ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТРУМЕНТ С ИЗОГНУТОЙ ДИСТАЛЬНОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТЬЮ
FIBRE-OPTIC TOOL WITH CURVED DISTAL WORKING PART

Область техники
Изобретение относится к области техники, предназначенной для лазерной обработки материалов в труднодоступных участках, а также к области медицинской техники, а именно к устройствам, применяемым во время проведения лазерных хирургических и терапевтических процедур в труднодоступных отделах внутренних органов, в том числе при лазерной вапоризации и коагуляции аденомы предстательной железы.
Уровень техники
Во многих внутриполостных операциях осуществляется удаление различных мягких тканей, таких как опухоли, бляшки, жир и пр. Например, при появлении аденомы предстательной железы необходимо удалить образовавшуюся опухоль. Оперативные методы удаления аденомы делятся на открытые, с доступом через мочевой пузырь, и малоинвазивные - без разреза, через мочеиспускательный канал.
Для проведения малоинвазивных операций применяются различные устройства, в том числе волоконно-оптические инструменты, использующие лазерное излучение или излучение мощных диодов. Принцип действия таких инструментов основан на термической коагуляции и абляции (испарении) излучением патологических тканей. Благодаря возможности концентрировать энергию оптического излучения в малом объеме волоконно-оптические инструменты позволяют точнее воздействовать на больные участки тканей, не затрагивая здоровые.
В патенте US 5366456 предложена конструкция лазерного волоконного скальпеля, в котором излучение, вышедшее из оптического волокна, отражается под углом от специального элемента - вставки, имеющей отражающую поверхность. Недостатком такой конструкции является то, что часть излучения поглощается на отражающей поверхности вставки, что приводит к нежелательному нагреву инструмента и требует охлаждения. Другим недостатком является сложность конструкции, состоящей из нескольких сложных элементов.
В патенте US 6699239 описан волоконно-оптический инструмент, состоящий из двух частей: оптического волокна и наконечника. Наконечник имеет прямой участок и участок, отклоненный под некоторым углом к оси оптического волокна. Излучение, вышедшее из оптического волокна, распространяется внутри наконечника, претерпевая на его границах полное внутреннее отражение. Недостатком такой конструкции является то, что при работе в жидкой среде в месте загиба условие полного внутреннего отражения на внешней поверхности наконечника может быть нарушено, что приведет к потерям излучения в месте изгиба и облучению здоровых тканей. При этом в нужную зону воздействия будет доставляться меньше энергии излучения.
В патенте US 5416878 предложен волоконный инструмент, в котором загнутый наконечник направляет излучение под углом к оси оптического волокна. Данная конструкция имеет два недостатка: плоский излучающий торец оптического волокна не позволяет фокусировать излучение, а оголенная тонкая жила оптического волокна может сломаться, поэтому возникает необходимость использовать оптические волокна с большим диаметром сердцевины (порядка 1000 мкм), что ограничивает область применения инструмента.
В качестве прототипа взят инструмент, описанный в заявке на патент US 2011/0160713 А1. В данной конструкции наконечник с загнутым концом контактным образом закреплен на оголенном от оболочки дистальном участке оптического волокна. Указано, что оптическое волокно и наконечник изготовлены из кварца или стекла и сплавлены друг с другом по длине оголенного участка, причем торец оптического волокна в наконечнике может как не доходить до торцевой внешней поверхности наконечника, так и быть частью внешней поверхности, доходя до контакта с окружающей наконечник внешней средой. Такая конструкция волоконно-оптического инструмента надежнее предложенных ранее, так как наконечник в ней выполняет больше механически укрепляющую роль, чем оптическую. Однако и она имеет ряд недостатков.
Первым недостатком прототипа является то, что оптическое волокно и наконечник сварены друг с другом по длине оголенного участка. Так как излучение в наконечнике распространяется до торца, расположенного на конце загнутой части, то для того чтобы излучение не выходило за пределы наконечника в месте изгиба, должно выполняться условие полного внутреннего отражения на границах раздела материалов: сердцевины, оболочки волокна, наконечника и окружающей среды. Условие полного внутреннего отражения определяется отношением показателей преломления соприкасающихся сред, но в силу того, что показатели преломления указанных материалов не могут сильно различаться, конструкция инструмента имеет существенные ограничения, касающиеся угла наклона загнутой части, расходимости введенного в волокно излучения, а также материалов инструмента.
Например, при использовании типичного кварцевого оптического волокна с числовой апертурой 0,22 и наконечника, изготовленного из кварца с типичным показателем преломления 1,45, условия доставки излучения к излучающему торцу без потерь (при работе наконечника в водной среде) будут выполняться при угле наклона загнутой части, не превышающем 20 градусов. При использовании оптического волокна с большей числовой апертурой, например 0,33, максимальный угол наклона загнутой части не превышает 15 градусов.
Волокна с числовой апертурой 0,22 и 0,33 предпочтительны в использовании, так как широко распространены и сравнительно недороги. Кроме того, в оптическое волокно с большей числовой апертурой легче ввести излучение большей мощности.
Указанные особенности конструкции ограничивают использование распространенных оптических волокон, налагают ограничения на угол наклона излучающего торца или требуют специального подбора материалов с большим соотношением показателей преломления.
Еще одним недостатком прототипа является то, что расходимость излучения на выходе инструмента задается кривизной поверхности излучающего торца оптического волокна. В одной из реализации прототипа излучающий торец оптоволокна, имеющий заданную кривизну поверхности, является одновременно и излучающей поверхностью. Такая конфигурация не дает возможности наилучшим образом использовать фокусирующие свойства преломляющей поверхности, т.к. известно, что наряду с заданием кривизны поверхности в оптических системах для оптимальной фокусировки задают расстояние от преломляющей поверхности до излучающего объекта.
В другой реализации прототипа введены дополнительные преломляющие поверхности, расположенные на расстоянии от излучающего торца. Эти поверхности позволяют повысить степень фокусировки излучения, но вносят нежелательные потери.
Раскрытие изобретения
Целью изобретения является уменьшение потерь при передаче излучения в зону воздействия, увеличение угла отклонения пучка излучения на выходе наконечника с одновременным увеличением доставляемой в зону обработки доли мощности излучения, а также формирование в области воздействия требуемых пространственно-энергетических параметров лазерного излучения. Дополнительной целью является упрощение конструкции наконечника и обеспечение возможности использования оптических волокон с большей числовой апертурой.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения дистальный участок оптического волокна расположен внутри изогнутого наконечника с зазором по всей длине наконечника, включая область изгиба, торец дистального участка оптического волокна приварен к внутренней поверхности заваренного участка наконечника, образуя с внешней оптически преломляющей поверхностью наконечника оптический элемент, а со стороны открытой части наконечник герметично закреплен на защитной оболочке оптического волокна.
Описание чертежей
На фиг.1 изображено поперечное сечение инструмента.
На фиг.2 изображены основные размеры конструкции.
На фиг.3 изображен вариант конструкции, в котором оптическое волокно расположено со смещением относительно оси наконечника. Показан увеличенный вид изогнутой части инструмента.
Осуществление изобретения
Волоконно-оптический инструмент (1) содержит (фиг.1): оптическое волокно (2), оголенный от защитной оболочки дистальный участок оптического волокна (3), наконечник (4), зазор (5) между поверхностью дистального участка и внутренней поверхностью наконечника, изогнутый участок наконечника (6), заваренный участок наконечника (7), клеевой шов (8), торец дистального участка оптического волокна (9), оптически преломляющую поверхность заваренного участка наконечника (10).
Устройство работает следующим образом.
В оптическое волокно 2, входной торец которого подсоединен к лазеру или магистральному оптическому кабелю (не показаны на фигурах), вводится излучение. Излучение распространяется по волокну по направлению к наконечнику 4.
Внутри наконечника 4 излучение, вышедшее из волокна 2, продолжает распространяться в оголенном от защитной оболочки дистальном участке 3. При этом дистальный участок расположен с зазором 5 внутри полости наконечника 4. В зазоре 5 может быть создан вакуум, он может быть заполнен воздухом или другим газом. Величина зазора Н (фиг.2) должна быть больше длины волны излучения.
Дистальный участок 3 может являться продолжением сердцевины и оптической оболочки волокна, а также (в случае кварц-полимерного волокна) продолжением только сердцевины волокна без оптической полимерной оболочки.
Вследствие того, что показатель преломления материала дистального участка 3 существенно больше показателя преломления окружающей его среды в зазоре 5, в изогнутом участке наконечника 6 условие полного внутреннего отражения не нарушается и излучение без потерь доставляется к торцу дистального участка оптического волокна 9. Величина угла А наклона изогнутого участка к оси волокна лежит в пределах от 20 до 90 градусов.
После прохождения изогнутого участка 6 излучение из дистального участка 3 попадает в заваренный участок 7.
Торец дистального участка оптического волокна 9 сварен с внутренней поверхностью заваренного участка 7.
Известно, что при сварке образуются остаточные напряжения, обусловленные термическими деформациями свариваемых материалов. Остаточные напряжения могут привести к разрушению сварного шва. Поэтому материалы дистального участка волокна 3 и наконечника 4 имеют близкие значения коэффициентов термического расширения.
Оптически преломляющая поверхность 10 является внешней поверхностью заваренного участка 7. Эта поверхность может иметь выпуклую, вогнутую, плоскую или коническую форму. Торец дистального участка оптического волокна 9, сваренный с внутренней поверхностью заваренного участка 7, и оптически преломляющая поверхность 10 образуют оптический элемент (линзу, призму, мениск), толщина В которого (фиг.2) определяется формулой:
D - диаметр заваренного участка;
d - диаметр дистального участка волокна;
с
n - показатель преломления материала сердцевины волокна;
е
n - показатель преломления материала наконечника;
NA - числовая апертура оптического волокна;
А - угол наклона изогнутого участка к оси волокна.
Задавая толщину В и форму поверхности 10 можно получить требуемое распределение излучения на выходе инструмента.
В некоторых реализациях конструкции торец оптического волокна расположен со смещением S перпендикулярно оси изогнутого участка 6 в направлении противоположном изгибу (фиг.3). Это дает возможность дополнительно увеличить угол отклонения излучения в наконечнике. Угол отклонения К излучения относительно оси загнутого участка определяется соотношением:
f' - расстояние до фокальной плоскости преломляющей поверхности в среде, окружающей наконечник;
S - величина смещения торца оптического волокна перпендикулярно оси изогнутого участка.
Со стороны открытой части наконечник 4 герметично закреплен на защитной оболочке оптического волокна посредством клеевого шва 8.
Во время операций инструмент может быть помещен в инструментальный канал эндоскопа, где с помощью визуального канала можно контролировать область лазерного воздействия.
Вариант осуществления изобретения
1
2
Один из вариантов осуществления изобретения изображен на фиг.2. Используется кварц-полимерное оптическое волокно с числовой апертурой 0,33, в котором сердцевина изготовлена из кварцевого стекла, а оболочка - из полимера. Дистальный участок внутри наконечника является продолжением сердцевины волокна, оголенной от оптической полимерной оболочки и защитных оболочек. Диаметр дистального участка d равен 0,6 мм. Наконечник изготовлен из кварцевого стекла. Наружный диаметр наконечника М равен 2 мм, и диаметр преломляющей поверхности наконечника D равен 2,5 мм. Величина зазора Н между дистальным участком и внутренней поверхностью наконечника равна 0,2 мм. Угол наклона А изогнутого участка равен 30 градусам. Толщина заваренного участка В равна 0,7 мм. Длина прямой части наконечника L равна 13,5 мм, длина изогнутой части L равна 4,5 мм.