CN108366829B - 皮肤治疗设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于人的皮肤(100)的局部治疗的皮肤治疗设备(10)。辐射源(5)发射多模激光束(20)，其包括互不相同的高阶激光模式的叠加(23)。所述多模激光束通过所述不同激光模式的叠加被配置为同时产生第一多个高强度区，在其中至少达到针对皮肤的治疗区(50)的胶原蛋白变性的热阈值(TC)，以及第二多个低强度区，在其中至少达到针对皮肤的治疗区的成纤维细胞刺激的热阈值(TF)。这有利于获得具有简单低廉的局部皮肤治疗系统的皮肤治疗设备，所述皮肤治疗系统将胶原蛋白变性与成纤维细胞刺激相结合。所述皮肤治疗设备基于多模激光束形式的非均匀激光辐射。
Description
技术领域
本发明总体上涉及使用皮肤治疗设备对人的皮肤的治疗。本发明尤其涉及一种用于执行这种治疗的设备。
背景技术
激光嫩肤是一种利用光学手段有意破坏皮肤而生成新皮肤组织的干预。在基于吸水性的选择性非烧蚀光热分解作用中，将组织加热至60～100℃之间以创建受损热区，从而在不烧蚀或汽化皮肤的情况下诱导新的胶原蛋白生长。
在一些家用设备中，所谓的局部嫩肤通常通过下述方式执行：创建典型尺寸为100～300μm、被健康组织包围的分布式小病变使停机时间和副作用最小化，同时维持所需的功效水平。因此，局部治疗是一种非侵入性治疗，其使用设备输送激光束，激光束被划分成多个，例如，数千个，一次可以瞄准小部分皮肤的微观治疗区。
当加热至60℃以上时，支持胶原纤维结构的交联开始断裂，并且胶原纤维开始变性。在可逆变性方案中，胶原蛋白并非永久被破坏，而是保持完整，且该变性可以逆转。这种可逆变性阈值非常重要，因为其允许对真皮胶原蛋白进行改造而不会造成永久性损伤。当温度超过100℃时，其它过程，如相变(汽化、热分解(烧蚀)、碳化和熔化)，将根据温度而发生。有关人体皮肤与激光相互作用的更多细节可以在Markolf H.Niemz，“Laser-Tissueinteractions”Springer publications(1996)中找到。
嫩肤的另一种方法是将真皮加热至39～45℃的较低温度，以刺激真皮细胞释放热休克蛋白(HSP)。HSP的释放促进新胶原蛋白和弹性蛋白形成、新细胞形成及胶原蛋白重构。除热效应外，激光还可能引起光化学效应。
US7,856,985B2(转让给Cynosure Inc.)公开了一种使用非均匀激光辐射的激光治疗设备，如嫩肤治疗设备。激光辐射的高强度部分导致治疗区域选定部分内胶原蛋白的破坏和收缩，而辐射的低强度部分导致成纤维细胞刺激，进而导致胶原蛋白横跨治疗区域的其它部分产生。来自如Nd:YAG激光器等激光源的输出光束耦合至光学系统中，光学系统修改光束以提供具有非均匀能量分布的大直径光束，该光束包括治疗光束内被低强度区包围的多个高强度区。高强度区将目标组织的选定部分加热至足以进行第一次治疗(如胶原蛋白收缩)的温度，而低强度区为第二次治疗(如刺激胶原蛋白产生)提供足够能量。可以同时治疗大面积的组织，优选其直径为7～10mm，同时使灼伤皮肤或对皮肤造成其它伤害的风险最小化。在实施例中，本发明使用纤维束提供非均匀能量输出光束。在另一实施例中，本发明使用衍射透镜阵列来产生非均匀输出光束。因此，该启示将一些区域的胶原蛋白收缩与刺激其它区域的胶原蛋白产生相结合。然而，这种光学设计需要相对昂贵的光学构件，如衍射透镜阵列或大量纤维束，因而对于低成本家用皮肤治疗设备不具有吸引力。
此外，由于纤维束中的纤维间距，最小病变的宽度可能相对较大。
本发明的发明人已经认识到改进和/或简化皮肤治疗设备是有益的，因而设计了本发明。
发明内容
实现改进和/或更简单的皮肤治疗设备将是有利的。一般地，本发明优选寻求单独或以任意组合减轻、缓解或消除上述一个或多个缺点。特别地，本发明的目的可以视为提供一种解决现有技术中的上述问题或其它问题的皮肤治疗设备。为了更好地解决这些问题中的一个或多个，在本发明的第一方面，提供一种用于人的皮肤的局部治疗的皮肤治疗设备，所述皮肤治疗设备包括：
-辐射源，能够发射多模激光束，
-透镜，用于将多模激光束引导至所述皮肤上，以及
-辐射控制单元，用于控制所述辐射源，
其中所述辐射源和所述辐射控制单元被光学布置为使得：当照射所述皮肤的治疗区时，所述多模激光束在空间上被配置为同时创建：
-第一多个高强度区，在其中至少达到针对所述皮肤的治疗区的胶原蛋白变性的热阈值(TC)，以及
-第二多个低强度区，在其中至少达到针对所述皮肤的治疗区内成纤维细胞刺激的热阈值(TF)，但在其中不达到针对胶原蛋白变性的所述热阈值(TC)，
其中所述多模激光束基本上仅包括互不相同的仅高阶激光模式的叠加，所述高阶激光模式在横切所述激光束的传播方向的光束截面中具有互不相同的强度分布，并且其中所述辐射源、所述透镜和所述辐射控制单元被配置为使得在离开所述透镜时，所述多模激光束的拉格朗日值(H)为至少0.5μ，优选至少1μ，更优选至少5μ。
特别但非唯一地，出于在基于多模激光束形式的非均匀激光辐射的单个皮肤治疗设备中将胶原蛋白变性与成纤维细胞刺激相结合，本发明的优势在于获得具有简单并因此低廉的局部皮肤治疗系统的皮肤治疗设备。
根据本发明，“所述多模激光束基本上仅包括互不相同的仅高阶激光模式的叠加”应当理解为多模激光束主要包括至少两个高阶激光模式的叠加，并且多模激光束不包括任何实质的基本激光模式分量(如HG00)。特别地，由总强度分布中存在的任何(如自然剩余的)基本激光模式分量导致的激光束截面的总强度分布的部分总强度应当小于10％，优选小于5％。有利地，多模激光束仅包括仅高阶激光模式的叠加。本发明基于如下认识：仅高阶激光模式叠加的强度分布中的强度最小值可以具有足够强度以达到针对成纤维细胞刺激的热阈值，但不会达到针对胶原蛋白变性的热阈值，同时仅高阶激光模式叠加的强度分布中的强度最大值可以具有足够强度以达到针对胶原蛋白变性的热阈值，但不会达到导致不期望烧蚀及其它不期望副作用的任意更高热阈值。根据本发明，包括所述叠加的多模激光束的强度分布具有高强度区和低强度区的最佳分布，用于在皮肤的治疗区内生成胶原蛋白变性区和成纤维细胞刺激区。
因此，上述多模激光束能够将皮肤的目标组织加热至足以使高强度区中的胶原蛋白变性和收缩的温度(如60～100℃)，而多模激光束的低强度部分导致所述低强度区中的周围组织加热至相对较低的温度(39～45℃)，从而在治疗区域的整个其它部分上引起成纤维细胞刺激(产生神经胶质瘤)。这将导致由成纤维细胞刺激区包围的高强度峰引起的中央区多个子局部区的胶原蛋白变性和收缩，从而因低强度区内激光能量的相对较低强度而导致胶原蛋白产生。由于围绕成纤维细胞刺激区的热区数目增加，这反过来又会促使病变更快愈合。
本发明进一步但非唯一的优势在于，相对较大的组织区域例如在未聚焦的几何形状中，可以用透镜同时治疗，该相对较大的组织区域是如直径或最大横向宽度等空间延伸优选为10～20mm的治疗区。
在本发明背景下，术语“局部皮肤治疗”应当理解为包括但不限于，通过平行治疗皮肤中的小病变或区域分布阵列而进行的皮肤治疗，该病变或区域的典型尺寸为50～500μm，或优选100～300μm。在本发明背景下，高强度区内创建的这些小病变还由发生成纤维细胞刺激的低强度区包围。由于温度较高，高强度区内创建的小病变在本领域有时被称为“热点”。
在特别优选实施例中，高阶激光模式的叠加产生多模激光束的组合强度分布，其中一个或多个非零最小值(MIN)对应于第二多个低强度区中的一个或多个低强度区，这在相对较大治疗区内提供促进成纤维细胞刺激的令人惊讶的简单高效方式。
在另一优选实施例中，高阶激光模式的叠加产生多模激光束的组合强度分布，其中一个或多个最大值(MAX)对应于第一多个高强度区中的一个或多个高强度区，从而也在相对较大治疗区内提供促进胶原蛋白变性的令人惊讶的简单高效方式。
有利地，当照射在皮肤的治疗区上时，多模激光束可以通过高阶激光模式的叠加而在空间上被配置为使得形成皮肤的连贯治疗区，其中优选至少皮肤的整个所述连贯治疗区基本上达到成纤维细胞刺激的热阈值(TF)。这提供了一种更高效的皮肤治疗方法，因为由于周围成纤维细胞刺激区数目增加，皮肤病变愈合更快。
有利地，第一多个高强度区和第二多个低强度区可以被空间分布在治疗区中，从而在多模激光束照射在皮肤的治疗区上时诱导热分布，其中温度从高强度区逐渐降低到包围高强度区的任意相邻低强度区，并且其中温度优选地(大体上或接近)从高强度区连续降低到相邻低强度区。这与许多现有的皮肤治疗技术大不相同，在这些现有技术中，在所谓的热点内的治疗没有或很少涉及这些热点周围的成纤维细胞刺激。
额外地或替代地，辐射源及用于控制辐射源的辐射控制单元被配置为使得叠加的不同高阶激光模式的数量(N)至多为10，优选至多为7，更优选至多为5，正如光学领域技术人员将认识到的那样，随着模式的数量增加，总体强度下降。下文中给出了针对各种模式的更具体的计算。
在还包括用于将多模激光束引导至皮肤上的透镜的实施例中，为了提供皮肤的最优治疗，辐射源、用于控制辐射源的辐射控制单元及透镜可以被共同设置以使得治疗区的最大空间延伸至少为10mm，优选至少15mm，更优选至少20mm。
优选地，高阶激光模式的所述叠加包括从下述激光模式中选择的至少两种互不相同的高阶激光模式：
-矩形横向埃尔米特-高斯模式HG[m n]，其中m和n为模数，或
-圆柱形横向拉盖尔-高斯模式LG[p l]，其中p和l是模数，并且其中模数[m n]或[p l]中的每个模数小于8，优选小于6，更优选小于4。正如光学领域技术人员所认识到的那样，其它可行的高阶激光模式同样理解为落入本发明的教导和原理内。
有利地，在还包括用于将多模激光束引导至皮肤上的透镜的实施例中，透镜可以具有可调节焦点，以改变皮肤中治疗区的位置、延伸和/或朝向，例如，以提供最佳皮肤治疗。
在特定实施例中，辐射源包括可以由辐射控制单元控制的多个激光器，每个激光器能够射出多模激光束，每个多模激光束基本上仅包括仅高阶激光模式的叠加，这些激光模式在横切激光束的传播方向的光束截面内具有互不相同的强度分布。典型地，在还包括用于将多模激光束引导至皮肤上的透镜的实施例中，多个激光器射出的多模激光束可以具有从辐射源到透镜的共用光路，以提供简单经济的光学配置。应当理解的是，从辐射源到透镜的光路可以几乎全部是共用的，但由于激光来源于不同位置，至少在光路开端可以略有不同。
此外，可以由辐射控制单元控制的多个激光器可以被光学布置以创建皮肤中的共用治疗区，或者替代地，可以由辐射控制单元控制的多个激光器可以被光学布置以创建皮肤中的至少两个不同的治疗区，每个治疗区包括：
第一多个高强度区，在其中至少达到针对所述皮肤的治疗区的胶原蛋白变性的热阈值(TC)，以及
第二多个低强度区，在其中至少达到针对所述皮肤的治疗区的成纤维细胞刺激的热阈值(TF)，但在其中不达到针对胶原蛋白变性的所述热阈值(TC)。
因此，在本发明的背景下，如果施加多个激光器，可以治疗大部分皮肤。
在另一实施例中，辐射源包括能够发射多模激光束的单激光器，所述激光束基本上仅包括互不相同的仅高阶激光模式的叠加，所述高阶激光模式在横切所述激光束的传播方向的光束截面内具有互不相同的强度分布，从而可以简单经济地实现本发明，同时又能够治疗相对较大面积的皮肤。
根据本发明的皮肤治疗设备可以应用于人的皮肤的非侵入性局部治疗方法，所述皮肤治疗方法包括：
-提供辐射源，其能够发射多模激光束，所述多模激光束基本上仅包括互不相同的仅高阶激光模式的叠加，所述高阶激光模式在横切所述激光束的传播方向的光束截面内具互不相同的强度分布，以及
-提供辐射控制单元，用于控制所述辐射源，其中所述辐射源和所述辐射控制单元光学布置为使得：当照射在所述皮肤的治疗区上时，所述多模激光束通过所述高阶激光模式的叠加在空间上被配置为同时产生：
-第一多个高强度区，在其中至少达到针对皮肤的所述治疗区的胶原蛋白变性的热阈值(TC)，以及
-第二多个低强度区，在其中至少达到针对皮肤的所述治疗区的成纤维细胞刺激的热阈值(TF)，但在其中不达到针对胶原蛋白变性的所述热阈值(TC)。
根据本发明的皮肤治疗设备特别但非唯一的优势在于，提供一种简单低成本的皮肤治疗方法，例如，通过修改现在已知的激光治疗设备实现本发明，以及/或将各种光学元件进行组合以实现本发明。一般地，本发明的各方面可以以本发明范围内的任意可能方式进行组合和结合。参考下文描述的实施例，本发明的特征和/或优势将变得显而易见并得以阐明。
附图说明
下面将结合附图，仅以举例方式阐述本发明的实施例。在附图中：
图1示出根据本发明的实施例的皮肤治疗设备的示例性截面图，
图2示出用根据本发明的实施例的皮肤治疗设备进行治疗时的皮肤的治疗区的示例性截面图，
图3示出来自根据本发明的实施例的皮肤治疗设备的多模激光束的横向强度或辐照度分布的示例图，
图4A和图4B示出来自根据本发明的实施例的皮肤治疗设备的两种模式的激光束及激光模式叠加的示意图和强度分布，
图5示出可以用根据本发明的实施例的皮肤治疗设备施加的已知矩形(上部分)和圆柱形(下部分)横向激光模式的示例，
图6示出治疗区域四个截面图，即根据现有技术的皮肤内治疗区的截面图(a部分和b部分)，以及施加根据本发明实施例的皮肤治疗设备时的截面图(c部分和d部分)，
图7示出根据本发明另一实施例的皮肤治疗设备的示例性截面图，
图8示出根据本发明实施例的两个不同辐射源的示意图，
图9示出根据本发明的实施例的皮肤治疗设备中应用的多模发射器的近场强度分布(a)和远场强度分布(b)，
图10示出(a)射出三个高阶模式叠加(HG12+HG21+HG22)的一个多模光源的强度谱线分布，以及(b)用于大面积治疗、彼此靠近放置的五个多模激光源阵列的产生的强度分布，
图11示出(a)射出三个高阶模式叠加(HG32+HG23+HG33)的一个多模光源的强度谱线分布，以及(b)用于大面积治疗、彼此靠近放置的五个多模激光源阵列的产生的强度分布，
图12示出(a)射出三个高阶模式叠加(HG23+HG13+HG22)的一个多模光源的强度谱线分布，以及(b)用于大面积治疗、彼此靠近放置的五个多模激光源阵列的产生的强度分布，以及
图13示意性地示出皮肤治疗方法的流程图。
应当注意的是，不同附图中附图标记相同的项具有相同结构特征和相同功能，或表示相同信号。在此类项的功能和/或结构已经说明的情况下，没有必要在详细说明中再次重复。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施例的皮肤治疗设备10的示例性截面图。皮肤治疗设备10被配置且布置为用于人的皮肤100的局部治疗，尽管在一些变型中，也可以治疗非人的皮肤。为了便于使用，皮肤治疗设备10可以是单个实体。通常认为人的皮肤100包括三个部分，上角质层101、表皮102及真皮103。在所示实施例中，将激光束20引导(如聚焦)至真皮103，图中示出治疗区50，但根据本发明可以治疗皮肤100的任意部分或其组合，参见图6。有关人体皮肤与激光相互作用的更多细节可以在Markolf H.Niemz,"Laser-Tissueinteractions"Springer publications(1996)中找到，该文献整体以引用方式并入本文。有关温度对组织的影响，可以使用下述表格了解其概况：
| 温度 | 生物效应 |
| 37℃ | 生理温度 |
| 45℃ | 高热 |
| 50℃ | 酶活性降低，细胞固定化 |
| 60℃ | 胶原蛋白和蛋白质变性，凝固 |
| 80℃ | 膜透化 |
| 100℃ | 汽化，热分解(烧蚀) |
| >150℃ | 碳化 |
| >300℃ | 熔化 |
如图1所示，皮肤治疗设备包括辐射源5“RAD”，其能够发射多模激光束20。因此，所产生的激光束具有不同激光模式的叠加23，激光束具有横切光束方向的不同强度分布。图中示出插入点内横切激光束的组合强度分布。此外，用于控制辐射源的辐射控制单元6“CON”可操作地被连接至辐射源5，从而用于控制如安全性、用户设置等。设备10中可以设置透镜7，用于将多模激光束引导至皮肤上；透镜可以具有可调节焦点和/或数值孔径(NA)，以改变皮肤100内治疗区的位置、延伸和/或朝向。透镜也可以由控制单元6控制。当多模激光束20优选以脉冲模式照射皮肤10的治疗区50时，激光束通过互不相同的高阶激光模式的叠加23在空间上特别被配置为同时产生第一多个高强度区30和第二多个低强度区40，在第一多个高强度区30中，至少达到皮肤的所述治疗区内的胶原蛋白变性或类似热诱导过程的热阈值TC，在第二多个低强度区40内，至少达到皮肤的所述治疗区内的成纤维细胞刺激或类似热诱导过程的热阈值TF。但是，低强度区内的温度低于高强度区，从而在低强度区内不会达到胶原蛋白变性的热阈值(TC)。
皮肤治疗设备优选可以以步滑模式操作。在所有实施例中，可选地，可以使用折射率匹配的流体将激光束耦合至皮肤100内。皮肤100内可以创建的热病变的聚焦深度可以通过改变例如透镜7的聚焦光学元件的数值孔径NA和/或聚焦深度而改变。基于光学的皮肤治疗领域的技术人员一旦理解本发明的一般原理和教导，将会轻松理解：可能同样有利的是将本发明与本领域已知的其它措施一起使用，如表面冷却、检测皮肤接触并实现皮肤治疗的电容传感器。
为了便于引用，图1示出XYZ坐标系并与本申请附图结合使用。Z轴平行于多模激光束20的方向，X-Y平面横切或垂直于Z轴。
图2示出在使用根据本发明的实施例的皮肤治疗设备进行治疗时的皮肤100的治疗区50的示意性截面图。当照射皮肤的治疗区50时，多模激光束通过至少两个互不相同激光模式的叠加在空间上被配置为使得在皮肤内同时产生高强度区30“MAX”和低强度区40(虚线圈)的组合。在图2中，用虚线圈示出的低强度区40彼此隔离。替代地，本文描述的低强度区可以是连续的。这意味着隔离的高强度区30“MAX”也可以嵌入单个连续低强度区40内。在第一多个高强度区30内，至少达到皮肤的治疗区内的胶原蛋白变性或类似热诱导过程的热阈值TC，并且该温度在60～100℃的范围内。在第二多个低强度区40内，至少达到该皮肤的治疗区内的成纤维细胞刺激或类似热诱导过程的热阈值TF。因此，在低强度区中，温度至少足够高，以诱发成纤维细胞刺激，并且在低强度区40的某些部分，温度将高于成纤维细胞刺激的热阈值TF。典型地，温度在对应于最小光束强度的激光治疗期间将具有最小值，并温度将朝邻近的高强度区30“MAX”增加。应当理解的是，温度分布在皮肤组织100内将具有三维结构，图2中仅示意性地示出ZX投影。组合治疗容积或区50包括低强度区40和高强度区30，但治疗区也可以包括并非低强度区40与高强度区30的部分的容积。在一些实施例中，如图2所示，当照射皮肤的治疗区时，多模激光束通过高阶激光模式的叠加23在空间上被配置为形成连贯的皮肤的治疗区50。在其它实施例中，在大体整个连贯的皮肤的治疗区内至少达到成纤维细胞刺激的至少热阈值，但图2中未示出。
图3示出多模激光23的横向强度或辐照度分布及标为“现有技术”的现有高斯强度分布。现有技术教导，使用高斯光束分布容易产生基于光热效应的相对较大单发病变。在现有技术基于激光的非烧蚀治疗设备中，可能期望出现刺激区域，因为损伤区的周围区域已经固有地经受低于损伤阈值的温度。这是因为激光束分布通常没有非常尖锐的边缘，如高斯光束分布，而这会导致组织内的强度梯度，进而导致热梯度。根据时间-温度(由损伤积分控制)，围绕光束中心发生变性，并且在接近损伤区附近，组织暴露于未达到损伤水平但达到刺激水平的温度，导致由小成纤维细胞刺激区包围的相对较大病变。由于成纤维细胞刺激区的尺寸有限，现有技术教导下的嫩化效果有限。
因此，基于上述效果，对于基于激光的嫩肤来说，通过暴露于来自根据本发明的皮肤治疗设备的多模激光束，获得更多成纤维细胞刺激组织会更好。这样可以扩大嫩肤面积，同时减少伤害的副作用。
图4A示出激光束截面中模式HG-10和HG-11的横向强度分布21和22的示意图。右侧示出HG-10模式，左侧示出HG-11模式。注意强度分布21和22的最小值MIN接近0(或约为0)。
图4B示出HG-12、HG-21和HG-22的叠加23。叠加23的横向强度分布也具有强度分布最小值MIN和最大值MAX，但实际上，叠加23中的一个或多个最小值MIN不为0，并且，如果设计得当，叠加可以在最小值MIN处具有高于成纤维细胞刺激的热阈值TF(水平虚线)的产生的强度水平。因此，本发明基于以下见解：高阶激光模式(即这里的HG-12、HG-21和HG-22)的叠加23的强度分布中的最小值MIN可以具有足够强度或功率，从而达到成纤维细胞刺激的热阈值TF，并且优选高于该阈值以便于进一步的成纤维细胞刺激。这在图4B右侧示意性地示出，其中在XY截面图中，即垂直于图2相应图的视图中，示出低强度区40和高强度区30。
图5示出可以使用根据本发明的实施例的皮肤治疗设备施加的已知矩形(上部分)和圆柱形(下部分)横向激光模式的示例。图5(上部分)示出可以使用的已知埃尔米特-高斯模式的示例，如HG-01、HG-10或HG-11。图5(下部分)示出可以在本发明背景下使用的已知拉盖尔-高斯模式的示例，如LG-01、LG-02或LG-03。在本专利申请中，使用LG模式的标准记法-第一索引表示径向模式阶数(p)，第二索引表示角模式阶数(l)。关于高阶激光模式强度分布的更多细节可以在F.J.Duarte主编的ISBN为978-953-1007-405-4的Laser PulsePhenomena and Applications一书中由Tae Moon Jeong和Jongmin Lee所著的第11章：Laser Beam Diagnostics in a Spatial Domain中找到。在图5中，单独的埃尔米特-高斯模式(下部分)或拉盖尔-高斯模式(上部分)可以被组合或叠加使用，以实现本发明。本领域技术人员将清楚的是，正如一旦理解本发明的一般原理和教导就将可以理解的那样，强度分布的适当叠加可以由修改的组合和/或激光腔内的光学元件和激光腔外沿光路设置的光学元件创建。
图6示出四个截面图，即根据现有技术的皮肤内治疗区的截面图(a部分和b部分)以及施加根据本发明两个实施例的皮肤治疗设备时的截面图(c部分和d部分)。a)示出非烧蚀治疗中的局部病变示意图，b)部分示出选择性真皮内嫩肤治疗的示意图。可以看出获得非连贯治疗区，并且成纤维细胞刺激区域限制为包围这些“热点”的相对较小区域。但是，正如由胶原蛋白变性与收缩的中心区组成的子局部区所示，由于本发明公开的被成纤维细胞刺激区所包围的高强度峰，以及非烧蚀治疗(c)和选择性真皮内表面重修治疗(d)导致的低强度峰，将得到相对较大的治疗区50，优选为连贯治疗区。
图7示出根据本发明另一实施例的另一皮肤治疗设备的截面图。该设备与图1所示的皮肤治疗设备类似，只是存在附加激光束20'。附加激光束优选为与激光束20'相同或相似，或不同的多模激光束。在优选实施例中，激光束20和20'相同，并且更优选地，可以在辐射源5内设置并控制相似激光阵列。在图7中，多模激光束20'产生邻近的不同治疗区50'，但在其它实施例中，激光束20和20'可以产生一个共用治疗区，在共用治疗区内，从皮肤治疗设备10获得热诱导皮肤修整。
图8示出根据本发明实施例的两个不同辐射源5'和5"的示意图。在上图中，激光器以并排线性配置布置，优选尽可能彼此靠近地隔开，以获得来自激光器的共用治疗区或相邻治疗区50和50'，如图7所示，治疗区50和50'尽可能彼此靠近地隔开。在下图中，激光器以矩阵配置布置，其中激光器设置在两个维度中，即图1的XY平面，并且优选在两个维度中均尽可能彼此靠近地隔开，以获得来自激光器的共用治疗区或相邻治疗区。
图9示出根据本发明的实施例的皮肤治疗设备中应用的多模发射器的近场强度分布(a)和远场强度分布(b)。由单模发射器发射的激光称为TE00模式光束(典型TE00中仅存在单一模式)，其具有遵循高斯光束传播原理的高斯强度分布和表现。因此，这些光束在近场和远场均具有高斯光束分布。激光通常由大于40°FWHM(半最大值全宽度)的锥形中的发射孔发射，从而产生高发散光束(通常超过约为0.63的较大NA)。因此，当多个单一模式靠近地隔开时，所产生的光束分布将被抹掉，而不会导致由多模发射器或激光器阵列发射的具有如图3所示的波纹的非均匀强度分布。
如图9(a)所示，由多模光源发射的激光通常是具有波纹(无论是宏观还是微观空间非均匀)的非高斯角光束分布的多个模式(包括TE00及其它高阶模式)的叠加。这种多模激光器具有狭长的发射孔，并且光通常由小于10°FWHM(半最大值全宽度)且具有0.13的相对较小NA的锥形中的发射孔发射。这些光束不遵循高斯光束传播原理。由于光束的低发散性，与单模发射器相比，可以大体保持非均匀光束分布。在远场，光束分布容易形成双峰模式，中央有明显下降。
描述单模与多模阵列发射器之间不同的另一种方式是用拉格朗日值(H)。激光束的拉格朗日值通常定义为半光束尺寸与半发散角的乘积。多模发射器的拉格朗日值比单模发射器大得多。对于0.83μ(微米)的代表性发射波长来说，单模发射器的拉格朗日值是0.09μ(微米)，而多模发射器通常是7μ(微米)。
光源通常是脉冲激光器，例如，发射波长与特定皮肤发色团(水分)相匹配的二极管激光器，其发射波长通常在1000～2000nm左右，优选为1300～1700nm之间，并且其比目标真皮或发色团的热松弛时间短，并且在0.1～200ms的脉冲持续时间范围内，且优选在5～20ms之间。这会导致中央区60～100℃，优选70～90℃之间的高温，以及周围组织39～50℃，优选40～45℃之间的低温。
中央区内的峰值积分通量在10～20J/cm2的范围内，而周围区内的峰值积分通量在1～2J/cm2的范围内。这导致被成纤维细胞刺激区包围的胶原蛋白变性和收缩的中央区。高强度区30与周围低强度区40的积分通量的比可以在2～50，且优选5～10的范围内。
输出光束可以具有0.1～100毫秒，且优选约1～5毫秒之间的脉冲持续时间。辐射源5和皮肤治疗设备10也可以被配置为提供相似病变，但它们通过使用聚焦光学器件并将发射器平面成像在真皮103内，在空间上限制在真皮内且由成纤维细胞刺激区包围(参见图6d)，这将维持真皮内的辐照度分布。这种情况下，内真皮层内的治疗位置将通过适当定位的发色团确定，如黑色素、皮脂腺、血管，其由治疗光束照射，并在隔离的选择性目标处发生选择性温度上升。
实现上述由成纤维细胞刺激组织的热区包围的胶原蛋白变性的非烧蚀性中央区所需要的技术特征可以根据达到该强度分布需要单个还是多个发射器大致分为两类。
第一类包括非均匀强度分布，其中使用单发射器。如图10和11所示，这可以通过调节激光腔以发射三个埃尔米特-高斯(HG)模式的叠加来实现。这种情况下，单发射器可以提供上述结果。
图10示出(a)射出三个高阶模式的叠加(HG12+HG21+HG22)的一个多模光源的强度谱线分布，以及(b)用于大面积治疗、彼此靠近放置的五个多模激光源阵列的产生的强度分布。
图11示出(a)射出三个高阶模式的叠加(HG32+HG23+HG33)的一个多模光源的强度谱线分布，以及(b)用于大面积治疗、彼此靠近放置的五个多模激光源阵列的产生的强度分布。
第二类具有用辐射源5中的一个或多个发射器，即激光器阵列，获得的非均匀强度分布。如图12所示，这可以通过调节激光腔以发射三个埃尔米特-高斯(HG)模式的叠加实现。这种情况下，单发射器无法提供上述结果。然而，通过在该发射器旁边放置第二激光发射器，可以获得期望强度分布，例如：HG23+HG13+HG22。
输出光束可以具有0.1～100毫秒，且优选约1～5毫秒之间的脉冲持续时间。对于脉冲持续时间比热松弛时间短的情况，照射区内可以发生热约束。
一般地，所需的多个高阶HG模式的叠加利用一般激光制造程序，通过正确错开激光腔(与Brewster窗)，选择性地关闭增益介质部件，或使用象散模式转换器获得，或使用技术人员可以轻松想到的激光光学领域的其它类似方法获得。
图12示出(a)射出三个高阶模式(HG23+HG13+HG22)叠加的一个多模光源的强度谱线分布，以及(b)用于大面积治疗、彼此靠近放置的五个多模激光源阵列的产生的强度分布。
进行一些刺激以找出使用多个模式(N)的可能选项，同时识别优选选项。简言之，通过选择高阶模式数量(HGmn)，本申请的多个解决方案是可能的，其中m和n表示模数。然而，高阶模式中可以使用的相对功率量将随着阶数的增长而显著减少，从而限制m、n<4，替代地6或8的优选选项。
除上述提到的点之外，还需要进一步考虑以下方面：
1.因为平滑的强度分布和低发散性，低阶模式是优选的。
2.用于减少不期望模式的主要方法是为其增加足够损耗。在大多数激光器中，这通过在激光腔内设置固定或可变孔来实现。由于光束直径差很大，孔会导致显著的高阶模式衍射损耗而不会影响低阶模式。
基于该估计，针对HG模式的配置，每一类的优选选项可以归纳为：
单激光发射器：
1.N＝3(HG21+HG22+HG12)
2.N＝2(HG23+HG32)
3.N＝3(HG31+HG13+HG22,HG32+HG23+HG33)
4.N＝4(HG31+HG13+HG33+HG22)
多激光发射器：
1.N＝3(HG23+HG13+HG22)
2.N＝2(HG24+HG42)
3.N＝3(HG24+HG42+HG33)
4.N＝4(HG24+HG52+HG33+HG42)
比较单发射器和多发射器这两种发射器，单发射器是优选的。
对于多激光发射器，每个发射器应该发射相同数量和类型的模式。
多个HG模式的所需叠加可以利用一般激光制造程序通过正确错开激光腔(与Brewster窗)、选择性地关闭增益介质部件或通过象散模式转换器获得，这比获得单模式激光束成本更低。
图13示出非侵入性皮肤治疗方法的流程图，尤其是如图1所示的人的皮肤100的局部治疗，该皮肤治疗方法包括下述步骤，这些步骤不一定按列出顺序执行：
-S1：提供辐射源5，其能够发射多模激光束20，激光束具有至少两个不同高阶激光模式的叠加23，激光模式在横切激光束传播方向的光束截面内具互不相同的强度分布21和22，以及
-S2：提供辐射控制单元6，用于控制所述辐射源，
-S3：其中辐射源和辐射控制单元被光学布置为使得：当照射在皮肤的治疗区50上时，多模激光束通过高阶激光模式的叠加23在空间上被配置为同时形成：
第一多个高强度区30，在其中至少达到针对皮肤的所述治疗区的胶原蛋白变性的热阈值(TC)，以及
第二多个低强度区40，在其中至少达到针对皮肤的所述治疗区的内成纤维细胞刺激的热阈值(TF)，但在其中不达到胶原蛋白变性的热阈值(TC)。
简言之，本发明涉及如图1所示的用于人的皮肤100的局部治疗的皮肤治疗设备10。辐射源5发射多模激光束20，其基本上仅包括互不相同的仅高阶激光模式的叠加23。参见图4，多模激光束通过不同激光模式的所述叠加被配置为同时产生：第一多个高强度区，在其中至少达到针对皮肤的治疗区50的胶原蛋白变性的热阈值(TC)；以及第二多个低强度区，在其中至少达到针对皮肤的治疗区的内成纤维细胞刺激的热阈值(TF)。这有利于获得具有简单因此低廉的局部皮肤治疗系统的皮肤治疗设备，所述皮肤治疗系统将胶原蛋白变性与成纤维细胞刺激相结合。皮肤治疗设备基于多模激光束形式的非均匀激光辐射。
虽然附图和以上描述中已经详细说明并描述了本发明，但这些说明和描述应视为说明性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。在实践所要求保护的发明的过程中，通过学习附图、公开内容及所附权利要求，本领域技术人员对于所公开实施例的其它变型是可以理解并实现的。在权利要求中，“包括”一词不排除其它元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其它单元可以满足权利要求中所述的多项功能。某些措施被记载在相互不同的从属权利要求中的事实不指示这些措施的组合不能被用于获得优势。计算机程序可以储存/分布在适当介质上，如与其它硬件一起供应或作为其一部分的光学存储介质或固态介质，但也可以以其它形式分布，如经由网络或其它有线或无线通信系统。权利要求中的任意附图标记不应该被理解为限定其范围。
Claims (22)
1.一种用于人的皮肤(100)的局部治疗的皮肤治疗设备(10)，所述皮肤治疗设备包括：
-辐射源(5)，能够发射多模激光束(20)，
-透镜(7)，用于将所述多模激光束引导至所述皮肤上，以及
-辐射控制单元(6)，用于控制所述辐射源，
其中所述辐射源和所述辐射控制单元被光学布置为使得：当照射在所述皮肤的治疗区(50)上时，所述多模激光束在空间上被配置为同时创建：
-第一多个高强度区(30)，其中至少达到针对所述皮肤的所述治疗区的胶原蛋白变性的热阈值(TC)，以及
-第二多个低强度区(40)，其中至少达到针对所述皮肤的所述治疗区的成纤维细胞刺激的热阈值(TF)，但其中不达到针对胶原蛋白变性的所述热阈值(TC)，
其特征在于，所述多模激光束(20)基本上仅包括互不相同的仅高阶激光模式的叠加(23)，所述高阶激光模式在横切所述激光束的传播方向的光束截面中具有互不相同的强度分布(21、22)，其中所述辐射源(5)、所述透镜(7)和所述辐射控制单元(6)被配置为使得在离开所述透镜(7)时，所述多模激光束的拉格朗日值(H)为至少0.5μ。
2.根据权利要求1所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源(5)、所述透镜(7)和所述辐射控制单元(6)被配置为使得在离开所述透镜(7)时，所述多模激光束的拉格朗日值(H)为至少1μ。
3.根据权利要求1所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源(5)、所述透镜(7)和所述辐射控制单元(6)被配置为使得在离开所述透镜(7)时，所述多模激光束的拉格朗日值(H)为至少5μ。
4.根据权利要求1所述的皮肤治疗设备，其中所述高阶激光模式的所述叠加(23)产生所述多模激光束的组合强度分布，其中一个或多个非零最小值(MIN)对应于所述第二多个低强度区(40)中的一个或多个低强度区。
5.根据权利要求1所述的皮肤治疗设备，其中所述高阶激光模式的所述叠加(23)产生所述多模激光束的组合强度分布，其中一个或多个最大值(MAX)对应于所述第一多个高强度区(30)中的一个或多个高强度区。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的皮肤治疗设备，其中当照射在所述皮肤的所述治疗区上时，所述多模激光束通过所述高阶激光模式的所述叠加(23)在空间上被配置为使得形成所述皮肤的连贯治疗区(50)。
7.根据权利要求6所述的皮肤治疗设备，其中在大体整个所述皮肤的所述连贯治疗区内至少达到针对成纤维细胞刺激的所述热阈值(TF)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的皮肤治疗设备，其中所述第一多个高强度区(30)和所述第二多个低强度区(40)被空间分布在所述治疗区(50)中，以使得在所述多模激光束照射在所述皮肤的所述治疗区上时，热分布被诱导，其中温度从所述高强度区(30)逐渐降低到包围所述高强度区(30)的任意相邻低强度区(40)。
9.根据权利要求8所述的皮肤治疗设备，其中所述温度从所述高强度区(30)连续降低到所述相邻低强度区(40)。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源及用于控制所述辐射源的所述辐射控制单元(6)被配置为使得所述叠加(23)中的所述不同高阶激光模式的数量(N)至多为10。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源及用于控制所述辐射源的所述辐射控制单元(6)被配置为使得所述叠加(23)中的所述不同高阶激光模式的数量(N)至多为7。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源及用于控制所述辐射源的所述辐射控制单元(6)被配置为使得所述叠加(23)中的所述不同高阶激光模式的数量(N)至多为5。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的皮肤治疗设备，还包括用于将所述多模激光束引导至所述皮肤上的透镜(7)，其中所述辐射源(5)、用于控制所述辐射源的所述辐射控制单元(6)及所述透镜(7)被共同设置以使得所述治疗区的最大空间延伸至少为10mm。
14.根据权利要求13所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源(5)、用于控制所述辐射源的所述辐射控制单元(6)及所述透镜(7)被共同设置以使得所述治疗区的最大空间延伸至少为15mm。
15.根据权利要求13所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源(5)、用于控制所述辐射源的所述辐射控制单元(6)及所述透镜(7)被共同设置以使得所述治疗区的最大空间延伸至少为20mm。
16.根据权利要求1至3中任一项所述的皮肤治疗设备，其中所述叠加(23)包括从以下选择的至少两种互不相同的高阶激光模式：
-矩形横向埃尔米特-高斯模式HG[m n]，其中m和n为模数，或
-圆柱形横向拉盖尔-高斯模式LG[pl]，其中p和l为模数，
并且其中所述模数[m n]或[pl]中的每个模数小于8。
17.根据权利要求16所述的皮肤治疗设备，其中所述模数[m n]或[pl]中的每个模数小于6。
18.根据权利要求16所述的皮肤治疗设备，其中所述模数[m n]或[pl]中的每个模数小于4。
19.根据权利要求1所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源(5)包括能够由所述辐射控制单元(6)控制的多个激光器，每个激光器能够射出多模激光束，每个多模激光束基本上仅包括仅高阶激光模式的叠加(23)，所述激光模式在横切所述激光束的传播方向的光束截面中具有互不相同的强度分布(21、22)。
20.根据权利要求19所述的皮肤治疗设备，还包括用于将所述多模激光束引导至所述皮肤上的透镜(7)，其中从所述多个激光器射出的所述激光束(20、20')具有从所述辐射源到所述透镜的共用光路。
21.根据权利要求19或20所述的皮肤治疗设备，其中能够由所述辐射控制单元(6)控制的所述多个激光器被光学布置以创建所述皮肤中的共用治疗区，或者其中能够由辐射控制单元(6)控制的所述多个激光器被光学布置以创建所述皮肤中的至少两个不同的治疗区，每个治疗区(50、50')具有：
-第一多个高强度区(30)，其中至少达到针对所述皮肤的所述治疗区的胶原蛋白变性的所述热阈值(TC)，以及
-第二多个低强度区(40)，其中至少达到针对所述皮肤的所述治疗区的成纤维细胞刺激的所述热阈值(TF)，但其中不达到针对胶原蛋白变性的所述热阈值(TC)。
22.根据权利要求1至3中任一项所述的皮肤治疗设备，其中所述辐射源包括能够发射多模激光束(20)的单激光器，所述激光束基本上仅包括互不相同的仅高阶激光模式的叠加(23)，所述高阶激光模式在横切所述激光束的传播方向的光束截面内具有互不相同的强度分布(21、22)。
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