JP2020058481A - 温熱治療器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度計測を行いながら患部に対して加温治療を行える温熱治療器を提供する。【解決手段】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(L1)と第２の反射光(L2)を生じさせる光ファイバ装置(14)と、光ファイバ装置(14)から出射された第１の反射光(L1)と第２の反射光(L2)の干渉光を受光する受光器(16)と、受光器(16)から出力された信号を解析する解析器(17)とを備えた温熱治療器であって、光ファイバ装置(14)は、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバ(14a)と、この光ファイバ(14a)の先端に、同光ファイバ(14a)の長手方向と平行に延伸させて接続したチューブ(14b)と、このチューブ(14b)内に充填した樹脂(14c)とを有し、第１の反射光(L1)は、光ファイバ(14a)の先端面を反射面として生じさせ、第２の反射光(L2)は、樹脂(14c)の先端面を反射面として生じさせる。【選択図】図２

Description

本発明は、温度を計測しながら温熱治療を実施可能とした温熱治療器に関する。

ガンの治療方法の一つとして温熱療法が知られている。温熱療法では、ガン細胞が正常細胞と比較して、４０℃から４５℃の温度範囲において生存率が低いという現象を利用しており、対象患部を加温することで治療を行っている。

患部を所定の温度とする加温手段としては、一般的には、熱風、温水、赤外線などの熱伝導による外部加温手段が用いられている。しかし、外部加温手段による加温では、体内のガン細胞を局所的に加温することが困難な場合が多い。そこで、最近では、マイクロ波や電磁波を電極針を通じて照射して加温する方法や、超音波を照射して加温する方法などの内部加温手段が検討されている。

外部加温手段を用いた温熱療法の場合でも、内部加温手段を用いた温熱療法の場合でも、目的の患部を加温すると同時に、患部の加温状態を確認するための温度計測を行うことは、非常に難しい。温度計測が必要な場合には、加温手段による患部の加熱を一旦停止して温度センサ等で温度を計測することになるため、加温の停止による温度計測部位での温度低下の影響が生じやすく、比較的長い時間にわたって安定的に一定温度を維持することが重要な温熱療法に最適な状況となっていなかった。特に、内部加温手段を用いた温熱療法では、マイクロ波や電磁波あるいは超音波等を利用して加温を行っていることで、加温中の温度計測において温度センサが電磁的あるいは振動的な干渉を受けることで正常動作しないこともあり、温度計測を困難としていた。

このような電磁的あるいは振動的な干渉を受ける環境下での温度の計測方法として、光ファイバとレーザ光を利用した温度の計測方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。光ファイバとレーザ光を利用した温度計測では、干渉光を生じさせてその強度変化を検出することで温度変化を検出することとしている。
（例えば、特許文献１参照。）

特表平０９−５０８４６８号公報

既存の光ファイバとレーザ光を利用した温度計測では、干渉光の強度変化が比較的小さいという問題があった。そのため、温度変化の分解能を大きくすることが困難であり、実用に耐えなかった。

本発明者らは、このような現状に鑑み、干渉光の強度変化を大きくすべく研究開発を行う中で、温度計測を行いながら加温治療を同時に行える本発明の温熱治療器を発明するに至った。

本発明の温熱治療器では、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、記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温熱治療器であって、光ファイバ装置は、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、この光ファイバの先端に、同光ファイバの長手方向と平行に延伸させて接続したチューブと、このチューブ内に充填した樹脂とを有し、第１の反射光は、光ファイバの先端面を反射面として生じさせ、第２の反射光は、樹脂の先端面を反射面として生じさせることとした。

さらに、本発明の温熱治療器では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）チューブは、温度上昇により膨張する樹脂の径方向への膨張を抑制可能な素材で形成していること。
（２）樹脂の先端面を球面状として、前記第２の反射光を前記光ファイバのコアに向けて集光すること。
（３）チューブ内の樹脂の長さが60μｍ以下であること。

また、本発明の温熱治療器では、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温熱治療器であって、光ファイバ装置は、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、この光ファイバの先端に、同光ファイバの長手方向と平行に延伸させて接続したチューブと、このチューブ内に充填した樹脂とを有し、光ファイバと前記樹脂との間に空隙を介在させて、この空隙に接する樹脂の面を第２の反射光を生じさせる反射面とした。

さらには、チューブがガラス製であることにも特徴を有し、反射面を球面状として、第２の反射光を前記光ファイバのコアに向けて集光する事にも特徴を有するものである。

本発明によれば、干渉光を生じさせる第１の反射光と第２の反射光のうち、第２の反射光を、温度による影響を受ける反射面で反射させた反射光としていることで、温度変化に起因した干渉光の強度変化を大きくすることができ、温度計測の精度を向上させることができる。さらに、光ファイバ装置の光ファイバから射出させたレーザ光のうち、光ファイバ装置の樹脂の界面で反射せずに透過した光で患部の加温が可能であり、患部の加温と温度計測を同時に行える温熱治療器を提供できる。

本発明に係る温熱治療器の概略構成図である。 光ファイバ装置の概略構成図である。 他の実施形態の光ファイバ装置の説明図である。 光ファイバ装置の樹脂部分の温度を25℃とした場合の光スペクトルのグラフである。 光ファイバ装置の先端の温度を変化させながらスペクトルの波長シフト量を測定して得られた温度−波長シフト量の相関を示すグラフである。 他の実施形態の光ファイバ装置の説明図である。 光ファイバ装置の樹脂部分の温度を20℃とした場合の光スペクトルのグラフである。 光ファイバ装置の先端の温度を変化させながらスペクトルの波長シフト量を測定して得られた温度−波長シフト量の相関を示すグラフである。

以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の温熱治療器の概略構成図である。本実施形態の温熱治療器では、患部を加温するために用いるレーザ光を出射する第１投光器11と、温度計測に用いる波長帯域の広い光を出射する第２投光器12を備えている。

第１投光器11から出射したレーザ光と第２投光器12から出射した光は、それぞれ適宜の光ファイバを介して波長多重分離装置15に入射させている。波長多重分離装置15では、第１投光器11から出射したレーザ光と第２投光器12から出射した光とを合波して合波光として出射している。

波長多重分離装置15から出射した合波光は、適宜の光ファイバを介してファイバ型光サーキュレータ13に入射させている。ファイバ型光サーキュレータ13は、波長多重分離装置15から入射された合波光を光ファイバ装置14に出射している。

光ファイバ装置14では、波長多重分離装置15から入射された合波光のうち、第１投光器11から出射したレーザ光を所定の患部に照射することで同患部を加温可能としており、さらに、第２投光器12から出射した光を用いて、後述するように第１の反射光と第２の反射光とを生じさせ、この第１の反射光と第２の反射光をファイバ型光サーキュレータ13に入射させている。

光ファイバ装置14からファイバ型光サーキュレータ13に入射された第１の反射光と第２の反射光は、適宜の光ファイバを介してファイバ型光サーキュレータ13から波長多重分離装置15に入射させている。

波長多重分離装置15では、ファイバ型光サーキュレータ13から入射された光に対して、第２投光器12から入力された光の波長成分のみを波長分離して、この波長分離した光、すなわち、光ファイバ装置14から出射された第１の反射光と第２の反射光とによって生じる干渉光を受光器16に入射させている。

受光器16は、光スペクトラムアナライザの機能を有しており、入射された第１の反射光と第２の反射光とによって生じる干渉光に基づいて、各波長成分の光強度に比例した電気信号を生成して、解析器17に入力している。

解析器17は、本実施形態ではパーソナルコンピュータで構成し、受光器16に入力された第１の反射光と第２の反射光とによって生じる干渉光の波長毎の光強度の出力信号を検出し、波長シフト量を検出することで温度変化を計測することとしている。本実施形態では、解析器17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。

光ファイバ装置14は、図２に示すように、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバ14aと、この光ファイバ14aの長手方向と平行に延伸させて光ファイバ14aの先端に接続されたチューブ14bと、このチューブ14b内に充填した樹脂14cとで構成している。

この樹脂14cは、光ファイバ14aのコアと接しており、樹脂14cと光ファイバ14aのコアとの境界面、すなわちを光ファイバ14aの先端面を反射面として、樹脂14cに入射される光の一部が反射して第１の反射光L1を生じさせている。

樹脂14cに入射された光は、光の回折により広がり角をもって樹脂14c内を進行する。説明の便宜上、広がり角をもって樹脂14c内を進行する入射光を「回折光」と呼ぶことにする。

回折光の一部は、樹脂14cの先端面を反射面として反射することで第２の反射光L2となり、残りの回折光は樹脂14cの先端面を透過している。

本実施形態では、光ファイバ14aは、コア径が8.2μmで、クラッド径が125μmである光ファイバを用いている。また、チューブ14bは、石英製のガラスチューブを用いている。チューブ14bは、後述するように温度上昇により膨張する樹脂14cの径方向への膨張を抑制可能な素材で形成することが望ましく、本実施形態ではガラスチューブとしているが、必ずしもガラスチューブである必要はない。

樹脂14cは、温度上昇により膨張する特性を有している樹脂が望ましく、本実施形態では、アクリル変成シリコーン樹脂を用いている。これ以外にもフッ素樹脂，フッ素化アクリル樹脂等を用いることができる。また、本実施形態では、樹脂14cの長さは、約50μmであり、チューブ14b内の樹脂14cの長さを60μｍ以下としておくことで、人体内での温度計測への適用において、35〜50℃の温度範囲でのスペクトルの波長周期を、温度変化によるスペクトルの波長シフト量より十分大きくすることができ、評価波長域内に１つの山または谷部しか出現しない状態とすることができ、温度見積もりにおいて誤りが生じない上に、極めて小型のセンサ体とすることができる。

第２の反射光L2を生じさせる反射面となる樹脂14cの先端面は、図２に示すように球面状とすることで凹ミラーの効果を生じさせており、第２の反射光L2を光ファイバ14aのコアに向けて集光させている。従って、光ファイバ14aのコアに集光される第２の反射光L2を格段に増大させることができ、干渉信号強度を大きくすることができる。しかも、第２の反射光L2に対しては凹ミラーとして作用する一方で、患部の加温するための第１投光器11から照射されたレーザ光に対しては、レーザ光の発散を抑制するレンズ効果を果たし、発散が抑制されることで効率的に患部を加温できる。

樹脂14cの先端面を球面状とする際には、チューブ14b内に充填した樹脂14cを硬化させる際の条件を調整することで、樹脂14cの表面張力を利用して球面状としている。特に、樹脂14cの先端面を球面状に形成しやすくするために、チューブ14b内に樹脂14cを充填する際に、図２に示すように、チューブ14bの内側の容積よりも多い量の樹脂14cを充填することで、チューブ14b先端から樹脂14cが溢れ出た状態としておくことが望ましい。

第２の反射光L2を生じさせる樹脂14cの先端面は、球面状となっている場合に限定するものではなく、樹脂14cの先端面で生じた反射光が光ファイバ14aのコアに向かうように角度を調整した傾斜面も含むものとする。

他の実施形態として、図３に示すように、光ファイバ装置14は、先端にチューブ14bを接続して樹脂14cを充填した光ファイバ14aをテフロン（登録商標）製の保護チューブ14dに挿通させて、ガラス製となっているのセンサ本体部分を保護するようにしてもよい。ここでは、テフロン（登録商標）製のチューブを用いているが，ポリイミドやその他の各種チューブを保護チューブとして用いてもよい。あるいは、保護チューブ14dに挿通させるのではなく、適宜の樹脂を塗布して保護層を形成してもよい。

このように形成した光ファイバ装置14では、第２の反射光L2が樹脂14c内を往復する際に、樹脂14cの長さが温度によって変化することで、光路長が変動することとなっている。従って、温度による光路長の変動を受けにくい第１の反射光L1と、温度による光路長の変動を受ける第２の反射光L2とで、温度の影響を受けた干渉光を生じさせることができる。

光ファイバ装置14の樹脂14c部分の温度を25℃とした場合の光スペクトルを図４に示す。第１の反射光L1と第２の反射光L2の干渉による光強度の凹凸が明瞭に見られ、その凹凸の大きさである消光比は約3 dBと十分な測定精度が得られる信号となっていた。ちなみに、樹脂14cの先端端面を球面状とするのではなく、光ファイバ14aのコアの延伸方向と直交する平面とした場合には、消光比が1 dB程度以下となり、ノイズの影響が大きくなり、十分な測定精度が得られないことが明らかとなった。

また、光ファイバ装置14の先端の温度を変化させながらスペクトルの波長シフト量を測定した結果を図５に示す。図５に示すように、温度の上昇に伴い大きな波長シフトが得られている。これは、樹脂14cの熱膨張に伴う光路長の増大だけでなく、樹脂14cの屈折率変化によっても第２の反射光L2の位相が大きく変化し、干渉条件が変化することによって干渉波長の変化が現れているためであると考えられる。従って、干渉波長の変化から逆に周囲温度を見積もることができ、温度センサとして利用できることがわかる。温度分解能は、約0.04℃と良好な値が得られた。

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の温熱治療器の光ファイバ装置24の概略図である。この第２実施形態の温熱治療器では、上述した第１実施形態の温熱治療器の光ファイバ装置14と構成が異なる以外は、第１実施形態の温熱治療器と同じであり、第１投光器11、第２投光器12、波長多重分離装置15、ファイバ型光サーキュレータ13、受光器16および解析器17の説明は省略する。

光ファイバ装置24も、図６に示すように、シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバ24aと、この光ファイバ24aの長手方向と平行に延伸させて光ファイバ24aの先端に接続されたチューブ24bと、このチューブ24b内に充填した樹脂24cとで構成し、特に、光ファイバ24aと樹脂24cとの間に空隙24gを介在させている。

この空隙24gは、光ファイバ24a側において光ファイバ24aのコアと接しており、空隙24gと光ファイバ24aのコアとの境界面を反射面として、空隙24gに入射されるレーザ光の一部を反射させて第１の反射光L1'を生じさせている。

光ファイバ24aから空隙24gに入射された光は、光の回折により広がり角をもって空隙24g内を進行する。説明の便宜上、広がり角をもって空隙24g内を進行する入射光を「回折光」と呼ぶことにする。

この回折光の一部は、空隙24gに接する樹脂24cの面を反射面として反射し、第２の反射光L2'を生じさせる。

樹脂24cを透過したレーザ光は、樹脂24cの先端面を反射面として第３の反射光を生じさせるが、樹脂24cの先端面を、この先端面で生じる第３の反射光が光ファイバ24aの光軸上に戻ることでコアに入射しない方向への反射光となる反射面とすることで、第３の反射光による干渉光が生じないようにしている。具体的には、図６に示すように、樹脂24cの先端面を光ファイバ24aの光軸と直角以外の角度で交差する傾斜面とすればよく、より具体的には、10〜80度の角度で交差するように調整することが望ましい。

本実施形態では、光ファイバ24aは、コア径が8.2μmで、クラッド径が125μmである光ファイバを用いている。また、チューブ24bは、石英製のガラスチューブを用いている。チューブ24bは、温度上昇により膨張する樹脂24cの径方向への膨張を抑制可能な素材で形成することが望ましく、本実施形態ではガラスチューブとしているが、必ずしもガラスチューブである必要はない。

樹脂24cは、温度上昇により膨張する特性を有している樹脂が望ましく、本実施形態では、アクリル変成シリコーン樹脂を用いている。これ以外にもフッ素樹脂，フッ素化アクリル樹脂等を用いることができる。本実施形態では、樹脂層24cの長さは約67.5μmであり、空隙24gの長さは約78μmであった。

空隙24gは、チューブ24bへの樹脂24cの充填位置を調整することで容易に形成できる。

特に、チューブ24bに充填した樹脂24cを硬化させる際に、第２の反射光L2'を生じさせる反射面を凹面状として凹ミラーの効果を生じさせ、第２の反射光L2'を光ファイバ24aのコアに向けて集光させる構成とすることが望ましい。この凹面状の形成は、チューブ24b内に充填した樹脂24cを硬化させる際の条件を調整することで、樹脂24cに生じる表面張力を利用して比較的容易に行うことができる。

このように、第２の反射光L2'を生じさせる樹脂24cの端面を内側に向けて凹面状とすることで、光ファイバ24aのコアに集光される第２の反射光L2'を格段に増大させて、干渉信号強度を大きくすることができる。

上述した第１実施形態の他の実施形態のように、光ファイバ装置24は、先端にチューブ24bを接続して樹脂24cを充填した光ファイバ24aをテフロン（登録商標）製の保護チューブに挿通させて、ガラス製となっているのセンサ本体部分を保護するようにしてもよく、、テフロン（登録商標）製のチューブ意外にも、ポリイミドやその他の各種チューブを保護チューブとして用いてもよい。あるいは、保護チューブに挿通させるのではなく、適宜の樹脂を塗布して保護層を形成してもよい。

このようにして形成した光ファイバ装置24では、第２の反射光L2'が空隙24g内を進む際に、樹脂24cの長さが温度によって変化することで、光路長が変動することとなっている。特に、昇温によって樹脂24cが熱膨張することで空隙24gの長さは短くなり、第１実施形態の光ファイバ装置14とは逆に、光スペクトル特性は、短波長側にシフトすることになる。

光ファイバ装置24の樹脂24c部分の温度を20℃とした場合の光スペクトルを図７に示す。第１の反射光L1'と第２の反射光L2'の干渉による光強度の凹凸が明瞭に見られ、その凹凸の大きさである消光比は約4dBと十分な測定精度が得られる信号となっていた。

また、光ファイバ装置24の先端の温度を変化させながらスペクトルの波長シフト量を測定した結果を図８に示す。図８に示すように、温度の上昇に伴い大きな波長シフトが得られている。なお、先に述べたように昇温による熱膨張によって空隙24gの長さが短くなるため、第１実施形態の光ファイバ装置14とは逆に、光スペクトル特性は短波長側にシフトしている。従って、干渉波長の変化から周囲温度を見積もることができることを示しており、温度センサとして利用できることがわかる。温度分解能は、約0.07℃と良好な値が得られた。

11 第１投光器
12 第２投光器
13 ファイバ型光サーキュレータ
14,24 光ファイバ装置
14a,24a 光ファイバ
14b,24b チューブ
14c,24c 樹脂
14d 保護チューブ
15 波長多重分離装置
16 受光器
17 解析器
24g 空隙
L1,L1' 第１の反射光
L2,L2' 第２の反射光

Claims (7)

1. レーザ光を出射する投光器と、
   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
   を備えた温熱治療器であって、
   前記光ファイバ装置は、
   シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、
   この光ファイバの先端に、同光ファイバの長手方向と平行に延伸させて接続したチューブと、
   このチューブ内に充填した樹脂と、
   を有し、
   前記第１の反射光は、前記光ファイバの先端面を反射面として生じさせ、前記第２の反射光は、前記樹脂の先端面を反射面として生じさせる温熱治療器。
2. 前記チューブは、温度上昇により膨張する前記樹脂の径方向への膨張を抑制可能な素材で形成している請求項１に記載の温熱治療器。
3. 前記樹脂の先端面を球面状として、前記第２の反射光を前記光ファイバのコアに向けて集光する請求項１または請求項２に記載の温熱治療器。
4. 前記チューブ内の前記樹脂の長さが60μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の温熱治療器。
5. レーザ光を出射する投光器と、
   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
   を備えた温熱治療器であって、
   前記光ファイバ装置は、
   シングルモードのレーザ光を伝搬させる光ファイバと、
   この光ファイバの先端に、同光ファイバの長手方向と平行に延伸させて接続したチューブと、
   このチューブ内に充填した樹脂と、
   を有し、
   前記光ファイバと前記樹脂との間に空隙を介在させて、この空隙に接する前記樹脂の面を前記第２の反射光を生じさせる反射面としている温熱治療器。
6. 前記チューブは、ガラス製である請求項５に記載の温熱治療器。
7. 前記反射面を球面状として、前記第２の反射光を前記光ファイバのコアに向けて集光する請求項５または請求項６に記載の温熱治療器。