使得所传播的光辐射的指定部分耦合出所述光纤纤芯并且沿向前方向引出，并且由所述引出的光辐射导致的蒸汽泡允许改变剩余的光辐射的方向，使得所述剩余的光辐射从所述光纤的远端面横向地发射。
20.根据权利要求7所述的装置，其中所述光纤的所述远端被由玻璃制成的套管保护。
21.根据权利要求20所述的装置，其中，在所述套管的近端处，所述套管被熔接到所述玻璃光纤。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，在所述套管的远端处，在所述光纤的表面和所述套管的内表面之间存在间隙。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述间隙填充有所述介质，并且其中所述介质被指定部分的光辐射从所述间隙中移除。
24.根据权利要求9所述的装置，其中包围圆锥光纤头的所述水溶液被从所述光纤头发射的激光辐射的一部分蒸发，并形成包围所述光纤头的蒸汽泡，并且其中由于蒸汽的折射率低于液体水溶液的折射率，所以所述激光辐射的剩余部分从所述光纤头沿径向方向发射。
25.根据权利要求17所述的装置，其中包围所述圆锥形光纤头的所述水溶液被从所述光纤头发射的激光辐射的一部分蒸发，并形成包围所述光纤头的蒸汽泡，并且其中由于蒸汽的折射率低于液体水溶液的折射率，所以所述激光辐射的剩余部分从所述光纤头沿径向方向发射。
全文摘要
本发明提供一种装置，所述装置用于高级外科手术以将不期望或增生的组织从患者体内去除。具体地说，激光消融术、泌尿疾病治疗、良性前列腺增生治疗和其它应用受益于所述装置。特制的光波导头允许用包括激光二极管、亮LED或灯的光源增强对期望组织的照射。波导材料和周围介质的折射率使得在波导中传输的大部分的光辐射耦合出波导，穿过在远端处或远端附近的周边表面进入周围介质中。光辐射被选择为具有合适的波长和足够的功率密度，使得周围介质将在周边表面区域的至少一部分的附近变化。周围介质的变化导致其折射率的变化，使得改变光辐射的方向。所述装置对于在入口和/或治疗空间有限/受限的患者体内的治疗尤其有用。
文档编号A61N5/067GK102438539SQ201080022438
公开日2012年5月2日 申请日期2010年4月9日 优先权日2009年4月9日
发明者沃尔夫冈·纽伯格, 沃尔特·岑希提 申请人:塞拉莫普泰克工业公司