KR20150001691A - 체조직의 치료를 위한 레이저 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내주 조직면의 체조직 치료를 위한 레이저 시스템에 관한 것이다.레이저 시스템(1)은 레이저 빔(5)의 생성을 위한 레이저 광원(4), 처리 헤드(7)를 가진 핸드피스(6), 제어 장치(8) 및 스캐너(9)를 포함하며, 상기 처리 헤드(7)는 길이방향 축(10)을 따라 연장되고, 상기 레이저 빔(5)에 투명하고 제1 굴절률을 가진 재료로 형성되며, 작동 중 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)이 길이방향 축(10)의 방향으로 처리 헤드(7)로 유입되고, 상기 처리 헤드(7)는 길이방향 축(10) 둘레에 배치되는 원뿔형 출력면(12)을 가지고, 상기 원뿔형 출력면(12)은 입사 빔 섹션(11)의 광원의 반대편에 첨단(13)을 가지며, 상기 원뿔형 출력면(12)은 최소 표면 반경(r)과 최대 표면 반경(R)을 가지고, 상기 원뿔형 출력면(12)은 반개방각(α)을 가지며, 상기 반개방각(α)은 상기 처리 헤드(7) 내에서 반사된 빔 섹션(14)으로 상기 입사 빔 섹션(11)의 전반사를 제공하고 처리 헤드(7)로부터 출력면(12)을 통해 방사상으로 유출되는 방출 빔 섹션(15)으로 반사된 빔 섹션(14)의 굴절을 제공하도록 형성된다. 상기 입사 빔 섹션(11)은 출력면(12)의 위치에서 최대 표면 반경(R)과 최소 스캐닝 반경(Rin)의 차이 이하인 평균 직경(d)을 가지고, 상기 제어 장치(8)는 입사 빔 섹션(11)으로 원뿔형 스캐닝 면(38)의 적어도 일 부분을 스캐닝하도록 상기 스캐너(9)를 제어하도록 형성된다.

Description

체조직의 치료를 위한 레이저 시스템 및 방법{A LASER SYSTEM AND METHOD FOR THE TREATMENT OF BODY TISSUE}
본 발명은 내주 조직면의 체조직의 치료를 위한 레이저 시스템 및 관련 방법에 관한 것이다.
물에 상당량 흡수되는 다양한 레이저 파장, 예컨대 Er:YAG(2.94μm 파장), Er,Cr:YSGG(2.73μm 파장), CO2(8-11μm 파장)이, 다양한 내과 및 외과 분야에서 종래 방법을 대체할 수 있는 것으로 알려져 왔다. 체조직의 중요한 구성 성분인 물에서 최대로 흡수되는 특성으로 인해, 이들은 연조직 구조의 치료뿐 아니라 광물화 경조직의 제거에 적합한 것으로 고려된다. 비접촉 레이저 제거(ablation)는 추가적인 열적 기계적 외상을 발생시키는 마찰 없이 뼈와 다른 경조직의 절단 기회를 제공한다. 결론적으로 세포사(cell death)의 위험 및 치료의 지연은 최소화될 것이다. 또한 종래의 절차에 반하여, 치료면에 도말층(smear layer)을 유도하는 조직 입자 잔재가 조직면에 남지 않는다. 이는 레이저 조직 제거 메커니즘 때문이다. 레이저 방사의 흡수와 열 형태로 이어지는 변환은, 결국 내부 압력을 생성하고 경조직의 광물상의 마이크로-파열과 마이크로-폭발적 제거를 발생시키는 빠른 양상의 변화를 초래한다. 또한 조직의 레이저 제거 동안, 물의 증발은 조직층의 빠른 제거를 유도한다. 그 결과, 열적 손상과 도말층이 없는 매우 깨끗한 미세조직면이 생성되며, 염증성 반응을 감소시키고 조직 재생과 부착을 가속시킨다. 이는 예컨대 임플란트(implantology)에서 중요하며, 삽입된 임플란트(implant)에 대한 뼈의 신속한 부착은 신속한 환자 회복 시간을 위해 중요하다.
그럼에도 불구하고, 예컨대 많은 시간이 필요한 경조직의 레이저 수술의 단점들과, 깊이 조절 실수 및 높은 수준의 정교한 핸들링 요건들이 여전히 많다. 드릴 및 톱과 같은 기계적 도구의 이점은 진행 속도 및 드릴된 구멍 또는 절단 깊이와 관련하여 외과의에게 피드백을 제공하는 치료된 조직과 외과의가 우수한 촉각 접촉을 가지는 것이다. 이러한 이유로, 레이저 뼈 절단기는 많은 종래의 방법과 압전 골절술(piezoelectric osteotomy)과 같은 다른 방법들에 비해 여전히 열등하다는 평가를 받는다. 특히 뼈 물질과 같은 경질체 조직에 구멍을 생성하는 경우, 기계적 도구가 일반적으로 여전히 바람직하다. 하지만, 이는, 예컨대 상기 홀의 내주 체조직 면의 잔류 보말층과 같은 a.m. 문제를 처리해야하는 문제를 여전히 가지고 있다. 기계적 방법에 의한 내주 체조직 면의 치료 결과는 만족스럽지 못하다. 마찬가지로, 예컨대 질(vaginal) 또는 항문 치료에 실시되는 것처럼, 내주 체조직 면의 연부 조직(soft tissue)에 치료도 동일하자. 따라서, 레이저에 의한 원뿔형 체조직 면을 처리하는 방법을 개발하는 것이 필요하다.
원주 체조직 면의 치료를 위한 한 가지 가능한 솔루션이 WO 2012/037954 A1에 개시되어 있는데,이는 레이저 빔 생성을 위한 레이저 광원과 특수한 반사 거울 처리 헤드가 있는 핸드피스(handpiece)로 구성되는 레이저 시스템에 관한 것이다. 이 레이저 시스템은 레이저 빔 생성을 위한 레이저 광원과 처리 헤드를 가진 행드피스를 포함한다. 처리 헤드는 길이방향 축을 따라 연장되고, 작동 중에 처리 헤드의 길이방향 축이 적어도 내주 조직 면에 거의 평행하도록 형성된다. 작동 중, 레이저 빔은 길이방향 축 방향으로 처리 헤드에 입사된다. 원뿔형의 반사 거울이 처리 헤드에 배치되고 레이저 빔을 처리 헤드 외부에 내주 조직 면으로 방사상으로 가이드한다. 레이저 빔을 위한 이동 가능한 편향 수단이 적어도 원주 방향의 처리 범위 내에서 내주 조직 면을 스캔하도록 제공된다. 이 솔루션의 한 가지 문제점은, 처리 헤드가 적절한 포지션에서 원뿔 모양의 반사 거울을 홀딩하는 기계적 수단을 포함하여야 하고 이는 처리 헤드의 디자인과 제조를 비교적 복잡하게 만든다는 것이다. 상기 솔루션의 다른 문제점은, 원형 처리 헤드로 인해 반사된 빔이 횡방향뿐 아니라 길이 방향으로 원뿔의 반경이 달라짐으로써 길이 방향으로도 퍼지게 된다는 것이다.
레이저로 원주 체조직면을 치료하기 위한 다른 옵션은 원뿔형 단부를 가진 섬유 팁(fiber tip)을 사용하는 것이다. 이 솔루션에서, 섬유 팁은 내주 조직 면에 적어도 실질적으로 평행하게 배치된다. 레이저 빔은 섬유 팁의 전체 단면으로 확장되도록 섬유 팁 범위 내에서 가이드된다. 이러한 팁의 원뿔형 단부 때문에, 빔은 원뿔형 팁 표면에 적어도 부분적으로 반사되어 팁을 빠져나가고, 방출되는 빔은 섬유 팁의 방사상 외부로 적어도 부분적으로 가이드되고 내측 공동(inner cavity) 원주 조직 면으로 가이드된다. 이 솔루션은 반사 거울 처리 헤드를 포함하는 솔루션보다 기계적으로 덜 복잡하다. 하지만, 높은 파워 밀도가 조직을 치료하거나 변형하는 데 필요한 때에는 만족스럽지 못하다. 빔의 에너지가 신체 공동의 전체 원주로 분배되기 때문에, 초래되는 레이저 전력 밀도(W/cm2)는 현저히 감소된다. 이러한 이유로, 원뿔형 섬유 팁 테크닉은 레이저 파워 밀도의 감소가 뚜렷한 보다 큰 지름 공동을 치료하는 데 적절하지 않다. 이 솔루션의 다른 문제점은 신체 조직이 공동의 전체 원주에 대해 분별없이 치료된다는 것이다. 일부 의학적 절차에서, 공동의 특정 영역이 치료되지 않거나 서로 다른 에너지로 치료되는 것은 바람직할 수 있다. 예를 들어, 부인과(gynecological) 치료에서 요도(urethra)의 레이저 방사를 피하기 위해 바람직할 것이다. 이 솔루션의 세번째 문제점은 레이저 빔이 또한 원뿔형 면의 날카로운 첨단에 영향을 준다는 것이다. 불가능하지 않다면, 완벽한 첨단을 제조하는 것은 기술적으로 어려운 일이다. 또한, 높은 레이저 강도에서 이용하는 경우, 먼저 그 첨단이 점차 손상을 받게 된다. 이러한 이유로, 그 첨단에 입사되는 빔 부분은 적어도 부분적으로 전방(길이 방향)으로 전송되고, 치료되는 공동 바닥의 조직에 손상을 일으킬 수 있다.
본 발명은 큰 지름의 원주 체조직을 치료할 수 있는 향상된 레이저 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 큰 지름의 원주 체조직을 치료하기 위한 향상된 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적은 청구항 제1항의 특징을 가지는 레이저 시스템 및 제13항의 특징을 가지는 방법에 의해 해결된다.
이하에서, "치료" 또는 "치료하다"라는 표현은 넓은 의미로 사용되는데, 이는 의학적 의미에서의 치료뿐 아니라 조직 자극, 및 조직 제거와 응집(coagulation)을 포함하는 의미이다.
본 발명에 따른 레이저 시스템은 레이저 빔의 생성을 위한 레이저 광원, 처리 헤드를 가진 핸드피스, 제어 장치 및 스캐너를 포함하며, 상기 처리 헤드는 길이방향 축을 따라 연장되고, 상기 레이저 빔에 투명하고 제1 굴절률을 가진 재료로 형성되며, 작동 중 레이저 빔의 입사 빔 섹션이 길이방향 축의 방향으로 처리 헤드로 유입되고, 상기 처리 헤드는 길이방향 축 둘레에 배치되는 원뿔형 출력면을 가지고, 상기 원뿔형 출력면은 입사 빔 섹션의 광원의 반대편에 첨단을 가지며, 상기 원뿔형 출력면은 최소 표면 반경과 최대 표면 반경을 가지고, 상기 원뿔형 출력면은 반개방각을 가지며, 상기 반개방각은 상기 처리 헤드 내에서 반사된 빔 섹션으로 상기 입사 빔 섹션의 전반사를 제공하고 처리 헤드로부터 출력면을 통해 길이방향 축에 대해 방사상으로 유출되는 방출 빔 섹션으로 반사된 빔 섹션의 굴절을 제공하도록 형성된다. 최소 표면 반경 및 반개방각으로부터 최소 스캐닝 반경이 이하에서 언급되는 식 1에 따라 유도된다. 상기 입사 빔 섹션은 출력면의 위치에서 최대 표면 반경과 최소 스캐닝 반경의 차이 이하인 평균 직경을 가진다. 원뿔형 출력면의 일부로서 원뿔형 스캐닝 면이 최소 스캐닝 반경으로부터 최대 표면 반경까지 연장되도록 한정된다. 상기 제어 장치는 입사 빔 섹션으로 원뿔형 스캐닝 면의 적어도 일 부분을 스캐닝하도록 상기 스캐너를 제어하도록 형성된다.
이와 관련된 방법에서는, 상기 원뿔형 스캐닝 면의 적어도 일 부분이 입사 빔 섹션으로 스캐닝되고 상기 입사 빔 섹션은 상기 처리 헤드 내에서 반사된 빔 섹션으로 전반사가 일어나게 되고 상기 반사된 빔 섹션은 원뿔형 출력면에서 처리 헤드로부터 출력면을 통해 방사상으로 유출되는 방출 빔 섹션으로 굴절이 일어나도록, 상기 스캐너가 상기 제어 장치에 의해 제어되며, 상기 레이저 시스템의 작동 중, 상기 처리 헤드는 길이방향 축이 내부 원주 조직면에 적어도 거의 평행하게 배치되고, 상기 내부 원주 조직면은 방출 빔 섹션에 의해 적어도 부분적으로 스캔된다.
어떤 경우든, 빔이 적어도 부분적으로 전방(길이 방향)으로 전달되어 치료되는 공동 바닥에서 조직에 손상을 주는 것을 방지하기 위해, 처리 헤드의 첨단 또는 바닥이 존재하는 경우 이들이 전체적으로 방사 제외되도록, 스캐닝 패턴과 빔 직경이 조절되어야 한다. 이러한 조건을 충족하는 스캐닝 영역은 최대 반경 R과 동일한 외부 링 반경과 이하의 식으로부터 계산될 수 있는 내부 링 반경 Rin에 의해 한정되는 링형 영역으로 제한된다:
Rin = r(tg(2α) + tg(α)) / (tg(2α) - tg(α)) (식 1)
여기서, α는 원뿔형 출력면의 반개방각이고, r은 최소 표면 반경이다. 상기 링형의 허용 가능한 스캐닝 영역에 맞추기 위해, 레이저 빔 지름 d는 따라서 d≤R-Rin을 충족하여야 한다. 이는, 물론 처리 헤드의 최대 표면 반경 R 〉내륜 반경 Rin인 경우에 한해서 가능하고 실현 가능하다. 일 예로, 각 α=36°에 대해, 허용 가능한 스캐닝 영역 링의 내경운 Rin = 1.6r과 동일하고, 빔 직경은 d≤R-1.6r로 제한된다.
제안된 발명에서, 광학적 요소는 레이저 빔의 직경 보다 상당히 큰 직경을 가지고, 이는 광학적 요소 내에서 자유롭게 레이저 빔을 전파하는 결과를 초래한다. 본 발명의 장치와 방법은, 홀 또는 몸체 개구의 내부에 존재하는, 쉽게 접근할 수 없는 조직면에 접근을 허용한다. 핸드피스의 처리 헤드는 홀 또는 몸체 개구에 축 방향으로 삽입될 수 있다. 처리 헤드는 복잡하지 않지만, 그럼에도 불구하고 임의의 원하는 스캐닝 패턴으로 원뿔형 조직면의 처리를 허용한다.
본 발명은 특히 대구경 신체 공동(예컨대, 질과 같은)을 치료를 하거나 인체의 경조직(예컨대 임플란트에서)에서 외과적으로 만들어진 홀의 표면을 변형하는데 적합하다. 또한, 본 발명은, 불완전하게 제조되고 손상된 원뿔형 섬유의 첨단을 통해 빔이 전방으로 전달되는 것을 방지한다. 이는 또한, 스캐너가 조직면의 특정 부분을 제외하거나 치료하도록 설정할 수 있기 때문에, 선택적인 치료를 허용한다. 보다 깊은 공동을 처리하는 경우, 공동의 처리는, 처리 헤드를 가로지르는 빔의 이동에 의해서뿐 아니라 공동의 길이를 따라 원주면을 처리하기 위해, 처리 헤드를 수동으로 또는 전자적으로 제어되거나 이동되는 장치에 의하여 공동의 길이를 따라 위/아래로 이동시킴으로써 실행될 수 있어야 할 것이다.
본 발명의 레이저 시스템은 특히 예컨대 임플란트와 같은 경골 재료에서 드릴링 홀의 후처리(post treatment)에 적합하다. 먼저, 드릴링 홀은 통상적으로 기계로 생성된다. 이어서, 레이저 시스템이 레이저 강판 또는 레이저 줄(rasp)로 사용되며, 이에 의하여 드릴링 홀의 내주 조직면으로부터 성기 골 재료의 잔류 보말층이 제거된다. 또한, 드릴링 홀은 더 정확한 기준 측정(nominal measure)이 가능해질 수 있다. 마지막으로, 바람직한 표면 품질과 심지어 바람직한 표면 구조를 얻는 것도 가능하다. 경골 재료의 처리에 더하여, 본 발명의 레이저 시스템은 피부 등과 같은 연한 체조직의 치료 또는 특히 질, 소변기, 직장(rectal) 또는 ENT(귀, 코, 목)와 같은 치료에 적합하다.
제안된 발명의 다른 중요한 이점은, 레이저 시스템이 신체 공동의 내주면에서 빔의 위치에 따라 스캐닝 패턴 및/또는 레이저 에너지를 조절하기 위해 전자적으로 제어될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 부인과용 치료에서, 스캐너는 요도에 빔을 스캔하지 않도록 설정될 수 있다. 달리, 빔이 요도에 스캔되는 경우, 레이저 강도가 약해지거나 제거될 수 있다.
처리 헤드는 처리에 사용되는 레이저 파장에서 광학적으로 투명한(즉, 거의 흡수되지 않음) 재료로 만들어진다. "거의 흡수되지 않는 물질"은, 처리 헤드 빔 경로 길이에서 80% 이상 레이저 빔이 투과하는 물질을 의미한다. 바람직하게는, 처리 헤드 본체는 원통형이다. 그러나 원뿔형 출력면으로 마무리되는 경우, 임의의 다른 3D 모양, 예컨대 정육면체, 직육면체, 육방주 또는 원뿔 등이 사용될 수도 있다.
a. m. 반사 원뿔형 거울 접근과 비교한, 본 발명의 중요한 이점은, 빔이 원뿔형 출력면과 두 번 상호 작용하기 때문에(첫 번째는 전반사에 의해 및 두 번째는 이어지는 굴절에 의해), 길이방향의 분산(dispersion)은 감소되고, 빔은 타원형을 가지는 치료되는 조직의 영역과 함께 횡방향으로만 방사된다는 것이다.
처리 헤드의 길이 방향에 대해 방사상 방향의 요소를 가지는 방출 빔 섹션의 임의의 방사상 방출 방향은 본 발명의 범위 내에서 바람직할 수 있을 것이다.
그러나, 다음의 발명 사항들을 고려하면 추가적인 개선이 가능하다: 반개방각(α)은 내부 전반사가 발생하기에 필요한 임계각(αcr)과 같거나 작아야 한다. 이는, 입사 빔이 원뿔면과의 첫 번째 접촉에서 전반사되고 실질적으로 길이방향으로 처리 헤드를 나가지 않도록 보장한다. 전반사에 대한 조건은 다음 식 2로부터 수학적으로 계산될 수 있다.
α〈 αcrit = 90° - arcsin(n2/n1) (식 2)
여기서, n1은 처리 헤드의 광학적 재료의 굴절률이고, n2는 처리 헤드의 원뿔형 단부를 둘러싸는 재료의 굴절률이다. 이 재료는, 공기, 물 또는 산(acid)과 같은 외부에서 공급된 액체, 또는 혈액과 같은 내부에서 생성되는 체액일 수 있다.
각 αcrit보다 작은 임의의 각 α가 전반사 방향에서 허용되는 동안, 그 값을 가능하면 αcrit에 근접하도록 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 각 α가 작아짐에 따라, 반사광은 처리 헤드의 날카로운 원뿔형 단부 둘레의 좁은 공간에 더 집중된다. 이는 높은 레이저 출력 밀도를 초래하고, 처리 헤드의 광학적인 손상 가능성을 증가시킬 수 있다.
각 α는, 빔이 원뿔 밖으로 굴절되는 경우, 처리 헤드의 길이방향 축에 대해 거의 90도로 처리 헤드를 빠져나가는 것이 바람직하다. 이는, 빔이 공동의 원주 면에 수직으로 향하여 처리되는 면에 가능한 최대의 레이저 파워 밀도를 초래하는 ㄱ것을 보장한다. 이러한 조건이 충족되는 최적의 각 αopt는 다음의 식 3에 의해 수학적으로 계산될 수 있다:
(n2sinαopt)/(n1cos3αopt)= -1 (식 3)
n1과 n2의 특정 조합에 따라, 최적의 각 αopt이 αcrit보다 작을 필요는 없다는 점이 중요하다. 이러한 경우, 전반사가 발생하지 않을 것이다. 따라서, 처리 헤드는 굴절률 n1과 n2의 조합이 식 2 및 3에 나타난 두 조건을 충족하는 조건하에서 최적으로 작용한다.
상기한 발명 사항들로부터 유래하여, 본 발명의 바람직한 실시형태에서는, 처리 헤드는 1.28을 초과하는 제1 굴절률을 가지는 재료로 만들어지고, 처리 헤드 재료의 제1 굴절률과 공기의 제2 굴절률로부터 원뿔형 출력면의 최적의 반개방각 αopt이 상기한 식 3에 따라 얻어지고, 원뿔형 출력면의 반개방각 α은 최적의 반개방각 αopt과 적어도 거의 동일하다. 적어도 공기중에 담긴 처리 헤드의 작동을 위해 1.28을 초과하는 제1 굴절률을 가지는 상기한 재료를 선택함으로써, 식 1 및 2모두 충족될 수 있고, 이에 의해 a) 입사 빔 섹션은 전반사되고, b) 반사된 빔 섹션은, 방출 빔 섹션이 처리 헤드의 길이방향 축에 대해 대략 90°이고 또한 공동의 원주 조직면에 대해 대략 90°인 각 ß로 처리 헤드로부터 방출되도록, 거의 굴절된다. 여기서 "대략 90°"는 ±10°의 허용치, 바람직하게는 ±3°의 허용치를 가지는 90°각을 의미한다.
바람직한 실시형태에서, 처리 헤드는 레이저 빔에 투명한 재료로 만들어진 액체 밀폐 보호 슬리브에 의해 둘러싸이고, 상기 원뿔형 출력면은 보호 슬리브의 원주 벽에 의해 둘러싸이며, 상기 원뿔형 출력면과 원주 벽 사이의 자유 공간은 가스, 바람직하게는 공기로 채워진다. 이에 의하여, 처리 부분에 공기, 또는 물이나 혈액과 같은 액체가 존재하는지 여부에 관계없이 임의의 조건 하에서 처리 헤드를 사용하는 것이 가능하다. 보호 슬리브는 이러한 임의의 매체로부터 원뿔형 출력면을 깨끗하게 유지하며, 그렇게 함으로써 전반사와 이어지는 굴절을 위한 조건을 확실히 유지할 수 있다.
그러나, 처리 헤드가 내주 조직면에서 체조직에 직접 접근할 수 있는 특정 상황에서도 본 발명은 원활히 작용할 것이다. 이는 다음의 발명 사항들에 기초한다:
표 1은 처리 헤드의 세 개의 다른 광학 재료, YAG(n1=1.8), 석영(n1=1.5), CaF2(n1=1.4), 및 공동 내에서 세 개의 다른 주변 매체, 공기(n2=1.0), 물(n2=1.3), 혈액(n2=1.4)에 대해 계산된 임계각과 최적 각을 나타낸 것이다. 이러한 계산은 본 발명의 설명을 위한 목적으로만 사용된다. 굴절률 n1과 n2에 대한 값, 및 계산된 각은 따라서 오직 근사치이다. 정확한 굴절률 값 n1과 n2 및 계산된 각은 레이저 파장, 재료의 제조자, 온도에 따라 또한 달라진다. 여기서 많은 다른 광학 재료들이 이용 가능하고, 예컨대 소독액 또는 살균액(알코올, 산...)과 같은 많은 다른 주변 매체가 공동 처리 중 존재할 수 있다.
계산된 임계각 및 최적 각
처리 헤드 외부 매체 임계각 αcrit 최적각 αopt

YAG
(n1=1.8)		 공기(n2=1.0) 56° 36°
물(n2=1.3) 44° 39°
혈액(n2=1.4) 39° 40°

석영
(n1=1.5)		 공기(n2=1.0) 48° 38°
물(n2=1.3) 30° 42°
혈액(n2=1.4) 21° 43°

CaF2
(n1=1.4)		 공기(n2=1.0) 45° 39°
물(n2=1.3) 24° 43°
혈액(n2=1.4) 10° 45°
처리가, 예컨대 1064nm의 Nd:YAG 레이저 파장과 같은, 물 또는 공기에서 강하게 흡수되지 않는 파장으로 처리가 실행된다는 가정 하에 표 1의 데이터에 대해 논한다.
비교적 높은 굴절률을 가지는 YAG 수정의 경우, 표 1의 데이터는, 주변 매체가 공기 또는 물인 경우의 상황을 위하여 처리 헤드가 최적 각으로 완벽하게 설계될 수 있다는 것을 보여준다. 이는, 이러한 두 조건 하에서 최적 각이 대응하는 임계각보다 작아서 내부 전반사에 대한 조건을 만족시키는 사실 때문이다. 이는 혈액의 경우에는 엄격하게 적용되지 않는다. 그러나, 혈액의 경우에도, 임계각과 최적 각이 현저히 다른 것은 아니다. 따라서, 처리 헤드가 39°의 혈액에 대한 임계각보다 약간 작은 α각을 갖도록 구성함으로써, 레이저 빔은 전반사되고, 이어서 주변 매체의 유형에 독립적으로 처리 면에 대해 거의 수직으로 또는 수직에 거의 가깝게 처리 헤드 외부로 굴절된다. 이는, 공동이 처리 시점에 건조되기 시작하고 처리의 후기에만 물 또는 혈액으로 채워지는지 여부와 상관없이, 처리 헤드가 작용하여야 하는 경우에 중요하다. 또한, 공동 내의 물 및/또는 혈액의 양이 제어하기 어렵게 변하고 및/또는 파동이 생길 수 있어(예컨대 외부 공급되는 압축 공기의 영향으로), 처리 헤드가 이러한 조건 변화와 독립적으로 작용할 필요성이 중요하다.
이에 따라, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 처리 헤드는 내주 조직 면에서 체조직에 직접 접근할 수 있고, 처리 헤드는 1.64 이상, 특히 1.75 이상인 제1 굴절률을 갖는 재료로 만들어진다. 여기서 "체조직에 직접적인 접근"은 처리 헤드와 체조직 사이에 a.m. 보호 슬리브와 같은 선택적 관련 시스템 요소가 존재하지 않는 것을 의미하며, 또한 처리 헤드가 물 및/또는 혈액과 같은 수반되는 매체를 포함하는 처리 부분에 대해 보호되지 않고 노출되는 것을 의미한다.
1.64 이상의 제1 굴절률을 가지는 처리 헤드 재료를 선택함으로써, 공기 중 사용을 위한 최적의 반개방각 αopt이 생성될 수 있으며, 이는 물에서 최적의 90° 방출 방향에서 아주 작은 편차를 가지고 전반사를 제공한다. 이러한 처리 헤드는 공기 및 물 모두에서 사용될 수 있다. 1.75 이상의 제1 굴절률을 가지는 처리 헤드 재료를 선택함으로써, 공기 중에서의 사용을 위한 최적 반개방각 αopt가 생성될 수 있고, 이는 물 및/또는 혈액 모두에서 최적의 90°방출 방향에서 아주 작은 편차를 가지고 전반사를 제공한다. 이러한 처리 헤드는 공기, 물 및 혈액에서 사용될 수 있다. 전술된 두 처리 헤드는 특히 비제거식(non ablative) 조직 처리에 적합하고, 및 특히 예컨대 Nd:YAG 레이저 광원에 의해 발생하는 낮은 수분 흡수 레이저 파장과 관련하여 특히 적합하다.
OH-가 함유된 액체에서 잘 흡수되는 파장으로 치료가 실행되는 경우, 상황은 많이 다를 수 있다. 현재 세 가지 의학적 레이저 기술, 즉 Er:YAG, Er:YSGG(또는 Er,Cr:YSGG) 및 CO2이 존재하고, 그 레이저 파장은 물에 대한 주요 흡수 피크(absorption peaks)와 같은 동일한 영역에서 작동한다. 혈액은 90%의 물, 피부는 70% 의 물, 및 뼈는 20%의 물을 포함하므로, 이러한 세 가지 물 흡수 레이저 유형은 본 발명에 따른 조직의 처리에 가장 적절할 수 있다. 그러나, 레이저 파라미터가 조직 제거를 달성할 정도로 매우 높다면, 다른 레이저 광원도 또한 사용될 수 있다.
물 흡수 레이저 파장은 수 마이크로미터의 관통 거리 내에서 혈액과 물에 흡수되기 때문에, 일견하여 이런 레이저 유형은 주변 매체가 OH-를 포함하는 액체인 경우 본 발명에 따른 조직의 처리에 적합하지 않은 것으로 보인다. 즉, 물 흡수 파장의 레이저 빔은 처리 헤드의 외부로 굴절됨에 따라 즉각적으로 흡수될 것으로 예상되고, 이는 레이저 빔이 원주 조직면에 사실상 도달하는 것을 방지한다.
그러나, 실험 결과가 보여주는 것과 같이, 물 흡수 레이저 빔의 충분히 높은 강도에서, 처리 헤드를 나가 물로 투입되는 레이저 광선에 대해 수증기 기포 채널이 즉각적으로 형성되고, 비교적 매우 먼 거리에 대해 물 흡수 레이저 광선의 물을 통한 전파를 효과적으로 활성화한다. 실험 중 하나에서, 100 마이크로초의 펄스 길이를 가지는 Er:YAG 레이저(2940nm), 및 약 0.5mm의 처리 헤드 원뿔의 빔 지점 직경이 사용되었다. 처리 헤드는 원기둥형 YAG 수정(3mm 직경)으로, 원추각(conocal angle) α= 36°의 원뿔형 말단을 갖도록 형성되었다. 약 100mJ 이상의 펄스 에너지에서, 물에서 최대 1cm 길이의 기포 채널들이 YAG 처리 헤드의 길이방향 축에 대해 수직 방향으로 형성되는 것이 관찰되었다.
기포 채널(bubble channel) 생성 현상은, 물 흡수 레이저 파장d으로 본 발명을 실행하기 위해 처리 헤드를 최적으로 구성하는 조건을 변경한다. 임계각은 물 또는 혈액의 존재 하에 계산되어야 하고, 반면 최적 각은 수증기의 경우에 대해 n1 = 1에 거의 동일한 굴절률로 계산되어야 한다. 표 1에 따르면, YAG에 대하여, 36°의 공기 중 최적 각이 또한 물, 및 또한 혈액에서 내부 전반사에 대한 조건을 충족시킨다.
상기 a.m. 발명 사항들로부터, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에서는, 레이저 광원이 Er:YAG, Er:YSGG, Er,Cr:YSGG 및 CO2 레이저 광원 중 하나이고, 한편 제어 장치는 방출 빔 섹션이 원뿔형 출력면에 적어도 1.0J/cm2의 플루언스(fluence)를 갖도록 레이저 광원과 스캐너를 제어하도록 형성된. a.m. 펄스 에너지 준위 외에, 기포 채널의 바람직한 생성을 유발하는 것은 물에서의 레이저 에너지 흡수와 관련된 상기 최소 플루언스이다. 이러한 레이저 시스템은 특히 제거식(ablative) 조직 처리에 유용하다.
본 발명의 더 바람직한 실시형태에서, 처리 헤드는 YAG로 만들어지고, 한편 원뿔형 출력면의 반개방각은 33° 이상 39°이하이며, 특히 36°이다. 이러한 처리 헤드는, 필요한 및 선택된 레이저 파장, 에너지 및/또는 플루언스와 상관없이, 제거식 또는 비제거식 처리에 상관없이, 및 공기, 물 및/또는 혈액의 존재와 관계없이, 임의의 조건에서 사용될 수 있다. 상기 처리 헤드는 주변 매체로 물에 대해 최적의 또는 최적에 가까운 반개방각을 제공하고, 반면 물 및/또는 혈액에서 최적의 90°방출 방향으로부터 작은 편차를 가지고 여전히 전반사를 제공한다.
본 발명의 원뿔형 출력면은 최대 표면 반경과 최소 표면 반경이 0을 초과하는 반개방각에 의해 정의된 원뿔대형일 수 있다. 이 경우, 방사되지 않고 따라서 광학적 관점에서 수동적인 바닥면이 존재할 수 있다. 원뿔대형 출력면은 전반사를 위해 입사 빔 섹션에 의해 방사되고 이어지는 굴절에 이용된다. 이 경우, 최소 표면 반경이 0을 초과하기 때문에, 처리 헤드의 레이저 에너지 과부하는 용이하게 방지될 수 있다. 그러나, 다른 바람직한 실시형태에서, 원뿔형 출력면은 첨단까지 연장되고, 따라서 최소 표면 반경=0이며, 따라서 완전한 원뿔을 형성한다. 이는 첨단에 근접하여 방사되는 것을 허용하며, 따라서 반경 및 축 방향으로 최대 가능한 스캐닝 거리를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 더 상세히 기술한다:
도 1은 본 발명의 처리 헤드가 삽입된 신체 공동의 개략적 단면도로서, 상기 처리 헤드가 원뿔형 출력면에서 레이저 빔의 전반사와 이러지는 굴절을 제공하는 것을 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 처리 헤드의 기하학적 배치와 레이저 빔 경로를 상세히 도시한 확대도,
도 3은 도 1의 처리 헤드의 관련된 스캐닝 패턴을 상세히 도시한 평면도,
도 4는 도 1의 처리 헤드가 보호 슬리브로 둘러싸인 구조를 도시한 횡단면도이다.
도 1은 체조직(2)의 내부 가장자리 조직면(3)을 형성하는 공동의 단면도이다. 내부 가장자리 조직면(3)에서 체조직(2)의 처리를 위해, 본 발명의 레이저 시스템(1)과 그 작동 방법이 제공된다. 본 발명의 레이저 시스템(1)은 블록 다이아그램(block diagram)으로 개략적으로 도시되어 있다.
레이저 시스템(1)은 레이저 빔(5) 발생을 위한 레이저 광원, 처리 헤드(7)를 가진 핸드 피스(6), 제어 장치(8) 및 스캐너(9)를 포함한다. 스캐너(9)는 두 개의 수직 축(24, 27) 둘레를 회전할 수 있는 두 개의 거울(24, 27)을 포함한다. 두 거울(25, 27)의 회전은 제어 장치(8)에 의해 제어된다. 달리, 스캐너(9)는 두 개의 수직 축 둘레를 회전할 수 있는 하나의 거울(25 또는 27)만 포함할 수도 있다. 제어 장치(8)는 강도 및 펄스 시퀀스(pulse sequence)와 관련하여 레이저 광원(4)의 작동을 추가적으로 제어한다. 레이저 빔(5)은 스캐너(9)에 투입되면 두 거울(25, 27)에 부딪힌 후 선택적 벤딩 거울(29)에 의해 방향을 바꾸어, 처리 헤드(7)가 뻗어있는 길이방향 축(10)에 일반적으로 평행한 입력측(input side)으로부터 핸드 피스(6)의 처리 헤드(7)로 들어간다. 일반적으로 길이방향 축(10)에 평행한 처리 헤드(7)로 들어가는 레이저 빔(5)의 부분은 입사 빔 섹션(11)을 한정한다. 도시된 실시예에서, 일반적으로 길이방향 축(10)에 평행하게 배치되는 입사 빔 섹션(11)은 선택적 벤딩 거울(29)에 그 기원을 갖는다. 그러나, 어떤 경우, 스캐너(9)가 처리 헤드(7)와 길이방향 축(10)의 입력측에 직접 배치되는 경우에는, 상기 기원이 스캐너(9)에 위치할 수 있다. 어떤 경우든, 입사 빔 섹션(11)의 기원은 처리 헤드(7)의 입력측에 위치한다. 두 거울(25, 27)의 회전 위치를 제어함으로써, 처리 헤드(7) 내에서 길이방향 축(10)에 대한 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)의 정확한 위치가 조절될 수 있다. 여기서 "일반적으로 평행하다"의 의미는 입사 빔 섹션(11)의 평균 코스가 길이방향 축(10)에 평행한 것을 의미하며, 스캐너(9)의 스캐닝 동작에 의해 유발되는 상기 평행으로부터 편차가 포함된다는 것을 의미한다. 단단한 처리 헤드(7)는, 처리 헤드 빔 패스 길이 내에서 80% 이상의 레이저 빔 투과율을 가지는 레이저 빔(5)에 대해 투명한 고체 재료로 구성된다. 처리 헤드(7)는 자유단(free end) 또는 말단부(distal end)에서 원뿔형 출력면(12)을 가지는데, 이는 레이저 빔(5)의 전반사를 제공하고 이어서 굴절이 일어나며, 레이저 빔(5)은 처리 헤드(7)로부터 길이방향 축(10)에 대해 거의 방사상으로 유출된다. 처리 헤드(7)가 신체 공동으로 삽입되는 작동 중, 길이방향 축(10)은 내부 조직면(3)에 거의 평행하다. 그 결과, 유출되는 레이저 빔(5)은 내부 가장자리 조직(3)에 거의 수직으로 입사된다.
도 2는 도 1의 처리 헤드(7)의 확대도로서 처리 헤드의 기하학적 배치와 레이저 빔 패스를 더 상세히 도시하고 있다. 경성의 대형 처리 헤드(7)는 통합된 일체 구조를 형성하는 본체(22)와 출력부(23)를 포함한다. 본체(22)는 원통형이다. 그러나, 길이 방향으로 연장되는 임의의 다른 적절한 형태도 사용될 수 있다. 출력부(23)는 본체(22)에 인접한 원뿔형인데, 그 첨단(13)은 본체(22) 및 입사 빔 섹션(11)의 광원의 반대편으로 향해있고, 길이방향 축(10)에 놓인다. 따라서, 원뿔형 출력면(12)은 출력부(23)에 형성된다.
본체(22)에 인접한 원뿔 베이스에서, 원뿔형 출력면은 본체(22) 반경에 대응하는 최대 표면 반경 R을 가진다. 원뿔형 출력부(23)는, 점선으로 도시된 바와 같이, 본체(22) 반대편을 향한 바닥(30)을 가지는 원뿔대 형태일 수 있다. 원뿔형 출력면(12)은 바닥(30) 위치에서 최소 표면 반경 r을 갖는다. 최대 및 최소 표면 반경 R, r은 수직으로 길이방향 축(10)에 대하여 측정된다. 도시된 길이방향 섹션에서, 원뿔형 출력면(12)은 최소 표면 반경 r에서 최대 표면 반경 R까지 뻗어있다. 다시 말해, 출력면(12)의 임의의 지점은 길이방향 축(10)에 대하여 최소 표면 반경 r 이상이고 최대 표면 반경 R 이하인 로컬 반경을 갖는다. 출력면(12)은 원주 방향으로 바람직하게는 길이방향 축(10) 둘레에 360°로 뻗어있다. 그러나, 특정 적용예에서는 본 발명의 범위 내에서 원주 방향으로 360° 미만으로 형성될 수 있다. 도시된 바람직한 실시예에서, 원뿔형 출력면(12)은 본체(22)로부터 첨단(13)으로 최소 표면 반경 r=0이 되도록 연장되어 있다. 원뿔형 출력면(12)의 기하학적 배치는 또한 길이방향 축(10)에 대한 반개방각(half opening angle) α에 의해 정의된다. 처리 헤드의 추가적인 광학적 성질은 처리 헤드가 생성되는 재료의 제1 굴절률 n1이다. 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 처리 헤드(7)는 제2 굴절률 n2를 가지는 주변 환경 매질에서 사용된다.
최소 표면 반경 r, 반개방각 α 및 식 1로부터, 최소 스캐닝 반경 Rin이 얻어진다. 원뿔형 출력면(12)이 입사 빔 섹션(11)의 광원 반대편에 첨단을 가진다는 사실로부터, 최소 스캐닝 반경 Rin은 최대 표면 반경 R 미만이라는 결과가 도출되고 요구된다. 최소 스캐닝 반경 Rin에서 최대 표면 반경 R으로 연장되는 원뿔형 출력면(12)의 특정 부분 또는 일부가, 원뿔형 스캐닝 면(38)으로 한정된다. 다시 말해, 스캐닝 면(38)의 임의의 지점은 길이방향 축(10)에 대하여 최소 스캐닝 반경 Rin 이상이고 최대 표면 반경 R 이하인 로컬 반경(local radius)을 가진다.
작동에 있어서, 레이저 빔(5)은, 처리 헤드(7)의 입력측으로부터 상기 입사 빔 섹션(11)으로 처리 헤드(7)로 들어간다. 입사 빔 섹션(11)은 중심선이 출력면(12)의 P1 지점에 놓이도록 최초로 입사된다. 제1 입사 지점 P1에서, 입사 빔 섹션(11)은 출력면(12)에 전반사되고, 따라서 처리 헤드(7)의 출력부(23) 내의 길이방향 축(10)을 통과하는 반사된 빔 섹션(14)을 형성한다. 전반사 지점에서, 본 발명의 레이저 시스템과 방법은 세 요건을 충족한다: 첫째, 입사 빔 섹션(11)은 출력면(12)의 지점에서, 특히 제1 입사 지점 P1에서, 평균 빔 지름 d가 최대 표면 반경 R과 최소 스캐닝 반경 Rin의 차이 이하가 되도록 조절된다. 둘째, 스캐너(9)는, 입사 빔 섹션(11)이 원뿔형 스캐닝 면(38) 내의 제1 입사 지점 P1에 입사되도록 제어된다. 셋째, 스캐너는, 전체 평균 빔 지름 d를 통해 입사 빔 섹션(11)의 전반사를 제공하도록 제1 입사 지점 P1이 최대 표면 반경 R 및 최소 스캐닝 반경 Rin에 대해 충분한 거리를 두도록 제어된다. 다시 말해, 길이방향 축에 대하여 방사상 방향으로 측정하여, 제1 입사 지점 P1은 최대 표면 반경 R과 최소 스캐닝 반경 Rin에 대해 평균 빔 직경 d 의 반 이상인 방사상의 거리를 가진다.
레이저 빔(5)의 반사된 빔 섹션(14)은 길이방향 축(10)을 통과한 후 원뿔형 출력면(12)에서 제1 입사 지점 P1의 길이방향 축(10)에 대해 반대편에 위치한 지점 P2에 다시 부딪힌다. 반사된 빔 섹션(14)은 제2 입사 지점 P2에서 처리 헤드(7)의 외부 방향으로 출력면(12)을 통과하고, 이에 따라 레이저 빔(5)의 방출 빔 섹션(5)으로 굴절된다. 전반사 지점에서의 전술된 세 요건을 충족함으로써, 스캐닝 패턴은
최대 표면 반경 R과 동일한 외부 링 반지름과 식 1에 의해 수학적으로 계산될 수 있는 내부 링 지름 Rin에 의해 정해되는 링 형태의 지역으로 제한된다. 이에 의하여, 반사된 빔 섹션(14)은 첨단(13) 또는 바닥(30)이 존재하는 경우라면 첨단(13) 또는 바닥(30)을 조사함이 없이, 및 길이방향으로 레이저 에너지의 상당 부분 또는 전체를 방출함이 없이, 전체 빔 직경 또는 단면을 통하여 방출 빔 섹션(15)으로 굴절되는 것이 보장된다. 방출 빔 섹션(15)은 처리 헤드(7)로부터 방사상으로, 즉 길이방향 축(10)에 대해 ±10°허용치, 바람직하게는 ±3°의 허용치를 갖는 90°의 각도 ß를 가진다.
도 3은 도 2의 장치의 상부 단면도이다. 출력면(12)의 곡률 때문에, 반사된 빔 섹션(14)은 길이방향 축(10)에 집중된다. 반면에, 도 2의 측면도에 도시된 바와 같이, 반사된 빔 섹션(14)의 빔 높이는 처리 헤드(7) 내에서 일정하게 유지된다. 그 결과, 반사된 빔 섹션(14)은 길이방향 축(10)에 배치되는 초점선(32, focal line)을 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 초점선(32)를 통과한 후, 반사된 빔 섹션(14)의 빔 폭은 제2 입사 지점 P2에 도달할 때까지 다시 확장된다. 상기 제2 입사 지점 P2가 제1 입사 지점 P1에 비해 길이방향 축(1)과 초점선(32)에 가깝기 때문에, 방출 빔 섹션(15)은 입사 빔 섹션(11)의 빔 직경 d보다 작은 빔 폭 w를 가진다(도 2). 그 결과, 방출 빔 섹션(15)은 타원형 레이저 지점(31) 형태의 내주 조직면(3)을 만나게 된다. 제2 입사 지점 P2이 길이방향 축(10) 또는 첨단(13)에 가깝게 배치되면 될수록, 빔 폭(w)은 더 작아지는데 이는 증가된 레이저 강도 및 플루언스(fluence)를 초래한다. 도 3은 물을 흡수한 레이저 빔에 어떤 현상이 일어나는지 도시하는데, 레이저 광이 처리 헤드에서 방출되어 물에 유입되면 즉시 수증기 기포 채널이 형성되고, 빔 직경을 크게 확장함이 없이 비교적 매우 긴 거리를 물이 흡수된 레이저 광이 물을 통해 전파되는 것으로 효과적으로 용이하게 한다. 처리 헤드(7) 재료의 레이저 에너지 과부하를 피하기 위해, 원뿔형 출력면(12)의 스캐닝은, 두 입사 지점 P1, P2 사이 및 제1 입사 지점 P1과 첨단(13) 사이에 특정 방사상 거리를 유지하여, 첨단(13) 바로 근처는 반사된 빔 섹션(14)의 방사로부터 제외되도록 하는 것이 바람직하다.
추가적으로, 본 발명에 따르면, 도 3도 도시된 바와 같이, 스캐너(9)와 제어 장치(8, 도 1)에 의해 특정 스캐닝 패턴이 실행된다: 처리 요건에 따르면, 원뿔형 출력면(12)은, 화살표(33)로 도시된 바와 같이 처리 헤드(7)의 길이방향 축(10) 둘레의 원 형태로 입사 빔 섹션에 의해 스캔되고, 방출 빔 섹션(15)은, 화살표(34)로 도시된 바와 같이 길이방향 축(10) 둘레에서 원 이송(circular feed)이 일어난다. 달리, 원뿔형 출력면(12)은, 화살표(36)로 도시된 바와 같이 길이방향 축(10)에 대해 방사상 방향으로 입사 빔 섹션(11)에 의해 스캔되고, 그 결과 방출 빔 섹션(15)은 길이방향 축(10)의 방향에 평행한 축의 이송(axial feed)이 일어난다. 원형 및 방사상 스캐닝 패턴은 조합될 수 있다.
스캐닝은 지속적으로 개별 점 패턴 형태로 실시될 수 있다. 점 패턴은 일정하거나 임의적일 수 있다. 특정 적용예를 위하여, 출력면(12)의 적어도 하나의 특정 부분 또는 설정된 부분(35)은 제어 장치(8, 도 1)에 의해 제어될 수 있는 입사 빔 섹션(11)에 의한 방사에서 제외되거나 또는 방사 강도가 감소되도록 출력면(12)을 스캔하는 것이 권장된다. 이는, 예컨대 요도를 보호하기 위한 질의 치료에 필요할 수 있는 특정 조직면(3) 부분을 제외한 방사 또는 감소된 방사를 초래한다.
입사 빔 섹션(11)을 포함하는 레이저 빔(5)의 도시된 경로를 얻기 위해, 본 발명의 반사된 빔 섹션(14)과 방출 빔 섹션(15)은 원뿔형 출력면(12)의 특정 반개방각 α를 필요로 하는데, 이는 처리 헤드(7) 재료의 제1 굴절률 n1과 처리 헤드(7)의 출력면(12)을 직접 둘러싸는 매체의 제2 굴절률 n2에 맞춰진다. 반개방각 α의 조절은 두 a.m. 식 1 및 2를 충족시킴으로써 실행되는데, 이에 따라 반개방각 α가 적어도 이상적인 각 αopt와 거의 동일하도록 조절된다. 필요한 적용예 따라, 반개방각 α의 조절은 제2 굴절률 n2를 가지는 주변 매체를 기초할 수 있다. 그러나, 바람직하게는 반개방각 α는 제2 굴절률 n2 = 1.0에 기초하여 선택된다. 이러한 처리 헤드(7)가 제2 굴절률 n2 = 1.0을 가지는 공기 중에서 작동되는 한, 1.28을 초과하는 제1 굴절률 n1을 가지는 처리 헤드(7)의 임의의 이상적인 재료는 반개방각 α를 이상적인 각 αopt로 조절하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 원뿔형 출력면(12)이 물 및/또는 혈액과 같은 다른 매체와 접촉하는 경우, 전반사 및 이어지는 90°굴절을 위한 조건이 충족되지 않을 것이다. 이 경우, 처리 헤드(7) 재료는 물과 접촉하여 작동하기 위해 1.64 이상의 제1 굴절률 n1을 가지도록 선택되거나, 물 및/또는 혈액과 접촉하는 지속적인 작동을 위해 1.75 이상의 제1 굴절률 n1을 가지도록 선택된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 처리 헤드(7)는 약 1.8의 제2 굴절률 n1을 가지는 YAG로 구성되고, 한편 반개방각 α는 33°내지 39°범위이고, 특히 36°이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 반개방각 α = 36°는 두 a.m. 식 2 및 3으로부터 얻어지는 이상적인 각 αopt와 동일하고, 이는 제2 굴절률 n2 = 1.0을 가지는 공기중에서 적용될 때 각 ß = 90°를 초래한다. 물 및/또는 혈액과 접촉하는 경우, 제1 입사 지점 P1에서 전반사를 위한 조건이 유지되는 반면, 제2 입사 지점 P2에서의 굴절은 a.m. 허용치 내의 바람직한 90°각으로부터 약간만 벗어난 각 ß가 된다. 바람직한 예로서, 36°의 반개방각 α는 최소 스캐닝 반경 Rin이 1.62 x 최소 표면 반경 r인 것으로 a.m. 식 1로부터 유도된다.
도 1, 도 2, 및 도 3에 따른 제1 바람직한 실시예는 내주 조직면(3)에서 체조직(2)에 직접 접근을 위해 조절되고 이용된다. 이는 제2 굴절률 n2을 가지는 치료 부위 매체에 대하여 출력면(12)의 보호가 제공되지 않는다는 것과 출력면(12)은 상기 매체와 접촉할 수 있음을 의미한다.
제1 시나리오에서, 처리 헤드(7)를 포함하는 이러한 레이저 시스템(1)은 조직면(3)의 비제거식 처리를 위해 사용된다. 이 경우, 레이저 광원(4)은 물에 의해 많이 흡수되지 않는 레이저 빔(5) 파장을 제공하도록 선택된다. 바람직하게는, 레이저 광원(4)은 1064nm의 파장을 가지는 레이저 빔(5)을 제공하는 Nd:YAG 레이저 광원이다. 이러한 레이저 빔(5)은 매체가 물 및/또는 혈액 사이인 경우에도 처리 헤드(7)로부터 조직면(3)으로 통과한다. 펄스 시퀀스, 펄스 지속 기간, 에너지 수준 및 플루언스와 같은, 어떤 바람직한 레이저 파라미터는 조직면(3)의 바람직한 비제거식 처리를 실시하도록 선택될 수 있다.
다른 시나리오에서, 조직면(3)의 제거성 처리가 요구될 수 있다. 이 경우, 레이저 광원(4)은 강력하게 물을 흡수할 수 있는 파장을 가지는 레이저 빔(5)을 제공하도록 선택된다. 바람직하게는 이러한 레이저 광원은 Er:YAG, Er:YSGG, Er,Cr:YSGG 및 CO2 레이저 광원 중 하나이다. 공기가 주변 매체인 경우, 이러한 레이저 빔(5)은 방해를 받지 않는 조직면(3)에 도달한다. 물 및/또는 혈액이 주변 매체인 경우, 수분 함량은 출력면(12)로부터 방출될 때 레이저 에너지의 상당량을 흡수한다. 이 경우, 방출 빔 섹션(15)이 원뿔형 출력면(12)의 제2 지점 P2에서 적어도 1.0J/cm2의 플루언스를 가지도록, 제어 장치(8)에 의해 레이저 광원(4)과 스캐너(9)를 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 플루언스 수준을 적용함으로써, 방출 빔 섹션(15)은 주변 매체를 포함하는 물의 증발을 유발한다. 따라서, 이른바 터널링 효과(tunnelling effect)가 얻어지고, 이에 의해 방출 빔 섹션(5)은 필요에 따라 수증기 기포를 통해 조직면(3)을 통과한다.
도시된 실시예는, 예컨대 임플란트에서, 경골 재료에 드릴링 홀의 후처리에 이용될 수 있다. 이 경우, 처리 헤드(7)는 바람직하게는 1.0mm 내지 3.0mm 범위의 최대 표면 반경 R에 대응하는 2.0mm 내지 6.0mm 범위의 직경을 갖는다. 바람직한 레이저 광원(4)은 Er:YAG 레이저 광원이며, 이는 10㎲ 내지 1000㎲ 범위의 펄스 길이와 5mJ 내지 2000mJ 범위의 펄스 에너지, 및 0.2mm 내지 1.5mm 범위의 레이저 스팟(31)의 평균 지름을 가지는 펄스 모드에서 작동된다.
도시된 실시예는 또한 질과 항문과 같은 신체 공동에서 연조직의 열적 치료를 위해 이용될 수 있다. 산부인과(gynecology)에서, 상기 방법과 장치는 스트레스, 혼합 스트레스 요실금(urinary incontinence), 질 위축(vaginal atrophy) 및 질 이완 증후군을 치료하기 위해 이용될 수 있다. 이 경우, 처리 헤드(7)는 바람직하게는 4.0mm 내지 25.0mm 범위의 최대 표면 반경 R에 대응하는 8.0mm 내지 50.0mm 범위의 직경을 갖는다. 바람직한 레이저 광원(4)은 Er:YAG 레이저 광원이며, 이는 10㎲ 내지 2000㎲ 범위의 펄스 길이와 5mJ 내지 2000mJ 범위의 펄스 에너지, 및 0.2mm 내지 20mm 범위의 레이저 스팟(31)의 평균 지름을 가지는 펄스 모드에서 작동된다.
도 4는 도 1에 따른 레이저 시스템(1)의 일부로서 본 발명의 핸드피스(6)의 제2 바람직한 실시예의 단면도이다. 상기 핸드피스(6)는 수동 이동을 위한 그립(20)을 포함하고, 여기에\는 처리 헤드(7)가 부착된다. 명확히 다르게 언급되지 않는 한, 처리 헤드(7)는 도 1, 도 2 및 도 3에 따른 처리 헤드(7)와 동일하다. 핸드피스(6)는 또한 상기 그립(20)에 부착되고 처리 헤드(7)를 전체적으로 둘러싸는 액체 밀폐 보호 슬리브(16)을 포함한다. 액체 밀폐 보호 슬리브(16)는 레이저 빔(5)에 투명한 재료로 만들어지고 자유 말단부에서 구체 단부(37)에 의해 폐쇄되는 원주 벽(circumferential wall, 17)을 포함한다. 원주 벽(17)은 일반적으로 원기둥형이다. 그러나, 예컨대 다각형 단면을 가진 임의의 다른 길이방향으로 연장된 형태가 또한 사용될 수 있다. 원주 벽(17)은 길이방향 축(10)의 방향으로 처리 헤드(23)의 출력부(23)을 넘어 연장되고, 따라서 원주 벽(17)에서 원뿔형 출력면과의 사이에 자유 공간(18)이 생긴다. 자유 공간(18)은 가스, 바람직하게는 공기로 채워진다. 그러나, 자유 공간(18) 내의 매체가 적어도 약 1.0의 제2 굴절률 n2을 가지는 한, 임의의 다른 가스가 채워지거나 진공이 될 수도 있다.
처리 헤드(7)와 둘레의 보호 슬리브(16)를 가진 핸드피스(6)는, 몸체 점막 조직(2)의 내주 조직면(3)의 처리를 위해, 개략적으로 도시된 여성의 질에 삽입된다. 원뿔형 출력면(12)를 포함하는 전체 처리 헤드(7)는 보호 슬리브(16)에 의해 액체를 포함하는 임의의 치료 부위의 물 및/또는 혈액으로부터 보호된다. 레이저 빔(5)의 전반사와 굴절률 조건은 약 1.0의 제2 굴절률 n2을 가지는 주변 매체의 조건 하에서 유지된다. 레이저 빔(5)은, 출력부(23)로부터 방출된 후, 조직면(3)의 목표 부위에 접근할 때까지 자유 공간(18)과 원주 벽(17)을 통해 방해를 받지 않고 통과한다.
처리 헤드(7)의 외부면에는 깊이 눈금(21, depth scale)이 제공되는데, 이는 핸드피스의 치료 부위에 대한 정확한 축 위치를 제공한다. 상기 선택적 깊이 눈금(21)은 또한 도 1, 도 2 및 도 3에 따른 실시예로 통합될 수도 있다. 도 4의 실시예에서, 깊이 눈금(21)은 대안적으로 보호 슬리브의 외부면에 위치될 수도 있다.
도 4에 따른 핸드피스(6)는 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 레이저 시스템(1)의 일부이다. 모든 관련 특성과 프로세스 단계들은 도 4의 핸드피스(6)에도 적용될 수 있다. 그러나, 보호 슬리브(16)는 물, 혈액 및 다른 주변 매체의 광학적 영향을 배제하는 것을 가능하게 하기 때문에, 임의의 바람직한 처리 과정이 적용될 수도 있다. 이는 임의의 적절한 레이저 빔 파장, 플루언스, 에너지 준위, 펄스 시퀀스 등으로 제거식 및 비제거식 처리를 포함한다. 질의 치료는 단지 예로서 도시한 것이다. 소변기, 직장(rectal), ENT(귀, 코 및 목) 및 임플란트 적용을 포함하여 몸체 개구의 임의의 다른 원주 조직면(3)이 처리될 수 있다.

Claims (18)

  1. 내부 원주 조직면(3)에서 체조직(2)을 치료하기 위한 레이저 시스템(1)으로서, 레이저 빔(5)의 생성을 위한 레이저 광원(4), 처리 헤드(7)를 가진 핸드피스(6), 제어 장치(8) 및 스캐너(9)를 포함하며, 상기 처리 헤드(7)는 길이방향 축(10)을 따라 연장되고, 상기 레이저 빔(5)에 투명하고 제1 굴절률을 가진 재료로 형성되며, 작동 중 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)이 길이방향 축(10)의 방향으로 처리 헤드(7)로 유입되고, 상기 처리 헤드(7)는 길이방향 축(10) 둘레에 배치되는 원뿔형 출력면(12)을 가지고, 상기 원뿔형 출력면(12)은 입사 빔 섹션(11)의 광원의 반대편에 첨단(13)을 가지며, 상기 원뿔형 출력면(12)은 최소 표면 반경(r)과 최대 표면 반경(R)을 가지고, 상기 원뿔형 출력면(12)은 반개방각(α)을 가지며, 상기 반개방각(α)은 상기 처리 헤드(7) 내에서 반사된 빔 섹션(14)으로 상기 입사 빔 섹션(11)의 전반사를 제공하고 처리 헤드(7)로부터 출력면(12)을 통해 방사상으로 유출되는 방출 빔 섹션(15)으로 반사된 빔 섹션(14)의 굴절을 제공하도록 형성되며, 최소 표면 반경(r) 및 반개방각(α)으로부터 최소 스캐닝 반경(Rin)이 다음의 식:
    Rin = r(tg(2α) + tg(α))/(tg(2α) - tg(α))
    에 따라 얻어지며, 상기 입사 빔 섹션(11)은 출력면(12)의 위치에서 최대 표면 반경(R)과 최소 스캐닝 반경(Rin)의 차이 이하인 평균 직경(d)을 가지고, 원뿔형 출력면(12)의 일부로서 원뿔형 스캐닝 면(38)이 최소 스캐닝 반경(Rin)으로부터 최대 표면 반경(R)까지 연장되도록 한정되며, 상기 제어 장치(8)는 입사 빔 섹션(11)으로 원뿔형 스캐닝 면(38)의 적어도 일 부분을 스캐닝하도록 상기 스캐너(9)를 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리 헤드(7)는 1.28을 초과하는 제1 굴절률을 가지는 재료로 만들어지고, 공기로부터 제2 굴절률 1.0이 주어지며, 상기 제1 굴절률과 제2 굴절률로부터 원뿔형 출력면(12)의 최적의 반개방각(αopt)이 얻어지고, 상기 원뿔형 출력면(12)의 반개방각(α)은 상기 최적의 반개방각(αopt)과 적어도 거의 동일한 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 처리 헤드(7)는, 레이저 빔(5)에 투명한 재료로 만들어진 액체 밀폐 보호 슬리브(16)에 의해 둘러싸이고, 상기 원뿔형 출력면(12)은 상기 보호 슬리브(16)의 원주 벽(17)에 의해 둘러싸이며, 상기 원뿔형 출력면(12)과 원주 벽(17) 사이의 자유 공간(18)은 가스로 채워지는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 처리 헤드(7)는 내부 원주 조직면(3)에서 체조직(2)에 직접 접근할 수 있도록 형성되고, 상기 처리 헤드(7)는, 1.64을 초과하는, 특히 1.75를 초과하는 제1 굴절률을 가지는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 광원(4)은 Er:YAG, Er:YSGG, Er,Cr:YSGG 및 CO2 레이저 광원 중에 하나이고, 상기 제어 장치(8)는, 상기 방출 빔 섹션(15)이 원뿔형 출력면(12)에서 적어도 1.0J/cm2의 플루언스를 가지도록 레이저 광원(4)과 스캐너(9)를 제어하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 헤드(7)는 YAG로 만들어지고, 상기 원뿔형 출력면(12)의 반개방각(α)은 33° 내지 39° 범위이며, 특히 36°인 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원뿔형 출력면(12)는 첨단(13)으로 연장되고, 따라서 최소 표면 반경(r)=0인 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 헤드(7)는 80% 이상의 처리 헤드 빔 경로 길이 내에서 레이저 빔 투과 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원뿔형 출력면(12)이 상기 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)에 의해 상기 처리 헤드(7)의 길이방향 축(10) 둘레의 원형으로 스캔되어, 상기 방출 빔 섹션(15)은 길이방향 축(10)에 대해 원형 이송이 일어나도록, 상기 제어 장치(8)가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원뿔형 출력면(12)이 상기 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)에 의해 상기 처리 헤드(7)의 길이방향 축(10)에 대한 방사상 방향으로 스캔되어, 상기 방출 빔 섹션(15)은 길이방향 축(10)의 방향에 평행하게 축 이송이 일어나도록, 상기 제어 장치(8)가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  11. 제9항 및 제10항에 있어서,
    상기 제어 장치(8)는, 원뿔형 출력면(12)이 상기 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)에 의해 임의의 패턴에서 스캔되도록, 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원뿔형 출력면(12)은 적어도 하나의 특정 부분(35)이 입사 빔 섹션(11)에 의한 방사로부터 제외되거나 방사가 감소되게 상기 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)에 의해 스캔되도록, 상기 제어 장치(8)가 조절되는 것을 특징으로 하는 레이저 시스템.
  13. 내부 원주 조직면(3)에서 체조직(2)을 치료하기 위한 레이저 시스템(1)의 작동 방법으로서, 상기 레이저 시스템(1)은 레이저 빔(5)의 생성을 위한 레이저 광원(4), 처리 헤드(7)를 가진 핸드피스(6), 제어 장치(8) 및 스캐너(9)를 포함하며, 상기 처리 헤드(7)는 길이방향 축(10)을 따라 연장되고, 상기 레이저 빔(5)에 투명하고 제1 굴절률을 가진 재료로 형성되며, 작동 중 레이저 빔(5)의 입사 빔 섹션(11)이 길이방향 축(10)의 방향으로 처리 헤드(7)로 유입되고, 상기 처리 헤드(7)는 길이방향 축(10) 둘레에 배치되는 원뿔형 출력면(12)을 가지고, 상기 원뿔형 출력면(12)은 입사 빔 섹션(11)의 광원의 반대편에 첨단(13)을 가지며, 상기 원뿔형 출력면(12)은 최소 표면 반경(r)과 최대 표면 반경(R)을 가지고, 상기 원뿔형 출력면(12)은 반개방각(α)을 가지며, 상기 반개방각(α)은 상기 처리 헤드(7) 내에서 반사된 빔 섹션(14)으로 상기 입사 빔 섹션(11)의 전반사를 제공하고 처리 헤드(7)로부터 출력면(12)을 통해 방사상으로 유출되는 방출 빔 섹션(15)으로 반사된 빔 섹션(14)의 굴절을 제공하도록 형성되며, 최소 표면 반경(r) 및 반개방각(α)으로부터 최소 스캐닝 반경(Rin)이 다음의 식:
    Rin = r(tg(2α) + tg(α))/(tg(2α) - tg(α))
    에 따라 얻어지며, 상기 입사 빔 섹션(11)은 출력면(12)의 위치에서 최대 표면 반경(R)과 최소 스캐닝 반경(Rin)의 차이 이하인 평균 직경(d)을 가지고, 원뿔형 출력면(12)의 일부로서 원뿔형 스캐닝 면(38)이 최소 스캐닝 반경(Rin)으로부터 최대 표면 반경(R)까지 연장되도록 한정되며, 상기 원뿔형 스캐닝 면(38)의 적어도 일 부분이 입사 빔 섹션(11)으로 스캐닝되고 상기 입사 빔 섹션(11)은 상기 처리 헤드(7) 내에서 반사된 빔 섹션(14)으로 전반사가 일어나게 되고 상기 반사된 빔 섹션(14)은 원뿔형 출력면(12)에서 처리 헤드(7)로부터 출력면(12)을 통해 방사상으로 유출되는 방출 빔 섹션(15)으로 굴절이 일어나도록, 상기 스캐너(9)가 상기 제어 장치(8)에 의해 제어되며, 상기 레이저 시스템(1)의 작동 중, 상기 처리 헤드(7)는 길이방향 축(10)이 내부 원주 조직면(3)에 적어도 거의 평행하게 배치되고, 상기 내부 원주 조직면(3)은 방출 빔 섹션(15)에 의해 적어도 부분적으로 스캔되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    내부 원주 조직면(3)의 상기 체조직(2)은 처리 헤드(7)에 의해 접근 가능하고, 상기 처리 헤드(7)는 액체 밀폐 보호 슬리브(16)에 의해 둘러싸여, 상기 원뿔형 출력면(12)은 상기 보호 슬리브(16)의 원주 벽(17)에 의해 둘러싸이며, 상기 원뿔형 출력면(12)과 원주 벽(y) 사이의 자유 공간(18)은 가스로 채워지고, 상기 처리 헤드(7)는 1.28을 초과하는 제1 굴절률을 가지는 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    내부 원주 조직면(3)의 상기 체조직(2)은 처리 헤드(7)에 의해 접근 가능하며, 상기 처리 헤드(7)는 1.64를 초과하는 제1 굴절률을 가지는 재료로 만들어지고 수분이 있는 환경에서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    내부 원주 조직면(3)의 상기 체조직(2)은 처리 헤드(7)에 의해 접근 가능하며, 상기 처리 헤드(7)는 1.75를 초과하는 제1 굴절률을 가지는 재료로 만들어지고 혈액이 존재하는 환경에서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 레이저 광원(4)은 Er:YAG, Er:YSGG, Er,Cr:YSGG 및 CO2 레이저 광원 중 하나가 사용되고, 상기 레이저 빔(5)의 파라미터는 원뿔형 출력면(12)에서 적어도 1.0J/cm2의 방출 빔 섹션(15)의 플루언스를 제공하도록 적용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스캐너(9)는, 원주 조직면(3)의 적어도 하나의 특정 부분(35)이 방출 빔 섹션(15)에 의한 방사로부터 제외되거나 방사가 감소되도록, 상기 제어 장치(8)에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 방법
KR1020140080262A 2013-06-27 2014-06-27 체조직의 치료를 위한 레이저 시스템 및 방법 KR102235200B1 (ko)

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