光學探頭系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學探頭系統(tǒng)，并且更具體地涉及包括被布置用于將第一輻射束轉(zhuǎn)換為電能的光電設備的光學探頭系統(tǒng)，本發(fā)明涉及對應的光學探頭，并且本發(fā)明還涉及對應的方法。
【背景技術】
[0002]有一種明顯的和持續(xù)的趨勢是利用微創(chuàng)(MI)介入替換常規(guī)外科手術過程。減少的創(chuàng)傷、更短的住院時間以及降低的成本是采用微創(chuàng)技術的最重要的驅(qū)動因素。為了實現(xiàn)醫(yī)學儀器的進一步創(chuàng)新一一從而實現(xiàn)更先進和更有挑戰(zhàn)性的MI介入一一需要將用于體內(nèi)成像和生理測量的微型傳感器集成在如導管和導絲的儀器中。
[0003]將數(shù)據(jù)和功率遞送到長而細的設備(例如用于成像、感測、致敏或者甚至消融的醫(yī)學導管或?qū)Ыz)的端部可能是困難的。最重要的是，包括高數(shù)據(jù)速率返回通道甚至更成問題。這是由于以下幾個原因。
[0004]首先，醫(yī)學介入所必需的小橫截面(即小直徑)與導絲或?qū)Ч艿拇箝L度的組合嚴重限制了可以被集成在這樣的儀器中的電線的總數(shù)。
[0005]其次，對(多根)電線的集成折損儀器的靈活性，而靈活性是這類儀器的關鍵屬性。
[0006]第三，對于諸如在端部處的超聲換能器或敏感測量所要求的高數(shù)據(jù)速率，常需要同軸線纜，與單芯線相比較，所述同軸線纜需要甚至是更多的空間。
[0007]第四，由于導致連接的電子設備中的電磁干擾并且還可能導致組織加熱的電線中的共振/電線的共振，具有電線的儀器典型地不兼容對MRI的使用。另外，細的電纜典型地不可以支承在導管遠端使用的相對高的電量。
[0008]再者，由于它們的一次性使用，導管和導絲必須被以相對簡單和高成本效益的方式來制造。
[0009]美國專利7831152公開了一種光學收發(fā)器，所述光學收發(fā)器用于探測入射光束，并且用于沿公共光學軸發(fā)送出射光束，出射光束可以含有控制信號或信息信號。這樣的光學收發(fā)器提供一種適合于廣泛的各種應用(例如導管或其他類型的探頭)的緊湊的收發(fā)器。在一些實施例中，光功率被提供到光學探測器，所述光功率被轉(zhuǎn)化為在光學探頭的遠端使用的電能。
[0010]這種設備的一個缺點是例如對特定的多結和/或堆疊光電設備的使用。另外，該設備是基于GaAs/AlGaAs的，因此其具有相對低的帶隙，并且因此產(chǎn)生的電壓太低以至于不能僅利用一個結來對硅基電子器件供電。另外，As的毒性對在醫(yī)學設備中的使用可能是一個問題。
[0011]本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識到，經(jīng)改進的光學探頭系統(tǒng)是有益的，并且因此設計了本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]實現(xiàn)經(jīng)改進的光學探頭系統(tǒng)將是有利的。還期望使得光學探頭系統(tǒng)能夠更快地和/或更精確地工作，特別是具有較高的數(shù)據(jù)傳送和/或在探頭的遠端處提供的相對較高的功率。一般地，本發(fā)明優(yōu)選尋求單獨地或以任意組合來緩和、減輕或消除上述缺點中的一個或多個。具體地，本發(fā)明的目的可以被看作是提供一種解決現(xiàn)有技術的上述問題或其他問題的系統(tǒng)和方法。其他問題可以是允許導管/探頭的端部處的小光電設備以使得有創(chuàng)醫(yī)學設備保持相對較細并且還使得組織加熱被避免和/或被最小化的效率和/或高功率密度。
[0013]為了更好地解決這些考慮中的一個或多個，在本發(fā)明的第一方面中，提供了一種光學探頭系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0014]能夠發(fā)射第一福射束的福射源，所述第一福射束包括光能和第一數(shù)據(jù)，
[0015]光探測器，所述光探測器被布置為用于探測第二輻射束，以及
[0016]光學探頭，所述光學探頭在其近端被光學連接到所述光探測器和所述輻射源，所述探頭具有能夠?qū)⑦h端與所述近端連接的光導，所述光學探頭在其遠端處具有光學轉(zhuǎn)換器電路，所述電路包括:
[0017]-應用設備，所述應用設備被布置用于在所述探頭的所述遠端處進行監(jiān)測和/或操縱，所述應用設備被布置用于生成指示所述應用設備的功能的第二數(shù)據(jù)，以及
[0018]-光電設備，所述光電設備被布置用于將所述第一輻射束轉(zhuǎn)換為電能，并且用于接收所述第一數(shù)據(jù)，所述第一數(shù)據(jù)與所述應用設備的所述功能相關，所述光電設備還被布置用于向所述光探測器發(fā)射所述第二輻射束，所述第二輻射束包括所述第二數(shù)據(jù)，
[0019]所述光電設備還被布置用于:
[0020]-將所述第一輻射束轉(zhuǎn)換為電能并且用于接收所述第一數(shù)據(jù)，并且
[0021]-向所述光探測器發(fā)射所述第二輻射束，所述發(fā)射能由入射的所述第一輻射束誘發(fā)，
[0022]其中，所述光學轉(zhuǎn)換器電路能由所述第一輻射束中的所述電能供電。
[0023]本發(fā)明特別但非排他性地有利于獲得一種經(jīng)改進的光學探頭系統(tǒng)，所述經(jīng)改進的光學探頭系統(tǒng)能夠以相對高的效率來在所述光學探頭系統(tǒng)的所述遠端處獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸和/或相對高的功率。
[0024]許多同時的優(yōu)勢也可以來自于使用被直接連接到在細長儀器的端部處的雙向光電設備的光導，例如光纖。這可能特別在用于導絲或?qū)Ч艿尼t(yī)學領域中是真實的，雖然本發(fā)明還可以適用于光學探頭可以被有益地使用的其他領域中。
[0025]提出了使用在所述遠端處被鏈接到雙向光電設備的光纖，所述雙向光電設備僅從近端通過由所述光導或光纖投入并引導的光來尋址和供電。
[0026]雙向光電設備的典型的范例可以是半導體光發(fā)射器:它們也可以被用作光探測器。雙向光電設備例如是:LED、RCLED (諧振腔發(fā)光二極管)、半導體激光器或VCSEL(垂直腔表面發(fā)射激光器)ο注意到所有這些設備都由直接帶隙材料制成，雖然本發(fā)明也可以利用間接帶隙材料來實施。
[0027]另一個優(yōu)勢可以從這樣的事實看出，即所述探頭的所述遠端附近的組織的溫度升高以及因此的組織上的功率負荷應當被限制。這是為了防止對組織的加熱到比42°C的變性溫度更高的溫度。除了其他因素，這可能要求:
[0028]-在導管或?qū)Ыz的所述端部處的有效功率轉(zhuǎn)換。
[0029]和/ 或
[0030]-通過水或其他冷卻劑流經(jīng)所述導管來冷卻所述端部。這將允許高得多的功率被遞送到所述儀器的所述端部，以便于補償所述光電器件和/或電子器件中、所述導管內(nèi)、或?qū)Ч芘c組織之間的界面上的損失。然而，這種解決方案可能折損儀器中可用的橫向空間。
[0031]應當注意到，在本發(fā)明的上下文中，激光器或功率LED是較理想的光伏轉(zhuǎn)換器，這是由于它們的低固有串聯(lián)電阻率以及它們對于窄波長帶的優(yōu)化。當被利用具有優(yōu)選地比在它們產(chǎn)生光時的正常操作條件下稍短(例如2-20%，如5-10% )的波長的光照射時，LED和類似的激光器兩者典型地都產(chǎn)生基本電流。看起來具有405納米的藍光盤紫激光器與的組合與通常在440-450納米上操作的來自Philips Lumileds或Osram的一些高功率藍色LED很好地一起工作。目前，高功率LED或激光器特別適合于高功率和高功率密度的光伏轉(zhuǎn)換。可以想象，新的、專用的、甚至是更優(yōu)化的光伏轉(zhuǎn)換設備將在未來被設計出，該光伏裝換設備在考慮到本發(fā)明的通用原理和教導時可以被具體地實現(xiàn)。
[0032]此外，應當注意，當照射LED(或激光器)時，可能產(chǎn)生所謂的光誘發(fā)的電致發(fā)光(PIEL)，例如參見 F.Schubert、Q.Dai, J.Xu, J.K.Kim 和 F.Schubert 在 AppliedPhysics Letters,95 卷，191105 (2009)中的“Electroluminescence induced byphoto luminescence excitat1n in GalnN/GaN light-emitting d1des，，，這里通過弓 I 用將其整體并入。該參考文獻解釋了光誘發(fā)的電致發(fā)光背后的物理原理，可以有益地將該物理原理應用在根據(jù)本發(fā)明的光學探頭中。這種PIEL發(fā)光的強度典型地取決于在LED設備終端上的電負載，并且因此可以由在遠端處的電子器件來調(diào)制，而不需要LED設備的電功率；所述對LED設備的電功率的需要將要求比帶隙更高的電壓來克服在LED和驅(qū)動電路中的電阻損耗。在所描繪的狀況下，功率直接來自在近端處的激光器或輻射源，通常會出現(xiàn)更少的電阻損耗(以及相關聯(lián)的電壓降)。這為使用單個設備的數(shù)據(jù)返回通道提供了很好的方式，即，本發(fā)明以新的且有利的方式實現(xiàn)了光學數(shù)據(jù)多路復用。在功率LED (例如PhilipsLumileds Luxeon Rebel)的情況下，帶寬將在IMHz的量級上。在激光器被用作遠端處的雙向光電設備的情況下，帶寬期望在400兆赫或甚至更高的量級上。
[0033]由本申請?zhí)峁┑挠糜跀?shù)據(jù)通信的光學鏈路的額外優(yōu)勢是其MRI兼容性以及近端和遠端的完全電絕緣。還注意到，身體本身的電阻提供電絕緣的實際值的自然下限。
[0034]本發(fā)明的擴展的應用還可以采用使用有限數(shù)量(例如2根)(細的、高電阻)的電線的組合來遞送高電壓(大于幾伏，典型地為100伏)以用于對端部處的傳感器設備(例如CMUT超聲接收器或換能器)的偏置，同時所述光學鏈路被用于供電以及編程并控制所述傳感器設備(例如數(shù)據(jù)多路復用器)，并且傳輸數(shù)據(jù)。在一個實施例中，電路的高電壓部分的電阻抗可以是大的(即具有(準)靜態(tài)偏置電壓的電容器或高阻抗電阻器)，在這種情況下，電線的電阻也可以被選擇為大的，與全電氣解決方案相比，這提高了本發(fā)明的解決方案的MR-兼容性。在優(yōu)選實施例中，高電阻電連接可以是光纖的涂層的集成部分，或者甚至是涂層本身。典型地電阻為IM Ω。
[0035]本發(fā)明可以具體地與在醫(yī)學應用或其他類似應用中使用的光學形狀感測纖維一起來