JP2023544876A - デュアルゲインを用いたビーム検出 - Google Patents

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Abstract

本明細書に開示される特定の実施形態は、レーザ源と、レンズと、メモリと、メモリとデータ通信を行って命令を実行するように構成されたプロセッサであって、命令がプロセッサに、回路から受信した検出信号に基づいてレーザ源を制御させる、プロセッサと、を備える、手術用レーザシステムを提供する。回路は、第１の増幅器と、第２の増幅器と、第２の増幅器と基準電位ノードとの間に結合され、その状態が第１の比較器の出力に基づく、スイッチと、を備える。回路は、第２の増幅器に結合された第２の比較器と、第１の比較器及び第２の比較器に結合された論理ゲートと、を更に備える。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、発明者がＣｏｎｒａｄ Ｓａｗｉｃｚ及びＤｅｒｅｋ Ｃｈｅｎである、２０２０年１０月１３日に出願された「ＢＥＡＭ ＤＥＴＥＣＴＩＯＮ ＷＩＴＨ ＤＵＡＬ ＧＡＩＮ」と題する、米国仮特許出願第６３／０９０，９１１号明細書の優先権の利益を主張するものであり、あたかも本明細書に十分且つ完全に記載されているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、概して、手術用レーザシステムに関し、より具体的には、デュアルゲインを用いて実装されるレーザビーム検出に関する。
多種多様な医療処置において、手術を補助し、及び／又は患者の身体を治療するために、レーザ光（例えば、照明ビーム、レーザ治療ビーム（「治療ビーム」）、レーザ照準ビーム（「照準ビーム」など））が使用される。例えば、レーザ光凝固術では、レーザプローブが治療ビームを伝搬させて、網膜上でレーザ熱傷スポットにおいて血管を焼灼する。治療ビームは、通常、手術用レーザシステムから光ファイバケーブルを介して伝えられ、光ファイバケーブルは、近位側では手術用レーザシステムに接続するポートアダプタで終端し、遠位側では執刀医が操作するレーザプローブで終端する。本明細書では、構成要素の遠位端とは、患者の身体に近い方の端部を指し、構成要素の近位端とは、患者の身体から離れた方の端部、又は例えば手術用レーザシステムに近い方の端部を指すことに留意されたい。
また、治療ビームは、レーザ熱傷スポットにおいて血管を焼灼することに加えて、網膜に存在して視覚をもたらす杆体及び錐体のいくつかを損傷させ、それにより視力に影響を与えることがある。視力は網膜の中心の黄斑において鋭敏であるため、執刀医は、網膜の周辺部においてレーザ熱傷スポットを発生させるようにレーザプローブを配置する。手術中、執刀医は、光凝固される網膜領域を照明するために、熱傷を起こさない照準ビームを用いてプローブを動作させる。低出力の赤色レーザダイオードが入手可能であるため、照準ビームは一般に低出力赤色レーザ光である。いったん執刀医が照準ビームで所望の網膜スポットを照明するようにレーザプローブを配置すると、執刀医は、フットペダル又は他の手段を介して治療ビームを作動させて、照明された領域（又は例えば、照明された領域を囲む領域）を治療ビームで光凝固させる。網膜のスポットを焼いた後、執刀医は、照準光で新しいスポットを照明するためにプローブを再配置し、新しいスポットを光凝固させるために治療ビームを作動させ、プローブを再配置する、というようにして、網膜上に所望の数の熱傷したレーザスポットを分散させる。
ある種のレーザプローブは、一度に複数のスポットを凝固又は熱傷させるため、光凝固はより迅速且つより効率的になり得る。例えば、光ファイバを介してそのようなレーザプローブの１つに結合される手術用レーザシステムは、単一のレーザビームを、レーザスポットパターンを呈する複数のレーザビームに分割するように構成され得る。このような例では、手術用レーザシステムは複数のレーザビームを光ケーブルに送り、光ケーブルは、対応するファイバパターンを呈する複数の光ファイバのアレイ又はマルチコアファイバを備え得る。
糖尿病性網膜症の場合、汎網膜光凝固術（ＰＲＰ）が実施されることがあり、ＰＲＰにおける必要なレーザ光凝固の回数は一般に多い。例えば、１，０００～１，５００個のスポットが一般に焼かれる。よって、レーザプローブが一度に複数のスポットを焼くことができるマルチスポットプローブであれば、（レーザ源の出力が十分であると仮定すると）光凝固療術がより迅速になることが容易に理解されよう。したがって、マルチスポット／マルチファイバレーザプローブが米国特許第８，９５１，２４４号明細書及び同第８，５６１，２８０号明細書において展開及び記載されており、これらは、あたかも本明細書に十分且つ完全に記載されているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。また、網膜硝子体手術では、照準ビーム及び治療ビームに加えて、照明光又はビームを眼の中や網膜組織上に向けることも有用である。
本開示は、概して、手術用レーザシステムに関し、より具体的には、デュアルゲインを用いて実装されるレーザビーム検出に関する。
本開示の特定の実施形態は、レーザビームを伝搬させるように構成されたレーザ源と、実行可能命令を含むメモリと、メモリとデータ通信を行って、命令を実行するように構成されたプロセッサであって、命令がプロセッサに、回路から受信した検出信号に基づいてレーザ源を制御させる、プロセッサと、を備える、手術用レーザシステムを提供する。回路は、第１の比較器の入力及び第２の増幅器の入力に結合された出力を有する第１の増幅器と、第２の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたスイッチであって、スイッチの状態が第１の比較器の出力に基づく、スイッチと、第２の増幅器の出力に結合された入力を有する第２の比較器であって、第１の比較器が第２の増幅器の第２の閾値電圧よりも大きい第１の閾値電圧を有する、第２の比較器と、第１の比較器の出力に結合された第１の入力及び第２の比較器の出力に結合された第２の入力を有する論理ゲートと、を備える。手術用レーザシステムは、ポートを介して手術用レーザシステムに結合された光ファイバの近位端の境界面上にレーザビームを集束させるように構成されたレンズを更に備え、光ファイバの遠位端は、標的表面上にレーザビームを投射するように構成される。
本開示の特定の実施形態は、第１の比較器の入力及び第２の増幅器の入力に結合された出力を有する第１の増幅器と、第２の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたスイッチであって、スイッチの状態が第１の比較器の出力に基づく、スイッチと、第２の増幅器の出力に結合された入力を有する第２の比較器であって、第１の比較器が第２の増幅器の第２の閾値電圧よりも大きい第１の閾値電圧を有する、第２の比較器と、第１の比較器の出力に結合された第１の入力及び第２の比較器の出力に結合された第２の入力を有する論理ゲートと、を備える、回路を提供する。
本開示の特定の実施形態は、回路の入力においてレーザパルスを受け取ることと、レーザパルスに基づいて電気信号を生成することと、電気信号を増幅することと、増幅された電気信号と第１の閾値電圧との間の第１の比較を実行することであって、増幅された電気信号が第１の閾値電圧よりも大きいときに、基準電位ノードに結合されたスイッチを閉鎖する、ことと、を含む、回路によってレーザパルスを検出する方法を提供する。方法は、第１の比較に基づいて、増幅された電気信号又は基準電位ノードと第２の閾値電圧との間の第２の比較を実行することであって、第１の閾値電圧が第２の閾値電圧よりも大きい、ことと、第２の比較によって生成された出力を増幅することと、第１の比較の出力及び第２の比較の増幅された出力のうちの少なくとも１つに基づいて、レーザパルスの検出を示す信号を生成することと、を更に含む。
以下の説明及び関連する図面は、１つ以上の実施形態の特定の例示的な特徴を詳述する。
添付の図面は、１つ以上の実施形態の特定の態様を示しており、それゆえ、本開示の範囲を限定するものとみなされるべきではない。
図１は、本開示の特定の態様による、デュアルゲインビーム検出を用いて実装されるレーザビーム検出のための例示的なシステムを示す図である。 図２は、本開示の特定の態様による、デュアルゲインビーム検出を用いて実装される、例示的な手術用レーザシステム、及びその中の構成要素を示す図である。 図３は、本開示の特定の態様による、デュアルゲインビーム検出を用いて実装される、例示的な回路を示す図である。 図４は、本開示の特定の態様による、回路によってレーザパルスを検出する例示的な動作を示すフロー図である。
理解を促進するために、各図面に共通する同一の要素は、可能な限り同一の参照符号を使用して示している。一実施形態の要素及び特徴は、更なる説明を伴わずに他の実施形態に有益に組み込むことができるように企図されている。
本開示の態様は、デュアルゲインを用いて実装されるレーザビーム検出回路を備えた手術用レーザシステムを提供する。
例示的な手術用レーザシステム
図１は、特定の実施形態による、デュアルゲインを用いて実装されるレーザビーム検出を有する例示的なシステム１００を示している。システム１００は、眼科手術中に使用されるレーザビームを発生させるための１つ以上のレーザ源を有する手術用レーザシステム１０２を備える。例えば、手術用レーザシステム１０２内の第１のレーザ源は、第１の波長（例えば、約５３２ナノメートル（ｎｍ））で治療ビームを発生させ得る一方、第２のレーザ源は、第２の波長（例えば、約６３５ｎｍ）で照準ビームを発生させ得る。執刀医などのユーザはまず、所望の網膜スポット上に照準ビームを放出するために手術用レーザシステム１０２を（例えば、フットスイッチ、音声コマンドなどを介して）トリガし得る。いったん執刀医が照準ビームで所望の網膜スポットを照明するようにレーザプローブを配置すると、執刀医は、フットペダル又は他の手段などを介して治療ビームを作動させて、患者の身体を治療する（例えば、治療ビームを用いて所望の網膜スポットを光凝固させる）。
図示のように、手術用レーザシステム１０２は、手術用レーザシステム１０２の光学ポートに結合するコネクタ又はポートアダプタ１１４を備える。図１はまた、プローブ１０８に結合してプローブ１０８を介して延びる遠位端と、ポートアダプタ１１４に結合してポートアダプタ１１４を介して延びる近位端とを有するケーブル１１０を示している。場合によっては、本明細書で更に説明するように、ケーブル１１０は、２つ以上のケーブルを含み得る。図１の例では、ポートアダプタ１１４は、手術用レーザシステム１０２からのレーザビームをケーブル１１０の近位端の境界面（近位入口面ともいう）に伝搬させることができる開口部を有するフェルールを含む。いくつかの例では、手術用レーザシステム１０２は、２つ以上のポートアダプタを含み得る。ケーブル１１０の境界面は、レーザビームが導かれ得る１つ以上のコアの、露出した近位端を備える。図１の例では、ケーブル１１０は、４つのコアを備えたマルチコア光ファイバケーブル（ＭＣＦ）である。そのため、ケーブル１１０の近位端の境界面は、フェルールの開口部を介して露出している４つのコアの近位端を備える。
手術用レーザシステム１０２は、レーザ源によって発生された単一のレーザビームを、レーザスポットパターンを呈する複数のレーザビームに分割するように構成され得る。例えば、手術用レーザシステム１０２は、照準ビームを４つの照準ビームに分割し、次いで、４つの照準ビームをポートアダプタ１１４のフェルールの開口部を介してケーブル１１０の境界面に送達することができる。更に、手術用レーザシステム１０２は、治療ビームを４つの治療ビームに分割し、４つの治療ビームをフェルールの開口部を介してケーブル１１０の境界面に送達するように構成され得る。そのような例では、ケーブル１１０のコアの各々は次いで、照準ビームと組み合わされた治療ビームを指し得る、マルチ波長ビーム又は結合ビームを伝送することになる。ケーブルのコアが結合ビームを伝送することに関して特定の態様を説明したが、ケーブル１１０のコアはまた、どのビームが作動されてケーブル１１０に入射するかに応じて、治療ビーム又は照準ビームのいずれかを個別に伝送することができることに留意すべきである。
いくつかの例では、手術用レーザシステム１０２はまた、眼の内部、特に光凝固される網膜１２０の領域を照明するために、照明ビームをケーブル１１０の境界面（例えば、境界面はケーブル１１０内にコアを保持するクラッディングの近位端も含み得る）に伝搬させ得る。特定の態様では、照明ビームは、白色発光ダイオード（ＬＥＤ）によって伝搬され得る。
ケーブル１１０は、結合ビームをプローブ１０８に送達し、プローブ１０８は、結合ビームのマルチスポットパターン（例えば、４つのスポット）を患者の眼１２５の網膜１２０に伝搬させる。プローブ１０８は、ケーブル１１０の遠位端を収容して保護するプローブ本体１１２及びプローブ先端１４０を含む。また、プローブ先端１４０の遠位端部分１４５は、結合ビームを網膜１２０に集束させるレンズを収容し得る。
デュアルゲインレーザ検出回路を用いて様々なシステムが実施され得る。図２は、デュアルゲインを有するビーム検出回路を用いて実装され得る、手術用レーザシステム２０２、及びその中の構成要素の一例を示している。手術用レーザシステム２０２は、治療ビーム２１０を伝搬させるレーザ源２０４と、照準ビーム２１２、２４０をそれぞれ伝搬させるレーザ源２０６、２３６と、照明ビーム２１４を伝搬させる光源２０８と、ポートセレクタ２１９と、ビーム検出回路２０７、２１６と、を備える。
手術の最初に、執刀医は、眼球の内側を照明して網膜を見やすくするために、光源２０８を作動させ得る。図示のように、いったん光源２０８によって放出されると、照明ビーム２１４は、平行な光線を有するビームを生成するように構成されたコリメーティングレンズ２２２によって受け取られる。特定の実施形態では、コリメーティングレンズ２２２は、２つの単レンズと１つの複レンズとを備える多素子色収差補正レンズであり得る。したがって、図示のように、照明ビーム２１４は、コリメーティングレンズ２２２の反対側から平行な光線で現れて、ビームスプリッタ２２６を通過して集光レンズ２２４Ｂに到達する。特定の実施形態では、集光レンズ２２４Ｂは、２つの単レンズと１つの複レンズとを含む多素子色収差補正レンズであり得る。そのような実施形態では、集光レンズ２２４Ｂは、アセンブリが逆である（例えば、１８０度だけ回転している）ことを除いて、コリメーティングレンズ２２２と同じ設計を有し、それによって１対１の拡大結像システムを形成する。ビームスプリッタ２２６は、その２つの側面２２６ａ及び２２６ｂ上に異なるコーティングを有し得る。例えば、側面２２６ａは、そこに伝搬された光がビームスプリッタ２２６を通過できるようなコーティングを施される。そのため、側面２２６ａに伝搬された照明ビーム２１４は、ビームスプリッタ２２６を通過する。一方、側面２２６ｂは、以下に詳述するように、光又は治療ビーム２１０及び照準ビーム２１２などのレーザビームを反射させるようにコーティングを施される。ただし、照明ビーム２１４のわずかな部分が、側面２２６ａによって照明ビーム２１４を検知するように構成されたセンサ２２７に反射されることに留意されたい。
次いで、集光レンズ２２４Ｂは、照明ビーム２１４を、ポートアダプタ１１４Ｂを介して手術用レーザシステム２０２のポート２２５Ｂに結合されている、ケーブル１１０Ｂなどのケーブルの近位端の境界面に集束させる。図１に関連して説明したように、ケーブル１１０Ｂは、４つのコアを有し得る。したがって、集光レンズ２２４Ｂは、照明ビーム２１４がケーブル１１０Ｂの４つのコアの各々の全長に沿ってケーブル１１０Ｂに結合されている手術用プローブ（例えば、図１のプローブ１０８）の遠位端に伝搬されるように、ケーブル１１０Ｂの境界面に照明ビーム２１４を集束させる。上述のように、ケーブル１１０Ａ、１１０Ｂの各々の境界面は、フェルール２１５Ａ、２１５Ｂを介して、ポートアダプタ１１４Ａ、１１４Ｂの開口部２１７Ａ、２１７Ｂからそれぞれ露出しているケーブル１１０の４つのコアの近位端を含む。
執刀医が眼球の内側を見ることができるようになると、執刀医は、プローブの遠位端から１つ以上の所望の照準ビームのスポットを網膜に投影し得る。より具体的には、レーザ源２０６は、執刀医によって作動された後、照準ビーム２１２をビームスプリッタ２１８に放出し、ビームスプリッタ２１８は照準ビーム２１２を回折光学素子（ＤＯＥ）２２０に反射させる。同様に、レーザ源２３６は、ビームスプリッタ２２１上に照準ビーム２４０を放出し、ビームスプリッタ２２１は、照準ビーム２４０の一部を集光レンズ２２４Ａに向かって通過させ、集光レンズ２２４Ａは、ケーブル１１０Ａの境界面に照準ビーム２４０を集束させ、それによって、照準ビーム２４０を、ケーブル１１０Ａの各コアの全長に沿って、ケーブル１１０Ａに結合されている手術用プローブ（例えば、図１のプローブ１０８）の遠位端に伝搬させる。また、本明細書では、回折セグメントは「セグメント」とも呼ばれ得る。図２の例では、ＤＯＥ２２０は、照準ビーム２１２がＤＯＥ２２０の中央のセグメントにアライメントされるように配置され、ＤＯＥ２２０は、照準ビーム２１２を複数の照準ビーム（例えば、４つの照準ビーム）に回折させる。しかしながら、執刀医は、ビームを異なる数のビーム（例えば、２つ又は１つ）に回折させるために、ＤＯＥ２２０の位置を変更してもよい。例えば、音声コマンド又は手術用レーザシステム２０２のいくつかの他の機能を使用して、執刀医は、照準ビーム２１２を２つ、１つ、又は他の数のビームに回折させ得る、ＤＯＥ２２０の異なるセグメントに照準ビーム２１２をアライメントさせるようにＤＯＥ２２０を配置してもよい。
いったん回折されると、結果として得られる照準ビームは、ビームスプリッタ２２６によって集光レンズ２２４Ｂに反射される。次いで、集光レンズ２２４Ｂは、照準ビームの各々がケーブル１１０Ｂの対応するコアの全長に沿って手術用プローブ（例えば、図１のプローブ１０８）の遠位端に伝搬されるように、４つの照準ビームをケーブル１１０Ｂの近位端の境界面に集束させる。これにより、執刀医は、プローブの遠位端から４つの所望の照準ビームのスポットを網膜に投影させることができる。
上述のように、いったん執刀医が照準ビームスポットを網膜に投影するようにレーザプローブを配置して作動させると、執刀医は、フットペダル又は他の手段などを介してレーザ源２０４を作動させて、患者の身体を治療する（例えば、治療ビームを用いて所望の網膜スポットを光凝固させる）。レーザ源２０４は、作動されると偏光治療ビーム２１０を放出し、偏光治療ビーム２１０の偏光軸は偏光回転子２３２によって変更され得る。例えば、いくつかの実施形態では、偏光回転子２３２が治療ビーム２１０をフィルタリングして、ビームスプリッタ２２６の入射面に対してｓ偏光した垂直偏光治療ビームを生成する。
偏光治療ビーム２１０は、ビームスプリッタ２２６が、例えばｓ偏光したビームが波長の広がりの小さい状態でビームスプリッタ２２６から反射し得るように、偏光に敏感なコーティングを有し得るため有利であり得る。上述のように、ビームスプリッタ２２６は、照明ビーム２１４を通過させる一方で、治療ビーム２１０及び照準ビーム２１２を反射させることができるようにコーティングを施される。したがって、執刀医に高品質且つ高スループットの照明ビーム２１４Ａを提供するために、治療ビーム２１０を偏光させることが有利であり、これにより、ビームスプリッタ２２６は、より狭い波長帯域で治療ビーム２１０を分離して反射させることが可能になる。
手術用レーザシステムはまた、レーザ源２０４とポートセレクタ２１９との間に配置されたシャッタ２３４を含み得る。シャッタ２３４は、治療レーザビームがポートセレクタ２１９に到達することを交互に遮断又は許可するように構成され得る。執刀医又は手術スタッフは、シャッタ２３４を（例えば、フットスイッチ、音声コマンドなどを介して）制御して、レーザ照準ビームを放出し、治療レーザビームを発射して（すなわち、シャッタ２３４を開放して）患者の身体を治療（例えば、光凝固）することができる。各々の場合では、ビームスプリッタ２２１及びビームスプリッタ２１８は、第１のポートアダプタ１１４Ａ及び第２のポートアダプタ１１４Ｂに向かってレーザビームをそれぞれ方向付けることができる。
偏光されると、治療ビーム２１０はビームスプリッタ２１３に到達し、ビームスプリッタ２１３は、治療ビーム２１０のかなりの部分を通過させる一方で、わずかな部分２３１をセンサ２２３に反射させることができるように構成される。センサ２２３は、レーザ源２０４がアクティブか否かを検出するように構成された光センサである。ビームスプリッタ２１３を通過した後、シャッタ２３４が治療ビーム２１０を許容する開放位置にある場合、治療ビーム２１０は、治療ビーム２１０をビームスプリッタ２１８又はビームスプリッタ２２１に反射させるように構成されている、ポートセレクタ２１９において受け取られる。ビームスプリッタ２１８は、治療ビーム２１０のわずかな部分２３３をビーム検出回路２１６に反射させる一方で、治療ビーム２１０のかなりの部分を通過させることができるように構成されている。本明細書で更に説明するように、ビーム検出回路２１６は、デュアルゲインを用いて実装された光検出回路である。ビームスプリッタ２２１は、治療ビーム２１０の一部を集光レンズ２２４Ａに反射させる一方で、治療ビーム２１０の別の一部を、ビーム検出回路２１６と同様であり得る、ビーム検出回路２０７に通過させるように構成されている。
図示のように、直線偏光治療ビーム２１０は、ビームスプリッタ２２１に対してある角度でビームスプリッタ２２１を通過し、その角度は、照準ビーム２４０がビームスプリッタ２２１によって通過される角度に等しい。したがって、いったんレーザ源２０４が作動されると、透過した治療ビーム２１０と反射された照準ビーム２４０とが（例えば、互いに重なるように）結合されて、集光レンズ２２４Ａに到達する前に結合ビーム２４２が生成される。集光レンズ２２４Ａは、結合ビーム２４２がケーブル１１０Ａのコアの全長に沿って手術用プローブ（例えば、図１のプローブ１０８）の遠位端に伝搬されるように、ケーブル１１０Ａの近位端の境界面に結合ビーム２４２を集束させる。
図示のように、直線偏光治療ビーム２１０は、ビームスプリッタ２１８に対してある角度でビームスプリッタ２１８を通過し、その角度は、照準ビーム２１２がビームスプリッタ２１８によって反射される角度に等しい。したがって、レーザ源２０４が作動されると、透過した治療ビーム２１０と反射された照準ビーム２１２とが結合され（例えば、互いに重なるように）、ＤＯＥ２２０に到達する前に結合ビーム２１１が作られる。次いで、ＤＯＥ２２０は、結合ビーム２１１を結合ビーム２１１ａ～２１１ｄに回折させる。結合ビーム２１１ａ～２１１ｄの各々は、互いに重なる回折治療ビーム及び回折照準ビームを指す。
次いで、結合ビーム２１１ａ～２１１ｄは、ビームスプリッタ２２６において受け取られ、ビームスプリッタ２２６は、結合ビーム２１１ａ～２１１ｄを集光レンズ２２４Ｂに反射させる。集光レンズ２２４Ｂは、結合ビーム２１１ａ～２１１ｄの各々がケーブル１１０Ｂの対応するコアの全長に沿って手術用プローブ（例えば、図１のプローブ１０８）の遠位端に伝搬されるように、結合ビーム２１１ａ～２１１ｄをケーブル１１０Ｂの近位端の境界面に集束させる。より具体的には、図２の例では、ケーブル１１０Ｂは、コアＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤなどの４つのコアを備えたＭＣＦである。そのような例では、集光レンズ２２４Ｂは、例えば、結合ビーム２１１ａがコアＡに伝搬され、結合ビーム２１１ｂがコアＢに伝搬され、結合ビーム２１１ｃがコアＣに伝搬され、結合ビーム２１１ｄがコアＤに伝搬されるように、結合ビーム２１１ａ～２１１ｄをケーブル１１０Ｂの近位端の境界面に集束させる。
デュアルゲインを用いた例示的なビーム検出
本開示の態様は、デュアルゲインを用いて実装されたレーザビーム検出回路を備えた手術用レーザシステムを提供する。特に、特定の態様は、広ダイナミックレンジ（例えば、１ｍＷ（ミリワット）～３．３Ｗ（ワット））を有し得る、短い（例えば、５０μｓ（マイクロ秒））レーザパルスなどのパルス持続時間を測定するための技術を提供する。
現在、短いレーザパルスの測定は、一般に、単に回路のゲインを制限することによってパルス振幅を無視する回路を用いて達成され得る。ゲイン制限回路は、通常、レーザパルス持続時間（例えば、５０μｓ）のかなりの割合を占める回復時間（例えば、１０μｓ以上）を有する。その結果、そのような回復時間により、実際のレーザパルス持続時間の測定の際に誤差を引き起こす場合がある。フォトダイオードビーム検出器は、多くの場合、そのような回路において、２つの別々の目的のために実装され得る。第１の目的は、レーザビームが正しい出力ポートにステアリングされていることを確認するために、レーザパルスがオンのときにレーザパルスを検出することである。検出された信号の持続時間を測定して、パルス持続時間を確認することができる。第２の目的は、マイクロパルシングを使用してパルスを発生させるときに生じる可能性がある、不要な出力を検出することである。例えば、レーザエネルギーが正しくないポートに方向付けられたり、レーザがオフを意味しているときにオンであるように見えたりする可能性がある。レーザビームの不適切又は不正確な検出は、レーザビームを伴う医療処置中に患者にとって危険となり得る。
レーザビームのダイナミックレンジは、大きくなる場合がある。すなわち、最大出力が３．３Ｗと高く、１ｍＷと低くなり得る。レーザビームの比較的大きいダイナミックレンジに対応することは、レーザビーム自体をサンプリングするために使用されるビームスプリッタにおける不確実性によって更に複雑になり得る。例えば、ビームスプリッタの製造上の変動は、１００％と高くなり得る。レーザパルスを受け取るフォトダイオードの出力を検出するために使用される回路は、大きいダイナミックレンジを取り扱うことができる一方で、依然としてパルス持続時間を正確に測定できることが望ましい場合がある。
従来のゲイン制限回路は、通常、パルス持続時間を正確に測定する能力に影響を与える。フォトダイオード信号を増幅するためにいくつかの方法が存在するが、高速応答には通常、トランスインピーダンス（ＴＩＭ）増幅器を使用することが最適である。増幅器がその動作限界内にとどまっている限り、パルス忠実度は一般に高い。しかしながら、出力信号が大きすぎる場合、増幅器が飽和して、回復時間を予測できないか、又は非常に長くさせ得る。ツェナーダイオードを使用すれば、電圧ゲインをツェナーダイオードの降伏電圧のものに制限することができるが、ツェナーダイオードの飽和回復時間は１０μｓ以上になり得る。このように、レーザビームのダイナミックレンジを取り扱うことができ、且つ飽和しない回路が、適切で正確なパルス測定のために望まれている。
したがって、本開示の特定の態様は、デュアルゲインを用いて実装されたビーム検出回路に関する技術を提供する。特に、特定の態様は、ビーム検出回路において、異なるゲインを有する２つの増幅器を直列に使用することに関する。第１の増幅器のゲインは、最大のレーザパルスが第１の増幅器の動作限界の内側になるように設定され得る。第２の増幅器は、低振幅のパルスを回路によって測定できるように、信号を更に増幅するためのゲインを有し得る。第１の増幅器の出力は、大きいパルス（例えば、閾値電圧よりも大きい）が検出されると、第２の増幅器への信号を遮断するように構成され得るスイッチを制御することができる。言い換えれば、第１の増幅器からの出力は、基準電位ノード（例えば、接地）にシャント（例えば、短絡）され得る。第２の増幅器への信号を遮断することにより、特に大きい信号が回路を通過しているときに、第２の増幅器が動作限界を超えることを防止することができる。特定の態様では、第１の増幅器及び／又は第２の増幅器の出力は、増幅器のスイッチングが測定値に影響を与えないように、パルス持続時間を測定するために使用され得る。言い換えれば、上述の方法において２つの増幅器を備えたビーム検出回路を実装することにより、レーザビームをより正確に検出することが可能になる。
図３は、デュアルゲインビーム検出を用いて実装された例示的な回路３００を示している。示されるように、回路３００は、フォトダイオード３０２と、増幅器３０４、３１０と、比較器３０８、３１２と、スイッチ３１４と、抵抗器３１８と、論理ゲート３２２と、を含み得る。
図示のように、フォトダイオード３０２は、増幅器３０４の入力と基準電位ノード３１６（例えば、電気接地）との間に結合され得る。いくつかの実施形態では、基準電位ノード３１６は、代わりに、電圧源又は電流源であり得る。増幅器３０４の別の入力は、基準電位ノード３１６に結合され得る。特定の態様では、増幅器３０４は、増幅器３０４の動作限界を超えることなく、フォトダイオード信号を可能な限り増幅することができる。増幅器３０４の出力は、基準電位ノード３１６に結合された別の入力を有し得る、増幅器３１０の入力に結合され得る。特定の態様では、増幅器３１０のゲインは、増幅器３０４のゲインよりも大きくてもよい。示されるように、抵抗器３１８は、増幅器３０４、３１０の間に結合され得る。更に、スイッチ３１４は、ノード３１９（抵抗器３１８と増幅器３１０との間）と基準電位ノード３１６との間に結合され得る。
増幅器３０４の出力は、比較器３０８の入力に結合されてもよく、その入力は、電圧Ｖ１と比較され得る。示されるように、増幅器３１０の出力は、比較器３１２の入力に結合されてもよく、その入力は、電圧Ｖ２と比較され得る。特定の態様では、Ｖ１はＶ２よりも大きくてもよく、Ｖ２は、ノイズが偽トリガを引き起こさないように十分に大きくなるよう（例えば、レーザパルスが１ｍＷを超えるときを超える値）に選択され得る。比較器３１２が低電力ビーム（例えば、１ｍＷのレーザビームと同じくらい低い）を検出するように構成され得、且つより高い電力ビームにより飽和し得る一方で、比較器３０８が飽和することなくより高い電力ビーム（例えば、最大３．３Ｗのレーザビーム）を検出するように構成され得るため、Ｖ１は、Ｖ２よりも大きくなるように選択され得る。比較器３０８への入力が電圧Ｖ１を超えると、比較器３０８は、破線３２０で示されるように、論理ゲート３２２、並びにスイッチ３１４に対して、論理ハイ電圧信号（例えば、３．３Ｖ又は５Ｖ）を出力することができる。比較器３１２への入力が電圧Ｖ２を超えると、比較器３１２は、論理ゲート３２２に対して論理ハイ電圧信号（例えば、３．３Ｖ又は５Ｖ）を出力することができる。比較器３０８の出力が論理ハイである場合、例えば、スイッチ３１４は閉鎖し、増幅器３１０の入力を基準電位ノード３１６に結合（例えば、短絡）することができる。特定の態様では、論理ゲート３２２は、ＯＲゲート、又は任意の他の適切な論理ゲートであり得る。
特定の態様では、約１ｍＷの信号が閾値を超えるように、フォトダイオード信号が増幅されることが有利であり得る。しかしながら、その電力が１ｍＷよりもかなり高い信号（例えば、ハイレベル信号）は、増幅器３０４によって増幅されると、増幅器３１０がその動作限界を超える原因となるであろう。したがって、比較器３０８の電圧Ｖ１は、電圧Ｖ１が増幅器３１０の飽和電圧よりも小さくなるように選択され得る。その後、ハイレベル信号が回路３００を介して通過されると、そのような信号は、増幅器３１０が飽和電圧に到達する前に、比較器から論理ハイ出力を発生し、その後、スイッチ３１４を閉鎖することができる。低レベルレーザパルス（例えば、低出力レーザパルス）がフォトダイオードに印加され、増幅器３０４、３１０の両方によって増幅され得る。この技術により、増幅器３１０が著しい過負荷になるのを防止することができるため、増幅器３１０は、例えば、パルス測定に影響を与えないように十分に速く、ゼロ出力に戻ることができる。増幅器３０４は有限の立ち上がり時間を有するため、比較器３１２は、信号が比較器３０８をトリガするのに十分な振幅を有する前に論理ハイ信号を出力し、その結果、スイッチ３１４を閉鎖させることができる。比較器３０８、３１２のうちの１つ以上が論理ハイ信号を出力する場合、論理ゲート３２２は、論理ハイ信号を出力することができる。論理ゲート３２２の出力は、例えば、レーザパルスの持続時間を測定するために、タイマを開始することができる。したがって、レーザパルスの開始は、大きい振幅パルス及び小さい振幅パルス（例えば、高レベル信号又は低レベル信号）の両方に対して同様の精度で測定され得る。いくつかの実装形態では、レーザパルスは、回路３００とは独立してタイミング及び／又は制御され得る。例えば、これは、シャッタ（例えば、図２のシャッタ２３４）又は電源によって行われ得る。この場合、回路３００は、レーザパルスタイミングのダブルチェックとして使用され得る。更に、独立したパルスタイミング／制御のいくつかの例では、パルスを生成／測定するために使用されるクロックが独立しているように、フォトダイオードタイミングが２つの独立した回路によって測定され得る。
図４は、回路によってレーザパルスを検出する例示的な動作４００を示すフロー図である。動作４００は、図３の回路３００の範囲内で理解されて実施され得る。
動作４００は、ブロック４０５において、回路の入力においてレーザパルスを受け取ることによって開始する。４１０において、回路は、レーザパルスに基づいて（例えば、フォトダイオード３０２を介して）電気信号を生成する。４１５において、回路は、（例えば、増幅器３０４を介して）電気信号を増幅する。
４２０において、回路は、増幅された電気信号と第１の閾値電圧（例えば、電圧Ｖ１）との間の第１の比較を（例えば、比較器３０８を介して）実行し、増幅された電気信号が第１の閾値電圧よりも大きい場合に基準電位ノード（例えば、基準電位ノード３１６）に結合されたスイッチ（例えば、スイッチ３１４）を閉鎖する。
４２５において、第１の比較に基づいて、回路は、増幅された電気信号を（例えば、増幅器３１０を介して）再増幅するか、又は基準電位ノードに関連する電圧を増幅する。特定の態様では、増幅された電気信号の電圧が第１の閾値電圧よりも小さい場合、増幅された電気信号は再増幅され得る。増幅された電気信号の電圧が第１の閾値電圧よりも大きい場合、増幅された電気信号は基準電位に結合され、それによって増幅された電気信号が効果的にシャント／短絡される。したがって、増幅された電気信号は、第２の増幅器に通過しない。むしろ、結果として、基準電位ノード（例えば、接地）に関連する電圧が、第２の増幅器に入力され得る。
４３０において、第１の比較に基づいて、回路は、再増幅された電気信号又は基準電位ノードに関連する電圧と第２の閾値電圧（例えば、電圧Ｖ２）との間の第２の比較を（例えば、比較器３１２を介して）実行し、第１の閾値電圧は第２の閾値電圧よりも大きい。
４３５において、回路は、第１の比較の出力及び第２の比較の出力のうちの少なくとも１つに基づいて、レーザパルスの検出を示す信号を（例えば、論理ゲート３２２を介して）生成する。
前述の説明は、当業者が本明細書に記載の様々な実施形態を実践できるようにするために提供されている。これらの実施形態に対する様々な修正形態は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義する一般的な原理は、他の実施形態に適用され得る。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示す実施形態に限定されることが意図されるものではなく、特許請求の範囲の文言に一致する全範囲が認められるべきである。
例示的な実施形態
実施形態１：レーザビームを伝搬させるように構成されたレーザ源と、実行可能命令を含むメモリと、メモリとデータ通信を行って、命令を実行するように構成されたプロセッサであって、命令がプロセッサに、回路から受信した検出信号に基づいてレーザ源を制御させる、プロセッサと、を含む、手術用レーザシステム。第１の比較器の入力及び第２の増幅器の入力に結合された出力を有する第１の増幅器と、第２の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたスイッチであって、スイッチの状態が第１の比較器の出力に基づく、スイッチと、第２の増幅器の出力に結合された入力を有する第２の比較器であって、第１の比較器が第２の増幅器の第２の閾値電圧よりも大きい第１の閾値電圧を有する、第２の比較器と、第１の比較器の出力に結合された第１の入力及び第２の比較器の出力に結合された第２の入力を有する論理ゲートと、を含む、回路。手術用レーザシステムは、ポートを介して手術用レーザシステムに結合された光ファイバの近位端の境界面上にレーザビームを集束させるように構成されたレンズを更に含み、光ファイバの遠位端は、標的表面上にレーザビームを投射するように構成される。
実施形態２：回路が、第１の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたフォトダイオードを更に含み、フォトダイオードが、レーザビームを受け取るように構成されている、実施形態１に記載の手術用レーザシステム。
実施形態３：プロセッサが、回路から検出信号を受信するとタイマを開始するように構成され、プロセッサが、タイマがタイミング閾値に到達するとレーザビームの伝搬を停止するように構成されている、実施形態１又は２に記載の手術用レーザシステム。
実施形態４：プロセッサが、検出信号に基づいて、レーザビームがポートに方向付けられていると判定したときを除いて、レーザビームの伝搬を停止するように構成されており、レーザビームは、手術用レーザシステムがレーザビームを伝搬させるように方向付けられているときに伝搬され、レーザビームは手術用システムがレーザビームを伝搬させるように方向付けられていないときには伝搬されず、且つレーザビームは閾値持続時間内に伝搬される、実施形態１～３のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態５：第１の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたフォトダイオードを更に含む、実施形態１～４のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態６：第１の増幅器が、第２の増幅器の第２のゲインよりも小さい第１のゲインを有する、実施形態１～５のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態７：第２の増幅器の飽和電圧レベルが、第１の比較器の第１の閾値電圧よりも大きい、実施形態１～６のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態８：第２の比較器の第２の閾値電圧が、少なくとも１ｍＷである、実施形態１～７のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態９：スイッチが、第１の比較器の入力における電圧が第１の比較器の第１の閾値電圧を超える場合、第２の増幅器の入力を基準電位ノードに短絡するように構成されている、実施形態１～８のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態１０：スイッチが、アナログスイッチ又は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のうちの１つである、実施形態１～９のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態１１：第１の増幅器が、トランスインピーダンス増幅器である、実施形態１～１０のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態１２：論理ゲートが、ＯＲゲートである、実施形態１～１１のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態１３：第１の増幅器の出力と第２の増幅器の入力との間に結合された抵抗器を更に含む、実施形態１～１２のいずれかに記載の手術用レーザシステム。
実施形態１４：回路の入力においてレーザパルスを受け取ることと、レーザパルスに基づいて電気信号を生成することと、電気信号を増幅することと、増幅された電気信号と第１の閾値電圧との間の第１の比較を実行することであって、増幅された電気信号が第１の閾値電圧よりも大きいときに、基準電位ノードに結合されたスイッチを閉鎖する、ことと、第１の比較に基づいて、増幅された電気信号を再増幅するか、又は増幅された電気信号を基準電位ノードにシャントすることと、増幅された電気信号が再増幅されたときに、再増幅された電気信号と第２の閾値電圧との間の第２の比較を実行することであって、第１の閾値電圧が第２の閾値電圧よりも大きい、ことと、第１の比較の出力及び第２の比較の出力のうちの少なくとも１つに基づいて、レーザパルスの検出を示す信号を生成することと、を含む、回路によってレーザパルスを検出する方法。
実施形態１５：第１の比較器の入力及び第２の増幅器の入力に結合された出力を有する第１の増幅器と、第２の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたスイッチであって、スイッチの状態が第１の比較器の出力に基づく、スイッチと、第２の増幅器の出力に結合された入力を有する第２の比較器であって、第１の比較器が第２の増幅器の第２の閾値電圧よりも大きい第１の閾値電圧を有する、第２の比較器と、第１の比較器の出力に結合された第１の入力及び第２の比較器の出力に結合された第２の入力を有する論理ゲートと、を含む、回路。
実施形態１６：第１の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたフォトダイオードを更に含む、実施形態１５に記載の回路。
実施形態１７：第１の増幅器が、第２の増幅器の第２のゲインよりも小さい第１のゲインを有する、実施形態１５又は１６に記載の回路。
実施形態１８：第２の増幅器の飽和電圧レベルが、第１の比較器の第１の閾値電圧よりも大きい、実施形態１５～１７のいずれかに記載の回路。
実施形態１９：第２の比較器の第２の閾値電圧が、少なくとも１ｍＷである、実施形態１５～１８のいずれかに記載の回路。
実施形態２０：スイッチが、第１の比較器の入力における電圧が第１の比較器の第１の閾値電圧を超えると、第２の増幅器の入力を基準電位ノードに短絡するように構成されている、実施形態１５～１９のいずれかに記載の回路。
実施形態２１：スイッチが、アナログスイッチ又は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のうちの１つである、実施形態１５～２０のいずれかに記載の回路。
実施形態２２：第１の増幅器が、トランスインピーダンス増幅器である、実施形態１５～２１のいずれかに記載の回路。
実施形態２３：論理ゲートが、ＯＲゲートである、実施形態１５～２２のいずれかに記載の回路。
実施形態２４：第１の増幅器の出力と第２の増幅器の入力との間に結合された抵抗器を更に含む、実施形態１５～２３のいずれかに記載の回路。

Claims (15)

  1. 手術用レーザシステムであって、
    レーザビームを伝搬させるように構成されたレーザ源と、
    実行可能命令を含むメモリと、
    前記メモリとデータ通信を行って、命令を実行するように構成されたプロセッサであって、前記命令が前記プロセッサに、回路から受信した検出信号に基づいて前記レーザ源を制御させ、前記回路が、
    第１の比較器の入力及び第２の増幅器の入力に結合された出力を有する第１の増幅器と、
    前記第２の増幅器の前記入力と基準電位ノードとの間に結合されたスイッチであって、前記スイッチの状態が前記第１の比較器の出力に基づいて制御される、スイッチと、
    前記第２の増幅器の出力に結合された入力を有する第２の比較器であって、前記第１の比較器が前記第２の増幅器の第２の閾値電圧よりも大きい第１の閾値電圧を有する、第２の比較器と、
    前記第１の比較器の出力に結合された第１の入力及び前記第２の比較器の出力に結合された第２の入力を有する論理ゲートであって、前記論理ゲートの出力が前記検出信号である、論理ゲートと、を含む、プロセッサと、
    ポートを介して前記手術用レーザシステムに結合された光ファイバの近位端の境界面上に前記レーザビームを集束させるように構成されたレンズであって、前記光ファイバの遠位端が、標的表面上に前記レーザビームを投射するように構成されている、レンズと、
    を備える、手術用レーザシステム。
  2. 前記回路が、前記第１の増幅器の入力と基準電位ノードとの間に結合されたフォトダイオードを更に備え、前記フォトダイオードが、前記レーザビームを受け取るように構成されている、請求項１に記載の手術用レーザシステム。
  3. 前記プロセッサが、前記回路から前記検出信号を受信するとタイマを開始するように構成されており、
    前記プロセッサが、前記タイマがタイミング閾値に到達すると前記レーザビームの伝搬を停止するように構成されている、請求項１に記載の手術用レーザシステム。
  4. 前記プロセッサが、前記検出信号に基づいて
    前記レーザビームが前記ポートに方向付けられている
    と判定したときを除いて、前記レーザビームの伝搬を停止するように構成されており、
    前記レーザビームが、前記手術用レーザシステムが前記レーザビームを伝搬させるように方向付けられているときに伝搬され、前記手術用システムが前記レーザビームを伝搬させるように方向付けられていないときには前記レーザビームは伝搬されず、
    前記レーザビームが閾値持続時間内に伝搬される、
    請求項１に記載の手術用レーザシステム。
  5. 回路によってレーザパルスを検出する方法であって、
    前記回路の入力において前記レーザパルスを受け取ることと、
    前記レーザパルスに基づいて電気信号を生成することと、
    前記電気信号を増幅することと、
    前記増幅された電気信号と第１の閾値電圧との間の第１の比較を実行することであって、前記増幅された電気信号が前記第１の閾値電圧よりも大きいときに、基準電位ノードに結合されたスイッチを閉鎖する、ことと、
    前記第１の比較に基づいて、
    前記増幅された電気信号を増幅するか、又は
    前記増幅された電気信号を前記基準電位ノードにシャントすることと、
    前記増幅された電気信号が再増幅されたときに、前記再増幅された電気信号と第２の閾値電圧との間の第２の比較を実行することであって、前記第１の閾値電圧が前記第２の閾値電圧よりも大きい、ことと、
    前記第１の比較の出力及び前記第２の比較の出力のうちの少なくとも１つに基づいて、前記レーザパルスの検出を示す信号を生成することと、を含む、方法。
  6. 第１の比較器の入力及び第２の増幅器の入力に結合された出力を有する第１の増幅器と、
    前記第２の増幅器の前記入力と基準電位ノードとの間に結合されたスイッチであって、前記スイッチの状態が前記第１の比較器の出力に基づいて制御される、スイッチと、
    前記第２の増幅器の出力に結合された入力を有する第２の比較器であって、前記第１の比較器が前記第２の増幅器の第２の閾値電圧よりも大きい第１の閾値電圧を有する、第２の比較器と、
    前記第１の比較器の出力に結合された第１の入力及び前記第２の比較器の出力に結合された第２の入力を有する論理ゲートと、
    を備える、回路。
  7. 前記第１の増幅器の入力と前記基準電位ノードとの間に結合されたフォトダイオードを更に備える、請求項６に記載の回路。
  8. 前記第１の増幅器が、前記第２の増幅器の第２のゲインよりも小さい第１のゲインを有する、請求項６に記載の回路。
  9. 前記第２の増幅器の飽和電圧レベルが、前記第１の比較器の前記第１の閾値電圧よりも大きい、請求項６に記載の回路。
  10. 前記第２の比較器の前記第２の閾値電圧が、前記回路が少なくとも１ｍＷの出力を有するレーザビームを検出するときを超える値である、請求項６に記載の回路。
  11. 前記スイッチが、前記第１の比較器の前記入力における電圧が前記第１の比較器の前記第１の閾値電圧を超える場合、前記第２の増幅器の前記入力を前記基準電位ノードに短絡するように構成されている、請求項６に記載の回路。
  12. 前記スイッチが、アナログスイッチ又は金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）のうちの１つである、請求項６に記載の回路。
  13. 前記第１の増幅器が、トランスインピーダンス増幅器である、請求項６に記載の回路。
  14. 前記論理ゲートが、ＯＲゲートである、請求項６に記載の回路。
  15. 前記第１の増幅器の前記出力と前記第２の増幅器の前記入力との間に結合された抵抗器を更に備える、請求項６に記載の回路。
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