針對血管目標的近紅外選擇性光熱解的製作方法
2023-06-02 07:42:11
專利名稱：針對血管目標的近紅外選擇性光熱解的製作方法
技術領域：
本發明的背景技術血管創傷，包括放大或膨脹的血管、色素沉積的創傷、以及文身等都已經被用雷射成功地治療多年了。在稱作選擇性光熱解的方法中，目標組織、創傷組織、文身的色素顆粒、以及周圍的組織都一起被雷射輻射。然而，所選擇的雷射的波長是要使雷射的能量被目標組織所吸收。這種由傾向性的吸收所造成局部的加熱，會導致對組織的破壞。
在血管創傷，例如，紅色胎記中，在膨脹的血管中，紅血細胞的血紅蛋白就是雷射的吸收劑，也就是色素團。這些細胞吸收雷射的能量，並以熱的形式將該能量向周圍血管傳遞。如果具有足夠的能量並且傳遞發生的很快，則周圍血管的溫度就會升高到使其蛋白質變性的溫度。血管變性的溫度的熱通量，即每平方釐米的焦耳量，是在所吸收的能量的大部分被擴散到血管以外之前，使血管內的目標物的溫度升高到約70℃的焦耳量。因此，必須對該熱通量進行限制，防止周圍組織的變性。
然而，僅僅對熱通量的簡單選擇是不夠的。同時還要對雷射的強度和脈衝進行控制，使得在處理的期間內，向周圍組織的擴散達到最小，防止局部蒸發。最好防止沸騰和蒸發的發生，因為它們會導致創傷周圍組織的機械性而非化學性的損傷，從而提高創傷周圍組織的受傷和出血。這些限制就要求在較低強度時，脈衝的周期應該長一些，以防止蒸發。但是，如果色素團是創傷血管中的血細胞血紅蛋白時，情況就更為複雜了，因為血管比血細胞大一個數量級。輻射必須以較低的強度進行才可以不使較小的細胞被蒸發，並能夠以足夠長的時間對血管加熱，使其熱擴散達到其變性點，而又對周圍組織造成的損傷為最小。
激發染料雷射的脈衝比較長的閃燈已經被用來作為光源。這些雷射具有選擇性光熱解所需要的高光譜亮度，而且可以被變為血紅蛋白的α吸收帶。色素團以及血管中的紅血細胞對在577～585nm之間的有色光的吸收，比周圍組織中的黑素的吸收更好。
本發明概述以常規閃燈激發的染料雷射進行的選擇性光熱解得到的不是最理想的結果。測量結構的保持熱的能力的是熱緩解常數。對血管而言，該常數是毫秒級的，血紅細胞的熱緩解常數是微秒級的。比血紅細胞的熱緩解常數更長的脈衝期間，會使熱量被擴散到周圍血管；與血管的熱緩解常數相等或更小的脈衝期間，可以使熱被局限在血管中，防止對周圍組織的損害。事實上，根據理論計算，最佳光的脈衝應該等於血管的熱緩解常數。比較大的血管，即大於30微米的血管，應該用脈衝期為0.5毫秒或更長的光來處理。然而，商業上可獲得的染料雷射的脈衝期為約0.5毫秒或更短。由於血管的熱緩解常數隨著其直徑的增加而加大，這些染料雷射對較大血管的實用性就迅速消失。其結果是，在選擇性光熱解的處理中，很多情況下都要使用比最佳熱通量更高的熱通量來彌補脈衝期的不足。這樣，就造成臨時的過量色素沉積，而不是出血。
另外，常規光的頻率進一步限制了光熱解的效率。化學物質的最佳吸收特性的描述參數是克分子消光係數，該係數對黑素和血紅蛋白來講，在577～585nm之間都是0.2。這就限制了光的有效穿透深度，例如，限制了可以被處理的血管的深度在白種人的皮膚下不能超過0.5mm。而這個深度是在表皮/上皮層以上的。
總之，常規的染料雷射處理技術對處理位於表皮/上皮層交界以上的且直徑在30微米以下的血管的創傷是十分有效的。但是，它的缺點是無法合適地對較大血管進行加熱，無法到達較深層的血管，由於對光的吸收，使其穿透性被限制。這些都是十分重大的缺陷，因為深層較大血管的嚴重損傷是隨時可見的嚴重情況的皮膚特徵。
電磁波的近紅外部分，即在本文中所指定的大約700～1400nm部分，提供了在黑素和血紅蛋白吸收之間的有利吸收比區間。但是，使用這些波長對血管進行的治療卻被極大地忽視了，沒有把其作為577～585nm的的替代方法，其原因是在此區間內的血紅蛋白吸收特性不佳。這種結論沒有認識到獲得選擇性的主要因素是血紅蛋白及黑素的吸收比率，而不是淨吸收量。此外，在處理深度血管時，較差的吸收特性對於雷射整體的穿透性是有利的。
根據以上所述，本發明的一個方面是涉及利用近紅外輻射對血管目標進行選擇性光熱解處理。
在本發明的具體實施例中，這一技術被用於處理非膨脹性和膨脹性血管，例如，紅色胎記的血管。但是，本發明還包括處理腿部血管及牛皮癬的血管。根據近紅外光的較強穿透力，本技術更為適合用於較深層的血管。因此，可以對表皮/上皮交接層以下的血管進行處理。
在具體實施例中，可以使用不同的一些波長範圍。一般而言，近紅外光的範圍是700～1400nm，其上限是被水的吸收所限定的。更具體而言，其波長範圍可以被限制在750～780nm。最佳顏色在760nm。此外，980～990nm的範圍也是有效的。
雷射優選翠綠寶石、鈦藍寶石、鍍鉻氟化物、或半導體二極體產生的雷射，通過向患者傳送雷射光導纖維系統送達到患者。
根據本發明的另一方面，本發明涉及治療血管目標的近紅外選擇性光熱解設備。該設備包括雷射系統，產生脈衝期大於0.2毫秒的近紅外雷射，以及將雷射傳送給患者的傳遞系統。
在具體實施例中，雷射系統包括翠綠寶石、鈦藍寶石、鍍鉻氟化物、或半導體二極體類型的雷射。如果所選擇的雷射裝置無法單個產生合適的雷射，則可以結合數個二極體雷射的脈衝。當單個的雷射裝置的脈衝具有局限性時，則多倍的雷射產生有效的長脈衝雷射。因此，當單個二極體雷射裝置僅產生0.5毫秒的脈衝時，利用多倍效應，可以獲得1～10毫秒的脈衝。將同時產生的光束結合起來可以獲得提高了的有效能量。
根據本發明的另一方面，本發明涉及對血管目標的治療方法。該方法包括用近紅外雷射照射該目標。該雷射的脈衝被控制在與該目標的熱緩解常數基本相等的範圍內。該近紅外雷射的波長的範圍為700～1400nm。
本發明的上述和其它特徵，包括各種機構的細節、部件的結合以及其它優點等，將根據附圖和權利要求書給予更為詳細的描述。應該理解的是，本發明的方法和設備都是通過舉例說明的，而不是對本發明的限制。本發明的原則和特點可以在不離開本發明的範圍之內有很多種不同的變型。
附圖的簡要說明在附圖中，各個編號代表同一部件。各個附圖不一定完全符合比例，重點是為了說明本發明的原則。
圖1是使用單一雷射的近紅外選擇性光熱解裝置的圖示說明。
圖2是氧合血紅蛋白HbO2(實線)、脫氧血紅蛋白Hb(虛線)、膽紅素(斷開線)、以及DOPA-黑素(明顯的指數降低實線)的克分子消光係數對波長的納米圖。
圖3是使用多個雷射二極體或二極體陣列的本發明的近紅外選擇性光熱解裝置的圖示說明。
圖4是各個閃燈激發水平的TiS雷射輸出對時間的曲線，表示緩解震蕩不是長脈衝期的因素。本發明的詳細描述參見附圖，圖1是根據本發明的原則所構建的近紅外選擇性光熱解裝置100。該裝置100的基本形式與現有技術相似，不同之處是該裝置包括產生電磁波的近紅外區光波的發射源。更為完全的是，雷射系統110產生近紅外光束B，即700～1400nm的範圍的雷射。該光束B被整合到傳遞系統120，例如，單一光導纖維，傳遞到患者的皮膚50。由於該光束B是在近紅外區的光束，所以它可以基本穿過上皮/表皮交界55來治療其下面的血管目標60。該目標可以是紅色胎記、血管瘤、毛細血管擴張、自發性vulvodynia，腿部靜脈，以及對牛皮癬的供血等中的任何一種。另外，還可以是年齡或日曬造成的血管扭曲、或傷疤組織的血管。
光束B的脈衝期與目標血管的熱緩解常數相對應。一般，該脈衝期應該大於0.2毫秒。對於直徑為30微米或更大的血管，例如在成年患者的紅色胎記中，脈衝期應該最好大於0.2毫秒，通常為0.5毫秒，如果血管的直徑大於100微米，則應該選擇1毫秒～10毫秒之間的脈衝期。
參見圖2，在近紅外區內，有幾個特定範圍對於治療血管損傷非常有效(由於黑素的分子量的確定不準確，所表示的光波是對1.5mg％的DOPA-黑素的在0～1.5標尺上的光密度值)。圖2是克分子消光係數對波長的納米圖。
對於女性白人的皮膚而言，可以接受程度的選擇性，是血紅蛋白與黑素的克分子消光係數比率至少為0.05。脫氧血紅蛋白(Hb)與氧合血紅蛋白(HbO2)的吸收對黑素的吸收(DOPA-黑素)的比率在700～1200nm之間以0.05或更大為好。如果脫氧血紅蛋白Hb是特定的目標，則雷射光束B的波長可以在700～1000nm之間。脫氧血紅蛋白的吸收峰在750～780nm之間，最佳的比率在大約760nm。
在近紅外區的總吸收比在常規區577～585nm時為少。因此，治療擴張性血管所需要的光束B的通量比常規較短波長的通量要大。因此，通常光束B的通量為2～20J/cm2。
雷射系統110可以包括數個可以產生約760nm的近紅外雷射的裝置。例如，翠綠寶石在720～790nm內是可調節的。可調節的鈦藍寶石(TiS)產生720～950nm的雷射。由於這兩種雷射的產生技術比較成熟，所以他們是最為優選的候選雷射。另外，除了半導體二極體雷射之外，其他的可調節鍍鉻氟化物雷射，例如LiCaAlF6、LiCaGaF6、LiSrAlF6、和LiSrGaF6等都是潛在的候選雷射。
翠綠寶石雷射特別適合選擇性光熱解，因為其可以產生3～10毫秒脈衝的雷射。該脈衝期特別適宜治療100微米或更大直徑的血管，而這些血管是現有技術無法治療的。然而，這些雷射表現出了在稱作正常操作方式中的非常難以處理的行為。其原因是緩解震蕩。
半導體二極體雷射不把能量儲存在亞穩定上雷射水平，所以不表現非常難以處理的行為。然而，單個雷射源的輸出太低，無法達到治療大部分血管所需要的通量。實際使用二極體雷射時，需要將多個雷射源的光束結合起來才能產生所需要的大於100瓦的輸出。圖3給出了這樣的一個實施方案，其中，從雷射系統205產生的3個二極體雷射210、212、214的光束被合併為一束，並被導入傳遞系統220。二極體雷射210、212、214，或者TiS雷射由同步器230來協調控制它們各自的產生時間。此外，如果需要更多的能量，則可以將二極體210、212、214分別用另外的二極體陣列來替換。無論是哪種情況，傳遞系統220優選液體核心柔性光導，而不是單一玻璃光導纖維。液體核心光導具有較大的開孔，一般為5mm，並且還保持著柔韌性。因此，從幾個二極體雷射或幾個陣列來的光束被導向並聚焦於液體光導，極大地簡化了從雷射二極體到含有目標血管的皮膚之間的傳遞光學裝置。
將許多二極體雷射結合起來的另一種裝置揭示於題為「FaultTolerant Optical System Using Diode Laser Array」的美國專利申請第08/163,160號，本發明的發明人是該專利申請的共同發明人，該申請在此引述而合併於本申請。該裝置使用校正微光學配合以使二維二極體陣列帶有掩蔽的產生的二維陣列準直管微透鏡和質量產生的轉變裝置。
TiS雷射是另一種可用的雷射。在測試過程中，這些雷射產生1～5毫秒的脈衝，並且沒有表現出閃燈激發固態雷射系統所特有的難以處理的行為。大多數固態雷射的上態壽命為約100μ秒。而對TiS雷射來講，該壽命僅為3μ秒。其結果是，如果TiS雷射介質被過分激勵，就如染料雷射被激勵的情況一樣，則上態成為飽和，在經過大約2～3μ秒後就無法儲存任何更多的能量。這就會中和大多數張弛振蕩脈衝。例如，圖4所示，閃燈激發的4種不同能級為2000、1800、1600、和1400 V.D.C.。所得到的脈衝寬度為2～3毫秒，沒有顯示出很強的張弛振蕩脈衝特徵。然而，由於熱透鏡效應，該脈衝會被限制為約3毫秒的脈衝期。
如果單個的TiS雷射不能夠產生所需要的脈衝期，則圖3中的雷射系統110就可以按照1994年10月26日申請的題為「UltraLong Pulse Dye Laser for Treatment of Ectatic Vessels and MethodTherefor」的美國專利申請第08/329,195號所述將數個雷射的輸出總和起來，本發明人是該申請的共同發明人，該專利申請通過在此引述而合併於本文。具體而言，圖3中的同步器230按次序啟動二極體雷射或TiS雷射210-214，從而產生有效的脈衝期。另外，為了獲得有效的輸出，同步器230可以同時啟動雷射210-214的全體或其中的一部分。
脫氧血紅蛋白HbO2可以為具體的目標，它的有效吸收範圍在800～1200nm。最佳的吸收在980～990nm。在此，氧合血紅蛋白HbO2的克分子消光係數達到峰值，並且氧合血紅蛋白對黑素的係數比率實際上超過0.1。這是二極體雷射治療的理想區域。50瓦的光導纖維偶連的連續波二極體雷射已經被充分發展出來並商業化了。這些當前的二極體雷射陣列可以產生100瓦的半連續形式的雷射波。這些形式的雷射的脈衝期一般為400μ秒。因此，在治療較大的血管時，使用上述的多倍二極體雷射陣列就是必要的。
本發明已經被用最佳實施方案的形式進行了描述，但是，本領域的技術人員應該理解的是，在不離開本發明的實質精神和權利要求書的範圍的條件下，本發明還可以有多種的變型。
權利要求
1.用於治療血管目標的近紅外選擇性光熱解方法。
2.一種治療血管目標的選擇性光熱解方法，該方法包括產生近紅外光脈衝；以及用該光脈衝照射患者的組織以選擇性地影響在該組織中的血管目標。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中還進一步包括選定膨脹血管進行治療。
4.根據上述任何一項權利要求所述的方法，還包括產生脈衝期大於0.2毫秒的近紅外光脈衝。
5.根據上述任何一項權利要求所述的方法，還包括產生脈衝期為1～50毫秒的近紅外光脈衝。
6.根據上述任何一項權利要求所述的方法，還包括產生波長為約700～1400nm的近紅外光脈衝。
7.根據上述任何一項權利要求所述的方法，還包括產生波長為約700～1000nm的近紅外光脈衝。
8.根據上述任何一項權利要求所述的方法，還包括產生波長為約750～780nm的近紅外光脈衝。
9.根據上述任何一項權利要求所述的方法，還包括產生波長為約760nm的近紅外光脈衝。
10.根據權利要求1～5中任何一項所述的方法，還包括產生波長為約800～1200nm的近紅外光脈衝。
11.根據權利要求1～5中任何一項所述的方法，還包括產生波長為約980～990nm的近紅外光脈衝。
12.根據上述權利要求中任何一項所述的方法，還包括對準上皮/表皮交界以下的血管。
13.根據上述權利要求中任何一項所述的方法，還包括以翠綠寶石雷射產生近紅外光脈衝。
14.根據權利要求1～12中任何一項所述的方法，還包括以鈦藍寶石雷射產生近紅外光脈衝。
15.根據權利要求1～12中任何一項所述的方法，還包括以鍍鉻氟化物雷射產生近紅外光脈衝。
16.根據權利要求1～12中任何一項所述的方法，還包括以半導體二極體雷射產生近紅外光脈衝。
17.根據上述權利要求中任何一項所述的方法，還包括用光導纖維傳遞系統將近紅外光脈衝傳遞給患者。
18.一種用於治療血管目標的近紅外選擇性光熱解裝置，該裝置包括產生脈衝期大於0.2毫秒的近紅外雷射脈衝的雷射系統；以及將該雷射脈衝傳遞到患者的血管目標的傳遞系統。
19.根據權利要求18所述的裝置，其中所述的血管目標包括膨脹的血管。
20.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射脈衝的波長為約700～1400nm。
21.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射脈衝的波長為約700～1000nm。
22.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射脈衝的波長為約750～780nm。
23.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射脈衝的波長為約760nm。
24.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射脈衝的波長為約800～1200nm。
25.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射脈衝的波長為約980～990nm。
26.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射系統包括翠綠寶石雷射。
27.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射系統包括鈦藍寶石雷射。
28.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射系統包括鍍鉻氟化物雷射。
29.根據權利要求18或19所述的裝置，其中所述的雷射系統包括半導體二極體雷射。
30.根據權利要求18～29中任何一項所述的裝置，其中所述的雷射系統包括多個雷射。
31.根據權利要求18～30中任何一項所述的裝置，其中所述的傳遞系統包括將雷射合併與傳遞的光導纖維。
32.根據權利要求18～31中任何一項所述的裝置，其中所述的雷射系統將雷射多倍化。
33.根據權利要求18～32中任何一項所述的裝置，其中所述的多倍化的雷射的脈衝期為1～10微妙。
34.根據權利要求18～33中任何一項所述的裝置，其中所述的雷射系統同時啟動多個雷射以提高有效輸出水平。
35.一種治療血管結構的方法，包括用近紅外光脈衝照射該血管結構；以及控制光脈衝期與血管結構的熱緩解時間相當。
36.根據權利要求35所述的方法，其中所述的雷射脈衝的波長為約700～1400nm。
全文摘要
本發明涉及利用近紅外選擇性光熱解治療擴張性血管，例如紅色胎記的血管、腿部血管、或引起牛皮癬的血管等。由於近紅外光的穿透力較強，所以本技術更為適合用於對較深層血管的處理。因此，在表皮/上皮以下的血管可以被處理。近紅外的定義是波長為700～1200nm。對大多數人來講，優選的光為接近760nm處、或在980～990nm之間。
文檔編號A61N5/06GK1169118SQ95196712
公開日1997年12月31日 申請日期1995年12月8日 優先權日1994年12月9日
發明者古本亙 申請人:希諾索爾公司