特集●眼科治療用レーザーの知識アップデートあたらしい眼科31(6):777.782,2014特集●眼科治療用レーザーの知識アップデートあたらしい眼科31(6):777.782,2014レーザー光の原理と眼への深達度PrincipleofLASERPhysicsandInvasionDepthofLightinEye足立宗之*山田毅*上野登輝夫*はじめに人間の眼は,可視光線から近赤外線の領域の光を効率よく透過することができる.このため,古くから眼の診断・治療には光が用いられてきた.1960年のルビーレーザー発振成功の翌年には,網膜.離に対する光凝固の光源として使用された.その後も,新しいレーザー光源が開発されるとすぐにその特性を活かす応用を目指して,さまざまな研究が行われてきた.眼科用レーザー治療装置の歴史は,レーザー光源の進展によるものが大きい.たとえば光凝固装置用のレーザー光源についても,ガスレーザーが固体レーザーに置き換わって,広く用いられている.光凝固装置の発展には,レーザー光源の進歩そのものが色濃く反映されているといえる.レーザー光源の技術的進歩は急速であり,信頼性も向上し,使いやすいものとなっている.本稿では,レーザーの基本原理およびレーザー光の眼への深達度について述べた後,眼科治療に使われるレーザーについて紹介し,最後に今後の展望についても考察する.Iレーザーの基本原理LASERとはlightamplificationbystimulatedemissionofradiation(輻射の誘導放出による光増幅)の頭文字から作られた言葉である.通常,物質を構成する原子や分子は,外部からエネルギーを与える(励起状態)と,ある時間経過すると余ったエネルギーを光(光子)としE2E1信号光LASER図1誘導放出とLASERて放出する.これを自然放出とよぶ.これに対して,励起状態の物質に外部から光を加えるとその光(信号光)に刺激されて次々に光子を放出する(図1).これを誘導放出とよぶ.この誘導放出を利用して,最初に加えた信号光を増幅すること,もしくは増幅された光のことをLASERという.ただし,現在使われている一般的なレーザー発振器では,自然放出によって発生した光のなかから特定の光を選び出して信号光として利用するため,外部から信号光を入力することはほとんどない.光は,電磁波や光波ともよばれることからもわかるように,波の性質をもっている.このため,光の性質を表すのには,波長・位相・振幅が重要となる.誘導放出では,最初に加えた信号光に誘導されるため,信号光と波長と位相が揃った振幅(強度)の大きな光が同じ方向に放出される.これらがLASERの最大の特徴で他の光との違いである.一般的にレーザーの特徴は,①遠くまで伝搬してもビームが広がらない(指向性),②小さなスポットに集光できる(集光性),③波長の広がりが小さ*MuneyukiAdachi,TsuyoshiYamadaandTokioUeno:株式会社ニデック〔別刷請求先〕足立宗之:〒443-0038愛知県蒲郡市拾石町前浜34-14株式会社ニデック0910-1810/14/\100/頁/JCOPY(3)777表1代表的なレーザーと発振動作レーザー媒質形状おもな励起方法おもな発振波長(nm)発振動作Nd:YAG固体光(半導体レーザー(LD)・フラッシュランプ)1,064CW,パルスCO2気体放電10,600CW,パルスArFエキシマ気体放電193パルスHe-Ne気体放電633CW色素(Dye)液体光(レーザー・フラッシュランプ)紫外から近赤外域(色素の種類で発振波長が変わる)CW・パルスArイオン気体放電488,514CWKrイオン気体放電531,568,647CWルビー固体光(フラッシュランプ)694パルスYb:ファイバ固体光(LD)1,030.1,060付近CW,パルスEr:ファイバ固体光(LD)1,550付近CW・パルス半導体(III-V族化合物)半導体電流可視から近赤外CW・パルスい(単色性),④高エネルギー密度にできる,⑤短パルスにできるなどが挙げられるが,これらの特徴は波長・位相・方向が揃っているからこそ得られる特徴である.レーザーの波長は,レーザー媒質として使われる原子によって決まる.それぞれの原子や分子は,放出できる波長の光が決まっており,レーザーの利用目的に合わせてレーザー媒質を選ぶ必要がある.また,レーザー媒質の状態の違いによって,固体,液体,気体レーザーとよばれ,さらにレーザー出力の時間的な振る舞いの違いによって,連続波レーザー(CW),パルスレーザーに分類される.代表的なレーザーを表1に示す.光凝固装置などに使われる可視光レーザーには,第二次高調波やsecondharmonic(SH)光とよばれるレーザーが多く用いられている.これは,レーザーの特徴の一つである高エネルギー密度性を利用して,元々のレーザー波長を1/2の波長に変換しているレーザーである.物質内にレーザーを集光して高エネルギー密度状態にすると,2つの光子が合体して1つの光子になることがあり,このような高エネルギー条件下で顕著に起こる光学現象を非線形光学効果とよぶ.この光子はエネルギーが2倍に,波長は半分になっており,この光のことを第二次高調波またはsecondharmonic(SH)光とよんでいる(図2).実際には,非線形光学効果が生じやすい結晶材料を用778あたらしい眼科Vol.31,No.6,2014非線形光学結晶基本波第二次高調波図2第二次高調波(SH光)いて,さらに位相整合条件とよばれる条件を最適化して,第二次高調波を高効率(高出力)に発生させている.非線形光学については,文献1)などが詳しい.IIレーザー光の眼への深達度1.前眼部眼は光を感じる器官であるため,可視光が眼底まで届いていることはすぐにわかる.透過率をみていくと図32)に示すように400nmの紫色光から1,400nmの近赤外光が眼底まで届いており,人間には感じることのない近赤外光も透過している.光が物質を透過する場合,物質を形成する原子や分子の構造によって吸収される波長が決まるが,それ以外にも物質内の屈折率変化などによって散乱や反射が生じて透過率が低下する.角膜や水晶体はともに70%程度が水からなっているため水の吸収特性に似た特性となる.散乱などについては,細胞内に余分なものをほとんど含まないために細胞(4)内での屈折率変化が少なく,さらにそれら細胞が規則正しく並んでいるために各細胞層での散乱,反射が抑えられている.しかし,散乱は波長にも依存し,波長が短くなるほど散乱の影響を受けやすくなる.図3の眼の透過率を詳しくみていく.紫外から青色光の短波長域で,全体的に透過率が下がっているのは散乱の影響である.さらに,水晶体は波長360nmを中心とした吸収帯域があるために,400nm未満の紫外光は水晶体より深部にはほとんど届いていない.近赤外領域では,散乱が少なくなるため透過率が上がっていき,800nm付近の透過率が一番高くなる.さらに長波長になると水分子による吸収が起こるために透過率が低下する.950nm付近の落ち込みと1,100nmより長波長側の透過率低下はおもに水分子による吸収である.2.網膜網膜は,脈絡膜上に形成された,①内境界膜,②神経線維層(NFL),③神経節細胞層(GCL),④内網状層(IPL),⑤内顆粒層(INL),⑥外網状層(OPL),⑦外顆粒層(ONL),⑧外境界膜,⑨視細胞層(R/C),⑩色素上皮層(PE)の10層の組織からなる視覚を司る膜で,厚みはわずか0.1.0.5mm程度である.角膜,水晶体,硝子体,房水(眼内透過体)を透過し,網膜へ到達する光はおよそ波長400.1,400nmの光である.このうち,より短波長(青色光)の光ほど網膜表層部で反射/吸収され,中間波長の緑色光は網膜色素上皮層付近,さらに長波長(赤色光)になると脈絡膜近傍の網膜深層部で反射/吸収される.網膜にはメラニン,キサントフィル,ヘモグロビンなどの多くの色素が存在し,次のような吸光特性を示す.メラニンは網膜色素上皮層に多く存在し,非常によく光を吸収する.波長400nmでの吸収率は80%程度であり,波長が長くなるに従って吸収率は徐々に低下し,波長650nmでは25%,波長1,000nmでは2%程度まで低下する3).黄斑色素であるキサントフィルは波長400.500nmで高い吸収を示し,吸収ピークは460nm付近であり,キサントフィルは中心窩周辺に最も多く存在する3).また,ヘモグロビンの吸収特性は酸化の程度により変化するが,波長541nm,576nm付近に吸収ピ(5)PERCENTTRANSMITTANCE10080604020DIRECTTRANSMITTANCEATTHEVARIOUSANTERIORSURFACES1AQUEOUS2LENS3VITREOUS4RETINA12343004005006008001,0001,2001,6002,000WAVELENGTHMILLIMICRONS図3Transmittancethroughentireeye2)図中の1.4はそれぞれ,角膜透過後(房水表面),水晶体表面,水晶体透過後(硝子体表面),網膜表面での透過率を示す.ークが存在する4).網膜における光深達度はDyeレーザーから出力される複数の波長に対する光凝固術の臨床学的研究3,5.8)からもみてとれる.代表的な報告としてL’Esperanceの報告5)によると(図4),波長488nmの青色光は内顆粒層(INL)から脈絡膜(CHOR)までの広い範囲で吸収され,外顆粒層(ONL)での吸収が最も強い.波長532nmの緑色光は,外顆粒層(ONL)から脈絡膜(CHOR)で吸収され,視細胞層(R/C)と網膜色素上皮層(PE)で最も強く吸収される.また,波長570nm,590nmの黄色,橙色は網膜表層の神経線維層(NFL)でわずかに吸収され,ついで内顆粒層(INL),外顆粒層(ONL),網膜色素上皮層(PE),脈絡膜(CHOR)で吸収されるが,色素上皮層(PE)での吸収は570nmより590nmのほうが吸収率が高い.また,波長630nmの赤色光は,網膜のほぼ全層で吸収されるが,神経線維層(NFL)から視細胞層(R/C)における吸収はごくわずかであり,大半は色素上皮層(PE)および脈絡膜(CHOR)で吸収される.網膜は10層という多くの組織から形成されることと,眼底の部位によって光を吸収する色素の分布も異なるため,部位によって各波長の深達度は異なる.治療/診断においては,症例や診断の対象とともに,対象の部位にあたらしい眼科Vol.31,No.6,2014779l630.0nml590.0nml570.0nml532.0nml488.0nmNFLGCLIPLINLOPLONLR/CPECHOR±±図4Dye(630,590および580),Nd:YAGの第二高調波(532nm),Ar(488nm)などさまざまなレーザー波長による光凝固において最大の吸収と損傷を生じる脈絡網膜領域5)応じてさまざまな波長のレーザー光が選択的に使用されている.III眼科手術用レーザーの特徴とその発展の歴史眼科用手術装置には,治療部位の特性や治療効果の大きさなどを考慮して,さまざまなタイプのレーザーが使われている.ここでは,光凝固手術用可視光レーザー,レーザー切開手術用レーザー,角膜屈折矯正手術用エキシマレーザー,角膜・水晶体手術用超短パルスレーザーの4種のレーザーについて,その特徴・原理・発展の歴史を述べる.1.光凝固手術用可視光レーザー光凝固術には可視光領域のWクラスの連続発振光が使用され,従来はAr(アルゴン)イオンレーザー(波長:514nm),Krイオンレーザー(波長:531,568,647nm)などのガス(気体)レーザー,Arイオンレーザーを励起光源としたdyeレーザー(波長:577.640nm)などが用いられていた.現在では半導体レーザー(LD)の高効率化,LDを用いた励起技術,さらには非線形結晶を用いた波長変換技術の進展が著しく,ほぼすべてのガス(気体)レーザーがLD励起固体レーザー(diode-pumpedsolid-state-laser:DPSSL)に置き換えられた.具体的には,単色光源としてはNd:YVO4レーザーから出力される波長1,064nm光をLBO(リチウムトリボレート)やKTP(チタンリン酸カリウム)といった非線形結晶で波長変換した波長532nm光,多波長光源としてはNd:YAGレーザーから出力される波長1,064,1,123,1,319nm光を同様に波長変換した波長532,561.5,659.5nm光がもっぱら用いられている.さらに最近では,レーザー媒体としてInGaAs系半導体を用いた光励起半導体レーザー9)によって,従来の固体レーザーでは発生が困難であった570.600nmの領域の波長が発振可能となってきた.この領域の波長は,従来のdyeレーザーで使用されていた波長帯で,とくに波長577nmは網膜色素上皮(PE)で十分な吸収をもちながら,緑色領域の波長より黄斑色素であるキサントフィルの吸収が少なく,かつ酸化ヘモグロビン(HbO2)の吸収ピークに一致するため,一定の凝固斑を得るために必要な光パワーが少なくても済むことで,より低侵襲な光凝固が期待されている.2.レーザー切開手術用レーザーレーザー切開術は波長1,064nmのナノ秒パルスレーザー光をレンズで集光することでプラズマ化し,そのときに発生する衝撃波を利用して眼組織を切開する術式で,レーザー光源としてはおもにQスイッチNd:YAGレーザーが用いられている.Qスイッチとは,最初レーザー共振器内の光損失を大きくして発振を抑え,780あたらしい眼科Vol.31,No.6,2014(6)光励起が進みレーザー媒質中の励起状態にある原子の数が十分に大きくなった時点で光損失を急峻に小さくすることで,パルス幅の短いパルスを発振させる方法である.Qスイッチ素子にはおもに過飽和吸収体の一つであるCr:YAG結晶が用いられ,得られるパルス幅は共振器構成にもよるがおおむね2.5nsec程度,パルスエネルギーは10mJ程度である.また近年,この波長1,064nmのナノ秒パルスレーザー光を非線形結晶に入射することで得られる波長532nmの可視パルス光が緑内障治療の一手法である選択的レーザー線維柱帯形成術に用いられている.パルス幅がナノ秒と短いため,用いる非線形結晶の種類にもよるが532nm光への変換効率も50%程度と高い.3.角膜屈折矯正手術用エキシマレーザーレーザーによる角膜表面切除にはArFエキシマレーザーが用いられている.ArFエキシマレーザーは,Ar(アルゴン)とF(フッ素)を含む混合ガスに数万ボルトの高電圧を印加して放電させ,そのときの電流によりArF分子が励起されて,レーザーを発振する.得られるレーザー波長は193nmと非常に短く,これは真空紫外域(波長200nm以下)とよばれる領域で,この波長域のレーザーが大気中を伝搬すると酸素分子に吸収されてしまうために,光路を真空もしくは窒素を充.してレーザーを伝送する必要がある.エキシマレーザーの特徴として,①大出力,②短パルス(パルス幅はナノ秒),③短波長の3つが挙げられる.これらの特長により非熱加工や微小集光が可能となり,角膜手術や半導体製造装置などの微細加工用レーザー光源として使われている.角膜治療においては,角膜表面で光が吸収される必要があるため,300nm以下の波長が適しており,より非熱で微細な加工を可能にする短波長のArFエキシマレーザーが用いられている.しかし,近年では加工原理の違う超短パルスレーザー(次項で紹介する)による角膜手術も可能となってきており,エキシマレーザーに取って代わる可能性も出てきている.4.角膜・水晶体手術用超短パルスレーザーパルス幅がピコ秒(10.12秒)からフェムト秒(10.15(7)図5超短パルスレーザー発生の原理秒)のレーザーを超短パルスレーザーとよび,近年では角膜治療装置や水晶体治療装置(白内障・老視)の光源として使われ始めている.このレーザーは一般的なレーザーと同様に指向性や集光性などの特徴をもっているが,単色性については当てはまらず,レーザーでありながら複数の色の光をもっている.レーザー共振器の構成を特殊な条件にすることで複数の波長で同時に誘導放出が起こり,多波長でレーザー発振が起こる.この特殊な多波長レーザーによって超短パルス化が可能となる.原理は単純で,多波長で発生したすべての光の位相(たとえば波の山)がある時間に揃うと波が重なり合ってパルス化する(図5).位相が揃っていない時間は,それぞれの波が打ち消し合って出力が0となる.したがって,超短パルスレーザーを発振させるには,①広帯域光を用意する,②各波の位相をある時間に揃える,これら2点が必要となる.実際の超短パルスレーザー装置では,モードロックとよばれる物理現象を利用して多波長での発振とその各波長の位相を揃えている.このため,超短パルスレーザーのことをモードロックレーザーとよぶこともある.超短パルスレーザー発振の原理については文献10)などが詳しい.超短パルスレーザーは,非常に短い時間にエネルギーが集中するため高ピークパワーになる.この特徴からレーザー照射した物質内では高エネルギー密度状態になあたらしい眼科Vol.31,No.6,2014781り,前述した非線形光学効果が現れる.その一つに多光子吸収過程があり,この現象によって通常なら光が透過してしまう透明体内部(エネルギー密度が最も高くなる集光点付近)でレーザー光の吸収が起こり,加工が可能となる.この性質を利用して角膜や水晶体などの透明組織内を非接触で加工できる.IV今後の展望以上,レーザーの原理とレーザー光の眼に対する作用について,および最近の眼科におけるレーザー治療について述べてきた.今後,眼科の分野でのレーザー治療は,より効率的かつ低侵襲で安全な治療へと進むと考えられるが,レーザー光源自体にも,医療現場で使用するに耐えうるロバスト性を有し,かつ高性能,小消費電力,小型,低コストのレーザー開発が求められる.また,同時にレーザー伝送技術の最適化やレーザー照射位置を的確に追尾するトラッキング技術,リアルタイムでの照射部位を観察する画像解析技術など,治療機器の周辺技術の革新も進んでいる.とくに光干渉断層計(OCT),走査型レーザー検眼鏡(SLO)などの診断装置の技術革新により,網膜の診断,観察が簡便に精細に行えるようになってきていることから,これらの技術とレーザー治療技術の融合により,さらなる治療範囲の拡大や効率的かつ安全な治療が実現すると期待される.文献1)黒澤宏:入門まるわかり非線形光学,オプトロニクス社,20082)BoettnerEA,WolterJR:TransmissionoftheOcularMedia.InvestOphthalmolVisSci1:776-783,19623)GabelV-P,BirngruberR:波長の異なる各種レーザーによる眼底光凝固.眼紀38:1660-1669,19874)HoreckerBL:Theabsorptionspectraofhemoglobinanditsderivativesinthevisibleandnearinfra-redregions.JBiolChem148:173-183,19435)L’EsperanceFAJr:Clinicalapplicationsoftheorganicdyelaser.Ophthalmology92:11,1592-1600,19856)BorgesJM,CharlesHC,LeeCMetal:Aclinicopathologicstudyofdyelaserphotocoagulationonprimateretina.Retina7:46-57,19877)SmiddyWE,PatzA,QuigleyHAetal:Histopathologyoftheeffectsoftunabledyelaseronmonkeyretina.Ophthalmology95:956-963,19888)BrooksHLJr,EagleRCJr,SchroederRPetal:Clinicopathologicstudyoforganicdye.Laserinthehumanfundus.Ophthalmology96:822-834,19899)FallahiM,LiFan,KanedaYetal:5-Wyellowlaserbyintracavityfrequencydoublingofhigh-powerverticalexternal-cavitysurface-emittinglaser.IEEEPhotonicsTechnolLett20:1700-1702,200810)レーザー学会編:先端固体レーザー,オーム社,2011782あたらしい眼科Vol.31,No.6,2014(8)