How to use the hard tissue processing laser device and the device

本発明は、半導体レーザ装置及び同装置を用いて硬組織を処理するための方法に関する。

歯科の分野においては、エナメル質や象牙質のような硬組織や、歯茎のような所謂軟組織についてしばしば対処する必要がある。 近年、これらの場合において、レーザ照射は、硬組織を処置する際に痛みをほとんど伴わない方法において、軟組織を焼いたり、切断したりするのに優れた力を備えているためレーザ照射が幅広く利用されている。

近時、いくつかの禁忌を有する麻酔の使用を低減するため、及びこの種の処理が患者に引き起こす痛みを低減するため、従来の機械的方法に替えてレーザの利用が提案されてきた。

更に、光学システムに適用させた場合には、光ファイバ中の放射線に結合するようにレーザの焦点を合わせることが可能である。 これは、レーザ光線を処理点に移動することを可能にする。 ここで、適切な場合として、更なる光学システムを用いることにより、この種の手順に関する寸法領域に比して極めて狭い領域にレーザビームを再び合わせることができる。 そして、そのため、処置すべき表面上においてより精密にレーザビームを作動させることができる。

歯の硬組織及び軟組織に対してレーザを適用させる技術には多数あり、硬組織と軟組織とでは光特性（波長の関数としての吸収係数や拡散係数）と物理特性（熱伝導率、脈管化、神経及び筋組織の分布）との間に差があるので、それに応じて、機能（切断、縫合、軟質な塊の除去、虫歯組織の除去、埋め込み又は義歯のモデリング）を果たすような操作のタイプが制約されている。

軟組織の場合には、連続モードにより、１０．６μｍでＣＯ _２レーザを操作する最初の研究が行われた。 このレーザは、粘膜及び歯茎の組織等の除去及び歯周炎処置に対する処置、即ち排除されるべき窪みが形成された歯と歯茎との分離において使用された。 この種の適用は、血管組織の傷口を縫合する際の有効性や広い表面に亘って処置する際の均一性等について、手法の迅速化により有効であることが証明されているものの、連続レーザにより生じた熱によって引き起こされる傷の危険性を有している。

米国特許第５０２０９９５号明細書では、例えば、１０．６μｍの波長を持つ放射エネルギのＣＯ _２レーザが使用されていた。 同装置は、歯の軟組織と硬組織の両方に影響を与える手法に適用されていた。 その主な障害としては、一方で高エネルギで短い時間のパルスで照射された場合に生じる組織の局部的な温度上昇によるものがあり、他方でエネルギが減少して適用時間が増大する場合に生じる熱伝播によるものがある。

別の障害として、ＣＯ _２レーザから放射された放射線についてその大部分が水に吸収されるという事実によるものがある。 その結果として、エナメル質及び象牙質に切り口を形成する力が制限されている。 このような障害を未然に防ぐために、使用されるエネルギ準位、及び照射回数や照射時間等に関連する技術的な改良を採用する必要がある。 そして、これは、この方法が、明確に決められ、かつそれ故に極めて限定された操作条件に依存することを明示している。

硬組織は、虫歯組織を除去したり、また義歯の適用を見込んで歯の形状を作り直したりすることのいずれにおいても、ほとんどが切除型の動作を必要とする。 エナメル質や象牙質といった歯の成分に関する熱的及び光学的物性の研究や理解は、軟組織のそれに比して進んだ領域には達していない。 歯の内部における光及び熱の伝播に関するいくつかの面は、実際のところ非常に複雑である。 このことは、放射状に配向されたヒドロキシアパタイト結晶によってその大部分が形作られた歯の構造異方性と関連性がある。

髄室中にある神経末端、血管、繊維芽細胞及び象牙芽細胞の存在が、歯を処置する間に生じる過熱に対して敏感にさせている。 従って、組織除去を生じさせるのに要する高出力パルスでの照射は、髄室をその耐久可能な温度に保つべく冷却システムによる作用が可能となるようにその照射時間を制限しなければならない。

この種の処置に対しては、いくつかの種類のレーザが使用されてきた。 当初は、ＣＯ _２レーザ、エキシマレーザ及びＹＡＧネオジムレーザが使用されていた。 後に、かなりの進展が、ＹＡＧ式やＹＳＧＧ式（エルビウムＹＳＧでは２．９４μｍの操作、エルビウムＹＳＧＧでは２．７９μｍの操作）の中でもエルビウムのレーザの導入によって達成された。

米国特許第５５５４０２９号明細書、及び米国特許第５４５６６０３号明細書では、虫歯を除去するためにネオジムＹＡＧレーザ及びエルビウムＹＡＧレーザを使用している。 これらの装置の使用は、そのエネルギの最適化や表面吸収の増加のために、歯の虫歯の部分に適用される色素の使用と併用され、それ故に、除去すべき部分を選択的に処置することが可能になる。

これらのシステムは、運転中に非常に複雑な制限を有している。 更に、これらシステムが活性媒体の光学的ポンピング原理に基づくものであることから、システムはその大きさがかなりのものとなり、効率が悪くなっている。

米国特許第６３２５７９１号明細書では、歯科外科の分野にて使用される高分子複合材料の管理された重合プロセスにおいてダイオードレーザを使用している。
これらのシステムでも、上述した物質の吸収の最大値にレーザ光線の波長を適合させたり、最深部にある層からの重合開始を達成させたりするため、物質の重合に適用される色素を使用している。

このシステムの有利な点としては、ＣＯ _２レーザや、先に考慮したネオジムＹＡＧレーザやエルビウムＹＡＧレーザに対してその構造がより簡素化されていること、ダイオードレーザの取り扱いがより容易に行えることがある。

しかしながら、このソースによって利用可能な波長領域は限られている。 そして、歯組織の吸収の極大値が約３μｍであり使用不能であるという理由から、歯の組織に関する処置においてこのシステムの使用を阻んでいる。 それ故に、その装置は、適用される複合材料の重合に限定されており、歯の硬い表面の除去には適用されない。

最後に、歯の分野に対してした上記問題点と同じような問題点は、別の硬い組織、例えば骨などを対処することが必要なとき、別の外科処置の分野においても起こり得るということに注目すべきである。

本発明の目的は、例えば、歯や骨の表面のような硬い組織を処置するため半導体レーザやダイオードレーザの照射を使用する方法において、組織によるレーザ照射の吸収が充分にあり、かつ処置される組織の表面にレーザの照射が限定されている場合に、そのレーザ照射が内部に到達しその結果痛みを引き起こしたり、かつ又は、傷付き易い生体組織を損傷させることのないようにするための方法を提供することにある。

この目的の範囲内で、本発明の目的は、上述の方法を提供する装置で、取り扱いが容易でかつ小型化されていると同時に、更にそれに加えて信頼性が高く、高効率な装置を提供することにある。

本発明の別の目的としては、先行技術によっては引き起こされていた高コストを抑制することにある。

以下に明白にされるこの目的及びこれら及び別の目的は、請求項１に基づく方法、及び請求項８に基づく装置によって達成される。

（発明を実施する方法）
半導体レーザやダイオードレーザの使用によりいくつかの利点がもたらされた。 まず第一に、そのサイズに関しては、概してダイオードレーザは、従来構成（ＹＡＧの中でもエルビウム）のレーザに比してその占有体積を１０倍程度小さくすることができ、またその重量を５倍程度軽くすることができる。

これら小型化や軽量化といった特徴は持ち運びを容易にさせるとともに、それ故に、医師が作業する場合にあらゆる衛生環境や家庭環境において単一装置での使用を可能にする。 こうした利点は、電気工学的な効率（約３０％に等しい）をより高くすることと相まって生じ、そのことが、電力の消費や冷却の必要性を著しく削減することとなる。

更に、供給業者は、約８年の装置寿命に相当する約１００億パルスのレーザダイオードを保証する。 その代わりとして、結晶レーザは、再調整等を目的として、ランプや結晶を交換するため１〜３年の周期でメンテナンスを行う必要がある。

実施されてきた研究が、適切な出力のダイオードレーザの使用と照射されるレーザ光線の波長において高い吸収係数を持つ発色団とを組合わせることで、吸収作用の限られた組織に対する波長のレーザで操作したとしても硬組織の切断が可能になることを示している。 こうしたプロセスを効果的に行うには、そのレーザ照射は、処置される組織の表面について所定のフルエンスの閾値を上回るようにしなければならない。 このことは、この目的に対して半導体レーザの使用を可能にするのに必要とされる条件を提供する。 更に、このことは、先行技術で使用されるレーザのような従来型の固体レーザに関わる操作において大幅な簡略化を可能にする。 半導体レーザについてその構成は実際のところ非常に単純で、かつ大電流パルス源、低電圧出力電源、焦点合わせシステム及び適合した冷却システムといった数少ない構成要素により構成されている。 その代わりに、従来型のレーザは、中電圧出力部、高電圧ランプ点火装置、光学的感知手段、活性媒体及び対応する冷却システムにより構成されている。

また、ダイオードレーザの別の利点としては作業効率がある。 実際に、半導体レーザの標準効率は、５から１０まで変化する因子により光学的ポンピングレーザの標準効率に比して高くなっている。 また、半導体出力レーザの一般的なコストは高く、例えば歯の用途における半導体レーザシステムにおいてその発明に基づくものは、既に従来の選択肢よりも低価格となっている。 半導体ダイオード市場の多大な成長の見込みは、このような利便性が長期に亘って増加する一方であることを示唆する傾向にある。

また、そのシステムの別の利点としては、極めて限られた大きさのレーザダイオードソースにより形成されていることであり、これにより、外科医により把持されるハンドピースの中にその収容スペースを確保することが可能になる。

実際に、半導体レーザの分野及びそれらの小型化における継続的な進化は、上記レーザを含むハンドピース内のスポットに生成されるレーザ光線を必要としない例えば光ファイバ等の光案内手段を使用するレーザ光線伝送システムで、技術的な解決策を検討することを可能にする。 この場合、処置される組織の領域についての焦点合わせも、ビーム案内手段なしで直接行われる。

その発明に基づいて硬組織を処置する方法は次に示されるステップよりなり、その内容を以下に詳細に説明する。 すなわち、
半導体レーザソースからレーザ光線を発生させるステップ、
その表面に支配的な吸収を持つように、処置すべき組織の領域に対してレーザの波長について高い吸収を有した色素体物質を塗布するステップ、
フルエンス閾値を越えるように、適合された光学系を用いて組織の表面上にレーザ光線の焦点合わせを実施するステップ、及び 処置すべき組織に応じてそのレーザ光線のフルエンス閾値を越えるようにするステップである。

従って、この方法を提供することが可能な装置は、組織の表面に色素体物質を塗布するための系、少なくとも一つの半導体レーザを含むレーザ光源、処置すべき表面上にレーザ光線の焦点合わせを行うための光学系により構成されている。

図はその発明を実施するための手段を実証するために提供され、この図に示されるように、例えば液相中の色素を噴霧する噴霧器等の色素供給系３の使用によって、歯の表面には、色素体物質が継続的に塗布される。 その系は、放射される放射線のパルスを調節する電力供給装置（ダイオードドライバ）２に接続された電子制御装置（ＰＬＣ）１によって色素の供給を制御可能にする。 物質の量及び濃度は、処置すべき組織の種類、実行される操作、及び傷付き易い組織の損傷を防止するために必要な冷却作用に応じて異なる。

本発明において適用される色素は、実際のところ、例えばインドシアニングリーン等のトリカルボシアニン色素、例えば墨汁やスーダンブラックやグラファイトのような黒色色素、及び藍色からスミレ色といった多様なメチル色素、また言うまでもなく全ての同等の化合物といった異なる色素体物質間において選択することができる。

色素体物質の主要な特徴は、塗布されている間に吸収が可能となるように、レーザダイオードにより照射される波長において高い吸収係数を持たなければならないということにある。 色素体及びその濃度がこの判定基準に基づいて一度選択されれば、レーザ照射と同時に行われる色素体物質の塗布は、その焼灼閾値よりも高いエネルギ密度を供給することを可能にし、硬組織について効果的に作用するようになる。 従って、その方法は、外科用メスのような作用をし、かつそれが連続的に作用することを可能にする。

使用されるレーザ光線は、少なくとも一つの半導体レーザ４を備えたシステムによって生成され、前記システムは、パルス操作モードで１００Ｗ以上の総出力レベルを備えていなければならない。 そのパルスの継続期間は、１０〜５００００μ秒の間で変化させることができる。

処置される表面の切断を連続的に行う必要がある場合には、そのパルスの繰り返し率を１０Ｈｚよりも高くしなければならない。 別の方法として、そのシステムは、シングルバーストや低い繰り返し率によって操作することができる。

放出される放射線の波長は、６００〜１０００ｎｍの間に含まれる範囲内、より好ましくは８００〜９００ｎｍの間に含まれる範囲内で変化することができる。
現時点で、レーザ光線は、ファイバカプラ５を用いて光ファイバ６に送り出すことができる。 このことは、レーザ光線を外科医により把持されるハンドピースに伝送することを可能にする。 光ファイバーの直径は５〜２０００μｍの間で変更される。 レーザ光線は、４００〜６００μｍの直径を持つ光ファイバに対してはより効果的に集中するようになる。

レーザ光線の焦点合わせを行うため、光ファイバー６の端部に構成される光学系、例えばレンズや鏡７などが提供される。 これらは、組織上にて光線の焦点合わせを可能にする。 そして、焼灼閾値を上回ることが可能な縮小された衝撃面を得る。 例えば、レーザースポットは、３００〜５００μｍの間で変更することができる。

焦点合わせされた条件でのレーザパルスのエネルギは関係式Ｅ _Ｌ ＝Ｐ _Ｌ・ｔ _Ｌにより定義される。 ここで、Ｐ _Ｌはレーザ出力を示し、またｔ _Ｌはパルスの継続時間を示している。 その結果生じるエネルギ密度、所謂フルエンスもまたＦ _Ｌ ＝Ｅ _Ｌ ／Ｓにより定義され、ここでＳは焦点合わせされた条件でパルスにより衝撃を受ける面を示している。 硬組織に切り込みを入れるために超えなければならないフルエンスの閾値は、軟組織の場合に使用される閾値に比して当然のことながら高くなっている。

このことは、色素の塗布とともに、同一の装置で行うことができ、内部温度の上昇及びその結果として生じる組織近傍の変質等の障害を負うことなく、正常であろうと或いは変質していようと様々な構造及び組成を持つ組織について同一の取り扱いにも耐えうるようにする。 そして、最良の結果は、２０〜１００Ｊ／ｃｍ ^２の範囲でフルエンスを変更することによって達成することができる。

更に、本発明に基づく上記装置は、処置される表面を冷却するためのシステムも含む。 発色団を液状にして用いれば、前記冷却が発色団の塗布によって生じることになる。
装置の適用に関するいくつかの例を以下に詳述する。 それらは、発明の技術的特徴を制限するものと解釈してはならない。 従って、例示のため単に意図したものとして考えなければならない。

１％のインドシアニングリーン溶液が噴霧器を用いて正常な歯の表面に塗布された。 １４０Ｗの出力レベルと８０８ｎｍに等しい波長とを有した２基のダイオードレーザよりなるシステムを使用することによって、その放射線は、直径が６００μｍである光ファイバの中に伝送された。 その光ファイバから外部に出力される放射線は、直径が約０．４ｍｍのマイクロレンズを２個用いることでその焦点合わせが行われた。

８０Ｊ／ｃｍ ^２のフルエンスに相当するような、２０Ｈｚの周波数及び最大出力の８５％の出力で１ｍｓのパルスが歯の表面に当てられた。
当業者にとって、本発明に基づいて詳述された装置及び方法が様々な医薬の分野に応用され得ることは明らかである。 特に、その分野における知識や経験に基づいて処置される組織に応じて適切な技術的改良を伴うようにすれば、上記装置及び方法が、広範囲に亘って詳述された歯科の分野に使用されるだけでなく、硬組織（例えば骨等）を取り扱うより一般的な外科の分野においても、これら硬組織を精密に、かつそれとは別に傷付き易い組織に対しても損傷を与えることなく、かつ痛みを伴うことなく処置することが必要な場合に使用することができる。

本願がその優先権を主張するイタリア特許出願Ｎｏ． ＭＩ２００２Ａ００２３３２号公報に開示された内容が、参照として本明細書に組み込まれている。

更に、本発明の特徴及び有利な点が、以下に示されるその詳細な説明からより明白になるであろう。 添付図面にある唯一の図は、本発明の装置のブロック図である。