量子ビーム基礎 石川顕一 6月15日 レーザーとは・レーザーの原理 6月22日 レーザー光と物質の相互作用

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1 量子ビーム基礎 石川顕一 6月15日 レーザーとは・レーザーの原理 6月22日 レーザー光と物質の相互作用
6月15日　レーザーとは・レーザーの原理 6月22日　レーザー光と物質の相互作用 6月29日　レーザーの生体組織への影響 7月 6日　レーザーの応用 参考書：霜田光一著「レーザー物理入門」岩波書店 　　　　M. Niemz, “Laser-Tissue Interactions,” Springer

2 レーザーの応用 新しい超高速・高強度短波長光源 高次高調波発生技術 医療応用 ガンの光線力学的治療(PDT) 腰痛治療(PLDD)
視力矯正(LASIK)

3 高調波発生 波長変換 結晶、ガス等 線形光学効果（弱い光） 物質の応答が、入射光強度に比例 非線形光学効果（強い光）
物質の応答が、入射光強度に非線形に依存 波長変換 ：３次高調波 ：５次高調波 非線形分極 線形分極 反転対称な媒質では、

4 摂動論的高調波発生 電離 水素原子に対するシミュレーション 仮想準位 ３次高調波 基底状態 電離 仮想準位
次数が高くなるほど、発生効率は減少。 レーザー電場 << 原子核のクーロン力 ５次高調波 レーザーは摂動にすぎない。

5 高次高調波発生の発見 実験(1987年) シミュレーション プラトー カットオフ
プラトー：次数の増加にもかかわらず、発生効率が、あまり減少しない。 高次高調波の最も重要な特徴 摂動論的には解釈できない 新しい極端紫外・軟エックス線光源

6 高次高調波発生のメカニズム 高次高調波（非摂動論的） トンネル効果とは レーザー電場 量子力学 古典力学 再結合→発光 電子 トンネル電離
電場中の古典的運動 再結合→発光 古典力学 量子力学 レーザー電場 〜 原子核のクーロン力

7 レーザー電場中での古典的運動 レーザー電場 運動方程式 ポンデロモーティブエネルギー（動重力） 運動エネルギーの平均 カットオフ
電子 トンネル電離 電場中の古典的運動 再結合→発光 カットオフ

8 高次高調波の高強度化 （理化学研究所レーザー物理工学研究室）

9 最適化された高次高調波 27th 二次元の空間形状：理想的なガウス型 強度 27次を中心に5本程度のみ 特定の次数の高調波を強く発生できる。
ビーム径 空間コヒーレンス：非常に高い コヒーレント量子ビーム

10 他の短波長コヒーレント光源との比較 高強度の極端紫外・軟エックス線光源 高次高調波 自由電子レーザー エックス線レーザー 自由電子レーザー
と比較して、高強度、高速（超短パルス） 高強度の極端紫外・軟エックス線光源 高次高調波 自由電子レーザー

11 レーザーの医療応用 ガンの光線力学的治療(PDT) 腰痛治療(PLDD) 視力矯正(LASIK)

12 がん治療 ３つの主要な治療法 外科手術 放射線治療 化学療法（抗ガン剤） 量子ビームを用いる治療法の例
中性子：ホウ素中性子捕捉療法(BNCT) 荷電粒子：粒子線治療 レーザー：光線力学的療法(Photodynamic therapy, PDT)

13 光線力学的治療法 Photodynamic therapy (PDT)
ガンに選択的に集積する光増感剤を光励起した時に、光化学反応により発生する活性酸素の細胞毒性を利用して行われるガン治療 方法 腫瘍親和性光感受性物質（商品名フォトフリン）を静脈注射する。 フォトフリンは、腫瘍組織には正常組織の約４倍とりこまれ、48時間以上停滞する。 正常組織からは、肝臓・腎臓を除き24時間以内に排泄される。 48時間後から72時間後にレーザーを照射する。 組織透過性の比較的高い630nmの赤色光を発生するエキシマダイレーザー(EDL)が用いられる。 レーザー光は、石英ファイバーで病巣に導かれる。 フォトフリンの構造 fig3.4

14 光線力学的治療法 Photodynamic therapy (PDT)
特長 PDTに使用するレーザーは、出力がレーザーメスの1／100程度と低く、フォトフリンはがん組織に多く集積するので、正常組織への障害を最小限に抑え、がん病巣のみを選択的に治療することができる。 切ったり、焼いたりする事のない局所的非侵襲的治療法。麻酔の必要が無く、痛み、出血もほとんどない。 抗ガン剤のようなきつい副作用がない。 他の治療を妨げないため、外科手術・放射線療法・化学療法との合併療法が可能。 副作用 日光過敏症 フォトフリン投与後２〜３週間は直射日光を避け、必要に応じて日焼け止めクリームの塗布。 暗室等に滞在する必要はない。

15 光線力学的治療法 Photodynamic therapy (PDT)
承認の略歴 1993年（カナダ）：膀胱ガンの治療の承認 1994年（オランダ）：肺ガンと食道ガンの治療の承認 1994年（日本）：手術等の他の根治的治療が不可能な場合、あるいは、肺または子宮頸部の機能温存が必要な患者に他の治療法が使用できない場合で、かつ内視鏡的に病巣全容が観察でき、レーザー光照射が可能な下記疾患 早期肺ガン 表在型食道ガン 表在型早期胃ガン 子宮頸部初期ガンおよび異形成 1995年（アメリカ）：食道ガンの治療の承認 日本では、まだ早期ガンに対してしか承認されていない。 このため、なかなかメジャーな治療法にならない。 進行または再発食道ガン・大腸ガンに対する治癒例はある。 外国では、進行ガンに対しても承認している国もある。

16 腰痛治療（椎間板ヘルニア） 椎間板ヘルニア 腰痛のおよそ20〜30%前後をしめる。 全体の70%が、20、30歳代 従来の療法
[保存的療法] 薬物療法：消炎鎮痛剤、筋緊張緩和剤 理学療法：牽引療法、温熱、電気加療 神経ブロック：ステロイド剤と局所麻酔剤 [手術] 保存的療法で改善がない場合 長期の入院とリハビリが必要 長期治療成績はさほどよくない。 椎間板とは、背骨の椎体と椎体の間にあって骨同士がぶつからないようクッションの役目をしている円板状の軟骨で、ゼラチン状の髄核を線維輪という皮が包んだ形をしている。 　この椎間板に、老化や外力などが原因で亀裂が入り、椎間板の中心部にある髄核組織が圧力により飛び出してできた状態が椎間板ヘルニアだ。ヘルニアが坐骨神経（ざこつしんけい）の根元である神経を圧迫すると、腰痛や脚の痛み・しびれ（坐骨神経痛）が生じる。 【従来の治療】 ＜保存的治療＞ 薬物療法・・・・・対症的に消炎鎮痛剤、筋緊張緩和剤等が用いられます 理学療法・・・・・リハビリテーション科にて牽引療法や、温熱、電気加療等で症状の緩和を図ります。 神経ブロック・・・痛みを引き起こしている神経に対し、硬膜外腔等に抗炎症効果のあるステロイド剤と局所麻酔剤を注入します。対症効果は大きいです。 ＜手術療法＞ 　 一定期間の上記保存的療法では改善されない場合に選択されます。 　手術療法では一般的には長期の入院とリハビリ期間を必要とし、肉体的時間的社会的経済的損失は小さいとは言えません。しかも椎間板ヘルニアの手術療法と保存的療法では１年以内の短期成績において、手術療法が勝るものの、４年の長期成績ではあまり差がないという報告があります。とすれば負担の少ない効果的な治療法が求められます。 負担の少ない効果的な治療法が必要

17 経皮的レーザー椎間板減圧術 Percutaneous Laser Disc Decompression (PLDD)
皮膚と筋肉に局所麻酔をし、神経や椎間板には一切麻酔をしない。 レーザー光を髄核に接触照射 PLDD専用の使い捨てレーザーファイバーキット レーザー光が照射された部位では高熱が発生し蒸散、周辺では凝固が起こる。（熱的効果） 空洞生成・収縮 局所麻酔下に椎間板に細径の針を刺し、その針の中にレーザー光を導くファイバーを通します。そのファイバーを通してレーザー光を椎間板に照射します。レーザー光が照射された部位では高熱が発生し、蒸散(個体から気体に変化)、周辺では凝固が起こります。針を抜去し、術後３時間はベッド上安静とし帰宅となります。 この治療法は椎間板内圧の減圧を主作用と考え、 レーザー光を髄核に接触照射すると蒸散、変性を起こし空洞形成、収縮作用によって椎間板内圧が高くなっている神経根への圧迫を減らす目的であります。 PLDDは局所麻酔下において（下図参照）､直径1.2mmの穿刺針を刺し､その中に400ミクロンのレーザーファイバーを進入させ､導光させたレーザー光を椎間板の中に照射します。レーザー光が照射された部位は高熱が発生し､蒸散されその周囲は凝固されます。これにより椎間板の内部の圧力を下げてやり､突出し神経圧迫をも減少させることが目的であります。レーザー照射時間は約15−20分ぐらいです。手術全体でも30-60分程度であり､術後は３時間程度のベッド安静で帰宅することができます。 椎間板内圧（神経根への圧迫）の減少 長さ15cm、直径1.25mm 術後３時間はベッド上安静 半導体レーザー ファイバー直径400ミクロン 照射時間は10-20分

18 PLDDの特長 手術手技が簡単で出血がない 局所麻酔で治療時間も短い（10分〜15分） 手術侵襲が少ない為入院が短い（1〜2日）
手術手技が簡単で出血がない　 局所麻酔で治療時間も短い（10分〜15分） 手術侵襲が少ない為入院が短い（1〜2日） 傷が残らない 神経の周辺を操作しないので合併症・副作用が少ない 保険適用外

19 角膜屈折異常の矯正 Laser in situ Keratomileusis (LASIK, レーシック)
マイクロケラトームと呼ばれる電動メスで角膜の表面を薄く切って（フラップ作成）めくる。 エキシマレーザーを照射して角膜の一部分を削る（光蒸散）。 めくった角膜表面（フラップ）を元へ戻す。 フラップは自然に再び組織にくっつくので、縫ったりする必要はない。 ArFエキシマレーザー 波長193nm(6.4eV) パルス幅10〜25ns 照射深度100m以下 フラップ厚：160m 角膜コラーゲン分子のC-C、C-N結合の結合エネルギーはそれぞれ3.5eVと3.0eV。 治療における新しい概念：健常な組織を切除する

20 角膜屈折異常の矯正 Laser in situ Keratomileusis (LASIK, レーシック)
良好なpredictability 痛みが非常に少ない。 手術翌日から良好な視力が得られる。 両眼同時手術が可能（20分ほど） 術後も長期に渡って安定した視力が得られる。 LASIK 乱視 遠視 近視 LASIKの適応 -1.0〜-12.0D 0.5〜6.0D +1.0〜6.0D 裸眼視力の経過 術後裸眼視力

21 エキシマレーザー 活性媒質 KrF, ArF, XeF, XeCl 励起エネルギー源 ガス放電、電子ビーム
Kr原子は励起されると反応性が高まり、Kr2, KrF分子を形成 特徴 短波長（紫外）、高効率、大出力 パルス幅10-20ns、10MW以上 応用 半導体チップに回路を焼き付けるリソグラフィー → KrF(248nm) 視力矯正(LASIK) → ArF(193nm)