[發明專利]柔性光纖、制備方法及基于該光纖的可驅動激光手術刀

在審

• 申請號: 202010460898.6
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111580230A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 陶光明;楊廣中;高安柱;任志禾
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;上海交通大學
• 主分類號: G02B6/44
• 分類號: G02B6/44;G02B6/02;C03B37/012;C03B37/027;A61B18/22;A61B90/00;A61B90/30
• 代理公司: 浙江素豪律師事務所 33248
• 代理人: 徐芙姍

一種柔性光纖以及基于該光纖的可驅動激光手術刀，包括位于內側的光纖結構以及包裹所述光纖結構的柔性增強層，所述光纖結構具備普通光纖所具有的能量傳遞、信息傳遞功能；所述柔性增強層包括至少兩層，且所述柔性增強層的最外層具有低剛度。該柔性光纖，通過柔性增強層的設計，在不顯著影響光纖功能的情況下，既可以提高光纖彎曲能力，也使光纖最外層材料的可選擇范圍更加廣泛。基于該光纖的可驅動激光手術刀包括激光手術刀骨架以及處于骨架中的上述柔性光纖和驅動絲，其中柔性光纖具備傳能的能力，驅動絲用于控制骨架的運動。該可驅動激光手術刀同時具備傳輸高功率激光、形態感知、基于視覺伺服的姿態控制等功能。

技術領域

本發明涉及一種光纖及其制備方法以及其應用領域，特別是涉及一種柔性光纖及其制備方法、以及基于該光纖的可驅動激光手術刀。

背景技術

隨著醫學技術的發展，對手術過程中操作的精準性、靈活性提出了更高的要求。例如以前切口大小在10cm-20cm的脊柱手術，基于微創手術概念的發展，手術的切口已經可以縮小到3cm-5cm。通過縮小創口，可以降低病人的損傷、加快病人愈合的速度，但同時對手術操作器械的精準度、靈活度提出了更高的要求。

激光技術的發展使得激光醫療近年來愈發火熱。基于激光的消融方案相比傳統的機械切割方案，具有感染風險低、創口小、疼痛小的優勢，廣泛應用于牙科、耳鼻喉科等領域。但目前醫學上常用的消融性激光，例如用于牙科手術的Er:YAG激光(2.94μm)、用于耳鼻喉手術的CO2激光(10.6μm)，波長都處于紅外波段，主要的傳輸方式是采用空心內部鍍銀的導光臂進行傳輸，其只能在關節處彎曲，彎曲角度也有一定限制，無法進入體內狹窄曲折的腔道。因此也有采用光纖來傳輸激光的方案，而常用的石英光纖由于石英在紅外波段存在較高的損耗而無法使用，目前主要使用的中紅外傳能光纖均存在材料剛度高且柔韌性不足的問題，無法實現在狹窄通道內的有效彎曲，極大程度地限制了激光在外科手術中的應用。

公開號為CN102976607B的中國發明專利提供了一種硫系玻璃光纖。這種光纖通過內層硫系玻璃的芯包結構引導紅外激光沿軸向傳輸。但由于硫系玻璃材料的剛度高，此類光纖難以彎曲，并且容易被折斷。

公開號為CN1726414A的中國發明專利申請提供了一種空芯傳能光纖，通過聚合物與硫系玻璃周期性交替形成的光子帶隙結構將紅外激光束縛在光纖中。但此類光纖為了保持內層約束光的光子帶隙結構不因為外側彎曲破壞，必須采用剛度較強的聚合物材料。一旦采用剛度較強的聚合物材料，光纖整體的彎曲難度又會提高。目前用于制備這種纖維的聚合物材料為PEI和PES，這兩種聚合物材料的楊氏模量分別為13445Mpa和2689MPa，聚合物材料里面剛度較低的PVDF的楊氏模量僅有380Mpa。

公開號為CN102360096A的中國發明專利申請提供了一種雙層涂覆方案，通過在光纖表面涂覆柔性材料，達到降低光纖彎曲半徑的效果。但是涂覆方案存在兩個問題：1，涂覆是對拉制光纖的二次加工，涂覆的厚度取決于光纖經過涂覆杯的速度和涂覆物質粘度，如果涂覆裝置和拉絲裝置放在一條生產線上，那么會對整體的拉絲速度產生一定的限制。2，涂覆對涂覆物質的粘度有較高的要求，而涂覆層的厚度的可控性不強。因此必須在制備光纖預制棒階段將柔性物質混雜入光纖預制棒，達到一次性加工制備出具有高柔性光纖的目標。

公開號為US20140090506A1的美國發明專利申請提供了一種蛇形驅動機械臂，實現了機器人末端的柔性驅動。這種驅動方式對比傳統的剛度機械臂驅動方式，存在可重復定位精度和高額定載荷的下降。因此如果希望運用這種方式驅動激光手術刀，需要降低激光手術刀本身的剛度并輔以傳感器彌補可重復定位精度的下降。而現有的激光手術刀，其手術刀自身的柔性和活動范圍，很難達到高精細手術的要求。

因此如果能從結構上在光纖外層引入更多的高柔性聚合物材料，就能顯著降低光纖的彎曲難度，進而拓展光纖的應用范圍，并且使得目前的激光手術刀的驅動方案可以適用于此類光纖，為激光手術術式的進一步拓展打下了基礎。

發明內容