Устройство для обработки кожи для обработки кожи на основе многофотонной ионизации
Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для обработки кожи содержит лазерный источник, оптическую систему для фокусирования лазерного луча на целевом положении ниже поверхности кожи и плазменный блок, сконструированный таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть плазмы проникает в ткань кожи для генерирования по меньшей мере одного свободного электрона в целевом положении. Устройство также содержит управляющий блок для управления лазерным источником и плазменным блоком таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть света лазерного луча поглощается упомянутым по меньшей мере одним свободным электроном, сгенерированным в целевом положении, благодаря чему формируется процесс многофотонной ионизации, при этом полная интенсивность лазерного луча, требуемая для формирования процесса многофотонной ионизации, уменьшается по сравнению с устройствами для обработки кожи, которые формируют процесс многофотонной ионизации, используя только лазерный луч. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в общем относится к обработке кожи с использованием лазерного света и, более конкретно, к устройству для обработки кожи для формирования процесса многофотонной ионизации в целевом положении в ткани кожи.
Уровень техники изобретения
Желание сохранить молодой вид путем предотвращения или уменьшения морщин на коже является важной проблемой в человеческом обществе. Для решения вышеуказанной проблемы было разработано много методов. Одним из методов, известным из опубликованной международной патентной заявки WO 2008/001284 A2, является создание фокального пятна в слое дермы кожи, подлежащей обработке. Упомянутая заявка WO раскрывает устройство для обработки кожи с лазерным источником и фокусирующей оптикой, причем мощность лазера выбирают таким образом, что лазерноиндуцированный оптический пробой (LIOB) воздействует на кожу, для того чтобы стимулировать возобновление роста ткани кожи и уменьшить морщины. Такой LIOB основан на сильном нелинейном поглощении лазерного света тканью кожи, которое происходит выше определенного порогового значения плотности мощности лазерного света в фокальном пятне лазерного луча. Это сильное поглощение создает локализованную плазму, которая способна повреждать или даже удалять ткань в местоположении упомянутой плазмы. Это вызывается вторичными, в основном механическими, эффектами, такими как быстрое расширение генерируемой плазмы. Этот эффект является очень локальным, поскольку ниже порога линейное и нелинейное поглощение отсутствует или очень мало, тогда как выше порога генерируется плазма, которая еще сильнее поглощает лазерный свет. Другими словами, такие эффекты, как LIOB, происходят только в фокальном пятне, тогда как выше и ниже фокального пятна эффекты отсутствуют или являются гораздо более слабыми. Это означает, что, например, эпидермис может легко быть защищен от нежелательных эффектов или повреждения.
Лазерная абляция кожи посредством процесса многофотонной ионизации, такого как, например лазерноиндуцированный оптический пробой, требует высоких интенсивностей света порядка 1013 Вт/см2. Из-за очень высокого потока фотонов (обычно > 1031 см-2с-1), несколько (N) фотонов с энергией, равной hν, на длине волны, равной λ, ведут себя как фотон с энергией Nhν и взаимодействуют с электроном, освобождая его из валентной зоны. Это требует, чтобы общая энергия поглощенных фотонов была больше, чем потенциал ионизации (Nhν > Δ). Генерация такого так называемого затравочного электрона или свободного электрона посредством ионизации требует нескольких фотонов (N), имеющих одинаковую поляризацию, локализованных в пространстве (фокальный объем) и во времени (~нано-фемтосекунды), с общей энергией, превосходящей потенциал ионизации (Nhν > Δ) материала. Достижение процесса многофотонной ионизации глубоко внутри кожи является сложной задачей.
US2013/0199540 A1 раскрывает устройство для плазменной обработки живой ткани с источником плазмы для генерирования атмосферной плазменной струи, с устройством поддержки для части тела, содержащей ткань, подлежащую обработке, с устройством перемещения для перемещения источника плазмы относительно поверхности ткани и с устройством управления для управления перемещением устройства и для управления работой источника плазмы, причем устройство управления имеет средство для регулирования выхода плазмы как функции положения относительно ткани. В варианте осуществления устройство имеет оптическое средство для измерения расстояния между передним концом выходного отверстия плазменной струи и объектом, подлежащим обработке. Упомянутое оптическое средство содержит лазерный источник, генерирующий лазерный луч, который направлен в направлении объекта, подлежащего обработке, через канал, образованный во внутреннем электроде плазменного генератора. Лазерный луч, отраженный объектом, направляется в противоположном направлении через канал и отражается на фотодатчик с помощью выходного зеркала. В другом варианте осуществления до, во время и после плазменной обработки может быть проведена тепловая обработка, обработка светом и/или лазерная обработка. Эти дополнительные обработки могут поддерживать и продолжать направление, в котором работает плазменная обработка.
Сущность изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение неинвазивного устройства для обработки кожи для формирования процесса многофотонной ионизации в целевом положении в ткани кожи, посредством которого производится процесс многофотонной ионизации при относительно низкой интенсивности света.
В соответствии с настоящим изобретением данная цель достигается посредством устройства для обработки кожи, содержащего:
лазерный источник, сконфигурированный и сконструированный для генерирования обрабатывающего лазерного луча,
оптическую систему, сконфигурированную и сконструированную таким образом, что при ее использовании обрабатывающий лазерный луч фокусируется в фокальном пятне в целевом положении в ткани кожи,
плазменный блок, сконфигурированный и сконструированный для генерирования плазмы таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть плазмы проникает в ткань кожи и генерирует по меньшей мере один свободный электрон в целевом положении в ткани кожи, и
управляющий блок, сконфигурированный и сконструированный для управления лазерным источником и плазменным блоком,
причем лазерный источник и оптическая система сконфигурированы и сконструированы таким образом, что при их использовании плотность мощности обрабатывающего лазерного луча в фокальном пятне в ткани кожи ниже первого порога плотности мощности для ткани кожи, выше которого возникает свободный электрон в ткани кожи посредством поглощения фотонов, присутствующих в обрабатывающем лазерном луче, и плотность мощности обрабатывающего лазерного луча в фокальном пятне выше второго порога плотности мощности для ткани кожи, выше которого формируется процесс лавинной ионизации в ткани кожи посредством обратного тормозного поглощения свободным электроном фотонов, присутствующих в обрабатывающем лазерном луче.
Настоящее изобретение основано на понимании того, что интенсивность лазерного луча, то есть плотность мощности лазерного луча в фокальном пятне, требуемая для генерирования затравочных электронов или свободных электронов внутри ткани кожи, значительно выше по сравнению с интенсивностью лазерного луча, требуемой для генерирования последующего процесса лавинной ионизации в процессах многофотонной ионизации. Авторы настоящего изобретения поняли, что благодаря обеспечению плазмы поблизости от поверхности кожи полная интенсивность лазерного луча, требуемая для формирования процесса многофотонной ионизации, уменьшается. Плазма, обеспечиваемая поблизости от поверхности кожи, проникает в ткань кожи и генерирует по меньшей мере один свободный электрон в целевом положении. Упомянутый по меньшей мере один свободный электрон в целевом положении, сгенерированный плазмой, затем действует в качестве затравочного электрона для процесса ионизации. По меньшей мере часть света обрабатывающего лазерного луча, который фокусируется на целевом положении, будет поглощена затравочным электроном, сгенерированным плазмой, что инициирует процесс лавинной ионизации внутри ткани кожи. Таким образом, благодаря присутствию плазмы, которая генерирует затравочный электрон для процесса многофотонной ионизации, интенсивность обрабатывающего лазерного луча, требуемая для формирования процесса многофотонной ионизации, уменьшается по сравнению с процессом многофотонной ионизации, генерируемым посредством только лазерного света в отсутствие плазмы.
Процесс многофотонной ионизации для создания повреждений внутри ткани кожи требует высоких интенсивностей света, то есть высокой плотности мощности лазерного луча, например порядка 1013 Вт/см2. Процесс многофотонной ионизации фактически представляет собой двухэтапный процесс, причем на первом этапе возникает свободный электрон или затравочный электрон посредством поглощения нескольких фотонов, имеющих одинаковое состояние поляризации. На втором этапе формируется процесс лавинной ионизации посредством обратного тормозного поглощения фотонов затравочным электроном. Порог интенсивности лазерного луча, требуемой для генерирования затравочного электрона, значительно выше по сравнению с порогом интенсивности лазерного луча, требуемой для формирования процесса лавинной ионизации. Генерация затравочного электрона посредством многофотонной ионизации является функцией как характеристик среды, так и характеристик луча. Когда поляризованный свет фокусируется внутри непрозрачных сред, таких как кожа, доля фотонов, имеющих одинаковую поляризацию, в фокальном пятне значительно уменьшается. Это вызывается изменением поляризации (некоторых) фотонов из-за фокусирования с высокой NA, многократного рассеяния и двойного лучепреломления ткани кожи. Относительно высокий порог интенсивности лазерного луча, требуемой для формирования процесса многофотонной ионизации с помощью известных устройств для обработки кожи, должен по меньшей мере частично компенсировать уменьшение количества фотонов с той же поляризацией, доступных для многофотонной ионизации в целевом положении в ткани кожи. Этот относительно высокий порог интенсивности, требуемой для инициирования и генерирования данного процесса многофотонной ионизации, также повышает риск сопутствующего повреждения окружающей ткани и значительно повышает требования к полной мощности известных устройств для обработки кожи. Посредством использования плазмы, которая генерируется поблизости от поверхности кожи, и которая проникает в ткань кожи, для генерирования по меньшей мере одного свободного электрона в целевом положении в ткани кожи достигается уменьшение интенсивности обрабатывающего лазерного луча, требуемой для формирования процесса многофотонной ионизации, до уровня значительно ниже порога интенсивности лазерного луча, требуемой при использовании известных устройств для обработки кожи.
В варианте осуществления устройства для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением управляющий блок сконфигурирован и сконструирован для активации лазерного источника для генерирования обрабатывающего лазерного луча только после генерирования плазмы плазменным блоком. Как таковая, плазма, генерируемая плазменным блоком, способна проникать в ткань кожи для обеспечения по меньшей мере одного свободного электрона в целевом положении.
В другом варианте осуществления устройства для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением устройство для обработки кожи дополнительно содержит генератор электрического поля, управляемый управляющим блоком, причем данный генератор электрического поля сконфигурирован и сконструирован для генерирования при его использовании электрического поля для направления плазмы в направлении целевого положения. В дополнение к направлению плазмы в направлении целевого положения электрическое поле может быть также сконфигурировано и сконструировано для того, чтобы загонять по меньшей мере некоторое количество плазмы в ткань кожи, для того чтобы достигать целевого положения и обеспечивать по меньшей мере один свободный электрон в целевом положении. В данном варианте осуществления управляющий блок может быть сконфигурирован и сконструирован для регулировки напряженности электрического поля, генерируемого генератором электрического поля, для достижения желаемой глубины проникновения и/или желаемой скорости проникновения плазмы в направлении целевого положения. Когда, например, обрабатывающим лазерным лучом устройства для обработки кожи сканируют по поверхности кожи для обработки относительно большого участка, напряженность электрического поля может быть отрегулирована или адаптирована для соответствия скорости сканирования, используемой пользователем во время обработки.
В варианте осуществления устройства для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением плазменный блок содержит плазменный канал, в котором генерируется плазма. В данном варианте осуществления при его использовании текучая среда течет через плазменный канал в направлении поверхности кожи, причем по меньшей мере часть текучей среды превращается в плазму в плазменном канале. Поток текучей среды через плазменный канал в направлении поверхности кожи будет приводить к потоку плазмы или даже плазменной струе, которые могут быть направлены к поверхности ткани кожи, и которые могут также использоваться для улучшения глубины проникновения и скорости проникновения плазмы в направлении целевого положения. В другом варианте осуществления устройства для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением плазменный канал содержит выпуск для испускания плазмы в направлении поверхности кожи, причем выпуск сконфигурирован и сконструирован для направления плазмы в направлении целевого положения внутри ткани кожи. Выпуск может, например, содержать сопло, из которого испускается плазменная струя, и которое можно использовать для направления плазменной струи в направлении целевого положения внутри ткани кожи. При использовании устройства для обработки кожи текучая среда может течь через плазменный канал со скоростью потока от 2 до 20 стандартных литров в минуту или, например, со скоростью потока от 5 до 10 стандартных литров в минуту. Предпочтительно, текучая среда содержит благородный газ, такой как, например, аргон. Использование благородного газа препятствует протеканию любых нежелательных химических реакций во время генерации плазмой по меньшей мере одного свободного электрона или затравочного электрона в целевом положении. Использование, например, газообразного аргона приводит к относительно экономически эффективному решению, поскольку газообразный аргон относительно недорог по сравнению с другими благородными газами.
В варианте осуществления устройства для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением плазменный блок содержит средство генерирования плазмы на или поблизости от поверхности кожи для генерирования плазмы на или поблизости от поверхности кожи. Такое средство генерирования плазмы может, например, представлять собой электроды, расположенные на или поблизости от поверхности кожи. Такие электроды могут, например, ионизировать окружающий воздух для генерирования плазмы на или поблизости от поверхности кожи.
В варианте осуществления устройства для обработки кожи плазменный блок сконфигурирован для генерирования прямой плазмы, вторичной плазмы и/или гибридной плазмы. В прямой плазме ткань кожи функционирует как электрод, и электрический ток течет через тело. Плазменный блок может, например, содержать устройство диэлектрического барьерного разряда. Текучая среда, которая ионизируется в такой прямой плазме, представляет собой, например, окружающий воздух поблизости от устройства диэлектрического барьерного разряда. Вторичную плазму генерируют в положении, удаленном от ткани кожи, используя, например, два электрода, через которые текучая среда течет в целевое положение. Данная текучая среда может, например, представлять собой воздух или, предпочтительно, благородный газ. В таком варианте осуществления плазменный блок может, например, содержать плазменную горелку. Гибридная плазма имеет режим генерации прямой плазмы и имеет свойства вторичной плазмы. Благодаря использованию заземленной электродной сетки с низким электрическим сопротивлением электрический ток не течет через ткань кожи. Плазменный блок может, например, содержать устройство барьерного коронного разряда.
В варианте осуществления устройства для обработки кожи плазма, генерируемая плазменным блоком, содержит нетепловую плазму. В нетепловой плазме или «холодной» плазме ионизирована только часть текучей среды. Нетепловая плазма является предпочтительной из соображений безопасности, поскольку, как правило, она имеет относительно низкую температуру, часто около комнатной температуры, при том, что она достаточно ионизирована для генерирования по меньшей мере одного свободного электрона в целевом положении. В качестве альтернативы может быть использована горячая плазма.
В варианте осуществления устройства для обработки кожи оптическая система сконфигурирована и сконструирована для формирования нескольких фокальных пятен в нескольких целевых положениях внутри ткани кожи, причем плазменный блок сконфигурирован и сконструирован для генерирования плазмы поблизости от поверхности кожи таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть плазмы проникает в ткань кожи для генерирования по меньшей мере одного свободного электрона в каждом из упомянутых нескольких целевых положениях. В данном варианте осуществления проникновение плазмы в ткань кожи может происходить на относительно большой площади поверхности кожи. Можно использовать один плазменный блок для генерирования по меньшей мере одного свободного электрона в каждом из упомянутых нескольких целевых положениях, которые могут быть распределены по относительно большой площади обработки. Например, устройство для обработки кожи может содержать систему сканирования, посредством которой сканируют обрабатывающим лазерным лучом и фокусируют его в нескольких смежных целевых положениях внутри ткани кожи. Система сканирования может, например, содержать механизм сканирующего зеркала, расположенный внутри устройства для обработки кожи. Такое устройство для обработки кожи, обеспечивающее относительно большую площадь обработки, может содержать один плазменный блок, который охватывает по существу всю площадь обработки, и который обеспечивает по меньшей мере один свободный электрон в каждом из нескольких целевых положений внутри площади обработки. В качестве альтернативы, устройство для обработки кожи может содержать более чем один плазменный блок. Использование более чем одного плазменного блока является предпочтительным, например, когда площадь обработки становится слишком большой для того, чтобы охватить ее одним плазменным блоком, или когда скорость сканирования системы сканирования устройства для обработки кожи относительно высока, так что плазма, предпочтительно, генерируется поблизости от целевого положения.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает схематическое представление процесса индуцированного светом оптического пробоя.
Фиг.2 схематически показывает первый вариант осуществления устройства для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением,
фиг.3A, 3B и 3C схематически показывают, соответственно, второй, третий и четвертый вариант осуществления устройства для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением, и
фиг.4 показывает результаты измерений, сравнивающих порог интенсивности мощности лазера, требуемой для формирования процесса индуцированного светом оптического пробоя с использованием и без использования плазмы, для различных скоростей потока газообразного аргона.
Следует отметить, что элементы, имеющие одинаковые номера позиций на различных фигурах, имеют те же самые структурные особенности и те же функции или представляют те же сигналы. Если функция и/или структура такого элемента была рассмотрена, нет необходимости в ее повторном рассмотрении в подробном описании.
Подробное описание примеров
Фиг.1 показывает схематическое представление 300 процесса индуцированного светом оптического пробоя. Многофотонная ионизация для создания повреждений внутри ткани кожи требует высоких интенсивностей света - порядка 1013 Вт/см2. Как указано выше, и как показано на фиг.1, процесс многофотонной ионизации фактически представляет собой двухэтапный процесс, в котором на первом этапе 310 создается затравочный электрон посредством поглощения нескольких фотонов, имеющих одинаковое состояние поляризации. На втором этапе 320 формируется ионизационная лавина посредством обратного тормозного поглощения фотонов затравочным электроном. Порог интенсивности лазерного луча Ith1, то есть первый порог плотности мощности, характеризующий ткань кожи, для создания затравочного электрона в ткани кожи значительно выше, чем интенсивность лазерного луча Ith2, то есть второй порог плотности мощности, характеризующий ткань кожи, для формирования ионизационной лавины в ткани кожи. Для создания затравочного электрона обычно требуется относительно высокий порог интенсивности лазерного луча Ith1 для инициирования процесса многофотонной ионизации. Требование, что должны быть поглощены несколько фотонов (от 6 до 12 фотонов) с одинаковой поляризацией для освобождения затравочного электрона, пока свойства кожи и фокусирование с высокой NA деполяризуют часть сфокусированного лазерного луча, приводит к доступу лазерного света, который должен быть сфокусирован в целевом положении 110 для освобождения затравочного электрона. Как только затравочный электрон освобожден в целевом положении 110, затравочный электрон поглощает часть обратного тормозного излучения фотонов, обеспечиваемых лазерным лучом для формирования процесса лавинной ионизации. В соответствии с настоящим изобретением посредством использования плазмы, обеспечиваемой или генерируемой на или поблизости от поверхности кожи, и предоставления упомянутой плазме возможности проникать в ткань кожи для обеспечения по меньшей мере одного свободного электрона в целевом положении достигается уменьшение интенсивности лазерного луча для формирования процесса многофотонной ионизации. В частности, процесс многофотонной ионизации достигается посредством конфигурирования и конструирования лазерного источника и оптической системы таким образом, что при их использовании плотность мощности (Вт/см2) обрабатывающего лазерного луча в фокальном пятне обрабатывающего лазерного луча в ткани кожи ниже упомянутого первого порога плотности мощности (Ith1) для ткани (102) кожи, и плотность мощности (Вт/см2) обрабатывающего лазерного луча (106) в фокальном пятне выше упомянутого второго порога плотности мощности (Ith2) для ткани (102) кожи.
Фиг.2 схематически показывает первый вариант осуществления устройства 200 для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением. Этот первый вариант осуществления, как показано на фиг.2, содержит лазерный источник 105, лазерный сканирующий блок 107, систему 109 формирования луча, плазменный блок 117, плазменно-лазерный фокусирующий блок 111A и управляющий блок 123. Лазерный источник 105 испускает лазерный луч 106 в форме лазерных импульсов, например ультракоротких лазерных импульсов от Nd:YAG лазера с длиной волны испускаемого света, равной 1064 нанометров, и продолжительностью импульсов 1-1000 пикосекунд. Конечно, также можно использовать лазерный луч 106, имеющий другую длину волны. Устройство 200 для обработки кожи, как показано на фиг.2, дополнительно содержит лазерный сканирующий блок 107, который необязателен для такой устройства для обработки кожи 200. Такие лазерные сканирующие блоки 107 часто содержат одно или несколько подвижных зеркал 108, которые сконфигурированы для сканирования лазерным лучом 106, например, в пределах площади обработки (не показана) устройства 200 для обработки кожи. Одно или несколько подвижных зеркал 108 могут быть расположены на вращающемся колесе (не показано, но часто обозначается как аксиконное колесо) или могут представлять собой зеркала 108, которые могут перемещаться в одном, двух или трех измерениях. Система 109 формирования луча сконфигурирована для модифицирования профиля лазерного луча 106, например расширения лазерного луча 106 с помощью расширяющей линзы 109a, и затем фокусирования расширенного лазерного луча 106 в ткани 102 кожи с помощью коллиматорной линзы 109b. Плазменный блок 117 содержит источник 119 питания, источник 121 газа и плазменный канал 118. Источник 119 питания обеспечивает, например, электрическую энергию высокого напряжения, причем электрическая энергия может, например, быть модулирована по частоте в диапазоне выходной частоты от постоянного тока (ниже также обозначается DC) до радиочастоты (ниже также обозначается RF). Источник 121 газа обеспечивает текучую среду, например газ, который превращается в плазму 100 в плазменном канале 118 с помощью источника 119 питания. Одним из примеров такого газа может быть аргон, который в рассматриваемом варианте осуществления течет в плазменный канал 118. Однако, можно также использовать другие газы, предпочтительно другие благородные газы. В качестве альтернативы, плазменный блок 117 может ионизировать окружающий воздух на или поблизости от поверхности 103 кожи для генерирования плазмы на или поблизости от поверхности 103 кожи.
В рассматриваемом варианте осуществления по меньшей мере часть газообразного аргона превращается в плазму 100 для генерирования плазменной струи выше поверхности 103 кожи. Плазма 100 затем проникает в ткань 102 кожи, обеспечивая свободные электроны внутри ткани 102 кожи в целевом положении 110 лазера. Плазменно-лазерный фокусирующий блок 111A в устройстве 200 для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением содержит лазерную фокусирующую систему 112 и системы генерации и направления плазмы 100. Лазерная фокусирующая система 112, например, состоит из одной фокусирующей линзы 112 с высокой NA для фокусирования лазерного луча 106 в целевом положении 110 ниже поверхности 103 кожи. Система генерации плазмы содержит анод 113, который расположен в центральной части плазменного канала 118, который в свою очередь окружен заземленным катодом 114, например, покрывающим часть внутренней стенки плазменного канала 118. Наконец, вариант осуществления плазменно-лазерного фокусирующего блока 111A содержит изолированную головку 116 для обработки, которая при использовании находится в контакте с поверхностью 103 кожи.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, лазерная фокусирующая система 112 представляет собой гидрофобную фокусирующую линзу 112 выпуклой формы, предпочтительно имеющую показатель преломления, близкий к показателю преломления кожи (например: PMMA, CR-39). Во время использования варианта осуществления между фокусирующей линзы 112 выпуклой формы и поверхностью 103 кожи может быть расположена среда 124 для оптической связи, такая как тонкий слой масла 124 с низкой вязкостью, предпочтительно с толщиной порядка микрон и с показателем преломления также близким к показателю преломления кожи и близким к показателю преломления фокусирующей линзы 112 выпуклой формы. Такую среду 124 для оптической связи можно наносить, например, до того, как начинают обработку кожи с помощью лазера. При ее использовании фокусирующая линза 112 выпуклой формы контактирует с поверхностью 103 кожи своей выпуклой поверхностью и локально растягивает поверхность 103 кожи. Присутствие среды 124 для оптической связи дополнительно уплощает поверхность 103 кожи для уменьшения микронеровностей посредством заполнения микроскопических зазоров, остающихся в растянутой поверхности 103 кожи. Это заполнение микроскопических зазоров средой 124 для оптической связи может быть объяснено капиллярным эффектом и улучшает выведение лазерного луча в ткань 102 кожи.
Устройство 200 для обработки кожи дополнительно содержит управляющий блок 123, который управляет лазерным источником 105 и плазменным блоком 117. Управляющий блок 123, например, управляет выходной мощностью лазерного источника 105 и управляет параметрами сканирования лазерного сканирующего блока 107, а также управляет лазерной фокусирующей системой 112, например определяет глубину целевого положения 110, в котором фокусируется лазерный луч 106 при работе. Управляющий блок 123 также управляет плазменным блоком 117, например потоком 115 газа от источника 121 газа в плазменный канал 118 и, например, напряжением плазмы, прикладываемом в плазменном канале 118 для генерирования плазменной струи в направлении поверхности 103 кожи.
Устройство 200 для обработки кожи может дополнительно содержать генератор электрического поля (не показан) для направления плазмы 100, например, в направлении целевого положения 110. Такой генератор электрического поля можно дополнительно использовать для ускорения ионов в плазме 100, чтобы посредством этого вталкивать или вгонять плазму в ткань 102 кожи. Данный генератор электрического поля можно, таким образом, использовать для увеличения скорости проникновения плазмы 100 в ткань 102 кожи и/или можно использовать для увеличения глубины проникновения плазмы 100 в ткань 102 кожи.
Настоящее изобретение использует тот факт, что кожа пропускает электромагнитное излучение, которое должно быть сфокусировано в очень маленьком фокальном пятне в дерме. Для того, чтобы максимизировать этот эффект, длина волны света составляет от 800 до 1100 нм; например, используется Nd:YAG лазер с длиной волны излучения 1064 нм и продолжительностью импульса 1-1000 пс. В этом диапазоне пропускание относительно высоко, а рассеяние и линейное поглощение низки. Это, однако, не исключает использования других длин волн.
В частности, заранее заданная продолжительность импульса составляет от 100 пс до 10 нс. В этом диапазоне плазма, генерируемая посредством многофотонной ионизации, является очень локальной, то есть имеет малую пространственную протяженность, что минимизирует риск непреднамеренного повреждения окружающих тканей. Тем не менее также можно использовать другие продолжительности импульса, например в диапазоне от приблизительно 100 фс до 100 пс, и даже в наносекундном и микросекундном диапазонах.
Как правило, уровень доставляемой энергии в импульсе лазерного луча составляет от 0,1 до 10 мДж при измерении на поверхности кожи. Такие уровни энергии оказались полезными при обработке, то есть создают достаточное повреждение для стимуляции роста новой ткани. Более конкретно, уровень энергии составляет от приблизительно 0,5 до 5 мДж и, как правило, приблизительно 1 мДж. Тем не менее не исключаются другие уровни энергии, такие как уровни вплоть до приблизительно 20 мДж для больших глубин обработки вплоть до 2 мм. В приведенных выше данных энергию измеряют на поверхности кожи, то есть она относится к энергии, фактически излучаемой в кожу.
Относительно всего вышеизложенного следует понимать, что вместо отдельного импульса также можно обеспечивать ряд импульсов, при условии, что эти импульсы генерируют многофотонное явление.
Кожа содержит несколько слоев с различными оптическими свойствами. Эпидермис состоит из наружных слоев и образует водонепроницаемый защитный барьер. Наружным слоем эпидермиса является роговой слой, который из-за своих микроскопических флуктуаций неровности препятствует прохождению света между устройством 200 для обработки кожи и тканью 102 кожи. Под эпидермисом находится дерма. Дерма содержит коллагеновые волокна, на которые, как правило, направлена обработка кожи.
Как правило, устройство 200 для обработки кожи имеет числовую апертуру (NA), составляющую по меньшей мере 0,2, предпочтительно по меньшей мере 0,4. Такие значения числовой апертуры связаны с безопасностью вышележащих слоев кожи, в частности эпидермиса. Поскольку эпидермис содержит, в частности, много хромофоров, таких как меланин, остаточное линейное поглощение в эпидермисе не является незначительным. Следовательно, предпочтительным является поддержание флюенса или плотности энергии в таких слоях достаточно низким. Это может быть достигнуто посредством обеспечения сильно сфокусированного лазерного луча, то есть с большим углом сходимости, и, следовательно, с большой числовой апертурой оптической системы. Затем лазерный луч охватывает достаточно большую площадь для поддержания флюенса в эпидермисе в пределах приемлемого диапазона. В частности, флюенс в эпидермисе должен составлять самое большее 3 Дж/см2. Следует отметить, что желаемая числовая апертура зависит от глубины обработки и от фактической энергии в импульсе. Модельные расчеты показывают, что числовая апертура, составляющая по меньшей мере 0,4, достаточна для глубины обработки, составляющей 0,5 мм, и энергии в плазме (в фокусе), составляющей 1 мДж, тогда как более высокие NA нужны для более высоких уровней энергии и меньших глубин обработки, и наоборот.
Следует отметить, что NA, необходимая для больших глубин обработки, конечно, меньше, чем для малых глубин обработки, из-за большего расстояния до эпидермальных слоев, которые не должны быть повреждены. Тем не мене, полные интенсивность и энергия, необходимые для достижения достаточной многофотонной ионизации на больших глубинах обработки становятся больше из-за остаточного поглощения и рассеяния в вышележащих слоях.
Для типичных глубин обработки числовая апертура, составляющая по меньшей мере 0,7, может быть предпочтительной для обеспечения оптимальной интенсивности в фокусе и для минимизации тепловой нагрузки на поверхностные слои кожи.
В частности, флюенс импульса лазерного луча в коже составляет между поверхностью кожи и слоем дермы самое большее 3 Дж/см2. Такой флюенс считается безопасным для упомянутых слоев кожи. Вместе с предпочтительными уровнями энергии для импульса лазерного луча это приводит к предпочтительным вершинным углам лазерного луча, составляющим, в частности, по меньшей мере 11° (половинный угол) для 1 мДж и глубины обработки, составляющей 0,5 мм. В зависимости от желаемой глубины обработки и энергии импульса, специалист может определить предпочтительный вершинный угол или соответствующую числовую апертуру.
Как правило, глубина обработки составляет от 0 до 2 мм, более конкретно от 0,2 до 1,5 мм, ниже поверхности кожи. Это основано на типичной общей толщине эпидермиса с роговым слоем на лице, составляющей от 0,06 до 0,2 мм, и типичной толщине слоя дермы, составляющей 2 мм. Следовательно, дерма может быть обнаружена на глубине, составляющей от 0,2 до приблизительно 2 мм. Глубина обработки, составляющая от 0,5 до 1,5 мм, предоставляет диапазон, который делает возможной обработку дермы с достаточным охватом все еще без какого-либо риска для окружающих слоев, таких как эпидермис. В отдельных случаях эпидермис и/или дерма могут быть тоньше или толще или могут присутствовать на несколько иной глубине, как, например, на других частях тела, например на руках. В этом случае специалист легко сможет определить глубину и/или толщину дермы и соответствующим образом сконфигурировать устройство. Тогда другая глубина обработки может быть установлена после установления глубины и толщины слоя дермы. Также можно использовать или включить в состав устройство для автоматического определения толщины дермы и/или эпидермиса, такое как ультрасонографическое устройство, например Stiefel Cutech "Dermal depth Detector", или, в качестве альтернативы, устройство для ОКТ (оптической когерентной томографии).
Фиг.3A, 3B и 3C схематически показывают второй, третий и четвертый вариант осуществления устройства 200 для обработки кожи в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.3A, 3B и 3C показаны только плазменно-лазерные фокусирующие блоки 111B, 111C, 111D различных вариантов осуществления соответственно. Все другие элементы, такие как лазерный источник 105, лазерный сканирующий блок 107, система 109 формирования луча, плазменный блок 117 и управляющий блок 123, могут быть аналогичны или идентичны варианту осуществления, показанному на фиг.2.
В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.2, плазменно-лазерный фокусирующий блок 111B, показанный на фиг.3A, содержит систему диэлектрического барьерного разряда для генерирования плазмы 100. Диэлектрические барьерные разряды характеризуются присутствием одного или нескольких диэлектрических слоев 104 на пути разряда, проходящем от анода 113 через разрядное пространство к катоду 114. Возможны различные конфигурации анода 113, катода 114 и диэлектрических слоев 104. Например, плоская конфигурация включает в себя параллельные пластины, образующие анод 113 и катод 114, которые разделены диэлектрическим слоем 104 и разрядным пространством. В качестве альтернативы можно использовать цилиндрическую конфигурацию, в которой анод 113 и катод 114 расположены коаксиально (не показаны), и между ними расположена диэлектрическая трубка (не показана), в которой генерируется разряд (и, следовательно, плазма 100). На фиг.3A плазма 100 образуется между анодом 113, содержащим прикрепленный к нему диэлектрический слой 104, и поверхностью 103 кожи, которая электрически соединена с заземленным катодом 114.
В третьем варианте осуществления плазменно-лазерного фокусирующего блока 111C устройства 200 для обработки кожи, как показано на фиг.3B, плазменно-лазерный фокусирующий блок 111C содержит центрированный анод 113, по меньшей мере частично окруженный трубчатым катодом 114, образующим плазменный канал 118, расположенный в центре плазменно-лазерного фокусирующего блока 111C. В рассматриваемом варианте осуществления лазерная система 109 формирования луча (не показана на фиг.3B) генерирует лазерный луч 106 в форме кольца, который проходит через плазменно-лазерный фокусирующий блок 11C вокруг плазменного канала 118. Для фокусирования кольцевого лазерного луча 106 в целевом положении 110 внутри ткани 102 кожи присутствует однофокусная система 112 линз.
В четвертом варианте осуществления плазменно-лазерного фокусирующего блока 111D устройства 200 для обработки кожи, как показано на фиг.3C, плазменно-лазерный фокусирующий блок 111D также содержит центрированный анод 113, по меньшей мере частично окруженный трубчатым катодом 114, образующим плазменный канал 118, расположенный в центре плазменно-лазерного фокусирующего блока 111D, аналогично варианту осуществления на фиг.3B. Однако, лазерная система 109 формирования луча (не показана на фиг.3C) в этом случае генерирует несколько лазерных лучей 106a, 106b, расположенных вокруг плазменного канала 118. Фокусирующая система 112 в этом случае содержит несколько линз 112a и 112b, каждая из которых фокусирует один из несколько из лазерных лучей 106a и 106b в соответствующих целевых положениях 110a и 110b. Когда плазменно-лазерный фокусирующий блок 111D в соответствии с настоящим изобретением генерирует, например, два лазерных луча 106a, 106b, лазерные лучи 106a и 106b вместе со связанными с ними линзами 112a и 112b могут быть сконфигурированы для вращения вокруг плазменного канала 118 плазменно-лазерного фокусирующего блока 111D, например, посредством вращающегося трубчатого держателя 130 линз, для обеспечения вращательного сканирования несколькими лазерными лучами 106a, 106b в ткани 102 кожи. Это может вести к образованию повреждений кругового вида. Посредством конфигурирования устройства 200 для обработки кожи таким образом, чтобы дополнительно, например, сканировать фокусом лазерных лучей 106a, 106b в направлении, перпендикулярном поверхности 103 кожи, можно сформировать спиральные повреждения внутри ткани 102 кожи.
Фиг.4 показывает результаты измерений, сравнивающих порог облученности процесса индуцированного светом оптического пробоя (далее также обозначаемого LIOB) с использованием и без использования плазмы для различных скоростей потока газообразного аргона. На горизонтальной оси графика на фиг.4 показаны три варианта различных скоростей потока аргона, начиная с 3 стандартных литров в минуту, затем 5,4 стандартных литра в минуту и 7,5 стандартных литра в минуту. Вертикальная ось показывает порог облученности LIOB, необходимой для создания процесса многофотонной ионизации внутри ткани 102 кожи. Для каждой из различных скоростей потока аргона показана группа из четырех столбцов результатов с центром на скорости потока аргона. Черный крайний левый столбец каждой из групп показывает интенсивность лазерного луча, когда плазму 100 в целевом положении не используют. Второй, третий и четвертый столбец слева в каждой из групп показывает требуемый порог облученности в присутствии плазмы, причем плазму генерируют с использованием различных напряжений (соответственно, 6 вольт, 4 вольта и 2 вольта).
Результаты, показанные на фиг 4, получены с использованием плазменного блока 117, имеющего кварцевый капилляр (внутренний диаметр 1,6 мм), в котором по центру установлен электрод 113 (диаметром 1 мм). В непрерывном режиме работы высокочастотное (HF) напряжение (1,1 МГц, размах 2-6 кВ) подается на штырьковый электрод 113. Плазма 100 генерируется из верхней части центрированного электрода и расширяется в окружающий воздух снаружи сопла. При максимальной входной мощности DC, составляющей 3,5 Вт, воспламененная плазменная струя имеет длину, составляющую вплоть до 12 мм, а плотность свободных электронов находится в диапазоне от 1012 до 1014 см-3. Показано, что при использовании такого плазменного блока 117 энергия лазерного импульса, требуемая для многофотонной ионизации внутри ткани 102 кожи, уменьшается на величину вплоть до 70%.
Таким образом, настоящее изобретение предлагает неинвазивное устройство 200 для обработки кожи для формирования процесса многофотонной ионизации в целевом положении 110 в ткани 102 кожи. Устройство 200 для обработки кожи содержит лазерный источник 105, сконфигурированный и сконструированный для генерирования обрабатывающего лазерного луча 106, оптическую систему 109, 112 для фокусирования обрабатывающего лазерного луча 106 на целевом положении 110 ниже поверхности 103 кожи и плазменный блок 117, сконфигурированный и сконструированный для генерирования плазмы 100 таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть плазмы 100 проникает в ткань 102 кожи для генерирования по меньшей мере одного свободного электрона в целевом положении 110. Данное устройство для обработки кожи дополнительно содержит управляющий блок 123, сконфигурированный и сконструированный для управления лазерным источником 105 и плазменным блоком 117 таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть света обрабатывающего лазерного луча поглощается упомянутым по меньшей мере одним свободным электроном в целевом положении 110, благодаря чему формируется процесс многофотонной ионизации. Результат использования плазмы при формировании процесса многофотонной ионизации заключается в том, что полная интенсивность обрабатывающего лазерного луча, требуемая для формирования процесса многофотонной ионизации, уменьшается по сравнению с тем, когда процесс многофотонной ионизации генерируют, используя только лазерный луч.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в данной области техники могут разработать множество альтернативных вариантов осуществления.
В пунктах формулы изобретения любые ссылочные позиции, заключенные в скобки, не следует рассматривать как ограничивающие данный пункт формулы изобретения. Использование глагола "содержать" и его производных не исключает наличия элементов или этапов, отличных от указанных в пункте формулы изобретения. Единственное число элемента не исключает наличия множества таких элементов. Настоящее изобретение может быть реализовано посредством аппаратного обеспечения, содержащего несколько отдельных элементов, и посредством подходящим образом запрограммированного компьютера. В описывающем устройство пункте формулы изобретения, перечисляющем несколько средств, несколько из этих средств могут быть воплощены с помощью одного и того же элемента аппаратного обеспечения. Сам по себе факт, что некоторые средства приведены в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация данных средств не может быть использована для получения преимущества.
1. Устройство (200) для обработки кожи для формирования процесса многофотонной ионизации в целевом положении (110) в ткани (102) кожи, причем устройство (200) для обработки кожи содержит:
лазерный источник (105), сконфигурированный и сконструированный для генерирования обрабатывающего лазерного луча (106),
оптическую систему (109, 112), сконфигурированную и сконструированную таким образом, что при ее использовании обрабатывающий лазерный луч (106) фокусируется в фокальном пятне в целевом положении (110) в ткани (102) кожи,
плазменный блок (117), сконфигурированный и сконструированный для генерирования плазмы (100) таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть плазмы (100) проникает в ткань (102) кожи и генерирует по меньшей мере один свободный электрон в целевом положении (110) в ткани (102) кожи, и
управляющий блок (123), сконфигурированный и сконструированный для управления лазерным источником (105) и плазменным блоком (117),
отличающееся тем, что лазерный источник (105) и оптическая система (109, 112) сконфигурированы и сконструированы таким образом, что при их использовании плотность мощности (Вт/см2) обрабатывающего лазерного луча (106) в фокальном пятне в ткани (102) кожи ниже первого порога плотности мощности (Ith1) для ткани (102) кожи, выше которого возникает свободный электрон в ткани (102) кожи посредством поглощения фотонов, присутствующих в обрабатывающем лазерном луче (106), и плотность мощности (Вт/см2) обрабатывающего лазерного луча (106) в фокальном пятне выше второго порога плотности мощности (Ith2) для ткани (102) кожи, выше которого формируется процесс лавинной ионизации в ткани (102) кожи посредством обратного тормозного поглощения свободным электроном фотонов, присутствующих в обрабатывающем лазерном луче (106).
2. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, в котором управляющий блок (123) сконфигурирован и сконструирован для активации лазерного источника (105) для формирования обрабатывающего лазерного луча (106) только после генерации плазмы (100) плазменным блоком (117).
3. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, причем устройство (200) для обработки кожи дополнительно содержит генератор электрического поля, управляемый управляющим блоком (123), причем генератор электрического поля сконфигурирован и сконструирован для генерирования при его использовании электрического поля для направления плазмы (100) в направлении целевого положения (110).
4. Устройство (200) для обработки кожи по п.3, в котором управляющий блок сконфигурирован и сконструирован для регулировки напряженности электрического поля, генерируемого генератором электрического поля, для достижения желаемой глубины проникновения и/или желаемой скорости проникновения плазмы (100) в направлении целевого положения (110).
5. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, в котором плазменный блок (117) содержит плазменный канал (118), в котором генерируется плазма (100) и в котором при его использовании текучая среда течет через плазменный канал (118) в направлении поверхности (103) кожи, причем по меньшей мере часть текучей среды превращается в плазменном канале (118) в плазму (100).
6. Устройство (200) для обработки кожи по п.5, в котором плазменный канал (118) содержит выпуск для испускания плазмы (100) в направлении поверхности (103) кожи, причем выпуск сконфигурирован и сконструирован для направления плазмы (100) в направлении целевого положения (110).
7. Устройство (200) для обработки кожи по п.5, в котором текучая среда содержит благородный газ.
8. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, в котором плазменный блок (117) содержит средство (113, 114) генерирования плазмы на или поблизости от поверхности (103) кожи для генерирования плазмы (100) на или поблизости от поверхности (103) кожи.
9. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, в котором плазменный блок (117) сконфигурирован для генерирования прямой плазмы, вторичной плазмы и/или гибридной плазмы.
10. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, в котором плазма (100), генерируемая плазменным блоком (117), содержит нетепловую плазму.
11. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, в котором оптическая система (22) сконфигурирована и сконструирована для формирования фокальных пятен в целевых положениях (110a, 110b) внутри ткани (102) кожи, причем плазменный блок (117) сконфигурирован и сконструирован для генерирования плазмы (100) поблизости от поверхности (103) кожи таким образом, что при его использовании по меньшей мере часть плазмы (100) проникает в ткань (102) кожи для генерирования по меньшей мере одного свободного электрона в каждом из упомянутых целевых положениях (110a, 110b).
12. Устройство (200) для обработки кожи по п.11, причем устройство (200) для обработки кожи содержит более чем один плазменный блок (117).
13. Устройство (200) для обработки кожи по п.1, в котором целевое положение (110) на 0-2 мм ниже поверхности кожи или в котором целевое положение (110) на 0,5-1,5 мм ниже поверхности кожи.
