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智能激光截骨术：将脉冲1064nm光纤激光器集成到1310nm光纤OCT系统的样本臂中进行消融监测
摘要：激光烧蚀材料去除过程中的实时深度测量在许多激光加工形式中都是有用的。到目前为止，同轴光学相干层析成像（OCT）计量是通过二向色滤光片使OCT成像光束和消融光束耦合实现的。我们提出一种全纤维传输的替代设计，更适合外科激光消融应用。新的系统设计将高峰值功率脉冲掺镱光纤激光器（1064nm）直接耦合到扫描源OCT系统（lambda;c=1310nm）的样品臂中。我们通过烧蚀光纤激光腔测量了由色散和衰减引起的OCT信号衰减，使用M模式OCT实时测量消融过程。在体模消融实验中发现平均深度靶向误差在10mu;m到80mu;m之间，在骨消融实验中发现平均深度靶向误差在21mu;M到60mu;M之间。目前已经解决了信号延迟和色散导致的点扩展函数（PSF）峰值展宽、整个设计中使用的不同光纤导致的高弯曲损耗以及极高的烧蚀功率与扫描源功率比（gt;2x104峰值与平均功率）引起的问题等。据我们所知，这是通过单模式、单包层输出光纤与同轴OCT成像集成的热介导激光烧蚀钻孔的第一次演示，在光路中的任何地方都不使用二向色分束器或自由空间光学滤波器，并且这种高烧蚀激光功率达到OCT源功率比。与现有设计相比，散装光学的去除为整个系统的紧凑集成开辟了新的途径。此外，由于烧蚀激光器和OCT反馈系统沿同一光纤路径存在，所以维护和维修的需要大大减少，因为空间光束对准和光学表面的潜在露天污染几乎被消除。我们相信，这个集成系统是一个深度控制外科消融应用的实力候选者。
介绍
在激光材料加工过程中，具有可视化和量化材料形貌变化的能力，有助于控制切割或烧蚀的质量和效果。然而，这些参数是根据最终结果的辐照后分析来控制的，这导致了一个迭代的试错过程。但在烧蚀过程中实时调整和优化参数是不允许的，同样，材料去除的深度控制仅基于经验、材料之间相互作用动力学的先验知识和激光束特性等 [1]。这在处理生物组织时是不可忽视的，必须对均匀性做出假设[2，3]。因此，材料在没有完全破裂的情况下，得到具有高精度和接近性的烧蚀前沿材料边界是一个非常困难的任务。目前使用了具有高倍率的光学相机[4]，但这种方法有其固有的缺点，即消融前必须确定最佳视角。此外，摄像系统无法观察到亚表面烧蚀活动。OCT在消融过程可视化中的一个明显的优点是，成像光束可以与消融光束同轴地传播，即使用相同的聚焦光学器件，这允许高分辨率的亚表面成像（限于成像深度的OCT）正好在接近消融活动部位。
Boppart等人[5]首次提出了利用OCT对组织进行实时消融监测。大鼠器官在514nm处用连续波氩激光消融，以大约每秒8帧捕获该过程的B模式OCT可视化。用二向色镜实现同轴光束耦合，与热优势组织烧蚀一致，其结果清楚地显示了烧蚀坑的形成及之后沿烧蚀坑边界形成的碳化组织和可能的高温组织。由同一组进行的第二项研究[6]表明了OCT用氩激光监测经尿道前列腺电切术（TURP）中的软组织消融的可行性。Ohmi等人[7]展示了在1.06mu;m、10ns脉冲宽度的调Q Nd:YAG激光器上对人牙原位消融的在线OCT监测。利用电子快门将OCT和烧蚀激光通过二色镜进行时间复用，在牙齿上发射一定数量的脉冲，此时关闭快门以阻挡烧蚀激光，OCT系统被允许拍摄B模式图像。不断重复这个过程，直到灼烧坑达到不同的深度。Oh等人的一项研究[8]使用扫描源OCT（SS-OCT）实现了消融的高速成像，其A线速率为115kHz，视频速率为200fps。一个类似的研究利用FD-OCT系统，结合Nd:YAG和YAG激光器，获得了25帧/秒的捕获速度[9，10]。Torkian等人比较了OCT与组织学对猪声带灼烧坑测量（宽度和深度）的结果，没有发现显著差异，从而证明OCT是一种可行的烧蚀深度测量方法[11]。虽然这项研究的作者没有实时监测烧蚀深度，但结果证明OCT不仅可以对弹坑形成过程进行定性的可视化，而且是收集定量烧蚀相关数据的一种可行工具，这正是在闭环控制器中提供反馈所需的。首次显示烧蚀过程中的原位实时深度剖面的研究是由韦伯斯特等人完成的[12]，研究中描述的系统使用单一激光源进行烧蚀和成像。将重复频率为10MHz、脉冲宽度为20ps的1064nm锁模光纤激光器进行扩展，用迈克尔逊干涉仪将其分为参考光和样品光。样品光束通过安装在电流计上的反射镜（用于光束定位）和聚焦物镜反射。烧蚀过程中产生的后向散射光与干涉仪上的参考光结合在一起，在探测臂处收集，然后送到光谱仪。这一研究利用M型OCT成像（在单点捕获OCT干涉数据，而不是光栅扫描光束）来显示不锈钢烧蚀过程中的刻蚀过程。生成的图像能够显示烧蚀过程何时加快或减慢。尽管OCT系统的光源的脉冲重复频率为10MHz，但A线频率为46kHz。同一团队的类似研究论证了以OCT计量为反馈机制的全控制 [13]。在硬组织消融过程中成功使用OCT反馈的证明见[14]。作者能够将冲击钻孔控制在皮质骨完全断裂的50mu;m范围内，从而证明了OCT在控制激光消融外科应用方面的潜力。
Beaudette等人利用全光纤进行了类似的设计工作[15,16]。在这两项研究中，使用双包层光纤耦合器将凝血激光耦合到OCT成像系统，基本上实现了用于聚焦和监测的单光纤光束传输。这种方法的功率可扩展性受到两个主要因素的限制：首先，光纤耦合器往往具有较低的损坏阈值（通常为数百毫瓦）。根据Boulnois的研究[17]，激光与组织相互作用过程中热区的消融大致开始于10W/cm2的功率密度，照射时间约为10-3s；等离子体介导的消融在较小的暴露时间内需要更高的功率。这表明需要将高功率源与OCT耦合，以便以可控的方式对骨材料进行有效的蚀刻。其次，OCT系统容易受到高功率凝固光源的损坏。同样，在[15]中，耦合器端口4处所需的梁卸载会降低整个系统的整体效率。
在2015年的一项研究[18]中，我们提出了这项工作的一个前期，其中使用一系列带阻、自由空间滤波器实现了1kW峰值功率、10W平均功率的光纤激光器和扫描源OCT系统的集成。在M型推进的木材烧蚀过程中显示了高达2毫米的烧蚀深度。本文首次将这种高功率差的两个激光系统耦合到一根传输光纤中，用于烧蚀监测应用。2017年，这项工作的继续证明了一种现象，即PSF的峰值随着光程差的变化而变宽[19]。
本文在1310nm中心波长的OCT系统样品臂内，设计了一台高峰值功率1064nm光纤激光器。这种配置允许同轴光束传输，而不需要在输出级上使用二向色镜或任何其他用于耦合的自由空间体光学元件。我们还处理并解决了深度相关的PSF峰值展宽问题。
方案
我们的目标是开发一种可以消融组织和计量监测消融深度发展而不丧失光纤传输的灵活性的系统。图1示出了集成系统的示意图。
光纤激光器的结构
1064nm烧蚀激光是由高功率光纤激光器根据[20]的设计制造的。它由一个约10m长由掺镱光纤（NufFN LMA-YDF 10/130 VIII）构成的全光纤有源腔组成，将刻蚀在匹配无源光纤（Nufern SM-GDF-10/125）上的两个光纤Bragg光栅拼接到腔端，APC连接器端接输出端。使用976nm光纤耦合激光二极管（RealLight M976plusmn;3-110-F105/22-D1）通过（2 1）x1高功率光纤组合器（ITF MM02112CC1A）对腔进行泵浦。需要注意的是，光纤激光器结构中使用的所有光纤的纤芯直径均为10mu;m，这意味着由于输出光束保持在单模，输出光束可以聚焦到衍射限制的光斑尺寸。光纤激光器的特性总结见表1。
表 1 光纤激光器参数
图 1集成OCT和光纤激光系统的原理图。整个光纤激光器直接内置在OCT系统的样品臂中。这两个系统都是完全基于光纤的（除了标准的参考臂和聚焦光学器件），允许紧凑、牢固的安装并且消除了双光束自由空间对准。
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波长 |
1064nm |
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平均功率 |
3.35W |
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峰值功率 |
419W |
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脉冲持续时间 |
160ns |
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脉冲频率 |
50KHz |
扫描源OCT
OCT系统由1310nm中心扫描波长MEMS激光器（Santec HSL20-50-S）组成，其带宽为110nm，扫描速率为50kHz（单面扫描，占空比为62%），平均功率输出为18.5mW。采用集成迈克尔逊干涉仪（50/50耦合比）和平衡检测系统。整个OCT系统是用SMF-28光纤构建的。采样触发器的k时钟由MEMS激光器提供。
同轴样品臂联轴器
将光纤激光器收纳到OCT系统的样品臂中需要考虑两个重要因素。首先，样本臂的路径长度需要在参考臂中匹配，以确保可以检测到干扰，这是通过将等效长度的SMF-28光纤拼接到OCT系统的参考臂中来完成的。其次，在耦合这两个源方面有一个重大的挑战，因为烧蚀源具有比OCT扫频源的平均功率高约4个数量级的峰值功率，这意味着来自光纤激光器的1064nm激光，从功率合成器输出到OCT系统需要衰减，以便保证探测器与OCT系统相关的任何低损伤阈值光学器件不会被破坏。这是通过三个内部制作的光纤布拉格光栅串联耦合两个系统来实现的，这三个光纤布拉格光栅的1064nm光总衰减为20dB。
弯曲损耗和放大
研究发现，1310nm中心扫描光源通过光纤激光取样臂被高度衰减。在考虑了通过直插无源元件的拼接损耗和衰减后，确定OCT光由于光纤弯曲而受到更高的损耗。经进一步研究确定了SMF-28光纤截面的弯曲对衰减的贡献不大，而损耗的主要原因是大模场（LMA）光纤截面的弯曲。SM-GDF-10/125光纤的数值孔径（NA）为0.086，远低于SMF-28光纤[13]。弯曲的SM-GDF-10/125允许在芯中引导的光泄漏到包层中，随后通过包层模式泵剥离器的传播负责把包层中的光射出。结果表明，在15mm弯曲直径下，SM-GDF-10/125光纤的OCT扫描光源衰减率为9.7dB。在相同弯曲半径下，SMF-28的衰减率为0.15dB。图2总结了1310nm中心宽带光的弯曲损耗，其中每根光纤弯曲成一个直径不同的半圆。
为了提高样品臂的OCT光功率，在扫描源和干涉仪之间放置了一个光学放大器（Covega-BOA1017），将输入功率提高到85mW。这使得光纤激光器输出尾纤处的OCT激光输出功率达到6.5mW。烧蚀后的测量功率损失约为8.15dB，其总的理论灵敏度为81.7dB，测得灵敏度为80dB。在没有烧蚀光纤的情况下，测量了样品臂的预期灵敏度为98dB。这种高衰减是该方案的一个主要限制，但该系统的灵敏度足以提供清晰的表面检测。讨论部分讨论了降低输出光纤弯曲导致的进一步功率损耗的策略。在ANSI安全标准的背景下，如果我们假设6.5mW入射OCT光功率（1310nm）以50kHzA线速率的50%占空比传输，这相当于最大允许曝光（MPE）约为1mJ/cm2，这远低于NIR窗口中的皮肤的MPE，其曝光持续时间约为310mJ/cm2 [21]。
图 2OCT扫描光源由于弯曲而从纤芯中射出。对于图中所示的数据，进行10种不同直径的弯曲，重复3次并取平均值。红线表示Nufern SM-GDF-10/125，蓝线表示标准SMF-28光纤。要注意的是，Nufern SM-GDF 10／125纤维芯的喷射比SMF-28的喷射直径高大约53mm。
K空间重采样与点扩散函数
如图3所示，在点扩散函数（PSF）中观察到了随着路径差的增加而增加的峰展宽现象。结果发现，由于聚焦光学元件之前的光纤激光器（以及参考臂）的总近似长度为23.1m，这种长度的光纤使通过OCT系统各个臂的光的往返时间成比例增加。对于一次行程，此延迟估计为：
其中n是SMF-28光纤的芯折射率（1.45205），c是真空中的光速。因此，预计往返时间的总增加量为224ns。这种延迟导致来自平衡探测器的条纹信号与来自扫描源激光的k时钟采样触发器之间的相位偏移相等，从而导致条纹采样不正确。为了解决这一问题，构造了具有近似相同的总往返光路长度的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）K空间重采样时钟，实现了相同的时间延迟和色散。该方案的结果如图4所示。所有的峰都是均匀展宽的，这是由于不匹配光纤构成的样品和参考臂引起的色散失配所致。用与文献[22]相似的二阶色散校正算法校正固定色散失配引起的展宽，所得的PSF在图5中示出，具有相应的轴向分辨率值。所有PSF测量都是通过首先在样本臂中放置一面镜子，然后通过逐渐增加样本臂和参考臂之间的路径差来完成的。样品臂的功率在毫瓦范围内，样品臂和参考臂的光通过自由空间光阑衰减，以避免探测器饱和。
图 4延迟MZI干涉仪重采样时钟系统的点扩展函数（PSF）与OCT光的往返时间相匹配。由于由直列光纤激光器引入的高色散失配，峰值展宽现在几乎是均匀的。
图 3不考虑K时钟定时的系统点扩展函数（PSF）。由于非延迟采样触发，光程差依赖的峰值展宽非常明显。
A线触发烧蚀脉冲同步 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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