用于医疗应用的光纤激光解决方案
什么是医疗激光光治疗？
激光光治疗使用精确控制的光能，对体内或体表组织进行诊断、照明或治疗。根据具体医疗应用，激光可以：
- 激活光敏剂
- 产生局部加热
- 破坏目标组织
- 刺激生物反应
- 改善可视化效果。
为什么光传输至关重要？
激光医疗治疗的有效性取决于能否将所需的光剂量、波长和发射曲线传送到目标区域。由于吸收和散射，耦合界面及光学传输路径中会产生损耗，从而降低系统性能。同时，不均匀的光分布可能导致局部热点或治疗效果不一致。通过优化从光源耦合到最终发射的完整光路，可在多种应用中实现可预测的光传输。
医疗激光光传输系统的应用
医疗激光光传输是实现微创手术和表面治疗的关键技术。每种应用都有其特定的光传输挑战，需要精心设计由特定激光光源、光纤组件和发射曲线组成的光路。
腔体、管腔内及内窥镜光传输
某些医疗激光应用需要将光传输至中空器官、管腔结构、内窥镜进入部位或切除术后腔体，通常用于癌症诊断或治疗。例如膀胱、胃肠道、支气管树、胸膜腔或手术腔体中的应用。根据治疗方案，光可用于光动力治疗（PDT）、光免疫治疗（PIT）、光动力诊断（PDD）、照明或局部治疗。这些操作要求在有限且通常复杂的几何空间内实现受控且均匀的光分布。圆柱形、球形或应用定制型扩散器，以及光纤探头，可在治疗部位实现特定的发射曲线和可重复的辐照强度。
间质和肿瘤内光传输
间质及肿瘤内治疗通过微创光纤探头或施用器，将光能直接传输至组织内部。当肿瘤或癫痫病灶等目标位于组织内部，而非可接触的表面或开放管腔中时，可采用这种方法。应用示例包括激光间质热疗（LITT）、间质光动力治疗（I-PDT）、局灶性肿瘤消融及其他局部肿瘤治疗。这些应用需要在规定的组织体积内实现受控的能量沉积。根据治疗机理，其目的可能是热消融组织、激活光敏剂或对目标体积进行受控照明。
静脉内光传输
这些疗法在血管内传输激光能量，以治疗血管疾病，同时尽量减少对周围组织的创伤。静脉内激光治疗（EVLT）广泛用于治疗静脉曲张、慢性静脉功能不全及其他静脉回流疾病。这些操作要求沿血管壁实现受控且均匀的能量传输，以获得可靠的热作用和血管闭合。激光扩散器和激光光纤探头可产生均匀的径向发射曲线，使治疗区域得到一致照射。因此，优化的光纤传输和发射几何形状，是血管激光应用获得可重复结果的关键设计因素。
定向内窥镜激光光传输
定向内窥镜激光应用要求将光能精确传输至特定目标，而非进行大范围均匀照明。例如用于粉碎尿路结石的激光碎石术，以及治疗良性前列腺增生（BPH）的激光疗法。在这些操作中，激光通常通过前向发射或侧向发射光纤端头输出，以实现受控的结石粉碎、组织消融、汽化或凝固。这些应用通常针对局部光学目标，预期效果由激光与组织或结石的直接相互作用产生。因此，光学性能取决于高效的功率传输、稳定的光纤端头性能、精确的光束传输和坚固的光纤设计。
抗菌光动力光传输
局部抗菌光动力治疗（aPDT）利用光激活光敏剂，使细菌及其他微生物失活。根据适应症，aPDT可能需要表面照明、局限袋状空间照明、管腔内进入，或通过光纤将光传输至狭窄的解剖空间。牙科领域的典型示例包括牙周袋、种植体周围炎、根管空间、感染伤口及其他局部感染部位。这些应用要求将光受控地传输至富含光敏剂的目标区域，同时限制周围组织受到不必要的照射。
表面和局部光传输
表面和局部激光光传输应用要求在暴露的组织区域实现受控的辐照强度。例如皮肤科PDT、光疗、特定皮肤科或美容操作、伤口相关光治疗及浅表病变的局部治疗。其光学挑战是在规定的暴露区域实现可重复的光分布。当需要受控的表面辐照强度、规定的光斑几何形状或可重复的治疗覆盖范围时，可采用前向发射光纤组件、定制光纤端头、导光器或扩散器技术。
优化完整的激光光路
在医疗激光系统中，性能由所有光学元件之间的相互作用决定。耦合效率、传输损耗、发射几何形状和辐照强度均匀性相互关联，必须进行整体优化。例如，除光纤端头或扩散器本身外，包括连接器、涂层和保护层在内的完整组件，可确保其在操作、灭菌及临床使用过程中的稳定性。由此形成可靠的光学路径，在保持光束质量的同时，将从光源到目标的损耗降至最低。
光源耦合和光纤传输系统
高效的光源耦合和光学接口设计对于任何医疗激光光传输系统的性能都至关重要。从光纤激光器和CO₂激光器到LED光源，肖特设计完整光路，优化光源至光纤的耦合，并使激光光源与整体系统架构相匹配，从而最大限度提高传输效率。激光耦合进入系统后，必须在严苛的机械和热环境下保持可靠传输。肖特开发满足应用特定波长和功率要求的定制光纤组件，集成光纤、连接器、保护套管、涂层和特殊发射结构。石英玻璃光纤具有高透射率、生物相容性和出色的高功率承载能力。此外，多晶光纤能够在包括中红外在内的更长波长范围传输光，并支持无缝集成到设备中。
克服设计挑战，实现最佳设备集成
为确保医疗激光元件在紧凑且严苛的环境中可靠运行，将其集成到导管、内窥镜和微创器械时，需要解决多种设计挑战。我们的激光集成方法会同时考虑这些要求。通过早期应用工程和面向制造的设计，肖特帮助医疗器械企业降低开发风险，并为产品的规模化生产做好准备。
激光扩散器和精确发射控制
在远端，输出元件将传输的激光或LED光转换为应用所需的发射曲线。该元件可以是切割或结构化的裸光纤端头、锥形石英玻璃光纤，以及玻璃基或聚合物基扩散器。
其几何结构经过设计，可在治疗部位按照规定的强度分布，使光向前、径向或沿规定长度发射。其目标并非简单地最大化散射，而是产生与治疗方案和设备几何结构相匹配的可重复光输出。
肖特提供一系列医疗级光传输组件解决方案，兼具光学效率、精确发射控制和规模化制造能力：
- 石英玻璃基光纤端头
- 先进的玻璃基扩散器解决方案
- 聚合物基组件
- 可按需提供光纤锥形加工、光纤端部结构化和涂层
为什么选择与肖特联合开发？
从光学元件到集成式激光光传输解决方案
医疗激光设备依赖复杂的光路，其中光源耦合、光纤选择、光束整形和传输系统设计必须作为一个集成系统协同工作。凭借60多年的医疗光纤经验，肖特融合光学系统工程、激光扩散器设计和精密制造方面的专业知识。我们与医疗器械制造商紧密合作，开发兼顾光学性能、可制造性和法规要求的解决方案。从可行性研究和原型开发，到鉴定和批量生产，我们的应用工程团队在整个产品生命周期中为客户提供支持。我们高度重视面向制造的设计，以加快开发进程，并确保从原型到批量生产的顺利过渡。
FAQs
光纤组件是一种为集成到医疗设备中而定制设计的光纤子系统。典型组件包括石英玻璃光纤、连接器、保护套管、应力消除元件，以及激光扩散器或激光光纤探头等定制发射结构。这些组件针对特定医疗应用的波长、功率水平和机械要求进行优化。
激光扩散器也称为光纤扩散器或扩散光纤端头，是一种将导引激光转换为受控发射曲线的器件。扩散器并非仅向前发射光，而是将光均匀分布至规定区域，例如径向（360°）、圆柱形或前向指向性分布。这种受控光散射可在治疗部位实现均匀的辐照强度，这对于获得一致且有效的医疗治疗至关重要。
激光传输光纤（光纤）以尽可能低的损耗将激光从光源传送至应用部位。这些传输光纤也称为裸光纤，带有经机械加工成形的光纤端头。激光扩散器则会改变光在光纤远端的发射方式。标准光纤提供聚焦光束，而扩散器产生特定且均匀的光分布，适用于需要均匀辐照强度而非点照明的应用。
均匀或同质的辐射及辐照强度可确保传输的光能均匀分布在目标组织上。这对于光动力治疗（PDT）或激光间质热疗（LITT）等疗法至关重要，因为光分布不均会造成照射不足或过度。均匀的辐照强度可减少热点、提高治疗可重复性，并有助于获得一致的临床结果。
激光光纤扩散器广泛用于多种医疗应用，包括：
- 光动力治疗（PDT）和光免疫治疗（PIT）
- 激光间质热疗（LITT）
- 静脉内激光治疗（EVLT）
- 抗菌光动力治疗（aPDT）
- 体腔内及内窥镜照明
- 皮肤科和美容治疗
这些应用要求在有限或敏感环境中实现受控且均匀的光传输。
激光扩散器可根据应用采用多种发射几何形状：
- 圆柱形扩散器（沿规定长度径向发射）
- 球形或360°扩散器
- 前向发射扩散器
- 定制形状的发射曲线
几何形状的选择取决于治疗区域、腔体形状和所需的辐照强度分布等因素。
根据性能要求，激光扩散器可采用不同材料制造：
- 用于成本敏感或较低功率应用的聚合物光纤（POF）
- 用于较高功率、精度和稳定性要求的玻璃基解决方案（如石英玻璃或特种玻璃）
SCHOTT® Luminous等玻璃基扩散器在光学效率、耐用性和可重复性方面具有优势。
激光通过激光光源与光纤输入端之间精心设计的接口耦合进入光纤。关键参数包括波长、光束曲线、数值孔径和对准精度。高效耦合可最大限度提高可用光功率并减少损耗，这对于医疗高功率激光系统尤为重要。
最常用的是石英玻璃光纤，它具有高透射率、出色的高功率承载能力和生物相容性。对于中红外应用（约3 µm）等更长波长范围，可采用多晶光纤等特种光纤。具体选择取决于激光光源和临床应用。
关键性能因素包括：
- 光源处的耦合效率
- 光纤中的光传输损耗
- 光纤几何形状和数值孔径
- 扩散器的发射曲线
- 目标处的辐照强度分布
- 热管理和高功率承载能力
要获得可靠且有效的系统性能，必须对这些参数进行整体优化。
可以。激光扩散器或激光光纤探头可根据具体应用要求，在长度、直径、发射曲线和几何形状方面进行定制。当集成到导管或内窥镜等医疗设备中时，通常需要进行定制，以适应空间限制和规定的照明区域。
激光光纤和扩散器通常集成到包含连接器、保护涂层和机械接口的组件中。这些组件必须与导管或探头等设备设计兼容，并在保持稳定光学性能的同时，承受灭菌过程、操作和临床使用条件。
玻璃基激光扩散器具有多项优势：
- 高光学效率
- 稳定且可重复的发射曲线
- 出色的高功率承载能力
- 与宽波长范围兼容
- 能够承受热和机械应力
这些特性使其特别适用于要求可靠且可规模化性能的高要求医疗应用。
肖特在整个开发过程中为OEM厂商提供支持，从概念和光学设计，到原型开发和大批量生产。服务包括光纤选择、耦合优化、扩散器开发和系统级集成，从而为特定医疗应用提供定制解决方案。
