KR20230107383A - 레이저 빔의 정렬을 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

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크리스토퍼 비 쿠르틴
윌리엄 해리스 그로브스
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컨버전트 덴탈 인크
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Abstract

치과용 레이저 치료 시스템은 동일 선 상의 빔 경로(collinear beam path)를 공유하는 치료 레이저 빔 및 파일럿(예를 들어, 조준/마킹) 레이저 빔을 포함하며, 여기서, 빔 경로는 빔 출구를 갖는 핸드피스/메인 챔버 어셈블리를 통해 가이드 시스템에 의해 가이드된다. 레이저 빔 존재 검출기는 핸드피스/메인 챔버 어셈블리에 또는 그 내부에 제거가능하게 부착된다. 레이저 빔 존재 검출기는, 치료 레이저 빔 및 파일럿 레이저 빔의 작동과 빔 가이드 시스템을 제어할 수 있는 컴퓨터에 피드백을 제공한다. 컴퓨터는 피드백에 기초하여 빔 출구의 중심 위치를 결정하기 위한 검색을 수행하고 빔 가이드 시스템을 제어하여 빔 경로를 대략 빔 출구의 중심까지 가이드함으로써, 빔 출구 또는 선택사항적인 중공 도파관과의 레이저 빔의 자동 정렬을 제공한다.

Description

레이저 빔의 정렬을 위한 시스템들 및 방법들{SYSTEMS AND METHODS FOR ALIGNMENT OF A LASER BEAM}
관련 출원의 상호참조
본 출원은, 참조에 의해 그 개시 내용 전체를 본 명세서에 포함하는 2014년 12월 5일 출원된 발명의 명칭이 "Systems and Methods for Alignment of a Laser Beam"인 미국 특허 가출원 번호 제62/088,255호의 우선권 혜택을 주장한다.
발명의 분야
본 개시내용은 대체로 레이저-기반 치료 시스템에 관한 것으로서, 특히, 피드백-제어형 빔 가이드 시스템을 이용하여 레이저 빔을 정렬하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
레이저는, 충치 제거; 경질 조직의 절단, 천공 또는 성형; 및 연질 조직 제거 또는 절단을 포함한, 많은 수의 경질 및 연질 조직 치아 치료절차에서 유용하다는 것이 밝혀지고 있다. 치아는 3개의 층을 가지고 있다 : 가장 바깥층은 가장 단단하며 일반적으로 치아의 나머지 부분에 대한 보호 층을 형성하는 법랑질(enamel)이고, 치아의 가운데와 부피는 상아질(dentin)을 포함하며, 가장 안쪽 층은 치수(pulp)를 포함한다. 법랑질과 상아질은 조성이 유사하며 대략 85%의 광물, 일반적으로 수산화 인회석 탄산염(carbonated hydroxyapatite)을 포함하는 반면, 치수는 혈관과 신경을 포함한다. 9.3 내지 9.6 마이크로미터 범위의 파장의 레이저 방사는, 치아 및 뼈의 상당 부분을 형성하는 수산화 인회석에 의해 잘 흡수되어, 경질 조직의 제거에서 이러한 레이저를 효율적이게 한다.
레이저는 또한, 유사한 치료절차가 드릴을 이용하여 수행될 때 통상적으로 요구되는 국소 마취를 필요로 하지 않으면서 치과 재료의 제거에 유용한 것으로 드러났다. 또한, 레이저는 치과용 드릴과 연관된 소음 및 진동을 발생시키지 않는다. 적어도 이러한 이유로, 치과 업계에서는 많은 이들이 레이저가 드릴을 대체하고 치과 치료의 불안과 공포를 제거하거나 적어도 경감시킬 수 있기를 바라고 있다.
9.3 내지 9.6 마이크로미터 범위의 파장을 갖는 치과용 치료 레이저는 사람의 눈에는 보이지 않는다. 따라서, 치료 레이저 빔 이외에도, 치과용 레이저 시스템은 가시 스펙트럼에서 마킹/조준(marking/aiming) 레이저 빔을 채용할 수 있다. 이러한 레이저는 약 532 나노미터(녹색 레이저) 또는 650 나노미터(적색 레이저)의 파장을 가질 수 있다. 마킹 레이저 빔과 치료 레이저 빔이 빔 경로를 따라 동일 선상(collinear)에 있다면, 마킹 레이저 빔이 입사하는 영역과 실질적으로 동일한 영역에서 치료 레이저 빔이 작용할 가능성이 크다.
많은 치과용 레이저 시스템에서, 레이저는 콘솔에 하우징되고, 미러, 렌즈 및/또는 광섬유 케이블 등의 광학 디바이스를 이용하여 관절식 또는 가요성 아암(arm)을 통해 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(handpiece/main chamber assembly)에 전송된다. 아암은 일반적으로, 핸드피스가 역시 부착되는 메인 챔버에 부착된다. 핸드피스는, 예를 들어 세척, 정비 등을 위해 분리가능하게 될 수 있다. 분리가능한 상이하게 구성된 핸드피스들은 상이한 치과 치료절차에 이용될 수 있다. 아암의 단부에서 또는 메인 챔버 내에서, 레이저 빔을 선택된 치료 영역을 향해 가이드하는데 이용될 수 있는 빔 가이드 시스템이 위치할 수 있다. 레이저 빔이 출사되는 핸드피스 빔 출구는, 예를 들어, 레이저-기반의 치과 치료 동안 사람의 입안에서, 개선된 인체공학 및 용이한 조작성을 위해 통상적으로 작다. 레이저 빔이 빔 출구의 대략 중심을 통과하여, 조작자가 치료될 영역의 중심을 향해 핸드피스를 타겟팅할 수 있도록 하는 것이 대개는 바람직하다. 그 다음, 빔 가이드 시스템은, 타겟팅된 중심 주위의 치료될 영역의 적어도 일부가 신속하고 효율적이며 효과적인 처리를 위해 조사되도록, 소정의 형상, 크기 및 스캔 파라미터에 따라 레이저 빔을 자동으로 이동시킬 수 있다.
빔 가이드 시스템은 치료될 조직의 일부를 치료하기 위해 치료 레이저 빔의 이동을 제어할 수 있으며, 여기서, 상기 일부는 특정한 미리설정된 형상을 갖는다. 대안으로서, 또는 추가로, 조작자는 치료 영역의 경계를 명시할 수 있다. 일련의 미리설정된 형상 및/또는 사용자-명시된 경계에 대한 좌표를 포함하는 컴퓨터(적어도 일부는 소프트웨어를 포함하는, 임의의 프로세서 또는 처리 유닛)는 빔 가이드 시스템의 움직임을 제어할 수 있다. 이 목적을 위해, 빔 가이드 시스템은 일반적으로 한 쌍의 컴퓨터-제어된 검류계(galvanometer)들을 포함한다. 미국 특허 출원 공보 제2013/0059264호는 이러한 빔 가이드 시스템을 설명하고 있으며, 참조로 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
레이저 빔, 특히 치과용 레이저 시스템의 가이드에서, 위치 정렬 오차의 많은 잠재적인 소스가 있다. 종종 레이저 빔의 정렬은 시간이 지남에 따라 변동을 겪는다. 이러한 변동은, 시스템 진동, 시스템 충돌, 상이한 상호교환가능한 핸드피스들의 오정렬, 관절식 아암의 오정렬, 광학적 오정렬, 기하학적 스태킹 오류, 기계적 및/또는 전기적 드리프트, 및/또는 열적 변형으로부터 발생할 수 있다. 빔 정렬 변화의 효과는 시간이 지남에 따라 결합될 수 있고, 레이저-기반 치료 시스템의 적절하고, 효과적이고 및/또는 효율적인 이용을 방해할 수 있는 현저한 정렬 저하를 초래할 수 있다. 레이저 빔 정렬의 가변성은, 많은 레이저-기반 치료 디바이스 및 특히 관절식 아암형 빔 전달 시스템이 장착된 디바이스의 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다. 레이저-기반 치료 디바이스에서 레이저 빔의 정렬은 종종 숙련된 인원을 필요로 하며 정기적으로 반복될 필요가 있는 시간 소모적인 프로세스이다.
다양한 실시예에서, 치료 영역 부근의 치아 레이저 빔의 자동 정렬을 위한 효율적이고, 정확하며, 사용자 친화적인 시스템은, 핸드피스/메인 챔버 어셈블리를 통해, 치료될 조직의 영역/구역을 향한 핸드피스의 빔 출구를 통해 레이저 빔을 정확하게 가이드할 수 있다. 이것은, 적어도 부분적으로, 레이저 빔의 작동 및 가이드를 제어하는 컴퓨터(적어도 일부는 소프트웨어를 포함할 수 있는 임의의 프로세서 또는 처리 유닛)에 피드백을 제공하는 레이저 빔 존재 검출기를 이용하여 달성된다. 일부 실시예에서, 레이저 빔 경로는 빔 출구의 중심과 정렬된다.
일반적으로, 한 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 레이저-기반 치료 디바이스의 레이저 빔을 정렬하기 위한 빔-정렬 시스템을 특징으로 한다. 이 시스템은, 레이저-기반 치료 장치의 핸드피스의 빔 출구에 대한 입구를 형성하는 하우징, 및 하우징 내에 배치된 센서를 포함할 수 있다. 이 센서는 입구와 정렬될 수 있고, 명시된 임계 레벨 위의 레이저 에너지의 검출을 나타내는 제1 신호 및 이 임계 레벨 위의 레이저 에너지의 부재(또는 일부 경우에는 레이저 에너지의 부재)를 나타내는 제2 신호를 제공하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 하우징은, 마찰-기반 결합, 나사 결합, 자기적 결합, 및 기계적 결합 중 적어도 하나를 통해 빔 출구에 대해 분리가능하다. 센서는, 포토레지스터(photoresistor), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor), 열전 디바이스(thermoelectric device), 및/또는 원적외선 광학적 센서(far-IR optical sensor) 중 하나 이상일 수 있다. 이 시스템은, 반투명 재료를 포함할 수 있는, 센서 위에 배치된 확산기를 포함할 수 있다. 이 시스템은 센서의 출력 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 이 시스템은 또한, (i) 센서로부터 획득된 센서 신호를 기준 신호와 비교하고, (ii) 센서 신호가 기준 신호보다 크다면 제1 신호를 생성하고 그렇지 않으면 제2 신호를 생성하는 회로를 특징으로 한다. 일부 사례에서, 이 시스템은, (i) 레이저 빔 경로를 조정하도록 빔 가이드 시스템에게 지시하고 (ii) 제1 및 제2 신호를 이용하여 빔 출구의 중심을 결정하도록 프로그램된 프로세서를 포함한다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은, 빔 출구 및 센서 어셈블리를 갖는 핸드피스를 포함하는 레이저-기반 치료 시스템을 특징으로 한다. 센서 어셈블리는, 빔 출구와 정렬된 중심 개구(central aperture)를 가질 수 있고, 적어도 부분적으로 핸드피스의 내측 표면에 부착될 수 있다. 센서 어셈블리는, 명시된 임계 레벨 위의 센서 어셈블리에 의한 레이저 에너지의 검출을 나타내는 제1 신호, 및 상기 명시된 임계 레벨 위의 레이저 에너지의 부재를 나타내는 제2 신호를 제공하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 핸드피스의 내측 표면의 적어도 일부는 레이저의 파장에서 반사성이다. 센서는, 포토레지스터, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 열전 디바이스, 및/또는 원적외선 광학적 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 핸드피스는 또한, 전환 미러(turning mirror)를 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 전환 미러는, 레이저-빔 경로의 제1 부분을 따른 센서의 하류에 및 레이저 빔 경로의 제2 부분을 따른 빔 출구로부터의 상류에 배치되고, 빔 출구와 센서 어셈블리의 개구는 제1 및 제2 부분을 통해 정렬된다. 반투명 재료가 센서 어셈블리 위에 배치될 수 있다. 이 시스템은 센서 어셈블리의 출력 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 이 시스템은 또한, (i) 센서로부터 획득된 센서 신호를 기준 신호와 비교하고, (ii) 센서 신호가 기준 신호보다 크다면 제1 신호를 생성하고 그렇지 않으면 제2 신호를 생성하는 회로를 특징으로 한다. 일부 사례에서, 시스템은, (i) 레이저 빔 경로를 조정하도록 빔 가이드 시스템에게 지시하고 (ii) 제1 및 제2 신호를 이용하여 빔 출구의 중심을 결정하도록 프로그램된 프로세서를 포함한다. 소정의 구현에서, 센서 어셈블리는, 핸드피스의 내측 표면에 부착되고 중심 개구를 가지는 환형 반사기(예를 들어, 확산기), 및 반사기 링으로부터 분리되어 이와 대면하며 제1 및 제2 신호를 생성하도록 구성된 센서를 포함한다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은, 빔 경로를 따라 레이저 빔을 지향시키는 빔 가이드 시스템, 및 치료 영역을 향하여 레이저 빔을 지향시키기 위한 빔 출구 및/또는 중공 도파관(hollow waveguide) 중 하나 이상을 갖는 핸드피스를 포함하는 레이저-기반 치료 시스템을 특징으로 한다. 이 시스템은 또한, 센서 어셈블리, 및 센서 어셈블리로부터 복수의 신호를 수신하고, 이에 응답하여, 빔 가이드 시스템의 초기 위치를 제어하여 (i) 빔 출구 및 (ii) 중공 도파관의 입구 중 하나의 중심을 통해 빔 경로를 조정하도록 프로그램된 프로세서를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 이 빔 가이드 시스템은 한 쌍의 검류계 제어형 미러들을 포함한다. 센서 어셈블리의 적어도 일부는 핸드피스 내에 하우징될 수 있다. 센서 어셈블리는 분리가능한 하우징 내에 위치될 수 있다. 일부 사례에서, (i) 센서 어셈블리와 프로세서 사이의 전기적 통신 링크 및 (ii) 프로세서와 빔 가이드 시스템 사이의 전기적 통신 링크 중 적어도 하나는 무선 통신 링크이다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 레이저 빔을 정렬하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은, 레이저 빔이 센서에 의해 검출되도록 제1 빔 경로를 따라 레이저 빔을 지향시키게끔 프로세서에 의해 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계, 및 센서가 레이저 빔의 부재를 검출하도록 제2 빔 경로까지의 레이저 빔의 경로를 조정하게끔 프로세서에 의해 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은, 빔 가이드 시스템과 연관되고 제2 빔 경로에 대응하는 제1 세트의 좌표들을 프로세서에 의해 기록하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은, 레이저 빔이 센서에 의해 검출되도록 제1 빔 경로 및 제3 빔 경로 중 하나를 따라 레이저 빔을 지향시키게끔 프로세서에 의해 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계, 및 센서가 레이저 빔의 부재를 검출하도록 제4 빔 경로까지의 레이저 빔의 경로를 조정하게끔 프로세서에 의해 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은, 빔 가이드 시스템과 연관되고 제4 빔 경로에 대응하는 제2 세트의 좌표들을 프로세서에 의해 기록하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은, 빔 출구와 연관된 좌표들의 세트를 프로세서에 의해 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 이 방법은 또한, 빔 출구와 연관된 좌표들의 세트를 이용하여 빔 가이드 시스템의 초기 위치를 프로세서에 의해 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 레이저 빔은, 치료 레이저 빔 및/또는 마킹 레이저 빔 중 하나 이상일 수 있다. 일부 경우에, 이 방법은 또한, 명시된 패턴, 형상, 및 크기에 따라, 레이저 빔을 빔 가이드 시스템에 의해 지향시키는 단계를 포함한다. 다양한 사례에서, 빔 가이드 시스템의 초기 위치를 조정하는 단계는, (i) 상기 지향시키는 단계 이전에 및 (ii) 상기 지향시키는 단계의 2회 반복되는 동안에 수행된다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 레이저 빔을 정렬하는 또 다른 방법을 특징으로 한다. 이 방법은, 다음과 같은 단계들을 포함할 수 있다: (a) 제1 축 및 스텝 크기를 선택하는 단계, 및 (b) 빔 가이드 시스템에 의해 지향된 레이저 빔이 센서에 의해 검출되지 않도록 빔 가이드 시스템의 제1 회전가능한 미러를 조정하고, 제1 축을 따라 제1 미러의 좌표를 기록하는 단계. 이 방법은 또한, (c) 제1 축을 따라 제1 방향으로 스텝 크기만큼 제1 회전가능한 미러를 조정하고 제1 축을 따른 제1 미러의 좌표를 기록하는 단계를 포함할 수 있다. 레이저 빔이 검출되지 않는다면, 이 방법은, (d) 스텝 크기를 증가시키고 단계 (c)를 반복하는 단계를 포함할 수 있다. 레이저 빔이 검출된다면, 이 방법은 (e)를 포함할 수 있다 : (A) 스텝 크기를 감소시키고 감소된 스텝 크기만큼 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 제1 축을 따라 제1 회전가능한 미러를 재조정하는 단계.
레이저 빔이 검출된다면, 이 방법은, (B) 단계들 (b) 및 (c)에서 기록된 좌표들의 평균을 계산하는 단계를 포함할 수 있고, 이 평균은 제1 회전가능한 미러와 연관된다. 레이저 빔이 검출되지 않는다면, 이 방법은, (C) 단계 (b)에서 기록된 좌표를 제1 축을 따른 제1 회전가능한 미러의 재조정된 위치에 대응하여 대체하는 단계; 및 (D) 스텝 크기를 감소시키고 감소된 스텝 크기만큼 제1 방향으로 제1 축을 따라 제1 회전가능한 미러를 재조정하는 단계를 포함한다. 레이저 빔이 검출되지 않는다면, 이 방법은, (E) 단계들 (C) 및 단 (c)에서 기록된 좌표들의 평균을 계산하는 단계를 포함할 수 있고,
이 평균은 제1 회전가능한 미러와 연관된다. 레이저 빔이 검출된다면, 이 방법은, (F) 단계 (c)에서 기록된 좌표를 제1 축을 따른 제1 회전가능한 미러의 재조정된 위치에 대응하여 대체하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, 이 방법은, 단계들 (e)(A) 내지 (e)(F)를 반복하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 제1 축에 직교하는 제2 축을 선택하고 제2 축 및 제2 회전가능한 미러에 대응하여 단계들 (b) 내지 (e)를 반복하는 단계를 포함할 수 있고, 단계들 (e)(B) 및 단계 (e)(E) 중 임의의 단계에서 계산된 평균은 제2 회전가능한 미러와 연관된다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은, 레이저 빔의 자동 정렬을 용이하게 하는 레이저-기반 치료 시스템을 특징으로 한다. 이 시스템은 개구를 통해 레이저 빔을 지향하도록 구성된 빔 가이드 시스템을 포함할 수 있다. 이 시스템은 개구를 통과하는 레이저 빔에 응답하여 피드백 신호를 제공하도록 구성된 센서를 특징으로 할 수 있다. 이 시스템은, i) 피드백 신호에 기초하여 개구의 중심을 결정하고 (ii) 개구 중심을 통해 레이저 빔을 지향시키기 위해 빔 가이드 시스템을 조정하도록 구성된 프로세서를 가질 수 있다.
다양한 실시예에서, 이 빔 가이드 시스템은, 한 쌍의 검류계-제어형 미러들을 포함하고, 이 쌍의 각각의 검류계는 프로세서에 의해 제어된다. 일부 경우에는, 이 시스템은, 개구가 핸드피스의 빔 출구인 핸드피스를 포함할 수 있다.
다른 경우에는, 핸드피스는 개구가 중공 도파관의 입구인 중공 도파관을 가질 수 있다. 다른 경우에는, 센서는 핸드피스 내에 배치된 환형 센서(annular sensor)이고, 개구는 환형 센서 내의 개구부(opening)를 포함한다. 소정 사례에서, 이 시스템은, 핸드피스와 핸드피스 내에 배치된 환형 반사기를 포함하며, 여기서, 개구는 환형 반사기 내의 개구부이다. 이러한 사례에서, 센서는 환형 반사기와 대면하도록 배향될 수 있다. 이 시스템은 또한, 환형 반사기(또는 일부 경우에는, 센서) 위에 배치된 반투명 재료를 갖는 확산기를 포함할 수 있다. 이 개구는 핸드피스의 빔 출구로부터의 빔 경로를 따른 상류에 위치될 수 있다. 일부 경우에, 센서는, 명시된 임계 레벨 위의 센서에 의한 레이저 에너지의 검출을 나타내는 제1 피드백 신호, 및 이 임계 레벨 위의 레이저 에너지의 부재(예를 들어, 레이저 에너지의 부재)를 나타내는 제2 피드백 신호를 제공하도록 구성된다. 센서는, 포토레지스터, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 열전 디바이스, 및/또는 원적외선 광학적 센서 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 시스템은 센서의 출력 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 이 시스템은 또한, (i) 센서로부터 획득된 센서 신호를 기준 신호와 비교하고, (ii) 센서 신호가 기준 신호보다 크다면 제1 피드백 신호를 생성하고 그렇지 않으면 제2 피드백 신호를 생성하는 회로를 포함한다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은, 빔 경로를 갖는 적어도 하나의 레이저 빔, 빔 경로 내에 위치한 빔 가이드 시스템, 빔 가이드 시스템 이후에 및 빔 경로 내에 위치한 빔 출구, 빔 출구 부근의 레이저 빔 존재 검출기를 포함하는 치과용 레이저 치료 시스템을 특징으로 한다. 빔 출구는 중심 위치를 가질 수 있고, 레이저 빔 존재 검출기는, 빔 출구가 빔 경로에 있다는 것에 응답하여 피드백을 제공할 수 있다. 빔 가이드 시스템은, 빔 경로가 빔 출구의 중심 위치로 가이드되도록 피드백에 응답할 수 있다.
다양한 실시예에서, 레이저 빔은 가시광 파장(예를 들어, 대략 532 나노미터)을 갖는 파일럿 레이저 빔이다. 이 시스템은 또한, 적외선 파장(예를 들어, 대략 9.3 내지 9.6 마이크로미터)을 갖는 치료 레이저 빔을 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 치료 레이저 빔과 파일럿 레이저 빔은 동일 선상에 있다. 레이저 빔 존재 검출기는 가시광 및/또는 적외선을 검출하도록 구성될 수 있다. 이 시스템은, 빔 가이드 시스템의 하류에 배치된 핸드피스 어셈블리를 더 포함할 수 있고, 여기서, 빔 출구는 핸드피스 어셈블리의 일부이다. 일부 사례에서, 레이저 빔 존재 검출기는 빔 출구에 근접하게 핸드피스 어셈블리에 제거가능하게 부착될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔 존재 검출기는 핸드피스 어셈블리 내부에 및 빔 출구의 상류에 배치될 수 있다. 핸드피스 어셈블리는 상호교환가능할 수 있다. 이 시스템은 또한, 빔 출구에 근접하게 및 빔 경로 내부에 핸드피스 어셈블리 내부에 배치된 전환 미러를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 전환 미러는 빔 경로 내에서 레이저 빔 존재 검출기의 상류에 배치된다.
다른 경우에, 전환 미러는 빔 경로 내에서 레이저 빔 존재 검출기와 빔 출구 사이에 배치된다.
다양한 실시예에서, 빔 가이드 시스템은, 검류계(예를 들어, 2개의 검류계), 미러, 렌즈, 전기-광학 스캐너, 인라인 빔 조향기, 프리즘, 듀얼-Ÿ‡지 스캐너(dual-wedge scanner), 편광 격자, 및/또는 압전 트랜스듀서 기반의 빔 조향 컴포넌트들을 포함할 수 있는 빔 가이드 요소를 특징으로 한다. 소정 사례에서, 이 시스템은, 빔 가이드 시스템의 움직임을 제어하도록 구성된 검류계 제어기, 및 빔 존재 검출기로부터 피드백을 수신하는 컴퓨터를 더 포함한다. 이 컴퓨터는 제어 신호 경로를 통해 검류계(들)와 전자적으로 통신할 수 있다. 일부 경우에, 빔 가이드 시스템은 핸드피스 어셈블리 내에 배치된다. 레이저 빔 존재 검출기는 또한, 적어도 하나의 광학적 또는 기타의 센서, 및 센서를 인클로징하는 센서 하우징을 포함할 수 있다. 센서는, 신호 통신을 수행하기 위한 디바이스(예를 들어, 전기 전도성 디바이스, 무선 시그널링 디바이스 등)를 통해 피드백을 제공할 수 있고, 센서 하우징은 핸드피스 어셈블리로의 레이저 빔 존재 검출기의 부착을 가능하게 할 수 있다. 일부의 경우에, 센서는, 포토레지스터, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 펠티에 소자, 및/또는 원적외선 광학적 센서 중 하나 이상일 수 있다. 센서 하우징은 불투명일 수 있다. 소정의 구현에서, 시스템은 또한, 광학적 센서의 적어도 일부를 덮는 광적 통합 요소(optical integration element)를 포함한다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은, 적외선 스펙트럼에서 동작하는 치료 레이저 빔, 및 가시광 스펙트럼에서 동작하는 파일럿 레이저 빔을 포함하는 치과용 레이저 치료 시스템을 특징으로 하며, 여기서, 치료 레이저 빔 및 파일럿 레이저 빔은 동일 선상에 있고 빔 경로를 형성한다. 이 시스템은, 빔 경로 내에 배치된 한 쌍의 검류계들, 및 빔 입구 및 빔 출구를 갖는 핸드피스 어셈블리를 포함할 수 있다. 빔 입구는 빔 경로 내에서 검류계 이후에 배치될 수 있고, 빔 출구는 빔 경로 내에서 빔 입구 이후에 배치될 수 있다. 빔 출구는 중심 위치를 갖는다. 이 시스템은 또한, 빔 출구에 근접하게 핸드피스 어셈블리에 제거가능하게 부착되고 컴퓨터에 피드백을 제공하는 레이저 빔 존재 검출기를 포함할 수 있다. 이 컴퓨터는, 치료 레이저 빔 및 파일럿 레이저 빔의 작동 뿐만 아니라 검류계의 움직임을 제어할 수 있다. 이 컴퓨터는, 피드백에 기초하여 빔 출구의 중심 위치를 결정하는 검색 알고리즘을 가질 수 있다.
이 컴퓨터는 검류계의 움직임을 제어하여 빔 경로를 중심 위치로 가이드해 자동 정렬을 제공할 수 있다.
다양한 실시예에서, 레이저 빔 존재 검출기는 가시광을 검출하도록 구성된다. 레이저 빔 존재 검출기는, 핸드피스 어셈블리 내부에 및 빔 출구의 상류 또는 이전에 배치될 수 있다. 일부 구현에서, 이 시스템은 또한, 검류계의 움직임을 제어하도록 구성된 검류계 제어기를 포함할 수 있고, 컴퓨터는 제어 신호 경로를 통해 검류계 제어기와 전자 통신할 수 있다. 핸드피스 어셈블리는 상호교환가능할 수 있다. 일부 구현에서, 이 시스템은 또한, 빔 출구에 근접하게 및 빔 경로 내에 핸드피스 어셈블리 내부에 배치된 전환 미러를 포함한다. 일부 구현에서, 전환 미러는 빔 경로 내에서 레이저 빔 존재 검출기 이전에 배치된다. 다른 구현에서, 전환 미러는 빔 경로 내에서 레이저 빔 존재 검출기와 빔 출구 사이에 배치된다.
다양한 실시예에서, 레이저 빔 존재 검출기는 또한, 적어도 하나의 광학적 또는 기타의 센서, 광학적 센서와 컴퓨터(예를 들어, 전기 전도성 디바이스, 무선 시그널링 디바이스 등) 사이에서 신호 통신을 수행하기 위한 디바이스, 및 광학적 센서를 인클로징하는 센서 하우징을 포함한다. 센서 하우징은 핸드피스 어셈블리로의 레이저 존재 검출기의 부착을 가능하게 할 수 있다. 센서 하우징은 불투명일 수 있다. 일부 사례에서, 이 시스템은 또한, 광학적 센서의 적어도 일부를 덮는 광학적 통합 요소를 특징으로 한다.
일반적으로, 또 다른 양태에서, 본 개시내용의 실시예들은 레이저 빔을 정렬하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은, 센서로부터 수신된 피드백 신호를 이용하여, 센서 상에 입사되는 레이저 빔의 부재를 나타내는 제1 신호를 센서가 생성하도록 레이저 빔을 지향시키게끔 프로세서에 의해 빔 가이드 시스템을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한, 센서로부터 수신된 피드백 신호를 이용하여, 레이저 빔이 센서 상에 입사되는 것을 나타내는 제2 신호를 생성하도록 레이저 빔을 지향시키게끔 프로세서에 의해 빔 가이드 시스템을 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은, 적어도 부분적으로 빔 가이드 시스템의 조정에 기초하여 빔 출구의 경계를 프로세서에 의해 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 이 방법은, 적어도 부분적으로 빔 출구의 경계를 이용하여, 빔 출구의 중심을 프로세서에 의해 계산하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한, 빔이 대략적으로 빔 출구의 중심을 통과하도록, 빔 가이드 시스템의 초기 위치를 프로세서에 의해 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 다양한 양태들은, 첨부된 도면 및 첨부된 상세한 설명에 비추어 더욱 명백해질 것이다. 여기서 도시된 실시예들은, 제한이 아닌 예로서 제공되며, 여기서, 동일한 참조 부호는 일반적으로 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다. 상이한 도면들에서, 동일한 또는 유사한 요소들은 상이한 참조 번호들을 이용하여 참조될 수 있다. 도면들은 반드시 축척비율대로 그려진 것은 아니고, 본 발명의 다양한 양태들을 예시하기 위해 강조가 이루어 졌다. 도면들에서:
도 1은 예시적인 치과용 레이저 시스템의 등각도(isometric view)이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 치과용 레이저 핸드피스/메인 챔버 어셈블리, 레이저 빔 존재 검출기, 및 검류계의 단면도이다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 치과용 레이저 핸드피스/메인 챔버 어셈블리 및 레이저 빔 존재 검출기의 일부의 확대 단면도이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 자동 정렬 시스템의 블록도이다.
도 5a는 다양한 실시예에 따른 반사기 링 및 검출기를 포함하는 치과용 핸드피스/메인 챔버 어셈블리의 단면도이다.
도 5b는 다양한 실시예에 따른 치과용 핸드피스/메인 챔버 어셈블리에 장착가능한 반사기 링을 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 다양한 실시예에 따른 분리가능한 센서, 및 빔 경로의 각도와 센서에 의해 검출된 전압 사이의 예시적인 관계를 도시하는 대응하는 플롯을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 다양한 실시예에 따른 핸드피스/메인 챔버 어셈블리 내에 장착된 반사기/센서 어셈블리, 및 빔 경로의 각도와 센서에 의해 검출된 전압 사이의 예시적인 관계를 나타내는 대응하는 플롯을 도시한다.
도 8은 다양한 실시예에 따른 중공 도파관 및 분리가능한 레이저 빔 존재 검출기를 포함하는 치과용 핸드피스/메인 챔버 어셈블리의 단면도이다.
도 9는 다양한 실시예에 따른 빔 가이드 시스템의 좌표와 센서에 의해 측정된 전압 사이의 예시적인 관계를 나타내는 플롯이다.
도 10a는 다양한 실시예에 따른 빔 가이드 시스템의 좌표와 중공 도파관으로부터 하류에 위치된 센서에 의해 측정된 전압 사이의 예시적인 관계를 나타내는 플롯이다.
도 10b는 도 10a에 도시된 플롯의 평면도이다.
도 11a는 중공 도파관이 없는 핸드피스를 갖는 실시예에 대응하는 센서 신호의 등각도이다.
도 11b는 중공 도파관을 포함하는 핸드피스를 갖는 또 다른 실시예에 대응하는 센서 신호의 등각도이다.
도 12a는 도 11a에 대응하는 센서 신호의 측면도이다.
도 12b는 도 11b에 대응하는 센서 신호의 측면도이다.
일부 치과용 레이저 치료 시스템에서, 치료 레이저 빔에 대한 적절한 파장 범위는 대략 9.3 내지 9.6 마이크로미터 범위이다. 이 적외선 범위에서, 레이저 빔은 보이지 않는다. 치료 레이저 빔은, 치과 조직을 절단, 절제, 소작, 및/또는 기타의 방식으로 영향을 미치기에 충분한 전력으로 동작할 수 있다. 따라서, 조작자(예를 들어, 치과 의사, 외과 의사, 기타의 의료 관계자 등)가 치료 전 및/또는 치료 중에 치료 레이저 빔이 입사하는 치료 영역 상의 지점의 위치를 알게 하는 것이 유익하다. 이 목적을 위해, 가시 스펙트럼의 마킹/조준 레이저 빔이 이용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 마킹/조준 레이저 빔은 저전력이며 치료 위치를 마킹할 수 있다. 레이저 빔을 마킹하는 하나의 예는 녹색이며 대략 532 나노미터의 파장을 갖는다. 치료 레이저 빔과 마킹 레이저 빔이 동일 선상에 있다면, 치료 레이저 빔은, 실질적으로 마킹/조준 레이저 빔이 입사한 위치에서 치료 표면 상에 입사한다(예를 들어, 0.1%, 0.5%, 1%, 2%, 5% 미만 등의 진정한 위치 허용오차와 함께). 이하의 논의에서, 용어 레이저 빔은, 마킹 레이저 빔과 치료 레이저 빔 양쪽 모두를 나타내지만, 일반적으로는 마킹 레이저 빔을 지칭한다.
도 1은, 적어도 하나의 레이저 빔을 생성하는 적어도 하나의 레이저 소스(12)를 포함하는 예시적인 치과용 레이저 시스템(10)을 도시한다. 발사체(launch, 14)는 치과용 레이저 시스템(10)의 메인 부분과 관절식 아암(16) 사이에 접속된다. 발사체(14)는 레이저 빔을 인클로징하고 관절식 아암(16) 내로 가이드한다. 관절식 아암(16)은, 레이저 빔을 인클로징하고 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)로 가이드하는 역할을 하는 복수의 관절부를 포함할 수 있다. 관절식 아암 내의 레이저 빔 트랜스포트 시스템은, 미러, 렌즈, 프리즘, 광섬유 케이블, 및/또는 기타의 광학적 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)는, 관절식 아암(16)의 단부에 부착되고, 사용자에 의해 상호교환가능할 수 있다. 레이저 시스템(10)의 적어도 하나의 제어부(18)는, 치과용 레이저 시스템(10)의 메인 부분으로부터의 원격 이용을 위해 구성될 수 있다.
도 2 및 도 3은, 관절식 아암(16)의 단부에 부착된 예시적인 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)를 도시한다. 어셈블리(20)는, 부착된 미러를 이동시켜 레이저 빔을 소정의 명시된 위치로 가이드할 수 있는 한 쌍의 검류계들(22)을 포함한다. 여기서 사용될 때, 용어 검류계는 일반적으로, 전자기적으로 조향가능한 미러의 작동기 부분(actuator portion)과 작동기에 부착된 회전가능한 미러를 포함하는 어셈블리를 지칭한다. 미러, 렌즈, 전기-광학적 스캐너, 인-라인 빔 조향기, 프리즘, 듀얼-Ÿ‡지 스캐너, 편광 격자, 압전 트랜스듀서를 포함한, 기타의 빔 가이드 요소들이 빔 조향을 위해 추가적으로 또는 대안으로서 이용될 수 있다. 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)는, 관절식 아암(16)의 단부 및 검류계(22)에 근접한 빔 입구(26)를 갖는다. 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)는 빔 입구(26)의 반대편 단부에 빔 출구(28)를 갖는다. 빔 입구(26) 및 빔 출구(28)는 직선 빔 경로와 일렬로 배치되거나, 도시된 바와 같이, 그 사이에 빔 경로(50)를 따라 및 빔 출구(28)에 근접하게 전환 미러(40)가 배치될 수 있다. 따라서, 빔은, 빔 경로(50)의 상류 및 하류 빔-경로 부분(50a 및 50b)이 서로에 관해 소정 각도를 이루도록, 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)를 빠져 나올 수 있다.
일부 사례에는, 레이저 빔 존재 검출기(30)가 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)의 빔 출구(28) 부분에 근접하게 부착된다. 전형적으로, 전환 미러(40)는, 빔 경로(50) 내에서 레이저 빔 존재 검출기(30)의 상류 또는 앞에 배치된다. 레이저 빔 존재 검출기(30)는, 빔 출구(28)의 거의 중심에 위치한 광학적 또는 기타의 센서(32), 광학적 센서(32)를 인클로징하고 레이저 빔 존재 검출기(30)를 빔 출구(28) 부근에서 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)에 부착하기 위한 센서 하우징(36), 광학적 센서(32)를 덮는 광학적 통합 요소(34)를 포함할 수 있다. 광학적 통합 요소(34)는 광학적 센서(32)에 도달하기 전에 레이저 빔을 확산시킬 수 있다. 광학적 센서(32)는, 한 쌍의 센서 출력 와이어들(42) 또는 기타 임의의 적절한 전기 도전체를 통해 전기적 출력을 제공할 수 있는 한 쌍의 광학적 센서 출력 리드들(38)을 가질 수 있다.
다양한 실시예에서, 레이저 빔 존재 검출기(30)는 레이저 빔 정렬을 수행하기 위하여 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)의 빔 출구(28) 부분에 근접하게 부착되고 통상적으로 레이저 빔 정렬 후에 제거되어, 치과용 레이저 치료 시스템(10)이 치료될 조직에 레이저 빔을 치료 및/또는 마킹 레이저 빔을 지향시키는데 이용될 수 있게 한다. 센서(32)는, 포토레지스터, 포토다이오드, 펠티어 열전 소자, 및 원적외선 광학적 센서를 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 광감응 또는 열감응 검출 요소를 포함할 수 있다. 레이저 빔 존재 검출기(30)는, 마킹/조준 레이저 빔의 가시광을 검출하도록 구성될 수 있고, 추가로 또는 대안으로서, 치료 레이저 빔의 적외선을 검출하도록 구성될 수 있다. 센서 하우징(36)은 주변 광을 차단하기 위해 대개 불투명하고, 마찰, 나사 접속, 자기 접속, 약간의 기계적 끼워 맞춤 등에 의해 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)에 제거가능하게 부착될 수 있다. 광학적 통합 요소(34)는, 반투명 포움(foam), 또는 입사 레이저 광을 투과시키고 실질적으로 균일하게 확산시킬 수 있는 기타 임의의 반투명 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 광학적 통합 요소(34)는 광학적 센서(32)의 전체 표면을 덮을 수 있다. 일부 실시예에서, 광학적 통합 요소(34)는 광학적 센서(32)의 표면의 일부만을 덮을 수 있다.
도 3을 참조하면, 시스템 캘리브레이션에 이용되는 제1 빔 경로(51)를 따라 전파하는 레이저 빔은, 전환 미러(40)에서 반사되고 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)의 빔 출구(28)의 경계와 위치(56)에서 접촉하는 것으로 도시되어 있다. 그 다음, 레이저 빔은 빔 출구의 내측 표면에서 반사될 수 있고, 레이저 에너지의 적어도 일부는 광학적 센서(32)에 의해 감지될 수 있다. 그러나, 경계(56)에 처음 접촉함으로써, 빔 경로(51)를 따라 전파하는 레이저 빔은 빔 경로(53)를 통한 직접적인 입사에 대응하는 세기로 광학적 센서(32)와 접촉하지 않을 것이다. 마찬가지로, 빔 경로(52)를 따라 전파하는 레이저 빔은 또한 전환 미러(40)에서 반사되고, 위치(58)에서 빔 출구 경계와 접촉하며, 그 곳에서 다시 반사되어 직접적인 입사에 대응하는 세기로 광학적 센서(32)와 접촉하지 않을 수 있다. 다양한 경우에, 레이저 빔은 빔 출구(28)에 의해 내측 표면에서 반사되지 않을 수 있고, 따라서, 광학적 센서(32)에 의해 전혀 감지되지 않을 수 있다. 빔 경로(53)를 따라 전파하는 레이저 빔은 전환 미러(40)에서 반사되어 광학적 센서(32)에 직접 입사한다.
도 4를 참조하면, 검류계(22)의 검류계 미러(64)는 경로(50)를 따라 레이저 빔을 가이드하여, 레이저 빔이 광학적 센서(32)에 직접 입사하거나 입사하지 않을 수 있다. 센서(32)에 의해 생성된 센서 신호는, 센서 리드(38)에 접속된 센서 출력 와이어(42)를 통해 컴퓨터(66)에 전송될 수 있다. 일부 실시예에서, 신호 조정기/필터, 증폭기 등의 회로는 광학적 센서(32)와 연관된다. 컴퓨터(66)는, 적어도 일부가 소프트웨어, 및/또는 칩, 필드 프로그래머블 게이트 어레이 등의 회로를 포함하는 프로세서 또는 처리 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터(66)는 후술되는 검색 절차를 구현한다.
컴퓨터(66)는, 검류계 제어 신호 경로(68)를 통해 검류계(22)의 검류계 작동기(62)와 전기적으로 통신하는 검류계 제어기(60)로의 제어 신호 경로(70)를 통해 빔 가이드 시스템을 제어할 수 있다. 검류계 작동기(62)는 검류계 미러(64)를 회전시킬 수 있으므로, 빔 출구(28)를 통해 치료 영역/구역의 선택된 또는 프로그램 위치로 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)를 통해 빔 경로(50)를 변경시킨다. 컴퓨터(66)는 또한 레이저-빔 작동을 제어할 수 있고 검류계(22) 움직임과 레이저 빔 펄스를 동기화시킬 수 있다. 피드백 시스템은, 후술되는 바와 같이, 검류계(22)의 정렬 및 그에 따른 빔 출구(28)에 관한 빔 경로(50)의 위치를 자동으로 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 레이저 빔은 컴퓨터(66)에 의해 작동된다. 컴퓨터(66)는 또한, 검류계 제어기(60)에게 미리결정된 각도 범위의 움직임을 통해 검류계 미러(64)를 스위핑하도록 명령한다. 이 범위의 일부의 검류계 움직임 내에서, 빔 경로(50)는 광학적 센서(32)에 직접 입사한다. 따라서, 광학적 센서(32)는 입사하는 레이저 빔을 검출하고 광학적 센서(32) 상에 입사된 레이저 빔을 나타내는 전기적 신호를 생성한다. 이 신호는 센서 출력 리드(38) 및 센서 출력 와이어(42)를 통해 컴퓨터(66)에 전송될 수 있다.
이 범위의 다른 일부의 검류계 움직임 내에서, 빔 경로(50)는 빔 출구(28)에서 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)의 엣지로 향한다. 따라서, 레이저 빔은 빔 출구의 경계에 의해 차단되거나 반사되어 센서(32)에 직접 입사하지 않는다. 이들 경우에, 레이저 빔이 빔 출구(28)에 의해 반사되어 광학적 센서(32)에 입사하지만 검출에 필요한 강도에서는 입사하지 않는 경우, 광학적 센서(32)는, 레이저 빔(32)이 낮은 레벨에서 광학적 센서(32)에 의해 검출되었다(또는 전혀 검출되지 않았다)는 것을 나타내는 전기적 신호를 컴퓨터(66)에 전송할 수 있다. 일부 실시예에서, 광학적 센서(32) 및 연관된 회로는 센서(32)에 의해 검출된 레이저 빔의 세기(예를 들어, 영향)를 나타내는 신호를 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 광학적 센서(32)에는 일반적으로 센서 출력 리드(38)가 제공된다. 센서 출력 와이어(42)는 레이저 빔 존재 검출기(30)의 조립 동안에 센서 출력 리드(38)에 고정된다. 대안으로서, 센서 출력 와이어(42)는 리드(38)를 이용하지 않고 광학적 센서(32)에 직접 부착될 수 있다. 레이저 빔이 검출되지 않았다는 것을 나타내는 전기적 신호는 널(null) 또는 제로 신호(예를 들어, 0V 또는 0A 신호)일 수 있다. 그러나, 컴퓨터(66)가 신호를 해석함으로써 빔 경로(50)가 광학적 센서(32)에 직접 입사하는지 여부를 결정할 수 있는 한, 전기적 신호는 임의의 다른 타입의 저레벨 신호일 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 빔 경로들(51, 52)은, 이들 양 경로들을 따라 전파하는 레이저 빔이 어떻게 각각 빔 출구 경계(56, 58)에서 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)의 엣지에 의해 차단될 수 있는지를 도시한다. 광학적 통합 요소(34)는 광학적 센서(32)의 표면 상에 입사하는 임의의 레이저 방사를 확산 및 평균할 수 있다. 레이저 에너지의 검출은 광학적 통합 요소(34)를 이용하거나 이용하지 않고 광학적 센서(32)에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 광학적 센서(32)는 아날로그 센서를 포함한다. 컴퓨터(66)는, 광학적 센서(32)로부터 수신된 신호를, 레이저 방사가 광학적 센서(32)에 입사한다는 것을 나타내는, 또는 가변적이거나 명시된 임계치 아래의 에너지를 갖는 레이저 방사가 광학적 센서(32)에 입사되고 있거나 아무런 레이저 방사도 광학적 센서(32)에 입사되고 있지 않다는 것을 나타내는 이산적 2진 신호로서 해석할 수 있다. 이 이용 모드에서, 입사 레이저 방사의 검출 및 처리는 일반적으로 엣지 검출을 수행하기 위해 채용된다. 레이저 빔이 감지되는지 또는 감지되지 않는다는 것 나타내는 전기적 신호는 도 4를 참조하여 전술된 피드백 시스템을 통해 컴퓨터(66)에 피드백을 제공할 수 있다. 컴퓨터(66)는, 후술되는 바와 같이, 검류계 제어기(60)를 조정할 수 있고, 차례대로 검류계(62)를 조정할 수 있다.
일부 실시예에서, 컴퓨터(66)는, 일반적으로, 및 구체적으로는, 광학적 센서(32)가 입사 레이저 빔/방사의 미감지로부터 레이저 빔/방사의 감지로의 천이를 나타내는 신호를 출력할 때 검류계 위치 좌표를 기록할 수 있는 경계 검색 절차(perimeter search procedure)를 포함한다. 경계 검색 동안에, 컴퓨터(66)는 또한, 광학적 센서(32)가 입사 레이저 빔/방사의 감지로부터 레이저 빔/방사의 미감지로의 천이를 나타내는 신호를 출력할 때 검류계 위치 좌표를 기록할 수 있다. 이들 위치 좌표들의 세트들 각각은, 빔 출구(28)의 엣지 또는 경계 상의 지점을 정의할 수 있다. 빔 출구가 원형이라면, 빔 출구(28)의 중심에 대한 위치 좌표는 빔 출구(28)의 경계 상의 3개 이상의 지점들에 대한 위치 좌표를 결정함으로써 계산될 수 있다.
일단 빔 출구(28)의 중심에 대한 위치 좌표가 계산되고 나면, 컴퓨터(66)는 컴퓨터 제어 신호를 컴퓨터 제어 신호 경로(70)를 통해 검류계 제어기(60)에 전송할 수 있고, 이어서, 검류계 제어기(60)는 검류계 제어 신호를 검류계 제어 신호 경로(68)를 통해 검류계 작동기(62)에 제공할 수 있다. 그 다음, 검류계 미러(64)는, 빔 경로(50)가 빔 출구(28)의 중심을 통과하게끔 조정될 수 있도록 이동될 수 있다. 다양한 실시예에서, 이러한 조정은 빔 출구(28)의 직경(또는 빔 출구(28)가 원형이 아니라면, 다른 적절한 단면 치수)의 0.01%, 0.05%, 0.1%, 1%, 2%, 5%, 10%, 20% 등의 허용오차 내에서 달성될 수 있다. 빔 출구(28)가 원형이 아니라면, 그 경계상의 3개보다 많은 엣지 위치들, 예를 들어, 빔 출구(28)의 하나 이상의 엣지 상의 하나 이상의 엣지 위치가 전술된 경계 검색 절차를 이용하여 결정될 수 있다. 따라서, 광학적 센서(32)로부터의 위치 피드백 입력이 제공된 컴퓨터(66)는, 레이저 빔이, 그 초기 위치에서, 대략 빔 출구(28)의 중심 위치를 통과하여 치료될 조직 영역 상의 선택된 지점(spot)에 입사하도록 빔 가이드 시스템의 움직임을 제어할 수 있다. 그 후, 검류계 제어기(60)는 검류계(62)를 이동시켜, 선택된 지점 주변의 명시된 크기 및 형상의 영역을 스캔하여 그 영역을 자동적으로, 균일하게, 효율적으로 치료할 수 있다.
다양한 실시예에서, 상이한 검색 알고리즘이 전술된 엣지 검출을 수행하는데 이용될 수 있다. 일반적으로, 피드백-기반의 방법은 검색 절차와 함께 이용되어 빔 출구(28)의 중심을 결정할 수 있고, 따라서, 생산/제조, 현장 서비스 동안 검류계 미러(64)의 자동 정렬, 또는 예를 들어 선택된 치료 절차를 수행하기 전에 사용자에 의한 정렬을 가능하게 할 수 있다. 이러한 자동 정렬 캘리브레이션은, 동작 동안의 시스템 진동, 치료 시스템의 우발적 충돌, 상이한 상호교환가능한 핸드피스/메인 챔버 어셈블리들(20)의 오정렬, 관절식 아암(14)의 오정렬, 기타의 광학적 오정렬, 기계적 및/또는 전기적 드리프트, 하나 이상의 시스템 컴포넌트의 열 변형 등을 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 일반적으로 환경으로부터 발생하는 다양한 위치 오류들에 대해 보정할 수 있다.
일부 실시예에서, 레이저 빔을 검출하는데 이용되는 광학적 센서(32)는 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20) 내부에 배치되어, 센서(32), 즉, 빔 존재 검출기(30)가 전환 미러(40)와 빔 출구(28) 사이에 위치하게 한다. 추가로 또는 대안으로서, 일부 실시예에서, 전환 미러(40)는, 광학적 센서(32)/빔 존재 검출기(30)와 빔 출구(28) 사이에 배치된다. 검류계(22)는 이동될 수 있고 그 초기 위치는 전술된 바와 같이 조정될 수 있다. 이들 실시예에서, 레이저 빔 존재 검출기(30)는, 레이저 빔 존재 검출기(30)의 중심 및 빔 출구(28)의 중심이 대체로 빔 경로(50) 상에 놓일 때 (예를 들어, 빔 출구(28)의 직경의, 또는 빔 출구(28)가 원형이 아니라면, 그것의 다른 적절한 단면 치수의, 0.01%, 0.05%, 0.1%, 1%, 2%, 5%, 10%, 20%의 허용오차 내) 레이저 빔의 통과를 허용하는 중심 개구부를 형성한다.
이러한 실시예에서, 빔 경로(50)를 따라 지향된 레이저 빔은 광학적 센서(32)에 의해 감지되지 않을 수 있고, 대응적으로, 센서(32)는 레이저 빔의 검출 부재를 나타내는 신호를 컴퓨터(66)에 전송할 수 있다. 레이저 빔 경로(50)가 빔 출구(28)의 엣지에 의해 차단된다면, 산란된 레이저 방사는 광학적 센서(32)에 의해 감지될 수 있다. 빔 출구(28)의 내측 표면은 그 반사율을 증가시키기 위해 코팅되거나 연마될 수 있다. 대안으로서, 빔 출구(28)의 내측 경계 또는 핸드피스(20)의 내측 경계 부근의 센서(32)의 일부가 빔 경로(50) 상에 직접 놓인다면, 센서(32)는 입사하는 레이저 빔을 직접 감지할 수 있다. 센서(32)는 대응하는 신호를 컴퓨터(66)에 전송할 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 일부 실시예에서 반사 링(80)이 핸드피스(20) 내에 배치된다. 링은 빔 출구(28)의 중심에서 핸드피스를 빠져 나오는 광학 축(82)과 동심일 수 있다. 링(80)은 반사면(84)으로부터 레이저 방사를 반사시키고 산란면(86)으로부터 레이저 방사를 산란시키도록 구성된다. 링에 입사하는 레이저 빔(88)은 확산 광(90)으로서 반사되고 산란될 수 있다. 확산 광(90)은 링을 대면하는 센서/빔 존재 검출기(32)에 의해 검출될 수 있다. 레이저 빔이 링 반사기(80)의 개구부 또는 개구를 통해 지향된다면, 레이저 빔은 전환 미러(40)를 향해 개구를 통과하고, 빔 출구(28)를 통해 전파하여, 치료 영역 쪽으로 지향된다. 레이저 에너지는 링(80)에 의해 반사 및/또는 산란되지 않으며, 센서(30)는 어떠한 레이저 방사도 검출하지 않거나 명시된 임계 레벨 위의 레이저 방사를 검출하지 않을 수도 있다.
따라서, 링/센서 어셈블리는, 레이저 빔이 링 또는 그 내부의 개구부로 지향되는 것에 응답하여 컴퓨터에 피드백 신호를 제공할 수 있다. 개구부의 크기(예를 들어, 원형 또는 타원형 개구의 직경, 정사각형, 직사각형, 삼각형 등의 다른 형상의 대각선) 및 개구부의 형상은, 개구부를 통과하는 빔이 명시된 허용오차 내에서 빔 출구의 중심과 정렬되도록 선택될 수 있다. 허용오차는, 예를 들어, 0.01 ㎛, 0.5 ㎛, 1 ㎛, 2 ㎛, 10 ㎛ 등의 중심으로부터의 거리에 관해 명시될 수 있다. 허용오차는 또한, 빔 출구(28)의 반경/직경 또는 다른 단면 치수의 퍼센트로, 예를 들어, 빔 출구(28)의 특정한 단면 치수 내의 0.1%, 0.5%, 1%, 4%, 10%, 15%, 20%로 명시될 수 있다. 일부 실시예에서, 허용오차는, 예를 들어 0.01°, 0.1°, 0.5°, 1°, 1.5°, 5° 등의, 빔 출구의 단면에 대한 법선에 관한 각도로서 명시될 수 있다.
이러한 실시예에서 이용하기 위해, 전술된 엣지 검출 방법은 다음과 같이 수정될 수 있다. 센서(32)에 의한 레이저 빔/방사의 검출은, 레이저 빔이 빔 출구(28)의 중심에 입사하지 않는다는 것을 나타낼 수 있다. 센서(32)에 의해 감지된 빔/방사는, 중공의 중심 코어 외부의 링(80)의 영역에 입사될 수 있다. 센서(32)에 의한 레이저 빔/방사의 검출은, 레이저 빔이 중심 코어 외부의 링(80)의 영역 상에 및/또는 빔 출구(28) 및/또는 핸드피스(20)의 내측 표면 상에 입사한다는 것을 나타낼 수 있다. 레이저 빔/방사의 검출로부터 비검출로의 및/또는 레이저 빔/방사의 비검출로부터 그 검출로의 센서 출력 신호의 천이, 또는 양쪽 타입 모두의 천이가, 링(80)의 비코어 부분의 3개 이상의 좌표 및/또는 빔 출구(28) 또는 핸드피스(20)의 내측 표면의 좌표를 결정하는데 이용될 수 있다. 이들 좌표들은, 링(80)의 중심, 및 사실상 링(80)의 중심에 대응하는 빔 출구(28)의 중심을 결정하는데 이용될 수 있다.
중심 코어는, 빔 출구(28)의 직경, 링(80)의 직경, 또는 빔 출구(28) 및/또는 링(80)이 원형이 아닌 경우 빔 출구(28) 및/또는 링(80)의 또 다른 적절한 단면 치수의 0.01%, 0.05%, 0.1%, 1%, 2%, 5%, 10%, 20% 등의 거리 내의 링(80)의 중심 주변의 영역일 수 있다. 이러한 실시예는, 레이저의 동작 동안에 준-실시간으로 정렬을 체크하는데 이용될 수 있다. 관절식 아암(14)의 이동에 의해 야기된 오정렬은 지속적으로 보정되어, 더욱 엄격하게 제어된 빔 경로를 제공하고 개선된 인간공학 및 환자 입안에서의 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)의 더욱 용이한 조작을 위해 더 작은 빔 출구(28)를 갖는 더 좁은 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20)를 허용한다. 도 3을 참조하여 설명된 분리가능한 센서는, 빔 출구(28) 및/또는 핸드피스(20) 내에 배치된 센서 대신에 또는 이에 추가하여 이용될 수 있다.
도 6a를 참조하면, 분리가능한 센서의 실시예에서, 전술된 바와 같이, 엣지 검출을 수행하는 동안 레이저 빔은 핸드피스(20)의 빔 출구(602)의 출구(604)로 및 빔 출구(28)의 내측 표면(606)으로 지향될 수 있다. 도 6b는, 선택사항으로서 확산기(612)에 의해 커버되는 센서(610)에 의한 예시적인 대응하는 측정치를 도시한다. 특히, 빔 R1은 빔 출구의 내측 표면(606)으로 지향된다. 빔 R1은 내측 표면에 의해 흡수될 수 있고, 따라서, 센서(610)는 레이저 에너지를 전혀 검출하지 못할 수 있다. 일부 경우에, 빔 R1은 내측 표면(606)에 의해 적어도 부분적으로 반사 및/또는 산란된다. 따라서, 빔 R1의 레이저 에너지의 적어도 일부는 확산기(612) 및/또는 센서(610)를 향해 지향될 수 있고, 이에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예에서, 센서 출력은 전압 신호이고, 전압 신호(650)의 부분(652)은, 적어도 부분적으로 반사된 및/또는 산란된 빔 R1에 대응하는 센서(610)에 의해 검출된 에너지를 나타낸다. 도 6b에서, 전압 곡선(650)에 대응하는 X 축은 출구(604)의 법선에 관한 빔 각도이고, 여기서, 법선을 따른 빔(예를 들어, 빔 D1)은 출구(604)의 중심을 통과한다.
도 6a에 도시된 예에서, 빔 D2는 빔 출구(602)의 출구(604)의 엣지로 지향되고, 빔 D1은 대략 빔 출구의 중심으로 지향된다. 센서(610)는, 빔들 D2, D1, 및 이들 2개 빔들 사이에 형성된 다른 빔들에 대응하는 에너지를 감지할 수 있다. 센서(610)는 유사하게, 빔들 D3 및 D4, 및 이들 빔들 D1과 D4 사이에 형성된 다른 빔들의 에너지를 감지할 수 있다. 도 6a는 빔 출구(602) 및 센서(610)의 단면을 도시한 것임을 이해해야 한다. 따라서, 빔 D2 및 D4에 의해 경계가 정해진 원추 내에 형성된 수 개의 빔이 센서(610)에 의해 감지될 수 있다. 이들 빔들의 에너지는 빔 출구(602)에 의해 감쇄되지 않기 때문에, 센서의 출력 전압은, 영역(654)으로 나타낸 바와 같이, 급속하게 증가할 수 있다. 빔 R2는 빔 출구(602)의 내측 표면(606)을 향해 지향된다. 빔 R1처럼, 빔 R2의 에너지는 센서(610)에 의해 전혀 검출되지 않거나, 빔(R2)의 에너지의 반사된 및/또는 산란된 부분만이 센서(610)에 의해 검출될 수 있다. 센서(610)의 출력 전압의 부분(658)은 이러한 검출된 에너지에 대응한다.
빔이 빔 R1에 대응하는 빔 경로로부터 빔 R2에 대응하는 빔 경로로 이동되고, 이러한 이동이 빔 출구의 출구(604)의 직경을 따라 발생한다면, 전압 곡선(650)은 대칭이고, 빔 경로들(D2 및 D4)에 의해 한정된 원추 내의 빔에 대응하는 대략 편평한 상부(656)를 가질 수 있다. 편평한 상부(656)의 중심은, 규정된 허용오차 내에서 빔 출구(602)의 중심을 통과하는 빔 D1에 대응할 수 있다. 부분(654)(즉, 부분 652와 656 사이)에서의 급속한 천이는 빔 출구(602)의 출구(604)의 엣지를 검출하는데 이용될 수 있다. 일반적으로, 빔이 빔 출구의 출구(604)의 직경을 따라 이동되는지를 충분한 정확성으로 결정하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 3개 이상의 엣지 지점들이 식별될 수 있고 빔 출구의 중심은 기하학적 중심(centroid)을 계산함으로써 결정될 수 있다.
도 7a를 참조하면, 예시적인 핸드피스(702)는 센서 어셈블리를 포함한다. 센서 어셈블리는 중심 개구(706)를 갖는 반사기 링(704) 및 센서(710)를 포함한다. 레이저 빔은, 빔 가이드 시스템의 초기 위치를 결정하는 동안 핸드피스(702)의 개구(706), 링(704) 및 내측 표면(708)으로 지향될 수 있다. 도 7b는 센서(710)에 의한 예시적인 대응하는 측정치를 도시한다. 특히, 빔들 R1 및 R2는 이들 빔을 반사하거나 반사하지 않을 수 있는 내측 표면(708)으로 지향된다. 반사된 경우, 일부 경우에, 반사된 빔은 개구(706)를 통과하고 링(704)에 의해 반사되지 않을 것이다. 따라서, 이들 빔들로부터의 에너지는 센서(710)에 의해 검출되지 않을 수 있다. 빔 R3은 또한, 내측 표면(708)으로 지향되지만, 반사될 때, 빔 R3은 반사기 링(704)으로 지향된다. 따라서, 빔 R3의 레이저 에너지의 적어도 일부는 링(704)에 의해 센서(710) 쪽으로 반사된다. 응답하여, 센서(710)는 출력 신호를 생성할 수 있다. 통상적으로, 빔 R3의 에너지의 작은 부분만이, 예를 들어, 50%, 20%, 5% 미만 등 만이 내측 표면(708)에 의해 반사될 수 있고, 반사된 에너지의 일부만이 링(704)에 의해 추가로 반사될 수 있다. 따라서, 센서 출력 신호는 비교적 약한 신호이다.
일반적으로, 빔 R1의 경로로부터 내측 표면(708)과 반사기 링(704) 사이의 연결부로 지향되는 빔의 경로까지의 경로를 따르는 레이저 빔의 일부는 내측 표면(708)에 의해 반사될 수 있고 개구(706)를 통과할 수 있다. 이들 빔들 중 일부는 링(704)에 의해 반사될 수 있고, 그 에너지의 적어도 일부는 센서(710)에 의해 감지될 수 있다. 이러한 신호에 대응하는 전형적인 전압 신호는, 전압 신호(750)의 부분(752)에 의해 표시된다. 도 7b에서, 전압 곡선(750)에 대응하는 X 축은 개구(706)에 대한 법선에 관한 빔 각도이며, 여기서, 법선을 따르는 빔(예를 들어, 빔 D)은 빔 출구(712)의 중심을 통과한다.
빔 S 등의 레이저 빔이 반사기 링(704)에 직접 입사된다면, 빔 에너지의 상당한 부분(예를 들어, 30%, 40%, 50%, 75% 이상 등)은 링(704)에 의해 반사될 수 있다. 링(704)은 확산기를 포함할 수 있다. 센서(710)는, 반사되고 선택사항으로서 확산된 레이저 에너지를 감지할 수 있고, 응답하여, 전압 신호(750)의 부분(754)에 대응하는 출력 신호를 생성할 수 있다. 빔 S과 유사한 빔들은 핸드피스(702)의 내측 표면(708)에 입사하지 않기 때문에, 이들 광선은 링(704)에 의해 반사되기 전에 핸드피스(20)에 의해 감쇠되지 않는다. 따라서, 센서(710)에 의해 감지된 에너지는 전형적으로, 빔 R3 등의, 빔의 반사에 대응하여 감지된 에너지보다 훨씬 더 크다(예를 들어, 2, 3, 10, 100배 등). 따라서, 센서 출력 신호(750)의 부분(754)은 전형적으로, 영역(752) 내의 센서 출력 신호의 최대 강도보다 훨씬 강하다(예를 들어, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 400배 등).
개구(706)의 법선에 관해 충분히 작은 각도를 갖는, 빔 D 등의 레이저 빔은, 개구(706)를 통과할 수 있다. 따라서, 이들 빔은 반사기 링(704)에 의해 반사되지도 않고 내측 표면(708)에 의해서도 반사되지 않으며, 이들 빔의 에너지는 센서(710)에 의해 거의 또는 전혀 감지되지 않을 수 있다. 따라서, 부분(758)에 표시된 바와 같이, 센서 출력은, 센서 출력 신호(750)의 부분(754)에 대응하는 센서 출력의 5%, 1%, 0.1% 미만 등과 같이, 현저하게 저하될 수 있다.
빔이 핸드피스(702)의 측면 (A) 상의 빔 R1에 대응하는 빔 경로로부터 핸드피스의 측면(B) 상의 유사한 빔 경로로 이동되고, 이러한 이동이 개구(706)의 직경을 따라 발생한다면, 전압 곡선(750)은 부분(756)에 의해 표시된 바와 같이 대칭일 수 있고, 개구(706)를 직접 통과하는 빔에 대응하는 대략 편평한 홈(758)을 가질 수 있다. 부분(758)의 중심은, 명시된 허용오차 내에서 개구(706) 및 빔 출구(712)의 중심을 통과하는 빔 D에 대응할 수 있다. 부분들(752, 754) 사이의 신속한 천이는, 먼저 개구 엣지를 결정하는데 이용될 수 있고, 그 다음, 빔이 내측 표면(708) 또는 반사기 링(704)으로 지향되는지를 결정하는데 이용될 수 있다. 부분들(758, 756) 사이의 신속한 전이는 빔 출구(712)의 중심을 결정하는데 이용될 수 있다. 일반적으로, 빔이 반사기(704)의 개구(706)의 직경을 따라 이동되는지를 충분한 정확도로 결정하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 개구 경계를 식별하는 3개 이상의 지점들이 식별될 수 있고 빔 출구의 중심은 기하학적 중심(centroid)을 계산함으로써 결정될 수 있다.
소정의 치과 연질 조직 치료절차 또는 치주 치료절차(periodontal procedure)는 중공 도파관을 이용하여 수행될 수 있다. 도 8을 참조하면, 원적외선 영역의 파장, 예를 들어, 9 내지 11 마이크로미터 범위의 파장을 갖는 레이저 빔이 중공 도파관(100)에 결합될 수 있다. 이 목적을 위해, 일부 실시예에서, 레이저 빔은, 허리부(waist)가 중공 도파관(100)의 입구(102)에 형성되도록, 허리부분 ω에 포커싱된다. 다양한 실시예에서, 빔 허리부 대 도파관 보어 반경 비(beam waist to waveguide bore radius ratio) ω/a가 대략 0.64라면, 도파관 처리 효율은 증가되거나 최대화될 수 있다. 치과 연질 조직 또는 치주 치료에 적합한 일부 중공 도파관은, 0.3 내지 2.0mm, 0.4 내지 1.0mm 또는 0.6 내지 0.8mm 범위의 내경(보어 직경)을 갖는다. 이들 중공 도파관에 잘 결합될 수 있는 대응하는 빔 허리부 직경은, 각각, 약 0.19 내지 1.26mm, 0.26 내지 0.64mm, 및 0.38 내지 0.50mm이다.
다양한 실시예에서, 이러한 허리부 직경은 레이저 빔을 천천히 포커싱함으로써, 즉, 약 25mm 내지 200mm의 범위, 예를 들어, 약 135mm의 비교적 긴 초점 길이를 이용함으로써 달성될 수 있다. 이러한 긴 초점 길이(즉, 25mm 이상)로 인하여, 레이저 빔의 각도 오정렬에 대한 허용오차는 낮다. 비교적 작은 각도의 오정렬은 빔 경로에 수직인 표면을 따라 허리부의 상당한 변위를 야기하여, 레이저 빔이 도파관 입구(102)와 전혀 결합되지 않거나 적어도 충분하지 않게 결합되게 할 수 있다. 일반적으로, 초점에서의 레이저 빔 허리부의 변위 D는, D = f*δ로 근사될 수 있고, 여기서, f는 초점 거리이고, δ는 각도 오차이다. 예를 들어, 0.5 mrad의 각도 오차 및 150 mm의 초점 길이는 초점에서 약 0.08 mm의 변위를 생성한다.
일부 실시예에서, 레이저 빔을 중공 도파관에 결합시키기 위해 자동 빔-정렬 시스템이 이용될 수 있다. 도 8에서, 예를 들어, 약 0.60 mm 직경의 중공 도파관(100)을 갖는 핸드피스가 자동 정렬 시스템과 함께 도시되어 있다. 센서(32)는 중공 도파관(100)의 출구(104) 뒤에 위치한다. 확산기(34)는 센서(32) 위에 배치될 수 있다. 확산기의 이용은 선택사항이다. 일부 실시예에서, 적외선 치료 레이저와 동일 선상의 파일럿 레이저가 선택되어 도파관(100) 쪽으로 지향된다. 센서(32)는 도파관(100)의 출구(104)에서 파일럿 레이저의 존재 및 세기를 감지할 수 있다.
따라서, 일부 실시예에서, 빔 가이드 시스템은, 컴퓨터에 의해 지시된 단계들로 중공 도파관(100)의 입구(102) 위의 단면 영역에서 파일럿 레이저를 스캔할 수 있다. 각각의 단계에서, 센서(32)는 출구(104)로부터 방출된 파일럿 광의 세기를 측정할 수 있다. 중심 결정 알고리즘을 이용하여, 중공 도파관 입구(102)의 중심의 위치는 입구(102)의 엣지 상의 3개 이상의 지점을 결정함으로써 결정될 수 있다. 빔이 도파관(100)의 입구(102)의 중심으로 지향되도록 하는 빔 가이드 시스템의 초기 위치는 전술된 바와 같이 결정될 수 있다. 그 다음, 파일럿 레이저 빔과 적외선 레이저 빔 양쪽 모두가 빔 가이드 시스템을 통해 중공 도파관 입구의 중심으로 지향되어, 도파관에 대한 레이저 빔(들)의 결합을 향상시키거나 최대화할 수 있다.
도 3 내지 도 8을 참조하여 설명된 것 중 하나 이상 등의, 일부 실시예에서, 포토레지스터는 광학적 센서(32)로서 이용된다. 포토레지스터는, 전형적으로, 예를 들어, 마킹/조준 레이저 빔의 파장일 수 있는 532 nm의 파장을 갖는 광에 민감하다. 반투명 포움은 광학적 통합 요소(34)로서 이용될 수 있고 빔 출구(28)를 통과하는 임의의 레이저 광이 산란되어 광학적 센서(32) 상에 실질적으로 고르게 분포될 수 있도록 포토레지스터를 덮는데 이용될 수 있다. 포토레지스터는 전압 분배기의 일부를 형성하도록 구성될 수 있고, 전압 분배기 출력은 기준 전압과 대조하여 전압 분배기 출력을 측정할 수 있는 비교기에 공급될 수 있다. 비교기 회로는, (i) 집적 회로 비교기, (ii) 연산 증폭기를 이용하는 아날로그 비교기, (iii) A/D 변환기를 이용하는 디지털 비교기, 및/또는 (iv) 하드웨어 또는 소프트웨어 제어형 셋포인트를 포함한 그러나 이것으로 제한되지 않는 옵션들을 갖는 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 비교기 출력은, 포토레지스터가 광(레이저 빔/방사)을 감지하고 있는지의 여부에 따라, 높거나 낮을 수 있다. 비교기는, 컴퓨터(66)로서 역할할 수 있고 컴퓨터 제어 신호 경로(70)로서 역할할 수 있는 직렬 접속을 통해 검류계 제어기(60)와 통신하는 마이크로프로세서에 접속될 수 있다.
도 9는, 도 6b 및 도 7b에 도시된 것 등의, 추가적인 센서 측정치를 그래픽으로 도시한다. 도 9에서, X 및 Y 축은, 각각, X 및 Y 검류계-제어형 미러를 갖는 빔 가이드 시스템의 위치의 X 및 Y 좌표를 나타낸다. Z 축은 센서 출력 전압을 나타낸다. 이러한 측정치를 획득하는데 이용되는 실시예에서, 센서는, 레이저 에너지를 검출할 때 예를 들어 200 내지 300 mV의 낮은 전압을 출력하고, 레이저 에너지를 거의 또는 전혀 검출하지 않을 때 예를 들어 400 내지 500 mV의 높은 전압을 출력한다. 하나 이상의 포토레지스터를 이용하는 센서는 이러한 전압 신호를 제공할 수 있다. 도 9로부터, X 및 Y 검류계-제어형 미러의 공칭 홈 위치가 (-130, 0)으로 설정된다면, 레이저 빔은 빔 출구의 중심을 통해 지향될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 10a 및 도 10b는, 레이저 빔이 도 8을 참조하여 전술된 바와 같이 중공 도파관에 결합될 때 획득되는 예시적인 센서 측정치를 도시한다. 도 10a에서, 빔 허리부가 명시된 허용오차 내에서 도파관 입구와 정렬될 때, 센서 전압은 낮으며, 예를 들어, 150 내지 225 mV 범위라는 것을 알 수 있다. 빔 허리부가 오정렬되면, 센서 출력 전압은 높으며, 예를 들어 400 내지 600 mV이다. 도 10b에 도시된 플롯은, 도 10a에 도시된 3차원 플롯을 2차원 플롯으로 변환함으로써 획득될 수 있고, 여기서, 센서 출력 전압의 상이한 범위들은 상이한 색상, 음영, 패턴 등에 할당될 수 있다. 도 10a 및 도 10b는, X 및 Y 검류계-제어형 미러의 공칭 홈 위치가 (-25, 0)으로 설정된다면, 레이저 빔이 중공 도파관에 잘 결합될 수 있다는 것을 보여준다.
도 9, 도 10a, 및 도 10b는, 낮은 센서 출력 전압 값 및 높은 센서 출력 전압 값들이 절대 범위와 연관되지 않고, 대신에 서로에 관해 상대적일 수 있다는 것을 나타낸다. 전압은 센서 출력의 한 종류일 뿐이고, 상이한 센서들은, 전류, 저항, 커패시턴스, 온도 등의 다른 표시자를 통해 감지된 에너지를 나타낼 수 있다는 것을 이해해야 한다. 일부 경우에, 명시된 임계치 위의 레이저 에너지의 검출에 대응하여 높은 센서 출력 신호가 생성될 수 있다. 그러나, 다른 경우에는, 그 임계치 위의 레이저 에너지의 검출에 대응하여 낮은 센서 출력 신호가 생성될 수 있다. 초기에 획득된 센서 출력 신호는 추가적인 회로를 이용하여 그 추가 분석에 이용되는 적절한 전기적 신호로 변환될 수 있다.
도 11a는, 도 3에 도시된 것 등의, 빔 출구를 갖는 핸드피스를 이용하여 획득된 예시적인 센서-측정 그래프의 등각도이다. 도 11b는, 도 8에 도시된 것 등의, 중공 도파관을 갖는 핸드피스를 이용하여 획득된 예시적인 센서-측정 그래프의 등각도이다. 도파관의 내경은 약 600 ㎛이다. 센서는 도파관 출구의 하류에 위치했다. 도 12a는 도 11a에 도시된 센서-측정 그래프의 측면도를 도시하고, 도 12b는 도 11b에 도시된 센서-측정 그래프의 측면도를 도시한다. 도 11a 내지 도 12b에서, X 및 Y 축은, 각각, X 및 Y 검류계 미러(64)를 갖는 빔 가이드 시스템의 위치의 검류계-스텝 단위의 X 및 Y 좌표를 나타낸다. Z 축은 센서 출력 전압을 나타낸다.
도 11a 및 도 12a에 도시된 센서 응답은 도 11b 및 도 12b에 도시된 센서 응답에 비해 비교적 편평하다. 이것은, X 및 Y 검류계-제어형 미러의 넓은 이동 범위에 걸쳐 레이저 빔이 핸드피스(20)의 빔 출구(28)를 통과하여 센서(32)에 의해 검출될 수 있다는 것을 보여준다. 구체적으로, 도 12a는 빔 가이드 시스템의 X 좌표가 약 -400에서 약 +300 검류계-스텝 단위까지 변할 수 있다는 것을 보여준다. 반면, 핸드피스가 중공 도파관을 포함할 때, X 및 Y 검류계 미러(64)는, 레이저 빔이 도파관과 효과적으로 결합되고 도파관 출구에서의 레이저 에너지가 센서(32)에 의해 검출될 수 있도록, 비교적 좁은 범위 내에서 이동될 수 있다. 예를 들어, 도 12b는 빔 가이드 시스템의 X 좌표가 약 -100에서 약 +100 검류계-스텝 단위까지 변화할 수 있다는 것을 보여준다.
전술된 비교기를 이용하는 일부 실시예에서, 비교기 임계치는 잡음 플로어(noise floor)를 계산함으로써 결정될 수 있고, 여기서, 잡음 플로어는 센서(32)가 도 6a 내지 도 7b를 참조하여 설명된 것과 같은 반사된 레이저 에너지를 검출할 때의 전형적인 센서 출력을 나타낸다. 잡음 플로어는 도 10a에서 약 500mV의 전압에서 볼 수 있다. (더 큰 레이저 에너지를 검출할 때 센서(32)에 의해 더 낮은 전압이 출력되는 실시예에서) 이 임계치 위의 신호는, 레이저 에너지의 부재 또는 명시된 에너지-레벨 임계치 위의 레이저 에너지의 부재를 나타내는 신호로서 지정될 수 있다. 일부 실시예에서, 센서는 이용되는 핸드피스(20)의 타입을 결정하는데 이용된다. 이 목적을 위해, 검류계 미러(64)는 센서(32)가 레이저 빔을 검출하도록 조정될 수 있다. 그 다음, 하나 또는 양쪽 모두의 미러(64)는, 중공 도파관(100)을 포함하지 않는 핸드피스(20)의 빔 출구(28)의 크기에 대응하는 스텝 크기로 이동된다. 이용 중인 핸드피스(20)가 이러한 타입이라면, 즉, 도파관(100)을 포함하지 않는다면, 센서(32)는 여전히 레이저 빔을 검출할 수 있다. 반면에, 이용 중인 핸드피스(20)가 도파관(100)을 포함한다면, 센서(32)는 명시된 에너지 임계치를 초과하는 레이저 에너지를 검출하지 않을 수도 있다. 중공 도파관(100)을 갖는 핸드피스(20)의 이용을 나타내는 센서 신호는 변할 수도 있다. 빔 출구 엣지 검출 또는 도파관 입구 엣지 검출은 여기서 설명된 바와 같이 수행될 수 있다. 이 분석에 유용한 한 형태의 소프트웨어 코드가 본 상세한 설명의 끝에 제시된다.
도 3을 다시 참조하면, 레이저 빔이 작동되면, 검류계(22)는, 컴퓨터(66) 및 검류계 제어기(60)에 의해 그들의 공칭 홈 위치로부터 나선형 또는 랜덤 패턴으로 이산적인 단계 또는 연속적으로 이동될 수 있다. 레이저 빔이 빔 출구(28)를 통과하면, 전형적으로 포토레지스터의 저항이 현저하게 떨어지게 되어, 일부 실시예에서는 비교기 출력/상태가 하이에서 로우로 변하게 된다. 각각의 단계 후에, 검류계 제어기(60)는 마이크로프로세서로부터 비교기 상태를 판독할 수 있다. 상태가 로우일 때, 나선형 패턴이 중단되고 마이크로프로세서는 엣지 검출 절차를 시작할 수 있다.
엣지 검출 절차 동안, 검류계 제어기(60)는, 컴퓨터(66)에 의해 지시된 바와 같이, 한 번에 하나씩 미러를 이동시켜, 하나의 축을 따라 및 그 다음 하나 이상의 다른 축을 따라 엣지 좌표를 찾을 수 있다. 한 실시예에서, 엣지 검출 절차는 빔 출구(28) 반경 rA의 초기 최대 스텝과 함께 2진 검색을 이용한다. 다른 실시예에서는, 빔 출구 반경 rA의 함수이거나, 또는 이와 독립된 상이한 초기 최대 스텝이 이용될 수 있다. 먼저, 검류계 미러(64)는, 비교기 값이 로우가 되어 레이저 빔이 빔 출구(28)를 통과하고 있다는 것을 나타내도록 이동된다. 엣지 검출을 위해 한 축이 선택되고, 단일 검류계 미러(64)는, 비교기 값이 그 하이 값으로 다시 돌아가 레이저 빔이 더 이상 빔 출구(28)를 통과하지 않고 있다는 것을 표시할 때까지, rA의 스텝으로 선택된 축을 따라 한 방향으로 이동된다. 이 절차에 따라, 검류계 미러(64)는, 비교기가 로우 값을 보고할 때까지 rA/2의 스텝으로 선택된 축을 따라 반대 방향으로 이동된다. 그 다음, 검색 방향이 다시 변경되고, 검류계 미러(64)는, 비교기가 상태를 다시 변화시킬 때까지 rA/4의 스텝으로 선택된 축을 따라 반대 방향으로 이동된다. 이 검색 프로세스는, 선택한 축을 따른 엣지 위치가 선택된 정밀도, 예를 들어, rA/8, rA/16, rA/20, rA/25, rA/50, rA/100 등에 따라 결정될 때까지 반복된다.
일단 제1 엣지가 선택된 정밀도 및 선택된 축을 따라 위치하고 나면, 동일한 검류계 미러(64)는 제1 초기 이동과는 반대 방향으로 이동될 수 있다. 그 다음, 선택된 축을 따라 교대하는 방향으로의 검류계의 반복적 이동을 포함할 수 있는, 전술된 것과 동일한 절차가 이용되어 선택된 축을 따라 제2 엣지 지점을 발견할 수 있다. 일단 단일 축을 따른 2개의 엣지 좌표가 결정되고 나면, 그 값은 평균되고 검류계 미러(64)는, 선택된 축을 따른 빔 출구(28)의 중심 좌표를 나타낼 수 있는, 계산된 평균에 대응하는 좌표로 설정된다. 그 다음, 엣지 검출 프로세스는 선택된 축에 직교하는 축을 따라 제2 검류계 미러(64)를 이용하여 반복될 수 있다. 다른 검류계 미러(64)의 좌표는 상기 직교 축을 따라 결정된 2개의 엣지 지점들의 평균으로 설정될 수 있다. 그 다음, 이들 2개의 좌표는, 빔 출구(28)의 중심으로서, 컴퓨터(66)(예를 들어, 마이크로프로세서) 및/또는 검류계 제어기(60)와 연관된 메모리에 저장될 수 있다.
일부 실시예에서, 치과용 레이저 시스템(10)의 빔 가이드 시스템은 핸드피스/메인 챔버 어셈블리(20) 내에 위치한다. 빔 분할기는 빔 경로를 따라 빔 가이드 시스템 뒤에 포함될 수 있다. 빔 분할기는, 전술된 바와 같이, 레이저 빔의 일부를 핸드피스/메인 챔버 어셈블리 내에 또는 빔 출구(28) 부근에 위치하지 않는 빔 존재 검출기로 지향시키도록 구성될 수 있다. 빔 존재 검출기의 위치는, 분할되어 빔 존재 검출기로 지향되는 빔 경로의 피드백에 기초하여 핸드피스/메인 챔버 어셈블리와 빔 경로의 정렬을 제공하기 위하여 핸드피스/메인 챔버 어셈블리 및 빔 분할기와 함께 캘리브레이트될 수 있다. 빔 존재 검출기 및 컴퓨터(66)는 무선 전송기/수신기를 이용하여 서로 통신할 수 있다.
여기서 예시적인 실시예를 설명하였으므로, 본 기술분야의 통상의 기술자라면 구체적으로 전술된 것들과는 별개로 본 발명의 다양한 다른 피쳐 및 이점을 인식할 것이다. 따라서, 전술된 내용은 본 발명의 원리를 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 다양한 수정 및 추가가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 첨부된 청구항들은, 도시되고 설명된 특정한 피쳐들에 의해 제한되지 않아야 하며, 임의의 명백한 수정 및 그 균등물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
예시적인 소프트웨어 코드
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
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Figure pat00009
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Claims (8)

  1. 레이저 빔을 정렬하는 방법으로서,
    (a) 제1 축 및 스텝 크기를 선택하는 단계;
    (b) 빔 가이드 시스템에 의해 지향된 레이저 빔이 센서에 의해 검출되지 않도록 상기 빔 가이드 시스템의 제1 회전가능한 미러를 조정하고, 상기 제1 축을 따른 상기 제1 미러의 좌표를 기록하는 단계;
    (c) 상기 제1 회전가능한 미러를 상기 제1 축을 따라 제1 방향으로 상기 스텝 크기만큼 조정하고 상기 제1 축을 따른 상기 제1 미러의 좌표를 기록하는 단계;
    (d) 상기 레이저 빔이 검출되지 않으면, 상기 스텝 크기를 증가시키고 단계 (c)를 반복하는 단계;
    (e) 그렇지 않으면,
    (A) 상기 스텝 크기를 감소시키고 상기 제1 축을 따라 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 상기 감소된 스텝 크기만큼 상기 제1 회전가능한 미러를 재조정하는 단계;
    (B) 레이저 빔이 검출된다면, 단계들 (b) 및 (c)에서 기록된 좌표들의 평균을 계산하는 단계이며, 상기 평균은 상기 제1 회전가능한 미러와 연관되는, 단계;
    (C) 그렇지 않으면, 단계 (b)에서 기록된 좌표를 상기 제1 축을 따른 상기 제1 회전가능한 미러의 재조정된 위치에 대응하여 대체하는 단계;
    (D) 상기 스텝 크기를 감소시키고 상기 제1 축을 따라 상기 제1 방향으로 상기 감소된 스텝 크기만큼 상기 제1 회전가능한 미러를 재조정하는 단계;
    (E) 레이저 빔이 검출되지 않으면, 단계들 (C) 및 (c)에서 기록된 좌표들의 평균을 계산하는 단계이며, 상기 평균은 상기 제1 회전가능한 미러와 연관되는, 단계; 및
    (F) 그렇지 않으면, 단계 (c)에서 기록된 좌표를 상기 제1 축을 따른 상기 제1 회전가능한 미러의 재조정된 위치에 대응하여 대체하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계(e)(A) 내지 (e)(F)를 반복하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 축에 직교하는 제2 축을 선택하는 단계; 및
    상기 제2 축 및 제2 회전가능한 미러에 대응하여 단계들 (b) 내지 (e)를 반복하는 단계이며, 단계들 (e)(B) 내지 (e)(E) 중 임의의 단계에서 계산된 평균은 상기 제2 회전가능한 미러와 연관되는, 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  4. 레이저 빔을 정렬하는 방법으로서,
    (a) 상기 레이저 빔이 센서에 의해 검출되도록 제1 빔 경로를 따라 상기 레이저 빔을 지향시키게끔 프로세서에 의해 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계;
    (b) 상기 센서가 상기 레이저 빔의 부재를 검출하도록 제2 빔 경로까지 상기 레이저 빔의 경로를 조정하게끔 상기 프로세서에 의해 상기 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계;
    (c) 상기 빔 가이드 시스템과 연관되고 상기 제2 빔 경로에 대응하는 제1 세트의 좌표들을 상기 프로세서에 의해 기록하는 단계;
    (d) 상기 레이저 빔이 상기 센서에 의해 검출되도록 상기 제1 빔 경로 및 제3 빔 경로 중 하나를 따라 상기 레이저 빔을 지향시키게끔 상기 프로세서에 의해 상기 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계;
    (e) 상기 센서가 상기 레이저 빔의 부재를 검출하도록 제4 빔 경로까지 상기 레이저 빔의 경로를 조정하게끔 상기 프로세서에 의해 상기 빔 가이드 시스템을 제어하는 단계;
    (f) 상기 빔 가이드 시스템과 연관되고 상기 제4 빔 경로에 대응하는 제2 세트의 좌표들을 상기 프로세서에 의해 기록하는 단계; 및
    (g) 빔 출구와 연관된 좌표들의 세트를 상기 프로세서에 의해 계산하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 빔 출구와 연관된 상기 좌표들의 세트를 이용하여 상기 빔 가이드 시스템의 초기 위치를 상기 프로세서에 의해 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 레이저 빔은 치료 레이저 빔 및 마킹 레이저 빔 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  7. 제5항에 있어서, 명시된 패턴, 형상, 및 크기에 따라 상기 레이저 빔을 상기 빔 가이드 시스템에 의해 지향시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 빔 가이드 시스템의 초기 위치를 조정하는 단계는, 상기 지향시키는 단계 이전 및 상기 지향시키는 단계의 2회 반복 동안 중 적어도 하나에서 수행되는, 방법.
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