JP2015536195A - 光プローブシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、光電子デバイス１５を有する光変換器回路１０を備えた光プローブ１８を含む光プローブシステム１００に関する。光電子デバイスは、放射線源６からの第１の放射線ビーム２を電気エネルギーに変換し、第１の放射線ビーム内に含まれた第１のデータを受信する。光変換器回路１０は、第１の放射線ビーム２内の当該電気エネルギーによって給電可能である。光電子デバイスは更に、第２の放射線ビーム３を光検出器５に向けて放射する。当該放射は、入力される第１の放射線ビームによって引き起こされる。第２の放射線ビームは、第２のデータを含む。本発明は、光プローブシステムの遠位端において、高いデータ転送速度及び／又は比較的高いパワーを得ることが可能であり、また、比較的高い効率を有し、小型の改良された光プローブシステムが得られる点において有利である。

Description

本発明は、光プローブシステム、より具体的には、第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換する光電子デバイスを含む光プローブシステムに関する。本発明は更に、対応する光プローブと、対応する方法とに関する。

従来の外科的処置を低侵襲（ＭＩ）インターベンションに置き換える明確且つ現在進行中の傾向がある。低侵襲技術の採用を推し進める理由としては、心的外傷の減少、入院の短期化及び費用の低減が最も重要である。医療機器の更なる革新を可能とするために、したがって、より高度で、より困難だがやりがいのあるＭＩインターベンションを可能とするために、体内撮像及び生理学的測定用小型センサを、カテーテル及びガイドワイヤといった器具内に組み込む必要がある。

撮像、検知、増感又は更にはアブレーション用の医用カテーテル又はガイドワイヤといった長く細いデバイスの先端へのデータ及びパワー供給は、難しい。これに加えて、高データ転送速度の戻りチャネルを含めることは、より一層問題である。これには幾つかの理由がある。

第一に、医用インターベンションに必要な小さい横断面（即ち、小さい直径）が、ガイドワイヤ又はカテーテルの長い長さと組み合わされることによって、当該器具内に組み込まれる電気ワイヤの総数を大幅に制限する。

第二に、（複数の）電気ワイヤを組み込むと、器具の柔軟性が損なわれるが、柔軟性は、このタイプの器具の重要な特性である。

第三に、例えば超音波トランスデューサの先端において又は高感度測定において求められる高データ転送速度には、単芯ワイヤに比べ、より多くの空間を必要とする同軸ケーブルがしばしば必要となる。

第四に、電気ワイヤを有する器具は、通常、接続された電子機器内の電磁干渉につながる、また、場合によっては、組織加熱につながる電気配線内／電気配線の共鳴に起因して、ＭＲＩと併用できない。更に、細い電気ケーブルは、通常、カテーテルの遠位端において使用される比較的大量の電力をサポートできない。

また、カテーテル及びガイドワイヤは、その使い捨て使用のため、比較的簡単かつ費用効果的な方法で製造されなければならない。

米国特許第７，８３１，１５２号に、入力光ビームを検出し、共通光軸に沿って出力光ビームを送信する光トランシーバが開示されている。当該出力光ビームは、制御又は情報信号を含む。当該光トランシーバは、例えばカテーテル又は他の種類のプローブである多種多様な用途に適した小型トランシーバを提供する。幾つかの実施形態では、光パワーが光検出器に提供され、当該光パワーは、光プローブの遠位端において使用される電気エネルギーに変換される。

このデバイスの１つの欠点は、例えば特殊な複数接合及び／積層光電子デバイスを使用する点である。このデバイスは更に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓベースであるため、比較的低いバンドギャップを有する。したがって、生成される電圧は、１つの接合点だけでは、シリコンベースの電子機器に給電するには低過ぎる。更に、Ａｓの毒性は、医用デバイスにおける使用には問題となる可能性がある。

本発明の発明者は、改良された光プローブシステムが有益であることを認識し、その結果、本発明を考案した。

改良された光プローブシステムを実現することが有利である。より高速で及び／又は正確に動作する、特に、より速いデータ転送速度及び／又はプローブの遠位端に提供される比較的大量の電力で動作する光プローブシステムを可能とすることも望ましい。概して、本発明は、好適には、上記の不利点の１つ以上を、単独で又は任意の組み合わせにおいて、軽減、緩和又は排除しようとするものである。具体的には、本発明は、従来技術の上記課題又は他の課題を解決するシステム及び方法を提供することを目的とする。他の課題とは、侵襲的な医用デバイスが比較的薄いままで、また、組織加熱も回避される及び／又は最小限にされるように、カテーテル／プローブの先端における小型の光電子デバイスを可能とするための効率及び／又は高パワー密度である。

これらの検討事項のうちの１つ以上に対処するために、本発明の第１の態様において、光プローブシステムが提供される。当該光プローブシステムは、
光エネルギー及び第１のデータを含む第１の放射線ビームを放射可能な放射線源と、第２の放射線ビームを検出する光検出器と、
光プローブの近位端において、光検出器及び放射線源に光学的に接続され、遠位端を近位端に接続可能な光導波路を有し、光プローブの遠位端に光変換器回路を有する、光プローブと、
を含み、
当該光変換器回路は、
光プローブの遠位端におけるモニタリング及び／又は取扱いのためのアプリケーションデバイスであって、アプリケーションデバイスの機能を示す第２のデータを生成する、アプリケーションデバイスと、
第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、アプリケーションデバイスの機能に関連する第１のデータを受信する、光電子デバイスと、
を含み、
当該光電子デバイスは更に、第２のデータを含む第２の放射線ビームを光検出器に向けて放射し、
当該光電子デバイスは更に、第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、第１のデータを受信し、第２の放射線ビームを光検出器に向けて放射し、放射は、入力される第１の放射線ビームによって引き起こされ、
当該光変換器回路は、第１の放射線ビーム内の電気エネルギーによって給電可能である。

本発明は、次に限られないが、光プローブシステムの遠位端において、高いデータ転送速度及び／又は比較的高いパワーを得ることが可能であり、また、比較的高い効率を有する改良された光プローブシステムを得るために特に有利である。

多くの同時に生じる利点は、例えば細長い器具の先端にある双方向光電子デバイスに直接接続された光ファイバである光導波路を使用することによりもたらされる。上記は、特に内科領域におけるガイドワイヤ又はカテーテルについて言えることであるが、本発明は、光プローブが有益に使用される他の分野における応用も見出せる。

遠位端において、双方向光電子デバイスに連結される光ファイバを使用することが提案され、当該双方向光電子デバイスは、光導波路又は光ファイバ内に入れられ、当該光導波路又は光ファイバによって案内される光だけで、近位端からアドレスされ給電される。

双方向光電子デバイスの典型的な例としては、半導体光エミッタが挙げられる。半導体光エミッタは、光検出器としても使用可能である。双方向光電子デバイスは、例えばＬＥＤ、ＲＣＬＥＤ（共振空洞発光ダイオード）、半導体レーザ又はＶＣＳＥＬ（垂直空洞面発光レーザ）である。なお、これらのデバイスはすべて、直接バンドギャップ材料から作られているが、本発明は、間接バンドギャップ材料で実現されてもよい。

プローブの遠位端付近の組織の温度上昇、したがって、組織にかかるパワー負荷が制限されることにより、別の利点が見て取れる。これは、４２℃の変性温度よりも高い温度にまで組織を加熱することを防ぐ。これは、特に、
・カテーテル又はガイドワイヤの先端における効率的なパワー変換、及び／又は、
・水又は別の冷媒をカテーテル内に流すことによる先端の冷却（これは、カテーテル内の光電子機器及び／若しくは電子機器内の、又は、カテーテルと組織との間の界面上の損失を相殺するために、器具の先端に、より高いパワーが供給されることを可能にする。しかし、このソリューションは、器具内に利用可能な縦方向の空間を犠牲にする）を必要とする。

なお、本発明のコンテキストでは、レーザ又はパワーＬＥＤは、それらの低い固有直列抵抗率という理由だけでなく、狭波長帯域に対するそれらの最適化のために、比較的理想的な光起電変換器である。ＬＥＤ及び同様のＬＥＤは共に、通常、それらが発光する際の通常の動作条件下におけるよりも好適には少し短い波長（例えば５乃至１０％といったように２乃至２０％）の光で照射されると、かなりの電流を生成する。４０５ｎｍにおけるブルーレイディスク・バイオレットレーザを、Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｌｕｍｉｌｅｄｓ社又はＯｓｒａｍ社からの、通常、４４０乃至４５０ｎｍで動作する幾つかの高パワー青色ＬＥＤと組み合わせるとうまく動作するように見える。現在、高パワーＬＥＤ又はレーザは、高パワー及び高パワー密度光起電変換に特に適している。本発明の一般原則及び教示内容を鑑みて具体的に実施される新しく専用の及び更には一層最適な光起電変換デバイスが、将来、デザインされることは想到可能である。

更に、ＬＥＤ（又はレーザ）を照射する場合、いわゆる光誘起エレクトロルミネッセンス（ＰＩＥＬ）を生成することが可能であることに留意されたい。例えばF. Schubert、Q. Dai、J. Xu、K. Kim及びF. Schubertによる「Electroluminescence induced by photoluminescence excitation in GaInN/GaN light-emitting diodes」（Applied Physics Letters、第９５巻、１９１１０５（２００９年）を参照されたい。この参考文献は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。この参考文献に、本発明による光プローブに有益に適用される光誘起エレクトロルミネッセンスの根拠となっている物理的原理が説明されている。このＰＩＥＬルミネッセンスの強度は、通常、ＬＥＤデバイスの端子にかかる電気負荷に依存する。したがって、電気負荷は、ＬＥＤデバイスの電力を必要とすることなく、遠位端における電子機器によって変調可能である。ＬＥＤデバイスは、ＬＥＤ及び駆動回路における抵抗損失を解消するために、バンドギャップよりも高い電圧を必要とする。概略を説明した上記状況では、パワーは、近位端におけるレーザ又は放射線源から直接来て、通常、抵抗損失は（電圧降下が伴って）少なくなる。これは、単一のデバイスを使用したデータ戻りチャネルのための優れた方法を提供する。即ち、本発明は、新しく、有利な方法での光データマルチプレクシングを可能にする。Ｐｉｌｉｐｓ Ｌｕｍｉｌｅｄｓ社製のルクセオン・レベルといったパワーＬＥＤの場合、帯域幅は、１ＭＨｚのオーダである。レーザが、遠位端における双方向光電子デバイスとして使用される場合、帯域幅は、４００ＭＨｚ又はそれよりも高いオーダであることが予想される。

本願によって提供されるデータ通信用の光リンクの更なる利点は、そのＭＲＩ適合性、並びに、近位端及び遠位端の完全電気絶縁性である。なお、本体自体の電気抵抗が、電気絶縁の実際値の自然の下限を提供する。

本発明の拡張応用は、先端におけるセンサデバイス（例えばＣＭＵＴ超音波受信器又はトランスデューサ）にバイアスをかけるために高電圧（数ボルトよりも高い、通常、１００ボルト）を供給するために有限数（例えば２）の（細く、高抵抗の）電気ワイヤを使用する一方で、光リンクは、センサデバイス（例えばデータマルチプレクサ）に給電、プログラム及び制御して、データを転送するために使用される組み合わせを利用する。一実施形態では、電気回路の高電圧部の電気インピーダンスは、大きく（即ち、（準）静的なバイアス電圧を有するコンデンサ又は高インピーダンス抵抗器）、この場合、電気ワイヤの抵抗も大きいように選択され、これは、すべてが電気的なソリューションに比べてこのソリューションのＭＲ適合性を向上させる。好適な実施形態では、高抵抗の電気的接続は、光ファイバのコーティングの一体部分であっても、コーティングそのものであってもよい。典型的な抵抗は１ＭΩである。

本発明は、具体的には、医学的応用又は他の同様の応用における使用のための光形状検知ファイバと共に実現されてもよい。光形状検知は、光導波路又は光ファイバ内のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）又はレイリー後方散乱に基づいていてよい。

本願のコンテキストでは、光プローブは、次に限られないが、細長く、即ち、伸長された形状で、近位端と遠位端とを有し、遠位端は、モニタリング及び／又は例えばＲＦアブレーション及び超音波目的である様々な応用に使用されるものと見なされることを理解されたい。

本願のコンテキストでは、放射線源は、例えば赤外線（ＩＲ）、可視光、紫外線（ＵＶ）、Ｘ線放射線等である電磁放射線の任意の適切な送信器を含むことを理解されたい。

一実施形態において、本発明は、光導波路が、第１の放射線ビームを、近位端から遠位端に案内し、更に、第２の放射線ビームを、遠位端から近位端に案内し、第１の放射線ビーム及び第２の放射線ビームは、光導波路内を、同じ光路又は並列の光路に沿って案内される光プローブシステムに関する。本実施形態の１つの可能な利点は、１つの導波路しか必要でないという点である。特定の実施形態では、光導波路は、１つ以上の光チャネルを有する。別の可能な実施形態では、光導波路は、単一モードでの放射線の送信を可能にする。別の可能な実施形態では、光導波路は、マルチモードでの放射線の送信を可能にする。１つの可能な実施形態では、光導波路は、単一の光学材料で作られる。１つの可能な実施形態では、光導波路は複数のコアを有し、したがって、マルチコアファイバを含み、各コアは、光学の当業者には周知であるように、個別に作られてもよい。

別の実施形態では、本発明は、光導波路が、光ファイバを含み、当該光ファイバは、第１の放射線ビーム及び第２の放射線ビームの光路の少なくとも一部を含む光プローブシステムに関する。特定の実施形態では、別個の光コアを有する光ファイバを含む光導波路が提供される。

別の実施形態では、本発明は、制御ユニット（ＣＯＮ）を更に含み、当該制御ユニットは、放射線源に動作可能に接続され、光エネルギーを制御し、かつ、第１のデータを放射線源に供給し、制御ユニットは更に、光検出器に動作可能に接続され、第２のデータを光検出器から受信する光プローブシステムに関する。これは、単一ユニット内の改良された制御システムが提供されるため、有利である。

別の実施形態では、本発明は、制御ユニットが、少なくとも部分的に第２のデータ（Ｄ＿Ｒ）に基づいて、光エネルギー（Ｏ＿Ｐ）及び／又は第１のデータ（Ｄ＿Ｆ）を制御する制御ループを動作させる光プローブシステムに関する。これは、例えば組織に供給されたパワーに対する組織のパワー供給応答であるフィードバックが第２のデータ内に埋め込まれるため、有利である。これは、人間に使用された場合に、自動制御が意図しない損傷を回避又は最小限にすることができるため、特に重要である。

別の実施形態では、本発明は、第２の放射線ビームが、光電子デバイスにかかる電気負荷に依存する光プローブシステムに関する。これは、双方向に高速データ転送を提供する効率的なマルチプレクシングデータチャネルを有利に提供する。特定の実施形態では、光誘起エレクトロルミネッセンス（ＰＩＥＬ）の効果が利用される。

別の実施形態では、本発明は、制御ループが、光電子デバイスにかかる電気負荷を最適化する光プローブシステムに関する。これは、最大出力点（ＭＰＰ）を見つけることができるため、有益である。最大出力点は、システムを動作させるのに最適な点、特に、光電子デバイスを動作させるのに最適な点である。

別の実施形態では、本発明は、光電子デバイスが、光起電変換器を含み、好適には、当該光電子デバイスは、固体レーザ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む光プローブシステムに関する。これは、最大出力点（ＭＰＰ）を見つけることができるため、有益である。最大出力点は、システム、特に、光電子デバイスを動作させるのに最適な点である。この点は、発明の詳細な説明において更に説明される。

別の実施形態では、本発明は、光電子デバイスが、直接バンドギャップデバイス、好適には、単接合デバイスであり、
１）第１の放射線ビームの電気エネルギーへの変換及び第１のデータの受信と、
２）第２の放射線ビームの光検出器に向けての、入力される第１の放射線ビームによって引き起こされる放射とが、単接合において行われる光プローブシステムに関する。接合は、広く定義され、次に限定されないが、光及び／又は光電気現象を促進する活性領域を画定する２つ以上の異なる材料間の界面である。単接合は、例えばあらゆる変換、即ち、パワー変換、データ変換及びルミネッセンス変換が行われる光電子デバイスにおけるｐｎ接合であってよい。

別の実施形態では、本発明は、光電子デバイスが、光誘起エレクトロルミネッセンス（ＰＩＥＬ）を行うことが可能である光プローブシステムに関する。これは、比較的高速の双方向光通信が提供されるため、特に有利である。

別の実施形態では、本発明は、光プローブが、その近位端において、第１の放射線ビームと第２の放射線ビームとを分離可能な光学素子を含み、当該光学素子は、例えば半透明又は２色性（ダイクロイック）のミラーである光プローブシステムに関する。

別の実施形態では、本発明は、光変換器回路が、光電子デバイスからの電気エネルギーだけによって給電可能である光プローブシステムに関する。これは、遠位端への電気配線が、回避される又は最小限とされるといったように、同じ程度にまで必要ではないため、有利である。

別の実施形態では、本発明は、光変換器回路が、任意の電圧アップコンバージョンなしで光電子デバイスからの電気エネルギーによって直接給電可能である光プローブシステムに関する。例えば光変換器回路は、光電子デバイスが約２ボルトを必要とするシリコンベースの電子機器を駆動可能であることを手助けするように、フォトダイオード、ＬＥＤ又はレーザといったＧａＮベースのデバイスを含み、したがって、電圧アップコンバージョンは不要である。

別の実施形態では、本発明は、アプリケーションデバイスが、第１のデータに反応して制御可能である光プローブシステムに関する。

別の実施形態では、本発明は、アプリケーションデバイスが、
温度センサ、
圧力センサ、
化学センサ、
超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、
カメラ、
イオン化放射線（アルファ、ベータ及び／又はガンマ）用のセンサ、
例えば心電図（ＥＣＧ）を測定する電界センサ、及び／又は、
電気刺激装置若しくは増感装置のうちの何れか１つを含む光プローブシステムに関する。

別の実施形態では、光プローブシステムは、光形状検知に使用される。

当業者であれば、本発明による光プローブシステム内に、他のデバイスが実装されてもよいことは容易に理解できよう。なお、光プローブシステムは、光学的に給電されるが、アプリケーションデバイスは、光学ベースでなくともよく、例えば超音波、ボルタンメトリ、ひずみゲージ若しくは他の非光学原理、技術又はモダリティを使用して給電される。

第２の態様によれば、本発明は、光プローブに関する。当該光プローブは、その近位端において、関連の光検出器及び関連の放射線源に光学的に接続され、遠位端を近位端に接続可能な光導波路を有し、光プローブの遠位端に光変換器回路を有し、当該光変換器回路は、
光プローブの遠位端におけるモニタリング及び／又は取扱いのためのアプリケーションデバイスであって、アプリケーションデバイスの機能を示す第２のデータを生成する、アプリケーションデバイスと、
第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、アプリケーションデバイスの機能に関連する第１のデータを受信する、光電子デバイスと、
を含み、
当該光電子デバイスは更に、第２のデータを含む第２の放射線ビームを関連の光検出器に向けて放射し、
当該光電子デバイスは更に、第１の放射線ビームを受信すると、
第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、第１のデータを受信し、
第２の放射線ビームを関連の光検出器に向けて放射する機能を有し、
放射は、入力される第１の放射線ビームによって引き起こされ、
当該光変換器回路は、第１の放射線ビーム内の電気エネルギーによって給電可能である。

第３の態様によれば、本発明は、光プローブに電気エネルギーを供給し、光プローブからのデータを送信及び受信する方法に関する。当該方法は、
光プローブシステムを提供するステップを含む。当該光プローブシステムは、
光エネルギー（Ｏ＿Ｐ）及び第１のデータ（Ｄ＿Ｆ）を含む第１の放射線ビームを放射可能な放射線源と、第２の放射線ビームを検出する光検出器と、
光プローブの近位端において、光検出器及び放射線源に光学的に接続され、遠位端を近位端に接続可能な光導波路を有し、光プローブの遠位端に光変換器回路を有する、光プローブと、
を含み、
当該光変換器回路は、
光プローブの遠位端におけるモニタリング及び／又は取扱いのために構成され、アプリケーションデバイスの機能を示す第２のデータ（Ｄ＿Ｒ）を生成する、アプリケーションデバイスと、
第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、アプリケーションデバイスの機能に関連する第１のデータを受信する、光電子デバイスと、
を含み、
当該光電子デバイスは更に、第２のデータを含む第２の放射線ビームを光検出器に向けて放射し、
当該光電子デバイスは更に、第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、第１のデータを受信し、第２の放射線ビームを光検出器に向けて放射し、放射は、入力される第１の放射線ビームによって引き起こされ、
当該光変換器回路は、第１の放射線ビーム内の電気エネルギーによって給電可能であり、当該方法は更に、
放射線源から、光エネルギー（Ｏ＿Ｐ）及び第１のデータ（Ｄ＿Ｆ）を含む第１の放射線ビームを放射するステップと、
光電子デバイスにおいて、第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、第１のデータを受信するステップと、
光電子デバイスから光検出器に向けて第２の放射線ビームを放射すステップとを含む。

概して、本発明の様々な態様は、本発明の範囲内で、任意の方法で組み合わされ結合されてもよい。本発明のこれらの及び他の態様、特徴並びに／又は利点は、以下に説明される実施形態を参照することにより明らかとなろう。

本発明の実施形態は、ほんの一例として、図面を参照して説明される。

図１は、本発明による光プローブシステムの概略的な実施形態を示す。 図２は、本発明による駆動レーザを通る４つの異なる電流についてのＬＥＤを通る光誘起された（又は光起電の）電流の関数としてパワー負荷曲線（左軸）のグラフを示す。図２は、右軸に、光誘起されたエレクトロルミネッセンスの量も示す。 図３は、レーザパワー対レーザ電流（左軸）のグラフを示す。右軸には、対応するレーザパワーについてのレーザ照射されたＬＥＤのフォトルミネッセンス及び光誘起エレクトロルミネッセンスが示される。 図４は、２つの異なるＬＥＤについての負荷曲線、即ち、０．４×０．４ｍｍ^２の表面積を有するＬＤ Ｇ５ＡＰ（ＯＳＲＡＭ社製）についての上の曲線と、１．０×１．０ｍｍ^２の表面積を有するルクセオン・レベル・ロイヤル・ブルー（ＬＵＭＩＬＥＤＳ社製）についての下の曲線との別のグラフを示す。 図５は、本発明による方法のフローチャートを示す。

図１は、本発明による光プローブシステム１００の概略的な実施形態を示す。

放射線源６は、第１の放射線ビーム２を放射可能である。当該第１の放射線ビーム２は、光エネルギーＯ＿Ｐと第１のデータＤ＿Ｆとを含む。光検出器５は、第２の放射線ビーム３を検出する。

光プローブは、その近位端において、光検出器と放射線源とに光学的に接続される。光プローブは、遠位端を近位端に接続可能な光導波路８（例えば図１に概略的に示される光ファイバ）を有する。光プローブは、その遠位端に、光変換器回路１０を有する。当該光変換器回路は、
光プローブの遠位端において、例えば音響放射線又は電磁放射線によって、人間の影響周囲組織をモニタリングする及び／又は取り扱うアプリケーションデバイス２０と、
第１の放射線ビーム２を電気エネルギーに変換し、第１のデータＤ＿Ｆを受信する光電子デバイス１５とを含む。アプリケーションデバイス２０は、アプリケーションデバイス２０の機能を示す第２のデータＤ＿Ｒを生成する。第１のデータは、アプリケーションデバイス２０の機能に関連する。光電子デバイス１５は更に、第２の放射線ビーム３を光検出器５に向けて放射する。第２の放射線ビーム３は、第２のデータＤ＿Ｒを含む。光電子デバイス１５は更に、
−第１の放射線ビーム２を電気エネルギーに変換し、第１のデータＤ＿Ｆを受信し、
−第２の放射線ビーム３を光検出器５に向けて放射する。当該放射は、入力される第１の放射線ビーム２によって引き起こされる。光変換器回路１０は、第１の放射線ビーム２内の上記電気エネルギーによって給電される。放射線源６にエネルギーＰ＿Ｅを供給するコントローラＣＯＮを介して給電される当該放射線源６から生じる光エネルギーＯ＿Ｐは、遠位端における光変換器回路１０に与えられ、そこで、当該光変換器回路１０内で使用可能な電気エネルギーに変換される。

本実施形態では、光パワーは、カテーテル又はガイドワイヤ１８といった医用デバイス内に組み込まれたファイバ８の近位端に置かれる短波長レーザ６によって、当該ファイバ８内を通り供給される。高バンドギャップ光起電受信器が、光電子デバイス１５の機能を果たしてもよく、これにより、ファイバの先端（遠位端）において使用される電力が供給される。

カテーテル又はガイドワイヤ１８内に組み込まれることが可能なパワー及びデータ供給システムの一実施形態の一例。４０５ｎｍのブルーレイディスクレーザ６の光が、ダイクロイックミラー７を介して、光ファイバ内に入れられる。この光は、少し低いバンドギャップを有するＬＥＤを照射する。その結果、ＬＥＤに取り付けられた光変換器回路１０内に電流が生じる。光変換器回路１０は、ＬＥＤが感知する電気インピーダンスに影響を及ぼすことができるようにデザインされる。図１の例では、光変換器回路１０は、基本的に、インピーダンスを大幅に上げることによって、ダイオードとの接続を切ることができ、これにより、自身の電源との接続も切ることができる。外部からの供給がない時間の間を埋めるために、コンデンサ１６が使用される。ダイオードとの接続を切ることによって、レーザからの吸収された光（例えば４０５ｎｍ）よりも長い波長（例えば４５０ｎｍ）を有する光誘起エレクトロルミネッセンス（ＰＩＥＬ）が生じ、当該光誘起エレクトロルミネッセンスは、ファイバによって集光され、ダイクロイックミラー７を介して、検出器へと運ばれる。このようにして、光変換器回路１０は、第２のデータＤ＿Ｒを、制御ユニットＣＯＮ、また、次に例えばユーザＩ／Ｏデバイス２２に、接続２１（ワイヤレス又は専用ワイヤ）を介して、戻すことができる。

本実施形態、より一般的には、本発明の利点は、以下の要素のうちの１つ又はそれ以上からもたらされる。
・３方向使用：同時データイン、データアウト（デュプレキシング用の受信器）及びパワー入力を有する単接合光電子デバイス（積層されず、直列に配置もされてもいない）
・通常、２〜２．５Ｖを供給する直接的な高バンドギャップを有するＧａＮ／ＡｌＧａＮベース
・直接給電シリコンベースの電子機器（所要電圧＞１．６５Ｖ）
・小型、高パワー、高パワー密度性能（＞１Ｗ／ｍｍ^２から最大１ｋＷ／ｍｍ^２、又は、更には最大１ＭＷ／ｍｍ^２）
・ＧａＮは非毒性である（体内使用の利点）
・ＰＩＥＬは、高効率を特徴とし、この点は、本質的に、組織への熱負荷を低くする
・ＰＩＥＬを使用したフィードバック及び制御ループ、及び／又は、
・ＰＩＥＬを使用したデータの戻り。

図１に、カテーテル又はガイドワイヤ１８内に組み込むことができるパワー及びデータ供給システム１００の一実施形態が示されている。これにより、光変換器回路１０は、データを送信することができる。レーザから入力されるパワーは、出力効率の最適作用点（最大出力点、即ち、ＭＰＰ）を見つけるべく調節するように変更される。ＬＥＤにかかる負荷を測定し、そこから、電子回路の作用点及び出力効率を推測するために、総ルミネッセンス（フォトルミネッセンスと光誘起エレクトロルミネッセンスとの合計）がモニタリングされるフィードバックループが作られる。これは、本発明による駆動レーザを通る４つの異なる電流についてのＬＥＤを通る電流の関数としてパワー負荷曲線を有するグラフを示す図２において説明される。更に、データストリームが、光変換器回路にデータを送信するためのレーザへの入力パワーを変調することができる。光変換器回路は、所与の周波数帯域内の供給電圧の関連の変調を感知する。この周波数帯域は、推定上は、パワー調節制御ループの周波数よりも高い周波数にある。

図２は、本発明による駆動レーザを通る４つの異なる電流についてのＬＥＤを通る電流の関数としてパワー負荷曲線のグラフを示す。データは、０．４×０．４ｍｍ^２の表面積を有するタイプＬＤ Ｇ５ＡＰ（ＯＳＲＡＭ社製）のＬＥＤに関して測定されている。当該グラフは、パワー負荷曲線を、駆動レーザを通る４つの異なる電流についてのＬＥＤを通る電流の関数として示す。当然ながら、ＬＥＤから引き出し可能なパワーが最大値を示し、これは、いわゆる、最大出力点（ＭＰＰ）である。下に傾斜する線は、右軸に属し、光学部品は図１に示されるのとほぼ同様に構成されているが、光ファイバの代わりにレンズを有する集光光検出器上へのルミネッセンス信号に対応する。

図３と比較すると、このＬＥＤについてのＭＰＰにおける光起電変換効率は、約１０％であることが分かる。更に、出力パワーの増加が、入力パワーに伴って線形であることが見て取れる。したがって、パワー密度は、これらのパワーレベルにおいて、問題ではない。

図３は、レーザパワー対レーザ電流のグラフを示す。図３では、左軸に、レーザパワー対レーザ電流が示される。レーザ閾値は、約３０ｍＡである。右軸は、ＯＳＲＡＭ社製ＬＥＤから光検出器上に集光されたルミネッセンスパワー（luminescent power）を示す。ほんの限られたわずかなルミネッセンスが集光された。閉回路におけるパワーは、純粋なフォトルミネッセンスを表し、開回路におけるパワーは、総ルミネッセンスを表す。パワーは、シリコン検出器の４５０ｎｍにおいて０．２３４Ａ／Ｗの感光性と、５０オームの負荷とを使用して、計算された。

図４は、２つの異なるＬＥＤについての負荷曲線を有するグラフを示す。したがって、図４に、２つの異なるＬＥＤについての負荷曲線が示される。上の曲線は、０．４×０．４ｍｍ^２の表面積を有するＬＤ Ｇ５ＡＰ（ＯＳＲＡＭ社製）を示し、下の曲線は、１．０×１．０ｍｍ^２の表面積を有するルクセオン・レベル（Luxeon Rebel）・ロイヤル・ブルー（ＬＵＭＩＬＥＤＳ社製）を示す。入力パワーは、４０５ｎｍの波長において、５３ｍＷである。グラフは、各曲線について、それぞれ、１０％と３３％との出力効率に対応する最大出力点を示す。３３％の変換と１７．５ｍＷのパワーとによって、ＬＵＭＩＬＥＤＳ社製デバイスは、パワー変換にかなり適しているようである。

なお、広域パワーＬＥＤの変調速度は、現在、１００ｋＨｚ乃至１ＭＨｚの範囲に制限されている。更なる発展によって、この範囲は変更されるかもしれないし変更されないかもしれない。光記録目的の光源として使用されるようなダイオードレーザの使用は、この範囲を、１００ＭＨｚ乃至１ＧＨｚの範囲に広げるかもしれない。或いは、低変調速度ＬＥＤが、第１のデータのパワー変換器及び受信器として使用される場合、第２のデータを送信するための第２のデバイスが採用されてもよい。高速通信には、例えば８５０ｎｍにおいて動作するＶＣＳＥＬが対応できる。その動作電圧及び電流は、十分に上記範囲内であり、データ転送速度は、１０Ｇｂ／ｓまで増加される（Ｐｈｉｌｉｐｓ ＵＬＭ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ社がこのようなデバイスを製造しており、このデバイスも比較的小型である）。ここでも、大きな不利点は、ＶＣＳＥＬ及びＬＥＤであるデバイスの位置及び位置合わせである。

パワー供給の最適波長は、半導体のバンドギャップに依存する。大まかに言えば、パワー供給の波長は、データ送信に使用される放射波長よりも約５乃至２０％短い。半導体のバンドギャップが高いほど、放射波長及びパワーアップ波長は短く、出力電圧は高くなる。

５５５ｎｍの緑色波長において放射するガリウムリン（ＧａＰ）といった高バンドギャップ（２．２６ｅＶ）半導体は、約４４０ｎｍにおいて、最適な光起電感度（photovoltaic sensitivity）を有する。パワー供給は、例えば４０５ｎｍにおける青色レーザによって実現される。窒化ガリウム（ＧａＮ）は、３．４ｅＶのバンドギャップを有する。ＧａＰ及びＧａＮは共に、Ｓｉベースの電子機器を駆動するために直接的に有用な電圧においてパワーを供給する電位を提供する。なお、光起電モードにあるＬＥＤによって生成される最大電圧Ｖは、その放射波長λに、Ｖ＝１．２４×１０^−６λによって、関連する。しかし、実際には、この電圧は利用できず、むしろ、この等式は、１００％の量子効率における最大電圧（逆数、即ち、Ｓ＝Ｖ^−１は、感光性と呼ばれる）を与える。実際の状況において、この電圧が得られない理由は、少なくとも３つある。
１）拡散電位（通常、Ｓｉ（１．１２ｅＶ）、ＧａＰ（２．２６ｅＶ）といった間接バンドギャップを有する材料にはあまり好ましくない）。直接バンドギャップを有する材料は、例えばＧａＡｓ（１．４２４ｅＶ）、ＩｎＰ（１．３４４ｅＶ）、ＧａＮ（３．４ｅＶ）であり、特に、赤色発光レーザ（６５０ｎｍ）及びＲＣＬＥＤ又はＶＣＳＥＬ並びに２重接合及び３重接合太陽電池上の高エネルギー接合に使用されるＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐである。
２）光吸収深度。これは、量子効率に直接的に関連している。通常、バンドギャップのすぐ上で、ある波長においてフォトダイオードを照射すると、材料内の吸収長さは、空乏層の深さよりも大きい。したがって、多くの電荷担体が損なわれるか、又は、当該材料の総厚が小さい場合、光は全く吸収されない。
３）ダイオードにおける電圧増加及び他の損失による順方向漏れ（等価回路を使用した電子モデルについて以下を参照されたい）。

Ｓｉ、又は、好適には（５５５ｎｍに対応する２．２６ｅＶにおける）ＧａＰといった間接バンドギャップ材料を使用する代わりに、直接バンドギャップ材料ＡｌＧａＩｎＰを使用することが可能であり、また、その方が好適である。なお、後者は、５５５ｎｍにおいて、間接バンドギャップへの移行がある。ＧａＩｎＮ／ＧａＮで作られた青色ＬＥＤ（４７０ｎｍ）が、非常に良好に動作することが分かる。順方向電圧（１ｍＡにおいて２．７５Ｖ）は、放射エネルギー（２．６４ｅＶ）に極めて近づく。

図５は、本発明による方法のフローチャートを示す。より具体的には、図５は、光プローブに電気エネルギーを供給し、光プローブからのデータを送信及び受信する方法を示す。当該方法は、
‐第１の態様による光プローブシステムを提供するステップ（Ｓ１）を含む。当該方法は更に、
‐放射線源６から、光エネルギーＯ＿Ｐ及び第１のデータＤ＿Ｆを含む第１の放射線ビーム２を放射するステップ（Ｓ２）と、
‐光電子デバイス１５において、第１の放射線ビーム２を電気エネルギーに変換し、第１のデータを受信するステップ（Ｓ３）と、
‐光電子デバイス１５から光検出器５に向けて第２の放射線ビーム３を放射するステップ（Ｓ４）とを含む。

要約すると、本発明は、光電子デバイス１５を有する光変換器回路１０を備えた光プローブ１８を含む光プローブシステム１００に関する。光電子デバイス１５は、放射線源６からの第１の放射線ビーム２を電気エネルギーに変換し、第１の放射線ビーム２内に含まれた第１のデータを受信する。光変換器回路１０は、第１の放射線ビーム２内の当該電気エネルギーによって給電可能である。光電子デバイス１５は更に、第２の放射線ビーム３を光検出器５に向けて放射する。当該放射は、入力される第１の放射線ビーム２によって引き起こされる。第２の放射線ビーム３は、第２のデータを含む。本発明は、光プローブシステムの遠位端において、高いデータ転送速度及び／又は比較的高いパワーを得ることが可能であり、また、比較的高い効率を有し、小型の改良された光プローブシステムが得られる点において有利である。

本発明は、添付図面及び上記説明において詳細に例示かつ説明されたが、当該例示及び説明は、例示的であって限定的に解釈されるべきではない。本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形態様も、図面、開示内容及び従属請求項を検討することにより、請求項に係る発明を実施する当業者には理解されかつ実施可能である。請求項において、「含む」との用語は、他の要素又はステップを排除するものではなく、また、「ａ」又は「ａｎ」との不定冠詞も、複数形を排除するものではない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、請求項に記載される幾つかのアイテムの機能を果たしてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されるからといって、これらの手段の組み合わせを有利に使用することができないことを示すものではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に又は他のハードウェアの一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体といった適切な媒体上に格納／分散配置されてもよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムを介するといった他の形態で分散されてもよい。請求項における任意の参照符号は、範囲を限定しているものと解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 光エネルギー及び第１のデータを含む第１の放射線ビームを放射可能な放射線源と、
   第２の放射線ビームを検出する光検出器と、
   光プローブの近位端において、前記光検出器及び前記放射線源に光学的に接続され、遠位端を前記近位端に接続可能な光導波路を有し、前記光プローブの前記遠位端に光変換器回路を有する、前記光プローブと、
   を含み、
   前記光変換器回路は、
   前記光プローブの前記遠位端におけるモニタリング及び／又は取扱いのためのアプリケーションデバイスであって、前記アプリケーションデバイスの機能を示す第２のデータを生成する、前記アプリケーションデバイスと、
   前記第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、前記アプリケーションデバイスの前記機能に関連する前記第１のデータを受信する、光電子デバイスと、
   を含み、
   前記光電子デバイスは更に、前記第２のデータを含む前記第２の放射線ビームを前記光検出器に向けて放射し、
   前記光電子デバイスは更に、前記第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、前記第１のデータを受信し、前記第２の放射線ビームを前記光検出器に向けて放射し、前記放射は、入力される前記第１の放射線ビームによって引き起こされ、
   前記光変換器回路は、前記第１の放射線ビーム内の前記電気エネルギーによって給電可能である、光プローブシステム。
2. 前記光導波路は、前記第１の放射線ビームを、前記近位端から前記遠位端に案内し、更に、前記第２の放射線ビームを、前記遠位端から前記近位端に案内し、前記第１の放射線ビーム及び第２の放射線ビームは、前記光導波路内を、同じ光路又は並列の光路に沿って案内される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光導波路は、光ファイバを含み、前記光ファイバは、前記第１の放射線ビーム及び前記第２の放射線ビームの前記光路の少なくとも一部を含む、請求項２に記載のシステム。
4. 制御ユニットを更に含み、前記制御ユニットは、前記放射線源に動作可能に接続され、前記光エネルギーを制御し、かつ、前記第１のデータを前記放射線源に供給し、前記制御ユニットは更に、前記光検出器に動作可能に接続され、前記第２のデータを前記光検出器から受信する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記制御ユニットは、少なくとも部分的に前記第２のデータに基づいて、前記光エネルギー及び／又は前記第１のデータを制御する制御ループを動作させる、請求項４に記載のシステム。
6. 前記第２の放射線ビームは、前記光電子デバイスにかかる電気負荷に依存する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記制御ループは、前記光電子デバイスにかかる前記電気負荷を最適化する、請求項４及び６に記載のシステム。
8. 前記光電子デバイスは、光起電変換器を含み、好適には、前記光電子デバイスは、固体レーザ又は発光ダイオードを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記光電子デバイスは、直接バンドギャップデバイス、好適には、単接合デバイスであり、
   １）前記第１の放射線ビームの前記電気エネルギーへの変換及び前記第１のデータの受信と、
   ２）前記第２の放射線ビームの前記光検出器に向けての、入力される前記第１の放射線ビームによって引き起こされる放射とが、
   前記単接合において行われる、請求項１又は８に記載のシステム。
10. 前記光電子デバイスは、光誘起エレクトロルミネッセンスを行うことが可能である、請求項１に記載のシステム。
11. 前記光変換器回路は、前記光電子デバイスからの前記電気エネルギーだけによって給電可能である、請求項１に記載のシステム。
12. 前記光変換器回路は、任意の電圧アップコンバージョンなしで前記光電子デバイスからの前記電気エネルギーによって直接給電可能である、請求項１又は１１に記載のシステム。
13. 前記アプリケーションデバイスは、
    温度センサ、
    圧力センサ、
    化学センサ、
    超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）、
    カメラ、
    イオン化放射線（アルファ、ベータ及び／又はガンマ）用のセンサ、
    例えば心電図を測定する電界センサ、及び／又は、
    電気刺激装置若しくは増感装置のうちの何れか１つを含む、請求項１に記載のシステム。
14. 光プローブの近位端において、関連の光検出器及び関連の放射線源に光学的に接続され、遠位端を前記近位端に接続可能な光導波路を有し、前記光プローブの前記遠位端に光変換器回路を有する、前記光プローブであって、
    前記光変換器回路は、
    前記光プローブの前記遠位端におけるモニタリング及び／又は取扱いのためのアプリケーションデバイスであって、前記アプリケーションデバイスの機能を示す第２のデータを生成する、前記アプリケーションデバイスと、
    前記第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、前記アプリケーションデバイスの前記機能に関連する前記第１のデータを受信する、光電子デバイスと、
    を含み、
    前記光電子デバイスは更に、前記第２のデータを含む第２の放射線ビームを関連の前記光検出器に向けて放射し、
    前記光電子デバイスは更に、前記第１の放射線ビームを受信すると、
    前記第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、前記第１のデータを受信し、
    前記第２の放射線ビームを関連の前記光検出器に向けて放射する機能を有し、
    前記放射は、入力される前記第１の放射線ビームによって引き起こされ、
    前記光変換器回路は、前記第１の放射線ビーム内の前記電気エネルギーによって給電可能である、光プローブ。
15. 光プローブに電気エネルギーを供給し、前記光プローブからのデータを送信及び受信する方法であって、
    請求項１乃至１３の何れか一項による光プローブシステムを提供するステップを含み、
    前記方法は更に、
    前記放射線源から、光エネルギー及び第１のデータを含む第１の放射線ビームを放射するステップと、
    前記光電子デバイスにおいて、前記第１の放射線ビームを電気エネルギーに変換し、前記第１のデータを受信するステップと、
    前記光電子デバイスから前記光検出器に向けて第２の放射線ビームを放射すステップと、
    を含む、方法。