KR20200098620A - 전자기 방사 빔 스캐닝 시스템 및 방법 - Google Patents

전자기 방사 빔 스캐닝 시스템 및 방법 Download PDF

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제이언트 바왈카르
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아바바, 인코포레이티드
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Abstract

전자기 빔 스캐닝 시스템 및 해당 사용 방법이 제공된다. 이 시스템은 모터, 왕복 메커니즘 및 초점 광학을 포함한다. 모터는 회전 이동을 발생시키도록 구성된다. 왕복 메커니즘은 모터와 동작 가능하게 결합되고, 회전 이동을 제1 스캔 축을 따라 복수의 스트로크를 포함하는 왕복 이동으로 변환하도록 구성된다. 왕복 이동은 복수의 스트로크 중 적어도 하나의 스트로크의 일부에 걸쳐 일정 속도를 갖는다. 초점 광학은 왕복 메커니즘에 동작 가능하게 결합되어 초점 광학은 이동하고 왕복 메커니즘의 왕복 이동을 경험한다. 초점 광학은 초점 광학에 입사되는 전자기 방사(EMR) 빔을 제1 스캔 축과 실질적으로 직교하는 광학 축을 따르는 초점에 초점을 맞추도록 구성된다.

Description

전자기 방사 빔 스캐닝 시스템 및 방법
본 발명은 일반적으로 레이저 빔 스캐닝을 위한 방법, 시스템 및 장치에 관한 것이다.
에너지 기반의 의료 및 미용 치료를 포함하는 많은 기술적인 적용을 위해 전자기 방사(electromagnetic radiation)(EMR)(예를 들어, 레이저) 빔의 스캐닝이 요구된다. 많은 경우 빔을 가능한 빠른 속도로 스캔하는 것이 유리하다. 프로세싱 시간(예를 들어, 치료 시간)을 감소시키면서 방사가 가능한 빨리 전달될 수 있도록 한다. 또한, 방사 빔이 스캔 경로를 통해 일관되게 전달되도록 빔이 스캔 되는 속도가 가능한 일정하게 유지되는 것이 종종 유리하다. 스캔 속도가 변화하는 경우, 빔은 스캔 속도가 더 느린 곳의 경로를 따라 위치에 더 많은 방사를 전달하고, 스캔 속도가 더 높은 곳의 경로를 따라 위치에 더 적은 방사를 전달한다. 스캔 속도의 변화량은 응용 프로그램에 따라 다르다.
전자기 방사를 사용하는 새로운 응용 분야가 증가함에 따라, 이러한 새로운 어플리케이션을 수용하기 위해서는 새로운 빔 스캐닝 시스템과 방법이 필요하다. 예를 들어, EMR 장치 및 방법(예를 들어, 레이저 및 강렬한 펄스 광)을 사용하여 표피 색소 침착(epidermal pigmentation)(예를 들어, 일광흑색점(Solar Lentigo)) 치료를 오랫동안 성공적으로 수행해 왔다. 그러나, EMR로 일부 피부 색소 침착(예를 들어, 기미(Melasma)) 증상의 성공적인 치료는 비실용적이었다.
기미는 종종 얼굴 부위에서 얼룩 색소 과다 색소 침착을 유발하는 원인이 알려지지 않은 피부 질환의 한 예이다. 이 상태는 남성보다 여성에서 더 흔하다. 기미의 특정 원인은 잘 이해되지 않을 수 있지만, 기미의 색소 침착은 임신, 햇빛 노출, 특정 약물 예를 들어 경구 피임약, 호르몬 수준, 유전 및 기타에 의해 더 악화될 수 있다. 기미의 예시적인 증상은 윗뺨, 코, 윗입술 및 이마에서 흔히 발견되는 불규칙한 형태의 어두운 패치 또는 반점(macule)을 포함한다. 이러한 패치는 시간이 지남에 따라 점차적으로 발전한다. 기미는 미용적 변색(cosmetic discoloration)을 넘어서 다른 증상을 일으키거나 다른 해로운 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
피부의 표피 영역(예를 들어, 조직 표면 또는 근처)에 일반적으로 존재하는 많은 색소 침착 구조와 달리, 진피(dermis)(또는 깊은) 기미는 종종 기저 진피의 일부 또는 영역에서 멜라닌(melanin) 및 멜라노파지(melanophage)(예를 들어, 과도하게 색소 침착된 세포 포함)의 광범위한 존재를 특징으로 한다. 따라서, 피부 기미의 치료(예를 들어, 어두운 색소 침착된 영역의 외관이 밝아짐)는 이러한 색소 침착된 세포 및 피부에 더 깊숙이 위치하는 구조물에 접근하고 이에 영향을 미치는 데 큰 어려움이 있기 때문에 특히 어려울 수 있다. 따라서, 주로 표피에 영향을 주는 안면 박리(레이저 또는 화학 물질), 박피술, 국소제 등과 같은 종래의 피부 회춘 치료는 진피 기미 치료에 효과적이지 않을 수 있다.
특정 파장의 빛 또는 광학 에너지를 적용하여 다양한 증상을 치료할 수 있다. 표적 구조물(target structure)에 인접한 조직 구조물을 손상시키지 않으면서 적절한 표적 구조물(예를 들어, 피부와 같은 조직)에 에너지를 전달하는데 많은 도전이 존재한다. 이러한 도전에는 충분한 영향력과 초점을 가진 적절한 파장의 에너지 전달과 빛 또는 광학 에너지로 대상 구조물을 효과적이고 효율적으로 스캔하는 기능이 포함된다.
특정 파장의 빛 또는 광학 에너지의 적용은 색소 침착 세포에 의해 강하게 흡수되어 손상될 수 있음이 관찰되었다. 그러나, 광학 에너지를 이용한 진피 기미의 효과적인 치료는 몇 가지 장애를 초래한다. 예를 들어, 진피의 색소 침착 세포(pigmented cell)는 세포를 파괴하거나 손상시키기에 적절한 파장의 충분한 광학 에너지를 대상으로 해야 하고, 이는 색소 침착(pigmentation)의 일부를 방출 또는 파괴하고 색소 침착을 감소시킬 수 있다. 그러나, 이러한 에너지는 표피 및 상부 진피와 같은 위에 있는 피부 조직에서 색소 침착(예를 들어, 발색단)에 의해 흡수될 수 있다. 이러한 표면 근처의 흡수는 피부의 외부 부분의 과도한 손상을 초래하고, 더 깊은 진피로의 에너지 전달이 불충분하여 내부의 색소 침착 세포에 영향을 줄 수 있다. 더욱이, 표피의 기저층에 위치한 멜라닌 세포에 대한 열적 손상은 멜라닌 생성의 증가를 유발할 수 있다.
치유를 촉진하기 위해 건강한 조직에 의해 분리된 피부의 작고 개별적인 치료 위치에 광학 에너지를 적용하는 부분적인 접근 방식이 개발되었다. 치료 위치 주변(예를 들어, 표피 층)의 건강한 조직에 대한 손상을 피하면서 바람직한 특이성으로 치료 위치(예를 들어, 피부층에 위치)를 정확하게 표적화 하는 것은 어려울 수 있다. 이것은, 예를 들어, 레이저 빔을 치료 위치에 초점 맞추도록 하기 위해 높은 개구 수(high numerical aperture)(NA)를 갖는 광학 시스템을 필요로 한다. 표피에서 초점이 맞지 않는 초점을 충분히 낮게 유지하면서, 높은 NA 광학 시스템은 진피에 충분히 높은 영향력(즉, 에너지 밀도)를 전달한다. "피부 기미를 치료하기 위한 방법 및 장치"라는 제목의 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0199132는 이 기술이 연구 환경에서 기미를 포함한 피부 색소 침착의 치료에 유리한 것으로 설명하고 있다. 그러나, 현재 이용 가능한 빔 스캐닝 시스템 및 방법은 이 치료 기술이 널리 채택되는 것을 방해한다. 기미와 같은 색소 침착 질환을 앓고 있는 사람들과 그들의 간병인들은 자신의 상태에 대한 EMR 기반 치료법을 널리 이용할 수 있기를 간절히 바래왔다.
따라서, 높은 개구 수를 가질 수 있고 넓은 영향을 받는 영역에 걸쳐 스캐닝 할 수 있는 광학 시스템을 개발하는 것이 바람직하다. 또한, 광학 시스템이 영향을 받는 영역을 적당한 시간 기간(time duration)(예를 들어, 1 시간 미만)으로 치료할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 일정한 양의 방사(radiation)를 전달하기 위해, 광학 시스템이 일정한 레이트로 스캔하는 것이 유리하다. 더욱이, 광학 시스템은 예를 들어 치료 영역(treatment region)과의 견고한 접촉을 설정하고, 치료 영역을 안정화시키고, 치료 영역을 냉각시키거나 이와 유사하게 할 수 있는 인터페이스를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
따라서, EMR(예를 들어, 레이저) 빔 스캐닝을 위한 개선된 방법, 시스템 및 장치가 제공된다.
일 실시예에서, 전자기 빔 스캐닝 시스템이 제공된다. 이 시스템은 모터(motor), 왕복 메커니즘(reciprocating mechanism) 및 초점 광학(focus optic)를 포함한다. 모터는 회전 이동(rotational movement)을 발생시키도록 구성된다. 왕복 메커니즘은 모터와 동작 가능하게 결합되고, 회전 이동을 제1 스캔 축을 따라 복수의 스트로크(stroke)를 포함하는 왕복 이동(reciprocating movement)으로 변환하도록 구성된다. 왕복 이동은 복수의 스트로크 중 적어도 하나의 스트로크의 일부에 걸쳐 일정 속도(constant speed)를 갖는다. 초점 광학은 왕복 메커니즘에 동작 가능하게 연결되어 초점 광학은 이동하고 왕복 메커니즘의 왕복 이동을 경험한다. 초점 광학은 초점 광학에 입사되는 전자기 방사(electromagnetic radiation)(EMR) 빔을 제1 스캔 축과 실질적으로 직교하는 광학 축(optical axis)을 따라 초점에 초점 맞추도록 구성된다.
다른 실시예에서, 일정 속도는 원하는 일정 속도의 50 % 이내이며 스트로크의 일부는 스트로크의 10 % 이상이다.
다른 실시 형태에서, 시스템은 또한 전자기 방사 소스(electromagnetic radiation source) 및 광학 시스템(optical system)을 포함한다. 전자기 방사 소스는 EMR 빔을 생성하도록 구성된다.
광학 시스템은 EMR 빔이 초점 광학에 입사하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 광학 시스템의 적어도 하나의 요소는 왕복 이동을 경험한다.
다른 실시 형태에서, EMR 소스는 미리 결정된 반복 속도에 따라 펄스 모드로 동작하도록 구성되고, 및 EMR 소스의 반복 속도와 왕복 이동의 일정 속도 사이의 관계는 제1 스캔 축을 따라 순차적인 펄스 초점 사이의 공칭 피치(nominal pitch)를 결정한다.
다른 실시예에서, 시스템은 간헐적 메커니즘(intermittent mechanism)을 더 포함한다.
간헐적 메커니즘은 왕복 메커니즘과 동작 가능하게 연결되며, 제1 스캔 축(first scanned axis)에 실질적으로 직교하는 제2 스캔 축(second scanned axis)을 따라 간헐적 이동을 도입하도록 구성되어 있다. 초점 광학은 간헐적 메커니즘에 동작 가능하게 결합되어 초점 광학이 간헐적 이동을 경험하게 한다.
다른 실시 형태에서, 간헐적 메커니즘은 왕복 이동의 위치에 따라 간헐적 이동을 도입하도록 구성된다.
다른 실시 형태에서, 간헐적 이동은 왕복 이동이 일반적으로 스트로크의 시작, 스트로크의 중간 및 스트로크의 끝 중 적어도 하나에 대응하는 위치에 있을 때 도입된다.
다른 실시예에서, 시스템은 접촉 표면(contacting surface)을 통해 표적 조직(target tissue)의 표면과 접촉하도록 구성된 광학 축을 따라 초점 광학과 초점 사이에 배치된 하우징을 추가로 포함하고; 초점은 표적 조직의 표면의 하향 빔에 위치된다.
다른 실시 형태에서, 접촉 표면은 표적 조직을 냉각시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 하우징(housing)은 압력 센서, 접촉 센서 및 온도 센서 중 하나 이상을 포함한다.
다른 실시예에서, 전자기 빔 스캐닝 방법이 제공된다. 방법은 회전 이동을 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 생성된 회전 이동을 제1 스캔 축을 따라 복수의 스트로크를 포함하는 왕복 이동으로 변환하는 단계를 포함한다. 왕복 이동은 복수의 스트로크 중 적어도 하나의 스트로크의 일부에 걸쳐 일정 속도를 갖는다. 방법은 왕복 이동에 따라 초점 광학을 이동시키는 단계를 더 포함하고, 초점 광학은 초점 광학에 입사된 전자기 방사(EMR) 빔을 제1 스캔 축과 실질적으로 직교하는 광학 축을 따라 초점에 초점을 맞추도록 구성된다.
다른 실시 형태에서, 일정 속도는 원하는 일정 속도의 50 % 이내이며 스트로크의 일부는 스트로크의 10 % 이상이다.
다른 실시 형태에서, 방법은 EMR 빔을 생성하는 단계, 및 광학 시스템을 사용하여, 초점 광학에 입사하는 EMR 빔을 지향시키는 단계를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 방법은 왕복 이동에 따라 광학 시스템의 적어도 하나의 요소를 이동시키는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 방법은 미리 결정된 반복 속도에 따라 EMR 빔을 펄싱 하는 단계를 포함한다. 반복 속도와 일정 속도의 관계는 제1 스캔 축을 따라 순차적인 펄스 레이저 초점 사이의 공칭 피치를 결정한다.
다른 실시 형태에서, 방법은 제1 스캔 축에 실질적으로 직교하는 제2 스캔 축을 따라 간헐적 이동을 도입하는 단계, 및 간헐적 이동에 따라 초점 광학을 이동시키는 단계를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 왕복 이동의 위치에 따라 간헐적 이동이 도입된다.
다른 실시 형태에서, 간헐적 이동은 왕복 이동이 일반적으로 스트로크의 시작, 스트로크의 중간 및 스트로크의 끝 중 적어도 하나에 대응하는 위치에 있을 때 도입된다.
다른 실시 형태에서, 방법은 광학 축을 따라 초점 광학과 초점 사이의 표적 조직의 표면을 하우징의 접촉 표면과 접촉시키는 단계 포함하며, 초점은 표적 조직의 표면의 하향 빔에 위치된다.
다른 실시예에서, 방법은 접촉 표면을 사용하여 표적 조직을 냉각시키는 단계를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 방법은 하우징 내에 위치한 센서를 사용하여 표적 조직의 하나 이상의 변수를 감지하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 변수는 압력, 접촉 표면과 표적 조직 사이의 접촉 및 온도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시예는 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 일부 실시예에 따른 1 차원(1D) 빔 스캐닝 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 2는 일부 실시예에 따른 2 차원(2D) 빔 스캐닝 시스템을 개략적으로 도시한다;
도 3a는 일부 실시예에 따른 예시적인 빔 스캐닝 시스템의 단면도이다;
도 3a 내지 도 3c는 일부 실시예에 따른 스캔 경로를 가로 지르는 예시적인 빔 스캐닝 시스템의 저면도이다;
도 4a는 일부 실시예에 따른 제1 예시적인 왕복 메커니즘에 대한 입력 샤프트 회전 각도의 함수로서 스캔 속도를 나타내는 그래프이다;
도 4b는 일부 실시예에 따른 제1 예시적인 왕복 메커니즘에 대한 스캔 위치의 함수로서 스캔 속도를 나타내는 그래프이다;
도 4c는 일부 실시예에 따른 제1 예시적인 왕복 메커니즘 및 펄스 전자기 방사(EMR) 빔에 대한 스캔 위치의 함수로서 펄스 피치를 나타내는 그래프이다;
도 5a는 일부 실시예에 따른 제2 예시적인 왕복 메커니즘에 대한 입력 샤프트 회전 각도의 함수로서 스캔 속도를 나타내는 그래프이다;
도 5b는 일부 실시예에 따른 제2 예시적인 왕복 메커니즘에 대한 스캔 위치의 함수로서 스캔 속도를 나타내는 그래프이다;
도 5c는 일부 실시예에 따른 제2 예시적인 왕복 메커니즘 및 펄스 전자기 방사(EMR) 빔에 대한 스캔 위치의 함수로서 펄스 피치를 나타내는 그래프이다;
도 6a는 일부 실시예에 따른 예시적인 빔 스캐너에 대한 모델링 된 스캔 경로를 나타내는 그래프이다;
도 6b는 일부 실시예에 따른 예시적인 빔 스캐너 및 전자기 방사(EMR) 빔에 의한 조사 후 아크릴 블록을 나타내는 현미경 이미지이다;
도 6c는 일부 실시예에 따른 예시적인 왕복 메커니즘에 대한 측정된 위치 대 시간을 나타내는 그래프를 이용한 왕복 이동을 도시한다;
도 7a는 일부 실시예에 따른 예시적인 2 차원(2D) 빔 스캐너의 등각도를 도시한다;
도 7b는 일부 실시예에 따른 예시적인 2D 빔 스캐너의 정면도를 도시한다;
도 7c는 일부 실시예에 따른 예시적인 간헐적 메커니즘의 도면을 도시한다;
도 7d는 일부 실시예에 따른 예시적인 자체 반전 리드 스크류의 측면도를 도시한다;
도 7e는 일부 실시예에 따른 예시적인 2D 빔 스캐너의 일부의 정면도를 도시한다;
도 7f는 일부 실시예에 따른 자체 반전 리드 스크류 너트 조립체의 단면도를 도시한다;
도 8은 일부 실시예에 따른 예시적인 2D 빔 스캐너에 대한 모델링 된 스캔 경로를 나타내는 그래프이다;
도 9는 일부 실시예에 따른 3 차원(3D) 스캔 경로를 개략적으로 나타낸다;
도 10은 치료 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다;
도 11은 피부에서 진피층의 색소 침착 영역으로 초점 맞줘진 레이저 빔의 개략도이다;
도 12a는 멜라닌에 대한 예시적인 흡광도 스펙트럼 그래프이다;
도 12b는 헤모글로빈에 대한 예시적인 흡광 스펙트럼 그래프이다;
도 13은 멜라닌 및 정맥혈의 흡수 계수, 및 피부 대 파장에서의 광의 산란 계수의 플롯을 도시하고;
도 14는 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 개략도이다;
도 15는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 예시이다;
도 16은 도 6의 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템을 위한 빔 폴딩 평면을 도시한다;
도 17은 예시적인 f-세타(heta) 렌즈의 예를 도시한다;
도 18은 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 예시이다;
도 19는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 예시이다;
도 20a 내지도 20c는 도 15, 18 및 19의 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템과 관련된 예시적인 스캐닝 패턴을 도시한다;
도 21은 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 예시이다;
도 22는 도 20의 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 예시적인 프리즘 시스템을 도시한다;
도 23은 도 22와 연관된 예시적인 스캐닝 패턴을 도시한다;
도 24는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 예시이다;
도 25는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템의 예시이다;
도 26은 사후-대물렌즈 대물렌즈 스캐닝 시스템의 개략도이다;
도 27은 예시적인 스캐닝 유닛에서의 광학 요소의 사시도이다;
도 28은 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 개략도이다;
도 29a는 치료 영역 위에 위치한 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 사시도이다;
도 29b는 치료 영역 위에 위치한 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 평면도이다;
도 30은 예시적인 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템에서의 광학 요소의 배치의 사시도이다;
도 31은 조직 표면 위에 위치된 도 30의 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 사시도이다;
도 32a는 조직 표면 위에 위치된 도 30의 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 측면도이다;
도 32b는 도 32a의 제1 광학 서브 시스템의 개략도이다;
도 33은 도 30의 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 대물렌즈와 연관된 스캔 경로의 개략도이다;
도 34는 도 30의 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템에서 대물렌즈의 각도 위치에 기초한 측면 피치의 변화를 도시한 도면이다;
도 35는 도 30의 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 접촉 표면을 도시한 도면이다;
도 36은 2 개의 대물렌즈를 갖는 예시적인 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템에서 광학 요소의 배치를 개략적으로 도시한 도면이다;
도 37은 예시적인 편광 기반 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템에서의 광학 요소의 배치를 개략적으로 도시한 도면이다;
도 38은 3 개의 대물렌즈를 갖는 예시적인 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템에서 광학 요소의 배열을 개략적으로 도시한 도면이다;
도 39a는 치료 영역 위의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 사시도이다;
도 39b는 치료 영역 위의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 다른 사시도이다;
도 40a는 예시적인 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 사시도이다;
도 40b는 도 40a의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 광학 요소의 도면이다;
도 40c는 도 40a의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 측면도이다;
도 41은 조직 표면 위에 위치한 도 40a의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 측면도이다;
도 42a는 도 40a의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템에서의 대물렌즈 배열의 사시도이다;
도 42b는 도 42a의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 대물렌즈와 관련된 스캔 경로의 개략도이다; 및
도 43은 다른 예시적인 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 측면도이다.
도면이 반드시 축척대로 되는 것은 아니라는 점에 유의한다. 도면은 본 명세서에 개시된 주제의 전형적인 측면만을 도시하도록 의도되며, 따라서 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 당업자는 본 명세서에 구체적으로 설명되고 첨부 도면에 도시된 시스템, 장치 및 방법은 비 제한적인 예시적인 실시예고 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에 개시된 장치 및 방법의 구조, 기능, 제조 및 사용의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 특정 예시적인 실시예가 설명될 것이다. 이들 실시예의 하나 이상의 예가 첨부 도면에 도시되어 있다. 당업자는 본 명세서에서 구체적으로 설명되고 첨부 도면에 도시된 장치 및 방법은 비 제한적인 예시적인 실시예며 본 발명의 범위는 청구 범위에 의해서만 정의된다는 것을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 실시예와 관련하여 예시되거나 설명된 특징은 다른 실시예의 특징과 결합될 수 있다. 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다.
본 발명의 실시예는 이러한 색소 침착 증상(pigmentary condition)의 외관을 개선시키기 위해 피부의 색소 침착 증상, 예를 들어 기미(melasma)의 치료와 관련하여 하기에 상세히 논의된다. 그러나, 개시된 실시 양태는 다른 색소 침착 및 비 색소 침착 증상 및 다른 조직 및 비조직 표적의 치료에 제한없이 사용될 수 있다. 색소 침착 증상의 예는 염증성 과다 색소 침착(post inflammatory hyperpigmentation), 눈 주위의 어두운 피부, 검은 눈, 카페 겹 패치(caf
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au lait patches), 베커의 네비(Becker's nevi), 오타의 모반(Nevus of Ota), 선천성 멜라노사이트 성 모반(congenital melanocytic nevi), 주근깨/렌티고(freckles/lentigo), 헤모시드린이 풍부한 구조(hemosiderin rich structures), 색소 침착 담석(pigmented gallstones), 루테인, 제아잔틴(zeaxanthin), 로돕신(rhodopsin), 카로티노이드(carotenoid), 빌리베르딘(biliverdin), 빌리루빈(bilirubin) 및 헤모글로빈(hemoglobin)이 풍부한 구조 및 문신 함유 조직(tattoo-containing tissue)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 비-색소 침착 상태의 예는 모낭, 모간, 혈관 병변, 감염성 상태, 피지선, 여드름 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
또한, 본 개시에서, 실시예의 유사한 명칭의 구성 요소는 일반적으로 유사한 특징을 가지므로, 특정 실시예 내에서 각각의 유사한 명명된 구성 요소의 각 특징은 반드시 완전히 설명될 필요는 없다. 또한, 개시된 시스템, 장치 및 방법의 설명에서 선형 또는 원형 치수가 사용되는 한, 이러한 치수는 그러한 시스템, 장치 및 방법과 함께 사용될 수 있는 형태의 유형을 제한하려는 것이 아니다. 당업자는 이러한 선형 및 원형 치수와 동등한 치수가 임의의 기하학적 형태에 대해 쉽게 결정될 수 있음을 인식할 것이다. 시스템 및 장치의 크기 및 형상, 및 그 구성 요소, 시스템 및 장치가 사용될 구성 요소의 크기 및 모양, 시스템 및 장치가 사용될 방법 및 절차는 시스템 및 장치가 사용될 대상의 해부학 적 구조에 적어도 의존할 수 있다.
일반적으로, 전자기 방사(EMR)(예를 들어, 레이저 빔)를 조직의 치료 영역에 초점 맞출 수 있는 높은 개구 수(NA) 광학 스캐닝 시스템이 기술되어 있다. 초점 레이저 빔은 주변 조직을 손상시키지 않으면서 치료 영역으로 광학 에너지를 전달할 수 있다. 전달된 광학 에너지는 영향을 받지 않는 비 표적 영역(예를 들어, 상피층, 진피층의 다른 부분 등)으로 둘러싸인 피부 또는 조직의 주변 영역 또는 다른 색소 침착 표적 영역에 영향을 미치지 않고, 예를 들어 피부 피부층의 치료 영역에서 색소 침착 발색단(chromophores) 및/또는 표적을 파괴할 수 있다, 다른 구현에서, 전달된 광학 에너지는 문신 제거 또는 수경 또는 헤모글로빈 관련 치료를 유발할 수 있다.
빛 또는 광 에너지로 피부 상태를 치료하기 위한 예시적인 방법 및 장치는 "피부 기미 치료 방법 및 장치(Method and Apparatus for Treating Dermal Melasma)"라는 제목의 미국 특허 출원 공개 번호 2016/0199132에 개시되어 있으며, 및 "피부 기미의 선택적 치료를 위한 방법 및 장치(Method and Apparatus for Selective Treatment of Dermal Melasma)"라는 제목의 미국 가출원 제62/438,818호에 개시되어 있으며, 이들 각각은 그 전문이 본원에 참조로 포함된다.
일반적으로, 조직에서 색소 침착 증상(pigmentary condition)의 치료를 위한 시스템 및 상응하는 방법이 제공된다. 아래에서 더 상세히 논의되는 바와 같이, 개시된 시스템 및 방법은 레이저 빔과 같은 전자기 방사(EMR)를 사용하여 미리 결정된 양의 에너지를 표적 조직으로 전달한다. EMR은 초점 영역에 초점을 맞출 수 있고 초점 영역은 표적 조직에 대해 임의의 방향으로 병진되거나 회전될 수 있다. 미리 결정된 양의 방사(radiation)는 색소 침착 증상을 나타내는 조직의 부분을 열적으로 파괴시키거나 달리 손상시키도록 구성될 수 있다. 이런 방법으로, 미리 결정된 양의 에너지는 그것의 외관을 개선하기 위해 색소 침착 증상의 치료를 위해 표적 조직 내의 임의의 위치로 전달될 수 있다.
조직 치료(treatment of tissue)를 포함하여 EMR을 표적에 전달하는 다양한 응용에서. 일정한 양의 방사를 전달하는 것이 중요하다. 그렇게 하기 위해, 광학 시스템이 일정한 레이트로 스캔하는 것이 유리하다. 일정하거나 실질적으로 일정한 스캔 속도를 구현하는 예시적인 시스템이 아래에 설명된다.
도 1은 일부 실시예에 따른 전자기 방사(EMR) 빔(electromagnetic radiation(EMR) beam)(102)을 스캐닝 하기 위한 시스템(system)(100)을 개략적으로 도시한다. 모터(motor)(104)는 회전 이동(rotational movement)(106)을 발생시킨다. 모터(104)는 회전 이동(106)이 왕복 메커니즘(reciprocating mechanism)(108)을 구동하도록 왕복 메커니즘(108)에 동작 가능하게 결합된다. 왕복 메커니즘(108)은 회전 이동(106)을 제1 스캔 축(112)(예를 들어, x 축)을 따라 선형으로 작용하는 왕복 이동(110)으로 변환한다. 일부 실시예에 따르면, 왕복 메커니즘은 캠 및 팔로어, 크랭크 및 슬라이더, 스카치 요크 및 멀티 바 링크 중 하나 이상을 포함한다. 일부 실시예에 따르면, 왕복 이동(110)은 복수의 스트로크(예를 들어, 2 개의 스트로크, 전방 스트로크 및 후방 스트로크)로 이동한다. 전형적으로, 왕복 메커니즘(108)은 왕복 이동(110)에 일정 속도(constant speed)를 제공하도록 구성된다. 상기 다른 방법에서, 왕복 이동(110)은 적어도 하나의 스트로크의 일부에 걸쳐 실질적으로 평탄한 속도 프로파일을 갖는다.
일정 속도의 실시예는 미리 결정된 또는 원하는 일정 속도를 채택할 수 있다. 예를 들어, 원하는 일정 속도는 약 2 mm/s 내지 약 5 m/s의 범위에서 선택될 수 있다. 특정 실시예에서, 일정 속도는 원하는 일정 속도의 선택된 백분율 일 수 있다. 예로서, 선택된 백분율은 원하는 일정 속도의 약 5 % 내지 약 95 %(예를 들어, 약 50 %)의 범위에서 선택될 수 있다.
일정 속도가 제공되는 왕복 이동(110)의 스트로크 부분은 변할 수 있다. 예를 들어, 일정 속도를 갖는 스트로크의 일부는 약 5 % 내지 약 95 %(예를 들어, 적어도 약 10 %)의 범위에서 선택될 수 있다.
초점 광학(focus optic)(114)는 왕복 메커니즘(108)에 동작 가능하게 결합되어 왕복 이동(110)에 따라 경험하고 이동한다. 초점 광학(114)은 광학 축(optical axis)(118)을 따라 EMR 빔(102)을 초점(focus)(116)에 초점을 맞추도록 구성된다. 초점 광학(114)의 왕복 이동(110)은 제1 스캔 축(112)을 따라 초점(116) 및 광학 축(118)을 이동시킨다.
일부 실시 예에 따르면, EMR 빔(102)은 전자기 방사(EMR) 소스(120)에 의해 생성된다. EMR 공급원의 예는 하기에 상세하게 기술되어 있다. EMR 빔(102)은 EMR 소스(120)로부터 전달되고 광학 시스템(122)에 의해 초점 광학(114)에 입사된다. 일반적으로, 광학 시스템(122)은 하나 이상의 반사 및/또는 투과 광학(transmissive optics)을 포함한다. 일부 실시 예에 따르면, 광학 시스템(122)은 이동하는 하나 이상의 동적 광학 요소(dynamic optical element)(124)를 포함한다. 예를 들어, 광학 축(118)을 따라 배치되고 초점 광학(114)에 기계적으로 부착된 반사기 형태의 동적 광학 요소(124), 따라서 왕복 이동(110)에 따라 경험하고 이동한다. 아래에 자세히 설명된대로, EMR 소스(120)는 미리 결정된 반복 속도에 따라 펄스 모드로 동작하도록 구성될 수있다. EMR 소스(12)의 반복 속도와 왕복 이동(110)의 일정 속도 사이의 관계는 제1 스캔 축(112)을 따라 순차적인 펄스 초점 사이의 공칭 피치를 결정할 수있다.
일부 실시예에 따르면, 하우징(housing)(126)은 광학 축을 따라 초점 광학(114)과 초점(116) 사이에 배치된다. 하우징(126)은 접촉 표면(contacting surface)을 통해 표적 표면(target surface), 예를 들어 표적 조직(target tissue)(128)의 표면과 접촉하도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 초점(116)은 표적 조직(128)의 표면의 하향 빔에 위치된다. 하우징(126)은 아래에 더 상세히 설명된다. 일 실시예에서, 접촉 표면은 표적 조직(128)을 냉각시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 센서(예를 들어, 압력 센서, 접촉 센서, 온도 센서 등)가 하우징 내에 위치될 수 있고 표적 조직의 하나 이상의 변수를 측정하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 변수는 하나 이상의 압력, 접촉 표면과 표적 조직 사이의 접촉 및 온도를 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 제어기(controller)(130)는 모터(motor)(104), 왕복 메커니즘(reciprocating mechanism)(108) 및 EMR 소스(EMR source)(120) 중 하나 이상을 제어하기 위해 사용된다. 일부 버전에서, 제어기(130)는 회전 이동(106) 및 왕복 이동(110) 중 적어도 하나를 측정하는 하나 이상의 센서(132)로부터 입력을 받는다.
도 2는 2 개의 축에서 전자기 방사(EMR) 빔을 스캔하는 시스템(200)을 개략적으로 도시한다. 모터(202)는 회전 이동(204)을 생성하고 왕복 메커니즘(206)에 전달하여 회전 이동(204)을 제1 스캔 축(210)을 따라 왕복 이동(208)으로 변환한다. 일부 실시예에 따르면, 왕복 이동(208)은 선형 스트로크를 포함하고 선형 스트로크의 일부에 걸쳐 일정 속도를 갖는다. 초점 광학(212)은 왕복 메커니즘(206)의 출력에 기계적으로 부착된다. 왕복 이동(208)에 따라 경험하고 움직인다. 간헐적 메커니즘(214)은 왕복 메커니즘(206)과 동작 가능하게 결합된다. 간헐적 메커니즘(214)은 간헐적으로 간헐적 이동(216)을 출력한다. 일부 실시예에 따르면, 간헐적 메커니즘은 래칫 메커니즘, 제네바 휠 메커니즘, 캠 메커니즘 및 간헐적 기어 메커니즘 중 하나 이상을 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 간헐적 이동(216)은 선형이며 일반적으로 제1 스캔 축(210)과 직교하는 제2 스캔 축(218)을 따라 작용한다. 일부 실시예에 따르면, 간헐적 메커니즘(214)은 왕복 이동(208)이 특정 위치에 있거나 그 근처에 있을 때, 예를 들어 스트로크의 시작, 스트로크의 중간 또는 스트로크의 종료시에 간헐적 이동(216)을 도입하도록(예를 들어, 시간을 정하도록) 구성된다.
일부 실시예에 따르면, 제어기(230)는 모터(202), 왕복 메커니즘(206) 및 간헐적 메커니즘(214) 중 하나 이상을 제어하기 위해 사용된다. 일부 버전에서, 제어기(230)는 회전 이동(204), 왕복 이동(208) 및 간헐적 이동(216) 중 적어도 하나를 측정하는 하나 이상의 센서(232)로부터 입력을 받는다.
도 3a는 일부 실시예에 따라 단일 축에서 전자기 방사(EMR) 빔(302)을 스캐닝 하기 위한 예시적인 시스템(300)의 단면도를 도시한다. EMR 빔(302)은 오른쪽으로부터 시스템(300)으로 들어가고 미러(mirror)(304)에 의해 반사된다. 미러(304)는 EMR 빔(302)이 초점 광학(예를 들어, 대물렌즈)(306)에 입사하도록 지향한다. 초점 광학(306)은 EMR 빔(302)을 초점(308)에 초점을 맞춘다. 모터(310)는 제1 비 원형 기어(first non-circular gear)(312)(예를 들어, 타원형 이열 기어(elliptical bilobe gear))를 구동시킨다. 제1 비 원형 기어(312)는 제2 비 원형 기어(second non-circular gear)(314)를 맞물리고 구동한다. 제2 비 원형 기어(314)는 편심 핀(eccentric pin)(316)에 부착된다. 편심 핀(316)은 요크(york)(318) 내에서 올려진다. 요크(316)는 미러(mirror)(304), 초점 광학(306) 및 선형 레일(320) 상에 올려지는 캐리지에 부착된다. 편심 핀(316), 요크(318) 및 레일(320)은 편심 핀(316)의 회전 이동을 선형 왕복 이동으로(예컨대, 스카치 요크 메커니즘(Scotch yoke mechanism)에 의해) 변환하도록 배열된다. 일부 실시예에 따르면, 편심 핀(316)은 핀(316)과 요크(318) 사이의 마찰력을 감소시키기 위한 베어링(예를 들어, 롤링 스카치 요크 의사 메커니즘(Scotch yoke pseudo-mechanism))을 포함한다. 일부 실시예들에 따르면, 선형 왕복 이동(linear reciprocating movement)을 감지하기 위해 선형 인코더(linear encoder)가 사용된다. 마그네틱 스트립(magnetic strip)(322)(예를 들어, 코멘다(Komenda)의 RLS 머릴나 테크니카 디.오.오.(RLS Merilna tehnika d.o.o.)(슬로베니아(Slovenia))의 PN:MS05BM040AM010)이 요크(318)에 부착된 것으로 도시되어 있다. 자기 인코더 센서(magnetic encoder sensor)(예를 들어, 코멘다(Komenda)의 RLS 머릴나 테크니카 디.오.오.(RLS Merilna tehnika d.o.o.)(슬로베니아(Slovenia))의 PN:RLM2ICAD40B15A00)는 자기 스트립(magnetic strip)(322)에 대해 정적으로 유지되고 자기 스트립의 이동을 감지한다. 일부 실시예들에 따르면, 요크(318)의 상대 위치는 자기 스트립의 감지된 펄스를 카운트함으로써 도출되고 요크(318)의 이동의 방향은 직교 인코딩으로부터 도출된다. 일부 실시예에 따르면, 선형 인코더는 연결(connection)(324)을 통해 하나 이상의 신호를 제어기로 통신한다.
도 3b 내지 도 3c는 요크(318), 미러(306) 및 초점 광학(308)이 스트로크를 오른쪽 위치에서 중간 위치로 그리고 마지막으로 왼쪽 위치로 횡단할 때 도 3a의 시스템(300)의 저면도를 도시한다. 도 3b는 스트로크의 시작에서 요크(318), 미러(306) 및 초점 광학(308)을 완전히 오른쪽으로 위치시키는 시스템(300)을 도시한다. 도 3c는 스트로크 중간에 위치에 요크(318), 미러(306) 및 초점 광학(308)을 갖는 시스템(300)을 도시한다. 도 3d는 스트로크의 끝에서 완전히 왼쪽 위치에 요크(318), 미러(306) 및 초점 광학(308)을 갖는 시스템(300)을 도시한다. 비 원형 기어(non-circular gear)(312 및 314)에 의해, 모터(310)와 편심 핀(316) 사이의 기어비는 일정하지 않으며 회전 위치에 따라 변한다. 타원형 이열 기어(elliptical bilobe gear)의 경우, 기어비는 다일 회전에서 약 K와 약 1/K 사이에서 두 번 변한다. K는 피치 타원의 최대 반경을 피치 타원의 최소 반경으로 나눈 비율이다. 비 원형 기어를 사용하여 스카치 요크를 구동하는 메커니즘은 회전 이동을 일정하거나 거의 일정한 선형 속도(linear speed)를 갖는 왕복 이동으로 변환하는 기술 중 하나다. 예를 들어, 일부 실시예에 따르면 약 +/- 25 %의 공차로 약 1000 mm/s의 일정한 선형 속도로 EMR 빔을 스캔하고 가속 및 감속 시간을 최소화하는 것이 바람직하다.
도 4a 내지 4c는 약 1.7의 K 값을 갖는 타원형 이열 기어를 포함하는 제1 예시적인 왕복 메커니즘(first exemplary reciprocating mechanism)의 모션 프로파일(motion profile)을 설명하는 그래프를 도시하고; 약 14mm의 스트로크 길이 및 약 7mm의 편심 반경(eccentric radius)을 갖는 스카치 요크 메커니즘(Scotch yoke mechanism); 및 입력 샤프트는 약 2089 RPM의 일정 속도로 구동된다.
도 4a는 제1 예시적인 왕복 메커니즘의 입력 샤프트의 1/2 회전에 대응하는 제1 예시적인 왕복 이동의 속도 프로파일(velocity profile)(402)의 그래프(400)를 도시한다. 그래프(400)는 수직 축(vertical axis)(404)을 따라 플롯 된 초당 밀리미터 단위의 슬라이더(예를 들어, 초점 광학)의 순간 선형 속도 및 수평 축(horizontal axis)(406)을 따라 플롯 된 라디안 단위의 입력 샤프트 각도(예를 들어, 모터 샤프트 각도)를 갖는다. 하한 임계 속도(lower threshold speed)(408)는 1000 mm/s의 원하는 일정한 선형 속도(예를 들어, 750 mm/s)보다 약 25 % 낮다. 상한 임계 속도(upper threshold speed)(410)는 1000 mm/s의 원하는 선형 속도(예를 들어, 1250mm/s)보다 약 25 % 더 높다. 속도 프로파일(402)은 입력 샤프트 각도(406)의 약 88 % 동안 하한 임계 속도(408)와 상한 임계 속도(410) 사이의 순간 속도(instantaneous speed)(404)를 갖는다(예를 들어, 일정 속도(constant speed)를 갖는다).
도 4b는 제1 예시적인 왕복 메커니즘의 입력 샤프트(예를 들어, 슬라이더의 하나의 스트로크)의 1/2 회전에 대응하는 제1 예시적인 왕복 이동의 속도 프로파일(422)의 그래프(420)를 도시한다. 그래프(420)는 수직 축(424)을 따라 플롯 된 초당 밀리미터 단위의 슬라이더(예를 들어, 초점 광학)의 순간 선형 속도 및 수평 축(426)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 슬라이더 위치(예를 들어, 객관적인 위치)를 갖는다. 하한 임계 속도(408)는 1000 mm/s의 원하는 일정한 선형 속도(예를 들어, 750 mm/s)보다 약 25 % 낮다. 상한 임계 속도(430)는 원하는 선형 속도 1000 mm/s(예를 들어, 1250 mm/s) 보다 약 25 % 더 높다. 속도 프로파일(422)은 스트로크의 약 13.3 mm 또는 약 95 % 동안 하한 임계 속도(408)와 상한 임계 속도(410) 사이의 순간 속도(instantaneous speed)(424)를 갖는다(예를 들어, 일정한 선형 속도를 가짐). 일부 실시예에 따르면, 스캔 빔은 속도 프로파일(422)이 하한 임계 값(428)과 상한 임계 값(430) 사이의 순간 선형 속도(예를 들어, 약 -7.5mm와 약 + 7.5mm 사이의 위치 범위)를 갖는 경우에만 발사하도록 게이트 된다.
도 4c는 약 20KHz의 반복 속도로 펄스 되는 EMR 빔을 스캐닝 하는 제1 예시적인 왕복 메커니즘의 입력 샤프트(예를 들어, 슬라이더의 하나의 스트로크)의 1/2 회전에 대응하는 제1 예시적인 왕복 이동의 레이저 펄스 피치 프로파일(442)의 그래프(440)를 도시한다. 그래프(440)는 수직 축(444)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 순차적인 레이저 펄스와 수평 축(446)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 슬라이더 위치(예를 들어, 대물렌즈 위치) 사이의 순간 피치(instantaneous pitch)를 갖는다.
일부 실시예에 따르면, 보다 일정한 선형 속도로 EMR 빔을 스캔하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따르면, 약 +/- 1 %의 공차를 갖는 1000 mm/s의 일정한 선형 속도가 요구된다. 도 5a 내지 도 5c는 약 1.3의 K 값을 갖는 타원형 이열 기어를 포함하는 제2 예시적인 왕복 메커니즘의 모션 프로파일을 설명하는 그래프를 도시하고; 약 14 mm의 스트로크 길이 및 약 7 mm의 편심 반경을 갖는 스카치 요크 메커니즘; 그리고 입력 샤프트는 약 1759 RPM의 일정 속도로 구동된다.
도 5a는 제2 예시적인 왕복 메커니즘의 입력 샤프트의 1/2 회전에 대응하는 제2 예시적인 왕복 이동의 속도 프로파일(502)의 그래프(500)를 도시한다. 그래프(500)는 수직 축(504)을 따라 도시된 슬라이더(예를 들어, 초점 광학)의 순간 선형 속도를 수직 축(504)을 따라 도시하고 수평 축(506)을 따라 도시된 라디안으로 입력 샤프트 각도(예를 들어, 모터 샤프트 각도)를 갖는다. 하한 임계 속도(508)는 원하는 일정한 선형 속도 1000mm/s(예를 들어, 990mm/s)보다 약 1 % 낮다. 상한 임계 속도(510)는 1000mm/s의 원하는 선형 속도(예를 들어, 1010mm/s)보다 약 1 % 더 높다. 속도 프로파일(502)은 입력 샤프트 각도(506)의 약 49 %에 대해 하한 임계 속도(508)와 상한 임계 속도(510) 사이의 순간 속도(504)를 갖는다(예를 들어, 일정 속도를 갖는다).
도 5b는 제2 예시적인 왕복 메커니즘의 입력 샤프트(예를 들어, 슬라이더의 한 스트로크스)의 1/2 회전에 대응하는 제2 예시적인 왕복 이동의 속도 프로파일(522)의 그래프(520)를 도시한다. 그래프(520)는 수직 축(524)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 초당 슬라이더(예를 들어, 초점 광학)의 순간 선형 속도 및 수평 축(526)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 슬라이더 위치(예를 들어, 대물렌즈 위치)를 갖는다. 하한 임계 속도(508)는 원하는 일정한 선형 속도 1000mm/s(예를 들어, 990mm/s)보다 약 1 % 낮다. 상한 임계 속도(530)는 원하는 선형 속도 1000mm/s(즉, 1010mm/s)보다 약 1 % 더 크다. 속도 프로파일(522)은 스트로크의 약 8.4mm 또는 약 60 % 동안 하부 임계 속도(508)와 상부 임계 속도(510) 사이의 순간 속도(524)(예를 들어, 일정 속도)를 갖는다. 일부 실시예에 따르면, 스캔 빔은 속도 프로파일(522)이 하한 임계 값(528)과 상한 임계 값(530) 사이에 있는 순간 선형 속도(예를 들어, 약 -4mm와 약 + 4mm 사이의 위치 범위)를 갖는 경우에만 발사하도록 게이트 된다.
도 5c는 20KHz의 반복 속도로 펄스 되는 EMR 빔을 스캐닝 하는 제2 예시적인 왕복 메커니즘의 입력 샤프트(예를 들어, 슬라이더의 하나의 스트로크)의 1/2 회전에 대응하는 제2 예시적인 왕복 이동의 레이저 펄스 피치 프로파일(542)의 그래프(540)를 도시한다. 그래프(540)는 수직 축(544)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 순차적 레이저 펄스(밀리미터) 사이의 순간 피치 및 수평 축(546)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 슬라이더 위치(예를 들어, 객관적인 위치)를 갖는다.
일부 실시예에 따르면, 스캐닝은 전술한 바와 같이 제1 축에서 왕복 스캐닝 및 일반적으로 제1 축에 수직인 제2 축에서 일정 선형 이동을 통하여 두 축에서 이루어진다. 도 6a 및 도 6b는이 방법에 따른 스캔 경로를 도시한다. 도 6a는 2 차원(2D) 스캔 경로(scan path)(602)의 그래프(600)를 도시한다. 그래프는 수직 축(604)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 느린 축을 따른 위치 및 수평 축(606)을 따라 플롯 된 밀리미터 단위의 빠른 축을 따른 위치를 갖는다. 스캔 경로(602)는 빠른 축(606)에서의 이동을 포함하며, 이는 K 값 1.7을 갖는 타원형 이열 기어를 포함하는 예시적인 왕복 메커니즘에 의해 제공되고; 약 14mm의 스트로크 길이 및 약 7mm의 편심 반경을 갖는 스카치 요크 메커니즘; 및 입력 샤프트는 약 2300 RPM의 일정 속도로 구동된다. 스캔 경로는 느린 축(604)에서의 이동을 추가로 포함하며, 이는 약 10mm/s의 일정 속도로 이동하는 스테이지에 의해 제공된다. 스캔 경로(602)는 지그재그 패턴을 갖는다. 예시적인 스캐닝 시스템은 위의 파라미터들 및 약 20KHz의 반복 속도로 동작하는 레이저로 구축되고 테스트되었다.
도 6b는 추가의 예시적인 스캐너 시스템으로 위에 기재된 스캔 경로 및 파라미터에 따라 2 차원으로 스캔된 아크릴 블록의 현미경 이미지(microscope image)(618)(배율 10X)를 도시한다. 일련의 레이저 마크(laser mark)(619)는 개별 레이저 펄스에 대응하는 개별 마크로 스캔 경로를 추적한다. 수직 리더(vertical leader)(620)는 예시적인 왕복 메커니즘의 3 개의 전체 회전(예를 들어, 6 스트로크) 사이의 느린 축 거리를 도시한다. 느린 축 거리는 약 0.78mm로 추정된다. 수평 리더(horizontal leader)(624)는 수직 리더와 동일한 거리를 가지며 수직 리더에 수직으로 배치된다. 수평 리더(624)의 거리에 걸쳐 약 13 내지 약 20 개의 펄스가 발생한다. 따라서, 빠른 축을 따른 순차적인 레이저 펄스 사이의 평균 피치는 약 0.04mm 내지 약 0.06mm의 범위 인 것으로 추정될 수 있다. 이것은 약 800mm/s 내지 약 1200mm/s의 추정된 빠른 축 스캔 속도에 해당한다.
이제 도 6c를 참조하면, 예시적인 왕복 메커니즘(reciprocating mechanism)의 성능이 그래프(640)를 참조하여 추가로 설명된다. 왕복 이동(reciprocating movement)(642)은 자기 스트립 및 선형 인코더를 통해 측정되었다(상기 참조). 예시적인 왕복 메커니즘은 느린 속도(예를 들어, 약 2Hz)에서 일정한 회전 이동에 의해 구동되었다. 그래프(640)는 수직 축(644)을 따라 왕복 이동의 위치를 밀리미터로 표시한다. 그리고, 시간(초)은 수평 축(646)을 따라 표시된다. 왕복 이동(642)은 그래프(640)에서 선형인 것으로 볼 수 있다(예를 들어, 왕복 이동은 일정한 스캔 속도를 갖는다).
일부 실시예들에 따르면, 비-지그재그 패턴으로 2 차원의 EMR 빔을 스캔하는 것이 유리하다. 예를 들어, 일부 실시예들에 따르면, 래스터 스캔 또는 의사 래스터 스캔 패턴이 바람직하다. 2 차원(2D) 스캐너(700)의 예가 도 7a-7f에 도시되어 있다. 도 7a를 참조하면, 전자기 방사(EMR) 빔(702)은 y 축을 따라 오른쪽으로부터 스캐너(700)로 향하고 광학 시스템을 통해 방향이 재지향 된다. EMR 빔(702)은 x 축을 따라 제1 반사기(704)에 의해 왼쪽으로 약 90 ° 반사되고, 이어서 제2 반사기(706)에 의해 z 축을 따라 90 ° 아래로 반사된다. 마지막으로, 빔은 빔을 초점을 맞추는 대물렌즈(708)에 입사된다. 스캐너(700)는 전술한 것과 같은 왕복 메커니즘(710)을 포함한다. 왕복 메커니즘(710)은 제1 이열 타원형 기어(first bilobe elliptical gear)(710A), 제2 이열 타원형 기어(second bilobe elliptical gear)(710B), 선형 레일(710C) 및 캐리지(carriage)(710D)를 포함한다. 왕복 메커니즘(710)는 회전 이동을 x 축을 따른 왕복 이동으로 변환하도록 구성된다. 회전 이동은 모터(720)에 의해 제공되며, 이는 구동 트레인을 통해 왕복 메커니즘(710)과 동작 가능하게 결합된다. 구동 트레인은 제1 기어(722), 제2 기어(724), 볼 스플라인 구동축(ball spline driveshaft)(726), 제3 기어(728) 및 제4 기어(730)를 포함한다. 제1 기어(722) 및 제2 기어(724)는 물론 제3 기어(728) 및 제4 기어(730)는 대략 1 : 1의 기어비를 갖는다. 따라서, 모터(720)에서의 회전 이동의 회전 속도는 구동 트레인의 기어링에 의해 실질적으로 변하지 않는다.
이제 도 7b 내지 7c를 참조하면, 간헐적 메커니즘(740)은 왕복 메커니즘(710) 및 모터(720)와 기계적으로 통신하는 것으로 도시되어 있다. 제5 기어(732)는 제2 기어(724)와 맞물린다. 제2 기어(724)와 제5 기어(732) 사이의 기어 비는 약 1 : 2 이다. 따라서, 제5 기어(732)의 회전 속도는 제2 기어(724)의 회전 속도와 궁극적으로 모터(720)의 2 배이다. 간헐적 메커니즘은 편심 핀(740B)을 갖는 크랭크(crank)(740A)를 포함한다. 크랭크(740A)는 제5 기어(732)와 결합되어 제5 기어(762)와 동일한 속도로 회전한다. 간헐적 이동은 제네바 휠(Geneva wheel)(740C)에 의해 제공되며, 크랭크(740A)의 모든 회전마다 간헐적으로 이동된다. 제네바 휠(740C)은 편심 핀(740B)이 주기적으로 타고 제네바 휠(740C)을 회전시키는 8 개의 슬롯으로 도시되어 있다. 제네바 휠에는 8 개의 슬롯이 있으므로 크랭크(740A)가 회전할 때마다 약 1/8 회전한다. 크랭크 회전의 나머지 7/8 동안, 제네바 휠이 정지한다(즉, 회전하지 않는다). 크랭크(740A)의 반달 프로파일(half-moon profile)에 의해 고정된다. 마지막으로, 제네바 휠(740C)의 간헐적 회전 이동은 리드 스크류(742)와 리드 스크류 너트 조립체(750)의 조합을 통해 간헐적 선형 이동으로 전달된다. 리드 스크류 너트 조립체(750)는 간헐적 선형 이동을 왕복 메커니즘(710) 및 대물렌즈(708)에 도입하여 EMR 빔 초점(752)가 일반적으로 y 축을 따라 이동하게 한다.
도 7d는 왕복 메커니즘(710) 또는 광학 시스템이 없는 스캐너(700)의 구동 트레인을 도시한다. 도 7d에서, 리드 스크류 스레드(lead screw thread)(756)가 도시되어 있다. 리드 스크류 스레드(756)는 일반적으로 다이아몬드 스레드로 알려진 자기 역전 스레드이다. 이들 스레드는 리드 스크류(742)의 회전 방향을 변화시키지 않으면서 너트가 리드 스크류 축(lead screw axis)(757)을 따라 방향을 반전시킬 수 있게 한다.
이제 도 7e 내지 도 7f를 참조하면, 리드 스크류 너트 조립체(lead screw nut assembly)(750)가 왕복 메커니즘(710) 및 광학 시스템의 일부에 부착된 것으로 도시되어 있다. 리드 스크류 너트 조립체(750)는 미국 특허 제3,779,094 호에 기술된 다이아몬드 스레드 스크류 용 리버싱 너트(Reversing Nut for a Diamond Thread Screw)와 유사하며, 여기에 참조로 포함된다. 너트 조립체(750)는 정적 롤러(static roller)(750A), 제1 슬라이딩 롤러(first sliding roller)(750B) 및 제2 슬라이딩 롤러(second sliding roller)(750C)를 포함한다. 제1 슬라이딩 롤러(750B)는 리드 스크류 축에 평행하게 연장되는 제1 레일(750D)을 따라 슬라이드 한다. 제2 슬라이딩 롤러(750C)는 또한 리드 스크류 축(757)에 평행하게 연장되는 제2 레일(750E)을 따라 슬라이드 한다. 각각의 슬라이딩 롤러(750B, 750C)의 슬라이딩 이동은 앞/뒤 정지에 의해 제한된다. 도 7e를 참조하면, 너트 조립체가 스레드(thread)(756)상에서 전진함에 따라 제1 앞 정지(first fore stop)(750F)은 제1 슬라이딩 롤러(750B)의 슬라이딩을 정지시킨다. 마찬가지로, 너트 조립체(750)가 스레드(756)상에서 뒤로 이동함에 따라 제1 뒷 정지(first aft stop)(750G)는 제1 슬라이딩 롤러(750B)의 슬라이딩을 정지시킨다.
예시적인 2D 스캐너(700)의 성능이 도 8에 모델링 되고 디스플레이 된다. 예시적인 2D 스캐너는 모터, 왕복 메커니즘, 스카치 요크 메커니즘 및 간헐적 메커니즘을 포함한다. 모터는 약 2089 RPM의 일정 속도로 구동된다. 왕복 메커니즘은 약 1.7의 K 값을 갖는 타원형 이열 기어를 포함한다. 스카치 요크 메커니즘은 약 14mm의 스트로크 길이와 약 7mm의 편심 반경 및 약 1 : 1의 모터와 왕복 메커니즘 사이의 기어비를 갖는다. 간헐적 메커니즘은 약 5mm의 크랭크 반경, 약 8 슬롯, 및 구동하는 및 구동되는 요소 사이의 약 13.07 mm의 분리를 갖는 제네바 휠, 및 1 mm/rev의 리드 스크류 피치 및 모터와 간헐적 메커니즘 사이의 1:2의 기어비를 포함한다. 예시적인 2D 스캐너의 파라미터는 하기 표 1에 요약되어 있다.
예시적인 2D 스캐너 파라미터 값
예시적인 2D 스캐너 파라미터 값
모터 속도(RPM) 2089
K 값, 이열 기어(-) 1.7
스카치 요크 크랭크 반경(mm) 7
스카치 요크 스트로크 길이(mm) 7
모터 대 왕복 메커니즘 기어비(Motor : Rec. Mech.) 1 : 1
제네바 휠 크랭크 반경(mm) 5
제네바 휠 샤프트 공간(mm) 13.07
제네바 휠 슬롯(-) 8
모터 대 간헐적 메커니즘 기어비(Motor : Int. Mech.) 1 : 2
리드 스크류 피치(mm/rev) 1
도 8에 도시된 바와 같이, 그래프(800)는 스캔 경로(802)를 2 차원으로 플롯 한다. 간헐적 이동 축을 따른 스캔 위치는 수직 축(804)을 따라 밀리미터로 표시된다. 왕복 축을 따른 스캔 위치는 수평 축(806)을 따라 밀리미터로 표시된다. 스캔 경로(802)는 래스터 또는 의사 래스터 패턴이다. 간헐적 메커니즘 및 왕복 메커니즘은 간헐적 이동(808A-808C)이 실질적으로 스트로크의 끝/시작에 도입되도록 시간이 정해진다. 왕복 메커니즘이 완전히 회전하면 두 번의 스트로크가 발생한다. 그리고 간헐적 메커니즘의 단일 회전은 단 하나의 간헐적 이동을 초래한다. 따라서, 왕복 메커니즘과 간헐적 메커니즘 사이의 기계적 연통은 왕복 메커니즘의 단일 회전(예를 들어, 약 1 : 2의 기어비)에 대응하는 간헐적 메커니즘에 대한 2 개의 회전을 초래한다. 어떤 경우에, 간헐적 이동(808A-C) 동안 전자기 방사(EMR) 빔 발사를 갖는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 이 경우, EMR 빔은 스캔 경로(802) 이동이 바람직할 때 윈도우(810) 동안 발사되도록 게이트 될 수 있다. 수직 피치(812)는 대략 0.13mm이다. 상기 도 4b를 참조하면, 동일한 파라미터를 갖는 예시적인 왕복 메커니즘은 약 -5mm 내지 약 + 5mm 범위의 축 방향 위치(예를 들어, 윈도우(810) 내)에 대해 대략 1000mm/s의 평균 스캔 속도를 갖는 것으로 도시되어 있다. 따라서, 수직 피치와 대략 동일한 수평 피치를 갖기 위해, EMR 빔은 약 7.7KHz의 보충 율로 펄싱 될 필요가 있을 것이다. 일부 실시예들에 따르면, 경로의 끝에 도달한 후 2D 스캔 경로가 반대 방향으로 이어지는 것이 유리하다.
전술한 바와 같이, 자체 반전 리드 스크류(756) 및 너트(750)는 단일 방향의 회전 모션이 두 방향으로 선형 모션을 생성하게 한다. 일부 실시예에 따르면, 자체 역전 리드 스크류(756)는 일단 스캔 경로가 리드 스크류 스캔 축을 따라 극단에 도달하면(예를 들어, 경로 완료) 2D 스캔 경로 방향을 반전시킨다. 일부 실시예에 따르면, 리드 스크류 축을 따른 방향의 변화가 감지되고 제어기에 입력으로 제공된다. 일부 실시예에 따르면, 리드 스크류 너트(750)는 하나 이상의 슬라이딩 스레드 결합 요소(750B 및 750C)를 포함한다. 이들 슬라이딩 스레드 맞물림 요소(sliding thread engaging element)(750B 및 750C)는 정적 스레드 맞물림 요소(static thread engaging element)(750A)가 전방 및 후방 회전 스레드의 교차점에 있을 때 스레드가 맞물린 상태로 유지되도록 한다(따라서 결합되지 않음). 너트 조립체(750)가 반전 방향(예를 들어, 극단) 인 경우, 하나 이상의 슬라이딩 스레드 맞물림 요소(750B 및 750C)는 리드 스크류 축에 평행 한 축을 따라 슬라이드 한다. 일부 실시예에 따르면, 검출기(detector)(예를 들어, 마이크로 스위치, 선형 인코더 등)는 하나 이상의 슬라이딩 스레드 맞물림 요소(750B 및 750C)의 슬라이딩, 및 또한 리드 스크류 축을 따른 스캔 경로 반전 방향을 검출하는데 사용된다. 일부 실시예들에 따르면, 상이한 깊이에서 빔 초점을 갖는 2 차원 영역에 걸쳐 스캔하는 것이 유리하다(예를 들어, 3 차원으로 스캔).
도 9를 참조하면, 3 차원(3 축)을 따라 3 개의 스캔 경로를 갖는 3 차원(3D) 스캔 경로(900)가 도시되어 있다: 최저 깊이에서의 제1 스캔 경로(first scan pass)(902), 중간 깊이에서의 제2 스캔 경로(second scan path)(904), 및 최상위 깊이에서 제3 스캔 경로(third scan pass)(906). 스캔 경로(900)는 최저 깊이에서 시작점(908)에서 시작하여 제1 경로(902)를 스캔한다. 제1 경로(902)의 끝에서, 스캔 경로(900)는(z 축을 따라)(910) 위로 이동하고(y 축을 따라) 방향을 반대로 하여 제2 경로(904)를 시작한다. 제2 경로(904)의 끝에서, 스캔 경로(900)는(z 축을 따라) 다시 위로 이동하고(y 축을 따라) 방향을 다시 반대로 하여, 제3 경로(906)를 시작한다. 마지막으로, 스캔 경로(900)는 제3 경로(906)가 완료되면 종료점(914)에 도달한다. 일부 실시예에 따르면, z 축을 따른 이동은 광학 축을 따른 초점의 이동이다. 초점은 전자기 방사(EMR) 빔의 파면을 형성하는 초점 광학에 의해 형성된다. 일부 버전에서, 광학 축을 따라 초점 이동은 광학 축을 따라(예를 들어, 위아래로) 초점 광학을 이동시킴으로써 달성된다. 또는 일부 버전에 따르면, 광학 축을 따라 초점의 이동은 EMR 빔의 발산을 변화시킴으로써 달성된다. 예를 들어, 초점 맞는 빔의 발산을 증가시킴으로써 초점 광학과 초점 사이의 거리가 증가된다.
색소 침착 장애 치료(Treatment of disorders of pigmentation)
도 10은 치료 시스템(treatment system)(1010)의 하나의 예시적인 실시예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 치료 시스템(1010)은 플랫폼(1012), 이미터(emitter)(1014) 및 제어기(1016)를 포함한다. 플랫폼(1012)은 하나 이상의 조작기 또는 아암(1020)을 포함할 수 있다. 아암(1020)은 목표(1024)의 표적 조직(1022)에 대한 다양한 치료를 수행하기 위해 이미터(emitter)(1014)에 결합될 수 있다. 플랫폼(1012) 및 이미터(1014)의 동작은 사용자에 의해, 수동으로 또는 제어기(1016)를 사용하여(예를 들어, 사용자 인터페이스를 통해) 지시될 수 있다. 특정 실시예에서(도시되지 않음), 이미터는 핸드헬드 폼 팩터를 가질 수 있고 플랫폼(platform)(1012)은 생략될 수 있다. 다른 실시예에서, 플랫폼은 로봇 플랫폼 일 수 있고, 아암은 이미터의 조작을 위해 제어기에 통신 가능하게 연결될 수 있다.
이미터(1014)와 제어기(controller)(1016)(및 선택적으로 플랫폼(1012))는 통신 링크(1026)를 통해 서로 통신할 수 있고, 이는 임의의 적절한 통신 프로토콜에 따라 임의의 적합한 유형의 신호(예를 들어, 전기, 광학, 적외선 등)를 전달하는 임의의 적합한 유형의 유선 및/또는 무선 통신 링크 일 수 있다.
제어기(1016)의 실시예는 이미터(1014)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 일 측면에서, 제어기(1016)는 EMR(1030)의 이동을 제어할 수 있다. 아래에서 상세히 논의되는 바와 같이, 이미터(1014)는 EMR(1030)의 방출을 위한 소스(1032) 및 EMR(1030)의 조작을 위한 스캐닝 시스템(1034)을 포함할 수 있다. 예로서, 스캐닝 시스템(1034)은 EMR(1030)을 초점 영역에 초점을 맞추고 이 초점 영역을 공간에서 병진 및/또는 회전시키도록 구성될 수 있다. 제어기(1016)는 통신 링크(communications link)(1026)를 통해 소스(1032)에 파장, 전력, 반복 속도, 펄스 지속 시간, 펄스 에너지, 초점 특성(예를 들어, 초점 볼륨(focal volume), 롤리 길이 등)와 같은 하나 이상의 선택된 특성을 갖는 EMR(1030)을 방출하도록 명령하기 위해 신호를 소스(source)(1032)에 전송할 수 있다. 다른 측면에서, 제어기(1016)는 통신 링크(1026)를 통해 스캐닝 시스템(1034)이 하나 이상의 병진 및/또는 회전 동작에서 표적 조직(target tissue)(1022)에 대해 EMR(1030)의 초점 영역을 이동시키도록 명령하기 위해 스캐닝 시스템(1034)에 신호를 전송할 수 있다.
다음의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본원에 기술된 시스템의 하나의 유리한 측면은 제어기(1016) 및/또는 스캐닝 시스템(1034)에 의한 치료의 제어가 실질적으로 원 또는 오버랩 원의 형태로 치료 패턴을 가능하게 한다는 것이다. 따라서, 시스템의 특징은 단순히 선형 도트 패턴을 디포짓 하기 보다는 동심원 형태의 스캐닝 패턴을 이용하는 것이다.
치료 시스템(1010) 및 방법의 실시예는 피부층과 같은 피부 조직 내의 표적과 관련하여 본 명세서에서 논의된다. 그러나, 개시된 실시예는 제한없이 대상의 임의의 위치에서 임의의 조직의 치료를 위해 사용될 수 있다. 비 피부 조직의 예는 점막 조직(mucosal tissue), 생식기 조직(genital tissue), 내부 장기 조직 및 위장관 조직의 표면 및 하위 표면 영역을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
도 11은 피부 조직에서 피부층(dermal laye)의 색소 침착 영역으로 초점 맞춰진 레이저 빔의 예시의 개략도이다. 피부 조직은 피부 표면(skin surface)(1100) 및 상부 표피층(upper epidermal layer)(1110), 또는, 예를 들어 얼굴 영역에서 약 60 내지 120㎛ 두께 일 수 있는 표피(epidermis)를 포함한다. 진피(dermis)는 신체의 다른 부분에서 약간 두꺼울 수 있다. 예를 들어 일반적으로, 표피(epidermis)의 두께는 약 30㎛(예를 들어, 눈꺼풀) 내지 약 1500㎛(예를 들어, 손바닥 또는 발바닥) 일 수 있다. 이러한 표피는 피부의 특정 조건, 예를 들어 건선에서 상기 예보다 더 얇거나 두꺼울 수 있다. 하부 피부층(underlying dermal layer)(1120), 또는 진피는 표피(1110) 아래에서 더 깊은 피하 지방층(도시되지 않음)으로 연장된다. 깊거나 진한 기미을 나타내는 피부는 과도한 양의 멜라닌을 함유하는 색소 침착 세포 또는 영역(1130)의 집단을 포함할 수 있다. 전자기 방사(EMR)(1150)(예를 들어, 레이저 빔)는 진피(1120), 또는 표피(1110) 내에 위치될 수 있는 하나 이상의 초점 영역(1160)으로 초점 맞을 수 있다. EMR(1150)은 멜라닌에 의해 흡수될 수 있는 하나 이상의 적절한 파장으로 제공될 수 있다. EMR 파장(들)은 후술되는 하나 이상의 기준에 기초하여 선택될 수 있다.
치료 방사의 특성(Properties of treatment radiation)
색소 침착 증상 및 비 색소 침착 증상과 같은 특정 피부 증상의 치료를 위한 바람직한 파장의 결정은 예를 들어 피부에 존재다양한 경쟁 발색단(chromophore)(예를 들어 발색단, 헤모글로빈, 문신 잉크 등)의 파장 의존 흡수 계수에 의존할 수 있다. 도 12a는 멜라닌에 대한 예시적인 흡광도 스펙트럼 그래프이다. 멜라닌(melanin)에 의한 EMR의 흡수는 약 350nm의 파장에서 피크 값에 도달한 다음, 파장이 증가함에 따라 감소한다. 멜라닌에 의한 EMR의 흡수는 침착 영역(pigmented region)(1130)의 가열 및/또는 파괴를 촉진하지만, 매우 높은 멜라닌 흡광도는 표피(1110)의 침착(pigment)에 의한 높은 흡수 및 진피(1120) 또는 표피(1110) 내로의 EMR의 침투를 감소시킬 수 있다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 약 500 nm 미만의 EMR 파장에서 멜라닌 흡수는 비교적 높으며, 약 500 nm 미만의 파장은 진피(1120) 내로 침투하여 그 안에 침착 영역(pigmented region)(1130)을 가열 충분히 및 손상시키거나 방해하기에 적합하지 않을 수 있다. 더 작은 파장에서의 이러한 향상된 흡수는 표피(1110) 및 진피(1120)의 상부(표면) 부분 또는 표피(1110)에 원치 않는 손상을 초래할 수 있으며, 상대적으로 적은 흡수되지 않은 EMR은 조직을 통하여 진피(1120)의 더 깊은 부분으로 통과한다.
도 12b는 산소화 또는 탈산소화 헤모글로빈에 대한 예시적인 흡광도 스펙트럼 그래프이다. 헤모글로빈은 피부 조직의 혈관에 존재하며 산소화(HbO2) 또는 탈산소화(Hb) 될 수 있다. 헤모글로빈의 각 형태는 약간 다른 EMR 흡수 특성을 나타낼 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, Hb 및 HbO2 둘 다에 대한 예시적인 흡수 스펙트럼은 약 600 nm 미만의 EMR 파장에서 Hb 및 HbO2 둘 다에 대한 높은 흡수 계수를 나타내며, 더 높은 파장에서 흡광도가 상당히 감소된다. 헤모글로빈(Hb 및/또는 HbO2)에 의해 피부 조직으로 향하는 EMR의 강한 흡수는 헤모글로빈 함유 혈관의 가열을 초래하여, 이들 혈관 구조에 원치 않는 손상을 초래하고 멜라닌에 의해 흡수될 수 있는 EMR이 적어질 수 있다.
EMR에 대한 적절한 파장의 선택은 또한 EMR과 상호 작용하는 조직의 파장 의존 산란 프로파일에 의존할 수 있다. 도 13은 멜라닌 및 정맥혈 대 파장의 흡수 계수의 플롯을 도시한다. 도 13은 또한 피부 대 파장에서의 광의 산란 계수의 플롯을 도시한다. 멜라닌의 흡수는 파장에 따라 단조롭게 감소한다. 멜라닌이 색소 침착 증상 치료의 대상이라면, 멜라닌에서 높은 흡수를 갖는 파장이 바람직하다. 이것은 빛의 파장이 짧을수록 치료가 더 효율적임을 시사한다. 그러나, 혈액에 의한 흡수는 800 nm보다 짧은 파장에서 증가하여, 혈관의 의도하지 않은 표적화의 위험을 증가시킨다. 또한 의도한 표적이 피부 표면 아래에 위치할 수 있으므로, 피부(예를 들어, 피부층)에 의한 산란의 역할이 중요할 수 있다. 산란은 의도한 대상에 도달하는 광의 양을 줄인다. 산란 계수는 파장이 증가함에 따라 단조롭게 감소한다. 따라서, 더 짧은 파장은 멜라닌에 의한 흡수를 선호할 수 있지만, 더 긴 파장은 감소된 산란으로 인해 더 깊은 침투에 적합할 수 있다. 유사하게, 더 긴 파장은 더 긴 파장에서 혈액에 의한 흡수가 낮기 때문에 혈관을 보존하는데 더 좋다.
위의 고려 사항을 염두에 두고, 파장은 약 300 nm 내지 약 3000 nm, 보다 특히 약 800 nm 내지 약 1064 nm의 범위 일 수 있으며, 진피(dermis) 내의 특정 구조(예를 들어, 멜라닌)를 표적으로 하는데 사용될 수 있다. 특히, 약 800 nm 및 약 1064 nm의 파장이 이러한 치료에 유용할 수 있다. 800nm 파장은 이 파장의 레이저 다이오드가 저렴하고 쉽게 구할 수 있기 때문에 매력적일 수 있다. 그러나, 1064 nm는 이 파장에서 더 낮은 산란으로 인해 더 깊은 병변을 표적으로 하는 데 특히 유용할 수 있다. 1064 nm의 파장은 또한 많은 양의 표피 멜라닌이 있는 어두운 피부 타입에 더 적합할 수 있다. 이러한 개체에서, 표피에서 멜라닌에 의한 더 낮은 파장의 EMR(예를 들어, 약 800 nm)의 더 높은 흡수는 피부에 열 손상의 가능성을 증가시킨다. 따라서, 1064 nm는 일부 개인에 대한 특정 치료를 위한 치료 방사의 더 적합한 파장일 수 있다.
EMR 생성에는 다양한 레이저 소스를 사용할 수 있다. 예를 들어, 1064 nm EMR을 제공하는 레이저 소스를 포함하는 네오디뮴(Nd)이 쉽게 이용 가능하다. 이들 레이저 소스는 미리 결정된 반복 속도로 펄스 모드로 동작할 수 있다. 미리 결정된 반복의 예는 약 1Hz 내지 약 100KHz로부터 선택될 수 있다. Q-스위치 Nd 레이저 소스는 1 나노초 미만의 펄스 지속 기간을 갖는 레이저 펄스를 제공할 수 있다. 다른 Nd 레이저 소스는 1 밀리 초 초과의 펄스 지속 기간을 갖는 펄스를 제공할 수 있다. 1060nm 파장 EMR을 제공하는 예시적인 레이저 소스는 미국 코네티컷 주 이스트 그랜비의 뉴펀(Nufern of East Granby, CT, USA)의 20W NuQ 광섬유 레이저이다. 20W NuQ 광섬유 레이저는 약 20KHz 내지 약 100KHz 범위의 반복 속도에서 약 100ns의 펄스 지속 기간(pulse duration)을 갖는 펄스를 제공한다. 또 다른 레이저 소스는 프랑스 르 울리 콴텔(Quantel of Les Ulis, France)의 Nd : YAG Q-smart 850 이다. Q-스마트 850은 최대 약 850mJ의 펄스 에너지와 최대 약 10Hz의 반복 속도에서 약 6ns의 펄스 지속 기간을 갖는 펄스를 제공한다.
본 명세서에 설명된 시스템은 EMR을 고 수렴 빔으로 초점 맞추도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 약 0.3 내지 0.9(예를 들어, 약 0.5 내지 0.9)로부터 선택된 개구 수(NA)를 갖는 초점 또는 수렴 렌즈 배열을 포함할 수 있다. EMR의 상응하는 큰 수렴 각도는(피부 내에 위치될 수 있는) 렌즈의 초점 영역에서 높은 융통성 및 강도를 제공하여 초점 영역 위의 상부 조직에서 더 낮은 굴절력을 제공할 수 있다. 이러한 초점 기하 구조는 침착된 피부 영역 위의 상부 조직에서 원치 않는 가열 및 열 손상을 감소시키는 데 도움을 줄 수 있다. 예시적인 광학 배열은 EMR을 방출 배열로부터 초점 렌즈 배열로 지향시키도록 구성된 콜리메이팅 렌즈 배열을 더 포함할 수 있다.
예시적인 광학 스캐닝 시스템은 약 200 μm 미만, 예를 들어 약 100 μm 미만, 또는 약 50 μm 미만의 폭 또는 스폿 크기를 갖는 초점 영역에 EMR을 초점 맞추도록 구성될 수 있다. 약 1 μm 정도로 작다. 예를 들어, 스폿 크기는 약 1 μm 내지 약 50 μm, 약 50 μm 내지 약 100 μm, 및 약 100 μm 내지 약 200 μm의 범위를 가질 수 있다. 초점 영역의 스팟 크기는 예를 들어 공기 중에서 결정될 수 있다. 이러한 스폿 크기는 초점 영역에서 EMR의 높은 영향력 또는 강도를 제공하기에 충분히 작고(진피에서 침착 구조를 효과적으로 조사하기 위해), 적합한 치료 시간에 피부 조직의 큰 영역/볼륨의 조사를 용이하게 하기에 충분히 큰 크기로 선택될 수 있다.
예시적인 광학 장비(exemplary optical arrangement)는 또한 피부 표면 아래의 깊이, 예를 들어 약 120 μm 내지 약 1000 μm 범위, 예를 들어 약 150㎛ 내지 약 300㎛의 피부 조직 내 위치로 EMR의 초점 영역을 향하도록 구성될 수 있다. 이러한 예시적인 깊이 범위는 피부 진피 또는 다른 관심있는 표적을 나타내는 피부에서 침착 영역의 전형적인 관찰된 깊이에 해당할 수 있다. 이 초점 깊이는 피부 표면과 접촉하도록 구성된 장치의 하부 표면으로부터의 거리 및 초점 영역의 위치에 대응할 수 있다. 또한, 일부 실시예는 표피 내의 표적을 치료하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 장치는 EMR의 초점 영역을 표피 조직 내의 위치, 예를 들어 피부 표면 아래 약 5㎛ 내지 2000㎛ 범위로 지향시키도록 구성될 수 있다. 또 다른 실시예는 진피에서 표적을 치료하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 문신 예술가는 일반적으로 그의 문신 총을 보정하여 피부 표면 아래 약 1mm 내지 약 2mm의 깊이까지 피부를 관통한다. 따라서 일부 실시예에서, 광학 장치는 EMR의 초점 영역을 피부 표면 아래 약 0.4mm 내지 2mm의 진피 조직 내의 위치로 지향시키도록 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 조직 치료를 위한 광학 스캔 시스템은 높은 개구 수를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 광학 시스템이 큰 치료 영역(예를 들어, 수 제곱 센티미터)을 치료할 수 있는 것이 또한 바람직할 수 있다. 이것은 예를 들어 치료 영역에 걸쳐 초점 레이저 빔을 스캐닝 함으로써 달성될 수 있다. 그러나 높은 NA 광학 시스템을 사용하여 레이저 빔으로 치료 영역을 스캔하는 것은 어려울 수 있다. 예를 들어, 높은 NA 광학 시스템은 피부 치료에 기하학적으로 불가능할 수 있다. 기하학적으로 실행 가능한 광학 시스템은 개구 수가 적고 부피가 크며 스캔 시간이 길다. 따라서, 집중된 레이저 빔으로 큰 치료 영역에 빠르고 효율적으로 조사할 수 있는 높은 개구 수를 갖는 광학 시스템을 개발하는 것이 바람직하다. 이하, 객관적 스캐닝 시스템, 객관적 스캐닝 시스템 및 회전식 객관적 스캐닝 시스템의 다양한 실시예가 설명된다.
사전-대물렌즈 스캔 시스템(Pre-Objective Scanning System)
도 14는 대물렌즈(objective)(1410) 및 스캐닝 유닛(scanning unit)(1412)을 포함하는 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(pre-objective scanning system)(1400)의 개략도이다. 스캐닝 유닛(scanning unit)(1412)은 레이저 소스(laser source)(1402)로부터 레이저 빔(1404)을 수신하고 레이저 빔(1404)을 대물렌즈(1410)로 향하게 할 수 있다. 대물렌즈(1410)는 레이저 빔(1404)을 수용하고 조직(1416)(예를 들어, 피부)의 치료 영역에서 초점 레이저 빔(focused laser beam)(1406)을 초점 볼륨(focal volume)(1408)으로 향하게 할 수 있다. 스캐닝 시스템(1412)은 대물렌즈(1410)를 향하는 레이저 빔(1404)의 방향을 변경할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 시스템(1412)은 하나 이상의 스캔 방향을 따라 출사 레이저 빔(outgoing laser beam)의 방향을 변경할 수 있다. 대물렌즈(1410)에 영향을 주는 레이저 빔(1404)의 방향의 변화는 초점 볼륨(1408)이 조직(1412)에서 치료 경로(1414)를 추적하게 할 수 있다. 초점 볼륨(1408)은 스캔 속도로 치료 경로(1414)를 가로 지른다. 스캐닝 유닛(1412)은 레이저 빔(1404)(또는 레이저 빔(1404)의 일부)을 대물렌즈(1410)로 향할 수 있는 하나 이상의 광학 요소를 포함한다. 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(1400)은 대물렌즈(1410)와 조직(1416) 사이에 위치될 수 있는 접촉 표면(예를 들어, 아래에 도시된 바와 같이)을 포함할 수 있다. 접촉 표면은 조직(1416)의 표면에 압력을 가할 수 있고 조직(1416)의 표면으로부터 열의 소산을 허용한다.
도 15는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(1500)의 예시이다. 스캐닝 시스템(1500)은 입사 레이저 빔(incident laser beam)(1404)을 수신하고(예를 들어, 레이저 소스(1402)로부터) 입사 레이저 빔(1404)을 대물렌즈(1410)(예를 들어, f-세타 렌즈)를 향하게 할 수 있는 다각형 스캐너(polygon scanner)(1502)를 포함한다. 입사 레이저 빔(1404)의 출사 방향(예를 들어, 입사 레이저 빔(1404)이 대물렌즈(1410)에 충돌하는 입사각)은 조직(1416)(예를 들어, x-y 평면)에서 초점 볼륨(1408)의 위치를 결정할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 레이저 소스(1402)는 복수의 대응 초점 볼륨을 초래하는 복수의 레이저 펄스를 제공한다. 순차적인 레이저 펄스로 인한 두 개의 초점 볼륨 사이의 거리는 초점 볼륨 피치이다.
다각형 스캐너(1502)는 다수의 반사 표면(예를 들어, 1502a-c)을 포함할 수 있다. 다각형 스캐너(1502)는 회전 방향(1506)을 따라 다각형 축(1504)을 중심으로 회전할 수 있다. 반 사면(1502a-c)이 축(1504)을 중심으로 회전함에 따라(예를 들어, 축(1504)에 대한 반 사면(1502a-c)의 각도 위치가 변한다), y-z 평면에서 입사 레이저 빔(1404)의 입사각은 변한다. 이것은 제1 스캔 방향을 따라(예를 들어, y 축을 따라) 출사 레이저 빔(outgoing laser beam)(1404)의 방향을 변화시킨다. 예를 들어, 반 사면(예를 들어, 1502b)이 회전 방향(1506)을 따라 축(1504)을 중심으로 회전하고 있다면, 출사 레이저 빔의 방향은 더 높은 y 값에서 더 낮은 y 값으로 스위핑 된다.
축(1504)은 z 축 및/또는 x 축을 중심으로 틸트/회전할 수 있다. 이것은 x-z 평면에서 입사 레이저 빔(1404)의 입사각이 변하게 할 수 있고, 이는 제2 스캔 방향을 따라(예를 들어, x 축을 따라) 출사 레이저 빔(1404)의 방향을 변화시킨다. 다각형 스캐너(1502)의 회전 및 다각형 축(polygon axis)(1504)의 회전/틸팅(rotation/tilting)은 x-y 평면에서 출사 레이저 빔(1404)의 스캐닝을 야기할 수 있는 출사 빔(1404)의 방향의 변화를 허용할 수 있다.
출사 레이저 빔(1404)의 방향의 변화에 기초하여, 대물렌즈(1410)는 조직(1416)에서 하나 이상의 치료 경로를 따라 초점 볼륨(1408)을 추적할 수 있다. 예를 들어, 다각형(1502)의 회전으로 인한 출사 빔의 방향의 변화는 초점 볼륨(1408)이 y 축을 따라 이동하게 할 수 있다. 다각형 축(1504)의 기울기로 인한 출사 빔의 방향의 변화는 초점 볼륨(1408)이 x 축을 따라 이동하게 할 수 있다. 일 구현에서, 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(pre-objective scanning system)(1500)은 조직(1416)에 대해 x 축을 따라 이동될 수 있다. 이는 x 축을 따른 초점 볼륨(1408) 위치의 추적을 초래할 수 있다.
초점 볼륨(1408)은 또한 제3 치료 경로를 따라, 즉 z 축을 따라 이동될 수 있다. 이것은 z 축을 따라(예를 들어, 조직(1416)으로부터 멀어지거나 또는 향하거나)(1410) 대물렌즈(1410)를 변화시킴으로써 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 렌즈(1540)는 입사 또는 출사 레이저 빔(1404)의 빔 경로에 배치될 수 있다. 빔 전파 방향(beam propagation direction)(1542)을 따라 렌즈(lens)(1540)의 위치를 변화시킴으로써(광학 축이라고도 함), 위치 초점 볼륨(location focal volume)(1408)는 z 축을 따라 추적될 수 있다(예를 들어, 조직의 깊이(1416)).
도 16은 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(1500)을 위한 빔 폴딩 평면(beam folding plane)(1600)을 도시한다. 스캐닝 시스템(1500)은 빔 폴딩 평면(1600) 주위에서 스캐닝 시스템(1500)을 폴딩 함으로써(예를 들어, z 축을 따라 스캐닝 시스템(1500)의 범위를 감소시킴으로써) 소형화 될 수 있다. 이것은 예를 들어 빔 폴딩 평면에 미러(예를 들어, 평면 미러)을 배치하고 미러를 x-y 평면에 평행하게 배향시킴으로써 달성될 수 있다.
도 17은 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(1500)에서 대물렌즈로서 사용될 수 있는 예시적인 f-세타 렌즈(f-theta lens)(1700)를 도시한다. 입사 레이저 빔(1404)은 출사 레이저 빔(1404)을 f-세타 렌즈(1700)로 보낼 수 있는 반사 표면(reflecting surface)(1702)(예를 들어, 다각형 스캐너(1502)의 반사 표면(1501b))에 충돌할 수 있다. 반 사 평면(1702)의 배향은 출사 레이저 빔(1404)이 f-세타 렌즈에 충돌하는 입사각(예를 들어, y-z 평면에서의 입사각)을 결정할 수 있다. 입사각은 초점 볼륨(1408)의 위치를 결정할 수 있다(예를 들어, y 축을 따라).
도 18은 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(1800)의 예시이다. 스캐닝 시스템(1800)은 입사 레이저 빔(1404)을 수신하고(예를 들어, 광섬유(1820)를 통해) 레이저 빔(1404)을 대물렌즈(1410)(예를 들어, f-세타 렌즈)를 향하게 할 수 있는 미러 시스템(mirror system)(1802)을 포함한다. 출사 빔(1404c)의 방향은 조직(1416)에서(예를 들어, x-y 평면에서) 초점 볼륨(1408)의 위치를 결정할 수 있다.
미러 시스템(1804)은 2 개의 스캐닝 미러를 포함할 수 있다. 제1 스캐닝 미러(first scanning mirror)(1806)는 제1 축(1822)을 중심으로 회전할 수 있고(예를 들어, 시계 방향 반 시계 방향 등), 제2 스캐닝 미러(second scanning mirror)(1808)는 제2 축을 중심으로(예를 들어, 시계 방향, 반 시계 방향 등) 회전할 수 있다. 제1 스캐닝 미러(1806)가 회전함에 따라 미러(1806)상의 입사 레이저 빔(1404)의 입사각이 변한다. 이것은 제1 스캔 방향을 따라(예를 들어, y 축을 따라) 출사 레이저 빔(1404b)의 방향을 변화시킨다. 제2 스캐닝 미러(1808)이 회전함에 따라, 미러(1808)상의 레이저 빔(1404b)의 입사각이 변한다. 이는 제2 스캔 방향을 따라(예를 들어, x 축을 따라) 출사 레이저 빔(1404c)의 방향을 변화시킨다. 제1 스캐닝 미러(1806) 및 제2 스캐닝 미러(1808)의 회전은 대물렌즈(1802)의 평면에서 출사 레이저 빔(1404c)의 스캐닝을 야기할 수 있는 출사 레이저 빔(1404c)의 방향의 변화를 허용할 수 있다.
출사 레이저 빔(1404c)의 방향의 변화에 기초하여, 대물렌즈(1410)는 조직(1416)에서 하나 이상의 치료 경로를 따라 초점 볼륨(1408)(미도시)을 추적할 수 있다. 예를 들어, 제1 스캐닝 미러(1806)의 회전으로 인한 출사 레이저 빔(1404c)의 방향의 변화는 초점 볼륨(1408)이 제1 치료 경로(first treatment path)를 따라 이동하게 할 수 있다. 제2 스캐닝 미러(1808)의 회전으로 인한 출사 레이저 빔(1404c)의 방향의 변화는 초점 볼륨(1408)이 제2 치료 경로(second treatment path)를 따라 이동하게 할 수 있다.
스캐닝 시스템(1800)은 레이저 빔(1404a, 1404b 또는 1404c)의 빔 경로에 배치될 수 있는 렌즈(1840)를 포함할 수 있다. 빔 전파 방향을 따라 렌즈(1840)의 위치를 변화시킴으로써, 위치 초점 볼륨(1408)은 조직(1416)의 깊이를 따라 추적될 수 있다.
스캐닝 미러 시스템의 일부 구현에서, 제1 스캐닝 미러(1806)에 의한 레이저 빔(1404b)의 방향의 변화는 클 수 있다. 이것은 레이저 빔(1404b)이 제2 스캐닝 미러(1808)에 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 스캐닝 미러(1808) 상의 레이저 빔(1404b)의 큰 입사각은 초점 볼륨의 만곡된 치료 경로를 초래할 수 있다. 이러한 효과는 제1 스캐닝 미러(1806)와 제2 스캐닝 미러(1808) 사이에 제3 스캐닝 미러를 포함시킴으로써 방지/감소될 수 있다. 도 19는 제1 스캐닝 미러(1806)로부터 다운 스트림이고 제2 스캐닝 미러(1808)로부터 업 스트림 인 제3 스캐닝 미러(1807)를 포함하는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(1900)의 예시이다. 제3 스캐닝 미러(1807)은 더 작은 제2 스캐닝 미러(1808)을 허용할 수 있고, 초점 영역 치료 경로의 곡률(curvature)을 방지/감소시킬 수 있다.
도 20a 내지 도 20c는 스캐닝 유닛(1416)(예를 들어, 다각형 스캐너(1502), 미러 시스템(1802) 등)으로부터의 출사 빔(예를 들어, 출사 레이저 빔(1404))의 다양한 스캐닝 패턴을 도시한다. 도 20a는 출사 빔이 다음 순서로 스캔하는 제1 스캐닝 패턴(first scanning pattern)을 도시한다:(a) 왼쪽에서 오른쪽으로 이동(예를 들어, x 축을 따라),(b) 위에서 아래로 이동(예를 들어, y 축을 따라) 및(c) 오른쪽에서 왼쪽으로 이동(예를 들어, 음의 x 축을 따라). 도 20b는 출사 빔이 다음 순서로 스캔하는 제2 스캐닝 패턴(second scanning pattern)을 도시한다:(a) 왼쪽에서 오른쪽으로 이동(예를 들어, x 축을 따라),(b) 위에서 아래로 이동 및 오른쪽에서 왼쪽으로 이동의 중첩 및(c) 왼쪽에서 오른쪽으로 이동. 도 20c는 출사 빔이 다음 순서로 스캔하는 제3 스캐닝 패턴(third scanning pattern)을 도시한다:(a) 왼쪽에서 오른쪽으로의 이동 및 위에서 아래로 이동의 중첩,(b) 오른쪽에서 왼쪽으로의 이동 및 위에서 아래로 이동의 중첩. 스캐닝 미러(1806, 1807, 1808)의 시계 방향 또는 반 시계 방향 회전 또는 다각형 스캐너(502)의 회전/축 틸팅에 의해 광 빔의 이동(예를 들어, 왼쪽에서 오른쪽으로, 오른쪽에서 왼쪽으로, 위에서 아래로 등)이 얻어질 수 있다..
도 21은 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(2100)의 예시이다. 스캐닝 시스템(2100)은(예를 들어, 광섬유(2120)를 통해) 입사 레이저 빔을 수신하고 대물렌즈(1410)(예를 들어, f- 세타 렌즈)를 향해 출사 빔(1405)(위 참조)을 투과할 수 있는 프리즘 시스템(2102)을 포함한다. 출사 빔(1405)의 방향은 조직(1416)에서 초점 볼륨(1408)의 위치를 결정할 수 있다.
도 13은 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(2100)과 함께 사용될 수 있는 프리즘 시스템(prism system)(2102)을 도시한다. 프리즘 시스템(2102)은 공통 축(common axis)(2119)을 중심으로 회전할 수 있는 제1 프리즘(first prism)(2106) 및 제2 프리즘(second prism)(2108)을 포함한다. 각 프리즘(prism)은 특성 각(characteristic angle)도에 의해 입사 광 빔의 방향을 변경할 수 있다. 프리즘(2106 및 2108)이 모두 완벽하게 정렬되면, 입사 레이저 빔의 방향은 특성 각도의 두 배만큼 변경된다. 프리즘(2106 및 2108)이 완벽하게 정렬되지 않으면, 입사 레이저 빔의 방향은 변하지 않고 유지된다. 프리즘(2106 및 2108)의 다른 모든 방향에 대해, 입사 레이저 빔의 방향은 0도 내지 특성 각도의 2 배 범위에 있는 각도만큼 변경될 수 있다.
프리즘(2106 및 2108) 둘 다가 동일한 각속도로 회전하는 경우(예를 들어, 그들의 상대 배향은 회전 동안 변하지 않음), 출사 빔(1405)은 원형 치료 경로(circular treatment path)를 따라 스캔한다. 프리즘(2106 및 2108)이 상이한 각속도로 회전하는 경우, 그들의 상대 방향은 회전 동안 변할 것이다. 예를 들어, 프리즘 쌍은 완벽한 정렬 상태(출사 빔의 방향이 특성 각도의 두 배만큼 벗어난)와 완벽한 비정렬 상태(출사 빔의 방향이 변경되지 않은 상태) 사이에서 스윙한다.
도 23은 제1 프리즘 및 제2 프리즘의 각도 속도가 상이한 프리즘 시스템(2102)으로 인한 출사 빔(1405)의 스캐닝 패턴을 도시한다. 출사 빔은 나선 패턴을 형성한다. 출사 빔(1405)은 안쪽으로(예를 들어, 중심에 도달할 때까지) 나선화 될 수 있고, 이어서 나선으로 이어질 수 있다.
도 24는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(2400)의 예시이다. 스캐닝 시스템(2400)은 레이저 빔(1404)을 안내할 수 있는 광섬유(2410)에 연결된 스캐닝 유닛(2402)을 포함한다. 스캐닝 유닛(2402)은 제1 액추에이터(first actuator)(2406) 및 제2 액추에이터(second actuator)(2408)를 포함할 수 있다. 제1 액츄에이터(2406)는 x 축을 중심으로 광섬유(optical fiber)(2410)의 일부(예를 들어, 대물렌즈(2412)에 근접한 광섬유의 팁)를 회전시킬 수 있다. 이것은 제1 스캔 방향을 따라(예를 들어, y 축을 따라) 출사 레이저 빔(1404)의 방향을 변화시킨다. 제2 액추에이터(2408)는 y 축을 중심으로 광섬유(2410)의 일부(예를 들어, 대물렌즈(2412)에 근접한 광섬유의 팁)를 회전시킬 수 있다. 이것은 제2 스캔 방향을 따라(예를 들어, x 축을 따라) 출사 레이저 빔(1404)의 방향을 변화시킨다. 제1 및 제2 액츄에이터에 의한 동작은 대물렌즈(2412)의 평면(예를 들어, x-y 평면)에서 출사 레이저 빔(1404)의 스캐닝을 야기할 수 있는 출사 레이저 빔(1404)의 방향의 변화를 허용할 수 있다. 출사 레이저 빔(1404)의 방향의 변화에 기초하여, 대물렌즈(2412)(예를 들어, f-세타 렌즈)는 조직(1416)에서 하나 이상의 치료 경로를 따라 초점 볼륨(1408)을 추적할 수 있다.
도 25는 예시적인 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(2500)의 예시이다. 스캐닝 시스템(2500)은 레이저 빔(1404)을 안내할 수 있는 광섬유(2510)에 결합된(예를 들어, 강하게 결합된) 스캐닝 유닛(2502)을 포함한다. 스캐닝 유닛(2502)은 6 축 액츄에이터(six-axis actuator)(2506) 및 지지암(support arm)(2508)을 포함할 수 있다. 광섬유(2510)의 일부는 6 축 액츄에이터(2506) 상의 장착 위치(mounting location)(2530)에 견고하게 결합될 수 있다. 지지암(2508)은 조직(1416)에 근접한 광섬유 부분을 지지할 수 있다.
6 축 액츄에이터(2506)는 x, y 및 z 축을 따라 광섬유(2510)를 이동할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 6 축 액츄에이터(2506)는 x, y 및 z 축을 중심으로 광섬유(2510)를 회전시킬 수 있다. 광섬유(2510)의 팁은 출사 레이저 빔(1404)을 조직(1416)의 초점 볼륨(1408)에 초점을 맞출 수 있는 대물렌즈(2512)에 결합될 수 있다. 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(2500)은 대물렌즈(2512)와 조직(1416) 사이에서 출사 레이저 빔(1404)의 광 경로에 놓일 수 있는 접촉 표면(contacting surface)(2516)을 또한 포함할 수 있다.
초점 볼륨(1408)은 y 축 주위에서 광섬유를 회전시킴으로써 제1 치료 경로(first treatment path)를 따라(예를 들어, x 축을 따라) 이동될 수 있다. 초점 볼륨(1408)은 또한 x 축 주위에서 광섬유를 회전시킴으로써 제2 치료 경로(second treatment path)를 따라(예를 들어, y 축을 따라) 이동될 수 있다. 일부 구현에서, 초점 볼륨(1408)이 조직(1416)에서 고정된 깊이로 유지되도록 보장하기 위해, 회전 동안(예를 들어, x 축, y 축을 따라) 광섬유(2510)의 팁과 조직(1416) 사이의 거리를 변경하는 것이 바람직할 수 있다(예를 들어, z 축을 따라 광섬유의 팁을 이동시킴으로써).
사후-대물렌즈 스캔 시스템(Post-Objective Scanning System)
도 26은 사후-대물렌즈 스캐닝 시스템(post-objective objective scanning system)(2600)의 개략도이다. 사후-대물렌즈 스캐닝 시스템(2600)은 대물렌즈(2610) 및 스캐닝 유닛(2612)을 포함한다. 대물렌즈(2610)는 레이저 소스(2602)로부터 레이저 빔(2604)을 수신하고 초점 레이저 빔(2606)을 스캐닝 유닛(2612)으로 지향할 수 있다. 스캐닝 유닛(2612)은 초점 레이저 빔(2606)을 수신하여 조직(2616)의 치료 영역(예를 들어, 피부)에서 초점 볼륨(2608)으로 지향할 수 있다. 스캐닝 시스템(2612)은 초점 볼륨(2608)이 치료 경로(2614)를 추적하게 할 수 있다. 스캐닝 유닛(2612)은 레이저 빔(2606)(또는 레이저 빔(2606)의 일부)을 피부쪽으로 지향할 수 있는 하나 이상의 광학 요소를 포함한다.
도 27은 예시적인 스캐닝 유닛(2612)에서의 광학 요소들의 배열의 사시도이다. 스캐닝 유닛(2612)은 지지 플랫폼(support platform)(2710) 및 접촉 표면(2722)을 갖는 하우징을 포함한다. 스캐닝 유닛(2612)은 또한 지지 플랫폼(2710)에 회전 가능하게 결합된 광학 요소(optical element)(2712)를 포함한다. 광학 요소(2712)는 회전 방향(2706)을 따라 축(2704)을 중심으로 회전할 수 있다. 스캐닝 유닛(2612)은 대물렌즈(2610)로부터 초점 레이저 빔(2606)을 수신할 수 있고, 초점 레이저 빔(2606)을 조직(2616)의 초점 볼륨(2608)으로 안내할 수 있다. 스캐닝 유닛(2612)이 회전함에 따라, 초점 볼륨(2608)은 조직(2616)에서 제1 치료 경로(2730)를 추적할 수 있다. 스캐닝 유닛(2612)은 또한 조직(2616)에서 제2 치료 경로(2732)를 추적하는 초점 볼륨(1608)을 야기할 수 있는 축(2704)을 따라 병진 될 수 있다.
접촉 표면(2722)은 만곡될 수 있고 조직(2616)의 표면에 압력을 가할 수 있다. 이는 광학 요소(2712)에 의해 반사된 초점 빔(2606)에 의해 조직(2616)의 치료 영역에서 초점 볼륨(2608)으로 광학 에너지의 효율적인 전달을 허용할 수 있다. 접촉 표면(2722) 또는 그것의 일부는 조직(2616)의 표면으로부터 열의 소산을 허용할 수 있다. 일 구현에서, 접촉 표면은 사파이어로 만들어 질 수 있다.
본 출원에 설명된 스캐닝 시스템(예를 들어, 사전-대물렌즈 스캐닝 시스템(1400) 및 사후-대물렌즈 스캐닝 시스템(2600))은 치료 영역(예를 들어, 조직(1416, 2616 등)의 표면)을 안정화할 수 있고 및/또는 레이저 빔(예를 들어, 빔(1406, 2606) 등)의 조사(irradiation) 프로파일의 균일성 및 제어를 용이하게 하는 인터페이스(interface)(또한 "베이스", "창" 또는 "접촉 표면"으로도 지칭됨)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스는 압력의 적용 및/또는 치료 영역 사이에 겔 패드를 포함함으로써 치료 영역을 움직이지 않게 할 수 있다. 치료 영역 상의 인터페이스에 의해 가해지는 압력은 압력 검출기에 의해 검출될 수 있다. 인터페이스는 또한 피부와 인터페이스 사이의 상대 모션을 검출하는 접촉 센서를 포함할 수 있다. 치료 영역 상의 인터페이스에 의해 제공되는 압력은 또한 조사되는 치료 영역의 부피를 하얗게(blanche)(또는 일부 혈액에서 제거) 할 수 있다. 이는 혈관에 원치 않는 손상의 위험을 줄이면서 치료 영역(예를 들어, 치료 영역의 색소 침착 세포)의 집중된 레이저 빔(예를 들어, 1406, 2606 등)의 흡수 선택성을 야기할 수 있다.
인터페이스는 예를 들어 초점 레이저 빔으로 인한 치료 영역의 가열에 의해 발생될 수 있는 치료 영역으로부터 열을 냉각/소산 시킬 수 있다. 인터페이스는 방열에 적합한 재료(예를 들어, 사파이어, 다이아몬드, 유리 등)로 제조될 수 있다.
일부 구현에서, 인터페이스는 치료 영역의 온도가 임계 온도를 초과하는 것을 방지할 수 있는 냉각 시스템(cooling system)을 포함할 수 있다. 냉각 시스템은 치료 영역의 온도를 검출할 수 있는 온도 센서를 포함할 수 있다. 온도가 임계 온도를 초과하면, 사용자에게 통지될 수 있고 및/또는 냉각 장치(예를 들어, 펠티에 장치, 크라이 스프레이, 전도성 냉도관 등)가 활성화되어 치료 영역을 냉각시킬 수 있다.
사전-대물렌즈 및 사후-대물렌즈 빔 스캐너의 일부 실시예에 따른 예시적인 파라미터는 아래 표 2에 개시되어 있다.
예시적인 2D 스캐너 파라미터 값
파라미터 일반적 최소(Typical Minimum) 공칭(Nominal) 일반적 최대(Typical Maximum)
치료 경로 거리(mm) 0.5 10 100
초점 볼륨 피치, x-y 평면(μm) 1 25 1000
초점 볼륨 피치, z 축(μm) 1 50 200
스캔 속도, x-y 평면(mm/S) 0.001 1000 50000
대물렌즈의 개구 수(-) 0.3 0.5 0.9
피부 표면 아래 초점 영역 깊이(μm) 20 200 2000
레이저의 평균 전력(W) 0.5 10 30
레이저의 반복 속도(Hz) 1 20000 C.W.
레이저의 펄스 지속 기간(nS) 1 100 100000
펄스 당 에너지(mJ) 0.1 2 20
파장(nm) 300 1064 3000
회전식 대물렌즈 스캔 시스템(Rotary Objective Scanning System)
도 28은 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(rotary objective scanning system)(2800)의 개략도이다. 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(2800)은 레이저 소스(2802)로부터 레이저 빔(2804)을 수신할 수 있다. 스캐닝 시스템(2800)은 레이저 빔(2804)을 초점 맞추고 조직(2812)의 치료 영역(예를 들어, 피부)의 초점 영역(2808)으로 초점 레이저 빔(2806)을 지향시키는 대물렌즈(도시되지 않음)를 포함한다. 대물렌즈가 이동함에 따라(예를 들어, 스캐닝 시스템(2800) 및/또는 전체 스캐닝 시스템(2800)의 이동으로 인해), 초점 영역은 치료 영역(2810)을 통해 치료 경로(2823)를 추적할 수 있다. 치료 경로(2823)는 경로 형상(예를 들어, 원형, 타원형 등)을 가질 수 있다. 스캐닝 시스템(2800)은 레이저 빔(2804)(또는 레이저 빔(2804)의 일부)을 이동 대물렌즈를 향해 지향시킬 수 있는 광학 요소를 포함한다.
스캐닝 시스템(2800)은 또한 치료 영역(2810)을 안정화시키고 및/또는 조사 프로파일의 제어 및 균일성을 용이하게 할 수 있는 인터페이스("베이스", "창" 또는 "접촉 표면"으로도 지칭됨)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 인터페이스는 압력의 적용 및/또는 인터페이스와 치료 영역 사이에 겔 패드를 포함함으로써 치료 영역(2810)을 움직이지 않게 할 수 있다. 치료 영역(2810) 상의 인터페이스에 의해 가해지는 압력은 압력 검출기에 의해 검출될 수 있다. 인터페이스는 또한 피부와 인터페이스 사이의 상대 모션을 검출하는 접촉 센서를 포함할 수 있다. 치료 영역 상의 인터페이스에 의해 제공되는 압력은 또한 조사되는 치료 영역의 부피를 하얗게(또는 일부 혈액에서 제거) 할 수 있다. 이것은 치료 영역(예를 들어, 치료 영역의 색소 침착 세포)에 의한 초점 레이저 빔(2806)의 흡수의 선택성을 야기하면서 혈관에 원치 않는 손상의 위험을 감소시킬 수 있다.
인터페이스는 예를 들어 초점 레이저 빔(2806)으로 인해 치료 영역(2810)의 가열에 의해 발생될 수 있는 치료 영역(2810)으로부터 열을 냉각/소산시킬 수 있다. 인터페이스는 방열에 적합한 재료(예를 들어, 사파이어, 다이아몬드, 유리 등)로 제조될 수 있다. 일부 구현에서, 인터페이스는 치료 영역의 온도가 임계 온도를 초과하는 것을 방지할 수 있는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 냉각 시스템은 치료 영역의 온도를 검출할 수 있는 온도 센서를 포함할 수 있다. 온도가 임계 온도를 초과하면, 사용자에게 통지될 수 있고 및/또는 냉각 장치(예를 들어, 펠티에 장치, 크라이 스프레이, 전도성 냉도관 등)가 활성화되어 치료 영역을 냉각시킬 수 있다.
회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템은 다양한 실시예를 가질 수 있다. 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 2 개의 예시적인 실시예는 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템 및 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템을 포함하며, 이들 모두는 후술된다.
평면 회전식 대물렌즈 스캔 시스템(In-plane Rotary Objective Scanning System)
도 29a는 치료 영역(2902) 위에 위치한 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(2900)의 사시도이다. 스캐닝 시스템(2900)은 스캐닝 시스템의 하우징에 대해 이동할 수 있는 대물렌즈를 포함한다. 예를 들어, 대물렌즈는 스캐닝 시스템(2900)의 축(2904)을 중심으로 회전(예를 들어, 시계 방향, 반 시계 방향 등) 할 수 있다. 대물렌즈가 회전함에 따라(회전 스캔 방향(2906)을 따라), 치료 영역(2902)에 대한 회전 스캔 경로를 횡단할 수 있다. 도 29b는 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(2900)의 평면도이다. 축(2904)(페이지 밖으로 돌출하는)은 치료 영역(2902)에 대해(제2 스캔 방향(2908)을 따라) 이동할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 시스템(2900)은 축(2904)의 변위를 초래하는 액츄에이터 또는 손으로 움직일 수 있다. 대물렌즈의 회전(축(2904)을 중심으로)과 축(2904)의 변위가 거의 동시에(예를 들어, 동시에) 발생하면, 대물렌즈는 회전이 완료된 후 특정 거리만큼 변위 된다. 대물렌즈의 이러한 변위는 스캐닝 시스템의 병진 피치(translational pitch)(2910)로 지칭된다. 병진 피치는, 예를 들어 회전 플랫폼(rotating platform)의 각속도 및/또는 축(2904)의 병진 속도를 변경함으로써 변경될 수 있다.
도 30은 예시적인 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3000)에서의 광학 요소의 배치의 사시도이다. 스캐닝 시스템(3000)은 축(3004)을 중심으로(회전 스캔 방향(3006)을 따라) 회전할 수 있는 하우징(3010) 및 회전 플랫폼(도시되지 않음)을 포함한다. 회전 플랫폼(3032)(도 31에 도시됨)은 제1 광학 요소(first optical element)(3012)(예를 들어, 빔 스플리터(beam splitter), 미러 등), 제1 미러(3014) 및 회전 플랫폼과 함께 회전하는 대물렌즈(3016)에 견고하게 결합될 수 있다. 레이저 빔(3020)은 제1 반사 빔(first reflected beam)(3022)을 반사할 수 있는 제1 광학 요소(3012)에 충돌할 수 있다. 제1 반사 빔(3022)은 제1 미러(3014)에 의해 대물렌즈(3016)쪽으로 재 지향될 수 있다. 대물렌즈(3016)는 제1 반사 빔(3022)을 치료 영역의 초점 영역에 초점을 맞출 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 제2 광학 요소(second optical element)에 충돌하기 전에 광 빔이 제1 광학 요소에 충돌하는 경우, 제1 광학 요소는 제2 광학 요소로부터 "업스트림(upstream)"이라고 한다. 예를 들어, 도 30에서, 레이저 빔(3020)이 레이저 빔(3020)의 일부(즉, 제1 반사 빔(3022))가 제1 미러(first mirror)(3014)로 향하기 전에 먼저 레이저 빔(3020)이 제1 광학 요소(3012)에 충돌함에 따라 제1 광학 요소()(3012)는 제1 미러(3014)로부터 업스트림에 있는 것으로 간주된다. 대안적으로, 제1 미러(3014)는 제1 광학 요소(3012)로부터 "다운스트림(downstream)" 인 것으로 간주된다.
도 31은 조직 표면(3102) 위에 위치한 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3000)의 사시도이다. 대물렌즈(3016)는 회전 스캔 방향(3006)을 따라 축(3004)을 중심으로 회전할 수 있다. 축(3004)은 측면 스캔 방향(lateral scan direction)(3008)을 따라 병진하도록 구성된다. 스캐닝 시스템(3000)의 하우징(3010)은 회전 플랫폼(3022)을 지지할 수 있는 플랫폼(3030)을 포함할 수 있다. 플랫폼(3030)은 조직 표면(tissue surface)(3102)과 맞닿거나 인터페이스 하고 대물렌즈(3016)를 조직 표면(3102)으로부터 분리한다. 전술한 바와 같이, 플랫폼(3030)("인터페이스"라고도 함)은 조직 표면(3102)(또는 조직 표면(3102) 아래의 조직 부분)을 안정화 및/또는 냉각시킬 수 있다.
스캐닝 시스템(3000)은 또한 제1 반사 빔(3022)이 대물렌즈(3016)에 충돌하는 것을 방지할 수 있는 광학 배리어(optical barrier)(3034)를 포함할 수 있다. 광학 배리어(3034)는(예를 들어, 축(3004)을 중심으로 회전함으로써) 제2 스캔 방향에 실질적으로 직각으로 배향될 수 있다. 예를 들어, 광학 배리어 축(optical barrier axis)(3036)은 측면 스캔 방향(lateral scan direction)(3008)에 실질적으로 직각으로 배향될 수 있다. 측면 스캔 방향(3008)이 변함에 따라, 광학 배리어(3034)는 측면 스캔 방향(3008)과 직교하도록 유지될 수 있다. 측면 스캔 방향(3008)(또는 그 변경)은 예를 들어 가속도계(accelerometer)에 의해 결정될 수 있다. 측면 스캔 방향(3008)의 변화는 가속도계에 의해 광학 배리어(3034)에 연결된 액추에이터에 신호될 수 있다. 가속도계로부터의 신호에 기초하여, 액츄에이터는 광학 배리어(3034)를 재 배향할 수 있다.
광학 배리어(3034)는 광학 배리어 축(3036)을 따라 위치된 조직 표면의 일부의 조사를 방지할 수 있다(예를 들어, 광학 배리어 축 영역이 측면 스캔 방향(3008) ["주변 영역(peripheral region)"]에 실질적으로 수직인 경우). 주변 영역에서 제1 반사 빔(3022)에 의해 과도한 광학 에너지를 제공할 가능성이 있기 때문에 이것은 바람직할 수 있다(하기 논의 참조). 다른 구현에서, 제1 반사 빔(3022)은 대물렌즈(3016)가 측면 스캔 방향(3008)에 실질적으로 직교하게 배향될 때(예를 들어, 대물렌즈(3016)가 주변 영역을 지나갈 때) 꺼질 수 있다. 주변 영역의 범위(예를 들어, 측면 스캔 방향(3008)에 대한 각도 값의 범위)는 치료에 안전한 것으로 간주되는 스캔 밀도(또는 단위 면적당 전달된 광학 에너지)에 기초하여 결정될 수 있다.
회전 플랫폼(3302)이 축(3004)을 중심으로 회전함에 따라 스캐닝 시스템(3000)이 안정적으로 유지되는(예를 들어, 흔들리지 않는) 것이 바람직할 수 있다. 이것은 예를 들어, 질량 중심이 회전하는 동안 축(3004)에 가깝게 유지되도록 스캐닝 시스템(3000)을 설계함으로써 수행될 수 있다. 이것은 예를 들어 회전 플랫폼(3034)에 견고하게 결합된 제2 미러(3015) 및 제2 대물렌즈(second objective)(3017)를 포함함으로써 수행될 수 있다. 제2 미러(3015) 및 제2 대물렌즈(3017)의 방사상 위치(radial location)는 제2 미러(3015) 및 제2 대물렌즈(3017)와 결합하기 전에 스캐닝 시스템(3000)의 질량 중심의 위치에 기초하여 결정된다. 일부 구현에서, 입사 레이저 빔(3020)의 일부는 제2 미러(3015)을 통해 제2 대물렌즈(3017)로 지향될 수 있다. 제2 대물렌즈(3017)는 레이저 빔의 수신된 부분을 치료 영역의 제2 초점 영역에 초점 맞출 수 있다. 제2 초점 영역은 또한 대물렌즈(3016)와 연관된 제1 초점 영역의 치료 경로와 상이할 수 있는 치료 경로를 추적할 수 있다.
도 32a는 조직 표면(3102) 위에 위치한 도 30의 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 측면도이다. 입사 레이저 빔(3020)은 입사 레이저 빔(3020)이 측면으로 연장되는(예를 들어, 레이저 빔(3020)의 전파 방향에 수직인) 빔 폭을 나타내는 2 개의 광 빔을 사용하여 설명된다. 당업자는 레이저 빔의 빔 폭이 예를 들어 레이저 빔(3020)의 측면 강도 프로파일의 전폭 최대 절반(full-width-half-maximum)을 나타낼 수 있다는 것을 인식할 것이다. 빔 폭은 제1 광학 요소(3012) 및 제1 미러(3014)로부터의 반사시 변하지 않을 수 있다. 대물렌즈(3016)에 의해 제1 반사 빔(3022)의 초점을 맞출 때, 빔 폭은 조직(예를 들어, 조직 표면(3102) 아래)의 초점 볼륨(3204)으로 감소될 수 있다. 플랫폼(3030)은 조직 표면(3102)과 접하는 접촉 표면(3202)을 포함할 수 있다. 접촉 표면(3202)은 평면(예를 들어, 조직 표면(3102)에 평행 한 x-y 평면)에 위치되고 대물렌즈(3016)와 조직 표면(3102)을 분리한다. 접촉 표면은 조직 표면(3102)의 표면을 향해 돌출할 수 있는 상승 영역(elevated region)(3208)을 포함할 수 있다. 접촉 표면의 평면과 축(3004)은(예를 들어, 직교) 교차한다. 접촉 표면은 아래에서 더 상세하게 논의된다.
도 32b는 도 32a의 제1 광학 서브 시스템(first optical sub-system)(3200)의 개략도이다. 제1 광학 서브 시스템(3200)은 제1 광학 요소(3012), 제1 미러(3014) 및 회전 대물렌즈(rotating objective)(3016)를 포함한다. 제1 광학 서브 시스템(3200)은 회전 플랫폼(예를 들어, 회전 플랫폼(3032))에 견고하게 결합된다. 일 구현에서, 제1 광학 요소(3012)는 미러 일 수 있다. 제1 광학 요소(3012)의 반사율은 입사 레이저 빔(3020)에 대한 제1 반사 빔(3022)의 강도를 결정한다. 예를 들어, 미러의 반사율이 대략 1이면, 레이저 빔(3020)의 거의 모든 광이 제1 반사 빔(3022)의 형태로 반사된다. 대안적으로, 일부 구현에서, 제1 광학 요소(3012)는 레이저 빔(3020)의 제1 부분을 반사하고 레이저 빔(3020)의 제2 부분을 투과시킬 수 있는 빔 스플리터 일 수 있다. 이 구현은 아래에서 더 논의될 것이다.
제1 광학 요소(3012)는 회전축(3004)으로부터 제1 반경 거리(first radial distance)("반경(Radius) 1")에 위치될 수 있다. 회전 스캔 방향을 따라 대물렌즈가 축(3004)을 중심으로 회전함에 따라, 회전 스캔 경로를 추적할 수 있다. 제1 광학 요소(3012)와 반사 미러(3014)가 대물렌즈(3012)와 함께 회전하기 때문에, 입사 레이저 빔(3020)은 제1 광학 요소(3012)에 의한 회전 스캔 경로의 횡단 동안 제1 광학 요소(3012)로 지향될 수 있다.
회전 스캔 경로를 따라 대물렌즈(3016)의 모션은 x-y 평면에서 초점 볼륨(3204)의 모션(motion)을 야기할 수 있다. 초점 볼륨은 또한 z 방향을 따라 변할 수 있다(예를 들어, 조직 표면(3102)에 대한 초점 볼륨(3204)의 깊이를 변화시키는 것). 이것은 예를 들어, 레이저 빔(3020)의 빔 경로 및/또는 광 빔(light beam)(3022)의 빔 경로에 렌즈(3206)(또는 다중 렌즈)를 배치하고 빔 경로를 따라 렌즈를 이동시킴으로써 수행될 수 있다. 일 구현에서, 렌즈(3206)는 제1 광학 요소(3012)로부터 업스트림에 배치될 수 있고 그 위치는 빔 경로(3210)를 따라 변화될 수 있다. 다른 구현에서, 렌즈(3206)는 제1 반사 빔(3022)의 광학 경로(예를 들어, 제1 광학 요소(3012)의 다운스트림 및 제1 미러(3014)의 업스트림, 미러(3014)의 다운스트림 및 대물렌즈(3016)의 업스트림 등) 사이에 배치될 수 있다. 대안적으로, 초점 볼륨(3204)의 깊이는 또한 조직 표면(3102) 쪽으로 또는 멀어지게 대물렌즈(3016)를 이동시킴으로써 변경될 수 있다.
도 33은 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3000)의 대물렌즈(3016)와 관련된 스캔 경로의 개략도이다. 앞에서 설명한 것처럼, 대물렌즈(3016)는 축(3004)을 중심으로 회전 스캔 방향(3006)을 따라 회전할 수 있고, 축(3004)은 측면 스캔 방향(3008)을 따라 병진될 수 있다. 도 33은 각각 O 및 O' 에서의 축(3004)의 고정 위치에 대응하는 2 개의 예시적인 스캔 경로(3302 및 3312)를 도시한다. 회전 및 병진 모션이 동시에 발생하면, 조직 표면(3102)에 대한 대물렌즈(3016)의 모션은 두 모션의 중첩이다. 완전 회전(예를 들어, 축(3004)을 중심으로 약 360도 회전)을 완료한 후의 대물렌즈(3016)의 측면 병진(lateral translation)은 스캐닝 시스템(3000)의 측면 피치(lateral pitch)(3306)로 불린다. 측면 피치는 측면 스캔 방향을 따라 대물렌즈(3016)와 관련된 초점 영역들 사이의 분리를 나타낸다. 측면 피치의 길이는 회전 스캔 방향을 따라 대물렌즈의 각 회전 속도 및 측면 스캔 방향을 따라 축(3004)의 병진 속도 모두에 의존할 수 있다. 예를 들어, 축(3004)의 병진 속도가 증가하거나 대물렌즈(3016)의 각속도가 감소하면 측면 피치(3306)의 길이가 증가될 수 있다. 축(3004)의 병진 속도가 감소하거나 대물렌즈(3016)의 각속도가 증가하면 측면 피치(3306)의 길이가 감소될 수 있다.
일부 구현에서, 레이저 빔(3020)은 공간에서 분리된(예를 들어, 레이저 소스에 의한 상이한 방출 시간으로 인해) 일련의 레이저 펄스를 포함하는 펄스 레이저 빔일 수 있다. 대물렌즈(3016)가 이동하는 경우(예를 들어, 회전 스캔 방향(3006)을 따라), 인접한 레이저 펄스가 대물렌즈의 다른 시간 및/또는 다른 위치에서 레이저에 충돌할 수 있다. 이는 인접 레이저 펄스가 초점 볼륨(3204)의 치료 경로를 따라 인접 위치로 향하게 할 수 있다. 인접한 위치들 사이의 분리(예를 들어, 회전 스캔 방향(3006)을 따른)를 스캐닝 시스템(3000)의 회전 피치(rotational pitch)라고 한다. 회전 피치의 길이는 회전 스캔 방향을 따른 대물렌즈(3016)의 각 회전 속도 및 인접한 레이저 펄스들 사이의 시간적 분리에 의존할 수 있으며, 이는 레이저의 반복 속도를 변경함으로써 조정될 수 있다. 예를 들어, 대물렌즈(3016)의 각속도가 증가하거나 인접한 펄스 분리가 증가하면 회전 피치의 길이가 증가할 수 있다. 대물렌즈(3016)의 각속도가 감소하거나 인접한 펄스 분리가 감소하면 회전 피치의 길이가 감소될 수 있다.
도 34는 측면 스캔 방향에 대한 대물렌즈(3016)의 각도 위치에 기초한 측면 피치의 변화를 도시한다. 위치(A1)(측면 스캔 방향(3008)에 대해 제1 각도(first angle)에 위치됨)에서, 측면 피치는 S1이다. 위치(A2)(측면 스캔 방향(3008)에 대해 대략 제2 각도(second angle)에 위치됨)에서, 측면 피치는 S2이다. 위치(A3)(측면 스캔 방향(3008)에 대해 대략 제3 각도(third angle)에 위치됨)에서, 측면 피치는 S3이다. 측면 피치는 각도 위치에 반비례할 수 있다. 예를 들어, 제3 각도가 제2 각도보다 큰 경우, 측면 피치(S3)는 측면 피치(S2)보다 작다. 제1 각도가 제2 각도보다 작은 경우, 측면 피치(S1)는 측면 피치(S2)보다 크다.
도 34는 도 32a의 단면 A-A의 관점에서의 접촉 표면(3202)의 예시이다. 접촉 표면은 조직 표면(3102)의 표면을 향해 돌출할 수 있는 상승 영역(3208)을 포함할 수 있다. 상승 영역(3208)은 예를 들어 접촉 표면(3202) 상에 링을 형성할 수 있다. 상승 영역(3208)의 형상은 접촉 표면(3202)에 대한 대물렌즈(3016)의 경로(예를 들어, 회전 스캔 방향(3006)을 따른 대물렌즈(3016)의 경로)에 의존할 수 있다. 대물렌즈(3016)는 접촉 표면 위로 회전/이동할 때 상승 영역(3208) 위에 유지되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 상승 영역(3208) 아래의 조직 표면(3102)이 상승 영역(3208)에 의해 가해진 압력으로 인해 신장되기 때문에 유용할 수 있다. 이것은 대물렌즈(3016)로부터 조직의 치료 영역의 초점 영역으로 출사 초점 빔에 의해 광학 에너지의 효율적인 전달을 허용할 수 있다. 접촉 표면(3202) 또는 그 일부는 조직 표면(3102)으로부터 열의 소산을 허용할 수 있다. 일 구현에서, 접촉 표면은 사파이어로 만들어 질 수 있다.
도 36은 2 개의 대물렌즈를 포함하는 예시적인 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3600)에서의 광학 요소의 배열의 개략도이다. 2 개의 대물렌즈는 입사 레이저 빔(3020)으로부터 2 개의 초점 영역을 생성할 수 있다. 대물렌즈 스캐닝 시스템(3600)은 제1 광학 서브 시스템(3200)과 광학적으로 상호 작용할 수 있는 제2 광학 서브 시스템(second optical sub-system)(3650)을 포함할 수 있다. 제2 광학 서브 시스템(3650)은 제2 광학 요소(3612), 제2 미러(3614) 및 제2 대물렌즈(second objective)(3616)를 포함할 수 있다. 서브 시스템(sub-system)(3650)은 회전 플랫폼(예를 들어, 회전 플랫폼(3032))에 견고하게 결합된다. 제2 광학 요소(3612)는 제1 광학 요소(3012)에 의해 투과된 제1 투과 빔(first transmitted beam)(3620)을 수신할 수 있다. 제1 광학 요소(3012)는 입사 레이저 빔(3020)의 일부를 제1 반사 빔(3022)으로서 반사하고 입사 레이저 빔(3020)의 일부를 제1 투과 빔(3620)으로 투과시킬 수 있는 빔 스플리터(예를 들어, 50/50 빔 스플리터) 일 수 있다. 제2 광학 요소(3612)는 제2 반사 빔(3622)(예를 들어, 제1 투과 빔(3620)의 일부)을 제2 미러(3614)를 향해 지향시킬 수 있고, 이는 이어서 레이저 빔(3622)을 대물렌즈(3616)로 지향할 수 있다. 일 구현에서, 제2 광학 요소(3612)는 미러 일 수 있다. 대안적으로, 다른 구현들에서, 제2 광학 요소(3612)는 제1 투과 빔(3620)의 제1 부분을 반사하고 제1 투과 빔(3620)의 제2 부분을 투과할 수 있는 빔 스플리터 일 수 있다. 제2 대물렌즈(3616)는 회전축(3004)으로부터 제2 반경 거리("반경(Radius) 2")에 위치될 수 있다. 제2 대물렌즈(3616)는 회전 스캔 방향을 따라 회전할 수 있다. 대물렌즈(3016 및 1216)가 플랫폼(3030)에 견고하게 결합되면, 동일한 회전 스캔 방향을 따라 회전할 수 있다(예를 들어, 3006). 제2 대물렌즈(3616)와 관련된 초점 영역은 치료 경로를 추적할 수 있다. 축(3004)이 조직 표면(3102)에 대해 고정된 상태로 유지되면, 제1 대물렌즈(first objective)(3016)와 관련된 치료 경로 및 제2 대물렌즈(3616)와 관련된 치료 경로는 동심(concentric) 일 수 있다(예를 들어, 대략 축(3004)의 중심에 집중). 접촉 표면(예를 들어, 접촉 표면(3202))은 조직 표면(3102)의 표면을 향해 돌출할 수 있는 제2 상승 영역을 포함할 수 있다. 제2 대물렌즈(3616)는 접촉 표면 위로 회전/이동할 때 제2 상승 영역을 가로질러 이동할 수 있다.
일 구현에서, 대물렌즈 시스템(objective system)(3600)은 대물렌즈(3016 및 3616)와 관련된 초점 볼륨의 깊이를 독립적으로 제어할 수 있다. 이것은 예를 들어, 제1 반사 빔(3022)의 빔 경로에 제1 렌즈를 배치하고 광 빔(3622)의 빔 경로에 제2 렌즈를 배치함으로써 수행될 수 있다.
도 37은 예시적인 편광 기반 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3700)에서의 광학 요소의 배열의 개략도이다. 스캐닝 시스템(3700)은 제2 광학 서브 시스템(3650)에 광학적으로 연결된 제1 광학 서브 시스템(3200)을 포함한다. 스캐닝 시스템(3700)은 2 개의 편광 빔(polarization beam)(3720a)(예를 들어, p 편광) 및(3720b)(예를 들어, s 편광)를 수신할 수 있고, 그것들을 입사 레이저 빔(3020)으로 결합할(예를 들어, 중첩) 수 있는 편광 빔 결합기(3712)를 포함할 수 있다. 제1 광학 요소(3012)는 제1 편광(예를 들어, p 편광)을 제1 광학 서브 시스템(3200)으로 지향할 수 있고, 및 제2 편광(예를 들어, s 편광)을 제2 광학 서브 시스템(3650)으로 지향할 수 있는 편광 빔 스플리터 일 수 있다. 대물렌즈(3016 및 3616)는 각각 제1 및 제2 편광 레이저 빔을 초점 맞출 수 있다.
도 38은 입사 레이저 빔(3020)으로부터 3 개의 초점 볼륨을 생성할 수 있는 3 개의 대물렌즈를 포함하는 예시적인 평면 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3800)에서의 광학 요소의 배열의 개략도이다. 대물렌즈 스캐닝 시스템(3800)은 제1 광학 서브 시스템(3200) 및 제2 광학 서브 시스템(3650)과 광학적으로 결합될 수 있는 제3 광학 서브 시스템(3850)을 포함할 수 있다.
제3 광학 서브 시스템(3850)은 제3 광학 요소(3812), 제3 미러(3814) 및 제3 대물렌즈(3816)를 포함할 수 있다. 제3 광학 서브 시스템(3850)은 회전 플랫폼(예를 들어, 회전 플랫폼(3032))에 견고하게 결합될 수 있다. 제3 대물렌즈(3816)는 제2 광학 요소(3612)에 의해 투과된 투과 광학 빔(transmitted optical beam)(3820)을 수신할 수 있다.
일 구현에서, 제1 및 제2 광학 요소(3012 및 3612)는 빔 스플리터(예를 들어, 50/50 빔 스플리터, 66/33 빔 스플리터 등) 일 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 요소(3012)는 66/33 빔 스플리터(예를 들어, 입사 레이저 빔의 66/33 %를 투과/반사) 일 수 있다. 제1 광학 요소(3012)는 제1 투과 빔(3620)을 투과하고 제1 반사 빔(3022)을 반사할 수 있다. 제1 반사 빔(3022)은 제1 광학 서브 시스템으로 지향된다. 제2 광학 요소(3612)는 제1 투과 빔(3620)을 수신할 수 있다. 제2 광학 요소는 제2 반사 빔(3622)을 반사하고 제2 투과 빔(3820)을 투과할 수 있다. 제2 반사 빔(3622)은 제2 광학 서브 시스템(3650)으로 지향된다. 제3 광학 요소(3812)는 제2 투과된 빔(3820)을 수신하여 이를 제3 광학 서브 시스템으로 지향할 수 있다.
제3 대물렌즈(3816)는 회전축(3004)으로부터 제3 반경 거리("반경(Radius) 3")에 위치될 수 있다. 제3 대물렌즈(3816)는 회전 스캔 방향을 따라 회전할 수 있다. 대물렌즈(3016, 3616 및 3816)가 플랫폼(3030)에 견고하게 결합되면, 동일한 회전 스캔 방향을 따라 회전할 수 있다(예를 들어, 3006). 제3 대물렌즈(3816)와 관련된 초점 영역은 제3 치료 경로를 추적할 수 있다. 축(3004)이 조직 표면(3102)에 대해 정지 상태로 유지되면, 제1, 제2 및 제3 치료 경로는 동심 일 수 있다(예를 들어, 대략 축(3004)의 중심에 위치).
일 구현에서, 대물렌즈 스캐닝 시스템(3800)은 대물렌즈(3016, 3616 및 3816)와 관련된 초점 볼륨의 깊이를 독립적으로 제어할 수 있다. 이것은 예를 들어, 제1 반사 빔(3022)의 빔 경로에 제1 렌즈, 광 빔(3622)의 빔 경로에 제2 렌즈, 및 광 빔(3822)에 빔 제3 렌즈를 배치함으로써 수행될 수 있다.
횡단 회전식 대물렌즈 스캔 시스템(Transverse Rotary Objective Scanning System)
도 39a는 치료 영역(3902) 위의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3900)의 사시도이다. 대물렌즈 스캐닝 시스템(3900)은 회전 스캐닝 방향(3906)을 따라 축(3904)을 중심으로 회전할 수 있다. 또한, 축(3904)은 측면 스캔 방향(3908)을 따라 측면으로 병진 이동될 수 있다. 도 39b는 치료 영역(3902) 위의 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템의 다른 사시도이다.
도 40a는 예시적인 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3900)의 사시도이다. 스캐닝 시스템(3900)은 다양한 광학 요소를 둘러 쌀 수 있는 하우징(3910)을 포함할 수 있다. 하우징(3910)은 스캐닝 시스템이 치료 영역(3902)의 표면상에서 롤링 될 수 있게 하는 원통형 형상을 가질 수 있다. 도 40b는 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3900)의 단면의 예시이다. 도 40c는 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3900)의 측면도이다.
도 41은 조직 표면(3102) 위에 위치한 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3900)의 측면도이다. 스캐닝 시스템은 하우징(3910)에 대해 회전할 수 있는 회전 플랫폼(rotating platform)(3930)을 포함한다. 회전 플랫폼(3930)은 회전 플랫폼(3930)에 견고하게 결합된 제1 광학 요소(3912)(예를 들어, 빔 스플리터, 미러 등), 제1 대물렌즈(3916) 및 제2 대물렌즈(3913)에 견고하게 결합될 수 있고, 회전 플랫폼(3930)과 함께 회전할 수 있다. 레이저 빔(3920)은 제1 반사 빔(3922)을 반사할 수 있는 제1 광학 요소(3912)에 충돌할 수 있다. 제1 반사 빔(3922)은 대물렌즈(3916)에 지향될 수 있다. 대물렌즈(3916)는 조직 표면(3102)의 치료 영역에서 제1 반사 빔(3922)을 초점 볼륨(3954)에 초점을 맞출 수 있다.
회전 플랫폼(3930)이 축(3904)을 중심으로 회전함에 따라 스캐닝 시스템(3900)이 안정된 상태(예를 들어, 흔들리지 않음)를 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 안정성은 예를 들어, 질량 중심이 회전하는 동안, 축(3904)에 가깝게 유지되도록 스캐닝 시스템(3900)을 설계함으로써 달성될 수 있다. 이것은 예를 들어 회전 플랫폼(3930)에 견고하게 결합된 제2 대물렌즈(3913)를 포함함으로써 수행될 수 있다. 제2 대물렌즈(3917)의 방사상 위치는 제2 대물렌즈(3917)와 결합하기 전에 스캐닝 시스템(3900)의 질량 중심의 위치에 기초하여 결정될 수 있다.
회전 플랫폼(3930)은 축(3904)을 따라(예를 들어, 액추에이터에 의해) 병진될 수 있다. 이것은 초점 볼륨(3954)이 조직 표면(3102)에서 측면 치료 경로를 스캔 하게 할 수 있다. 대물렌즈(3916)는 축(3904)에 대해 반경 방향을 따라 이동할 수 있다. 이는 초점 볼륨(3954)의 깊이를 변화시킬 수 있다. 하우징(3910)의 일부(접촉 표면이라고도 함)는 대물렌즈(3916)와 조직 표면(3102)을 분리할 수 있다. 하우징은 조직 표면(3102)의 표면을 가압하여 제1 반사 빔(3922)을 통한 광학 에너지의 효율적인 전달을 허용할 수 있다. 하우징(3910)은 또한 열을 소산시킴으로써 조직 표면(3102)의 표면을 냉각시킬 수 있다. 하우징(3910)은 곡면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 치료 영역과 접촉하는 하우징 부분(예를 들어, 접촉 표면)은 만곡될 수 있다.
도 42a는 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(3900)에서 광학 요소들의 배열의 사시도이다. 대물렌즈(3916)와 관련된 초점 볼륨(3954)은 원형 스캔 경로(circular scan path)(3950)를 따라(예를 들어, x-y 평면에 평행 한) 횡단한다. 도 42b는 제1 대물렌즈(3916)와 관련된 스캔 경로의 개략도이다. 원형 스캔 경로(3950)는 원형 스캔 경로(3950)의 일부(3950a)에 대해 조직 표면(3102)과 오버랩 될 수 있다.
도 43은 예시적인 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(4300)의 사시도이다. 대물렌즈 스캐닝 시스템(4300)은 제1 광학 요소(3912)로부터 업스트림에 빔 스플리터(3960)를 포함한다. 빔 스플리터(3960)는 입사 빔(3970)을 수신하고, 입사 빔(3970)의 일부를 투과 빔(3920)으로서 송신하고, 입사 빔(3970)의 일부를 반사 빔(3921)으로서 반사할 수 있다. 반사된 빔은 미러들(3962, 3964 및 3966)을 포함하는 별도의 광학 경로를 통해 제1 광학 요소(3912)로 재 지향될 수 있다. 제1 광학 요소(3912)는 투과 빔(3920)을 제1 대물렌즈(3916)쪽으로 지향하고 반사 빔(3921)을 제2 대물렌즈(3913)쪽으로 지향할 수 있는 빔 스플리터 일 수 있다. 결과적으로, 스캐닝 시스템(4300)은 2 개의 초점 볼륨(대물렌즈(3916 및 3917)과 연관됨)을 생성할 수 있다. 2 개의 초점 볼륨은 원형 스캔 경로(3950)를 따라 회전할 수 있다. 이는 조직 표면(3102)의 치료를 촉진할 수 있다. 제1 대물렌즈(3916) 및 제2 대물렌즈(3913)의 반경 방향 위치는 그들의 질량에 기초하여 결정될 수 있다. 이는 회전 플랫폼(3930)이 회전할 때 횡단 회전식 대물렌즈 스캐닝 시스템(4300)이 안정적으로 유지되도록 하기 위해 수행될 수 있다. 일 구현에서, 제1 대물렌즈(3916) 및 제2 대물렌즈(3913)는 유사한 질량을 가질 수 있고 축(3904)으로부터 등거리에 있을 수 있다.
[0212]
대물렌즈 빔 스캐너(objective beam scanner)의 일부 실시예에 따른 예시적인 파라미터는 아래 표 3에 개시되어 있다.
대물렌즈 스캐너 예시적 파라미터 값(Objective Scanner Example Parameter Values)
파라미터 일반적 최소(Typical Minimum) 공칭(Nominal) 일반적 최대(Typical Maximum)
대물렌즈의 수(-) 1 1 10
대물렌즈의 중심으로부터 회전 축까지 반경(mm) 0.5 5 50
대물렌즈의 회전 속도(RPM) 50 2000 10000
회전 축의 병진 거리(mm) 1 10 100
회전 축의 병진 속도(mm/min) 1 10 1000
병진 피치(μm) 1 25 1000
회전 피치(μm) 1 25 1000
대물렌즈의 개구 수(-) 0.3 0.5 0.9
피부 표면 아래 초점 영역 깊이(μm) 20 200 2000
평균 레이저 전력(W) 0.5 10 30
레이저 반복 속도(Hz) 1 20000 C.W.
펄스 지속 기간(nS) <1 100 >1000000
펄스 당 에너지(mJ) 0.1 2 >100
파장(nm) 300 1064 3000
EMR 빔을 스캐닝 하기 위한 시스템 및 방법은 특정 응용(예를 들어, 피부과 치료)을 참조하여 위에서 설명되었다. 본 명세서에 기술된 빔 스캐닝 시스템 및 방법은 현재 다루기 힘든 피부학적 상태의 치료를 가속화하고 혜택을 받을 것으로 예상되지만, 빔 스캐닝 시스템 및 방법은 일반적으로 다른 응용, 특히 높은 NA 빔을 필요로 하는 응용에 적합하다.
미용 목적과 같은 다양한 피부 증상을 치료하는 방법은 본원에 기술된 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 이러한 방법은 의사가 수행할 수 있지만, 미용사와 같은 비 의사 및 기타 적절하게 훈련된 직원은 의사의 감독 여부에 관계없이 다양한 피부 상태를 치료하기 위해 여기에 설명된 시스템을 사용할 수 있다.
당업자는 전술한 실시예에 기초한 본 발명의 다른 특징 및 장점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구 범위에 의해 지시된 것을 제외하고 특히 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않아야 한다. 본원에 인용된 모든 간행물 및 참고 문헌은 그 전문이 본원에 명백히 참고로 포함된다.

Claims (22)

  1. 시스템에 있어서,
    회전 이동을 발생시키도록 구성된 모터;
    모터와 동작 가능하게 결합되고 회전 이동을 제1 스캔 축을 따라 복수의 스트로크를 포함하는 왕복 이동으로 변환하도록 구성된 왕복 메커니즘 - 상기 왕복 이동은 복수의 스트로크 중 적어도 하나의 스트로크의 일부에 걸쳐 일정 속도를 가짐 -, 및
    초점 광학이 이동하고 상기 왕복 메커니즘의 왕복 이동을 경험하도록 상기 왕복 메커니즘에 동작 가능하게 결합된 상기 초점 광학 - 상기 초점 광학은 상기 초점 광학에 입사되는 전자기 방사(EMR) 빔을 상기 제1 스캔 축과 실질적으로 직교하는 광학 축을 따르는 초점에 초점을 맞추도록 구성됨 -
    을 포함하는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일정 속도는 원하는 일정 속도의 50 % 이내이며 상기 스트로크의 일부는 상기 스트로크의 10 % 이상 인
    장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 EMR 빔을 생성하도록 구성된 전자기 방사 소스, 및
    상기 초점 광학에 EMR 빔 입사를 지향시키도록 구성된 광학 시스템
    을 더 포함하는
    장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광학 시스템의 적어도 하나의 요소는 상기 왕복 이동을 경험하는
    장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 EMR 소스는 미리 결정된 반복 속도에 따라 펄스 모드로 동작하도록 구성되고,
    상기 EMR 소스의 반복 속도와 상기 왕복 이동의 일정 속도 사이의 관계는 상기 제1 스캔 축을 따르는 순차적인 펄스 초점 사이의 공칭 피치를 결정하는

    장치.　
  6. 제5항에 있어서,
    상기 왕복 메커니즘과 동작 가능하게 결합되고, 상기 제1 스캔 축에 실질적으로 직교하는 제2 스캔 축을 따라 간헐적 이동을 도입하도록 구성되는 간헐적 메커니즘 - 상기 초점 광학은 간헐적 메커니즘에 동작 가능하게 결합되어, 상기 초점 광학이 상기 간헐적 이동을 경험하도록 구성되는 -
    을 더 포함하는
    장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 간헐적 메커니즘은 상기 왕복 이동의 위치에 따라 상기 간헐적 이동을 도입하도록 구성되는
    장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 간헐적 이동은 일반적으로 상기 왕복 이동이 스트로크의 시작, 스트로크의 중간 및 스트로크의 끝 중 적어도 하나에 대응하는 위치에 있을 때 도입되는
    장치.
  9. 제1항에 있어서,
    접촉 표면을 통해 표적 조직의 표면과 접촉하도록 구성된 광학 축을 따르는 초점 및 초점 광학 사이에 배치된 하우징을 더 포함하고;
    상기 초점은 상기 표적 조직의 표면의 하향 빔에 위치되는
    장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 접촉 표면은 상기 표적 조직을 냉각시키도록 구성된
    장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 하우징은 압력 센서, 접촉 센서 및 온도 센서 중 하나 이상
    을 포함하는
    장치.
  12. 방법에 있어서,
    회전 이동을 생성하는 단계;
    생성된 회전 이동을 제1 스캔 축을 따라 복수의 스트로크를 포함하는 왕복 이동으로 변환하는 단계 - 상기 왕복 이동은 상기 복수의 스트로크 중 적어도 하나의 스트로크의 일부에 걸쳐 일정 속도를 가짐 -, 및
    상기 왕복 이동에 따라 초점 광학을 이동시키는 단계 - 상기 초점 광학은 상기 초점 광학에 입사되는 전자기 방사(EMR) 빔을 제1 스캔 축과 실질적으로 직교하는 광학 축을 따르는 초점에 초점을 맞추도록 구성됨-
    을 포함하는
    방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 일정 속도는 원하는 일정 속도의 50 % 이내이며 상기 스트로크의 일부는 상기 스트로크의 10 % 이상 인
    방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 EMR 빔을 생성하는 단계, 및
    광학 시스템을 사용하여, 상기 초점 광학에 입사하는 상기 EMR 빔을 지향시키는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 왕복 이동에 따라 상기 광학 시스템의 적어도 하나의 요소를 이동시키는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  16. 제14항에 있어서,
    미리 결정된 반복 속도에 따라 상기 EMR 빔을 펄싱 하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 반복 속도와 상기 일정 속도의 관계는 상기 제1 스캔 축을 따라 순차적인 펄스 레이저 초점 사이의 공칭 피치를 결정하는
    방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제1 스캔 축과 실질적으로 직교하는 제2 스캔 축을 따라 간헐적 이동을 도입하는 단계; 및
    상기 간헐적 이동에 따라 상기 초점 광학을 이동시키는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 간헐적 이동이 상기 왕복 이동의 위치에 따라 도입되는
    방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 간헐적 이동은,
    상기 왕복 이동이 일반적으로 스트로크의 시작, 스트로크의 중간 및 스트로크의 끝 중 적어도 하나에 대응하는 위치에 있을 때 도입되는
    방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 광학 축을 따르는 상기 초점 광학 및 상기 초점 사이의 표적 조직의 표면과 하우징의 접촉 표면을 접촉시키는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 초점은 상기 표적 조직의 표면의 하향 빔에 위치되는
    방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 접촉 표면을 사용하여 상기 표적 조직을 냉각시키는 단계
    를 더 포함하는
    방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 하우징 내에 위치된 센서를 사용하여, 상기 표적 조직의 하나 이상의 변수 - 압력, 상기 접촉 표면 및 상기 표적 조직 사이의 접촉, 및 온도를 포함함 - 를 감지하는 단계
    를 더 포함하는
    방법.

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