肺生検用単一光ファイバ電磁駆動OCTプローブと非
平面作製プロセス
著者
李 宣
学位授与機関
Tohoku University
学位授与番号
11301甲第17669号
URL
http://hdl.handle.net/10097/00121608
1 氏名（本籍地） 李L i 宣Xuan 学 位 の 種 類 博 士（医工学） 学 位 記 番 号 医工博 第 ５６号 学位授与年月日 平成２９年 ３月２４日 学位授与の要件 学位規則第４条第１項該当 研 究 科 、 専 攻 東北大学大学院医工学研究科（博士課程）医工学専攻 学 位 論 文 題 目 肺生検用単一光ファイバ電磁駆動OCT プローブと非平面作製プロセス 論 文 審 査 委 員 （主査）東北大学教 授 芳賀 洋一 東北大学教 授 西條 芳文 東北大学教 授 羽根 一博 （工学研究科） 東北大学准教授 小山内 実
論 文 内 容 の 要 旨
第一章 序論 近年、悪性新生物による死亡率が増加しており、その中で肺癌の事例がトップクラスになって いる。肺癌の早期治療の生存率は良好であるのに比べ、癌が進展し、リンパ管や血管を介して転 移を示す癌の生存率は極端に低いとされ、癌の早期発見と早期治療が求められる。従来の末梢型 肺癌診断としての TBNA（Transbronchial Needle Aspiration）は、EBUS（Endobronchial Ultrasound）で病巣部を観察後に行われるが、穿刺時は EBUS プローブが抜去されているため、 穿刺針が目標病巣に的中しているか否かの判断はできなかった。本研究では細径な光学イメージ ャーを開発し、気管支末梢を前方視OCT（Optical Coherence Tomography）にて撮像を可能と するプローブとし、穿刺中に病巣と穿刺針の同時観察を可能とすることを目指した。また、独自 の非平面作製プロセスにより、前方視OCT プローブの組立精度と生産性を向上し、更なる細径 化を目指した。 第二章 構造と設計 狭い気管支末梢までアプローチするため前方視OCT プローブは細径で短くなくてはならない。 また、病変部を撮像し、穿刺針が病変部に命中したことを確認するためには高い分解能と広い視 野角(FOV)が必要となる。末梢型病変に対する経気管支 TBNA の診断感度を向上するためには穿 刺針が病変と思われる目標に的中したことを確認する必要がある。特に気管支末梢の早期病変を 診断するためには、細径で高分解能のプローブが求められる。しかし、従来の細径気管支鏡は可 視光を用いた表面観察しかできず、粘膜下層に位置する病変を観察できなかった。 本研究では精密で安定した走査が可能な電磁駆動による単一光ファイバスキャナーの設計を 行った。従来の 45°傾斜コイルを上下鞍型コイルに変えることで光ファイバにかかる外力を大 きくし、振幅を増加する構造とした。光ファイバの非線形走査の原因を分析し、V 溝固定ジグを 設計した。これにより、電磁駆動単一光ファイバスキャナーの一次元走査を線形にすることがで2
きた。また、GRIN（Gradient Index）レンズを用い GRIN レンズの視野角、分解能、撮像距離 を調整する光学設計を行い、電磁駆動単一光ファイバスキャナーの視野角を増加することができ た。視野角45°以上、撮像距離 1.7 mm 以上、分解能 60 μm 以下となる GRIN レンズを設計し、 0.5 mm の穿刺針を観察できる OCT プローブを設計した。 光ファイバ先端にコアレスファイバと GRIN ファイバレンズを融着することで OCT プローブ の撮像範囲の更なる最適化を行い、70°の FOV で 1.7 mm 長さの穿刺針の観察を可能とする光 学系を設計した。 第三章 作製と評価 末梢気管支までアプローチ可能な微細な OCT プローブを作製するため、プローブの直径を 1 mm 以下、全長を 11 mm 以下と設定した。直径 1 mm 以下、長さ 11 mm 以下の電磁駆動コイ ルとその中にパッケージングできるGRIN レンズと光ファイバ振動子を作製した。作製した駆動 コイル内に光ファイバ振動子を挿入し、周波数特性を計測した結果、共振周波数は161 Hz であ った。また、OCT 装置の走査周波数である 20 Hz では、±500 mA の電流値で 250 μm の振幅 が得られた。光ファイバの共振周波数である161 Hz では±250 mA の電流値で 356 μm の振幅 が得られた。GRIN レンズを光ファイバ振動子の先端約 80 μm の位置に固定し、φ1mm、長 さ11 mm の OCT プローブを組立てた。永久レジストである SU-8 で作製された幅 50 μm、間 隔140 μm、肉厚 7 μm の格子を OCT プローブで撮像し、視野角と分解能の評価を行った結 果、OCT プローブの視野角は 45°であり、分解能は 35 μm 以上の、臨床上役立つ性能を示し た。 第四章 作製と評価 気管支は末梢に行くほど内径が細くなる、OCT プローブを更に細径化することで、より末梢 の病変にアプローチすることが可能となる。また、内視鏡用の医療器具の再利用は感染などのリ スクが伴うため使い捨て化が望ましい。OCT プローブを一回使い捨て化するためには量産性を 高める必要がある。量産性を高める要素として、まずプローブを構成するパーツのコストを下げ ることが挙げられる。次にプローブの組立作業を容易にし、作業量を軽減することが必要である。 最後に組立の精度を保証し、不良品率を低下する必要があると考えられる。磁石に代えて細径の Ni 製磁性体チューブを使うことで OCT プローブの細径化が可能となった。アシストコイルを駆 動コイルと合わせて使うことでプローブの細径化に伴う電磁力の低下を解決した。反射ミラーを 用いた露光システムを構築し、R0.5 mm の半円内面に垂直に露光光を照射することができた。 半円溝に60 μm の Ni 犠牲層と 25 μm のレジストをコーティングした。反射ミラーを用いて 半円溝の0~68°の勾配まで、ほぼ設計値どおりの幅でレジストパターンを形成でき OCT プロー ブの細径化、組立精度と生産性の向上を実現する半円離型を用いた非平面作製プロセスの基礎を 開発した。 第五章 結論 本研究では経気管支穿刺針を観察する微細な前方視OCT プローブの設計と作製を行った。また、 新たな非平面露光システムを開発し、OCT プローブの組立精度、生産性を向上し、更なる細径化の可 能性を示した。今後は開発した OCT プローブを用いた動物実験が求められ、将来的に気管支検査へ の臨床応用が期待される。
