CN114630635A - 激光破碎装置、激光破碎系统以及激光破碎方法 - Google Patents

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Abstract

该激光破碎装置具备：波形控制部，其对从激光光源激励出的激光进行脉冲化，并且调整脉冲化后的激光的重复频率；以及光纤远端(23a)，其将由波形控制部调整后的激光向溶液(W)中的尿路结石(S)射出，波形控制部将激光的重复频率调整为在溶液(W)中生成气泡(B)并且与表示包含气泡(B)的生成和消失的动态的期间同步的频率。

Description

激光破碎装置、激光破碎系统以及激光破碎方法
技术领域
关联申请的相互引用
本申请主张2019年11月12日申请的美国临时专利申请第62/934，019号的优先权，在本说明书中通过引用而并入该临时申请的全部内容。
本发明涉及激光破碎装置、激光破碎系统以及激光破碎方法。
背景技术
激光碎石是通过对位于尿路即肾、尿管或膀胱中的结石照射激光而在将结石变细的状态下取出的治疗法。激光碎石通过激光的能量被结石中的水吸收所引起的温度上升所伴随的水蒸汽爆炸、或者结石本身对激光的能量的吸收所引起的热化学变化等，将结石破碎至能够用篮子回收的大小以下或者自然排出的大小以下。在激光破碎中，一般使用通过激光诱发水或结石本身的温度上升的波长的激光。在生物体中使用激光碎石的情况下，需要对被液体包围的结石高效地传播激光。
近年来，报告了各种用于提高利用激光的碎石的作用的研究。能够诱发结石的温度上升的激光波长是原理上被水或结石周围的溶剂吸收的波长本身。因此，难以使激光不被水或结石周围的溶剂吸收地向结石传播，无法实现使激光无损失地充分到达尿路结石的方法。
专利文献1是用于提高水中的激光的透射率的方法。专利文献1是如下技术：如图19所示，通过在T1产生第一激光脉冲而生成小尺寸的气泡后，设置间隔，在气泡未消失的期间在T2产生第二激光脉冲，由此实现透射率的提高。在专利文献1中，使用Ho：YAG激光。
非专利文献1是调查在使光纤与结石接触的状态下照射激光脉冲时的结石的破碎效率的文献。非专利文献1没有考虑存在于光纤前端与结石之间的水、生理盐水、水溶液和有机溶液。非专利文献1描述了在接触光纤的条件下，在相同的照射能量条件下照射脉冲的情况下，与图20A相比，使用图20B所示的脉冲串时碎石效率高。其原因被说明为，在结石自身中积蓄能量，并且从结石自身释放能量。在该非专利文献1中，使用Tm光纤激光器。另外，在非专利文献1中，从纤芯直径为100μm的光纤的前端射出峰值为70W、脉冲序列的脉宽为500μs以及能量为35mJ的激光脉冲。
专利文献2为在本申请主张优先权的2019年11月12日申请的美国临时申请号62/934，019之后公开的国际申请。在专利文献2中，作为带来不充分的激光破碎的例子，在后台引用了与专利文献1同样地使用了由不同的脉宽构成的第一以及第二激光脉冲的以往的激光破碎技术。在该专利文献2中，如图21所示，使用由低输出的第一脉冲和高输出的第二脉冲构成的激光脉冲，选择这些第一、第二脉冲之间的间隔，以使由第一脉冲生成的气泡到达结石并且在照射第二脉冲之前消失。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2017/0354464号说明书
专利文献2：国际公开第2020/033121号
非专利文献
非专利文献1：N.M.Fried et al.，J.Biomed.Opt.17(2012)028002
发明内容
发明所要解决的课题
现有的激光破碎技术利用产生第一激光脉冲后的间隔，等待气泡自然到达作为破碎对象的结石。由于仅第二激光脉冲有助于破碎，因此处理效率低。通常，在利用激光进行碎石的情况下，光纤前端与结石之间的距离越长，激光越被水吸收，因此到达结石的激光的强度越弱。另外，由于激光的能量而在液体中生成的气泡在进行激光破碎的过程中，有时形状以及尺寸连续地变化。因此，在以往的方法中，容易引起由激光产生的气泡未到达结石的情况，因此存在浪费地需要较多的激光光量或照射时间的问题。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够向破碎对象无浪费地传递激光的能量的激光破碎装置、激光破碎系统以及激光破碎方法。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明提供以下的手段。
本发明的一个方式是一种激光破碎装置，其具备：脉冲生成部，其对从激光光源激励出的激光进行脉冲化；重复频率调整部，其调整由该脉冲生成部脉冲化的所述激光的重复频率；以及激光射出端，其将由该重复频率调整部调整后的所述激光向液体中的破碎对象射出，所述重复频率调整部将所述重复频率调整为在所述液体中生成气泡并且与表示包含该气泡的生成和消失的动态的期间同步的频率。
根据本方式，从激光射出端射出由脉冲生成部脉冲化的激光，该激光照射到液体中的破碎对象，由此破碎对象被破碎。激光通过将通过激光而在液体中生成的气泡作为波导而透过，从而到达破碎对象。
在该情况下，通过重复频率调整部将照射到破碎对象的激光的脉冲串的重复频率调整为在液体中生成气泡并且与表示包含气泡的生成和消失的动态的期间同步的频率，由此能够抑制传递到破碎对象的激光的能量的浪费。
上述方式所涉及的激光破碎装置也可以具备激光输出变更部，该激光输出变更部变更所述激光的输出，该激光输出变更部在所述气泡消失的期间降低所述激光的输出。
若气泡消失则激光不透过，因此通过上述结构，能够抑制向破碎对象传递的激光的能量的浪费。
上述方式所涉及的激光破碎装置也可以是，所述激光输出变更部与所述重复频率同步地开启关闭所述激光的照射。
本发明的第二方式是一种激光破碎系统，其具备：脉冲生成部，其对从激光光源激励出的激光进行脉冲化；重复频率调整部，其调整由该脉冲生成部脉冲化的所述激光的重复频率；激光射出端，其将由该重复频率调整部调整后的所述激光向液体中的破碎对象射出；图像化部，其对所述破碎对象进行图像化；以及显示部，其显示由该图像化部图像化后的所述破碎对象，该显示部至少提示能够确认由所述激光生成的气泡是否到达所述破碎对象的画面。
根据本方式，从激光射出端射出由脉冲生成部脉冲化的激光，该激光照射到液体中的破碎对象，由此破碎对象被破碎。另外，通过显示部显示由图像化部图像化的破碎对象。激光通过将由激光在液体中生成的气泡作为波导而透过，从而到达破碎对象。
在该情况下，通过重复频率调整部将照射到破碎对象的激光的脉冲串的重复频率调整为在液体中生成气泡并且与表示包含气泡的生成和消失的动态的期间同步的频率，由此能够抑制传递到破碎对象的激光的能量的浪费。另外，基于由显示部提示的画面，用户能够容易地掌握由激光生成的气泡是否到达了破碎对象。
上述方式所涉及的激光破碎系统也可以具备运算部，该运算部根据由所述图像化部图像化后的所述破碎对象的破碎状态，计算所述气泡与所述破碎对象之间的接触状态。
上述方式所涉及的激光破碎系统也可以是，所述运算部基于所述气泡与所述破碎对象之间的接触时间来计算所述激光射出端与所述破碎对象之间的距离。
上述方式所涉及的激光破碎系统也可以是，所述显示部显示所述运算部的计算结果。
根据该结构，用户仅通过目视确认显示部，就能够容易地掌握激光射出端与破碎对象之间的距离。
本发明的第三方式是一种激光破碎方法，包括如下步骤：向液体中的破碎对象照射具有一定周期的脉冲串的激光，将所述脉冲串的重复频率调整为在所述液体中生成气泡并且与表示包含该气泡的生成和消失的动态的期间同步的频率。
根据本方式，通过向液体中的破碎对象照射具有一定周期的脉冲串的激光，破碎对象被破碎。激光通过将由激光在液体中生成的气泡作为波导而透过，从而到达破碎对象。因此，向破碎对象照射的激光的脉冲串的重复频率被调整为在液体中生成气泡并且与表示包含气泡的生成和消失的动态的期间同步的频率，由此能够抑制向破碎对象传递的激光的能量的浪费。
在上述方式所涉及的激光破碎方法中，所述同步的频率是如下的频率：在与生成期间重叠的期间照射所述激光，其中该生成期间是从所述气泡在液体中生成之后到即将消失为止的期间，在与消失期间重叠的期间抑制利用所述激光的所述气泡的生成，其中该消失期间是从所述生成期间紧后面所述气泡消失之后到能够再次生成为止的期间。
若气泡消失，则激光不透过，因此若在气泡的消失期间照射激光，则该激光的能量浪费。根据上述结构，能够将激光的能量无浪费地传递到破碎对象。
上述方式所涉及的激光破碎方法也可以通过将所述激光的输出降低到不会伴随有所述液体的温度上升的量，来抑制所述气泡的生成。
上述方式所涉及的激光破碎方法也可以通过使所述激光的输出为零，来抑制所述气泡的生成。
上述方式所涉及的激光破碎方法中，所述重复频率可以为1.7kHz以上3.0kHz以下。另外，上述重复频率可以为1.7kHz以上2.5kHz以下。另外，上述重复频率可以为2.5kHz以上3.0kHz以下。在此，在要求较低功率的激光的情况下，选择1.7kHz以上2.0kHz以下的低重复频率范围，相反在要求较高功率的激光的情况下，选择2.5kHz以上3.0kHz以下的高重复频率范围，用户一边观察碎石的情况一边进行切换，由此也能够进行有效的治疗。
上述方式所涉及的激光破碎方法也可以在将从射出所述激光的射出端到所述破碎对象的距离维持在规定的范围内的状态下，照射所述激光。
根据该结构，能够使激光高效地到达破碎对象。
本发明的第四方式是一种激光破碎方法，包括如下步骤：将激光射出部朝着存在于液体中的破碎对象配置；从所述激光射出部向所述破碎对象照射脉冲化的激光，所述激光在所述液体中生成气泡，并且具有重复频率的脉冲串，该重复频率与表示包含该气泡的生成和消失的动态的期间同步。
根据本方式，从朝着液体中的破碎对象配置的激光射出部向破碎对象照射脉冲化的激光，由此破碎对象被破碎。激光通过将由激光在液体中生成的气泡作为波导而透过，从而到达破碎对象。因此，向破碎对象照射的激光具有在液体中生成气泡，并且与表示包含气泡的生成和消失的动态的期间同步的重复频率的脉冲串，由此能够抑制向破碎对象传递的激光的能量的浪费。
上述方式所涉及的激光破碎方法也可以维持从所述激光射出部的射出端到所述破碎对象的距离处于规定的范围内的状态。
根据该结构，能够使激光高效地到达破碎对象。
在上述方式所涉及的激光破碎方法中，也可以是，通过在光透射波形与由所述激光的脉冲串构成的脉冲串波形的重叠变大的时间段调整所述激光的波形，使所述激光与所述气泡的动态同步，其中该光透射波形是在从所述激光到达所述破碎对象的比率即光透射率达到100％后开始急剧降低的时刻与所述光透射率降低后再开始增加的时刻之间得到的、基于光透射率的变化的光透射波形。
上述方式所涉及的激光破碎方法也可以是，所述重复频率在1.7kHz以上2.5kHz以下的低重复频率与2.5kHz以上3.0kHz以下的高重复频率之间切换。
上述方式所涉及的激光破碎方法中，所述脉冲串的占空比可以为45％～55％。
发明效果
根据本发明，起到能够使激光的能量无浪费地到达破碎对象的效果。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的激光破碎系统的概略结构图。
图2是说明图1的激光破碎装置的激光照射强度与透射光强度的关系的图。
图3A是表示矩形脉冲串的一例的图。
图3B是表示衰减的三角形脉冲的一例的图。
图3C是表示增强的三角形脉冲的一例的图。
图3D是表示M字形脉冲的一例的图。
图4是说明本发明的一个实施方式的激光破碎方法的流程图。
图5是说明激光的重复频率快的情况下的激光照射强度与透射光强度的关系的图。
图6是说明激光的重复频率慢的情况下的激光照射强度与透射光强度的关系的图。
图7是本发明一实施方式的第一变形例所涉及的激光破碎系统的概略结构图。
图8是本发明一实施方式的第二变形例的激光破碎系统的概略结构图。
图9是用于透射率测量的测量装置的概略结构图。
图10A是说明激光的输出波形的图。
图10B是说明激光透过水后的波形的图。
图11是说明激光透过水后的波形与气泡的相关性的图。
图12是用于测量透射率的变化的测量装置的概略结构图。
图13是表示在透射率的变化的测量中使用的脉冲串频率的一例的图。
图14是说明脉冲串频率与透射率的关系的图。
图15A是说明矩形波的激光的输出波形与透过水波形的关系的图。
图15B是说明脉冲串频率1.67kHz的激光的输出波形与透过水波形的关系的图。
图15C是说明脉冲串频率2.27kHz的激光的输出波形与透过水波形的关系的图。
图15D是说明脉冲串频率6.25kHz的激光的输出波形与透过水波形的关系的图。
图16是表示脉冲串频率2.27kHz的激光的脉宽和间隔的一例的图。
图17是说明占空比与透射率的关系的图。
图18A是表示占空比为20％的情况下的透射率的一例的图。
图18B是示出占空比为60％的情况下的透射率的一例的图。
图18C是示出占空比为80％的情况下的透射率的一例的图。
图18D是示出占空比为50％的情况下的透射率的一例的图。
图18E是表示矩形波的情况下的透射率的一例的图。
图19是说明专利文献1的图。
图20A是说明非专利文献1的图。
图20B是说明非专利文献1的另一图。
图21是说明专利文献2的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一个实施方式所涉及的激光破碎装置、激光破碎系统以及激光破碎方法进行说明。
如图1所示，本实施方式所涉及的激光破碎系统1具备激光破碎装置3、硬性镜或软性镜的尿管镜(图像化部)5、显示部7、图像信息提取部9、透射率计算部11、波形设定部13以及波形信息存储部15。
激光破碎装置3具备激光光源21、光纤(激光射出部)23、光纤连接部25、波形控制部(脉冲生成部、重复频率调整部、激光输出变更部)27。
作为激光光源21，例如可以使用铥光纤激光器(Thulium Fiber Laser)(TLR-50/500-QCW-AC-Y16，IPG Photonics)。取而代之，作为激光光源21，例如可以使用铥光纤激光器、TLR-50/500-QCW、TLR-10、TLR-30、TLR-50、TLR-120、TLR-200、TLR-500、TLM-100、TLM-120或TLM-200。另外，作为激光光源21，也可以使用Tm：YAG激光、Er：YAG激光、Nd：YAG激光、YFL、Cr：ZnSe/S或cw Er光纤激光等。
光纤23例如可以是单模光纤和多模光纤中的任一种，也可以是双包层构造的光纤。光纤23通过尿管镜5的通道5a被引导到尿路P内。尿路P内填充有尿、水或生理盐水等溶液W。光纤23具备射出被导光的激光的光纤远端(激光射出端)23a。另外，光纤23能够从光纤远端23a射出瞄准光。
光纤连接部25读取所连接的光纤23的信息。并且，光纤连接部25将包含光纤23的芯径以及NA等特性的光纤识别信息传送到波形控制部27。
尿管镜5观测尿路结石(破碎对象)S的形态。在尿管镜5搭载有生成将尿路结石S图像化而成的尿管镜图像的功能。由尿管镜5生成的图像显示于显示部7。用户能够基于显示于显示部7的画面上的尿管镜图像，确认由激光生成的气泡B(参照图2)是否到达了尿路结石S。并且，用户通过观察尿管镜图像进行判断，由此能够通过波形设定部13设定激光的波形。
图像信息提取部9根据由尿管镜5生成的尿管镜图像，提取从光纤远端23a射出的瞄准光的散射光强度。
透射率计算部11根据由图像信息提取部9提取出的散射光强度，计算瞄准光的透射率。另外，透射率计算部11基于计算出的透射率生成波形控制信息，并将生成的波形控制信息传送到波形控制部27。
波形设定部13设定由用户选择的激光的波形。波形设定部13将表示所设定的波形的波形信息传送到波形控制部27。
在波形信息存储部15中存储有激光光源21的波长信息和用于根据波长信息生成适当的波形的波形信息。
波形控制部27基于从光纤连接部25发送来的光纤识别信息、从波形设定部13发送来的波形信息、以及从透射率计算部11发送来的波形控制信息中的至少1个，从波形信息存储部15取得期望的波形信息。并且，波形控制部27基于所取得的波形信息来控制激光光源21的激励。图像信息提取部9、透射率计算部11以及波形控制部27的处理也可以由包含硬件的至少1个处理器执行。
波形控制部27例如使从激光光源21激励出的激光成形为如下的的频率的脉冲：激光在液体中传播时生成气泡B，并且激光的强度以及激励频率与所生成的气泡的生成以及消灭(消失)同步地变化。
具体而言，如图2所示，波形控制部27调整为通过激光在溶液W中生成气泡B的频率的脉冲串，且该脉冲串的频率为，在与生成期间重叠的期间照射激光，其中该生成期间是从通过激光在溶液W中生成气泡B之后到气泡B即将消失为止的期间，在与消失期间重叠的期间降低激光的输出，其中该消失期间是从在生成期间紧后面气泡B消失之后到再次能够生成气泡B为止的期间。在本实施方式中，在与消失期间重叠的期间使激光的输出为零。通过使激光停止，抑制气泡B的生成。
成形的脉冲例如可以是图3A所示的矩形脉冲串、图3B、3C、3D所示的衰减的三角形脉冲、增强的三角形脉冲、M字形脉冲、或者它们的组合脉冲。重复频率优选为1.7kHz以上且3.0kHz以下。例如，重复频率可以为1.7kHz以上且2.0kHz以下，也可以为2.5kHz以上且3.0kHz以下。脉冲形状的生成例如能够使用函数发生器(WF1974，NF)。在要求较低功率的激光的情况下，选择1.7kHz以上且2.0kHz以下，在要求较高功率的激光的情况下，选择2.5kHz以上且3.0kHz以下。
接着，本实施方式的激光破碎方法例如如图4的流程图所示，包括：激励出激光的步骤S1；向溶液W中的尿路结石S照射激励出的激光的步骤S2；将脉冲串的重复频率调整为在溶液W中生成气泡B并且与表示包含气泡B的生成和消失的动态的期间同步的频率的步骤S3；以及向尿路结石S照射具有一定周期的脉冲串的激光的步骤S4。
优选在从激光光源21激励出激光(步骤S1)到从光纤前端照射激光(步骤S4)为止的导光过程中进行步骤S3。
接着，对本实施方式所涉及的激光破碎系统1以及激光破碎方法的作用进行说明。
在通过本实施方式所涉及的激光破碎系统1以及激光破碎方法破碎溶液W中的尿路结石S的情况下，在将光纤23连接于光纤连接部25之后，将光纤远端23a朝着尿路结石S配置。并且，维持从光纤远端23a到尿路结石S的距离成为规定的范围内的状态。从光纤连接部25向波形控制部27传送光纤识别信息。
例如，为了将光纤远端23维持在距离尿路结石S为3mm以内的位置，在超过3mm的情况下，根据显示于显示部7的图像等信息，对用户提示脱离了规定的范围的情况。由此，用户使激光破碎装置3在尿管中移动直至规定的范围内。
另一方面，在激光破碎装置3通过用户的操作在规定的范围内移动的期间，通过显示部7提示是适当的范围，或者什么都不提示。同样地，如果在规定的范围内，则即使患者活动，或者因呼吸等身体活动而使得激光破碎装置3相对移动，也不会在显示部7上提示任何内容。从光纤远端23到尿路结石S近端的距离例如能够使用国际公开第2020/021590号所公开的飞行时间(Time of Flight)(ToF)法利用激光来测量。
接着，从光纤远端23a朝尿路结石S射出瞄准光。另外，从激光光源21产生激光。激励出的激光经由光纤连接部25入射到光纤23。由光纤23导光的激光从光纤远端23a朝尿路结石S射出。
接着，通过尿管镜5生成尿路结石S的图像，所生成的图像显示于显示部7。用户根据显示部7显示的尿管镜图像，通过波形设定部13设定激光的波形。波形设定部13设定由用户选择的激光的波形。从波形设定部13将表示所设定的波形的波形信息传送到波形控制部27。
另外，通过图像信息提取部9，基于所生成的尿管镜图像，提取尿路结石S中的瞄准光的散射光强度。而且，通过透射率计算部11，根据提取出的散射光强度计算瞄准光的透射率，基于计算出的透射率生成波形控制信息。将所生成的波形控制信息传送到波形控制部27。
通过波形控制部27，基于来自光纤连接部25的光纤识别信息、来自波形设定部13的波形信息、以及来自透射率计算部11的波形控制信息中的至少1个，从波形信息存储部15取得期望的波形信息，基于所取得的波形信息来控制激光光源21的激励。
具体而言，将从激光光源21射出的激光调整为在溶液W中生成气泡B的频率的脉冲串，并且该脉冲串的频率为，在与生成期间重叠的期间照射激光，其中该生成期间是从利用激光在溶液W中生成气泡B之后到气泡B即将消失为止的期间，在与消失期间重叠的期间停止激光的照射，其中该消失期间是从在生成期间紧后面气泡B消失之后到能够再次生成为止的期间。
在此，波形控制部27将透射波形与从激光光源21激励出的激光的波形进行对照，其中该透射波形是通过从透射率计算部11取得透射率大致达到100％后开始急剧降低的开始时刻和透射率降低后开始增加的时刻而得到的。并且，在这些波形的重叠大致最大化的较多的时间段使激光的波形一致。这样，进行使具有任意的重复频率的激光与气泡动态同步的调整，其结果，在照射激光的期间，处于高透射率的状态的时间最长。优选在作为破碎对象的尿路结石S成为足够小的大小之前的期间持续执行该波形控制部27对激光的调整。
由此，例如，如图2所示，通过从光纤远端23a射出激光，在光纤远端23a生成气泡B(图2的(a)的状态)。然后，通过气泡B生长，当气泡B将光纤远端23a和尿路结石S连结时(图2的(b)的状态)，从光纤远端23a射出的激光透过气泡B而到达尿路结石S(图2的(c)的状态)。
接着，当气泡B被溶液W冷却而转变为收缩时，与气泡B的收缩同步地暂时停止激光的照射(图2的(d)的状态)。
气泡B消失后，再次从光纤远端23a射出激光。然后，通过气泡B的生长，当气泡B将光纤远端23a与尿路结石S连结时，激光透过气泡B而再次照射到尿路结石S。
同样地，与气泡B的生长及消失的周期相应地反复进行激光的开启关闭。
并且，通过向尿路结石S反复照射激光，激光的能量被尿路结石S中的水吸收而引起温度上升，由此伴随该温度上升的水蒸汽爆炸、或者尿路结石S本身吸收激光的能量而引起的热化学变化等使得尿路结石S被破碎。
如以上说明的那样，根据本实施方式所涉及的激光破碎装置3、激光破碎系统1以及激光破碎方法，通过波形控制部27将向尿路结石S照射的激光的重复频率调整为如下的频率：在溶液W中生成气泡B，并且在从气泡B在溶液W中生成之后到即将消失为止的生成期间照射激光，在从气泡B消失之后到能够再次生成为止的消失期间停止激光的频率，由此能够将激光的能量无浪费地传递到尿路结石S。
作为本实施方式的方式的比较例，对激光的重复频率比表示包含气泡B的生成和消失的动态的期间快的情况进行说明。在该情况下，例如，如图5所示，在气泡B将光纤远端23a与尿路结石S连结的期间，停止激光的照射。因此，无法充分利用能够将激光的能量传递到尿路结石S的期间，处理效率降低。
另外，作为本实施方式的方式的比较例，对激光的重复频率比表示包含气泡B的生成和消失的动态的期间慢的情况进行说明。在该情况下，例如，如图6所示，在气泡B因收缩而开始从光纤远端23a离开的期间，也持续射出激光。因此，激光在未到达尿路结石S的期间持续射出，从而浪费激光的能量。
此外，在本实施方式中，在气泡B生成的状态和消失的状态下，瞄准光的透射率以及散射光强度发生变化，因此根据散射光强度与透射率的相关来计算透射率。取而代之，也可以利用内窥镜的照明光的散射光。
另外，也可以通过未图示的接入护套将光传感器配置于激光照射位置，直接监视激光的透射光强度。
本实施方式能够变形为以下的结构。
作为第一变形例，例如，如图7所示，激光破碎系统1也可以具备分色镜等散射光分离部31和检测器33。另外，激光破碎系统1也可以不具备图像信息提取部9。散射光分离部31配置在激光光源21与光纤连接部25之间的激光的光路上。
在本变形例中，尿路结石S中的瞄准光的散射光被光纤23聚光后，在激光的光路中向反方向返回。因此，也可以是，通过散射光分离部31将激光的光向相反方向返回的散射光从激光分离，由检测器33检测被散射光分离部31分离出的散射光的强度。而且，透射率计算部11也可以基于由检测器33检测出的散射光的强度，计算瞄准光的透射率。
作为第二变形例，例如，如图8所示，激光破碎系统1也可以具备结石形态识别部(运算部)35来代替透射率计算部11。另外，图像信息提取部9也可以基于尿管镜图像来提取结石的形态。
在本变形例中，结石形态识别部35也可以通过识别由图像信息提取部9提取出的尿路结石S的形态来生成波形控制信息。而且，结石形态识别部35生成的波形控制信息也可以传送到波形控制部27。
在本变形例中，结石形态识别部35也可以基于由图像信息提取部9提取出的尿路结石S的形态、例如破碎状态来计算气泡B与尿路结石S的接触状态。作为接触状态，例如可举出气泡B与尿路结石S是否接触、以及在接触的情况下的接触时间等。
另外，结石形态识别部35也可以基于气泡B与尿路结石S的接触时间来计算光纤远端23a与尿路结石S的距离。由结石形态识别部35计算出的气泡B与尿路结石S的接触状态以及光纤远端23a与尿路结石S的距离也可以显示于显示部7。
在上述实施方式和变形例中，在气泡B的消失期间停止激光的照射。取而代之，也可以不停止激光的照射，而将激光的输出降低至不会伴随有溶液W的温度上升的量。即使在该情况下，也能够抑制激光的能量的浪费。在此，不会伴随有温度上升的激光的量是指，例如，在气泡的消失期间，为了防止因处于光纤前端与结石之间的水等液体灌注而导致温度过度降低来防止热冲击，不会产生气泡形成那样的较小的输出。能够应用于该气泡消失期间的较小的输出可以为气泡生成时的激光的输出的10分之1以下，优选为100分之1以下。
在上述实施方式和变形例中，示出了应用于尿管的例子，但也可以是从像胆管、肾脏那样会在体内产生结石的任意脏器取得图像的内窥镜。优选一边观察图像一边实施与在各脏器中生成的结石的成分相应的激光碎石。关于使用内窥镜的激光破碎装置的方式，也可以参照题为碎石装置以及碎石系统的国际申请PCT/JP2019/007928。根据该国际申请所记载的距离测量技术，即使存在在激光前端与结石之间生成、变动的气泡的情况下，也能够准确地确定到结石的距离。
实施例
接着，对上述实施方式所涉及的激光破碎装置、激光破碎系统以及激光破碎方法的实施例进行说明。
(激光破碎方法)
在尿路结石的治疗中，目前作为黄金标准的治疗法是激光碎石(fURS或fTUL)。激光碎石是通过对结石(破碎对象)照射激光来使结石吸收激光，通过使结石的温度上升来破碎结石的方法。
在该方法中，如何高效地使光到达结石是重要的。在fURS中以往使用Ho：YAG激光，但用于碎石的大输出的钬YAG(Ho：YAG)激光由于需要水冷装置而非常大型。另一方面，通过空冷进行动作的Tm光纤激光器(TFL)受到关注。已报告了TFL与Ho：YAG相比碎石效率良好。
Ho：YAG以2100nm激励，TFL以1940nm(典型值)激励，但这些波长被水强烈吸收。因此，在将Ho:YAG以及TFL用于体内治疗的情况下，激光到达的距离被限定。
(透射率测量)
通过图9所示的测量装置41，使用光电二极管(PD)45测量了激光器43的输出波形以及激光器的透过水后的波形。在图9中，附图标记44表示光纤，附图标记47表示示波器。将测量结果示于图10A和图10B。图10A表示激光的输出波形，图10B表示激光透过水后的波形。在图10A和图10B中，纵轴表示强度(Intensity)，横轴表示时间(time)。
对矩形波的输出波形通过水后进行测量时，得到强度大致规则地变化的结果。调查该透射波形与由高速摄像机(Fast Cam)49拍摄到的气泡之间的相关性。将调查的结果示于图11。在图11的上段，示出了将图10B的照射初期的时间段切出后的波形。在图11的(a)～(f)中，示出了虚线所示的波形的各时刻的气泡的形状。
(气泡观察)
如图9所示，使用高速摄像机(Fast Cam)49，拍摄并记录各脉冲的气泡形成过程。拍摄速度为10万帧/秒。
在作为用于透射率测量的测量装置的概略结构图的图9中，也使用测量装置41进行了气泡形状的测量。从设置有光纤44的单元的背面，通过以未图示的卤素灯为光源的柯拉照明对摄影区域进行照明。气泡表现为照相机拍摄图像的阴影。观察到的气泡图像记载于图11的(a)～(f)。
在图11的(a)所示的时间区域中，在激光刚输出后开始生成气泡。但是，在图11的(b)所示的时间区域中，气泡处于生成中途，气泡还未到达底面的石英基板Q，因此透射光强度保持为0。在图11的(c)所示的时间区域中，当气泡进一步生长而使气泡与石英基板Q接触时，光首次透过气泡。
在图11的(d)所示的时间区域中，当气泡被周围的水冷却而转变为收缩时，光的透射被中断。根据图11的(e)可知，在光未透射的时间区域中，气泡与光纤44的前端分离。在图11的(f)所示的时间区域中，当气泡重新生长而使气泡到达石英基板Q时，光再次透射。
如图11所示，可知透射光强度与气泡的大小存在相关性。而且，可知图11的(e)所示的气泡消失的时间区域是照射的能量未到达结石的死区时间，图11的(e)所示的该时间区域中的照射变得浪费。
本实施例提供一种通过与气泡消失的时机一致地停止激光来高效地向结石供给能量的方法。换言之，提供一种通过与气泡的生成以及消失同步地调制激光强度来高效地向结石供给能量的方法。
(原理验证)
为了验证关于气泡生成与脉冲控制的同步的效果，在图12所示的测量装置41中，将从光纤44的前端到石英基板Q的距离设定为1.0mm、1.5mm以及2.0mm。而且，在各个距离中，如图13所示，通过改变脉冲串频率(脉冲序列频率、PT频率)，测量激光的透射率。
通过改变从光纤44的前端到石英基板Q的距离来改变水厚度。在各距离和各频率下，将透射光强度除以水厚度0的强度，由此算出激光的透射率。将计算结果示于图14。
在图14中，圆(〇)、三角(▲)、四边形(□)分别表示水厚度为1.0mm、1.5mm及2.0mm时的透射率。另外，纵轴表示激光的透射率(Transmittance)，横轴表示脉冲串频率(PTfrequency)。为了方便起见，矩形波的透射率绘制为频率0。
在各水厚度中，在透射率中观测到频率依赖性，可知存在用空心箭头表示的透射率成为极大的频率。在图14中，矩形波的透射率用虚线表示，比虚线靠上的部分对应于透射率由于脉冲串而增大的频率。极大频率几乎不依赖于水厚度。因此，通过将脉冲串频率设定为图中所示的频率1.68kHz～3kHz，能够实现透射率的提高。
图15A、图15B、图15C以及图15D分别示出矩形波、脉冲串频率为1.67kHz、2.27kHz以及6.25kHz的输出波形(CH1)和透过水波形(CH2)。在图15B中空心箭头所示的时间区域中，虽然输出波形分别持续，但观察到透过水波形的衰减。这与图15A的矩形波的情况相同，该时间区域中的照射能量未到达结石而浪费。另一方面，在图15D中，由于输出波形在气泡生长之前中断，因此透射波形强度不会变得足够大。
在透射率成为极大的图15C中，与观察到透射波形的衰减的时机、即气泡消失的时机同步地使输出波形衰减。这样，可知通过根据利用激光的能量在液体中生成的气泡的形态使激光的脉冲化的状态变化，能够调节朝结石照射的激光的透射率。由此，特别是通过与气泡的消失同步地控制脉冲序列的波形，能够使激光高效地到达结石。
在脉冲频率低的情况下，即，在脉冲照射时间长、脉冲停止时间长的情况下，气泡从膨胀转变为收缩，在气泡收缩的期间照射的激光的能量被水吸收，因此透射率低。在图15A中，脉冲频率为1.67kHz。在脉冲频率高的情况下，即，在脉冲照射时间短、脉冲停止时间短的情况下，在气泡的生长不充分或气泡完全消失之前照射激光。因此，生成不完全的气泡，结果透射率变低。在图15D中，脉冲频率为6.25kHz。
因此，在因激光照射而在水中产生的气泡膨胀的期间照射激光，在气泡从膨胀转为收缩时停止或减弱激光照射，在气泡完全消失后开始或增强激光照射，通过反复进行上述操作，能够提高透射率。
具体而言，如图14所示，通过将脉冲串频率设定为频率1.68～3.0kHz，能够实现透射率的提高。
图9至图15D基于激光峰值500W、纤芯直径272μm、光纤NA0.65、射出NA0.1的条件下的测量结果。能够根据这些条件而将最佳脉冲序列的频率最佳化。这里使用的光纤是HLFDBX0270c，Dornier MedTech公司生产的。
另外，图9至图15D表示脉冲序列的占空比(duty ratio)、即脉冲产生时及间隔之比为50％的结果。1.67kHz相当于脉宽300μs、间隔300μs。极大的2.27kHz相当于脉宽220μs、间隔220μs。3kHz相当于脉宽167μs、间隔167μs。在与脉冲生成同步地在最佳的时机产生下一个脉冲的情况下，也可以改变间隔。在脉宽相同而改变间隔的情况下，自然而然频率范围从上述范围偏离。
进而，为了提高激光的空间密度，在光纤前端安装凸透镜或球透镜等聚光光学系统的情况下，激光的能量密度及发散角也不同。因此，根据激光的能量密度及发散角，脉冲序列的调制频率能够使脉宽及间隔最佳化。
图16和图17表示以2.27kHz(脉冲和间隔的周期440μs)改变占空比而测量到的透射率。在该情况下，在占空比为50％的情况下表现出极大，表现出比矩形波(Rectangle)高的透射率。
图18A、图18B、图18C、图18D以及图18E示出各占空比下的输出波形(CH1)和透过水波形(CH2)。
如图18A所示，由于在占空比为20％时脉宽较窄，因此在气泡未完全生成时脉冲会停止。因此，透射率变差。相反，如图18B所示，在使占空比变长的情况下(占空比60％)，在脉冲持续的期间气泡消失，因此产生了浪费的照射。并且，如图18C所示，即使占空比为80％，在气泡消失的期间，激光输出也持续，因此，该期间的输出变得浪费。另一方面，如图18D所示，在占空比为50％的情况下，脉冲与气泡消失同步地停止，因此透射率提高。图18E表示矩形波(Rectangle)的情况下的输出波形。总而言之，揭示了下述情况，在占空比为40％～60％时，与以往的通过间隔等待气泡自然消失的方法相比，能够进行高效的照射，优选通过设为45％～55％的占空比，能够实现最有效的照射。
实施例
在本实施例中，提供一种破碎激光系统，其特征在于，在通过光纤将碎石用的TFL光从近端向远端导光，并将被导光的激光通过尿、水、生理盐水、任意的水溶液或有机溶液向结石照射的治疗装置中，产生TFL的脉冲串，将用于与气泡的生成及消失同步地控制激光激励的脉冲串频率设定为1.68～3.0kHz。
根据本实施例，通过与从光纤的远端到结石的距离无关地设定脉冲串频率，能够对通常的矩形波增加透射光强度，能够增大到达结石的光强度。
通过函数发生器等的电脉冲的强度和频率信号的控制信号发生器来进行TFL的激励强度和频率的控制。通过基于控制信号使TFL激励，得到所希望的脉冲串输出。TFL脉冲串使用光纤从近端向远端导光，通过水溶液或有机溶液照射到结石。由于不依赖于结石的距离来设定脉冲串频率，因此能够提高到达结石的能量，实现碎石效率的提高。
[第一变形例]
在上述的实施例中，作为脉冲形状，如图3A所示，脉冲控制单元生成具有成为脉冲串状的矩形形状的脉冲形状。取而代之，也可以置换为以下所示的形状的脉冲，或者组合以下所示的形状的脉冲和矩形形状的脉冲。
例如，如图3B所示，也可以是具有从强度强的状态向强度弱的状态变化的衰减的三角形的脉冲。另外，如图3C所示，也可以是具有从强度弱的状态向强度强的状态变化的增强的三角形的脉冲。
另外，也可以通过使具有衰减的三角形的形状的脉冲和具有增强的三角形的形状的脉冲交替地激励，实质上产生基于各个脉冲形状的作用。
另外，也可以通过将具有衰减的三角形的形状的脉冲和具有增强的三角形的形状的脉冲组合为一个脉冲形状，如图3D所示，通过形成M字形的形状，同时产生基于双方的脉冲形状的作用。
另外，也可以根据作为破碎对象的结石的大小、尺寸、距离来变更上述多个形状的脉冲，由此高效地破碎结石。例如，在破碎前或中途的结石未漂浮在尿道中的状态时，也可以使用具有矩形形状的脉冲。另外，在结石浮游在尿路中的状态时，也可以使用具有M字形或增强的三角形的形状的脉冲。
通过使用该形状的脉冲，由激光照射产生的气泡的形状发生变化，因气泡产生的水流发生变化。由此，能够抑制结石的移动，或者在激光照射轴上引导结石的位置。
[第二变形例]
在本实施例中，假定TFL的输出波长为1940nm，但存在激励波长依赖于TFL壳体而变化的情况。在该情况下，水的吸收强度发生变化，因此气泡的生成时间和消失时间产生差异。因此，作为第二变形例，也可以包括依据TFL激励波长而使脉冲串频率最佳化的步骤。
另外，为了通过向结石自身高效地注入能量并使结石的温度上升来破碎结石，优选选择结石的成分的吸收、特别是水的吸收强度大的波长。因此，优选使用以水的吸收波长(2μm附近、3μm附近以及1.5μm附近分别±400nm)激励的激光。
在该情况下，与TFL的情况同样地，激光被水吸收，因此通过激光照射而生成气泡。因此，即使在使用这些波长的情况下，通过与气泡的生成和消失的时机同步地调制激光强度，也能够提高透射率。调制的频率依赖于水的吸收强度，因此也可以包括根据波长选择适当的频率的步骤。
进而，也可以包括通过识别TFL的壳体信息来使脉冲串频率最佳化的步骤。
另外，气泡的生成时间以及消失时间依赖于光纤的远端处的激光的时间以及空间密度，因此若光纤的芯径以及发散角(或者NA)变化，则脉冲串的最佳频率变化。在本实施例中，也可以包括依赖于所使用的光纤直径而设定脉冲串频率的步骤。
因此，也可以包括任意地输入在本实施例中使用的光纤的特性值，并基于所输入的光纤的特性值来设定脉冲串频率的步骤。另外，也可以包括通过光纤安装来自动识别光纤，从而基于所取得的光纤的特性值来设定脉冲串频率的步骤。
另外，与上述同样地，根据TFL的激励峰值即每个时刻的能量强度，光纤的远端处的激光的时间以及空间密度也发生变化。因此，也可以包括基于用户任意设定的TFL的激励峰值、或者能够选择为壳体的设定项目的TFL的激励峰值来设定脉冲串频率的步骤。
另外，在本实施例和各变形例中，作为破碎对象，以尿路结石为例进行了说明，但脉冲序列的效果不限于尿路结石治疗，在胆管结石中也同样能够获得脉冲序列的效果。另外，在水中、水溶液中或有机溶液中使用激光的手术中提高激光透射率是有用的。因此，本实施例并不限定于尿路结石，能够应用于针对任意的生物体组织的治疗。即，上述实施方式以及实施例作为破碎对象，不限于结石，能够应用于能够通过激光破碎的病变部。并且，破碎对象不限于在体内产生的物质，也可以是在使用内窥镜接近的状态下能够通过激光来破碎的不需要的物质。
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详述，但具体的结构不限于该实施方式，也包含不脱离本发明的主旨的范围的设计变更等。例如，并不限定于将本发明应用于上述实施方式以及变形例，也可以应用于将这些实施方式以及变形例适当组合的实施方式，并不特别限定。
标号说明
1 激光破碎系统
3 激光破碎装置
5 尿管镜(图像化部)
7 显示部
23 光纤(激光射出部)
23a 光纤远端(激光射出端)
27 波形控制部(脉冲生成部、重复频率调整部、激光输出变更部)
35 结石形态识别部(运算部)
B 气泡
S 尿路结石(破碎对象)。

Claims (20)

1.一种激光破碎装置，其具备：
脉冲生成部，其对从激光光源激励出的激光进行脉冲化；
重复频率调整部，其调整由该脉冲生成部脉冲化的所述激光的重复频率；以及
激光射出端，其将由该重复频率调整部调整后的所述激光向液体中的破碎对象射出，
所述重复频率调整部将所述重复频率调整为在所述液体中生成气泡并且与表示包含该气泡的生成和消失的动态的期间同步的频率。
2.根据权利要求1所述的激光破碎装置，其中，
所述激光破碎装置具备激光输出变更部，该激光输出变更部变更所述激光的输出，
该激光输出变更部在所述气泡消失的期间降低所述激光的输出。
3.根据权利要求2所述的激光破碎装置，其中，
所述激光输出变更部与所述重复频率同步地开启关闭所述激光的照射。
4.一种激光破碎系统，其具备：
脉冲生成部，其对从激光光源激励发出的激光进行脉冲化；
重复频率调整部，其调整由该脉冲生成部脉冲化的所述激光的重复频率；
激光射出端，其将由该重复频率调整部调整后的所述激光向液体中的破碎对象射出；
图像化部，其对所述破碎对象进行图像化；以及
显示部，其显示由该图像化部图像化后的所述破碎对象，
该显示部至少提示能够确认由所述激光生成的气泡是否到达所述破碎对象的画面。
5.根据权利要求4所述的激光破碎系统，其中，所述激光破碎系统具备运算部，该运算部根据由所述图像化部图像化后的所述破碎对象的破碎状态，计算所述气泡与所述破碎对象之间的接触状态。
6.根据权利要求5所述的激光破碎系统，其中，所述运算部基于所述气泡与所述破碎对象之间的接触时间来计算所述激光射出端与所述破碎对象之间的距离。
7.根据权利要求5或6所述的激光破碎系统，其中，所述显示部显示所述运算部的计算结果。
8.一种激光破碎方法，包括如下步骤：
向液体中的破碎对象照射具有一定周期的脉冲串的激光，
将所述脉冲串的重复频率调整为在所述液体中生成气泡并且与表示包含该气泡的生成和消失的动态的期间同步的频率。
9.根据权利要求8所述的激光破碎方法，其中，所述同步的频率是如下的频率：在与生成期间重叠的期间照射所述激光，其中该生成期间是从所述气泡在液体中生成之后到即将消失之前的期间，在与消失期间重叠的期间抑制利用所述激光的所述气泡的生成，其中该消失期间是从所述生成期间紧后面所述气泡消失之后到能够再次生成为止的期间。
10.根据权利要求9所述的激光破碎方法，其中，通过将所述激光的输出降低到不会伴随有所述液体的温度上升的量，来抑制所述气泡的生成。
11.根据权利要求9所述的激光破碎方法，其中，通过使所述激光的输出为零，来抑制所述气泡的生成。
12.根据权利要求8所述的激光破碎方法，其中，所述重复频率为1.7kHz以上3.0kHz以下。
13.根据权利要求8所述的激光破碎方法，其中，所述重复频率为1.7kHz以上2.5kHz以下。
14.根据权利要求8所述的激光破碎方法，其中，所述重复频率为2.5kHz以上3.0kHz以下。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的激光破碎方法，其中，在将从射出所述激光的射出端到所述破碎对象的距离维持在规定的范围内的状态下，照射所述激光。
16.一种激光破碎方法，包括如下步骤：
将激光射出部朝着存在于液体中的破碎对象配置；
从所述激光射出部向所述破碎对象照射脉冲化的激光，
所述激光在所述液体中生成气泡，并且具有重复频率的脉冲串，该重复频率与表示包含该气泡的生成和消失的动态的期间同步。
17.根据权利要求16所述的激光破碎方法，其中，维持从所述激光射出部的射出端到所述破碎对象的距离处于规定的范围内的状态。
18.根据权利要求8或9所述的激光破碎方法，其中，通过在光透射波形与由所述激光的脉冲串构成的脉冲串波形的重叠变大的时间段调整所述激光的波形，使所述激光与所述气泡的动态同步，其中该光透射波形是在从所述激光到达所述破碎对象的比率即光透射率达到100％后开始急剧降低的时刻与所述光透射率降低后再开始增加的时刻之间得到的、基于光透射率的变化的光透射波形。
19.根据权利要求14所述的激光破碎方法，其中，
所述重复频率在1.7kHz以上2.5kHz以下的低重复频率与2.5kHz以上3.0kHz以下的高重复频率之间切换。
20.根据权利要求8至14中任一项所述的激光破碎方法，其中，所述脉冲串的占空比为45％～55％。
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