KR20110102298A - 생체 조직을 처리하기 위한 레이저처리 디바이스 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 레이저처리 디바이스는 펄스화된 처리 레이저 빔(50)을 제공하는 레이저 빔 소스(10), 처리될 조직의 영역을 향하는 방향으로 레이저 빔(5)을 아웃커플링하는 레이저 빔 아웃 커플러 유닛(70), 및 처리될 조직 영역의 주변 영역을 향하는 방향으로 광감각제를 방출하는 방출 디바이스(25)를 포함하며, 상기 방출 디바이스(25)는 아웃 커플러 유닛(70)에 연결된다. 본 발명에 따른 방법은 레이저 펄스들이 1 ps 내지 100 ps 범위 내의 반-폭의 시간(half-width time)으로 방출되도록 제공된다.

Description

생체 조직을 처리하기 위한 레이저처리 디바이스 및 방법{LASER PROCESSING DEVICE AND METHOD FOR PROCESSING BIOLOGICAL TISSUE}
본 발명은 생체 조직을 레이저처리하는(lasering) 방법 및 생체 조직을 레이저처리하는 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 디바이탈(devital) 및 바이탈 생체 조직의 즉각적인(instant) 진단과 레이저처리, 및 안전[생물학적 안정성(biosafety)]을 최대한 보장하고 이차적인 손상을 최대한 저감시키면서 디바이탈 및 바이탈 생체 조직의 자동 및 객관화(objective) 진단 및 레이저처리를 위한 통합 온-라인 분석(integrated on-line analysis)을 특징으로 하는 레이저처리 장치에 관한 것이다.
본 발명의 응용 분야의 일 예로는, 치아(dentine), 특히 충치에 감염된 치아의 절제(ablation) 또는 마모(abrasion)를 위해 기계 드릴 대신에 소정의 방법 및 그에 대응되는 레이저처리 장치가 이용될 수 있는 치과학이 있다. 하지만, 본 발명은 다른 종류의 생체 조직들 및 그것의 타입들, 예컨대 경조직(hard tissue), 연조직, 및 조직액을 레이저처리하는 응용례에도 마찬가지로 적용될 수 있음을 이해하여야 한다.
치과학, 특히 충치 치료에 있어, 주된 목표는 종래의 방사선촬상 진단 접근법(radiographic diagnostic approach) 및 종래의 기계 드릴 장치를, 거의 단색(near monochrome)(LED) 및/또는 정밀한 단색의 방사선(레이저) 소스로 완전히 또는 부분적으로 대체하는 것이다. 방사선촬상 방사선의 돌연변이 및 암발생의 잠재성이 의학계에서 잘 알려져 있으며, 이는 항시 "합리적 수준의 피폭 최소화(as low as reasonably achievable)"(ALARA) 원칙을 왜 유지해야하는지에 대한 이유이다. 이상적인 대안은, 가능할 경우 치료가 진행되는 내내 방사선촬상 방사선이 없는 분석이다. 구강 조직 구조들의 치료와 관련된 경우, 상당한 열-기계적 손상(마찰열, 크랙, 충격파)을 야기하고 그로 인해 유발되는 불가피한 고통을 수반할 가능성이 있음에도 불구하고 그것의 보편성(universality) 및 적은 투자 비용 때문에 종래의 "드릴"은 치과학에 있어 여전히 주요한 선택요소로 남아 있다. 지금까지는, 최대의 생물학적 안정성을 위한 자동 자체-제한 정지(auto self-limiting stop)가 되는, 병리학적 구조들(예를 들어, 충치들) 및 치료법[예를 들어, 공동 형성(cavitation preparation)]의 동시적이고 객관적인 검출을 위한 "우수한(smart)" 장치가 존재하지 않는다. 이 바람직하지 않은 영향들 모두는 조합된 진단 및 레이저처리 장치를 이용함으로써 피할 수 있다.
최근 수년 동안에 업계에서 이용하기 위한 일련의 레이저 시스템들을 시험하는 모습들이 있어 왔다. 그러나, 많은 경우에, 특히 처음에 관련된 이러한 시스템들에 의하면, 바람직하지 않은 열적 또는 다른 이차적인 영향들이 관측되거나, 또는 절제의 효율성이 불충분하였다. 이는, 특히, 예를 들어 자외선 범위 내의 파장들을 갖는 엑시머 레이저들 또는 적외선 파장 범위 내의 Er: YSGG(
Figure pct00001
= 2.7 ㎛) 또는 Er: YAG 레이저들(
Figure pct00002
= 2.94 ㎛)을 이용함에 있어 나노초 내지 마이크로초 범위의 펄스 폭들을 갖는 펄스 레이저 빔 소스들을 기초로 작동되는 레이저 시스템들에 적용된다. 더욱이, 이러한 시스템들 중 어느 것도 생물학적 안정성 및 치료법을 수행할 수 있는 것이 없다.
가시광선 또는 근 적외선 스펙트럼 범위 내의 피코초(ps) 또는 펨토초(fs) 범위 및 파장들 내의 짧은-펄스 레이저 시스템들이 도입될 때까지는 실질적인 진보가 달성된 것이 아니었다. 처음의 실험 연구들은 이들 시스템들이 기계 터빈의 성능과 적어도 동일한 효율을 갖는 고 품질의 치아 절제 결과들을 얻을 수 있도록 하는 것이 가능함을 나타내었다.
미국특허 US 5,720,894는 펄스 레이저 빔 소스에 의한 재료 절제용 방법 및 디바이스에 대해 기술하고 있다. 파장, 펄스 폭, 에너지 및 레이저 펄스들의 반복속도와 관련하여 선택될 절제 파라미터들이 나타나 있으며, 주로 그 작업에 대한 기준은 플라즈마가 레이저처리 빔의 초점 위치 내에 형성될 수 있게 각각의 레이저 펄스가 재료(material)의 얇은 표면 부분과 상호작용하도록 되어 있다는 데에만 관련되어 있다. 레이저처리 빔의 언급된 파라미터들은 최대 50 mJ의 양, 또는 표면적에 대해 최대 15 J/cm2까지 상대적으로 넓은 범위에 있는 것으로 나타나 있다. 그러나 매우 짧은(very short) 레이저 펄스에서 극히 짧은(ultrashort) 레이저 펄스를 포함하는 이러한 높은 펄스 에너지는 다광자 이온화와 같은 비-선형 프로세스들로 인한, 특히 3 이상의 광자들이 포함될 경우 유해한 이차적 영향들이 나타나는 펄스 최대치에서의 힘 또는 세기와 관련한 값들이 얻어질 우려가 있다. 특히, (수 TW/cm2의) 이러한 강력한 피크 펄스들의 경우, DNA 손상 및 자외선(UV)으로부터 방사선 범위에 걸쳐 있는 스펙트럼 대역폭 내에서의 불가피한 음발광 융합(sonoluminescent fusion)이 이어지는 캐비테이션 버블(cavitation bubble)들의 형성과 같은 치명적인 이차 영향들을 갖는 물 분자의 이온화가 일어난다(이온화 에너지 Eion = 6.5 eV).
따라서, 본 발명의 목적은 생체 조직을 레이저처리하는 방법, 및 효율적인 조직 레이저처리를 보장하는 한편, 레이저처리되는 조직과 그 바로 주변의 손상 영향을 피하거나 최소화시키며 레이저처리 파장의 선택시 추가적인 융통성을 달성할 수 있게 하는 생체 조직을 레이저처리하는 레이저처리 장치를 정의하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 생체 조직의 동시적인 진단과 레이저처리를 위한 방법, 및 순간적인 경우에도 조직의 객관적인 진단과 효율적인 레이저처리를 보장하는 한편 파장, 펄스 지속시간 및 레이저 빔의 세기의 선택시 추가적인 융통성을 달성하도록 레이저처리되는 조직과 그 바로 주변의 손상의 영향을 피하거나 또는 최소화시킬 수 있게 하는 레이저처리 장치를 정의하는 것이다.
이 목적은 독립 청구항의 특징들에 의하여 달성된다. 유리한 추가 실시예들과 실시형태들은 종속항들로부터 이해할 수 있다.
본 발명에 의한 1 가지 실현형태는 레이저처리 빔으로 생체 조직을 레이저처리할 때, 더 이상 조직 자체가 빔에 노출될 필요가 없다는 것이다. 그 대신, 레이저처리 빔은 이러한 흡수된 에너지를 절제될 재료에 연통시킴에 있어 본질적으로 자유 전자 또는 준-자유 전자들로서 흡수에 의하여 작용하는 물질에 의해 유리하게 흡수될 수 있다. 이와 같은 물질로서 소위 광감각제(photosensitizer)가 채택되는 것이 가장 효과적이다. 광감각제는 광 양자의 흡수 후에 광화학반응에 들어가는 화학적 감광성 화합물(chemical light-sensitive compound)이다. 광감각제를 활성화시키는 것은 적합한 파장과 적당한 세기의 레이저 광에 의하여 이행될 수 있으며, 광의 흡수는 먼저 광감각제를 상대적으로 짧은 수명의 단일항 상태(singulet state)로 활성화시킨 다음, 보다 안정적인 삼중항상태(triplet state)로 전환시킨다. 그 다음, 이 활성화된 상태는, 예를 들어 제거될 재료와 직접적으로 반응할 수 있다.
본 발명에 의한 다른 실현형태는 피코초 범위 내의 일시적 반치폭(temporal full width at half maximum)을 갖는 레이저 펄스들이 유리하게 이용될 수 있다는 것이며, 이 범위 내에서는 광학적 침투 깊이(optical depth of penetration)로 인해 한편으로는 절제의 효율성이 그리고 다른 한편으로는 생체의학적 적합성(biomedical compatibility)이 최적화되어, 열적 응력 및 기계적 응력들을 제한할 수 있도록 되어 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실현형태는, 진단을 위해 레이저처리되거나 또는 절제될 부위들에 가시성을 부여하는 것으로, 이는 필요할 경우 레이저처리와 동시에 구현될 수 있다. 마커는 위와 마찬가지로 광감각제이거나, 및/또는 레이저 빔 또는 LED에 의해 적합한 파장, 지속시간 및 세기로 연속적으로 또는 펄스형태로 활성화될 수 있다.
본 발명에 의한 또 다른 실현형태는 레이저처리되거나 또는 절제될 조직의 부위를 캡슐화하고(encapsulating), 그 내부에 그리고 레이저처리 빔 디커플러/아웃커플러(lasering beam decoupler/outcoupler) 내에 흡입 시스템(aspiration system)을 통합시키는 것이다.
본 발명의 제 1 실시형태에서는, 레이저 처리될 조직 주변에 광감각제를 위치시키는 단계, 펄스 레이저처리 빔을 제공하는 단계 및 1 ps 내지 100 ps 범위(이 범위는 또한 모든 증분 중간 값을 포괄하며 상기 증분은 100 fs임)의 일시적 반치폭을 갖는 레이저처리 펄스들을 방출하는 펄스 레이저처리 빔을 제공하는 단계를 포함하는 생체 조직을 레이저처리하는 방법이 언급된다.
상기 방법의 일 실시예에서, 레이저 펄스 파장은 레이저처리 빔이 광감각제의 이-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되도록 선택되며, 상기 흡수는 광감각제의 흡수 최대치 부근에서 이루어진다.
대안적인 실시예에서, 레이저 펄스 파장은 레이저처리 빔이 광감각제의 일-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되며, 상기 흡수는 광감각제의 흡수 최대치 부근에서 이루어진다.
추가 실시예에서, 레이저 펄스 반복률은 1 Hz 내지 1000 kHz의 범위로 설정된다. 이 구성에서는 또한 레이저 펄스들이 버스트(burst)로서 생성되며, 그 각각은 사전정의된 수의 레이저 펄스들을 가지고, 예를 들어 사전정의된 수(예를 들어, 하나)의 버스트들로 각각의 부위를 레이저치료 하도록 제공될 수도 있으며, 상기 버스트 내에는 레이저 펄스들이 정의된 바와 같이 변하는 펄스 피크 세기를 포함할 수도 있다. 버스트 전이나, 버스트 동안 또는 버스트 후에 발생되는 것이 무엇이든 간에 리딩(leading) 또는 트레일링(trailing) 펄스들 또는 언더그라운드(underground) 및 오프셋(offset) 세기들이 없는 것이 유리하다.
또 다른 실시예에서, 레이저 펄스들의 에너지는 1.5 J/cm2 내지 7.5 J/cm2 범위의 밀도, 특히 100μJ 아래 범위의 밀도로 설정되며, 조직 부위 상의 레이저처리 빔의 초점 위치는 조직의 표면 상에 10 내지 100 ㎛ 범위의 초점 직경으로 설정된다.
또 다른 추가 실시예에서, 부위를 레이저처리하는 레이저 펄스 피크 세기는 10011 내지 1.5×1012 W/cm2의 범위에 있다. 또 다른 실시예에서, 펄스 레이저 빔을 이용할 경우 진단 펄스 피크 세기는 106 내지 109 W/cm2의 범위에 있다.
제 1 실시예에서, 상기 방법은 특히 충치의 경우에 치아를 마모시키거나(ablade) 또는 절제하기 위한, 즉 충치가 박테리아의 활동으로 인해 다공성 구조를 지니는 곳에서 적용하기 유리하도록 채용된다. 이 다공성 구조에서 광감각제는 소위 절제될 충치 내에 매입될 시의 접근성(access)를 얻고, - 다른 응용에서와 같이 - 절제될 조직 재료의 표면에 적용될 필요는 없다.
이미, 피코초(ps) 또는 펨토초(fs) 레이저와 같은 짧은-펄스 레이저로 생체 조직을 레이저처리할 때에는, 나노초 또는 마이크로초에 절제되는 레이저처리빔의 초점 위치의 얇은 표면 층 내에 마이크로플라즈마(microplasma)가 발생되고, 이 시간 내에 생체 조직이 준-자유 전자들과 레이저 광자들의 상호작용에 의해 이온화되지 않고 최소한의 외과적방법에 의해 열-기계적으로 생체 조직이 부서진다는 것이 알려져 있다. 한 가지 일반적인 의도는 (1064 nm의 레이저 파장: 1.03×1021 electrons/cm3에 대하여) 항상 임계 영역에서, 즉 항상 임계 전자 밀도 아래에서 마이크로플라즈마를 발생시켜 바람직하지 않은 부차적인 영향들을 피하면서 극대화된 의학적 생물학적 양립성을 가지고 절제를 수행할 수 있도록 하는 것이다. 특히, 피해야 할 것은 UV 방사선 및 다광자 이온화를 초래하여 조직 내의 물분자들이 이온화되지 않도록 하는 5800K(태양의 표면 온도) 이상의 플라즈마 온도이다. 본 발명에 따라 광감각제들에 의한 간접적 에너지 입력과 레이저 펄스들의 이용을 조합하면 결정적으로 보다 나은 생물학적-의학적 양립에 도움이 된다. 특히, 스트레스 완화와 관련하여, 피코초 레이저 펄스들로 인해 광학적 침투 깊이가 어떻게 퍼지든지 간에 충격파들을 발생시키지 않아서 통증없는 치료가 구현될 수 있다.
이는, 일반적으로 생체 조직의 정의된 표면 부위가 레이저처리되는 경우이며, 따라서 추가 실시예에서는 표면 부위가 레이저 빔에 의하여 적절하게 스캐닝된다. 이와 관련되는 경우, 레이저처리 빔에 의하여 포커스되는 각 하부-부위(sub-site)가 정밀한 하나의 레이저 펄스를 이용하여 스캐닝되도록, 레이저 처리 빔이 톱 햇 프로파일(top hat profile)을 갖는 경우 유리하다는 것이 판명되었다. 하지만, 톱 햇 프로파일이 제공되는지의 여부와는 무관하게, 예를 들어 하부-부위 표면 영역의 다른 부분의 절반 또는 그 보다 작은 표면 영역을 갖는 오버랩으로 각각의 인접한 하부-부위를 단일 레이저 펄스와 한정 스캐닝하면 마찬가지로 이를 달성하는 것이 가능하다. 이는 또한, "레이저처리 빔의 단면"이 가우시안(
Figure pct00003
) 프로파일을 갖는 경우, 레이저처리 빔에 의하여 실질적으로 포커스되는 하부-부위가 단일 레이저 펄스에 의하여 실질적으로 펄스화되는 것을 가능하게 한다.
다른 실시예에서, 이는 레이저처리 동안 부위의 표면 상의 초점 위치의 일정한 유지가, 보다 상세히 후술되는 다양한 타입의 오토포커서(autofocuser)에 의하여 달성되도록 제공될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 이는 광감각제를 적용하기 전에 특정 종류의 조직, 특히 손상된 조직과 접촉할 경우 특정한 얼룩(stain)을 나타내는 조직에 마커를 적용함으로써 레이저처리될 부위가 한정될 수 있도록 제공될 수 있다. 이 구성에서, 마커는 마찬가지로 광감각제를 포함하여 진단 광감각제가 되는 한편, 절제에 이용되는 광감각제는 절제 광감각제라 칭해질 수 있다. 하지만, 마커는 광감각제 반응을 갖지 않는 여타 상업적으로 이용가능한 마커에 의해서도 형성될 수 있는 한편, 절제 광감각제는 마커 응답을 갖지 않도록 이루어진다(다시 말해, 이는 다양한 종류의 조직과 접촉할 경우 얼룩 효과를 갖지 않는다).
또 다른 실시예에서, 절제를 위해 이용되기 전에 먼저 마커로서 채용되는 광감각제가 이용될 수도 있다. 이는 얼룩의 변화를 나타내는 광감각제의 부분들만 후속하는 절제과정에서 레이저처리된다는 점에서 치료를 단순화시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, 이는 레이저처리될 부위가, 조직에서 발생되는 신호의 존재를 마커의 이용 없이, 즉 조직에서 발생되는 신호의 존재를 검출하고, 필요할 경우 신호의 강도를 검출함으로써 설정되도록 제공될 수 있다. 이 구성에서, 상기 신호는 레이저처리 부위로 향하는 전자기 방사선의 이차 고조파 또는 더욱 고차의 고조파가 이용될 수 있으며, 이에 의하여 전자기 방사선은 특별하게 펄스화된 진단 레이저 빔의 방사선일 수 있으며, 그것의 레이저 펄스들은 조직을 레이저처리하는 데 필요한 에너지 밀도보다 작은 에너지 밀도를 특징으로 한다. 실제로, 레이저처리 빔 및 진단 레이저 빔은 2 가지 작동 모드 사이에서 스위칭되는 동일한 레이저 빔 소스에 의하여 발생될 수도 있다. 보다 구체적으로, 충치로부터 손상되지 않은 치아를 구별하기 위하여, 조직은 적외선 범위에서 레이저유도 플라즈마분광법(laser induced breakdown spectroscopy: LIBS)을 이용하는 진단 레이저 빔에 의하여 활성화될 수 있으며, 이차 고조파의 후 산란된 신호(back scattered signal)가 건강한 조직[예를 들어, 광화작용(mineralization)할 수 있는 콜라겐의 섬유들]을 나타내고, 이러한 신호가 없으면 충치를 나타낸다(즉, 비가역적으로 손상된 콜라겐 구조들은 광화작용을 할 수 없다). 조직 부위는 진단 레이저 빔으로 스캐닝될 수 있으며, 후 산란된 이차 고조파의 데이터가 검출되고 저장될 수 있다. 이 데이터를 토대로, 레이저처리 빔에 의하여 레이저처리 또는 절제될 부위의 부분들이 필요한지가 결정될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 생체 조직을 레이저처리하는 디바이스가 언급되며, 이는 펄스화된 레이저처리 빔을 제공하기 위한 소스, 레이저처리될 조직 부위의 방향으로 레이저처리 빔을 커플링하는 아웃커플러, 및 레이저처리될 조직의 부위 부근 방향으로 광감각제를 공급하는 아웃피더(outfeeder)를 포함하며, 상기 아웃피더는 레이저처리 빔 아웃커플러에 연결된다.
레이저처리 디바이스의 제 1 실시예에서, 레이저 펄스 파장은 레이저처리 빔이 광감각제의 이-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되도록 선택되며, 상기 흡수는 상기 광감각제의 최대치 부근에서 이루어진다.
대안적인 실시예에서, 레이저 펄스 파장은 레이저처리 빔이 광감각제의 일-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되며, 상기 흡수는 광감각제의 흡수 최대치 부근에서 이루어진다.
추가 실시예에서, 레이저 펄스들은 1 ps 내지 100 ps 범위의 반치폭을 특징으로 하며, 이 범위는 또한 모든 증분(incremental) 중간 값을 포괄하며, 상기 증분은 100 fs이다.
또 다른 실시예에서, 레이저처리될 조직의 표면에서의 레이저 펄스들의 에너지 밀도는 1.5 J/cm2 내지 7.5 J/cm2 범위에 있다.
또 다른 실시예에서, 레이저 펄스들의 에너지는 100 μJ 아래의 범위에서 설정되며, 조직 표면 상의 레이저처리 빔의 초점 위치는 10 내지 100 ㎛ 범위의 직경을 갖도록 설정된다.
또 다른 실시예에서, 레이저 펄스들의 반복률의 설정은 1 Hz 내지 1000 kHz의 범위에 있다.
일 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 특히 충치의 경우에 치아를 닳게 하거나 또는 절제하기 위한 치아 레이저처리 디바이스이다.
다른 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 레이저처리되는 조직의 부분에 대해 레이처처리 빔 아웃커플러의 말단부를 배치시키기 위하여 레이저처리 빔 아웃커플러에 연결되는 추가 로케이터(locator)를 특징으로 한다.
추가 실시예에서, 레이저 핸드피스(laser handpiece)는 로케이터로서만이 아니라 치아들을 씌우는(sheathing) 수단으로서의 역할을 하는 피팅(fitting)을 포함하여, 통합 흡입 시스템과 함께 다양한 화학적 화합물들 및/또는 다양한 압력 비들이 생성되어 심지어 수은, 예를 들어 아말감 충전재 형태가 절제될 수 있게 한다.
또 다른 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 펄스화된 레이저처리 빔의 실질적인 톱 햇 빔 프로파일을 생성하는 빔 셰이퍼(beam shaper)를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 레이저처리 빔에 의하여 포커스되는 하부-부위가 정밀한 하나의 레이저 펄스에 의하여 레이저처리되도록, 특별한 스캐닝 속도를 포함하여 구성되는 레이저처리 빔으로 조직 부위를 스캐닝하기 위한 스캐너를 더 포함할 수 있다. 나아가, 스캐너는 각각의 인접한 하부-부위가 단일 레이저 펄스를 이용하여 하부-부위 표면 영역의 다른 부분의 절반 또는 그 보다 작은 표면 영역을 갖는 오버랩으로 레이저처리되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 조직 표면 상의 초점 위치를 일정하게 유지시키기 위한 오토포커서를 포함할 수 있다.
추가 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 조직 또는 그 부근에서 발생되는 신호의 존재, 필요할 경우에는 신호 강도를 검출하기 위한 검출기를 포함할 수 있다. 상기 검출기는, 예를 들어 레이저처리되는 플라즈마에 의하여 방출되는 방사선을 감지하거나 또는 조직 내로 쏘아지는 전자기 방사선의 이차 고조파 또는 보다 고차의 고조파를 감지하도록 설계되는 광학 센서를 포함할 수 있다. 전자기 방사선은 레이저처리 빔인 동일한 레이저 빔 소스에 의하여 발생되는 진단 레이저 빔의 방사선이거나, 또는 연속 방출 LED의 방사선일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 레이저 빔 소스를 레이저처리 모드 또는 진단 모드로 설정하도록 구성되는 제어기를 포함할 수 있다. 레이저처리 모드에서는 펄스화된 레이저처리 빔이 발생되고, 진단 모드에서는 조직을 레이저처리하는 데 필요한 에너지 밀도보다 낮은 조직 표면에서의 에너지 밀도를 포함하는 진단 레이저 빔이 발생된다.
또 다른 실시예에서, 레이저처리 빔 아웃커플러는 핸드피스의 형태로 제공되고, 광감각제를 출력하기 위한 아웃피더는 적어도 부분적으로 핸드피스 내에 배치되며, 특히 피더 도관(feeder conduit)이 핸드피스의 노즐 내에서 끝난다. 핸드피스 내에는, 스캐너 및/또는 오토포커서가 추가적으로 배치될 수 있다.
마지막 실시예에서, 레이저처리 디바이스는 또한 핸드피스 내에 부분적으로 배치될 수 있는 마커를 아웃피딩하기 위한 추가 수단을 포함한다.
이하 본 발명은 도면을 참조하여 실시예들의 방식으로 상세히 설명될 것이다.
도 1은 레이저처리 디바이스의 제 1 실시예의 개략도;
도 2는 레이저처리 디바이스의 추가 실시예의 개략도;
도 3은 레이저처리 빔 아웃커플러의 제 1 실시예의 개략도;
도 4는 레이저처리 빔 아웃커플러의 다른 실시예의 개략도;
도 5는 레이저처리 빔 아웃커플러의 또 다른 실시예의 개략도;
도 6은 레이저처리 빔 아웃커플러의 또 다른 실시예의 개략도;
도 7은 레이저처리 디바이스의 또 다른 실시예의 개략도;
도 8은 자동화된 조합 진단 및 레이저처리 방법의 제 1 실시예의 플로우 차트;
도 9는 자동화된 조합 진단 및 레이저처리 방법의 또 다른 실시예의 플로우 차트이다.
이하 도 1을 참조하면, 정 스케일로 표현되지 않은 레이저처리 디바이스의 일 실시예가 예시되어 있으며, 레이저처리 디바이스(100)는 도시된 바와 같이, 특히 충치의 경우 치아를 레이저처리하거나, 마모시키거나, 또는 절제하기 위한 치아 레이저처리 디바이스이다. 하지만, 레이저처리 디바이스는 또한 다른 종류의 생체 조직을 레이저처리하기 위한 여타 다른 종류의 의료 레이저처리 디바이스일 수 있다.
레이저처리 디바이스(100)는 펄스화된 레이저처리 빔(50)을 방출하는 레이저 빔 소스(1)를 포함하며, 레이저 펄스의 펄스 지속시간은 1 내지 100 ps의 범위에 있다. 레이저처리 빔은 레이저처리를 위해 환자의 치아(4) 상에 포커스된다. 거울 또는 편향 프리즘과 같은 광학 전환기(4)에 의하여 레이저처리 빔을 먼저 편향시킬 필요가 있다.
레이저 빔 소스(1)는 펄스 당 에너지가 100 μJ을 초과하게 레이저 펄스들을 발생시도록 제공될 수 있다. 이 경우에, 상술된 에너지 밀도 값들을 유지시키기 위한 포커서(2)는 레이저처리 빔이 치아(4)의 표면에 10 내지 100 ㎛ 범위의 직경으로 포커스되도록 설정된다.
또한, 레이저 빔 소스(1)는 1 Hz 내지 1000 kHz 범위의 반복률로 레이저 펄스들을 방출하도록 제공될 수 있다.
레이저처리 디바이스(100)는 치아(4)의 레이저처리될 부위 부근의 방향으로 광감각제를 출력하기 위한 아웃피더(5)를 더 포함한다. 도시된 바와 같이, 아웃피더(5)는 광감각제를 하우징하기 위한 저장부(reservoir; 5A), 및 그에 연결되는 피더(5B)를 포함할 수 있다. 광감각제는, 예를 들어 Nd:YAG 레이저(1064 nm)의 레이저처리 빔의 이-광자 흡수 또는 Nd:YAG 레이저(532 nm)의 주파수 배가 구성요소(frequency doubling component)의 일-광자 흡수에 의하여 효율적으로 활성화될 수 있는 적색3호(erythrosine)일 수 있다. 언급되는 추가 광감각제들로는, 예를 들어 메틸렌 블루, 포토프린 및 금속유기 덴드리머가 있다. 이는 또한 개발될 것들을 포함하여 기술 문헌에 언급된 모든 다른 광감각제들을 포괄하며, 그 각각은 광감각제의 대응되는 흡수 최대치 또는 적어도 그 부근에 적합한 레이저 파장을 필요로 한다는 것을 이해하여야 한다.
이해할 수 있듯이 의미에 있어서의 광감각제들은 생화학 색소포(biochemical chromophore)일 수 있다. 광감각제라는 용어는 정의에 의한 광감각제들이 아닌 물질들도 포괄하도록 되어 있으나, 또한 정의된 물리적-화학적 조건들 하에서 광감각제들에 대해 통상적인 특성들을 특징으로 할 수 있다. 이들은, 이들 물질들 모두가 정의된 물리적-화학적 조건들 하에서 광감각제의 특성들을 특징으로 한다는 가정에서 가스들이나 가스 혼합물(공기) 또는 에어로졸 중 어떠한 것도 포함한다.
레이저처리 디바이스(100)는 레이저처리될 치아(4) 부위의 방향으로 레이저처리 빔(50)을 아웃커플링하기 위한 아웃커플러(6)를 더 포함한다. 도시된 예에서, 아웃커플러(6)는, 예를 들어 편향기(3)를 포함하며 나아가 원하는 바와 같이 적용시에 피더(5B)에서 아웃커플러(6)의 말단부로부터 치아(4)의 관련 부위로 광감각제가 분사되도록 아웃커플러(5)의 피더(5B)에 연결된다.
이하, 도 2를 참조하면, 레이저처리 디바이스(정 스케일은 아님)의 추가 실시예가 개략적으로 예시되어 있다. 도 2에 도시된 레이저처리 디바이스(200)의 실시예는 펄스화된 레이저처리 빔(50)을 방출하는 레이저 빔 소스(10)를 포함한다. 도시된 바와 같은 이 예시적 실시형태에서, 레이저 빔 소스(10)는 1064 nm의 파장으로 레이저 펄스들을 방출하는 순간적 또는 재생적 증폭기에 커플링되는 Nd:YAG이다. 예를 들어 Nd:YVO4 또는 Nd:GdVO4와 같은 여타 레이저 빔 소스가 이용될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 레이저 펄스들의 펄스 지속시간은 10 ps이고, 그것의 반복률은 1 kHz 내지 1000 kHz의 범위에 있으며, 레이저 펄스들의 에너지는 40 μJ인 한편, 100 kHz의 반복률에서 평균 빔 파워는 4 W이다.
원리적으로, 예를 들어 다이오드 레이저 또는 다이오드 레이저 어레이일 수도 있는 여하한의 다른 레이저가 레이저 빔 소스로서 이용될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 실시예에서, 레이저 빔 소스(10)에 의하여 방출되는 레이저처리 빔(50)은 광학 전환기(60)로 향하며, 상기 광학 전환기는 단지 레이저 처리 빔(50)을 레이저처리 빔(50)의 요구되는 파장으로 대략 90° 전환시키는 기능만을 한다.
그 하류에서는 레이저처리 빔(50)이 빔 셰이퍼(30)를 통과하여 톱 햇 빔 프로파일을 생성한다.
이에 이어서, 레이저처리 빔(50)은, 알려진 수단에 의해 렌즈(2)에 의하여 생성되는 초점 위치가 치아(40)의 레이저처리되는 표면의 평면 내에서 항상 유지되도록 보장하는 아웃포커서(20)의 일부인 렌즈(2) 외부의 핸드피스로서 구성되는 아웃커플러(70)로 들어간다. 아웃포커서(40)는, 특히 치아의 표면(40)이 여전히 레이저처리 빔의 초점 위치에 있는지의 여부를, 상기 치아(40)의 표면에 의하여 후 산란되는 방사선으로부터 광학적으로 감지하는 수단과 조합될 수 있다. 만약 그렇지 않을 경우, 제어 신호가 아웃포커서(20)로 통신되어, 예를 들어 렌즈(2)를 장착하는 캐리지(carriage)에 연결되는 패스트 스테퍼 모터(fast stepper motor)에 의하여 레이저처리 빔(50)의 전파 경로를 따라 렌즈(2)를 앞 또는 뒤로 이동시킴으로써 치아(40)의 표면이 초점 위치로 적절히 되돌아갈 수 있게 한다. 하지만, 굴절률을 변경하도록 렌즈(2)를 구성하는 것 또한 가능하다.
계속해서 도 2를 참조하면, 렌즈(2)가 40 ㎛의 초점 직경을 가지고 치아(40)의 표면 상에 빔을 포커스하도록 구성되는 방식이 예시되어 있다. 따라서, 상술된 레이저 펄스 에너지는 3.18 J/cm2의 에너지 밀도를 유도하며, 이는 나아가 1.7·1030 광자·cm2·s-1의 광자 플럭스 밀도에 대응되는 3.18·1011 W/cm2의 펄스 피크 세기를 생성한다. 교번(alternating) 전자기장의 전기장 강도는 1.55·107 V/cm이며, 교번 전자기장 내의 중간 전자 진동 에너지의 양은 0.021 eV이다.
또한, 오토포커서(20)와 빔 셰이퍼(30), 특히 렌즈(2)와 빔 셰이퍼(30)를 공통의 광학 구성요소로 조합하는 것 또한 가능하지만, 빔 셰이퍼(30)는 렌즈(2) 하류의 빔 경로에, 다시 말해 구체적으로 핸드피스(70) 내에 배치될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
아웃커플러(70)의 더 먼쪽 부분에는 스캐너(80)가 배치되며, 예를 들어 이미 알려진 바와 같이 상기 스캐너에 의하여 레이저처리 빔(50) 또는 진단 레이저 빔이, 각각 서로를 향하는 2 개의 회전 거울에 의하여 레이저처리될 치아(40) 표면의 정의된 부위 위로 스캐닝될 수 있다. 예를 들어, 전환 프리즘 또는 반사 거울과 같은 더 먼 쪽의 전환기(90)에 의하여, 레이저처리 빔(50) 또는 진단 레이저 빔이 치아(40)의 방향으로 전환된다.
이 실시예에서는, 스캐너(80)가 핸드피스 내에 배치되지만, 스캐너가 핸드피스 상류의 빔 경로, 즉 구체적으로 거울을 경첩처리한(hinging) 아암 또는 핸드피스 상류의 그에 대한 입력부에 배치되는 다른 실시예들 또한 가능하다는 것을 이해하여야 한다.
핸드피스로서 구성되는 아웃커플러(70)는 의사에 의하여 레이저처리되는 치아 상으로 향한 채 유지될 필요가 있다. 이를 원활히 하기 위하여, 특히 아웃커플러(70)의 말단부의 위치를 치아(40)에 대해 일정하게 유지시키기 위하여 깔대기-형상의 로케이터(150)가 아웃커플러(70)의 말단부에 고정되며, 도 3 내지 도 6을 참조하여 보다 상세히 후술되는 바와 같이 레이저처리 동안 치아(40) 상에 적절하게 배치될 수 있다. 그 전에, 코퍼댐(cofferdam) 또는 고무 클램프가 치아를 캡슐처럼 둘러싸 나머지 인두(pharyngeal) 공간으로부터 상기 치아를 분리하도록 의사에 의하여 배치될 수 있다.
레이저처리 디바이스(200)는 레이저처리될 치아(40) 부위의 주변 방향으로 광감각제를 아웃피딩하기 위한 아웃피더(25)를 더 포함한다. 아웃피더(25)는 저장부(25A) 및 그에 연결되는, 아웃커플러(70) 내로 포트되고 아웃커플러(70) 내에서 로케이터(150)로 안내되는 피더(25B)를 포함한다.
치아(40) 표면의 레이저처리되는 부위 또는 그 부근에서 발생되는 광학 신호 또는 음향 신호가 검출되어 진단 목적으로 이용될 수 있다. 광학 신호들과 관련해서는 이들이, 예를 들어 레이저처리와 관련된 치아 상에 작용하는 플라즈마 방사선이나 2차(SHG) 또는 보다 고차의 고조파 생성 전자기 방사선을 토대로 한다는 것을 이미 상술하였다. 이후, 도 2에 도시된 바와 같은 예시적 실시형태는 SHG 신호를 검출하는 후술되는 경우의 방식으로 설명될 것이다.
이 진단 모드에서는, 진단 레이저 빔이 방출되며, 상기 빔의 에너지 또는 에너지 밀도는 플라즈마 또는 절제를 일으키기 위한 임계치 아래에 있어서, 진단 레이저 빔으로는 레이저처리가 발생되지 않으며, 이는 레이저처리 빔 같이 레이저처리될 치아의 하부-부위에 충치가 있는지의 여부를 진단하려는 의도로 펄스화된다. 만약 충치가 없을 경우, 진단 레이저 빔은 충치보다 높은 차수의 SHG 신호를 공급한다. 치아의 표면에서 이와 같이 발생된 주파수가 배가된 방사선은 적어도 부분적으로 상술된 바와 같이 반대 방향으로 레이저 빔 경로를 통과한다[다시 말해, 전환기(90)에 의하여 전환되고 스캐너(80)와 렌즈(2)를 갖는 오토포커서(20)를 통과하여, 마지막으로 빔 스플리터(60)로 입사되나, 상기 빔 스플리터는 SHG 신호의 파장에 대해서 투과적이어서 주파수가 배가된 방사선이 광학 검출기(110)로 입력될 수 있다]. 광학 검출기(110)로서 CMOS 이미지 센서나, 스펙트로미터(spectrometer) 또는 CCD 카메라와 같은 보다 복잡한 시스템을 이용하는 것 또한 가능하다. 이러한 광학 검출기들은 이미 상술된 바와 같이 오토포커서(20)와 조합하여 이용되도록 적절히 기능할 수 있다.
이와 마찬가지로, 전환기(90)는 치아의 표면에서 발생된 주파수가 배가된 방사선을 전달하고 전환기(90)의 하류에 배치되는 유리 섬유의 도움으로 상기 방사선을 검출기(110)로 향하도록 구성될 수 있다. 이는, 광학기들(80, 20, 60, 2)이 몇 가지 파장들을 위해 설계되지 않아서 주파수가 배가된 방사선을 전달하기 위한 광학 빔에 대한 복잡도를 저감시키며, 이는 요구될 경우 코팅될 필요가 있게 한다. 주파수가 배가된 광을 효과적으로 커플링하기 위하여, 전환기(90)와 유리 섬유 사이에 광학 구성요소가 삽입되어 주파수가 배가된 광을 유리 섬유 상에 포커스할 수 있다. 이 광학 구성요소는 마이크로광학 구성요소로서 구성될 수 있다.
광학 검출기(110)에 의하여 검출되는 SHG 방사선 값들은 신호(115)로 전환되어, 이 실시예에서는 컴퓨터 시스템일 수도 있는 조합형 분석기/제어기(120)로 입력된다. 하지만, 원칙적으로는, 예를 들어 메모리-프로그램가능한 제어기들(memory-programmable controllers), 마이크로 제어기들 또는 아날로그 폐쇄-루프 제어부들과 같은 다른 타입의 제어 시스템도 병용가능하다는 것을 이해하여야 한다.
분석기/제어기(120)에는, 광학 검출기(110)에 의하여 통신되는 신호(115)의 함수로서 제어 신호 - 레이저 빔 소스(10)를, 예를 들어 휴지 모드에서 레이저처리 모드로 전환시킬 때 입력됨 - 를 출력하는 분석기/제어기(120)의 작동 상태에 관한 데이터를 포함하는 레이저 빔 소스(10)로부터의 신호가 입력될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같은 실시예는, 특히 "OFF"(휴지), "진단" 및 "치료"(레이저처리) 관리로의 모드 전환을 신속하게 이행하는 레이저 빔 소스(10)를 포함한다. 이 실시예에서, 레이저 빔 소스(10)는 "치료" 모드 동안의 레이저처리 빔과 "진단" 모드 동안의 진단 레이저 빔 둘 모두를 방출하며, 이들 빔들은 치아의 표면에 적용되는, W/cm2 단위로 치아에 적용되는 펄스 당 에너지 밀도에 있어 실질적으로 상이하며, "진단" 모드에서는 절제 임계치 아래에 있을 필요가 있는 반면 "치료" 모드에서는 이 임계치 위에 있을 필요가 있다.
상술된 바와 같이 진단 모드에서는, 예를 들어 치아(40)의 특정 표면 부위가 진단 레이저 빔으로 스캐닝되고 후 산란된 SHG 신호가 수신되고 분석된다. 이를 토대로, 레이저처리되거나 절제될 표면의 부분을 식별할 때 표면 부위가 특정 양까지 매핑(map)될 수 있다. 진단 모드의 구현 후에, 분석기/제어기(120)는 제어가능한 노즐에서 끝나는 피더(25B)에 의하여 절제될 치아 표면의 부분에 광감각제를 분사하는 아웃피더(25)로 신호를 출력한다.
이하 도 3을 참조하면, 진단을 위한 추가 실시예를 나타내기 위하여 단면도로 도시된 핸드피스 형태의 아웃커플러(70)가 예시되어 있다. 이 실시예에서는, 건강한 치아를 부실한 치아로부터 구별하는 것은 SHG 신호에 의하여 이행되지 않고 부실한 치아와 접촉할 경우 특정한 얼룩을 남기는 마커에 의하여 이행된다. 이 마커는 마찬가지로 핸드피스 내에 포함되는 추가 피더(72)를 통해 조직에 적용될 수 있다. 예를 들어, 조직 표면의 충치 부분들이, 바람직하게는 후속하는 분석에 의한 광학 이미징에 의하여 검출되고 나면, 레이저처리 빔(50)에 의한 후속 절제를 위해 피더(71)를 통해 이들 충치 부분들에 광감각제가 적용된다. 따라서, 이 실시예에서는 진단 레이저 빔과 레이저 빔 소스의 전환뿐만 아니라 SHG 검출이 관련되지 않는다. 2 개의 피더들(71 및 72)은 조직 표면에 재료를 정확히 분사할 때의 방위 제어를 위한 노즐들(71.1 및 72.1)에 각각 연결하는 데에 이용될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예는 고유한 발명인 레이저 빔 아웃커플러를 도시하고 있다는 데 유의하여야 한다. 이 레이저 빔 아웃커플러는 핸드피스(70), 레이저처리 빔(50) 및/또는 필요할 경우 진단 레이저 빔을 편향시키기 위한 전환기(90), 및 레이저처리될 조직 부근 상에 핸드피스(70)를 배치시키기 위한 로케이터(250)를 포함한다. 이 구성에서, 핸드피스(70)는 그 내부에 포함되는 피더(71)를 통해 광감각제가 적용될 수 있고, 필요할 경우 추가 피더(72)를 통해 레이저처리되거나 진단될 조직의 부분 상에 마커가 분사될 수 있도록 구성된다. 이 개별 발명은 본 출원에서 설명된 다른 실시예들 중 어느 것과도 조합될 수 있고 및/또는 본 출원에서 언급된 특징들 중 여하한의 특징들을 이용하여 정교하게 구성될 수 있으며, 상술된 바와 같은 레이저 빔 아웃커플러를 포함하는 레이저처리 디바이스와 같은 선도적(leading) 디바이스들을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
이하, 도 4를 참조하면, 적어도 하나의 LED(73)가 핸드피스(70) 내에 통합된 추가 실시예를 나타내기 위하여 단면도로 도시된 핸드피스 형태의 아웃커플러(70)가 예시되어 있다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 로케이터(250)가 계속해서 제 위치에 고정될 경우 의사가 인두 공간을 조명하여, 특히 처리되는 치아(40)와 관련하여 로케이터(250)를 광학적으로 위치시킬 수 있도록 하는 수 개의 LED들(73)이 내부에 통합될 수도 있다. 또한, 이들 LED들은 처리되는 치아의 표면에 적용되는 마커를 활성화시켜, 예를 들어 충치의 위치들이 특정 얼룩으로 나타나게 하는 역할을 할 수도 있다. 마커에 의하여 이러한 방식으로 생성되는 이미지는 레이저처리 빔(50)을 커플링해제하는 데 이용되는 동일한 광학기에 의하여 스캐닝될 수 있다. 이 이미징을 토대로, 다음 단계에서는 레이저처리되거나 또는 절제될 부위들에 광감각제가 적용될 수 있다. LED들(73)은, 예를 들어 도시된 바와 같이 핸드피스(70)의 수평방향 단부 상에, 가령 원으로 배치되어 가능한 최상의 균질하고 회전 대칭인 조명을 얻을 수 있다. LED들(72)은 상기 LED(73)에 전력을 공급하기 위하여 핸드피스(70) 내에서 납땝들(도시 안됨)에 의하여 연결된다. LED들(73)은 단색, 예를 들어 적색의 광을 방출하는, 다시 말해 준-단색성 LED들일 수 있으나, 보다 나은 인두 공간의 조명, 및 무엇보다도 상이한 파장들에서의 활성화를 위한 마커들의 보다 넓은 선택권을 이용할 수 있도록 허여하는 상황들을 위해 백색광 LED들이 이용되는 것이 유리하다. 도 4에 도시된 실시예는 고유한 발명인 레이저 빔 아웃커플러를 나타내고 있다는 데 유의하여야 한다. 이 레이저 빔 아웃커플러는 핸드피스(70), 레이저처리 빔(50)을 편향시키기 위한 전환기(90) 및/또는, 필요할 경우 진단 레이저 빔과, 핸드피스(70)를 레이저처리될 조직 부근 상에 배치하기 위한 로케이터(250) 및 마커 또는 광감각제를 조명하고 및/또는 활성화시키기 위한 적어도 하나의 LED(73)를 포함한다. 이 개별 발명은 본 출원에서 설명된 다른 실시예들 중 어느 것과도 조합될 수 있고 및/또는 본 출원에서 언급된 특징들 중 여하한의 특징을 이용하여 정교하게 구성될 수 있으며, 상술된 바와 같은 레이저 빔 아웃커플러를 포함하는 레이저처리 디바이스와 같은 선도적 디바이스들을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
이하 도 5를 참조하면, 핸드피스(70)가 위치설정 기능을 가질뿐만 아니라 치료되는 치아(40)를 캡슐화할 수 있는 로케이터(350)를 특징으로 하는 추가 실시예를 예시하기 위하여, 단면도로 나타낸 핸드피스 형태의 아웃커플러(70)가 나타나 있다. 이는, 여기서는 단순히 참조부호로만 나타나 있고 반드시 기술적으로 실현가능한 것으로 이해될 필요는 없는, 로케이터(350)의 바닥 림에 적용되는 시일(350.1)로부터 명백히 알 수 있다. 그러나, 여하한의 경우에 이러한 로케이터의 일 목적은, 치료되는 치아(40)의 바로 부근을 나머지 인두 공간으로부터 최적의 공기- 및 가스-밀폐상태로 캡슐화하기 위한 것이다. 이러한 종류의 캡슐화 배치는 이하 후속하는 예시적 실시형태들의 방식으로 설명될 폭넓은 방식들로 치아의 치료를 최적화할 수 있게 한다. 예를 들어, 로케이터가 외부로부터 사이트를 밀폐에서 해제시킴으로 인해 절제된 잔해(debris)들을 특히 효율적이고 신뢰성 있게 제거하기 위하여 핸드피스(70) 내에 흡입기가 통합될 수도 있다. 또한, 치아(40)를 둘러싸는 제어된 분위기가 생성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같은 실시예는 고유한 발명인 레이저 빔 아웃커플러를 나타내고 있다는 데 유의하여야 한다. 이 레이저 빔 아웃커플러는 핸드피스(70), 레이저처리 빔(50)을 편향시키기 위한 전환기(90) 및/또는, 필요할 경우 진단 레이저 빔과, 핸드피스(70)를 레이저처리될 조직 부근 상에 배치하기 위한 로케이터(350)를 포함한다. 이 구성에서, 로케이터(350)는 레이저처리될 조직 부위를 밀폐식으로 캡슐화할 수 있도록 설계된다. 이 개별 발명은 본 출원에서 설명된 다른 실시예들 중 어느 것과도 조합될 수 있고 및/또는 본 출원에서 언급된 특징들 중 여하한의 특징들을 이용하여 정교하게 구성될 수 있으며, 상술된 바와 같은 레이저 빔 아웃커플러를 포함하는 레이저처리 디바이스와 같은 선도적 디바이스들을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
이하 도 6을 참조하면, 핸드피스(70)가 로케이터(250)를 장착시키는 추가 실시예를 예시하기 위하여 단면도로 도시된 핸드피스 형태의 아웃커플러(70)가 나타나 있으며, 상기 아웃커플러와 로케이터 둘 모두는 조직 치료시에 절제된 잔해의 효율적인 흡입을 위해 흡입 덕트(80)를 통합시키도록 구성된다. 흡입 덕트(80)는 핸드피스(70) 내에 통합되는 흡입 시스템(도시 안됨)에 연결되며, 그것의 개방 단부는 레이저처리시에 발생되는 절제된 잔해를 흡입하기 위하여 레이저처리되는 부위로 향하도록 로케이터(250) 내로 돌출된다. 흡입 덕트(80)의 단부는, 특히 사용자에 의한 제어 및 배향을 위하여 이동가능하게 장착되도록 제공되며, 이는 또한 레이저처리되는 부위로부터의 가변적인 간격을 포함하여 이루어진다.
도 6에 도시된 실시예는 고유한 발명인 레이저 빔 아웃커플러를 나타내고 있다는 데 유의하여야 한다. 이 레이저 빔 아웃커플러는 핸드피스(70), 레이저처리 빔(50)을 편향시키기 위한 전환기(90) 및/또는, 필요할 경우 진단 레이저 빔과, 핸드피스(70)를 레이저처리될 조직 부근 상에 배치하기 위한 로케이터(250)를 포함하며, 상기 핸드피스(70) 및 로케이터(350)는 흡입 덕트(80)가 내부에 통합되도록 구성되며, 그것의 단부는 레이저처리되는 조직 부위로 향할 수 있다. 이 개별 발명은 본 출원에서 설명된 다른 실시예들 중 어느 것과도 조합될 수 있고 및/또는 본 출원에서 언급된 특징들 중 여하한의 특징을 이용하여 정교하게 구성될 수 있으며, 상술된 바와 같은 레이저 빔 아웃커플러를 포함하는 레이저처리 디바이스와 같은 선도적 디바이스들을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 특히, 도 5 및 도 6을 기준으로 하는 실시예들의 조합, 즉 흡입 시스템에 대한 캡슐화된 밀폐형태의 조합은, 예를 들어 아말감 충전제의 절제를 포함하는 잠재적으로 유독한 레이저처리가 수행될 수 있도록 하며, 이 경우에 기밀식 캡슐화는 절제된 잔해, 본질적으로는 실제적으로 잔류물들이 없는 원소성 수은(elementary mercury)을 안전하게 제거할 수 있게 한다. 본 출원에서 기술된 바와 같이, 아말감 충전제의 레이저 절제는 광감각제의 도움으로 수행될 수 있으며, 따라서 본 발명은 수은 증기들에 대한 법적 요건인 최대 작업환경 허용농도(maximum workplace concentration: MAK)에 부합하는 레이저처리에 의한 아말감 제거를 수행할 수 있게 한다.
이하, 도 7을 참조하면, 정 스케일로 도시되지 않은, 레이저처리 디바이스의 추가 실시예가 개략적으로 예시되어 있다. 도 7에 도시된 레이저처리 디바이스(300)의 실시예는 도 2를 기준으로 설명된 것과 실질적으로 같은 구성요소들을 포함하며, 따라서 이들은 같은 참조 부호들로 나타나 있다. 하지만, 도 2에 도시된 레이저처리 디바이스와는 달리, 레이저처리 디바이스(300)는 피더(325B)에 의하여 핸드피스(70)에 연결되는 저장부(325A)를 포함하는 제너레이터(325)를 특징으로 한다. 피더(325B)는 핸드피스를 통해 로케이터(150)까지 통합되고, 그것의 단부에 있는 레이저처리되는 치아로 향하는 오리피스를 특징으로 한다. 한가지 단순한 변형례에서는, 진공 펌프를 포함하는 제너레이터(325)에 의하여 진공이 생성될 수 있다. 이 경우에, 로케이터(150)는, 도 5에 도시된 로케이터(350) 같이 캡슐화 로케이터로서 구성될 수 있으며, 또한 로케이터(150)는 - 원하거나 필요한 경우 - 핸드피스(70)로부터 밀폐해제될 수도 있으며, 핸드피스(70)와 레이저처리 빔(50)에 대해 투과적인 로케이터(150) 사이에는 창(window)이 배치된다. 약간 덜 복잡한 변형례에서는, 예를 들어 치아(40) 위에 진공이 생성될 필요가 있을 경우 핸드피스(70)와 로케이터(150) 사이에는 시일이 제공되지 않거나 적어도 완전하지 않은 시일이 제공된다. 또한, 제너레이터(325)는 양의 압력이 발생되도록 설계될 수도 있다. 또한, 제너레이터(325)는 치아(40)의 주변에 특정 가스 분위기를 생성하도록, 예컨대 O2, N2, H2O(수증기) 또는 몇몇 희귀 가스와 같은 가스를 제공하도록 설계될 수도 있다. 특히, 아말감 충전제들을 절제하는 경우, 이는 치아(40) 주변으로부터 절제된 수은을 제거할 때 특정한 방식으로 절제된 수은을 결속(bind)시키는 것이 유리한 이용을 가능하게 한다. 또한, 제너레이터(325)는 절제된 표면 부위 상에 냉각 매체를 발생시킴으로써, 가장 단순한 경우에는 차가운 공기를 분사시킴으로써 치아(40)에 대한 냉각을 달성하도록 설계될 수 있다. 또한, 제너레이터(325)는 에어로졸 발생기로서 설계될 수도 있으며, 그에 의하여, 예를 들어 가스 - 상기 가스 내에서 마이크로스코픽(나노) 입자 또는 매크로스코픽 입자와 같은 입자들이 절제와 연계한 취급상의 특정 작용으로 흩어짐 - 를 발생시킬 수 있다. 나아가, 이들 입자들은 냉각 기능을 가질 수도 있다. 이와 더불어, 도 2에 도시된 실시예의 분석기/제어기(120) 및 검출기(110) 또한 포함될 수 있으며, 상기 분석기/제어기(120)는 제너레이터(325)를 제어할 때 제너레이터(325)에 연결된다.
도 7에 도시된 실시예는 고유한 발명인 레이저처리 디바이스를 나타내고 있다는 데 유의하여야 한다. 이 레이저처리 디바이스는 레이저처리 빔(50)을 제공하는 소스(10), 레이저처리되는 조직의 방향으로 레이저처리 빔(50)을 아웃커플링하는 아웃커플러(70), 및 레이저처리되는 조직 주변에 분위기를 발생시키거나 공급하기 위한 제너레이터(325)를 포함한다. 이 고유한 발명은 본 출원에서 설명된 다른 실시예들 중 어느 것과도 조합될 수 있고 및/또는 본 출원에서 언급된 특징들 중 여하한의 특징을 이용하여 정교하게 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
이하 도 8을 참조하면, 마커를 이용하는 경우의 자동화된 조합의 절제 및 진단 공정의 일 실시예에 대한 플로우 차트가 예시되어 있다. 단계 s1에서는, 마커가 적용된다. 단계 s2에서는, 손상된 조직을 나타내는 얼룩의 변화가 발생되었는지의 여부가 밝혀진다. 얼룩의 변화가 검출되지 않는다면, 상기 공정은 중단된다. 얼룩의 변화의 검출은 CCD 또는 CMOS 요소와 같은 검출기 상에 이미징되는 표면에 의한 공간 해상도(spatial resolution)를 이용하여 이행되고, 이미지를 스캐닝함으로써 얼룩의 변화를 갖는 부위들을 검출하고, 그 결과를 전자적으로 저장하며, 그 후 마커가 제거되고, 단계 s4에서는 손상된 것으로 검출된 부위들에 광감각제가 적용된다. 이 후, 마커 적용시에 단계 s1이 반복되고, 단계 s2에서는 손상된 부위들이 존재하는지의 여부가 밝혀진다.
이하, 도 9를 참조하면, LIBS 기술을 이용하여 자동화된 조합의 절제 및 진단 프로세스의 일 실시예에 대한 플로우 차트가 예시되며, 그 중 단계 s1에서는 소정 부위가 진단 레이저 빔을 이용하여 스캐닝되는 동시에 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이 수행되는 SHG 신호의 검출이 이행된다. 단계 s2에서는, 어떤 부위들이 후 산란되는 SHG 신호를 가져서 건강해 보이는지를 밝힌다. SHG 신호가 표면 모두에 대해 복원되는 경우, 공정이 중단된다. 따라서, 여기에서도 어떤 부위가 건강한지를 규명하는 것은 공간 해상도를 이용하여 수행되며, 상보적(complementary) 부위들은 병이 든 것으로 전자적으로 저장되며, 단계 s4에서 이 부위에 광감각제가 적용된다. 다음의 단계 s5에서는, 레이저처리 빔을 이용하여 절제가 수행되며, 레이저처리의 지속시간 및 파워 등과 같은 파라미터들이 사용자에 의해 사전에 설정된다. 이 후, s1에서는 LIBS 분석이 반복되며, 단계 s2에서는 병이 든 분위들이 여전히 존재하는지의 여부가 밝혀진다.
도 8 및 도 9에 도시된 실시예들은 고유한 발명인 조합된 레이저처리 및 진단 공정을 나타내며, 상기 공정은, 마커 또는 LIBS에 의하여 병이 든 부위를 검출하는 단계, 광감각제를 상기 병이 든 부위에 적용하는 단계, 레이저처리 빔에 의하여 병이 든 부위들을 절제하는 단계, 남아 있는 질병의 검출을 반복하는 단계, 필요할 경우 광감각제의 적용을 반복하는 단계, 및 더 이상 질병이 검출되지 않을 때까지 순차적으로 절제를 수행하는 단계를 포함한다. 고유한 발명들 각각은 본 출원에서 설명된 바와 같이 다른 실시예들 중 여하한의 실시예와 조합될 수도 있으며 및/또는 본 출원에서 언급된 특징들 중 여하한의 특징을 이용하여 정교해질 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
상세한 실시예들 및 고유한 발명들에서 기술된 바와 같은 모든 특징들은 기술된 바와 같은 다른 실시예 및 고유한 발명들에도 적용가능하다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (32)

  1. 하기 단계를 포함하는, 생체 조직을 레이저처리(lasering)하는 방법:
    레이저처리될 상기 조직 주변에 광감각제(photosensitizer)를 위치시키는 단계,
    펄스화된(pulsed) 레이저처리 빔을 제공하는 단계, 및
    1 ps 내지 100 ps 범위의 일시적 반치폭(temporal width half maximum)을 갖는 레이저처리 펄스들을 방출하는 상기 펄스화된 레이저처리 빔으로 상기 조직 부위를 레이저처리하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 파장은 상기 레이저처리 빔이 상기 광감각제에서 이-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되며, 상기 흡수는 상기 광감각제의 흡수 최대치 부근에서 이루어지는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 파장은 상기 레이저처리 빔이 상기 광감각제에서 일-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되며, 상기 흡수는 상기 광감각제의 흡수 최대치 부근에서 이루어지는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저 펄스 반복률은 1 Hz 내지 1000 kHz 범위에서 설정되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 치아, 특히 충치의 절제 또는 마모를 위하여 채용되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저처리 빔은 실질적으로 톱 햇 빔 프로파일(top hat beam profile)을 포함하는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저처리 부위는 상기 레이저처리 빔에 의하여 스캐닝되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저처리 빔에 의하여 포커스되는 하부-부위(sub-site)는 정밀한 하나의 레이저 펄스에 의하여 레이저처리되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    오버랩을 갖는 단일 레이저 펄스로 레이저처리되는 인접한 하부-부위들은 하부-부위의 표면 영역의 절반보다 작은 표면 영역을 갖는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저처리 동안 레이저처리되는 부위의 표면 상에 초점 위치가 남아 있도록 제어가 구현되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    레이저처리될 부위는, 특정한 종류의 조직, 특히 병이 든 조직과 접촉할 경우 특정한 얼룩(stain)을 나타내는 조직에 마커를 적용함으로써 정의되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저처리될 부위는 마커의 이용 없이, 즉 상기 조직에서 발생되는 신호의 존재, 및 필요할 경우 상기 신호의 강도를 검출함으로써 수립되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 레이저처리 부위로 향하는 전자기 방사선의 이차 또는 그보다 고차의 고조파가 상기 신호로서 이용되는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전자기 방사선은 특별하게 펄스화된 진단 레이저 빔의 방사선이며, 상기 방사선의 레이저 펄스들은 상기 조직을 레이저처리하는 데 필요한 것보다 낮은 에너지 밀도를 특징으로 하는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 레이저처리 빔 및 상기 진단 레이저 빔은 동일한 레이저 빔 소스에 의하여 발생될 수 있는 생체 조직을 레이저처리하는 방법.
  16. 하기를 포함하는, 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스:
    펄스화된 레이저처리 빔(50)을 제공하는 소스(1; 10),
    상기 레이저처리 빔(50)을 레이저처리될 조직 부위의 방향으로 커플링하기 위한 아웃커플러(outcoupler; 6; 70), 및
    상기 레이저처리될 조직 부위의 주변 방향으로 광감각제를 공급하는 아웃피더(5; 25) - 상기 아웃피더(5; 25)는 상기 레이저처리 빔 아웃커플러(6; 70)에 연결됨 - .
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 디바이스는 치아, 특히 충치의 절제 또는 마모를 위한 치과용 레이저처리 디바이스(200)인 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 1 ps 내지 100 ps 범위의 일시적 반치폭을 갖는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항에 있어서,
    레이저 펄스 반복률은 1 Hz 내지 1000 kHz 범위에서 설정되는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  20. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 파장은 상기 레이저처리 빔이 상기 광감각제에서 이-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되도록 선택되며, 상기 흡수는 상기 광감각제의 흡수 최대치 부근에서 이루어지는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  21. 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 펄스 파장은 상기 레이저처리 빔이 상기 광감각제에서 일-광자 흡수에 의하여 적어도 부분적으로 흡수되도록 설정되며, 상기 흡수는 상기 광감각제의 흡수 최대치 부근에서 이루어지는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저처리 빔 아웃커플러(6; 70)의 말단부를 레이저처리되는 조직의 일 부분에 대해 배치시키기 위하여 상기 레이저처리 빔 아웃커플러(6; 70)에 연결되는 로케이터(150)를 더 포함하는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  23. 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스화된 레이저처리 빔(50)의 실질적인 톱 햇 빔 프로파일을 생성하는 빔 셰이퍼(beam shaper; 30)를 더 포함하는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  24. 제 16 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저처리 빔으로 조직 부위를 스캐닝하기 위한 스캐너(80)를 더 포함하는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 스캐너(80)는 상기 레이저처리 빔(50)에 의하여 포커스되는 하부-부위가 정밀한 하나의 레이저 펄스에 의하여 레이저처리되도록 구성되는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  26. 제 24 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스캐너(80)는, 각각의 인접한 하부-부위가 하부-부위의 절반보다 작은 표면 영역을 갖는 오버랩을 지닌 단일 레이저 펄스로 레이저처리되는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  27. 제 16 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저처리 디바이스는:
    상기 조직의 표면 상의 초점 위치를 일정하게 유지하기 위한 오토포커서(autofocuser; 20)를 더 포함하는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  28. 제 16 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저처리 디바이스는:
    상기 조직 또는 그 주변에서 발생되는 신호의 존재, 및 필요할 경우 상기 신호의 강도를 검출하는 검출기(110)를 더 포함하는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 검출기(110)는 광학 센서를 포함하는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 광학 센서는 상기 조직으로 쏘아지는 전자기 방사선의 이차 또는 그보다 고차의 고조파를 감지하도록 설계되는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  31. 제 16 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저처리 빔 아웃커플러(70)는 핸드피스(handpiece) 형태로 제공되며, 상기 핸드피스 내부에 상기 광감각제를 아웃피딩하는 상기 아웃피더(35)가 적어도 부분적으로 포함되는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 핸드피스 내에 상기 스캐너(80) 및/또는 오토포커서(20)가 배치되는 생체 조직을 레이저처리하기 위한 레이저처리 디바이스.
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