JP2018068673A - Heating treatment tool - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を用いた加熱治療器に関する。 The present invention relates to a heat treatment device using laser light.
本発明者は、光ファイバをセンサとして用いたセンサシステムとして、クラッドを設けないことで光ファイバのコアをむき出しとしてセンサ部を形成し、このセンサ部の一方端には入射光用の第１の光ファイバを接続し、センサ部の他方端には出射光用の第２の光ファイバを接続して使用するセンサシステムを提案した。 As a sensor system using an optical fiber as a sensor, the present inventor forms a sensor portion by exposing the core of the optical fiber without providing a cladding, and a first end for incident light is formed at one end of the sensor portion. A sensor system has been proposed in which an optical fiber is connected and a second optical fiber for outgoing light is connected to the other end of the sensor unit.
このセンサシステムでは、第１の光ファイバからセンサ部に入射された光のうち、センサ部の外周面で全反射させた後に第２の光ファイバに入射させる光と、センサ部で全反射させることなくそのまま第２の光ファイバに入射させる光とで干渉光を生じさせ、光の波長を変えながら干渉光の変動を検出することでセンサ部に接触した被検体の屈折率を測定可能としている（例えば、特許文献１参照。）。 In this sensor system, out of the light incident on the sensor unit from the first optical fiber, the light that is totally reflected on the outer peripheral surface of the sensor unit and then incident on the second optical fiber is totally reflected on the sensor unit. The interference light is generated by the light incident on the second optical fiber as it is, and the refractive index of the subject in contact with the sensor unit can be measured by detecting the fluctuation of the interference light while changing the wavelength of the light ( For example, see Patent Document 1.)
上記のセンサシステムでは、センサ部を通過した光を受光するためには、第２の光ファイバで受光器まで導く必要があり、２本の光ファイバの取り回しが必要であって、使用形態によっては光ファイバの取り回しが困難なことがあった。 In the above sensor system, in order to receive the light that has passed through the sensor unit, it is necessary to guide the light to the light receiver with the second optical fiber, and it is necessary to handle the two optical fibers. It was sometimes difficult to handle the optical fiber.
そこで、センサ部において第１の光ファイバから入射された光を反射させて、第１の光ファイバに出射させることを検討した。すなわち、通常では第２の光ファイバを接続するセンサ部の端部に金膜を形成して反射鏡とし、この反射鏡でセンサ部に入射された光を反射させて第１の光ファイバに出射させることした（例えば、非特許文献１参照。）。 In view of this, the inventors studied to reflect the light incident from the first optical fiber in the sensor unit and output the reflected light to the first optical fiber. That is, normally, a gold film is formed at the end of the sensor unit to which the second optical fiber is connected to form a reflecting mirror, and the light incident on the sensor unit is reflected by this reflecting mirror and emitted to the first optical fiber. (For example, refer nonpatent literature 1.).
センサ部に反射鏡を設けたセンサシステムは、センサ部への入射光とセンサ部からの出射光とを同一の光ファイバを介して導けるため、取り扱い性が極めて高いセンサシステムとすることができた。 Since the sensor system provided with a reflecting mirror in the sensor unit can guide the incident light to the sensor unit and the emitted light from the sensor unit through the same optical fiber, the sensor system can be made extremely easy to handle. .
さらに、本発明者らは、上記の光ファイバを用いたセンサシステムを開発する中で、センサ部の表面を温度によって屈折率が変化する材料で被覆することで、温度センサとして利用できることを見出した。 Furthermore, the inventors have found that the sensor system using the optical fiber can be used as a temperature sensor by covering the surface of the sensor portion with a material whose refractive index changes depending on the temperature. .
本発明者らは、温度センサとして利用可能なセンサシステムのセンサ部を光ファイバ材料で構成していることに着目し、センサ部においてレーザ光を反射させるだけでなく、透過させることで、透過させたレーザ光によって新たな機能を付加できることを知見し、本発明を成すに至ったものである。 The present inventors pay attention to the fact that the sensor part of the sensor system that can be used as a temperature sensor is made of an optical fiber material, and not only reflects the laser light in the sensor part but also transmits it. It has been found that a new function can be added by the laser beam, and the present invention has been achieved.
本発明の加熱治療器は、レーザ光を出射する投光器と、レーザ光が入射されることで第１の反射光と第２の反射光を生じさせる光ファイバ装置と、光ファイバ装置から出射された第１の反射光と第２の反射光の干渉光を受光する受光器と、受光器から出力された信号を解析する解析器とを備えた加熱治療器であって、光ファイバ装置は、レーザ光を伝搬させる光ファイバと、この光ファイバの端部に設けて光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部とを有し、センサ部は、光ファイバのコアと同一材料であって、光ファイバのコアよりも太径の円柱状とし、センサ部の先端側には、光ファイバからセンサ部に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させて第１の反射光を生じさせる第１の反射面と、光ファイバからセンサ部に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させて第２の反射光を生じさせる第２の反射面を設け、投光器は、第１と第２の反射面でそれぞれ反射する波長の第１のレーザ光と、第１の反射面を透過する波長の第２のレーザ光を照射して、この第２のレーザ光の照射領域を加熱する加熱治療器である。 The heat treatment device of the present invention is a projector that emits laser light, an optical fiber device that generates first reflected light and second reflected light when the laser light is incident, and an optical fiber device. A heating treatment apparatus including a light receiver that receives interference light of the first reflected light and the second reflected light, and an analyzer that analyzes a signal output from the light receiver. An optical fiber for propagating light, and a sensor unit that is provided at the end of the optical fiber and reflects the laser beam propagated in the optical fiber. The sensor unit is made of the same material as the core of the optical fiber. The first reflected light is reflected by reflecting the first light incident on the sensor unit from the optical fiber and propagating in the incident direction on the tip side of the sensor unit. From the first reflecting surface and the optical fiber A second reflecting surface for reflecting the second light propagating in the direction of a predetermined angle from the incident direction when incident on the sensor unit to generate the second reflected light; The first laser beam having a wavelength that is reflected by each of the two reflecting surfaces and the second laser beam having a wavelength that is transmitted through the first reflecting surface are irradiated to heat the irradiation region of the second laser beam. It is a treatment device.
さらに、本発明の加熱治療器では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）センサ部の外側を金属膜で被覆し、その外側を樹脂膜で被覆していること。
（２）金属膜がチタン製または酸化チタン製であること。
（３）金属膜の厚さが300 nm以下であること。
（４）樹脂膜をフッ素樹脂またはフッ素化アクリル樹脂で形成していること。
（５）第２の反射面で反射するまたは反射した第２の光は、センサ部の外周面で少なくとも１回以上全反射させていること。
（６）センサ部の先端側の中央部分に平面状の第１の反射面を設け、この第１の反射面の周囲に前記第２の反射面を設けていること。
（７）センサ部の入射方向の長さを1ｍｍ以下としていること。
Furthermore, the heat treatment device of the present invention is also characterized by the following points.
(1) The outside of the sensor part is covered with a metal film, and the outside is covered with a resin film.
(2) The metal film is made of titanium or titanium oxide.
(3) The thickness of the metal film is 300 nm or less.
(4) The resin film is made of fluororesin or fluorinated acrylic resin.
(5) The second light reflected or reflected by the second reflecting surface is totally reflected at least once at the outer peripheral surface of the sensor unit.
(6) A flat first reflecting surface is provided at the center portion on the front end side of the sensor section, and the second reflecting surface is provided around the first reflecting surface.
(7) The length of the sensor unit in the incident direction is 1 mm or less.
本発明によれば、光ファイバを用いて、レーザ光による加熱と温度計測とが可能となり、電気を使用しない加熱手段とすることができるので、漏電による感電のおそれのない加熱治療器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to perform heating with a laser beam and temperature measurement using an optical fiber, and it is possible to provide a heating means that does not use electricity. .
本発明の加熱治療器では、図１に概略模式図で示すように、レーザ光を出射する投光器10と、レーザ光が入射されることで第１の反射光と第２の反射光を生じさせる光ファイバ装置20と、光ファイバ装置20から出射された第１の反射光と第２の反射光の干渉光を受光する受光器30と、受光器30から出力された信号を解析する解析器40とを備えたとしているものである。 In the heat treatment apparatus of the present invention, as schematically shown in FIG. 1, a projector 10 that emits laser light, and a first reflected light and a second reflected light are generated by the incidence of the laser light. An optical fiber device 20, a light receiver 30 that receives interference light of the first reflected light and the second reflected light emitted from the optical fiber device 20, and an analyzer 40 that analyzes a signal output from the light receiver 30. It is said that it is equipped with.
投光器10では、出射する光の波長を調整可能としており、解析器40による制御に基づいて所定の波長の光を出射することとしている。特に、投光器10では、後述するようにレーザ光の照射により加熱するためのレーザ光と、温度の計測に用いるレーザ光とを照射可能としている。 In the projector 10, the wavelength of the emitted light can be adjusted, and light of a predetermined wavelength is emitted based on the control by the analyzer 40. In particular, the projector 10 can irradiate laser light for heating by laser light irradiation and laser light used for temperature measurement, as will be described later.
光ファイバ装置20は、図２に示すように、光ファイバ21とセンサ部22とで構成している。特に、光ファイバ21の中途部分には、光の進行方向によって結合するポートが異なるファイバ型光サーキュレータ23を設けている。光サーキュレータ23は、投光器10から出射されたレーザ光を光ファイバ装置20へ導光し、後述するように光ファイバ装置20で生じさせた第１の反射光と第２の反射光の干渉光を、光サーキュレータ23を介して受光器30に入射させている。 As shown in FIG. 2, the optical fiber device 20 includes an optical fiber 21 and a sensor unit 22. In particular, a fiber-type optical circulator 23 having different ports to be coupled depending on the traveling direction of light is provided in the middle of the optical fiber 21. The optical circulator 23 guides the laser light emitted from the projector 10 to the optical fiber device 20, and the interference light of the first reflected light and the second reflected light generated by the optical fiber device 20 as will be described later. The light is incident on the light receiver 30 via the optical circulator 23.
受光器30は、光ファイバ装置20で生じさせた第１の反射光と第２の反射光の干渉光を受光して、干渉光の明度を検出し、所定の検出信号として解析器40に入力している。 The light receiver 30 receives the interference light of the first reflected light and the second reflected light generated by the optical fiber device 20, detects the brightness of the interference light, and inputs it to the analyzer 40 as a predetermined detection signal. doing.
解析器40は、本実施形態ではパーソナルコンピュータで構成し、投光器10から照射するレーザ光の波長を変えながら受光器30の出力信号を検出して、波長シフト量を検出することで温度を計測することとしている。本実施形態では、解析器40はパーソナルコンピュータで構成しているが、専用の処理を実行する装置を構築してもよい。また、投光器10からの照射光は広波長帯域の光とし、受光器30を波長に分解（分光）して各波長における光強度を計測できる光スペクトラムアナライザとしても同様に波長シフト量を検出することができる。 The analyzer 40 is configured by a personal computer in this embodiment, and detects the output signal of the light receiver 30 while changing the wavelength of the laser light emitted from the projector 10, and measures the temperature by detecting the wavelength shift amount. I am going to do that. In this embodiment, the analyzer 40 is composed of a personal computer, but an apparatus for executing a dedicated process may be constructed. Similarly, the light emitted from the projector 10 is light in a wide wavelength band, and the wavelength shift amount can be detected in the same manner as an optical spectrum analyzer that can measure the light intensity at each wavelength by decomposing the light receiver 30 into wavelengths (spectroscopy). Can do.
本発明の光ファイバ装置20は、図２に示すように、レーザ光を伝搬させる光ファイバ21と、この光ファイバ21の端部に設けて光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光の一部を反射させ、また一部は先端部分から射出可能としたセンサ部22とで構成している。 As shown in FIG. 2, the optical fiber device 20 of the present invention includes an optical fiber 21 that propagates laser light and a part of the laser light that is provided at the end of the optical fiber 21 and propagates through the optical fiber. The sensor part 22 is configured to be reflected and partly ejectable from the tip part.
センサ部22は、光ファイバ21のコアと同一材料であって、光ファイバ21のコアよりも太径の円柱状としている。本実施形態では、光ファイバ21は、コア径が8.2μｍで、クラッド径が125μｍであり、センサ部22は、直径125μｍの円柱状としている。ここで、センサ部22は、光ファイバ21のコアと同一材料としているが、一方の材料中に多少の不純物が添加されていても上述の特性への影響はほぼなく、上述した特性を損なわない程度の不純物の添加は許容範囲であって、その場合も同一材料と見なす。 The sensor unit 22 is made of the same material as the core of the optical fiber 21 and has a cylindrical shape with a diameter larger than that of the core of the optical fiber 21. In the present embodiment, the optical fiber 21 has a core diameter of 8.2 μm, a cladding diameter of 125 μm, and the sensor unit 22 has a cylindrical shape with a diameter of 125 μm. Here, the sensor unit 22 is made of the same material as the core of the optical fiber 21, but even if some impurities are added to one material, there is almost no influence on the above-described characteristics, and the above-described characteristics are not impaired. The addition of a certain amount of impurities is acceptable, and in that case is also regarded as the same material.
センサ部22の先端側には、光ファイバ21からセンサ部22に入射されて入射方向に伝搬する直進光を反射させて第１の反射光を生じさせる第１の反射面22aと、光ファイバ21からセンサ部22に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する拡散光を反射させて第２の反射光を生じさせる第２の反射面22bを設けている。 On the distal end side of the sensor unit 22, a first reflecting surface 22 a that reflects straight light that is incident on the sensor unit 22 from the optical fiber 21 and propagates in the incident direction to generate first reflected light, and the optical fiber 21. The second reflection surface 22b is provided that reflects the diffused light propagating in the direction of a predetermined angle from the incident direction when it is incident on the sensor unit 22 from the incident direction to generate the second reflected light.
第１の反射面22aは、光ファイバ21からセンサ部22に入射された光の入射方向と直行する平面として、センサ部22の先端側の中央部分に設けている。 The first reflecting surface 22a is provided in the central portion on the distal end side of the sensor unit 22 as a plane orthogonal to the incident direction of light incident on the sensor unit 22 from the optical fiber 21.
第２の反射面22bは、第１の反射面22aの周囲に設けており、本実施形態では、丸みを帯びた略球面形状としている。この略球面形状は、センサ部22の先端側端部を融解させることで形成している。なお、第２の反射面22bは略球面形状に限定するものではなく、後述する光学的条件を満たすように形状を調整可能であれば、第１の反射面22aと所定の角度を成す傾斜面としてもよい。 The second reflecting surface 22b is provided around the first reflecting surface 22a. In the present embodiment, the second reflecting surface 22b has a rounded substantially spherical shape. This substantially spherical shape is formed by melting the tip side end of the sensor portion 22. The second reflecting surface 22b is not limited to a substantially spherical shape, and an inclined surface that forms a predetermined angle with the first reflecting surface 22a as long as the shape can be adjusted so as to satisfy the optical conditions described later. It is good.
ここで、センサ部22には、好適な反射光を生じさせるために、以下のような光学的条件がある。 Here, the sensor unit 22 has the following optical conditions in order to generate suitable reflected light.
まず、光ファイバ21からセンサ部22に入射されたレーザ光は広がり角をもってセンサ部22内を伝搬し、1ｍｍ程度以下の伝搬長でセンサ部22の径寸法よりも広がることとなっている。このセンサ部22内でのレーザ光の広がりは、波長λにおけるレーザ光のスポットサイズw0のガウシアンビームで近似でき、センサ部22の屈折率をnとすると、広がり角θは、
θ＝tan-1（λ/ｎπw0）
として表される。
First, laser light incident on the sensor unit 22 from the optical fiber 21 propagates through the sensor unit 22 with a spread angle, and spreads beyond the diameter of the sensor unit 22 with a propagation length of about 1 mm or less. The spread of the laser beam in the sensor unit 22 can be approximated by a Gaussian beam having a spot size w 0 of the laser beam at the wavelength λ. When the refractive index of the sensor unit 22 is n, the spread angle θ is
θ = tan −1 (λ / nπw 0 )
Represented as:
光ファイバ21からセンサ部22に入射されたレーザ光であって、広がり角をもってセンサ部22内を伝搬する拡散光は、図２に示すように、第２の反射面22bに到達する前に少なくとも１回はセンサ部22の外周面において反射した光としている。説明の便宜上、第２の反射面22bに到達する前にセンサ部22の外周面で生じる反射の反射面を「第３の反射面」と呼ぶ。 As shown in FIG. 2, the diffused light that has entered the sensor unit 22 from the optical fiber 21 and propagated through the sensor unit 22 with a spread angle is at least before reaching the second reflecting surface 22b. The light is reflected once on the outer peripheral surface of the sensor unit 22. For convenience of explanation, the reflection surface of the reflection generated on the outer peripheral surface of the sensor unit 22 before reaching the second reflection surface 22b is referred to as a “third reflection surface”.
さらに、第２の反射面22bで反射した後に、再度、第３の反射面で反射させて、光ファイバ21のコア部分に集光させることとしている。第３の反射面での反射は、全反射となっている。 Further, after being reflected by the second reflecting surface 22b, it is again reflected by the third reflecting surface and condensed on the core portion of the optical fiber 21. The reflection at the third reflecting surface is total reflection.
本実施例では、センサ部22を直径125μｍの円柱状としていることから、センサ部22の入射方向の長さＬ＝0.81 mmとしている。センサ部22の長さＬと、そのときの第２の反射面22bの形状は、第２の反射面22bからの反射成分がちょうど光ファイバ21のコア部分に戻る条件とすることが重要である。 In the present embodiment, since the sensor portion 22 has a cylindrical shape with a diameter of 125 μm, the length L in the incident direction of the sensor portion 22 is 0.81 mm. It is important that the length L of the sensor unit 22 and the shape of the second reflecting surface 22b at that time are such that the reflected component from the second reflecting surface 22b is just returned to the core portion of the optical fiber 21. .
上述したように、光ファイバ21のコアからの垂直反射成分が生じるように、センサ部22の先端部分に設けた第１の反射面22aは、先端部分の中央であって、平坦としているため、センサ部22の先端部分は単純な先球構造とはしていない。 As described above, the first reflecting surface 22a provided at the tip portion of the sensor portion 22 is flat at the center of the tip portion so that a vertical reflection component from the core of the optical fiber 21 is generated. The tip portion of the sensor unit 22 does not have a simple tip ball structure.
このように、第２の反射面22bで反射した光は、第１の反射面22aで反射した光とは異なり、センサ部22の外周面である第３の反射面で全反射するが、全反射点においてエバネッセント波となっている。したがって、第２の反射面22bで反射した光は、第３の反射面の周囲の外部物質の屈折率の影響を受けて位相が変化するため、第１の反射面22aで反射した光との位相差が生じることで干渉を起すこととなっている。 Thus, unlike the light reflected by the first reflecting surface 22a, the light reflected by the second reflecting surface 22b is totally reflected by the third reflecting surface, which is the outer peripheral surface of the sensor unit 22, but is totally reflected. It is an evanescent wave at the reflection point. Accordingly, the phase of the light reflected by the second reflecting surface 22b changes due to the influence of the refractive index of the external substance around the third reflecting surface, so that the light reflected by the first reflecting surface 22a Interference is caused by a phase difference.
さらに、センサ部22の表面は、図２に示すように、金属膜22cで被覆することで、外部物質の屈折率の変化の感度を大きくすることができ、さらに、この金属膜22cの外周面を温度によって屈折率が変化する樹脂による樹脂膜22dで被覆することで、屈折率変化と温度変化を関連づけて、温度センサとして利用できる。 Furthermore, as shown in FIG. 2, the surface of the sensor unit 22 can be covered with a metal film 22c to increase the sensitivity of the change in the refractive index of the external substance, and the outer peripheral surface of the metal film 22c. Is coated with a resin film 22d made of a resin whose refractive index changes depending on temperature, so that the refractive index change can be used as a temperature sensor in association with the temperature change.
センサ部22を被覆する金属膜22cとしては、チタン膜が好適であるが、チタン膜で被覆する場合だけでなく、Si，Ni，Auなどの他の金属膜や、SiNx，TiO2，Al2O3などの窒化膜や酸化膜などの薄膜の他、有機薄膜などでも同様の効果が得られる。 As the metal film 22c for covering the sensor portion 22, a titanium film is suitable. However, not only when the sensor is coated with a titanium film, but also other metal films such as Si, Ni, Au, SiNx, TiO 2 , Al 2 Similar effects can be obtained by using an organic thin film in addition to a thin film such as a nitride film such as O 3 or an oxide film.
金属膜22cの厚さは300 nm以下が望ましい。参考例として、センサ部22で金属膜22cとしてチタン膜とし、樹脂膜22dを設けない屈折率センサとした場合であって、純水とエタノールとの混合液が、純水とエタノールの混合比を調整することで屈折率が変わることを利用して、センサ部22にチタン膜を形成しない場合、100 nmのチタン膜を形成した場合、センサ部22に150 nmのチタン膜を形成した場合で、エタノールの濃度増大（屈折率の増大）に対する波長のシフト量を測定した結果を図３に示す。 The thickness of the metal film 22c is desirably 300 nm or less. As a reference example, the sensor unit 22 is a titanium film as the metal film 22c and the refractive index sensor is not provided with the resin film 22d, and the mixed solution of pure water and ethanol has a mixing ratio of pure water and ethanol. By utilizing the fact that the refractive index changes by adjusting, when the titanium film is not formed on the sensor unit 22, when the titanium film of 100 nm is formed, when the titanium film of 150 nm is formed on the sensor unit 22, FIG. 3 shows the result of measuring the shift amount of the wavelength with respect to the increase in ethanol concentration (increase in refractive index).
図３に示すように、チタン膜が厚くなると共に、波長のシフト量が明瞭に大きくなっている。図３において、各データの示す傾きで与えられる感度は、チタン膜が無い場合に139 nm/RIUであるのに対して、100 nmのチタン膜を形成した場合は229 nm/RIU、150 nmのチタン膜を形成した場合は312 nm/RIUである。すなわち、チタン薄膜を150 nmとした場合の感度は、チタン薄膜が無い場合の感度より2.2倍増大しており、チタン膜の増大と共に感度が大幅に大きくなっている。 As shown in FIG. 3, the thickness of the titanium film is increased and the shift amount of the wavelength is clearly increased. In FIG. 3, the sensitivity given by the slope indicated by each data is 139 nm / RIU when there is no titanium film, whereas 229 nm / RIU and 150 nm when a 100 nm titanium film is formed. When a titanium film is formed, it is 312 nm / RIU. That is, the sensitivity when the titanium thin film is 150 nm is 2.2 times higher than the sensitivity when there is no titanium thin film, and the sensitivity is greatly increased as the titanium film increases.
このようなチタン膜による感度の向上効果は、チタン膜により全反射時のエバネッセント波の浸み出しが大きくなって、外部の屈折率変化に対して光路長の変化が大きくなるためと考えているが、詳細は今後の研究で明らかにする必要がある。 The effect of improving the sensitivity by such a titanium film is thought to be because the penetration of the evanescent wave at the time of total reflection is increased by the titanium film, and the change in the optical path length is increased with respect to the external refractive index change. However, details need to be clarified in future research.
金属膜22cを被覆する樹脂膜22dとしては、以下の３要件を満たすことが望ましい。 The resin film 22d covering the metal film 22c preferably satisfies the following three requirements.
第１の要件は、センサ部22のファイバの屈折率と、樹脂膜22dの屈折率の差が適度な大きさで異なっていることである。ここで、適度な大きさとは、センサ部22のファイバと樹脂膜22dとの界面でのレーザ光の透過率が10％以下となる屈折率の組み合わせをすることである。 The first requirement is that the difference between the refractive index of the fiber of the sensor unit 22 and the refractive index of the resin film 22d is different in an appropriate size. Here, the appropriate size means that the refractive index is combined so that the transmittance of the laser light at the interface between the fiber of the sensor unit 22 and the resin film 22d is 10% or less.
さらに、第２の要件は、センサ部22の第１の反射面22a近傍での垂直成分の被覆膜のレーザ光に対する反射率が、第１の反射面22aでのレーザ光の反射によって生成される干渉信号を消失させない反射率とすることである。すなわち、被覆膜のレーザ光に対する反射率が大きい場合には、干渉信号が得られなくなることで温度の計測が困難となるおそれがあるためである。 Further, the second requirement is that the reflectance of the coating film of the vertical component in the vicinity of the first reflecting surface 22a of the sensor unit 22 is generated by the reflection of the laser light on the first reflecting surface 22a. The reflectance is such that the interference signal is not lost. That is, when the reflectance of the coating film with respect to the laser beam is large, it is difficult to measure temperature because an interference signal cannot be obtained.
さらに、第３の要件は，樹脂膜22dの屈折率が、その外側で樹脂膜22dと接している物質の屈折率とほぼ等しいことである。ここで、「ほぼ等しい」とは、屈折率の差が、10％以内ということである。 Furthermore, the third requirement is that the refractive index of the resin film 22d is substantially equal to the refractive index of the substance that is in contact with the resin film 22d on the outer side. Here, “substantially equal” means that the difference in refractive index is within 10%.
これらの要件を満たす材料として、フッ素化アクリル樹脂が挙げられる。特に、フッ素化アクリル樹脂の屈折率は水の屈折率とほぼ一致するため、ディップ波長は水中においても波形が変形することなく、例えば、図４に示すように、金属膜22cとして厚さ150 nmのチタン膜、樹脂膜22dとしてフッ素化アクリル樹脂膜で被覆したセンサ部22を水に浸漬させて、水の温度を上昇させた場合に、温度上昇と共にスムースに短波長側にシフトしており、温度センサとして利用可能であることがわかる。 A material that satisfies these requirements is a fluorinated acrylic resin. In particular, since the refractive index of the fluorinated acrylic resin substantially matches the refractive index of water, the dip wavelength does not deform the waveform even in water. For example, as shown in FIG. 4, the metal film 22c has a thickness of 150 nm. When the sensor part 22 covered with a fluorinated acrylic resin film as the titanium film and the resin film 22d is immersed in water and the temperature of the water is raised, the temperature is smoothly shifted to the short wavelength side as the temperature rises. It can be seen that it can be used as a temperature sensor.
水分がほとんどである人体内の温度測定には、被覆膜としてフッ素化アクリル樹脂を用いることで、測定精度の向上にも大変有効である。ディップ波長の温度依存性を図５に示す。図５に示すように、30〜50℃の範囲で線形性に優れ、温度分解能が0.065 ℃と高分解能で測定できることがわかった。 For the temperature measurement in the human body where most of the moisture is present, the use of a fluorinated acrylic resin as the coating film is very effective in improving the measurement accuracy. The temperature dependence of the dip wavelength is shown in FIG. As shown in FIG. 5, it was found that the linearity was excellent in the range of 30 to 50 ° C., and the temperature resolution could be measured with a high resolution of 0.065 ° C.
温度センサとしてのみの動作を要求する時は、センサ部22は被覆膜で十分厚く被覆された状態としてもよく、最表面からの反射光が、センサ部22へ戻らないように最表面に凹凸があるような構造とすることが望ましい。 When operation only as a temperature sensor is required, the sensor unit 22 may be sufficiently coated with a coating film, and the reflected light from the outermost surface is uneven so that it does not return to the sensor unit 22. It is desirable to have such a structure.
フッ素化アクリル樹脂の代わりとして、溶剤が揮発することで被覆膜が形成されるタイプであるフッ素樹脂を用いて被覆膜を形成した場合の測定も行った。この場合のディップ波長の温度依存性を図６に示す。図６に示すように、温度に対する波長シフト量は小さいが、0.63 ℃の分解能で測定できることがわかった。 In place of the fluorinated acrylic resin, measurement was also performed when the coating film was formed using a fluororesin that is a type in which the coating film is formed by volatilization of the solvent. The temperature dependence of the dip wavelength in this case is shown in FIG. As shown in FIG. 6, it was found that the wavelength shift amount with respect to the temperature was small, but it could be measured with a resolution of 0.63 ° C.
上述したように、センサ部22の第１の反射面22a及び第２の反射面22bでそれぞれ反射する波長の第１のレーザ光ではなく、第１の反射面22aを透過する波長とした第２のレーザ光を照射することで、第２のレーザ光をセンサ部22から射出させることができる。 As described above, instead of the first laser beam having the wavelength reflected by the first reflecting surface 22a and the second reflecting surface 22b of the sensor unit 22, the second wavelength is set to be transmitted through the first reflecting surface 22a. The second laser beam can be emitted from the sensor unit 22 by irradiating the laser beam.
具体的には、波長1.48μmの半導体レーザ光を第２のレーザ光として用いると、センサ部22の先端部を透過して、センサ部22の外に光を射出させることができるとともに、センサ部22を水に浸漬させた状態で光を射出させることで、射出された光によりセンサ部22の周囲の水を発熱させて暖めることができる。すなわち、センサ部22をヒーターとすることができる。 Specifically, when a semiconductor laser beam having a wavelength of 1.48 μm is used as the second laser beam, light can be emitted from the sensor unit 22 through the tip of the sensor unit 22, and the sensor unit By emitting light while 22 is immersed in water, the water around the sensor unit 22 can be heated by the emitted light and heated. That is, the sensor unit 22 can be a heater.
図７は、入射光パワーに対する水の温度上昇幅の関係をプロットしたグラフである。約43 mWの比較的低い光パワーで14℃の昇温が実現できることわかった。 FIG. 7 is a graph plotting the relationship between the temperature rise width of water and the incident light power. It was found that a temperature increase of 14 ° C can be achieved with a relatively low optical power of about 43 mW.
人体の体温を36 ℃とした場合、50 ℃にするには、14 ℃の温度上昇幅があればよく、センサ部22をヒーターとして比較的低い光パワーで50 ℃まで昇温でき、加熱治療器として利用することができる。特に、電気を用いることなく、加熱と温度計測とが可能となるので、漏電による感電のおそれがなく、安心して利用できる。 If the body temperature of the human body is 36 ° C, a temperature rise of 14 ° C is sufficient to reach 50 ° C. The sensor unit 22 can be used as a heater to raise the temperature to 50 ° C with relatively low optical power. Can be used as In particular, since heating and temperature measurement can be performed without using electricity, there is no risk of electric shock due to electric leakage, and the device can be used with confidence.
さらには、センサ部22の先端を融解して、端面を適宜の曲面構造とすることで集光効果を生じさせることができ、センサ部22の先端部が平坦なものと比べて温度上昇幅を10％向上させることができた。 Furthermore, the tip of the sensor unit 22 can be melted to produce a light collecting effect by making the end surface an appropriate curved surface structure, and the temperature rise width can be increased compared to a flat tip of the sensor unit 22. 10% improvement.
ちなみに本実施形態では、感度向上のためにチタン膜が形成されているが、このようなチタン膜が存在する状況であっても、波長1.48 μmの光は95％透過することを確認した。 Incidentally, in this embodiment, a titanium film is formed to improve sensitivity, but it was confirmed that 95% of light having a wavelength of 1.48 μm is transmitted even in the situation where such a titanium film exists.
以下において、本件発明の特徴をまとめておく。 The features of the present invention will be summarized below.
本件発明の加熱治療器は、レーザ光を出射する投光器と、レーザ光が入射されることで第１の反射光と第２の反射光を生じさせる光ファイバ装置と、光ファイバ装置から出射された第１の反射光と第２の反射光の干渉光を受光する受光器と、受光器から出力された信号を解析する解析器とを備えた加熱治療器である。 The heat treatment apparatus according to the present invention includes a projector that emits laser light, an optical fiber device that generates first reflected light and second reflected light when the laser light is incident, and an optical fiber device that emits the light. It is a heat treatment device including a light receiver that receives interference light of the first reflected light and the second reflected light, and an analyzer that analyzes a signal output from the light receiver.
特に、光ファイバ装置は、レーザ光を伝搬させる光ファイバと、この光ファイバの端部に設けて光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部とを有し、センサ部は、光ファイバのコアと同一材料であって、光ファイバのコアよりも太径の円柱状とし、センサ部の先端側には、光ファイバから前記センサ部に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させて前記第１の反射光を生じさせる第１の反射面と、光ファイバからセンサ部に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させて第２の反射光を生じさせる第２の反射面を設けていることで、屈折率の検出が可能となっており、温度変化にともなう屈折率の変化を検出できる。 In particular, the optical fiber device includes an optical fiber that propagates laser light, and a sensor unit that is provided at the end of the optical fiber and reflects the laser light that has propagated through the optical fiber. The first material that is made of the same material as the fiber core and has a larger diameter than the core of the optical fiber, is incident on the sensor unit from the optical fiber and propagates in the incident direction. And reflecting the second light propagating in the direction of a predetermined angle from the incident direction when the light is incident on the sensor unit from the optical fiber. By providing the second reflecting surface for generating the second reflected light, the refractive index can be detected, and the change in the refractive index accompanying the temperature change can be detected.
さらに、投光器は、第１と第２の反射面でそれぞれ反射する波長の第１のレーザ光と、第１の反射面を透過する波長の第２のレーザ光を照射して、この第２のレーザ光の照射領域を加熱することとしている。 Further, the projector irradiates the first laser beam having a wavelength reflected by the first and second reflecting surfaces and the second laser beam having a wavelength transmitted through the first reflecting surface, respectively. The laser light irradiation area is heated.
具体的には、第１のレーザ光としては、波長1577μm付近の光を波長多重装置を用いて合波して入射し、1577μm付近の波長成分を有する光の先端表面からの反射光のスペクトル変化を計測すると、先端部の温度を測定することができる。また、第２のレーザ光としては、波長1.48 μmのレーザ光を用いることで、この第２のレーザ光が照射された人体の照射面を加熱することができる。 Specifically, as the first laser beam, light having a wavelength of about 1577 μm is combined and incident using a wavelength multiplexing device, and the spectral change of the reflected light from the tip surface of the light having a wavelength component of about 1577 μm is entered. Is measured, the temperature of the tip can be measured. In addition, by using a laser beam having a wavelength of 1.48 μm as the second laser beam, the irradiation surface of the human body irradiated with the second laser beam can be heated.
投光器からは、温度計測用の第１のレーザ光と、加熱用の第２のレーザ光を重ね合わせた照射を行うことで、センサ部による昇温とその温度計測を同時にレーザ光のみで実現できる。特に、人体内で利用できることから、漏電による感電のおそれのない加熱治療器を提供できる。 From the projector, by performing irradiation by superimposing the first laser beam for temperature measurement and the second laser beam for heating, the temperature rise by the sensor unit and the temperature measurement can be realized simultaneously with only the laser beam. . In particular, since it can be used in the human body, it is possible to provide a heat treatment device that does not cause an electric shock due to electric leakage.
センサ部の外側は金属膜で被覆することで、温度計測の感度を向上させることができ、し、特に、金属膜の外側を樹脂膜で被覆することで、温度変化を屈折率の変化に変換して、温度変化の検出を可能とすることができる。 Covering the outside of the sensor part with a metal film can improve the sensitivity of temperature measurement, and in particular, coating the outside of the metal film with a resin film converts the temperature change into a change in refractive index. Thus, the temperature change can be detected.
金属膜は、チタン製または酸化チタン製とすることで、好適な検出感度とすることができ、特に、金属膜の厚さは300 nm以下とすることで、好適な検出感度とすることができる。 When the metal film is made of titanium or titanium oxide, suitable detection sensitivity can be obtained. In particular, when the thickness of the metal film is 300 nm or less, suitable detection sensitivity can be obtained. .
また、樹脂膜は、フッ素樹脂またはフッ素化アクリル樹脂で形成することで、人体内の温度計測に好適に利用することができる。 Further, the resin film can be suitably used for temperature measurement in the human body by being formed of a fluororesin or a fluorinated acrylic resin.
センサ部では、第２の反射面で反射するまたは反射した第２の光を、センサ部の外周面で少なくとも１回以上全反射させることで、全反射点でのエバネッセント波を確実に生じさせて、屈折率の変化を確実に検出可能としている。 In the sensor unit, the second light reflected or reflected by the second reflecting surface is totally reflected at least once on the outer peripheral surface of the sensor unit, thereby reliably generating an evanescent wave at the total reflection point. The change in refractive index can be reliably detected.
センサ部の先端側の中央部分には、平面状の第１の反射面を設け、この第１の反射面の周囲に第２の反射面を設けることで、加熱用の第２のレーザ光を効果的に透過させることができる。 A flat first reflecting surface is provided at the center portion on the front end side of the sensor unit, and a second reflecting surface is provided around the first reflecting surface, so that the second laser light for heating is provided. It can be effectively transmitted.
センサ部は、入射方向の長さを1ｍｍ以下としていることで、人体内にセンサ部を埋設する場合における人体の侵襲を最小限とすることができる。 Since the sensor unit has a length in the incident direction of 1 mm or less, the invasion of the human body when the sensor unit is embedded in the human body can be minimized.
10 投光器
20 光ファイバ装置
21 光ファイバ
22 センサ部
22a 第１の反射面
22b 第２の反射面
23 光サーキュレータ
30 受光器
40 解析器
10 Floodlight
20 Optical fiber equipment
21 optical fiber
22 Sensor section
22a First reflective surface
22b Second reflecting surface
23 Optical circulator
30 Receiver
40 analyzer
Claims (8)
前記レーザ光が入射されることで第１の反射光と第２の反射光を生じさせる光ファイバ装置と、
前記光ファイバ装置から出射された前記第１の反射光と前記第２の反射光の干渉光を受光する受光器と、
前記受光器から出力された信号を解析する解析器と
を備えた加熱治療器であって、
前記光ファイバ装置は、
前記シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、
この光ファイバの端部に設けて前記光ファイバ内を伝搬されてきたレーザ光を反射させるセンサ部と
を有し、
前記センサ部は、前記光ファイバのコアと同一材料であって、前記光ファイバのコアよりも太径の円柱状とし、
前記センサ部の先端側には、前記光ファイバから前記センサ部に入射されて入射方向に伝搬する第１の光を反射させて前記第１の反射光を生じさせる第１の反射面と、前記光ファイバから前記センサ部に入射された際に入射方向から所定の角度の方向に伝搬する第２の光を反射させて前記第２の反射光を生じさせる第２の反射面を設け、
前記投光器は、前記第１と第２の反射面でそれぞれ反射する波長の第１のレーザ光と、前記第１の反射面を透過する波長の第２のレーザ光を照射して、この第２のレーザ光の照射領域を加熱する加熱治療器。 A projector that emits laser light;
An optical fiber device for generating a first reflected light and a second reflected light by the incidence of the laser light;
A light receiver that receives interference light of the first reflected light and the second reflected light emitted from the optical fiber device;
A heating treatment device comprising an analyzer for analyzing the signal output from the light receiver,
The optical fiber device is:
An optical fiber for propagating the single mode laser beam;
A sensor unit that reflects the laser beam that has been propagated through the optical fiber provided at the end of the optical fiber;
The sensor part is made of the same material as the core of the optical fiber, and has a cylindrical shape with a diameter larger than that of the core of the optical fiber.
A first reflecting surface that reflects the first light incident on the sensor unit from the optical fiber and propagating in the incident direction to generate the first reflected light is formed on the tip side of the sensor unit; Providing a second reflecting surface that reflects the second light propagating in the direction of a predetermined angle from the incident direction when incident on the sensor unit from an optical fiber to generate the second reflected light;
The projector irradiates a first laser beam having a wavelength that is reflected by the first and second reflecting surfaces and a second laser beam having a wavelength that is transmitted through the first reflecting surface. A heat treatment device that heats the laser light irradiation area.
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