温度センサが集積された広い適用性の極細レーザ照射光ファイバ加熱治療器の研究

Research Project

Project/Area Number	23K25229
Project/Area Number (Other)	22H03975 (2022-2023)
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Multi-year Fund (2024) Single-year Grants (2022-2023)
Section	一般
Review Section	Basic Section 90130:Medical systems-related
Research Institution	Okayama University
Principal Investigator	深野秀樹岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (60532992)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	馬越紀行岡山大学, 大学病院, 助教 (10780885) 櫻井淳岡山大学, 大学病院, 教授 (30444657) 生口俊浩岡山大学, 大学病院, 准教授 (90423293)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000) Fiscal Year 2024: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000) Fiscal Year 2023: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000) Fiscal Year 2022: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
Keywords	光ファイバ温度センサ / 光ファイバ加熱治療器 / レーザ照射 / 加熱治療 / 温熱療法 / レーザ加熱 / 光ファイバプローブ / 温度測定
Outline of Research at the Start	X線CTや強磁場を用いるMRIにて患部を観察する画像下で効果的な低侵襲治療を行う例が増えているが、従来の電子計測機器は利用に制限が多い。X線耐性が高く、電磁誘導の影響を受けず、注射針の中を通せる極細の光ファイバのみを利用し、局所的に加熱しつつ同時にその場の温度が正確に把握できるシステムを研究開発する。これによって加熱治療の高精度化が可能であり、体表面や消化管を介して体内から、注射針を通して、さまざまな部位への治療適用を可能とする技術に仕上げる。具体的には、基本特許取得の新しい光ファイバプローブを発展させ、低侵襲治療技術の拡大と治療効果の大きな改善が期待できる技術開発を行う。
Outline of Annual Research Achievements	異なる波長光の応用による治療領域拡張技術の研究開発を行った。細胞の水分の単位長さあたりの光吸収量（吸収係数）が、照射光波長により変化することがわかっている。吸収係数の異なる波長を利用することによって加熱領域の主に奥行を制御するための波長依存の加熱特性のデータ取得を行った。従来は、水の光吸収波長とほぼ一致している1.48 μm高出力半導体レーザを、加温用レーザ光源として利用していており、この波長における光の吸収長は約0.4 mmであるため、概ね1～5 mmの大きさの比較的小さな治療に適していた。レーザ波長を短波長側の1.3 μm程度にすることで、論文報告されている光の吸収長は約6 mm程度まで大きくなり，波長を0.98 μmに短くすることで、吸収長はさらに約20 mm程度まで大きくなる。レーザ照射による光吸収に基づく水温上昇を、40℃で色変化が現れるサーモテープを用いて実験を行った。1.3 μm波長のレーザパワーの増大と共に照射方向の加熱長は長くなり、400 mWで7.4 mm程度まで増大した。さらに、レーザ波長を0.98 μmに短くすることで、同様にレーザパワーの増大と共に照射方向の加熱長は長くなり、1 Wにおいて加熱長は20 mm以上に大きくなることが実験により確認できた。この結果より、レーザ波長の切り替えによって対象領域の拡大が制御可能であり、比較的大きな部位の治療への適用も可能であることが明らかとなり、成果目標である照射光波長変化で、加熱領域を20 mm以上に伸張できる独自技術を確立できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 成果目標である照射光波長変化で、加熱領域を20 mm以上に伸張できる独自技術を確立できた。
Strategy for Future Research Activity	従来は加熱用レーザ光と測定用光は安定動作のために共に、シングルモード(SM)としている。一方、加熱領域の奥行と幅の拡大のために導光パワーの増大が必要となり、加熱用レーザ光の導光のみをマルチモード(MM)光で行うことを検討する。従来のSMファイバのコア径は8.2 μmと細く導光パワーに限界があるため、光を閉じ込めるために存在するクラッド層にも光を導波させる新しい方法に取り組む。MM光の導波路径はクラッド径125 μmまで拡大され、許容導波光パワーは面積比から100倍以上に増大できる。ファイバの導波部分の構造はほぼ同一のため、損失が最小限にできると予想される。一方、MM光の導波の安定化のためにクラッド層の外側に低屈折率の第二のクラッド層の有効性を検討する。また、光ファイバプローブへの光結合において波長多重に加えて、異なるモードのSM光とMM光を効率的に結合入射するモード多重光結合をレンズ系設計で実現する手法についても検討を行う。他方で、ホーリーファイバ界面でモードミスマッチを利用した途中領域での外部への光放射による加熱領域の拡大を行う新概念のプローブ構造も可能と考えられ、新しいSM/MM共存の波長多重計測技術の研究開発を図る。