KR20140050587A - 외과수술 조명용 나노 섬유로 발진되는 백색 일관성 레이저 광 - Google Patents

외과수술 조명용 나노 섬유로 발진되는 백색 일관성 레이저 광 Download PDF

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KR20140050587A
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Abstract

제 1 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 광 빔을 방출하도록 구성된 제 1 레이저 및 제 1 레이저에 광학적으로 연결가능한 조명 탐침을 포함하는 전형적인 외과수술 조명 시스템이 설명된다. 제 1 레이저는 초연속 레이저로서 구성될 수 있다. 외과수술 조명 시스템은 제 2 스펙트럼 범위를 갖는 제 2 광 빔을 방출하도록 구성되는 제 2 레이저 및 제 1 및 제 2 레이저들의 스펙트럼 범위를 갖는 제 3 레이저 빔을 형성하도록 제 1 및 제 2 레이저 빔들을 결합하는 빔 결합기를 포함할 수 있다. 조명 탐침은 제 1 광 빔의 적어도 일부분을 외과수술 부위에 인도하기 위한 광섬유 케이블을 포함한다. 광섬유 케이블은 100 μ또는 그 미만의 직경을 갖는 광섬유 코어를 포함한다.

Description

외과수술 조명용 나노 섬유로 발진되는 백색 일관성 레이저 광 {WHITE COHERENT LASER LIGHT LAUNCHED INTO NANO FIBERS FOR SURGICAL ILLUMINATION}
해부학적으로, 눈은 두 개의 별개의 부분들, 즉 전안부(anterior segment)와 후안부로 나누어질 수 있다. 전안부는 수정체를 포함하며 각막의 최외층(각막의 내피)로부터 수정체 낭의 후안부로 연장한다. 후안부는 수정체 낭 뒤에 있는 눈의 부분을 포함한다. 후안부는 전안부 유리질 면(초자체 부분)으로부터 망막으로 연장하며, 후안부 유리질 면이 망막에 직접 접촉한다. 후안부는 전안부보다 훨씬 더 크다.
후안부는 초자체, 즉 투명 무색의 겔형 물질을 포함한다. 이는 눈 체적의 대략 2/3을 차지하며, 출생 이전에 눈에 형체와 형상을 부여한다. 초자체는 1%의 콜라겐과 히알우론산 나트륨(sodium hyaluronate) 및 99%의 물로 구성된다. 초자체의 전안부 경계는 후안부 수정체 낭과 접촉하는 전안부 유리질 면인 반면에, 후안부 유리질 면은 망막과 접촉하는 그의 후안부 경계를 형성한다. 초자체는 수양액(aqueous humor)처럼 자유롭게 유동하지 않으며 정상적인 해부학적 부착 부위들을 가진다. 이들 부위들 중의 하나가 초자체 기저인데, 이 초자체 기저는 거상연(ora serrata) 위에 놓이는 약 3 내지 4 mm 넓은 띠이다. 시신경 유두, 황반, 및 맥관 복개 통로(vascular arcade)가 또한 부착 부위들이다. 초자체의 주요 기능들은 망막을 제위치에 고정하고, 구체의 무결성과 형상을 유지하고, 운동으로 인한 충격을 흡수하며, 후안부에 수정체들용 지지부를 부여하는 것이다. 수양액과는 대조적으로, 초자체는 연속적으로 교체되지 않는다. 초자체는 이액현상(syneresis)으로서 공지된 과정에서 시간이 지남에 따라 더욱 유동적으로 된다. 이액현상은 초자체의 수축을 초래하며, 이는 그의 정상적인 부착 부위들에 압력 또는 견인력을 가할 수 있다. 충분한 견인력이 가해지면, 초자체는 그의 망막 부착부위로부터 스스로 당겨질 수 있으며 망막 파열 또는 원공을 생성할 수 있다.
초자체-망막 조치(vitreo-retinal procedure)들로서 지칭되는 다양한 외과수술 조치들은 보통 눈의 후안부에서 수행된다. 초자체-망막 조치들은 후안부의 많은 심각한 상태들을 치료하는데 적합하다. 초자체-망막 조치들은 노인성 황반 변성(AMD), 망막 병증 및 초자체 출혈, 황반 원공, 망막 박리, 망막 전막(epiretinal membrane), CMV 망막염, 및 많은 다른 안과 상태들과 같은 상태들을 치료한다.
외과의는 후안부의 선명한 이미지를 제공하도록 설계된 현미경 및 특수 렌즈들을 이용하여 초자체-망막 조치들을 수행한다. 단지 mm 정도 길이의 여러 미세 절개들이 평면부(pars plana)에 있는 공막에서 이루어진다. 외과의는 눈의 내측을 조명하기 위한 광섬유 광원과 같은 미세수술 기구들, 외과수술 중 눈의 형상을 유지하기 위한 주입 라인, 및 초자체를 절단하고 제거하기 위한 기구들을 절개부들을 통해서 삽입한다. 다중 기구들을 동시에 사용할 때 각각의 미세수술 기구를 위한 별개의 절개가 제공될 수 있다.
그와 같은 외과수술 조치들 중에, 눈 내측의 적절한 조명이 중요하다. 통상적으로, 얇은 광섬유가 조명을 제공하기 위해서 눈의 내측에 삽입된다. 할로겐 텅스텐 램프 또는 고압 아크 램프(메탈-핼라이드, Xe)와 같은 광원이 광섬유에 의해 눈의 내측으로 운반되는 광을 생성하는데 사용될 수 있다. 광은 여러 광학 요소들(통상적으로, 렌즈들, 미러들, 및 감쇠기들)을 통해 통과하며 광을 눈 내측으로 운반하는 광섬유로 전송된다.
대부분의 외과수술 조치들에서처럼, 초자체-망막 조치를 수행하는데 요구되는 절개부들의 수와 크기를 최소화하는 것이 유리하다. 절개부들은 통상적으로, 단지 눈의 내부로 삽입될 미세수술 기구의 크기를 수용하기에 충분히 크게 만들어질 뿐이다. 절개부의 크기를 최소화하기 위한 노력들에는 일반적으로, 미세수술 기구의 크기를 감소시키는 것을 포함한다. 절개부들의 수를 감소시키는 것은 다양한 미세수술 기구들을 통합함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 광섬유는 미세수술 기구의 작동 단부 내측에 병합될 수 있다. 이는 별도의 조명 절개부에 대한 필요성을 제거하며 공막 내의 공통 개구를 통해서 목표 부위로 미세수술 기구와 함께 광 빔을 지향시키는 장점을 제공할 수 있다. 불행히도, 다중 미세수술 기구들을 통합함에 있어서 적어도 몇몇 종래의 시도들은 눈의 내부 영역으로의 삽입을 위한 보다 큰 절개부들을 요구하는 보다 큰 기구들을 초래하거나 통합된 수술 기구들 중의 하나 또는 모두의 성능에 부수적인 성능 저하가 수반되었다.
도 1은 눈의 내부 구조를 도시하는 눈의 횡단면도이며,
도 2는 도 1의 눈의 내부 영역을 조명하는 것을 도시하는 예시적인 조명 탐침의 개략도이며,
도 3은 조명 탐침에 선택적으로 광학적으로 연결될 수 있는 일반적으로 광대역 레이저 광원을 사용하는 예시적인 안구내 조명 시스템의 개략도이며,
도 4는 눈의 공막 내의 절개부를 통해 돌출된 것을 도시하는 조명 탐침의 단부에 대한 개략적인 부분 횡단면도이며,
도 5는 도 3 및 도 6의 안구내 조명 시스템들에 사용될 수 있는 예시적인 통합 주입 관 및 조명 탐침의 개략적인 부분 횡단면도이며,
도 6은 광원으로서 다중 협대역 레이저들을 사용하는 예시적인 안구내 조명 시스템의 개략도이며,
도 7은 조명 탐침으로부터 방출되는 광의 분포를 선택적으로 조절하기 위한 성형 단부를 갖는 나노-스케일 광섬유를 포함하며 도 3 및 도 6의 안구내 조명 시스템들에 사용될 수 있는 예시적인 조명 탐침의 개략적인 부분 횡단면도이며,
도 8은 도 3 및 도 6의 안구내 조명 시스템들에 사용될 수 있는 높은 수치의 구경 및 나노-스케일 조명 광섬유를 포함하는 예시적인 조명 탐침의 개략적인 부분 횡단면도이다.
이제 이후의 논의 및 도면들을 참조하면, 설명된 시스템들 및 방법들에 대한 예시적인 접근법들이 구체적으로 설명된다. 도면들이 몇몇 가능한 접근법들을 나타내지만, 도면들은 반드시 축척대로 도시될 필요는 없으며 특정 특징들은 본 개시를 더 잘 도시하고 설명하기 위해서 과장, 제거되거나 부분적으로 절단될 수 있다. 게다가, 여기에 진술된 설명들은 이후의 상세한 설명에 설명되고 도면들에 도시된 정확한 형태들 및 구성들에 특허청구범위를 완전동일시하거나, 아니면 한정하거나 제한하려는 것이 아니다.
도 1은 각막(22), 홍채(24), 동공(26), 수정체(28), 수정체 낭(30), 모양소대(32), 섬모체(34), 공막(36), 초자체 영역(38), 망막(40), 황반(42), 및 시신경(44)을 포함하는 눈(20)의 구조를 도시한다. 각막(22)은 창으로서의 역할을 하여 광을 눈의 내측으로 보내는, 눈(20)의 표면 상의 투명한 돔 형상의 조직이다. 눈의 채색 부분에 대응하는 홍채(24)는 눈(20)으로 진입하는 광량을 제어하도록 이완 및 수축하는 동공(26)을 에워싸는 근육이다. 동공(26)은 홍채(24) 내의 둥근 중심부의 개구이다. 수정체(28)는 광을 망막(40)에 포커스하는데 도움을 주는 눈(20) 내측의 조직이다. 수정체 낭(30)은 수정체(30)를 캡슐화하여 눈이 상이한 거리들에서 물체들에 포커스될 때 수정체(28)의 형상을 제어하는데 도움을 주는 탄성 백이다. 모양소대(32)들은 수정체 낭(30)을 눈(20)의 내측에 부착하여 수정체(28)를 제위치에 고정하는 가는 인대들이다. 섬모체(34)는 포커싱을 위해 수정체의 크기를 제어하도록 수축 및 이완하는, 수정체(28)에 부착된 근육 구역이다. 공막(36)은 눈의 형상을 유지하는 눈(20)의 질긴 최외측 층이다. 초자체 영역(38)은 눈의 곡률의 유지하는데 도움을 주는 눈(20)의 후면 쪽으로 위치된 커다란 겔-충전 섹션이다. 망막(40)은 광을 수용하고 그 광을 뇌로 보내기 위한 신호들로 변환시키는 눈(20)의 후면에 있는 광-감지 신경 층이다. 황반(42)은 본 이미지로 미세한 상부사항을 검출하기 위한 수용체들을 포함하는 눈(20)의 후면에 있는 구역이다. 시신경(44)은 눈(20)으로부터의 신호들을 뇌로 전송한다.
도 2를 참조하면, 다양한 미세수술 기구들이 초자체-망막 조치를 수행하는 것과 연관하여 (일반적으로 평면에 있는)공막(36)을 통해서 초자체 영역(38) 내측으로 삽입될 수 있다. 이들은 이에 한정되지 않지만, 초자체절제 탐침(46), 주입 관(48), 및 눈(20)의 내부를 조명하기 위한 조명 탐침(50)을 포함할 수 있다. 조명 탐침(50)은 초자체-망막 수술과 같은 다양한 수술중(intra-operative) 조치들 동안에 눈(20)의 초자체 영역(38)의 내부를 조명하기 위해서 광원으로부터의 광을 전달하기 위한 광섬유 케이블(52)을 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 예시적인 엔도일루미네이터(51)(endoilluminator)는 조명기(52) 및 조명 탐침(50)을 포함할 수 있다. 조명기(52)는 특정 광속 및 색도에서 광을 발생시키기 위한 광 엔진(54)을 포함할 수 있다. 조명기(52)에 의해 생성된 광은 조명 탐침(50)을 통해서 눈의 내부 영역으로 전송될 수 있다. 광 엔진(54)은 광을 발생시키기 위해 레이저(56)를 사용할 수 있다. 이에 한정되지 않지만, 가스 레이저들, 염료 레이저들, 금속 증기 레이저들, 고상 레이저들, 반도체 레이저들, 섬유 레이저들, 및 초연속(supercontinuum) 레이저들을 포함한 다양한 형태들과 구성들의 레이저들이 사용될 수 있다. 광은 사용된 레이저의 형태에 따라서 상대적으로 넓거나 좁은 스펙트럼 범위에 걸쳐서 레이저(56)로부터 방출될 수 있다. 레이저들은 일반적으로, LED들 및 램프 기반 조명기들과 같은 다른 광원들에 비해서 상대적으로 높은 수준의 공간 일관성을 갖는 광을 생성할 수 있다. 높은 공간 일관성은 광섬유 케이블들로 효과적인 전송을 위해 방출된 광이 보다 작은 스폿 크기들로 포커싱될 수 있게 한다. 방출된 광을 작은 스폿 크기들로 포커싱할 수 있는 능력은 나노-스케일 광섬유들과 같은 작은 광섬유들의 사용을 가능하게 할 수 있으며, 이는 차례로 조명 탐침(50)을 눈(20) 내측으로 삽입하기 위한 보다 작은 외과수술 절개부들을 가능하게 한다. 초자체-망막 조치들을 포함한 많은 외과수술 조치들의 경우에서처럼, 일반적으로 가능한 한 작은 크기로 외과수술 절개부들을 한정하는 것이 바람직하다. 보다 작은 광섬유들은 일반적으로 눈 내측으로의 삽입을 위한 보다 작은 외과수술 절개부들을 요구한다. 사용된 광섬유의 크기에 따라서, 절개부는 결과적인 상처가 실질적으로 자체-치유될 수 있게 하기에 충분히 작을 수 있으며, 그에 의해 봉합들과 같은 절개부를 폐쇄하기 위한 추가의 조치들을 사용할 필요성을 경감시킨다.
레이저(56)는 눈(20)의 내부 영역을 조명하기 위한 일반적으로 광대역 백색 광을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 레이저(56)는 상대적으로 넓은 공간 범위에 걸쳐서 일반적으로 광대역 광을 생성할 수 있는 초연속 레이저로서 구성될 수 있다. 초연속 레이저들은 예를 들어, 광 결정 섬유와 같은 분산형 비-직진성 매체를 통해서 일반적으로 협소한 대역폭 펄스형 펌프 빔을 통과시킴으로써 작동한다. 펌프 빔이 분산형 비-직진성 매체를 통해 전파되므로, 일련의 비-직진성 프로세스들이 펌프 빔에 작용함으로써 최초 펌프 빔의 스펙트럼 광역화(spectral broadening)를 유발한다. 그 결과가 가시 스펙트럼의 적어도 일부분에 걸쳐 연장하는 스펙트럼 연속성이다. 레이저(56)는 또한, 전체 가시 스펙트럼을 커버하고 비가시 스펙트럼의 부분들로 연장하는 광을 방출하도록 구성될 수 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 조명기(52)는 이에 한정되지 않으나, 구동 전자기기(58), 파워 모니터(60), 및 제어기(62)를 포함한, 레이저(56)의 작동을 제어하고 모니터링하기 위한 다양한 장치들을 포함할 수 있다. 파워 모니터(60)는 레이저(56)로부터 방출된 광 빔(64)의 파워를 모니터하도록 구성될 수 있다. 빔 분할기(66), 또는 다른 적합한 광학 장치가 광 빔(64)의 부분(68)을 파워 모니터(60)로 지향시키는데 사용될 수 있다. 파워 모니터(60)는 레이저(56)로부터 방출된 광의 파워를 나타내는 전자 신호를 발생하도록 구성될 수 있다. 파워 모니터(60)는 유선 또는 무선으로 제어기(62)에 전자적으로 연결될 수 있다.
제어기(62)는 구동 전자기기(58)의 작동을 적어도 부분적으로 제어할 수 있다. 이에 한정되지 않지만, 다양한 유저 인풋들 및 파워 모니터(60)로부터 전송된 파워 신호를 포함한 다양한 정보 인풋들이 제어기(62)에 의해 수신될 수 있으며, 그 후 휴리스틱스(heuristics), 즉 논리 규칙들 또는 프로세스들이 인풋들에 적용될 수 있다. 그 후 조명기(52)의 전체 작동의 맥락에서 구동 전자기기(58)의 작동에 영향을 끼치는 아웃풋들이 발생될 수 있다.
초연속 레이저를 사용할 때와 같은 특정 조명 적용들에 있어서 레이저(56)로부터 방출된 빔 펄스들을 시간 영역에서 더욱더 신장시키는 것이 유리할 수 있다. 이는 레이저(56)로부터 방출된 일반적으로 광대역 백색 광을 발생시키는데 사용되는 분산형 비-직진성 매체 하류의 광학 경로에 분산형 요소(70)를 배열함으로써 달성될 수 있다. 분산형 요소(70)는 일정 길이의 분산형 광섬유로서 구성될 수 있다. 분산형 요소(70)는 조명 탐침(50)을 조명기(52)에 선택적으로 광학적으로 커플링하기 위한 광학 커플러(71)를 포함할 수 있다. 이와는 달리, 분산형 요소는 조명 탐침(50)의 일부분으로서 통합될 수 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 조명기(52)는 레이저(56)로부터 방출된 광 빔(64)을 포획 및 포커싱하고 분산형 요소(70)로 인도하기 위해 광을 포커싱하기 위한 광학 커플러(72)를 포함할 수 있다. 광학 커플러(72)는 예를 들어, 레이저(56)로부터 방출된 일반적으로 분기형 광 빔(64)을 수용하기 위한 시준 렌즈(74)들, 및 시준 렌즈(74)의 하류에 광학적으로 배열되는 집광 렌즈(76)들과 같은 다양한 광학 요소들을 포함할 수 있다. 시준 렌즈(74)는 레이저(56)로부터 방출된 광 빔(64)을 수용하며 일반적으로 시준된 광 빔(77)을 형성하도록 그 광을 굴절시킨다. 시준된 광 빔(77)은 분산형 요소(70)에 인도하기 위해 시준된 광 빔을 포커싱하도록 작동하는 집광 렌즈(76)를 통해 통과한다. 광학 커플러(72)는 이와는 달리, 분산형 요소(70)에 레이저(56)를 광학적으로 커플링하기 위한 볼 렌즈들을 사용할 수 있다. 이들은 광섬유 케이블(52)에 레이저(56)를 광학적으로 커플링하는데 사용될 수 있는 다양한 광학 커플링 시스템들 중의 단지 두 개의 예들이다. 다른 광학 커플링 시스템들이 또한 이용될 수 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 조명 탐침(50)은 눈(20)의 내부로 레이저(56)로부터 방출된 광을 전송하기 위한 광섬유 케이블(78)을 포함할 수 있다. 광섬유 케이블(78)은 분산형 요소(70)에 광 섬유 케이블(78)을 광학적으로 연결하기 위한 광섬유 커넥터(80)를 포함할 수 있다. 광섬유 커넥터(80)는 조명기(52)에 작동가능하게 관련된 대응하도록 구성된 광학 커플러(71)에 해제가능하게 연결된다. 광학 커넥터(71,80)들은 광섬유 케이블(78)이 조명기(52)로부터 선택적으로 부착 및 분리될 수 있게 한다. 도 3에 도시된 엔도일루미네이터(51)의 예시적인 구성에서, 광섬유 케이블(78)은 분산형 요소(70)에 직접 연결된 것으로 도시되어 있다. 실제로, 다양한 추가의 광학 요소들이 조명기(52)와 광섬유 케이블(78) 사이의 광학 경로 내에 배치될 수 있다. 예를 들어, 조명기(52)는 외과수술 콘솔 내에 내장될 수 있다. 광학 커플러(71)와 유사하게 구성된 광학 커넥터는 광섬유 케이블(78)을 커넥터에 광학적으로 연결하기 위한 접근을 제공하도록 외과수술 콘솔의 용이하게 접근가능한 부위에 배열될 수 있다. (영구적 또는 일회용일 수 있는)추가 길이의 광섬유와 같은 일련의 광학 요소들이 외과수술 콘솔의 외측에 배열되는 광학 커넥터에 조명기(52)를 광학적으로 연결하는데 사용될 수 있다. 다른 광학 요소들이 또한, 조명기(52)에 광섬유 케이블(78)을 광학적으로 연결하는데 사용될 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 광섬유 케이블(78)은 임의의 다양한 구성들을 가질 수 있다. 광섬유 케이블(78)은 조명 탐침(50)의 일반적으로 방해없는 조종을 가능하게 하도록 융통성 있는 구성을 포함할 수 있다. 광섬유 케이블(78)은 광섬유 코어(82)에 대해 일반적으로 낮은 굴절 지수를 갖는 피복 재료(84)에 의해 둘러싸인 광 투과성 광섬유 코어(82)를 포함할 수 있다. 광섬유 코어(82)는 이에 한정되지 않지만, 유리 및 플라스틱들을 포함한 다양한 재료들로 만들어질 수 있다. 광섬유 케이블(78)은 또한, 특정 적용의 요건들에 따라 추가의 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광섬유 케이블(78)은 피복 재료(84)를 케이스에 넣는 버퍼 재료뿐만 아니라, 손상으로부터 케이블의 내측 부품들을 차폐하기 위한 (플라스틱 또는 금속 튜브와 같은)외측 보호 재킷을 포함할 수 있다.
레이저(56)로서 초연속 레이저를 사용할 때, 방출된 광 빔(64)은 일반적으로 높은 수준의 공간 일관성을 소유한다. 높은 공간 일관성은 통상적으로 광섬유 케이블로 인도하기 위한 작은 스폿 크기로 빔이 포커스될 수 있게 한다. 작은 스폿 크기들로 초연속 레이저로부터 방출된 광을 포커스하기 위한 능력은 레이저(56)로부터 방출된 광을 눈(20)의 내부로 전송하기 위한 나노-스케일 광섬유들의 사용을 가능하게 한다. 나노-스케일 광섬유들은 일반적으로, 100 μ미만의 직경(또는 다른 가장 큰 횡단면 치수)을 가진다. 조명 탐침(50)의 광섬유 코어(82)로서 사용될 때, 나노-스케일 광섬유의 작은 직경은 탐침의 횡단면적의 감소를 가능하게 할 수 있으며, 이는 차례로, 탐침이 삽입되는 눈(20)의 공막(36) 내의 외과수술 절개부의 크기를 감소시킬 수 있다.
나노-스케일 광섬유들의 작은 크기로 인해서, 초자체 망막 조치 중에 외과수술 기구들을 삽입하는데 요구되는 외과수술 절개부의 수를 감소시키기 위해서 이에 한정되지 않지만 주입 관(48)(도 2 참조)을 포함한 다른 외과수술 기구에 조명 탐침(50)을 통합하는 것이 가능해 질 수 있다. 통합된 조명 광섬유들을 사용하는 주입 관들에 대한 몇몇 예시적인 구성들이 2010년 8월 24일자로 스미쓰 등에 허여된 미국 특허 제 7,783,346("346 특허")호에 설명되어 있다. "346 특허"는 그 전체 내용이 인용에 의해 본 발명에 포함된다. 도 5를 참조하면, 예시적 구성의 통합형 조명 탐침/주입 관(86)은 레이저(56)로부터 방출된 광을 눈(20)의 내측으로 전송하기 위한 나노-스케일 광섬유 케이블(88)을 포함할 수 있다. 눈(20)의 내측으로의 인도를 위해 액체 또는 가스를 이송하기 위한 호스(90)가 제공될 수 있다. 허브(92)는 나노-스케일 광섬유 케이블(88)을 호스(90)와 서로 연결한다. 관(94)이 허브(92)에 부착될 수 있다. 관(94)은 나노-스케일 광섬유 케이블(88)의 단부(96)를 수용하고 유체 또는 가스를 눈(20)의 내부로 인도하기 위한 통로를 제공한다. 나노-스케일 광섬유 케이블(88) 및 호스(90)는 보호 외피(98) 내에 동봉될 수 있다. 예시적인 구성의 통합형 조명 탐침/주입 관(86)은 단일 외과수술 절개부를 통해 눈(20)의 내부 영역으로 두 개의 외과수술 기구들이 동시에 접근할 수 있게 한다. 나노-스케일 광섬유 케이블(88)은 다른 미세수술 기구들과 유사하게 통합될 수 있다.
도 6을 참조하면, 엔도일루미네이터(100)는 특정 광속 및 색도에서 광을 발생시키기 위한 교대로 구성되는 광 엔진(102)을 포함할 수 있다. 광 엔진(102)은 광 엔진(54)(도 3 참조)과 유사하게 구성될 수 있으나, 눈(20)의 내부를 조명하기 위한 일반적으로 광대역 백색 광을 발생시키기 위한 다중 레이저들을 포함하는 것이 다르다. 광 엔진(102) 이외에도, 엔도일루미네이터(100)는 도 3에 도시된 엔도일루미네이터(52)와 유사하게 구성된다. 일반적으로 광대역 백색 광을 발생시키기 위해 레이저 광원(56)(도 3 참조)과 함께 사용되는 초연속 레이저와 같은 단일 레이저를 사용하는 것보다는 오히려, 엔도일루미네이터(100)의 광 엔진(102)은 선택된 공간적 특성들을 갖는 광을 생성하기 위해 두 개 또는 그보다 많은 레이저들을 이용한다. 도 6에 도시된 예시적 구성의 엔도일루미네이터(100)에서, 광 엔진(102)은 4 개의 레이저(104,106,108,110)들을 포함한다. 각각의 레이저는 원하는 스펙트럼 범위의 상이한 부분에 걸쳐서 광을 발생시키도록 구성될 수 있다. 별개의 레이저들로부터 방출된 광 빔들을 원하는 스펙트럼 범위를 갖는 단일 광 빔(64)으로 결합하기 위해 광 결합기(112)가 제공될 수 있다. 광 빔(64)은 레이저(104,106,108,110)들로부터 방출된 광 빔들의 스펙트럼 범위들을 포함하는 스펙트럼 범위를 가질 것이다. 예시적인 구성의 엔도일루미네이터(100)에서는 도 3에 도시한 바와 같이 4 개의 레이저들이 도시되었지만, 실제로 더 적거나 더 많은 레이저들이 사용될 수 있다. 사용된 실제 레이저들의 수는 별개의 레이저들의 파장 범위에 적어도 부분적으로 의존할 것이다. 일반적으로, 스펙트럼 범위가 넓으면 넓을수록 원하는 스펙트럼 범위에 걸쳐서 광을 생성하는데 사용될 필요가 있는 레이저들의 수는 더 작아질 것이다. 각각의 레이저가 상이한 스펙트럼 범위에 걸쳐서 광을 생성하더라도, 방출된 광의 균일한 스펙트럼 분포를 보장하는데 도움을 주기 위해서 스펙트럼 범위들 사이에 적어도 약간의 중복을 갖는 것이 유리할 수 있다.
광 엔진(102)에 의해 실시되는 것과 같이, 별개의 광 빔들에 대한 스펙트럼 범위들을 갖는 단일 광 빔을 생성하기 위해 다중의 별개의 광 빔들을 결합함으로써 생성되는 광 빔은 스펙클링(speckling)으로서 지칭되는 현상에 노출될 수 있다. 스펙클링은 상이한 상들을 갖는 다중 광 파장들이 서로 간섭될 때 발생한다. 합쳐질 때, 그러한 간섭들은 임의로 변하는 세기를 갖는 광 파장을 생성한다. 스펙클링을 감소시키기 위한 옵션들로서, 예를 들어 방출된 레이저 광의 공간 일관성을 파괴하도록 광 빔(64)의 광학 경로 내에 배열되는 산광기들 또는 렌즈들을 회전시키는 것을 포함한다. 다른 옵션들로서는 균일한 조명을 생성하기 위해서 제 2 분산형 요소(70)와 같은 광섬유의 진동하는 또는 신장된 코일을 통해서 합쳐진 광 빔을 통과시키는 것을 포함한다.
조명 탐침(50)으로부터 방출된 광이 눈(20) 내부의 대응하는 넓은 외과수술 시야에 대한 조명을 가능하게 하기 위해 상대적으로 넓은 각 분포를 갖는 것이 일반적으로 바람직하다. 광섬유 케이블(78)에 사용될 수 있는 것과 같은 나노-스케일 광 섬유들로부터 방출된 광은 광섬유의 작은 수치의 구경 또는 광섬유 내의 빔의 작은 수치의 구경으로 인해서 상대적으로 작은 각 분포를 가질 수 있다. 도 7을 참조하면, 방출된 광의 보다 넓은 각 분포를 달성하기 위한 하나의 옵션은 광 섬유 코어(82)의 단부(114)를 선택적으로 테이퍼링하는 것이다. 특정 적용 및 원하는 각 분포에 대한 설계 변수들에 따라서, 복합 포물선형 집광기(compound parabolic concentrator)와 같은 다양한 테이퍼들이 사용될 수 있다. 확산제를 광섬유의 단부에 추가하는 것과 같은 대체 방법들이 더 큰 조명 각을 만들어 내기 위해 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 광섬유 케이블(78)로부터 방출된 광의 각 분포는 또한, 높은 수치의 구경을 갖는 광섬유 케이블을 사용함으로써 증가될 수 있다. 높은 수치의 구경은 광섬유 코어(82)와 피복물(84) 사이의 굴절 지수의 차이가 크다른 것을 나타낸다. 큰 수치의 구경들을 갖는 광섬유 케이블들은 일반적으로 더 작은 수치의 구경들을 갖는 광섬유 케이블들보다 더 넓은 범위의 입사각들에 걸쳐서 광을 받을 수 있다. 광이 광섬유 케이블(78)로 진입하는 입사각(116)을 증가시키는 것은 일반적으로, 광섬유 케이블로부터 방출된 광의 각 분포의 증가를 초래한다. 광섬유 케이블로 인도되는 광의 증가된 입사각과 연관하여 사용될 때, 광섬유 케이블(78)의 구경 수치를 증가시키는 것은 조명 탐침(50)으로부터 방출되는 광의 각 분포를 개선할 수 있다.
특정 상황들에서, 포토다크닝(photodarkening) 또는 컬러 센터링(color centering)이 발생할 수 있다. 포토다크닝은 다-광자 과정(multiphoton process)이며, 그의 발생 가능성은 펄스의 피크 파워에 비례한다. 따라서, 특정 실시예들에서 광학 트레인(optical train)에서 펄스 신장 요소는 이러한 조건을 경감시킬 수 있다. 예를 들어, 펄스 신장 요소는 100 내지 200 ps(picosecond) 펄스를 1 ns(nanosecond)로 신장시킬 수 있다. 특정 실시예들에서, 임시의 분산형 요소가 또한 이를 달성할 수 있다.
여기에 설명된 예시적인 외과수술 조명 시스템이 폭넓은 적용 예들을 갖는 다른 것이 이해될 것이다. 전술한 구성은 상기 방법들 및 장치들뿐만 아니라 몇몇 실제적인 적용 예들의 원리를 예시화하기 위해서 선택되고 설명된 것이다. 이전의 설명은 본 기술 분야의 당업자들이 고려된 특정 용도에 적합한 것으로서 방법들 및 장치들을 다양한 구성들 및 다양한 변경 예들에 이용할 수 있게 한다. 특허법들의 규정들에 따라서, 설명된 외과수술 조명 시스템의 작동의 원리들 및 모드들이 예시적인 구성들에서 설명되고 예시되었다.
본 발명의 방법들 및 장치들의 범주는 다음의 특허청구범위에 의해 정의되는 것으로 의도된다. 그러나, 설명된 외과수술 조명 시스템은 본 발명의 사상 또는 범주로부터 이탈함이 없이, 구체적으로 설명되고 예시된 것과는 달리 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 여기에 설명된 구성에 대한 다양한 대체예들이 다음의 특허청구범위에 정의된 대로의 사상 및 범주로부터 이탈함이 없이 특허청구범위를 실행하는데 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 설명된 외과수술 조명 시스템의 범주는 전술한 설명을 참조로 결정되는 것이 아니라, 대신에 그와 같은 특허청구범위가 권리를 갖는 균등물들의 모든 범주와 함께 첨부된 특허청구범위를 참조로 결정되어야 한다. 미래의 개량 예들이 여기에 설명된 기술 분야에서 발생할 것이며, 설명된 시스템들 및 방법들이 그와 같은 미래 예들에 포함될 것이라는 것이 예상되고 의도된다. 게다가, 특허청구범위에 사용된 모든 용어들은 반대의 명확한 표시가 여기서 행해지지 않은 한, 본 기술 분야의 당업자들에 의해 이해될 수 있듯이 이들 용어의 가장 넓고 합리적인 구성들과 이들의 정상적인 의미들을 부여하도록 의도된다. 특히, "관사(a, the)", "상기" 등과 같은 단수형 관사들의 사용은 특허청구범위가 반대의 명확한 한정을 언급하지 않는 한 하나 또는 그보다 많은 나타낸 요소들을 언급하는 것으로 독해되어야 한다. 다음의 특허청구범위는 장치의 범주를 정의하고 이들 특허청구범위 및 이들의 균등물들의 범주 내에 있는 방법 및 장치가 그에 의해 커버됨을 의도한다. 요컨대, 장치는 변형 및 변경될 수 있으며 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정된다고 이해되어야 한다.

Claims (21)

  1. 외과수술 조명 시스템으로서,
    제 1 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 광 빔을 방출하는 제 1 레이저, 및
    상기 제 1 레이저에 광학적으로 연결가능하며, 제 1 광 빔의 적어도 일부분을 외과수술 부위로 인도하기 위한 광섬유 케이블을 포함하는 조명 탐침을 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 2 스펙트럼 범위를 갖는 제 2 광 빔을 방출하도록 구성된 제 2 레이저를 더 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저와 제 2 레이저 및 조명 탐침 중 하나 이상의 사이의 광학 경로 내에 배열되는 빔 결합기를 더 포함하며, 상기 빔 결합기는 제 1 광 빔과 제 2 광 빔을 결합하고, 제 1 스펙트럼 범위 및 제 2 스펙트럼 범위를 포함하는 제 3 스펙트럼 범위를 갖는 제 3 광 빔을 방출하도록 작동할 수 있는,
    외과수술 조명 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 스펙트럼 범위와 제 2 스펙트럼 범위는 적어도 부분적으로 중복되는,
    외과수술 조명 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 케이블은 100 μ또는 그 미만의 직경을 갖는 광섬유 코어를 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 코어는 제 1 광 빔을 방출하는 외형 단부를 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스펙트럼 범위는 가시 스펙트럼의 적어도 일부분을 너머서 연장하는,
    외과수술 조명 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 스펙트럼 범위는 실질적으로 전체의 가시 스펙트럼을 너머서 연장하는,
    외과수술 조명 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저는 초연속 레이저인,
    외과수술 조명 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저를 조명 탐침에 광학적으로 연결하는 광학 커플러를 더 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 빔의 시간 영역을 선택적으로 조절하는 분산형 요소를 더 포함하며, 상기 분산형 요소는 제 1 레이저와 조명 탐침 사이의 광학 경로 내에 배열되는,
    외과수술 조명 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 탐침과 통합되는 외과수술 탐침을 더 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  13. 외과수술 조명 시스템으로서,
    제 1 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 광 빔을 발생시키도록 구성되는 레이저와,
    100 μ또는 그 미만의 직경을 갖는 광섬유 코어를 포함하는 조명 탐침, 및
    상기 조명 탐침의 광섬유 코어를 레이저에 광학적으로 커플링하는 광 결합기를 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 레이저는 제 1 스펙트럼 범위를 갖는 제 1 광 빔을 방출하도록 구성되는 제 1 레이저를 포함하며, 제 2 레이저는 제 2 스펙트럼 범위를 갖는 제 2 광 빔을 방출하도록 구성되는,
    외과수술 조명 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 스펙트럼 범위는 제 2 스펙트럼 범위와 중복되는,
    외과수술 조명 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저, 제 2 레이저 및 광 결합기 중 하나 이상의 사이의 광학 경로 내에 배열되는 빔 결합기를 더 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 빔 결합기는 제 1 광 빔의 제 1 스펙트럼 범위 및 제 2 광 빔의 제 2 스펙트럼 범위를 포함하는 제 3 스펙트럼 범위를 갖는 제 3 광 빔을 방출시키도록 구성되는,
    외과수술 조명 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 레이저는 초연속 레이저로서 구성되는,
    외과수술 조명 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 레이저와 조명 탐침 사이의 광학 경로 내에 배열되는 데스펙클링 요소(despeckling elemenet)와 분산형 요소 중 하나 이상을 더 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 스펙트럼 범위는 실질적으로 전체의 가시 스펙트럼 범위를 포함하는,
    외과수술 조명 시스템.
  21. 제 13 항에 있어서,
    원하는 출력 패턴을 달성하도록 제 1 광 빔의 세기 분포가 만들어지는,
    외과수술 조명 시스템.
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