生体組織を加工するためのレーザー加工装置

专利摘要:
本発明は、パルス状の加工レーザー・ビーム（５０）を供給することと、パルス状の加工レーザー・ビーム（５０）の照射によって組織を加工することを含んでなる方法であり、加工レーザー・ビーム（５０）が、７００ ｎｍから１４００ ｎｍの範囲に入るレーザー・パルスの波長と、５ ｐｓから１００ ｐｓの範囲に入るレーザー・パルスの半幅値と、１．５ Ｊ／ｃｍ２から７．５ Ｊ／ｃｍ２の範囲に入る組織の表面でのレーザー・パルスのエネルギー密度を有する、方法に関係する。
公开号:JP2011512914A
申请号:JP2010548006
申请日:2009-02-20
公开日:2011-04-28
发明作者:アントン カセンバッハー
申请人:アントン カセンバッハー；ルメラ レーザー ゲーエムベーハー；
IPC主号:A61C3-02

专利说明:

[0001] 本発明は、生体組織を寸法どおりに削るまたは加工するための方法と生体組織を加工するためのレーザー加工装置に関係する。]
[0002] 本発明の適用分野の一例は、象牙質、特に、虫歯に冒された象牙質の切除または研磨のために、機械式ドリルに代えて、レーザー加工方法及び装置が使用され得る歯科である。しかし、本発明は、例えば、硬組織、軟組織及び組織液などの他の種類や型の生体組織のレーザー加工にも同様に応用可能であると解釈される。]
背景技術

[0003] 歯科において、特に、虫歯治療において、主要な目標は、従来のドリル装置を完全にまたは部分的にレーザーに置き換えることであり、その理由は、レーザー被照射領域とのドリルの機械的接触を常に必要とするタービンなどのドリルとは異なり、レーザー加工装置は非接触のレーザー加工と切除を可能にするので、より正確に、特に、痛みのない治療行為を成し遂げることにある。現在の機械的方法では、摩擦熱も生じさせる振動と回転に起因して、機械式タービンの場合によくあることだが、振動または熱、両者の組み合わせが伝わることによって歯髄で特に痛みが誘発され得る。これらの好ましくない影響のすべては、レーザー加工装置を使用することによって回避可能である。]
[0004] 近年、歯科での使用に向けた一連のレーザー・システムの試験が行われてきた。しかし、多くの事例において、特にこれらの関与システムの初期のものでは、望ましくない熱の影響またはその他の付帯的な影響が観測された、あるいは切除効率が不十分であった。このことは、例えば、紫外線領域における波長をもつエキシマー・レーザーまたは赤外線波長領域におけるＥｒ：ＹＳＧＧ（λ＝ ２．７μｍ）またはＥＲ：ＹＡＧ（λ＝２．９４μｍ）レーザーを使用する、ナノ秒からマイクロ秒までの範囲に入るパルス幅をもつパルス状レーザー・ビーム光源を基にして動作するレーザー・システムでは特にそうであった。]
[0005] 可視または近赤外スペクトル領域における波長のピコ秒（ｐｓ）域またはフェムト秒（ｆｓ）域での短パルス・レーザー・システムが導入されてようやく実質的な進歩が達成された。最初の実証研究は、これらのシステムが、機械式タービンの性能と少なくとも同等の効率で質の高い歯切除結果を達成可能にすることを示した。]
[0006] 特許文献１は、パルス状レーザー・ビーム光源を用いた物質切除のための方法と装置を記述する。波長、パルス幅、エネルギー、及びレーザー・パルスの繰り返し率に関して選択されるべき切除パラメータが、レーザー・ビームの焦点位置でプラズマが形成されるように、各レーザー・パルスが物質の薄い表面部分と相互作用するように意図される作業に関連してだけ主に示される。上記に挙げたレーザー・ビームのパラメータは、５０ｍＪまでに達する、または表面積については、１５Ｊ／ｃｍ２までに達するというように、比較的広い範囲に及ぶことが示されている。しかし、危惧されることは、非常に短いレーザー・パルスから超短波までのレーザー・パルスを含むこれほど高いパルス・エネルギーにより、特に、４個以上の光子が含まれる場合に、多光子イオン化などの非線形過程により有害な付帯的な影響が現れるほどのパルスの最大時の電力または強度の値に達することである。これほど高いピーク・パルスは、水の分子のイオン化を引き起こす可能性があり、あるいはＤＮＡ分子のイオン化の可能性があり、遺伝物質に害を及ぼすということが特に問題である。その他の先行技術についても同様に同じことが言えるが、上記文献は、このような付帯的な害をいかにして回避し得るのかを示していない、さらに詳しく言えば、レーザー・ビームのパラメータをどのように設定すべきかの指示が欠如している。]
[0007] ここに注意しておきたいことは、本出願の文中において、「レーザー加工」という用語に相当する、英文では"laser machining"、"laser working"または”lasering”という用語は、同等のまたは同義の意味をもつ語として使用される。]
先行技術

[0008] 米国特許第５，７２０，８９４号明細書]
発明が解決しようとする課題

[0009] 本発明の目的は、したがって、現時点において、レーザー被照射組織領域及びその周辺において同時に起こる付帯的な害を最小にするとともに、高い効率を保証する、生体組織をレーザー加工するための方法と装置を定義することである。]
課題を解決するための手段

[0010] 上記目的は、独立請求項の特徴によって達成される。有利なさらに他の実施形態と態様は、下位請求項から読み取れる。]
[0011] 本発明の一つの顕著な発見は、レーザー加工中に４個以上の光子を含む多光子イオン化過程が発生する可能性がほぼないことを保証しつつ、つまり、組織中の水の分子がもはやイオン化されることがないので健康への悪影響を回避するという意義がある、十分な効率で生体組織をレーザー加工するための方法と装置を定義することを現時点で可能にすることを含む。さらにこれは、結果的に遺伝物質に害を及ぼすことになる、４個以上の光子を含む前述の多光子イオン化過程におけるＤＮＡ分子のイオン化も回避する。パルス状レーザー・ビームのパラメータのセットを定義することによって、本発明はこれを実現する。]
[0012] 本発明の第一の態様では、パルス状レーザー・ビームを供給することと、レーザー・パルスが７００〜１４００ｎｍの範囲に入る波長と、５〜１００ｐｓの範囲に入る時間幅と、１．５〜７．５ Ｊ／ｃｍ２の範囲に入る組織の表面でのエネルギー密度をもつように設定されたパルス状レーザー・ビームで組織を照射することによって組織を加工することを含んでなる、生体組織を加工するための方法が記述される。上記時間幅は、例えば、レーザー・パルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）として測定され得る。]
[0013] 一つの実施形態では、レーザー・パルスのエネルギーは、１００μＪ未満の範囲に設定可能であり、組織表面上のレーザー・ビームの焦点位置は、１０〜１００μｍの範囲に入る直径をもつように設定可能である。]
[0014] 本出願の内容を開示する上で、本出願中で言及されたすべてのパラメータの範囲は、その範囲に含まれるすべての漸増する中間値をも含むものと解釈される。]
[0015] 別の実施形態では、上記方法及びレーザー加工装置は、特に虫歯になった状態の象牙質を切除したり、または研磨するために使用可能である。]
[0016] さらに別の実施形態では、レーザー・パルスのパルス・ピーク強度は、１０１１〜１．５・１０１２Ｗ／ｃｍ２の範囲に入る。]
[0017] なおもさらに別の実施形態では、レーザー・パルスの繰り返し率は、５００〜１０００Ｈｚの範囲に入ることがさらに規定され得る。]
[0018] ピコ秒（ｐｓ）またはフェムト秒（ｆｓ）などの短パルス・レーザーを用いて生体組織を加工するまたはレーザー加工する際には、レーザー・ビームの焦点位置では、ナノ秒またはマイクロ秒の時間周期で切除される薄い表面層中でマイクロプラズマが発生され、組織の原子及び分子レベルでの吸収または衝突イオン化によって発生された準自由電子のエネルギーの移動によってビーム照射された表面領域から素材物質が排出されることはすでに知られている。象牙質に対して実施された実験研究は、先行技術で言及された結果に反して、レーザー加工は、現時点では、エネルギー密度、エネルギーまたはパルス・ピーク電力または強度についての比較的適度な値において可能であることを証明した。上記のとおりのパラメータの範囲内で、プラズマまたは切除が発生されるしきい値よりも少し上でマイクロプラズマは今や発生され、その結果、本発明は、付帯的な害の危険を冒さずに、医学的にも、生物学的にも最大化された適合性で切除を実施することを今や可能にする。さらに詳しく述べると、前述のパラメータ範囲は、４個以上の光子を含む多光子イオン化を今や回避するため、組織中の水の分子がもはやイオン化されない、または少なくとも安全に無視できる程度にイオン化されることを実現する。しかし、前述の値がその範囲を超えて増加すれば、付帯的な害を及ぼす危険性があり、切除効率の目立った増加は見られないだろう。]
[0019] 生体組織の規定された表面領域が加工レーザー・ビームによって加工されることは一般的に事実であるので、さらに別の実施形態では、表面領域がレーザー・ビームによって適切に走査される。これに関するところでは、レーザー・ビームが焦点を結ぶ個々の部分的領域がそのとき正確に一つのレーザー・パルスで走査されるように、加工レーザー・ビームがトップ・ハット・ビーム・プロファイルをもつとき有利であることがわかった。ただし、トップ・ハット・プロファイルが与えられるか否かにかかわらず、同じようにこれを実現することが可能であり、例えば、各々隣接する部分的領域が、単一のレーザー・パルスに露光されるようにし、一つの部分的領域の表面面積の半分よりも小さいまたは半分以外の何らかの分数よりも小さい表面面積をもつ重複部分を有するように、走査を定義することによって可能である。このような方法で、「レーザー・ビームの断面」がガウシャンプロファイル（Gausian profile）をもつときにも、レーザー・ビームの焦点に実質的に当てられた部分的領域が単一のレーザー・パルスに実質的に露光されることが実現できる。]
[0020] 別の実施形態では、加工中には焦点の空間位置が当該領域の表面に持続してとどめられることが規定され得る。これは、詳しく後述する種々の形式の自動焦点合わせ手段によって実現可能である。]
[0021] また別の実施形態では、加工レーザー・ビームによる加工に追加してまたは並行して診断が行われ、診断の結果が分析され、加工過程を制御するために使用されることが規定され得る。この目的のために、組織領域またはその周辺で発生された信号の存在または、必要であれば、信号の強度が検知され得る。この信号は、例えば、光信号であり得る。特に、マイクロプラズマが発生される場合は、プラズマによって発生された放射が上記の信号として供給され得る。しかし、表面領域に方向付けられた電磁放射の第二高調波または高調波が信号として使用されることも可能である。この電磁放射は、特有のパルスをもつ診断レーザー・ビームの電磁放射であってもよく、そのレーザー・パルスは、組織を切除または加工するために必要なエネルギー密度よりも小さなエネルギー密度を有することを特徴とする。実際に、加工レーザー・ビームと診断レーザー・ビームは、二つの動作モード間で前後に切り替えられる一つの同じレーザー・ビーム光源から発生可能である。]
[0022] また別の実施形態では、上記信号は、詳しく後述する音響信号であることもまた規定され得る。]
[0023] 診断中に行われる信号の検出は、特に、信号が存在しないとき、または信号が十分な信号強度をもたないときに、加工レーザー・ビームをオンまたはオフにするために使用され得る。]
[0024] 本発明の第二の態様では、パルス状の加工レーザー・ビームを供給するためのレーザー・ビーム光源と加工レーザー・ビームの焦点を合わせるための手段を具備する、生体組織を加工するためのレーザー加工装置が提供され、上記光源レーザー・ビームは、７００〜１４００ ｎｍの範囲に入る波長と、５〜１００ ｐｓの範囲に入る時間幅と、１．５〜７．５ Ｊ／ｃｍ２の範囲に入るエネルギー密度をもつようにレーザー・パルスを設定するように調整される。上記時間幅は、例えば、レーザー・パルスの半値全幅（ＦＷＨＭ）として測定され得る。]
[0025] 本発明の一つの実施形態では、レーザー加工装置は、特に虫歯になった状態の歯の素材物質を切除したり、または研磨するための歯科用レーザー加工装置として構成可能である。]
[0026] 本発明の別の実施形態では、レーザー加工装置は、実質的にトップ・ハット・ビーム・プロファイルを作り出すためのビーム整形器をさらに具備できる。]
[0027] 本発明のまたさらに別の実施形態では、レーザー加工装置は、レーザー加工ビームで組織の領域を走査するための走査ユニットをさらに具備できる。走査ユニットは、レーザー加工ビームの焦点に当てられた部分的領域が正確に一つのレーザー・パルスに露光されるように、構成可能であり、特に、そのようにする走査速度を有することができる。走査ユニットは、各々が単一のレーザー・パルスに当てられる各々隣接する部分的領域が相互に重複する空間的な重複部分（この重複部分の面積は、部分的領域の半分よりも小さい、または部分的領域の半分以外の何らかの分数よりも小さい）を有するように、さらに構成可能である。]
[0028] 本発明のまたさらに別の実施形態では、レーザー加工装置は、焦点の空間位置を組織の表面上に持続して維持するための自動焦点合わせユニットを具備できる。]
[0029] レンズと自動焦点合わせユニットがどのように構成され、設計されるかの所与の可能性に適合できる場合、できるだけ大きな開口数（ＮＡ）を選択できることがさらに規定され得る。開口数（ＮＡ）がより大きいほど、レーザー加工される組織の表面上の達成可能な焦点位置（または焦点体積）はより小さくなり、レーザー・パルスのエネルギー密度はより小さくなるような選択ができる。]
[0030] さらに別の実施形態では、レーザー加工装置は、組織またはその周辺で発生された信号の存在と、必要であれば、信号の強度を検出するための検出ユニットを具備できる。検出ユニットによって供給された信号に応じて、レーザー・ビーム光源をオン／オフするための制御ユニットが、検出ユニットに接続され得る。]
[0031] 検出ユニットは、例えば、加工によって発生されているプラズマによる放射を検知するように、あるいは組織に対して発せられた電磁放射の第二高調波または高調波を検知するように設計された光センサーを具備できる。]
[0032] 検出ユニットは、検出すべき信号が音響信号である場合には、音響センサーも具備できる。]
[0033] 制御ユニットはまた、パルス状の加工レーザー・ビームを発生させるためのレーザー加工モード、または組織をレーザー加工するのには適さない及び／またはそのレーザー・パルスが組織をレーザー加工するのに必要なエネルギーよりも小さいエネルギー密度をもつ、特別なパルスをもつ診断レーザー・ビームを発生させるための診断モードにレーザー・ビーム光源を設定するように構成可能である。]
[0034] さらに別の実施形態では、レーザー加工装置は、ハンドピースとして構成されたレーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニットをその遠位端が加工される歯に相対するように固定するための固定手段を具備する歯科用レーザー加工装置として構成可能である。]
図面の簡単な説明

[0035] レーザー加工装置の一つの実施形態の概略図である。
レーザー加工装置のさらに別の実施形態の概略図である。
レーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニットの遠位端に接続された固定部材の二つの実施形態の概略図である。
レーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニットの遠位端に接続された固定部材の二つの実施形態の概略図である。]
実施例

[0036] 図面を参照しながら、例示的な実施形態によって本発明を以下に詳細に説明する。]
[0037] 図１を参照すると、レーザー加工装置１００が概略的に図示されているが、これは、図示のとおり、特に虫歯になった状態の歯の素材物質をレーザー加工し、研磨し、または切除するための歯科用レーザー加工装置である。ただし、このレーザー加工装置は、何らかの他の種類の生体組織をレーザー加工するためのいずれかの他の種類の医療用レーザー加工装置であってもよいと解釈される。] 図１
[0038] レーザー加工装置１００は、波長が７００〜１４００ｎｍの範囲に入り、かつレーザー・パルスのパルス幅が５〜１００ｐｓの範囲に入る、パルス状の加工レーザー・ビームを発光するレーザー・ビーム光源１を具備する。]
[0039] 加工レーザー・ビームは、それによって加工レーザー・ビームがレーザー加工される患者の歯４に焦点を合わせられる焦点合わせユニット２に向けられる。ミラーまたは偏向プリズムなどの光学的偏向ユニット３によって、加工レーザー・ビームを最初に偏向させる必要がある場合もある。レーザー・パルスが歯４の表面で１．５〜７．５Ｊ／ｃｍ２の範囲に入るエネルギー密度をもつように、加工レーザー・ビームは焦点を合わせられる。]
[0040] パルス当りのエネルギーが１００μＪを超えないように、レーザー・ビーム光源１はレーザー・パルスを発生することが規定され得る。この場合、上記エネルギー密度の値を維持するための焦点合わせユニット２は、レーザー・ビームが１０〜１００μｍの範囲に入る直径で歯４の表面に焦点を合わせられるように設定されることになる。]
[0041] レーザー・ビーム光源１は、５００Ｈｚ〜１０００ｋＨｚの範囲に入る繰り返し率をもつレーザー・パルスを発光することがさらに規定され得る。]
[0042] さて図２を参照すると、原寸に正確に比例したものではない、レーザー加工装置のさらに別の実施形態が概略的に図示されている。図２に示したレーザー加工装置２００の実施形態は、パルス状の加工レーザー・ビーム５０を発光するレーザー・ビーム光源１０を具備する。図示したこの実施形態では、レーザー・ビーム光源１０は、１０６４ｎｍの波長でのレーザー・パルスを発光する、過渡または再生増幅器に結合されたＮｄ：ＹＡＧレーザーである。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ４またはＮｄ：ＧｄＶＯ４レーザーなどのいずれかの他のレーザー・ビーム光源も使用可能であると解釈される。レーザー・パルスのパルス幅は１０ｐｓであり、レーザー・パルスの繰り返し率は１〜１００ｋＨｚの範囲に入る。レーザー・パルスのエネルギーは４０μＪになる。１００ｋＨｚの繰り返し率のときの平均放射電力は４Ｗである。] 図２
[0043] 図２に示した実施形態では、レーザー・ビーム光源１０によって発光された加工レーザー・ビーム５０は、加工レーザー・ビーム５０が約９０°偏向されるように、光学的偏向ユニット６０（ただし、これは加工レーザー・ビーム５０の波長に対しての偏向ユニットとしてだけ機能する）に向けられる。] 図２
[0044] 加工レーザー・ビーム５０の光路には、その次にビーム整形ユニット３０が備えられていて、これによってトップ・ハット・ビーム・プロファイルが生成される。]
[0045] これに続き、加工レーザー・ビーム５０は、自動焦点合わせユニット２０の一部としてのレンズ２がその前面に設けられている、ハンドピースとして構成されたアウトカップリング・ユニット７０へ入る。自動焦点合わせユニット２０は、周知の手段によって、レンズ２によって作られた焦点位置が歯４０のレーザー被照射表面の面内に常にとどまることを確実にする。自動焦点合わせユニット２０は、歯４０の表面によって反射された放射から表面が加工レーザー・ビームの焦点位置にまだあるかどうかを光学的に検知するための手段と特に組み合わせてもよい。この際、表面が焦点位置にない場合には、例えば、レンズ２を搭載したキャリッジに接続された高速のステッピング・モーターによって、加工レーザー・ビーム５０の伝播経路に沿う方向にレンズ２を前にまたは後ろに移動することによって、歯４０の表面が加工レーザー・ビームの焦点位置に適切に戻されるように、制御信号が自動焦点合わせユニット２０に送られる。しかし、その屈折が微調整されるようにレンズ２を構成することも同様に可能である。]
[0046] 図２をさらに参照すると、レンズ２が歯４０の表面に４０μｍの焦点直径でビームを焦点合わせするように、レンズ２がどのように配置されるかが示されている。上記に値を挙げたレーザー・パルス・エネルギーは、結果的に、３．１８ Ｊ／ｃｍ２のエネルギー密度をもたらし、これは、１．７・１０３０光子・ｃｍ２・ｓ−１の光量子束密度に相当する３．１８・１０１１Ｗ／ｃｍのパルス・ピーク強度を発生させることになる。交流電磁場の電界強度は１．５５・１０７Ｖ／ｃｍであり、交流電磁場における平均電子振動エネルギーは０．０２１ｅＶになる。] 図２
[0047] ビーム整形器３０は、レンズ２の下流のビーム経路に、つまり具体的には、アウトカップリング・ユニット７０の中に配置されてもよいが、自動焦点合わせユニット２０とビーム整形器３０、特に、レンズ２とビーム整形器３０を共通の光学部品内に統合することも同様に可能であると解釈される。]
[0048] アウトカップリング・ユニット７０のさらに別の部分には、走査ユニット８０が配置され、この走査ユニットによって、これもすでに知られているように、例えば、互いに対向した第二の回転ミラーによってレーザー加工されるべき歯４０の表面の規定された領域にわたり加工レーザー・ビーム５０を走査することができる。例えば、偏向プリズムまたは反射ミラーなどのさらに別の偏向ユニット５０によって、加工レーザー・ビーム５０は、次に、歯４０の方向に偏向される。]
[0049] この実施形態では、走査ユニット８０はハンドピース中に配置されているが、走査ユニットがハンドピースの上流のビーム経路に、すなわち、具体的には、ミラーを蝶設するアーム内またはハンドピースの上流のハンドピースへの入力部位に置かれる他の実施形態が同じく可能であると解釈される。]
[0050] ハンドピースとして構成されたアウトカップリング・ユニット７０は、医師によってレーザー加工される歯に向けられた状態に保たれる必要がある。これは、特に、アウトカップリング・ユニット７０の遠位端の位置を歯４０に常に相対するように維持しやすいようにされ、漏斗状の固定部材１５０がアウトカップリング・ユニット７０の遠位端に固定されていて、図３Ａを参照して詳しく後述するが、この固定部材をレーザー加工中に歯４０の上に適切に位置付けることができる。] 図３Ａ
[0051] さらに、レーザー加工は、所定の制御された雰囲気中で、または空気流等などのその他の所定の条件の下で実施され得る。]
[0052] 歯４０の表面のレーザー被照射領域またはその周辺で発生された光信号または音響信号を、診断の目的で検出し使用することができる。光信号に関しては、光信号は、例えば、プラズマ放射に基づくか、あるいはレーザー照射の対象となる歯の素材物質に作用する電磁放射から発生された第二高調波（ＳＨＧ）または高調波に基づくことはすでに説明した。ＳＨＧ信号を検出する上記の後者の場合について、図２に示した実施形態を以下に説明する。] 図２
[0053] この診断モードでは、診断レーザー・ビームが発光されるが、このビームのエネルギーまたはエネルギー密度は切除またはプラズマを発生させるしきい値よりも低く抑えられ、レーザー照射されるべき歯の素材物質の部分的領域が虫歯であるか、ないかを診断する意図で、加工レーザー・ビームと同様、パルスとして供給される診断レーザー・ビームではレーザー加工は発生しないようにされる。この際に、虫歯ではないならば、その歯部分は虫歯の歯の素材物質よりも高いＳＨＧ信号を発する。歯の表面でそのようなものとして発生された周波数が２倍になった放射光は、上述した加工レーザー・ビームの経路の少なくとも一部を逆方向に通過する。すなわち、この放射光は、偏向ユニット９０によって偏向されて、走査ユニット８０、レンズ２を含む自動焦点合わせユニット２０を通過し、最後に、ビーム・スプリッタ６０に入射する。しかし、ＳＨＧ信号の波長にとっては、ビーム・スプリッタ６０は透過的であるので、周波数が２倍になった放射光は光検出ユニット１１０へ入力可能である。光検出ユニット１１０は、ＳＨＧ放射光の強度を検出する単純な光検出器であり得る。分光計、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳイメージ・センサーなどのより複雑なシステムを光検出器１１０として使用することも同じく可能である。このような高度な光検出器は、すでに上記に指摘したように、自動焦点合わせユニット２０と組み合わせて使用されるように適切に役立てることができる。]
[0054] 光検出器１１０によって検出されたＳＨＧ放射光の値は、信号１１５に変換され、本実施形態ではコンピュータ・システムであってもよい一体化した分析器／制御器１２０へ入力される。ただし、原則的には、いずれかの他の型の制御システム（例えば、メモリをプログラム可能な制御装置、マイクロ・コントローラまたはアナログ閉ループ制御）も互換性があると解釈される。]
[0055] 分析器／制御器１２０には、レーザー・ビーム光源１０の動作状態に関するデータを含む信号が、レーザー・ビーム光源１０から供給され得る。分析器／制御器１２０は、光検出器１１０により送信された信号１１５に応じて、例えば、光検出器１１０が、虫歯状態を示す低いＳＨＧ信号により、対応する信号１１５を分析器／制御器１２０へ送信するときに、例えば、アイドル・モードからレーザー加工モードにビーム光源を切り替える際にレーザー・ビーム光源１０に入力される制御信号を出力する。]
[0056] 図２に示した実施形態は、「オフ」（アイドル）つまり「診断」と「治療」（レーザー加工）の間でのモード切り替えが高速になされるレーザー・ビーム光源１０を特に具備し、ここで「高速」とは、例えば、０．１秒未満で切り替えられ、患者と医師の両者が治療中に中断に気付かないことを意味する。] 図２
[0057] この実施形態では、レーザー・ビーム光源１０は、「治療」モード中には加工レーザー・ビームを、「診断」モード中には診断レーザー・ビームを発光し、両ビームでは歯に照射されるＪ／ｃｍ２で示されるパルス当りのエネルギー密度がはっきりと異なり、「診断」モードでは切除のしきい値よりも確実に低くなる必要があり、「治療」モードではこのしきい値よりも高くなる。]
[0058] 高速なモード切り替えのための方法は、レーザーの内部で行なう方法とレーザーの外部で行なう方法とを区別できる。切り替えは、通常、音響光学変調器または電気光学変調器によって行なわれる。音響光学変調では、加工レーザー・ビームは屈折率格子の屈折によって偏向させられ、一方、電気光学変調では、偏光が偏光子との組み合わせで変えられて変調を発生させる。光増幅器では、過渡単一パス増幅器または多重パス増幅器とが区別され、一方、再生増幅器は増幅器共振器を特徴とする。]
[0059] 使用されるレーザー・ビーム光源は、例えば、過渡増幅器を含むことができ、電気光学変調器（ＥＯＭ）をピコ秒（ｐｓ）発振器と上記増幅器の間に挿入できる。このようにした回路は、４〜５ ｎｓ内でＥＯＭ（例えば、ポッケルス・セル）の高電圧オン／オフを実現する。さらに、このシステムは、切り替えサイクル当りにレーザー・パルスのバースト、すなわち、複数の増幅されたピコ秒（ｐｓ）パルスを発生することもできる。]
[0060] したがって、高速なモード切り替えのために、以下に述べる異なる方式が利用可能である。]
[0061] Ａ）繰り返し率を選択するまたは切り替える
繰り返し率を選択することは、パルス当りのパルス・エネルギーを変えることになる。レーザーがどのように機能するかの結果として、高い繰り返し率のパルス・エネルギーは、より低い繰り返し率のパルス・エネルギーよりも小さい。したがって、治療モードは、例えば、１００ ｋＨｚの低い繰り返し率をもち、一方、診断モードは、例えば、５００ｋＨｚの高い繰り返し率で実行する。このような設定では、二つのモード間でのパルス・エネルギーの差は、繰り返し率の変動の大きさと使用されているレーザー・ビーム光源に恐らく依存するある係数になり得る。この係数は、例えば、１〜１０の範囲に入ることもあり、例えば、３〜５の範囲に入ることもあり、または何らかの他の係数であることもある。この選択の実行は、原則的に、パルスに正確に合わせて、すなわち、一つのパルスから次のパルスへと実行され、それがどれだけ速く実際に起こるかは、ソフトウェアとハードウェアの信号処理の速度（大体、１００ｎｓである）に依存する。１ｍｓよりも高速に、またはさらに、１μｓよりも高速に、繰り返し率を選択可能である。]
[0062] Ｂ）単一パルス動作／バースト・モードを選択するまたは単一パルス動作からバースト・モードへ切り替える
ここでは、バーストでのパルスのエネルギーが切除のしきい値よりも低くなるように、例えば、繰り返し率を１００ｋＨに設定した単一パルス動作でのレーザー・パルスのエネルギーを数個のパルスにわたり割り当てる。その結果、治療モード時には単一パルス動作が選択され、一方、診断モード時にはバースト動作が選択される。ケースＡ）と同じく、この選択は、原則的に、パルスに正確に合わせて実行され、ソフトウェアとハードウェアの信号処理によって同様に制限される。したがって、選択は、同じく１μｓよりも高速である。]
[0063] Ｃ）ＥＯＭ高電圧（ＨＶ）オン／オフ
この方法は、現在の最良のＨＶ電源部品を用いて、１ｍｓよりも優れた切り替え時間を可能にする。このような高速切り替えの欠点は、電源投入時に、増幅器に貯め込まれ注入されていたエネルギーによって初期のパルスのパルス・エネルギーにスパイクが現れる（その程度は増幅器の設計によるが）ことに加えて、光学的に歪められたパルスによって示されるような理想的なトップ・ハット・パルスからの逸脱があり得ることである。]
[0064] Ｄ）モータ駆動で偏光を変える
偏光選択素子を一緒に用いて、本願出願者であるLumeraのレーザーの標準仕様のとおり、レーザー・パルスのエネルギーを制御可能であり、改良されたモータまたは高速往復ベーンにより、約１０ｍｓまでの選択時間を実現する。]
[0065] ピコ秒（ｐｓ）レーザーは、自由にトリガ可能である追加の外部変調器（ＡＯＭ，ＥＯＭ）を用いてビーム出力の変調を行なうようにした一定のモードで動作させることができる。外部ＥＯＭを使用した場合の速度は、ケースＡ）とＢ）の速度に相当し、一方、ケースＣ）では、外部変調により、初期パルスのエネルギーのスパイク現象の欠点がなくなる。]
[0066] レーザー・ビーム光源による治療モードまたはレーザー加工モードと診断モードを、そのパラメータを変えることで選択することは、パルス状の加工レーザー・ビームのパラメータという本出願の主態様とは独立した、それ自体で別個の発明として見なせると解釈される。この態様は、したがって、パルス状の加工レーザー・ビームとパルス状の診断レーザー・ビームを供給するためのレーザー・ビーム光源を具備し、後者のレーザー・パルスは、組織のレーザー加工または切除のために必要なエネルギーよりも低いエネルギーをもつ、生体組織をレーザー加工するための装置に関係する。このレーザー加工装置は、主態様に関して本出願で説明した一つまたはさらに複数の特徴を光学的に備えることができる。この態様はまた、パルス状の加工レーザー・ビームを供給することと、このパルス状の加工レーザー・ビームで組織を照射することによってその組織をレーザー加工することと、組織のレーザー加工または切除のために必要なエネルギーよりも低いパルス・エネルギーをもつパルスである、パルス状の診断レーザー・ビームでその組織を診断することとを含んでなる、生体組織をレーザー加工するための方法にも適用する。この方法は、主態様に関して本出願で説明した一つまたはさらに複数の特徴を光学的に備えることができる。このパラグラフで述べたさらに別の独立した態様は、その他の物質をレーザー加工することにも、試験結果に応じて物質を実際にレーザー加工する前に、対象の物質の特性をある程度まで試験し、「ストロボ照射する」ために、使用される診断または試験レーザー照射ビームにも関係し得ると解釈される。]
[0067] さらに別の実施形態（図示せず）では、検出対象として音響信号が利用されることも規定され得る。すなわち、レーザー加工モード中のプラズマ発生時に特徴的な音響信号が発生されることがわかった。光センサーによってプラズマ照射を検出するのと同じく、そのノイズを音響センサーによって検出可能であり、その後の処理のために分析器／制御器１２０へ入力される。ここでもまた、音響信号の存在と、必要であれば、その信号強度を検出することは、それ自体で別個の発明として見なせると解釈される。この態様は、したがって、パルス状の加工レーザー・ビームを供給するためのレーザー・ビーム光源と、音響信号を検出して、その音響信号と、必要であれば、その信号強度に応じて、レーザー・ビーム光源を制御するための検出器を具備する、生体組織をレーザー加工するための装置に関係する。このレーザー加工装置は、主態様に関して本出願で説明した一つまたはさらに複数の特徴を光学的に備えることができる。やはり同様に、この態様は、パルス状の加工レーザー・ビームを供給することと、このパルス状の加工レーザー・ビームで組織を照射することによってその組織をレーザー加工することと、音響信号を検出して、その音響信号と、必要であれば、その信号強度に応じて、レーザー・ビーム光源の制御を行なうことを含む、生体組織をレーザー加工するための方法に関係する。この方法は、主態様に関して本出願で説明した一つまたはさらに複数の特徴を光学的に備えることができる。]
[0068] 図３Ａ、図３Ｂを参照すると、固定部材または位置決め器を全体像として詳しく示す例示的な態様が図示されている。図３Ａに示した例示的な態様では、固定部材または位置決め器１５０は、例えば、ねじ込み式のハンドピースとして構成されたアウトカップリング・ユニット７０の遠位端を固定するための取付け部として、例えば、漏斗として構成される。レーザー加工の状況に応じて、選択された長さまたは形状、または下面の適切な直径が選択され得る。図示のように、固定部材または位置決め器は、下方に先細りの直径をもつ。しかし、下方に広がる直径を適用することも可能である。固定部材または位置決め器のこの漏斗形状は、位置決めに加えて、残りの楕円形の虫歯から隔離された部位または領域で治療を施せる可能性も提供する。さらに、切除された物質を制御された動作によって吸い出して、ハンドピースを通じて除去できる（図示せず）。冷却用空気などの追加的な媒体５５が、ハンドピース中に通された供給導管７１を通じて導入され、ハンドピースの下方の開口を通じて治療中の歯に向けられることが可能である。この目的のために、媒体５５を治療領域に噴射するための調整可能なノズル７２を開口に備え付けることができる。] 図３Ａ 図３Ｂ
[0069] さらに別の実施形態では、ナノ粒子等などの微細粒子を治療部位に向けて供給することができる。これらのナノ粒子は、レーザー加工中にすでに切除された、またはこれから切除される物質と所望のとおりに相互作用し、それによって、特に、切除を含むレーザー加工に、全体として、有益な効果を与えるように、規定された形状にすることができる。例えば、上記ナノ粒子は、健康な組織と病気の組織を区別するために使用され得る。ただし、光力学的治療（ＰＤＴ）、光重合（例えば、開いた歯髄を合成コラーゲン繊維の混成領域で覆う、あるいは所望の効果を促進するような組織との相互作用による光凝固などの方法と併せて使用することも可能である。ナノ粒子の別の有利な効果は、レーザー強度を変えずに切除効率を向上させること、または逆に、切除効率を損なうことなくレーザー強度を最小にすること（それにかかわる優先度による）を含み得る。どの医師も付帯的な害を最小にする（害をなさないことを最優先にする）原則に律せられるので、バイオセーフティをさらに高めるように、まだ存在している自由電子をさらに削減するためにナノ粒子を使用することもできる。]
[0070] 微細粒子のサイズは、例えば、１ｎｍ〜１μｍの範囲に入り得る。微細粒子は、冷却用空気などの媒体５５に混入することよって、供給導管７１を通じて送ることができ、ノズル７２によって治療部位へ噴射できる。]
[0071] ここでもやはり、生体組織をレーザー加工する際にナノ粒子などの微細粒子を供給することは、パルス状の加工レーザー・ビームのパラメータという本出願の主態様とは独立した、それ自体で別個の発明として見なせると解釈される。この態様は、したがって、パルス状の加工レーザー・ビームを供給することと、このパルス状の加工レーザー・ビームで組織を照射することによってその組織をレーザー加工することを含み、ナノ粒子などの微細粒子をレーザー被照射組織領域へ供給することにより支援された、生体組織をレーザー加工するための方法に関係する。この本発明は、本出願中で説明した一つまたはさらに複数の特徴を光学的に備えることができる。]
[0072] 図３Ｂに示した例示的な態様では、位置決め器または固定部材は、例えば、ハンドピースの外壁の穴を通してガイドされることによって、ハンドピースとして構成されたアウトカップリング・ユニット７０の遠位端に適切に固定されたワイヤ・クリップ２５０として構成される。この位置決め器または固定部材は、その下端でリングの形をした追加的な部分に結合する長く延びた直線部を有する、実質的に、一本のワイヤからなる。この構成では、リング形の部分は完全に閉じられていない。その代わり、その一端は、直線部がリング形の部分に形を変える位置から離れて間隔を開けて終端しているため、その直径をある限度内で変えることができる。レーザー加工中、リング形の部分は対象の歯をしっかりとつかむ働きをし、それによって、レーザー照射の対象の歯に相対したハンドピースの遠位端の適切な位置付けと方向を守ることを確実にする。] 図３Ｂ
[0073] ここでも、レーザー被照射領域に相対したハンドピースの位置付けを守るための位置決め器の概要構成は、パルス状の加工レーザー・ビームのパラメータという本出願の主態様とは独立した、それ自体で別個の発明として見なせると解釈される。この態様は、したがって、レーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニットと生体組織のレーザー被照射領域の間に固定されるように設計された位置決め器に関係する。この位置決め器はこの出願で説明する１つまたはそれ以上の更なる特徴を選択的に有することができる。この態様はまた、一つの上記の位置決め器を含む、特に位置決め器と一体化設計されたレーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニットに関係することもあり得る。]

权利要求:

請求項1
生体組織をレーザー加工する方法であり、パルス状の加工レーザー・ビームを供給することと、前記パルス状の加工レーザー・ビームで組織を照射することによって当該組織を加工することとを含んでなり、前記レーザー・ビームのレーザー・パルスが、７００〜１４００ｎｍの範囲に入る波長と、５〜１００ｐｓの範囲に入る時間幅と、１．５〜７．５ Ｊ／ｃｍ２の範囲に入るエネルギー密度と、を有する生体組織をレーザー加工する方法。
請求項2
前記レーザー・パルスのエネルギーは、１００μＪ未満の範囲に設定され、組織領域上の前記加工レーザー・ビームの焦点位置は、１０〜１００μｍの範囲に入る直径をもつように設定される、請求項１に記載の方法。
請求項3
前記レーザー・パルスの繰り返し率は、５００〜１０００Ｈｚの範囲に入る、請求項１または請求項２に記載の方法。
請求項4
特に虫歯になった状態の歯の素材物質の切除または研磨のために使用される、請求項１から請求項３のいずれかに記載の方法。
請求項5
前記加工レーザー・ビームは、トップ・ハット・ビーム・プロファイルを実質的に有する、請求項１から請求項４のいずれかに記載の方法。
請求項6
前記加工対象領域は、前記加工レーザー・ビームによって走査される、請求項１から請求項５のいずれかに記載の方法。
請求項7
前記加工レーザー・ビームの焦点に当てられた部分的領域が、正確に一つのレーザー・パルスに露光される、請求項６に記載の方法。
請求項8
一つのレーザー・パルスに当てられる各々隣接する部分的領域は、当該部分的領域の半分よりも小さい面積をもつ空間的重複部分を有する、請求項７に記載の方法。
請求項9
レーザー加工中には、焦点位置が前記加工対象領域の表面にあり続けるように制御が行われる、請求項１から請求項８のいずれかに記載の方法。
請求項10
前記組織領域またはその周辺で発生された信号の存在と、必要であれば、前記信号の強度が検出される、請求項１から請求項９のいずれかに記載の方法。
請求項11
前記検出された信号に応じて、前記加工レーザー・ビームはオン／オフ切り替えされる、請求項１０に記載の方法。
請求項12
前記信号は光信号である、請求項１０または請求項１１に記載の方法。
請求項13
当該部位をレーザー加工中にプラズマが発生されて、前記信号は前記プラズマよって発生された放射によって供給される、請求項１０から請求項１２のいずれかに記載の方法。
請求項14
前記信号は、前記領域を照射する電磁放射の第二高調波または高調波である、請求項１０から請求項１３のいずれかに記載の方法。
請求項15
前記電磁放射は、前記加工レーザー・ビームの電磁放射である、請求項１４に記載の方法。
請求項16
前記電磁放射は、診断レーザー・ビームの電磁放射であり、前記診断レーザー・ビームの前記組織の表面でのエネルギー密度は、前記組織を切除または加工するために必要なエネルギー密度よりも小さい、請求項１４または請求項１５に記載の方法。
請求項17
前記加工レーザー・ビームと前記診断レーザー・ビームは、一つの同じレーザー・ビーム光源によって発生される、請求項１６に記載の方法。
請求項18
前記信号は音響信号である、請求項１０に記載の方法。
請求項19
前記組織は、さらに、媒体に、特に気体媒体に、とりわけ空気にさらされる、請求項１から請求項１８のいずれかに記載の方法。
請求項20
前記媒体は、微細粒子、特にナノ粒子を含む、請求項１９に記載の方法。
請求項21
生体組織を加工するためのレーザー加工装置であり、パルス状の加工レーザー・ビーム（５０）を供給するためのレーザー・ビーム光源（１；１０）と、前記加工レーザー・ビーム（５０）の焦点を合わせるための手段（２）と、を具備し、前記加工レーザー・ビームのレーザー・パルスが、７００〜１４００ｎｍの範囲に入る波長と、５〜１００ ｐｓの範囲に入る時間幅と、１．５〜７．５Ｊ／ｃｍ２の範囲に入るエネルギー密度と、を有するレーザー加工装置。
請求項22
前記レーザー・パルスのエネルギーは、１００μＪ未満の範囲に設定され、組織領域上の前記加工レーザー・ビーム（５０）の焦点位置は、１０〜１００μｍの範囲に入る直径をもつように設定される、請求項２１に記載のレーザー加工装置。
請求項23
前記レーザー・パルスの繰り返し率は、５００〜１０００Ｈｚの範囲に入るように設定される、請求項２１または請求項２２に記載のレーザー加工装置。
請求項24
前記レーザー加工装置は、とりわけ虫歯になった状態の歯の素材物質の切除または研磨のための歯科用レーザー加工装置（２００）である、請求項２１から請求項２３のいずれかに記載のレーザー加工装置。
請求項25
レーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニット（７０）と、前記レーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニット（７０）をその遠位端がレーザー加工される歯に相対するように位置付けるための、前記レーザー・ビーム・アウトカップリング・ユニット（７０）に接続された位置決め器（１５０）と、をさらに具備する、請求項２１から請求項２４のいずれかに記載のレーザー加工装置。
請求項26
前記パルス状の加工レーザー・ビーム（５０）の実質的にトップ・ハット・ビーム・プロファイルを生成するためのビーム整形器（３０）をさらに具備する、請求項２１から請求項２５のいずれかに記載のレーザー加工装置。
請求項27
前記加工レーザー・ビーム（５０）で組織領域を走査するための走査ユニット（８０）をさらに具備する、請求項１９から請求項２６のいずれかに記載のレーザー加工装置。
請求項28
前記加工レーザー・ビーム（５０）が焦点を結んだ部分的領域が正確に一つのレーザー・パルスによってレーザー加工されるように、前記走査ユニット（８０）は構成される、請求項２７に記載のレーザー加工装置。
請求項29
各々隣接する部分的領域が、単一のレーザー・パルスでレーザー加工され、部分的領域の半分よりも小さい表面面積をもつ重複部分を有するように、前記走査ユニット（８０）は構成される、請求項２７または請求項２８に記載のレーザー加工装置。
請求項30
前記焦点位置を前記組織の表面に持続して維持するための自動焦点合わせ器（２０）をさらに具備する、請求項２１から請求項２９のいずれかに記載のレーザー加工装置。
請求項31
前記組織またはその周辺で発生された信号の存在と、必要であれば、前記信号の信号強度を検出するための検出器（１１０）をさらに具備する、請求項２１から請求項３０のいずれかに記載のレーザー加工装置。
請求項32
前記検出器（１１０）によって供給された信号に応じて前記レーザー・ビーム光源（１０）をオン／オフするための、前記検出器（１１０）と前記レーザー・ビーム光源（１０）に接続された制御装置（１２０）をさらに具備する、請求項３１に記載のレーザー加工装置。
請求項33
前記検出器（１１０）は光センサーを具備する、請求項３１または請求項３２に記載のレーザー加工装置。
請求項34
前記光センサーは、レーザー加工中のプラズマによって発生された放射を検知するように設計される、請求項３３に記載のレーザー加工装置。
請求項35
前記光センサーは、前記組織にビーム照射された電磁放射の第二高調波または高調波を検知するように設計される、請求項３３に記載のレーザー加工装置。
請求項36
前記検出器は音響センサーを具備する、請求項３１または請求項３２に記載のレーザー加工装置。
請求項37
前記制御装置（１２０）は、パルス状の加工レーザー・ビームを発生するためのレーザー加工モードまたは診断モードに前記レーザー・ビーム光源（１０）を設定するように設計され、前記レーザー加工モードでは、前記パルス状の加工レーザー・ビームが発生され、前記診断モードでは、前記組織をレーザー加工するために必要なエネルギー密度よりも小さいエネルギー密度をもつ診断レーザー・ビームが発生される、請求項３２に記載のレーザー加工装置。