(57)【要約】【課題】レーザ光照射による治療において、無痛治療を実現して患者の緊張、不安を解消して、精細なレーザ照射治療を安全かつ高能率下に実行できるようにする。【解決手段】レーザ共振器と、このレーザ共振器から出力されたレーザ光を照射部位まで導く導光路と、導光路からのレーザ光を照射部位に照射するハンドピースと、レーザ光照射条件設定手段と、レーザ光照射制御部とを有してなり、前記レーザ光照射制御部は、レーザ光照射条件設定手段からの設定信号に応じて複数の照射パターンから選択した所定の照射パターンに基づいてレーザ光照射をなすようにした装置であって、前記照射パターンはパルス照射モードにおいて、レーザ光照射時間、レーザ光照射停止時間の組み合わせからなり、前期各時間は生体の照射部位における熱緩和時間を勘案して設定したレーザ治療装置を提供して上記課題を解決する。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器と、このレーザ共振器から出力されたレーザ光を照射部位まで導く導光路と、導光路からのレーザ光を照射部位に照射するハンドピースと、レーザ光照射条件設定手段と、レーザ光照射制御部とを有してなり、前記レーザ光照射制御部は、レーザ光照射条件設定手段からの設定信号に応じて複数の照射パターンから選択した所定の照射パターンに基づいてレーザ光照射をなすようにした装置であって、前記照射パターンはパルス照射モードにおいて、レーザ光照射時間、レーザ光照射停止時間の組み合わせからなり、前期各時間は生体の照射部位における熱緩和時間を勘案して設定したことを特徴とするレーザ治療装置。
【請求項２】
請求項１において、熱緩和時間τは、生体における照射部位の熱拡散係数ｋと生体におけるレーザ光の吸収係数μとの相関関係により得られる次式１により求められるものであることを特徴とするレーザ治療装置。
式１：　τ＝１／ｋ２μ
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかにおいて、レーザ光照射時間は熱緩和時間の５０倍より少なく、レーザ光照射停止時間は熱緩和時間の５倍より大きい範囲に設定したことを特徴とするレーザ治療装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、単一又は連続の各パルスあたりのレーザ光照射時間を５０ｍｓ以下に、またレーザ光照射停止時間は１０ｍｓ以上にそれぞれ設定したことを特徴とするレーザ治療装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、レーザ光は炭酸ガスレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＡＧレーザ、半導体レーザのうちのいずれかであることを特徴とするレーザ治療装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、疾患部にレ−ザ−光を照射して生体組織に関して蒸散、切開、凝固、止血等の治療を施す装置に関し、詳しくはレーザ光照射条件を制御してレーザ光照射に伴う患者の苦痛を緩和するレーザ治療装置に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
今日、レーザ光は歯肉、神経組織、髄質を含む柔軟な組織の切断、蒸散等を始め種々の手術をなすために医科および歯科の分野で広く使用されている。
特定の生体組織に対するレーザ光の有効性は、レーザ項の波長およびパワーレベルやレーザ光の供給態様等が深く関連している。
一般に、レーザ光は二つの態様、すなわち連続波形またはパルス波形により出力されている。そしてこの条件下において、具体的な照射条件、例えばある特定の手術において、パルス状のレーザ光が好ましいのか、そうであればパルス継続時間および繰り返し数の最適値はどのようなものか等々が設定されることになる。
【０００３】
しかしながら、例えば、パルス照射による場合に生体に投入されるエネルギーはレーザ光のパワーレベルとパルス継続時間の積であり、このような生体へのエネルギーの集中に対して多くの場合、生体には当然の反応として疼痛が発生する。
したがって、通常は麻酔の下に所定の手術、すなわちレーザ光照射がなされることになり、疼痛による問題は生じないともいえる。
【０００４】
ところが、歯科手術の場合、麻酔注射の痛みは非常に大きく、またある種の危険性を伴う場合がある。　このため、特に歯科の領域でのレーザ光治療において無痛性もしくは少なくとも疼痛を著しく緩和できるレーザ光治療技術が望まれているが、この点、従来技術は手術の成否のみに視点が向けられていて、患者の苦痛の解消、緩和については配慮が及ばない嫌いがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、レーザ光照射による患者の苦痛を緩和して麻酔薬の使用を不要とするレーザ光治療を提供して医療現場における安全性を確保し、患者が諸種の不安を感じることなく安心して治療を受けられる体制を実現しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、レーザ光照射時に痛みが発生した場合、照射部位を冷却流体で冷却すると痛みが緩和されるという経験則から出発し、照射時の痛みが患部の温度上昇に起因し、ある照射時間に生体温度が上昇しても、照射停止後の時間が所定量あれば生体組織の温度が下降し、生体に蓄熱されない条件下で照射すれば痛みの発生を回避できるという知見に基づいてなされたものである。
本願発明において、レーザ治療装置は、レーザ共振器と、このレーザ共振器から出力されたレーザ光を照射部位まで導く導光路と、導光路からのレーザ光を照射部位に照射するハンドピースと、レーザ光照射条件設定手段と、レーザ光照射制御部とを具え、　前記レーザ光照射制御部は、レーザ光照射条件設定手段からの設定信号に応じて複数の照射パターンから選択した所定の照射パターンに基づいてレーザ光照射をなす構成を有し、前記照射パターンはパルス照射モードにおいて、レーザ光照射時間、レーザ光照射停止時間の組み合わせからなり、前期各時間は生体の照射部位における熱緩和時間を勘案して設定するようにして上記目的を達成しようとするものである。
【０００７】
上記において、熱緩和時間τは、生体における照射部位の熱拡散係数ｋと生体におけるレーザ光の吸収係数μとの相関関係により得られる次式１により求められるものとすることがある。
式１：　τ＝１／ｋ２μ
【０００８】
また、上記のいずれかにおいて、レーザ光照射時間は熱緩和時間の１０倍より少なく、レーザ光照射停止時間は熱緩和時間の３倍より大きい範囲に設定することがある。
【０００９】
さらに、上記のいずれかにおいて、単一又は連続の各パルスあたりのレーザ光照射時間を５０ｍｓ以下に、またレーザ光照射停止時間は１０ｍｓ以上にそれぞれ設定することがある。
【００１０】
またさらに、上記のいずれかにおいて、レーザ光は炭酸ガスレーザ、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＡＧレーザ、半導体レーザのうちのいずれかとなすことがある。
【００１１】
【発明の実施形態】
レーザ照射により、生体組織には特定の作用、すなわち組織の蒸散、切開、止血、凝固あるいは疼痛といった現象が生じる。そして、疼痛の原因は照射部位の周辺組織に対する加熱作用による。レーザ光を生体組織に照射すると、レーザ光が組織に吸収され、光−熱の変換が生じて照射部位を中心に熱影響層が形成されいわゆる火傷が生じて強い痛みを感ずることになる。本願発明者らは、レーザ光照射による生体における熱挙動の分析研究により特定の照射条件であれば熱の作用を適正に抑止できることを知見し本願発明を完成するにいたったものである。
【００１２】
本願発明において、レーザ光照射とこれによる生体組織の温度上昇、疼痛との関係において重要なファクターは、照射時間、照射休止時間、熱緩和時間等である。
レーザ照射によって、生体の切開、蒸散などの実行に際して、生体の照射部位の温度は概ね摂氏１００度以上に上昇する。　このとき問題となるのは照射部位周辺組織での熱影響の挙動である。　生体組織の急激な温度上昇はいわゆる火傷を発生させ、強い疼痛が生じ、熱影響を受けた部位の体積が大きいほどこの痛みは強い。
そして、後述のように照射表面からの熱拡散距離は照射時間ｔの平方根に比例することから、照射時間が長くなるにつれて照射部位周辺への熱影響層は拡大することになる。したがって、疼痛を抑制するには、先ず、レーザ照射の治療目的を達成するには十分な範囲で、照射周辺部での温度上昇を出来る限り抑制（熱影響層の縮小）を図る必要がある。
【００１３】
レーザ光照射の態様としては、単一パルス、連続パルス、連続出力などを選択できるが、連続出力で一定時間照射すると、生体の温度が急速に上昇し、その結果として照射部位の周辺組織においても顕著な温度上昇が生じて疼痛が発生するから、当然麻酔下で作業を行う必要がある。　例えば、炭酸ガスレーザにおいて、１−３Ｗ程度の低出力使用でも、無麻酔下で３０秒程度の照射をなすと、患者は激痛を訴えることが多い。　したがって、無麻酔下でのレーザ照射は、所定時間単位のパルス照射が必要になる。
【００１４】
連続的にパルスレーザを照射すると、照射時間中に生体温度が上昇し、パルスの停止とともに熱緩和定数（後述）にしたがって照射部位の温度は下降する。　後述のように、熱緩和時間は、ある温度が下降を始めておよそ３０％まで下降するまでの時間であるから、生体照射部位の周辺温度が８００度（摂氏）と仮定すると、熱緩和時間の経過により２４０度まで低下し、さらに照射停止の状態が続けば順次、７２度、２１度まで下降する。　かくして、このレーザ照射停止時間を３倍にした場合には、生体照射部位での温度はほぼ照射前の温度に復帰し、パルスレーザ照射を繰り返しても生体内に蓄熱作用が生じないことになる。　ここで、蓄熱作用とは所定時間照射後照射周辺部の温度が十分下降し切らない時間内に次のパルス照射がなされ、照射毎に生体温度が上昇を重ねることを意味している。
【００１５】
一方、熱緩和時間と同程度の照射停止時間を設定した連続パルス照射にあっては、照射停止時間内に照射部位の温度は照射開始前の温度よりも高温になり、続いての照射により同様の挙動を示す事から、照射部位及びその近傍の温度は時間とともに上昇して蓄熱作用が生じることになる。
【００１６】
レーザ光照射による周辺組織への熱影響は後述の次式２により考察できる。この式２において、生体の熱拡散係数ｋは定数であるから、熱拡散距離Ｚは照射時間ｔの平方根に比例することになる。　したがって、周辺組織への熱影響を限局するためには照射時間ｔを極力短くする一方、レーザエネルギーは１回のパルス発振で切開、蒸散等の作用をなすに十分な大きさであることを要する。
式２：　　Ｚ（照射表面からの距離）＝２√ｋｔ
【００１７】
レーザ照射時の生体の温度上昇については、後述の次式３により求めることができる。
式３：　ＴＳ（ｏ，ｔ）　＝２・Ｉ０／Ｄ・（ｋｔ／π）１／２
ＴＳ：照射表面温度、Ｄ：熱伝導係数、Ｉ０：照射レーザのエネルギー密度、ｋ：熱拡散係数
ここで、生体軟組織の熱拡散係数は、一般に、１．３×１０−３ｃｍ２／Ｓとされている。　一方、熱伝導係数についえは、生体の７０％は水分見込まれるから、水の熱伝導度の７０％と仮定してその値を求めると、Ｄ＝５×１０−３Ｗ／ｃｍ℃となる。
これらの数値を式３に代入すると、　生体の表面照射温度Ｔは、Ｔ＝８．１３・Ｉ√ｔとなる。　一方、生体の手術すなわち組織の蒸散、切開に必要なエネルギー密度Ｉは、一般的に１０３−１０４Ｗ／ｃｍ２であるから、表面温度を例えば１０００度（摂氏）程度まで上昇させるために必要な時間は、０．１秒から０．３秒程度となる。　ただし、ここで使用したエネルギー密度Ｉは均一分布していないので、例えばレーザの発振モードがＴＥＭのときには、中心部とビーム外径光強度はおよそ１０倍違う。したがって、実際の照射では表面温度が蒸散、切開などの生体作用をなすには前記時間よりさらに小さくなる。
【００１８】
以上の考察から、適切なレーザ照射条件を設定すれば照射部位以外におけるレーザ照射による熱作用をある範囲に限局化させ得て、周辺生体組織の温度を不必要に上昇させることなく、特定の生体作用（蒸散、切開等）を実行できることが判明する。　これを要すれば、レーザ照射時間内で特定の生体作用を生じるようにエネルギー密度とレーザ光強度を選定し、照射周辺部位の温度が連続的上昇を抑制するような照射時間を設定し、生体組織の温度が照射前の温度に下降するまでの照射停止時間を適切設定することによりレーザ照射による疼痛の抑止又は緩和を実現することができる。
【００１９】
前記の熱緩和時間（熱緩和定数）については、一般に「表面から１／μの距離における温度が表面温度Ｔのおよそ０．３Ｔになるまでの時間」として定義され、このとき熱緩和時間τは、以下の式１により求める事ができる。
式１：　τ＝１／ｋ２μ
上記において、μはレーザ光の生体に対する吸収係数、ｋは生体の熱拡散係数である。　生体の熱拡散係数ｋは前述のように、「１．３×１０−３ｃｍ２／ｓ」とされ、吸収係数μについては、レーザ光種により次のようになる。
炭酸ガスレーザではその発振波長は１０．６ミクロンであり、この波長の光は生体内に存在するＯＨ分子振動により強く吸収されるために、およそ、μ＝１２００ｃｍ−１となる。　また、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ光は２．９ミクロンで発振しているが、このときの吸収係数は、およそ、μ＝３×１０３／ｃｍとなり、さらに強く吸収される。
【００２０】
レーザ照射に伴う疼痛は組織の温度上昇によるから、レーザ照射表面から熱が組織内にどのように拡散していくかを把握することが疼痛の挙動を考えてこれを防止するうえで欠かせない。光が生体に吸収される吸収係数が大きく、生体内での散乱係数をほぼ無視できる場合には、熱伝導方程式を解くことは容易であり、その結果は以下のように表すことができる。すなわち、
Ｔ（ｚ，ｔ）　＝　ＴＳ（１−ｅｒｆ　ｚ／２√ｋｔ）　＝ＴＳｅｒｆｃＺ／２√ｋｔ
ここで、ＴＳは表面温度、ｋは熱拡散係数、ｚは表面からの距離、ｅｒｆは誤差関数で、これはコンプリメンタリ誤差関数として知られている。このとき、熱拡散距離は前記の式２のように表される。
式２：　　　　Ｚ　＝　２√ｋｔ
近似的には、熱拡散距離は表面温度をＴＳとした場合、内部での温度が０．１ＴＳになっている位置での表面からの距離にほぼ相当する。
【００２１】
生体にレーザ光が照射されたとき生体の加熱および照射停止後の挙動はほぼ以下のように考えられる。照射されたレーザ光は十分に生体に吸収され、熱に変化する。　照射表面の温度ＴＳと照射時間ｔとの間には次式３の関係が成立する。すなわち、　　　　　　　　　　　　　　　　　式３：　　ＴＳ（０，ｔ）　＝　２・Ｉ０／Ｄ×（ｋｔ／π）１／２
ここで、Ｉ０は照射レーザのエネルギー密度、ｋは熱拡散係数、Ｄは熱伝導係数である。　この関係から、生体における加熱は照射時間の平方根に比例することがわかる。　一方、一定温度に達した後の生体温度の下降挙動は熱緩和現象とみることにより、ｅ−ａ／ｔで減衰する。
したがって、温度下降の挙動はレーザ照射時間と熱緩和時間によって規定されることになる。
【００２２】
該実施形態でレーザ治療装置は、レーザ光照射条件設定手段、レーザ光照射制御部、レーザ電源、レーザ共振器、ガイド光発振手段、レーザ光およびガイド光の導光路を具え、導光路は反射鏡、集光レンズ等からなっている。　レーザ光照射条件設定手段において照射条件を選定入力すると、レーザ光照射制御部において予め設定格納された諸種の情報に基づき、照射モード、照射時間、停止時間その他具体的な照射条件が設定されこれによりレーザ光照射動作を実行するようになっている。
【００２３】
生体に蒸散、切開、凝固、止血等の生体作用をなす代表的なレーザ光としては生体に含有される水あるいは水分子に高い吸収係数を持つ炭酸ガスレーザ（発振波長１０．６ミクロン）、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ（発振波長２．９４ミクロン）などがある。
【００２４】
歯科治療、特に口腔内軟組織に使用されるレーザとしては、上記の他にＮｄ：ＹＡＧレーザ（発振波長１．０４ミクロン）および半導体レーザ（波長８１０−９８０ｎｍ）があり、　Ｅｒ：ＹＡＧレーザは、歯科において硬組織（歯牙）に適用されるのが一般的である。　Ｎｄ：ＹＡＧレーザおよび半導体レーザにおいては、組織内の水又は水分子への吸収係数が低く逆に散乱係数が高いという特徴を有している。　さらに、周知のようにこれらのレーザ光は遠赤外光のため不可視であるから、レーザ光に併せて照射部位特定のためのガイド光をレーザ光と同軸照射する。
【００２５】
以上において、例えば口腔内軟組織にレーザ光照射をなす場合、照射条件としては次のような条件設定が考えられる。
レーザ光強度：　０．５−２０Ｗの範囲内で、０．１−．５Ｗ段階で可変、
照射モード：　　連続照射、単一照射、連続パルス照射
照射時間（連続パルス照射）：　０．０５−１秒の範囲の照射時間で、０．１−０．２秒間隔。
このような照射条件は、レーザ光照射条件設定手段からキー入力により操作者が個別に入力設定することができるが、予め幾つかの照射条件の組み合わせをパターン化しておいてファームエア等のような形態でレーザ光照射制御部に保存しておき、レーザ光照射条件設定手段において単にパターン１の入力をなすのみで照射条件設定がワンタッチで実行できるように構成することが望ましい。
【００２６】
【発明の実施例】
次に、本願発明の実施例を説明する。　図１は、本願発明に係るレーザ治療装置の１実施例を示すブロック図である。ここでは、レーザ光として炭酸ガスレーザを使用しているが、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＡＧレーザ、半導体レーザの場合も装置の構成は同様である。
図において、１はレーザ光照射条件設定手段であり、スイッチ類、入力キー類を具えた操作パネルからなり、レーザ光照射制御部２に連結されている。レーザ光照射制御部２は、演算手段、記憶手段、ＣＰＵを具えてコンピューターで構成され複数の照射パターンが記録されている。
この照射パターンは、パルス照射モードにおいて、レーザ光照射時間、レーザ光照射停止時間の組み合わせからなり、これらの各時間は生体の照射部位における熱緩和時間を勘案して設定されている。
すなわち、この熱緩和時間τは、以下の式１により求められる。
式１：　τ＝１／ｋ２μ
ここで、炭酸ガスレーザ光の生体に対する吸収係数μは、１２００ｃｍ−１であり、生体の熱拡散係数ｋは、１．３×１０−３ｃｍ２／ｓであるから、熱緩和時間は、τ＝０．５４ｍｓとして求められる。
【００２７】
そして、前記熱緩和時間τ＝０．５４ｍＳを基準にして、レーザ光照射時間、レーザ光照射停止時間の組み合わせにより、複数の照射パターンを例えばパターン１、パターン２、パターン３…のように設定し、これをレーザ光照射制御部２に格納する。そして、レーザ光照射時間、レーザ光照射停止時間および熱緩和時間の各関係は、疼痛防止の観点から余裕をみて、レーザ光照射時間は熱緩和時間の１０倍より少なく、レーザ光照射停止時間は熱緩和時間の３倍より大きい範囲にあるように各パターンを設定してある。
したがって、例えば、各照射モードにおいて、パターン１：照射時間＝前記熱緩和時間（０．５４ｍｓ）×１０、照射停止時間＝前記熱緩和時間（０．５４ｍｓ）×３、パターン２：照射時間＝前記熱緩和時間（０．５４ｍｓ）×９、照射停止時間＝前記熱緩和時間（０．５４ｍｓ）×２、のように各パターンにおいて照射条件を設定する。
【００２８】
さらに図１において、３はレーザ電源、４はレーザ共振器（炭酸ガス）、５はガイド光発振手段、６はレーザ光およびガイド光の導光路であり、この導光路６は反射鏡７、集光レンズ８等を具えたマニュピレータからなっている。
【００２９】
レーザ光の照射条件の設定は、レーザ光照射制御部２に予め格納され複数の照射パターンによる場合は、レーザ光照射条件設定手段１の操作パネルにおいて例えば数字１を入力することにより、所定の照射条件照射スタンバイとなり、照射スイッチオンにより所定のレーザ光照射が実行される。
また、前記照射パターンによらず、操作者が任意の照射条件を個別にレーザ光照射条件設定手段１において入力し、レーザ光照射制御部２を動作させることも可能である。
【００３０】
次に、該実施例における試験例を数例説明する。
試験例１
レーザ光：　炭酸ガスレーザ、
設定出力：　１．５Ｗ
照射モード：連続パルス照射
照射条件：　照射時間１０ｍｓ，照射停止時間１０ｍｓ
以上により、歯周病病変部に照射したところ患者に疼痛を発生することなく治療を実行できた。
一方、上記において、照射条件を次のように設定して同様の歯周病病変部に照射したところ患者は強い痛みを訴えたため患部の冷却、麻酔注射の処置等により痛みに対応せざるを得なかった。
疼痛の発生した照射条件
照射モード　：　連続照射
照射時間　　：　０．１秒
照射停止時間：　０．１秒
【００３１】
試験例２
この試験に使用したレーザ光は、炭酸ガスレーザ光であり、高ピーク発振を生じるスーパーパルスは新条件に設定した。なお、パルス繰り返し数は１０００ｐｐｓ，パルス幅３００マイクロセコンド、パルスエネルギーは１０ｍＪであり、その他の照射条件は以下のとおりで歯周病病変部に照射したところ患者は強い痛みを訴えた。
出力：　１．５Ｗ
照射条件：　０．５秒の繰り返しパルス
他方、前記と同じ条件下で照射条件を以下に設定して治療したところ患者からの痛みの訴えはなかった。
照射条件
照射時間：　１０ｍｓ
照射停止時間：　５０ｍｓ
【００３２】
なお、炭酸ガスレーザ光以外に、生体に強く吸収されるレーザ光としては、Ｅｒ：ＹＡＧレーザ光があり、これを使用する場合、理論的に前記各試験例と同様の作用が期待される。
【００３３】
一方、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、半導体レーザの生体作用は前述のように生体組織でのレーザ光吸収係数が小さく、逆に散乱係数が大きいという特徴を有する。
このため、炭酸ガスレーザ光と同じ熱特性を示すことはないが、照射部位での散乱係数が大きいことにより、実質的にあたかも吸収係数が大きい場合と同様の作用が生じ、微小部位の切開、炭酸ガスレーザ光と同様の止血、蒸散、凝固作用が得られる。　そこで、照射条件として前記試験例の炭酸ガスレーザ光と類似の条件設定による試験により、口腔内軟組織について、無痛治療が実行できた。
【００３４】
【発明の効果】
本願発明にあっては、以上説明した構成作用により、レーザ光照射による治療において、無痛治療が可能となり患者の緊張、不安が解消され安心して治療を受ける態勢が確保できるので、精細なレーザ照射治療を安全かつ高能率下に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の１実施例に係るレーザ治療装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１．．．．．．．．．レーザ光照射条件設定手段
２．．．．．．．．．レーザ光照射制御部
３．．．．．．．．．電源
４．．．．．．．．．レーザ共振器
６．．．．．．．．．導光路
【図１】
2004081658.tif 000003