JP2013167674A - 光プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】散乱性が大きい対象物を測定する場合であっても低ノイズで精確なＯＣＴ測定をすることができる光プローブを提供する。
【解決手段】光プローブ２０は、近位端２１ａと遠位端２１ｂとの間で光を伝送する光ファイバ２１と、近位端２１ａにおいて光ファイバ２１と接続されている光コネクタ２２と、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ２１と接続されている集光光学系２３および偏向光学系２４と、光ファイバ２１を包囲して光ファイバ２１に沿って延びるサポートチューブ２５およびジャケットチューブ２６とを備える。光ファイバ２１は、屈折率ｎ_１を有するコア領域４１と、コア領域を包囲し屈折率ｎ_２を有する第１クラッド領域４２と、第１クラッド領域を包囲し屈折率ｎ_３を有するトレンチ領域４３と、トレンチ領域を包囲し屈折率ｎ_４を有する第２クラッド領域４４とを含む。ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３＜ｎ_４なる関係がある。
【選択図】図２

Description

本発明は、光干渉断層撮像（Optical Coherence Tomography: ＯＣＴ）の手法を用いて測定するために使用される光プローブに関するものである。

血管などの管腔形状の対象物の内腔の断層構造を測定する手法として光干渉断層撮像（ＯＣＴ）が知られており、また、このＯＣＴ測定のために対象物の内腔に挿入されて使用される光プローブも知られている（特許文献１参照）。ＯＣＴ測定は、シングルモード光ファイバの先端（遠位端）に接続されたグレーデッドインデックス光ファイバをレンズとして機能させて、ワーキングディスタンスが１ｍｍより長く、スポットサイズが１００μｍより小さくなるように構成することで、１ｍｍより大きな内半径を持つ対象物を１００μｍより細かい空間分解能で光学的に測定することができる。

米国特許第６,４４５,９３９号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２７９８３５号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１５１８２３号明細書

G. B. Hocker, Applied Optics,Vol.18, No.9, pp.1445-1448 (1979).

従来の光プローブを用いたＯＣＴ装置では、散乱性が大きい対象物を測定する場合に、光プローブを構成する光ファイバの高次モードに因る雑音が発生して、精確な測定ができないという問題点があることを、本発明者は見出した。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、散乱性が大きい対象物を測定する場合であっても低ノイズで精確なＯＣＴ測定をすることができる光プローブを提供することを目的とする。

本発明の光プローブは、近位端と遠位端との間で光を伝送する光ファイバと、近位端において光ファイバと接続されている光コネクタと、遠位端において光ファイバと接続され、光ファイバの遠位端から出射される光を集光する集光光学系と、遠位端において光ファイバと接続され、光ファイバの遠位端から出射される光を偏向する偏向光学系と、光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延び、光ファイバ，光コネクタ，集光光学系および偏向光学系に対して回転自在であるジャケットチューブと、を備えることを特徴とする。さらに、光ファイバが、中心軸を含み屈折率ｎ_１を有するコア領域と、このコア領域を包囲し屈折率ｎ_２を有する第１クラッド領域と、この第１クラッド領域を包囲し屈折率ｎ_３を有するトレンチ領域と、このトレンチ領域を包囲し屈折率ｎ_４を有する第２クラッド領域とを含み、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３＜ｎ_４なる関係を有することを特徴とする。

本発明の光プローブは、光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延び、ジャケットチューブの内側に配置され、光ファイバの少なくとも一部分および光コネクタに固定されているサポートチューブを更に備えるのが好適である。サポートチューブが複数本の線状体をより合わせた構造を持つのが好適である。サポートチューブが０.１５ｍｍ以上の厚さと１００ＧＰａ〜３００ＧＰａのヤング率とを有するのが好適である。また、光ファイバが、波長１.２６〜１.６２５μｍの所定の波長において、半径５ｍｍの曲げによる基底モードの伝送損失が１ｄＢ／turnより低く、半径１４０ｍｍの曲げによるＬＰ１１モードの伝送損失が１０ｄＢ／ｍより高いのが好適である。

本発明によれば、散乱性が大きい対象物を測定する場合であっても、低ノイズで精確なＯＣＴ測定をすることができる。

比較例の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置１の構成を示す図である。 本実施形態の光プローブ２０を備えるＯＣＴ装置２の構成を示す図である。 本実施形態の光プローブ２０で用いられる光ファイバ２１の構造を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、初めに比較例について説明し、その後に比較例と対比しつつ本実施形態について説明する。

図１は、比較例の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置１の構成を示す図である。ＯＣＴ装置１は、光プローブ１０および測定部３０を備え、対象物３の光干渉断層画像を取得する。光プローブ１０は、近位端１１ａと遠位端１１ｂとの間で光を伝送する光ファイバ１１と、近位端１１ａにおいて光ファイバ１１と接続されている光コネクタ１２と、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ１１と接続されている光学系１３とを備える。光コネクタ１２は測定部３０に光学的に接続される。

測定部３０から出力された照明光は、光コネクタ１２を経て光ファイバ１１の近位端１１ａに入射され、光ファイバ１１により導光されて遠位端１１ｂから出射されて、光学系１３を経て対象物３に照射される。その対象物３への照明光の照射に応じて生じた後方反射光は、光学系１３を経て光ファイバ１１の遠位端１１ｂに入射され、光ファイバ１１により導光されて近位端１１ａから出射されて、光コネクタ１２を経て測定部３０により検出される。測定部３０では、後方反射光の位相が解析されることで、対象物３の内部の各点における後方反射効率の分布が計算され、それに基づいて対象物３の断層画像が取得される。

なお、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射された照明光が対象物３を経由して再び光ファイバ１１の遠位端１１ｂに戻るメカニズムとしては、厳密には反射や屈折や散乱がある。しかし、それらの違いは本発明にとっては本質的でないので、簡潔化のために本明細書ではこれらを総称して後方反射と呼ぶ。

ＯＣＴ測定では、光ファイバ１１の遠位端１１ｂにおいて照明光は基底モードから出射される。対象物３が散乱性のものである場合、様々な方向に伝搬する後方反射光が対象物３において発生する。そのうち、照明光の伝搬方向に対して約１８０度（定量的な範囲はプローブ先端の集光光学系に依存する）の方向に伝搬する後方反射光の成分は、光ファイバ１１の基底モードに結合される。測定部３０では、この後方散乱光の成分をＯＣＴ信号として検出する。

これに対して、対象物３において発生した後方散乱光のうち、照明光の進行方向に対してなす角度が１８０度と有意に異なる光は、光ファイバ１１の高次モードに結合される。もし、光ファイバ１１が理想的なシングルモード光ファイバであるならば、光ファイバ１１により高次モードが伝送されることはなく、高次モードに因る雑音が発生することはない。しかし、現実の光ファイバでは、シングルモード性は高次モードの伝送損失によって表される。高次モードの伝送損失が十分に高くなければ、基底モードに対して高次モードが無視できない大きさとなり、高次モードが雑音の原因となる。

標準的には、ＩＴＵ-Ｔ Ｇ.６５０.１（２００４）に規定されているように、長さ２２ｍの光ファイバの中央部２０ｍを半径１４０ｍｍで巻き、両端の１ｍずつを半径４０ｍｍで１周ずつ巻いた状態で、ＬＰ１１モードの伝送損失がＬＰ０１基底モードの伝送損失より１９.３ｄＢ高ければ、その光ファイバがシングルモードであると定義され、シングルモードとなる最小の光波長がケーブルカットオフ波長（cable cut-off wavelength）と定義されている。ＩＴＵ-ＴＧ.６５２ではケーブルカットオフ波長が１.２６μｍ以下である光ファイバが標準シングルモード光ファイバとして規定されており、この定義が市場においても広く用いられている。

しかし、ＯＣＴ測定の際の実使用状態ではファイバ長は上記の長さ２２ｍに比べて大幅に短い。ＯＣＴ測定の際には典型的に１０μｍ程度の精度で光路長を測定する。光ファイバの屈折率の温度依存性は典型的には１０^−５／℃程度（非特許文献１参照）であるので、１ｍの光ファイバが１℃の温度変化を受けただけでも、１０μｍ程度の光路長オフセットが生じて光路長の測定に無視できない影響を及ぼす。したがって、光ファイバ長は数ｍ以下とする必要がある。実用上は、生体組織に対するＯＣＴ測定では、測定部３０と対象物３との間で光をデリバリするのに必要な最小限の長さである２〜３ｍとすることが好ましい。

このように、ＯＣＴ用光プローブの実使用状態では、カットオフ波長の標準的な定義で想定されている長さに比べてファイバ長が１０分の１程度に短い。このことから、光ファイバにおいて高次モードが受ける伝送損失が小さくなりやすく、その結果、規格上はシングルモードの光ファイバであっても、ＯＣＴ測定の実使用状態ではシングルモードで動作しない場合がしばしば生じる。

このような問題を回避するためには、ＯＣＴ用光プローブの実使用状態においてシングルモードで動作するシングルモード光ファイバを光ファイバ１１として選択して用いる必要がある。しかし、シングルモード性を支配している高次モードの曲げ損失が大きいと、基底モードの曲げ損失も大きい。したがって、従来の光プローブで用いられていたシングルモード光ファイバでは、ＯＣＴ用光プローブの実使用状態においてシングルモード性を実現しようとすると、基底モードの曲げ損失特性が増大するという問題がある。

測定部３０の内部には、数ｍ程度のシングルモード光ファイバや、場合によっては高次モードフィルタを含むことができ、それらは高次モードを遮断する効果を持つ。しかし、光プローブはロータリージョイントにおいて回転し、さらにロータリージョイントは現実的には有限の大きさの軸ずれや角度ずれを有するので、ロータリージョイントにおいて光プローブの高次モードと測定装置側の光ファイバの基底モードとのモード結合が生じ得る。その場合は、測定部３０内でいかに高次モードを遮断したとしても、光プローブの高次モードによる雑音を抑制することができない。

次に説明するＯＣＴ装置２で用いられる光プローブ２０は、ＯＣＴ測定における高次モード雑音の発生を抑制することが可能な光ファイバを備え、かつ、そのような光ファイバによって生じ得る潜在的なリスクも減少させることができる。

図２は、本実施形態の光プローブ２０を備えるＯＣＴ装置２の構成を示す図である。ＯＣＴ装置２は、光プローブ２０および測定部３０を備え、対象物３の光干渉断層画像を取得する。光プローブ２０は、近位端２１ａと遠位端２１ｂとの間で光を伝送する光ファイバ２１と、近位端２１ａにおいて光ファイバ２１と接続されている光コネクタ２２と、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ２１と接続されている集光光学系２３および偏向光学系２４と、光ファイバ２１を包囲して光ファイバ２１に沿って延びるサポートチューブ２５およびジャケットチューブ２６とを備える。光コネクタ２２は測定部３０に光学的に接続される。

光ファイバ２１の遠位端２１ｂには、集光光学系２３としてのグレーデッドインデックス（GRIN）レンズと偏向光学系２４としてのミラーとが直列的に融着接続されて設けられている。集光光学系２３は、光ファイバ２１の遠位端２１ｂから出射される光を集光する。偏向光学系２４は、光ファイバ２１の遠位端２１ｂから出射される光を径方向へ偏向する。

光ファイバ２１はサポートチューブ２５の内腔に収納されている。サポートチューブ２５は、光ファイバ２１の少なくとも一部分および光コネクタ２２に固定されている。それにより、光コネクタ２２を回転させると、光ファイバ２１，集光光学系２３，偏向光学系２４およびサポートチューブ２５は一体となって回転する。光ファイバ２１，集光光学系２３，偏向光学系２４およびサポートチューブ２５は、ジャケットチューブ２６の内腔に収納され、その中で回転することができる。それにより、回転する部分が対象物３に接触して対象物３が破損することが防止される。

図３は、本実施形態の光プローブ２０で用いられる光ファイバ２１の構造を示す図である。同図（ａ）は光ファイバ２１の断面構造を示し、同図（ｂ）は光ファイバ２１の屈折率分布を示す。光ファイバ２１は、中心軸を含み屈折率ｎ_１を有するコア領域４１と、このコア領域４１を包囲し屈折率ｎ_２を有する第１クラッド領域４２と、この第１クラッド領域４２を包囲し屈折率ｎ_３を有するトレンチ領域４３と、このトレンチ領域４３を包囲し屈折率ｎ_４を有する第２クラッド領域４４と、この第２クラッド領域４４を包囲する被覆層４５とを含む。光ファイバ２１は、各領域の屈折率の間にｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３＜ｎ_４ なる関係を有する。

コア領域４１，第１クラッド領域４２，トレンチ領域４３および第２クラッド領域４４それぞれの領域のサイズおよび屈折率は、ＩＴＵ-Ｔ Ｇ.６５７ ＡまたはＢの特性に適合するように調整される。また、これらの領域のサイズおよび屈折率は、波長１.２６μｍにおいてＬＰ１１モードの伝送損失が曲げ半径１４０ｍｍにおいて１０ｄＢ／ｍ以上となるように選択される。

一般に、曲げによる伝送損失は波長に対して単調に増加するので、この光ファイバ２１は、波長１.２６μｍ以上の波長においてＬＰ１１モードを始めとする高次モードの伝送損失が十分に高い。特許文献１に開示されているようにＯＣＴ測定では波長１.３２μｍの波長が典型的に用いられるので、この光ファイバ２１はＯＣＴ測定において高次モード雑音を低減するのに有効である。そのような光ファイバ２１としては例えば特許文献２においてＢＩＦファイバとして開示されているものが知られている。

また、光ファイバ２１は、波長１.６２５μｍにおける基底モードの曲げ損失が半径５ｍｍにおいて１ｄＢ／turnより低いことが好ましい。一般に、曲げによる伝送損失は波長に対して単調に増加するので、このような光ファイバ２１では波長１.６２５μｍより短い波長において基底モードの曲げ損失が低く抑えられる。したがって、例えば血管の分岐部のように半径５ｍｍ程度の曲率半径を有する管腔部分を通して光プローブ２０を対象物３に到達させてＯＣＴ測定を実施することができる。このことと前述のＬＰ１１モードの曲げ損失特性とにより、波長１.２６〜１.６２５μｍにおいて高次モード雑音が低く、曲がりを持つ管腔にも適用可能な光プローブ２０が実現される。この波長帯は、生体組織による光散乱係数と水による光吸収の両方が小さく、生体組織のＯＣＴ測定に好適である。

しかし、５ｍｍ未満の曲率半径で光ファイバを曲げると、それによって誘起される歪によって光ファイバが破断するリスクが高まる問題がある。そのようなリスクは、従来の光プローブで用いられているようなシングルモード光ファイバでは、光ファイバの破断リスクを生じさせるような曲げが発生すれば曲げ損失が増大するので、ＯＣＴの操作者または測定装置自身が危険な曲げの発生を検知して、そのような曲げを回避することが可能であった。しかし、本実施形態における光ファイバ２１は、曲げ損失が低いので、危険な曲げの発生を検知して回避するのが難しくなり、光ファイバ２１の破断のリスクがさらに高まる。

そこで、図２に示されるように、光ファイバ２１はサポートチューブ２５の内腔に収納されるのが好適である。また、サポートチューブは、０.１５ｍｍ以上の厚さを持つとともに、ステンレスと同等程度の１００〜３００ＧＰａのヤング率を持つことが望ましい。サポートチューブ２５は、必ずしも周方向に連結していなくともよく、５〜２０本程度の線を撚り合わせた構造とし、それによって柔軟性を調整しても良い。それにより、光ファイバ２１の破断リスクを高めるような小さい曲げが光プローブ２０に加わることを防ぐことができる。そのようなサポートチューブ２５は特許文献３に開示されている。

サポートチューブ２５は、光コネクタ２２に対して固定されているとともに、光ファイバ２１の少なくとも１箇所に対して固定されている。その結果、光コネクタ２２が回転すると、それと共にサポートチューブ２５も回転し、さらに回転トルクが光ファイバ２１に伝達される。それにより、光ファイバ２１だけを回転させた場合に比べて、光ファイバ２１に負荷されるトルクが低減され、トルクによる光ファイバ２１の破断も防ぐことができる。

集光光学系２３としてのGRINレンズは、軸に垂直な断面内において中心から周縁部へ向かって減少する屈折率分布を有する。また、偏向光学系２４としてのミラーは、光軸に対して約４５度の角度を成す反射面を有する。その結果、光ファイバ２１の基底モードは、遠位端２１ｂから径方向に所定の距離だけオフセットした位置にビームウェストを有するように集光される。そのようなレンズおよびミラーの構成については特許文献１に開示されている。

１，２…ＯＣＴ装置、３…対象物、１０…光プローブ、１１…光ファイバ、１１ａ…近位端、１１ｂ…遠位端、１２…光コネクタ、１３…光学系、２０…光プローブ、２１…光ファイバ、２１ａ…近位端、２１ｂ…遠位端、２２…光コネクタ、２３…集光光学系、２４…偏向光学系、２５…サポートチューブ、２６…ジャケットチューブ、３０…測定部、４１…コア領域、４２…第１クラッド領域、４３…トレンチ領域、４４…第２クラッド領域、４５…被覆層。

Claims (5)

1. 近位端と遠位端との間で光を伝送する光ファイバと、
   前記近位端において前記光ファイバと接続されている光コネクタと、
   前記遠位端において前記光ファイバと接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を集光する集光光学系と、
   前記遠位端において前記光ファイバと接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を偏向する偏向光学系と、
   前記光ファイバを包囲して前記光ファイバに沿って延び、前記光ファイバ，前記光コネクタ，前記集光光学系および前記偏向光学系に対して回転自在であるジャケットチューブと、
   を備え、
   前記光ファイバが、中心軸を含み屈折率ｎ_１を有するコア領域と、このコア領域を包囲し屈折率ｎ_２を有する第１クラッド領域と、この第１クラッド領域を包囲し屈折率ｎ_３を有するトレンチ領域と、このトレンチ領域を包囲し屈折率ｎ_４を有する第２クラッド領域とを含み、ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３＜ｎ_４なる関係を有する、
   ことを特徴とする光プローブ。
2. 前記光ファイバを包囲して前記光ファイバに沿って延び、前記ジャケットチューブの内側に配置され、前記光ファイバの少なくとも一部分および前記光コネクタに固定されているサポートチューブを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
3. 前記サポートチューブが複数本の線状体をより合わせた構造を持つことを特徴とする請求項２に記載の光プローブ。
4. 前記サポートチューブが０.１５ｍｍ以上の厚さと１００ＧＰａ〜３００ＧＰａのヤング率とを有することを特徴とする請求項２に記載の光プローブ。
5. 前記光ファイバが、波長１.２６〜１.６２５μｍの所定の波長において、半径５ｍｍの曲げによる基底モードの伝送損失が１ｄＢ／turnより低く、半径１４０ｍｍの曲げによるＬＰ１１モードの伝送損失が１０ｄＢ／ｍより高い、ことを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
   

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