JP5983676B2 - 光プローブ - Google Patents

Description

本発明は、光干渉断層撮像（Optical Coherence Tomography: ＯＣＴ）の手法を用いた光学的測定において使用される光プローブに関するものである。

血管などの管腔形状の対象物の断層構造を内腔から測定する手法として光干渉断層撮像（ＯＣＴ）が知られている。また、特許文献１に記載されているように、このＯＣＴ測定のために対象物の内腔に挿入されて使用される光プローブが知られている。この光プローブは、シングルモード光ファイバの先端（遠位端）に、このシングルモード光ファイバと実質的に同じ直径を有するグレーデッドインデックス光ファイバが接続された構造を有する。このグレーデッドインデックス光ファイバをレンズ（ＧＲＩＮレンズ）として機能させて、ワーキングディスタンスが１ｍｍより長く、スポットサイズが１００μｍより小さくなるように構成することで、１ｍｍより大きな内半径を持つ対象物を１００μｍより細かい空間分解能でＯＣＴ法による測定を行なうことができる。

さらに、特許文献２、３に記載されているように、光ファイバ、ＧＲＩＮレンズおよび光偏向素子を接続し、これらを透明なチューブで被覆し、光偏向素子の斜めの端面に接するように空気を閉じ込めることで、光偏向素子の斜めの端面で光を側方に反射する光プローブを実現することができる。このような光プローブを回転させることで、血管などの管腔型対象物の断層構造をＯＣＴで測定することができる。

米国特許第６,４４５,９３９号明細書 米国特許第６,８９１,９８４号明細書 米国特許第７,８１３,６０９号明細書

従来技術の光プローブでは、特許文献１〜３に記載に記載されているように、光ファイバの径とＧＲＩＮレンズの径とは互いに同じである。それ故、光プローブを屈曲させた状態で光ファイバおよびＧＲＩＮレンズを高速で回転させた際や前後に移動させた際に、先端のＧＲＩＮレンズを被覆するチューブに力が加わって、チューブが抜ける故障やチューブがＧＲＩＮレンズから剥離する故障が発生する問題があった。特に屈曲した血管に光プローブが挿入されて該光プローブも屈曲された際には、チューブに加わる力が大きくなるので、そのような故障が生じやすい。これらの故障は、いずれも光プローブのＧＲＩＮレンズ側面での不要な光反射やＧＲＩＮレンズ端面での反射効率の低下を引き起こし、ＯＣＴで撮影される画像の質を低下させる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、屈曲された状態でも安定して使用することができる光プローブを提供することを目的とする。

光プローブは、中心軸に垂直な断面が第一の直径を有する円形状であるガラスで構成され近位端と遠位端との間で光を伝送する線条体と、線条体の側面を被覆する樹脂層とを含み、線条体の遠位端から所定の長さの部分が樹脂層で被覆されていない光ファイバと、近位端において光ファイバと接続されている光コネクタと、中心軸に垂直な断面が第一の直径より大きい第二の直径を有する円形状であるガラスで構成され、中心軸に垂直な断面内において中心軸から遠ざかるに従って屈折率が漸減する屈折率分布を有し、遠位端において光ファイバと第１端が接続され、第２端側で中心軸に対して全反射臨界角より大きい角度を成す法線ベクトルを有する端面を有する光偏向素子と、光ファイバの所定の長さの部分および光偏向素子の全長を包囲し、光偏向素子の側面に密着し、光ファイバの所定の長さの部分を被覆する部分の内径が光偏向素子を被覆する部分の内径より小さい遠位端チューブと、光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延びるジャケットチューブと、を備える。前記光ファイバ、前記光コネクタおよび前記光偏向素子が前記ジャケットチューブに対して回転自在であり、前記光偏向素子の直径が前記光ファイバの線条体の直径の１.０２倍〜１.１０倍である。

本発明の光プローブは、ＧＲＩＮレンズを被覆するチューブに力が加わった際のチューブの抜けや剥離の発生を抑制することができ、屈曲された状態でも安定して使用することができる。

本実施形態の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置１の構成を示す図である。 本実施形態の光プローブ１０の遠位端の断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

光プローブは、中心軸に垂直な断面が第一の直径を有する円形状であるガラスで構成され近位端と遠位端との間で光を伝送する線条体と、線条体の側面を被覆する樹脂層とを含み、線条体の遠位端から所定の長さの部分が樹脂層で被覆されていない光ファイバと、近位端において光ファイバと接続されている光コネクタと、中心軸に垂直な断面が第一の直径より大きい第二の直径を有する円形状であるガラスで構成され、中心軸に垂直な断面内において中心軸から遠ざかるに従って屈折率が漸減する屈折率分布を有し、遠位端において光ファイバと第１端が接続され、第２端側で中心軸に対して全反射臨界角より大きい角度を成す法線ベクトルを有する端面を有する光偏向素子と、光ファイバの所定の長さの部分および光偏向素子の全長を包囲し、光偏向素子の側面に密着し、光ファイバを被覆する部分の内径が光偏向素子を被覆する部分の内径より小さい遠位端チューブと、光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延び、光ファイバ、光コネクタおよび光偏向素子に対して回転自在であるジャケットチューブと、を備える。光偏向素子の直径が光ファイバの線条体の直径の１.０２倍〜１.１０倍であるのが好適である。

図１は、本実施形態の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置１の構成を示す図である。ＯＣＴ装置１は、光プローブ１０および測定部３０を備え、対象物３の光干渉断層画像を取得する。

光プローブ１０は、近位端１１ａと遠位端１１ｂとの間で光を伝送する光ファイバ１１と、近位端１１ａにおいて光ファイバ１１と接続されている光コネクタ１２と、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ１１と接続されている光偏向素子１３と、光ファイバ１１を包囲して光ファイバ１１に沿って延びるサポートチューブ１４およびジャケットチューブ１５とを備える。光コネクタ１２は測定部３０に光学的に接続される。

測定部３０は、光を発生させる光源３１と、光源３１から発せられた光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部３２と、光分岐部３２から到達した光を検出する光検出器３３と、光分岐部３２から到達した参照光を出力する光端末３４と、光端末３４から出力された参照光を光端末３４へ反射させる反射鏡３５と、光検出器３３により検出された光のスペクトルを分析する分析部３６と、分析部３６による分析の結果を出力する出力ポート３７と、を備える。

測定部３０において光源３１から出力された光は、光分岐部３２により２分岐され照明光および参照光として出力される。光分岐部３２から出力された照明光は、光コネクタ１２を経て光ファイバ１１の近位端１１ａに入射され、光ファイバ１１により導光されて遠位端１１ｂから出射されて、光偏向素子１３を経て対象物３に照射される。その対象物３への照明光の照射に応じて生じた後方反射光は、光偏向素子１３を経て光ファイバ１１の遠位端１１ｂに入射され、光ファイバ１１により導光されて近位端１１ａから出射されて、光コネクタ１２および光分岐部３２を経て光検出器３３に結合される。

光分岐部３２から出力された参照光は、光端末３４から出射されて反射鏡３５で反射され、光端末３４および光分岐部３２を経て光検出器３３に結合される。対象物３からの後方反射光と参照光とは光検出器３３において干渉し、この干渉光が光検出器３３により検出される。干渉光のスペクトルは分析部３６に入力される。分析部３６において、干渉光のスペクトルの解析が行われ、対象物３の内部の各点における後方反射効率の分布が計算される。その計算結果に基づいて対象物３の断層画像が計算され、画像信号として出力ポート３７から出力される。

なお、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射された照明光が対象物３を経由して再び光ファイバ１１の遠位端１１ｂに戻るメカニズムとしては、厳密には反射や屈折や散乱がある。しかし、それらの違いは本発明にとっては本質的でないので、簡潔化のために本明細書ではこれらを総称して後方反射と呼ぶ。

測定部３０において、光源３１は、波長１.６μｍ〜１.８μｍの波長範囲にわたってスペクトルが連続的に広がった広帯域の光を発生させる。この波長範囲では、脂質病変は、波長１.７０〜１.７５μｍに吸収ピークを持っており、この点で正常血管と異なる。したがって、脂質を含む対象物３を測定すると、干渉光のスペクトルは、脂質による吸収の影響を受け、波長１.７０〜１.７５μｍにおいて隣接波長帯に比べて大きな減衰を示す。

さらに、干渉光のスペクトルは対象物３の断層構造の情報をも有していることから、物質の吸収の影響が少ない波長帯域を選択してスペクトルをフーリエ解析することにより、対象物３の断層構造の情報が得られる。断層構造情報と脂質吸収情報とを合わせて解析することで、脂質を分布表示した断層画像を計算することができる。

この計算は、脂質自体の吸収および脂質の分布の双方がスペクトルに影響することから、１つのスペクトルに対応する脂質の分布は複数あり得る。しかし、脂質は正常血管に比べて散乱強度が低い特徴を有することなどが知られているので、この既知の情報に最も整合するような解を選択することにより、脂質の分布を求めることができる。

光プローブ１０を構成する光ファイバ１１は、１〜２ｍの長さを有し、石英ガラスで構成される。光ファイバ１１は、断面が円形の線条体である。光ファイバ１１は、波長範囲１.６μｍ〜１.８μｍにおいて２ｄＢ以下、好ましくは１ｄＢ以下の伝送損失を有し、１.５３μｍ以下のカットオフ波長を有し、上記波長範囲においてシングルモードで動作する。そのような光ファイバとしては、ＩＴＵ−ＴＧ.６５２，Ｇ.６５４、Ｇ.６５７に準拠した光ファイバが好適である。特にＩＴＵ−ＴＧ.６５４ＡまたはＣに準拠した光ファイバは、波長１.５５μｍにおいて伝送損失が０.２２ｄＢ／ｋｍ以下と低く、典型的には純シリカガラスのコアを有し、非線形光学係数が低く、自己位相変調などの非線形光学効果による雑音を低減できるので特に好適である。

光ファイバ１１の遠位端１１ｂには、光偏向素子１３として、端面が斜めに形成されたＧＲＩＮレンズが融着接続されている。光偏向素子１３は、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射される光を集光するとともに、径方向へ偏向する。ＧＲＩＮレンズは、石英ガラスで構成され、円柱形状を有し、波長１.６μｍ〜１.８μｍの波長範囲において２ｄＢ以下の伝送損失を有する。ＧＲＩＮレンズの先端は、その法線ベクトルが軸に対して全反射臨界角以上（石英ガラスの場合は４３度以上）の角度を成す平坦な反射面を形成した構造をとる。したがって、反射面の部分では軸に垂直な断面の形状は一部が欠けた円となる。法線ベクトルの角度は、４５度に一致するとレンズ側面での反射光が光ファイバ１１に戻って雑音となるので、４５度と異なることが望ましく、一方で大きすぎると光の伝搬距離が延びて光学損失が大きくなることから、４６度〜５１度であることが望ましい。特許文献２に開示されているように、レンズをＰＥＴなどの樹脂チューブで包囲することによって、反射面に隣接した空洞を形成し、反射面で光を全反射させることができる。

光ファイバ１１はサポートチューブ１４の内腔に収納されている。サポートチューブ１４は、光ファイバ１１の少なくとも一部分および光コネクタ１２に固定されている。その結果、光コネクタ１２を回転させると、それと共にサポートチューブ１４も回転し、さらに回転トルクが光ファイバ１１に伝達され、光ファイバ１１、光偏向素子１３およびサポートチューブ１４が一体となって回転する。それにより、光ファイバ１１だけを回転させた場合に比べて、光ファイバ１１に負荷されるトルクが低減され、トルクによる光ファイバ１１の破断を防ぐことができる。

サポートチューブ１４は、０.１５ｍｍ以上の厚さを持つと共に、ステンレスと同等程度の１００〜３００ＧＰａのヤング率を持つことが望ましい。サポートチューブ１４は、必ずしも周方向に連結していなくともよく、５〜２０本程度の線を撚り合わせた構造とし、それによって柔軟性を調整しても良い。

光ファイバ１１、光偏向素子１３およびサポートチューブ１４は、ジャケットチューブ１５の内腔に収納され、その中で回転することができる。それにより、回転する部分が対象物３に接触して対象物３が破損することが防止される。照明光は、光偏向素子１３から出射され、ジャケットチューブ１５を透過して、対象物３へ照射される。ジャケットチューブ１５は、ＰＥＢＡ（ポリエーテルブロックアミド）、ナイロン、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）、ＰＦＡ（ペルフルオロアルコキシフッ素樹脂）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの透明な樹脂で構成され、１０〜５０μｍの厚さを有し、波長１.６〜１.８μｍにおける透過損失が２ｄＢ以下となる透明度を有する。

図２は、本実施形態の光プローブ１０の遠位端の断面図である。光ファイバ１１の先端には、端面が斜めに形成された光偏向素子（ＧＲＩＮレンズ）１３が融着接続されている。光ファイバ１１は、機械的保護のためポリイミドやアクリレートからなる樹脂層１１ｃで被覆されているが、ＧＲＩＮレンズ１３との融着接続のため先端の所定の長さの部分では樹脂層１１ｃが除去されている。

光ファイバ１１の樹脂層１１ｃの一部、樹脂層１１ｃが除去された部分およびＧＲＩＮレンズ１３は、保護チューブ（遠位端チューブ）１６で被覆される。保護チューブ１６は、光ファイバ１１およびＧＲＩＮレンズ１３のガラスが傷ついて強度が低下するのを防ぐとともに、ＧＲＩＮレンズ１３の先端の反射面に隣接した空洞１７を形成する。保護チューブ１６は、近赤外光を透過するとともに、ＧＲＩＮレンズ１３に密着して界面での不要な反射を抑制することが望ましく、そのために熱収縮性のＰＥＴやＰＥＢＡで構成されることが好ましい。

光ファイバ１１は１２５μｍの外径を有する。これに対し、ＧＲＩＮレンズ１３は、光ファイバ１１の外径より２％〜１０％大きい１２７〜１３５μｍの外径を有する。これにより、ＧＲＩＮレンズ１３と保護チューブ１６との密着性が高まり、光プローブ１０の中で光ファイバ１１の回転運動や前後運動を行なった際に、保護チューブ１６がＧＲＩＮレンズ１３から剥離して不要な反射が生じることを防ぐことができる。

また、ＧＲＩＮレンズ１３の長さによってＧＲＩＮレンズ１３の屈折力が変わるので、光プローブ１０を製造する際には、ＧＲＩＮレンズ１３の長さを再現性良く管理することが重要である。光ファイバ１１およびＧＲＩＮレンズ１３は共に石英ガラスからなるので、通常はその接続界面を識別することが難しい。しかし、本実施形態のように外径を２〜１０％異ならせることで、光ファイバ１１とＧＲＩＮレンズ１３との接続界面を識別し、ＧＲＩＮレンズ１３の長さを測定することが容易となるので、光プローブ１０の光学特性の製造再現性が改善される。

ＧＲＩＮレンズ１３および保護チューブ１６は機械的保護のために透明樹脂１８で封止される。透明樹脂１８としては、紫外線硬化性のエポキシ樹脂やアクリレート樹脂を用いると成型が容易であるので望ましいが、熱硬化性や２液混合によって硬化する樹脂を用いることも可能である。

１…ＯＣＴ装置、３…対象物、１０…光プローブ、１１…光ファイバ、１１ａ…近位端、１１ｂ…遠位端、１１ｃ…樹脂層、１２…光コネクタ、１３…光偏向素子（ＧＲＩＮレンズ）、１４…サポートチューブ、１５…ジャケットチューブ、１６…遠位端チューブ（保護チューブ）、１７…空洞、１８…透明樹脂、３０…測定部、３１…光源、３２…光分岐部、３３…光検出器、３４…光端末、３５…反射鏡、３６…分析部、３７…出力ポート。

Claims (1)

1. 中心軸に垂直な断面が第一の直径を有する円形状であるガラスで構成され近位端と遠位端との間で光を伝送する線条体と、前記線条体の側面を被覆する樹脂層とを含み、前記線条体の前記遠位端から所定の長さの部分が前記樹脂層で被覆されていない光ファイバと、
   前記近位端において前記光ファイバと接続されている光コネクタと、
   中心軸に垂直な断面が前記第一の直径より大きい第二の直径を有する円形状であるガラスで構成され、前記中心軸に垂直な断面内において前記中心軸から遠ざかるに従って屈折率が漸減する屈折率分布を有し、前記遠位端において前記光ファイバと第１端が接続され、第２端側で中心軸に対して全反射臨界角より大きい角度を成す法線ベクトルを有する端面を有する光偏向素子と、
   前記光ファイバの前記所定の長さの部分および前記光偏向素子の全長を包囲し、前記光偏向素子の側面に密着し、前記光ファイバの前記所定の長さの部分を被覆する部分の内径が前記光偏向素子を被覆する部分の内径より小さい遠位端チューブと、
   前記光ファイバを包囲して前記光ファイバに沿って延びるジャケットチューブと、
   を備え、
   前記光ファイバ、前記光コネクタおよび前記光偏向素子が前記ジャケットチューブに対して回転自在であり、
   前記光偏向素子の直径が前記光ファイバの線条体の直径の１.０２倍〜１.１０倍である、
   光プローブ。

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