JPH06511594A - 光ポンプ式高出力医療システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光ポンプ式高出力医療システム 発明の分野 本発明は可視光線を要し、強力なレーザ特性を存することを特徴とする医療用シ ステムに関するものである。さらに詳細に説明すると、本発明は、基本的にレー ザて発するビーム放射と同じビーム強度およびスポットサイズを有するビーム放 射の発生能力のある光源を提供するものである。

背景 レーザには、科学、産業、医療なと広範囲の分野に特に利用できる光学的特性か 多く見られる。レーザ放射のビームに関連して一般に知られる２つの光学的特性 として、可視光線の“干渉性（コヒーレンス）”と・　“単色性”か挙げられる 。その他の重要なレーザ光線の特性として、ビーム強度か高いこと、及びビーム を非常に小型のスポットサイズに絞ることかできることかある。コヒーレンス及 び単色性の特性は一部の利用分野には必須であるが、レーザか使用されている多 くの利用分野ではこれらの性格は必要としなくても、特定のビーム強度及び波長 だけか必要となる。

１　レーザシステムは一般に購入及び運用するのに経費か高く、そのため多くの ユーザには利用できなかった。さらに、レーザか使用されている多くの利用分野 において、レーザシステムの経費は、レーザ特許のコヒーレンス及び単色性より も、光学ビームの他の性質を得る目的のために要していた。小型スポットサイズ に絞ることかできる。強力なビーム発生能力のある安価な光学システムへのニー ズが見られる。

従来の技術による、ランプを使用したレーザ・シミュレータが、米国特許番号４ ．８６０，１７２　（発明者シュラガ一等）に示されている。シュラガーが開示 したシステムでは、全方向性の通常の光源がら光を集光し、従来の方法で光結合 した円錐に焦点を絞るか、これは光ファイバーに入射するために従来の方法て焦 点を絞ったビームを集光するためである。

４．８６０，１７２号特許では、多くのレーザ光特性を有する光源を提供するこ とを目的とすると記載されているが、上記特許に開示されたシステムの光学パラ メーターは、レーザに類似した光を医療関係のほとんどの利用分野に適した強度 で発生する能力かなかった。上記特許に示される光学コンポーネントを使って高 強度、小型スポットサイズの光を発生するには、最適化を要するパラメータが３ つある。即ち、（１）電極間の隙間間隔、（２）反射鏡の拡大率、および（３） 光ファイバーの開口数または許容角である。より大きなランプの隙間サイズには 出力を高くする傾向かある。しかし、隙間が大きくなると、反射鏡の拡大特性が 原因で、スポットサイズか大きくなる傾向かある。光ファイバーの許容角は、あ る入射角で、光ファイバーにおいて完全結合できる円錐の最大スポットサイズを 決める。該許容角は、光ファイバーの開口数とは下記の式の示すとおりの関係を 有する。

５ｉｎ（許容角）＝開口数 従って、隙間サイズと反射鏡の拡大率をマツチさせて、光ファイバーで許容可能 なビームを、人体組織への伝送を目的に発生させる必要がある。上記特許のシス テムは光結合を最適化し、円錐を使用して光ファイバーに入射しようとしたもの である。すなわち、上記特許では、スポットサイズを絞る円錐を介して光を光フ ァイバーで結合できることを示唆している。

上記特許に示される円錐はより小型のスポットサイズを作り出すが、実際には、 該ビームて発生した出力は、結合円錐と光ファイバーの光学的特性によって減少 される。円錐入射には、円錐の第１の開口数を決定する許容角かあり、同様に、 円錐射出には、出力ビームのスポットサイズか小さくなるど実際に増加する出力 開口数かある。円錐射出の開口数か増加すると、射出ビームに大幅の発散を起こ す。円錐から発散されるエネルギーの大部分か光ファイバーの開口数の許容基準 を満たさなくなることかあるので、円錐射出からのビームの発散は、光学的には 損失という結果となる。長所・短所を考慮すると、多くの医療分野で必要なビー ム強度を提供するには、出力か不十分となってしまう。

発明の概要 本発明は従来の光源を使って、レーザと同様の強度をもち、さらに焦点を小さく 絞ったビーム放射を発生するシステムを提供するものである。同システムは大ま かに、第１反射鏡、および平面にも曲面にもできる第２反射鏡から構成される光 学的空洞に位置する全方向性の光源から構成される。光源及び反射鏡の光学的パ ラメータは、焦点を小さく絞った強力ビーム放射を発生ずるように設定されてい る。第２鏡面には、第１反射鏡の第２焦点近くに置かれた開口がある。光源は該 反射鏡の第１焦点にあり、光ファイバーの許容側は該反射鏡の第２焦点にある。

開口の位置は、所定の幾何学的射出基準を満たす光線だけか上記開口を通過して 、第２焦点に位置する光ファイバーに受け入れられる。射出基準を満たさない光 線は鏡面により空洞の内方向に反射される。反射光の一部は光源で発される光を さらに増幅し、それらの光線の伝送路は後に射出基準を満たして該開口を通過で きるように変更される。

本システムで発生される光は光フアイバーシステムで結合されて、ターゲラ１〜 領域に伝送される。光学的空洞にある光源の寸法及び反射鏡の焦点距離は、焦点 を絞ったビームか大まかに反射鏡の“Ｆ／数値”の２倍の逆数の開口数を存する 光ファイバーに簡単に受け入れられるように選択されている。

図面の簡単な説明 以下の図を参照しつつ、以下の本発明の好ましい実施例の詳細な説明を読むと、 本発明かより理解しやすくなる。

第１図は本発明の光学的システムの立面側面図で、曲面の第１反射鏡及び第２反 射鏡から構成される光学的空洞に位置する光源を示している。

第１ａ図は本発明の光学的システムの立面側面図で、光線を光学的空洞方向に再 度向ける曲面の第２反射鏡を示している。

第２図は反射鏡の第２焦点に到達した、焦点か絞られた光線の路線図である。

第３図は本発明の光学的システムの立面断面図で、光学内の電極間の隙間を示し ている。

第４図は、本発明のシステムで使用されている従来の連続波出力レベルとパルス の出力レベルを示す図である。

第５図は本発明の光学的デリバリ−・システムの立面断面図である。

第６図は本発明のシステムて伝送された、焦点を合わせたビーム放射図である。

第７図はアークランプで発された光の波長を表す図である。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図を参照しつつ、本発明の光学システムの好ましい実施例を示す。該システ ムは曲面の第１反射鏡１２、および曲面にも平面にもできる第２反射鏡１４から 構成される光学的空洞に取り付けられた光源ｌＯから構成される。該空洞から発 される光は光ファイバー２０でデリバリ−システム２４に伝送されるが、これに ついては以下に詳細に説明する。第１図に示す本発明の実施例には、平面の第２ 反射鏡１４か取り付けられている。第１ａ図に示すもう一つの光学空洞の実施例 には、曲面の第２反射鏡１４ａか取りイ」けられている。

本発明で使用される光源ｌＯは従来のアークランプ光源である。該アークランプ には陰極１６と陽極１８とか取り付けられており、これらは石英ハウジング１９ に取り付けられていて、適切な電源に接続される。該ハウジング１９の中はガス と蒸気か入っており、陰極１６と陽極１８の間に電流か流れると励起されて光を 発する。好ましい実施例で使用されるアークランプにはキセノン・水銀の蒸気か 入っている。

ランプにエネルギーか送られると陰極１６は電子を放出し、電子は陽極１８の方 に向かって加速される。電子かキセノンまたは水銀の原子と衝突して、原子の回 りを回っている電子か高エネルギーレベルの方、または“刺激を受けた状態”の 方に移動させられる。励起された電子か通常のエネルギーレベルに戻ると、励起 された状態のエネルギーレベルと、通常の状態の差で決まる波長をもつ光子を放 出する。

第１図は光源ｌＯて発された複数光線を示している。光線２２ａ−２２ｂおよび ２２ａ’−２２ｂ’は反射鏡１２第１焦点の理論的中心から発生し、該反射鏡１ ２の第２焦点に向かって反射され、第２反射鏡１４の開口を通過した跡、光ファ イバー２０で結合される。陰極１６と陽極１８の間の点から発するその他の光線 は、それぞれ２２Ｃおよび２２０′として図示されている。これらの光線も反射 鏡１２て反射されるか、第２反射鏡１４の開口１３を通過することかできず、従 って、該反射鏡Ｉ４の鏡面で空洞の内側に向かって反射される。これについて、 以下に詳細に説明する。２２ｄて示される光線なと、一部の光線は第１反射鏡１ ２て反射されずに、反射鏡空洞から射出する。

第２焦点に焦点か合った光線は、いくつかの制約条件か満たされると、光ファイ バー２０に受け入れられる。制約要素としては、一般に、光ファイバーのサイズ と許容角、反射鏡１２の第１焦点における光源１０の隙間サイズ、反射鏡１２の 拡大率か挙げられる。

一般原則として、光源の隙間サイズは、より大きな出力を発するより大きな隙間 サイズから発生された電磁放射量に直接に相関している。しかし、隙間サイズは 光ファイバーに効率良く光を入射させるための光線の収束能力に影響する。上述 のとおり、第１図には、本発明の好ましい実施例で使用されたアークランプの陰 ｆｆ１１６と陽ｆｆｊ１８の間の隙間の様々な部分から発される光線の図も描か れている。これらの光線は反射鏡の理論的焦点からではなく、点の集まりの帯状 で発するので、第２焦点に焦点を置く光線の束も反射鏡の幾何学的形状で定義さ れる帯状でやってくる。この送られてきた光線の幾何学的形状を第２図に示して いるか、ここでは幅を“Ｄ”とする開口を通過する帯状光線か表されている。曲 面反射鏡１２て反射され、開口を通過する帯状光線の幅か光ファイバーの許容角 に相当する時、光ファイバーで効果的に結合できる。しかし、焦点か合った帯状 光線の幅か光ファイバーの許容角を越えると、非効率的な光結合となる。第２図 の２３および２３′で示される帯状入射光線は光ファイバーの開口数に適合せず 、従って、非効率的な結合に終わってしまっている。本発明では、これらの光線 は第２反射鏡１４の内側の鏡面で反射され、さらに、効率的な結合基準か満たさ れるまでは、光学空洞の幾何学的形状軸ｅｏｍｅ＋ｒｉｃ　）パラメータによっ てこれらの光線か励起するのを防ぐようになっている。

空洞内の全ての而か完全な反射性を有し、さらに完全な幾何学的形状であれば、 反射光は“反射ループで捉えられる。しかし、幾つかの要因かこの現象を防いて いる。反射鏡１４て送り返された光線は、曲面の第１反射鏡で再反射され、アー クランプの石英ハウジング内に向かって伝送される。該光線は石英を通過すると 、少々屈折する。このため、該光線は第１ａ図に示される通りに変化し、従って 反射ループで捉えられるのを防ぐことになる。さらに、反射面から送り返された 光線は、アークギャップで発生された新しい光に追加されて、アークランプで発 生された光にある程度の増幅か起こる。増幅量は、反射鏡の反射率、及び空洞内 の様々な媒体の吸収特性によって決まる。

また、第１反射鏡の焦点に対する第２反射鏡の表面位置をコントロールすること により、該反射ループ現象を回避できる。また、反射ループを最低限におさえる ために、第１ａ図に示す通りの曲面の第２反射鏡を使用でき、しかも、そうする ことにより出力光の発生効率の向上か図れる。

第１ａ図は、内側の面が鏡になった曲面の反射鏡１４’を使用した本発明のもう 一つの実施例を示している。曲面反射鏡１４′には、光ファイバー２０の許容角 基準を満した光線か通過する開口１３′が取り付けられている。該実施例システ ムでは、空洞の射出基準を満した光線（例、光線３６）は開口１３’を通過でき る。しかしなから、光線３８なとの光線は空洞の内部に向かって反射され、再度 、楕円形の反射鏡１２の反射面により反射される。

本発明においては、アークランプｌＯは、通常、連続波（ＣＷ）で使用される時 よりも数倍高い出力レベルでパルス化されている。パルス化すると、非常に高強 度の光を発生するのに効果かある。第３図において、アークランプの陰極１６の 先端に、小型の球状のプラズマ１５発生か示されている。このプラズマは陰極１ ６の先端から出現している電子か非常に強力に衝突して発生されている。このプ ラズマ領域は、通常、ランプか連続波モードで運用されているときに陰極の先端 周辺に存在する。しかしなから、第３図のプラズマ領域１５′に示されるとおり 、本発明においてはランプをパルス化することで、プラズマ領域か電極間の距離 全体に短時間法がる。

第４図は、上述のパルス化プラズマ効果を生むために本発明で使用された出力レ ベルを示す図である。ここで取り扱っている出力レベルは水銀・キセノンのラン プのものであるか、パルス化の原則は他の種類のランプにも適用でき、同様の結 果を生むことかできる。第４図に示される通常の連続波出力レベルは約２８アン プで、電力消費は１０００ワットである。パルス化法を使うと電流は短時間（例 えばｌ−１０ミリ秒のオーダー）５０アンプ余に増加し、電力は２，５００ワツ トを超過する。実際、出力をより高いレベルまで上げて時間をさらに短縮化する ことは可能である。例えば、ランプは１００−５００ミクロ秒のオーダーで、１ ００アンプの電流を流す能力かある。

上述のとおり、本発明で使用されているアークランプのパルス化により、２電極 間に強力なプラズマ領域を発生でき、そのため、従来のレーザと非常に似かよっ た、非常にスポットサイズか小さく、強度の高い光線を得ることか可能となる。

本発明については多様な実施例かあるか、上述の実施例で使用した曲面の反射鏡 １２は楕円になっている。しかし、当該技術の熟練者か知る他の形状も使用する ことかできる。例えば、適切なレンズシステムを備えたパラボラ反射鏡でも、本 発明の好ましい実施例で使用された楕円反射鏡と類似した特性か得られる。楕円 反射鏡１２の拡大率は焦点間の距離および楕円の大きさによって決まる。光源Ｉ Ｏは反射鏡の第１焦点に置かれ、光ファイバー２０は反射鏡の第２焦点に置かれ る。

第５図に示される本発明のデリバリ−システムは、４−ｆの配列で構成される２ 枚のレンズから成る。該デリバリ−システムはハウジング４ｏ及び該ハウジング の一方の端に固定された光学端子４２から構成される。該端子は光を光ファイバ ー２０から第１発散レンズ４４に伝送して、平行ビームを作る。該平行ビームは 、以下に詳細に説明する適切なフィルタ４６を通過して、集光レンズ４８に入射 し、ｌｈ療する組織に光放射の焦点を合わせる。該フィルタは光路に置かれて、 剥離または凝結場所に伝送される波長をコントロールする。フィルタの許容値を 減少させるため、フィルタ位置はデリバリ−システムの２枚のレンズ間で選択さ れている。フィルタの使用は、フィルタをすべらせてデリバリ−システムの切り 込みに嵌めることて選択できる。図に示した通常のレンズの代わりに、２枚とも 、紫外線及び可視光線の波長で優れた透過性を存する格子つきインデックスＧＲ ＩＮファイバーレンズか使用できる。以下に詳細に説明する円錐先端５ｏは、光 線を組織上の希望場所に正確に伝送するのを助ける。

４−ｆ構成の利点は、光ファイバーの出力光をある波長において小型スポットと して焦点を絞ることかできることにある。本発明において、このレンズ配列を使 用する利点は、紫外線波長か第２レンズ近くに、可視光線の波長よりも（色収差 か原因）小型のスポットて焦点を絞ることができるからである。

円錐先端５０は、最適な切断動作するための最良の焦点を示すためのガイドとし て使用される。第６図は、４−ｆレンズシステムで焦点を絞られた光線から発生 した放射光線の同心円錐を表している。紫外線は、第６図で示される組織表面上 の剥離場所を設定し、＝ｒ視光線波長は、該デリバリ−システムが形成する剥離 間のすぐ下に焦点を当てて、下の層の血管の凝結を行ない、その後、該層に剥離 のための光線か当てられる。

水銀・キセノンランプの典型的なスペクトルを、第７図に示す。紫外線及び可視 光線の範囲においては、より連続的なスペクトルを示すキセノンランプとは反対 に、水銀ランプはいくつかのピークを示している。水銀・キセノンランプは、水 銀ランプに非常に近い特性に、キセノンランプの基準線を少々付加する。

水銀ランプのスペクトルは４０４．４３０，５４６．５７９でピークに達し、血 液の吸収特性のピークに非常に近い。その反面、組織は可視光線では非常に吸収 特性か低く、３２０ｎｍ以下の紫外線波長てＩ　ＯＯｃｍ−’の増加がある。現 在のところ、３５１ｎｍと３０８ｎｍのエフサイマ−（Ｅｘｃｉｍｅｒ　）レー ザが、剥離場所の周辺組織に最低限の損傷を起こすだけで、非常に良い切断動作 を示している。熱損傷か最低限ですんでいる理由の一部に、紫外線エフサイマー 波長によるパルス幅の短縮および光線剥離の効果かあることかあげられる。

エフサイマー・レーザたけを組織の切断に使用すると、血管からの出血を防止す る血管の凝結かなされてないので、組織から出血してしまう。血液の凝固は、血 液吸収の高い波長に調節した色素レーザを使用すると促進できるか、この場合、 組織吸収は大幅に低い。これは、凝固のターゲットが血液であり、通常の組織で ないからである。従って、最適化されたメスは複数の波長を使うことができるよ うにする。例えば、切断には紫外線を使い、さらに血液吸収か比較的高い４２０ ．５４６及び５７７の波長も使えるようにできる。水銀ランプ（または水銀・キ セノンランプ）は、上述の通り、ここで必要とされる複数スペクトル特性に適し た特性を有する。

本発明のシステムは、上述のとおりパルスモートで操作して、数ミリ秒のオーダ ーのパルス時間を使用して剥離を起こすことができる。パルス幅が短いと、組織 に対する熱ｆｊｌ傷を最低限ですませることかできる。

使用可能な全ての波長の焦点かデリバリ−システムの先端に合わせられていれば 、本発明は組織の切断にも使用できる。血液を焼灼または凝固するためには、デ リバリーシステムに適切なフィルタを挿入すると、可視光線の範囲内の波長及び 特定の波長かフィルタを通り、５４６ｎｍ及び５７７ｎｍのピークだけが残って デリバリ−システムの先端まで伝送される。

アルゴン（４８８ｎｍ及び５１４ｎｍ）　、ＹＡＧ　（＋　０６６ｎｍ）　、及 びＣｏ２　（１０，６００ｎｍ）からのレーザの様々な波長がいくつが組織溶接 （ｔｉｓｓｕｅｗｅｌｄｉｎｇ　）に使用された。組織溶接の主な目的は、組織 の２つの断面の（互いに面する）接合部を熱化して、凝結温度より少々低い温度 まで上げ、組織のコラーゲンを一緒に溶かすことにある。

本発明には、数ミリメートルの深さまで組織に侵入できる波長コンポーネントを 有するビームを発生する能力かある。その結果、該システムかパルスモートでな く、連続波モードで操作できるように構成されていると、連続的な低レベルの光 か組織を充分に熱化するため、本発明が組織溶接にも使用できるようになる。

デリバリ−システムに温度モニターシステムを取り付けると、より正確な組織熱 化用の熱発生かでき、組織を過剰な熱に暴露するのを避けることができ、さらに より均等な溶接プロセスか可能となる。

通常の外科手術では、組織または身体に侵入する切断装置を使用することが一般 に重要である。本発明は、組織を剥離して、皮膚の多様な層を切断するために使 用できる。該デリバリ−システムは剥離場所に対面させるように置き、光線から 高出力のパルスか発生するようなかたちで光源を作動させる。発生された光は組 織の剥離を起こし、オペレーターは皮膚上の望ましい切断パターンにそってデリ バリ−システムを移動させることかできる。皮膚を完全に侵入するには、通常、 剥離場所を慎重に検査しなから数層の組織を除外しなければならない。

本発明は、血液の焼灼を迅速に行なうためにも使用できる。焼灼用フィルタは光 路に置かれて、デリバリ−システムが出血場所に向けられるとシステムの作動を 始める。この技術は皮膚から６ミリメードル下の血管の焼灼にも使用できる。

操作か終わると、切断サイズは従来の縫合法を使って閉じる。そこで、該システ ムは溶接モートに構成を変えて、連続的な低レベルの光か発生されるようにする 。作動を開始すると、デリバリーシステムは切断跡に添って移動され、縫合され た切断領域を熱すぎない程度に温める。移動率及び発生熱量は熱感知フィードバ ックシステムまたはオペレーターの経験によって校正できる。通常の接合面温度 ６０−８５°Ｃて望ましい効果か生まれる。　本発明は好ましい実施例に関連し 。

て説明したか、本書に示す特定の形に制限されるものではなく、逆に、請求の範 囲に示される本発明の範囲を合理的に見て出てない変更、代替物、同等物の使用 も含まれるものである。

第２図 第３図 第４図 第５区 第６図 手続補正書（自発） ＃ｊｉ’ｔ’ＦＩｆあ８３　“１６”′１”０占明細書、請求の範囲及び要約書 翻訳文の浄書（内容に変更なし）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 以下の範囲を請求する。 １．組織の一部に伝送されるための小型スポットサイズを有する強力な光線を発 生させるシステムにおいて、 放射源、 上記放射源が第１焦点にあり、第１反射鏡手段が該放射源からのビームを該第２ 焦点の方向に向けるようになった、第１及び第２焦点を有する第１反射鏡手段、 該第２焦点に入射した放射を特定の開口数に制限する光学的手段、第２焦点に入 射した該放射を制限するため、上記の手段で伝送された該放射ビームを受ける開 口数を有する該第２焦点の光学的レセプタクル該レセプタクルから組織の一部に 放射を伝送する手段、から構成されることを特徴とする。 ２．請求項１のシステムで、該放射発生手段に従来の光源が取り付けられている ことを特徴とする。 ３．請求項２のシステムで、該光源がアークランプで、第１及び第２の電極の間 に隙間があることを特徴とする。 ４．請求項３のシステムで、該光源にパルス化された出力が与えられ、該電極間 に強力な光のパルスが発生されることを特徴とする。 ５．請求項４のシステムで、該出力が１から１０ミリ秒間のパルス幅となること を特徴とする。 ６．請求項５のシステムで、該第２焦点に入射した放射の制限手段が開口のある 反射面で構成され、該開口が所定の開口数基準を満たす光線を通過させるように なっており、該開口数基準を満たさない光線が第１反射鏡の方に再度向けられる ようになっていることを特徴とする。 ７．請求項６のシステムで、放射の該伝送手段が光ファイバーから成ることを特 徴とする。 ８．請求項７のシステムで、放射の該伝送手段にはさらに、該光ファイバーに操 作可能な形で結合された手段が取り付けられており、該手段が該光ファイバーを 通過してきた放射を受けて、組織の一部に該放射の焦点を合わせることを特徴と する。 ９．請求項８のシステムで、該放射の伝送手段には、さらに、フィルタ手段が取 り付けられていて、該組織に焦点があてられた放射の波長をコントロールするこ とを特徴とする。 １０．請求項９のシステムで、該アークランプに水銀・キセノンの蒸気が入って おり、該ランプで発生された放射に紫外線、可視光線、赤外線に対応する波長を もつ光が含まれていることを特徴とする。