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光バイオプシーのためのミリ長ストローク熱駆動切り紙マイクロスキャナーの開発 (本文)

橋本, 将明 慶應義塾大学

2020.09.21

概要

光バイオプシー技術を用いた内視鏡下 in vivo 病理診断の実現が期待されているが,内視鏡下では数ミリ程度の臓器収縮運動 (心臓の鼓動・呼吸運動・ぜん動運動といった生体運動)由来のモーションアーチファクトによって光学測定の定量性が失われる.本論文では消化器内視鏡で観察可能な食道・胃・腸といった臓器収縮運動をターゲットとし,モーションアーチファクトを劇的に低減可能なフォーカストラッキング光測定システムを内視鏡に実装するためのミリ長ストローク熱駆動切り紙マイクロスキャナーの開発を目的とした.

第 1 章に,光バイオプシー技術の現状を概説した上で,光バイオプシー基盤技術としての本研究の位置づけを示し,本論文の目的を述べた.

第 2 章では,モーションアーチファクトを低減可能なフォーカストラッキング光測定システムについて述べる.バルクサイズのレンズスキャナーを用いたベンチトップサイズのフォーカストラッキング光測定システムを LDF と AFI に適用し,生体ファントムを用いた予備的検証によって提案システムのアーチファクト低減能を実験的に示した.

第 3 章では,ミリ長ストローク熱駆動切り紙マイクロスキャナーのデザインコンセプトについて述べる.第 2 章で示したフォーカストラッキング光測定システムは妥当性検証のためにバルクサイズのレンズスキャナーを用いて構築されている.提案システムを内視鏡に実装するためには,バルクサイズのレンズマイクロスキャナーを内視鏡に搭載可能なサイズのマイクロスキャナーへと小型化する必要がある.そこで,紙に切れ込みをいれて折るだけで平面構造から立体構造を造形する切り紙をコンセプトとした熱駆動切り紙デザインを着想し,熱物性・機械特性を考慮した薄膜材料探索と電気-熱-機械連成有限要素解析によってシングルステップ型切り紙薄膜構造を設計した.ナノ薄膜の残留応力を高度に制御した微細加工プロセスフローを確立することで,シングルステップ型熱駆動マイクロスキャナーの作製に成功し,熱駆動切り紙デザインの妥当性を示した.

第 4 章では,ミリ長ストローク熱駆動切り紙マイクロスキャナーの設計・作製・評価について述べる.従来のマイクロスキャナー技術では不可能なミリ長ストロークを低電力駆動で達成するために,アクチュエーション領域にバルクサポート構造体が一切存在しない円ピラミッド型切り紙薄膜構造を設計した.微細加工技術を用いて熱バイモルフが高密度に配置された切り紙自立薄膜を作製した.熱バイモルフとは,熱膨張率が異なるナノ薄膜で構成される多層薄膜である.マイクロレンズ駆動評価において作製した円ピラミッド型熱駆動切り紙マイクロスキャナーはミリ長ストロークを低電力で達成した.さらに熱駆動切り紙マイクロスキャナーの集中定数モデルを構築し,動的応答を解析することで熱機械特性を評価した.これらの結果より,本論文の目的としたフォーカストラッキング光測定システムを内視鏡に実装するためのミリ長ストローク熱駆動切り紙マイクロスキャナーの開発に成功し,ミリ長ストローク熱駆動切り紙マイクロスキャナーの熱輸送形態を明らかにした.

第 5 章では,各章で得られた内容をまとめ,本論文の結論と今後の展望について述べる.

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