CN102439501A - 光耦合装置及光断层摄影装置 - Google Patents

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Abstract

为了提供一种不产生噪声、能够得到没有变形等的良好摄影图像的光耦合装置以及光断层摄影装置，构成下述光耦合装置：在插管内腔从两端分别插入光纤，相对插管固定一光纤，保持另一光纤能够相对所述插管旋转，形成：在腔内使一光纤的端部与另一光纤的端部离间的间隙；连通插管外部空间与间隙的连通部；并且，在外部空间、间隙以及连通部中，收容由光能够透过的材料构成的液体或流体，这样，即使相对的光纤间的间隔变动，协调液中也不产生大的压力变动。

Description

光耦合装置及光断层摄影装置
技术领域
本发明涉及光耦合装置及光断层摄影装置。
背景技术
利用低相干干涉、非侵袭性拍摄人体组织断层图像的方法已为周知(例如请参照专利文献1)。在该断层摄影中，从光源射出的低相干光被分为照射光和参照光。照射光经导光路照射到人体组织上。而参照光入射到光路长调整部的移动面镜上。在人体各组织反射的照射光(散射光)和在移动面镜反射的参照光合成，此时，持有与参照光光路长相等光路长的参照光产生干涉。因此，通过解析干涉光的强度，能够得到与参照光的光路长具有相等光路长的散射光所对应的组织的断面图像。应用该光断层摄影原理，能够广范围得到组织的断层图像。例如，将先端设有直角棱镜的光纤插入血管内，使该光纤以长轴为中心旋转，这样，通过在周向扫描照射光并相应摄影位置改变参照光的光路长，能够得到血管的断层图像。
如上所述，在周向扫描照射光的光断层摄影中，向导从参照光分离的照射光的导光管由例如下述构成：向导被分离的照射光的光纤(非旋转光纤)；从上述光纤接受照射光导向直角棱镜，同时以长轴为中心旋转的第二光纤(旋转扫描光纤)。此时，必须在第二光纤相对第一光纤旋转的状态下使两者光耦合。
专利文献2公开了一种能够满足上述要求的光耦合装置。专利文献2的光耦合装置中采用下述结构：在第一光纤端部和第二光纤端部之间配置多个光学透镜，用透镜聚光从一方光纤端部射出的光，再入射到另一方光纤端部。但是该光合成装置中，必须在狭窄的空间高精度组装很小的透镜。
在例如专利文献3中，公开了一种解消专利文献2中公开的透镜式耦合装置缺点的别的光耦合装置。专利文献3等中公开的光耦合装置中，将第一和第二光纤的端部密封在筒状的狭窄空间中，由此不使用透镜地进行光学耦合。另外，在端部间的间隙中配置折射率协调液，由此降低在光纤端面反射的菲涅尔反射。
但是，旋转的光纤由于旋转而在长轴方向振动，二个光纤相对的端面间的距离由此发生变化。该距离变化传递到被充填在光纤之间的协调液，导致压力变化及其引起的密度和折射率变化。该折射率变化引起噪声和摄影图像变形，成为问题。
另外，协调液受负压作用的话协调液中将产生或流入气泡，该气泡遮挡光路导致光传播效率明显减低。具体说明如下：单一模式光纤的情况时金属包层外径约为125μm。因此，二个光纤的间隔在长轴方向只变化1mm，协调液的压力就有相当大的变化，很容易产生气泡。产生气泡的话就不能形成摄影图像，成为问题。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：特表平06-511312号公报
专利文献2：美国专利第6687010号说明书
专利文献3：美国专利第5949929号说明书
发明内容
发明欲解决的问题
本发明鉴于上述问题，目的在于提供一种光耦合装置以及光断层摄影装置，其中不产生噪声，能够得到没有变形等的良好摄影图像。
用来解决问题的手段
第一项记载的光耦合装置，是在插管内腔从所述插管的两端插入光纤，将所述光纤中的一光纤，保持在相对所述插管不旋转的状态，同时，保持另一光纤能够相对所述插管旋转，在所述腔内，使一光纤的一端部与另一光纤的一端部离间，在其间形成间隙，使一光纤与另一光纤经由所述间隙光耦合，光耦合装置的特征在于，具有连通所述插管外部空间与所述间隙的连通部，在所述外部空间、所述间隙以及所述连通部中，收容由光能够透过的材料构成的液体或流体。
第二项记载的光耦合装置是第一项中记载的发明，其特征在于，所述连通部被形成在所述插管或所述一光纤或所述另一光纤的至少一方上。
第三项记载的光耦合装置是第一项或第二项中记载的发明，其特征在于，具有被固定在非旋转状态的固定子和被支撑在能够以所述插管的中心轴为中心相对所述固定子旋转的旋转子，所述外部空间由所述固定子和所述旋转子形成，所述一光纤或所述另一光纤的任何一个的一端部被固定于所述旋转子。
第四项记载的光耦合装置是第三项中记载的发明，其特征在于，所述插管被固定于所述旋转子。
第五项记载的光耦合装置是第三项中记载的发明，其特征在于，所述插管被固定于所述固定子。
第六项记载的光耦合装置是第一项中记载的发明，其特征在于，所述连通部被形成为筒状部件，其被配置在所述一光纤或所述另一光纤的至少一个与所述插管之间。
第七项记载的光断层摄影装置，是将光源射出的光分割成照射光和参照光，由光纤导光所述照射光，通过在将所述光纤插入对象物的状态下使所述光纤以其长轴为中心旋转，边沿所述对象物的横断面照射所述照射光边检测与所述参照光的干涉光，由此取得所述对象物的断层图像，光断层摄影装置的特征在于，插入所述对象物的光纤与第一至第六项的任何一项中记载的光耦合装置光学连接，经由所述光耦合装置以及被插入所述对象物的光纤传送所述照射光。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种不产生噪声、能够得到没有变形等的良好摄影图像的光耦合装置以及光断层摄影装置。
附图说明
图1：本实施方式光断层摄影装置的结构示意图。
图2：本实施方式光断层摄影装置所备有的光耦合装置的截面图。
图3：毛细插管第1变形例的立体示意图。
图4：毛细插管第2变形例的立体示意图。
图5：毛细插管第3变形例的立体示意图。
图6：毛细插管第4变形例的立体示意图。
图7：在固定的光纤上设连通部之第1例的立体示意图。
图8：图7所示的固定光纤的截面图。
图9：设有连通部的固定光纤的第2例的截面图。
图10：设有连通部的筒状部件的第1例立体示意图。
图11：图10所示的筒状部件的截面图。
图12：光耦合装置变形例的截面示意图。
具体实施方式
以下参照附图，说明本发明的光断层摄影装置以及光耦合装置的实施方式。
图1是本实施方式光断层摄影装置10的结构示意图，图2是本实施方式光断层摄影装置所备有的光耦合装置的截面图。
图1中，摄影时光源11射出低相干光12。低相干光12的波长为0.7～2.5μm。作为生成低相干光12的光源，较适合使用超发光二极管(SLD)。
从光源11射出的低相干光12入射到耦合器13。因此，光源11和耦合器13通过光纤或透镜光学系或它们的组合，被光学性耦合。
耦合器13将入射的低相干光12分割成照射光和参照光。被分割的一方照射光被导向照射部16的探测器17(参照图2)。如图2所示，探测器17内藏光纤18。光纤18的基端(图2中的左端)与光耦合装置19联结，能够以长轴为中心旋转。如后面所述，光耦合装置19备有旋转子和旋转该旋转子的旋转机构20(不图示)，根据旋转机构20的驱动，光纤18能够以长轴为中心旋转。光纤18的末端上设有光学部件(例如后述直角棱镜)，其使穿过该光纤18从其基端送来的照射光的传播方向向探测器17的径向。因此，被供给到探测器17中的照射光穿过光纤18被送到探测器末端部，在此经由直角棱镜65向径向外侧射出，照射到摄影对象上。通过光纤18旋转而照射光周向移动。
摄影对象物是例如血管21。此时，光纤18的末端被插入血管21内，通过末端的直角棱镜65，从血管21内侧向外侧向径向外侧射出照射光。光纤18并以长轴为中心旋转，由此照射光扫描血管以其周边组织。在血管内壁及内部组织散射的光(散射光)从光纤18的直角棱镜65被取入送到耦合器13。摄影对象物并不局限于血管。
如图1所示，由耦合器13分割成的另一方参照光被导向光路长调整部23。光路长调整部23通过透镜光学系25将例如从耦合器13经过导光路24(例如光纤)送来的参照光变换为平行光。变换成的平行光在面镜26反射，经由光学系25和导光路24返回耦合器13。面镜26由相对透镜光学系25进退的移动机构27支撑，根据移动机构27驱动而移动面镜26，由此能够变更参照光的光路长(光学距离)。
返回耦合器13的散射光和参照光被合成，送往干涉光检测部28。也就是说，耦合器13在作为光分割手段的同时又是光合成手段。
干涉光检测部28取得被合成的散射光和参照光的干涉强度信息，将该信息送往图像处理部29。图像处理部29在从干涉光检测部28取得干涉强度信息的同时，从控制部30取得控制信息。
控制部30同步控制面镜26移动和光纤18旋转。具体如下，控制部30根据控制部30生成的光路长信息，驱动移动机构27，使移动面镜26向光学系25前进或后退，由此使参照光的光路长变化。控制部30还驱动旋转机构20旋转光纤18，由此使照射光沿血管横断面扫描。此时，控制部30取得从旋转机构20输出的光纤18的旋转角度(旋转角度信息)。然后控制部30将光纤18的旋转角信息和参照光的光路长信息输出到图像处理部29。图像处理部29根据输入的旋转角信息和与其同步的光路长信息处理干涉强度信息，编制血管的断层图像。编制成的断层图像被显示在图像显示部31。
在断层图像编制过程中，通过在面镜26位于某位置的状态下旋转光纤18，能够得到离光纤旋转中心所定距离处的组织的环状断面图像。另外，通过使移动面镜26从该状态移动改变光路长，在该状态下旋转光纤18，能够得到相对所定距离在深度方向变化的位置上的组织的环状断面图像。如上所述，通过移动移动面镜26改变参照光的光路长，通过根据光纤18的旋转在周向移动照射光，能够得到血管横断面整体的断层图像。另外，在移动面镜26在所定位置的状态下多次旋转探测器17，以此取得多个同一环状断面的图像，用该多个的平均能够得到高质量的断层图像。
进一步参照图2，对照射部16的结构作更详细说明。如图所示，照射部16除了探测器17、光耦合装置19之外还备有导光管32，该导光管32将从耦合器13射出的照射光导向光耦合装置19。导光管32有光纤33和覆盖其外周的覆盖34，管32的两端分别连接在耦合器13和光耦合装置19上。
光耦合装置19具有筐体35。如图所示，本实施例的筐体35由箱型容器构成。筐体35内部收容着旋转接合器36。旋转接合器36具有固定子(固定部)37和旋转子(旋转部)38。固定子37具有一体型的环状筒部39和封闭该环状筒部39基端(图示左边)的端壁40，在环状筒部39的中心轴与基轴(旋转轴)41一致的状态下被固定在筐体35上。
旋转子38由圆柱体42构成，被支撑在圆柱体42的中心轴与基轴41一致的状态，通过设在筐体35上的轴承43能够以基轴41为中心旋转。圆柱体42被驱动连结在筐体35上设有的旋转机构20的马达44上，根据马达44的旋转而以基轴41为中心旋转。固定子37与旋转子38是旋转子38的基端(图示左边)嵌入固定环状筒部39的末端(图示右边)上形成的内高低部45中，之间通过适当的封垫46贴紧。实施例中，封垫46被固定在固定子37上。优选封垫46用油封形成，但封垫46并不局限于油封，也可以是金属封等其他封垫。还优选封垫46用具备像氟胶那样的强度和弹性的材料形成。
在圆柱体42旋转子38的中心，沿基轴41形成了贯通孔47，毛细插管48被固定在其中。如图所示，毛细插管48具有与贯通孔47的内径几乎相同的外径，图示右边的末端被插入并固定在贯通孔47的基端一侧，图示左边的基端突出于为固定环状筒部39内部空间的室49。
毛细插管48具有沿基轴41贯通该毛细插管48的小径的腔(内腔)50。腔50的内径略与本实施例使用的光纤的金属包层外径相等。毛细插管48还具有小径连通部51，其与腔50和固定环状筒部39的室49连通。实施例中连通部51用小径孔形成。
毛细插管48外径2mm、长度20mm。腔50的大小由使用条件决定。具体说明则如后面将叙述的那样，毛细插管48的腔50中，从其两端分别被插入光纤，被插入的光纤用它们相对的端部进行光学耦合。所以，腔50的内径与所使用的光纤的金属包层外径相同，或比它略微大一些。例如光纤的金属包层径(含公差的值)为125～126μm时，腔50内径为126μm。因此，金属包层外径的公差为零时，相对的二个光纤在腔50内最大产生1μm的轴偏离。然而通常光纤的芯径为10μm左右，因此轴偏离量只不过是芯径的约10％。所以二个光纤能够良好地耦合。
优选毛细插管48满足以下各点：在腔50中容易插入光纤；能够精度良好地加工(能够确保腔所望的直度，腔与外周面之间能够得到所望的同心度)；具有所望的韧性；耐冲击性优异；接近光纤的热膨胀率(为了防止毛细插管与光纤的相对移动)。因此，优选毛细插管48用陶瓷烧结体形成。另外，为了使光纤的插入阻力为最小，优选用玻璃形成毛细插管。
对该毛细插管48连接导光管32的光纤33。具体如下，基端导光管32的末端沿基轴41贯通筐体35的壁52，通过没有图示的固定手段(例如粘结剂)固定于壁52。在筐体35内侧导光管32的覆盖被除去，光纤33露出，该光纤33贯通固定子37的端壁40，进一步经过室49插入毛细插管48的腔50中，光纤33的末端位于连通部51的基端。
毛细插管48的腔(内腔)50中，从其末端被插入别的光纤53的基端。该光纤53的基端位于连通部51的末端。因此，光纤33的末端与光纤53的基端隔着连通部51相对，两者之间形成间隙54。间隙54的旋转轴方向长度被调整在例如约为0.1mm以内，这样，光纤33、53沿基轴41被配置在同轴上，光学性联结。光纤53的末端通过插头座56连接在贯通孔47末端开口部固定的接合件55上。光纤53通过毛细插管48末端部设有的粘结剂57固定于毛细插管48中。同时毛细插管48由该粘结剂57固定在旋转子38中。
通过组合固定子37和旋转子38而密封成的室49中被充填协调材料58。协调材料58优选尽量能够不衰减而能够透过照射光及散射光的材料。协调材料58利用具有与光纤33、53芯相同或略相同折射率的液体或流体(凝胶材料)。由此减少在光纤33、53芯端的菲涅耳反射，抑制传播光的衰减。协调材料58的充填可以从设在固定子37的环状筒部39或端壁40上的充填孔(没有图示)进行。被充填到室49中的协调材料58从连通部51进入间隙54，介于相对的光纤33、53之间。
这样，透光性的协调材料58被收容在毛细插管48的外部空间的室49、间隙54、连通部51中。
旋转旋转子38的旋转机构20备有马达44。如上所述，马达44与控制部30电连接，根据控制部30输出的旋转控制信号旋转。因此马达44的旋转轴59上固定着齿轮60。齿轮60与由筐体35支撑的别的齿轮61齿合。齿轮61再与形成在旋转子圆柱体42外周面的齿轮62齿合。于是旋转子38由马达44驱动旋转。对旋转子38传递马达44旋转的手段并不局限于齿轮机构，也可以组合传动带和滑轮。另外马达44的种类没有限定，但如上所述，为了使旋转子38的旋转和面镜26的移动同步，马达44优选使用步进马达。
探测器17与上述构成的旋转接合器36连接，且如上所述具有光纤18。光纤18的基端连接插头座63。插头座63能够自在地与旋转接合器36的接合件55接通断开，在连接接合件55的状态下光纤18与光纤53光耦合。因此，插头座56、63和接合件55优选使用适合于光纤连接的FC插头座、FC接合件，或SC插头座和SC接合件。
光纤18末端上固定着折射率分布(倾斜)型透镜(以下称为透镜)64和直角棱镜65，透镜64对光纤18送来的照射光的折射率在外径方向渐渐变化；直角棱镜65使透镜64射出的照射光的传播方向向探测器17径向，直角棱镜65的斜面上用金属膜形成了使照射光反射的面镜部，光纤18上还外装了力矩传递用套筒66，用来将旋转子38的旋转传递到末端的透镜64。套筒66具有必需的柔软性，以保证光纤的动态自由。因此，优选套筒66由下述形成：将细金属丝卷成螺旋状形成的插管状力矩金属丝、弹簧金属丝。
从筐体35突出的光纤18部分大都外装护套67。护套67由具有透光性的柔韧材料(例如聚四氟乙烯)构成，其末端越过直角棱镜65伸出，末端开口用盖帽68盖住。另外，在套筒66与透镜64连结的部分，或在套筒66露出的外周面与其对面的护套部分之间，配置例如由环状橡胶构成的密封部件69，在上述盖帽68和密封部件69之间形成的空间70中，充填具有与直角棱镜65的折射率相同或略相同或相接近之折射率的协调材料71。这样，棱镜65出射面及入射面上的菲涅耳反射减少，传播光的衰减得到抑制。与光纤18的基端相比，护套67的基端位于末端，其上固定环状的固定具72。
上述构成的探测器17如图所示，插通于筐体3壁52上形成的贯通孔，将插头座63连接到接合件55，在贯通孔47周围固定固定具72，连接到光耦合装置19。为了使能够容易进行该操作，筐体35一部分被形成是能够开闭的门73，打开该门73进行上述接连操作。从接合件55拔下插头座63并从筐体35拆下固定具72便能够取下、交换探测器17。
对上述构成的照射部16的动作作说明。在上述断层摄影时，马达44根据控制部30输出的信号驱动，使旋转子38旋转。通过该旋转，固定在旋转子38内的光纤53、毛细插管48、与旋转子38连接的探测器17内的光纤18以基轴41为中心旋转。在耦合器13分割的照射光经过由导光管32覆盖的光纤33、固定在旋转子38内的光纤53、收容在探测器17内的光纤17，被送到透镜64且直角棱镜65，由形成在该直角棱镜65斜面上的金属膜面镜反射而向探测器17的径外侧方向射出，穿过协调材料71和透光性护套67投射到径向外侧。投射的照射光与光纤18的旋转一起，在周向移动。
例如上述血管断层摄影的情况，投射的照射光在血管21内壁及内部组织散射。散射光的一部分经由护套67、协调材料71，入射到直角棱镜65的入射面上，之后经由透镜64、旋转的光纤18、53、固定的光纤33，返回耦合器13。
旋转子38旋转时，由于旋转时的振动等，固定光纤33和旋转光纤53之间的距离发生变化。即使该距离变化量很小(例如1mm)，但是因为腔50的内径极小(125～126μm)，所以，在只在间隙54中收容协调材料时，间隙54内的压力变化极大，但如上所述，本实施方式中，间隙54通过连通部51与外部室49连通，所以，相应间隙54的压力变化，室49内的协调材料58出入间隙54，维持间隙54内的压力略为一定。
也就是说，通过在毛细插管48外部空间的室49、间隙54、连通部51中收容透光性协调材料58，即使面对的光纤33和光纤53的间隔因旋转而变动，间隙54内协调液中也不会发生大的压力变化。由此，能够解消在间隙54中充填的协调材料58上作用负压而密度及折射率变化和出现气泡等问题，能够提供一种没有噪声、能够得到没有变形等的良好摄影图像的光耦合装置以及光断层摄影装置。
上述本发明的光断层摄影装置以及光耦合装置，并不局限于上述实施方式，可以有各种变更。
例如，上述实施方式中连通部51是由从腔50向径向外侧一方向伸出的孔形成的，但也可以如图3所示，由从腔50向径向外侧二方向以上(例如反向)伸出的多个孔73形成。
另外，连通部51不必一定是孔，如图4所示，也可以是横断腔50的槽74。
并且，连通部51不必一定是在径向伸出的孔和槽，如图5所示，也可以是沿腔50内面形成的直线或螺旋状的连通槽75。
为了免除在毛细插管48上加工孔和槽的作业，也可以用类似作为医疗器械的支架(stent)的网眼筒体76形成毛细插管48。此时，固定光纤33和旋转光纤53之间的间隙54中，协调材料通过网眼开口77自由出入，防止协调材料的性质变化和产生气泡。
也可以如图7、8、9所示，在位于收容协调材料58的室49中的光纤33的金属包层外周面上，形成长轴方向的槽78或缺口79，通过该槽78或缺口79连通室49和间隙54，以此代替上述方法。
也可以如图10、11所示，至少在位于室49中的光纤33外周和毛细插管48之间外装筒状部件80，在该筒状部件80上形成长轴方向的槽81或缺口(没有图示)，通过该槽81或缺口连通室49和间隙54，以此代替上述在光纤上形成槽或缺口，该方式中，筒状部件80可以固定于光纤33，也可以相对光纤33旋转自在。
另外，上述实施方式中毛细插管是固定在旋转子38中的，但也可以如图12所示，将毛细插管48固定于筐体(固定部)。此时如图所示，在基端光纤33和末端光纤18中间的光纤53被固定于旋转子38，且基端插入腔50的末端。然而光纤33、53之间形成的间隙54通过连通部51与室49连通，相应间隙54的压力变动协调材料58出入间隙54，其中的压力被维持在一定。
以上分别说明了多个变形例，但也可以任意组合上述多个变形例，然而随之构成的变形例也属于本发明。
另外，上述实施方式中涉及的光断层摄影装置，是所谓时域方式的装置，也可以在其它形式(带域方式、扫域方式、傅氏域方式)的光断层摄影装置中，应用上述各种方式。
符号说明
10  光断层摄影装置
11  光源
13  耦合器(光分割手段、光合成手段)
16  照射部
17  探测器
18、33、53  光纤
19  光耦合装置
21  管(摄影对象物)
23  光路长调整部
24  导光路
25  透镜光学系
26  面镜
28  干涉光检测部
29  图像处理部
30  控制部
31  图像显示部
32  导光管
34  覆盖
35  筐体
36  旋转接合器
37  固定子
38  旋转子
39  环状筒部
41  基轴
42  圆柱体
44  马达
45  高低部
46  封垫
47  贯通孔
48  毛细插管
49  室
50  腔(内腔)
51  连通部
52  壁
54  间隙
55  接合件
56  插头座
57  粘结剂
58、71  协调材料
59  马达旋转轴
63  插头座
64  折射率分布(倾斜)型透镜
65  直角棱镜
66  套管
67  护套
68  盖帽
69  密封部件
70  空间
72  固定具
73  孔
74、78、81  槽
75  连通槽
76  网眼筒体
77  网眼开口
79  缺口
80  筒状部件

Claims (7)

1.一种光耦合装置，是在插管内腔从所述插管的两端插入光纤，将所述光纤中的一光纤，保持在相对所述插管不旋转的状态，同时，保持另一光纤能够相对所述插管旋转，在所述腔内，使一光纤的一端部与另一光纤的一端部离间，在其间形成间隙，使一光纤与另一光纤经由所述间隙光耦合，光耦合装置的特征在于，
具有连通所述插管外部空间与所述间隙的连通部，
在所述外部空间、所述间隙以及所述连通部中，收容由光能够透过的材料构成的液体或流体。
2.如权利要求1中记载的光耦合装置，其特征在于，所述连通部被形成在所述插管或所述一光纤或所述另一光纤的至少一方上。
3.如权利要求1或2中记载的光耦合装置，其特征在于，
具有被固定在非旋转状态的固定子和被支撑在能够以所述插管的中心轴为中心相对所述固定子旋转的旋转子，
所述外部空间由所述固定子和所述旋转子形成，
所述一光纤或所述另一光纤的任何一个的一端部被固定于所述旋转子。
4.如权利要求3中记载的光耦合装置，其特征在于，所述插管被固定于所述旋转子。
5.如权利要求3中记载的光耦合装置，其特征在于，所述插管被固定于所述固定子。
6.如权利要求1中记载的光耦合装置，其特征在于，所述连通部被形成为筒状部件，其被配置在所述一光纤或所述另一光纤的至少一个与所述插管之间。
7.一种光断层摄影装置，是将光源射出的光分割成照射光和参照光，由光纤导光所述照射光，通过在将所述光纤插入对象物的状态下使所述光纤以其长轴为中心旋转，边沿所述对象物的横断面照射所述照射光边检测与所述参照光的干涉光，由此取得所述对象物的断层图像，光断层摄影装置的特征在于，
插入所述对象物的光纤与权利要求1至6的任何一项中记载的光耦合装置光学连接，
经由所述光耦合装置以及被插入所述对象物的光纤传送所述照射光。
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