【発明の詳細な説明】
硬質組織のレーザ気化除去装置および方法
発明の分野
本発明は、歯および骨などの硬質組織および硬質組織上の析出物をレーザスキ
ャナにより、より詳細にはレーザスキャナおよびパルス式レーザビームにより、
レーザ気化除去(vaporiz-e)する装置および方法に関する。
発明の背景
従来の歯部クリーニングは、歯と歯茎との間の歯垢などの析出物を振動させた
り突き砕いたりして析出物を除去する機械的器具を使用していた。然るに、この
機械的クリーニング技術を実施する間には何らかの不快感を伴う。歯科医学にお
いては、機械的ドリルを用いて歯部に穿孔を行うが、そのモータの音に対してさ
えも患者は心配になりもしくは不安になることもある。また、通常は局部的麻酔
が必要になる、と言うのも、穿孔処理は痛感を伴うからである。機械的ドリルの
主な不都合点は、機械的振動、歯部に対するドリルの機械的接触、および、如何
ともし難いノイズである。
機械的穿孔のひとつの代替案は、硬質組織を除去し(ablate)もしくは硬質組織
上の析出物を除去するレーザを使用する方法である。先行技術においては、エル
ビウム(Er)レーザ(Er:YAGおよびEr:YSSG)およびCO2レーザが記述されている。歯
学的用途に対するエルビウム使用を記述した合衆国特許としては、Vassiliadis
et al.に対する合衆国特許第5,342,198号、Mueller et al.に対する合衆国特許
第5,458,594号、Paghdiwalaに対する合衆国特許第5,401,171号
、Wolbarsht et al.に対する合衆国特許第5,267,856号、および、Steiner et al
.に対する合衆国特許第5,199,870号が挙げられる。
また、硬質組織を除去すべくパルス式CO2レーザを使用することは、1993年に
発表されたSPIEジャーナル第1880巻、第176〜181頁におけるThomas ErtlおよびG
erhard Mullerによる“パルス式CO2レーザによる硬質組織の除去(Hard Tissue a
blation with pulsed CO2 lasers)”と題された論文に記述されている。また、C
O2レーザを使用して歯のエナメル質を溶解すると共に徐冷してカリエス(caries)
を防止する方法は、1995年に発表されたSPIE第2394巻、第41〜50頁におけるD.Fr
ied et al.による“CO2レーザ波長における歯硬質組織のマルチパルス照射(Mult
iple pulse irradiation of dental hard tissues at CO2 laser wavelength)”
と題された論文、および、同一刊行物の第51〜66頁におけるW.Seka et al．によ
る“100μsパルスにより歯硬質組織のCO2レーザ照射を行う間の時間依存的な反
射および表面温度(Time-dependent reflection and surface temperatures duri
ng CO2 laser irradiation of dental hard tissue with 100-μs pulses)”と
題された論文に記述されている。
硬質組織への応用に関してレーザを使用するという先行技術のひとつの欠点は
、硬質組織もしくは硬質組織上の析出物を除去する為の十分なエネルギ密度を有
するレーザビームを提供する為には、数十ミクロンもしくは数百ミクロンのオー
ダーのスポット・サイズを有するレーザビームを提供する必要があるが、このオ
ーダーは、除去すべき目標領域のサイズと同等かそれより小さいものである。例
えば、歯科医学(dentistry)においては、歯に穿孔された孔に対して必要とされ
るサイズはミリメートルのオーダーであるが、除去レーザのスポット・サイズは
１桁もしくは２桁ほど小さなオーダーである。
同様に、先行技術に記述された如き集中レーザビームを用いると、レーザは比
較的に短いパルスにおいて低い反復割合(repetition rate)で供給されねばなら
ないが、これは、エナメル質および象牙質の割れなどの不都合な熱的損傷、また
は、歯髄への熱的損傷を回避する為である。
一般的に述べると、硬質組織に関する歯科医学的応用に対する機械的器具およ
びレーザの使用に伴う不都合は、骨の除去などにおける別の硬質組織用途におい
ても生ずるものである。例えば、あぶみ骨切除術(stapedectomy)においては、例
えば、1990年の“手術および医薬品におけるレーザ(Lasers in Surgery and Med
icine)”の第10巻、第448〜457頁で発表されたS.George Lesinskiによる“何ら
かの理由により生じた骨硬化に対するレーザ(Lasers for osteos clerosis-whic
h one if any and why)”と題された論文に記述された如き非集中レーザビーム(
defocussed laser beam)または集中レーザビームの外郭照射(rosette)を行うと
、隣接組織の炭化を含む過剰な熱的損傷が生ずる結果となる。
硬質組織用途に対する先行技術のレーザ使用、並びに機械的穿孔、に伴う更な
る不都合は、除去され得る硬質組織の目標領域のサイズおよび形状が限定されて
いることである。
また、硬質組織の除去に対して先行技術で記述された方法では、柔軟な組織除
去と比較して、硬質組織除去に必要とされる高いエネルギ密度を提供すべく、レ
ーザ装置を比較的に大型のものとせねばならない。
発明の概要
従って本発明の目的は、任意のサイズおよび形状の硬質組織および硬質組織上
の析出物を気化除去し、これを、迅速にかつ実質的に
隣接組織に対する熱的損傷無しで行うレーザおよびスキャナを含む装置を提供す
るにある。
また、本発明の目的は、任意の所望サイズおよび形状の硬質組織もしくは硬質
組織の析出物の目標領域を、隣接組織に対する熱的損傷を実質的に引起こすこと
なく気化除去する方法を提供するにある。
本発明の更なる目的は、硬質組織および硬質組織上の析出物を気化除去する、
比較的に小寸で安価な装置を提供するにある。100ミクロンのオーダーの集中ビ
ームを用意することにより、硬質組織気化除去に必要なエネルギ密度が供給され
る。また、目標領域上で集中ビームをスキャン（即ち走査）するスキャナを用意
することにより、通常はレーザビームのスポット・サイズの大きさもしくはそれ
以上のオーダーである任意のサイズおよび形状の目標領域の気化除去が実行され
る。
本発明のある態様によれば、以前には柔軟組織を照射すべく使用された種々の
種類のレーザである、イスラエルのテルアビブ（TelAviv）のLaser Industries
Ltd．により製造かつ販売されたSilk Touch（登録商標）フラッシュスキャナ(fl
ashscanner)が、本発明に従って作用するレーザと共に使用され、一連の微小孔
を形成し、これらは協働して、硬質組織内の任意の所望のサイズおよび形状の大
寸で完全な焦げの無い気化除去済目標領域を提供するが、これを隣接組織に対す
る熱的損傷を実質的に回避し乍ら行う。
螺旋パターンもしくはリサジュー(lissajour)パターンなどの任意の所望パタ
ーンを作成するに適したフラッシュスキャナは、次の開示により例示されている
：言及することにより援用する、1994年12月19日に出願されると共に“作用表面
に対してレーザビームを印加し、特に組織を除去する方法および装置(Method an
Apparatus f
or applying a laser beam to a working surface，particularly for ablating
tissue)”と称された係属中の合衆国特許出願第08/358,386号('386出願)；およ
び、言及することにより援用する、1995年５月２日にEliezer Zairに対して発行
されると共に“所定深度以下での損傷を引起こさずに生体組織の被照射物質の除
去を行うシステム(System for causing ablation of irradiated material of l
iving tissue while not causing damage below a predetermined depth)”と称
された合衆国特許第5,411,502号('502特許)。
本発明のひとつの態様に依れば、硬質組織および硬質組織上の析出物のいずれ
かを気化除去する方法が提供される。該方法は、硬質組織および硬質組織上の析
出物のいずれかである目標領域を実質的に連続的にスキャンする段階と、スキャ
ンの間にパルス式レーザビームを導向して目標領域の一部分の複数個を気化除去
し、これにより、好適には0.5mm〜6mmの所望サイズであると共に任意の所望形状
である気化除去済目標領域を形成する段階と、を含んでいる。例えば、目標領域
の形状は、円形、楕円形、正方形、矩形もしくはスリット形状である。
上記方法は、レーザビームを集中して、目標領域の一部分の各々を気化除去す
るに十分なエネルギ密度を提供しても良い。
更に、上記方法は、スキャン用のスキャン速度を選択すると共に、スキャン速
度に従い、パルス式レーザビームのパルスに対する最大反復割合(maximal repet
ition rate)を用意する段階を含み得る。
そして更に上記方法は、スキャンおよび導向段階を反復し、所望の全体的貫入
が達成されるまで目標領域に対する複数回の通過を完了せしめる段階を含み得る
。
好適実施例において上記方法はまた、目標領域の近傍を冷却する
ことにより隣接組織の熱的損傷もしくは焦げを回避する段階も含んでいる。
本発明の好適実施例に依れば、導向段階は、上記領域の各々におけるレーザビ
ーム維持に繋がる割合(rate)のレーザビームを、隣接組織の熱的損傷もしくは焦
げを引起こすよりも短い持続時間だけ導向する段階を含む。
本発明の更なる態様によれば、硬質組織および硬質組織上の析出物のいずれか
を気化除去する装置が提供される。上記装置は、パルス式レーザビームを発生す
る好適にはCO2レーザであるレーザと、硬質組織および硬質組織上の析出物のい
ずれかである目標領域を実質的に連続的にスキャンすると共にスキャンの間にパ
ルス式レーザビームを導向することにより目標領域の部分を気化除去して所望サ
イズおよび形状の気化除去済目標領域を形成するスキャナと、を含む。
上記装置は、目標領域の一部分の各々を気化除去するに十分なエネルギ密度を
提供する集中レーザビームを発生しても良い。
上記装置はまた、スキャン用のスキャン速度を選択すると共に、スキャン速度
に従い、パルス式レーザビームのパルスに対する最大反復割合(maximal repetit
ion rate)を用意する制御ユニットを含む。
歯部を穿孔する好適実施例においては、CO2レーザは9.3〜11.2ミクロン、好適
には9.6ミクロン帯域の波長で作動し、パルス周波数は1〜1,000Hz、好適には200
Hz以下であり、各パルスは100マイクロ秒以下のパルス持続時間を有し、且つ、
ビームのスポット・サイズは100〜300ミクロンである。
図面の簡単な説明
本発明のより良い理解の為、以下の記述ならびに添付図面を参照するが、本発
明の範囲は添付の請求の範囲により示される。
図１Ａは、本発明の好適実施例に従って構成され且つ作動する“あぶみ骨切除
術(stapedectomy)”を実施する装置の概略図であり、
図１Ｂは本発明の好適実施例に従って構成され且つ作動する歯部および歯部上
の析出物を気化除去する装置の概略図である。
図２Ａは、図１Ａもしくは図１Ｂの装置を使用して本発明の好適方法に依り形
成されつつある一連の微小孔から形成された螺旋状パターンの概略図であり、
図２Ｂは、図２Ａの螺旋状パターンを完成した後に形成される大径孔の概略図
である。
図３Ａは、図１Ａもしくは図１Ｂの装置を使用して本発明の好適方法に依り形
成されつつある一連の微小孔から形成された矩形状パターンの概略図であり、
図３Ｂは、図３Ａの矩形状パターンを完成した後に形成される大径の矩形孔の
概略図である。
図４は、本発明の好適方法に従って穿孔されつつある歯部の概略図であり、本
発明の別の好適実施例に依る歯垢の気化除去を示すものでもある。
好適実施例の説明
図１Ａは本発明のひとつの好適実施例に依り構成され且つ作動する装置1を示
している。あぶみ骨切除術を実施するに特に適した装置1は、マイクロマニピュ
レータ10、フラッシュスキャナ12、関節結合アーム14、外科用マイクロスコープ
16、および、限定的でなく好適なものとしてパルス式レーザビームであるレーザ
ビーム20を発生するレーザ18を備えて成る。
フラッシュスキャナ12は、移動可能な揺動もしくは回転ミラー22を有し、これ
はスキャンパターンを提供すべく作用する。好適には、フラッシュスキャナ12は
'386出願および'502特許に開示されたものであり、関節結合アームを有するレー
ザと組合せられる。ただし、本発明は'386出願および'502特許のスキャナに限定
されるものでない。寧ろ、本発明に依れば、Black et al.に対する合衆国特許第
5,546,214号に記述された如き任意の適切なスキャナを使用することが可能であ
る。
マイクロマニピュレータ10は、該マイクロマニピュレータ10の内部における相
対位置が調節ハンドル28の動きに応じるダイクロイック・ミラー26を含んでいる
。外科用マイクロスコープ16は、該外科用マイクロスコープ16からダイクロイッ
ク・ミラー26を介して視認し得る如く配置されている。
好適実施例においては、レーザ18はCO2レーザであり、スキャンの間に脈動さ
れるものである。また、代替実施例においては、CO2レーザは連続的に作動するC
O2レーザである。いずれの実施例においても、レーザ18は、9.3〜11.2ミクロン
の、好適には10.6ミクロン帯域の、最も好適には9.6ミクロン帯域の波長のレー
ザビーム20を提供する。9.6ミクロン帯域は好適であるが、これは、人間の硬質
組織の主成分であるヒドロキシアパタイトにより該帯域で高い吸収が生ずるから
である。
図１Ｂは図１Ａの装置の代替装置を示しており、これは歯部に関する用途に特
に適したものであり、非限定的な例としては、エナメル質および象牙質を気化除
去することにより歯部52に任意の所望サイズおよび形状の孔を形成すること、ま
たは、以下に詳述する様に歯部52の表面から歯垢およびカリエスを気化除去する
ことが挙げられる。図１Ｂは、同様の要素を有すると共に同様の参照番号で参照
される装置1を示しているが、外科用マイクロスコープ16は歯科医学用途におい
ては不要なことも多いことから、外科用マイクロスコープ16は配備されていない
。図１Ｂの装置は、歯科医により把持操作されるハンドピースを形成する。
実際には、医師30は外科用マイクロスコープ16（図１Ａ）を通して視認し乍ら
ハンドル28によりダイクロイック・ミラー26の位置決めを行うが、これは、レー
ザビーム20が中耳34（図１Ａ）の“あぶみ骨”32に衝当するまで行い、または、
目標領域を直接的に視認する（図１Ｂ）と共に所望の目標領域36内の歯部52（図
１Ｂ）にレーザビームを衝当させるが、この回りには、硬質組織を気化除去する
レーザビームによりスキャンされるパターン38がある。レーザビーム20は最初は
視認可能なパイロット・レーザビームとされ、これは、衝当位置に対する処理レ
ーザビームを企図する医師30を助けるものである。
衝当位置が決定された後、硬質組織上のパターン38内における外科的気化除去
が開始されるが、これは、あぶみ骨32（図１Ａ）または歯部52（図１Ｂ）の目標
領域36などにおけるものである。図２Ａおよび図２Ｂは、（不図示の）人工器官
植設に適合する約600ミクロンのサイズを有する孔40の形成を示している。この
孔40は、外科的気化除去パターン38のスキャンを、所望の貫入が達成されるまで
反復することにより形成される。
歯部に関する用途においては、関連する歯部処理に依存して、種々のサイズお
よび形状の目標領域が必要となる。この場合、孔40（図２Ｂ）などの丸孔の直径
は通常1〜5ミリメートルであり、且つ、螺旋状パターン（図３Ａ）によっても形
成され得る図３Ｂの孔41などの他の形状も略々同一のサイズである。
フラッシュスキャナ12は最初に中耳34を掃引して螺旋形状の外科
的気化除去パターン38を生成すべく設定される。次に単一パルスの集中レーザビ
ーム20は、スポット毎に螺旋状にパターン38を掃引して、目標領域36上に一連の
微小孔42を形成する。パターン38が完了した後に単一の大径孔40ができるが、こ
れは全ての微小孔42を組合せてできたものであり、目標領域36の外側の焦げは最
少でありかつ組織の損傷も最少である。また、パターンをパルスにより再度掃引
することにより、大径孔40の深度は大きくなる。
フラッシュスキャナを用いたレーザの典型的な作動モードは、歯垢、カリエス
などの大寸表面の表面気化除去、および、歯部および骨部などの硬質組織におけ
る更なる深度のレーザ穿孔を行うことである。いずれのモードにおいても、レー
ザは好適には、スキャンの間に脈動されるCO2レーザである。
上述した如く、硬質組織の気化除去に関する多く点において、スキャナを使用
することが好都合であることは理解されよう。また、大寸の目標領域を気化除去
するに際して比較的に低エネルギのレーザの使用に加えてスキャナを用いること
により、目標領域の同一箇所に対する連続的な焼破の間の熱の消散が許容され、
歯部における割れと隣接組織に対する熱的損傷が回避される。
また、スキャナを使用することにより、スキャナを使用しない場合よりも高い
パルス周波数が可能となり、隣接組織に対する熱的損傷を実質的に引起こすこと
無く硬質組織を更に迅速に穿孔することが可能となることは理解されよう。更に
、スキャナを使用することにより、パルス毎のエネルギを低くして大きな反復割
合(repetition rate)でレーザを使用し、隣接組織に対する熱的損傷を実質的に
回避することが可能となる。以下においては、例示的な用途に関して非限定的な
作用パラメータを記述する。
本発明の好適実施例に依れば、反復的に脈動されるCO2レーザ18
がフラッシュスキャナ12と組合せて使用され、大寸で清浄な焦げの無い丸孔40（
図２Ｂ）もしくは矩形孔41（図３Ｂ）を協働して形成する一連の微小孔42を提供
する。本発明の格別の特徴は、図１Ａおよび図１Ｂの装置が、任意の所望サイズ
および形状の目標領域を気化除去すべく作用することである。図２Ａおよび図２
Ｂの非限定的な例においては、一連の微小孔42は螺旋状であるが、硬質組織にお
ける最終的な孔41は丸形である。また、図３Ａおよび図３Ｂに示された別の非限
定的な例においては、その順序はやはり螺旋状であるが硬質組織にける結果的な
孔41は矩形状である。類似のもしくは異なる形状を提供すべく、リサジュー(lis
sajour)パターン等の他のパターンを追従しても良い。
本発明の更なる好適実施例に依れば、脈動レーザの反復割合およびスキャン速
度は同期され、表面範囲および深度の全体が均一なものとされる。理解される様
に、脈動モード（pulsed mode）およびフラッシュスキャナ・ステムを組合せた
ことにより、極めて完全な気化除去を達成する集中ビームを脈動させ得る、とい
う利点が得られる。
あぶみ骨切除施術において各スキャン周期の各々において1mmの深度で0.6mmの
直径を有する孔を穿孔する為に使用される典型的なパラメータは、100ミクロン
〜300ミクロンの焦点スポット・サイズ、10〜30ワットのパワーレベル、パルス
毎に20〜50ミリジュールのレーザエネルギ、約500Hzの反復割合、１ミリ秒より
短いパルス持続時間、および、0.2〜１秒のスキャン間隔時間(scanning period
time)である。また、スキャン持続時間を増大させると、孔の深度が増加する。
更に、マイクロマニピュレータの焦点距離は250〜310mmとされ得る。
集中ビームにより、所定パターンにおけるビームスキャンの各々
は、スキャン通過毎の0.2秒の持続の後で、500〜700ミクロン径のスポット・サ
イズを有する50ミクロン深度の凹所を生成する。スキャン行程の間には、サイク
ルを継続する前に結果を確認すべく待機するのが好適である。而して、レーザは
、連続的に１秒まで作動せしめ得ると共に、（レーザ照射に対する露出が合計で
１秒になる）５回のスキャン行程を行う毎に停止され得る。従って、所望の孔を
穿孔すべく１個の大きなパルスを使用する代わりに、フラッシュスキャナを使用
して連続的な小寸の孔を形成し、それらは、１個の大きなパルスにより形成され
るのと同一サイズの孔を協働して形成し得ることになる。相違点としては、フラ
ッシュスキャナを用いた場合、孔が任意の所望サイズおよび形状とされると共に
処置が完了する速度も早くなる。
図４は、歯部52におけるカリエス50の処理と、歯部52と歯茎56との間の歯垢54
の気化除去に対する本発明の更なる適用を示している。図４は上述の歯部への応
用を示しているが、本発明は、凹所調整、複合材料接合の為の歯部表面調整用エ
ッチングなどの、歯部の気化除去が必要とされる任意の歯部用途、および、回復
歯科医学において象牙質およびエナメル質の気化除去が必要とされる他の歯科医
学的処置に関するものである。
歯垢の気化除去もしくは歯部の穿孔に対し、パワーレベルは約１〜21ワット、
好適には３〜８ワット；スキャン間隔は約0.1〜0.3秒、好適には0.2秒；スポッ
ト・サイズの直径は好適には約0.2mm、とされ得る。また、スキャン直径は好適
には0.5mm〜６mmとされ、円形、楕円形、矩形、正方形もしくはスリット形状な
どの任意の所望形状とされる。焦点距離は約100mmとされ、かつ、レーザは、20
〜80ミリジュールのエネルギレベルの超脈動(superpulse)モードで作動され得る
。
超脈動モードにおいては、歯部の穿孔に対するパルス周波数は好適には１〜1,
000Hzであり、パルス持続時間好適には200マイクロ秒以下である。
超脈動モードにおいて、スキャナは、レーザビームのトリガ制御と同期される
か、または、レーザから完全に独立するかのいずれかとされ得る。但し、スキャ
ン周波数およびパルス反復周波数は僅かに異ならせ、レーザが同一の箇所で穿孔
し続けるという状況を回避せねばならない。
歯の穿孔に対しては、最小の典型的スキャン直径は約１mmである。また、直径
が2mmで深度が3mmの孔を気化除去する為の操作パラメータは次の通りである：パ
ルス周波数は120〜180Hz、パルス持続時間は約60マイクロ秒、集中CO2ビームの
スポット・サイズは200ミクロン、各スキャンの持続時間は0.2秒であり、かつ、
5ミクロンの硬質組織が各スキャンにおいて気化除去される。この結果、25ミク
ロン毎秒の穿孔速度が得られると共に、合計で２分間のスキャン時間により３ミ
リメータの深度が達成される。
カリエス処置に関しては、穿孔を行うのではなく歯の腐食部を除去清掃するの
が所期の目的であり、孔スキャン用ビームすなわちスポット・サイズの直径は約
0.2〜１mmとされ得るが、そのサイズは腐食領域のサイズに依存する。残りのパ
ラメータは歯垢気化除去におけるのと同様であるが、スキャンサイクルの数は相
当に小さい。而して、形成された孔は習用の充填材料で充填され、腐食に繋がる
物質の更なる蓄積が防止される。
もし、本発明の代替的実施例に従い、大寸の表面の表面気化除去の為に連続的
に作動されるのであれば、作動パラメータとしては、40ワットのパワーレベルと
、約100〜300ミクロンの焦点スポット・サイズを有する各々の単独スポット上の
フラッシュスキャナの約
１ミリ秒の滞在時間と、約２〜６mmの直径で約50ミクロンの単一の歯垢層の表面
気化除去に対する約0.1〜0.3秒のスキャン持続時間と、が挙げられる。これによ
り、他の用途の中でも、歯部上の析出物の除去清掃、もしくは骨部の気化除去が
可能となる。また、連続的な作動の代わりに、（例えば、代表的な設定として、
Sharppulse（登録商標）、Surgipulse(登録商標)、Ultrapulse(登録商標)などの
超脈動(superpulse)などの設定で）CO2レーザを脈動させて同一の目的に使用し
ても良い。
一方、硬質組織におけるカリエスなどに対する更なる深度のレーザ穿孔の為に
CO2レーザを連続的に作動させるのであれば、作動パラメータは、30〜150ワット
範囲のパワーレベルと、組織上における約100〜300ミクロンの焦点スポット・サ
イズによる約0.3ミリ秒の滞在時間と、約0.2〜１秒のスキャンパルス持続時間と
、を含んでいる。各スキャンは0.5mm〜2mmの直径の孔を気化除去し得るが、１〜
３mmの深度の孔を穿孔するには複数のスキャンサイクルが必要とされる。
これらの用途の各々において、医師もしくは歯科医は、レーザ照射を何処に当
てるのかを最初に確認せねばならない。これは視認検査により行われ、好適には
、視認可能なパイロット・レーザビームを用いて行う。その後、CO2レーザを起
動して１回の完全なスキャンを完了すると共に、所望の全体深度が達成されるま
でこれを反復する。また、各スキャンの後には、結果が観察され得る。
一方、歯部作業に関し、歯部の到達困難領域でも到達することが可能であり、
これは、必要ならば歯部の裏側を確認すべく使用される歯科医のミラーにレーザ
ビームを導向して該ミラーにてビームを偏向させ、歯部の到達困難領域上に導く
ことで行われる。レーザスキャン通過の為の維持時間はその様に短いことから、
全体的な歯部
処理は迅速に完了され得る。
本発明によれば、目標領域の近傍は水噴射などによる適宜な冷却手段により冷
却され、レーザにより行われた硬質組織の気化除去により隣接組織が実質的に熱
的損傷を受けないことを確かなものとしている。
本発明の格別の特徴は、実質的な熱的損傷を回避すると共に硬質組織気化除去
の効果を増大しない様に冷却が行われることである。上記において、歯部に関し
て２mm直径で３mm深度の孔を穿孔したのと同一の作動条件（120〜180Hzのパルス
周波数；60マイクロ秒のパルス持続時間；200ミクロンのスポット・サイズ；0.2
秒の単一スキャン時間；合計スキャン時間２分間）を採用した非限定的な実験に
おいては、水冷ありおよび水冷無しでも形成孔に関しては同様の結果が達成され
たが、唯一の相違点は、水冷を行わなければ不都合な熱的損傷が観察されたこと
である。
以上の記述および図面は本発明の好適実施例を示しているが、本発明の精神お
よび範囲から逸脱すること無しに種々の変更および改変が為され得ることは理解
されよう。例えば、本発明の好適実施例はCO2レーザの使用に関して記述された
が、ER:YAGレーザなどのエルビウム・レーザによってもスキャナが作動し得るこ
とは理解されよう。Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to hard tissue such as teeth and bones and to deposits on hard tissue using a laser scanner, and more particularly to laser scanners and pulses. The present invention relates to an apparatus and a method for laser vaporization-e using a laser beam. BACKGROUND OF THE INVENTION Conventional tooth cleaning has used mechanical instruments to remove deposits by vibrating or crushing deposits such as plaque between the teeth and gums. However, there is some discomfort while implementing this mechanical cleaning technique. In dentistry, a mechanical drill is used to pierce the teeth, but even the sound of the motor can make the patient worried or anxious. Also, local anesthesia is usually required because the perforation process is painful. The major disadvantages of mechanical drills are mechanical vibrations, mechanical contact of the drill with the teeth, and intractable noise. One alternative to mechanical drilling is to use a laser to ablate or remove deposits on hard tissue. In the prior art, erbium (Er) lasers (Er: YAG and Er: YSSG) and CO 2 lasers are described. United States Patents describing the use of erbium for dental applications include U.S. Patent No. 5,342,198 to Vassiliadis et al., U.S. Patent No. 5,458,594 to Mueller et al., U.S. Patent No. No. 5,267,856 and U.S. Pat. No. 5,199,870 to Steiner et al. Moreover, the use of pulsed CO 2 laser to remove the hard tissue, the 1880 Volume SPIE journal published in 1993, by Thomas Ertl and G Erhard Muller in pp 176-181 "pulsed CO 2 laser Hard tissue ablation with pulsed CO 2 lasers ”. Further, a method of dissolving tooth enamel using a CO 2 laser and gradually cooling to prevent caries is described in SPIE Vol. 2394, published in 1995, pp. 41-50. fr ied et al. "According to the multi-pulse irradiation of a tooth hard tissue in CO 2 laser wavelength (Mult iple pulse irradiation of dental hard tissues at CO 2 laser wavelength)" entitled papers, and, the 51 to the same publication W. Seka et al. In accordance "time-dependent reflection and surface temperature during performing the CO 2 laser irradiation of the tooth hard tissue by 100 [mu] s pulse (Time-dependent reflection and surface temperatures duri ng CO 2 laser irradiation of dental hard tissue with 100μs pulses)" In a paper entitled, One disadvantage of the prior art of using lasers for hard tissue applications is that tens of tens of lasers are required to provide a laser beam with sufficient energy density to remove hard tissue or precipitates on hard tissue. It is necessary to provide a laser beam having a spot size on the order of microns or hundreds of microns, which is on the order of or less than the size of the target area to be removed. For example, in dentistry, the size required for a hole drilled in a tooth is on the order of millimeters, while the spot size of the ablation laser is on the order of one or two orders of magnitude smaller. Similarly, using a focused laser beam as described in the prior art, the laser must be delivered in a relatively short pulse at a low repetition rate, such as cracks in enamel and dentin. In order to avoid undesired thermal damage to the pulp or thermal damage to the pulp. Generally speaking, the disadvantages associated with the use of mechanical instruments and lasers for hard tissue dentistry applications also arise in other hard tissue applications, such as bone removal. For example, in the case of stapedectomy, see, for example, S. George, published in "Lasers in Surgery and Medicine", Vol. 10, pp. 448-457, 1990. A defocussed laser beam or a focused laser beam as described in a paper by Lesinski entitled "Lasers for osteosclerosis-which one if any and why" Rosette results in excessive thermal damage, including charring of adjacent tissue. A further disadvantage with prior art laser use for hard tissue applications, as well as mechanical drilling, is the limited size and shape of target regions of hard tissue that can be removed. Also, the methods described in the prior art for hard tissue removal require a relatively large laser device to provide the high energy density required for hard tissue removal as compared to soft tissue removal. Must be SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a laser and a laser that vaporize and remove hard tissue and precipitates on hard tissue of any size and shape, and that do so quickly and substantially without thermal damage to adjacent tissue. An apparatus including a scanner is provided. It is also an object of the present invention to provide a method for vaporizing hard tissue or a target region of hard tissue precipitates of any desired size and shape without substantially causing thermal damage to adjacent tissue. is there. It is a further object of the present invention to provide a relatively small and inexpensive device for vaporizing and removing hard tissue and precipitates on hard tissue. Providing a focused beam on the order of 100 microns provides the necessary energy density for hard tissue vaporization. Also, by providing a scanner that scans (i.e., scans) the focused beam over the target area, vaporization of the target area of any size and shape, typically on the order of the laser beam spot size or more. Removal is performed. According to one aspect of the present invention, Laser Industries Ltd. of TelAviv, Israel, which is a different type of laser previously used to irradiate soft tissue. A Silk Touch® flash scanner (flashscanner) manufactured and sold by Co., Ltd. is used with a laser operating in accordance with the present invention to form a series of micropores, which cooperate to create random holes in hard tissue. Provides a large, completely non-burnt, vaporized target area of the desired size and shape, while substantially avoiding thermal damage to adjacent tissue. A flash scanner suitable for producing any desired pattern, such as a spiral pattern or a lissajour pattern, is exemplified by the following disclosure: filed December 19, 1994, which is incorporated by reference. And a pending US patent entitled "Method and Apparatus for applying a laser beam to a working surface, specifically for ablating tissue". Patent Application No. 08 / 358,386 ('386 application); and issued to Eliezer Zair on May 2, 1995, incorporated by reference, "without causing damage below a predetermined depth. U.S. Pat.No. 5,411,502 (hereinafter referred to as `` System for causing ablation of irradiated material of living tissue while not causing damage below a predetermined depth ''). 502 patent). According to one aspect of the present invention, there is provided a method for vaporizing or removing any of a hard tissue and a precipitate on the hard tissue. The method includes substantially continuously scanning a target region, which is either hard tissue or a precipitate on the hard tissue, and directing a pulsed laser beam during the scan to provide a plurality of portions of the target region. Vaporizing the individual, thereby forming a vaporized target area of a desired size, preferably 0.5 mm to 6 mm, and of any desired shape. For example, the shape of the target area is a circle, an ellipse, a square, a rectangle, or a slit. The method may focus the laser beam and provide sufficient energy density to vaporize each of a portion of the target area. Further, the method may include selecting a scan rate for the scan and providing a maximum repetition rate for the pulses of the pulsed laser beam according to the scan rate. And still further, the method can include the step of repeating the scanning and steering steps, completing multiple passes through the target area until the desired overall penetration is achieved. In a preferred embodiment, the method also includes the step of cooling near the target area to avoid thermal damage or scorching of adjacent tissue. According to a preferred embodiment of the present invention, the directing step comprises applying a laser beam at a rate that leads to laser beam maintenance in each of the regions for a shorter duration than causing thermal damage or burning of adjacent tissue. Only directing. According to a further aspect of the present invention, there is provided an apparatus for vaporizing and removing any of a hard tissue and a precipitate on the hard tissue. The apparatus includes a laser suitable for generating a pulsed laser beam is a CO 2 laser, a target region is either deposits on hard tissue and hard tissue substantially continuously scanned with scans A scanner that evaporates and removes portions of the target area by directing a pulsed laser beam therebetween to form a vaporized target area of a desired size and shape. The apparatus may generate a focused laser beam that provides an energy density sufficient to evaporate each of a portion of the target area. The apparatus also includes a control unit for selecting a scan rate for the scan and for providing a maximum repetition rate for the pulses of the pulsed laser beam according to the scan rate. In the preferred embodiment of drilling teeth, CO 2 laser operating at a wavelength of 9.3 to 11.2 microns, preferably 9.6 microns band, pulse frequency 1～1,000Hz preferably is at 200 Hz or less, the The pulses have a pulse duration of less than 100 microseconds and the beam spot size is 100-300 microns. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS For a better understanding of the present invention, reference is made to the following description as well as to the accompanying drawings, the scope of which is indicated by the appended claims. FIG. 1A is a schematic diagram of an apparatus for performing a "stapedectomy" constructed and operative in accordance with a preferred embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for vaporizing and removing a tooth portion and a deposit on the tooth portion. FIG. 2A is a schematic diagram of a spiral pattern formed from a series of micropores being formed according to a preferred method of the present invention using the apparatus of FIG. 1A or 1B, and FIG. It is the schematic of the large diameter hole formed after completing a spiral pattern. FIG. 3A is a schematic diagram of a rectangular pattern formed from a series of micropores being formed according to the preferred method of the present invention using the apparatus of FIG. 1A or 1B, and FIG. It is the schematic of the large-diameter rectangular hole formed after completing a rectangular pattern. FIG. 4 is a schematic illustration of a tooth being drilled in accordance with a preferred method of the present invention, also illustrating vaporization of plaque according to another preferred embodiment of the present invention. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT FIG. 1A shows an apparatus 1 constructed and operative in accordance with one preferred embodiment of the present invention. A device 1 particularly suitable for performing stapes resection is a micromanipulator 10, a flash scanner 12, an articulated arm 14, a surgical microscope 16, and, preferably, but not limited to, a pulsed laser beam. It comprises a laser 18 for generating a laser beam 20. The flash scanner 12 has a movable rocking or rotating mirror 22, which acts to provide a scan pattern. Preferably, the flash scanner 12 is disclosed in the '386 application and the' 502 patent, and is combined with a laser having an articulated arm. However, the invention is not limited to the scanners of the '386 application and the' 502 patent. Rather, any suitable scanner may be used in accordance with the present invention, such as described in US Pat. No. 5,546,214 to Black et al. The micromanipulator 10 includes a dichroic mirror 26 whose relative position inside the micromanipulator 10 is responsive to the movement of an adjustment handle 28. The surgical microscope 16 is arranged so as to be visible from the surgical microscope 16 via the dichroic mirror 26. In the preferred embodiment, the laser 18 is CO 2 lasers are those pulsations during the scan. Further, in an alternative embodiment, CO 2 lasers are C O 2 laser operates continuously. In either embodiment, laser 18 provides a laser beam 20 having a wavelength in the 9.3 to 11.2 micron band, preferably in the 10.6 micron band, and most preferably in the 9.6 micron band. The 9.6 micron band is preferred because hydroxyapatite, a major component of human hard tissue, causes high absorption in the band. FIG. 1B shows an alternative to the device of FIG. 1A, which is particularly suitable for tooth applications, including, but not limited to, the removal of enamel and dentin by vaporization of the tooth Forming holes of any desired size and shape in 52, or vaporizing plaque and caries from the surface of tooth 52, as described in more detail below. FIG. 1B shows the device 1 having similar elements and referenced by similar reference numbers, but since the surgical microscope 16 is often unnecessary in dentistry applications, the surgical microscope 16 is not required. Has not been deployed. The device of FIG. 1B forms a handpiece that is gripped by a dentist. In practice, the physician 30 positions the dichroic mirror 26 with the handle 28 while viewing through the surgical microscope 16 (FIG. 1A), which causes the laser beam 20 to "move" the middle ear 34 (FIG. 1A). This is performed until the stirrup 32 is hit, or the target area is directly visually recognized (FIG. 1B), and the laser beam is hit against the teeth 52 (FIG. 1B) in the desired target area 36. Around this is a pattern 38 that is scanned by a laser beam that vaporizes and removes hard tissue. Laser beam 20 is initially a visible pilot laser beam, which assists physician 30 in planning the processing laser beam for the strike location. After the impact location has been determined, surgical vaporization in the pattern 38 on the hard tissue is initiated, which involves the target area 36 of the stapes 32 (FIG. 1A) or the tooth 52 (FIG. 1B). And so on. 2A and 2B show the formation of a hole 40 having a size of about 600 microns that is compatible with prosthesis implantation (not shown). This hole 40 is formed by repeating the scan of the surgical vaporization pattern 38 until the desired penetration is achieved. In tooth applications, target areas of various sizes and shapes are required, depending on the associated tooth treatment. In this case, the diameter of a round hole, such as hole 40 (FIG. 2B) is typically 1-5 millimeters, and other shapes, such as hole 41 in FIG. They are all the same size. The flash scanner 12 is initially set to sweep the middle ear 34 to create a spiral shaped surgical vapor removal pattern 38. Next, the focused laser beam 20 of a single pulse sweeps the pattern 38 spirally for each spot to form a series of micro holes 42 on the target area 36. After the pattern 38 is completed, a single large hole 40 is created, which is a combination of all the small holes 42, with minimal scoring outside the target area 36 and minimal tissue damage. It is. In addition, the depth of the large-diameter hole 40 is increased by sweeping the pattern again by the pulse. A typical mode of operation of a laser using a flash scanner is to perform surface vaporization of large surfaces such as plaque and caries, and to perform deeper laser drilling in hard tissues such as teeth and bones. is there. In either mode, the laser is preferably a CO 2 laser is pulsed during the scan. As mentioned above, it will be appreciated that in many aspects relating to the vaporization of hard tissue, it is advantageous to use a scanner. Also, the use of a scanner in addition to the use of a relatively low energy laser in vaporizing a large target area allows for heat dissipation during continuous burning of the same area of the target area. Cracks in the teeth and thermal damage to adjacent tissue are avoided. Also, the use of a scanner allows for a higher pulse frequency than without a scanner, allowing more rapid perforation of hard tissue without substantially causing thermal damage to adjacent tissue. It will be understood. Further, the use of a scanner allows the use of a laser at a high repetition rate with a low energy per pulse, thereby substantially avoiding thermal damage to adjacent tissue. In the following, non-limiting operating parameters are described for exemplary applications. According to a preferred embodiment of the present invention, a repetitively pulsed CO 2 laser 18 is used in conjunction with the flash scanner 12 to provide a large, clean, non-burnt round hole 40 (FIG. 2B) or a rectangular hole 41. (FIG. 3B) is provided with a series of micropores 42 that cooperate to form (FIG. 3B). A particular feature of the present invention is that the apparatus of FIGS. 1A and 1B operates to vaporize a target area of any desired size and shape. In the non-limiting example of FIGS. 2A and 2B, the series of micropores 42 is spiral, while the final pores 41 in hard tissue are round. Also, in another non-limiting example shown in FIGS. 3A and 3B, the order is also helical, but the resulting hole 41 in the hard tissue is rectangular. Other patterns, such as a lis sajour pattern, may be followed to provide similar or different shapes. According to a further preferred embodiment of the present invention, the repetition rate and scan rate of the pulsating laser are synchronized such that the entire surface area and depth are uniform. As will be appreciated, the combination of pulsed mode and the flash scanner system has the advantage that the focused beam can be pulsed to achieve very complete vaporization. Typical parameters used for drilling a hole having a diameter of 0.6 mm at a depth of 1 mm at each scan cycle in an stape osteotomy procedure are 100-300 micron focal spot size, 10-300 microns. 30 watts power level, 20-50 millijoules of laser energy per pulse, repetition rate of about 500 Hz, pulse duration less than 1 millisecond, and scanning period time of 0.2-1 second. . Also, increasing the scan duration increases the hole depth. Further, the focal length of the micromanipulator can be between 250 and 310 mm. With the focused beam, each of the beam scans in the given pattern creates a 50 micron depth recess with a spot size of 500-700 microns diameter after 0.2 seconds duration per scan pass. It is preferable to wait between scans to check the results before continuing the cycle. Thus, the laser can be turned on continuously for up to 1 second and stopped after every 5 scan passes (exposure to laser irradiation totaling 1 second). Thus, instead of using one large pulse to drill the desired hole, a flash scanner is used to form continuous small holes, which are formed by one large pulse. Can be formed in cooperation with each other. The difference is that with a flash scanner, the holes can be of any desired size and shape and the procedure can be completed more quickly. FIG. 4 shows a further application of the present invention to the treatment of caries 50 in teeth 52 and the removal of plaque 54 between teeth 52 and gums 56. While FIG. 4 illustrates the above-described tooth application, the present invention is directed to any arrangement where removal of the teeth is required, such as recess adjustment, etching of the tooth surface for composite material bonding, etc. For dental applications and other dentistry procedures in which restorative dentistry requires vaporization of dentin and enamel. For plaque vaporization or tooth perforation, power level is about 1 to 21 watts, preferably 3 to 8 watts; scan interval is about 0.1 to 0.3 s, preferably 0.2 s; spot size diameter May suitably be about 0.2 mm. The scan diameter is preferably 0.5 mm to 6 mm, and may have any desired shape such as a circle, an ellipse, a rectangle, a square, or a slit. The focal length is about 100 mm, and the laser can be operated in a superpulse mode with energy levels between 20 and 80 millijoules. In the superpulse mode, the pulse frequency for perforation of the teeth is preferably between 1 and 1,000 Hz and the pulse duration is preferably less than 200 microseconds. In the superpulse mode, the scanner can be either synchronized with the trigger control of the laser beam or completely independent of the laser. However, the scan frequency and pulse repetition frequency must be slightly different to avoid the situation where the laser continues to drill at the same location. For tooth perforation, the smallest typical scan diameter is about 1 mm. The operating parameters for vaporizing and removing holes 2 mm in diameter and 3 mm in depth are as follows: pulse frequency 120-180 Hz, pulse duration about 60 microseconds, spot size of focused CO 2 beam Is 200 microns, the duration of each scan is 0.2 seconds, and 5 microns of hard tissue is vaporized out in each scan. This results in a drilling speed of 25 microns per second and a depth of 3 millimeters with a total scan time of 2 minutes. With regard to the caries procedure, the intended purpose is to remove and clean the decayed parts of the teeth rather than to make a hole, and the diameter of the hole scanning beam or spot size can be about 0.2-1 mm, but the Depends on the size of the corroded area. The remaining parameters are the same as in plaque removal, but the number of scan cycles is considerably smaller. Thus, the pores formed are filled with customary filling material, preventing further accumulation of substances leading to corrosion. If operated in accordance with an alternative embodiment of the present invention for continuous vaporization of large surfaces, operating parameters include a power level of 40 watts and a power level of about 100-300 microns. A dwell time of about 1 millisecond of the flash scanner on each single spot having a focal spot size, and about 0.1-0.3 for surface vapor removal of a single plaque layer of about 2-6 mm diameter and about 50 microns. Scan duration in seconds. This makes it possible to remove and clean deposits on the teeth or vaporize and remove the bones, among other uses. Also, instead of continuous operation, CO 2 (eg, in typical settings such as superpulse settings such as Sharppulse®, Surgipulse®, Ultrapulse®, etc.) The laser may be pulsed and used for the same purpose. On the other hand, if operated continuously the CO 2 laser for laser drilling of additional depth for such caries in the hard tissue, operating parameters, and a power level of 30 to 150 watts range from about 100 on the tissue Includes a dwell time of about 0.3 ms with a focal spot size of 300 microns and a scan pulse duration of about 0.2-1 second. Each scan can vaporize holes of 0.5 mm to 2 mm diameter, but drilling holes of 1-3 mm depth requires multiple scan cycles. In each of these applications, the physician or dentist must first determine where to apply the laser radiation. This is done by visual inspection, preferably using a visible pilot laser beam. Thereafter, the CO 2 laser is activated to complete one complete scan and this is repeated until the desired overall depth is achieved. Also, after each scan, the results can be observed. On the other hand, for tooth work, it is possible to reach even in difficult-to-reach areas of the tooth, by directing the laser beam to the dentist's mirror, which is used to check the back of the tooth if necessary This is performed by deflecting the beam by the mirror and guiding the beam onto a hard-to-reach area of the tooth portion. With such a short maintenance time for passing the laser scan, the entire tooth preparation can be completed quickly. According to the present invention, the vicinity of the target area is cooled by an appropriate cooling means such as water jet, and it is ensured that the adjacent tissue is not substantially thermally damaged by the vaporization removal of the hard tissue performed by the laser. It is assumed. A particular feature of the present invention is that cooling is performed so as to avoid substantial thermal damage and not increase the effectiveness of hard tissue vaporization. In the above, the same operating conditions as drilling a hole of 2 mm diameter and 3 mm depth with respect to the teeth (pulse frequency of 120-180 Hz; pulse duration of 60 microseconds; spot size of 200 microns; single of 0.2 seconds) In a non-limiting experiment employing (scan time; 2 minutes total scan time), similar results were achieved for the formed holes with and without water cooling, the only difference being that water cooling was not used. Undesirable thermal damage was observed. While the above description and drawings illustrate preferred embodiments of the present invention, it will be understood that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. For example, a preferred embodiment of the present invention has been described with respect to the use of a CO 2 laser, ER: the scanner by erbium laser such as YAG laser can operate will be understood.
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ
Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ
，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，
ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ
Ｚ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ
，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ
，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，
ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，Ｈ
Ｕ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ
，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，
ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ
Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ
，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ
(72)発明者 ホムスキー，ドロン
イスラエル国，76227 レホボット，ゴロ
デズキー ストリート 14／４────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L
U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF)
, CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE,
SN, TD, TG), AP (KE, LS, MW, SD, S
Z, UG), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD
, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ
, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU,
CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, H
U, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ
, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG,
MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, R
O, RU, SD, SE, SG, SI, SK, TJ, TM
, TR, TT, UA, UG, UZ, VN
(72) Inventor Homsky, Delon
Goro, Rehoboth, 76227, Israel
Dezky Street 14/4