外科激光系统和激光碎石技术.pdf

一种外科激光系统(100)包括：第一激光源(140A)、第二激光源(140B)、波束组合器(142)、和激光探头(108)。第一激光源被配置为输出包括第一激光脉冲(146)的第一激光脉冲序列(144、104A)。第二激光源(140B)被配置为输出包括第二激光脉冲(150)的第二激光脉冲序列(148、104B)。波束组合器(142)被配置为组合所述第一和第二激光脉冲序列并输出包括所述第一和第二激光脉冲的组合激光脉冲序列(152、104)。激光探头(108)光耦和至波束组合器的输出，并被配置为发射所述组合激光脉冲序列。

权利要求书
1.  一种外科激光系统，包括：
第一激光源(140A)，被配置为输出包括第一激光脉冲(146)的第一激光脉冲序列(144、104A)；
第二激光源(140B)，被配置为输出包括第二激光脉冲(150)的第二激光脉冲序列(148、104B)；
波束组合器(142)，被配置为组合所述第一和第二激光脉冲序列并输出包括第一和第二激光脉冲的组合激光脉冲序列(152、104)；以及
激光探头(108)，光耦和至波束组合器的输出，并被配置为发射所述组合激光脉冲序列。

2.  根据权利要求1的系统，其中在所述组合激光脉冲序列中所述第一激光脉冲与所述第二激光脉冲在时间上偏移。

3.  根据权利要求2的系统，其中在所述组合激光脉冲序列中所述第一脉冲序列与所述第二脉冲序列相交替。

4.  根据权利要求1的系统，其中：
每个第一激光脉冲具有第一波长；
每个第二激光脉冲具有第二波长；以及
所述第一波长和所述第二波长不同。

5.  根据权利要求1的系统，进一步包括：延时生成器(154)，被配置为相对于来自第一激光源的第一激光脉冲序列的发射，延时来自第二激光源的第二激光脉冲序列的发射。

6.  一种外科激光系统(100)，包括：
激光生成器(102)，被配置为基于激光能量设置生成激光能量；
激光探头(108)，被配置为发射所述激光能量；
结石分析器(170)，具有与目标结石(120)特性有关的输出；以及
控制器(122)，包括被配置为基于所述输出确定所述激光能量设置的至少一个处理器。

7.  根据权利要求6的系统，其中：
所述激光能量包括激光脉冲(132)的序列(130)；以及
所述激光能量设置包括从包括以下的组中选择的一个或更多个设置：激光脉冲的脉宽、激光脉冲的脉冲重复率、激光脉冲的功率、激光脉冲的波长、和激光脉冲序列的持续时间。

8.  根据权利要求6的系统，其中所述特性选自包括以下的组：估计的结石大小、估计的结石长度、估计的结石成分、以及结石的振动频率。

9.  根据权利要求6的系统，还包括：存储器(124)，包括激光能量设置到输出值的映射(172)，其中所述控制器基于所述映射中对应于输出的激光能量设置来控制激光生成器。

10.  根据权利要求9的系统，其中来自所述结石分析器的输出选自包括以下的组：结石图像、结石的激光诱导振动测量、结石频谱仪读数。

11.  根据权利要求9的系统，其中
结石分析器(170)包括被配置为输出目标结石的图像的成像器(174)；以及
所述控制器被配置为基于所述图像估计结石在至少一个维度上的长度，并基于对应于长度估计的激光能量设置来控制激光生成器。

12.  根据权利要求9的系统，其中
结石分析器包括被配置为测量目标结石的振动频率的激光多普勒振动仪(182)；以及
控制器被配置为基于映射中对应于所测量振动频率的激光能量设置来控制激光生成器。

13.  根据权利要求9的系统，其中
结石分析器包括被配置为输出对目标结石成分加以指示的频谱仪读数的激光诱导击穿频谱仪(184)；以及
控制器被配置为基于对应于频谱仪读数的激光能量设置来控制激光生成器。

14.  一种用于击碎肾或膀胱结石的方法，包括：
使用第一激光源(140A)生成包括第一激光脉冲(146)的第一激光脉冲序列(144)；
使用第二激光源(140B)生成包括第二激光脉冲(150)的第二激光脉冲序列(148)；
将所述第一和第二脉冲序列组合为包括第一和第二激光脉冲的组合激光脉冲序列(152)；
使用激光探头(108)将结石暴露于所述组合激光脉冲序列；以及
响应于结石暴露，击碎结石。

15.  根据权利要求14的方法，其中组合所述第一和第二激光脉冲序列包括将第一激光脉冲与第二激光脉冲在时间上偏移。

16.  一种用于击碎肾或膀胱结石的方法，包括：
使用结石分析器(170)生成与目标结石(120)特性有关的输出，其中所述特性选自包括以下的组：估计的结石大小、估计的结石长度、估计的结石成分和结石的振动频率测量；
基于所述输出确定激光能量设置(126)；
根据所述激光能量设置，使用激光生成器(102)生成激光能量(104)；
使用激光探头(108)将结石暴露于所述激光能量；以及
响应于结石暴露，击碎结石。

17.  根据权利要求16的方法，其中：
所述激光能量包括激光脉冲(132)的序列(130)；以及
所述激光能量设置包括从包括以下的组中选择的一个或更多个设置：激光脉冲的脉宽、激光脉冲的脉冲重复率、激光脉冲的功率、激光脉冲的波长、和激光脉冲序列的持续时间。

18.  一种用于击碎肾或膀胱结石的方法，包括：
使用激光探头(108)将结石暴露于具有第一功率级的第一激光能量(130)；
使用激光探头将结石暴露于具有第二功率级的第二激光能量(164)，其中第二功率级高于第一功率级；以及
响应于结石暴露于第二激光能量，击碎结石。

19.  根据权利要求18的方法，其中将结石暴露于第二激光能量发生在结石暴露于第一激光能量之后。

20.  根据权利要求18的方法，将结石暴露于第二激光能量发生在结石暴露于第一激光能量开始之后。

说明书外科激光系统和激光碎石技术
技术领域
本发明实施例总体上涉及外科激光系统、这种系统产生的激光脉冲序列、以及使用该系统和激光脉冲序列执行激光碎石的方法。
背景技术
医用激光已在各种实际领域中使用，例如，泌尿科、神经科、耳鼻喉科、全身麻醉科、眼科、牙科、肠胃科、心脏科、妇科、胸科以及整形过程。总体上，这些过程要求精确控制的激光能量传输作为治疗方案一部分。
治疗肾及膀胱结石的碎石术，当前通过ESWL(体外震波碎石术)、手术或者使用激光(激光碎石术)来实现。在激光应用中，使用掺钬钇铝石榴石(Ho：YAG)激光棒或掺铥钇铝石榴石(Tm：YAG)激光棒产生波长约2000-2100nm的激光能量来击碎所有类型的结石。激光能量典型是激光脉冲序列的形式，每个激光脉冲都具有长脉宽，例如大约几百微秒。热机械作用机制被认为在击碎结石中发挥作用，即，激光能量使结石附近的水过热，产生蒸汽气泡。然后蒸汽气泡扩散使结石不稳定，导致其破碎。
不断需要改进激光碎石过程，例如，包括结石破碎的改进。
发明内容
本发明实施例总体上涉及外科激光系统、这种系统产生的激光脉冲序列、以及使用该系统和激光脉冲序列执行激光碎石的方法。在一些实施例中，外科激光系统(100)包括第一激光源(140A)、第二激光源(140B)、波束组合器(142)和激光探头(108)。第一激光源被配置为输出包括第一激光脉冲(146)的第一激光脉冲序列(144、104A)。第二激光源被配置为输出包括第二激光脉冲(150)的第二激 光脉冲序列(148、104B)。波束组合器被配置为组合第一和第二激光脉冲序列并输出包括第一和第二激光脉冲的组合激光脉冲序列(152、104)。激光探头光耦合至波束组合器的输出，并被配置为发射组合激光脉冲序列。
在一些实施例中，组合激光脉冲序列中第一激光脉冲与第二激光脉冲在时间上偏移。在一些实施例中，组合激光脉冲序列中第一脉冲序列和第二脉冲序列相交替。在一些实施例中，第一激光脉冲和第二第二激光脉冲的脉宽(134)在0.1-10000ns、1ns-500ns、1ps-10ms的范围中。在一些实施例中，组合激光脉冲序列的脉冲重复率在1Hz-2GHz或0.1-10GHz的范围中。在一些实施例中，每个第一激光脉冲具有第一波长，每个第二激光脉冲具有第二波长，第一波长和第二波长不同。在一些实施例中，系统包括：延时生成器(154)，被配置为相对于来自第一激光源(140A)第一激光脉冲序列(144)的发射，延时来自第二激光源(140B)第二激光脉冲序列(148)的发射。
在一些实施例中，外科激光系统包括激光生成器(102)、激光探头(108)、结石分析器(170)和控制器(122)。激光生成器被配置为基于激光能量设置(126)生成激光能量。激光探头被配置为发射激光能量。结石分析器具有与目标结石(120)的特性有关的输出。控制器包括被配置为基于输出确定激光能量设置的至少一个处理器。
在一些实施例中，激光能量包括激光脉冲(132)的序列(130)，激光能量设置包括针对激光脉冲的脉宽、激光脉冲的脉冲重复率、激光脉冲的功率、激光脉冲的波长、和/或激光脉冲序列的持续时间的设置。在一些实施例中，系统包括存储器(124)，存储器包括激光能量设置到输出值的映射(172)，其中控制器基于映射中对应于输出的激光能量设置控制激光生成器。在一些实施例中，特性为估计的结石大小、估计的结石长度、估计的结石成分和/或结石的振动频率。在一些实施例中，结石分析器的输出是结石图像、结石激光诱导振动测量、和/或结石的频谱仪读数。在一些实施例中，结石分析器包括被配置为输出目标结石图像的成像器(174)，以及控制器被配置为基于该图像估计结石在至少一个维度上的长度，并基于映射中对应于估计长度的 激光能量设置控制激光生成器。在一些实施例中，结石分析器包括被配置为测量目标结石振动频率的激光多普勒振动仪(182)，以及控制器被配置为基于映射中对应于测量振动频率的激光能量设置控制激光生成器。在一些实施例中，结石分析器包括：激光诱导击穿频谱仪(184)，被配置为输出指示目标结石成分的频谱仪读数，以及控制器被配置为基于映射中对应于频谱仪读数的激光能量设置控制激光生成器。
在击碎目标肾或膀胱结石的方法的一些实施例中，使用第一激光源(140A)生成包括第一激光脉冲(146)的第一激光脉冲序列(144)。使用第二激光源(140B)生成包括第二激光脉冲(150)的第二激光脉冲序列(148)。将第一和第二脉冲序列组合为包括第一和第二激光脉冲的组合激光脉冲序列(152)。使用激光探头(108)将结石暴露于组合激光脉冲序列。响应于结石暴露于组合激光脉冲序列，击碎结石。
在该方法的一些实施例中，组合第一和第二激光脉冲序列，使得第一激光脉冲与第二激光脉冲在时间上偏移。在一些实施例中，通过相对于第一激光脉冲序列的生成延时第二激光脉冲序列的生成，使第一激光脉冲与第二激光脉冲在时间上偏移。
在击碎目标肾或膀胱结石的方法的一些实施例中，使用结石分析器(170)生成与目标结石(120)的特性有关的输出。该特性的实施例包括估计的结石大小、估计的结石长度、估计的结石成分和结石的振动频率测量。基于该输出生成激光能量设置(126)。根据激光能量设置，使用激光生成器生成激光能量(104)。使用激光探头(108)将结石暴露于激光能量。响应于结石暴露于激光能量，击碎结石。
在一些实施例中，激光能量包括激光脉冲(132)的序列(130)。在一些实施例中，激光能量设置包括针对激光脉冲的脉冲宽度、激光脉冲的脉冲重复率、激光脉冲的功率、激光脉冲的波长、和/或激光脉冲序列的持续时间的设置。
在击碎目标肾或膀胱结石(120)的方法的一些实施例中，使用激光探头(108)将结石暴露于具有第一功率级的第一激光能量(130)。使用激光探头将结石暴露于具有第二功率级的第二激光能量(164)， 其中第二功率级高于第一功率级。响应于结石于暴露第二激光能量，击碎结石。
在一些实施例中，在结石暴露于第一激光能量后将结石暴露于第二激光能量。在一些实施例中，在结石暴露于第一激光能量开始后，将结石暴露于第二激光能量。在一些实施例中，第一激光脉冲能量包括脉冲重复率在大约1kHz-2GHz范围内的激光脉冲序列(130)。在一些实施例中，第二激光能量包括单个激光脉冲。在一些实施例中，第二激光能量包括激光脉冲序列。
提供本概述以用简单的形式来介绍构思的选择，下文在详细描述中进一步描述构思的选择。本概述并不意在标识请求保护主题的关键或重要的特征，也不意在用于帮助确定请求保护主题的范围。请求保护主题不限于解决在背景技术部分记载的任意或全部缺陷的实现。
附图说明
图1是根据本发明实施例的示例性外科激光系统的示意图。
图2是根据本发明实施例的示例性外科术激光程序的简化图。
图3是示出根据本发明实施例的示例性激光脉冲序列的图。
图4是根据本发明实施例的激光生成器的示意图。
图5和图6是示出根据本发明实施例的示例性激光脉冲序列的图。
图7-9是示出根据本发明实施例的击碎肾或膀胱结石的方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例总体上涉及外科激光系统、这种系统产生的激光脉冲序列、以及使用该系统和激光脉冲序列执行激光碎石的方法。下文参考附图更充分地描述本发明的实施例。然而，本发明各实施例可以实现为很多不同的形式，并且不应解释为限制于这里提出的实施例。当然，提供这些实施例，使得本公开全面且完整，并充分地向本领域的技术人员传达本发明的范围。使用相同或类似附图标识的元件指代 相同或类似的元件。
这里使用的术语仅是为描述具体实施例的目的，而并不意在限制本发明。除非上下文明确指示，这里使用的单数形式“一”和“该”的目的还包括复数形式。还可以理解，本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指定了所陈述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或更多的其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或组的存在或增加。
可以理解，当元件被称为“连接”或“耦合”至其他元件时，该元件可直接地连接或耦合至其他元件，或者存在中间的元件。相反，如果元件被称为“直接地连接”或“直接地耦合”至另一元件，则不存在中间元件。
可以理解，尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各元件，这些元件不应由这些术语限制。这些术语仅用于将元件相互区别。因此，在不脱离本发明教导的前提下第一元件可被称为第二元件。
除非另有说明，这里使用的全部术语(包括科技术语)的含义与本发明所属领域普通技术人员的通常理解是相同的。进一步地可以理解，术语(例如在常用字典中定义的术语)应当解释为与其相关技术上下文中的含义一致的含义，并且除非明确在这里定义，其不应解释为理想化或过度形式的意义。
本领域技术人员可以进一步地理解，本发明可以实现为方法、系统、和/或计算机程序产品。因此，本发明采用的形式可以是完全硬件的实施例、完全软件的实施例或组合软件和硬件方面的实施例。并且，本发明采用的形式可以是计算机可用存储介质上的计算机程序产品，该介质具有实现在介质中的计算机可用程序代码。可以使用合适的任意计算机可读介质，包括硬盘、CD-ROM、光存储设备或磁存储设备。
这里称为“存储器”的计算机可用或计算机可读介质可以是，但不限于电子、磁、光、电磁、红外、半导体的系统、装置、设备或传播介质。计算机可读介质更具体的示例可包括以下的(未穷尽的清单)：具有一个或更多线的电连接、可便携计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM 或闪存)、光纤、可携带紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)。注意，计算机可用或计算机可读介质甚至可以是其上印有程序的纸或其他合适的介质，因为能够通过例如扫描纸或其他介质电获取程序，并且，根据需要，还以合适的方式编译、解释或者另外处理程序，并存储在计算机存储器中。
还使用流程图和方框图描述本发明。可以理解，能够通过计算机程序指令实现(流程图和方框图的)每个方框和方框组合。可以将这些程序指令提供给处理器电路(如微处理器、微控制器或其他处理器)，使得在处理器上执行的指令产生实现在方框中指定的功能的装置。计算机程序指令可以由处理器执行，以使处理器执行一系列操作步骤，从而产生计算机实现的处理，使得在处理器上执行的指令提供实现在方框中指定的功能的步骤。
因此，方框支持用于执行指定功能的装置的组合、用于执行指定功能的步骤与用于执行指定的功能的程序指令装置的组合。还可以理解，能够通过执行指定功能或步骤、基于硬件的专用系统，或者专用硬件与计算机指令的组合来实现每个方框或方框组合。
根据本发明实施例，图1是示例性外科激光系统100的示意图，图2是使用系统100的示例性激光碎石过程的简化图。在一些实施例中，系统100包括生成激光能量104的激光生成器102。在一些实施例中，激光能量光耦合至波导106，例如光纤，并从激光探头108发射以执行期望的过程，例如切除组织、泌尿或肾的碎石。
在一些实施例中，激光生成器102包括一个或更多的常规激光源，例如产生期望属性激光能量104的激光谐振器。在一些实施例中，系统产生包括脉冲的脉冲序列形式的激光能量，该脉冲相比已有技术的激光系统，特别是在激光碎石过程中使用的激光系统，具有相对短的脉宽和相对高的脉冲重复率。在一些实施例中，激光生成器102包括产生激光能量104的Q-开关(Q-switched)激光棒，例如，掺钬钇铝石榴石(Ho：YAG)激光棒、掺铥钇铝石榴石(Tm：YAG)激光棒、或其他适于产生期望激光能量104的常规激光棒。
如图2所示，激光探头108可以被配置为沿探头108的纵轴方向 通过末端112发射激光能量104，或者按照另一传统方式相对于探头108(侧发射激光探头)的纵轴的横向地发射激光能量104，如箭头114所示。激光探头108可以支撑在膀胱镜或内窥镜116中，其末端在图2中示出。
在一些实施例中，系统100包括副探头118，其末端在图2中示出。例如副探头118可以用于获取目标结石120的图像或执行其他功能。在一些实施例中，探头118可以用于获得目标结石的一个或更多的特性，如下讨论。
在一个实施例中，系统100包括：控制器122，包括一个或更多个处理器，一个或更多个处理器被配置为执行存储在存储器124或其他位置的程序指令，以执行这里描述的功能。在一些实施例中，控制器122根据存储在存储器124或其他位置的激光能量设置126控制激光生成器102。
在一些实施例中，控制器122使用常规技术控制通过激光探头108的激光能量104的发射。例如，控制器122可以控制一个或更多个快门结构128(图1)，快门结构控制将激光能量104发射至波导106或者从激光生成器102的各个独立激光源发射激光能量。
在一些实施例中，系统100被配置为生成激光脉冲序列130形式的激光能量104，例如图3中示出的示例性激光脉冲序列。激光脉冲序列130包括独立激光脉冲132。在一些实施例中，每个激光脉冲132相比常规激光碎石过程使用的激光能量具有短脉宽134，脉宽典型地为几百微秒量级。在一些实施例中，序列130中每个脉冲132的脉宽例如小于1μs或小于1ms。在一些实施例中，脉宽134的范围例如是，1-10000ns、0.1-500μs、或1ps-10ms。可以使用常规Q开关激光棒(例如以上提到的这些或其他合适技术)获得该脉冲。
在一些实施例中，激光脉冲132相对于常规激光系统以高速率重复。在一些实施例中，脉冲重复率的范围是0.001-1000kHz，1kHz-2GHz，大于1GHz，0.1Hz-10GHz。高脉冲重复率(GHz范围)覆盖等离子云的生存期，这能够增强激光等离子效应以实现有效率的组织切除或碎石。
在一些实施例中，激光生成器102使用多个激光源生成高脉冲重复率的脉冲序列130。在一些实施例中，每个激光源能够产生可以引起组织或肾/膀胱结石上的局部热或局部压力反应的激光能量。组合两个或更多个激光源中每一个生成的激光能量或激光脉冲序列，形成具有期望的高脉冲重复率的激光能量104。然后通过探头104将激光能量104发射至目标物体或组织，例如肾或膀胱结石。
图4是激光生成器102示例性配置的示意图，激光生成器102被配置为生成具有高脉冲重复率的激光能量104。在一些实施例中，激光生成器包括被配置为生成输出激光能量104A的激光源140A，和被配置为输出激光能量104B的激光源140B。在一些实施例中，激光源可以是Q开关激光源或其他能够生成激光能量104A和104B的常规设备，其中每个激光能量104A和104B具有根据激光能量设置126设置的脉宽和脉冲重复率。
在一些实施例中，波束组合器142组合激光能量104A和104B，使得它们交叠成单个激光束的激光能量104。在一些实施例中，波束组合器141包括常规的反射镜、透镜和/或光学组件以组合激光能量104A和104B。通过这种方式还可以组合多于两个光源以产生具有高脉冲重复率的脉冲序列。波束组合器142的输出激光能量104光耦合至激光探头108以进行发射，如图1所示。
在一个实施例中，激光能量104A包括激光脉冲146的激光脉冲序列144，激光能量104B包括激光脉冲150的激光脉冲序列148，如图5所示。在一些实施例中，脉冲146和150可以具有相同或不同的波长、相同或不同的脉宽、相同或不同的脉冲形状。在一些实施例中，激光脉冲序列144和148可以具有相同或不同的脉冲重复率或频率。根据一些实施例，脉冲146和150的波长范围是400-11000nm，300-20000nm。在一些实施例中，脉冲146和150的脉宽范围是，例如小于1μs，0.1-10000ns或1ps-10ms。在一些实施例中，脉冲序列144和148的脉冲重复率范围是0.1z-10GHz。
在一些实施例中，脉冲序列144的脉冲146与脉冲序列148的脉冲150在时间上偏移，以生成形成激光能量104的脉冲序列152，如 图5所示。在一些实施例中，脉冲序列152的脉冲146和150不交叠，如图5所示。在一些实施例中，脉冲146与150相交替，如图5所示。
由激光生成器102的两个或更多个激光源产生的激光脉冲序列可以以任意合适的方式在时间上偏移。在一个示例性实施例中，可调整延时生成器154响应于从例如控制器122(图1)接收的触发156，延时来自激光源140B的激光脉冲序列148的发射。触发脉冲150的延时可以小至几个纳秒。触发信号和延时信号可以用于控制对应于例如激光源140A、140B的快门结构。
可以使用多个激光源实现的激光能量104的脉冲序列152的生成脉冲重复率实质地高于使用单个激光源所能够得到生成脉冲重复率。即，激光生成器102通过组合两个或更多激光源的输出激光能量，高效地倍增了常规激光源的脉冲重复率。因此，该技术可以用于产生激光能量104的极高频率脉冲序列152，例如，根据脉冲(如146、148)的宽度，脉冲序列的脉冲重复率的范围高达2GHz或更高。如下所讨论的，该频率范围使得系统100能够与泌尿或肾结石的高估计固有或谐振频率相匹配，能够在激光碎石过程期间更彻底地碎石。
在一些实施例中，激光序列144和146的激光脉冲146和150不是在时间上偏移，而是直接交叠(即，脉冲同步)。这能够生成具有比使用单个激光源的更高功率的激光能量104。在一些实施例中，生成器102如参考图5所述配置，但不具有延时生成器154。
根据另一个实施例，激光生成器生成图6所示脉冲序列160形式的激光能量104，通过例如激光探头108发射至目标结石120。在一些实施例中，脉冲序列160包括第一功率或能量级的脉冲序列162，以及其后包括高于第一能量级的第二能量级的脉冲序列164。在一些实施例中，脉冲162包括脉冲146和150，并根据以上描述的一个或更多实施例形成脉冲序列130。因此，在一些实施例中，可以使用激光生成器102的两个或更多的激光源来生成激光脉冲162。目标结石暴露于脉冲162使目标结石120加热和/或在目标结石中产生破裂，同时一个或多个高能脉冲164将结石粉碎。
脉冲162和164可以具有相同或不同的波长、相同或不同的脉宽、 相同或不同的脉冲形状。在一些实施例中，脉冲162的脉宽约为小于1μs，1—10000ns，1ps-10ms。在一些实施例中，脉冲162的能量水平约为0.01—1000mJ，1nJ-10J。脉冲162优选在1-20000kHz、1kHz-2GHz、或0.1Hz-10GHz的脉冲重复率或频率范围上传输。
在一些实施例中，一个或更多脉冲164具有1-10000mJ，1nJ-10J范围内的能量级。在一些实施例中，一个或更多的脉冲164具有小于1μs，1ns-500μs，1ps-10ms范围内的脉宽。在一些实施例中，通过激光生成器102不用于生成激光脉冲162的激光源生成一个或更多个激光脉冲164。
在一些实施例中，当使用激光脉冲164的序列时，脉冲164的序列具有比脉冲162的序列低的频率或脉冲重复率，例如0.1Hz-10GHz。在一些实施例中，激光脉冲164具有调谐至用于击碎的目标结石的频率，如下文描述。在一些实施例中，脉冲164的序列具有1kHz-2GHz、0.1Hz-10GHz范围内的脉冲重复率。在一些实施例中，根据关于激光脉冲序列130的一个或更多个实施例，使用多激光源技术形成脉冲164的序列。
在一些实施例中，在低能量激光脉冲162的脉冲序列后立刻产生一个或更多个高能激光脉冲164。在一些实施例中，目标结石120暴露于激光脉冲162之后激光生成器102开始生成一个或更多个高能激光脉冲164，允许一个或更多个激光脉冲164与激光脉冲162交叠。
本发明一些实施例涉及使用上述系统100产生激光能量104的方法，使用系统的实施例击碎肾或膀胱结石的激光碎石方法。在一些实施例中，激光生成器102被配置为根据上述一个或更多实施例输出激光能量104以击碎目标结石120，如图2所示。
在一些实施例中，从激光生成器102输出的激光能量104由例如存储在存储器124(图1)或其他位置的激光能量设置126定义。激光能量设置126可以确定激光能量104的波长、形成激光能量104的脉冲的脉宽134、激光能量104的脉冲重复率、激光能量104的脉冲能量级、激光能量104输出的持续时间(即激光治疗的持续时间)、和/或从激光生成器102输出的激光能量104的其他属性。在一些实施例 中，控制器122使用激光能量设置126控制激光生成器102及其一个或更多个激光源(如，激光源140A和140B)，以生成激光能量104。
在一些实施例中，激光生成器102被配置为输出调谐以击碎目标结石的激光能量104。在一些实施例中，这种对激光能量104的调谐将激光能量104的频率或脉冲重复率与目标结石120的固有或谐振频率相匹配。在一些实施例中，这种将激光能量104调谐至目标结石120使得激光能量104能够更有效率地击碎结石120，并将结石击碎为比使用现有激光碎石技术更小的颗粒。
在一些实施例中，可基于目标结石120的特性估计目标结石120的固有频率。在一些实施例中，系统100包括：结石分析器170，被配置为确定或帮助确定结石120的一个或更多个特性，可以根据结石120的一个或更多个特性估计结石120的固有频率，并用于确定激光能量设置126。示例性的结石特性包括结石的一个或更多个尺寸、结石的几何形状、结石的振动频率、结石的成分、结石的类型、颜色或张力强度、以及其他特性。
在一些实施例中，系统100包括存储在可被控制器122访问的存储器124(图1)或其他位置中的映射或查找表172。映射172标识用于结石120的各种测量或估计的特性的激光能量设置。在控制器122使用结石分析器170确定目标结石120的一个或更多个特性后，控制器122使用映射172获得对应于一个或更多个确定的特性的激光能量设置。然后，控制器122设置激光生成器102或各个独立激光源，以基于该设置生成调谐至结石120的激光能量104。在一些实施例中，从映射172获得的激光设置存储为激光设置126。然后，系统100可以使用调谐的激光能量104对目标结石120执行激光碎石程序，以击碎结石，如图2所示。
在一些实施例中，结石分析器170包括被配置为获取目标结石120图像的成像器174，如图1所示。成像器174可以是常规成像组件，包括成像光纤176形式的副探头118、成像传感器或芯片178，例如CCD传感器。在一些实施例中，控制器122处理来自成像器174的图像以确定目标结石120的特性，例如，对结石120一个或更多个尺寸 (即，诸如直径等长度、面积等)、结石的几何形状、或目标结石120的其他特性的测量或估计。在一些实施例中，系统100包括可以显示成像传感器178获取的图像的显示器180(图1)。在一些实施例中，在映射172中将结石120的一个或更个图像确定特性映射至激光能量设置(如，脉冲重复率、脉宽等)，以生成调谐用于击碎目标结石120的激光能量104。
在一些实施例中，结石分析器170包括激光多普勒振动仪(LDV)182，是一种用于实现表面非接触振动测量的仪器。在一些实施例中，LDV 182将结石120暴露于激光束，例如来自激光探头108的激光能量104，或来自副探头118的激光束(图2)。响应于激光束引起的结石表面的移动，从结石120的表面反射激光束的多普勒频移来提取结石120的振动幅度和频率。这可以通过例如成像器174或其他常规组件获得。LDV 182的输出可以是与结石表面沿激光束方向的速度分量连续模拟电压，。在一些实施例中，控制器122基于LDV 182的输出确定一个或更多个结石特性，例如结石120的振动频率。在一些实施例中，在映射172中，将一个或更多个这些特性映射至激光能量设置，例如脉冲重复率，以生成调谐用于击碎目标结石的激光能量104。
在一些实施例中，结石分析器170包括激光诱导击穿频谱仪(LIBS)184，被配置为例如通过副探头118对目标结石120执行激光诱导击穿频谱术，并输出指示目标结石120的成分的频谱读数。在一些实施例中，使用激光能量104(例如上文描述的高频脉冲序列130)产生强等离子效应。LIBS 184使用该等离子效应获得结石120的成分。在一些实施例中，使用目标结石120的输出成分识别目标结石120的类型、结石120的固有频率(即，振动频率)、和/或结石120的其他特性。在一些实施例中，控制器122基于识别出的结石类型确定执行击碎结石120的激光治疗。在一些实施例中，在映射172中，将一个或更多的这些特性映射至激光能量设置，例如脉冲重复率，以生成调谐用于击碎目标结石120的激光能量104。在一些实施例中，激光诱导击穿频谱术对目标结石120的结果还可以用于诊断、治疗和防止复发。
附加的实施例涉及使用根据这里描述的一个或更多的实施例形成的系统100，以执行击碎肾或膀胱结石的激光碎石治疗。图7是根据本发明实施例的击碎肾或膀胱结石的方法的流程图。在200，使用第一激光源140A生成第一激光脉冲序列，例如包括第一激光脉冲146的脉冲序列144(即，激光能量104A)，如图4和5所示。在202，使用第二激光源140B生成包括第二激光脉冲150的第二激光脉冲序列148(即，激光能量104B)。在204，将激光脉冲序列144和148组合为组合激光脉冲序列152(即，激光能量104)。组合激光脉冲序列152包括第一和第二激光脉冲146、150。在206，使用激光探头108将结石暴露于组合激光脉冲序列152，如图2所示。在208，响应于结石120暴露于组合激光脉冲序列152，击碎结石120。
在一些实施例中，步骤204包括第一激光脉冲146与第二激光脉冲150在时间上偏移，以形成组合脉冲序列152(图5)或脉冲序列130(图3和图6)。在一些实施例中，使用上文参考图4描述的激光生成器102形成第一激光脉冲序列144、第二激光脉冲序列148、组合脉冲序列152。在一些实施例中，激光生成器102包括延时生成器154，其相对于第一激光脉冲序列144的生成延时第二激光脉冲序列148的生成，使第一激光脉冲146临时地偏移于第二激光脉冲148。
在一些实施例中，第一和第二激光脉冲146和150的脉宽134依赖于以上描述的一个或更多个实施例。在一些实施例中，组合激光脉冲序列152具有根据以上描述的一个或更多个实施例的脉冲重复率。在一些实施例中，第一和第二激光脉冲146和150具有相同的波长。在一些实施例中，第一激光脉冲146的波长与第二激光脉冲150的波长不同。在一些实施例中，第一和第二激光脉冲146和150的波长依赖于以上描述的一个或更多个实施例。
根据另一个实施例，激光能量104的形式是脉冲序列，例如脉冲序列152(图5)或脉冲序列130(图3和图6)，具有处于第一功率或能量级和高重复率的脉冲(如132、162)。在一些实施例中，这些激光脉冲被配置为加热并可能破碎目标结石120。在一些实施例中，组合激光脉冲序列152或130的一系列激光脉冲152或130之后是具有 比第一和第二激光脉冲更高能量级的一个或更多个高能脉冲164(图6)，如图6所示。在该方法的一些实施例中，目标结石120暴露于一个或更多个高能脉冲164以粉碎结石120。第一和第二激光脉冲146和150、脉冲162、高能脉冲164的能量级依赖于以上描述的第一或更多实施例。
图8是示出了使用调谐至目标结石120的激光能量104击碎目标肾或膀胱结石120的方法的流程图。在210，生成与目标结石120的特性有关的输出。在一些实施例中，使用根据以上描述的第一或更多个实施例的结石分析器170生成该输出。该特性的示例性实施例包括估计的结石大小、估计的结石尺寸的长度(即，结石直径)、估计的结石成分、结石的振动频率、结石的类型。在一些实施例中，控制器122处理与目标结石120的特性有关的输出以确定结石120的特性。
在212，基于该输出确定激光能量设置。在一些实施例中，在存储于系统(图1)存储器或其他位置的映射172中，将输出值或对应的特性映射为激光能量设置。在一些实施例中，控制器122基于输出使用映射172来确定激光能量设置。
在214，根据激光能量设置使用激光生成器102生成激光能量104。激光生成器102和激光能量104的实施例包括以上描述的一个或更多个实施例。在216，目标结石暴露于激光能量104，并且响应于暴露，在218击碎结石120。
图9是示出了根据本发明实施例的击碎目标肾或膀胱结石的方法的流程图。在220，目标结石120暴露于具有第一功率或能量级的第一激光能量(激光脉冲162或脉冲序列130)。在222，目标结石120暴露于具有第二功率级的第二激光能量(一个或更多个脉冲164)。在A224，响应于暴露于第一和第二激光能量，击碎结石120。在一些实施例中，第二功率级大于第一功率级，如图6所示。例如，第一激光能量可以包括激光脉冲序列130，激光脉冲序列130包括具有根据以上参考图6描述的一个或更多个实施例的脉宽和脉冲重复率的脉冲162。例如，在一些实施例中，第一激光能量包括具有在1kHz-2GHz范围内的脉冲重复率的激光脉冲序列130。在一些实施例中，第一激 光能量加热目标结石120和/或辅助在目标结石120上产生破碎。在一些实施例中，第二激光能量包括根据以上描述的一个或更多个实施例的一个或更多个激光脉冲164。在目标结石120由于暴露于第一激光能量而被削弱之后，一般使用第二激光能量粉碎目标结石120。
在一些实施例中，步骤220之后进行步骤222，如图6所示。在一些实施例中，在步骤220开始之后步骤222开始。因此，步骤222和步骤220之间会有一些交叠。
尽管参考优选实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的前提下本领域技术人员能够认识到可以在形式和细节上进行改变。