MIT30巻1号 特集：河本論文

特集論文／皮膚科学における画像処理技術

赤外レーザーのメラニンに対する高吸収波長

A High Absorption Coefficient Wavelength of a Infrared Laser to a Melanin

河 本　敬 子

_{桑 島　史 欣}

Keiko KOHMOTO Fumiyoshi KUWASHIMA

　赤外のレーザー光は，皮下に存在するメラニンに対して選択的に吸収されやすいため，良性の色素性疾 患治療に有効であり，レーザー脱毛にも応用できる．しかし，同じ用途に対してさまざまな波長のレーザー が用いられており，最適な波長が明らかとなっていない．また，これまでのレーザー装置は巨大，高価か つ使用に専門的知識を必要とする．一方，個人向けに売られている商品は，波長，出力，照射範囲などが 曖昧となっている．本研究では，脱毛や色素性疾患治療に利用可能な近赤外半導体レーザーを模索すべく， 細かく刻んだ人毛をサンプルとして，サンプル温度の上昇におけるレーザー波長依存性を調査した．その 結果，波長が784.74nm のときに温度変化が大きいことがわかった． キーワード：メラニン，半導体レーザー，赤外線レーザー 　

　Infrared lasers for medical applications especially for removal of hair and some pigmented lesions are investigated. It is preferred that the lasers with the wavelength of about 700nm are used considering the absorption coefficients of water, oxyhemoglobin, deoxyhemoglobin and melanin. We used infrared diode lasers using laser diodes and discussed the laser intensity is enough to examine the laser effect to the mel-anin. The melanin in this research used a hair. The purpose of this paper is to consider a dependence of wavelength on a temperature rise in a melanin.

Key words: Melanin, Semiconductor laser, Infrared laser

Med Imag Tech 30(1): 11-16, 2012

1．はじめに 1960 年にルビーレーザーが Maiman によって 開発された［1］．医療分野においても応用が考え られてきた［2~4］．皮膚のレーザー治療分野にお ける応用の試みも古くからなされ，血管腫に対 するアルゴンレーザー［5］，皮膚の色素異常に対 するルビーレーザーによる治療から始まってい る．色素異常症の治療においては太田母斑に対 し，Q スイッチルビーレーザー，Q スイッチアレ キサンドライトレーザー［6, 7］，Q スイッチ Nd: YAG レーザーの使用で劇的な効果を見せたのは よく知られている［8］． 最近は比較的波長の長いルビーレーザー，ア レキサンドライトレーザー，さらには半導体 レーザーを長パルスとして使用することで毛嚢 を破壊し脱毛治療に用いようという試みでも大 きな発展があったが，これらの機器は表在性の 皮膚の色素異常症の治療に適している．今後は さらに安全性や治療効果を大きく代える可能性 のある機器が開発導入される可能性も高く，こ の分野に大きな期待が集まっている［9］． このように，これまでにさまざまなレーザー が医療分野において使用されてきたが，それぞ れの最適な波長は明らかになっていない．半導 体レーザーは安価であり，波長を 0.1nm のオー ダーで変えることができる．そこで，もっとも 効率のよい最適波長をそのオーダーで見つける ことを目標としている．インコヒーレント光で は，スペクトル幅が広いため，緩やかな波長依存 性のみが観測されていた［10］．コヒーレント光 源を用いることで効果的に温度が上昇する波長 *1_{近畿大学生物理工学部システム生命科学科〔〒} 649-　 6493 和歌山県紀の川市西三谷 930〕：Department of 　Computational Systems Biology, Faculty of Biology-　Oriented Science and Technology, Kinki University.

　e-mail: [email protected]

*2_{福井工業大学工学部電子情報工学科}

　 論文受付：2011 年 11 月 29 日 　 最終稿受付：2012 年 2 月 1 日

がみつかったので，今回の報告を行う． 赤外のレーザー光は，皮下に存在するメラニ ンに対して選択的に吸収されやすいため，良性 の色素性疾患治療に有効であり，レーザー脱毛 にも応用できる．しかし，同じ用途に対してさ まざまな波長のレーザーが用いられており，最 適な波長が明らかとなっていない．また，これ までのレーザー装置は巨大，高価かつ使用に専 門的知識を必要とする．一方，個人向けに売ら れている商品は，波長，出力，照射範囲などが 曖昧となっている． 本研究では，脱毛や色素性疾患治療に利用可 能な近赤外半導体レーザーを模索すべく，メラ ニンをサンプルとして，サンプル温度の上昇に おけるレーザー波長依存性を調査した．今回は， メラニンを多く含んでいる人毛を対象とした． 近年は，レーザーが脱毛などに応用される場合 が非常に多く，社会的需要があると考えたから である． 2．装置設計指針 本研究の概念図をFig. 1 に示す．Fig. 2 に示し た 実 験 系 に お い て，半 導 体 レ ー ザ ー は Sharp: GH0781JA2C(784nm,120mW), Thorlabs: L808P200 (808nm, 200mW)，試料は人毛（人種：日本人，年 齢：20 歳位，長さ：1mm，色：黒色，形状：細 かく切った状態を隙間なく直径 1.5cm の丸状に 盛っている）を用いた．なお，被験者には実験 内容，目的，調査対象を十分に説明し，実験協 力に対する同意を確認した． 試料の設置状態は，使用したレーザーのス ポット径は2mm 程度，試料は熱電対に密集して 盛ってあり，熱電対は十分に試料に隠れた状態 であるため，十分に広い範囲である．集光用レ ンズはThorlabs: C-230TM-B (f：4.5mm, AR Coated 600 ～ 1050nm，開口比 =0.55，開口部：4.95mm 径， 有効焦点距離：4.51mm)，試料台のサイズは直径 3.4cm 高さ 2.8cm を用いた．また，集光レンズ位 置は連続可変とし，スポット径を連続的に変化 できるようにした．今回は半導体レーザーを定 電流回路を用いて電流を一定（CW），発振波長領 域は赤外とした． 　実験方法は，レーザー光をレンズで集光させ たものをミラーで真下に反射させ，熱電対上の 人毛（細かく切って盛っている）にレーザーを 照射する．熱電対上の人毛の温度変化を温度計 （デジタルマルチメータ）で測定し，パソコンに 取り込む．電流によって波長を変化させ測定を 繰り返す．このとき，出力が変化するので減衰 器（ND フィルター）を用いて試料に当たる光出 力が一定になるようにした．熱電対や試料台（白 色），人間の皮膚に当てても温度上昇はみられな かった．また，室温は23 ℃一定とした． 半導体レーザーは，接合面に垂直方向は回折 により大きなビーム拡がり角を与えるため，出 力はレンズによって集光しエネルギー密度を高 めた上で，患部に照射することで，赤外光に対 し吸収係数の高いメラニン色素に集中的にエネ ルギーを加え，シミや体毛の除去に応用できる． 3．波長による吸収係数の変化 メラニンにおける波長による吸収係数の変化 について，水［10, 11］，酸化ヘモグロビン［11, 12］，メラニン色素［11, 12］，還元ヘモグロビン ［13］に関して文献調査した．Fig. 3（水，文献 ［10］から転載）では，水における吸収係数の変化 が示されている．水に対しては，波長が 300 ～ 1000nm の範囲において，500nm でもっとも吸収 が小さく，その後，長波長および短波長側にい

Fig. 1 Conceptual diagram.

Fig. 2 Experimental setup.

㔚Ḯ ᖚㇱ ⊹⤏ 䊧䊮䉵 ඨዉ૕䊧䊷䉱䊷 ⿒ᄖశ 㔚Ḯ 䊌䊪䊷䊜䊷䉺䊷 ᷷ᐲ⸘ ⹜ᢱ 䊚䊤䊷 ඨዉ૕䊧䊷䉱䊷 䊧䊮䉵 ᷫ⴮ེ ᾲ㔚ኻ

くに従って徐々に吸収が大きくなる．Fig. 4（酸 化ヘモグロビンとメラニン色素，文献［12］か ら転載）では，波長300 ～ 1000nm の範囲におい て，メラニン色素は可視光（400 ～ 700nm）から 赤外にかけて緩やかに吸収係数が小さくなる． また，酸化ヘモグロビンは，650nm を境に急激 に吸収係数が小さくなる．このため，メラニン 色素のみに効率的に吸収させるには，発振波長 700nm 近傍のレーザーを用いることが最適であ ると考えられる． しかし，人間の体には還元ヘモグロビンも含 まれている．Fig. 5（酸化ヘモグロビンと還元ヘ モグロビン，文献［13］）によると，還元ヘモグ ロビンにおいては，波長が520 ～ 640nm の範囲で は600nm付近から急激に吸収係数が小さくなる．

Fig. 3 The absorption coefficient by a wavelength (Water).

Fig. 4 The absorption coefficient by a wavelength (Oxyhemoglobin and melanin).

:DYHOHQJWKȝP 400 500 600 700 800 900 1000 1100 300 10 100 1000 10000 1 A b sor pti o n (l o g scal e) Nd : YAG Dye(585) YAG(532) Argon Alexandrite Diode Ruby Melanin Oxyhemoglobin Oxyhemoglobin Melanin A b so rp tio n co ef fi cie n t( cm )

Nd : YAG Ho : YAG Er : YAG CO CO2

0.3 0.5 :DYHOHQJWKȝP 1 2 3 5 10 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 104 -1

Fig. 5 The absorption coefficient by a wavelength

(Oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin).

㉄ൻ䊓䊝䉫䊨䊎䊮 ㆶర䊓䊝䉫䊨䊎䊮 ᵄ㐳(nm) ⋧ ኻ ๆ ෼ ଥ ᢙ 640 620 600 580 560 540 520 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.0

Table 1 Compare semiconductor lasers using in this investigation with medical lasers. これらを考慮すれば， 800nm 付近の方が効率 的にメラニン色素に吸収させることができると 考えられる．したがって，今回は780nm と 800nm の半導体レーザーを用いた． また，波長依存性を正確に調べるために，今 回はCW で実験を行った．パルス幅，時間波形 については今後の検討課題としている． 4．これまでの装置との比較 Table 1 は，これまでに市販されている代表的 な医療用レーザー（A, B, C）と本研究で使用し たレーザー（GH0781JA2C，L808P200）を示す． これまで，フラッシュランプ励起アレキサンド ライトや，半導体レーザー，Nd:YAG レーザーな どが皮膚良性色素性疾患や，レーザー脱毛に用 いられてきた． 医療用アレキサンドライトレーザー（レー ザー装置A），Nd:YAG レーザー（レーザー装置 C） は，サイズが大きく高価である．医療用半導体 レーザー（レーザー装置 B）は卓上型まである が，高価である．また，赤外のレーザーが使われ るのが一般的であるが，赤外の中でも同じ用途 にさまざまな波長のものが使用されており，最 適な波長も明らかにされていない．たとえば，ア レキサンドライトレーザーの発振波長は755nm， 半導体レーザーは810 ± 20nm である．半導体 レーザーの発振波長は電流が流れることによる 温度上昇で変化するため，810 ± 20 nm と幅を持 たせてある．また，発振波長 1.06μ m の Nd:YAG レーザーを使用したものもあり，皮下深部に毛 根のある脱毛に向くとの報告もある［14］． な お，今 回 用 い た 半 導 体 レ ー ザ ー 素 子 （GH0781JA2C, L808P200）は，数千円程度であ る．出力については，Table 1 中の半導体レー ザー素子 GH0781JA2C を用いた場合，120mW の CW 出力が得られており，円形のスポット径を 100μ m とした場合，1 秒あたりのエネルギー密 度は，平均1500J/cm2となる．半導体レーザー素 子 L808P200 を用いた場合，200mW の CW 出力 が得られ，スポット径を100μ m とした場合，1 秒あたりのエネルギー密度は平均 2500 J/cm2 と なる．脱毛用レーザーでは最大100J/cm2程度を 照射した治療例が報告されているため［15］ ， レーザー発振波長によるメラニン色素の反応の 違いを調査するには十分な出力が得られている ことがわかる． これに対して，本研究で使用した半導体レー ザー素子は，波長が784nmのGH0781JA2C，808nm のL808P200 である．スポット径 1mm の場合の １秒当たりのエネルギー密度は，GH0781JA2C で は15.27 J/cm2，L808P200 では 25.46 J/cm2 であ る．また，GH0781JA2C と L808P200 の動作特性 を実際に確認した結果，規格範囲内で動作して いることを確認した．脱毛用レーザーでは最大 100J/cm2 程度を照射した治療例が報告されてい るため，レーザー発振波長によるメラニン色素 の反応の違いを調査するには十分な出力が得ら れている［15］． 5．実験結果 メラニンに 対する温度上昇の変化を調 査 するために，2種類の半導体レーザー素子 市販されている代表的な医療用レーザー 本研究で使用したレーザー 名称 Ａ Ｂ Ｃ GH0781JA2C L808P200 レーザータイプ フラッシュランプ 励起アレキサンドライト 半導体レーザー Nd:YAG 半導体レーザー 半導体レーザー 波長[nm] 755 810 ± 20 1064 784 808 スポットサイズ[mm] 8, 10, 12, 15 12, 8, 4 3, 5, 10 連続可変 連続可変 最大エネルギー密度 不明 575J/cm2 5 ～ 200J/cm2 スポット径で 変化（120mW） スポット径で 変化（200mW） パルス幅 3ms 50 ～ 1000ms 10 ～ 100ms CW CW サイズ 大 中（卓上型） 大 小型 小型 価格 高価 高価 高価 安価 安価 推薦用途 皮膚良性色素性疾患，脱毛 脱毛 脱毛 ---

---（GH0781JA2C, L808P200）を用いて実験を行っ た．GH0781JA2C と L808P200 に対して，電流を 変化させることによって波長を変化させた．波 長は分光器（オーシャンオプティクス:USB2000） を用 いて測定した．実 験条件は，スポ ット径 1.3mm，総出力 45mW，パワー密度 3.15J/cm2， TEC8.8kΩ，動作温度 23.5 ～ 24 ℃である．Fig. 6 は，GH0781JA2C（780nm 帯）と L808P200（800nm 帯）に お け る メ ラ ニ ン の 温 度 変 化 を 示 す． GH0781JA2C においては，783.02nm, 784.06nm, 784.74nm, L808P200においては，809.35nm, 809.01 nm, 808.67nm の波長を用いた．結果から，808nm 帯のL808P200 に比べ，700nm 帯の GH0781JA2C は温度変化が大きいことがわかる． Fig. 7は，温度変化の大きい780nm帯の GH0781JA2C について，さらに詳しく温度変化を 測定した結果である．波長は，783.02 ～ 784.74nm の6 種類とした．Table 2 は Fig. 7 における動作 電流と波長の関係を示す．結果から，784.74nm がもっとも温度変化が大きいことがわかる． Fig. 8 は，波長と温度変化の関係（787.4nm を基 準としたときの比率，90 秒後）を示す．784.74nm での温度変化を 1 としたときの，他の波長での 温度変化の比率を表した．図中の数値は，スポッ ト系，総出力，半値幅を示す．スポット径：d， 総出力：p，波長：δ λを変化させた結果，784.74nm と同じ温度変化を示す波長もあるが，784.74nm の波長のときに温度変化が 1 番大きいことがわ かる．また，半値幅程度（0.6nm）ずらすと，温度 変化に大きな変化がみられた．

Table 2 A relation between operating current and

wavelength (GH0781JA2C). 電流[mA] 波長[nm] 85 783.02 110 783.71 125 784.06 141 784.40 158 785.09 144 784.74

Fig. 7 Temperature rise in melanin (780 nm bands).

15 20 25 30 35 40 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ᷷ᐲ [㷄 ] ᤨ㑆[s] 783.02nm 783.71nm 784.06nm 784.4nm 785.09nm 784.74nm

Fig. 6 Temperature rise in melanin.

15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 ᷷ᐲ [㷄 ] ᤨ㑆[s] GH0781JA2C 783.02nm GH0781JA2C 784.06nm GH0781JA2C 784.74nm L808P200 809.35nm L808P200 809.01nm L808P200 808.67nm L808P200 GH0781JA2C

Fig. 8 A relation between wavelength and temperature rise.

0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 782.5 783 783.5 784 784.5 785 785.5 786 ᵄ㐳[nm] Ყ₸ 䂹d=1.05nm p=63.20mW įȜ=0.6nm 䃂d=1.05nm p=50.50mW įȜ=0.7nm 䂥d=0.89nm p=56.56mW įȜ=0.6nm 䂓d=0.94nm p=56.56mW įȜ=0.6nm 784.74nm 0.6nm

6．考　察 一般に短波長側の吸収が大きいとされてきた が，今回の実験では784.74nm と途中の波長に大 きな吸収があることがわかった． 波長を1nm 程度の変化をさせて実験を行った ところ温度変化が生じた．色素と光の相互作用 で温度変化が大きく変わっていると考えられる が，現在のところは詳細がわかっていない．今 後は，色素の濃度，色素の形状などを変えて，さ まざまな実験データを整理して，その原因を究 明したいと思う． 今回は，現在所有している半導体レーザー （GH0781JA2C，L808P200）で変化可能な波長域で 実験を行った．さらに効果的な波長があるかも しれないため，他のレーザーを用いて広範囲な 波長域での検索を行いたい． 今後は近赤外のレーザーを用い，発振波長，パ ルス幅，時系列の影響などについて調査を行う． 実際の商品として用いる場合はスポット径を 広げるために，より高出力のレーザーが必要と なるが，数万円程度で2W 程度の半導体レーザー が入手可能である．スポット径1mm で 250J/cm2 程度のエネルギー密度が得られる． 7．まとめ 本研究では，脱毛や色素性疾患治療に利用可 能な近赤外半導体レーザーを模索すべく，メラ ニンをサンプルとして，サンプル温度の上昇に おけるレーザー波長依存性を調査した．その結 果，波長が784.74nm のときに温度変化が大きい ことがわかった．今後は，レーザーの最適な強 度，CW とパルスの違いについての実験を行い， 高効率化を図る予定である． 文　　献

［1］　Maiman TH: Stimulated optical radiation in ruby. Nature

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［2］　Anderson RR, Parrish JA: The optics of human skin. J Invest Dermatol 77: 13-19, 1981

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［15］　Palomar Superlong Pulse Diode Laser System Clincal Data. Palomar Medical Technologies Inc, PN 1853-0005 REV B, 2000 河本敬子（こうもと　けいこ） 　2003 年岡山理科大学大学院工学研究科 博士課程修了．工学（博士）．2003 年広島商 船高専助手，2004 年日本文理大学工学部 講師，2005 年近畿大学生物理工学部講師， 現在に至る．進化計算法などの知能情報学 の研究に従事．電子情報通信学会，情報処 理学会，日本美容皮膚科学会会員． 桒島史欣（くわしま　ふみよし） 　1999 年福井大学大学院工学研究科博士 後期課程修了．工学博士．2001 年広島商船 高専助手，2005 年鹿児島高専助教授，2009 年福井工業大学電気電子情報工学科准教 授，現在に至る．レーザーカオスの研究に 従事．物理学会，応用物理学会，電子情報 通信学会，電気学会会員．

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