JP6232379B2 - レーザーベースコンピュータ制御歯科予防システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年９月２日に出願された米国特許仮出願第６１／５３０，７６１号に対する優先権と、その利益とを主張し、この米国特許仮出願の全内容は、本明細書により参照によって全体として援用される。

技術分野
本発明は、概して、パルス状レーザ歯科治療デバイスでの、歯の硬組織および軟組織の予防および治療のための電磁放射の視認、蛍光法、および走査に関する。

齲蝕（一般に「虫歯」として知られる）は、完全に根絶することが非常に困難である慢性的感染症である。虫歯は、主にエナメル質（硬組織）において始まる歯の構造の脱灰によって生じる。歯のエナメル質は、薄層であって、典型的に、厚さ１〜２ｍｍであって、エナメル質の９６重量％および約８５体積％を成す炭酸ヒドロキシアパタイトの結晶状構造から構成される。エナメル質の残余（１５体積％）は、水、タンパク質、および脂質から構成される。虫歯は、糖分を代謝する細菌によって生成される歯の酸の結果であり、次いで、ヒドロキシアパタイトを脱灰させる。細菌は、２４時間後、プラークと称されるバイオフィルムを生成し、このバイオフィルムは、軟質かつ柔軟性があるが、約１０日後には、プラークは、著しく硬化し、歯の歯石またはターター（ｔａｒｔａｒ）を形成する。

虫歯の大部分は、咬合表面（上部表面）および歯の間の非暴露領域におい生じる。舌側（後部表面）および頬側（前部表面）は、咬合表面と比較して比較的に平滑であり、ゆえに、代謝される糖分があまり捕捉されず、咬合表面および歯の間の非暴露よりも比較的に歯の酸および虫歯をもたらさない。虫歯は、咬合表面上のくぼみおよび裂溝、歯肉下の領域、ならびに歯間の接触表面等の容易に歯磨きや洗浄がされ得ない領域において最も起こり得る。

それにもかかわらず、デジタルＸ線、３−ＤＸ線、および蛍光法等の種々の新しい検出技法、フッ化物治療およびシーラントを含む予防技法、ならびにより高速の歯科用ドリル、より小型かつ強力なバー、種々の波長のレーザ技術、および超音波洗浄装置を含む新しいまたは改良された治療技法に起因して、過去６０年にわたって、顕著な齲蝕の低下が起こっている。

検出：アナログＸ線は、デジタルＸ線や、円錐ビーム３−ＤＸ線に進歩してきており、これらは、アナログＸ線より高い分解能を有し、デジタル的に記憶される一方、ますます少ない放射を徐々に使用してきている。最近では、光学蛍光もまた、虫歯につながる細菌を識別するために使用されてきている。蛍光を発する細菌を除去することによって、齲蝕組織を除去する。

予防：種々のフッ化物治療、新しい歯磨き粉、および洗口液が、エナメル質を再石化するために導入されており、具体的には、ヒドロキシアパタイトより歯の酸に高い耐性を有するフルオロアパタイトによる。加えて、「シーラント」と称される、流動性複合材（一般にエポキシと呼ばれる）が、咬合表面に添加され、細菌がくぼみおよび裂溝内に入り込むのを防止する。

治療：歯科用ドリルは、モータ駆動ロープ機構から、圧縮空気駆動デバイスや、電気モータ駆動デバイスに進歩していきている。食品医薬品局（ＦＤＡ）は、種々の歯の適応症に関して７つの異なる波長における５つの異なるレーザタイプを認可している。単一波長歯科用レーザデバイス、複数の波長のデバイス、ならびにｑ−スイッチ、連続、およびパルス状レーザ製品が存在する。種々の歯科用レーザハンドピースおよび送達機構が存在するが、これらのレーザ製品は全て、最大限または最小限、水に結合するように製造される。ピーク吸水率が、エナメル質を切断するために求められる。なぜなら、前述のように、水は、わずか４重量％またはそれよりも少ない成分であるので、ピーク吸水率が、水を蒸発させてゆっくりではあるがエナメル質を破砕するために必要とされるためである。最小吸水率は、血液が焼灼されて出血が最小限になるように、軟組織、歯肉、および頬部を切断するために求められる。

最近、主にヒドロキシアパタイトに結合し、かつ部分的に水に結合する中赤外線波長レーザを用いる新しいレーザベースの歯科治療システムが、開発された。約９６重量％の硬組織を構成するヒドロキシアパタイトに結合する利点は、より優れた分解能でのより高速の切断であるが、部分的に水に結合することは、より高速の軟組織切断を可能にする一方、出血を回避するよう焼灼を可能にする。

前述の歯科用技術の進歩と平行して、光学スキャナ、または回転式鏡が、３０年以上の間、材料処理用途において使用されている。光学エネルギーを再配置するために、走査鏡を使用する利点は、最小量の慣性を克服しながら、高精度の位置付けが達成可能なことである。低慣性は、位置付けシステムが高位置精度を維持しながら即座に加速および減速することを可能にする。過去３０年にわたって、種々の回転式鏡のジオメトリクスが、精度を損なうことなく、より少量かつより高速の動きをもたらすために進化してきた。

これらの進歩にもかかわらず、レーザベースの歯科治療システムは、いくつかの課題に直面する。最も一般的な問題のうちの１つは、治療される領域の形状に関する。歯における穴が、正方形、円形、または卵形等の規則的形状を有することは稀である。既に公知の方法を使用して、罹患領域を十分に治療するために、オペレータは、典型的に、罹患領域を包含する規則的形状の領域を治療する。しかしながら、これは、包含領域内にあるけれど罹患していない組織への損傷を生じさせ得る。

規則的形状の領域を治療することにおいてさえ、さらに別の問題が存在する。オペレータは、レーザビームを治療領域に指向するために使用されるハンドピースを極めて安定して保持することが可能でなければならず、次いで、選択された領域内でそれを慎重に動かすことが可能でなければならない。治療のために使用されるレーザビームは、概して、非常に強力であり、オペレータの手のわずかな動きまたは患者によるわずかな動きも、治療をまったく必要としない組織にレーザビームを指向させ得、そこに損傷を及ぼし得る。さらに、選択された領域内でも、レーザエネルギーは、均一に印加されなければならない（すなわち、オペレータは、実質的に、同量のエネルギーを選択された治療領域内の各点に指向しなければならない）。全体の治療領域は、典型的に、約数平方センチメートルまたはより小さいため、レーザビームを所望の治療領域に手動で指向することは、困難かつ誤差を生じやすい。ゆえに、レーザベースの歯科治療の改善されたシステムおよび方法の必要性が存在する。

本発明は、例えば、以下を提供する：
（項目１）
歯の組織治療のための装置であって、前記装置は、
レーザビームを治療されている歯の組織に指向するための光学システムであって、それによって、前記レーザビームは、前記歯の組織に近接する場所におけるエネルギープロファイルを有する、光学システムと、
前記レーザビームを前記歯の組織の表面の指定された領域内にターゲティングするためのフィードバック制御式ビーム誘導システムと
を備える、装置。
（項目２）
前記光学システムは、レンズを備える、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記レンズの焦点距離は、約２インチ〜約１５フィートの範囲内である、項目２に記載の装置。
（項目４）
前記エネルギープロファイルは、選択可能であって、シルクハット状プロファイル、ガウスプロファイル、およびドーナッツ形状プロファイルから成る群から選択される、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記フィードバック制御式ビーム誘導システムは、
鏡と、
検流計であって、（ｉ）前記鏡の位置を調節するためのアクチュエータと、（ｉｉ）前記鏡の前記位置を決定するためのセンサとを備える、検流計と、
前記鏡の所望の位置に対して前記鏡の前記決定された位置に対応して、１ステップで、前記アクチュエータを制御するためのコントローラと、
を備える、項目１に記載の装置。
（項目６）
前記フィードバック制御式ビーム誘導システムは、互いに対して約９０度で配置される回転軸を有する２つの鏡を備える、項目５に記載の装置。
（項目７）
前記コントローラが前記アクチュエータを動かす速度は、約１０ステップ／秒〜約１００，０００ステップ／秒の範囲内である、項目５に記載の装置。
（項目８）
１ステップで前記アクチュエータを動かすことは、前記歯の組織の表面における前記レーザビームを約２マイクロメートル〜約１５ミリメートルの範囲内で変位させる、項目５に記載の装置。
（項目９）
前記鏡の前記所望の位置は、前記歯の組織の表面の前記指定された領域に従って決定される、項目５に記載の装置。
（項目１０）
前記鏡の前記所望の位置は、前記歯の組織の表面上の前記レーザビームのトレーシングパターンに従って決定され、前記トレーシングパターンは、渦巻トレース、ラスタートレース、およびランダムトレースから成る群から選択される、項目９に記載の装置。
（項目１１）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域は、三角形、正方形、長方形、卵形、円形、および多角形のうちの１つである、項目１に記載の装置。
（項目１２）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域は、複数の区画を備える周縁を有するユーザ規定形状の閉鎖領域である、項目１に記載の装置。
（項目１３）
１区画の長さは、約２μｍ〜約１５ｍｍの範囲内である、項目１２に記載の装置。
（項目１４）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域は、約４μｍ ^２ 〜約２．２５ｃｍ ^２ の範囲内である、項目１に記載の装置。
（項目１５）
治療されている前記歯の組織に隣接して配置可能である先端を有する手持式ユニットと、
前記光学システムおよび前記ビーム誘導システムを含む筐体であって、前記手持式ユニットは、前記筐体に取着可能であって、それによって、前記レーザビームは、前記手持式ユニットが前記筐体に取着される場合にのみ起動される、筐体と
をさらに備える、項目１に記載の装置。
（項目１６）
前記手持式ユニット内に配置される旋回式光学装置をさらに備える、項目１５に記載の装置。
（項目１７）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域の少なくとも一部を照明するための照明システムであって、前記照明システムは、
光源および照明光を指向するための光学システム
を備える、照明システム
をさらに備える、項目１５に記載の装置。
（項目１８）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域の少なくとも一部を照明するための照明システムであって、前記照明システムは、
光源および照明光を指向、平行化、および集束するための光学システム
を備える、照明システム
をさらに備える、項目１５に記載の装置。
（項目１９）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域の少なくとも一部を照明するための照明システムであって、
光源および前記光源によって放出される光を反射するためのコレクタと、
前記照明光を指向するための光学システムと
を備える、照明システム
をさらに備える、項目１５に記載の装置。
（項目２０）
前記手持式ユニットの中に含まれる洗浄システムをさらに備える、項目１５に記載の装置。
（項目２１）
前記レーザビームは、ＣＯ _２ レーザビームである、項目１に記載の装置。
（項目２２）
ＣＯ _２ レーザビームは、約０．０３μｍ〜約０．２ｃｍの範囲内のスポットサイズを有する、項目２１に記載の装置。
（項目２３）
マーキングレーザビームをさらに備える、項目１に記載の装置。
（項目２４）
前記マーキングレーザビームは、約５００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内のガスまたはダイオードのレーザから得られる、項目２５に記載の装置。
（項目２５）
撮像システムおよび伝送レンズを備える視覚システムをさらに備える、項目１に記載の装置。
（項目２６）
光学フィルタをさらに備える、項目２５に記載の装置。
（項目２７）
可変集束レンズシステムをさらに備える、項目２５に記載の装置。
（項目２８）
光学フィルタおよび可変集束レンズシステムをさらに備える、項目２５に記載の装置。
（項目２９）
人の口の内側に位置付けられるように構成される被覆をさらに備える、項目１に記載の装置。
（項目３０）
いかなる異物も前記装置に進入しないよう阻止するために、空気カーテンを形成するための空気経路をさらに備える、項目１に記載の装置。
（項目３１）
歯の組織治療のための方法であって、
レーザビームを治療されている歯の組織に向かって指向するステップであって、それによって、前記レーザビームは、前記歯の組織に近接する場所におけるエネルギープロファイルを有する、ステップと、
フィードバック制御式ビーム誘導システムを介して、前記歯の組織の表面の指定された領域内に前記レーザビームをターゲティングするステップと
を含む、方法。
（項目３２）
前記指向するステップは、約２インチ〜約１５フィートの範囲内の焦点距離を有するレンズを使用して行なわれる、項目３１に記載の方法。
（項目３３）
前記エネルギープロファイルは、選択可能であって、シルクハット状プロファイル、ガウスプロファイル、およびドーナッツ形状プロファイルから成る群から選択される、項目３１に記載の方法。
（項目３４）
前記ターゲティングするステップは、
鏡を使用して、前記レーザビームを反射するステップと、
前記鏡の位置を決定するステップと、
前記鏡の前記決定された位置を前記鏡の所望の位置と比較するステップと、
前記鏡の前記決定された位置と所望の位置との比較に従って、前記鏡の前記位置を制御するステップと
を含む、項目３１に記載の方法。
（項目３５）
前記反射、決定、比較、および調節するステップの各々は、約１０ステップ／秒〜約１００，０００ステップ／秒の範囲内の速度で繰り返される、項目３４に記載の方法。
（項目３６）
前記反射するステップは、互いに対して約９０度で配置される回転軸を有する２つの鏡を使用して、前記レーザビームを反射するステップを含む、項目３４に記載の方法。
（項目３７）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域に従って、前記鏡の前記所望の位置を決定するステップをさらに含む、項目３４に記載の方法。
（項目３８）
前記鏡の前記所望の位置は、前記歯の組織の表面上の前記レーザビームのトレーシングパターンに従って決定され、前記トレーシングパターンは、渦巻トレース、ラスタートレース、およびランダムトレースから成る群から選択される、項目３７に記載の方法。
（項目３９）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域の形状を指定するステップをさらに含む、項目３４に記載の方法。
（項目４０）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域のサイズを指定するステップをさらに含む、項目３４に記載の方法。
（項目４１）
複数の区画を備える周縁を有するユーザ規定形状の閉鎖領域を指定することによって、前記歯の組織の表面の前記指定された領域を指定するステップをさらに含む、項目３４に記載の方法。
（項目４２）
旋回式光学装置を使用して、前記レーザビームの方向を修正するステップをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目４３）
前記歯の組織の表面の前記指定された領域の少なくとも一部を照明するステップをさらに含む、項目３１に記載の方法。
（項目４４）
前記レーザビームは、ＣＯ _２ レーザビームであって、前記方法は、前記歯の組織を削磨するステップを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４５）
前記削磨される組織は、軟組織および硬組織のうちの少なくとも１つを含む、項目４４に記載の方法。
（項目４６）
前記削磨するステップの前に、約５００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内の赤色または緑色のレーザビームを使用して、前記歯の組織の表面の前記指定された領域をマーキングするステップをさらに含む、項目４４に記載の方法。
（項目４７）
前記指向するステップは、集束されるレーザビームの焦点が、実質的に、前記歯の組織の表面に位置するように、前記レーザビームを集束させるステップを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４８）
前記指向するステップは、集束されるレーザビームの焦点が、前記歯の組織の表面に近接するように、前記レーザビームを集束させるステップを含む、項目３１に記載の方法。
（項目４９）
前記焦点は、前記歯の組織の表面の上方にある、項目４８に記載の方法。
（項目５０）
前記焦点は、前記歯の組織の表面の下方にある、項目４８に記載の方法。
本発明の種々の実施形態は、高精度で種々の歯の感染症の治療を促進し、非罹患領域の不必要な治療を緩和または回避することによって、有意にほとんど疼痛を生じさせない。これは、部分的には、コンピュータ制御式光学システムを用いることによりレーザビームを選択された治療領域に指向することによって、達成される。治療領域は、規則的形状として、また、実際に罹患している領域に近似する多角形として選択可能である。光学システムのコンピュータ式制御は、レーザビームが、選択された治療領域内に留まることを可能にする一方で、選択された領域がカバーされる（すなわち、レーザエネルギーが、選択された治療領域内に実質的に均一な態様で指向される）ことを、同時に確実にする。治療表面またはその近傍におけるレーザビームのエネルギープロファイルもまた、部分的に、レーザビームの焦点を調節することによって、制御可能である。好適なエネルギープロファイルの選択はさらに、罹患領域を均一に治療するのを支援可能である。

したがって、一つの局面において、本発明の実施形態は、歯の組織治療のための装置を特徴とし、この装置は、レーザビームを治療されている歯の組織に指向するための光学システムを含む。光学システムは、歯の組織に近接する場所におけるレーザビームのエネルギープロファイルを調節する。この装置はまた、レーザビームを歯の組織の表面の指定された領域内にターゲティングするためのフィードバック制御式ビーム誘導システムを含む。

いくつかの実施形態では、光学システムは、レンズを含む。レンズの焦点距離は、約２インチ〜約１５フィートの範囲内であり得る。エネルギープロファイルは、例えば、焦点距離を調節するように光学システムを調節することによって、選択可能であってもよい。エネルギープロファイルは、シルクハット状プロファイル、ガウスプロファイル、およびドーナッツ形状プロファイルから選択されてもよい。

いくつかの実施形態では、フィードバック制御式ビーム誘導システムは、鏡と、（ｉ）鏡の位置を調節するためのアクチュエータと（ｉｉ）鏡の位置を決定するためのセンサとを含む検流計とを含む。ビーム誘導システムはまた、鏡の所望の位置に対して鏡の決定された位置に対応して、１ステップで、アクチュエータを制御するためのコントローラを含む。フィードバック制御式ビーム誘導システムは、互いに対して約９０度で配置される回転軸を有する２つの鏡を含んでもよい。コントローラがアクチュエータを動かす速度は、約１０ステップ／秒〜約１００，０００ステップ／秒の範囲内であってもよい。アクチュエータを１ステップで動かすことは、歯の組織の表面におけるレーザビームを約２マイクロメートル〜約１５ミリメートルの範囲内で変位させ得る。

いくつかの実施形態では、鏡の所望の位置は、歯の組織の表面の指定された領域に従って決定される。鏡の所望の位置は、歯の組織の表面上のレーザビームのトレーシングパターンに従って決定されてもよい。トレーシングパターンは、渦巻トレース、ラスタートレース、およびランダムトレースであることができる。歯の組織の表面の指定された領域は、三角形、正方形、長方形、卵形、円形、および多角形のうちの１つである。いくつかの実施形態では、歯の組織の表面の指定された領域は、いくつかの区画を有する周縁を有するユーザ規定形状の閉鎖領域である。１区画の長さは、約２μｍ〜約１５ｍｍの範囲内であることができる。歯の組織の表面の指定された領域は、約４μｍ^２〜約２．２５ｃｍ^２の範囲内であってもよい。そのように、指定された領域は、罹患領域に近似し得る。

いくつかの実施形態では、この装置はまた、治療されている歯の組織に隣接して配置され得る先端を有する手持式ユニットを含む。加えて、装置は、光学システムおよびビーム誘導システムを含む筐体を含む。手持式ユニットは、筐体に取着されることができ、それによって、レーザビームは、手持式ユニットが筐体に取着される場合にのみ起動される。この装置はまた、手持式ユニット内に配置される旋回式光学装置を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、この装置は、歯の組織の表面の指定された領域の少なくとも一部を照明するための照明システムを含む。照明システムは、光源と、照明光を指向して必要に応じ平行化するための光学システムとを含む。光学システムは、光を指向し、必要に応じて平行化することに加え、光を集束するために適合されてもよい。いくつかの実施形態では、照明システムは、光源と、光源によって放出される光を反射するためのコレクタと、照明光を指向させ、必要に応じて平行化するための光学システムとを含む。

いくつかの実施形態では、この装置は、手持式ユニット内に含まれる洗浄システムを含む。洗浄システムは、水および／または空気供給源を含んでもよい。治療のために使用されるレーザビームは、ＣＯ_２レーザビームであってもよい。ＣＯ_２レーザビームは、約０．０３μｍ〜約０．２ｃｍの範囲内のスポットサイズを有してもよい。この装置はまた、マーキングレーザビームを含んでもよく、このマーキングレーザビームは、赤色または緑色Ｈｅ−Ｎｅレーザビーム等の約５００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内のガスまたはレーザダイオードから得られることができる。

いくつかの実施形態では、この装置は、視覚システムを含む。視覚システムは、撮像システムおよび伝送レンズを含む。撮像システムはまた、光学フィルタおよび／または可変集束レンズシステムを含んでもよい。この装置はまた、人の口の内側に位置付けられるように構成される被覆を含んでもよい。いくつかの実施形態では、この装置は、いかなる異物も装置に進入しないよう効果的に防止するために、空気カーテンを形成するための空気経路を含む。

別の局面では、本発明の実施形態は、歯の組織治療のための方法を特徴とする。この方法は、レーザビームが、歯の組織に近接する場所における特定のエネルギープロファイルを有するように、レーザビームを治療されている歯の組織に向けて指向するステップを含む。この方法はまた、フィードバック制御式ビーム誘導システムを介して、レーザビームを歯の組織の表面の指定された領域内にターゲティングするステップを含む。指向するステップは、約２インチ〜約１５フィートの範囲内の焦点距離を有するレンズを使用して行なわれてもよい。エネルギープロファイルは、選択可能であってもよく、シルクハット状プロファイル、ガウスプロファイル、およびドーナッツ形状プロファイルのうちの１つであることができる。

いくつかの実施形態では、ターゲティングするステップは、鏡を使用して、レーザビームを反射させるステップと、鏡の位置を決定するステップとを含む。この方法はまた、鏡の決定された位置を鏡の所望の位置と比較するステップと、鏡の決定された位置と所望の位置との比較に従って鏡の位置を制御するステップとを含む。反射、決定、比較、および調節するステップの各々は、約１０ステップ／秒〜約１００，０００ステップ／秒の範囲内の速度で繰り返されてもよい。反射するステップは、互いに対して約９０度で配置される回転軸を有する２つの鏡を使用して、レーザビームを反射するステップを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、この方法はまた、歯の組織の表面の指定された領域に従って、鏡の所望の位置を決定するステップを含む。鏡の所望の位置は、歯の組織の表面上のレーザビームのトレーシングパターンに従って決定されてもよい。トレーシングパターンは、渦巻トレース、ラスタートレース、およびランダムトレースのうちの１つであることができる。この治療方法はまた、歯の組織の表面の指定された領域の形状、サイズ、または両方を指定するステップを含んでもよい。歯の組織の表面の領域は、いくつかの区画を有する周縁を有するユーザ規定形状の閉鎖領域を指定することによって特定されてもよい。レーザの方向は、旋回式光学装置を使用して修正されたビームであってもよい。

いくつかの実施形態では、この治療方法は、歯の組織の表面の指定された領域の少なくとも一部を照射するステップを含む。レーザビームは、ＣＯ_２レーザビームであることができ、この治療方法は、歯の組織を削磨するステップを含んでもよい。削磨される組織は、軟組織、硬組織、または両方であることができる。いくつかの実施形態では、削磨するステップの前に、歯の組織の表面の指定された領域は、赤色または緑色Ｈｅ−Ｎｅレーザビーム等の約５００ｎｍ〜約７００ｎｍの範囲内のガスまたはレーザダイオードを使用して、マークされる。

いくつかの実施形態では、指向するステップは、集束されるレーザビームの焦点が実質的に歯の組織の表面に位置するように、レーザビームを集束させるステップを含む。集束されるレーザビームの焦点はまた、歯の組織の表面に近接してもよい。例えば、焦点は、歯の組織の表面の上方、または歯の組織の表面の下方であることができる。

これらおよび他の目的は、本明細書に開示される本発明の実施形態の利点および特徴とともに、以下の説明、添付の図面、および特許請求の範囲の参照を通してより明白になる。さらに、本明細書に説明される種々の実施形態の特徴は、相互に排他的ではなく、種々の組み合わせおよび並び替えで存在可能であることが、理解されるべきである。本明細書で使用される場合、用語「実質的に」とは、±１０％を意味し、いくつかの実施形態では、±５％を意味する。

図面中、同様の参照文字は、概して、異なる図の全体を通して同一の部分を指す。また、図面は必ずしも正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証する際に強調が置かれている。以下の説明では、本発明の種々の実施形態は、以下の図面を参照して説明される。

図１は、本発明の一実施形態による歯の視認、診断、およびレーザを用いた治療のための典型的な歯科用ハンドピースの断面を示す。 図２は、本発明の一実施形態による図１に描写されるハンドピースの先端およびレーザビームの集束を示す。 図３は、集束されるビーム直径にわたるいくつかの例示的なビーム直径対エネルギー分布のプロファイルを示す。 図４は、本発明の一実施形態による検流計および鏡を含む、閉ループ位置制御システムを示す。 図５は、本発明の一実施形態による遠隔照明システムを示す。 図６は、いくつかの例示的なレーザ治療領域およびトレーシングパターンを示す。 図７は、レーザシステムの種々のパラメータおよびパラメータの範囲を示す。

電磁エネルギー出力デバイスが、硬組織、軟組織、および骨性の骨での手技を実施するために開示される。デバイスからの電磁エネルギーレベルおよび定格出力は、軟組織、硬組織または骨組織を切断あるいは削磨する様々な歯科手技のため、また除染、歯周ポケットの洗浄、疼痛軽減、および生物刺激手技のために調整可能である。本発明との使用に好適な高出力治療レーザに関しては、ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４３９６８およびＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０２３４８３を参照されたい（この開示は、参照によってその全体が本明細書に援用される）。

図１に描写されるように、ＣＯ_２レーザビーム等の高出力治療レーザビームは、光学軸２で歯科用ハンドピース１に入る。レーザビームは、集束レンズ３および２つのコンピュータ制御式可動光学要素４、５を通して指向される。集束レンズ３は、光学要素４、５の前方または後方に位置してもよい。撮像システムが、歯科用ハンドピース１内に組み込まれてもよく、撮像システムは、ＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラチップ等の撮像デバイス６、レンズシステム７、フィルタ８および／または静電レンズ９等の集束要素を含んでもよい。レンズシステム７は、転写レンズおよび／または可変集束レンズを含み得る。可変集束レンズは、以下に説明されるように、レーザビームの好適なエネルギープロファイルを選択するために使用可能である。撮像システムは、治療領域から受け取られて概して光学軸２から外れて進行する光線を可動光学要素４または５にそれぞれ連結された鏡１０または鏡１１に反射させることによって、高出力治療レーザビームの光学軸２と共線的に位置してもよい。

撮像システムの場所にかかわらず、その構成要素は、治療されている歯の組織の領域の画像に対応する光が実質的に光学軸２に沿って伝搬するように、構成される。その結果、レーザビームのオペレータは、治療デバイスを別個の撮像デバイスと交換する必要なく、または２つのデバイスを患者の口において同時に（一方は治療のため、もう一方は撮像のため）位置付ける必要なく、治療の間、受け取った画像を視認可能である。さらに、オペレータは、治療レーザビームと実質的に同一の眺望を有する。これは、オペレータが、そのような治療の間に治療されている歯の組織の領域に精密に与えられたレーザビームの効果を、正確にモニターすることを可能にする。この配置はまた、患者が、歯の組織への治療レーザビームのための一方のアクセス経路と、もう一方の視認経路とを異なる角度でオペレータにもたらすほど広くその顎を開放する必要がないため、患者に快適性を提供可能である。

いくつかの実施形態では、光学蛍光システムが、歯科用ハンドピース１内に統合される。蛍光システムは、概して、撮像デバイス６と同様に位置する蛍光光源（例えば、紫外線（ＵＶ）光源）を含む。蛍光システムは、蛍光源からの実質的に単色な光線が、光学軸２に沿って検査される歯の領域に進行するように、レンズシステム、フィルタ、および集束要素のうちの一つまたはそれよりも多くを使用してもよい。その歯の部位内のある領域が、（例えば細菌の存在に起因して）罹患している場合、その領域から反射される光は、典型的に、実質的に単色な光のものと異なるピーク波長を有する。それらの反射光線は、光学軸２に沿って逆行し、撮像システムを使用して視認され得る。オペレータは、受け取った画像を分析し、治療を必要とするあらゆる罹患領域を検出可能である。

図１はまた、ハンドピース１の人間工学的設計を向上させるために、光学軸２を方向転換または再配向させる光学要素１２を描写する。光学要素１２は任意であるが、図１に示されるように光学軸２が約９０度方向転換されることがない実施形態は、本発明の範囲内である。被覆またはカバー１３が、ハンドピースを位置付け、照明光（以下に説明される）を遮断し、かつ／または治療レーザビームが、治療される領域の実質的に外にある歯の組織に到達することを防止するために、ハンドピース１に追加されてもよい。被覆１３はまた、患者の口において位置付けられる場合、歯科用ハンドピース１を支持してもよい。

いくつかの実施形態では、照明ダイオードまたはダイオードレーザ１４が、（例えば、治療されている歯の組織の領域を視認する際に明るい光によって）撮像システムを支援するために、ハンドピース１に追加される。種々の光収集および集束要素１５（例えば、フレネルレンズ）が、光を収集し、この光をハンドピース被覆１３の端部開口部を通して歯の組織上に誘導するために、使用されてもよい。いくつかの実施形態では、マーキングレーザ１６（以下に詳細に説明される）が、不可視の治療レーザビームが指向される場所に可視光を提供するために、提供される。マーキングレーザビームはまた、高出力治療レーザ軸２に沿って進行する。

いくつかの実施形態では、撮像システム、照明システム、コンピュータ制御式光学要素４、５、および集束レンズ３は、筐体内に位置し、ハンドピース１は、筐体に取着され得る。ハンドピース１が筐体から取り外される場合、レーザビーム５０は、オフになり、それによって、レーザビームへの偶発的暴露を防止する。

図２を参照すると、空気および水の経路１７、１８が、ハンドピース１内に含まれる。空気および水の経路１７、１８は両方とも、任意である。これらの経路を使用して、空気、水、またはそれらの混合物が、治療の前、治療中、および／または治療後に歯をスプレー、洗浄、または乾燥させるために使用可能である。空気および水の混合物は、概して、冷却を提供することによって硬い歯の組織の切断を支援する水の噴霧を生成可能である。空気は単独で、柔らかい歯の組織を切断するため、あるいは歯の組織を乾燥または吹き飛ばすために使用されてもよい。追加的空気経路１９が、ハンドピース先端／被覆１３の開口部近傍に気流を提供するため必要に応じて追加される。空気経路１９は、先端／被覆１３における開口部にわたって加圧空気のカーテンを生成し、治療において使用されるあらゆる水および／または切断から生じるあらゆる残骸がハンドピースに流入して鏡１２に付着しないよう遮断する。

歯科用レーザハンドピース１の端部部分では、高出力治療レーザビーム５０が、鏡１２に反射し、焦点２１に集束する。収束レーザビーム５０を使用して、実質的に平坦な鏡１２は、点２１またはその近傍にレーザビームを集束するために使用可能である。代替として、または加えて、マルチセグメント鏡または凹面鏡が、平行レーザビームまたは収束レーザビームを焦点２１に集束するために使用可能である。

レーザビームが集束する場所２１（すなわち、歯の組織５１に関するレーザビームの切断深度）は、範囲「Ｘ」２２にわたって調節可能である。図２は歯の組織の表面５１のわずかに上方にレーザビームの焦点２１を示すが、焦点２１は、表面５１またはその下方にも位置することが可能である。表面５１からある距離（すなわち、表面５１の上方または下方）でのレーザビームの焦点２１の調節は、治療表面５１におけるレーザビームのエネルギー密度プロファイルの変動を促進する。ゆえに、焦点２１の場所を調節することによって、好適なエネルギープロファイルのレーザが、歯の組織表面５１上の治療領域に指向可能である。

図３に描写されるように、種々のエネルギー分布プロファイルが、治療表面５１において発生可能である。いくつかの実施形態では、球状光学装置を使用して、ガウスエネルギー分布２４が、達成され、非球状光学装置を使用して、ドーナッツ形状２５分布またはシルクハット２６分布等の種々の他のエネルギー分布が、達成可能である。異なるエネルギー分布プロファイルを使用して、治療の精度が、改善可能である。例えば、ガウスプロファイル２４が比較的に小さい罹患領域を治療するために使用可能である一方、シルクハットプロファイル２６は、比較的に大きな罹患領域を治療するために使用可能である。さらに、シルクハットプロファイル２６を使用して、レーザエネルギーは、ピークを有するエネルギープロファイル（ガウスプロファイル２４等）が使用される場合に著しい量のエネルギーを治療領域の中心にのみ印加することとは対照的に、比較的大きな領域にわたってより均一に指向可能である。

図４を参照すると、高出力治療レーザビーム５０は、集束レンズ３を通過し、集束されたビームは、回転式鏡２７、２８によって指向される。回転式鏡２７、２８は、図１に示されるコンピュータ制御式運動光学要素４、５である。回転式鏡２７、２８は、治療レーザビーム５０の焦点２１が、治療領域２９の全体を実質的にカバーするようＸ方向および／またはＹ方向に沿って動かされ得るように、ステップごとに動かされることが可能である。回転式鏡２７、２８は、モータ３０、３１を含む位置的閉ループフィードバックシステムによって制御可能である。モータ３０、３１は、典型的に、回転式鏡２７、２８の位置を調節するためのアクチュエータを含む検流計を含む。モータ３０と連関する位置的ループは、センサまたは位置インジケータ３４、電子位置制御デバイス３２、およびモータ駆動電子装置３３を含む。構成要素３２〜３４のうちの一つまたはそれよりも多くを利用し得る第２の位置的制御ループ（図示せず）は、モータ３１と関連付けられる。

図４は、正方形形状を有するような歯の組織治療領域２９を示すが、これは、例証的目的のみのためである。三角形、多角形、円形、卵形等の他の形状も、本発明の範囲内であることが、理解されるべきである。以下の図６を参照して詳細に説明されるように、いくつかの実施形態では、治療領域２９は、オペレータによって規定可能である。位置制御デバイス３２は、治療領域２９に関する情報を提供される。そのような情報は、治療領域２９のサイズおよび形状を含んでもよい。位置インジケータ３４は、特定の事例では、治療領域２９内のレーザビーム５０の焦点２１の相対的位置を決定する。位置インジケータ３４から得られた相対的位置に基づいて、位置制御デバイス３２は、次の動作ステップ中、モータ３０の動きを決定可能である。これらのステップは、レーザビーム５０が、実質的に治療領域２９に限られ、実質的に均一な態様で領域２９をカバー（すなわち、治療）するように、モータ３０、３１の各々に対して決定される。ゆえに、位置閉ループフィードバックシステムは、オペレータが、不規則形状の罹患領域のみに近似する治療領域を選択および／または規定することと、治療領域に隣接する罹患していない歯の組織の他の部分に実質的に影響を及ぼさずに、選択および／または規定された領域全体を自動的に治療することとを可能にする。

図５を参照すると、ＬＥＤまたはレーザダイオード光要素１４からの光線は、コレクタ３６によって反射され、光学要素１５によって平行化または集束することが可能である。平行化／集束された光線は、図２および４を参照して上記で説明されたように、歯科用ハンドピース旋回式鏡１２から集束位置２１（すなわち、高出力治療レーザビーム５０の焦点）に反射される。ＬＥＤ／レーザダイオード要素１４は、例えば、プリント回路基板３７上において、ハンドピース１内に搭載可能である。集束要素１５は、例えば、レンズレット３９、またはフレネルレンズ４０を有する光学装置３８を使用して形成可能である。代替的または追加的に、要素１４からの光は、ハンドピース１の先端／被覆１３における開口部を通して治療領域に誘導されるように、ハンドピース１の研磨された内部に反射可能である。

図６に描写されるように、図４を参照して上記で説明されたような２つの回転式鏡２７、２８を使用して動かされるレーザビーム５０によって治療される治療領域２９は、多角形４２（すなわち、三角形、正方形、長方形、六角形等）、円形もしくは卵形、または任意のオペレータ規定形状４３であり得る。ユーザ／オペレータは、約１２μｍ〜約１．５ｃｍの範囲内の短区画の長さの周縁を有する閉鎖領域として、形状４３を規定してもよい。４ｍｍ×４ｍｍの正方形等の固定されたサイズおよび／または形状の歯の組織領域を治療するのとは対照的に、短区画の多角形として形状４３を規定することは、オペレータが、事実上、治療のための歯の組織の罹患領域のみを精密に選択することを可能にする。図４を参照して上記で説明されるように、隣接する非罹患組織をレーザビーム放射に不必要に暴露することなく、実質的に、選択された（すなわち、罹患している）領域のみが、レーザビームによって治療可能である。

治療中、鏡２７、２８および連関する位置制御ループ（図４に図示される）は、レーザビームのレーザパルスまたは連続出力電磁エネルギーがパターンに従って治療領域４２または４３の全体をトレースするように、構成される。図６に示されるように、トレーシングパターンは、渦巻パターン４１、ラスターパターン、またはランダムパターン４４であり得る。レーザビームが治療領域４２または４３の中のスポットに作用する場合、組織材料の上昇流が、放出され得る。次のステップ中、パターン４４によって示されるように、レーザビームをランダムに選択された場所に動かすことは、治療レーザビームと上昇流との間のいかなる相互作用も回避することができ、代わりに、レーザビームは、治療されるべき組織に指向される。

上記で説明されたように、治療レーザビームを使用する治療の開始の前に、治療レーザビームが実際に均一な態様で治療領域の全てに作用し、治療されない組織に作用しないことを確実にすることが、オペレータにとって有益であり得る。この目的のために、図１を参照して上記で説明されたマーキングレーザ１６は、使用可能である。マーキングレーザ１６（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ）は、治療レーザビームと実質的に同様に治療領域４２または４３をトレースし、これは、両レーザビームが軸２に沿って集束され、かつ両レーザビームが図４に図式的に示されるシステムを使用して指向されるためである。しかしながら、マーキングレーザ１６は、領域４２または４３における歯の組織を削磨するかまたはそれに悪影響を及ぼすような出力を欠いているので、治療領域４２または４３内あるいはそれに隣接する歯の組織を不意に損傷し得ない。

そのうえ、マーキングレーザ１６は、図１を参照して上記で説明された撮像システムを使用して、マーキングレーザビームが動かされる際に、オペレータが領域４２または４３のトレーシングを見ることができるように、赤色光等の可視光を放出する。いったんオペレータが、マーキングレーザ１６が選択されたトレーシングパターン（例えば、パターン４１、４４）に従って治療領域全体を実質的にカバーして実質的に治療領域４２または４３の外側の領域に影響を及ぼさないことを、確認すると、オペレータは、治療レーザビームを起動させ、上記で説明されたように、その領域を治療可能である。マーキングレーザ１６をコンピュータ制御式フィードバックシステムと組み合わせて使用することによってレーザビームの動きを制御すると、事実上任意のサイズおよび形状の罹患している歯の領域のみが、効果的かつ容易に治療可能である一方、周囲の非罹患領域への有意な損傷のリスクを緩和または消去する。

図７は、エネルギー密度、レーザビームのパルス幅、治療領域を規定するために使用される区画の長さ等の種々のシステムパラメータを特定する表を示す。パラメータの範囲、およびその公称値もまた、表に示される。

本発明は、特に、具体的な実施形態を参照して図示および説明されたが、形態および詳細における種々の変更が、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくそこで行なわれてもよいことが、当業者によって理解される。それゆえ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって指し示され、それゆえ、特許請求の範囲の均等物の意味および範囲の内にある全ての変更が、包含されるものと意図される。

特許請求の範囲は、後述のとおり。

Claims (34)

1. 歯の組織治療のための装置であって、前記装置は、
   レーザビームを治療されている歯の組織に指向するための光学システムであって、それによって、前記レーザビームは、前記歯の組織に近接する場所におけるエネルギープロファイルを有する、光学システムと、
   位置フィードバックを使用して前記レーザビームを前記歯の組織の表面の指定された領域内にターゲティングするためのフィードバック制御式ビーム誘導システムと
   を備え、前記フィードバック制御式ビーム誘導システムは、
   少なくとも１つの電子的制御式光学要素のための位置コントローラと、
   前記光学要素の位置および前記指定された領域内の前記レーザビームの焦点の位置を決定するように前記光学要素に連結された位置インジケータであって、前記位置インジケータは、前記レーザビームをターゲティングするために前記位置フィードバックを提供するように構成されている、位置インジケータと
   を備える、装置。
2. 前記光学システムは、レンズを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記レンズの焦点距離は、２インチ〜１５フィートの範囲内である、請求項２に記載の装置。
4. 前記エネルギープロファイルは、選択可能であり、シルクハット状プロファイル、ガウスプロファイル、およびドーナッツ形状プロファイルから成る群から選択される、請求項１に記載の装置。
5. 前記少なくとも１つの電子的制御式光学要素は、鏡を備え、
   前記位置コントローラは、前記鏡の位置を調節するためのアクチュエータを備える検流計を備え、
   前記位置インジケータは、前記鏡の前記位置を決定するためのセンサを備え、
   前記位置コントローラは、前記鏡の所望の位置に対する前記鏡の決定された位置に対応して、１ステップで、前記アクチュエータを制御するように適合されている、請求項１に記載の装置。
6. 前記フィードバック制御式ビーム誘導システムは、互いに対して９０度で配置される回転軸を有する２つの鏡を備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記位置コントローラが前記アクチュエータを動かす速度は、１０ステップ／秒〜１００，０００ステップ／秒の範囲内である、請求項５に記載の装置。
8. １ステップで前記アクチュエータを制御することは、前記歯の組織の表面における前記レーザビームを２マイクロメートル〜１５ミリメートルの範囲内で変位させる、請求項５に記載の装置。
9. 前記鏡の前記所望の位置は、前記歯の組織の表面の前記指定された領域に従って決定される、請求項５に記載の装置。
10. 前記鏡の前記所望の位置は、前記歯の組織の表面上の前記レーザビームのトレーシングパターンに従って決定され、前記トレーシングパターンは、渦巻トレース、ラスタートレース、およびランダムトレースから成る群から選択される、請求項９に記載の装置。
11. 前記歯の組織の表面の前記指定された領域は、三角形、正方形、長方形、卵形、円形、および多角形のうちの１つである、請求項１に記載の装置。
12. 前記歯の組織の表面の前記指定された領域は、複数の区画を備える周縁を有するユーザ規定形状の閉鎖領域である、請求項１に記載の装置。
13. １区画の長さは、２μｍ〜１５ｍｍの範囲内である、請求項１２に記載の装置。
14. 前記歯の組織の表面の前記指定された領域は、４μｍ^２〜２．２５ｃｍ^２の範囲内である、請求項１に記載の装置。
15. 治療されている前記歯の組織に隣接して配置可能である先端を有する手持式ユニットと、
    前記光学システムおよび前記ビーム誘導システムを含む筐体であって、前記手持式ユニットは、前記筐体に取着可能であり、それによって、前記レーザビームは、前記手持式ユニットが前記筐体に取着される場合にのみ起動される、筐体と
    をさらに備える、請求項１に記載の装置。
16. 前記手持式ユニット内に配置される旋回式光学装置をさらに備える、請求項１５に記載の装置。
17. 前記歯の組織の表面の前記指定された領域の少なくとも一部を照明するための照明システムをさらに備え、
    前記照明システムは、光源と、照明光を指向するための光学システムとを備える、請求項１５に記載の装置。
18. 前記歯の組織の表面の前記指定された領域の少なくとも一部を照明するための照明システムをさらに備え、
    前記照明システムは、光源と、照明光を指向、平行化、および集束するための光学システムとを備える、請求項１５に記載の装置。
19. 前記歯の組織の表面の前記指定された領域の少なくとも一部を照明するための照明システムをさらに備え、
    前記照明システムは、
    光源および前記光源によって放出される光を反射するためのコレクタと、
    照明光を指向するための光学システムと
    を備える、請求項１５に記載の装置。
20. 前記手持式ユニットの中に含まれる洗浄システムをさらに備える、請求項１５に記載の装置。
21. 前記レーザビームは、ＣＯ_２レーザビームである、請求項１に記載の装置。
22. 前記ＣＯ_２レーザビームは、０．０３μｍ〜０．２ｃｍの範囲内のスポットサイズを有する、請求項２１に記載の装置。
23. マーキングレーザビームをさらに備える、請求項１に記載の装置。
24. 前記マーキングレーザビームは、５００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内の波長を有するガスまたはダイオードのレーザから得られる、請求項２３に記載の装置。
25. 撮像システムと伝送レンズとを備える視覚システムをさらに備える、請求項１に記載の装置。
26. 光学フィルタをさらに備える、請求項２５に記載の装置。
27. 可変集束レンズシステムをさらに備える、請求項２５に記載の装置。
28. 光学フィルタおよび可変集束レンズシステムをさらに備える、請求項２５に記載の装置。
29. 人の口の内側に位置付けられるように構成される被覆をさらに備える、請求項１に記載の装置。
30. 異物を前記装置に進入しないよう阻止するために、空気カーテンを形成するための空気経路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
31. 前記レーザビームは、集束されるレーザビームの焦点が、実質的に、前記歯の組織の表面に位置するように集束させられるように構成されている、請求項１に記載の装置。
32. 前記レーザビームは、集束されるレーザビームの焦点が、前記歯の組織の表面に近接するように集束させられるように構成されている、請求項１に記載の装置。
33. 前記焦点は、前記歯の組織の表面の上方にある、請求項３２に記載の装置。
34. 前記焦点は、前記歯の組織の表面の下方にある、請求項３２に記載の装置。

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