專利名稱：氣泡探測的制作方法
依據(jù)美國政府能源部和加利福尼亞大學(xué)之間關(guān)于運營LawrenceLivermore國家實驗室的No．W-7405-ENG-48號合同，美國政府擁有這項發(fā)明的權(quán)利。
本發(fā)明涉及用激光在液體介質(zhì)中產(chǎn)生聲信號，更具體地說，該發(fā)明涉及診斷液體介質(zhì)中是否存在氣泡的多個系統(tǒng)。
題為“用分散光的相位和密度測量球狀微粒的尺寸和速率的方法”的美國專利No．4，986，659，介紹了一種改進的裝置和方法，用于測定由兩束交叉的激光確定的采樣空間的有效截面的變化。該專利還提供了一種生成兩束相干激光束的激光生成裝置，介紹了改變這兩束激光的間隔、交叉角和聚焦半徑的方法。這兩束激光沿著一條軸定向，并按給定的角度穿過該軸，從而確定構(gòu)成采樣空間的干涉模型。該專利介紹了一套用于感測由微粒、液滴、氣泡等引起的光散射的集成裝置。在目前首選的實施例中，集成裝置被預(yù)設(shè)在預(yù)選的不同偏軸角度，包括預(yù)先確定角度的背散射和由光束傳播方向決定的角度。收集到的散射光被導(dǎo)入光探測器，而光探測器與一信號相位測定裝置連接，以便測量每個光探測器產(chǎn)生的信號間的相對相位；光探測器還與一信號振幅測定裝置連接，以便測量當(dāng)微粒、液滴和氣泡等穿過采樣空間時產(chǎn)生的信號的振幅。尺寸測量裝置與信號相位／振幅的測定裝置相連，以便根據(jù)所接收的信號的相位和振幅的變化，確定微粒、液滴和氣泡等的尺寸。由于穿過干涉模型的微粒的尺寸不同，采樣空間的有效截面會發(fā)生變化，該專利介紹了測定這種變化的方法和裝置。
題為“用激光束測試液體容器泄漏的裝置”的美國專利No．5，263，361，介紹了對承受氣體壓力并浸沒在液體中的液體容器的泄漏進行測試的方法和裝置。由浸沒在液體中的容器底部上升的氣泡被引導(dǎo)穿過與光電探測器有光信號連接的多個預(yù)定點。裝置將計算探測器收集的信號并在氣泡的數(shù)量超過預(yù)定值時發(fā)出信號，指示容器有泄漏。通過將多個相鄰的光電探測器分組集成在預(yù)定裝置中，該裝置可以把被浸沒的容器的表面上的雜亂氣泡和在給定點生成的表明容器有泄漏的氣泡區(qū)分開來。光電探測器可以安裝在與預(yù)定點相鄰的液體中，或安裝在液體外但與預(yù)定點間用光纜連接。采用這兩種方法，激光束可被引導(dǎo)穿過預(yù)定點并由激光源對面的探測器接收。當(dāng)有氣泡中斷激光束時，將會有信號產(chǎn)生。
題為“測量微粒尺寸和速率的光纖探針和系統(tǒng)”美國專利No．4，662，749，介紹了在多相加工的環(huán)境中同步測量氣泡或液滴的尺寸和速率的系統(tǒng)。在這種多相加工環(huán)境中，穿過Ronchi柵的光通過一束相干的光纖和指數(shù)成梯度的成像透鏡，投射到測量空間內(nèi)。穿過測量空間的液滴或氣泡將這些光反射或折射，并被正對于成像透鏡的速率和尺寸傳感光纖自動檢測。檢測到的信號與將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的信號處理裝置相連，采用一種或多種可視技術(shù)、相滯后技術(shù)或傳時技術(shù)可較準(zhǔn)確地進行尺寸和速率測量。
題為“用激光對材料進行機床加工的方法和裝置”的美國專利No．5，473，136，介紹了在對待加工材料進行檢測的同時，用激光對材料進行機床加工的方法。其中激光通過激光光學(xué)系統(tǒng)引向材料，經(jīng)材料反射后被引向測量光密度的第一探測器，該探測器后連著一評估回路，用來控制激光的能量。通過激光光學(xué)系統(tǒng)輸送給材料的能量被測量后，安裝的探測器給評估回路提供一個顯示信號，表明電介質(zhì)開始被擊穿。如果在預(yù)定的時間將預(yù)定的能量輸送給材料時沒有信號顯示，評估回路可減少激光的能量并且／或者中斷激光脈沖。
本發(fā)明的目的是提供一種以光學(xué)為基礎(chǔ)的探測氣泡的技術(shù)。
本發(fā)明的另一目的是在探測到氣泡時發(fā)出信號，表明有氣泡存在。
本發(fā)明還有一個目的，就是提供一個反饋系統(tǒng)，用于在氣泡形成時控制激光脈沖。
一種光源例如激光，與光纖連接并被發(fā)射到預(yù)定的氣泡生成點。被反射回光纖遠端的光在返回時被調(diào)節(jié)，從鄰近的光纖端口發(fā)射出去。當(dāng)氣泡在遠端生成時，因為折射率的差增大(nfiber-nair＞nfiber-nliquid)，反射光的數(shù)量增加。
該信號可給出氣泡和被輻射材料的相關(guān)信息，例如氣泡形成和破裂的時間，氣泡的尺寸，材料的吸收特性以及材料的機械特性。這些數(shù)據(jù)可用于反饋控制系統(tǒng)，以便對輻射條件進行優(yōu)化。該發(fā)明應(yīng)用廣泛，包括遠程空穴探測，受激光輻射的目標(biāo)材料的汽化，還可用于醫(yī)療中與激光相關(guān)的中風(fēng)治療；另外，還可在有氣泡產(chǎn)生，尤其是在光纖的遠端有氣泡產(chǎn)生的不同實驗中進行遠程氣泡探測。


圖1表示本發(fā)明的實施例；圖2A為氣泡產(chǎn)生和破裂時圖1中的探測器的典型輸出；圖2B-E為分別在5微秒、55微秒、85微秒和100微秒時，氣泡的生長和破裂；圖3為本發(fā)明實施例的反饋系統(tǒng)的邏輯控制組件流程圖；圖4為氣泡壽命的數(shù)據(jù)；圖5為氣泡的半徑與能量／脈沖的關(guān)系圖；圖6A為本發(fā)明應(yīng)用于以光纖為基礎(chǔ)的光-聲溶血栓導(dǎo)液管的簡圖；圖6B展示了用附加流體對栓塞進行超聲波溶解；圖7A-C描繪了形成氣泡的熱塑操作；圖8A-C描繪了形成氣泡的過熱汽體膨脹模式。
盡管本發(fā)明可用于多種氣泡探測，本發(fā)明只從醫(yī)學(xué)應(yīng)用的角度進行說明，即討論氣泡在人體深處某一點形成的情況?，F(xiàn)有的氣泡探測方法很多，但不適合醫(yī)用。光學(xué)方法已被用于氣泡探測，一般從發(fā)射信號的對面收集光信號。在本發(fā)明中，光信號可通過同一根光纖發(fā)射并接收，從而不必繞過栓塞即能進行深處非傷害性探測。而且，用于輻射治療的光纖也可用于氣泡探測。
本發(fā)明從光源輸入一光束，如氦氖激光束或二極管激光束，該光束通過一透鏡進入一光纖，并被引向氣泡生成點。該診斷光束所用的光纖也可用于傳導(dǎo)生成氣泡的第二激光束。光纖遠端射出的診斷光束中的一部分通過反射和散射返回光纖。直接反射回光纖的光取決于光纖的折射率n1和光纖遠端處材料的折射率n2之間的差異，被反射光的比率R=｜(n2-n1)／(n2+n1)｜2。而且，部分光被散射回光纖，這取決于光纖遠端處材料的光學(xué)性能(散射系數(shù)，吸收系數(shù)，各向異性)。被反射和散射回光纖的反饋光在同一光纖的近端被測量，這樣，就能進行待測區(qū)的深度探測。當(dāng)氣泡產(chǎn)生時，反饋光的強度將變化。被測信號的直流電平取決于光纖輸出端的材料。被測信號的交流成分與氣泡的動態(tài)特性相對應(yīng)。氣泡生長和破裂的時間，產(chǎn)生的單個或多個氣泡的尺寸都能確定下來。由于反饋信號取決于材料的光學(xué)特性，多種波長的反饋信號可用于區(qū)分不同組織。該信息可輸入調(diào)控治療激光的輻射參數(shù)的反饋系統(tǒng)。
該發(fā)明的實施例如圖1所示。一激光器系統(tǒng)產(chǎn)生激光束10以生成氣泡。該光束被一雙色鏡或分光鏡12反射，穿過分光鏡14(或帶孔的鏡14)，被透鏡16聚焦至光纖18的近端。光纖遠端被定位成，將激光輸送到某種介質(zhì)，如血管內(nèi)血栓的附近。一第二激光器系統(tǒng)產(chǎn)生激光束20以探測氣泡。該激光束穿過分光鏡12和14，由透鏡16聚焦進入光纖18。當(dāng)激光束10在液體介質(zhì)中產(chǎn)生氣泡后，激光束20被光纖18遠端的光纖-氣泡界面漫反射(Frensnel反射)。該反射光被傳回光纖18的近端，穿過透鏡16并被采集。被采集的光束的一部分被分光鏡14反射，由透鏡22聚焦，穿過偏光鏡28，穿過濾光鏡24到達光柵26。該系統(tǒng)的其它表面也會產(chǎn)生回反射光，例如，主要由聚光鏡16和光纖18的最近表面產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的回反射光。合適取向的線性偏光鏡28將這些表面產(chǎn)生的線性偏振的反射光過濾，傳輸光纖18產(chǎn)生的隨機偏振光。激光束10的一部分也傳回分光鏡14，由透鏡22聚焦，穿過偏光鏡28，濾光鏡過濾該激光束的一部分。光柵26從空間上將激光束10和20各自的波長區(qū)分開。探測器30一般被安裝在只接收激光束20的光信號的位置。
圖2A為探測器30發(fā)出的信號。該信號由提供反饋信息的邏輯控制電子器件50發(fā)出，如圖3所示。到達探測器的光的幅度和瞬時歷史以及探測器的輸出信號，將提供有關(guān)氣泡成形狀態(tài)和光纖遠端材料特性的重要信息。氣泡形成和破裂過程中，探測器的典型輸出如圖2A所示。一旦氣泡在光纖尖端生成，隨著反射回光纖的光的增加，探測器信號的幅度也增大。圖2B為5微秒時在光纖18尖端處氣泡40的形成示意圖。通過比較治療激光發(fā)射前和發(fā)射后很短時間(如10微秒)內(nèi)的信號，就可確定是否有氣泡出現(xiàn)。如圖3所示，一個觸發(fā)治療激光器54(及其附屬供電裝置56)的信號52也可被輸入到反饋裝置的邏輯控制電子器件50。該信號在激光器54發(fā)出脈沖之前的很短時間內(nèi)，可觸發(fā)反饋系統(tǒng)獲取探測器30的采樣值58輸出。第二采樣值62在預(yù)定的延時60處被收集，并與前一個采樣值58相比，如圖中方框64所示。若超過了預(yù)定的門檻值，如方框66所示，可以認為有氣泡生成。若無氣泡生成，舉例來說，不是提供的激光能量不夠，就是因為樣品太稀導(dǎo)致吸收不足，或是由于光纖尖端放置的位置不合適。該信息可用于暫時關(guān)閉激光器，如方框68所示，防止能量的無效發(fā)射。在生成氣泡的激光器54發(fā)射之前，如方框70所示，從激光計算機控制72發(fā)出的激光觸發(fā)信號和激光門信號，以及邏輯控制信號都必須存在。
從采樣跟蹤圖(圖2A)可見，氣泡的壽命可通過探測器信號增大的持續(xù)時間確定?？稍诓煌瑫r間對探測器信號進行采樣，以確定信號何時回到基線。圖2C-E分別顯示了氣泡在55微秒、85微秒和100微秒時的生長和破裂。可選擇地，有一計時電路在超過正邊緣門檻值時起動；超過負邊緣門檻值時關(guān)閉。這樣即可獲得氣泡壽命中與其最大直徑直接相關(guān)的數(shù)據(jù)(圖4)。
如圖5所示，氣泡的尺寸是能量密度(激光能量，亮斑尺寸，穿透深度)和材料特性的函數(shù)。由于反射光的強度取決于光纖和周圍介質(zhì)的折射率的差異，通過分析探測器的信號，可區(qū)分不同組織。生物組織的折射率一般界于1．33～1．5之間。根據(jù)所選的光纖材料(n=1．4～1．5)，光纖尖端的Fresnel反射決定的反射光的百分比可界于0～0．3％之間。通過監(jiān)視探測器信號，根據(jù)預(yù)先測定的標(biāo)準(zhǔn)曲線和待測組織的相關(guān)知識，可區(qū)分光纖尖端最近處是何種材料。由于不同波長的光學(xué)特性(折射率，吸收，散射，各向異性)顯著不同，運用附加的探測波長使辨別組織更容易。由兩種或更多探測波長返回的被測信號可推測出材料的種類。例如，為辨別探頭是位于血液中還是靠近動脈壁，可采用血液能強烈吸收的藍色波波長和人體吸收很少的紅色波波長。當(dāng)光纖浸沒在血液中時，紅色波與強吸收而弱散射的藍色波的比率將大于光纖靠近血管時的比率。在這種情況下，可根據(jù)待測組織選擇合適的激光波長并可作出標(biāo)準(zhǔn)曲線。智能型的激光器系統(tǒng)可根據(jù)提供的數(shù)據(jù)決定被輻射的是何組織并調(diào)整輻射參數(shù)(波長、脈沖持續(xù)時間，能量／脈沖，功率等)以達到預(yù)期目的或防止出現(xiàn)不良后果。經(jīng)調(diào)節(jié)，一種激光可以被某種目標(biāo)材料強烈吸收，也可在不合適的目標(biāo)材料出現(xiàn)時不被吸收?？捎糜嬎銠C對所得數(shù)據(jù)進行解析并控制激光器。或者也可用計時、電平測量和邏輯電路完成這些工作。
作為治療中風(fēng)，粉碎血栓而采用的激光技術(shù)，在本發(fā)明的實施例中還包括一個反饋系統(tǒng)。治療激光可采用脈沖激光器。因為最小的熱能也有可能引發(fā)并發(fā)癥，造成進一步損傷，所以輻射必須被限制在一定范圍內(nèi)。若治療激光未能達到預(yù)期的治療效果，則須終止操作。本發(fā)明的反饋系統(tǒng)采用的是一種連續(xù)波低功率激光器，監(jiān)視著光纖發(fā)射系統(tǒng)遠端的狀態(tài)。若在脈沖治療開始前不久，或是脈沖治療開始后的幾個微秒之內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)探測器信號有顯著的變化，反饋系統(tǒng)將阻止治療激光的發(fā)射。持續(xù)一段時間后，輸入另一個激光脈沖，氣泡監(jiān)視器探測是否有氣泡出現(xiàn)。當(dāng)氣泡出現(xiàn)時，可認為激光與目標(biāo)介質(zhì)的反應(yīng)適度，可繼續(xù)進行治療。這樣就能避免熱能的浪費和熱積聚對人體的潛在損傷。
本發(fā)明的應(yīng)用包括任何探測蒸汽泡或空泡的方法和步驟。這些應(yīng)用可能涉及在以下過程中的氣泡診斷和／或反饋機理·對由血管阻塞導(dǎo)致的局部貧血中風(fēng)進行激光治療(如光聲血栓分解)。該技術(shù)可溶解血栓并使受損的腦組織復(fù)原。
·腦血管痙攣的激光治療(如光聲血栓分解)。該技術(shù)可緩解血管收縮，恢復(fù)正常血液循環(huán)，從而防止瞬間局部貧血的出現(xiàn)或其他反常的血液循環(huán)。
·心血管阻塞的激光治療(如光聲血栓分解)。該技術(shù)可溶解血栓，從動脈上祛除動脈粥樣硬化斑。
·頸動脈狹窄癥的激光治療(如光聲血栓分解)。
·任何人體內(nèi)體腔通路的開放性的常規(guī)恢復(fù)，可通過光纖的經(jīng)皮注射和隨后的汽化驅(qū)動切除加速該過程。
·用激光或其他生成汽泡的方法，進行汽化或生成空泡。
本發(fā)明的一個實施例中還有一容納光纖的導(dǎo)管。該光纖的近端連接到一高重復(fù)率激光器系統(tǒng)，該激光器系統(tǒng)沿著激光束110(如圖1所描述)的光通路輸入光脈沖。光纖遠端產(chǎn)生的光被導(dǎo)管周圍的液體吸收。這種液體可能是血液、含有吸收染料的生物鹽溶液，溶血栓藥劑或血栓本身。光纖起到能量傳輸裝置的作用，使激光產(chǎn)生的光能傳遞到光纖的遠端。光纖遠端的高重復(fù)率激光的脈沖頻率界于10赫茲～100千赫茲之間，波長界于200納米～5000納米之間，能量密度界于0．01焦／厘米2～4焦／厘米2，若用小直徑的光纖，能量密度可高達50焦／厘米2。提供的能量保持低于5毫焦，最好低于1毫焦。在一實施例中，脈沖頻率界于5千赫茲～25千赫茲之間?；蛘呙}沖頻率還可低至100赫茲，高達100千赫茲。
對于血栓溶解，動脈粥樣硬化斑或其它管狀組織中的阻塞材料，可通過在阻塞附近的液體中生成一超聲波輻射區(qū)進行處理。作為附屬治療，可圍繞或平行于光纖建立一工作通道，用于小劑量地傳輸溶血栓藥物，促進聲學(xué)溶血栓過程殘留的較大尺寸的碎片(直徑＞5微米的顆粒)的溶解。光能向聲能的轉(zhuǎn)化可通過多種機制實現(xiàn)，如熱塑轉(zhuǎn)換，熱動轉(zhuǎn)換或兩者相結(jié)合。圖6A表示帶有平行工作通道112的光纖110，其中光纖110和工作通道112都位于導(dǎo)管114中，而導(dǎo)管114被插入血管116中。光纖110的遠端位于血栓118和／或血管116中的狹窄斑120的附近。在圖6B中，光纖110傳輸激光，產(chǎn)生破裂的空泡111及隨之產(chǎn)生的擴展聲波113。導(dǎo)管114中的平行工作通道112傳輸一附屬流體115，以幫助去除血管116中的栓塞117。
如圖7A-C所示，熱塑變換模式中，通過光纖121，在流體124中傳輸?shù)拿總€激光脈沖122的能量被控制在一定的水平，該能量在小體積的流體中產(chǎn)生很大的熱塑應(yīng)力。該應(yīng)力的擴展方向如圖7A中的箭頭所示。流體124由激光脈沖122加熱，其體積通過激光在流體124中的吸收深度來測定，并且必須控制在一定尺寸。例如，合適的尺寸可以是光纖的直徑，或與有栓塞的血管的部分距離相當(dāng)。這可通過控制激光的波長或流體的組成來調(diào)節(jié)，使絕大部分的光能都積聚在預(yù)期的流體深度內(nèi)。激光脈沖的持續(xù)時間足夠短，使得所有的激光能都積聚在吸收流體內(nèi)，從時間上來看，這要少于聲波通過最小體積的吸收區(qū)的時間。這是一個等容加熱過程。對于直徑約為100微米的吸收體積，聲波的傳輸時間約為70納秒，因此積聚時間應(yīng)比70納秒少得多，如大約10納秒。
伴隨著能量的積聚，吸收流體相應(yīng)地發(fā)生熱塑變化，使得流體中的受熱部分產(chǎn)生高壓區(qū)。高壓區(qū)的邊緣按聲波的衰減模式衰減一壓縮波從能量積聚區(qū)傳播開(岔波前沿)，而膨脹波向能量積聚區(qū)中心傳播(聚波前沿)。當(dāng)膨脹波在初始積聚區(qū)中心聚集時，產(chǎn)生拉伸應(yīng)力區(qū)126，促進空泡群的生成，這些空泡聚集形成一更大的氣泡130。最后，該氣泡破裂(132)，產(chǎn)生擴展聲波133。破裂和隨后的氣泡反彈會在周圍的流體內(nèi)產(chǎn)生聲脈沖，獲得氣泡的部分能量。破裂和反彈過程發(fā)生的時間取決于流體的密度和初始氣泡的最大尺寸。最初的破裂和反彈之后，還有更小強度的破裂和反彈繼續(xù)發(fā)生，直至空泡的能量消散在流體中。隨后發(fā)出激光脈沖以重復(fù)或繼續(xù)該循環(huán)，從而產(chǎn)生一個具有一個或多個頻率的超聲波輻射區(qū)，該輻射區(qū)的頻率取決于激光脈沖的頻率。
總之，按第一種模式工作的裝置在流體中產(chǎn)生了超聲波輻射區(qū)，其途徑為(ⅰ)在一定體積的流體中積聚激光的能量，該流體的體積與光纖的尺寸相當(dāng)，持續(xù)的時間少于聲波穿過相同體積的流體所需的時間(通過控制激光波長和吸收流體的選擇，視具體情況而定)；(ⅱ)控制激光的能量使得空泡的尺寸與光纖的直徑幾乎相同；以及(ⅲ)以一定的重復(fù)率發(fā)射激光脈沖，使得該過程不斷重復(fù)，從而在附近的流體中產(chǎn)生超聲波輻射區(qū)；通過使激光脈沖的重復(fù)率與空泡的壽命同步可實現(xiàn)共振。典型的操作可形成一頻率為1-100千赫茲，振幅為100-200微米(對于典型的光纖直徑)的流體換能器。此位移與機械方法產(chǎn)生的超聲原生質(zhì)裝置的位移很相似。
在過熱蒸汽模式中，如圖8A-C所示，在光纖141中，每個激光脈沖140在流體中一定的吸收深度內(nèi)傳輸一定水平的能量。該吸收深度與有栓塞的血管的特征尺寸相比很小，或比光纖的直徑更小。與在激光脈沖持續(xù)時間內(nèi)聲波的傳播距離相比，該吸收深度也很小。激光積聚了足夠的能量，在常壓下加熱吸收深度內(nèi)的絕大部分流體。在積聚激光能量的過程中，在流體中生成了由熱塑轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的聲波，該聲波從加熱區(qū)傳播開來。時間大于1微秒，過熱流體142經(jīng)過汽化產(chǎn)生汽泡。當(dāng)流體汽化時，其體積劇增。
激光脈沖的持續(xù)時間不必象熱塑轉(zhuǎn)化模式那么短，因為氣泡的膨脹是一等壓過程；但是，脈沖的持續(xù)時間必須比氣泡的膨脹時間短，且必須比過熱區(qū)的典型熱弛豫時間短得多。(根據(jù)Rayleigh氣泡破裂理論，一個直徑為50微米的氣泡在水中的壽命大約為25微秒；熱弛豫在幾百個微秒的時間內(nèi)發(fā)生，因此激光脈沖的持續(xù)時間必須是幾微秒或更短)。汽泡膨脹直至半徑達到最大，該最大半徑取決于流體中最初產(chǎn)生的汽壓和流體的特性。當(dāng)氣泡達到最大半徑時，膨脹氣泡內(nèi)的壓力已經(jīng)降到遠低于常壓，氣泡146破裂，導(dǎo)致產(chǎn)生擴展聲波148。反彈和隨后的破裂可能接著最初的破裂繼續(xù)進行。氣泡的膨脹和破裂將聲能傳入流體。隨后發(fā)射激光脈沖，以重復(fù)或繼續(xù)該循環(huán)，并產(chǎn)生具有單一或多個頻率的超聲波輻射區(qū)，該輻射區(qū)的頻率取決于激光脈沖的頻率。與第一種模式相似，通過使激光脈沖的持續(xù)時間與氣泡的壽命相匹配可實現(xiàn)共振。
總之，按第二種模式工作的裝置在流體中產(chǎn)生了超聲波輻射區(qū)，其途徑為(ⅰ)在小體積的流體內(nèi)積聚激光能量(通過控制激光波長和選擇吸收流體，視具體情況而定)；
(ⅱ)控制激光的能量使得當(dāng)氣泡達到最大尺寸時不會對周圍的組織造成破壞；以及(ⅲ)以一定的重復(fù)率發(fā)射激光脈沖，以重復(fù)氣泡生成和破裂的循環(huán)過程，從而在附近的流體中產(chǎn)生超聲波輻射區(qū)。不象第一種模式，傳輸時間并不重要，因此，更長的激光脈沖持續(xù)時間(長至幾微秒)可能有用。
兩種工作模式的激光波長，激光脈沖的持續(xù)時間和激光吸收深度必須精確控制，使得能以最小的激光脈沖能量獲得足夠的聲學(xué)響應(yīng)。對于第一種模式，必須使吸收體積與系統(tǒng)的特征尺寸，如光纖直徑或血管部分的尺寸相匹配，并采用短的激光脈沖(小于20納秒)。對于第二種模式，必須在很小的吸收深度內(nèi)積聚激光能，以在少量的流體物質(zhì)內(nèi)獲得足夠的過熱程度，這樣能量預(yù)算很小而不會產(chǎn)生大得會損傷周圍組織的氣泡。
這些在組織中將激光能量轉(zhuǎn)換為聲音激勵的光-聲轉(zhuǎn)換的模式有以下特點伴隨高的重復(fù)率，降低激光脈沖的能量可避免對組織的額外加熱或高強度震動；會出現(xiàn)激光能量的局部吸收；激光能量會與室溫流體發(fā)生熱塑或熱動的相互作用；通過光纖尖端處氣泡的重復(fù)膨脹和破裂，會產(chǎn)生一聲波輻射區(qū)；通過將激光脈沖的持續(xù)時間與氣泡的壽命相匹配可實現(xiàn)共振；軟纖維性的栓塞(血栓)可通過在血栓內(nèi)直接生成氣泡而被分解。
控制并／或計算光纖尖端的能量沉積的空間和時間分布，如圖1和圖3所示，可調(diào)整附近區(qū)域的聲輻射模式，例如，將聲音能量集中在離光纖最近的某一物體上，或?qū)⒙曇糨椛浞植嫉酶鶆?。以這種方法為基礎(chǔ)的技術(shù)應(yīng)用在有熱塑響應(yīng)(第一種模式)的情況下將是最成功的。其中，激光脈沖的持續(xù)時間較短，而流體的吸收也相對較強，這樣，激光能量沉積在光纖尖端表面的鄰近薄層內(nèi)。例如，通過在光纖尖端的表面形成凹面，光能將以相似的形狀分布沉積在流體中。由此凹面分布區(qū)域發(fā)出的聲波將趨于集中在距離光纖尖端R處，其中R是凹面的曲率半徑。一平面的光纖尖端可在其附近產(chǎn)生一初始平面聲波陣面。一凸出的光纖尖端會產(chǎn)生分岔的球波陣面，該球波陣面將以一更大的空間立體角分散聲能。另一改變臨近區(qū)域的輻射模式的方法是采用光纖束，激光能量通過光纖束傳輸，并控制沉積激光能量的時間分布。激光能量可通過單股光纖在不同的時間到達導(dǎo)管的尖端，同時與這些單股光纖的不同空間位置相結(jié)合，可調(diào)節(jié)聲波的輻射模式的方向性和形狀，該技術(shù)與雷達中所用的相排列技術(shù)相似。
市售的光纖通常都有護套使其與環(huán)境隔離。還有“裸露”或無護套的光纖。光纖上的涂層將使之更容易穿入導(dǎo)管。直徑可調(diào)的光纖其端口的物理強度更高，遠端的通道更寬，可通過改進現(xiàn)有的光纖(剝掉核心周圍的保護層)或定制獲得。定制可通過改變光纖的擠壓或拉伸速率來獲得所需尺寸。玻璃或塑料的組成可以作為拉伸光纖的函數(shù)而變化，這樣，從遠端對光纖的控制更強而不會降低光纖的光學(xué)性能。此處要特別注意的是處理時應(yīng)使尖端柔軟，這樣尖端不會堵塞導(dǎo)管的護套。而且在光纖從導(dǎo)管的保護套中伸出時，尖端的形狀記憶能力能引導(dǎo)光纖本發(fā)明所用的脈沖激光源可用氣態(tài)的，固態(tài)的或液態(tài)的介質(zhì)。有稀土涂層的固態(tài)激光，紅寶石激光，紫翠玉激光，NdYAG激光和HoYLF激光都可以高的重復(fù)率用于脈沖模式，并為本發(fā)明所用。這些固態(tài)激光器中的任何一種都可與非線性的雙頻或三頻晶體相混，以產(chǎn)生基頻激光的諧波。本發(fā)明可直接采用產(chǎn)生連續(xù)紫外光的固態(tài)激光器，或與一染色激光器聯(lián)合使用，以輸出頻率界于紫外光到可視光之間的可調(diào)頻的光束。在較寬的譜線范圍內(nèi)的可調(diào)頻性，為激光波長與導(dǎo)管遠端流體的吸收特性的匹配提供了較大的靈活性。輸出的光束由光纖引入手術(shù)區(qū)，如通過經(jīng)皮導(dǎo)管。手術(shù)時，脈沖激光束觸發(fā)超聲波激勵，去除血栓或粥樣硬化斑并且／或使其乳化，而對下層組織的損傷更小，刺穿血管壁的幾率比以前的裝置更小。
其它不同的脈沖激光都能代替此處介紹的激光源。相似的，不同的染色材料和構(gòu)型可用于染色激光。在染色激光器中可以被替代的構(gòu)型，如染料澆注塑料薄膜，或小池封閉染色，比無阻染色效果更好。染色激光器還可儲存一定數(shù)量不同的染料，并根據(jù)使用者在使用過程中發(fā)出的控制信號或條件(如當(dāng)從一充血區(qū)域切換到鹽區(qū)或與鈣沉積相對應(yīng))，自動調(diào)色。本發(fā)明中所用的染色激光器的適用染料包括如P-三聯(lián)苯(峰值波長為339)；BiBuQ(峰值波長為385)；二苯芪(峰值波長為405)及香豆素2(峰值波長為448)。
在另一實施例中，激光源可以是一由雙頻或三頻的固態(tài)激光器激勵的光學(xué)參數(shù)震蕩(OPO)。在完全由固態(tài)光學(xué)器件組成的集成系統(tǒng)內(nèi)，OPO系統(tǒng)允許在較寬的頻段內(nèi)調(diào)頻。OPO系統(tǒng)中激光的波長也能根據(jù)使用者在使用過程中發(fā)出的控制信號或條件，自動進行調(diào)節(jié)。
在本發(fā)明中應(yīng)用性很強的導(dǎo)管可以多種多樣。如，一實施例中的導(dǎo)管的外徑為3．5毫米或更小，優(yōu)先選擇2．5毫米或更小的。導(dǎo)管中的光纖的直徑可以是400微米或更小的硅光纖(熔融的石英)，如由馬塞諸塞州Sturbridge的Spectran公司生產(chǎn)的SG800光纖模型。導(dǎo)管可以是多腔的，以便沖洗和透氣。在一實施例中，導(dǎo)管的尖端由不傳導(dǎo)無線電且耐熱的材料構(gòu)成。不傳導(dǎo)無線電的尖端可在熒光鏡下定位。
對于在此詳細介紹的各實施例，在不偏離本發(fā)明的范疇的條件下，可對其進行改進，本發(fā)明的范圍旨在由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1．一種探測氣泡的方法，包括將光纖插入一液體環(huán)繞介質(zhì)，此處所用光纖有一近端和一遠端；從一高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)將第一束激光引入該近端，其中所用的第一束激光由該液體環(huán)繞介質(zhì)中的光纖遠端發(fā)出；將第二束激光發(fā)射到光纖近端內(nèi)，其中所用的第二束激光部分由光纖遠端反射，產(chǎn)生反射的第二光束，其中隨著所述的氣泡在光纖遠端形成并長大，由光纖遠端反射的光的數(shù)量增加；探測該反射的第二光束，產(chǎn)生探測信號；在高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)發(fā)出第一束激光之前，儲存所述探測信號的一第一個采樣值；在高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)發(fā)出第一束激光之后的一個預(yù)定的延時，儲存所述探測信號的一第二個采樣值；從第一個采樣值中去除第二個采樣值以獲得采樣值的差異；這樣處理后，若采樣值差異大于預(yù)定的門檻值，繼續(xù)由高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)發(fā)射第一激光束；或若該采樣值差異小于預(yù)定的門檻值，根據(jù)以下方法控制高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)(ⅰ)高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)至少持續(xù)一段時間停止發(fā)射第一激光束，并且(ⅱ)增大第一激光束的功率至預(yù)定功率，直至氣泡形成。
2．一種探測氣泡的方法，包括有一近端和一遠端的光纖發(fā)射一束激光，其中激光束的一部分被該遠端反射，被反射的激光束中光的量隨著氣泡在光纖遠端的生成而增大；探測激光束中被反射的部分，產(chǎn)生探測信號；在生成氣泡的激光器系統(tǒng)發(fā)出第一激光束之前，存儲探測信號的第一個采樣值；在生成氣泡的激光器系統(tǒng)發(fā)出第一激光束后一預(yù)定的延時，儲存該探測信號的第二個采樣值，并從第一個采樣值中去除第二個采樣值以獲得采樣值的差異；這樣處理后，若該采樣值差異小于預(yù)定的門檻值，根據(jù)以下方法控制該高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)(ⅰ)該高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)至少持續(xù)一段時間停止發(fā)射第一激光束，并且(ⅱ)增大第一激光束的功率至預(yù)定功率，直至氣泡形成。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，若使用者預(yù)先了解待測材料的折射率及其相關(guān)知識，可辨別光纖尖端附近是何種材料。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，用至少兩種波長的激光采樣，不同波長的激光在材料中的光學(xué)特性不同，該光學(xué)特性包括折射率，吸收，散射，各向異性，并對由至少兩種波長獲得的探測信號取比值，以確定材料的種類。
5．一種探測氣泡的裝置，包括將一光纖插入液體環(huán)繞介質(zhì)的裝置，其中所用光纖有一近端和一遠端；將一高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)發(fā)出的第一激光束引入光纖近端的裝置，其中，第一激光束由液體環(huán)繞介質(zhì)中的光纖遠端發(fā)出；將第二束激光發(fā)射到光纖近端的裝置，其中的第二激光束的一部分被光纖遠端反射產(chǎn)生反射的第二激光束，氣泡在光纖遠端產(chǎn)生并長大，由光纖遠端反射的激光的數(shù)量增加；探測反射的第二激光束，產(chǎn)生探測信號的裝置；在高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)發(fā)射第一激光束之前，存儲第一個探測信號的采樣值的裝置；在生成氣泡的激光器系統(tǒng)發(fā)出第一激光束后的一預(yù)定的延時，儲存該探測信號的第二個采樣值的裝置；從第一個采樣值中去除第二個采樣值以獲得采樣值信號的差異的裝置；根據(jù)該信號差異控制該高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)的裝置。
6．一種探測氣泡的裝置，包括通過一根有一近端和遠端的光纖發(fā)射激光束的裝置，其中，該激光束的一部分被光纖遠端反射，被反射的激光束中光的數(shù)量隨著氣泡在該遠端的生成而增大；探測該激光束被反射部分以產(chǎn)生探測信號的裝置；在生成氣泡的激光器系統(tǒng)發(fā)射第一激光束之前，存儲第一個探測信號的采樣值的裝置；在生成氣泡的激光器系統(tǒng)發(fā)射第一激光束之后的一預(yù)定的延時，存儲探測信號的第二個采樣值的裝置；從第二個采樣值中去除第一個采樣值以獲得采樣值差異的裝置；若采樣值差異大于預(yù)定的門檻值，由生成氣泡的激光器系統(tǒng)持續(xù)發(fā)射第一激光束的裝置；和若采樣值差異小于預(yù)定的門檻值，根據(jù)以下方法控制生成氣泡的激光器系統(tǒng)的裝置(ⅰ)該高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)至少持續(xù)一段時間停止發(fā)射第一激光束，并且(ⅱ)增大第一激光束的功率至預(yù)定功率，直至氣泡形成。
7．一種探測氣泡的裝置，包括使生成氣泡的激光束與氣泡分析激光束共線的裝置；有一根有近端和遠端的光纖；將生成氣泡的激光束和氣泡分析激光束聚焦在光纖的近端和遠端的裝置；一探測器；將被反射的激光從光纖遠端引到探測器的裝置；和分析探測氣泡的探測器產(chǎn)生的信號的邏輯控制集成裝置。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，還有分析探測器產(chǎn)生的信號以控制生成氣泡的激光的集成裝置。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中氣泡分析激光束由以下三種激光器中的一種組成二極管激光器，染色激光器和氦-氖激光器。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中包括使生成氣泡的激光束和分析氣泡的激光束共線的裝置中有一分色鏡。
11．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，使生成氣泡的激光束和分析氣泡的激光束共線的裝置中有一分光鏡。
12．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中將光纖遠端反射的激光引到探測器的裝置中有一分光鏡。
13．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中將光纖遠端反射的激光引到探測器的裝置中有一孔鏡。
14．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中將光纖遠端反射的激光引到探測器的裝置中有偏光鏡，濾光鏡和一光柵，用來阻擋生成氣泡的激光束和氣泡分析激光束的最初面反射的。
15．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中將光纖遠端反射的激光引到探測器的裝置中有一偏光鏡，以阻擋生成氣泡的激光和氣泡分析激光的最初面反射。
16．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中將光纖遠端反射的激光引到探測器的裝置中有一濾光鏡，以阻擋生成氣泡的激光。
17．根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中將光纖遠端反射的激光引到探測器的裝置中有一光柵一阻擋生成氣泡的激光束所發(fā)的光。
18．一種在有栓塞物的體腔內(nèi)使用光纖裝置的方法，包括將光纖的遠端插入體腔內(nèi)的液體介質(zhì)中；將第一激光束發(fā)射到光纖的遠端，使之與液體介質(zhì)相互作用，分解栓塞物；將第二束激光發(fā)射到光纖的遠端；調(diào)節(jié)第二激光束的反射到遠端，以獲得以下一些信息與遠端的氣泡相關(guān)的第一類信息；與遠端材料相關(guān)的第二類信息，以及兩者相結(jié)合的信息。第一類信息包括氣泡的消失和出現(xiàn)，氣泡的壽命，氣泡的尺寸，或這些因素的結(jié)合；而第二類信息包括材料的種類，材料的吸收特性，材料的機械性能，或這些因素的結(jié)合；以及根據(jù)這些信息控制第一激光束。
19．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的體腔為心血管和腦血管。
20．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的栓塞物為血栓或粥樣硬化斑。
21．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的液體介質(zhì)為血液，有光吸收染料的生物鹽溶液，溶血栓藥劑，或是血栓。
22．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一和第二光束中至少有一個是由激光產(chǎn)生。
23．根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中，第一光束是由脈沖激光發(fā)出的。
24．根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中第二光束是由連續(xù)波激光產(chǎn)生的。
25．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的第一光束由光學(xué)參數(shù)震蕩器產(chǎn)生。
26．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一光束與液體介質(zhì)之間的相互作用為光吸收。
27．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中第一光束與液體介質(zhì)之間的相互作用包括氣泡的產(chǎn)生。
28．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，栓塞物的分解是通過光-聲機理，熱塑機制，熱動機制或幾種機制相結(jié)合促進的。
29．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中采用溶血栓藥劑促進栓塞物的分解。
30．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中栓塞物的分解包括栓塞物的乳化、移動、溶解或幾種方式相結(jié)合。
31．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中調(diào)控包括控制第二激光束的反射，由有交流和直流成分的信號顯示，交流信號提供第一類信息。
32．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的控制包括停止第一激光束的發(fā)射，最少也要短時間停止。
33．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的控制包括持續(xù)發(fā)射第一激光束。
34．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的控制包括第一激光束的輻射參數(shù)。
35．根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中的氣泡是通過汽化，空穴或兩者相結(jié)合產(chǎn)生的。
36．一種治療有栓塞物的體腔的光纖裝置，包括有一近端和遠端的光纖，該光纖的結(jié)構(gòu)必須足以將其遠端插入體腔內(nèi)的流體介質(zhì)；將第一和第二激光束引入光纖的近端到光纖遠端的裝置，其中第一激光束能夠與液體介質(zhì)相互作用，分解栓塞物；控制第二激光束的反射到光纖遠端，以獲得以下一些信息與遠端的氣泡相關(guān)的第一類信息；與遠端材料相關(guān)的第二類信息，以及兩者相結(jié)合的信息。第一類信息包括氣泡的消失和出現(xiàn)，氣泡的壽命，氣泡的尺寸，或這些因素的結(jié)合；而第二類信息包括材料的種類，材料的吸收特性，材料的機械性能，或這些因素的結(jié)合；以及根據(jù)這些信息控制第一激光束。
37．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，還包括一容納光纖的導(dǎo)管，該導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)必須足以將其遠端插入體腔。
38．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，還包括一工作通道環(huán)繞在光纖周圍或與光纖平行。
39．根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中的工作通道是用于輸送促進栓塞物分解的液體。
40．根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，還包括一導(dǎo)管容納光纖，而工作通道，該導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)必須足以將其遠端插入體腔。
41．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的體腔是心血管和腦血管。
42．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的栓塞物是血栓或粥樣硬化斑。
43．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的液體介質(zhì)是血液，含有光吸收染料的生物鹽溶液，溶血栓的藥劑或血栓。
44．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中第一和第二激光束中至少有一束是有激光產(chǎn)生的。
45．根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中第一激光束由脈沖激光產(chǎn)生。
46．根據(jù)權(quán)利要求44所述的裝置，其中第二激光束是有連續(xù)波的激光產(chǎn)生的。
47．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中第一激光束由光學(xué)參數(shù)震蕩器產(chǎn)生。
48．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中第一激光束和液體介質(zhì)的相互作用是光吸收。
49．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中第一激光束和液體介質(zhì)的相互作用包括氣泡的產(chǎn)生。
50．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中栓塞分解是通過光-聲機理，熱塑機制，熱動機制或幾種機制相結(jié)合促進的。
51．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中栓塞分解是通過溶血栓藥劑促進。
52．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中栓塞物的分解包括栓塞物的乳化、移動、溶解或幾種方式相結(jié)合。
53．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的控制裝置包括第二激光束的反射，由含有交流和直流成分的信號顯示，交流信號提供第一類信息。
54．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的控制裝置包括停止發(fā)射第一激光束，至少短時間的停止。
55．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的控制裝置包括連續(xù)發(fā)射第一激光束。
56．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的控制裝置包括控制第一激光束的輻射參數(shù)。
57．根據(jù)權(quán)利要求36所述的裝置，其中的氣泡是通過汽化，空穴，或兩者相結(jié)合形成的。
58．權(quán)利要求3所述的方法，是根據(jù)任一樣品內(nèi)的以一定波長反射的光的數(shù)量，通過確定折射率辨別材料并將折射率與材料聯(lián)系起來。
59．一種探測氣泡的方法，包括將一光纖插入液體環(huán)繞介質(zhì)，其中的光纖包括一近端和遠端；將第一激光束從激光器系統(tǒng)引入近端，其中的第一激光束由液體環(huán)繞介質(zhì)中的光纖遠端發(fā)出；將第二激光束發(fā)射到近端，其中第二激光束部分由光纖遠端反射，產(chǎn)生反射二次激光束，其中隨氣泡的出現(xiàn)和生長，被光纖遠端反射的光的數(shù)量增加；探測反射二次激光束以產(chǎn)生信息；并根據(jù)該信息控制激光器系統(tǒng)。
60．一種探測氣泡的裝置，包括通過一有一近端和遠端的光纖發(fā)射激光束，其中激光束部分被光纖遠端反射，其中被反射的光的的數(shù)量隨氣泡的出現(xiàn)和長大而增加；探測這部分被反射的激光束以獲取信息的裝置；和根據(jù)所獲得的信息控制生成氣泡的激光器系統(tǒng)的裝置。
61．根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中控制高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)的裝置包括若采樣值差異大于預(yù)定的門檻值，從高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)連續(xù)發(fā)射第一激光束的裝置；和若采樣值差異低于預(yù)定的門檻值，停止高重復(fù)率的激光器系統(tǒng)的發(fā)射的裝置。
全文摘要
本發(fā)明是分析氣泡是否存在并把信息輸入一反饋系統(tǒng),進行光－聲血栓溶解的裝置。在光－聲血栓溶解過程中,具有超聲波頻率的脈沖激光輻射在體腔內(nèi)沿著一光纖發(fā)射到血栓或其它栓塞腔內(nèi)。栓塞的溶解可通過傳播壓力或震動波的超聲波效應(yīng)進行調(diào)節(jié)。作為激光輻射的結(jié)果,栓塞周圍的流體中會有氣泡產(chǎn)生。該氣泡可能被直接用于分解栓塞或作為產(chǎn)生壓力波的工具。本發(fā)明需要對氣泡的形成進行探測并對其進行跟蹤。關(guān)于氣泡的形成和壽命的知識能提供很重要的信息,如氣泡的最大尺寸,被吸收輻射的密度以及吸收材料的特性。隨后這些信息可用于反饋系統(tǒng)以便對輻射條件進行調(diào)節(jié)。
文檔編號A61B18/20GK1279595SQ98811517
公開日2001年1月10日 申請日期1998年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月30日
發(fā)明者史蒂文·R·維蘇里, 貝思·M·馬米尼, 盧茲·B·達席爾瓦, 彼得·M·塞利爾斯 申請人:加利福尼亞大學(xué)董事會