JP2011104266A - Ｏｃｔプローブ、及びｏｃｔシステム - Google Patents

Abstract

【課題】管腔全周をシームレスに光走査してその画像を同一画面内に収めつつ、管腔表層付近の自然な状態を観察するのに好適なＯＣＴプローブを提供すること。
【解決手段】光源が射出した光を伝送する光ファイバと、光ファイバが射出した光を該光ファイバの軸方向と直交する方向に折り曲げて被写体に照射する、該光ファイバと同軸の光学系と、光ファイバ及び光学系を収容する収容チューブと、該軸を基準として均等に拡張する、収容チューブの外面に該軸方向に亘って複数取り付けられたバルーンとからＯＣＴプローブを構成し、光学系を、軸方向において何れのバルーンに対しても重複しない位置であって、折り曲げた光を２つの該バルーンの間のスペースに通す位置に配置した。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイケルソン干渉計の原理を利用して管腔表層付近の断層像を撮影するためのＯＣＴプローブ、及び該ＯＣＴプローブを有するＯＣＴシステムに関する。

近年、消化器や気管支等の管腔表層付近の微細構造を精細に観察するための観察システムとして、光コヒーレンストモグラフィ（Optical Coherence Tomography、以下、「ＯＣＴ」と記す。）システムが実用化されている。ＯＣＴシステムは、被写体に対して低コヒーレンス光を照射する。ＯＣＴシステムは、照射された低コヒーレンス光が被写体のどの位置でどの程度反射し又は散乱したかをマイケルソン干渉計の原理に基づいて計測し、計測結果に基づいて被写体の表層付近の画像データを演算し生成する。生成される表層付近の画像は、通常の電子スコープやファイバスコープによる観察像よりも高倍率かつ高解像度である。この種のＯＣＴシステムの具体的構成例は、特許文献１や非特許文献１等に記載されている。

特許文献１又は非特許文献１に記載のＯＣＴシステムは、光源から射出された低コヒーレンス光を光ファイバによってＯＣＴプローブの先端に伝送し、偏向プリズムにて９０°屈曲させて管腔側壁に照射する。このとき、ＯＣＴプローブは、光ファイバが軸周りに回転駆動して、低コヒーレンス光を管腔全周に照射する。このＯＣＴプローブは、管腔全周をシームレスに光走査してその画像を同一画面内に収めるため、ＯＣＴプローブをバルーンによって管腔のほぼ中心で固定し、尚かつ、この固定位置にあるときに焦点が管腔表層付近に位置するように設計されている。

米国特許出願公開第２００８／００２１２７５号明細書 Benjamin J. Vakoc etal, Comprehensiveesophageal microscopy by using optical frequency-domain imaging (with video), Gastrointestinalendoscopy Volume 65 No.6, 2007 May, page 898-905

しかし、特許文献１又は非特許文献１に記載のＯＣＴプローブでは、管腔表層付近がバルーンによって押し潰される。そのため、例えば、管腔表面の微細な凹凸が潰れたり、管腔表層付近の組織が変形したりして、管腔表層付近の自然な状態を観察できないという問題が指摘される。ＯＣＴプローブの高分解能という特性を活かした精細かつ正確な管腔観察を行うためには、管腔表層付近の微細構造を変形させないことが望まれる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、管腔全周をシームレスに光走査してその画像を同一画面内に収めつつ、管腔表層付近の自然な状態を観察するのに好適なＯＣＴプローブ、及び該ＯＣＴプローブを有するＯＣＴシステムを提供することである。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係るＯＣＴプローブは、光源が射出した光を伝送する光ファイバと、光ファイバが射出した光をその軸方向と直交する方向に折り曲げて被写体に照射する該光ファイバと同軸の光学系と、光ファイバ及び光学系を収容する収容チューブとを有する。更に、ＯＣＴプローブを管腔のほぼ中心で固定するため、上記軸を基準として均等に拡張するバルーンを有する。このバルーンは、収容チューブの外面に、軸方向に亘って複数取り付けられている。

加えて、上記光学系は、ＯＣＴプローブがバルーンによって管腔のほぼ中心で固定されている状態で、折り曲げた光をバルーンによる押し潰しのない管腔の表層付近で集光させるため、軸方向において何れのバルーンに対しても重複しない位置であって、折り曲げた光を２つのバルーンの間のスペースに通す位置に配置されている。かかる構成によれば、管腔の全周をシームレスに光走査して、その全周の自然な状態の断層像を得ることができる。

上記光学系は、走査画像を得るべく、収容チューブに対して軸方向に又は該軸方向と直交する周方向に移動自在に支持されてもよい。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係るＯＣＴシステムは、上記ＯＣＴプローブと、光学系の収容チューブに対する軸方向の移動範囲を２つのバルーンの間の範囲に規制する規制手段とを有した構成としてもよい。

本発明に係るＯＣＴシステムは、光ファイバに光を供給する光源と、その光を用いて所定の参照光を生成する参照光生成手段と、光ファイバからの戻り光と参照光とを干渉させて信号を検出する干渉信号検出手段と、検出された信号に基づいて被写体の画像を生成する画像生成手段とを有した構成としてもよい。

本発明によれば、管腔全周をシームレスに光走査してその画像を同一画面内に収めつつ、管腔表層付近の自然な状態を観察するのに好適なＯＣＴプローブ、及び該ＯＣＴプローブを有するＯＣＴシステムが提供される。

本発明の実施形態のＯＣＴシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態のＯＣＴシステムが有するプローブスキャニングデバイスの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態のＯＣＴプローブの先端の内部構造を模式的に示す図である。 本発明の実施形態においてバルーンを拡張した時のＯＣＴプローブと管腔との位置関係を示す図である。 別の実施形態のＯＣＴシステムの構成（挿入部分の先端付近のみ）を概略的に示す図である。 別の実施形態においてバルーンを拡張した時のＯＣＴプローブと管腔との位置関係を示す図である。 別の実施形態の変形例のＯＣＴシステムの構成（挿入部分の先端付近のみ）を概略的に示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態のＯＣＴシステムについて説明する。図１は、本実施形態のＯＣＴシステム１の構成を示すブロック図である。図１及び以降の各図中、電気信号の経路は、二点鎖線で、光ファイバによる光路は、実線で、空気中又は生体組織内を進む光の光路は、破線で、それぞれ示される。また、以降の説明においては、ＯＣＴシステム１の光路中、光源に近づく方向を基端側と定義し、遠ざかる方向を先端側と定義する。

図１に示されるように、ＯＣＴシステム１は、消化器や気管支等である管腔Ｔの表層付近の像を取得するためのＯＣＴプローブ１０を有している。ＯＣＴプローブ１０は、プローブスキャニングデバイス３０を介してシステム本体部２０と接続されている。具体的には、プローブスキャニングデバイス３０は、ＯＣＴプローブ１０が有する光ファイバ１１の基端と、システム本体部２０のファイバ干渉計２１からシステム本体部２０の外部に伸びるプローブ用光ファイバ２２の先端とを光学的に接続している。なお、図１においては、図面を簡略化する便宜上、ＯＣＴプローブ１０の構成を、ＯＣＴ観察系の原理の説明に必要な最小限の図示に留めている。また、説明の便宜上、ＯＣＴプローブ１０の中心軸（光ファイバ１１の中心軸と一致する軸）を「基準軸ＡＸ」と記す。

システム本体部２０は、ファイバ干渉計２１、プローブ用光ファイバ２２に加えて、低コヒーレンス光源２３、信号処理回路２４、供給用光ファイバ２５、参照用光ファイバ２６、レンズ２７、ダハミラー２８、コントローラ２９を有している。コントローラ２９は、低コヒーレンス光源２３の発光制御、信号処理回路２４の制御、ダハミラー２８、プローブスキャニングデバイス３０の各種モータの駆動など、ＯＣＴシステム１の各種制御を統括的に行う。

低コヒーレンス光源２３は、低コヒーレント光を射出可能な光源であり、具体的には、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）である。低コヒーレンス光源２３から射出された低コヒーレンス光は、供給用光ファイバ２５の基端に入射する。供給用光ファイバ２５は、入射した低コヒーレンス光をファイバ干渉計２１に伝送する。ファイバ干渉計２１は、供給用光ファイバ２５からの低コヒーレンス光をフォトカップラ等によって２つの光路に分離する。分離された一方は、物体光としてプローブ用光ファイバ２２に伝送される。もう一方は、参照光として参照用光ファイバ２６に伝送される。

物体光の光路について説明する。この説明を行うため、プローブスキャニングデバイス３０の概略構成図を図２に示す。図２に示されるように、プローブスキャニングデバイス３０は、固定部３１ａと回転部３１ｂとを連結させたロータリージョイント３１を有している。固定部３１ａには、プローブ用光ファイバ２２の先端が機械的にかつ光学的に接続されている。回転部３１ｂには、光ファイバ１１の基端が機械的にかつ光学的に接続されている。回転部３１ｂには、図示省略された伝達機構を介してラジアルスキャン用モータ３２が連結している。ラジアルスキャン用モータ３２は、固定部３１ａと回転部３１ｂとの光学的接続状態を維持しつつ、回転部３１ｂを基準軸ＡＸ周りに回転させる。すなわち、ロータリージョイント３１は、光ファイバ１１とプローブ用光ファイバ２２とを光学的に接続しつつ、プローブ用光ファイバ２２に対して光ファイバ１１を基準軸ＡＸ周りに回転自在に支持している。

ケース３３は、ロータリージョイント３１とラジアルスキャン用モータ３２を一体に支持している。ケース３３には、図示省略された伝達機構を介してプルバック用モータ３４が連結されている。プルバック用モータ３４は、ケース３３を基準軸ＡＸ方向に移動させる。このとき、光ファイバ１１は、ケース３３と一体に、基準軸ＡＸ方向に移動する。

プローブスキャニングデバイス３０は、ケース３３を挟んで基準軸ＡＸ方向に対向離隔した一対のセンサ３５、３６を有している。センサ３５、３６は、ケース３３との接触を検知する周知構成のセンサである。コントローラ２９は、センサ３５又は３６がケース３３との接触を検知すると、プルバック用モータ３４を停止する。すなわち、ケース３３（言い換えると、光ファイバ１１）は、基準軸ＡＸ方向の移動範囲が所定の範囲（センサ３５と３６との間）に制限されている。

プローブ用光ファイバ２２に伝送された物体光は、ロータリージョイント３１を介して光ファイバ１１の基端に入射する。光ファイバ１１の先端には、コアレスガラス１２を介してＧＲＩＮレンズ１３が接着等によって固定されている。ＧＲＩＮレンズ１３は、コアレスガラス１２を介して入射する物体光を集光する。ＧＲＩＮレンズ１３の先端面には、三角プリズム１４が接着等によって固定されている。

ＧＲＩＮレンズ１３によって集光状態にある物体光は、三角プリズム１４の反射面と基準軸ＡＸとが交差する点ＳＰでほぼ９０°屈曲して、管腔Ｔの側壁に向けて射出される。三角プリズム１４は、光ファイバ１１と相対的に固定されているため、ラジアルスキャン用モータ３２の駆動に応じて基準軸ＡＸ周りに回転して物体光を管腔Ｔの周方向に走査すると共に、プルバック用モータ３４の駆動に応じて基準軸ＡＸ方向に移動して物体光を管腔Ｔの長手方向に走査する。なお、以下の説明において、物体光が管腔Ｔの側壁に向けて射出される点ＳＰを「スキャニングポイントＳＰ」と記す。

低コヒーレンス光には、近赤外線などの生体内を進達する特性を持つ波長の光が使用される。物体光は、管腔Ｔの表層付近に進達して集光位置近傍で強く反射し又は散乱して、その一部が三角プリズム１４を介してＧＲＩＮレンズ１３に入射する。ＧＲＩＮレンズ１３に入射した戻り光は、コアレスガラス１２、光ファイバ１１、ロータリージョイント３１、プローブ用光ファイバ２２を介してファイバ干渉計２１に戻る。

次に、参照光の光路について説明する。参照光は、参照用光ファイバ２６を伝送して参照用光ファイバ２６の先端から射出し、レンズ２７に入射する。レンズ２７は、参照光を平行光に変換して射出する。ダハミラー２８は、レンズ２７から射出された平行光を折り返してレンズ２７に再度入射させる。ダハミラー２８は、参照光の光路長を可変するため、図示省略された駆動機構によって、光軸方向（図１中矢印方向）に移動自在に支持されている。レンズ２７に戻された参照光は、参照用光ファイバ２６を介してファイバ干渉計２１に戻る。

ファイバ干渉計２１では、マイケルソン干渉計の原理を利用した干渉信号の計測が行われる。すなわち、ファイバ干渉計２１では、プローブ用光ファイバ２２から戻された物体光と、参照用光ファイバ２６から戻された参照光のうち、互いの光路長が一致する成分が干渉し信号として検出される。干渉信号の強度は、ダハミラー２８の位置（参照光の光路長）に対応する管腔Ｔの特定の位置（物体光の光路長）で起こった物体光の反射や散乱の程度に応じて決まり、集光位置近傍の光路長では特に強い。

ファイバ干渉計２１は、物体光と参照光との干渉パターンに対応する干渉信号を信号処理回路２４に出力する。信号処理回路２４は、入力した干渉信号に所定の処理を施して、該干渉信号に対応する走査位置に応じた画素アドレスの割当てを行う。管腔Ｔの周方向の走査位置は、ラジアルスキャン用モータ３２の駆動量によって、管腔Ｔの長手方向の走査位置は、プルバック用モータ３４の駆動量によって、管腔Ｔの深さ方向の走査位置は、ダハミラー２８用の駆動モータ（不図示）の駆動量によって、それぞれ特定される。

信号処理回路２４は、割り当てた画素アドレスに従って、各干渉信号が表現する点像の空間的配列によって構成される画像の信号を、図示省略されたフレームメモリにフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングでフレームメモリから掃き出されて、表示部４０が有する情報処理端末４１に出力される。情報処理端末４１は、入力した信号に所定の処理を施して映像信号に変換し、管腔Ｔの表層付近の画像をモニタ４２に表示させる。

ところで、管腔Ｔの全周をシームレスに光走査してその画像を同一画面内に収めるためには、ＯＣＴプローブ１０を管腔Ｔの中心で固定し、尚かつ、この固定位置にあるときに物体光を管腔Ｔの表層付近で集光させる必要がある。本実施形態で想定される管腔Ｔの半径は、一般に見られるように、約１０ｍｍである。そこで、ＧＲＩＮレンズ１３には、スキャニングポイントＳＰから１０ｍｍ離れた位置に物体光を集光させる程度のパワーが付与されている。この場合に、ＯＣＴプローブ１０が管腔Ｔの中心で固定されていれば、管腔Ｔの表面から２ｍｍ程度の深度までの範囲で強い反射成分又は散乱成分が生じる。これに対応する範囲でダハミラー２８を移動させると、当該範囲に対応した管腔Ｔの断層像が得られる。

図３は、ＯＣＴプローブ１０の先端の内部構造を模式的に示す図である。図３に示されるように、ＯＣＴプローブ１０の既述の構成要素（光ファイバ１１、コアレスガラス１２、ＧＲＩＮレンズ１３、三角プリズム１４）は、例えばテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合樹脂等の樹脂製チューブ１５に収容され支持されている。樹脂製チューブ１５の先端には、その外面全周を覆う先端側固定用バルーン１６ａが取り付けられている。先端側固定用バルーン１６ａから所定距離離隔した後方位置には、同じく樹脂製チューブ１５の外面全周を覆う基端側固定用バルーン１７ａが取り付けられている。これらのバルーンは、例えばポリテトラフルオロエチレン等の樹脂製部品である。

樹脂製チューブ１５の内部には、先端側固定用バルーン１６ａに連結した先端側ルーメン１６ｂと、基端側固定用バルーン１７ａに連結した基端側ルーメン１７ｂが形成されている。先端側ルーメン１６ｂ、基端側ルーメン１７ｂはそれぞれ、図示省略された送気送水ポンプからの空気又は水を先端側固定用バルーン１６ａ、基端側固定用バルーン１７ａに供給して、先端側固定用バルーン１６ａ、基端側固定用バルーン１７ａを拡張させる。先端側固定用バルーン１６ａ及び基端側固定用バルーン１７ａは、基準軸ＡＸを中心として、樹脂製チューブ１５の全周方向に亘って均等に拡張する。従って、ＯＣＴプローブ１０は、図４に示されるように、管腔Ｔのほぼ中心で固定される。なお、図３中、各バルーンに連結するルーメンは１つであるが、バルーンをより均等に拡張させるため、複数形成されてもよい。

三角プリズム１４は、ケース３３と相対的に固定されているため、移動範囲が実質的にセンサ３５、３６によって制限されている。具体的には、三角プリズム１４（より正確には、スキャニングポイントＳＰ）の移動範囲は、先端側固定用バルーン１６ａと基端側固定用バルーン１７ａとの間の範囲Ａ（図３参照）に制限されている。そのため、物体光が照射される管腔Ｔの領域は、バルーンによって押し潰されず、常に自然な状態にある。すなわち、本実施形態のＯＣＴプローブ１０は、被写体がバルーンによって押し潰されるのを避けるため、スキャニングポイントＳＰをバルーンに対して基準軸ＡＸ方向にシフトした位置に配置している。

ここで、上記のように、スキャニングポイントＳＰをバルーンに対してシフトさせた場合、ＯＣＴプローブ１０が生体の脈動等によってバルーンと管腔Ｔとの接触箇所を支点に振動して、スキャニングポイントＳＰが管腔Ｔに対して大きく動くという別の問題が生じ得る。そこで、本実施形態のＯＣＴプローブ１０は、先端側固定用バルーン１６ａ、基端側固定用バルーン１７ａの２つのバルーンを使用して、スキャニングポイントＳＰが管腔Ｔに対して確実に固定するように構成されている。バルーンは、スキャニングポイントＳＰを管腔Ｔに対してより確実に固定するため、３つ以上備えられていてもよい。３つ以上である場合も被写体を自然な状態に保つべく、その全てがスキャニングポイントＳＰに対して基準軸ＡＸ方向にシフトした位置に取り付けられている必要がある。

以上説明された実施形態によれば、ＯＣＴプローブ１０（スキャニングポイントＳＰ）を管腔Ｔのほぼ中心で固定した状態で、物体光を、バルーンによる押し潰しのない管腔Ｔの表層付近で集光させることができる。従って、管腔Ｔの全周をシームレスに光走査して、該全周の自然な状態の断層像を得ることができる。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば本発明に係る特徴的構成は、電子スコープ等の別の撮像装置にも適用することができる。なお、以降の説明において、既述の実施形態の構成と同一の又は同様の構成には同一の又は同様の符号を付して説明を省略する。

図５に、本発明に係る特徴的構成を電子スコープに適用した場合の概略的構成図を示す。図５に示される電子スコープ１００は、鉗子チャンネル１１０を持つ周知構成の電子スコープに、所定距離離隔して配置された一対のバルーン（先端側固定用バルーン１１６ａ、基端側固定用バルーン１１７ａ）、及び各バルーンに連結したルーメン（不図示）を追加したものである。先端側固定用バルーン１１６ａ、基端側固定用バルーン１１７ａは、図６に示されるように、電子スコープ１００の外面から各方位に不均等に拡張し（基準軸ＡＸを基準とした場合には均等に拡張し）、鉗子チャンネル１１０を管腔Ｔのほぼ中心で固定する。

図５中、鉗子チャンネル１１０に挿入され通されているＯＣＴプローブ１０ｚの構成は、先端側固定用バルーン１６ａ、先端側ルーメン１６ｂ、基端側固定用バルーン１７ａ、基端側ルーメン１７ｂを有さない以外は、図３のＯＣＴプローブ１０と同一である。このＯＣＴプローブ１０ｚ（スキャニングポイントＳＰ）は、先端部分が電子スコープ１００の撮影視野に入るように、鉗子チャンネル１１０から突出させることができる。但し、図５に示されるＯＣＴプローブ１０ｚの最大突出量Ｄは、ＯＣＴプローブ１０ｚが自重等で実質的に弛まない程度の量に制限するのが望ましい。

図５及び図６に示される実施形態においても、管腔Ｔの全周をシームレスに光走査して、該全周の自然な状態の断層像を得ることができる。

図７は、図５及び図６に示される実施形態の変形例の構成を概略的に示す図である。図７に示される電子スコープ１２０は、鉗子チャンネル１１０を持つ周知構成の電子スコープである。別の実施形態においては、周知構成の電子スコープ１２０の先端部に、その外面を覆うオーバーチューブ２００が取り付けられている。オーバーチューブ２００は、所定距離離隔して配置された一対のバルーン（先端側固定用バルーン２１６ａ、基端側固定用バルーン２１７ａ）、及び各バルーンに連結したルーメン（不図示）を有する。先端側固定用バルーン２１６ａ、基端側固定用バルーン２１７ａも、電子スコープ１２０の外面から各方位に不均等に拡張し（基準軸ＡＸを基準とした場合には均等に拡張し）、鉗子チャンネル１１０を管腔Ｔのほぼ中心で固定する。

図７に示される変形例においても、既述の各実施形態と同様に、管腔Ｔの全周をシームレスに光走査して、該全周の自然な状態の断層像を得ることができる。

以上の各実施形態においては、タイムドメイン方式のＯＣＴシステムの構成例を説明したが、本発明に係るＯＣＴシステムは、この方式を採用した構成に限定されない。別の構成例としては、スペクトルドメイン方式、周波数走査方式等のフーリエドメイン方式を採用したものが想定される。スペクトルドメイン方式のＯＣＴシステムは、検出器に分光器を用いた構成であり、参照鏡（ダハミラー２８）の高速スキャニングが不要である。周波数走査方式のＯＣＴシステムは、光源に波長走査型レーザ光源を用いた構成であり、スペクトルドメイン方式と同様に、参照鏡の高速スキャニングが不要である。

１ ＯＣＴシステム
１０ ＯＣＴプローブ
１１ 光ファイバ
１２ コアレスガラス
１３ ＧＲＩＮレンズ
１４ 三角プリズム
１５ 樹脂製チューブ
１６ａ 先端側固定用バルーン
１６ｂ 先端側ルーメン
１７ａ 基端側固定用バルーン
１７ｂ 基端側ルーメン

Claims (4)

1. 光源が射出した光を伝送する光ファイバと、
   前記光ファイバが射出した前記光を該光ファイバの軸方向と直交する方向に折り曲げて被写体に照射する、該光ファイバと同軸の光学系と、
   前記光ファイバ及び前記光学系を収容する収容チューブと、
   前記軸を基準として均等に拡張する、前記収容チューブの外面に該軸方向に亘って複数取り付けられたバルーンと、
   を有し、
   前記光学系は、前記軸方向において何れの前記バルーンに対しても重複しない位置であって、前記折り曲げた光を２つの該バルーンの間のスペースに通す位置に配置されていることを特徴とするＯＣＴプローブ。
2. 前記光学系は、前記収容チューブに対して前記軸方向に又は該軸方向と直交する周方向に移動自在に支持されていることを特徴とする、請求項１に記載のＯＣＴプローブ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のＯＣＴプローブと、
   前記光学系の前記収容チューブに対する前記軸方向の移動範囲を前記２つのバルーンの間の範囲に規制する規制手段と、
   を有するＯＣＴシステム。
4. 前記光ファイバに前記光を供給する光源と、
   前記光を用いて所定の参照光を生成する参照光生成手段と、
   前記光ファイバからの戻り光と前記参照光とを干渉させて信号を検出する干渉信号検出手段と、
   前記検出された信号に基づいて前記被写体の画像を生成する画像生成手段と、
   を有することを特徴とする、請求項３に記載のＯＣＴシステム。

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