JP5058976B2 - 断面強度分布が不均一な出力ビームを用いたレーザによる処置方法およびシステム - Google Patents

断面強度分布が不均一な出力ビームを用いたレーザによる処置方法およびシステム Download PDF

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Description

関連出願
本出願は2006年2月3日に出願された米国特許出願第11/347,672号の一部継続出願であり、2005年4月22日に出願された米国仮出願第60/673,914号の利益を主張し、その出願の全内容は参照によって本明細書に引用したものとする。
本発明は、断面強度分布が不均一なレーザ照射を用いた処置方法およびその装置に関する。
形成外科医、皮膚科医、および彼らの処置を受ける者は、老化した皮膚の影響を処理する新しい、改良された方法を絶えず探している。老化した皮膚または光損傷を受けた皮膚の外観を若返らせる一般的な手段の１つは、炭酸ガスレーザを用いたレーザ・スキン・リサーフェシング（laser skin resurfacing（レーザで肌をきれいにすること））である。炭酸ガスレーザエネルギは組織の水分に吸収され、皮膚の外層の蒸発を引き起こす。炭酸ガスレーザは約30年間利用され続けている。しかし、炭酸ガスレーザが周辺皮膚への熱損傷を最小限にしながら、薄い組織の層のみを除去できるように構成されてきたのは、つい2，3年前である。炭酸ガスレーザは約150ミクロンメートルの皮膚を除去するが、この手段を受けて皮膚が回復するには１ヶ月またはそれ以上かかる。
Er：YAGレーザは炭酸ガスレーザよりもさらに薄い組織の層を除去させる（蒸発させて炭化させる）ために利用されてきた。しかし、凝固特性に欠けるので、使用中は炭酸ガスレーザよりも出血が多くなる。
皮膚表面に損傷を与えない皮膚若返り（Non-ablative skin rejuvenation）は、皮膚の最上層を除去せず、深く貫通するレーザを使用して外側の表皮層よりも下方に位置する皮膚層を処置する方法であって、見た目の好ましくない血管障害や色素障害を処置したり、それらの下に位置するコラーゲンを収縮および変性させ、皮膚を引き締めてシワを減らしたりすることで、より若い外見を提供する方法である。しかし、この方法は非効率性であり、皮膚の最上層または上層への損傷を最小限に抑えて、痛みの発生も最小限に抑えるためには、積極的な冷却方法が皮膚に対して用いられなければならない。この方法に使用されるレーザのフルエンスすなわちエネルギ密度は1平方センチメートルあたり10ジュールを超え、より効果的であるためには、フルエンスはしばしば1平方センチあたり30ジュールに達する。このレベルのエネルギは痛みや表皮の損傷を生じさせる。
Andersonらによる米国特許出願公開第2002/0161357号は、集束照射ビームを用いて患者の皮膚の処置を受けていない領域内に、処置または損傷の「島々」を作ることによって患者の皮膚に治療処理を行う方法と装置について述べている。しかし、この方法における処置ビームのパラメータは、皮膚の若返り処置に適していない。
さらに別の処置方法がCho etらに特許された米国特許第6,077,294号に開示されている。なお、この出願の全内容は参照によって本明細書に引用したものとする。この特許は約585ナノメートル（ｎｍ）の波長と1平方ｃｍ（cm2）あたり5ジュール未満のエネルギを持つパルス色素レーザを利用した非侵襲性の皮膚処置のシステムおよびその方法を記載している。このレーザよりも高いエネルギを持つパルス光を使用して表皮よりも下方に位置するコラーゲンを損傷して「収縮」させる以前の技術とは対照的に、それよりも比較的小さい、上記米国特許第6,077,294号におけるビームのエネルギは、コラーゲンが再生したり皮膚の谷間を「埋め」たりするようにコラーゲンを刺激し、より若くて染みのない透き通った皮膚にするように設計されている。
本発明の断面強度分布が不均一なレーザ照射を用いた処置方法およびその装置は、好ましくは、皮膚の若返り処置に用いられ、レーザ照射の照射強度の高い部分が、処置部位の選択された箇所内のコラーゲン破壊およびコラーゲン収縮を生じさせ、その一方で照射強度の低い部分が線維芽細胞刺激を起こし、処置部位の前記選択箇所以外におけるコラーゲン生成につなげる。
好ましくは、本発明の方法およびシステムは、Nd:YAGレーザのような固体レーザ源を利用する。レーザ源からの出力ビームは光学システムに結合（couple into）され、この光学システムが該出力ビームを、照射強度の低い領域にそれぞれ囲まれた複数の照射強度の高い区域を処置ビーム内に備えた不均一なエネルギプロファイルを有する直径の大きい出力ビームに変換する。照射強度の高い区域は、対象組織の選択された箇所を、第１の処置（例えばコラーゲン収縮）に十分な温度まで加熱し、照射強度の低い区域は、第２の処置（例えば刺激によるコラーゲン生成）を施すのに十分なエネルギを周辺組織に提供する。このようにして、皮膚への火傷、または皮膚へのその他の損傷のリスクを最小限にしながら、組織の広い範囲、好ましくは直径7〜10ｍｍの範囲が、一斉に処置されることができる。
本発明の一実施形態においては、不均一なエネルギを持つ出力ビームを供給するためにファイバ束を用いる。また、本発明の別の実施形態においては、断面強度分布が不均一な出力ビームを生成するために回折レンズアレイを使用する。
本発明の一構成に従ったヒトの皮膚の処置方法は、
Nd:YAGレーザのようなレーザ源から出力ビームを発生させ、
照射強度の低い区域にそれぞれ囲まれた複数の照射強度の高い区域を備えた、不均一なエネルギプロファイルを持つ処置ビームを提供するように、前記出力ビームを変換する光学システムに、前記出力ビームを結合させ、
この処置ビームを対象組織部に導き、照射強度の高い区域は、対象組織の選択された箇所を、第１の処置に十分な温度まで加熱し、照射強度の低い区域は、第２の処置をするのに十分なエネルギを周辺組織に供給する。好ましくは、第１の処置がコラーゲン収縮を含み、第２の処置がコラーゲン刺激を含む。出力ビームは、約1.3〜1.6ミクロン、好ましくは約1.41〜1.44ミクロンの波長を有し、0.1〜100ミリ秒、好ましくは約1〜5ミリ秒のパルス幅を有してもよい。処置ビームの平均フルエンスは約10J/cm2未満であってもよい。一般的に、処置ビームの平均フルエンスは約5〜6J/cm2である。処置ビームの照射強度の低い区域における平均フルエンスは、一般的におよそ2〜3J/cm2である。
光学システムは、例として1000〜2000の数の個別のファイバを有するようなファイバ束、およびビームをファイバ束に結合させる集束レンズを備えてもよい。光学窓、好ましくは1から5ミリの厚みを持つ光学窓が、ファイバ束の遠位端（レーザ源から離れた側の端部）に設けられ、この光学窓により、束のファイバそれぞれから出射されるビームが、対象組織へ届く前に発散して互いに部分的に重なり合う。本発明の特定の実施形態においては、伝送ファイバが、レーザ源からの出力ビームをファイバ束に運ぶことが可能で、この場合、ファイバ束はハンドピース内に設置される。
本発明の別の実施形態において、光学システムはレーザ源と処置部位の間の光路に、好ましくは約2000以下の数のレンズを備えた回折レンズアレイを備えてもよく、アレイ内のそれぞれのレンズは、照射強度の低い区域に囲まれた照射強度の高い区域を提供する。アレイ内の各レンズは約150〜450ミクロンの直径をそれぞれ有してもよく、レンズアレイ全体は約7〜10ｍｍの直径を有してもよい。好ましくは、レーザ出力ビームの平均フルエンスが約10J/cm2未満である。
本発明の別の実施形態において、本発明のレーザシステムは、
出力ビームを発生させるレーザ源と、
照射強度の低い区域にそれぞれ囲まれた複数の照射強度の高い区域を備えた不均一なエネルギプロファイルを有する処置ビームを提供するように、前記出力ビームを変換する光学システムとを備え、
照射強度の高い区域は、対象組織の選択された箇所を、第１の処置に十分な温度にまで加熱し、照射強度の低い区域は、第２の処置を施すのに十分なエネルギを周辺組織に供給する。レーザ源はNd:YAGレーザでもよく、約1.3〜1.6ミクロン、好ましくは1.41〜1.44ミクロンの波長を有し、0.1〜100ミリ秒、好ましくは1〜5ミリ秒のパルス幅を有する出力ビームを一般的に生成する。光学システムは、ファイバ束を備えてよく、好ましくは束の遠位端と対象組織との間に光学窓を持つ。代わりに、光学システムはレーザ源と対象部位の間の光路に回折レンズアレイを有してもよく、この場合、アレイ内の各レンズは照射強度の低い区域に囲まれた照射強度の高い区域をそれぞれ生成する。
本発明の別の実施形態によると、レーザシステムは出力ビームを発生させるレーザ源と、近位端（レーザ源に近い側の端部）および遠位端を有し、複数の個別のファイバを有するファイバ束と、出力ビームをファイバ束の近位端に結合させる集束レンズと、ファイバ束の遠位端に位置する光学窓とを備え、この光学窓により、束のファイバそれぞれから出射されるビームが光学窓を通過する際に発散され、その結果、各ビームが束において隣り合うファイバから出るビームと部分的に重なり合う。光学窓はガラスのような透明素材を備えてよく、またはファイバ束の遠位端と処置部位の間に中空空間を有するスペーサを備えてもよい。
さらに別の実施形態によると、レーザシステムは出力ビームを発生させるレーザ源と、レーザ源と処置部位の間の光路に配列された回折レンズアレイとを備え、アレイ内の各レンズは照射強度の低い区域に囲まれた照射強度の高い区域をそれぞれ生成する。
特定の実施形態において、本発明のレーザシステムおよび方法は、不均一なエネルギプロファイルを有する処置ビームを供給する光学システムを収容する先端ハウジングと、先端ハウジングに冷気を送る導管とを備える。先端ハウジングの遠位端は処置を受ける人の対象組織部と接触できるようにされており、導管は先端ハウジングの遠位端に冷気を送るように曲げられた出口を備えている。
本発明のさらなる実施形態において、レーザシステムは、フラッシュランプシステムのようなパルス光システムをさらに備え、レーザシステムと一体化され、色素障害を処置する。
処置を受ける人の皮膚の広範囲を対象とするレーザ処置を提供する本発明は、レーザ照射の高吸収性と低いピークエネルギによって特徴付けられており、その結果、皮膚の損傷のリスクを最小限にする。本発明の一構成では、有利なことに、単一の処置部位においてコラーゲン収縮のみでなく刺激によるコラーゲン生成も同時に達成する。本発明の原理は、皮膚の若返り処置のみでなく、にきび、脱毛、および血管障害もしくは色素障害、その他限定されない処置を含む他のタイプの光照射処置での使用にも拡張されることができる。
本発明の上記、また上記以外に述べられた目的、特徴、および利点は、以下に示した本発明における好ましい実施形態に関する具体的な説明と、添付された図面から明らかとなる。図中に使用される同一参照符号は異なる図面で使われている場合も同じ部分を示している。これらの図は必ずしも縮尺通りではなく、重点はむしろ本発明の発明原理を示すことに置かれている。
本発明の好ましい実施形態の詳細な説明を以下に示す。
図１Ａに示されているとおり、本装置は出力ビームを出射するレーザ源を有する。このビームは、1つまたはそれ以上の数の集束レンズを用いて光ファイバ束に結合される。好ましくは、この束が1000〜2000の数の個別のファイバを有する。典型的に、各ファイバは約100〜200ミクロンの直径をそれぞれ有する。したがって、出力レーザビームは1000〜2000の数の小さいビームに導かれ、それぞれの小さいビームが個々の光ファイバにおいてファイバ束の全長を通過していく。ファイバ束の遠位端における終点は、処置を受ける人の皮膚に直接接触させることが可能な光学窓である。この光学窓はおよそ1〜5ｍｍの厚みを有し、ファイバ束の出力面を汚染から保護し、また、この窓によって、ファイバからそれぞれ出射するビームは処置を受ける人の皮膚に届く前に発散することができる。好ましくは、この結果、束内において隣り合うファイバからのビームと部分的に重なり合う。
束のファイバは、緊密にまとめられてもよく、または機械式スペーサを使用してファイバが互いに間隔を有するようにしてもよい。束の遠位端における機械式スペーサの使用は束からのエネルギを広い範囲に分散させて、処置を受ける人の痛みの感覚を軽減させるのに役立つ。一般的に、ファイバ束に含まれる全てのファイバの照射スポットを合わせた、皮膚上での結合スポットサイズは直径にして約7〜10ｍｍである。
図１Ａの実施形態の好ましい処置方法によると、レーザ源、好ましくはNd:YAGレーザが、1.3〜1.6ミクロン、好ましくは約1.40〜1.41ミクロンの波長を有し、0.1〜100ミリ秒、好ましくは約1から5ミリ秒のパルス幅を有する出力レーザパルスを生成する。このレーザは皮膚に良好に吸収される波長で動作するので、比較的低いエネルギで動作し、皮膚への火傷または損傷のリスクを最小限にする。
稼動時には、光学窓は処置を受ける人の皮膚に押し付けられ、レーザ源は活性化されてレーザ光パルスを生成し、このレーザ光パルスはレーザ源から出射してファイバ束および光学窓を通って進み、処置を受ける人の皮膚に入る。光学窓はおよそ1〜5ｍｍの厚さであるため、光学窓はファイバ束の出力端と処置を受ける人の皮膚の間のスペーサの役割も果たす。このようにして、レーザ光が束のファイバからそれぞれ出射される際、処置を受ける人の皮膚に向かってこの光学窓を介して進むことにより、光は発散することができる。本発明の好ましい実施形態において、ファイバは直径にしておよそ100〜200ミクロンであり、ファイバからそれぞれ出射するビームは光学窓を通過した後、処置を受ける人の皮膚の上に直径150〜900ミクロンのスポットを生成する。光ファイバを出射した光の発散する性質によって、各スポットの中心部の光は比較的高いエネルギをそれぞれ有する光となり、その一方で各スポット周縁部は中心部に比べてかなり低いエネルギをそれぞれ有する。このようにして、ファイバ束全体の7〜10ｍｍの結合スポットにおいて、直径にして一般的に約150〜900ミクロンの小さい処置スポットがおよそ1000〜2000の数存在し、各処置スポットがフルエンスの小さい放射の「クーラー・ゾーン」に囲まれた、スポットの中心に位置するフルエンスの大きい放射の「ホット・スポット」からそれぞれなる。中心の「ホット・スポット」のエネルギはその下に位置する組織を収縮させ、コラーゲンを損傷させ、コラーゲン収縮を生成するのに十分な大きさである。一般的に、照射強度の高い区域、すなわち「ホット・スポット」におけるエネルギは対象組織の温度を70℃以上に上昇させるのに十分である。しかし、ホット・スポットを取り囲む「クーラー・ゾーン」における照射は組織に損傷を与えて、その下に位置する組織においてコラーゲン収縮を生じさせるのに、一般的に十分でない。これら照射強度の低い「クーラー・ゾーン」では、供給されたエネルギは、皮膚の温度を2，3℃上昇させるのみであるため（すなわち問題になる程の温度上昇を生じさせないため）、組織に損傷を与えるどころか「衝撃」を与えることさえないであろう。しかしながら、線維芽細胞がコラーゲンを生成して、皮膚の隙間やくぼみを「埋める」ことで、より若くて、より染みのない透き通った皮膚にするように、組織内の線維芽細胞を刺激することに対して、この強度の低い照射は一般的により適切であり、または好ましい。
本発明の好ましい実施形態において、それぞれのファイバからの放射のスポットサイズが処置を受ける人の皮膚上において、束の隣り合うファイバからのスポットと接するかまたは部分的に重なり合うように、束においてファイバは配置されている。このようにして、本発明は、ファイバ束から出る各出力スポットの中心にそれぞれ位置する「ホット・スポット」での高エネルギ・コラーゲン収縮処置、および結合ファイバ束出力ビームの範囲全体のいたるところにおける全体的な刺激によるコラーゲン生成の２様態の皮膚の若返り処置を同時に行うことができる。
ファイバ束伝送システムを用いたレーザ処置方法の例が図１Ｂに示されている。この図は束の4本のファイバの皮膚上における位置の関数として、皮膚上の相対的な照射強度を表したグラフである。実際には、ファイバ束は、1000〜2000の数の個々のファイバからなり、規則的に間隔をあけた配置状態で束を形成している。この実施形態では、束において隣り合うファイバ同士の中心間の距離はおよそ500ミクロンである。それぞれのファイバの直径は200ミクロンであり、ファイバの開口数（ＮＡ）はおよそ0.2である。ファイバ束全体の直径はおよそ9ミリとなる。それぞれのファイバからのレーザエネルギは透明窓を通過する際に発散するので、その結果、それぞれのファイバから出射された皮膚の上のスポットサイズは直径にして少なくとも約250ミクロンである。このため、それぞれのファイバからのスポットは一般的に、束において隣り合うファイバからのスポットと接するかまたは部分的に重なり合う。この様子は図１Ｂに示されており、全体部分が少なくとも照射強度の低いパルスで処置されている一方で、各スポットの中心における部分が極めて高いエネルギをそれぞれ受けていることが分かる。点線は処置部位全体における平均強度を示す。この例では、各スポットの中心における皮膚上のピークフルエンスはそれぞれおよそ9J/cm2であり、各スポットにおける周縁部のフルエンスはそれぞれおよそ2J/cm2である。全体部分のフルエンスはおよそ5J/cm2である。
処置部位の様々な箇所において受けるフルエンスは、例えば、レーザ源からの総エネルギ出力を上昇または低下させたり、束のファイバ同士の中心間の距離を変化させたり、異なる直径の長さのファイバを使用したり、異なるＮＡを持つファイバを用いてビームの発散角を変化させたり、および／または光学窓の厚さを変更してビーム発散量を多くしたり少なくしたりすることによって、変化および制御されることができる。このようにして、ビームプロファイルは様々な異なる条件およびレーザ処置方法に応じて最適化されることができる。
図２は図１の実施形態と類似した、別の実施形態を示しているが、レーザ出力ビームをレーザ源から光学窓に結合させる長いファイバ束の代わりに、この実施形態はレーザ源から短いファイバ束を含むハンドピースにレーザエネルギを運ぶ単一の伝送ファイバを使用する。ハンドピースでは、この単一のファイバからの出力レーザパルスが短いファイバ束に結合される。先に示した実施形態のように、この短いファイバ束は、複数の個別の光ファイバ、好ましくは1000〜2000の数のファイバからなる。この短いファイバ束はその近位端においてより小さい束直径を持ち、単一の伝送ファイバからの出力光がこの束に効率良く入射されるように許可している。ファイバ束は、例えば機械式スペーサを用いることで、近位端から遠位端にかけて「扇状に広がり」、ファイバ束の出力部において、拡がった表面を提供する。好ましくは、この拡がった表面が、約7〜10ｍｍの直径を有し、また、図１の実施形態に示されているように光学窓と結合される。図２の実施形態は、好ましくは、図１に関して説明されたものと同一の処置パラメータを使用する。
図３〜８には、対象組織内に不均一な加熱を提供するために回折レンズアレイを用いる、本発明のさらに別の実施形態が示されている。複数の段を有する回折レンズは、さまざまな厚みを有する光学的に透明な素材から作製された同心円状の複数の環体からなる。それぞれの同心円状の環体の上面は平坦であるため、屈折の影響は無視できる。さまざまな厚みを有する複数の環体が、伝搬入射光ビームに空間位相遅延パターンを生み出す。伝搬光ビームは回折レンズの表面を過ぎた後も空間位相遅延パターンを保ち、空間においてさまざまな光強度を有する照明パターンを発生させる。光強度は、干渉による強め合いの条件に合致する幾何学的位置において高くなり、干渉による弱め合いの条件に合致する幾何学的位置において低くなる。一般的に回折レンズの設計は、回折像の主極大（主極小）がレンズ面から距離ｆ離れた、光軸線上の位置に現れるように最適化されている。この距離ｆがレンズの焦点距離である。また一般的に、回折レンズ設計の目的は、主極大における入射エネルギの割合を増加させることである。しかし、この割合は常に1未満であり、その値は回折レンズの段数、レンズのＦ値、およびその他の設計パラメータに依存する。実際に、回折レンズのパターンの設計次第で、入射光のエネルギの割合は、主極大において多く（1未満）なり、入射光の残りのエネルギは二次極大に配分される。
複数の段を有する回折レンズの様々な例が図３〜５の断面図に示されている。図３は4段の回折レンズを示し、図４は2段の回折レンズを示し、図５は8段の回折レンズを示す。
本発明の一実施形態において、レーザ処置装置とレーザ処置方法は、アレイ状に配置された複数の回折レンズを利用して、不均一なエネルギプロファイルを有する出力ビームを生成する。より具体的には、回折レンズアレイはレーザ源と処置部位との間の光路に配置され、アレイ内の各レンズが、低いフルエンスの照射の領域に囲まれた高いフルエンスの「ホット・スポット」の部分をそれぞれ規定する。皮膚の若返り処置では、例えば、この高エネルギの部分が「ホット・スポット」におけるコラーゲンに損傷を与え収縮させるのに十分な熱を提供し、その一方でこれら「ホット・スポット」の外側に位置する強度の低い照射領域は重なり合って結合し、処置部位全体においてコラーゲン再生を刺激する。
この実施形態では、レーザ源が、およそ1.3〜1.6ミクロン、好ましくは1.40〜1.44ミクロンの波長、および0.1〜100ミリ秒、好ましくは1〜5ミリ秒のパルス幅を有する照射パルスを生成するものであるのが好ましい。例えば、レーザ源はNd:YAGレーザでもよい。光学システムはビームをレーザ源から処置部位に運ぶ。回折レンズアレイは処置を受ける人の皮膚と隣接する、光学システムの遠位端に設けられるのが好ましい。アレイは個別で複数の互いに隣り合う回折レンズを備える。一般的に、アレイには2000以下の数のレンズが存在し、好ましくは約1800個のレンズが存在する。それぞれのレンズは直径が約150〜450ミクロンで、好ましくは直径が約250ミクロンである。回折レンズのアレイ全体は、直径が一般的に約7〜10ｍｍである。アレイはレーザ源（これも、好ましくは直径が約7〜10ｍｍである）からの入力ビームを、アレイ内の個々のレンズの中心箇所に相当する、照射強度の高い複数の「ホット・スポット」と、各「ホット・スポット」をそれぞれ取り囲む照射強度の低い領域とに導く。これらを合わせた、処置を受ける人の組織における効果は、照射強度の低い部分に囲まれたそれぞれ回折レンズの中心に相当する、皮膚における照射強度の高い複数の区域を生成することである。これは、図８の処置ビームプロファイルに示されている。このグラフから分かるように、処置部位全体が少なくとも低レベルの処置照射を受け、所定の間隔を空けた幾つかの部分が高レベルのレーザ照射を受ける。皮膚の若返り処置の場合、例えば、レーザエネルギがコラーゲン層に深く侵入し、ここでコラーゲンが「ホット・スポット」における収縮温度にまで加熱される一方、処置部位全体がコラーゲン再生を生じるように処置される。皮膚の若返り処置の他にも、回折レンズアレイはにきび処置や脱毛処置のような他の用途における使用にも最適化されることができる。回折レンズアレイからのビームプロファイルを調整して、様々な用途に用いられるようにすることができる。
回折レンズに、操作者によって選択されたレーザフルエンス設定によって決定される均一な平均フルエンスＦavのレーザが照射されると考えられる。一般的に、この実施形態でのレーザの平均フルエンスは約10J/cm2未満、好ましくは約9J/cm2未満である。例示のために、直径Dを持つそれぞれの回折レンズは単純化された構造を有すると仮定し、そのため、レンズは直径ｄの均一なフルエンスＦ1を有すると仮定されるホット・エリアおよび均一なフルエンスＦ2を有する周縁部を生成する。また、レンズの構造は、ホット・エリアに対する周縁部の比率を表すフルエンス比率βとして、β＝Ｆ1/Ｆ2を生成すると仮定する。これら単純化の仮定の下で、ホット・エリアにおけるフルエンスＦ1の近似値を求める簡単な公式を導き出すことが可能となる。
Figure 0005058976
図９は、中心のホット・エリアの相対直径ｄ/Ｄの関数としてのホット・エリアの相対フルエンス係数Ｆ1/Ｆavのグラフである。例として、回折レンズが、β＝5、直径Ｄ＝250μｍ、ホット・エリアの直径ｄ＝100μｍ、となるように設計され、レーザが平均フルエンスＦav＝9J/cm2を有するように選択されると、ホット・エリアのフルエンスは、F1＝3.05×9J/cm2＝27.4J/cm2となる。
第２の例として、回折レンズが、β＝5、直径Ｄ＝350μｍ、ホット・エリアの直径ｄ＝200μｍを有するように設計され、レーザが平均フルエンスＦav＝9J/cm2を有するように選択されると、ホット・エリアのフルエンスは、F1＝2.17×9J/cm2＝19.5J/cm2となる。
図６と図７は本発明による回折レンズアレイの２つの例示的な実施形態を示している。図６では、回折レンズが六角形のパターンに並べられている。図７では、回折レンズが長六角形のパターンに並べられている。
図１０は、回折レンズアレイを通して1440ｎｍのレーザが照射された皮膚の一部分における、ピーク組織温度分布を示している。グラフから分かるように、第１の回折レンズの中心は、グラフの横軸上の約200μｍに位置し、第２の回折レンズは横軸上の約600μｍに位置する。また、このグラフから分かるように、比較的高い温度（例えば70℃以上の温度）に加熱されている約200μｍ幅の組織の部分がそれぞれの回折レンズの中心に位置している。高い温度を有するこの部分は、基本的に皮膚の表面から約350μｍの深さまで延びている。図１Ａおよび図１Ｂのファイバ束の実施形態と関連して上述したように、これら温度はコラーゲン収縮を起こすのに十分な温度である。高い温度を有するこれら高温度処置区域の外では、ピーク温度は急激に下降する。例えば、グラフ横軸上の約300μｍ〜500μｍの間に位置する組織では、ピーク皮膚温度は一般的に35℃（または35℃未満）〜50℃であり、かつ、一般的に約40℃未満である。前述のように、これら照射強度の低い区域はコラーゲン刺激処置を提供する。
図１１は、不均一なエネルギプロファイルを持つ出力ビームを提供する回折レンズアレイを有するレーザ処置装置の先端部１０の断面図である。操作者は、先端部１０を処置を受ける人の皮膚３０に対して直接当接させる。レーザ源（図示せず）が活性化されて出力ビーム２３を生成し、この出力ビーム２３は1本の光ファイバ２０によって先端部１０に運ばれる。出力ビーム２３は光ファイバ２０の先端部から放射されて、回折レンズアレイ６１に向けられる。回折レンズアレイ６１に隣接するのは光学窓６０で、光学窓６０は処置を受ける人の皮膚３０に直接接触する。光学窓６０は図１に関連して説明された光学窓と同様であり、ファイバ束の出力端と処置を受ける人の皮膚の間のスペーサとして機能する。光学窓６０は回折レンズアレイ６１と一体化させられてもよい。好ましくは、光学窓がガラスのような良好な熱伝導性を有する素材で作製される。光ファイバ２０、回折レンズアレイ６１、および光学窓６０は全て先端ハウジング４０に封入され、先端ハウジング４０は、好ましくは円筒形状のハウジングである。先端ハウジング４０はプラスチックで作製されてもよい。先端ハウジング４０の外部に冷却機構１１が存在する。好ましくは、冷却機構１１は冷却空気５１を冷却空気源（図示せず）から処置装置の先端部１０に運ぶ導管５０を備える。導管５０は、好ましくは、先端ハウジング４０に向けて曲げられた出口を有し、その結果、冷却空気５１が先端ハウジング４０の遠位端（先端部１０が処置を受ける人の皮膚３０と接触するところ）に向けられている。この構成により、レーザ処置の間、効率的に皮膚が冷却される。先端部１０および冷却機構１１は図３〜８の回折レンズアレイの実施形態と関連してここに示されているが、図１と図２との関連で図示および説明されたもののように、この設計はファイバ束を持つレーザ装置にも採用されてよいということが理解されるであろう。
図１２は、本発明の一構成に従った、皮膚の若返り処置用のレーザおよびパルス光の統合システムを示している。図示されているように、システム１００は、レーザ源１０３を有するハウジング１０１を備える。このレーザ源１０３は、好ましくは、約1.4ミクロンの波長および約3ミリ秒パルス幅で動作する、Nd:YAGレーザのような固体レーザである。レーザ源１０３からの光は、ハウジング１０１から第１のハンドピース１０５に延びる光ファイバ伝送システム２０に結合される。第１のハンドピース１０５は、これまでに説明された任意の実施形態に従って、不均一なエネルギプロファイルのビームを生成する光学システムを有する。ハンドピース１０５は、図１１との関連で前述した先端部１０を含んでもよい。光学システムは、図１１との関連で説明された冷却システムも採用してよい。
統合システム１００は、パルス光部も有し、このパルス光部は、好ましくは、フラッシュランプ光源１１５を有する。本発明の好ましい実施形態において、フラッシュランプ源は、560〜950ｎｍの波長および5〜35ミリ秒のパルス幅を持つ処置パルスを生成するキセノンフラッシュランプを備える。フラッシュランプ１１５は第２のハンドピース１１３内に位置し、この第２のハンドピース１１３は、ハウジング１０１内部に位置する高電圧源１０９からフラッシュランプ１１５に電力を供給する高電圧ケーブル１１１によって、ハウジング１０１と接続されている。このパルス部は、好ましくは、さらに水循環システム（図示せず）を有し、この水循環システムは、従来知られているように、フラッシュランプを冷却するものである。パルス光システムは、図１１との関連で説明された冷却システムを採用してもよい。一実施形態では、空気冷却器および導管が、冷気をハンドピース１１３に運ぶ。ハンドピース１１３の先端部はサファイア窓を有する。サファイア窓の近位側の端部（フラッシュランプ源に近い方の端部）は冷却システムからの冷気によって冷却される。サファイア窓の遠位表面は処置を受ける人の皮膚に接触する。
稼動時には、第２のハンドピース１１３は処置を受ける人の皮膚に近いところで握られ、フラッシュランプ１１５が活性化されて処置パルスを供給する。パルス光部のスポットサイズは一般的にレーザ部よりも大きく、かつ、一般的に11×55ｍｍ（すなわち6ｃｍ2）前後である。このため、パルス光部は処置を受ける人の皮膚の広い範囲を比較的短時間で処置することができる。パルス光部の最大フルエンスは典型的に20J/cm2前後である。
統合システムのパルス光部は、色素障害および特定の血管障害を処置するのに適している。パルス光部は例えば、光損傷を受けた皮膚に関連する表皮の色素障害、静脈および酒さの赤らみ（blush of rosacea）のみでなく、老化皮膚に関連する一般的な症状である色素異常症（dyschromia）を効果的に処置する。システムのレーザ部は前述のように、コラーゲン生成の刺激および皮膚の引き締めの刺激に有効である。統合システムにおけるレーザ処置とパルス光処置の組み合わせは、顔の若返り処置の効率的で完成されたシステムを提供する。レーザシステムおよびパルス光システムは、共通のハウジングに一体化されており、好ましくは共通の制御システム１１７を使用し、さらには、レーザ源１０３とフラッシュランプ源１１５の両方を駆動する同一の電子駆動回路１１９を使用してもよい。
本発明を好ましい実施形態により詳細に示し、説明してきたが、添付の特許請求項に含まれる本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部にさまざまな変更を加えることが可能であることは当業者には理解されるだろう。
ファイバ束および光学窓を備えたレーザ処置システムを示す図である。 図１Ａのレーザ処置システムについて、皮膚上のビームプロファイルを表したグラフである。 拡がった端面を有する短いファイバ束を備えたレーザ処置システムを示す図である。 ４段階レベルの回折レンズを示す図である。 ２段階レベルの回折レンズを示す図である。 ８段階レベルの回折レンズを示す図である。 六角形のパターンを有する回折レンズアレイを示す図である。 長六角形のパターンを有する回折レンズアレイを示す図である。 回折レンズアレイを通した場合の処置ビームのビームプロファイルを示す図である。 中心のホット・エリアの相対的な直径のｄ/Ｄの関数としてのホット・エリアのフルエンス係数Ｆ1/Ｆavを表したグラフである。 回折レンズアレイからの断面強度分布が不均一な出力ビームで処置された皮膚の温度プロファイルを示す図である。 冷却機構を有するレーザ処置ハンドピースの先端を示す図である。 皮膚の若返り処置のレーザおよびパルス光の統合システムを示す図である。

Claims (28)

  1. 出力ビームを発生させるレーザ源と、
    不均一なエネルギプロファイルを有する処置ビームを提供するように前記出力ビームを変換する光学システムであって、前記不均一なエネルギプロファイルは、単位区域当たりのエネルギがより高い領域と、単位区域当たりのエネルギがより低い領域であって、ほぼ均一な放射のバックグラウンドの領域とからなり、前記単位区域当たりのエネルギがより高い領域は、前記ほぼ均一な放射のバックグラウンドの領域内にあり、前記単位区域当たりのエネルギがより高い領域は、対象組織の選択された箇所に十分なエネルギを供給して、コラーゲンを収縮させる第１の温度まで前記選択された箇所を加熱し、前記単位区域当たりのエネルギがより低い領域は、コラーゲン生成を刺激するように、前記対象組織の前記選択された箇所の間に十分なエネルギを供給する光学システムとを備えた処置システム。
  2. 請求項１において、前記単位区域当たりのエネルギがより高い領域における前記処置ビームが、前記選択された箇所を70℃以上の温度にまで加熱する処置システム。
  3. 請求項１において、前記レーザ源がNd:YAGレーザを備えた処置システム。
  4. 請求項１において、前記出力ビームの波長が1.3〜1.6μｍである処置システム。
  5. 請求項４において、前記出力ビームの波長が1.40〜1.44μｍである処置システム。
  6. 請求項１において、前記処置ビームが、前記対象組織部位において7〜10ｍｍの直径を有する処置システム。
  7. 請求項６において、前記処置ビームの平均フルエンスが、前記対象組織部位において10J/cm2未満である処置システム。
  8. 請求項１において、前記出力ビームが0.1〜100ｍ秒のパルス幅を有する処置システム。
  9. 請求項８において、前記出力ビームが1〜5ｍ秒のパルス幅を有する処置システム。
  10. 請求項１において、前記光学システムがファイバ束を備えた処置システム。
  11. 請求項１０において、前記ファイバ束が1000〜2000の数のファイバを備えた処置システム。
  12. 請求項１０において、前記光学システムが、前記出力ビームを前記ファイバ束の近位端に結合させる集束レンズと、前記ファイバ束の遠位端と前記対象組織との間に位置する光学窓とを備え、この光学窓により、前記ファイバ束の各ファイバから出射されるビームが対象皮膚に到達する前に発散して、各ビームが前記束の隣り合うファイバからのビームと部分的に重なり合う、処置システム。
  13. 請求項１２において、前記光学窓が1〜5ｍｍの厚さである処置システム。
  14. 請求項１０において、前記処置ビームの平均フルエンスが10J/cm2未満である処置システム。
  15. 請求項１０において、前記光学システムが、前記出力パルスを前記レーザ源から、前記ファイバ束を収容するハンドピースに運ぶ伝送ファイバを備えた処置システム。
  16. 請求項１において、前記光学システムが、レーザ源と前記処置部位の間の光路に配置された回折レンズアレイを備え、このアレイ内の各レンズが、照射強度の低い区域に囲まれた照射強度の高い区域をそれぞれもたらす処置システム。
  17. 請求項１６において、前記回折レンズアレイがアレイ内に2000以下の数のレンズを備えた処置システム。
  18. 請求項１６において、前記レンズがそれぞれ直径150〜450μｍである処置システム。
  19. 請求項１６において、前記回折レンズアレイが直径7〜10ｍｍである処置システム。
  20. 請求項１９において、前記レーザ出力ビームの平均フルエンスが10J/cm2未満である処置システム。
  21. 請求項１６において、前記出力ビームのパルス幅が0.1〜100ｍ秒である処置システム。
  22. 請求項１６において、前記出力ビームのパルス幅が1〜5ｍ秒である処置システム。
  23. 請求項１において、さらに、
    前記光学システムを収容する先端ハウジングであって、この先端ハウジングの遠位端が、処置を受ける人の対象組織部位に接触できるようにされている先端ハウジングと、
    前記先端ハウジングに冷気を送る導管であって、前記先端ハウジングの遠位端に冷気を送るように曲げられた出口を有する導管とを備えた処置システム。
  24. 10 J/cm2未満の平均フルエンスを有する出力ビームを発生させるレーザ源と、
    このレーザ源と処置部位との間の光路に配置された回折レンズアレイであって、前記出力ビームがこのレンズアレイを通過する際に、不均一なエネルギプロファイルを有する処置ビームが生成される回折レンズアレイであって、前記不均一なエネルギプロファイルは、単位区域当たりのエネルギがより高い領域と、単位区域当たりのエネルギがより低い領域であって、ほぼ均一な放射のバックグラウンドの領域とからなり、前記単位区域当たりのエネルギがより高い領域は、前記ほぼ均一な放射のバックグラウンドの領域内にある、回折レンズアレイとを備えたレーザシステム。
  25. 請求項１において、さらに、前記レーザ源と一体化されたパルス光源を備えた処置システム。
  26. 請求項２５において、前記パルス光源がフラッシュランプを備えた処置システム。
  27. 請求項２６において、前記フラッシュランプがキセノンフラッシュランプを備えた処置システム。
  28. 10 J/cm2未満の平均フルエンスを有する出力ビームを発生させるレーザ源と、
    このレーザ源と処置部位との間の光路に配置された回折レンズアレイであって、前記出力ビームがこのレンズアレイを通過する際に、不均一なエネルギプロファイルを有する処置ビームが生成される回折レンズアレイであって、前記不均一なエネルギプロファイルは、単位区域当たりのエネルギがより高い領域と、単位区域当たりのエネルギがより低い領域であって、ほぼ均一な放射のバックグラウンドの領域とからなり、前記単位区域当たりのエネルギがより高い領域は、前記ほぼ均一な放射のバックグラウンドの領域内にある、回折レンズアレイと、
    前記レーザ源と一体化されたパルス光源とを備えた処置システム。
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