医用光导纤维技术

——医用激光传输系统第六章医用光导纤维技术引言激光器所发出的激光是直线传播的。传输系统就是能把这直线传播的激光束有效地传送到人体的病变部位的传输器械，是医用激光器的重要部件，其质量的好坏将直接影响到医用激光器的治疗效果。评价标准1．激光束通过传输系统后是否保持激光的原有特性，如激光的平行性、相干性等。2．传输系统是否能承受足够大的激光功率，且传输损耗又较小。3．传输系统是否操作灵巧，自由度大而无死角，是否体积小、重量轻，调试方便和维修保养简便。4．传输系统是否处于任何位置时，其输出功率恒定、光斑模式一致。传输方式导光臂传输光导纤维传输光学系统传输导光臂传输对于波长为10.6μm的CO2激光，国内外虽已有产品，但其成本高，尚不能普及，所以目前国内外在CO2激光治疗机中的导光系统大多采用装有反射镜的转动式导光关节臂。它是由反射镜基座、连接管、轴承、反射镜和激光刀头等组成。导光臂传输反射镜基座由硬质铝合金材料制成，加工精度要求较高，基座与连接管的二孔轴线要相互垂直，其交点应正好交于反射镜面中央，与镜面交角均为45°。对于传输功率大于100W的激光，一般采用黄铜作基板；小于100W的激光则一般都用石英玻璃或硬质玻璃作基板。卧式CO2激光手术刀及导光关节臂结构示意图1激光管固定圈2激光管支架3电源箱4导光关节支架5关节臂6刀头导光关节臂的轴承是连接管和反射镜基座相连的重要部件，为了保证反射镜基座上的反射镜在轴转动时光束不发生偏摆，对轴承的选择和轴承外圈的加工精度要求很高。导光关节臂的连接管，一方面是连接反射镜基座，另一方面是让激光束通过并且作为轴承的转动轴，所以对其管径的内外两周必须有良好的平行度和同心度。关节臂末端的操作手柄，习惯上被称为激光刀头，刀头内部都装有聚焦透镜，在透镜的焦点处，可对病变组织进行切割，离焦点的距离逐渐增大时，激光束的光斑也随之加大，从而功率密度随之降低，治疗作用就从切割过渡到汽化，再到凝固。当离焦点的距离再增大时，光斑面积更大，以致使功率密度小于组织的损伤阈值，此时对组织无急性损伤，可用其温热效应进行激光理疗，或把聚焦透镜换成扩束透镜进行激光理疗。对于不同的治疗，激光的刀头套的长短和形状也有所不同。导光关节臂与激光器的耦合常用的方法有直管烧孔法和内调焦平行光管调整法以及肉眼校正法三种方法。一般因直管烧孔法的校准比较简便，所以应用比较普遍。其标准方法如下：首先取出激光机附件中的调试管(长度一般为500mm左右，内外口径与导光关节臂的连接管完全相同的直管)，装到关节臂的固定架或座上。然后在调试管的近端和远端分别贴上微湿的薄纸片，再启动激光机，让激光管输出的激光束在纸片上烧个小孔，反复调节激光管固定圈上的调节螺钉，直至调试管近端和远端的纸片上的烧孔都处于端口的中心为止。再取下调试管，装上导光关节臂即可投入正常使用。导光光纤传输光导纤维是一种能够对光或图像进行传输的光学纤维，简称光纤。医用石英光纤用石英玻璃、有机硅树脂或硬聚氟物等材料制成。光纤一般由三层组成，其中心部称为芯，中间部分称为包层，纤芯的折射率必须大于包层的折射率，光束在纤芯里传播，包层的作用是把光束限制在纤芯里传播。最外层是用塑料等材料制成的保护层。阶跃光纤阶跃光纤：是一种最常用最简单的光纤。它的纤芯折射是均匀一致的，且纤芯和包层界面处的折射率由高阶跃变低，故称为阶跃光纤或阶梯光纤。1.结构阶跃光纤是由两种不同折射率的材料组成的。其中心部分是有均匀折射率n1的石英玻璃纤维，称为纤芯。纤芯被折射率为n2的包层包裹，包层的材料可以是石英、有机硅树脂或硬聚氟物，分别称为石英包层光纤、软硅酮包层光纤和硬聚氟包层光纤。纤芯的折射率n1必须大于包层的折射率n2。包层的外面用环氧树脂等塑料材料做成保护层。在入射端某一点发出的不同入射角度的光线,在光纤维内传播的路程不同，不能在另一端的空间外同时聚焦，所以单根阶跃光纤只能用于导光，而不能传递图像。2.阶跃光纤中光束的传播特点3.光纤的数值孔径(NA)右图中，由折射定律：n0sinθ0=n1sinθ=n1cosФ=n1(1–sin2Ф)1/2设Фc为全反射临界角，则sinФc=n2/n1由以上两式,可得到入射光线在纤芯中形成全反射时的最大入射角θc应满足：n0sinθc=n1(1–sin2Фc)1/2=(n12–n22)1/2将NA=n0sinθc=(n12–n22)1/2，称为光纤的数值孔径。数值孔径决定了光纤可接受的入射光的锥度角。光纤的数值孔径越大，光纤接受入射光的角度越大。4.光纤的传输损耗(1)光纤材料的吸收损耗纤芯及包层中含有的金属离子和OH–离子，会在很宽的光谱范围内吸收光能。(2)光纤材料的散射损耗光纤中物质密度的不均匀会引起瑞利散射，此种散射与波长的四次方成反比。(3)光波导散射损耗纤维粗细不均匀，直径沿轴线分布有起伏，将会引起光波导散射，造成损耗。(4)端面的反射损耗光入射到光纤入射端面和从出射端面射出时,在光纤端面产生的反射损耗。石英光导纤维在某些波长上存在衰减峰，其传输效率与光波长密切相关。总的趋势是，在400~800nm可见光波长范围内，石英光纤具有低的传输损耗,传输效率大于99.5%/m；对800~2400nm近中红外线和315~400nm近紫外线传输效率稍低；对远红外线和短紫外线的传输效率下降明显。5.光纤的弯曲性能当光纤发生弯曲时，在光纤的弯曲部位，某些原先发生全反射的光线会因不再满足全反射条件而外逸，从而降低了光纤的传输效率。如果弯曲的曲率半径比纤芯的直径大几倍到几十倍，光纤内的光线就绝大部分不会逸出。纤芯直径小和数值孔径大的光纤在相同的弯曲程度下，具有较高的传输效率，其弯曲性能较好。6.激光与光导纤维的耦合采用光纤传导激光，首先必须用耦合装置将激光器输出的激光束耦合输出到光导纤维。由于激光束的直径通常大于光纤纤芯的直径，所以一般要用聚焦透镜将光束聚焦后送入光纤。聚焦光斑应位于光纤入射端面的中心，光斑直径应远小于纤芯的直径。聚焦光束的最大入射角应小于光纤的接受锥度角，以保证入射光进入光纤后都能满足全反射条件。光纤的夹具和插头采用国际标准接口SMA905。自聚焦光纤梯度光纤（自聚焦光纤）：纤芯折射率自中心向界面方向呈抛物线规律逐渐减小，到纤芯与色层的界面处，二者的折射率已经一样。这样，光束在梯度光纤中传播时，在轴线附近的光线由于中心的折射率高，其传播速度也慢；而远离轴线的光线虽然光程长，但因折射率逐渐减小，其传播速度也随之逐渐加快，由于连续折射作用，光线逐渐沿轴线方向折回，形成一余弦曲线的路径。这样，由某点入射的光线，经过一段路径之后又聚焦于另一点处。所以梯度光纤又称为自聚焦光纤。自聚焦光纤自聚焦光纤的特点是光纤内部的折射率在中心轴上最大，沿径向逐渐减小。减小的规律按抛物线规律变化：n=n0(1–Ar2)n0为中心轴上的折射率，A为折射率分布常数，r为光纤维内某点至轴的距离。由于光纤的连续折射作用，光线在自聚焦光纤中沿正弦曲线传播:从某点入射的光线，经过一段路程后，又同时到达另一点产生聚焦。所以单根自聚焦光纤能够成像。除上述二类光纤之外，根据应用情况和激光器件的不同，还有裸露光纤、热探头光纤、熔炼石英光纤、雕刻成形石英光纤、金属热探头光纤(热帽)以及用于CO2激光的卤化银光纤、用于铒激光的氟化锆光纤。激光与光纤的耦合光纤输入端的功率密度对于一个直径很小的光线束从θ1角度入射到光纤的端面时，在出射端就成为半锥角θF为的空心圆锥激光通过光纤端面输出后，以2θF角度散开，因此是一个发散光源功率密度功率密度低，切割汽化效果差，功率密度太高，超过105W/cm2，小芯径的石英光纤输出端会出现熔球甚至光纤端点本身汽化osPPS医用光纤的应用1.在外科手术中的应用：采用(出射端面)裸露光纤或装有蓝宝石刀头的光纤，进行非接触式或接触式激光手术。另外，激光经由光纤传输可通过很小的切口或人体自然开口进入内部组织，实现微创或无创手术。2.激光碎石：用光纤传输的脉冲激光能将结石击碎成小块，然后由病人自然排出。已用于胆囊和泌尿系统的碎石。3.组织间激光照射:对大块的病变组织，用穿刺针将光纤插入组织进行照射。4.流质中的激光手术：通过光纤传输避免了激光在液体中的衰减，使激光作用于淹没在液体中的组织。如激光关节镜膝盖手术。医用光纤的应用5.在医用内窥镜中起导光和导像作用。光源发出的光传入导光束,在导光束的端部装有凹透镜，导光束传入的光通过凹透镜,照射于脏器内腔的粘膜面上,反射光经过成像物镜、纤维导像束和目镜，便能在目镜上观察到被检查脏器内腔的图像。光纤头的结构为了适应不同解剖位置的治疗需要，要将光纤输出端制成球状、柱状、尘柱状或联结金属热帽或宝石接触刀头、金属帽与蓝宝石混和刀头、陶瓷头等多种。治疗过程中，组织和血液等物质的溅射污染，从而引起吸收、造成失透，以至烧坏光纤头，从而失去治疗效果。故在光纤输出端装上宝石刀头来传输激光束进行治疗的形式日益广泛。宝石刀头的刀口处的激光功率密度高。切割刀口锋利，可作精确切割，与传统手术刀手感相似；功率密度稳定；刀尖发散角大，使组织损伤的深度浅；热传导性低，刀尖热有效性高，切割时极少有烟雾和出血；再加上它的机械强度高，不易破碎和生理中性等一系列优点，已受到外科医生的青睐。美国已正式批准这种接触式激光手术刀与常规手术刀一样可以在医院使用。激光宝石刀头非接触式的手术精度很差光纤末端与组织接触能改善切割精度，但光纤端很快被熔化蓝宝石刀头具有比石英光纤更高的熔点，因此宝石刀头能耐受比石英光纤端更高的功率密度圆头形刀头用于组织的快速汽化，平头的刀头用于凝固止血，锥形刀头用于手术切割各种形状的宝石刀头平头：凝固止血圆头：汽化锥形：切割蓝宝石刀头与光纤连接，一起安装在手柄上构成一套完整的激光手术刀光纤与接触式宝石刀头两种方法的评价用光导纤维直接进行激光手术治疗和利用宝石刀头进行接触式手术治疗经过一段时间的应用后，发现两种方法在医学临床上各有优点。用裸露的光纤直接进行手术方便、简单，没有发热的问题，光纤端面易损坏，但也很容易重新修复。宝石刀接触式手术功率小，手术精细，但光纤与宝石刀接口处极易发热，造成功率损失，宝石刀仍然不能承受高的激光功率，而且要用气体和液体冷却，使用不方便，价格也高。不少医生在进行对比后，不主张采用有蓝宝石头的光纤进行接触性激光外科手术，原因是由于蓝宝石和光纤接触面之间的反射作用，加上蓝宝石自身的高度吸热能力，需要有完善的冷却设备，而且光纤的接头处还需要相对地加粗。此外，在操作内镜或组织间照射的时候，如用气体降温，会增加发生气栓的危险。因为蓝宝石头有高度吸热能力，用它作为热探针远比作为切割的工具更为适宜。手术才开始时，宝石刀比裸露光纤有更好的切割效果，但在工作进行中，前者会产生工作上的质量变化，例如从接触性切割变成非接触性热凝；而这种情况在使用简单的裸露光纤时，就不可能发生。