JP4376404B2

JP4376404B2 - 生体用光照射装置

Info

Publication number: JP4376404B2
Application number: JP2000023767A
Authority: JP
Inventors: 啓介小林; 尚男中島; 克也永井; 美子小林
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: JP2001212250A; WO2001056657A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、限定された波長の可視光を生体の局所に点滅照射させる装置に関するものであり、生体の局所の血流を増加させて各種疾患の治療効果を上げるものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、可視光を利用した疾病の治療機器に関しては、科学的に立証されたものは極めて少なく、わずかに新生児ビリルビン血症の治療や、癌組織に特異的に蓄積される色素を利用したラジカルによる癌破壊治療などが上げられるに過ぎない。しかしながら、これまでの経験的な観察から可視光による照射が外傷や手術創などの創傷治癒を促進したり、皮膚結核の治癒を早めるとされ、所謂、民間療法としてこれらの治療に使用されてきた。このような方法は、できるだけ太陽光に近い波長の可視光を使用した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の疾病の治療機器では、照射された人が疲労を覚えるために長時間照射することは難しく、またその効果が経験的で科学的に立証されたものではなかったために、医療として正式に認められることは極めて稀であった。
【０００４】
また、人体、畜産動物の治療或いは美容や健康、娯楽を目的として光線を照射するための生体用光照射装置としては、例えば、特開平８−３０８９４３号公報、特開平１０−１６５５２４号公報等がある。
【０００５】
本発明は、上記状況に鑑みて、血流促進作用を有する波長の光の点滅照射により照射部位の血流を増加させて治療効果を発揮させることができる生体用光照射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕生体用光照射装置において、４１０−４２０ｎｍの波長の単色光、５７０−５８０ｎｍの波長の単色光の少なくとも１つの単色光を得る手段と、前記単色光を得る手段で得た前記単色光を断続する手段と、前記単色光を断続する手段で断続した前記単色光を生体の一部に照射する手段とを備え、前記単色光を断続する手段による可視光の点滅により局所の血流を増加させることを特徴とする。
【０００８】
〔２〕上記〔１〕記載の生体用光照射装置において、前記単色光の断続周波数が１ｋＨｚ以下であることを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の生体用光照射装置において、前記単色光を得る手段は、光源からの光から単色光を得る分光器であることを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔１〕記載の生体用光照射装置において、前記単色光を断続する手段はシャッターであることを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔１〕記載の生体用光照射装置において、前記単色光の断続比を変えるようにすることを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔５〕記載の生体用光照射装置において、前記単色光の断続比であるｏｎ−ｏｆｆ比が１：１から１（ｏｎ）：１００（ｏｆｆ）であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
本願発明者らは、以前から可視光の治療効果に興味を持ち、自身も被験者となって、前腕屈側部皮膚への可視光の照射が、ドップラー血流計で測定した結果、照射部位の皮膚の血液量（血液量に相当）を増加させることを確認していた。１９９６年から３年間行われた特定研究を契機として本研究をより科学的なものにするべく、ラットを用いた共同研究を開始した。その動物を用いた実験により、可視光をラットの尾に点滅（点灯、消灯各３秒間）照射すると点灯時及び消灯時に、それぞれ尾の照射部位の血流量が増加することを示す結果が得られた。
【００１５】
本願発明者らは以前より一酸化窒素合成酵素（ＮＯＳ）について研究をしていたが、この現象に、血管拡張作用を持つ一酸化窒素（ＮＯ）が関与する可能性を考えた。そこで、本研究により点滅する可視光の照射による血流増加反応に対するＮＯＳの阻害剤（Ｎ^G−ｍｏｎｏｍｅｔｈｙｌ−Ｌ−ａｒｇｉｎｉｎｅａｃｅｔａｔｅ、Ｌ−Ｎ^GＭＭＡ）の効果を検討したところ、消灯時の反応には影響を与えなかったが、この阻害剤は点灯時の血流の増加を効果的に阻害することが明らかとなった。
【００１６】
更に、点灯時の可視光の作用の波長依存性を検討したところ、４２０ｎｍ、５４０ｎｍ、及び５７５ｎｍ付近に、それぞれ、作用極大点を持つことが明らかになった。これらの波長及びその作用強度は、これまで明らかにされているＮＯと結合したヘモグロビンやミオグロビン（即ち、ＮＯ−ヘモグロビン及びＮＯ−ミオグロビン）の吸収極大を示す波長と吸収の程度と一致することが明らかとなったので、可視光点灯時の血流増加は、ヘモグロビンやミオグロビンのようなＮＯの貯蔵因子からのＮＯの遊離による可能性が最も強いと考えられる。
【００１７】
しかしながら、一酸化窒素合成酵素（ＮＯＳ）にもヘム核がありＮＯとこのヘム核は結合するので、ＮＯＳが可視光で活性化される可能性はあるが、ＮＯと結合したＮＯＳの吸収は４２０ｎｍではなく、４３６ｎｍに吸収極大を持つので、前者の貯蔵因子からのＮＯの遊離説の方が可能性は高い。なお、ヒトの前腕屈側部皮膚への可視光の点滅照射もまた、ラットの尾への照射と同様に点灯時と消灯時にそれぞれ血流の増加を引き起こすことを確認している。
【００１８】
以下、本発明の具体的実施例について詳細に説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施例を示す生体用光照射装置の模式図である。
【００２０】
この図に示すように、光源１としての５００ＷのＸｅランプ（発光ダイオードでもよい）の光をレンズ２で集光し分光器３に導いて単色光を得る。この単色光を電磁開閉式の機構的シャッター４、光量調整のためのＮＤフィルター５を通した後、レンズ６と平面鏡７によってラット８の尻尾の中央部９に照射する。この照射された尻尾の中央部９にレーザードップラー血流計１０のプローブ１１を負荷をかけないように接触させる。
【００２１】
機構的シャッター４をタイマー１５に接続されるシャッター駆動装置１４により、１：１の開閉比（開３秒、閉３秒）で駆動し、この開閉信号を血流信号とともに、Ａ／Ｄ変換器１６でＡ／Ｄ変換してコンピューター１７に取り込む。なお、図１において、１２はプローブ１１のカウンターバランス、１３は狭帯域通過フィルタ、１８はライトシールドである。
【００２２】
そこで、十分に長い時間（約６００秒）連続的に想定した血流信号を機構的シャッター４の開閉に同期させて算術平均することによって光照射期間（開）および非照射期間（閉）における血流の時間変化を導出することができる。
【００２３】
この平均操作によってノイズなどのシャッターの開閉に同期しない変化は取り除かれる。ラットには視覚からの刺激やシャッター開閉音により聴覚刺激を与えないようにライトシールドなどを使って十分な注意を払っている。
【００２４】
このようにして得られたラットにおける光照射による血流の時間変化の一例を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００２５】
照射光の波長は５７５ｎｍで照射光のパワー密度を０．１９８ｍＷ／ｃｍ²から１．４９ｍＷ／ｃｍ²の範囲で変えている。縦軸はシャッターが開く直前の血流値を１００とした時のパワー密度あたりの血流増加率である。横軸はｍｓｅｃ単位の時間で矢印がシャッター開もしくは閉の時点を示している。図２（ａ）は光照射期間、図２（ｂ）は非照射期間における血流変化である。
【００２６】
この結果から、以下のことが分かる。
（１）シャッターが開くと血流は直ちに増加し、極大に達した後、緩やかに減少する。
（２）シャッターが閉じるとやはり血流は増加し、直ちに極大に達する。その後シャッターが開いたときよりは素早く減少していく。
（３）パワー密度当たりの血流の増加率は、照射パワー密度が大きくなると減少してゆく。
【００２７】
そこで、血流増加率の減少が、あまり大きくない照射密度で血流増加率の波長依存性を測定した。その結果を図３に示す。
【００２８】
この図では、縦軸は血流増加率の照射期間中での平均値を示している。血流の増加率は４１０−４２０ｎｍに強いピーク、５４０−５５０ｎｍ、５７０−５８０ｎｍにそれよりは１ケタ弱いダブレットピークが見られる。この作用スペクトルは低スピン状態にある６配位のＦｅ⁺⁺ヘムの光学吸収スペクトルに著しく似ている〔参照文献（１）：Ｐｅｒｕｔｚ，Ｍ．ｅｔａｌ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＧｌｏｂｉｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｔｈｅＳｔａｔｅｏｆｔｈｅＨｅｍｅ．，Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１５，３７８−３８７（１９７６）、参照文献（２）：Ｏ’Ｋｅｅｆｅ，Ｄ．Ｈ．，Ｅｂｅｌ，Ｒ．Ｅ．，ａｎｄＰｅｒｔｅｒｓｏｎ，Ｊ．Ａ．，ＳｔｕｄｉｅｓｏｆｔｈｅＯｘｙｇｅｎＢｉｎｄｉｎｇＳｉｔｅｏｆＣｙｔｏｃｈｒｏｍｅＰ−４５０．Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．，２５３，３５０９−３５１６（１９７８）〕。
【００２９】
参考のために典型的低スピン６配位Ｆｅ⁺⁺ヘム化合物であるＮＯ−ミオグロビンの吸収スペクトルのピーク位置と、その吸収係数の相対値を図中の太い実線の縦棒で示している。
【００３０】
以上の結果は、ラットを対象とした実験によるものであるが、ヒトにおいてもほぼ同様の結果が得られている。ヒトにおいてはラットの場合に比べて血流が極大に達した後の減衰がより緩やかであるのが目立つ相違点である。
【００３１】
レーザードップラー血流計で皮膚表面から約１ｍｍ以内の層に分布する毛細血管内の血流量を測定する。この血流量の増加はその上流にある抵抗血管である微少動脈の拡張によるものと考えられる。
【００３２】
したがって、血管拡張においてカギをにぎる物質であるＮＯがこの光による血流増加現象に関与していることは十分に予想される。
【００３３】
そこで、ＮＯ合成阻害剤であるＬ−Ｎ^GＭＭＡによってこの現象が抑制されるかどうかを調べてみた。
【００３４】
Ｌ−Ｎ^GＭＭＡをＰＢＳで希釈して与えた群（５匹）とＰＢＳのみを投与したコントロール群（５匹）各々について個々のラット血流変化を測定し、各群内で平均して得た平均の血流変化波形を、図４（ａ）および（ｂ）に示す。照射波長は５７５ｎｍである。
【００３５】
図４（ａ）は照射期間の血流変化で白丸はコントロール群、黒丸はＬ−Ｎ^GＭＭＡ投与群のデータである。エラーバーは標準誤差を示している。
【００３６】
図４（ｂ）は非照射期間の血流変化で同じく白丸がコントロール群、黒丸がＬ−Ｎ^GＭＭＡ投与群のデータを表している。
【００３７】
この結果から、５７５ｎｍ光照射による照射中の血流増加反応はＬ−Ｎ^GＭＭＡによって抑制されることがわかる。一方、照射を停止した後の過渡的な血流増加反応はＬ−Ｎ^GＭＭＡによっては抑制されないことは明らかである。
【００３８】
以上の結果から、この光照射による血流増加反応は低スピン状態にある６配位のＦｅ⁺⁺ヘム化合物による光吸収によって引き起こされること、およびＮＯが主要な役割を果たしていることが分かる。
【００３９】
その最も単純な可能性としてはＮＯ−ヘモグロビンの光吸収によって遊離のＮＯが血中に放出され、これが血管壁にたどり着いてグアニル酸シクラーゼに作用して血管拡張を引き起こすことが考えられる。ＮＯ−ヘモグロビンはＮＯのリザーバーとして生体内の循環血内に常に存在する事が分かってきている〔参考文献（３）：Ｋｏｓａｋａ，Ｈ．，ｅｔａｌ．，ＥＳＲｓｐｅｃｔｒａｌｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｂｙａｒｔｅｒｉｏｖｅｎｏｕｓｃｙｃｌｅｉｎｎｉｔｒｉｃｏｘｉｄｅｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎｏｆｃｙｔｏｋｉｎｅ−ｔｒｅａｔｅｄｒａｔｓ．Ａｍ．Ｊ．Ｐｈｙｓｉｏｌ．２６６，Ｃ１４００−Ｃ１４０５（１９９４）〕
このＮＯ−ヘモグロビンの濃度は局所でのＮＯ産生と消費のバランスで決まっていると考えられる。従って、光照射によってその局所のＮＯ−ヘモグロビンが消費されるに従い、遊離のＮＯ濃度の増加も減少し、血流増加率も減少すると考えられる。照射が停止すると、再びＮＯ産生が上回ってＮＯ−ヘモグロビンが蓄積される。Ｌ−Ｎ^GＭＭＡはＮＯ合成酵素（ＮＯＳ）におけるＮＯ合成を阻害するので結果的にＮＯ−ヘモグロビンの濃度が減少し、従って光照射によるＮＯ放出も減少する。
【００４０】
このように、特定の波長光、即ち、４２０ｎｍ、５４０ｎｍ、５７５ｎｍの各±１０％の波長の可視光を、生体の局所へ照射、しかも点滅照射することにより、その局所の血流が増加することをラット、およびヒトにおいて確認できた。なお、その原因は、その波長特性から、一酸化窒素と結合したヘモグロビン等から一酸化窒素が遊離することによるものと考えられる。
【００４１】
上記実施例では、連続波長光源（キセノンランプのごとき）＋分光器＋シャッターの構成としたが、この構成以外によっても特定波長の断続光を得ることはできるので、以下それについて説明する。
【００４２】
図５は本発明の他の実施例を示すカテーテル型の照射装置の構成図、図６は他の照射装置の照射パネルの模式図である。
【００４３】
この図において、２０はＬＥＤの発光強度コントロールおよびｏｎ−ｏｆｆ変調用マイクロプロセッサー（ＭＰ）、２１〜２３は電源（Ｐ１〜Ｐ３）、２４は４１５ｎｍの波長光のＬＥＤ（Ｄ１）、２５は５４０ｎｍの波長光のＬＥＤ（Ｄ２）、２６は５７５ｎｍの波長光のＬＥＤ（Ｄ３）、２７，２９は光ファイババンドル、２８は光を混合する混合器、３０は照射治具としての照射器である。
【００４４】
また、図６に示すように、４１５ｎｍ，５４０ｎｍ，５７５ｎｍの３種類のＬＥＤ３１〜３３を６角形の単位（ＬＥＤの組）３４を１単位として配列し、その強度、ｏｎ−ｏｆｆ変調を、図５の場合と同じように、マイクロプロセッサー（ＭＰ）で行なう。また、照射部位の面積に合わせて点灯するＬＥＤを上記６角形の単位３４で選択するようにする。
【００４５】
なお、４１５ｎｍ，５４０ｎｍ，５７５ｎｍの３種類のＬＥＤだけでなく、１４５０ｎｍ付近のピークを持つＬＥＤを組み合わせる応用の場合も基本的に図５及び図６と同じようにできる。
【００４６】
また、図示しないが、近赤外ＬＥＤの代わりにタングステンフィラメント豆球と１４５０ｎｍのバンドパスフィルターを組み合わせるようにしてもよい。
【００４７】
更に、別の方法として、分光器の代わりに特定波長（例えば、５７５ｎｍ）の光だけを通す狭帯域フィルターを用いるようにしてもよい。
【００４８】
図７は本発明の他の実施例を示す狭帯域フィルターを用いた照射装置の構成図である。
【００４９】
この図に示すように、ダイクロイック球面鏡４１の中心に光源となるランプ（ハロゲン、メタルハライドなど）４２を置き、このランプ４２から後方に出た光の熱線成分はそのまま後方に、可視光成分のみをランプ４２の位置に集光させる。このようにセットしたランプ４２の位置から前方に出射する光束をレンズ４３によって平行光にし、熱線吸収もしくは反射型の熱線カットフィルター４４によって可視光のみを前方に透過させる。
【００５０】
また、５７５ｎｍ、５４５ｎｍ、４２０ｎｍのいずれかを中心波長として±１０％のバンド幅の光のみを透過させるバンドパスフィルター４５によって上記３種のいずれかの単色光を得る。このときこのバンドパスフィルター４５をターレット状にして任意に交換できるようにしてしてもよい。さらに、シャッター４６によってこの単色光束を所定の周波数で断続変調しレンズ４７によって一度集光させてからレンズ４８によってもう一度光束に任意の広がりを持たせる。そのシャッター４６は機械式でもよいが液晶を使ってもよい。レンズ４８は照射面５０上での配光を調節するためにレンズ４７に対して可動になっている。
【００５１】
さらに、上記した照射光は断続させるが、その断続のｏｎ−ｏｆｆ比を変えるようにすることができる。例えば、そのｏｎ−ｏｆｆ比を１：１から１（ｏｎ）：１００（ｏｆｆ）の範囲に設定する。その理由は、血流が小さいところで照射光量が大きくなると血流中のＮＯが消費し尽くされてしまってそれ以上長く光を当てていても効果がなくなってしまうからである。すなわち、光が切れている間に新しい血流が照射領域に流れ込んできて再びＮＯが補給される。照射時間と待ち時間の兼ね合いは照射部位によって異なる。
【００５２】
上記したように、本発明の生体用光照射装置は、限定された波長を用いて、エネルギーの低い可視光を照射することにより、照射による生体の弊害なく、有効に局所の血流を増大させることを可能としたものであり、創傷治癒の促進はもとより、末梢循環不全を起こす疾患（動脈硬化性血管閉塞症など）、血流増加により改善される疾患（肝臓疾患など）等の非観血的治療にも用いることができる。
【００５３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５５】
（１）血流促進作用を有する波長の光の点滅照射により照射部位の血流を増加させて治療効果を発揮させることができる。
【００５６】
臨床的に血流の改善による治療効果が期待されるものには、外傷や手術創の創傷治癒の促進以外に以下のような疾患が考えられる。
【００５７】
（Ａ）末梢循環不全を引き起こす以下の疾患
▲１▼動脈硬化性血管閉塞症
▲２▼糖尿病性循環不全
▲３▼レイノー氏病、バージャー氏病
以上の疾患は、それぞれ、生活習慣病の一つと考えられる心筋梗塞の原因となる動脈硬化、糖尿病、及び不明の原因等による末梢血流不全が原因で起こり、跂行、疼痛、痙攣、硬直、冷感、壊疽等を来す疾患である。
【００５８】
これらの疾患には有効な薬物療法がなく、あっても副作用の強いものしかないのが現状である。末梢血管の収縮を防ぐために交感神経を外科的に除去したり、交感神経遮断剤が使われたり、外科的に狭窄部位を切除したりする療法は行われるが、有効な非観血的な治療法はない。
【００５９】
（Ｂ）血流を増やすことにより疾患の改善や改善促進が期待される疾患
▲１▼急性及び慢性肝炎などの肝臓疾患
▲２▼狭心症及び心筋梗塞
▲３▼肩凝り
やや身体の深部にある臓器や組織の疾患であるが、非観血的な可視光の点滅による治療効果が期待される。
【００６０】
（２）また、本発明に係る生体用光照射装置は、ＮＯを遊離するところにその特徴があり、ＮＯの増加による治療効果が期待される疾患への応用を目的とするところにその特色がある。これまで使用されている太陽光の装置では熱を発生し、その熱が照射された人に疲労感を与えるために長時間の照射が不可能であったが、本発明に係る生体用光照射装置では熱をほとんど使用せず、疲労感を与えることなく長時間著しい血流増加を引き起こし得るところに、その利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す生体用光照射装置の模式図である。
【図２】本発明の実施例の生体用光照射装置を用いて得られたラットにおける光照射による血流の時間変化の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施例の血流増加率の減少が、あまり大きくない照射密度で血流増加率の波長依存性を測定した一例を示す図である。
【図４】Ｌ−Ｎ^GＭＭＡをＰＢＳで希釈して与えた群（５匹）とＰＢＳのみを投与したコントロール群（５匹）各々について個々のラット血流変化を測定し、各群内で平均して得た平均の血流変化波形を示す図である。
【図５】本発明の他の実施例を示すカテーテル型の照射装置の構成図、図６は他の照射装置の照射パネルの模式図である。
【図６】他の照射装置の照射パネルの模式図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す狭帯域フィルターを用いた照射装置の構成図である。
【符号の説明】
１光源
２，６，４３，４７，４８レンズ
３分光器
４機構的シャッター
５ＮＤフィルター
７平面鏡
８ラット
９ラットの尻尾の中央部
１０レーザードップラー血流計
１１プローブ
１２カウンターバランス
１３狭帯域通過フィルタ
１４シャッター駆動装置
１５タイマー
１６Ａ／Ｄ変換器
１７コンピュータ
１８ライトシールド
２０マイクロプロセッサー（ＭＰ）
２１〜２３電源（Ｐ１〜Ｐ３）
２４４１５ｎｍの波長光のＬＥＤ（Ｄ１）
２５５４０ｎｍの波長光のＬＥＤ（Ｄ２）
２６５７５ｎｍの波長光のＬＥＤ（Ｄ３）
２７，２９光ファイババンドル
２８光を混合する混合器
３０照射器
３１〜３３ＬＥＤ
３４６角形の単位（ＬＥＤの組）
４１ダイクロイック球面鏡
４２ランプ
４４熱線カットフィルター
４５バンドパスフィルター
４６シャッター

Claims

生体用光照射装置において、
（ａ）４１０−４２０ｎｍの波長の単色光、５７０−５８０ｎｍの波長の単色光の少なくとも１つの単色光を得る手段と、
（ｂ）前記単色光を得る手段で得た前記単色光を断続する手段と、
（ｃ）前記単色光を断続する手段で断続した前記単色光を生体の一部に照射する手段とを備え、
（ｄ）前記単色光を断続する手段による可視光の点滅により局所の血流を増加させることを特徴とする生体用光照射装置。
請求項１記載の生体用光照射装置において、前記単色光の断続周波数が１ｋＨｚ以下であることを特徴とする生体用光照射装置。
請求項１記載の生体用光照射装置において、前記単色光を得る手段は、光源からの光から単色光を得る分光器であることを特徴とする生体用光照射装置。
請求項１記載の生体用光照射装置において、前記単色光を断続する手段はシャッターであることを特徴とする生体用光照射装置。
請求項１記載の生体用光照射装置において、前記単色光の断続比を変えるようにすることを特徴とする生体用光照射装置。
請求項５記載の生体用光照射装置において、前記単色光の断続比であるｏｎ−ｏｆｆ比が１：１から１（ｏｎ）：１００（ｏｆｆ）であることを特徴とする生体用光照射装置。