第六章醫(yī)用光導(dǎo)纖維技術(shù)

1、 醫(yī)用激光傳輸系統(tǒng)醫(yī)用激光傳輸系統(tǒng)第六章第六章 醫(yī)用光導(dǎo)纖維技術(shù)醫(yī)用光導(dǎo)纖維技術(shù)引言o激光器所發(fā)出的激光是直線傳播的。o傳輸系統(tǒng)就是能把這直線傳播的激光束有效地傳送到人體的病變部位的傳輸器械，是醫(yī)用激光器的重要部件，其質(zhì)量的好壞將直接影響到醫(yī)用激光器的治療效果。 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)o 1激光束通過傳輸系統(tǒng)后是否保持激光的原有特性，如激光的平行性、相干性等。o 2傳輸系統(tǒng)是否能承受足夠大的激光功率，且傳輸損耗又較小。o 3傳輸系統(tǒng)是否操作靈巧，自由度大而無死角，是否體積小、重量輕，調(diào)試方便和維修保養(yǎng)簡(jiǎn)便。o 4傳輸系統(tǒng)是否處于任何位置時(shí)，其輸出功率恒定、光斑模式一致。傳輸方式o導(dǎo)光臂傳輸o光導(dǎo)纖維傳輸o光

2、學(xué)系統(tǒng)傳輸導(dǎo)光臂傳輸o對(duì)于波長(zhǎng)為10.6m的CO2激光，國內(nèi)外雖已有產(chǎn)品，但其成本高，尚不能普及，所以目前國內(nèi)外在CO2激光治療機(jī)中的導(dǎo)光系統(tǒng)大多采用裝有反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)式導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂。 o它是由反射鏡基座、連接管、軸承、反射鏡和激光刀頭等組成。 導(dǎo)光臂傳輸o反射鏡基座由硬質(zhì)鋁合金材料制成，加工精度要求較高，基座與連接管的二孔軸線要相互垂直，其交點(diǎn)應(yīng)正好交于反射鏡面中央，與鏡面交角均為45。 o對(duì)于傳輸功率大于100W的激光，一般采用黃銅作基板；小于100W的激光則一般都用石英玻璃或硬質(zhì)玻璃作基板。 臥式CO2激光手術(shù)刀及導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂結(jié)構(gòu)示意圖1 激光管固定圈 2 激光管支架 3 電源箱 4 導(dǎo)光關(guān)節(jié)

3、支架 5 關(guān)節(jié)臂 6 刀頭 o導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂的軸承是連接管和反射鏡基座相連的重要部件，為了保證反射鏡基座上的反射鏡在軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)光束不發(fā)生偏擺，對(duì)軸承的選擇和軸承外圈的加工精度要求很高。o導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂的連接管，一方面是連接反射鏡基座，另一方面是讓激光束通過并且作為軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，所以對(duì)其管徑的內(nèi)外兩周必須有良好的平行度和同心度。o關(guān)節(jié)臂末端的操作手柄，習(xí)慣上被稱為激光刀頭，o刀頭內(nèi)部都裝有聚焦透鏡，在透鏡的焦點(diǎn)處，可對(duì)病變組織進(jìn)行切割，離焦點(diǎn)的距離逐漸增大時(shí)，激光束的光斑也隨之加大，從而功率密度隨之降低，治療作用就從切割過渡到汽化，再到凝固。o當(dāng)離焦點(diǎn)的距離再增大時(shí)，光斑面積更大，以致使功率密度小于組織的

4、損傷閾值，此時(shí)對(duì)組織無急性損傷，可用其溫?zé)嵝?yīng)進(jìn)行激光理療，或把聚焦透鏡換成擴(kuò)束透鏡進(jìn)行激光理療。對(duì)于不同的治療，激光的刀頭套的長(zhǎng)短和形狀也有所不同。導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂與激光器的耦合導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂與激光器的耦合 o常用的方法有直管燒孔法和內(nèi)調(diào)焦平行光管調(diào)整法以及肉眼校正法三種方法。一般因直管燒孔法的校準(zhǔn)比較簡(jiǎn)便，所以應(yīng)用比較普遍。其標(biāo)準(zhǔn)方法如下：o首先取出激光機(jī)附件中的調(diào)試管(長(zhǎng)度一般為500mm左右，內(nèi)外口徑與導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂的連接管完全相同的直管)，裝到關(guān)節(jié)臂的固定架或座上。然后在調(diào)試管的近端和遠(yuǎn)端分別貼上微濕的薄紙片，再啟動(dòng)激光機(jī)，讓激光管輸出的激光束在紙片上燒個(gè)小孔，反復(fù)調(diào)節(jié)激光管固定圈上的調(diào)節(jié)螺釘，直

5、至調(diào)試管近端和遠(yuǎn)端的紙片上的燒孔都處于端口的中心為止。再取下調(diào)試管，裝上導(dǎo)光關(guān)節(jié)臂即可投入正常使用。 導(dǎo)光光纖傳輸 o光導(dǎo)纖維是一種能夠?qū)饣驁D像進(jìn)行傳輸?shù)墓鈱W(xué)纖維，簡(jiǎn)稱光纖。o醫(yī)用石英光纖用石英玻璃、有機(jī)硅樹脂或硬聚氟物等材料制成。o光纖一般由三層組成，其中心部稱為芯，中間部分稱為包層，纖芯的折射率必須大于包層的折射率，光束在纖芯里傳播，包層的作用是把光束限制在纖芯里傳播。最外層是用塑料等材料制成的保護(hù)層。 階躍光纖階躍光纖 o階躍光纖：是一種最常用最簡(jiǎn)單的光纖。它的纖芯折射是均勻一致的，且纖芯和包層界面處的折射率由高階躍變低，故稱為階躍光纖或階梯光纖。 1. 結(jié)構(gòu) 階躍光纖是由兩種不同折射

6、率的材料組成的。其中心部分是有均勻折射率n1的石英玻璃纖維，稱為纖芯纖芯。纖芯被折射率為n2的包層包層包裹，包層的材料可以是石英、有機(jī)硅樹脂或硬聚氟物，分別稱為石英包層光纖、軟硅酮包層光纖和硬聚氟包層光纖。纖芯的折射率n1必須大于包層的折射率n2。 包層的外面用環(huán)氧樹脂等塑料材料做成保護(hù)層。 在入射端某一點(diǎn)發(fā)出的不同入射角度的光線, 在光纖維內(nèi)傳播的路程不同，不能在另一端的空間外同時(shí)聚焦，所以單根階躍光纖只能用于導(dǎo)光，而不能傳遞圖像。2. 階躍光纖中光束的傳播特點(diǎn)3. 光纖的數(shù)值孔徑(NA) 右圖中，由折射定律： n0sin0= n1sin = n1cos = n1(1sin2)1/2 設(shè)c為

7、全反射臨界角， 則 sinc= n2/n1 由以上兩式,可得到入射光線在纖芯中 形成全反射時(shí)的最大入射角c應(yīng)滿足： n0sinc= n1(1sin2c)1/2 = (n12n22)1/ 2 將NA = n0sinc = (n12n22)1/ 2， 稱為光纖的數(shù)值孔徑。 數(shù)值孔徑?jīng)Q定了光纖可接受的入射光的錐度角。光纖的數(shù)值孔徑越大，光纖接受入射光的角度越大。4. 光纖的傳輸損耗 (1)光纖材料的吸收損耗 纖芯及包層中含有的金屬離子和OH離子，會(huì)在很寬的光譜范圍內(nèi)吸收光能。 (2)光纖材料的散射損耗 光纖中物質(zhì)密度的不均勻會(huì)引起瑞利散射，此種散射與波長(zhǎng)的四次方成反比。 (3)光波導(dǎo)散射損耗 纖維粗

8、細(xì)不均勻，直徑沿軸線分布有起伏，將會(huì)引起光波導(dǎo)散射，造成損耗。 (4)端面的反射損耗 光入射到光纖入射端面和從出射端面射出時(shí),在光纖端面產(chǎn)生的反射損耗。 石英光導(dǎo)纖維在某些波長(zhǎng)上存在衰減峰，其傳輸效率與光波長(zhǎng)密切相關(guān)。 總的趨勢(shì)是，在400800nm可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，石英光纖具有低的傳輸損耗,傳輸效率大于99.5%/m；對(duì)8002400nm近中紅外線和315400nm近紫外線傳輸效率稍低；對(duì)遠(yuǎn)紅外線和短紫外線的傳輸效率下降明顯。5. 光纖的彎曲性能 當(dāng)光纖發(fā)生彎曲時(shí)，在光纖的彎曲部位，某些原先發(fā)生全反射的光線會(huì)因不再滿足全反射條件而外逸，從而降低了光纖的傳輸效率。 如果彎曲的曲率半徑比纖芯的直

9、徑大幾倍到幾十倍，光纖內(nèi)的光線就絕大部分不會(huì)逸出。 纖芯直徑小和數(shù)值孔徑大的光纖在相同的彎曲程度下，具有較高的傳輸效率，其彎曲性能較好。6. 激光與光導(dǎo)纖維的耦合o采用光纖傳導(dǎo)激光，首先必須用耦合裝置將激光器輸出的激光束耦合輸出到光導(dǎo)纖維。 由于激光束的直徑通常大于光纖纖芯的直徑，所以一般要用聚焦透鏡將光束聚焦后送入光纖。聚焦光斑應(yīng)位于光纖入射端面的中心，光斑直徑應(yīng)遠(yuǎn)小于纖芯的直徑。聚焦光束的最大入射角應(yīng)小于光纖的接受錐度角，以保證入射光進(jìn)入光纖后都能滿足全反射條件。 光纖的夾具和插頭采用國際標(biāo)準(zhǔn)接口SMA905。自聚焦光纖 o梯度光纖（自聚焦光纖）：纖芯折射率自中心向界面方向呈拋物線規(guī)律逐漸

10、減小，到纖芯與色層的界面處，二者的折射率已經(jīng)一樣。這樣，光束在梯度光纖中傳播時(shí)，在軸線附近的光線由于中心的折射率高，其傳播速度也慢；而遠(yuǎn)離軸線的光線雖然光程長(zhǎng)，但因折射率逐漸減小，其傳播速度也隨之逐漸加快，由于連續(xù)折射作用，光線逐漸沿軸線方向折回，形成一余弦曲線的路徑。這樣，由某點(diǎn)入射的光線，經(jīng)過一段路徑之后又聚焦于另一點(diǎn)處。所以梯度光纖又稱為自聚焦光纖。 自聚焦光纖自聚焦光纖o自聚焦光纖的特點(diǎn)是光纖內(nèi)部的折射率在中心軸上最大，沿徑向逐漸減小。減小的規(guī)律按拋物線規(guī)律變化： n = n0 (1 A r2 ) n0為中心軸上的折射率，A為折射率分布常數(shù)，r為光纖維內(nèi)某點(diǎn)至軸的距離。 由于光纖的連續(xù)

11、折射作用，光線在自聚焦光纖中沿正弦曲線傳播: 從某點(diǎn)入射的光線，經(jīng)過一段路程后，又同時(shí)到達(dá)另一點(diǎn)產(chǎn)生聚焦。所以單根自聚焦光纖能夠成像。o除上述二類光纖之外，根據(jù)應(yīng)用情況和激光器件的不同，還有裸露光纖、熱探頭光纖、熔煉石英光纖、雕刻成形石英光纖、金屬熱探頭光纖(熱帽)以及用于CO2激光的鹵化銀光纖、用于鉺激光的氟化鋯光纖。 激光與光纖的耦合光纖輸入端的功率密度o對(duì)于一個(gè)直徑很小的光線束從1角度入射到光纖的端面時(shí)，在出射端就成為半錐角F為 的空心圓錐o激光通過光纖端面輸出后，以 2F角度散開，因此是一個(gè)發(fā)散光源o功率密度o功率密度低，切割汽化效果差，功率密度太高，超過105W/cm2，小芯徑的石英

12、光纖輸出端會(huì)出現(xiàn)熔球甚至光纖端點(diǎn)本身汽化osPPS醫(yī)用光纖的應(yīng)用醫(yī)用光纖的應(yīng)用o1. 在外科手術(shù)中的應(yīng)用：采用(出射端面)裸露光纖或裝有藍(lán)寶石刀頭的光纖，進(jìn)行非接觸式或接觸式激光手術(shù)。另外，激光經(jīng)由光纖傳輸可通過很小的切口或人體自然開口進(jìn)入內(nèi)部組織，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)或無創(chuàng)手術(shù)。o2. 激光碎石：用光纖傳輸?shù)拿}沖激光能將結(jié)石擊碎成小塊，然后由病人自然排出。已用于膽囊和泌尿系統(tǒng)的碎石。o3. 組織間激光照射:對(duì)大塊的病變組織，用穿刺針將光纖插入組織進(jìn)行照射。o4. 流質(zhì)中的激光手術(shù)：通過光纖傳輸避免了激光在液體中的衰減，使激光作用于淹沒在液體中的組織。如激光關(guān)節(jié)鏡膝蓋手術(shù)。 醫(yī)用光纖的應(yīng)用醫(yī)用光纖的應(yīng)用o

13、5. 在醫(yī)用內(nèi)窺鏡中起導(dǎo)光和導(dǎo)像作用。 光源發(fā)出的光傳入導(dǎo)光束, 在導(dǎo)光束的端部裝有凹透鏡，導(dǎo)光束傳入的光通過凹透鏡, 照射于臟器內(nèi)腔的粘膜面上, 反射光經(jīng)過成像物鏡、纖維導(dǎo)像束和目鏡，便能在目鏡上觀察到被檢查臟器內(nèi)腔的圖像。光纖頭的結(jié)構(gòu)光纖頭的結(jié)構(gòu) o為了適應(yīng)不同解剖位置的治療需要，要將光纖輸出端制成球狀、柱狀、塵柱狀或聯(lián)結(jié)金屬熱帽或?qū)毷佑|刀頭、金屬帽與藍(lán)寶石混和刀頭、陶瓷頭等多種。 o治療過程中，組織和血液等物質(zhì)的濺射污染，從而引起吸收、造成失透，以至燒壞光纖頭，從而失去治療效果。o故在光纖輸出端裝上寶石刀頭來傳輸激光束進(jìn)行治療的形式日益廣泛。寶石刀頭的刀口處的激光功率密度高。切割刀口鋒

14、利，可作精確切割，與傳統(tǒng)手術(shù)刀手感相似；功率密度穩(wěn)定；刀尖發(fā)散角大，使組織損傷的深度淺；熱傳導(dǎo)性低，刀尖熱有效性高，切割時(shí)極少有煙霧和出血；再加上它的機(jī)械強(qiáng)度高，不易破碎和生理中性等一系列優(yōu)點(diǎn)，已受到外科醫(yī)生的青睞。美國已正式批準(zhǔn)這種接觸式激光手術(shù)刀與常規(guī)手術(shù)刀一樣可以在醫(yī)院使用。 激光寶石刀頭o非接觸式的手術(shù)精度很差o光纖末端與組織接觸能改善切割精度，但光纖端很快被熔化o藍(lán)寶石刀頭具有比石英光纖更高的熔點(diǎn)，因此寶石刀頭能耐受比石英光纖端更高的功率密度o圓頭形刀頭用于組織的快速汽化，平頭的刀頭用于凝固止血，錐形刀頭用于手術(shù)切割各種形狀的寶石刀頭o平頭：凝固止血o圓頭：汽化o錐形：切割o藍(lán)寶石刀頭與光纖連接，一起安裝在手柄上構(gòu)成一套完整的激光手術(shù)刀光纖與接觸式寶石刀頭兩種方法的評(píng)價(jià)o用光導(dǎo)纖維直接進(jìn)行激光手術(shù)治療和利用寶石刀頭進(jìn)行接觸式手術(shù)治療經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)兩種方法在醫(yī)學(xué)臨床上各有優(yōu)點(diǎn)。o用裸露的光纖直接進(jìn)行手術(shù)方便、簡(jiǎn)單，沒有發(fā)熱的問題，光纖端面易損壞，但也很容易重新修復(fù)。o寶石刀接觸式手術(shù)功率小，手術(shù)精細(xì)，但光纖與寶石刀接口處極易發(fā)熱，造成功率損失，寶石刀仍然不能承受高的激光功率，而且要用氣體和液體冷卻，使用不方便，價(jià)格也高。o不少醫(yī)生在進(jìn)行對(duì)比后，不主張采用有藍(lán)寶石頭的光纖進(jìn)