JP2024052981A - レーザ結石破砕術のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスエネルギー、ピークパワー、パルス繰返し周波数およびパルス形状を変調して、治療時間およびコスト減少に至るレーザ－石相互作用のための最適条件を提供するように動作するレーザシステムによって行われる整形パルスレーザ結石破砕術の必要性が存在する。【解決手段】本発明は、高アブレーション率を提供する一方で、アブレーション生成物の後退も最小化する、整形パルスレーザ結石破砕術のための方法および装置を提供する。人体または動物体内の結石を治療するための方法およびレーザシステムが、レーザパルスのシーケンスを発するレーザを備え、レーザは、レーザパルスが、一定パルス周波数で、かつ一振幅周期群のパルス内のパルス数に等しい振幅変調周期Ｎａの周期的に変化するピークパワーもしくはパルスエネルギーまたはピークパワーおよびパルスエネルギーで発される、振幅変調様式で動作可能である。【選択図】図１

Description

本開示は、概して、レーザパワーの時間的構造を制御することで様々な手術手技に従う石治療の速度を上げる、人体または動物体内の結石を治療するための方法およびレーザシステムを対象とする。特に、本発明は、パルスエネルギー、ピークパワーおよび繰返し率の他にパルス形状の変調により改善された時間的構造を有するレーザパルスで結石を治療するための方法およびレーザシステムに関する。

人間および動物内の結石を排除するための結石破砕法にパルスレーザ源が使用され得る。結石（本明細書において石とも称される）は、身体の器官または導管に生じ得る物質の凝固物である。尿結石には、腎石（腎臓内結石または腎結石とも呼ばれ得る）の他に膀胱石（膀胱内結石または膀胱結石とも呼ばれ得る）を含み、そして混合組成を含め、各種の組成のいずれか１つを有し得る。主組成には、しばしば、シュウ酸カルシウム、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウムアンモニウム、リン酸二アンモニウムカルシウム、リン酸マグネシウム、システイン、尿酸または尿酸塩、およびキサンチンを含む。胆嚢および胆管の結石は胆石と呼ばれ、主に胆汁酸塩およびコレステロール誘導体から発生される。結石は、鼻道、胃腸管、唾液腺、扁桃および静脈を含め、身体の他の部位にも生じ得る。

レーザ結石破砕術は、様々な機構を通じて石の破壊を誘発するレーザの使用法である。剛性または軟性または山型内視鏡の長軸に沿って進む光ファイバが、典型的に、砕石のためにレーザビームを伝送する。石は、１および３から４ｍｍ間の寸法の粒子へ分割でき（破砕）、続いてバスケットまたは類似の器具を使用して剛性器具の作業チャネルを通して除去できる。代替的に、石は、ダスティングと称されるプロセスで小粒子（サイズが＜１ｍｍ）へ分割できる。微細ダスティング（粒子＜０．２５から０．５ｍｍ、石組成および塵粒子の形状に応じる）として知られているダスティングの下位分類の結果、尿流によって、または約４０ｃｍ高さに吊るされた水／生理食塩水バッグによって供給される標準潅流によって除去されるのに十分に小さな破片になる。分子レベルまでの気化も可能である。アブレーションの効率は治療部位における条件に依存しており、大きな石に対してまたは単一の手術法で複数の石を治療するときは実質的に低くなり得る。この問題は、手術中に接触および非接触モードで石ダスティングを完了することが目的であるときに軟性尿管鏡による大きな腎石および複数の腎石の治療に対してより典型的である。

別の問題が、後退による治療中の石の移動である。後退は以下の現象によって引き起こされる。ファイバと石との間のギャップにおける水によって吸収された光エネルギーが水圧波を発生して、ファイバの先端から離れる方向に石を押しやる。レーザエネルギーが石によって吸収されて石のアブレーションが起こると、アブレーションの反跳運動量によっても、石がファイバから離れて変位されるようになる。後退は手術時間を長引かせ、かつ外科医が石の破砕またはダスティングを完了して遺残石粒子のない結果を達成することを困難にする。レーザ平均パワーおよび治療の時間を増加させて低アブレーション率を補償することは、軟組織損傷のリスクを上昇させることによって制限され得る。

レーザ結石破砕術を行うための幾つかの手術手技が知られており、例えばファイバ先端および治療されるべき石の相互位置および相対変位に基づく。これらの手技は概して以下の範疇の１つに入る：接触破砕、準接触走査（ダンシング）および非接触（ポップコーン）手技。破砕手技を使用するときは、ファイバ先端が石中心と接触して位置付けられ、そして石のマクロ割れおよび破砕が生じるまで石にレーザパワーが送出される。破砕手技では、レーザパワーは、比較的長時間の間１つの小範囲に印加される。そのような動作モードの結果、比較的深いドリル孔および石のマクロ割れを誘発する熱機械的応力になる。

走査手技では、ファイバは、石と準接触（距離０～１ｍｍ）して石表面を横断して連続的に移動する。石表面を横断するどのパスの結果も、石の薄層を除去（切除）することになる。この手技は、石を小破片へ切除（ダスティング）するのに好ましい。後退により接触または準接触モードで動作する可能性が許容されなければ、石の小破片（典型的にサイズが３ｍｍ未満）の治療のためには非接触手技が使用される。非接触手技では、ファイバが標的とされた石の破片の位置に近い固定位置に位置決めされ、そしてレーザが非接触様式で照射される。水気化および気泡爆縮の結果、水が流れて、石の小破片が移動するようになる。そのような破片が手術用ファイバの遠位端の有効範囲に入ると、更なる破砕／ダスティングが生じる結果、一層小さな石の破片になる。

アブレーション率はアブレーション機構によって決定されており、石の化学組成および構造に、レーザの動作パラメータ（例えば、波長、放射エネルギー、ピークパワー、パルス幅および繰返し周波数）に、放射を供給するファイバの端と石の表面との間の中間層の厚さに、ならびにこの中間層における物質の光学的性質（透明性）に依存する。アブレーションの様々な物理プロセスおよび機構が上述した石破壊の手術手技に伴い、かつ光機械、光熱および／または光化学機構を含む。

数マイクロ秒より短いレーザパルスに対して典型的である光機械機構は、レーザ誘起引張応力が標的の極限引張強度を超えるときにアブレーションが開始されることを断定する。この機構における主要因には標的物質の機械的性質およびレーザ誘起応力を含む。固体物質中の過渡引張応力が顕微鏡的亀裂および他の欠陥の形成に至り、そして応力が物質の有効強度を超えれば、破断および物質放出が生じ得る（破砕と呼ばれるプロセス）。加えて、液体中の過渡引張応力が媒体を破裂させることができ、キャビテーションとして知られている現象を引き起こす。キャビテーションは液体中の空洞の成長および崩壊を伴い、周囲の固体物質への損傷を引き起こし得る。レーザエネルギーは、物体上のプラズマ形成にも至ることができる。プラズマ形成は、光学破壊を伴う高速物体イオン化を通じて達成されるが、これは、レーザ放射が照射物体によってかつ／または標的上に高パワー密度で強く吸収されるときに生成される非線形効果である。液体治療環境では、直接またはプラズマ媒介吸収によって液体中のレーザ誘起気泡形成が引き起こされる。この吸収が、成長する蒸気気泡を生じさせる。成長する蒸気気泡は石に達しないかもしれないとはいえ、パルスからのエネルギーが液体によって更に吸収される。このように、成長する気泡の前に両極性圧力パルス（すなわち、衝撃波）が形成されて、石の割れを誘発する。気泡を伴うキャビテーションプロセスが衝撃波成長に更に寄与する。このように、標的物質上にレーザエネルギーを集束させることで、一連の光学破壊を伴うプラズマ形成、衝撃波発生、および気泡キャビテーション中の負圧の誘発によって物質に損傷を与える。

光熱機構は、約１２マイクロ秒より長いパルスを有するレーザに対して典型的である。エネルギー送出のためにシリカファイバが使用される結石破砕術のためには、１９４０ｎｍ（１．８５から２．１μｍ範囲）の吸水ピークに近い波長を有するミリ秒未満およびミリ秒レーザが好ましい。水は、シリカファイバを通して伝送される赤外スペクトルで石を破断させるのに寄与する熱および熱機械エネルギーへのレーザエネルギーの変換を促進する石内の唯一の最も重要な初期発色団である。

光熱機構は２つのモードで実行できる。第１のモードは石ダスティングであり、それは、最初は石の細孔、割れ目、初期ミクロ亀裂および他のミクロ空間内の石の微結晶間において石に閉じ込められた膨張または蒸発水（石重量／重量の約１０％）によって引き起こされる高圧により生じる。それら自体約２μｍ波長の光の低吸収を示す石の鉱物および有機成分によって囲まれた水の選択吸収によって加熱および続く沸騰が引き起こされる。この機構は、サイズが基本微結晶の特性寸法から（数百ミクロンまでに、主にサブミクロンから数十ミクロンまでに）及ぶ破片または０．５ｍｍ（微細ダスティング）もしくは１ｍｍ（ダスティング）までの特性寸法のそれらの集合体／領域の分離に至る。第２のモードは砕石（破片＞１ｍｍへ）であり、それは、主にレーザによって加熱される範囲周辺の石の容積内の熱応力によるものであり、レーザパワーが石上の一点に印加される（石穿孔）ときにダスティングに優越する。第１のモードは手術手技に関係なく事実上常に存在するが、しかしそれは走査およびポップコーニング手術手技において優越する。第２のモードは、非常に高いパルスエネルギーに対しておよび破砕手技に対して妥当である。

アブレーションの光化学機構は、物質中の分子結合の直接解離に至る高エネルギー光子の吸収に基づく。光化学機構は、石構造内の有機分子の炭化または鉱物マトリックス内の熱化学反応による石の吸収を増加させる役割を果たし得る。微細ダスティング、ダスティングおよび破砕などの手術法、アブレーション効率ならびに後退効果は、パルス幅、パルス当たりエネルギー、パルス繰返し率および平均パワーなどのレーザパラメータによって制御できる。加えて、エネルギー送出の方法、例えば、コア径、開口数、遠位先端条件、およびファイバの遠位端と石との間の距離などのファイバパラメータも重要な役割を果たす。最後に、穿孔、走査または非接触印加も全て、レーザ－石相互作用の結果に寄与する。

レーザ結石破砕法に数種類のレーザが使用され得、種々の判定基準に基づいて選択される。例えば、ホルミウム：ヤグ（Ｈｏ：ＹＡＧ）フラッシュランプ励起レーザ砕石器は典型的に高パルスエネルギー（０．１～６Ｊ）で動作されるが、しかし結石破砕法の間、低パルス率（５～１００Ｈｚ）に制限される。パルス形状および時間的性質の他の特性の制御は、フラッシュランプ励起によりこのレーザに対して非常に制限される。

レーザ結石破砕術に使用されかつ約１．９４μｍの吸水ピークに近い波長で動作するＨｏ：ＹＡＧ以外の他のレーザには、ダイオード励起ツリウムＴｍ：ＹＡＧレーザおよびダイオード励起Ｔｍファイバレーザ（ＴＦＬ）を含むが、これらに限定されない。特に、ダイオード励起Ｔｍファイバレーザは多くの有利な特性を有する。これらのレーザは広パルスエネルギー範囲（０．００１～２０Ｊ）で、かつ高低パルス率（１～１００００００Ｈｚ）で動作できる。比較検討ＴＦＬおよびＨｏ：ＹＡＧ構成が行われた（例えばＢｌａｃｋｍｏｎら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ、１６（７）：０７１４０３、２０１１年７月を参照のこと）。加えて、パワー設定などのレーザパルス動作パラメータの、または後退を軽減することへの効果が検討された（例えばＷｈｉｔｅら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｄｏｕｒｏｌｏｇｙ、１２（２）：１８３－１８６、２００９年３月およびＡｎｄｒｅｅｖａ Ｖら、Ｗｏｒｌｄ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｕｒｏｌｏｇｙ、２０１９年５月４日：１－７を参照のこと）。ＴＦＬの輝線は、１．８５および２．２μｍ間の範囲で調整し、かつ１．９４μｍ前後の吸水ピーク（約２０～３０℃の水に対して１．９４μｍおよび約９０～１００℃の水に対して１．９０８μｍ）に非常に近くすることができる。種々の石組成に対するＴＦＬアブレーション閾値がＨｏ：ＹＡＧ結石破砕システムのそれらより非常に低く（約５倍）、同じアブレーション率に対してより低いパルスエネルギーまたは同等のパルスエネルギーであるがＨｏ：ＹＡＧシステムより効率的な石アブレーションの意味になる。

ＴＦＬを含め、ファイバレーザのビームプロファイルは、このように、ファイバへの不可避の損傷のため小コアファイバへ結合できない、Ｈｏ：ＹＡＧレーザまたは他の固体レーザのマルチモードビームより均一かつ対称的である。例えば、シングルモード（ＳＭ）ツリウムファイバレーザは、約２５ミクロンにまでレーザビームを集束させることが可能である。ＴＦＬによって提供される小ファイバ径がホルミウムレーザの場合より高いパワー密度の集束を可能にして、後退も減少させる。小ファイバ径は石表面上の放射露光または放射照度を増加させるが、これは、レーザアブレーションプロセスの間、低レーザパルスエネルギーが使用され得ることを意味する。小さな作業チャネルを有する軟性尿管鏡にファイバが使用されるとき、潅流を改善するためにも尿管鏡の偏向角を損なわないためにも、小ファイバ径が重要である。ツリウムファイバレーザによって提供される改善された空間ビームプロファイルは、近位ファイバ先端面へのレーザ誘起損傷を軽減しており、ホルミウムベースのシステムより長い動作寿命の意味になる。小径ファイバ（１５０ミクロン（μｍ）未満、好ましくは５０および１２５μｍ間）の使用が、微結晶のクラスタ（領域）間にならびに石表面上の亀裂および割れ目内へレーザエネルギーを集束させることを通じて微細ダスティングの効率を上昇させることができる。ホルミウムレーザシステムは熱も発生して、ビームミスアライメントに関与し、次いでファイバ損傷を引き起こす可能性を有する。

群として、ダイオード励起ファイバレーザは、Ｈｏ：ＹＡＧシステムなどの従来のフラッシュランプ励起固体レーザより多種多様のレーザ動作パラメータで動作することが可能である。例えば、単一レーザヘッドＨｏ：ＹＡＧシステムは、典型的に、過熱してレーザロッドへの熱損傷を引き起こす可能性により＜３０Ｈｚのパルス率に制限される。フラッシュランプからの白色光は、大部分が熱の形態で浪費されて、ごく一部分だけがレーザの実際の動作に寄与しており、これらのシステムは典型的に＜１～２％のウォールプラグ効率を有する。これらのシステムがこの熱を放散させてレーザロッドへの損傷を防止するために、大型でかさばった冷却装置（例えば、水冷装置）がしたがって必要とされる。対照的に、ダイオード励起ファイバレーザシステムは約１０～５０％のウォールプラグ効率を有し、これは、非常に小型の冷却装置（例えば、空冷）が使用され得ることを意味する。上昇したウォールプラグ効率は、ファイバベースのシステムがホルミウムベースのシステムより高い平均パワーで動作するが、それでも１１０～１２０Ｖ電気コンセントを使用することが可能であることも可能にする。

ダイオード励起Ｔｍファイバレーザの他の利点には、１．８５～２．２μｍ範囲で発する他のダイオード励起レーザでも実装できる、広範囲のパルス形状を含む種々の時間的構造を生成するそれらの能力を含む。例えば、ダイオードレーザポンピングによるＴｍ：ＹＡＧレーザがこの能力を有する。ダイオード励起固体およびファイバレーザの上述した利点は本発明に組み込まれ、本出願において述べられることになる。

レーザ結石破砕術の開発と関連した課題には動作の時間を削減することを含んでおり、石のアブレーション率、破片の移動の経路（速度）（例えば、後退を軽減）の他に、破壊の生成物と関連付けられる。この課題は、レーザ発光の時間的構造を最適化することによって有意に改善でき、この能力はダイオード励起ファイバまたは固体レーザによって提供される。

レーザ結石破砕術のために使用される全てのレーザは、予め設定されたパルス当たりエネルギー（Ｅ＝０．０２５～６Ｊ）、繰返し率（ν＝１～２５００Ｈｚ）、パルス幅および平均パワーＰ＝Ｅ×ν（２～１２０Ｗ）で動作される。レーザパラメータ（Ｅ、νおよびＰ）は、所望の結果を達成するように：破砕、ダスティングまたはポップコーニング、かつ器官壁穿孔または水過熱および粘膜の熱焼灼のリスクを最小化するはずである安全域を提供するように予め選択される。しかしながら、石は、上述したように、種々の組成、形状およびサイズを有する。前述したパラメータの固定組が１つの特定の石を有効に割ることができるとはいえ、それは別のものに対しては無効であるかもしれない。

高アブレーション効率で最小の後退を達成するために、パルス幅を広げること（長パルスモード）または特別な二重パルス様式を使用することが提案された。米国特許第５，３２１，７１５号が、標的（一例として石）に照射する方法を提案しており、レーザ放射を吸収する液体媒体によって通常占有される標的とファイバ端との間の空間が２つのステップで透明にされる：（１）ファイバの送出端において液体媒体中に蒸気気泡を形成するのに十分なエネルギーを有する第１のレーザパルスを発生する、および（２）第１のパルス後に所定の時間間隔で第２のレーザパルスを発生し、所定の時間間隔は、第２のレーザパルスが蒸気気泡を通して標的に送出され得るように、蒸気気泡がファイバの送出端と標的との間の空間から液体媒体の実質部分を変位させるのに十分な量だけ膨張するのを許容するように選択され、それによって液体媒体によって吸収されるレーザ放射を最小化し、かつ標的に達するレーザ放射を最大化する。このように、第１のパルスはファイバ端と標的との間に蒸気チャネルを生じさせ（モーゼ効果）、そして第２のパルスは最小損失および液体との相互作用で標的に伝搬する。しかしながら、この特許によって教示される解決策は部分的成功しかもたらさなかった。

したがって、パルスエネルギー、ピークパワー、パルス繰返し周波数およびパルス形状を変調して、治療時間およびコスト減少に至るレーザ－石相互作用のための最適条件を提供するように動作するレーザシステムによって行われる整形パルスレーザ結石破砕術の必要性が存在する。

米国特許第５，３２１，７１５号

Ｂｌａｃｋｍｏｎら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｏｐｔｉｃｓ、１６（７）：０７１４０３、２０１１年７月 Ｗｈｉｔｅら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｄｏｕｒｏｌｏｇｙ、１２（２）：１８３－１８６、２００９年３月 Ａｎｄｒｅｅｖａ Ｖら、Ｗｏｒｌｄ ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｕｒｏｌｏｇｙ、２０１９年５月４日：１－７ Ｂｌａｃｋｍｏｎ ＲＬ、Ｆｒｉｅｄ ＮＭ、Ｉｒｂｙ ＰＢ、Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｌｉｔｈｏｔｒｉｐｓｙ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏ－ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ、２０１２年２月、１７（２）：０２８００２

この目的は、本発明による人体または動物体内の結石を治療するためのレーザシステムおよび方法によって満たされる。概して、高効率アブレーション率を提供する一方で、後退の望ましくない影響を最小化する発明概念の２つの態様がある：１．パルスエネルギー、ピークパワーおよびパルス周波数の変調または周期変化、ならびに２．最適パルス形状の形成および維持。態様の各々が、結石を治療するためのレーザシステムおよび結石を治療する方法に鑑みて述べられる。レーザおよび泌尿器技術の当業者にとって容易に明らかであるように、態様は互いと相補的であり、態様の一方の後述する構造特徴は他方の態様に使用できる。

それぞれの態様の方法は、特定範囲のレーザパワー密度で１．８５～２．２μｍ波長範囲で動作するダイオード励起ファイバレーザまたはダイオード励起固体レーザを使用することによって１ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満、および最も好ましくは０．２５ｍｍ未満の範囲の多成分サイズの粒子を提供する。５００μｍ未満、好ましくは２５０μｍ未満の粒子は、腎臓にとって安全である圧力（＜４０ｃｍ水柱高さ）が構成される尿管鏡を通して潅流によって容易に除去できる。

第１の態様による方法は、パルスエネルギーＥおよび／またはパルスピークパワーＰｐの変調に関しており、振幅変調（ＡＭ）と称される他に、周波数変調（ＦＭ）として定義されるパルス周波数（すなわち、パルス繰返し率）νの変調に関する。最後に、本方法は、同時振幅および周波数変調－振幅周波数変調（ＡＦＭ）に関する。

特に、第１の態様による人体または動物体内の結石を治療するための方法はＡＭに関しており、一定パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）で、かつ振幅変調周期Ｎａ≧２の周期的に変化するピークパワーもしくはパルスエネルギーまたはピークパワーおよびパルスエネルギーで、レーザからレーザパルスのシーケンスを発するステップを含む。

レーザパルスのシーケンスを発するＡＦＭに対処する方法は、一振幅周期群のパルス内のパルス数に等しい変調周期Ｎａでパルスピークパワーもしくはパルスエネルギーの少なくとも一方またはパルスピークパワーおよびエネルギーを周期的に変化させること、ならびに一周波数周期群のパルス内のパルス数に等しい周波数変調周期ＮｐでＰＲＦを周期的に変化させることに備える。

第１の態様の上記方法の両方とも、２から１０００のレーザパルス、好ましくは２から１００のレーザパルス、最も好ましくは２から１０のレーザパルスに及ぶ変調周期Ｎａが実装され、ＰＲＦの変調周期Ｎｐは、２から１０００までのレーザパルス、好ましくは２から１００までのレーザパルス、最も好ましくは２から１０までのレーザパルスに変化する。両方法において、レーザパルスは１．８５から２．２μｍの波長範囲で、好ましくは１．９１から１．９６μｍ波長範囲で発される。

本発明の第２の態様は、以下の２つの実施形態に従って形成される最適パルス形状の形成に関した。

特に、一方の実施形態において、人体または動物体内の結石を治療するための方法は、所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するステップを含む。制御信号に応じて、各レーザパルスが互いから時間的に離間される第１および第２のサブパルスで形成される所望のレーザ形状を有するように、レーザパルスのシーケンスが発される。第１のサブパルスのエネルギーは０．０２から０．１５Ｊ（好ましくは０．０５から０．１Ｊ）の範囲で変化し、そしてそのピークパワーは５０から５００Ｗ（好ましくは１００から３００Ｗ）に及ぶ。サブパルスは、時間的に、１００から５００μｓ範囲が好ましい、５０から９００μｓ範囲で変化する間隔にある。第２のサブパルスのエネルギーが第１のサブパルスのそれを超えて、０．１から１０Ｊの範囲で変化する一方で、そのピークパワーは第１のサブパルスのピークパワーを超えて、３００から２００００Ｗの範囲で変化する。

他方の実施形態は、人体または動物体内の結石を治療するための方法に関しており、所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するステップを含む。制御信号に応じて、所望のレーザパルス形状が初期および後続区間を有し、後続区間が初期区間より高いパワーレベルを有するように、レーザパルスのシーケンスが発される。初期区間のパワーは最小パワーレベルから後続区間のパワーレベルに単調に増加され、最小パワーレベルは０および２００Ｗ間で変化する。初期区間の持続時間が０．１から１０ｍｓ範囲で変化する一方で、初期パルス区間のエネルギーはパルスの全エネルギーの１０から７０％を構成する。後続区間は、パワーが４００および２００００Ｗ間で変化し、そして後続区間の持続時間は０．５から２０ｍｓ範囲で変化する。

本発明の上述した一方の態様に従って、本発明による結石を治療するためのレーザシステムは、パルス繰返しレーザを構成することによって多成分固体のレーザアブレーションのクラスタ型機構を提供する。特に、レーザには、同時に（ｉ）アブレーション生成物のサイズを制御し、（ｉｉ）アブレーション率を向上させ、かつ（ｉｉｉ）石後退を減少させるために、変調レーザ放射およびレーザパルスの制御形状が構成される。破砕モードでもアブレーション率を向上させかつ後退を減少させるために、変調レーザ発光およびレーザパルスの制御形状が使用できる。

この態様の１つの特徴に従って、本発明によるレーザシステムには、レーザパルスのシーケンスを発し、かつＡＭ様式（ＡＭＲ）で動作可能なレーザが構成される。この様式では、レーザは、一定パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）ならびに一振幅周期群のパルス内のレーザパルス数に等しい振幅変調周期Ｎａの周期的に変化するピークパワーおよびパルスエネルギーの少なくとも一方でレーザパルスを発する。

別の特徴に従って、本発明によるレーザシステムは、振幅周波数変調様式（ＡＦＭＲ）で動作可能なレーザを含む。この様式は、レーザが一振幅周期群のパルス内のパルス数に等しい変調周期Ｎａの周期的に変化されるパルスピークパワーもしくはパルスまたは両方でレーザパルスのシーケンスを発することによって特性化される。ＡＭＰＲ様式は、一周波数周期群のパルス内のパルス数に等しい周波数変調周期Ｎｐの周期的に変化されるＰＲＦで発されるパルスのシーケンスに更に備える。

上記特徴の本発明によるレーザシステムのいずれかに活用されるレーザの種類には、好ましくは、ダイオード励起固体レーザ、および励起固体レーザなどのダイオード励起ファイバレーザを含む。特に、ダイオード励起レーザは、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＡＰ、Ｔｍ：ＬｕＡＧ、Ｔｍ：ＬｕＬＦ、Ｔｍ：ＬｕＡＰおよびＴｍファイバレーザである。しかしながら、Ｈｏ：ＹＡＧなどのフラッシュランプ励起固体レーザが本発明によるレーザシステムに利用できる。更には、直接ダイオードレーザの使用は本発明の範囲から除外されない。

周期的に変化されるピークパワー、パルスエネルギーまたは両方の変調周期Ｎａは２から１００のレーザパルスに及び、両特徴のレーザシステムに適用できる。ＡＭＲでのピークパワーもしくはパルスエネルギーの少なくとも一方または両方の変調周期は２から１０００のレーザパルスに及ぶ。ＡＦＭＲでの周期的に変化されるＰＦの周期Ｎｐは２から１０００までのレーザパルスに変化する。

本発明によるレーザシステムの両特徴の構成に活用されるレーザは、１．８５から２．２μｍの波長範囲で、好ましくは１．９０８から１．９６μｍ波長範囲でレーザパルスを発する。これらの波長での動作は、上述した手術手技のいずれにも極めて有益である、水によるレーザ放射の優勢な吸収を許容する。

両特徴の構成に使用される上述したレーザは、その間の構造差が一種の変調器であるフリーランニングモードおよびＱスイッチで動作できる。フリーランニング様式で活用される変調器にはダイオードレーザを含む一方で、Ｑスイッチモードは音響光学または電気光学変調器（それぞれ、ＡＯＭおよびＥＯＭ）と関連付けられる。

フリーランニングモードでは、開示したレーザのいずれも、２および５０００Ｈｚ間に及ぶＰＲＦでレーザパルスのシーケンスを出力する。各レーザパルスは以下の特性を有する：０．００１Ｊ～１０Ｊ範囲のレーザパルスエネルギー、１００～２００００Ｗ、好ましくは２５０～３０００Ｗ範囲のレーザパルスピークパワー、および１００μｓ～１５ｍｓ範囲が好ましい、２５μｓ～５０ｍｓ範囲のレーザパルス持続時間。

共振器の品質が変調されたＱスイッチモードで動作するレーザは、以下のパルス特性によって特性化されるレーザパルスを出力する：０．１および１０ｍＪ間で変化するエネルギー、２００および１００００００Ｗ間に及ぶピークパワー、ならびに５００および５０００００Ｈｚ間に及ぶＰＦ。

両特徴のレーザ構成の本発明によるシステムは、ＡＭＲでの所望のピークパワーもしくはパルスエネルギーまたはＡＦＭＲでの所望のピークパワーもしくはパルスエネルギーおよび所望のＰＲＦに関する情報を含む制御信号を出力するコントローラを含む。信号は、上述した変調器のいずれのドライバへも結合される。

他方の態様に従って、本発明によるレーザシステムには、所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するコントローラが構成される。レーザは、制御信号に応じて各レーザパルスが所望のレーザパルス形状を有するようにコントローラに動作的に結合される。整形レーザパルスは、互いから時間的に離間される第１および第２のサブパルスで形成される。第１のサブパルスのエネルギーは０．０２から０．１５Ｊ（好ましくは０．０５から０．１Ｊ）の範囲で変化し、そして第１のサブパルスのピークパワーが５０から５００Ｗ（好ましくは１００から２５０Ｗ）の範囲で変化する。第１および第２のサブパルス間の間隔は、１００から５００μｓ範囲が好ましい、５０から９００μｓ範囲で変化する。第２のサブパルスは、エネルギーが第１のサブパルスのエネルギーを超えて、０．１から１０Ｊの範囲で変化し、ピークパワーが第１のサブパルスのピークパワーを超えて、３００から２００００Ｗの範囲で変化する。

この態様による本発明によるレーザシステムの更に別の構成には、所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するコントローラが構築される。レーザは、各レーザパルスに所望のレーザパルス形状が形成されるようにコントローラに動作的に結合され、制御信号に応じてレーザパルスのシーケンスを発する。整形レーザパルスは初期および後続区間で形成され、後続区間が初期区間のそれより高いパワーを有する。

初期区間は、０および２００Ｗ間で変化する最小パワーレベルから４００および２００００Ｗ間で変化する後続区間のパワーレベルに単調に増加するパワーを有する。初期区間の持続時間が０．１から１０ｍｓ範囲で変化し、初期区間のエネルギーがパルスの全エネルギーの１０～７０％である一方で、後続区間の持続時間は０．５から２０ｍｓ範囲で変化する。初期区間のパワーは、線形、多項式および指数関数の１つに従って増加する。

本発明の更に他の態様、構造細部および利点が以下に特定の説明において詳述される。その上、以上の情報も以下の詳細な説明も単に様々な態様および実施形態の例示的な例であり、特許請求される態様および実施形態の本質および特性を理解するための概観または枠組みを提供すると意図されることが理解されるはずである。容易に理解できるように、本発明の以上および以下に開示される構造詳細の全てが、レーザおよび泌尿器分野の当業者によって容易に理解されるいずれの合理的な組合せでも組み合わされ得る。

本発明の態様は、一定の縮尺で描画されているとは意図されない添付の図を参照しつつ更に後述される。図は、様々な構造特徴の例示および更なる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれてその一部を構成するが、しかしいかなる特定の実施形態の範囲の定義としても意図されない。図面は、本明細書の残りと共に、記載および特許請求された態様および実施形態の原理および動作を説明する役目をする。図において、様々な図に例示される各同一またはほぼ同一の構成要素は同様の数字によって表される。明瞭さの目的で、あらゆる構成要素があらゆる図において標識されるわけではない。

本発明による結石破砕術のためのレーザシステムおよびデリバリシステムの例証的な線図である。 公知の先行技術のレーザ結石破砕術に現在使用されている一定ピークパワーおよび均一パルス周期のレーザパルスのシーケンスを例示する図である。 当該技術において公知の、ダイオード励起ファイバまたは固体レーザのパルス形状を例示する図である。 当該技術において公知の、フラッシュランプ励起固体レーザのパルス形状を例示する図である。 当該技術において公知の、スパイクを伴うフラッシュランプ励起固体レーザのパルス形状を例示する図である。 当該技術において公知の、マルチヘッドフラッシュランプ励起固体レーザのパルス形状を例示する図である。 当該技術において公知の、ファイバの遠位端と標的との間の水中でのエネルギー損失を最小化するように設計された、フラッシュランプ励起固体レーザの特別に構築されたパルス形状を例示する図である。 レーザパルス数に等しい変調周期Ｎａの周期的に変化されるピークパワーＰｐまたはエネルギーＥによって特性化される振幅周波数変調様式（ＡＦＭＲ）を動作させる本発明によるレーザシステムによって発されるレーザパルスの例証的なシーケンスを例示する図である。振幅周期パルス群では、周波数周期パルス群内のパルス数に対応する変調周期Ｎｐの周期的に変化されるパルス周波数。 当該技術において公知の、正常様式としてダスティング、破砕および非接触実験に使用されるレーザパルスシーケンスの例を例示する図である。 当該技術において公知の、正常様式としてダスティング、破砕および非接触実験に使用されるレーザパルスシーケンスの例を例示する図である。 振幅周波数変調様式（ＡＦＭＲ）で動作する本発明によるシステムによって発されてダスティング実験に使用されるレーザパルス群の例を例示する図である。 振幅周波数変調様式（ＡＦＭＲ）で動作する本発明によるシステムによって発されてダスティング実験に使用されるレーザパルス群の例を例示する図である。 振幅周波数変調様式（ＡＦＭＲ）で動作する本発明によるシステムによって発されてダスティング実験に使用されるレーザパルス群の例を例示する図である。 振幅変調様式（ＡＭＲ）の一例の図である。 種々の振幅変調周期Ｎａによって特性化されて接触モード実験に使用されるＡＭＲでの振幅周期群のレーザパルスの例の図である。 種々の振幅変調周期Ｎａによって特性化されて接触モード実験に使用されるＡＭＲでの振幅周期群のレーザパルスの例の図である。 種々の振幅変調周期Ｎａによって特性化されて接触モード実験に使用されるＡＭＲでの振幅周期群のレーザパルスの例の図である。 種々の振幅変調周期Ｎａによって特性化されて接触モード実験に使用されるＡＭＲでの振幅周期群のレーザパルスの例の図である。 種々の振幅変調周期Ｎａによって特性化されて接触モード実験に使用されるＡＭＲでの振幅周期群のレーザパルスの例の図である。 種々の振幅変調周期Ｎａによって特性化されて接触モード実験に使用されるＡＭＲでの振幅周期群のレーザパルスの例の図である。 種々の振幅変調周期Ｎａによって特性化されて接触モード実験に使用されるＡＭＲでの振幅周期群のレーザパルスの例の図である。 ＡＭＲに従う変調周期Ｎａを有し非接触モード実験に使用される振幅周期群のレーザパルスの更なる例を例示する図である。 ＡＭＲに従う変調周期Ｎａを有し非接触モード実験に使用される振幅周期群のレーザパルスの更なる例を例示する図である。 ＡＭＲに従う変調周期Ｎａを有し非接触モード実験に使用される振幅周期群のレーザパルスの更なる例を例示する図である。 周波数変調様式（ＦＭＲ）の一例の図である。 異なるピークパワーを有する２つの時間的に離間されるサブパルスで整形される単一のレーザパルスの一例である。 ２つの隣接区間で整形される単一のレーザパルスの一例の図である。 破砕実験に使用される異なるレーザパルス形状の図である。 破砕実験に使用される異なるレーザパルス形状の図である。 破砕実験に使用される異なるレーザパルス形状の図である。

ここで本発明の実施形態に詳細な参照がなされることになる。可能な限り、同じまたは同様の部品またはステップを指すために図面および説明に同じまたは類似の参照数字または文字が使用される。図面は簡略形態であり、正確な縮尺ではない。便宜および明瞭さのみの目的で、方向を示す（上／下、等）または運動を示す（前／後、等）用語が図面に対して使用され得る。用語「結合する」および類似の用語は、必ずしも直接かつ即時の接続を意味するわけではなく、中間要素または装置を通じた接続も含む。

本発明の発明概念は、アブレーション効率を上昇させることによって高アブレーション率を提供する一方で、後退効果を最小化することに基づく。同概念は、（ａ）パルスエネルギーＥ（ｎ）またはピークパワーＰｐ（ｎ）または両方の変調（周期変化）であり、ＡＭとして定義される、（ｂ）パルス周期Ｔ（ｎ）のパルス周波数（繰返し率）ν（ｎ）の変調であり、ＦＭとして定義される、（ｃ）ＡＦＭと称される同時振幅および周波数変調、ならびに（ｄ）特定のパルス形状の構成によって実現される。

本発明の第１の態様－パルスピークパワーおよび／またはエネルギーの変調－は以下の説明を考慮してより良く理解できる。人体または動物体内の結石を治療するための本レーザシステムにおいて、レーザパワーの時間的構造は、次式によって記述できる周期パルスシーケンス（列）である：
Ｐ（ｔ）＝Ｐｐ＊ｆ（ｔ－Ｔ＊ｎ， ｎ＝０，１，２，．．．， （１）
式中、Ｐ（ｔ）は瞬時レーザパワーであり、Ｐｐはピークパワーであり、ｆ（ｔ）は個々のパルス形状（プロファイル）であり、Ｔはシーケンス周期であり、パルス周波数に反比例する：Ｔ＝１／ν。パルス当たりエネルギーはパワーの積分である：
Ｅ＝ＩＮＴ（Ｐ（ｔ），０，Ｔ）＝Ｐｐ＊τ， （２）
式中、τは有効パルス幅である。

周期パルスシーケンスは次式によっても記述できる：
Ｐ（ｔ）＝（Ｅ／τ）＊ｆ（ｔ－Ｔ＊ｎ）， （３）
個々のパルス形状（プロファイル）ｆ（ｔ）はパルス幅τによって特性化される。結石破砕術のためのレーザシステムに関しては、パルス幅はシーケンス周期より非常に短い：τ＜＜Ｔまたはτ＜０．１Ｔ。

従来の石治療手技は、Ｐｐ、Ｔ、νおよびＥが治療前に設定されて治療中に一定に保たれる様式に基づく。一部のレーザシステムには、一定のピークパワー、周波数およびパルス当たりエネルギーを持つ２組のパラメータ間で切り替え可能である二重ペダル治療パラメータが構成できる：Ｐｐ_１、Ｔ_１、ν_１、Ｅ_１およびＰｐ_２、Ｔ_２、ν_２、Ｅ_２。

本発明による振幅変調（ＡＭ）：
公知の先行技術と対照的に、振幅変調は、ここで一定周期Ｔおよび周波数νならびにピークパワーＰｐの周期変化を有する様式として定義される：
Ｐ（ｔ）＝Ｐｐ（ｎ）＊ｆ（ｔ－Ｔ＊ｎ）， ｎ＝０，１，２，．．． （４）
またはエネルギー
Ｐ（ｔ）＝Ｅ（ｎ）／τ（ｎ）＊ｆ（ｔ－Ｔ＊ｎ）， （５）
式中、Ｐｐ（ｎ）＝Ｐｐ（ｎ－Ｎａ）またはＥ（ｎ）＝Ｅ（ｎ－Ｎａ）またはτ（ｎ）＝τ（ｎ－Ｎａ）またはその組合せであり、Ｎａは振幅変調の周期と称される正整数である。本発明によるレーザのＡＭ様式（ＡＭＲ）では、全てのレーザパルスシーケンスが、群内の可変振幅を伴う一群のＮａパルス（振幅変調周期パルス群）の周期シーケンスとして提示できる。

図６Ａ～図６Ｇおよび図７Ａ～図７Ｃは、ＡＭＲで動作する本発明によるレーザシステムから発される種々の変調周期Ｎａのレーザパルスのシーケンスを例示する。これらの図は以下に詳述される。

本発明による周波数変調（ＦＭ）
公知の先行技術と対照的に、本出願で使用される周波数変調は、一定ピークパワーＰｐまたはエネルギーＥおよび周波数νまたはパルス周期Ｔの周期変化を有する様式として定義される：
Ｐ（ｔ）＝Ｐｐ＊ｆ（ｔ－Ｔ（ｎ）＊ｎ）， ｎ＝０，１，２，．．． （６）
または
Ｐ（ｔ）＝Ｅ／τ＊ｆ（ｔ－Ｔ（ｎ）＊ｎ）， （７）
式中、Ｔ（ｎ）＝Ｔ（ｎ－Ｎｐ）、Ｎｐは周波数変調の周期と称される正整数である。周波数変調は、ν（ｎ）＝１／Ｔ（ｎ）＝ν（ｎ－Ｎｐ）であるので周波数変調を意味する。ＦＭ様式（ＦＭＲ）では、全てのレーザパルスシーケンスが、群内のパルス間の可変周期を伴う一群のＮｐパルス（周波数変調周期パルス群）の周期シーケンスとして提示できる。

図８は、ＦＭＲで動作する本発明によるレーザシステムを例示する。

本発明による振幅周波数変調（ＡＦＭ）：
本発明に従って定義されるＡＭおよびＦＭに基づいて、振幅周波数変調は、ピークパワーＰｐ（またはエネルギーＥ）ならびに周波数ν（および周期Ｔ）の同時周期変化を有する様式として定義される：
Ｐ（ｔ）＝Ｐｐ（ｎ）＊ｆ（ｔ－Ｔ（ｎ）＊ｎ）， ｎ＝０，１，２，．．． （８）
またはエネルギー
Ｐ（ｔ）＝Ｅ（ｎ）／τ（ｎ）＊ｆ（ｔ－Ｔ（ｎ）＊ｎ）， （９）
式中、Ｐｐ（ｎ）＝Ｐｐ（ｎ－Ｎａ）またはＥ（ｎ）＝Ｅ（ｎ－Ｎａ）またはτ（ｎ）＝τ（ｎ－Ｎａ）およびＴ（ｎ）＝Ｔ（ｎ－Ｎｐ）。

図３および図４Ａ～図４Ｃは、ＡＦＭＲで動作する本発明によるシステムを例示しており、以下に詳述される。

概略的に図示された例証的な本発明によるレーザシステム１００を例示する図１に着目すると、構造的にこのシステムが本発明による両態様の考察に関連し、かつ様々な種類のレーザ技術を使用して具現化できることを当業者は直ちに認識する。しかしながら、好適な実施形態は、レーザ技術の特定の分類、詳細には、フリーランニングモードかＱスイッチモードかで動作するパルスレーザ１０４を含むパルスレーザ技術に基づく。レーザ動作のいずれのモードでもレーザ種類に関係なく、本発明によるレーザシステム１００には、レーザ１０４を励起するポンプ１０３が構成される。典型的に、ポンプ１０４は、１つまたは複数のダイオードレーザで構成される。最適な実施形態において、パルスレーザ技術は、エネルギー貯蔵装置（例えば、電気コンデンサ、インダクタまたはこれらの組合せ）の使用を意味する。

電源１０１がシステムに電力を供給し、任意選択でエネルギー貯蔵装置１０２は、レーザパルスを形成するのに必要な十分なエネルギー量を貯蔵する。ポンプ１０４のレーザドライバ１０３が、制御モジュール１０８からの制御信号に応じて指定された特性の電気パルスを形成する。電気パルスは、レーザ空洞１０５内のレーザ媒質を励起するのに必要な光パルスを形成するポンプ１０４の１つまたは複数のダイオードによって受信される。レーザ媒質の出力は、光カプラ１０６を通してレーザシステムに外部とみなしているデリバリシステム１０７に結合される。

システム全体が制御モジュールＣＭ（１０８）によって制御されて、収容される校正曲線または表（所望の光出力を達成するのに必要な電気パルスの特性を定める）、制御信号、タイミングおよび安全機能を提供する。励起ダイオードの代わりに、例えばフラッシュランプなどの他の装置が励起光源として使用できる。

代替的に、レーザ媒質自体がエネルギー貯蔵装置として使用できる。この構成では、パルス形成は、音響光学、電気光学または受動変調器などのＱ変調装置としての空洞損失の内部光変調器の適用を通じて達成される。

本発明の目的のために、以下の用語が定義される：
レーザパルスは、レーザドライバ１０３によるダイオード電流の直接変調またはエネルギー貯蔵装置１０２の単一充放電サイクルによって発生される本発明によるレーザシステム１００の出力である、
レーザパルスのシーケンスは、多数の直接単一変調またはエネルギー貯蔵装置１０２の単一充放電サイクルによって発生されるレーザシステムの出力である。

このように、本発明の一方の態様によるパルスシーケンスの変調は、制御モジュール１０８によってＡＭに関しては所望のピークパワーＰｐもしくはパルスエネルギーＥを、またはＦＭ様式では２つの連続パルス間の間隔Ｔを設定することを通じて達成される。他方の本発明による態様によるパルス整形は、レーザドライバ１０３においてパルスの所望の時間的構造を形成することを通じて達成される。

本発明によるＡＭならびに組み合わせたＡＭおよびＦＭを数学的に記述する、上述した式４～９に基づいて、レーザ発光の時間的構造を制御することによって第１の態様に従って動作するレーザシステム１００は、以下を通じて制御される：
ａ）パルスのシーケンス内のパルス数に対するピークパワーＰｐまたはパルスエネルギーＥを変調する、Ｐｐ（ｎ）＝Ｐｐ（ｎ－Ｎａ）、式中Ｎａは振幅変調の周期、
ｂ）パルス数に対するパルスシーケンスの周期Ｔ（および、それぞれ、周波数ν）を変調する、Ｔ（ｎ）＝Ｔ（ｎ－Ｎｐ）、式中Ｎｐは周波数変調の周期、
ｃ）上記ａ）、ｂ）およびｃ）に記載した変調モダリティを組み合わせる、例えば、振幅および周波数の同時変調（振幅周波数変調）。

全ての３種類の変調（振幅、周波数および振幅周波数）の他に、個々のパルス形状を調整することは本発明の様々な態様に使用される。ダイオード励起ファイバ（好ましい）および固体レーザは、励起ダイオードの電流を制御することによって変調でき、かつ励起ダイオード上の電流を変化させることによってレーザパラメータを変更することを許容できる。好ましくは、ダイオード電流は、ダイオード励起レーザ発生の閾値電流Ｉ_ｔｈと、ダイオード電流の関数としてのレーザパワーの飽和レベルＩｓｔ未満である、或る最大電流との間の範囲で変化されるべきである。この範囲では、レーザパワーはダイオード電流にほぼ線形に依存しており、レーザドライバの励起電流をプログラムすることによって種々のレーザ時間的構造を生成できる。

本発明の主要な提案は、安全性プロファイルを損なうまたは（好ましくは）増やすことなく石ダスティングまたは破砕の速度を上げることである。これは、適当なパルス整形によって、またはパルスのシーケンスを変調すること（上記した変調モダリティの１つもしくは複数で）によって達成できる。そのような変調は、接触ダスティングまたは破砕などの各治療のモードに対しておよび非接触ダスティングに対して最適なはずである。

接触ダスティングの場合、所望の最終結果は、１ｍｍ未満、好ましくは０．５ｍｍ未満、および最も好ましくは０．２５ｍｍ未満の小粒子への石の破砕である。現行のレーザシステムでは、この様式は、比較的低いパルス当たりエネルギー（０．０２５～０．３Ｊ）を使用する石表面を横断するファイバの連続移動を必要とする。パルス当たりの低エネルギーによるパルス当たりの低アブレーション体積を補償するために、繰返し率が可能な限り高くある一方で、尿路内の温水による軟組織の熱損傷を回避するために平均パワーＰａ＝Ｅ＊νを安全限界内に保つべきである。Ｐａ ｍａｘのこの安全限界は潅水率および全治療時間に依存する。レーザ出力の時間的構造は、レーザパルス整形を通じて、かつ／またはレーザパルスのシーケンスを変調し、同時に後退を減少させるもしくは少なくとも同じレベルに保つことを通じて、平均パワーが等しい高アブレーション速度を達成するように最適化できる。アブレーション効率および後退効果は、以下を含むがそれらに限定されない多くの要因の組合せの結果である：
１．パルスエネルギー、パルスピークパワーまたはパルス幅、繰返し率
２．ビーム径、ファイバコア径に依存する
３．ファイバ端と石との間の距離
４．ファイバ移動の速度。この要因は、一点に印加される有効パルス数に関連する。この数は式Ｋ＝（ｄ／２ｖ）＊νによって推定でき、式中、ｄは石表面上のビーム径であり、ｖはファイバの移動速度である。アブレーションの効率は、ファイバ端とレーザクレータの底との間の距離増加、アブレーションの生成物からの日陰効果、レーザクレータの底の水損、および他の要因のため、Ｋの増加と共に減少する
５．レーザパルシングによって誘発されるファイバの振動。ファイバは、或る振幅の範囲で振動し得る。これらの振動は、水中のレーザ誘起気泡形成からの力、電歪効果、および他の機構によって誘発される。ファイバ振動は、一点Ｋに印加されるパルス数を有効に減少させて、アブレーション効率を上昇させることができる。
６．石のサイズおよび形状

パルス変調は、全ての列記した要因と組み合わさって作用するが、種々の効果に至り得る。例えば、レーザエネルギーの最小から最大への周期増加がアブレーション効率の低下を補償できる一方で、同じ周波数および平均パワーおよびファイバ移動速度では一点において一定エネルギーでレーザ処理する。以下に提供されるのは、種々の振幅の様式（正常様式、治療石の現在の様式を表す）で一定パルスエネルギーおよびピークパワーおよび周波数を使用する石アブレーションおよび後退速度の実験比較であり、振幅および振幅周波数変調が接触および非接触モードに対して提案された様式の利点を証明する。

レーザ結石破砕術の時間様式の特性化
レーザ結石破砕術を最適化する包括的目的は、手順を速めること、所望のサイズの破片への石の破損を保証すること、および副作用の発生率を最小化することである。この目的に関連するパラメータの中で、最も重要な２つが、石アブレーションの効率および後退効果の大きさである。レーザ発光の様々な時間様式を比較する目的で、我々は以下のメトリックを使用する：１）石アブレーションの効率Ｋａ、Ｖａ／Ｅｔとして定義され、式中Ｖａは全切除体積であり、Ｅｔは全レーザエネルギー［ｍｍ^３／Ｊ］である、２）臨界後退速度Ｖｒ、レーザ治療の第１の事例における後退の速度として定義される［ｍｍ／ｓ］、３）時間様式の絶対品質Ｑａ、アブレーション効率と共に上昇して後退と共に低下するＫａ／Ｖｒ［ｍｍ^２／Ｗ］として定義される、４）時間様式の相対品質Ｑｒ、（Ｑａ）／（Ｑａ）ｒｅｆとして定義され、式中添字ｒｅｆは参照正常様式を指す［無次元］、５）破砕モードで石を割る時間として定義する石割れの時間

様々な時間様式を特性化および比較するために以下の実験技術が使用された：

走査実験
機器：
１）波長１．９４μｍ、ピークパワー最大１０００ＷのＴｍファイバレーザ
２）２００μｍのコア径のデリバリファイバ
３）２Ｄモータステージ
４）高速度カメラ（Ｐｈａｎｔｏｍ Ｖｉｓｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ製Ｐｈａｎｔｏｍ Ｍｉｒｏ Ｍ３１０）
５）ファイバホルダ
６）機械式粗面計（株式会社ミツトヨ、川崎、日本製Ｃｏｎｔｒａｃｅｒ（登録商標））

材料および方法：
全ての実験は人造石ファントムで行われた。ＢｅｇｏＳｔｏｎｅ粉末（Ｂｅｇｏ ＧｍｂＨ、Ｂｒｅｍｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ）を５：１の混水比で使用して石が生産された。サンプルが、６０×４０×８ｍｍの寸法を有するスラブへ切り出された。石は、レーザ露光前に２４時間水に浸された。

アブレーション効率および後退効果が２つの異なる器材で測定された。

第一に、水が入った容器に石が入れられた（器材の十分な位置決めのために、２つの気泡レベルが使用された。）。２－Ｄモータステージにファイバホルダが搭載された。典型的な臨床走査速度を表す６ｍｍ／ｓの速度の１－Ｄ水平ファイバ移動を使用して３０ｍｍ長の直線クレータが作成された。以下の表に従って、レーザパラメータが変更された。機械式粗面計を使用してクレータの横断面積、深さおよび幅の測定が行われた。プロファイルの横断面を使用し、走査速度を掛け平均レーザパワーで割り、アブレーション率および効率が計算された。走査中、ファイバ端と平坦な石表面との間の距離は約０．２＋／－０．１ｍｍに保たれた。

第二に、同じレーザパラメータに対して後退効果が測定された。石変位の大きさを測定するために、２つの直線定規が長辺に沿って取り付けられて、９０°溝を形成した。溝が水槽に浸された。器材の十分な位置決めのために、２つの気泡レベルが使用された。石サンプル（５×５×５ｍｍ立方体）が溝へ入れられた。器材の側面の穴に設けられたホルダを通してファイバが導入された。ファイバ先端が石中心と接触させられた。石移動を取得するために、高速度（毎秒１０００フレーム）カメラ（Ｐｈａｎｔｏｍ ＭＩＲＯ Ｍ３１０、Ｐｈａｎｔｏｍ Ｖｉｓｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、ＵＳＡ）が使用された。石の移動は、露光の最初の０．５秒の間に分析された。画像ソフトウェアを使用して時間の関数としての石の移動が定量化され、そしてレーザ処理の初期の瞬間における石移動の速度がレーザ処理の開始時にそのような関数の傾きとして計算された。

気泡特性化実験
機器：
１）波長１．９４μｍ、ピークパワー最大１０００ＷのＴｍファイバレーザ
２）２００μｍのコア径のファイバ
３）クォーツキュベット
４）実験スタンド
５）ハロゲン照明システム
６）高速度カメラＰｈａｎｔｏｍ Ｍｉｒｏ Ｍ３１０

材料および方法：
実験室スタンドにファイバホルダが取り付けられた。水で満たされたクォーツキュベットにファイバが入れられた。高速度カメラを使用して、様々なレーザパラメータ（それぞれ０．０２５ｍＪから０．４Ｊのおよび１００から５００Ｗの範囲のエネルギーおよびピークパワーレーザ）に対して単一パルスによるビデオ気泡形成が記録された。カメラのフレームレートは毎秒１２０，０００フレームであり、露光時間は７μｓであった。場面を照らすためにハロゲン照明システムが使用された。記録ビデオは、１ｍｍまでの、２．５ｍｍまでの、および気泡の最大寸法までの気泡の成長時間を評価するために使用された。ＩｍａｇｅＪソフトウェアを使用して気泡長さが定量化された。

非接触モード
機器：
１）波長１．９４μｍ、ピークパワー最大１０００ＷのＴｍファイバレーザ
２）２００μｍのコア径のファイバ
３）軟性内視鏡
４）２つのガラスキュベット

材料および方法：
実験器材には、直径が１３ｍｍで、４０ｍｍの高さで壁に０．２５ｍｍ孔が穿孔された、特別に構築された内側キュベットを含んだ。軟性内視鏡を通じてレーザ治療が行われた。軟性内視鏡を通じた水の流れは１０ｍｌ／分であった。内側キュベットが外側キュベットへ入れられて、これが、結石破砕術中に側孔を通って水流によって排出される０．２５ｍｍ未満の浮遊塵粒子を伴う排水を回収した。石ファントムとして２ｍｍの半径のＢｅｇａＳｔｏｎｅ球がこの検討に使用された。各レーザパラメータに対して５つの球が使用された。結石破砕術は２分４０秒の期間の間行われた。結石破砕術後に、内側キュベット内に残っている破片が計量された。球の初期質量と残留破片のそれとの間の差として塵の質量が決定された。アブレーション率は、塵の質量と治療の期間との間の比率として定義された。

穿孔および割れ
機器：
１）波長１．９４μｍ、ピークパワー最大１０００ＷのＴｍファイバレーザ
２）２００μｍのコア径のファイバ
３）ファイバホルダ
４）ガラスキュベット
５）ストップウォッチ

材料および方法：
実験は人造石ファントムで行われた。ＢｅｇｏＳｔｏｎｅ粉末（Ｂｅｇｏ ＧｍｂＨ、Ｂｒｅｍｅｎ、Ｇｅｒｍａｎｙ）を５：１の混水比で使用して石が生産された。石は５×２．５×２．５ｍｍサイズとされた。石は、レーザ露光前に２４時間水に浸された。水で満たされたガラスキュベットに石サンプルが入れられた。石は、ファイバが５×２．５ｍｍ側の中央において常に石と接触して破砕様式の治療を模倣するような方法で、レーザ放射の様々なパラメータで穿孔された。実験中、ストップウォッチを使用して、石サンプルが２つの破片となる割れ時間が記録された。その後、上の走査実験項に記載された器材を使用して、同じレーザパラメータで後退が評価された。

全ての測定は３回繰り返され、設定点、平均値および標準偏差ごとに計算された。

振幅周波数変調（ＡＦＭ）
現行のレーザ結石破砕術に現在使用されているレーザパルスシーケンスの一般的ケースが図２によって例示される。ここで、シーケンスは、各単一パルスの一定の大きさ（ピークパワー）Ｐｐ、一定パルスエネルギーＥおよび一定周期Ｔによって特性化される（図２Ａ）。単一パルス（２０１）形状は、一方では、ダイオード励起レーザに対して典型的である単純な準矩形パルス２０２（図２Ｂ）、急な立上がりエッジおよびロングテールを持つ、フラッシュランプ励起レーザに特有のパルス形状２０３（図２Ｃ）、レーザの緩和振動により滑らかな一般形状が不規則なマイクロパルスもしくはスパイクで変調される、同じくフラッシュランプ励起固体レーザに対して一般的であるパルス形状２０４（図２Ｄ）、またはマルチヘッドフラッシュランプ固体レーザシステムに見られる複合パルス形状２０５（図２Ｅ）間で変化できる。例えば、規則的なマイクロパルスのポケット［Ｂｌａｃｋｍｏｎ ＲＬ、Ｆｒｉｅｄ ＮＭ、Ｉｒｂｙ ＰＢ、Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｌｉｔｈｏｔｒｉｐｓｙ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏ－ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ｏｐｔｉｃｓ、２０１２年２月、１７（２）：０２８００２］、または２つのサブパルス２０６（図２Ｆ）から成り、前方低エネルギーサブパルスの１００から２００μｓの間隔後に高エネルギー後方サブパルス２０６が続くパルス［米国特許第５３２１７１５号］など、当該技術において他のパルス形状が知られている。

対照的に、本発明は、式（４～９）に従って量Ｐｐ、ＥおよびＴの１つまたは複数を変化させることによってもたらされる様々な利点および利益を強調する。振幅周波数変調が、本発明によって包含される最も一般的な変調型である。ＡＦＭの一例が図３に図示される。ここで、振幅変調周期Ｎａは周波数変調Ｎｐに等しくかつ４に等しい。ＡＦＭは、平均群周期Ｔａｖによって特性化され得、以下に定義される：

式中、Ｎｇは周期群内のパルス数であり、Ｔｉはｉ番目のパルスの周期である。

ＡＦＭは、接触および非接触の両治療モードに対して有益である。好適なＡＦＭパラメータは次の通りである：
１．走査モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝２５０～５０００Ｗ、より好ましくは４００～１０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．０１～２Ｊ、より好ましくは０．０５～０．５Ｊ
パルス繰返し率ν＝５～３０００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．０００３３～０．２ｓ、より好ましくは５０～１０００Ｈｚ、０．００１～０．０２ｓ
Ｎａ＝２～１０
Ｎｐ＝１～１００
これらの設定は図４およびＴａｂｌｅ １（表１）によって例証される。全ての実験は同一の平均パワー３０Ｗで行われて、同じ軟組織安全性プロファイルを提供した。

表は、ＡＦＭ様式が５００Ｗおよび１０００Ｗのピークパワーの正常（非変調）様式と比較して後退を増大させることなくアブレーション効率（最大３．１倍）およびアブレーションの深さを有意に増大させることを示す。

接触／破砕モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝１００～２０００Ｗ、より好ましくは２５０～１０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．２～１０Ｊ、より好ましくは０．５～５Ｊ
パルス繰返し率ν＝１～３００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．００３３～１ｓ
Ｎａ＝２～１０
Ｎｐ＝１～１００
２．非接触（ポップコーニング）モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝５００～３０００Ｗ、より好ましくは５００～２０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．０５～１Ｊ、より好ましくは０．０５～０．５Ｊ
パルス繰返し率ν＝１０～１０００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．００１～０．１ｓ
Ｎａ＝２～１００
Ｎｐ＝１～１００

振幅変調
振幅変調はＡＦＭの特定のケースであり、パルス周期が一定のままである。振幅変調（ＡＭ）の典型的なケースが図５に図示される。ここで、大きさ（ＰｐまたはＥ）が周期Ｎａ＝３で変化する一方で、個々のパルス間の周期Ｔは一定のままである。時間間隔Ｔ＊Ｎａ内の一群のパルス５０１は振幅変調周期パルス群と称される。

パルス群の多くの変形が可能である。一部が図６（ａ－ｇ）によって例示される。図６から見て取れるように、ＰｐもＥもＡＭの枠組み内で変化できる。ＡＭは、レーザ結石破砕術の両主モード（すなわち、接触および非接触）に対して有益であり得る。以下に要約されるのは、好ましい様式および図例である：
１．接触／走査モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝２５０～３０００Ｗ、より好ましくは４００～１０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．０２～２Ｊ、より好ましくは０．０５～０．５Ｊ
パルス繰返し率ν＝５～３０００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．０００３３～０．２ｓ、より好ましくは５０～１０００Ｈｚ、０．００１～０．０２ｓ
Ｎａ＝２～１０
これらの設定は図６およびＴａｂｌｅ ２（表２）によって例証される。

これらのデータは、振幅変調が様式品質を３倍以上上昇させ得ることを示唆する。
２．接触／破砕モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝１００～２００００Ｗ、より好ましくは２５０～３０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．２～２０Ｊ、より好ましくは０．５～１０Ｊ
パルス繰返し率ν＝１～５００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．００２～１ｓ
Ｎａ＝２～１０
３．非接触（ポップコーニング）モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝５００～３０００Ｗ、より好ましくは５００～２０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．０５～１Ｊ、より好ましくは０．０５～０．５Ｊ
パルス繰返し率ν＝１０～３０００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．０００３～０．１ｓ
Ｎａ＝２～１００
これらの設定は図７およびＴａｂｌｅ ３（表３）によって例証される。

これらのデータは、振幅変調が非接触ダスティング法を完了するために必要とされる時間を有意に（最大６０％）削減する一方で、レーザの平均パワーを一定に維持できることを示唆する。

周波数変調（ＦＭ）
周波数変調はＦＭの特定のケースであり、パルス周期が変化する一方で、パルスエネルギーもピークパワーも一定のままである。周波数変調の典型的なケースが図８に図示される。ここで、大きさ（ＰｐおよびＥ）が一定のままである一方で、パルス周期は周期Ｎｐ＝５で変化する。ＡＦＭとして、ＦＭは平均パルス周期Ｔａｖによって特性化される。時間間隔Ｔａｖ＊Ｎｐ内の一群のパルス８０１が周期パルス群を形成する。

ＦＭパルス群の多くの変形が可能である。

ＦＭは、レーザ結石破砕術の両主モード（すなわち、接触および非接触）に対して有益であり得る。以下に要約されるのは、好ましい様式である：
１．接触／走査モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝２５０～３０００Ｗ、より好ましくは４００～１０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．０２～２Ｊ、より好ましくは０．０５～０．５Ｊ
パルス繰返し率ν＝５～３０００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．０００３３～０．２ｓ、より好ましくは５０～１０００Ｈｚ、０．００１～０．０２ｓ
Ｎｐ＝１０～１００
２．接触／破砕モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２μｍ、より好ましくは１．９０８～１．９８μｍ
ピークパワーＰａ＝１００～３０００Ｗ、より好ましくは４００～１０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．２～２０Ｊ、より好ましくは０．５～５Ｊ
パルス繰返し率ν＝１～３００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．００３３～１ｓ
Ｎｐ＝１０～１００
３．非接触（ポップコーニング）モード
好ましいパラメータ：
波長１．８１～２．２、より好ましくは１．９０８～１．９８
ピークパワーＰａ＝２５０～５０００Ｗ、より好ましくは２５０～１０００Ｗ
パルス当たりエネルギー０．０２～１Ｊ、より好ましくは０．０５～０．５Ｊ
パルス繰返し率ν＝１０～１０００Ｈｚ／周期Ｔ＝０．００１～０．１ｓ
Ｎｐ＝１０～１００

パルス形状
ファイバ端から発して、標的石または組織に向けてファイバ端と石または組織表面との間のギャップにおける液体（水）媒体中を進行するレーザエネルギーは吸収されることになるが、しかし吸収は予想されるより少なくなり得、これは「モーゼ効果」に帰されており、発されたエネルギーの第１の成分が液体によって吸収されて液体媒体中に蒸気気泡を生じさせる結果、低光減衰によって特性化される低拘束性または吸収性気体／蒸気媒体を残存エネルギーが通過する。初期パルスの間に生じたレーザ誘起蒸気気泡は「水を分ける」ように機能して、後続パルスがより効率的に石に送出されることを可能にする。この現象は、２つのパルスを使用して石アブレーションの効率を上昇させるために使用すると提案されており、まず蒸気気泡を生じさせる短い低エネルギーパルスを送出した後に、より長く、より高エネルギーの治療パルスが続く（米国特許第５，３２１，７１５号を参照のこと）。

本発明において、レーザパワーの時間的構造を制御することは、後退効果を最小化するために使用される。石と遠位ファイバ端との間の水気泡形成は、石をファイバから離れて移動させる圧力および力を発生し得る。この効果は、気泡形成中にレーザパワーおよびエネルギーを減少させることによって最小化できる。パルス間の気泡の崩壊が石への負圧および力を発生し、そして石アブレーションの間、気泡成長および反跳移動により石移動を補償できる（吸収効果）。これらの効果は、個々のパルス形状ｆ（ｔ）、パルスエネルギーＥ、およびパルス間の間隔Ｔを変化させることによって制御できる。

レーザアブレーションは通常、高アブレーション効率および低後退効果の組合せを要求する。異なる時間的レーザ構造を比較するために、アブレーションの生成物の体積割る、この体積を切除するために費やされた全レーザエネルギーおよびレーザパルシングのまさに開始時の後退による石変位の速度Ｖ、として定義されるレーザアブレーション効率η_ａｂｌを使用できる。Ｖの値は、低繰返し率に関しては単一パルスの衝撃によって、または高繰返し率レーザシステムに関しては約０．１ｓの間の幾つかのパルスの衝撃によって決定される。詳細には、比率η_ａｂｌ／Ｖは、治療の実際的な（複合）効率または速度を特性化できる。

フラッシュランプポンピングが構成された固体レーザのためのパルス形状は、通常不規則なスパイク構造を有しており、非常に限られた方式でフラッシュランプをポンピングすることを通じて電流によって制御できる。対照的に、ダイオード励起ファイバおよび固体レーザは、広範なパラメータ内でパルス形状の精密制御を許容して治療の速度を上げる。

本発明において、ＡＭおよびＡＦＭに加えて、レーザ発光の時間的構造は、個々のパルス形状ｆ（ｔ）を変調して、最高効率および後退軽減の石アブレーションのための最適条件を提供することを通じて制御される。

接触モードで石を治療するとき、目的は、石を破砕するために必要とされる合計時間を削減するために石アブレーションの効率を上昇させることである。これは、パルスの第１の部分に低輝度を適用して最小エネルギー損失でモーゼチャネルを確立するが、同時にそのようなパルスの後退効果を最小化することによって、続いてパルスの第２の部分に高輝度を適用して石への熱または熱機械的効果を最大化することによって、パルスの形状を調整することを通じて達成できる。パルスの第２の部分の吸水損失は、パルスの第１の部分によって確立されるモーゼチャネルにより非常に削減されることになる。しかしながら、モーゼ気化気泡またはチャネルは、ファイバ端と石との間で成長しており、石への圧力および力を発生し、したがって後退効果を生じさせる。本発明において、レーザパルスピークパワーおよびエネルギーを最小化して後退効果を低減させることが提案される。実験設定では、毎秒１２００００フレーム速度の高速度ビデオカメラを使用して０．２ｍｍファイバの端において気泡力学が測定された。単一パルス露光の石サンプルの変位効果が測定された。上記実験器材の説明を参照のこと。

Ｔａｂｌｅ ４（表４）は、１９４０ｎｍの波長および０．２ｍｍのファイバコアを有するＴＦＬに対する実験データを要約する。結果は、気泡圧力に比例する気泡の長さおよび石変位がレーザパルスピークパワーおよびエネルギーと共に増加することを示す。ファイバ端と臨床接触設定下の石との間の距離が０および１ｍｍ間の範囲にあるが、しかし治療中に短期間の間それは２．５ｍｍを超えることができる。アブレーション効率のためにモーゼ（気化）チャネルを利用するためであるが、後退効果を最小化するために、最低圧力で長くても２．５ｍｍである長さを有する気泡を生じさせる第１のサブパルスのレーザパラメータを使用することが提案される。モーゼ（蒸気）チャネルを生じさせる、第１のレーザサブパルスの測定ピークパワーデータに基づいて、ピークパワーは範囲５０～５００Ｗ、好ましくは１００～３００Ｗにあるべきであり、そしてパルス当たりエネルギーは０．０２～０．１５Ｊ、好ましくは０．０５～０．１Ｊであるべきである。効率的なアブレーションのための第１および第２のサブパルス間の間隔は、以下の判定基準に基づいて定義されるべきである：１）第２のサブパルスは、蒸気チャネルフロントが石に達した後に、すなわち気泡が２．５ｍｍ、好ましくは１ｍｍに成長したときに開始されるべきである。２）石吸収効果を生成するために、気泡への圧力は低下したまたは負になった。

Ｔａｂｌｅ ５（表５）は、提案された範囲からレーザピークパワーおよびエネルギーの関数として１ｍｍおよび３ｍｍまでの気泡成長のための時間を示す。それゆえに、サブパルス間の間隔は範囲５０～９００μｓ、好ましくは１００～５００μｓにあるべきである。第２のサブパルスのエネルギーは０．１から１０Ｊの範囲にあるべきである。そのようなパルス形状が図９によって例示される。

本発明の他の実施形態において、我々は、パルスの間に連続的に送出されたパワーを持つパルス形状を提唱する。この形状は、オペレータが穿孔手技を使用する一方で全治療サイクルの間レーザファイバ端と石との間の密接を提供するときに破砕モードに対して最も有効である。この場合、ファイバ端と石との間の水層は極めて最小限である（０．５ｍｍ未満）または全く存在することができない。結石破砕術のために現在使用されているレーザは均一の矩形のまたは平頂パルスを有しており、ダイオード励起ファイバおよび固体レーザに対して典型的である２０２（図２）。Ｈｏ：ＹＡＧなどのフラッシュ励起固体レーザは、パルスの始めに高パワーおよびバックテールにパワーの緩徐な緩和を持つ非対称形状を有する２０３または２０４（図２）。パルスのこれらの形状は、穿孔中に割れる石に対して最適でない。穿孔および破砕中のアブレーションの効率を上昇させるために、本発明において、我々は２つの部分を持つパルスを使用することを提案し、第１の部分は、ファイバと石との間の残留水分を除去すること、および石のアブレーション、およびアブレーションクレータ周辺の石の予熱のために使用される（図１０）。低パワーのパルスの第１の部分による予熱の結果、レーザクレータ周辺の熱応力の上昇、および１００～２５０℃を越える加熱により石マトリックスの吸収係数を上昇させることになるであろう。高パワーのパルスの第２の部分は、石物質によってより有効に吸収されるであろう、かつ第１のパルス部分より良好な吸収および第２の部分の高ピークパワーによるより効率的な機械的損傷、ならびにレーザクレータ周辺の石の初期機械的応力をもたらすであろう。結果として、石が大きな部分へ割れる確率が上昇するであろう。同時に、そのようなパルシングの後退効果は、高反跳モーメントを持つ小粒子のアブレーションによるよりもむしろ割れへのレーザエネルギーのより有効な変換により低下されるであろう。これは図１０によって例示され、τ_１がパルスの第１の部分の持続時間であり、τ_２がパルスの第２の部分の持続時間である。パルスの第１の部分のパワープロファイルｆ_１（ｔ）はレベルＰ_ｍｉｎで一定である、またはＰ_ｍｉｎからＰ_ｍａｘに増加する、線形、指数、多項式関数などの単調関数であることができ、Ｐ_ｍａｘはパルスの第２の部分のピークパワーである。輝度の他の時間依存も可能であり、当業者にとって明らかであろう。パルスの第１の部分の持続時間は、モーゼチャネルを確立するために必要とされる最小エネルギーを考慮することから決定でき、かつレーザクレータ周辺の石マトリックスの実質的な加熱で石のアブレーションをもたらして、石マトリックス吸収を増加させるかつ石マクロ割れ効果を強化できる。代替実施形態において、第１の部分の持続時間は、フィードバック機構を使用してリアルタイムに決定できる。フィードバック機構は、モーゼチャネルの確立および／または石クレータ温度の信号を送ることになり、光学、音響または他の技術に基づくことができる。例えば、石温度は、レーザパワー送出のために使用される同じファイバを通じて石によって発される熱放射を測定することによって、検出できる。波長１．９４μｍのＴＦＬに対して、我々は、パルスの第１の部分のレーザパワーが範囲Ｐ_ｍｉｎ＝５０～２００Ｗにあるべきであり、パルス持続時間τ_１が範囲０．１から１０ｍｓにあるべきであり、第１の部分のエネルギーがパルスの全エネルギーの１０～７０％である一方で、パルスの第２の部分のパワーが範囲４００から２００００Ｗに、かつその持続時間が範囲０．５から２０ｍｓにあるべきであることを実験的に発見した。

石穿孔および破砕のために最適化されるパルス形状の例が図１１およびＴａｂｌｅ ６（表６）に与えられる。

Ｔａｂｌｅ ６（表６）は、正常様式でピークパワーを増加させることで割れ時間を減少させることに至るが、しかし後退効果も増加させ、結果的な様式品質はほぼ同じままであることを示す。対照的に、本発明に提案されるパルスの整形は割れ時間も後退効果も減少させ、したがって様式品質の所望の上昇に至る。

上記記述および例は、単に本開示を例示するために記載されており、限定的であるとは意図されない。したがって、本開示は、添付の請求項の範囲内に全ての変形を含むと広く解釈されるべきである。

１００ レーザシステム
１０１ 電源
１０２ エネルギー貯蔵装置
１０３ レーザドライバ
１０４ ポンプ
１０５ レーザ空洞
１０６ 光カプラ
１０７ デリバリシステム
１０８ 制御モジュール
２０１～２０５ パルス
２０６ サブパルス
５０１ パルス
８０１ パルス

Claims (39)

1. 人体または動物体内の結石を治療するためのレーザシステムであって、
   レーザパルスのシーケンスを発するレーザを備え、前記レーザが、前記レーザパルスが、
   一定パルス周波数（ＰＦ）で、かつ
   一振幅周期群のパルス内のパルス数に等しい振幅変調周期Ｎａの周期的に変化するピークパワーもしくはパルスエネルギーまたはピークパワーおよびパルスエネルギーで、
   発される振幅変調様式（ＡＭＲ）で動作可能である、レーザシステム。
2. 人体または動物体内の結石を治療するためのレーザシステムであって、
   レーザパルスのシーケンスを発するレーザを備え、前記レーザが、前記レーザパルスが、
   一振幅周期群のパルス内のパルス数に等しい変調周期Ｎａの周期的に変化されるパルスピークパワーおよびパルスエネルギーの少なくとも一方、ならびに
   一周波数周期群のパルス内のパルス数に等しい周波数変調周期Ｎｐの周期的に変化されるＰＦ、
   で発される振幅周波数変調（ＡＦＭＲ）様式で動作可能である、レーザシステム。
3. ピークパワーおよびパルスエネルギーの少なくとも一方の前記変調周期Ｎａが、２～１０００のレーザパルス、好ましくは２～１００のレーザパルス、最も好ましくは２～１０のレーザパルスに及ぶ、請求項１または２に記載のレーザシステム。
4. 前記ＰＦの前記変調周期Ｎｐが、２～１０００のレーザパルス、好ましくは２～１００のレーザパルス、最も好ましくは２～１０のレーザパルスに変化する、請求項２に記載のレーザシステム。
5. 前記レーザが、ダイオード励起固体レーザ、ダイオード励起ファイバレーザ、フラッシュランプ励起固体レーザまたはダイレクトダイオードレーザから選択される、請求項１または２に記載のレーザシステム。
6. 前記レーザが、１．８５μｍ～２．２μｍの波長範囲で、好ましくは１．９０８μｍ～１．９６μｍで動作する、請求項１または２に記載のレーザシステム。
7. 前記レーザが、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＡＰ、Ｔｍ：ＬｕＡＧ、Ｔｍ：ＬｕＬＦ、Ｔｍ：ＬｕＡＰ、ＴｍファイバまたはＨｏ：ＹＡＧレーザの１つである、請求項６に記載のレーザシステム。
8. 前記レーザが、２および５０００Ｈｚ間に及ぶ前記ＰＦでレーザパルスの前記シーケンスを出力するフリーランニングモードで動作し、各レーザパルスが、
   ０．０１Ｊ～１０Ｊの範囲のレーザパルスエネルギー、
   １００Ｗ～２００００Ｗの範囲、好ましくは２５０～３０００Ｗ範囲のレーザパルスピークパワー、および
   ５０μｓ～１０ｍｓの範囲が好ましい、２５μｓ～２０ｍｓの範囲のレーザパルス持続時間
   を特徴とする、請求項１または２に記載のレーザシステム。
9. 前記ＡＭＲでの所望のピークパワーもしくはパルスエネルギーまたは前記ＡＦＭＲでの所望のピークパワーもしくはパルスエネルギーおよび所望のＰＦに関する情報を含む制御信号を出力するコントローラと、
   前記コントローラに結合されて、周期的に変調されかつ前記レーザを励起するポンプの入力へ結合される電流パルスのシーケンスを出力するように動作するドライバと、
   を更に備える、請求項１または２に記載のレーザシステム。
10. 前記レーザドライバが、前記コントローラに動作的に結合されるエネルギー貯蔵器具を更に備える、請求項９に記載のレーザシステム。
11. 前記コントローラおよび前記レーザに結合されて、共振器の品質が変調されたＱモードで動作し、前記レーザパルスを出力する音響光学変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）または受動変調器を更に備え、各レーザパルスが、
    ０．１ｍＪ～１０ｍＪで変化するエネルギー、
    ２００Ｗ～１００００００Ｗに及ぶピークパワー、ならびに
    ５００Ｈｚ～５０００００Ｈｚ間に及ぶＰＦ、
    を特徴とする、請求項９に記載のレーザシステム。
12. 走査手術法において前記ＡＭＲで動作する前記レーザが、光パルスの前記シーケンスを、
    前記ＰＦ＝５Ｈｚ～３０００Ｈｚ、より好ましくは５０Ｈｚ～１０００Ｈｚ範囲、
    ２および１０光パルス間に及ぶ前記振幅変調周期Ｎａ、
    １．９０８μｍ～１．９８μｍが好ましい、１．８１μｍ～２．２μｍ波長範囲、
    前記光パルスが各々、４００Ｗ～１０００Ｗ範囲が好ましい、２５０Ｗ～５０００Ｗピークパワー範囲を有する、
    ならびに範囲０．０１Ｊ～２Ｊ、好ましくは０．０５Ｊ～０．５Ｊのパルス当たりエネルギー、
    で出力する、請求項１に記載のレーザシステム。
13. 破砕手術法の間前記ＡＦＭＲ様式で動作する前記レーザが、光パルスの前記シーケンスを、
    １Ｈｚ～５０００Ｈｚで変化する前記ＰＦ、
    ２光パルス～１０光パルスに及ぶ前記振幅変調周期Ｎａ、ならびに
    １光パルス～１００光パルスに及ぶ前記周波数変調周期Ｎｐ、
    で出力し、
    前記光パルスが各々、
    １．９０８μｍ～１．９８μｍが好ましい、１．８１μｍ～２．２μｍ波長範囲、
    ２５０Ｗ～３０００Ｗが好ましい、１００Ｗ～２００００Ｗのピークパワー範囲、
    ０．２Ｊ～２０Ｊ間で、好ましくは０．５～１０Ｊ間で変化するパルス当たりエネルギー、
    で出力される、請求項２に記載のレーザシステム。
14. 非接触手術法において前記ＡＦＭＲ様式で動作する前記レーザが、光パルスの前記シーケンスを、
    １０Ｈｚ～３０００Ｈｚで変化する前記ＰＦ、
    ２光パルス～１００光パルスに及ぶ前記振幅変調周期Ｎａ、ならびに
    １光パルス～１００光パルスに及ぶ前記周波数変調周期Ｎｐ、
    で出力し、
    前記光パルスが各々、
    １．９０８μｍ～１．９８μｍが好ましい、１．８１μｍ～２．２μｍ波長範囲で、
    ２５０Ｗ～１０００Ｗが好ましい、２５０Ｗ～３０００Ｗの範囲のピークパワーで、
    ０．０Ｊ２～１Ｊで、好ましくは０．０５Ｊ～０．５Ｊの範囲で変化するパルス当たりエネルギーで、
    出力される、請求項２に記載のレーザシステム。
15. 前記結石へ前記レーザパルスを導くファイバを更に備える、請求項１または２に記載のレーザシステム。
16. 人体または動物体内の結石を治療するためのレーザシステムであって、
    所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するコントローラと、
    レーザパルスのシーケンスを発するレーザであり、各レーザパルスが、
    互いから時間的に離間される第１および第２のサブパルス、
    ０．０２Ｊ～０．１５Ｊ（好ましくは０．０５Ｊ～０．１Ｊ）の範囲で変化する前記第１のサブパルスのエネルギー、
    ５０Ｗ～５００Ｗ（好ましくは１００Ｗ～３００Ｗ）の範囲で変化する前記第１のサブパルスのピークパワー、
    １００μｓ～５００μｓの範囲が好ましい、範囲５０μｓ～９００μｓで変化する前記第１および前記第２のサブパルス間の間隔、
    前記第１のサブパルスの前記エネルギーを超えて、０．１Ｊ～１０Ｊの範囲で変化する前記第２のサブパルスのエネルギー、
    前記第１のサブパルスの前記ピークパワーを超えて、３００Ｗ～２００００Ｗの範囲で変化する前記第２のサブパルスのピークパワー、
    で形成される所望のレーザパルス形状を有するように、前記コントローラに動作的に結合される、レーザと、
    を備える、レーザシステム。
17. 人体または動物体内の結石を治療するためのレーザシステムであって、
    所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するコントローラと、
    レーザパルスのシーケンスを発するレーザであり、各レーザパルスが、
    初期および後続区間であり、前記後続区間が前記初期区間より高いパワーレベルを有する、初期および後続区間、
    最小パワーレベルから前記後続区間の前記パワーレベルに単調に増加される前記初期区間のパワー、
    ０Ｗ～２００Ｗで変化するパルスの前記初期区間の前記最小パワーレベル、
    ０．１ｍｓ～１０ｍｓの範囲で変化する前記初期区間の持続時間、
    パルスの全エネルギーの１０％～７０％である前記初期パルス区間のエネルギー、
    ４００Ｗ～２００００Ｗで変化する前記後続区間のパワー、ならびに
    ０．５ｍｓ～２０ｍｓの範囲で変化する前記後続区間の持続時間、
    を含む前記所望のレーザパルス形状で形成されるように、前記コントローラに動作的に結合される、レーザと、
    を備える、レーザシステム。
18. 前記初期区間の前記パワーが、線形、多項式および指数関数の１つに従って増加する、請求項１７に記載のレーザシステム。
19. 前記レーザが、以下の群：ダイオード励起固体レーザ、ダイオード励起ファイバレーザ、フラッシュランプ励起固体レーザまたはダイレクトダイオードレーザから選択される、請求項１６または１７に記載のレーザシステム。
20. 前記レーザが、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＡＰ、Ｔｍ：ＬｕＡＧ、Ｔｍ：ＬｕＬＦ、Ｔｍ：ＬｕＡＰ、ＴｍファイバまたはＨｏ：ＹＡＧレーザの１つである、請求項１８に記載のレーザシステム。
21. 前記レーザが、１．８５μｍ～２．２μｍの波長範囲で、好ましくは１．９０８μｍ～１．９６μｍで動作する、請求項１６または１７に記載のレーザシステム。
22. 前記結石へ前記レーザパルスを導くファイバを更に備える、請求項１６または１７に記載のレーザシステム。
23. 人体または動物体内の結石を治療するための方法であって、
    一定パルス周波数（ＰＦ）で、かつ一周期振幅群のパルス内のパルス数に等しい振幅変調周期Ｎａ≧２の周期的に変化するピークパワーもしくはパルスエネルギーまたはピークパワーおよびパルスエネルギーで、レーザからレーザパルスのシーケンスを発するステップを含む、方法。
24. 人体または動物体内の結石を治療するための方法であって、
    レーザパルスのシーケンスを、
    一振幅周期群のパルス内のパルス数に等しい変調周期Ｎａでパルスピークパワーもしくはパルスエネルギーの少なくとも一方またはパルスピークパワーおよびエネルギーを周期的に変化させること、ならびに
    一周波数周期群のパルス内のパルス数に等しい周波数変調周期ＮｐでＰＲＦを周期的に変化させること、
    によって発するステップを含む、方法。
25. ピークパワーおよびパルスエネルギーの少なくとも一方の前記変調周期Ｎａが、２～１０００のレーザパルス、好ましくは２～１００のレーザパルス、最も好ましくは２～１０のレーザパルスに及ぶ、請求項２３または２４に記載の方法。
26. 前記ＰＲＦの前記変調周期Ｎｐが、２～１０００までのレーザパルス、好ましくは２～１００までのレーザパルス、最も好ましくは２～１０までのレーザパルスに変化する、請求項２４に記載の方法。
27. 前記レーザが、ダイオード励起固体レーザ、ダイオード励起ファイバレーザ、フラッシュランプ励起固体レーザまたはダイレクトダイオードレーザから選択される、請求項２３または２４に記載の方法。
28. 前記レーザが、１．８５μｍ～２．２μｍの波長範囲で、好ましくは１．９１μｍ～１．９６μｍの波長範囲で動作する、請求項２３または２４に記載の方法。
29. 走査手術法においてレーザパルスの前記シーケンスを、
    ５Ｈｚ～３０００Ｈｚに、好ましくは５０Ｈｚ～１０００Ｈｚの範囲に及んで変化するパルス周波数ＰＦ、
    ２～１０の光パルスに及ぶ前記振幅変調周期Ｎａ、
    １．９０８μｍ～１．９８μｍが好ましい、１．８１μｍ～２．２μｍの波長範囲、
    で送出するステップを更に含み、
    前記光パルスが各々、４００Ｗ～１０００Ｗの範囲が好ましい、２５０Ｗ～５０００Ｗピークパワー範囲を有し、かつ、
    パルス当たりエネルギーが範囲０．０１Ｊ～２Ｊ、好ましくは０．０５Ｊ～０．５Ｊにある、請求項２３に記載の方法。
30. 破砕手術モードにおいてレーザパルスの前記シーケンスを、
    １Ｈｚ～３００Ｈｚで変化する前記ＰＦ、
    ２～１０のレーザパルス間に及ぶ前記振幅変調周期Ｎａ、
    １．９０８μｍ～１．９８μｍが好ましい、１．８１μｍ～２．２μｍの波長範囲で送出するステップを更に含み、
    前記光パルスが各々、２５０Ｗ～１０００Ｗの範囲が好ましい、１００Ｗ～２００００Ｗのピークパワー範囲、ならびに０．５Ｊ～５Ｊの範囲が好適な、０．２Ｊ～２０Ｊ間で変化するパルス当たりエネルギーを特徴とする、請求項２３に記載の方法。
31. 破砕手術法においてレーザパルスの前記シーケンスを、
    １Ｈｚ～３０００Ｈｚで変化する前記ＰＦ、
    ２～１０の光パルスに及ぶ前記振幅変調周期Ｎａ、ならびに
    １～１００の光パルスに及ぶ前記周波数変調周期Ｎｐ、
    で送出するステップを更に含み、
    前記光パルスが各々、
    １．９０８μｍ～１．９８μｍが好ましい、１．８１μｍ～２．２μｍ波長範囲、
    ２５０Ｗ～３０００Ｗが好ましい、１００Ｗ～２００００Ｗのピークパワー範囲、
    ０．２Ｊ～２０Ｊで、好ましくは０．５Ｊ～１０Ｊで変化するパルス当たりエネルギー、
    で出力される、請求項２４に記載の方法。
32. 非接触手術法においてレーザパルスの前記シーケンスを、
    １０Ｈｚ～１０００Ｈｚで変化する前記ＰＦ、
    ２～１００の光パルスに及ぶ前記振幅変調周期Ｎａ、ならびに
    １～１００の光パルスに及ぶ前記周波数変調周期Ｎｐ、
    で送出するステップを更に含み、
    前記光パルスが各々、
    １．９０８μｍ～１．９８μｍが好ましい、１．８１μｍ～２．２μｍ波長範囲で、
    ２５０Ｗ～１０００Ｗが好ましい、２５０Ｗ～５０００Ｗの範囲のピークパワーで、
    ０．０５Ｊ～１Ｊで、好ましくは０．０５Ｊ～０．５Ｊ範囲で変化するパルス当たりエネルギーで、
    出力される、請求項２４に記載の方法。
33. 人体または動物体内の結石を治療するための方法であって、
    所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するステップと、
    レーザパルスのシーケンスを発するステップであり、前記レーザパルスが各々、
    互いから時間的に離間される第１および第２のサブパルス、
    ０．０２Ｊ～０．１５Ｊ（好ましくは０．０５Ｊ～０．１Ｊ）の範囲で変化する前記第１のサブパルスのエネルギー
    ５０Ｗ～５００Ｗ（好ましくは１００Ｗ～３００Ｗ）の範囲で変化する前記第１のサブパルスのピークパワー、
    １００μｓ～５００μｓの範囲が好ましい、５０μｓ～９００μｓの範囲で変化する前記第１および前記第２のサブパルス間の間隔、
    前記第１のサブパルスの前記エネルギーを超えて、０．１Ｊ～１０Ｊの範囲で変化する前記第２のサブパルスのエネルギー、
    前記第１のサブパルスの前記ピークパワーを超えて、３００Ｗ～２００００Ｗの範囲で変化する前記第２のサブパルスのピークパワー、
    で形成される前記所望のレーザ形状を持つ、ステップと、
    を含む、方法。
34. 人体または動物体内の結石を治療するための方法であって、
    所望のレーザパルス形状に関する情報を含む制御信号を出力するステップと、
    レーザパルスのシーケンスを発するステップであり、前記レーザパルスが各々、
    初期および後続区間であり、前記後続区間が前記初期区間より高いパワーレベルを有する、初期および後続区間、
    最小パワーレベルから前記後続区間の前記パワーレベルに単調に増加される前記初期区間のパワー、
    ０Ｗ～２００Ｗで変化するパルスの前記初期区間の前記最小パワーレベル、
    ０．１ｍｓ～１０ｍｓで変化する前記初期区間の持続時間、
    パルスの全エネルギーの１０％～７０％である前記初期パルス区間のエネルギー、
    ４００Ｗ～２００００Ｗで変化する前記後続区間のパワー、ならびに
    ０．５ｍｓ～２０ｍｓの範囲で変化する前記後続区間の持続時間、
    を含む前記所望のレーザパルス形状を持つ、ステップと、
    を含む、方法。
35. 前記初期区間の前記パワーを、線形、多項式および指数関数の１つに従って増加させるステップを更に含む、請求項３４に記載の方法。
36. 前記レーザが、以下の群：ダイオード励起固体レーザ、ダイオード励起ファイバレーザ、フラッシュランプ励起固体レーザまたはダイレクトダイオードレーザから選択される、請求項３３または３４に記載の方法。
37. 前記レーザが、Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｍ：ＹＬＦ、Ｔｍ：ＹＡＰ、Ｔｍ：ＬｕＡＧ、Ｔｍ：ＬｕＬＦ、Ｔｍ：ＬｕＡＰ、ＴｍファイバまたはＨｏ：ＹＡＧレーザの１つである、請求項３６に記載の方法。
38. 前記レーザが、１．８５μｍ～２．２μｍの波長範囲で、好ましくは１．９０８μｍ～１．９６μｍ波長範囲で動作する、請求項３３または３４に記載の方法。
39. デリバリファイバを通して人体または動物体内の結石に入射するレーザパルスの前記シーケンスを導くステップを更に含む、請求項３３または３４に記載の方法。