用于处理皮肤样本的变石激光系统的制作方法

专利名称：用于处理皮肤样本的变石激光系统的制作方法
相关申请本申请是美国1996年4月9日提交的标题为“为控制峰值温度和提高激光加热效率对材料进行的脉冲周期加热”的美国分案专利申请序列号60/015,082的继续申请，申请人是Horace WFurumoto，该篇文献的教导通过在此引述而全文合并于本文。本申请是Horace W Furumoto等人在1996年11月7日提交的美国专利申请序列号08/745,133的标题为“处理多余静脉的设备和相关方法”的继续申请，该篇文献的教导通过在此引述而全文合并于本文。本申请还是Horace W Furumoto等人在1996年11月7日提交的美国专利申请序列号08/744,344的标题为“用于去除毛发的变石激光系统和相关方法”的继续申请，该篇文献的教导通过在此引述而全文合并于本文。
本发明的背景技术选择性光热敏分解的原则衍生出多种激光治疗方法，用于处理腿静脉，红痣胎记，其他扩张血管愈伤，以及纹身之类的色素愈伤。通常是用激光或闪光灯的光照射包含目标结构的真皮和表皮层。选择光的波长或颜色以便该结构能有选择地吸收其能量。这会导致局部加热，目的是将温度提高到使组成蛋白变性或色素颗粒扩散。
发射光的脉冲持续时间对于选择也很重要。如果脉冲持续时间太长，被结构吸收的热量将被扩散到周围的组织中，而不会被有选择地加热到必要的程度。但是如果脉冲持续时间太短，吸收光的化学物质例如血红蛋白或纹身染料颗粒，会因加热太快而蒸发。理论表明，合适的脉冲宽度应该与目标结构的热扩散时间匹配。例如对于红痣胎记中的较小血管，热扩散时间大约是几百微秒到几毫秒。较大腿静脉的热扩散时间在5到100毫秒的范围内。色素愈伤颗粒的扩散时间短到以纳秒计算。
已经在皮肤样本的选择性光热敏分解中检验了多种激光。Q开关的变石激光已被成功地用于处理自然产生的皮肤色素化和纹身。长脉冲的红宝石激光已被建议用于去除毛发。Nd:YAG激光(1060纳米时操作)，二氧化碳(10.6微米时操作)和氩气(448-514纳米范围内操作)已被建议用于扩张血管的处理。用染料激光进行的血管处理最为成功，特别是使用闪光灯激发的脉冲染料激光。这些激光在577到585纳米范围内操作，在此范围内有血红蛋白的吸收带峰值，并且在提供良好选择性的脉冲模式下能很好地运行。合理地选择颜色和脉冲的持续时间时，处理较小血管时通常可获得50％以上的成功率。不幸的是，染料激光的脉冲持续时间限制在1.5毫秒内。那么它们并不适合处理较大的结构，因为这些结构处理要求的脉冲持续时间是成百上千个毫秒，至少根据原则来说是这样。人们正试图解决这些问题。建议使用Nd:YAG两倍的频率作为产生532纳米长脉冲的技术。
本发明的概述本发明涉及处理皮肤样本的长脉冲变石激光。使用变石允许在近红外区进行操作，特别是在760纳米上下100纳米范围内。此范围内变石可以调节，理想状态下是大约755纳米处，可变范围是其周围50纳米±25纳米。此范围内的红外线穿透力极强，还可以获得可接受的血红蛋白相对黑色素的吸收比例。进一步说，相对于短脉冲的Q开关版本的用于处理典型色素愈伤和纹身的激光，使用长脉冲变石激光有两大优势1)脉冲持续时间可以与较大皮肤结构的热释放时间匹配；2)去除Q开关成分可以产生变化较小和更易于操作的激光系统。
理想状态下，激光产生一个持续时间为5到100毫秒的激光输出脉冲，输出高达50焦耳而且带有的发送注量为10-50J/cm2之间。0.1-10cm2尺寸的点能最有效地覆盖目标区域。还提供光传送系统，将激光输出脉冲发送到病人的皮肤目标区。
在具体的实施方案中，脉冲包括被半球谐振器配置支持的多中谐振模式。理想情况是，至少有一个谐振器镜的曲率半径比热透镜的焦聚短。后者是产生激光输出脉冲时在变石增益媒质中产生的。这使得激光对透镜不敏感。
在实施方案的另一方面，活动脉冲形成网络用于激励至少一个闪光灯以激发变石。网络允许进行脉冲周期加热以获得较长的脉冲持续时间的效果。然而，可以将这些脉冲周期原则推广到其他类型的闪光灯激发的激光上。
总之，脉冲周期加热技术还可以被应用到其他类型的闪光灯激发的激光器上，例如染料和红宝石，作为有效地产生有限注量有效长脉冲的方法，正如选择性光热敏分解应用中要求的那样。这些技术都依赖于使用一系列带有有限工作周期的激光脉冲，该周期包括有例如血管等目标结构的全部热放松时间。脉冲的全部能量必须能使目标血管失活。通过减少增益媒质吸收用以达到激光阈值的能量，脉冲周期加热技术能有效地使用激光。这些能量并非用于激光反应，而是丢失了。最普遍的情况是，脉冲周期加热对于皮肤应用中要求10毫秒以上脉冲的闪光灯激发的激光非常有用。
本发明还用于长脉冲激光毛发去除系统。本发明中使用变石允许近红外操作，从而提供对发根的良好穿透性，同时获得可接受的血红蛋白对黑色素的吸收比例。
在具体的实施方案中，最好在被处理的皮肤区域使用匹配指标。该物质覆盖皮肤表层，提供激光进入皮肤的较佳匹配方式。
在本发明的其他方面，最好在皮肤上使用局部指示物。近红外的皮肤辐射通常并不象使用染料脉冲激光时发现的那样产生任何特征性的肤色变化。所以，非常难以确切地知道皮肤的哪些部分在治疗过程中已经遭受辐射。目视指示物对于热、光或者激光脉冲发生反应，产生可见的变化。这就为操作者提供了已被处理皮肤的记录。
最好用长于1毫秒的激光脉冲对皮肤进行处理，优选处理时间大约为5到50毫秒。每次脉冲都应包括10-50J/cm2的注量。每次处理过程中，对皮肤每个被处理的部分用这些种类中的一种脉冲进行照射，当然可以使用多种脉冲。即便如此，要实现永久和完全的激光去除还要求3到4个重复疗程，每次疗程间隔数周到数月。
本发明还用于将硬化疗法和光疗法结合起来进行美容，例如对多余静脉的非治疗性处理。它与现有技术中闪光灯激发的脉冲染料-硬化疗法类似。然而，在光疗法和硬化疗法之间间隔12个小时到6个月的时间，可以极大地提高成功率至90％到100％。最好是在硬化疗法之前实施光疗法。然而，先实施硬化疗法然后采用光疗法也可以取得成功。
在具体的实施方案中，可以使用激光闪光灯光源，但理想的光源是在755纳米范围内操作的变石激光器。
根据另一个方面，本发明的特征还包括用于处理无用血管的工具包。它包括用来以适于开始破坏血管的光照射血管的光源。还需要硬化剂，例如高渗含盐溶液，向血管进行注射。最好给光源发出指令，指明在照射血管和注射硬化剂之间需要等待一段时间。
本发明的上述特性和其他特性、包括多种新的构造细节和部件组合及其他优势，将会参照附图进行描述并在权利要求中指出。应该理解的是，体现本发明的具体方法和设备等都是说明性的，并不作为本发明的限制条件。无需脱离本发明的范围，即可在不同的多个实施例中运用本发明的原则和特征。
附图的简要说明在附图中，参考字符指不同视图中的相同部件。附图不一定是严格按图的比例进行了缩放；重点放在使用图形说明本发明的原则上。图形中

图1是本发明的变石激光系统示意图，描述它在处理皮肤样本时的使用情况。
图2A和图2B是两个变石激光系统的示意图；图3是显示激光系统发明性闪光灯激励器的电路图；图4A和图4B是功率/引发温度分别与脉冲周期加热和恒定振幅加热的时间函数的标图。
图5是血红蛋白和黑色素的光谱吸收图。
图6是表示根据本发明的毛发去除过程的图表。
图7A和图7B是展示根据本发明综合运用光疗法和硬化疗法技术处理腿静脉的两个实施方案的过程图。
图8显示的是血管剖面和使用577到585纳米的光相对使用近红外光获得的不同加热效果。
图9是显示运用多种注量和脉冲组合时腿静脉去除比例的图。
优选实施例的详细说明图1显示的是根据本发明的原则建立的变石激光系统。变石激光器108通常包括一个或多个闪光灯LP1和LP2，一般分布在中央定位的变石晶体增益媒质110周围。闪光灯LP1和LP2直接或通过相连的反射器112照射增益媒质。闪光灯LP1和LP2由闪光灯激励器122激励。
由于某些原因，使用变石激光优选于使用其他激光系统。相对于黑色素来说，脱氧血红蛋白(Hb)和氧和血红蛋白(HbO2)可以更好地被在577到585范围内操作的脉冲染料激光吸收。这就提供了良好的选择性。然而，问题在于黑色素的吸收总量非常高。结果是激光不能穿透真皮层很深。因为要有效地进入某些真皮结构，光的穿透深度必须达到5毫米。
波长694纳米的红宝石激光确实拥有良好的穿透性，因为此波长时黑色素的吸收率相对较低。然而，问题在于在此波长时Hb和HbO2的吸收性能也不好。
对比而言，发明变石激光系统使用的激光波长在755纳米上下50纳米范围内时，与使用红宝石激光相比，黑色素的吸收较少。那么，可以获得较好的穿透性。然而，更重要的是这样一个事实，此范围内Hb的吸收峰值和HbO2的吸收量大大高于采用红宝石波长时的吸收量。
使用变石激光还有更实用方面的优势。长脉冲染料和红宝石激光效率较低并需要大型装置。进一步说，脉冲染料激光还有要求采用染料增益媒质的缺点，该媒质在红外时不那么有效。与之相对的情况是，长脉冲变石激光系统要小得多，将闪光灯中的能量转换为输出激光脉冲比采用染料或红宝石激光有效得多。
染料激光的另一优势在于，变石激光通常允许的脉冲延续时间比染料激光器要长，可以对较大的真皮结构进行处理。
使用长脉冲变石激光器108，相对于现有技术中在毛发去除和色素伤害处理时使用的其他变石激光系统来说，更具有某些优势。历史上，一般认为变石激光很难具体实现。激光穴中的Q-开关成分导致激光的操作不稳定。在本激光系统108中，Q-开关成分被取消，增益媒质激光被激励为较长的脉冲时间，这就改善了激光的操作。
变石晶体110在镜子118和120形成的激光共振腔中产生激光输出脉冲124。镜120只产生局部反射，从而提供激光输出孔。然而输出孔镜120的反射率相对较高。通常在Q-开关的激光中，输出孔镜的反射率不高于50％。这是因为虽然它可以产生高峰值的脉冲功率，但持续时间较短。与之相对应的是，在本长脉冲变石激光系统中，在略高于激光的泵阈值时进行操作，激励因素就会提高激光的效率。结果是，在本发明中镜120的反射率不低于70％，在一个实施例中不低于80％。
在优选实施方案中，镜118和镜120构成的共振腔是近似半球状的。在这种配置中，输出反射器120是平面镜或近平面镜，反射镜118是曲面的。优选的是其曲率半径在0.5到1米之间。
在优选球体共振器实施例中镜118的曲率半径，或另外的更集中型腔体配置中镜的组合曲率半径，最好短到足以补偿变石晶体110的热聚焦。温度梯度的存在导致激光棒110中会产生激光聚焦。变石晶体110需要通过常规的技术在外围进行冷却。所吸收但不会被转化为激光输出的热量必须通过晶体110周围流动的冷却液体和气体扩散。可以推知晶体的经度中心轴温度最高，因为必须具有温度梯度才能释放热量。温度梯度导致热透镜的形成，由于多数材料的热膨胀温度系数为正，所以透镜也为正。通常，激光共振器被设计用于补偿热聚焦为共振腔增加的任何功率。当以不同功率激发激光产生不同输出时，聚焦的可变性会带来问题。正因为此，多数商业激光是以恒定的普通功率激发的，而且采用吸收性或反射性衰减器等获得可变的输出。
然而，当需要超长的脉冲持续时间时，例如在利用光热敏分解原则处理腿静脉和毛囊或其他较大的皮肤组织时，可能会产生特殊的问题。此时所需要的脉冲持续时间为1到100毫秒，一般大于5毫秒。变石晶体能在发射激光时形成热透镜，而晶体则不行。动态聚焦并不能用静态光学元件来纠正。
在本发明中，可以通过选择共振的光学仪器减少动态聚焦的效果。特别的是镜118和120的选定功率可以大大高于热透镜的功率，后者是通过脉冲加热在变石晶体中产生的。当然这种概念用于脉冲之间的热聚焦纠正也同样有效。
本发明中，至少一个共振镜的半径，如展示的实施例内透镜118，应该有一个较高的曲率半径，其焦距比产生的热透镜的焦距短得多。热透镜可以将高达1屈光度的功率加入到腔中，为了将热透镜的效果减少到最低，共振器镜118应该有相当大的功率。在一个实施例中，0.5米半径的共振器镜焦距可以是4个屈光度，任何高达1个屈光度的热聚焦会降低共振器产生的效果。比较看来，常规的共振器镜有数米的曲率。
另一个设计因素是镜118和120形成的共振腔长度。优选实施例中，腔相对较短，只有15英寸或大约38厘米。当加入热透镜因素时，球体激光共振腔可能变得不稳定。因此，镜118和120之间的腔间区域应该比热透镜提供的镜的曲率短。
短的曲率和共振器会影响腔的菲涅耳数。菲涅耳数为α2/lD，其中a是腰身半径，l是波长，D是镜的间距。对于最低顺序模式的激光，菲涅耳数必须与不大于1，自由空间激光是使用这种标准设计的。当光束的发散度并不重要时，可以考虑多模式的激光，菲涅耳数可能大大高于1。事实上，如果想得到高度统一的顶端帽光柱轮廓，模式越多效果越好。在我们的例子中，使用0.4米的镜间间距，该长度大略等于镜的曲率，同时使用棒的交叉区域模拟“腰”(在高度多模式激光中并没有腰的定义)，我们可以获得有效的菲涅耳数F=a2/lD对于直径为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这样就正好产生了多模式的激光。
处理表面的激光系统的设计，例如在皮肤病学和整形治疗中遇到的那些系统，其基于的原则与通常用来优化空闲区域激光时使用的不同。在空闲区域激光系统中，目的是为了产生较低的顺序模式，较好的情况下是最低顺序的TEM00模式。大家都比较了解TEM00模式激光的特征，而且在远、近红外区域的高斯空间光束轮廓也可以方便地被分析。可以在经典的激光条件下长距离地传播TEM00模式。然而对于表面处理来说，并非一定要拥有低顺序模式激光中的长深度域。表面的定义是目标的外边界以及在短相互作用深度处激光域与目标的相互作用。相互作用以吸收或分散的形式出现。表面相互作用中的重要参数是表面上受到的强度，而不是辐射量，包括光束分散。更为通俗易懂地说，表面上接受的辐射区域的光束分散在表面相互作用中意义不大，特别是当表面的吸收性和分散性较好时，比如在表皮和真皮皮层中。那么当加热真皮样本时，多模式的特征是可以接受的。
腔中的脉冲最好与医疗传递系统126匹配，后者采用多种不同形式中的一种，比如光导纤维。在说明性的实施例中，光纤的光向导将来自激光的脉冲传送到待处理的真皮样本上。具体地讲，可以使用石英纤维传送系统。作为本发明特征的较长脉冲允许使用石英。尽管可以使用激光输出脉冲124产生相对较高的能量，如20-40焦耳，但低峰值功率可以避免对传送系统的损害。
使用高度多模式的激光会带来一个问题，即很难用低f值的光纤进行传送。核心直径达到1.5mm的、带有数个能接受激光器产生的高度分散光束的孔的光纤，是商业化的产品。
与铰接臂相比，除了方便性和低开销外，使用光纤还有其他的好处。在低激发水平操作的激光器经常只发射到外围，产生一个环形输出轮廓。利用铰接臂时，该图象被传送到目标。而光纤传送系统将使这种光束均匀化，并在输出孔处产生理想的统一顶端帽形轮廓。
图2A和图2B表示的是适用于室内治疗的激光系统的两种配置。它们包括带有校正端口512和前台控制面板514的主单元510。为了便于控制，还提供了脚踏开关。摇臂520支持发光纤维126，其终端接于手柄524。手柄有用于激发的指控开关526。图2B表示的是使用铰接臂528作为传送系统126的另一实施方案。
图3显示的是闪光灯激励器122的电路图。通常，电路具有配置给氙闪光灯LP1和LP2的微火电源132和高电压电源130。众所周知，微火电源132使闪光灯LP1和LP2保持在运作时的温度，使得当被高电压电源激励时能几乎同时发光。两个系列的电容器组Cx和Cy，分别带有并联电阻Rx和Ry，它们在泵送变石时被高压电源充电来补充为闪光灯LP1和LP2提供的电源。当输出为50J的激光效率为1％时，闪光灯的激发能量必须为5kJ左右，这可以由长度达10cm的闪光灯产生。
常规的方法是用高压电源通过被动式脉冲形成网络(PFN)来激励激光闪光灯。本发明采用包括两个IGBT晶体管Q1和Q2的主动式PFN配置替换这种模拟类型的网络。IGBT的电源开关与只能产生较大电流的SCR或阀流晶体管不同；IGTB还可以关闭较大电流。当针对较大的目标时，要求的脉冲持续时间为5到50毫秒。在操作中，这些晶体管通常处于非传导态。这时，仅仅有微火电源132与闪光灯LP1和LP2连接。然而，当向IGBT激励器134发送信号开始产生激光脉冲时，触发信号被送往晶体管Q1和Q2。这时，通过晶体管R7和R8并跨越高压电源130，将串行连接的氙闪光灯LP1和LP2与地面连接起来。这样闪光灯可以从高压电源和串行电容器组Cx和Cy获得电流。在本发明中，最好用低价的小型电解电容器构成电容器组Cx和Cy。对于长度达10厘米的闪光灯，以达到长脉冲激光域值所要求的电流激励闪光灯所需要的压达到450到900伏特。标准电解电容器可提供450伏的直流电压，可以使用串行组合获得较高的电压。
使用晶体管Q1和Q2连接跨越高压电源130的闪光灯，相对于现有技术的被动式PFN电路有许多优势。首先，使用被动式PFN，一般来说很难提供脉冲持续时间的选择；被动式脉冲形成网络一般调整用于产生单个持续时间的脉冲。与之相反的是，为IGBT晶体管Q1和Q2提供的触发脉冲可以轻易地通过IGBT激励器134数字式地控制，允许任何与激光特征和电源符合的期望脉冲持续时间。这一点说明于脉冲持续时间选择器135，它优选使得操作者可选择5,10或20毫秒的脉冲持续时间。脉冲的唯一限制是晶体管Q1和Q2在不被损坏的情况下能传导的电流。然而，这个因素并不对网络产生的脉冲持续时间提供严格的上限限制。因为两个或多个晶体管可以并行连接以达到要求的电流。
进一步，使用主动式PFN还允许使用脉冲周期加热技术。图4A是提供给激光的电源(P)和目标血管的结果温度之间的时间函数图。产生一系列短子脉冲的同时，在选定的有效脉冲的持续时间Ts内，可以通过控制晶体管Q1和Q2产生分散的工作周期。每个子脉冲都有1,2或3毫秒的持续时间。
脉冲周期加热技术相对于图4B显示的恒定振幅加热具有很多优势。需要达到泵送电源Pth的某个阈值才能使增益媒质如变石开始发光。然后发光阈值的过剩闪光灯功率Pa确定激光输出光束的振幅。通过将产生的光压缩成一系列更短的脉冲，在如图4A所示的影线区域中所示的输出光束的功率中，可以产生更高比例的泵送功率激活该媒质。与之对应的是如图4B中所示，当在恒定振幅模式下操作激光时，大部分功率消耗在达到发光阈值上。电能转化为热量，从而需要液体制冷和提供更多的电源。
同样，如图4A和4B中所示，由于脉冲周期加热引起的真皮样本中目标结构的温度升高值T和连续振幅加热时产生的稍有不同。组织温度随脉冲周期加热逐步升高，而在连续振幅加热中则是渐变式升高。然而加热过程的这种差异并未影响到疗效，因为只有最高温度才能决定是否损坏组织。
在脉冲持续时间较短时，脉冲周期加热技术的优势相对恒定振幅来说变得不那么明显。一般情况下，在本发明的系统中，只要求在有效脉冲时间长于10毫秒时使用脉冲周期加热。1.毛发去除方法变石激光系统可以应用在美容中，如非治疗性的毛发去除。有多种原因导致在众多激光系统中优选使用变石。变石可以在769纳米上下100纳米的范围内调节。该范围相对于过去使用的红宝石或脉冲染料激光器有许多优势。
如图5所示，在577-585纳米范围内运行的脉冲染料激光被脱氧血红蛋白和氧和血红蛋白吸收的效果比被黑色素吸收的效果好。这就提供了良好的选择性。然而，问题在于黑色素的总吸收量非常高。结果是，激光并没有深深地穿透真皮层。为了有效地使得生发的皮肤结构失活，光必须穿透毛发囊和周围的营养血管深达5毫米以上。
在694纳米下运行的红宝石激光具有良好的穿透性，这是因为此波长下黑色素的吸收率较低。然而，问题在于Hb和HbO2在此波长处吸收效果不好，如图5所示。为了有效并永久性地阻止毛发的生长，光必须穿透到毛囊并被其以及周围的营养血管吸收。红宝石激光并不能获得这样好的效果，因为它们不能被血液良好地吸收。这就是现有技术中要求使用外源吸收物的原因。然而，这些外源吸收物并不能解决问题，因为它们并不能达到毛囊的深度。
与之相对的是，在755纳米上下50纳米范围内，当发明的变石激光系统运行时，黑色素吸收率相对于红宝石激光来说非常低。那么就可以获得对毛发囊的更好穿透性，深度大约为5毫米。然而，更重要的是，此范围内Hb峰值和HbO2的吸收率比在红宝石波长时的要高得多。这些因素共同允许激光(1)穿透的深度达到毛囊和供应毛囊营养的血管；和(2)被黑色素和在这些血管中包含血细胞的血红蛋白吸收。因为脉冲持续时间较长，皮肤表面和毛囊之间的小血管中的血液将自己的热量扩散到周围的组织中并不会升温到失活的情况。毛囊中的血液被加热，因为热量被限制在大型结构的毛囊中。
相对于其他激光的另外的优势在于，不带Q开关的变石激光器一般允许比染料激光器较长的脉冲持续时间。这个因素是相关的，因为发射光的脉冲持续时间对于选择性非常重要。如果脉冲持续时间太长，毛囊和周围血管吸收的热量会扩散到周围的皮肤组织中，于是就不能将毛囊和血管选择性地加热到只摧毁这些结构的必要程度。然而，如果脉冲持续时间太短，较小的吸收光的化学物质，例如血液的血红蛋白或黑色素，以及较小的血管，不能通过热量扩散降温，表皮会因过热而烧毁。这种结果能导致紫癜，流血和灼伤，但通常不能有效地阻止皮肤的生长。这就是脉冲持续时间较短的红宝石激光在永久去除毛发时只能取得有限成功的原因。
在优选实施例中，激光系统用激光输出脉冲照射处理过的皮肤区域来去除毛发，该脉冲的持续时间为1到40毫秒之间。然而，通过使用大约5到10毫秒或更长时间的脉冲，可以获得最佳效果。
使用长脉冲的变石激光相对于以前技术中用于去除纹身和色素伤害处理的变石激光系统，还有许多优势。历史上，变石激光一般被认为是难以付诸实施的。激光腔中的Q开关成分使得激光的操作不稳定。在本激光系统中，不使用Q开关成分，增益媒质激光可以被激励而具有较长的脉冲持续时间。这改善了激光的操作。
另外，本发明最好还包括待处理皮肤上的一个或多个外用制剂。矿物油，K-Y浆或其他任何湿的有穿透性的生物兼容的制剂，成层地施用于将被激光处理的带有毛发的皮肤表层上。这层物质提供了整体的指标匹配。除了指标匹配层，也可以将热或光敏感的辐射标记物作为单独的层施加在指标匹配层上，或与指标匹配物质一起包含在常规的载体中。这种热变色或光变色的标志物一旦暴露在激光输出脉冲下，其颜色或状态将发生改变。这将告知操作员，皮肤表面的这些部分已经被处理过。这种标志物可能是温度指示笔或在某温度时液化的液体，例如OmegaEngineering公司出售的商用标志物，尽管这些产品的生物兼容性还没有经过确认。
当用近红外光线照射皮肤时，使用热变色或光变色标志效果非常好。当皮肤暴露在频率较短的577-585纳米范围的脉冲光线中时，立刻有紫癜性效果，可以作为已被处理皮肤的记录。当用近红外光线处理皮肤时不会产生这种效果。然而，使用会根据光或指示的热量改变颜色或状态的标志物，可以有助于指示那些处理过的皮肤。
图6是显示使用变石激光的发明性毛发去除技术的方法图。在预备步骤149中，让某些病人首先将包含多余毛发的皮肤上的毛发染色是有帮助的。对于那些有浅色毛发的病人此步骤帮助最大。毛发的染色采用的是商用的深色毛发染料。优选在病人进行激光治疗的几天前进行此步骤。和商用毛发染料一样，染色的效果深深穿透到毛囊中的毛干直到乳突。这使得乳突及周围的生发组织对激光能量的吸收变得更容易，从而提高了选择性。
首先是在步骤150处用指标匹配层覆盖待处理的皮肤块。在步骤152处，还用热变色或光变色的标志物覆盖可能带有指标匹配层的皮肤块。
然后在步骤154处用激光脉冲辐射皮肤块。用分离或微微交叉的点，以20J/cm2辐射皮肤块的整个表面。这些点位于皮肤上，以便确保处理每一个毛囊。每次应用时用以辐射皮肤的激光脉冲的数目根据点的大小而定，后者取决于激光的功率。功率较高的能量可以在5毫秒脉冲持续时间内获得必要的20J/cm2能量，从而使用的点较大。尺寸为7毫米的点表示在当前技术下可用的较高功率和大得足在合理的时间内有效处理区域的点之间权衡考虑的结果。热变色或光变色的指示物为操作者指明那些已被处理过了的皮肤部分。
医学实验表明，如果在同一疗程中只对皮肤块照射一次，可以获得更好的效果。理想情况是皮肤块的每个部分应该接收一个提供20J/cm2注量的5毫秒激光脉冲。
在步骤156处，经过大约一个月的间隔后重复此方案。一般来说，第一个疗程不可能完全成功地去除所有毛发。不含毛干的毛囊不能接收充分的照射以保证未来不再生长。如果没有毛干的附加吸收，会导致温度低于有效损坏生发组织所需要的温度。在第一次辐射期间，大部分带有毛发的毛囊会被摧毁。然后，经过休息期后，先前没有产生毛发的毛囊长出了自己的毛发，这样就可以对这些毛囊再进行处理，使得新长出的毛发被摧毁。为了完全除去毛发，该过程一般要重复3到4次，同时必须重复步骤149处的毛发再染色过程。2．处理多余静脉的方法变石激光系统还可以应用在美容中，如非治疗性多余静脉处理。血管扩张通常表现为静脉曲张和毛细管扩张的腿静脉。曲张的静脉分为三类扩张的隐静脉，扩张的表面分支和扩张小静脉。更概括的分类是多余腿静脉。光疗法，硬化疗法以及静脉去除是处理这些情况的通常方式。每种治疗方法都有自己的优缺点。在本发明中，综合运用光疗法和硬化疗法可以获得单个疗法无法取得的结果和成功率。
图7A表示的是在运用本发明原则时综合运用光和硬化疗法的技术。一般来说，此技术包括使用变石激光对目标血管进行红外照射，下一次照射要等到光疗法的破坏效果在目标血管中实现后才能进行。等待时间结束后，对血管实行硬化疗法。也可以如图7B所示及如后文的讨论那样，先实施硬化疗法，然后休息，最后对多余的血管进行近红外辐射。
更详细地说，首先在步骤310-316进行光疗法。过程中的第一步，即步骤310，是估计目标静脉曲张和毛细管扩张腿静脉的大小和深度。尽管可以使用测量工具，一般来说富有经验的医生可以凭肉眼进行此操作。
在步骤312中，目标血管的大小可以决定有效的脉冲持续时间和总注量。理想的脉冲持续时间应该和血管的热放松时间非常相近。热放松时间是血管尺寸的函数。一般来说，处理曲张的静脉之类的血管时，希望获得的总有效脉冲持续时间大于1毫秒，在较大血管的情况下，时间优选5到100毫秒。
血管的尺寸还可以决定总注量。在脉冲持续时间内，注量应该高得足够将血管壁的温度提高到使组成蛋白质失活。70℃的温度是可以接收的目标。通常，积累的总注量优选高于5J/cm2，但是，15-30J/cm2的注量范围对于大多数情况更常见，最优选值大约为20J/cm2。
在步骤314处，基于血管的深度和尺寸选择辐射光的波长。通常对于接近皮肤表面的较小毛细管扩张静脉，理想的波长为577-585纳米。该波长条件下限定的穿透深度并不是大的障碍，理想情况是获得较高的选择性。然而对于更深和更大的血管，近红外光线是理想的波长。较深的血管需要被真皮和表皮吸收较少的波长。光线可以穿透到血管的深度，而不会被黑色素吸收。带有较大交叉区域的血管要求近红外光线用于更有效的交叉区域加热。图4显示的是，波长766纳米的变石激光比684纳米的红宝石激光更容易被血红蛋白和氧和血红蛋白吸收。
图8显示的是血管交叉区域，内部有流明壁214环绕的流明210。对于箭头214表示的入射光，血管直接暴露壁中的小区域一般可以吸收577-585纳秒范围内的光(参见数字216)。对于显示的较大血管，这就限制了实现光的摧毁性效果的区域。与之相对的是，当使用吸收效率较低的近红外光线时，加热区域218被扩展，使其可以覆盖内部210中的更大部分和更多一些的血管壁212。血管越大，更需要这种被扩展的区域。特别要说明的是，理想的光源是755纳米波长的变石激光。尽管如此，波长范围在710到810之间的变石激光也可能获得一定的成功。还可以使用过滤的闪光灯光源，红宝石，半导体二极管，掺有钛的晶体和掺有钕的晶体。
回到图7A，在辐射前的步骤315中，含有多余血管的待辐射皮肤块上覆盖了热敏或光敏的辐射指示物。指示物告知操作者哪些部分的皮肤已经被照射。指示物可能是暴露在激光或激光产生的热量下时会融化的温度指示液或指示棒。例如OmegaEngineering公司出品的OMEGALAQTM，尽管该产品的生物兼容性尚未经过确认。
当用近红外光线辐射皮肤时，使用热变色或光变色指示器非常有用。当皮肤暴露在577-585纳米等频率较短的光线下时，皮肤上会立刻发生颜色变化，作为皮肤上被处理区域的标记。当使用近红外光线照射皮肤时，不会产生这种效果。使用随光线或光线产生的热量而发生色彩或形态变化的指示物，可以有助于指示出皮肤上被处理过的部分。
然后在步骤316处使用选定波长的光，以有效脉冲持续时间和注量，对包含多余血管的真皮进行照射。尽管可以使用恒定振幅和近似恒定振幅的脉冲，本发明中最好使用脉冲持续时间较长的脉冲周期加热技术。
下一步(318)是光疗后的等待期或静止期。该时期可短至12个小时，也可长达6个月。必须经过等待期的原因还不明确。理论上认为，这段时间允许光疗法的破坏效果在目标血管上稳定下来。
最后当静止期结束后，在步骤320处对血管使用硬化疗法。这可以象一般情况下将硬化剂注射入血管那样进行。理想的硬化剂包括高渗盐溶液和葡萄糖或其他溶液。也可以在这些溶液中加入赛罗卡因等局部麻醉剂，帮助控制疼痛。这在硬化疗法中将详细讨论，此处的引述指的是其全部内容。
图7显示的是另一个综合运用本发明的光疗和硬化疗法的实施例。第二个实施例与图7A所示的技术类似，只是图7A中的照射步骤310-316对应于图7B中的照射步骤326-334。第二个实施例还采用了静止期324，硬化疗法在步骤322处进行。然而，差别在于硬化疗法322是在步骤326-334中的照射之前进行的。步骤324的静止时间在硬化疗法322之后，然后才是照射步骤326-334。
激光系统可以作为工具包的一个部分出售，它包括怎样如图7A和7B所示综合运用硬化疗法和激光照射提出建议的指导手册。工具包还包括表示已使用硬化剂进行辐射的指示物。综合使用光疗法和硬化疗法的实验结果首先用在755纳米处产生5毫秒脉冲的激光照射多个病人，然后使用根据通用原则的硬化疗法对病人进行治疗。
识别出待处理的区域，放置模板使待处理的静脉以容易识别的方式排列。在模板上标识出解剖标志和皮肤伤害，使得可以精确地复制放置方法。用一支皮肤标记笔标记出6个穿孔，以设置照片和治疗位点的索引。照两张基线照片。用以下方法之一处理位点1)15.0J/cm2，单脉冲；2)15J/cm2，双脉冲；3)20J/cm2，单脉冲；4)20J/cm2，双脉冲；以及30J/cm2，激光的单辐射脉冲。该处理完成后，约定病人大约4周后见面复诊。
在第二次见面时，再次将模板应用到处理地点；匹配标志；再标记匹配标记孔。使用第一疗程中同样的方案照出照片。再使用单脉冲或多脉冲的20J/cm2处理该区域。
有一些病人需要过4周后再次接受处理。用同样的方案进行处理，每个情况中使用两个脉冲的20J/cm2。
在最后一次光疗后的4周内对所有的病人实施硬化疗法。每个案例中，4-7cc浓度为23.4％的消毒后未经保存的盐溶液以30∶1的比例与2％的木卡因混合后，使用带有放大镜辅助观察的30刻度的针头，将其注射到任何还剩下的蛛网静脉中。
有限研究的一般结果表明，大多数病人清除了76％以上的静脉，一些病人甚至能完全清除静脉。图9总结了实验中包含的由不同注量产生的不同结果。特别是单脉冲时15J/cm2，单脉冲时20J/cm2，双脉冲时20J/cm2以及单脉冲时30J/cm2。每个案例中，平均和一般的改进效果超过80％。
尽管参照本优选实施例对本发明进行了特定的表示和介绍，本领域的技术人员无需脱离权利要求定义的本发明精神实质和范围，即可实现形式和细节的多种变化。
权利要求
1．一种处理皮肤样本的激光系统，该系统包括长脉冲的变石激光，产生1到50J的能量，产生的激光输出脉冲有效持续时间为5到100毫秒之间，注量在10到50J/cm2之间，点尺寸在0.1到10cm2之间；以及光传送系统，将激光输出脉冲发送到病人的皮肤目标上。
2．根据权利要求1所述的系统，其中所述的变石激光的共振腔产生由多种共振模式组成的激光输出脉冲。
3．根据权利要求1所述的系统，其中所述的变石激光的共振腔有半球状的设置。
4．根据权利要求1所述的系统，其中所述的变石激光包括弯曲的全反射镜和平面的或近似平面的部分反射镜，它们共同构成了包含变石增益媒质的共振腔。
5．根据权利要求1所述的系统，其中所述的变石激光包括全反射镜和部分反射镜，它们共同定义了包含变石增益媒质的共振腔，其中至少有一面镜子的曲率比热透镜的焦距短，热透镜是在产生激光输出脉冲时在变石增益媒质中产生的。
6．根据权利要求1所述的系统，其中所述的变石激光包括全反射镜和部分反射镜，它们共同定义了包含变石增益媒质的共振腔，其中至少有一面镜子的曲率比镜之间的距离短。
7．根据权利要求1所述的系统，其中所述的镜之间的距离至少比一面镜的曲率半径要小，这里所说的镜子包括产生激光输出脉冲时变石增益媒质中产生的热透镜。
8．根据权利要求1所述的系统，其中所述的光传送系统将激光输出脉冲发送到皮肤目标上面积至少1平方厘米的区域上。
9．根据权利要求1所述的系统，其中所述的变石激光器每秒产生0.5到10次激光输出脉冲。
10．根据权利要求1所述的系统，其中所述的长脉冲变石激光器包括变石增益媒质；至少一个闪光灯，用于泵送变石激光媒质；电源，可连接用于向至少一个闪光灯供电；以及主动式脉冲形成网络，控制对至少一个电源供电的闪光灯的激励。
11．根据权利要求10所述的系统，其中所述的主动式脉冲形成网络包括至少一个晶体管，能至少为一个闪光灯开关电源。
12．根据权利要求10所述的系统，其中所述的主动式脉冲形成网络包括两个或两个以上的晶体管，它们并联连接从而为至少一个闪光灯开关电源。
13．根据权利要求10所述的系统，其中所述的活动的脉冲形成网络调整通过至少一个闪光灯的电流，产生由持续时间内系列子脉冲组成的激光输出脉冲。
14．一种处理皮肤样本的激光系统，该系统包括增益媒质；至少一个闪光灯，用于泵送变石激光媒质；电源，可连接用于向至少一个闪光灯供电；以及一个主动式脉冲形成网络，控制对至少一个电源供电的闪光灯的激励，调整通过至少一个闪光灯的电流，产生包括持续时间内系列子脉冲的激光输出脉冲；以及光传送系统，将激光输出脉冲发送到病人的皮肤目标上。
15．一种皮肤样本的激光处理方法，该方法包括产生激光输出脉冲，持续时间为5到100毫秒，注量在10到50J/cm2之间，波长在730到780纳米；以及将激光输出脉冲传送到病人的皮肤目标上。
16．根据权利要求15所述的方法，还包括用多种共振模式产生激光输出脉冲。
17．根据权利要求15所述的方法，还包括在变石激光器的半球形共振腔内产生激光输出脉冲。
18．根据权利要求17所述的方法，还包括使用变石增益媒质周围的曲面全反射镜和部分反射的反射镜构筑共振腔。
19．根据权利要求15所述的方法，还包括用全反射镜和部分反射的反射镜构筑共振腔；并提供至少一面曲率半径小于热透镜的焦距的镜子，热透镜是产生激光输出脉冲的过程中在变石增益媒质中产生的。
20．根据权利要求15所述的方法，还包括用全反射镜和部分反射的反射镜构筑共振腔；并使镜子间的距离比至少一面镜子的曲率半径小。
21．根据权利要求15所述的方法，还包括从一系列持续时间较短的子脉冲中产生激光输出脉冲。
22．一种毛发去除激光系统，包括长脉冲的变石激光，产生持续时间为5到50毫秒之间，注量在10到50J/cm2之间的激光输出脉冲；将激光输出脉冲发送到病人带有毛发的皮肤目标上的光传送系统。
23．根据权利要求22所述的系统，还包括应用在皮肤上的局部标识物，对于激光输出脉冲作出可见性反应。
24．根据权利要求23所述的系统，其中所述的局部标识物为操作者提供一个辐射指示器，用于指示出用激光输出脉冲处理过的皮肤部分。
25．根据权利要求22所述的系统，还包括指标匹配局部用制剂，应用在皮肤上使得激光输出脉冲能深深地透入皮肤。
26．根据权利要求25所述的系统，其中所述的指标匹配用制剂和辐射指示器包含在普通的局部应用载体中。
27．根据权利要求22所述的系统，其中的长脉冲变石激光器包括变石增益媒质；至少一个闪光灯，用于泵送变石激光媒质；电源，可连接用于向至少一个闪光灯供电；以及一个主动式脉冲形成网络，控制至少一个电源供电的闪光灯的激励。
28．根据权利要求27所述的系统，主动式脉冲形成网络调整通过至少一个闪光灯的电流，产生由持续时间内系列子脉冲组成的激光输出脉冲。
29．一种非治疗性毛发去除的方法，包括产生波长在710-810纳米之间的激光；和用有效脉冲持续时间超过1毫秒的激光照射带有毛发的皮肤。
30．根据权利要求29所述的方法，还包括用10到50J/cm2范围内的注量照射带有毛发的皮肤。
31．根据权利要求29所述的方法，还包括在一个疗程中照射一次皮肤上带有毛发的部分。
32．根据权利要求31所述的方法，还包括进行多个疗程的治疗。
33．根据权利要求32所述的方法，还包括在两次疗程之间至少休息几个星期。
34．根据权利要求29所述的方法，还包括在照射带有毛发的皮肤之前，将局部指示物运用到对激光产生可见反应的带有毛发的皮肤上。
35．根据权利要求29所述的方法，还包括在照射带有毛发的皮肤之前，采用指标匹配局部制剂，使得激光输出脉冲能深深地透入带有毛发的皮肤。
36．根据权利要求29所述的方法，可以在系列子脉冲中产生激光。
37．根据权利要求29所述的方法，还包括用波长大约为755纳米的激光照射带有毛发的皮肤。
38．一种对于多余血管的非治疗性处理方法，包括用光照射血管，使得血管或血管壁失活；对血管实施硬化疗法；在照射血管和硬化疗法之间等待一段时间。
39．根据权利要求38所述的方法，还包括在对血管实施硬化疗法之前，对皮肤进行照射的步骤。
40．根据权利要求38所述的方法，等待一段时间的步骤包含的等待时间为12小时到6个月之间。
41．根据权利要求38所述的方法，实施硬化疗法的步骤包括将硬化剂注入血管。
42．根据权利要求38所述的方法，其中还包括观察多余血管的大小；基于观察到的大小选择照射的脉冲持续时间；以及对选定的脉冲持续时间实施照射。
43．根据权利要求42所述的方法，进行照射的过程包括在选定的脉冲持续时间内产生一系列分离的光脉冲。
44．根据权利要求38所述的方法，还进一步包括观察多余血管的深度；至少部分基于观察到的深度，选择光的波长；以及用选定波长的光进行照射。
45．根据权利要求38所述的方法，照射血管的过程包括用近红外光照射血管。
46．根据权利要求45所述的方法，进行照射的过程包括对于选定的脉冲持续时间产生一系列的分离光脉冲。
47．根据权利要求38所述的方法，还包括将指示物放置在待照射的皮肤上用以指示已被照射过的皮肤部分。
48．根据权利要求38所述的方法，还包括在执行照射皮肤的步骤前，进行硬化疗法的步骤。
49．一种处理多余血管的工具包，包括近红外光源，用于以能破坏血管的光对血管进行照射；以及对光源的指令，告知其在照射血管和将硬化剂注入血管之间等待一个静止期。
50．根据权利要求48所述的工具包，还包括用于注射入血管的硬化剂。
51．根据权利要求49所述的工具包，其中所述的指令推荐一个12小时到6个月之间的休息期。
52．根据权利要求49所述的工具包，其中的光源是以对应于血管的热放松时间的脉冲持续时间照射血管。
53．根据权利要求52所述的工具包，其中的光源在选定的脉冲持续时间内产生一系列分离的光脉冲。
54．根据权利要求52所述的工具包，其中所述的脉冲时间在1到100毫秒之间。
55．根据权利要求49所述的工具包，其中所述的光源是变石激光器。
56．根据权利要求49所述的工具包，还包括对近红外光源发出的光进行反应的标志物。
全文摘要
本发明涉及处理皮肤样本的长脉冲变石激光。使用变石可以在近红外条件下,特别是在755上下50nm的范围内操作。此范围内的红外线具有良好的穿透力,同时获得可接受的血红蛋白相对黑色素的吸收比例。在操作中,激光产生持续时间在5到100毫秒之间,注量在10到50J/cm
文档编号A61B17/22GK1220591SQ97194499
公开日1999年6月23日 申请日期1997年4月4日 优先权日1996年4月9日
发明者古本亘, 乔治·周, 大卫·H·麦克丹尼尔, 艾瑞克·考斯曼, 安托尼奥·G·雷佐 申请人:希诺索尔公司