JPH01140690A - レーザによる物質処理の方法及び装置 - Google Patents

レーザによる物質処理の方法及び装置

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、特許請求項１及びｌｌの前文にそれぞれ記載
されたような、レーザによって物質に作用または処理を
施す方法及び装置に関する。
（従来の技術） この種の聞知の方法（胆石のパルス状レーザ破砕に閏す
る光学的研究、応用物理Ｂ、シュブリンガー・パブリケ
ーションズ、１９８７、７３−７８頁）では、レーザの
出力信号がレーザ光学系と先導波管を介して尿石や胆石
に差し向けられ、これらを破砕している。レーザ光学系
内には、結石から再放出されたり、反射ざれたり、ある
いは散乱され、先導波管を介して戻される光の一部を検
出器に導く半反射鏡が配設されており、検出器の後段に
スペクトル分析器からなる評価回路が接続されている。
しかしこれでは、結石を取り巻く組織に対してまフたく
思影響を与えないようにして、光導波管を導くのが非常
に困難である。目視による制御または放射線医学的な方
法による制御でも、レーザのエネルギーが組織部分に当
たる可能性を排除できない。
（発明が解決しようとする課題） 本発明は、所望の領域や物質に対する作用または処理の
低エネルギーへの制限が自動的に達成され、例えば尿石
や胆石など人体内の結石を破砕する場合に、結石の埋ま
っている組織に対する損傷が確実に避けられるような冒
頭に述べた方法及び装置を提供するという課題に基づい
ている。
（課題を解決するための手段） 上記の課題は、特許請求項ｌまたは１ｌの特徴付は部分
に記載した特徴によって解決される。本発明の有利な実
施例とそれらの発ｒｆ！！態様は、それぞれの従属請求
項に記載されている。
本発明による方法及び装置の構成によれば、特に例えば
尿石や胆石など人体内の結石を破砕する方法及び装置を
用いる場合に不可欠な、処理すべき物質に対する正確に
制御可能な作用が達成される。レーザは、人体組織を保
護する、つまり結石に対して選択性を持つパルス放射が
得られるように制御し得る。加えられるエネルギーの調
膣は、電力密度を変えるか、パルスの持続時間を変更す
るか、あるいはこれら両方のパラメータを制御すること
によって行える。
別の実施例によれば、レーザパルスのトリガー後所定の
時間内に検出装置の出力信号が所定のしきい値を越えな
いとき、レーザパルスはその最大エネルギーへ達する前
に中断される。この実施例では、レーザパルスが硬い物
質に当たると、検出装置の出力信号がレーザパルスのト
リガー後すぐにかなり高い値をとる一方、レーザパルス
が人体の組織物質つまり柔らかい物質に当たると、前記
出力信号の上昇はかなり長い時間が経つまで生じないと
いう事実を考慮に入れて、本発明による検出が行われる
。従って、レーザパルスのトリガー後所定の時間内に出
力信号の上昇が生じないと、これはレーザパルスが比較
的柔らかい物質に当たフており、例えば光スイッチを閉
じることによって、その最大値へ達する前に終了すべき
ことを意味する。
本発明による方法及び装置は、例えば集積回路の製造に
おける半導体材料の狭い限定領域など、その他の物質に
作用を施すのにも適している。
更に別の用途は、例えば脈管形成外科（ａｎｇｉｏ−ｐ
ｌａｓｔｙ）である。
本発明による方法及び装置では、その一実施例によると
レーザ及びその後に続く光スイッチが、まず測定パルス
だけが放射され、これらのパルスエネルギーが絶縁破壊
（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｒｅａｋｄｏｖｎ）の生じ
ない低いレベルに保たれるように制御される。
そして、検出装置に入射する光の時間関数分布が評価さ
れる。この評価の結果が処理または作用を施すべき物質
の存在を示すと、レーザエネルギーが高められ、作用を
施すべき物質、例えば結石比だけ絶縁破壊が生じること
を保証する。
その後は、各作用パルスによって検出装置に入射する光
の時間関数分布の分析を行うことができ、この時間関数
の経過つまり分布は、作用を施すべき物質の代わりに周
囲の物質にレーザパルスが当たると明白に変化する。こ
の変化が検出されると、レーザエネルギーが低い値に減
少される。
あるいは、高エネルギーの各作用パルスの後に測定パル
スを発生させ、この測定パルスで尚処理すべき物質にレ
ーザパルスが当たっているかどうかを判定することもで
きる。何れのケースでも、作用を施すべき物質を取り囲
む物質に対する損ＩＩを確実に避けられる。
さらに好ましい実施例によれば、レーザパルスが作用を
施すべき物質にレーザパルスが差し向けられていないこ
とを、検出装置の出力信号の時間関数分布が示したとき
、レーザパルスをその最大エネルギーへ達する前に光ス
イッチで遮断し、作用を施すべきてない物質への損傷を
回遊可能である。
光学的評価に加え、絶縁破壊に伴う七番信号を検出して
評価し、例えば記録目的のために作用パルスの数を判定
することもできる。
以下、本発明を図面に示した実施例を参照して詳しく説
明する。
（実施例） 第１図に示した装置の実施例はレーザｌを備え、その出
力パルスが高いスイッチング速度を有する光スイッチ２
を介してレーザ光学系３に供給され、その出力光が光フ
ァイバまたは光導波管６を介して処理または作用を施す
べき物質Ｍに差し向けられる。図示の実施例において、
レーザ光学系３は例えば、半反射鏡４と、レーザ光パル
スを光導波管６に集束させる第１のレンズ５とからなる
。作用を施すべき物質Ｍから再放出、散乱または反射さ
れた光は、再び光導波管６、レンズ５及び半反射鏡４を
通過して別のレンズ７に入り、このレンズ７が光を検出
ｉ置８上に集束する。検出装置の出力信号は、第８及び
９図を参照して後で詳述する評価回路に供給され、評価
回路が論理回路１０を介し出力ライン１２を経て光スイ
ッチ２を制御する。別の出力ライン１１で示しであるよ
うに、論理回路１２はレーザ１自体も制御可能で、光ス
イッチ２を省くこともできる。
高エネルギーのレーザパルスが処理すべき物質Ｍに当た
ると、作用を施すべきその物質の直近で絶縁破壊が生し
、これによって物質に作用を及ぼす衝撃波がｌ＠せられ
る。
上記物質は、例えば尿石や胆石なと人体内の結石で、周
囲の組織内に埋め込まれている。この場合には、衝撃波
が結石の破砕を引き起こす。つまり、プラズマの高温に
よってプラズマバブルが発生し、その結果生じる圧力波
が対象領域における分裂、除去または破砕をもたらす。
しかし多くの場合、特に人体内の結石が対象の場合には
、光導波管６の先端から現れるレーザパルスが作用を施
すべき物質Ｍにだけ当り、周囲の組織には当たらずその
破壊を防ぐようにしなければならない。
検出装置８が評価回路９と協働して、作用を施すべき物
質が光導波管６の先端に配置されているかどうか、ある
いは光導波管の先端がレーザパルス、少なくとも最大出
力のレーザパルスにさらされてはならない物質に差し向
けられていないかとうか、に関する非常に迅速な判定を
可能とする。
このために、評価回路は検出装置に入射した光の時間を
関数とした変化を評価し、この評価は、第２〜６図に示
したグラフを参照して後で詳述する基本概念に基づいて
なされる。
各グラフの上側にはレーザパルス自体が示しである一方
、下側には検出装置の出力信号が示してあり、それぞれ
横軸が時間の変化、縦軸が各パルスの振幅を表している
。
第２〜４図は、以下測定パルスと称する低出力のレーザ
パルスが放射される場合を示している。
第２図は、光導波管６の先端が水に差し向けられている
場合を示す、この場合には、検出装置８からほとんとノ
イズレンジ内に入る出力信号だけが生じていることが明
かであろう。
第３図は、光導波管６の先端が人体の組織物質から１ｃ
Ｉ＋１の距離に配置されている場合を示す。この場合に
は、検出装置８の出力信号が、第２図の場合よりかなり
大きい振幅を得ていることが明かであろう。
最後に第４図は、先導波管６の先端が処理して破砕すべ
き人体内の結石の前方１　ｃｍの距離に配置されている
場合を示す。第２〜４図を比較すれば、測定パルスの放
射時結石に接近していると、検出装置８から生じる出力
信号がかなり大きい振幅になることが明白であろう。
こうした状態は、第５及び６図に見られるように、作用
パルスの放射に対しては一変している。
第５図はレーザパルスのエネルギーが高く、光導波管６
の先端て絶縁破壊が発生している場合を示す。この場合
には、レーザパルスが結石に当たると、第５図に示すよ
うにまず比較的緩やかな上昇部分Ａが生し、この後に検
出装置日の出力が高いパルス頂点Ｂが続く。一方、組織
物質で絶縁破壊が発生する場合には、第６図に示すよう
に１つの比較的高いパルス頂点Ｃが直ちに生じる。
第７ａ及び７ｂ図は上記の時間関数分布を理想的な形で
表しており、第７ａ図が第５図と、第７ｂ図が第６図と
それぞれ対応じている。つまり、結石で絶縁破壊が発生
しているときには、同しく第７ａ図に示すようにまず比
較的低い上昇部分Ａが検出装置の出力信号に生じ、この
後に高いパルス頂点Ｂが続いている。一方、ｍ織物質に
おける絶縁破壊の場合には、第７ｂ図に示すように１つ
のパルス頂点Ｃがだけが生じろ。
第１図の検出装置に入射する光の時間関数分布に間する
上記の知見に基づき、光導波管の先端が作用を施すべき
物質を取り囲む物質に差し向けられているか、あるいは
作用すべき物質自体に差し向けられているかの明確な検
出を可能とする低エネルギー評価回路を構成することが
できる。
このような評価回路の実施例が、第８及び９図に示しで
ある。
両方の実施例に共通な構成として、検出装置８の後段に
信号増幅器２０が接続され、その出力信号が第１のしき
い値検出器２１と第２のしきい値検出器２２の入力に供
給される。
また両方のしきい値検出器に共通な構成として、それぞ
れＪとＮで示した２つの出力を有する。しきい値検出器
２１．２２の出力Ｊには、しきい値検出器の各しきい値
が越えられたときにのみ出力信号が現れる。他のどの場
合にも、しきい値検出器の各出力Ｎに出力信号が現れる
。
さらに第８及び９図に示した両実施例では、第２のしき
い値検出器２２のしきい値の方が第１のしきい値検出器
２１のしきい値より高い。各実施例において、しきい値
検出器２１ＯＮ、　　Ｊ出力は表示手段２６．２７に接
続され、これらの表示手段は後述する方法で、サーチ動
作あるいは光導波管６の先端にある組織の判定の際に作
動される。
第２のしきい値検出器２２のＪで示し′た出力も表示装
置２日に接続されており、この表示装置２８が、作用を
施すべき物質、例えば結石に光導波管の先端が隣接して
いることを追加指示する。
第８図による実施例では、第２のしきい値検出器２２の
Ｊで示した出力が、もちろん電子スイッチともし得るス
イッチ２５も作動する。このスイッチ２５が信号増幅器
２０の出力信号番、検出装置８の出力信号の時間関数変
化を求める曲線形状判別器２３０入力に接続する。スイ
ッチ２５が閉じると、曲線形状判別器２３が出力ライン
２０ａを介し、レーザ１を駆動して作用パルスを放射さ
せるレーザ制俳回Ｎ２４に信号を発する。次いで、曲線
形状判別器２３は作用を施すべき物質を表す第７ａ図ま
たは第５図に示すような時間関数分布を検出すると、レ
ーザが絶縁破壊に充分な出力で作用パルスを放射するよ
うに、レーザ制御回路２４を介してレーザ１を続けて、
ｌ１ｌＪ御する。高出力の作用パルスの放射は、曲線形
状判別器２３が第６図または第７ｂ図の曲線形状を検出
するまで続けられる。検出されると、第２の出力ライン
２３ｂを介して出力が直ちに減少するようにレーザ制御
回路が駆動され、またできれば光スイッチ２を作動して
レーザの出力パルスの光導波管に至る通路を直ちに遮断
し、光導波管の先端に現れるレーザの出力パルスが短く
なるようにする。レーザパルスが短くて光スイッチが使
えないときには、次のレーザパルスの電力密度が減少さ
れる（測定パルス）。曲線形状判別器の第２出力２３ｂ
における出力信号は、スイッチ２５を開状態ヘリセット
するのにも使われる。その後は低出力のレーザパルスだ
けが放射され、作用を施すべき別の物質をサーチするの
に使われる。作用を施すべき別の物質が検出されると、
上記したようにスイッチ２５が閉じられ、上記の過程が
繰り返される。
第９図に示した実施例は、特に低出力の測定パルスと高
出力の作用パルスが交互に継続される方法に適するが、
作用パルスは、先行の測定パルスが光導波管６の先端に
作用を施すべき物質があることを検出したときだけトリ
ガーされる。
このため、第２のしきい値検出器２２のＪで示した出力
が第１のトリガー回路４０に接続され、これがレーザ制
御回路２４を駆動し、レーザから作用パルスを放射させ
る。
第２のしきい値検出器２２のＮて示した出力が付勢され
ると、第２のトリガー回路４１を介して弱い測定パルス
だけがトリガーされる。
もちろん、第１のトリガー回路４０の後段に、第８図に
示したような曲線形状判別器２３を接続し、曲線形状の
評価を行うこともできる。
前記の曲線形状判別器は、例えばフーリエ変換を実行す
るもので、高速のアナログ／デジタル変換器と、比較器
を含むシフトレジスタによって構成し得る。このような
曲線形状判別器の他の実施例は、当業者にとって周知で
あろう。
第５図と第６図の比較から明らかなように、レーザパル
スが比較的硬い物質に当たる第５図に示した場合には、
同図の上側に示したレーザパルスのトリガー後直ちに、
点Ａで出力信号の立ち上がりが現れている。これに対し
、比較的柔らかい物質にレーザパルスが当たる場合には
、第６図に示したように、検出装置の出力信号の立ち上
がりがはるかに遅れて生しる。第５及び６図に示した２
つのグラフを、比較し易いように第１０図にまとめて示
した。この第１０図のグラフから、結石を照射した場合
、検出装置の出力信号はわずか約１００〜１５０ナノ秒
後に立ち上がる一方、組織に照射されると、出力信号の
立ち上がりはレーザパルスのトリガー後約５００ナノ秒
まで生しないことが明かであろう。この時点で、レーザ
パルスはまだ最大出力に達していないので、第１及び１
１図に示したライン１１及び／又は高速光スイッチ２に
つながるライン１２を介して、光導波管６の先端に現れ
るレーザパルスを、それが最大エネルギーに達する前に
終わらせることができる。
本発明による第１０図に示した状態の検出は、第１１図
に示すように例えば計時手段を含む比較器９′として構
成された比較的簡単な評価回路で行うことができ、前記
のケースではレーザパルスのトリガー後約２００ナノ秒
後に検出装置の出力（８号をサンプリングし、検出装置
の出力信号が所定のしきい値に達しているかまたは越え
たがどうかを判定する。越えていなければ、比較器９′
が制御回路１０’に制御信号を発生し、制御回路１０′
がレー４ｆ１の接続分離及び／又は高速光ヌインチ２の
遮断を行い、光導波管に入るレーザパルスがその最大エ
ネルギーへ達する前に終了されるようにする。
従って、第１１図に示したＨ置の実施例では、レーザパ
ルスが作用を施すべきでない物質に誤って照射された場
合に、レーザパルスのきわめて有効で且つ信頼できる接
続分離が簡単な構成で得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の方法を実施する装置の実施例を示す、
第２〜６図は検出装置に入射する光の時間関数経過つま
り分布の各側を示すグラフ、第７図は第５及び６図の曲
線輪郭の理想的な形を示す、第８図は評価回路の第１実
施例を示す、第９図は評価回路の第２実施例を示す、第
１０図は本発明の別の基本概念を説明するためのグラフ
を示す、第１１図は第１０図の原理に基づいて評価を行
う装置の実施例を示す。 １・・・レーザ、２・・・光スイッチ、３・・・レーザ
光学系、４・・・半反射鏡、６・・・光導波管、８・・
・検出装置、９．９′・・・評価回路、２１．２２・・
・第１１２しきい値検出器、２３・・・曲線形状判別器
、２４・・・レーザ制御回路、２５・・・スイッチ手段
、４０．４１・・・第１．２トリガ一回路、Ｍ・・・物
質。 図面のＢ１（内容にｙ５：更なし） 第１図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）レーザ光がレーザ光学系を介して物質に差し向け
    られ、該物質によって再放出、散乱または反射された光
    が前記レーザ光学系を介して検出装置に導かれ、該検出
    装置の後段にレーザを制御する評価回路が接続されたレ
    ーザによる物質処理方法において、前記検出装置に入射
    する光の時間関数分布が評価され、レーザ及び／又はレ
    ーザの出力ビーム経路内に配置された光スイッチを制御
    するのに使われることを特徴とするレーザによる物質処
    理方法。 （２）前記レーザ光学系と処理すべき物質との間で所望
    の相対位置が達成されるまで、前記レーザが低出力で作
    動されることを特徴とする請求項１記載のレーザによる
    物質処理方法。 （３）前記所望の相対位置を見いだすために、前記検出
    装置の出力信号の時間関数分布が評価されることを特徴
    とする請求項２記載のレーザによる物質処理方法。 （４）前記レーザ光学系と処理すべき物質との間で所望
    の相対位置が達成された後、まず低出力のレーザ測定パ
    ルスが放射されて、レーザ光学系の前方に位置した物質
    の性質及び／又は状態を検査するのに使われ、その後正
    しい物質及び／又は物質状態が検出されると、物質処理
    のため高出力のレーザパルスが放射され、その後に再び
    測定パルスが続くことを特徴とする請求項１〜３の何れ
    か一項記載のレーザによる物質処理方法。 （５）処理すべき物質に供給されるレーザパルスが、所
    定の時間までに前記検出装置の出力信号の所定の測定基
    準が検出されないと、前記レーザパルスのトリガー後前
    記所定の時間内に中断されることを特徴とする請求項１
    記載のレーザによる物質処理方法。 （６）前記所定の測定基準が、しきい値より大きい前記
    検出装置の出力信号の振幅であることを特徴とする請求
    項５記載のレーザによる物質処理方法。 （７）処理すべき物質が人体の組織内に埋まっている結
    石、特に尿石または胆石であり、前記検出装置に入射す
    る光の時間関数分布が測定され、前記レーザ光学系が結
    石に差し向けられているかどうかを判定するのに使われ
    ることを特徴とする前記請求項の何れか一項記載のレー
    ザによる物質処理方法。 （８）結石に対する測定パルスの放射時には、結石の埋
    まっている組織に対して差し向けられている場合よりも
    高い散乱が生じる一方、結石に対する作用パルスの放射
    時には、前記検出装置に入射する光について組織に対す
    る放射の場合と異なる時間関数が検出され、これらの基
    準が前記レーザ及び／又は光スイッチを制御するのに使
    われることを特徴とする請求項７記載のレーザによる物
    質処理方法。 （９）前記検出装置に入射する光の時間関数分布が、レ
    ーザパルスの時間分布を参照して評価されることを特徴
    とする前記請求項の何れか一項記載のレーザによる物質
    処理方法。 （１０）処理すべき物質に供給されるレーザパルスが、
    所定の時間以内に前記検出装置の出力信号の所定のしき
    い値を越えないと、前記レーザパルスのトリガー後前記
    所定の時間内に終了されることを特徴とする請求項９記
    載のレーザによる物質処理方法。 （１１）絶縁破壊時に発生する音響信号がさらに検知さ
    れ、評価されることを特徴とする前記請求項の何れか一
    項記載のレーザによる物質処理方法。（１２）レーザの
    後段にレーザ光学系が続き、該レーザ光学系がレーザ光
    を処理すべき物質に差し向け、また該物質によって再放
    出、散乱または反射された光を検出装置に導き、該検出
    装置の後段にレーザを制御する評価回路が接続されたレ
    ーザによる物質処理装置において、評価回路（９）が検
    出装置（８）に入射する光の時間関数分布を判定し、さ
    らに評価回路（９）が検出装置（８）に入射する光の時
    間関数分布に応じて、レーザ（１）及び／又はレーザ（
    １）とレーザ光学系（３）の間に配置された光スイッチ
    （２）を制御することを特徴とするレーザによる物質処
    理装置。 （１３）前記レーザ光学系（ａ）が、レーザパルスにさ
    らされた物質（Ｍ）によって再放出、散乱または反射さ
    れた光を検出装置（８）に反射する半反射鏡（４）を含
    むことを特徴とする請求項１２記載のレーザによる物質
    処理装置。 （１４）前記レーザ光学系が、処理すべき物質に出力パ
    ルスを導く第１の光導波管と、該第１の光導波管とほぼ
    平行で、物質によって再放出、散乱または反射された光
    を検出装置（８）に差し向ける第２の光導波管とを含む
    ことを特徴とする請求項１２記載のレーザによる物質処
    理装置。 （１５）前記評価回路（９）が第１及び第２のしきい値
    検出器（２１、２２）を含み、該第１及び第２のしきい
    値検出器の入力が検出装置（８）の出力に接続されてお
    り、前記第２しきい値検出器（２２）のしきい値（Ｕｓ
    ２）が第１しきい値検出器（２１）のしきい値（Ｕｓ１
    ）より高く、前記第２しきい値検出器（２２）のしきい
    値（Ｕｓ２）を越えると生じる出力がレーザ（１）及び
    ／又は光スイッチ（２）の制御を行うことを特徴とする
    請求項１２〜１４の何れか一項記載のレーザによる物質
    処理装置（第８及び９図）。 （１６）前記第２しきい値検出器（２２）のしきい値（
    Ｕｓ２）を越えると生じる出力がスイッチ手段（２５）
    を制御し、該スイッチ手段（２５）が検出装置（８）の
    出力信号の時間関数を分析する曲線形状判別器（２３）
    の入力に検出装置（８）の出力信号を接続し、曲線形状
    判別器（２３）が検出装置（８）の出力信号の時間関数
    分布に応じてレーザ制御回路（２４）を駆動し、高また
    は低出力どちらかによるレーザパルスの放射及び／又は
    光スイッチ（２）の透過度を制御することを特徴とする
    請求項１５記載のレーザによる物質処理装置。 （１７）前記第２しきい値検出器（２２）のしきい値（
    Ｕｓ２）を越えると生じる出力が第１トリガー回路（４
    ０）の入力に接続され、該第１トリガー回路（４０）が
    レーザ制御回路（２４）を介して作用パルスをトリガー
    させる一方、しきい値を越えていないことを表す前記第
    ２しきい値検出器（２２）の出力が第２トリガー回路（
    ４１）に接続され、該第２トリガー回路（４１）がレー
    ザ制御回路（２４）を介して測定パルスをトリガーさせ
    ることを特徴とする請求項１５記載のレーザによる物質
    処理装置。 （１８）評価回路（９’）が比較器を含み、前記検出装
    置（８）の出力信号がレーザパルスのトリガー後所定の
    時間以内にしきい値に達しないとき前記比較器が出力信
    号を発することを特徴とする請求項１２〜１４の何れか
    一項記載のレーザによる物質処理装置（第１１図）。 （１９）前記比較器の出力信号が、レーザ（１）及び／
    又はレーザ（１）のビーム経路内に配置された光スイッ
    チ（２）を制御することを特徴とする請求項１８記載の
    レーザによる物質処理装置。（２０）前記検出装置（８
    ）が、物質（Ｍ）によって再放出、散乱または反射され
    た光のスペクトル範囲に応答する複数の検出器を含むこ
    とを特徴とする前記請求項の何れか一記載のレーザによ
    る物質処理装置。
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