DE60124585T2

DE60124585T2 - Apparat zur therapeutischen elektromagnetischen Strahlentherapie von der Haut

Info

Publication number: DE60124585T2
Application number: DE60124585T
Authority: DE
Inventors: B. Gregory Wilmington ALTSHULER; Rox R. Lexington ANDERSON; Dieter Boston MANSTEIN; B. Sergey St. Petersburg BIRUCHINSKY; V. Andrei North Andover EROFEEV
Original assignee: General Hospital Corp; Palomar Medical Technologies LLC
Current assignee: General Hospital Corp; Palomar Medical Technologies LLC
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: EP1700573A3; CN101194855A; AU2010214810A1; JP5458250B2; EP2289598A1; AU2010214810B2; EP1700573A2; US20080009842A1; US20020161357A1; CN101194855B; AU2007205714B2; EP1347711B1; JP2009136691A; CN1836639A; CN101194856A; JP5564096B2; CN103251453A; ATE345092T1; CN1482887A; DE60124585D1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen für die Nutzung von elektromagnetischer Strahlung (EMR) für verschiedene therapeutische Behandlungen und spezieller Verfahren und Vorrichtungen für die dermatologische Behandlung mit Hilfe von räumlich begrenzter und konzentrierter EMR, um Behandlungs- oder Schadensbereiche zu erzeugen, die im Wesentlichen von ausgesparten Bereichen umgeben sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es werden bereits seit vielen Jahren verschiedene Formen von elektromagnetischer Strahlung, besonders optischer Strahlung, sowohl kohärent als auch inkohärent, für eine Reihe verschiedener medizinischer Behandlungen und insbesondere für dermatologische Behandlungen eingesetzt. Zu solchen Behandlungen gehören, was aber keineswegs begrenzend anzusehen ist, die Beseitigung von unerwünschten Haaren, Verjüngung der Haut, Beseitigung von Gefäßverletzungen, Aknebehandlung, Behandlung von Cellulitis, pigmentierten Läsionen und Psoriasis, Beseitigung von Tätowierungen, Behandlung von Haut- und anderen Krebsarten usw. Die meisten dieser Behandlungen beinhalteten auf die eine oder andere Weise die Anwendung eines als selektive Fotothermolyse bezeichneten Verfahrens (siehe z.B. Anderson RR, Parrish J., Selective Photothermolysis: Precise Microsurgery by Selective Absorption of the Pulsed Radiation; Science 1983; 220: 524-526), wobei dieses Verfahren das Bestrahlen eines zu behandelnden Zielbereichs mit Strahlen einer Wellenlänge beinhaltet, die vorzugsweise im Zielbereich von einem Chromophor, entweder einem natürlichen oder einem künstlich eingeleiteten Chromophor, absorbiert wird, wobei die Erhitzung des Chromophors entweder direkt oder indirekt die gewünschte Behandlung bewirkt.
Diese Techniken sind zwar für viele der angegebenen Anwendungen nützlich, sie haben aber eine Reihe ernsthafter Beschränkungen. Zunächst können Behandlungen, die über einen relativ großen Bereich ausgeführt werden, wie z.B. Verjüngung der Haut und Haarbeseitigung, besonders die Hautverjüngung, Hautschäden in variierenden Ausmaßen über einen erheblichen Behandlungsbereich verursachen. Insbesondere können solche Behandlungen zuweilen zu einem Ablösen von Hautschichten führen. Diese relativ großen Hautschadensbereiche brauchen häufig mehrere Wochen oder noch länger zum Heilen und während dieser Zeit können gewöhnlich keine Folgebehandlungen durchgeführt werden. Es wäre zu bevorzugen, wenn diese Prozeduren auf eine Weise ausgeführt werden könnten, die dazu führt, dass kleinere, beabstandete Schadensbereiche schneller heilen, was sowohl den Komfort des Patienten erhöht als auch die Möglichkeit verbessert, Folgebehandlungen schneller durchzuführen. Ferner erfordern viele Behandlungen wie z.B. die Beseitigung von Haaren und Falten lediglich, dass die Behandlung in kleinen Abschnitten oder Regionen eines viel größeren Behandlungsbereichs durchgeführt wird; derzeitige Behandlungsmethoden verlangen jedoch im Allgemeinen, dass die Behandlung über den gesamten Behandlungsbereich anstatt nur in den gewählten Regionen des behandlungsbedürftigen Behandlungsbereichs durchgeführt wird.
Ein weiteres potentielles Problem ist die Notwendigkeit für ein Chromophor im Zielbereich, das die applizierte Strahlung selektiv absorbiert, um die für die Behandlung benötigte Wärme zu erzeugen. Zunächst werden in dem Ausmaß, in dem die Regionen über dem Behandlungsbereich ein Chromophor enthalten, das die applizierte Strahlung präferentiell oder anderweitig absorbiert, solche Chromophore ebenfalls erhitzt und es ist bei jeder Behandlung Vorsicht geboten, um zu gewährleisten, dass eine solche Erhitzung nicht zu epidermalen oder dermalen Schäden führt. Es sind häufig verschiedene Kühlformen, zuweilen aggressives Kühlen, solcher oben liegender Regionen erforderlich, damit solche Behandlungen ohne Schäden an der darüber liegenden Haut ausgeführt werden können. So ist beispielsweise zur Haarbeseitigung oder für andere Behandlungen, bei denen auf Melanin abgezielt wird, eine Erhitzung von Melanin in der Epidermis, besonders im Übergang zwischen Dermis und Epidermis (DE), ein Problem. Wo das angepeilte Chromophor Wasser ist, absorbiert im Wesentlichen das gesamte Gewebe im Behandlungsbereich und darüber die Strahlung und wird erhitzt, was eine kontrollierte Behandlung eines gewählten Körperteils erschwert und die Wahrscheinlichkeit unerwünschter peripherer Schäden erhöht.
Ein weiteres Problem mit selektiver Fotothermolyse ist, dass sich die für die Strahlung gewählte Wellenlänge im Allgemeinen nach den Absorptionseigenschaften des verwendeten Chromophors richtet. Solche Wellenlängen sind jedoch für andere Zwecke eventuell nicht optimal. So ist beispielsweise die Haut ein Streumedium, aber eine solche Streuung ist bei einigen Wellenlängen weitaus ausgeprägter als bei anderen. Leider sind Wellenlängen, die z.B. von Melanin, einem häufig benutzten Chromophor, präferentiell absorbiert werden, auch Wellenlängen, bei denen es zu erheblicher Streuung kommt. Dies gilt auch für die Wellenlängen, die typischerweise zum Behandeln von Gefäßverletzungen benutzt werden. Die Photonenabsorption in der Haut variiert auch über das optische Wellenlängenband, wobei Wellenlängen, die durch selektive Fotothermolyse bestimmt werden, häufig Wellenlängen sind, bei denen die Haut äußerst absorptionsfähig ist. Die Tatsache, dass für eine selektive Fotothermolyse typischerweise verwendete Wellenlängen stark gestreut und/oder stark absorbiert werden, begrenzt die Fähigkeit, Körperteile selektiv anzupeilen, und begrenzt insbesondere die Tiefen, in denen Behandlungen effektiv und effizient durchgeführt werden können. Ferner hat die Tatsache, dass ein großer Teil der auf eine Zielregion applizierten Energie entweder gestreut wird und den zu behandelnden Körperteil nicht erreicht oder in darüber liegendem oder umgebendem Gewebe absorbiert wird und eine unerwünschte und potentiell gefährliche Erhitzung eines solchen Gewebes verursacht, zur Folge, dass optische dermatologische Behandlungen relativ ineffizient sind. Diese geringe Effizienz für solche Behandlungen bedeutet, dass größere und leistungsstärkere EMR-Quellen benötigt werden, um ein gewünschtes therapeutisches Ergebnis zu erzielen, und diese zusätzliche(n) Kosten und Energie müssen genutzt werden, um die Auswirkungen dieser unerwünschten Erhitzung durch Oberflächenkühlung oder andere geeignete Methoden abzumildern. Auch Wärmemanagement für die leistungsstärkere EMR-Quelle ist ein Problem, das im Allgemeinen teure und aufwändige Wasserzirkulisations- oder andere Wärmemanagementmechanismen erfordert. Dazu kommt, dass es, da die Chromophorkonzentration in einem Ziel (z.B. Melanin im Haar) von Ziel zu Ziel und von Patient zu Patient erheblich variiert, schwierig ist, optimale oder auch nur geeignete Parameter für eine effektive Behandlung eines bestimmten Ziels mittels selektiver Fotothermolyse zu ermitteln. Bei einer hohen Absorption durch bestimmte Hauttypen, z.B. bei dunkelhäutigen Personen oder Menschen mit sehr gebräunter Haut, lassen sich bestimmte Behandlungen nur schwer, wenn überhaupt, sicher durchführen. Eine Technik, mit der alle Hauttypen und -pigmentierungen sicher behandelt werden können, vorzugsweise mit wenig oder ohne Schmerz und vorzugsweise unter Anwendung von im Wesentlichen denselben Parametern, ist daher wünschenswert.
Ein weiteres Problem mit existierenden Behandlungen ist, dass die Menge an Energie, die auf den Behandlungsbereich appliziert werden kann, selbst dort, wo Schäden an der Epidermis, Narbenbildung auf der Haut oder andere Schäden kein Thema sind, häufig durch die vom Patienten erfahrenen Schmerzen begrenzt wird. Idealerweise sollten dermatologische EMR-Prozeduren, die für kosmetische Zwecke typisch sind, schmerzfrei oder im Wesentlichen schmerzfrei sein. Wenn die Prozedur von einem Arzt durchgeführt wird, dann können die Schmerzen zwar durch eine Lokalanästhesie oder sogar durch eine Vollnarkose des Patienten kontrolliert werden können, aber die Anwendung jeder Anästhesie ist mit Risiken verbunden und die Benutzung von Nadeln zum Verabreichen einer Lokalanästhesie ist für kosmetische Prozeduren unerwünscht. Es wäre daher zu bevorzugen, wenn die Schmerzen für den Patienten wesentlich reduziert oder ganz ausgeschlossen werden könnten, ohne solche Prozeduren anwenden zu müssen, während immer noch genügend Strahlung appliziert werden könnte, um ein gewünschtes therapeutisches Ergebnis zu erzielen.
Es gibt auch Gelegenheiten, bei denen eine Mikrochirurgie auf der Haut eines Patienten erforderlich oder wünschenswert ist, besonders in der Nähe der Hautoberfläche, wo der zu behandelnde Bereich eine Größe im Mikrometerbereich hat, z.B. 10 Mikron, eine Größe, die mit einem Skalpell nicht behandelt werden kann. Existierende EMR-Geräte zur Durchführung von Mikrochirurgie sind auch für eine Durchführung von chirurgischen Eingriffen an so kleinen Zielen nicht geeignet. Somit besteht Bedarf an verbesserten Techniken zum Durchführen solcher feiner mikrochirurgischer Eingriffe.
Ferner stehen zwar EMR-Techniken für die Behandlung einiger der oben angegebenen Zustände zur Verfügung, aber solche Techniken gibt es derzeit für die Behandlung von Narben, einschließlich Aknenarben, Pockennarben und dergleichen, für Hautunebenheiten aufgrund von Narbengewebe, für Dehnungsstreifen, für die Behandlung bestimmter Parasiten usw. nicht. Daher besteht Bedarf an einer wirksamen Methode zur Behandlung solcher Zustände.
Noch ein weiteres Problem liegt in der Beseitigung von Tätowierungen oder pigmentierten Läsionen, besonders nahe an der Hautoberfläche, wo existierende Methoden häufig Blasen und andere Hautprobleme hervorrufen. Es ist auch eine verbesserte Methode erwünscht, mit der solche Tätowierungen oder pigmentierten Läsionen auf eine ausreichend sanfte Weise, um keine Schäden an der Haut des Patienten oder erhebliches Unbehagen für den Patienten zu verursachen, verblassen gelassen und/oder gänzlich beseitigt werden können. Es sind auch ähnliche Methoden für die Behandlung verschiedener Hautunreinheiten wünschenswert.
Schließlich gibt es zwar derzeit Methoden, die für die Behandlung großer Gefäßverletzungen relativ wirksam sind, aber solche Methoden sind nicht so effizient bei der Behandlung von Krampfadern und anderen kleinen Venen. Ähnliche Ineffizienzen liegen vor, wenn Strahlung über einen relativ großen Bereich der Haut eines Patienten aufgebracht wird, wo eine Behandlung nur in relativ kleinen Abständen eines solchen Bereiches erforderlich ist.
Die Dokumente WO 98/52481 und WO 98/51235 offenbaren eine Vorrichtung, die mit einem von einer Anordnung von Mikrolinsen emittierten Strahlungsdiagramm arbeitet.
Die Dokumente WO 00/71045 und US 6,074,382 offenbaren ein Behandlungssystem, das nach Zielen in einem Bereich sucht und sie selektiv behandelt.
Es besteht Bedarf an einem verbesserten Verfahren und einer verbesserten Vorrichtung für therapeutische EMR-Behandlungen und insbesondere für optische dermatologische Behandlungen, die eine selektivere Behandlung in Zielbereichen zulassen und sich nicht auf eine selektive Fotothermolyse stützen, so dass die angewendeten Wellenlängen so gewählt werden können, dass sie die Strahlung effizienter zu einem gewünschten Zielvolumen in einer gewählten Tiefe und insbesondere zu gewählten Abschnitten eines solchen Zielvolumens führen, wobei diese Abschnitte vorzugsweise von unbehandelten Abschnitten umgeben sind, so dass die richtigen Parameter für die Behandlung eines bestimmten Ziels leichter bestimmt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß dem oben Gesagten stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen einer Behandlung an einem Volumen bereit, das sich an Flächen- und Tiefenkoordinaten der Haut eines Patienten befindet. Die Vorrichtung beinhaltet eine Strahlungsquelle und ein optisches System, auf das Strahlung von der Quelle appliziert wird, wobei das optische System die Strahlung in einem vorbestimmten Muster bis auf wenigstens eine Tiefe in den Tiefenkoordinaten des Volumens und bis zu gewählten Bereichen des Volumens konzentriert, wobei die wenigstens eine Tiefe und die Bereiche die dreidimensionalen Behandlungsabschnitte in dem Volumen in unbehandelten Abschnitten des Volumens definieren, wobei das Verhältnis zwischen den Behandlungsabschnitten und dem genannten Volumen wenigstens 4% beträgt, vorzugsweise zwischen 4% und 90%, stärker bevorzugt zwischen 10% und 90%, und noch stärker bevorzugt zwischen 10% und 50% und sogar noch stärker bevorzugt zwischen 10% und 30% liegt. In jedem Fall können die Behandlungsabschnitte Zylinder, Sphären, Ellipsoide, volle Rechtecke oder Ebenen von wenigstens einer gewählten Größe und Dicke sein. Die Behandlungsabschnitte können auch beabstandete Linien einer gewählten Länge und Dicke sein. Das optische System kann entweder Strahlung auf alle Behandlungsabschnitte im Wesentlichen gleichzeitig oder auf wenigstens gewählte Behandlungsabschnitte sequentiell aufbringen.
Die Haut des Patienten kann auch über wenigstens einen Behandlungsabschnitt auf eine gewählte Temperatur für eine gewählte Dauer vorgekühlt werden, wobei die gewählte Temperatur und Dauer zur Vorkühlung vorzugsweise ausreichen, um die Haut auf wenigstens eine gewählte Temperatur unterhalb der normalen Körpertemperatur wenigstens bis zu einer Tiefe für die Behandlungsabschnitte zu kühlen. Für gewählte Ausgestaltungen wird die Haut auf wenigstens die gewählte Temperatur bis auf eine Tiefe unterhalb der wenigstens einen Tiefe für die Behandlungsabschnitte gekühlt, so dass der wenigstens eine Behandlungsabschnitt im Wesentlichen von gekühlter Haut umgeben ist. Die Kühlung kann während der Applikation der Strahlung fortgesetzt werden und für diese Ausgestaltung kann die Dauer der Bestrahlung länger sein als die thermische Relaxationszeit der Behandlungsabschnitte. Die Wellenlänge für die Strahlungsquelle wird vorzugsweise so gewählt, dass sie in der Haut des Patienten über dem Volumen, an dem die Behandlung durchgeführt werden soll, entweder stark absorbiert oder gestreut wird. Für tiefere Tiefenkoordinaten wird das optische System auf eine gewählte Tiefe unterhalb der wenigstens einen Tiefe der Behandlungsabschnitte fokussiert, um eine Konzentration in der gewünschten Tiefenkoordinate in der Haut des Patienten zu erzielen.
Die applizierte Strahlung hat vorzugsweise eine Ausgangswellenlänge, die wenigstens teilweise von der wenigstens einen Tiefe der Behandlungsabschnitte abhängig ist. Spezieller, die Wellenlänge der applizierten Strahlung kann in Abhängigkeit von der applizierten Strahlung wie folgt gewählt werden: Tiefe = 0,05 bis 0,2 mm, Wellenlänge = 400 – 1880 nm & 2050-2350 nm, wobei 800-1850 nm & 2100-2300 nm bevorzugt werden; Tiefe = 0,2 bis 0,3 mm, Wellenlänge = 500-1880 nm & 2050-2350 nm, wobei 800-1850 nm & 2150-2300 nm bevorzugt werden; Tiefe = 0,3 bis 0,5 mm, Wellenlänge = 600-1380 nm & 1520-1850 nm & 2150-2260 nm; wobei 900-1300 nm & 1550-1820 nm & 2150-2250 nm bevorzugt werden; Tiefe = 5 bis 1,0 mm, Wellenlänge = 600-1370 nm & 1600-1820 nm, wobei 900-1250 nm & 1650-1750 nm bevorzugt werden; Tiefe = 1,0 bis 2,0 mm, Wellenlänge = 670-1350 nm & 1650-1780 nm, wobei 900-1230 nm bevorzugt werden; Tiefe = 2,0 bis 5,0 mm, Wellenlänge = 800-1300 nm, wobei 1050-1220 nm bevorzugt werden.
Die Vorrichtung kann auch zum Behandeln einer Reihe verschiedener medizinischer Zustände verwendet werden. Wo eine Gefäßverletzung in einer gewählten Tiefe behandelt wird, da werden Behandlungsparameter, einschließlich des optischen Systems und der Wellenlänge der applizierten Strahlung, so gewählt, dass die wenigstens eine Tiefe der Behandlungsabschnitte in der Tiefe des behandelten Gefäßes ist. Ebenso werden, wo die Behandlung eine Hautneumodulation durch Kollagenbehandlung oder Haarbeseitigung ist, Behandlungsparameter, einschließlich des optischen Systems und der Strahlungswellenlänge, so gewählt, dass die wenigstens eine Tiefe die Tiefe von interdermalem Kollagen und die Tiefe der Wölbung und/oder der Matrix des Haarfollikels ist. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können auch auf die Behandlung von Akne, zum Anpeilen und Zerstören von Fetttaschen, zur Behandlung von Cellulitis, zur Beseitigung von Tätowierungen, zur Behandlung von pigmentierten Läsionen, zur Behandlung von hypotropen und anderen Narben und anderen Hautunebenheiten sowie zur Behandlung verschiedener anderer Zustände in der Haut verwendet werden.
Das bei der Umsetzung der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende optische System kann eine Reihe von optischen Elementen beinhalten, auf wenigstens mehrere von denen Strahlung von der Quelle gleichzeitig appliziert wird, wobei jedes der optischen Elemente die Strahlung auf einen gewählten Abschnitt des Volumens konzentriert. Jedes der optischen Elemente kann z.B. auf eine Linie mit einer gewählten Länge und Dicke fokussiert oder konzentriert werden, wobei die Linien für einige der Elemente einen gewählten Winkel zu den Linien von anderen der Elemente bilden. Das optische System kann alternativ Vorrichtungen zum Abtasten von Strahlung beinhalten, die auf optische Konzentrationskomponenten appliziert wird, um Strahlung nacheinander jeweils auf N der Behandlungsabschnitte zu fokussieren, wobei N ≥ 1 ist. Das optische System kann stattdessen optische Fokussierungskomponenten mit einstellbarer Tiefe sowie einen Positionierungsmechanismus für solche optische Fokussierungskomponenten aufweisen, der die Komponenten zum Fokussieren zu aufeinander folgenden Behandlungsabschnitten bewegt. Die Vorrichtung kann auch einen Mechanismus beinhalten, der den Teil der Haut eines Patienten wenigstens über den gewählten Bereichskoordinaten auf eine gewählte Temperatur abkühlt, und Bedienelemente, die den Kühlmechanismus selektiv betreiben, um diesen Teil der Haut der Patienten für eine gewählte Dauer vor und/oder während der Applikation von Strahlung vorzukühlen. Der Kühlmechanismus und die Bedienelemente können die Haut bis auf eine Temperatur und für eine Dauer abkühlen, die ausreicht, um den Teil der Haut bis auf wenigstens eine gewählte Temperatur unter der normalen Körpertemperatur bis auf die wenigstens eine Tiefe der Behandlungsabschnitte zu kühlen, oder kann bis auf eine Tiefe unterhalb der wenigstens einen Tiefe der Behandlungsabschnitte kühlen, wobei die Behandlungsabschnitte im letzteren Fall im Wesentlichen von gekühlter Haut umgeben sind. Die Vorrichtung kann auch einen Detektor für wenigstens einen gewählten Zustand in dem Volumen und/oder in einem Teil der Haut des Patienten über dem Volumen beinhalten, und das optische System kann als Reaktion auf den Detektor den Behandlungsabschnitt des Volumens steuern, auf dem Strahlung konzentriert wird.
Ferner kann eine Vorkühlung der Haut des Patienten über wenigstens einem Teil der Bereichskoordinate des Volumens bis auf eine gewählte Temperatur für eine gewählte Dauer vorgesehen werden, wobei die gewählte Temperatur und die Dauer ausreichen, um die Haut bis zu einer Tiefe unterhalb der Tiefenkoordinate des Volumens abzukühlen; wobei jeder Behandlungsabschnitt im Wesentlichen von gekühlter Haut umgeben ist. Spezieller, es kann ein Mechanismus vorgesehen werden, der die Haut des Patienten über der Bereichskoordinate bis auf die gewählte Temperatur abkühlt, und es können Bedienelemente vorgesehen werden, um den Kühlmechanismus selektiv zu betreiben, um die Haut für eine gewählte Dauer vor und/oder während der Strahlungsapplikation vorzukühlen, wobei der Mechanismus und die Bedienelemente bis auf eine Temperatur und für eine Dauer kühlen, die zum Kühlen der Haut bis auf wenigstens eine gewählte Temperatur unter der normalen Körpertemperatur bis auf wenigstens eine Tiefe unterhalb der Tiefenkoordinate des Volumens abzukühlen. Die Kühlung der Haut des Patienten durch den Kühlmechanismus kann während des Strahlungsapplikationsschrittes fortgesetzt werden und die Dauer der Strahlungsapplikation kann länger sein als die thermische Relaxationszeit jedes Behandlungsabschnitts.
Die obigen sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden ausführlicheren Beschreibung verschiedener Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Illustration in den Begleitzeichnungen hervor, wobei dieselben oder verwandte Bezugsziffern für gemeinsame Elemente in den verschiedenen Figuren verwendet werden.
IN DEN ZEICHNUNGEN ZEIGT:
1-1B Draufsichten auf drei optische Systeme, die Felder von optischen Elementen beinhalten, die für die Verwendung beim Zuführen von Strahlung parallel zu mehreren Zielabschnitten geeignet sind;
2-3C Seitenansichten von verschiedenen Linsenanordnungen, die für die Zuführung von Strahlung parallel zu mehreren Zielabschnitten geeignet sind;
4-4C Seitenansichten von Fresnel-Linsenanordnungen, die für die Zuführung von Strahlung parallel zu mehreren Zielabschnitten geeignet sind;
5-5B Seitenansichten von holografischen Linsenanordnungen, die für die Verwendung beim Zuführen von Strahlung parallel zu mehreren Zielabschnitten geeignet sind;
6-6A Seitenansichten von Gradientenlinsenanordnungen, die für die Verwendung beim Zuführen von Strahlung parallel zu mehreren Zielabschnitten geeignet sind;
7-7B Draufsichten auf verschiedene Matrixanordnungen von zylindrischen Linsen, von denen einige zum Erzielen eines Linienfokus für mehrere Zielabschnitte geeignet sind;
8-8C Querschnitts- oder Seitenansichten einer Schicht eines zylindrischen Matrixlinsensystems, das für die Zuführung von Strahlung parallel zu mehreren Zielabschnitten geeignet ist;
9-9B jeweils eine Perspektivansicht und Querschnittsseitenansichten einer zweilagigen zylindrischen Linsenanordnung, die für die Zuführung von Strahlung parallel zu mehreren Zielabschnitten geeignet sind;
10-13 Seitenansichten verschiedener optischer Objektivanordnungen, die für die Verwendung beim Konzentrieren von Strahlung auf einem oder mehreren Zielbereich(en) geeignet sind;
14-19 Seitenansichten verschiedener Deflektorsysteme, die für die Verwendung mit den Anordnungen der 10-13 zum Bewegen zu aufeinander folgenden Zielabschnitten geeignet sind;
20 und 21 Seitenansichten von zwei verschiedenen Zoom-Linsensystemen, die für die Verwendung bei der Umsetzung der Lehren der vorliegenden Erfindung geeignet sind;
22A und 22B teilschematische Perspektiv- und Seitenansichten jeweils eines Teils der Haut eines Patienten und von darauf positionierten Geräten zur Umsetzung der Lehren der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die 22A und 22B zeigen einen Abschnitt 200 der Haut eines Patienten, wobei dieser Abschnitt eine Epidermis 202 über einer Dermis 204 beinhaltet, wobei der Übergang zwischen Epidermis und Dermis als DE-(Dermis-Epidermis)-Übergang 206 bezeichnet wird. Es ist auch ein Behandlungsvolumen V dargestellt, das sich in einer Tiefe d in der Haut des Patienten befindet und einen Bereich A hat. Das Behandlungsvolumen V kann eine oder mehrere Gefäßverletzungen beinhalten, die zerstört oder beseitigt werden sollen, kann eine Mehrzahl von Haarfollikeln beinhalten, die entweder permanent zerstört oder wenigstens so beschädigt werden sollen, dass es zu temporärem Haarverlust kommt, oder die stimuliert werden sollen, um Haarwachstum zu bewirken, kann in einem Bereich unterhalb des DE-Übergangs Kollagen enthalten, das mit verschiedenen Mitteln rekonstruiert werden soll, z.B. dadurch, dass es temporär zerstört wird, um Neuwachstum zu stimulieren, besonders zur Hautverjüngung und zur Faltenbeseitigung, es kann ein zu entfernendes Melanom, eine Gefäßverletzung, eine pigmentierte Verletzung, ein Feuermal, Psoriasis, Narben oder andere Hautunebenheiten oder eine zu beseitigende Tätowierung oder irgendein anderes Körperteil beinhalten, an dem optische dermatologische Prozeduren durchgeführt werden sollen.
Es ist auch ein System 208 zum Zuführen von optischer Strahlung zum Volumen V dargestellt. Das System 208 beinhaltet eine EMR-Quelle 210, die eine kohärente Lichtquelle wie z.B. ein Festkörperlaser, ein Farbstofflaser, ein Diodenlaser, ein Faserlaser oder eine andere kohärente Lichtquelle sein kann, oder kann eine inkohärente Lichtquelle sein, wie z.B. eine Blitzlampe, eine Halogenlampe, eine Glühbirne oder eine andere inkohärente Lichtquelle, die zum Zuführen von optischer Strahlung in dermatologischen Prozeduren verwendet wird. Schall-, RF- oder andere EMF-Quellen können ebenfalls in geeigneten Anwendungen zum Einsatz kommen. Der Ausgang von der Quelle 210 wird auf ein optisches System 212 angewendet, das vorzugsweise die Form eines Zuführungskopfes in Kontakt mit der Oberfläche der Haut des Patienten wie in 22B gezeigt hat. Wo eine Schall-, RF- oder sonstige nichtoptische EMR-Quelle als Quelle 210 verwendet wird, da wäre das System 212 ein geeignetes System zum Konzentrieren oder Fokussieren einer solchen EMR, z.B. eine phasengesteuerte Array, und der Begriff „optisches System" ist, wo geeignet, so zu interpretieren, dass er ein solches System beinhaltet.
Verschiedene Ausgestaltungen eines optischen Systems 212 werden nachfolgend erörtert und in den verschiedenen Figuren dargestellt. Im Allgemeinen dient das System ²¹² zum Empfangen von Strahlung von der Quelle 210 und zum Fokussieren/Konzentrieren solcher Strahlung zu fokussierten ein oder mehreren Strahlenbündeln 222, die auf einen oder mehrere gewählte Behandlungs- oder Zielabschnitte 214 des Volumens V gerichtet werden, wobei der Brennpunkt sowohl in der Tiefe d als auch räumlich im Bereich A liegt. Somit wird die Energie der applizierten EMR so konzentriert, dass mehr Energie auf Zielabschnitte 214 geführt wird. Je nach den Systemparametern können Abschnitte 214 Zylinder mit einem gewählten Durchmesser und einer gewählten Dicke, Sphären oder Ellipsoide sein und können in einer Ausgestaltung einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt haben. Die Abschnitte jeder Form können durch das Volumen V verlaufen oder können in einer einzelnen Schicht oder in gestaffelten Schichten davon ausgebildet sein. Zielabschnitte 214 können auch (a) relativ schmale Streifen sein, die entweder durch das Volumen V verlaufen, sie können in einer einzelnen dünnen Schicht im Volumen V oder in gestaffelten Schichten des Volumens ausgebildet sein; oder (b) sie können eine oder mehrere dünne Schichten sein, die im Volumen V ausgebildet sind. Wie nachfolgend ausführlicher erörtert wird, kann das optische System 212 auf alle oder eine gewählte Teilmenge von Abschnitten 214 gleichzeitig fokussiert werden, kann einen optischen oder mechanisch-optischen Scannertyp zum Bewegen von auf eine Tiefe d fokussierter Strahlung zu aufeinander folgenden Abschnitten 214 enthalten oder kann einen Ausgang erzeugen, der auf die Tiefe d fokussiert ist, und kann physisch auf der Hautoberfläche über das Volumen V bewegt werden, entweder manuell oder mit einem geeigneten zweidimensionalen oder dreidimensionalen (inkl. Tiefe) Positionierungsmechanismus, um Strahlung auf gewünschte aufeinander folgende Abschnitte 214 zu richten. Für die beiden späteren Ausgestaltungen kann die Bewegung direkt von einem Abschnitt, auf den fokussiert werden soll, zum nächsten erfolgen, oder die Bewegung kann in einem Standardmuster ablaufen, z.B. einem Gittermuster, wobei die EMR-Quelle nur dann aktiviert wird, wenn sie sich über einem gewünschten Abschnitt 214 befindet.
Es ist auch ein Kühlelement 215 vorgesehen, um die Oberfläche der Haut 200 über dem Behandlungsvolumen V zu kühlen. Wie in den 22A und 22B gezeigt, dient das Kühlelement 215 auf dem optischen System 212 zum Kühlen des Abschnitts dieses Systems in Kontakt mit der Haut des Patienten und somit des Abschnitts der Haut des Patienten in Kontakt mit einem solchen Element. Das Kühlelement 215 kann beispielsweise ein thermoelektrisches Element oder ein System zum Leiten von Wasser, vorzugsweise von gekühltem Wasser, einem Gas, vorzugsweise einem gekühlten Gas, und möglicherweise sogar einem Kryogas über einen solchen Abschnitt des optischen Systems sein. Es können auch andere in der Technik bekannte Methoden zum Kühlen der Oberfläche der Haut des Patienten zum Einsatz kommen. Ferner können dort, wo das optische System nicht mit der Haut des Patienten in Kontakt ist, Kryospraykühlung, Gasströmungs- oder andere kontaktlose Kühltechniken angewendet werden. Ein Kühlgel auf der Hautoberfläche könnte ebenfalls verwendet werden, entweder zusätzlich zu den oder anstatt der oben angegebenen Kühlmethoden.
Die Steuerung 218, die typischerweise ein geeigneter programmierter Mikroprozessor ist, kann eine Spezialhardware oder ein Hybrid aus Hardware und Software sein. Die Steuerung 218 steuert das Ein- und Ausschalten der Quelle 210 und kann auch das Leistungsprofil der Strahlung steuern. Die Steuerung 218 wird auch auf das optische System 212 angewandt, um beispielsweise die Fokustiefe für das optische System zu regeln und um zu steuern, auf welche(n) Abschnitt (e) 214 die Strahlung zu irgendeinem Zeitpunkt fokussiert/konzentriert werden soll, z.B. durch Steuern des Abtastens durch das optische System und/oder des davon ausgehenden Strahlenbündels. Schließlich sind Bedienelemente 218 für das Kühlsystem 215 vorgesehen, um die Hauttemperatur über dem Volumen V und die Kühldauer zum Vorkühlen und während einer Bestrahlung zu regeln.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung regelt das System 208 eine Reihe verschiedener Parameter der applizierten Strahlung. Die Daten in den Tabellen 1-3 basieren auf einer Monte-Carlo-Modellierung der Photonenausbreitung in der Haut unter Anwendung von Standardparametern von Hautstreuung und -absorption für verschiedene Wellenlängen. Diese Parameter beinhalten Folgendes (sind aber keineswegs darauf begrenzt):

1. Die Form der Behandlungsabschnitte 214. Jeder dieser Abschnitte kann eine dünne Scheibe wie gezeigt sein, kann ein länglicher Zylinder sein, der beispielsweise von einer ersten Tiefe näher am DE-Übergang 206 bis zu einer zweiten, größeren Tiefe liegt, oder kann, wie später in Verbindung mit zu beschreibenden verschiedenen optischen Systemen erörtert wird, ein Linienfokus sein, wobei jede der Linien eine gewählte Länge, Breite und Ausrichtung hat und wobei benachbarte Linien einen gewählten Abstand voneinander haben. Die Orientierung der Linien für die Abschnitte 214 in einer gegebenen Anwendung braucht nicht gleich zu sein und einige der Linien können beispielsweise im rechten Winkel zu anderen Linien liegen (siehe z.B. 7A und 7B). Linien können um ein Behandlungsziel zur Erzielung einer höheren Wirksamkeit orientiert werden. So können die Linien beispielsweise lotrecht zu einem Gefäß oder parallel zu einer Falte liegen. Abschnitte 214 können auch sphärisch, ellipsoid und, wenigstens für eine Ausgestaltung, ein volles Quadrat oder Rechteck mit einer gewählten Dicke sein. Die Form des Abschnitts 214 wird durch die kombinierten Parameter des daran angelegten fokussierten optischen Signals bestimmt, wobei die Dauer der Applikation und, in einem geringeren Ausmaß, die Wellenlänge des Signals signifikante Faktoren bei der Ermittlung der Form der angepeilten Abschnitte sind. So wurde beispielsweise gefunden, dass bei einem 1720-nm-Laser, der mit etwa 0,5 J bis 2 J arbeitet und eine Impulsdauer von 0,5 bis 2 ms hat, ein allgemein zylinderförmiger Abschnitt 214 erhalten wird. Umgekehrt werden, bei einem 1250-nm-Laser, der im selben Energiebereich arbeitet und eine Impulsdauer von 0,5 bis 3 Sekunden hat, im Durchschnitt von 1 Sekunde, im Allgemeinen sphärisch geformte Zielabschnitte erhalten. Die Parameter zum Erhalten einer besonderen Abschnittsform können auf eine Reihe verschiedener Weisen, einschließlich empirisch, ermittelt werden. Durch eine geeignete Regelung von Wellenlänge, Fokussierung, Punktgröße auf der Oberfläche und anderen Parametern können die Abschnitte 214 unabhängig von der Form durch das Volumen V verlaufen, können in einer einzelnen dünnen Schicht des Volumens V ausgebildet sein oder können gestaffelt sein, so dass sich beispielsweise benachbarte Abschnitte 214 in unterschiedlichen dünnen Schichten des Volumens V befinden. Auch das Muster der Zielabschnitte im Volumen V kann mit der Anwendung variieren. Ferner können Zielabschnitte 214 auch (a) relativ schmale Streifen sein, die entweder durch das Volumen V verlaufen, können in einer einzelnen dünnen Schicht ausgebildet oder in verschiedenen dünnen Schichten gestaffelt sein, wobei beispielsweise benachbarte Streifen in unterschiedlichen Schichten liegen; oder (b) können eine oder mehrere dünne Schichten sein, die im Volumen V ausgebildet sind. Während alle früheren Konfigurationen für den Zielabschnitt 214 entweder seriell oder parallel ausgebildet sein könnten, würde die letzte Konfiguration mit mehreren dünnen Schichten im Volumen V wahrscheinlich seriell ausgebildet werden müssen. Die Geometrie der Abschnitte 214 reguliert den Wärmeschaden im Behandlungsabschnitt. Eine Sphäre ergibt zwar den größteⁿ Gradienten und ist somit räumlich am meisten beschränkt, aber sie verursacht den größten lokalisierten biologischen Schaden und kann daher die bevorzugte Zielform für Anwendungen sein, wo dies wünschenswert ist.
2. Die Größe der Behandlungsabschnitte 214. Für eine Tiefe von etwa 1 mm in die Haut des Patienten wird geschätzt, dass der Mindestdurchmesser eines Abschnitts 214, oder die Mindestbreite einer Linie 214, etwa 100 Mikron beträgt; es sind jedoch weitaus größere Abschnitte von mehreren Millimeter oder mehr möglich. Für größere Tiefen sind die Mindestgrößen größer.
3. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen Abschnitten 214. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt, einschließlich der Größe von Abschnitten 214 und der durchgeführten Behandlung. Es wird im Allgemeinen gewünscht, dass der Abstand zwischen benachbarten Abschnitten 214 ausreicht, um die Haut des Patienten zu schützen und die Heilung von Schäden daran zu erleichtern, während weiterhin der gewünschte therapeutische Effekt erzielt wird. In einer Anwendung werden nur 4% des Volumens V beschädigt (d.h. ein Füllfaktor von 4%); die beschädigten Abschnitte 214 würden jedoch typischerweise im Wesentlichen mehr von dem Behandlungsvolumen V abdecken. Während das Verhältnis zwischen dem kombinierten Volumen von Behandlungsabschnitten 214 und dem Volumen V (das zuweilen als Füllfaktor bezeichnet wird) theoretisch 0,1% bis 90% betragen könnte, ist ein bevorzugter Bereich für den Füllfaktor für einige Anwendungen 10% bis 50% und für die meisten Anwendungen 10% bis 30%. Es ist wichtig, dass wenigstens ein kleiner Bereich um jede(n) Behandlungs-/Schadensinsel oder -bereich 214 ausgespart bleibt und dass dieser Aussparungsbereich ausreicht, damit sich die Haut erholen kann, wobei eine solche Erholung durch eine Melanosommigration erleichtert wird.
4. Die Tiefe d für das Volumen V. Es mag zwar schwierig sein, einen kleinen Brennpunkt 214 in einer Tiefe weit unter 1 mm in einem Streumedium wie der Haut zu erzielen, aber eine Fokussierung in Tiefen von bis zu 4 mm und evtl. mehr kann möglich sein, solange kein genauer Fokus erforderlich ist und eine größere Abschnittsgröße 214 von vielleicht mehreren Millimetern akzeptabel ist.
5. Fokustiefe. Während, wie in Tabelle 1 zu sehen ist, die Tiefe d für Volumen V und die Fokustiefe des optischen Systems 212 beim Fokussieren auf geringe Tiefen im Wesentlichen gleich sind, ist es in einem Streumedium wie der Haut im Allgemeinen notwendig, auf eine – zuweilen erheblich – größere Tiefe zu fokussieren, um einen Brennpunkt in einer größeren Tiefe d zu erzielen. Der Grund ist, dass Streuung die Erzielung eines genauen Brennpunkts verhindert und zu einer minimalen Punktgröße und somit zu einer maximalen Energiekonzentration führt, und der fokussierte Strahl ist in einer Tiefe, die weit über der liegt, auf die der Strahl fokussiert ist. Die Fokustiefe kann so gewählt werden, dass eine minimale Punktgröße in der gewünschten Tiefe d auf der Basis der bekannten Eigenschaften der Haut erzielt wird.
6. Wellenlänge. Streuung und Absorption sind wellenlängenabhängig. Während also für geringe Tiefen ein recht breites Wellenlängenband genutzt und dabei immer noch ein fokussierter Strahl erzielt werden kann, werden mit zunehmender Fokustiefe Streuung und Absorption immer signifikanter und das Wellenlängenband, bei dem ein sinnvoller Fokus erzielt werden kann, wird immer schmäler. Tabelle 1 zeigt bevorzugte Wellenlängenbande für verschiedene Tiefen, aber akzeptable, wenn auch nicht optimale, Ergebnisse sind auch außerhalb dieser Bande möglich.
7. Impulsbreite. Die Impulsbreite der applizierten Strahlung sollte normalerweise geringer sein als die thermische Relaxationszeit (TRT) jedes der angepeilten Abschnitte 214, da eine längere Dauer zu einer Wärmemigration über die Grenzen dieser Abschnitte hinaus führt. Da die Abschnitte 214 im Allgemeinen relativ klein sind, werden auch die Impulsdauern relativ kurz sein, wie in Tabelle 1 angedeutet ist. Mit zunehmender Tiefe und auch zunehmenden Punktgrößen nimmt jedoch auch die maximale Impulsbreite oder -dauer zu. Auch hier sind die in Tabelle 1 angegebenen Werte wieder Höchstwerte für eine gegebene Punktgröße und es können kürzere Impulse verwendet werden. Im Allgemeinen gibt die Wärmediffusionstheorie an, dass eine Impulsbreite τ für eine sphärische Insel τ < 500 D²/24 sein sollte, und die Impulsbreite für eine zylindrische Insel mit einem Durchmesser D beträgt τ < 50 D²/16. Ferner können die Impulsbreiten zuweilen länger sein als die thermische Relaxationszeit des Zielabschnitts 214, wenn die Dichte der Ziele nicht zu hoch ist, so dass die kombinierte Wärme von den Zielbereichen an jedem Punkt außerhalb dieser Bereiche weit unter der Schadensschwelle für Gewebe an einem solchen Punkt liegt. Ferner trifft, wie nachfolgend erörtert wird, die obige Begrenzung mit einem geeigneten Kühlansatz möglicherweise nicht zu und es können Impulsdauern angewendet werden, die über der thermischen Relaxationszeit für einen Schadensabschnitt 214, zuweilen weit über TRT liegen.
8. Leistung. Die benötigte Leistung von der Strahlungsquelle hängt vom gewünschten therapeutischen Effekt ab und nimmt mit zunehmender Tiefe und Kühlung und mit abnehmender wellenlängenbedingter Absorption zu. Die Leistung nimmt auch mit zunehmender Impulsbreite ab.
9. Kühlung. Typischerweise wird ein Kühler 215 vor der Quelle 210 aktiviert, um die Haut des Patienten auf eine gewählte Temperatur unter der normalen Hauttemperatur, z.B. 0 bis 10°C, bis zu einer Tiefe von wenigstens dem DE-Übergang 206 vorzukühlen, vorzugsweise bis zu einer Tiefe d, um die gesamte Hautregion 220 über dem Volumen V zu schützen. Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird jedoch, wenn eine Vorkühlung für eine Periode anhält, die zum Kühlen der Haut des Patienten bis zu einer Tiefe unter dem Volumen V ausreicht, und besonders dann, wenn die Kühlung nach Beginn der Strahlungsapplikation fortgesetzt wird, die Erhitzung nur in den bestrahlten Abschnitten 214 auftreten, die alle von gekühlter Haut umgeben sind. Daher wird selbst dann, wenn die Strahlungsapplikationsdauer TRT für Abschnitte 214 übersteigt, Wärme von diesen Abschnitten begrenzt, und es treten keine Wärmeschäden jenseits dieser Abschnitte auf. Ferner werden zwar evtl. Nerven in Abschnitten 214 stimuliert, aber die Kühlung dieser Nerven außerhalb der Abschnitte 214 erlaubt nicht nur eine genaue Regelung des geschädigten Volumens, sondern blockiert auch die Übertragung von Schmerzsignalen zum Gehirn, so dass Behandlungen mit höherem Patientenkomfort ausgeführt und insbesondere Strahlungsdosen so appliziert werden können, dass eine gewünschte Behandlung bewirkt werden kann, die sonst wegen der vom Patienten erfahrenen resultierenden Schmerzen nicht möglich wäre. Dieser Kühlansatz ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung.
10. Numerische Apertur. Die numerische Apertur ist vom Winkel 9 für das fokussierte Strahlungsbündel 222 vom optischen Gerät 212 abhängig. Es wird bevorzugt, dass diese Zahl, und somit der Winkel θ, möglichst groß ist, so dass die Energie an Abschnitten 214 im Volumen V, wo die Strahlung konzentriert ist, erheblich größer ist als die an anderen Stellen im Volumen V (und in der Region 220), wodurch Schäden am Gewebe in der Region 220 und in anderen Abschnitten des Volumens V als den Abschnitten 214 minimiert werden, während der gewünschte therapeutische Effekt in den Abschnitten 214 des Volumens V weiter erzielt wird. Eine höhere numerische Apertur des Strahls erhöht die Sicherheit der Epidermis, wird aber durch Streuung und Absorption von optischen Strahlen mit größeren Winkeln begrenzt. Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, nimmt die mögliche numerische Apertur mit zunehmender Fokustiefe ab.

So können durch eine kluge Wahl der verschiedenen oben angegebenen und sonstigen Parameter ein oder mehrere fokussierte Strahlungsbündel 222 erzielt werden, um Behandlungs-/Schadensinseln 214 in einem Behandlungsvolumen V in einer gewählten Tiefe d in der Haut des Patienten zu erzielen. Bevorzugte Parameterbereiche zum Erreichen dieser Ziele in verschiedenen Tiefen sind in Tabelle 1 angegeben. Die Tabellen 2 und 3 illustrieren Parameterbereiche in verschiedenen Tiefen jeweils für kurze Impulse (d.h. Impulse von weniger als 10 ms für oberflächliche kleine Ziele und weniger als 100 ms für größere Tiefen) und für lange Impulse. Die Werte in Tabelle 2 basieren darauf, dass keine tiefe Kühlung durch das Volumen V wie oben beschrieben gegeben ist, so dass die Impulsdauer durch die thermische Relaxationszeit von Schadensabschnitten 214 begrenzt wird. So werden bei geringeren Tiefen, wo kleinere Punkt- oder Fokusbereiche erzielt werden können, z.B. ein Punkt mit einem Durchmesser von 50 μm, wie in Tabelle 2 angenommen, Impulsbreiten von weniger als 10 ms benötigt und andere Parameter werden entsprechend gewählt. Umgekehrt kann für größere Tiefen aufgrund von Streuung kein genauer Fokus erzielt werden, was zu einem erheblich größeren Durchmesser für Schadensabschnitte 214 und somit zu einer längeren thermischen Relaxationszeit für diese Abschnitte führt. Daher können erheblich längere Impulsbreiten erzielt werden, so dass die benötigte Energie zum Erzielen des therapeutischen Effekts über ein längeres Zeitintervall zugeführt werden kann. Dies erleichtert die Abführung von Wärme von der Region 220 und insbesondere vom epidermischen Abschnitt 202 davon und vom DE-Übergang 206. Es ermöglicht auch den Einsatz einer Leistungsquelle 210 mit niedrigerer Spitzenleistung. In den Tabellen 2 und 3 ist auch die Fokustiefe größer als die Tiefe d der Schadensabschnitte 214 angegeben. Die Gründe hierfür wurden oben erörtert.
Die Bedienelemente 218 sind für eine Fokussierung auf gewählte Abschnitte 214 im Zielvolumen V vorprogrammiert. Zudem können die Abschnitte 214 im Volumen V, auf die eine Fokussierung erfolgt, mit Feedback gesteuert werden, mechanisch mit einem Detektor 216 oder von einem Bediener erzielt, im Allgemeinen optisch, aber möglicherweise unter Ausnutzung anderer Sinne des Bedieners wie z.B. Tast- oder Gehörsinn. Man nehme z.B. an, der Detektor 216 sei ein CCD-Bilderzeugungsgerät, dann können Haarfollikel, Gefäßverletzungen oder andere angepeilte Dinge im Volumen V geortet und fokussierte Strahlen 222 speziell auf die Orte solcher Dinge gerichtet werden. Somit könnte, im Falle einer Haarbeseitigungsbehandlung, der Detektor 216 jedes Haarfollikel an der Oberfläche über dem Volumen V ermitteln und dann einen Strahl 222 auf jedes solches Follikel in einer gewählten Tiefe fokussieren, z.B. einer Tiefe von 1 mm, wo sich Stammzellen befinden. Der Strahl könnte auch auf eine größere Tiefe entlang dem Follikel fokussiert werden, z.B. 0,7-3 mm, um die Zerstörung aller Elemente in dem Follikel zu gewährleisten, die für eine permanente oder im Wesentlichen permanente Haarbeseitigung notwendig sind, z.B. die Zerstörung von Follikelstammzellen, ohne das dermale Gewebe um das Follikel im Wesentlichen zu beschädigen oder die Follikelmatrix zu beschädigen. Dieses Ergebnis lässt sich am leichtesten dann erzielen, wenn die oben erörterte Kühlmethode angewendet wird, bei der eine Kühlung bis unter das Behandlungsvolumen V ausgedehnt wird, so dass jedes behandelte Follikel von gekühltem dermalem Gewebe umgeben wird.
Feedback könnte auch zum Verfolgen eines Blutgefäßes oder einer anderen behandelten Gefäßstruktur oder zum Verfolgen von durch eine Kollagenneustrukturierung zu behandelnden Falten verwendet werden. Während fokussierte Strahlen 222 automatisch in Reaktion auf Ausgänge vom Detektor 216 mit einem Bedienelement 218 positioniert werden können, kann ein solches Feedback jedoch auch dadurch erzielt werden, dass der Bediener manuell die Position des optischen Systems 212 zum Verfolgen und Behandeln von Haarfollikeln, Gefäßstrukturen, Falten oder dergleichen justiert.
Spezieller, der verwendete Scanner könnte drei Kleinleistungslaserdioden beinhalten, vorzugsweise mit unterschiedlichen Farben, zur Erkennung und eine Hochleistungslaserdiode zur Behandlung. Der Scanner kann beispielsweise zum Erkennen des Ortes und der Tiefe des Blutgefäßes verwendet werden. Eine der zur Erkennung verwendeten drei Dioden kann eine Hochleistungsdiode sein, die entweder im Erkennungs- oder im Behandlungsmodus betrieben wird, und eine Erfassung kann in einigen Fällen nur durch eine oder zwei Dioden ausgeführt werden, wobei diese Diode(n) auch in einigen Fällen zur Behandlung verwendet werden kann/können. Ein geeigneter Scanner kann zum Bewegen der Detektoren und/oder der Behandlungsdiode über ein gewähltes Muster verwendet werden. Es wurden zwar in der Vergangenheit galvanische Scanner eingesetzt, aber für diese Anwendung wird ein Kontaktscanner benötigt, da die gewünschte Fokussierung des Strahls einen Kontakt erfordert, was mit einem galvanischen Scanner nicht möglich ist. Auch hier kann der Scanner so programmiert werden, dass er ein bestimmtes Muster verfolgt, um Ziele zu ermitteln, und kann so programmiert werden, dass er einem Ziel, z.B. einer Vene, nach dem Orten folgt, oder die Abtastung kann manuell gesteuert werden. Wo die Abtastung einem gewählten Ziel, z.B. einem Blutgefäß, folgt, da kann es an gewählten Punkten entlang dem Blutgefäß zu einer Bestrahlung kommen. Es ist im Allgemeinen notwendig, ein Blutgefäß an gewählten ein oder mehreren Punkten entlang dem Gefäß zu koagulieren, um den Blutfluss darin zu stoppen und das Gefäß abzutöten. Es sollte jedoch nicht notwendig sein, das gesamte Gefäß zu bestrahlen, um seine Zerstörung zu bewirken.
Wo ein Scanner verwendet wird, da kann der abgetastete Bereich auf einen Bildschirm projiziert werden, der eine effektive Vergrößerung bereitstellt, was entweder die Wahl gewünschter Zielpunkte in einer programmierten Abtastung oder die Leistung einer Abtastung entlang einem gewünschten Ziel wie z.B. einem Blutgefäß erleichtert. Es können mehrere Detektoren, die zum Erzeugen verschiedener Farben gefiltert werden können, zum Erkennen der Tiefe eines Ziels, z.B. des Blutgefäßes, verwendet werden, so dass Licht auf die geeignete Tiefe zur Behandlung fokussiert werden kann. So kann die Abtastung in drei Dimensionen erfolgen. Da Tiefe im gewissen Maß von Wellenlänge bestimmt wird, kann ein Faserlaser, dessen Ausgangswellenlänge über einen begrenzten Bereich programmierbar ist, zum Regeln der Hauttiefe für Erkennung und Behandlung verwendet werden. In jedem Fall kann die Behandlung einfach durch Fokussieren der Strahlung auf einen gewählten Punkt, wobei an diesem Punkt normalerweise Wasser erhitzt wird, oder durch den Effekt einer solchen Fokussierung in Verbindung mit einer selektiven Absorption durch das gewünschte Ziel bei der verwendeten Wellenlänge erfolgen. Das Chromophor ist zwar gewöhnlich Wasser, kann aber auch Blut oder Melanin sein.
Ferner kann, wenn Blutgefäße behandelt werden, da keine Notwendigkeit für Hämoglobin als Chromophor besteht, das Gefäß bei der Behandlung z.B. durch Aufbringen von Druck auf das Gefäß komprimiert werden. Dies kann eine Denaturation und Schrumpfung der Gefäßwand zulassen, was zu einem dauerhafteren Verschluss des Gefäßes führen und die Möglichkeit mit sich bringen kann, größere Gefäße permanent zu verschließen. Ort und Größe der Inseln der Behandlung/Schädigung können für verschiedene Größen, Typen und Orte von Gefäßen justiert werden. Ebenso ist für eine Haarbeseitigung, da kein Melanin angepeilt zu werden braucht, kein hoher Melaningehalt im Haarschaft oder -follikel erforderlich, was eine leichtere Behandlung von grauem und blondem Haar ermöglicht.
Für Feuermale kann die Wellenlänge in einem Bereich von 0,9 bis 1,85 μm für Wasserabsorption oder 0,38 bis 1,1 μm für Hämoglobinabsorption mit einem Füllfaktor von 10% bis 80%, vorzugsweise von 30% bis 50% betragen. Die Lichtquelle kann eine Bogenlampe mit Filterung und Maskierung sein.
Die Lehren der vorliegenden Erfindung sind auch besonders für Hautverjüngungsbehandlungen durch Kollagenregeneration geeignet. Bei solchen Behandlungen absorbiert, da Kollagen an sich kein Chromophor ist, ein Chromophor wie Wasser in den Geweben oder in Blut in der Papillardermis oder darunter typischerweise Strahlung und wird erhitzt, um das benachbarte Kollagen zu erhitzen, was dieses selektiv schädigt oder zerstört, was zu einer Kollagenregeneration führt. Die Störung von Blutgefäßen in der Region kann auch zur Freisetzung von Fibroblasten führen, die die Erzeugung von neuem Kollagen auslösen. Während solche Behandlungen nur entlang der Linie einer Falte oder eines anderen zu behandelnden Makels durchgeführt werden können, erfolgt eine solche Behandlung gewöhnlich über einen relativ großen Behandlungsbereich. Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung können solche Behandlungen effektiver durch Erhitzen von selektiven Abschnitten 214, möglicherweise mit einem Füllfaktor von 30% bis 50% ausgeführt werden, was zu einer signifikanten Kollagenregeneration mit weniger Trauma und Schmerzen für den Patienten führt. Eine solche Prozedur kann über einen relativ großen Bereich A oder unter Anwendung von Methoden ähnlich den oben für Blutgefäße erörterten durchgeführt werden, kann durch periodisches Aussenden eines Strahls über einer Falte erfolgen, wobei der Strahl in einem vorbestimmten Muster geführt und nur über gewählten Punkten auf der Falte ausgesendet oder so bewegt wird, dass eine Falte verfolgt wird, und periodisch jeweils ausgesendet wird, wenn er sich darüber befindet. Ebenso erfolgt, was andere Behandlungen betrifft, bei denen die Lehren der vorliegenden Erfindung genutzt werden, die Heilung relativ schnell, so dass eine Folgebehandlung, im erforderlichen Ausmaß, im Allgemeinen innerhalb weniger Wochen, mit Sicherheit nach weniger als einem Monat nach der Anfangsbehandlung erfolgen kann.
Typischerweise kommt es zu einer Unebenheit in der Haut dann, wenn Kollagen erhitzt wird, wobei die Unebenheit von der Kontraktion des Kollagens herrührt. Somit kann diese Methode nicht nur zum Beseitigen von Falten angewendet werden, sondern auch zum Entfernen anderer Hautmakel wie z.B. Akne- oder Pockennarben oder anderen Narben in der Haut und kann auch zum Behandeln von Cellulitis. Die Unebenheit kann zwar nach etwa einem Monat zurückgehen, aber die Erhitzung erhöht auch das Dicken-Längen-Verhältnis des Kollagens in dem Bereich, wodurch die Kollagendicke erhöht wird, was zur Folge hat, dass ein großer Teil der Verbesserung von der Hautverjüngung/Makelbeseitigung recht dauerhaft ist.
Zu anderen mit den Lehren der vorliegenden Erfindung behandelbaren Hautmakeln gehören Dehnungsstreifen, die sich von Falten dadurch unterscheiden, dass diese Streifen im Wesentlichen bündig mit der Oberfläche sind, wobei die Kollagenschrumpfung und -regeneration infolge von Erhitzung diese Streifen reduziert. Hypotrope Narben, die erhabenen Narben, die nach einem chirurgischen Eingriff oder nach bestimmten Wunden entstehen, können ebenso durch Reduzieren des Blutflusses zu den Gefäßen der Narbe in im Wesentlichen derselben Art und Weise behandelt werden, in der Feuermale behandelt werden.
Zusätzlich zur Haarbeseitigung, der Behandlung von Gefäßverletzungen und der Hautoberflächenneugestaltung können die Lehren der vorliegenden Erfindung auch zum Anpeilen und Zerstören von Talgdrüsen, z.B. zum Behandeln von Akne, zum Anpeilen und Zerstören von subkutanen Fetttaschen, zum Behandeln von Cellulitis und zum Neustrukturieren der Hautoberfläche in Bereichen angewendet werden, wo solche Behandlungen derzeit nicht durchgeführt werden können, z.B. am Hals und an den Händen, wo die mit standardmäßigen Hautoberflächenneugestaltungsmethoden verursachten Schäden normalerweise nicht heilen. Bei der Behandlung von nur kleinen Inseln in solchen Bereichen sollte genügend unbeschädigte Hautstruktur verbleiben, damit eine Heilung stattfinden kann. Die Lehren der vorliegenden Erfindung können, wie oben angegeben, auch zur Beseitigung von Tätowierungen, zur Behandlung von pigmentierten Läsionen, zur Behandlung von hypotropen und anderen Narben, von Dehnungstreifen, von Akne- und Pockennarben und anderen Hautmakeln und zur Behandlung verschiedener anderer Zustände angewendet werden, die im Körper eines Patienten in Tiefen von weniger als etwa 4 mm vorliegen können, z.B. verschiedene Hautkrebsarten und möglicherweise PFB. Für Hauttumore kann eine Kombination aus einem Feedback-System, das die Position des Tumors ermittelt, und einem Robotersystem angewendet werden, das eine vollständige thermische Zerstörung des Tumors gewährleistet. Psoriasis kann in im Wesentlichen derselben Art und Weise mit im Wesentlichen denselben Parametern wie für ein Feuermal behandelt werden. Die Lehren können auch zum Behandeln von intradermalen Parasiten wie z.B. Larva migrans verwendet werden, die mittels der Lehren der vorliegenden Erfindung erkannt und selektiv abgetötet werden können.
Es gibt drei allgemeine Möglichkeiten, in denen die Erfindung zur Beseitigung von Tätowierungen angewendet werden kann. Die erste ist mit Hilfe von einer oder mehreren Wellenlängen, die von der Tätowierungsfarbe absorbiert werden, vorzugsweise mit kurzen, hoch fluenten Impulsen, um die Farbe in und zwischen Zellen aufzubrechen oder zu zerstören. Die zweite Methode beinhaltet das Zerstören der die Farbe beinhaltenden Zellen, das Anpeilen entweder der Farbe oder des Wassers in den Zellen, das Bewirken des Freisetzens und Entfernens der Farbe durch das Lymphsystem des Körpers. Hier würden typischerweise lange Impulse im Bereich von Millisekunden bis Sekunden, mit niedriger Leistung und hoher Energie, angewendet. In einer dritten Methode würde ein Ablationslaser zum Bohren von 1 bis 2 mm Flecken in die Tätowierung, Abtragen oder Vaporisieren von Zellen und Tätowierungsfarbe in diesen Bereichen angewendet. Mit einem kleinen Füllfaktor, z.B. im Bereich von 10% bis 80%, vorzugsweise im Bereich von 10% bis 30%, heilen solche kleinen Schadenspunkte gut, so dass die Tätowierung progressiv verblasst und für jede der drei Behandlungen schließlich entfernt werden kann. Ein Zufallsmuster für jede Behandlung wird ebenfalls gegenüber einer Interferenz des Beseitigungsmusters bevorzugt.
Ein besonderes Problem, für das die Lehren der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind, ist die Behandlung von Muttermalen oder anderen pigmentierten Läsionen in der Epidermis. Solche Läsionen sind im Allgemeinen schwer ohne Blasenbildung mit herkömmlichen Behandlungsmethoden zu behandeln. Durch Verwenden von Schadensinseln mit einem Füllfaktor von 1% bis 50%, vorzugsweise von 10% bis 30%, und mit einer Punktgröße von 100 Mikron bis ½ mm, können solche Läsionen ohne Narbenbildung behandelt werden. Da die Behandlung in diesem Fall so nahe an der Oberfläche liegt, ist keine Fokussierung notwendig. Eine ähnliche Behandlung, mit einem ähnlichen Füllfaktor, könnte zum Behandeln von Feuermalen oder Tätowierungen angewendet werden, aber in jedem dieser Fälle wäre eine Fokussierung notwendig, da die Behandlung in einer größeren Tiefe erfolgt. In allen Fällen könnte eine erste Behandlung nur zum Aufhellen des behandelten Bereiches führen. Nach dem Heilen des behandelten Abschnitts, was im Allgemeinen ein paar Wochen bis zu einem Monat bei einer Schadensbehandlungsinsel der Fall wäre, könnten eine oder mehrere zusätzliche Behandlungen ausgeführt werden, um den behandelten Bereich weiter zu aufzuhellen, bis die Läsion, das Feuermal, die Tätowierung oder dergleichen beseitigt ist. In jedem Fall würden tote Zellen, die aus der Behandlung resultieren, die Melanositen, Farbe oder dergleichen enthalten, vom Körper beseitigt, normalerweise durch das Lymphsystem.
So wird eine Methode bereitgestellt, die (a) verschiedene therapeutische Behandlungen am Körper eines Patienten bis zu Tiefen von etwa 4 mm zulässt, (b) zulässt, dass nur Schadensinseln in drei Dimensionen auftreten, so dass die Heilung erleichtert wird (indem andauernde (r) Blutfluss und Zellproliferation zwischen Hautschichten und Schadensinseln 214 zugelassen wird) und Unbehagen für den Patienten reduziert wird, (c) die das Anpeilen spezieller Behandlungsteile ohne Schäden an umliegenden Teilen des Körpers des Patienten zulässt, wodurch die applizierte Strahlung effizienter genutzt wird, während auch periphere Schäden am Körper des Patienten infolge einer solchen Behandlung reduziert werden, (d) die Behandlung aller Hauttypen unter Anwendung von im Wesentlichen denselben Parametern für eine gegebene Behandlung zulässt, wodurch Aufbau und Sicherheit der Behandlung vereinfacht werden, und (e) zulässt, dass die für die Behandlung verwendete Wellenlänge optimal für die Behandlungstiefe gewählt wird, anstatt auf eine Wellenlänge beschränkt zu sein, die durch ein angepeiltes Chromophor optimal absorbiert wird. In der Tat haben die für die Lehren der vorliegenden Erfindung gewählten Wellenlängen zwar normalerweise eine signifikante Wasserabsorption, aber eines der Kriterien beim Wählen von Wellenlängen ist, dass sie, besonders für größere Tiefen, selbst von Wasser nicht stark absorbiert werden, so dass die Strahlung gewünschte Tiefen erreichen kann, ohne im Wesentlichen Energie/Photonen an Absorption zu verlieren. Die Konzentration von Photonen/Energie in Zielabschnitten 214 erhöht die Energie in diesen Abschnitten mehr als genug, um eine reduzierte Absorption bei der verwendeten Wellenlänge zu kompensieren. Die vorliegende Erfindung stellt somit eine gänzlich neue und neuartige Methode zum Ausführen solcher Behandlungen bereit.
Die 1-21 illustrieren verschiedene optische Komponenten, die für die Verwendung im optischen System 212 geeignet sind. In diesen Figuren illustrieren die 1-9B verschiedene Systeme zum Zuführen von Strahlung parallel zu einer Mehrzahl von Zielabschnitten 214. Die Anordnungen dieser Figuren sind typischerweise Anordnungen mit unveränderlichem Fokus für eine bestimmte Tiefe d. Diese Tiefe kann entweder durch Verwenden einer anderen Array mit einer anderen Fokustiefe geändert werden, indem selektiv die Position der Array relativ zur Oberfläche der Haut des Patienten oder zum Zielvolumen V geändert wird, oder durch Regeln der Wellenlänge(n) der Strahlung. Die 10-13 zeigen verschiedene optische Objektivarrays, die in Verbindung mit den Abtast- oder Deflektorsystemen der 14-19 verwendet werden können, um nacheinander zu einem oder mehreren fokussierten Abschnitten 214 im Zielvolumen V zu gehen. Schließlich zeigen die 20 und 21 zwei verschiedene optische Systeme mit veränderlichem Fokus, die beispielsweise mechanisch oder manuell über die Haut des Patienten bewegt werden können, um aufeinander folgende Abschnitte 214 darauf zu beleuchten.
Nun mit ausführlicherer Bezugnahme auf diese Figuren, die 1, 1A und 1B zeigen ein Fokussierungselement 1 auf einem Substrat 3, wobei das Fokussierelement einen Rand in einem hexagonalen Muster (1), einem quadratischen Muster (1A) bzw. einem kreisförmigen oder elliptischen Muster (1B) hat. Für diese Elemente können standardmäßige optische Materialien verwendet werden. Während die hexagonalen und quadratischen Muster der 1 und 1A den Arbeitsbereich der Fokussierungselementplatte 4 völlig ausfüllen können, gilt dies für das Elementemuster von 1B nicht. Strahlung von der Quelle 210 würde typischerweise gleichzeitig auf alle Fokussierungselemente 1 appliziert werden; die Strahlung könnte jedoch auch mit Hilfe eines geeigneten Abtastmechanismus sequentiell auf diese Elemente appliziert oder in einer Richtung abgetastet werden, so dass z.B. vier der Elemente gleichzeitig beleuchtet/bestrahlt werden.
Die 2 und 2A sind Querschnittsansichten eines Mikrolinsensystems, das in einem Brechungsmaterial 8 wie z.B. poröses Glas geschmolzen wurde. Der Brechungsindex für das Material der Linsen 5 muss größer sein als der Brechungsindex des Brechungsmaterials 8. In 2 passiert der Strahl 11 zunächst durch die planare Oberfläche 10 des Brechungsmaterials 8 und wird dann sowohl von der Primärfläche 6 als auch von der Sekundärfläche 7 jeder Mikrolinse 5 gebrochen, was zur Folge hat, dass der Strahl auf einen Brennpunkt 12 fokussiert wird. Der Vorgang wird in 2A umgekehrt, aber das Ergebnis ist dasselbe.
In den 2B und 2C wird der einfallende Strahl 11 durch eine aus dem Brechungsmaterial 8 betehende primäre Linsenfläche 6 gebrochen. Die Oberflächen 6 und 7 für die verschiedenen Arrays können entweder sphärisch oder asphärisch sein.
In den 3 und 3A sind die Linsenstücke 15 auf einem Substrat montiert und befinden sich in einem Immersionsmaterial 16. Der Brechungsindex der Linsenstücke 15 ist größer als der Brechungsindex des Immersionsmaterials 16. Das Immersionsmaterial 16 kann ein Gas (Luft), eine Flüssigkeit (Wasser, Kryospray) oder ein geeigneter Feststoff sein. Zum Kühlen der Haut kann Gas und Flüssigkeit verwendet werden. Das Immersionsmaterial befindet sich im Allgemeinen jeweils an der primären und der sekundären planaren Fläche 13 und 14. In 3A ermöglichen die primäre Fläche 6 und die sekundäre Fläche 7 jedes Linsenstücks 15 die Erzielung einer Fokussierung höherer Qualität. Für die 3B und 3C sind die Linsenstücke 15 auf einer Oberfläche eines Brechungsmaterials 8 fixiert, wobei die Ausgestaltung von 3C einen tieferen Fokus ergibt als die von 3B oder die irgendeiner anderen der anderen Arrays, die in den 3A-3C für eine gegebene Linse 15 dargestellt sind. Die in den 3A-3C gezeigten Linsenarrays sind bevorzugte Linsenarrays zum Umsetzen der Lehren der vorliegenden Erfindung.
Die 4-4C zeigen Fresnel-Linsenflächen 17 und 18 aus einem Brechungsmaterial 8. Durch Ändern des Profils der Fresnel-Linsenfläche 17 und 18, der Beziehung zwischen Mittenradius 17 und Ring 18 der Fresnel-Fläche, kann eine gewünschte Fokussierungsqualität erzielt werden. Die Arrays der 4B und 4C erlauben die Erzielung einer Fokussierung höherer Qualität und sind andere bevorzugte Arrays. Die Flächen 17 und 18 können sphärisch oder asphärisch sein.
In den 5 und 5A wird ein Einfallsstrahl 11 durch Formen einer holografischen Linse 19 (d.h. eines fotografischen Hologramms) auf einer Oberfläche aus Brechungsmaterial 8 fokussiert. Holografische Linsen 19 können auf einer der Oberflächen aus Brechungsmaterial 8 wie in den 5 und 5A oder auf beiden Oberflächen ausgebildet werden. 5B zeigt holografisches Material 20 anstatt des Brechungsmaterials 8 der 5 und 5A. Die holografische Linse ist im Volumen von Material 20 ausgebildet.
In den 6 und 6A sind die Fokussierungselemente durch Gradientenlinsen 22 mit primären ebenen Flächen 23 und sekundären ebenen Flächen 24 ausgebildet. Wie in 6A gezeigt, können solche Gradientenlinsen zwischen einem Paar Brechungsmaterialplatten 8 sandwichartig eingeschlossen werden, die die Linsen stützen, schützen und möglicherweise kühlen.
Die 7, 7A und 7B illustrieren verschiedene Matrixarrays von zylindrischen Linsen 25. Die Beziehung der Längen 26 und Durchmesser 27 der zylindrischen Linsen 25 kann wie in den Figuren gezeigt variieren. Die zylindrischen Linsen 25 der 7A und 7B ergeben einen Linienfokus anstatt eines Punkt- oder Kreisfokus wie in den zuvor gezeigten Arrays.
Die 8-8C sind Querschnittsansichten von einer Lage eines zylindrischen Matrixlinsensystems. Der Einfallsstrahl 11 wird von zylindrischen Linsen 25 (8 und 8A) oder halbzylindrischen Linsen 29 (8B und 8C) gebrochen und bildet einen Linienfokus 28. In den 8B und 8C befinden sich die zylindrischen Linsen 29 im Immersionsmaterial 16. Die primäre optische Arbeitsfläche 30 und die sekundäre optische Arbeitsfläche 31, die sphärisch oder asphärisch sein können, erlauben die Erzielung einer Fokussierung hoher Qualität. Wie in den 7-8C gezeigt, können die Linienfokusse für benachbarte Linsen in unterschiedlichen Richtungen orientiert werden, wobei die Orientierungen für bestimmte der Linsen in diesen Figuren im rechten Winkel zueinander liegen können.
In den 9, 9A und 9B wird eine Brennpunktmatrix durch Leiten eines Einfallsstrahls 11 durch zwei Lagen von zylindrischen Linsen 32 und 35 erzielt. Die 9A und 9B sind Querschnittsansichten, die bei der in 9 gezeigten Array in zwei orthogonale Richtungen weisen. Durch Ändern des Fokalabstands der Linse 32 der primären Lage mit der Oberfläche 33 und der sekundären Linse 35 mit der Fläche 36 kann ein rechteckiger Brennpunkt einer gewünschten Größe erzielt werden. Die Primärlagenlinse 32 und die Sekundärlagenlinse 35 sind im Immersionsmaterial 16 montiert. Die Linsen 32 und 35 können standardmäßige optische Fasern sein oder können durch zylindrische Linsen ersetzt werden, die sphärisch oder asphärisch sein können. Die Flächen 34 und 37 können von optischer Qualität sein, um Randverluste minimal zu halten.
10 zeigt ein Einlinsen-Objektiv 43 mit einem Strahlenteiler 38. Der auf den Winkelstrahlenteiler 38 fallende Strahl 11 wird geteilt und passiert dann die Brechungsflächen 41 und 42 der Linse 43 und wird am Mittelpunkt 39 und versetzt vom Mittelpunkt 40 fokussiert. Die Flächen 41 und 42 können sphärisch und/oder asphärisch sein. Die Platte 54 mit den optischen planaren Oberflächen 53 und 55 ermöglicht die Erzielung einer festen Distanz zwischen der optischen Fläche 55 und den Fokussierungspunkten 39, 40. Der Winkelstrahlenteiler 38 kann als optisches Gitter fungieren, das den Strahl 11 in mehrere Strahlen unterteilen und mehrere Fokusse erzeugen kann.
In 11 erzeugt ein Zweilinsen-Objektiv 43, 46 eine Fokussierung höherer Qualität und eine numerische Apertur infolge einer optimalen Positionierung der optischen Flächen 41, 42 und 44. Alle diese Flächen können sphärisch oder asphärisch sein. Die optische Fläche 45 der Linse 46 kann planar sein, um die numerische Apertur zu erhöhen, und kann sich mit der Platte 54 in Kontakt befinden. Die Platte 54 kann auch ein Kühlelement sein, wie oben erörtert wurde.
12 unterscheidet sich von den vorherigen Figuren dadurch, dass sie ein Dreilinsen-Objektiv mit den Linsen 43, 46 und 49 zeigt. 13 zeigt ein Vierlinsen-Objektivsystem, wobei die optischen Flächen 50 und 51 der Linse 52 einen größeren Behandlungsbereichsradius zulassen (d.h. die Distanz zwischen den Punkten 39 und 40).
Die 14, 14A und 14B illustrieren drei optische Systeme, die als Abtastfrontenden zu den verschiedenen in den 10-13 gezeigten Objektiven verwendet werden können. In diesen Figuren trifft der gebündelte Anfangsstrahl 11 auf einen Abtastpiegel 62 auf und wird von diesem Spiegel auf die Fläche 41 der ersten Linse 43 der Objektivoptik reflektiert. Der Abtastpiegel 62 ist so ausgelegt, dass er die optische Achse 63 über einen Winkel f bewegt. Eine Rotationsverschiebung einer Normalen 64 des Spiegels 62 um einen Winkel f bewirkt eine Variation des Strahlenwinkels 11 um einen Winkel 2f. Die optische Position des Abtastspiegels 62 befindet sich in der Eintrittspupille des Fokussierungsobjektivs. Für eine bessere Korrelation zwischen dem Durchmesser des Abtastspiegels 62 und dem Radius der Arbeitsfläche (d.h. der Distanz zwischen den Punkten 39 und 40) und zum Erhöhen der Fokussierungsqualität kann eine Linse 58 vor dem Abtastspiegel 62 wie in 14A gezeigt eingesetzt werden. Die optischen Flächen 56 und 57 der Linse 58 können sphärisch oder asphärisch sein. Für eine zusätzliche Aberrationsregulierung kann eine Linse 61 zwischen die Linse 58 und den Spiegel 62 eingefügt werden, wobei die Linse 61 optische Flächen 59 und 60 hat.
Die 15, 15A und 15B sind den 14, 14A und 14B ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Lichtquelle eine Punktquelle oder optische Faser 65 anstatt des gebündelten Strahls 11 ist. Der Strahl 66 von der Punktquelle 65, z.B. das Ende einer Faser, fällt auf einen Abtastspiegel 62 (15) oder auf die Fläche 57 der Linse 58 (15A, 15B).
Die 16 und 16A zeigen ein Abtastsystem mit zwei Spiegeln. In dem in 16 gezeigten einfacheren Fall rotiert der Abtastspiegel 67 über einen Winkel f2 und der Abtastspiegel 62 rotiert über einen Winkel f1. Der Strahl 63 fällt zunächst auf den Spiegel 67 und wird vom Spiegel 67 auf den Spiegel 62 reflektiert, von dem er auf die Fläche 41 der optischen Linse 43 reflektiert wird. In 16A wird zum Erhöhen der numerischen Apertur des Fokussierungsstrahls, zum Erhöhen des Arbeitsbereichs auf der Haut und zum Verringern der Aberration zwischen den Abtastspiegeln 62 und 67 eine Objektivlinse 106 zwischen die Spiegel eingefügt. Während diese Figur ein einfacheres Einlinsen-Objektiv 106 zeigt, können auch komplexere Objektive eingesetzt werden. Die Objektivlinse 106 bricht den Strahl von der Mitte des Abtastspiegels 67 auf die Mitte des Abtastspiegels 62.
In 17 erfolgt ein Abtasten durch die Abtastlinse 70, die in der Richtung s bewegt werden kann. Wenn die Abtastlinse 70 zu einer von der Mitte versetzten Position 73 bewegt wird, bricht die optische Fläche 68 einen Lichtstrahl entlang der optischen Achse 71 in Richtung 72.
In 18 erfolgt eine Abtastung durch Drehen der Linse 76 z.B. in die Position 77. Die Fläche 74 ist planar und die Fläche 75 wird so gewählt, dass sie die Richtung der gebrochenen optischen Achse 72 nicht beeinflusst. In 19 erfolgt eine Abtastung durch Bewegen der Punktquelle oder optischen Faser 65 in Richtung s.
Die 20 und 21 zeigen Zoom-Linsenobjektive zum Bewegen der Schadensinsel zu verschiedenen Tiefen. In 20 besteht eine erste Komponente aus einer einzelnen Linse 81, die entlang der optischen Achse relativ zu einer zweiten Komponente beweglich ist, die unbeweglich ist und aus zwei Linsen 84 und 87 besteht. Die Linse 84 dient zum Erhöhen der numerischen Apertur. Zum Erhöhen der numerischen Apertur, zum Erhöhen des Brennpunktabstands von der Linsenrückseite und zum Verringern der Brennpunktgröße können die optischen Flächen 79, 80, 82, 83 und 85 asphärisch sein. Die relative Position der ersten und zweiten Komponente bestimmt die Tiefe des Brennpunkts 12.
21 zeigt Zoom-Linsenobjektive mit sphärischen optischen Oberflächen. Die erste Komponente besteht aus einer einzelnen Linse 90, die mit Bezug auf die zweite Komponente entlang der optischen Achse beweglich ist. Die zweite Komponente, die unbeweglich ist, besteht aus fünf Linsen 93, 96, 99, 102 und 105. Die Krümmungsradien der Flächen 88 und 89 werden so gewählt, dass Aberrationen der unbeweglichen zweiten Komponente kompensiert werden. Auch hier kann die Fokustiefe wieder durch Regulieren der Distanz zwischen der ersten und der zweiten Komponente geregelt werden. Eines der in den 20 und 21 gezeigten Linsensysteme kann so montiert werden, dass es entweder manuell oder durch das Bedienelement 218 gesteuert beweglich ist, um selektiv auf gewünschte Abschnitte 214 des Zielvolumens V zu fokussieren oder um nicht selektiv auf Abschnitte des Zielvolumens zu fokussieren.
Die Erfindung wurde zwar oben mit Bezug auf eine Reihe von Ausgestaltungen gezeigt und beschrieben und es wurden Variationen an diesen Ausgestaltungen erörtert, aber diese Ausgestaltungen dienten vornehmlich zu Illustrationszwecken und die obigen sowie weitere Änderungen an Form und Detail können von einer Fachperson an diesen Ausgestaltungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der nur durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Durchführen einer Behandlung an einem Volumen, das sich an Flächen- und Tiefenkoordinaten der Haut eines Patienten befindet, die Folgendes beinhaltet: eine Strahlungsquelle; und ein optisches System, auf das Strahlung von der Quelle appliziert wird, wobei das optische System so konfiguriert ist, dass es die Strahlung in einem vorbestimmten Muster bis auf wenigstens eine Tiefe in dem genannten Volumen und bis zu gewählten Bereichen des genannten Volumens konzentriert, wobei die genannte wenigstens eine Tiefe und die genannten Bereiche dreidimensionale Behandlungsabschnitte in dem genannten Volumen definieren, die durch unbehandelte Abschnitte des genannten Volumens getrennt werden, wobei das Verhältnis zwischen den Behandlungsabschnitten und dem genannten Volumen wenigstens 4% beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische System eine Anordnung von optischen Elementen beinhaltet, auf wenigstens mehrere von denen Strahlung von der Quelle gleichzeitig appliziert wird, wobei die optischen Elemente so angeordnet sind, dass sie Strahlung von der Quelle auf mehrere Brennpunkte fokussieren, um die Strahlung auf Behandlungsabschnitte in dem genannten Volumen zu konzentrieren, wobei jedes optische Element die Strahlung auf einen gewählten Behandlungsabschnitt des genannten Volumens konzentriert.
Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einer Steuerung zum selektiven Aktivieren der Quelle, um die mehreren Brennpunkte aufeinanderfolgend zu bestrahlen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Verhältnis zwischen 4% und 90% liegt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Verhältnis zwischen 10% und 90% liegt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Verhältnis zwischen 10% und 50% liegt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das genannte Verhältnis zwischen 10% und 30% liegt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die genannten dreidimensionalen Behandlungsabschnitte des genannten Volumens Zylinder, Sphären, Ellipsoide, volle Rechtecke oder Ebenen einer gewählten Größe und Dicke sind, die durch eine gewählte Distanz beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die genannten gewählten Abschnitte des genannten Volumens beabstandete Linien einer gewählten Länge und Dicke sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jedes optische Element so konfiguriert ist, dass es sich auf Linien gewählter Längen und Dicken fokussiert, wobei die Linien in gewählten Winkeln zueinander liegen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das optische System eine Vorrichtung zum Abtasten von auf optische Konzentrationskomponenten applizierter Strahlung beinhaltet, um die Strahlung zu jedem Zeitpunkt auf N der Behandlungsabschnitte nacheinander zu fokussieren, wobei N ≥ 1 ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das optische System optische Fokussierungskomponenten mit justierbarer Tiefe und einen Positionierungsmechanismus für die optischen Fokussierungskomponenten beinhaltet, der die Komponente zum Fokussieren auf aufeinander folgende Behandlungsabschnitte bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, die Folgendes umfasst: einen Mechanismus, der den Teil der Haut eines Patienten wenigstens über der genannten gewählten Flächenkoordinate auf eine gewählte Temperatur abkühlt; und Bedienelemente zum selektiven Betreiben des Mechanismus, um wenigstens den genannten Teil der Haut des Patienten für eine gewählte Dauer vorzukühlen, bevor und während Strahlung appliziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Mechanismus und die Bedienelemente die genannte Haut auf eine Temperatur und für eine Dauer vorkühlen, die zum Kühlen des Teils der Haut auf wenigstens eine gewählte Temperatur unter der normalen Körpertemperatur bis wenigstens auf die genannte wenigstens eine Tiefe ausreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die genannte Haut auf wenigstens die genannte gewählte Temperatur bis zu einer Tiefe unterhalb der genannten wenigstens einen Tiefe gekühlt wird, so dass jeder Behandlungsabschnitt im Wesentlichen von gekühlter Haut umgeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Quelle Strahlung mit einer Wellenlänge erzeugt, die in wenigstens den Teilen der Haut des Patienten über dem genannten Volumen weder hoch absorbierend noch hoch streuend ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das optische System für tiefere Tiefenkoordinaten auf eine gewählte Tiefe unterhalb der genannten wenigstens einen Tiefe konzentriert, um eine Konzentration in der genannten Tiefe in der Haut des Patienten zu erzielen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strahlung auf das optische System für eine Dauer appliziert wird, die länger ist als die thermische Entspannungszeit jedes Abschnitts.