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CN102264434A - 激光诱导蒸汽/等离子体介导的医疗过程及装置 - Google Patents

激光诱导蒸汽/等离子体介导的医疗过程及装置 Download PDF

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CN102264434A CN2009801505782A CN200980150578A CN102264434A CN 102264434 A CN102264434 A CN 102264434A CN 2009801505782 A CN2009801505782 A CN 2009801505782A CN 200980150578 A CN200980150578 A CN 200980150578A CN 102264434 A CN102264434 A CN 102264434A
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Abstract

本发明提供一种改进的用于安全高效医学应用的方法和装置。在优选的实施方案中，基于使用二极管激光器的固有优点(例如，可靠且紧凑的固态装置的高效功率生成)产生用于医学应用的等离子体和高能蒸汽，其具有足以治疗医学适应症并避免造成大面积损伤区的功率级和功率密度。使用具有不同结构的传递装置来实现高功率密度，这能够在末端引发等离子体和高能蒸汽。一旦无火花等离子体和高能蒸汽气泡形成，通常发现除了引发其的波长以外，其也会吸收其它的波长。因而，为了提高疗效，可将由二极管激光器或二极管抽运激光器更高效产生的其它的波长添加到光束中。例如，可使用1470nm的波长来产生无火花等离子体气泡，同时使用980nm的波长以产生组织汽化和良好的止血效果。一旦等离子体和/或高能蒸汽到位，该区域的辐射决定组织效应。在另一个实施方案中，使用高峰值功率脉冲辐射。1470nm、1940nm或1550nm的波长是优选的。另外，其可与在水中具有中等吸收水平的诸如980nm的其它波长联合使用。在另一个实施方案中使用同轴双纤芯光纤，其中点火辐射在靠近单模的内层纤芯中传输，而用于保持和增强脉冲的辐射在周围的第二外层纤芯内传输。

Description

激光诱导蒸汽/等离子体介导的医疗过程及装置
发明背景
根据35 USC 119(e)的本国优先权
本申请要求于2008年12月2日提交的Wolfgang Neuberger和WaltcrCecchetti的名称为″Diode Laser Induced Vapor/Plasma Mediatcd MedicalProcedures and Device″的美国临时专利申请序列号61/119,259，以及2009年12月2日提交的也是Wolfgang Neuberger和Walter Cecchctti的名称为″Diode Laser Induced Vapor/Plasma Mediated Medical Procedures and Device″的美国专利申请序列号12/629,313的优先权，上述专利通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及用于生物组织治疗的微创装置和方法。更具体地讲，本发明涉及由二极管激光诱导蒸汽/等离子体介导的医疗过程以在组织上实现特定效果。
背景技术
自从激光技术被引入医疗过程市场以来，很多的激光装置已经被推荐用于组织移除。利用激光不同的有利特征来使用激光能量。因而，通过利用不同治疗参数(诸如能量、功率、波长等)的激光辐射，组织可被汽化、液化、凝固等。
利用适当的辐射参数和环境特性，激光能量还可导致等离子体形成。等离子体形成是通过光学击穿来实现的，这是当激光辐射在时间和空间上充分地压缩从而导致高功率密度时产生的非线性效应。在电磁能量的光学击穿期间，离子态或等离子体形成。等离子体迅速扩展从而产生冲击波，在冲击波之后可形成空化或气泡。空化消失或气泡破裂进一步促使冲击波产生。因而，通过在诸如气体、液体或固体靶材料上聚焦激光能量，靶材料可由一系列的光学击穿、等离子体形成和冲击波产生而被损坏。等离子体和空化现象均与强光和热消融效应有关。在等离子体气泡内，产生1000度以上的高温。空化效应的出现总是与冲击波产生的典型的噼啪声有关。这点如何实现的一个例子是通过例如在FREDDY装置中提供初始脉冲(在这种情况下，由闪光灯抽运倍频脉冲YAG激光器产生)。由FREDDY激光器产生的等离子体是火花等离子体。
根据前述的作用机制，可以两种不同的方法施加激光能量以通过等离子体形成实现组织移除。间接地，通过将激光能量聚焦在放置于激光束和组织之间的靶上，其反过来由于光学击穿而振动并乳化组织，或者直接将激光能量聚焦在靶组织上以实现组织移除。
在第一种情况下，激光能量通过光纤进行传递从而产生冲击波，冲击波在靶(放置在手持件末端)内产生振动运动，激光能量随后传递到组织以促进乳化作用。
在Beuchat等人的美国专利第5,224,942号中，公开了一种使用激光能量来破坏体组织的方法和装置，该装置包括具有外科手术末端组件的手持件，所述外科手术末端组件利用激光方式来驱动以实现光学击穿、等离子体形成和冲击波产生，以乳化或破坏体组织。随着激光聚焦在因等离子体形成而振动的靶(放置在手持件内)上，适度的能量施加到组织上，该组织仅通过手持件末端的机械振动来进行乳化。因而，由于这种系统旨在治疗软组织所以其通用性受到限制。
在Dodick等人的美国专利第5,324,282号中，教导了一种基于类似原理的系统。释放脉冲激光能量来攻击金属靶，其起到转换器的作用从而将电磁能量转化为引向待治疗组织的冲击波。机械冲击波致使组织破碎。
在Thyzel等人的美国专利第2004/0167504号中，公开了一种用于破碎组织的外科手术针，其包括保持组织的远侧手术端。脉冲激光能量通过光纤施加到靶上，因源于靶光学击穿的等离子体形成从而生成冲击波，该冲击波攻击待破碎的组织。该专利主要致力于破碎组织，因此此处再次证明系统的通用性受到限制。
人们发现上述专利在靶材料上形成等离子体，这将光学击穿转化为机械振动。因而，在转换过程中发生能量损耗从而降低了疗效。此外，机械振动对于待治疗的组织是非选择性的，因此可能出现对其它组织而不是待治疗组织有疗效的情形。换句话说，并不仅仅是期望的组织可受到振动的影响。
当为了实现组织移除而将激光辐射直接聚焦在组织上时，这时辐射靶就是组织本身。通常，待移除的组织由液体包围并用超过阈值强度水平的激光辐射来照射，从而产生冲击波。因此，组织被机械能破坏而不是融化。为了破坏体内的石块、结石和钙化组织，这种方法被广泛使用。例如，等离子体已经以离子态氩气的形式用于医学治疗中，用于消融粘膜层。这样结石已经由因气泡破裂而产生的冲击波来破碎，所述冲击波由在光纤传输激光脉冲的末端的等离子体形成而引发，所述光纤传输激光脉冲来自闪光灯抽运倍频YAG激光器(FREDDY)。
在Watson等人的美国专利第5,071,422号中，公开了一种基于脉冲染料激光源来击穿体内材料的方法。光纤插入待治疗区域内，该区域用液体包围并随后用脉冲染料激光能量来辐射以使用冲击波进行破碎。该发明主要公开了石块和结石破碎。但是如果染料激光辐射未被结石吸收，等离子体形成将不会发生并且激光碎石将不会有作用。由染料激光器产生的等离子体是火花等离子体。此外，由于使用脉冲染料激光源，因这种激光源不是固态激光器可能需要日常维护。
Müller等人的美国专利第5,963,575号中，公开了一种用于激光碎石的调Q激光系统(Q-switched laser system)。这种系统具有较长的脉冲持续时间，从而增强了等离子体的形成和由此冲击波的产生。激光源优选离子晶体源的Nd:YAG激光器。结果，其具有低效率、大尺寸并且需要液体冷却。再者，由于激光辐射通过反光镜而不是光纤传递到治疗区，所以需要对准。此外，该技术与其它激光技术相比缺乏精确性。
在Reichel等人的美国专利第4,960,108号中，教导了激光诱导的碎石，其中红外区附近的脉冲激光辐射集中在待破坏的结石处，该结石被含水清洗液包围。结石被清洗液的击穿(等离子体)破坏，从而形成冲击波和空化。清洗液包括降低所述击穿所需能量的金属化合物。
所有先前提到的专利仅公开了通常是体积大、不精确、效率低和/或需要日常维护的激光源的使用。
由于目前等离子体形成技术的缺陷以及缺乏通用性，因此需要一种提供快速且安全的替代方法来克服上述缺陷的装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生用于医学应用的等离子体和蒸汽的装置，其使用具有足以治疗各种医学适应症并避免造成大面积损伤区的功率级和功率密度的二极管激光器。
本发明的又一目的是提供一种利用二极管激光器的有利特征来产生用于医学应用的等离子体和蒸汽从而进行更安全高效治疗的装置。
本发明的另一目的是提供一种使用二极管激光器产生用于医学应用的等离子体和蒸汽从而增强可进行的治疗的通用性的系统。
本发明的另一目的是提供一种产生用于医学应用的无火花等离子体和蒸汽的方法，其使用具有足以治疗医学适应症并避免造成大面积损伤区的功率级和功率密度的二极管激光器。
简单说来，本发明提供一种改进的用于安全高效医学应用的方法和装置。在优选的实施方案中，基于使用二极管激光器的固有优点(例如，可靠且紧凑的固态装置的高效功率生成)产生用于医学应用的等离子体和高能蒸汽，其具有足以治疗医学适应症并避免造成大面积损伤区的功率级和功率密度。使用具有不同结构的传递装置来实现高功率密度，这能够在末端引发等离子体和高能蒸汽。一旦无火花等离子体和高能蒸汽气泡形成，通常发现除了引发其的波长以外，其也会吸收其它的波长。因而，为了提高疗效，可将由二极管激光器或二极管抽运激光器更高效产生的其它的波长添加到光束中。例如可使用1470nm的波长来产生无火花等离子体气泡，同时使用980nm的波长以产生组织汽化和良好的止血效果。一旦等离子体和/或高能蒸汽到位，该区域的辐射决定组织效应。在另一个实施方案中，使用高峰值功率脉冲辐射。1470nm、1940nm或1550nm的波长是优选的。另外，其可与在水中具有中等吸收水平的诸如980nm的其它波长联合使用。在另一个实施方案中使用同轴双纤芯光纤，其中点火辐射在靠近单模的内层纤芯内传输，而用于保持和增强脉冲的辐射在周围的第二外层纤芯内传输。
本发明的上述和其它目的、特征和优点根据下述结合附图的描述将变得显而易见。
附图说明
图1a和1b示出了其中由激光辐射产生的等离子体气泡的本发明的优选的实施方案；
图2示出了表示使用双波长激光辐射在组织上获得的组合效应的图；
图3示出了使用通过锥尖形光纤传输的激光辐射在软组织上形成的沟槽。
具体实施方式
由于提供吸收、凝固和汽化的各个波长的有利的激光组织作用，二极管激光器已在医学上使用。对于相同输出功率，尤其是与非固态激光器或倍频固态激光器相比，二极管激光器更小、更轻、采用空气冷却、具有高可靠性且无需对准和维护。
为了采用具有足以治疗医学适应症并避免造成大面积损伤区的功率级和功率密度，来产生用于医学应用的的无火花等离子体和蒸汽，可通过使用二极管激光器的固有优点(例如，可靠且紧凑的固态装置的高效功率生成)克服一些前述技术的局限和问题。
正如前所述，需要高功率密度来引发靶上的等离子体/蒸汽形成和/或高吸收。然而，使用聚焦的方法来引发等离子体/蒸汽的形成也是可能的，一个例子是使用初始浸入在水性环境中的锥形光纤末端，来自前端的辐射进入水中。
当将高度吸收的连续波辐射施加于含水物质时，水分子被高度且快速地加热。这种即刻且极高的加热导致离子化，离子迅速膨胀，从而产生无火花等离子体气泡，无火花等离子体气泡经过几毫秒后在几毫米处破裂，并产生噼啪声。接着，在几毫秒后，该过程重复并可听到由气泡生长和破裂而产生的噼啪声。这些气泡的内部温度达到一千度以上。因而，它们具有相当大的热消融效应并且将它们的热量释放到周围的水中。因此，在组织治疗中高度吸收的辐射激光的止血效果与激光与组织自身的直接作用无关。相反，它是由于在等离子体气泡的周围产生的蒸汽和热水的热喷效应而发生的，这样向水中释放热能。这是范式转换。
图1a和图1b示出了本发明的优选的实施方案，其中包含纤芯104和包层106的光纤102向液体108放出激光能量来促使等离子体形成。如果适当选择波长和功率来在环境中造成充分的吸收则气泡110会形成。例如，由于1470±60nm的波长在水中被高度吸收，当功率密度足够大时其适用于这种目的。为了获得较大的组织消融，光纤102末端被优选地成形为锥形。所实现的高功率密度能在所述末端引发等离子体和高能蒸汽。通常发现一旦等离子体和高能蒸汽形成，除了引发其的波长以外，其也会吸收其它的波长。因而，为了提高疗效，可将由二极管激光器或二极管抽运激光器更高效产生的其它的波长(例如980±60nm)添加到光束中。一旦等离子体和/或高能蒸汽到位，该区域的辐射决定组织效应。由于介质具有非常高的辐射吸收系数，其可作为辐射和组织相互作用的媒介。通常，由等离子体发射的最大辐射波长往往在可见光范围内，并且由于组织散射，在所述组织内可观察到与传统的红外二极管激光器相比更高的吸收。
此外，凝固通常取决于由“等离子体”气泡产生的热介质喷射的热喷。由于由被传递到组织的等离子体发射的光谱的某些部分和初始激光辐射的某些部分的充分渗透穿透，以及高能蒸汽和组织的相互作用，其同样也可在组织内实现。
根据上述解释，本发明实现了有关通过其装置可进行的各种医疗方法的大体上的通用性。
作为优选的实施方案，本发明在含有足够量的水的组织内或在由盐溶液或其它生物相容性液体提供的水性环境中实施。
通过下述实施例进一步阐述本发明，但不会因此限制本发明。
实施例：
多波长激光组织切除和移除
多二极管激光源能在同一光纤内同时传输一种或多种波长，例如980nm和1470nm一起。1470nm的波长在水中具有高吸收，因此在光纤末端促使高能蒸汽气泡形成(空化效应和/或无火花等离子效应)。这种效应能提供软组织的快速消融。980nm的波长在水中吸收较低，但是在血液中吸收高，因此可实现良好的止血效果。在BPH治疗中使用多二极管激光器，在前列腺组织上可实现具有良好止血效果的快速消融。图2示出了用于组织治疗的这两个波长的组合效应。
在BPH激光治疗期间，侧点火光纤的使用允许同时具有很深止血的前列腺组织消融。在BPH激光治疗期间，通过使用具有锥形末端光纤的多二极管激光器，实现具有良好止血的前列腺组织较大部分的快速消融。接着在体外和临床研究中，我们证实1470nm二极管激光器表现出与所产生效应有关的极佳性能。
由浸入水中并与1470nm二极管激光源连接的光纤产生的效应，被证实具有与用1940nm二极管激光器产生类似效应所需阈值非常接近的等离子体形成阈值。此外，1470nm二极管激光器在水中产生与铥激光器类似的效应，并因此在生物体内也是如此。然而，当与诸如铥激光器的离子晶体激光器相比时，二极管激光器具有许多优势。例如，1470nm二极管激光器具有23％的效率而铥激光器的效率为6％。另外，对于相同的输出功率，二极管激光器更小、更轻、采用空气冷却、更可靠并且需要较少的对准和维护。
当在连续模式下使用在1470nm放射的二极管激光器时，浸在水中的光纤末端产生可观察到的高能蒸汽气泡，经过研究后其为无火花等离子体气泡。这些等离子体气泡偶尔出现火花(当使用脉冲持续时间小于300μscc的Ho:YAG激光器时总是出现)，因此我们称其为“无火花”等离子体气泡。1470nm辐射攻击与光纤末端接触的水分子，使得其被快速加热、从而使得空化气泡形成以及沸腾热水的热喷。由于高吸收所有电磁能转化为热能。因此，1mm光程的水吸收几乎100％的辐射。
这种快速加热使沸腾热水的量迅速增加并产生无火花等离子体气泡，且因此产生冲击波。在几毫秒之后，该过程重复发生并伴有噼啪声。无火花等离子体气泡产生与具有冲击波声但能量较低的火花等离子体气泡类似的效应。由于热消融效应，这些气泡具有很强高的破坏性，并且与其有关的热能影响周围几毫米半径范围内的水。因此，1470nm二极管激光器同样会改善止血效果，其不是由辐射与生物组织的直接作用产生，而是通过水的介导产生。止血效果由因空化气泡产生于光纤末端的沸腾热水的热喷所产生，当空化气泡释放时向周围的水传递热能。
鉴于前述段落，使用连续波源产生等离子体气泡，实现了具有高能的热消融效应。与通常仅公开脉冲激光源的现有技术相比，这是特别新的概念。
由于1470nm二极管激光器的高效率，设想并研发了具有发射双波段的新高功率二极管激光器(COMBO激光器)，其结合了1470nm辐射的热消融特性和980nm辐射的止血特性。
因此，使用用于组织的快速消融的1470nm辐射，和为在组织上具有良好的穿透并获得可控且高效的止血效果而无需特别注意光纤的移动速度的980nm辐射，研发了用于BPH治疗的高功率二极管激光器。这种装置还被设计为具有选择单波长以进行特定的外科手术应用的可能性。
为了获得具有良好止血效果的快速消融，所发射的功率是指分别在980nm的波长和1470nm的波长发射功率的总和。例如，当使用激光器的总功率为100W时，70W来自980nm的光源30W来自1470nm的光源。
使用本发明原型(COMBO激光器)，具有组织学结果的临床试验和体外测试已经证明组合两种波长来实现用于期望的组织效应的有效的无火花等离子体形成的效力，特别是1470+60nm和980+60nm的二极管激光器。另外，被水更高度吸收的1940+60nm二极管激光器可与之前的其它任一波长适当地组合来使用。当1470nm的波长由浸入水中的细光纤传输时，其产生具有和在600um光纤内2w的发射功率一样低的阈值水平的无火花等离子体气泡。由1470nm产生的等离子体能使具有薄凝固的软组织以及破裂的硬组织进行快速消融。980nm的波长在血液中具有极好的吸收而在水中的吸收较差。其可产生与具有清晰白化的止血效果相关的组织汽化。在组织上穿透大约2-3mm。使用COMBO激光器，1470nm的波长在浸入水中的光纤末端产生等离子体气泡。当同一光纤同时发射980nm的波长进入等离子体气泡时，大约70％被吸收并且剩余的30％离开等离子体气泡。因此，70％的980nm能量转化为等离子体，并且70％的这种波长作为由1470nm的波长产生的等离子体气泡的泵。980nm的剩余30％到达组织并可进一步达到动态平衡。这种示例性的例子是当COMBO激光器以100W功率发射时，75W在980nm测得而29W在1470nm测得。当100W在浸入水中的光纤传输时，在光纤末端产生等离子体气泡，并且测量结果为在等离子体气泡中有16W的980nm残留。等离子体气泡的功率提供是70％的980nm等于60w加28W的1470nm。因此，等离子体气泡由两种辐射(980+1470nm)抽运，并且980nm的残留辐射可与等离子体气泡一起作用来提高止血效果。类似的组合(980+1940nm)或(1470+1940nm)也是有效的。
因此，临床和体外测试表明使用低功率的1470nm的波长可产生等离子体气泡，并且使用具有较低成本和较高效率的980nm的波长可实现这种等离子体气泡的扩大和增长。
其它测试已经显示当用使用采用1000um锥形光纤和120W功率的COMBO激光器时，测量结果为在1470nm为35W而在980nm为93W。
在另一个优选的实施方案中，激光源的其它组合可被使用以获得利用等离子体点火装置和脉冲励磁装置以产生等离子体的二极管抽运激光装置。例如，双纤芯光纤，其中点火辐射在单模的纤芯内传输，而用于保持和加强脉冲的辐射在周围的第二纤芯内传输。单模或靠近单模的辐射来自二极管抽运或调Q的1550+60nm的光纤激光器和光纤细长脉冲的二极管抽运绿光激光器，而能量的主要部分用于脉冲保持和增强的辐射来自二极管激光器。1550nm脉冲可从915-980或1480二极管抽运激光器产生。
在体外测试后，证实了双频带二极管激光器的极好的效力，并且在BPH过程中带来更快速的治疗。为了在每次扫描中获得更多的组织消融，设想了使用能在较大的组织表面发出辐射的光纤的可能性。因此，为了照射前列腺组织上较大的表面积，建议使用具有1000μm纤芯直径的锥形光纤。因此，通过使用锥形光纤替代侧面点火光纤，允许使用1470nm辐射的快速热消融效应。在每次扫描后可获得较大的清洁没流血的沟槽。所获得的沟槽比由产生较强的凝固效果的侧点火光纤所产生的沟槽要大。使用锥形光纤，消融效力可具有良好的止血效果，从而允许整个BPH治疗快于其它类似的激光过程，并且甚至快于传统的TURP治疗。在图3中，可观察到锥形光纤诱导的沟槽。
在另一个优选的实施方案中，可使用非对称的偏轴发射光纤，例如Neuberger的美国专利申请第61/245,484号所公开的扭绞光纤。这些光纤允许获得更好的扭绞性和机动可能性。
对于具有50gr尺寸的前列腺的BPH治疗，当使用功率设置在100W和110W时，用于前列腺腺瘤消融的总治疗时间是18-20分钟。可以理解的是，相同的前列腺尺寸用TURP方法治疗要25-30分钟，比用双频带二极管激光器治疗慢20％。
患者在术后治疗中优选无痛和没有任何其它不便的治疗。没有观察到流血并且尿液管在同一天移除。
已经参照附图描述了本发明的优选的实施方案，可以理解的是，本发明并不受限于上述详细的实施方案，并且在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围和精神的情况下，本领域技术人员可做出各种变更和修改。

Claims (14)

1.一种用于增强医学疗效的医用激光装置，其包括：
至少一种激光源；以及
传递介质，其具有远端和近端，其中所述近端与所述至少一种光源光学接触，并且所述远端靠近治疗部位；
其中所述至少一种二极管激光源发射至少一种在所述治疗部位高度吸收的波长；以及
其中在手术过程中，在紧靠组织治疗部位的所述传递介质的所述远端形成等离子体和/或高能蒸汽气泡区。
2.根据权利要求1所述的医用激光装置，还包括进入患者体内例如通过泌尿道的装置。
3.根据权利要求1所述的医用激光装置，其中所述传递介质为至少一种光纤。
4.根据权利要求1所述的医用激光装置，其中所述激光源以脉冲模式、连续模式或这些的模式的组合工作。
5.根据权利要求1所述的医用激光装置，其中所述激光器是以大约980+60nm、1470+60nm或1940+60nm工作的二极管激光器。
6.根据权利要求3所述的激光系统，其中所述至少一种光纤具有双纤芯结构，其中一种波长激光在内层纤芯传输，而第二种波长激光在外层纤芯传输。
7.根据权利要求5所述的激光系统，其中组合采用优选波长中的至少两种：980nm和1470nm、980nm和1940nm或1470nm和1940nm。
8.根据权利要求3所述的激光系统，其中一种激光器是光纤激光器，而第二激光器是用于所述光纤激光器的抽运激光器，并且两种激光器的光束由至少一种光纤来传输。
9.根据权利要求8所述的激光系统，其中所述至少一种光纤具有同轴纤芯结构，其中所述波长光纤激光在内层纤芯传输，而波长抽运激光在外层纤芯传输。
10.根据权利要求8所述的激光系统，其中所述光纤激光器在大约1550nm发射，而所述抽运激光器在大约915-980nm或大约1480nm发射。
11.根据权利要求1所述的医用激光装置，其中所述激光源是以连续模式或半连续模式工作的铥激光器。
12.根据权利要求3所述的医用激光装置，其中所述至少一种光纤是扭绞光纤。
13.一种利用等离子体和/或高能蒸汽气泡在所述组织内获得期望的诸如凝固、消融、切除或其它疗效的医疗方法，所述等离子体和/或高能蒸汽气泡通过将适用地强大的能源所产生的能量由传递介质传递到其远端而产生，所述远端靠近待治疗的组织。
14.根据权利要求13所述的医疗方法，其中所述能源以脉冲模式、连续模式或这些模式的组合工作。
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