JP2022188273A - 眼科用マルチスポットレーザ装置及びその作動方法 - Google Patents

眼科用マルチスポットレーザ装置及びその作動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】空間的に分布されたエネルギーピークのビームプロファイルを有するレーザによる角膜を通しての網膜色素上皮への照射により網膜機能を改善する装置を提供する。【解決手段】１：２～１：２０の範囲のスポット径対空間比で定められたレーザスポットの空間分布を持つレーザスポットを生成する眼科用マルチスポットレーザ装置は、一つ又は複数のレーザパルスを生成するレーザモジュールであって、各レーザパルスが、１０ｐｓ～２０μｓの範囲のパルス持続時間、５００ｎｍ～９００ｎｍの範囲の波長、及び１パルスあたり１０μＪ～１０ｍＪの範囲のパルスエネルギーを有するレーザモジュールと、レーザモジュールの各レーザパルスの出力ビームプロファイルを変更して、定められたサイズ及びエネルギーの空間的に分布された複数のレーザスポットを提供する光ビームプロファイリングモジュールとを備える。【選択図】図６

Description

本発明は、レーザ装置の分野に関し、特に、眼疾患を治療するための眼科用レーザ装置に関する。より詳細には、本発明は、マルチスポット眼科用レーザに関する。
レーザは、組織を凝固させるその能力を主に利用して、網膜障害を治療するために長年使用されてきた。網膜の層及び構造におけるレーザエネルギー吸収の度合いは、使用される波長と、レーザビームの焦点及びエネルギープロファイルを制御する有効性とに大きく依存する。
本願出願人によるオーストラリア特許出願第２００８２５５６４２号明細書には、ヒトの目の網膜の機能を向上させるために有用な眼科用レーザ装置について記載されている。その出願の背景技術の欄では、効果的な網膜治療の必要性が説明され、均一な治療効果を生み出すレーザ治療装置について記載されている。オーストラリア特許出願第２００８２５５６４２号明細書の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
オーストラリア特許出願第２００８２５５６４２号明細書に記載されているレーザ治療装置が効果的であることは証明されているが、まだ改善の余地があることもわかっている。本願出願人による以前の特許で説明されているように、目は老化プロセスの自然な結果として劣化する。レーザを使用して、目を活性化し、加齢に伴う変性効果の一部を回復させることができる。特に、網膜色素上皮（ＲＰＥ）の細胞は、ターゲットレーザ治療によって破壊されると、再生する。しかしながら、効果的にするためには、ＲＰＥ細胞は適切なエネルギーでターゲットにされる必要があり、同時に、隣接の細胞をレーザエネルギーに晒さないこと、又は、少なくとも、効果が認識できないほどの低レベルのレーザエネルギーに晒すことが必要である。細胞のクラスタをレーザ治療に過度にさらすと、再生プロセスに反する。これは、クラスタの中心に向かう細胞は再生されないためである。同様に、レーザエネルギーが大きすぎると、再生プロセスに有害である熱衝撃波が発生する。
オーストラリア特許出願第２００８２５５６４２号明細書に記載されている装置又は他の先行技術の装置で現在可能であるよりも、細胞毎のエネルギーのより正確な送達が必要とされている。
一つの形態において、それが唯一の又は実際に最も広い形態である必要はないが、本発明は、
一つのレーザパルス又は一連の複数のレーザパルスを生成するレーザモジュールであり、各レーザパルスの各々が、
１０ｐｓ～２０μｓの範囲のパルス持続時間、
５００ｎｍ～９００ｎｍの範囲の波長、及び
１パルス当たり１０μＪ～１０ｍＪの範囲のパルスエネルギー
を有するレーザモジュールと、
レーザモジュールにおける各レーザパルスの出力ビームプロファイルを変更して、定められたサイズ及びエネルギーの空間的に分布された複数のレーザスポットを提供する光ビームプロファイリングモジュールと
を備える眼科用マルチスポットレーザ装置であって、
レーザスポットの空間分布が、１：２～１：２０の範囲のスポット径対空間比（ｓｐｏｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｔｏ ｓｐａｃｅ ｒａｔｉｏ）によって定められる、眼科用マルチスポットレーザ装置に関する。
好適には、光ビームプロファイリングモジュールは、レーザモジュールの出力ビームプロファイルを変更して実質的に均一なビームプロファイルを生成するマルチモード光ファイバと、定められたサイズ、間隔及びエネルギーの複数のレーザスポットを提供するマルチモード光ファイバの出力に結合された光ファイババンドルとを備える。
眼科用マルチスポットレーザは、好適には、レーザモジュールの出力をマルチモード光ファイバに結合するファイバ結合光学系を備える。また。眼科用マルチスポットレーザは、好適には、マルチモード光ファイバの出力を光ファイババンドルの入力に結合するファイバ結合光学系を備える。
或いは、光ビームプロファイリングモジュールは、ビームを光学的に変更して高エネルギー強度スポットを生成する、レーザ出力光路内の回折光学素子（回折光学要素）とレンズとを備える。
さらなる代替において、光ビームプロファイリングモジュールは、出力ビームプロファイルの一部を遮断しレーザビームの選ばれた領域の透過のみを可能にするマスクと、高強度スポットを形成するためにマスクの後ろにレーザモジュールの出力を画像化する集束レンズとを備える。
さらに別の代替形態では、光ビームプロファイリングモジュールは、高強度スポットを形成するためにレーザモジュールの出力を画像化するマイクロレンズアレイと集束レンズとを備える。
本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明から明らかになろう。
本発明の理解を助け、当業者が本発明を実際に実施できるようにするために、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して、例としてのみ説明する。
眼科用マルチスポットレーザ装置の第１の実施形態を示す。 図１の眼科用マルチスポットレーザ装置の出力先端部の拡大図である。 従来の細隙灯装置において具現化された図１の眼科用マルチスポットレーザ装置を示す。 比較のためのレーザモジュール出力を示す。 比較のための光ファイバ束出力を示す。 マルチスポットエネルギープロファイル及びスポットサイズを示す。 １０μｍのファイバを使用する本発明の一実施形態の適用例を示す。 ７．５μｍのファイバを使用する本発明の一実施形態の適用例を示す。 ５μｍのファイバを使用する本発明の一実施形態の適用例を示す。 回折光学素子を利用する眼科用マルチスポットレーザ装置を示す。 マスクを利用する眼科用マルチスポットレーザ装置を示す。 マイクロレンズアレイを利用する眼科用マルチスポットレーザ装置を示す。 図１０の実施形態の適用例を示す。
本発明による実施形態は、主に、眼科用マルチスポットレーザ装置にある。したがって、本装置の数は、本発明の実施形態を理解するために必要である特定の詳細のみを示し、かつ本説明の恩恵を受ける当業者には容易に理解できるであろう過剰な詳細で開示を不明瞭にしないように、図面に簡潔な略図形式で示されている。
本書では、第１、第２、左、右等の形容詞は、必ずしも実際のそのような関係又は順序を必要とせず又は含意せずに、ある要素又は動作を別の要素又は動作から区別するためにのみ使用され得る。「備える」又は「含む」等の語は、複数の要素の或るリストを備える装置、プロセス、方法又は物品がそれらの要素のみを含むのではなく、そのような装置、プロセス、方法又は物品に固有な要素も含み、明示的にリストされていない他の要素を含む場合があるように、非排他的な包含を定めることを意図している。
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態が示されており、この実施形態は、レーザモジュール１１、光学系１２、マルチモードファイバ１３、カプラ１４、マルチファイババンドル１５及び出力ヘッド１６からなる眼科用マルチスポットレーザ装置１０を備えている。
レーザモジュールは、適切な出力を生成させる適当なレーザであるならばどのようなものでもよい。レーザモジュール１１の好ましい実施形態は、５３２ｎｍのレーザパルスを生成する、周波数が２倍にされたＱスイッチ・フラッシュランプ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザである。レーザキャビティは、１００％反射するエンドミラーと、一部を反射する出力カプラとを有する従来設計のものであることが適切である。レーザロッドは、高電圧電源から給電されるフラッシュランプによって励起される。パッシブ型Ｑスイッチにより、キャビティエネルギーを非常に短い高エネルギーパルスとして送ることができる。代替的な励起源は、レーザロッドをポンピングするために使用される半導体レーザである。
フラッシュランプ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザは、レーザキャビティに関して好ましい実施形態であるが、本発明は、この特定のキャビティ設計に限定されない。波長が約５００ｎｍ～約９００ｎｍで、パルスエネルギーが約０μｍ～１０ｍＪである２０ｐｓ～２０μｓの範囲のパルスを生成することができるいかなるレーザキャビティも適切であろう。これには、Ｅｒ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｅｒ：ＹＬＦ、ダイオード励起固体レーザ（ＤＰＳＳＬ）等の他の固体材料が含まれる。他の要素も変更され得る。例えば、パッシブＱスイッチの代わりにアクティブＱスイッチを使用することができる。
光学系１２は、従来のファイバ入力カプラであってもよく、マルチモードファイバ１３の開口数内で適切な焦点距離を有するレンズであってもよい。マルチモードファイバ１３は、適切には、約４００μｍのコア径を有するガラスファイバであるが、これは重要な寸法ではない。マルチモードファイバ１３の出力は、ファイバアダプタ１４を使用してマルチファイババンドル１５に結合され、ファイバアダプタにおいては、両ファイバ表面は、接続により通過光が散乱又は反射されないような態様で整列し近接状態に保たれる。別の結合法としては、２本のファイバを融着することがあり、これは融着接続と呼ばれ、空隙を完全に除去して散乱と反射を最小限に抑える。マルチファイババンドル１５は、マルチモードファイバ出力部（名目的には４００μｍ）とほぼ同じサイズの断面積を有する束を作製するためにグループ化され結合された多数（最大５００本）のマイクロファイバで構成されている。各マイクロファイバは、エネルギーを個々のマイクロファイバに反射するクラッドで覆われている。また、クラッドの厚さは、コア径とコア間隔の比（典型的には１：４）を決定する。これは治療に応じて異なる場合がある。その結果、各マイクロファイバ内に一貫したエネルギーが生成され、それによって一貫した照射エネルギーを発する。出力ヘッド１６は、本願出願人による以前の特許明細書に記載されているような適切な送出光学系への結合を可能にする。
光学ヘッド１６の端面図が図２に示されている。図２の実施形態では、マルチファイババンドル１５は、六角形の密に束ねたバンドルの中に６１本のマイクロコア光ファイバ２０を含んでいる。クラッド２１は個々のファイバを取り囲み、約８０μｍの厚さのポリマーコーティング２２がバンドル１５を囲んでいる。各マイクロコアファイバは、１～５０μｍの直径を有するものとすることができ、１０μｍが以下で論じられるように特に適切である。ファイバ中心間の間隔は２～２００μｍの範囲とすることができ、好ましい間隔は、マイクロコアファイバのサイズ、マルチモードファイバのサイズ及び治療計画に関係する。
マイクロコアファイバは、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍ、５０μｍ又は任意の中間サイズを有するものとすることができる。ファイバ中心間の間隔は、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍ、２００μｍ又は任意の中間距離とすることができる。
例えば、成人の眼の黄斑部では、位置と年齢によって細胞のサイズが異なる。中心に向かって細胞は通常１０μｍであるが、周辺に向かって細胞は相当に平坦になり、幅が広くなり、６０μｍと同程度になることがある。細胞は通常、眼が老化するにつれて成長する。
眼科用マルチファイバレーザ装置１０は、図３に示されるように、最も多くは細隙灯アセンブリ３０と共に使用されるであろう。レーザモジュール１１は、細隙灯アセンブリの基部又はその近傍にあるものとすることができる。マルチモードファイバ及びマルチファイババンドルは、好適には、細隙灯アセンブリのアーム内に配置される。光学ヘッド１６は、網膜へのレーザ放射の送達のために細隙灯アセンブリの他の光学系に結合される。
光学ヘッド１６の送達光学系は、マイクロコアファイバの出力をターゲット領域に画像化する。本発明者らは、レーザスポットの適切な空間分布は、スポット径対空間比によって定められると判断した。上記のファイババンドルは、スポット径対空間比を１：２～１：２０の範囲で与え、それは眼科治療において適切であることが分かった。本発明者らは、１：４の比が、細胞再生のために治療された細胞間の少なくとも二つの健全な細胞を維持するために特に適切であることを見出した。
図４は、レーザモジュール１１からの典型的な出力を示している。この出力は、不均一なエネルギー分布を持つ典型的なガウシアンビームプロファイルである。これは、ホットスポット４０において顕著に表れている。マルチモードファイバ１３を通過した後、プロファイルは、図５に示されているスペックルパターンを示す。はっきりと分かるように、エネルギープロファイルはより均一になり、ホットスポットが取り除かれている。この出力は、マルチファイババンドル１５に結合され、図６に示される最終出力をもたらす。
眼科用マルチファイバレーザ装置は、網膜の各ターゲット細胞クラスタに一貫したエネルギーを送達するだけでなく、ターゲット細胞クラスタ間に送達されるエネルギーを最小限に抑える。ターゲット領域と非ターゲット領域との間に送達されるエネルギーの比率は、加齢性疾患の治療を成功させる鍵となる。
マイクロファイバの最適な直径と最適な間隔を理解するために、５本のファイバが作製された。理想的な構成では、個々の治療済み細胞の周囲にある全ての隣り合うＲＰＥ細胞が損なわれておらず、エネルギー吸収がないことが保証される。これらのファイバは、ブタの外植片で試験された。以下に概要を示した各構成の結果が対応の図に示される。
Figure 2022188273000002
３２．５μｍ間隔の５μｍファイバが、レーザスポット全体にわたって損傷のない隣り合う細胞を一貫して提供できるという結果をもたらすことが、例示の出力から明らかである。
本発明の第２の実施形態が図１０に示されている。この実施形態では、光ビームプロファイリングモジュール１００は回折光学素子１０１を利用しており、この回折光学素子は、複数の空間的に分布されたレーザスポットを生成するためにレーザモジュール１１の出力１１ａを光学的に変更するものである。図１０を詳細に見ると、レーザモジュール出力１１ａは、回折光学素子１０１によって変更され、次いで、集束レンズ１０２によってターゲット１０３に集束される。ターゲット１０３におけるエネルギーピークは、ターゲット１０３の拡大図１０３ａ及びグラフ１０４に表示されるプロファイルを有する。回折光学素子１０１は、１：２～１：２０の範囲のスポット径対空間比を有するグラフ１０４のエネルギー強度プロファイルを得るように選ばれる。
回折光学素子１０１についての最適なスポット及び最適な間隔を理解するために、三つの回折光学素子１０１が作製された。理想的な構成では、個々の治療済み細胞の周囲にある全ての隣り合うＲＰＥ細胞が損なわれておらず、エネルギー吸収がないことが保証される。これらの回折光学素子は、ブタの外植片と感熱紙（ｂｕｒｎ ｐａｐｅｒ）で試験された。各構成の結果の概要を以下に示す。５×５配列の要素は対応の図に示されている。
Figure 2022188273000003
本発明の第３の実施形態が図１１に示されている。この実施形態では、光ビームプロファイリングモジュール１１０は、レーザビーム１１ａの不要な部分を遮断し、レーザビーム１１ａの所望の部分を透過する、マスクされたコーティング１１１を有する。光ビームプロファイリングモジュール１１０はまたビームエキスパンダ／ホモジナイザ１１１ａを含み、このビームエキスパンダ／ホモジナイザは、マスク１１１の前にトップハットプロファイルを有するようビーム１１ａのプロファイルを変更する。図１１を詳細に見ると、レーザモジュール出力１１ａは、マスク１１１によって選択的に遮断され、次いで、集束レンズ１１２によってターゲット１１３に集束される。ターゲット１１３のエネルギーピークは、ターゲット１１３の拡大図１１３ａ及びグラフ１１４に表示されるプロファイルを有する。マスクされたコーティング１１１は、入射光を部分的に吸収又は反射して、１：２～１：２０の範囲のスポット径対空間比を有するグラフ１１４のエネルギー強度プロファイルを得ることができる。この実施形態の変形では、マスクを集束レンズに直接適用することができる。
本発明の第４の実施形態が図１２に示されている。この実施形態では、光ビームプロファイリングモジュール１２０は、焦点面でマイクロビームを互いに結合するように設計されたマイクロレンズアレイ１２１を有する。光ビームプロファイリングモジュール１２０はまた、マイクロレンズアレイ１２１の前にトップハットプロファイルを有するようにビーム１１ａのプロファイルを変更するビームホモジナイザ１２１ａを含む。図１２を詳細に見ると、レーザモジュール出力１１ａは、マイクロレンズアレイ１２１によって複数のマイクロビームに集束され、その後、集束レンズ１２２によってターゲット１２３に集束される。ターゲット１２３におけるエネルギーピークは、ターゲット１２３の拡大図１２３ａ及びグラフ１２４に表示されるプロファイルを有する。マイクロレンズアレイ１２１は、１：２～１：２０の範囲のスポット径対空間比を有するグラフ１２４のエネルギー強度プロファイルを得るように選ばれる。
本発明の様々な実施形態の上記説明は、当業者への説明の目的で行われている。網羅的であること、又は本発明を単一の開示された実施形態に限定することは意図されていない。上述したように、本発明に対する多くの代替案及び変形は、当業者には明らかであろう。したがって、いくつかの代替実施形態が具体的に説明されたが、他の実施形態があることは当業者にとって明らかであるか、又は比較的容易に想到できるであろう。したがって、本発明は、所望の出力エネルギープロファイルを提供する本発明のすべての代替、変更、及び変形を包含することを意図しており、他の実施形態は、上述の発明の精神及び範囲に含まれる。
［発明の項目］
［項目１］
眼科用マルチスポットレーザ装置であって、
一つのレーザパルス又は一連の複数のレーザパルスを生成するレーザモジュールであり、前記レーザパルスの各々が、
１０ｐｓ～２０μｓの範囲のパルス持続時間、
５００ｎｍ～９００ｎｍの範囲の波長、及び
１パルス当たり１０μＪ～１０ｍＪの範囲のパルスエネルギー
を有するレーザモジュールと、
前記レーザモジュールにおける前記レーザパルスの各々の出力ビームプロファイルを変更して、定められたサイズ及びエネルギーの空間的に分布された複数のレーザスポットを提供する光ビームプロファイリングモジュールと
を備えており、
前記レーザスポットの空間分布が、１：２～１：２０の範囲のスポット径対空間比によって定められる、眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目２］
前記レーザスポットの空間分布が、１：４～１：８のスポット径対空間比によって定められる、項目１に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目３］
前記レーザスポットの空間分布が、１：４のスポット径対空間比によって定められる、項目２に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目４］
前記レーザスポットの各々が１μｍ～５０μｍの直径を有する、項目１に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目５］
前記レーザパルス間の間隔が２μｍ～２００μｍの範囲内にある、項目１に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目６］
前記光ビームプロファイリングモジュールが、前記レーザモジュールの出力ビームプロファイルを変更して実質的に均一なビームプロファイルを生成するマルチモード光ファイバと、定められたサイズ及びエネルギーの空間的に分布された複数のレーザスポットを提供するように前記マルチモード光ファイバの出力に結合された光ファイババンドルとを備える、項目１に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目７］
前記マルチモード光ファイバが約４００μｍのコア径を有する、項目６に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目８］
前記光ファイババンドルが、１μｍ～５０μｍのコア径を有する複数の光ファイバを備える、項目６に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目９］
前記光ファイババンドルが、１０μｍのコア径を有する複数の光ファイバを備える、項目６に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目１０］
前記光ビームプロファイリングモジュールが、回折光学素子と、集束レンズとを備える、項目１に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目１１］
前記光ビームプロファイリングモジュールが、出力ビームプロファイルの一部を遮断しレーザビームの小さな領域の透過のみを可能にするマスクと、集束レンズとを備える、項目１に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目１２］
前記光ビームプロファイリングモジュールが、マイクロレンズアレイと、集束レンズとを備える、項目１に記載の眼科用マルチスポットレーザ装置。
［項目１３］
空間的に分布されたエネルギーピークを持つビームプロファイルを有する治療用レーザによりヒトの眼の角膜を通して網膜色素上皮に照射することによって眼の網膜の機能を改善する方法。
［項目１４］
一つのレーザパルス又は一連の複数のレーザパルスを生成するステップであって、前記レーザパルスの各々が、
１０ｐｓ～２０μｓの範囲のパルス持続時間、
５００ｎｍ～９００ｎｍの範囲の波長、及び
１パルス当たり１０μＪ～１０ｍＪの範囲のパルスエネルギー
を有するステップと、
レーザモジュールにおける前記レーザパルスの各々の出力ビームプロファイルを変更して、定められたサイズ及びエネルギーの空間的に分布された複数のレーザスポットを提供するステップと
を含み、
前記レーザスポットの空間分布が、１：２～１：２０の範囲のスポット径対空間比によって定められる、項目１３に記載の方法。
［項目１５］
前記レーザスポットの各々が１μｍ～５０μｍの直径を有する、項目１４に記載の方法。

Claims (1)

  1. 明細書に記載された眼科用マルチスポットレーザ装置又は該装置の作動方法。

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