量子ビーム基礎（石川顕一） 量子ビーム基礎 石川顕一 6月15日 6月22日 6月29日 7月 6日 レーザーとは・レーザーの原理 レーザー光と物質の相互作用 レーザーの生体組織への影響 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 7/6 No. 1 量子ビーム基礎（石川顕一） 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) 7/6 No. 2 量子ビーム基礎（石川顕一） 高調波発生 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 D 0 E P P 0 E E E (1) (2) 2 (3) 3 非線形分極 線形分極 (2) 反転対称な媒質では、 0 ,3,5, 波長変換 3 ：３次高調波 5 ：５次高調波 2D E 0 2 t 7/6 No. 3 量子ビーム基礎（石川顕一） 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 10 高調波強度 10 10 10 10 10 10 10 2 0 仮想準位 波長 800 nm 強度 3×10 -2 12 W/cm 2 ３次高調波 -4 -6 -8 -10 -12 0 5 10 15 20 25 30 高調波次数 次数が高くなるほど、発生効率は減少。 3 基底状態 電離 仮想準位 レーザー電場 << 原子核のクーロン力 レーザーは摂動にすぎない。 ５次高調波 5 基底状態 7/6 No. 4 量子ビーム基礎（石川顕一） 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 800 4119.5 nm 新しい極端紫外・軟エックス線光源 7/6 No. 5 量子ビーム基礎（石川顕一） 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 古典力学 量子力学 再結合 →発光 電子 トンネル 電離 電場中の古 典的運動 レーザー電場 〜 原子核のクーロン力 7/6 No. 6 量子ビーム基礎（石川顕一） レーザー電場中での古典的運動 レーザー電場 E(t) E0 sin( t ) 運動方程式 Ý eE0 sin(t ) mxÝ 運動エネルギーの平均 核の位置での運動エネルギー÷Up e2 E02 Up 4m 2 ポンデロモーティブエネ ルギー（動重力） U p (eV) 9.331014 I(W/cm2 )2 (m) 3.5 レーザー電場 3.0 2.5 再結合→ 発光 2.0 1.5 電子 1.0 0.5 0.0 0 50 100 150 200 250 イオン化時の電場(sin波)の位相 300 350 カットオフ トンネル電 離 電場中の古 典的運動 3.2U p I p 7/6 No. 7 量子ビーム基礎（石川顕一） 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） 7/6 No. 8 量子ビーム基礎（石川顕一） 最適化された高次高調波 二次元の空間形状：理想的なガウス型 強度 27th 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 7/6 No. 9 量子ビーム基礎（石川顕一） 他の短波長コヒーレント光源との比較 • 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 7/6 No. 10 量子ビーム基礎（石川顕一） 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) 7/6 No. 11 量子ビーム基礎（石川顕一） 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) 7/6 No. 12 量子ビーム基礎（石川顕一） 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 7/6 No. 13 量子ビーム基礎（石川顕一） 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。 7/6 No. 14 量子ビーム基礎（石川顕一） 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。 7/6 No. 15 量子ビーム基礎（石川顕一） 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。 負担の少ない効果的な治 療法が必要 7/6 No. 16 量子ビーム基礎（石川顕一） 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 椎間板内圧（神経根 への圧迫）の減少 術後３時間はベッド上安静 長さ15cm、直 径1.25mm 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 7/6 No. 17 量子ビーム基礎（石川顕一） 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） 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 7/6 No. 18 量子ビーム基礎（石川顕一） 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。 • フラップ厚：160m 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。 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）。 • • • • ArFエキシマレーザー 波長193nm(6.4eV) パルス幅10〜25ns 照射深度100m以下 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。 治療における新しい概念：健常な組織を切除する 7/6 No. 19 量子ビーム基礎（石川顕一） 角膜屈折異常の矯正 Laser in situ Keratomileusis (LASIK, レーシック) LASIKの特長 • • • • • LASIK 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。 近視 -1.0〜-12.0D 遠視 +1.0〜6.0D 乱視 0.5〜6.0D LASIKの適応 ǪÇÃëº 0.7-0.9 2% 8% 1.0à»è„ 90% 裸眼視力の経過 術後裸眼視力 7/6 No. 20 量子ビーム基礎（石川顕一） エキシマレーザー • • • • 活性媒質 R1 – 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) R2 7/6 No. 21
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