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採用目標光束校準的中空二氧化矽波導醫療應用

上網時間: 2016年01月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:連接器  二氧化矽  紅外線  雷射  目標光束校準 

作者:Teodor Tichindelean,Molex全球產品經理

二氧化碳(CO2)雷射輸出的紅外線(IR)光束波長為10.6微米(um),這項技術最先於1964年由Kumar Patel在貝爾實驗室(Bell Labs)發明後,如今已經成為一種切割工具,廣泛應用於耳鼻喉科、眼科、婦科、皮膚醫學、整形外科和普通外科等眾多醫療領域中。

CO2雷射技術最知名的應用可能就是在美容與皮膚治療領域,因為它所發射的紅外線光束可被患者皮膚或者組織中的水份吸收。在治療過程中,CO2雷射的紅外線光束可以產生一層極窄但足以封住真皮血管的熱壞死組織,該層組織又夠薄,足以減少潛在的疤痕。因此,相較於機械磨損或化學藥劑,在雷射換膚和其他皮膚治療手術中採用雷射療法已久經考驗,且廣泛被認為具有極高的效率。

雷射設備還可用於其他多種臨床狀況。例如,雷射視力矯正手術的流行感、安全性以及有效性持續穩定增加。而在全科醫學領域,外科醫生可以在傳統的開放手術和腹腔鏡手術中使用多種不同波長的雷射和傳輸系統進行切割、汽化以及移除組織,包括切除腫瘤或息肉、腎結石手術或前列腺組織等手術。

利用CO2雷射實施的手術通常稱為‘無血手術’,可讓外科醫生專注於某一個較小的區域,透過減少手術中的出血以及術後的疼痛與不適感,促進外科手術後傷口的癒合,為患者提供較舒適的手術經驗。雷射可以封住淋巴腺和血管,減少手術中出血和術後腫脹的發生。其穿透深度僅為0.03毫米,切割後可以封閉住神經末梢,從而減輕水腫和疼痛,使術後康復過程較舒適,以及降低感染的風險。

由於雷射手術在切割方面比傳統的外科手術方法更加精準,這一技術可以減少手術併發症以及病變細胞或癌細胞的傳播或復發。雷射手術通常需要的時間更少,比傳統手術具有更高的性價比。

為了達到最佳的臨床效果,雷射手術需要由經過專業培訓、技術優秀的醫療專業人員來進行。對於臨床醫師來說,CO2雷射手術的優點在於擴展了手術區域的可視視野、更高的精確度與可控制性,並且縮短了手術時間。雷射光束的直徑與功率可以調節,以便快速地切除數量較多的組織或是僅切除少數幾層組織。雷射光束在切除組織的同時。還能封住毛細血管和小血管。這樣可以大幅地減少手術中出血,並且讓手術部位保持乾燥、潔淨。被雷射切除的組織和周圍完整組織之間的界限十分清楚。


圖1:採用中空二氧化矽波導的CO2雷射

CO2雷射無需外在力量,即可透過四周的組織蒸發焦斑,從而封住血管,使出血降至最低程度。因此,在手術過程中需要無血狀態時,這一特點極其有效。此外,由於組織焦斑發生高溫蒸發,讓傷口能夠在無菌的環境進行處理。

雷射治療技術依據所實施的具體手術而有所不同。從設計與臨床的角度來說,雷射的功率密度直接影響雷射和人體組織之間的相互作用。在一般情況下,外科醫師通常可以輕鬆地控制最高功率密度,使其於治療和外科手術中達到最佳的效果。這樣可以使與雷射光束所產生傳導加熱的接觸減至最短時間,從而降低周圍組織受傷或損傷的可能性。此外,每種雷射波長都具有其獨特性,可對人體組織產生特定的效果。外科醫生不僅需要對所實施的醫療手術具有充份的瞭解,在操作和使用所選雷射技術系統時還必須具有正確的設備、技巧和實踐經驗。

光纖傳輸

全世界各地的手術室中已經廣泛採用多種CO2雷射了。對於臨床醫師和醫療設備的設計人員來說,充份瞭解特定雷射傳輸系統所實現的性能至關重要。機械手臂式的雷射技術已經過時了,目前開始採用最新的光纖技術,取代成本高昂、笨重而又不靈活的機器手臂。直接光纖系統中包含裸光纖、用於CO2雷射的鈥波導和中空波導。

除了取代嵌入反射鏡或透鏡的機械手臂式CO2雷射光束,中空波導還為醫療雷射應用提供彈性的可行選擇(如圖2)。中空波導強度較高、韌性極高,能夠方便地更換切割參數來適應客製化需求。由於基於二氧化矽的典型光纖會大量吸收波長超過 2.1 um的光束,因此需要不同的技術來傳輸CO2雷射光束。對於高功率雷射傳輸應用來說,紅外線傳輸中空二氧化矽波導(HSW)是實心光纖的一種極佳的替代方案。HSW解決方案可提供諸多優勢,包括較高的雷射功率閾值、插入損耗較低、不存在末端反射,而且精準度極高。


圖2:新型中空波導設計

Polymicro Technologies的 MediSpec中空二氧化矽波導中含有熔融二氧化矽毛細管,該毛細管具有內部光學反射銀/碘化銀(Ag/AgI)塗層,可在靈活堅韌的封裝中傳輸CO2雷射功率。為了保護和提高波導的強度與靈活性,毛細管上塗佈外部防護聚合物緩衝層。內部的介電層則經過最佳化,在 10.6u,的雷射波長下運作時具有較低的光學功率損耗(圖3)。


圖3:專為CO2雷射在外科手術應用而設計的中空波導光纖(JTHWCH,藍色)光譜衰減曲線圖。圖中顯示,該中空玻璃光纖在CO2雷射輸出的10.6um波長具有較低的衰減。相形之下,使用Er.YAG雷射的手術用傳輸光纖(JTHWEH,紅色)在2.94um波長處具有較低衰減。

由於採用了中空結構,在端接和操作時必須採取理性措施以避免污染物進入到波導孔中。對於發射的雷射功率來說,污染物可能成為一種散亂點,導致潛在的內部燒灼。此外,在波導孔中運動的顆粒還可能在實體上刮傷毛細管的二氧化矽表面內側,導致波導的易碎性。

如何將功率耦合於中空二氧化矽波導,在極大程度上取決於輸入光束的特性。因此,在將雷射功率耦合於光纖時,必須採取措施以避免觸碰到玻璃部位,目標在於使輸入數值孔徑減至最小,同時保持光斑尺寸小於波導孔徑。一個良好的經驗法則則是將聚焦的光束直徑對準波導的入口處,保持約佔波導孔徑的70%大小。在合理的聚焦校準後,這可避免雷射光束照射到波導前緣,從而產生最佳的傳輸特性。

可見目標光束校準

出色的雷射傳導效果以及精確的可見目標光束校準操作,已經成為手術室用手持探棒和其他雷射治療設備的關鍵性要求。MediSpec中空二氧化矽波導可以簡化患者的治療過程、提高安全性,並且加快治療速度。這種專用的波導專為醫療雷射應用而設計,整合了中紅外雷射功率傳輸以及可見目標光束校準功能。MediSpec中空二氧化矽波導是一種改變遊戲規則的技術,可為外科醫師提供一種羽量級的高精度替代方案,取代笨重龐大的機械手臂和手持探棒(通常使用兩條光纖,一條用於照明,另一條則用於輸送雷射功率)。

該中空二氧化矽波導設計用於包括CO2雷射與鉺雅克(Er.YAG)雷射等中紅外線到遠紅外線範圍內的廣泛應用,提供500、750和1000um內徑,2.9至10.6um的光譜範圍。該光纖的Tefzel護套材料具有生物相容性,可以耐受微創手術中的消毒過程,並根據客戶要求提供各種使用SMA、ST和FC連接器的端接方案。





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