JP2011127924A

JP2011127924A - イメージングプローブ

Info

Publication number: JP2011127924A
Application number: JP2009284311A
Authority: JP
Inventors: Changho Chong; 昌鎬鄭
Original assignee: Suntech Co
Current assignee: Suntech Co
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2009-12-15
Publication date: 2011-06-30

Abstract

【課題】プローブ内の光ファイバ先端部分を容易に組み立てることができるイメージングプローブを提供すること。
【解決手段】光ファイバ１７の先端を光ファイバ保持部２１によって保持する。保持された光ファイバ１７の出射端から所定間隔を隔てた位置にトロイダルミラー２２を配置する。トロイダルミラー２２の第１焦点を光ファイバ１７の出射端とし、トロイダルミラーの第２焦点を光軸からの側方に設定する。こうすればトロイダルミラー２２の回転によって集束位置を環状に変化させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は光を偏向させて測定対象を走査するイメージングプローブに関するものである。

従来、レーザ光を偏向させて対象物を走査し、その反射光を用いて測定対象の状態を観測する装置が用いられている。特に医療の分野においては、光診断は原理的に非侵襲で患者に痛み等の負担を与えず、早急な治療を要する診断を円滑にしたり、又は治療中の経過観察をすることができると考えられ、医療に多大な貢献が期待される。このような光診断では生体内に光プローブや内視鏡を挿入し、光ファイバを通じて信号光を生体部位にあてて後方に戻る光を同じ光ファイバを用いて伝播させ、その光の強度や周波数成分等を解析することによって部位の状態を診断する。

例えば非特許文献１では、物体あるいは生体内部からの信号光を干渉計で干渉させ、その干渉信号の周波数分析から、極めて高分解能な断層情報を得る光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）が提案されている。非特許文献１では、光ファイバの先端にレンズ、例えばＧＲＩＮレンズを固定し、ＧＲＩＮレンズの出射端に三角柱状のプリズムを配置し、光ファイバからの光をその光軸と垂直方向に投光する。ここでＧＲＩＮレンズのパラメータは血管の内壁で光ビームが集光するように調整される。光ファイバ、ＧＲＩＮレンズ、プリズムから成るアセンブリをシースと呼ばれる細径のチューブ内で３６０°連続的に回転させながら散乱反射光を同じ光ファイバに結合させることによって血管内壁の断層を放射状に得ることが可能となる。

又特許文献１には光源からの光を光ファイバを介してトロイダルミラーに入射し検出体に導くと共に、その反射光を他のトロイダルミラーを介して受光部に導き画像処理すると共に、これらの光学ユニットを移動させることによって、１次元及び２次元の画像を得るようにした装置が提案されている。

米国特許６，０７５，６１２

Zahid Yaqoob et al., "Methods and application areas of endoscopic optical coherence tomography", Journal of Biomedical Optics 11(6), 063001(November/December 2006)

非特許文献１のアセンブリはシースの内側で、例えばＵＶ硬化材等の光部品用の接着剤により光ファイバ端部とＧＲＩＮレンズ、プリズムを接着している。しかしプローブの内径は０．５５ｍｍ程度、ＧＲＩＮレンズは０．５ｍｍとクリアランスや公差が厳しく、アセンブリの精度や接着剤のはみ出し量等の製造上の精度管理が難しいという欠点があった。又５０〜１００Ｈｚ程度の高速でアセンブリを回転させるため、シース内で部品の接着箇所が折れるなどの事故が生じる可能性があった。更にシース内を潤滑油で満たす場合には、プリズムに反射コーティングが必要となる。又シース内を空気とする場合には、プリズムの出射面に無反射コーティングが必要となるという欠点があった。

又特許文献１では光学ユニットを平行移動させる必要がありスキャニングが複雑になるという欠点があった。又生体等に挿入するにはプローブ部分が大きくなりすぎ、診断が難しくなるという欠点があった。

本発明はこのような従来の課題に着目してなされたものであって、プローブ内のファイバ先端部分の組み立てを容易にするイメージングプローブを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のイメージングプローブは、光ファイバの出射端を保持する光ファイバ保持部と、前記光ファイバ保持部で保持されている光ファイバの出射面から所定間隔離れた位置に配置され、光ファイバの出射端からの光を光軸の側方に集光すると共に、集光点からの反射光を前記光ファイバの出射端に入射するトロイダルミラーと、を具備し、前記トロイダルミラーは、前記光ファイバの光軸と中心として回転自在に保持されているものである。

ここで前記イメージングプローブは、開口部を有する筒状部材であって、その内部に光ファイバを保持する前記光ファイバ保持部と、前記開口部の一端に前記光ファイバからの光を側方に集光するトロイダルミラーとを形成するようにしてもよい。

ここで前記トロイダルミラーは、回転自在の筒形のチューブの内壁に固定されており、前記光ファイバ保持部は、前記チューブの内壁とは間隔を隔てて配置されているようにしてもよい。

このように本発明によれば、イメージングプローブの光ファイバを伝送路として用いたイメージングプローブであって、光ファイバの端部を光ファイバ保持部によって保持すると共に、保持された光の出射端から所定の間隔を隔てた位置にトロイダルミラーを配置して第２焦点を光軸の側方としている。このためトロイダルミラーを回転させるだけで第２焦点の位置を環状に走査することができる。又光ファイバ保持部は円筒状であるため、光ファイバを固定しても接着剤等が外部に漏れることはなく、接着を確実にすることができるという効果が得られる。又本発明では、光を反射及び集束させるためトロイダルミラーを用いているため、空気中及び液中を問わず同じ構成とすることができる。

図１Ａは本発明の第１の実施の形態によるイメージングプローブを用いたＯＣＴによる画像表示システムのブロック図である。図１Ｂは本実施の形態のイメージングプローブを回転させる回転機構を示す概略図である。図２は本実施の形態によるイメージングプローブの外観を示す平面図及び正面図である。図３は本実施の形態によるイメージングプローブの斜視図である。図４は本実施の形態に用いられるトロイダルミラーを示す斜視図及び平面図である。図５は本実施の形態によるイメージングプローブの構成を示す断面図である。図６は本発明の第２の実施の形態によるイメージングプローブの構成を示す断面図である。

（第１の実施の形態）
次に本発明の第１の実施の形態について説明する。図１Ａはこの第１の実施の形態によるイメージングプローブを用いる診断装置の構成を示すブロック図である。本図においてチューナブルレーザ１１は駆動部１２によって駆動され、所定範囲の波長の波長の信号光を出力するものである。駆動部１２はこの波長を例えば１００ｎｍの範囲で周期的に変化させるものとする。このチューナブルレーザ１１の出力は光ファイバ１３を介して光サーキュレータ１４に与えられる。光サーキュレータ１４は端子１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有し、端子１４ａに加わった光は端子１４ｂより、端子１４ｂに加わった光は端子１４ｃより出射するものである。光サーキュレータ１４の端子１４ｂ側には光ファイバ１５が設けられている。光ファイバ１５は信号光と励起光とをイメージングプローブ２０側に伝送すると共に、イメージングプローブ２０からの反射光を測定装置側に伝送するものである。又光ファイバとプローブ２０との間にはプローブを回転させるための回転機構１６が設けられ、その先端にはプローブ２０に連結されるファイバ１７が設けられている。

第１の実施の形態のイメージングプローブでは光ファイバとプローブとを一体に回転させる。図１Ｂはこの回転機構１６を示している。図１Ｂにおいて、回転機構１６はモータ１６ａ、モータ１６ａに連結されたギア１６ｂ、及びギア１６ｂに連動するギア１６ｃが設けられる。ギア１６ｃの回転軸には光ファイバ１７を保持するスリーブ１６ｄが固定されており、ギア１６ｃの回転によってスリーブ１６ｄを介して光ファイバ１７を回転させるものである。光ファイバ１７の他端は前述したイメージングプローブ２０が接続される。光ファイバ１７は光を入出射すると共に回転力を伝えるため、その外周部分をコイル状の金属部材で覆って機械的強度を増すようにしてもよい。

次に図１Ａにおいて、光サーキュレータ１４の端子１４ｃには光ファイバ３１が接続され、その一端にレンズ３２及びフォトダイオード３３が設けられる。フォトダイオード３３は光信号を電気信号に変換するもので、その出力は増幅器３４を介して分析装置３５に加えられる。分析装置３５はこの反射光の強度又は周波数変化に基づいて画像情報を生成して、モニタ３６上に表示する。

次に本発明の第１の実施の形態によるイメージングプローブ２０の構成について説明する。図２はイメージングプローブ２０の平面図及び正面図であり、図３はその斜視図である。本実施の形態では、イメージングプローブ２０は光ファイバ１７の端部を保持するファイバ保持部２１としての機能と、光ファイバ１７の端部から一定間隔を隔てた位置に形成されたトロイダルミラー２２の機能を合わせ持つ円筒形の部材である。図２（ａ）においてプローブ２０の中心から左側部分にプローブの軸に沿った開口部２３が形成されている。又中心から右側の円筒形部分は内径がほぼ一定であり、この内径は光ファイバ１７の外径に等しくする。又この円筒形部分の右端では外側に向かうにつれて徐々に内径を大きくしたテーパ２４が形成され、光ファイバ１７を容易に挿入できるようにしている。そして右側のテーパ部２４から光ファイバ１７を挿入し、開口部２３が始まる円筒形部分の端部で光ファイバ１７を固定して接着剤等で固定するものとする。又光ファイバ保持部２１は円筒状であるため、光ファイバ１７を固定しても接着剤等が外部に漏れることはなく、接着を確実にすることができるという効果が得られる。

この開口部２３の左端の壁面には前述したトロイダルミラー２２が形成されている。トロイダルミラー２２は光ファイバ１７からの出射光をプローブ２０の側方に出射し、集光すると共に、その部分からの反射光を光ファイバ１７に戻すものである。

次にトロイダルミラーについて説明する。トロイダルミラーは直交する２軸の曲率が異なる非球面ミラーであり、第１焦点に点光源を配置したときに所定の位置（第２焦点）で非点収差の発生を抑えてほぼ１点に集光させることができる。図４（ａ）はトロイダルミラー４０の斜視図、図４（ｂ）は平面図である。ここで点Ａを第１焦点、点Ｂを第２焦点とする。ここで図４（ａ），（ｂ）に示すように第１焦点からトロイダルミラー４０の中心までの距離をａとし、ここから第２焦点までの距離をｂ、相異なる２軸の曲率をＲ_h，Ｒ_vとすると、次式（１），（２）が成り立つ。
１／ａ＋１／ｂ＝２／Ｒ_hcosθ ・・・（１）
１／ａ＋１／ｂ＝２cosθ／Ｒ_v ・・・（２）

本実施の形態では図２に示すようにイメージングプローブ２０の開口部２３の左端面に曲面のトロイダルミラー２２を形成している。そして第１焦点Ａを光ファイバ１７より光が出射する位置に設定しておき、イメージングプローブ２０の中心軸の側方に第２焦点Ｂが位置するように配置しておく。図５はイメージングプローブ２０の断面図を示しており、例えばａを１．３ｍｍ、ｂを５ｍｍ、θを４０°とすると、式（１），（２）よりＲ_hは２．７６ｍｍ、Ｒ_vは１．６ｍｍとなる。このような曲率半径Ｒ_h，Ｒ_vを有するトロイダルミラー２２を用いることによって、イメージングプローブ２０の側方を第２焦点位置に設定することができる。尚ここで示す数値は一例であって、これに限定されるべきものでないことはいうまでもない。

次にこの実施の形態の動作について説明する。図１に示すようにチューナブルレーザ１１を駆動部１２によって駆動し、光ファイバ１３、光サーキュレータ１４、光ファイバ１５及び光ファイバ１７を介してイメージングプローブにレーザ光を導く。このときモータ１６ａを回転させることによってギア１６ｂ，１６ｃを介して回転力がプローブ１７の周囲のスリーブ１６ｄに加えられ、光ファイバ１７を回転させることができる。光ファイバ１７の先端にはイメージングプローブ２０が接続されているため、光ファイバ１７の回転により図３に示すようにイメージングプローブ２０を回転させることができる。そして光ファイバ１５からのレーザ光を光ファイバ１７を介してトロイダルミラー２２に導き、イメージングプローブ２０の側方の第２焦点に照射する。この点からの反射光はそのままトロイダルミラー２２を介して光ファイバ１７に加わり、更に光ファイバ１５、光サーキュレータ１４を介して分析装置３５側に戻る。このため分析装置での解析によって第２焦点部分からの反射光に基づいた断面画像を生成することができる。

尚この実施の形態では、図２に示すイメージングプローブをそのまま生体など被測定領域に挿入して画像を得るようにしているが、円筒形のシース内にイメージングプローブを収納してシースは回転させず、イメージングプローブのみを回転させるようにしてもよい。この場合にはシースの少なくとも光を入出射する部分を透明としておく必要がある。

次に本発明の第２の実施の形態によるイメージングプローブについて説明する。前述した第１の実施の形態では、光ファイバ固定部とトロイダルミラーとをイメージングプローブに設けて一体に回転させるようにしているが、光ファイバ固定部自体は回転させずに固定しておき、トロイダルミラーのみを回転させるようにしてもよい。図６はこの第２の実施の形態の構成を示すイメージングプローブ５０の断面図である。このプローブは一部が透明の窓５１ａから成る円筒状のチューブ５１を有しており、このチューブ５１の内部には内壁と間隔を隔てて光ファイバ固定部５２が設けられる。光ファイバ固定部５２は第１の実施の形態と同様に、光ファイバ１７の一端を保持するものであるが、光ファイバ固定部５２自体は回転せずに、内部で静止している。チューブ５１内部の一端にトロイダルミラー５３を固定する。

さて第２の実施の形態では、光ファイバ１７からの光をトロイダルミラー５３を介してプローブ５０の側方に光を出射する。そしてチューブ５１に外部より回転力を加え、プローブ自体を回転させることによって環状に光を出射し、その位置からの反射光の情報を得ることができる。この場合はチューブ５１を図１（ｂ）と同様の回転機構で回転させることができる。従って光ファイバ１７からの光をチューブ５１の側方に導き、その位置からの光を光ファイバ１７に戻すことができる。この場合にもプローブ５０を走査することによって２次元画像とすることができる。

尚この実施の形態ではイメージングプローブをＯＣＴのプローブとして用いているが、本発明によるイメージングプローブは他の装置、例えば共焦点顕微鏡や、分光イメージング装置のプローブとして用いることができる。共焦点顕微鏡では、光ファイバからの出射位置である第１焦点が点光源に相当し、トロイダルミラーの第２焦点が結像点となる。従って本発明のイメージングプローブを用いて結像点のみに光源からの光を入射し、その反射光のみを第１焦点に集め、同一の光ファイバによって受光素子に導くことによって共焦点顕微鏡を構成することができる。この場合にプローブを適宜走査することによって２次元又は３次元の画像を得ることができる。

１１チューナブルレーザ
１２駆動部
１３，１５，１７，３１光ファイバ
１４サーキュレータ
１６回転機構
２０，５０イメージングプローブ
２１，５２光ファイバ固定部
２２，４０，５３トロイダルミラー
２３開口部
２４テーパ部
５１チューブ

Claims

光ファイバの出射端を保持する光ファイバ保持部と、
前記光ファイバ保持部で保持されている光ファイバの出射面から所定間隔離れた位置に配置され、光ファイバの出射端からの光を光軸の側方に集光すると共に、集光点からの反射光を前記光ファイバの出射端に入射するトロイダルミラーと、を具備し、
前記トロイダルミラーは、前記光ファイバの光軸と中心として回転自在に保持されているイメージングプローブ。
前記イメージングプローブは、開口部を有する筒状部材であって、その内部に光ファイバを保持する前記光ファイバ保持部と、前記開口部の一端に前記光ファイバからの光を側方に集光するトロイダルミラーとを形成した請求項１記載のイメージングプローブ。
前記トロイダルミラーは、回転自在の筒形のチューブの内壁に固定されており、
前記光ファイバ保持部は、前記チューブの内壁とは間隔を隔てて配置されている請求項１記載のイメージングプローブ。