KR100422735B1 - 치료용전자기처치장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 처치용 광 출력을 만들도록 작동될 수 있는 비간섭의 펄스된 광원, 광원에 연결된 전력 공급원, 반사경을 포함하며 개구부를 갖는 하우징으로 구성되며, 광원이 하우징내에 들어있고, 반사경은 광원에서 나온 빛을 개구부로 반사시키고, 개구부와 처치부위 사이에 유연한 도파관이 배치되어 있고, 도과관은 광원에서 나온 비간섭 광을 받아 이것을 처치부위까지 전송하고 광원, 반사경 및 도파관은 피부위에 6~100 J/cm2를 제공하도록 협동하는 것으로 이루어지는 것으로서 ; 도파관이 원하는 처리 깊이에 대하여 선택된 미리정해진 발산각을 갖는 빛을 전달하는 것을 특징으로 하는 처치 부위를 처리하기 위한 치료용 처치 장치에 관한 것이다.

Description

치료용 전자기 처치장치
본 발명은 일반적으로 치료용 전자기 처치 기술에 관한 것이며 보다 구체적으로 이러한 처치법에 있어 플래쉬 램프와 같은 입체적으로 (spatially) 튀어나온 펄스된 광원을 이용하는 방법 및 장치 또는 치료용 또는 기타 용도로 플래쉬 램프에서 나온 빛을 광섬유에 효과적으로 촛점을 맞추는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 출원은 "치료용 전자기 처치를 하기위한 방법 및 장치"라는 제목으로 1992년 10월 20일에 출원된 미국 특허 출원 제 09/964,210 호의 CIP 출원이다.
피부의 장애를 치료하는 것과 같은 의과 치료용으로 전자기선을 이용하는 방법은 업계에 공지되어 있다. 예컨대, Mutzhas 의 미국 특허 제 4,298,005 호에는 피부미용, 광생물학 및 광화학용으로서 연속한 자외선 램프에 관해 기재되어 있다. 스펙트럼의 UV 부분을 이응하는 처치법 및 피부와 이것의 광화학적 반응에 관해 기재되어 있다. Mutzhas 의 램프를 사용해 피부에 유도된 전력은 150 w/m2으로 이는 피부 온도에 확실한 효과를 미치지 못한다.
UV 선을 포함하는 선행 업계의 처치법이외에도, 아르곤 레이저, CO2레이저, Nd(Yag)레이저, 구리증기 레이저, 루비 레이저 및 색소 레이저를 포함하는 레이저들이 피부과 치료를 하는데 사용되어왔다. 예를들면, Furumoto 의 미국 특허 제 4,829,262 호에는 피부과 용으로 사용된 색소 레이저를 구성하는 방법이 기재되어 있다. 레이저 조사법으로 치료할 수 있는 피부상태에는 두가지가 있는데 그중 하나는 색소 침착 또는 피부의 구조가 부분적으로 다른것과 같은 바깥쪽 피부가 불균질한 상태, 다른 하나는 포트 와인 스테인 (port wine stain), 모세관 확장증, 다리정맥 및 체리 앤드 스파이더 혈관종을 포함하는 여러가지 피부 이상의 원인이 되는, 피부 깊숙한 아랫쪽에서 생기는 혈관 질환으로 인한 이상상태이다. 이러한 피부질환을 치료하는 레이저 치료법에는 일반적으로 레이저선을 흡수시키므로서 처치부위를 부분적으로 가열하는 것이 포함된다. 이렇게 가열을 하면 피부가 변하거나 또는 피부질환을 교정하게 되어 피부의 이상성을 완전히 또는 부분적으로 없어지게 만든다.
피부 부분을 증발시키기에 충분한 높은 온도로 피부를 매우 빠르게 가열하므로서 착색된 질환과 같은 외부 질환을 치료할 수 있다. 피부속 깊이 내재하는 혈관 질환은 혈액이 응고되기에 충분한 온도까지 혈액을 가열하여 처치 한다. 이렇게하면 질환이 극적으로 없어진다. 처치하는 깊이를 제어하기 위하여 때때로 펄스된 방사원이 사용된다. 혈관내로 침투되는 열의 깊이는 방사원 (radiation sourece)의 펄스 폭을 조절하므로서 제어된다. 피부의 흡광 및 산란 계수 또한 열의 침투에 영향을 미칠 것이다. 이들 계수는 피부의 성분 및 방사선의 파장에 관한 함수이다. 구체적으로, 표피 및 진피에서의 빛의 흡광 계수는 서서히 변화되는 파장의 단조로운 감소 함수이다. 그러므로, 처치하려고하는 특정 피부 상태 및 혈관의 크기에 대해 흡광계수를 최적화하도록 빛의 파장을 선택해야만 한다.
레이저가 단색이기 때문에 문신을 제거하는 것, 모반 및 노인성 반점을 제거하는 것과 같은 경우에는 레이저의 효능이 떨어진다. 주어진 파장의 레이저는 첫번째 형태의 피부 착색 질환을 치료하는데는 효과적일 수 있으나 만일 두번째 유형의 질환을 갖고 있는 피부가 특정 파장의 레이저를 효과적으로 흡수하지 못한다면 두번째 유형의 피부에는 효과적이지 못할 것이다. 또한 레이저는 일반적으로 복잡하고 제조비용이 비싸며 방출되는 전력의 양이 크고 신뢰성이 없으며 유지하기가 어렵다.
혈관 질환 부위 근처에서의 혈액 성분이 변하기 때문에 빛의 파장 또한 혈관 질환을 치료하는데 빛의 파장이 악영향을 미치고 혈액 성분은 처치부위의 흡광 계수에 영향을 미친다. 옥시헤모글로빈은 혈액의 광학 특성을 제어하는 주요 발색단이며 가시 영역내에서 강력한 흡수밴드를 갖는다. 특히, 옥시헤모글로빈의 가장 강력한 흡수 피크는 418 nm 에서 생기며 벤드의 너비는 60 nm 이다. 이보다 낮은 흡광계수를 갖는 두개의 또다른 흡수 피크는 542와 577 nm 에서 생긴다. 이 두 피크의 총 밴드 너비는 100 nm 정도이다. 이외에도 피부의 혈관 질환을 처치하는데 바람직한 빛의 파장은 500 - 600 nm 인데 이는 피부에 의해 흡수되어 피부로 침투해 들어가기 때문이다. 1000 nm 까지의 더 긴 파장이 또한 바람직한데 그 이유는 이들이 피부의 더 깊숙한 곳까지 침투하여 주변 조직을 가열하고 만일 펄스의 너비가 충분히 길다면 열 전도성으로 인해 혈관을 가열시키는테 기여할 수 있기 때문이다. 더 낮은 흡광 계수가 혈관내에 있는 긴 빛의 경로에 의해 보상되기 때문에 직경이 더 큰 혈관을 치료하는데 더 큰 파장이 효과적이다.
따라서, 스펙트럼의 UV 근처 및 가시구역을 포괄하는 밴드가 넓은 전자기 방사선 공급원이 외피 및 혈관 질환을 치료하는데 바람직하다. 광원의 전체 파장의 범위는 여러가지 수많은 경우를 최적으로 처치하기에 충분해야 한다. 이러한 치료용 전자기 방사선 장치는 또한 치료하려고하는 특정 질환에 대한 전체 범위내에서적당한 파장 범위를 제공할 수 있어야 한다. 빛의 세기는 치료 부위의 온도가 원하는 온도까지 상승하므로써 필요로 하는 열적 효과를 이루기에 충분한 정도여야 한다. 또한, 펄스의 너비는 각각의 경우에 최적의 침투 깊이를 이루기에 충분히 넓은 범위에 걸쳐 변할 수 있어야 한다. 따라서, 필요로하는 피부 치료법에 따라 선택될 수 있는 넓은 범위의 파장을 가지고있으며 펄스의 너비가 조절되고 치료 부위에 적용하기에 충분히 높은 에너지 밀도를 갖는 광원을 제공하는 것이 필요하다.
선형 플래쉬 램프같은 비레이저 형태의 펄스된 광원이 이러한 장점들을 제공한다. 방출된 빛의 강도는 원하는 열적 효과를 이루기에 충분히 높게 만들수 있다. 펄스의 너비는 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있기 때문에 열의 침투 깊이를 제어할 수 있다. 일반적인 스펙트럼은 가시구역 및 자외선 범위를 포괄하며 특정 용도에 가장 효과적인 광학 밴드를 선택할 수 있거나 또는 형광 물질을 이용하여 증대시킬 수 있다. 게다가, 플래쉬 램프 같은 비레이저 타입의 광원은 휠씬 값이 저렴하며 레이저보다 제조하기가 더 쉽고 동일한 출력을 내는데 훨씬 비용이 적게들고 보다 효과적이고 확실하다는 장점이 있다. 이들은 다양한 특정 피부 치료용으로 최적화시킬 수 있는 넓은 스펙트럼 범위를 갖는다. 이 광원들은 또한 다른 타입의 피부를 치료하는데 결정적인 넓은 범위에 걸쳐 변화될 수 있는 펄스 길이를 갖는다.
피부 질환을 치료하는데 사용되는 것 이외에도, 레이저는 쇄석술 및 혈관 폐색물 (blockage) 제거와 같은 적극적인 의료 행위에 사용되어 왔다. 이러한 적극적인 방법에서, 레이저 광은 광섬유에 연결되어 섬유를 통해 치료부위까지 도달된다. 쇄석술에서, 광 섬유는 펄스된 레이저에서부터 빛을 신장 또는 담석까지 운반하여빛이 돌과 반응하여 충격파를 만들므로서 돌을 분쇄시킨다. 혈관 폐색물을 제거하기 위해 광섬유를 이용해 빛을 폐색물에 연결시키면 폐색물이 분쇄된다. 두 경우에 모두, 레이저 피부 치료법에 관해 상술한 레이저의 단점이 생긴다. 따라서, 플래쉬 램프를 이용하여 폐색물을 제거하고 쇄석술에 이용하는 처치기구가 요구된다.
환부를 효과적으로 치료하기 위해 광원으로부터 나온 빛을 치료부위에 촛점을 맞추어야만 한다. 의료용으로, 펄스된 레이저광을 광섬유에 연결시키는 것이 일반적이다. 선행 기술로는 CW 램프같은 등방성의 비간섭 포인트 (incoherent point)광원을 작은 광섬유에 연결시키는 방법이 있다. 예컨대, Cross 의 1988년 7월 12일 공개된 미국 특허 출원 제 4,757,431 호에는 필라멘트가 작은 비간섭 포인트 광원 또는 전극 간격이 2 mm 인 아크(arc) 램프를 작은 면적에 촛점을 맞추는 방법이 기재되어 있다. 포인트 (또는 작은) 광원은 광원의 크기가 작기 때문에 에너지의 큰 손실없이 비교적 쉽게 촛점을 맞출 수 있다. Kishner 의 1977년 5월 10일에 공개된 미국 특허 제 4,022,534 호에는 플래쉬 튜브로 빛을 만들어내고 튜브에 의해 방출된 빛의 적은 부분을 광 섬유로 모으는 방법이 기재되어 있다.
그러나, 플래쉬 램프같은 돌출된 광원의 크기가 크기 때문에 이것의 에너지의 많은 부분을 작은 면적으로 촛점 맞추기가 어렵다. 에너지의 밀도를 높게 이뤄야 할뿐만아니라 빛의 각 (angular) 분포가 광섬유내에 포획되도록 만들어야 하기 때문에 빛을 광섬유로 연결시키는 것이 더 어려워진다. 그러므로, 고밀도의 돌출된 펄스된 광원의 출력을 광섬유로 연결시키는 시스템을 갖는 것이 요구된다.
본 발명의 첫번째 구체예에 따라, 본 발명의 치료용 처치 장치는 하우징 및이 하우징안에 들어있는 치료용의 펄스된 광출력을 만들도록 조작될 수 있는 비간섭 광원, 적당하게는 플래쉬 램프로 구성된다. 이 하우징은 개구부를 가지고있으며 피부 치료 부위와 인접하게 배치되는 것이 적당하다. 반사경은 광원에 근접하도록 하우징내에 장치되어 있으며 최소한 하나의 광필터가 하우징내에 있는 개구부에 근접하게 장치되어 있다. 아이리스 (iris)가 개구부와 같은 연장선상에 장치되어 있다. 펄스의 너비를 변화시킬 수 있는 펄스 형성 회로에 의해 램프에 전력이 공급된다. 따라서, 처치 장치는 하우징내에 있는 개구부를 통해 밀도가 조절되고 여과된 펄스된 광 출력을 처치하려고 하는 피부 부위에 공급하게 된다.
본 발명의 두번째 구체예에 따라, 빛 에너지로 처치하는 방법은 레이저가 아닌 비간섭 광원에서부터 고출력의 펄스된 광 출력을 만들고 펄스된 광 출력을 처치부위로 유도하는 단계로 구성된다. 광 출력의 펄스의 폭은 조절되며 빛의 전력밀도가 제어되도록 촛점이 맞춰진다. 빛의 스펙트럼을 조절하기 위해 빛을 여과시킨다.
본 발명의 세번째 구체예로, 커플러는 토로이드형 플래쉬램프같은 비간섭 광원으로 구성된다. 반사경은 비간섭 광원 및 최소한 하나의 광섬유 또는 도파관 주위에 배치된다. 광섬유는 반사경의 말단부에 배치된다. 말단부에서 환형 램프에서 나온 빛을 모은다. 유사한 형태의 연결 구조에서, 광섬유는 광원에서부터 나온 빛을 받아 이것을 광섬유에 전달하도록 배치된 선형에서부터 환형까지의 광섬유 전달 장치와 함께 마련된다. 반사경은 선형 플래쉬 튜브의 축에 수평한 면이 타원형인 단면을 가지며 선형 플래쉬 튜브는 타원의 한 촛점위에 위치하며 선형에서 환형인 전달 장치는 타원의 다른 한 촛점위에 위치한다.
본 발명의 이해를 돕기위해 부록한 도면을 참고로하여 설명하겠다. 같은 숫자는 동일한 요소 또는 부분을 지칭하는 것이다.
본 발명의 최소한 한 구체예를 자세히 설명하기 전에 본 발명은 이후의 설명에 나타난 또는 도면에 예시된 자세한 구조 및 성분들의 배치에만 본 발명이 제한되지 않는다는 것을 인지해야 할 것이다. 본 발명은 다른 구체예도 가능하며 다른 방식으로 실시되거나 또는 진행될 수 있다. 또한, 본문에서 사용된 표현 또는 용어는 본문을 서술하기 위한 것이고 이로서 제한하려는 것은 아니다.
제 1 도 및 2 도에서는 본 발명의 원리에 따라 구성되고 작동되는 비간섭 펄스된 광원 피부 처치 장치(10)의 단면 및 측면이 나타나 있다. 이 장치(10)은 내부에 개구부를 갖고있는 하우징(12), 핸들 13 (2 도에만), 바깥쪽 유리 튜브(15)를 갖고 있는 광원(14), 타원형 반사경(16), 광 필터 셋트(18), 아이리스(20) 및 디텍터(22)(제 1 도에만)를 포함한다.
하우징(12)안에 놓여 있는 광원(14)는 ILC에서 판매하는 가스가 채워진 선형 플래쉬램프 모델 No. L5568 같은 전형적인 비간섭 광원일 수 있다. 가스가 충진된 선형 플래쉬램프(14)에 의해 방출된 빛의 스펙트럼은 전류밀도, 유리 밀봉 물질의 타입, 튜브에 사용된 가스 혼합물에 따라서 달라질 것이다. 전류 밀도가 큰 경우(예컨대, 3000A/cm2이상) 스펙트럼은 흑체(black body) 방사 스펙트럼과 유사하다. 일반적으로, 대부분의 에너지는 300-1000mm의 파장에서 방출된다.
피부(또는 볼수 있는) 질환을 처치하기 위해 피부 위로 필요한 광밀도가 전달되어야만 한다. 이러한 광밀도는 제 1 도 및 2 도에 나타난 초점용 설비(focusing arrangement)에 의해 이루어질 수 있다. 제 1 도는 하우징(12)내에 놓여 있는 반사경(16)의 단면도이다. 제 1 도에서 볼수 있듯이 플래쉬램프(14)의 축에 수직한 평면상의 반사경(16)의 단면은 타원형이다. 선형 램프(14)는 타원의 최소한 초점에 놓여 있고 반사경(16)은 피부의 처치 부위1(21)가 다른 초점 위에 위치하도록 하는 방식으로 놓여 있다. 플래쉬 램프(14)에서 방출된 빛을 피부에 효과적으로 연결시키는 초점용 설비와 유사하다. 그러나 이러한 설비는 한계에 있는 것으로 간주되면 안된다. 타원형 반사경(16)은 금속성 반사경, 일반적으로는 쉽게 제작할 수 있는 반사경인 광택나는 알루미늄일 수 있으며 사용되는 스펙트럼의 가시구역 및 UV 범위에서 매우 높은 반사도를 갖는다. 기타 피복되었거나 그렇지 않은 금속을 이러한 목적으로 사용할 수도 있다.
광밀도 및 중성 밀도 필터(18)은 처치 부위에 인접한 하우징(12)안에 놓여 있고 빛의 강도 및 스펙트럼을 조절하기 위해 빔(beam)안으로 또는 바깥으로 이동될 수 있다. 일반적으로, 50-100 nm의 띠폭(bendwidth) 필터뿐만 아니라 스펙트럼의 가시구역 및 자외선 구역에서의 낮은 컷 오프(cut off)필터가 사용된다. 몇몇의 경우에는 UV 부분만이 컷오프된 스펙트럼의 대부분을 사용하는 것이 바람직하다. 다른 경우에, 주로 깊게 침투시키려고 하는 경우에는 더 좁은 띠폭을 이용하는 것이 바람직하다. 띠폭 필터와 컷 오프 필터는 쉽게 구입할 수 있다.
유리 류브(15)는 플래쉬램프(14)와 동축으로 배치되어 있으며 그 위에 형광성 물질을 가지고 있다. 유리 튜브(15)는 보통 장치(10)의 에너지 효율을 최적화시키기 위해 혈관의 응집을 치료하는데 사용된다. 형광 물질은 플래쉬램프(14)의 스펙트럼의 UV 부분을 흡수하고 혈액내에서의 흡수틀 최적화하도록 하는 500-650 nm 범위의 빛을 발생시키도록 선택한다. 유사한 물질을 통상적인 형광 램프의 안쪽벽 위에 피복시킨다. 형광 램프에서 "따뜻한" 백색광을 발생시키는데 사용되는 일반적인 물질은 전환 효율이 80%이며 최대 방출 파장이 570 nm, 띠폭이 70 nm이며 혈액내에서 흡수시키는데 유용하다. 이들 인광체의 수 밀리초(millisecond)되는 감퇴 시간은 혈관을 치료하는데 필요한 긴 펄스와 일치한다.
환형,나선형, 짧은 아크형 및 여러개의 선형 램프같은 여러가지 모양 또는 구조의 플래쉬램프(14)를 사용할 수 있다. 반사경(16)은 파라볼라 또는 환형 반사경같은 다른 디자인을 가질 수 있다. 광원 또한 반사경이 없이 사용될 수도 있으며 필요로 하는 에너지 및 전력 밀도는 광원(14)를 처치부위에 어느 정도 가깝게 위치하느냐에 따라 원하는데로 이룰 수 있다.
하우징(12)내에 장치된 아이리스(20)은 광필터(18)와 처치 부위 사이에 위치하여 노출된 부위의 길이 및 너비를 조절하는데 즉, 플래쉬램프(14)의 출력을 시준하므로써 조절한다. 플래쉬램프(14)의 길이는 노출될 수 있는 최대 길이를 결정한다. 일반적으로, 길이가 8cm 인(아크 길이)튜브를 사용하게 되며 튜브의 중심 5cm 만이 노출된다. 중심 5cm를 이용하면 노출된 피부 부위에서의 에너지 밀도를 매우 균일하게 만들 수 있다. 그러므로, 이러한 구체예에서 아이리스(또는 시준기라고도 함)(20)을 사용하면 피부 부위를 최대 파장 5cm로 노출시킬 수 있게 될 것이다. 아이리스(20)은 최소 노출 길이가 1mm가 되도록 근접시킨다. 유사하게, 노출된 피부부위의 너비는 폭이 5mm인 플래쉬 램프의 경우 1-6 mm로 조절될 수 있다. 더 긴 플래쉬튜브 또는 여러개의 튜브를 이용하면 노출된 면적을 더 크게 만들 수 있으며 빔을 보다 완전하게 시준하는 아이리스를 이용하면 노출 면적을 더 좁게 만들 수 있다. 본 발명은 선행 업계의 레이저 광원 또는 포인트 광원과 비교했을 때 더 큰 노출 면적을 제공하며 혈관의 보다 긴 부분에 걸쳐 혈액의 흐름을 차단하여 보다 효과적으로 혈액을 응고시키기 때문에 혈관을 응집시키는데 매우 효과적이다. 노출된 면적이 클수록 필요로하는 처리 시간이 줄어든다.
디텍터(22)(제 1 도)는 하우징(12)의 바깥쪽에 있으며 피부에서부터 반사된 빛을 모니터한다. 디텍터(22)는 광 필터(18) 및 중간 밀도 필터와 합해져 피부의 스펙트럼 반사와 흡광계수를 재빨리 측량하는데 사용된다. 이는 주된 처리 펄스가 가해지기 전에 낮은 에너지 밀도 수준에서 실행될 수 있다. 최적의 처치 조건을 결정하기 위해 주된 펄스를 가하기 전에 피부의 광학적 특성을 측정하는 것이 이롭다. 상기한 바와 같이 비레이저 타입의 광원에서부터 방출된 빛의 넓은 스펙트럼을 이용하면 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 피부를 조사할 수 있고 처치하는데의 최적의 파장을 선택할 수 있다.
또 다른 구체예에서, 피부가 광원에 노출되어 있는 동안 피부의 그 당시의 온도를 측정하기 위해 디텍터(22) 또는 제 2 디텍터 시스템을 이용할 수 있다. 이것은 빛이 표피 및 진피내로 흡수되는 긴 펄스를 이용하면 피부를 열분해시키는데 사용할 수 있다. 표피의 바깥 부분의 온도가 너무 높게 올라가면 피부에 영구적으로 흉터가 생기게 된다. 따라서, 피부의 온도를 잘 측정해야 한다. 과다 노출되는것을 막기 위해 가열된 피부의 적외선 방출을 이용하면 온도를 잴수 있다.
대표적인 실제-시간 디텍터 시스템은 두개의 디텍터와 필터를 이용하여 두개의 특정 파장에서의 피부의 적외선 방출을 측정한다. 두 디텍터의 신호들 사이의 비율을 이용하여 그 당시의 피부의 온도를 측정할 수 있다. 미리 정해 놓은 피부 온도까지 이르르게 되면 펄스된 광원의 작동이 중지된다. 피부에 반흔을 생기게 하는 펄스된 열에 대한 온도 역치점은 적외선 방출을 이용해 쉽게 측정될 수 있는 50℃ 또는 그 이상이기 때문에 이러한 측정법이 비교적 용이하다.
열 침투 깊이는 피부의 열적 특성, 피부의 다른 층들내에서의 빛의 흡수 및 산란에 따라서 달라진다. 또 다른 중요한 파라메타는 펄스의 폭이다. 펄스된 광원의 경우에, 극소하게 얇은 층내에 흡수된 에너지, 펄스하는 동안 열 전도성에 의해 침투된 열의 깊이(D)는 다음의 방정식 1로 나타낼 수 있다:
식중, K = 조사된 물질의 열 전도도,
△t = 빛 펄스의 펄스 폭,
C = 물질의 열 용량,
ρ = 물질의 밀도
방정식 1로부터 광원의 펄스의 폭에 의해 열 침투 깊이가 조절될 수 있다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 펄스의 폭을 10-5초 - 10-1초 사이에서 변화시키면 열 침투를 100의 계승만큼 변화시킬 것이다.
따라서, 플래쉬램프(14)는 10-5- 10-1초의 펄스 폭을 제공한다. 피부내에 있는 혈관을 응집시키는 것이 목적인 혈관 질환을 치료하기 위해서는 혈관의 두께 전체가 가능한한 효과적으로 응집되도록 하기에 충분히 균일하게 가열하도록 펄스의 길이를 선택한다. 피부내에 있는 처치하려고 하는 대표적인 혈관은 그 두께가 0.5mm 정도이다. 따라서, 혈액의 열적 성질을 고려하여 최적의 펄스-폭은 100 msec 정도이다. 이보다 더 짧은 펄스가 이용된다면 열은 여전히 혈관을 통해 전도되어 응집을 일으키지만 혈관내에 있는 혈액의 일부분 및 주변 조직의 그 당시 온도는 응집시키는데 필요한 온도 보다 높아지게 될 것이며 원하지 않던 손상을 입게될 것이다.
피부를 증발시키는 것이 목적인 외부 피부 질환을 처치하는 경우에, 피부의 열 침투를 매우 얕게 만들기 위해 펄스-폭을 매우 짧게 하여사용한다. 예컨대, 10-1초 펄스를 하면 피부의 5μ정도까지의 깊이로만 열이 침투된다(열 전도에 의해). 그러므로, 얇은 피부층만을 가열하면 순간 온도가 매우 높아져 피부 위에 있는 외부 마크가 증발되게 된다.
제 3 도는 플래쉬 램프(14)의 펄스-폭을 다양하게 만드는 여러개의 개별적인 펄스-형성 네트웍(PFN'S)으로 구성된 펄스-폭이 변하는 펄스 형성 회로를 보여준다.
용량 c와 인덕턴스 L을 갖는 단일 요소 PFN에 의해 유도된 플래쉬램프(14)의빛 펄스의 최대치의 ½에서의 완전 폭(FWHM)은 대략 다음과 같다:
플래쉬램프(14)는 제 3 도에 나타난 바와 같이 세개의 다른 PFN에 의해 유도된다. 연달아 접촉되어 있는 R1', R2'및 R3'는 고전압 전력 공급기에 의해 충전된 세개의 캐패시터 C1, C2 및 C3 중 하나를 고르기 위해 사용된다. 고전압 스위치 S1, S2 및 S3은 PEN의 캐파시터에 저장되어 있는 에너지를 플래쉬램프(14)로 방전시키는데 사용된다. 한 구체예로, L1, L2, L3은 각각 값 100 mH, 1 mH 및 5 mH를 갖고 C1, C2 및 C3는 각각 100 mF, 1 mF 및 10 mF를 갖는다.
기본적으로 펄스의 폭을 다양하게 만들 수 있는, 각각의 PFN을 개별적으로 작동시킬 수 있는 가능성 이외에 PEN's을 연속적으로 작동시키면 또다른 변화를 만들 수 있다. 만일 예를 들어 첫번째 펄스가 이것의 진폭의 ½이 감쇠된 후에 두번째 펄스가 작동되는 형식으로 펄스-폭 △t1과 △t2를 갖는 두개의 PEN's가 작동되면 시스템의 이 조작에서의 빛의 유효한 펄스-폭은 다음과 같은 관계를 갖게 될 것이다: △t△t1 + △t2
충전용 전력은 보통 500V - 5KV의 전압을 갖는다. 따라서 계전기(relay)는 이들 전압들을 확실하게 단절시킬 수 있는 고전압 계전기여야 한다. 스위치 S는 플래쉬램프(14)의 전류를 운반할 수 있고, PENs가 연속적으로 작동될 때 발생된 높은 역전압을 단절시키기 위한 것이다. 고체-상태 스위치, 배큠 스위치 또는 가스 스위치가 이러한 목적으로 사용될 수 있다.
플래쉬램프를 저전류 유도 모드로 유지시키는데 뭉근한(simmer) 전력(제 3 도에는 보이지 않음)을 이용할 수 있다. 단일 PEN 및 크로우바 스위치를 사용하거나 또는 여닫기 기능을 갖는 스위치를 사용하는 것과 같은 다른 형태로 펄스의 폭을 변화시킬 수 있다.
일반적으로, 전기적 펄스-폭이 1-10 msec인 플래쉬램프(14)를 작동시키는 경우 전기적 에너지 입력의 선밀도가 100-300 J/cm 정도로 사용될 수 있다. 보어(bore) 직경이 5 mm인 대표적인 플래쉬램프의 경우에는 피부 위에 30-100 J/cm2의 에너지 밀도를 이룰 수 있다. 500-650 nm를 사용하면 띠폭은 입사 에너지의 20%를 전송한다. 그러므로, 피부 위에서의 에너지 밀도는 20 J/cm2가 된다. 형광물질을 포함시키면 출력 방사선을 원하는 정도까지 확장시켜 플래쉬램프(14)로 들어가는 입력 에너지를 작게 하고서도 피부의 노출 정도는 동일하게 이룰 수 있게 된다.
펄스-폭이 0.5 msec 일때 에너지 밀도가 0.5-10 J/cm2을 나타내는 펄스된 레이저 피부 처치법은 일반적으로 혈관에 관련된 피부 질환을 치료하는데 효과적이다. 이러한 범위의 파라메타는 선형 플래쉬램프와 같은 비레이저 타입의 펄스된 광원의 작동 범위내에 들어 간다.
외상 질환인 경우, 보통 5 msec의 펄스-폭이 이용된다. 5 mm 보어 플래쉬램프에 20 J/cm2의 전기 에너지 밀도가 들어가면 피부 위에서의 에너지 밀도는 10 J/cm2이 된다. 스펙트럼의 하드한(hard) UV 부분을 절취하면 90% 에너지가 전달되거나 또는 10 J/cm2에 근접한 에너지 밀도에 피부가 노출되게 된다. 이 에너지 밀도는 피부 위에 있는 바깥 마크를 증발시키기에 충분히 높다.
장치(10)은 두개의 유닛으로 만들어질 수 있다: 핸들(13)을 이용해 의사가 잡게 되는 경량의 유닛에는 반사율과 그때그때의 피부의 온도를 측정하는 디텍터와, 플래쉬램프(14), 필터(18) 및 아이리스(20)이 들어 있는데 이들 셋은 함께 스펙트럼과 노출 면적의 크기를 조절한다. 전력 공급원, PFN's 및 전기 제어 장치는 분리된 박스(보이지 않음) 안에 들어 있는데 이것은 유연한 케이블을 통해 손으로 드는 유닛에 연결된다. 이렇게하면 쉽게 조작할 수 있고 처치하려고 하는 피부 부위에 쉽게 근접할 수 있다.
그러므로, 본 발명은 피부 치료와 연관하여 기술되어 왔다. 그러나, 적극적인 치료 방법으로 레이저가 아닌 플래쉬램프를 이용하면 잘 알려진 바와 같은 장점을 얻을 수 있다. 플래쉬램프를 이용하면 쇄석술 또는 혈관 폐색물을 제거하는 것과 같은 방법을 실행할 수 있다. 이러한 장치는 제 1 도 및 2 도에 나타난 것과 유사할 수 있으며 플래쉬를 만들기 위해 제 3 도의 전자 장치를 이용할 수도 있다. 그러나, 빛을 광섬유에 적절하게 연결시키기 위해서 여러개의 커플러(40), (80) 및 (90)이 제 4 도 및 8-10 도에 각각 나타나 있다.
커플러(40)에는 선형 플래쉬튜브(42)같은 등방성이며 비간섭의 강력한 펄스된 빛의 광원, 빛 에너지를 광섬유(46)에 전달하는 빛 반사경(44)이 포함된다. 후자는 보통 제 4 도에서와 같이 원추형 모서리를 갖는다. 광섬유(46)은 빛 수집 시스템(44)에서 나온 빛을 처치 부위로 전달시킨다. 일반적으로, 커플러(40)은 플래쉬튜브에서 나온 펄스된 빛을 광섬유에 연결시키는데, 이는 의료용, 공업용 및 가정용으로 사용된다.
예를 들면, 커플러(40)은 처리하려고 하는 물질을 빠르게 가열 또는 용발(ablate)시키도록 또는 광화학 공정을 유발시키도록 처리되는 물질에 사용될 수 있다. 다른 한편으로, 커플러(40)은 사진을 찍는데 플래쉬를 만들기 위한 사진용으로도 사용될 수 있다. 이러한 커플러를 이용하면 카메라의 안쪽에 플래쉬 전구를 넣을 수 있게 되며 광섬유를 이용해 카메라의 바깥쪽으로 빛을 전송시킬 수 있다. 업계의 숙련자라면 커플러(40)을 이용하면 과거에 간섭 또는 비간섭 광이 사용되었던 많은 경우에 비간섭 광을 이용할 수 있다는 것을 인지해야 한다.
빛을 광섬유에 연결시키도륵 만들기 위해 제 5 및 6 도에 나타난 플래쉬튜브(42)는 토로이드(원추곡선 회전체) 모양을 가지며 반사경(44) 안에 들어있다. 토로이드 형태 이외에도 연속한 나선형과 같은 다른 형태를 플래쉬튜브(42)에 사용할 수도 있다. 그러나, 나선형 튜브는 토로이드형 튜브보다 제작하기가 더 어렵다. 제 6 도에서, 플래쉬튜브(42)는 일반적으로 원형일 수 있는데 원형의 한쪽 말단부에 위치해 있는 전극이 전원에 연결되어야 하기 때문에 원형이 완전한 원형이어서는 안된다. 이것은 전극으로 연결되는 부분이 매우 작기 때문에 원형의 플래쉬 튜브내에서 확실한 교란을 만들 수 없다.
반사경(44)는 빛을 모으고 축적하며 토로이드형 플래쉬 튜브(42)의 단축에 수평한 단면이 거의 타원형이다. 이 타원의 장축은 토로이드형 램프(42)의 장축과작은 각을 이루는 것이 바람직하다. 램프(42)의 주축과 타원축 사이의 정확한 각도는 광섬유의 수치적 구경(Numerical Aperture, NA)에 따라서 달라진다. 토로이드형 플래쉬는 이것의 단축이 타원의 촛점과 일치하도록 배치된다. 타원의 다른 촛점은 광섬유(46)외 모서리에 있다. 반사경(44)는 반사율이 좋아지도록 내부가 광택내어진 금속으로 만들 수 있다. 가시 구역 및 UV 파장에서 반사율이 높은 알루미늄이 매우 훌륭한 반사경이며 본 목적에 이것을 사용할 수 있다. 이 반사경은 한 조각으로 만들어진 뒤 장치의 주축에 수평한 표면을 따라 잘라진다. 이렇게 하면 토로이드형 플래쉬튜브를 장치와 하나로 만들 수 있다.
제 4도에 나타낸 바와 같이, 광섬유(46)의 모서리는 개구부 각도가 작은 원주여서 플래쉬튜브에서 나온 빛에 노출된 섬유의 총 면적이 증가하게 된다. 제 7 도에서, 빛을 원추형 티(Tip)에 연결시키는 그림이 보여진다. 여기서 공간내에 있는 구역에서부터 나온 빛의 굴절율을 n2, 섬유의 원추부(섬유 중심 이외의 나머지 부분도 마찬가지로)의 굴절률을 n1이라고 가정한다.
원추부를 때리는 광선의 모두가 그안에 잡히지는 않는다. 시스템의 주축을 포함하는 면에 전파되는 광선의 경우에, 일정 각의 광선이 광섬유내에 잡혀 흡수되도록 조건을 맞출 수 있다. 이 조건은 다음의 방정식(3)에서 볼수 있다.
입사각 μ이 방정식 3으로 계산한 μcriti보다 큰 경우 빛은 광섬유의 원추부분에 잡히게 될 것이다. n1>n2일 경우에만 잡을 수 있다. 만일 광섬유의 바깥 매질이 공기일 경우 n2=1 이다. 중심부와 피복물 부분으로 된 광섬유가 사용될 경우 광섬유의 원추 부분에 잡혀있는 광선의 전부가 섬유의 수직 부분에 잡히게 되지는 않을 것이다. 만일 중심부(core)만 있고 피복물이 없는(공기로 싸여진) 광섬유를 이용한다면 원추부에 잡힌 광선 모두가 수직부분에 잡히게 될 것이다.
제 4 도에 나타난 형태는 또한 반사경과 광섬유 사이의 공간을 유체로 채워 사용할 수 있다. 이러한 목적에 사용할 수 있는 매우 편리한 유체는 물이다. 반복적인 고속 펄스가 이용되는 경우 플래쉬 램프를 식히는데 물이 매우 효과적이다. 유체가 사용되면 플래쉬 램프를 싸고 있는 물질과 공기 사이의 전이와 같은 유리에서 공기로 전이되는 손실을 줄일 수 있다. 반사경 공간에 유체가 사용된다면 원추부에 잡힌 모든 광선이 중심부/피복부 광섬유가 사용되는 경우라 하더라도 광섬유에 모두 잡힐 수 있도록 굴절율을 선택할 수 있다.
반사경내에 광섬유를 배치하는 또다른 방법은 모서리가 편평한 광섬유를 이용하는 것이다. 이러한 구조가 제 8 도에 나타나 있으며 포획 효율은 원추형 모서리의 포획 효과에 매우 근사하다. 기타 많은 다른 모양의 모서리를 갖는 광섬유, 예를 들면 모서리가 구형인 광섬유를 사용할 수도 있다. 광섬유의 모서리의 형태는 광섬유의 방출면 위에서의 빛의 분포에 영향을 미치며 이것은 장치의 특정 용도에 따라서 선택할 수 있다.
이 장치에는 다양한 광섬유를 사용할 수 있다. 하나의 또는 소수의 밀리미터또는 이보다 적은 직경을 갖는 광섬유가 적극적 의료용 장비에 보통 사용될 것이다. 다른 용도로, 특히 공업용 및 가정용으로 직경이 큰 광섬유 또는 광섬유의 큰 다발 또는 도파관을 이용하는 것이 바람직하다.
한 구체예에 따라 빛을 처치 부위에 연결시키기 위해 유연성있는 또는 딱딱한 도파관을 사용한다. 유연한 도파관은 다발의 끝부분에서 열을 가하면 서로 융합되는 석영 다발 또는 기타 유리 섬유로 만든 것이다. 이 다발은 원형, 사각형 또는 기타 적당한 모양일 수 있다. 딱딱한 도파관은 석영, 아크릴, 유리 또는 다른 투명도가 높은 재료로 만든 것 일수 있다. 이 재료들은 보통 모든 면들이 크게 광택이 나도록 만들어진다.
치료용으로 사용할 수 있는 원형 도파관의 단면은 그 직경이 보통 1 - 10mm 정도이다. 이와 달리 사각형 도파관은 보통 3mm×10mm - 30mm×100mm의 크기를 갖는다. 두 경우 모두 길이는 20 - 300mm 일수 있으며 또는 특정 용도에 필요한 정도 일수 있다.
또다른 구체예에 따라, 보다 효과적으로 빛을 연결하기 위해 사각형 도파관을 사용한다. 사각형 선형 플래시 램프에 맞도록, 또 처치될 혈관의 모양에 맞도록 사각형 도파관의 모양을 선택한다.
상술한 도파관은 처치부위로 전달되는 빛의 스펙트럼을 조절하기위해 또다른 구체적예로 사용될 수 있다. 내부에 흡광용 염료가 용해되어 들어있는 재료로 도파관을 만들면 스펙트럼을 조절할 수 있다. 그러므로, 도파관에 의해 전송된 빛을 흡광용 염료에 의해 측정되었을때의 스펙트럼을 가질 것이다. 한편, 도파관의 한쪽끝(바람직하게는 유입 말단부)에 편평하고 개별적인 필터를 첨가할 수 있다. 두 필터는 모두 흡광 필터이다. 본 발명자는 Schotte이 생산하는 적당한 특성을 갖는 모델 Nos. OG 515, OG 550, OG 570 및 OG 590 같은 흡광 필터를 발견하였다.
이외에도, 도파관위에 적당한 광학 피복물을 도포하므로서 도파관위에 간섭 필터 또는 반사 피복물을 일힐 수 있다. 다시, 개별적인 하나의 간섭 필터를 사용할 수도 있다. 이외에도, 본문에 기재된 다양한 필터의 조합된 상태 또는 다른 필터를 사용할 수 있다. 본문에 기재된 필터를 사용하면 제 1 도에 관해 앞서 언급한 필터를 사용할 수 있게 된다.
또다른 구체예에서 특수한 도파관을 사용한다. 이 경우 다양한 처치를 하기위해 빛의 스펙트럼을 쉽게 조절할 수 있다. 이러한 경우에 따라, 특정 도파관을 가지고 각 타입의 처치가 실시될 것이다.
특수한 처치를 최적화하도록 도파관의 광학적 특성을 선택하게 될 것이다. 각각의 처치 경우에 따라 다음과 같은 파장이 특히 유용하다 :
직경이 0.1mm 미만인 동맥 - 520 - 650nm. 직경이 0.1mm 미만인 정맥 - 520 - 650nm. 직경이 0.1 - 1.0mm인 혈관 - 550 -1000nm. 이 보다 큰 혈관 - 600 - 1000nm. 각각의 경우에 피부가 검게되면 (색소 침착이 커지면) 스펙트럼의 적은 컷-오프 부분에 더 긴 파장을 사용해야 한다.
침투를 최적화시키기 위해 여러개의 스펙트럼을 사용할 수 있다. 이는 각각의 다른 스펙트럼을 갖는 펄스를 약간 쪼이면 이를 수 있다. 예컨대, 첫번째 펄스는 혈액내에 그게 흡수되는 스펙트럼을 가질 수 있다. 이 펄스는 혈액을 응고시키므로서 혈액의 광학 특성을 변화시켜 다른 범위이 파장 (바람직하게는 더 긴 파장)을 더 흡수하게 만든다. 두번째 펄스는 혈액이 더 큰 범위의 파장 에너지를 흡수하기 때문에 보다 효과적으로 흡수될 것이다. 이러한 원리를 레이저나 다른 광원에 마찬가지로 적용할 수 있다.
상술한 도파관의 일면에 부가하여, 또다른 경우로, 피부위에 부딪치는 광선의 분포각을 조절하는데 도파관을 사용한다. 각각으로 (수직에 대해) 피부위에 부딪치는 빛은 조직 깊숙하게 침투하지 못할 것이다. 이와는 반대로, 피부에 직각으로 부딪치는 빛은 더 깊숙히 침투하게 될 것이다. 그러므로, 광선을 얕게 침투시켜 치료해야하는 경우에는 광선의 분포가 비교적 광각으로 발산되게 만드는 것이 바람직하다. 이와는 달리, 광선을 깊숙히 침투시켜야 하는 경우에는 좁게 발산시키는 것이 바람직하다. 어떤 경우에는 빛을 깊고 얕게 침투시켜야 하는 경우도 있다.
제 15 도는 입사 빔의 각보다 더 큰 각으로 발산하는 방출 빔을 갖는 도파관(115)를 나타낸다. 제 15 도에서 볼 수 있는 바와 같이, 빔(116)은 도파관(115) 축에 대해 작은 각도로 도파관으로 들어간다. 빔(501)이 도파관(115)에서 빠져나올때 축에 대한 각은 더 커진다. 도파관(115)의 가늘어진 모양은 이것의 발산을 증대시킨다.
제 16 도는 직선 도파관(118)로 들어가는 광선의 각 분포를 유지시키는 직선 도파관(118)을 보인다. 빔(119)가 커플러(601)의 축에 대해 동일한 각도로 도파관(118)으로 들어가고 여기서 나간다. 두 도파관(115)와 (118)을 교체하여 사용하면 상술한 바와 같이 깊고, 얕게 침투시킬 수 있다. 이와 달리, 실시하려고하는 처치에 펼요한 침투 정도에 따라서 사용자가 커플러의 타입을 선택할 수 있다.
제 9 도와 제 10 도는 선형 플래쉬튜브(92)를 직선 또는 환형 섬유 전달 유닛(94)를 통해 섬유 다발(96)에 연결하기위한 커플러(90)을 보인다. 이 구체예에서 반사경(98)의 단면은 선형 플래쉬튜브(92)의 축에 평행한 면이 타원형인 제 10 도의 단면을 갖는다. 이러한 구조는 제조하기가 비교적 쉬우며 General Fiber Optics 사와 25-004-4 같은 선형에서 원형까지의 시판되는 컨버터를 이용할 수 있다. 이러한 구조는 섬유의 노출 면적이 큰 경우에 또는 플래쉬 조사 용 일 경우에 특히 유용하다.
본 발명에 의해 이룰 수 있는 에너지 및 전력 밀도는 피부 처리를 하는데 또는 의료용으로 원하는 효과를 얻기에 충분히 높다. 제 4 도에 나타난 경우에서, 총 에너지 및 전력 밀도는 다음과 같이 계산될 수 있다. 주 직경이 3.3 cm 이고 보어 직경이 4mm인 일반적인 토로이드형 램프의 경우, 램프로 입력되는 전기적 선 에너지 밀도는 펄스-폭이 5μsec 일때 10 J/cm 정도로 사용할 수 있다. 최적의 전기적 조작 조건의 경우에는 램프의 출력광은 5-6 J/cm가 될 것이다. 제 4 도의 반사경의 경우 램프에서 발생된 빛의 50%는 아랫쪽 촛점에 도달할 것이다. 그러므로, 촛점에서의 총 에너지 플럭스는 25-30J 일 될 것이다. 제 4 도 또는 제 8 도에 나타난 경우에는, 촛점 면에서의 반사경의 총 단면적은 0.8 cm2이다. 이 단면적으로는 광섬유로 유입될시 30-40 J/cm2정도의 에너지 밀도가 유지되어야 한다. 이것은 의료용 또는 재료 가공용으로 사용되는 일반적인 전력 밀도인 5-10 NW/cm2에 해당한다.
펄스가 더 긴 경우 램프로 유입되는 전기적 선 에너지 밀도를 더 크게 할 수 있다. 플래쉬튜브에 1msec 펄스를 할 경우 전기적 선 에너지 밀도를 100 J/cm로 할 수 있다. 촛점 구역에서의 해당 에너지 밀도는 300 J/cm2까지 일수 있다. 이러한 에너지 밀도는 의료용으로 뿐만 아니라 산업용 세척 및 가공 공정에 매우 효과적이다.
광섬유을 선형 플래쉬 램프 같은 돌출된 광원에 연결시키기위한 또다른 구체예가 제 11 및 12 도에 나타나있다. 제 11 도의 경우, 광섬유(101)이 램프(102)와 램프 덮개(103)에 감겨져 있다. 광원에 의해 생성된 빛의 일부가 섬유에 연결된다. 만일 광선이 광섬유에 의해 포획되는 방향으로 전파된다면 이 빛은 광섬유 내에서 전파되게 될 것이고 이는 섬유 출력부(104)에서 사용될 수 있다. 이러한 구조의 한가지 제한점은 램프(103)에서 방출된 빛의 대부분이 램프(103)의 표면에 수직한 방향으로 이동하여 섬유(101) 안에 포획되지 않는다는 점이다.
제 12 도에 도시된 실시예는 상술된 문제점 극복한다. 제 11 도의 광섬유와 같이 도프제로 처리되지 않은 광섬유와 달리, 램프(102)와 폐쇄부(103) 둘레에 도프제로 처리된 광섬유(105)가 권선되어 있다. 이러한 도프제로는 램프(102)로부터 조사되는 방사선에 의하여 여기되는 형광성 물질이 있으며, 이것은 광섬유 내부에 광선을 방사한다. 이러한 광선은 전방향으로 방사되며 광섬유(105)의 임계각에 포함되는 광선의 일부는 차단되어 광섬유를 통해 전달되며 그리고 그것은 광섬유 출력부(104)에서 이용될 수 있다. 광섬유에서 차단되는 광선의 각도는 광섬유 또는광 도파관으로 구성되는 재료의 임계각이다. 광섬유(또는 황 도파관)의 경우에 상기 각도는 대기에서 sinα=1/n으로 설정된다.
통상 유리 또는 기타 투명한 물질의 경우에 n=1.5 이고 α=41.8°이다. 이것은 광섬유 내부의 형광성 물질에 의하여 조사되는 광선의 10% 이상의 차단 효율에 상응한다. 형광성 물질 작용의 효율이 50% 라고 가정하면, 램프에 의하여 발생된 광선중 5% 이상이 차단되어 광섬유 아래로 전달된다. 예를 들면, 300 J/inch의 선형 전기 에너지 입력과 50% 전기 대 광전 변환율을 갖는 4 인치 림프는 2.5% 전기 에너지를 광섬유에 연결한다. 이것은 4 인치 램프의 경우에 30J 광선의 전체 광 에너지에 상응한다. 본 실시예는 램프에 의하여 조사된 파장을 상술된 몇몇 치료 또는 처리 적용시에 보다 유용한 파장으로 전달하는 장점을 또한 갖는다. 따라서, 광섬유에 도프제로 처리되는 형광성 물질은 특정 적용 장치에 의하여 결정된 조사 파장에 따라 선택될 수 있다.
또다른 실시예는 광선을 피부에 접촉시키기 위하여 겔을 사용하는 것을 포함한다. 이러한 겔은 피부의 표피(진피의 상부층과 표피) 가열을 감소시킨다. 겔은 고점성 수성 겔이 바람직하며 치료하기 전에 피부에 도포되지만, 수성이 아닌 다른 겔도 사용될 수 있다. 수성 겔과 같이 비교적 높은 열 용량과 열 전도성을 갖는 겔은 외부 피부(특히, 표피)를 냉각시키는데 바람직하다. 또한 치료하는 중에 광선이 투명 겔을 통과하여 피부에 도착하기 때문에 투명성이 바람직하다.
이하, 제 13 도를 참조하면, 겔(110)이 치료하기 전에 피부(21)에 도포된다. 피부 상부의 겔은 광선이 통과하는 겔의 상부층의 불규칙성에 의하여 광선이 산란되어 피부에 대한 투과율을 감소시키기 때문에 편평한 층으로 도포된다. 이러한 편평도를 얻기 위하여, 피부의 상부에는 고형의 투명한 편평 부재(111)가 제공될 수 있다. 제 13 도에는 그 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 투명판은 유리 또는 기타 투명한 재료로 구성될 수 있다. 플래쉬 램프 하우징이나 도파관이 투명판과 직접 접촉하는 상태로 배치될 수 있다.
제 13 도에 도시된 구성은 피부 표면의 불규칙성에 기인하여 피부에 유입되는 광선 (화살표 113으로 지시)의 산란을 감소시키는 장점을 갖는다. 피부는 공기의 굴절율 보다 큰 굴절율을 갖는다. 따라서, 광선이 피부에 0°의 입사각으로 충돌한다면, 공기와 피부의 접촉면에 충돌하는 부분이 굴절된다. 피부의 표면이 불규칙하기 때문에 피부의 각 분포가 증가한다. 이것은 제 14 도에 개략적으로 도시되어 있다.
겔을 사용하면 피부 조직에 의해 만들어진 불규칙한 공극에 겔이 채워질 수 있기 때문에 상술된 문제를 해결한다. 겔을 차폐하는 투명관 및 겔 자체는 피부의 굴절율과 유사한 굴절율을 갖는 것이 바람직하다. 이것은 피부의 굴절율이 가시 광선과 근적외선에서 1.4 정도이기 때문에 비교적 용이하다. 대다수의 유리와 투명한 플라스틱은 매우 유사한 1.5 정도의 굴절율을 갖는다. 물의 굴절율은 이 범위에 속하는 1.34 정도이다. 수성 겔은 이와유사한 굴절율을 갖는다. 상기 굴절율은 적정 첨가제에 의하여 증가될 수 있다. 따라서 편평판과 겔은 광선이 충돌하는 편명명면으로 작용하다. 겔과 편평판이 피부의 굴절율과 유사한 굴절율을 갖고 있으므로, 겔-편평판 및 겔-피부 접촉면에서는 산란이 거의 발생하지 않는다.
겔을 사용하면, 다리 정맥과 피부의 다른 양성 혈관 질환의 치료에 매우 효과적이다. 치료는 상술된 플래쉬 램프로 수행된다. 그러나, 다른 실시예로써 비간섭 광원 또는 간섭 광원이 사용될 수 있다.
작동중에 광선은 펄스가의 지연이 짧은 3개의 펄스 시이퀀스로 피부에 조사되는 것이 일반적이다. 이러한 작동 모드는 다리정맥의 크고 깊은 맥관과 비교하여 얕고 얇은 (0.1mm 두께이하) 표피를 신속히 냉각시키는데 사용된다. 피부와 접촉하는 겔은 펄스사이의 대기 주기 동안 표피를 냉각시킨다. 이러한 냉각은 표피의 손상을 상당히 감소시킨다.
본 발명에 따르면, 치료부위에 긴 펄스 또는 지연에 의하여 분리되는 펄스 시이퀀스로 광선이 조사된다. 지연 및/또는 펄스 길이는 소정의 치료를 성취하기에 충분하지만 피부를 손상시킬 정도는 아닌 열을 제공하기 위하여 작동자에 의하여 조절되는 것이 바람직하다.
상기 개념은 크고 깊은 맥관(2mm의 직경과 2mm의 깊이 정도)으로 테스트되었다. 상업용 수성 울트라사운드 겔이 피부에 도포되었다(파커 유에스에이에 의하여 제조된 아쿠아 클리어 겔이 1 내지 2mm 두께로). 겔의 층을 편평하게 하기 위하여 1mm 두께의 얇은 유리 윈도우가 사용되었다. 장치로부터 얇은 유리와 겔을 통과하여 피부까지 광선이 조사되었다. 이러한 구성은 30 내지 40 J/cm2의 광자 플루언스로 테스트되었다. 피부를 손상시키지 않고 맥관의 응고와 클리어런스가 얻어졌다. 이것은 겔을 사용하지 않고 또한 동일한 펄스 구조를 갖는 20J/cm2의 플루언스가 피부의 화상을 유발하는 시도와 상반된다.
표피는 약 0.1mm의 두께와 약 5msec의 냉각 속도를 갖는다. 따라서 화상을 방지하기 위하여 5 msec 이상의 지연이 이용된다.
또 다른 실시예로서 치료용으로 사용되는 광선의 스펙트럼을 플래쉬 램프에 인가되는 전압 및/또는 전류의 제어에 의하여 조절하는 것이다. 당업계에 공지된 바와 같이, 플래쉬 램프에 의하여 발생된 광선의 스펙트럼은 플래쉬 램프에 인가된 전압과 전류는 소정의 치료 스펙트럼을 제공하도록 선택된다. 적정 전압과 전류는 사용되는 각각의 플래쉬 램프에 대하여 실험적으로 결정될 수 있다. 예를들면, 200 암페어의 플래쉬 전류가 제 17 도에 도시된 스펙트럼을 발생시킨다. 이와 유사하게, 제 18 도의 스펙트럼을 380 암페어의 플래쉬 램프 전류의 사용에 의하여 발생되었다. 제 17 도의 스펙트럼은 800-1000mm의 파장 범위에서 상당히 증가하는 것을 나타낸다. 이러한 스펙트럼은 큰 맥관의 치료에 특히 유용하다.
출력 스펙트럼을 제어하는데 사용되는 다른 전압과 전류는 플래쉬 램프용 전원의 일부로써 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있는 한 그룹의 또는 일련의 캐패시터를 사용하여 얻을 수 있다. 직렬 접속은 비교적 고전압과 고전류를 제공하여, 500-650mm와 같은 짧은 파장의 에너지를 갖는 스펙트럼을 발생시킬 수 있다. 이러한 직렬 접속은 보다 작은 맥관의 치료에 유용한 짧은 펄스 (예를들면, 1 내지 10 msec)를 발생시키기에 보다 적합하다.
병렬 접속은 저전압과 저전류를 제공하여, 700-100mm와 같은 보다 긴 파장의 출력 스펙트럼을 발생시킨다. 이러한 스펙트럼은 큰 맥관의 치료용으로 보다 적합하며 보다 긴 펄스(예를들면, 10-50msec의 범위) 발생용으로 적합하다. 직렬 또는 병렬 접속의 선택은 하나의 계전기 또는 여러 셋트의 계전기를 사용하여 달성될 수 있다.
또다른 실시예에서, 제 3 도에 도시된 펄스 형성 네트워크는 제 19 도에 도시된 바와 같이 GTO 구동회로 (121)로 대체되었다. 제 19 도의 구동 회로는 플래쉬 램프에의 전력 공급을 제어하기 위하여 턴온 및 턴오프될 수 있는 스위치를 사용한다. 본 실시예는 스위치로 사용되는 GTO에 대하여 설명되었지만, IGBT와 같은 턴온 및 토오프될 수 있는 다른 스위치가 사용될 수 있다.
제 18 도를 참조하면, 구동회로(121)는 고전압원(122), 커패시터 뱅크(C5), 인덕터(L5), 다이오우드(D5), 스위치(GTO1), 다이오우드(D6), 다이오우드(D7), 저항기 (R5), 캐패시터(C6), GTO 트리거 발생기(TR1), 저항기 (R7), 캐패시터(C7), 및 플래쉬튜브 트리거 발생기(TR2)를 구비한다. 이러한 소자는 플래쉬 램프(14)에 접속되며 전원 펄스를 플래쉬 램프(14)에 인가하는 작용을 한다. 펄스의 지속 시간과 타이밍은 본원에 기술된 바에 따라 제공된다. 구동부(121)는 하기에 기술된 방식으로 작동한다.
고전압원(122)은 캐패시터 탱크(C5) 양단에 접속되며, 캐패시터 뱅크(C5)를 플래쉬 램프(14)에 적응되기에 적합한 전압으로 충전시킨다. 캐패시터 뱅크(C5)는 하나 이상의 캐패시터로 이루어지며, 상술된 방식으로 구성될 수 있다.
플래쉬 램프(14)를 조명하기 전에, 플래쉬 튜브 트리거 발생기(TR2)는 플래쉬 램프(14)의 작동을 정지시키고 내부에 비교적 낮은 임피던스 채널을 발생시킨다. 플래쉬 램프가 작동 정지된 후, 캐패시터(C7)는 플래쉬 램프(14)에 전류를 덤프(dump)하며, 플래쉬 램프(14)에 낮은 임피던스 채널을 또한 발생시킨다. 이에 의하여 예비 방전이 제공되어 플래쉬 램프(14)가 전원 펄스용으로 준비하게 된다. 캐패시터 (C7)는 캐패시터 뱅크(C5)에 비하여 소량의 전류를 제공한다. 또는, 구동 회로(121)는 예비 방전이 불필요한 심머(simmer) 방식으로 작동할 수 있다.
그 후, 스위치(GTO1)은 GTO 트리거 발생기 (T7R1)로부터의 펄스에 의하여 턴온되어, 플래쉬 램프(14)와 캐패시터 뱅크(C5) 사이의 회로를 완결시킨다. 따라서, 캐패시터 뱅크(C5)는 플래쉬 램프(14)를 통하여 예비 방전한다. 플래쉬 램프(14)를 통과하는 전류의 입상 시간을 제어하기 위하여 인덕터 (L5)가 제공될 수 있다. 인덕터(L5)는 도시되지 않은 고유 저항 소자를 구비 한다.
소정의 펄스폭에 의하여 결정된 길이의 시간이 경과한 후, GTO 트리거 발생기 (TR1)는 스위치(GTO1)에 펄스를 공급하여 턴오프시킨다. 제어 회로가 트리거 펄스의 타이밍을 결정하고 이를 소정의 펄스폭과 지연에 따라 제공한다.
스위치(GTO1) 용으로 다이오우드(D6), 저항기(R5) 및 캐패시터(C6)를 포함하는 완충기 회로가 제공된다. 또한, 스위치(GTO1)를 역전압으로부터 보호하기 위하여 다이오우드(D5, D7)가 제공된다. 스위치(GTO1)의 누설 전류를 측정하기 위하여 저항기(R7)이 섬광 램프(14)와 병렬로 제공되며, 이것은 스위치(GTO1)가 적절히 작동하는 것을 보장하는데 사용될 수 있다.
구동회로(121)에는 캐패시터 뱅크(C5)와 병렬 관계의 SCR 또는 다른 스위치가 제공될 수 있다. 이것은 스위치(GTO1)를 턴온시키지 않고 캐패시터 뱅크(C5)를방전 또는 리셋팅시킨다. 회로에 도시된 병렬 트리거와 달리 직렬 트리거를 제공하는 것과 같은 다른 변경이 가해질 수 있다. 또 다른 변형된 형태로 플래쉬 램프(14)보다 레이저를 갖는 구동 회로를 사용하는 것이 있다.
펄스폭과 지연을 적절히 사용하면 표피에 화상을 입히는 것을 방지할 수 있다. 표피는 약 5msec의 냉각 시간을 가지며, 보다 큰 맥관은 보다 긴 냉각 시간을 갖는다(1mm의 맥관은 약 300msec 이상의 지속시간 펄스를 갖는다). 따라서, 펄스의 지속시간이 5msec 이상이면, 표피는 냉각되고 맥관은 그렇지 않다. 예를들면, 큰 맥관(약 1mm의 직경을 갖는 것과 같은)의 치료시에 100msec의 펄스는 피부를 냉각시키지만, 맥관은 냉각되지 않는다.
펄스 트레인을 사용하면 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이것은 단일의 긴 펄스를 플래쉬 램프에 제공할 수 없는 경우에 유용하다. 펄스간의 지연은 피부를 냉각시킬 수 있도록 그러나 맥관을 냉각시킬 수 있을 정도로 짧지 않게 선택된다. 따라서, 큰 맥관은 보다 큰 냉각 시간을 갖기 때문에 보다 긴 지연으로 처리될 수 있다. 작은 맥관은 신속히 냉각되기 때문에 지연이 긴 것은 비효율적이다. 그러나, 그것은 작은 에너지를 필요로하고 단일 펄스로 효과적으로 처리될 수 있다.
통상의 지연 시간은 20msec 내지 50msec 범위이다. 특히, 100-500msec 사이의 지연은 직경이 1mm 보다 큰 맥관에 효과적이다. 20-100msec 사이의 지연은 0.5 내지 1mm 직경의 맥관에 효과적이다. 10-50 msec의 지연은 0.1 내지 0.5mm 직경의 맥관에 효과적이다. 1msec 내지 20 msec 범위의 폭을 갖는 단일 펄스는 0.1mm 직경 이하의 맥관에 효과적이다.
또한, 피부 색소에 따라 지연 시간을 선택하여야 한다. 검은색 피부는 많은 에너지를 흡수하고 냉각을 위해 많은 시간을 필요로 한다. 따라서 보다 긴 지연 시간을 필요로 한다. 보다 밝은색의 피부는 적은 에너지를 흡수하므로 짧은 지연 시간을 필요로 한다.
다중 펄스가 피부에 있거나 또는 인접한 작은 맥관의 자반중 또는 파열을 방지하는 것으로 발견되었다. 화상을 방지하기 위하여 그리고 냉각시키기 위하여 펄스를 사용하는 것은 레이저 또는 다른 광원에 의하여 제공될 광선에 유효하다.
또다른 실시예로는 플래쉬 램프를 제어하기 위하여 마이크로 프로세서 또는 퍼스널 컴퓨터의 사용을 포함한다. 마이크로프로세서는 사용될 수 있다. 또한, 한 실시예에서 마이크로프로세서는 스크린과 키이보오드, 버튼, 마우스 또는 기타 입력 장치와 같은 사용자 인터페이스틀 구비한다. 마이크로프로세서는 처리 패러미터의 선택에 있어서 도움을 주는 정보가 내부에 저장되어 있다.
예를들면, 처리되는 조건이 포트 와인 스테인 (port wine stains) 피부 타입 III이면, 내과 의사는 그 조건을 마이크로프로세서에 입력한다. 마이크로프로세서는 570mm 차단 필터, 50msec의 지연 시간을 갖는 이중 펄스 및 55 J/m2의 플루언스를 이용하는 바와 같이 제안된 처리 패러미터에 응답하다. 내과의사는 이러한 제안된 패러미터를 변경할 수 있으나, 제안된 패러미터에 대한 작동 가이드라인까지 적용할 필요는 없다.
마이크로프로세서 또는 퍼스널 컴퓨터는 환자의 정보를 창출하여 데이터베이스에 저장하는데 사용될 수 있다. 따라서, 치료 상대, 치료 패러미터, 치료 회수 등과 같은 과거의 치료 정보는 저장되어 환자가 다시 치료받을 때 소환될 수 있다. 이것은 환자에게 적절한 치료를 제공하는데 있어서 큰 도움을 준다. 또한, 데이터베이스는 각각의 치료 전과 후의 환자 상대의 사진을 구비할 수 있다. 이것은 기록을 관리하고 또한 소정의 조건에 대하여 가장 유용한 치료가 어떤 것인가를 결정하는데 있어서 도움을 준다.
상술된 치료이외에, 본원에 기술된 장치와 방법은 다른 상태를 치료하는데 사용될 수 있다. 예를들면, 건선과 사마귀가 적절히 치료될 수 있다. 이와 유사하게, 피부 회복(주름살제거)에도 유효하다. 또한, 치질, 식도병변, 및 근육기형과 관련된 부인병 문제를 치료하기에 위하여 본 발명을 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 상술된 목적과 장점을 완전히 만족시키는 플래쉬 램프와 커플러가 제공된다. 비록 본 발명을 특정 실시예를 참조하여 기술하였지만, 당업자에게는 여러 가지 수정, 변경 및 변형이 이루어질 수 있음이 명백하다.
제 1 도는 비간섭의 펄스된 광원 피부 처치장치의 단면도이다.
제 2 도는 제 1 도의 광원의 측면도이다.
제 3 도는 제 1 도 및 제 2 도의 피부 처치 장치와 사용하기 위한 펄스의 폭을 변화시킬 수 있는 펄스 형성 네트웍의 도식적 다이아그램이다.
제 4 도는 토로이드형 플래쉬 튜브에서부터 나온 빛을 원추형 모서리를 갖는 광섬유로 연결시키는 커플러의 단면도이다.
제 5 도는 토로이드형 플래쉬 튜브의 측면도이다.
제 6 도는 토로이드형 플래쉬 튜브의 평면도이다.
제 7 도는 원추형 부분으로 연결시키기 위한 기하학적 도형을 나타낸다.
제 8 도는 토로이드형 플래쉬 튜브에서 나온 빛을 모서리가 편평한 광섬유로 연결시키는 커플러의 단면도이다.
제 9 도는 선형. 플래쉬 램프에서 나온 빛을 환형의 광섬유 다발에 연결시키는 커플러의 정면도이다.
제 10 도는 제 9 도의 커플러의 측면도이다.
제 11 도는 선형 플래쉬 램프에서 나온 빛을 광섬유에 연결시키는 커플러의 정면도이다.
제 12 도는 선형 플래쉬 튜브에서 나온 빛을 도프된 광섬유에 연결시키는 커플러의 정면도이다.
제 13 도는 투명판과 접해있는 겔 표면의 도식적 구조이다.
제 14 도는 겔을 이용하지 않았을때의 광자가 투과되는 것의 각 분포도이다.
제 15 도는 큰 각도로 발산시키는 도파관을 보여준다.
제 16 도는 좁은 각도로 발산시키는 도파관을 보여준다.
제 17 도는 플래쉬 램프의 전류가 200 amp 일때 만들어진 스펙트럼을 나타낸다.
제 18 도는 플래쉬 램프의 전류가 200 amp 일때 만들어진 스펙트럼을 나타낸다.
제 19 도는 플래쉬 램프용 GTO 구동 회로도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호 설명
10: 피부 처치장치 12: 하우징
14: 광원 (플래쉬 램프) 15: 바깥쪽 유리튜브
16: 반사경 18: 광 필터
20: 아이리스 21: 피부
22: 디텍터

Claims (6)

  1. 처치용 광 출력을 제공하도록 작동될 수 있는 비간섭성의 펄스된 광원과, 광원에 연결된 전력 공급원과, 반사경을 포함하며 개구부를 갖는 하우징으로 구성되며, 하우징내에 광원이 내장되어 반사경은 광원에서 나온 빛을 개구부로 반사시키고, 개구부와 처치부위 사이에 유연한 도파관이 배치되어 있고, 도파관은 광원에서 나온 비간섭성 광을 수용하여 이를 처치부위에 전송하고 광원, 반사경 및 도파관은 피부위에 6~100 J/cm2를 제공하도록 협동하는 것으로 이루어지는 처치부위를 처치하기 위한 치료용 처치 장치에 있어서,
    도파관이 원하는 처리 깊이에 반응하여 선택된 미리정해진 발산각을 갖는 빛을 전달하는 것을 특징으로 하는 처치부위를 처리하기 위한 치료용 처치 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 간섭 필터가 광원과 도파관 사이에 배치되고, 제 2 흡광 필터가 제 1 필터가 처치부위 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 처치 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 도파관이 흡광용 염료를 포함하는 물질로 만들어지고 제 2 흡광 필터인 것을 특징으로 하는 처치 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 반사경이 써클의 일 부분인 반사용 부분을 포함하는 것을특징으로 하는 처치 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 반사용 부분이 광원에 비교적 근접해있는 것을 특징으로 하는 처치 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 냉각용 겔이 처치부위 전체에 걸쳐 침착되어 있는 것을 특징으로 하는 처치 장치.
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