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CN111479533A - 多输入耦合的照明式多点激光探针 - Google Patents

多输入耦合的照明式多点激光探针 Download PDF

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CN111479533A
CN111479533A CN201880080457.4A CN201880080457A CN111479533A CN 111479533 A CN111479533 A CN 111479533A CN 201880080457 A CN201880080457 A CN 201880080457A CN 111479533 A CN111479533 A CN 111479533A
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CN
China
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laser
treatment
illumination
doe
pattern
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R·T·史密斯
A·米尔斯帕西
M·H·法利
G·D·巴彻
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Original Assignee
Alcon Inc
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Abstract

披露了用于创建多点激光束、对照明光和多点激光束进行多路复用、通过多芯光纤缆线将多路复用的光递送到外科手持件以及将多路复用的光递送到患者解剖学结构的系统和方法。

Description

多输入耦合的照明式多点激光探针
优先权声明
本申请要求于2018年2月15日提交的、发明人为杰拉尔德·巴彻(GeraldBacher)、阿里雷扎·米尔斯帕西(Alireza Mirsepassi)、马克·哈里森·法利(MarkHarrison Farley)和罗纳德·T.·史密斯(Ronald T.Smith)、标题为“多输入耦合的照明式多点激光探针(MULTIPLE-INPUT-COUPLED ILLUMINATED MULTI-SPOT LASER PROBE)”的美国临时专利申请序列号62/630,865的优先权权益，特此将其全部内容通过引用并入本文，如同在此完全和完整地阐述一样。
背景
技术领域
本披露涉及多输入耦合的照明式多点激光系统，更确切地说，涉及用于创建多点激光束、对照明光和多点激光束进行多路复用、以及通过多芯光纤缆线将多路复用的光递送到外科手持件的系统和方法。
背景技术
在许多眼科程序中，要求外科医生在患者的眼睛中使用各种器械。例如，在玻璃体视网膜手术期间，外科医生经常操纵第一手持件以将照明光束引导到视网膜表面上以便查看患者解剖学结构，并且还操纵附加的激光探针手持件以递送激光治疗束来治疗患者解剖学结构。然而，需要一种多输入耦合的照明式多点激光系统。
发明内容
所披露的本技术的实施例涉及多输入耦合的照明式多点激光探针、用于对照明光和多点激光进行多路复用的系统、以及用于对照明光和多点激光进行多路复用并用于将多路复用的光递送到患者解剖学结构上的方法。
所披露技术的一些实施例涉及一种激光系统，所述激光系统具有治疗激光源、瞄准激光源、产生激光束多点图案的衍射光学元件(DOE)、照明系统、以及对所述激光束多点图案与来自照明系统的光进行多路复用的多路复用组件。所披露的技术还涉及一种聚光透镜，用于将多路复用光聚焦到与多芯光纤缆线的界面上、选择在多芯光纤缆线中使用的材料、设计所述聚光透镜以确保照明束和激光瞄准/治疗束沿所述多芯光纤缆线的整个长度传播，并且提供外科探针同时将照明光和激光束多点图案递送到患者解剖学结构的能力。
激光系统可以包括治疗激光源，所述治疗激光源产生波长基本上等于532nm的治疗激光束并将所述治疗激光束引导到DOE。所述激光系统还可以包括瞄准激光源，所述瞄准激光源产生波长基本上等于635nm的激光瞄准束，并将所述激光瞄准束引导到分束器以便将所述激光瞄准束引导到DOE。所述激光系统还可以包括布置在所述治疗激光源与所述DOE之间的遮板，所述遮板交替地阻挡和透射所述治疗激光束到达所述DOE。当所述遮板透射所述治疗激光束时，所述DOE由所述瞄准激光束和所述治疗激光束创建多点激光图案。
所述激光系统还可以包括发射基本白色光的照明系统和将从所述照明系统接收的所述基本白色光准直成照明束的准直透镜。所述激光系统还可以包括多路复用分束器，所述多路复用分束器被布置用于从所述DOE接收所述照明束和所述多点激光图案，将所述多点激光图案朝向聚光透镜反射，并且将所述照明束从所述准直透镜朝向所述聚光透镜透射，从而对所述多点激光图案和所述照明束进行多路复用。所述聚光透镜将所述照明束和所述多点图案的多路复用束聚焦到与端口的界面上。
在一些情况下，所述激光系统包括布置在所述治疗激光源与所述DOE之间的束压缩器，所述束压缩器将所述治疗束准直成基于所述DOE的属性和期望的多点图案而选择的直径。另外，所述激光系统可以包括光学元件，所述光学元件被配置用于将来自所述治疗激光源的水平偏振治疗束转换为竖直偏振治疗束。所述光学元件可以是半波板、石英晶体偏振旋转器或超材料偏振旋转器。
所述激光系统还可以包括具有多芯光纤缆线的激光探针组件，所述多芯光纤缆线具有包含在外芯内的多个内芯。所述包含在外芯内的多个内芯可以匹配由所述DOE创建的多点图案。
在一些情况下，所述多芯光纤缆线具有近端，当与所述端口联接时，所述近端基本上抵接所述端口中的界面，使得聚焦的、多路复用的多点图案和照明束聚焦在所述多芯光纤缆线的近端上。可以选择所述聚光透镜和用于所述多芯光纤缆线的材料，以确保所述照明束和所述激光瞄准/治疗束沿所述多芯光纤缆线的整个长度传播。一些情况涉及被外芯包层包围的外芯和包含在所述外芯内的多个内芯，所述多个内芯中的每个内芯被内芯包层包围。在这些情况下，所述外芯的折射率大于所述外芯包层的折射率，所述多个内芯中的每个内芯的折射率大于内芯包层的折射率，并且所述多个内芯中的每个内芯或这些内芯的折射率大于所述外芯包层的折射率。
所述激光探针组件还可以在所述多芯光纤缆线的远端处包括外科手持件。所述外科手持件可以具有带有透镜的探针尖端，所述透镜将所述多路复用的多点激光图案和照明束的几何形状从所述多芯光纤缆线的远端平移到目标表面上。
本技术的一些实施例涉及对激光束多点图案与照明光束进行多路复用的方法。所述方法可以包括将激光束引导到用于准直所述激光束的光学元件，以及将经准直的激光束引导到衍射光学元件(DOE)以创建激光束的多点激光图案。同样地，所述方法可以包括将激光束多点图案和照明光束引导到分束器。接下来，方法可以包括：所述分束器将激光束多点图案朝向聚光透镜反射，以及将照明光束透射到所述聚光透镜，从而对激光束多点图案和透射的照明束进行多路复用。所述方法还可以包括：所述聚光透镜将多路复用的激光束多点图案和透射的照明束聚焦到与多芯光纤缆线的界面上。另外，所述方法可以包括引导多路复用的激光束多点图案和透射的照明束穿过所述多芯光纤缆线并到达探针尖端中的透镜上。所述方法还可以包括：所述透镜将多路复用的激光束多点激光图案和照明束的几何形状从所述多芯光纤缆线的所述远端平移到目标表面上。
所披露的技术还可以包括对患者解剖学结构创建激光束多点图案和照明光的多路复用束的图像，这是通过选择用于多芯光纤缆线的材料以确保当束沿光纤缆线的长度传播时将束限制在各个芯区域内。所述方法可以包括确定来自激光源的激光束的数值孔径和来自照明光源的照明光束的数值孔径，以及选择聚光透镜以便将多路复用的激光束多点图案和照明束聚焦到所述多芯光纤缆线的界面平面上，以确保当束在沿所述光纤缆线的长度传播时将束限制在各个芯区域内。
所披露的技术还可以包括双端口双端口激光系统，所述激光系统具有用于提供激光治疗束并将激光束瞄准到激光探针的第一端口，并且具有用于将照明光和激光束多点图案的多路复用束提供到与照明式多点激光探针联接的多芯光纤缆线的附加端口。所述双端口激光系统可以包括端口选择器，用于将所述治疗激光束选择性地引导到第一分束器和附加的分束器。所述双端口激光系统还可以包括一个或多个瞄准激光源，用于将瞄准激光束引导到所述第一分束器和/或第二分束器。在一些情况下，所述第一分束器将所述治疗激光束和所述瞄准激光束引导到所述第一端口，并且所述附加的分束器将所述治疗激光束和所述瞄准激光束的一部分引导到衍射光学元件(DOE)。所述DOE可以由所述治疗激光束和所述瞄准激光束创建多点激光图案。
在一些情况下，所述双端口激光系统还包括多路复用分束器，所述多路复用分束器被布置用于接收来自照明源的照明光束和来自所述DOE的多点激光图案。所述多路复用分束器可以将所述多点激光图案朝向聚光透镜反射，并且将来自准直透镜的照明束朝向所述聚光透镜透射，从而对所述多点激光图案和所述照明束进行多路复用。另外，所述聚光透镜可以将所述照明束和所述多点图案的多路复用束聚焦到附加端口中的界面上。
所述双端口激光系统可以包括一个或多个束检测器、功率监测器、束收集器等。而且，所述双端口激光系统可以包括用于将来自所述治疗激光源的水平偏振治疗束转换为竖直偏振治疗束的光学元件。所述光学元件可以是半波板、石英晶体偏振旋转器或超材料偏振旋转器。所述双端口激光系统还可以包括遮板，所述遮板选择性地阻挡和透射所述治疗激光束到达所述端口选择器。
附图说明
为了更加彻底地理解本技术、其特征及其优点，参考结合附图进行的以下说明，在附图中：
图1A示出了根据本披露的特定实施例的双端口激光系统；
图1B示出了根据本披露的特定实施例的用于提供照明光以及激光瞄准束和治疗束的多点图案的多路复用束的外科激光系统；
图2示出了根据本披露的特定实施例的用于对激光束多点图案和照明光进行多路复用的方法；
图3A示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的近端的顶视图；
图3B示出了根据本披露的特定实施例的多个光锥到多芯光纤缆线的终端上的界面的侧视图；
图3C示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的剖视图；
图3D示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的近侧界面端，其中红色激光瞄准束点和绿色激光治疗束点与内芯对齐并且照明光束点与外芯对齐；
图3E示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的远端，其中所有三个束散开以便在空间上完全充满其各自的芯；
图3F示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的近侧界面端，其中红色激光瞄准束点和绿色激光治疗束点与内芯对齐；
图3G示出了根据本披露的特定实施例的来自沿多芯光纤缆线的长度传播的激光的多点图案的两个光锥；
图3H示出了根据本披露的特定实施例的、散开而在空间上完全充满内芯的激光束；
图3I示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的远端，其中激光束散开以便在空间上完全充满内芯；
图3J示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的近侧界面端，其中照明光点与外芯对齐；
图3K示出了根据本披露的特定实施例的照明光的光锥，其中该光锥包括光锥的窄半角部分和宽半角部分；
图3L示出了根据本披露的特定实施例的、散开而在空间上完全充满外芯的照明束；
图3M示出了根据本披露的特定实施例的多芯光纤缆线的远端，其中照明束散布在外芯和内芯上；
图3N示出了根据本披露的特定实施例的另一多芯光纤缆线的剖视图；
图4示出了根据本披露的特定实施例的创建激光束多点图案和照明光的多路复用束的图像的方法；
图5A示出了根据本披露的特定实施例的外科手持探针的尖端的开放侧视图；
图5B示出了根据本披露的特定实施例的外科手持探针的另一尖端的开放侧视图；
图6示出了根据本披露的特定实施例的激光多路复用组件，其具有双透镜束压缩器，用于实现用于衍射光学元件的正确准直激光束直径；并且
图7A-7G示出了根据本披露的特定实施例的多路复用组件的光线轨迹模型的示例。
具体实施方式
在各种各样的医疗程序中，使用激光来辅助程序并治疗患者的解剖学结构。例如，玻璃体视网膜手术通常涉及使用激光治疗束对视网膜组织进行光凝。玻璃体视网膜程序通常涉及能够交替发射瞄准激光束以在视网膜组织上选择目标点并发射治疗激光束以便在目标点处执行光凝的激光探针。通常，激光探针将电磁光谱的红色带中的光用于瞄准束并将电磁光谱的绿色带中的光用于治疗束。另外，在全视网膜激光光凝程序期间，外科医生在视网膜组织上选择数千个点来向其施加治疗激光束，这导致程序非常漫长又乏味。因此，期望能够产生激光的多点图案的激光探针。
玻璃体视网膜程序还获益于将照明光引导到眼睛中和视网膜组织上。玻璃体视网膜术外科医生通常使用激光探针手持件来递送激光瞄准束和激光治疗束，并且还使用额外的手持件来将照明光束引导到视网膜表面上，以观察患者的解剖学结构。
玻璃体视网膜手术以及其他医疗激光程序领域将获益于照明光和多点激光的多路复用。因此，本文描述的技术涉及多路输入耦合的照明式多点激光探针、用于对照明光和多点激光进行多路复用的适配器和其他系统、以及用于对照明光和多点激光进行多路复用并将多路复用的光递送到患者解剖学结构上的方法。
图1A示出了根据本披露的特定实施例的双端口激光系统100，其用于通过第一端口105提供激光的瞄准束和治疗束并且通过第二端口110提供照明光以及激光瞄准束和治疗束的多点图案的多路复用束。
双端口外科激光系统100包括治疗激光源115，用于生成在眼科程序期间使用的激光治疗束。例如，治疗激光源115可以生成波长为约532纳米(nm)的外科治疗束。双端口外科激光系统100还包括产生瞄准激光束的两个瞄准激光源120、125。
双端口外科激光系统100还包括选择性地将治疗激光束引导到第一分束器135和第二分束器140的端口选择器130。另外，这两个瞄准激光源120、125分别将瞄准激光束引导到第一分束器135和第二分束器140。
双端口外科激光系统100还包括布置在治疗激光源115与端口选择器130之间的遮板145。遮板145交替地阻挡和透射治疗激光束到达端口选择器130。外科医生或外科工作人员可以控制遮板145(例如，经由脚踏开关、声音命令等)以发射激光瞄准束并发出治疗激光束(即，打开遮板145)来治疗患者解剖学结构，例如光凝。在每种情况下，第一分束器135和第二分束器140分别将激光束引向第一端口105和第二端口110。
当端口选择器130处于第一位置时，第一分束器135反射一部分的治疗激光束，并将一部分的激光瞄准束朝向第一端口105透射。激光瞄准束的反射部分和治疗激光束的透射部分可以被引向束检测器150、束收集器、功率监测器等。而且，可以在第一分束器135与第一端口105之间布置聚焦透镜155。聚焦透镜155从第一分束器135接收治疗激光束和瞄准激光束，并且将治疗激光束和瞄准激光束聚焦到第一端口105中与激光探针组件109的光纤107的界面上。
当端口选择器130处于第二位置时，第二分束器140将来自瞄准激光源125的激光瞄准束的一部分朝向衍射光学元件(DOE)165反射。第二分束器140还将基本上所有的治疗激光束透射到DOE 165。在一些实施例中，当激光瞄准束和治疗激光束入射在DOE 165上时，这些束被准直或基本上被准直。
DOE 165接收激光瞄准束和治疗激光束，并且创建激光束的多点激光图案。可以选择DOE 165，以将入射的激光衍射成与预期目标几何形状对准的多点图案。例如，可以选择DOE 165来创建激光束的2X2阵列图案，该图案与多芯光纤缆线的内芯的2X2阵列基本匹配，该多芯光纤缆线将多路复用的光递送到外科探针，如下文更详细解释的。
在一些情况下，DOE 165是可移动的DOE 165，其具有多个不同的衍射区域，这些区域被选择用于创建和透射激光的各种多点图案。例如，DOE 165可以是可移动的线性载台，其具有三个衍射区域，用于创建一个束、两个束或四个束的多点图案并将这些图案传输到多芯光纤缆线。
在到达第二端口110之前，激光束的多点激光图案从DOE 165朝向多路复用组件160行进。双端口外科激光系统100的多路复用组件160对激光束多点图案与来自照明光源170的照明光进行多路复用。在一些情况下，照明光源170可以包括氙气照明器、RGB发光二极管(LED)照明器、白光LED照明器、激光泵浦磷光体照明器、超连续谱白色激光照明器等中的一个或多个。
多路复用组件160包含用于使来自照明光源170的照明光准直或基本上准直的准直透镜175。另外，多路复用组件160包含分束器180，该分束器反射该光谱的一部分并透射该光谱的其余部分。更确切地说，分束器180可以执行以下两者：a)将来自DOE 165的激光瞄准束和治疗激光束的多点图案朝向第二端口110反射，以及b)将来自照明光源170的照明光(减去与激光瞄准束和治疗激光束对应的光谱窄带)朝向第二端口110透射。分束器180将与激光瞄准束和治疗激光束相对应的光谱窄带从照明光源170朝向束检测器185、束收集器、功率监测器等反射。
如上文所解释的，玻璃体视网膜程序经常将电磁光谱的红色带中的光用于激光瞄准束，并将电磁光谱的绿色带中的光用于激光治疗束。因此，分束器180可以被配置用于高反射红色光谱窄带和绿色光谱窄带中的光，并且被配置用于透射其余的电磁光谱。在一些实施例中，分束器180反射在532纳米(nm)左右的第一窄带和在635nm左右的第二窄带中的光，并且透射其余的光谱。分束器180可以是二向色分束器立方体、分束器板等。
多路复用组件160还包含布置在分束器180与第二端口110之间的聚光透镜190。包括透射穿过分束器180的照明光和被分束器180反射的激光的多点图案的多路复用光在到达第二端口110之前入射在聚光透镜190上。而且，选择聚光透镜190以便将多路复用的光精确地聚焦到与多芯光纤缆线112的近端(如下文所解释的)的界面上，该多芯光纤缆线与照明式多点激光探针114联接。如下所述，选择多芯光纤缆线中使用的材料并使用聚光透镜190仔细聚焦多路复用的光，可以确保照明束和激光瞄准/治疗束沿多芯光纤缆线的整个长度传播，以便提供外科探针同时将照明光和激光束多点图案递送到患者解剖学结构的能力。
双端口外科激光系统100还可以包括光学元件195，用于转换由治疗激光源115发射的激光的偏振。使线性偏振的治疗激光束偏振和线性偏振的瞄准激光束偏振沿竖直方向定向可能是有益的，因为这将确保分束器可以被设计成最有效地反射激光束多点图案，同时将透射的白光的变色最小化并使其通过量最大化。在一些情况下，瞄准激光源120、125源自可以轴向旋转以实现竖直偏振的圆柱形激光二极管。在一些情况下，治疗激光源115可以是二极管泵浦固态(DPSS)激光器。在一些情况下，治疗激光源115可以是在常规安装配置中自然地发射水平偏振光的半导体激光器。因此，为了将水平偏振束转换为竖直偏振束，光学元件195可以使治疗激光束的偏振旋转。例如，光学元件195可以是半波板、石英晶体偏振旋转器或超材料偏振旋转器。
在一些情况下，双端口外科激光系统100还可以包括反射镜197，用于将来自治疗激光源115的一小部分治疗激光束引导到功率监测器199。
图1B示出了根据本披露的特定实施例的用于提供照明光以及激光瞄准束和治疗束的多点图案的多路复用束的另一个外科激光系统100’。外科激光系统100’包括用于生成在眼科程序期间使用的激光治疗束的治疗激光源115’和产生瞄准激光束的瞄准激光源125’。治疗激光源115’和瞄准激光源125’都可以将其发射的束引导到分束器140’，该分束器朝向衍射光学元件(DOE)165’反射激光瞄准束并透射激光治疗束。
DOE 165’接收激光瞄准束和治疗激光束，并且创建激光束的多点激光图案。例如，可以选择DOE 165’来创建激光束的2X2阵列图案，该图案与多芯光纤缆线的内芯的2X2阵列基本匹配，该多芯光纤缆线将多路复用的光递送到外科探针，如下文更详细解释的。在到达端口110’之前，激光束的多点激光图案从DOE 165’朝向多路复用组件160’行进。
外科激光系统100’的多路复用组件160’对激光束多点图案与来自照明光源170’的照明光进行多路复用。多路复用组件160’包含用于使来自照明光源170的照明光准直或基本上准直的准直透镜175’。而且，多路复用组件160’包含分束器180’，该分束器执行以下两者：a)将来自DOE 165’的激光瞄准束和治疗激光束的多点图案朝向端口110’反射，以及b)将来自照明光源170’的照明光(减去与激光瞄准束和治疗激光束相对应的光谱窄带)朝向端口110’透射。分束器180’将与激光瞄准束和治疗激光束相对应的光谱窄带从照明光源170’朝向束检测器185’、束收集器、功率监测器等反射。
多路复用组件160’进一步包含布置在分束器180’与端口110’之间的聚光透镜190’。可以选择聚光透镜190’以便将多路复用的光精确地聚焦到与多芯光纤缆线112’的近端(如下文所解释的)的界面上，该多芯光纤缆线与照明式多点激光探针114’联接。
外科激光系统100’还可以包括以下中的一个或多个：布置在治疗激光源115’与DOE 165’之间的遮板145’、用于转换由治疗激光源115’发射的激光的偏振的光学元件195’、以及用于将来自治疗激光源115’的治疗激光束的一部分引导到功率监测器199’的反射镜197’。
图2示出了根据本披露的特定实施例的用于对激光束多点图案和照明光进行多路复用的方法200。方法200包括在步骤205中通过将准直的激光束引导到衍射光学元件(DOE)上来创建激光束多点图案，以及在步骤210中将激光束多点图案引导到分束器。
方法200还包括在步骤215中使用准直透镜对照明束进行准直，以及在步骤220中将准直的照明束引导到分束器。接下来，方法200包括在步骤225中使用分束器来对激光的多点图案与准直的照明束进行多路复用。更确切地说，在一些情况下，对激光的多点图案与准直的照明束进行多路复用可以包括：分束器将来自外科激光系统的激光瞄准和治疗束朝向聚光透镜反射，并将来自照明光源的照明光朝向聚光透镜透射。
方法200还包括在步骤230中利用聚光镜将激光的多点图案和照明光的多路复用束聚焦到与外科手持件的多芯光纤缆线的界面上，以及随后在步骤235中引导激光束多点图案和照明光的多路复用束穿过外科手持件中的透镜，如下文更详细描述的。
在一些情况下，可以调整白色照明束和激光瞄准束的强度(例如分别在照明光源和外科激光系统处)，以提供与白色相对的适量激光瞄准束对比度，同时提供足够的白色照明以便容易看到视网膜。
如上文提及的，可以选择聚光透镜以便将多路复用的光精确地聚焦到多芯光纤缆线的终端的界面上，使得照明束和激光瞄准/治疗束沿多芯光纤缆线的整个长度传播并进入外科手持探针。更确切地说，可以选择聚光透镜，使得来自照明束和激光瞄准/治疗束的光的所得光锥具有接受角和数值孔径(NA)，以便与多芯光纤缆线中使用的各种光纤芯和包层材料进行接口连接，使得照明束和激光瞄准/治疗束在多芯光纤缆线的整个长度上沿适当的芯光纤传播。
图3A示出了根据本披露的一些实施例的多芯光纤缆线330的近端的顶视图。多芯光纤缆线330可以包括四个内芯光纤305，这四个内芯光纤具有相对较小的直径和相对较小的NA、在具有相对较大直径和相对较大NA的外芯光纤310内部。外芯光纤310可以包含在具有折射率(n包层1)的外芯包层315内，并且内芯光纤305可以包含在具有折射率(n包层2)的内芯包层320内。另外，外芯310具有芯直径(d芯2)，并且内芯305可以具有芯直径(d芯1)。
图3B示出了根据本披露的一些实施例的多个光锥335、340、345到多芯光纤缆线330的终端上的界面的侧视图。图3B中的多芯光纤缆线330示出了外芯光纤310和其中两个内芯光纤305。为了图像清晰起见，在图3B中未描绘外芯包层315和内芯包层320。还表示了照明光锥335的宽角部分、照明光锥340的窄角部分、以及激光锥345。聚光透镜的选择与每个光锥的半角有关。因此，选择聚光透镜可以包括基于光的NA、光锥的接受角以及外芯光纤310、外芯包层315、内芯光纤305和内芯包层320的材料的折射率来选择聚光透镜。
聚光透镜被设计成将激光聚焦到具有期望的束NA的多芯光纤界面上。根据NA计算(如下所示)来选择内芯光纤305和内包层-芯包层320的折射率，使得内芯的NA等于或大于束NA，从而确保当这些束沿内芯光纤305的长度传播时将束限制在内芯区域内。
再次参考图3A，外芯光纤310的折射率(n芯2)大于外芯包层315的折射率(n包层2)。另外，每个内芯光纤305的折射率(n芯1)大于内芯包层320的折射率(n包层1)。此外，每个或内芯光纤305的折射率(n芯1)大于外芯包层315的折射率(n包层1)。
外芯光纤310和外芯包层315的数值孔径(NA2)可以计算为：
Figure BDA0002536670910000131
同样地，内芯光纤305和内芯包层320的数值孔径(NA1)可以计算为：
Figure BDA0002536670910000132
在本技术的一些实施例中，选择用于外芯光纤310、外芯包层315、内芯光纤305和内芯包层320的材料，使得NA2远大于NA1。在特定实施例中，外芯可以是折射率基本上为1.46的未掺杂的熔融二氧化硅。
另外，在一些实施例中，红色瞄准激光束的NA为约0.044，并且绿色治疗激光束的NA为约0.0657。因此，只要内芯光纤305的数值孔径(NA1)大于0.0657，当红色和绿色激光束沿探针传播时，就被限制在内芯305内。因此，用于外芯310的具有的NA为0.22的二氧化硅光纤可以限制激光束。
另外，照明光的NA可以为约0.63，并且芯直径可以被配置成未充满或匹配d芯2。外芯光纤310和外芯包层315的数值孔径(NA2)可以被设计成具有≥0.63的光纤NA，例如硼硅酸盐光纤结构。
当照明束集光率大于外芯310的集光率时，则不管聚光透镜焦距的选择如何，进入外芯310的耦合效率小于百分之一百。然而，如果照明束集光率(其为照明束角宽度和点宽度的乘积)小于外芯310的集光率，则在聚光透镜的焦距设计正确的情况下，可能发生百分之一百的耦合效率(忽略菲涅尔反射损失)。如果聚光透镜的焦距太短，则会聚束的NA可能大于芯310的NA，并且耦合效率可能会降低。如果聚光透镜的焦距太长，则聚焦束直径可能大于310的直径，并且耦合效率可能会降低。然而，如果调整聚光透镜的焦距，使得束NA小于或等于光纤NA，并且束直径小于或等于光纤芯直径，则可以发生百分之一百或接近百分之一百的耦合效率。
因此，照明束可以在空间上和角度上都未充满外芯310，这将允许空间和角度上的不对准而不损失耦合效率。另外，由于照明束NA>>NA1，因此当偏轴光线沿多芯光纤缆线330的长度传播时，这些光线可以频繁地进出内芯305和内芯包层320。
图3C示出了根据本披露的一些实施例的多芯光纤缆线350的剖视图。多芯光纤缆线350包括在非掺杂熔融二氧化硅外芯光纤310内部的四个熔融二氧化硅内芯光纤305，该内芯光纤具有75微米的直径和0.22的数值孔径(NA)，该外芯光纤具有300微米的直径和0.47的NA。外芯光纤310可以包含在具有25微米厚度的低折射率聚合物包层315内，并且内芯光纤305可以包含在具有15微米厚度的掺氟熔融二氧化硅内芯包层320内。多芯光纤缆线350可以进一步包含在乙烯四氟乙烯(ETFE)涂层375中。
这四个熔融二氧化硅内芯光纤305在532纳米处的折射率为1.46。非掺杂熔融二氧化硅外芯光纤310在532纳米处的折射率为1.46。掺氟熔融二氧化硅内芯包层320在532纳米处的折射率可以为1.4433。低折射率聚合物包层315在532纳米处的折射率可以为1.38228。
图3D示出了多芯光纤缆线的近侧界面端，其中红色激光瞄准束点和绿色激光治疗束点与内芯305对齐并且照明光束点与外芯310对齐。图3E示出了多芯光纤缆线的远端，其中所有三个束散开以便在空间上完全充满其各自的芯。图3F至图3L示出了多路复用的光穿过多芯光纤缆线的传播。
图3F示出了多芯光纤缆线的近侧界面端，其中红色激光瞄准束点和绿色激光治疗束点与内芯305对齐。图3G示出了来自沿多芯光纤缆线的长度传播的激光多点图案的两个光锥(其中为了图像清晰起见，发射了多路复用的照明光)。图3H示出了散开而在空间上完全充满内芯305的激光束。类似地，图3I示出了多芯光纤缆线的远端，其中激光束散开以便在空间上完全充满内芯305。
图3J示出了多芯光纤缆线的近侧界面端，其中照明光点与外芯310对齐。图3K示出了照明光的光锥(其中为了图像清晰起见，发射了多路复用的激光束多点图案)，其中该光锥包括光锥的窄半角部分和宽半角部分。光锥的窄半角部分传播外芯310的长度，但不在内芯305中。照明光锥的宽半角部分填充外芯310和内芯305的长度。
图3L示出了散开而在空间上完全充满外芯310的照明束。类似地，图3M示出了多芯光纤缆线的远端，其中照明束散布在外芯310和内芯305上。
图3N示出了根据本披露的一些实施例的另一多芯光纤缆线380的剖视图。多芯光纤缆线380包括在非掺杂熔融二氧化硅外芯光纤390内部的四个掺锗二氧化硅内芯光纤385，该内芯光纤具有75微米的直径和0.22的数值孔径(NA)，该外芯光纤具有300微米的直径和0.47的NA。外芯光纤390可以包含在具有25微米厚度的低折射率聚合物包层395内。多芯光纤缆线380可以进一步包含在乙烯四氟乙烯(ETFE)涂层376中。
这四个掺锗石英内芯光纤385在532纳米处的折射率基本上为1.47648。非掺杂熔融二氧化硅外芯光纤390在532纳米处的折射率为1.46。低折射率聚合物包层395在532纳米处的折射率可以为1.38228。
尽管本文中明确示出了多芯光纤缆线的特定几何形状，但是受益于本披露的本领域普通技术人员将容易理解的是，多芯光纤缆线的各种各样的配置是可能的。在图3A至图3N所示的配置中，在多芯光纤的远端处的白色照明点比2X2激光点阵列大一些。在一些情况下，这种几何形状是期望的，因为既为视网膜治疗目标区以及周围的一些视网膜提供照明，并且照明点足够小而能保持白光相当集中。而且，该几何形状使得能够利用相对较小芯直径的光纤在视网膜处进行足够的白色辐照。此外，如上文所解释的，可以调整白色照明束和激光瞄准束的强度(例如分别在照明光源和外科激光系统处)，以提供与白色相对的适量激光瞄准束对比度，同时提供足够的白色照明以便容易看到视网膜。
图4示出了创建激光束多点图案和照明光的多路复用束的图像的方法400。该方法包括在步骤405中选择用于多芯光纤缆线的材料，以确保当这些束沿光纤缆线的长度传播时，将束限制在各个芯区域内，如上文所解释的。方法400还包括在步骤410中确定来自激光源的激光束的数值孔径和来自照明光源的照明光束的数值孔径，以及在步骤415中选择聚光透镜以便将多路复用的激光束多点图案和照明束聚焦到多芯光纤缆线的界面平面上。
接下来，方法400包括在步骤420中对激光束多点图案与照明光束进行多路复用、在步骤425中将多路复用的激光束多点图案和照明束聚焦到多芯光纤缆线的界面平面上、以及在步骤430中引导激光束多点图案和照明光的多路复用束穿过外科手持件中的透镜。
如上文所解释的，多芯光纤缆线的各种各样的配置是可能的。例如，非相干白光照明光源可以用白色激光系统(例如超连续谱激光系统)代替。在这种情况下，白色激光束的集光率可以足够小以至于小于纳米光纤的集光率，并且可以有效地耦合到纳米光纤中，使得如上所述的多芯光纤缆线可以用于递送多路复用的激光瞄准束和治疗束以及白色激光照明。
在本披露的一些实施例中，多芯光纤缆线的远端终止于插入患者眼睛中的外科手持探针的尖端内。外科手持探针的尖端还可以包括透镜，以便将多路复用束成像到患者解剖学结构(例如视网膜)上。
图5A示出了根据本披露的一些实施例的外科手持探针的尖端505的开放侧视图。探针尖端505可以包括具有插管远端530的插管535(例如，不锈钢插管)，并且探针尖端包含多芯光纤510和透镜515。透镜515可以是渐变折射率(GRIN)透镜，并且空气空隙525可以在GRIN透镜515与多芯光纤510的远端之间保持敞开。空气空隙525的大小可以设定成使得从多芯光纤510发射的光在入射在GRIN透镜515上之前经历一定量的扩散，并且使得GRIN透镜515将光成像到患者解剖学结构上。
在一些情况下，在多芯光纤510的远端与透镜515的近端之间不允许有空气空隙。此处，多芯光纤510和透镜515在正压力下基本上彼此抵接，以避免对空气空隙公差的担忧，从而减少了外围偏轴光线偏离轴线行进的距离足够远以致于被GRIN透镜的圆柱形侧壁反射回来的机会。然而，使用常规透镜代替GRIN透镜涉及多芯光纤510与透镜515之间的空气空隙以便适当地聚焦光。
在一些情况下，透镜515通过光学粘合剂520固定在探针尖端505内。如图5A所示，绿色532nm激光的多点图案被投射到距插管远端530为4毫米的视网膜组织中。
图5B示出了根据本披露的一些实施例的外科手持探针的另一尖端540的开放侧视图。同样，探针尖端540可以包括具有插管远端550的插管545，并且探针尖端包含多芯光纤555和透镜560。图5B所示的透镜560是平凸玻璃透镜。而且，平凸透镜560通过固位特征565被固定在插管545中。同样，空气空隙570的大小可以被设定成使得从多芯光纤555发射的光在入射在平凸透镜560上之前经历一定量的扩散，并且使得平凸透镜560将光成像到患者解剖学结构上。
如上文所解释的，外科激光系统(例如，外科激光系统100、100’)可以可替代地生成波长为约532纳米(nm)(即，绿色)的外科治疗束和波长为约635nm(即，红色)的激光瞄准束。然而，红色和绿色入射激光以不同的衍射角从DOE衍射。当激光束未被准直时，则它们的焦距也受到影响，即红色和绿色将聚焦在不同的轴向位置处。这使得将绿色和红色激光束聚焦到多芯光纤的相同内芯区域中的尝试大大地复杂化，如上文所解释的。另外，DOE对准直的激光束直径可能有固定的要求。因此，所披露技术的一些实施例涉及使多个束以选定的束直径进行准直，以用于DOE。
图6示出了激光多路复用组件600，其具有双透镜束压缩器605，用于实现用于衍射光学元件(DOE)665的正确准直激光束直径。双透镜束压缩器605可以包括两个消色差双合透镜607、609，用于聚焦然后重新准直激光束，并且用于以合适的束直径将准直的束引导到DOE 665。图6包括用于特定实施例的精确尺寸；然而，受益于本披露的本领域普通技术人员将容易理解的是，可以使用其他透镜、尺寸等来实现具有适合于其他DOE的透镜直径的准直激光束。
激光多路复用组件600还包括用于对来自照明光源670的照明光进行准直或基本上准直的准直透镜675、以及分束器680，该分束器执行以下两者：a)反射来自DOE 665的激光瞄准束和治疗激光束的多点图案，以及b)透射来自照明光源670的照明光(减去与激光瞄准束和治疗激光束相对应的光谱窄带)。激光多路复用组件600进一步包含布置在分束器680与端口610之间的聚光透镜690，用于与照明式多点激光探针组件的多芯光纤缆线612耦合。可以选择聚光透镜690以便将多路复用的光精确地聚焦到与多芯光纤缆线612的近端的界面上。
图7A至图7G示出了根据所披露技术的一些实施例的多路复用组件的光线轨迹模型的示例。图7A-&B示出了穿过多路复用组件的白色照明光的光线轨迹的示例。图7C示出了从多路复用组件中的分束器反射的激光治疗束的光线轨迹的示例。图7D示出了多路复用组件中的白色照明光和激光治疗束的光线轨迹的示例。图7E示出了被引导穿过双透镜压缩器、从分束器反射并且被聚光透镜聚焦的激光治疗束的光线轨迹的示例。图7F至图7G示出了穿过多路复用组件的白色照明光的光线轨迹的示例。
以上披露的主题应认为是说明性的而非限制性的，并且所附权利要求旨在覆盖所有此类修改、增强以及落入本披露的真实精神和范围内的其他实施例。因此，在法律允许的最大程度上，本披露的范围将由以下权利要求及其等效物的最广泛的允许的解读来确定并且不应受限于或局限于前述具体实施方式。

Claims (15)

1.一种激光系统，包括：
第一端口，用于与第一激光探针组件耦合；
附加端口，用于与附加的激光探针组件耦合；
端口选择器；
治疗激光源，所述治疗激光源被配置用于将治疗激光束引导到所述端口选择器，所述端口选择器被配置用于将所述治疗激光束选择性地引导到第一分束器和附加分束器；
至少一个瞄准激光源，用于将瞄准激光束引导到所述第一分束器和所述第二分束器；
衍射光学元件DOE，所述衍射光学元件被配置用于接收所述治疗激光束和所述瞄准激光束，并且由所述治疗激光束和所述瞄准激光束创建多点激光图案；
照明系统，所述照明系统发射基本白色光；
准直透镜，所述准直透镜将从所述照明系统接收的所述基本白色光准直成照明束；
聚光透镜；以及
多路复用分束器，所述多路复用分束器被布置用于接收所述照明束和来自所述DOE的所述多点激光图案，所述多路复用分束器被配置用于将所述多点激光图案朝向所述聚光透镜反射，并且将来自所述准直透镜的照明束朝向所述聚光透镜透射，从而对所述多点激光图案和所述照明束进行多路复用，
其中，所述第一分束器将所述治疗激光束和所述瞄准激光束的一部分引导到所述第一端口，
其中，所述附加分束器将所述治疗激光束和所述瞄准激光束的一部分引导到所述DOE，并且
其中，所述聚光透镜将所述照明束和所述多点图案的多路复用束聚焦到所述附加端口中的界面上。
2.如权利要求1所述的激光系统，进一步包括：
聚焦透镜，所述聚焦透镜被布置用于从所述第一分束器接收所述治疗激光束和所述瞄准激光束，并且将所述治疗激光束和所述瞄准激光束聚焦到所述第一端口，并且聚焦到与所述第一激光探针组件的光纤的界面上。
3.如权利要求1所述的激光系统，进一步包括：
第一束检测器，其中，所述第一分束器将所述治疗激光束和所述瞄准激光束的另一部分引导到所述第一束检测器。
4.如权利要求3所述的激光系统，进一步包括：
附加的束检测器，其中，所述多路复用分束器将所述照明束的一部分反射到所述附加的束检测器。
5.如权利要求1所述的激光系统，进一步包括：
功率监测器；以及
分束器，所述分束器被布置用于从所述治疗激光源接收治疗激光并将所述治疗激光的一部分引导到所述功率监测器。
6.如权利要求1所述的激光系统，进一步包括：
光学元件，所述光学元件被配置用于将来自所述治疗激光源的水平偏振治疗束转换为竖直偏振治疗束。
7.如权利要求1所述的激光系统，进一步包括：
遮板，所述遮板布置在所述治疗激光源与所述端口选择器之间，所述遮板被配置用于交替地阻挡和透射所述治疗激光束到达所述端口选择器。
8.如权利要求1所述的激光系统，其中，所述DOE包含多个不同的衍射区域，所述衍射区域被选择用于创建和透射激光的各种多点图案。
9.如权利要求1所述的激光系统，其中，所述DOE包括可移动的线性载台，所述载台具有多个衍射区域，用于创建和透射激光的多点图案。
10.如权利要求1所述的激光系统，其中，所述附加的激光探针组件包括：
具有近端的多芯光纤缆线，当与所述附加端口联接时，所述近端基本上抵接所述附加端口中的所述界面，使得所聚焦的、多路复用的多点图案和所述照明束聚焦在所述多芯光纤缆线的近端上，其中，所述多芯光纤缆线进一步包括由外芯包层包围的第一外芯和包含在所述外芯内的多个内芯，所述多个内芯中的每个内芯被内芯包层包围，其中，所述外芯的折射率大于所述外芯包层的折射率，其中，所述多个内芯中的每个内芯的折射率大于所述内芯包层的折射率，以及
具有探针尖端的手持件，所述探针尖端与所述多芯光纤缆线的远端联接，所述探针尖端具有基本上位于所述探针尖端的远端处的透镜，其中，所述多芯光纤缆线的所述远端终止于与所述透镜的界面中，并且其中，所述透镜将所述多路复用的多点激光图案和照明束的几何形状从所述多芯光纤缆线的所述远端平移到目标表面上。
11.如权利要求1所述的激光探针组件，进一步包括：
束压缩器，所述束压缩器布置在所述治疗激光源与所述DOE之间，所述束压缩器被配置用于将所述治疗束准直成基于所述DOE的属性和期望的多点图案而选择的直径。
12.一种激光系统，包括：
衍射光学元件DOE，所述衍射光学元件被配置用于由一个或多个入射激光束创建多点激光图案；
治疗激光源，所述治疗激光源被配置用于将治疗激光束引导到所述DOE；
第一分束器，所述第一分束器布置在所述治疗激光源与所述DOE之间，其中，所述第一分束器透射所述治疗激光束，从而允许所述治疗激光束入射在所述DOE上；
瞄准激光源，所述瞄准激光源被布置用于将瞄准激光束引导到所述第一分束器，其中所述第一分束器反射所述瞄准激光束以便入射在所述DOE上，其中所述DOE创建所述治疗激光束和所述瞄准激光束的多点图案；
照明系统，所述照明系统发射基本白色光；
准直透镜，所述准直透镜将从所述照明系统接收的所述基本白色光准直成照明束；
聚光透镜；以及
多路复用分束器，所述多路复用分束器被布置用于接收所述照明束和来自所述DOE的所述多点激光图案，所述多路复用分束器被配置用于将所述多点激光图案朝向所述聚光透镜反射，并且将来自所述准直透镜的照明束朝向所述聚光透镜透射，从而对所述多点激光图案和所述照明束进行多路复用，
其中，所述聚光透镜将所述照明束和所述多点图案的多路复用束聚焦到与端口的界面上。
13.如权利要求12所述的激光系统，进一步包括：
光学元件，所述光学元件被配置用于将来自所述治疗激光源的水平偏振治疗束转换为竖直偏振治疗束。
14.如权利要求12所述的激光系统，进一步包括：
遮板，所述遮板布置在所述治疗激光源与所述DOE之间，所述遮板被配置用于交替地阻挡和透射所述治疗激光束到达所述DOE。
15.如权利要求12所述的激光探针组件，进一步包括：
束压缩器，所述束压缩器布置在所述治疗激光源与所述DOE之间，所述束压缩器被配置用于将所述治疗束准直成基于所述DOE的属性和期望的多点图案而选择的直径。
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