环形芯与传像束集成的医用光纤及其制备方法
阅读说明：本技术 环形芯与传像束集成的医用光纤及其制备方法 (Medical optical fiber integrating annular core and image transmission bundle and preparation method thereof ) 是由 苑立波 杨世泰 于 2021-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供的是环形芯与传像束集成的医用光纤,其特征是：该医用光纤包含一个环形芯、氟掺杂的环形隔离层、中间密集排布的传像阵列纤芯、石英公共包层以及最外层的硅树脂保护涂覆层。该医疗光纤可介入人体血管内部,其中环形芯能够传输照明光束和手术光束,中间的传像阵列纤芯能够传输血管内的图像。除此之外,本发明还提供了该医用光纤的制备方法。本发明可用于血管内肿瘤或血栓等病变区域的成像及手术,在心血管疾病的治疗领域有广泛应用。(The invention provides a medical optical fiber integrating a ring-shaped core and an image transmission bundle, which is characterized in that: the medical optical fiber comprises an annular core, a fluorine-doped annular isolation layer, image transmission array fiber cores densely arranged in the middle, a quartz common cladding and an outermost silicone resin protective coating layer. The medical optical fiber can be inserted into a blood vessel of a human body, wherein the annular core can transmit illumination light beams and operation light beams, and the fiber core of the image transmission array in the middle can transmit images in the blood vessel. In addition, the invention also provides a preparation method of the medical optical fiber. The invention can be used for imaging and operating pathological change areas such as tumors or thrombi in blood vessels and the like, and has wide application in the treatment field of cardiovascular diseases.)
(一)
技术领域
本发明涉及的是一种环形芯与传像束集成的医用光纤，还涉及到该光纤的制备方法，属于医疗器械技术领域。
(二)
背景技术
目前，动脉插管技术已经非常成熟。该技术在临床影像医学引导下，通过经皮穿刺血管途径或人体原有的孔道，将特制的导管、导丝等细微器械插至病变部位进行诊断性造影和治疗。该技术方法操作简单、损伤小、无需缝合血管，完全替代了以往手术切开暴露血管的方法，成为现代介入治疗的基本操作技术，在肿瘤的供血栓塞与药物灌注、动脉内照射、放射性损伤的预防、化疗等方面取得了良好的效果。但是由于治疗受限于治疗方法的局限性，很少有能将光引入血管内部的手段。因此，对于血管内的介入式治疗，理想的医用器具应包含以下的特点：(1)纤细的直径，方便插入人体的动脉或静脉血管；(2)提供照明光源和治疗激光的传输的通道，为血管内的成像提供照明和治疗；(3)具有血管内图像获取和图像传输的功能。
公开号为201611234625.X的专利提出了一种血管光纤导丝，该光纤导丝可进入人体的动脉血管内，将光引入血管内病变位置进行光动力治疗。但是其结构简单，功能单一，无法对血管内进行成像。中国发明专利CN111552027A公开了一种环绕光波通道的安德森局域光纤，该光纤具有环形的纤芯和中间随机分布的安德森局域纤芯，该光纤的环形芯可以作为照明光束传输通道，中间的安德森局域光波导通道可用于图像传输通道使用。中国发明专利CN111603133A基于该种光纤进一步提出了一种血管内插入式可视化柔光纤手术工具，该医疗器具能够轻易插入血管内部，具有照明光束传输通道和图像传输通道，通过深度学习的解调方法，对血管内进行成像，方便准确寻找并定位病变区域。然后通过激光照射消融，对血管内的血栓、肿瘤等病变区域进行治疗，以满足生物、医疗等领域的诊断和治疗需求。但是该光纤的传像通道为安德森局域波导，此类波导的传像像素点不够，想要得到清晰的图像需要使用复杂的深度学习算法，相对复杂。
(三)
发明内容
本发明的目的在于提供一种环形芯与传像束集成的医用光纤，涉及到该光纤的制备方法及应用系统，可用于血管内肿瘤或血栓等病变区域的成像及手术，在心血管疾病的治疗领域有广泛应用。
本发明的目的是这样实现的：
如图1所示的环形芯与传像束集成的医用光纤1，该医用光纤1包含一个环形芯1-1、氟掺杂的环形隔离层1-2、中间密集排布的传像阵列纤芯1-3、石英公共包层1-4以及最外层的硅树脂保护涂覆层1-5，插图为传像阵列纤芯单元的局部放大图。
所述的医用光纤1的直径为400～500微米，涂覆层1-5直径为500～600微米。
所述中间的密集排布的传像阵列纤芯1-3的总体直径为350～450微米，阵列纤芯的数量为6000～10000。
所述的中间密集排布的传像阵列纤芯1-3为正六边形分布的密布纤芯，每个纤芯的与其相邻的纤芯的直径不同，每个纤芯的外层为掺氟的包层和石英包层。
所述的氟掺杂的环形隔离层1-2在环形芯1-1和中间传像阵列纤芯1-3的中间，并且三者同轴分布。
环形芯与传像束集成的医用光纤的制备方法，具体描述如下：
步骤1：取一根薄壁石英管2-1，管内依次沉积掺锗的环形芯2-2和掺氟的环形隔离层2-3，形成环形预制套管2，如图2所示的横剖面和折射率分布；
步骤2：如图3所示，取至少四根薄壁石英管3-1，内部依次沉积掺氟的包层3-2和掺锗的纤芯层3-3后高温下缩棒，形成至少四根传像纤芯预制棒3，并且每根传像纤芯预制棒的外直径相同，但是掺锗纤芯直径不同；
步骤3：将步骤2中制备的传像纤芯预制棒在高温下拉制成外直径相同、芯径直径不同的传像单元预制件，截断成等长的多段；
步骤4：如图4，取一薄壁石英管4-1，将步骤3中拉制的传像单元预制件(A～D)按照正六边形密堆积排布于管内，每根传像单元预制件与相邻预制构件的纤芯直径不同，并且在正六边形与石英管之间的间隙中插入合适直径的填充石英棒4-2；
步骤5：将步骤4中得到的堆积体高温下抽气缩棒，形成实心预制棒后高温下拉制，形成传像单元阵列预制件4；
步骤6：取一薄壁石英管，将步骤5中的传像单元阵列预制件4密集排布于管内，高温下缩棒，再次拉制成纤芯密度更高的传像单元阵列预制件，重复此步骤，直至得到传像阵列纤芯的数量满足要求且外径等于步骤1中环形预制套管2的内径的阵列纤芯预制棒5；
步骤7：如图5，将步骤6中得到的阵列纤芯预制棒5插入步骤1中制备的环形芯预制套管2内，缩棒融合得到最终预制棒6后，拉纤、涂敷，得到环形芯与光纤传像束集成的医用光纤。
进一步地，如图6，提出一种环形芯与光纤传像束集成的医用光纤的医疗应用系统，包括：环形芯与光纤传像束集成的医用光纤1、照明光源7、手术光源8、光纤波分复用器9、光纤侧抛耦合器10以及相机11，所述系统中：(1)照明光源7和手术光源8的光波14经过光纤波分复用器9和光纤侧抛耦合器10后输入医用光纤的环形芯内传输；(2)环形芯内传输的照明光束提供血管12内照明，中间的传像纤芯阵列将血管内图像16收集并传输至相机11探测，寻找病变区域13；(3)环形芯内传输的手术光束去除血管内病变区域。
可选地，如图7，所述的环形芯与光纤传像束集成的医用光纤的探头端有研磨得到的锥台结构17，能聚焦环形芯内传输的光束14。
如图8，所述的光纤侧抛耦合器10是将单模光纤15和环形芯与光纤传像束集成的医用光纤1分别侧抛后，贴合侧抛面，让单模光纤15和环形芯光路耦合。
可选地，所述的照明光源7是非相干宽带光源，传像纤芯阵列传输血管内组织包含图像信息的散射光。
可选地，所述的照明光源7是病变组织处荧光激发光源，传像纤芯阵列传输荧光图像，相机11前装有激发光滤光片。
优选地，所述的手术光源8是病变组织强吸收波段的脉冲激光光源。
本发明具有以下显著优势：
(1)能够实现血管内的照明和消融手术，做到了将照明、成像、手术的功能全部集中在同一根光纤内的目的，不但能对血管内的病变区域进行成像诊断，还能在激光消融手术的同时实现实时监控，保证手术质量。
(2)由于将诸多的功能集成在一根光纤内，整个光纤的直径纤细，尤其适合纤细的血管内的疾病诊断和治疗。
(3)中间阵列纤芯的数量在6000～10000点，像素点数量多，并且采用不同的纤芯直径，抑制了每个像素通道之间的串扰，成像分辨率高。
(四)
附图说明
图1是环形芯与传像束集成的医用光纤1的端面结构图，放大部分是局部的传像纤芯阵列细节图。
图2是环形预制套管2及其折射率分布图。
图3是传像单元预制件3的端面图及其折射率分布。
图4是由四种不同传像单元预制件按照相邻不同的规格排布传像单元阵列预制件。
图5是环形芯与传像束集成的医用光纤最终的预制棒，该预制棒是由多根传像单元阵列预制件排列到环形预制套管内组合而成。
图6是环形芯与传像束集成的医用光纤的应用系统图。
图7是环形芯与传像束集成的医用光纤纤端经过研磨后的到锥体圆台结构，该结构能使环形芯内的环形光束汇聚于端面前。
图8是单模光纤向环形芯波导内耦合光束的侧抛耦合原理图。
图9是环形芯与传像束集成的医用光纤探头在血管内的工作原理图实施例1中所述的本发明用于血管内血栓消融手术的系统。12表示血管，18-1表示照明区域，18-2表示手术区域，19表示血栓。
(五)
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施例1：光纤的制备。
步骤1：如图2，取一根薄壁石英管2-1，管内依次沉积掺锗的环形芯2-2和掺氟的环形隔离层2-3，形成环形预制套管2，所得套管和其折射率分布如图2所示；
步骤2：取至少四根薄壁石英管3-1，内部依次沉积掺氟的包层3-2和掺锗的纤芯3-3层后缩棒，形成至少四根传像纤芯预制棒3，并且每根传像纤芯预制棒的掺氟的包层厚度相同，掺锗纤芯直径不同，所得传像纤芯预制棒及其折射率分布如图3所示；
步骤3：将步骤2中制备的传像预制棒3高温下拉制成外直径相同、芯径不同的传像单元预制件，截断成等长的多段，在每种纤芯直径的预制棒的端面用不同的颜色标记；
步骤4：取一薄壁石英管，将步骤3中拉制的传像单元预制件按照正六边形的排布结构密堆积排布于管内，每根预制构件与相邻预制构件不同，如图4所示，A～D分别表示纤芯直径不同的传像纤芯预制棒。然后，在正六边形与石英管之间的间隙中插入合适直径的填充石英棒4-2；
步骤5：将步骤4中得到的堆积体高温下抽气缩棒，形成实心预制棒后高温下拉制，形成传像单元阵列预制件4；
步骤6：取一薄壁石英管，将步骤5中的传像单元阵列预制件密集排布于管内，同样地，在正六边形与石英管之间的间隙中插入合适直径的填充石英棒，如图5所示。然后，在高温下缩棒，再次拉制成纤芯密度更高的传像单元阵列预制件，重复此步骤，直至得到传像阵列纤芯的数量满足要求、外径等于步骤1中第一预制套管的内径的阵列纤芯预制棒5；
步骤7：将步骤6中得到的阵列纤芯预制棒插入步骤1中制备的环形芯预制套管2内，缩棒融合后拉纤、涂敷，得到图1所示的环形芯与光纤传像束集成的医用光纤1。
实施例1：光纤的应用案例，血管内血栓消融手术。
本实施例采用如图1所示的环形芯与传像束集成的医用光纤，整个系统如图6所示。系统包含非相干宽带照明光源7、功率可调的手术激光光源8、光纤波分复用器9、光纤侧抛耦合器10、医用光纤1光纤以及相机11。
其中照明光源7采用中心波长为460nm的LED光源；手术激光光源选8用810nm波长的红外半导体激光器，功率0～3W可调；相机11采用CCD探测器，探测器前有红外截止滤光片，以防止手术激光到达探测器，影响成像效果。
首先，将本发明提出的光纤探针通过穿刺针插入动脉血管(如图9)，为了寻找准确的血栓区域，需要获得血管内的图像信息。打开照明光源8，照明光束为血管内部提供照明14，照明区域为18-1。
接着，血管内血栓的散射光被光纤的传像束纤芯阵列收集并传输，该图像信号光通过物镜后，在CCD上获得图像信号光的分布，得到血管内的图像。
最后，调整光纤探针在血管12内的位置，直至图像采集系统采集到血栓19区域的图像后，打开手术光源9，调节功率大小，对血栓19进行消融手术，手术区域为18-2。
通过图像采集系统监控血管内的血栓清除状态，直至血栓完全清除。
实施例3：基于荧光成像的血管内血栓消融手术。
本实施例和实施例1的区别在于：
(1)本实施例需要提前向血管内注射一定量的荧光标记物，待病变的血栓区域特异性吸收荧光标记物后再进行手术。
(2)本实施例采用的照明光源选用荧光标记物的荧光激发波段的激光器。待病变区的细胞吸收荧光标记药物后，打开荧光激发照明光源，血管内只有病变的血栓区域会发射荧光，荧光信号经过传像束纤芯阵列，传输回成像系统，可获得确切的病变区域荧光图像。然后再使用手术光源进行血栓清除。
在说明书和附图中，已经公开了本发明的典型实施方式。本发明不限于这些示例性实施方式。具体术语仅仅用作通用性和说明性意义，并不是为了限制本发明的受保护的范围。
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