光学の発展と応用により、低侵襲手術、レーザー治療、病気の診断、生物学研究、DNA分析など、現代医学と生命科学は急速な発展段階に入りました。

外科手術と薬物動態学

手術と薬物動態における光学の役割は、主にレーザーと生体内照明およびイメージングの 2 つの側面で現れます。

1. レーザーのエネルギー源としての応用

レーザー治療の概念は1960年代に眼科手術に導入されました。様々な種類のレーザーとその特性が認識されると、レーザー治療は急速に他の分野にも広がりました。

様々なレーザー光源（ガス、固体など）は、パルスレーザー（Pulsed Lasers）と連続レーザー（Continuous Wave）を放射することができ、人体の様々な組織に異なる効果をもたらします。これらの光源には主に、パルスルビーレーザー（Pulsed Ruby Laser）、連続アルゴンイオンレーザー（CW Argon ion Laser）、連続二酸化炭素レーザー（CW CO2）、イットリウムアルミニウムガーネット（Nd:YAG）レーザーなどがあります。連続二酸化炭素レーザーとイットリウムアルミニウムガーネットレーザーは、人体組織の切開時に血液凝固作用を有するため、一般外科手術において最も広く使用されています。

医療に用いられるレーザーの波長は、一般的に100nm以上です。人体の様々な組織における異なる波長のレーザーの吸収特性を利用して、医療用途を拡大しています。例えば、レーザーの波長が1μmを超える場合、水が主な吸収体となります。レーザーは、外科手術による切開や凝固の際に人体組織の吸収に熱効果をもたらすだけでなく、機械的な効果も生み出します。

特に、キャビテーション気泡や圧力波の発生といったレーザーの非線形機械的効果が発見されて以降、レーザーは白内障手術や腎結石破砕化学手術といった光破壊技術に応用されるようになりました。また、レーザーは光化学効果を生み出し、光感受性メディエーターを標的とした抗がん剤を特定の組織部位に誘導することで、PDT療法のように特定の組織部位に薬剤効果を及ぼすこともできます。レーザーと薬物動態学の組み合わせは、精密医療の分野で非常に重要な役割を果たしています。

2. 生体内照明およびイメージングのためのツールとしての光の利用

1990年代以降、CCD（電荷結合型低侵襲手術（Minimally Invasive Therapy、MIT）に光カメラ（デバイス）が導入され、光学系は外科用途において質的な変化をもたらしました。低侵襲手術および開腹手術における光の画像化効果は、主に内視鏡、マイクロイメージングシステム、外科用ホログラフィックイメージングに利用されています。

フレキシブル内視鏡胃腸鏡、十二指腸鏡、大腸鏡、血管鏡など。

内視鏡の光路

内視鏡の光路には、照明と画像の 2 つの独立した調整されたシステムが含まれています。

硬い内視鏡関節鏡検査、腹腔鏡検査、胸腔鏡検査、脳室鏡検査、子宮鏡検査、膀胱鏡検査、耳鼻鏡検査など。

硬性内視鏡では通常、30 度、45 度、60 度など、選択できる固定光路角度がいくつかしかありません。

小型ボディカメラは、小型CMOSおよびCCD技術プラットフォームをベースにした撮像デバイスです。例えば、カプセル内視鏡などが挙げられます。PillCam。人体の消化器系に入り込み、病変の有無を確認したり、薬の効果をモニタリングしたりすることができます。

カプセル内視鏡

手術用ホログラフィック顕微鏡は、開頭手術などの脳神経外科手術などの精密手術において微細組織の3D画像を観察するために使用される画像装置です。

外科用ホログラフィック顕微鏡

要約:

1. レーザーは熱効果、機械的効果、光感受性効果、その他の生物学的効果を備えているため、低侵襲手術、非侵襲治療、標的薬物療法のエネルギー源として広く使用されています。

2. イメージング技術の発展により、医療用光イメージング機器は高解像度化と小型化の方向へ大きく進歩し、生体内での低侵襲かつ精密な手術の基盤を築きました。現在、最も一般的に使用されている医療用イメージング機器には、以下のものがあります。内視鏡、ホログラフィック画像、マイクロイメージングシステムなど。