JP2004504074A

JP2004504074A - 表面層の熱処理のための方法及び装置

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Publication number: JP2004504074A
Application number: JP2001561240A
Authority: JP
Inventors: トールステンソン、ペル−アルヌ
Original assignee: トールステンソン、ペル−アルヌ; グスタフソン、モーガン
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2004-02-12
Also published as: CN1460008A; EP1274359A1; AU6462200A; WO2001062170A1

Abstract

表皮層のような、好適には生物学的組織の表面層の、深さがコントロールされた熱処理のための方法と装置が開示される。本発明の方法は、熱拡散性の低いバルク基質に付けられた薄い放射線吸収性の層を、目的とする表面に、直接（又は吸収性層の付けられた保護膜層を介して間接に）物理的に接触させて押し付け、加熱する。吸収性層の断面積は、典型的には、１ｃｍ^２である。吸収性の層は、透明なバルク基質に固定され、そのバルク基質は、吸収性層とバルク基質から、過剰な熱を除くために、コントロールされて冷却される。好適な実施形態では、吸収性層は、好適には、パルス性アークランプである、モジュレートされた又はパルス性のインコヒーレント電磁波源からの放射線により加熱される。典型的なパルスの持続時間は０．５−５０ｍｓであり、繰り返し周波数は０．５−５ｈｚである。組織における熱の影響を受ける領域の深さは電磁放射パルスの持続時間とフラッシュランプソースからのパルスにおけるエネルギーの量及びウェーブガイドを介してのパルス前冷却のエネルギーの量を最適にすることにより微調整される。

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、生物組織の表面上の熱処理の装置と方法に関連する。好適には、表面性の層をなす角膜、層をなすルシダム（ｌｕｃｉｄｕｍ）、層をなすグラノロサム（ｇｒａｎｏｌｏｓｕｍ）の熱処理や凝固の装置と方法に関連する。
このような表皮層の熱処理は、例えば、しわ取り、非永久的な脱毛、顔の皮膚の若返り、乾セン（ｐｓｏｒｉａｓｉｓ）等の経皮的な薬物処理といった、多くの理由のためになされる。
【０００２】
【本発明の背景】
表面層の凝固、蒸発、除去に関する従来技術は、組織に対する凝集性のレーザ放射の相互作用に基づいている。しかしながら、深さをコントロールできる組織の除去に適したレーザ源は、僅か数タイプしかない。問題は、表面層におけるレーザの波長の消滅深さ（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｄｅｐｔｈ）が、放射の表面的な吸収を可能にするためには、数ｉｍの範囲でなければならないということにある。
最も普通に使用されている表面組織除去用レーザは、Ｅｒ：ＹＡＧとエクサマーレーザであり、放射の波長は、それぞれ、２９４０ｎｍ、１９３ｎｍである。対応する消滅深さは、３−５ｉｍ（水中）、０．１ｉｍ（蛋白質中）である。放射の波長１０．６ｉｍのＣＯ_２レーザは、或る程度までの組織除去に使用されるが、消滅深さが３０−５０ｉｍ（水中）であるために、より深い組織層で水ぶくれと出血を起こし、回復に２−６ヵ月の期間を要するという問題がある。また、これはＥｒ：ＹＡＧについても、それ程顕著ではないが、問題になっている。この理由は、層をなすコロネウム（ｃｏｒｎｅｕｍ）（厚さ１５−３０ｉｍ）が、標準的状態のもとで、かなり水分量の少ないケラチンからなってい

水中での３−５ｉｍよりもかなり大きく、この事実が、この予想外で、好ましくない結果を証明するものである。正確で予想どおりの表面層除去を行うことができる唯一のレーザタイプは、放射電磁波波長１９３ｎｍのエクサイマーレーザである。エクサイマーレーザは、非常に高価で、操作しにくい。また、波長１９３ｎｍのエクサイマーレーザは、溶解したシリカ（クオーツ）ガラスに基づくウェーブガイドにおける減衰が非常に高いので、標準的なファイバの光学的リンクでは、光線の伝達に適さない。生きている細胞を紫外線にさらした場合の長期的な効果については、十分に研究されていない。発癌性の危険は、エクサイマーレーザ処理と密接に結びついている可能性がある。
【０００３】
放射吸着層をもったコンタクトプローブと結合したレーザ源は、原則として、表面組織除去のための使用が可能である。プローブの表面の一部を覆う放射吸着層を使用することにより、全ての熱エネルギーが組織への伝導に変換されるため、消滅深さに関する問題を解決できる。正常にレーザの照準を定められたコンタクトプローブは、非常に小さく効果的な領域、概して、数平方ミリメートル程度の領域である。このような小さな表面領域のコンタクトプローブをつくることにはいくつかの理由がある。ひとつの重要な側面は、レーザから出されるパルスエネルギーが使用されるレーザの、低い、電気的、光学的効率によって制限されることである。一般的に、レーザを伝達するのに要するエネルギーの僅か数パーセントしかレーザ放射エネルギーに変換されない。そのため、放射吸着層をもったレーザコンタクトプローブは、大きな領域の処理には適していない。
【０００４】
大きな領域の処理のためのレーザ使用に関する他の重要な問題は、必然的に、しみが形成されることであり、それらは、レーザ放射のコヒーレンスに起因する。これらの現象は、光学的ウェーブガイドを通過して後にも存在する。環状の光学的ファイバを通過したレーザ放射線は、たいていは、しみのスポットと重なり、強度のパターンを形成するリングを示す。横断面構造が他のタイプ、例えば、四角のウェーブガイドを使用する場合、モードパターンの問題を低減することはできない。それ故に、コンタクトプローブと関連付けられたレーザのコンビネーションは、大きな面積のコンタクトプローブを使用する大きな領域の処理には適さない。その理由は、一様な加熱が難しいためである。一般に、レーザ光源は、アークランプ源より、かなり高価である。皮膚の表面を除去する他の普通の方法は機械的に皮膚をこするか、化学的に剥ぐことであり、それらは、深さのコントロールができず、予測性がない。
【０００５】
【発明の要約】
全体として、本発明は、下にある組織層を大して傷つけることなしに、表皮層、角膜層、透明層、顆粒層の選択的凝固収縮する方法を特徴とする。本発明の方法は、放射線吸収層の表皮接触熱探針（プローブ）に基づく。
【０００６】
放射線吸収層は、一様な接触表面をなすために、肌と物理的に接触し軽く押圧されるバルク基質の末端表面に固定されている。バルク基質は、放射線減の全ての発光スペクトラムにわたり、透明であるべきである。パルス性アークランプからの集中されたインコヒーレント放射線が放射されたときに、放射線吸収層は急速に加熱される。アークランプから生じる完全放射波長スペクトラム（通常０．２−２ｉｍ）は、吸収性層の加熱に役立つ。ランプの放射スペクトラムに適合する、波長に無反応で高い吸収係数を有する被膜材を選択することで、光エネルギーの大部分は吸収性層で熱に変換される。このように、ランプポンプレーザーに比した全体のエネルギー効率は、かなり向上する。０．２−３ｉｍの範囲の高い吸収係数を有する吸収性層の材料は、炭素又はニッケルやジルコニウムからなる酸化物が好適に選択される。吸収性層の厚さは、１−５０ｉｍの範囲であり、好適には２−１０ｉｍの範囲である。もし、吸収性層の材料構成が組織とコンパチブルでないならば、酸化アルミニウムや酸化シリコンの保護被膜層が必要となる。最小化された保護層の厚さは、通常１−５ｉｍである。
【０００７】
さらに、探針表面から肌への熱伝導を向上させる為に、接触探針で処理する前に、液体又はゲル状の非常に薄い層を肌に施してもよい。接触液体層の厚さは５−１５ｉｍ以下でなければならないので、探針接触領域から余分なペーストを押出すことが可能であるために、この接触液体の粘度は十分低くなければならない。接触液は、例えば、水、塩水、超音波接触ゲルである。液体は、シリコンオイルやヒアルロン酸をベースにしてもよい。最も好ましい選択は、水、変性アルコール、プロピレン・グリコール、グリセリン、水酸化ナトリウム、ＰＥＧ４０水素化ひまし油、パンテノール、カーボマー、キシロカインからなる混合ゲルである。キシロカインは皮膚麻酔ゲルで、処理中の痛みを減らす。熱の影響を受ける（凝固する）組織の深さのコントロールは、主に、処理中の放射パルスを制限したり、吸収性層の放射線のパワー密度をコントロールすることによりなされる。放射線パワー密度は、アークランプの放射電流を制御することにより、コントロールされる。電力は、それぞれの光学的な外形と探針表面積に合わせて調節される。吸収性層の均一な加熱は、通常１０ｍｍの探針断面の直径の少なくとも１０倍の長さを有する波動ガイドの中のランプからの光を混入することで確実なものとなる。ウェーブガイドの断面は、断面積が０．５−５ｃｍ^２、好適には１−２ｃｍ^２を有し、円形又は矩形であることが望ましい。
【０００８】
通常のランプのパルス持続時間は０．１−５００ｍｓの範囲にあり、繰り返し周波数は通常０．５−５Ｈ_ｚである。
【０００９】
表皮層の熱の影響を受ける深さは、０．１−５００ｍｓのパルス長の範囲と対応し、図２のように７−５００ｉｍである。熱の影響を受ける深さの定義は、加熱された表面から、熱パルスの先端での組織表面の温度増加の約１０％の温度増加となる組織内のポイントまでの距離である。
【００１０】
熱パルスの先端で肌表面温度が１００℃（組織内の水が沸騰し、蒸発し始める。）に達するとすると、パルス長が０．１−５００ｍｓであると、図４を見ると、対応する凝固深さ、つまり、温度が７０−７２℃以上の皮膚の厚さが２−１２７ｉｍとなることが分かる。
【００１１】
表面が一定のパワー密度で熱せられるバルク基質内の温度分布の基本的な関係は、次の等式で求められる。

等式（１）は、表面熱源の断面の長さより熱の影響を受ける深さが小さい場合である、１次元熱流動に対して有効である。

Ｐ＝放射のパワー
Ａ＝加熱断面積
ｚ＝加熱表面からの距離

ｐ＝材料密度
ｃ＝材料の熱容量

ｓ＝熱拡散により熱の影響を受けた表面からの平均距離
ｚ＝表面からの距離
等式（１）で、異なるｚの値に対して、相関的な温度増加（図３を参照。）が求められる。
ｚ＝０．５＊ｓ：表面温度の３５．４％に達する、表面からの距離
ｚ＝ｓ：表面温度の８．９％に達する、表面からの距離
ｚ＝２＊ｓ：表面温度の０．２％に達する、表面からの距離
面積あたりのヒートパルスの総エネルギーは、次の等式により求められる。

等式（２）、（３）と、等式（５）で、パルス長ｅに対する面積あたりの必要なパルスエネルギーの推算が求められる。

組織と、吸収性層が固定されているバルク基質の両方を熱するのに必要な総エネルギーは、次の等式で求められる。

＝組織（水）の熱の性質に関する”エネルギー限界値”
＝バルク基質の熱の性質に関するエネルギー限界値”
等式（６）から、エネルギー限界は、表面温度と熱パルスの持続時間の既定値と比べて、必要なパルスエネルギーに対して大きい影響を与えることは明らかである。吸収性層のためのバルク基質の材料には、サファイアとクオーツガラスはサーマルチョック耐性に優れており、透明であるため、この２つが主に選択される。組織（水）、クオーツガラス、サファイアの限界値は、それぞれ、１５３０、１４９９、６７４３（ＳＩユニット）である。これらの数字と、バルク基質にサファイアを用いた場合に比べ３７％ですむことから、吸収性層のバルク基質には、クオーツガラスが選択されることは明らかである。
【００１２】
各々のヒートパルス間でバルク基質層に拡散した熱エネルギーは、次のパルスが放出される前に排出されなければならない。さもなければ、次のパルスが放出される前に、探針が組織を予熱してしまうことになる。組織の予熱は望ましくない。ヒートシンクの好適な実施形態は、バルク基質（クオーツ）の被覆されていない面を、十分大きな高い熱伝導率を有するサファイアに固定することである。サファイア本体は、サファイア本体に接触したペルティエ素子を好適に用いて、継続的に冷却されるベきである。サファイア本体は、ビームパスに位置する。好適な実施形態において、サファイア本体は波動ガイドの先端であり、サファイア本体は光学的システムから分離している。バルク基質のサファイア本体への固定が適切な方法でなされるならば、取外し可能な部品としてもよい。例えば、吸収性層に相対する面は、新しい処理が始まるときにバルク基質が簡単に取替えられるように、スズ接着フィルムで作られてもよい。取外し可能なバルク基質は、接触感染体が人から人へ伝わっていくことを防ぐ。
【００１３】
好適には、クオーツからなるバルク基質の厚さは、１０−１０００ｉｍの範囲内であるべきである。最適な厚さは、各々のパルス繰り返し率とパルス持続時間から計算される。
【００１４】
本発明の目的・様々な特徴・動作の詳細・その構造は、以下において添付図面を参照しながらより詳細に述べられる。
【００１５】
【好適な実施の形態の詳細な説明】
図１から図５を参照し、符号１はパルス電磁源、好適には、ガス放出ランプ又はレーザを指す。光源１から発せられる放射線は、適切な光学的システム２を用いることで集中される。電磁源が放出ランプからなる場合、後方に向かう光は、放射状又は長円形の鏡等の後方反射鏡システムを用いて、光学的波動ガイドに再び向けられる。光源の寸法が波動ガイド３の入口形状の大きさに合うならば、白散乱セラミック等の他の様式の後方反射鏡も用いることが出来る。光源がレーザの時、集中光学的システムは通常レンズ配置システムからなる。前方に向かう全ての放射線は、できるだけウェーブガイド３の入口表面に集中される。ウェーブガイドの入口表面の通常の断面積は０．３−３ｃｍ^２である。
【００１６】
ウェーブガイド３は、円形又は矩形の断面積を有する水晶サファイアからなることが好ましい。長円形のような他の形状を用いることもできる。波動ガイドにサファイアを材料として選んだのは、この物質の高い熱伝導率のためである。波動ガイド３の好適な長さは、２０−６０ｍｍの範囲内である。ウェーブガイドの主な機能に、単なる放射線の誘導に加えて、光源１からの放射線場を均一にすることがあるので、大きな断面積であればより長いウェーブガイドが必要である。取外し可能なバルク基質４が、光学的に適した液体の混合物である放射線透明光学的グルー（接着剤）４．６薄層とともに、バルク基質の機械固定手段により、波動ガイドの出口断面に固定される。バルク基質の全ては、個人の医療的処理後、交換可能であるべきである。バルク基質４の断面形状の寸法は、放射線の漏れを防ぐために、ウェーブガイド３の対応する断面積寸法より少し大きくあるべきである。バルク基質４は、クオーツガラス４．１と、放射線吸収性層４．２からな被覆の積層、好適には、厚さ１−１０　ｉｍを有する炭素又は酸化物フィルムの付着層と、０．２−２ｉｍの厚さを有し好適には多結晶サファイアからなる無害で組織とコンパチブルな層から構成される。組織層への熱伝導を高めるために、処理前に、ペースト又は液体の接触をもたらす層が組織６の表皮層４．５に施されるべきである。ペースト又は液体からなる接触をもたらす層４．４は、沸点が少なくとも１００℃であり、好適には、１５０〜２５０℃である。組織麻酔薬は、必要ならば痛みをコントロールするために、ペースト又は液体の中に含有させることができる。層４．２の放射線吸収から生じた過度の熱は、冷却装置をウェーブ波動ガイド３．２の近端に取付けることにより、取除かれるべきである。冷却装置５は、ペルティエユニット又は循環する冷却媒体によって冷却される金属体のどちらでもよい。
【００１７】
本発明は、上記において好適な実施形態が説明されてきたが、添付の請求の範囲に記載されたような本発明の意図と性質から逸脱することなしに、変更できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に用いられる装置の図。前記装置において、引用符号１は、適切な光学的システムにより集中されたレーザのようなパルス電磁源を指す。引用符号３はウェーブガイドを示し、４はウェーブガイドの出口断面に固定される取外し可能なバルク基質である。要素５はペルティエユニットのような冷却装置である。
【図２】熱の影響を受けた皮膚の深さと熱パルスの持続時間のグラフ。
【図３】温度とバルク本体の深さのグラフ。
【図４】皮膚の凝固深さとエネルギーパルスの持続時間のグラフ。
【図５】皮膚を処理する為に、図１の装置が如何に用いられるかを示す図。

Claims

組織の表面層を熱処理するための方法と装置であって、（１）電磁放射線の発生手段と、（２）前記放射線を集中させる手段と、（３）前記電磁放射線エネルギーを薄い吸収性の層における熱に変換する手段と、（４）前記吸収性層で発生する余剰の熱を冷却し、表層のプレクーリングをする手段と、（５）前記吸収性層と加熱されるべき目的の表面との間の熱伝達をする手段とからなる、
方法及び装置。
前記電磁放射線エネルギー発生手段が少なくとも０．１ｉｍのパルス長と最大５００ｍｓの電気ランプである、請求項１の装置。
前記電気ランプがガス式アークランプである、請求項２の方法。
前記電気ランプが前記吸収層に対して０．１−２００Ｊ／ｃｍ^２の範囲の光学的パワー密度を生み出すことができる、請求項２の方法。
前記電磁放射線エメルギー発生手段が少なくとも１ｕｓのパルス長のレーザである、請求項１の方法。
前記レーザ源が高出力ダイオードレーザ装置である、請求項５の方法。
前記電磁エネルギーを熱に変換する手段が厚さ０．１−１０００ｉｍの少なくとも１つの放射線吸収層を有する、請求項１の方法。
前記放射線吸収層が厚さ０．５−５０ｉｍの酸化物又は炭素の層を有する、請求項７の方法。
前記酸化物材料の層がジルコニウム、アルミニウム、ニッケル、亜鉛、インジウム、ストロンチウム、バリウム、シリシウムの少なくとも１つの元素からなる酸化物である、請求項８の構成。
前記複数の層が前記放射線吸収層と物理的に接触させられる熱拡散性の低い少なくとも１つの透明なバルク基質層を有し、該バルク基質の厚さが１−１０００ｉｍである、請求項７の構成。
前記バルク基質がクオーツガラスからなる、請求項１０の構成。
前記バルク基質が該バルク基質と同じ断面の光学的波動ガイドに取り外し可能な接着材で付けられた処分可能な部品である、請求項１０の構成。
前記複数の層が、前記吸収層が組織とコンパチブルでない組成である場合には、前記吸収層の組織がわに付けられた保護コーティングの層を有する、請求項７の構成。
前記保護コーティングの層が組織とコンパチブルな材料からなる、請求項１３の構成。
前記層が、厚さが０．１−１０ｉｍ、好適には０．５−２ｉｍの、水晶（サファイヤ）又はポリ水晶酸化アルミニウムからなる、請求項１４の構成。
前記吸収層の幾何学的構成が面積０．１−５ｃｍ^２の円形、又は矩形である、請求項７の構成。
前記電磁エネルギーを集中させる手段の少なくとも１つが屈折性／拡散性の光学的要素、及び／又は反射性光学要素である、請求項１の構成。
前記電磁エネルギーを熱に変換する手段が電解液供給手段が、前記電磁エネルギーを離れた吸収層に伝えるための少なくとも１つの光学的波動ガイドを含む、請求項１の構成。
前記光学的波動ガイドが、ドープされた及び／又はドープされていない組合せの、クオーツガラス、水晶サファイヤ、フリントガラス、クラウンガラスからなる少なくとも１つの波動ガイド材料による、誘電性波動ガイドである、請求項１８の構成。
前記光学的波動ガイドが、金、アルミニウム、銀のような高度に反射性の金属層で、少なくとも一部がコーティングされている、請求項１８の構成。
前記光学的波動ガイドの末端部が高い熱伝導度と熱拡散性の透明な材料からなり、該波動ガイドの１つの側が前記バルク基質と物理的に接触している、請求項１８の構成。
前記光学的波動ガイドの末端部が水晶サファイヤガラスからなる、請求項２１の構成。
前記光学的波動ガイドの末端部が水晶サファイヤガラスからなる、請求項２１の構成。
前記吸収性層で発生した熱を生物組織表面に伝達する手段が適当な粘度と沸点のゲル又は液体からなる、請求項１の装置。
前記ペースト又は液体がシリコーンオイルをベースとする、請求項２４の構成。
前記ペースト又は液体がハイアルロニック酸をベースとする、請求項２４の構成。
前記ペースト又は液体が皮下浸透の薬品を含む、請求項２４の構成。
前記ペースト又は液体が水又は生理食塩水をベースとする、請求項２４の構成。
前記ペースト又は液体が組織の麻酔剤を含む、請求項２４の構成。
前記ゲル又は液体の沸点が７５−４００℃である、請求項２４の構成。
前記吸収性層で発生する余剰の熱を冷却する手段が前記バルク基質と物理的に接触するヒートシンクからなり、前記吸収層が反対側にある、請求項１の装置。
前記ヒートシンクがペリエ冷却装置からなる、請求項３１の構成。
前記ヒートシンクが冷却液の循環を可能にする内部通路を具えたボディを有する、請求項３１の構成。
前記ヒートシンクが前記バルク基質層を、−２０℃から＋２０℃の温度範囲に冷却する、請求項３１の構成。
前記冷却されたバルク基質層がヒートパルスの前に外部組織の温度を下げる、請求項３４の構成。