微細・ナノ加工
レーザー–組織相互作用
フェムト秒レーザーは精度が高く熱損傷が小さく、眼科などの治療・手術に向く。
製品紹介
レーザー–組織相互作用とは何か
レーザー–組織相互作用は、レーザー放射が生体組織に吸収されるときに生じる過程を記述する。適切なレーザーパラメータおよびビーム送達条件を選ぶことで、レーザー照射を調整し、制御された組織修飾を達成できる。利用可能なレーザー技術のなかで、フェムト秒レーザーは、より長いパルスのレーザーシステムと比較して限られた熱損傷で高度に局在したエネルギー堆積を可能にするため、組織加工にますます用いられている。これらの特性により、フェムト秒レーザーは、眼科、歯科、皮膚科、および低侵襲軟部組織手術を含む幅広い医学分野にわたって適用されてきた。
波長と組織応答
生体組織とレーザー照射との相互作用機構は、レーザーパラメータ——波長、パルス幅、パルスエネルギー、および繰り返し周波数を含む——と、照射された組織の性質の両方に依存する。これらの因子は、レーザーエネルギーが組織内でどのように吸収・分布するかを決定し、相互作用の深さと生じる組織応答に影響する。UV放射は表層組織内の生体分子に強く吸収され、細胞内粒子によって散乱されるため、十分の数マイクロメートルにしか達しない浅い侵入深さとなる。このためUVレーザーは精密な表面アブレーションに適するが、より深い組織標的への到達を要する手技での使用は制限される。対照的に、近赤外フェムト秒パルスは光学的に透明な組織を伝播したうえで選択した深さに集光でき、上層を損傷することなく表皮下の組織修飾を可能にする。
フェムト秒パルスと組織の相互作用
フェムト秒レーザーアブレーションは、有意な熱拡散が生じ得る時間スケールより短い時間でレーザーエネルギーを組織内に堆積することに基づく。超短パルスの高いピーク強度は、照射体積内で非線形吸収およびプラズマ形成を開始する。いったん生成されると、プラズマは残りのレーザーエネルギーを吸収し、それを組織へ効率よく結合させ、非熱的アブレーション過程を生じさせる。これにより、クレーターの寸法、形状、および深さを精密に制御した組織切除が可能になり、周囲組織への熱損傷を最小限に抑えられる。レーザーフルエンスおよび繰り返し周波数に加え、走査戦略が重要な役割を果たす。実験研究は、適切に設計された走査アルゴリズムがレーザーエネルギーを分配しつつ、連続するレーザーパス間での効率的な冷却を可能にすることを示している。ビーム位置決めと走査順序を最適化することで、高い繰り返し周波数であっても局所的な熱蓄積を最小化できる。
超短パルスの利点
超短パルスの主な利点は、隣接組織への熱損傷を最小限に抑えつつ、高い空間精度で組織を除去できることである。連続波またはより長いパルスのレーザーと比較して、超短パルスは最小限の熱損傷と精細な深さ制御をもつ精密な組織切除を与え、周囲組織の保全が重要な手技に適する。固体フェムト秒レーザーは良好なビーム品質と高い安定性を維持し、単一のレーザープラットフォームからIRおよびUVのフェムト秒パルスの両方を生成できるため、一台のレーザー光源で複数の眼科手技を実施できる。
眼科
眼科は、レーザー–組織相互作用のもっとも確立された応用の一つである。現代の屈折矯正手術は、通常、2つの異なるレーザー光源を組み合わせる。角膜フラップ作製用の近赤外レーザーと、角膜実質アブレーション用のUVレーザーである。近赤外パルスは透明な角膜内に集光され、局所的な光破壊が周囲層を損傷することなく精密に位置決めされた組織分離を生じる。UV放射は角膜組織に強く吸収されるため、フォトリフラクティブ手技における制御された表面アブレーションに用いられる。近年の研究は、固体フェムト秒レーザーが生成するUVパルスが、従来のargon fluorideエキシマレーザーに匹敵し、場合によってはそれを上回る角膜実質アブレーションを達成できることを示している。206 nmフェムト秒パルスを用いて実施した高速経上皮フォトリフラクティブ角膜切除は、予測可能かつ再現可能なアブレーションと、エキシマレーザー治療に匹敵する治癒応答を維持しつつ、およそ1.6 s/ディオプターのアブレーション速度を達成した。手技中、角膜表面温度の上昇は、高いアブレーション速度にもかかわらず7 °C未満にとどまった。固体フェムト秒レーザーは高調波発生によってUV放射を生成するため、同一レーザー光源からの近赤外およびUVパルスが、実質内手技と角膜表面アブレーションの両方を可能にする。
歯科
歯科は、とくに自動化された窩洞形成および修復手技において、フェムト秒レーザー組織相互作用の新興応用領域の一つである。ロボットレーザー歯科は、従来の高速歯科ドリルの代替として提案されており、回転器具に伴う機械力、振動、および騒音を低減しつつ、歯の窩洞の自動形成を可能にする。象牙質およびエナメル質のフェムト秒レーザーアブレーションを調べた研究は、化学組成の有意な変化、組織の炭化、溶融、または変形を伴わない、亀裂のない組織加工を実証している。レーザー加工はまた、高速機械研削で典型的に生じる象牙質スメア層の形成を回避しつつ、象牙質構造の形態を保全し、象牙細管を開放したままにする。水吸収および熱機械的排出に依拠するerbiumおよびCO₂歯科用レーザーと比較して、フェムト秒レーザーパルスは材料を直接プラズマ状態へとイオン化することで組織を除去する。この過程は衝撃波を発生させず、より優れた表面品質をもたらす。フェムト秒レーザーは組織表面の水を必要とせず、金属を含むより広い範囲の修復材料を加工できる。
皮膚科
皮膚科は、多くの皮膚治療が高度に局在した表面アブレーションを必要とするため、もう一つの応用領域である。UV放射は表層組織内で強く吸収される。したがって、フェムト秒UVレーザーは、最小限の側方損傷で制御された組織除去を要する皮膚科手技について、ナノ秒レーザーシステムの代替として研究されてきた。320 nm未満のUV放射の生物学的効果の大半は、DNAが光を吸収するときに開始される。206 nmおよび257 nmのフェムト秒パルスを比較した実験研究は、生物学的応答が波長に強く依存することを示しており、検討した条件下では、206 nm照射は257 nm照射よりも皮膚細胞におけるDNA損傷の水準が低かった。
低侵襲手術
超短レーザーパルスで達成される高い精度と限られた熱損傷は、低侵襲手術手技の開発も促してきた。これらの特性は消化器外科においてとくに重要であり、大腸ポリープ切除および局所切除は、腸管が薄壁構造であるため、最小限の熱損傷とともに高い精度を必要とする。連続波レーザー、長パルスレーザー、および電気焼灼に基づく手法は有意な熱損傷を生じやすく、長パルスシステムでは隣接する健常組織への熱損傷は300 µmのオーダーである。中空コア負曲率ファイバの近年の進展により、内視鏡手技中に高エネルギー超短パルスを柔軟に送達できるようになった。ブタ結腸組織を用いた前臨床研究は、46 μJおよび33 μJのパルスエネルギーを用いた精密な組織切除を実証しており、熱損傷領域は85 μmより小さく、アブレーション深さの精細な制御を伴う。
CARBIDEおよびPHAROS
CARBIDEおよびPHAROSフェムト秒レーザーは、超短パルス幅、高い繰り返し周波数、および統合高調波発生を組み合わせ、近赤外からUVまでの出力波長を提供することで、幅広いレーザー–組織相互作用応用を支える。眼科応用では、基本波の近赤外フェムト秒パルスを実質内手技に用いることができ、高調波発生によって得られるUVパルスを角膜表面アブレーションに適用できる。同じ波長柔軟性は、皮膚科手技および精密な組織アブレーションを要するその他の医学応用を支える。
