(57)【要約】本開示は、例えば、患者が虫歯を形成しないように予防するために、歯系組織の予防的レーザベースの治療に関連する種々のシステムおよび方法に関する。ある事例では、レーザベースの治療システムは、組織を融解または切除することなく、組織の耐酸性の増加または組織からの炭酸塩の除去のいずれかをもたらす、フルエンスプロファイルを伴うレーザビームパルスを治療部位において生成することができる。ある事例では、レーザベースの治療システムは、組織を融解または切除することなく、組織の耐酸性の増加または組織からの炭酸塩の除去のいずれかをもたらす、時間および／または空間パターンに従って、レーザビームを治療部位内の種々の場所に指向することができる。予防的および他のレーザベースの治療のための多くの他のシステムおよび技法もまた、説明される。
2020519370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するためのシステムであって、前記システムは、
レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるためのレーザ源と、
前記レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系であって、前記少なくとも１つの光学系は、レーザビーム幅を画定し、前記歯の硬組織の表面またはその近傍において前記レーザビームを集束させるように適合される、少なくとも１つの光学系と、
前記画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するように適合されるコントローラであって、前記レーザビームパルスは、
上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスであって、前記上限閾値フルエンスは、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義される、最大局所フルエンスと、
下限閾値フルエンスを上回る少なくとも１つの他の局所フルエンスであって、前記下限閾値フルエンスは、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こすフルエンスとして定義される、少なくとも１つの他の局所フルエンスと
を有する、フルエンスプロファイルを焦点において有する、コントローラと
を備える、システム。
【請求項２】
前記表面改質は、融解およびアブレーションのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記融解は、２００倍、５００倍、および１，０００倍のうちの少なくとも１つの倍率において、治療された表面の目視検査によって決定される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記アブレーションは、２００倍、５００倍、および１，０００倍のうちの少なくとも１つの倍率において、治療された表面の目視検査によって決定される、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記酸溶解抵抗は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定される、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、およびトップハットプロファイルのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記レーザ源は、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有するレーザビームを生成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記コントローラは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および平均レーザ出力電力のうちの少なくとも１つを制御し、前記パルスエネルギーを制御するように適合される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記レーザパルスは、０．１〜１，０００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記歯の硬組織の上に、およびそれを横断してのうちの少なくとも１つで流動するように流体を指向するための流体システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記流体は、空気、窒素、および水のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記流体は、液体を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記流体は、フッ化物を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記流体は、圧縮性流体を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
前記流体システムはさらに、流体膨張要素を備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記流体が、前記レーザパルスと非同期的に、前記歯の硬組織の上に、およびそれを横断してのうちの少なくとも１つで指向されるように、前記流体システムを制御する流体コントローラをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２１】
前記流体が、前記レーザパルスと同時に、前記歯の硬組織の上に、およびそれを横断してのうちの少なくとも１つで指向されるように、前記流体システムを制御する流体コントローラをさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２２】
いかなるレーザビームパルスも前記場所に向かって指向されていない間に、前記場所の表面温度を低下した温度まで減少させるために十分な前記流体の流率を調節するための流量コントローラをさらに備え、前記低下した温度および温度上昇量の合計は、最大でも上昇した温度に等しい、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２３】
前記流体は、圧縮空気を含み、
前記流率は、１ＳＬＰＭ〜１００ＳＬＰＭの範囲内である、
請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
前記流体システムは、前記歯の硬組織を横断して前記流体を流動させる陰圧差を発生させるように適合される真空源を備える、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２５】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する方法であって、前記方法は、
レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるステップと、
少なくとも１つの光学系を使用して、レーザビーム幅を画定し、前記歯の硬組織の表面またはその近傍において前記レーザビームを集束させるステップと、
前記画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するステップであって、前記レーザビームパルスは、
上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスであって、前記上限閾値フルエンスは、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義される、最大局所フルエンスと、
下限閾値フルエンスを上回る少なくとも１つの他の局所フルエンスであって、前記下限閾値フルエンスは、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こすフルエンスとして定義される、少なくとも１つの他の局所フルエンスと
を有する、フルエンスプロファイルを焦点において有する、ステップと
を含む、方法。
【請求項２６】
前記表面改質は、融解およびアブレーションのうちの少なくとも１つを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記融解は、２００倍、５００倍、および１，０００倍のうちの少なくとも１つの倍率において、治療された表面の目視検査によって決定される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記アブレーションは、２００倍、５００倍、および１，０００倍のうちの少なくとも１つの倍率において、治療された表面の目視検査によって決定される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記酸溶解抵抗は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定される、請求項２５に記載の方法。
【請求項３２】
前記フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、およびトップハットプロファイルのうちの少なくとも１つを備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３３】
前記レーザビームパルスは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項３４】
前記パルスエネルギーを制御するステップは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および平均レーザ出力電力のうちの少なくとも１つを制御するステップを含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３５】
治療後溶液を前記歯の硬組織に適用するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３６】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記レーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３８】
前記レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項３９】
前記場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を備える、請求項２５に記載の方法。
【請求項４０】
前記歯の硬組織の上に、およびそれを横断してのうちの少なくとも１つで流動するように流体を指向するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項４１】
前記流体は、空気、窒素、および水のうちの少なくとも１つを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記流体は、液体を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記流体は、フッ化物を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記流体は、圧縮性流体を含み、前記方法はさらに、前記歯の硬組織上に前記流体を指向することに先立って、前記流体を膨張させるステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記流体を指向するステップは、前記レーザパルスを生成するステップと非同期的である、請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
前記流体を指向するステップは、前記レーザパルスを生成するステップ中に起こる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】
いかなるパルスバーストも前記場所に向かって指向されていない間に、前記場所の表面温度を低下した温度まで減少させるために十分な前記流体の流率を調節するステップをさらに含み、前記低下した温度および温度上昇量の合計は、最大でも上昇した温度に等しい、請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
前記流体は、圧縮空気を含み、
前記流率は、１ＳＬＰＭ〜１００ＳＬＰＭの範囲内である、
請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記流体を指向するステップは、前記歯の硬組織を横断して前記流体を流動させる陰圧差を発生させるステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５０】
治療後溶液を前記歯の硬組織に適用するステップをさらに含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５１】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項５２】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するためのシステムであって、前記システムは、
レーザビームの複数のパルスを発生させるためのレーザ源と、
ビーム誘導システムであって、
初期場所の表面温度が、第１のレーザパルス中に初期表面温度から上昇した表面温度まで上昇され、前記上昇した温度が、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最低温度として定義される上限温度閾値を下回るように、前記第１のレーザパルスを前記歯の硬組織の治療領域内の前記初期場所に指向することと、
１つ以上の中間レーザパルスを前記治療領域内の１つ以上の中間場所に指向することと、
前記初期場所の冷却が前記表面温度と前記初期表面温度との間の差を前記上昇した温度の５０％以下にさせる、冷却周期後に、別のレーザパルスを前記初期場所に指向することと
を行うように適合される、ビーム誘導システムと
を備える、システム。
【請求項５３】
前記初期表面温度は、摂氏２０〜４０度の範囲内である、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
前記上昇した表面温度は、摂氏３００〜１，８００度の範囲内である、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５５】
前記第１のレーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を備える、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５６】
前記第１のレーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備える、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５７】
前記初期場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を有する、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５８】
前記冷却周期は、少なくとも５００マイクロ秒である、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５９】
前記１つ以上の中間場所は、前記初期場所に重複しない、請求項５２に記載のシステム。
【請求項６０】
前記１つ以上の中間場所は、規定閾値量を超えない量だけ前記初期場所に重複する、請求項５２に記載のシステム。
【請求項６１】
前記規定閾値量は、レーザパルスエネルギーおよびレーザビーム幅のうちの少なくとも１つの関数である、請求項６０に記載のシステム。
【請求項６２】
前記レーザビームは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有する、請求項５２に記載のシステム。
【請求項６３】
前記波長は、９〜１０ミクロンの範囲内である、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６４】
前記波長は、１０〜１１ミクロンの範囲内である、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６５】
前記上昇した温度は、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こす温度として定義される下限温度閾値と少なくとも等しい、請求項５２に記載のシステム。
【請求項６６】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する方法であって、前記方法は、
第１のレーザパルスを前記歯の硬組織の治療領域内の初期場所に指向するステップと、
前記初期場所の表面温度を、前記第１のレーザパルス中に、初期表面温度から上昇した表面温度まで上昇させるステップであって、前記上昇した温度は、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最低温度として定義される上限温度閾値を下回る、ステップと、
１つ以上の中間レーザパルスを前記治療領域内の１つ以上の中間場所に指向するステップと、
前記初期場所の冷却が前記表面温度と前記初期表面温度との間の差を前記上昇した温度の５０％以下にさせる冷却周期後に、別のレーザパルスを前記初期場所に指向するステップと
を含む、方法。
【請求項６７】
前記初期表面温度は、摂氏２０〜４０度の範囲内である、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記上昇した表面温度は、摂氏３００〜１，８００度の範囲内である、請求項６６に記載の方法。
【請求項６９】
前記第１のレーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を備える、請求項６６に記載の方法。
【請求項７０】
前記第１のレーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備える、請求項６６に記載の方法。
【請求項７１】
前記初期場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を有する、請求項６６に記載の方法。
【請求項７２】
前記冷却周期は、少なくとも５００マイクロ秒である、請求項６６に記載の方法。
【請求項７３】
前記１つ以上の中間場所は、前記初期場所に重複しない、請求項６６に記載の方法。
【請求項７４】
前記１つ以上の中間場所は、規定閾値量を超えない量だけ前記初期場所に重複する、請求項６６に記載の方法。
【請求項７５】
前記規定閾値量は、レーザパルスエネルギーおよびレーザビーム幅のうちの少なくとも１つの関数である、請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記レーザビームは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有する、請求項６６に記載の方法。
【請求項７７】
前記波長は、９〜１０ミクロンの範囲内である、請求項７６に記載の方法。
【請求項７８】
前記波長は、１０〜１１ミクロンの範囲内である、請求項７６に記載の方法。
【請求項７９】
前記上昇した温度は、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こす温度として定義される下限温度閾値と少なくとも等しい、請求項６６に記載の方法。
【請求項８０】
治療後溶液を前記歯の硬組織に適用するステップをさらに含む、請求項６６に記載の方法。
【請求項８１】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するためのシステムであって、前記システムは、
レーザビームの複数のパルスを発生させるためのレーザ源と、
レーザビーム幅を画定するように適合される少なくとも１つの光学構成要素と、
前記レーザビームパルスが、前記歯の硬組織の表面にフルエンスプロファイルを有するように、前記画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するように適合されるコントローラであって、前記プロファイルは、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こすフルエンスとして定義される下限閾値フルエンスと少なくとも等しい局所フルエンスを備える、コントローラと、
前記複数のレーザビームパルスを前記歯の硬組織上の個別の場所に指向するように適合されるビーム誘導システムであって、
第１のレーザビームパルスは、第１の場所に指向され、
別のレーザビームパルスは、前記レーザビーム幅に基づく間隔によって前記第１の場所から分離される別の場所に指向される、
ビーム誘導システムと
を備える、システム。
【請求項８３】
前記酸溶解抵抗は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定される、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８４】
前記酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含む、請求項８３に記載のシステム。
【請求項８５】
前記表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定される、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８６】
前記フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、およびトップハットプロファイルのうちの少なくとも１つを備える、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８７】
前記複数のレーザビームパルスは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を備える、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８８】
前記コントローラは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および平均レーザ出力電力のうちの少なくとも１つを制御し、前記パルスエネルギーを制御するように適合される、請求項８２に記載のシステム。
【請求項８９】
前記間隔はさらに、治療フルエンス幅に基づく、請求項８２に記載のシステム。
【請求項９０】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する方法であって、前記方法は、
レーザビームの複数のパルスを発生させるステップと、
少なくとも１つの光学構成要素を使用して、レーザビーム幅を画定するステップと、
前記レーザビームパルスが、前記歯の硬組織の表面にフルエンスプロファイルを有するように、前記画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するステップであって、前記プロファイルは、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こすフルエンスとして定義される下限閾値フルエンスと少なくとも等しい局所フルエンスを備える、ステップと、
第１のレーザビームパルスを前記歯の硬組織上の第１の場所に指向するステップと、
別のレーザビームパルスを、前記レーザビーム幅に基づく間隔によって前記第１の場所から分離される別の場所に指向するステップと
を含む、方法。
【請求項９１】
前記酸溶解抵抗は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定される、請求項９０に記載の方法。
【請求項９２】
前記酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前記表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定される、請求項９０に記載の方法。
【請求項９４】
前記フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、およびトップハットプロファイルのうちの少なくとも１つを備える、請求項９０に記載の方法。
【請求項９５】
前記複数のレーザビームパルスは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を備える、請求項９０に記載の方法。
【請求項９６】
前記パルスエネルギーを制御するステップは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および平均レーザ出力電力のうちの少なくとも１つを制御するステップを含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項９７】
前記間隔はさらに、治療フルエンス幅に基づく、請求項９０に記載の方法。
【請求項９８】
治療後溶液を前記歯の硬組織に適用するステップをさらに含む、請求項９０に記載の方法。
【請求項９９】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項９８に記載の方法。
【請求項１００】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織の治療領域を治療するためのシステムであって、前記治療領域は、前記治療領域に付着した染色薄膜を備え、
前記治療領域内の場所に向かって指向されるレーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるためのレーザ源と、
前記場所の表面温度が、前記レーザパルス中に、少なくとも、前記染色薄膜の少なくとも一部の除去のために必要な温度まで上昇されるように、前記レーザ源を制御するように適合される、コントローラと
を備える、システム。
【請求項１０１】
前記染色は、エリスロシン、フロキシン、ビスマルクブラウン、ムチカルミン、および食品着色料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０２】
前記コントローラはさらに、前記レーザパルス中に、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こす温度として定義される下限治療閾値温度を上回って、前記場所の表面温度を上昇させるように適合される、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０３】
前記下限治療閾値温度は、摂氏３００度を上回る、請求項１０２に記載のシステム。
【請求項１０４】
前記レーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を備える、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０５】
前記レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備える、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０６】
前記場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を備える、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０７】
前記レーザビームは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有する、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１０８】
前記波長は、９〜１０ミクロンの範囲内である、請求項１０７に記載のシステム。
【請求項１０９】
前記波長は、１０〜１１ミクロンの範囲内である、請求項１０８に記載のシステム。
【請求項１１０】
前記染色は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１００に記載のシステム。
【請求項１１１】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織の治療領域を治療する方法であって、前記治療領域は、前記治療領域に付着した染色薄膜を備え、前記方法は、
レーザ源からレーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるステップと、
前記治療領域内の場所に向かって前記レーザパルスを指向するステップと、
前記場所の表面温度が、前記レーザパルス中に、少なくとも、前記染色薄膜の少なくとも一部の除去のために必要な温度まで上昇されるように、前記レーザ源を制御するステップと
を含む、方法。
【請求項１１２】
前記染色は、エリスロシン、フロキシン、ビスマルクブラウン、ムチカルミン、および食品着色料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１３】
前記レーザパルス中に、下限治療温度を上回って前記場所の表面温度を上昇させるステップをさらに含む、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１４】
前記下限治療閾値温度は、（ｉ）前記歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加と、（ｉｉ）前記歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少とのうちの少なくとも１つを引き起こす温度として定義される、請求項１１３に記載の方法。
【請求項１１５】
前記下限治療閾値温度は、摂氏３００度を上回る、請求項１１３に記載の方法。
【請求項１１６】
前記レーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を備える、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１７】
前記レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを備える、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１８】
前記場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を備える、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１１９】
前記レーザビパルスは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を備える、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１２０】
前記波長は、９〜１０ミクロンの範囲内である、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１２１】
前記波長は、１０〜１１ミクロンの範囲内である、請求項１２０に記載の方法。
【請求項１２２】
前記染色は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１２３】
治療後溶液を前記歯の硬組織に適用するステップをさらに含む、請求項１１１に記載の方法。
【請求項１２４】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２３に記載の方法。
【請求項１２５】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するためのシステムであって、前記システムは、
レーザビームの複数のパルスを発生させるためのレーザ源と、
前記レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系であって、前記少なくとも１つの光学系は、前記歯の硬組織の表面またはその近傍において前記レーザビームを集束させるように適合される、少なくとも１つの光学系と、
前記複数のレーザパルスの少なくとも一部のエネルギーを測定するために適合されるレーザエネルギーセンサと、
コントローラであって、前記コントローラは、前記複数のレーザビームパルスのうちの各１つが、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有するフルエンスプロファイルを焦点において有し、前記上限閾値フルエンスが、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義されるように、前記測定されたエネルギーに応答して、前記レーザ源を制御するように適合される、コントローラと
を備える、システム。
【請求項１２６】
前記レーザエネルギーセンサは、ヒ化インジウムセンサ、水銀カドミウムテルルセンサ、熱電対列、フォトダイオード、および光検出器のうちの少なくとも１つを備える、請求項１２５に記載のシステム。
【請求項１２７】
前記レーザエネルギーセンサに向かって前記複数のレーザパルスの一部を指向するように適合されるビームピックオフをさらに備える、請求項１２５に記載のシステム。
【請求項１２８】
前記ビームピックオフは、反射性減光フィルタ、部分的透過性ミラー、およびビーム合成器のうちの少なくとも１つを備える、請求項１２７に記載のシステム。
【請求項１２９】
前記ビームピックオフは、前記レーザエネルギーセンサの損傷閾値に基づいて選択される、請求項１２７に記載のシステム。
【請求項１３０】
前記コントローラは、パルスあたりのレーザエネルギーに従って、焦点における前記レーザビームの幅および前記レーザビームのテーパ化を制御するように適合される、請求項１２５に記載のシステム。
【請求項１３１】
前記コントローラは、前記焦点における前記レーザビームの幅に従って、（ｉ）レーザ電力と、（ｉｉ）パルス持続時間とのうちの少なくとも１つを制御するように適合される、請求項１２５に記載のシステム。
【請求項１３２】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する方法であって、前記方法は、
レーザ源からレーザビームの複数のパルスを発生させるステップと、
前記レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系を使用して、前記歯の硬組織の表面またはその近傍において前記レーザビームを集束させるステップと、
前記複数のレーザビームパルスの少なくとも一部のエネルギーを測定するステップと、
前記複数のレーザビームパルスのうちの各１つが、
上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有するフルエンスプロファイルを焦点において有し、前記上限閾値フルエンスが、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義される
ように、前記測定されたエネルギーに応答して、前記レーザ源を制御するステップと
を含む、方法。
【請求項１３３】
前記測定されたエネルギーは、（ｉ）各レーザビームパルスからのエネルギーの一部と、（ｉｉ）各レーザビームパルスからの前記エネルギーの実質的に全てとのうちの少なくとも１つを備える、請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３４】
前記複数のレーザビームパルスの少なくとも一部の測定されたエネルギーを感知するステップをさらに含む、請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３５】
前記複数のレーザビームパルスからエネルギーの信号部分を取り出すステップをさらに含み、前記複数のレーザビームパルスの少なくとも一部の測定されたエネルギーを感知するステップは、前記エネルギーの信号部分の測定されたエネルギーを感知するステップを含む、請求項１３４に記載の方法。
【請求項１３６】
焦点における前記レーザビームの幅を制御するステップと、
パルスあたりのレーザエネルギーに従って、前記レーザビームをテーパ化するステップと
をさらに含む、請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３７】
前記焦点における前記レーザビームの幅に従って、（ｉ）レーザ電力と、（ｉｉ）パルス持続時間とのうちの少なくとも１つを制御するステップをさらに含む、請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３８】
治療後溶液を前記歯の硬組織に適用するステップをさらに含む、請求項１３２に記載の方法。
【請求項１３９】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１３８に記載の方法。
【請求項１４０】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するためのシステムであって、前記システムは、
レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるためのレーザ源と、
前記レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系であって、前記少なくとも１つの光学系は、レーザビーム幅を画定し、前記歯の硬組織の表面またはその近傍において前記レーザビームを集束させるように適合される、少なくとも１つの光学系と、
コントローラであって、前記コントローラは、前記レーザビームパルスが、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有するフルエンスプロファイルを焦点において有し、前記上限閾値フルエンスが、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義されるように、前記定義されたビーム幅に基づいてパルスエネルギーを制御するように適合される、コントローラと、
治療後溶液を前記歯の硬組織に適用するように適合される治療後送達システムと
を備える、システム。
【請求項１４１】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４０に記載のシステム。
【請求項１４２】
前記コントローラは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および平均レーザ出力電力のうちの少なくとも１つを制御し、前記パルスエネルギーを制御するように適合される、請求項１４０に記載のシステム。
【請求項１４３】
酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する方法であって、前記方法は、
レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるステップと、
少なくとも１つの光学系を使用して、レーザビーム幅を画定し、前記歯の硬組織の表面またはその近傍において前記レーザビームを集束させるステップと、
前記レーザビームパルスが、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有するフルエンスプロファイルを焦点において有し、前記上限閾値フルエンスが、前記歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義されるように、前記定義されたビーム幅に基づいてパルスエネルギーを制御するステップと、
治療後溶液を前記歯の硬組織に送達するステップと
を含む、方法。
【請求項１４４】
前記治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、およびリン酸塩のうちの少なくとも１つを含む、請求項１４３に記載の方法。
【請求項１４５】
前記パルスエネルギーを制御するステップは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および平均レーザ出力電力のうちの少なくとも１つを制御するステップを含む、請求項１４４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、２０１７年５月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／５０５，４５０号に対する優先権およびその利益を主張するものであり、該仮特許出願の全内容は、全体が参照により本明細書中に援用される。
【背景技術】
【０００２】
齲蝕は、細菌によって引き起こされる。細菌は、グルコース、フルクトース、およびスクロース等の糖類を、乳酸、酪酸、および酢酸等の酸に変換する。細菌由来の酸は、経時的に、脱塩として公知であるプロセスにおいて歯の硬組織を分解する。残念ながら、齲蝕または虫歯の治療は、殆どの読者によって経験的に公知である。したがって、「虫歯になること」を回避することが望ましい理由が、殆どの読者によって理解される。
【０００３】
学術研究は、レーザが、歯の硬組織を齲蝕形成および一般に酸溶解により耐性にするために、使用され得ることを示している。２０年にわたって、歯のエナメル質についての研究は、レーザ治療が酸溶解率を低減させることを示している。これらの所見は、生体内および原位置研究によって裏付けられている。例えば、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏのＤｒ．  Ｐｅｔｅｒ  Ｒｅｃｈｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．によって行われ、２０１１年に発表された研究は、９．６ミクロンレーザを用いて治療された患者のエナメル質に関して、１２週間にわたって８７％脱塩阻止を見出した。本主題に関連する研究の量および質により、具体的レーザ治療が虫歯の形成を阻止するという根拠が、現在、歯科研究界では広く普遍的と見なされている。
【０００４】
歯牙酸蝕症は、口腔内細菌によって形成されない酸による、歯の硬組織の酸溶解として定義される。歯牙酸蝕症の主要な原因は、酸性飲料および胃酸の逆流を含む。虫歯と異なり、歯牙酸蝕症の治療は、あまり広く公知ではない。また、虫歯と異なり、歯牙酸蝕症の治療は、患者の生命の他の側面に影響を及ぼす可能性が高い。フッ化物治療が、歯牙酸蝕症を妨害するために使用されてもよいが、多くの場合、入り交じった結果を伴う。歯牙酸蝕症のより効果的な治療は、通常、生活様式の変化の処方、例えば、ソーダおよびジュースのような酸性飲料を飲むことを長期的に断つことである。生活様式の変化は、殆どの患者にとって同意することが困難であり、一部の歯牙酸蝕症患者にとって実際には不可能である。例えば、その口の中に酸性のワインを繰り返し保持することから歯牙酸蝕症に罹患するソムリエは、転職しなければ、その歯牙酸蝕症を治療するために必要な生活様式の変化を起こすことができない。歯牙酸蝕症を妨害し、虫歯の形成を阻止する歯科治療が、したがって、所望される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するためのシステムに関する。本システムは、レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるためのレーザ源と、レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系であって、レーザビーム幅を画定し、歯の硬組織の表面またはその近傍においてレーザビームを集束させるように適合される、少なくとも１つの光学系と、画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するように適合される、コントローラであって、レーザビームパルスは、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスであって、上限閾値フルエンスは、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義される、最大局所フルエンスと、下限閾値フルエンスを上回る少なくとも１つの他の局所フルエンスであって、下限閾値フルエンスは、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、フルエンスとして定義される、少なくとも１つの他の局所フルエンスとを有する、フルエンスプロファイルを焦点において有する、コントローラとを含むことができる。
【０００６】
上記の側面のいくつかの実施形態では、表面改質は、融解および／またはアブレーションを含む。融解および／またはアブレーションは、２００倍、５００倍、および１，０００倍のうちの少なくとも１つの倍率において、治療された表面の目視検査によって決定されることができる。酸溶解抵抗は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定されることができる。酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含むことができる。ある場合には、表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定されることができる。ある事例では、フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、および／またはトップハットプロファイルを含むことができる。レーザ源は、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有する、レーザビームを生成することができる。ある事例では、コントローラは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および／または平均レーザ出力電力を制御し、パルスエネルギーを制御するように適合される。
【０００７】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する方法に関する。本方法は、レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるステップと、少なくとも１つの光学系を使用して、レーザビーム幅を画定し、歯の硬組織の表面またはその近傍においてレーザビームを集束させるステップと、画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するステップであって、レーザビームパルスは、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスであって、上限閾値フルエンスは、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義される、最大局所フルエンスと、下限閾値フルエンスを上回る少なくとも１つの他の局所フルエンスであって、下限閾値フルエンスは、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、フルエンスとして定義される、少なくとも１つの他の局所フルエンスとを有する、フルエンスプロファイルを焦点において有する、ステップ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では、表面改質は、融解および／またはアブレーションを含むことができる。融解および／またはアブレーションは、２００倍、５００倍、および１，０００倍のうちの少なくとも１つの倍率において、治療された表面の目視検査によって決定されることができる。酸溶解は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定されることができる。酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含むことができる。ある場合には、表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定される。フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、および／またはトップハットプロファイルを含むことができる。ある事例では、レーザビームパルスは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有する。ある場合には、パルスエネルギーを制御するステップは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および平均レーザ出力電力のうちの少なくとも１つを制御するステップを含むことができる。本方法はさらに、治療後溶液を歯の硬組織に適用するステップを含むことができる。治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。
【０００９】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するための別のシステムに関する。本システムは、レーザビームの複数のパルスを発生させるためのレーザ源と、初期場所の表面温度が、第１のレーザパルス中に初期表面温度から上昇した表面温度まで上昇され、上昇した温度が、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最低温度として定義される上限温度閾値を下回るように、第１のレーザパルスを歯の硬組織の治療領域内の初期場所に指向し、１つ以上の中間レーザパルスを治療領域内の１つ以上の中間場所に指向し、初期場所の冷却が表面温度と初期表面温度との間の差を上昇した温度の５０％以下にさせる、冷却周期後に、別のレーザパルスを初期場所（または初期場所の近隣）に指向するように適合される、ビーム誘導システムとを含むことができる。
【００１０】
上記の側面のいくつかの実施形態では、初期表面温度は、摂氏２０〜４０度の範囲内である。上昇した表面温度は、摂氏３００〜１，８００度の範囲内であり得る。ある事例では、第１のレーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を有する。ある事例では、第１のレーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを有する。初期場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を有することができる。ある場合には、冷却周期は、少なくとも５００マイクロ秒である。ある事例では、１つ以上の中間場所は、初期場所に重複しない。ある事例では、１つ以上の中間場所は、レーザパルスエネルギーおよびレーザビーム幅のうちの少なくとも１つの関数であり得る、規定閾値量を超えない量だけ初期場所に重複する。レーザビームは、８〜１２ミクロン（例えば、９〜１０ミクロンまたは１０〜１１ミクロン）の範囲内の波長を有することができる。ある事例では、上昇した温度は、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、温度として定義される下限温度閾値と少なくとも等しい。
【００１１】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する別の方法に関する。本方法は、第１のレーザパルスを歯の硬組織の治療領域内の初期場所に指向するステップと、初期場所の表面温度を、第１のレーザパルス中に、初期表面温度から上昇した表面温度まで上昇させるステップであって、上昇した温度は、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最低温度として定義される上限温度閾値を下回る、ステップと、１つ以上の中間レーザパルスを治療領域内の１つ以上の中間場所に指向するステップと、初期場所の冷却が表面温度と初期表面温度との間の差を上昇した温度の５０％以下にさせる、冷却周期後に、別のレーザパルスを初期場所（または初期場所の近隣）に指向するステップとを含むことができる。
【００１２】
上記の側面のいくつかの実施形態では、初期表面温度は、摂氏２０〜４０度の範囲内である。上昇した表面温度は、摂氏３００〜１，８００度の範囲内であり得る。ある事例では、第１のレーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を有する。ある事例では、第１のレーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを有する。初期場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を有することができる。ある場合には、冷却周期は、少なくとも５００マイクロ秒である。ある事例では、１つ以上の中間場所は、初期場所に重複しない。ある事例では、１つ以上の中間場所は、レーザパルスエネルギーおよびレーザビーム幅のうちの少なくとも１つの関数であり得る、規定閾値量を超えない量だけ初期場所に重複する。レーザビームは、８〜１２ミクロン（例えば、９〜１０ミクロンまたは１０〜１１ミクロン）の範囲内の波長を有することができる。ある事例では、上昇した温度は、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、温度として定義される下限温度閾値と少なくとも等しい。本方法はさらに、治療後溶液を歯の硬組織に適用するステップを含むことができる。治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。
【００１３】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するための別のシステムに関する。本システムは、レーザビームの複数のパルスを発生させるためのレーザ源と、レーザビーム幅を画定するように適合される、少なくとも１つの光学構成要素と、レーザビームパルスが、歯の硬組織の表面にフルエンスプロファイルを有するように、画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するように適合される、コントローラであって、プロファイルは、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、フルエンスとして定義される、下限閾値フルエンスと少なくとも等しい局所フルエンスを備える、コントローラと、複数のレーザビームパルスを歯の硬組織上の個別の場所に指向するように適合される、ビーム誘導システムであって、第１のレーザビームパルスは、第１の場所に指向され、別のレーザビームパルスは、レーザビーム幅に基づく間隔によって第１の場所から分離される別の場所に指向される、ビーム誘導システムとを含むことができる。
【００１４】
上記の側面のいくつかの実施形態では、酸溶解抵抗は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定される。酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含むことができる。ある場合には、表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定される。フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、および／またはトップハットプロファイルを含むことができる。複数のレーザビームパルスは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有することができる。ある場合には、コントローラは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および／または平均レーザ出力電力を制御し、パルスエネルギーを制御するように適合される。ある事例では、間隔はさらに、治療フルエンス幅（下記で定義される）に基づくことができる。
【００１５】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する別の方法に関する。本方法は、レーザビームの複数のパルスを発生させるステップと、少なくとも１つの光学構成要素を使用して、レーザビーム幅を画定するステップと、レーザビームパルスが、歯の硬組織の表面にフルエンスプロファイルを有するように、画定されたビーム幅に基づいて、パルスエネルギーを制御するステップであって、プロファイルは、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、フルエンスとして定義される、下限閾値フルエンスと少なくとも等しい局所フルエンスを備える、ステップと、第１のレーザビームパルスを歯の硬組織上の第１の場所に指向するステップと、別のレーザビームパルスを、レーザビーム幅に基づく間隔によって第１の場所から分離される別の場所に指向するステップとを含むことができる。
【００１６】
上記の側面のいくつかの実施形態では、酸溶解抵抗は、酸性負荷およびｐＨ循環研究のうちの少なくとも１つによって決定される。酸性負荷は、クエン酸、酢酸、および乳酸のうちの少なくとも１つを使用することを含むことができる。ある場合には、表面炭酸塩の量は、反射率ＦＴＩＲ、ＦＴＩＲ−ＡＴＲ、ラマン分光法、およびＸＲＤのうちの少なくとも１つによって測定される。フルエンスプロファイルはさらに、ガウスプロファイル、近ガウスプロファイル、および／またはトップハットプロファイルを含むことができる。複数のレーザビームパルスは、８〜１２ミクロンの範囲内の波長を有することができる。ある場合には、パルスエネルギーを制御するステップは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および／または平均レーザ出力電力を制御するステップを含む。ある事例では、間隔はさらに、治療フルエンス幅（下記で定義される）に基づくことができる。本方法はさらに、治療後溶液を歯の硬組織に適用するステップを含むことができる。治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。
【００１７】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するための別のシステムに関する。本システムは、歯の硬組織の治療領域内の場所に向かって指向されるレーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるためのレーザ源と、場所の表面温度が、レーザパルス中に温度上昇量によって最大で上昇した温度まで上昇され、上昇した温度が、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最低温度として定義される上限温度閾値を下回るように、レーザ源を制御するように適合される、コントローラと、歯の硬組織の上に、およびそれを横断してのうちの少なくとも１つで流動するように流体を指向するための流体システムとを含むことができる。
【００１８】
種々の実施形態では、流体は、空気、窒素、水、液体、フッ化物、および／または圧縮性流体を含むことができる。本システムはさらに、流体膨張要素を含むことができる。ある場合には、本システムは、流体が、レーザパルスと非同期的または同時に、歯の硬組織の上に、およびそれを横断してのうちの少なくとも１つで指向されるように、流体システムを制御する、流体コントローラを含む。レーザパルスは、０．１〜１，０００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を含むことができる。レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを含むことができる。レーザビームは、８〜１２ミクロン（例えば、９〜１０ミクロンまたは１０〜１１ミクロン）の範囲内の波長を有することができる。場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を有することができる。ある場合には、本システムは、いかなるレーザビームパルスも場所に向かって指向されていない間に、場所の表面温度を低下した温度まで減少させるために十分な流体の流率を調節するための流量コントローラを含み、低下した温度および温度上昇量の合計は、最大でも上昇した温度に等しい。ある場合には、流体は、圧縮空気を含むことができ、流率は、１ＳＬＰＭ〜１００ＳＬＰＭの範囲内である。流体システムは、歯の硬組織を横断して流体を流動させる、陰圧差を発生させるように適合される、真空源を含むことができる。
【００１９】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する別の方法に関する。本方法は、レーザ源から、歯の硬組織の治療領域内の場所に向かって指向されるレーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるステップと、場所の表面温度が、レーザパルス中に温度上昇量によって最大で上昇した温度まで上昇され、上昇した温度が、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最低温度として定義される上限温度閾値を下回るように、レーザ源を制御するステップと、歯の硬組織の上に、およびそれを横断してのうちの少なくとも１つで流動するように流体を指向するステップとを含むことができる。
【００２０】
種々の実施形態では、流体は、空気、窒素、水、液体、フッ化物、および／または圧縮性流体を含むことができる。本方法は、歯の硬組織上に流体を指向することに先立って、圧縮性流体を膨張させるステップを含むことができる。流体を指向するステップは、レーザパルスを生成するステップと非同期的または同時に実施されることができる。レーザパルスは、０．１〜１，０００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を含むことができる。レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを含むことができる。レーザビームは、８〜１２ミクロン（例えば、９〜１０ミクロンまたは１０〜１１ミクロン）の範囲内の波長を有することができる。場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を有することができる。本方法はさらに、いかなるパルスバーストも場所に向かって指向されていない間に、場所の表面温度を低下した温度まで減少させるために十分な流体の流率を調節するステップを含むことができ、低下した温度および温度上昇量の合計は、最大でも上昇した温度に等しい。ある場合には、流体は、圧縮空気を含むことができ、流率は、１ＳＬＰＭ〜１００ＳＬＰＭの範囲内である。本方法はさらに、歯の硬組織を横断して流体を流動させる、陰圧差を発生させるステップを含むことができる。ある場合には、本方法はさらに、治療後溶液を歯の硬組織に適用するステップを含むことができる。治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。
【００２１】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織の治療領域を治療するためのシステムに関し、治療領域は、治療領域に付着した染色薄膜を有する。本システムは、治療領域内の場所に向かって指向されるレーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるためのレーザ源と、場所の表面温度が、レーザパルス中に、少なくとも、染色薄膜の少なくとも一部の除去のために必要な温度まで上昇されるように、レーザ源を制御するように適合される、コントローラとを含むことができる。
【００２２】
種々の実施形態では、染色は、エリスロシン、フロキシン、ビスマルクブラウン、ムチカルミン、および／または食品着色料を含むことができる。ある場合には、コントローラはさらに、レーザパルス中に、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、温度として定義される下限治療閾値温度を上回って、場所の表面温度を上昇させるように適合されることができる。ある場合には、下限治療閾値温度は、摂氏３００度を上回る。レーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を含むことができる。レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを含むことができる。場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を含むことができる。レーザビームは、８〜１２ミクロン（例えば、９〜１０ミクロンまたは１０〜１１ミクロン）の範囲内の波長を有することができる。ある事例では、染色は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含む。
【００２３】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織の治療領域を治療する別の方法に関し、治療領域は、治療領域に付着した染色薄膜を含む。本方法は、レーザ源からレーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるステップと、治療領域内の場所に向かってレーザパルスを指向するステップと、場所の表面温度が、レーザパルス中に、少なくとも、染色薄膜の少なくとも一部の除去のために必要な温度まで上昇されるように、レーザ源を制御するステップとを含むことができる。
【００２４】
種々の実施形態では、染色は、エリスロシン、フロキシン、ビスマルクブラウン、ムチカルミン、および／または食品着色料を含むことができる。ある場合には、本方法はさらに、表面温度を上昇させるステップを含むことができる。下限治療温度は、（ｉ）歯の硬組織の酸溶解抵抗の最小限の増加、および（ｉｉ）歯の硬組織の表面炭酸塩の量の最小限の減少のうちの少なくとも１つを引き起こす、温度として定義されることができる。ある場合には、下限治療閾値温度は、摂氏３００度を上回る。レーザパルスは、０．１〜１００マイクロ秒の範囲内のパルス持続時間を含むことができる。レーザパルスは、０．０５〜１００ｍＪの範囲内のパルスエネルギーを含むことができる。場所は、０．１〜１０ミリメートルの範囲内の幅を含むことができる。レーザビームは、８〜１２ミクロン（例えば、９〜１０ミクロンまたは１０〜１１ミクロン）の範囲内の波長を有することができる。ある事例では、染色は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含む。本方法はさらに、治療後溶液を歯の硬組織に適用するステップを含むことができる。治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。
【００２５】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するための別のシステムに関する。本システムは、レーザビームの複数のパルスを発生させるためのレーザ源と、レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系であって、歯の硬組織の表面またはその近傍においてレーザビームを集束させるように適合される、少なくとも１つの光学系と、複数のレーザパルスの少なくとも一部のエネルギーを測定するために適合される、レーザエネルギーセンサと、複数のレーザビームパルスのうちの各１つが、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有するフルエンスプロファイルを焦点において有し、上限閾値フルエンスが、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義されるように、測定されたエネルギーに応答して、レーザ源を制御するように適合される、コントローラとを含むことができる。
【００２６】
種々の実施形態では、レーザエネルギーセンサは、ヒ化インジウムセンサ、水銀カドミウムテルルセンサ、熱電対列、フォトダイオード、および／または光検出器を含むことができる。本システムはさらに、レーザエネルギーセンサに向かって複数のレーザパルスの一部を指向するように適合される、ビームピックオフを含むことができる。ビームピックオフは、反射性減光フィルタ、部分的透過性ミラー、および／またはビーム合成器を含むことができる。ビームピックオフは、レーザエネルギーセンサの損傷閾値に基づいて選択されることができる。ある場合には、コントローラは、パルスあたりのレーザエネルギーに従って、焦点におけるレーザビームの幅およびレーザビームのテーパ化を制御するように適合されることができる。ある場合には、コントローラは、焦点におけるレーザビームの幅に従って、（ｉ）レーザ電力および／または（ｉｉ）パルス持続時間を制御するように適合されることができる。
【００２７】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する別の方法に関する。本方法は、レーザ源からレーザビームの複数のパルスを発生させるステップと、レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系を使用して、歯の硬組織の表面またはその近傍においてレーザビームを集束させるステップと、複数のレーザビームパルスの少なくとも一部のエネルギーを測定するステップと、複数のレーザビームパルスのうちの各１つが、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有するフルエンスプロファイルを焦点において有し、上限閾値フルエンスが、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義されるように、測定されたエネルギーに応答して、レーザ源を制御するステップとを含むことができる。
【００２８】
種々の実施形態では、測定されたエネルギーは、（ｉ）各レーザビームパルスからのエネルギーの一部および／または（ｉｉ）各レーザビームパルスからのエネルギーの実質的に全てを含むことができる。本方法は、複数のレーザビームパルスの少なくとも一部の測定されたエネルギーを感知するステップを含むことができる。本方法は、複数のレーザビームパルスからエネルギーの信号部分を取り出すステップを含むことができ、複数のレーザビームパルスの少なくとも一部の測定されたエネルギーを感知するステップは、エネルギーの信号部分の測定されたエネルギーを感知するステップを含む。ある場合には、本方法は、焦点におけるレーザビームの幅を制御するステップと、パルスあたりのレーザエネルギーに従って、レーザビームをテーパ化するステップとを含むことができる。ある場合には、本方法は、焦点におけるレーザビームの幅に従って、（ｉ）レーザ電力および／または（ｉｉ）パルス持続時間を制御するステップを含むことができる。ある事例では、本方法は、治療後溶液を歯の硬組織に適用するステップを含むことができる。治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。
【００２９】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療するための別のシステムに関する。本システムは、レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるためのレーザ源と、レーザ源と光通信する少なくとも１つの光学系であって、レーザビーム幅を画定し、歯の硬組織の表面またはその近傍においてレーザビームを集束させるように適合される、少なくとも１つの光学系と、レーザビームパルスが、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有する、フルエンスプロファイルを焦点において有し、上限閾値フルエンスが、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義されるように、定義されたビーム幅に基づいてパルスエネルギーを制御するように適合される、コントローラと、治療後溶液を歯の硬組織に適用するように適合される、治療後送達システムとを含むことができる。種々の実施形態では、治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。ある事例では、コントローラは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および／または平均レーザ出力電力を制御し、パルスエネルギーを制御するように適合される。
【００３０】
別の側面では、本発明は、酸溶解に抵抗するように歯の硬組織を治療する別の方法に関する。本方法は、レーザビームの少なくとも１つのパルスを発生させるステップと、少なくとも１つの光学系を使用して、レーザビーム幅を画定し、歯の硬組織の表面またはその近傍においてレーザビームを集束させるステップと、レーザビームパルスが、上限閾値フルエンス未満の最大局所フルエンスを有する、フルエンスプロファイルを焦点において有し、上限閾値フルエンスが、歯の硬組織の表面改質を引き起こす最小フルエンスとして定義されるように、定義されたビーム幅に基づいてパルスエネルギーを制御するステップと、治療後溶液を歯の硬組織に送達するステップとを含むことができる。種々の実施形態では、治療後溶液は、過酸化水素、フッ化物、キトサン、キシリトール、カルシウム、および／またはリン酸塩を含むことができる。ある事例では、パルスエネルギーを制御するステップは、パルス持続時間、平均レーザ入力電力、および／または平均レーザ出力電力を制御するステップを含む。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、いくつかの実施形態による、酸溶解抵抗（ＡＤＲ）治療のために好適な歯科レーザシステムを示す。
【００３２】
【図２】図２は、ヒトの歯のエナメル質の炭酸塩含有量への温度の影響をグラフに描く。
【００３３】
【図３Ａ】図３Ａは、いくつかの実施形態による、レーザパルスを受けるヒト臼歯に関するモデル化された温度結果を図示する。
【００３４】
【図３Ｂ】図３Ｂは、いくつかの実施形態による、レーザパラメータによって治療されたエナメル質の測定された炭酸塩含有量を図示する。
【００３５】
【図４Ａ】図４Ａは、いくつかの実施形態による、レーザパルスを受けるヒト臼歯に関するモデル化された温度結果を図示する。
【００３６】
【図４Ｂ】図４Ｂは、いくつかの実施形態による、レーザパラメータによって治療されたエナメル質の測定された炭酸塩含有量を図示する。
【００３７】
【図５】図５は、いくつかの実施形態による、レーザパルスを受けるヒト臼歯に関するモデル化された温度結果を図示する。
【００３８】
【図６Ａ】図６Ａは、いくつかの実施形態による、レーザパルスを受けるヒト臼歯に関するモデル化された温度結果を図示する。
【００３９】
【図６Ｂ】図６Ｂは、いくつかの実施形態による、レーザパラメータによって治療されたエナメル質の測定された炭酸塩含有量を図示する。
【００４０】
【図７Ａ】図７Ａは、いくつかの実施形態による、レーザパルスを受けるヒト臼歯に関するモデル化された温度結果を図示する。
【００４１】
【図７Ｂ】図７Ｂは、いくつかの実施形態による、酸溶解抵抗（ＡＤＲ）のための光学システムを図示する。
【００４２】
【図７Ｃ】図７Ｃは、いくつかの実施形態による、レーザパラメータによって治療されたエナメル質の測定された炭酸塩含有量を図示する。
【００４３】
【図７Ｄ】図７Ｄは、いくつかの実施形態による、レーザパラメータによって治療されたエナメル質の測定された炭酸塩含有量を図示する。
【００４４】
【図７Ｅ】図７Ｅは、いくつかの実施形態による、浸食負荷を受けた後のＡＤＲレーザ治療されたヒト臼歯を図示する。
【００４５】
【図７Ｆ】図７Ｆは、いくつかの実施形態による、レーザ治療のための酸溶解抵抗を示すグラフを備える。
【００４６】
【図７Ｇ】図７Ｇは、いくつかの実施形態による、浸食負荷を受けた後のレーザＡＤＲ治療および未治療ヒト臼歯サンプルに関する浸食深度のグラフを備える。
【００４７】
【図８Ａ】図８Ａは、摂氏約４００度まで加熱された研磨ヒトエナメル質の顕微鏡画像を描写する。
【００４８】
【図８Ｂ】図８Ｂは、摂氏約９００度まで加熱された研磨ヒトエナメル質の顕微鏡画像を描写する。
【００４９】
【図８Ｃ】図８Ｃは、摂氏約１，２００度まで加熱された研磨ヒトエナメル質の顕微鏡画像を描写する。
【００５０】
【図９Ａ】図９Ａは、いくつかの実施形態による、単一の場所に指向される複数のレーザパルスによって治療された研磨エナメル質の顕微鏡画像を描写する。
【００５１】
【図９Ｂ】図９Ｂは、いくつかの実施形態による、上限フルエンス閾値および下限フルエンス閾値を示す、フルエンスプロファイルをグラフに描く。
【００５２】
【図１０Ａ】図１０Ａは、いくつかの実施形態による、単一の場所に指向される複数のレーザパルスによって治療された研磨エナメル質の顕微鏡画像を描写する。
【００５３】
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、いくつかの実施形態による、上限フルエンス閾値および下限フルエンス閾値を示す、フルエンスプロファイルをグラフに描く。
【００５４】
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、いくつかの実施形態による、スケーリング閾値フルエンスおよび融解閾値フルエンスのボックスプロットを備える。
【００５５】
【図１１】図１１は、いくつかの実施形態による、７箇所レーザパターンを記号で表す。
【００５６】
【図１２】図１２は、いくつかの実施形態による、さらなる加熱を示す視覚合図を伴うレーザ治療された研磨エナメル質の顕微鏡画像を描写する。
【００５７】
【図１３】図１３は、いくつかの実施形態による、異なる間隔を有するレーザパラメータの２つのセットに関する炭酸塩除去の差異をグラフで描く。
【００５８】
【図１４】図１４は、いくつかの実施形態による、レーザパルス後の冷却時間の関数としてモデル化されたエナメル質温度をグラフで描く。
【００５９】
【図１５】図１５は、いくつかの実施形態による、４９箇所パターンおよびパターンシーケンスを記号で表す。
【００６０】
【図１６Ａ】図１６Ａは、その歯髄腔の中に固着された熱電対を有する、ヒト臼歯のＸ線を示す。
【００６１】
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、いくつかの実施形態による、空気冷却の有無別に治療中の歯髄温度上昇をグラフで描く。
【００６２】
【図１７】図１７は、いくつかの実施形態による、流体送達システムの概略図を図示する。
【００６３】
【図１８】図１８は、いくつかの実施形態による、別の流体送達システムの概略図を図示する。
【００６４】
【図１９Ａ】図１９Ａは、いくつかの実施形態による、染色が適用されたヒト臼歯切片を示す。
【００６５】
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、いくつかの実施形態による、その表面の約半分の上でレーザ治療を受けた、染色が適用されたヒト臼歯切片を示す。
【００６６】
【図２０】図２０は、いくつかの実施形態による、閉ループ動作のためのレーザ出力センサの図面を示す。
【００６７】
【図２１Ａ】図２１Ａは、いくつかの実施形態による、統合レーザセンサを備える光学システムを示す。
【００６８】
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、いくつかの実施形態による、統合レーザセンサを示す。
【００６９】
【図２２】図２２は、いくつかの実施形態による、統合レーザセンサに関連するレーザ信号およびレーザトリガ信号を示す。
【００７０】
【図２３Ａ】図２３Ａは、いくつかの実施形態による、統合レーザセンサに関連する回路を示す。
【００７１】
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、いくつかの実施形態による、統合レーザセンサに関連するレーザ信号およびレーザトリガ信号を示す。
【００７２】
【図２４】図２４は、別の実施形態による、統合レーザセンサに関連するレーザ信号およびレーザトリガ信号を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
解決されるべき問題の定義
現在、予防的レーザ治療の有効性を実証する、２０年以上もの科学研究にかかわらず、齲蝕形成または歯牙酸蝕症を阻止するためにレーザを利用する、製品または手技が存在しない。これの理由は、多種多様であり、以下を含む。
１．）レーザサイズ
予防的歯科治療のための最も有用なレーザは、典型的には大きい、二酸化炭素またはＴＥＡレーザである。歯科治療室は、典型的には、小さい。いくつかは、小さすぎて、部屋の中に患者、歯科医、および歯科助手がいなくても、初期研究の大部分で使用されるレーザを物理的に収納することができない。
２．）治療範囲
表面の加熱は、概して、効果的であるために、下限治療閾値を上回り、上限融解／アブレーション閾値を下回る、治療範囲内で、表面温度を生じなければならない。本明細書は、時として、例えば、治療パラメータが上限融解／アブレーション閾値を超えさせる場合に、歯系組織の融解および／またはアブレーションを表すために用語「表面改質」を使用する。本明細書で使用されるように、表面改質は、歯系組織の表面のどのような観察可能または測定可能な改質も指すわけではなく、むしろ、歯系組織の融解および／またはアブレーションのみを指す。例えば、歯系組織の表面からの炭酸塩の除去は、観察可能または測定可能であり得るが、歯系組織が融解または切除されたかのいずれかではない限り、その用語が本明細書で定義されるため、「表面改質」と見なされないであろう。
典型的には、二酸化炭素レーザは、ガウスまたは近ガウスエネルギープロファイルを有する、レーザビームを生成する。その結果は、レーザビーム内のエネルギー密度がビームの断面にわたって変動し、最高エネルギー密度がビームの中心にあることである。また、最低エネルギー密度は、ビームの周辺にある。これは、単一のレーザパルスが、治療範囲を下回る、範囲内である、および範囲を上回るエネルギー密度（局所フルエンス）を有することが可能である理由である。大部分の研究は、治療のために要求される「［大域的］フルエンス」に焦点を当てている。大域的フルエンスは、全パルスエネルギーによって除算される全ビーム面積である。レーザビームの非一定エネルギー密度は、歯の表面上に可変加熱を生じ、あまり効果的ではない治療および／または表面融解／アブレーション（すなわち、本明細書で定義されるような表面改質）を引き起こす。これは、概して、治療された表面の顕微鏡画像を含む、歯のエナメル質へのレーザの耐酸性効果についての研究論文が、ある程度の歯の表面融解またはアブレーションを示すであろう理由である。
３．）治療速度
治療は、歯の外面を加熱する。これは、歯内の歯髄組織の過熱および壊死を予防するために、典型的な歯科医の診察よりも長い治療時間を要求する。例えば、Ｊｏｈｎ  Ｆｅａｔｈｅｒｓｔｏｎｅ  ｅｔ  ａｌ．による著作の「Ｒａｔｉｏｎａｌ  ｃｈｏｉｃｅ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ  ｆｏｒ  ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃａｒｉｅｓ  ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ」と題された論文は、約１０Ｈｚの繰り返し率が歯髄加熱を予防するように選択されるべきであると示唆している。Ｆｅａｔｈｅｒｓｔｏｎｅは、「最低１０回のパルスが治療［場所］毎に使用されるべきであり」、「２５回のパルスが最適であった」と続けて示唆している。直径が１ｍｍ未満であり得る、歯の単一の場所の治療は、したがって、１〜２．５秒かかるであろう。寸法１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの５角形の箱からヒト臼歯の表面積を概算することは、約３００ｍｍ２の表面積を生じさせる。直径が１ｍｍのレーザ治療スポットは、約０．８ｍｍ２の面積を有する。円形治療スポットを用いて表面全体を治療することと関連付けられる、円充塞問題を無視し、治療スポットの重複がないと仮定することは、臼歯あたり約３７５の治療場所を要求する。場所あたり１〜２．５秒の速度で、単一の完全に露出した臼歯を完全に治療することは、６〜１６分かかるであろう。患者の口の中の露出エナメル質表面の全体、または咬合表面だけでも治療することは、したがって、これらのレーザ設定を考慮すると、通常の歯科診察中に実行可能ではない。
４．）レーザ治療の適応
レーザ治療は、治療された歯の表面に可視的変化を起こさない。したがって、臨床医は、治療されている領域および治療されていない領域を認識するためには能力が不十分である。レーザ治療がレーザビームによって照射される領域に局限されると、レーザビームによって照射されていない任意の場所は、治療されていないままとなり、酸の影響を受けやすいであろう。手技が効果的であろうことを確実にすることは、医療手技および医療デバイスの重要な要件である。治療された歯の硬組織と治療されていないものとを区別する手段がないと、全治療が効果的であろうことを確実にすることが可能ではない。
【００７４】
上記の問題に対処するレーザベースの治療システムおよび方法が、したがって、歯牙酸蝕症をより効果的に治療し、齲蝕を予防するために必要とされる。これらの問題に対処するレーザベースの治療システムおよび方法が、下記に説明される。
レーザパラメータ選択
【００７５】
上記の問題の１）レーザサイズおよび２）治療範囲は、大部分がレーザパラメータの適切な選択を通して対処される。
【００７６】
図１を参照すると、Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  Ｄｅｎｔａｌ（Ｎｅｅｄｈａｍ，  ＭＡ）からのＳｏｌｅａ等の例示的歯科レーザシステム１００が、示される。いくつかの実施形態では、歯科レーザシステム１００は、臨床的に実行可能な速度で、エナメル質、象牙質、および骨のような歯の硬組織、および歯の軟組織を切除してもよい。例えば、Ｓｏｌｅａは、窩洞形成、および軟および骨組織のアブレーションを要求する手技のためにＦＤＡによって承認されている。歯科レーザシステム１００は、レーザ（図示せず）を収納する、カート１０２を備える。関節動作型アーム１０４は、カート１０２からハンドピース１０６にレーザビームを内部で指向する。治療中、レーザビームはさらに、歯系組織に向かって、ハンドピース１０６の遠位端から外に指向される。臨床医は、タッチスクリーン１０８およびフットペダル１１０を通して、歯科レーザシステム１００とインターフェースをとってもよい。いくつかの実施形態では、歯科レーザシステム１００は、約１５０ワットの規定最大平均電力および約９．３５ミクロンの波長を有する、同位体二酸化炭素レーザ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｅ−１５０ｉ）を備える。本パッケージサイズ内の本レーザは、歯科治療室のために適切にサイズ決めされていることが市場で証明されている。それでもなお、予防的レーザ治療が歯科衛生士治療室で使用するためにより小さいパッケージに収納されることが、おそらく依然として有利である。
【００７７】
Ｆｅａｔｈｅｒｓｔｏｎｅ  ｅｔ  ａｌ．は、「Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｄｅｎｔａｌ  Ｅｎａｍｅｌ」と題されたその論文の中で、「表面からの完全な炭酸塩損失を引き起こした［レーザ］フルエンスは、最適な齲蝕阻止と一致した」と結論付けた。エナメル質からの（典型的にはＦＴＩＲによって測定される）炭酸塩の除去は、増加した耐酸性を有するエナメル質と相関することが、繰り返し見出されている。広く支持されている理論は、（特に酸の中で可溶性であることが公知である）炭酸塩の欠如が炭酸塩低減エナメル質表面をより耐久性にすることを断定する。炭酸塩は、加熱を通して歯の硬組織から除去される。図２を参照すると、炭酸塩が、加熱炉に入れられ、加熱される前および後の研磨ヒト臼歯において（ＦＴＩＲ−ＡＴＲによって）測定された。グラフ２００は、垂直軸２０２に沿って除去される炭酸塩をパーセントで示し、および水平軸２０４に沿って加熱炉温度を摂氏度で示す。第１の試験２０６および第２の試験２０８が、両方ともグラフ２００の中に含まれる。グラフ２００に示される結果は、エナメル質が約３００℃または４００℃で炭酸塩損失を開始し、約８００℃または９００℃を超過する温度でほぼ全ての炭酸塩を失うことを示す、初期研究を裏付ける。
【００７８】
レーザパルスが歯のエナメル質を加熱する方法をさらに理解するために、レーザパルスから加熱を受ける際の歯のエナメル質の温度をモデル化する、数学モデルが作成されている。モデルは、レーザパルス中にエナメル質内で起こる全ての有意な温度関連現象を徹底的に説明することを意図している。モデルは、ベールの吸収の法則、ニュートンの冷却の法則、およびフーリエの伝導の法則を含む、第１原理から導出された。モデルはさらに、レーザがガウスエネルギープロファイルおよびパルス中の一定のピーク電力を有すると仮定する。吸光度、反射率等に関連する係数が、直近のソースから取り出された。モデルは、米国仮特許出願第６２／５０５，４５０号（その全体として参照することによって本明細書に組み込まれる）の付属書Ａとして含まれる、Ｍａｔｌａｂ  Ｒ２０１６ａ上で実行されることができる。図３Ａ、４Ａ、５、６Ａ、および７Ａは、モデルの結果を図示する。図３Ｂ、４Ｂ、６Ｂ、および７Ｂは、モデル化された結果に基づいてレーザ設定から除去される炭酸塩を示す、ＦＴＩＲ吸光度チャートである。
【００７９】
モデルの有用性は、種々のレーザパラメータにおいてモデルによって予測されるエナメル質温度、およびＣｏｈｅｒｅｎｔ  Ｅ−１５０ｉを用いたこれらのレーザパラメータにおける治療を受けた後のエナメル質サンプルの炭酸塩含有量を比較することによって、検証された。具体的には、９．３５ミクロンの波長、１マイクロ秒のパルス持続時間、５００Ｗのピーク電力、および０．３９ミリメートルの焦点における１／ｅ２ビーム直径のレーザパラメータが、表面融解を殆どまたは全く伴わずに４０％を上回る炭酸塩除去を確実に生じることが経験的に見出された。これらのパラメータにおける単一のレーザパルスのためのモデルからの結果を詳述する、プロット３００が、図３Ａに示される。図３Ａを参照すると、垂直温度軸３０２は、摂氏度で温度を表し、左上から右下に指向される半径方向軸３０４は、ガウスレーザビームの中心から離れた距離を表し、左下から右上に指向される深度軸３０６は、エナメル質の中への深度を表す。図３Ａから、最高温度はレーザビームの中心およびエナメル質の表面において起こることが分かり得る。温度は、レーザビームのガウスエネルギープロファイルに従って、レーザビームの中心から半径方向に減少する。温度はまた、エナメル質の中へのより大きい深度を伴って減少する。モデルは、摂氏９５８度のピーク表面温度、摂氏５９１度の照射表面にわたる平均表面温度、および摂氏４００度を上回る温度における３ミクロンの最大深度を報告する。図２に戻って参照すると、摂氏約６００度で、加熱炉の中で除去される炭酸塩の量は約４０％であることが分かり得る。図３Ｂは、以下のパラメータ、すなわち、９．３５ミクロンの波長、隣接する場所の間に０．２ｍｍを伴う１９箇所走査パターン、１．６マイクロ秒のパルス持続時間、および０．３９ｍｍのビーム幅を伴って、治療に先立った対照エナメル質３０８および治療を受けたエナメル質３１０のスペクトルを示す。炭酸塩は、ＦＴＩＲ吸光度チャートでは、１，５００ｃｍ−１〜１，４００ｃｍ−１の２つのピークとして現れる。約１，０００ｃｍ−１におけるより大きいピークは、炭酸塩除去の計算で参照として使用される。炭酸塩除去の計算は、下記に示される。
【化１】
2020519370.tif 000003
または（炭酸塩が常に除去されるが、添加されないと仮定して）単純化される。
【化２】
2020519370.tif 000004
式中、Ａｃａｒｂ，ｔｒｅａｔは、治療されたサンプルの炭酸塩ピークの下の面積であり、Ａｒｅｆ，ｔｒｅａｔは、治療されたサンプルの参照ピークの下の面積であり、Ａｃａｒｂ，ｃｔｒｌは、未治療サンプルの炭酸塩ピークの下の面積であり、Ａｒｅｆ，ｃｔｒｌは、未治療サンプルの参照ピークの下の面積である。図３Ｂを参照すると、炭酸塩の約６０％が、表面から除去されており、いかなる表面融解も観察されなかった。本モデルを使用して、異なるレーザまたはレーザパラメータを伴う類似結果を生じるために必要とされるパラメータを近似的に予測することが可能である。
【００８０】
Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｃ３０  ＣＯ２レーザは、Ｅ−１５０ｉよりもはるかに小さく、９．３５ミクロンの波長および約３５Ｗのピーク電力を有する。Ｃ３０レーザは、卓上パッケージに収納されてもよく、したがって、それが歯科治療室内で占有する空間を限定する。モデル化に先立って、Ｃ３０と同程度に小さいレーザが予防的治療のために確実に使用され得ることは、即時に認識可能ではなかった。数学モデルは、上記のＣｏｈｅｒｅｎｔ  Ｅ−１５０ｉと類似するモデル化された結果を生じる、レーザパラメータを決定するために使用された。図４Ａを参照すると、モデルは、摂氏９８３度のピーク表面温度、摂氏６０６度のビーム直径内の平均表面温度、および摂氏４００度を上回る温度を有する４ミクロンの最大深度を生じるように、９マイクロ秒のパルス幅および０．２６１／ｅ２ビーム直径を予測する。温度軸４０２と、半径方向軸４０４と、深度軸４０６とを有する、プロット４００が、図４Ａに示される。Ｃ３０の有用性を実証するために、４９箇所走査レーザパターンが、上記のモデル化された結果に応答して開発された。４９の場所は、六角形の充塞配列で配列され、隣接する場所は、０．１５ｍｍだけ分離された。走査レーザパターンは、下記でさらに解説される。上記に説明されるパターンとＣ３０レーザを併用して、９マイクロ秒のパルス持続時間および０．２６ビーム幅は、炭酸塩の約５０％をウシエナメル質サンプルから除去させた。治療されていない４０８、および治療された４１０、ウシエナメル質サンプルのＦＴＩＲスペクトルが、図４Ｂに示される。
【００８１】
いくつかの実施形態によると、約１０．６ミクロンの波長を有するＣＯ２レーザが、使用される。再度、数学モデルが、パラメータ選択を誘導し、性能を予測するために使用される。Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｃ５０等の１００Ｗのピーク電力を有する１０．６ミクロンレーザが、モデル化され、結果が、図５にプロットされる。プロット５００は、温度軸５０２と、半径方向軸５０４と、深度軸５０４とを有する。０．３９ｍｍのビーム幅および２０マイクロ秒のパルス持続時間は、摂氏９６６度のピーク表面温度、摂氏５９５度のビーム直径内の平均表面温度、および摂氏４００度を上回る温度を有する１４ミクロンの最大深度をもたらす。１０．６ミクロンレーザは、エナメル質により深く浸透し、したがって、同一の表面積を治療するためにより多くのエネルギーを要求することに留意されたい。歯の中に送達される全エネルギーは、パルスあたり２ｍＪで推測される。同一のビーム幅、および類似表面温度をもたらすパラメータを有する、９．３５ミクロン波長Ｅ−１５０ｉは、パルスあたり推定０．４ｍＪのみを送達する。しかしながら、１０．６ミクロン波長レーザが約１４ミクロンの深度まで治療するため、Ｅ−１５０ｉは、約３ミクロンの深度までしか治療しない。
【００８２】
再度、Ｅ−１５０ｉレーザに戻ると、いくつかの実施形態は、Ｅ−１５０ｉが５マイクロ秒を上回るパルス持続時間においてパルスにされることを要求する。Ｅ−１５０ｉのピーク電力が５マイクロ秒において３００Ｗであると仮定して、０．６ｍｍのビーム幅は、摂氏９７６度のピーク表面温度、摂氏６００度のビーム幅内の平均表面温度、および摂氏４００度を上回る温度を伴う４ミクロンの最大深度というモデル化された結果を生じる。これらのパラメータのモデル化された結果のプロット６００が、図６Ａに示される。プロット６００は、温度軸６０２と、半径方向軸６０４と、深度軸６０６とを含む。０．６６ｍｍのビーム幅と、４．６および６．６マイクロ秒のパルス持続時間とを有する、レーザパルスを生成するＥ−１５０ｉが、ウシエナメル質を治療するために使用された。０．６６ｍｍのビーム幅は、十分に大きいため、レーザビームがパターンで走査されず、代わりに、レーザパルスが、単一の場所において指向された。エナメル質中の炭酸塩の約４１％が、４．６マイクロ秒のパルス持続時間を使用して除去され、エナメル質中の炭酸塩の約５０％が、６．６マイクロ秒のパルス持続時間を使用して除去された。図６Ｂは、未治療ウシエナメル質６０８、４．６マイクロ秒パルスを用いて治療されたウシエナメル質６１０、および６．６マイクロ秒パルスを用いて治療されたウシエナメル質６１２のＦＴＩＲスペクトルを示す。
【００８３】
いくつかの実施形態では、パラメータは、Ｅ−１５０ｉが１０マイクロ秒のパルス持続時間を有するレーザパルスにおいてパルスを発することを可能にするように修正される。例えば、約１０マイクロ秒のパルス持続時間においてＥ−１５０ｉを動作させることは、約３００Ｗのピーク電力をもたらす。数学モデルによると、約０．７９ｍｍのスポットサイズは、摂氏９７４度のピーク表面温度、摂氏５９８度のビーム幅内の平均表面温度、および摂氏４００度を上回る温度を伴う４ミクロンの最大深度をもたらす。図７Ａは、温度軸７０２と、半径方向軸７０４と、深度軸７０６とを有する、プロット７００を図示する。
【００８４】
０．６５ｍｍ〜０．８５ｍｍの１／ｅ２幅を有する焦点７１０を生成するために使用される光学システム７０８が、図７Ｂに示される。用紙の右上隅から始まって、レーザ源７１２（例えば、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｅ−１５０ｉ）は、レーザ７１４を発生させる。補正光学系７１６は、レーザ７１３の１つの軸の発散を補正する。例示的補正光学系７１６は、５４４．１８ｍｍの曲率半径を有する、ＺｎＳ平凸円柱レンズであり、レーザ源７１２の遠位面７１８から１６０ｍｍに位置する。コリメーション光学系７２０が、レーザ７１４をゆっくりと集束させるために使用されてもよい。例示的コリメーション光学系７２０は、約４６０ｍｍの曲率半径を有する、ＺｎＳ平凸円柱レンズであり、レーザ源７１２の遠位面７１８から約４３８ｍｍに位置する。いくつかの実施形態では、関節動作アーム７２２が、レーザ７１４を指向するために使用される。焦点光学系７２４は、関節動作アーム７２２の後に位置する。いくつかの実施形態では、焦点光学系７２４は、約２８０．５ｍｍの曲率半径を有し、レーザ源７１２の遠位面７１８から約１，８０２ｍｍに位置する、ＺｎＳｅ平凸レンズ（例えば、Ｔｈｏｒｌａｂｓ部品番号ＬＡ７２２８−Ｇ）である。いくつかの実施形態では、２軸検流計等のビーム誘導システム７２６が、焦点光学系７２４のビームの下方に位置する。ハンドピース７２８も、焦点光学系７２４の後に位置し、治療領域に向かってレーザ７１４を指向する。いくつかの実施形態では、焦点７１０は、焦点光学系７２４から約２４０ｍｍ、かつハンドピース７２８の約１５ｍｍ外側に位置する。
【００８５】
図７Ｃ、７Ｆ、および７Ｇを参照して、Ｅ−１５０ｉは、焦点における０．８２ｍｍのビーム幅、８マイクロ秒のパルス持続時間、０．３５ｍｍ間隔を伴う７箇所走査パターン、および２００Ｈｚの繰り返し率と併用される。ヒトエナメル質サンプルが、３．０ｍｍ／秒で２回の通過のために電動式ステージ上で走査レーザパターンの前に移動された。図７Ｃは、これらのパラメータを用いた治療の前７４２および後７４４のヒトエナメル質のＦＴＩＲグラフ７４０を示す。除去される炭酸塩は、約５０％であることが見出された。
【００８６】
図７Ｄおよび７Ｆを参照して、Ｅ−１５０ｉは、焦点における０．８２ｍｍのビーム幅、１０マイクロ秒のパルス持続時間、０．３５ｍｍ間隔を伴う７箇所走査パターン、および２００Ｈｚの繰り返し率と併用される。ヒトエナメル質サンプルが、３．０ｍｍ／秒で２回の通過のために電動式ステージ上で走査レーザパターンの前に移動された。図７Ｄは、これらのパラメータを用いた治療の前７５２および後７５４のヒトエナメル質のＦＴＩＲグラフ７５０を示す。除去される炭酸塩は、約７５％であることが見出された。図７Ｃおよび７Ｄに示される治療の間のレーザパラメータの唯一の差異は、それぞれ、８マイクロ秒および１０マイクロ秒のパルス持続時間である。１０マイクロ秒パラメータを用いて治療されたサンプルは、８マイクロ秒パラメータを用いて治療されたサンプルよりも多くの炭酸塩を除去されたことが分かり得る。
【００８７】
耐酸性を実証するために、実施形態を利用する試験からの方法および結果が、図７Ｅ−Ｇを参照して開示される。いくつかのヒト臼歯サンプルが、８および１０マイクロ秒パルスの両方を用いて、上記で説明されるように治療された。サンプルは、次いで、マニキュアで覆われ、３０分にわたって浸食負荷に入れられた。浸食負荷は、温度：摂氏３５度、ｐＨ：３．６（クエン酸塩緩衝剤）、酸：０．０５２Ｍクエン酸、および撹拌：１５０ＲＰＭ撹拌子を含む、パラメータを有した。浸食負荷後、サンプルが、除去され、アセトンが、マニキュアを除去するために使用された。３Ｄ顕微鏡（１，０００倍対物レンズを伴うＨｉｒｏｘ  ＲＨ−２０００）が、浸食表面深度を測定するために使用された。図７Ｅは、サンプル表面７６０の画像を示す。覆われた表面７６２は、いかなる浸食の兆候も示さない。未治療（対照）表面７６４は、顕著な浸食を示す。また、治療された表面７６６は、わずかな浸食のみを示す。浸食抵抗％ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅが、高さの差、すなわち、対照７６４と覆われた７６２表面との間のＤｃｏｎｔｒｏｌ、および対照７６４と治療された７６６表面との間のＤｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅに基づいて、計算された。
【化３】
2020519370.tif 000005
図７Ｆは、８マイクロ秒７７４および１０マイクロ秒７７６の両方のパラメータに関して垂直軸上で耐酸性７７２を示す、グラフ７７０を含有する。グラフ７７０上のエラーバーは、耐酸性に関して９５％信頼区画を表す。レーザ治療が酸溶解に影響を及ぼさないという帰無仮説Ｈ０が、図７Ｇを参照して対処される。図７Ｇは、８マイクロ秒レーザパラメータを用いて治療された浸食サンプルのグラフ７８０を含有する。グラフは、ミクロン単位で浸食深度の垂直軸７８２を有する。グラフ７８０は、３つの異なる深度、すなわち、１．）対照７６４と覆われた７６２表面との間のＤｃｏｎｔｒｏｌ７８４、２．）対照７６４と治療された７６６表面との間のＤｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ７８６、および３．）治療された表面７６６と覆われた表面７６２との間のＤｔｒｅａｔｅｄ７８８を示す。図７Ｇのエラーバーは、再度、９５％信頼区画を表す。グラフ７８０から分かり得るように、治療された表面深度７８８および対照表面深度７８４は、重複しない。帰無仮説Ｈ０は、したがって、治療された表面深度平均７８８および対照表面深度平均７８４が異なるという９５％を上回る信頼があるため、偽であると実証される。
【００８８】
図３Ａ、４Ａ、５、６Ａ、および７Ａに関連する開示が、下記の表１に要約される。
【表１】
2020519370.tif 000006
【００８９】
図３Ｂ、４Ｂ、６Ｂ、７Ｃ、および７Ｄに関連する開示が、下記の表２に要約される。
【表２】
2020519370.tif 000007
【００９０】
図７Ｆに関連する開示が、下記の表３に要約される。
【表３】
2020519370.tif 000008
【００９１】
研磨された平坦なエナメル質は、加熱されると、顕微鏡の下で「薄片」を有することが見られ得る。これらの薄片は、エナメル小柱またはエナメル小柱群であると考えられる。研磨エナメル質は、加熱炉に入れられ、加熱された。「薄片」は、摂氏約４００度の温度において現れ始めたことが見出された（図８Ａ参照）。摂氏約９００度の温度では、「薄片」は、表面をほぼ完全に被覆する（図８Ｂ参照）。摂氏約１，２００度の温度では、表面融解が、現れ始める（図８Ｃ参照）。「薄片」は、研磨エナメル質サンプルでは拡大下でのみ現れる。研磨されていないサンプルでは、「薄片」は、おそらく、歯のエナメル質の外面がエナメル小柱の凝集体ではないが、代わりに、エナメル質のより均質な層であるため、現れない。「スケーリング」効果は、炭酸塩除去と良好に相関するであろう。「薄片」は、炭酸塩が除去され始める温度において現れ始め、「スケーリング」は、炭酸塩が大部分は除去される温度において、大部分が完了する。炭酸塩除去は、耐酸性と相関することが繰り返し実証されているため、研磨エナメル質中の「薄片」の存在は、生体外の効果的な治療のための視覚合図であり得る。
【００９２】
治療された表面からの視覚合図を使用することは、エネルギー密度閾値の我々の理解を知らせ得る。例えば、Ｅ−１５０ｉレーザが、以下のパラメータ、すなわち、０．６６ｍｍのビーム幅、２００Ｈｚの繰り返し率、および３．２８ｍＪエネルギーパルスを生成する１０．６マイクロ秒のパルス持続時間を使用して、単一の場所において１０回のパルスを生成するために使用された。ウシエナメル質サンプルが、照射され、２００倍の倍率において視認された。サンプルの画像が、図９Ａに示される。３つの円が、図９Ａに存在する。外側の円９０２は、わずかな表面効果と表面効果なしとの間の境界を推定する。中央の円９０４は、中央の円内のほぼ完全または完全な「スケーリング」および中央の円の外側のわずかまたは不完全なスケーリングを有する、境界を推定する。最後に、内側の円９０６は、内側の円の内側の融解と内側の円の外側の融解なしとの間の境界を推定する。図９Ｂを参照すると、パルスエネルギーおよびレーザビーム幅を考慮し、ガウスエネルギープロファイルを仮定すると、エネルギー密度プロファイル９０８が、推定されることができる。エネルギー密度プロファイル９０８は、垂直軸９１０上のＪ／ｃｍ２単位の局所フルエンスと、水平軸９１４上のレーザビーム９１２の中心からのミクロン単位の半径方向距離との間の関係を示す。エネルギー密度プロファイル９０８上に中心合わせされた、中央の円の直径９１８および内側の円の円直径９１６をプロットすることは、表面効果が起こる局所フルエンスの推定値を提供する。したがって、図９Ｂから、完全な「スケーリング」フルエンス９２０は、約０．８Ｊ／ｃｍ２〜約１．６Ｊ／ｃｍ２であることが推定されることができる。いくつかの実施形態によると、「スケーリング」フルエンス範囲９２０は、中央の円９１８における局所フルエンスによって表される下限閾値フルエンス（または下限治療フルエンス）と内側の円９１６における局所フルエンスによって表される上限閾値フルエンスとの間の治療フルエンス範囲を表す。
【００９３】
上記のプロセスは、以下のパラメータ、すなわち、０．６６ｍｍのビーム幅、２００Ｈｚの繰り返し率、および３．８７ｍＪエネルギーパルスを生成する１２．６マイクロ秒のパルス持続時間を使用して、単一の場所において１０回のパルスを生成するために使用されたＥ−１５０ｉレーザを用いて、繰り返された。ウシエナメル質サンプルが、照射され、２００倍の倍率において視認された。サンプルの画像が、図１０Ａに示される。３つの円が、図１０Ａに存在する。外側の円１００２は、わずかな表面効果と表面効果なしとの間の境界を推定する。中央の円１００４は、中央の円内のほぼ完全または完全なスケーリングおよび中央の円の外側のわずかまたは不完全なスケーリングを有する、境界を推定する。最後に、内側の円１００６は、内側の円の内側の融解と内側の円の外側の融解なしとの間の境界を推定する。図１０Ｂを参照すると、パルスエネルギーおよびレーザビーム幅を考慮し、ガウスエネルギープロファイルを仮定すると、エネルギー密度プロファイル１００８が、推定されることができる。エネルギー密度プロファイル１００８は、垂直軸１０１０上のＪ／ｃｍ２単位の局所フルエンスと、水平軸１０１４上のレーザビーム１０１２の中心からのミクロン単位の半径方向距離との間の関係を示す。エネルギー密度プロファイル１００８上に中心合わせされた、中央の円の直径１０１６および内側の円の円直径１０１８をプロットすることは、表面効果が起こる局所フルエンスの推定値を提供する。したがって、図１０Ｂから、完全なスケーリングフルエンス１０２０は、図１０Ａ−１０Ｂを参照して開示される実施形態を参照して、約０．７Ｊ／ｃｍ２〜約１．５Ｊ／ｃｍ２であることが推定されることができる。本実験は、複数の９．３５ミクロンレーザ、ビーム幅、パルスエネルギー、繰り返し率、およびレーザパルスの数を用いて、数回（ｎ＝３５）実行されている。図１０Ｃは、垂直軸１０２８に沿ってｍＪ／ミクロン２単位の局所フルエンスを有する、ボックスプロットを示す。「スケーリング」閾値１０３０は、約０．７Ｊ／ｃｍ２の中央値を有する。また、融解閾値１０３２は、約１．５Ｊ／ｃｍ２の中央値と、１．１Ｊ／ｃｍ２を上回る、より低い微量値とを有する。これらの所見を考慮すると、９．３５ミクロンレーザは、典型的には、約０．７Ｊ／ｃｍ２の局所フルエンス閾値において「スケーリング」を示し始め、融解は、約１．５Ｊ／ｃｍ２の局所フルエンスにおいて起こり始める。また、概して、いかなる９．３５ミクロンレーザも、１．１Ｊ／ｃｍ２を下回る局所フルエンスにおいて融解を生じない。これらの推定は、９．６、１０．２、および１０．６ミクロン等の他の波長レーザに関して行われてもよい。いくつかの実施形態では、視覚合図から導出される局所フルエンス推定は、パラメータ選択を補助し、具体的には、問題２）治療範囲に対処することができる。いくつかの実施形態では、治療範囲は、治療が概して起こる、下限閾値フルエンスと、それを上回ると望ましくない結果が起こり得る、上限閾値フルエンスとの間で見出されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、パルス持続時間（またはパルスエネルギー）およびレーザビーム幅は、最小融解フルエンス閾値（例えば、１．１Ｊ／ｃｍ２）を下回る最大局所フルエンス（レーザビームの中心に位置する）フルエンスプロファイルを生成する一方で、下限治療フルエンス（例えば、０．７Ｊ／ｃｍ２）を上回るフルエンスプロファイルのある部分を保つために、選択される。
【００９４】
種々の実施形態では、レーザシステムは、１つ以上の光学系を使用してビーム幅を画定し、コントローラを使用して、結果として生じるフルエンスが治療範囲内であるように、画定されたビーム幅に基づいてレーザビームパルスのパルスエネルギーを制御することによって、上記に説明される治療フルエンス範囲を達成する。上記で説明されるように、治療フルエンス範囲は、達成することが困難であり、種々のレーザパラメータの精密かつ原理的な制御に高度に依存する。ある事例では、治療フルエンス範囲を達成するために、レーザパラメータは、概して、治療フルエンス範囲を達成することを目的として制御されなければならない。例えば、パルスエネルギーが画定されたビーム幅に基づいて制御されるシステムでは、治療フルエンスは、それがシステムの目的である場合のみ達成されてもよい。換言すると、従来のレーザシステムがパルスエネルギーを制御することができるというだけで、特に、システムが治療フルエンス範囲内で動作する理由を有していない場合、治療フルエンス範囲を達成するためにパルスエネルギーを制御することができるというわけではない。例えば、パルスエネルギーを制御することが可能であるが、フルエンス範囲内で動作することがそのようなシステムの目的ではないため、治療フルエンス範囲内で動作するように、治療フルエンス範囲外で（例えば、融解／アブレーション、すなわち、その用語が本明細書で定義されるため、表面改質を実施するための上限閾値を上回って）動作する、レーザシステムを修正することは、当業者に明白ではないであろう。
【００９５】
上記を参照して、ビーム誘導システムの使用を通したレーザビーム走査の組み込みは、レーザビームが治療ゾーン内の異なる面積に指向されることを可能にする。ビーム誘導システムの実施例は、米国特許出願第１３／６０３，１６５号および第６２／３３２，５８６号（参照することによって本明細書に組み込まれる）に説明される。レーザビーム走査は、単一の集束スポットを用いて可能であろうよりも広い面積がレーザによって治療されることを可能にする。加えて、走査は、表面のより多くの部分が治療フルエンスを用いて均一に照射されることを確実にする。パターンが、走査と関連付けられるパラメータ、例えば、ジャンプ間隔、すなわち、レーザパターン内の１つの点と別の点との間の時間、滞留時間、すなわち、パターン内の単一の点で費やされる時間、幾何学形状、すなわち、パターン内の点の全ての場所、および点シーケンス、すなわち、ビームが向かって指向される連続点の一覧を定義するために使用される。ビーム誘導システムを用いたパルスレーザの使用と関連付けられるパラメータは、米国特許出願第１４／１７２，５６２号（参照することによって本明細書に組み込まれる）で詳細に開示される。例示的ビーム誘導システムは、検流計等のスキャナ、およびビーム誘導システムおよびレーザ源を制御するためのコントローラを採用する。例示的コントローラは、Ｌａｎｍａｒｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ（Ａｃｔｏｎ，  ＭＡ）からのＭａｅｓｔｒｏ  ３０００  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒである。
【００９６】
ビーム誘導システムまたは走査能力を有していない、パルスレーザシステムは、２つのパラメータ、すなわち、パルス幅および繰り返し率の使用を通して、レーザをパルスにしてもよい。レーザ源を制御するために好適なコントローラは、信号発生器である。Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  Ｓａｎ  Ｆｒａｎｃｉｓｃｏおよび他の場所で実施された以前の研究は、９．３ミクロンレーザによって治療される歯の硬組織が約２マイクロ秒の熱緩和時間を有することを示している。本値は、パルス幅パラメータの望ましい限界を定義することに役立つ役割を果たす。しかしながら、ビーム誘導または歯の硬組織の治療中のレーザビームの走査と関連付けられるパラメータの好適な範囲を定義するために、研究が殆ど行われていない。
【００９７】
いくつかの実施形態による、六角形パターンで配列される７箇所パターン１１００が、図１１に図示される。間隔１１０２が、隣接する場所の間に存在する。六角形パターンは、全ての隣接する点の間に単一の間隔を維持し、パターンを画定するために要求されるパラメータの数を最小限にするため、いくつかの実施形態では有利である。上記で述べられるように、いくつかの実施形態では、間隔１１０２は、レーザパルスを伴う局所フルエンスまたは視覚合図に基づいて、選択される。いくつかの実施形態によると、Ｅ−１５０ｉレーザが、０．９ｍｍのビーム幅、１８．６マイクロ秒のパルス持続時間、２００Ｈｚの繰り返し率、および０．４５ｍｍの間隔を有する７箇所六角形パターンと併用される。上記のパラメータにおけるレーザ治療後の研磨エナメル質表面が、図１２に示される。図１２は、２００倍の倍率における表面１２００を示す。表面全体が部分的に「スケーリングされる」が、明るいマーク１２０２が存在することが分かり得る。４つの円１１０４が、図１２の４つの明るいマークの推定直径として示される。約０．１７ｍｍの平均円直径が、見出された。明るいマークは、サンプル表面内のさらなる加熱（およびより効果的な治療）を表す視覚合図であると考えられる。治療フルエンス幅は、局所フルエンスが下限治療閾値を上回る、幅または直径である。図１２を参照すると、治療フルエンス幅は、約０．１７ｍｍの平均円直径に対応する。応答して、７箇所パターンとほぼ同一の全サイズの１９箇所六角形パターンが、治療フルエンス幅に基づいて、０．１７ｍｍの場所間隔を有して選択された。図１３は、全ての他のレーザパラメータが一定に保持されている間に、０．４５ｍｍ離間パターン１３０２および０．１７ｍｍ離間パターン１３０４の両方に関して炭酸塩除去測定を示す、グラフ１３００を含有する。より多くの炭酸塩が０．４５ｍｍ離間パターンよりも０．１７ｍｍ離間パターンによって除去されることが、図１３から理解され得る。したがって、いくつかの実施形態では、研磨エナメル質サンプルにおける視覚合図に従って、走査された場所を離間することが有利である。
【００９８】
いくつかの実施形態では、走査レーザパターン内の隣接する場所の間の間隔は、レーザビーム幅、下限閾値フルエンス、および上限閾値フルエンスに従って選択される。パルスエネルギーを一定に保持し、最大局所フルエンスが上限閾値フルエンスを超えないことを確実にするようにビーム幅を選択することは、下記の方程式を使用して行われてもよい。
【化４】
2020519370.tif 000009
式中、Ｅは、パルスエネルギーであり、ωは、ビーム幅の半分であり、Ｉ０＜Ｉｍｅｌｔである。治療フルエンス幅は、半径ｒ内に存在し、Ｉ（ｒ）＞Ｉｔｒｅａｔである。Ｉ（ｒ）、すなわち、所与の半径における局所フルエンスは、以下のように推定されてもよい。
【化５】
2020519370.tif 000010
ビーム幅に対する治療フルエンス幅の割合、すなわち、ｒ／ωは、以下に従って推定されてもよい。
【化６】
2020519370.tif 000011
例えば、下限閾値フルエンスＩｔｒｅａｔが、０．７（Ｊ／ｃｍ２）であり、上限閾値フルエンスＩｍｅｌｔおよび最大局所フルエンスＩ０が、１．１（Ｊ／ｃｍ２）である、図１０Ｃに再び戻ると、下限閾値フルエンスを上回る、ビーム幅２ωの割合は、約４７．５％である。したがって、隣接する場所の間の間隔は、表面の均一な治療を確実にするように０．４７５＊ビーム幅未満となるはずである。
【００９９】
問題２）治療範囲の別の発現は、レーザパルスのエネルギー密度ではなくて、単一の場所に向かって指向されるレーザパルスの数に関する。各レーザパルスが、場所を加熱し、各後続のパルスが、高温を有している間に場所に作用する場合には、表面融解が、場所において作用するパルスの数の関数になり得る。いくつかの実施形態によると、単一の場所を照射する複数のレーザパルスは、各連続パルスを用いて単一の場所における表面温度を上昇させない。代わりに、複数のレーザパルスはそれぞれ、いったん表面温度が第１のレーザパルスに先立ってほぼ初期表面温度になると、単一の場所を照射する。したがって、各レーザパルスは、先行レーザパルスの数にかかわらず、第１のレーザパルスと同様に表面温度を上昇させるであろう。別の言い方をすれば、各レーザパルスは、表面温度を、第１のレーザパルスに起因する上昇した表面温度に類似する、上昇した表面温度まで上昇させるであろう。上記に説明される数学モデルは、表面温度がレーザパルス後に初期温度に戻るために必要とされる時間量を推定するために、修正された。本時間量の例示的推定が、下記に説明される。
【０１００】
モデルは、５００Ｗのピーク電力、１マイクロ秒のパルス持続時間、および０．３８５ミリメートルのビーム幅を伴って、実行された。初期表面温度は、摂氏３５度であり、周囲温度は、摂氏２０度である。結果として生じる温度は、０．１、１、１０、１００、１，０００、および１０，０００マイクロ秒後に見出された。下記の表４を参照されたい。
【表４】
2020519370.tif 000012
【０１０１】
表３の含有量は、図１４のグラフ１４００に示される。温度は、垂直軸４０２に沿って摂氏度で示される。レーザパルス後の時間は、水平軸４０４に沿ってマイクロ秒のオーダーで示される。グラフ１４００は、ピーク表面温度データ点１４０６と、平均スポット温度データ点１４０８と、ピーク表面温度傾向線１４１０と、平均スポット温度傾向線１４１２とを含む。傾向線の方程式およびＲ二乗値が、下記に記録される。
【化７】
2020519370.tif 000013
式中、Ｔｐｅａｋは、ピーク表面温度であり、ｎは、ｔｉｍｅ，ｔ＝１ｘ１０ｎである、マイクロ秒のオーダーであり、Ｔａｖｇは、平均スポット表面温度である。傾向線に基づいて、平均スポット表面温度は、約１０３．４９２マイクロ秒または３．１マイクロ秒後に摂氏４０度に到達する。また、ピーク表面温度は、約１０３．５０５マイクロ秒または約３．２マイクロ秒後に摂氏４０度に到達する。したがって、いくつかの実施形態では、少なくとも３．２マイクロ秒が、単一の場所または２つの重複場所に指向されるレーザパルスの間で経過する。
【０１０２】
いくつかの実施形態によると、第１の場所に指向される第１のパルスの後、および第１の場所（またはある場合には、第１の場所の近隣）に指向される第２のパルスの前に、中間パルスを中間場所に指向する走査パターンシーケンスが、採用される。本明細書で使用されるように、第１の場所の近隣は、第１の場所に接する、重複する、および／または所定の閾値（例えば、第１の場所のサイズの割合、例えば、第１の場所の直径の２％、５％、１０％、２５％、５０％、７５％、および／または１００％）を下回る距離によって第１の場所から離間される、場所（例えば、レーザパルスによって衝突される面積）である。いくつかの実施形態によるシーケンスを図示する、例示的４９箇所パターン１５００が、図１５に示される。例示的４９箇所パターン１５００は、レーザビーム幅１５０４よりも小さく、約１／３ビーム幅よりも大きい、間隔１５０２に非常に適している。本関係を考慮すると、例示的４９箇所パターン１５００のシーケンスは、重複レーザパルスの間に６つの中間パルスを可能にする。図１４に戻って参照すると、少なくとも３．２マイクロ秒の冷却時間が、同一の場所において作用するパルスの間で経過するべきである。走査に関連するパラメータは、したがって、３．２マイクロ秒が、各重複場所、例えば、場所１と場所８との間で経過することを確実にするように、調節されることができる。重複パルスの間で十分な冷却時間も維持する、中間パルス場所を有するパターンシーケンスは、付加的パルスから不要な加熱を導入することなく、治療領域に指向される単位時間あたりのパルスの数を増加させる。
歯の硬組織の冷却
【０１０３】
いくつかの実施形態では、能動冷却が、治療を受ける歯の硬組織を冷却するように実装される。能動冷却は、より多くのレーザ電力が治療中に治療領域に向かって指向されることを可能にし、したがって、遅い治療速度、すなわち、問題３）治療速度に対処する。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、能動冷却が、歯の硬組織に向かって指向される流体流を証明する、流体システムを通して実装される。いくつかの実施形態では、流体は、空気を含み、歯の硬組織に向かって連続的に指向される。数学モデルに戻って再び参照すると、自然対流を表す１０Ｗ／ｍ２から、強制対流を表す１００Ｗ／ｍ２まで対流の係数を増加させることは、レーザパルス中のエナメル質の加熱にごくわずかな変化を引き起こしたことが見出された。繰り返される試験を通して、（ＦＴＩＲ−ＡＴＲによって測定されるような）炭酸塩除去が対流冷却の存在による影響を受けないことが見出されている。
【０１０５】
ここで図１６Ａを参照すると、その歯髄腔の中に熱電対１６０４を伴うヒト臼歯サンプル１６０２のＸ線１６００が、示される。サンプル１６０２の歯髄腔の中に熱電対１６０４を伴う歯科治療中の歯髄温度上昇を測定することは、一般的実践である。典型的には、歯科治療は、安全と見なされるように、摂氏５．５度の歯髄温度上昇を下回って留まらなければならない。図１６Ｂは、垂直軸１６０８に沿って表示される摂氏度単位の歯髄温度と、水平軸１６１０に沿って表示される秒単位の治療時間とを有する、グラフ１６０６を含有する。グラフ１６０６は、約０．７Ｗの平均電力を生成するＥ−１５０ｉを用いた例示的治療中の歯髄温度上昇を描写する。初期歯髄温度は、摂氏約３５度である。周囲空気温度は、摂氏約２０度である。冷却１６１２を伴わずに０．７Ｗ治療を受ける、サンプル１６０２の歯髄温度は、１分未満で５．５度上昇を上回って迅速に上昇する。冷却１６１４を伴う０．７Ｗ治療中の温度上昇は、同一の持続時間にわたってごくわずかである。いくつかの実施形態では、流体送達システムは、サンプルから約２５ｍｍに位置する２つの１ｍｍ内径の孔を通して、サンプルに向かって約１４ＳＬＰＭの空気を送達する。
【０１０６】
流体送達システム１７００が、図１７を参照していくつかの実施形態に従って説明される。空気は、外部空気源１７０２、迅速接続解除継手１７０４、または内蔵圧縮機１７０６のいずれかを通して、流体送達システム１７００に供給される。外部空気源のための例示的空気要件は、６０ＰＳＩＧ〜１００ＰＳＩＧの間の圧力範囲であり、乾燥した清浄な空気である。例示的内蔵空気圧縮機１７０６は、３，６００のＲＰＭにおいて起動する、Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｄｅｎｖｅｒ  Ｔｈｏｍａｓからの４１５ＺＣ３６／２４モデルである。内蔵空気圧縮機１７０６は、その動作を静かにするために、消音器１７０８を装着されてもよい。いくつかの実施形態では、流体送達システム１７００は、外部空気源１７０２が存在しないときに内蔵空気圧縮機１７０６を自動的にオフにするように、自動空気供給切替システム１７１０を伴って構成される。自動空気供給切替システム１７１０は、外部空気供給部１７０２と流体連通し、内蔵圧縮機１７０８上の制動機１７１４と電気通信する、空気供給圧力スイッチ１７１２を備える。いくつかの実施形態では、空気供給圧力スイッチ１７１２は、空気供給圧力スイッチ１７１２が要求される圧力を感知し、制動機１７１４に係合して内蔵空気圧縮機１７０６を停止させるまで、内蔵圧縮機１７０６が起動するであろうように、少なくとも６０ＰＳＩＧの圧力においてトリガされる常開スイッチである。空気供給逆止弁１７１６は、内蔵空気圧縮機１７０６からの空気が空気供給圧力スイッチ１７１２をアクティブ化するために逆流することができないように、空気供給圧力スイッチ１７１２の後に位置する。いくつかの実施形態では、圧力逃し弁１７１８は、規定を上回る圧力が流体送達システムに到達することを防止するために、空気供給逆止弁１７１６の後に位置する。いくつかの実施形態では、圧力逃し弁１７１８は、１００ＰＳＩＧに設定され、消音器１７２０を含む。典型的には、空気フィルタ１７２２および空気乾燥機１７２４が、流体送達システム１７００の中に含まれる。空気フィルタ１７２２は、いくつかの実施形態では、湿気が空気から除去されるために、自動排出管１７２６に結合される。いくつかの実施形態では、空気乾燥機１７２４は、膜型空気乾燥機であり、動作のために乾燥機パージ１７２８を要求する。第１の空気レギュレータ１７３０は、空気乾燥機１７２４の後に位置する。いくつかの実施形態では、第１の空気レギュレータ１７３０は、約５６ＰＳＩＧに設定される。弁１７３２は、第１の空気レギュレータ１７３０の後に位置する。弁１７３２は、ソレノイド型弁であり、流体送達システムコントローラ１７３４によって制御されてもよい。加えて、弁１７３２は、弁１７３２の位置をコントローラ１７３４に示す、フィードバック機構を含んでもよい。いくつかの実施形態では、弁１７３２が正確な位置にあり、空気が治療中に存在することを冗長的に確実にすることが有利であり得る。そのような場合において、空気センサ１７３６が、弁１７３２の後の流体送達システム１７００と流体連通し、コントローラ１７３４と電気通信して含まれる。いくつかの実施形態では、空気センサ１７３６は、約２５ＰＳＩＧにおいて閉鎖する、常開空気スイ��チである。流体送達システム１７００は、最終的に、空気を１つ以上のオリフィス１７３８に送達し、そこで、空気は、噴出され１７４０、治療領域に向かって指向される。典型的に流体送達システム１７００によって送達される流体の実施例は、空気、窒素、およびヘリウム（清潔にするため）等の圧縮性流体を含む。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、液体流体を送達する、流体送達システム１８００の別の実施形態が、図１８を参照して説明され、燃料流体システムに概念的に類似する。流体貯蔵部１８０２が、ポンプ１８０４と流体連通して提供される。ポンプは、その下流の流体を加圧する。レギュレータ１８０６は、流体の圧力を制御する。レギュレータ１８０６の後に、高速弁１８０８が、１つ以上のオリフィス１８１０から外への流体流を制御するように位置する。高速弁１８０８の実施例は、Ｔｈｅ  Ｌｅｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｅｓｔｂｒｏｏｋ，  ＣＴ）からのＶＨＳシリーズ弁である。ＶＨＳシリーズ弁は、最大１，２００Ｈｚの動作速度が可能である。高速弁１８０８は、コントローラ１８１２によって制御される。いくつかの実施形態では、コントローラ１８１２は、加えて、レーザ１８１４によるレーザパルス発生を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ１８１２は、レーザパルスと流体との間の相互作用を防止するために、流体の１つ以上の噴出およびレーザパルスを非同期的に送達するように構成される。いくつかの実施形態では、コントローラ１８１２は、流体システムコントローラ１８１２Ａと、レーザコントローラ１８１２Ｂとを備える。流体システムコントローラ１８１２Ａは、概して、流体システム１８００のみを制御し、レーザコントローラ１８１２Ｂは、概して、レーザ源１８１４のみを制御し、流体システムおよびレーザコントローラ１８１２Ａ−１８１２Ｂは、同期化される。レーザパルスまたは流体噴出の繰り返し率は、いくつかのバージョンでは、２０〜２，０００Ｈｚであり、典型的には、約２００Ｈｚである。典型的には流体送達システム１８００によって送達される流体は、水およびアルコール等の非圧縮性流体を含む。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、図１７および１８を参照して説明される両方の流体送達システムが、採用される、または各システムからの構成要素または設計を組み込むハイブリッドシステムが、実装される。いくつかの実施形態では、フッ化物、キシリトール、天然および人工調味料、過酸化水素、脱感作剤、およびキトサン等の添加物が、流体送達システムによって指向される流体の中に含まれてもよい。添加物はさらに、フッ化物の場合は治療の有効性を増加させる、または天然または人工調味料の場合は患者体験を増加させ得る。いくつかの実施形態では、流体は、治療された歯の硬組織と治療されていない歯の硬組織とを区別することを補助するための染色を含み。
【０１０９】
種々の実施形態では、図１７および／または図１８に説明される流体送達システムは、治療表面上に加圧流体を指向するのではなく、歯を囲繞する環境流体（例えば、空気）が歯にわたって引動され、治療表面の対流冷却を引き起こし得るように、陰圧差を発生させるように構成されることができる。そのような実施形態では、図１７の空気圧縮機１７０６および／または図１８のポンプ１８０４は、アクティブ化されたときに、陰圧差を発生させ得る、真空源と置換されることができる。ある事例では、陰圧差は、空気を、歯表面を横断して、有利なこととして治療表面の近傍に位置するレーザ治療ハンドピースのノズルまたは他のオリフィスに引き込ませることができる。種々の適応では、いったん空気がノズルに引き込まれると、これは、逆ではないが、上記に説明される他の流体送達構成要素（例えば、弁、レギュレータ等）のうちのいくつかまたは全てを通して指向されることができる。他の適応では、他の流体送達構成要素のうちのいくつかまたは全ては、除外されることができ、引き込まれた空気は、単純に、流動ラインを通して貯蔵タンクまたは出口に指向されることができる。ある場合には、引き込まれた空気は、圧縮機または膨張器の中に指向され、システム内の作業流体としてさらに使用されることができる。
治療識別溶液
【０１１０】
いくつかの実施形態では、染色が、問題４）レーザ治療の適応に対処するために使用される。例えば、図１９Ａを参照して、抽出ヒト臼歯切片１９００が、Ｙｏｕｎｇ  Ｄｅｎｔａｌ（Ｅａｒｔｈ  Ｃｉｔｙ，  ＭＯ）からのＴＲＡＣＥ染め出し溶液（製造業者部品番号２３１１０２）で完全に被覆される。ＴＲＡＣＥは、フロキシンとしても公知である、活性成分赤色２８号を含有する。フロキシンは、水溶性赤色色素である。ＴＲＡＣＥは、口の中の歯垢の存在を示すために使用される一般的な歯科ツールである。ＴＲＡＣＥは、歯垢をより暗い赤色に染色し、また、口の中の歯垢で被覆されていない表面をより明るいピンク色に染色する。類似様式で挙動する他の歯垢染め出し溶液は、エリスロシンまたは赤色３号を含む。歯垢染め出し溶液として、エリスロシンおよびフロキシン含有溶液は、歯垢で被覆されていない表面および歯垢を染色するそれらの能力によって妨げられ、歯垢を伴う面積と伴わない面積との間のコントラストを低減させる。本問題は、概して、歯垢のみを染色し、紫外線の下でのみ見える、フルオレセインの使用をもたらした。
【０１１１】
ここで図１９Ｂを参照すると、抽出ヒト臼歯切片の半分が、炭酸塩除去および耐酸性治療のためのサブアブレーション設定において、Ｅ−１５０ｉレーザを用いて治療されている。明確な区別が、左側の治療された表面１９０２と右側の未治療療表面１９０４との間で可視である。レーザ治療中の染め出し溶液の存在は、炭酸塩除去（ＦＴＩＲ−ＡＴＲ）によって測定されるようなレーザ治療の有効性を有意に改変しないことが示されている。
【０１１２】
薄膜は、口腔内の歯の硬組織上の層である。薄膜は、口腔内の唾液によって形成され、プロリンに富むタンパク質およびムチンを含む、糖タンパク質から成る。糖タンパク質およびムチンの染色は、生物学的染色および組織学染色の技術分野で周知である。いくつかの実施形態は、治療されている歯の硬組織を被覆する薄膜を染色する、染色を採用する。薄膜染色の実施例は、酸ムチンを黄色に染色するビスマルクブラウンＹ、ムチンの存在を検出するために現在外科で使用されているムチカルミン染色、および食品着色料および色素を含む。付加的実施形態は、薄膜に付着する染色を採用する。
【０１１３】
レーザ治療中に、歯の硬組織を被覆する薄膜、歯垢、および生物膜が、切除される。これは、治療が、歯の硬組織の表面温度が瞬間的に摂氏約４００度〜摂氏１，２００度まで上昇されることを要求するため、起こる。したがって、薄膜に作用する、または薄膜に付着される染色は、治療中に除去される。薄膜、歯垢、および生物膜の一部の除去のために必要な温度は、典型的には、摂氏１００度超である。例えば、口腔液を除去または滅菌することを意図している歯科オートクレーブは、典型的には、摂氏１２１〜１３２度で動作する。
【０１１４】
レーザ治療の実施形態は、以下のステップを含む。染色が、患者の口腔内の全ての歯の硬組織表面に適用される。また、歯科レーザシステムが、患者の口腔内の全ての染色された硬組織表面を治療するために適切なパラメータ（上記参照）において使用される。染色された治療領域が治療されると、染色が除去され、表面をその自然色に戻す。レーザ治療は、全ての歯の硬組織表面がその自然色に戻されるまで継続する。
【０１１５】
上記で説明されるように、いくつかの実施形態によると、予防的８〜１２μｍレーザ治療は、歯石、結石、および薄膜を含む、種々の生物膜が除去されるように、エナメル質の局所表面温度を上昇させる。図８Ｂを参照すると、高倍率下のエナメル質は、歯のエナメル質を含む、エナメル小柱の上部と考えられる「薄片」を示す。歯のエナメル質の構造は、生物膜および研磨からの任意の付加的スメア層が歯の表面から除去されているため、部分的に明確に可視である。レーザ治療後、エナメル質は、大部分は生物膜を含まない、露出表面を有すると言われ得る。いくつかの実施形態によると、露出エナメル質表面は、生物膜がある程度除去された後に、増白剤を用いて治療される。増白剤は、典型的には、光学的に活性化される作用物質が添加された、または添加されていない、１〜６０％過酸化水素を含有するであろう。種々の増白活性化剤の光学活性化波長は、例えば、２００ｎｍ〜２０μｍの広いスペクトル範囲を伴う源から提供されることができる。過酸化水素は、エナメル質上の染色を除去する酸素ラジカルに分解する。生物膜および薄膜層が、概して、レーザ治療を用いて除去されると、増白剤は、エナメル質表面により直接適用され、より多くの染色を除去することができる。いくつかの実施形態によると、増白剤の組成は、変動し、主要な利点が実際の増白剤の組成ではないが、エナメル質の露出表面上に直接、増白剤を適用することであるため、依然として効果的であり得る。増白剤のｐＨは、典型的には、可能な限り７に近く（中性、非酸性）調合される。いくつかの実施形態では、酸性増白剤に対する歯のエナメル質が、典型的には、浸食をもたらすため、中性増白剤が採用される。
【０１１６】
いくつかの実施形態によると、フッ化物治療が、レーザ治療後に露出エナメル質表面に適用される。フッ化物治療は、虫歯に対する歯の抵抗、そしてある程度の浸食に対する歯の抵抗を増加させることが当技術分野において公知である。いくつかの実施形態では、フッ化物摂取は、露出エナメル質表面への直接的なフッ化物の適用によって、増加される。いくつかの実施形態では、フッ化物治療は、Ｐｕｌｐｄｅｎｔ（Ｗａｔｅｒｔｏｗｎ，  ＭＡ）からのＥｍｂｒａｃｅワニス等のフッ化物ワニスを含む。Ｅｍｂｒａｃｅワニスは、カルシウム、リン酸塩、およびキシリトールを伴う５％フッ化ナトリウムを含む。
例示的治療仕様
【０１１７】
治療のための歯科レーザシステムのいくつかの実施形態は、下記の表５による仕様を有する。
【表５】
2020519370.tif 000014
【０１１８】
治療のいくつかの実施形態は、下記の表６による性能仕様を有する。
【表６−１】
2020519370.tif 000015
【表６−２】
2020519370.tif 000016
閉ループレーザ制御
【０１１９】
上記で概説されるように、酸溶解に抵抗するためのレーザ治療は、レーザエネルギーが治療範囲（問題２）内で送達されることを要求する。治療に非常に適した波長を生成するＣＯ２レーザは、平均電力およびパルスあたりのエネルギーが変動することが公知である。ＣＯ２レーザ製造業者は、広い平均電力仕様内のみでレーザを生成し、個々のＣＯ２レーザは、使用中に平均電力が変動するであろう。したがって、歯の硬組織を治療するためのレーザシステムおよび方法が、平均電力またはレーザのパルスあたりのエネルギーを制御することが有利である。
【０１２０】
図２０を参照すると、レーザ出力計２００１が、開示される。レーザ出力計２００１は、レーザシステムのハンドピース（図示せず）が挿入され得る、ハンドピースポート２００２を有する。レーザ電力計２００１は、挿入されたハンドピースを固着し、センサ２００３に向かってハンドピースの出力を指向するように構成される。いくつかの実施形態によると、センサ２００３は、ＧｅｎＴｅｃ−ＥＯ（Ｑｕｅｂｅｃ，  ＱＣ，  Ｃａｎａｄａ）からのＰＲＯＮＴＯ−２５０−ＰＬＵＳ等のレーザ電力検出器を備える。ＰＲＯＮＴＯ−２５０−ＰＬＵＳは、０．１〜８．０Ｗの範囲内の電力測定に非常に適している。ＰＲＯＮＴＯ−２５０−ＰＬＵＳは、（本タイプのレーザ電力計によって通常提供される＋／−５％と比較して）＋／−３％正確度を提供する。
【０１２１】
レーザ出力計２００１を使用するために、臨床医は、ハンドピースポート２００２の中にハンドピースを設置し、公知の繰り返し率およびパルス持続時間においてレーザを発射する。センサ２００３は、実際の平均出力電力を測定および報告する。臨床医は、次いで、所望の平均電力読取値が達成されるまで、レーザの繰り返し率またはパルスエネルギーを変動させる。いくつかの実施形態では、パルス持続時間が、変動される一方で、繰り返し率は、略一定に保持される。これらの実施形態では、平均出力電力の変化は、パルスエネルギーの変化に対応する。上記で説明されるように、いくつかの実施形態では、パルスエネルギーは、治療範囲（問題２）内のレーザエネルギーを提供するために制御されなければならない。いったんレーザセンサ２００３が所望の平均レーザ出力電力を報告すると、臨床医が治療を開始する。
【０１２２】
統合レーザセンサ２１０２を採用する、閉ループレーザ制御の別の実施形態が、図２１Ａ−Ｂに図示される。図２１Ａは、入力開口２１０８を通してレーザビーム２１０６を受容し、関節動作アーム２１１０の中にレーザビームを整合させるように適合される、光学アセンブリ２１０４を描写する。光学アセンブリ２１０４内で、レーザビーム２１０６は、第１の反射体２１１２および第２の反射体２１１４によって方向転換される。いくつかの実施形態では、光学サブアセンブリ２１１６は、レーザビーム２１０６に作用する。いくつかの実施形態によると、第１の反射体２１１２は、レーザビーム部分２１１８が第１の反射体２１１２を通過し、統合レーザセンサ２１０２に向かって指向され得るように、部分的に透過性である。いくつかの実施形態によると、第１の反射体は、レーザビーム２１０６の約１％を「取り出し」、レーザビーム部分２１１８は、レーザビーム２１０６の電力の約１％である電力を有する。統合レーザセンサ２１０２は、したがって、レーザビーム２１０６を表すレーザビーム部分２１１８を測定する。統合センサ２１０２は、したがって、リアルタイムまたは近リアルタイムで治療中のレーザ電力の変動を測定するために非常に適している。
【０１２３】
図２１Ｂは、いくつかの実施形態による、統合レーザセンサ２１０２の断面を図示する。レーザビーム部分２１１８は、ＮＤフィルタ２１２０によって作用される。ＮＤフィルタは、未使用のレーザビーム部分２１２２から反射してもよい。例示的ＮＤフィルタは、レーザビーム部分２１１８の電力の０．３０％〜０．１７％の電力を有する、測定可能なレーザビーム部分２１２４を透過させる。測定可能なレーザビーム部分２１２４は、光検出器２１２６を照射する。いくつかの実施形態では、光検出器２１２６は、水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）センサ、ＣｏｈｅｒｅｎｔからのＰｏｗｅｒＭａｘ  Ｐｒｏ  Ｓｅｎｓｏｒ（米国特許第９，０５９，３４６号）、およびインジウムヒ素アンチモン（ＩＡＡ）センサのうちの１つを備える。
【０１２４】
図２２Ａは、いくつかの実施形態によって採用されるような統合レーザセンサの動作を描写する。典型的ＣＯ２レーザは、トリガ信号２２０２によって制御され、オフセット２２０４後にレーザパルスを開始する。レーザ信号２２０６は、統合レーザセンサによって感知される。レーザ信号２２０６は、共通水平軸内の時間２２０８と、垂直軸内のピーク電力２２１０とを有する、グラフに示される。典型的ＣＯ２レーザは、立ち上がりエッジ２２１２および立ち下がりエッジ２２１４を有する、サメの鰭に類似するレーザパルスを生成する。いくつかの実施形態によると、統合レーザセンサからの信号２２０６は、立ち上がりエッジ２２１２中のみに真である、デジタルパルス持続時間信号２２１６を生成するフィルタである。立ち上がり時間２２１８は、デジタルパルス持続時間信号が真である持続時間に等しく、また、レーザの光学パルス持続時間の測定された表現である。いくつかの実施形態によると、統合レーザセンサからのフィードバックが、光学パルス持続時間を制御するために使用される。
【０１２５】
ここで図２３Ａ−Ｂを参照すると、統合電力センサが、別の実施形態に従って採用される。図２３Ａを参照すると、レーザ信号２３０２が、統合電力センサによって提供される。第１のコンパレータ２３０４は、レーザ信号２３０２を最小電力閾値２３０６と比較する。最小電力閾値２３０６は、典型的には、最小の測定可能な量である、電力値である。第１のコンパレータ２３０４およびインバータ２３０７は、デジタルであり、レーザ電力信号２３０２が最小電力閾値２３０６を上回るときのみ真の値を有する、第１のコンパレータ信号２３０８を出力する。レーザ信号２３０２はさらに、それを最大電力閾値２３１２と比較する、第２のコンパレータ２３１０に提供される。第２のコンパレータ２３１０は、デジタルであり、レーザ信号２３０２が最大電力閾値２３１２を上回るときのみ真である、第２のコンパレータ信号２３１４を出力する。第１および第２のコンパレータ信号２１０８および２３１４は、ＡＮＤゲート２３１６に進入する。ＡＮＤゲート２３１６は、第１および第２のコンパレータ信号の両方が真であるときに、接続２３２０が開放され、開放して保持されるように、ラッチ２３１８と通信する。接続２３２０は、接続２３２０が開放しているときに、レーザトリガ信号２３２６が遮断されるように、レーザコントローラ２３２２とレーザ２３２４との間の電気通信内に位置する。いくつかの実施形態では、レーザコントローラ２３２２はさらに、レーザパルスの間でラッチ２３１８を掛止解除する、解除システム２３２８を備える。図２３Ｂは、ピーク電力を表す垂直軸２３３０を伴って、レーザ信号２３０２を示す。図２３Ｂはまた、全て時間を表す共通水平軸２３３２上にある、第１のコンパレータ信号２３０８、第２のコンパレータ信号２３１４、およびレーザトリガ信号２３２６も示す。いくつかの実施形態によると、レーザ信号２３０２は、エネルギー信号２３３４を提供するように経時的に統合される。エネルギー信号２３３４は、いったんエネルギー信号が規定パルスエネルギー閾値に到達すると、レーザトリガ信号２３２６を遮断するために類似回路で使用されることができる。加えて、いくつかの実施形態では、エネルギー信号２３２６が、パルスあたりの全エネルギーを測定するために使用される。
【０１２６】
図２４は、統合レーザセンサを採用する、なおも別の実施形態の性能を描写する。図２４を参照して説明される実施形態は、図２３Ａのものに類似するが、ＡＮＤゲート２４１６の後にラッチ２４１８を伴わない。本実施形態によると、レーザトリガ信号２４０２は、いったんレーザ信号２４０４が最大電力閾値２４０６を超えると、恒久的に遮断されない。代わりに、レーザトリガ信号２４０２は、瞬間的に遮断され、ヒステリシス周期２４０８後に、レーザトリガ信号は、遮断されない。本動作モードの結果は、最大電力閾値に従って高さ（電力）が限定される、レーザ信号２４０４である。上記で説明されるように、レーザ信号２４０４は、測定されたパルスエネルギー２４１０を提供するように積分されてもよい。いくつかの実施形態によると、トリガ信号２４０２の全パルス持続時間２４１２が、測定されたパルスエネルギーに従って制御される。
【０１２７】
予防的レーザ治療システムおよび方法の公理設計分解が、表７において下記で概説される。付加的システム制約がさらに、設計に影響を及ぼし得る。例えば、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｅ−１５０ｉレーザは、典型的には、５マイクロ秒以上の光学パルス持続時間で動作されなければならない。
【表７】
2020519370.tif 000017
【０１２８】
レーザ治療（ＤＰ０）の結合行列が、下記に示される。
【化８】
2020519370.tif 000018
【０１２９】
例証的実施形態を本明細書で説明したが、当業者は、上記に具体的に説明されるもの以外の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、本発明の原理を例証するにすぎず、種々の修正および追加が、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行われ得ることを理解されたい。故に、添付される請求項は、示され、説明されている特定の特徴によって限定されるものとしないが、任意の明白な修正およびその均等物も網羅すると解釈されるものとする。
【図１】
2020519370.tif 000019
【図２】
2020519370.tif 000020
【図３Ａ】
2020519370.tif 000021
【図３Ｂ】
2020519370.tif 000022
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2020519370.tif 000024
【図５】
2020519370.tif 000025
【図６Ａ】
2020519370.tif 000026
【図６Ｂ】
2020519370.tif 000027
【図７Ａ】
2020519370.tif 000028
【図７Ｂ】
2020519370.tif 000029
【図７Ｃ】
2020519370.tif 000030
【図７Ｄ】
2020519370.tif 000031
【図７Ｅ】
2020519370.tif 000032
【図７Ｆ】
2020519370.tif 000033
【図７Ｇ】
2020519370.tif 000034
【図８Ａ】
2020519370.tif 000035
【図８Ｂ】
2020519370.tif 000036
【図８Ｃ】
2020519370.tif 000037
【図９Ａ】
2020519370.tif 000038
【図９Ｂ】
2020519370.tif 000039
【図１０Ａ】
2020519370.tif 000040
【図１０Ｂ】
2020519370.tif 000041
【図１０Ｃ】
2020519370.tif 000042
【図１１】
2020519370.tif 000043
【図１２】
2020519370.tif 000044
【図１３】
2020519370.tif 000045
【図１４】
2020519370.tif 000046
【図１５】
2020519370.tif 000047
【図１６Ａ】
2020519370.tif 000048
【図１６Ｂ】
2020519370.tif 000049
【図１７】
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【図１８】
2020519370.tif 000051
【図１９Ａ】
2020519370.tif 000052
【図１９Ｂ】
2020519370.tif 000053
【図２０】
2020519370.tif 000054
【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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