JP2020078543A - 光プローブ接続を検出するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2018年9月14日に出願された米国特許非仮出願第16/131662号に対する優先権を主張する。上述の出願の開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
第1の実施形態によれば、マルチモダリティカテーテルシステムは、OCTシステム及び蛍光サブシステムを含み、それらは、サンプルを照明しサンプルからの光を収集するための共通光プローブを共有する。カテーテルは、シース、コイル、保護体及び光プローブを有する。光プローブは、光ファイバコネクタ、光ファイバ及び遠位光学アセンブリを有する。OCTシステムは、干渉計と、干渉計のサンプルアームに配置されたカテーテルとを含む。少なくとも2つのクラッドをもつ光ファイバ(ダブルクラッドファイバ又はDCFとしても知られている)の遠位端に取り付けられた集束要素(GRIN又はボールレンズ)を含む光プローブを有するカテーテルは、サンプルアームに対して脱着可能である。蛍光サブシステムは、同じカテーテルと、干渉計とは別個の励起光源とを含む。
より具体的には、図1は、冠状動脈又は頸動脈をイメージングするための血管内OCT/蛍光カテーテルシステムとして適用することができる、干渉OCTモダリティ及び蛍光分光モダリティを含む例示的なマルチモダリティカテーテルシステム100を示す。代替として、マルチモダリティシステム100は、他の体管腔をイメージングするための内視鏡システム(内視鏡)として適用することができる。図1に示すように、システム100は、サンプルアーム及び参照アームを有する干渉計から成るOCTモダリティと、OCT光源110(第1の光源)と、検出器ユニット120と、データ取得ユニット130と、コンピュータ190とを含む。干渉計のサンプルアームは、カテーテルコネクタ180を介してカテーテル160に接続された患者インタフェースユニット(PIU)150を含む。参照アームは反射器140を含む。干渉計は、光ファイバで実装されたマイケルソン干渉計を含む任意の干渉計構成のものとすることができる。加えて、システム100は、光ファイバ811を介して同じカテーテル160に同様に接続され、PIU150を介してコンピュータ190に接続された励起光源810(第2の光源)から成る蛍光サブシステム(蛍光モダリティ)を含む。一実施形態では、システム100は、OCT光源110としての波長掃引型ソースレーザ(swept−source laser)(波長1310nm±50nm)と、蛍光サブシステムの励起光源810としてのHeNeレーザ(波長633nm)とを用いる。
蛍光モダリティ(蛍光サブシステム)では、励起光源810(第2の光源)は、633nmの波長をもつ励起光を出射する。励起光は、最初に、ファイバ811を通してPIU150に誘導され、PIU150のビームコンバイナは、ファイバ107を介してカテーテル160の遠位光学系に励起光を伝送する。このようにして、カテーテル160は更に、OCT光の波長と異なる波長を有する励起光でサンプル170を照射する。サンプル170は、励起光で照射されたことに応じて、約633〜900nmの広帯域波長をもつ自己蛍光(NIRAF信号)又は蛍光(NIRF信号)を発する。自己蛍光(又は蛍光)光は、カテーテル160の遠位光学系によって収集され、PIU150に接続された光ファイバ108を介して蛍光検出器122(DET2)に送られる。検出器122から出力された蛍光信号(蛍光強度信号)は、データ取得電子カード132(DAQ2)によってデジタル化され、デジタル化された蛍光データは、画像処理のためにコンピュータ190に伝送される。
図2Aは、カテーテル160(図1に示す)の近位端に取外し可能に接続される患者インタフェースユニット(PIU)150の関連部分の1つの例示的な実装を概略的に示す。図2Aに示すように、PIU150は、外側ハウジング202に入れられており、外側ハウジング202は、カテーテル160の光プローブの制御に有用な機械コンポーネント、電子コンポーネント及び光学コンポーネントのためのハウジングとしての役割を果たす。PIU150のハウジング202内に、自由空間光コネクタ210、回転モータ220、電動並進(translation)移動ステージ214から成る光ファイバロータリジョイント(FORJ)が含まれる。一方の端部に、PIU150は光学/電気コネクタ216を備え、PIU150の他方の端部に、PIU150はカテーテルコネクタ218を備える。コネクタ216は、保護ジャケット204aに入れられた1つ以上のファイバ206aと、PIU150の電子配線接続部215とを、コンピュータ190を含む操作コンソールに接続する役割を果たす。コンソールはケーブルバンドルを介してPIUに接続する。保護ジャケット204bに入れられたダブルクラッドファイバ(DCF)206bの第1の端部は、自由空間コネクタ210の一部であり、DCF206bの他方の端部は、コネクタ218を介してカテーテル160に接続される。
図3Aは、自由空間光コネクタ210内に実装することができる自由空間ビームコンバイナ300の例示的な実施形態を示す。図3Aに示すビームコンバイナ300は、図2Bで示す自由空間光コネクタ210のより詳細な図である。自由空間ビームコンバイナ300は、FORJのステータ側からロータ側を分離する役割を果たす。ロータ側は、カテーテルコネクタ218(図2Aに示す)によって光プローブに接続され、ステータ側は光学サブシステムに接続される。
図3Aに示すように、チャネル308のファイバコリメータユニットの一方の端部は自由空間ビームコンバイナ300に接続し(かつその一部であり)、コリメータユニットの他方の端部(第2の端部)は光プローブに接続する。光プローブがその近位端にファイバコネクタを有し、プローブのそのファイバコネクタがチャネル308のファイバコリメータユニットに接続されるので、チャネル308のファイバコリメータユニットと光プローブのファイバコネクタとの光学的位置合わせを確認することは重要である。大部分の光ファイバコネクタは、突出フェルールをもつプラグ又はいわゆる雄コネクタであり、突出フェルールは、中心にファイバを保持し、2つのファイバを嵌合するために、又は光源若しくは検出器にファイバを接続するために、ファイバを位置合わせする。ファイバコネクタは、通常、2つのコネクタフェルールを嵌合させるために嵌合アダプタ部分を用い、嵌合アダプタは、接続部分をロックするためにコネクタの固定機構(バイオネット、ねじ止め又はスナップイン)に適合する。フェルール設計は、嵌合アダプタへの接続のために、又はLED及びVCSELのような光源若しくはPINフォトダイオードのような検出器への直接接続のために、特有のものにすることができる。光ファイバベースカテーテルを用いた医用イメージングの分野では、光カテーテルコネクタの設計は、無菌使用と、信頼できる性能と、組立てやすさと、直観的な接続及び切離しの手順との要件を満たさなければならない。その目的で、カテーテルコネクタは、カテーテルコネクタとPIUとの間の適切な係合が達成されたという明瞭な表示を提供すべきである。
図4Aは、カテーテル160の遠位端(光プローブ)の例示的な図を示す。図4Aに示すように、カテーテル160は、透明なシース410、コイル420、透明な保護体430及び光プローブ450を有する。カテーテル160の遠位端に配置された光プローブ450は、ダブルクラッドファイバ452、レンズ454(例えばGRINレンズ又はボールレンズ)並びに反射素子及び/又は回折素子(例えばプリズム)456を含む。カテーテル160は、その近位端において、コネクタ180を介してPIU150(図1に示すような)に接続される。図4Aに示すコイル420は、カテーテル160の近位端から遠位端へ回転トルクを送る。上述したように、回転トルクは、PIU150に位置付けられた回転モータ220によって供給される。カテーテル160の遠位端において、回折素子456(例えばミラー、プリズム又は回折格子)の反射面又は回折面は、横方向の照明光(サンプルビーム)をサンプル(管腔空洞の壁)の方に偏向する。図4Aに示すように、光プローブ450は側方ビューイメージング用に構成され、サンプル表面に入射した照明光は、カテーテルの軸Oxを横切る線に沿って進む。光プローブの設計に応じて、照明光は、正面ビューイメージングのために長手軸Oxと実質的に平行な方向に誘導されてもよい。
ラマン分光を光干渉断層法(OCT)と組み合わせた光ファイバカテーテル構成は、以前の特許出願及び学術出版物によって提案されている。例えば、Motz他、“Optical Fiber Probe for Biomedical Raman Spectroscopy”、Applied Optics 43巻、3号、2004年1月20日、米国特許出願公開第2008/0304074号(Brennan)及び米国特許出願公開第2012/0176613号(Marple他)を参照されたい。これら及び他の出版物において、生物組織からのラマンスペクトル、すなわち、約400〜2000cm-1の波数領域のラマンスペクトルを光ファイバを通して収集することは、ファイバ自体からのラマン信号(バックグラウンド信号)によって複雑になることが見出されている。ファイバのバックグラウンド信号の強度は、検査されている組織からのラマン散乱信号に等しいか、又は大きくさえある。ファイバのバックグラウンド信号は、溶融石英コア及び/又はクラッディングからのラマン散乱と、ファイバコア及び/又はクラッディングを製造するために用いられた不純物及びドーパント(一般にカテーテルで使用されるファイバの全長(およそ1〜3メートル)に沿って分布する)からの蛍光とから成る。
図1に示す特定のカテーテルシステム100は、とりわけ、血管などの体管腔の分光分析のために使用される。その目的のために、蛍光サブシステムは、光又は他の放射線を励起光源810からカテーテル160の遠位端に送り、光はカテーテルウィンドウを出て、遠位端の近くのエリアを照明する。このカテーテルプローブ接続により、測定時に組織自己蛍光を取得することができる。しかしながら、有利なことに、光プローブ接続検出時にファイバ自体から得られた蛍光信号を用いて、検査されている組織の自己蛍光スペクトルをより正確に決定することができる。
血管内OCT及び自己蛍光による冠状動脈のイメージングは、図1の実施形態で説明したカテーテルシステム100を用いて達成することができる。このシステムを用いて、例えば、血管(例えば冠状動脈)を見て、狭窄領域とハイリスクプラークの存在とを診断することができる。加えて、システム100は、カテーテルが患者に適用される前に、光ファイバ自体から取得されたラマン信号及び/又は自己蛍光信号を用いることによって、カテーテルプローブの接続を検出及び/又はモニタするという特有の特徴を有する。この特徴により、カテーテルシステム100は、二次的被害を防止するための対策を取ることができ、カテーテルプローブが未接続であるか又は予期せずに切り離されたときに、潜在的なエラーをユーザに通知することができる。カテーテルコンソールへの光プローブ接続の状態を検出し評価するプロセスが、図9のS902〜S910で説明される。しかしながら、カテーテルコンソールへの適切な光プローブ接続を確実にすることは、本明細書で説明するマルチモダリティシステム100の機能の一部にすぎない。前に述べたように、システム100は、冠状動脈のイメージング並びにカテーテル及び/又は内視鏡が必須である他の同様のイメージング用途に適用可能である。
図8Aは、マルチモダリティカテーテル160に接続された電子システムコンソール800の例示的な実装を示す。図8Bは、マルチモダリティカテーテルシステムにおける制御及び画像処理を実行するための例示的なコンピュータ制御システムの機能ブロック図である。カテーテル160を用いてマルチモダリティ画像を取得するシステムコンソール800が、図8Aに示されている。システムコンソール800は、例えば、OCTモダリティ820、励起光源810、検出器840、分光器830、患者インタフェースユニット(PIU)150及びコンピュータ190を含むか、又はそれらに接続される。システムコンソール800は、1つ以上のケーブル(ケーブルバンドル835)を介してPIU150に接続される。光カテーテル160は、PIU150に取付け可能な近位端と、遠位端から作動距離に位置するサンプルのエリアを照明するために用いられる光プローブを収容するように構成された遠位端とを有する。
図9は、カテーテル接続、サンプル測定及びカテーテル切離しのための例示的なプロセス(方法)を示す。プロセスは、図1を参照して上述したシステムの構造に基づいて実行される。このプロセスによれば、カテーテルシステム100は、プロセスのいくつかのステップで光プローブ接続の検出及び/又はモニタリングを追加することによって、信頼性がより高くなる。また、このプロセスは、誤操作の実行並びにPIU及びカテーテルの損傷を防止する。
本明細書において別段の定義がされない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本発明の広さは、本明細書によって限定されるのではなく、むしろ、採用される特許請求の範囲の用語の平易な意味によってのみ限定される。
以下の非特許文献(NPL)及び特許公報(「非本質的事項(nonessential material)」と考えられる)は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
1.Motz他、“Optical Fiber Probe for Biomedical Raman Spectroscopy”、Applied Optics 43巻、3号、2004年1月20日、
2.Ma他、“Fiber Raman background study and its application in setting up optical fiber Raman probes”、Appl.Opt.1996年
3.Walrafen他、“Raman Spectral Characterization of Pure and Doped Fused Silica Optical Fibers”、Applied Spectroscopy、29巻、4号、1975年、337〜344頁、
4.特許公報は次のものを含む。米国特許第8758223号、第6009220号、第5625450号、第7132645号及び第6069691号、並びに付与前公開(PGPUB)米国特許出願公開第2008/0304074号(Brennan)、米国特許出願公開第2012/0176613号(Marple他)及び米国特許出願公開第2003/0077043号(Hamm他)。
Claims (22)
- 電子コンソールと、
励起放射線を出射するように構成された励起光源と、
前記コンソールに取付け可能な近位端、及び光プローブを中に収容するように構成された遠位端を有するカテーテルと、
前記励起光源から出射された励起放射線を前記コンソールから前記光プローブまで伝送するように構成され、励起放射線の波長よりも長い波長を有する光応答信号を収集するように構成された光ファイバと、
前記光応答信号の強度又は波長を検出するように構成された検出器と、
検出された前記強度又は前記波長に基づいて、前記光プローブが前記コンソールに適切に接続されているかどうかを決定するように構成されたプロセッサと、
を備え、
前記光応答信号は、前記光ファイバを通して前記励起放射線を伝送することに応じて、前記光ファイバ自体の中で光子散乱及び自己蛍光のうちの少なくとも1つによって生成される、
カテーテルシステム。 - 前記光ファイバは、前記光ファイバの長手軸と同心のコアと、前記コアを囲む内側クラッディングと、前記内側クラッディングを囲む外側クラッディングとを備えるダブルクラッドファイバである、請求項1に記載のカテーテルシステム。
- 前記光応答信号は、前記光ファイバの前記内側クラッディング及び/又は前記外側クラッディングを形成するために用いられたドーパント材料から生成された自己蛍光信号であり、前記自己蛍光信号は、前記光ファイバの前記内側クラッディング及び/又は前記外側クラッディングを通して前記励起放射線を伝送することに応じて生成される、請求項2に記載のカテーテルシステム。
- 前記光応答信号は、前記光ファイバを通して前記励起放射線を伝送することに応じて前記光ファイバ自体から生成されたラマン散乱信号である、請求項1に記載のカテーテルシステム。
- 前記光ファイバは、前記光ファイバの長手軸と同心のコアと、前記コアを囲む内側クラッディングと、前記内側クラッディングを囲む外側クラッディングとを備えるダブルクラッドファイバであり、
前記ラマン散乱信号は、前記光ファイバの前記コアを形成するために用いられたシリカ材料から生成され、前記ラマン散乱は、前記光ファイバの前記コアを通して前記励起放射線を伝送することに応じて生成される、請求項4に記載のカテーテルシステム。 - 前記光ファイバは、前記カテーテルの前記近位端から前記遠位端へ延びる中心長手軸を有するダブルクラッドファイバであり、前記ダブルクラッドファイバは、前記長手軸と同心のコアと、前記コアを囲む内側クラッディングと、前記内側クラッディングを囲む外側クラッディングとを備える、請求項1に記載のカテーテルシステム。
- 前記励起放射線を出射するように構成されたレーザ源を更に備え、前記励起放射線の前記波長は約400nm〜800nmの範囲にある、請求項1に記載のカテーテルシステム。
- プロセッサは、特定の波長又は特定の波長範囲における検出された前記光リターン信号を分析することによって、前記光プローブが前記コンソールに適切に接続されているかどうかを決定する、請求項1に記載のカテーテルシステム。
- 前記リターン光信号から前記励起光を分離するように構成された自由空間ビームコンバイナを更に備え、
前記自由空間ビームコンバイナは、前記励起光が前記検出器に返されることを阻止するように構成された1つ以上の光フィルタを含む、請求項1に記載のカテーテルシステム。 - 前記励起源と異なる放射線源を更に備え、
前記光応答信号は、前記光ファイバを通して前記励起放射線を伝送することに応じて前記光ファイバ自体の自己蛍光又はラマン散乱に関連して生成され、
前記放射線源は第1の波長の放射線を出射し、前記放射線源から出射された前記第1の波長の放射線は、前記光ファイバを介して前記光プローブに結合され、前記光プローブの遠位端を囲むエリアから、前記光プローブによって第2の波長の放射線が収集され、
前記プロセッサは、前記光プローブが前記コンソールに適切に接続されているかどうかの決定に基づいて、前記第1の波長の放射線を出射するように前記放射線源を制御する、請求項1に記載のカテーテルシステム。 - 前記カテーテルの前記近位端に操作可能に接続された患者インタフェースユニット(PIU)、
を更に備え、
前記PIUは、光ファイバロータリジョイント(FORJ)、回転モータ及び並進ステージを含み、
前記光ファイバは、保護シース内に設けられたダブルクラッドファイバであり、
前記FORJは、第1の波長を有する前記励起放射線と、前記励起光源以外の1つ以上の光源からの第2の波長を有するOCT放射線との途切れない伝送を提供するように構成され、
前記FORJは、プルバック操作時に前記カテーテル内の前記ダブルクラッドファイバを回転させながら、収集された放射線の前記検出器への途切れない伝送を提供するように構成される、請求項1に記載のカテーテルシステム。 - 電子コンソールへのカテーテルの光接続を決定する方法であって、前記カテーテルは、前記コンソールに取付け可能な近位端と、光プローブを中に収容するように構成された遠位端と、前記遠位端から前記光プローブまで延びる光ファイバとを有し、前記方法は、
前記カテーテルの前記近位端を前記コンソールに接続するステップと、
光源からの励起放射線を前記光ファイバを通して前記光プローブに伝送し、励起放射線の波長よりも長い波長を有する光応答信号を収集するステップと、
前記光応答信号の強度又は波長を検出するステップと、
検出された前記強度又は前記波長に基づいて、前記カテーテルの前記光プローブが前記コンソールに適切に接続されているかどうかを決定するステップと、
を含み、
前記光応答信号は、前記光ファイバを通して前記励起放射線を伝送することに応じて、前記光ファイバ自体の中で光子散乱及び自己蛍光のうちの少なくとも1つによって生成される、
方法。 - 前記光ファイバは、前記ファイバの長手軸と同心のコアと、前記コアを囲む内側クラッディングと、前記内側クラッディングを囲む外側クラッディングとを備えるダブルクラッドファイバである、請求項12に記載の方法。
- 前記光応答信号は、前記ファイバの前記内側クラッディング及び/又は前記外側クラッディングを形成するために用いられたドーパント材料から生成された自己蛍光信号であり、前記自己蛍光信号は、前記光ファイバの前記内側クラッディング及び/又は前記外側クラッディングを通して前記励起放射線を伝送することに応じて生成される、請求項13に記載の方法。
- 前記光応答信号は、前記光ファイバを通して前記励起放射線を伝送することに応じて前記光ファイバ自体から生成されたラマン散乱信号である、請求項12に記載の方法。
- 前記光ファイバは、前記ファイバの長手軸と同心のコアと、前記コアを囲む内側クラッディングと、前記内側クラッディングを囲む外側クラッディングとを備えるダブルクラッドファイバであり、
前記ラマン散乱信号は、前記光ファイバの前記コアを形成するために用いられたシリカ材料から生成され、前記ラマン散乱信号は、前記光ファイバの前記コアを通して前記励起放射線を伝送することに応じて生成される、請求項15に記載の方法。 - 前記光ファイバを通して励起放射線を伝送する前記ステップは、約400nm〜800nmの波長範囲にある前記励起放射線を出射するステップを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記光プローブが前記コンソールに適切に接続されているかどうかを決定する前記ステップは、特定の波長又は特定の波長範囲における検出された前記光リターン信号を分析するステップを含む、請求項12に記載の方法。
- 自由空間ビームコンバイナを用いて前記リターン光信号から前記励起光を分離するステップであり、前記自由空間ビームコンバイナは、前記励起光が前記光ファイバから前記コンソールに返されるのを阻止するように構成された1つ以上の光フィルタを含む、ステップと、
励起光を検出することなく前記リターン光信号を検出するステップと、
を更に含み、
前記カテーテルの前記光プローブが前記コンソールに適切に接続されているかどうかを決定する前記ステップは、前記光リターン信号の検出された前記強度が所定の閾値よりも高いかどうかを決定するステップを含む、請求項12に記載の方法。 - 前記カテーテルの前記光プローブが前記コンソールに適切に接続されていると決定したことに応じて、前記励起放射線と異なるOCT放射線を出射するステップ、
を更に含む、請求項12に記載の方法。 - 光プローブがデバイスに適切に接続されているかどうかをテストするための装置であって、
励起ビームを出力するように構成されたレーザ源と、
前記レーザ源からの前記励起ビームを前記光プローブまで伝送するように構成され、光ファイバ自体から生成された光応答信号を収集するように構成された光ファイバと、
前記光応答信号の強度又は波長を検出するように構成された検出器と、
検出された前記強度又は前記波長に基づいて、前記光プローブが前記デバイスに適切に接続されているかどうかを決定するように構成されたプロセッサと、
を備え、
前記光応答信号は、前記光ファイバを通して前記励起ビームを伝送することに応じて、前記光ファイバ自体の中で光子散乱及び自己蛍光のうちの少なくとも1つによって生成され、
前記光応答信号は前記励起ビームの波長よりも長い波長を有する、装置。 - 照射ビームを出力するように構成されたOCT光源、
を更に備え、
前記光プローブが前記デバイスに適切に接続されていると前記プロセッサが決定したことに応じて、前記光ファイバは前記OCT光源からの前記照射ビームを前記光プローブに伝送し、前記光プローブは前記照射ビームをサンプル上に向ける、請求項21に記載の装置。
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