医用光导纤维技术

光纤的夹具和插头采用国际标准接口SMA905。
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自聚焦光纤
梯度光纤（自聚焦光纤）：纤芯折射率自中心向界面方向呈抛物 线规律逐渐减小，到纤芯与色层的界面处，二者的折射率已经一 样。这样，光束在梯度光纤中传播时，在轴线附近的光线由于中 心的折射率高，其传播速度也慢；而远离轴线的光线虽然光程长， 但因折射率逐渐减小，其传播速度也随之逐渐加快，由于连续折 射作用，光线逐渐沿轴线方向折回，形成一余弦曲线的路径。这 样，由某点入射的光线，经过一段路径之后又聚焦于另一点处。 所以梯度光纤又称为自聚焦光纤。
3. 组织间激光照射:对大块的病变组织，用穿刺针将光纤插入组织进行照
射。 4. 流质中的激光手术：通过光纤传输避免了激光在液体中的衰减，使
激光作用于淹没在液体中的组织。如激光关节镜膝盖手术。
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医用光纤的应用
5. 在医用内窥镜中起导光 和导像作用。
光源发出的光传入导 光束, 在导光束的端部装
导光臂传输
对于波长为10.6μm的CO2激光，国内外虽已 有产品，但其成本高，尚不能普及，所以目 前国内外在CO2激光治疗机中的导光系统大多 采用装有反射镜的转动式导光关节臂。
它是由反射镜基座、连接管、轴承、反射镜 和激光刀头等组成。
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导光臂传输
反射镜基座由硬质铝合金材料制成，加工精 度要求较高，基座与连接管的二孔轴线要相 互垂直，其交点应正好交于反射镜面中央， 与镜面交角均为45°。
导光关节臂的连接管，一方面是连接反射镜 基座，另一方面是让激光束通过并且作为轴 承的转动轴，所以对其管径的内外两周必须 有良好的平行度和同心度。
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关节臂末端的操作手柄，习惯上被称为激光刀头， 刀头内部都装有聚焦透镜，在透镜的焦点处，可对病变
组织进行切割，离焦点的距离逐渐增大时，激光束的光 斑也随之加大，从而功率密度随之降低，治疗作用就从 切割过渡到汽化，再到凝固。
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阶跃光纤
阶跃光纤：是一种最常用最简单的光纤。它 的纤芯折射是均匀一致的，且纤芯和包层界 面处的折射率由高阶跃变低，故称为阶跃光 纤或阶梯光纤。
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1. 结构
阶跃光纤是由两种不同折射率的材料组成的。其中心部分是 有均匀折射率n1的石英玻璃纤维，称为纤芯。纤芯被折射率为n2的包层 包裹，包层的材料可以是石英、有机硅树脂或硬聚氟物，分别称为石 英包层光纤、软硅酮包层光纤和硬聚氟包层光纤。纤芯的折射率n1必 须大于包层的折射率n2。 包层的外面用环氧树脂等塑料材料做成保 护层。
对于传输功率大于100W的激光，一般采用黄 铜作基板；小于100W的激光则一般都用石英 玻璃或硬质玻璃作基板。
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卧式CO2激光手术刀及导光关节臂结构示意图 1 激光管固定圈 2 激光管支架 3 电源箱 4 导光关节支架 5 关节臂 6 刀头
导光关节臂的轴承是连接管和反射镜基座相 连的重要部件，为了保证反射镜基座上的反 射镜在轴转动时光束不发生偏摆，对轴承的 选择和轴承外圈的加工精度要求很高。
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6. 激光与光导纤维的耦合
采用光纤传导激光，首先必须用耦合装置将激光器输出的激光束耦合输出到光导纤维。
由于激光束的直径通常大于光纤纤芯的直径，所以一般要用聚焦透镜将光束聚焦后送入
光纤。聚焦光斑应位于光纤入射端面的中心，光斑直径应远小于纤芯的直径。聚焦光束的 最大入射角应小于光纤的接受锥度角，以保证入射光进入光纤后都能满足全反射条件。
各种形状的宝石刀头
平头：凝固止血 圆头：汽化 锥形：切割 蓝宝石刀头与光纤连接，一起安装在手柄上
构成一套完整的激光手术刀
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自聚焦光纤
自聚焦光纤的特点是光纤内部的折射率在中心轴上最大，沿径向逐渐减小。减小 的规律按抛物线规律变化： n = n0 (1– A r2 ) n0为中心轴上的折射率，A为折射率分布常数，r为光纤维内某点至轴的距离。 由于光纤的连续折射作用，光线在自聚焦光纤中沿正弦曲线传播:
纤维粗细不均匀，直径沿轴线分布有起伏，将会引起光波导散射，造成损耗。
(4)端面的反射损耗
光入射到光纤入射端面和从出射端面射出时,在光纤端面产生的反射损耗。
石英光导纤维在某些波长上存在衰减峰，其传输效率与光波长密切相关。 总的趋势是，在400~800nm可见光波长范围内，石英光纤具有低的传输损耗,传输效率大于 99.5%/m；对800~2400nm近中红外线和315~400nm近紫外线传输效率稍低；对远红外线和短
首先取出激光机附件中的调试管(长度一般为500mm左 右，内外口径与导光关节臂的连接管完全相同的直管)，
装到关节臂的固定架或座上。然后在调试管的近端和远端分 别贴上微湿的薄纸片，再启动激光机，让激光管输出的激光 束在纸片上烧个小孔，反复调节激光管固定圈上的调节螺钉， 直至调试管近端和远端的纸片上的烧孔都处于端口的中心为 止。再取下调试管，装上导光关节臂即可投入正常使用。
当离焦点的距离再增大时，光斑面积更大，以致使功率密 度小于组织的损伤阈值，此时对组织无急性损伤，可用其 温热效应进行激光理疗，或把聚焦透镜换成扩束透镜进行 激光理疗。对于不同的治疗，激光的刀头套的长短和形状 也有所不同。
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导光关节臂与激光器的耦合
常用的方法有直管烧孔法和内调焦平行光管调整法以及肉 眼校正法三种方法。一般因直管烧孔法的校准比较简便， 所以应用比较普遍。其标准方法如下：
数值孔径决定了光纤可接受的入射光的锥度角。光纤的数值孔径越大，光纤接受入射光的角度越大。
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4. 光纤的传输损耗
(1)光纤材料的吸收损耗 纤芯及包层中含有的金属离子和OH–离子，会在很宽的光谱范围内吸收光能。
(2)光纤材料的散射损耗
光纤中物质密度的不均匀会引起瑞利散射，此种散射与波长的四次方成反比。 (3)光波导散射损耗
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激光宝石刀头
非接触式的手术精度很差 光纤末端与组织接触能改善切割精度，但光
纤端很快被熔化 蓝宝石刀头具有比石英光纤更高的熔点，因
此宝石刀头能耐受比石英光纤端更高的功率 密度 圆头形刀头用于组织的快速汽化，平头的刀 头用于凝固止血，锥形刀头用于手术切割
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有凹透镜，导光束传入的 光通过凹透镜, 照射于脏器 内腔的粘膜面上, 反射光经 过成像物镜、纤维导像束和 目镜，便能在目镜上观察到 被检查脏器内腔的图像。
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光纤头的结构
为了适应不同解剖位置的治疗需要，要将光 纤输出端制成球状、柱状、尘柱状或联结金 属热帽或宝石接触刀头、金属帽与蓝宝石混 和刀头、陶瓷头等多种。
端点本身汽化
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医用光纤的应用
1. 在外科手术中的应用：采用(出射端面)裸露光纤或装有蓝宝石刀头
的光纤，进行非接触式或接触式激光手术。另外，激光经由光纤传输可 通过很小的切口或人体自然开口进入内部组织，实现微创或无创手术。
2. 激光碎石：用光纤传输的脉冲激光能将结石击碎成小块，然后 由病人自然排出。已用于胆囊和泌尿系统的碎石。
第10页，此课件种能够对光或图像进行传输的 光学纤维，简称光纤。
医用石英光纤用石英玻璃、有机硅树脂或硬 聚氟物等材料制成。
光纤一般由三层组成，其中心部称为芯，中 间部分称为包层，纤芯的折射率必须大于包 层的折射率，光束在纤芯里传播，包层的作 用是把光束限制在纤芯里传播。最外层是用 塑料等材料制成的保护层。
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治疗过程中，组织和血液等物质的溅射污染，从而引起吸收、 造成失透，以至烧坏光纤头，从而失去治疗效果。
故在光纤输出端装上宝石刀头来传输激光束进行治疗的形 式日益广泛。宝石刀头的刀口处的激光功率密度高。切割 刀口锋利，可作精确切割，与传统手术刀手感相似；功率 密度稳定；刀尖发散角大，使组织损伤的深度浅；热传导 性低，刀尖热有效性高，切割时极少有烟雾和出血；再加 上它的机械强度高，不易破碎和生理中性等一系列优点， 已受到外科医生的青睐。美国已正式批准这种接触式激光 手术刀与常规手术刀一样可以在医院使用。
紫外线的传输效率下降明显。
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5. 光纤的弯曲性能
当光纤发生弯曲时，在光纤的弯曲部位，某些原先发生全反射的光线会因不再 满足全反射条件而外逸，从而降低了光纤的传输效率。
如果弯曲的曲率半径比纤芯的直径大几倍到几十倍，光纤内的光线就绝大部分 不会逸出。
纤芯直径小和数值孔径大的光纤在相同的弯曲程度下，具有较高的传输效率， 其弯曲性能较好。
从某点入射的光线，经过一段路程后，又同时到达另一点产生聚焦。所以单根自 聚焦光纤能够成像。
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除上述二类光纤之外，根据应用情况和激光 器件的不同，还有裸露光纤、热探头光纤、 熔炼石英光纤、雕刻成形石英光纤、金属热 探头光纤(热帽)以及用于CO2激光的卤化银 光纤、用于铒激光的氟化锆光纤。
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激光与光纤的耦合
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光纤输入端的功率密度
对 在出于射一端个就直成径为很半小锥的角光θ线F为束的从空θ1角心度圆入锥射到光纤的端面时，
激光通过光纤端面输出后，以 个发散光源
2θF角度散开，因此是一
功功率率密密度度低，P切s 割P汽o化效果差，功率密度太高，超过 105W/cm2，小芯径S 的石英光纤输出端会出现熔球甚至光纤
2．传输系统是否能承受足够大的激光功 率，且传输损耗又较小。
3．传输系统是否操作灵巧，自由度大而 无死角，是否体积小、重量轻，调试方便和 维修保养简便。
4．传输系统是否处于任何位置时，其输 出功率恒定、光斑模式一致。
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传输方式
导光臂传输
光导纤维传输 光学系统传输
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关于医用光导纤维技术
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引言
激光器所发出的激光是直线传播的。 传输系统就是能把这直线传播的激光束有效
地传送到人体的病变部位的传输器械，是医 用激光器的重要部件，其质量的好坏将直接 影响到医用激光器的治疗效果。
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评价标准
1．激光束通过传输系统后是否保持激光的 原有特性，如激光的平行性、相干性等。
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2. 阶跃光纤中光束的传播特点
在入射端某一点发出的不同入射角度的光线, 在光纤维内传播的路程不同，不能在另一端的空间外同时
聚焦，所以单根阶跃光纤只能用于导光，而不能传递图像。
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3. 光纤的数值孔径(NA)
右图中，由折射定律：
n0sinθ0= n1sinθ = n1cosФ = n1(1–sin2Ф)1/2 设Фc为全反射临界角， 则 sinФc= n2/n1 由以上两式,可得到入射光线在纤芯中 形成全反射时的最大入射角θc应满足： n0sinθc= n1(1–sin2Фc)1/2 = (n12–n22)1/ 2 将NA = n0sinθc = (n12–n22)1/ 2， 称为光纤的数值孔径。