量子ビーム基礎

量子ビーム基礎 石川顕一 6月 7日　レーザーとは・レーザーの原理 6月21日　レーザー光と物質の相互作用 6月28日　レーザーの生体組織への影響 7月12日　レーザーの応用参考書：霜田光一著「レーザー物理入門」岩波書店 M. Niemz, “Laser-Tissue Interactions,” Springer

レーザーの応用 • 新しい超高速・高強度短波長光源 • 高次高調波発生技術 • 医療応用 • ガンの光線力学的治療(PDT) • 腰痛治療(PLDD) • 視力矯正(LASIK)

：３次高調波 ：５次高調波高調波発生結晶、ガス等線形光学効果（弱い光）物質の応答が、入射光強度に比例非線形光学効果（強い光）物質の応答が、入射光強度に非線形に依存波長変換非線形分極線形分極反転対称な媒質では、

電離電離仮想準位仮想準位基底状態基底状態摂動論的高調波発生水素原子に対するシミュレーション３次高調波次数が高くなるほど、発生効率は減少。５次高調波レーザー電場 << 原子核のクーロン力レーザーは摂動にすぎない。

高次高調波発生の発見 実験(1987年) シミュレーションプラトーカットオフプラトー：次数の増加にもかかわらず、発生効率が、あまり減少しない。 • 高次高調波の最も重要な特徴 • 摂動論的には解釈できない新しい極端紫外・軟エックス線光源

レーザー電場 再結合→発光電子トンネル電離電場中の古典的運動高次高調波発生のメカニズム高次高調波（非摂動論的）トンネル効果とは量子力学古典力学レーザー電場〜原子核のクーロン力

レーザー電場 再結合→発光カットオフ電子トンネル電離電場中の古典的運動レーザー電場中での古典的運動レーザー電場運動方程式ポンデロモーティブエネルギー（動重力）運動エネルギーの平均

高次高調波の高強度化 （理化学研究所レーザー物理工学研究室）

最適化された高次高調波 二次元の空間形状：理想的なガウス型 27th 強度 27次を中心に5本程度のみ特定の次数の高調波を強く発生できる。ビーム径空間コヒーレンス：非常に高いコヒーレント量子ビーム

他の短波長コヒーレント光源との比較 • エックス線レーザー • 自由電子レーザーと比較して、高強度、高速（超短パルス）高強度の極端紫外・軟エックス線光源高次高調波自由電子レーザー

レーザーの医療応用 • ガンの光線力学的治療(PDT) • 腰痛治療(PLDD) • 視力矯正(LASIK)

がん治療 • ３つの主要な治療法 • 外科手術 • 放射線治療 • 化学療法（抗ガン剤） • 量子ビームを用いる治療法の例 • 中性子：ホウ素中性子捕捉療法(BNCT) • 荷電粒子：粒子線治療 • レーザー：光線力学的療法(Photodynamic therapy, PDT)

光線力学的治療法Photodynamic therapy (PDT) 方法 • 腫瘍親和性光感受性物質（商品名フォトフリン）を静脈注射する。 • フォトフリンは、腫瘍組織には正常組織の約４倍とりこまれ、48時間以上停滞する。 • 正常組織からは、肝臓・腎臓を除き24時間以内に排泄される。 • 48時間後から72時間後にレーザーを照射する。 • 組織透過性の比較的高い630nmの赤色光を発生するエキシマダイレーザー(EDL)が用いられる。 • レーザー光は、石英ファイバーで病巣に導かれる。ガンに選択的に集積する光増感剤を光励起した時に、光化学反応により発生する活性酸素の細胞毒性を利用して行われるガン治療フォトフリンの構造 fig3.4

光線力学的治療法Photodynamic therapy (PDT) 特長 • PDTに使用するレーザーは、出力がレーザーメスの1／100程度と低く、フォトフリンはがん組織に多く集積するので、正常組織への障害を最小限に抑え、がん病巣のみを選択的に治療することができる。 • 切ったり、焼いたりする事のない局所的非侵襲的治療法。麻酔の必要が無く、痛み、出血もほとんどない。 • 抗ガン剤のようなきつい副作用がない。 • 他の治療を妨げないため、外科手術・放射線療法・化学療法との合併療法が可能。副作用 • 日光過敏症 • フォトフリン投与後２〜３週間は直射日光を避け、必要に応じて日焼け止めクリームの塗布。 • 暗室等に滞在する必要はない。

光線力学的治療法Photodynamic therapy (PDT) 承認の略歴 • 1993年（カナダ）：膀胱ガンの治療の承認 • 1994年（オランダ）：肺ガンと食道ガンの治療の承認 • 1994年（日本）：手術等の他の根治的治療が不可能な場合、あるいは、肺または子宮頸部の機能温存が必要な患者に他の治療法が使用できない場合で、かつ内視鏡的に病巣全容が観察でき、レーザー光照射が可能な下記疾患 • 早期肺ガン • 表在型食道ガン • 表在型早期胃ガン • 子宮頸部初期ガンおよび異形成 • 1995年（アメリカ）：食道ガンの治療の承認 • 日本では、まだ早期ガンに対してしか承認されていない。 • このため、なかなかメジャーな治療法にならない。 • 進行または再発食道ガン・大腸ガンに対する治癒例はある。 • 外国では、進行ガンに対しても承認している国もある。

腰痛治療（椎間板ヘルニア） 椎間板ヘルニア • 腰痛のおよそ20〜30%前後をしめる。 • 全体の70%が、20、30歳代従来の療法 [保存的療法] • 薬物療法：消炎鎮痛剤、筋緊張緩和剤 • 理学療法：牽引療法、温熱、電気加療 • 神経ブロック：ステロイド剤と局所麻酔剤 [手術] • 保存的療法で改善がない場合 • 長期の入院とリハビリが必要 • 長期治療成績はさほどよくない。負担の少ない効果的な治療法が必要

経皮的レーザー椎間板減圧術Percutaneous Laser Disc Decompression (PLDD) 皮膚と筋肉に局所麻酔をし、神経や椎間板には一切麻酔をしない。レーザー光を髄核に接触照射 PLDD専用の使い捨てレーザーファイバーキットレーザー光が照射された部位では高熱が発生し蒸散、周辺では凝固が起こる。（熱的効果）空洞生成・収縮椎間板内圧（神経根への圧迫）の減少長さ15cm、直径1.25mm 術後３時間はベッド上安静半導体レーザーファイバー直径400ミクロン照射時間は10-20分

PLDDの特長 • 手術手技が簡単で出血がない　 • 局所麻酔で治療時間も短い（10分〜15分） • 手術侵襲が少ない為入院が短い（1〜2日） • 傷が残らない • 神経の周辺を操作しないので合併症・副作用が少ない • 保険適用外

角膜屈折異常の矯正Laserin situ Keratomileusis (LASIK, レーシック) めくった角膜表面（フラップ）を元へ戻す。エキシマレーザーを照射して角膜の一部分を削る（光蒸散）。マイクロケラトームと呼ばれる電動メスで角膜の表面を薄く切って（フラップ作成）めくる。 • フラップは自然に再び組織にくっつくので、縫ったりする必要はない。 • ArFエキシマレーザー • 波長193nm(6.4eV) • パルス幅10〜25ns • 照射深度100m以下 • フラップ厚：160m 角膜コラーゲン分子のC-C、C-N結合の結合エネルギーはそれぞれ3.5eVと3.0eV。治療における新しい概念：健常な組織を切除する

LASIK 近視遠視乱視 -1.0〜-12.0D +1.0〜6.0D 0.5〜6.0D LASIKの適応角膜屈折異常の矯正Laserin situ Keratomileusis (LASIK, レーシック) LASIKの特長 • 良好なpredictability • 痛みが非常に少ない。 • 手術翌日から良好な視力が得られる。 • 両眼同時手術が可能（20分ほど） • 術後も長期に渡って安定した視力が得られる。裸眼視力の経過術後裸眼視力

エキシマレーザー • 活性媒質 • KrF, ArF, XeF, XeCl • 励起エネルギー源 • ガス放電、電子ビーム • Kr原子は励起されると反応性が高まり、Kr2, KrF分子を形成 • 特徴 • 短波長（紫外）、高効率、大出力 • パルス幅10-20ns、10MW以上 • 応用 • 半導体チップに回路を焼き付けるリソグラフィー → KrF(248nm) • 視力矯正(LASIK) → ArF(193nm)

量子ビーム基礎