JP2007029627A

JP2007029627A - 医療用レーザ装置

Info

Publication number: JP2007029627A
Application number: JP2005220697A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hayashi; 健一林; Takeshi Yamada; 毅山田
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08
Also published as: US20070025401A1; EP1748312B1; DE602006002680D1; EP1748312A1

Abstract

【課題】基本波レーザ光の出力変化に伴って生じる中心波長のシフトに対しても安定した高効率の波長変換を可能にする。
【解決手段】ファイバレーザ１からの基本波レーザ光を可視の第２高調波レーザ光に変換する波長変換素子１３、１５を備え、波長変換された第２高調波レーザ光を患部に導光して治療を行う医療用レーザ装置において、基本波レーザ光の出力を変える出力可変手段と、波長変換素子への基本波レーザ光の入射角度を変化させる波長変換入射角可変手段１４，１６と、第２高調波レーザ光の光軸のずれを補正する光軸補正手段と、基本波レーザ光の出力変化に伴う中心波長のシフトに波長変換を対応させるために前記出力可変手段によるレーザ光の出力変化に基づいて前記波長変換入射角可変手段及び光軸補正手段の動作を制御する制御手段４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、眼科医療分野等で使用される医療用レーザ装置に関する。

眼科医療分野においては、赤外光を発するレーザ光源からの基本波レーザ光を波長変換素子により可視の第２高調波レーザ光に変換し、可視レーザ光により光凝固治療を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３２１５０７号公報

ところで、波長変換素子に入射させる基本波レーザ光のレーザ光源としてファイバレーザを用いる場合、基本波レーザ光の出力変化に伴ってその中心波長がシフトしやすく、波長変換素子による第２高調波への変換効率が低下する問題がある。ラマン誘導によるラマンファイバを使用したものは、特に基本波レーザ光の出力変化に伴う中心波長のシフトが大きい。波長変換後の第２高調波レーザ光の出力を所望のものにするために、波長変換素子の変換効率の低下を見込んで大きな出力のレーザ光源を用意することは、コスト高になる。

本発明は、基本波レーザ光の出力変化に伴って生じる中心波長のシフトに対しても安定した高効率の波長変換が可能な医療用レーザ装置を提供すること技術課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は次のような構成を備えることを特徴とする。

（１）赤外の基本波レーザ光を出射するファイバレーザと、該ファイバレーザからの基本波レーザ光を可視の第２高調波レーザ光に変換する波長変換素子とを備え、波長変換された第２高調波レーザ光を患部に導光して治療を行う医療用レーザ装置において、前記ファイバレーザから出射される基本波レーザ光の出力を変える出力可変手段と、前記波長変換素子の基本波レーザ光の入射角度を変化させる波長変換入射角可変手段と、該入射角度の変化によって前記波長変換素子の内部を通過して出射面から出射する際にレーザ光の屈折により生じる第２高調波レーザ光の光軸のずれを補正する光軸補正手段と、基本波レーザ光の出力変化に伴う中心波長のシフトに波長変換を対応させるために、前記出力可変手段によるレーザ光の出力変化に基づいて前記波長変換入射角可変手段及び光軸補正手段の動作を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
（２）（１）の医療用レーザ装置において、前記光軸補正手段は、前記波長変換素子の出射面から出射する第２高調波レーザの光路に配置された光学部材であって、前記波長変換素子と同じ屈折率及び長さを持つ光学部材と、該光学部材へのレーザ光の入射角度を変える光学部材入射角可変手段とを備え、前記制御手段は前記波長変換素子のレーザ光の入射角度に対して逆方向に同角度だけ前記光学素子の入射角度を変えるように前記光学部材入射角可変手段を制御することを特徴とする。
（３）（１）の医療用レーザ装置において、前記光軸補正手段は、前記波長変換素子の出射面から出射する第２高調波レーザ光の光路に配置された光学部材であって、波長変換された第２高調波レーザ光を透過する光学部材と、該光学部材へのレーザ光の入射角度を変える光学部材入射角可変手段とを備え、前記制御手段は前記光学素子の屈折率と長さとの関係に基づいて前記光学部材入射角可変手段を制御することを特徴とする医療用レーザ装置。
（４）（２）又は（３）の医療用レーザ装置において、さらに前記波長変換素子の温度を変化させる温度可変手段と、患部に導光される第２高調波レーザ光の出力を検出する出力検出手段と、該出力検出手段の検出結果に基づいて前記温度可変手段の動作を制御する温度制御手段と、を備えることを特徴とする医療用レーザ装置。

本発明によれば、基本波レーザの出力変化に伴って生じる中心波長の変化に対しても安定した高効率の波長変換が行える。このため、装置の大型化やコスト高を抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る光凝固レーザ装置の概略構成図である。

図１において、１は赤外域の基本波レーザ光を出射するレーザ光源としてのファイバレーザである。ファイバレーザ１は、複数個の励起用のレーザダイオード（ＬＤ）２と、Ｙｂドープの共振器用ファイバ３とからなり、ファイバ３には共振器を規定する２つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）４ａ，４ｂが形成されている。このファイバ３は、例えば、ＬＤ２からの波長８９０ｎｍの励起光により、中心波長λ１＝１１６０ｎｍのレーザ光を出力するように２つのＦＢＧ４ａ，４ｂが規定されている。ファイバレーザ１から出力される基本波レーザ光の出力は、制御部４０によりＬＤ２の励起光の出力が制御されることにより調整される。

ファイバレーザ１から出射されたレーザ光の光軸Ｌ01には、コリメータレンズ１１、基本波レーザ光（波長λ１＝１１６０ｎｍ）をその第２高調波レーザ光（波長λ２＝５８０ｎｍ）に変換する第１波長変換素子１３及び第２波長変換素子１５、基本波λ１のレーザ光を反射し、第２高調波λ２のレーザ光を透過するダイクロイックミラー１７、レーザ光の一部を反射し、大部分を透過するビームスプリッタ１８、集光レンズ１９、患部へレーザ光を導光する導光体としてのファイバ５０の入射面が順に配置されている。ダイクロイックミラー１７の反射方向には、基本波λ１のレーザ光を拡散させるダンパー３０が配置されている。ビームスプリッタ１８の反射方向には、波長変換された波長λ２のレーザ光の出力を検出するためのセンサ３１が配置されている。

ファイバレーザ１から出力された基本波（中心波長λ１＝１１６０ｎｍ）のレーザ光は、コリメータレンズ１１により平行光又は収束光にされた後、第１波長変換素子１３に入射し、この第１波長変換素子１３により波長λ２＝５８０ｎｍの第２高調波レーザ光に変換される。第１波長変換素子１３で波長変換された第２高調波及び波長変換されなかった残りの基本波は、第２波長変換素子１５に入射する。残りの基本波はさらに第２波長変換素子１５により第２高調波（波長λ２＝５８０ｎｍ）に変換される。第２波長変換素子１５を経た基本波は、ダイクロイックミラー１７で反射されてダンパ３０に向かう。ダイクロイックミラー１７を透過した波長λ２のレーザ光はビームスプリッタ１８でその一部が反射され、波長λ２のレーザ光の出力がセンサ３１により検出される。ビームスプリッタ１８を透過した波長λ２のレーザ光は、集光レンズ１９により導光系のファイバ５０に入射し、デリバリ光学系５２に導光される。デリバリ光学系５２は、リレーレンズ５３、レーザ光のスポットサイズを変更するためのズームレンズ５４、対物レンズ５５、レーザ光を患者眼Ｅに向けて反射させるミラー５６等を備える。デリバリ光学系５２は、スリットランプ６０が持つ双眼の顕微鏡６１に取り付けられている。また、患者眼Ｅは照明部６２により照明される。光凝固治療時には、デリバリ光学系５２から出射したレーザ光は、コンタクトレンズ６５を介して患者眼Ｅの眼底に照射される。

第１波長変換素子１３としては、周期的分極反転構造をもつ擬似位相整合素子（ＱＰＭ素子）が好適に使用される。ＱＰＭ素子の材料としては、LiNbO³，LiTaO³，KTiOPO⁴又は水晶が好適に使用される。ＱＰＭ素子は、非線形光学材料の分極方向がコヒーレンス長毎に交互に反転して擬似位相整合を満たす波長変換素子であり、基本波λ１を効率良く第２高調波λ２に変換するように周期構造が決められている。また、入射面１３ａ及び出射面１３ｂは平行な位置関係で形成されている。第２波長変換素子１５は第１波長変換素子１３と同一のものを使用することができる。ただし、擬似位相整合素子を適用する場合は、波長変換素子１３と波長変換素子１５との間で位相補正を行うことが好ましい。波長変換素子１５をバルクタイプとすれば、位相補正を行わず、装置構成を簡略化することができる。波長変換効率自体は主に第１波長変換素子１３によって確保され、波長変換素子１５は主に光軸ずれを補正するための光学部材として使用される。

ここで、第１波長変換素子１３は、回転中心Ｏ１が光軸Ｌ01上にある回転台１４に搭載されている。この例では、回転中心Ｏ１は第１波長変換素子１３の中央に位置している。回転台１４は、モータやギヤ等で構成される回転機構２０により回転される。回転台１４の回転により、第１波長変換素子１３も回転中心Ｏ１を中心にして回転され、光軸Ｌ01に対する第１波長変換素子１３の入射面１３ａ及び出射面１３ｂの角度が変えられる。同じく、第２波長変換素子１５は、回転中心Ｏ２が光軸Ｌ01上にある回転台１６に搭載されている。回転中心Ｏ２は波長変換素子１５の中央に位置している。回転台１６は回転機構２２により回転される。回転台１６の回転により、光軸Ｌ01に対する第２波長変換素子１５の入射面１５ａ及び出射面１５ｂの角度が変えられる。

また、回転台１４及び１６には各波長変換素子１３，１５の温度を調整するための温度調整器２１，２３がそれぞれ搭載されている。温度調整器２１，２３は、ペルチェ素子で構成できる。各波長変換素子１３，１５は、温度変化によって周期的分極反転構造が変動しないように、それぞれ温度調整器２１，２３によって所定の一定温度で維持される。回転機構２０，２２、温度調整器２１，２３は、制御部４０により制御される。制御部４０には、治療レーザ光の出力や凝固時間などの治療条件等を入力する入力部４１、レーザ照射をトリガスイッチ４２、メモリ４３が接続されている。

次に、ファイバレーザ１からの基本波レーザ光（波長λ１）の出力を変化させたときに、これに伴って生じる基本波の中心波長のシフトに対する対応方法を以下に説明する。

基本波の中心波長λ１（＝１１６０ｎｍ）が長波長側及び短波長側の両者にシフトする場合に対応するために、図２に示すように、波長変換素子１３の入射面１３ａに入射する光軸Ｌ01に対して波長変換素子１３を所定の角度θo（例えばθo＝５度）だけ傾けた状態を基準とする。この基準の角度θoのときに、波長変換素子１３に入射する基本波の波長λ１＝１１６０ｎｍが第２高調波に変換されるように、波長変換素子１３の内部の周期的分極反転構造を設計しておく（後述すように、屈折による光路長の変化も加味して決める）。同様に、波長変換素子１５についても同角度θoだけ逆方向に傾けた状態を基準として設定しておく。

基本波の中心波長が長波長側にシフトした場合を説明する。回転台１４の回転角度θｉを、θｉ＞θoとなるように回転させると、波長変換素子１３の入射面１３ａに対するレーザ光の入射角度（入射面１３ａの垂直方向に対する角度）も角度θｉだけ傾く。基本波レーザ光は、入射面１３ａに傾いて入射することにより入射面１３ａの垂直方向から曲げられ、基準角度θoのときに対して波長変換素子１３の内部をその分だけ長く伝搬されることになる。すると、等価的に長い波長に対応した波長変換のパスが形成されることになる。このとき、中心波長のシフト量に対応した光路長となるように、入射面１３ａの角度θｉを制御することにより、変換効率の低下を抑えた波長変換が可能になる。なお、角度θｉのときに波長変換素子１３の内部を通過する角度θｒ（入射面１３ａの垂直方向に対する角度）は、波長変換素子１３の屈折率が既知であるので、屈折の法則により計算できる。そして、この角度θｒにより波長変換素子１３の内部を伝搬される光路長も計算できる。

ここで、波長変換素子１３が傾けられたことにより、その出射面１３ｂから出射するレーザ光（基本波及び第２高調波）の中心光軸の位置は、当初の光軸Ｌ01からずれることになる。このずれを補正するために、波長変換素子１３と対になる波長変換素子１５を逆方向に角度θｉだけ回転させる。すなわち、回転台１６を回転台１４の回転角度θｉに対して逆方向に角度θｉだけ回転させることにより、波長変換素子１５の入射面１５ａが出射面１３ｂから出射したレーザ光の光軸に対して角度θｉだけ、波長変換素子１３の場合に対して逆方向に傾く。これにより、波長変換素子１５の入射面１５ａから入射したレーザ光（基本波及び第２高調波）は、屈折の方法により角度θｒだけ屈折される。そして、波長変換素子１３と波長変換素子１５の長さが同じであるので、波長変換素子１５の出射面１３ｂから出射するレーザ光の中心光軸は、当初の光軸Ｌ01に戻されることになる。

波長変換素子１５からのレーザ光の中心光軸が元の光軸01に戻されることにより、光路長変更前と同じ状態で、集光レンズ１９によりレーザ光がファイバ３０に入射するので、偏った入射による不利益を解消できる。ファイバ３０にレーザ光の中心光軸が偏ったまま入射すると、その偏りにより、ファイバ３０を通過するレーザ光の伝送効率が落ちる問題がある。また、レーザ光の偏った入射により、ファイバ３０から出射されるレーザ光の強度分布の均一性が失われ、光凝固においては均一な凝固斑が形成されにくくなる問題がある。

基本波の中心波長が短波長側にシフトした場合を説明する。この場合、上記とは逆に波長変換素子１３を通過するレーザ光の光路長を短くなるように波長変換素子１３を回転させる。すなわち、回転台１４の回転角度θｉ＜θo（θｉをθoより小さくする）とすることにより、波長変換素子１３を伝播するレーザ光の光路長が基準角度θoのときに対して短くなり、中心波長の短波長側へのシフトにも対応可能となる。そして、波長変換素子１５を逆方向に角度θｉだけ回転させることにより、波長変換素子１３を傾けたことに伴って生じる光軸ずれを補正することができる。

上記のように波長変換素子１３，１５を回転することにより、基本波の中心波長がシフトする問題に対応できる。この問題の別の対応方法として、波長変換素子１３の温度を変化させて調整する方法が考えられる。しかし、温度調整では基本波の出力を大きく変化させたときに温度も大きく変化させたり、変化させた温度が一定温度で安定するまで時間を要し、レスポンスの点で難点がある。これに対して、上記のように波長変換素子１３，１５の回転で対応する方法においては、モータ等の電気的な駆動で高速に制御できる。

なお、上記の実施形態では波長変換素子１３，１５はそれぞれ温度調整器２１，２３によって所定の温度に維持されるものとしたが、温度調整機能を加えて制御するとさらに都合がよい。例えば、ドリフトなどにより微小な長期にわたる波長のシフト変動に対応するために、センサ３１により検出され第２高調波レーザ光の出力が最大となるように、温度調整器２１，２３で一定に維持する温度を精密に調整することも可能である。

治療時の動作について説明する。治療に際しては、入力部５１によりレーザ照射条件を設定する。治療レーザ光の出力として５０ｍｍＷ〜１．４Ｗの範囲を可能とし、波長変換素子１３，１５による変換効率が２０％とすると、ファイバレーザ１からの基本波レーザ光の出力は、２５０ｍｍＷ〜７Ｗの範囲で調整が必要となる。メモリ４３には、中心波長がシフトするファイバレーザ１の出力変化（ＬＤ２の駆動電流の変化）と前述の各波長変換素子１３，１５を傾ける角度θｉとの関係を記憶させておく。これは予め実験により定めておくことができる。制御部４０は、入力部５１にて治療用可視レーザ光の出力が設定されると、これに対応するＬＤ２の駆動電圧を定めると共に、ＬＤ２の駆動で出射される基本波レーザ光の出力に対応する角度θｉの値をメモリ４３から呼び出し、各回転機構２０，２２の駆動を制御して各波長変換素子１３，１５を傾ける。こにより、基本波の中心波長の変化に対しても安定した波長変換効率が得られる状態で、レーザ照射が可能とされる。

トリガスイッチ４１によりレーザ照射の指令信号が入力されると、制御部４０は、ＬＤ２を駆動してファイバレーザ１から基本波のレーザ光を出射させると共に、ビームスプリッタ１８と集光レンズ１９との間に配置されたシャッタ（図示を略す）を開放する。ファイバ５０には波長変換された可視のレーザ光（第２高調波）が入射する。ファイバ５０に入射するレーザ光の出力はセンサ３１により検出され、制御部４０は設定された出力で安定するように、ＬＤ２の駆動を微調整する。なお、このＬＤ２の微調整に従ってさらに各回転機構２０，２２により各波長変換素子１３，１５の角度を調整すると良い。

本発明は上記の実施形態に限らず、種々の変形が可能である。例えば、図１及び図２において、回転台１４，１６の回転中心Ｏ１，Ｏ２はそれぞれ波長変換素子１３，１５の中央に位置するものとしたが、回転角度が大きく必要な場合には、波長変換素子１３の入射面１３ａ及び波長変換素子１５の出射面１５ｂが光軸Ｌ01から外れる。この対応としては、波長変換素子１３の入射面１３ａに回転中心Ｏ１を位置させ、波長変換素子１５の出射面１５ｂに回転中心Ｏ２を位置させれば良い。

また、波長変換素子１３の内部を通過して出射面１３ｂから出射する際にレーザ光の屈折によって生じる第２高調波レーザ光の光軸のずれを補正する手段としては、波長変換素子１３と同一の波長変換素子１５を使用する変わりに、波長変換素子１３と同一の屈折率及び長さを持ち、且つ入射面と出射面が平行な透明光学部材（少なくとも第２高調波レーザ光を透過する光学部材）を使用しても良い。この場合、透明光学部材の回転制御は、波長変換素子１５と同様に行える。

また、波長変換素子１５に代えて、屈折率が波長変換素子１３と異なる光学部材を使用する場合は、屈折率の違い分をその光学部材の長さ（平行な関係の入射面と出射面の距離）の設定と回転角度（入射面，出射面の傾斜角度）の制御の少なくとも一方で調整すれば良い。図３は、光軸ずれの補正手段として、波長変換素子１５に代えて屈折率が波長変換素子１３と異なる光学部材７０を使用した場合の例である。この例では、波長変換素子１３の入射面１３ａに回転時の中心Ｏ１を位置させ、光学部材７０の出射面７０ｂに回転時の中心Ｏ２を位置させている。なお、図３において、波長変換素子１３及び光学部材７０を回転するための回転台及びその回転機構の図示は略している。

図３において、波長変換素子１３をθｉ1傾けたとき、その内部を通過して出射面１３ｂから出射する際に屈折によって生じる第２高調波レーザ光の光軸のずれを元の光軸01に補正するように、光学部材７０を角度θｉ2だけ傾ける。この傾き角度θｉ2は、光学部材７０の第２高調波の屈折率及び光学部材７０の長さ（入射面７０ａと出射面７０ｂとの間の距離）の関係に基づいて決定される。角度θｉ1に対する角度θｉ2は、予め計算によりメモリ４３に記憶させておけば良い。

上記の説明においては、何れもファイバ５０にレーザ光を入射させる集光レンズ１９の光軸は、ファイバレーザ１から出射した基本波レーザ光の光軸01と同じになるように配置した構成例としたが、両者は必ずしも一致して無くても良い。例えば、集光レンズ１９の光軸が光軸01に対して初めからずれて設計されているときは、集光レンズ１９の光軸に合うように波長変換素子１５や光学部材７０の角度を調整すれば良い。

また、上記では波長変換素子１３，１５及び光学部材７０のそれぞれの入射面と出射面とが平行な位置関係としたが、これに限られるものでは無い。各部材の入射面と出射面とが平行な関係とした場合には、それぞれの出射面からのレーザ光が入射面に入射するレーザ光と平行にずれ、光軸ずれを補正するための傾斜角度の計算をし易くなる。入射面と出射面とが平行でない場合においても、両者の関係が既知であれば、それに応じて各部材の出射面から出射するレーザ光の光軸方向を計算し、これを補正するように波長変換素子１５や光学部材７０等の補正部材の傾斜角度を決めれば良い。

本発明に係る光凝固レーザ装置の概略構成図である。２つの波長変換素子の回転により、基本波の中心波長のシフトに対する対応方法を説明する図である。本発明の変容例を説明する図である。

符号の説明

１ファイバレーザ
２ＬＤ
１３第１波長変換素子
１５第２波長変換素子
５０ファイバ
５２デリバリ光学系
１４，１６回転台
２０，２２回転機構
２１，２３温度調整器
４０制御部
７０光学部材

Claims

赤外の基本波レーザ光を出射するファイバレーザと、該ファイバレーザからの基本波レーザ光を可視の第２高調波レーザ光に変換する波長変換素子とを備え、波長変換された第２高調波レーザ光を患部に導光して治療を行う医療用レーザ装置において、前記ファイバレーザから出射される基本波レーザ光の出力を変える出力可変手段と、前記波長変換素子の基本波レーザ光の入射角度を変化させる波長変換入射角可変手段と、該入射角度の変化によって前記波長変換素子の内部を通過して出射面から出射する際にレーザ光の屈折により生じる第２高調波レーザ光の光軸のずれを補正する光軸補正手段と、基本波レーザ光の出力変化に伴う中心波長のシフトに波長変換を対応させるために、前記出力可変手段によるレーザ光の出力変化に基づいて前記波長変換入射角可変手段及び光軸補正手段の動作を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする医療用レーザ装置。
請求項１の医療用レーザ装置において、前記光軸補正手段は、前記波長変換素子の出射面から出射する第２高調波レーザの光路に配置された光学部材であって、前記波長変換素子と同じ屈折率及び長さを持つ光学部材と、該光学部材へのレーザ光の入射角度を変える光学部材入射角可変手段とを備え、前記制御手段は前記波長変換素子のレーザ光の入射角度に対して逆方向に同角度だけ前記光学素子の入射角度を変えるように前記光学部材入射角可変手段を制御することを特徴とする医療用レーザ装置。
請求項１の医療用レーザ装置において、前記光軸補正手段は、前記波長変換素子の出射面から出射する第２高調波レーザ光の光路に配置された光学部材であって、波長変換された第２高調波レーザ光を透過する光学部材と、該光学部材へのレーザ光の入射角度を変える光学部材入射角可変手段とを備え、前記制御手段は前記光学素子の屈折率と長さとの関係に基づいて前記光学部材入射角可変手段を制御することを特徴とする医療用レーザ装置。
請求項２又は３の医療用レーザ装置において、さらに前記波長変換素子の温度を変化させる温度可変手段と、患部に導光される第２高調波レーザ光の出力を検出する出力検出手段と、該出力検出手段の検出結果に基づいて前記温度可変手段の動作を制御する温度制御手段と、を備えることを特徴とする医療用レーザ装置。