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KR102004169B1 - 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치 - Google Patents

의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치 Download PDF

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KR102004169B1
KR102004169B1 KR1020190011891A KR20190011891A KR102004169B1 KR 102004169 B1 KR102004169 B1 KR 102004169B1 KR 1020190011891 A KR1020190011891 A KR 1020190011891A KR 20190011891 A KR20190011891 A KR 20190011891A KR 102004169 B1 KR102004169 B1 KR 102004169B1
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KR
South Korea
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laser
output
cooling
laser cavity
mirror
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Inventor
김정현
백영준
문준영
조성철
Original Assignee
원텍 주식회사
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치에 있어서, 복수개의 레이저 캐비티와, 상기 복수개의 레이저 캐비티가 순차적으로 출력한 광을 단일 경로로 가이드하여 단일 출력 레이저를 형성시키는 광학계로 구성된 광 공진부; 상기 레이저 캐비티의 매질을 여기시키는 에너지를 결정하여 상기 광 공진부를 제어하는 프로세서부; 및 상기 광 공진부의 온도를 제어하는 냉각부를 포함하고, 상기 프로세서부는, 상기 레이저 캐비티의 초기 펄스를 제어하는 과정에서, 펄스폭이 점진적으로 커지는 오프셋 신호를 인가하여 상기 레이저 캐비티의 설정된 출력값에 도달시 상기 오프셋 신호의 펄스폭을 고정함으로써 상기 광 공진부의 오프셋을 조정하는 것을 일 특징으로 한다.

Description

의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치{MEDICAL MULTI-LASER AMPLIFICATION OUTPUT DEVICE}
본 발명은 복수개의 레이저 캐비티로 레이저 출력을 증폭하여, 절개와 동시에 지혈이 가능한 레이저 광을 출력하는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치에 관한 것이다.
의료 시술에 있어서 기본적인 도구로 인식되고 있는 레이저는 다양한 파장(Wavelength)과 높은 에너지밀도(Fluence), 그리고 동작 방식에 따라 펨토(10-15)초 동안의 짧은 펄스에서 수백 밀리(10-3)초에 이르는 펄스폭을 제공하는 레이저의 특성을 활용하여 색소병변이나 혈관병변 등을 선택적으로 치료할 수 있는 방법이 소개되면서 의학적 응용에 활발히 적용되고 있다. 레이저는 파장과 에너지 특성에 따라, 인체 조직을 소각시키는 아르곤 레이저, 눈으로 식별이 가능하여 레이저 침술이나 혈류 속도 측정에 사용되는 헬륨네온 레이저, 칼로 조직을 떼어내는 것과 같은 성질을 이용한 CO2레이저, 절개하는 성질을 이용하여 치료에 이용되는 야그(YAG) 레이저 등으로 분류된다.
기계적인 수술을 하기 위해서 시야가 크게 확보되는 개복을 필요로 하는 것에 비하여, 수술용 레이저는 매우 좁은 구멍을 통해서 인체 내부로 입사시키고 이를 광섬유 내지는 소형 내시경 카메라와 연계함으로써 최소 침습으로 수술이 가능한 장점을 갖는다. 적용의 예시로는, 전립선 시술, 후두암 시술, 심장 레이저 시술, 디스크 수술 등이 있다. 수술용 레이저 장비는 최소 침습 시술법의 확산으로 전 의학 분야에서 활발히 적용되고 있으며 더욱 짧은 펄스, 및 높은 출력의 레이저 장비 개량에 연구가 활발한 실정이다.
전립선 시술에 적용되는 수술용 레이저를 예시로 설명하면, 종래의 경우 앤디야그(Nd:YAG) 레이저가 주로 사용되었다. 앤디야그 레이저는 저출력 방식이라 레이저의 파워가 약해 불필요한 조직을 제대로 기화시키지 못했으며, 전립선 조직에 레이저를 쪼이면 주변의 정상 조직이 타거나 붓는 불편이 발생했다. 앤디야그 레이저는 시술 후 부어오른 전립선 때문에 환자가 2주 이상 소변줄을 지니고 요양을 하기도 하였다. 이후, KTP 레이저 기법이 도입되었다. KTP 레이저는 파워가 강한 고출력 방식으로 비대해진 전립선만 정확하게 표적으로 삼아 태워 없앨 수 있는 강점이 있었다. 하지만, KTP 레이저도 전립선 조직이 엄청나게 비대해진 경우에는 한계를 보였다. 최근에는, 한층 더 진보된 기법으로 약 2100nm의 파장을 갖는 홀뮴레이저를 이용한 전립선 시술(HoLEP 기법)이 주목받고 있다. 홀뮴레이저는 요도를 통해 기구를 삽입한 후 안쪽에서부터 바깥쪽으로 조직을 뜯어낸다. 홀뮴레이저는 조직을 파쇄하여 제거하는 종래의 레이저 기법보다 부작용이 적고 비대해진 전립선 조직의 완전 제거가 가능한 강점을 갖는다.
본 명세서에서는 전술한 치료용 레이저로서, 특히 홀뮴레이저 장비에 적용 가능한 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 개시한다. 의료용 레이저 장비는 고체 상태의 이득 매체를 레이저 상태로 여기시키기 위해 광 펌핑 수단을 사용한다. 예를 들어, 이득 매체는 원통형 레이저 로드이고 광 펌핑 수단은 로드에 평행하게 위치되어 길이 방향으로 연장된 플래시 램프일 수 있다. 대부분의 이득 매체는 레이징 동작 중에 높은 온도에서 유지되어야 한다. 그러나, Ho:YAG(홀뮴야그) 또는 Ho:YLF 재료 및 다른 Holmium이 도핑된 이득 매체는 레이징 동작 동안 낮은 온도에서 유지되는 것이 바람직하다. 대부분의 광 펌핑 수단은 온도를 높은 레벨로 증가시키므로 상기의 레이저 시스템에서는 냉각 시스템이 필요하며, 대략 섭씨 +10°에서 -10°범위를 유지시켜야 한다.
관련 종래기술로 미국등록특허 제9939631호(이하 ‘선행특허’라 약칭한다)는 순차적으로 펌핑되는 복수의 레이저 캐비티를 갖는 장치를 개시한다. 상기의 선행특허는 복수개의 레이저 캐비티의 출력 레이저를 서보 미러의 중심점에 컨트롤하기 위한 제어 구성을 시사한다.
의료용으로 사용되는 수술용 레이저 장비는 출력 레이저를 형성하는 과정에서 고도의 정밀함이 시스템적으로 요구된다. 레이저 집속을 위한 광학계 미러의 배치, 각도, 곡률에 있어서 대단한 민감성이 요구되고, 다채널의 레이저 캐비티를 갖는 광 공진부의 특성상 오프셋의 조정 또한 대단히 어려운 기술적 문제가 된다. 뿐만 아니라, 레이저 캐비티의 온도 조절도 레이저의 성능에 영향을 미치며 높은 온도에서 유지되는 종래의 이득매체와 달리 홀뮴레이저 장비는 낮은 온도 유지를 위한 냉각 시스템이 적절하게 구비되어야 한다. 또한, 의료장비의 특성상 장비의 고장시의 안정성도 보장될 수 있어야 한다.
이에, 본 출원인은 서보 미러의 레이저 집속에 유리한 광학계의 구성과 정밀한 오프셋의 조정 및 안정적인 시퀀스 제어가 가능하고, 광 공진부의 적절 온도 제어가 가능한 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 고안하게 되었다.
미국등록특허 제9939631호
본 발명은 레이저 캐비티에서 공진되어 나가는 레이저의 발산각을 최소화하여 광 섬유에 입사가 유리한 광학계 구성을 갖는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 장비 및 온도 등의 환경에 따라 오버슈트와 같이 출력 펄스에 민감하게 발생될 수 있는 오차를 없앨 수 있도록 오프셋의 제어가 가능한 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 다채널의 레이저 캐비티에 있어서 어느 한 광 공진 시스템에 에러가 발생되어도 출력의 연속성이 보장될 수 있는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 최소한의 부피로 높은 냉각 효율을 갖는 냉각 시스템을 제공하여 광 공진부를 낮은 온도로 유지시킬 수 있는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치에 있어서, 복수개의 레이저 캐비티와, 상기 복수개의 레이저 캐비티가 순차적으로 출력한 광을 단일 경로로 가이드하여 단일 출력 레이저를 형성시키는 광학계로 구성된 광 공진부; 상기 레이저 캐비티의 매질을 여기시키는 에너지를 결정하여 상기 광 공진부를 제어하는 프로세서부; 및 상기 광 공진부의 온도를 제어하는 냉각부를 포함하고, 상기 프로세서부는, 상기 레이저 캐비티의 초기 펄스를 제어하는 과정에서, 펄스폭이 점진적으로 커지는 오프셋 신호를 인가하여 상기 레이저 캐비티의 설정된 출력값에 도달시 상기 오프셋 신호의 펄스폭을 고정함으로써 상기 광 공진부의 오프셋을 조정하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 프로세서부는 상기 오프셋 신호의 인가시, 상기 오프셋 신호의 전압을 고정한 상태에서 상기 오프셋 신호의 펄스폭을 점진적으로 증가시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 광학계는, 각각의 상기 레이저 캐비티에, 레이저 로드의 전후로 마련되는 한 쌍의 리플렉터 미러; 및 상기 한 쌍의 리플렉터 미러를 통해 출력된 광을 집속시키는 릴레이 미러를 포함하고, 각각의 상기 레이저 캐비티에 마련된 각각의 상기 릴레이 미러에서 반사된 광을 출력라인으로 가이드 하는 서보 미러를 더 포함하며, 상기 서보 미러는, 상기 프로세서부의 제어 아래 회동되면서 각각의 상기 레이저 캐비티가 순차적으로 출력한 광을 출력라인의 단일 경로로 집속시키고, 상기 리플렉터 미러는, 상기 레이저 로드의 후면에 위치된 후면 리플렉터 미러가 음의 곡률 면을 갖고, 상기 레이저 로드의 전면에 위치된 전면 리플렉터 미러가 편평한 면을 갖을 수 있다.
바람직하게, 상기 프로세서부는, 각각의 상기 레이저 캐비티 중 어느 한 레이저 캐비티에 에러가 발생시, 에러가 발생된 레이저 캐비티의 출력 순서를 시퀀스 상에서 제외하고, 다음 레이저 캐비티로 순서를 건너뛰도록 명령하여 출력의 연속성을 보장하도록 상기 광 공진부를 제어할 수 있다.
바람직하게, 상기 냉각부는, 상기 광 공진부에 연결되고, 냉각수를 공급하는 냉각펌프; 및 상기 냉각펌프의 상기 광 공진부에 연결된 공급 라인이 분기되어, 상기 광 공진부로 공급되는 냉각수 중 일부가 유입되는 라인을 갖는 라지에이터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치에 있어서, 복수개의 레이저 캐비티와, 상기 복수개의 레이저 캐비티가 순차적으로 출력한 광을 단일 경로로 가이드하여 단일 출력 레이저를 형성시키는 광학계로 구성된 광 공진부; 상기 레이저 캐비티의 매질을 여기시키는 에너지를 결정하여 상기 광 공진부를 제어하는 프로세서부; 및 상기 광 공진부의 온도를 제어하는 냉각부를 포함하고, 상기 프로세서부는, 각각의 상기 레이저 캐비티 중 어느 한 레이저 캐비티에 에러가 발생시, 에러가 발생된 레이저 캐비티의 출력 순서를 시퀀스 상에서 제외하고, 다음 레이저 캐비티로 순서를 건너뛰도록 명령하여 출력의 연속성을 보장하도록 상기 광 공진부를 제어하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 레이저의 안정화 구간 및 오버슈트의 문제로 이론적으로 계산된 오프셋 값이 실제 출력값에 정밀하게 반영되지 못했던 문제점을 해결한다. 또한, 본 발명은 공진되어 나가는 레이저의 발산각을 최소화하여 출력라인에 입사가 유리한 광학계 구조를 갖는다. 또한, 본 발명은 광 공진부에 연결된 공급 라인이 분기되어 냉각수가 병렬로 유입되는 냉각 시스템을 제공하여 소형의 부피로 높은 냉각 효율을 기대할 수 있다. 또한, 본 발명은 에러가 발생된 레이저 캐비티의 출력 순서를 시퀀스에서 제외하고 다음 레이저 캐비티로 순서를 건너뛰도록 제어하여 출력의 연속성을 보장하도록 제어한다. 이에 따라, 본 발명은 정밀한 레이저 출력과 안정적인 제어가 가능한 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 공진부를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학계를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서보 미러(107)의 제어 구동 모습과 그에 따른 광학 경로를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각부를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 냉각부의 냉각수 순환 경로를 나타낸다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부의 제어 화면을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부의 오프셋 제어 원리를 나타낸다. 도 8a는 종래의 오프셋 신호와 이에 따른 출력 파형을 나타낸다. 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부의 오프셋 신호와 이에 따른 출력 파형을 나타낸다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부의 시퀀스 제어 원리를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치(1)를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 멀티 레이저 증폭 출력 장치(1)는 광 공진부(10), 프로세서부(30), 냉각부(50) 및 디스플레이부(70)를 포함할 수 있다. 도 1에서, 냉각부(50)는 프로세서부(30)가 위치한 본체의 반대편에 위치된다. 따라서, 냉각부(50)의 모습은 도 5 및 도 6을 통해 후술한다.
본 실시예에 따른 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치(1)는 순차적으로 펌핑되는 레이저 로드를 복수개로 구비하고, 각 레이저 막대의 출력을 하나의 펄스 레이저로 결합하여 출력하는 장치이다.
하나의 레이저 로드를 높은 반복 속도로 펌핑하여 출력시, 시스템에는 높은 냉각 효율이 요구된다. 반면, 복수의 레이저 막대를 사용할 경우, 각 캐비티를 펌핑하여 출력하는 반복 속도가 감소될 수 있으며, 단일 캐비티 시스템에 비하여 열적 축적이 저감되므로 공냉/수냉의 시스템으로 온도 제어가 가능할 수 있다. 본 실시예는 광 공진을 위한 레이저 캐비티(101)를 복수개로 구현하는 멀티 채널로 광 공진부(10)가 구성된다.
광 공진부(10)의 출력 레이저는 레이저 캐비티(101)에 있는 레이저 로드 출력의 총합으로, 출력 펄스의 속도와 평균 에너지 수준이 높다. 본 실시예로, 레이저 캐비티(101)는 4개로 구성되며, Ho:YAG 레이저 로드가 사용될 수 있다. 각각의 레이저 캐비티(101)는 10Hz로 펄싱되고, 4개의 캐비티(101) 출력이 결합되어 단일 출력 레이저로 인터리빙된다. 인터리브 된 출력 레이저는 40Hz의 펄스 주파수를 갖는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 공진부(10)를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 광 공진부(10)는 복수개의 레이저 캐비티(101)와, 복수개의 레이저 캐비티(101)가 순차적으로 출력한 광을 단일 경로로 가이드하여 단일 출력 레이저를 형성시키는 광학계(103, 105, 107, 109)로 구성될 수 있다.
복수개의 레이저 캐비티(101)는 4분면의 분위로 4개가 고정된다. 제1 레이저 캐비티(101(a))와 제2 레이저 캐비티(101(b))는 같은 x축 상으로 배치되는 1쌍의 레이저 캐비티이다. 제3 레이저 캐비티(101(c))와 제4 레이저 캐비티(101(d))도 같은 x축 상으로 배치되는 1쌍의 레이저 캐비티이다. 제1 레이저 캐비티(101(a))와 제3 레이저 캐비티(101(c)), 제2 레이저 캐비티(101(b))와 제4 레이저 캐비티(101(d))는 각각 같은 y축 상으로 배치된다. 레이저 캐비티(101)에는 레이저 여기용 이득 매체와 광학 펌프가 마련될 수 있다.
제1 내지 제4 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))는 순차적으로 펌핑되어 레이저를 발진한다. 본 실시예로, 제1 내지 제4 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))는 각각 10Hz로 펄싱된다. 펄스 주파수가 10Hz로 제1 내지 제4 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))가 순차적으로 출력한 레이저는 광학계(103, 105, 107, 109)를 통해 단일 레이저로 합쳐지고, 출력 레이저의 펄스 주파수는 증폭되어 40Hz가 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광학계(103, 105, 107, 109)를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 광학계(103, 105, 107, 109)는 복수개의 리플렉터 미러(103), 복수개의 릴레이 미러(105), 및 서보 미러(107)를 포함할 수 있다. 도 3에는 어느 한 레이저 캐비티(101)에서 출력되는 레이저의 광학 경로를 함께 도시하였다.
리플렉터 미러(103)는 레이저 캐비티(101)의 전후로 배치된 반사경으로 레이저 캐비티(101)의 출력 레이저를 공진하여 증폭시킬 수 있다. 리플렉터 미러(103)는 레이저 캐비티(101)의 후면에 위치된 후면 리플렉터 미러(103(b))와, 레이저 캐비티(101)의 전면에 위치된 전면 리플렉터 미러(103(a))를 포함한다.
전면 리플렉터 미러(103(a))와 후면 리플렉터 미러(103(b))는 공진기를 구성하여 레이저를 발진시키는 광학계로서, 공진 시스템을 결정하는 구성이 된다. 전면 리플렉터 미러(103(a))는 부분 반사 코팅되어 레이저 캐비티(101)의 출력 레이저 중 일부를 공진시키며, 일부를 출력시킨다. 반면, 후면 리플렉터 미러(103(b))는 전면 반사 코팅된다. 전면 리플렉터 미러(103(a))와 후면 리플렉터 미러(103(b))는 레이저 캐비티(101)마다 1쌍씩 마련된다. 본 실시예로, 광 공진부(10)는 제1 내지 4의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))가 구성되므로, 리플렉터 미러(103)가 전면-후면을 1쌍으로 4개의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))에 총 8개가 배치된다.
본 실시예로, 후면 리플렉터 미러(103(b))는 음의 곡률 면을 갖고, 전면 리플렉터 미러(103(a))는 편평한 면을 갖도록 구성된다. 전면 리플렉터 미러(103(a))와 후면 리플렉터 미러(103(b))의 곡률은 공진되는 레이저의 출력과 밀접하게 관련된다. 종래기술로, 전술한 미국등록특허 제9939631호의 도 1에서는 본 실시예의 후면 리플렉터 미러(103(b))와 대응되는 구성이 High reflector mirror로 개시되었고, 전면 리플렉터 미러(103(a))와 대응되는 구성이 Output coupler(partial reflector)로 개시되었다. 미국등록특허 제9939631호의 도 1에서는 High reflector mirror 가 편평한 면을 갖고, Output coupler(partial reflector)가 오목한 면을 갖도록 구현된다. 본원 실시예의 도 3과 대조됨에 주목한다.
본 실시예에 따른 광학계는 전반사의 후면 리플렉터 미러(103(b))가 오목한 면으로 구성되어 공진되어 나가는 레이저의 발산각을 최소화할 수 있다. 이에 따라 출력라인 광섬유에 입사가 유리하도록 설계된다. 또한, 전면 리플렉터 미러(103(a))는 편평한 미러면을 갖는다. 만약, 전면 리플렉터 미러(103(a))의 면을 오목하게 구성되면, 레이저가 발진되어 나갈 때 발산각이 커지기 때문에 광섬유의 입사 조정에 보다 기술적인 어려움을 야기할 수 있다.
복수개의 릴레이 미러(105)는 리플렉터 미러(103)로부터 발진된 레이저를 서보 미러(107)로 전달시키고, 서보 미러(107)로 입사된 광을 출력라인으로 전달하는 광학계의 구성을 총칭한다. 본 실시예로, 도 3과 같이 복수개의 릴레이 미러(105)는 전면 리플렉터 미러(103(a))의 발진 레이저가 다이렉트로 입사되고, 소정의 각도로 반사시키는 제1 릴레이 미러(105(a))를 포함한다. 제1 릴레이 미러(105(a))는 전면 리플렉터 미러(103(a))와 동축 상에 배치된다. 본 실시예로, 제1 릴레이 미러(105(a))는 레이저의 발산을 최소화할 수 있도록 오목한 면으로 구성될 수 있다.
또한, 복수개의 릴레이 미러(105)는 제1 릴레이 미러(105(a))로부터 반사된 레이저를 서보 미러(107)로 입사시키는 제2 릴레이 미러(105(b))를 포함한다. 또한, 복수개의 릴레이 미러(105)는 서보 미러(107)에서 반사된 레이저를 출력 라인으로 입사시키는 제3 릴레이 미러(105(c))를 포함한다. 제1 릴레이 미러(105(a))와 제2 릴레이 미러(105(b))는 모두 레이저 캐비티(101)에 각각 1쌍씩 배치된다. 제3 릴레이 미러(107)는, 제1 내지 4의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))가 순차적으로 출력한 레이저의 경로가 서보 미러(107)에 의해서 통일되었기 때문에, 광학계에 1개만 배치되어도 무방하다.
서보 미러(107)는 프로세서부(30)의 제어 아래 회동되면서 각각의 레이저 캐비티(101)가 순차적으로 출력한 광을 출력라인의 단일 경로로 집속시킬 수 있다. 서보 미러(107)는 360°회동되는 반사경으로, 서보 미러(107)를 회동시키는 서보 모터와 미러(107)의 회동각을 제어하는 인코더가 함께 모듈화 될 수 있다. 서보 미러(107)는 4개의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))의 순차적인 레이저 출력을 단일 경로로 반사시키도록 회동된다. 따라서, 서보 미러(107)는 각 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d)) 마다 90°의 범위에서 회동각이 조절된다.
서보 미러(107)를 통해서 순차적인 레이저 출력이 단일 경로로 통합된 이후, 제3 릴레이 미러(105(c))를 통해서 광섬유가 마련되는 광 공진부(10)의 출력 라인으로 광학 경로가 형성된다. 도 3에서 출력 라인의 광학계는 도면 부호 109로 총칭한다. 출력 라인의 광학계(109)에는 광섬유의 배치 및 설계의 특성에 따라 복수개의 반사 미러가 추가적으로 마련될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 서보 미러(107)의 제어 구동 모습과 그에 따른 광학 경로를 도시한다. 도 4a는 본 실시예에 따른, 4개의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d)) 중 제1 레이저 캐비티(101(a))가 출력될 때의 광학 경로를 나타낸다. 도 4b는 본 실시예에 따른, 4개의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d)) 중 제2 레이저 캐비티(101(b))가 출력될 때의 광학 경로를 나타낸다.
본 실시예에 따른 광 공진부(10)의 광 경로를 정리하면 다음과 같다. 레이저 캐비티(101)의 레이저 로드가 여기되어 출력된 레이저는 전면 리플렉터 미러(103(a)) 및 후면 리플렉터 미러(103(b))를 통해 공진되어 발진한다. 펌핑 된 레이저는 전면 리플렉터 미러(103(a))-제1 릴레이 미러(105(a))-제2 릴레이 미러(105(b))-서보 미러(107)-제3 릴레이 미러(105(c))를 통해 출력 라인의 광학계(109)로 입사된다. 이 경우, 광 공진부(10)는 출력 라인의 광섬유까지 레이저의 광학 경로가 상당한 거리로 형성된다. 레이저의 특성상 긴 거리를 릴레이 할 때 레이저의 사이즈가 커지기 때문에 레이저의 발산을 최소화하는 것이 요구된다. 핵심은 레이저의 발산을 최소화하여 서보 미러(107)의 중심점에 출력 레이저를 집속시키는 것이다. 이 과정에서 본 실시예에 따른 광 공진부(10)는 전면 리플렉터 미러(103(a))를 편평한 면으로 구성하고, 제1 릴레이 미러(105(a))를 오목한 면으로 구성한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 냉각부(50)를 나타낸다. 본 실시예에 따른 멀티 레이저 증폭 출력 장치(1)는 홀뮴야그(Ho:YAG) 레이저로서 상대적 저온 유지가 필요함을 전술한 바 있다. 멀티 레이저 증폭 출력 장치(1)의 냉각 시스템은 전반적인 레이저의 출력을 향상시키는 주요 기술적 해결과제 중 하나가 될 수 있다. 따라서, 펌핑 과정에서 발생되는 광 공진부(10)의 발열을 냉각하기 위한 구성으로 냉각부(50) 시스템이 제공된다. 냉각부(50)는 온도센서를 포함하여 광 공진부(10)의 온도를 제어한다.
냉각부(50)는 냉각펌프(51), 캐비티 냉각라인(52), 필터(53), 분기라인(54), 라지에이터(55), 냉각탱크(57), 공급라인(58), 및 팬(59)을 포함할 수 있다.
냉각펌프(51)는 광 공진부(10)에 연결되어 냉각수를 공급한다. 냉각펌프(51)는 공급라인(58)을 통해 냉각탱크(57)와 연결된다. 냉각탱크(57)로부터 냉각수가 냉각펌프(51)로 유입되고, 냉각펌프(51)는 캐비티 냉각라인(52)을 통해 냉각수를 광 공진부(10)로 유입시켜 광 공진부(10)를 일정한 온도로 제어한다. 캐비티 냉각라인(52)은 하나 이상의 필터(53)를 포함할 수 있다. 본 실시예로, 필터(53)는 마이크로 필터(53(a))와 DI 필터(53(b))를 포함할 수 있다.
라지에이터(55)는 수직 기둥 주름으로 구성된다. 라지에이터(55)는 내부에 냉각수의 순환 경로를 형성하며 냉각수의 순환 과정에서 냉각수의 열 에너지를 외부로 방출한다. 라지에이터(55)의 후면에는 팬(59)이 배치되어 라지에이터(55)의 냉각 효율을 증가시킬 수 있다.
라지에이터(55)는 냉각펌프(51)의 광 공진부(10)에 연결된 공급 라인이 분기되어, 광 공진부(10)로 공급되는 냉각수 중 일부가 유입되는 라인을 갖는다. 광 공진부(10)로 공급되는 냉각수 중 일부가 라지에이터(55)로 유입되는 라인으로 분기된 상기 구성을 분기라인(54)으로 명명한다.
분기라인(54)은 캐비티 냉각라인(52)에 형성된다. 분기라인(54)은 라지에이터(55)로 연결된다. 냉각수는 분기라인(54)을 통해 라지에이터(55)로 유입되어 열 에너지를 방출한다. 본 실시예로, 라지에이터(55)의 유입 경로가 캐비티 냉각라인(52)으로부터 분기된 분기라인(54)임에 주목한다. 일반적으로, 광 공진부(10)를 순환하여 배출된 냉각수의 라인이 라지에이터(55)로 유입되는 것이 일반적이다. 그러나, 본 실시예에서는, 광 공진부(10)를 순환하여 배출된 냉각수의 라인이 냉각탱크(57)와 연결된다. 즉, 캐비티 냉각라인(52)은 광 공진부(10)를 경유하여 냉각탱크(57)와 연결된다.
멀티 레이저 증폭 출력 장치(1)는 온도의 변위를 최소화하여 일정한 범위로 제어되는 것이 요구된다. 본 실시예는, 광 공진부(10)를 거쳐서 온도가 높아진 냉각수가 캐비티 냉각라인(52)을 통해 냉각탱크(57)로 모인다. 냉각탱크(57) 상에 온도가 높아진 냉각수가 다량 수용됨에 따라, 온도의 변위가 낮아지고 냉각수의 온도값이 일정해진다. 여기서, 라지에이터(55)를 통해 온도가 낮아진 냉각수도 냉각탱크(57)로 유입됨에 주목한다. 즉, 본 실시예와 같은 냉각부(50) 시스템은 라지에이터(55)가 냉각수의 온도를 낮출 뿐만 아니라, 냉각탱크(57) 또한 냉각수의 온도를 낮추고, 온도값을 일정하게 평준화 시킨다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 냉각부(50)의 냉각수 순환 경로를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉각부(50)는 C1의 냉각수 경로와, C2의 냉각수 경로로 구분된다.
C1의 냉각수 경로는, 냉각수가 냉각탱크(57)로부터 냉각펌프(51), 및 캐비티 냉각라인(52)을 순차적으로 거쳐서 광 공진부(10)로 유입된다. C2의 냉각수 경로는, 냉각수가 냉각펌프(51)에서 광 공진부(10)로 공급되는 캐비티 냉각라인(52)이 분기된 분기라인(54)을 통해 라지에이터(55)로 유입된다. 라지에이터(55)를 순환한 냉각수는 다시 냉각탱크(57)로 유입된다. C1의 경로는 광 공진부(10)의 레이저를 냉각하는 경로이고, C2의 경로는 냉각수를 냉각하는 경로이다. 본 실시예에 따른 냉각부(50) 시스템은 냉각탱크(57)에서 냉각 펌프(51)로 배출되는 경로가 공통된다. 따라서, 냉각탱크(57) 상에서 레이저를 냉각하여 온도가 높아진 냉각수와 냉각된 냉각수와 합쳐지고, 온도가 균일하게 평준화되어 보다 안정적인 온도 제어를 가능하게 한다.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부(30)의 제어 화면을 나타낸다. 도 7에 따른 프로세서부(30)의 제어 화면은 디스플레이부(70)를 통해 표시될 수 있다. 디스플레이부(70)는 제어용 판넬로 제공되며, 프로세서부(30)의 동작 조건을 변경하거나 장비의 동작 상태를 표시할 수 있다.
도 7을 참조하면, 디스플레이부(70)에는 상태창(READY), 가이드빔 UI(PILOT), 정보버튼(i), 시스템 전원 버튼, 주파수 제어 UI(FREQUENCY), 에너지 제어 UI(ENERGY), 파워 상태창(POWER), 장비의 오프셋 파라미터 로드 UI(DEFAULT), 메인 알람 UI(FIBER, SAFETY GLASS, LAMP, TEMP), 온도 표시창(TEMP) 및 기타 알람 및 장비 정보 창이 제공될 수 있다.
상태창(READY)은 안전안 레이저 출력 동작을 제공하기 위해 스탠바이와 레디모드로 변환 가능한 기능을 제공한다. 레디 모드에서, 사용자가 별도의 Foot switch를 밟게 되면 레이저가 발진된다. 가이드빔 UI(PILOT)는 레이저 출력 경로의 가이드빔 밝기를 조정할 수 있다. 터치 또는 드래그로 가이드빔의 밝기를 세게 또는 약하게 조절 할 수 있도록 한다. 정보버튼(i)은 시스템의 S/N, 램프 사용량, 시간, 제조일 등의 정보를 제공한다. 시스템 전원 버튼은 장비를 안전하게 종료시키기 위해 버튼 조작 순서 또는 이미지를 함께 디스플레이할 수 있다.
주파수 제어 UI(FREQUENCY)는 레이저의 1초당 발사 횟수를 설정할 수 있도록 한다. 사용자는 (+), (-)의 버튼을 조작하여 출력 레이저의 펄스 주파수를 설정할 수 있다. 40Hz로 표기된 본 실시예에서는, 출력 레이저의 주파수가 40Hz이며, 이 때 4개의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))는 각각 10Hz의 레이저를 출력한다. 에너지 제어 UI(ENERGY)는 출력 레이저의 에너지를 설정할 수 있도록 한다. 파워 상태창(POWER)은 주파수 제어 UI(FREQUENCY)와 에너지 제어 UI(ENERGY)에 의해서 설정된 파워(Frequency x Energy)를 디스플레이 한다. 메인 알람 UI(FIBER, SAFETY GLASS, LAMP, TEMP)는 사용자가 알아야 할 주요 알람의 상태를 표시한다. 온도 표시창(TEMP)은 현재 장비의 온도를 표시한다.
장비의 오프셋 파라미터 로드 UI(DEFAULT)는 오프셋 설정된 장비의 세팅된 파라미터를 불러온다. 오프셋 파라미터는 디스플레이부(70)에서 관리자 모드를 선택하여 설정할 수 있다.
프로세서부(30)는 레이저 캐비티(101)의 매질을 여기시키는 에너지를 결정하여 광 공진부(10)를 제어한다. 프로세서부(30)는 레이저 캐비티(101)의 초기 펄스를 제어하는 과정에서, 펄스폭이 점진적으로 커지는 오프셋 신호를 인가하여 레이저 캐비티(101)의 설정된 출력값에 도달시 오프셋 신호의 펄스폭을 고정함으로써 광 공진부(10)의 오프셋을 조정할 수 있다. 프로세서부(30)는 오프셋 신호의 인가시, 오프셋 신호의 전압을 고정한 상태에서 오프셋 신호의 펄스폭을 점진적으로 증가시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부의 오프셋 제어 원리를 나타낸다. 도 8a는 종래의 오프셋 신호와 이에 따른 출력 파형을 나타낸다. 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부의 오프셋 신호와 이에 따른 출력 파형을 나타낸다.
도 8a를 참조하면, 기존의 오프셋 제어는 일정한 펄스폭(예를 들어 600㎲)을 갖는 오프셋 신호를 인가하여 레이저의 정해진 출력값이 나오도록 세팅된다. 이론상 레이저의 출력 1J이 나오기 위한 오프셋 신호의 펄스폭은 600㎲라 가정한다. 여기서, 오프셋 신호의 인가시 레이저의 펌핑 과정으로 1J을 초과하는 오버슈팅 값이 존재하며, 안정화 구간을 거쳐 출력값이 1J로 수렴된다. 하지만, 레이저는 극히 민감한 장비로서, 하드웨어 적인 특성, 설치된 장소의 온도 등에 의하여 오프셋 설정의 이론적인 값을 정확하게 도출할 수 없다. 도 8a의 예시에서도 경우에 따라 레이저 출력이 1J이 초과되기도 하며 1J에 못 미치기도 한다.
이에, 본 실시예에 따른 프로세서부(30)는 도 8b와 같이 펄스폭이 가변되는 오프셋 신호를 인가한다. 여기서 오프셋 신호의 전압값은 고정된다. 프로세서부(30)가 인가하는 오프셋 신호는 초기 신호의 펄스폭이 가장 짧고, 시간이 경과할수록 펄스폭이 증가된다. 프로세서부(30)는 출력 레이저의 에너지를 체크하여 설정된 값(예를 들어 1J)에 도달시 그 때의 펄스폭을 갖는 오프셋 신호를 후행적으로 결정한다.
프로세서부(30)가 상기의 형태로 오프셋 제어 과정을 수행한 결과 초기 에너지가 안정화 되고, 출력 안정화 구간에서도 과도한 오버슈트로 시스템이 손상되는 것이 방지된다. 오프셋 과정에서 사용자는 시작시 오프셋 신호의 초기 펄스폭과, 펄스폭의 증가량을 설정할 수 있다.
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 프로세서부(30)의 시퀀스 제어 원리를 나타낸다. 도 9는 프로세서부(30)가 제어하는 4개 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d))의 동작신호를 시간(x축)라인으로 표현한 것이다. 프로세서부(30)는 제1 레이저 캐비티(101(a)의 동작신호로부터 순차적으로, 제2 레이저 캐비티(101(b)), 제3 레이저 캐비티(101(c)), 및 제4 레이저 캐비티(101(d))의 동작신호를 명령한다.
이 때, 프로세서부(30)는 각각의 레이저 캐비티(101(a), 101(b), 101(c), 101(d)) 중 어느 한 레이저 캐비티(101(b))에 에러가 발생시, 에러가 발생된 레이저 캐비티(101(b))의 출력 순서를 시퀀스 상에서 제외하고, 다음 레이저 캐비티(101(c))로 순서를 건너뛰도록 명령하여 출력의 연속성을 보장하도록 광 공진부(10)를 제어할 수 있다.
도 9에서, 제2 레이저 캐비티(101(b))의 플래시 램프의 수명이 다했거나, 제2 레이저 캐비티(101(b))에 배치되는 광학계에 이상이 발생된 경우, 레이저가 출력라인으로 도달하지 않거나, 설정과 다른 레이저 출력값이 나타난다. 이 때, 프로세서부(30)는 제2 레이저 캐비티(101(b))의 에러를 감지한다. 상기와 같은 에러 시그널이 감지되면, 프로세서부(30)는 제2 레이저 캐비티(101(b))의 동작 신호를 생략한다. 또한, 프로세서부(30)는 출력 시퀀스를 제1 레이저 캐비티(101(a))-제2 레이저 캐비티(101(b))-제3 레이저 캐비티(101(c))-제4 레이저 캐비티(101(d))에서, 제1 레이저 캐비티(101(a))-제3 레이저 캐비티(101(c))-제4 레이저 캐비티(101(d))로 변경하며, 이 때의 시퀀스를 저장하고, 상기의 순서로 지속 제어한다.
프로세서부(30)의 시퀀스 변경으로, 출력 레이저는 비록 기존보다 작은 파워를 갖게 되어 시술 시간이 길어질 수는 있지만, 적어도 출력의 연속성은 유지되므로 혹여 발생될 수 있는 의료사고를 시스템적으로 방지할 수 있게 된다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1: 멀티 레이저 증폭 출력 장치
10: 광 공진부
101: 레이저 캐비티
103: 리플렉터 미러
105: 릴레이 미러
107: 서보 미러
109: 출력라인 광학계
30: 프로세서부
50: 냉각부
51: 냉각펌프
52: 캐비티 냉각라인
53: 필터
54: 분기라인
55: 라지에이터
57: 냉각탱크
59: 팬
70: 디스플레이부

Claims (6)

  1. 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치에 있어서,
    복수개의 레이저 캐비티와, 상기 복수개의 레이저 캐비티가 순차적으로 출력한 레이저를 단일 경로로 가이드하여 단일 출력 레이저를 형성시키는 광학계로 구성된 광 공진부;
    상기 레이저 캐비티의 매질을 여기시키는 에너지를 결정하여 상기 광 공진부를 제어하는 프로세서부; 및
    상기 광 공진부의 온도를 제어하는 냉각부를 포함하고,
    상기 프로세서부는,
    상기 레이저 캐비티의 초기 펄스를 제어하는 과정에서, 펄스폭이 점진적으로 커지는 오프셋 신호를 인가하여 상기 레이저 캐비티의 설정된 출력값에 도달시 상기 오프셋 신호의 펄스폭을 고정함으로써 상기 광 공진부의 오프셋을 조정하고,
    상기 광학계는,
    각각의 상기 레이저 캐비티에,
    상기 레이저 캐비티의 전후로 마련되는 한 쌍의 리플렉터 미러; 및
    상기 한 쌍의 리플렉터 미러를 통해 출력된 광을 집속시키는 릴레이 미러를 포함하고,
    각각의 상기 레이저 캐비티에 마련된 각각의 상기 릴레이 미러에서 반사된 광을 출력라인으로 가이드 하는 서보 미러를 더 포함하며,
    상기 서보 미러는,
    상기 프로세서부의 제어 아래 회동되면서 각각의 상기 레이저 캐비티가 순차적으로 출력한 광을 출력라인의 단일 경로로 집속시키고,
    상기 리플렉터 미러는,
    상기 레이저 캐비티의 후면에 위치된 후면 리플렉터 미러가 음의 곡률 면을 갖고, 상기 레이저 캐비티의 전면에 위치된 전면 리플렉터 미러가 편평한 면을 갖는 것을 특징으로 하는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서부는,
    상기 오프셋 신호의 인가시, 상기 오프셋 신호의 전압을 고정한 상태에서 상기 오프셋 신호의 펄스폭을 점진적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서부는,
    각각의 상기 레이저 캐비티 중 어느 한 레이저 캐비티에 에러가 발생시,
    에러가 발생된 레이저 캐비티의 출력 순서를 시퀀스 상에서 제외하고, 다음 레이저 캐비티로 순서를 건너뛰도록 명령하여 출력의 연속성을 보장하도록 상기 광 공진부를 제어하는 것을 특징으로 하는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 광 공진부에 연결되고, 냉각수를 공급하는 냉각펌프; 및
    상기 냉각펌프의 상기 광 공진부에 연결된 공급 라인이 분기되어, 상기 광 공진부로 공급되는 냉각수 중 일부가 유입되는 라인을 갖는 라지에이터를 포함하는 의료용 멀티 레이저 증폭 출력 장치.
  6. 삭제
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