JP2008191022A - Octシステム - Google Patents

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Masashi Kitatsuji
真史 北辻
Tetsuya Utsui
哲也 宇津井
Nobuyuki Saida
信行 斉田
Yoshitaka Shibahara
祥孝 柴原
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Abstract

【課題】 プローブの先端が生体組織に接近していることを検知可能なOCTシステムを提供する。
【解決手段】 先端が閉塞しており、少なくとも先端及び先端近傍において光透過性を有するシースと、シース内に挿通され、シースの先端近傍まで光を導くための光ファイバと、光ファイバに低コヒーレント光を供給する第1の光源と、光ファイバにモニタ光を供給する第2の光源と、光ファイバから射出された低コヒーレント光を光ファイバの光軸に対して略垂直に偏向させると共に、光ファイバから射出されたモニタ光がシース先端側の外部所定位置で焦点を結ぶように構成された光学系と、モニタ光の反射光の強度を検出するモニタ光検出手段と、モニタ光検出手段の検出結果を提示する提示手段とを備えたOCTシステムを提供する。
【選択図】 図3

Description

この発明は、低コヒーレント光を供給する光源と、該低コヒーレント光を観察対象へ導くOCTプローブとを備え、観察対象の断層像を取得するOCTシステムに関する。
近年、例えばSLD(Super Luminescent Diode)等の時間コヒーレンスが低く空間コヒーレンスが高い光源からの光(以下、低コヒーレント光という)を用いた光干渉断層法(Optical Coherence Tomography、以下、OCTと略記する)により、生体組織の断層像を取得するOCTシステムが実用化されている。具体的には、OCTシステムは、上記光源を有する本体装置と、管腔内に挿入されるOCTプローブとを有する。
OCTプローブは、光ファイバと、該光ファイバが挿通され、低コヒーレント光に対して透過性を有するように構成され、その先端部が閉塞されているシースとを有している。光ファイバの先端にはプリズム等の偏向部が設けられている。偏向部は、光ファイバに結合されて配置されており光ファイバから射出された低コヒーレント光を光ファイバの光軸に対し垂直な方向に偏向する。偏向された低コヒーレント光は、光ファイバの回転によって回転する偏向部により、光ファイバの光軸と交わる面内において走査される。また、偏向部は、低コヒーレント光の走査面内にある生体組織において反射された光を再び光ファイバ内に戻す。このようなOCTプローブおよびシステムの構成は、例えば、特許文献1に開示されている。
特開2000−321034号公報
OCTプローブやそのシステムは、特許文献1にも記載されているように、内視鏡と組み合わせて使用される場合が多い。内視鏡の挿入部のチャンネル内にOCTプローブを挿通させ、該挿入部先端からOCTプローブを突出させることにより、体腔内の断面観察を行う。OCTプローブは内視鏡の挿入部よりも細径であるため、内視鏡の挿入部が進入できない体腔内の細管等の断面観察も可能である。
しかしながら、OCTプローブを用いて細管内の観察を行う際、OCTプローブには撮像素子等が設けられていないため、OCTプローブ先端前方がどのような状況になっているか(例えば細管の末端まで近づいているか等)は、術者は把握することができなかった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、プローブの先端が生体組織に接近していることを検知可能なOCTシステムを提供することを目的とするものである。
上記の課題を解決するために、本発明は、先端が閉塞しており、少なくとも先端及び先端近傍において光透過性を有するシースと、シース内に挿通され、シースの先端近傍まで光を導くための光ファイバと、光ファイバに低コヒーレント光を供給する第1の光源と、光ファイバにモニタ光を供給する第2の光源と、光ファイバから射出された低コヒーレント光を光ファイバの光軸に対して略垂直に偏向させると共に、光ファイバから射出されたモニタ光がシース先端側の外部所定位置で焦点を結ぶように構成された光学系と、モニタ光の反射光の強度を検出するモニタ光検出手段と、モニタ光検出手段の検出結果を提示する提示手段と、を備えたOCTシステムを提供する。
この構成によれば、モニタ光が光ファイバから射出され、シースの先端を透過して、シース先端前方の生体組織に照射される。そのモニタ光の反射光の強度から、シース先端(すなわち、プローブ先端)が生体組織に接近していることを検知することができる。
また、本発明においては、光学系は、光ファイバ先端に設けられ光ファイバから射出された発散光を収束させる第1のレンズを含む。若しくは、光学系は、光ファイバ先端に設けられ光ファイバから射出された発散光を収束させる第1のレンズを含み、さらに、第1のレンズの作用によりシース内部で焦点を結んだ後のモニタ光を再び収束させる第2のレンズを含む。なお、第2のレンズはシース内の先端近傍に固定されている。
また、光学系は、低コヒーレント光を偏向させる偏向部材を備え、偏向部材は、モニタ光を透過させるよう構成されている。また、モニタ光検出手段が、光ファイバの基端側に備えられている。
また、本発明における提示手段は、モニタ光検出手段の検出結果を、当該システムのオペレータが視認できるように表示するよう構成されている。
また、具体的には、低コヒーレント光が赤外光であり、モニタ光が可視光である。そして、第2の光源がレーザ光源である。
したがって、本発明によれば、プローブの先端が生体組織に接近していることを検知可能なOCTシステムを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係るOCTシステムの具体的な実施形態について説明する。
図1は、本実施形態のOCTシステム1の全体構成を示すブロック図である。OCTシステム1は、OCTを利用して管腔内の生体組織に関する断層像を取得するためのシステムである。図1に示すようにOCTシステム1は、OCTプローブ100と、メイン装置200と、表示部400と、を有する。なお、図1に示すメイン装置200内においては、電気信号の経路を破線で示す。また、以下の説明においては、光路上、OCTシステムの各光源(202,203)に近づく方向を基端側、該光源から遠ざかる方向を先端側と定義する。
メイン装置200は、コントローラ201、低コヒーレント光源202、レーザ光源203、光カプラC1、光カプラC2、ロータリジョイント204、第1アクチュエータ205、光検出機構300、信号処理回路207、レンズ208、ダハミラー209、第2アクチュエータ210、光ファイバF1〜F7を有する。なお、本実施形態の光ファイバはいずれもシングルモード光ファイバを想定する。
コントローラ201は、メイン装置200全体を統括して制御する。低コヒーレント光源202は、低コヒーレント光を出力することができる光源であって、本実施形態ではSLD(Super Luminescent Diode)を想定する。また、低コヒーレント光は赤外光を想定する。レーザ光源203は、レーザ光を出力することができる光源であって、本実施形態では半導体レーザを想定する。また、レーザ光は、可視光を想定する。
また、OCTプローブ100は、ロータリジョイント204に結合される光ファイバF5および光偏向部110を有する。なお、本実施形態のOCTプローブ100の内部においては、少なくとも光変更部110の周囲に、屈折率差による無用な光量損失を抑えるためのシリコンオイルが充填されている。
OCTシステム1を使用した場合、以下のようにして断層像が取得される。
まず、低コヒーレント光源202から低コヒーレント光が出力される。その低コヒーレント光は、光ファイバF1内を通り、光カプラC1に入射する。また、レーザ光源203から出力されたレーザ光は、光ファイバF2を通って光カプラC1に入射する。光カプラC1は、2対1の3チャネルタイプのものを使用しており、光ファイバF1と光ファイバF2からの光を光ファイバF3に結合させる。光カプラC1は、入射した低コヒーレント光を光ファイバF3に導く。光ファイバF3内を通った低コヒーレント光は光カプラC2に入射する。光カプラC2は、2対2の双方向4チャネルタイプのものを使用する。光カプラC2は、入射した低コヒーレント光を、光ファイバF4を通る光と、光ファイバF6を通る光とに分割する。
光カプラC2で分割されて光ファイバF4を光路上先端側へ進む低コヒーレント光(以降、本明細書中では物体光と称するものとする)は、次いでロータリジョイント204に導かれる。そして、ロータリジョイント204において結合される光ファイバF5に入射する。ロータリジョイント204は、コントローラ201の制御下、第1アクチュエータ205によって回転駆動され、光ファイバF5をその中心軸回りに回転させる。
光ファイバF5内を進む物体光は、光ファイバF5に軸合わせされた状態で接合している光偏向部110に入射する。光偏向部110の構成は後に詳述するが、入射する物体光を直角に偏向する機能を有する。偏向された物体光は、OCTプローブ100の側面から射出され、プローブ外部に存在する管腔内の生体組織Sに照射される。
光偏向部110は、光ファイバF5と共に、OCTプローブ100内部で回転する。従って、光偏向部110で偏向された物体光は、光偏向部110の回転軸に直交する面内において回転走査される。当該面内の生体組織Sからの反射光(以降、本明細書中では、物体反射光と称するものとする)は、入射時の光路と同一の光路を戻り、光カプラC2に導かれる。
光カプラC2で分割されて光ファイバF6を進む低コヒーレント光(以降、本明細書中では、参照光と称するものとする)は、レンズ208を介して、平行光束に変換された後、ダハミラー209で反射される。ダハミラー209からの反射光(以降、本明細書中では、参照反射光と称するものとする)は、光ファイバF6を通って戻り、光カプラC2に導かれる。
ダハミラー209は、コントローラ201の制御下、第2アクチュエータ210によって、レンズ208の光軸に沿って平行移動自在に構成されている。該構成により、光ファイバF6の先端側端面F6aからダハミラー209間の光路長は可変となっている。言い換えれば、光カプラC2からダハミラー209間の光路長が可変となっている。
物体反射光および参照反射光は共に光カプラC2と光ファイバF7を経て光検出機構300に入射する。ここで、ダハミラー209を平行移動させ、光カプラC2からダハミラー209間の光路長と光カプラC2から生体組織Sの表面又は所望の深さ間の光路長に一致させる。これにより、生体組織Sからの物体反射光があれば、二種類の反射光は干渉し、光検出機構300において検出される。
光検出機構300は、図2に示すように、レンズ301と、ダイクロイックミラー302と、光検出器303と、光検出器304とを備える。光ファイバF7から射出される物体反射光及び参照反射光は、レンズ301を経てダイクロイックミラー302に入射する。このダイクロイックミラー302は、低コヒーレント光の波長域の光(赤外光)は透過させ、レーザ光の波長域の光(可視光)は反射させるよう設計されている。よって、低コヒーレント光である物体反射光及び参照反射光は、ダイクロイックミラー302を透過して、光検出器303に入射する。
光検出器303は、二種類の反射光(物体反射光、参照反射光)を受光することにより検出した干渉パターンに対応する信号を信号処理回路207に送信する。信号処理回路207は、受信した該信号に所定の処理を施して、生体組織Sに関する画像信号を生成する。生成された画像信号は、表示部400に出力される。表示部400は、該画像信号に対応する画像を表示する。なお、上述したように、光偏向部110により偏向された物体光は、その回転軸に直交する面内において走査され、生体組織Sに照射される。また、ダハミラー209の平行移動により、生体組織Sの深さ方向(物体光の回転走査の半径方向)の各位置における物体反射光の干渉を検出することができる。よって、生成される画像信号に対応して表示される画像は生体組織Sの断層像として表れる。
以上が、OCTシステム1を使用した断層像の取得に関する構成の概略説明である。OCTシステム1は、さらに、レーザ光源203から出力されるレーザ光を用いて、OCTプローブ100の先端とその先の障害物(生体組織)との接近を検知することができる。以下、当該レーザ光の光路およびその検出機構について説明する。
図1において、レーザ光源203から出力されたレーザ光は、光ファイバF2を通り、光カプラC1に入射する。光カプラC1は、光ファイバF1を通ってきた低コヒーレント光と当該レーザ光とを結合させ、光ファイバF3へ導く。光ファイバF3を通ったレーザ光は光カプラC2に入射する。光カプラC2は、入射したレーザ光を、光ファイバF4を通るレーザ光と、光ファイバF6を通るレーザ光とに分割する。
光ファイバF4を光路上先端側へ進むレーザ光は、ロータリジョイント204において光ファイバF5へ導かれる。光ファイバF5から光偏向部110に入射したレーザ光は、後述するように、直進し、OCTプローブ100の先端から射出される。OCTプローブ100先端に生体組織が存在する場合には、反射・散乱し、反射・散乱後の一部の光が同一の光路を戻り、光カプラC2に導かれる。なお、この反射光を、反射レーザ光と称するものとする。
反射レーザ光は、光カプラC2、光ファイバF7を経て光検出機構300に入射する。光検出機構300においては、反射レーザ光は、レンズ301を通過後、ダイクロイックミラー302により、直角に偏向されて、光検出器304に入射する(図2)。すなわち、光検出機構300は、低コヒーレント光である物体反射光及び参照反射光を光検出器303に入射させ、レーザ光である反射レーザ光を光検出器304に入射させることで、それぞれの反射光を分離して検出する機能を有する。
光検出器304は、フォトディテクタ(PD)を備え、受光した反射レーザ光の強度に対応する信号を信号処理回路207に送信する。
次に、本実施形態のOCTプローブ100の構成について詳述する。図3は、OCTプローブ100の先端付近を示す図である。
図3に示すように、OCTプローブ100は、シース120内に、光ファイバF5、光偏向部110を有する。光偏向部110は、基端側から順に、コアレスガラス111、GRINレンズ112、直角プリズム113をそれぞれ接合した部材である。シース120は、先端が閉塞された、可撓性を有するチューブ管状の部材である。また、シース120は、光透過性を有している。なお、説明の便宜上、光ファイバF5の中心軸に沿う方向をZ軸方向とした直交座標系を定義する。
光ファイバF5から射出された物体光は、コアレスガラス111を透過する間に幾分拡散した後、GRINレンズ112に入射する。GRINレンズ112は、光を集光させるパワー(正のパワー)を有するレンズであり、物体光を収束させつつ射出する。その後、物体光は直角プリズム113に入射する。直角プリズム113の偏向面113aは、低コヒーレント光の波長域の光(赤外光)は反射させ、レーザ光の波長域の光(可視光)は透過させるようコーティングが施されている。物体光は偏向面113aにおいて直角に偏向される。直角プリズム113から射出された物体光は、シース120の側壁を透過後、光路上の所定の位置Pで焦点を結ぶ。また、物体光は、光ファイバF5と共に回転する直角プリズム113(Z軸まわりに回転)により、XY面内で回転走査される。
光ファイバF5から射出されたレーザ光は、コアレスガラス111、GRINレンズ112を経て直角プリズム113に入射する。レーザ光は、直角プリズム113の偏向面113aを透過して直進し、さらにシース120の先端部120aをも透過する。そして、レーザ光の光軸上の所定位置Qにおいて焦点を結ぶ。なお、本明細書においては、先端部120aの外面とレーザ光の光軸とが交わる点からZ軸方向に進む距離を、OCTプローブ100先端からの距離Lと定義し、焦点位置Qまでの距離はL1とする。
図4は、OCTプローブ100先端からの距離Lと反射レーザ光の強度の関係を示す図である。縦軸は反射レーザ光の強度I、横軸はOCTプローブ100先端からの距離Lをそれぞれ示す。
OCTプローブ100の使用時、体腔内において該プローブの挿入を進行させると、OCTプローブ100の先に生体組織があれば、その先端部120aは次第に生体組織に近づく。すなわち、OCTプローブ100の進行と共に距離Lは小さくなる。例えば、距離L2(>>L1)では、強度Iは非常に低い(I≒0)が、距離LがL2からL1に近づくにつれて、強度Iは増加する。距離LがL1になった時(すなわち、焦点位置Qが生体組織に達した時)、その反射レーザ光の強度Iは最大となる。さらにOCTプローブ100を挿入し、距離LがL1未満となると再び強度Iは減少する。なお、距離L1は例えば1cm程度である。
本実施形態では、反射レーザ光の強度Iを示す値が表示部400に表示される。すなわち、信号処理回路207(図1)において強度Iに対応する信号に所定の処理が施され、表示部400において、断面像とは別にインジケータを用いて強度Iを示す値が表示される。術者は、表示部400のインジケータを見ながら、OCTプローブ100を進行させる。OCTプローブ100を進行させたときに、強度Iを示す値が増加せず、逆に減少する場合は、生体組織が距離L1よりも近づいているということを意味する。すなわち、OCTプローブ100の先端が生体組織からほぼL1の距離にあるということを示している。
したがって、本発明のOCTシステム1によれば、レーザ光が光ファイバF5から射出され、シース120の先端部120aを透過して、OCTプローブ100先端前方の生体組織に照射されるが、そのレーザ光の反射光を検出することにより、生体組織に接近していることを検知することができる。よって、体腔内におけるOCTプローブの無理な挿通を避けることができ、また観察対象やプローブ自体の損傷を未然に防止することができる。
なお、上述のOCTシステム1では、光検出機構300において(図2)、低コヒーレント光の反射光(物体反射光及び参照反射光)と反射レーザ光とを分離するためにダイクロイックミラー302を用いる構成としたが、光サーキュレータを用いて、それらの光を分離する構成としてもよい。
また、強度Iを示す値の履歴を蓄積するメモリ等を信号処理回路207内に設け、蓄積された値のうちの最大値Imaxを示す値を、現在検出中の強度Iを示す値と共に表示部400に表示させてもよい。すなわち、術者は、OCTプローブ100の挿入中に、現在の強度Iと最大値Imaxとを比較し、現在の強度Iが最大値Imaxよりも低くなった場合には(または、現在の強度Iが最大値Imaxを更新しなくなった場合には)、OCTプローブ100と生体組織との距離がL1未満になっている(接近している)と判断することができる。
上記構成では、強度Iや最大値Imaxを示す値を表示部400に表示させるものとした。しかしながら、それらの値を術者に認識させるための構成は、表示部400による表示に限定されるものではない。例えば、OCTシステム1は、現在の強度Iが最大値Imaxよりも低くなったことを音声で通知するような構成としてもよい。術者は、音声により、OCTプローブ100が生体組織に接近していることを知ることができる。よって、体腔内におけるOCTプローブの無理な挿通を避けることができ、また観察対象やプローブ自体の損傷を未然に防止することができる。
図5は、本発明における他の実施形態のOCTプローブ1100を示す図である。図5において、図3に示すOCTプローブ100と同一の部材には同一の符号を付してその説明を省略する。
OCTプローブ1100は、シース120内において、光偏向部110と先端部120aとの間に、レンズ121とレンズ保持部材122とを備えている。レンズ保持部材122は、シース120の内壁に形成されており、レンズ121を保持するための部材である。
直角プリズム113から射出したレーザ光は、位置Q’において焦点を結んだのち、レンズ121に入射し、その後、シース120の先端部120aを透過して、OCTプローブ1100から距離L3の焦点位置Q”において再び焦点を結ぶ。OCTプローブ1100においては、焦点位置Q”に生体組織がある場合に反射レーザ光の強度が最大となるので、OCTプローブ1100と生体組織との接近を検知することができる。
OCTプローブ1100によれば、直角プリズム113から射出されるレーザ光の焦点位置(Q’)がシース120内となる場合においても、レンズ121を用いることによって、シース120外部にレーザ光を収束させることができる。また、レンズ121の位置およびそのパワーの設定次第で、焦点位置Q”を光軸上のどの位置にするかを決定することができる。
また、OCTプローブ100および1100においては、光偏向部110が物体光を直角に偏向するものとして説明した。しかしながら、光偏向部110における偏向角度は、必ずしも90度(光ファイバF5から出射される物体光の光軸に対して)に限定されるものではない。偏向角度の許容範囲は、僅かな誤差程度の範囲のみならず、例えば、90度から最大約15度程度傾斜させた範囲(すなわち、偏向角度75度〜105度程度)である。なお、偏向角度を90度から幾らか傾斜させることで、シース120により反射される物体光の不要な反射光が光ファイバF5に入射することを防止することができる(物体反射光は物体光と同じ経路で戻る)。当該不要な反射光の防止を考慮した場合の好適な偏向角度の傾斜の範囲は、約5度〜15度である。
本発明の実施形態のOCTシステムの全体構成図である。 光検出機構の構成を示す図である。 本発明の実施形態のOCTプローブを示す図である。 反射レーザ光の強度と反射位置との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態のOCTプローブを示す図である。
符号の説明
1 OCTシステム
100,1100 OCTプローブ
110 光偏向部
113 直角プリズム
120 シース
121 レンズ
122 レンズ保持部材
200 メイン装置
201 コントローラ
202 低コヒーレント光源
203 レーザ光源
204 ロータリジョイント
205 第1アクチュエータ
209 ダハミラー
210 第2アクチュエータ
300 光検出機構
302 ダイクロイックミラー
303,304 光検出器
F1〜F7 光ファイバ

Claims (9)

  1. 先端が閉塞しており、少なくとも先端及び先端近傍において光透過性を有するシースと、
    前記シース内に挿通され、前記シースの先端近傍まで光を導くための光ファイバと、
    前記光ファイバに低コヒーレント光を供給する第1の光源と、
    前記光ファイバにモニタ光を供給する第2の光源と、
    前記光ファイバから射出された前記低コヒーレント光を前記光ファイバの光軸に対して略垂直に偏向させると共に、前記光ファイバから射出された前記モニタ光がシース先端側の外部所定位置で焦点を結ぶように構成された光学系と、
    前記モニタ光の反射光の強度を検出するモニタ光検出手段と、
    前記モニタ光検出手段の検出結果を提示する提示手段と、
    を備えたことを特徴とするOCTシステム。
  2. 前記光学系は、前記光ファイバ先端に設けられ前記光ファイバから射出された発散光を収束させる第1のレンズを含むことを特徴とする請求項1に記載のOCTシステム。
  3. 前記光学系は、前記光ファイバ先端に設けられ前記光ファイバから射出された発散光を収束させる第1のレンズを含み、さらに、前記第1のレンズの作用により前記シース内部で焦点を結んだ後の前記モニタ光を再び収束させる第2のレンズを含むことを特徴とする請求項1に記載のOCTシステム。
  4. 前記第2のレンズが前記シース内の先端近傍に固定されていることを特徴とする請求項3に記載のOCTシステム。
  5. 前記光学系は、前記低コヒーレント光を偏向させる偏向部材を備え、
    前記偏向部材は、前記モニタ光を透過させるよう構成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のOCTシステム。
  6. 前記モニタ光検出手段が、前記光ファイバの基端側に備えられていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のOCTシステム。
  7. 前記提示手段は、前記検出結果を、当該システムのオペレータが視認できるように表示することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載のOCTシステム。
  8. 前記低コヒーレント光が赤外光であり、前記モニタ光が可視光であることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載のOCTシステム。
  9. 前記第2の光源がレーザ光源であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載のOCTシステム。
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