CN101330889B - 外科手术广角照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种高效广角照明外科手术系统(12)，其一个实施例包括：用于提供光束的光源(12)；光缆(14)，其以光学形式与光源接合以便接收并传递光束；可操纵地与光缆接合的机头(10)；光纤(22)，其可操纵地与机头接合，其中，光纤以光学形式与光缆接合以接收并传递光束；光学元件(20)，其以光学形式与光纤的末端相接合，以便接收光束并散射光束以照亮某一区域，其中，光学元件包括复合抛物面聚光器锥体；以及可操纵地与机头相接合的套管(16)，其用于装入并导引光纤和光学元件。CPC-锥体光学元件可成角度地将光束扩散至大偏轴角并且高效地从套管的末端射出光线。

Description

外科手术广角照明装置
相关申请的参考
本申请根据35U.S.C.§119要求了于2005年10月31日申请的美国临时专利申请No.60/731,770的优先权，该文献的全部内容在此通过参考被引入。
技术领域
本发明通常涉及一种外科手术照明装置。本发明特别涉及一种在眼科手术期间照亮某一区域的外科手术照明装置。本发明更特别涉及用于照亮外科手术区域的复合抛物面聚光器(CPC)锥体的广角照明装置。
背景技术
在眼科手术中，特别是在玻璃体-视网膜手术中，希望利用广角外科手术显微系统来尽可能大地观察一部分视网膜。虽然目前存在用于这种显微系统的广角物镜，但是，与由典型纤维-镜片探头的照明的锥面所提供的区域相比，它们要求更宽的照明区域。结果，已研发了各种技术来增大由纤维-镜片照明装置提供的相对非相干光的光束扩散。因此，这些已知的广角照明装置能够照亮当前广角外科手术显微系统所要求的更大部分的视网膜。但是，现有的广角照明装置存在一些缺点。
用于眼科手术的现有技术的广角照明装置的一个缺点在于：要使玻璃体眼睛流体的光线折射率与接触玻璃体眼睛流体的照明装置的透镜的光线折射表面的折射率相匹配。由于玻璃体眼睛流体产生的系数转换，玻璃体眼睛流体与这种现有技术系统的光线发散镜头的光线折射表面的接触会导致非最佳程度的光纤折射。授予R.Scott Turner的名称为“Retinal Wide-Angle Illuminator For Eye Surgery”的美国专利No.5,624,438提供了一种利用通过存在空气间隙调节的高折射率跃变克服折射率匹配的效应的系统。空气间隙存在于光纤的末端与照明装置透镜的光线折射表面之间。因此，在没有可能因通过照明装置透镜的光折射表面之前与玻璃体眼睛流体接触引起的任何系数转换的情况下，从光波导(即光纤)发射的光将经历角色散。
当前的可使用的广角照明装置的另一个缺点在于强光。在照明源小而亮时，会产生强光，并且，使用者(例如，眼科手术医生)会将视线投放至小而亮的照明光源上。强光是不能提供有用照明的不需要的杂散辐射，并且，其会分散观察者的注意力或阻碍对物体的观察。虽然在当前的广角照明装置中可以对强光进行校正，但是，仅通过减小总照明光通量来校正，其会减少适于由外科手术医生观察的光线量。例如，由得克萨斯州的Fort Worth的Alcon Laboratories，Inc.，制造的“锥形体探头”通过利用具有用于扩散由光纤末端发出的光线的表面扩散光洁度的锥体状光纤，能够实现广角照明。为了减弱强光，锥体探头可使用几何保护层，其能够通过减小整个适合的光通量来减小照明角度。
常规现有技术的广角照明装置的另一个缺点在于：它们不会同时提供用于照亮手术位置的大照明角度(角分散)和高光源发射效率。
因此，外科手术广角照明装置需要能够减少或消除与现有技术的广角照明装置相关的问题，特别是同时提供发射光线的大角度扩散和高光源发射效率的问题。
发明内容
本发明中用于照亮外科手术区域的高效广角外科手术照明装置的实施例基本满足这些和其它要求。本发明的一个实施例涉及一种小规格、高效照明外科手术系统，其包括：用于提供光束的光源；光缆，其以光学形式与光源接合以便接收并传递光束；可操纵地与光缆接合的机头；光纤，其可操纵地与机头接合，其中，光纤以光学形式与光缆接合以接收并传递光束；以及光学元件，其以光学形式与光纤的末端相接合，以便接收光束并散射光束以照亮区域(即外科手术位置)，其中，光学元件包括复合抛物面聚光器(“CPC”)锥体；以及可操纵地与机头相接合的套管，其用于安装并导引光纤和光学元件。
光学元件可以是小规格、扩散光学元件，其包括光纤的雕刻末端或机加工或注模塑料CPC-锥体。例如，光学元件可以是19，20或25规格的光学元件。CPC-锥体光学元件能够倾斜扩散光束达到大偏轴角并且能够以高效率从套管的末端发射出光线。几乎所有的光束经CPC-锥体的平面状末端表面穿透光学元件。
套管、光学元件和机头可以由生物适宜性材料制成。光缆包括可操纵地与光源接合的第一光学连接器和可操纵地与机头接合的第二光学连接器(以便以光学形式使光缆与装入机头和套管内的光纤相接合)。这些连接器可以是SMA光纤连接器。光学元件、光纤和光缆(即，光缆内的光纤)应是兼容的规格，以便将从光源发出的光束传播至外科手术区域。例如，所有三个元件均可采用相同的规格。
本发明的另一个实施例涉及小规格广角照明装置，其包括：光纤，其可操纵地以光学形式与光源相接合并能够从光源接收光束并传递光束以照亮某一区域；可操纵地与光纤相接合的机头；光学元件，其可操纵地接收光束并散射光束以照亮该区域，其中，光学元件包括复合抛物面聚光器(“CPC”)锥体；以及可操纵地与机头相接合的套管，其用于安装并导引光纤和光学元件。所述区域可以是外科手术位置，例如，视网膜。CPC锥体可包括光纤的雕刻末端或以光学形式与光纤末端相接合的独立机加工或注模塑料CPC锥体。
本发明的其它实施例可包括根据本发明的教导，利用高效广角照明装置对外科手术区域进行广角照明的方法，以及用于眼科手术的本发明的广角照明装置的外科手术机头的实施例。根据本发明的教导，本发明的实施例可以作为与套管或其它壳体相连的机头，所述套管或其它壳体包括端接在扩散光学元件中的纤维光缆。另外，可以将本发明的实施例结合在用于眼科或其它外科手术的外科手术装置或系统。根据本发明的用于高效广角照明装置的其它应用对于本领域技术人员来说也是已知的。
附图说明
通过参照结合附图的以下说明，将能够更全面地了解本发明及其优点，其中，相同的标号表示相同的特征，其中：
图1为根据本发明的技术启示，用于广角照明的系统的一个实施例的示意图；
图2为更详细的示意图，其显示了根据本发明的教导，用于广角照明的扩散光学元件的一个实施例；
图3为本发明一个实施例的CPC-锥形形状的详细数学形式描述；
图4示出了根据本发明的教导，CPC-锥形聚集器光学元件的操作；
图5为示意图，其显示了在眼科手术中的本发明的广角照明装置的一个实施例的应用；以及
图6是本发明具有调节装置的广角照明装置的实施例的示意图。
具体实施方式
在附图中说明了本发明的最佳实施例，其中，相同的标号表示各个附图中相同和相应的部件。
本发明的各个实施例提供了一种基于小规格(例如，19、20或25规格)光纤的内部照明装置，该装置用于外科手术，如玻璃体-视网膜/后侧局部外科手术。本发明的实施例包括与小规格套管(例如，19，20或25规格)相连的机头，如由得克萨斯州的AlconLaboratories，Inc.，Fort Worth销售的Alcon-GrieshaberRevolution-DSPTM机头。根据本发明的教导，套管的内部尺寸可用于安装光纤，所述光纤可在端部连接在与光纤形成一体或分离的扩散光学元件上。广角照明装置的实施例被构造成可用于常规领域的眼科手术。但是，本领域技术人员应理解并认识到本发明的范围不应局限于眼科学，其通常可应用于需要广角和/或可变化角度照明的其它领域的外科手术中。
本发明的高效率广角照明装置的实施例可包括光纤、光扩散光学元件、杆(套管)以及由生物适应性聚合材料制成的机头，以便广角照明装置的侵入部分是一次性手术器件。与现有技术不同，本发明的高效广角照明装置能够以低光学损失提供高光学传送/高明亮度。可以将由生物适应性聚合材料制成的本发明的实施例并入低成本、铰接机头机构内，以便这些实施例能够包括廉价的一次性照明装置。
本发明的实施例取决于边缘-辐射原理(由Non-ImagingOptics，Elsevier Academic Press，2005中的Roland Winston披露)。该原理认为：如果通过CPC-锥形部分，将由光纤的平头部分发射的最大偏轴角度子午光线(通过光纤的光轴的光线)能聚集至锥形的远端边缘上，则偏轴角度小于最大角度的所有子午光线将会通过锥形圆周内某一位置处的CPC-锥形的远端表面。利用该原理设计的锥形表现出远好于目前广角照明装置可实现的倾斜光束扩散与传播效率之间的折衷方案。
图1为外科手术系统2的示意图，所述外科手术系统包括用于使光束从光源12、经光缆14传递至杆16的机头10。虽然光缆14可以采用本领域已知的任意规格的纤维光缆，但是优选采用具有19、20或25规格纤维的光缆。另外，光缆14可包括一根光纤或多根光纤，所述光纤以光学形式与光源12接合以便接收光束并使光束经机头10传递至杆16内的光纤22。如在图2～4中能够更清楚显示的那样，杆16被构造成安装光纤22以及在杆16末端的扩散光学元件20。扩散光学元件20可以与光纤22形成一体或与其分离。如在下面更详细描述的那样，接合系统32可以在光缆14的每一端处均包括光纤连接器，以使光源12以光学形式与机头10内的光纤22相连。
图2为说明扩散光学元件20的一个实施例的更详细的示意图。图2提供了杆16的末端的放大图。杆16如图所示，装有纤维22和光学元件20。光学元件20以光学形式与纤维22接合，而纤维22本身以光学形式与纤维光缆14接合。在一些实施例中，纤维光缆14能够延伸通过机头10并以光学形式与光学元件20直接接合。对于这些实施例而言，并没有使用单独的纤维22。在某些实施例中，光学元件20可包括光纤22/14的一体部分。在这些实施例中，使光纤22/14的末端形成CPC-锥形形状，该形状能够使光线倾斜扩散达到大偏轴角并且以高效率从光纤22/14的末端射出光线。作为可选择的方案，光纤22/14的扁平末端能够以光学形式接合至独立的光学元件20上，该独立的光学元件可包括光学级机加工或注模塑料或其它聚合物。
在装入机头10内时，纤维22的规格适于纤维光缆14的规格，以便其能够从纤维光缆14接收并传输光线。机头10可以采用本领域已知的任意外科手术机头，如由得克萨斯州的Fort Worth的AlconLaboratories，Inc.销售的Revolution-DSPTM机头。光源12可以是氙光源、卤素光源或能够通过纤维光缆发送光线的任意其它光源。如本领域技术人员已知的那样，杆16可以是小规格套管，优选在18～30规格的范围内。杆16可以采用不锈钢或本领域技术人员已知的适合的生物适宜性聚合物(例如，PEEK，聚酰亚胺等)。
如图6所示，例如通过调节装置40，使纤维光缆14或纤维22，和/或杆16可操纵地与机头10相接合。调节装置40例如包括本领域技术人员已知的简单的推/拉机构。利用例如在纤维光缆14端部处的标准SMA(Scale Manufacturers Association)光纤连接器，以光学形式使光源12与机头10相接合(即，接合至纤维22)。这样便允许从光源12发出的光线、经纤维光缆14有效接入机头10并且最终从杆16末端处的光学元件20发出。光源12可包括纤维，如本领域技术人员已知的那样，其能够减小在光源处产生的所吸收红外线辐射的热效应损坏。可以采用光源12过滤器有选择地以不同颜色的光照亮手术区域，以便进行手术着色。
图3为示意性说明图，其以详细数学形式描述了CPC-锥形形状，该CPC-锥形形状能够以θin-ext的最大半角接收输入光线(在具有折射率ncore的纤维芯部(例如，纤维22/14))并且从光学元件20的末端表面、在扩散至θout-ext的半角(在空气中)的角度范围内发射光线。接合图4、图3显示了CPC-锥形聚集器(如本发明的光学元件20)的操作。
如图4所示包括CPC-锥形聚集器的光学元件20具有以下特征：
·通过CPC，将投射至CPC区域200上的θin＝30度(在空气中)的最大偏轴子午光线聚集至锥形区域210的末端边缘上的一个点处并且所述子午光线在达到空气中θout＝60度的角度范围内由锥形区域210穿出。
·通过锥形区域210，反射取替CPC区域200投射至锥形区域210上的θin＝30度的最大偏轴子午光线并且以在空气中偏轴角θout＝60度通过锥形区域210的末端表面。
因此，100％的θin＝30度的最大子午光线通过CPC-锥形光学元件20并且经末端面射出。边缘-放射光线原理认为：如果最大子午光线通过远端表面，随后较少的最大子午光线将通过该末端边缘。因此，100％的子午光线以小于或等于30度的角通过图4的CPC-锥形聚集器20。另一方面，具有入射角度相对于垂直方向小于或等于30度的一些斜光线(从不与聚集器的光轴交叉的光线)将不会通过CPC-锥形部分，但将会被多次TIR(全内反射)反射转向并且沿接近方向被反射回光纤22/14。因此，即使具有向外达到θin的均匀强度和通过θin的零强度的理想化光源，100％的发射效率对于包括斜光线的3D情况而言仍是不可能的。尽管如此，借助θin-θoutCPC-锥形聚集器光学元件20可以实现的角度分散相对于发射效率的折衷方案远好于借助现有技术的广角照明装置可实现的方案。
利用图3的等式，可以为输入和输出最大角度的任意组合设计θin-θoutCPC-锥形聚集器的形状。对于本发明的广角照明装置而言，最大输入角度θin能够大致对应于光纤22NA：θin＝arcsinNA纤维的反正弦。因此，对于光纤22NA＝0.5而言，输入半角(在空气中)将为30度。所述输出角度可以是任何特定用途所希望的广角发射光束的半角。借助本发明的高效广角照明装置的实施例，可以实现在空气中等于90度的输出半角。
通过以光学形式使CPC-锥形光学元件20与光纤22的末端相接合(或使光纤22的末端成形为CPC-锥形形状)并且将光学组件组装在套管16内，能够形成本发明的高效广角照明装置，在图2中显示了其一个实施例。通过雕刻光纤22的末端或通过使平头光纤22的扁平末端与机加工或注模塑料CPC-锥形光学元件20相接合，能够形成CPC-锥形光学元件20。杆(套管)16可以由钢制成并且优选使其平稳弯曲，以便仅仅在最末端接触光学元件20，如图2所示。在接触点处，可以通过粘结剂23，使光纤22粘结至杆16上，以提供机械强度并提供防止从眼睛中流出的液体进入光学元件20与杆16之间的空气间隙21内的密封元件。保持空气间隙21是重要的，以确保在光路内传播的光线能全部在内侧反射离开光学元件20的侧壁并按设计离开光学元件20的末端。杆16防止离开光学元件20末端的强光散射返回眼球的晶状体；但是，也可以使光学元件20与杆16相接合以便其末端略微延伸超出杆16的末端，并且，不会对强光造成任何影响。
本发明的实施例能够形成最弱的强光，能够在空气或液体中起作用，并且，与现有技术的广角照明装置相比，在角度扩散与发射光束的效率之间具有更好的折衷方案。
图5显示了本发明的高效广角照明装置的一个实施例在眼科手术中的应用。在操作中，机头10通过杆16(经光纤22/14)并通过光学元件20发送一束光，以照亮眼睛30的视网膜28。经机头10发送至光学组件20的校准光线由光源12产生并通过纤维光缆14和接合系统32被发送以照亮视网膜28。光学元件20是可以操纵的，以便将从光源12发送的光束扩散至视网膜中大小与例如显微广角物镜允许外科医生看得见的区域相等的区域。
本发明的高效广角照明装置的实施例的一个优点在于：与现有技术的广角照明装置相比，它们在具有大角度扩散和高发射效率的同时，能够提供更合适的平衡性。根据于2006年10月31日申请的相关美国申请明细表2984，也可以将本发明的实施例作为延长的小规格广角照明装置，因此，该文献的内容在此通过参考被全部引入。
虽然已根据所说明的实施例对本发明进行了详细说明，但是，应理解：仅仅通过例子进行了说明，其没有限制性含义。因此，还应理解：在本发明实施例细节上的各种改进以及本发明的其它实施例对于参考了本说明书的本领域技术人员而言均是显而易见的并且是可以由他们实现的。应想到：所有改进和其它实施例应落入以下的实施例限定的本发明的精神和真实范围内。因此，虽然已特别参照通常的眼科手术领域对本发明进行了描述，但是，其中所包含的技术启示同样适用于任何希望对外科手术场所提供广角可变化照明之处。

Claims (33)

1.一种小规格广角照明装置，包括：
光纤，可操纵地以光学形式与光源相接合并能够从光源接收光束并传递光束以照亮某一区域；
机头，可操纵地与所述光纤相接合；
光学元件，可操纵地接收所述光束并散射所述光束以照亮所述区域，其中，所述光学元件包括复合抛物面聚光器锥体；以及
可操纵地与所述机头相接合的套管，用于装入并导引所述光纤和所述光学元件。
2.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述复合抛物面聚光器锥体包括所述光纤的雕刻末端。
3.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述光学元件以光学形式与所述光纤的末端相接合。
4.根据权利要求3所述的小规格广角照明装置，其中：所述光学元件采用机加工或注模塑料。
5.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述光学元件为19、20或25规格的光学元件。
6.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述套管和所述机头由生物适宜性材料制成。
7.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述光纤在近端以光学形式与光缆相接合，所述光缆可操纵地与所述光源相接合以便将光束传递至所述光纤，并且，所述光缆包括可操纵地与所述光源接合的第一光学连接器和可操纵地与所述机头接合的第二光学连接器。
8.根据权利要求7所述的小规格广角照明装置，其中：所述光缆的规格和所述光纤的规格是相同的。
9.根据权利要求7所述的小规格广角照明装置，其中：所述光缆包括多根光纤。
10.根据权利要求7所述的小规格广角照明装置，其中：所述第一和第二光学连接器为SMA光纤连接器。
11.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，还包括在所述光学元件与所述套管的内壁之间的空气间隙。
12.根据权利要求11所述的小规格广角照明装置，还包括在所述光学元件与所述套管之间的末端处的密封元件，所述密封元件可操纵地保持所述空气间隙。
13.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述光纤的规格和所述光学元件的规格是相同的。
14.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述光束包括一束相对非相干的光。
15.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述光源为氙光源。
16.根据权利要求1所述的小规格广角照明装置，其中：所述机头装入所述光纤的至少一部分。
17.一种小规格广角外科手术照明系统，包括：
用于提供光束的光源；
光缆，以光学形式与所述光源接合以便接收并传递所述光束；
机头，可操纵地与所述光缆接合；
光纤，可操纵地与所述机头接合，其中，所述光纤以光学形式与所述光缆接合以接收并传递所述光束，以便照亮某一区域；
光学元件，以光学形式与所述光纤的末端相接合，用于接收所述光束并散射所述光束以照亮所述区域，其中，所述光学元件包括复合抛物面聚光器锥体；以及
套管，可操纵地与所述机头相接合，用于装入并导引所述光纤和所述光学元件。
18.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述复合抛物面聚光器锥体包括所述光纤的雕刻末端。
19.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光学元件以光学形式与所述光纤的末端相接合。
20.根据权利要求18所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光学元件采用机加工或注模塑料。
21.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光学元件为19、20或25规格的光学元件。
22.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述套管和所述机头由生物适宜性材料制成。
23.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光纤为所述光缆整体的一部分。
24.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光缆包括可操纵地与所述光源接合的第一光学连接器和可操纵地与所述机头接合的第二光学连接器。
25.根据权利要求24所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述第一和第二光学连接器为SMA光纤连接器。
26.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光缆的规格和所述光纤的规格是相同的。
27.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光缆包括多根光纤。
28.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术所述系统，其中：所述光纤的规格和所述光学元件的规格是相同的。
29.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，还包括在所述光学元件与所述套管的内壁之间的空气间隙。
30.根据权利要求29所述的小规格广角外科手术照明系统，还包括在所述光学元件与所述套管之间的所述套管末端处的密封元件，所述密封元件可操纵地保持空气间隙。
31.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中所述光束包括一束相对非相干的光。
32.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述光源为氙光源。
33.根据权利要求17所述的小规格广角外科手术照明系统，其中：所述机头装有所述光纤的至少一部分。
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