KR20190004766A - 치아 조직을 치료하기 위해 펄스형 레이저 빔을 펄싱하고 지향시키기 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

치아 조직을 치료하기 위해 펄스형 레이저 빔을 펄싱하고 지향시키기 위한 시스템들 및 방법들 Download PDF

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Abstract

특정 패턴에 따라 레이저 빔 펄스들을 치아 치료 영역에 전달하는 레이저 빔 치료 시스템이 설명된다. 다양한 예들에서, 패턴의 간격(예를 들어, 펄스들이 전달되는 위치들 및 그 사이의 거리들) 및/또는 패턴의 타이밍(예를 들어, 제1 위치와 제1 위치에 인접하는 나중 위치에 대한 펄스들의 전달 사이의 시간량)은 절제 성능에 대한 입증 가능한 효과를 가질 수 있다. 효과들은, 예를 들어, 개선된 절제 효율, 개선된 표면 평활도, 개선된 재료 제거 레이트, 및/또는 용융물, 탄화 또는 다른 부정적인 표면 피처들의 부재를 포함할 수 있다.

Description

치아 조직을 치료하기 위해 펄스형 레이저 빔을 펄싱하고 지향시키기 위한 시스템들 및 방법들
<관련 출원들에 대한 상호 참조>
본 출원은 2016년 5월 6일자로 출원된 계류 중인 미국 가특허 출원 제62/332,586호의 "System and Methods for Pulsing and Directing a Pulsed Laser Beam to Treat Dental Tissue"에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시내용은 전체적으로 본 명세서에 참조로 포함된다.
<기술 분야>
본 개시내용은 일반적으로 레이저 기반의 치아 치료 기술들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 패턴들에 따라 치료 영역 전반에 걸쳐 펄스형 레이저 빔을 주사함으로써 치아 조직을 치료하기 위하여 공간적으로 및/또는 시간적으로 설명되는 패턴들에 관한 것이다.
레이저들은 충치 제거, 절개, 경조직의 드릴링 또는 성형, 및 연조직의 제거 또는 절개를 포함하여 다수의 경조직 및 연조직 치과 절차들에서 유용한 것으로 알려져 있다. 치아는 3개의 층을 갖는다. 가장 바깥 층은 가장 단단한 에나멜질이며, 치아의 나머지 부분에 대한 보호층을 형성한다. 치아의 가운데 벌크는 상아질로 이루어지고, 가장 안쪽 층은 펄프이다. 에나멜질과 상아질은 조성이 유사하며, 중량의 약 적어도 70%가 무기질로서 카보네이티드 하이드록시아파타이트(carbonated hydroxyapatite)인 반면, 펄프는 혈관들과 신경들을 포함한다. 9.3-9.6 마이크로미터 범위의 파장에서의 레이저들은 치아 및 뼈의 중요한 성분인 하이드록시아파타이트에 의해 잘 흡수되어, 이러한 레이저들을 경조직 제거에 효율적이게 한다. 일반적으로, 치과학에서 CO2 레이저 응용들이 현저하게 증가하였는데, CO2 레이저 파장 대역들은 9.3 내지 10.6 마이크로미터의 범위이다. 9.6 내지 10.6 마이크로미터에서는, 인산염 흡수가 현저하게 떨어지므로, 따라서 경조직의 제거에 최적화된 치과용 레이저들은 일반적으로 9.3-9.6 마이크로미터 파장 범위에서 동작된다.
레이저들은, 드릴에 의해 유사한 절차가 수행될 때 요구되는 국소 마취에 대한 동일한 필요성이 없어도 치과 재료의 제거에 유용한 것으로 밝혀졌다. 또한, 레이저들은 치과용 드릴들과 연관된 소음들 및 진동들을 발생시키지 않는다. 적어도 이들 이유들로 인해, 레이저들이 드릴을 대체하고, 치아 치료로 인한 불편함, 불안감 및 두려움을 제거하거나 적어도 상당 부분을 감소시킬 수 있다는 점이 치과 산업에서 많은 이들에게 희망이 되었다.
빔 가이던스 시스템(beam guidance system)의 사용을 통해, 레이저 빔 주사(laser beam scanning)를 통합하면, 레이저 빔이 치료 영역의 상이한 영역들로 제어된 방식으로 지향될 수 있다. 빔 가이던스 시스템의 예들은 미국 특허 출원 공개 공보 제2013-0059264A1에 설명되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조로 포함된다. 레이저 빔 주사는 단일 집속된 스폿에 의해 가능한 것보다 더 큰 영역들이 레이저에 의해 치료되게 할 수 있다. 패턴은 주사와 연관된 파라미터들, 예를 들어, 점프 인터벌(레이저 패턴 내의 한 지점과 다른 지점 사이의 시간), 드웰 시간(dwell time)(패턴 내의 단일 지점에서 소비되는 시간), 기하학적 구조(패턴 내의 모든 지점들의 위치들) 및 지점 시퀀스를 정의하는 데 사용될 수 있다. 빔 가이던스 시스템과 함께 펄스형 레이저를 사용하는 것과 연관된 파라미터들은 미국 특허 출원 공개 공보 제2014-0363784A1에 상세하게 설명되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조로 포함된다.
어떠한 빔 가이던스 시스템 또는 주사 능력들도 갖지 않는 펄스형 레이저 시스템은 단지 2개의 파라미터, 즉, 펄스 폭 및 반복 레이트의 사용을 통해 레이저를 펄싱할 수 있다. 캘리포니아주 샌프란시스코 대학과 다른 곳에서 수행된 이전 연구들은 9.3 미크론 레이저로 치료되는 치아 경조직이 약 2μs의 열 완화 시간을 갖는 것으로 나타내었다. 이 값은 펄스 폭 파라미터에 대한 바람직한 한계들을 정의하는 데 도움이 된다. 그러나, 치아 경조직 치료 동안에 빔 가이던스(예를 들어, 레이저 빔의 주사)와 연관된 파라미터들에 대한 적절한 범위들을 정의하기 위한 약간의 연구가 수행되었다.
치과용 레이저는 마취없이 사용되고, 재구성, 요철들, 상당한 용융 또는 탄화(carbonization)를 형성하지 않고 치아를 절개하는 것이 유리할 수 있다. 빔 가이던스와 연관된 파라미터들이 이들 목표들을 달성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 또한, 치과용 레이저 디바이스가 치과 의사가 종래의 드릴로서 사용하기에 단순한 경우, 디바이스는 널리 채택될 수 있다. 따라서, 치과 의사의 최소한의 개입으로 고품질의 임상 결과들을 제공하기 위해, 빔 가이던스 및 레이저 펄싱과 연관된 특정 파라미터들을 자동으로 제어하는 치과용 레이저 시스템 및 방법이 필요하다.
일반적으로, 일 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 방법을 특징으로 한다. 방법은 복수의 인접한 크레이터들을 형성하기 위해 레이저 빔의 복수의 레이저 펄스 버스트들(laser pulse bursts)을 치아 조직의 영역 내의 패턴 내의 각각의 조직 위치들로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 패턴은 레이저 빔의 폭, 레이저 빔의 펄스 당 에너지 및 조직의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는 크레이터 사이즈의 함수일 수 있다. 인접한 크레이터들은 한 쌍의 부분적으로 중첩되는 크레이터들, 한 쌍의 접하는 크레이터들, 및/또는 특정 최대 거리까지 분리된 한 쌍의 이격된 크레이터들을 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 단일 레이저 펄스로 구성된다. 다른 실시예들에서, 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 복수의 레이저 펄스들을 포함한다. 일부 경우들에서, 패턴은 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도의 함수이다. 예를 들어, 부분적으로 중첩되는 크레이터들 사이의 중첩량, 및/또는 특정 최대 거리는 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도의 함수일 수 있다.
일부 경우들에서, 복수의 레이저 펄스 버스트들을 지향시키는 단계는, 제1 크레이터를 형성하기 위해 제1 레이저 펄스 버스트를 제1 조직 위치로 지향시키는 단계, 및 제1 크레이터에 인접하지 않은 제2 크레이터를 형성하기 위해 다음 레이저 펄스 버스트를 제2 조직 위치로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 경우들에서, 복수의 레이저 펄스 버스트들을 지향시키는 단계는 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 레이저 펄스 버스트들을 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향시키는 단계를 추가로 포함하며, 여기서 어떠한 2개의 연속적인 레이저 펄스 버스트도 인접한 크레이터들을 형성하는 조직 위치들로 지향되지 않다. 일부 경우들에서, 추가적인 레이저 펄스 버스트들은 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향되며, 임의의 쌍의 연속적인 추가적인 조직 위치들 사이의 거리는 제1 조직 위치와 제2 조직 위치 사이의 거리의 ±25퍼센트 내이다. 인접한 크레이터들은 (i) 3개의 부분적으로 중첩되는 크레이터, (ii) 3개의 접하는 크레이터, 및/또는 (iii) 특정 최대 거리까지 분리된 3개의 이격된 크레이터를 포함할 수 있다.
일부 경우들에서, 크레이터 사이즈는 원하는 절제 효율(ablation efficiency)의 함수(예를 들어, 적어도 이론적인 최대 절제 효율의 50 퍼센트)이다. 절제 효율은 복수의 인접한 크레이터들의 체적 및 복수의 레이저 펄스 버스트들의 총 에너지의 함수일 수 있다.
일반적으로, 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 치과용 레이저 시스템을 특징으로 한다. 시스템은, 레이저 빔의 복수의 레이저 펄스 버스트들을 생성하기 위한 레이저 소스; 복수의 인접한 크레이터들을 형성하기 위해 복수의 레이저 펄스 버스트들을 치아 조직의 영역 내의 패턴 내의 각각의 조직 위치들로 지향시키도록 적응된 빔 가이던스 시스템 - 인접한 크레이터들은 (i) 한 쌍의 부분적으로 중첩되는 크레이터들, (ii) 한 쌍의 접하는 크레이터들, 및/또는 (iii) 특정 최대 거리까지 분리된 한 쌍의 이격된 크레이터들을 포함함 -; 및 패턴이 레이저 빔의 폭, 레이저 빔의 펄스 당 에너지 및 조직의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된 크레이터 사이즈의 함수가 되도록 레이저 소스 및 빔 가이던스 시스템을 제어하도록 적응된 제어기를 포함할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 단일 레이저 펄스로 구성된다. 다른 실시예들에서, 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 복수의 레이저 펄스들을 포함한다. 일부 경우들에서, 패턴 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도의 함수이다. 예를 들어, 부분적으로 중첩되는 크레이터들 사이의 중첩량, 및/또는 특정 최대 거리는 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도의 함수일 수 있다.
일부 경우들에서, 빔 가이던스 시스템은, 제1 크레이터를 형성하기 위해 제1 레이저 펄스 버스트를 제1 조직 위치로 지향시키고, 제1 크레이터에 인접하지 않은 제2 크레이터를 형성하기 위해 다음 레이저 펄스 버스트를 제2 조직 위치로 지향시키도록 추가로 적응된다. 이러한 경우들에서, 빔 가이던스 시스템은 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 레이저 펄스 버스트들을 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향시키도록 추가로 적응될 수 있으며, 여기서 어떠한 2개의 연속적인 레이저 펄스 버스트도 인접한 크레이터들을 형성하는 조직 위치들로 지향되지 않는다. 일부 경우들에서, 빔 가이던스 시스템은 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 레이저 펄스 버스트들을 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향시키도록 적응되며, 임의의 쌍의 연속적인 추가적인 조직 위치들 사이의 거리는 제1 조직 위치와 제2 조직 위치 사이의 거리의 ±25퍼센트 내이다. 인접한 크레이터들은 (i) 3개의 부분적으로 중첩되는 크레이터, (ii) 3개의 접하는 크레이터, 및/또는 (iii) 특정 최대 거리까지 분리된 3개의 이격된 크레이터를 포함할 수 있다.
일부 경우들에서, 크레이터 사이즈는 원하는 절제 효율의 함수(예를 들어, 적어도 이론적인 최대 절제 효율의 50 퍼센트)이다. 절제 효율은 복수의 인접한 크레이터들의 체적 및 복수의 레이저 펄스 버스트들의 총 에너지의 함수일 수 있다. 일부 경우들에서, 빔 가이던스 시스템은 검류계(galvanometer)를 포함한다.
일반적으로, 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 다른 방법을 특징으로 한다. 방법은 제1 레이저 펄스 버스트를 치아 조직의 영역 내의 조직 위치들의 패턴 내의 제1 조직 위치로 지향시키는 단계, 적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트를 패턴 내의 적어도 하나의 추가적인 비인접 조직 위치로 지향시키는 단계, 및 다음 레이저 펄스 버스트를 제1 조직 위치에 인접한 패턴 내의 조직 위치로 지향시키는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 추가적인 비인접 조직 위치들의 양은 (i) 치아 조직의 용융에 대응하는 열 완화 시간, 및 (ii) 레이저 펄스들의 속성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다.
다양한 실시예들에서, 제1 레이저 펄스 버스트의 속성은, 레이저 펄스 주기, 레이저 펄스의 ON 지속 기간, 버스트 주파수, 및/또는 버스트 ON 지속 기간이다. 추가적인 비인접 조직 위치의 양은 최대 10(이상), 예를 들어, 1일 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 레이저 펄스 버스트 및/또는 다음 레이저 펄스 버스트는 단일 레이저 펄스로 구성된다. 다른 경우들에서, 제1 레이저 펄스 버스트 및/또는 다음 레이저 펄스 버스트는 복수의 레이저 펄스들을 포함한다. 적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트의 총 시간은 대략 열 완화 시간과 동일할 수 있다.
일반적으로, 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 다른 치과용 레이저 시스템을 특징으로 한다. 시스템은 레이저 빔의 복수의 레이저 펄스 버스트들을 생성하기 위한 레이저 소스; (i) 제1 레이저 펄스 버스트를 치아 조직의 영역 내의 조직 위치들의 패턴 내의 제1 조직 위치로 지향시키고, (ii) 적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트를 패턴 내의 적어도 하나의 추가적인 비인접 조직 위치로 지향시키고, (iii) 다음 레이저 펄스 버스트를 제1 조직 위치에 인접한 패턴 내의 조직 위치로 지향시키도록 적응된 빔 가이던스 시스템을 포함할 수 있으며, 여기서 추가적인 비인접 조직 위치들의 양은 치아 조직의 용융에 대응하는 열 완화 시간, 및 레이저 펄스들의 속성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다.
다양한 실시예들에서, 제1 레이저 펄스 버스트의 속성은, 레이저 펄스 주기, 레이저 펄스의 ON 지속 기간, 버스트 주파수, 및/또는 버스트 ON 지속 기간이다. 추가적인 비인접 조직 위치들의 양은 최대 10(이상), 예를 들어, 1일 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 레이저 펄스 버스트 및/또는 다음 레이저 펄스 버스트는 단일 레이저 펄스로 구성된다. 다른 경우들에서, 제1 레이저 펄스 버스트 및/또는 다음 레이저 펄스 버스트는 복수의 레이저 펄스들을 포함한다. 적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트의 총 시간은 대략 열 완화 시간과 동일할 수 있다. 일부 경우들에서, 빔 가이던스 시스템은 검류계를 포함한다.
본 개시내용의 다양한 양태들은 첨부 도면들 및 수반되는 상세한 설명을 고려하면 보다 명백해질 것이다. 도면들에서, 유사한 참조 부호들은 일반적으로 상이한 도면들 전반에 걸쳐 동일한 부분들을 나타낸다. 또한, 도면들은 반드시 일정한 축적을 갖는 것은 아니며, 대신에 본 발명의 원리들을 예시하는 것에 중점을 둔다. 이하의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예들이 다음의 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은, 다양한 재료들에 대해, 절제된 스폿의 직경에 대한 예시적인 데이터를 펄스 폭의 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 2a 내지 도 2e는, 다양한 실시예들에 따라, 예시적인 절제 패턴들을 도시한다.
도 3a는, 다양한 재료들에 대해, 제거된 평균 체적에 대한 예시적인 데이터를 패턴 간격의 함수로서 도시하는 차트이다.
도 3b는, 다양한 재료들에 대해, 제거된 연질의 재료에 대한 제거된 경질의 재료의 비율에 대한 예시적인 데이터를 패턴 간격의 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 3c는, 다양한 재료들에 대해, 총 에너지 당 제거된 평균 체적에 대한 예시적인 데이터를 패턴 간격의 함수로서 도시하는 차트이다.
도 4a는 부식된 조직을 절개하기 위해 개발된 예시적인 패턴, 및 건강한 치아 조직을 절개하기 위해 개발된 예시적인 패턴에 대하여 체적 제거 성능에 대한 예시적인 데이터를 도시하는 차트이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 차트에서 설명된 패턴들을 전달하는 데 사용되는 레이저에 대한 예시적인 동작 파라미터들을 도시한다.
도 5a 및 도 5b는, 다양한 실시예들에 따라, 1.25mm 패턴에 대한 예시적인 기하학적 구조 및 예시적인 레이저 동작 파라미터들을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는, 다양한 실시예들에 따라, 1.00mm 패턴에 대한 예시적인 기하학적 구조 및 예시적인 레이저 동작 파라미터들을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는, 다양한 실시예들에 따라, 0.75mm 패턴에 대한 예시적인 기하학적 구조 및 예시적인 레이저 동작 파라미터들을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는, 다양한 실시예들에 따라, 0.50mm 패턴에 대한 예시적인 기하학적 구조 및 예시적인 레이저 동작 파라미터들을 도시한다.
도 9a 및 도 9b는, 다양한 실시예들에 따라, 0.25mm 패턴에 대한 예시적인 기하학적 구조 및 예시적인 레이저 동작 파라미터들을 도시한다.
도 10은 인간 에나멜질에 대해 단위 에너지 당 제거된 체적에 대한 예시적인 데이터를 펄스 폭의 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 11은, 다양한 실시예들에 따라, 예시적인 치과용 레이저 시스템에 대해 펄스 폭 및 펄스 당 에너지의 예시적인 데이터를 도시하는 차트이다.
도 12는, 다양한 실시예들에 따라, 다양한 패턴들로 치료된 치아 에나멜질의 공초점 현미경 이미지들을 도시한다.
도 13은, 다양한 실시예들에 따라, 단일 펄스 패턴들과 관련된 예시적인 레이저 동작 파라미터들 및 변수들을 도시하는 표이다.
도 14a 및 도 14b는, 다양한 실시예들에 따라, 다양한 패턴들로 치료된 표면들에 대한 예시적인 표면 거칠기 데이터를 열거하는 표들이다.
도 15a 및 도 15b는, 다양한 실시예들에 따라, 다양한 패턴들로 치료된 표면들에 대한 예시적인 프랙탈 스케일 표면 거칠기 데이터를 도시하는 플롯들이다.
도 16은, 다양한 실시예들에 따라, 다양한 패턴들에 대한 에나멜질 조직의 질량 재료 제거 레이트에 대한 예시적인 데이터를 도시하는 그래프이다.
도 17은 가시적인 용융물이 샘플에 나타날 때를 다양한 레이저 On-시간들에 대한 레이저 Off-시간의 함수로서 나타내는 예시적인 데이터를 도시하는 차트이다.
도 18a 내지 도 18c는, 다양한 실시예들에 따라, 다양한 레이저 Off-시간들에서, 다양한 수의 레이저 펄스들에 의해 형성된 크레이터들의 공초점 현미경 이미지들이다.
도 19a 및 도 19b는, 다양한 실시예들에 따라, 단위 에너지 당 제거된 체적에 대한 예시적인 데이터를 레이저 off-시간의 함수로서 도시하는 그래프들이다.
도 20은, 다양한 실시예들에 따라, 냉각 인터벌에 대한 간격의 영향을 예시하기 위해 사용된 예시적인 패턴을 도시한다.
도 21a는, 다양한 패턴 간격들에 대해, 어떠한 재구성된 용융도 산출하지 않는 최대 반복 레이트에 대한 예시적인 데이터를 레이저 On-시간의 함수로서 도시하는 그래프이다.
도 21b는, 다양한 패턴 간격들에 대해, 어떠한 재구성된 용융도 산출하지 않는 최소 인터벌에 대한 예시적인 데이터를 레이저 On-시간의 함수로서 도시하는 그래프이다.
다양한 실시예들에서, 본 개시내용은 독특하고 유리한 패턴들로 레이저 펄스들을 전달하는 레이저 기반의 치아 치료 시스템에 관한 것이다. 레이저 펄스들은 조직, 예를 들어, 치아 조직을 제거하거나 절제하는 데 사용될 수 있다. 레이저 빔이 절제되는 재료에 양호하게 커플링되는 파장(예를 들어, 에나멜질 및 상아질의 경우, 대략 3.0, 9.3 또는 9.6 미크론)뿐만 아니라 충분한 펄스 플루언스(예를 들어, 9.3 미크론 빔의 경우, 2J/cm2보다 큼)를 가지면, 레이저 빔의 단일 펄스가 일부 재료를 성공적으로 절제할 수 있다. 단일 펄스 절제는 일반적으로 치료되는 재료에 크레이터를 형성한다. 통상적으로, 선택된 조직 영역을 완전히 절제하기 위해서는, 몇개의 크레이터가 형성되어야 한다.
도 1은, 9.3 미크론 파장 레이저 빔을 사용할 때, 펄스 폭(마이크로초)(104)과, 다양한 재료들에 대해 단일 펄스에 의해 야기되는 절제에 기인한 크레이터의 직경(미크론)(106) 사이의 예시적인 관계를 도시하는 그래프(102)이다. 그래프의 재료들은 인간 에나멜질(108), 인간 에나멜질의 경질의 충치(110), 인간 상아질(112), 소의 에나멜질(114), 소의 상아질(116), 하이드록시아파타이트 디스크(118) 및 치과용 복합재(120)를 포함한다. 적절한 전력 레벨들에서 9.3 미크론 파장 빔을 생성할 수 있는 동위 원소 이산화탄소 레이저 소스의 예가 Coherent E-150i 레이저(Coherent Inc., 캘리포니아주의 산타클라라 소재)이다. 단일 펄스 절제 동안에, 분무 유량은 15ml/min의 공칭 체적 유량 레이트에서 사용되었다. 이 레이트는, Solea® 치과용 레이저 시스템(Convergent Dental, 매사추세츠주의 네이틱 소재)의 일부 상업용 실시예들에 대한 최대 분무 유량 레이트에 관한 것이기 때문에 선택되었다. 분무는 치료 영역에 도달하는 레이저 에너지를 감쇠시킬 수 있으며, 적어도 일부 예들에서는, 분무가 단일 펄스에 의해 형성되는 크레이터들의 사이즈에 영향을 미친다. 크레이터 사이즈는 아래에서 보다 상세하게 정의된다. 도 1로부터, 일부 경우들에서는, 절제 크레이터의 직경(106)이 일반적으로 펄스 폭(104)에 따라 증가하고, 통상적으로 더 연질의 재료들이 동일한 펄스 폭에 대해 더 큰 크레이터 직경들을 산출한다는 것을 알 수 있다. 본 명세서에서 사용됨에 있어서, 펄스 폭 및 펄스 지속 기간은 펄스의 ON 시간을 나타내고, 단일 펄스의 펄스 ON 시간 및 펄스 OFF 시간을 모두 포함하는 전체 펄스 기간을 나타내지 않으며, 펄스 주기의 역수인 주파수에서 반복될 수 있다.
용어가 본 명세서에서 사용됨에 있어서, 패턴은 절제될 조직의 영역에서 펄스형 레이저 빔을 주사하거나 이동시키는 것과 연관된 특정 공간적 및/또는 시간적 파라미터들을 정의한다. 도 2a는 약 1.43mm의 전체 패턴 폭 및 약 1.38mm의 전체 높이 또는 길이를 갖는 0.231mm 패턴 간격의 예시적인 절제 패턴을 도시한다. 패턴 간격은 일반적으로 레이저 빔이 타겟으로 하는 인접한 위치들 사이의 간격을 의미하므로, 크레이터들이 해당 위치들 주위에 형성될 것이다. 결과적으로 크레이터 간격이라고 불리는 인접한 크레이터들 사이의 간격은 아래에서 논의되는 바와 같이 크레이터들의 직경에 의존할 것이다.
이 예시적인 예시에서, 각각의 원의 중심은 레이저 펄스(또는 레이저 펄스들의 버스트)가 (십자선으로 나타낸) 중심 주위의 절제 크레이터를 생성하도록 지향되는 위치를 나타낸다. 원 그 자체는 절제된 크레이터의 전체 단면적을 나타내며, 여기서 크레이터의 직경은 패턴 간격(0.231mm)과 대략 (예를 들어, ±1%, ±5%, ±10%, ±20% 등의 허용 오차 내에서) 동일하다. 도시된 바와 같이, 절제 패턴은 충전되거나(packed) 밀접하게 중첩된(nested) 형태로 배열된 원들을 포함한다. 도 2b는 도 2a와 동일한 예시적인 패턴을 도시하고, 26개의 크레이터가 주사되는 순서를 표시하며, 이는 (일부 경우들에서는, 오프셋 포지션으로) 반복될 수 있다. 패턴에서 순차적으로 타겟 위치들 사이의 간격을 변화시킴으로써, 상이한 재료들이 다소 효율적으로 절제될 수 있다는 것이 발견되었다.
다양한 실시예들에서, 레이저 빔은 적어도 하나의 검류계를 특징으로 할 수 있는 빔 가이던스 시스템에 의해 패턴에 주사된다. 빔 가이던스 시스템의 레이저 펄싱 및 제어는 레이저 마킹 제어기와 같은 제어기를 통해 달성될 수 있다. 적절한 주사 제어기의 예는 LEC-1 이더넷-기반 임베디드 주사 제어기(Lanmark Controls Inc., 매사추세츠주의 액턴 소재)이다.
도 2c 내지 도 2e는 도 2a의 예시적인 절제 패턴을 예시하며, 도 2c 내지 도 2e 각각은 상이한 사이즈의 크레이터들을 갖는 예시적인 결과적인 크레이터 패턴들을 예시한다. 도 2a 내지 도 2e와 관련하여 사용된 바와 같이, 동일한 패턴 간격은 레이저 빔이 해당 위치들 주위에 크레이터들을 형성하도록 타겟화되는 위치들 사이에서 동일한 간격이 선택되는 것을 의미하지만, 크레이터 사이즈는 상이할 수 있으므로, 결과적인 크레이터 간격이 상이할 수 있다. 결과적인 크레이터 간격은, 모든 크레이터들이 선택된 패턴에 따라 형성된 후, 2개의 가장 가까운 크레이터 사이의 최소 거리로서 설명될 수 있다. 도 2a에서, 형성된 크레이터들은 접해 있으므로, 결과적인 크레이터 간격은 대략 0mm(예를 들어, ±1%, ±2%, ±5%, ±20% 등의 허용 오차)이다. 도 2a가 도시하는 바와 같이, 결과적인 크레이터 간격이 대략 0mm이더라도, 전체 치료 영역에 갭들, 즉, 갭(200)과 같은 미치료 영역들이 존재한다.
도 2c는 펄스 버스트가 0.3mm 직경을 갖는 크레이터, 및 전체 폭이 약 1.5mm이고 길이가 약 1.45mm인 패턴을 생성하는 예시적인 패턴을 도시한다. 일반적으로, 펄스 버스트는 몇 개의(예를 들어, 10개, 20개, 50개, 200개 등의) 펄스들을 포함하지만, 펄스 버스트는 단일 펄스만을 포함할 수 있다. 도 2d는 펄스 버스트가 0.4mm 직경을 갖는 크레이터, 및 전체 폭이 약 1.6mm이고 길이가 약 1.55mm인 패턴을 생성하는 예시적인 패턴을 도시한다. 도 2e는 펄스 버스트가 0.5mm 직경을 갖는 크레이터, 및 전체 폭이 약 1.7mm이고 길이가 약 1.65mm인 패턴을 생성하는 예시적인 패턴을 도시한다. 도면들의 치수들에 나타난 바와 같이, 더 큰 크레이터들은 패턴 간격, 결과적인 크레이터 간격 및 중첩에 따라, 패턴의 유효 사이즈, 즉, 절제되는 영역의 전체 사이즈가 증가되게 한다. 도 2c 내지 도 2e에 도시된 크레이터들은 중첩된다. 이와 같이, 이들 예들에서의 결과적인 크레이터 간격은 음수이다. 그러나, 모든 크레이터들이 선택된 패턴, 즉, 결과적인 크레이터 간격에 따라 형성된 후, 2개의 가장 가까운 크레이터 사이의 최소 거리는 0보다 큰 수일 수 있다. 이 경우, 2개의 가장 가까운 크레이터는 중첩되지도 않고, 접하지도 않는다.
본 명세서에서 사용됨에 있어서, 크레이터의 사이즈는 크레이터의 깊이 또는 체적이 아니라, 치료면에서의 크레이터의 표면적 또는 단면적 폭(예를 들어, 직경)을 나타내지만, 일부 경우들에서는, 사이즈(즉, 표면적 및/또는 직경)와 체적이 관련된다. 예를 들어, 0.5mm 직경을 갖는 도 2e의 크레이터들은 0.3mm 직경을 갖는 도 2c의 크레이터들보다 큰 사이즈를 갖는 0.4mm 직경을 갖는 도 2d의 크레이터들보다 큰 사이즈를 갖는다(단, 표면적은 직경의 함수임에 주목하도록 한다). 일반적으로, 크레이터들은 완벽하게 원형은 아니다. 따라서, 크레이터 직경은 크레이터에 근사하는 원의 직경일 수 있으며, 여기서 원의 단면적은 조직 표면에서의 크레이터의 단면적의 플러스 또는 마이너스 0.1%, 0.5%, 1%, 2%, 5% 10%, 20% 등이다. 이러한 예들에서, 크레이터 사이즈는 여전히 치료 표면에서의 크레이터의 표면적의 척도이다. 크레이터 사이즈는 통상적으로 다수의 팩터들(예를 들어, 펄스 폭, 펄스 주기, 단일 스폿으로 지향되는 버스트에서의 펄스들의 수, 펄스 당 에너지, 버스트 주파수, 펄스 프로파일, 스폿 사이즈 등과 같은 하나 이상의 레이저 파라미터, 및/또는 치료될 재료의 하나 이상의 속성)에 의존한다. 본 명세서에서 설명되는 치아 치료 시스템의 다양한 실시예들에서, 패턴 간격 및 순차적으로 타겟이 되는 지점/위치 간격(이하에서 논의됨)은, 예를 들어, 갈보-제어기 미러(galvo-controller mirror) 단계를 조정함으로써 미리 선택되고/되거나 제어될 수 있다. 크레이터 직경은 하나 이상의 레이저 파라미터, 예를 들어, 빔 폭을 조정함으로써 제어될 수 있다. 크레이터 간격을 생성하는 파라미터는 적절한 패턴 간격 및 레이저 파라미터들(크레이터 직경을 제어함)을 선택함으로써 제어될 수 있다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 치료되는 표면의 평활도는 일반적으로 결과적인 크레이터 간격에 의존할 수 있다.
상이한 절제 패턴들의 체적 재료 제거 레이트를 정량화하기 위해, 절제 레이트 게이지 및 절차가 사용되었다. 레이트 게이지는 오퍼레이터로 하여금 재료(예를 들어, 인간 어금니, 소의 에나멜질, 복합재 블록 등)를 고정물에 배치하고, 치과용 레이저 시스템을 부착한 다음, 설정된 시간과 전력의 양으로 재료를 절제하게 할 수 있고, 다양한 다른 레이저 파라미터들(예를 들어, 펄스 폭, 펄스 주기, 버스트에서의 펄스들의 수 등)을 일정하게 유지하게 할 수 있다. 펄스형 치과용 레이저들에 의한 치아 경조직들의 절제는 통상적으로 냉각 분무의 사용을 요구한다. 절제 레이트 게이지는 또한 오퍼레이터로 하여금 실험들을 위해 설정된 냉각제 유량 레이트로 분무를 사용하게 할 수 있다.
다양한 실험들에서, 치료의 모든 다른 변수들 및 파라미터들(레이저 전력, 펄스 폭 등을 포함)이 일정하게 유지될 때, 절제 패턴(예를 들어, 도 2a 내지 도 2e에 도시됨)에 의해 제거되는 재료의 체적량은 크레이터들의 중심들 사이의 간격에 의존하는 것으로 관찰되었다. 본 명세서에서 사용됨에 있어서, 크레이터 중심들 사이의 간격은 하나 이상의 레이저 펄스 각각이 해당 스폿들 주위에 각각의 크레이터들을 형성하도록 지향되는 2개의 인접한 스폿들 사이의 거리이다. 이 거리는 때로는 본 명세서에서 크레이터 간격 또는 패턴 간격으로 지칭된다.
도 3a는, 다양한 재료들에 대해, 제거된 평균 체적에 대한 예시적인 데이터를 패턴 간격의 함수로서 도시하는 차트이다. 도 3a로부터, 소의 상아질 및 복합재 재료들의 경우, 크레이터 간격이 0.231mm일 때에는, 체적 제거 레이트가 피크에 달하고, 간격이 (예를 들어, 0.173mm로) 감소되거나 (예를 들어, 0.346mm로) 증가될 때에는 레이트가 감소한다. 인간 어금니의 경우, 크레이터 간격이 0.173mm일 때에는, 체적 제거 레이트가 최대가 되고, 간격이 증가됨에 따라, 레이트는 단조 감소된다.
일반적으로, 치아 조직의 치료 동안에, 가장 바깥의 경질의 에나멜질 층은 감염 및/또는 부식될 수 있는 안쪽의 상대적으로 더 연질의 상아질 층이 제거될 수 있기 전에 제거되어야 할 수 있다. 부식된 더 연질의 상아질이 위치되는 깊이 및/또는 제거되어야 하는 이러한 상아질의 체적에 따라, 절제 프로세스는 일부 주위의 건강한 경질의 에나멜질을 불가피하게 제거할 수 있다. 크레이터 사이즈(예를 들어, 직경)가 작은 경우, 건강한 경질 에나멜의 절제를 최소화하는 것이 가능할 수 있지만, 부식된 더 연질의 조직의 체적 제거 레이트는 더 긴 치료 시간을 요구할 수 있다. 한편, 큰 크레이터들을 형성하면 부식된 조직을 빠르게 제거할 수 있지만, 주위의 건강한 경조직의 제거되는 체적 또한 증가할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 절제되고 제거되는 연질의 또는 부식된 조직의 체적을 최대화하면서, 또한 절제되고 제거되는 건강한 경조직의 체적을 최소화하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 더 연질의 재료들의 상대적인 제거를 최대화하고, 더 연질의 재료들에 대한 체적 재료 제거 레이트와 더 경질의 재료들에 대한 체적 재료 제거 레이트에서 가장 큰 차이를 제공하는 최적화된 크레이터 간격을 식별하기 위한 실험이 수행되었다. 도 3b는 제거된 더 연질의 재료(예를 들어, 복합재 또는 소의 상아질)의 체적에 대한 제거된 더 경질의 재료(예를 들어, 에나멜질)의 체적의 비율에 대한 예시적인 데이터를, 2개의 더 연질의 재료, 즉, 소의 상아질 및 복합재 재료에 대한 크레이터 간격의 함수로서 도시한다.
각각의 재료에 대한 데이터는, 크레이터 간격이 약 0.28mm일 때, 비율이 최소화됨을 도시한다. 이 간격에서, 이 실험에서는, 더 연질의 부식된 조직(예를 들어, 복합재)에 대한 체적 제거 레이트가 더 경질의 조직(예를 들어, 건강한 에나멜)에 대한 체적 제거 레이트의 적어도 3배이다. 이 실험은, 펄스 당 에너지, 펄스 폭, 펄스 주기, 스폿으로 지향되는 버스트에서의 펄스들의 수, 스폿으로 지향되는 버스트들의 수 등과 같은 다양한 레이저 빔 파라미터들이 선택될 때, 최소 침습적 치아 프렙들(minimally invasive dental preparations)에 대해, 질병에 걸린 조직이 건강한 조직보다 훨씬 빨리 제거되도록 패턴 간격이 조정될 수 있다는 것을 도시한다.
다양한 실시예들에서, 크레이터 사이즈 및/또는 간격은 (위에서 설명된 바와 같은) 다양한 재료들에서의 상이한 절제 레이트와 대조적으로 원하는 절제 효율에 기초할 수 있다. 이 능력을 입증하기 위한 실험이 수행되었다. 도 3c를 참조하면, 다양한 재료들에 대해, 크레이터 간격의 함수로서 버스트 당 전달되는 총 에너지 당 제거된 평균 체적에 대한 예시적인 데이터가 제공된다. 복합재 및 소의 상아질 재료들의 경우, 최대 절제 효율인 곡선 301 및 303이 각각 도시되어 있다. 최대 절제 효율들은 관찰된 데이터에 피팅된 최상의 피팅된 다항 방정식들의 국부적인 최대값과 일치한다. 도 3c에 도시된 간격 범위에서는, 인간 어금니 재료에 대한 국부적인 최대값이 없다는 것에 주목하도록 한다. 이는 인간 어금니에 대한 최대 절제 효율이 (도 3c에 도시된 가장 좁은 간격인) 0.173mm의 중심 대 중심 거리보다 좁은 간격에서 발생하기 때문이다.
일부 실시예들에서, 레이저 빔의 하나 이상의 파라미터는 크레이터 간격을 조정하는 것에 더하여 또는 이에 대한 대안으로서 체적 제거 레이트를 최대화하도록 조정된다. 도 4a는, 예를 들어, 수직축을 따라 제거된 재료의 체적(마이크로리터)(404)을 도시하는 그래프(402)이다. 그래프(402)는, 일정한 11.2W의 평균 레이저 전력에서 233초 동안 동작되는 2개의 상이한 절제 패턴에 의해 변형된 후, 복합재(406) 및 인간 어금니(408)에 대해 제거된 체적을 도시한다. 제1 절제 패턴(410)(DECAY-006으로 표시됨)은 도 2a 및 도 2b에서 설명된 기하학적 구조 및 위치 시퀀스를 갖는다. 제1 절제 패턴(410)은 건강한 에나멜질과 같은 경질의 재료들보다 빠른 레이트로 충치 및 복합재와 같은 더 연질의 재료들을 절개하도록 개발되었다. 제2 절제 패턴(412)(SP125로 표시됨)으로부터 제거된 체적(404)은 제1 절제 패턴(410)에 대해 제거된 체적(404)과 비교하여 도시된다. 제2 절제 패턴(SP125)(412)은 건강한 치아의 경조직을 절개하기 위해 개발되었고, 도 5a를 참조하여 이하에서 설명되는 기하학적 구조 및 위치 시퀀스를 갖는다.
도 4a에 도시된 결과들은 각각의 재료에 대해 각각의 절제 패턴을 3x3 그리드로 9회 동작시킴으로써 획득되었다. 절개 시간과 평균 전력 모두 각각의 절제 패턴에 대해 일정했기 때문에, 각각의 절제 패턴에 의해 전달된 총 에너지량은 일정하게 유지되었다. 절개 시간은 233초이고, 평균 전력은 11.2W이다. 일정한 절개 시간과 평균 전력을 달성하기 위해, DECAY-006과 SP125에 대해 상이한 레이저 및 빔 가이던스 파라미터들이 사용되었다. 이들 파라미터들은 도 4b에 요약되어 있다. 도 4b를 참조하면, DECAY-006은 60 마이크로초의 레이저 펄스 지속 기간, 1mS의 빔 가이던스 점프 속도 지연, 및 589개의 경로를 필요로 하였다. SP125는 32.5 마이크로초의 레이저 펄스 지속 기간, 0.5mS의 빔 가이던스 점프 지연, 및 652개의 경로를 필요로 하였다.
다양한 실시예들에서, 크레이터 사이즈 및/또는 간격은 절제된 영역의 원하는 평활도에 기초할 수 있다. 본 명세서에서 사용됨에 있어서, 절제된 영역은 조직이 레이저에 의해 제거된 후의 조직 표면의 나머지 부분을 지칭한다. 다른 방식으로 정의하자면, 절제된 영역은 레이저 펄스들의 전달 동안에 형성된 크레이터들 전부에 의해 생성된 공극이다. 일례로서, 절제된 영역은 치아의 부식된 부분이 제거될 때 생성된 공극일 수 있다(예를 들어, 충전재가 삽입될 수 있다). 도 2b와 도 2c의 비교는 크레이터 사이즈와 패턴 간격 사이의 관계가 절제 영역의 평활도에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지를 예시한다. 특히, (도 2a 내지 도 2e에서와 같이) 패턴 간격, 즉, 크레이터들을 형성하도록 타겟화된 위치들 사이의 간격이 동일하지만, 레이저 파라미터(들)는 크레이터 사이즈들이 상이하도록 선택될 수 있다. 이와 같이, 크레이터들을 형성한 후의 크레이터들 사이의 간격, 즉, 결과적인 크레이터 간격은 상이할 수 있다. 도 2a에서는, 결과적인 크레이터 간격이 절제 크레이터들 사이에 작은 갭들이 남겨지게 한다(도 2a에는, 예시적인 갭(200)이 표시되어 있다). 적어도 일부 경우들에서, 이들 갭들은 제거되지 않은 재료를 나타낸다. 반대로, 도 2c에서는, 결과적인 크레이터 간격이 상이하여, 갭들이 일반적으로 존재하지 않게 된다. 따라서, 모든 다른 것이 동일하다면, 동일한 절제 패턴은 도 2a에 도시된 하나의 결과적인 크레이터 간격 및 도 2c에 도시된 다른 결과적인 크레이터 간격을 생성한다. 도 2a에 도시된 결과적인 크레이터 간격은, 도 2c에 도시된 결과적인 크레이터 간격보다 더 많은 재료가 뒤에 남고, 따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이 형성된 절제 크레이터들은 도 2c에 도시된 절제 크레이터들보다 덜 평탄하고, 덜 편평하며, 덜 부드럽다.
일반적으로, 크레이터들이 중첩되지 않고 접해 있는 경우, 또는 각각의 크레이터 경계들이 서로 가장 가까울 때 이격되어 있는 경우, 이미 한 번 절제된 영역에서의 절제는 거의 반복되지 않거나 전혀 반복되지 않는다. 이는 치료의 속도를 최소화시킬 수 있다. 그러나, 결과적인 크레이터 간격이 클수록, 이러한 중첩되지 않는 크레이터들 사이의 갭들의 영역은 커진다. 이는 치료될 전체 영역 내에서 치료되지 않은 다수의 영역들을 남겨둘 수 있어, 치료된 영역이 더 거친 표면을 갖게 된다. 이러한 표면 거칠기는 크레이터 사이즈를 감소시키고 및/또는 (예를 들어, 접하는 크레이터들을 유지하도록) 패턴 간격을 감소시킴으로써 감소될 수 있고, 이는 치료될 영역 내의 크레이터들의 수, 따라서 총 치료 시간을 증가시킬 수 있다. 인접한 크레이터들이 순차적으로 치료되는 경우, 다음 인접한 스폿을 절제하는 동안에 조직에 유도된 열 교환이 이전에 절제된 스폿에 에나멜질의 원치않는 차링(charring) 및/또는 용융을 야기할 수 있다.
치료될 전체 영역이 실제로 절제되는 것을 보장하기 위한 한가지 방식은 중첩되는 크레이터들을 형성하는 것이다. 여기서 다시, 조직의 일부 부분들은 수 회, 예를 들어, 3회 이상 치료될 수 있고, 일부 부분들은 단지 1회 또는 2회만 치료될 수 있다. 따라서, 중첩되는 크레이터들은 또한 치료 후에 거친 조직 표면을 초래할 수 있다. 또한, 계속하여 인접한 스폿들에 레이저 펄스들을 지향시킴으로써 중첩되는 크레이터들이 형성되는 경우, 하나의 스폿 내지 인접한 스폿을 절제하는 동안에 조직에 유도된 열 교환이 에나멜질의 원치않는 탄화 및/또는 용융을 야기할 수 있다. 일반적으로, 하나 이상의 치료 특성은 적절한 패턴 간격, 크레이터 사이즈, 크레이터 간격, 및/또는 선택된 스폿들이 절제되어 해당 스폿들 주위에 크레이터들을 형성하는 시퀀스를 선택함으로써 최적화될 수 있다. 치료 특성들은 치료되는 표면의 평활도, 에나멜질의 탄화 또는 용융, 전체 치료 시간, 환자 감각, 치료 영역으로 전달되는 총 에너지의 함수로서 체적 제거 레이트의 측면에서의 치료 효율 등을 포함할 수 있다.
특정 성능 목적을 달성하도록 선택된 대응하는 패턴 간격을 갖는 다양한 다른 패턴들이 고려된다. 예를 들어, 도 5a 및 도 5b는 본 명세서에서 SP125 패턴으로 지칭되는 치아 경조직을 절개하기 위해 개발된 하나의 패턴을 정의한다. 도 5a는, 레이저가 빔 가이던스 시스템에 의해 주사될 때, 53개의 크레이터가 생성되는 시퀀스를 도시한다. 형성된 크레이터들의 공칭 사이즈(500)(크레이터 직경의 측면에서 설명됨)가 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm가 되도록 다양한 펄스 파라미터들이 선택된다. SP125 패턴에 대한 인접한 타겟 지점들 사이의 공칭 패턴 간격(502)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.13mm이다. SP125 패턴에 대해 순차적으로 타겟화된 지점들 사이의 공칭 간격(즉, 2개의 연속적으로 선택된 타겟 위치 사이의 거리)(503)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm이다. 도 5a가 도시하는 바와 같이, 인접한 타겟 지점들/위치들이 반드시 순차적으로 타겟화되지는 않는다. 예시하자면, 크레이터 27은 크레이터 1과 중첩된다(이에 가장 가깝다). 그러나, 크레이터 1이 형성되는 위치 다음에, 레이저 빔이 지향되는 바로 다음 위치는 크레이터 27의 중심이 아니며, 대신에, 이것은 크레이터 2의 중심이다. 크레이터 27은 다른 위치들에서 다양한 다른 크레이터들을 형성한 후에 나중에 형성된다. 이 예에서, 패턴에 의해 커버되는 치료 영역의 공칭 직경(504)은 ±20%의 허용 오차 내에서 1.25mm이다. 도 5b는 SP125 패턴에 대한 레이저 동작 파라미터들을 제공하는 표 1 내지 표 3을 포함한다.
도 6a 및 도 6b는 본 명세서에서 SP100 패턴으로 지칭되는 치아 경조직을 절개하기 위해 개발된 다른 패턴을 정의한다. 도 6a는, 레이저가 빔 가이던스 시스템에 의해 주사될 때, 24개의 크레이터가 생성되는 시퀀스를 도시한다. 여기서 다시, 형성된 크레이터들의 공칭 사이즈(600)(크레이터 직경의 측면에서 설명됨)가 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm가 되도록 다양한 펄스 파라미터들이 선택된다. SP100 패턴에 대해 인접한 타겟 지점들 사이의 공칭 패턴 간격(602)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.13mm이다. 일부 순차적으로 타겟화된 지점들(603)의 경우, 공칭 간격은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm이다. 패턴에 의해 커버되는 치료 영역의 공칭 직경(604)은 1.00mm이다. 도 6b는 SP100 패턴에 대한 레이저 동작 파라미터들을 제공하는 표 1 내지 표 3을 포함한다.
도 7a 및 도 7b는 본 명세서에서 SP075 패턴으로 지칭되는 치아 경조직을 절개하기 위해 개발된 다른 패턴을 정의한다. 도 7a는, 레이저가 빔 가이던스 시스템에 의해 주사될 때, 25개의 크레이터가 생성되는 시퀀스를 도시한다. 형성된 크레이터들의 공칭 사이즈(700)(크레이터 직경의 측면에서 설명됨)가 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm가 되도록 다양한 펄스 파라미터들이 선택된다. SP075 패턴에 대해 인접한 타겟 지점들 사이의 공칭 패턴 간격(702)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.10mm이다. SP075 패턴에 대해 순차적으로 타겟화된 지점들 사이의 공칭 간격(703)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.19mm이다. 그리고, 패턴에 의해 커버되는 치료 영역의 공칭 직경(704)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.75mm이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, SP075 패턴은 2개 이상의 크레이터의 교차에 의해 정의되는 교차 영역들을 포함한다. 하나의 예시적인 교차 영역(706)이 도 7a에 표시되어 있다. 도 7b는 SP075 패턴에 대한 레이저 동작 파라미터들을 제공하는 표 1 내지 표 3을 포함한다.
도 8a 및 도 8b는 본 명세서에서 SP050 패턴으로 지칭되는 치아 경조직을 절개하기 위해 개발된 다른 패턴을 정의한다. 도 8a는, 레이저가 빔 가이던스 시스템에 의해 주사될 때, 10개의 크레이터가 생성되는 시퀀스를 도시한다. 형성된 크레이터들의 공칭 사이즈(800)(크레이터 직경의 측면에서 설명됨)가 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm가 되도록 다양한 펄스 파라미터들이 선택된다. SP050 패턴에 대해 인접한 타겟 지점들 사이의 공칭 패턴 간격(802)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.08mm이다. SP050 패턴에 대해 순차적으로 타겟화된 지점들 사이의 공칭 간격(803)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.15mm이다. 그리고, 패턴에 의해 커버되는 치료 영역의 공칭 직경(804)은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.50mm이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, SP050 패턴은 2개의 레이저 펄스 위치의 교차에 의해 정의되는 교차 영역을 포함한다. 하나의 예시적인 교차 영역(806)이 도 8a에 표시되어 있다. SP050 패턴에 대해 인접한 타겟 지점들 사이의 통상적인 간격은 SP075 패턴에 대한 것보다 짧고, 두 패턴의 공칭 크레이터 사이즈는 거의 동일하므로(0.25mm), SP050 패턴에서의 교차 영역들이 더 커지게 된다. 도 8b는 SP050 패턴에 대한 레이저 동작 파라미터들을 제공하는 표 1 내지 표 3을 포함한다.
도 9a 및 도 9b는 본 명세서에서 SP025 패턴으로 지칭되는 치아 경조직을 절개하기 위해 개발된 다른 패턴을 정의한다. 도 9a는, 레이저가 빔 가이던스 시스템에 의해 주사될 때, 크레이터들을 생성되는 시퀀스를 도시한다. 형성된 크레이터들의 공칭 사이즈(크레이터 직경의 측면에서 설명됨)(900)가 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm가 되도록 다양한 펄스 파라미터들이 선택된다. SP025에 대한 인접한 타겟 지점들 사이의 공칭 패턴 간격은 ±20%의 허용 오차 내에서 0mm이며, 즉, 유효하게는 패턴에 단지 하나의 지점 위치만이 존재한다. 패턴의 공칭 직경은 ±20%의 허용 오차 내에서 0.25mm이다. SP025 패턴에 단지 하나의 펄스 위치만이 존재하기 때문에, 펄스 위치의 전체 영역은 교차 영역(900)으로 간주된다. 도 9b는 SP025 패턴에 대한 레이저 동작 파라미터들을 제공하는 표 1 내지 표 3을 포함한다.
도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 9a는 각각의 패턴들에 의해 커버되는 일반적으로 원형인 치료 영역을 도시하지만, 이는 단지 예시적인 것이며, 일반적으로 패턴에 의해 커버되는 치료 영역은 임의의 규칙적인 형상(예를 들어, 정사각형, 직사각형, 타원형, 육각형 등)을 가질 수도 있고, 또는 직선 세그먼트들 및/또는 곡선들에 의해 한정되는 사용자 정의된 불규칙한 형상을 가질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 1로 돌아가면, 크레이터 사이즈는 일부 경우들에서 펄스 폭의 함수인 것으로 도시된다. 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 9a는 ±20%의 허용 오차 내에서 직경이 0.25mm인 원형 크레이터들을 도시한다. 위에서 나타낸 바와 같이, 이는 단지 입증을 위해서만 사용된 공칭 크레이터 사이즈(직경)이다. 실제로, 크레이터의 사이즈(직경)는, 예를 들어, 펄스 폭, 펄스 당 에너지, 위치로 지향되는 버스트에서의 펄스들의 수, 분무 유량의 양, 및 절제되는 재료와 같은 다수의 레이저 파라미터들에 따라 변화될 수 있다. 또한, 선택된 패턴 간격에 의해 일반적으로 적어도 부분적으로 정의되는 주어진 패턴에 대해, 교차 영역은 크레이터 사이즈의 증가와 함께 증가될 수 있다. 일반적으로, 더 긴 펄스 폭들, 더 연질의 재료들 및/또는 더 큰 펄스 에너지들은, 특정 절제 패턴 기하학적 구조 및 크레이터 간격을 고려할 때, 더 큰 교차 영역 사이즈들에 기여한다.
다양한 실시예들에서는, 절제 크레이터들의 생성 타이밍 또한 크레이터들 사이의 간격과 독립적으로 또는 이에 더하여 절제 성능에 기여할 수 있다. 구체적으로, 일부 경우들에서, 패턴은 하나의 위치에서의 하나의 펄스 버스트(하나 이상의 펄스를 포함할 수 있음)의 끝과 인접한 위치에서의 다른 펄스 버스트의 시작 사이에 경과되어야 하는 최소 시간량에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있으며, 여기서 2개의 위치에서 형성된 크레이터는 인접한다. 본 명세서에서 사용됨에 있어서, 인접한 위치들은 형성된 크레이터들이 서로 중첩되거나, 서로 접하거나, 크레이터 경계들 상에서 가장 가까운 지점들이 특정 최대 거리만큼 이격되는 위치들을 의미한다. 일반적으로, 특히 2개의 인접한 위치에 형성된 크레이터가 인접한 크레이터들인 경우, 레이저 에너지를 소정의 위치로 지향시키면 인접한 위치에 대해 열 영향을 미친다. 특히, 하나의 위치의 조직에서 유도된 열은 인접한 위치의 조직에 영향을 미치도록 흐를 수 있다.
에나멜질을 절제할 때, 하나의 레이저 펄스 버스트(하나 이상의 레이저 펄스를 가짐)의 끝과 동일하거나 인접한 위치로 지향되는 다른 레이저 펄스 버스트의 시작 사이의 시간량이 시간의 임계 최소량보다 작은 경우, 다른 레이저 펄스 버스트는 재구성(치료 영역에 대한 절제된 재료의 재형성), 미절제 조직의 심각한 용융 및/또는 요철들을 야기할 수 있다. 상아질을 절제할 때, 이러한 부정적 효과들에는 상아질의 차링 또는 탄화가 포함될 수 있다. 일부 경우들에서, 이들 부정적 효과들은 미절제 조직에서의 의도되지 않은 열 축적의 결과이다.
빔 가이던스 시스템을 포함하는 치과용 레이저 시스템을 위해 임상적으로 실행 가능한 파라미터들을 달성하기 위한 이전 시도들은 미국 특허 출원 공개 공보 제2014-0363784A1에 설명되어 있고, 이는 본 명세서에 참조로 포함된다. 이들 이전 시도들은 단일 위치에서 다수의 레이저 펄스들의 버스트를 사용하고, 긴 지연(예를 들어, > 1ms) 후, 동일하거나 제2의 인접한 위치에 다수의 펄스들의 제2 버스트를 사용하는 것을 설명한다. 통상적으로, 이들 버스트들은 높은 레이트들, 예를 들어, 1kHz보다 크고, 일부 경우들에서는, 5kHz보다 큰 레이트들로 실행된다. 이 버스트 모드는 임상적으로 실행 가능한 레이트들로 절제를 달성하기 위해 펄스 당 더 낮은 에너지들, 예를 들어, 약 40㎲의 펄스 폭들을 갖는 약 10mJ를 허용하였다.
도 10은 인간 에나멜질의 재료 제거 효율에 대한 예시적인 데이터를 펄스 폭의 함수로서 도시하는 그래프(1000)이다. 도 10에 도시된 데이터는 파장이 9.3 미크론이고 피크 전력이 약 400W인 레이저 시스템의 평균 전력, 절제 시간 및 분무 유량을 일정하게 유지함으로써 수집되었다. 그래프(1000)는 에너지 당 제거된 체적(줄 당 마이크로리터)을 나타내는 수직축(1002), 및 펄스 폭(마이크로초)을 나타내는 수평축(1004)을 갖는다. 도 10은 더 긴 펄스 폭들에 대해 재료가 보다 효율적으로 제거됨(즉, 레이저 에너지 당 더 많은 질량이 제거됨)을 도시한다. 펄스 에너지는 통상적으로 펄스 폭과 근사 선형 관계로 관련되며, 따라서 도 10으로부터, 더 큰 펄스 에너지들은 일반적으로 더 큰 재료 제거 효율을 생성한다는 것이 이해될 수 있다. 도 11은 도 10에서 사용된 것과 비슷한 레이저 시스템에 대한 펄스 폭과 펄스 에너지 사이의 관계를 나타내는 예시적인 데이터를 도시한다. 일반적으로, 주변 가열은 더 긴 펄스 폭들에서 발생하며, 여기서 펄스 폭은 타겟 재료의 열 완화 시간보다 상당히 길게, 예를 들어, 10배 또는 20배 더 길다. 에나멜질에서의 9.3μm 레이저 펄스에 대한 열 완화 시간은 약 2μs이다. 따라서, 더 긴 펄스 폭들(예를 들어, 약 100μs)은 재료 제거시에 더 효율적이지만, 더 짧은 펄스 폭들(예를 들어, 5-50μs)보다 미절제 조직을 더 많이 가열할 수 있으며, 여기서 펄스 폭은 절제될 재료의 열 완화 시간의 최대 10배, 최대 20배, 최대 50배 등이다.
다양한 실시예들에서, 레이저 에너지는 펄스 폭이 단일 레이저 펄스로 조직을 절제하기에 충분히 길도록 전달되며, 이는 효율적인 절개로 이어질 수 있다. 그러나, 용융 또는 다른 부정적 효과들을 피하기 위해, 특정 위치 또는 인접한 위치들에서의 연속적인 펄스들 사이의 시간량은 미국 특허 출원 공개 공보 제2014-0363784A1호에 설명된 버스트 펄스 기술에서 사용된 것을 넘어 증가될 수 있다. 예를 들어, SP1.25 패턴은 단일 레이저 펄스로 조직을 절제하기에 충분히 긴 펄스 폭을 갖는 패턴이다("SP"는 단일 펄스의 약칭이고, 본 명세서에서 참조되는 모든 SP 패턴들은 이 특성을 갖는다). SP1.25 패턴의 경우에 임의의 주어진 교차 영역에 대한 절제들 사이의 최소 시간량은 약 0.8mS이다. SP1.25 패턴의 경우에 각각의 지점에 대해 단일 펄스를 사용하여, 층별 절제시 연속적인 절제 층들에서의 동일한 위치의 연속적인 절제들 사이의 최소 시간량은 패턴을 반복하는 데 걸리는 시간량과 동일하며, SP1.25의 경우에는 약 52ms이다. 이들 시간들은 단지 예시적인 것이며, 이들 시간들은 일반적으로 선택된 패턴 간격, 크레이터 직경, 결과적인 크레이터 간격, 순차적으로 타겟화된 지점들/위치들 사이의 간격, 및 하나 이상의 레이저-펄스 파라미터 중 하나 이상에 의존할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이들 시간들은 레이저 버스트 패턴에서 사용되는 버스트의 개별 펄스들 사이의 시간량보다 훨씬 길다. 다양한 SP 패턴들과 관련된 예시적인 타이밍 변수들을 나타내는 표가 도 13에 도시되어 있다.
도 12는 4개의 상이한 레이저 패턴으로 절제한 후에 에나멜질 샘플의 프렙 벽(preparation wall)들을 취한 공초점 현미경 이미지들을 도시한다. 패턴들은 본 명세서에서 다음의 표시들: 1.25 XC(1202), 1.25 M(1204), Dentin 1.00(1206) 및 SP1.00(1208)로 참조된다. 이들 레이저 패턴들 중 3개(1.25 XC(1202), 1.25 M(1204) 및 Dentin1.00(1206))는 버스트 펄스 방법으로 생성되며, 빠르게 연속되는(예를 들어, 0.4ms 미만, 통상적으로는 0.2mS 미만) 다수의 레이저 펄스들로 단일 교차 영역 또는 단일 펄스 위치들에 도달한다. 제4 패턴 SP1.00(1208)은 위치 당 단일 펄스 방법으로 생성된다. SP 1.00(1208)의 프렙 벽은 다른 3개(1202, 1204 및 1206)보다 균일하고, 평탄하며, 편평하다. 직선형 프렙 벽이 통상적으로 수복물들에 바람직한데, 왜냐하면 이것이 수복물과 치아 조직 사이에 더 양호한 시일을 허용하기 때문에 그러하다.
위에서 설명된 바와 같이, 크레이터 간격은 절제 영역의 평활도에 영향을 줄 수 있다. 특히, 작은 사이즈(직경)를 갖는 중첩된 크레이터들 또는 인접한 크레이터들은 치료 표면의 평활도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 인접한 크레이터들(즉, 중첩되거나, 접하거나 또는 밀접하게 이격된 크레이터들)을 연속적으로 형성하는 것은 에나멜질의 용융 또는 상아질의 차링과 같은 원치않는 부작용들을 야기할 수 있다. 이것은 인접한 크레이터들이 일반적으로 연속적으로 형성되지 않는 크레이터 패턴을 형성하기 위한 시퀀스를 선택함으로써 아래에 설명되는 바와 같이 피해질 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 3개의 단일 펄스 패턴(SP0.75, SP1.00 및 SP1.25) 및 3개의 버스트 펄스 패턴(XC0.75, XC1.00 및 XC1.25)으로 절개된 절제 영역에서의 표면 거칠기에 대한 예시적인 데이터를 제공함으로써, 상이한 패턴들로 절개된 절제 영역들의 평활도를 정량화한다. 특히, 도 14a 및 도 14b는 이들 패턴들 각각에 의해 절개된 절제 영역들 내의 표면 피처들의 치수들의 데이터 측정치들을 나타내는 표들이다. 도시된 바와 같이, 단일 펄스 패턴들 각각에 대한 높이 파라미터들은 대응하는 버스트 펄스 패턴들에 대한 높이 파라미터들보다 작으며, 이는 단일 펄스 패턴이 버스트 펄스 패턴들보다 부드러운 절제 영역을 제공한다는 것을 나타낸다. 도 14a는 소의 에나멜질에서 측정된 표면 피처들을 도시하고, 도 14b는 소의 상아질에서 측정된 표면 피처들을 도시한다. 도 14a 및 도 14b의 샘플들의 프랙탈 스케일 분석 플롯들이 도 15a 및 도 15b에 각각 제공된다. 프랙탈 스케일 분석은 미국 특허 제5,307,292호에 설명되어 있으며, 본 명세서에 참조로 포함된다. 간단히 말하자면, 프랙탈 스케일 표면 분석에서, 측정된 표면은 공통 영역의 삼각형들을 갖는 모자이크 형상으로 되고, 모든 삼각형 영역들의 총합을 측정된 표면의 투영 면적으로 나눈 비율이 발견되었다. 이 비율은 수많은 삼각형 사이즈들 또는 스케일들에 대해 계산된다. 도 15a를 참조하면, 소의 에나멜질의 표면 거칠기를 예시하는 그래프(1500)는 비율(단위 없음)을 나타내는 수직축(1502) 및 스케일(제곱 미크론)을 나타내는 수평축(1504)을 갖는다. 일반적으로, 비율이 높을수록, 측정된 표면이 더 거칠다. 그래프(1500)는 다수의 상이한 패턴들을 사용한 프렙들로부터 기인하는 소의 에나멜질 표면들에 대한 분석을 도시한다. 상이한 패턴들은 도 14a에 문서화된 것과 동일하며, 위치 당 단일 펄스 패턴들: SP 0.75(1506), SP 1.00(1508) 및 SP 1.25(1510)를 포함할 뿐만 아니라, 위치 당 다수의 펄스들을 갖는 패턴들: XC 0.75(1512), XC 1.00(1514) 및 XC 1.25(1516)을 포함한다. 단일 펄스 패턴들은, 위치 당 다수의 펄스 패턴들과 비교할 때, 모든 스케일들에서 소의 에나멜질에서 더 낮은 비율을 생성한다는 것이 이해되어야 한다.
이제 도 15b를 참조하면, 소의 상아질의 표면 거칠기를 예시하는 그래프(1520)는 비율(단위 없음)을 나타내는 수직축(1522) 및 스케일(제곱 미크론)을 나타내는 수평축(1524)을 갖는다. 그래프(1520)는 다수의 상이한 패턴들을 사용한 프렙들로부터 기인하는 소의 상아질 표면들에 대한 분석을 도시한다. 상이한 패턴들은 도 14b에 문서화된 것과 동일하며, 위치 당 단일 펄스 패턴들: SP 0.75(1526A), 산 에칭을 갖는 SP 0.75(1526B), SP 1.00(1528A), 산 에칭을 갖는 SP 1.00(1528B), SP 1.25(1530A) 및 산 에칭을 갖는 SP 1.25(1530B)뿐만 아니라, 위치 당 다수의 펄스들을 갖는 패턴: Dentin 0.75(1532A), 산 에칭을 갖는 Dentin 0.75(1532B), Dentin 1.00(1534A) 및 산 에칭을 갖는 Dentin 1.00(1534B)을 포함한다. 단일 펄스 패턴들은, 위치 당 다수의 펄스 패턴들과 비교할 때, 모든 스케일들에서 소의 상아질에서 더 낮은 비율을 생성한다는 것이 이해되어야 한다.
또한, 다양한 실시예들에서, 단일 펄스 패턴들은 버스트 펄스 패턴들보다 빠른 재료 제거 레이트를 달성한다. 예를 들어, 도 16은 위치 당 단일 펄스를 갖는 패턴들(1602) 및 위치 당 다수의 펄스들(단일 버스트)을 갖는 패턴들(1604)을 포함하는 다양한 패턴들에 대한 질량 제거 레이트에 대한 예시적인 데이터를 도시하는 그래프(1600)이다. 그래프(1600)는 질량 제거 레이트(밀리그램/초)를 나타내는 수직축(1606)을 갖는다. 이 데이터는 각각의 패턴이 대략 2x2x4mm의 치수들을 갖는 에나멜질 치아 샘플을 절개하는 동안의 시간 및 중량 측정치들을 수집함으로써 생성되었다. 도 16에서, 1.00M(SMOOTH), 1.25M(SMOOTH), 1.00XC 및 1.25XC 표시들은 상이한 패턴 간격들/기하학적 구조들을 나타낸다. 1.25M(SMOOTH) 패턴/기하학적 구조는 펄스들의 버스트를 사용하여 일례에서 치료될 영역을 절개하는 데 사용되었으며, 여기서 각각의 버스트는 위치 당 12개의 펄스를 인가하였고, 다른 예에서는, 위치 당 단일 펄스를 사용하였다. 마찬가지로, 1.00M(SMOOTH) 패턴/기하학적 구조는 펄스들의 버스트를 사용하여 일례에서 치료될 영역을 절개하는 데 사용되었으며, 여기서 각각의 버스트는 위치 당 6개의 펄스를 인가하였고, 다른 예에서는, 위치 당 단일 펄스를 사용하였다. 도 16에 도시된 바와 같이, 결과들은, 각각의 패턴에 대해, 단일 펄스 절제가 다수의 펄스 버스트-모드 절제를 사용하여 동일한 패턴을 사용하여 달성한 레이트의 2배보다 큰 재료 제거 레이트를 달성하였다는 것을 나타낸다. 에나멜질의 절제 동안, 플라즈마 및 절제된 재료들을 포함하는 레이저 연기(laser plume)가 종종 크레이터 위에 형성된다. 일부 실시예들에서, 단일 펄스 패턴은 동일한 위치로 지향되지 않는 연속적인 펄스들에 의해 레이저 연기를 성공적으로 피한다. 버스트 패턴은 연기를 피할 수 없으므로, 레이저 빔이 연기에 의해 감쇠되게 되고, 재료 제거 효율이 떨어지게 된다.
위에서 논의된 바와 같이, 단일 펄스 절제 모드는 일반적으로, 통상적으로 90μs보다 짧은 버스트-모드 절제에서 사용된 펄스 폭들(예를 들어, 40-90μs, 20-40μs, 2-20μs)보다 긴 펄스 폭들(예를 들어, 100μs보다 큼)을 사용한다. 단일 펄스는 조직의 일부를 절제 및 제거할 수 있지만, 단일 펄스는 종종 원하는 깊이 및/또는 단면적에 도달할 정도로 충분한 재료를 제거하지 못한다. 단일 펄스는 원하는 깊이보다 작은 깊이까지 재료를 제거할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따르면, 단일 펄스 재료 제거 깊이는 1 내지 100 미크론이다. 원하는 깊이(예를 들어, 0.2mm, 0.5mm, 1mm 이상)를 달성하기 위해, 일부 경우들에서는, 하나 이상의 추가적인 펄스를 동일한 스폿으로 전달할 필요가 있다. 단일 펄스를 사용하여 형성될 수 있는 것보다 넓고 및/또는 깊은 크레이터를 형성하기 위해, 일부 경우들에서는, 하나 이상의 추가적인 펄스들을 인접한 스폿들로 지향시킬 필요가 있다. 단일 펄스들을 동일한 스폿 또는 인접한 스폿들로 반복해서 전달하는 것은 펄스들의 버스트 모드 전달과 상이한데, 왜냐하면 버스트 모드에서는, 각각의 개별 펄스가 절제를 야기하도록 설계되지 않고, 대신에, 다수의 펄스들이 집합적으로 절제를 야기하기 때문이다. 그러나, 단일-펄스 모드에서는, 펄스들이 반복되는지 여부에 관계없이, 각각의 펄스가 적어도 일부 조직 재료를 절제하도록 설계된다.
다양한 경우들에서, 버스트 모드가 40μs보다 큰 펄스 폭들로 사용될 때, 환자들은 좀 더 부정적인 감각을 느낄 수 있다. 비교하자면, 버스트 모드를 사용한 치료 동안에 불편함을 느낀 동일한 환자들은 일반적으로 90μs 이상의 펄스 폭들을 갖는 단일 펄스 모드를 사용하여 불편함 및 마취 없이 전체 절차가 수행되게 할 수 있었다.
위에서 설명된 바와 같이, 다양한 실시예들에서, 동일하거나 인접한 스폿들로 지향되는 레이저 펄스들 또는 버스트들 사이의 시간 인터벌은 성능에 영향을 미칠 수 있다. 이들 효과들은 단지 하나의 위치만을 갖는 레이저 패턴을 조사함으로써 추가로 설명될 수 있다. 도 17은 인간 에나멜질 표면에 대해 1,000개의 연속적인 도달을 포함하는 단일 위치 레이저 패턴의 성능을 예시한다. 레이저 On-시간이 수평축을 따라 도시되어 있다. 본 명세서에서 사용된 레이저 On-시간은 레이저가 발사하도록 명령된 시간량을 의미한다. 통상적으로, 레이저는 레이저 On-시간이 대응하는 광 펄스의 ON 시간의 지속 기간과 정확하게 동일하지 못하게 하는 지연을 가질 것이다. 예를 들어, 1KHz 이하의 반복 레이트의 경우, E-150i 레이저는 약 7.4μs의 지연을 갖는다. 따라서, 100μs의 레이저 On-시간은 일반적으로 92.6μs의 광 펄스 ON 지속 기간에 대응한다.
도 17에서, 레이저 Off-시간이 레이저 On-시간에 의존하는 일시적인 범위(transitory range)보다 작을 때, 100, 80, 60 및 40μs의 레이저 On-시간은 에나멜질을 절제하여 상당히 용융된 표면을 생성하는 것으로 도시되었다. 일시적인 범위는 레이저 Off-시간의 범위로서 정의되며, 여기서 40배의 배율 하에서 장시간 치료(예를 들어, > 5초) 동안에 가시적인 용융물은 거의 내지 전혀 존재하지 않고, 존재하는 임의의 용융물은 피상적이다. 전이 범위(transition range)보다 큰 레이저 Off-시간을 갖는 치료들은 일반적으로 40배의 배율에서 어떠한 용융물도 나타내지 않았다. 도 17로부터, 일부 경우에, 용융물을 방지하는 데 필요한 레이저 Off-시간은 적어도 부분적으로 (펄스 폭 및/또는 펄스 에너지의 측정치일 수 있는) 레이저 On-시간에 의존한다. 예를 들어, 용융을 방지하는 데 필요한 요구되는 레이저 Off-시간은 레이저 On-시간이 더 짧은 경우에 더 짧다.
일부 조직 재료를 절제할 수 있는 개별 펄스는 일부 주위 조직을 가열할 수 있지만, 이러한 주위 조직 재료는 절제되지 않는다. 주위 조직 재료가 충분히 냉각되기 전에, (예를 들어, 절개부를 깊게 하고/하거나 넓게 하기 위해) 다른 펄스가 동일하거나 인접한 스폿에 전달되는 경우, 그 다른 펄스는 주위 조직을 추가로 가열하여, 그 용융 또는 차링을 야기할 수 있다. 동일하거나 인접한 스폿들에 전달되는 연속적인 펄스들 사이에 충분한 시간 지연이 있는 경우, 이 부작용은 피해지거나 최소화될 수 있다. 조직 재료의 열 완화 시간의 배수(예를 들어, 2, 5, 10, 20배 등)인 시간 지연은 충분한 시간 지연일 수 있다. 충분한 시간 지연의 다른 예는, 단일 위치에서 펄싱할 때, 용융을 방지하는 데 필요한 레이저 OFF-시간이다. 일부 실시예들에서는, 동일하거나 인접한 스폿들로 전달되는 연속적인 버스트들 사이에 충분한 시간 지연이 도입된다.
연속적인 개별 펄스들 사이 또는 연속적인 버스트들 사이에 충분한 시간 지연을 도입하면, 원치않는 조직 용융 또는 차링을 피하거나 최소화하는 측면에서 유익하지만, 전체 치료 시간을 증가시킬 수 있다. 이는 시스템의 효율 또한 감소시킬 수 있는데, 왜냐하면 레이저 펄스들이 방출되지 않더라도 레이저 소스가 충전되거나 전원이 켜져야 할 수 있기 때문에 그러하다. 일부 실시예들에서, 두 가지 종류의 부정적 효과, 즉 원치않는 용융/차링 및 증가된 치료 시간/감소된 시스템 효율은 (도 2b에 도시된 것과 같은) 특정 시퀀스에 따라 (도 2c 내지 도 2e, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 9a에 도시된 패턴과 같은) 선택된 패턴에 대응하는 타겟 스폿들을 가로지름으로써 피해지거나 적어도 최소화된다.
선택된 시퀀스들에서, 연속적인 개별 펄스들 또는 버스트들은 인접한(즉, 중첩되는, 접하는 또는 이격된) 크레이터들이 형성되는 인접한 스폿들로 지향되지 않는다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, 펄스/버스트 "1"로 표시된 개개의 펄스 또는 버스트가 크레이터(202)를 형성하기 위한 스폿으로 지향되는 경우, 다음 7개의 개별 펄스 또는 버스트는 크레이터들(204, 206, 208)이 형성되는 동일하거나 인접한 스폿들 이외의 스폿들로 지향된다. 해당 추가적인 7개의 펄스/버스트 이후의 개별 펄스 또는 버스트는 펄스/버스트 "9"로 표시되고, 크레이터(208)가 형성되는 인접한 스폿으로 지향된다. 유사하게, 펄스/버스트 "2"가 크레이터(210)가 형성되는 지점으로 지향된 후, 다음 펄스/버스트 "3"은 동일하거나 인접한 스폿으로 지향되지 않고, 대신에, 크레이터(212)가 형성되는 비인접 스폿으로 지향된다. 그 후, 펄스/버스트 "3" 이후의 펄스/버스트 "4"는 크레이터(210)에 인접한 스폿으로 지향되며, 여기서 크레이터(214)가 형성된다.
따라서, 2개의 펄스/버스트의 쌍이 동일하거나 인접한 스폿으로 지향되는 경우, 2개의 펄스/버스트를 개재하는 적어도 하나의 펄스/버스트가 비인접 스폿으로 지향된다. 다양한 실시예들에서, 펄스/버스트 주기는 절제될 재료의 열 완화 시간의 선택된 배수보다 크다. 일부 실시예들에서, 적어도 k개의 펄스/버스트는 비인접 스폿들로 지향되며, 여기서 k는 1보다 크다. 예를 들어, k는 2, 5, 7, 10 등일 수 있다. 이들 실시예들에서, 펄스/버스트 주기의 k배는 절제될 재료의 열 완화 시간의 선택된 배수보다 크다. 따라서, 타겟 스폿들을 가로지르는 이들 시퀀스들은 크레이터 주위의 조직을 충분히 냉각시킬 수 있어, 조직의 원치않는 차링 및 용융을 최소화하거나 피할 수 있다. 하나 이상의 개재 펄스/버스트는 치료될 영역의 다른 위치들로 지향되어, 해당 다른 위치들에서 선택된 패턴에 따라 크레이터들을 형성한다. 따라서, 전체 치료 시간은 연속적인 펄스들/버스트를 동일하고/하거나 인접한 스폿들로 지향시키는 것에 비해 실질적으로(예를 들어, 1%, 2%, 5%, 10%, 20% 등보다 크게) 증가하지 않을 수 있다. 이는 또한 치료 효율의 감소를 최소화하거나 피할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 개별 레이저 펄스/버스트들은 특정 시퀀스로 전달되어, 시스템 효율을 증가시키기 위해, 예를 들어, 시스템의 체적 제거 레이트를 최대화시키면서 원치않는 차링/용융을 피하거나/최소화하기 위해, 동일한 위치 또는 인접한 위치들로 전달되는 한 쌍의 개별 펄스들/버스트들 사이의 최소 인터벌을 유지할 수 있다. 도 2b를 다시 참조하면, 일 실시예에서, 레이저 ON-시간은 대략 40μs(즉, 1%, 2%, 5%, 10%, 20% 등의 허용 오차를 갖는 40μs)이다. 따라서, 동일하거나 인접한 스폿들로 지향되는 개별 펄스들/버스트들 사이의 최소 임계값은 용융을 방지하거나 최소화하기 위해 1%, 3%, 8%, 10%, 20% 등의 허용 오차를 갖는 3.0ms이다. 따라서, 각각의 펄스/버스트가 서로 인접하지 않은 스폿들로 지향되는 3.0ms 시간 기간 내에 8개의 개별 펄스/버스트를 갖는 시퀀스는 치아 에나멜질의 용융을 방지하거나 최소화하면서, 대략 2.7kHz, 즉, 1%, 2%, 5%, 10%, 20% 등의 허용 오차를 갖는 2.7kHz의 전체 펄스 반복 또는 버스트 레이트를 달성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 레이저는 40㎲의 ON-시간 펄스 당 평균 12mJ를 생성하며, 이와 같이, 대략 2.7kHz에서 동작하는 레이저의 최대 평균 전력은 대략 32W이다. 일반적으로, 추정된 체적 제거 레이트는 평균 레이저 전력(W)에 줄 당 제거된 에나멜질 체적(μL*10-6/J)을 곱한 값과 대략 동일하다. 레이저 Off-시간의 함수로서의 레이저 에너지 당 제거된 체적에 대한 예시적인 데이터가 도 19a에 제공되어 있다.
위의 예예에 대한 데이터와 함께 방정식을 사용하면
Figure pct00001
Figure pct00002
을 산출한다. 교차 펄스들 사이의 임계 인터벌이 3.0ms이기 때문에, 이 예시적인 패턴은 에나멜질의 상당한 용융을 생성하지 않을 것이다. 본 명세서에서 사용됨에 있어서, 상당한 용융은 레이저 빔이 지향되는 스폿의 특정 거리 내에서 에나멜질 체적의 0.5%, 1%, 5%, 10%, 12%, 20% 등보다 많은 양의 용융을 의미한다. 특정 거리는 대략 크레이터의 반경, 예를 들어, 0.1mm, 0.15mm, 0.2mm, 0.23mm, 0.25mm, 0.3mm 등일 수 있다. 일반적으로, 다양한 실시예들에서, 임의의 수의 개재 펄스/버스트 위치들이 (예를 들어, 1-10 범위, 10-20 범위, 20-50 범위, 50-100 범위 등에서) 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개재 펄스/버스트 위치들의 수는 패턴 내의 다수의 펄스 위치들과 관련된다. 예를 들어, 약 50개의 펄스 위치를 갖는 패턴은 통상적으로 패턴 내의 각각의 인접한 펄스 위치들 사이에 8-12 이하의 개재 펄스를 가질 것이다. 약 25개의 펄스 위치를 갖는 패턴은 통상적으로 패턴 내의 각각의 인접한 펄스 위치들 사이에 4-6개 이하의 개재 펄스를 가질 것이다. 그리고, 약 12개의 펄스 위치를 갖는 패턴은 통상적으로 패턴 내의 각각의 인접한 펄스 위치들 사이에 2-3개 이하의 개재 펄스를 가질 것이다. 일부 실시예들에서, 비인접 타겟 위치들의 수는 모든 쌍들의 2개의 인접한 위치들 사이의 시간이 최대가 되도록 선택된다. 일부 경우들에서는, 모든 쌍들의 2개의 인접한 위치들 사이의 평균 시간이 최대화된다.
도 18a는 각각이 10개의 레이저 펄스를 단일 위치로 지향시킴으로써 형성된 9개의 크레이터를 나타내는 공초점 현미경에 의해 촬영된 인간 어금니의 이미지들을 도시한다. 도 18b는 각각이 20개의 펄스를 단일 위치로 지향시킴으로써 형성된 9개의 크레이터를 도시하고, 도 18c는 각각이 30개의 펄스를 단일 위치로 지향시킴으로써 형성된 9개의 크레이터를 도시한다. 27개의 경우들 각각에서, 각각의 레이저 펄스의 ON 지속 기간은 40μs이다. 도 18a의 각각의 크레이터에 대해, 도 18a의 표는 각각의 레이저 Off-시간을 나타낸다. 도 18b 및 도 18c는 각각 각각의 도면들에 도시된 상이한 크레이터들에 대한 레이저 Off 시간을 나타내는 표를 포함한다. 도 18a 내지 도 18c에 도시된 인간 어금니들은 편평해졌고, 이미지 평면과 평행하다. 도 18a의 10개의 펄스 크레이터 중 어느 것에도 용융물은 거의 내지 전혀 존재하지 않는다. 용융물은 도 18b 및 도 18c의 20개 및 30개의 펄스의 크레이터에서 500, 1,500 및 2,000μs의 레이저 OFF-시간에 볼 수 있다. 위에서 설명되고 도 17에 도시된 바와 같이, 용융물은 장시간 조사(예를 들어, 1,000개 이상의 연속적인 40μs 펄스) 동안 2,500μs의 레이저 Off-시간에서 약간 볼 수 있었다.
도 18c에 도시된 30개 펄스의 크레이터들의 체적 측정치들은 각각의 크레이터의 공초점 현미경 이미지들로부터 도출되었다. 제거된 에나멜질의 체적을 레이저 Off-시간의 함수로서 나타내는 그래프들이 도 19a 및 도 19b에 도시되어 있다. 줄 당 제거된 체적은 절제 효율의 척도를 제공할 수 있으며, 주어진 펄스 당 에너지 및 주어진 펄스 ON 지속 기간에 대해, 단위 시간량에서 치료될 재료로 전달되는 총 레이저 에너지는 레이저 Off-시간을 변화시킴으로써 변화될 수 있다.
일부 경우들에서는, 재료가 완전히 냉각되기 전에 다음 펄스가 전달되는 경우, 절제될 조직의 일부 잔여 열이 실제로 그 절제에 도움이 될 수 있다. 이것이 정확한 경우, 더 짧은 OFF 시간은 더 긴 OFF 시간에 비해 특정량의 재료를 절제하기 위해 더 적은 펄스들, 즉, 더 적은 에너지를 필요로 할 수 있다. 이 경우, OFF 시간이 감소함에 따라, 체적/에너지 비율이 증가할 것이다. 이것은 주위 조직의 잔여 열이 용융을 야기하기 시작할 때 변경되기 시작할 것이다. 예를 들어, 도 19a를 참조하면, OFF 시간 1.5ms에서는 용융이 있고, 2.0ms에서는 용융이 없다. 그러나, OFF 시간 2.0ms에서는, OFF 시간이 2.5ms, 3ms 등일 때와 동일한 양을 절제하는 데 요구되는 펄스들의 수(및 에너지)보다 적은 펄스들(및, 따라서 더 적은 에너지)이 재료(μmL)를 절제하는 데 요구될 것이다.
도 19a를 참조하면, 더 짧은 레이저 OFF-시간들은 일반적으로 단위 에너지 당 제거된 더 큰 체적을 초래한다. 일부 경우들에서, 단위 에너지 당 제거된 최대 체적 비율을 초래하는 레이저 OFF-시간은 또한 절제된 크레이터 주위 조직의 최대 용융량에 대응한다. 따라서, 일부 재료의 원치않는 용융을 최소화하거나 피하면서, 절제 효율을 최대화하도록 레이저 OFF-시간이 선택될 수 있다. 일례로서, 도 19b는 단일 위치에서의 장시간 레이저 조사(예를 들어, > 2.5ms) 동안 상당한 용융을 생성하지 않을 것으로 예상되는 레이저 OFF-시간이 동일한 레이저 ON-시간에 대한 단위 에너지 당 제거된 최대 체적의 대략 60%에 대응함을 도시한다.
OFF 시간은 개별 펄스들 또는 버스트들이 단지 하나의 스폿으로만 지향될 때 편리한 척도라는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 이 OFF 시간은 본 명세서에서 단일-위치 OFF 시간으로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 하나의 펄스/버스트를 선택된 스폿으로 전달한 후에, 다른 펄스/버스트를 선택된 스폿으로 전달하기 전에, 하나 이상의 개재 펄스 또는 버스트가 선택된 스폿에 인접하지 않은 하나 이상의 스폿으로 전달된다. 이들 실시예들에서, 펄스 또는 버스트의 OFF 시간은 단일-위치 OFF 시간보다 짧을 수 있다. 대신에, 이들 실시예들에서, 하나 이상의 개재 펄스/버스트의 지속 기간은 적어도 단일-위치 OFF 시간과 동일해야 한다.
위에서 설명된 바와 같이, 레이저 펄스가 전달된 후에, 절제된 크레이터 내 및 그 주위 조직이 가열된다. 재구성된 용융 및 다른 원치않는 표면 효과들을 방지하기 위해, 동일한 위치를 다시 절제하기 전에 소정 시간 인터벌동안 대기하는 것이 중요하다. 크레이터 주위의 영역들 또한 가열될 것이고, 표면 변형을 방지하기 위해, 인접한 위치의 절제 전에 냉각 인터벌을 필요로 할 것이다. 도 20에 도시된 예시적인 패턴은 냉각 인터벌에 대한 간격의 영향들을 예시하기 위해 사용된다. 도 20은 육각형 원의 충전 구성으로 구성된 7개의 지점 패턴을 도시한다. 이웃하는 지점들 사이의 간격이 0.1mm로 도시되어 있지만, 파라미터는 (이하에서 설명되는 바와 같이) 변화될 수 있다. 도 20의 점선은, 레이저가 이들 7개의 위치를 가로지를 때, 빔 가이던스 시스템이 취하는 경로를 예시한다. 이 예시적인 예시 패턴에서의 지점들의 시퀀스는 각각의 레이저 펄스가 이전 위치에 인접한 위치로 지향되도록 한다.
도 20에 도시된 패턴은 뽑힌 인간 어금니를 절제하기 위해 사용되었다. 이웃하는 펄스 위치들 사이의 간격은 0.1mm 내지 0.3mm로 변화되었으며, 레이저 ON-시간은 40μs 내지 120μs로 변화되었다. 패턴은 절제 동안에 약 1,000회 반복되었다. 간격과 레이저 ON-시간의 각각의 조합에서, 이웃하는 펄스들 사이의 시간량은 가시적으로 존재하는 용융물없이 절제가 발생할 때까지 변형되었다. 결과들이 도 21a 및 도 21b에 도시되어 있다.
도 21a를 참조하면, 레이저 펄스들/버스트들을 용융을 방지하도록 결정된 인접한 위치들로 지향시키는 것 사이의 인터벌은 위치들과 레이저 ON-시간 사이의 간격 모두의 함수로 도시되어 있다. 일반적으로, 멀리 이격된 펄스 타겟 위치들은 연속적인 펄스들/버스트들 사이의 시간을 덜 필요로 하는 반면, 서로 더 가까이에 있는 인접한 위치들은 연속적인 펄스들/버스트들 사이에 더 많은 시간을 필요로 한다. 더 큰 간격은 용융을 야기하지 않고 더 높은 반복 레이트들로 레이저를 발사할 수 있게 하는 것을 알 수 있다. 도 21b는 도 21a와 동일한 결과들을 예시하지만, 최대 레이저 펄스 반복 레이트를 나타내는 대신에, 데이터는 가시적으로 존재하는 용융물 없이 달성 가능한 펄스들 사이의 최소 인터벌을 나타낸다. 도 21a 및 도 21b는 모두 더 긴 레이저 ON-시간들은 용융을 방지하기 위해 인접한 위치들에 작용하는 펄스들 사이에 더 큰 인터벌들을 필요로 함을 나타낸다. 용융 임계치에 영향을 미치는 것 외에도, 본 개시내용에 따라 패턴 기하학적 구조 및 시퀀스를 변형하는 것은 치료 동안에 환자들이 느끼는 감각에 긍정적인 영향을 미쳤다.
위에서 언급된 바와 같이, 레이저 치아 치료의 이점은 많은 절차들에서 국소 마취가 필요하지 않다는 것이다. 순차적이고 인접한 펄스 위치들 사이의 시간 및 거리를 증가시키는 것이 환자들의 감각을 감소시키는 데에도 도움을 주는 것으로 밝혀졌다. 치과용 레이저 치료 감각의 경우, 0-10의 불편함 스케일이 사용되었으며, 여기서 0 = 감각 없음, 1-3 = 차갑거나 불어오는 공기 감각, 3-5 = 약간의 불편함, 6-8 = 불편함, 8-10 = 고통스러움이다. 평균 2.17의 베이스 라인 값이 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 9a에서 설명된 것들과 유사한 시퀀스들을 갖는 패턴들에 의해 밝혀졌다. 도 2b에서 설명된 것과 보다 유사한 시퀀스를 갖는 패턴들이 채택되었을 때, 평균 감각 값은 0.92로 떨어졌다. 따라서, 시퀀스는 주위의 펄스 위치들 사이의 시간량을 증가시키도록 변형되었을 때, 환자의 감각에 긍정적으로 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 개시내용에 따른 레이저 파라미터들의 선택은 수년 동안 치과 방문들에 자연스럽게 수반된 고통과 두려움을 해결하는 데 도움을 줄 것이다.
OFF 시간은 개별 펄스들 또는 버스트들이 단지 하나의 스폿으로만 지향될 때 편리한 척도라는 것이 이해되어야 한다. 그러므로, 이 OFF 시간은 본 명세서에서 단일-위치 OFF 시간으로 지칭된다. 일부 실시예들에서, 하나의 펄스/버스트를 선택된 스폿으로 전달한 후에, 다른 펄스/버스트를 선택된 스폿으로 전달하기 전에, 하나 이상의 개재 펄스 또는 버스트가 선택된 스폿에 인접하지 않은 하나 이상의 스폿으로 전달된다. 이들 실시예들에서, 펄스 또는 버스트의 OFF 시간은 단일-위치 OFF 시간보다 짧을 수 있다. 대신에, 이들 실시예들에서, 하나 이상의 개재 펄스/버스트의 지속 기간은 적어도 단일-위치 OFF 시간과 동일해야 한다.
종래의 패턴들과 비교되는 단일 펄스 패턴들의 이점은, 하나의 파라미터, 즉, 버스트 펄스 주파수가 제거된다는 것이다. 단일 펄스 패턴들에서, 레이저 버스트 내의 펄스들의 반복 레이트는 더 이상 오퍼레이터(예를 들어, 치과 의사)에 의해 설정되거나 제어될 필요가 없다. 또한, 교차 펄스들 사이의 최소 임계 시간이 정의되고 나면, 오퍼레이터가 사용 동안에 이 파라미터를 설정하거나 수정할 필요가 없기 때문에, 이 파라미터는 하드 코딩되거나 액세스할 수 없게 될 수 있다. 따라서, 단일 펄스 레이저 패턴은 하나의 파라미터(예를 들어, 펄스 폭)를 단순히 변조함으로써 오퍼레이터에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 펄스 폭의 변조는 직관적이고 효과적인 사용자 경험을 제공하는 가변 입력 디바이스(예를 들어, 풋 페달)를 통해 수행될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 본 명세서에 설명된 패턴들을 전달하는 레이저 빔들은 그들의 플루언스에 의해 적어도 부분적으로 정의될 수 있다. 플루언스는 에너지 밀도의 유용한 척도이며, 펄스 당 에너지량을 초점에서의 단면 레이저 빔 영역으로 나눈 값으로 정의될 수 있다. 다중-펄스 상황들에서는, 평균 펄스 에너지가 종종 사용된다. 평균 펄스 에너지는 레이저 에너지 미터기에 의해 직접 측정될 수 있다. 또한, 일부 경우들에서는, 평균 레이저 전력 및 평균 레이저 반복 레이트로부터 평균 펄스 에너지를 도출하는 것이 유리하다. 펄스 당 평균 에너지는 평균 레이저 전력을 평균 반복 레이트로 나눈 값과 동일하다. 초점에서의 레이저 빔의 영역은 초점(또는 허리)에 있는 레이저 빔의 빔 폭에 의존한다. 레이저 빔들은 레이저 빔의 단면을 가로지르는 에너지의 양을 기술하는 에너지 프로파일을 갖는다. 톱햇(top-hat)형 프로파일과 같은 일부 에너지 프로파일들은 레이저 빔의 에지들에서 에너지가 매우 급격히 떨어지므로, 빔 폭 측정들을 위한 명확한 구분을 제공할 수 있다. 그러나, 대부분의 레이저 빔들은 가우스 또는 유사-가우스 형태의 에너지 프로파일을 갖는다. 비-톱햇형 빔들의 빔 폭을 측정하기 위해, 다양한 기술들 또는 표준들이 일관되게 사용된다. 이들 기술들은 반치 전폭(full width at half maximum)(FWHM), 1/e2 폭, D4σ 또는 제2 모멘트 폭, 90/10 및 D86 폭과 같은 나이프 에지 폭(knife edge width)을 포함하며, 이들 모두는 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 공지된 기술들이다.
일부 경우들에서, 본 명세서에 설명된 실험들 및 패턴들은 단일 집속된 스폿 사이즈를 사용하였다. 실험들 및 패턴들 중 일부의 경우, 집속된 스폿의 사이즈가 90/10 나이프 에지 방법을 사용하여 약 0.25mm로 측정되었다. 집속된 스폿 사이즈가 가우스인 것으로 가정하면, 이들 스폿들은 약 0.39mm의 1/e2 폭을 갖는다고 말할 수 있다.
본 명세서에서 채택된 용어들 및 표현들은 제한이 아닌 설명의 용어들 및 표현들로서 사용되며, 이러한 용어들 및 표현들의 사용시에, 도시되고 설명된 특징들 또는 그 일부들의 임의의 등가물들을 배제하려는 의도는 없다. 또한, 본 발명의 특정 실시예들을 설명하였지만, 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 본 명세서에서 개시된 개념들을 포함하는 다른 실시예들이 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것이 명백할 것이다. 다양한 실시예들의 구조적 특징들 및 동작 기능들은 다양한 조합들 및 치환들로 구성될 수 있고, 모든 것은 개시된 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 따라서, 설명된 실시예들은 모든 면들에서 단지 예시적인 것이며 제한적이지 않은 것으로 간주되어야 한다. 또한, 본 명세서에 설명된 구성들, 재료들 및 치수들은 예시적인 것이며 결코 제한적이지 않은 것으로 의도된다. 마찬가지로, 물리적인 설명들이 설명의 목적을 위해 제공되었지만, 임의의 특정 이론 또는 메커니즘에 의해 구속되거나, 그에 따라 청구항들을 제한하려는 의도는 없다.

Claims (40)

  1. 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 방법으로서,
    복수의 인접한 크레이터들을 형성하기 위해 레이저 빔의 복수의 레이저 펄스 버스트들(laser pulse bursts)을 치아 조직의 영역 내의 패턴 내의 각각의 조직 위치들로 지향시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 패턴은 상기 레이저 빔의 폭, 상기 레이저 빔의 펄스 당 에너지 및 상기 조직의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된 크레이터 사이즈의 함수이고,
    상기 인접한 크레이터들은 (i) 한 쌍의 부분적으로 중첩되는 크레이터들, (ii) 한 쌍의 접하는 크레이터들, 및 (iii) 특정 최대 거리까지 분리된 한 쌍의 이격된 크레이터들 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 단일 레이저 펄스로 구성되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 복수의 레이저 펄스들을 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 패턴은 상기 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도(smoothness)의 함수인 방법.
  5. 제4항에 있어서, (i) 부분적으로 중첩되는 크레이터들 사이의 중첩량, 및 (ii) 상기 특정 최대 거리 중 적어도 하나는 상기 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도의 함수인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들을 지향시키는 단계는,
    제1 크레이터를 형성하기 위해 제1 레이저 펄스 버스트를 제1 조직 위치로 지향시키는 단계; 및
    상기 제1 크레이터에 인접하지 않은 제2 크레이터를 형성하기 위해 다음 레이저 펄스 버스트를 제2 조직 위치로 지향시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들을 지향시키는 단계는 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 레이저 펄스 버스트들을 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향시키는 단계를 추가로 포함하며, 어떠한 2개의 연속적인 레이저 펄스 버스트도 인접한 크레이터들을 형성하는 조직 위치들로 지향되지 않는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들을 지향시키는 단계는 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 레이저 펄스 버스트들을 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향시키는 단계를 추가로 포함하며, 임의의 쌍의 연속적인 추가적인 조직 위치들 사이의 거리는 상기 제1 조직 위치와 상기 제2 조직 위치 사이의 거리의 ±25퍼센트 내인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 인접한 크레이터들은 (i) 3개의 부분적으로 중첩되는 크레이터, (ii) 3개의 접하는 크레이터, 및 (iii) 특정 최대 거리까지 분리된 3개의 이격된 크레이터 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 크레이터 사이즈는 원하는 절제 효율(ablation efficiency)의 함수인 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 절제 효율은 상기 복수의 인접한 크레이터들의 체적 및 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들의 총 에너지의 함수인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 원하는 절제 효율은 적어도 이론적인 최대 절제 효율의 50퍼센트인 방법.
  13. 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 치과용 레이저 시스템으로서,
    레이저 빔의 복수의 레이저 펄스 버스트들을 생성하기 위한 레이저 소스;
    복수의 인접한 크레이터들을 형성하기 위해 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들을 치아 조직의 영역 내의 패턴 내의 각각의 조직 위치들로 지향시키도록 적응된 빔 가이던스 시스템(beam guidance system) - 상기 인접한 크레이터들은 (i) 한 쌍의 부분적으로 중첩되는 크레이터들, (ii) 한 쌍의 접하는 크레이터들, 및 (iii) 특정 최대 거리까지 분리된 한 쌍의 이격된 크레이터들 중 적어도 하나를 포함함 -; 및
    상기 패턴이 상기 레이저 빔의 폭, 상기 레이저 빔의 펄스 당 에너지 및 상기 조직의 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된 크레이터 사이즈의 함수가 되도록 상기 레이저 소스 및 상기 빔 가이던스 시스템을 제어하도록 적응된 제어기
    를 포함하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 단일 레이저 펄스로 구성되는 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들 중 적어도 하나의 레이저 펄스 버스트는 복수의 레이저 펄스들을 포함하는 시스템.
  16. 제13항에 있어서, 상기 패턴은 상기 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도의 함수인 시스템.
  17. 제16항에 있어서, (i) 부분적으로 중첩되는 크레이터들 사이의 중첩량, 및 (ii) 상기 특정 최대 거리 중 적어도 하나는 상기 복수의 인접한 크레이터들의 원하는 평활도의 함수인 시스템.
  18. 제13항에 있어서, 상기 빔 가이던스 시스템은,
    제1 크레이터를 형성하기 위해 제1 레이저 펄스 버스트를 제1 조직 위치로 지향시키고,
    상기 제1 크레이터에 인접하지 않은 제2 크레이터를 형성하기 위해 다음 레이저 펄스 버스트를 제2 조직 위치로 지향시키도록
    적응되는 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 빔 가이던스 시스템은 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 레이저 펄스 버스트들을 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향시키도록 추가로 적응되며, 어떠한 2개의 연속적인 레이저 펄스 버스트도 인접한 크레이터들을 형성하는 조직 위치들로 지향되지 않는 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 상기 빔 가이던스 시스템은 추가적인 각각의 크레이터들을 형성하기 위해 추가적인 레이저 펄스 버스트들을 추가적인 각각의 조직 위치들로 지향시키도록 추가로 적응되며, 임의의 쌍의 연속적인 추가적인 조직 위치들 사이의 거리는 상기 제1 조직 위치와 상기 제2 조직 위치 사이의 거리의 ±25퍼센트 내인 시스템.
  21. 제13항에 있어서, 상기 인접한 크레이터들은 (i) 3개의 부분적으로 중첩되는 크레이터, (ii) 3개의 접하는 크레이터, 및 (iii) 특정 최대 거리까지 분리된 3개의 이격된 크레이터 중 적어도 하나를 추가로 포함하는 시스템.
  22. 제13항에 있어서, 상기 크레이터 사이즈는 원하는 절제 효율의 함수인 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 절제 효율은 상기 복수의 인접한 크레이터들의 체적 및 상기 복수의 레이저 펄스 버스트들의 총 에너지의 함수인 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 원하는 절제 효율은 적어도 이론적인 최대 절제 효율의 50퍼센트인 시스템.
  25. 제13항에 있어서, 상기 빔 가이던스 시스템은 검류계(galvanometer)를 포함하는 시스템.
  26. 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 방법으로서,
    제1 레이저 펄스 버스트를 치아 조직의 영역 내의 조직 위치들의 패턴 내의 제1 조직 위치로 지향시키는 단계;
    적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트를 상기 패턴 내의 적어도 하나의 추가적인 비인접 조직 위치로 지향시키는 단계; 및
    다음 레이저 펄스 버스트를 상기 제1 조직 위치에 인접한 상기 패턴 내의 조직 위치로 지향시키는 단계
    를 포함하고,
    추가적인 비인접 조직 위치들의 양은 (i) 상기 치아 조직의 용융에 대응하는 열 완화 시간, 및 (ii) 상기 레이저 펄스들의 속성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제1 레이저 펄스 버스트의 속성은, (i) 레이저 펄스 주기, (ii) 레이저 펄스의 ON 지속 기간, (iii) 버스트 주파수, 및 (iv) 버스트 ON 지속 기간으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  28. 제26항에 있어서, 상기 추가적인 비인접 조직 위치들의 양은 1인 방법.
  29. 제26항에 있어서, 상기 추가적인 비인접 조직 위치의 양은 최대 10인 방법.
  30. 제26항에 있어서, 상기 제1 레이저 펄스 버스트 및 다음 레이저 펄스 버스트 중 적어도 하나는 단일 레이저 펄스로 구성되는 방법.
  31. 제26항에 있어서, 상기 제1 레이저 펄스 버스트 및 다음 레이저 펄스 버스트 중 적어도 하나는 복수의 레이저 펄스들을 포함하는 방법.
  32. 제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트의 총 시간은 대략 상기 열 완화 시간과 동일한 방법.
  33. 치아 조직의 영역을 제거하기 위한 치과용 레이저 시스템으로서,
    레이저 빔의 복수의 레이저 펄스 버스트들을 생성하기 위한 레이저 소스; 및
    제1 레이저 펄스 버스트를 치아 조직의 영역 내의 조직 위치들의 패턴 내의 제1 조직 위치로 지향시키고,
    적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트를 상기 패턴 내의 적어도 하나의 추가적인 비인접 조직 위치로 지향시키고,
    다음 레이저 펄스 버스트를 상기 제1 조직 위치에 인접한 상기 패턴 내의 조직 위치로 지향시키도록
    적응된 빔 가이던스 시스템
    을 포함하고,
    추가적인 비인접 조직 위치들의 양은 (i) 상기 치아 조직의 용융에 대응하는 열 완화 시간, 및 (ii) 상기 레이저 펄스들의 속성에 적어도 부분적으로 기초하여 결정되는 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제1 레이저 펄스 버스트의 속성은, (i) 레이저 펄스 주기, (ii) 레이저 펄스의 ON 지속 기간, (iii) 버스트 주파수, 및 (iv) 버스트 ON 지속 기간으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 시스템.
  35. 제33항에 있어서, 상기 추가적인 비인접 조직 위치들의 양은 1인 시스템.
  36. 제33항에 있어서, 상기 추가적인 비인접 조직 위치의 양은 최대 10인 시스템.
  37. 제33항에 있어서, 상기 제1 레이저 펄스 버스트 및 다음 레이저 펄스 버스트 중 적어도 하나는 단일 레이저 펄스로 구성되는 시스템.
  38. 제33항에 있어서, 상기 제1 레이저 펄스 버스트 및 다음 레이저 펄스 버스트 중 적어도 하나는 복수의 레이저 펄스들을 포함하는 시스템.
  39. 제33항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가적인 레이저 펄스 버스트의 총 시간은 대략 상기 열 완화 시간과 동일한 시스템.
  40. 제33항에 있어서, 상기 빔 가이던스 시스템은 검류계를 포함하는 시스템.
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