JP2008188258A - 光線治療装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】非レーザー光照射により温熱効果に加えて細胞活性をはかり、体内の微小循環の刺激により軟組織の痛みを軽減し、炎症を減少させる新規な光線治療装置の提供である。
【解決手段】可視光線を含み広波長帯域で放射する非レーザー光源と、この光源から出力された放射光のうち特定の波長帯域を通過または反射させる光学フィルターと光源から放射される光線を断続させるチョッパーと断続した光を照射部位まで導く光学素子と、照射部位における光線エネルギー密度を可変設定できる光照射条件設定手段と、光照射制御部とを有してなり、前記光照射制御部は、光照射条件設定手段からの設定信号に応じて光照射をなすようにした装置であって、前記パルス照射モードにおいて、光照射時間、光照射停止時間の組み合わせからなる光線治療装置を提供して上記課題を解決する。
【選択図】 図３
【解決手段】可視光線を含み広波長帯域で放射する非レーザー光源と、この光源から出力された放射光のうち特定の波長帯域を通過または反射させる光学フィルターと光源から放射される光線を断続させるチョッパーと断続した光を照射部位まで導く光学素子と、照射部位における光線エネルギー密度を可変設定できる光照射条件設定手段と、光照射制御部とを有してなり、前記光照射制御部は、光照射条件設定手段からの設定信号に応じて光照射をなすようにした装置であって、前記パルス照射モードにおいて、光照射時間、光照射停止時間の組み合わせからなる光線治療装置を提供して上記課題を解決する。
【選択図】 図３
Description
本願発明は、痛み緩和に用いる光線治療装置に関し、詳しくは皮膚上から光を皮下の目的部位に好ましい条件下に、すなわち、出射される光線の波長範囲、エネルギー密度、光線断続の周波数、光源の色温度を制御して照射できる痛み緩和用光線治療装置に関するものである。
従来、肩こりや腰痛などの治療手段として低反応レベルレーザー治療機や直線偏光近赤外線治療機などの光線療法機器が利用されていて、このような光線療法機器としては、レーザー光を治療目的部位に照射する装置、あるいは、単色光を治療目的部位に照射する装置などがある。
一般にこれらの光線療法機器は、皮膚上から様々な波長の光を照射することで、こりや痛みを緩和するものとして知られている。例えば、赤外線治療器等の光線治療装置は赤外線ランプ等から発生させる赤外線を含む光線を直接または反射させ、患部に照射するものが知られている。赤外線を含む光線を患部に照射し光吸収による温熱効果等により患部を治療しようとするものである。
このような光線療法機器を用いた光線治療の作用としては、神経伝達遮断効果が知られており、さらには、循環改善による局所からの痛み関連物質（ブラジキニン、ヒスタミン、プロスタグランジンなど）や疲労関連物質（乳酸など）の拡散除去も意義を有しているとされる。また、このような循環改善効果の主たるメカニズムとして血管平滑筋に対する直接弛緩効果も知られるようになっている。
そして、以下に述べるように近年生体に対する光線照射の作用機序の具体的解明がさら
に進められている。すなわち、適切なエネルギー照射によって細胞活性が生じることが徐々
に明らかになってきており、この場合の適切なエネルギーとしては、微弱電流、超音波、音響波、光などが挙げられている。
に進められている。すなわち、適切なエネルギー照射によって細胞活性が生じることが徐々
に明らかになってきており、この場合の適切なエネルギーとしては、微弱電流、超音波、音響波、光などが挙げられている。
まず、低出力光強度照射により、繊維牙細胞活性がよくなることが知られるようになった。非特許文献(1)によれば、異なるLED（Light Emitting Diode）光源を用いて、照射条件をかえると前駆コラーゲンの合成が人の繊維牙細胞培養の実験でより多く生成している結果が得られている。
また、非特許文献(2)によれば、超音波照射によっても上記同様なコラーゲン産生が生じることが知見されている。
また、非特許文献(2)によれば、超音波照射によっても上記同様なコラーゲン産生が生じることが知見されている。
一方、非特許文献（３）によれば、細胞活性化の作用はほぼ次のようなメカニズムによっていると考えられている。光照射によって細胞内のミトコンドリアへの作用が生じる。この場合の可視赤色光の生物学的光連鎖反応モデルは以下のような説明がされている。
ミトコンドリア内にある呼吸連鎖の化合物であるフラビンデヒドロゲナーゼ、チトクローム、チトクロームオキシターザなどが光エネルギーを吸収すると、ミトコンドリアが活性化され、NADが増加し、高い代謝状態になりATPを増加させ、細胞質に放出し、ミトコンドリアと細胞質の酸化還元状態を変化させる。光を介して一連の現象は細胞内で起こり、細胞膜内外での流れであるカルシウムに影響を与え、信号が増幅され、核にも影響をあたえ、RNA,DNAの合成を促進させ、細胞の分化に影響をあたえるとしている。赤外光も同様にアメリカのSmith KC によってモデルが提案されており、可視赤色光と類似した作用によって、細胞分化をもたらすとされている。
ミトコンドリア内にある呼吸連鎖の化合物であるフラビンデヒドロゲナーゼ、チトクローム、チトクロームオキシターザなどが光エネルギーを吸収すると、ミトコンドリアが活性化され、NADが増加し、高い代謝状態になりATPを増加させ、細胞質に放出し、ミトコンドリアと細胞質の酸化還元状態を変化させる。光を介して一連の現象は細胞内で起こり、細胞膜内外での流れであるカルシウムに影響を与え、信号が増幅され、核にも影響をあたえ、RNA,DNAの合成を促進させ、細胞の分化に影響をあたえるとしている。赤外光も同様にアメリカのSmith KC によってモデルが提案されており、可視赤色光と類似した作用によって、細胞分化をもたらすとされている。
また、非特許文献（４）によれば、細胞のCa 取込量の増加に関して、マクロファージによるCa 取り込みの光照射効果を検討して、低出力レーザーによる生物学的な影響が明らかにされている。 すなわち、光照射によって細胞活性が生じ、特に光波長、エネルギー密度、周波数による影響を調べた。この結果として光波長としては600-900nm,エネルギー密度としては最大4-8J/cm2に、周波数としては5-5000Hzで活性化が生じた。このデータは今までに得られている関係する傷の修復、痛みなどに関連する臨床的照射条件にほぼ等しく、したがって照射条件を決める基礎とみなすことができる。
さらに、非特許文献（５）に示すような最近の研究結果によれば、光照射が体内免疫細胞に対して影響を及ぼしていることが明らかになっている。６３０ｎｍのLED光を皮膚にエネルギー密度として94J/cm2照射した場合に皮膚で誘導されたT 細胞が増加し、免疫に影響を及ぼすことが報告されている。
そして、特表２００２−５１９１６２（特許文献１）では、波長１．９１７μｍの赤外線照射をすることで免疫システムに刺激を与え、正常な細胞に害を及ぼすことなしに細胞レベルでの治療を可能とする装置が開示され、その作用機序にあってはＴ細胞を含む免疫システムが刺激され、照射部位を選択することで骨髄におけるＢ細胞の生産を促すとされている。使用する波長は１．８μｍから２．４μｍであって、照射光は７．５Ｈｚのパルス照射であり、照射出力として１０から200mW/cm2 が好適であるとされている。
また、特表２００１−５１１６６７（特許文献２）による開示では、損傷性の熱効果に組織を露呈するのではなく、微小循環の刺激により痛みを軽減し、より高いパワーレベルで炎症を低減させ、組織の治癒力を高めるといった治療目的で生体組織に反応性レーザーを安全かつ効果的に運用する方法として、１０６４ｎｍのNd:YAGレーザーを使用し、その照射エネルギー密度として0.1J/cm2〜約15J/cm2 が好ましい範囲に制限された状態で、望ましい治療効果が生み出されたとしている。この場合に、照射光は干渉性を有するレーザーが最適であるとしている。
ところで、照射光がレーザーである場合には光源から生体組織への導光はミラー・レンズなどの光学部品を使用して容易に高いエネルギー密度をもつ光を形成することができる。
一方、ハロゲンランプ光などの非干渉光を使用した場合には適切なビーム経をうる方法が困難である場合が多い。また、光源から照射部位までの伝送による光量損失もおおくなるなどの欠点がある。他方で、生体組織に入射した干渉性を有する光は表面において回折と干渉によるスペックルが発生し、照射部位での光強度の相違をもたらす可能性、あるいは生体内部への伝送形状が非干渉光とは異なることも予想されるが、作用対象の細胞は照射光が干渉光あるいは非干渉光によって作用効果が異なるのではなく、あくまでも照射エネルギー密度、ピークパワー強度、作用時間によって作用効果が異なると想定される。このことから、ある一定の範囲における光―細胞作用を均一にするには非干渉光であるハロゲンランプ、LED、クセノンランプなどを使用することが好適になる。
一方、ハロゲンランプ光などの非干渉光を使用した場合には適切なビーム経をうる方法が困難である場合が多い。また、光源から照射部位までの伝送による光量損失もおおくなるなどの欠点がある。他方で、生体組織に入射した干渉性を有する光は表面において回折と干渉によるスペックルが発生し、照射部位での光強度の相違をもたらす可能性、あるいは生体内部への伝送形状が非干渉光とは異なることも予想されるが、作用対象の細胞は照射光が干渉光あるいは非干渉光によって作用効果が異なるのではなく、あくまでも照射エネルギー密度、ピークパワー強度、作用時間によって作用効果が異なると想定される。このことから、ある一定の範囲における光―細胞作用を均一にするには非干渉光であるハロゲンランプ、LED、クセノンランプなどを使用することが好適になる。
生体内の細胞に対しての効果的な波長についてはレーザー光の発振波長は単色光であるが生体細胞においてはこのような単色性は必要がないと判断できる。この理由は生体細胞を構成している分子が振動を起こしているとした場合には一般にはガウス分布型の吸収を生じると理解できるからである。従って、ある分子に光を吸収させようとする場合には単色光である必要はなく、一定のバンド幅をもっていることで光と分子の作用は生じる。
ここで上記に関連して、生体へ光照射がなされた場合に照射光がどのような振る舞いをするかを理論的に考察する。また、レーザー光と非コヒーレント光がこの光照射でどのような相違をあたえるかなど検討すべき項目は多々ある。ここではとりあえず原則的な検討にとどめる。
光が生体に照射された場合に、レーザーと非レーザー光の相違はどこにあるかを明らかにする必要がある。一般的には光透過についてはＢｅｅｒの法則に基づくことはよく知られている。Ｂｅｅｒの法則は次の式で示される。
I(z)=I0 exp(-γz) （１）
γ＝α+β
γ:減衰係数
α: 吸収係数
β: 散乱係数
Ｉ(z):組織表面上から組織内部位置までの距離zにおける光強度
I0 :組織表面上における光強度
I(z)=I0 exp(-γz) （１）
γ＝α+β
γ:減衰係数
α: 吸収係数
β: 散乱係数
Ｉ(z):組織表面上から組織内部位置までの距離zにおける光強度
I0 :組織表面上における光強度
レーザー光の場合にはコヒーレンス特性をもっており、光の直進性が強いことは知られているが、非レーザー光は光の直進性がなく、入射ビームは基本的には表面に直角に入射する成分に加えて、多数の入射角をもつ光の集合として扱う必要がある。直進成分以外は基本的には散乱光としての性質をもつことになる。加えて、皮膚へ光照射をした場合には、皮膚表面では光反射が起こる。反射率をＲとすると（１）は以下に表現される。
I(z)=(1-R)I0exp(-γz) （２）
公表されている生体への反射率の測定結果によれば反射率は皮膚の色によりことなり、可視光の範囲では皮膚内部からの反射も40〜60％程度あり波長依存性をもっている。しかしながら２μｍ近傍で反射成分がほぼ１０％程度にまで減少することが知られている。一方、可視光の場合には800nm近傍にピークがあり、およそ半分程度は皮膚内部へ光が透過できないことを示している。
I(z)=(1-R)I0exp(-γz) （２）
公表されている生体への反射率の測定結果によれば反射率は皮膚の色によりことなり、可視光の範囲では皮膚内部からの反射も40〜60％程度あり波長依存性をもっている。しかしながら２μｍ近傍で反射成分がほぼ１０％程度にまで減少することが知られている。一方、可視光の場合には800nm近傍にピークがあり、およそ半分程度は皮膚内部へ光が透過できないことを示している。
生体組織内での光吸収・散乱については多くの研究がおこなわれており、可視光域から近赤外光域では吸収よりは散乱のほうが支配的であることを明らかになっており、可視領域では表面での多重散乱が支配的であることが得られている。非レーザー光の場合には皮膚表面に入射する光成分は垂直方向以外にも異なる入射角をもっている。
生体内で光吸収をもたらすものはよく知られているように以下のものが知られている。
ヘモグロビン、酸化ヘモグロビン、メラニン、細胞内ＯＨなどである。
特に光照射して組織の熱効果によって特定の作用をもたらすような場合にはこれらの吸収物質の作用は重要になるが、例えば生体内細胞に光との相互作用を意図しているような場合には上記のような吸収物資区に照射光が吸収されることは細胞との作用効果を低下させる要因になるはずである。一般に皮膚内では可視域から散乱係数は徐々に低下していき、およそ２μｍではほとんど散乱効果が見られなくなることがしられている。それに対して、吸収効果は可視域ではメラニンは波長が長くなるにつれて減少していくが、ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンは４００−５００nm で特異的な吸収スペクトルを示している。
ヘモグロビン、酸化ヘモグロビン、メラニン、細胞内ＯＨなどである。
特に光照射して組織の熱効果によって特定の作用をもたらすような場合にはこれらの吸収物質の作用は重要になるが、例えば生体内細胞に光との相互作用を意図しているような場合には上記のような吸収物資区に照射光が吸収されることは細胞との作用効果を低下させる要因になるはずである。一般に皮膚内では可視域から散乱係数は徐々に低下していき、およそ２μｍではほとんど散乱効果が見られなくなることがしられている。それに対して、吸収効果は可視域ではメラニンは波長が長くなるにつれて減少していくが、ヘモグロビンと酸化ヘモグロビンは４００−５００nm で特異的な吸収スペクトルを示している。
以上、要約すれば生体へ照射した光の挙動は次のようにまとめられる。
細胞吸収が主にOHに依存するとすれば、このOH吸収はおよそ１μｍから遠赤外線域に強い吸収を持つことになる。したがって、照射光により温熱作用をもたらす波長域としては1μｍ以上の波長成分を有する必要がある。この理由は照射した光がOH分子振動に吸収され熱に変換される過程によると考えられる。
細胞吸収が主にOHに依存するとすれば、このOH吸収はおよそ１μｍから遠赤外線域に強い吸収を持つことになる。したがって、照射光により温熱作用をもたらす波長域としては1μｍ以上の波長成分を有する必要がある。この理由は照射した光がOH分子振動に吸収され熱に変換される過程によると考えられる。
OH吸収が強く生じる波長帯域には1μｍ以上で多数しられているが、一方、一般的な非レーザ光源においては遠赤外域における波長成分は波長が長くなるにつれて、徐々に低下していくことも知られている。したがって、生体内部への深い光透過を考慮しない場合、すなわち皮膚表面での温熱効果をもたらす波長領域としては１〜2μｍであれば十分であり、温熱効果に加えて免疫力を増加させることも期待できる。
一方可視領域においては血液成分であるヘモグロビン、酸化ヘモグロビンの吸収が４００〜５００ｎｍで強い吸収をもっている。同時に皮膚表面に散在しているメラニン色素は可視域では波長が長くなるにつれて吸収が少なくなることが知られている。
従って生体内部の各種細胞への作用に好適な波長域としてはおよそ５５０ｎｍから１μｍ程度の波長域の光であり、一般的にはこの波長帯域はオプティカルウインドーと名付ける場合がある。
最近のNASA報告によれば非レーザー光の一種であるLEDが特に、近赤外線光は細胞内に色素感受性（発色団、チトクローム系）のある化合物を有するものに対して、各細胞のミトコンドリアにおける基本的なエネルギー転送過程を励起し、特に、最適な波長としては６８０、７３０，８８０ｎｍであるとしている。
また、生体内への光透過距離は波長６３０〜８８０ｎｍの光フォトンはおよそ２３ｃｍ伝達するとしている。また動物実験ではこれらの波長を持つ光により、創傷治癒を促進することも報告している。同様に細胞培養で繊維芽細胞と筋肉細胞での成長が５倍ほど増加することも報告している。この種の可視光源を使用することで外傷、骨折、筋肉および骨の萎縮、放射線損傷、皮膚移植、再生などに効果的であるとされている。
なお、本願発明に関連する文献とした以下のものが存在する。
McDaniel DH et al[Light-tissue interactions 1, Photothermolysis versus photomodulationLaboratory findings] Laser Surg Med 2002:14,25 Doan N et al [In vitro effects of therapeuticultrasound on cell proliferation ,protein synthesis ,and monocytes ] J.Oral Maxilofac surgery 57:409-419 Karu TI [Biological action intensity visible monochromatic light andsome of its medical application ] Laser (Galletti G edt) MonduzziEditore,Bologna.1985, p381 S.R.Young [Effect of Light on Calcium Uptake by Macrophages]John Wiley & Sons.Ltd, 1990 , p53」 Shin-ichiro Takezaki et al [Light Emitting Diode at 630 nm ±3nmIncreases Local Level of Skin-homing T-cell in Human Subjects]J.Nippon Med.Sch.2006:73(2) p75-81 特表２００２−５１９１６２号公報
特表２００１−５１１６６７号公報
特開２００５−１５２０１４号公報
特開２００６−２８９０９８号公報
特開２００３−３１０６３９号公報
特開平１０−３０９３２３号公報
特開平 ６−１９００７１号公報
また、生体内への光透過距離は波長６３０〜８８０ｎｍの光フォトンはおよそ２３ｃｍ伝達するとしている。また動物実験ではこれらの波長を持つ光により、創傷治癒を促進することも報告している。同様に細胞培養で繊維芽細胞と筋肉細胞での成長が５倍ほど増加することも報告している。この種の可視光源を使用することで外傷、骨折、筋肉および骨の萎縮、放射線損傷、皮膚移植、再生などに効果的であるとされている。
なお、本願発明に関連する文献とした以下のものが存在する。
McDaniel DH et al[Light-tissue interactions 1, Photothermolysis versus photomodulationLaboratory findings] Laser Surg Med 2002:14,25 Doan N et al [In vitro effects of therapeuticultrasound on cell proliferation ,protein synthesis ,and monocytes ] J.Oral Maxilofac surgery 57:409-419 Karu TI [Biological action intensity visible monochromatic light andsome of its medical application ] Laser (Galletti G edt) MonduzziEditore,Bologna.1985, p381 S.R.Young [Effect of Light on Calcium Uptake by Macrophages]John Wiley & Sons.Ltd, 1990 , p53」 Shin-ichiro Takezaki et al [Light Emitting Diode at 630 nm ±3nmIncreases Local Level of Skin-homing T-cell in Human Subjects]J.Nippon Med.Sch.2006:73(2) p75-81
本願発明は、上記の技術的背景に鑑みてなされたものであって、簡便な非レーザー光の照射により、単なる疼痛緩和ばかりか細胞そのものに作用して、細胞の活性化による諸種の効果を奏しえる簡易な構成下に使い易く明確な効果の得られる光治療装置の実現を目的としている。
本願発明は、光線治療装置を、可視光線を含む広波長帯域の光線を放射する光源と、該光源から放射される光線のうちの特定の波長帯域を選択的に透過または反射させる光学フィルターと、前記光源から放射される光線の断続手段と、前記放射光を照射部位まで導光する光学素子と、照射部位における光線エネルギーの密度条件ならびに前記断続手段の動作条件を設定入力する光照射条件設定手段と、光照射条件設定手段からの設定信号に応じて光源による光量、断続手段の断続動作速度を制御する制御手段と、を具えて構成し、照射部位における光線エネルギーの密度ならびに照射部位における光照射時間、光照射停止時間を自在に選択できるようにして、上記従来の課題を解決しようとするものである。
また、上記の光線治療装置において、光線の前記断続手段は光源と前記光学フィルターとの間の照射光経路にあり、光照射時間と光停止時間の繰り返し周波数が４Ｈｚから１００Ｈｚに設定できる構成となすことがある。
さらに、上記の光線治療装置において、光線の前記断続手段は光透過孔を有する回転体とこの回転体の駆動装置からなり、前記回転体の回転により光源から照射部位に至る光放射経路を開閉することにより照射部位における光照射を断続させるように構成することがある。
さらにまた、上記いずれかに記載の光線治療装置において、光源は照射部位にあって0.1〜１00J/cm2の範囲の光照射エネルギーを発生するものであり、光照射条件設定手段は照射部位にあって光照射エネルギーを0.1〜１00J/cm2の範囲において所定量に設定できることようになすことがある。
また、上記いずれか記載の光線治療装置において、前記光学フィルターの透過できる波長範囲を0.５５μｍから２μｍとなすことがある
そして、上記いずれか記載の光線治療装置において、前記光源は電極における色温度が摂氏３０００度−３４００度であるハロゲンランプで構成することがある。
本願発明に係る光線治療装置は上述の構成となしたので、取り扱い等が簡便な非レーザー光の照射により、単なる疼痛緩和ばかりか細胞そのものに作用して、細胞の活性化による諸種の効果を奏しえる。また、構成も簡易で使い易く明確な効果の得られる光治療器を低廉な原価コストで実現しえる。
前述した種々の知見から、光線治療装置において生体組織内での温熱効果による血液・リンパの流れを促進し、創傷治癒、疼痛緩和および細胞活性などをもたらすための照射光の波長範囲は５５０ｎｍ〜2μｍを選択することが好適である。
生体への照射光に関しては、連続あるいはパルスのいずれかが可能であり、一般に低出力光照射では連続光が選択されているが、パルス光では細胞修復と再生が促進されるとの知見が多く見られることから、また、カルシウム取込量がパルス周波数に依存していることから、光照射条件としてはパルスが好適である。これに対応して本願発明では照射光線の断続手段を設けている。この断続手段は、光源と前記光学フィルターとの間の照射光経路に位置させて、断続手段の動作により光照射時間と光停止時間の繰り返し周波数を４Ｈｚから１００Ｈｚに設定できる構成となす。断続手段は光透過孔を有する回転体とこの回転体の駆動装置からなり、前記回転体の回転により光源から照射部位に至る光放射経路を開閉することにより照射部位における光照射を断続させるように構成するが、回転体は円盤形状とし、この円盤に光透過孔を設けるが、この光透過孔は円盤状において等間隔で３個程度形成し、この円盤を電気モータで回転させ照射光を断続させる。そして、電気モータの回転数の制御により上記範囲で所望のパルス光を発生させる。
生体組織と光との作用を規定するのは、（１）照射光ピーク出力、（２）照射エネルギー、（３）作用時間、以上の3つのパラメータで規定される。この3つのパラメータで光と物質の相互作用を規定することはレーザーによる材料加工条件でも明らかになっており、生体においても成立することは知られている。この場合、生体に光照射した場合に光生物学的活性化反応を生じる条件としては生体照射時の温度が40度以下である必要があるために、作用時間として１０秒〜１０4秒、光強度が1Ｗ/cm2以下、照射エネルギー密度として１〜１００Ｊ/cm2 程度が選択される。
温熱効果を特に皮膚表面温度の上昇によって得るには照射時での温度として40度を超える場合もあるが、この場合には当然のごとく低温火傷などの副作用が生じる場合があるので照射条件のそれなりの制御が必要となる。
温熱効果を特に皮膚表面温度の上昇によって得るには照射時での温度として40度を超える場合もあるが、この場合には当然のごとく低温火傷などの副作用が生じる場合があるので照射条件のそれなりの制御が必要となる。
臨床的に効果が生じる作用部位への照射エネルギー条件は0.1J/cm2〜100J/cm2が好適である。この場合、生体内部へ深く照射したい場合には伝送損失を考慮すれば、照射エネルギー強度は高くなり、表面近傍への作用をする場合には照射エネルギー強度を弱める必要があり、このために装置の出力を可変とする構成が必要である。そして、適切な照射条件は臨床的効果が最大発揮できるように個々に選択する必要がある。
光照射を行うための光源としてはハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤなどの非レーザー光源が選択される。このうちキセノンランプは公知のように波長が２５０ｎｍからおよそ1μｍ までの発光波長帯域をもっているがキセノン特有のスペクトル線が重なったものである。このために波長の変化による強度は一様にならず、強いピーク強度を持つ波長域と一様な強度分布の混在したものになる。
光源としては、取り扱いが容易で価格も安価なハロゲンランプを採用し、照射部位にあって0.1〜100J/cm2の範囲の光照射エネルギーを発生するようにし、照射条件を入力するための光照射条件設定手段は照射部位にあって光照射エネルギーを0.1〜100J/cm2の範囲において所定量に設定できるようになし、制御手段は光照射条件設定手段からの信号に対応して光源の光量を条件通りに設定することとなる。
光源としては、取り扱いが容易で価格も安価なハロゲンランプを採用し、照射部位にあって0.1〜100J/cm2の範囲の光照射エネルギーを発生するようにし、照射条件を入力するための光照射条件設定手段は照射部位にあって光照射エネルギーを0.1〜100J/cm2の範囲において所定量に設定できるようになし、制御手段は光照射条件設定手段からの信号に対応して光源の光量を条件通りに設定することとなる。
生体組織と光の波長との関係については、種々の知見を中心に前述したが、温熱効果による疼痛緩和、細胞活性化作用等を勘案すれば0.５５μｍから２μｍが望ましく、このため光学フィルターの透過できる波長範囲をこの数値に対応させる。
なお、光源となりえるＬＥＤは公知のように種々の波長を有する製品が市販されているが、基本的には可視光であるブルー、グリーン、イエローおよび赤色光を放射するものと近赤外域である８００〜１０００ｎｍまでのものが入手できる。これらのＬＥＤは最大出力を放射する波長をそのＬＥＤの発振波長としている。このために複数の異なる発振波長を有するＬＥＤを組み合わせれば紫外域から近赤外域または遠赤外域のスペクトル分布を持つ光源を構成することができる。
なお、光源としてのハロゲンランプはプランクの式によって理論的に与えられる分布式と近似される。公知のようにハロゲンランプは規定の電圧を印加したときのフィラメント温度によりその分光特性がことなる。電極の色温度が高ければスペクトルのピーク強度(最大放射)波長は短波長側に、低ければ長波長にシフトすることは知られている。一般的なハロゲン電球の色温度は３０００度前後とされ、この場合の最大放射波長はよく知られているように近似的に
λｍ×T≒K
ここでλｍ：単色放射発散度（W/cm2）が最大になる波長
K: ２８９７(μ・deg)
で与えられている。
この式を用いると色温度3000度の最大放射波長は１μｍになる。
同様に色温度3200度では０．９μｍ、3400度では０．８５μｍとなる。
λｍ×T≒K
ここでλｍ：単色放射発散度（W/cm2）が最大になる波長
K: ２８９７(μ・deg)
で与えられている。
この式を用いると色温度3000度の最大放射波長は１μｍになる。
同様に色温度3200度では０．９μｍ、3400度では０．８５μｍとなる。
細胞への各種作用効果をもたらす光照射光源の波長域が可視光のうち、波長５５０ｎｍから1μｍの範囲であることを鑑みれば、ハロゲン電球の色温度は３２００〜３４００度が好適になるが、さらに高い色温度をもつハロゲンランプでは放射発散度が高くなることから、波長５５０ｎｍから１μｍでの全体の放射強度が高くなる場合がある。温熱効果を加味する場合には１μｍから２μｍまでの放射強度が大きければその分温熱効果が高くなることあきらかであることから、色温度の好適範囲は３２００度から３４００度に限定されるべきでないが、ハロゲンランプの長寿命を得るには印加電圧を規定値よりも低くすることが有効であることから、ハロゲンランプの規定される色温度が比較的高いものを選択し、印加電圧を規定値よりも小さくし、かつ色温度が３２００度から３４００度の範囲になるような使用条件が好適になる場合がある。
ところで、過度の温熱効果が生じるようなハロゲンランプを使用した場合の危険性を無くするためには使用する光学フィルターの透過特性を考慮する必要がある。
特にOH吸収が強く生じる波長域が２μｍ近傍以上にあるために、フィルターの長波長カット端は最大2μｍとすることが必要になる。従って光学フィルターの透過波長範囲は５５０ｎｍから２μｍまでのものが好適になる。
特にOH吸収が強く生じる波長域が２μｍ近傍以上にあるために、フィルターの長波長カット端は最大2μｍとすることが必要になる。従って光学フィルターの透過波長範囲は５５０ｎｍから２μｍまでのものが好適になる。
光照射時間と光照射停止時間の繰り返しを構成する手段すなわち光線の断続手段としては、上記のように機械的なチョッパーが好適である。ハロゲンランプの場合には点灯、消灯の時常数が長いために、１０ｍｓ〜２５０ｍｓの繰り返し照射を実現するためには電源によるパルス照射を行うことには課題が多い。一方LEDのような点灯、消灯の時常数が短いものについてはパルス形成回路部を接続することで容易に実現できる。機械的チョッパーは公知のように円盤状に複数の小孔をあけ、光源からの光路中に小孔が配置されるように位置を設定する。断続周波数はチョッパーの回転数と円盤内の小孔の数によって決まる。チョッパーの駆動モータがDC型である場合には印加電圧を可変することで断続周波数も可変できる。
これを具体的に述べれば、円盤内の小孔の直径と小孔間の間隔が等しい場合にはデューテイは５０％となり、円盤内の小孔の数が4個の場合には円盤が４Hzで回転した場合には照射部における照射時間は１２５ｍｓ、照射停止時間は１２５ｍｓになり、円盤回転数を１００Hzで回転した場合には照射時間と照射停止時間はそれぞれ１．２５ｍｓになる。
これを具体的に述べれば、円盤内の小孔の直径と小孔間の間隔が等しい場合にはデューテイは５０％となり、円盤内の小孔の数が4個の場合には円盤が４Hzで回転した場合には照射部における照射時間は１２５ｍｓ、照射停止時間は１２５ｍｓになり、円盤回転数を１００Hzで回転した場合には照射時間と照射停止時間はそれぞれ１．２５ｍｓになる。
光照射器を携帯型で構成する場合には可能な限り小型化する必要がある。また、光源としてのハロゲンランプが直進する特性を持っていないことから、光路上にシャッターを配置し、光路全体を円板上に配置された小孔を通すように構成した場合にはシャッターの円板外形が大きくなってしまい、実用性にかける場合が生じる。このような場合には、光路を分割するような手段により照射光を断続する方法が好適である。具体的には円板上の小孔が複数であり、この円板が光路上全体を回転するように構成した場合には、照射光はこの小孔を通して照射部位に伝達される。この場合照射部位は複数の小孔を介して伝達された光照射範囲が加算されたものが全体の照射部位面積を構成することになる。
照射部位におけるエネルギー密度を0.1J/cm2から100J/cm2に調整するためには、光源の光強度（W）と照射面積および照射時間を選択することで得ることができる。
一例として、ハロゲンランプ出力７５Wの光源を使用し、光源の後方放射部をも利用するために球面状反射板を介して、機械的チョッパーを通過した照射部位での光強度は最大で１０００ｍWとなる。この時の照射部の面積が３cm2であることから、光強度密度は１４０ｍW/cm2 となる。エネルギー密度0.1J/cm2を得るには照射時間として0.7秒必要であり、８４J/cm2 を得るには１０分間の照射が必要となる。 また、照射部の面積はランプからの光学系を操作することで容易に可変することができる。
以上のように、必要なエネルギー密度は照射部位における光強度（W）,照射面積、照射時間を適宜選択することで容易に実現できる。
一例として、ハロゲンランプ出力７５Wの光源を使用し、光源の後方放射部をも利用するために球面状反射板を介して、機械的チョッパーを通過した照射部位での光強度は最大で１０００ｍWとなる。この時の照射部の面積が３cm2であることから、光強度密度は１４０ｍW/cm2 となる。エネルギー密度0.1J/cm2を得るには照射時間として0.7秒必要であり、８４J/cm2 を得るには１０分間の照射が必要となる。 また、照射部の面積はランプからの光学系を操作することで容易に可変することができる。
以上のように、必要なエネルギー密度は照射部位における光強度（W）,照射面積、照射時間を適宜選択することで容易に実現できる。
本願発明の実施例を説明する。 図１は、本願発明に係る光線治療装置の１実施例に係る制御系を示すブロック図である。 図において、１は光照射条件設定手段であり、スイッチ類、入力キー類を具えた操作パネルからなり、光照射制御部２に連結されている。光照射条件設定手段１は光源からの発光強度ならびに断続手段の回転体の速度を制御するものであってそれぞれの印加電圧または電流値を可変することで光照射条件を設定する。光照射制御部２は、演算手段、記憶手段、ＣＰＵを具えた周知のコンピュータで構成されている。
また、３は光源としてのハロゲンランプ、４はパルス光を生成する断続手段である。図２は、断続手段４の一実施例をしめす図で、断続手段４は円盤形状の回転体４１とこれを回転駆動させるモータ４２からなり、回転体４１はモータ４２との間でそれぞれのプーリ部に架装されるベルト等により回転する。
円盤形状の回転体４１には、図２の（a）に示すように光透過孔としての貫通孔４１aが等間隔で３個形成されている。回転体４１の回転により光源３からの放射光には断続が生じ、照射部位において照射と照射停止の繰り返しが生起されることになる。図２（b）は、回転体４１と駆動源であるモータ４２の関連構成を示しており、回転体４１は、前記のように回転体４１の外周に形成されるプーリ部とモータ４２のプーリ部に架装されるベルト（不図示）により回転される。回転数を制御部２の指示により変えることで照射光の断続
周波数が変わることになる。すなわち、モータの駆動電圧を可変することで、回転体４１の回転数を制御し、光照射時間、光照射停止時間の長短を変えることになる。なお、通常の使用条件においては固定周波数に設定できるようにモータの駆動電圧は一定電圧になるように作動させてもよい。
周波数が変わることになる。すなわち、モータの駆動電圧を可変することで、回転体４１の回転数を制御し、光照射時間、光照射停止時間の長短を変えることになる。なお、通常の使用条件においては固定周波数に設定できるようにモータの駆動電圧は一定電圧になるように作動させてもよい。
図３は、光線治療装置の全体構成を示す横断面図である。 図において、５は光源としてハロゲンランプであり、照射部位にあって0.1〜100mJ/cm2の範囲の光照射エネルギーを発生する。６は光源５から放射された光が一様なビーム光になるように円錐体形状に類似した反射板、７は光源３から放射された光のうち所定の波長成分のみを透過させることが出来る光学フィルターであり、この光学フィルター７の透過または反射できる波長範囲が0.５５μｍから２μｍとなっている。
また、８は集光レンズ、９は排熱ファン、１０は放熱板、１１はケーシングである。
また、８は集光レンズ、９は排熱ファン、１０は放熱板、１１はケーシングである。
次に、上記実施例に係る光線治療装置による試験例を説明する。
試験例１
光源： ハロゲンランプ
設定出力： ７５Ｗ ，１２Ｖ
出力パワー：４００ｍW（全体放射出力）
照射面積：３ｃｍ2
照射モード：連続パルス照射
照射条件： 照射時間１００ｍｓ，照射停止時間１００ｍｓ
照射時間:１０分
照射エネルギー：１７J/cm2
以上により、ボランテア患者(大学相撲部)が持病と見られる程の疼痛部に毎日2回、連続2週間光線治療装置を使用したところ、照射後数回では痛みが感じられないほどに低減し、その後運動ができるほどに至った。
試験例１
光源： ハロゲンランプ
設定出力： ７５Ｗ ，１２Ｖ
出力パワー：４００ｍW（全体放射出力）
照射面積：３ｃｍ2
照射モード：連続パルス照射
照射条件： 照射時間１００ｍｓ，照射停止時間１００ｍｓ
照射時間:１０分
照射エネルギー：１７J/cm2
以上により、ボランテア患者(大学相撲部)が持病と見られる程の疼痛部に毎日2回、連続2週間光線治療装置を使用したところ、照射後数回では痛みが感じられないほどに低減し、その後運動ができるほどに至った。
なお、ハロゲンランプ光以外に、可視光から近赤外線光を放射できるＬＥＤ光源、キセノンランプ光源があり、これを使用する場合、理論的に同様の作用が期待される。
１．．．．．．．．光照射条件設定手段
２．．．．．．．．光照射制御部
３．．．．．．．．光源
４．．．．．．．．断続手段
２．．．．．．．．光照射制御部
３．．．．．．．．光源
４．．．．．．．．断続手段
Claims (6)
- 可視光線を含む広波長帯域の光線を放射する光源と、該光源から放射される光線のうちの特定の波長帯域を選択的に透過させる光学フィルターと、前記光源から放射される光線の断続手段と、前記放射光を照射部位まで導光する光学素子と、照射部位における光線エネルギーの密度条件ならびに前記断続手段の動作条件を設定入力する光照射条件設定手段と、光照射条件設定手段からの設定信号に応じて光源による光量、断続手段の断続動作速度を制御する制御手段と、を具え、照射部位における光線エネルギーの密度ならびに照射部位における光照射時間、光照射停止時間を自在に選択できるようにしたことを特徴とする光線治療装置。
- 請求項１記載の光線治療装置において、光線の前記断続手段は光源と前記光学フィルターとの間の照射光経路にあり、光照射時間と光停止時間の繰り返し周波数が４Ｈｚから１００Ｈｚに設定できるものであることを特徴とする光線治療装置。
- 請求項２記載の光線治療装置において、光線の前記断続手段は光透過孔を有する回転体とこの回転体の駆動装置からなり、前記回転体の回転により光源から照射部位に至る光放射経路を開閉することにより照射部位における光照射を断続させるようにしたことを特徴とする光線治療装置。
- 請求項１ないし３のいずれかに記載の光線治療装置において、光源は照射部位にあって0.1〜100J/cm2の範囲の光照射エネルギーを発生するものであり、光照射条件設定手段は照射部位にあって光照射エネルギーを0.1〜100J/cm2の範囲において所定量に設定できるようにしたことを特徴とする光線治療装置。
- 請求項１ないし５のいずれか記載の光線治療装置において、前記光学フィルターの透過できる波長範囲が0.５５μｍから２μｍであることを特徴とする光線治療装置。
- 請求項１ないし５いずれか記載の光線治療装置において、前記光源は電極における色温度が摂氏３０００度−３４００度であるハロゲンランプで構成したことを特徴とする光線治療装置。
Priority Applications (1)
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