專利名稱：能透射激光的物質(zhì)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可對動物機(jī)體活組織進(jìn)行切割蒸發(fā)或熱療的激光發(fā)射頭及其制造方法。
近年來，利用激光照射對動物機(jī)體的活組織切割等的醫(yī)療效果是很顯著的，這是因為激光具有止血功能。傳統(tǒng)的利用激光治療的方法是將激光從一與活組織不接觸光纖系統(tǒng)的前端照射到活組織上，但這種方法使光纖的前端嚴(yán)重?fù)p壞。因此，近年來采用的一種方法是首先將傳入一光纖系統(tǒng)的激光送入一發(fā)射頭的發(fā)射部件，該發(fā)射頭與活組織(以后簡稱“組織”)接觸或不接觸;然后，將從發(fā)射頭表面發(fā)出的光照射到組織上。
本發(fā)明人曾開發(fā)出許多種用于不同目的接觸性發(fā)射頭。其中一種示于圖8，這種發(fā)射頭是由蘭寶石、石英及類似材料制成的，并且其表面一般是光滑的。
參看圖8，激光L經(jīng)光纖51饋入發(fā)射頭50，發(fā)射頭為細(xì)長的園錐形，其前端為園形，外表面光滑。在發(fā)射頭50中傳播的激光L在內(nèi)表面上反射并折射到達(dá)端部，最后僅從端部發(fā)射出。
在此例中，激光L的功率密度及其分布分別由圖8中的等值線H和曲線Pd表示。因而，可以明顯看出，由于激光L集中從發(fā)射頭的端部發(fā)射出，其有效照射區(qū)域是非常窄的。
在這種情況下，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了對

圖10所示發(fā)射頭的表面進(jìn)行處理方法，在發(fā)射頭50A的外表面上形成一不光滑表面50a，就能增加激光照射的有效區(qū)域，這是因為激光在將要發(fā)射的不光滑表面上沿許多方向折射緣固。圖中5A代表由可透射光的材料制成的表面層，以供激光的折射。
雖然通過上述處理能增加激光照射的有效區(qū)域，但效率不夠高，原因是有下列缺點(diǎn)。首先，在對出血較少的組織進(jìn)行切割時，例如對皮膚或脂肪層切割時，可能會引起對組織的嚴(yán)重?fù)p傷，而且仍需要很大的激光功率。這要求一個昂貴的大功率激光器，在這種情況下，必須慢慢移動發(fā)射頭，因而使用這樣一種發(fā)射頭的手術(shù)就不可能進(jìn)行得很快。其次，很難采用適于某一治療目的的特殊措施，因為治療的目標(biāo)區(qū)取決于發(fā)射頭的材料和形式(特別是發(fā)射頭的形式)，而且還要確定所需激光的功率大小。
本發(fā)明的目的是提供一種可透射激光的物質(zhì)，它具有大的激光照射有效區(qū)并能高效地利用組織蒸發(fā)進(jìn)行切割。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能透射激光的物質(zhì)，它只需較低的激光功率，并且能做為發(fā)射頭在對出血較少的組織進(jìn)行切割時快速移動。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能透射激光的物質(zhì)，它能作為合適的發(fā)射頭對某一區(qū)域進(jìn)行某種目的手術(shù)，這種物質(zhì)能在制備同樣形狀的，具有不意含量的光吸收粒子和光散射粒子的發(fā)射頭時很容易地選擇出來。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種生產(chǎn)能透射激光的物質(zhì)的方法。
本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中更楚清地呈現(xiàn)出來。
本發(fā)明的特點(diǎn)是一種能透射激光的物質(zhì)具有一可透射激光的部件，其上覆蓋一層包括光吸收粒子和光散射粒子的表面層，光散射粒子的折射大于透射部件的折射率。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，表面層包括粘合劑以形成一個很堅固(Strong)表面層。在最佳實施例中，能透射激光的部件具有不光滑的表面以使激光的有效照射區(qū)域更寬。本發(fā)明的特點(diǎn)還在于一種通過在能透射激光的部件上形成一表面層來制作可透激光材料的制造方法，該方法包括將透射部件與一彌散液接觸，該彌散液包括光吸收粒子和光散射粒子，光散射粒子的折射率比透射部件的大。
其次，本發(fā)明的能透射激光的物質(zhì)的制造方法包括下列步驟(a)將能透射激光的部件與一彌散液接觸該彌散液至少包括光吸收粒子，和折射率大于透射部件的光散射粒子，及熔點(diǎn)等于或低于透射部件的光透射粒子。
(b)將透射部件與彌散液一起在高于透射粒子熔點(diǎn)的溫度下并在能保持透射部件形狀的限制下烘烤。
圖1是在本發(fā)明的能透射激光的物質(zhì)上的表面層的放大截面圖;
圖2是本發(fā)明的能透射激光的物質(zhì)作為激光刀的發(fā)射頭的一個實施例的示意圖及其功率密度分布圖;
圖3是另一表面層的放大截面圖;
圖4是一光纖系統(tǒng)上的表面層的截面圖;
圖5是解釋有關(guān)本發(fā)明的一個實驗的示意圖;
圖6是圖5的實驗結(jié)果曲線。
圖7是一發(fā)射頭結(jié)構(gòu)的實例及其支撐件的縱截面圖;
圖8是一傳統(tǒng)的激光發(fā)射頭的實例及其功率密度分布圖;
圖9是有關(guān)本發(fā)明的具有另一形狀的發(fā)射頭的縱剖面圖;
圖10是本發(fā)明人開發(fā)的一種傳統(tǒng)發(fā)射頭的另一種表面層的放大截面圖。
如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明，透射部件1上蓋有一層表面層5，其中含有由折射率高于部件1的蘭寶石或類似材料構(gòu)成的光散射粒子2，當(dāng)由透射部件1發(fā)射的激光L通過表面層5時，激光L射到光散射粒子2上，部分被粒子2反射，部分透過粒子2並因折射使該部分從粒子2發(fā)射出去。因此，激光L從表面層5上的各個方向射出。這就產(chǎn)生了大面積的激光照射。
此外，表面層5還含有由碳或類似物質(zhì)構(gòu)成的激光吸收粒子3。因而，當(dāng)激光L射到激光吸收粒子3上時，激光能量的絕大部分借助于激光吸收粒子3轉(zhuǎn)變成熱能，組織由從表面層5發(fā)出的熱能加熱。
這樣，因為組織蒸發(fā)被加速了，所以組織可以被進(jìn)入透射部件1的較低的激光能量切開，因此，當(dāng)對組織進(jìn)行切割時，可以快速移動部件1。此外，穿入可透光的部件1所需的激光能量很低。因而，手術(shù)可以在短時間內(nèi)完成，并且可以利用廉價的小型激光器。
另一方面，如參看表面層，如果將含有上述激光吸收粒子和激光散射粒子的彌散液涂敷在透射部件表面上，彌散介質(zhì)蒸發(fā)后，具有表面層的發(fā)射頭與組織或其它物質(zhì)接觸會引起表面層損壞，因為上述兩種粒子只是利用物質(zhì)的吸附力附著在透射部件表面的。因此，利用粘合劑將激光吸收粒子和散射粒子粘在透射部件表面，就能增強(qiáng)表面層附著在透射部件上的程度。
在這種情況下，粘合劑最好由透光材料，如石英或類似材料制成，以保證激光能從表面礎(chǔ)5中發(fā)射出。另一方面，利用熔點(diǎn)等于或低于透射部件1的可透射激光的粒子作為透射材料4，將這些粒子與上述激光吸收粒子和激光散射粒子一道彌散于適當(dāng)?shù)囊后w，例如水中。而后，將涂有此彌散液的透射部件1在高于透射粒子熔點(diǎn)的溫度下并在透射部件不變形的限度內(nèi)進(jìn)行烘烤。結(jié)果，透光粒子熔化與激光吸收粒子和散射粒子一道形成機(jī)械強(qiáng)度很高的表面層。因此，由于表面層強(qiáng)度很高，對其損壞的程度也就減小了。
現(xiàn)在更詳細(xì)地說明本發(fā)明。
圖1是發(fā)射頭10的表面層5的放大截面圖，發(fā)射頭10的例子示于圖2中。在透射部件1上，利用被熔化成為前述粘合劑的激光透射材料4形成包含激光散射粒子2和吸收粒子3的表面層。
在此例中，在透射部件1上形成一不光滑表面1a，如圖3所示，將增加激光的散射效應(yīng)。
所述的發(fā)射頭10及其支撐件的結(jié)構(gòu)示于圖7。
發(fā)射頭10包括一園錐形插入部分30，主支撐部分31和在30和31間形成的法蘭盤32。發(fā)射頭10被裝入一筒狀內(nèi)孔連接器33，通過壓緊接合部分33a或在接合面間利用陶瓷類粘接劑，或利用二者的結(jié)合將發(fā)射頭10與連接器33固定在一起。內(nèi)孔連接器33的內(nèi)表面上有一內(nèi)螺紋34，用于與外連接器35的互補(bǔ)螺紋36可拆卸地接合。內(nèi)孔連接器33上有小孔38，使得冷卻水W能流進(jìn)流出。小孔38位于靠近發(fā)射頭10的光接收本體37的頂部，並且它們相對地排列在內(nèi)孔連接器33的園周上，但圖中只示出了一個孔。
另一方面，將外連接器35壓入由聚四氟乙烯制成的柔性管狀護(hù)套39的端部使之相接。為了進(jìn)行這種壓入接合，外連接器35在其根部有階梯部分40，並將其牢固地定位以防止它從管狀護(hù)套39中脫出。
將一傳輸激光的光纖11插入護(hù)套39和外連接器35。光纖11與護(hù)套39間有一空隙，作為冷卻水的通路。傳輸光纖11的端部緊密接合在外連接器35的階梯部分40中。然而，階梯部分40有，例如，兩個沿其園周相對形成的斜槽40a供冷卻水W通過。在外連接器端部的內(nèi)表面和傳輸光纖11的外表面之間也提供了一條冷卻水W的通路41。
具有上述結(jié)構(gòu)的用于發(fā)射激光的端部裝在一內(nèi)窺鏡(endoscope)及其它適當(dāng)?shù)闹挝镏?，而?nèi)孔連接器33通過外連接器35連到外連接器上。
這樣，導(dǎo)入傳輸光纖11的脈沖激光從光接收基底37穿入發(fā)射頭10，然后從插入部分30的整個外表面發(fā)射出。與此同時，冷卻水W經(jīng)空隙42，斜槽40a，空隙41送入使發(fā)射頭10冷卻，而后，經(jīng)開口38流出，流到組織M的表面上並冷卻組織M。
本發(fā)明的透射部件最好由天然或人造陶瓷材料，例如，金剛石、蘭寶石、石英等耐熱材料制成。
對激光的折射率大于透射部件的光散射粒子由天然或人造材制構(gòu)成，如金剛石、蘭寶石、石英(最好是熔點(diǎn)高的)，單晶氧化鋯，高熔點(diǎn)玻璃，可透光并耐熱的合成樹脂，反射激光的金屬，以及一種鍍有一層反射激光的金屬如金、鋁的反射或不反射激光的金屬粒子，以及用如鍍金等表面處理法處理的類似的粒子。
考慮到粘合劑的制造方法，透射材料最好由可透射的粒子構(gòu)成，這些粒子熔化時可形成一層膜，同時透射粒子最好是耐熱的天然或人造材料，如蘭寶石、石英、玻璃，透光並耐熱的合成樹脂等?？梢詮倪@些材料中選出一種合適的透射材料，但要考慮其與透射部件的關(guān)系。
激光吸收粒子由碳、石墨、氧化鐵、二氧化錳及其它任何能吸收激光而產(chǎn)生熱的材料制成。
各種粒子在表面層中的含量(重量百分比)及各粒子的平均尺寸最好在下表中的范圍內(nèi)，最佳含量和尺寸在括號中含量(重量百分比)粒子平均尺寸(μm)光散射粒子(A)90～10.2～300(70°～20)(0.2～500)透射粒子(B)10～900.2～500(20～50)吸收粒子(C)90～10.2～500(70～10)(1～100)表面層的厚度較好為10μm～5mm，最好是30μm～1mm。表面層用下列方法形成。如果不能用該方法一步形成表面層的理想厚度，應(yīng)重復(fù)此步驟直至獲得滿意的厚度為止。
將上述三種粒子在一彌散介質(zhì)中彌散，而后把它加熱到高于透射粒子熔點(diǎn)的溫度，然后，將透射部件浸入被加熱的彌散介質(zhì)中。
另外，也可將上述三種粒子熔化后噴在透射部件上。
也可用其它方式形成表面層。
于是，通過上述第一種方法，能將彌散上述三種粒子的彌散液涂在透射部件上。此外，這種噴涂方法能簡化操作，因為只是要作透射部件表面層的部分需要浸入彌散液中并從中取出。因此，這種方法是實際可行的。
可以利用適當(dāng)?shù)囊后w，如水、酒精及其混合物作為彌散介質(zhì)。此外還要加糖或淀粉以增加彌散介質(zhì)的粘度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在透射部件1的表面上形成表面層5增加了被激光照射的組織的面積，這是由于激光從表面層的許多方向射出，如圖2所示。
另一方面，發(fā)明人利用圖5所示的發(fā)射頭進(jìn)行了下述實驗。
下文中，光散射粒子，光吸收粒子及透射粒子的含量分別稱為(A)、(B)和(C)。本發(fā)明人在(A)∶(B)＝2∶1的固定條件下，試驗了下列兩個參數(shù)隨(C)的變化。一個參數(shù)是，能開始對豬肝進(jìn)行切割的激光功率，另一個是碳化層X下面的凝聚層Y的深度。從而獲得了圖6的結(jié)果。
根據(jù)這一結(jié)果，當(dāng)(C)的百分比高時，可以用較低的激光功率開始切割，而且可以使發(fā)射頭快速移動。然而，被處理的組織的止血效果隨凝聚層深度的減小而減少，這是因為可以通過凝聚層的深度了解止血的效果。因此，表面層(C)含量高的發(fā)射頭可有效地用于對能夠承受損傷的組織，如皮膚，脂肪等進(jìn)行切割。
另一方面，(C)含量低的發(fā)射頭可用于對特別需要止血的組織如肝臟、心臟等進(jìn)行切口。在這種情況下，當(dāng)然需要提高激光發(fā)生器的輸出功率并緩慢移動發(fā)射頭。
就上述實驗，本發(fā)明人導(dǎo)出下面兩個方程式(1)和(2)((C))/((A)+(B)+(C)) ∝ (加熱用的激光能量)/(入射激光能量) (1)
((A)+(B))/((A)+(B)+(C)) ∝ (加熱用的激光能量)/(入射激光能量) (2)方程(1)說明熱量的產(chǎn)生隨(C)的增加而增加，這樣，切割主要靠蒸發(fā)進(jìn)行。因此，激光不能在組織中穿入得很深，這是因為大部分入射激光的能量用于產(chǎn)生熱能。結(jié)果，由于激光沒有然入組織中，凝聚層的深度就減小了。
方程式(2)說明，隨著(C)的增加，大量的入射激光能量深入組織中，組織因吸收激光而被加熱，因此在組織中產(chǎn)生凝聚。
如果預(yù)先制備若干種表面層(C)含量不同的發(fā)射頭，就可根據(jù)醫(yī)療目的選擇一種合適的進(jìn)行治療。
本發(fā)明的發(fā)射頭不僅限于圖2所示形式，也可以是圖9所示的具有半球形端頭和一表面層5的柱形發(fā)射頭10A。雖然沒有示出，但也可采用一內(nèi)表面上有表面層的柱形發(fā)射頭。此外，也可利用光纖11作為復(fù)蓋有一層表面層5的透射部件的發(fā)射頭，如圖4所示。
另一方面，本發(fā)明的可透射激光的物質(zhì)也可作為一個發(fā)射頭進(jìn)行熱療，或用作測量光熱轉(zhuǎn)換的光功率計，也可作激光手術(shù)刀。
權(quán)利要求
1.一種能透射激光的物質(zhì)，具有一可透射激光的部件，其上覆蓋有一層表面層，它包含激光吸收粒子和折射率大于所述透射部件的光散射粒子。
2.一種能透射激光的物質(zhì)，具有一可透射激光的部件，其上覆蓋有一表面層，它包含激光吸收粒子，折射率大于所述透射部件的散射粒子，以及作為粘合劑的可透射激光的材料。
3.權(quán)利要求1或2的能透射激光的物質(zhì)，其中，透射部件具有一不光滑的表面，其上覆蓋上述表面層。
4.一種通過在可透射激光部件上形成一表面層未制造可透射激光物質(zhì)的方法包括將上述透射部件與一彌散液接觸，彌散液中包含激光吸收粒子和折射率大于該透射部件的光散射粒子。
5.一種通過在可透射激光部件形成一表面層來制造可透射激光物質(zhì)的方法，該方法包括下列步驟(a)將上述透射部件與一彌散液接觸，該彌散液中至少含有激光吸收粒子，折射率大于上述透射部件的光散射粒子，以及熔點(diǎn)等于或低于上述透射部件的光透射粒子;(b)將上述透射部件與彌散液在高于透射粒子熔點(diǎn)的溫度下并在透射部件能保持其形狀的限度內(nèi)進(jìn)行烘烤。
全文摘要
一種能透射激光的物質(zhì)具有一表面最好不光滑并蓋有一表面層的透射部件，層中包括激光吸收粒子，折射率大于透射部件的光散射粒子，最好還有粘合劑。激光在表面層中不規(guī)則地反射和折射。其制造方法包括將透射部件與含有上述兩種粒子的彌散液接觸來形成透射部件上的表面層，另一種方法是將透射部件與至少含有上述兩種粒子和熔點(diǎn)低于透射部件的透射粒子的彌散液接觸，在高于透射粒子熔點(diǎn)的溫度下并在透射部件不變形的限度內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)。
文檔編號A61B18/20GK1043438SQ8910923
公開日1990年7月4日 申請日期1989年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月12日
發(fā)明者大工園則雄 申請人:外科鐳射科技日本公司