CN116033860A - 光学探针及包含其的光学断层摄影装置 - Google Patents

光学探针及包含其的光学断层摄影装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学探针及包含其的光学断层摄影装置，该光学探针具有较少的部件数量，能够容易地插入并且能够尽可能地抑制旋转时的振动。用于脉管用光学断层摄影装置(100)的光学探针(40)具备：具有中心轴(14)的光纤(10)、固定于光纤的前端面(12)的透光性的透镜部件(20)。透镜部件具有：包围使光纤的中心轴(14)向前方延伸的延长轴(22)的外周面、与延长轴交叉的后端面(26)、与延长轴交叉的前端面(28)。透镜部件的前端面是相对于延长轴倾斜地延伸的面。透镜部件的外周面至少在一部分具有以延长轴为中心的圆筒面部分(24)或以与延长轴平行的轴为中心的圆筒面部分。光学探针构成为，使从光纤的前端射出的光沿着延长轴入射到前端面，在前端面反射的光经由圆筒面部分从透镜部件射出。

Description

光学探针及包含其的光学断层摄影装置
技术领域
本发明涉及一种光学探针及包含其的光学断层摄影装置。
背景技术
在专利文献1、2中公开了脉管用光断层摄影装置。这些光学断层摄影装置具备光学探针和使该光学探针以其长度方向中心轴为中心旋转的旋转驱动部。在摄影时，光学探针例如插入血管内，驱动与光学探针的后端连结的旋转驱动部，通过一边使该光学探针高速旋转(1秒钟约180转)一边拉回，由此能够得到血管的断层图像。
专利文献1所公开的光学探针具有：光纤；棒型透镜，其熔接在该光纤的前端；以及棱镜，其熔接在与该光纤相反侧的该棒型透镜的前端。在该方式的光学探针中，光纤能够沿着血管适度地弯曲，但设置在前端的刚性的棒型透镜和棱镜不能容易地弯曲。因此，认为在血管的分支部难以从母支向目标的小分支插入光学探针。
专利文献2及3所公开的其他的光学探针在安装于光纤前端的透镜部的前端具备侧方照射型球透镜。与专利文献1的光学探针相比，该光学探针的部件数量少，设置在前端的透镜部的长度也小，因此，在血管的分支部容易将光学探针从母支插入到目标的小分支中。
但是，将形成在玻璃棒的前端的球透镜的大小以及形状加工成目标大小以及形状未必容易，因此玻璃棒的成品率差，作为结果使光学探针的生产率降低。另外，如果高速旋转非对称且质量大的球透镜，则容易产生振动，因此，有可能在拍摄的图像中包含较多的噪声。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5384944号公报
专利文献2：日本特许第4997112号公报
专利文献3：日本特许第5254865号公报
发明内容
于是，本发明的目的是提供一种光学探针及包含其的光学断层摄影装置，该光学探针具有较少的部件数量，并且在血管等的脉管的分支部能够容易地从母支插入到小分支中，并且能够尽可能地抑制旋转时的振动。
为了实现上述目的，本发明的实施方式的一种用于脉管用光学断层摄影装置的光学探针，具备：
光纤，其具有中心轴；
透光性的透镜部件，其固定于所述光纤的前端，
所述透镜部件具有：包围将所述光纤的所述中心轴延伸的延长轴的外周面、与所述延长轴交叉的后端面、以及与所述延长轴交叉的前端面，
所述透镜部件的前端面是相对于所述延长轴倾斜地延伸的面，
所述透镜部件的后端面与所述光纤的前端直接连结而光学耦合，
所述透镜部件的所述外周面至少在一部分上具有以所述延长轴为中心的圆筒面部分或以与所述延长轴平行的轴为中心的圆筒面部分，
并构成为，使从所述光纤的前端射出的光沿着所述延长轴入射到所述前端面，由所述前端面反射的光经由所述圆筒面部分从所述透镜部件射出。
发明效果
根据本发明的实施方式的光学探针，从光纤的前端射出的光入射到透镜部件的前端面，由该前端面反射的光经由圆筒面部分照射到血管等脉管。由脉管反射及散射的光入射到透镜部件的圆筒面部分，向透镜部件的前端面会聚。另外，由透镜部件的前端面反射的光朝向光纤会聚。这样，圆筒面部分作为凸透镜面发挥功能，从圆筒面部分射出的光向脉管会聚。因此，由脉管反射及散射的光包含脉管的正确信息。另外，由于光学探针不包含GRIN透镜等棒状透镜那样的部件，因此，在血管等脉管的分支部能够容易地从母支插入小分支。另外，由于透镜部件的质量比球透镜的质量小，所以能够尽可能地抑制旋转时的振动。
附图说明
图1是表示包含本发明实施方式的光学探针的光学断层摄影装置的结构的示意图。
图2A是表示图1所示的光学探针的概略结构的剖面图。
图2B是表示图1所示的光学探针的概略结构的剖面图。
图3A是表示其他实施方式的光学探针的概略结构的剖面图。
图3B是表示其他实施方式的光学探针的概略结构的剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的光学探针的实施方式。
[光学断层摄影装置]
图1表示具备实施方式的光学探针的光学断层摄影装置(通常称为光学相干断层摄影或OCT)的概要。
光学断层摄影装置100具备：低相干光源110，其输出用于摄影的光；光学耦合器(分光器)120，其将从低相干光源110发送来的光进行分支；光学探针40，其将从光学耦合器120分支的光朝向动脉或淋巴等的脉管照射；电动机驱动单元130，其使光学探针40旋转并直线移动；以及光路调整部140，其基于从光学耦合器120分支的光来获得参照光；受光部150，其接收通过由光耦合器120使从光学探针40传送的反射光与该参照光重合而得到的干涉光；信号处理部160，其根据所接收的干涉光中包含的信号复原图像；以及监视器170，其显示所复原的图像。低相干光源110、光耦合器120、光学探针40、电动机驱动单元130、光路调整部140以及受光部150通过光纤光学地连接，使得光能够相互地传输。另外，受光部150、信号处理部160及监视器170被连接成可对干涉光中所包含的信号进行电通信。
低相干光源110构成为射出波长在700～1800nm的范围内、且相干长度为1μm～100μm左右的光(即一般为近红外线)。
在实施方式中，光耦合器120是如下形成的光学部件：使平行排列的两个光纤加热熔融，并使熔融的部分成为细径化的一个光纤。该光耦合器120具有4个输出输入口，分别与低相干光源110、电动机驱动单元130、光路调整部140以及受光部150连接。另外，光耦合器120构成为，例如将从低相干光源110入射的光朝向电动机驱动单元130和光路调整部140分支，使从电动机驱动单元130发送来的反射光与从光路调整部140发送来的参照光重合而生成干涉光，并且将该干涉光传送给受光部150。
电动机驱动单元130具有与后述的光学探针40所具有的光纤10连接的光学旋转接头131。光学旋转接头131构成为在光耦合器120和光学探针40之间双向传送光。另外，光学旋转接头131支承于光学探针驱动部132。光学探针驱动部132具有光学探针旋转电动机134，该光学探针旋转电动机134与光学探针驱动部132驱动连结，构成为基于光学探针旋转电动机134的驱动，使光学探针驱动部132、支承于光学探针驱动部132的光学旋转接头131、以及与光学旋转接头131连接的光纤10绕光纤10的中心轴旋转。进而，光学探针驱动部132被支承在使光学探针驱动部132沿光纤10的中心轴方向移动的光学探针直线驱动部136上。光学探针直线驱动部136具有光学探针直线移动电动机138，该光学探针直线移动电动机138与光学探针直线驱动部136驱动连结，并构成为基于光学探针直线移动电动机138的驱动，使光学探针直线驱动部136、支承于光学探针直线驱动部136的光学探针驱动部132、支承于光学探针驱动部132的光学旋转接头131、以及与光学旋转接头131连接的光纤10沿着光纤10的中心轴方向移动。
光路调整部140具有准直透镜142和参照反射镜144，并构成为从光耦合器120传送来的光经由准直透镜142入射到参照反射镜144，并且由参照反射镜144反射的光(参照光)经由准直透镜142传送到光耦合器120。参照反射镜144由使该参照反射镜144向朝向准直透镜142的方向移动的反射镜直线驱动部146支承。反射镜直线驱动部146具有反射镜直线移动电动机148，该反射镜直线移动电动机148与反射镜直线驱动部146驱动连结，并构成为基于反射镜直线移动电动机148的驱动，使反射镜直线驱动部146及支承于反射镜直线驱动部146上的参照反射镜144朝向准直透镜142移动。因此，光路调整部140构成为，通过驱动反射镜直线驱动部146而使参照反射镜144移动，能够适当调整由参照反射镜144反射而传送到光耦合器120的参照光的传播距离。
受光部150是例如光电二极管等光学部件，其接收通过由光耦合器120使从后述的光学探针40传送的反射光和从光路调整部140传送的参照光重合而得到的干涉光并进行光电变换。
在实施方式中，信号处理部160包含：放大器(未图示)，其对从受光部150发送来的电信号进行放大；A/D变换器(未图示)，其将由放大器放大后的电信号(模拟信号)变换为数字信号；以及图像解调器(未图示)，其根据由A/D变换器得到的数字信号复原图像。因此，信号处理部160能够复原由后述的光学探针40拍摄(摄影)的图像并显示到监视器170上。
监视器170例如是液晶显示器，构成为基于从信号处理部160发送的图像信号，将由后述的光学探针40拍摄的图像显示到显示器上。
低相干光源110、光学探针旋转电动机134、光学探针直线移动电动机138以及反射镜直线移动电动机148与控制器180连接，并且在光学断层摄影装置100的摄影中，基于从控制器180发送的指令来控制输出。
[光学探针]
图2A表示光学断层摄影装置100所包含的大致圆柱状的光学探针40的沿轴向的剖面。图2B表示大致圆柱状的光学探针40的沿径向的剖面。以下，将光学探针40的轴向称为“z方向”，将与z方向正交的图2A的表背面方向(或图2B的左右方向)称为“y方向”，将与z方向和y方向正交的图2A、2B的上下方向称为“x方向”。
光学探针40具备：与电动机驱动单元130的光学旋转接头131连接的大致圆柱状的光纤10；与相对于虚线所示的该光纤10的中心轴14垂直地延伸的光纤10的前端面12连接并与该光纤10光耦合的圆筒透镜20(透镜部件)；以及以覆盖该光纤10和该圆筒透镜20的方式沿着该光纤10的中心轴14延伸的大致圆筒状的护套30。
光纤10由透射率高的玻璃或树脂形成，具备作为沿光纤10的中心轴14延伸的中心部而构成的芯16、和在芯16的周围形成的包层18。芯16的折射率大于包层18的折射率。因此，光纤10构成为使通过其内部的光集中而传送给芯16。
圆筒透镜20由透光性的玻璃形成，具有：外周圆筒面(圆筒面部分)24，其与使虚线所示的光纤10的中心轴14向前方延伸的延长轴22平行地在该延长轴22的方向上延伸；后端面26，其相对于延长轴22垂直地延伸；以及前端面28，其与延长轴22倾斜地交叉。圆筒透镜20的外周圆筒面24具有例如约200～400μm的直径。因此，圆筒透镜20重量非常轻。另外，圆筒透镜20的前端面28是在图2A所示的zx平面上沿着与延长轴22倾斜交叉的倾斜轴29延伸的平坦面。如图2B所示，前端面28相对包含延长轴22和倾斜轴29的zx平面(对称面)具有面对称的大致圆形状。进而，前端面28构成为，经由电动机驱动单元130从光纤10的前端面12射出的光沿着延长轴22入射到该前端面28，由该前端面28反射的光经由外周圆筒面24从圆筒透镜20射出。
在实施方式中，圆筒透镜20的前端面28和倾斜轴29相对于延长轴22以45°的角度倾斜。由此，在圆筒透镜20具有1.43～2.14的通常的折射率的情况下，入射到前端面28的光被全反射。另外，圆筒透镜20的前端面28和倾斜轴29也可以相对于延长轴22以小于45°的角度、例如38°倾斜。由此，入射到前端面28的光被可靠地全反射。
光纤10和圆筒透镜20在光纤10的前端面12和圆筒透镜20的后端面26相互熔接。通过熔接光纤10和圆筒透镜20，提高了光学探针40的机械强度。因此，在光断层摄影装置100的摄影中，不会因光纤10与圆筒透镜20剥离而丧失图像。
在实施方式中，光纤10的芯16的折射率与圆筒透镜20的折射率相同或实质上相同。因此，由光纤10的芯16与圆筒透镜20的边界面反射的光减少。由此，在信号处理部160的监视器上不会出现实际上不存在的物体的图像(伪影)。
另外，光纤10的芯16和圆筒透镜20也可以由纯石英玻璃形成。由此，在光纤10和圆筒透镜20之间，光不反射，上述的伪影可靠地不显现。
护套30由透光性树脂形成，构成为使经由圆筒透镜20的外周圆筒面24射出的光透过。另外，护套30的内部充满气体、例如空气。护套30的内径比光纤10和圆筒透镜20的外径大例如50μm左右。例如，在圆筒透镜20的外径约为200～400μm的情况下，护套30的内径约为250～450μm。因此，光纤10和圆筒透镜20能够沿着光纤10的中心轴14在护套30的内部自由移动。
[光学断层摄影的方法]
以下，对利用光学断层摄影装置100和光学探针40的光学断层摄影的方法进行说明。
如图2A、2B所示，被护套30覆盖的光学探针40插入到脉管、例如血管400内的规定位置。
如图1所示，光学断层摄影装置100通过接通低相干光源110而射出规定波长的光，经由光耦合器120将光分别传送给电动机驱动单元130和光路调整部140。
被送到电动机驱动单元130的光沿着光纤10的中心轴14，通过光学探针40内部的光纤10的芯16，朝向圆筒透镜20(参照图2A)。通过了光纤10的前端面12与圆筒透镜20的后端面26之间的边界的光一边扩散一边入射到前端面28，并在此被反射。如图2A所示，由前端面28反射的光朝向外周圆筒面24沿径向(以z轴为中心的放射方向)行进并扩散。然后，如图2B所示，光到达圆形截面的外周圆筒面24。外周圆筒面24作为凸透镜面发挥功能。因此，到达了外周圆筒面24的光在外周圆筒面24上折射，朝向位于护套30外侧的焦点60会聚，同时通过护套30而照射到血管400。由血管400反射的光(反射光)通过护套30，并经由外周圆筒面24入射到圆筒透镜20。此时，入射到圆筒透镜20的反射光由外周圆筒面24(凸透镜面)折射并会聚后，由前端面28反射，沿着延长轴22，通过圆筒透镜20的后端面26与光纤10的前端面12的结合面，入射到光纤10。然后，反射光经由光纤10，并经由电动机驱动单元130及光耦合器120传送到受光部150。
光学断层摄影装置100在血管400的遍及整个周向上进行断层摄影。因此，光学断层摄影装置100驱动光学探针驱动部132的光学探针旋转电动机134，使光纤10在护套30内高速旋转(优选1秒钟约旋转180转)。同时，光学断层摄影装置100沿中心轴14的方向连续地对血管400进行断层摄影。因此，光学断层摄影装置100驱动光学探针直线驱动部132的光学探针直线移动电动机138，使光纤10在护套30内后退。由此，经由圆筒透镜20的外周圆筒面24射出的光一边扫描血管400的整个周向一边向后方移动，得到在血管400的长度方向上连续的血管断层图像。此时，由于旋转的圆筒透镜20的前端面28具有关于zx平面(对称面)面对称的形状，所以能够尽可能抑制高速旋转时产生的圆筒透镜20的振动。
在光耦合器120分支并传送到光路调整部140的光，在参照反射镜144被反射而成为参照光。该参照光在光耦合器120中与从光学探针40传送来的反射光重合。参照光和反射光重合的干涉光被传送到受光部150。
光断层摄影装置100根据光纤10的移动来驱动反射镜直线驱动部146而使参照反射镜144移动，优选将从光耦合器120到参照反射镜144的光路长度保持为与从光耦合器120到前端面28的光路长度相等。由此，能够得到容易直观地理解位置关系的血管400的断层图像。
光学断层摄影装置100通过由受光部150接收干涉光并进行光电变换，从而将包含所拍摄的信息的电信号发送到信号处理部160，复原所拍摄的血管的断层图像，并显示到监视器上。
如上所述，根据实施方式的光学探针40，由圆筒透镜20的倾斜前端面28反射的光在圆筒外周面24折射之后，朝向血管400的壁面附近的焦点60集聚。因此，由血管400反射的光包含精确的血管信息。另外，由血管400反射的光经由圆筒透镜20传送到光耦合器120，与参照光重合，成为仅选择性地放大了摄影位置的反射光的干涉光。因此，能够将血管400的清晰的断层图像显示在信号处理部160的监视器上。另外，在光学探针40中，由于在光纤10的前端仅存在圆筒透镜20，所以光学探针40能够容易地将其前端在血管等脉管的分支部从母支插入到小分支。另外，通过将光学元件的连接面的数量抑制为最小限度，能够将光的损失抑制得较低，得到明亮的图像。进而，由于透镜部件的质量足够小，所以能够尽可能地抑制旋转时的振动。
[其他实施方式]
在上述实施方式中，圆筒透镜20的前端面28是沿着与光纤10的延长轴22倾斜交叉的倾斜轴29延伸的平坦面，但如图3A所示，圆筒透镜220的前端面228也可以是以与延长轴222不交叉且与y方向平行的假想轴252为中心的圆筒面。根据该方式，不仅是圆筒透镜220的外周圆筒面224，前端面228也起到聚光透镜的作用，因此入射到前端面228的光通过该前端面228在径向上聚光。因此，在摄影时，从圆筒透镜220射出的光在血管的壁面或在其附近会聚。因此，来自血管的反射光包含更正确的血管信息，其结果是能够进行正确的诊断。
另外，从后端面226到前端面228的延长轴222的长度优选设定为0.4～0.6mm。由此，从圆筒透镜220射出的光在血管的壁面或其附近可靠地会聚。
在以上的说明中，光纤10和圆筒透镜20在相对于光纤10的中心轴14及延长轴22垂直地延伸的前端面12和后端面26熔接，但光纤的前端和圆筒透镜的后端面也可以分别是位于相对于中心轴及延长轴倾斜地交叉的面上的倾斜面。由此，由光纤的芯与圆筒透镜的边界面反射而入射到光耦合器的光减少。
圆筒透镜20的前端面28也可以由电介质多层膜、铝、银或金涂覆。由此，从光纤10的前端面12射出的光容易被前端面28反射。
光学探针40的圆筒透镜20由透光性的玻璃形成，但圆筒透镜20也可以由透光性的塑料形成。由此，光学探针40的前端重量变轻，能够进一步抑制旋转时的振动。
如图3A、3B所示，圆筒透镜20、220的前端面28、228也可以是将以位于包含中心轴14、214和延长轴22、222的平面上且位于前端面28、228的后方(光纤侧)的第一假想轴为中心的圆筒面或与该圆筒面相似的类似圆筒面(例如椭圆筒面)以与该平面正交的第二假想轴为中心移动而描绘的三维曲面，例如曲面。
在上述的实施方式中，作为设置在光纤10的前端的透镜部件，使用了具有外周圆筒面的圆筒透镜20，但透镜部件不需要其全周为圆筒面，例如，也可以至少仅使由透镜部件的前端倾斜面反射的光从该透镜部件射出的部分为圆筒面，其他部分为非圆筒面。在这种情况下，外周的圆筒面部分也可以是以使光纤10的中心轴14向前方延伸的延长轴22为中心的圆筒面、或以与延长轴22平行或大致平行的轴为中心的圆筒面、或环形面。
符号说明
10：光纤
12：前端面
14：中心轴
20：圆筒透镜(透镜部件)
22：延长轴
24：外周圆筒面(圆筒面部分)
26：后端面
28：前端面
40：光学探针
100：脉管用光断层摄影装置

Claims (13)

1.一种光学探针，用于脉管用光学断层摄影装置，其中，该光学探针具备：
光纤，其具有中心轴；
透光性的透镜部件，其固定于所述光纤的前端面，
所述透镜部件具有：包围将所述光纤的所述中心轴延伸的延长轴的外周面、与所述延长轴交叉的后端面、以及与所述延长轴交叉的前端面，
所述透镜部件的前端面是相对于所述延长轴倾斜地延伸的面，
所述透镜部件的后端面与所述光纤的前端直接连结而光学耦合，
所述透镜部件的所述外周面至少在一部分具有以所述延长轴为中心的圆筒面部分或以与所述延长轴平行的轴为中心的圆筒面部分，
并构成为，使从所述光纤的前端射出的光沿着所述延长轴入射到所述前端面，由所述前端面反射的光经由所述圆筒面部分从所述透镜部件射出。
2.如权利要求1所述的光学探针，其中，
所述前端面相对于包含所述延长轴和与该延长轴倾斜交叉的倾斜轴的对称面而具有面对称的形状。
3.如权利要求2所述的光学探针，其中，
所述倾斜轴相对于所述延长轴以0°～45°的角度倾斜。
4.如权利要求1～3中任一项所述的光学探针，其中，
所述前端面为平坦的面。
5.如权利要求2或3所述的光学探针，其特征在于，
所述前端面是与所述对称面垂直、且以比所述延长轴与所述倾斜轴的交点更靠近所述光纤侧的假想轴为中心的圆筒面。
6.如权利要求2或3所述的光学探针，其特征在于，
所述前端面是三维曲面，该三维曲面是将以位于比所述延长轴与所述倾斜轴的交点更靠近所述光纤侧且位于所述对称面上的第一假想轴为中心的圆筒面，以位于比所述延长轴与所述倾斜轴的交点更靠近所述光纤侧且与所述对称面正交的第二假想轴为中心移动而描绘的曲面。
7.如权利要求1～6中任一项所述的光学探针，其中，
所述光纤的前端面和所述透镜部件的后端面分别是位于相对于所述中心轴及所述延长轴倾斜交叉的面上的倾斜面。
8.如权利要求1～7中任一项所述的光学探针，其中，
所述前端面由电介质多层膜、铝、银或金涂覆。
9.如权利要求1～8中任一项所述的光学探针，其中，
所述透镜部件由玻璃或树脂形成。
10.如权利要求1～8中任一项所述的光学探针，其中，
所述透镜部件和所述光纤的芯由纯石英玻璃形成。
11.如权利要求1～10中任一项所述的光学探针，其中，
所述圆筒面的直径在200μm～400μm之间。
12.如权利要求11所述的光学探针，其中，
从所述后端面到所述前端面的所述延长轴的长度在0.4mm～0.6mm之间。
13.一种光学断层摄影装置，其包含如权利要求1～12中任一项所述的光学探针。
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