JP2010104427A - 医療機器 - Google Patents

Abstract

【課題】内視鏡システム１０の挿入部１２の３次元形状を高速で測定することができる医療機器１を提供する。
【解決手段】被検者１１に挿入する挿入部１２に配設される、複数のファイバブラッググレーティングセンサ部３が形成された３本以上の光ファイバセンサ２と、光ファイバセンサ２に広帯域光を供給する光源６と、干渉光を形成するための反射器５と、光源６から供給される広帯域光を、同時に、３本以上の光ファイバセンサ２と反射器５とに導光するカプラ７と、光ファイバセンサ２からの反射光と反射器５からの反射光とから干渉光を生成するカプラ７と、カプラ７からの干渉光を検出する検出部８と、検出部８の検出結果に基づき、挿入部１２の形状を算出する算出部９Ａと、を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、光ファイバブラッググレーティングセンサ部が作成された光ファイバセンサを有する被検体に挿入する挿入体の形状を測定する医療機器に関し、特に３本以上の光ファイバセンサを有し、挿入体の３次元形状を測定する医療機器に関する。

光ファイバブラッググレーティング (Fiber Bragg Grating：以下、「ＦＢＧ」という。)センサは、光ファイバのコア部に屈折率が変化するグレーティング部を作成したものであり、入射光に対してグレーティング部で所定波長の光を反射する。この特定の波長を、ブラッグ（Bragg）波長という。そして、ＦＢＧセンサは、グレーティング部の長手方向に伸び縮みがあるとブラッグ波長が変化するという特性を有している。このため、ＦＢＧセンサは、温度計測、または歪計測等に利用されている。

同じブラッグ波長を有する複数のＦＢＧセンサ部を１本の光ファイバに作成した光ファイバセンサに光周波数領域リフレクトメトリ多重（ＯＦＤＲ： Optical Frequency Domain Reflectometry）方式を適用し、全反射終端である反射器からの反射光と光ファイバセンサからの反射光とを干渉させることにより、それぞれのＦＢＧセンサ部がどの程度変形したか、言い換えれば、どの程度の歪みを生じたかを検出することができる。このため、ＯＦＤＲ方式を用いたファイバセンサは、例えば、細長い被測定体の歪み測定センサとして利用されている。

さらに、特表２００３−５１５１０４号公報および特開２００４−２５１７７９号公報には、３次元形状を測定する光ファイバセンサを用いた形状測定装置が開示されている。３次元形状を計測する形状測定装置の場合には、それぞれの測定箇所の３次元方向の変形を測定するためにはそれぞれの測定箇所に最低３個のＦＢＧセンサ部を配設する必要があり、３本以上の光ファイバセンサが用いられている。そして、光スイッチ等により計測する光ファイバセンサを順に切り替えることで３本以上の光ファイバセンサの計測を行っていた。
特表２００３−５１５１０４号公報 特開２００４−２５１７７９号公報

３本以上の光ファイバセンサを、光スイッチ等により計測する光ファイバセンサを順に切り替える方式の場合、少なくとも波長可変型光源の走査を光ファイバセンサの本数分だけ行う必要がある。このため、全てのＦＢＧセンサ部の反射光を高速で検出することが難しくなることがあった。

本発明の医療機器は、挿入体の３次元形状を高速で測定することができる。

上記目的を達成すべく、本発明の医療機器は、被検体に挿入する挿入体に配設される、複数のファイバブラッググレーティングセンサ部が形成された３本以上の光ファイバセンサと、と、前記光ファイバセンサに広帯域光を供給する光源と、干渉光を形成するための反射手段と、前記光源から供給される広帯域光を、同時に、３本以上の前記光ファイバセンサと前記反射手段とに導光する光分割手段と、前記光ファイバセンサからの反射光と前記反射手段からの反射光とから干渉光を生成する干渉手段と、前記干渉手段からの干渉光を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づき、前記挿入体の形状を算出する形状算出部と、を有する。

本発明は、挿入体の３次元形状を高速で測定することができる医療機器を提供するものである。

＜第１の実施の形態＞
以下、図面を参照して本発明の第１の実施の形態の医療機器１について説明する。
図１は、本実施の形態の医療機器を使用している状態を説明するための説明図であり、図２は、本実施の形態の医療機器の説明図であり、図３は本実施の形態の医療機器の光ファイバセンサの構成を示す構成図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線の断面図である。図４は本実施の形態の医療機器の構成図であり、図５および図６は本実施の形態の医療機器のＦＢＧセンサ部の構造を説明するための構造図である。

図１に示した第１の実施の形態の医療機器１は、内視鏡システム１０の内視鏡の挿入部１２の形状を測定するためのものである。内視鏡システム１０は、被検者１１の内部に挿入し観察または処置を行う医療器具である細長い挿入体である内視鏡の挿入部１２と、挿入部１２を操作するための操作部１３と、内視鏡システム１０全体の制御および画像処理等を行う本体部１５と、内視鏡画像等を表示するモニタ１４とを有している。医療機器１の光ファイバセンサ２は、挿入部１２の内部を挿通するチャンネルの操作部１３側の開口である処置具孔から、チャンネル１２Ａ（不図示）内に挿通され挿入部１２と同じ形状に変形するように配設されている。医療機器１の表示手段は内視鏡システム１０のモニタ１４が兼用しており、内視鏡画像と同じ画面上に、光ファイバセンサ２の形状、すなわち、挿入部１２の形状を表示できる。なお、光ファイバセンサ２はチャンネル１２Ａに挿入するのではなく、挿入部１２に組み込まれていてもよい。

図２および図３に示すように、医療機器１は、光ファイバセンサ２と、本体部１５内に配設された波長を連続的に変化させた広帯域光を出射する光源６と、光源６から出射した光を光ファイバセンサ２と、反射手段である反射器５とへ供給するため分割する光分割手段であり、かつ、反射器５から反射した光と光ファイバセンサ２のＦＢＧセンサ部３が反射した光を干渉させる干渉手段でもある光学部品であるカプラ７とを有している。すなわち、光分割手段と前記干渉手段とが、ひとつの光学部品であるカプラ７により構成されている
また、医療機器１は、カプラ７により干渉光を電気信号に変換し検出する検出手段である検出部８と、検出部８が検出した信号から各ＦＢＧセンサ部３の波長シフト量（ＦＢＧセンサ部３が存在する部分の変形がないときの波長と、変形があったときの波長との差）を算出し、算出した波長シフト量からＦＢＧセンサ部３の変形量を求め、各ＦＢＧセンサ部３の変形量から光ファイバセンサ２の形状を算出する算出手段である算出部９Ａと、医療機器１全体の制御する制御部９Ｂとを有している。

そして、図３に示すように、光ファイバセンサ２は、３本の光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃが、金属ワイヤ２Ｍの周囲に樹脂２Ｐを介して束ねられたファイバアレイであり、可撓性を有している。そして、図２に示すように、ぞれぞれの光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃには、軸方向の同位置に、それぞれＦＢＧセンサ部３が作成されている。すなわち、光ファイバセンサ２では、３個のＦＢＧセンサ部３が同位置にあるため、その３個のＦＢＧセンサ部３の配設されている挿入部１２の部分の３軸方向の変位を計測することができる。

そして、図４および図５に示すように、本実施の形態の医療機器１の光ファイバセンサ２は、３本の光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの端部が折り返し部４Ａ１および４Ａ２を介して、互いに接続され、見かけ上１本の長い光ファイバセンサを構成している。光速度は極めて高速であるため、医療機器１においては、光源６からの光は３本の光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃに同時に導光され、かつ、３本の光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃからの反射光は検出部８に同時に導光される。

最初に、図６を用いてＦＢＧセンサの動作原理について説明する。図６に示すように、ＦＢＧセンサ部３は、光ファイバ４の所定の長さ（例えば５ｍｍ）にわたってコア部４Ａの屈折率が周期的に変化している回折格子（グレーティング）である。ゲルマニウムをドープしたコア部４Ａにマスクを介して紫外線を照射することでフォトリフラクティブ効果によりわずかに屈折率が増加する。これを利用して軸方向に周期的に屈折率の高い部分（格子）を形成させたものがＦＢＧセンサ部３である。なお、図６等における、グレーティングの本数およびコア部軸方向に対するグレーティング幅は、構造を理解しやすいように実際のＦＢＧセンサ部とは異なっている。

そして、図７に示すように、ＦＢＧセンサ部３は、回折格子の間隔ｄ、言い換えれば、周期に応じて、入射光のうち、以下の式）で示す所定波長であるブラッグ波長λＢの光のみを反射する。
λＢ＝２×ｎ×ｄ
ここで、ｎはコア部４Ａの屈折率である。

例えば、コア部４Ａの屈折率ｎが１．４５、ブラッグ波長λＢが１５５０ｎｍの場合には、回折格子の間隔ｄは０．５３μｍ程度になる。

図７は、ＦＢＧセンサ部の作用を説明するための説明図であり、図７（Ａ）は入射光の波長λに対する光の強度を示した図であり、入射光は所定の波長の幅、すなわち、帯域を有する。そして、図７（Ｂ）はＦＢＧセンサ部３により反射された反射光の波長λに対する光の強度を示した図であり、反射光はブラッグ波長λＢの光である。図７（Ｃ）はＦＢＧセンサ部３を通過した入射光の波長λに対する光の強度を示した図であり、透過光にはＦＢＧセンサ部３で反射したブラッグ波長λＢ成分が含まれていない。

そして、上記の式から明らかなように、ＦＢＧセンサ部３が伸びると、回折格子の間隔ｄも大きくなるため、ブラッグ波長λＢは長波長側に移動する。逆に、ＦＢＧセンサ部３が縮むと、回折格子の間隔ｄも小さくなるため、ブラッグ波長λＢは短波長側に移動する。このため、ＦＢＧセンサ部３は、温度、または外力を検出するセンサとして用いることができ、本実施の形態では、光ファイバセンサ２のたわみ量、すなわち、軸方向への曲がり変形量を検出する。

次に、光周波数領域リフレクトメトリ多重（ＯＦＤＲ）方式による、接続された３本の光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃの検出方法について説明する。最初に、図５を用いて各ＦＢＧセンサ部３の配置について説明する。図５に示すように光ファイバセンサ２Ａに作成されたｎ個のＦＢＧセンサ部３Ａ１を、カプラ７側から、３Ａ１１、３Ａ１２、、、３Ａ１ｎとし、光源６からＦＢＧセンサ部３Ａ１までの距離と光源６から反射器５までの距離の差を、Ｌ１１、Ｌ１２、、、Ｌ１ｎとする。

そして、光ファイバセンサ２Ａと、長さＬＫ１の折り返し部４Ａ１により接続された光ファイバセンサ２Ｂのｎ個のＦＢＧセンサ部３Ａ２を、カプラ７側から、３Ａ２１、３Ａ２２、、、３Ａ２ｎとすると、光源６からＦＢＧセンサ部３Ａ２までの距離と光源６から反射器５までの距離との差、Ｌ２１、Ｌ２２、、、Ｌ２ｎは、以下のように算出される。

Ｌ２１＝ＬＫ＋ＬＫ１＋ＬＫ−Ｌ１１
Ｌ２２＝ＬＫ＋ＬＫ１＋ＬＫ―Ｌ１２
…
Ｌ２ｎ＝ＬＫ＋ＬＫ１＋ＬＫ―Ｌ１ｎ
なお、ＬＫは光源６から光ファイバセンサ２Ａの終端までの距離と光源６から反射器５までの距離との差である。

さらに、光ファイバセンサ２Ｂと、長さＬＫ２の折り返し部４Ａ２により接続された光ファイバセンサ２Ｃのｎ個のＦＢＧセンサ部３Ａ３を、カプラ７側から、３Ａ３１、３Ａ３２、、、３Ａ３ｎとすると、光源６からＦＢＧセンサ部３Ａ３までの距離と光源６から反射器５までの距離との差、Ｌ３１、Ｌ３２、、、Ｌ３ｎは、以下のように算出される。

Ｌ３１＝ＬＫ＋ＬＫ１＋ＬＫ＋ＬＫ２＋Ｌ１１
Ｌ３２＝ＬＫ＋ＬＫ１＋ＬＫ＋ＬＫ２＋Ｌ１２
…
Ｌ３ｎ＝ＬＫ＋ＬＫ１＋ＬＫ＋ＬＫ２＋Ｌ１ｎ
以上のように、本実施の形態の光ファイバセンサ２では、３ｎ個のそれぞれのＦＢＧセンサ部３からカプラ７までの距離と、カプラ７から反射器５までの距離との距離差が互いに異なり、かつ、距離差は既知である。

ここで、図８は、光周波数領域リフレクトメトリ多重方式のＦＢＧセンサ部における変位検出を説明するための図である。すでに説明したように、ＦＢＧセンサ部３の反射光は、特定波長であるブラッグ波長λＢの光のみを強く反射するため、光源６の光波数ｋとその反射光強度Ｒ_ＦＢＧの関係は、図８（Ａ）に示す形となる。また、ピークを示す光波数ｋは、ＦＢＧセンサ部３のひずみの大きさに依存して変化する。ここで、光波数ｋと波長λは以下の関係を有する。
ｋ＝２π／λ
そして、ＦＢＧセンサ部３の反射光と反射器５からの反射光とは、光路差２πＬｉ（ｉ＝１、２、、、ｎ）を有する。光路差を有する２つの反射光は干渉を起こし、干渉光強度の直流成分を除いた変動成分は、光波数ｋに依存して、図８（Ｂ）に示す形であり、以下のように表される。
Ｄ_ＩＴＦ＝Ａｃｏｓ（２ｎＬｉｋ）
ここで、ｎは光ファイバの屈折率を表す。前述した２つの作用により、検出部８で検出される光強度Ｄ_ＤＴＣは、図８（Ｃ）に示すように、光波数ｋに対してある周期とピークを持った形で変化する。つまり、次式のような形で表される。
Ｄ_ＤＴＣ＝Ｒ_ＦＢＧ（ｋ）ｃｏｓ（２ｎＬｉｋ）
ここで、Ｒ_ＦＢＧ（ｋ）はＦＢＧセンサ部３の反射特性を表す光波数(波長)の関数である。この検出部８で検出される信号の周期から光路差Ｌｉ、つまりＦＢＧセンサ部３の位置を、また、ピークを示す光波数ｋから変形量を計測することが可能となる。実際には検出部８で検出された信号を周波数解析し、変形が発生しないときの周波数解析の結果と比較することによりＦＢＧセンサ部３の位置と変形量とを周波数差から算出する。ＦＢＧセンサ部３全体としては、光路差Ｌｉ、つまり周期が異なる波形の和として光強度が観測されることとなる。

すでに説明したように、医療機器１では、３ｎ個のそれぞれのＦＢＧセンサ部３のカプラ７までの距離と、カプラ７から反射器５までの距離との距離差が互いに異なり、かつ、距離差は既知である。このため、３ｎ個のそれぞれのＦＢＧセンサ部３の変形量を計測することができる。

次に、図９および図１０を用いて、光ファイバセンサ２の３次元形状の算出方法について説明する。図９に示すように、各光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃに形成されたＦＢＧセンサ部３は、軸方向に対して等間隔に形成され、３つの光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃの、３つのＦＢＧセンサ部３が軸方向に対して同位置に存在する状態で前記挿入体に配設されている。

医療機器１では、例えば、光ファイバセンサ２の先端（終端）に最も近接した位置に形成された３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｎ、３Ａ２_ｎ、３Ａ３_ｎの中心位置を基準の原点としたＸＹＺ_ｎ座標系を設定し、ＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｎ、３Ａ２_ｎ、３Ａ３_ｎの変形量から隣の３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｎ−１、３Ａ２_ｎ−１、３Ａ３_ｎ−１の中心位置（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ、ｚ_ｎ）と向き（ｖｘ_ｎ、ｖｙ_ｎ、ｖｚ_ｎ）とを算出部９Ａが算出する。

算出部９Ａは、さらに、算出された中心位置と向きとから３つのＦＢＧセンサ部３３Ａ１_ｎ−１、３Ａ２_ｎ−１、３Ａ３_ｎ−１の中心位置を基準の原点とした座標系ＸＹＺ_ｎ−１への変換マトリックスＴを、以下の（式１）を用いて算出する。

（式１）

ただし、ｒ_ｉｊ（ｉ＝１、２、３ ： ｊ＝１、２、３）は座標系ＸＹＺ_ｎから座標系ＸＹＺ_ｎ−１への回転（座標系ＸＹＺ_ｎのZ軸と向き（ｖｘ_ｎ、ｖｙ_ｎ、ｖｚ_ｎ）から回転行列を算出）、ｔｘ、ｔｙ、ｔｚは平行移動（位置（ｘ_ｎ、ｙ_ｎ、ｚ_ｎ）と同じ）を表す。

同様に、設定された座標系ＸＹＺ_ｎ−１の隣に存在する３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｎ−２、３Ａ２_ｎ−２、３Ａ３_ｎ−２の中心位置（ｘ_ｎ−１、ｙ_ｎ−１、ｚ_ｎ−１）と向き（ｖｘ_ｎ−１、ｖｙ_ｎ−１、ｖｚ_ｎ−１）とを算出部９Ａが算出し、変換マトリックスＴを算出する。算出部９Ａは同様の処理を繰り返し、最終的には、カプラ７に最も近接した３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_１、３Ａ２_１、３Ａ３_１の中心位置（ｘ_２、ｙ_２、ｚ_２）と向き（ｖｘ_２、ｖｙ_２、ｖｚ_２）と変換マトリックスＴを求める。

そして、算出部９Ａは変換マトリックスを用いて、各３つのＦＢＧセンサ部３の中心位置を、座標系ＸＹＺ_ｎに変換する。例えば、３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｉ、３Ａ２_ｉ、３Ａ３_ｉの中心位置を基準とした座標系で３つのＦＢＧセンサ部３Ａ１_ｉ−１、３Ａ２_ｉ−１、３Ａ３_ｉ−１の中心位置（ｘ_ｉ−１、ｙ_ｉ−１、ｚ_ｉ−１）と向き（ｖｘ_ｉ−１、ｖｙ_ｉ−１、ｖｚ_ｉ−１）が算出された場合、ＸＹＺ_ｎ座標系での位置は以下の（式２）により算出される。

（式２）

算出部９Ａは同様に全ての位置の３つのＦＢＧセンサ部３の中心位置をＸＹＺ_ｎ座標系に変換し、変換された座標を接続することにより光ファイバセンサ２の３次元形状、すなわち、光ファイバセンサ２が配設された挿入部１２の３次元形状を算出し、モニタ１４に表示する。術者はモニタ１４に表示された内視鏡画像と同じ画面上に表示された挿入部１２の形状を確認しながら処置を行うことができる。

そして、医療機器１においては光源６から供給された広帯域光は、同時に、光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃに導光され、かつ、光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃからの反射光は検出部８に同時に導光される。すなわち、光スイッチによる切り替え動作等の可動部動作がなく、かつ波長可変型光源の走査を光ファイバセンサの本数分だけ行う必要もない。このため、医療機器１は挿入部１２の３次元形状を高速で測定することができる。

なお、光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃの端部を互いに接続するための折り返し部４Ａ１、４Ａ２としては図４に示した形態だけでなく、図１１に示した形態の折り返し部４Ａ３、４Ａ４であってもよい。また、光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃを折り返し部により接続し、機能上は１本の光ファイバセンサ２とするだけでなく、１本の光ファイバセンサ２を折り返し部で曲げて、機能上、３本の光ファイバセンサとして使用してもよい。

なお、光ファイバセンサ２の挿入部１２への配設は、挿入部１２の形状と光ファイバセンサ２の形状とが実用上問題のない程度に一致すれば、緩やかな固定であっても差し支えない。例えば、前述のようにチャンネルに挿通することで緩やかに固定しても良いし、挿入部１２に予め組み込んでおいても良い。

また、本実施の形態の形状測定装置１では、挿入部１２の３次元形状を測定するために、３本の光ファイバセンサを用いているが、３本以上であればよい。例えば、測定精度向上のため４本の光ファイバセンサを用いてもよい。さらに、より長い範囲を測定するために、例えば、３の倍数の本数の光ファイバセンサを用いてもよい。すなわち、３本１組の光ファイバセンサを複数組用いＦＢＧセンサ部３が形成されている領域をずらして挿入部１２長手方向に配設してもよい。

さらに、本実施の形態の形状測定装置１では、波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）方式の光ファイバセンサを用いることも可能である。

＜第２の実施の形態＞
以下、図面を参照して本発明の第２の実施の形態の医療機器１Ｂについて説明する。医療機器１Ｂの構成および動作は、第１の実施の形態の医療機器１と類似しているため、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
図１２は、本発明の第２の実施の形態の医療機器の構成を示す構成図であり、図１３は、本発明の第２の実施の形態の医療機器の光源の出射光の帯域を示す図である。

図１２に示すように、医療機器１Ｂの光ファイバセンサ２Ｄは、図３に示した医療機器１の光ファイバセンサ２と同様に、同じ位置にＦＢＧセンサ部３が作成された３本の光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇから構成されている。しかし、光ファイバセンサ２Ｄでは、それぞれの光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇに形成されたＦＢＧセンサ部３Ａ１、３Ａ２、３Ａ３の変形が発生していない場合の反射波長が互いに異なる。すなわち、光ファイバセンサ２Ｅに形成されたＦＢＧセンサ部３Ａ１の反射波長をλ１とすると、光ファイバセンサ２Ｆに形成されたＦＢＧセンサ部３Ａ２の反射波長はλ２、光ファイバセンサ２Ｇに形成されたＦＢＧセンサ部３Ａ３の反射波長はλ３である。そして、３本の光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇの端部は接続されていない。すなわち、光ファイバセンサ２Ｄは、３本以上の光ファイバセンサが、それぞれ互いに異なる反射波長のＦＢＧセンサ部形成されたものである。

また、図１３に示すように、医療機器１Ｂの光源６Ｂの出射光の帯域は、ＦＢＧセンサ部３Ａ１の変形が発生していない場合の反射波長λ１を中心とし、ＦＢＧセンサ部３Ａ１の変位により変化する波長範囲Δλ１の範囲と、ＦＢＧセンサ部３Ａ２の変形が発生していない場合の反射波長λ２を中心とし、ＦＢＧセンサ部３Ａ２の変位により変化する波長範囲Δλ２の範囲と、ＦＢＧセンサ部３Ａ３の変形が発生していない場合の反射波長λ３を中心とし、ＦＢＧセンサ部３Ａ３の変位により変化する波長範囲Δλ３の範囲とを包含する広帯域である。すなわち、光源６Ｂは光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇの変形により変位する波長範囲を全て含む広帯域光を供給する光源である。なお、図１３に示すように、ＦＢＧセンサ部３Ａ１、３Ａ２、３Ａ３のそれぞれの反射光の変化する範囲、Δλ１、Δλ２、Δλ３、は互いに重複しないように設定されている。

そして、図１２に示すように、医療機器１Ｂは、３本の光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇに対応した、それぞれの干渉光を形成するための３個以上のそれぞれの反射手段である反射器５Ａ、反射器５Ｂ、反射器５Ｃを有している。また、医療機器１Ｂは、光源６Ｂからの光を分割し、３本の光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇと３個の反射器５Ａ、５Ｂ、５Ｃとに同時に導光する光分割手段であるカプラ７Ｄを有している。なお、カプラ７Ｄにより分割された光は、さらに、カプラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃにより、光ファイバセンサと反射器とに導光するため分割される。そして、医療機器１Ｂは、３本の光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇからの反射光と、３個の反射器５Ａ、５Ｂ、５Ｃからの反射光とから、それぞれの干渉光を生成する３個のそれぞれの干渉手段であるカプラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃと、カプラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃからの干渉光を同時に検出する検出手段である検出部８に導光するカプラ７Ｅとを有する。そして、それぞれの光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２ＧのＦＢＧセンサ部３からそれぞれのカプラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃまでの距離と、それぞれの反射器５Ａ、５Ｂ、５Ｃからそれぞれのカプラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃまでの距離との距離差が互いに異なる。

このため、医療機器１Ｂでは、光源６Ｂが１回の波長可変走査を行うだけで、算出部９Ａは全てのＦＢＧセンサ部３の変形量（歪量）を算出し、光ファイバセンサ２Ｄの３次元形状、すなわち、光ファイバセンサ２が配設された挿入部１２の３次元形状を算出することができる。算出部９Ａは、それぞれの光ファイバセンサ２Ｅ、２Ｆ、２Ｇに関する処理を同時に行っても良いし、図示しないメモリ等を用いて、順に時系列的に行ってもよい。

以上のように、医療機器１Ｂにおいては光源６Ｂからの光は、同時に３本の光ファイバセンサ２Ｅ〜２Ｇに導光され、かつ、３本の光ファイバセンサ２Ｅ〜２Ｇからの反射光は、同時に検出部８に導光される。すなわち、光スイッチによる切り替え動作がなく、かつ波長可変型光源の走査を光ファイバセンサの本数分だけ行う必要もない。このため、医療機器１Ｂは挿入部１２の３次元形状を高速で測定することができる。

なお、本実施の形態の医療機器１Ｂでは、図１２に示した３つのカプラ７Ａ、カプラ７Ｂ、カプラ７Ｃのそれぞれに検出部８Ａ、８Ｂ、８Ｃを接続し、それぞれの検出部８Ａ、８Ｂ、８Ｃが検出した電気信号を算出部９Ａに送り、形状測定を行う構成としてもよい。

＜第３の実施の形態＞
以下、図面を参照して本発明の第３の実施の形態の医療機器１Ｃについて説明する。医療機器１Ｃの構成および動作は、第１の実施の形態の医療機器１と類似しているため、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
図１４は、本発明の第３の実施の形態の医療機器の構成を示す構成図である。

図１４に示す医療機器１Ｃの光ファイバセンサ２Ｈは、医療機器１と同様に同一のブラッグ波長λＢのＦＢＧセンサ部３が、間隔ｓで、ｎ個形成された光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃから構成されている。そして、医療機器１Ｃにおいては、光ファイバセンサ２Ｂのカプラ７Ｂ側に、光路延長部４Ｂ２が、光ファイバセンサ２Ｃのカプラ７Ｃ側に、光路延長部４Ｂ３が、配設されている。すなわち、医療機器１Ｃでは、２本の光ファイバセンサ２Ｂ、２Ｃが、干渉手段であるカプラ７Ｂ、７Ｃに最も近接したＦＢＧセンサ部３Ａ２１、３Ａ３１からカプラ７Ｂ、７Ｃまでの間に、光路延長手段である光路延長部４Ｂ２、４Ｂ３を有する。

ここで、光路延長部４Ｂ２は、ＦＢＧセンサ部３の間隔ｓの１／３の長さであり、光路延長部４Ｂ３は、ＦＢＧセンサ部３の間隔ｓの２／３の長さである。

医療機器１Ｃにおいては、光ファイバセンサ２Ａに形成されたＦＢＧセンサ部３Ａ１と、光ファイバセンサ２Ｂに形成されたＦＢＧセンサ部３Ａ２と、光ファイバセンサ２Ｃに形成されたＦＢＧセンサ部３Ａ３とが、光ファイバセンサ２の軸方向の位置は同じだが、反射器５Ａ、５Ｂ、５Ｃとの距離差が全て異なる。すなわち、それぞれのＦＢＧセンサ部３からそれぞれのカプラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃまでの距離と、それぞれの反射器５Ａ、５Ｂ、５Ｃからそれぞれのカプラ７Ａ、７Ｂ、７Ｃまでの距離との距離差が互いに異なる。

例えば、ＦＢＧセンサ部３Ａ１１の反射器５Ａとの距離差をＬ１１とすると、ＦＢＧセンサ部３Ａ２１の反射器５Ｂとの距離差は、Ｌ１１＋（ｓ×１／３）であり、ＦＢＧセンサ部３Ａ３１の反射器５Ｃとの距離差は、Ｌ１１＋（ｓ×２／３）となる。

すなわち、医療機器１Ｃにおいては、３本の光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃを用い、２本の光ファイバセンサ２Ｂ、２Ｃの光路延長部４Ｂ２、４Ｂ３の光路長が、ＦＢＧセンサ部３の間隔ｓの１／３または２／３である。

このため、検出部８は、３本の光ファイバセンサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに形成された全ての３ｎ個のＦＢＧセンサ部３の変位を分離して検出することができる。

以上のように、医療機器１Ｃにおいては光源６からの光は同時に光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃに導光され、かつ、光ファイバセンサ２Ａ〜２Ｃからの反射光は同時に検出部８に導光される。すなわち、光スイッチによる切り替え動作がなく、かつ波長可変型光源の走査を光ファイバセンサの本数分だけ行う必要もない。このため、医療機器１Ｃは挿入部１２の３次元形状を高速で測定することができる。

なお、光路延長部としては、光ファイバの実際の長さを長くしてもよいし、プリズム等の光学部品を用いて延長してもよい。なお、ｎ本の光ファイバセンサを用いる場合には、（ｎ−１）本の光ファイバセンサに、ｓ×（１／ｎ）の倍数の光路延長部を設ければよい。

本発明は、上述した実施の形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。

第１の実施の形態の医療機器を使用している状態を説明するための説明図である。 第１の実施の形態の医療機器の説明図である。 第１の実施の形態の医療機器の光ファイバセンサの構成を示す構成図である。 第１の実施の形態の医療機器の光ファイバセンサの構造図である。 第１の実施の形態の医療機器の構成図である。 ＦＢＧセンサ部の構造を説明するための構造図である。 ＦＢＧセンサ部の作用を説明するための説明図である。 光周波数領域リフレクトメトリ多重方式のＦＢＧセンサ部における変位検出を説明するための図である。 光ファイバセンサの３次元形状の算出方法について説明するための図である。 光ファイバセンサの３次元形状の算出方法のときの座標変換ついて説明するための図である。 第１の実施の形態の医療機器の光ファイバセンサの構造図の一例である。 第２の実施の形態の医療機器の構成図である。 第２の実施の形態の医療機器の光源の出射光の帯域を示す図である。 第３の実施の形態の医療機器の構成図である。

符号の説明

１、１Ｂ、１Ｃ…医療機器
２〜２Ｈ…光ファイバセンサ
２Ｍ…金属ワイヤ
２Ｐ…樹脂
３…ＦＢＧセンサ部
４…光ファイバ
４Ａ…コア部
４Ｂ２、４Ｂ３…光路延長部
５〜５Ｃ…反射器
６、６Ｂ…光源
７〜７Ｅ…カプラ
８、８Ａ…検出部
９Ａ…算出部
９Ｂ…制御部
１０…内視鏡システム
１１…被検者
１２…挿入部
１２Ａ…チャンネル
１３…操作部
１４…モニタ
１５…本体部

Claims (7)

1. 被検体に挿入する挿入体に配設される、複数のファイバブラッググレーティングセンサ部が形成された３本以上の光ファイバセンサと、
   前記光ファイバセンサに広帯域光を供給する光源と、
   干渉光を形成するための反射手段と、
   前記光源から供給される広帯域光を、同時に、３本以上の前記光ファイバセンサと前記反射手段とに導光する光分割手段と、
   前記光ファイバセンサからの反射光と前記反射手段からの反射光とから干渉光を生成する干渉手段と、
   前記干渉手段からの干渉光を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づき、前記挿入体の形状を算出する形状算出部と、
   を有することを特徴とする医療機器。
2. 前記３本以上の光ファイバセンサが、その端部が折り返し部を介して互いに接続され、１本の光ファイバセンサを構成しており、
   前記光分割手段と前記干渉手段とが、ひとつの光学部品により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の医療機器。
3. 複数のファイバブラッググレーティングセンサ部が形成された光ファイバセンサと、
   前記光ファイバセンサを３本以上設け被検体に挿入するための挿入体を具備する医療器具と、
   前記３本以上の光ファイバセンサが、それぞれ互いに異なるブラッグ波長のファイバブラッググレーティングセンサ部が形成されたものであり、
   前記異なるブラッグ波長を全て含む広帯域光を供給する光源と、
   前記３本以上のそれぞれの光ファイバセンサに対応した、それぞれの干渉光を形成するための３個以上のそれぞれの反射手段と、
   前記光源から供給される広帯域光を、同時に、前記３本以上の光ファイバセンサと前記３個以上の反射手段とに導光する光分割手段と、
   前記３本以上のそれぞれの前記光ファイバセンサからの反射光と、前記３個以上のそれぞれの反射手段からの反射光とから、それぞれの干渉光を生成する３個以上のそれぞれの干渉手段と、
   前記３個以上の干渉手段からの干渉光を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づき、前記挿入体の形状を算出する形状算出部と、
   を有することを特徴とする医療機器。
4. 複数のファイバブラッググレーティングセンサ部が形成された光ファイバセンサと、
   前記光ファイバセンサを３本以上設け被検体に挿入するための挿入体を具備する医療器具と、
   前記３本以上の光ファイバセンサが、光ファイバセンサであり、
   広帯域光を供給する光源と、
   前記３本以上のそれぞれの光ファイバセンサに対応した、それぞれの干渉光を形成するための３個以上のそれぞれの反射手段と、
   前記光源から供給される広帯域光を、同時に、前記３本以上の光ファイバセンサと前記３個以上の反射手段とに導光する光分割手段と、
   前記３本以上のそれぞれの前記光ファイバセンサからの反射光と、前記３個以上のそれぞれの反射手段からの反射光とから、それぞれの干渉光を生成する３個以上の干渉手段と、
   前記３個以上の干渉手段からの干渉光を検出する検出手段と、
   前記検出手段の検出結果に基づき、前記挿入体の形状を算出する形状算出部と、
   を有し、
   それぞれの前記ファイバブラッググレーティングセンサ部からそれぞれの前記干渉手段までの距離と、それぞれの前記反射手段からそれぞれの前記干渉手段までの距離との距離差が互いに異なることを特徴とする医療機器。
5. ２本以上の前記光ファイバセンサが、前記干渉手段に最も近接した前記ファイバブラッググレーティングセンサ部から前記干渉手段までの間に、光路延長手段を有することを特徴とする請求項４に記載の医療機器。
6. 前記３本以上の光ファイバセンサが、軸方向の同位置に前記ファイバブラッググレーティングセンサ部が形成されている状態で、前記挿入体に配設さ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１項に記載の医療機器。
7. 前記挿入体が、内視鏡システムの挿入部であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の医療機器。

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