レーザベース歯科治療中の制御された流体冷却のための装置および方法

(関連出願の引用) 本願は、米国仮特許出願第61/646,579号(2012年5月14日出願)を基礎とする優先権の利益を主張する。該出願の全体は、参照により本明細書に引用される。

(発明の分野) 本発明は、冷却剤システムに関し、特に、レーザベースの歯科治療のための冷却剤システムに関する。

いくつかの歯科治療システムは、例えば、歯のエナメル質を切削するためにレーザを使用する。一部には、レーザは、歯等の治療されるべき組織から物質を切削および除去するプロセスのより優れた制御を提供し得るので、歯科治療において従来使用されているドリルをレーザベースのシステムと置換することが有益であり得る。また、レーザベースのシステムは、典型的には、従来のドリルより雑音が少なく、振動が少ないこともあり得る。レーザはまた、局所麻酔剤の量が、手技がドリルを用いて行われるときに要求されるものより少なく、歯科物質の除去において有用であることが分かっている。これらの理由から、歯科業界における多くの人々が、レーザベースのシステムがドリルベースの歯科治療システムにいずれ取って代わるであろうと予想している。

食品医薬品局(FDA)は、歯科用途における使用のための7つの異なるタイプのレーザおよびレーザダイオードを承認している。軟質組織を治療するために使用されるレーザは、血液が焼灼され、出血が最小化されるように、レーザの水分吸収特性および種々の他の特性に従って選定される。しかしながら、歯科治療システムの多くは、高水分吸収を呈するレーザを使用して、エナメル質または硬質組織を切削する。典型的には、印加されたレーザエネルギーは、歯のエナメル質中の水に吸収され(体積あたり約4%)、水を蒸発させ、結果として生じる蒸気に、硬質組織/エナメル質を破砕させ、したがって、エナメル質の一部を歯から除去する。レーザエネルギーの有意な部分が水によって強く吸収されるようなレーザ波長が選定されるため、そのようなシステムに関する共通問題は、エナメル質中の水の割合が低いことに起因して、切削動作がゆっくりであることである。実際、歯科硬質組織を除去するこの方法は、多くの場合、歯科ドリルの使用より非常に遅く、多くの歯科手技は、オペレータ/歯科医によって、従来のドリルを使用して、水へのレーザエネルギーの吸収によって動作するレーザの使用より短い時間で完了される。この理由から、施術者は、歯科治療のためにレーザベースのシステムを使用することを選定しようとしない場合が多く、したがって、レーザベースの治療がもたらし得る利点は、現在、広範に利用可能ではない。

5から15μmの範囲内のレーザ波長は、最大約96重量%の歯のエナメル質を生成するヒドロキシアパタイトによって強く吸収される。したがって、約5μmから最大約15μmの範囲内のレーザの使用は、公知のレーザベースの歯科治療システムの使用より硬質組織の高速切削をもたらすことができる。以下に説明されるように、冷却は、特に、5から15μmの範囲内のレーザの使用に重要である。

例えば、切削動作の間に生成された粒子の除去のために、切削の間の清浄を補助する流体の使用は、公知である。そのような流体はまた、切削動作前後の清浄のためにも使用され得る。一般に、レーザベースの歯科医術では、適正な冷却を伴わない場合、エナメル質は、任意の波長のレーザによって切除されると、溶融し、非アパタイトCaP相を形成する。したがって、レーザが切削のために使用されるとき、流体が、治療区域および/または周囲区域内の組織を冷却するために使用され、清浄に加え、そこへの熱損傷を防止することができる。

レーザが、水分蒸発によって、歯構造を破砕するために使用されるとき、治療区域を冷却するためにシステムによって提供される水は、物質除去率の有意な低下を伴わずに、レーザビームに干渉することができる。これは、レーザ放射を吸収して蒸発する冷却剤が、破壊力を治療区域に与えることによって、硬質組織物質を除去する働きをし得るからである。いくつかのシステムでは、冷却剤システムは、冷却剤が、レーザビームに干渉し、破壊力を歯科硬質組織に与えるように、意図的に構成される。いくつかのレーザベースの歯科治療システムでは、冷却剤は、冷却剤がレーザビームの切除動作に干渉するかどうかにかかわらず、エナメル質の溶融を回避または最小化するためだけに提供される。レーザパルス間に冷却剤を送達するいくつかのシステムは、表面が加熱されているとき、または間もなく加熱されるときに、治療中の歯科領域の表面からの強制対流冷却を提供しない。これは、治療される表面に、レーザパルス中の加熱とそのようなパルス間の冷却との熱サイクルを被らせることができる。

切除が、少なくとも部分的に、硬質組織のヒドロキシアパタイトへのレーザエネルギーの吸収により生じる歯科レーザシステムは、冷却流体がレーザに干渉するとき、物質除去率に著しい低下を被る可能性が高い。そのようなシステムでは、非調整量の水または他の冷却剤を提供することは、多くの場合、エナメル質の溶融の問題を解決するために有益な解決策ではない。これは、ヒドロキシアパタイトが、9.3から9.6μmにおけるレーザエネルギー(レーザ波長の中赤外線から遠赤外線の範囲に分類され得る)を吸収するが、水もまた、9.3から9.6μmにおけるレーザエネルギーを吸収し、したがって、冷却流体が、切除のために使用されるレーザ電力を有意に減衰させ得るからである。したがって、過剰量の水は、レーザビームの切削動作に干渉し得る。

加えて、エナメル質の溶融は、一般に、切削の効率を低下させ得るが、この問題は、中から遠赤外線レーザが使用されるときに有意であり得る。これは、主に、遠赤外線9.3−9.6μmエネルギーが、CaP相内に非常に吸収されるものから、事実上、吸収されないものまであるように、CaP相構造がヒドロキシアパタイトと完全に異なる吸収特性を有するからである。したがって、吸収機構のこのシフトは、中から遠赤外線波長におけるエナメル質の冷却および切除を吸収機構が水である近赤外線(例えば、従来の)波長よりはるかに重要にし得る。ヒドロキシアパタイトおよび非アパタイトCaP相の切除は、それほど異ならないので、切除が、概して、蒸発された水によって生じることから、近赤外線(従来の)レーザエネルギーを用いて切削するとき、ある程度のエナメル質溶融は、容認され得る。中から遠赤外線エネルギーレーザが切除のために使用されるときは、CaP相が、実質的に、除去されるべき硬質組織中へのレーザエネルギーの吸収を軽減またはさらに防止し得るので、そのような溶融を回避することが非常に望ましい。

したがって、そのレーザ処理の間、組織を冷却するために使用される流体を制御し、十分な除去率を提供する一方、実質的に、エナメル質の溶融を防止するための改良されたシステムおよび方法の必要性が存在する。

本発明は、例えば、以下を提供する: (項目1) 歯科組織治療のための装置であって、前記装置は、 レーザビームを治療されるべき歯科組織の区域に誘導するためのシステムと、 前記治療されるべき区域の少なくとも一部に流体の流動を誘導および制御する流体送達システムであって、前記流体送達システムは、前記歯科組織によるレーザエネルギー吸収の変化、および前記レーザビームへの流体干渉による治療効率の減衰を実質的に防止する、流体送達システムと を備えている、装置。 (項目2) 前記流体は、液体およびガスを含み、前記流体送達システムは、前記流体の体積に対する前記液体の体積の割合を調節するように構成されている、項目1に記載の装置。 (項目3) 前記液体は、水を含む、項目2に記載の装置。 (項目4) 前記液体は、塩、過酸化物、薬剤、顔料、鉱物、切削用化学物質、および界面活性剤のうちの少なくとも1つをさらに含む、項目3に記載の装置。 (項目5) 前記ガスは、空気を含む、項目2に記載の装置。 (項目6) 前記流体送達システムは、前記流体の流動を制御する、項目1に記載の装置。 (項目7) 前記流体送達システムは、前記歯科組織の溶融を実質的に防止するために十分な量の流体を提供するように構成されている、項目6に記載の装置。 (項目8) 前記流体送達システムは、流体の量を制限することにより、前記流体における前記レーザビームの吸収を制限するように構成されている、項目6に記載の装置。 (項目9) 前記流体は、液体を含む、項目6に記載の装置。 (項目10) 前記流体送達システムは、前記液体の流量を調節するように構成されている、項目9に記載の装置。 (項目11) 前記流体送達システムは、前記液体流動の圧力を約0psiから最大約40psiの範囲内で調節するように構成されている、項目9に記載の装置。 (項目12) 前記流体送達システムは、液体噴出を送達するように、液体流動のオンおよびオフを切り替えるように構成されている、項目9に記載の装置。 (項目13) 切り替えの周波数は、最大約10Hzである、項目12に記載の装置。 (項目14) 1回の液体噴出の持続時間は、最大約1000ミリ秒である、項目12に記載の装置。 (項目15) 前記流体は、ガスを含む、項目6に記載の装置。 (項目16) 前記流体送達システムは、前記ガスの流量を調節するように構成されている、項目15に記載の装置。 (項目17) 前記流体送達システムは、前記ガス流動の圧力を約0psiから最大約80psiの範囲内で調節するように構成されている、項目15に記載の装置。 (項目18) 前記流体送達システムは、ガス噴出を送達するように、ガス流動のオンおよびオフを切り替えるように構成されている、項目15に記載の装置。 (項目19) 切り替えの周波数は、最大約10Hzである、項目18に記載の装置。 (項目20) 1回のガス噴出の持続時間は、最大約1000ミリ秒である、項目18に記載の装置。 (項目21) 前記流体送達システムは、前記流体の流量を調節するように構成されている、項目6に記載の装置。 (項目22) 前記流体送達システムは、前記流体流動の圧力を約0psiから最大約80psiの範囲内で調節するように構成されている、項目6に記載の装置。 (項目23) 前記流体送達システムは、前記流体の流動を制御するための圧力解放レギュレータを備え、前記流体は、ガスを含む、項目1に記載の装置。 (項目24) 前記圧力解放レギュレータは、前記ガス流動の圧力を約0psiから最大約80psiの範囲内で調節するように構成されている、項目23に記載の装置。 (項目25) 前記圧力解放レギュレータは、 送達時に前記流体に液滴を形成させる低圧力範囲と、 送達時に前記流体に柱を形成させる中間圧力範囲と、 送達時に前記流体に噴霧を形成させる高圧力範囲と のうちの少なくとも1つの範囲内で前記ガス流動の圧力を調節するように構成されている、項目23に記載の装置。 (項目26) 前記流体送達システムは、前記流体の流動を制御するための容積式ポンプを備え、前記流体は、液体を含む、項目1に記載の装置。 (項目27) 前記容積式ポンプは、蠕動ポンプを含む、項目26に記載の装置。 (項目28) 前記ポンプは、最大約750rpmの周波数で動作し、前記ポンプの周波数は、前記液体の流量を制御する、項目26に記載の装置。 (項目29) 前記流体送達システムは、流体流動スイッチをさらに備え、前記流体流動スイッチは、流体流動の不足および泡を含む流体流動のうちの少なくとも1つが検出された場合、前記レーザビームを制御するように適合されている、項目26に記載の装置。 (項目30) 前記流体送達システムは、少なくとも1つのオリフィスを形成するノズルを備えている、項目1に記載の装置。 (項目31) 前記ノズルは、複数のオリフィスを形成する、項目30に記載の装置。 (項目32) 前記ノズルは、最大10個のオリフィスを形成する、項目31に記載の装置。 (項目33) 前記複数のオリフィスの各オリフィスは、約0.008インチから最大約0.15インチの範囲内の直径を有する、項目31に記載の装置。 (項目34) 前記複数のオリフィスは、多角形パターン、円形パターン、および弧状パターンのうちの1つで構成されている、項目31に記載の装置。 (項目35) 前記レーザビームの軸に対する前記ノズルの配向は、調節可能である、項目30に記載の装置。 (項目36) 前記ノズルの配向は、前記レーザビームに対して約0°から最大約90°の範囲内の角度で調節可能である、項目35に記載の装置。 (項目37) 前記ノズルの配向は、前記レーザビームに対して約77°である、項目35に記載の装置。 (項目38) 前記ノズルの先端と前記治療されるべき歯科組織の区域との間の距離は、約2ミリメートルから最大約50ミリメートルの範囲内である、項目30に記載の装置。 (項目39) 前記流体送達システムは、前記流体流動を液滴、柱、および噴霧のうちの1つとして誘導するように構成されている、項目1に記載の装置。 (項目40) 前記治療されるべき区域は、約0.00005平方インチから最大約0.055平方インチの範囲内である、項目1に記載の装置。 (項目41) 前記歯科組織は、硬質歯科組織である、項目1に記載の装置。 (項目42) 歯科組織治療のための方法であって、 レーザビームを治療されるべき歯科組織の区域に誘導することと、 前記治療されるべき区域の少なくとも一部への流体の流動を誘導および制御することにより、前記歯科組織によるレーザエネルギー吸収の変化、および前記レーザビームへの流体干渉による治療効率の減衰を実質的に防止することと を含む、方法。 (項目43) 前記流体は、液体およびガスを含み、前記流体の体積に対する前記液体の体積の割合は、制御される、項目42に記載の方法。 (項目44) 前記液体は、水を含む、項目43に記載の方法。 (項目45) 前記液体は、塩、過酸化物、薬剤、顔料、鉱物、切削用化学物質、および界面活性剤のうちの少なくとも1つをさらに含む、項目44に記載の方法。 (項目46) 前記ガスは、空気を含む、項目43に記載の方法。 (項目47) 前記流体の流動は、制御される、項目42に記載の方法。 (項目48) 前記流体の流動は、前記歯科組織の溶融を実質的に防止するために十分な量の流体を提供するように制御される、項目47に記載の方法。 (項目49) 前記流体の流動は、流体の量を制限することにより、前記流体における前記レーザビームの吸収を制限するように制御される、項目47に記載の方法。 (項目50) 前記流体は、液体を含む、項目47に記載の方法。 (項目51) 前記液体の流量は、調節される、項目50に記載の方法。 (項目52) 前記液体の圧力は、前記圧力が約0psiから最大約40psiの範囲内であるように調節される、項目50に記載の方法。 (項目53) 前記液体の流動は、液体噴出を送達するように、オンおよびオフが切り替えられる、項目50に記載の方法。 (項目54) 前記液体の流動のオンおよびオフの切り替えの周波数は、最大約10Hzである、項目53に記載の方法。 (項目55) 1回の液体噴出の持続時間は、最大約1000ミリ秒である、項目53に記載の方法。 (項目56) 前記流体は、ガスを含む、項目47に記載の方法。 (項目57) 前記ガスの流量は、調節される、項目56に記載の方法。 (項目58) 前記ガス流動の圧力は、前記圧力が約0psiから最大約80psiの範囲内であるように調節される、項目56に記載の方法。 (項目59) 前記ガスの流動は、ガス噴出を送達するように、オンおよびオフが切り替えられる、項目56に記載の方法。 (項目60) 前記ガスの流動のオンおよびオフの切り替えの周波数は、最大約10Hzである、項目59に記載の方法。 (項目61) 1回のガス噴出の持続時間は、最大約1000ミリ秒である、項目59に記載の方法。 (項目62) 前記流体の流量は、調節される、項目47に記載の方法。 (項目63) 前記流体流動の圧力は、前記圧力が約0psiから最大約80psiの範囲内であるように調節される、項目47に記載の方法。 (項目64) 前記流体の流動を制御することは、少なくとも部分的に、圧力解放レギュレータによって行われ、前記流体は、ガスを含む、項目42に記載の方法。 (項目65) 前記流体の流動を制御することは、前記ガス流動の圧力を約0psiから最大約80psiの範囲内で調節するように、前記圧力解放レギュレータを構成することを含む、項目64に記載の方法。 (項目66) 前記流体の流動を制御することは、 送達時に前記流体に液滴を形成させる低圧力範囲と、 送達時に前記流体に柱を形成させる中間圧力範囲と、 送達時に前記流体に噴霧を形成させる高圧力範囲と のうちの少なくとも1つの範囲内で前記ガス流動の圧力を調節するように、前記圧力解放レギュレータを構成することを含む、項目64に記載の方法。 (項目67) 前記流体の流動を制御することは、容積式ポンプを使用して、前記流体を圧送することを含み、前記流体は、液体を含む、項目42に記載の方法。 (項目68) 前記容積式ポンプは、蠕動ポンプを含む、項目67に記載の方法。 (項目69) 前記液体の流動を制御することは、前記ポンプを最大約750rpmの周波数で動作させることを含み、前記ポンプの周波数は、前記液体の流量を制御する、項目67に記載の方法。 (項目70) 流体流動スイッチを使用して、前記液体の流動を監視することと、 前記監視の間、流体流動の不足および泡を含む流体流動のうちの少なくとも1つが検出された場合、前記レーザビームを制御することと をさらに含む、項目67に記載の方法。 (項目71) 前記流体は、少なくとも1つのオリフィスを形成するノズルを使用して送達される、項目42に記載の方法。 (項目72) 前記ノズルは、複数のオリフィスを形成する、項目71に記載の方法。 (項目73) 前記ノズルは、最大10個のオリフィスを形成する、項目72に記載の方法。 (項目74) 前記複数のオリフィスの各オリフィスは、約0.008インチから最大約0.15インチの範囲内の直径を有する、項目72に記載の方法。 (項目75) 前記複数のオリフィスは、多角形パターン、円形パターン、および弧状パターンのうちの1つで構成されている、項目72に記載の方法。 (項目76) 前記レーザビームの軸に対する前記ノズルの配向は、調節可能である、項目71に記載の方法。 (項目77) 前記ノズルの配向は、前記レーザビームに対して約0°から最大約90°の範囲内の角度で調節可能である、項目76に記載の方法。 (項目78) 前記ノズルの配向は、前記レーザビームに対して約77°である、項目76に記載の方法。 (項目79) 前記ノズルの先端と前記治療されるべき歯科組織の区域との間の距離は、約2ミリメートルから最大約50ミリメートルの範囲内である、項目71に記載の方法。 (項目80) 前記流体流動は、一連の液滴、一連の柱、および噴霧のうちの1つであるように調節される、項目42に記載の方法。 (項目81) 前記治療されるべき区域は、約0.00005平方インチから最大約0.055平方インチの範囲内である、項目42に記載の方法。 (項目82) 前記歯科組織は、硬質歯科組織である、項目42に記載の方法。 発明の要旨 種々の実施形態では、本発明によるシステムおよび方法は、効果的歯科治療を促進し、この効果的歯科治療において、レーザビームによるエナメル質の溶融のリスクは、歯科組織の切削の効率に有意に影響を及ぼさずに、緩和または排除される。これは、部分的に、治療区域内に存在する流体の量が、エナメル質の溶融のリスクを最小化するために適正であるが、レーザエネルギーの有意な部分を吸収することによってレーザビームに干渉するほど過剰ではないように、冷却剤流体の流動を調整することによって達成される。具体的には、溶融エナメル質は、ヒドロキシアパタイトを被覆し、したがって、実質的に、それによって、レーザエネルギーの吸収を防止することができるため、本システムおよび方法は、エナメル質の溶融を阻害または最小化するために十分な量の水/冷却剤が、治療区域内に存在することを保証する。しかしながら、水/冷却剤の量は、水/冷却剤中に吸収される放射の部分が最小化され、除去されるべきヒドロキシアパタイト/エナメル質によるレーザエネルギーの吸収が、最大化され、またはピーク吸収に近くなるよう維持されるように、最小化される。その結果、切除のために利用される、生成されたレーザエネルギーの部分は、中から遠赤外線レーザベースの治療のコストおよび/または持続時間が、最小化される一方、エナメル質の溶融を防止するように最大化されることができる。冷却剤流体の流動の調整の一部として、冷却流体の場所および量の両方が、制御され得る。種々の実施形態はまた、コンピュータ制御されたレーザビーム送達を採用し得る。

多くの場合、レーザによる切除が進行するにつれて、孔または陥凹が、治療区域(歯、硬質組織等の表面)に形成される。したがって、冷却剤流体が、切除によって露出される表面を湿潤させ、エナメル質溶融が、その中で生じず、非アパタイトCaP相が、露出された表面を覆って形成されないように、冷却剤流体スプレーが形成されることが有益である。しかしながら、また、冷却剤流体貯留は、回避されることが保証されなければならない。冷却剤流体貯留は、貯留された冷却剤流体へのレーザエネルギーの吸収増加、対応して、ヒドロキシアパタイト切除率の低下につながり得る。さらに、エナメル質表面上へのその衝突に先立った水(一般に、冷却剤流体)と赤外線レーザビームの相互作用は、水へのレーザエネルギーの追加の吸収、さらにヒドロキシアパタイト吸収の低下につながり得る。したがって、可能な限り少ない冷却剤スプレーまたは噴霧が、治療区域に送達される赤外線レーザ光と相互作用または交差することを保証することが有利である。

故に、一側面では、種々の実施形態は、歯科組織治療のための装置を特徴とする。本装置は、レーザビームを治療されるべき歯科組織の区域に誘導するためのシステムを含む。本装置はまた、治療されるべき区域の少なくとも一部への流体の流動を誘導および制御することにより、歯科組織によるレーザエネルギー吸収の変化およびレーザビームへの流体干渉による治療効率の減衰の両方を実質的に防止するための流体送達システムを含む。治療されるべき区域の少なくとも一部に送達される流体は、その区域内のエナメル質の溶融を防止し、またはそのような溶融のリスクを有意に低減させ得る。

いくつかの実施形態では、流体は、液体およびガスを含み、流体送達システムは、流体の体積に対する液体の体積の割合を調節するように構成され得る。液体は、水を含むか、または本質的にそれから成り得る。代替として、または加えて、液体は、塩、過酸化物、薬剤、顔料、鉱物、切削用化学物質、および界面活性剤のうちの1つ以上を含み得る。ガスは、空気を含むか、または本質的にそれから成り得る。

いくつかの実施形態では、流体送達システムは、流体の流動を制御する(例えば、弁を使用して)。流体送達システムは、実質的に、歯科組織の溶融を防止するために十分な量の流体を提供するように構成され得る。流体送達システムはまた、治療区域に送達される流体の量を制限することにより、流体中へのレーザビームエネルギーの吸収を制限するように構成され得る。

流体は、液体を含むか、または本質的にそれから成り得、流体送達システムは、液体の流量を調節するように構成され得る(例えば、弁を使用して)。いくつかの実施形態では、流体送達システムは、液体流動の圧力を約0psiから最大約40psiの範囲内で調節するように構成される。流体送達システムはまた、液体噴出または一連の噴出を送達するように、液体流動のオンおよびオフを切り替えるように構成され得る。切り替えの周波数は、最大約10Hzであり得、1回の液体噴出の持続時間は、最大約1000ミリ秒であり得る。

いくつかの実施形態では、流体は、ガスを含むか、または本質的にそれから成り、流体送達システム(例えば、弁)は、ガスの流量を調節するように構成される。代替として、または加えて、流体送達システムは、ガス流動の圧力を約0psiから最大約80psiの範囲内で調節するように構成され得る。流体送達システムは、ガス噴出を送達するように、ガス流動のオンおよびオフを切り替えるように構成され得る。ガス噴出は、液体が、冷却を提供し得るように、液体液滴または噴出の送達と交互に送達され得、ガス噴出は、治療区域/領域から、レーザビームに干渉し得る任意の過剰量の液体を除去する。切り替えの周波数は、最大約10Hzであり得、1回のガス噴出の持続時間は、最大約1000ミリ秒であることができる。

いくつかの実施形態では、流体送達システムは、流体の流量を調節するように構成される(例えば、弁を使用して)。例えば、流体送達システムは、流体流動の圧力を約0psiから最大約80psiの範囲内で調節するように構成され得る。いくつかの実施形態では、2つの弁が、使用され得、一方は、液体の流動を制御/調整し、第2の弁は、ガスの流動を制御/調整し、液体およびガスは、冷却剤流体を形成する。

いくつかの実施形態では、流体送達システムは、流体の流動を制御するための圧力解放レギュレータを含み、流体は、ガスを含む。圧力解放レギュレータは、ガス流動の圧力を約0psiから最大約80psiの範囲内で調節するように構成され得る。いくつかの実施形態では、圧力解放レギュレータは、送達時、流体に液滴を形成させる約0psiから最大約5psiの範囲、送達時、流体に柱を形成させる約5psiから最大約15psiの範囲、および送達時、流体に噴霧を形成させる約15psiから最大約80psiの範囲のうちの1つ以上の範囲内でガス流動の圧力を調節するように構成される。

流体送達システムは、流体の流動を制御するための容積式ポンプを含み得、流体は、液体を含むか、または本質的にそれから成り得る。容積式ポンプは、蠕動ポンプを含み得る。容積式ポンプは、最大約750rpmの周波数で動作し得、ポンプの周波数は、液体の流量を制御することができる。いくつかの実施形態では、流体送達システムは、流体流動の存在および/または流体流動内の泡の存在を検出することができる、流体流動スイッチを含む。流体流動スイッチは、流体流動の不足が検出された場合、および/または泡を含む流体流動が検出された場合、レーザビームを制御するように適合され得る。

いくつかの実施形態では、流体送達システムは、1つ以上のオリフィスを形成するノズルを含む。ノズルは、いくつかのオリフィスを形成し得る。例えば、ノズルは、最大10個のオリフィスを形成し得る。いくつかのオリフィスの各オリフィスは、約0.008インチから最大約0.15インチの範囲内の直径を有し得る。いくつかのオリフィスは、多角形パターン、円形パターン、または弧状パターンで構成され得る。いくつかの実施形態では、レーザビームの軸に対するノズルの配向は、例えば、レーザビームに対して約0°から最大約90°の範囲内の角度で調節可能である。いくつかの実施形態では、ノズルの配向は、レーザビームに対して約77°である。

いくつかの実施形態では、ノズルの先端と治療されるべき歯科組織の区域との間の距離は、約2ミリメートルから最大約50ミリメートルの範囲内である。流体送達システムは、流体流動を一連の液滴、一連の柱、および噴霧のうちの1つ以上として誘導するように構成され得る。治療されるべき区域は、約0.00005平方インチから最大約0.055平方インチの範囲内であり得、歯科組織は、硬質歯科組織を含むか、または本質的にそれから成り得る。いくつかの実施形態では、空気カーテンが、治療されるべき区域/領域(例えば、歯の表面)に衝打後、冷却流体が、跳ね返り、レーザビームに干渉し得るリスクを排除または低減させる。

別の側面では、種々の実施形態は、歯科組織治療のための方法を特徴とする。本方法は、レーザビームを治療されるべき歯科組織の区域に誘導することと、治療されるべき区域の少なくとも一部への流体の流動を誘導および制御することにより、歯科組織によるレーザエネルギー吸収の変化およびレーザビームへの流体干渉による治療効率の減衰の両方を実質的に防止することとを含む。

流体の流動は、制御され得る。いくつかの実施形態では、本方法は、実質的に、歯科組織の溶融を防止するために十分な量の流体を提供するように、流体の流動を制御することを含む。流体流動の制御はまた、流体の量を制限することにより、流体中へのレーザビームの吸収を制限することを含み得る。

いくつかの実施形態では、流体の流動の制御は、少なくとも部分的に、圧力解放レギュレータを使用して行われる。本方法は、流体流動を制御するように、容積式ポンプを使用して、流体を圧送することを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法は、流体流動スイッチを使用して、液体の流動を監視することと、流体流動の不足が検出された場合、および/または泡を含む流体流動が検出された場合、レーザビームを制御することとを含む。流体は、1つ以上のオリフィスを形成するノズルを使用して送達され得る。レーザビームの軸に対するノズルの配向は、冷却剤流体を治療の区域内の選択されたスポットに誘導するように調節され得る。硬質歯科組織が、いくつかの実施形態では、治療され得る。

本発明は、添付の図面および付随の発明を実施するための形態に照らして、より明白となるであろう。本明細書に描写される実施形態は、限定ではなく、一例として提供され、類似参照番号は、同一または類似要素を指す。図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、本発明の側面を図示する際に強調される。

図1は、一実施形態による、歯の横断面図と、流体送達システムを介して、冷却流体を供給する例示的プロセスとを示す。

図2は、一実施形態による、切削プロセスが継続し、制御された切削プロファイルを作成する歯の別の横断面図を示す。

図3は、一実施形態による、正方形切削領域を伴う歯の断面の平面図と、切削領域への冷却剤流体の送達とを示す。

図4A−4Dは、異なる実施形態による、種々の例示的ノズルを描写する。

図4A−4Dは、異なる実施形態による、種々の例示的ノズルを描写する。

図4A−4Dは、異なる実施形態による、種々の例示的ノズルを描写する。

図4A−4Dは、異なる実施形態による、種々の例示的ノズルを描写する。

図5は、種々の実施形態による、流体流動を制御するために使用される、種々のパラメータの表である。

図6は、一実施形態による、流体が、液体およびガスの両方を含む、流体送達システムを図式的に描写する。

図7は、一実施形態による、冷却剤の体積流量と硬質組織除去率との間の関係を描写する。

レーザベースの歯科治療システムと冷却流体の制御された送達を組み合わせたプロセスが、開示される。レーザベースのシステムは、コンピュータ制御され得、冷却剤流体送達システムは、空気カーテンを含み、レーザビームに干渉し得る冷却流体の量を制限し得る。

図1は、レーザビーム1が、レーザ治療/切削システム3の一部である、ハンドピース2から現れる、一実施形態を描写する。レーザビームは、コンピュータ制御されることができ、鏡4に反射し、歯5または他の組織上で切削動作を行う。ユーザは、切削6の幾何学形状および切削6の深度を選択することができる。冷却流体7は、ノズル8および9を介して、歯5に誘導される。この流体は、切削を完全に制御するために必要とされる重要な冷却を提供するだけではなく、また、切削物質を歯5から除去するために役立つ。別個のノズルアセンブリ10は、冷却流体がハンドピース2内に跳ね返ることを防ぎ得る空気カーテン11を供給する。別個のノズルアセンブリ10は、制御された空気の量を供給し、実質的に層流である、空気カーテン11を形成するように設計される。これは、レーザビーム1に対する混乱を最小化することができる。冷却剤流体の流動は、概して、切削6等の切削が、レーザビーム1を使用して、一貫して、かつ再現可能様式において達成されることができるように制御される。

図2は、切削6が進行中であるときの歯5の断面を描写する。レーザビーム1は、切削6の一部のみに集束され、その切削6の最終幾何学形状および深度を達成するように走査される。流体流動7、12は、それぞれ、ノズル9、8から送達され、ノズル9、8の設計によって誘導および制御される。特に、ノズルの開口サイズおよびその配向は、図5に示されるパラメータのうちの1つ以上に従って選択される。ノズルの配向は、ノズルからの流体スプレーが治療されるべき歯科表面に衝突する角度を決定することができる。

いくつかの実施形態では、冷却流体の流動7、12は、切削6がより深くなるにつれて、異なるように制御される。底部におけるエナメル質の溶融を実質的に防止するように、流動7、12から切削6の底部に適正な量の冷却流体を提供することが有益である。切削6が深くなるにつれて、これは、治療領域が、概して、平坦であるときに好適であり得る液滴または噴霧から、切削が深いときの流体柱に流動パターンを変化させることによって達成されることができる。流動パターンは、ガス状流体の圧力を変動させることによって変更され得る。概して、より低いガス圧力は、液滴流動パターンを提供し、若干高いガス圧力は、冷却剤の柱を提供し、より高いガス圧力は、噴霧を提供し、最高ガス圧力は、最も微細な噴霧を提供する。ガス圧力の変動は、電気レギュレータ、例えば、SMCITV−0030−3UBS電気レギュレータの使用を通して、コンピュータ制御され得る。しかしながら、切削6の底部における冷却剤流体の貯留は、回避され得る。これは、部分的に、パルス状パターン等、流体の柱を断続的に送達することによって達成されることができる。加えて、または代替として、冷却剤液体の液滴またはビームとガス(空気等)の噴出とが、切削6に交互に送達されることができ、適正な湿潤および冷却を提供する一方、液体の貯留を最小化または回避する。

図3は、正方形切削6を伴う歯5の表面を見下ろす図を示す。切削領域6全体を十分に冷却するために、冷却剤流動13は、切削6の幾何学形状全体を通して、均一様式において送達されることができる(例えば、2%、5%、15%未満等、治療の少なくとも一部の間、送達される流体の量の変動を伴う)。これは、部分的に、冷却剤流体を噴霧として送達することによって、または、切削領域6の異なる場所15、16、17を標的化するために、異なる時にノズルの異なるオリフィスを介して冷却剤を送達することによって達成されることができる。異なる場所を標的化するために、複数の流体導管が、異なる切替弁を介して、異なるノズルと単一ポンプを流体接続し得、または異なるノズルが、一組のポンプ内の対応するポンプと流体連通し得る。

図4A−4Cは、それぞれ、典型的5−15μm歯科レーザハンドピースの断面と、2つの例示的ノズルの断面とを示す。ハンドピース3は、ビーム経路2および45度転向した鏡4を封入する。ノズルアセンブリ10が、ハンドピース3内に挿入され、断面は、典型的噴霧ノズル8、9を示す。流体、すなわち、液体、ガス、またはそれらの混合物は、ノズル8、9を通して送達されることができる。いくつかの実施形態では、液体(例えば、水)は、一方のノズル(例えば、ノズル8)を通して送達され得、ガス(例えば、空気)は、他のノズル(例えば、ノズル9)を通して送達され得る。図4Bに描写されるように、ノズルアセンブリは、リム内に2つのオリフィスを有する。図4Cに描写されるノズルアセンブリは、4つのオリフィスを有する。一般に、ノズルアセンブリは、1つ以上の個々の流体流動および/または各オリフィスを通した流動の組み合わせから生じる流体流動を制御するように、1つ程度の少ないオリフィスと、5つ以上(例えば、6、8、10等)のオリフィスとを有し得る。図4Dは、レーザビームの軸54に対して約77°の角度に配向されたノズル52を含むノズルアセンブリ50の実施形態を描写する。ノズルアセンブリ50は、レーザビームの軸54に対して約30°の角度に配向された別のノズル56を含む。コントローラは、歯科治療の間のある時は、ノズル52を介して、歯科治療の間の別の時は、ノズル56を介して、冷却剤流体流動を選択し得る。ノズルアセンブリ50は、2つのみのノズルを含むが、これは、例証にすぎない。一般に、ノズルアセンブリは、3つ以上のノズルを含み得、それらの各々、またはそれらの群は、レーザビームの軸に対して異なる角度で配向される。各ノズルまたはノズル群は、歯科治療の間の異なる時に冷却剤流動を送達するように選択され得る。

システムの種々のパラメータ、例えば、ノズル内で組み合わせられ、噴霧、液滴、または柱を形成し得るガスおよび液体の圧力および流量が、治療の間、調節および制御され得る。流体流動を制御するために使用される種々のパラメータは、図5に描写される。冷却流体はさらに、歯科治療における使用に安全であり、エナメル質の除去を向上させ、および/または切削の区域内に冷却流体の薄い均一層を維持する上で補助することができる、界面活性剤または他の化学物質で処理され得る。

図6は、流体をレーザ治療区域に提供する、流体送達システムを図式的に図示する。液体流体は、通気されたリザーバ16内に貯蔵される。治療システムは、液体レベルスイッチ18によって、液体冷却剤が少ないと通知される。好適な液体レベルスイッチの実施例は、リザーバ内のMEDER製品番号:2500000026等の磁気フロートと、フロートが近接しているとき(例えば、リードスイッチと接触する、またはそこから数ミリメートル以内)に閉鎖する、MEDER製品番号:2242711054等の通常は開放されているリードスイッチの組み合わせである。冷却剤/水は、容積式ポンプ20を使用して、通気されたリザーバ16から圧送される。容積式ポンプ20の使用は、その率が、概して、ポンプ20の回転速度に比例するため、液体流体流量の制御を可能にする。一般に、容積式ポンプ20の回転速度が高いほど、液体流体の流量は大きくなり、治療区域に送達される液体流体の量は多くなる。

蠕動ポンプは、ポンプの湿潤される表面が、通常、ポンプ内の管に制限されるので、流体送達システムに非常に好適な容積式ポンプの実施例である。FDA準拠管類が、蠕動ポンプ内で使用され得る。流体送達システムに好適な蠕動ポンプの実施例は、375rpmモータおよび2mmI.D.PharMedBPT生体適合性管類と組み合わされたBoxer9000である。液体流体の流動は、治療区域を十分に冷却し、実質的に、硬質組織の溶融および熱損傷を防止するために必要とされるので、流体流動スイッチ22が、治療区域への液体流体の流動を保証するために使用されることができる。Sensirion LG01は、図6に関して図示されるシステム内で使用される例示的流動スイッチである。液体流体流動の検出に加え、スイッチ22はまた、潜在的に、液体流体の断続噴霧または送達を生じさせ得る、泡の存在を検出することができる。完全および/または部分的断続(例えば、多数の泡のため)が、液体流動において検出された場合、レーザビームの動作は、手動で、および/または自動的に、オフにされ、治療区域へのいかなる損傷も防止することができる。

図6に示される例示的システム内の冷却剤流体はまた、一実施形態では、空気であるガスを含む。一般に、冷却剤流体は、どんなガスも含まないか、または空気以外のガスを含み得る。空気コンプレッサ24が、空気を供給する。レーザデバイスのための筐体の内側に位置付けられ得るように十分に小さいコンプレッサは、十分な圧力および流動を提供することができる。加えて、または代替として、外部空気コンプレッサが、流体送達システムとともに使用され得る。Gardner Denver Thomas 415ZC36/24は、例示的空気コンプレッサである。空気は、自動ドレインを伴うSMC AF20−N02C−CZ空気フィルタ等の空気フィルタ26を使用して、濾過および乾燥され得る。

空気の圧力は、圧力解放レギュレータ28を使用することによって調整される。ガス状流体の圧力を変更することによって、液体流体は、超低または低ガス圧力(例えば、約0psiから最大約5psi)では液滴、低または中ガス圧力(例えば、約5psiから最大約15psi)では柱、あるいは高ガス圧力(例えば、約15psiから最大約80psi)では噴霧の形態で噴射され得る。噴霧の曝気は、ガス状流体の調整された圧力によってさらに制御されることができ、ガス圧力が高いほど、噴霧が微細になる。SMC NARM1000−2A1−N01Gは、流体送達システムのいくつかの実施形態に好適な例示的空気レギュレータである。

図6に示されるシステムでは、ノズルオリフィス36におけるガス圧力は、通常、閉鎖されているソレノイド弁30、例えば、SMC VQZ115−5L1−01T弁によって制御される。この弁を開放することによって、空気は、ノズル10に供給され、噴霧を形成する。液体冷却剤の調整された流動とともに、調整された空気圧力を噴霧ノズルに提供することは、再現可能流動、形態、および冷却特性を有する、曝気冷却剤の噴流を産生することができる。例えば、約20ゲージpsiの空気圧力は、広範囲の水流量にわたって、均一噴霧を提供することができる。約6.9ml/分の水流量は、わずかなレーザ電力を用いて、多くの硬質組織歯科治療のために十分な冷却を提供することができる。水流量は、オペレータ(例えば、歯科医)によって、約2ml/分程度まで低く減少され、約10ml/分程度まで高く増加され、高品質の切削を達成し得る。水流量の変化は、空気圧力設定から独立して行われることができる。概して、低水流量は、レーザが、典型的には、硬質組織を切削するために使用されるものより少ない電力で動作され、したがって、冷却の必要性がより少ないであろうため、髄質、象牙質、または軟質組織の治療のために使用され得る。高水流量は、概して、エナメル質等の硬質組織の治療のために、高設定におけるレーザ電力とともに使用され得る。水流量が高いほど、治療区域/領域の冷却は多くなる。

レーザシステムは、コンプレッサ24が位置する側からソレノイド弁30の反対側に位置する圧力スイッチ32を用いて、ガス/空気流動を監視することによって、ソレノイド弁30が開放されるとき、ガス/空気圧力がノズル10内に存在することを保証することができる。圧力スイッチ32(例えば、SMC PS1000−R07L)は、レーザシステムに、空気圧力が設定閾値を上回るかどうかを示し得る。空気圧力がある規定された閾値を下回る場合、レーザシステムは、手動で、および/または自動的に、シャットダウンされ得る。

図6に描写される流体送達システムでは、ガス(例えば、空気)および液体流体(例えば、水)は、噴霧ノズルヘッド内の混合チャンバ34の中で組み合わせられ、次いで、1つ以上のオリフィス36から噴射される。2つ以上のオリフィスを使用する実施形態では、より小さく、かつより制限されたオリフィスは、より均一に分散された噴霧を提供することができる。流体送達システムは、独立コントローラを含み得、またはレーザシステムコントローラによって制御され得る。

前述のシステムおよび方法の種々の実施形態は、約5から15μmの波長を有し、直接、歯のエナメル質の主成分と相互作用し、それによって、そのエナメル質を高速で、かつ歯科治療において従来使用されるレーザと比較して、より小さいエネルギーパルスを用いて切削し、従来のバーおよびレーザベースのシステムより高い精度を可能にすることができるレーザを使用し得る。種々の実施形態は、治療区域の選択された部分内に、冷却流体の正確な量の制御された送達を可能にする一方、冷却流体とレーザビームの相互作用を最小化する。薄膜は、十分な冷却を提供し得る一方、レーザビームエネルギーの有意な部分が切除されるべき物質中に吸収されることを可能にする。

いくつかの実施形態では、冷却流体は、歯の切削区域内に正確に誘導される一方、レーザビームへの流体の干渉を回避する。これは、特に、切削が深くなるにつれて、通常、冷却流体を歯の切削区域内に流入させることがより困難になり、また、通常、切削領域内の冷却剤の貯留を最小化することが困難になり、貯留された冷却剤が、レーザビームに有意に干渉し得るため、使用されるレーザのタイプにかかわらず、有益である。この目的を達成するために、弁、圧力スイッチ、流体流動スイッチ、および圧力レギュレータ等の1つ以上の流体コントローラ、ポンプ、ならびにノズルを使用して、治療領域内に存在する冷却剤流体の形態および量が、冷却剤流体が流体の薄い均一膜を治療されるべき区域/領域(例えば、歯の表面)上に形成し得るように、かつ流体が大きな滴に溜まらないように、制御されることができる。冷却剤流体を界面活性剤で処理することは、流体の表面張力を低下させ、流体の望ましくない貯留を低減させることができる。界面活性剤の使用は、冷却流体が、例えば、水である場合、有益である。いくつかの実施形態では、追加のノズルは、加圧された空気の制御された流動を使用して、空気カーテンを提供し、冷却剤流体が、治療中の歯に衝打後、跳ね返り得る可能性を低減させることができる。空気カーテンシステムは、冷却流体の跳ね返りを制限するように、実質的に薄層状の空気流動を提供するように設計され得る。

前述の説明される特徴のうちの1つ以上を含む、システムおよび/または方法の実施形態の使用は、全体的歯科手技の高度な制御につながり、患者の安全性および快適性を増加させることができる。さらに、約5から約15μmの波長を伴うレーザおよび冷却剤流体送達を調整するための制御システムは、オペレータが、精密なユーザ定義パターンを歯に切削することを可能にすることができる。したがって、流体送達制御システムは、オペレータ(例えば、歯科医)に、特定の歯(すなわち、歯の形状、サイズ、一般的健康/状態)および治療のタイプに最も好適な切削幾何学形状を確立する能力を提供する。

図7は、例示的エナメル質/硬質組織切除性能曲線を描写する。体積除去率は、Y−軸に表示され、冷却剤(例えば、水空気噴霧)の体積流量は、X−軸に表示される。Y−軸の近くは、体積流量が低い(典型的には、2ml/分未満)溶融領域37である。溶融領域内の体積除去率は、非常に低く、概して、最適化された除去率(例えば、約0.25mm³/秒)の20%未満である。冷却剤の体積流量が増加されるにつれて(例えば、最大約3.5ml/分)、エナメル質/硬質組織の表面の温度は、低下し、望ましくない溶融は、排除または有意に低減される。表面溶融が排除されると、切除が優勢になり、エナメル質/硬質組織除去率が最大化され、例えば、38に示されるように、約0.25mm³/秒となる。

冷却剤の体積流量がさらに増加されるにつれて(例えば、最大約7ml/分)、エナメル質/硬質組織表面温度は、融点を下回り続け、したがって、切除が継続する。しかし、治療区域/領域内に存在する追加の量の冷却剤が、レーザエネルギーの増加量を吸収し始め、したがって、除去率が、低下し始める。約7ml/分の冷却剤流量では、除去率は、39において描写されるように、ピークまたは最適化された除去率の約80%まで降下する。体積流量が、増加し続けるにつれて(例えば、最大20ml/分)、冷却剤は、レーザエネルギーの大部分を吸収し、切除を生じさせるために要求されるレーザ放射エネルギーの量は、エナメル質/ヒドロキシアパタイト中に吸収されない。体積除去率は、41で示されるように、38で描写されるピーク除去率の約15%まで有意に低下し、低いままであるか、または42に描写されるように、さらに低下し得る。

図7を参照すると、レーザエネルギーの変化は、実質的に、冷却剤流体の体積流量が、38におけるピーク除去率に対応するとき防止される。対照的に、ヒドロキシアパタイトによるレーザエネルギーの吸収は、冷却剤の流量が、溶融領域、および/または41、42における除去率に対応する場合、有意に影響される。治療効率(例えば、最適化された除去率に対する除去率のパーセンテージ変化)は、適正な冷却が無いことにより、溶融領域内で有意に減衰される。治療区域/領域内に存在する冷却流体による干渉により、39、40における除去率に対応する治療効率は減衰され、41、42における除去率に対応する治療効率は、著しく減衰される。一般に、切削効率は、手技を行うために要求される時間、歯科物質除去率、生じた溶融の量、形状、精細度等の観点における切削の質、切削を行うために要求される技術、およびこれらのパラメータのうちの2つ以上の組み合わせの観点から表されることができる。切削効率は、図5に列挙された種々のパラメータのうちの1つ以上を調節することによって制御され得る。

異なる冷却剤流量におけるエナメル質/硬質組織(体積約2mm×2mm×2mm)内の例示的切削は、過剰冷却剤がレーザ切削の効率に及ぼし得る影響を例証する。過剰溶融(約3.5ml/分)を生じさせずに、最小冷却剤流量でのエナメル質のこの体積の切削は、平均約32秒を要し、部分的に、破片およびある程度溶融されたエナメル質の存在により、精密な切削を行うために、オペレータの高い技術力が要求された。この水流動設定は、約0.25mm³/秒の物質除去率をもたらし、図7における100%またはピーク率38として示される。約7ml/分の水流量における実質的に同じ体積のエナメル質の切削は、約40秒を要した。この流量における切削は、精密な切削を行うために、あまり技術力は要求されず、切削は、約3.5ml/分の流量によるものより少ない破片および溶融を含んでいた。この流体流動設定における物質除去率は、約0.20mm³/秒であると観察され、図7では、38におけるピーク除去率の約80%として、39に示される。約9ml/分の冷却剤流量におけるほぼ同じ体積のエナメル質/硬質組織の除去は、平均約44秒を要した。切削は、さらに少ない溶融および破片量を含んでいた。この冷却剤流動設定は、約0.18mm³/秒の物質除去率をもたらし、図7では、38におけるピーク除去率の約72%として、40に見られ得る。

本発明は、特に、具体的実施形態を参照して図示および説明されたが、形態および詳細における種々の変更が、添付の請求項によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に行われてもよいことが、当業者によって理解されるであろう。本発明の範囲は、したがって、添付の請求項によって示され、請求項の均等物の意味および範囲内にある変更は全て、したがって、包含されることが意図される。