JP2014528804A - 手術用レーザ切断デバイス - Google Patents

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Abstract

電磁切刃を与えるための手術用ハンドピースを提供する。ハンドピースは、入力端及び出力端を有する本体部分と、所定の波長範囲内の波長を有するレーザエネルギを受け入れるための複数の光ファイバであって、入力端で本体部分に受け入れられ、かつ出力端まで延びる複数の光ファイバと、複数の光ファイバを出力端で所定の切断形状に配置するために本体部分内にある光ファイバ移行領域とを含み、出力端に配置された光ファイバから伝達されるレーザエネルギは、手術ターゲットの近くで流体分子と相互作用し、切断効果をもたらす微小爆裂を発生させる。【選択図】 図３Ｂ

Description

〔関連出願への相互参照〕
本出願は、２０１１年１０月３日出願の米国特許仮出願第６１／５４２，７１２号の優先権を主張する２０１２年１０月３日出願の米国特許出願第１３／６３３，９６７号の優先権を主張するものであり、これらの内容全体は、これにより引用により組み込まれる。
本明細書に説明する技術は、一般的に医用レーザに関し、より具体的には、医用レーザの外科用途に関する。
硬い組織又は骨の切除又は切断において、整形外科及び口腔外科のような用途に典型的に使用される手術器具は、高速振動鋸、手引き鋸、又はチゼルを含む。例えば、図１に示すのは、手で作動させることができ、又は比較的大きい骨を切り通すためにモータにより振動させることができる振動鋸である。ハンドル１０は、ハンドルの端部に配置された切刃２０を有する。移動方向３０に垂直な鋸引き運動を使用して、骨組織４０を通して鋸で切断することができる。これらのようなデバイスは、摩擦を使用して切断効果を生成する。しかし、摩擦は、熱を生じ、熱は、熱壊死によって切断ゾーンの近くの細胞を死滅させる可能性がある。
本明細書に提供する教示により、電磁切刃を与えるための手術用ハンドピースを開示する。ハンドピースは、入力端及び出力端を有する本体部分と、所定の波長範囲内の波長を有するレーザエネルギを受け入れるための複数の光ファイバであって、入力端で本体部分に受け入れられ、かつ出力端まで延びる複数の光ファイバと、複数の光ファイバを出力端で所定の切断形状に配置するために本体部分内にある光ファイバ移行領域とを含み、出力端に配置された光ファイバから伝達されるレーザエネルギは、手術ターゲットの近くの流体分子と反応し、切断効果をもたらす微小爆裂を発生させる。
手によって作動させることができ、又は比較的大きい骨を切り通すためにモータにより振動させることができる振動鋸を示す図である。 骨又は他の硬い生体物質を切断するのに使用することができる例示的なレーザハンドピースデバイス１００を示す図である。 例示的レーザハンドピースデバイス１００の側面図である。 例示的レーザハンドピースデバイス１００の上面図である 円筒形状を有する例示的ハンドピースを示す図である。 移行領域１２０を示す図である。 光ファイバを扇形に広げるための例示的ハウジング１２６を示す図である。 コリメートレーザ源からのコリメート光１３２を手持ち式デバイスに入る個々の光ファイバに分散させるための例示的システムを示す図である。 ミラー１３４の走査速度を制御するための例示的な制御信号を示す図である。 ミラー１３４の走査速度を制御するための例示的な制御信号を示す図である。 ミラー１３４の走査速度を制御するための例示的な制御信号を示す図である。 例示的ハンドピース１４２から分配される電磁エネルギ１４０を平行化（コリメート）することができ、従って、それが手術ターゲット１４６での切断ゾーン１４４に向けて伝播する時にゆっくり広がることになることを示す図である。 電磁エネルギが分配される時に、より広い若しくはより厚い切断ゾーンを生成させるために、より大きな広がりをもたらすよう、ハンドピース１４２の端部１４８に適用することができる様々な先端を示す図である。 流体入口１６０と気体入口１６２とを有する例示的ハンドピース１５８を示す図である。 ハンドピース内の水出口１６４のための例示的な位置を示す図である。 ハンドピースの出力端での光ファイバの例示的構成を示す図である。 ハンドピースの出力端での光ファイバの例示的構成を示す図である。 ハンドピースの出力端での光ファイバの例示的構成を示す図である。 ハンドピースの出力端での光ファイバの例示的構成を示す図である。 ハンドピースの出力端での光ファイバの例示的構成を示す図である。 ハンドピースの出力端での光ファイバの例示的構成を示す図である。 ＡからＣは歯冠を歯冠調製に向けて分割する例を示す図である。
図２には、骨、歯、又は他の硬い生体物質を切断するのに使用することができる例示的レーザハンドピースデバイス１００が示されている。ハンドピース１００は、電磁誘導破断カッターとして機能する電磁送出デバイスである。ハンドピース１００は、電磁エネルギ１０２をレーザエネルギのビームの形態で骨、歯、又は他の硬い生体物質のような手術ターゲット１０４に接近した相互作用ゾーンに誘導する。水粒子のような流体粒子１０６も相互作用ゾーンに誘導される。
レーザエネルギ１０２は、相互作用ゾーン内の流体粒子１０６及び生体ターゲット内に含まれた水分子と相互作用する。レーザエネルギは、流体粒子により吸収され、かつ流体粒子１０６及び水分子を励起し、従って、流体粒子及び水分子の連続した微小爆裂が発生する。これらの微小爆裂は、機械的な破断力を生成する。生体ターゲットに印加された時の破断力により、切断効果がターゲットの表面上に生じる。
レーザエネルギ１０２は、微小爆裂を水分子内に励起するのに十分ではあるが、生物組織を損傷するのに十分なレベルではない、波長及びエネルギレベルにある。例示的システムでは、レーザパルス当たりの全レーザエネルギ（全てのファイバによって放出されるエネルギ）の典型値は、約０．０５Ｊから約２．０Ｊに及ぶ場合があり、エネルギは、約２．７５μｍから約３．００μｍの範囲の波長で生成することができる。
相互作用ゾーンに注入された流体粒子は、いくつかの目的を果たす。流体粒子の一部分は、光のビームを吸収し、爆裂して機械的な破断力をターゲットに与える。流体粒子の残りの部分は、ターゲット区域の近くの生細胞が細胞壊死及び死滅をもたらす極熱に露出されないように、爆裂部を取り囲む温度を低減する。
隣接する細胞壊死のない非常に効率的な組織切断は、この技術を使用して達成することができる。例示的システムでは、個々のビームは、同一平面において互いと平行に配置され、連続して発射されるビームの直線状セグメントがターゲットで生成される。それは、組織を切り開くために使用される手動による掃引アクションの可能性を低減し、従って、効率的かつ正確にサイズ設定された切断部が得られる。
ハンドピース１００は、レーザエネルギを生成する電磁エネルギ源１０８（すなわち、レーザエネルギ源）に結合される。電磁エネルギ源１０８は、ミラーと、レンズと、生成されたレーザエネルギを平行化して集束させる他の光学構成要素とを含むデバイスを含むことができる。生成されたレーザエネルギは、ハンドピース１００の内部に延びる複数の光ファイバ１１０を通じてハンドピース１００に送出される。
電磁エネルギ源１０８は、様々な異なるレーザ、又は他の光源を含むことができる。電磁エネルギ源１０８は、約２．７０から２．８０μｍの範囲内の波長を有する光を発生させるエルビウム、クロム、イットリウム、スカンジウム、ガリウムガーネット（Ｅｒ、Ｃｒ：ＹＳＧＧ）固体レーザを使用することができる。他の例に使用されるレーザシステムは、２．９４μｍの波長を有する放射線を発生させるエルビウム、イットリウム、アルミニウムガーネット（Ｅｒ：ＹＡＧ）固体レーザ、２．６９μｍの波長を有する放射線を発生させるクロム、ツリウム、エルビウム、イットリウム、アルミニウムガーネット（ＣＴＥ：ＹＡＧ）固体レーザ、約２．７１から２．８６μｍの範囲内の波長を有する放射線を発生させるエルビウム、オルトアルミン酸イットリウム（Ｅｒ：ＹＡＬ０３）固体レーザ、２．１０μｍの波長を有する放射線を発生させるホルミウム、イットリウム、アルミニウムガーネット（Ｈｏ：ＹＡＧ）固体レーザ、２６６ｎｍの波長を有する放射線を発生させる４倍ネオジム、イットリウム、アルミニウムガーネット（４倍Ｎｄ：ＹＡＧ）固体レーザ、１９３から３０８ｎｍの波長を有する放射線を発生させるエキシマレーザ、約９．０から１０．６μｍの範囲内の波長を有する放射線を発生させる二酸化炭素（ＣＯ２）レーザ、及び約４００から１５５０ｎｍの範囲内の波長を有する放射線を発生させる半導体ダイオードレーザを含む。
図３Ａには、例示的レーザハンドピースデバイス１００の側面図が示されている。ハンドピース１００は、入力端１１２と出力端１１４を含む。入力端１１２は、電磁エネルギがハンドピース１００に送出されるいくつかの光ファイバ１１６を受け入れる。手術ターゲットでの相互作用ゾーンに誘導されるレーザビームは、出力端１１４でハンドピースを出る。図示のデバイスでは、ハンドピースの高さは、出力端よりも入力端の方が大きい。この構成は、例示的なデバイスでは入力端でいくつかの光ファイバが蜂の巣形状の束でハンドピースに入ることを反映している。ハンドピース内の移行領域１２０では、光ファイバは、蜂の巣形状の束から平坦化された配置に移行し、出力端では、光ファイバは、光ファイバの平らな並行列に配置される。
図３Ｂには、例示的レーザハンドピースデバイス１００の上面図が示されている。この図は、光ファイバの平らな並行列までの光ファイバ束の平滑化を示している。この例では、ハンドピースの幅は、入力端よりも出力端の方が大きく、更に、蜂の巣形状の束から平らな配置までの光ファイバの移行が強調されている。
レーザハンドピースデバイスの他の物理的構成を作成することができる。図３Ｃには、円筒形状を有する例示的ハンドピースの図が示されている。入力端では、いくつかの光ファイバ１１６は、蜂の巣形状の束でハンドピースに入る。ハンドピース内の移行領域１２０では、光ファイバは、蜂の巣形状の束から平坦化された配置に移行する。出力端では、光ファイバは、光ファイバの平らな並行列に配置される。この例示的なデバイスの直径は、入力端で光ファイバの蜂の巣形状の束を、そして出力端で平らな配置を受け入れるのに十分である。
図４Ａには、移行領域１２０の図が示されている。束直径ｄを有する１束の光ファイバ１１６が移行領域に入る。光ファイバは、移行領域において束から分離され、光ファイバの扇形の広がり１２２が発生する。光ファイバは、ｄよりも大きさが大きい幅ｗを有する光ファイバ１２４の平らな並行列に配置された移行領域を出る。
図４Ｂには、光ファイバを扇形に広げる例示的ハウジング１２６が示されている。ファイバは、低ＯＨ水晶、酸化ゲルマニウム、フッ化アルミニウム、又はサファイアのような材料で製造することができる。ハウジング１２６は、ガラス、ガラス繊維、ステンレス鋼、又は他の適切な材料から製造することができる。ハウジング１２６は、入力開口部１２８で光ファイバ束を受け入れ、かつ出力開口部１３０で光ファイバの平らな並行列を分配することができる。ハウジング１２６は、光ファイバが束から分離して扇形に広がることを可能にする２つの開口部１２８、１３０間の移行領域を有する。
レーザハンドピースは、様々な数のファイバ、ファイバ寸法及び形状で構成することができる。例えば、ハンドピースは、１ｃｍの骨を切断する１０本のレーザビームを放出する約１０本のファイバを含むことができる。別の例として、５０本のビームを放出する約５０本のファイバを５ｃｍの骨の切断に使用することができる。
ファイバ内の光は、非常に集中された光を各光ファイバで生成するために平行化され、そして集中される。図５Ａに、コリメートレーザ源からのコリメート光１３２を手持ち式デバイスに入る個々の光ファイバに分散させる例示的システムが示されている。１つ又はそれよりも多くのミラー１３４又はプリズムは、コリメート出力源から光ファイバへの入力が位置する特定の領域１３６にコリメート光を誘導する。ミラーは、個々のファイバ内の出力が同じであるように制御方式で出力を複数のファイバに分散する。ミラーは、周期的又は非線形方式で制御することができるが、コリメート光からのエネルギが様々な光ファイバに均一に分散されることを保証するように制御される。これにより、レーザエネルギがハンドピースを出る時のその均一な分布が可能となる。この例示的システムでは、走査ビームは、距離Ｌ２での幅Ｗｌ＝〜２から５ｃｍと走査幅Ｗ２＝〜２から５ｃｍとを有する。走査幅ＷｌをＷ２に対して調節することにより、光ファイバに入る光の出力密度を調節することができる。
図５Ｂから図５Ｄには、ミラー１３４の走査速度を制御する例示的な制御信号が示されている。図５Ｂは、三角形の制御信号の使用を示している。図５Ｃは、より高い周波数の三角形の制御信号の使用を示している。図５Ｄは、非線形の制御信号の使用を示している。
図６Ａに示すように、例示的ハンドピース１４２から分配された電磁エネルギ１４０は、平行化することができ、従って、手術ターゲット１４６での切断ゾーン１４４に向けて伝播する時にゆっくり広がることになる。図６Ｂに示すように、様々なレンズ先端をハンドピース１４２の端部１４８に適用して、電磁エネルギが異なる切断ゾーンに分配される時に電磁エネルギの様々な広がりを引き起こすことができる。レンズ先端は、より明瞭な切断に引き起こすために使用することができる。テーパ形状の先端１５０を使用して、電磁エネルギがハンドピースを出る時にそれを側面に誘導することができる。矩形先端１５２の使用は、電磁エネルギがハンドピースを出る時にそれを広げない場合がある。丸い先端１５４を使用して、電磁エネルギをハンドピースから特定の距離で集束させることができる。様々な形状を有する先端の使用は、歯科における歯周ポケット又は歯根管系、又は脊柱内の椎間板区域におけるような接近し難い区域において特に興味の対象となると考えられる。
図７Ａには、流体入口１６０と気体入口１６２とを有する例示的ハンドピース１５８が示されている。ハンドピース１５８は、図７Ｂでも示すように、ファイバ１６６間に及び／又はその周りに水出口１６４も含む。流体入口１６０を通して水のような流体を投入し、かつ気体入口１６２を通して強制空気のような加圧気体を投入することにより、ハンドピース１５８は、電磁エネルギをターゲットに向けて誘導するだけではなく、出口１６４を通して流体粒子をターゲットで排出することができる。従って、ハンドピースは、相互作用ゾーンに流体粒子を注入するための流体ルータとしても機能することができる。
図８Ａから図８Ｄには、ハンドピースの出力端での光ファイバの例示的配置が示されている。図８Ａは、標準的な切断長さをもたらすことができる配置を示している。図８Ｂは、湾曲又は非線形の切断をもたらすことができる配置を示している。図８Ｃは、より長い切断長さをもたらすことができる配置を示している。図８Ｄは、より広い切断区域をもたらすことができる配置を示している。図８Ｅは、円形の切断をもたらすことができる配置を示している。図８Ｆは、傾斜した切断をもたらすことができる配置を示している。これらの例は、最適切断パターンを生成するために光ファイバを様々な形状及び長さに配置することができることを示している。
図９のＡからＣには、垂直（図９Ｂ）及び水平（図９Ｃ）切断先端による歯冠分割の例が示されている。
この文書の記述は、最良のモードを含む本発明を開示するために、かつ同じく当業者が本発明を製造かつ使用することを可能にするために実施例を使用している。本発明の特許請求可能な範囲は、他の実施例を含むことができる。
本明細書の説明で及び特許請求の範囲を通して用いる時の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」の意味は、前後の関連により明確な特に断らない限り、複数の参照を含むことを理解しなければならない。また、本明細書の説明で及び特許請求の範囲を通して用いる時の「ｉｎ」の意味は、前後の関連により明確な特に断らない限り、「ｉｎ」及び「ｏｎ」を含む。更に、本明細書の説明で及び特許請求の範囲を通して用いる時の「各々」の意味は、前後の関連により明確な特に断らない限り、「各々かつ全て」を必要としない。最後に、本明細書の説明で及び特許請求の範囲を通して用いる時の「及び」及び「又は」の意味は、前後の関連により明確な特に断らない限り、接続語及び離接語の両方を含み、かつ交換可能に使用することができ、語句「を除き」は、離接的意味だけが適用される場合がある状況を示すために使用することができる。
１００ レーザハンドピースデバイス
１１２ 入力端
１１４ 出力端
１１６ 光ファイバ
１２０ 移行領域

Claims (28)

  1. 電磁切刃を与えるための手術用ハンドピースであって、
    入力端及び出力端を有する本体部分と、
    所定の波長範囲内の波長を有するレーザエネルギを受け入れるための複数の光ファイバであって、前記入力端で前記本体部分に受け入れられ、かつ前記出力端まで延びる複数の光ファイバと、
    前記複数の光ファイバを前記出力端で所定の切断形状に配置するために前記本体部分内にある光ファイバ移行領域と、
    を含み、
    前記出力端に前記配置された光ファイバから伝達されるレーザエネルギが、手術ターゲットの近くで水分子と相互作用し、切断効果をもたらす微小爆裂を発生させる、
    ことを特徴とするハンドピース。
  2. 前記本体部分は、流体を受け入れるための流体入口と該受け入れられた流体を手術ターゲットに向けるための出口とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  3. １束の光ファイバを扇形に広げるための移行ハウジングを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  4. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、直線に配置されることを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  5. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、曲線に配置されることを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  6. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、２本の直線に配置されることを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  7. 前記出力端は、テーパ形状、矩形形状、又は丸い形状を有するレンズ先端を含むことを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  8. 前記所定の波長範囲は、約２．７５μｍから約３．００μｍに及ぶことを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  9. 前記ファイバは、低ＯＨ水晶、酸化ゲルマニウム、フッ化アルミニウム、又はサファイアから製作されることを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  10. 前記複数のファイバは、約１０又は約５０本のファイバを含むことを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  11. 前記移行ハウジングは、固体ガラス、ガラス繊維、又はステンレス鋼で製作されることを特徴とする請求項３に記載のハンドピース。
  12. 前記出力端で分配される前記レーザエネルギは、約０．０５Ｊから約２．０Ｊに及ぶことを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  13. 手術用デバイスであって、
    コリメートレーザ源と、
    前記レーザ源からレーザエネルギを受け入れ、かつ該レーザエネルギを複数の光ファイバの中に走査するための走査ビームを発生させる走査要素と、
    電磁切刃を与えるための手術用ハンドピースと、
    を含み、
    前記ハンドピースは、
    前記複数の光ファイバを受け入れるように構成された本体部分であって、該複数の光ファイバを該本体部分の出力端で所定の切断形状に配置するために該本体部分内にある光ファイバ移行領域を有する前記本体部分、
    を含み、
    前記出力端に前記配置された光ファイバから伝達されるレーザエネルギが、手術ターゲットの近くで水分子と結合し、切断効果をもたらす微小爆裂を発生させる、
    ことを特徴とするデバイス。
  14. 前記走査要素は、ミラー又はプリズムを含むことを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  15. 前記本体部分は、流体を受け入れるための流体入口と該受け入れられた流体を手術ターゲットに向けるための出口とを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  16. １束の光ファイバを扇形に広げるための移行ハウジングを更に含むことを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  17. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、直線に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  18. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、曲線に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  19. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、２本の直線に配置されることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  20. 前記出力端は、テーパ形状、矩形形状、又は丸い形状を有するレンズ先端を含むことを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  21. 前記移行ハウジングは、固体ガラス、ガラス繊維、又はステンレス鋼で製作されることを特徴とする請求項１６に記載のデバイス。
  22. 前記出力端で分配される前記レーザエネルギは、約０．０５Ｊから約２．０Ｊに及ぶことを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  23. 前記本体部分は、空気を受け入れるための気体入口を更に含み、
    前記出口は、前記受け入れられた空気を前記手術ターゲットに向けるように構成される、
    ことを特徴とする請求項２に記載のハンドピース。
  24. 前記本体部分は、空気を受け入れるための気体入口を更に含み、
    前記出口は、前記受け入れられた空気を前記手術ターゲットに向けるように構成される、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のデバイス。
  25. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、円形切断に向けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  26. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、傾斜切断に向けて配置されることを特徴とする請求項１に記載のハンドピース。
  27. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、円形切断に向けて配置されることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
  28. 前記複数のファイバの前記伝達する端部は、傾斜切断に向けて配置されることを特徴とする請求項１３に記載のデバイス。
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