專利名稱：用于處理皮膚樣本的變石激光系統的制作方法
相關申請本申請是美國1996年4月9日提交的標題為“為控制峰值溫度和提高激光加熱效率對材料進行的脈沖周期加熱”的美國分案專利申請序列號60/015,082的繼續申請，申請人是Horace WFurumoto，該篇文獻的教導通過在此引述而全文合并于本文。本申請是Horace W Furumoto等人在1996年11月7日提交的美國專利申請序列號08/745,133的標題為“處理多余靜脈的設備和相關方法”的繼續申請，該篇文獻的教導通過在此引述而全文合并于本文。本申請還是Horace W Furumoto等人在1996年11月7日提交的美國專利申請序列號08/744,344的標題為“用于去除毛發的變石激光系統和相關方法”的繼續申請，該篇文獻的教導通過在此引述而全文合并于本文。
本發明的背景技術選擇性光熱敏分解的原則衍生出多種激光治療方法，用于處理腿靜脈，紅痣胎記，其他擴張血管愈傷，以及紋身之類的色素愈傷。通常是用激光或閃光燈的光照射包含目標結構的真皮和表皮層。選擇光的波長或顏色以便該結構能有選擇地吸收其能量。這會導致局部加熱，目的是將溫度提高到使組成蛋白變性或色素顆粒擴散。
發射光的脈沖持續時間對于選擇也很重要。如果脈沖持續時間太長，被結構吸收的熱量將被擴散到周圍的組織中，而不會被有選擇地加熱到必要的程度。但是如果脈沖持續時間太短，吸收光的化學物質例如血紅蛋白或紋身染料顆粒，會因加熱太快而蒸發。理論表明，合適的脈沖寬度應該與目標結構的熱擴散時間匹配。例如對于紅痣胎記中的較小血管，熱擴散時間大約是幾百微秒到幾毫秒。較大腿靜脈的熱擴散時間在5到100毫秒的范圍內。色素愈傷顆粒的擴散時間短到以納秒計算。
已經在皮膚樣本的選擇性光熱敏分解中檢驗了多種激光。Q開關的變石激光已被成功地用于處理自然產生的皮膚色素化和紋身。長脈沖的紅寶石激光已被建議用于去除毛發。Nd:YAG激光(1060納米時操作)，二氧化碳(10.6微米時操作)和氬氣(448-514納米范圍內操作)已被建議用于擴張血管的處理。用染料激光進行的血管處理最為成功，特別是使用閃光燈激發的脈沖染料激光。這些激光在577到585納米范圍內操作，在此范圍內有血紅蛋白的吸收帶峰值，并且在提供良好選擇性的脈沖模式下能很好地運行。合理地選擇顏色和脈沖的持續時間時，處理較小血管時通常可獲得50％以上的成功率。不幸的是，染料激光的脈沖持續時間限制在1.5毫秒內。那么它們并不適合處理較大的結構，因為這些結構處理要求的脈沖持續時間是成百上千個毫秒，至少根據原則來說是這樣。人們正試圖解決這些問題。建議使用Nd:YAG兩倍的頻率作為產生532納米長脈沖的技術。
本發明的概述本發明涉及處理皮膚樣本的長脈沖變石激光。使用變石允許在近紅外區進行操作，特別是在760納米上下100納米范圍內。此范圍內變石可以調節，理想狀態下是大約755納米處，可變范圍是其周圍50納米±25納米。此范圍內的紅外線穿透力極強，還可以獲得可接受的血紅蛋白相對黑色素的吸收比例。進一步說，相對于短脈沖的Q開關版本的用于處理典型色素愈傷和紋身的激光，使用長脈沖變石激光有兩大優勢1)脈沖持續時間可以與較大皮膚結構的熱釋放時間匹配；2)去除Q開關成分可以產生變化較小和更易于操作的激光系統。
理想狀態下，激光產生一個持續時間為5到100毫秒的激光輸出脈沖，輸出高達50焦耳而且帶有的發送注量為10-50J/cm2之間。0.1-10cm2尺寸的點能最有效地覆蓋目標區域。還提供光傳送系統，將激光輸出脈沖發送到病人的皮膚目標區。
在具體的實施方案中，脈沖包括被半球諧振器配置支持的多中諧振模式。理想情況是，至少有一個諧振器鏡的曲率半徑比熱透鏡的焦聚短。后者是產生激光輸出脈沖時在變石增益媒質中產生的。這使得激光對透鏡不敏感。
在實施方案的另一方面，活動脈沖形成網絡用于激勵至少一個閃光燈以激發變石。網絡允許進行脈沖周期加熱以獲得較長的脈沖持續時間的效果。然而，可以將這些脈沖周期原則推廣到其他類型的閃光燈激發的激光上。
總之，脈沖周期加熱技術還可以被應用到其他類型的閃光燈激發的激光器上，例如染料和紅寶石，作為有效地產生有限注量有效長脈沖的方法，正如選擇性光熱敏分解應用中要求的那樣。這些技術都依賴于使用一系列帶有有限工作周期的激光脈沖，該周期包括有例如血管等目標結構的全部熱放松時間。脈沖的全部能量必須能使目標血管失活。通過減少增益媒質吸收用以達到激光閾值的能量，脈沖周期加熱技術能有效地使用激光。這些能量并非用于激光反應，而是丟失了。最普遍的情況是，脈沖周期加熱對于皮膚應用中要求10毫秒以上脈沖的閃光燈激發的激光非常有用。
本發明還用于長脈沖激光毛發去除系統。本發明中使用變石允許近紅外操作，從而提供對發根的良好穿透性，同時獲得可接受的血紅蛋白對黑色素的吸收比例。
在具體的實施方案中，最好在被處理的皮膚區域使用匹配指標。該物質覆蓋皮膚表層，提供激光進入皮膚的較佳匹配方式。
在本發明的其他方面，最好在皮膚上使用局部指示物。近紅外的皮膚輻射通常并不象使用染料脈沖激光時發現的那樣產生任何特征性的膚色變化。所以，非常難以確切地知道皮膚的哪些部分在治療過程中已經遭受輻射。目視指示物對于熱、光或者激光脈沖發生反應，產生可見的變化。這就為操作者提供了已被處理皮膚的記錄。
最好用長于1毫秒的激光脈沖對皮膚進行處理，優選處理時間大約為5到50毫秒。每次脈沖都應包括10-50J/cm2的注量。每次處理過程中，對皮膚每個被處理的部分用這些種類中的一種脈沖進行照射，當然可以使用多種脈沖。即便如此，要實現永久和完全的激光去除還要求3到4個重復療程，每次療程間隔數周到數月。
本發明還用于將硬化療法和光療法結合起來進行美容，例如對多余靜脈的非治療性處理。它與現有技術中閃光燈激發的脈沖染料-硬化療法類似。然而，在光療法和硬化療法之間間隔12個小時到6個月的時間，可以極大地提高成功率至90％到100％。最好是在硬化療法之前實施光療法。然而，先實施硬化療法然后采用光療法也可以取得成功。
在具體的實施方案中，可以使用激光閃光燈光源，但理想的光源是在755納米范圍內操作的變石激光器。
根據另一個方面，本發明的特征還包括用于處理無用血管的工具包。它包括用來以適于開始破壞血管的光照射血管的光源。還需要硬化劑，例如高滲含鹽溶液，向血管進行注射。最好給光源發出指令，指明在照射血管和注射硬化劑之間需要等待一段時間。
本發明的上述特性和其他特性、包括多種新的構造細節和部件組合及其他優勢，將會參照附圖進行描述并在權利要求中指出。應該理解的是，體現本發明的具體方法和設備等都是說明性的，并不作為本發明的限制條件。無需脫離本發明的范圍，即可在不同的多個實施例中運用本發明的原則和特征。
附圖的簡要說明在附圖中，參考字符指不同視圖中的相同部件。附圖不一定是嚴格按圖的比例進行了縮放；重點放在使用圖形說明本發明的原則上。圖形中

圖1是本發明的變石激光系統示意圖，描述它在處理皮膚樣本時的使用情況。
圖2A和圖2B是兩個變石激光系統的示意圖；圖3是顯示激光系統發明性閃光燈激勵器的電路圖；圖4A和圖4B是功率/引發溫度分別與脈沖周期加熱和恒定振幅加熱的時間函數的標圖。
圖5是血紅蛋白和黑色素的光譜吸收圖。
圖6是表示根據本發明的毛發去除過程的圖表。
圖7A和圖7B是展示根據本發明綜合運用光療法和硬化療法技術處理腿靜脈的兩個實施方案的過程圖。
圖8顯示的是血管剖面和使用577到585納米的光相對使用近紅外光獲得的不同加熱效果。
圖9是顯示運用多種注量和脈沖組合時腿靜脈去除比例的圖。
優選實施例的詳細說明圖1顯示的是根據本發明的原則建立的變石激光系統。變石激光器108通常包括一個或多個閃光燈LP1和LP2，一般分布在中央定位的變石晶體增益媒質110周圍。閃光燈LP1和LP2直接或通過相連的反射器112照射增益媒質。閃光燈LP1和LP2由閃光燈激勵器122激勵。
由于某些原因，使用變石激光優選于使用其他激光系統。相對于黑色素來說，脫氧血紅蛋白(Hb)和氧和血紅蛋白(HbO2)可以更好地被在577到585范圍內操作的脈沖染料激光吸收。這就提供了良好的選擇性。然而，問題在于黑色素的吸收總量非常高。結果是激光不能穿透真皮層很深。因為要有效地進入某些真皮結構，光的穿透深度必須達到5毫米。
波長694納米的紅寶石激光確實擁有良好的穿透性，因為此波長時黑色素的吸收率相對較低。然而，問題在于在此波長時Hb和HbO2的吸收性能也不好。
對比而言，發明變石激光系統使用的激光波長在755納米上下50納米范圍內時，與使用紅寶石激光相比，黑色素的吸收較少。那么，可以獲得較好的穿透性。然而，更重要的是這樣一個事實，此范圍內Hb的吸收峰值和HbO2的吸收量大大高于采用紅寶石波長時的吸收量。
使用變石激光還有更實用方面的優勢。長脈沖染料和紅寶石激光效率較低并需要大型裝置。進一步說，脈沖染料激光還有要求采用染料增益媒質的缺點，該媒質在紅外時不那么有效。與之相對的情況是，長脈沖變石激光系統要小得多，將閃光燈中的能量轉換為輸出激光脈沖比采用染料或紅寶石激光有效得多。
染料激光的另一優勢在于，變石激光通常允許的脈沖延續時間比染料激光器要長，可以對較大的真皮結構進行處理。
使用長脈沖變石激光器108，相對于現有技術中在毛發去除和色素傷害處理時使用的其他變石激光系統來說，更具有某些優勢。歷史上，一般認為變石激光很難具體實現。激光穴中的Q-開關成分導致激光的操作不穩定。在本激光系統108中，Q-開關成分被取消，增益媒質激光被激勵為較長的脈沖時間，這就改善了激光的操作。
變石晶體110在鏡子118和120形成的激光共振腔中產生激光輸出脈沖124。鏡120只產生局部反射，從而提供激光輸出孔。然而輸出孔鏡120的反射率相對較高。通常在Q-開關的激光中，輸出孔鏡的反射率不高于50％。這是因為雖然它可以產生高峰值的脈沖功率，但持續時間較短。與之相對應的是，在本長脈沖變石激光系統中，在略高于激光的泵閾值時進行操作，激勵因素就會提高激光的效率。結果是，在本發明中鏡120的反射率不低于70％，在一個實施例中不低于80％。
在優選實施方案中，鏡118和鏡120構成的共振腔是近似半球狀的。在這種配置中，輸出反射器120是平面鏡或近平面鏡，反射鏡118是曲面的。優選的是其曲率半徑在0.5到1米之間。
在優選球體共振器實施例中鏡118的曲率半徑，或另外的更集中型腔體配置中鏡的組合曲率半徑，最好短到足以補償變石晶體110的熱聚焦。溫度梯度的存在導致激光棒110中會產生激光聚焦。變石晶體110需要通過常規的技術在外圍進行冷卻。所吸收但不會被轉化為激光輸出的熱量必須通過晶體110周圍流動的冷卻液體和氣體擴散。可以推知晶體的經度中心軸溫度最高，因為必須具有溫度梯度才能釋放熱量。溫度梯度導致熱透鏡的形成，由于多數材料的熱膨脹溫度系數為正，所以透鏡也為正。通常，激光共振器被設計用于補償熱聚焦為共振腔增加的任何功率。當以不同功率激發激光產生不同輸出時，聚焦的可變性會帶來問題。正因為此，多數商業激光是以恒定的普通功率激發的，而且采用吸收性或反射性衰減器等獲得可變的輸出。
然而，當需要超長的脈沖持續時間時，例如在利用光熱敏分解原則處理腿靜脈和毛囊或其他較大的皮膚組織時，可能會產生特殊的問題。此時所需要的脈沖持續時間為1到100毫秒，一般大于5毫秒。變石晶體能在發射激光時形成熱透鏡，而晶體則不行。動態聚焦并不能用靜態光學元件來糾正。
在本發明中，可以通過選擇共振的光學儀器減少動態聚焦的效果。特別的是鏡118和120的選定功率可以大大高于熱透鏡的功率，后者是通過脈沖加熱在變石晶體中產生的。當然這種概念用于脈沖之間的熱聚焦糾正也同樣有效。
本發明中，至少一個共振鏡的半徑，如展示的實施例內透鏡118，應該有一個較高的曲率半徑，其焦距比產生的熱透鏡的焦距短得多。熱透鏡可以將高達1屈光度的功率加入到腔中，為了將熱透鏡的效果減少到最低，共振器鏡118應該有相當大的功率。在一個實施例中，0.5米半徑的共振器鏡焦距可以是4個屈光度，任何高達1個屈光度的熱聚焦會降低共振器產生的效果。比較看來，常規的共振器鏡有數米的曲率。
另一個設計因素是鏡118和120形成的共振腔長度。優選實施例中，腔相對較短，只有15英寸或大約38厘米。當加入熱透鏡因素時，球體激光共振腔可能變得不穩定。因此，鏡118和120之間的腔間區域應該比熱透鏡提供的鏡的曲率短。
短的曲率和共振器會影響腔的菲涅耳數。菲涅耳數為α2/lD，其中a是腰身半徑，l是波長，D是鏡的間距。對于最低順序模式的激光，菲涅耳數必須與不大于1，自由空間激光是使用這種標準設計的。當光束的發散度并不重要時，可以考慮多模式的激光，菲涅耳數可能大大高于1。事實上，如果想得到高度統一的頂端帽光柱輪廓，模式越多效果越好。在我們的例子中，使用0.4米的鏡間間距，該長度大略等于鏡的曲率，同時使用棒的交叉區域模擬“腰”(在高度多模式激光中并沒有腰的定義)，我們可以獲得有效的菲涅耳數F=a2/lD對于直徑為1/4英寸的棒，a=3mml=0.755微米D=0.4米F=a2/lD=(3×10-3)2/(.755×10-6×0.4)=30這樣就正好產生了多模式的激光。
處理表面的激光系統的設計，例如在皮膚病學和整形治療中遇到的那些系統，其基于的原則與通常用來優化空閑區域激光時使用的不同。在空閑區域激光系統中，目的是為了產生較低的順序模式，較好的情況下是最低順序的TEM00模式。大家都比較了解TEM00模式激光的特征，而且在遠、近紅外區域的高斯空間光束輪廓也可以方便地被分析。可以在經典的激光條件下長距離地傳播TEM00模式。然而對于表面處理來說，并非一定要擁有低順序模式激光中的長深度域。表面的定義是目標的外邊界以及在短相互作用深度處激光域與目標的相互作用。相互作用以吸收或分散的形式出現。表面相互作用中的重要參數是表面上受到的強度，而不是輻射量，包括光束分散。更為通俗易懂地說，表面上接受的輻射區域的光束分散在表面相互作用中意義不大，特別是當表面的吸收性和分散性較好時，比如在表皮和真皮皮層中。那么當加熱真皮樣本時，多模式的特征是可以接受的。
腔中的脈沖最好與醫療傳遞系統126匹配，后者采用多種不同形式中的一種，比如光導纖維。在說明性的實施例中，光纖的光向導將來自激光的脈沖傳送到待處理的真皮樣本上。具體地講，可以使用石英纖維傳送系統。作為本發明特征的較長脈沖允許使用石英。盡管可以使用激光輸出脈沖124產生相對較高的能量，如20-40焦耳，但低峰值功率可以避免對傳送系統的損害。
使用高度多模式的激光會帶來一個問題，即很難用低f值的光纖進行傳送。核心直徑達到1.5mm的、帶有數個能接受激光器產生的高度分散光束的孔的光纖，是商業化的產品。
與鉸接臂相比，除了方便性和低開銷外，使用光纖還有其他的好處。在低激發水平操作的激光器經常只發射到外圍，產生一個環形輸出輪廓。利用鉸接臂時，該圖象被傳送到目標。而光纖傳送系統將使這種光束均勻化，并在輸出孔處產生理想的統一頂端帽形輪廓。
圖2A和圖2B表示的是適用于室內治療的激光系統的兩種配置。它們包括帶有校正端口512和前臺控制面板514的主單元510。為了便于控制，還提供了腳踏開關。搖臂520支持發光纖維126，其終端接于手柄524。手柄有用于激發的指控開關526。圖2B表示的是使用鉸接臂528作為傳送系統126的另一實施方案。
圖3顯示的是閃光燈激勵器122的電路圖。通常，電路具有配置給氙閃光燈LP1和LP2的微火電源132和高電壓電源130。眾所周知，微火電源132使閃光燈LP1和LP2保持在運作時的溫度，使得當被高電壓電源激勵時能幾乎同時發光。兩個系列的電容器組Cx和Cy，分別帶有并聯電阻Rx和Ry，它們在泵送變石時被高壓電源充電來補充為閃光燈LP1和LP2提供的電源。當輸出為50J的激光效率為1％時，閃光燈的激發能量必須為5kJ左右，這可以由長度達10cm的閃光燈產生。
常規的方法是用高壓電源通過被動式脈沖形成網絡(PFN)來激勵激光閃光燈。本發明采用包括兩個IGBT晶體管Q1和Q2的主動式PFN配置替換這種模擬類型的網絡。IGBT的電源開關與只能產生較大電流的SCR或閥流晶體管不同；IGTB還可以關閉較大電流。當針對較大的目標時，要求的脈沖持續時間為5到50毫秒。在操作中，這些晶體管通常處于非傳導態。這時，僅僅有微火電源132與閃光燈LP1和LP2連接。然而，當向IGBT激勵器134發送信號開始產生激光脈沖時，觸發信號被送往晶體管Q1和Q2。這時，通過晶體管R7和R8并跨越高壓電源130，將串行連接的氙閃光燈LP1和LP2與地面連接起來。這樣閃光燈可以從高壓電源和串行電容器組Cx和Cy獲得電流。在本發明中，最好用低價的小型電解電容器構成電容器組Cx和Cy。對于長度達10厘米的閃光燈，以達到長脈沖激光域值所要求的電流激勵閃光燈所需要的壓達到450到900伏特。標準電解電容器可提供450伏的直流電壓，可以使用串行組合獲得較高的電壓。
使用晶體管Q1和Q2連接跨越高壓電源130的閃光燈，相對于現有技術的被動式PFN電路有許多優勢。首先，使用被動式PFN，一般來說很難提供脈沖持續時間的選擇；被動式脈沖形成網絡一般調整用于產生單個持續時間的脈沖。與之相反的是，為IGBT晶體管Q1和Q2提供的觸發脈沖可以輕易地通過IGBT激勵器134數字式地控制，允許任何與激光特征和電源符合的期望脈沖持續時間。這一點說明于脈沖持續時間選擇器135，它優選使得操作者可選擇5,10或20毫秒的脈沖持續時間。脈沖的唯一限制是晶體管Q1和Q2在不被損壞的情況下能傳導的電流。然而，這個因素并不對網絡產生的脈沖持續時間提供嚴格的上限限制。因為兩個或多個晶體管可以并行連接以達到要求的電流。
進一步，使用主動式PFN還允許使用脈沖周期加熱技術。圖4A是提供給激光的電源(P)和目標血管的結果溫度之間的時間函數圖。產生一系列短子脈沖的同時，在選定的有效脈沖的持續時間Ts內，可以通過控制晶體管Q1和Q2產生分散的工作周期。每個子脈沖都有1,2或3毫秒的持續時間。
脈沖周期加熱技術相對于圖4B顯示的恒定振幅加熱具有很多優勢。需要達到泵送電源Pth的某個閾值才能使增益媒質如變石開始發光。然后發光閾值的過剩閃光燈功率Pa確定激光輸出光束的振幅。通過將產生的光壓縮成一系列更短的脈沖，在如圖4A所示的影線區域中所示的輸出光束的功率中，可以產生更高比例的泵送功率激活該媒質。與之對應的是如圖4B中所示，當在恒定振幅模式下操作激光時，大部分功率消耗在達到發光閾值上。電能轉化為熱量，從而需要液體制冷和提供更多的電源。
同樣，如圖4A和4B中所示，由于脈沖周期加熱引起的真皮樣本中目標結構的溫度升高值T和連續振幅加熱時產生的稍有不同。組織溫度隨脈沖周期加熱逐步升高，而在連續振幅加熱中則是漸變式升高。然而加熱過程的這種差異并未影響到療效，因為只有最高溫度才能決定是否損壞組織。
在脈沖持續時間較短時，脈沖周期加熱技術的優勢相對恒定振幅來說變得不那么明顯。一般情況下，在本發明的系統中，只要求在有效脈沖時間長于10毫秒時使用脈沖周期加熱。1.毛發去除方法變石激光系統可以應用在美容中，如非治療性的毛發去除。有多種原因導致在眾多激光系統中優選使用變石。變石可以在769納米上下100納米的范圍內調節。該范圍相對于過去使用的紅寶石或脈沖染料激光器有許多優勢。
如圖5所示，在577-585納米范圍內運行的脈沖染料激光被脫氧血紅蛋白和氧和血紅蛋白吸收的效果比被黑色素吸收的效果好。這就提供了良好的選擇性。然而，問題在于黑色素的總吸收量非常高。結果是，激光并沒有深深地穿透真皮層。為了有效地使得生發的皮膚結構失活，光必須穿透毛發囊和周圍的營養血管深達5毫米以上。
在694納米下運行的紅寶石激光具有良好的穿透性，這是因為此波長下黑色素的吸收率較低。然而，問題在于Hb和HbO2在此波長處吸收效果不好，如圖5所示。為了有效并永久性地阻止毛發的生長，光必須穿透到毛囊并被其以及周圍的營養血管吸收。紅寶石激光并不能獲得這樣好的效果，因為它們不能被血液良好地吸收。這就是現有技術中要求使用外源吸收物的原因。然而，這些外源吸收物并不能解決問題，因為它們并不能達到毛囊的深度。
與之相對的是，在755納米上下50納米范圍內，當發明的變石激光系統運行時，黑色素吸收率相對于紅寶石激光來說非常低。那么就可以獲得對毛發囊的更好穿透性，深度大約為5毫米。然而，更重要的是，此范圍內Hb峰值和HbO2的吸收率比在紅寶石波長時的要高得多。這些因素共同允許激光(1)穿透的深度達到毛囊和供應毛囊營養的血管；和(2)被黑色素和在這些血管中包含血細胞的血紅蛋白吸收。因為脈沖持續時間較長，皮膚表面和毛囊之間的小血管中的血液將自己的熱量擴散到周圍的組織中并不會升溫到失活的情況。毛囊中的血液被加熱，因為熱量被限制在大型結構的毛囊中。
相對于其他激光的另外的優勢在于，不帶Q開關的變石激光器一般允許比染料激光器較長的脈沖持續時間。這個因素是相關的，因為發射光的脈沖持續時間對于選擇性非常重要。如果脈沖持續時間太長，毛囊和周圍血管吸收的熱量會擴散到周圍的皮膚組織中，于是就不能將毛囊和血管選擇性地加熱到只摧毀這些結構的必要程度。然而，如果脈沖持續時間太短，較小的吸收光的化學物質，例如血液的血紅蛋白或黑色素，以及較小的血管，不能通過熱量擴散降溫，表皮會因過熱而燒毀。這種結果能導致紫癜，流血和灼傷，但通常不能有效地阻止皮膚的生長。這就是脈沖持續時間較短的紅寶石激光在永久去除毛發時只能取得有限成功的原因。
在優選實施例中，激光系統用激光輸出脈沖照射處理過的皮膚區域來去除毛發，該脈沖的持續時間為1到40毫秒之間。然而，通過使用大約5到10毫秒或更長時間的脈沖，可以獲得最佳效果。
使用長脈沖的變石激光相對于以前技術中用于去除紋身和色素傷害處理的變石激光系統，還有許多優勢。歷史上，變石激光一般被認為是難以付諸實施的。激光腔中的Q開關成分使得激光的操作不穩定。在本激光系統中，不使用Q開關成分，增益媒質激光可以被激勵而具有較長的脈沖持續時間。這改善了激光的操作。
另外，本發明最好還包括待處理皮膚上的一個或多個外用制劑。礦物油，K-Y漿或其他任何濕的有穿透性的生物兼容的制劑，成層地施用于將被激光處理的帶有毛發的皮膚表層上。這層物質提供了整體的指標匹配。除了指標匹配層，也可以將熱或光敏感的輻射標記物作為單獨的層施加在指標匹配層上，或與指標匹配物質一起包含在常規的載體中。這種熱變色或光變色的標志物一旦暴露在激光輸出脈沖下，其顏色或狀態將發生改變。這將告知操作員，皮膚表面的這些部分已經被處理過。這種標志物可能是溫度指示筆或在某溫度時液化的液體，例如OmegaEngineering公司出售的商用標志物，盡管這些產品的生物兼容性還沒有經過確認。
當用近紅外光線照射皮膚時，使用熱變色或光變色標志效果非常好。當皮膚暴露在頻率較短的577-585納米范圍的脈沖光線中時，立刻有紫癜性效果，可以作為已被處理皮膚的記錄。當用近紅外光線處理皮膚時不會產生這種效果。然而，使用會根據光或指示的熱量改變顏色或狀態的標志物，可以有助于指示那些處理過的皮膚。
圖6是顯示使用變石激光的發明性毛發去除技術的方法圖。在預備步驟149中，讓某些病人首先將包含多余毛發的皮膚上的毛發染色是有幫助的。對于那些有淺色毛發的病人此步驟幫助最大。毛發的染色采用的是商用的深色毛發染料。優選在病人進行激光治療的幾天前進行此步驟。和商用毛發染料一樣，染色的效果深深穿透到毛囊中的毛干直到乳突。這使得乳突及周圍的生發組織對激光能量的吸收變得更容易，從而提高了選擇性。
首先是在步驟150處用指標匹配層覆蓋待處理的皮膚塊。在步驟152處，還用熱變色或光變色的標志物覆蓋可能帶有指標匹配層的皮膚塊。
然后在步驟154處用激光脈沖輻射皮膚塊。用分離或微微交叉的點，以20J/cm2輻射皮膚塊的整個表面。這些點位于皮膚上，以便確保處理每一個毛囊。每次應用時用以輻射皮膚的激光脈沖的數目根據點的大小而定，后者取決于激光的功率。功率較高的能量可以在5毫秒脈沖持續時間內獲得必要的20J/cm2能量，從而使用的點較大。尺寸為7毫米的點表示在當前技術下可用的較高功率和大得足在合理的時間內有效處理區域的點之間權衡考慮的結果。熱變色或光變色的指示物為操作者指明那些已被處理過了的皮膚部分。
醫學實驗表明，如果在同一療程中只對皮膚塊照射一次，可以獲得更好的效果。理想情況是皮膚塊的每個部分應該接收一個提供20J/cm2注量的5毫秒激光脈沖。
在步驟156處，經過大約一個月的間隔后重復此方案。一般來說，第一個療程不可能完全成功地去除所有毛發。不含毛干的毛囊不能接收充分的照射以保證未來不再生長。如果沒有毛干的附加吸收，會導致溫度低于有效損壞生發組織所需要的溫度。在第一次輻射期間，大部分帶有毛發的毛囊會被摧毀。然后，經過休息期后，先前沒有產生毛發的毛囊長出了自己的毛發，這樣就可以對這些毛囊再進行處理，使得新長出的毛發被摧毀。為了完全除去毛發，該過程一般要重復3到4次，同時必須重復步驟149處的毛發再染色過程。2．處理多余靜脈的方法變石激光系統還可以應用在美容中，如非治療性多余靜脈處理。血管擴張通常表現為靜脈曲張和毛細管擴張的腿靜脈。曲張的靜脈分為三類擴張的隱靜脈，擴張的表面分支和擴張小靜脈。更概括的分類是多余腿靜脈。光療法，硬化療法以及靜脈去除是處理這些情況的通常方式。每種治療方法都有自己的優缺點。在本發明中，綜合運用光療法和硬化療法可以獲得單個療法無法取得的結果和成功率。
圖7A表示的是在運用本發明原則時綜合運用光和硬化療法的技術。一般來說，此技術包括使用變石激光對目標血管進行紅外照射，下一次照射要等到光療法的破壞效果在目標血管中實現后才能進行。等待時間結束后，對血管實行硬化療法。也可以如圖7B所示及如后文的討論那樣，先實施硬化療法，然后休息，最后對多余的血管進行近紅外輻射。
更詳細地說，首先在步驟310-316進行光療法。過程中的第一步，即步驟310，是估計目標靜脈曲張和毛細管擴張腿靜脈的大小和深度。盡管可以使用測量工具，一般來說富有經驗的醫生可以憑肉眼進行此操作。
在步驟312中，目標血管的大小可以決定有效的脈沖持續時間和總注量。理想的脈沖持續時間應該和血管的熱放松時間非常相近。熱放松時間是血管尺寸的函數。一般來說，處理曲張的靜脈之類的血管時，希望獲得的總有效脈沖持續時間大于1毫秒，在較大血管的情況下，時間優選5到100毫秒。
血管的尺寸還可以決定總注量。在脈沖持續時間內，注量應該高得足夠將血管壁的溫度提高到使組成蛋白質失活。70℃的溫度是可以接收的目標。通常，積累的總注量優選高于5J/cm2，但是，15-30J/cm2的注量范圍對于大多數情況更常見，最優選值大約為20J/cm2。
在步驟314處，基于血管的深度和尺寸選擇輻射光的波長。通常對于接近皮膚表面的較小毛細管擴張靜脈，理想的波長為577-585納米。該波長條件下限定的穿透深度并不是大的障礙，理想情況是獲得較高的選擇性。然而對于更深和更大的血管，近紅外光線是理想的波長。較深的血管需要被真皮和表皮吸收較少的波長。光線可以穿透到血管的深度，而不會被黑色素吸收。帶有較大交叉區域的血管要求近紅外光線用于更有效的交叉區域加熱。圖4顯示的是，波長766納米的變石激光比684納米的紅寶石激光更容易被血紅蛋白和氧和血紅蛋白吸收。
圖8顯示的是血管交叉區域，內部有流明壁214環繞的流明210。對于箭頭214表示的入射光，血管直接暴露壁中的小區域一般可以吸收577-585納秒范圍內的光(參見數字216)。對于顯示的較大血管，這就限制了實現光的摧毀性效果的區域。與之相對的是，當使用吸收效率較低的近紅外光線時，加熱區域218被擴展，使其可以覆蓋內部210中的更大部分和更多一些的血管壁212。血管越大，更需要這種被擴展的區域。特別要說明的是，理想的光源是755納米波長的變石激光。盡管如此，波長范圍在710到810之間的變石激光也可能獲得一定的成功。還可以使用過濾的閃光燈光源，紅寶石，半導體二極管，摻有鈦的晶體和摻有釹的晶體。
回到圖7A，在輻射前的步驟315中，含有多余血管的待輻射皮膚塊上覆蓋了熱敏或光敏的輻射指示物。指示物告知操作者哪些部分的皮膚已經被照射。指示物可能是暴露在激光或激光產生的熱量下時會融化的溫度指示液或指示棒。例如OmegaEngineering公司出品的OMEGALAQTM，盡管該產品的生物兼容性尚未經過確認。
當用近紅外光線輻射皮膚時，使用熱變色或光變色指示器非常有用。當皮膚暴露在577-585納米等頻率較短的光線下時，皮膚上會立刻發生顏色變化，作為皮膚上被處理區域的標記。當使用近紅外光線照射皮膚時，不會產生這種效果。使用隨光線或光線產生的熱量而發生色彩或形態變化的指示物，可以有助于指示出皮膚上被處理過的部分。
然后在步驟316處使用選定波長的光，以有效脈沖持續時間和注量，對包含多余血管的真皮進行照射。盡管可以使用恒定振幅和近似恒定振幅的脈沖，本發明中最好使用脈沖持續時間較長的脈沖周期加熱技術。
下一步(318)是光療后的等待期或靜止期。該時期可短至12個小時，也可長達6個月。必須經過等待期的原因還不明確。理論上認為，這段時間允許光療法的破壞效果在目標血管上穩定下來。
最后當靜止期結束后，在步驟320處對血管使用硬化療法。這可以象一般情況下將硬化劑注射入血管那樣進行。理想的硬化劑包括高滲鹽溶液和葡萄糖或其他溶液。也可以在這些溶液中加入賽羅卡因等局部麻醉劑，幫助控制疼痛。這在硬化療法中將詳細討論，此處的引述指的是其全部內容。
圖7顯示的是另一個綜合運用本發明的光療和硬化療法的實施例。第二個實施例與圖7A所示的技術類似，只是圖7A中的照射步驟310-316對應于圖7B中的照射步驟326-334。第二個實施例還采用了靜止期324，硬化療法在步驟322處進行。然而，差別在于硬化療法322是在步驟326-334中的照射之前進行的。步驟324的靜止時間在硬化療法322之后，然后才是照射步驟326-334。
激光系統可以作為工具包的一個部分出售，它包括怎樣如圖7A和7B所示綜合運用硬化療法和激光照射提出建議的指導手冊。工具包還包括表示已使用硬化劑進行輻射的指示物。綜合使用光療法和硬化療法的實驗結果首先用在755納米處產生5毫秒脈沖的激光照射多個病人，然后使用根據通用原則的硬化療法對病人進行治療。
識別出待處理的區域，放置模板使待處理的靜脈以容易識別的方式排列。在模板上標識出解剖標志和皮膚傷害，使得可以精確地復制放置方法。用一支皮膚標記筆標記出6個穿孔，以設置照片和治療位點的索引。照兩張基線照片。用以下方法之一處理位點1)15.0J/cm2，單脈沖；2)15J/cm2，雙脈沖；3)20J/cm2，單脈沖；4)20J/cm2，雙脈沖；以及30J/cm2，激光的單輻射脈沖。該處理完成后，約定病人大約4周后見面復診。
在第二次見面時，再次將模板應用到處理地點；匹配標志；再標記匹配標記孔。使用第一療程中同樣的方案照出照片。再使用單脈沖或多脈沖的20J/cm2處理該區域。
有一些病人需要過4周后再次接受處理。用同樣的方案進行處理，每個情況中使用兩個脈沖的20J/cm2。
在最后一次光療后的4周內對所有的病人實施硬化療法。每個案例中，4-7cc濃度為23.4％的消毒后未經保存的鹽溶液以30∶1的比例與2％的木卡因混合后，使用帶有放大鏡輔助觀察的30刻度的針頭，將其注射到任何還剩下的蛛網靜脈中。
有限研究的一般結果表明，大多數病人清除了76％以上的靜脈，一些病人甚至能完全清除靜脈。圖9總結了實驗中包含的由不同注量產生的不同結果。特別是單脈沖時15J/cm2，單脈沖時20J/cm2，雙脈沖時20J/cm2以及單脈沖時30J/cm2。每個案例中，平均和一般的改進效果超過80％。
盡管參照本優選實施例對本發明進行了特定的表示和介紹，本領域的技術人員無需脫離權利要求定義的本發明精神實質和范圍，即可實現形式和細節的多種變化。
權利要求
1．一種處理皮膚樣本的激光系統，該系統包括長脈沖的變石激光，產生1到50J的能量，產生的激光輸出脈沖有效持續時間為5到100毫秒之間，注量在10到50J/cm2之間，點尺寸在0.1到10cm2之間；以及光傳送系統，將激光輸出脈沖發送到病人的皮膚目標上。
2．根據權利要求1所述的系統，其中所述的變石激光的共振腔產生由多種共振模式組成的激光輸出脈沖。
3．根據權利要求1所述的系統，其中所述的變石激光的共振腔有半球狀的設置。
4．根據權利要求1所述的系統，其中所述的變石激光包括彎曲的全反射鏡和平面的或近似平面的部分反射鏡，它們共同構成了包含變石增益媒質的共振腔。
5．根據權利要求1所述的系統，其中所述的變石激光包括全反射鏡和部分反射鏡，它們共同定義了包含變石增益媒質的共振腔，其中至少有一面鏡子的曲率比熱透鏡的焦距短，熱透鏡是在產生激光輸出脈沖時在變石增益媒質中產生的。
6．根據權利要求1所述的系統，其中所述的變石激光包括全反射鏡和部分反射鏡，它們共同定義了包含變石增益媒質的共振腔，其中至少有一面鏡子的曲率比鏡之間的距離短。
7．根據權利要求1所述的系統，其中所述的鏡之間的距離至少比一面鏡的曲率半徑要小，這里所說的鏡子包括產生激光輸出脈沖時變石增益媒質中產生的熱透鏡。
8．根據權利要求1所述的系統，其中所述的光傳送系統將激光輸出脈沖發送到皮膚目標上面積至少1平方厘米的區域上。
9．根據權利要求1所述的系統，其中所述的變石激光器每秒產生0.5到10次激光輸出脈沖。
10．根據權利要求1所述的系統，其中所述的長脈沖變石激光器包括變石增益媒質；至少一個閃光燈，用于泵送變石激光媒質；電源，可連接用于向至少一個閃光燈供電；以及主動式脈沖形成網絡，控制對至少一個電源供電的閃光燈的激勵。
11．根據權利要求10所述的系統，其中所述的主動式脈沖形成網絡包括至少一個晶體管，能至少為一個閃光燈開關電源。
12．根據權利要求10所述的系統，其中所述的主動式脈沖形成網絡包括兩個或兩個以上的晶體管，它們并聯連接從而為至少一個閃光燈開關電源。
13．根據權利要求10所述的系統，其中所述的活動的脈沖形成網絡調整通過至少一個閃光燈的電流，產生由持續時間內系列子脈沖組成的激光輸出脈沖。
14．一種處理皮膚樣本的激光系統，該系統包括增益媒質；至少一個閃光燈，用于泵送變石激光媒質；電源，可連接用于向至少一個閃光燈供電；以及一個主動式脈沖形成網絡，控制對至少一個電源供電的閃光燈的激勵，調整通過至少一個閃光燈的電流，產生包括持續時間內系列子脈沖的激光輸出脈沖；以及光傳送系統，將激光輸出脈沖發送到病人的皮膚目標上。
15．一種皮膚樣本的激光處理方法，該方法包括產生激光輸出脈沖，持續時間為5到100毫秒，注量在10到50J/cm2之間，波長在730到780納米；以及將激光輸出脈沖傳送到病人的皮膚目標上。
16．根據權利要求15所述的方法，還包括用多種共振模式產生激光輸出脈沖。
17．根據權利要求15所述的方法，還包括在變石激光器的半球形共振腔內產生激光輸出脈沖。
18．根據權利要求17所述的方法，還包括使用變石增益媒質周圍的曲面全反射鏡和部分反射的反射鏡構筑共振腔。
19．根據權利要求15所述的方法，還包括用全反射鏡和部分反射的反射鏡構筑共振腔；并提供至少一面曲率半徑小于熱透鏡的焦距的鏡子，熱透鏡是產生激光輸出脈沖的過程中在變石增益媒質中產生的。
20．根據權利要求15所述的方法，還包括用全反射鏡和部分反射的反射鏡構筑共振腔；并使鏡子間的距離比至少一面鏡子的曲率半徑小。
21．根據權利要求15所述的方法，還包括從一系列持續時間較短的子脈沖中產生激光輸出脈沖。
22．一種毛發去除激光系統，包括長脈沖的變石激光，產生持續時間為5到50毫秒之間，注量在10到50J/cm2之間的激光輸出脈沖；將激光輸出脈沖發送到病人帶有毛發的皮膚目標上的光傳送系統。
23．根據權利要求22所述的系統，還包括應用在皮膚上的局部標識物，對于激光輸出脈沖作出可見性反應。
24．根據權利要求23所述的系統，其中所述的局部標識物為操作者提供一個輻射指示器，用于指示出用激光輸出脈沖處理過的皮膚部分。
25．根據權利要求22所述的系統，還包括指標匹配局部用制劑，應用在皮膚上使得激光輸出脈沖能深深地透入皮膚。
26．根據權利要求25所述的系統，其中所述的指標匹配用制劑和輻射指示器包含在普通的局部應用載體中。
27．根據權利要求22所述的系統，其中的長脈沖變石激光器包括變石增益媒質；至少一個閃光燈，用于泵送變石激光媒質；電源，可連接用于向至少一個閃光燈供電；以及一個主動式脈沖形成網絡，控制至少一個電源供電的閃光燈的激勵。
28．根據權利要求27所述的系統，主動式脈沖形成網絡調整通過至少一個閃光燈的電流，產生由持續時間內系列子脈沖組成的激光輸出脈沖。
29．一種非治療性毛發去除的方法，包括產生波長在710-810納米之間的激光；和用有效脈沖持續時間超過1毫秒的激光照射帶有毛發的皮膚。
30．根據權利要求29所述的方法，還包括用10到50J/cm2范圍內的注量照射帶有毛發的皮膚。
31．根據權利要求29所述的方法，還包括在一個療程中照射一次皮膚上帶有毛發的部分。
32．根據權利要求31所述的方法，還包括進行多個療程的治療。
33．根據權利要求32所述的方法，還包括在兩次療程之間至少休息幾個星期。
34．根據權利要求29所述的方法，還包括在照射帶有毛發的皮膚之前，將局部指示物運用到對激光產生可見反應的帶有毛發的皮膚上。
35．根據權利要求29所述的方法，還包括在照射帶有毛發的皮膚之前，采用指標匹配局部制劑，使得激光輸出脈沖能深深地透入帶有毛發的皮膚。
36．根據權利要求29所述的方法，可以在系列子脈沖中產生激光。
37．根據權利要求29所述的方法，還包括用波長大約為755納米的激光照射帶有毛發的皮膚。
38．一種對于多余血管的非治療性處理方法，包括用光照射血管，使得血管或血管壁失活；對血管實施硬化療法；在照射血管和硬化療法之間等待一段時間。
39．根據權利要求38所述的方法，還包括在對血管實施硬化療法之前，對皮膚進行照射的步驟。
40．根據權利要求38所述的方法，等待一段時間的步驟包含的等待時間為12小時到6個月之間。
41．根據權利要求38所述的方法，實施硬化療法的步驟包括將硬化劑注入血管。
42．根據權利要求38所述的方法，其中還包括觀察多余血管的大小；基于觀察到的大小選擇照射的脈沖持續時間；以及對選定的脈沖持續時間實施照射。
43．根據權利要求42所述的方法，進行照射的過程包括在選定的脈沖持續時間內產生一系列分離的光脈沖。
44．根據權利要求38所述的方法，還進一步包括觀察多余血管的深度；至少部分基于觀察到的深度，選擇光的波長；以及用選定波長的光進行照射。
45．根據權利要求38所述的方法，照射血管的過程包括用近紅外光照射血管。
46．根據權利要求45所述的方法，進行照射的過程包括對于選定的脈沖持續時間產生一系列的分離光脈沖。
47．根據權利要求38所述的方法，還包括將指示物放置在待照射的皮膚上用以指示已被照射過的皮膚部分。
48．根據權利要求38所述的方法，還包括在執行照射皮膚的步驟前，進行硬化療法的步驟。
49．一種處理多余血管的工具包，包括近紅外光源，用于以能破壞血管的光對血管進行照射；以及對光源的指令，告知其在照射血管和將硬化劑注入血管之間等待一個靜止期。
50．根據權利要求48所述的工具包，還包括用于注射入血管的硬化劑。
51．根據權利要求49所述的工具包，其中所述的指令推薦一個12小時到6個月之間的休息期。
52．根據權利要求49所述的工具包，其中的光源是以對應于血管的熱放松時間的脈沖持續時間照射血管。
53．根據權利要求52所述的工具包，其中的光源在選定的脈沖持續時間內產生一系列分離的光脈沖。
54．根據權利要求52所述的工具包，其中所述的脈沖時間在1到100毫秒之間。
55．根據權利要求49所述的工具包，其中所述的光源是變石激光器。
56．根據權利要求49所述的工具包，還包括對近紅外光源發出的光進行反應的標志物。
全文摘要
本發明涉及處理皮膚樣本的長脈沖變石激光。使用變石可以在近紅外條件下,特別是在755上下50nm的范圍內操作。此范圍內的紅外線具有良好的穿透力,同時獲得可接受的血紅蛋白相對黑色素的吸收比例。在操作中,激光產生持續時間在5到100毫秒之間,注量在10到50J/cm
文檔編號A61B17/22GK1220591SQ97194499
公開日1999年6月23日 申請日期1997年4月4日 優先權日1996年4月9日
發明者古本亙, 喬治·周, 大衛·H·麥克丹尼爾, 艾瑞克·考斯曼, 安托尼奧·G·雷佐 申請人:希諾索爾公司