激光皮肤烧蚀器和皮肤烧蚀 皮肤问题遍及全社会。人们遭受从诸如良性脱色剂之类的美容剂到诸如恶性黑瘤之类的致命疾病的状况之害。治疗方法包括从美容“掩盖”到外科切除。
特别是，把皮肤外层的去除(或“皮剥离”)用来治疗各情况，如粉刺、老年斑(过多黑色素的表面区域)、浅损害(例如，光化性角化病)、及老化皮肤。图1描绘常人皮肤的横断面。外层或表皮的深度，一般厚度从50-150μm(微米)变化。表皮通过柱状基底细胞的一个胚层与下面的真皮(真皮)隔离开。表皮/皮肤界面的特征在于起伏。基底细胞产生角化细胞的连续供给，角化细胞是表皮的显微组分。称作黑色素细胞的特化细胞也驻留在基底细胞层中，并且产生黑色素。尽管一些黑色素向具有角化细胞的表面迁移，但大部分集中地黑色素保持在基底细胞层中。与基底细胞层相邻的真皮最外层称作乳头真皮，并且乳头在25-100μm的宽度内延伸，由具有可比宽度的网脊(“谷”)隔开。
表皮的去除消除了表面晒伤，包括角化病、着色斑、和细微皱纹。真皮大部分表面部分的去除，即最外乳头真皮的去除，消除了日晒弹性组织变性，并且修正皱纹，而几乎没有或根本没有瘢痕形成。
当前非常流行的一种疗法使用短脉冲二氧化碳(CO2)激光器，来凝结至～50-100μm深度/脉冲的皮肤层。这种疗法有时称作“激光剥离”。CO2激光辐射(在9-11μm的红外线区域中)由水(含在所有组织中)强烈地吸收。当由组织吸收的能量/单位体积足以汽化水时，致使照射区域表面处的组织的显微薄层坏死；(见例如，R.M.Adrian，“在超脉冲激光美容中的概念(Concepts in Ultrapulse Laser Resurfacing)”URL-http://www.lasersurgery.com/physicians.html(1996))。皮肤凝结在由来自CO2激光器的红外线光束照射的区域表面上。在照射之后，机械地除去脱水的、坏死表面层，并且进行另外的照射，重复这个过程直到除去希望深度的组织为止。在医学上看来，比用其他方式，例如液氮、烧灼、化学剥离，以较小的附带损害除去组织；(见例如，E.V.Ross等，“在CO2激光器皮肤美容后的长期效果：扫描和脉冲系统的比较(Long-term results afterCO2 laser skin resurfacing:a comparison of scanned and pulsedsystems)”J Amer Acad Dermatology 37:709-718(1997))。
产生减小的附带损害的辐射特征是：强烈(光学)吸收的波长；和与用于扩散到周围组织中的聚积能量的时间相比，脉冲持续时间较短；(见例如，R.J.Lane、J.J.Wynne、和R.G.Geronemus，“皮肤的紫外线激光烧蚀：治疗研究和一种热模型(Ultraviolet Laser Ablation of Skin:HealingStudies and a Thermal Model)”Lasers in Surgery and Medicine(激光在外科和内科中的应用)，6:504-513(1987))。具有在组织中的吸收系数为～1/50μm-1和脉冲持续时间为～10-100ns(毫微秒)的短脉冲CO2激光器，与连续波(cW)CO2激光器或其他可见的和近红外波长的激光器相比，导致附带损害的减小。但是用短脉冲CO2激光器对病人进行皱纹消除治疗的临床效果表明许多不良的副作用，包括红斑(红肿的皮肤)和结痂，有可能形成瘢痕组织和色素沉着异常(见例如，Andrew Bowser，“在列举的原因中寻找由激光美容造成的并发症-深瘢痕和初步的跟踪研究(AddressingComplications from Laser Resurfacing-Deep scarring and insufficientfollow-up are among causes cited)”Dermatology Times(皮肤病学时代)18,No.9:50-51(1997年9月))。用短脉冲CO2激光器的一个问题是，辐射吸收深度不够浅。另一个问题是从表面除去的聚积激光能量不足以完全防止附带损害。结果，用于“表皮剥离”的这种形式可能相当痛，经常需要全身麻醉和延长的恢复时间。
一种正在普及的较新疗法是使用脉冲铒YAG(Er:YAG)激光器，发射在红外线中2.94μm的辐射，其中水吸收甚至比在CO2波长处更强。Er:YAG光在皮肤中的吸收约比CO2激光强10倍多。当与CO2激光照射的效果相比较时，皮肤的较浅层吸收辐射，并且从表面汽化和烧蚀，留下较薄的、与去除的组织相邻的热损伤和凝结层。还没有观察到超过～50μm胶原变性深度的损伤。(见例如，R.Kaufmann和R.Hibst，“在皮外科的脉冲铒：YAG激光烧蚀(Pulsed Erbium:YAG Laser Ablation in Cutaneous Surgery)”Lasers in Surgery and Medicine(激光在外科和内科中的应用)，19:324-330(1996))。
用Er:YAG激光疗法使皮肤再生，比用CO2激光疗法疼痛较轻、炎症较轻、及治愈较快。用Er:YAG激光的穿透深度较浅，不会象CO2激光那样多地热刺激新胶原生长，从而根除细皱纹不那么有效。皮肤科医师和美容师正在寻找最好用于具有表皮损伤但有较少皱纹的年轻病人，而认为CO2激光最好用于想除去嘴唇和眼睛周围细皱纹的较老病人(见例如，Betsy Bates，“皮肤科医师给出的Er:YAG激光综述(Dermatologists GiveEr:YAG Laser Mixed Reviews)”Skin&Allergy News(皮肤和过敏新闻报道)，28,No.11:42(1997年11月))。尽管穿透深度较浅，并且皮肤实际上被烧蚀而不是仅变成坏死，但烧蚀深度和凝结皮肤的深度限制了精度，用该精度Er:YAG能除去表皮组织，而不损伤下面的乳头真皮。并且在减轻疼痛的同时，许多病人在治疗期间仍需要某种麻醉，并且在治疗之后需要涂敷局部抗菌素/抗微生物剂以防止在治疗期间的感染。
在先有技术中一般还知道，把紫外线波长激光用于内科和牙科用途。见例如，Blum、Srinivasan、和Wynne的美国专利4,784,135，颁发于11/15/88，标题为“远紫外线外科和牙科过程(Far Ultraviolet Surgical andDental Procedures”。还见美国专利5,435,724，标题为“使用脉冲紫外辐射的牙科过程和设备(Dental Procedures and Apparatus Using PulsedUltraviolet radiation)”，颁发于7/25/95，授予Goodman、Wynne、Kaufman和Jacobs。
尚需一种设备和方法：用灵敏的控制在无疼痛的环境中提供皮肤美容，并且通过消除红斑和瘢痕显著减少发病。还需要一种设备和方法：使用精细受控输送的紫外(UV)光，可计数的具有足够注量的烧蚀皮肤的短脉冲数量，以在照射位置除去皮肤的薄层，具有灵敏的侧向精度和深度控制，导致对烧蚀区域周围和下面皮肤的损伤最轻。本发明满足这些要求。
还需要一种设备和过程，能够受控地除去深至乳头真皮的表皮，适应乳头真皮的起伏。本发明满足这样一种要求。
根据上述需要，本发明涉及一种系统(称作皮肤烧蚀器)，该系统能用来完成皮肤的改进“激光剥离”。本发明还涉及一种方法，即皮肤烧蚀，该方法导致表面皮肤的清洁、精确除去，同时使对治疗区域下面皮肤的附带损害最小。
具有本发明特征的、用来除去皮肤的一种外科系统的一个例子包括：一个脉冲光源，能够发送超过烧蚀阈值注量Fth的注量F；和一个控制机构，与光源联接，用来把光从光源引导到皮肤上的位置，并且确定皮肤位置是否已经烧蚀到希望深度。
光源最好是一种激光器，例如：具有约193nm(毫微米)波长的氟化氩(ArF)激光器；具有约248nm波长的氟化氪(KrF)激光器；具有约308nm波长的氯化氙(XeCl)激光器；具有约351nm波长的氟化氙(XeF)激光器；或Er:YAG激光器。
本发明具有其他的特征：通过利用来自皮肤生理学的反馈限制烧蚀深度，即当皮肤已经烧蚀到足以产生出血的深度时血液注入切除区域。血液注入能作为一种“停止点”，以防止进一步的烧蚀，由此有效地终止皮肤烧蚀。然后通过用生理盐溶液洗掉血液能除去血液，清除该区域以便进一步的治疗。
本发明的一种形式利用具有较低血液吸收特性的激光器，如ArF激光器，以把皮肤烧蚀到足以产生出血的深度。然后利用一个第二激光器，如具有不同波长和较高血液吸收特性的UV光源激光器，透入血液，把它加热到足以凝结血液，阻止以后的出血，而留下具有完整愈合能力的组织，没有瘢痂组织的形成。
其中激光器是ArF激光器的这样一种系统的一个例子进一步包括：一个凝结光源，具有与ArF激光器不同的波长、和较高的血液吸收特性；用来在给定皮肤位置处检测血液出现的装置；及响应在给定皮肤位置处的检测，用来切换到凝结光源的装置。
凝结光源的例子包括：具有约248nm波长的氟化氪(KrF)激光器；具有约308nm波长的氯化氙(XeCl)激光器；及具有约351nm波长的氟化氙(XeF)激光器。
本发明仍具有其他的特征：提供精确的侧向和深度控制，允许除去深至乳头真皮的表皮，跟随乳头真皮的起伏，从而即使在相邻网脊中除去表皮，也不会透入乳头。这种侧向和深度控制可以通过由光谱检测帮助的认真观测实现，以辨别何时已经除去表皮，露出下面的真皮，这种控制具有适合于隔开乳头真皮起伏的空间分辨率。
本发明的侧向和深度控制是优于先有技术的一个优点，先有技术的激光剥离在这样的波长下操作：导致烧蚀区域下面组织中的热损伤，烧蚀区域使其下面的组织变性和凝结。例如，当前CO2激光器的使用使得难以，如果不是不可能的话，根据实时观测和/或反馈控制确定烧蚀已经透入多深。
因而，本发明还具有其他的特征：提供一种反馈控制机构，该机构利用诸如可确定的皮肤层的颜色、外观和漫反射率(remittance)之类的光学特征。使用紫外光烧蚀，烧蚀区域下面的组织将保持其未损伤的形态和颜色，允许实时确定烧蚀是否已经进行到正确的深度，例如，达到或刚好超过表皮-真皮界面。
本发明的另一个例子包括，一种通过检测靠近或处于表皮/真皮边界处的颜色变化用来可控制地烧蚀皮肤的装置。控制机构可以是一种反馈控制机构，包括：一个照亮皮肤的第二光源；和至少一个带有一个输入端和一个输出端的光检测器；输入端从第二光源接收散射/反射/发荧光的光，而输出端响应在输入端处的第二光源，向系统提供一个反馈信号，使光源在给定位置处被禁止。第二光源的例子包括可见光源、红外光源、和环境光源。第二光源的另一个例子是既由表皮黑色素较强吸收又由皮层较强漫反射的(remitted)光源。
而且，本发明具有起自动除去皮肤作用的特征，其中在一个计算机系统的控制下，在皮肤指定区域的上方能准确和可重复地扫描烧蚀激光束，该计算机系统利用实时观测和/或反馈来控制在每个位置处的烧蚀深度。通过一个附加可见校准激光器，采用一个输入装置在要治疗的皮肤区域上方扫描校准光束，并且记录烧蚀激光束在相同扫描范围上方随后自动扫描的光束位置，可以指定要扫描的区域。要不然，通过用摄象机记录区域的图象、和在数字图象上指定要治疗的位置，可以规定要治疗的区域。
具有本发明特征的一种自动系统的一个例子包括一个校准和记录机构，该机构包括：一个可见光激光器，发射照亮与烧蚀光重合位置处皮肤的光束；用来跨过皮肤上的位置扫描光束的装置；及用来记录扫描光束位置的装置，它联接到用来扫描的装置上，用于烧蚀光源跨过皮肤上位置的随后自动扫描。
计算机和控制机构的一个例子包括：一个或多个可旋转反射镜，这些反射镜定位在光源路径中，以便可控制地扫描光源；一个或多个电机，联接到反射镜上，用来成角度地旋转、和反馈一个或多个反射镜的角位置；及一个计算机，联接到光源和电机上，用来控制电机、和在皮肤上的给定位置处选择性地关闭光源。
在另一个例子中，计算机包括一个反馈控制系统，联接到光源上，以便在皮肤上的给定位置处选择性地关闭光源。关闭机构可能是一个有源遮片阵列，联接到反馈控制系统上，用来在已经烧蚀到希望深度的给定位置处选择性地关闭光源。
本发明的又一个例子是一种机器人/激光系统，进一步包括：一个摄象机，用来观察皮肤上诸位置的图象；一个计算机，联接到摄象机上，该计算机带有一个用来显示的输出端、和一个用来指定激光指向的皮肤位置的输入端。
最好，机器人/激光系统进一步包括：一个或多个可旋转反射镜，这些反射镜定位在光源路径中，以便可控制地扫描光源；一个或多个电机，联接到反射镜上，用来成角度地旋转、和反馈一个或多个反射镜的角位置；一个照亮烧蚀皮肤的第二光源，其中来自第二光源的光从烧蚀位置散射/反射/发荧光；一个带有一个输入端和一个输出端的光检测器；输入端从第二光源接收光；而输出端联接到系统上、且向系统提供一个反馈信号，以便在给定位置处禁止脉冲光源。
最好，机器人/激光系统包括一个配准机构，用来建立在一个病人参照坐标系中的点坐标、与在机器人/激光器参照系中的相应位置的关系。配准机构的一个例子包括：用来把基准固定到皮肤上的装置；一个可移动跟踪激光器，联接到计算机上，用来记录基准的3维坐标；及三角测量装置，用来建立基准在跟踪激光器参照系中的3维位置。配准机构的另一个例子包括：用来建立在位置变化之后在病人参照系中对应于皮肤区域的点、与在所述位置变化之前在病人参照系中皮肤的相同区域的关系的装置。而配准机构的另一个例子包括：通过建立在数字图象中定义的皮肤区域上的点、与病人皮肤区域的关系，用来准确引导光源的装置。
一种可选择的配准机构包括：用来把基准固定到皮肤上的装置；一对摄象机，联接到计算机上、并且相对于机器人/激光系统安装在固定位置处，用来记录基准的坐标；校准装置，用来由一种预定校准变换建立摄象机的固定位置与机器人/激光系统的关系；及一种摄象机模型，用来映象2维摄象机图象中每个位置与在映象到其上的成象空间中的一组3维点之间的关系。
本发明机器人/激光系统的另一个例子包括：一个摄象机，用来观察皮肤上位置的图象；一个计算机，联接到摄象机上，该计算机带有一个用来显示的输出端、和一个用来指定皮肤位置的输入端，激光被引导到该皮肤位置；一根可弯曲光纤束，带有一个输出端部和一个输入端部，输出端部连接到固定到病人身上的遮片上，而输入端部适合于以预定方式接收光源；及一个可拆除的反射镜，靠近输入端部定位，用来用摄象机经光纤束观察皮肤。
除用来除去美容缺陷外，即皮脂角化病和着色斑，皮肤烧蚀器/皮肤烧蚀还能提供一种常用的方法，以治疗表皮的其他病状，包括博温氏病(癌前皮炎)、外卫性疣、扁平疣、扁平苔癣状角化病(LPLK)、及光化性角化病。这样，本发明提供了一种用来治疗大范围普遍皮肤状态的设备和方法。
而且，有许多本发明的其他用途：(ⅰ)皮肤烧蚀的精确表面能力允许“标记”组织，即在病人身上或在活组织检查样品上划有辨别标记；(ⅱ)通过把感染区域烧蚀到希望深度而不损伤下面的组织，可以治疗趾甲的局部真菌感染；(ⅲ)通过用皮肤烧蚀器烧蚀可以除去灼伤焦痂(严重灼伤的结果)，沿焦痂的可变厚度运动，并且一露出健康的、有活力的组织就在每个位置处停止；(ⅳ)对于消除手术引起的转移，可以通过皮肤烧蚀除去恶性黑瘤，即没有活的癌细胞释放到病人身体系统内；(ⅴ)可以治疗有细菌或病毒感染(例如爱滋病)的病人，而没有由表面烧蚀的组织将包含活病毒粒子或其他微生物的危险，因为皮肤烧蚀把烧蚀材料分解成小的惰性分子或原子碎片；(ⅵ)具有大疱性表皮松解罕见状态的病人，即使在很小的表面切口和伤口之后其柔弱的皮肤也不能自愈，能使表皮疾患由皮肤烧蚀除去，而不危及其脆弱的真皮；及(ⅶ)可以用高精度治疗在睑板缘处的睑疾患，如汗腺囊瘤和睑板腺囊肿(睑腺炎)，产生对睫的最小损伤，并且使睑板缘中的切迹或其他凹窝的可能性最小，这些损伤会影响泪流动和在睑内表面上的粘液分布。
一种另外的用途是使用皮肤烧蚀除去基底细胞癌。这里，能选择性地用提供疾患与周围健康组织之间差别的外源试剂标记疾患。通过标准组织治疗，即用化学制品着色组织，使基底细胞癌同活组织检查样品中的周围组织区分开。这样的组织学用来进行活组织检查中的基底细胞癌诊断。着色剂能直接涂在病人身上，提供基底细胞癌的可见区别，这样的区别用来引导皮肤烧蚀器以最小的附带损害除去疾患。
通过参考参照附图的附加详细描述，对于熟悉本专业的普通技术人员本发明的这些和其他特征和优点将是显而易见的，在附图中：
图1描绘常人皮肤的横断面；
图2描绘按照本发明建造的设备的一种形式；
图3描绘按照本发明建造的设备的一种形式；
图4A描绘设备的一种形式，包括按照本发明直接与病人相互配合的外科医生；
图4B描绘设备的一种形式，包括按照本发明的扫描激光束装置；
图4C描绘设备的一种形式，包括按照本发明经遥控机构与病人相互配合的外科医生；
图5描述设备的一种形式，包括按照本发明经遥控机构与病人相互配合的外科医生；
图6有助于解释图4C和图5设备的操作；及
图7-10描绘按照本发明建造的一种设备的例子。
作为综述，紫外光以取决于光注量F的速率除去组织的薄层。有一个阈值注量Fth，并且用超过Fth的F照射的组织表面处的区域，对于每个(短的)光脉冲被烧蚀到约1μm的深度。在烧蚀区域下面且与之相邻的未被烧蚀的组织吸收一些光，并且损伤到稍小1μm的深度，基本上到亚细胞深度。连续的光脉冲除去另外的薄层，并且在最后的脉冲之后，在经受损伤的烧蚀区域边缘处，仅有超薄的、亚细胞层的组织。这样，实质上使附带损伤最小。外科医生或医师需要输送F＞Fth的光源和一个输送工具。光源可能是远紫外脉冲激光器，如受激准分子激光器。不同的受激准分子激光器以不同的波长发出辐射，把组织烧蚀到不同深度并且具有不同的Fth。熟知的远紫外受激准分子激光系统包括351nm的XeF、308nm的XeCl、248nm的KrF、及193nm的ArF。所有受激准分子激光系统已经表现出能够发射超过用于人(和动物)组织，包括皮肤，的烧蚀阈值的远紫外光脉冲。
图2描绘具有本发明特征的一种设备的一个例子。如描绘的那样，输送工具可以是一根经其从光源向组织传送光束210的“管”205，带有一个引导光束转弯的可调节转向反射镜215、和一个可调节透镜/遮片系统，如透镜220和在输送端部处的狭缝225，以把光束成形为照射组织处的希望图案。
图3描绘具有本发明特征的一种设备的另一个例子。如描绘的那样，输送工具可以是一根光纤、或一个由一个手持工具310终止的纤维束305，医生或技术员能操纵该手持工具310，以把光束输送到要照射的皮肤区域。
现在参照图1和2，能调节图2的输送工具，以把紫外照射光束聚焦到与表皮的网脊横截面区域相比较小的区域。然后光束能照射该区域，直到完全除去表皮，之后使光束扫描/移动到其中重复该过程的相邻区域，把这个新区域的表皮向下烧蚀到真皮。以这种方式能考虑到不规则表皮/皮肤界面的轮廓。通过以这种方式把紫外激光束扫描过皮肤区域，将以反映乳头真皮的乳头轮廓的深度精度仅除去表皮。
如下面将要更详细讨论的那样，本发明的一个方面采用一种独特的检测方案，使精确地沿轮廓除去组织成为可能。表皮具有黑色素并由此着色，而真皮是白色的。例如，对于白色皮肤组织的出现，医师能观看烧蚀位置。要不然，一个诸如安装在激光工具输送端部附近的光检测器之类的反馈控制机构，能检测在照射位置处的白色组织的第一次出现，发送一个自动使激光束移动到相邻区域的信号，或者使激光束被禁止或阻挡/关闭，直到照射位置移动到相邻区域。光检测器能使用环境光来查看从真皮表面散射的光与从色素表皮组织表面散射的光在比较时之间的光谱/亮度差。光检测器能采用一个适当的滤波器，以当显露真皮时检测光谱形状的变化(与亮度相对)。在另一个例子中，能由从皮肤表面散射的低功率、可见或红外光束照亮照射位置。当显露真皮时，散射强度将变化，为检测器提供能用来扫描或关闭激光束的特征波形。
如图4A中所描绘的那样，要照射的皮肤405也能通过用一种掩蔽材料盖住该区域来确定，这种掩蔽材料除在用于组织烧蚀的希望位置处之外堵塞/吸收/反射辐射。掩蔽材料410甚至能由易受侵蚀材料制成并且制造成有可变的厚度，从而均匀光束侵蚀掉材料，并且仅在已经完全侵蚀透遮片之后才烧蚀遮片下面的皮肤。这样，不同的组织区域会接收到不同的辐射“剂量”，产生具有由小心制造的可侵蚀遮片控制的烧蚀深度的治疗皮肤区域。遮片能浸渍有一种标识材料，例如荧光染料，当遮片正在被侵蚀时，该标识材料能给出一个清晰的可识别信号，一旦完全侵蚀透遮片该信号就停止。要不然，“遮片”能通过涂敷一种“遮阳”乳剂或软膏，例如氧化锌，来实现，以覆盖不希望组织烧蚀的区域。遮阳物必须具有足够的厚度，从而在治疗期间不会完全侵蚀透到下面的皮肤。
一种机器人/激光系统能用来扫描烧蚀激光束，以把精确受控数量的脉冲输送到被照射皮肤区域上的每个位置。图4B描绘具有本发明特征的这样一种机器人/激光系统的一个例子。类似的是阴极射线管(TV)显示器中电子光束的光栅扫描。在激光束一次扫描(或通过)期间输送的能量量，或脉冲数量，足够小，从而通过改变扫描该区域的次数能把适当的剂量施加到每个位置。相反，对于高速的组织去除，初始每次扫描可以输送较大量的能量，其中损失了深度控制的精度，并且接近希望深度。然后，能以逐渐减小的激光能量进行连续扫描，提供增高的深度控制精度，并且允许外科医生微调到零以达到组织去除的希望深度。无论外科医生在扫描之间选择改变或不改变激光能量，一次扫描都可能为对于每个受照射组织位置的一个激光脉冲、或对于每个位置多个脉冲，选择脉冲数量以把组织除去到希望深度。一个例子是固定激光器415，该激光器发射由一个计算机控制的机构引导的光束。如描绘的那样，一种这样的机构可以是一对在轴上成直角地彼此旋转的反射镜420。反射镜能由带有位置编码器的电机(未表示)控制，这些编码器使反射镜旋转角度430的精确、数字指定成为可能。电机能经一个标准A/D、D/A电路控制，该电路与运行标准伺服控制软件的一个计算机425接口。电机编码器信息为微调提供必要的定位信息。最好把这个系统设计成，能够在0.5m的典型目标距离处把激光束精确定位在皮肤上至25μm内的范围。控制方案、编码器、电机、机械精度、及到目标的距离都影响整个精度。我们假定已经校准机器人，并且以足够的精度知道了正反向运动以满足这些准确度要求。
该系统(下面描述的例子)最好能够以要求的精度把激光束定位在皮肤(不规则的)表面上的任何位置。外科医生能通过使用几种可能的技术设置由激光束扫描的区域。例如，外科医生能把物理遮片或板附加到机器人/激光系统上，用于限制光束离开激光装置的反射镜角度范围。要不然，外科医生通过经用户输入装置(如键盘、鼠标、或控制杆)与控制器软件交互作用，能设置反射镜角度范围的大小。一旦外科医生已经固定扫描区域，他通过指令激光系统用可见光扫描，能核实是否是他想要的区域。这允许外科医生预检由激光扫描的区域。如果扫描的区域不适当，则外科医生能重新定位病人或如上述那样调节激光范围。
除了在这些位置处能输送足够用于组织烧蚀的紫外激光外，该系统还能用对人眼或者对电子检测器或成象检测器阵列可见的光照亮要治疗的区域。这种可见光通过照亮在相同位置处的组织用来校准系统，当不是关闭或断开紫外光时，烧蚀紫外光束射到该相同位置处的组织上。要不然，该系统可以是一个两自由度(2DOF)机器人装置，该装置能准确和重复地在指定皮肤区域上扫描激光束。该系统可以是带有从输送端部出射的激光束的2DOF机器人臂。
在本发明的如下形式中，机器人/激光系统能编程为：(ⅰ)依次系统地访问指定区域内的每个位置(全光栅扫描)；(ⅱ)仅访问皮肤表面上一些感兴趣位置；或(ⅲ)在扫描的全部区域内除一些指定区域外进行全光栅扫描。对于这些情况的每一种，一般的过程在(a)指定要照射的组织区域与(b)把这些感兴趣的区域暴露给激光能量之间交替，由此除去组织的薄层，重复步骤(a)和(b)直到完成治疗。
情况(ⅰ)：依次系统地访问每个位置，同时通过使用物理遮片保护某些位置免受组织烧蚀。再参照图4A，机器人/激光系统400能够发射两种不同的激光束，一种紫外辐射激光用于烧蚀及一种可见激光用于校准。对于关闭的紫外辐射激光源，外科医生把可见校准激光束412扫描过要治疗的皮肤区域，由此为系统控制机构指定区域。外科医生然后把物理遮片或掩蔽材料410涂敷到该区域内的这些区406中，该区域在烧蚀扫描期间将被照亮，但不接收治疗，即不被烧蚀。遮片可以由反射材料制成，由此引导紫外激光能量离开下面的皮肤。要不然，可以由一种具有大于该皮肤烧蚀阈值的烧蚀阈值的吸收材料制成。另一种可选择的方法是吸收材料必须有足够的厚度，从而该过程不会一直侵蚀透过遮片。接下来，外科医生打开快门，许可紫外辐射进入，并且用该辐射扫描指定区域407。在全扫描之后，外科医生评价该照射的区域。然后可以把掩蔽材料涂敷到没有更多的组织应该除去的那些区域上。外科医生然后重复这个过程，直到要治疗的所有位置已经烧蚀到希望深度，随着每次重复掩蔽区域扩展。由于要烧蚀的位置通过物理遮片与不烧蚀的相邻位置区分开，所以在过程的所有阶段期间，能容许病人有小的移动。
情况(ⅱ)：仅访问要治疗的较大区域内某些位置，通过一种“电子快门”保护该较大区域内的其他区域免受烧蚀。图4C描绘根据本发明的计算机控制机器人/激光系统402的一个例子，该机器人/激光系统能够发射两种不同的激光束：一种紫外辐射激光用于烧蚀；而一种可见激光用于校准。外科医生象以前那样，通过用校准光412指定要烧蚀的位置来限定这些位置。可以指引和运动校准光以画出要治疗的皮肤位置的轮廓。另外，可以涂敷一种磷光材料，以使画轮廓的区域易于读出。一个诸如操纵杆、鼠标、或力矩传感器之类的输入装置450，能用来把外科医生手的运动转换成用于控制可见光束位置的伺服电机的运动命令。在计算机集成外科手术领域中，众所周知，使用多种或各种3维定位技术，例如机械瞄准装置，把病人身上或体内的特定点位置记录在计算机中。见例如，计算机集成外科手术：技术和临床应用(Computer-integrated Surgery:Technollogy andClinical Applications),Russell H.Taylor等，(编辑)，The MIT Press,5-19页(1996年)(下文称作“计算机外科手术”)。根据本发明，一种机器人/激光系统最好包括用来记录可见光束位置的计算机软件，这些位置已经由外科医生用烧蚀激光指定以便以后“重现”。本质上，外科医生通过把可见光束用作“绘图”工具，直接在病人的皮肤上画出要烧蚀的位置的轮廓。
一个完整的过程可能包含多次重复。作为初始步骤，外科医生能使用可见光412定位系统。然后能画出感兴趣的区域455。在这时，能用可见光预检这些位置，或者把系统切换到烧蚀模式，并引导该系统以提供这些位置的可控治疗。注意，从外科医生指定感兴趣的位置时起到完成烧蚀扫描时止，病人不应该移动。随后病人可自由移动。对于下次重复，可指定感兴趣的新区域，这些新区域可以重叠或不重叠以前的位置，并且重复该过程。该过程重复如此之多的次数，从而把所有指定位置的皮肤烧蚀到希望深度。外科医生一般作出是否还要重复的决定。
在许多情况下，治疗区域可能需要多次重复以达到完全治疗，并且如果病人在重复之间移动，则治疗区域必须由外科医生重新指定。这可能是冗长缓慢的，并且导致不准确的治疗。因而，希望开发一种在先有技术中熟知的、在病人身上治疗区域与机器人坐标框架之间的配准(见例如，计算机外科(Computer Surgery)，75-97页)。根据本发明一种配准技术的更详细例子按照情况(ⅲ)进行，但简短地说，通过确定要治疗的皮肤表面区域的三维(3D)位置，能把区域配准到病人身上。然后当病人移动时跟踪这个表面区域。结果是，在不同的重复之间，即使病人移动，由外科医生指定的治疗位置也能由系统辨别，而不用由外科医生主动地重新指定。该同种能力允许外科医生建立在整个连续重复中的复杂治疗图案。例如，对于在将要“电子掩蔽”的较大区域内的区域附加规定，外科医生能重新照射以前照射过的位置区域。
情况(ⅲ)：系统地在一个区域上扫描烧蚀UV激光，而当某些位置(对其不需要进一步烧蚀)在目标区域中时，自动地“关闭”激光。图5描绘一种具有本发明特征的计算机辅助紫外皮肤烧蚀器系统的一个例子。如所描绘的那样，外科医生能在一个计算机显示器510上病人505的数字图象500上，而不是直接在病人身上，指定感兴趣的位置。这将使区域编辑功能较容易使用。一个摄象机515能安装在该系统上，从而要治疗的皮肤区域处于其视场内。该系统最好如此配置，使数字图象可利用计算机525进行显示、图象处理、和交互作用。为了保持在摄象机图象500中的指定区域、与将由烧蚀激光550扫描的区域530对应，这两个区域必须彼此相对地配准(在下面描述配准)。
作为概括，外科医生能使用可见校准光照射病人，并且进行扫描，以便得到系统相对于病人的适当初始位置。外科医生记录(“快拍”)病人的图象。然后，能进行自动(或半自动)配准，以用摄象机图象校准激光系统。现在病人一定不能移动，直到完成用烧蚀紫外激光扫描。使用鼠标、操纵杆、或触摸屏幕，外科医生在数字图象上指定要治疗的位置。对这种数字图象的研究充分利用了计算机的图形能力，以提供编辑技术的一个丰富平台，如区域增大、区域收缩、反转、画轮廓、颜色辨别等。外科医生然后使用烧蚀激光治疗该指定位置。病人然后可以移动。然后对于另外的重复，重复该过程(快拍图象、配准、指定位置、烧蚀)，直到外科医生确定完成治疗。
配准：情况(ⅱ)和(ⅲ)可能需要某种类型的配准，以建立在一个参照坐标系中一个点坐标、与在一个不同参照坐标系中的其对应位置的关系。在情况(ⅱ)中，对应于病人皮肤区域上的点(在病人的当前位置)可能需要建立与早先限定的皮肤区域的关系(在病人移动之前)。在情况(ⅲ)中，必须使数字图象中限定的皮肤区域与病人身上的皮肤区域有关，从而能准确地瞄准烧蚀激光束。
参照图6考虑情况(ⅱ)，图6描绘参照系和根据本发明的配准所需要的这些参照系之间转换的一个例子。为了使病人移动后的皮肤区域与移动前的相同皮肤区域配准，相对于固定到病人身上的坐标系统“P”首先限定该皮肤区域。然后该坐标系，相对于与机器人/激光系统有关的660坐标框架“R”，由安装在机器人/激光系统上的一个可见激光器605重新配准。这样的配准能如此完成，通过把几个标记或基准610固定在病人身上，当跟踪激光器处于一个安装位置时把跟踪激光束607对准每个基准，把跟踪激光器运动到第二安装位置，并且重复对准过程，由此通过三角测量建立R中每个基准的3维位置。机器人辅助外科手术室的使用，特别是基准标记用于配准，在先有技术中是众所周知的。见例如，Kazanzides等的“一种用于无粘骨粉髋骨复位的集成系统(An Integrated System for CementlessHip Replacement)”,IEEE医药工程和生物学杂志14(IEEE Engineeringin Medicine and Biology Magazine 14),307-313页(1995年)。
更详细地说，病人坐标框架P通过基准610确定。这个参照系P是由向量x、y和z构成的标准正交基。例如，病人坐标框架P的x轴可以是由从第一基准f1到第二基准f2的直线形成的一个向量，用f1作为框架P的原点。另外的基准可以置于位置f3和f4处。对于在参照系R中建立的基准610的3维位置，可以使用Gram-Schmidt正交化，以便按照x和基准610的坐标(在R中)来定义y和z。这种正交化过程的描述给出在Edwards和Penney，基本线性代数(Elementary Linear Algebra),241-242页，Prentice-Hall,Englwood Cliffs,NJ,(1988年)。然后以直接方式计算两个参照系P与R之间的转换RTP。在病人移动的任何时候，例如从位置0到位置1，病人框架从P0变化到P1，并且通过三角测量能建立一种新的转换RTP。
病人参照系中感兴趣的区域通过构成经过基准的一个表面620(“基准表面”)来确定。当外科医生用跟踪激光器辨别感兴趣的区域时，这个光束在一组位置625处与基准表面620相交。对应于这些交叉点的3维点组固定在病人坐标框架P中，即使当病人移动时也是如此。因此，为了在病人移动后配准感兴趣的区域，只需计算对于基准新位置的转换RTP。在情况(ⅲ)中对于摄象机记录的病人数字图象的配准具有许多与情况(ⅱ)的相似之处。而且，按照病人坐标框架P，通过校准激光与经已知基准位置610和交叉点位置625建造的表面620的交叉点，确定感兴趣的区域。主要差别在于，通过三角测量，使用两个摄象机630而不是使用一个跟踪激光器的两个不同位置，确定基准的位置。摄象机能安装在相对于机器人/激光框架660的任何固定位置。其相对于机器人/激光框架660的位置(测量框架“M”)，从医疗过程之前确定的校准转换RTP得知，并且在这个过程的进行中不改变。熟悉本专业的技术人员将会理解，可选择的是，通过把摄象机移动到两个不同位置能使用一个摄象机。最好在过程之前还建立了一个准确的摄象机模型，从而得知2维摄象机图象中每个位置(象素)与映象它的3维点组(在一个锥内)之间的关系。给出这个摄象机模型，当外科医生快拍图象时，捕获一对立体图象，并且可对计算机(未表示)进行访问。熟知的图象处理技术能用来辨别基准610和建立病人参照系P的坐标轴(x、y、z)。在一对摄象机图象中建立基准图象之间的对应关系时的模糊性(例如，如果在该对图象中的一个图象中的一个基准由第二个基准遮蔽，而在第二图象中两个基准都给出清楚的点)，可以由外科医生根据他对病人的肉眼观察解决。(见例如，D.H.Ballard和C.M.Brown，计算机观察(Computer Vision)(Prentice-Hall,Englwood Cliffs,NJ,1982年)，88-93页)。外科医生然后能直接在计算机屏幕上的图象之一上指定感兴趣的区域，如上述的那样。如在配准情况(ⅱ)中那样，系统把这种指定变换到病人框架P中感兴趣的区域中。该系统然后能遵循这种手术计划，即确定对应于屏幕上指定区域的机器人/激光烧蚀位置组。
使用用来定位基准610的摄象机630的可选择方法包括利用一个3维数字化仪640(光学跟踪固定到病人身上的发光二极管标记的一个摄象机阵列)，例如，一种OPTOTRAKTM装置(制造商是Northern Digital,Inc.(北方数字有限公司)加拿大)(见例如，R.H.Taylor等，“在IBM ThomasJ.Watson研究中心的计算机集成手术室概述(An overview of computer-integrated surgery at IBM Thomas J.Watson Research Center)”IBM J研究与开发40(IBM J Research and Development 40)172页(1996年)或校准的对准装置650(伸出和指向基准610的机械操纵指针)，例如VIEWINGWANDTM(由ISG Technologies,Inc。制造，加拿大)。几种安全特征能装入紫外烧蚀器中。外科医生作出关于哪个皮肤区域要治疗、和多少个光脉冲落到组织的每个位置的决定。他然后能把机器人/激光系统设置在“自动驾驶”上。但外科医生要查看过程，并且能随时介入，掌握着系统的“手动”控制。这点象一旦选择了巡航速度就把汽车置于巡航控制中，但具有通过触及刹车脚踏板立即收回控制的能力。
而且，至今由于用计算机控制向病人皮肤的烧蚀能量输送，所以受照射皮肤的每个位置能标记，并且由计算机记录其历史。然后，预先设置安全阈值，系统将不会输送超过该阈值的脉冲，而不用由外科医生发出明白的命令。
图7描绘根据本发明、用来向病人皮肤输送激光能量同时允许病人在整个过程期间移动的一种可选择系统的例子。如描绘的那样，系统包括一个光纤束710，光纤束710的一端夹持到病人戴的遮片715上，而另一端，输入端720，由烧蚀激光束725以预定方式扫描。光纤束710最好是可弯曲的并且与病人皮肤邻接。外科医生经光纤束710的输入端720，使用例如一个卡入用来观看的位置的反射镜730，能观看皮肤。这个反射镜730弹离用于烧蚀的路径，象单镜头反光(SLR)摄象机那样工作。对于到位的观看反射镜，一个摄象机735能观测病人皮肤，把其图象750输送到一个计算机740和计算机显示器745，并且外科医生能标记要治疗的区域，如在情况(ⅲ)中那样。随着观看反射镜730移动变位，烧蚀能进行，激光700以预定模式穿过光纤710的输入端720扫描。进行连续观看、标记、和烧蚀重复，直到完成该过程使外科医生满意。这个光纤束710的使用消除了在每次重复之间的重新配准，因为光纤束输出端在过程期间相对于病人不移动。
方法-UV皮肤烧蚀：根据本发明通过脉冲紫外光的皮肤烧蚀，能以对下面真皮的极小损伤和极小的瘢痕组织和红斑除去表皮组织。由于每个紫外光脉冲除去小于细胞层的组织，所以能够以很高的精度控制该过程，把皮肤烧蚀到希望深度且一点也不过。
在一个最佳实施例中，把皮肤烧蚀到出血刚好开始的深度，而没有更深的透入。所以要求过程在一旦检测到出血就停止烧蚀。要不然，在出血初次线索出现时能减慢该过程，并且使之在另外的、可调节的预定深度处完全停止，该深度取决于病人的皮肤状态。再参照图1，远比表皮厚的真皮(高达4毫米厚)没有几个细胞，并且大多是结缔组织或纤维。血管穿过真皮。皮肤大量充满血液。平均血液流动比皮肤细胞营养必须的最小流动大许多倍，因为皮肤血液流动起整个机体的热调节器的作用。因而刚好在基膜下面的深度处有大量血液流动。一旦烧蚀过程刺穿毛细管壁，血液就充入切口。
对本发明的目的来说，血液以一种非常重要的方式不同于周围的真皮：血液中的含水氯离子是200nm以下波长的紫外辐射的强烈吸收剂，吸收在190nm处最大。这种吸收不同于由细胞和蛋白分子对紫外光的吸收：吸收的能量不迅速递减为热量。所以作为血液主要成分的“盐水”将“阻塞”入射的紫外光，并且减弱或完全停止烧蚀过程，这取决于多少血液汇集在切口的凹坑中(紫外光子能量把一个电子自氯离子分离，留下一个氯原子和溶入水中的溶剂化电子。最后，在与烧蚀和热扩散时间相比较长的时标上，电子将遇到中性的氯原子，并且重新结合形成离子，放出光致分离能量加热，但温度上升将会极小，并且对组织的活性和形态没有影响(见例如，R.J.Lane、R.Linsker、J.J.Wynne、A.Torres和R.G.Geronemus,“皮肤的紫外激光烧蚀(Ultraviolet-Laser Ablation of Skin)”Archives ofDermatology(皮肤病学档案)121:609-617(1985年)；和E.Rabinowitch，“电子转移光谱和其光化学效应(Electron Transfer Spectra and TheirPhotochemical Effect)”Reviews of Modern Physics(现代物理回顾)14:112-131(1942年))。利用该效应的一种方法是水平定向要治疗的皮肤表面，并且从上方把在光致分离能量光谱区域中的紫外辐射，例如在193nm下的ArF激光辐射，引导到目标表面。随着血液充入切口，它将在重力的影响下汇集，并且起“堵塞”另外的组织烧蚀的作用。要不然，病人可以坐在舒适的位置，并且在刺透毛细管壁时出现的点状血斑将用来堵塞血点下面组织的进一步烧蚀。由于治疗的皮肤厚度是变化的，所以皮肤的不同区域将在不同的穿透深度处开始出血，但对于皮肤的每个区域，自然出现的出血将堵塞适当深度处的烧蚀。
在皮肤烧蚀过程的各点处，将希望除去血液或阻止流血，以防止遮蔽治疗区域。血液能用生理盐溶液洗掉，但这种溶液将继续起“堵塞”由在光致分离能量光谱区域中的紫外辐射(例如193nm的ArF受激准分子激光器)的进一步烧蚀的作用。出血区域也能用去离子水洗涤，去离子水对于ArF、KrF、XeCl、及XeF受激准分子激光器的紫外波长的辐射是透明的。
图8描绘一种具有本发明特征的双激光系统。如描述的那样，来自ArF激光器810的第一193nm辐射能用来烧蚀皮肤815，直到出血堵塞烧蚀。其次改变波长(例如，通过使用装有产生较长波长光的气体混合物的第二激光器820，如KrF、XeCl、或XeF)，从而第二波长下的辐射将不会由光致分离堵塞，而将由血蛋白吸收，把它加热到足以凝结血液。因而，阻止进一步出血，而组织保持愈合的完整能力，而不会形成瘢痕组织。
图9描绘根据本发明的系统的另一个例子。如描绘的那样，使用瞄准皮肤以重叠紫外辐射955的可见照亮激光910，能检测出血的证据，治疗从皮肤粗糙表面散射的这个可见光束915，以形成由医师的眼睛或由安装在治疗的组织附近的一个光检测器930能检测到的可见“光点”。当血点出现时，一小部分可见激光束从液体的表面镜面反射，而大部分可见激光束将由血液中的红细胞内的色素(血红蛋白)吸收，导致到达光检测器的光大大地减少。这种信号减少能由终止手术过程的控制信号960反馈给紫外激光器950的电源，或反馈给光束快门。
要不然，代替透入毛细管真皮到足以引起出血的深度的是，通过对白色真皮边界925的第一次出现的监视，能检测表皮的完全烧蚀。当全部除去着色表皮和基底细胞时，第一次露出真皮。例如，能响应检测白色皮肤组织920，扫描和关闭小横截面(与乳头面积或网脊相比)的聚焦激光束955。这种颜色变化能由医师的眼睛观测到。要不然，由监视来自可见激光束915的散射光量的光检测器930能检测颜色的变化。为了提高在环境光存在时检测颜色变化的能力，光检测器930可以装有一个调谐到照亮可见光激光束915的颜色的滤波器。通过把检测光限制到围绕可见激光的窄光谱区域，检测方案在所有其他颜色下忽视环境光，由此提高检测皮肤边界外观和用于反馈以终止手术过程的精度。
图10描绘具有本发明特征一种激光系统的另一个例子。如描绘的那样，一个激光系统1010能把激光束1050施加到较大的区域上方，包围多个乳头轮廓。一个在光束源1010与皮肤之间的有源遮片1060，能用来关闭光束的选择区域(图10)。遮片1060能由一个检测器1070或一个检测器阵列控制，从而照射的每个皮肤区域能向一个控制系统1080提供一个基于颜色变化的反馈信号1075，控制系统1080然后禁止或关闭在一对一“映象”中、照射该区域的激光束的一部分。回想一下，表皮1005包含黑色素，而皮肤层1020是白色的。这个遮片能电气-光学地控制，或者甚至由转入光束以便堵塞选择区域的一个不透光的片状物阵列机械地关闭。遮片1060可以放置在光束相对散焦位置处的烧蚀激光束1050中，覆盖一个较大的区域。在这样一个位置处，激光束1050具有这样低的强度和这样低的注量，从而不会损害遮片。在这个位置处，阵列的每个元件可以较大。当光束由投影透镜1065聚焦到皮肤上的较小区域1090上时，穿过每个元件的光将相应地缩小及增强。以这种方式，由遮片阵列透射的光图案可以投影到皮肤上的相应较小区域，产生适于跟随表皮/皮肤边界轮廓的横向精度。另外，聚焦增大了激光束的注量，保证它在用于烧蚀的阈值以上。这样，能以高的深度精度和横向控制，可控制地烧蚀表皮1005正好到皮肤边界，尽管皮肤/表皮界面1015的轮廓是不规则的亦是如此。
在一个实施例中，光检测器1070与一个照亮激光器910一起使用并且响应它，如图9中所描绘的那样。人们知道，皮肤能粗略地模型化为一个多层光学系统(见光医学科学(The Science of Photomedicine)，由JamesRegan和John Parrish编辑，Plenum Press,NY,(1982年)，第6章，147-194页，在这里参考引入其全部内容)。晒伤防护与皮肤中黑色素着色程度之间的关系是众所周知的。这是因为存在于表皮中并且大部分集中在基膜中的黑色素，是较短波长可见光和紫外辐射的强烈吸收剂。在约从350nm至1300nm的光谱区内(包括从350nm至400nm的近紫外、从400nm至700nm的可见光、及从700nm至1300nm的近红外)，一般能把表皮模型化为一个光学吸收元件，而下面的真皮起其漫反射率随波长而增加的扩散反射器的作用。在这个区域中的表皮漫反射基本上由皮肤表面处的规则反射造成(对于通常的入射光束为～5％)。外部(紫外、可见光或红外)照亮激光的漫反射率变化(如由光检测器(930、1070)检测的)，可被反馈以选择性地关闭紫外激光或有源遮片1060，这种变化由完全除去含黑色素的表皮造成。例如，照亮激光可以扫描过经遮片阵列1060烧蚀的区域，顺序照亮对应于遮片阵列元件之一的投影图象的每个区域。由光检测器1070检测的散射光然后能提供反馈信号1075，以在遮片阵列的位置选择性地关闭激光束，遮片阵列的位置投影到已经烧蚀到希望深度的区域上。仅作为例子，人们知道在330nm-400nm和650nm-700nm处，黑色素是高吸收性的而皮肤吸收是可忽略的。对于在这些光谱区之一中的照亮激光发射光的波长，可以选择光检测器以传送其响应漫反射率的增大(或减小)的控制信号。
作为着色表皮的色素的黑色素，起源于基底细胞层中的黑素细胞。一旦除去基底层，必须再生一个新的基底层，以便向上面的表皮提供色素。如果皮肤除去到这样的深度，以致于包括在除去区域中的毛囊损害得太严重，则毛囊将不能起用于再生着色基底层的“种子”的作用，并且愈合区域将显得比周围皮肤白得多(包含很少的黑色素)。本发明的紫外皮肤烧蚀方法和设备便利地提供了这样精密的深度控制，从而毛囊将免于损坏，保持有活力并且能够起完整功能的基底层的再生源的作用，包括能够提供与周围皮肤匹配的色素的新鲜黑素细胞。
在除去基底细胞癌的紫外皮肤烧蚀用途中，要治疗的皮肤能首先由一种外源试剂染色，一种诸如那些用于活组织检查样品的显微解剖准备的化学制品。这将用提供与周围健康组织有差别的颜色和暗色来“标记”疾患。然后图9的方案能用来控制烧蚀过程，用可见激光束照射烧蚀点处的组织上，测量散射的可见光以确定该点在表面处是有疾患组织还是健康的组织，及当健康组织在照射点处时，这种测量用来控制紫外光束的关闭。在包含基底细胞癌的指定区域上能进行扫描，并且这种扫描能重复足够的次，直到完全除去疾患，所说次数通过由散射的可见光导出的测量信号确定。