(57)【要約】硬および軟組織、例えば、骨、皮膚、および結合組織のレーザベースの治療を実施するための改良されたシステムおよび方法が、説明される。システムは、従来のレーザベースの歯科用治療システムによって生成される出力電力よりかなり高いピーク出力電力を生成するように適合されたレーザを特徴とし得る。いくつかの事例において、システムは、レンダリング３Ｄ画像を含み得る外科手術領域のリアルタイム軸上可視化および空間測定のための高精細撮像機を特徴とする。いくつかの実装において、システムは、骨組織の膠原線維と整列するように偏光されたレーザビームを送達し、切断性能を向上させるように適合されている。いくつかの実装において、システムは、治療領域を偏光光で撮像するように適合され、それは、神経および他の解剖学的構造の改良された可視化を可能にすることができる。
2021520247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織を治療するためのレーザベースの治療システムであって、前記システムは、
レーザビームを発生させるためのレーザ源と、
前記レーザ源に光学的に接続されたハンドピースであって、前記ハンドピースは、（ｉ）前記レーザビームを前記組織の治療表面に向けるための光学構成要素と、（ｉｉ）前記治療表面を撮像するための撮像システムとを備えている、ハンドピースと、
前記レーザベースの治療システムの少なくとも１つのパラメータを制御するためのコントローラと、
前記レーザビームを偏光させるように適合された線形偏光子および円偏光子のうちの少なくとも１つと
を備えている、システム。
【請求項２】
前記レーザビームは、９μｍ〜１１μｍの範囲内の波長を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記レーザベースの治療システムは、前記組織をアブレートするように適合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記レーザベースの治療システムは、骨補綴物の挿入を補助するように適合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記撮像システムは、前記骨補綴物の挿入のための整列の誘導および可視化を提供するように適合されている、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記レーザビームは、４００ｎｍ〜１μｍの範囲内の波長を備えている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記レーザビームは、単一波長および広帯域の複数の波長のうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記組織は、硬組織を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記レーザビームは、０．５ｇ／秒〜５ｇ／秒の範囲内の率で前記硬組織を除去する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記組織は、軟組織をさらに備えている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
前記組織は、骨、筋肉、腱、軟骨、皮膚、および／または結合組織のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記レーザベースの治療システムは、関節調製術、大腿骨骨切除術、および上腕骨骨切除術から成る群から選択される手技において、軟骨および骨のうちの少なくとも１つを切除するように適合されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記レーザベースの治療システムは、関節軟骨の調製および暴露のうちの少なくとも１つを行うように適合されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記レーザ源は、ＣＯ２レーザ源を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記レーザ源は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ源、アルゴンレーザ源、ＵＶレーザ源、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ源、およびエキシマレーザ源のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記レーザビームは、５μｓ〜１，０００μｓの範囲内のパルス長を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記レーザビームは、１０ｍＪ〜１００，０００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レーザビームは、０．１ｋＨｚ〜４ｋＨｚのパルス繰り返し率を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記光学構成要素は、検流計および反射鏡のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記撮像システムは、偏光照明源と、線形偏光子とを備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記撮像システムは、前記ハンドピースの外部に位置している、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記撮像システムは、前記撮像システムから放出される光が前記ハンドピースから出射するレーザビームと０度〜４５度の範囲内の入射角を形成するように配置されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記線形偏光子は、半波長板を備えている、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記線形偏光子は、前記治療表面の画像のコントラストを改変するために、平行移動および回転のうちの少なくとも１つを行うように適合されている、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２５】
加圧された流体を前記治療表面に向けるための冷却ユニットをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記加圧された流体の体積流量は、１０ｍｍ３／分〜１，０００ｍｍ３／分の範囲内にある、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記加圧された流体は、バーストで向けられる、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記バーストの周波数は、０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内にある、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
各バーストの持続時間は、１００ｍｓ〜１０，０００ｍｓの範囲内にある、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記加圧された流体は、加圧されたガス、加圧された液体、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３１】
前記システムは、前記線形偏光子および前記円偏光子の両方を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記線形偏光子および前記円偏光子の両方は、前記ハンドピース内に搭載されている、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記線形偏光子は、検流計に近接して前記ハンドピース内に搭載され、前記円偏光子は、出口オリフィスに近接して前記ハンドピース内に搭載されている、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記線形偏光子は、半波長板を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記円偏光子は、４分の１波長板を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３６】
前記レーザビームは、線形偏光、円偏光、および楕円偏光から成る群から選択される様式において偏光される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３７】
前記円偏光子は、前記ハンドピースから出射するレーザビームの出力電力を改変するように回転可能である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３８】
レーザベースの治療システムを使用して組織を治療する方法であって、前記方法は、
９μｍ〜１１μｍの範囲内の波長を有するレーザビームを発生させるステップと、
レーザ源をハンドピースに光学的に接続するステップであって、前記ハンドピースは、（ｉ）前記レーザビームを前記組織の治療表面に向けるための光学構成要素と、（ｉｉ）前記治療表面を撮像するための撮像システムとを備えている、ステップと、
前記レーザベースの治療システムの少なくとも１つのパラメータを制御するステップと、
線形偏光子および円偏光子のうちの少なくとも１つを使用して、前記レーザビームを偏光させるステップと
を含む、方法。
【請求項３９】
前記組織をアブレートすることをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
骨補綴物を挿入することをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記レーザベースの治療システムを使用して、前記骨補綴物の挿入のための整列の誘導および可視化を提供することをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記組織は、硬組織を備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
０．５ｇ／秒〜５ｇ／秒の範囲内の率で前記硬組織を除去することをさらに含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記組織は、軟組織をさらに備えている、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記組織は、骨、筋肉、腱、皮膚、結合組織、および軟骨のうちの少なくとも１つを備えている、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
関節調製術、大腿骨骨切除術、および上腕骨骨切除術から成る群から選択される手技において、軟骨および骨のうちの少なくとも１つを切除することをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
（ｉ）関節軟骨を調製するステップおよび（ｉｉ）関節軟骨を暴露するステップのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記レーザ源は、ＣＯ２レーザ源を備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項４９】
前記レーザ源は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、アルゴンレーザ源、ＵＶレーザ源、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ源、およびエキシマレーザ源のうちの少なくとも１つを備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項５０】
前記レーザビームは、５μｓ〜１，０００μｓの範囲内のパルス長を備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項５１】
前記レーザビームは、１０ｍＪ〜１００，０００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項５２】
前記レーザビームは、０．１ｋＨｚ〜４ｋＨｚのパルス繰り返し率を備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項５３】
前記光学構成要素は、検流計および反射鏡のうちの少なくとも１つを備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項５４】
前記撮像システムは、偏光照明源と、線形偏光子とを備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項５５】
前記線形偏光子は、半波長板を備えている、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記治療表面から受信される画像のコントラストを改変するために、前記線形偏光子を平行移動させることおよび回転させることのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
加圧された流体を前記治療表面に向けることをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項５８】
前記加圧された流体の体積流量は、１０ｍｍ３／分〜１，０００ｍｍ３／分の範囲内にある、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記加圧された流体をバーストで向けることをさらに含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
前記バーストの周波数は、０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内にある、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
各バーストの持続時間は、１００ｍｓ〜１０，０００ｍｓの範囲内にある、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記加圧された流体は、加圧されたガス、加圧された液体、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項５７に記載の方法。
【請求項６３】
前記偏光させるステップは、前記線形偏光子および前記円偏光子の両方を使用することを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項６４】
前記線形偏光子および前記円偏光子の両方は、前記ハンドピース内に搭載される、請求項６４に記載の方法。
【請求項６５】
前記線形偏光子は、検流計に近接して前記ハンドピース内に搭載され、前記円偏光子は、出口オリフィスに近接して前記ハンドピース内に搭載される、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記線形偏光子は、半波長板を備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項６７】
前記円偏光子は、４分の１波長板を備えている、請求項３８に記載の方法。
【請求項６８】
前記レーザビームは、線形偏光、円偏光、および楕円偏光から成る群から選択される様式において偏光される、請求項３８に記載の方法。
【請求項６９】
前記ハンドピースから出射するレーザビームの出力電力を改変するように、前記円偏光子を回転させることをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項７０】
前記撮像システムは、前記ハンドピースの外部に位置している、請求項３８に記載の方法。
【請求項７１】
前記撮像システムは、前記撮像システムから放出される光が前記ハンドピースから出射するレーザビームと０度〜４５度の範囲内の入射角を形成するように配置されている、請求項７０に記載のシステム。
【請求項７２】
組織を治療するためのレーザベースの治療システムであって、前記システムは、
９μｍ〜１１μｍの範囲内の波長および少なくとも５００Ｗのピーク出力電力を有するレーザビームを発生させるためのレーザ源と、
前記レーザ源に光学的に接続されたハンドピースであって、前記ハンドピースは、（ｉ）前記レーザビームを前記組織の治療表面に向けるための光学構成要素と、（ｉｉ）前記治療表面を撮像するための撮像システムとを備えている、ハンドピースと、
前記レーザベースの治療システムの少なくとも１つのパラメータを制御するためのコントローラと
を備えている、システム。
【請求項７３】
前記レーザベースの治療システムは、前記組織をアブレートするように適合されている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７４】
前記レーザベースの治療システムは、骨補綴物の挿入を補助するように適合されている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７５】
前記撮像システムは、前記骨補綴物の挿入のための整列の誘導および可視化を提供するように適合されている、請求項７４に記載のシステム。
【請求項７６】
前記組織は、硬組織を備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７７】
前記レーザビームは、０．５ｇ／秒〜５ｇ／秒の範囲内の率で前記硬組織を除去する、請求項７６に記載のシステム。
【請求項７８】
前記組織は、軟組織をさらに備えている、請求項７６に記載のシステム。
【請求項７９】
前記組織は、骨、筋肉、腱、および軟骨のうちの少なくとも１つを備えている、請求項７８に記載のシステム。
【請求項８０】
前記レーザベースの治療システムは、関節調製術、大腿骨骨切除術、および上腕骨骨切除術から成る群から選択される手技において、軟骨および骨のうちの少なくとも１つを切除するように適合されている、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８１】
前記レーザベースの治療システムは、関節軟骨の調製および暴露のうちの少なくとも１つを行うように適合されている、請求項７９に記載のシステム。
【請求項８２】
前記レーザ源は、ＣＯ２レーザ源を備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８３】
前記レーザ源は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ源、アルゴンレーザ源、ＵＶレーザ源、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ源、およびエキシマレーザ源のうちの少なくとも１つを備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８４】
前記レーザビームは、５μｓ〜１，０００μｓの範囲内のパルス長を備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８５】
前記レーザビームは、１０ｍＪ〜１００，０００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８６】
前記レーザビームは、０．１ｋＨｚ〜４ｋＨｚのパルス繰り返し率を備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８７】
前記光学構成要素は、検流計および反射鏡のうちの少なくとも１つを備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８８】
前記撮像システムは、少なくとも１０，０００ｐｐｉの分解能を有する前記治療表面の画像を発生させるように適合された高精細撮像システムを含む、請求項７２に記載のシステム。
【請求項８９】
前記画像は、デジタル画像である、請求項８８に記載のシステム。
【請求項９０】
前記デジタル画像を記憶するためのデジタル記憶媒体をさらに備えている、請求項８９に記載のシステム。
【請求項９１】
前記撮像システムは、３Ｄ撮像システムをさらに備えている、請求項８８に記載のシステム。
【請求項９２】
前記３Ｄ撮像システムは、少なくとも２つのセンサを備えている、請求項９１に記載のシステム。
【請求項９３】
前記撮像システムは、前記治療表面上の切断軸に対して実質的に対称である、請求項７２に記載のシステム。
【請求項９４】
前記撮像システムは、ＣＭＯＳセンサを備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項９５】
加圧された流体を前記治療表面に向けるための冷却ユニットをさらに備えている、請求項７２に記載のシステム。
【請求項９６】
前記加圧された流体の体積流量は、１０ｍｍ３／分〜１，０００ｍｍ３／分の範囲内にある、請求項９５に記載のシステム。
【請求項９７】
前記加圧された流体は、バーストで向けられる、請求項９５に記載のシステム。
【請求項９８】
前記バーストの周波数は、０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内にある、請求項９７に記載のシステム。
【請求項９９】
各バーストの持続時間は、１００ｍｓ〜１０，０００ｍｓの範囲内にある、請求項９７に記載のシステム。
【請求項１００】
前記加圧された流体は、加圧されたガス、加圧された液体、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項９５に記載のシステム。
【請求項１０１】
レーザベースの治療システムを使用して組織を治療する方法であって、前記方法は、
９μｍ〜１１μｍの範囲内の波長および少なくとも５００Ｗのピーク出力電力を有するレーザビームを発生させるステップと、
レーザ源をハンドピースに光学的に接続するステップであって、前記ハンドピースは、（ｉ）前記レーザビームを前記組織の治療表面に向けるための光学構成要素と、（ｉｉ）前記治療表面を撮像するための撮像システムとを備えている、ステップと、
前記レーザベースの治療システムの少なくとも１つのパラメータを制御するステップと
を含む、方法。
【請求項１０２】
前記組織をアブレートすることをさらに含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０３】
骨補綴物を挿入することをさらに含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０４】
前記レーザベースの治療システムを使用して、前記骨補綴物の挿入のための整列の誘導および可視化を提供することをさらに含む、請求項１０３に記載の方法。
【請求項１０５】
前記組織は、硬組織を備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１０６】
０．５ｇ／秒〜５ｇ／秒の範囲内の率で前記硬組織を除去することをさらに含む、請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０７】
前記組織は、軟組織をさらに備えている、請求項１０５に記載の方法。
【請求項１０８】
前記組織は、骨、筋肉、腱、および軟骨のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１０７に記載の方法。
【請求項１０９】
関節調製術、大腿骨骨切除術、および上腕骨骨切除術から成る群から選択される手技において、軟骨および骨のうちの少なくとも１つを切除することをさらに含む、請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１０】
（ｉ）関節軟骨を調製するステップおよび（ｉｉ）関節軟骨を暴露するステップのうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１０８に記載の方法。
【請求項１１１】
前記レーザ源は、ＣＯ２レーザ源を備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１１２】
前記レーザ源は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、アルゴンレーザ源、ＵＶレーザ源、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ源、およびエキシマレーザ源のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１１３】
前記レーザビームは、５μｓ〜１，０００μｓの範囲内のパルス長を備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１１４】
前記レーザビームは、１０ｍＪ〜１００，０００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１１５】
前記レーザビームは、０．１ｋＨｚ〜４ｋＨｚのパルス繰り返し率を備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１１６】
前記光学構成要素は、検流計および反射鏡のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１１７】
前記撮像システムは、少なくとも１０，０００ｐｐｉの分解能を有する前記治療表面の画像を発生させるように適合された高精細撮像システムを備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１１８】
前記画像は、デジタル画像である、請求項１１７に記載の方法。
【請求項１１９】
前記デジタル画像をデジタル記憶媒体内に記憶することをさらに含む、請求項１１８に記載の方法。
【請求項１２０】
前記撮像システムは、３Ｄ撮像システムをさらに備えている、請求項１１７に記載の方法。
【請求項１２１】
前記３Ｄ撮像システムは、少なくとも２つのセンサを備えている、請求項１２０に記載の方法。
【請求項１２２】
前記撮像システムは、前記治療表面上の切断軸に対して実質的に対称である、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１２３】
前記撮像システムは、ＣＭＯＳセンサを備えている、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１２４】
加圧された流体を前記治療表面に向けることをさらに含む、請求項１０１に記載の方法。
【請求項１２５】
前記加圧された流体の体積流量は、１０ｍｍ３／分〜１，０００ｍｍ３／分の範囲内にある、請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２６】
前記加圧された流体をバーストで向けることをさらに含む、請求項１２４に記載の方法。
【請求項１２７】
前記バーストの周波数は、０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内にある、請求項１２６に記載の方法。
【請求項１２８】
各バーストの持続時間は、１００ｍｓ〜１０，０００ｍｓの範囲内にある、請求項１２６に記載の方法。
【請求項１２９】
前記加圧された流体は、加圧されたガス、加圧された液体、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項１２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、その両方の内容が参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる「Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」と題され、２０１８年４月３日に出願された米国仮特許出願第６２／６５１，９８７号、および「Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｓｕｒｇｉｃａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」と題され、２０１８年４月３日に出願された米国仮特許出願第６２／６５１，９８２号の優先権の利益を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、概して、レーザベースの治療システムに関し、より具体的に、骨、皮膚、および結合組織を含む硬および軟組織を選択的に治療するための外科手術用途におけるレーザの使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
組織（例えば、骨等の硬組織）の切断および除去は、広範囲の外科手術用途において必要である。典型的に、組織は、鋸、ドリル、および機械的剪断力を用いて他の硬質材料を切断するために使用されるそれらに類似する他の基本的ツールを用いて、切断される。そのようなツールは、骨を通して切断することにおいて効果的であり得るが、それらは、外科医および患者のために、多数の短所を提示する。例えば、従来のツールは、概して、所望の骨に近接近して位置させることが困難であり得る大型のブレードを含む。外科手術手技のために現在使用されている鋸、ドリル、および焼灼器ツールは、摩擦引き裂きおよび剪断によって、骨を通して切断し、それは、患者回復を低下させるかなりの組織損傷を生成する。不可避な表面および表面下損傷は、深刻な術後疼痛に影響する。インビボ研究は、切断プロセスが実質的摩擦熱も発生させ、それが骨壊死および壊死骨の後続吸収につながることを実証している。血液損失を抑えるために使用される確立された軟組織焼灼方法は、血管を凝固させるために、これらのツールが組織を焼くので、患者に関する回復負担をいっそうひどくする。したがって、骨等の組織を切断するための改良された技法が、所望される。
【０００４】
１つの代替切断技法は、レーザの使用であり、それは、これまで、歯科組織の切断のために探究されているものである。歯の最外層は、エナメル質であり、それは、最も硬く、歯の残りのための保護層を形成する。歯の中央かつ大部分は、象牙質から成り、最内層は、歯髄である。研究が、歯のエナメル質および象牙質が、歯髄を加熱せずに、除去され、穿孔され、輪郭が付けられ、または調整されることを可能にするレーザパラメータを定義するために行われている。高エネルギー密度パルスが、当初、使用されていたが、これらのパルスは、歯髄または軟組織を損傷させることが見出され、したがって、より低いエネルギーパルス構成が探究された。１０Ｗ〜３００Ｗのピーク電力出力を有するあるＣＯ２レーザが、歯髄への損傷を回避しながら、歯科組織を切断することにおいて効果的であることが発見された。
【０００５】
歯腔内に見出される組織以外の種々のタイプの組織を治療するために適合された（例えば、種々の外科手術手技を実施するために）レーザ切断システムの必要性が残っている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
故に、本開示は、身体全体を通した組織、例えば、骨、皮膚、結合組織等を治療するために適合されたレーザシステムに関する。システムを使用して実施される例示的手技は、関節調製術／関節形成術等のための軟骨切除、骨除去、移植（例えば、大腿骨／上腕骨外科手術のため）、股関節形成術（例えば、寛骨臼をリーマで広げる）、骨プロテーゼの挿入および安定化を含むことができる。システムの種々の実施形態は、主に歯科組織の治療のために設計される従来のレーザ治療システムに優る改良された特徴を含む。いくつかの事例において、システムは、偏光レーザビームで治療を実施することができ、それは、従来のレーザビームに優る改良された切断特性を示す。加えて、システムは、外科手術領域のリアルタイム軸上可視化および空間測定のための高精細撮像機を含むことができる。いくつかの事例において、外科手術領域は、偏光光ビームで撮像されることができ、それは、治療中、神経および他の解剖学的構造の改良された視認を可能にすることができる。
【０００７】
一側面において、本発明は、組織を治療するためのレーザベースの治療システムに関する。システムは、９μｍ〜１１μｍの範囲内の波長および少なくとも５００Ｗのピーク出力電力を有するレーザビームを発生させるためのレーザ源と、レーザ源に光学的に接続され、（ｉ）レーザビームを組織の治療表面に向けるための光学構成要素と、（ｉｉ）治療表面を撮像するための撮像システムとを含むハンドピースと、レーザベースの治療システムの少なくとも１つのパラメータを制御するためのコントローラとを含むことができる。
【０００８】
上記の側面のいくつかの実施形態において、レーザベースの治療システムは、組織をアブレートするように、および／または骨補綴物の挿入を補助するように適合される。いくつかの事例において、撮像システムは、骨補綴物の挿入のための整列の誘導および可視化を提供するように適合される。組織は、硬組織であることができ、ある場合、レーザビームは、０．５ｇ／秒〜５ｇ／秒の範囲内の率で硬組織を除去する。いくつかの事例において、組織はまた、軟組織を含む。組織は、骨、筋肉、腱、軟骨、血管、神経、粘膜、および／または皮膚を含むことができる。いくつかの事例において、レーザベースの治療システムは、関節調製術手技、大腿骨骨切除術手技、および／または上腕骨骨切除術手技において、軟骨および／または骨を切除するように適合される。いくつかの事例において、レーザベースの治療システムは、関節軟骨を調製および／または暴露するように適合される。
【０００９】
種々の実施形態において、レーザ源は、ＣＯ２レーザ源を含む。他の事例において、レーザ源は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ源、アルゴンレーザ源、ＵＶレーザ源、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ源、および／またはエキシマレーザ源を含む。種々の事例において、レーザビームは、５μｓ〜１，０００μｓの範囲内のパルス長、１０ｍＪ〜１００，０００ｍＪの範囲内のパルスエネルギー、および／または０．１ｋＨｚ〜４ｋＨｚのパルス繰り返し率を含むことができる。ある場合、光学構成要素は、検流計および／または反射鏡を含む。
【００１０】
種々の実施形態において、撮像システムは、少なくとも１０，０００ｐｐｉ（すなわち、ピクセル／インチ）の分解能を有する治療表面の画像（例えば、デジタル画像）を発生させるように適合された高精細撮像システムを含む。システムは、デジタル画像を記憶するためのデジタル記憶媒体をさらに含むことができる。いくつかの事例において、撮像システムは、３Ｄ撮像システムを含み、それは、ある場合、少なくとも２つのセンサを含む。撮像システムは、治療表面上の切断軸に対して実質的に対称であることができる。他の場合、撮像システムは、所望の撮像能力のために、異なる角度（例えば、０〜４５度の範囲内）で構成される。ある場合、撮像システムは、ＣＭＯＳ／ＣＣＤセンサを含む。ある場合、撮像システムは、偏光照明源と、線形偏光子（例えば、半波長板）とを含む。線形偏光子は、治療表面から受信される画像のコントラストを改変するために、平行移動および／または回転するように適合されることができる。他の場合、撮像システムは、光学コヒーレンス断層撮影、偏光Ｒａｍａｎ分光法、および／または偏光顕微鏡検査に基づく偏光を含むことができる。
【００１１】
種々の実施形態において、レーザベースの治療システムは、加圧された流体を治療表面に向けるための冷却ユニットをさらに含む。ある場合、加圧された流体の体積流量は、１０ｍｍ３／分〜１，０００ｍｍ３／分の範囲内にある。ある場合、加圧された流体は、バーストで、例えば、０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数で向けられる。各バーストの持続時間は、１００ｍｓ〜１０，０００ｍｓの範囲内であることができる。加圧された流体は、加圧されたガス、加圧された液体、および／またはそれらの組み合わせであることができる。いくつかの事例において、システムは、レーザビームを偏光させるように適合された線形偏光子および／または円偏光子をさらに含むことができる。線形偏光子（例えば、半波長板）および円偏光子（例えば、４分の１波長板）の両方は、ハンドピース内に搭載されることができる。いくつかの構成において、線形偏光子は、検流計に近接してハンドピース内に搭載され、円偏光子は、出口オリフィスに近接してハンドピース内に搭載される。レーザビームは、線形偏光されること、円偏光されること、および／または楕円偏光されることができる。いくつかの事例において、円偏光子は、ハンドピースから出射するレーザビームの出力電力を改変するように回転可能である。
【００１２】
別の側面において、本発明は、レーザベースの治療システムを使用して組織を治療する方法に関する。方法は、９μｍ〜１１μｍの範囲内の波長および少なくとも５００Ｗのピーク出力電力を有するレーザビームを発生させるステップと、レーザ源をハンドピースに光学的に接続するステップであって、ハンドピースは、（ｉ）レーザビームを組織の治療表面に向けるための光学構成要素と、（ｉｉ）治療表面を撮像するための撮像システムとを含む、ステップと、レーザベースの治療システムの少なくとも１つのパラメータを制御するステップとを含むことができる。
【００１３】
種々の実施形態において、方法は、組織をアブレートするステップ、骨補綴物を挿入するステップ、および／またはレーザベースの治療システムを使用して、骨補綴物の挿入のための整列の誘導および可視化を提供するステップをさらに含むことができる。組織は、硬組織であることができる。ある場合、方法は、０．５ｇ／秒〜５ｇ／秒の範囲内の率で硬組織を除去することをさらに含むことができる。いくつかの事例において、組織はまた、軟組織を含む。組織は、骨、筋肉、腱、および／または軟骨を含むことができる。いくつかの事例において、方法は、関節調製術手技、大腿骨骨切除術手技、および／または上腕骨骨切除術手技において、軟骨および／または骨を切除することをさらに含む。いくつかの事例において、方法は、関節軟骨を調製するステップおよび／または関節軟骨を暴露することをさらに含むことができる。
【００１４】
種々の実施形態において、レーザ源は、ＣＯ２レーザ源を含む。他の事例において、レーザ源は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ源、アルゴンレーザ源、ＵＶレーザ源、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ源、および／またはエキシマレーザ源を含む。種々の事例において、レーザビームは、５μｓ〜１，０００μｓの範囲内のパルス長、１０ｍＪ〜１００，０００ｍＪの範囲内のパルスエネルギー、および／または０．１ｋＨｚ〜４ｋＨｚのパルス繰り返し率を含むことができる。ある場合、光学構成要素は、検流計および／または反射鏡を含む。
【００１５】
種々の実施形態において、撮像システムは、少なくとも１０，０００ｐｐｉの分解能を有する治療表面の画像（例えば、デジタル画像）を発生させるように適合された高精細撮像システムを含む。方法は、デジタル画像をデジタル記憶媒体内に記憶することをさらに含むことができる。いくつかの事例において、撮像システムは、３Ｄ撮像システムを含み、それは、ある場合、少なくとも２つのセンサを含む。撮像システムは、治療表面上の切断軸に対して実質的に対称であることができる。ある場合、撮像システムは、ＣＭＯＳ／ＣＣＤセンサを含む。ある場合、撮像システムは、偏光照明源と、線形偏光子（例えば、半波長板）とを含む。方法は、治療表面から受信される画像のコントラストを改変するために、線形偏光子を平行移動および／または回転させることをさらに含むことができる。
【００１６】
種々の実施形態において、方法は、加圧された流体を治療表面に向けることをさらに含む。ある場合、加圧された流体の体積流量は、１０ｍｍ３／分〜１，０００ｍｍ３／分の範囲内にある。ある場合、加圧された流体は、バーストで、例えば、０．１Ｈｚ〜１０Ｈｚの範囲内の周波数で向けられる。各バーストの持続時間は、１００ｍｓ〜１０，０００ｍｓの範囲内であることができる。加圧された流体は、加圧されたガス、加圧された液体、および／またはそれらの組み合わせであることができる。いくつかの事例において、方法は、線形偏光子および円偏光子のうちの少なくとも１つを使用して、レーザビームを偏光させることをさらに含む。線形偏光子（例えば、半波長板）および円偏光子（例えば、４分の１波長板）の両方は、ハンドピース内に搭載されることができる。いくつかの構成において、線形偏光子は、検流計に近接してハンドピース内に搭載され、円偏光子は、出口オリフィスに近接してハンドピース内に搭載される。レーザビームは、線形偏光される、円偏光される、および／または楕円偏光されることができる。いくつかの事例において、方法は、ハンドピースから出射するレーザビームの出力電力を改変するように、円偏光子を回転させることをさらに含む。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
図面において、同様の参照文字は、概して、異なる図全体を通して同じ部品を指す。また、図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、強調が、代わりに、概して、本発明の原理を図示することにおいて置かれる。以下の説明において、本発明の種々の実施形態は、以下の図面を参照して説明される。
【００１８】
【図１】図１は、種々の実施形態による、外科手術用レーザ治療システムの概略斜視図である。
【００１９】
【図２】図２は、種々の実施形態による、外科手術用レーザ治療システムの種々の構成要素を示す概略図である。
【００２０】
【図３】図３は、種々の実施形態による、例示的レーザパラメータ値を提供するチャートである。
【００２１】
【図４】図４は、種々の実施形態による、例示的電力パラメータ値を提供するチャートである。
【００２２】
【図５】図５は、種々の実施形態による、ビーム誘導システムを示す概略図である。
【００２３】
【図６】図６は、種々の実施形態による、ビーム誘導システムに関連する例示的パラメータ値を提供するチャートである。
【００２４】
【図７】図７は、種々の実施形態による、冷却システムを含むハンドピースの概略断面図である。
【００２５】
【図８】図８は、種々の実施形態による、例示的冷却パラメータ値を提供するチャートである。
【００２６】
【図９】図９は、膠原繊維上に入射するレーザビームを図示する略図である。
【００２７】
【図１０】図１０は、種々の実施形態による、偏光治療ビームを発生させるように構成されたハンドピースの概略断面側面図である。
【００２８】
【図１１】図１１は、異なる実施形態による、偏光治療ビームを発生させるように構成されたハンドピースの概略断面側面図である。
【００２９】
【図１２】図１２は、種々の実施形態による、回転可能偏光子を含むハンドピースの概略断面側面図である。
【００３０】
【図１３】図１３は、種々の実施形態による、撮像システムを含むハンドピースの概略断面側面図である。
【００３１】
【図１４】図１４は、種々の実施形態による、偏光撮像システムを含むハンドピースの概略断面側面図である。
【００３２】
【図１５】図１５は、種々の実施形態による、レーザビームに対してある角度で配置される偏光撮像システムを含むハンドピースの概略断面側面図である。
【００３３】
【図１６】図１６Ａ−Ｂは、偏光撮像システムの有無別で撮像された軟組織の例示的画像である。
【００３４】
【図１７】図１７Ａ−Ｂは、偏光撮像システムの有無別で撮像された硬組織の例示的画像である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明の実施形態は、広範囲の外科手術手技を実施することにおける使用のための種々の硬質および軟組織を治療するためのレーザベースのシステムに関する。本開示は、多くの場合、歯腔外の組織、例えば、（歯以外の）骨、皮膚、（例えば、関節内の）結合組織等を治療するために使用されるものとして、治療システムを説明するであろう。しかしながら、種々の実施形態において、本明細書に説明されるシステムは、口腔内の組織の治療のためにも使用されることができる。
【００３６】
図１を参照すると、例示的レーザ治療システム１００において、レーザ源１０２からのレーザビームが、関節運動式アームランチ１０４の中に向けられる。ビームはさらに、関節運動式アーム１０６の中に向けられ、それからランチ１０４と反対側の端部を通して出射する。主要チャンバ１０８は、固定または相互交換可能ハンドピース１１０を含む。フットペダル１１２は、システム１００の側面を制御することができる。フットペダル１１２は、例証にすぎない。一般に、システム１００の１つ以上のパラメータの制御は、マウス、キーボード、ジョイスティック、タッチスクリーンパネル、スライダスイッチ等、任意の好適なスイッチまたは可変入力デバイスを使用して達成されることができる。システム１００は、入力をユーザから受信し、および／または画像をユーザに表示し得るモニタ／ユーザインターフェース１１４も含むことができる。
【００３７】
図２を参照すると、フットペダル１１２の位置は、例えば、コンピュータ１１６を制御するために変動させられることができ、コンピュータ１１６は、次に、レーザ源１０２および／または関連付けられたサブシステムの動作を制御するために、レーザコントローラ１１８を制御することができる。フットペダル１１２（または任意の入力デバイス全般）を使用して、レーザ源１０２は、オン／オフにされ得、および／またはレーザビームのパルス化、その強度、冷却剤の流量および／または圧力等の他のシステムパラメータも、制御され得る。レーザビームは、概して、関節運動式アーム１０６および／または主要チャンバ１０８内の光学システム（例えば、レーザビームをある角度、例えば、４５°で反射するミラー）を通して、ハンドピース１１０の先端まで通過する。ハンドピース１１０は、ある実施形態において、回転し、先端を設置することにおける柔軟性および標的化することが困難である組織への近接性を提供することができる。冷却剤源１２０からの冷却剤は、コンピュータ制御される冷却剤ポンプ１２２を使用して、関節運動式アーム１０６を介して、ハンドピース１１０に供給され得る。空気源１２４からの加圧された空気も、コンピュータ制御される弁１２６を使用して、関節運動式アーム１０６を介して、ハンドピース１１０に供給され得る。加圧された空気は、冷却噴霧を発生させるために冷却剤と組み合わせて使用され得、および／または、それは、ハンドピース１１０内に位置する種々の構成要素を保護するために使用され得る。いくつかの事例において、レーザビームは、ヒトの眼に見えず、レーザビームと一致し、可視波長を有する別のマーキングビームも、治療部位に向けられ、レーザビームの場所の決定を補助することができる。他の事例において、関節運動式アーム１０６は、導波管（例えば、ファイバベース）を含み、それを通してレーザビームが伝搬し、ハンドピース１１０を通して標的エリア上に送達される。
【００３８】
種々の実施形態において、レーザ源１０２は、３μｍ〜１１μｍの範囲内の波長を有するＣＯ２レーザビームを発生させることができる。他の事例において、レーザ源１０２は、４００ｎｍ〜１μｍの範囲内の波長を有するレーザビームを発生させることができ、それは、可視光波長（例えば、４００〜７００ｎｍ）および近赤外線光波長（例えば、７００ｎｍ〜１μｍ）の両方を含む。レーザビームは、単一または複数の別々の波長のいずれかとして、または広帯域範囲の波長として送達されることができる。レーザビームは、連続波またはパルスモードのいずれかで送達されることができる。パルスモードにおいて、レーザビームは、１０ｍＪ〜１００，０００ｍＪ／パルスのエネルギー、５μｓｅｃ〜１，０００μｓｅｃのパルス幅、および０．１ｋＨｚ〜４ｋＨｚのレーザパルスのパルス繰り返し率を有するレーザパルス列を含むことができる。レーザの追加の例示的パラメータは、図３に示される。
【００３９】
図４のレーザ電力パラメータチャートに提示されるように、レーザ（ＣＷまたはパルス状のいずれか）のピーク電力出力は、３００Ｗ〜１０，０００Ｗの範囲内であることができ、レーザ（ＣＷまたはパルスのいずれか）の平均電力出力は、３０Ｗ〜１，０００Ｗの範囲内であることができる。種々の事例において、ピーク電力入力は、１，０００Ｗ〜１００，０００Ｗの範囲内であることができ、平均電力入力は、１００Ｗ〜１０，０００Ｗの範囲内であることができる。そのような高電力出力を達成することが可能なレーザは、多くの病院の手術室内に合理的に格納されるために大きすぎた。加えて、そのようなレーザは、歯髄に及ぼされる有害な溶融／炭化効果により、歯科用途のために好適ではない。しかしながら、身体内の多くの組織は、同じ感度を有しておらず、したがって、これらのより高い電力レーザビームで治療されることができ、それは、従来のシステムを用いて実践的ではなかったある切断活動（例えば、大腿骨の移植、膝の内視鏡検査等）を実行可能にする。追加の例示的電力パラメータは、図４に示される。
【００４０】
種々の実施形態において、レーザビームを治療部位に向けるための光学システムは、検流計によって制御されるミラーを含むことができる。例示的概略構成は、図５に示される。示されるように、治療レーザビーム１３８は、集束レンズ１４０を通過することができ、集束ビームは、ミラー１４２、１４４によって向けられる。ミラー１４２、１４４は、治療エリア１５６を実質的に完全に網羅するように、治療レーザビーム１３８の焦点１４６の点がＸおよび／またはＹ方向に沿って移動させられ得るように、段階的に移動させられることができる。いくつかの実施形態において、ミラー１４２、１４４は、モータ１４８、１５０を含む位置閉ループフィードバックシステムによって制御される。モータ１４８、１５０は、典型的に、ミラー１４２、１４４の位置を調節するためのアクチュエータを含む検流計を含む。モータ１４８に関連付けられた位置ループは、センサまたは位置インジケータ１５２と、電子位置制御デバイス１５４と、モータ駆動電子機器１５６とを含むことができる。構成要素１５２−１５６のうちの１つ以上のものを利用し得る第２の位置制御ループ（図示せず）が、他のモータ１５０に関連付けられることができる。上で述べられるように、光学システム（例えば、図５に示される）は、関節運動式アーム１０６、主要チャンバ１０８、または任意の他の好適な場所に位置することができる。
【００４１】
図５は、略正方形形状を有するように治療エリア１５６を示すが、これは、例証目的のためにすぎない。一般に、モータ１４８、１５０は、レーザビーム１３８をパターン（例えば、円形、ラスタ、ランダム等）で向け、任意の形状、例えば、三角形、多角形、円形、卵形等を有する治療エリアを形成することができる。いくつかの実施形態において、治療エリア１５６の形状は、オペレータによって画定されることができる。位置制御デバイス１５４は、治療エリア１５６についての情報を提供されることができる。そのような情報は、治療エリア１５６のサイズおよび形状を含み得る。位置インジケータ１５２は、特定の事例における治療エリア１５６内のレーザビーム１３８の焦点１４６の点の相対的位置を決定することができる。位置インジケータ１５２から取得される相対的位置に基づいて、位置制御デバイス１５４は、動作の次の段階中のモータ１４８の移動を決定することができる。これらの段階は、レーザビーム１３８が、治療エリア１５６に実質的に閉じ込められ、望ましい様式においてエリア１５６を網羅（例えば、治療）するように、モータ１４８、１５０の各々のために決定されることができる。この位置閉ループフィードバックシステムは、オペレータが、治療エリア１５６を選択および／または画定し、隣接する組織部分に実質的に影響を及ぼさずに、選択および／または画定されたエリア全体を自動的に治療することを可能にする。種々の実施形態において、モータ１４８、１５０は、２，５００段階／秒〜５００，０００段階／秒の範囲内の率でミラー１４２、１４４を調節することができる。ビーム誘導システムの追加のパラメータは、図６に示される。
【００４２】
種々の実施形態において、システム１００は、治療領域の温度を特定の閾値を下回るように制御するように適合されることができる。例えば、図２に示されるように、加圧された空気および／または冷却剤が、治療部位に向けられることができる。図７に示されるように、冷却流体１２８は、ノズル１３０および１３２を介して、治療部位に向けられることができる。この流体は、切断を制御するための冷却を提供し、切断された材料を治療部位から除去することにも役立つ。いくつかの事例において、別個のノズルアセンブリ１３４が、空気カーテン１３６を供給することができ、空気カーテン１３６は、冷却流体がハンドピース１１０の中に戻るように飛散することを妨げ得る。別個のノズルアセンブリ１３４は、制御された量の空気を供給することができ、それによって、空気カーテン１３６が、積層流を実質的に形成し、それは、レーザビームへの混乱を最小化することができる。冷却剤流体１２８の流動は、概して、切断が、レーザビームを使用して、一貫して、かつ再現可能様式において、達成され得るように制御される。ある場合、冷却剤は、レーザビームと治療表面との間の改良された相互作用／結合を可能にすることもできる。冷却剤の流量は、１０ｍｍ３／分〜１，０００ｍｍ３／分の範囲内に制御されることができ、５０ｐｓｉ〜４００ｐｓｉの範囲内の圧力で適用されることができる。追加の例示的冷却パラメータは、図８に示される。
【００４３】
他の実施形態において、システム１００は、治療部位を冷却するための冷却システムを含まない。ある切断用途に関して、例えば、歯のそれと異なる感度および／または構造特性（例えば、湿気含有量）を伴う組織領域の治療等、冷却が、必要ではないこともある。
【００４４】
種々の実施形態において、システム１００は、切断性能を改良するために、特定の偏光を伴う出力レーザビームを構成するように適合される。偏光は、本願において使用されるように、レーザの電磁波振動の電場成分の方向を指す。偏光の概念に関する簡単な背景は、有用であるが、簡潔にするために、背景は、光に関する偏光の概念を説明するであろう。しかしながら、同じ概念は、レーザ電磁放射線にも当てはまる。光が組織に入射すると、光は、反射、屈折、吸収、および散乱のいくつかの機構を受ける。特定の材料を通して伝搬する光の量を決定するための１つの方法は、屈折率を基準としたものであり、それは、材料に入射するときに光の経路が曲げられた（または屈折された）量に関する無次元値である。複屈折材料は、材料上に衝突する光の偏光に応じて異なる屈折率を有する材料である。換言すると、ある偏光を有する光は、材料の中に伝搬する一方、他の偏光を有する光は、材料から反射され、または散乱させられ得る。いくつかの事例において、本願は、光またはレーザ電磁放射線のいずれかに関する偏光を説明するであろう。しかしながら、本明細書に説明される概念は、当業者によって理解されるであろうように、光およびレーザ電磁放射線の両方に適用可能である。
【００４５】
一般に、硬組織は、それらの膠原線維の向きに沿って正の複屈折を示す（すなわち、光／レーザがそれを通して伝搬することを可能にする）複屈折材料である。骨は、膠原線維を含む硬組織の一例である。骨は、主に、有機成分および無機成分（主に、ヒドロキシアパタイト）としての膠原線維から成る。原線維網の形態におけるマイクロ長スケールである膠原線維の向き（例えば、交互する木地のラミネートされた合板状構造に類似する）は、骨力学、例えば、引張強度および弾性率に影響を及ぼすことが示されている。本明細書に開示される本発明の一側面は、膠原線維の向きを使用して、偏光光／レーザを用いた改良された治療を可能にすることを含む。
【００４６】
この概念は、図９に図示されており、図は、骨の膠原線維（または図内で標識されるような原線維）に対してある入射角で骨表面に遭遇するレーザビームを描写する。骨表面に接触すると、光は、その軌道が散乱平面において角度θ（ある場合、入射角と同じまたはほぼその角度）だけ、垂直平面において方位角φ（０〜２π）だけ偏向されるように散乱する。膠原繊維と平行な電場（偏光）を有するレーザビームの部分は、膠原繊維と垂直な電場（偏光）を有する部分より多く吸収される。
【００４７】
したがって、組織の膠原線維の向きの軸に沿って偏光されたレーザビームを向ける（例えば、図９に示されるレーザビームの垂直成分を最小化する）ことは、組織によるレーザエネルギーの吸収を最大化し、より優れ、より高速の切断性能をもたらすことができる。散乱平面とレーザの電場のそれとの間の入射角を最小化することによって、組織上に堆積させられるエネルギーの吸収が、最適化されることができる。
【００４８】
前述に照らして、いくつかの実施形態において、システム１００は、レーザの電場の向き（すなわち、レーザの偏光）を膠原線維の向きおよび分布と一致するように制御するように適合される。システム１００は、偏光を遂行するための種々の代替構成を特徴とすることができ、そのいくつかの例は、下で説明される。
【００４９】
種々の実施形態において、レーザビームの線形および／または円偏光は、半波長板または４分の１波長板または両方の組み合わせ等の複屈折材料（例えば、石英または雲母から作製される）を主要チャンバ１０８および／またはハンドピース１１０の中に導入することによって実施される。上で説明されるように、線形偏光光は、単一線形軸に沿って進行し、所望の方向に向けられることができる（例えば、骨の膠原線維と整列するように）。他方において、円偏光光は、任意のビーム向きに関して、等量のｓ−偏光およびｐ−偏光を含む。一般に、ｐ−偏光は、入射平面と平行な電場方向を有する光の部分であり、ｓ−偏光は、入射平面と垂直な電場方向を有する光の部分である。したがって、円偏光光は、同じ組成の偏光で治療表面の全ての軸に衝突し、材料は、切断方向および角度にかかわらず、均一に除去される。そのような事例において、０°の散乱角度を有する円偏光光の部分は、特に、切断において効果的である。いくつかの事例において、光は、最初に、線形偏光され、次いで、円偏光されるように位相シフトされる。
【００５０】
図１０は、円偏光光を治療表面に送達するように適合された主要チャンバ１０８／ハンドピース１１０の例示的構成を描写する。示されるように、円偏光子１６４は、主要チャンバ１０８および／またはハンドピース１１０内のレーザビーム送達軸１５８に沿って搭載されることができ、それによって、レーザビームが４分の１波長板１６４を通過すると、それは、円偏光され、反射鏡１６０から反射され、治療領域に送達されるとき、円偏光されたままである。一般に、任意の円偏光子１６４、例えば、４分の１波長板、反射位相差体等が、使用されることができる。図１０に示されるように、いくつかの実施形態において、円偏光子１６４上に入射するビームは、線形偏光されることができる。線形偏光は、円偏光子の上流の任意の場所で、例えば、レーザ源１０２において、関節運動式アーム１０６内、主要チャンバ１０８内等で生じることができる。いくつかの事例において、線形偏光光は、円偏光されずに、直接、治療部位に送達される。
【００５１】
例えば、図１１に示される別の実施形態において、レーザビームは、反射鏡１６０と円偏光子１６４（例えば、４５°の角度で配置される）を置換することによって、円偏光されることができる。そのような実施形態において、レーザビームは、線形偏光子１６８に通され得、線形偏光子１６８は、円偏光子１６６の上流の主要チャンバ１０８および／またはハンドピース１１０内に搭載されることができる。一般に、任意の線形偏光子、例えば、半波長板が、使用されることができる。線形偏光を円偏光に変換することは、切断変動を排除することができる。一般に、円偏光子１６４および／または線形偏光子１６８は、システム１００内の任意の望ましい場所、例えば、レーザ源１０２、関節運動式アーム１０６、主要チャンバ１０８、ハンドピース１１０等に搭載されることができる。いくつかの事例において、線形偏光子１６８は、ビームが特定の偏光平面（例えば、入射平面に対して４５°）を有し、同じ平面に沿って（例えば、入射平面に対して４５°）向けられた円偏光子１６４に入射するように、ビームを線形偏光させることができる。
【００５２】
種々の実施形態において、線形偏光子１６８（例えば、半波長板）および円偏光子１６４（例えば、４分の１波長板）は、例えば、図１２に示されるように、組み合わせられることができる。線形偏光子１６８は、線形偏光ビームを発生させることができ、円偏光子１６４（例えば、線形偏光子１６８の下流に搭載される）は、治療領域上に向けられる円偏光ビームを発生させることができる。いくつかの事例において、線形偏光子１６８および／または円偏光子１６４は、治療部位から反射された光を遮断するように適合されることができる。例えば、ある場合、システムは、線形偏光子１６８を通過する任意の反射された光を遮断する別の偏光子（例えば、線形偏光子１６８と異なる）を含むことができる。いくつかの事例において、他の偏光子は、線形偏光子１６８と反対の向きを伴う線形偏光子である。したがって、そのような事例において、全てまたは実質的に全ての反射された光は、遮断される。
【００５３】
種々の実施形態において、システム１００は、下記の図１３および１４を参照して説明されるように、撮像システムを使用して、組織膠原（または他の関連構造）の向きを決定することができる。向きが把握されると、線形および／または円偏光が、膠原の向きに対して調節され（例えば、膠原とより良好に整列するように）、切断性能を改良することができる。
【００５４】
種々の実施形態において、システム１００は、ビームの偏光を制御することによって、出力レーザビームの電力レベルを操作するように適合されることができる。一般に、偏光を制御するための任意の技法が、使用されることができる。例えば、円偏光子１６４および／または線形偏光子１６８は、回転搭載部１７０（図１０および図１２参照）上に搭載され、円偏光子１６４および／または線形偏光子１６８の回転を可能にすることができる。一般に、任意のタイプの回転搭載部１７０、例えば、バー搭載部、リング搭載部、運動学的搭載部、ジンバル搭載部等が、使用されることができる。偏光子の回転は、ビームの電力出力を変化させることができ、それは、治療性能（例えば、切断速度）を増加および／または減少させることができる。一般に、電力出力は、０Ｗからシステム１００の最大電力出力（例えば、１０，０００Ｗ）まで変動させられることができる。
【００５５】
別の側面において、システム１００は、治療エリアを撮像するように適合されることができる。例えば、システム１００は、外科手術手技中、骨、神経、および／または他の身体構造が可視化および容易に区別されることを可能にすることができる。手技中の神経の可視化は、外科医が、神経の分裂を回避／最小化することを可能にすることができ、それは、機能低下、感覚の損失、および／または慢性疼痛等、患者に対してより少ない負の影響をもたらし得る。類似概念は、他の解剖学的構造、例えば、筋肉、腱、軟骨、血管等の可視化にも適用可能である。
【００５６】
種々の実施形態において、例えば、図１３に示されるように、システム１００は、撮像システム１７２を含むことができる。一般に、任意の好適な撮像システム１７２が、使用されることができる。１つの非限定的例として、撮像システムは、光源１７４と、ビームスプリッタ／フィルタ１７６（例えば、光源１７４から放出される光を治療領域に向けるため）と、レンズ１７８と、治療領域から反射された光の光線を受け取るためのセンサ１８０とを含むことができる。図１３の上面図部分に示されるように、いくつかの実施形態において、撮像システム１７２は、ハンドピース１１０の外部に搭載されることができる。しかしながら、一般に、撮像システム１７２は、任意の望ましい場所内に、例えば、ハンドピース１１０、主要チャンバ１０８、または関節運動式アーム１０６内に搭載され／位置することができる。いくつかの実施形態において、撮像システムは、治療システム１００に全く搭載されない独立型システムであることができる。図１３の上面図部分にも示されるように、いくつかの実施形態において、撮像システム１７２は、２つの撮像機（例えば、光源１７４、ビームスプリッタ／フィルタ１７６、レンズ１７８、およびセンサ１８０）を含むことができる。２つの撮像機は、切断軸１６２に対して実質的に対称に配置されることができ、それは、治療表面の３Ｄ撮像を可能にすることができる。いくつかのそのような事例において、撮像構成要素は、レーザビームの中心に向けられた状態で５度〜３０度の範囲内のある角度で搭載され、完全な３６０度視野を提供することができる。いくつかの事例において、センサ１８０は、データ入手ボードに結合されることができ、それは、定型３Ｄレンダリングのために使用されることができる。
【００５７】
種々の実施形態において、撮像システムは、偏光光を生成することができ、それは、複屈折材料（例えば、骨、神経等）から成る解剖学的構造の改良された可視化を可能にすることができる。例えば、偏光光撮像システム１８２（図１４）は、外科医に、改良されたコントラストを提供し、膠原線維および神経を可視化することができ、それは、手技の転帰を改良することができる。偏光光撮像システム１８２は、偏光照明源１８４と、線形偏光子１８６（例えば、半波長板）と、集束レンズ１８８と、センサ１９０（例えば、ＣＭＯＳ／ＣＣＤセンサ）とを含むことができる。ある場合、線形偏光子１８６は、偏光光を治療表面に向けることができるが、他の構造も、使用されることができる。例えば、図１５に示されるように、いくつかの事例において、偏光光撮像システム１８２は、レーザビームに対してある角度で配置されることができる（例えば、０〜４５度の範囲内）。
【００５８】
いくつかの実施形態において、線形偏光子１８６は、回転搭載されることができる（例えば、バー搭載部、リング搭載部、運動学的搭載部、ジンバル搭載部等を使用して）。線形偏光子１８６を回転させることは、受信される画像のコントラストを改変することができる。例えば、膠原および／または神経のコントラストは、線形偏光子１８６が回転するにつれて、増加または減少することができる。この光が、神経を通過すると、組織の独特の内部構造は、神経線維が光の偏光の向きと比較してどのように向けられているかに依存する方法において、光を反射することができる。一般に、線形偏光子１８６は、任意の好適な量だけ回転することができる（例えば、最大±９０度または±１８０度の範囲内）。いくつかの実施形態において、線形偏光子は、１つまたは両軸に沿って線形に任意の好適な量だけ平行移動するように適合されることもできる（例えば、線形偏光子１８６の線形寸法全体）。
【００５９】
いくつかの実施形態において、２つの偏光光撮像システム１８２が、使用されることができる（図１３に示される２つの撮像システム１７２の使用に類似する）。そのような実施形態において、各撮像機の線形偏光子１８６は、偏光の直交した反対の状態を検出するように構成されることができ、それは、例えば、２つの受信された画像を重ねることによって、３Ｄ画像のレンダリングを可能にすることができる。そのようなデータ処理は、データ入手ボードまたは任意の好適な処理デバイスによって実施されることができる。
【００６０】
種々の事例において、撮像システム１７２、１８２によって収集された画像は、任意の望ましいフォーマットにおいて、外科医に提示されることができる。いくつかの事例において、画像は、治療システム１００のモニタ１１４または外部モニタ上に表示されることができる。いくつかの事例において、画像は、仮想現実または拡張現実オーバーレイとして表示されることができる（例えば、外科医によって装着される拡張現実ヘッドセットまたは他のデバイスの仮想現実を使用して）。図１６Ａは、偏光撮像システムを用いて撮影された軟組織の例示的画像であり（表面下筋線維束が識別されている）、図１６Ｂは、従来の（非偏光）撮像システムを用いて撮影された軟組織の例示的画像である。図１７Ａは、偏光撮像システムを用いて撮影された硬組織の例示的画像であり（エナメル小柱が識別されている）、図１７Ｂは、従来の（非偏光）撮像システムを用いて撮影された硬組織の例示的画像である。
【００６１】
本明細書に提示される各数値は、対応するパラメータのための範囲内の最小値または最大値を表すと想定される。故に、請求項に追加されるとき、数値は、範囲を主張するための明示的支持を提供し、それは、本明細書の教示による数値を上回ることも、下回ることもある。本明細書（図に示されるチャート内を含む）に提示される各数値範囲内の最小値と最大値との間の全ての値が、想定され、各特定の範囲内に表される有効桁の数を条件として、本明細書で明示的に支持される。請求項内に明示的含有がない場合でも、本明細書に提示される各数値は、いかなる点においても限定と見なされない。
【００６２】
本願のいずれかの場所で明示的に説明されない限り、本明細書で使用されるように、用語「実質的に」または「約」が、定量的値の前にあるとき、本開示はまた、具体的定量的値自体だけではなく、種々の場合において、別様に示されない、または推測されない限り、公称値からの±１％、±２％、±５％、および／または±１０％の変動も含む。
【００６３】
例証的実施形態が本明細書に説明されたが、当業者は、上で具体的に説明されるものの他に、本発明の種々の他の特徴および利点を理解するであろう。したがって、前述は、本発明の原理の例証にすぎず、種々の修正および追加ならびに本明細書に列挙される種々の要素および構成要素のあらゆる組み合わせおよび順列が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって成され得ることを理解されたい。故に、添付の請求項は、図示および説明された特定の特徴によって限定されないものとし、任意の明白な修正およびその均等物を網羅するように解釈されるものともする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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