2024415

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プラズマ発光計測を用いたレーザー損傷の検出
低出力レーザーを用いた医療診断技術（L-RFA）の開発
レーザー総研オープンセミナー「レーザー加工からインフラ診断まで」〜ILT2024 令和5年度研究成果報告会開催案内〜

ISSN 0914-9805【表紙図】H f O 2薄膜のレーザー損傷
時のプラズマ発光の様子
左(a) 照射フルエンス：135 J/cm 2
右(b) 照射フルエンス： 45 J/cm 2

プラズマ発光計測を用いたレーザー損傷の検出
レーザー技術開発室
レーザー装置には、ミラーやレンズなど多くの光学

本越伸二●プラズマ発光計測素子が使用されている。これら光学素子は高出力レーパルスレーザー光による光学素子の損傷は、レーザー光にさらされると、しばしば損傷（レーザー損傷）ザー光の持つ強電場による光学材料の絶縁破壊としてを引き起こし、装置の性能を制限する要因になってい説明される。絶縁破壊時に生成された電子はイオンとる。レーザー技術総合研究所では、光学素子の高耐力再結合するとき、雰囲気と衝突することにより発光す化研究を進めるとともに、多くの光学メーカーと協力る。これをプラズマ発光として検出することにより、して光学素子のレーザー損傷耐性試験を行い、データ損傷の有無を確認することが可能である。表紙図は、を蓄積してきた。

HfO2薄膜に対してフルエンス(a) 135 J/cm2、(b) 45 J/

レーザー損傷耐性試験では、照射フルエンスを調整

c m 2でレーザー照射した時のプラズマ発光の様子であしたレーザー光を光学素子に照射して損傷の有無を観る。プラズマ発光の明るさは、損傷の大きさとほぼ比察し、損傷確率が0 %の最大フルエンスをレーザー損傷例関係にある。

しきい値として決定するものである。その方法は国際損傷発生用レーザーパルス（波長1064 nm、パルス幅規格ISO-21254-1～4でも規格化されている。損傷の検10 ns）を焦点距離3000 mmのレンズで試料表面に集光

出にはノマルスキー型微分干渉顕微鏡を用い、照射前し、損傷時に発生するプラズマ発光を、試料後方よりシ後の表面を観察して損傷の有無を認識しているが、観リコンフォトディテクターで検出した。プラズマ発光

察者による個人差があることや顕微鏡観察に時間を要計測と同時に顕微鏡による表面観察を行い、プラズマするなどの課題がある。評価試験の自動化、省力化、し発光計測による損傷検出の可能性を検討した。

きい値決定の高精度化に向けて、顕微鏡観察以外の損●損傷しきい値評価結果傷検出方法を検討している。

公益財団法人レーザー技術総合研究所

レーザー･クロス

損傷評価試料には、波長1064 n m用反射防止コート

次ページへつづくプラズマ発光計測を用いたレーザー損傷の検出15個を用意した。損傷しきい値評価方法は1 - o n -1試験能であるといえる。しかし、顕微鏡観察と一致しなかっを採用した。図1にレーザー損傷しきい値評価結果を示た6個の試料は、いずれもプラズマ発光計測の値が高いす。青棒は顕微鏡観察により決定されたしきい値、赤ことが分かる。現状では、照射フルエンス20 J/cm 2未棒はプラズマ発光計測により決定されたしきい値であ満で発生する損傷のプラズマ発光は計測できない。

る。同一仕様の反射防止コートであっても損傷しきい●まとめ値に大きな違いがある。しかし、15個中9個の試料にレーザー損傷しきい値評価試験の自動化を目的に、ついては、顕微鏡観察とプラズマ発光計測でほぼ同じ損傷時に発生するプラズマ発光計測による損傷検出にしきい値として評価された。このことからプラズマ発ついて、顕微鏡観察による損傷しきい値と比較を行っ光計測による損傷検出および損傷しきい値の評価は可た。波長1064 nm照射試験では、20 J/cm2以上の損傷しきい値では良い一致を示し、顕微鏡観察と置き換えが可能であることが分かった。しかし、低いフルエンスでの損傷はプラズマ発光が小さく（例えば、表紙図(b)）、ノイズ信号との分離ができていない。今後、プラズマ発光計測感度の向上やS/Nを改善することにより、自動化へ向けた検討を進めていく。
謝辞
本研究の一部は、大阪大学レーザー科学研究【図1】1064nm用反射防止コートのレーザー損傷しきい値の測定結果

所、近畿大学大学院総合理工学専攻との共同研究として行われた。謝意を表します。

TOPICS

低出力レーザーを用いた医療診断技術（L-RFA）の開発
共同研究員（近畿大学生物理工学部 講師）■レーザー誘起振動による医療診断技術
医療領域ではバイブレーターや磁気パルスを加振源

三上勝大技術について紹介する。

■整形外科インプラントの設置強度診断とする共鳴周波数解析と呼ばれる診断手法が研究され骨に埋設する固定具や人工関節は、整形外科インプラている。われわれは、加振源にレーザー光を用いたレーントと総称される。骨への設置強度が低いと、緩みや逸ザー共鳴周波数解析（Laser Resonance Frequency

脱につながり骨癒合不全に至る。インプラントの設置Analysis、以下、L-RFA）の研究を行っている。レーザー

強度は執刀医の経験や手感覚に委ねられており、定量的光を物体に照射すると、吸収された光エネルギーは熱な計測技術が求められている。われわれは、生体内でエネルギーに変換され、熱膨張やアブレーションなど打音検査を行うことをコンセプトに、L - R F Aの適応をを通して振動が誘起される。レーザー照射による加振検討した。脊椎骨に設置されるボルト状の椎弓根スクを利用した計測技術は、レーザー技術総合研究所を中

リューをポリウレタン製模擬骨に設置し、パルスレー心に「レーザー打音法」としてコンクリートの劣化診断ザー（波長1053 nm, パルス幅10 ns）を照射し、得られなどで研究されている（本誌No.407、No.413参照）。図た振動をレーザードップラー振動計で計測した。図2

1に共同研究機関である慶應義塾大学病院で、悪性腫瘍に、異なる設置強度における振動波形の違いを示す。設を有する摘出臓器へL-RFA技術を適応する非臨床試験

置強度は模擬骨埋入時のピークトルク値を用いて定義の様子を示す。本稿では、L-RFAを活用した医療診断した。設置強度を0.1 Nmから2.8 Nmに増加すると、発2

ヤング率の異なるアガロースゲル試料のL-RFA結果
【図3】
【図1】
L-RFA装置を活用 【図2】
設置強度の異なる椎弓した非臨床試験の様子
根スクリューのL-RFA結果の成果をもとに、2024年3月時点で、5症例の摘出臓器生する振動周波数（固有振動数）ピークが2100 Hzから検査の結果を基準とすることでL-RFA硬度計測技術の3100 H zにシフトしている。この基礎原理実証をもと臨床における診断性能を評価していく。に、実験室レベルで椎弓根スクリュー [1]および人工股関■最後にの腫瘍に対してL-RFA評価を行っている。今後、病理（特許第7281770
節カップ[2]の設置強度評価実証を達成

本稿では、L-RFAを用いた医療診断技術について紹号、慶應義塾、量子科学技術研究開発機構、レーザー技術

介した。L-RFAは、共鳴周波数解析（打音検査）や触診

総合研究所共同出願））し、機械学習による振動データ解検査といった医療において成熟した診断手法を、定量析[3]や臨床データ導入による高精度化[4]研究を行った。

化できる技術である。近年、ロボット医療の進展は目

その後、生体非侵襲な数m Wの平均出力のレーザー加覚ましく、人間の感覚を数値化する計測技術・センサー振手法[5]とその最適化[6]を経て手術室における臨床試験の重要性は高まるものと推測される。L-RFAは、既存に至った。2024年3月時点で65症例のデータ取得を行っ

手技の支援技術、基礎医学研究ツールだけでなく、先端ており、患者の予後経過も含めた前向き研究により、医療にも貢献できるものと期待する。そのためにも、L-RFA診断技術の臨床上の意義を検証している。

より多くの症例を通じて実用化に向けた検討を推進し■軟部腫瘍の硬度診断ていく。

近年、軟部腫瘍（悪性の場合、いわゆる癌）の硬さに謝辞着目した、腫瘍物理学[7 ]という領域が提唱されている。

本研究は慶應義塾大学医学部 整形外科学教室 名

癌はシコリが生じ、周辺の正常組織と比較して硬くな倉武雄先生、中島大輔先生、畠山拓人先生、筋野朝陽先る。この癌細胞は周辺組織と相対的な硬度の違いによ生、同 外科学教室

り、硬く押しのけるように、もしくは一部軟化することのもと実施されました。本研究は、慶應義塾大学医学ですり抜けるように転移する。腫瘍物理学では、腫瘍部倫理委員会（20211093および20211094）、近畿大学の硬さが癌の浸潤戦略に密接に関係していることに着

生物理工学部 生命倫理委員会（R4 -1 -001およびR4 -1 -目している。上述した生体非侵襲な平均出力レーザー002）の承認を受け実施されました。本研究の一部は、を用いたL-RFAは、生体組織に対して打音検査（触診AMED医療分野研究成果展開事業（JP20hm0102077）、検査）が可能である。L-RFAでは、レーザー光の集光

A M E D橋渡し研究プログラム（J P201 m0203012）の性能による高空間分解計測と、生体の窓波長による生支援により実施されました。

体深部計測を兼ね備え、臓器形状を維持した3次元硬度参考文献計測技術が期待できる。硬度（ヤング率）が異なるア[1] D. Nakashima, et al., J. Ortho. Res., 39 (2021) 2474.

ガロースゲル試料に対して基礎実証試験を行った結[2] S. Kikuchi, et al., Sensors, 19 (2019) 4876.

果の一例を図3に示す。レーザーの繰り返し周波数を[3] K. Mikami, et al., Sensors, 21 (2021) 7326.

1 kHzから10 kHzまで等間隔に変調したときのL-RFA[4] K. Mikami, et al., Appl. Sci. 13 (2023) 9037.の結果であり、試料硬度が高くなると、レーザー繰り返[5] K. Mikami, et al., J. NDE 40 (2021) 12 .

し周波数と同じ周波数の振動強度が高くなることが分[6 ] K. Mikami et al., Sensors, 22 (2022) 5025.

かる。機械学習による多変量解析により振動周波数ス[7 ] E. Jonietz, Nature 491 (2012) S56.

ペクトルから硬度推定ができることを実証した[8 ]。こ[8] K. Mikami, et al., Appl. Sci. 13 (2023) 3639.

松田諭先生、古部快先生のご協力

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NEWS

レーザー総研オープンセミナー「レーザー加工からインフラ診断まで」〜ILT2024 令和5年度研究成果報告会開催案内〜
令和5年度の研究成果報告会 I LT 2 0 2 4は、光・レーザー・画像計測関連機器の技術展示会「第6回光・レーザー関西2 0 2 4」の併催イベントとして開催いたします。本報告会では、レーザー加工からインフラ診断まで、多岐にわたる研究テーマについて、昨年度の研究成果をわかりやすく報告します。ポスター発表では、研究員との直接対話により技術的なご相談にも対応いたします。泰山賞贈呈式や受賞者による特別講演もございますので、ぜひご参加ください。

◆プログラム10:40～10:55

ご挨拶

10:55～11:20

月面で３Ｄプリンティング！

11:20～11:45

青色レーザーでも光学素子が課題に！

11:45～13:00

休憩

所長 井澤靖和

レーザー技術総合研究所概要
そこに求められるものは光学素子の耐光性試験

主席研究員 藤田雅之
主任研究員 本越伸二

13:00～13:20 【泰山賞贈呈式】超高強度レーザーによる高エネルギーイオン加速の研究			

量子科学技術研究開発機構

関西光量子科学研究所

上席研究員 西内満美子氏

13:20～14:00 【特別講演】レーザー加速による高エネルギーイオンの発生とその応用			
14:00～14:25

量子科学技術研究開発機構

波面制御でレーザー加工を効率化！

関西光量子科学研究所

高速動作・高光耐性可変形鏡の応用技術
主任研究員 谷口誠治			
14:25～14:50

遠隔光計測を高感度化！

SBSによるナノ秒レーザーパルス圧縮法			

ハイク コスロービアン

副主任研究員14:50～15:05

休憩

15:05～15:30

見えないを視る！

15:30～15:55

レーザーで海洋プラスチックごみ対策を！		

上席研究員 西内満美子氏

ラマンライダーによるプラスチックの遠隔識別手法の開発

15:55～16:00

閉会

16:00～17:00

ポスター発表研究員 倉橋慎理

光学的手法による気体可視化技術の開発

主任研究員 染川智弘
常務理事 梅林徹

◆開催概要
<日 時>

2024年7月17日（水）10:40～17:00<場 所>

マイドームおおさか

8F第3会議室		

大阪市中央区本町橋2番5号		

アクセス：Osaka Metro 堺筋本町駅から徒歩6分ほか		

https://www.mydome.jp/mydomeosaka/access/

<受講料>

無料

<申し込み方法> 光・レーザー関西		

ILT2023開催案内よりお申込み下さい。		

https://www.opt-seminar.jp/ilt2 0 2 4 /<申し込み締切> 定員（50名）になり次第、締め切らせていただきます。
<お問い合わせ> 公益財団法人レーザー技術総合研究所（E-mail:seika@ilt.or.jp）
Laser Cross No.414 2024, Jun

http://www.ilt.or.jp

発行／公益財団法人レーザー技術総合研究所 編集者代表／倉橋慎理 〒550 - 0004 大阪市西区靱本町1-8-4 大阪科学技術センタービル4F TEL(06)6443-6311 FAX(06)6443-6313

掲載記事の内容に関するお問い合わせは、編集者代表･倉橋慎理（E-mail:kurahashi-shinri@ilt.or.jp）
までお願いいたします。