專利名稱：用于激光碎石的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于激光治療中的微創(chuàng)裝置和方法。更具體地講，本發(fā)明涉及基于激光輻射的碎石技術。
背景技術：
結石或石塊為材料(通常為在體內器官或管道中形成的礦物鹽)凝結的結果。它們可通過若干機制引起多種醫(yī)學疾病-刺激附近組織，從而導致疼痛、腫脹、和炎癥。-栓塞開口或管道，從而干擾正常流動并破壞所涉及器官的功能。-因破壞正常流動而導致易于感染。最普通的類型為存在于泌尿道(主要為腎臟或膀胱)內的腎臟結石(也稱為腎結石)和形成于膽囊內的膽結石。在醫(yī)學中存在若干治療結石的方法。上泌尿道中的多種結石是利用體外沖擊波碎石術(ESWL)治療的。ESffL嘗試利用外部施加的、聚焦的、高強度的機械(聲)脈沖打碎結石。體外碎石術對于小直徑結石而言效果最佳。對于不太適合這種模式的那些結石而言， 指定內窺鏡治療。內窺鏡碎石術是指可觀察結石并且同時施加某種形式的能量以將結石打碎成可引出或可通過的碎片。輸尿管鏡檢查術為觀察上泌尿道結石的最常用方法。作為另外一種選擇，也可將經皮檢查技術用于腎臟結石上。用于內窺鏡碎石機中的能量源包括超聲、電動液壓、和機械裝置、以及各種激光。激光碎石術首先于20世紀80年代晚期引入商業(yè)中，其基于下述事實，即脈動光能、通過光纖遞送、轉換成形式為空化氣泡(與沖擊波的產生相關)的機械能。這種機械能適用于破壞結石。其為通過待粉碎結石表面上的等離子體形成物支持的過程。將具有高峰值功率輻射的激光脈沖通過非常細的光纖傳送至結石表面。如果結石或周圍液體吸收輻射并且功率密度超過特定閾值，則產生等離子體形成物。通過在物質快速增長下離子化產生的等離子體產生與空化和沖擊波效應相關的火花氣泡。等離子體和空化現象與光熱燒蝕效應相關；等離子體氣泡的內部溫度具有數千度，并且空化效應的存在與通過沖擊波產生的典型噪聲相關。所使用的第一激光為脈沖-染料激光，其發(fā)射穿過光學石英纖維遞送的504nm的光。該激光為非熱激光，其在纖維尖端與結石之間產生等離子體，從而利用光聲效應打碎結石。例如，在美國專利號5，071，422中，Watson等人公開了利用脈沖-染料激光治療結石、 石塊、和鈣化組織的方法。但是如果染料激光輻射未被結石吸收，將不會產生等離子形成物并且激光碎石術將為無效的。由于使用脈沖-染料激光源，通常需要頻繁的維護，因為該源不是固態(tài)激光器。作為另外一種選擇，翠綠寶石激光器已用于碎石，其發(fā)射極短的脈沖寬度。例如， 在美國專利號5，009, 658中，Damgaard-Iversen等人公開了雙頻激光碎石機，其發(fā)射得自翠綠寶石激光器的兩個不同波長。這種激光器的使用因在其波長范圍內的不利吸收而造成不良結果。已使用Nd:YAG激光器獲得了良好結果。例如，在美國專利號4，960，108中， Reichel使用清洗金屬化合物的液體，其被遞送到靶結石周圍并且利用Nd:YAG激光器照射。然而，該技術與其他激光技術相比缺乏精確性。由于需要使用高峰值功率，因此另一個缺陷在于，如果纖維的遠端與結石相接觸則其可被損壞。為了克服這些缺點中的一些，產生了鈥YAG激光器，其為使用2150nm波長的熱激光器。能量是通過低水密度石英纖維遞送的。例如，Hoang在美國專利號5，860，972中公開了利用Ho:YAG激光器檢測和破壞泌尿結石的方法。這些激光器與此前所述的技術相比具有更高的精確性并且更加有效。然而，這種激光器的一個重要缺陷為所產生的能量對于結石和軟組織具有同等強力的效果。此外，尺寸和成本為有待考慮的重要問題。二極管激光器與離子晶體激光器相比具有許多優(yōu)點。其中它們在減小的尺寸和重量下具有較高的輸出。它們還具有較簡單和較小的空氣冷卻系統(tǒng)。此外，由于與光纖一體化，它們具有高可靠性并且不需要對齊。當應用現有技術的激光碎石技術時，連續(xù)沖擊波壓力脈沖導致直接的剪切力以及圍繞結石的空化氣泡，其將結石打碎成較小碎片，所述碎片隨后可容易地穿過輸尿管或膽囊管。該過程可需要大約一小時。這對于醫(yī)生和病人而言可為乏味且有壓力的。本發(fā)明可更有效地打碎結石，因此降低干預的持續(xù)時間。由于現有碎石技術的缺點和不足，因此需要提供快速、安全、以及更經濟的替代技術的裝置以解決它們的缺陷。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的為提供用于破壞/燒蝕結石或其他硬質物質的較安全和較有效的方法和裝置。本發(fā)明的目的為提供用于碎石治療的較安全和較有效的方法和裝置。另外本發(fā)明的目的為提供包括組合或單一發(fā)射波長的激光裝置，其中所述波長中的至少一個在圍繞/覆蓋結石或硬質物質的介質中被高度吸收，從而產生蒸發(fā)和空化作用來破壞結石。本發(fā)明的另一個目的為提供用于碎石治療的較快和較精確方法，其使用多個光纖以及一個或多個波長。本發(fā)明的另一個目的為提供用于碎石的較安全方法，其通過限制結石的加熱升溫來減小周圍組織損傷。
本發(fā)明的另一個目的為提供較安全且改進的方法和裝置，通過所述方法和裝置可在較短的治療時間內完成改善的碎石治療，其破壞較大范圍的結石并且具有較小的組織損傷風險以及較小的醫(yī)生和病人壓力。簡而言之，本發(fā)明提供了用于通過激光能量破壞/燒蝕石塊、結石、或其他硬質物質的系統(tǒng)和方法。因此，可進行若干重要的醫(yī)學治療，尤其是碎石。該系統(tǒng)包括發(fā)射至少一個波長的二極管激光源、將激光輻射傳送至治療位置的一個或多個光纖、以及用于在石塊 (結石)周圍產生液體環(huán)境的液體遞送系統(tǒng)。激光裝置發(fā)射至少一個下述波長，其在周圍/ 覆蓋介質中被高度吸收從而引起導致石塊/結石破壞的蒸發(fā)和空化效應。可使用不同的輻射構造。在一個實施例中，使用連續(xù)輻射來產生能夠破壞硬質物質的無火花等離子體氣泡。 在另一個實施例中，使用高峰值功率脈沖輻射。優(yōu)選1470nm、1940nm、或1550nm的波長。另外，其可與在水中具有中等吸收的另一個波長(例如980nm)結合使用。在另一個實施例中， 使用同軸雙芯纖維，其中灼燒輻射被引導在近單模內芯中并且用于維持和增強脈沖的輻射被引導到周圍第二外芯中。在另一個優(yōu)選實施例中，多個光纖的使用允許在較短時間段內治療較大的結石。在另一個優(yōu)選實施例中，將冷卻液體提供至沖擊位置以進一步降低結石的加熱升溫，從而減小由結石碎片固定和加熱能量引起的組織損傷風險。利用這些較安全且改進的方法和系統(tǒng)，可在較短的治療時間內完成改善的碎石治療，其破壞較大范圍的結石并且具有較小的組織損傷風險以及較小的醫(yī)生和病人壓力。通過閱讀下述說明并結合附圖，本發(fā)明的上述和其他目的、特征、以及優(yōu)點將變得顯而易見。附圖簡述

圖1示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中碎石治療裝置包括激光源和光纖。圖2示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中碎石治療裝置包括激光源，所述激光源包括發(fā)射至少兩個不同波長的兩個模塊。圖3示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，其中示出了包括激光源和具有多個光纖的光纖組的碎石治療裝置。圖4示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的示意圖，其中碎石治療裝置包括激光輻射源、 光纖、和冷卻液體遞送系統(tǒng)。圖5示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的圖示，其中碎石治療裝置包括激光源、一個或多個光纖、和液體遞送系統(tǒng)。
具體實施例方式如在本發(fā)明中所述，現有技術的缺陷和問題可通過激光碎石技術來克服，所述激光碎石技術利用得自一個或多個二極管激光源的激光能量在液體環(huán)境中產生燒蝕和空化效應來破壞結石。如在下文進一步所述，該技術與先前方法相比提供一些重要的優(yōu)點，即， 較短的治療時間、較大范圍結石的破壞、較小的組織損傷風險、以及較小的醫(yī)生和病人壓力。另外值得論述的是，該技術并不限于腎臟和膽囊結石，而且其可用于破壞生物材料、組織、血管或體腔內的任何沉積，因為如此前所述，周圍組織的熱損傷為極小的。優(yōu)選使用連續(xù)波激光源來實現有效的結石碎裂，因而公開了新型治療概念。因此，產生具有高能量的熱燒蝕效應，從而能夠粉碎中等硬度的結石。
本發(fā)明公開了用于安全且有效破壞/燒蝕結石(碎石)或其他硬質物質的改進方法和裝置。該裝置包括發(fā)射至少一個波長的二極管激光源、將激光輻射傳送至治療位置的一個或多個光纖、以及用于在結石周圍產生液體環(huán)境的液體遞送系統(tǒng)。激光裝置發(fā)射至少一個在遞送液體中被高度吸收的波長(優(yōu)選以連續(xù)波模式)，以便引起導致結石破壞的蒸發(fā)和空化效應。當將高度吸收的輻射施用至水性介質時，水分子得到高度和快速加熱。這種及其高速和即時的加熱引起快速蒸汽膨脹從而產生等離子體氣泡，其在幾毫米之外且在幾毫秒之后破裂，因而產生破裂聲。接下來，在另一個幾秒之后，重復該過程并且可聽到破裂聲，其是由氣泡的生長和破裂產生的。這些氣泡的內部溫度超過一千度。因此，它們具有相當大的熱燒蝕效果并且還在周圍的水中釋放其熱能。當使用以連續(xù)模式發(fā)射1470nm(作為優(yōu)選參數)的二極管激光器時，浸于液體介質中的纖維尖端產生高能氣泡，其在研究之后經觀察為等離子體氣泡。這些等離子體氣泡存在偶爾的火花(通常在使用具有短脈沖的Ho: YAG 激光器時存在，T < 350 μ sec)，因此將其稱為“不閃火花”或“無火花”的等離子體氣泡。這些無火花等離子體氣泡在結石上產生高光熱效應同時具有極小的光機械效應。因此，可通過使用連續(xù)波源產生等離子體氣泡，以便能夠產生具有高能的熱燒蝕效應。與僅公開脈沖激光源的現有技術中所述的成果相比，這為新型概念。圖1示意性地示出了優(yōu)選實施例，其中碎石治療系統(tǒng)IM包括激光源102和光纖 104。光纖104設置為靠近待粉碎的結石/硬質物質106。光纖位置可通過超聲或內窺鏡進行評價。一旦就位后，將光纖104的近端連接至激光源102，所述激光源的輻射通過光纖 104傳送至治療位置。激光源102發(fā)射至少一個下述波長，其在圍繞/覆蓋結石/硬質物質 106的液體108中被高度吸收，從而引起導致結石106破壞的蒸發(fā)和空化效應。優(yōu)選的是， 使用連續(xù)波輻射來增強空化效應。圖2示出了本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，其中碎石治療系統(tǒng)包括激光源202， 所述激光源又包括發(fā)射兩個不同波長的兩個模塊。模塊210發(fā)射波長X1，其在在圍繞/覆蓋結石/硬質物質206的液體208中被高度吸收，從而引起導致結石206破壞的蒸發(fā)和空化效應。模塊212發(fā)射任何可用的波長λ 2，以便增強或補充由模塊210引起的效應。例如， 波長λ2可為980nm，其具有有效的強化止血效應。根據這種概念，可應用發(fā)射不同波長的不止兩個模塊，從而利用它們的特性中的每一個。例如，可論述使用本發(fā)明原型(COMBO激光器)的具有組織學結果的臨床試驗和體外測試，其已證明組合兩個波長(尤其是1470nm和980nm的二極管激光器)的有效性，從而用于實現所需組織效應的有效火花等離子體形成。當通過浸于水中的細光纖傳送1470nm 波長時，所述波長在低至2w的發(fā)射功率(600um的芯纖維中)的閾值水平下產生無火花等離子體氣泡。通過1470nm產生的氣泡能夠快速燒蝕具有薄凝結物的軟組織以及使硬質組織破裂。980nm波長在血液中具有優(yōu)異的吸收性并且在水中具有較差的吸收性。其可產生與止血效應相關的組織汽化以及透明變白。組織上的滲透為大約2-3mm。利用COMBO激光器， 1470nm波長在浸于水中的纖維尖端產生等離子體氣泡。當在同一纖維中同時發(fā)射的980nm 波長進入等離子體氣泡時，其大約70%被吸收并且剩余的30%離開等離子體氣泡。因此， 980nm能量的70%轉換成等離子體，并且這種波長的70%用作由1470nm波長產生的等離子體氣泡的泵。980nm的剩余30%到達組織并且可產生進一步的內環(huán)境穩(wěn)定。為了進一步例證這種情況，在980nm處測定以100W、75W功率發(fā)射并且在1470nm處測定以^W功率發(fā)射的COMBO激光器。當利用浸于水中的纖維遞送100W時，在纖維尖端產生等離子體氣泡并且從等離子體氣泡離開的剩余的980nm的測定值為16W。等離子體氣泡的功率供應為980nm 的70%，其在1470處為大約60W和^W。因此，等離子體氣泡由這兩種輻射(980+1470nm) 泵浦，并且980nm的剩余輻射可用于交疊等離子體氣泡以改善止血效應。臨床和體外試驗因而表明，在1470nm波長的低功率下可產生等離子體氣泡，并且在具有較低成本和較高效率的980nm波長處，可實現這種等離子體氣泡的放大和增長。附加試驗已表明，對于COMBO激光器，使用IOOOum的錐形纖維和120W的功率，在 1470nm處測定值為35W并且在980nm處測定值為93W。在另一個優(yōu)選實施例中，可使用激光源的其他組合實現二極管泵浦激光裝置，以便使用等離子體灼燒裝置和脈沖功能裝置來產生等離子體。例如，使用雙芯纖維，其中灼燒輻射被引導在單模芯中并且用于維持和增強脈沖的輻射被引導到周圍第二芯中。單?；蚪鼏文］椛鋪碜栽?550nm處泵浦的或q轉換的纖維激光器以及泵浦綠色激光的二極管的纖維細長脈沖，并且用于脈沖維持和增強的輻射(其為能量的主要部分)將來自二極管激光器。1550nm脈沖可產生自915-980或1480激光二極管泵。圖3示出了本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，即包括激光源302以及相連光纖組314 的碎石治療系統(tǒng)2M。包括多個光纖304的光纖組314設置為靠近待粉碎的結石/硬質物質306。光纖組314中的每個光纖304設置在結石/硬質物質306周圍，以便從多個位置施加靶激光輻射，從而導致有效的結石粉碎。當試圖在較短時間段內破壞較大結石時這種構造為有效的，其中對于這種情況一個光纖可為不足的。激光源302發(fā)射至少一個下述波長， 其在圍繞/覆蓋結石/硬質物質306的液體308中被高度吸收，從而引起導致結石/硬質物質306破壞的蒸發(fā)和空化效應。圖4示出了本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例，其中碎石治療系統(tǒng)■包括激光源402 和兩通道導管418，通過所述兩通道導管插入光纖404和用于冷卻液體注射的管416。光纖 404和冷卻液體注射管416設置為靠近待粉碎的結石406。一旦就位后，將光纖404的近端連接至激光源402并且將冷卻液體注射管416連接至含有冷卻液體的容器，例如，注射器或血清袋。然后使冷卻液體流入圍繞結石/硬質物質406的區(qū)域以產生圍繞其的浸漬/覆蓋介質408。緊接下來或同時，將來自激光源402的輻射通過光纖404傳送至治療位置。將冷卻液體提供至沖擊位置以進一步降低結石的加熱升溫，從而減小由結石碎片固定和加熱能量引起的組織損傷風險。激光裝置402優(yōu)選發(fā)射下述波長，其在遞送液體中被高度吸收，從而增強導致有效石塊破壞的蒸發(fā)和空化效應。圖5示出了碎石治療系統(tǒng)_的另一個優(yōu)選實施例，其包括激光源502和兩通道導管518，通過所述兩通道導管插入發(fā)射兩個波長入工和λ 2或更多波長的光纖組514以及用于冷卻液體注射的管516。該實施例匯集了前述實施例中提及的全部有利特征，即，圍繞靶結石/硬質物質506的多個光纖、兩個發(fā)射波長λ工和λ 2或者更多個波長以實現最佳結果、以及用于減小組織損傷風險的液體遞送系統(tǒng)516。實施例1將具有400 μ m纖維的1470nm 二極管激光源用于草酸鈣、尿酸和胱氨酸泌尿結石的碎石。使用高峰值功率的脈沖輻射以實現將聚焦高強度能量轉換成機械能，其形式為與沖擊波的出現相關的空化氣泡。這種機械能適用于破壞結石。利用20W的功率以及包括將功率打開1. 0秒和該功率關閉0. 3秒的脈沖來實現良好的碎石。表I示出了在體外利用1470nm 二極管激光器進行試驗的結果。對于不同類型的纖維，在纖維尖端測定用于實現等離子體形成的功率閾值。
權利要求
1.一種用于從泌尿道中通過微創(chuàng)方法破壞和移除腎臟石塊、結石等(硬質物質)的激光系統(tǒng)，包括激光器、至少一個光纖、和進入所述泌尿道的裝置；其中所述激光器發(fā)射至少一個在圍繞所述硬質物質的介質中被高度吸收的波長。
2.根據權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中所述激光器以連續(xù)波模式發(fā)射。
3.根據權利要求1所述的激光系統(tǒng)，還包括在發(fā)射激光之前提供介質以圍繞所述硬質物質的裝置，其中所述介質和所述激光器波長選定為相容的。
4.根據權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中所述激光器為工作在約980士60nm、 1470士60nm、或1940士60nm處的二極管激光器。
5.根據權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中所述至少一個光纖具有同芯結構，其中一個激光器波長在內芯中穿行并且第二波長在外芯中傳輸。
6.根據權利要求4所述的激光系統(tǒng)，其中所述優(yōu)選波長中的至少兩個進行組合使用 980η 和 1470nm ； 980nm 和 1940nm ；或者 1470nm 和 1940nm。
7.根據權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中一個激光器為纖維激光器并且第二激光器為所述纖維激光器的泵浦激光器，并且其中來自兩個激光器的光束通過所述至少一個光纖傳輸。
8.根據權利要求7所述的激光系統(tǒng)，其中所述至少一個光纖具有同芯結構，其中所述纖維激光器波長在內芯中穿行并且泵浦激光器波長在外芯中傳輸。
9.根據權利要求7所述的激光系統(tǒng)，其中所述纖維激光器在約1550nm處發(fā)射，并且所述泵浦激光器在約915-980nm或約1480nm處發(fā)射。
10.根據權利要求1所述的激光系統(tǒng)，其中使用多個光纖，所述多個光纖設置在所述靶硬質物質周圍以加速其破壞。
11.根據權利要求7所述的激光系統(tǒng)，其中使用多個光纖，所述多個光纖設置在所述靶硬質物質周圍以加速其破壞。
12.根據權利要求3所述的激光系統(tǒng)，其中所述介質遞送裝置用于將冷卻液體提供至所述治療位置。
13.一種用于激光碎石的微創(chuàng)方法，其使用根據權利要求1所述的激光系統(tǒng)來產生無火花等離子體氣泡，所述無火花等離子體氣泡在泌尿道中以快速、安全、有效的方式來破壞硬質物質阻塞物。
14.根據權利要求13所述的用于激光碎石的方法，其中所述冷對液體針對靶硬質物質以便減小得自熱能的組織損傷風險或者所述破壞阻塞物的有害粉碎/固定。
全文摘要
本發(fā)明公開了用于通過激光能量破壞/燒蝕石塊、結石、或其他硬質物質的系統(tǒng)和方法。因此，可進行若干重要的醫(yī)學治療，尤其是碎石。所述系統(tǒng)包括發(fā)射至少一個波長的二極管激光源、將激光輻射傳送至所述治療位置的一個或多個光纖、以及用于在所述石塊(結石)周圍產生液體環(huán)境的液體遞送系統(tǒng)。所述激光裝置發(fā)射至少一個下述波長，其在所述周圍/覆蓋介質中被高度吸收，從而引起導致石塊/結石破壞的蒸發(fā)和空化效應?？墒褂貌煌妮椛錁嬙臁Ｔ谝粋€實施例中，使用連續(xù)輻射來產生能夠破壞硬質物質的無火花等離子體氣泡。在另一個實施例中，使用高峰值功率脈沖輻射。優(yōu)選1470nm、1940nm、或1550nm的波長。另外，其可與在水中具有中等吸收的另一個波長(例如980nm)結合使用。在另一個實施例中，使用同軸雙芯纖維，其中灼燒輻射被引導在近單模內芯中并且用于維持和增強脈沖的輻射被引導到周圍第二外芯中。在另一個優(yōu)選實施例中，多個光纖的使用允許在較短時間段內治療較大的結石。在另一個優(yōu)選實施例中，將冷卻液體提供至沖擊位置以進一步降低結石的加熱升溫，從而減小由結石碎片固定和加熱能量引起的組織損傷風險。利用這些較安全且改進的方法和系統(tǒng)，可在較短的治療時間內完成改善的碎石治療，其破壞較大范圍的結石并且具有較小的組織損傷風險以及較小的醫(yī)生和病人壓力。
文檔編號A61B17/22GK102281830SQ200980149556
公開日2011年12月14日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權日2008年12月2日
發(fā)明者L·切凱蒂, W·切凱蒂, W·紐博格 申請人:塞拉莫普泰克工業(yè)公司