JP6050179B2 - レーザーサーミア用のロータリーハンドピース - Google Patents

Description

本発明は、人体や動物の温熱療法に使用するロータリーハンドピースに関する。

従来、例えば特許文献１（特表２００７−５０７２６３号公報）のように、人体や動物の温熱療法に使用する温熱エネルギーとして、マイクロ波、ＲＦ波等の電磁波や超音波が用いられてきたが、近年、レーザー光を使用した温熱療法（レーザーサーミア）も行われつつある。
このレーザーサーミアは、例えば特許文献２（特表２００５−５１１２３９号公報）のように、通常、低出力のＮｄ：ＹＡＧレーザー光を使用して行われる。レーザー光はレーザー発振器で生成されて光ファイバーを通してハンドピースに導入され、このハンドピースの先端に取り付けたプローブの先端から患部に向けて放射することで癌組織等の腫瘍を加温して死滅させる。
Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光の波長は生体組織の６０％を占める水への吸収が最も小さい波長域にあり、見かけ上の浸達深さが約８ｍｍと深いことから、同レーザー光による治療効果が期待されている。

特表２００７−５０７２６３号公報 特表２００５−５１１２３９号公報

ところで、この種の温熱療法では腫瘍が加温により死滅するようにレーザーを最適強度で照射することが重要である。腫瘍の死滅温度は４２．５℃〜４３．５℃とされているが、この温度範囲よりも低いと腫瘍を死滅させることができないし、逆に高過ぎると火傷を引き起こしたり、場合によっては表面組織が炭化することでレーザーの浸達性が損われたりする。特許文献１には腔内に挿入する放射線プローブに温度センサを設け、この温度センサで検知される周囲の組織温度が所定レベルを超える場合はマイクロ波放射線の発射を停止するようにしている。

しかし、腔内の温熱療法に使用するプローブ（アプリケータともいう）は非常に小さく、レーザー光の照射領域も極めて狭い。このため温度センサを設ける位置とレーザー光の照射領域は極めて近接しており、温度センサで検知される温度とレーザー光の照射領域の温度との間に大きな違いはない。

しかしながら、体外の温熱療法に使用するプローブは小さなものでも直径が１０ｍｍほどあり、大きなものでは直径が３０ｍｍを超えるものもあって多種多様である。このような体外温熱療法用の大きなプローブになるとレーザーの照射領域が広くなり、温度センサを配置する位置によって検知温度の差違が生ずる。プローブの先端面の中心が最もレーザー光の照射強度が強いので、この先端面の中心に温度センサを配置するのが望ましい。しかし、プローブの先端面中心部の温度が最適に維持されても、周辺部の温度が目標温度を下回ると、周辺部で腫瘍が死滅せずに残ってしまうおそれがある。

そこで本発明の目的は、プローブの先端面から放射されるレーザー光の強度分布を均一化すると共に、この均一化したレーザー光で加温される患部の表面温度をレーザー光をできるだけ遮ることなく温度センサで検知してレーザー発振器にフィードバックすることにより、レーザー強度を最適に制御し、患部の加温温度をプローブ先端面の中心部から周辺部にわたる全面で最適温度に制御することにある。

前記課題を解決するため、本発明は、レーザー発振器で生成したレーザー光を光ファイバーを通して筒状プローブの内側に導入し、前記光ファイバーの先端を前記プローブ内でプローブ軸心から偏心させて回転させることにより前記プローブの先端から所定径のレーザー光を患部に向けて放射するようにしたレーザーサーミア用のロータリーハンドピースであって、前記プローブの内周側面にレーザー光を反射する反射膜を形成すると共に、前記プローブの先端周辺部又は中心部に温度センサを設け、前記温度センサで検知した患部の温度に基づいて前記レーザー発振器の出力をフィードバック制御することにより患部の加温温度を所定温度に制御ようにしたロータリーハンドピースである。

本発明のレーザーサーミア用のロータリーハンドピースによれば、プローブの内周側面に反射膜を形成しているので、この反射と光ファイバーの回転の相乗効果でプローブの先端面におけるレーザー光の強度分布を均一化することができ、この均一化した強度分布の周辺部又は中心部で温度センサによって患部の温度を検知するから、検知した温度と中心部温度又は周辺部温度との間の格差が少なく正確な温度制御が可能となる。この結果、レーザー光の照射領域であるプローブの先端面中心部から周辺部にわたる全面で火傷を起こすことなく腫瘍を確実に死滅させることができる。

レーザーユニットと本発明の実施形態に係るロータリーハンドピースの斜視図である。 ロータリーハンドピースの先端部断面図である。 （Ａ）はプローブの底面図である。（Ｂ）はプローブの先端部側面図である。 （Ａ）はプローブの先端周縁部拡大図である。（Ｂ）はプローブの先端周縁部の変形例の拡大図である。 別の温度センサである被覆熱電対を使用した実施形態を示すもので、（Ａ）はプローブの底面図である。（Ｂ）はプローブの先端部断面図である。（Ｃ）は（Ｂ）のＣ−Ｃ線矢視断面図である。 レーザー発振器に対するフィードバック回路を示す図である。 （Ａ）は光ファイバーを回転させた時のレーザーの光路の例を示す図である。（Ｂ）は光ファイバーを回転させた時のレーザーの強度分布を示す図である。（Ｃ）は光ファイバーを静止させた時のレーザーの強度分布を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るレーザーサーミア用のロータリーハンドピースについて説明する。図１はレーザーユニット１とロータリーハンドピース２の外観を示したものである。レーザーユニット１はその内部に低出力Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光を生成するためのレーザー発振器を備えている。レーザー光としては、このＮｄ：ＹＡＧレーザー光のほかに、比較的低出力のＫＴＰレーザー（５３２ｎｍ固体レーザー）、ダイオードレーザー、紫外線レーザーなども使用可能である。

レーザーユニット１とロータリーハンドピース２はケーブル３で連結され、このケーブル３の中に被覆管で保護された光ファイバー（直径約０．６ｍｍ）が収納されている。そしてレーザー発振器で生成したレーザー光をケーブル３を通してロータリーハンドピース２の中に導入するようにしている。ロータリーハンドピース２の先端には、アクリル製の透明な円筒状プローブ４が取り付けられている。このプローブ４の先端は円形の平面で閉じられ、この先端面４ａからレーザー光が放射されるようになっている。プローブ４の内周側面には、アルミ蒸着や反射フィルムによってプローブ４の内部を透視可能な薄さの反射膜４ｂが形成されている。

このように反射膜４ｂを薄く形成することにより反射膜４ｂが半透明になり、患部に対するレーザー光の照射をプローブ４の外側から目視で確認することができると共に、プローブ４の側面から外部に出るレーザー光の強度を反射膜４ｂで大きく低減することができる。プローブ４の側面から外部に出るレーザー光は直接光ではないので反射膜４ｂがなくても目に入って有害ではないが、動物の場合はレーザー光の明るさによっては光におびえることがある。反射膜４ｂがあるとそのような動物でも安心してレーザーサーミアを行うことができる。

ロータリーハンドピース２の内部には、図２のようにモータ５が同軸状に配設されている。このモータ５は前記光ファイバーを偏心状態で旋回させるためのものである。モータ５の回転軸５ａは中空構造とされ、この回転軸５ａの前端に偏心ロータ６がネジ７で取り付けられている。偏心ロータ６は、ネジ７で回転軸５ａに固定されたボス部６ａと、ネジ７と反対側のボス部６ａの周辺部から回転軸５ａの長手方向に延びた支持部６ｂと、支持部６ｂの先端に直角に連結されたファイバー保持部６ｃで構成されている。

ファイバー保持部６ｃは、回転軸５ａの方向から見て中心角が約１８０°の扇形状をしており、ファイバー保持部６ｃの中心（扇形状の要部分）が回転軸５ａの中心線と一致するように支持部６ｂに連結されている。このファイバー保持部６ｃの中心から偏心した位置には、光ファイバーを挿通するためのファイバー挿通穴６ｄが形成されている。そしてこのファイバー保持部６ｃが、ロータリーハンドピース２の先端側の円筒穴２ａの内側で回転するように配置されている。

一方、ロータリーハンドピース２の後端側から当該ハンドピース２内にケーブル３が引き込まれ、このケーブル３がモータ５の後端部に連結されている。そして、ケーブル３内の光ファイバー３ａがモータ５の回転軸５ａの中空部を通して偏心ロータ６側に引き出されている。このようにして偏心ロータ６側に引き出された光ファイバー３ａは、偏心ロータ６の前記ファイバー保持部６ｃのファイバー挿通穴６ｄに挿通され、ファイバー挿通穴６ｄから出た光ファイバー３ａの先端がプローブ４内に突出している。

プローブ４の先端面４ａの周辺部には、図３のように温度センサ８が設けられている。この温度センサ８は熱電対やサーミスタ等の任意のセンサで構成可能である。温度センサ８は図４（Ａ）のようにプリント基板９の先端下面に実装された状態で、プローブ４の先端に形成された溝部４ｃに配置されている。温度センサ８はその裏側にプリント基板９が位置する関係で、プリント基板９がそのままレーザー光Ｌのシールドとなり、レーザー光Ｌが温度センサ８に直接当たらないようになっている。なお、プローブ４の内面に別途シールド材１２を貼り付けてもよい。或いは図４（Ｂ）のように、温度センサ８を先端面４ａの周縁部にできるだけ寄せて配置することで、レーザー光Ｌが温度センサ８に直接照射されないようにしてもよい。

温度センサ８を実装したプリント基板９は、プローブ４の先端面４ａから側面にかけて延長して取り付けられ、その延長端がロータリーハンドピース２内の図示しないターミナルに接続されている。そしてこのターミナルに接続されたリード線が光ファイバー３ａと同軸でケーブル３に収納され、レーザーユニット１内のレーザー発振器に接続されている。

次に、温度センサの他の実施形態を図５に示す。図５の温度センサは測温点１０ａが露出した被覆熱電対１０である。同図において１０ｂは熱電対素線、１０ｃは熱電対素線被覆絶縁材、１０ｄは外皮絶縁材である。被覆熱電対１０は、プローブ４の先端面４ａの中央部から周辺部に向かって形成された半径溝４ｄに収容されている。この被覆熱電対１０は極細のものを使用することができ、複数のメーカーから長径０．５ｍｍ以下のものでも容易に入手可能である。被覆熱電対１０は、レーザー光Ｌの影響を受けないように全域が金メッキされたものが望ましい。

被覆熱電対１０の先端に測温点１０ａが設けられ、この測温点１０ａがプローブ４の先端面４ａの中央に位置している。被覆熱電対１０は、プローブ４の先端面４ａに半径溝４ｄを形成せずに、先端面４ａに露出させて接着剤等で貼り付けたり、測温点１０ａだけを先端面４ａに露出させ、残りの部分をプローブ４に埋設したりしてもよい。

図６は温度センサ８の出力がレーザー発振器１１にフィードバックされる構成を示したもので、このフィードバック制御により、ロータリーハンドピース２に出力されるレーザーの強度が温熱療法に最適な所定温度（例えば４２．５℃以上で４４℃未満）に制御されるようになっている。

プローブ４の先端面４ａにおけるレーザーの強度分布（ビームプロファイル）は、図７（Ｂ）に示すように、偏心ロータ６による光ファイバー３ａの回転と反射膜４ｂの反射作用によって、中心部と周辺部で強度差が少ないプロファイルにされている。図７（Ｂ）のビームプロファイルの測定は、直径１０ｍｍのプローブで７ｗの出力の半導体レーザー光を使用し、測定にはパワーセンサ（COHERENT PM-150）、パワーメータ（COHERENTLabMax）を使用して行った。

しかしながら、プローブ４の先端面４ａ周辺部での温度が火傷を起こさない４５℃未満であっても、中心部では４５℃を超えている可能性がある。そこで、図３と図４のように温度センサ８を周辺部に配置した場合は、中心部で確実に４５℃未満となるように、温度センサによるフィードバック制御を行う。具体的には、図７（Ｂ）の強度パターンを予め計測しておき、中心部と周辺部で強度の比率を計算し、当該比率に基づいてフィードバック制御を行う。このように制御すれば、プローブ４の先端面４ａの中心部から周辺部にかけて火傷を起こすことなく腫瘍を確実に死滅させることができる。また、図５のように温度センサ１０の測温点１０ａをプローブ４の中心部に配置する場合は、当該中心部の温度を直接測定することができるので、より適確な温度制御が可能になる。

ロータリーハンドピースは以上のように構成され、モータ５を回転すると光ファイバー３ａが回転し、レーザー光が、図７（Ａ）のように偏心状態で回転して、プローブ４の先端面４ａに向けてレーザー光を照射する。この時のモータ５の回転軸５ａの回転数は例えば１００〜１５０ｒｐｍである。プローブ４の内周側面の反射膜４ｂに当たったレーザー光Ｌはそこで反射されてプローブ４の中心方向に照射されるので、この反射作用が光ファイバー３ａの回転作用と相まって、レーザー光Ｌの強度分布を均一化することができる。

すなわち、プローブ４の先端面４ａにおけるレーザー光Ｌの強度分布が、図７（Ｂ）に示すように中心でわずかに膨らんだ形状になり、中心部と周辺部で強度差が少なくなる。これに対して、光ファイバーを回転させずにプローブの中心軸上に配置した場合、プローブ４の内周側面の反射膜４ｂの有無に関わりなく、図７（Ｃ）のように中心部のみ大きく突出したガウス分布のようなレーザー光Ｌの強度分布となる。このような非均一状態の強度分布では中心部と周辺部で温度差が大き過ぎ、温度センサで測定した患部の温度を有効にフィードバックして使用することができない。

本発明のロータリーハンドピース２は、プローブ４の内周側面の反射膜４ｂでのレーザー光の反射と光ファイバー３ａの回転の相乗効果でプローブ４の先端面４ａにおけるレーザー光の強度分布を実質的に均一化することができ、プローブ４の先端面４ａの全面でレーザーサーミアの実効性を確保することができる。

１ レーザーユニット ２ ロータリーハンドピース
３ ケーブル ３ａ 光ファイバー
４ プローブ ４ａ 先端面
４ｂ 反射膜 ５ モータ
５ａ 回転軸 ６ 偏心ロータ
８ 温度センサ ９ プリント基板
１１ レーザー発振器 １２ シールド材

Claims (3)

1. レーザー発振器で生成したレーザー光を光ファイバーを通して筒状プローブの内側に導入し、前記光ファイバーの先端を前記プローブ内でプローブ軸心から偏心させて回転させることにより前記プローブの先端から所定径のレーザー光を患部に向けて放射するようにしたレーザーサーミア用のロータリーハンドピースであって、
   前記プローブの内周側面にレーザー光を反射する反射膜を形成すると共に、前記プローブの先端周辺部又は中心部に温度センサを設け、前記温度センサで検知した患部の温度に基づいて前記レーザー発振器の出力をフィードバック制御することにより患部の加温温度を所定温度に制御ようにしたロータリーハンドピース。
2. 前記温度センサにレーザー光が直接当たらないように前記温度センサの裏側にシールド材を配置した請求項１のロータリーハンドピース。
3. 前記プローブを透明部材で構成すると共に、前記反射膜の厚さを、前記プローブの内部を外部から透視可能な厚さに形成した請求項１又は２に記載のロータリーハンドピース。

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