专利名称：用于表皮热处理的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种生物组织表皮热处理的装置和方法，优选地是表皮层一角质层、透明层和颗粒层的热处理和凝固。进行表皮层的选择性热处理是用于多种原因，诸如除了别的以外的去除皱纹、非永久性去除毛发、面部皮肤再生、经由皮肤的麻醉剂供给的增强以及牛皮癣处理。
背景技术：
用于表皮层凝固、蒸发(evaporation)和切除的现有技术是基于相干激光照射与组织直接相互作用。然而，只有少数类型的激光源适用于深度控制的组织去除。该问题是在表皮层内的激光波长的消光深度必须处于组织中几μm或更小的范围内，以实现激光的表面吸收。用于表皮组织去除的最常用激光分别为发射波长为2940nm和193nm的ErYAG和受激准分子激光器。相应的消光深度为3～5μm(在水中)和0.1μm(在蛋白质中)。发射波长为10.6μm的二氧化碳激光在一定程度上也可以用于组织去除，但是由于较大的消光深度30～50μm(在水中)，在较深的组织层中存在水疱和出血的问题，这需要2～6个月的恢复期。即使很少发生，但这也是ErYAG激光的问题。此原因可以通过如下的事实予以解释，即，角质层(厚度15～30μm)在正常条件下主要由含水量很低的角蛋白构成。在角蛋白中的消光系数e＝2940μm明显大于水中的3～5μm，这可以解释这些不期望并且不理想的结果。可以进行精确和可预期的表皮层去除的仅有的激光器类型为发射波长为193nm的受激准分子激光器。受激准分子激光器非常昂贵，并且难于操作。193nm的受激准分子激光器也不太适用于通过标准的光纤连接来传送光束，这是由于基于熔融石英(石英)玻璃的波导衰减非常高。将活细胞暴露于UV辐射的长期效果未完全加以研究。可能存在产生与受激准分子激光器相关的癌症的高风险。
与带有辐射吸收层的接触探针结合的激光源原理上可以用于表皮组织去除。覆盖探针表面一部分的全部辐射吸收层的使用将消除由所有热能通过向组织传导而传递带来的消光深度的问题。
用于激光瞄准的接触探针一般具有非常小的有效面积，一般仅有几平方毫米。存在多种使这些供给激光的表面探针具有如此小的表面积的原因，一个重要的方面在于来自激光的脉冲能量由于所用激光的电光效率低而受到限制，一般，仅有激光激励所需能量的百分之几被转化为激光照射能量。因此，带有辐射吸收层的激光接触探针不太适用于较大面积的处理。
与用于较大面积热处理的激光相关的另一重要问题在于由于激光辐射的相干性而内在形成斑点和调制(mod)图案。这些现象即使在通过光波导传播后仍存在。通过圆形光纤导引的激光辐射经常显现出带有重叠斑点的强度图案所形成的环形圈。使用其他类型横截面几何形状(如矩形)的波导不会减弱模式图案的问题。从而，激光与接触探针的结合不适用于利用大面积接触探针的较大表面的处理，这是由于在该方面均匀加热是至关重要的。总的来说，激光源与弧光灯源相比昂贵很多。用于表面皮肤去除的其他普通方法为机械皮肤擦除术和化学脱皮，这些都存在不能深度控制和可预测性的问题。
发明内容
总的来说，本发明特征在于在不严重损伤下面的组织层的前提下选择性地凝固和收缩表皮层、角质层、透明层、和颗粒层的方法。本发明的方法基于皮肤表面接触带有辐射吸收层的加热探针。吸收层以受控方式由来自脉冲非相干弧光灯的集中辐射来加热。
辐射吸收层辐射吸收层牢固的附着在形成物理接触并轻轻压向皮肤上的整体衬底的远端表面上，以便形成均匀接触表面。整体衬底应该在辐射源的整个辐射光谱上是透明的。辐射吸收层在被来自脉冲弧光灯的汇聚的非相干辐射照射时快速加热。由弧光灯产生的整个发射波长光谱(一般为0.2～2μm)将有助于吸收层的加热。通过选择具有与弧光灯发射光谱匹配的波长非灵敏和高吸收系数的涂覆材料，光能的主要部分将转化为吸收层内的热量。从而，总体的能量效率与灯激励激光器相比得以明显提高。对于具有0.2～3μm范围内的高吸收系数的吸收层的材料的优选选择为碳或镍、锆等制成的多种氧化物。吸收层的厚度应在1～50μm范围内，优选地在2～10μm范围内，如果吸收层的材料成份不是组织亲和的，那么将需要氧化铝或氧化硅的保护性涂层(overcoat layer)。保护层的厚度一般最小为1～5μm。
为了进一步改善从探针表面向皮肤的热传导，可以在用接触探针处理之前将非常薄层的液体或凝胶施加到皮肤上。这种接触流体的粘度必须足够低以允许过多的凝胶从探针表面接触区域压出，这是由于接触液体层的厚度必须小于5～15μm。接触液体的示例是水、盐溶液或超声波接触凝胶。所述液体可以基于硅酮油，或是透明质酸，最优选的选择是水、变性酒精、丙二醇、甘油、氢氧化钠、PEG40氢化蓖麻油、泛酰醇和卡波姆制成的化合物与利多卡因的凝胶混合物。利多卡因是皮下麻醉凝胶，并将在处理过程中减轻疼痛。热作用的(凝固的)组织的深度控制主要通过调节辐射脉冲的持续时间和控制吸收层上的辐射的能量密度来实现。辐射能量强度由调节通过弧光灯的放电电流来控制。能级适用于特殊的光学几何形状和探针表面积。吸收层的平稳加热由将来自弧光灯的光线由具有至少十倍于探针横截面直径的长度的光波导混合而得以保证，而探针横截面直径一般为10mm。波导的横截面优选地为0.5～5cm2，优选地为1～2cm2横截面积的圆形和矩形。
灯的典型脉冲持续时间在0.1～500ms范围内，且重复率一般为0.5～5Hz。
皮下层的热作用深度将对应于0.1～500ms的脉冲长度范围，根据图2，该深度为7～500μm。热作用深度的有效定义为从(被加热的)表面到组织内侧、温度升高大约为加热脉冲终止时组织表面温度升高的10％的点的距离。
假设皮肤表面温度在加热脉冲—脉冲长度0.1～500ms—终止时正好达到100℃(那么，组织中的水沸腾并蒸发)，相应的凝固深度将为2～127μm，即，温度为70～72℃或更高处的皮下深度，见图4。
作为以恒定能量强度(W/m2)加热的表面的大块身体内侧温度分布之间的基本关系由以下方程给出T(z)=T(z=0)*Π*ierfc(z/(2*[K*e′))]]>温度分布 (1)其中K=e..(p*c):]]>热扩散率(m2/s)(2)方程(1)对于一维热流是有效的，如果热作用深度远小于表面热源的横截面尺寸，那么这可以成立。T(z=0)=2*P/Λ*1/e..*(K*e′/Π)1/2:]]>表面温度对脉冲时间(3)P＝辐射功率A＝被加热的横截面面积z＝距被加热表面的距离ě＝材料的导热系数 p＝材料的密度c＝材料的热容量T0＝T(z-0)s＝2*(K*e′) (4)s=由于热扩散造成的距表面的平均热作用距离z＝距表面的距离Eq.(1)给出了以下对于z的不同值的相关温度升高(见图3)z＝0.5*s距温度已经达到表面温度的35.4％的表面的距离；z＝s距温度已经达到表面温度的8.9％的表面的距离；z＝2*s距温度已经达到表面温度的0.2％的表面的距离。每单位面积的热量脉冲的总能量由以下方程给出E＝P*e′(5)方程(5)和方程(2)和(3)给出了对于脉冲长度é所需的每单位面积的脉冲能量的估计。E/A=To*Π1/2/2*(e..*p*c)1/2*e′1/2---(6)]]>加热组织和吸收层所附着的整体衬底所需的总能量给出以下的方程Etot/A=To*Π1/2/2*(e..*p*c)1/2*e′1/2[(e..*p*c)t1/2+(e..*p*c)s1/2]---(7)]]> 从方程(6)，明显可以看出项 对表面温度TO和加热脉冲的持续时间é的给定值所需的脉冲能量影响较大。用于吸收材料的整体衬底的两个主要选择为蓝宝石和石英玻璃，这是由于这两种材料对热阻塞(thermalchock)具有良好的抵抗能力，并同时光学上透明。对于组织(水)、石英玻璃和蓝宝石的项 相应的为1530、1499和6734(国际单位)。通过这些图，用于吸收层的整体衬底的明显选择为石英玻璃，这是由于在这种情况下所需的脉冲能量与作为整体衬底的蓝宝石相比仅为37％。
在每个加热脉冲过程中耗散在整体衬底层中的热能在下一个脉冲发射之前必须被排走，否则，探针将在下一个脉冲发射之前的时间内预热组织。组织的预热是不希望有的。热锌(heat zinc)的优选实施例为将整体衬底(石英)的未涂覆侧附着到足够大的具有较高导热特性的蓝宝石主体上。蓝宝石优选地应该利用与蓝宝石主体相接触的珀耳帖元件持续冷却。蓝宝石主体定位在光束路径上。在优选实施例中，蓝宝石主体为光波导的远端，即，蓝宝石主体与光学系统分隔开。如果整体衬底与蓝宝石主体的附着以适当的方式形成，它可以形成为一次性使用元件。例如，相对于吸收层的表面可以制备有锡粘结膜，以便在新的处理开始时轻易更换整体衬底。一次性使用的探针整体衬底防止了个体之间接触传染病的传播。
优选地由石英制成的整体衬底的厚度应在10～1000μm范围内。最佳厚度可以针对特定的脉冲重复率和脉冲持续时间来计算。
以下将参照附图更全面地陈述本发明的这些和其他目的及其操作和结构的各种特征和细节，其中图1是用于实施本发明的装置的示意图，在上述装置中，附图标记1标示脉冲电磁源，如通过适宜的光学系统2汇聚的激光，附图标记3标示波导，而4标示附着到波导出口横截面上的整体衬底。元件5是诸如珀耳帖单元的冷却装置；图2是表皮内热作用深度相对加热脉冲的持续时间的曲线；图3是相对温度分布相对整个人体内侧相对深度的曲线；图4是表皮内凝固深度相对能量脉冲的持续时间的曲线；图5是图1的装置如何用于处理表皮的示意图。
具体实施例方式
参照图1和图5，附图标记1标示脉冲电磁源，优选地是气体放电管和激光器。从光源1发出的辐射通过利用适当的光学系统2予以汇聚。在电磁源包括放电灯的情况下，向后传播的光线通过利用背反射镜系统，例如一个抛物面或椭圆面的反射镜予以朝向光波导再次导引。如果光源的尺寸适于波导3的入口几何图形的尺寸，也可以使用其他类型的背反射镜，诸如白色散射陶瓷。当光源为激光器时，汇聚光学系统一般包括透镜阵列系统，从而，所有沿着向前方向传播的辐射尽可能地汇聚到波导3地进入表面中。波导进入表面地典型横截面面积为0.3～3cm2。
波导3优选地由具有圆形或矩形横截面地结晶蓝宝石制成。也可以使用其他几何形状，如椭圆形。在波导中选择蓝宝石材料是由于这种材料较高的导热特性。波导3适当的长度处于20～60mm范围内。较大的横截面需要较长的波导，这是因为除了单纯的辐射导引之外，波导的主要功能为平整来自光源1的辐射场。一次性使用的整体衬底4以一薄层辐射透明光学胶水4.6附着到波导的出口横截面上，该胶水4.6为光学匹配液体与用于整体衬底机械固定的装置的组合到一起。完整的整体衬底应该能够在个体医学处理之后进行更换。整体衬底4的横截面几何形状的大小应该形成为稍大于波导3相应的横截面尺寸，以避免辐射泄漏。整体衬底4包括一片石英玻璃4.1和一叠层涂层，该涂层包括辐射吸收层4.2，优选地为厚度1～10μm的碳或氧化物薄膜的溅射层，和无毒且组织亲和的层，该层优选地由0.2～2μm厚度的结晶蓝宝石制成。为了改善热量传导到组织层内，软膏或液体的接触盐浸作用层应在处理之前施加到组织6的表皮层6的皮下层4.5上。由软膏或液体构成的接触盐浸作用层4.4应该具有至少100℃的沸点，优选地为150到250℃。如果需要的话，组织麻醉剂可以包含在软膏或液体中，以用于控制疼痛。由层4.2中吸收辐射而产生的过度热量应该通过将冷却装置附着到波导3.2的近端上予以去除。冷却装置5应该为珀耳帖单元或者通过循环冷却剂冷却的金属主体。
在此虽然本发明已经在上面借助于其优选实施例予以描述，在不背离如所附权利要求书所限定的本发明的精髓和主题特征的前提下可以进行改进。
权利要求
1.一种用于表皮组织层传导性热处理的装置和方法，包括(1)用于产生电磁辐射的装置；(2)用于汇聚所述辐射的装置；(3)用于将所述电磁辐射能量转化为薄吸收层内的热量的装置；(4)用于有效冷却吸收层中产生的过度热量和预冷却真皮层的装置；以及(5)用于在吸收层和要被加热的物体表面之间有效热传导的装置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于产生电磁辐射能量的装置是脉冲波长至少为0.1μm，且最大为500ms的电灯。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该电灯为气体放电弧光灯。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，电灯可以在吸收层上产生0.1～200J/cm2的光能强度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于产生电磁能量的装置是脉冲长度至少为1μs的激光器。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，激光源为大功率二极管激光器。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用于将所述电磁能量转换为热量的装置包括至少一个辐射吸收层，该层厚度为0.1～1000μm。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述辐射吸收层包括厚度为0.5～50μm的氧化物和碳层。
9.如权利要求8所述的结构，其特征在于，所述氧化物材料层为以下元素中至少一种制成的氧化物，该元素为锆、铝、镍、锌、铟、锶、钡、硅。
10.如权利要求7所述的结构，其特征在于，所述多个层包括至少一个具有较低热扩散率的光学透明的整体衬底层，该整体衬底层与所述辐射吸收层的一侧物理接触，并且，整体衬底的厚度为1～1000μm。
11.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述整体衬底由石英玻璃制成。
12.如权利要求10所述的结构，其特征在于，所述整体衬底为一次性零件，其通过可去除的胶水附着到与整体衬底具有相同横截面几何形状的光波导上。
13.如权利要求7所述的结构，其特征在于，在吸收层为非组织亲和成份的情况下，所述多个层包括附着到吸收层组织侧上的涂层。
14.如权利要求13所述的结构，其特征在于，所述涂层由组织亲和材料制成。
15.如权利要求14所述的结构，其特征在于，所述层由厚度为0.1～10μm、优选地为0.5～2μm的结晶体(蓝宝石)或多晶铝氧化物(氧化铝)制成。
16.如权利要求7所述的结构，其特征在于，所述吸收层的几何形状为0.1～5cm2面积的圆形或矩形。
17.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述用于汇聚所述电磁能量的装置包括光学元件，其中至少一个是折射/衍射光学元件和/或至少一个是反射光学元件。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于将所述电磁能量汇聚成热量的装置包括至少一个向远处的吸收层传导所述电磁能量的光波导。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述光波导是基于至少一种以下波导材料的介电波导，该材料包括掺杂或未掺杂的石英玻璃、结晶蓝宝石、火石玻璃或冕牌玻璃。
20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述光波导至少局部涂覆以高反射率的金属层，如金、铝或银。
21.如权利要求18所述的结构，其特征在于，所述光波导系统的远端部分由光学透明材料制成，该材料具有较高的导热特性和扩散率，而所述波导的一侧与所述整体衬底物理接触。
22.如权利要求21所述的结构，其特征在于，光波导的所述远端部分由结晶蓝宝石玻璃制成。
23.如权利要求21所述的结构，其特征在于，所述光波导的远端部分由结晶蓝宝石玻璃制成。
24.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述用于将吸收层内产生的热量有效传导到生物组织表面上的装置包括适当粘度和沸点的凝胶或液体。
25.如权利要求24所述的结构，其特征在于，所述软膏或液体是基于硅酮油的。
26.如权利要求24所述的结构，其特征在于，所述软膏或液体是基于透明质酸的。
27.如权利要求24所述的结构，其特征在于，所述软膏或液体包括用于穿过皮肤沉积的麻醉剂。
28.如权利要求24所述的结构，其特征在于，所述软膏或液体是基于水或生理盐水溶液的。
29.如权利要求24所述的结构，其特征在于，所述软膏或液体包括组织麻醉剂。
30.如权利要求24所述的结构，其特征在于，所述凝胶或液体的沸点为75～400℃，优选地为150～300℃。
31.如权利要求1所述的结构，其特征在于，所述用于将整体衬底中产生的过度热量从所附着的吸收层中有效冷却的装置包括与所述整体衬底物理接触的散热器，该整体衬底在其相对侧附着吸收层。
32.如权利要求31所述的结构，其特征在于，所述散热器包括珀耳帖冷却装置。
33.如权利要求31所述的结构，其特征在于，所述散热器包括具有允许冷却液体循环的内部通道的主体。
34.如权利要求31所述的结构，其特征在于，所述热锌将所述整体衬底层冷却到-20到+20℃范围内的温度。
35.如权利要求34所述的结构，其特征在于，所述被冷却的衬底层在加热脉冲之前将外侧组织层的温度降低。
全文摘要
本发明公开了一种表皮层、优选地是诸如表皮层的生物组织的深度控制导热处理的方法和装置。本发明的方法为下压附着到具有低热扩散率的整体衬底的薄辐射吸收层直接(和经由吸收层上的保护性涂层间接地)与要加热地物体表面物理接触。吸收层的横截面面积一般为1cm
文档编号A45D26/00GK1460008SQ00819955
公开日2003年12月3日 申请日期2000年2月22日 优先权日2000年2月22日
发明者珀－阿恩·托斯坦森 申请人:摩根·古斯塔夫森, 珀－阿恩·托斯坦森