(57)【要約】  ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織（２）を切断するレーザ切除装置（１）は、硬組織（２）を切除するのに好適な波長でレーザ発振するパルス切断用レーザビーム（１２１）を供給するよう適合された切断用レーザ光源（１２）と、広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビーム（１１１）を供給するよう適合された撮像用レーザ光源（１１）と、ビーム混合構造体（１３２）と、ビーム混合構造体の後に配置される可動スキャナミラー（１３３）とを備える。ビーム混合構造体（１３２）は、切断用レーザ光源（１２）の切断用レーザビーム（１２１）および／または撮像用レーザ光源（１１）の撮像用レーザビーム（１１１）に、切断用レーザビーム（１２１）の光軸が撮像用レーザビームの光軸と平行になるように、向きを変えさせるよう適合される。スキャナミラー（１３３）は、撮像用レーザビーム（１１１）および切断用レーザビーム（１２１）を、平行な光軸を有するときに方向づけるよう配置される。【選択図】図１
2020501839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織（２）を切断するレーザ切除装置（１）であって、
前記硬組織（２）を切除するのに好適な波長でレーザ発振する、パルス切断用レーザビーム（１２１）を供給するよう適合される切断用レーザ光源（１２）と、
広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビーム（１１１）を供給するよう適合される撮像用レーザ光源（１１）と
を備える、レーザ切除装置（１）において、
ビーム混合構造体（１３２）と、
前記ビーム混合構造体（１３２）の後に配置される可動スキャナミラー（１３３）と
をさらに備え、前記ビーム混合構造体（１３２）は、前記切断用レーザ光源（１２）の前記切断用レーザビーム（１２１）および／または前記撮像用レーザ光源（１１）の前記撮像用レーザビーム（１１１）に、前記切断用レーザビーム（１２１）の光軸が前記撮像用レーザビーム（１１１）の光軸と平行になるように、向きを変えさせるよう適合され、前記スキャナミラー（１３３）は、前記撮像用レーザビーム（１１１）および前記切断用レーザビーム（１２１）を、平行な光軸を有するときに方向づけるよう配置されることを特徴とする、レーザ切除装置（１）。
【請求項２】
前記切断用レーザビーム（１２１）の２つの連続する切断用レーザパルス間の前記撮像用レーザビーム（１１１）の反射を評価するよう配置され、構成されている制御ユニット（１４）をさらに備える、請求項１に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項３】
前記制御ユニット（１４）は、前記切断用レーザビーム（１２１）の各切断用レーザパルスの直前および直後に、前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価するよう配置され、構成される、請求項２に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項４】
前記制御ユニット（１４）は、前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた情報に従って、前記切断用レーザビーム（１２１）を制御するよう配置され、構成される、請求項２または３に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項５】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビーム（１２１）パルスのパワーを変更することを含む、請求項４に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項６】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、前記切断用レーザビーム（１２１）の前記切断用レーザビーム（１２１）パルスの繰返し率を変更することを含む、請求項４または５に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項７】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビーム（１２１）パルスの波形を変更することを含む、請求項４から６のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項８】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）の切断の横方向の断面図を含む、請求項４から７のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項９】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）に隣接する組織までの距離の指示を含む、請求項４から８のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１０】
前記制御ユニット（１４）は、前記撮像用レーザビーム（１１１）の反射をリアルタイムで評価するよう配置され、構成される、請求項２から９のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１１】
前記撮像用レーザ光源（１１）は、ＯＣＴシステムによって具備される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１２】
前記切断用レーザビーム（１２１）の時間的パルス幅は、約１ナノ秒から約１ミリ秒の範囲内、約１マイクロ秒から約９００マイクロ秒の範囲内、または約２００マイクロ秒から約５００マイクロ秒の範囲内である、請求項１から１１のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１３】
２つの連続する切断用レーザビーム（１２１）パルス間の合間は、約１ミリ秒から約２００ミリ秒の範囲内、または約１０ミリ秒から約１００ミリ秒の範囲内である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１４】
前記切断用レーザ光源によって生成された切断用ビームレーザパルスが当たった後の前記硬組織（２）の表面温度を感知するように配置された温度センサ（１７）を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１５】
前記温度センサ（１７）は、遠隔赤外線センサを含む、請求項１４に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１６】
前記切断用レーザビーム（１２１）を前記硬組織（２）に衝突させることを意図した標的位置を指示するための、可視の照準用レーザビーム（１５１）を供給するよう適合された照準用レーザ光源（１５）
をさらに備え、
前記ビーム混合構造体（１３２）は、前記照準用レーザ光源（１５）の前記照準用レーザビーム（１５１）に、前記照準用レーザビーム（１５１）の光軸が前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記光軸および前記切断用レーザビーム（１２１）の前記光軸と平行になるように、向きを変えさせるよう適合され、
前記スキャナミラー（１３３）は、前記照準用レーザビーム（１５１）、前記撮像用レーザビーム（１１１）、および前記切断用レーザビーム（１２１）を、平行な光軸を有するときに方向づけるよう配置される、請求項１から１５のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１７】
前記ビーム混合構造体は、光学機械構造体を含む、請求項１から１６のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１８】
前記スキャナミラーは、前記切断用レーザビーム（１２１）と前記撮像用レーザビーム（１１１）とを集束させるよう適合される、請求項１から１７のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項１９】
前記撮像用レーザビーム（１１１）は、波長走査可能である、請求項１から１８のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項２０】
前記撮像用レーザビーム（１１１）は、一定の広帯域波長放出である、請求項１から１９のいずれか一項に記載のレーザ切除装置（１）。
【請求項２１】
レーザ切除装置（１）を作動させる方法であって、
前記レーザ切除装置（１）の切断用レーザ光源（１２）が、好ましくはヒトまたは動物の天然または人工の硬組織（２）を切除するのに好適な波長でレーザ発振する、パルス切断用レーザビーム（１２１）を供給することと、
前記レーザ切除装置（１）の撮像用レーザ光源（１１）が、広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビーム（１１１）を供給することと、
前記レーザ切除装置（１）のビーム混合構造体（１３２）が、前記切断用レーザ光源（１２）の前記切断用レーザビーム（１２１）および／または前記撮像用レーザ光源（１１）の前記撮像用レーザビーム（１１１）に、前記切断用レーザビーム（１２１）の光軸が前記撮像用レーザビーム（１１１）の光軸と平行になるように、向きを変えさせることと、
前記レーザ切除装置（１）の前記ビーム混合構造体（１３２）の後に配置された前記レーザ切除装置（１）の可動スキャナミラー（１３３）が、平行な光軸を有する、前記撮像用レーザビーム（１１１）および前記切断用レーザビーム（１２１）を方向づけることと
を備える、方法。
【請求項２２】
前記レーザ切除装置（１）の前記スキャナミラー（１３３）が、前記切断用レーザビーム（１２１）および前記撮像用レーザビーム（１１１）を集束することを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記レーザ切除装置（１）の制御ユニット（１４）が、前記切断用レーザビーム（１２１）の２つの連続する切断用レーザパルス間の前記撮像用レーザビーム（１１１）の反射を評価することを備える、請求項２０または２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記レーザ切除装置（１）の前記制御ユニット（１４）は、前記切断用レーザビーム（１２１）の２つの連続する切断用レーザパルス間の前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射をリアルタイムで評価する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記制御ユニット（１４）が、前記切断用レーザビーム（１２１）の各切断用レーザパルスの直前および直後に、前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価することを備える、請求項２３または２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記レーザ切除装置（１）の前記制御ユニット（１４）が、前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた情報に従って、前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することを備える、請求項２３から２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記レーザ切除装置（１）の前記制御ユニット（１４）が前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビームパルスのパワーを変更することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）に隣接する組織までの距離の指示を含む、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記レーザ切除装置（１）の前記制御ユニット（１４）が前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、前記切断用レーザビーム（１２１）の前記切断用レーザビームパルスの繰返し率を変更することを含む、請求項２６から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記レーザ切除装置（１）の前記制御ユニット（１４）が切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビームパルスの波形を変更することを含む、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）の切断の横方向の断面図を含む、請求項２６から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記レーザ切除装置（１）の前記切断用レーザ光源（１２）は、約１ナノ秒から約１ミリ秒の範囲内、約１マイクロ秒から約９００マイクロ秒の範囲内、または約１００マイクロ秒から約７００マイクロ秒の範囲内の時間的パルス幅を有する、前記切断用レーザビーム（１２１）を供給する、請求項２１から３１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３３】
前記レーザ切除装置（１）の前記切断用レーザ光源（１２）は、約１ミリ秒から約２００ミリ秒の範囲内、または約１０ミリ秒から約１００ミリ秒の範囲内である、２つの連続する切断用レーザビームパルス間の合間を有する、前記切断用レーザビーム（１２１）を供給する、請求項２１から３２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記レーザ切除装置（１）の温度センサ（１７）が、前記レーザ切除装置（１）の前記切断用レーザ光源（１２）によって生成された切断用レーザビームパルスが当たった後の、前記硬組織（２）の表面温度を感知することを備える、請求項２１から３３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３５】
前記レーザ切除装置（１）の照準用レーザ光源（１５）が、前記切断用レーザビーム（１２１）を前記硬組織（２）に衝突させることを意図した標的位置を指示する、可視の照準用レーザビーム（１５１）を供給することをさらに備え、前記レーザ切除装置（１）の前記ビーム混合構造体（１３２）は、前記照準用レーザビームの光軸が、前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記光軸および前記切断用レーザビームの前記光軸と平行になるように、前記レーザ切除装置（１）の前記照準用レーザ光源（１５）の前記照準用レーザビーム（１５１）に向きを変えさせ、前記レーザ切除装置の前記スキャナミラーは、前記照準用レーザビーム、前記撮像用レーザビーム（１１１）、および前記切断用レーザビーム（１２１）を、平行な光軸を有するときに方向づける、請求項２１から３４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３６】
外科手術または療法による前記ヒトまたは前記動物の身体の治療方法ではなく、前記ヒトまたは前記動物の身体に対して行われる診断方法でもない、請求項２１から３５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３７】
ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織（２）を切断するレーザ切除装置（１）を製造する方法であって、
前記硬組織（２）を切除するのに好適な波長でレーザ発振する、パルス切断用レーザビーム（１２１）を供給するよう適合される切断用レーザ光源（１２）、および
広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビーム（１１１）を供給するよう適合される撮像用レーザ光源（１１）
を備える、前記レーザ切除装置（１）を組み立てること
を含み、
ビーム混合構造体（１３２）および前記ビーム混合構造体（１３２）の後に配置される可動スキャナミラー（１３３）を備える、前記レーザ切除装置（１）を組み立てることと、
前記切断用レーザ光源（１２）の前記切断用レーザビーム（１２１）および／または前記撮像用レーザ光源（１１）の前記撮像用レーザビーム（１１１）に、前記切断用レーザビーム（１２１）の光軸が前記撮像用レーザビーム（１１１）の光軸と平行になるように、向きを変えさせるよう、前記ビーム混合構造体（１３２）を適合させることと、
前記撮像用レーザビーム（１１１）および前記切断用レーザビーム（１２１）を、平行な光軸を有するときに方向づけるよう、前記スキャナミラー（１３３）を配置することと
をさらに含むことを特徴とする、方法。
【請求項３８】
制御ユニットを備える、前記レーザ切除装置（１）を組み立てることと、
前記切断用レーザビーム（１２１）の２つの連続する切断用レーザパルス間の、前記撮像用レーザビーム（１１１）の反射を評価するよう、前記制御ユニット（１４）を配置して構成することと
をさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記レーザ切除装置（１）の前記制御ユニット（１４）は、前記切断用レーザビーム（１２１）の２つの連続する切断用レーザパルス間の前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射をリアルタイムで評価するよう配置され構成される、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記切断用レーザビーム（１２１）の各切断用レーザパルスの直前および直後に、前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価するよう、前記制御ユニット（１４）を配置して構成すること
を含む、請求項３８または３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた情報に従って、前記切断用レーザビーム（１２１）を制御するよう、前記制御ユニット（１４）を配置して構成すること
を含む、請求項３８から４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビーム（１２１）パルスのパワーを変更することを含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、前記切断用レーザビーム（１２１）の前記切断用レーザビーム（１２１）パルスの繰返し率を変更することを含む、請求項４１または４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビーム（１２１）パルスの波形を変更することを含む、請求項４１から４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）の切断の横方向の断面図を含む、請求項４１から４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記撮像用レーザビームの前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）に隣接する組織までの距離の指示を含む、請求項４１から４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
レーザ切除装置（１）を作動させる方法であって、
レーザ切除装置（１）の切断用レーザ光源（１２）が、好ましくはヒトまたは動物の天然または人工の硬組織（２）を切除するのに好適な波長でレーザ発振する、パルス切断用レーザビーム（１２１）を供給することと、
前記レーザ切除装置（１）の撮像用レーザ光源（１１）が、広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビーム（１１１）を供給することと、
前記レーザ切除装置（１）のビーム混合構造体（１３２）が、前記切断用レーザ光源（１２）の前記切断用レーザビーム（１２１）および／または前記撮像用レーザ光源（１１）の前記撮像用レーザビーム（１１１）に、前記切断用レーザビーム（１２１）の光軸が前記撮像用レーザビームの光軸と平行になるように、向きを変えさせることと、
前記レーザ切除装置（１）の前記ビーム混合構造体（１３２）の後に配置された、前記レーザ切除装置（１）の可動スキャナミラー（１３３）が、平行な光軸を有する前記撮像用レーザビーム（１１１）および前記切断用レーザビーム（１２１）を方向づけることと
を備える、方法。
【請求項４８】
制御ユニットが、前記切断用レーザビーム（１２１）の２つの連続する切断用レーザパルス間の、前記撮像用レーザビーム（１１１）の反射を評価することをさらに備える、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記制御ユニットは、前記切断用レーザビーム（１２１）の２つの連続する切断用レーザパルス間の前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射をリアルタイムで評価する、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記制御ユニットが、前記切断用レーザビームの各切断用レーザパルスの直前および直後に、前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価することを備える、請求項４７から４９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５１】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた情報に従って、前記切断用レーザビーム（１２１）を制御する前記制御ユニットを備える、請求項４８から５０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５２】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビームパルスのパワーを変更することを含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、前記切断用レーザビーム（１２１）の前記切断用レーザビームパルスの繰返し率を変更することを含む、請求項５１または５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記切断用レーザビーム（１２１）を制御することは、次の切断用レーザビームパルスの波形を変更することを含む、請求項５１から５３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５５】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）の切断の横方向の断面図を含む、請求項５１から５４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５６】
前記撮像用レーザビーム（１１１）の前記反射を評価して得られた前記情報は、前記硬組織（２）に隣接する組織までの距離の指示を含む、請求項５１から５５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５７】
外科手術または療法による前記ヒトまたは前記動物の身体の治療方法ではなく、前記ヒトまたは前記動物の身体に対して行われる診断方法でもない、請求項４７から５６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、独立請求項１の前文によるレーザ切除装置に関し、より詳細には、かかるレーザ切除装置の作動の方法、かかるレーザ切除装置の製造および作動の方法、およびヒトまたは動物の天然または人工の硬組織の切断の方法に関する。
【０００２】
かかるレーザ切除装置は、硬組織を切除するのに好適な波長でレーザ発振するパルス切断用レーザビームを供給するよう適合された切断用レーザ光源と、広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビームを供給するよう適合された撮像用レーザ光源とを備え、この装置を使用して、骨などのヒトまたは動物の天然または人工の硬組織を切断することができる。
【背景技術】
【０００３】
様々な技術分野で物質を切断し穿孔するために、物質にレーザビームを当てる装置を使用することがますます一般的になってきている。今日、工業用途では、かかる切断または穿孔は、工作物を高精度で効率的かつ柔軟に加工することができるので広く普及している。また、骨、軟骨などの、ヒトまたは動物の硬組織を切断するために、レーザを使った切断および穿孔がますます利用されている。たとえば、コンピュータ支援手術では、切断器具としてレーザビームを使用することが知られている。より具体的には、たとえば、国際公開第２０１１／０３５７９２Ａ１号には、骨ならびに他のヒトまたは動物の硬組織およびまた軟組織の正確かつ穏やかな穿孔および切断を可能にする、コンピュータ支援およびロボット誘導レーザ骨切断医療装置が記載されている。
【０００４】
ヒトまたは動物の硬組織の、公知のレーザ誘起光切除における一般的な問題は、パルスレーザでの切断深さ、ビーム強度、および繰返し率の制御に関する。金属およびプラスチックなど非生物学的材料の微細加工に広く使用されているレーザ誘起光切断とは対照的に、付随的な損傷に関する問題は、ヒトまたは動物の硬組織を光切断するときに極めて重要である。かかる付随的な損傷は、たとえば隣接する軟組織への、不適切なレーザビームの強度によってもたらされる加熱による、たとえば炭化として生じる可能性がある。あるいは、損傷はまた、標的となる硬組織の深さを超えた光切除によっても生じ得る。上記の非生物学的材料とは対照的に、こうした問題をさらに扱いにくくするのは、ヒトまたは動物の同じ種類の硬組織が、通常、個体ごとに異なることである。さらに、ヒトまたは動物の硬組織は通常均質ではなく、それにより組織の光切除の特性は、特に切断深さに応じて、１つの単一組織の標的内で変化し得る。かかる過剰な、または好ましからざる光切除を防止するために、組織内の光切除の深さは通常、たとえば光干渉断層撮影（ＯＣＴ：ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）によって光学的に監視される。しかし、かかる監視は通常、むしろ複雑で面倒である。レーザ切除に使用する場合、深さの、かかる光学的監視は、レーザの切断または動作を遅くする。
【０００５】
従って、特にレーザビームによって組織に生じる付随的な損傷に関して、ヒトまたは動物の硬組織の好都合な切除を可能にする方法および装置に対するニーズがある。
【発明の概要】
【０００６】
本発明によれば、このニーズは、独立請求項１の特徴によって定義されるレーザ切除装置、独立請求項１５の特徴によって定義されるレーザ切除装置の製造方法、および独立請求項２２の特徴によって定義されるレーザ切除装置を作動させる方法により解決される。好ましい実施形態は、従属請求項の対象である。
【０００７】
具体的には、本発明は、ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織を切断するレーザ切除装置を扱う。レーザ切除装置は、切断用レーザ光源、撮像用レーザ光源、ビーム混合構造体、およびスキャナミラーを備える。切断用レーザ光源は、硬組織を切除するのに好適な波長でレーザ発振する、パルス切断用レーザビームを供給するよう適合される。撮像用レーザ光源は、広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビームを供給するよう適合される。スキャナミラーは可動であり、ビーム混合構造体の後に配置されている。ビーム混合構造体は、切断用レーザ光源の切断用レーザビームおよび／または撮像用レーザ光源の撮像用レーザビームに、切断用レーザビームの光軸が撮像用レーザビームの光軸と平行になるよう、向きを変えさせるように適合される。スキャナミラーは、撮像用レーザビームおよび切断用レーザビームを、平行な光軸を有するとき、好ましくは、撮像用レーザビームおよび切断用レーザビームが当たるべき標的上に方向づけるよう配置される。
【０００８】
用語「レーザ装置」は、一般に、レーザビームを生成するように配置されるか、または電磁放射の誘導放出に基づいて、光増幅のプロセスを通して光を放出する装置に関する。レーザは「放射の誘導放出による光増幅」の頭字語である。レーザは、可干渉的に光を放射するという点で、他の光源と異なり得る。かかる空間的干渉は、レーザを狭い箇所に集束させることを可能にすることができ、切断またはリソグラフィなどの用途を可能にする。レーザ切除装置は、具体的には、レーザ式骨刀であり得る。
【０００９】
本明細書で使用される用語「レーザパルス」は、好ましくは特定の時間幅、波形、および／またはパワーを有する、所与の波長の比較的短時間のレーザビームに関係し得る。
【００１０】
レーザ切除装置によって切断されるべき基体に関連した用語「硬組織」は、爪組織、軟骨、および特に骨組織に関係し得る。すなわちレーザ切除装置は、具体的には、骨を切断するように設計され得る。硬組織、特に骨組織を切除するのに好適であるために、切断用レーザビームは、水を蒸発させるのに適した波長、すなわち約２，９４０ナノメートル（ｎｍ）を有することができる。これに関連した用語「人工」は、天然の硬組織の代用または置換のための合成材料に関係し得る。すなわち、用語「人工硬組織」は、代用骨として使用される合成的に生成された組織または材料を指すことができる。
【００１１】
用語「広帯域スペクトル領域」は、切除に関する適切な情報を評価および導出するのに十分な、または十分な品質のデータを提供するための、十分に広い範囲の光波または電磁波に関係し得る。たとえば、広帯域スペクトル領域は、約５０ｎｍの、特に１０ｎｍ〜１００ｎｍ、特に２０ｎｍ〜９０ｎｍ、特に３０ｎｍ〜８０ｎｍ、特に４０ｎｍ〜７０ｎｍ、または特に４５ｎｍ〜６０ｎｍのスペクトル幅をカバーする、電磁波長のスペクトルに関係し得る。
【００１２】
スキャナミラーに関連した用語「可動の」は、ミラーが変位可能であり、かつ／または特に再配向可能であることに関する。たとえば、スキャナミラーは、可動であるために、回転、位置変更、傾斜、曲げなどが可能である。かかる可動スキャナミラーは、レーザビームまたは複合レーザビームを正確に方向づけ、かつ／または集束させることを可能にする。
【００１３】
可動スキャナミラーに関連した用語「ビーム混合構造体の後に配置される」は、特に、レーザビームの伝播方向に対する配置または場所決めすることに関する。具体的には、ミラーは、レーザビームが最初にビーム混合構造体を通過し、その後スキャナミラーに到達するように場所決めされる。このようにして、混合レーザビーム、すなわち複合レーザビームに、スキャナミラーによって向きを変えさせることを、実現することができる。ビーム混合構造体の後に場所決めすることによって、可動スキャナミラーを、レーザビーム伝播方向におけるビーム混合構造体の後ろに場所決めすることができる。
【００１４】
切断用および撮像用レーザビームの光軸に関連した用語「平行」は、幾何学的な平行配置、本質的に平行な、すなわち整列状態でのわずかなずれを含む向き、および特にレーザビームの本質的にまたは正確に同軸の向きに関係し得る。
【００１５】
スキャナミラーが撮像用レーザビームおよび切断用レーザビームを平行な光軸に向けることによって、切断用レーザビームおよび撮像用レーザビームは、同じ方向に伝播し、同じ領域または同じ箇所にある硬組織または標的にぶつかる。これにより、切断用レーザビームが硬組織に当たって切除するのとほぼ正確に同じ位置または領域の、撮像用レーザビームを介して、情報を収集することが可能になる。当該の情報は、切断用レーザビームによって硬組織に生じる付随的な損傷を最小にするかまたは防止するために、効率的で迅速かつ正確な判断を導き出すことができるように、切断用レーザビームの効果に比較的密接に関係し得る。
【００１６】
さらに、レーザビームを組み合わせることによって、同じ構成要素で、複合レーザビームを正確に方向づけることを、実行または実現することができる。これにより、比較的効率的で簡単な実施態様が可能となる。
【００１７】
光軸の平行、または同軸の向きにより、硬組織に当たる種々のレーザビーム間の時間的および／または空間的ずれによって生じるぼけ効果を低減または排除することができる。これにより、切断用レーザビームによって切除された硬組織の状態に関する正確なフィードバックを効率的に提供することが可能になる。このように、評価は、リアルタイムなど、比較的迅速に行うことができる。
【００１８】
これに関連した用語「同軸」は、種々の光ビームの伝播軸間の空間的関係に関する。「同軸」は、複数のパルスレーザビームを有することによって生じ得る時間的関係に関する意味はもっていない。
【００１９】
これに関連した用語「リアルタイム」は、パルス切断用レーザビームがどんな制限もなしに供給され、切断評価および切断計画が、切断用レーザビームの単一のパルス間に実行される、レーザ装置の動作に関係し得る。切断用レーザビームの動作の遅れが防止される。
【００２０】
具体的には、制御ユニットは、撮像用レーザビームの反射をリアルタイムで評価するように配置され構成されていることが好ましい。
【００２１】
また、平行なレーザビームの評価を、集められた情報に対して自動的に反応できるようにレーザを適合させるために、効率的に実施することができる。従って、レーザ切除装置は、硬組織の好都合な切除を可能にする。
【００２２】
ビーム混合構造体は、光学機械構造体であることが好ましい。かかる光学機械構造体は、それぞれの個々のレーザビームを平行にするビーム整形光学系、レーザビームの適切で平行な整列状態を可能にする、種々のビーム経路内の偏向ミラー、および／または平行レーザビームを組み合わせるダイクロイックミラーを備えることができる。ある実施形態において、ビーム混合構造体では、撮像用レーザビームを透過させることが有利であり得る。光学素子を不純物から保護するために、ビーム混合構造体は、スキャナミラーに続くアウトカップリング窓（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ）を備えることができる。
【００２３】
複合レーザビームを集束させるために、レーザ切除装置は、スキャナミラーによって具備され得るビーム集束要素を装備することができる。ビーム集束要素は、レンズ系、反射光学系、または両方の組合せであり得る。反射光学系としてのスキャナミラーは、切断用レーザビームと撮像用レーザビームとを集束させるよう適合されることが好ましい。従って、スキャナミラーは、整列させ、かつ制御することを簡略化できる、可動走査ユニット上に取りつけられた凹面ミラーであり得る。かかる反射光学系の設計は、相異なる波長を使用するとき、損失がより少なく、色収差がないという利点をさらに有する。このようにして、レーザ切除装置の特に効率的な動作が可能である。
【００２４】
レーザ切除装置は、切断用レーザビームの２つの連続する切断用レーザパルス間の撮像用レーザビームの反射を評価するよう配置され構成されている制御ユニットをさらに備えることが好ましい。
【００２５】
制御ユニットに関連した用語「配置され構成された」は、特定の機能を実行することができるよう具現化されている制御システムに関係し得る。従って、制御ユニットは、電源、中央処理ユニット（ＣＰＵ：ｃｅｎｔｒａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｕｎｉｔ）、メモリなどとの接続など、必要な構成物を装備され、設けられ（配置され）得る。さらに、制御ユニットまたはその構成物は、必要な機能を実行するように調整され、適合され、またはプログラムされ（構成され）得る。
【００２６】
制御ユニットは、その機能または目的を達成するのに好適な任意のやり方で実施することができる。制御ユニットは、レーザ光源の電子回路内に一体化された組込システムにすると有利である。たとえば制御ユニットは、たとえば特定の回路として、レーザビームを制御する回路基板上に一体化することができる。このようにして、反射の特に迅速な評価が可能であり、レーザビームは、この評価に応答して、迅速に適合することができる。
【００２７】
処理ユニットは、ノズル、温度カメラ、レーザ光源などの内部および外部構成要素への複数のインタフェースを備えることができる。有利なことに、インタフェースは、切断する幾何形状を画定し、パラメータを設定し、かつ進捗およびシステムの状態を視覚化するための外部ユーザインタフェースを備える。レーザ切除装置を、作業範囲を広げるための追加のアクチュエータ、ならびに作業範囲および／またはアクチュエータの動きに追従するための追跡装置と組み合わせることができる。これにより、制御ユニット内に、こうした装置との追加のインタフェースが必要となり得る。
【００２８】
たとえば、確実に、適切なハードウェア制御を行うために、制御ユニットは、内部装置への以下のインタフェースを備えることができる：アナログ測定信号を含む撮像用レーザ光源向けアナログおよびデジタル入／出力（Ｉ／Ｏ：ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）、切断用レーザ光源向けアナログおよびデジタルＩ／Ｏ、ビーム混合構造体の光学機械向けアナログおよびデジタルＩ／Ｏ、温度カメラへの通信手段、切断で確実に炭化させないための冷却ユニットまたは冷却ノズルへのインタフェース、照準用レーザ光源のオン／オフ。
【００２９】
制御ユニットによって、撮像用レーザ光源によって収集された情報を自動的に評価することができる。従って、制御ユニットは、撮像用レーザビームの反射を、強度、波長、位相および／またはその他など、反射の物理的特性の点から評価することができる。この評価の結果として、制御ユニットは、切断用レーザビームの変更を開始するなど、自動的に任意の手段をとることができる。
【００３０】
従って、制御ユニットは、切断用レーザビームの各切断用レーザパルスの直前および直後に、切除されている表面からの撮像用レーザビームの反射を評価するよう配置され構成されることが好ましい。
【００３１】
これに関連した用語「直」は、技術的にまたは合理的に実行可能な限り、時間的にレーザパルスに近いことに関係し得る。具体的には、用語「直」は、レーザパルス前のできるだけ、または適切に短い、かつレーザパルス後のできるだけ、または適切に短い、それぞれの評価に関係し得る。このように、切断用レーザビームが当たった箇所で、硬組織の箇所についての情報を、レーザパルスの前後に得ることができる。これにより、切断用レーザビームを供給前に調整し、レーザパルスの結果について知ることが可能になる。たとえば、切除用レーザが１０Ｈｚで動作しているとき、妥当な時間差はミリ秒のオーダである。他のパルス周波数については、他の時間差が適切であり得る。
【００３２】
制御ユニットは、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報に従って、切断用レーザビームを制御するよう配置され構成されることが好ましい。このように、切断用レーザビームを自動的に調整することができる。
【００３３】
従って、切断用レーザビームを制御することは、次の切断用レーザビームパルスのパワーの変更を含むことが好ましい。たとえば、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報が、骨構造体は依然として比較的厚いか、または切除深さは予測よりも小さいことを示す場合、次の切断用レーザビームパルスのパワーを自動的に上げることができる。
【００３４】
追加的または代替的に、切断用レーザビームは、切断用レーザビームの切断用レーザビームパルスの繰返し率の変更を含むことが好ましい。
【００３５】
さらに追加的または代替的に、切断用レーザビームを制御することは、次の切断用レーザビームパルスの波形の変更を含むことが好ましい。切断用レーザビームパルスに関連した用語「波形」は、パルスの時間幅、高さ、または強度など、レーザビームパルスの特性に関係し得る。たとえば、波形は、時間対強度などに関連した波形の形態に関係し得る。
【００３６】
撮像用レーザビームの反射を評価して得られる情報は、骨の切断の横方向の断面図を含むことが好ましい。用語「横方向の」は、具体的には、切断の方向にはない断面に関係し得る。従って、骨切断線または骨切断の幾何形状を設定することによって、切断を、たとえば術前の計画段階に、予め画定することができる。横方向の断面図は、切断線すなわち骨切断線の方向に対して垂直な断面図であり得る。横方向の断面図はまた、角の向きまたはほぼ対角線の向きなど、垂直方向からはずれた断面図であり得る。
【００３７】
かかる横方向の断面図を使って、レーザ切除装置は、骨の切断の処理された横方向の断面図（Ｂスキャン）から信頼性のある深度値を抽出することを可能にする画像処理に関係することができる。これは、次のように実行することができる。再構成されるＢスキャンは、最初にＡスキャンの方向（ｚ方向）に対して横方向のフィルタ処理がなされる。具体的には、中央値フィルタを使用することができる。これは、Ａスキャン間で変動するノイズを大幅に減衰させる効果を有する。しかし、骨表面がフィルタの方向と類似している傾向があるので、骨表面信号は強いままである。第２のステップでは、深度ヒストグラムが計算される。それぞれのＡスキャンでは、最大強度が局所化され、最大強度に対応する単一の深度値が記憶される。最大信号強度は骨表面から生じることを前提とする。Ｂスキャン内のすべてのＡスキャンの単一の深度値に基づいて、ヒストグラムが計算される。深度ヒストグラムは、Ｂスキャン内で測定された深度の分布を反映する。理想的には、２つのピークがある。一方は骨の表面に対する、他方は切断面に対するものである。確かに、もっと多くのピークがあるために、現実は違って見える。この課題に取り組むために、弱いピークは候補として除外される。残りのピークから、最初のピークと最後のピークとは、骨表面および切断面と考えられるが、正確な割当は問題ではない。最終的な切断深度値は、この２つの識別されたピーク間の深度差である。
【００３８】
Ａスキャンは、作業領域上の単一の点で、ＯＣＴシステムを使って取得された点の固定数（ベクトル）を有する１次元要素として定義することができる。かかるＡスキャンは、単一の深度プロファイルを含む。作業領域上の焦点を特定の経路に移動することによって複数のＡスキャンを組み合わせると、Ｂスキャンと呼ばれる２次元画像を作成することができる。かかるＢスキャンは、切断した断面の深度プロファイルをもたらす、切断領域にわたる横方向の走査であることが好ましい。
【００３９】
代替的または追加的に、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報は、切除方向（ｚ方向）において、硬組織に隣接する組織までの距離の指示を含むことが好ましい。かかる指示は、隣接組織への距離を補間することを可能にする、隣接組織から反射された、光量または光の偏光であり得る。たとえば、骨を切断するとき、下にある組織は、骨が約０．５ｍｍ以下に達した後に、反射として目に見えるであろう。従って、隣接組織がどれだけ離れているかを評価することができ、硬組織を切断し終えるかまたはぴったりその前に、正確に切除を停止することができる。あるいは、切断用レーザビームを調整することができ、たとえば切断がより深くなり、隣接する組織がより近くなるほどに、パワーは弱められる。
【００４０】
撮像用レーザ光源は、ＯＣＴシステムによって具備されることが好ましい。これに関連した略語であるＯＣＴは、具体的には、光を使用して硬組織などの光散乱媒体内からマイクロメートル解像度の３次元画像を取り込む、確立された医療撮像技法である、光干渉断層撮影に関する。従って、完全なＯＣＴシステムが、レーザ切除装置によって具備され得る。かかるＯＣＴシステムは、広帯域掃引光源、伝送基準アーム（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ａｒｍ）およびビーム整形光学系との接続部を備えている光ファイバ、ならびに平衡検出ユニットを備えることができる。出力信号は、処理ユニットによってデジタル化することができ、その結果得られる生の信号に、深度値が画像処理によって抽出される前に、専用の信号処理を施すことができる。信号処理の中心となるステップは、ＤＣ除去、フーリエ変換（周波数ドメインから空間ドメインへ）、分散補償、および取得モードに応じた周波数ドメインでの再マッピング機能であり得る。かかるＯＣＴシステムによって、切除の、特に切除の深さの、幾何形状についての情報を、正確かつ迅速に受信することができる。
【００４１】
従って、撮像用レーザビームは、波長走査可能であることが好ましい。かかる撮像用レーザビームにより、効率的な評価が可能となり、かつ硬組織についての情報を効率的に収集することができる。代替的または追加的に、撮像用レーザビームは、一定の広帯域波長放出である。
【００４２】
切断用レーザビームの時間的パルス幅は、約１ナノ秒から約１ミリ秒の範囲内、約１マイクロ秒から約９００マイクロ秒の範囲内、または約２００マイクロ秒から約５００マイクロ秒の範囲内であることが好ましい。かかる時間的幅は、１つの単一レーザパルス中に、温度を有害なレベルまで上昇させることなく、ヒトまたは動物の硬組織を効率的に切断することを可能にし得る。
【００４３】
２つの連続する切断用レーザビームパルス間の合間は、約１ミリ秒から約２００ミリ秒の範囲内、または約１０ミリ秒から約１００ミリ秒の範囲内であることが好ましい。
【００４４】
レーザ切除装置は、切断用レーザ光源によって生成された切断用ビームレーザパルスが当たった後の硬組織の表面温度を感知するように配置された温度センサを備えることが好ましい。具体的には、温度センサは、切断用ビームレーザパルスが当たった直後または当たっている間に、標的の表面温度を感知するように配置することができる。かかる温度センサにより、標的部位の温度をリアルタイムで監視することが可能となる。具体的には、標的が、切除プロセスの監視中に劣化または破壊され得るヒトまたは動物の硬組織など、温度の影響を受けやすい物質である場合、温度は非常に重要になる。たとえば、ヒトまたは動物の硬組織を切断するときに、組織の温度が閾値を超えるのを防ぐことが重要である。そうしないと、大量の熱が切断線または切断される幾何形状の位置に伝達され、残りの組織は表面を炭化し、その後の治癒を妨げるかまたは遅らせる。従って、温度を制御することは医療用途において不可欠である。
【００４５】
従って、温度センサは、遠隔赤外線センサを含むことが好ましい。これに関連して、用語「遠隔」は、レーザによって処理されるべき標的または物質に対するセンサの位置に関する。具体的には、センサは、標的に接触することなく、標的からずらされているかまたは標的から離れていることによって、遠隔であり得る。たとえば、かかるセンサにより、レーザに配置されることが可能であり、レーザパルスが標的に供給されている間、温度を監視するのに標的へ接触する必要はない。従って、好ましくは適切な撮像光学系を備える、かかる遠隔赤外線センサにより、レーザによって治療されているとき、標的の温度を効率的かつ正確に監視することができる。
【００４６】
レーザ切除装置は、切断用レーザビームを硬組織に衝突させることを意図した標的位置を示すための、可視の照準用レーザビームを供給するよう適合された照準用レーザ光源をさらに備えることが好ましい。レーザ切除装置内では、ビーム混合構造体は、照準用レーザビームの光軸が撮像用レーザビームの光軸および切断用レーザビームの光軸と平行になるように、照準用レーザ光源の照準用レーザビームに向きを変えさせるように適合され、スキャナミラーは、照準用レーザビーム、撮像用レーザビーム、および切断用レーザビームを、平行な光軸を有するときに方向づけるよう配置される。
【００４７】
照準用レーザビームは、具体的には、規制上の規定で定義されている照準用レーザビームであり得る。かかる定義は、以下であり得る：作業用ビーム、すなわち切断用レーザビームの予想される衝突点の表示用を意図した、可視の照準用ビームスポットを生成する光放射のビーム。照準用ビームスポットは、作業領域、すなわち硬組織内の照準用レーザビームの衝突領域と画定され得る。照準用レーザは、照準用レーザビームを放射するレーザと定義され得る。
【００４８】
本発明のさらなる態様は、ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織を切断するレーザ切除装置を製造する方法（製造方法）に関する。製造方法は、硬組織を切除するのに好適な波長でレーザ発振する、パルス切断用レーザビームを供給するよう適合された切断用レーザ光源、および広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビームを供給するよう適合された撮像用レーザ光源を備える、レーザ切除装置を組み立てることを含む。製造方法は、ビーム混合構造体、およびビーム混合構造体の後に配置された可動スキャナミラーを備える、レーザ切除装置を組み立てるステップと、ビーム混合構造体を、切断用レーザビームの光軸が撮像用レーザビームの光軸と平行になるように、切断用レーザ光源の切断用レーザビーム、および／または撮像用レーザ光源の撮像用レーザビームに向きを変えさせるよう適合させるステップと、撮像用レーザビームおよび切断用レーザビームを、平行な光軸を有するときに方向づけるようスキャナミラーを配置するステップとをさらに含む。
【００４９】
かかる製造方法により、本発明によるレーザ切除装置、ならびにレーザ切除装置の効果および利益を、効率的に提供することができる。製造方法はさらに、上記レーザ切除装置の好ましい実施形態の追加の特徴を実施するステップを含む、または実施するよう構成することができる。このようにして、それぞれの追加の特徴と共に、上記の効果および利点を効率的に実施することができる。
【００５０】
製造方法は、制御ユニットを備えるレーザ切除装置を組み立てることと、切断用レーザビームの２つの連続する切断用レーザパルス間の撮像用レーザビームの反射を評価するように、制御ユニットを配置して構成することとをさらに含むことが好ましい。
【００５１】
従って、製造方法は、切断用レーザビームの２つの連続する切断用レーザパルス間の撮像用レーザビームの反射をリアルタイムで評価するように、制御ユニットを配置して構成することを含むことが好ましい。
【００５２】
また製造方法は、切断用レーザビームの各切断用レーザパルスの直前および直後に、撮像用レーザビームの反射を評価するように、制御ユニットを配置して構成することを含むことが好ましい。
【００５３】
製造方法は、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報に従って切断用レーザビームを制御するように、制御ユニットを配置して構成することを含むことが好ましい。従って、切断用レーザビームを制御することは、次の切断用レーザビームパルスのパワーを変更することを含むことが好ましい。追加的または代替的に、切断用レーザビームを制御することは、切断用レーザビームの切断用レーザビームパルスの繰返し率を変更することを含むことが好ましい。さらに追加的または代替的に、切断用レーザビームを制御することは、次の切断用レーザビームパルスの波形を変更することを含むことが好ましい。
【００５４】
撮像用レーザビームの反射を評価して得られる情報は、骨の切断の横方向の断面図を含むことが好ましい。代替的または追加的に、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報は、硬組織に隣接する組織までの距離の指示を含むことが好ましい。
【００５５】
本発明の別のさらなる態様は、ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織を切断する方法（切断方法）に関する。切断方法は、切断用レーザ光源が、硬組織を切除するのに好適な波長でレーザ発振するパルス切断用レーザビームを供給するステップと、撮像用レーザ光源が、広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビームを供給するステップと、切断用レーザビームの光軸が撮像用レーザビームの光軸と平行になるように、ビーム混合構造体が、切断用レーザ光源の切断用レーザビーム、および／または撮像用レーザ光源の撮像用レーザビームに向きを変えさせるステップと、ビーム混合構造体の後に配置された可動スキャナミラーが、撮像用レーザビームおよび切断用レーザビームを、平行な光軸を有するときに方向づけるステップとを含む。同じ切断方法はまた、ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織以外の切断対象にも適用することができる。
【００５６】
かかる切断方法により、本発明によるレーザ切除装置と共に、上記の効果および利益を効率的に実現させることができる。切断方法はさらに、上記レーザ切除装置の好ましい実施形態の追加の特徴を実施するステップを含む、または実施するよう構成することができる。このようにして、それぞれの追加の特徴または好ましい実施形態と共に、上記の効果および利点を効率的に実施することができる。
【００５７】
切断方法は、切断用レーザビームの２つの連続する切断用レーザパルス間の撮像用レーザビームの反射を評価する制御ユニットをさらに含むことが好ましい。従って、制御ユニットは、切断用レーザビームの２つの連続する切断用レーザパルス間の撮像用レーザビームの反射をリアルタイムで評価することが好ましい。
【００５８】
切断方法は、制御ユニットが、切断用レーザビームの各切断用レーザパルスの直前および直後に、撮像用レーザビームの反射を評価することを備えることが好ましい。
【００５９】
切断方法は、制御ユニットが、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報に従って、切断用レーザビームを制御することを備えることが好ましい。
【００６０】
従って、切断用レーザビームを制御することは、次の切断用レーザビームパルスのパワーを変更することを含むことが好ましい。追加的または代替的に、切断用レーザビームを制御することは、切断用レーザビームの切断用レーザビームパルスの繰返し率を変更することを含むことが好ましい。さらに追加的または代替的に、切断用レーザビームを制御することは、次の切断用レーザビームパルスの波形を変更することを含むことが好ましい。
【００６１】
撮像用レーザビームの反射を評価して得られる情報は、骨の切断の横方向の断面図を含むことが好ましく、かかる切断の深度情報を含むことが好ましい。代替的または追加的に、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報は、硬組織に隣接する組織までの距離の指示を含むことが好ましい。
【００６２】
切断方法は、外科手術または療法によるヒトまたは動物の身体の治療方法ではなく、ヒトまたは動物の身体に対して行われる診断方法でもない。
【００６３】
本発明のやはり別のさらなる態様は、レーザ切除装置を作動させる方法（動作方法）に関する。動作方法は、レーザ切除装置の切断用レーザ光源が、好ましくは、ヒトまたは動物の天然または人工の硬組織を切除するのに好適な波長でレーザ発振するパルス切断用レーザビームを供給するステップと、レーザ切除装置の撮像用レーザ光源が、広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビームを供給するステップと、レーザ切除装置のビーム混合構造体が、切断用レーザビームの光軸が撮像用レーザビームの光軸と平行になるように、切断用レーザ光源の切断用レーザビーム、および／または撮像用レーザ光源の撮像用レーザビームに向きを変えさせるステップと、レーザ切除装置の、ビーム混合構造体の後に配置されたレーザ切除装置の可動スキャナミラーが、の平行な光軸を有する撮像用レーザビームおよび切断用レーザビームを方向づけるステップとを含む。
【００６４】
かかる動作方法により、本発明によるレーザ切除装置と共に、上記の効果および利益を効率的に実現させることができる。動作方法はさらに、上記レーザ切除装置の好ましい実施形態の追加の特徴を実施するステップを含む、または実施するよう構成することができる。このようにして、それぞれの追加の特徴または好ましい実施形態と共に、上記の効果および利点を効率的に実施することができる。
【００６５】
動作方法は、レーザ切除装置のスキャナミラーが、切断用レーザビームおよび撮像用レーザビームを集束することを備えることが好ましい。
【００６６】
動作方法は、レーザ切除装置の制御ユニットが、切断用レーザビームの２つの連続する切断用レーザパルス間の撮像用レーザビームの反射を評価することを備えることが好ましい。
【００６７】
従って、レーザ切除装置の制御ユニットは、切断用レーザビームの２つの連続する切断用レーザパルス間の撮像用レーザビームの反射をリアルタイムで評価することが好ましい。
【００６８】
また、動作方法は、制御ユニットが、切断用レーザビームの各切断用レーザパルスの直前および直後に、撮像用レーザビームの反射を評価することを備えることが好ましい。
【００６９】
動作方法は、レーザ切除装置の制御ユニットが、撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報に従って、切断用レーザビームを制御することを備えることが好ましい。従って、切断用レーザビームを制御するレーザ切除装置の制御ユニットは、次の切断用レーザビームパルスのパワーを変更することを含むことが好ましい。
【００７０】
撮像用レーザビームの反射を評価して得られた情報は、硬組織に隣接する組織までの距離の指示を含むことが好ましい。
【００７１】
切断用レーザビームを制御するレーザ切除装置の制御ユニットは、切断用レーザビームの切断用レーザビームパルスの繰返し率を変更することを含むことが好ましい。代替的または追加的に、切断用レーザビームを制御するレーザ切除装置の制御ユニットは、次の切断用レーザビームパルスの波形を変更することを含むことが好ましい。
【００７２】
撮像用レーザビームの反射を評価して得られる情報は、骨の切断の横方向の断面図を含むことが好ましい。
【００７３】
レーザ切除装置の切断用レーザ光源は、約１ナノ秒から約１ミリ秒の範囲内、約１マイクロ秒から約９００マイクロ秒の範囲内、または約１００マイクロ秒から約７００マイクロ秒の範囲内の時間的パルス幅を有する切断用レーザビームを供給することが好ましい。
【００７４】
レーザ切除装置の切断用レーザ光源は、約１ミリ秒から約２００ミリ秒の範囲内、または約１０ミリ秒から約１００ミリ秒の範囲内である、２つの連続する切断用レーザビームパルス間の合間を有する切断用レーザビームを供給することが好ましい。
【００７５】
動作方法は、レーザ切除装置の温度センサが、レーザ切除装置の切断用レーザ光源によって生成された切断用ビームレーザパルスが当たった後の硬組織の表面温度を感知することを備えることが好ましい。
【００７６】
動作方法は、レーザ切除装置の照準用レーザ光源が切断用レーザビームを硬組織に衝突させることを意図した標的位置を指示する、可視の照準用レーザビームを供給するステップをさらに備えることが好ましく、ここでレーザ切除装置のビーム混合構造体は、照準用レーザビームの光軸が、撮像用レーザビームの光軸および切断用レーザビームの光軸と平行になるように、レーザ切除装置の照準用レーザ光源の照準用レーザビームに向きを変えさせ、レーザ切除装置のスキャナミラーは、照準用レーザビーム、撮像用レーザビーム、および切断用レーザビームを、平行な光軸を有するときに方向づける。
【００７７】
本発明によるレーザ切除装置および方法を、例示的な実施形態によって、以下の添付図面を参照しながら、本明細書において以下により詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明によるレーザ切除装置の実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１のレーザ切除装置のビームコンフィギュレータの詳細を示す図である。
【図３】本発明による動作方法および切断方法の実施形態の過程を示す図である。
【図４】図３の方法での、図１のレーザ切除装置の動作を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７９】
以下の説明では、便宜上の理由で特定の用語を使用しており、特定の用語は、本発明を限定することを意図しない。用語「ｒｉｇｈｔ」、「ｌｅｆｔ」、「ｕｐ」、「ｄｏｗｎ」、「ｕｎｄｅｒ」および「ａｂｏｖｅ」は、図中の方向を指す。この用語法は、明示的に言及された用語、ならびにその派生語および類似の意味を有する用語を含む。また「ｂｅｎｅａｔｈ」、「ｂｅｌｏｗ」、「ｌｏｗｅｒ」、「ａｂｏｖｅ」、「ｕｐｐｅｒ」、「ｐｒｏｘｉｍａｌ」、「ｄｉｓｔａｌ」などの空間的に相対的な用語を使用して、図に示すような、１つの要素または特徴の、他の要素または特徴との関係を説明することができる。こうした空間的に相対的な用語は、図に示す場所および向きに加えて、使用中または動作中のノズル装置の様々な場所および向きを包含することを意図している。たとえば、図中の装置または装置の特定の部分がひっくり返されると、他の要素または特徴の「ｂｅｌｏｗ」または「ｂｅｎｅａｔｈ」と説明されている要素は、この場合、他の要素または特徴の「ａｂｏｖｅ」または「ｏｖｅｒ」になるであろう。従って、例示的な用語「ｂｅｌｏｗ」は、上下の場所および向きの両方を包含し得る。装置は、他の方向を向いていてもよく（９０度回転して、または他の方向を向いて）、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。同様に、種々の軸に沿った動き、および軸を中心とする動きの説明は、様々な特別な装置の場所および向きを含む。
【００８０】
様々な態様および例示的な実施形態の図および説明における繰り返しを避けるために、多くの特徴が多くの態様および実施形態に共通していることを理解されたい。説明または図からの態様の省略は、態様が、その態様を組み込む実施形態から欠落していることを暗示しない。その代わりに、この態様は、明確にするために、かつ冗長な説明を避けるために、省略されている可能性がある。
【００８１】
これに関連して、以下はこの説明の残りに適用される。図面を明確にするために、図が説明の直接関連する部分で説明されていない参照符号を含む場合、以前または以降で説明する段落に参照される。さらに、わかり易くするために、図面で要素のすべての特徴に参照符号が設けられていない場合、同じ要素を示す他の図面に参照される。２つ以上の図中の類似の番号は、同一または類似の要素を表す。
【００８２】
図１は、本発明によるレーザ切除装置１の実施形態の概略図を示す。レーザ切除装置１は、撮像用レーザ光源としてのＯＣＴ用レーザ光源１１と、切断用レーザ光源１２と、照準用レーザ光源１５と、制御ユニット１４とを備える。ＯＣＴ用レーザ光源１１は、５０ｎｍの広帯域スペクトル領域をカバーする撮像用レーザビーム１１１を供給するよう配置される。切断用レーザ光源１２は、骨２の組織を切除することができるパルス切断用レーザビーム１２１を供給するよう配置される。照準用レーザ光源１５は、可視光の照準用レーザビーム１５１を供給するよう配置される。
【００８３】
レーザ切除装置１は、撮像用レーザビーム１１１、切断用レーザビーム１２１、および照準用レーザビーム１５１を集めて、複合レーザビーム１３１に組み合わせるよう配置されたビームコンフィギュレータ１３をさらに備える。複合レーザビーム１３１は、骨２に供給される。具体的には、複合レーザビームは、骨２上または骨の画像上に術前に画定された骨切断線２１に沿って駆動される。骨切断線２１に沿って複合レーザビーム１３１を駆動するため、一方では、ビームコンフィギュレータ１３は、図２と共に以下でより詳細に説明する、それぞれの案内手段を有する。他方では、レーザ切除装置１は、ビームコンフィギュレータ１３の案内手段によって可能な範囲よりも大きい範囲に、レーザ切除装置１を正確に動かすことを可能にする、作動補助システム３のロボットアーム３１に取りつけられている。
【００８４】
作動補助システム３は、ナビゲータ３２とユーザインタフェース３３とをさらに備える。ユーザインタフェース３３は、ユーザまたは操作者が、レーザ切除装置１の制御ユニット１４と相互作用することを可能にするよう配置される。
【００８５】
制御ユニット１４は、レーザ切除装置１の内外の他の構成要素と通信するための,いくつかのインタフェースを備える。具体的には、制御ユニットは、これらインタフェースを介して、ロボットアーム３１、ナビゲータ３２、ユーザインタフェース３３、切断用レーザ光源１２、ＯＣＴ用レーザ光源１１、照準用レーザ光源１５、ビームコンフィギュレータ１３、冷却ノズル１６、および温度センサとしての赤外線（ＩＲ：ｉｎｆｒａｒｅｄ）カメラ１７と接続されている。
【００８６】
制御ユニット１４は、レーザ切除装置１を作動させるとき、複数のタスクを実行するよう適合または配置され、構成される。制御ユニットは、切断用レーザビーム１２１の２つの連続するパルス間の、そして以下の図４でより詳細に見ることができるような、切断用レーザビーム１２１の各パルスの直後の、撮像用レーザビーム１１１の反射を評価する。この反射を評価することによって、制御ユニット１４は、切除された組織の横断面図など、切断用レーザビーム１２１のパルスの影響に関する情報を導き出す。この情報に応じて、制御ユニットは、切断用レーザビーム１２１の次のパルスが組織の実際の状況に適するように切断用レーザ光源１２を調整する。かかる調整は、切断用レーザビーム１２１のパワーを変更すること、切断用レーザビームの繰返し率を変更すること、切断用レーザビームのビーム波形を変更することなどを含むことができる。
【００８７】
冷却ノズル１６は、骨２に向かって、複合レーザビーム１３１が骨２の組織に当たる箇所、すなわち骨切断線２１に、冷却媒体を噴霧するよう適合される。冷却媒体は、具体的には、空気などの気体と組み合わされた水など、好ましくは無菌の液体であり得る。従って、制御ユニット１４で、ノズル１６によって発生する噴霧の組成、状態、および方向を調整することにより、冷却を調整することができる。
【００８８】
ＩＲカメラ１７はまた、骨２に向かって、複合レーザビーム１３１が骨２の組織に当たる箇所、すなわち骨切断線２１に向けられる。従って、切除されている一方で、カメラは、組織の温度を絶えず測定する。温度がたとえば４５℃などの特定の閾値を超える場合、制御ユニット１４は、組織が再び十分に冷やされるまで、切断用レーザビーム１２１の供給を中断する。
【００８９】
図２では、レーザ切除装置１のビームコンフィギュレータ１３を、より詳細に示す。ビームコンフィギュレータは、スキャナミラーとしての放物面ミラー１３３と、ミラー１３２１、第１のダイクロイックミラー１３２２、および第２のダイクロイックミラー１３２３を備えているビーム混合構造体としての光学機械システム１３２とを装備している。ミラー１３２１は、照準用レーザビーム１５１に、第１のダイクロイックミラー１３２２の裏側へ向きを変えさせるように配置されている。第１のダイクロイックミラー１３２２は、照準用レーザビーム１５１に対して透過的であり、撮像用レーザビーム１１１に、照準用レーザビーム１５１と同じ方向に、第２のダイクロイックミラー１３２３の裏側へ向きを変えさせる。第２のダイクロイックミラー１３２３は、照準用レーザビーム１５１および撮像用レーザビーム１１１に対して透過的である。第２のダイクロイックミラーは、切断用レーザビーム１２１に、照準用レーザビーム１５１および撮像用レーザビーム１１１と同じ方向に、放物面ミラー１３３へ向きを変えさせる。
【００９０】
この段階で、照準用レーザビーム１５１、撮像用レーザビーム１１１、および切断用レーザビーム１２１の光軸は、平行または同軸であり、その結果これらのレーザビームが一緒になって、複合レーザビーム１３１を形成する。放物面ミラー１３３は、制御ユニット１４によって可動かつ調整可能である。このようにして、放物面ミラーは、複合レーザビーム１３１を、アウトカップリング窓１３４を介して、骨切断線２１に正確に沿って骨２に向けて集束させ方向づける。従って、放物面ミラーは、ビームコンフィギュレータ１３の案内手段を確立する。
【００９１】
図３は、レーザ切除装置１の動作の流れを示す。ユーザインタフェース３３を介するなど、外部の上位システム（３Ａ）からのユーザ入力を必要とする、切断の実行、およびそのパラメータの設定で開始する。第２のステップでは、切断の設計が外部から制御ユニット１４にロードされ（１Ａ）、制御ユニット１４は、第１の切断用レーザパルスを計画し（１Ｂ）、続いて切断パラメータを画定する（１Ｃ）。第１の切断用レーザビームパルスの前に、制御ユニット１４は、計画位置に従ってビームコンフィギュレータ１３を設定する（１Ｄ）。次いで、切断用レーザビーム１２１のパルスを供給すること（１Ｅ）によって、レーザ切除が実行される。構成に応じて、撮像用レーザビーム１１１の測定値が、切断用レーザビームパルス（１Ｅ）の前および／または後に取得される（１Ｆ）。取得の直後に、この反射は制御ユニット１４によって評価され（１Ｇ）、次の切断用レーザビームパルス１１Ｂを計画することによって切断の実行が更新される（１１Ｂ）。このステップが、外部構成要素（３Ｂ）との相互作用を必要とするか否かは、外部アクチュエータおよび／または追跡システムの使用による。
【００９２】
図４では、切断用レーザ光源１２、放物面ミラー１３３、およびＯＣＴ用レーザ光源１１１の作用を表すインデックスＩ１２１、Ｉ１３３、Ｉ１１１のグラフを示す。これによって、切断用レーザビーム１２１のパルスが供給された直後に（インデックスＩ１２１によって表される）、放物面ミラー１３３は、組織が切除される骨２の位置が走査されるように動く（インデックスＩ１３３によって表される）ことがわかる。従って、絶えず供給されるＯＣＴ用レーザビーム１１１により、骨２を切断する断面画像を生成することが可能になる（インデックスＩ１１１によって表される）。制御ユニット１４によって、この画像から、少なくとも深度が導き出され、適切であれば次の切断用レーザビーム１２１のパルスを適合させるための判断が導き出される。
【００９３】
本発明の態様および実施形態を例示するこの説明および添付図面は、保護される発明を定義する特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。言い換えれば、本発明について、図面および前述の記載で詳細に示し、また説明してきたが、かかる図および説明は例示的または代表的で限定的ではないと考えられるべきである。この説明および特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な機械的、組成的、構造的、電気的、および動作上の変更を加えることができる。ある例では、本発明を曖昧にしないように、よく知られた回路、構造、および技法を詳細に説明してきてはいない。従って、以下の特許請求の範囲の、範囲および趣旨の範囲内で、当業者によって変更および修正がなされ得ることが理解されよう。特に、本発明は、上記および下記の様々な実施形態からの特徴の任意の組合せを含む、さらなる実施形態をカバーする。
【００９４】
本開示はまた、図で個々に示す、さらなるすべての特徴をカバーしているが、すべての特徴が上記または以下の記載で説明されてはいない可能性がある。また、図および説明に記載された実施形態の単一の代替形態および実施形態の特徴の単一の代替形態は、本発明の主題または開示された主題から放棄され得る。本開示は、特許請求の範囲または例示的な実施形態で定義された特徴からなる主題、ならびに当該の特徴を有する主題を含む。
【００９５】
さらに特許請求の範囲で、単語「ｃｏｍｒｉｓｉｎｇ」は、他の構成要素またはステップを排除するものではなく、また不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を除外するものではない。単一のユニットまたは単一のステップは、特許請求の範囲に列挙された複数の特徴の機能を果たす。特定の手段が、互いに相異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。属性または値に関連する用語「ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ」、「ａｂｏｕｔ」、「ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ」などは、特にまたそれぞれ、正確に計属性を、または正確に値を定義する。所与の数値または範囲の文脈での用語「ａｂｏｕｔ」は、所与の値または範囲の、たとえば２０％以内、１０％以内、５％以内、または２％以内である値または範囲を指す。結合または接続されていると説明された構成要素は、電気的または機械的に直接結合されていてもよく、あるいは１つまたは複数の中間構成要素を介して間接的に結合されていてもよい。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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