KR19990022272A - 치료용 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저 및 그 방법 - Google Patents

치료용 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

치료용 광 펄스를 발생하는 플래쉬램프-여기 색소 레이저는 색소 셀을 통하여 이득 매체를 순환시키는 순환기를 갖는다. 제어기는 순환기가 이득 매체를 순환시키는 동안 레이저 이득 매체를 여기시키기 위해 플래쉬램프를 트리거링함으로써 동작과 협조한다. 이 동작은 적어도 1 밀리세컨드의 존속기간을 갖는 레이저 광 펄스의 발생을 가능하게 한다. 색소 분해능의 흐름 속도가 중공내의 분해능이 거의 소모되기 전에 새로운 분해능이 공명 중공으로 들어갈 수 있도록 하기에 충분히 클 경우, 높은 영향력을 갖는 아주 긴 펄스가 가능해진다. 특히, 50msec 까지의 긴 펄스는 50 주울까지의 에너지로 달성될 수 있다. 이들 에너지는 예를 들면 본 발명이 피부 치료가 가능하도록 적합한 스포트 사이즈를 가능하게 한다.

Description

치료용 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저 및 그 방법
확장성 혈관(ectatic vessel)을 포함하는 혈관성 병변(vascular lesions),색소병변(pigmented lesion), 및 문신(tattoos)은 수년동안 레이저로 성공적으로 처리되어 왔다. 선택적 체온발산(photothermolysis)이라 불리우는 프로세스에 있어서, 타겟 구조체, 병변 조직 또는 문신 색소 입자, 및 주변 조직은 레이저광으로 집합적으로 조사되었다. 그러나, 이 레이저광의 파장이나 색은 그 에너지가 타겟에 의해 우선적으로 흡수되도록 선택된다. 우선적인 흡수에 기인한 타겟의 국소화된 가열은 그것의 파괴를 초래하게 된다.
가장 공통적으로 확장성 혈관내의 적혈구의 헤모글로빈에 대한 포도주양 물감(portwine stain)과 같은 혈관성 병변의 상황에서는 레이저광 흡수자, 즉 발색단(chromophore)으로서 작용한다. 이들 적혈구는 레이저광의 에너지를 흡수하여 열로 주변 혈관에 이 에너지를 전달한다. 이것이 충분한 에너지로 빠르게 일어나면, 혈관은 혈관의 경계내에 성분을 변성시키는 온도에 도달한다. 혈관 및 성분의 변성에 이르는 영향력(평방센티미터당 주울)은 흡수된 레이저 에너지의 상당부분이 혈관밖으로 확산될 수 있기 전에 혈관내의 타켓 부피의 온도를 약 70℃로 상승시킬 필요가 있도록 계산된다. 그러나, 영향력은 혈관을 둘러싸는 조직이 변성되지 않도록 제한되어야 한다.
제안된 바와 같이, 필요한 영향력을 간단하게 선택하는 것은 충분치 않다. 레이저광의 세기 및 펄스 존속기간은 국소화된 증기요법을 피하면서 펄스동안에 주위 조작으로의 확산을 선택적으로 최소화함으로써 최적화되어야만 한다. 끓음 및 증발은 병변을 둘러싸는 조직에서 손상 및 출혈을 증가시킬 수 있는 화학적 위험보다는 기계적인 위험을 초래한다. 이 압박은 혈관의 성분을 변성시키는데 필요한 영향에 대하여, 펄스 존속기간은 증발을 피하기 위하여 길고 낮은 세기여야 한다는 것을 제안한다. 또한, 펄스 존속기간은 열 확산도 때문에 너무 길어서는 안된다. 레이저 광 펄스로부터의 에너지는 혈관을 둘러싸는 조직으로 열이 분해되기 전에 증착되어야 한다. 상황은 발색단이 병변 혈관내의 적혈구 헤모글로빈일 경우 보다 더 복잡해지게 되는데, 그 이유는 혈관이 적혈구보다 크기가 더 크기 때문이다. 방사능은 작은 적혈구를 증발시키기지 않기 위하여 낮은 세기로, 그러나 변성의 포인트로의 열 확산에 의한 혈관이 가열하기에 충분히 길게 부가되고, 이어서 혈관을 둘러싸는 조직이 손상되기 전에 완료되어야 한다.
종래, 플래쉬램프-여기 색소 레이저는 레이저 광원으로서 사용되었다. 이들 레이저는 선택적인 체온발산을 위해 요구되는 고 스펙트럼 밝기를 갖는다. 예를 들면, 577 내지 585 nm 범위의 색은 헤모글로빈의 알파 흡수 대역과 정합하며 그러므로 혈관에서 적혈구에 의해 잘 흡수된다. 피부의 주요 색소인 멜라닌의 흡수는 필요한 선택성을 산출하는 이 범위에서 양호하지 않다.
플래쉬램프-여기 색소 레이저의 실시는 이러한 형태의 레이저에 의해 얻어질 수 있는 펄스 길이에서 문제점이 존재한다. 이론은 광 펄스의 길이가 확장성 혈관의 열 완화시간에 속해야한다는 것을 규정한다. 직경이 30 마이크론보다 더 큰 확장성 혈관은 피부의 혈관성 병변의 특성이다. 이들 대형 혈관은 0.5 msec의 완화시간을 가지며 이 길이의 펄스 존속기간을 필요로한다. 상업적으로 이용가능한 플래쉬램프-여기 색소 레이저는 일반적으로 0.5 msec보다 짧은 최대 펄스 길이를 갖는다. 그 결과, 30 마이크론보다 더 큰 확장성 혈관의 선택적 체온발산 처리는 펄스 존속기간 제한을 보상하기 위하여 최적 방사보다 더 큰 것에 의존하고 있다. 이것은 일시적인 색소형성, 즉 자반병(purpura)을 초래하게 된다.
플래쉬램프-여기 색소 레이저의 펄스 존속기간을 중가시키는 것이 시도되어 왔다. 미합중국 특허 제 4,829,262호 및 5,066,293호에 기술된 광 증폭기는 열 효과로부터 레이저 소등을 완화시키기 위하여 본 발명자에 의해 이용되었다. 그 설계는 공간적으로 비간섭 레이저를 개발하는 것에 중점을 두었다. 기본적으로, 색소 셀 각 단부에서 광학은 색소 셀을 통하여 단부 구멍 후방으로부터 발산하는 모든 광을 복귀시키고 색소 셀 벽을 반사시키도록 설계되었으며, 특정 공명 및 간섭 모드는 고려되지 않았다. 광학은 광선을 혼합하여 철저하게 빔을 균질되게 한다. 그러므로, 플래쉬램프에 위해 유도된 열 파괴로부터의 효과는 공명 모드가 레이저를 발하는 동작이 필요하지 않기 때문에 완화된다. 본 발명은 전형적인 레이저 구성에 의해 얻어질 수 있는 정도로 집중될 수 있는 광을 발생하지 않는다. 그러나, 필드의 큰 깊이 및 간섭 방사능을 제공하는 기밀하게 포커싱된 빔은 많은 의료 분야에 필요하지 않다. 혈관성 병변을 처리함에 있어서, 직경이 수 밀리미터인 포커싱된 스포트가 적당하다. 광 파이버 전달 시스템을 사용하기에 편리하며 필요한 모든 것은 긴 펄스 색소 레이저로부터 직경이 1 밀리미터인 파이버내로 에너지를 포커싱할 수 있다.
전형적인 레이저 패러다임, 즉 공간적으로 간섭광을 발생하는 레이저에 따라 혈관성 병변을 처리하기 위한 새로운 장치가 한번 구성되었다. 최적화를 위해, 이들 레이저는 상기한 공간적으로비간섭 방사능을 생성하는 구성에 의해 달성될 수 있는 것과 동일하거나 초과할 수 있는 펄스 길이를 발생하는 것이 판명되었다. 흥미로운 것은 색소 선택이 펄스 존속기간에 큰 영향을 미친다는 것이다. 색소 화학을 통해 수명을 개선함으로써 색소 저하의 감소는 상업적으로 이용가능한 장치에서 1.0 msec에 접근하는 펄스 존속기간을 가능하게 한다.
레이저 발사의 조급한 중단이 색소 분해능의 저하를 초래한다는 것이 관측되었다. 그 결과, 개선된 색소 분해능은 펄스 존속기간의 일부 증가를 가져올 수 있게 되었다. 그러나, 색소 저하는 전체적으로 제거될 수 없으며, 5 msec나 더 크며 의료 절차에 대한 영향을 가지는 펄스 존속기간이 달성될 수 있는 경우에, 다른 단계들이 취해져야 한다.
본 발명은 치료용 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저 및 그 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 선택적 체온발산 처리 시스템을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저(1)의 제 1 실시예의 개력사시도.
도 3은 제어기(160)로부터의 트리거 신호, 플래쉬램프 구동 전류, 및 색소 레이저(1)의 하나의 펄스에 대한 레이저 펄스 진폭 사이의 관계를 도시한 타이밍 도.
도 4는 본 발명의 플래쉬램프 구동기(162)의 회로도.
도 5A 및 5B는 레이저의 공명 중공을 통하여 길이방향 및 가로방향 색소 흐름 사이의 차를 도시한 도면.
도 6은 색소 셀을 통하여 길이방향 색소 흐름을 위해 구성된 색소 셀(105)을 개략적으로 도시한 도면.
도 7은 색소 셀(105)에서 색소 분해능의 잔류시간을 감소시키기 위하여 다중 입구(610-614) 및 출구 포트(620-624)를 가지며 길이방향 색소 흐름을 위해 구성된 색소 셀(105)을 개략적으로 도시한 도면.
본 발명은 플래쉬램프-여기 색소 레이저에서, 색소 분해능이 레이저 발사동안 적당한 속도로 놓여질 경우, 의료 절차에 대하여 요구되는 영향력 및 연장된 펄스가 단일 레이저 장치에서 가능하다는 인식에 부분적으로 의거하고 있다. 이 동작은 색소 분해능이 레이저의 공명 중공을 통해 계산되는 동안에 플래쉬램프를 트리거링함으로써 달성된다. 색소 분해능의 흐름 속도가 중공에서의 분해능이 거의 소모되기 전에 새로운 분해능이 들어갈 수 있도록 하는데 충분히 클 경우, 높은 영향력을 갖는 아주 긴 펄스가 가능하다. 특히, 50 msec까지의 보다 긴 펄스는 50주울까지의 에너지를 갖도록 달성된다. 이러한 높은 에너지는 피부치료와 관련된 본 발명을 형성하는 적합한 스포트 사이즈로 처리를 할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 본 발명은 선택적 체온발산에 요구되는 펄스 존속기간 및 색으로 광 펄스를 발생하는 플래쉬램프-여기 색소 레이저를 특징으로 한다. 이 레이저는 중공에 위치된 레이저 이득 매체를 함유하는 셀을 포함한다. 색소 분해능은 이러한 이득 매체의 전형적인 예이다. 적어도 하나의 플래쉬램프는 셀에 포함된 이득 매체를 여기시키기 위하여 제공된다. 순환기는 셀을 통하여 이득 매체를 순환시키는데 사용된다. 최종적으로, 제어기는 레이저 이득 매체를 여기시키기 위하여 플래쉬램프를 트리거링함으로써 동작에 협조하는 반면, 순환기는 셀을 통해 이득 매체를 순환시킨다. 이것은 적어도 하나의 밀리세컨드의 존속기간을 갖는 레이저 광 펄스를 발생시킨다. 또는, 다른 방법으로, 플래쉬램프는 셀에서 비순환된 레이저 이득 매체가 소모되고 출력 레이저 광을 억제하는 시간의 존속기간동안 레이저 이득 매체를 여기시킨다. 그러나, 매체가 순환되기 때문에, 펄스 존속기간이 연장된다.
어떤 적용의 경우에는, 출력 레이저 광 펄스의 존속기간은 바람직하게는 최소한 5 밀리세컨드이다. 일반적으로 펄스의 에너지는 20주울 미만이다. 더욱이, 레이저 광 펄스는 약 1헤르쯔의 반복율, 일반적으로 초당 3번 발생된다.
특정 실시예에서, 순환기는 색소 셀에서 이득 매체를 출력 레이저 광 펄스의 존속기간동안 적어도 한 번, 바람직하게는 한 번 이상 새로운 이득 매체로 대체한다. 이 동작은 예를 들면, 레이저 출력이 소모된 색소 분해능의 축적에 의해 억제되지 않는 것을 보장한다. 색소 셀을 통해 흐르는 이득 매체는 레이저 축에 대하여 가로방향이거나 또는 길이방향으로 축과 평행할 수도 있다. 바람직하게는, 길이방향의 구성이 이루어질 경우, 복수의 매체 입력 포트는 셀을 따라 제공되어야 한다. 복수의 매체 입력 포트는 셀이 흘러나가는 것을 허용하는데 필요하다. 인접한 입구 및 출구 사이의 색소 셀 세그먼트는 색소 셀을 통하여 흐르는 이득 매체의 잔류 시간이 레이저 펄스 존속기간보다 여러 배 짧게 되도록 짧다.
가로방향 흐름 실시예에서, 이득 매체는 두 개의 평행한 또는 거의 평행한 투명 셀 벽 사이로 흐르며, 상기 벽은 여기된 광이 색소 셀로 들어가도록 한다. 투명 셀 벽은 플래쉬램프 및 레이저 공명 축 방향으로 더 길고 흐름방향으로 더 짧다. 이득 매체는 윈도우의 긴 축에 수직하게 흐르며, 플래쉬램프 윈도우내에 그리고 레이저 광이 레이저 공명기를 포함하는 거울 사이로 반사되는 것을 허용하는 다른 세트의 윈도우내에 포함된다.
다른 특징에 따르면, 본 발명은 플래쉬램프-여기 색소 레이저에 대한 동작의 방법을 특징으로 한다. 이러한 방법은 공명 중공내의 색소 분해능을 플래쉬램프로 여기하는 단계 및 여기된 색소 분해능으로 공명 중공으로부터 레이저 광 출력펄스를 발생시키는 단계를 포함한다. 여기는 적어도 부분적으로 색소 분해능을 소모한다. 이 효과를 중화시키기 위하여, 적어도 부분적으로 배출된 색소 분해능의 일부는 레이저 광 출력펄스의 존속기간 동안 새로운 색소 분해능과 공명 중공에 여기된 새로운 색소 분해능으로 공명 중공에서 대체된다. 이것은 공명 중공 셀에서의 최초 색소 분해능이 소모되고 최초 색소 분해능이 절대로 대체되지 않을 경우 출력 레이저 광 펄스를 억제하는 시간이하로 레이저 광 출력펄스의 존속기간을 연장한다.
일반적으로, 또다른 특징에 따르면, 본 발명은 예를 들면 색소 분해능에 대한 펌핑 장치 구동기를 특징으로 한다. 이 구동기는 레이저로부터 레이저 광 출력펄스의 진폭을 검출하기 위한 센서를 포함한다. 이어서, 센서에 의해 검출된 진폭에 응답하여 레이저의 이득 매체를 여기하는 펌핑 장치에 공급된 파워를 조정하는데 사용된다.
특정 실시예에서, 펌핑 장치는 플래쉬램프이고 레이저는 색소 레이저이다.
다양한 신규한 내용 및 부분들의 조합을 포함하는 본 발명의 상기 및 다른 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면 및 청구범위를 참조로하여 상세하게 기술될 것이다. 본 발명을 사용하는 특수한 방법 및 장치는 설명에 의해 도시되었으며 본 발명에 한정되는 것은 아니라는 것을 이해하여야 할 것이다. 본 발명의 원리 및 특징은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 여러 가지 다양한 실시예에서 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 원리에 따라 구성된 선택적 체온발산 처리 시스템(10)을 도시한다. 시스템(10)용 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저(1)는 출력 레이저 강 펄스(120)는 단일 광학 파이버와 같은 의료 전달 시스템(20)내에 결합되고 환자의 피부(50)나 다른 조직으로 운반된다. 출력 레이저 광 펄스(120)는 혈관성 병변(60)을 처리하기 위하여 침투하게 된다. 이 병변(60)은 포도주양 물감 모반, 혈관종(hemangiomas), 모세관 확장증(telangiectasia), 특발성 외음질환(idiopathic vulvoddynia), 다리 정맥과 같은 많은 여러 가지 형태중 하나일 수 있다. 더욱이, 그것은 나이나 태양 노출에 의해 초래된 주름살에서의 혈관, 흉터 조직에서의 혈관, 또는 모발 소낭(follicles)일 수도 있다.
출력 레이저 광 펄스(120)의 펄스 존속기간은 타겟된 확장성 혈관의 열적 완화시간에 정합된다. 일반적으로, 이것은 0.2 msec보다 더 큰 존속기간을 요구한다. 성인 환자의 포도주양 물감에 존재한 바와 같이, 더 크고 직경이 30 마이크론인 혈관에 대하여, 존속기간은 이상적으로는 0.5 msec를 초과하여야 하는 반면, 1 내지 10 msec의 펄스 존속기간은 혈관이 100 마이크론보다 더 클 때 선택되어야 한다.
도 2는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저(1)를 좀 더 상세하게 설명한 개략도이다. 이러한 레이저들 중에서 일반적으로 공통인 바와 같이, 액체 레이저 이득 매체, 특히 색소 분해능을 포함하기 위한 색소 셀(105)은 레이저91)의 중앙축(108)을 따라 길이방향으로 연장한다. 전방 윈도우(130) 및 후방 윈도우(132)는 색소 셀(105)의 길이방향 연장부를 한정한다. 윈도우(130) 및 (132)는 투명하다. 색소 셀(105)은 공명 중공(110)내에 위치되어 있으며, 그 단부는 제 1 거울(112)과 제 2 거울(114)에 의해 한정된다. 일반적으로, 중공은 단일 길이방향 모드 또는 단일 주파수만을 지지하지 않는다. 제 2 거울(114)이 전체 반사될 때, 제 1 거울(112)은 부분적으로 반사되고 부분적으로 투과되며, 출력 구멍(116)을 한정한다. 그 결과, 공명 중공(110)에 발생된 광의 일부는 레이저(1)의 출력 빔(120)으로서 제 1 거울(112)을 통과한다.
색소 셀에서의 색소 분해능은 플래쉬램프(124a 및 124b)에 의해 광학적으로 펌핑된다. 색소 셀(105)의 광투과성 좌측벽(122a)의 외부에는 좌측 플래쉬램프(124b)가 있다. 우측 플래쉬램프(124a)는 광투과성인 우측벽(122b)의 외측상에 있다. 이들 플래쉬램프(122b,124b)는 색소 셀(105)에 포함된 색소 분해능을 여기하는 널은대역의 광을 발생한다. 이것은 여기된 색소 분해능으로부터 광의 자극된 방사를 초래한다. 우측 및 좌측 반사기(126a 및 126b)는 색소 셀(1050내로 주사된 광을 최대로하기 위하여 각 플래쉬램프(124a 및 124b)를 둘러싼다. 이들 반사기는 타원형이거나 확산형일 수 잇다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 사용되는 플래쉬램프(124a 및 124b)는 짧은 펄스 색소 레이저에서 발견된 것보다 더 높은 펄스 에너지를 갖는다. 5 msec의 출력 레이저 광 펄스의 발생동안, 플래쉬램프에 의해 색소 분해능으로 주사된 전체 펌핑 에너지는 대략 2000주울이다.
색소 순환기는 색소 분해능이 플래쉬램프(124a,124b)에 의해 여기되는 동안 색소 셀(105)을 통하여 색소 분해능을 순환시키는 기능을 한다. 이 동작은 저하된 색소가 레이저 펄스동안 대체되지 않은 색소 레이저에서 얻어질 수 있는 것 이상으로 출력 레이저 광 펄스(120)의 존속기간을 연장시키기 위하여 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저(1)를 인에이블한다. 에를 들면, 종래의 레이저에서, 출력 레이저 광 펄스동안의 색소의 저하는 약 0.5 msec내의 레이저 발사동작을 억제한다. 본 발명에 있어서, 출력 레이저 광 펄스(120)의 존속기간은 레이저 광을 흡수하는 저하된 색소를 대체하고 레이저 동작을 억제하여 펄스 존속기간을 증가시키기 위하여, 공명 중공내로 새로운 색소를 주사함으로써 종래의 레이저의 억제 시간을 이상으로 증가된다. 도시한 실시예에서, 이 순환기는 공급 저장소(152)로부터 새로운 색소 분해능을 수용하는 색소 펌프(150)를 포함한다. 색소는 색소 레이저(1)의 길이방향 축(108)을 따라 흐르는 색소 분해능을 분배하는 공급 매니폴드(154)(여기서는 환영)내로 펌핑된다. 색소 분해능은 레이저(1)의 축에 대하여 가로방향으로 색소 셀(105), 및 공명 중공(110)을 통해 흐른다. 수집 매니폴드(156)(환영)는 색소 셀을 통과한 후에 색소 분해능을 수집하며 고갈된 색소 저장소(158)로 향하게 된다.
별도의 공급 저장소(152) 및 고갈된 색소 저장소(158)는 엄격히 말해서 필요없다. 재순환 및 여과 시스템은 가능하다. 1993년 12월 10일자로 출원되고 색소 레이저에서 색소 분해능을 채우기 위한 방법 및 장치'라는 발명의 명칭의 미합중국 특허출원 제 08/165,331호에는 레이저 발사 과정으로부터의 부산물이 여과되어 색소 분해능이 재사용되는 시스템이 기술되어 있다.
제어기(160)는 레이저 펄스동안 색소 셀(105)의 소모된 색소 분해능을 대체함으로써 출력 레이저 광(120)의 연장된 펄스 존속기간을 달성하기 위하여 플래쉬램프(124a,124b)의 트리거링 및 색소 펌프(150)의 동작과 협조한다. 특히, 제어기(160)는 먼저 색소 펌프(150)를 활성화함으로써 색소 셀(105)을 통하여 색소 분해능의 정성상태 흐름을 형성한다. 색소 분해능이 색소 셀(105)을 통하여 흐를 때, 제어기(160)는 플래쉬램프 구동기(162)로 트리거 신호를 보낸다. 트리거 신호는 펄스 존속기간을 한정하고 플래쉬램프 구동기(162)가 플래쉬램프(124a,124b)에 구동전류를 공급하도록 한다. 플래쉬램프로부터의 광은 색소 분해능을 여기시키고 출력 레이저 광(120)을 생성한다.
일정한 진폭을 갖는 출력 레이저 광 펄스는 출력 레이저 광(120)의 세기를 감지하고 플래쉬램프 구동기(162)에 피드백을 제공하는 세기 검출기(164)로 생성된다. 전형적으로, 검출기는 출력 레이저 광의 진폭을 나타내는 세기 신호를 발생하는 광검출기 또는 다이오드 일수 있다. 이 신호는 플래쉬램프 구동기(162)에 의해 수신된다. 피드백 신호는 트리거 신호와 결합된다. 이것은 플래쉬램프 구동기가 출력 레이저 광의 순간적인 세기에 응답하여 플래쉬램프(124a,124b)에 구동전류의 레벨을 적절하게 수정하도록 한다. 이득 매체가 고갈된 색소를 포함할 경우, 여기의 증가는 일정한 출력을 유지하는 것이 요구된다. 고갈된 색소가 빨리 제거될 수 있으면, 여기 펄스는 거의 일정하게 남게될 것이다.
일반적으로, 일부 소모된 색소 분해능은 펄스의 경로 전반에 걸쳐 색소 셀(105)에서 축적되는 경향이 있다. 실제로, 빠른 순환에서도, 새롭고 소모되지 않은 색소의 퍼센트는 플래쉬램프가 먼저 구동되기 전에 순간만큼 절대로 크지 않다. 색소 셀(105)에서 발생된 광의 적어도 일부는 레이저 발사를 하는데 필요한 여기의 드레스홀드 레벨을 증가시키는 경향이 있다. 세기 검출기(164)는 출력 광 진폭의 어떤 감소를 검출하고 플래쉬램프가 일정한 출력 레벨을 유지시키기 위하여 힘겹게 구동되는 원인을 초래한다. 그러므로, 구동 전류는 출력 광 진폭에서 일정한 진폭을 유지하기 위하여 변화된다. 선택적으로, 램프 트리거 펄스는 일부 적용분야에 대해서는 최적인 출력 레이저 광의 중가 또는 감소하는 세기를 발생한다.
보다 긴 펄스 존속기간은 플래쉬램프(124a,124b)로부터 아주 강하게 여기하는 에너지를 제공하면서 출력 레이저 광 펄스의 발생동안 색소 셀을 통하여 색소 분해능을 순환함으로써 가능하다. 고갈된 색소를 채우지 않고 최대 획득가능한 펄스 존속기간은 대략 2.5 msec이다. 이것은 특정 수명의 색소를 사용함으로써 달성된다. 본 발명에서 동일한 색소를 사용하면, 5.0 msec의 펄스 존속기간은 펄스동안 적어도 두 번 색소 셀(105)에서 색소 분해능을 대체함으로써 달성된다. 그 결과, 색소 분해능이 부분적으로 또는 완전히 소모될 때, 새로운 분해능이 색소 분해능이 오래된 분해능을 대체하기 위하여 셀(105)에 부가되며, 새로운 분해능은 순환기에 의해 펌핑된다. 본 발명에 있어서, 색소가 색소 셀(1050에서 대체되는 속도는 색소를 어떻게 빨리 저하시키느냐에 좌우된다. 색소가 2.5sec후에 소모되면, 그 시간내에 대체되어야 한다. 색소가 색소 셀(105)에서 대체되는 전체 배수는 요구된 펄스 존속기간에 좌우된다. 예를 들면, 10 msec의 펄스 존속기간은 2.5 msec의 색소 수명을 갖는 적어도 네 개의 색소 대체의 등가를 요구한다.
예를 들면, 보다 큰 확장성 혈관의 체온발산 처리는 본 발명에 의해 얻어질 수 있는 더 긴 펄스 존속기간을 요구한다. 직경 100 및 200 마이크로미터의 혈관은 각각 4.8 및 19.0 msec의 열적 완화시간을 가지며 최적의 효과적인 치료를 위한 유사한 펄스 존속기간을 요구한다. 에너지는 일반적으로 1 내지 20 주울이며, 50 주울은 모발 제거 적용분야에서 요구될 수 있다.
도 3은 트리거 신호 전압, 암페어 단위의 플래쉬램프 여기, 및 펄스 발생동안의 시간의 함수로서 레이저 펄스 진폭(120)을 도시한다. 특히, 제어기(160)는 먼저 레이저 펄스의 개시전에 색소 셀(105)을 통해 정상상태 색소 흐름을 형성하기 위하여 색소 펌프(150)와 결합한다. 이어서 제어기(160)는 트리거 신호를 플래쉬램프 구동기(162)로 보낸다. 이 트리거 신호의 길이는 출력 레이저 광 펄스(120)의 적정한 존속기간을 한정한다. 도시한 예에서, 존속기간은 레이저를 발사하기 위하여 색소 분해능을 여기시키는데 요구되는 잠복시간 T 플러스 5 밀리세컨드이다.
트리거 신호전에, 플래쉬램프 구동기(162)는 종래와 같이 시머 전류(simmer current)(205)를 갖는 플래쉬램프(124a,124b)에서의 약간 부동작 전류를 유지한다. 이어서, 트리거 신호의 선단 에지(206)에 응답하여, 플래쉬램프 구동기(162)는 플래쉬램프(124a,124b)에 대한 구동전류를 생성한다. 레이저 펌핑 장치로서 기능하는 플래쉬램프는 신선한 색소 레이저 드레스홀드(208)에 도달할 때 레이저 발사하도록 하는 여기상태로 색소 셀(105)에서의 색소 분해능을 펌핑한다. 이것은 참조부호(212)에 의해 지시된 진폭을 갖는 출력 레이저 광 펄스(120)를 초래한다. 일반적으로, 플래쉬램프 구동기(162)는 세기 검출기(164)로부터 피드백신호에 응답하여 출력 레이저 펄스의 존속기간에 걸쳐 플래쉬램프(124a 및 124b)에 대한 전류를 증가시킨다. 증가하는 레이저 드레스홀드(209)를 산출하는 셀(105)에서의 저하된 색소 분해능의 축적에 기인하여 점진적으로 더 구동전류가 요구된다. 동일한 포인트에서, 신선한 색소에 대한 저하된 색소의 비율의 평형에 도달된다. 현재, 여기 전류는 정상상태(210)이다.
그 결과 형성된 레이저 출력(212)은 플래쉬램프 파워가 드레스홀드 레벨(208), 트리거신호(206)의 상승 에지후의 시간 T 이상으로 상승할 때 시작된다. 펄스는 트리거 신호의 강하 에지(215)가 제어기(160)에 의해 발생될 때 5 밀리세컨드후에 종료된다.
도 4는 발생된 레이저 출력의 세기에 응답하여 플래쉬램프의 구동 레벨을 능동적으로 제어하는 도 2에 도시된 플래쉬램프 구동기(162)의 회로도를 도시한다. 특히, 플래쉬램프 구동기(162)는 컨덕터(305)를 통해 제어기(160)로부터 트리거신호를 수신한다. 이 트리거 신호는 플래쉬램프가 구동되는 시간, 즉 레이저 광 펄스의 존속기간을 한정한다. 레이저 광 펄스의 길이는 트리거 신호의 길이를 변화시킴으로써 동조가능하다. 이 신호는 저항(R1)을 통하여 합산 노드(310)에서 수신된다. 출력 레이저 광(120)의 세기를 나타내는 피드백 신호는 합산 노드(310)에서 저항(R2)을 통해 세기 검출기(164)로부터 수신된다. 합산 노드의 전압은 합산 노드(310) 및 공급전압원(Vcc) 사이에 접속된 제 3 저항(R3)에 의해 바이어싱된다. 도시한 특정 실시예에서, 트리거 신호는 합산 노드(310)의 전압을 접지 이하로 꿀어내리는 저레벨 능동신호이다. 비교기(315)는 합산 노드의 전압과 접지전위를 비교한다. 트리거 신호의 수신에 응답하여, 비교기(315)는 절연된 게이트 브레이크다운 트랜지스터(IGBT)와 같은 파워 트랜지스터나 파워 달링톤(320)을 턴 온시켜 트랜지스터를 도통시킨다. 이 경우는 플래쉬램프(124a 및 124b)에 대한 구동전류를 발생하는 플래쉬램프 전반에 걸쳐 고전압 파워 서플라이(325)의 전압을 형성한다. 캐패시터(C1)는 플래쉬램프(124a, 124b)의 구동을 보조하기 위하여 전하를 저장한다. 시머 서플라이(340)는 안정한 전압을 유지하기 위한 시머 전류를 제공하기 위하여 플래쉬램프(124a,124b)에 접속되어 있다. 시머가 없으면, 동작은 에러를 발생한다. 이 시머전류는 도 3에서 플래쉬램프 여기 플롯의 부분(205)으로부터 명백하다.
플래쉬램프 구동기(162)의 적용가능성은 많은 다른 형태의 레이저에서 이득 매체를 여기시키는 펌핑장치에 대한 구동기로서 실시될 수 있는 색소 순환기를 갖는 플래쉬램프-여기 색소 레이저에 한정되지 않는다. 많은 형태의 레이저는 광 펄스의 길이에 걸쳐 증가된 여기 드레스홀드로부터 문제점을 갖는다. 특징적으로, 색소 흐름이 없는 종래의 플래쉬램프-여기 색소 레이저는 일한 문제점을 갖고 있다. 본 발명의 펌핑 장치는 이들 레이저 및 레이저-여기 색소 레이저에 대한 적용가능성을 찾을 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 플래쉬램프 또는 다른 형태의 레이저 펌핑 장치는 레이저 출력에서의 어떤 세기의 손실에 응답하여 증가하는 여기 전류를 공급할 것이다.
도 5A 및 5B는 길이방향 흐름 색소와 가로방향 흐름 구성 사이의 중요한 차이를 설명한다. 도 1의 제 1 실시예는 도 5B의 가로방향 흐름 형태에 상응한다. 이들 구성은 일반적으로 색소 셀(105)에서 색소 분해능의 짧은 잔류시간을 제공한다. 색소 분해능은 단지 공명 중공(110)의 폭 전반에 걸쳐 이동하여야 한다. 도 5A의 흐름 방향 구성은 선택적인 것을 제공한다. 그러나, 색소 분해능이 색소 셀의 길이를 따라 이동하기 때문에 잔류시간은 동일한 흠 속도에 대하여 더 길어진다.
도 6은 색소 분해능이 레이저 축(530)과 평행하게 색소 셀(505)의 길이를 따라 길이방향으로 이동하는 색소 셀(505)의 제 2 실시예를 설명한다. 색소 분해능은 펌프(150)에 의해 입력 포트(510)를 통하여 순환된다. 제 1 및 제 2 실시예(112,114)는 도 1과 관련하여 기술된 바와 같이 색소 셀(505)이 위치되어 있는 공명 중공(520)을 한정한다.
제 2 실시예 구성은 색소 셀(505) 구성에 대하여 어떤 제한이 있다. 유체(550)의 소정의 단면은 대략 2.5 msec의 색소 셀(505)의 길이에 걸쳐있다. 이것은 레이저 발사동안 색소 분해능의 사용가능한 수명을 대하여 좋은 평가를 갖는다. 그러나, 속도는 색소 셀(505)이 견디어낼 수 있는 압력에 의해 제한된다. 경험으로는 초당 10 미터의 흐름은 평방 인치(psi)당 100 파운드 이하로 동작하는 펌프에 대한 최대속도이다. 이들 인자(factor)는 색소 셀(505)의 길이를 대략 1인치로 제한한다.
도 7은 도 6의 제 2 실시예의 변형을 기초로한 제 3 실시예를 도시한다. 여기서, 복수의 색소 입력 포트(610,612,614)는 색소 셀(605)의 길이를 따라 길이방향으로 놓여있다. 순환기의 입력 매니폴드(625)는 펌프(650)로부터의 이들 포트의 각각에 색소를 공급한다. 출력 포트(620,622,624)는 색소 셀(105)의 반대측상의 입력 포트(610-614) 사이에 놓여있다. 출력 매니폴드(632)는 이들 포트를 통하여 색소 셀(605)을 여기하는 색소 분해능을 수집한다. 이 구성에서, 입력 포트(610-614)중 어느 하나를 통해 흐르는 색소는 분할되어 가장 가까운 출력 포트(620-624)를 통과하여 레이저 축(630)애 평행하게 다시 흐르게 된다. 입력 포트와 그것에 가장 가까운 출력포트 사이의 길이방향 간격이 대략 25 mm이면, 인접한 입력 포트사이의 50mm, 10m/sec의 흐름 속도는 색소 분해능의 잔류시간을 2.5msec로 제한하기에 충분하다. 이것은 5msec 레이저 펄스 존속기간의 2배 또는 10msec 펄스의 4배로 색소 분해능이 교환될 수 있는 것을 허용한다.
공명 중공을 통하여 색소 이득 매체의 가로방향 흐름을 갖는 색소 레이저는 다른 적용분야에 대한 다수의 다른 내용으로 과거 개발되어 왔다. 연속파(cw) 색소 레이저도 개발되어 왔다. 이들 레이저의 색소는 다른 레이저에 의해 펌핑된다. 이 레이저는 임의의 흐르는 색소 분해능에 대하여 작은 스포트로 포커싱된다. 그러므로, 이 장치에서 여기된 색소의 체적은 아주 작다. 포커싱된 펌핑 레이저로부터 빔의 경로에서 임의의 색소의 작은 일부만이 여기되어, 자극된 발산에 의해 광을 발생한다. 이러한 형태의 색소 레이저가 연속파 출력을 발생한다 할지라도, 의료 적용분야에서 요구되는 평균 파워의 킬로와트를 생성할 수는 없다.
아주 높은 펄스율 가로방향 흐름 색소 레이저는 동위체분리 적용분야에 대하여 개발되어왔다. 이들 구성의 취지는 수 마이크로세컨드의 1주울의 출력 에너지를 생성하기 위한 것이다. 점화 속도를 제한하는 열적 왜곡은 이전의 펄스로부터 공명 중공에서 여기된 색소를 새로운 색소로 대체하고 이어서 플래쉬램프를 트리거링함으로써 피해진다. 이러한 장치들은 거의 1 킬로헤르쯔의 펄스 주파수를 발생하도록 도시되었다. 이러한 산업적인 적용에 있어서, 피크 및 평균 출력 파워 및 펄스 주파수는 더 긴 펄스 존속기간, 저주파수에서의 적당한 피크 및 평균 파워가 더 좋은 의료 절차에 하여 요구되는 것을 훨씬 더 초과한다. 킬로와트에 가까운 평균 파워는 가로방향 흐름 색소 레이저를 사용하여 발생되었다. 의료분야의 적용에 있어서는 수 와트의 평균 파워가 요구된다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조로 도시되고 기술되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 정신 및 범위에서 벗어나지 않고 다양한 변화가 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백히 이해될 수 있을 것이다. 예를 들면, 공명 광학 시스템은 색소 셀과 통합되어 공명 중공과 동일한 시간에 걸쳐 셀을 만들 수 있다.

Claims (24)

  1. 중공을 한정하고 출력 레이저 광 펄스로서 상기 중공에서 발생된 광의 적어도 일부를 제공하는 광학 시스템;
    상기 중공내에 레이저 이득 매체를 포함하기 위한 셀;
    상기 셀내에 포함된 레이저 이득 매체를 여기시키기 위해 상기 중공에 인접하게 위치된 플래쉬램프;
    상기 레이저 광 펄스의 존속기간동안 적어도 한 번 상기 셀내의 이득매체를 새로운 이득매체로 대체시키기 위하여 상기 셀을 통해 상기 이득 매체를 순환시키도록 상기 셀과 유체 연통하는 순환기; 및
    상기 순환기가 상기 레이저 광 펄스의 존속기간을 1 밀리세컨드 이상 연장시키기 위하여 상기 셀을 통해 상기 이득 매체를 순환시키는 동안, 상기 레이저 이득 매체를 여기시키기 위해 상기 플래쉬램프를 트리거링하기 위한 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  2. 중공을 한정하고 출력 레이저 광 펄스로서 상기 중공에서 발생된 광의 적어도 일부를 제공하는 광학 시스템;
    상기 중공내에 레이저 이득 매체를 포함하기 위한 셀;
    상기 셀내에 포함된 레이저 이득 매체를 여기시키기 위해 상기 중공에 인접하게 위치된 플래쉬램프;
    상기 셀을 통해 상기 이득 매체를 순환시키기 위해 상기 셀과 유체 연통하는 순환기;
    상기 순환기가 상기 셀내의 이득 매체를 순환시키는 동안, 상기 레이저 이득 매체를 여기시키기 위해 상기 플래쉬램프를 트리거링하고, 상기 출력 레이저 광 펄스의 발생동안 적어도 부분적으로 소모된 이득 매체를 새로운 이득 매체로 대체시키는 것을 가능하게 하기 위한 제어기를 포함하는데, 상기 플래쉬램프는 상기 셀내의 비순환된 레이저 이득 매체가 소모되어 상기 출력 레이저 광을 억제하는 시간의 존속기간동안 상기 레이저 이득 매체를 여기시키며; 및
    상기 중공으로부터 환자의 조직에 상기 출력 레이저 광 펄스를 전달하기 위한 의료 전달 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 치료용 광 펄스를 발생하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 출력 레이저 광 펄스의 존속기간을 적어도 5 밀리세컨드로 연장시키기 위하여 상기 플래쉬램프 및 순환기를 동작시키는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득 매체는 50 주울 이하의 에너지를 갖는 출력 레이저 광 펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  5. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득 매체는 20주울 이하의 에너지를 갖는 출력 레이저 광 펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  6. 제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 이득 매체는 적어도 0.5 주울의 에너지를 갖는 출력 레이저 광 펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  7. 제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 순환기는 상기 출력 레이저 광 펄스의 존속기간동안 적어도 두 번 상기 색소 셀내의 이득 매체를 새로운 이득 매체로 대체시키는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  8. 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 순환기는 중공의 길이방향축에 대하여 가로방향으로 상기 셀을 통해 이득 매체를 순환시키는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  9. 제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 있어서, 상기 순환기는 중공의 길이방향축과 평행한 방향으로 상기 셀을 통해 이득 매체를 순환시키는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  10. 제 1항 내지 제 9항중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀을 따라 길이방향으로 복수의 매체 입력 포트가 제공되며, 상기 매체 입력 포트는 상기 순환기로부터 상기 이득 매체를 수용하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  11. 제 1항 내지 제 10항중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀을 따라 길이방향으로 복수의 매체 출력 포트가 제공되며, 상기 매체 출력 포트는 적어도 부분적으로 소모된 상기 이득 매체가 상기 중공으로부터 방출되는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저.
  12. 중공내의 최초의 색소 분해능을 플래쉬램프로 여기시키는 단계;
    상기 최초의 색소 분해능을 적어도 부분적으로 소모하기 위하여 상기 여기된 최초의 색소 분해능으로 상기 중공으로부터 레이저 광 출력 펄스를 발생시키는 단계;
    상기 레이저 광 출력 펄스의 존속기간동안 상기 중공내의 적어도 부분적으로 소모된 최초의 색소 분해능의 적어도 일부를 새로운 색소 분해능으로 대체시키는 단계; 및
    상기 레이저 광 출력 펄스의 존속기간을, 상기 중공내의 최초의 색소 분해능이 소모되고 대체될 수 없을 경우 출력 레이저 광 펄스를 억제할 수 있는 시간 이상으로 연장시키기 위하여, 상기 레이저 광 출력 펄스의 존속기간 동안 상기 중공내의 새로운 색소 분해능을 여기시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저를 동작시키는 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 환자의 조직에 상기 레이저 광 출력 펄스를 전달하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저를 동작시키는 방법.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서, 상기 출력 레이저 광 펄스의 존속기간을 적어도 5 밀리세컨드로 연장시키기 위하여 사익 색소 분해능을 대체시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저를 동작시키는 방법.
  15. 제 12항 내지 14항중 어느 한 항에 있어서, 적어도 광 출력 펄스동안 적어도 한 번 공명 중공내의 색소 분해능을 대체시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플래쉬램프-여기 펄스 색소 레이저를 동작시키는 방법.
  16. 색소 레이저로부터 레이저 광 출력 펄스의 진폭을 검출하기 위한 센서; 및
    상기 센서에 의해 검출된 진폭에 응답하여 상기 색소 레이저의 펌핑장치에 공급된 파워를 제어함으로써 상기 레이저 광 출력 펄스의 진폭을 조정하기 위하여 상기 센서에 응답하는 구동회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 색소 레이저용 펌핑 장치 구동기.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 구동회로는 플래쉬램프를 조정하는 것을 특징으로 하는 색소 레이저용 펌핑 장치 구동기.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 상기 구동회로는 레이저를 조정하는 것을 특징으로 하는 색소 레이저용 펌핑 장치 구동기.
  19. 제 16항 내지 제 18항중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동회로는 레이저 광 출력 펄스의 존속기간을 한정하는 트리거 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 색소 레이저용 펌핑 장치 구동기.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 구동회로는 트리거 신호와 상기 레이저 광 출력 펄스의 진폭을 나타내는 세기 신호를 결합하는 것을 특징으로 하는 색소 레이저용 펌핑 장치 구동기.
  21. 제 16항 내지 제 20항중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동회로는 상기 펄스의 존속기간동안 상기 펌핑장치에 대한 파워를 능동적으로 조정하는 것을 특징으로 하는 색소 레이저용 펌핑 장치 구동기.
  22. 제 16항 내지 제 21항중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동회로는 일정한 진폭 펄스를 발생시키기 위하여 상기 펌핑장치에 대한 파워를 조정하는 것을 특징으로 하는 색소 레이저용 펌핑 장치 구동기
  23. 레이저의 이득 매체를 펌핑하는 단계;
    레이저 광 출력 펄스의 진폭을 검출하는 단계;
    상기 검출된 진폭과 펄스의 존속기간의 함수로서 펄스의 적정한 진폭을 나타내는 트리거 신호를 비교하는 단계; 및
    상기 검출된 진폭과 트리거 신호의 비교에 응답하여 상기 이득 매체의 펌핑을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스동안 색소 레이저로부터 레이저 광 출력 펄스의 진폭을 제어하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 일정한 진폭을 갖는 트리거 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스동안 색소 레이저로부터 레이저 광 출력 펄스의 진폭을 제어하는 방법.
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