醫(yī)用光導纖維技術

關于醫(yī)用光導纖維技術第1頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三引言激光器所發(fā)出的激光是直線傳播的。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，其質量的好壞將直接影響到醫(yī)用激光器的治療效果。第2頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三評價標準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。

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。

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，調試方便和維修保養(yǎng)簡便。

4．傳輸系統(tǒng)是否處于任何位置時，其輸出功率恒定、光斑模式一致。第3頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三傳輸方式導光臂傳輸光導纖維傳輸光學系統(tǒng)傳輸?shù)?頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三導光臂傳輸對于波長為10.6μm的CO2激光，國內外雖已有產(chǎn)品，但其成本高，尚不能普及，所以目前國內外在CO2激光治療機中的導光系統(tǒng)大多采用裝有反射鏡的轉動式導光關節(jié)臂。它是由反射鏡基座、連接管、軸承、反射鏡和激光刀頭等組成。第5頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三導光臂傳輸反射鏡基座由硬質鋁合金材料制成，加工精度要求較高，基座與連接管的二孔軸線要相互垂直，其交點應正好交于反射鏡面中央，與鏡面交角均為45°。對于傳輸功率大于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玻璃作基板。第6頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三臥式CO2激光手術刀及導光關節(jié)臂結構示意圖1激光管固定圈2激光管支架3電源箱4導光關節(jié)支架5關節(jié)臂6刀頭

第7頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三導光關節(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動時光束不發(fā)生偏擺，對軸承的選擇和軸承外圈的加工精度要求很高。導光關節(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動軸，所以對其管徑的內外兩周必須有良好的平行度和同心度。第8頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三關節(jié)臂末端的操作手柄，習慣上被稱為激光刀頭，刀頭內部都裝有聚焦透鏡，在透鏡的焦點處，可對病變組織進行切割，離焦點的距離逐漸增大時，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。當離焦點的距離再增大時，光斑面積更大，以致使功率密度小于組織的損傷閾值，此時對組織無急性損傷，可用其溫熱效應進行激光理療，或把聚焦透鏡換成擴束透鏡進行激光理療。對于不同的治療，激光的刀頭套的長短和形狀也有所不同。第9頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三導光關節(jié)臂與激光器的耦合

常用的方法有直管燒孔法和內調焦平行光管調整法以及肉眼校正法三種方法。一般因直管燒孔法的校準比較簡便，所以應用比較普遍。其標準方法如下：首先取出激光機附件中的調試管(長度一般為500mm左右，內外口徑與導光關節(jié)臂的連接管完全相同的直管)，裝到關節(jié)臂的固定架或座上。然后在調試管的近端和遠端分別貼上微濕的薄紙片，再啟動激光機，讓激光管輸出的激光束在紙片上燒個小孔，反復調節(jié)激光管固定圈上的調節(jié)螺釘，直至調試管近端和遠端的紙片上的燒孔都處于端口的中心為止。再取下調試管，裝上導光關節(jié)臂即可投入正常使用。第10頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三導光光纖傳輸光導纖維是一種能夠對光或圖像進行傳輸?shù)墓鈱W纖維，簡稱光纖。醫(yī)用石英光纖用石英玻璃、有機硅樹脂或硬聚氟物等材料制成。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層。第11頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三階躍光纖

階躍光纖：是一種最常用最簡單的光纖。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。

第12頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三1.結構

階躍光纖是由兩種不同折射率的材料組成的。其中心部分是有均勻折射率n1的石英玻璃纖維，稱為纖芯。纖芯被折射率為n2的包層包裹，包層的材料可以是石英、有機硅樹脂或硬聚氟物，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層。第13頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三

在入射端某一點發(fā)出的不同入射角度的光線,在光纖維內傳播的路程不同，不能在另一端的空間外同時聚焦，所以單根階躍光纖只能用于導光，而不能傳遞圖像。2.階躍光纖中光束的傳播特點第14頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三3.光纖的數(shù)值孔徑(NA)

右圖中，由折射定律：

n0sinθ0=n1sinθ=n1cosФ=n1(1–sin2Ф)1/2

設Фc為全反射臨界角，則sinФc=n2/n1

由以上兩式,可得到入射光線在纖芯中形成全反射時的最大入射角θc應滿足：

n0sinθc=n1(1–sin2Фc)1/2=(n12–n22)1/2

將NA=n0sinθc=(n12–n22)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。第15頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三4.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，會在很寬的光譜范圍內吸收光能。

(2)光纖材料的散射損耗光纖中物質密度的不均勻會引起瑞利散射，此種散射與波長的四次方成反比。

(3)光波導散射損耗纖維粗細不均勻，直徑沿軸線分布有起伏，將會引起光波導散射，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,在光纖端面產(chǎn)生的反射損耗。石英光導纖維在某些波長上存在衰減峰，其傳輸效率與光波長密切相關?？偟内厔菔?，在400~800nm可見光波長范圍內，石英光纖具有低的傳輸損耗,傳輸效率大于99.5%/m；對800~2400nm近中紅外線和315~400nm近紫外線傳輸效率稍低；對遠紅外線和短紫外線的傳輸效率下降明顯。第16頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三5.光纖的彎曲性能

當光纖發(fā)生彎曲時，在光纖的彎曲部位，某些原先發(fā)生全反射的光線會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徑大幾倍到幾十倍，光纖內的光線就絕大部分不會逸出。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。第17頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三6.激光與光導纖維的耦合采用光纖傳導激光，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。聚焦光斑應位于光纖入射端面的中心，光斑直徑應遠小于纖芯的直徑。聚焦光束的最大入射角應小于光纖的接受錐度角，以保證入射光進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準接口SMA905。第18頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三自聚焦光纖

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，在軸線附近的光線由于中心的折射率高，其傳播速度也慢；而遠離軸線的光線雖然光程長，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，由某點入射的光線，經(jīng)過一段路徑之后又聚焦于另一點處。所以梯度光纖又稱為自聚焦光纖。

第19頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三自聚焦光纖自聚焦光纖的特點是光纖內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–Ar2)n0為中心軸上的折射率，A為折射率分布常數(shù)，r為光纖維內某點至軸的距離。由于光纖的連續(xù)折射作用，光線在自聚焦光纖中沿正弦曲線傳播:

從某點入射的光線，經(jīng)過一段路程后，又同時到達另一點產(chǎn)生聚焦。所以單根自聚焦光纖能夠成像。第20頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三除上述二類光纖之外，根據(jù)應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。第21頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三激光與光纖的耦合第22頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三光纖輸入端的功率密度對于一個直徑很小的光線束從θ1角度入射到光纖的端面時，在出射端就成為半錐角θF為的空心圓錐激光通過光纖端面輸出后，以2θF角度散開，因此是一個發(fā)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，超過105W/cm2，小芯徑的石英光纖輸出端會出現(xiàn)熔球甚至光纖端點本身汽化第23頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三醫(yī)用光纖的應用1.在外科手術中的應用：采用(出射端面)裸露光纖或裝有藍寶石刀頭的光纖，進行非接觸式或接觸式激光手術。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入內部組織，實現(xiàn)微創(chuàng)或無創(chuàng)手術。2.激光碎石：用光纖傳輸?shù)拿}沖激光能將結石擊碎成小塊，然后由病人自然排出。已用于膽囊和泌尿系統(tǒng)的碎石。3.組織間激光照射:對大塊的病變組織，用穿刺針將光纖插入組織進行照射。4.流質中的激光手術：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。如激光關節(jié)鏡膝蓋手術。

第24頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三醫(yī)用光纖的應用5.在醫(yī)用內窺鏡中起導光和導像作用。光源發(fā)出的光傳入導光束,在導光束的端部裝有凹透鏡，導光束傳入的光通過凹透鏡,照射于臟器內腔的粘膜面上,反射光經(jīng)過成像物鏡、纖維導像束和目鏡，便能在目鏡上觀察到被檢查臟器內腔的圖像。第25頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三光纖頭的結構

為了適應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)結金屬熱帽或寶石接觸刀頭、金屬帽與藍寶石混和刀頭、陶瓷頭等多種。第26頁，講稿共30頁，2023年5月2日，星期三治療過程中，組織和血液等物質的濺射污染，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。故在光纖輸出端裝上寶石刀頭來傳輸激光束進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。切割刀口鋒利，可作精確切割，與傳統(tǒng)手術刀手感相似；功率密度穩(wěn)定；刀尖發(fā)散角大，使組織損傷的深度淺；熱傳導性低，刀尖熱有效性高，切割時極少有煙霧和出血；再加上它的機械強度高，不易破碎和生理中性等一系列優(yōu)點，已受到外科醫(yī)生的青睞。美國已正式批準這種接觸式激光手術刀與常規(guī)手術刀一樣可以在醫(yī)院使用。第27頁，講稿共30頁，2023年5月