JP2013202295A - 光プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＣＴ測定における雑音を低減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１０は、近位端と遠位端との間で光を伝送する光ファイバ１１と、遠位端において光ファイバ１１と接続され光ファイバ１１の遠位端から出射される光を集光するとともに偏向する集光偏向光学系１３と、を備える。集光偏向光学系１３は、第一端１３ａと第二端１３ｂとの間に延在する中心軸１３ｃを有し、第一端が光ファイバ１１と光学的に接続され、中心軸が光ファイバ１１の基底モードからの出射光軸に平行であり、中心軸からの距離が長いほど屈折率が小さくなる屈折率分布を有して該屈折率分布により光を集光し、第二端において中心軸に対して３０度以上４５度未満の角度をなす反射面を有して該反射面により光を反射して偏向する。
【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壁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測定では、光源から発せられた照明光は、光プローブの近位端に入射され、光プローブにより導光され、光プローブの遠位端から出射されて対象物に照射される。その対象物への照明光の照射に応じて生じた後方反射光は、光プローブの遠位端に入射され、光プローブにより導光され、光プローブの近位端から出射されて光検出器により検出される。

ＯＣＴ測定で使用される光プローブにおいては、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（集光光学系）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。

また、ＯＣＴ測定で使用される光プローブにおいては、内壁に光を照射するために、光ファイバの先端（遠位端）に光を側方に偏向させる偏向光学系が設けられる。具体的には、特許文献１に記載されているように、斜めに研磨された端面を反射面として有するコアレスファイバ（偏向光学系）をレンズ（集光光学系）の先端に接続する構成などが知られている。

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

従来の光プローブでは、レンズ（集光光学系）とコアレスファイバ（偏向光学系）との間に界面が形成され、この界面において反射された光が光検出器に到達してＯＣＴ測定における雑音となるという問題があった。特許文献１に記載された構成では、レンズ（集光光学系）であるグレーデッドインデックス光ファイバは径方向に変化する屈折率を有しているのに対して、偏向光学系であるコアレスファイバは径方向に一様な屈折率を有している。このことから、径方向の少なくとも一部において集光光学系と偏向光学系との間に屈折率が不連続的に変化する界面が生じ、この界面において光が反射する。界面で反射した光の一部は、光プローブのシングルモード光ファイバに再結合されて光検出器に到達し、対象物からの後方反射光と混合されて雑音となる。

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、ＯＣＴ測定における雑音を低減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とともに偏向する集光偏向光学系と、光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延び、近位端において光コネクタに対して固定されているとともに、遠位端において光ファイバまたは集光偏向光学系に対して固定されているサポートチューブと、サポートチューブを包囲してサポートチューブに沿って延び、光ファイバ，光コネクタ，集光偏向光学系およびサポートチューブ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、集光偏向光学系は、第一端と第二端との間に延在する中心軸を有し、第一端が光ファイバと光学的に接続され、中心軸が光ファイバの基底モードからの出射光軸に平行であり、中心軸からの距離が長いほど屈折率が小さくなる屈折率分布を有して該屈折率分布により光を集光し、第二端において中心軸に対して３０度以上４５度未満の角度をなす反射面を有して該反射面により光を反射して偏向することを特徴とする。

本発明の光プローブでは、遠位端において光ファイバの基底モードから出射されて集光偏向光学系の反射面により反射されて偏向された光のうち、該光の光軸を中心として遠位端側で反射された光と近位端側で反射された光との間で、波面の曲率が互いに異なるのが好適である。

本発明の光プローブは、光ファイバの遠位端側の一部および集光偏向光学系を密着的に包囲して集光偏向光学系の第二端を超えて延びる気密チューブを更に備え、集光偏向光学系の反射面と気密チューブとの間に空洞が形成されているのが好適である。また、気密チューブと集光偏向光学系との間の界面において、気密チューブの屈折率が集光偏向光学系の屈折率より高いのが好適である。

本発明によれば、ＯＣＴ測定における雑音を低減することができる。

本実施形態の光プローブ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１０の遠位端１１ｂ付近の構造を拡大して示す図である。 本実施形態の光プローブ１０の集光偏向光学系１３の構成および作用を示す図である。

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。

図１は、本実施形態の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置１の構成を示す図である。また、図２は、本実施形態の光プローブ１０の遠位端１１ｂ付近の構造を拡大して示す図である。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と光学的に接続されている集光偏向光学系１３と、光ファイバ１１を包囲して光ファイバ１１に沿って延びるサポートチューブ１４およびジャケットチューブ１５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。

光プローブ１０は気密チューブ１６をも備える。気密チューブ１６は、光ファイバ１１の遠位端１１ｂ側の一部および集光偏向光学系１３を密着的に包囲しており、集光偏向光学系１３の第二端１３ｂを超えて延びていて、封止体１８をも密着的に包囲している。集光偏向光学系１３の第二端１３ｂ，気密チューブ１６および封止体１８に囲まれて形成された空洞１７は、閉じた空間となっている。

サポートチューブ１４は、近位端１１ａにおいて光コネクタ１２に対して固定されているとともに、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ１１または集光偏向光学系１３に対して固定されている。ジャケットチューブ１５は、光ファイバ１１，光コネクタ１２，集光偏向光学系１３およびサポートチューブ１４に対して回転自在である。すなわち、光ファイバ１１，集光偏向光学系１３，サポートチューブ１４，気密チューブ１６，空洞１７および封止体１８は、ジャケットチューブ１５の内腔の中で一体となって回転することができる。それによって対象物３を照明光でスキャンすることができる。ジャケットチューブ１５の内腔には、回転における摩擦抵抗を低減するために緩衝流体１９が充填されている。

光ファイバ１１は、一般的なシングルモード光ファイバであり、高屈折率のコアおよび低屈折率のクラッドからなるガラス繊維と、このガラス繊維を覆う樹脂被覆とを含む。光ファイバ１１は、近位端１１ａにおいて光コネクタ１２に対して固定され、遠位端１１ｂにおいてサポートチューブ１４に対して接着固定される。

光ファイバ１１はサポートチューブ１４の内腔に収納されている。サポートチューブ１４は、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ１１に接着固定されるとともに、近位端１１ａにおいて光コネクタ１２に対して固定されている。その結果、光コネクタ１２を回転させると、それと共にサポートチューブ１４も回転し、さらに回転トルクが光ファイバ１１に伝達され、光ファイバ１１、集光偏向光学系１３およびサポートチューブ１４が一体となって回転する。

サポートチューブ１４は、近位端１５ａにおいて光コネクタ１２に接続され、遠位端１５ｂにおいて光ファイバ１１に接続される。サポートチューブ１４は、ステンレス、Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＮｉ−Ｔｉ合金で構成される複数本（典型的には５〜５０本）の金属線が中空型に撚り合わされて捻られた構造を有し、０.１５ｍｍ以上の厚さを持つと共に、１００〜３００ＧＰａのヤング率を持つ。それにより、血管などの柔らかく屈曲した対象物３の内腔に挿入できる柔軟性を持たせると同時に、近位端１１ａに与えられた回転トルクを効率的に遠位端１１ｂに伝達することができる。

測定部３０は、光を発生させる光源３１と、光源３１から発せられた光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部３２と、光分岐部３２から到達した光を検出する光検出器３３と、光分岐部３２から到達した参照光を出力する光端末３４と、光端末３４から出力された参照光を光端末３４へ反射させる反射鏡３５と、光検出器３３により検出された光のスペクトルを分析する分析部３６と、分析部３６による分析の結果を出力する出力ポート３７と、を備える。

測定部３０において光源３１から出力された光は、光分岐部３２により２分岐され照明光および参照光として出力される。光分岐部３２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、集光偏向光学系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、集光偏向光学系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および光分岐部３２を経て光検出器３３に結合される。

光分岐部３２から出力された参照光は、光端末３４から出射されて反射鏡３５で反射され、光端末３４および光分岐部３２を経て検出器３３に結合される。対象物３からの後方反射光と参照光とは光検出器３３において干渉し、この干渉光が光検出器３３により検出される。干渉光のスペクトルは分析部３６に入力される。分析部３６において、干渉光のスペクトルの解析が行われ、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る。その計算結果に基づいて対象物３の断層画像が計算され、画像信号として信号出力ポート３７から出力される。

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。

図３は、本実施形態の光プローブ１０の集光偏向光学系１３の構成および作用を示す図である。集光偏向光学系１３は、概略円柱形の形状を有し、第一端１３ａと第二端１３ｂとの間に延在する中心軸１３ｃを有する。集光偏向光学系１３の第一端１３ａは、中心軸１３ｃに垂直な面となっていて、光ファイバ１１の端面と融着接続されている。集光偏向光学系１３の第一端１３ａの面が中心軸１３ｃに垂直であることにより、光ファイバ１１の端面と融着接続するために両者の位置関係を調整する際、中心軸１３ｃの回りの回転角度に対して光学特性が不変となるので、回転角度の調整が不要となり、製造が容易となる。中心軸１３ｃは光ファイバ１１の基底モードからの出射光軸に平行である。

集光偏向光学系１３は、グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズとして知られる屈折率分布、すなわち、中心軸１３ｃからの距離ｒが長いほど屈折率ｎが小さくなる屈折率分布を有している。集光偏向光学系１３の屈折率ｎは距離ｒの２次関数で表される。集光偏向光学系１３の屈折率は中心軸１３ｃの回りで回転対称的である。このような屈折率分布を有する集光偏向光学系１３は、光ファイバ１１の基底モードで伝搬され端面においてコアから出射されて発散された照明光を、内部で中心軸１３ｃと略平行に伝搬させながら収斂させ、その収斂の途中で第二端１３ｂの反射面により反射させることで、外部の或る点の近傍に集光することができる。

集光偏向光学系１３は、第二端１３ｂにおいて中心軸１３ｃに対して所定の角度θをなす反射面を有していて、この反射面により光を反射して偏向することができる。第二端１３ｂの反射面により反射された光は、中心軸１３ｃに対して角度２θの方向に偏向され、気密チューブ１６，緩衝流体１９およびジャケットチューブ１５を透過して、光プローブ１０の側方に存在する対象物３へ入射する。第二端１３ｂの反射面と中心軸１３ｃとがなす角度θは３０度以上４５度未満に設定される。

集光偏向光学系１３により集光および偏向された照明光は、対象物３の表面３ａまたは内部３ｂで後方反射される。一般にＯＣＴ測定では、生体組織を対象物３として、その対象物３の内部の構造や組成を知ることが測定の目的となることが多い。このような場合においては、対象物３の表面３ａにおける後方反射は、測定目的にとっては不要であり、寧ろ対象物３の内部３ｂにおける後方反射光の検出にとって雑音となる。

本実施形態では、光ファイバ１１の基底モードから発せられた照明光は、集光偏向光学系１３の内部で発散した後に収斂するよう伝搬する。ここで、集光偏向光学系１３の内部で互いに異なる経路を伝搬する３つの光線２０ａ，２０ｂ，２０ｃを考える。３つの光線２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、収斂の途中で第二端１３ｂの反射面により反射されるので、該反射面において互いに異なる位置で反射される。

集光偏向光学系１３の内部で中心軸１３ｃに沿って伝搬する光線２０ａは、第二端１３ｂの反射面の中央で反射されて対象物３に照射されるとする。光線２０ｂは、第二端１３ｂの反射面の中央より近位端側で反射されて対象物３に照射されるとする。また、光線２０ｃは、第二端１３ｂの反射面の中央より遠位端側で反射されて対象物３に照射されるとする。

集光偏向光学系１３が持つ屈折率分布は、第二端１３ｂの反射面で反射される前の照明光を収斂させるように作用する。従って、光線２０ｃは光線２０ｂに比べて集光作用を多く受けた後に反射されるので、対象物３に照射される際には光線２０ｂ，２０ｃそれぞれの波面の曲率は互いに異なり非対称性を有する。また、光線２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、対象物３の表面３ａに互いに異なる角度で入射する。

光線２０ｂ側の経路を経て対象物３の表面３ａに入射した照明光は、光線２０ｃ側の経路へと反射される。逆に、光線２０ｃ側の経路を経て対象物３の表面３ａに入射した照明光は、光線２０ｂ側の経路へと反射される。対象物３に照射される光の波面が非対称性を持つことにより、光線２０ｂ側から光線２０ｃ側へ反射された光のうち、光ファイバ１１の基底モードに再結合する割合が低減される。光線２０ｃ側から光線２０ｂ側への反射においても同様である。その結果、対象物３の表面３ａにおける反射による雑音が低減される。

集光偏向光学系１３の第二端１３ｂの反射面と中心軸１３ｃとがなす角度θは、４５度と異なることが好ましい。もし、角度θが４５度に等しいと、照明光が中心軸１３ｃから９０度の方向に偏向され、集光偏向光学系１３，気密チューブ１６およびジャケットチューブ１５の界面における反射光が光ファイバ１１に再結合して雑音を生じる。しかし、角度θを４５度からずらすことにより、そのような雑音を低減することができる。

また、集光偏向光学系１３の第二端１３ｂの反射面と中心軸１３ｃとがなす角度θは、４５度よりも小さい方が望ましい。それにより、第二端１３ｂの反射面における反射率が高くなり、集光偏向光学系１３による光の集光効率が高まる。また、角度θは３０度を下回らないことが望ましい。角度θが小さいほど、光線２０ｂと光線２０ｃとの間での波面の非対称性が大きくなり、集光スポット径が大きくなって、空間分解能が悪化する。空間分解能の悪化を抑えるためには、角度θを３０度以上とすることが好ましい。

集光偏向光学系１３は、屈折率分布を形成するための添加物を含んだ石英系ガラスからなり、約１.４５の屈折率ｎ_１を有する。一方、集光偏向光学系１３の第二端１３ａに接する空洞１７は、空気等の気体からなり、約１の屈折率ｎ_２を有する。従って、第二端１３ａの反射面における全反射臨界角は、該反射面の法線を基準として４６.４度（＝asin(ｎ_２／ｎ_１)）である。集光偏向光学系１３の第二端１３ｂの反射面と中心軸１３ｃとがなす角度θが４０度である場合、反射面の法線を基準とする照明光の入射角は５０度となって全反射臨界角を超えるので、第二端１３ｂの反射面で照明光を全反射させることができ、反射面における光損失を最小化することができる。

空洞１７は、集光偏向光学系１３，気密チューブ１６および封止体１８によって閉じた空間として形成されている。その結果、血液や生理食塩水などの液体で満たされた血管内腔に光プローブ１０を挿入して血管に対するＯＣＴ測定を実施する場合においても、液体が空洞１７に侵入することに因る第二端１３ｂの反射面における臨界角の変化が避けられるので、反射面における光損失を最小化することができる。

集光偏向光学系１３を包囲する気密チューブ１６は、集光偏向光学系１３の屈折率より高いことが好ましい。例えば、気密チューブ１６は、ＰＥＴ，ＰＢＴまたはＵＶ硬化性アクリレートで形成され、屈折率は１.４６〜１.５８である。対象物３の内部３ｂでは照明光が様々な方向に後方反射され、そのうち、照明光の入射方向に対してほぼ１８０度の後方に反射された光がＯＣＴの信号光として検出される。一方、照明光の入射方向に対して１８０度と大きく異なる方向に反射された光は、検出されると雑音となり得るので、光ファイバ１１に再結合しないことが望ましい。集光偏向光学系１３の側面を、より屈折率の高い気密チューブ１６で包囲することにより、集光偏向光学系１３の側面に入射した雑音光を気密チューブ１６側に逃がすことができ、雑音を低減することが可能である。

本実施形態の光プローブ１０では、特許文献１に開示されているような先行技術と異なり、光偏向光学系１３の内部に不連続な屈折率を持つ界面が存在しないので、集光偏向光学系１３の内部で照明光が反射して光ファイバ１１に再結合することに因るＯＣＴの雑音が低減される。

１…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…集光偏向光学系、１３ａ…第一端、１３ｂ…第二端、１３ｃ…中心軸、１４…サポートチューブ、１５…ジャケットチューブ、１６…気密チューブ、１７…空洞、１８…封止体、１９…緩衝流体、２０ａ〜２０ｃ…光線、３０…測定部、３１…光源、３２…光分岐部、３３…光検出器、３４…光端末、３５…反射鏡、３６…分析部、３７…出力ポート。

Claims (4)

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とともに偏向する集光偏向光学系と、
   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、前記近位端において前記光コネクタに対して固定されているとともに、前記遠位端において前記光ファイバまたは前記集光偏向光学系に対して固定されているサポートチューブと、
   前記サポートチューブを包囲して前記サポートチューブに沿って延び、前記光ファイバ，前記光コネクタ，前記集光偏向光学系および前記サポートチューブに対して回転自在であるジャケットチューブと、
   を備え、
   前記集光偏向光学系は、第一端と第二端との間に延在する中心軸を有し、前記第一端が前記光ファイバと光学的に接続され、前記中心軸が前記光ファイバの基底モードからの出射光軸に平行であり、前記中心軸からの距離が長いほど屈折率が小さくなる屈折率分布を有して該屈折率分布により光を集光し、前記第二端において前記中心軸に対して３０度以上４５度未満の角度をなす反射面を有して該反射面により光を反射して偏向する、
   ことを特徴とする光プローブ。
2. 前記遠位端において前記光ファイバの基底モードから出射されて前記集光偏向光学系の前記反射面により反射されて偏向された光のうち、該光の光軸を中心として前記遠位端側で反射された光と前記近位端側で反射された光との間で、波面の曲率が互いに異なる、ことを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
3. 前記光ファイバの前記遠位端側の一部および前記集光偏向光学系を密着的に包囲して前記集光偏向光学系の前記第二端を超えて延びる気密チューブを更に備え、
   前記集光偏向光学系の前記反射面と前記気密チューブとの間に空洞が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
4. 前記気密チューブと前記集光偏向光学系との間の界面において、前記気密チューブの屈折率が前記集光偏向光学系の屈折率より高い、ことを特徴とする請求項３に記載の光プローブ。

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