JP2009540973A - レーザー手術用機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、レーザーと、該レーザーのレーザー光を光ファイバに結合させる手段と、を含んで構成されるレーザー手術用機器に関する。
【解決手段】レーザーは固体レーザーであり、該固体レーザーは、最大強度において１１００〜１４００ｎｍの範囲の波長を有するレーザー光を放射することができる。ここにおいて、前記レーザーは、少なくとも２５Ｗの出力を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、レーザー手術用機器に関する。このレーザー手術用機器は、レーザーと、このレーザーのレーザー光を光ファイバに結合するための手段と、を含んで構成される。

レーザー手術に使用されるこのタイプの装置は、例えば独国実用新案第９１１６２１６Ｕ号明細書により周知である。独国特許第４４０８７４６Ｃ２号明細書もまた、バイパス手術に使用されるレーザーカテーテルを開示している。ここでは、例えば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザーに言及している。これらレーザーのレーザー線は１０６４ｎｍである。

本発明の目的は、レーザー手術用機器を改良することである。この目的は、請求項１に係る装置により解決される。
一般に組織のレーザー手術のために、特に肺組織の手術のために、１１００ｎｍと１４００ｎｍとの間の波長が好ましいことが知られている。この波長範囲で、肺組織などの含水組織におけるレーザー照射の吸収が開始され、効率的な組織の切り離し又は切断を可能にすると同時に、多量の血液を供給された組織上で広範な凝固を発生させる。肺組織においては、加えて非常に重要な効果が同時に実現される。即ち、空気瘻孔の溶接である。レーザー装置はこの波長範囲での利用が可能ではあるが、これら装置は通常非常に不便である。なぜなら、例えば、ガスレーザーは通常複雑な水冷を必要とするため、この種類の装置は非常に重量があるか又は非常に出力が小さいからである。

上記波長範囲のレーザー手術のためには、少なくとも２５Ｗの出力を有するレーザーが好ましい。
最近の材料開発により、半導体レーザー又はファイバレーザーのような固体レーザーに対し、レーザー手術、特に肺手術に必要な出力を供給し、１１００〜１４００ｎｍの範囲の波長を発生させることが可能となっている。

１１５０，１１７５，１２００，１２５０，１２７５，１３００，１３０３又は１３１０ｎｍを上回る波長範囲は、特に好ましい。吸水は波長からの影響をあまり受けないため、この波長範囲においては、ある種の波長変動がレーザー照射による異なる手術動作に自動的につながるということはない。他方、レーザー照射は、１３５０，１３３０，１３２５，１３００，１２７５，１２５０，１２２５又は１２００ｎｍの波長を下回るべきでもあるが、これは、上記の波長以上である場合、プラトー範囲が消失するためである。このプラトー範囲では、比較的高い水分含有量の組織（ひいては肺組織も）において、比較的好ましい吸収が行われ、分散に対する吸収の有利な比率となる。

さらに、レーザーは、所定のスペクトルの半値全幅を有するレーザー光を備えると有利である。ここでは、スペクトルのスペクトル領域は、最大強度の半分のときに決定される。半値全幅は、例えば、少なくとも２，３，４，５，７，１０，１２又は１５ｎｍとする。半値全幅の上限は、例えば、２，２３，４，５，７，１０，１２，１５，２０，２５，３０又は４０ｎｍとすることができる。より広範なスペクトル領域を包含することによって、前記装置は小幅の波長変動に反応しないため、手術中におけるレーザー光の一定の手術動作が確保される。他方、スペクトルはあまり広範ではないため、組織で非常に高吸収なスペクトル部分は存在しない。

レーザーの出力は、好ましくは２５Ｗを上回り、この場合、例えば少なくとも８０Ｗの出力が好ましい。
レーザーは、連続発振レーザー又はパルスレーザーのどちらであってもよい。

好ましくは、複数のレーザー素子を含んで構成されるレーザーも有利である。これらは、少なくとも又はまさしく、２，５，１０，１５，１９，２０，２５，３０，３５，３８，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１５０個のレーザー素子とすることができる。個々のレーザー素子は、必要とされる全体の出力よりも低い出力で作動させることができ、これにより、これらレーザー素子の寿命が伸びるか、又は、より大きな出力が可能となる。

さらに、有利に手段が備えられ、それによって、これら個々のレーザー素子のレーザー光線を、１つの共通の光ファイバに結合させることができる。レーザー素子それぞれに対し光ファイバが備えられることも考えられる。これら個々のファイバはその後束ねられ、そして、その光は、光ファイバの終端部においてのみ、光学システムへの結合が可能となる。このようなレーザー光を結合させる手段は、１つ又はいくつかのレンズ或いは反射鏡を含んで構成することができ、ここにおいて、円筒形状のレンズアレイ又は反射鏡を備えることもできる。

個々のレーザー素子又はレーザーは、半導体レーザー或いはファイバレーザーであるか、又は、これらを含んで構成することができる。個々のファイバレーザーは、共通の出力の光ファイバに光を提供するために、例えば束ねた状態で配置することができる。１つ又はいくつかのファイバ結合器も備えることができ、これにより２つ以上のファイバの光が１つのファイバに結合される。

要求出力は、半導体レーザーにより、所望の波長範囲において達成することもできる。この目的のために、複数のレーザー素子の光を、光線光学システムを介して光ファイバに結合させる。

半導体レーザーは、電気的又は光学的に励起させることができる。光励起は、例えば、１１００ｎｍより短い波長の他の半導体レーザーによって、実行することができる。ファイバレーザーは、本明細書に記述するように、例えば半導体レーザーダイオードなどによって、通常光学的に励起される。通常、励起レーザーの波長は、１１００ｎｍより短いが、しかし、少なくともファイバレーザーの波長よりは短い。

そのレーザーを、量子ドットレーザー又は量子薄膜レーザーとすると有利である。このようなレーザー素子により、妥当な量のレーザー素子を使用することで、所望の波長範囲において要求出力を備えることができる。

このような量子ドットレーザーは、ＧａＡｓＡｌＧａＡｓ材料系をベースとし、量子ドットレーザーの量子ドットは、量子薄膜（トラフとも称す）内に備えることができる。その結果、量子ドット領域内における電荷担体の閉じ込めが、量子薄膜内における電荷担体の閉じ込めによって改良される。

しかし、量子ドットは、量子薄膜を使用することなく、又は、形成の予想される量子薄膜の外部に提供することもできる。
量子ドットは、ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＮ或いはＧａＩｎＳｂ、を含んで構成するか、又は、これら量子ドット材料から構成することができる。量子ドットはバンドギャップを有するが、これは周囲の量子ドット材料よりも小さいため、それによって、電荷担体はエネルギー準位へ導かれる。ここで、エネルギー準位は、レーザー波長が量子ドット材料のバンドギャップに対応しない場合においても、レーザー波長が実現可能となるように、複数のエネルギー準位の中から量子ドットの粒径に応じて予め定められる。

半導体レーザーの導波路は、半導体材料の内部における光の誘導を決定する。レーザー手術用機器に使用されるレーザーにとっては、比較的広範な導波路が好ましい。これは、光が半導体材料の内部で広範囲に広がり、そして、このような不均一性が、こうして量子ドット、量子薄膜又は他の境界面の形成による高出力を、例えば境界面又は境界面欠陥での散乱或いは量子点での散乱によって阻害しないことによる。

導波路は、少なくとも２００，２５０，３００，４００，５００又は６００ｎｍの幅を有し、導波路の内部と導波路の外部との間の屈折率により決定される。導波路は、好ましくは、横の光モードのみが開始するように形成される。しかし、境界明瞭なビームプロフィルを失うことなくより高い出力が可能となるため、２つ又は３つの横モードもまた備えられる。

導波路は、Ｇａ_ｘＩｎ_{（１-ｘ）}Ａｓ_ｕＰ_ｖＮ_ｗＳｂ_{（１−ｕ−ｖ−ｗ）}を含んで構成するか、又は、これらから構成することができる。この場合、ｘ，ｕ，ｖ及びｗは、０から１までの値、及び、これらのすべての中間値、又は、すべての可能な中間区間にある値、を採用することができる。また、ｕ＋ｖ＋ｗは１以下である。

半導体レーザーは、量子薄膜レーザーとすることもでき、量子薄膜は、Ｇａ_ｕＩｎ_１−ｕＡｓ_ｘＮ_ｙＰ_{1−ｘ−ｙ}を含んで構成するか、又は、これから構成することができる。この場合、ｕ，ｘ及びｙは、ｘ＋ｙが１以下である限り、０から１までの値、又は、これらのすべての中間値、又は、すべての可能な中間区間にある値、を採用することができる。そのような材料により、所定の波長範囲で所望の出力を得ることができる。これは、比較的多くの量のレーザー素子を組み合わせることによって実行され、その結果、レーザーにおける所望の全出力は到達可能に思われる。

ＳＳＤ層もまた、所望の波長範囲において高性能レーザーを発生させるうえで、有効である。これらの層において、結晶はディスク形状を有し、一側面に鏡を備えている。レーザーは、その反対側に出てくる。このようなディスクは、高出力が可能となるように、非常に強く冷却することができる。

いずれにせよ、複数のレーザー素子の光を結合するための円筒形状のレンズ又はレンズアレイ或いは反射鏡は、有利である。
前記機器は、光ファイバを着脱可能に接続することができる連結器を含んで構成される。手術の間に、光ファイバは容易に汚染されるため、それらは交換可能であるべきである。

光ファイバは、その操作を簡素化させるため、ハンドル部を有利に含んで構成される。光学システムをハンドル部内に備えることもでき、これにより光ファイバから出てくる光の焦点は焦点上に合致される。しかし、これは必須なものではないが、これは、直径数ミリメートルの照射部は、光学システムを使用することなく達成可能なためである。

光学システムも、好ましくは交換可能である。一方では、光学システムもまた多少汚染されるが、他方では、異なる光学システムにより、異なる作動距離、及び、異なる焦点のサイズ、を達成することができる。

前記機器は、レーザー又は該機器を冷却するための空冷をさらに含んで構成される。空冷が半導体レーザーにとって十分であると考えて、水冷はここでは備えられていないが、しかし、水冷も除外されるものではない。

前記機器は、温度制御手段をさらに含んで構成され、これにより半導体レーザーの温度を調整することができる。これは、例えばペルチェ素子を含んで構成することができる。これは、廃熱を放出するのに役立つ一方で、放射光の波長を、温度により調整することもできる。ペルチェ素子は、水又は空気によって冷却可能である。ペルチェ素子を使用しない水冷も可能であり、また、極めて小規模な水冷とすることもできる。

本発明の好ましい実施態様は、添付された図により説明される。

図１は、レーザー手術用機器を示す。 図２は、光ファイバの遠位末端の概略断面図を示す。 図３は、半導体レーザーの配置、結合光学システム、及び、ファイバの末端の、概略立体図を示す。 図４ａは、レーザー配置の概略三次元視界を示す。 図４ｂは、異なるレーザーバーからの光を束ねることができる配置構成の平面図を示す。 図４ｃは、異なるレーザーバーからの光を束ねることができる配置構成の正面図を示す。 図５は、半導体量子ドットレーザーの構成の概略図を示す。 図６は、レーザーの典型的なスペクトルを示す。

図１は、レーザー手術用機器を示す。該機器は、プラグ９付きの光ファイバ３が結合可能な連結器８を備えた筐体２を含んで構成される。光ファイバ３の末端には、ハンドル部４が配設されている。筐体２はまた、空冷のための冷却器５を備えている。

図２は、ハンドル４を備えた光ファイバ３の末端を、断面図で概略的に示す。光ファイバ３は、光学システム７（単一レンズ７で象徴的に示される）が配設された着脱可能な光学システムホルダ６内まで伸びている。光ファイバ３から出力される光はこの光学システムにより束ねられ、その結果、作動距離ｄにおいて半値全幅ｂの焦点が形成される。光ファイバ３は、光を導くファイバコア及びコーティングを備えている。好ましい作動距離ｄは、数センチメートルである。特に好ましい作動距離は、１〜５ｃｍであり、例えば、１．５ｃｍ（±０．５ｃｍ）又は２．５ｃｍ（±１．０ｃｍ）又は３．５ｃｍ（±１．０ｃｍ）又は４．５ｃｍ（±０．５ｃｍ）である。集束範囲の半値全幅ｂは、数ミリメートルである。焦点のビーム径は、例えば０．５ｍｍである。

図３は、連結器８を備えた筐体２の一部を示す。ここでは、レーザー１３の光が結合する内側の光ファイバ１０のファイバ末端１１を、概略的に示す。ここでは、レーザー１３は、レーザーバーとして設計されている。レーザーバー１３と光ファイバ１０の末端１１との間には、結合光学システム１２が備えられ、それによって、発散してバー１３から出力された光は、光ファイバの末端１１へ向かうにつれて束ねられる。結合光学システムは、円筒形状のレンズ又は円筒形状の反射鏡を含んで構成することができる。例えばシリンダーレンズアレイ１９が好ましく、ここにおいて、シリンダーレンズアレイの１つのシリンダーレンズ素子を、各々のレーザー素子に対応させるのが好ましい。

図４ａは、バー１３を概略的に示す。各種の半導体レーザー素子１４は前記バーに配設され、ここにおいて、非常に発散性のあるレーザー光線１５が各々の素子１４から出力される。

図４ａのバー１３では、レーザー素子１４は、並列に配設されている。このようなレーザーバーは、最大で１０，１５，２０，２５，３０，３５，４０，４５又は５０個のレーザー素子１４を含んで構成することができる。

図４ｂ及び４ｃは、異なるレーザーバーからの光を束ねることができる配置構成を平面図及び正面図で示している。２本のバー１３ａ及び１３ｂが、高さをずらすように配設されている。それらは各々１つの反射鏡１６ａ，１６ｂへ向けて光を放射し、これらも高さをずらすように配置される。追加のシリンダーレンズアレイを、バー１３ａ，１３ｂと反射鏡１６ａ，１６ｂとの間に配設し、（少なくともおおよそ）平行な光線１５を得ることができる。反射鏡１６ａ，１６ｂにより反射された光線は、平行にかつ重合して延伸し、その結果、これらの焦点を１つの結合光学システム１２によって合致させることができる。結合光学システム１２とレーザーバー１３ａ，１３ｂとの間の光路は、おおよそ等しい距離が有利である。

図５は、半導体ファイバの層状構造の概略図を示す。クラッド層２１は、基板２０上で成長する。この層上に光学導波路が形成される。該光学導波路は、クラッド層より高い屈折率を有する。このように、光学導波路は、半導体材料内部で光モードを導く。種々の層２３が光学導波路内に配設されるが、これは、量子薄膜であってもよい。これらの量子薄膜２３に、レーザーのレーザー波長を決定する量子ドットを配置することもできる。

量子薄膜を使用することなく、量子ドットのみを備えることもできる。
量子ドットは、量子ダッシュの形状とすることもできる。これらは、長く伸びた六角形などのような楕円形状を有する量子ドットである。

光学導波路上にはさらなるクラッド層２４が塗布され、さらに、カバー層２５も光学導波路上に配置されている。基板２０及びクラッド層２１には、好ましくは同一のドーピングが施されている。クラッド層２４とカバー層２５には、逆のドーピングが施されている。光学導波路は、例えば５００ｎｍの幅を持ち、したがってＬＯＣ（大型の光キャビティ）に指定することができる。クラッド層は、例えばＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓを含んで構成するか、又は、これから構成することができる。アルミニウム含有量及びこれらの層の厚さは、適切に適合させることができる。前記厚さは、例えば１．６ｍｍとすることができる。

一般的に、高いレーザー出力を達成するために、δドープされた層を活性領域に備えることができる。
光学導波路は、例えば、ＧａＡｓとするか、又は、これを含んで構成することができる。アルミニウム、インジウム、リンなどを、それに添加することができる。そのバンドギャップは、クラッド層２１，２４より小さい。光学導波路２３ａ及び２３ｂの材料は、望ましくはドープされていない。

量子ドットを例えばＩｎＧａＡｓで形成する場合、ドットのインジウム含有量が相当高ければ、それらをＩｎＧａＡｓ量子薄膜内に形成することもできる。
量子薄膜２３は、量子ドットを使用することなく形成することもできる。例えば、ＧａＩｎＡｓＮは、薄膜材料として備えられる。これら材料層は、ＧａＡｓとＧａＩｎＡｓとの間に配置することができる。両方の量子薄膜材料及びこれらの境界は、アンチモン（Ｓｂ）又はリンにより適合させることができる。それによって、より具体的に要求される波長を、調節することができる。

ＧａＩｎＡｓＮに代えて、ＧａＩｎＡｓＰを量子薄膜又は量子ドット材料として使用することもできる。
図６は、レーザー機器から出力されたレーザー光の典型的なスペクトルを示す。図６においては、ナノメートル単位の波長上に、強度が任意の単位で示されている。そこで示されるスペクトルは、最大１０ナノメートルの半分の値における全幅波長（半値全幅）及び１３２０ナノメートルの中心波長を有している。

１ レーザー手術用機器
３ 光ファイバ
４ ハンドル部
５ 冷却器（空冷装置）
７ 光学システム
８ 連結器
１０ 光ファイバ
１１ ファイバ末端
１２ 結合光学システム
１３ レーザー
１４ レーザー素子
２３ 量子薄膜

Claims (25)

1. レーザーと、
   該レーザーのレーザー光を光ファイバへ結合させる手段と、
   を含んで構成されるレーザー手術用機器であって、
   前記レーザーは固体レーザーであり、該固体レーザーはレーザー光を照射可能であり、該レーザー光は最大強度において１１００〜１４００ｎｍの範囲の波長を有し、
   ここにおいて、前記レーザーは、少なくとも２５Ｗの出力を有するレーザー手術用機器。
2. 前記最大強度における波長範囲は、１１５０，１１７５，１２００，１２５０，１２７５，１３００，１３０８又は１３１０ｎｍを上回る請求項１に記載のレーザー手術用機器。
3. 前記最大強度における波長範囲は、１３７０，１３５０，１３３０，１３２５，１３００，１２７５，１２５０，１２２５又は１２００ｎｍを下回る請求項１または請求項２に記載のレーザー手術用機器。
4. 前記レーザー光のスペクトルの半値全幅は、最小で２，３，４，５，７，１０，１２又は１５ｎｍである請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
5. 前記レーザー光のスペクトルの半値全幅は、最大で２，３，４，５，７，１０，１２，１５，２０，２５，３０，４０ｎｍである請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
6. 前記レーザーの出力は、少なくとも３０，３５，４０，４５，５０，６０，７０，８０，９０又は１００Ｗである請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
7. 前記レーザーは、連続発振レーザー又はパルスレーザーである請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
8. 前記レーザーは、複数のレーザー素子、例えば少なくとも或いは正確に２，５，１０，１５，１９，２０，２５，３０，３５，３８，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１２０又は１５０個のレーザー素子、を含んで構成される請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
9. 前記個々のレーザー素子のレーザー光を共通の光ファイバへ結合させる手段を備えた請求項８に記載のレーザー手術用機器。
10. 前記固体レーザーは、ファイバレーザーであるか、又は、これを含んで構成される請求項１〜請求項９のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
11. 前記固体レーザーは、半導体レーザーであるか、又は、これを含んで構成される請求項１〜請求項１０のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
12. 前記レーザー又は前記レーザー素子は、量子ドットレーザー又は量子薄膜レーザーであるか、或いは、量子ドットレーザー又は量子薄膜レーザーを含んで構成される請求項１１に記載のレーザー手術用機器。
13. 前記量子ドットレーザーは、ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ、又は、ＩｎＰ及びＡｌＧａＡｓＰを含んで構成される請求項１２に記載のレーザー手術用機器。
14. 前記量子ドットレーザーは、量子薄膜の内部又は量子薄膜の外部に量子ドットを含んで構成されるか、或いは、量子薄膜を使用せずに光学導波路材料の内部に量子ドットを含んで構成される請求項１２または請求項１３に記載のレーザー手術用機器。
15. 前記量子ドットは、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ，Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙ，Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ_ｙＮ_１−ｙ、又は、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂを含んで構成されるか、又は、これらから構成され、
    ここにおいて、ｘ及びｙは、０から１までの値を採用可能である請求項１２〜請求項１４のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
16. 前記半導体レーザーの光学導波路は、最小で２００，２５０，３００，４００，５００又は６００ｎｍの幅を有する請求項１１〜請求項１５のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
17. 前記光学導波路は、Ｇａ_ｘＩｎ_{（１−ｘ）}Ａｓ_ｕＰ_ｖＮ_ｗＳｂ_{（１−ｕ−ｖ−ｗ）}含んで構成されるか、又は、これから構成され、
    ここにおいて、ｘ，ｕ，ｖ及びｗは、０から１までの値、及び、これらのすべての中間値、又は、すべての可能な中間区間にある値、を採用可能であり、
    かつ、ｕ＋ｖ＋ｗは１以下である請求項１１〜請求項１６のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
18. 前記量子薄膜レーザーは、量子薄膜を含んで構成され、
    該量子薄膜は、Ｇａ_ｕＩｎ_１−ｕＡｓ_ｘＮ_ｙＰ_{（１−ｘ−ｙ）}を含んで構成されるか、又は、これから構成され、
    ここにおいて、ｙは、ｘ＋ｙが１以下である限り、０から１までの値、又は、これらのすべての中間値、又は、すべての可能な中間区間にある値、を採用可能である請求項１２に記載のレーザー手術用機器。
19. 前記固体レーザーは、ディスクレーザーであるか、又は、これを含んで構成される請求項１１〜請求項１８のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
20. 前記光ファイバを着脱可能に接続するために、連結器を備えた請求項１〜請求項１９のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
21. 着脱可能な光ファイバを含んで構成される請求項１〜請求項２０のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。
22. 前記光ファイバは、ハンドル部を含んで構成される請求項２１に記載のレーザー手術用機器。
23. 前記光ファイバの遠位末端に、光学システムを備え、
    これにより光の焦点を、該光ファイバの末端から１〜６ｃｍ、好ましくは１〜５ｃｍ、さらに好ましくは１．５〜３ｃｍ、の距離に形成可能であり、
    ここにおいて、前記光学システムは、好ましくは交換可能である請求項２１または請求項２２に記載のレーザー手術用機器。
24. 前記光学システムは、０．７〜０．７ｍｍ、好ましくは０．３〜０．６ｍｍ、さらに好ましくは０．４〜０．５ｍｍ、の半値全幅を有する焦点を形成する請求項２３に記載のレーザー手術用機器。
25. 前記レーザーを冷却用空気により冷却させる空冷装置を備えた請求項１〜請求項２４のいずれか１つに記載のレーザー手術用機器。