專利名稱：帶光束整形用衍射光柵的激光導管的制作方法
技術領域：
本發明涉及對利用輻射能切除斑塊及其它生物梗阻進行控制用的導管，更確切地說，涉及利用諸如衍射光柵之類的裝置對輻射能束進行整形的導管。
對于一些治療梗阻血管的非外科技術進行過調查。這類技術包括有氣囊血管成形術，其中梗阻區內的通道是用擴張的氣囊形成的;激光氣囊血管成形術，其中同時施加以熱量及壓力，以增大穿過血管的通道;以及被稱之為“熱端”(hot tip)的技術，其中的高溫加熱元件是穿過斑塊沉積物來形成通道。其它被廣泛調查過的技術，包括使用輻射能(具有代表性的是激光能)通過汽化或部分切除術來切除梗阻，例如斑塊沉積物。該激光切除技術使用的是帶有一根或多根光纖的導管，此光纖則穿過該導管伸向其遠側端。該導管向前穿過血管到達梗阻部位，而且切除斑塊用的適當波長及強度的激光能則穿過此光纖射出。使用激光能切除斑塊用的導管，已經公開在1989.4.4頒發給Roth等人的美國專利No.4，817，701以及1989.7.25頒發給Herman等人的美國專利No.4，850，351中。
對于使用激光能切除梗阻用的導管，必須符合一些重要要求。該導管的直徑必須很小，而且是高度柔韌的，以使它能被推進到小直徑血管內的梗阻上。時常要求導管要配備導向的金屬絲使用，以幫助該導管定位。在這種情況下，導管必須特別適用帶導向金屬絲的。通過單根或多根光纖射出的激光能，必須具有足夠的強度以切除斑塊沉積物，但又必須能按一定方式控制，以排除由于激光能使血管壁穿孔的可能性。通過控制激光能的圖樣模式，以使高強度僅在恰好超出導管遠側端部之外的淺薄工作區內出現，就可以防止血管穿孔。
通常要求激光能會在梗阻內形成一個足夠直徑的洞，以讓該導管能夠通過(約為1.5毫米)。讓該導管穿過它形成的洞，并且反復地施加以激光能，以便形成一個穿越長的梗阻的通道。一般習慣于讓激光束以很小的發散度投射在激光導管內的光纖近側端，以為通過該光纖提供良好的透射并減少該光纖內的彎曲損耗。然而以很小發散度入射激光束的結果，是使由此光纖遠側端發出的激光能具有很小的發散角，通常約為6°的數量級。具有很小發散度的激光束通過直徑為200微米數量級的光纖，不對此激光束進行變換，便不能形成足以通過該導管直徑的洞。
通過使用透鏡裝置及/或利用多根光纖而使從光纖中出射的激光束擴展，可以得到接近于導管直徑的洞。然而當光纖的數量增加時，導管的柔性就會降低。從理論上說，透鏡裝置可被用來使一束或多束激光擴展。前面提到的美國專利No.4，817，601公開了一種激光導管，就具有能提供所需要的激光輻射圖樣的透鏡裝置。然而從實踐上看，使用在冠狀血管成形術導管中的足夠小規格的透鏡組件，是難以制造的，特別是在使用多根小直徑光纖時。透鏡組件必須能夠耐得住切除梗阻所要求的高強度激光能。使激光束擴展的另一種途徑，被公開在前面提到的美國專利No.4，850，351中。具有足夠厚度的窗被裝在導管的遠側端，能使激光束從該導管的遠側端部出射之前就被發散開。然而這樣的窗會使導管端部區的柔性降低。
在已有技術如1989.1.31頒發給Fox等人的美國專利No.4，800，876中公開的其它各種透鏡裝置，所公開的血管成形術用激光導管，包括有多根光纖以及每根光纖遠側端的透鏡裝置。由會聚透鏡將激光束聚集并防止其朝向腔壁發散，并且由棱鏡將此激光束彎向腔的中心。1981.6.16頒發給Enderby的美國專利No.4，273，109公開了一種內窺鏡，其中的光是透過終止在透鏡系統之上的光纖的，此透鏡系統不是具有會聚特性就是具有發散特性。1981.5.12頒發給Ogawa的美國專利No.4，266，534，公開了一種內窺鏡用的照明部件，其中的窗復蓋在光纖的遠側端。該窗包括具有不同半徑的球面透鏡部分，以提供很均勻的照明圖案。為光纖用的準直透鏡，包括在圓柱形另件上形成的菲涅耳透鏡圖案，被公開在1989.3.28頒發給Kaneko等人的美國專利No.4，815，807中。對于激光束外形分布整形用的二元交替衍射光柵，被公開在W.B.Veldkamp發表在《應用光學》Vol.21，No.17，1982.9，PP.3209-3212的文章中。
本發明總的目的是提供一種改進的導管，用于控制使用輻射能切除生物梗阻。
本發明又一個目的是提供一種導管，它在光纖的遠側端有一塊衍射光柵，以對由此導管發出的輻射能空間分布圖案進行控制。
本發明進一步的目的是提供一種使用輻射能除生物梗阻用的導管，該輻射能所具有的空間分布，能夠減少或者完全排除血管壁穿孔的可能性。
本發明還有另一個目的，就是提供一種直徑很小而且高度柔韌的導管。
本發明尚有另一個目的，就是提供一種價格低廉、制造容易的導管。
本發明另外還有一個目的就是提供一種導管，它有一個細胞組織能被輻射能切除的工作區，該工作所具有的軸向深度很短，而且直徑約等于此導管的直徑。
本發明更進一步的目的，是提供一種用在透照法血管成形術中的改進的激光導管。
本發明再一個目的是提供一種導管，它包括至少一根光纖及一個對于由此光纖發出的激光輻射的空間分布圖案進行變換用的裝置。
按照本發明，所有這些以及其它一些目的和優點，均能在使用輻射能(通常是激光能)切除生物物質用的導管中實現。此導管包括帶有近側端及遠側端的細長的導管設備;穿過該導管設備由其近側端伸至其遠側端的光纖設備，該光纖設備有一個遠側端部;以及透射衍射光柵設備，它裝在該導管設備遠側端或其附近，以使由該導管設備近側端穿過該光纖設備射出的輻射能，將通過此透射衍射光柵設備并被其變換為照射生物物質所需要的空間分布圖案。
該透射衍射光柵設備，最好由其近側表面上帶有透射衍射光柵的窗構成。此光纖設備的遠側端部，要靠折射率不同于窗的材料將其與透射衍射光柵隔開。最好是靠很小的空氣間隙將此光纖設備的遠側端部與透射衍射光柵隔開。在另一種實施例中，此透射衍射光柵是制作在光纖設備的遠側端面上的。
透射衍射光柵，至少能在與導管設備軸線垂直的一個尺寸上將輻射能擴展。最好是使利用透射衍射光柵提供的輻射能圖案所具有的橫截面尺寸，其直徑約等于導管設備的直徑。
透射衍射光柵可以由大量已知光柵圖案中的任一種圖案構成，其中包括平行的光柵槽、格網型的光柵槽圖案、輻射狀光柵槽或者全息光柵圖案。最好是使光柵圖案具有非均勻間隔的光柵槽，以便能提供基本上均勻的空間能量分布。
光纖設備可以包括單根光纖和多根光纖。在最佳實施例中，多根光纖被環繞安裝在導管的遠側端，而且該窗包括有同導管設備內腔連通并且位于中央的孔。導向金屬絲則穿過該導管并通過窗內的發射孔，以幫助該導管定位。透射衍射光柵可由多個制作在窗上的光柵片段來構成，其中每個光柵段都同各自的光纖對準。
本發明進一步的狀況是，在窗的遠側表面上可以提供面向近側的反射層。輻射能在通過此透射衍射光柵之后，將大體按近側方向反射，以提供所需要的圖案。
本發明還有另一種狀況是，窗的近側表面上至少制作有一個凹槽。透射衍射光柵則制作在此凹槽的端壁上面。當光纖裝在光纖座內而且此光纖的遠側端與光纖座的端面齊平時，此透射衍射光柵與此光纖的遠側端相隔以凹槽的軸向深度。
本發明的另一方面，是有一個使用輻射能從體腔中切除生物物質用的導管。該導管包括一個具有近側端及遠側端的細長的導管體;至少一根光纖，穿過該導管體由近側端伸至遠側端;以及整形設備，用來將射出光纖的輻射能在垂直于導管體的平面內變換為非圓形分布圖案。此非圓形的分布圖案，具有代表性的是在橫截面內為細長的，而且還可以是橢圓的。
該整形設備可以包括裝在導管體遠側端或其附近的透射衍射光柵，以使由光纖出射的輻射能可以射過透射衍射光柵，如前所述。可供選擇的另一種方案是，該整形設備可以包含一段光纖，它在導管體的遠側端附近有非圓形的橫截面。在帶有多根光纖的激光導管中，非圓形的光束橫截面是特別有用的。來自多根光纖的具有細長橫截面的激光束，可以組合在一起以提供所需要的光束圖案，例如環形的光束圖案。這種整形設備能夠用比已有技術的導管中可能少得多的光纖，就能提供所需要的光束圖案。
為了更好地理解本發明以及本發明的其它和進一步的目的、優點和性能，茲對附圖加以介紹，該附圖在此被結合作為參考，其中，
圖1表示本發明帶單根光纖的激光導管;
圖2為圖1所示激光導管的遠側端部放大及簡化了的截面剖視圖;
圖3表示本發明帶多根光纖及金屬絲導向的激光導管;
圖4為圖3所示激光導管的遠側端部放大及簡化了的截面剖視圖;
圖5為圖3所示導管遠側端部的另一種實施例的截面剖視圖;
圖6A-6C表示適用于本發明的衍射光柵圖案;
圖7表示用于四根繞圓周彼此隔開的光纖的環形衍射光柵的實例;
圖8為表示配備有圖7所示衍射光柵的環形導管窗端視圖及激光束橫截面的示意圖;
圖9為表示配備有三根繞圓周彼此隔開的光纖及衍射光柵的環形導管窗端視圖及激光束橫截面的示意圖;
圖10為表示配備有四根繞圓周彼此隔開的非圓形光纖的環形導管窗端視圖及激光束橫截面的示意圖;以及圖11為圖1所示導管遠側端的另一種實施例的放大及簡化了的截面剖視圖。
單根光纖的激光導管，表示在圖1中。該導管是由細長的柔性管10制作而成的，譬如可由合適的塑性材料模壓而成。柔性管10有一個內腔12以封入光纖14，如圖2所示。該導管的遠側端配備有蓋或者導管窗16。經過光纖14透射出來的輻射能將穿過窗16，并且按照受控的予定圖案由窗16遠側端上的發射孔18發射出去。
在導管的近側端，從接頭20中伸出柔韌的管子22和24。光纖14就是通過接頭20和柔性管22伸向連接器26的。連接器26適合于同輻射能源如激光器27耦合。光纖14的近側端將接收來自激光器27的輻射能，并沿其長度將此輻射能傳導至及通過窗16。柔性管24經過接頭20與柔性管10的內腔12相通，并且配備有傳統的路厄氏連接器28。該連接器28提供一條供液體或者氣體流過管10中內腔12用的通道。柔性管10上還可以配備許多小孔30，以便能同導管遠側端所處位置的血管區相通。
導管遠側端部的放大及簡化了的截面剖視圖，表示在圖2中。導管窗16是用隨意一種傳統手段(例如使用粘合劑)貼附在管10遠側端的。窗16及管10最好具有相同的外徑。窗16對于激光器27波長范圍內的輻射能基本上是可以透過的。圓柱形的光纖座36有一個中心孔以夾持光纖14。該光纖座36能使光纖14與窗16按固定的關系定位。導管窗16有一個遠側表面40及一個近側表面42。
根據本發明的一種實施例，透射的衍射光柵44是制作在窗16的近側表面42上的。該衍射光柵44被定位在窗16上而與光纖14成一定關系，以便截取從光纖14遠側端發射的激光束46。衍射光柵44的用途，是為了對激光束46的空間分布進行變換。如在隨后詳細描述的那樣，此衍射光柵44包括有在窗16上的一系列光柵槽。激光束46將通過此衍射光柵44，并且按不同的方向彎曲或者衍射。經過光柵44衍射之后，激光束46在通過窗16時將發散，而且在它從遠側表面40中發射之后將繼續發散。
通過對光柵44的參數以及窗16的軸向厚度進行適當選擇，可以在表面40上或在與表面40分開且平行的平面上將激光束46擴束為導管的直徑。當此激光束46被擴展為導管直徑的時候，該導管就可被用來在梗阻上面形成一個直徑約等于該導管直徑的洞，從而能夠讓該導管穿過此洞。因而，通過反復施加激光能量及讓該導管穿過所形成的洞，就能將長的梗阻切除。此外，通過讓激光束46發散，激光束的強度會在遠側方向上迅速地下降到足以切除或者融化細胞組織的水平之下。因而，血管穿孔的危險降到了最低。
正好處在衍射光柵44前面的材料，必須具有不同于構成光柵材料的折射率。在圖1中，光柵44是制作在導管窗16上面的。由于光纖14可能具有的折射率接近于窗16的折射率，所以最好是通過一段較短的距離將光纖14的遠側端部(tip)分開，通常約為25微米的數量級。因此在光纖14的遠側端部(tip)和窗16之間配備有空氣間隙。可以理解，不同于空氣的材料也可被利用來保障衍射光柵44表面處有不同的折射率。
包括有多根光纖并且予定要使用導向金屬絲的激光導管，表示在圖3中。該導管用編號60表示，伸過該導管的導向金屬絲用62表示。該導管60有一個具有外徑為1.5毫米數量級的主體部分68。分線接頭70是被模壓在主體部分68的近側端的，而且有多根管72從分線接頭70的近側伸出。每根管72都配備有單根光纖，而且在其近側端都有一個連接器74，以便將每根管72內的光纖都同激光能源(圖中未表示)連在一起。導管60還包括一根輔助柔性管76，它伸過此導管而同內腔連通，而且導向金屬絲62也通過此導管。輔助柔性管76帶有一個接頭78，它可以是路厄氏連接器，能夠將柔性管76連在液體導入裝置和/或壓力監控裝置上。接頭78可以連接在傳統的Y型接頭上，以使導向金屬絲62能受控制，同時又能讓液體導入和/或壓力監控。
導管60的主體部分68，通常包括有由外管82環繞的內芯或者內管80。內管80限定一個內腔，而導向金屬絲62則通過此內腔。光纖在內管80和外管82之間的環形區域中間伸過。通常有一個圓柱形的蓋或者導管窗90貼附在外管82的遠側端。
導管60遠側端的簡化截面剖視圖，表示在圖4中。光纖92和94在內管80和外管82之間的環形區域中間伸過，并靠光纖座96夾持相對窗90在固定位置。該光纖座96包括一些繞圓周彼此隔開的夾持光纖92及94用的孔以及內管80用的中心孔。內管80從光纖座96中伸過，并被封接到窗90上的中心孔中。內管80提供一個供導向金屬絲62通過導管60遠側端用的內腔。該導管包括多根繞圓周彼此隔開的光纖，其中的兩根表示如光纖92和94。光纖92和94中的每一根，都靠光纖座96夾持在同窗90保持固定及分開的關系。有關金屬絲導向激光導管結構的進一步細節，已公開在前面提到的美國專利No.4，850，351中，它在此被結合作為參考。
窗90包括有環形的遠側發射表面104及環形的近側表面106。根據本發明的另一種實施例，透射衍射光柵108及110是制作在窗90的近側表面106上的，并按一定方式定位以分別截取由光纖92及94發射的激光束。衍射光柵可以加工成單獨的光柵或者一些光柵片段，使其定位在近側表面106上以截取每一條激光束。作為一種替代方案，在近側表面106上可以制做尺寸足夠大的以截取來自所有光纖激光束的單塊衍射光柵。
衍射光柵108和110能使由光纖92和94發射的激光束發生衍射，從而使該光束在通過窗90時被發散，而且在從遠側表面104發射之后繼續發散。光纖92和94的遠側端部是同衍射光柵108和110隔開的，以便在鄰近衍射光柵108和110處提供一段短的空氣間隙。對于窗90軸向厚度的選擇，要同衍射光柵108及110的參數結合，以便能在遠側發射表面104上提供所需要的光束橫截面。最好是使透過每根光纖的激光能量構成的合成光束，能在遠側表面104上或在與其分開的平面內具有足夠的直徑，以形成能夠被導管60通過的洞。
具有其它窗結構的導管60的實施例，表示在圖5中。在圖4及圖5中，相同的元件具有相同的編號。通常圓柱形的窗120總是貼附在外管82的遠側端。光纖92和94靠光纖座96夾持對窗120成固定位置，如圖4所示及在上文中描述的那樣。內管80從光纖座96中伸過并且被封接在窗120上的中心孔，以提供一個能讓導向金屬絲62通過導管遠側端的內腔。
窗120包括有環形的遠側發射表面124及環形的近側發射表面126。窗120通常具有比圖4中的窗90大一些的軸向尺寸。在近側表面126上制作有凹槽130和132。該凹槽130和132分別與光纖92和94對準，并且朝后按遠側方向穿過窗120延伸。衍射光柵134及136分別制作在凹槽130及132的端壁上面。最好是使窗120的近側表面126緊靠在光纖座96上，而且光纖92和94的遠側端部能與光纖座96的遠側端齊平。這種結構能夠保證靠一段予定等于凹槽130，132軸向深度的距離，可以將衍射光柵134及136同光纖92及94的遠側端部隔開，而不需要特別的對中過程。凹槽可以制作成專用的同每根光纖對準的凹槽。另一種可取的方案是，單一形式的環形凹槽，可以同繞圓周彼此隔開的多根光纖對準。衍射光柵134和136的工作方式已如上所述，是為了將由光纖92和94分別發射的激光束擴束。
正如前面論述過的那樣，在激光導管遠側端部導管窗表面上制作的透射衍射光柵，是為了控制激光束的圖案，更確切地說是為了將激光束擴展成所需要的規格及形狀。制造衍射光柵的理論和技術，在已有技術中是公知的，如在Jobin Yvon有關光學系統的《刻制衍射光柵及全息衍射光柵手冊》中描述過的那樣，在此被結合作為參考。在激光導管窗上應用的衍射光柵，根據本發明可以有各種結構，取決于所要求的光束圖案及所應用的光纖數量。
傳統的衍射光柵，如在圖6A中表示的那樣，它包括制作在窗表面上的許多條平行的光柵槽140。光柵槽的寬度和深度以及光柵槽之間的間隔，是激光波長的函數。光柵槽參數的選擇，要與所應用的激光波長及所要求的光束圖案相適應。平行的光柵槽會使激光束在垂直于該光柵槽140長度的方向上產生彎曲。因此激光束只在一個尺寸上擴展。具有相同光柵槽間隔的衍射光柵，可以產生擁有限定角度的最大及最小的瓣葉形圖案。
在激光導管中，通常以提供總體上均勻空間分布的激光(能)強度更為可取，以保證在光束圖案中能均勻地切除組織。基本上均勻的分布，可通過應用具有非均勻光柵槽間隔的衍射光柵來提供，最好是偽隨機間隔。這種結構趨于使該瓣葉形圖案變得平滑并產生更加均勻的能量分布。已經知道，入射在生物組織上的激光能量可被散射。散射量的大小局部取決于激光能的波長。在某些情況下，可能需要使用具有相同光柵槽間隔的衍射光柵，并且依靠散射將瓣葉形圖案中的強度變化變得平滑。
為了提供能在兩個尺寸上擴展的光束，圖6B中表示的衍射光柵圖案可以利用，它包括第一組平行的光柵槽142以與其垂直的第二組平行的光柵槽144。在圖6B中，垂直方向表示的光柵槽142具有相同的間隔，而水平方向表示的光柵槽144則具有不均勻的間隔。正如前面論述過的那樣，光柵槽參數的選擇，要與所應用的激光波長及所要求的光束圖案相適應。其它適合的衍射光柵圖案，包括圖6C中表示的輻射狀光柵槽148，它是由中心點(通常是導管的軸線)輻射出去的。也可以應用全息衍射光柵。制做全息衍射光柵的技術，公開在前面提到的Jobin Yvon的手冊中。
在最佳實施例中，導管窗是石英玻璃的，而且衍射光柵槽的制作，是用傳統的光刻或者電子束平版印刷技術以及蝕刻或者離子蝕刻。作為電子束制造全息圖方面的技術，已由S.M.Arnold公開在《光學工程》，Vol.24，No.5，九、十月合刊，1985，pp 803-807中，它在此被結合作為參考。這種被公開的技術，可被應用來制造光柵槽尺寸為幾微米數量級的衍射光柵。
正如前面論述過的那樣，最好將衍射光柵制作在激光導管窗的近側表面上。這種結構可以保護衍射光柵，并能使通過光柵之后的激光束在其從導管的遠側發射表面出射之前即被擴展。在另外一種實施例中，衍射光柵是制作在窗的遠側表面上的。然而在這種情況下，導管的遠側端必須同打算切除的梗阻隔開，以便提供足夠的距離以讓通過衍射光柵之后的激光束能被擴展。在還有另一種實施例中，衍射光柵是制作在激光能量射過的光纖的遠側端面上的。例如參照圖4及圖5，透射衍射光柵被制作在光纖92及94的遠側端面上。存在于光纖92及94的遠側端和對應窗之間的空氣間隙，能夠提供所要求的折射率差。
在衍射光柵被制作在窗的近側表面上的實施例中，最好通過一段空氣間隙將光纖的遠側端部與衍射光柵隔開。然而也可以利用其它材料來造成該材料折射率不同于制作衍射光柵處窗材料的折射率。雖然在這里描述的衍射光柵都是直接制作在導管窗上的，然而在本發明的范圍內也可以制作在位于從光纖發射的激光束通路中的單獨元件上。
已經了解到，斑塊沉積物與正常組織的差別在于梗阻區域能檢測到熒光。這種熒光通常是受透過光纖的激光能激勵產生的。該熒光按相反方向通過一根或多根光纖而被進行分析。在這里公開的衍射光柵，并不會對熒光的激勵和檢測發生干擾。被用來激勵熒光的波長及來自組織的熒光波長，通常要比用來切除梗阻用的激光能的波長短一些。由于光柵槽的尺寸和間隔為波長的函數，所以為切除梗阻使用的激光波長設計的衍射光柵，對于把熒光激勵和檢測聯系起來的波長是接近透明的。進一步說來，衍射光柵與光纖遠側端部的間隔要保持很小，通常約為25微米的數量級。由于熒光是沿相反方向通過激光導管窗的，所以任何由衍射光柵帶來的光束擴展必須發生在此衍射光柵與光纖遠側端部之間的空氣間隙內。當空氣間隙的尺寸很小時，所發生的光束擴展也非常小，而且多數的熒光能量都能被光纖收集到。
制作在圖4表示的這種類型環形窗上并在前面描述過的衍射光柵150實例，以放大圖的形式表示在圖7中。該衍射光柵150的結構，是為帶有四根環繞中心孔隔開的光纖154的導管用的。該衍射光柵150包括四個光柵片段150a，150b，150c和150d，分別與光纖154對準。光柵片段150a，150b，150c和150d中的每一個，都包括一些具有三測微(Micrometer)特性和偽隨機間隔的平行的光柵槽。這些光柵片段被制作在0.75毫米厚的石英玻璃窗上。由圖7表示的這種類型衍射光柵產生的光束圖案，示意表示在圖8中。環形的導管窗用編號152來表示。由光纖154發射的激光束，在與衍射光柵上的光柵槽垂直的方向上被擴展，以提供細長的圖樣156。
當衍射光柵是按照本發明制作在導管窗上時，窗的軸向厚度可為0.5～0.75毫米的數量級。對比起來，已有技術的不帶衍射光柵的導管窗，所要求的軸向厚度為1～2毫米數量級才能提供足夠的光束發散度。比較厚的導管窗，就會意外地增加導管遠側端的硬性。衍射光柵之所以能允許使用比較薄的導管窗，是因為激光能量可被該衍射光柵發散，并在較短的距離上擴展為所需要的直徑。
在激光波長給定的情況下，利用本發明很可能將切除梗阻需要的光纖數目減少。例如在波長為2.1微米的情況下，激光能量在組織中的散射比較低，曾經發現，使用金屬絲導向的激光導管，形成1.5毫米的洞需要七根光纖。通過使用本發明的衍射光柵，可將來自每根光纖的激光束擴展，而且使用不多幾根光纖就能形成所需直徑的洞，從而可使導管的柔性增加。使激光導管中的光纖數目減少額外帶來的好處，包括增加導管中的強度，局部降低成本及增加產量。
再一次參見圖8，光纖154發射的激光束是圓形橫截面。衍射光柵150則將此激光束變換或者整形為非圓形的伸長圖案156。非圓形的激光束圖案156可被用來造成梗阻的有效切除，同時又能使光纖數目減至最少及使血管受到損傷的危險降至最低。理想情況下，激光輻射應當從導管窗152的整個環形表面發射出去。當此光束圖案的直徑大于窗152時，血管受到損傷的危險便會增加。當此光束圖案的直徑比窗152小或者換句話說不能充滿窗152的發射表面時，切除過的組織可能不足以讓導管通過。
可以看出，伸長了的光束圖案156能比圓形的光束圖案更好地充滿窗152的環形面積。被擴展的圓形光束圖案則會伸展到窗152的面積之外，并且增加血管穿孔的危險。通常要求從每根光纖152出來的光束圖案能夠復蓋在窗152的遠側表面上或與其接近，以便提供一個連續的光束圖案。
利用本發明可以將光纖數目減少的實例，表示在圖9中，它表示環形導管窗160的遠側端以及三根繞圓周彼此隔開的光纖162。使用在此表示和描述的衍射光柵，通過使光纖162適當定位及選擇衍射光柵的參數，能夠提供伸長了的光束圖案164，該光束圖案164可以作到接近充滿環形窗160的發射表面。
另外一種能夠提供非圓形光束圖案的技術，表示在圖10中，它表示導管窗170的遠側端。多根光纖172是相對該窗170繞圓周彼此隔開的。每根光纖172在鄰近其遠側端的部分，被變形為具有非圓形而通常為橢圓形橫截面。這種橢圓形光纖發射的激光束，具有伸長了的非圓形圖案174。如圖10中所示，該光束圖案174的長軸與光纖橫截面的長軸垂直。因此，為了產生一個如圖10所示大致為環形的合成光束圖案，每根光纖橫截面的長軸應相對導管軸線取徑向方向。通常鄰近每根光纖172遠側端的變形如圖所示，約為1英吋。按照此方式使光纖變形的工藝方法，在已有技術中是公知的。
本發明的另一種實施例表示在圖11中，它表示單光纖導管的遠側端。窗180是貼附在導管的管體182遠側端上的。光纖184通過此導管的管體182的內腔而將激光能射過窗180。窗180有一個遠側表面186及一個近側表面188。如上所述，衍射光柵190是制作在近側表面188上而與光纖184中發射的激光束對準的。在圖11所示的實施例中，在遠側表面186上制作有反射層192。該反射層具有面向近側的反射表面。由光纖184中發射的激光束，在通過衍射光柵190之后被擴展，而且隨后被反射層192按相反方向反射。因此導管發射的激光能量，將大體按近側方向。使激光能量按大體相反方向射出的激光導管，已公開在1989.4.11頒發給Davies的美國專利No.4，819，623中它在此被結合作為參考。
與已有技術中激光導管的結構相比，本發明能提供若干好處。該激光束可以被擴展或者發散，而不必使用昂貴且難以制造的微型透鏡。使用比已有技術結構中需要的要少的光纖，可以切除直徑約等于導管直徑這樣大的面積。通過使用不多幾根光纖，導管的柔性將會增加。進一步說來，為提供擴展的光束，所需要的窗的軸向尺寸可被減小，因而導管的剛性遠側端部的軸向長度也被減小。
盡管對現在考慮的本發明最佳實施例已經圖示及進行過描述，然而非常明顯，對于本領域的技術熟練人員來說，其中還可以作出多種改變和調整，而并未脫離由所提交的權利要求書限定的本發明的范圍。
權利要求
1.一種使用輻射能切除生物物質用的導管，它包括帶有近側端及遠側端的細長的導管設備；以及穿過上述導管設備由上述近側端伸至上述遠側端的光纖設備，所述光纖設備有一個遠側端部(tip)；以及透射衍射光柵設備，它裝在上述導管設備遠側端或其附近，以使由上述導管設備近側端穿過上述光纖設備射出的輻射能，將通過所述透射衍射光柵設備并被其變換為照射生物物質所需要的空間分布圖案。
2.如權利要求1限定的導管，其特征在于所述透射衍射光柵設備，是由其上帶有透射衍射光柵的窗構成的。
3.如權利要求2限定的導管，其特征在于所述的窗有一個近側表面及一個遠側表面，上述透射衍射光柵則制作在上述近側表面上。
4.如權利要求3限定的導管，其特征在于所述光纖設備的遠側端部(tip)，是靠空氣間隙來與上述窗的近側表面隔開的。
5.如權利要求4限定的導管，其特征在于所述的空氣間隙其軸向尺寸約有25微米或者更大些。
6.如權利要求3限定的導管，其特征在于所述的輻射能，在通過上述透射衍射光柵設備之后，至少能在與上述導管設備的軸線垂直的一個尺寸上擴展。
7.如權利要求6限定的導管，其特征在于所述窗的厚度要加以選擇，以便在上述透射衍射光柵和上述遠側表面之間能夠提供上述輻射能所需要的擴展。
8.如權利要求3限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵，包括在上述近側表面上的許多條平行的光柵槽。
9.如權利要求8限定的導管，其特征在于所述的光柵槽是不均勻間隔的。
10.如權利要求8限定的導管，其特征在于所述的光柵槽具有偽隨機的間隔。
11.如權利要求1限定的導管，其特征在于所述的光纖設備包括單根光纖。
12.如權利要求1限定的導管，其特征在于所述光纖設備包括多根光纖。
13.如權利要求12限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵設備包括具有遠側表面及近側表面的窗，以及在上述近側表面上的透射衍射光柵。
14.如權利要求13限定的導管，其特征在于所述的多根光纖被環繞安裝在上述導管的遠側端;其中所述的窗包括有同上述導管設備內腔連通并且位于中央的孔。
15.如權利要求14限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵可由上述窗上的多個光柵片段構成，上述光柵片段中的每一個，都同上述光纖中各自的光纖對準。
16.如權利要求15限定的導管，其特征在于所述透射衍射光柵的上述光柵片段中的每一個，都包括多個在上述近側表面上的平行的光柵槽。
17.如權利要求16限定的導管，其特征在于所述的光柵槽是不均勻間隔的。
18.如權利要求16限定的導管，其特征在于所述的光柵槽具有偽隨機間隔。
19.如權利要求15限定的導管，其特征在于所述透射衍射光柵的上述光柵片段中的每一個，都包括全息衍射光柵。
20.如權利要求15限定的導管，其特征在于所述透射衍射光柵的上述光柵片段中的每一個，都包括在上述近側表面上的第一組平行的光柵槽和第二組平行的光柵槽，而且上述第一組平行的光柵槽與上述第二組平行的光柵槽垂直。
21.如權利要求14限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵，包括在上述近側表面上的多個輻射狀光柵槽。
22.如權利要求14限定的導管，其特征在于，進一步還包括上述窗的遠側表面上的面向近側的反射層，以便將上述輻射能大體按近側方向反射。
23.如權利要求1限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵設備包括一個具有遠側表面及近側表面的窗，上述近側表面有一個制作其上面的凹槽，該凹槽擁有一個其上面制作有透射衍射光柵的端壁。
24.如權利要求23限定的導管，其特征在于還包括一個靠上述凹槽的軸向深度，而將上述光纖的遠側端部與上述透射衍射光柵隔開的設備。
25.如權利要求2限定的導管，其特征在于所述的窗由石英玻璃構成。
26.如權利要求3限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵，是靠一種折射率不同于上述窗的材料將其同上述光纖的遠側端部隔開的。
27.如權利要求1限定的導管，其特征在于所述的光纖設備包括能被輻射能射過的遠側端表面，而且所述的透射衍射光柵制作在上述光纖設備的遠側端表面上。
28.一種利用激光能量切除生物物質用的導管，其特征在于它包括(1)一個具有近側端和遠側端以及用來容納導向金屬絲用內腔的細長的柔性導管體;(2)多根光纖，通過上述導管體而從上述近側端伸展到上述遠側端，上述每根光纖都有一個遠側端部;以及(3)一個安裝在上述導管體遠側端或其附近，用來將經過上述光纖傳輸的激光能量發送出去的窗，該窗有一個透射衍射光柵制作其上，上述光纖的遠側端部被安裝在與此透射衍射光柵對準，以使由上述導管體近側端射過該光纖的激光能量，可以通過上述透射衍射光柵并被該光柵變換為照射生物物質所需要的空間分布圖案。
29.如權利要求28限定的導管，其特征在于所述的窗有一個遠側表面及一個近側表面，上述透射衍射光柵制作在此近側表面上。
30.如權利要求29限定的導管，其特征在于所述光纖的遠側端部，靠一個空氣間隙將其與上述窗的近側表面隔開。
31.如權利要求29限定的導管，其特征在于所述窗的厚度要加以選擇，以便在上述透射衍射光柵和上述遠側表面之間能夠提供上述輻射能所需要的擴展。
32.如權利要求29限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵可由上述窗上的多個光柵片段構成，上述光柵片段中的每一個，都同上述光纖中各自的光纖對準。
33.如權利要求32限定的導管，其特征在于所述透射衍射光柵的上述光柵片段中的每一個，都包括多個在上述近側表面上的平行的光柵槽。
34.如權利要求33限定的導管，其特征在于所述的光柵槽是不均勻間隔的。
35.如權利要求34限定的導管，其特征在于所述的光柵槽具有偽隨機間隔。
36.如權利要求28限定的導管，其特征在于所述的窗有一個遠側表面及一個近側表面，上述近側表面至少有一個制作其上面的凹槽，上述至少一個凹槽擁有一個其上面制作有透射衍射光柵的端壁。
37.如權利要求36限定的導管，其特征在于還包括一個靠上述至少一個凹槽的軸向深度，而將上述光纖的遠側端部與上述透射衍射光柵隔開的設備。
38.如權利要求33限定的導管，其特征在于所述的光柵槽是相同間隔的。
39.一種利用輻射能從體腔內切除生物物質用的導管，其特征在于它包括(1)一個具有近側端及遠側端的細長的導管體;(2)至少一根通過上述導管體而從上述近側端伸展到上述遠側端的光纖;以及(3)一個整形設備，用來將經過上述至少一根光纖射出的輻射能，在與上述導管體垂直的平面內變換為非圓形的分布圖案。
40.如權利要求39限定的導管，其特征在于所述的整形設備，包括安裝在上述導管體遠側端或其附近的透射衍射光柵，以使由上述光纖發射的輻射能量可以射過該透射衍射光柵。
41.如權利要求39限定的導管，其特征在于所述的整形設備，包括具有非圓形橫截面的鄰近上述導管體遠側端的上述光纖的截面。
42.如權利要求39限定的導管，其特征在于所述的整形設備，能夠在與上述導管體垂直的平面內提供通常為橢圓形分布圖案。
43.如權利要求39限定的導管，其特征在于還包括環繞在導管軸線周圍定位的多根光纖，其中所述的整形設備，能夠為上述每根光纖提供繞圓周方向伸長的分布圖案。
44.一種利用輻射能從體腔內切除生物物質用的導管，其特征在于它包括(1)一個具有近側端和遠側端以及用來容納導向金屬絲用內腔的細長的柔性導管體;(2)通過上述導管體伸展的多根光纖，其中所述每根光纖都有一個遠側端，上述這些光纖的遠側端都圍繞上述導管體的軸線圓周定位;以及(3)整形設備，用來將經過上述每根光纖射出的輻射能，在與上述導管體垂直的平面內變換為非圓形的分布圖案。
45.如權利要求44限定的導管，其特征在于所述的整形設備，包括位于上述每根光纖發射出的輻射能路程上的透射衍射光柵。
46.如權利要求44限定的導管，其特征在于所述的整形設備，包括具有非圓形橫截面的鄰近上述導管體遠側端的上述每根光纖的截面。
47.如權利要求44限定的導管，其特征在于所述的整形設備，能夠為上述每根光纖出來的輻射能量，提供繞圓周方向伸長的分布圖案。
48.如權利要求45限定的導管，其特征在于所述的透射衍射光柵是制作在窗上的，而窗又貼附在上述導管體的遠側端。
49.如權利要求45限定的導管，其特征在于所述每根光纖包括能被輻射能射過的遠側端表面，而且所述的透射衍射光柵制作在上述光纖的遠側端表面上。
全文摘要
一種激光導管，它包括一個細長的導管體、一根或者多根伸過該導管體的光纖以及安裝在該導管體遠側端的導管窗。此光纖可將激光能量射過導管窗，以切除生物物質。在導管窗的近側表面上制作有衍射光柵，以與光纖中出射的激光能量對準。該激光能量被此衍射光柵變換，以提供所需要的空間分布圖案。最好提供適于在梗阻上面形成洞的發散光束，此洞的直徑約與該導管的直徑相同。該衍射光柵還能在導管的遠側端，形成具有橢圓形或其它非圓形橫截面的光束圖案。
文檔編號A61B18/20GK1053742SQ9110055
公開日1991年8月14日 申請日期1991年1月30日 優先權日1990年1月30日
發明者格倫·S·貝克, 愛德華·L·西諾夫斯基 申請人:C·R·巴德有限公司