JPH11507180A - 治療用超長波フラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置およびそのための方法 - Google Patents

治療用超長波フラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置およびそのための方法

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Abstract

(57)【要約】 治療用光パルスを発生するフラッシュランプ励起色素レーザーが、色素セルを介してゲイン媒体を循環させるサーキュレーターを有している。コントローラーが、上記サーキュレーターが上記ゲイン媒体を循環させている間、上記レーザーゲイン媒体を励起するようにフラッシュランプをトリガーすることにより働きを調整する。この働きが、少なくとも1msecの持続時間で、レーザー光パルスの発生を可能にする。もしも、色素溶液の流速が、共振キャビティ内の上記溶液が実質的に使い果たされる前に新しい溶液が上記共振キャビティ内に入るのに十分大きければ、高周波数の超長パルスが可能である。特に、50msecまでのより長いパルスが、50ジュールまでのエネルギーで達成され得る。これらのエネルギーは、合理的な小部分のサイズを可能にし、それが例えば皮膚の治療に関係のある本発明をなしている。

Description

【発明の詳細な説明】 治療用超長波フラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置およびそのための方 法発明の背景 拡大した、即ち拡張症の血管、色素沈着した病巣(pigmented lesions)、お よび入れ墨(tattoos)を含む脈管の病巣は、長年の間、レーザー装置により成 功裏に処置されてきた。選択的フォトサーモリシス(photothermolysis)と呼ば れるプロセスでは、ターゲットにされた構造、病巣組織、入れ墨の色素粒子、お よび周囲の組織が、ひとまとめにしてレーザー光で照射される。しかしながら、 このレーザー光の波長即ち色は、そのエネルギーがターゲットに優先的に吸収さ れるように選ばれる。この優先的な吸収の結果生じるターゲットの局所加熱は、 その破壊に至る。 例えばポートワイン母斑(portwine stains)のような脈管の病巣に関連して 最も一般的に、拡張症血管内の赤血球細胞のヘモグロビンは、レーザー光吸収体 、即ち発色団(chromophore)として役立っている。これらの細胞は、レーザー 光のエネルギーを吸収し、熱として周囲の血管にこのエネルギーを伝達する。も しも、これが迅速に、かつ十分なエネルギーでもって起こるならば、血管は、こ の血管の境界内の構成要素を変性させる温度に達する。血管およびその内容物( contents)の変性に到達するためのフルエンス(fluence)、平方センチメート ル当たりのジュールは、吸収されたレーザーエネルギーのかなりの部分が血管か ら拡散できる前に、管内のターゲットにされた容積の温度を約70℃に迄上げる のに必要なものであると計算されている。しかしながら、このフルエンスは、血 管周囲の組織がまた変性されないように制限されなければならない。 示唆されているように、単に必要なフルエンスを選択するだけでは十分ではな い。レーザー光の強度およびパルス持続時間は、局所的な気化を防止する一方で 、パルスの間の周囲の組織への拡散を最小にすることの双方により選択性(sele ctivity)に対して最適化もまたされなければならない。煮沸と気化は、それら が病巣を取り巻く組織における損傷および出血を増大させる可能性のある化学的 というよりむしろ機械的なダメージを導く。この制約は、管の内容物を変性させ るために必要なフルエンスに対して、パルス持続時間は、気化を防ぐために長く 、かつ低強度であるべきことを示唆している。それはまた、熱拡散率のために長 すぎてもいけない。レーザー光パルスからのエネルギーは、熱が管の周囲の組織 内に散逸する前にためられ(deposited)なければならない。この状況は、もし も出血が病巣血管内の血液細胞ヘモグロビンであるならば、より複雑になり、そ の理由は、管が血液細胞よりも大きいオーダーの大きさであるからである。この 小さい細胞を気化させないように低い強度で、しかも変性点への熱拡散により血 管を加熱するのに十分な長さだけ放射されなければならず、そして血管の周囲の 組織が損傷を受ける前に終わらなければならない。 従来、フラッシュランプ励起色素レーザーは、レーザー光光源として使用され てきた。これらのレーザーは、選択的フォトサーモリシスに要求される高いスペ クトル輝度(brightness)を有し、優先的な吸収が生じる色に同調され得る。例 えば、577から585nmの領域の色は、ヘモグロビンのアルファ吸収バンド に整合し、したがって血管内の赤血球細胞によってよく吸収される。皮膚内のメ ラニン、主要な色素の吸収は、この領域では少なく、必要な選択性を生む。 フラッシュランプ励起色素レーザーの実施は、このタイプのレーザーにより得 られるパルス長さにおいて問題が生じる。光パルスの長さは、拡張症の血管の熱 緩和時間(thermal relaxation time)のオーダーになければならないというこ とを理論は示している。直径が30ミクロンより大きい拡張症の血管は、皮膚の 脈管損傷(cutaneous vascular lesions)の特徴を有している。これらの大きい 血管は、0.5msecの熱緩和時間を有し、この長さのパルス持続時間を必要とす る。商業的に有用なフラッシュランプ励起色素レーザーは、一般的に0.5msec よりも短い最大パルス長さを有している。その結果、30ミクロンよりも大きい 拡張症の血管の選択的フォトサーモリシスの処置は、パルス持続時間の制限を補 うために現在は最適輻射照度よりも高いのに頼っている。このことは、一時的な 色素過剰、即ち紫斑病に至らせる。 フラッシュランプ励起色素レーザーのパルス持続時間を長くするための企てが なされてきた。米国特許第4,829,262号および第5,066,293号 に開示された光増幅器(Light Amplifier)は、熱的効果(thermal effects)か らレーザークエンチング(laser quenching)を和らげるために本願発明者によ り考え出された。その設計(design)は、空間的に非コヒーレントなレーザーを 開発することに集中された。基本的に、色素セルの各端部における光学(optics )は、端部開口部から発する実質的にすべての光を、色素セルを通し、そしてこ の色素セルの壁部で反射させて、戻すように設計されている。特定の共振し、そ してコヒーレントなモードは、好ましくない。この光学は、光線を混合し、その ビームを完全に均質化する。そして、フラッシュランプから誘導された熱ひずみ (thermal distortion)からのは、効果は、和らげられ、その理由は、共振モー ドが、レーザー作用を生じさせる必要がないためである。この特許の発明は、古 典的なレーザーの形態により得られる程度に集中させ得る光を発生しない。しか し、場(field)の大きな深さ、コヒーレントな輻射をもたらさない密に焦点合 わせされたビームは、多くの医療の適用に対しては必要ではない。脈管損傷の処 置において、直径数ミリメータの焦点合わせされた小部分(spot)で十分である 。ファイバーオプティックスデリバリーシステム(fiber optics delivery syst ems)を使用することが有用であることがよくあり、そして必要なすべてが、ロ ングパルス色素レーザーから直径約1ミリメータのファイバーへエネルギーを焦 点合わせすることが可能になる。 脈管損傷を処置するためのより新しい装置は、代表的なレーザー実例(paradi gm)、即ち空間的にコヒーレントな光を発生するレーザーによりもう一度構築さ れた。最適化とともに、これらのレーザーは、上述した空間的にコヒーレントな 輻射を作り出す構造により達成されるものに等しいか、それを超えるパルス長さ を作り出すことが判明している。興味深いことに、色素選択は、パルス持続時間 に大きな影響を有している。色素化学を通して寿命を改善することにより色素劣 化(dye degradation)の低減が、商業的に有用な装置においてパルス持続時間 を1.0msecに近づけることを可能にした。発明の概要 レージング(lasing)の早過ぎる停止は、色素溶液の劣化により初期に引き起 こされることが観測された。その結果、改良された色素溶液が、パルス持続時間 のいくらかの増大をもたらすことができる。しかしながら、色素劣化は、すべて 取り除くことはできず、もしも5msecおよびそれよりも長く、そして医療処置に 対してフルエンスを有するパルス持続時間が達成されなければならないのであれ ば、他のステップが採られなければならない。 本発明は、もしも、フラッシュランプ励起色素レーザーにおいて、色素溶液が 、適正な速度で、レージングの間、置換されるならば、医療処置において要求さ れる延長されたパルスおよびフルエンスが単一のレーザー装置において可能であ ることの実現に一部基づいている。この働きは、色素溶液がレーザーの共振キャ ビティを介して循環させられている間、フラッシュランプをトリガーすることに より達成される。もしも、色素溶液の流速が、十分大きく、キャビティ内の溶液 が実質的に使い果たされる前に新しい溶液が上記キャビティに入るならば、高周 波数の超長パルスは可能である。特に、50msecまでのより長いパルスは、50 ジュールまでのエネルギーで達成され得る。これらの高エネルギーは、合理的な 小部分のサイズで処置を可能にし、それは皮膚の治療に関係する本発明をもたら している。 一面において、本発明は、選択的フォトサーモリシスに要求される一色および パルス持続時間での光パルスを発生するフラッシュランプ励起色素レーザーを特 徴付けている。このレーザー装置は、キャビティ内に配置されたレーザーゲイン 媒体を収容するセルを備えている。色素溶液は、そのようなゲイン媒体の代表的 な例である。少なくとも一つのフラッシュランプが、セル内に収容されたゲイン 媒体を励起するために設けられている。サーキュレーターが、セルを介して上記 ゲイン媒体を循環させるために使用されている。最後に、上記サーキュレーター が上記セルを介して上記ゲイン媒体を循環させている間、コントローラーが、上 記レーザーゲイン媒体を励起するように上記フラッシュランプをトリガーするこ とにより働きを調節する。これは、少なくとも1msecの持続時間でレーザー光パ ルスを発生する。或は、別の方法で、上記フラッシュランプが上記レーザーゲイ ン媒体を、上記セル内で循環させられていないレーザーゲイン媒体が使い果たさ れ、そして出力レーザー光がクエンチするであろう持続時間の間、励起する。し かし、この媒体は循環させられる故に、パルス持続時間は延ばされる。 いくつかの適用に対して、出力レーザー光パルスの持続時間は、少なくとも5 msecであるのが好ましい。概ね、このパルスのエネルギーは、20ジュールより も小さい。さらに、レーザー光パルスは、約1ヘルツの繰り返し速度で発生させ られ、そして通常毎秒3回よりも少ない。 特定の実施形態では、サーキュレーターは、色素セル内のゲイン媒体を、出力 レーザー光パルスの持続時間の間、少なくとも1回、好ましくは1回よりも多く 新しいゲイン媒体と置換する。この働きは、上記レーザー出力が、例えば使い果 たされた色素溶液の蓄積によりクエンチされないことを保証している。色素セル を介しての上記ゲイン媒体の流れは、レーザー軸を横切る方向でもよく、或はこ の軸に平行な長手方向でもよい。好ましくは、もしも長手方向の形態が実行され るのであれば、複数の媒体入口ポートが、上記セルに沿って設けられるべきであ る。複数の媒体出口ポートもまた、上記セルからの流れを許容するために多分必 要になる。隣接する入口,出口ポート間の色素セルの部分は、短いのが理想で、 その結果上記色素セルの部分を介しての流動するゲイン媒体の残留時間(reside nce time)は、上記レーザーパルス持続時間よりも数倍短くなる。 横切る方向の流れの実施形態では、上記ゲイン媒体は、二つの平行な、或はほ ぼ平行な透明なセル壁間を流れ、それは励起光が色素セルに入るのを許容してい る。この透明なセル壁は、上記フラッシュランプおよびレーザー共振器軸の方向 に長く、上記流れの方向により短い。このゲイン媒体は、窓部の長い軸に垂直に 流れ、そして上記フラッシュランプの窓部内、および上記レーザー光がレーザー 共振器を構成するミラー間で反射することを許容する別の組の窓部内に収容され ている。 本発明の別の面では、本発明は、フラッシュランプ励起色素レーザーに対する 操作の方法に関連して特徴付けられている。そのような方法は、フラッシュラン プで共振キャビティ内の色素溶液を励起すること、それから励起された色素溶液 で共振キャビティからレーザ光出力パルスを発生することを含んでいる。この励 起は、少なくとも部分的に色素溶液を使い果たす。この効果を相殺するために、 少なくとも部分的に使い果たされた色素溶液のいくらかを、レーザー光出力パル スの持続時間の間、共振キャビティ内で新しい色素溶液と置換し、この新しい色 素溶液は共振キャビティ内で励起される。これは、共振キャビティセル内の最初 の色素溶液が使い果たされ、もしもこの最初の色素溶液が置換されなければ、出 力レーザー光パルスをクエンチさせるであろう時間を超えて上記レーザー光出力 パルスの持続時間を延ばす。 一般に、さらに別の面によれば、本発明は、例えば色素レーザーのためのポン ピング装置ドライバーに特徴付けられる。このドライバーは、レーザー装置から のレーザー光出力パルスの振幅を検出するためのセンサーを備えている。そして 、ポンピング装置に供給されるパワーを調節するために回路が使用され、それは 上記センサーにより検出された振幅に応答してレーザーのゲイン媒体を励起する 。 特定の実施形態では、上記ポンピング装置は、フラッシュランプであり、そし て上記レーザーは、色素レーザーである。 構造および部分の組合せの種々の新規な詳細を含む本発明の上述したそして他 の特徴は、ここで添付の図面を参照してより具体的に記述され、請求の範囲にお いて指摘されるであろう。本発明を具現化した特定の方法および装置は、例示に より、本発明の限定としてではなく、示されている。本発明の本質および特徴は 、本発明の範囲から逸脱することなく種々のそして多くの実施形態において採用 され得る。図面の簡単な説明 添付図面において、参照符号は、異なる図を通して同じ部分に言及している。 図面は、必ずしも一定の率の縮尺になっておらず、その代わりに、本発明の原理 を示すに際して強調がなされている。図面のうちの、 第1図は、本発明飲む選択的フォトサーモリシス処置システムの概略を示 し、 第2図は、本発明のフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置1の第 1実施形態の概略斜視図で、 第3図は、色素レーザー装置1の1パルスに対するコントローラー160 からのトリガー信号、フラッシュランプドライブ電流およびレーザーパルス振幅 の間の関係を示すタイミング図で、 図4は、本発明のフラッシュランプドライバー162の回路図で、 図5Aおよび5Bは、レーザ装置の共振空洞を通る長手方向およびそれを 横方向の色素流れの間の差を示し、 図6は、色素セル105を通る長手方向の色素流れに対して形成された色 素セル105の概略を示し、 図7は、長手方向の色素流れのために形成された、そして色素セル105 内の色素溶液の滞在時間を減ずるための多数のインプット部610−614およ びアウトプットポート620−624を有する色素セル105の概略を示してい る。好ましい実施形態の詳細な説明 ここで、図面に目を向ければ、図1は、選択的フォトサーモリシス処置システ ム10を示し、それは本発明の原理にしたがって構成されている。システム10 のためのフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置1は、出力レーザー光パ ルス120を発生する。出力レーザー光パルス120は、単一の光ファイバーの ような医療用デリバリーシステム20に結合され、そして患者の皮膚50或は他 の組織に運ばれる。出力レーザー光パルス120は、脈管損傷部60を処置する ために、実質的な貫通を達成する。この損傷部60は、ポートワイン母斑(port wine stain birthmark)、血管腫(hemangiomas)、毛細血管拡張症(telangiec tasia)、特発性ブルボディニア(idiopathic vulvoddynia)および脚の静脈の ような多くの異なるタイプの内の一つであろう。さらに、それはまた、年齢、或 は日光にさらすことにより引き起こされる単なるしわにおける血管、瘢痕組織( scar tissue)における血管、或は毛胞(hair follicles)でもあり得る。 上記出力レーザー光パルス120のパルス持続時間は、ターゲットにされた拡 張症の血管の熱緩和時間に合わせられる。一般に、これは0.2msecよりも長い 持続時間を必要とする。直径30ミクロンおよびそれよりも大きい血管に対して 、大人の患者のポートワイン母斑に存在するように、上記持続時間は、0.5ms ecを超えるのが理想であるが、血管が100ミクロンよりも大きいときには、1 msecから10msecまでのパルス持続時間が選択されるべきである。 図2は、より詳細にフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置1を示す概 略図である。殆どのそのようなレーザー装置において概ね共通しているように、 レーザーゲイン媒体、具体的には色素溶液、を収容するための色素セル105は 、レーザー装置1の中心軸108に沿って長手方向に延びている。前方ウインド ウ130および後方ウインドウ132は、色素セル105の長手方向の大きさを 定めている。ウインドウ130および132の両者は、透明である。色素セル1 05は、共振キャビティ110内に配置されており、その端は第1ミラー112 と第2ミラー114により境界が定められている。通常、キャビティは、単一の 長手方向のモード或は単一の周波数のみを維持することはない。第2ミラー11 4は、完全に反射するのに対し、第1ミラー112は一部反射して、一部透過し 、出力開口116を形成している。その結果、共振キャビティ110において発 生させられた光の一部は、レーザー装置1の出力ビーム120としてこの第1ミ ラー112を通り抜ける。 色素セル105内の色素溶液は、フラッシュランプ124aおよび124bに より光学的にポンピングされる。色素セル105の光透過性左側壁122aの外 側に左方フラッシュランプ124bが設けられている。右方フラッシュランプ1 24aは、右側壁122bの外側に設けられており、それもまた光に対して透過 性がある。これらのフラッシュランプ124a,124bは、色素セル105内 に収容された色素溶液を励起する広域バンドの(broadband)光を発生する。こ れは、励起された色素溶液から光の誘導輻射をもたらす。右方および左方のリフ レクター126aおよび126bは、色素セル105内に投入される光を最大に するためにそれぞれフラッシュランプ124aおよび124bを取り囲んでいる 。これらのリフレクターは、長円形でよく、或は拡散してもよい。 本発明によれば、本発明において使用されているフラッシュランプ124aお よび124bは、短いパルスの色素レーザーにおいて発見された代表的なものよ りも高いパルスエネルギーを有するのが好ましい。5msecの出力レーザー光パル スの発生の間、フラッシュランプにより色素溶液内に投入される全ポンピングエ ネルギは、約2000ジュールである。 色素サーキュレーターは、色素セル105を通して色素溶液を循環させる機能 を果たす一方、その色素溶液は、フラッシュランプ124a,124bにより励 起させられる。この働きは、レーザーパルスの間、劣化した色素が置換されない 色素レーザーにおいて得られるであろうものを超えて、フラッシュランプ励起パ ルス色素レーザー装置1に出力レーザー光パルス120の持続時間を延ばすこと を可能にする。例えば、従来のレーザー装置では、出力レーザー光パルスの間の 色素の劣化は、通常約0.5msec以内、レイジング作用をクエンチする(quench )であろう。本発明では、出力レーザー光パルス120の持続時間は、レーザー 光を吸収し、レーザー作用をクエンチする劣化した色素を置換し、パルス持続時 間を増大させるために新しい色素を共振キャビティに本質的に投入することによ り従来のレーザー装置のこのクエンチ時間を超えて増大させられる。図示する実 施形態では、このサーキュレーターは、供給リザーバー152から新しい色素溶 液を受け取る色素ポンプ150を含んでいる。この色素は、供給マニホールド1 54(ここでは、幽霊画法(phantom)で示されている)にくみ上げられ、そし てそれは色素レーザー装置1の長手方向軸108に沿って色素溶液流を分配する 。色素溶液は、色素セル105、そして共振キャビティ110を通り、レーザー 装置1の軸108を横切る方向に流れる。(幽霊画法における)収集マミホール ド156は、色素溶液が色素105を通過した後に色素溶液を集め、それを使い 果たした色素リザーバー158へと向ける。 別個の供給リザーバー152と使い果たされた色素リザーバー158は、必ず しも必要ではない。 再循環およびろ過システムは可能である。 発明の名称が“色素レーザーにおける色素溶液を補給する方法および装置(Me thod and Apparatus for Replenishing Dye Solution in a Dye Solution in a Dye Laser)”で、1993年12月10日に出願された米国特許出願第08/165,331号は 、レージングプロセスからの副産物がろ過され、色素溶液が再使用されるシステ ムに向けられている。 コントローラー160は、レーザーパルスの間の色素セル105内の使い尽く された色素溶液を入れ替えることにより、出力レーザー光120の延ばされたパ ルス持続時間を達成するために、色素ポンプ150の作動およびフラッシュラン プ124aおよび124bのトリガーを調整する。特に、コントローラー160 は、第1に色素ポンプ150を駆動することにより、色素セル105を通る色素 溶液の流れの定常状態を確立する。色素溶液が色素セル105を通って流れると き、コントローラー160は、そのとき、フラッシュランプドライバー162に トリガー信号を送る。このトリガー信号は、パルス持続時間を定め、フラッシュ ランプドライバー162に、フラッシュランプ124aおよび124bへ駆動電 流を供給させる。フラッシュランプからの光は、出力レーザー光をレイジングし (lase)、発生させるために色素溶液を励起する。 一定振幅の出力レーザー光パルスは、出力レーザー光120の強度を感知し、 そしてフラッシュランプドライバー162へのフィードバックを作り出す強度検 出器164でもって作り出される。典型的なものとしては、この検出器は、上記 出力レーザー光の振幅を示す強度信号を発生するダイオード或は他のフォトデテ クターである。この信号は、フラッシュランプドライバー162により受け取ら れる。そこで、フィードバック信号は、トリガー信号と組み合わせられる。この ことが、出力レーザー光の瞬間的な強度に応答するフラッシュランプ124a, 124bへの駆動電流のレベルを適用できるように修正することをフラッシュラ ンプドライバーに許容する。もしも、ゲイン媒体が使い果たされた色素を含んで いるならば、励起の増大は、一定出力を維持するために要求される。もしも、使 い果たされた色素が、敏速に取り除かれるならば、励起パルスは、ほぼ一定のま までいるであろう。 通常、いくらかの使い果たされた色素溶液は、パルスの過程にわたって色素セ ル105に蓄積する傾向にある。事実、速い循環の状態でさえ、新しい、使い果 たされていない色素のパーセンテージは、フラッシュランプが最初に駆動される 前程に大きくは決してならない。色素セル105内で発生させられた光の少なく ともいくらかは、この使い果たされた色素溶液により吸収され、この効果は、レ イジングのために必要とされる励起のしきいレベル(threshold level)を増大 させる傾向がある。強度検出器164は、出力光振幅におけるどのような縮小も 検出し、そしてフラッシュランプを一定の出力レベルを維持するようにより強く 駆動させる。そして、この駆動電流は、出力光振幅における一定振幅を維持する ように変化させられる。これに代わって、ランプトリガーパルス(ramp trigger pulse)は、出力レーザー光において増大する或は低減する強度を作り出すため に使用されてもよく、それはいくらかの応用に対しては最も望ましい。 より長いパルス持続時間は、フラッシュランプ124aおよび124bから非 常に強烈な励起エネルギーを供給しながら、出力レーザー光パルスの生成の間、 色素セルを通して色素溶液を循環させることにより可能である。使い果たされた 色素を補給せずに得られる最大のパルス持続時間は、約2.5msecである。これ は、特別に耐久性のある(long-lived)色素を使用することにより達成される。 本発明において同じ色素を使用して、5.0msecsのパルス持続時間が、パルス の間、少なくとも2度色素セル105内の色素溶液を置換することにより達成さ れる。その結果、色素溶液が部分的に、或は完全に使い果たされるにつれて、新 しい溶液が、古い溶液を置換するためにセル105に加えられ、古い溶液は循環 器により排出される。本発明では、色素が色素セル105内において置換される 速度は、いかに速く色素が劣化するかに依存している。もしも、色素が2.5ms ec後に使い果たされるならば、それはその時間内に置換されなければならない。 色素が色素セル105内にて置換される全回数は、要求されるパルス持続時間に 依存している。例えば、10msecのパルス持続時間は、2.5msecの色素寿命で 少なくとも4回の色素置換相当のものを要する。 例えば、より大きい拡張症の血管のフォトサーモリシス処置は、本発明により 得られるより長いパルス持続時間を要する。直径100および200μmの血管 は、それぞれ、4.8および19.0msecの熱緩和時間を有し、最も効果的な治 療のために同様なパルス持続時間を要する。エネルギーは、通常、1から20Jo ulesまでであるが、50Joulesが毛髪除去への適用において要求されることがあ る。 図3は、パルス発生の間の時間の関数として、トリガー信号電圧、アンペアで フラッシュランプ励起電流、およびレーザーパルス振幅120を示している。特 に、コントローラー160は、レーザーパルスの開始に先立って、色素セル10 5を通る定常状態の色素流を確立するために、第一に色素ポンプ150に拘り合 う。そして、コントローラー160は、フラッシュランプドライバー162にト リガー信号を送る。このトリガー信号の長さは、出力レーザー光パルス120の 所望の持続時間を定める。図示する例では、この持続時間は、5msecプラスレイ ジングのために色素溶液を励起するのに必要な待ち時間(latency time)Tであ る。 トリガー信号に先立って、フラッシュランプドライバー162は、従来のよう にシマー電流(a simmer current)205でもってフラッシュランプ124aお よび124bにおいて僅かに補助作動的な(sub-operational)電流を維持する 。そして、トリガー信号のリーディングエッジ(leading edge)206に応答し て、フラッシュランプドライバー162は、フラッシュランプ124aおよび1 24bのための駆動電流を作り出す。レーザーポンピング装置として機能するフ ラッシュランプは、色素セル105内の色素溶液を、フレッシユな色素のレイジ ングしきい値(lasing threshold)208に達するときに、レイジングさせる励 起状態にポンピングする(pump)。このことは、参照番号212で示されている 振幅を有する出力レーザー光パルス120を生じる。一般に、フラッシュランプ ドライバー162は、強度検出器164からのフィードバック信号に応答して出 力レーザーパルスの持続時間にわたってフラッシュランプ124aおよび124 bへの電流を増大させる。次第に、より大きい電流が、増大するレイジングしき い値209をもたらすセル105内の劣化した色素溶液の蓄積のために、要求さ れる。ある時点で、新鮮な色素に対する劣化した色素の比における平衡状態に到 達し、レイジングしきい値台地部(lasing threshold plateaues)211となる 。ここで、励起電流もまた、定常状態210にある。 結果として生じるレーザー出力212は、フラッシュランプ出力がしきいレベ ル208を超えて上昇すると、トリガー信号206のライジングエッジ部(risi ng edge)の後時間Tで始まる。このパルスは、5msec後、トリガー信号のフォ ーリングエッジ部(falling edge)215がコントローラー160により作り出 されるときに終わる。 図4は、発生させられたレーザー光の強度に応答してフラッシュランプの駆動 レベルを活発にコントロールする図2に示すフラッシュランプドライバー162 の回路図である。特に、フラッシュランプドライバー162は、コンダクター3 05を介してコントローラー160からトリガー信号を受け取る。このトリガー 信号は、フラッシュランプが駆動される時間、したがってレーザー光パルスの持 続時間を定める。このレーザー光パルスの長さは、トリガー信号の長さを変える ことにより調整できる。この信号は、抵抗R1を介してサミングノード(summin g node)310にて受け取られる。出力レーザー光120の強度を示すフィード バック信号は、強度検出器164から、抵抗R2を介し、またサミングノード3 10にて受け取られる。サミングノードの電圧は、サミングノード310と供給 電圧Vccとの間に接続された第3抵抗R3により偏倚させられる。図示する特 別な実施形態では、トリガー信号は、低いレベルの能動的な信号で、それはサミ ングノード310の電圧を接地圧以下に引っ張る。コンパレーター315は、サ ミングノードの電圧と地面のポテンシャルとを比較する。そして、トリガー信号 の受取りに応答してコンパレーター315は、絶縁ゲートブレークダウントラン ジスター(IGBT)即ちパワーダーリントン(power Darlington)320のよ うなパワートランジスタをターンオンして、そのトランジスターを導電性のある ものにする。この結果は、フラッシュランプを横切って高電圧電力供給源325 の電圧をかけた状態にし、そしてそれはフラッシュランプ124aおよび124 bに駆動電流を発生する。キャパシターC1は、フラッシュランプ124aおよ び124bを駆動するのを助けるために電荷を貯える。シマー供給部(simmer s upply)340もまた、主励起パルスに先立ってランプを横切る安定電圧を維持 するためにシマー電流を供給するようにフラッシュランプ124aおよび124 bを横切って接続される。このシマーなしでは、働きは一定しない(erratic) 。このシマー電流は、図3のフラッシュランプ励起プロットの部分205から明 らかである。 フラッシュランプドライバー162の適用は、色素サーキュレーターを伴った フラッシュランプ励起色素レーザに限定されず、多くの他のタイプのレーザーに おいてゲイン媒体を励起するポンピング装置のためのドライバーとして手段を提 供し得る。多くのタイプのレーザーは、光パルスの長さを横切る増大する励起し きい値に悩まされている。特色として、従来のフラッシュランプ励起色素レーザ ーは、色素流なしで、この問題に悩まされている。この創意に富んだポンピング 装置ドライバー162もまた、これらのレーザーおよびレーザー励起される色素 レーザーへの適用可能性を見出している。これらの場合、フラッシュランプ或は 他のタイプのレーザーポンピング装置は、レーザー出力の強度のあらゆるロスに 応答して絶えず増大する励起電流を供給するであろう。 図5Aおよび5Bは、長手方向の流れの色素レーザと横方向の流れの形態との 間の主たる差異を表している。図1の第1実施形態は、図5Bの横方向の流れの タイプに対応する。これらの形態は、概ね色素セル105内の色素溶液のより短 い残留時間(residence time)をもたらす。この色素溶液は、共振キャビティ1 10の幅を横切って動くだけでなければならない。図5Aの長手方向の流れの形 態は、これに代わるものを提供している。しかしながら、色素溶液は、色素セル の長さ方向に沿って動く故、残留時間は、同じ流速に対してより長い。 図6は、色素溶液が、レーザ軸530に平行な色素セル505の長さ方向に沿 って長手方向に進む色素セル505の第2実施形態を表している。この色素溶液 は、ポンプ150により入口ポート510を通って循環させられる。色素は、色 素セル505の長さl進み、そして出口ポート515を出る。第1および第2ミ ラー112,114は、色素セル505が図1に関して記述したように配置され た共振キャビティ520の境界を定めている。 第2実施形態は、色素セル505の構造にある境界を置いている。流体の所定 の断面550は、約2.5msecで色素セル505の長さを横切るべきである。こ れは、レイジングの間の色素溶液の使用できる寿命に対するよい評価である。し かし、速度は、色素セル505が耐え得る圧力により制限される。大ざっぱな指 針は、10m/secの流れが、100lb/in2(psi)以下で作動するポンプに対する 最高速度であるということである。これらのファクターが、約1インチの長さに 色素セル505の長さを制限している。 図7は、図6の第2実施形態の修正に基づく第3実施形態を示している。ここ では、複数の色素入口ポート610,612,614が色素セル605の長さ方 向に沿って長手方向に配置されている。サーキュレーターの入口マニホールド6 25は、ポンプ650からこれらのポートの各々に色素を供給する。出口ポート 620,622,624が色素セル105の反対側の入口ポート610−614 間に配置されている。出力マニホールド632は、これらのポートを介して色素 セル605を出る色素溶液を集めている。この形態では、入口ポート610−6 14のいずれか一つを介する色素の流れは、分配され、そして最も近い出力ポー ト620−624の双方から出てゆき、再度レーザ軸630に平行に流れる。も しも、入口ポートと最も近い出口ポートとの間の長手方向の距離が約25mmで, 隣接する入口ポート間で約50mmならば、10m/secの流速は、色素溶液の残留 時間を2.5msecに制限するのに十分である。これは、色素溶液を5msecのレー ザーパルス持続時間で2回、10msecのパルスで4回入れ替えるのを許容する。 共振キャビティを介しての色素ゲイン媒体の横方向の流れを有する色素レーザ ー装置は、異なる適用に対して多くの異なる背景において過去に開発されてきた 。持続波(cw)色素レーザー装置さえ、開発されてきた。これらのレーザー装 置に置ける色素は、別のレーザーによりポンピングされる。このレーザーは、流 動する色素溶液のカーテン(curtain)上の小部分(spot)上に焦点を結ばされ る。したがって、この装置において励起される色素の容積は非常に小さい。焦点 を結ばされたポンピングレーザー装置からのビームの通り道における色素カーテ ンの小さい部分のみが励起され、それ故に誘導放出により光を発生する。たとえ このタイプのレーザー励起色素レーザが持続波出力を発生しても、それは、医療 への適用により要求されるキロワットの平均出力を作り出すことはできない。 非常に高いパルス速度の(pulse rate)横方向流れの色素レーザー装置が同位 体分離への適用のために開発されてきた。これらの設計の意図は、数マイクロセ カンドで約1ジュールの出力エネルギーを作り出すことにある。燃焼速度(firi ng rate)を制限する熱ひずみは、前のパルスからの共振キャビティ内の励起さ れた色素を、新しい色素と置換し、それからフラッシュランプをトリガー(trig gering)することにより回避される。そのような装置は、ほぼ1キロヘルツのパ ルス周波数を発生させるために示されてきた。これらの産業上の適用では、ピー クおよび平均出力パワーおよびパルス周波数は、より低い周波数でより長いパル ス持続時間、適度のピークおよび平均のパワーが好ましい医療処置に対して要求 されるものをはるかに超えている。キロワットに近い平均のパワーは、横方向の 流れの色素レーザーを使用して作り出されてきた。医療への適用に対して、数ワ ットの平均のパワーが要求されるだけである。 本発明は、特にその好ましい実施形態に関して示され、そして記述されている が、添付の請求の範囲により定められる発明の趣旨および範囲から逸脱すること なく形式および詳細における変更がなされ得ることは当業者により理解されるで あろう。例えば、色素セルを共振キャビティと同一の広がりをもつようにして( coextensive)、共振光学システムを色素セルと一体にすることができる。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1997年5月19日 【補正内容】 請求の範囲 1. キャビティを形成し、出力レーザー光パルスとしてキャビティ内に発生さ せられた光の少なくとも一部をもたらす光学システムと、上記キャビティ内にレ ーザーゲイン媒体を収容するためのセルと、そして上記セル内に収容されたレー ザーゲイン媒体を励起するためのフラッシュランプとを備えたフラッシュランプ 励起パルス色素レーザー装置において、 さらに、上記レーザー光パルスの持続時間の間、少なくとも1回上記セル 内のゲイン媒体を新しいゲイン媒体と置換するために上記セルを介して上記ゲイ ン媒体を循環させるためのサーキュレーターおよび、 上記サーキュレーターがレーザー光パルスの持続時間を1msec以上に延ば すために、上記セルを介してゲイン媒体を循環させている間、上記レーザーゲイ ン媒体を励起するようにフラッシュランプをトリガーするためのコントローラー を備えたことを特徴とするフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 2. キャビティ(110)を形成し、そして出力レーザー光パルスとしてキャ ビティ内に発生させられた光の少なくとも一部をもたらす光学システムと、上記 キャビティ内にレーザーゲイン媒体を収容するためのセル(105)と、上記セ ル内に収容されたレーザーゲイン媒体を励起するためのフラッシュランプ(12 4)と、そして上記セルを介して上記レーザーゲイン媒体を循環させるためのサ ーキュレーター(150)とを備えた治療用光パルスを発生するフラッシュラン プ励起パルス色素レーザーシステムにおいて、 上記サーキュレーターが上記セル内のレーザーゲイン媒体を循環させてい る間、上記レーザーゲイン媒体を励起するように上記フラッシュランプをトリガ ーするためのコントローラー(160)であって、上記出力レーザー光パルスの 発生の間、使い果たされたゲイン媒体を少なくとも部分的に新しいゲイン媒体と 置換すること、上記セル内で循環していないレーザーゲイン媒体が使い果たされ 、上記出力レーザー光がクエンチするであろう持続時間の間、上記フラッシュラ ンプが上記レーザーゲイン媒体を励起することを可能にするコントローラーおよ び、 上記キャビティからの上記出力レーザー光パルスを患者の組織に伝送する ための医療デリバリーシステム(20) を備えたフラッシュランプ励起パルス色素レーザーシステム。 3. 上記コントローラーが、少なくとも5msecまで出力レーザー光パルスの持 続時間を延ばすように上記フラッシュランプおよびサーキュレーターを働かせる 請求項1または2に記載のフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 4. 上記ゲイン媒体が、50ジュールより少ないエネルギーの出力レーザー光 パルスを発生する請求項1から3のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パル ス色素レーザー装置。 5. 上記ゲイン媒体が、20ジュールより少ないエネルギーの出力レーザー光 パルスを発生する請求項1から4のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パル ス色素レーザー装置。 6. 上記ゲイン媒体が、少なくとも0.5ジュールのエネルギーの出力レーザ ー光パルスを発生する請求項1から5のいずれかに記載のフラッシュランプ励起 パルス色素レーザー装置。 7. 上記サーキュレーターが、上記出力レーザー光パルスの持続時間の間、少 なくとも2回、上記色素セルのゲイン媒体を新しいゲイン媒体と置換する請求項 1から6のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 8. 上記サーキュレーターが、上記キャビティの長手方向軸を横切る方向に上 記セルを通して上記ゲイン媒体を循環させる請求項1から7のいずれかに記載の フラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 9. 上記サーキュレーターが、上記キャビティの長手方向軸に平行な方向に上 記セルを通して上記ゲイン媒体を循環させる請求項1から7のいずれかに記載の フラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 10. 複数の媒体入口ポート(610−614)が上記セルに沿って長 手方向に設けられ、上記媒体入口ポートが上記サーキュレーターから上記ゲイン 媒体を受取る請求項1から9のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パルス色 素レーザー装置。 11. 複数の媒体出口ポート(620−624)が上記セルに沿って長 手方向に設けられ、上記媒体出口ポートが少なくとも部分的に使い果たされたゲ イン媒体が上記キャビティから出てゆくのを可能にする請求項1から10のいず れかに記載のフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 12. フラッシュランプでキャビティ内の最初の色素溶液を励起するこ と、 少なくとも部分的に上記最初の色素溶液を使い果たすように励起された上 記最初の色素溶液で上記キャビティからレーザー光出力パルスを発生すること、 少なくとも部分的に使い果たされた上記キャビティ内の上記最初の色素溶 液の少なくともいくらかを、上記レーザー光出力パルスの持続時間の間、新しい 色素溶液と置換すること、そして、 キャビティセル内の上記最初の色素溶液が使い果たされ、そしてもしも置 換されなければ上記出力レーザー光パルスをクエンチさせるであろう時間を超え て上記レーザー光出力パルスの持続時間を延ばすように上記レーザー光出力パル スの持続時間の間、上記キャビティ内の新しい色素溶液を励起すること を含むフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置の操作方法。 13. さらに、上記レーザー光出力パルスを患者の組織に届けることを 含む請求項12に記載の方法。 14. さらに、上記出力レーザー光パルスの持続時間を少なくとも5ms ecに延ばすように上記色素溶液を置換することを含む請求項12または13に記 載の方法。 15. さらに、上記レーザー光出力パルスの間、上記共振キャビティ内 の上記色素溶液を少なくとも1回置換することを含む請求項12から14のいず れかに記載の方法。 16. 色素レーザー装置からのレーザー光出力パルスの振幅を検出する ためのセンサー(164)および、 上記センサーにより検出された振幅に応答して、上記パルス持続時間の間 、上記色素レーザー装置のポンピング装置に供給するパワーを制御することによ り上記レーザー光出力パルスの振幅を調節するために上記センサーに応答するド ライバー回路(162) を備えた色素レーザー用ポンピング装置ドライバー。 17. 上記ドライバー回路がフラッシュランプを調節する請求項16に 記載のポンピング装置ドライバー。 18. 上記ドライバー回路がレーザー装置を調節する請求項16または 17に記載のポンピング装置ドライバー。 19. 上記ドライバー回路がレーザー光出力パルスの持続時間を定める トリガー信号を受取る請求項16から18のいずれかに記載のポンピング装置ド ライバー。 20. 上記ドライバー回路が、上記トリガー信号と、上記レーザー光出 力パルスの振幅を示す上記センサーからの強度信号とを結合する請求項19に記 載のポンピング装置ドライバー。 21. 上記ドライバー回路が、上記パルスの持続時間の間、上記ポンピ ング装置へのパワーを能動的に調節する請求項16から20のいずれかに記載の ポンピング装置ドライバー。 22. 上記ドライバー回路が、一定振幅のパルスを発生するように上記 ポンピング装置へのパワーを調節する請求項16から21のいずれかに記載のポ ンピング装置ドライバー。 23. レーザーのゲイン媒体をポンピングすること、 上記レーザー光出力パルスの振幅を検出すること、 上記検出された振幅と上記パルスの持続時間の関数として上記パルスの所 望の振幅を示すトリガー信号とを比較すること、 上記検出された振幅と上記トリガー信号との比較に応じて上記パルスの持 続時間の間、上記ゲイン媒体のポンピングを調節すること を含むパルスの間の色素レーザー装置からのレーザー光パルスの振幅を制御する 方法。 24. さらに実質的に一定の振幅のトリガー信号を発生する請求項23 に記載の方法。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リゾ,アントニオ・ジー アメリカ合衆国03062ニュー・ハンプシャ ー州 ナシュア、シェイクスピア・ロード 12番

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. キャビティを形成し、出力レーザー光パルスとしてキャビティ内に発生さ せられた光の少なくとも一部をもたらす光学システム、 上記キャビティ内にレーザーゲイン媒体を収容するためのセル、 上記セル内に収容されたレーザーゲイン媒体を励起するために上記キャビ ティに隣接して配置されたフラッシュランプ、 レーザー光パルスの持続時間の間、少なくとも1回上記セル内のゲイン媒 体を新しいゲイン媒体と置換するために上記セルを介して上記ゲイン媒体を循環 させるための上記セルに流体連通したサーキュレーターおよび、 上記サーキュレーターがレーザー光パルスの持続時間を1msec以上に延ば すために、上記セルを介してゲイン媒体を循環させている間、レーザーゲイン媒 体を励起するようにフラッシュランプをトリガーするためのコントローラー を備えたフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 2. キャビティを形成し、出力レーザー光パルスとしてキャビティ内に発生さ せられた光の少なくとも一部をもたらす光学システム、 上記キャビティ内にレーザーゲイン媒体を収容するためのセル、 上記セル内に収容されたレーザーゲイン媒体を励起するために上記キャビ ティに隣接したフラッシュランプ、 上記セルを介して上記ゲイン媒体を循環させるための上記セルに流体連通 したサーキュレーター、 上記サーキュレーターが上記セル内にてレーザーゲイン媒体を循環させて いる間上記レーザーゲイン媒体を励起させるように上記フラッシュランプをトリ ガーするためのコントローラーであって、出力レーザー光パルスの発生の間、少 なくとも部分的に使い果たされたゲイン媒体を新しいゲイン媒体と置換すること 、上記セル内の循環していないレーザーゲイン媒体が使い果たされ、出力レーザ ー光をクエンチさせる持続時間の間フラッシュランプがレーザーゲイン媒体を励 起することを可能にするコントローラーおよび、 上記キャビティから患者の組織に出力レーザー光パルスを伝送するための 医療デリバリーシステム を備えた治療用パルス光を発生するフラッシュランプ励起パルス色素レーザーシ ステム。 3. 上記コントローラーが、少なくとも5msecまで出力レーザー光パルスの持 続時間を延ばすように上記フラッシュランプおよびサーキュレーターを働かせる 請求項1または2に記載のフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 4. 上記ゲイン媒体が、50ジュールより少ないエネルギーの出力レーザー光 パルスを発生する請求項1から3のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パル ス色素レーザー装置。 5. 上記ゲイン媒体が、20ジュールより少ないエネルギーの出力レーザー光 パルスを発生する請求項1から4のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パル ス色素レーザー装置。 6. 上記ゲイン媒体が、少なくとも0.5ジュールのエネルギーの出力レーザ ー光パルスを発生する請求項1から5のいずれかに記載のフラッシュランプ励起 パルス色素レーザー装置。 7. 上記サーキュレーターが、上記出力レーザー光パルスの持続時間の間、少 なくとも2回、上記色素セルのゲイン媒体を新しいゲイン媒体と置換する請求項 1から6のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 8. 上記サーキュレーターが、上記キャビティの長手方向軸を横切る方向に上 記セルを通して上記ゲイン媒体を循環させる請求項1から7のいずれかに記載の フラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 9. 上記サーキュレーターが、上記キャビティの長手方向軸に平行な方向に上 記セルを通して上記ゲイン媒体を循環させる請求項1から7のいずれかに記載の フラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 10. 複数の媒体入口ポートが上記セルに沿って長手方向に設けられ、 上記媒体入口ポートが上記サーキュレーターから上記ゲイン媒体を受取る請求項 1から9のいずれかに記載のフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置。 11. 複数の媒体出口ポートが上記セルに沿って長手方向に設けられ、 上記媒体出口ポートが少なくとも部分的に使い果たされたゲイン媒体が上記キャ ビティから出てゆくのを可能にする請求項1から10のいずれかに記載のフラッ シュランプ励起パルス色素レーザー装置。 12. フラッシュランプでキャビティ内の最初の色素溶液を励起するこ と、 少なくとも部分的に上記最初の色素溶液を使い果たすように励起された上 記最初の色素溶液で上記キャビティからレーザー光出力パルスを発生すること、 少なくとも部分的に使い果たされた上記キャビティ内の上記最初の色素溶 液の少なくともいくらかを、上記レーザー光出力パルスの持続時間の間、新しい 色素溶液と置換すること、そして、 キャビティセル内の上記最初の色素溶液が使い果たされ、そしてもしも置 換されなければ上記出力レーザー光パルスをクエンチさせるであろう時間を超え て上記レーザー光出力パルスの持続時間を延ばすように上記レーザー光出力パル スの持続時間の間、上記キャビティ内の新しい色素溶液を励起すること を含むフラッシュランプ励起パルス色素レーザー装置の操作方法。 13. さらに、上記レーザー光出力パルスを患者の組織に届けることを 含む請求項12に記載の方法。 14. さらに、上記出力レーザー光パルスの持続時間を少なくとも5ms ecに延ばすように上記色素溶液を置換することを含む請求項12または13に記 載の方法。 15. さらに、上記レーザー光出力パルスの間、上記共振キャビティ内 の上記色素溶液を少なくとも1回置換することを含む請求項12から14のいず れかに記載の方法。 16. 色素レーザー装置からのレーザー光出力パルスの振幅を検出する ためのセンサーおよび、 上記センサーにより検出された振幅に応答して上記色素レーザー装置のポ ンピング装置に供給するパワーを制御することにより上記レーザー光出力パルス の振幅を調節するために上記センサーに応答するドライバー回路 を備えた色素レーザー用ポンピング装置ドライバー。 17. 上記ドライバー回路がフラッシュランプを調節する請求項16に 記載のポンピング装置ドライバー。 18. 上記ドライバー回路がレーザ装置を調節する請求項16または1 7に記載のポンピング装置ドライバー。 19. 上記ドライバー回路がレーザー光出力パルスの持続時間を定める トリガー信号を受取る請求項16から18のいずれかに記載のポンピング装置ド ライバー。 20. 上記ドライバー回路が、上記トリガー信号と、上記レーザー光出 力パルスの振幅を示す上記センサーからの強度信号とを結合する請求項19に記 載のポンピング装置ドライバー。 21. 上記ドライバー回路が、上記パルスの持続時間の間、上記ポンピ ング装置へのパワーを能動的に調節する請求項16から20のいずれかに記載の ポンピング装置ドライバー。 22. 上記ドライバー回路が、一定振幅のパルスを発生するように上記 ポンピング装置へのパワーを調節する請求項16から21のいずれかに記載のポ ンピング装置ドライバー。 23. レーザーのゲイン媒体をポンピングすること、 上記レーザー光出力パルスの振幅を検出すること、 上記検出された振幅と上記パルスの持続時間の関数として上記パルスの所 望の振幅を示すトリガー信号とを比較すること、 上記検出された振幅と上記トリガー信号との比較に応じて上記ゲイン媒体 のポンピングを調節すること を含むパルスの間の色素レーザー装置からのレーザ光パルスの振幅を制御する方 法。 24. さらに実質的に一定の振幅のトリガー信号を発生する請求項23 に記載の方法。
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