使用衍射光学元件的激光发生器
阅读说明：本技术 使用衍射光学元件的激光发生器 (Laser generator using diffractive optical element ) 是由 K·格拉斯 于 2018-07-13 设计创作，主要内容包括：本公开总体涉及用于激光发生器的设备、方法和系统,并且更具体涉及具有光学组件的激光发生器,其允许光纤导管耦合到激光发生器,同时递送激光射束。(The present disclosure relates generally to apparatus, methods, and systems for a laser generator, and more particularly to a laser generator having an optical assembly that allows a fiber optic conduit to be coupled to the laser generator while delivering a laser beam.)
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月5日提交的题为LASER GENERATOR USING DIFFRACTIVEOPTICAL ELEMENT的美国临时申请No.62/614234以及于2017年7月13日提交的题为METHODSOF PERFORMING TISSUE ABLATION USING DIFFERING WAVELENGTHS的美国临时申请No.62/532286在35 U.S.C.§119和/或35 U.S.C.§120下的权益和优先权，这两者以整体内容通过引用并入本文用于所有目的。
技术领域
本公开总体涉及用于激光发生器的设备、方法和系统，并且更具体涉及具有光学组件的激光发生器，其允许光纤导管耦合到激光发生器，同时递送激光射束。
背景技术
当执行患者的脉管中的激光粥样斑块切除术流程并且利用一次性光纤导管时，导管通常被耦合到激光发生器，诸如由Spectranetics Corporation，Colorado Springs，CO，USA制造的CVX-300TM准分子激光系统。不同的激光发生器通常产生不同的激光射束。CVX-300TM准分子激光系统产生具有近似135纳秒(nsec)的脉冲宽度的308纳米激光射束。其他激光系统可以产生具有不同波长和脉冲宽度的激光射束。例如，在其三次谐波处操作的Nd:YAG激光器产生具有近似8nsec的脉冲宽度的355纳米激光射束。具有近似135nsec的脉冲宽度的308纳米激光射束可能能够产生140毫焦耳(mJ)的最大能量输出，并且具有近似8nsec的脉冲宽度的355纳米激光射束可能能够产生200毫焦耳(mJ)的最大能量输出。但是如果脉冲中的能量超过特定阈值，则被用于递送能量的激光导管中的光纤潜在地经受故障。如果激光射束固有地具有较大的峰值功率，则这样的故障的可能性增大。例如，由于与具有135nsec的脉冲宽度的308纳米激光射束相比较的355纳米激光射束的脉冲宽度的相对短的持续时间(例如，8nsec)，因而355纳米激光射束必须具有针对给定脉冲的基本上较高的峰值功率，因为355纳米射束的脉冲宽度比308纳米射束的脉冲宽度的长度短超过十六倍。因此，需要增大激光射束的脉冲宽度以便减小穿过光纤的能量的峰值功率以便防止功率水平超过光纤递送设备的损伤阈值。此外，不管激光射束的波长如何，可能需要改善离开激光系统和/或一次性光纤导管的激光射束的强度的对称性和均匀性以便进一步减小损伤光纤的可能性。
发明内容
本公开的设备增大激光射束的脉冲宽度并且减小穿过光纤的峰值功率，由此最小化和/或防止功率水平超过光纤递送设备的损伤阈值。此外，本公开的设备改善了离开激光系统和/或一次性光纤导管的激光射束的强度的对称性和均匀性以便进一步减小损伤光纤的可能性。
一种用于执行脉管内消融的设备，其包括激光发生器，所述激光发生器包括产生光射束的激光源以及在所述激光源下游的光学组件，其中，所述光学组件接收所述光射束，其中，所述光学组件包括：波片(waveplate)，其接收所述光射束；薄膜偏振器，其在所述波片下游并且接收所述光射束并且反射所述射束的第一部分并且允许所述射束的第二部分通过所述薄膜偏振器；射束截止器(dump)，其接收所述射束的第一部分；射束扩展器，其在所述波片下游并且接收所述射束的第二部分；漫射器，其在所述射束扩展器下游并且接收所述光射束的第二部分；以及混合光纤，其在所述漫射器下游并且接收所述光射束的第二部分，其中，所述混合光纤发射所述光射束的第二部分。
根据前述段落的激光发生器，其中，所述激光源产生包括大约355纳米的光射束。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述激光源产生在大约10纳米至大约5000纳米之间的光射束。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述漫射器是衍射光学元件。
另一种用于执行脉管内消融的设备，其包括激光发生器，所述激光发生器包括：激光源，其产生具有多个脉冲的光射束，其中，所述脉冲包括脉冲宽度；以及光学组件，其在所述激光源的下游，其中，所述光学组件接收所述光射束，其中，所述光学组件包括：波片，其接收所述光射束；薄膜偏振器，其在所述波片的下游并且接收所述光射束并且反射所述射束的第一部分并且允许所述射束的第二部分通过所述薄膜偏振器，其中，所述射束的第二部分具有所述脉冲宽度；射束截止器，其接收所述射束的第一部分；用于拉伸所述射束的第二部分中的多个脉冲中的至少一个脉冲的脉冲宽度的单元；以及漫射器，其在用于拉伸所述脉冲宽度的所述单元的下游并且接收和发射所述第二射束的另一部分。
根据前述段落的激光发生器，其中，用于拉伸所述多个脉冲中的至少一个脉冲的宽度的单元包括分束器以及创建射束路径的多个反射镜。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述反射镜中的至少一个反射镜能够平移。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，用于拉伸所述多个脉冲中的至少一个脉冲的宽度的单元包括分束器。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述分束器将所述射束的第二部分分成第一射束和第二射束。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述射束在所述第二射束已经通过时间延迟环之后将所述第二射束与所述第一射束组合。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述时间延迟环包括多个反射镜。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述时间延迟环包括混合光纤。
根据前述段落中的任意段落的激光发生器，其中，所述混合光纤是相干性混合光纤。
本公开还包括一种使用根据前述段落中的任意段落的激光发生器的方法，其中，其中，所述方法包括将所述激光发生器耦合到具有多条光纤的导管并且将所述导管***到患者的脉管中并且移除关于所述患者的血管的阻塞的至少部分。
短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”是在操作中连接和分离两者的开放式表达。例如，表达“A、B和C中的至少一个”、“A、B或C中的至少一个”、“A、B和C中的一个或多个”、“A、B或C中的一个或多个”、“A、B和/或C”中的每个意指单独A、单独B、单独C、A和B一起、A和C一起、B和C一起、或A、B和C一起。当以上表达中的A、B和C中的每个指代元素(诸如X、Y和Z)或元素类(诸如X1-Xn、Y1-Ym和Z1-Zo)时，短语旨在指代选自X、Y和Z的单个元素、选自相同类的元素的组合(例如，X1和X2)以及选自两个或两个以上类的元素的组合(例如，Y1和Zo)。
术语“一”或“一个”实体指代一个或多个该实体。如此，术语“一”(或“一个”)、一个或多个以及“至少一个”可以在本文中可交换地使用。还应当注意到，术语“包括”、“包含”和“具有”可以可交换地使用。
如在本文中所使用的术语“单元”应当根据35 U.S.C.Section 112(f)给出其最宽的可能解释。因此，包含术语“单元”的权利要求应当覆盖在本文中所阐述的所有结构、材料或动作以及其所有等同物。此外，所述结构、材料或动作以及其等同物应当包括在发明内容、附图说明、
具体实施方式
、摘要和权利要求自身中所描述的所有结构、材料或动作以及其等同物。
以下文档通过引用并入本文：(1)美国专利No.5315614；(2)美国专利No.7050692；和(3)美国专利No.8059274；(4)展示1的最后一页上列出的参考文件，包括但不限于：(a)Tianheng Wang、Patrick D.Kumavor 和Quing Zhu，Application of laser pulsestretching scheme for efficiently delivering laser energy in photoacousticimaging，Journal of Biomedical Optics 17(6)，061218-1至061218-8(2012年6月)；(b)Rajeev Khare和Paritosh K.Shukla，Ch.10-Temporal Stretching of Laser Pulses，Coherence and Ultrashort Pulse Laser Emission，Coherence and Ultrashort PulseLaser Emission(2010年11月)；以及(c)Amir Herzog、Dror Malka、Zeev Zalevsky和AmielA.Ishaaya，Effect of spatial coherence on damage occurrence in multimodeoptical fibers、第415页、2015年2月1日/第40卷、第3期/OPTICS LETTERS。
应当理解，贯穿本公开给出的每个最大数值限制被认为是包括每一个较低数值限制作为备选方案，好像这样的较低数值限制在本文中被明确写入。贯穿本公开给出的每个最小数值限制被认为包括每一个较高数值限制作为备选方案，好像这样的较高数值限制在本文中被明确写入。贯穿本公开给出的每个数值范围被认为包括落在这样的较宽数值范围内的每一个较窄数值范围，好像这样的较窄数值范围全部在本文中被明确写入。
前述是本公开的简化概述以提供对本公开的一些方面的理解。本发明内容既不是本公开以及其各方面、实施例和配置的广泛概述也不是其详尽概述。本发明内容旨在既不标识本公开的重要或关键元素也不描绘本公开的范围，而是以简化形式呈现本公开的选择的概念作为对下文所呈现的更详细描述的介绍。如将意识到的，本公开的其他方面、实施例和配置单独或组合利用上文阐述或下文详细描述的特征中的一个或多个是可能的。
附图说明
专利或申请文件包含以彩色执行的至少一个附图。具有(一个或多个)彩色附图的本专利或专利申请的副本将在请求并支付必要费用时将由政府机关提供。
附图被并入并且形成说明书的一部分以图示本公开的若干范例。这些附图连同描述一起解释本公开的原理。附图简单地图示了本公开可以如何制造和使用的可能和备选范例并且将不被解释为将本公开仅限于所图示和所描述的范例。另外的特征和优点将根据如由下文引用的附图所图示的本公开的各方面、实施例和配置的以下更详细描述而变得明显。
图1图示了包括本公开的激光发生器和激光导管的示范性消融系统。
图2A是本公开的激光导管或光纤导管的透视图。
图2B是矩形光纤耦合器的光纤的截面视图。
图3是本公开的激光导管或光纤导管的远端部分的透视图。
图4是本公开的激光导管或光纤导管的远端的端视图。
图5是本公开的消融系统的示意图。
图6是本公开的备选消融系统的示意图。
图7A是从图6中所描绘的消融系统发射的能量信号的图示，其中，能量信号是最初进入分束器的能量的大约百分之40。
图7B是从图6中描绘的消融系统发射的能量信号的图示，其中，能量信号是通过将最初进入分束器的能量的大约百分之40和穿过时间延迟环的剩余能量组合和重叠形成的所得信号。
图8A是描绘从使用圆形光学组件的图6中所描绘的消融系统发射的激光射束的能量密度的彩色图示。
图8B是描绘从使用矩形光学组件的图6中所描绘的消融系统发射的激光射束的能量密度的彩色图示。
图9是从包括束拉伸技术的与图6中所图示的激光系统相似或相同的355nm激光系统发射的消融速率相对于没有束拉伸技术的308nm激光系统的比较。
图10A是施加大约5g的向下力并且使用与图6中所图示的激光系统相似或相同的355nm激光系统利用单个600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。
图10B是利用施加大约5g的向下力并且使用308nm激光系统的单个600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。
图11A是利用施加大约5g的向下力并且使用与图6中所图示的激光系统相似或相同的355nm激光系统的单个600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的组织学截面的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。
图11B是利用施加大约5g的向下力并且使用308nm激光系统的单个600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的组织学截面的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。
图12是本公开的另外的备选消融系统的示意图。
应当理解，附图不必是按比例的。在特定实例中，可能已经省略了对于本公开的理解不必要或者提供难以感知的其他细节的细节。当然，应当理解，本公开不必限于在本文中所图示的特定实施例。
具体实施方式
在详细解释本公开的任意实施例之前，应当理解，本公开在其应用中不限于以下描述中所阐述或者在以下附图中所图示的部件的构建和布置的细节。本公开能够具有其他实施例并且能够以各种方式来实践或执行。同样地，应当理解，在本文中所使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应当被认为是限制性的。“包括”、“包含”或“具有”以及其变型的使用旨在涵盖此处列出的项和其等同物以及额外项。
在附图中，相似部件和/或特征可以具有相同附图标记。此外，可以通过跟随由在相似部件中进行区分的字母得到的附图标记区分相同类型的各部件。如果仅第一附图标记被用在说明书中，则描述适用于具有相同的第一附图标记的相似部件中的任一个而不管第二附图标记。
参考图1，描绘了本公开的示范性消融系统100。消融系统100包括被耦合到激光控制器135的激光装置130。控制器135包括被编程为控制激光器130的一个或多个计算设备。控制器135可以在激光装置130(诸如激光发生器)内部或外部。激光装置130可以包括准分子激光器、Nd:YAG激光器或者另一适合的激光器。在一些实施例中，激光器130产生紫外线频率范围内的光。在一个实施例中，激光器130以脉冲产生光学能量。
激光器130经由耦合器140与激光能量递送系统120的近端(说明性地是激光导管150)相连接。激光导管150包括一个或多个透明构件，所述透明构件从激光器130接收激光能量并且将接收到的激光能量从激光能量导管150的第一近端160朝向激光导管150的第二远端170传输。导管150的远端170可以被***到人体110的血管或组织中。在一些实施例中，系统100采用多个光导作为传输构件，诸如光纤，其通过导管150朝向人体110中的靶区域引导来自激光器130的激光。
示范性激光导管设备或组件可以包括激光导管和/或激光护套。激光导管或激光护套的范例由在商标名称位ELCATM和Turbo EliteTM(其中的每个分别被用于冠状动脉介入或周围介入，诸如再通阻塞动脉、改变病变形态和促进安装架放置)和SLSIITM和GlideLightTM(其被用于外科植入导线移除)销售。激光导管的工作(远)端通常具有发射能量并且消融靶组织的多个激光发射器。激光导管的相对(近)端通常具有光纤耦合器140和任选的应变消除构件145。光纤耦合器140连接到激光系统或发生器130。激光系统的一个这样的范例是CVX-300准分子激光系统，其也由Spectranetics公司销售。
图1的激光控制器135包括非瞬态计算机可读介质(例如，存储器)，所述非瞬态计算机可读介质包括指令和/或逻辑，所述指令和/或逻辑在被运行时使得一个或多个处理器控制激光器130和/或消融系统100的其他部件。控制器135包括要从操作者接收输入的一个或多个输入设备。示范性输入设备包括键、按钮、触摸屏、拨号盘、开关、鼠标和轨迹球，其提供对激光器130的用户控制。控制器135还包括向操作者提供反馈或信息的一个或多个输出设备。示范性输出设备包括显示器、灯、音频设备，其提供用户反馈或信息。
激光130的激光源***作性地耦合到激光控制器135。激光源能操作用于生成激光信号或射束并且通过导管150的光纤束向人类提供激光信号。光纤束用作用于将激光信号递送到人体110的靶区域的递送设备。
图1描绘了进入人体的腿(优选通过股动脉)的导管150。如上文所讨论的，可能期望处置要么心脏动脉疾病(CAD)要么周围动脉疾病(PAD)。在进入股动脉之后，如果导管150旨在处置CAD，则导管150将通过患者的脉管系统引导并且到冠状动脉。备选地，如果导管150旨在处置PAD，则导管150将通过患者的脉管系统导管并且到周围动脉，诸如膝盖下面的血管，特别是患者的腿和/或脚中的血管。
图2A描绘了经由适合于耦合到激光发生器130的耦合器140的激光能量递送系统120(例示性地是激光导管150)的非限制性范例。例如，激光导管150包括近端160和远端170。导管耦合器140被设置在导管近端160处。导管耦合器140包括多条光纤205，其可以以光纤205的一个或多个集合来布置，其中，光纤205贯穿激光导管150的长度来设置，包括被安置在耦合器140内并且在远端170的远侧尖端175处暴露。激光导管150还可以包括T或Y连接器180，其中，连接器180具有用于待***在其中的导丝190的入口端185。激光导管150还可以包括从连接器180延伸到远尖端175处的导管150的远端170的管腔，由此允许导丝190通过导管150而被***。
参考图2B，示出了矩形光纤耦合器140(特别是耦合器140的近端)的一束多条光纤205的截面视图。该图中的耦合器140的截面被描绘为是矩形的，其中，矩形形状具有匹配进入耦合器140的不同射束的长宽比的宽(W)和高(H)的矩形形状。宽(W)和高(H)可以与该图中示出的宽和高不同，诸如更小或更大的宽和/或更小或更大的高以匹配进入耦合器140的不同射束的长宽比。尽管光纤束的截面被描绘为矩形的，但是光纤束的截面可以是正方形、三角形、圆形或某种其他形状。
现在参考图3和图4，示出了根据本公开的用于粥样斑块切除术流程的激光导管150的远端。激光导管150可以包括(如在图3和图4中所描绘的)或者可以不包括管腔210。如果在激光导管150中包括管腔210，则临床医师可以通过管腔210在导丝(未示出)上滑动激光导管。然而，对于激光导管具有位于内带220与外护层215之间的分离的导丝管腔可以是优选的。
如所示的，导管150包括外护层215或护套。外护层215包括具有抵抗用户施加力(诸如扭矩、张力和压缩)的能力的柔性组件。激光导管150的近端(未示出)被附接到光纤耦合器(未示出并且上文所讨论的)。激光导管150的远端包括：锥形外带225，其被附接到外护层215的远端；多条光纤205，其充当激光发射器；内带220，其创建向内管腔210提供入口的孔口。由光纤205发射的能量切割、分离和/或消融疤痕组织、斑块积聚、钙沉积以及其他类型的不期望的病变或者基本上类似于激光发射器10的截面配置的图案的图案中的对象的脉管系统内的身体材料。
在该特定范例中，以大体同心配置来提供光纤205。当由光纤205发射的能量接触对象的脉管系统内的不期望的身体材料时，其以大体同心配置分离和切割这样的材料。尽管图3和图4图示了以大体同心配置的光纤205，但是本领域技术人员将意识到，存在布置多个激光发生器的许多其他方式和配置。因此，图3和图4并不旨在表示激光导管150的远端可以配置的仅有方式。
参考图5，示出了包括用于相干性混合的单元(means)的本公开的消融系统400。相干性混合是用于减小用在发射相对短脉冲宽度光(诸如355纳米)的光纤中的空间相干性损伤的方法。产生相对短脉冲宽度光的激光器405的范例包括具有355纳米(nm)的宽度、8纳秒(nsec)的脉冲宽度、1至30赫兹(Hz)的重复率以及140毫焦耳(mJ)的最大能量输出的Quantel DRL激光器(Quantel Inc.Bozeman，MT)。激光器405的备选范例包括具有308纳米(nm)、135纳秒(nsec)的脉冲宽度、1至80赫兹(Hz)的重复率以及大约200毫焦耳(mJ)的最大能量输出的Spectranetics公司的CVX-300准分子激光系统。
如上文所讨论的，如果脉冲中的能量的量超过特定阈值，则被用于递送能量的激光导管150中的光纤205潜在地经受故障。如果激光射束固有地具有较大峰值功率，则这样的故障的可能性增大。例如，由于与具有135nsec的脉冲宽度的308纳米激光射束相比较的355纳米激光射束的脉冲宽度的相对短的持续时间(例如，8nsec)，因而355纳米激光射束必须具有针对给定脉冲的基本上较高峰值功率，因为355纳米射束的脉冲宽度比308纳米射束的脉冲宽度的长度短超过十六倍。因此，需要增大激光射束的脉冲宽度以便减小行进穿过光纤的能量的峰值功率以便防止功率水平超过光纤递送设备的损伤阈值。
继续参考图5，激光能量从激光器405发射并且发射到单条光纤520(或光纤束)中。例如，如上文所讨论的，激光可以包括355nm的波长。在离开激光器405之后，激光可以由反射镜410偏转，所述反射镜将激光引导到能量控制系统415。能量控制系统415控制在激光离开激光器405之后进入消融系统400的能量的量或强度。例如，能量控制系统415可以减小能量的水平。能量控制系统415可以包括波片420和薄膜偏振器425。波片420是改变穿过其的光的偏振状态的光学器件。一种类型的波片是移动线偏振光的偏振方向的半波片。所述半波片可以被安装在手动或机动化旋转安装架中，并且可以相对于激光的行进路径而设置在薄膜偏振器425之前。因此，能量控制系统415，诸如波片420和薄膜偏振器425，降低在部件和光纤输入对准期间的光的(一个或多个)能量水平以及递送光纤和/或导管150的输出。穿过波片420并且随后由薄膜偏振器425反射的光被引导到射束截止器430中，所述射束截止器是用于吸收光射束的光学元件。
如在图5中所示的，薄膜偏振器425将光的一部分反射到射束截止器430并且将光的剩余部分反射到反射镜435。这样，在光穿过能量控制系统415之后，光射束可以由反射镜435偏转并且随后由束扩展器440扩展。束扩展器440可以辅助降低进一步沿着系统的光学路径的下游入射在光学器件上的激光的能量强度。降低激光的能量强度辅助防止光超过光学部件的阈值损伤水平，由此增加光学部件的使用寿命。例如，束扩展器440可以将光射束的大小扩展2.5倍或其他增量，诸如1.5、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5倍等或者其之间的任意子增量。一种类型的射束扩展器440可以包括开普勒望远镜，其包括两个光学透镜445、450。
在离开束扩展器440之后，光射束然后穿过跟随有漫射器透镜组件460的快门455。快门455被用于开关(开启/关闭)进入或不进入下游光学系统中的光。漫射器透镜组件460可以包括工程漫射器465(诸如衍射光学元件(DOE))和在漫射器465的下游的透镜470。工程漫射器465将被优选地设计和/或选择，使得离开工程漫射器465的射束的形状将类似混合光纤475和/或递送光纤510的形状。例如，如果期望离开工程漫射器465的射束的形状是圆形，那么可以期望使用由Holo/Or Ltd.13B Einstein Street，Science Park，Ness Ziona，7403617Israel制造的P.N.:RH-217-U-Y-A，因为该工程漫射器输出圆射束。针对该漫射器的规格如下：
作为备选范例，如果期望离开工程漫射器465的射束的形状是正方形，那么可以期望使用由Holo/Or Ltd.13B Einstein Street，Science Park，Ness Ziona，7403617Israel制造的P.N.：HM-271-U-Y-A，因为该工程漫射器输出正方形射束。该漫射器的规格如下：
如上文所提到的，漫射器透镜组件460可以包括工程漫射器465(诸如衍射光学元件(DOE))以及在漫射器465的下游的透镜470。透镜470可以是产生1.17mm光斑的100mm焦距透镜，其聚焦入射在相干性混合光纤475的输入面上。相干性混合光纤475通常允许进入光纤的相干激光由于混合光纤的相对长的长度和大的直径而变得异相，由此发射相对于其他部分时间延迟的光部分。进入光纤并且沿光纤的中心向下可能的最短路径的光的光子具有比以较陡角进入光纤并且连续地从该光纤的内壁弹回的光子短得多的路径长度。由于进入光纤的光子的不同角以及光纤的长度，因而激光的相干性在输出端处混合和/或加扰，由此产生比进入混合光纤的光射束更小相干的所得光射束。当该较小相干光被发起到较小递送光纤中时，实现相长干涉的光的能力大大降低。相干性混合光纤475可以是1.5mm纤芯直径×1.5米长熔融石英多模光纤。离开混合光纤475的光是使用准直器480来准直的，其可以包括两个焦距透镜485、490。例如，透镜485可以是75mm焦距透镜，并且透镜490可以是25mm焦距透镜。
进入和/或离开漫射器透镜组件460的射束的脉冲宽度是使用脉冲检测器465(诸如Thorlabs DET10A光电二极管(Thorlabs，Newton，NJ.))来测量的。脉冲检测器465还触发用于对组织消融实验期间的脉冲进行计数的示波器。离开漫射器透镜组件460的射束进入递送光纤510，并且由能量检测器495来测量。能量检测器495的范例是Gentec Maestro能量计(Gentec-EO，Lake Oswego，OR.)。递送光纤510的范例包括UV分级熔融石英纤芯和具有聚酰亚胺缓冲涂层的包层，其中，光纤具有1.1至1纤芯包层比和.22数值孔径(PolymicroTechnologies，Phoenix，AZ)。尽管图5中的递送光纤510被描述为单条光纤，但是递送光纤510可以备选地是激光导管150中的一束光纤205，如上文关于图1、2A、2B、3和4所描述的。
相干性混合范例
使用图5中的消融系统400，包括通过将相干性混合光纤475并入到这样的系统中创建的相干性混合方法的使用，对应于20Hz的150mJ/mm2的通量的多达42mJ的能量输出一致地通过600μm纤芯直径光纤实现。从激光器输出到600μm光纤的耦合效率是近似30％。在这些结果中报告的光纤的150mJ/mm2受140mJ激光器输出限制。该传输测试利用每次运行5分钟的持续时间重复5次并且导致0个光纤故障。亦即，光纤未破坏或者由于超过构建光纤所利用的熔融石英材料的损坏阈值的光而变得被损坏。
参考图6，示出了包括用于拉伸射束的脉冲宽度的单元的本公开的消融系统500。通过拉伸原始激光射束的脉冲的宽度并且创建所得激光射束，所得(一个或多个)光脉冲的峰值功率能够相对于原始光脉冲的峰值功率降低，同时维持包含在原始脉冲中的总体能量。同样地，通过降低原始脉冲的峰值功率，较高能量水平能够通过光纤传送。用于拉伸射束的脉冲宽度的单元包括将一个射束分为两个射束、传送分离射束之一通过光学延迟环并且将分离射束重新组合为所得射束。
继续参考图6，消融系统500类似于图5中的消融系统400，因为图6中的波片520上游的光学部件与图5中的漫射器透镜组件460上游的光学部件相同。出于简洁的目的，相对于图5将不再次讨论那些光学部件。图6中的消融系统包括快门455与分束器525之间的波片520。通过旋转该波片455，能够调节离开分束器525的分离射束的透射特性/或反射特性，诸如分离射束的能量强度和分离射束的比，由此允许对图7A和图7B中的脉冲705和710的高度或幅度的修改，使得脉冲的幅度相同或相似。因此，所得脉冲715具有有效宽度，所述有效宽度具有更相对一致和相似的幅度。
用于拉伸射束的脉冲宽度的单元可以包括分束器525以及一系列反射镜530、535、540、545。所述一系列反射镜被设计为创建迫使光学延迟环中的射束行进特定距离以便创建预定时间延迟的光学路径。例如，120英寸光学路径长度可以创建大约10nsec的预定时间延迟。较长光学路径长度将创建较长时间延迟，并且较短光学路径长度将创建较短时间延迟。本公开设想到使用其他光学路径长度以产生除10nsec之外的时间延迟。调节光学路径长度和时间延迟的一种方式包括移动反射镜530、535、540、545中的一个或全部。尽管所有反射镜530、535、540、545可以是固定的或可移动的，但是图6图示了反射镜535的范例，其能够轴向地平移，由此允许对光学延迟路径的长度和脉冲的峰值之间的对应的距离的(一个或多个)调节。
所述光学延迟环以分束器525开始，其将进入分束器525的原始射束分为两个射束：两个射束中的一个射束行进通过光学延迟环；并且两个射束中的另一个射束未进入环并且被引导到反射镜550和准直器480。在行进通过延迟环的射束穿过那里之后，分束器525将穿过延迟环的射束与未进入延迟环的射束再结合，由此创建所得射束。并且当分束器525再结合这两个分离射束时，所得射束将包括与进入分束器525的原始射束相同的能量，但是所得射束的峰值功率将基本上降低(例如，小于原始射束的峰值功率的一半)。与进入分束器525的原始射束相比较，所得射束的峰值功率基本上降低，因为光学延迟环使得穿过延迟环的射束与在预定时间处未进入光学延迟环的射束的部分重叠，使得两个部分的峰值功率水平偏移这样的预定时间，由此创建看起来具有较长脉冲宽度的所得射束，因为两个分离射束的峰值能量水平彼此相邻并且针对较长持续时间段看起来是单个峰。
参考图7A，描绘了从分束器525朝向图6中所描绘的消融系统中的反射镜550发出的能量信号。假定分束器525是40/60分束器，分束器525从波片520接收原始射束并且将原始射束分为两个射束，其中，一个射束具有最初进入分束器525的能量的百分之40，未穿过光学延迟环并且被引导到反射镜550，并且另一分离射束具有最初进入分束器525的能量的大约百分之60并且穿过光学延迟环。图7A中的该能量信号705表示未穿过光学延迟环的分离射束，并且该束具有大约7.5纳秒(nsec)的脉冲宽度。因此，进入分束器525的原始射束将具有大于图7A中示出的峰值功率的大约2.5倍的峰值功率，但是原始能量信号的脉冲宽度将仍然是大约7.5nsec。这样，由图7A中的信号产生的能量是进入分束器525的原始信号的能量的大约百分之40。因此，进入分束器525的能量的百分之60在进入时间延迟环的分离射束中。尽管讨论了40/60分束器，但是本公开的范围包括具有其他比例(诸如5/95、10/90、15/85、20/80、25/75、30/70、36/65、45/55、50/50、55/45、60/40、65/35、70/30、75/25、80/20、85/25、90/10、95/5以及任何(一个或多个)其他比例)的其他分束器。同样地，接收原始射束的分束器能够将原始射束分为两个射束，并且穿过光学延迟环的一个射束能够具有最初进入分束器的能量的任意百分比，并且另一分离射束能够具有能量的剩余百分比并且不穿过光学延迟环。使用分束器的其他比例将调节所得信号的峰值能量。
参考图7B，示出了从图6中所描绘的消融系统发射的所得能量信号，其中，所得能量信号是未进入时间延迟环并且具有最初进入分束器525的能量的大约百分之40的分离射束和进入包含穿过时间延迟环的剩余能量的时间延迟环的分离射束的组合。如在图7B中所示的，第一峰705与未穿过光学延迟环的射束或脉冲相关，并且第二峰710与穿过光学延迟环的射束或脉冲相关。如本领域技术人员能够看到的，两个峰具有基本上相同的高度，其意指每个脉冲具有基本上相同的能量，并且当两个脉冲被组合时，所得信号具有进入分束器525的基本上相同的能量，但是所得信号的峰值能量减小并且遍布在具有与进入分束器的脉冲宽度(7.5ns)的有效两倍的拉伸脉冲宽度(15ns)的较长持续时间715上。尽管该范例图示了将原始脉冲的宽度拉伸到两倍一样长的所得射束中的脉冲宽度，但是本公开涵盖将原始脉冲的宽度拉伸到其他长度，诸如在1与10之间的任意增量。
再次参考图6，除了图5中的相干性混合光纤475利用用于拉伸射束的脉冲宽度的单元替换之外，消融系统500类似于图5中的消融系统400，并且图6中的消融系统500还包括快门455与分束器525之间的波片520。用于拉伸射束的脉冲宽度的单元可以包括分束器525以及一系列反射镜530、535、540、545。所述一系列反射镜被设计为创建大约120英寸光学路径长度上的大约10nsec的预定时间延迟。还可以期望对于反射镜中的一个或多个反射镜(诸如反射镜535)轴向平移，由此允许对光学延迟路径的长度和脉冲的峰值之间的对应距离的(一个或多个)调节。
如上文所讨论的，工程漫射器465辅助将射束聚焦为期望的形状，诸如圆形形状或正方形形状。工程漫射器465还被包含在图6的消融系统500中，使得工程漫射器465位于用于拉伸射束的脉冲宽度的单元的下游。这样的单元和工程漫射器465的组合允许消融系统500输出具有与离开没有工程漫射器的消融系统500的所得射束相比较的增大的对称性和均匀性的所得射束。如在图8A中所描绘的，由输出圆形射束的工程漫射器465产生的射束的能量密度是对称和相对均匀的，并且如在图8B中所描绘的，由输出正方形射束的工程漫射器465产生的射束的能量密度是对称和相对均匀的。尽管图6中的递送光纤510可以是单条光纤，但是递送光纤510可以备选地是激光导管150中的一束光纤205，如上文关于图1、2A、2B、3和4所描述的。
脉冲宽度拉伸范例1
使用具有355nm激光的上文所描述的脉冲拉伸发起方法，在20Hz处的高达56mJ的能量输出是通过单个600μm光纤来实现的。该输出能量对应于200mJ/mm2的通量。从激光器输出到600μm光纤的耦合效率在40％范围内。实现的光纤输出能量受140mJ激光器输出能量限制。该传输测试利用每次运行5分钟的持续时间重复5次并且导致0个光纤故障。
脉冲宽度拉伸范例2
使用具有355nm激光的上文所描述的脉冲拉伸发起方法，2.0mm(97×100μm纤芯直径光纤)多光纤导管以对应于55mJ/mm2的通量的43.5mJ的能量在空气中测试。从激光器输出到多光纤导管的耦合效率是近似31％。所实现的光纤输出能量受使用该发起方法可用的总能量限制。未观察到导管的耦合器、尖端或中轴处的光纤损伤。该传输测试利用每次运行5分钟的持续时间重复5次并且导致0个光纤故障。在章节3.2中观察并且使用该发起方法缺少的光纤损伤的缺少被认为归因于利用光纤耦合透镜之前的DOE的放置实现的均匀化的输入射束轮廓。
组织消融范例
为了执行355nm激光至308nm光的组织消融比较，使用新鲜猪主动脉组织。组织经由隔夜交货休息日递送。其被放置在具有盐水的袋中并且以15℃存储直到使用。所有组织在5个休息日内测试以在测试之前限制组织退化。当呈现比较结果时，样本是从相同组织导出的并且测试是在同一天执行的。
猪主动脉被裁剪为产生在厚度方面一致的平坦组织样本。该样本然后被钉到一块软木板内膜表面上。软木板具有组织跨越的通孔。软木和组织样本然后被放置在培养皿中并且浸没在盐水中。培养皿然后按数字比例放置以设定和监测光纤的向下力。光纤被保持在允许施加的向下力的微调的跷跷板类型平衡。
在光纤耦合之前的激光射束路径中的快门被打开以允许光进入到递送光纤中。组织当光纤穿过其时被监测。当光纤通过组织的背侧离开时，快门被关闭并且用于穿透的脉冲的数量被记录。组织在测试之后被移除并且厚度是使用表盘式厚度计在消融孔的位置中测量的。然后，计算并且比较每脉冲的穿透。
组织测试是使用发射60mJ/mm2的通量和针对355nm和308nm的20Hz的脉冲重复率的600μm单条光纤来执行的。通常，60mJ/mm2通量输出表示由当前使用Spectranetics CVX准分子激光器的内科医师所使用的能量通量设置。20Hz脉冲重复率被选取为落在正在被测试的355nm激光的规格内。测试是利用施加到光纤的4个不同的向下力执行的。然后，以用于355nm和308nm的每个向下力设置收集十个全穿透样本。在测试之后，组织样本以50×放大率照相并且被固定在10％***溶液中。
组织样本被发送到外部实验室并且被处理用于组织病理学。针对每个样本的滑动部分是利用用于光学显微术评价和成像的苏木精和伊红(H&E)来染色的。图9示出了使用组织消融范例中所描述的(一种或多种)方法的不同施加光纤力处的355nm与308nm之间的比较组织穿透率。308nm光的穿透关于向下力的1gr快近似3倍并且关于光纤上的向下力的10gr的穿透快近似8倍。消融孔的外观在力的1gr处是相似的，但是对于利用光纤上的向下力的10gr产生的308nm孔更小。仅针对穿透率分析这些测试结果。
在测试期间，远端光纤故障在355nm样本测试期间从40个样本当中观察4次并且在308nm测试期间从40个样本当中观察0次。据信该光纤损伤是短脉冲宽度355nm激光的较高峰值功率的结果。
图10A是利用施加大约5g的向下力并且使用与图6中所图示的激光系统相似或相同的355nm激光系统的单个600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。图10B是利用施加大约5g的向下力并且使用激光系统308nm激光系统的单个600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。图10A和图10B中的消融孔具有相似外观并且当在50×放大率查看时未示出可见炭化。
图11A是利用施加大约5g的向下力并且使用与图6中所图示的激光系统相似或相同的355nm激光系统的单条600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的组织学截面的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。图11B是利用施加大约5g的向下力并且使用308nm激光系统的单个600微米光纤在猪主动脉中消融的孔的组织学截面的图像，其中，光纤以20Hz输出大约60mJ/mm2。可以使用本公开的许多变型和修改。将能够提供本公开的一些特征而不提供其他特征。图11A和图11B示出了激光产生的孔是通过具有所得局部组织中断的血管壁的全厚度和经过(lining)缺陷的热生成的变性。从主动脉样本的内膜表面发起光纤穿透。
参考图12，示出了本公开的另外的备选消融系统600。除了图12中的用于拉伸射束的脉冲宽度的单元可以包括分束器525和足够长度的光学相干性光纤610以使得分离射束穿过那里并且代替使用如在图6中所示的分束器525和一系列反射镜530、535、540、545创建期望的预定时间延迟之外，消融系统600类似于图6中的消融系统500。继续参考图2，可以期望包括分束器525与光学相干性混合光纤610之间的耦合透镜605，并且可以期望包括准直器615，准直器615包括两个光学透镜620、625以当光重新进入光学路径(包括分束器)时对光进行准直。将光学相干性混合光纤610并入到用于拉伸射束的脉冲宽度的单元给消融系统提供以下优点：通过在较长持续时间期间散布能量减小了原始射束的峰值能量并且创建更均匀化的信号，由此使对(一个或多个)递送光纤510的潜在损伤最小化。
在各方面、实施例和/或配置中，本公开包括基本上如在本文中所描绘和所描述的部件、方法、过程、系统和/或装置，包括各方面、实施例、配置实施例、子组合和/或其子集。本领域技术人员将理解在理解本公开之后如何制造和使用所公开的方面、实施例和/或配置。在各方面、实施例和/或配置中，本公开包括提供在缺少本文中未描绘和/或描述的项的情况下的设备和过程，或者在其各方面、实施例和/或配置中，包括在缺少如已经可以使用在各种设备或过程中的这样的项的情况下，例如，用于改进性能、实现减轻和/或降低实现的成本。
出于图示和描述的目的，已经呈现了前述讨论。前述内容并不旨在将本公开限于在本文中所公开的(一个或多个)形式。在前述概述中，例如，本公开的各种特征出于流线化本公开的目的在一个或多个方面、实施例和/或配置中一起分组。在除了上文所讨论的那些之外的备选方面、实施例和/或配置中，可以组合本公开的方面、实施例和/或配置的特征。本公开的该方法将不被解释为反映权利要求比每个权利要求中明确记载的更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述所公开的方面、实施例和/或配置的所有特征。因此，以下权利要求在此被并入该概述中，并且每个权利要求其自身作为本公开的单独实施例。
此外，尽管描述已经包括一个或多个方面、实施例和/或配置和某些变型和修改的描述，但是其他变型、组合和修改在本公开的范围内，例如，如在理解本公开之后可以在本领域技术人员的技能和知识内。其旨在在允许的程度上包括备选方面、实施例和/或配置的权限，包括与要求保护的那些可交换和/或等效结构、功能、范围或者步骤，无论这样的替换、可交换和/或等效结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，而不旨在公开地专用任何可专利主题。