JPH0451076B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザーに関し、詳細には選択的光熱
分解の如き医療応用に適したレーザー・システム
に関する。

従来の技術 選択的光熱分解におけるレーザーの使用は、グ
リーンウオルド（Greenwald）外の「同調可能
色素（577ナノメートル）レーザー及びアルゴ
ン・レーザーの比較組織学研究：色素レーザーの
特殊脈管作用」、調査皮膚科学ジヤーナル（The
Journal of Investinative Dermatology），77：
305−310，1981、並びにアンダースン
（Anderson）及びパリツシユ（Parrish）の「選
択的光熱分解：パルス輻射の選択的吸収による精
密顕微手術」、科学（Science）220：524−527，
1983，に報告されている。この技術において、標
的組織はレーザー光により加熱され、その波長は
その標的組織により特有に吸収されるように選択
されている。そのレーザー・パルスの持続時間は
標的の大きさに合せられる。この標的構造の周囲
の組織は、損傷を受けないようにされている。

上記の研究では、所与の応用のスペクトル要件
及びパルスの持続時間の要件の両者を満足するレ
ーザーを選択する必要性を強調している。重要な
ことは、標的組織のあるスペクトル特性と調和し
たソースの色を選択するためにレーザーが同調可
能であることである。標的の特殊なスペクトルの
特徴は、特定の波長を必要とするが、選択効果を
誘起させるためには中程度の線幅（１〜４ナノメ
ートル）しか必要としない。適当なレーザー・パ
ルスの持続時間は、標的組織を加熱してその組織
を沸騰又は蒸発させずに変質させるのに大切であ
る。温度限界は厳しく、35℃の体温から沸点より
十分低い温度即ち約70℃までである。通常の測熱
に依れば、温度上昇は、エネルギーに比例し、標
的体積に反比例し、そのエネルギーの伝達に要す
る時間に無関係である。熱拡散性が加わる場合に
は、パルスの持続時間の規準があり、エネルギー
は周囲組織への熱消散を最小にするためす早く加
えなければならない。しかし、選択的光熱分解の
熱は、その標的領域内の沸点を越えるほど早く加
えてはいけない。

血液細胞内のヘモグロビンの如き小さな吸収性
の発色団を寸法が１桁大きい血管を処置するため
に吸収体として使用する場合には、状況はもつと
複雑になる。輻射は、小さな細胞を蒸発させない
ような低強度で加えられ、血管を熱拡散で変質点
まで加熱するのに十分長く続けられ、そしてその
周囲組織が損傷する前に遮断されねばならない。

強度の制御は、パルス化された放射源（ソー
ス）のスポツトサイズを調節することにより得ら
れる。スポツトサイズが処理時間の増加に伴ない
小さくなり過ぎないように、１ジユール以上を伝
達できるソースが必要である。

上述の研究から色素レーザーは選択的光熱分解
に特に適していることが示された。色素レーザー
は、色素や口径における波長選択フイルタ等の選
択により、選択された波長に容易に同調可能であ
る。また、色素レーザーは高い出力エネルギーと
短いパルス持続時間を供給できる。

発明が解決しようとする課題 不都合なことには、わずか数マイクロ又はそれ
以下の典型的な色素レーザーのパルス持続時間で
は、選択的光熱分解を利用する多くの応用のため
には短か過ぎる。ナノ秒又はそれより短いパルス
の色素レーザーは副細胞小器官を標的にする場合
に適しており、マイクロ秒又はそれより短いパル
スは細胞を標的にする場合に適している。しかし
ながら、色素レーザーは、血管等の小さな構造に
最適なミリ秒パルスを従来供給していなかつた。

一般に、色素レーザーが数マイクロ秒後に消光
することは、一重項からのシステム間交差によつ
て三重項状態の色素分子が累積することに起因す
ることが認められている。色素レーザーにおける
レーザー作用は一重項状態から始まる。三重項状
態に渡つて変化する分子は、レーザー波長におい
て、レーザー作用をしばしば吸収して抑止する。
その三重項状態効果の研究の結果、特定の色素に
ついては三重項クエンチヤー（消光剤）が報告さ
れている。しかし、レーザーに使用されている全
ての色素に対する三重項消光剤は未だに確認され
ていない。ところが、三重項消光剤を使用したと
しても、高々数十分の１ジユールの低エネルギー
出力では、数100マイクロ秒のパルス持続時間が
得られているに過ぎない。

色素レーザーにおいて長いパルスを発生させる
ことを困難にしている第２の問題は、吸収され伝
導され対流させられたレーザー励起源からの熱に
よる液体増幅媒体の歪である。そのような歪は不
可避であるが、レーザー作用を数ミリ秒の間継続
させるためには最小にされなければならない。

課題を解決するための手段 レーザーは、そのパルス持続時間を１ミリ秒に
近づくように調整可能なので、選択的光熱分解に
より適するように開発されて来た。本発明のレー
ザーは、その媒体中の熱歪が媒体の屈折率に変化
を生じさせ且つそのレーザーが設計された共振モ
ードの損失を生じさせる、との認識に基づいてい
る。

本発明の原理によれば、空間的非コヒーレン
ト・レーザーと考えられ得る多重径路光増幅装置
は、純光学利得をともなうエネルギー・レベルに
励起可能な媒体を有し且つ両端に開口を有するセ
ルを含む。そのセルのフレネル数は１より大き
く、導波路レーザーと区別される。媒体を反転エ
ネルギー状態に持ち上げるフラツシユ・ランプの
ような手段が設けられる。セルの両端の光学系が
各開口の像を各開口自体に形成する。その結果、
開口から放射するほとんど全ての光が、色素溶液
と同調素子によつて決定される波長帯において、
開口を通してセルに戻る。セルの一端にある光学
系により光の一部が漏れて利用される。

一方の光学系を通つた光によるビームは、１ス
テラジアン以下、10^-4ステラジアンのオーダーの
立体角に対する方向集中性を有するが、この集中
性は従来のレーザーの10^-8ステラジアンの立体角
より何ほどか劣る。１ミリ秒に近づくとはいえ、
100マイクロ秒以上のパルス長は10分の１ジユー
ル以上の出力さえ可能である。実際、ジユール単
位の出力をともなう500マイクロ秒のパルス持続
時間が得られている。

実施例の１形態において、それ自体に開口を結
像するための手段は、その開口からほぼその曲率
半径に等しい距離に位置する球面鏡である。他の
実施例では、レンズが開口と平面鏡の間に置かれ
る。そのレンズは、開口からほぼその焦点距離の
位置に置かれる。セルから放射する光は、光学系
で収束され反射されてセル内へ戻る。光は他のセ
ル壁で合計何回もの内部反射をしてセルを横切
る。励起状態の色素溶液はセルを横切る光線を増
幅する。利得媒体は連続的に変化する屈折率を有
し、セルを横切る光線は固定的パターンを持た
ず、共振器モードは確立されないが、むしろ再結
像光学系によつて決定される円錐中に局限された
自発的放射は、レーザー・パルスの持続時間にわ
たつてセルを通して連続的な往復行程で増幅され
る。

選択的光熱分解用に特別に設計された装置にお
いて、フラツシユ・ランプに供給される電力は、
少なくとも10から500マイクロ秒の範囲で可変長
パルスを供給する可変パルス長回路によつて与え
られる。この装置により１ミリ秒の長さまでのパ
ルスが可能であることが好ましい。少なくとも約
１ジユールの出力が供給される。

実施例の説明 色素レーザーで長いパルスを発生する初期の仕
事は三重項吸収効果を減少することに集中した。
溶解された酸素及び他の三重項クエンチヤーと考
えられる化学製品は、長い励起パルスによつて発
生された三重項を不活性化するために色素溶解液
に加えられた。我々は今、添加剤又は三重項クエ
ンチヤーがパルスの持続時間の増加を助けること
を理解した。しかも、添加剤は三重項吸収を最小
にするよりむしろレーザー閾値レベルを低下させ
るので、このような添加剤がパルス持続時間の増
加を更に助ける。

長い励起パルスの間にレーザー作用が早く終了
するのは主に熱的な原因と考えられる。もし、パ
ルスが十分に長ければ、熱は溶解液によつて吸収
されかつ熱はランプから色素セルに伝達される。
レーザー・パルスが10マイクロ秒より長いときに
は、４〜５ミリメートルの色素セルの口径で音響
速度が0.5ミリメートル／マイクロ秒であるセル
を通して、密度及び屈折勾配の指標が存在する。
もし、この勾配が非常に大きければ、その結果
は、確認可能な共振モードの損失及びレーザー出
力の消滅である。

本発明のレーザーシステムは第１図に示され
る。システムは従来のフラツシユ・ランプで励起
された色素レーザーの変更である。そのようなレ
ーザーにおいて、液体によつて保持された色素の
形態のレーザー媒体は色素セルを介して一端から
他端へ導かれる。内部温度制御装置を介して、媒
体は均一且つ一定の温度に保持される。レーザー
媒体を励起するために、パワー供給源１４に発生
された高電圧がフラツシユ・ランプ１６に供給さ
れる。従来のフラツシユ・ランプで励起される色
素レーザーの場合のように、フラツシユ・ランプ
が放電する前に十分なレベルのイオン化を達成す
るために、パルスがパワー供給源１４からスター
トするのに先立つて、小さなシマー電流がシマー
供給源１７からフラツシユ・ランプへ供給され
る。

フラツシユ・ランプからの光エネルギーはリフ
レクタ１９によつてレーザー媒体の内方に向けら
れる。フラツシユ・ランプからのエネルギーはレ
ーザー媒体によつて吸収され、そして媒体中で基
底状態から励起一重項状態へと分子を移動する。
従来のレーザーにおけるように、それらの分子は
その基底状態へと戻るので、それらの分子は特別
の波長の光子を放射する。一部の光が色素セルの
各端で開口１８と２０から放射する。光は夫々の
ミラー２２と２４により開口を介してセルへと戻
る。戻つた光子は励起一重項状態のレーザー媒体
の分子と反応し、これらの分子を基底状態へ戻
し、そしてその光子自体が特定の周波数の光子を
放出する。このように放出された光子は、分子に
衝突する光子と同位相であり、そして原光子と同
じ方向に向けられる。

従来のレーザーにおいて、色素セル１２の各端
での光は２つのミラー２２と２４の間の戻り及び
前方に進む光子が、該光子が特定のモードで共振
するような特定の径路に従うように設計されてい
る。光子は共通の周波数と位相で共振する。結
局、ミラー間の光は、測定可能な量がミラー２
２、十分なリフレクタではない、を介してビーム
２６として通過するような強度に達する。従来の
レーザーにおいて、ビーム２６はコヒーレントで
あり、そしてそのビームの発散は10^-8ステラジア
ン程度で非常に小さい。従来のレーザーの共振モ
ードを与えるため、レーザー光学系は正確に設計
されなければならない。レーザー媒体における熱
的歪は媒体の反射率における勾配となり、この勾
配はシステムの正確な光学的仕様を破壊する。こ
の結果は共振動作モードの損失及びレーザー出力
の消滅である。

第１図のシステムにおいて、レンズ２８と３０
が夫々開口１８と２０及びミラー２２と２４間に
与えられる。本発明によると、色素セルの各端で
の光学系は、システム中をほぼ同軸的に進む空間
的にコヒーレントな光をすぐに戻すよりも開口１
８と２０から放射するほぼ全ての光を色素セルへ
戻すように設計される。本システムにおいて共振
動作及びコヒーレントモードを確立するための試
みはない。

レンズ２８と３０は、開口１８と２０から該レ
ンズのほぼ焦点距離ｆに位置決めされる。その結
果、各開口は、レンズと平面鏡を介して開口自体
に再結像される。このようにレンズを選択して位
置決めすることにより、開口から放射する、共振
動作モードと無関係なほぼすべての光は色素セル
へと戻される。

光学系は共振光線を混合し、ビームを全体的に
均質化する。フラツシユ・ランプによつて誘起さ
れる熱による歪は、共振器モードがないので殆ん
ど問題ではない。光線はセルを横切り増幅される
が、光学系によつて決定される正確な径路を通ら
ない。非常にずれて色素セルに当らない光線は消
失する。その均質化はランダムで波面における位
相関係はない。モードは、もしあるとすれば、ラ
ンダムに配向され完全に均質化される。そのラン
ダム性は空間的にもまた時間的にも維持される。
空間的コヒーレンスは維持されないが、単色性は
適当な波長選択素子によつて部分的に維持するこ
とができる。媒体は利得及び明確な閾値を有する
のでレーザーに分類される。

従来のレーザーの場合のように、同調素子３１
を設けて色素溶液の利得曲線内でレーザー出力を
同調させることができる。同調素子は、ビームの
帯域幅を0.01ナノメートル以下まで減少させるこ
とができ、標的の吸収帯を整合させて所望の生理
学的効果を強化することに使用できる。最も有効
な同調素子はこの空間的コヒーレンスに依存しな
いものである。そのような同調素子は、例えば、
エタロン、複屈折フイルタ、又はプリズムであ
る。

第２図は、本発明の別の実施例を示し、色素セ
ルの両端の光学系は球面鏡３２及び３４で置換さ
れている。各球面鏡は開口１８，２０から曲率半
径Ｒにほぼ等しい距離に配置される。各球面鏡
は、先の実施例の光学系と同様に、開口をそれ自
体に再結像させる。

第１図及び第２図のシステムは、従来のレーザ
ーのようなコヒーレント放射を行わず、その出力
ビームは立体角10^-4ステラジアンに亘つて発散す
る。しかし、選択的光熱分解のような応用におい
ては、コヒーレント放射から得られる大きな被写
界深度が必要ない。従来のレーザー程大きくはな
いが、光の集中は、非レーザー放射で得られる１
ステラジアンよりも相当大きく、選択的光熱分解
に適している。選択的光熱分解に適用されるとき
のような、本発明によるシステムの利点は、熱に
よる歪によつてビームのパルス持続時間が10マイ
クロ秒以下に制限されないことである。むしろ、
１ミリ秒程度のパルス持続時間が可能となる。

レーザー・パルス持続時間とアスペクト比との
間にはｌ／ｄの関係がある。ここで、ｌはセルの
長さでｄは内径である。内径４ミリメートルのセ
ルの12″利得長はビームが分解する迄に125マイク
ロ秒の間レーザーを生じる。同じ光学セツトを使
用する内径４ミリメートルのセルの18″利得長は
400マイクロ秒以上のレーザーを発生する。アス
ペクト比ａ／ｌ（ａは色素セルの口径の半径、ｌ
はセルの長さ）が大きくなれば、パルスもそれに
従つて長くなる。ポンピング強度はフラツシユ・
ランプを流れる電流密度を制御することによつて
一定に維持される。エネルギー・レベルは５ジユ
ール迄測定された。

本システムにおいては持続時間の長いパルスを
利用することができるので、色素セルは一層広い
応用範囲に適している。また、多数の異なる応用
に対して適合するよう、パルスの持続時間を可変
とすることができる。そのために、パルス形成回
路網３６は電気的パルスを発生し、該パルスをリ
レースイツチ３８を介してフラツシユ・ランプ１
６へ送出するようになされている。パルス幅は10
マイクロ秒〜500マイクロ秒の範囲で選択しうる
が、できるだけ１ミリ秒程度に選択されるのが好
ましい。

標準的な平面−平面レーザー共振器、即ち共焦
のレーザー共振器は10ミリ秒のオーダーで時おり
熱的影響を示すことがある。熱的歪みの徴候はレ
ーザー出力パルスの振幅における不安定性であ
る。一般に、フラツシユ・ランプ励起パルスは滑
らかな包絡線を有し、レーザー出力パルスはこの
励起パルスに厳密に従う。熱的影響によつてレー
ザー媒体に歪みが生じると、レーザー強度に振幅
変動が生じる。第３図には、標準的なレーザー配
置におけるレーザー出力が示されている。レーザ
ー・パルスは10マイクロ秒後に振幅変動を示す。
こうした振幅変動は、標準的なレーザー共振器を
使用する長パルス型色素レーザー全てに見うけら
れる。第４図は、熱的影響を補償する本発明によ
るレーザー共振器配置を備える同じレーザーを示
している。振幅変動は除去されている。

このシステムは、焦点距離の和が、ミラー間の
光学的長さｌより小さいという点で、導波管共振
器に似ている。しかしながら、次の理由で導波管
共振器とは異なる。(1)ガイドのフレネル数に制限
がない。フレネル数はa²／λlに等しい。但し、ａ
は色素セルの半径、λは波長、ｌはセルの長さで
ある。導波管共振器はフレネル数が１より小さい
ガイドによつて動作する。長パルス型色素レーザ
ーの典型的なフレネル数は６〜10、またはそれ以
上である。例えば、典型的なシステムでは、ａは
２ミリメートルに等しく、ｌは0.5〜0.5メートル
であり、λは0.5マイクロメートルに等しい。(2)
導波管レーザーは、自由空間のTEM₀₀モードを
HE₀₁又はHE₁₁モードのような低次の導波管モー
ドのいくつかと整合させる共振器光学系を備えて
いる。本システムにはこうした制約はない。真の
導波管レーザーの場合のように導波管の開口と釣
り合うミラーに対して独特の曲率を設けるような
ことはない。(3)本システムには共振モードがな
く、出口／入口開口上に再結像されるどの光線も
純利得を有することができる。ビームの発散は大
きいが、所与の数字で表わされた開口を有するガ
イドから、又は、光学的ビームの発散がアスペク
ト比によつて規定される管から、放射されるビー
ムの発散よりは小さい。ビームの発散が大きいた
めに、最小のビーム発散に依存する同調素子は、
線細め素子（line narrowing elements）ほど有
効ではない。しかし、エタロンは有効であり、
0.03オングストロームまでの線幅が本システムに
より得られた。本システムの同調をとるために、
複屈折型フイルタも使用された。

本発明のレーザーは好都合にも選択的光熱分解
についての規準を満たす。400マイクロ秒までの
パルス持続時間を有する575ナノメートルで発生
する色素レーザーが母斑のような皮膚血管の病変
の治療のために開発された。この母斑は皮膚表面
に近い血管の高い密度のために発生する。これら
の血管は選択的な光熱分解によつて除去できる。
この選択的な光熱分解レーザーは、血液が白い皮
膚の着色した組織のものよりも少なくとも大きい
値の二次吸収最高値を有するという575ナノメー
トルで発生する。このレーザーは、直径で数百ミ
クロンである血管にエネルギーを結合するために
約１ミリ秒の長さのパルスを発生する。次に、血
管は血球を蒸発させずに変質温度まで加熱され
る。このレーザーは次に血管を取り囲んでいる組
織が損傷される前にオフにされる。

可変パルス持続時間を有するレーザーは、皮膚
の血管の病変の治療以外の数多くの薬物療法用の
選択的な光熱分解において使用できる。これら
は、出血性潰瘍の止血、失明に至る脈絡膜の新血
管化の抑止、及び火傷治療の焼痂の除去後の止血
を含んでいる。外因性の発色団が選択的に標的組
織に注入できれば、同調可能な可変パルス持続時
間レーザーによる選択的な光熱分解治療の原理は
言いつくせないほど数多くの医療分野をカバーす
るように拡張できる。

第５図は本発明の装置によつて可能な第１図の
装置の変更例を示している。重要な主パラメータ
が色素セル自体の長さではなく、光学系の焦点距
離と色素セル開口への距離との間の関係であるの
で、第５図の色素セル３６内に示されているよう
な曲りが可能である。従来のレーザーでは、この
曲りは、システムの共振モードを破壊する、媒体
中の異なつた径路長を与える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例の説明図。第２
図は球面鏡を用いた本発明の他の実施例の説明
図。第３図はフラツシユ・ランプ励起パルス全体
をプロツトした典型的なレーザー・パルスをグラ
フ的に示し、且つレーザー・パルスの熱歪を示
す。第４図は本発明のシステム実施例のフラツシ
ユ・ランプ励起パルス全体のレーザー・パルスの
グラフ的な図である。第５図は曲がり利得媒体を
有する本発明の他の実施例である。 符号の説明、１２……色素セル、１４……パワ
ー供給源、１６……フラツシユ・ランプ、１７…
…シマー供給源、１８，２０……開口、１９……
リフレクタ、２２，２４……ミラー、２６……ビ
ーム、２８，３０……レンズ、３１……同調素
子、３２，３４……球面鏡、３６……パルス形成
回路網、３８……リレー・スイツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも100マイクロ秒の持続時間で、少
   なくとも10分の１ジユールの光のパルス出力ビー
   ムを発生させるために光を増幅する方法であつ
   て、 いずれか一端に開口を含む色素セル内の液体色
   素媒体を、該液体色素媒体が純光学利得を有する
   エネルギー・レベルに付勢するステツプ、 前記セルの各端から、該セルから放射する波長
   帯で前記出力ビーム以外のほぼ全ての光を集める
   ステツプであつて、前記セルが光を増幅し、前記
   セルの少なくとも一端からの光が該セルから離隔
   されたミラーによつて戻され、戻された光が前記
   セル内を同軸的に進む空間的にコヒーレントな光
   以外を含み、前記セルのフレネル数が１より大き
   いようになされた前記光を集めるステツプ、 を含む光を増幅する方法。 ２ 前記セルが、光を増幅して、約10^-4ステラジ
   アン以下の立体角に対する方向集中性を有する空
   間的に非コヒーレントな光のビームを形成する特
   許請求の範囲第１項に記載の光を増幅する方法。 ３ 増幅されたビームの帯域幅が同調素子によつ
   て減少される特許請求の範囲第１項に記載の光を
   増幅する方法。 ４ 前記液体色素媒体が、前記開口の間で光学軸
   に沿つて曲げられているセル内で付勢される特許
   請求の範囲第１項に記載の光を増幅する方法。 ５ 少なくとも100マイクロ秒の持続時間で、少
   なくとも10分の１ジユールの光のパルス出力ビー
   ムを発生させることが可能な多重径路光増幅装置
   であつて、 純光学利得を有するエネルギー・レベルに励起
   可能な液体色素媒体と、両端に開口とを有し、フ
   レネル数が１より大きい色素セル、 前記液体色素媒体のエネルギー・レベルを純光
   学利得を有するように上昇させる手段、 前記色素セルの各端に設けられ、前記開口から
   放射する波長帯で、前記出力ビーム以外のほぼ全
   ての光を集め、且つ光を前記開口に戻すための光
   学系であつて、前記色素セルが光を増幅し、前記
   色素セルに戻る光が該色素セル内をほぼ同軸的に
   進む空間的にコヒーレントな光以外を含み、前記
   色素セルの少なくとも一端からの光が前記色素セ
   ルから離隔されたミラーによつて戻されるように
   構成された前記光学系、 を備えた多重径路光増幅装置。 ６ 前記光学系の少なくとも一方が、曲率半径を
   有し、前記開口から前記曲率半径にほぼ等しい距
   離に配置された球面鏡を含む特許請求の範囲第５
   項に記載の多重径路光増幅装置。 ７ 前記光学系の少なくとも一方が、平面鏡とレ
   ンズとを備え、該レンズが、前記平面鏡と前記開
   口との間にあつて、該開口から前記レンズのほぼ
   焦点距離に配置された特許請求の範囲第５項に記
   載の多重径路光増幅装置。 ８ 前記色素セルが、前記開口の間で光学軸に沿
   つて曲げられている特許請求の範囲第５項乃至第
   ７項のいずれかに記載の多重径路光増幅装置。 ９ 前記光のパルス出力ビームが、選択的光熱分
   解の応用において標的組織に与えられる特許請求
   の範囲第５項に記載の多重径路光増幅装置。