JP4520993B2 - 動的な光学的画像成形システム - Google Patents

Description

本発明は、光学的画像形成システム及び方法に関し、特に、医療的環境での動的な光学的画像形成システム及び方法に関する。

生体内を撮像して画像を形成できることは、医療的状況の適切な診断及び処置の基礎となっている。一般的に、カテーテル又は内視鏡のような医療器具は、外科的な大きな切開手術によらなければ到達できないような身体内の領域に近付き、撮像するために使用されている。これらのシステムには、音響的画像形成又は光学的画像形成のような、各種画像形成技術が用いられている。

音響的画像形成は、一般的に、医療器具の先端部に、位相差をもって整列された複数のトランスデューサ又は単一のトランデューサーのいずれかを配置している。このトランスデューサにより音響的なパルス、たとえば機械的な音波を発生させるが、このパルスは周囲の組織に衝突して反射し、前記トランデューサーにより受信される。その後、この音響的画像形成システムは、前記パルスの反射によって提供される情報に基づいて内部組織の画像を作り出す。したがって、上記音響画像形成システムの考えは、内部組織を広範囲に撮像することが要求される診断及び処置に適用できる。たとえば、血管のような身体内部の管腔を撮像するとき、音響的画像形成システムは、一般に”プルバック”と言われている血管の長さ方向に沿って撮像する方法と同様に、血管の周囲を径方向に撮像することができる。このシステムによると、血液の流れを妨げることによって患者を危険な状態に置くことなく、血管内を広範囲に撮像することができる。

一方、光学的画像形成システムは、医療器具の先端部に光学的画像形成体を配置している点では、音響的画像形成システムと類似している。しかしながら、光学的画像形成システムは、身体内の組織の画像を形成するために、光学的なエネルギ、たとえば光を伝達し、受光する構成となっている。光学的画像形成システムは、内部組織の高品質画像を形成するために、一般的に、光学的干渉断層計（オプチカル コーヒレンス トモグラフィ、ＯＣＴ）のような、光学的干渉性領域反射光測定器（コーヒレンス ドメイン リフレクトメトリ、ＯＣＤＲ）を用いている。光学的画像形成システムは、一般的には、音響的画像形成システムより速くて高い解像度の画像形成を行うことができる。しかしながら、光学的画像形成システムは、光の伝搬によって画像形成を行うので、光の伝搬を妨げるような液体の流れや他の部材が存在すると、適切な画像形成ができなくなる。たとえば、血管の内部の画像を形成するために光学的画像形成システムを用いた時には、血液を膨張させるための塩水を血管内に導入し、又は、血液の流れを完全に停止することにより、血管内を通過する血液の流れを封鎖しなければならない。封鎖期間が延長される場合、６０秒よりも短い場合であっても、組織への酸素供給が断たれることにより、患者に非常に深刻な影響をもたらすことになり、望ましくない。このように、光学的画像形成システムは、血液の流れを妨げることが必要となるので、限られた時間内で撮像しなければならず、したがって、光学的画像形成システムは安全な手段で広範囲に撮像する作業には適していない。

そこで、内部組織の画像形成において、改良されたシステム及び方法が必要となる。

（発明の要約）
改良された医療システムは、好ましくは、カテーテルと画像形成システムを含むと共に、短時間で身体組織の広範囲に亘る領域を動的に撮像できるように形成されている。以下に説明する内容は、改良された医療装置を用いた光学的画像形成方法の一実施例である。最初に、実質的に膨張する液体が、長い管状部材により身体管腔内に導入される。次に、光源により広域帯光パルスを発生し、その光パルスを組織用パルスとリファレンスパルスとに分割する。組織用パルスは画像形成体によって身体管腔又は他の身体組織の最初の部位に向けて照射され、身体管腔等から反射した組織用パルスは画像形成体により受光（受信）される。次に、リファレンスパルスの一時的持続時間と組織用パルスの空間形状に対応した光波を生成するために、反射した前記組織用光パルスを、タイムゲートにおいてリファレンスパルスと混合し、そして、複数の検出器によって前記生成された光波を検出する。最後に、身体管腔の第２の部位を撮像するために、内部コアを、好ましくは中心軸芯回りに回転すると共に中心軸芯に沿った長さ方向に移動する。

別の実施例において、改良された医療システムは、基端部と先端部を有するカテーテルを備えており、カテーテルの先端部は身体内に挿入可能であって、身体管腔を光学的に撮像するように構成されている。カテーテルは、細長い管状部材と内部コアを有し、前記細長い管状部材は、身体管腔内に液体を導入するための開口を備え、前記内部コアは前記長い管状部材内でスライド可能となっている。この医療システムは、制御システムを備えており、この制御システムは、光源を内部コアに光学的に接続して広域帯光パルスを発生させるように制御するだけでなく、内部コアを中心軸芯回りに回転させると共に中心軸芯に沿って移動させるようになっている。このシステムは、さらに、可干渉性光学的画像形成システム部を有しており、該可干渉性光学的画像形成システム部は、前記アレー及び内部コアに光学的に接続されると共に、光パルスを組織用パルスとリファレンスパルスとに分割するように構成されており、前記内部コアは、組織用パルスを身体管腔に向けて照射するように構成されている。画像形成システムはタイムゲートを備えており、このタイムゲートは、身体組織から反射した組織用パルスをリファレンスパルスに混合し、リファレンスパルスの一時的持続時間と反射組織パルスの空間形状に対応する光波を生成する。また、画像形成体は、上記光波を検出するために複数の検出器を備えている。

本発明の他のシステム、方法、形状及び利点は、以下の図面と詳細な説明により当業者にとって明確になるであろう。詳細な説明で記載されているすべての追加のシステム、方法、形状及び利点は、本発明の技術的範囲に含まれ、請求項によって保護されるものである。

以下説明する医療システム及び方法は、生体内部の管腔又は身体組織の動的な光学的画像形成システム及び方法を提供するものである。好ましい実施例において、カテーテルのような医療器具が生体内に挿入され、高速で体内管腔を撮像するために使用される。便宜上、カテーテルの具体例に言及することはしないが、そのようなカテーテルは、カテーテルの無い具体例に適応することが可能である。カテーテルは、身体組織の広い領域を短時間で、かつ、高画質で画像形成するのに十分な高速度で管腔を撮像する。前記領域は、安全な手段により、対象となる患者に継続的に悪影響を及ぼす多量の血液置換液を導入することなしに、動的に撮像できる。

図１は医療システム１００を示しており、この医療システムは、以下、説明されるシステム及び方法の好ましい実施例である。この実施例は、医療器具１０２、細長い管状部材１０４及び内部コア１０６を備えており、前記医療器具１０２は、好ましくはカテーテルである。このカテーテル１０２は、生体内に挿入可能な先端部１０３を有し、血管、動脈又はその他の体内管のような身体管腔を通ることができ、その間に、前記管腔等を撮像する。内部コア１０６の先端部又は先端部近傍位置には、光学的画像形成体（撮像体）１０８が配置されている。内部コア１０６は、細長い管状部材１０４内に長さ方向移動自在に収納されており、中心軸芯１３０の軸芯方向に沿って長さ方向に移動可能で、かつ、中心軸芯１３０回りに回転可能となっている。身体管腔を撮像するために、光の十分な伝搬を妨害する何らかの液体、たとえば血液は、好ましくは、撮像前に置換し、又は、封鎖するのが好ましい。しかしながら、本実施例の改良されたシステムでは、図に示すように、より短い継続時間での血液置換で足りることになる。この実施例において、細長い管状部材１０４は、管腔に存在する何らかの液体を置換するために、実質的に膨張する液体を導入する開口１１０を備えている。この実質的に膨張する液体は、好ましくは塩水であるが、個々の適用例に必要な十分な光量を伝搬できるならば、いかなる液体でも使用可能である。身体管腔を軸芯方向及び径方向に撮像している間、この方法の液置換を行うことによって、身体管腔の長さ方向及び径方向の三次元画像を形成することが可能となる。

内部コア１０６は可撓性を有する駆動軸１１２を有しており、この駆動軸１１２は、当技術分野において良く知られた方法により、画像形成体１０８を回転させるようになっている。内部コア１０６は、また、光信号ライン（図示せず）を備えており、この光信号ラインを介して、画像形成体１０８を画像形成システム部２００に接続している。図２は、医療システム１００の別の実施例を示しており、画像形成システム部２００と、制御システム２０２と、カテーテル１０２の基端部２０４とを備えている、画像形成システム部２００は、好ましくは、光干渉断層撮像（オプティカル コーヒレンス トモグラフィ、ＯＣＴ）システムであるが、光波干渉関数の合成によるリフレクトメトリ（オプティカル コーヒレンス ドメイン リフレクトメトリ、ＯＣＤＲ）システムでも良く、その他、高速の画像撮影システム部でもよい。画像形成システム部２００は、身体管腔によって反射すると共に画像形成体１０８によって受光された光信号内に含まれた光情報を処理する。制御システム２０２は、内部コア１０６の動きを制御するためのハードウエアとソフトウエアを有している。より詳しく説明すると、好ましくは、制御システム２０２は、細長い管状部材１０４内の内部コア１０６の回転及び軸芯方向の駆動、又は引き戻し駆動を行うための駆動システム２０６を備えている。これら各種システムの操作と機能は、以下、さらに詳しく説明する。各図に示されたガイドカテーテル１４０は、身体管腔内に本来のカテーテル１０２を容易に挿入できるように設置されたものである。このガイドカテーテル１４０は、身体管腔内に塩水を導入するためにも用いられる。

医療システム１００の詳しい構成は、システム１００が装備された幾つかの適用例によって、容易に理解できる。図３は、そのようなシステム１００の適用例の一つを示している。より詳しくは、図３は、身体管腔３０２の切開部内に挿入されたカテーテル１０２の先端部１０３を示している。この例において、システム１００は、予め決められた長さ３０４を超えて管腔３２０の周囲を撮像する。画像形成体１０８は、身体管腔３０２に向けて組織用パルス３０６を照射し、円形断面３０８よりなる身体管腔３０２の最初の部位に衝突させる。この構成を理解し易くするために、前記円形断面３０８の寸法は、図３において実際よりも誇張した寸法で示している。組織用パルス３０６は、身体組織３０２を貫通すると共に画像形成体１０８へ反射し、画像形成システム部２００に伝搬される。反射した信号内の情報は、Ｚ方向の管腔３０２の深度と、Ｘ方向の管腔３０２の長さとの二次元画像を形成する。

内部コア１０６は、周方向３１０、すなわちＹ方向に回転すると共に、中心軸芯１３０に沿った長さ方向３１２に変位又は移動する。第２の組織用パルス３０６は第２の部位に向けて照射され、反射信号内の情報は画像形成システム２００に伝搬される。この過程は管腔３０２の周囲が長さ範囲３０４の全長に亘って画像形成されるまで繰り返される。連続した部位を撮像した複数の画像は、管腔３０２の三次元画像を形成するために結合される。画像形成中（撮像中）、管腔３０２内に残存するいくらかの血液は、封鎖されているか、又は開口１１０から塩水を注入することにより、置換されている。

一つの実施例において、長さ３０４は５０ｍｍに設定され、塩水は毎秒４ｃｍ³(ｃｃ）の割合で注入される。画像形成の適用例によっては、塩水の過剰注入による害を避ける必要がある。一般的に、医療処置が施される者に重大な害を及ぼすことの無い安全な塩水の注入量は、略３０ｃｍ³である。この塩水の安全量は、医療処置が施される者の体質に応じて変化するものであるが、当技術分野の技術者によれば容易に対応することができる。塩水の注入量を許容範囲内に制限することによって患者の安全性を維持するために、長さ３０４は好ましくは８秒間で撮像される。これは６．２５ｍｍ／ｓｅｃのプルバック速度であり、これにより、最大３２ｃｍ³の塩水を注入することができる。

一般的な光学的画像形成システム部２００は、管腔３０２の一つの完全な円形を２５６部位又は５１２部位のいずれかに分割した画像形成部位３１４に沿って、２６ｒｅｖ／ｓｅｃの低回転速度で周方向に回転する。前記部位３１４はベクトルとして示される。管腔３０２の一つの円周において形成されるベクトルのセットは、画像形成平面として示される。一般的な画像形成システム部は、上記のように内部コアが低速回転するので、長い管腔３０２を画像形成する場合には、危険性を伴う程の多量の塩水を注入することが必要となる。そのため、これらのシステムは、内部コアを低速で軸芯方向に移動操作するか、又は、全く移動させない。以下の実施例で述べるように、改良された光学的画像形成システム１００は、一般的な画像形成システムに比べ、相対的に高い回転速度及び相対的に高い速度での長さ方向の移動が可能であり、それにより、改良された光学的画像形成システム１００は、患者を安全な状態に維持しながら画像形成を行うことが可能となる。

この実施例において、画像形成体１０８と管腔３０２との間隔は１ｍｍであり、ベクトル３１４間の角度は０．７度であり、結果として、ベクトル３１４間の間隔は０．０１２ｍｍとなり、一つの画像形成面に５１２個のベクトルが存在する。好ましくは、連続した画像形成平面間の間隔、又はピッチは、連続した２つのベクトル３１４の間隔と略等しくなり、その結果、０．０１２ｍｍ／ｒｅｖ．のピッチとなる。また、それらの間隔は、隣り合う円形断面３０８同士が相互に重なり合うように調節することができる。ベクトル３１４同士の重なり合いにより、より高い解像度及び精度を得ることができる。６．２５ｍｍのプルバック速度と０．０１２ｍｍのピッチを達成するために、回転速度は、好ましくは毎秒５２０回転（ｒｅｖ／ｓｅｃ）、又は毎分３１，２００回転（ｒｅｖ／ｍｉｎ）とする。これは、画像形成面間のピッチに基づいてプルバック速度を設定すると共に分割することにより、予め決めておくことができる。１回転当たり５１２個のベクトルで、毎秒５２０回転（ｒｅｖ／ｓｅｃ）に設定することにより、毎秒２６６２４０ベクトル（５２０ｒｅｖ／ｓｅｃ×５１２ベクトル／ｒｅｖ）の処理速度となる。

これらの２つの実施例は、長さ３０４、撮像時間、組織寸法、ピッチ及び１回転中のベクトルの数の間の関係を説明するために提供したものである。これらの数値は、管腔３０２の寸法及び各適用例によって変化するが、前記長さ３０４が５０ｍｍよりも短い場合には、１回転当たりのベクトル数を増やすと共に回転間のピッチを短くすることができ、又は、同じ処理速度が維持できるように回転速度を低くすることができる。当技術分野の技術者であれば、これらの変化間の相互関係及び一つの変形が他の変形に与える影響を容易に認識することができるであろう。したがって、ここに説明したシステム及び方法は、いずれの実施例にも限定されず、また、各適用例の必要性に応じて調整又は形成される。

好ましい実施例において、内部コア１０６の各回転は、毎秒５２０の割合でフレームを作り出す。各フレームは、好ましくは、いかなる比率でも見ることができるように、メモリに保存される。一般的に、人は、毎秒３０〜３５のフレーム数（ｆｒａｍ／ｓｅｃ）で画像の動きを認識することができので、画像形成システム部２００は、上記基礎となる画像フレーム数の割合と同じかあるいは近い値でメモリからこれらのフレームを表示するように構成されている。ただし、フレームは、リアルタイム（５２０ｆｒａｍｅｓ／ｓｅｃ）で観察することも可能であり、また、個々の適用例によって望まし比率で見ることも可能である。毎秒３２個のフレーム数では、長さ３０４から撮像されたフレームの観察時間は略１３０秒となる。

図２に戻り、画像形成システム部２００は、駆動システム２０６を介してカテーテル１０２の基端部に光学的に接続されている。制御システム２０２は、駆動システム２０６による内部コア１０６の回転速度及び長さ方向の移動速度を含む操作を制御する。駆動システム２０６はハウジング２１２及び回転継手２１４を備えている。システム１００が動的な高速操作が行えるように、駆動システム２０６は、好ましくは、一つ又は複数の高速ボールベアリング２０８及び一つ又は複数の高速シール２１０を備えている。ベアリング２０８は、好ましくは、回転継手２１４とハウジング２１２の間に介装され、個々の適用例に必要な速度で回転するようになっている。たとえば、前記２つの実施例で説明した速度で回転可能な場合には、ベアリング２０８として、毎分略３０，０００〜６５，０００回転（ｒｐｍ／ｍｉｎ）で回転可能なベアリングを使用することが好ましい。加えて、高速シール２１８は、塩水又は他の注入液が、管状部材１０４内から駆動システム２０６に漏れるのを阻止するために使用される。

システム１００の別の実施例において、カテーテル１０２内の高速回転による摩擦を低減するため、潤滑剤、たとえばシリコンを基材とする潤滑剤が、細長い管状部材１０４と内部コア１０６の間に充填されている。一つの実施例において、内部コア１０６の直径は、一つの３フレンチカテーテル１０２に対して、略０．６ｍｍとなっており、１．９ｍｍの周囲内を、回転速度５２０ｒｅｖ／ｓｅｃで略１ｍ／ｓｅｃ、及び回転速度１０４０ｒｅｖ／ｓｅｃで略２ｍ／ｓｅｃの相対速度で移動する。これらの寸法及び速度の比率により、かなりの摩擦を発生させることがあり、特に、回転速度の増加又は内部コア１０６の直径の増加に伴い、摩擦量は大きくなる。この摩擦を軽減するため、管状部材１０４と内部コア１０６との間の空間、すなわち、両部材の直径間の相違量を大きくすることができ、これにより管状部材１０４と内部コア１０６の間の接触面積を減少させことができる。この実施例において、部材１４０内には分岐管が配設されており、塩水が潤滑剤に混ざることなく注入できるように、前記分岐管により注液管２１８を開口１１０に接続している。

図４は、管腔３０２を高速撮像できるように構成された画像形成システム部２００及びカテーテル１０２を示している。この実施例において、画像形成システム部２００は、可干渉性のＯＣＴ画像形成システムを採用しているが、本発明は、このような可干渉性ＯＣＴ画像形成システムには限定されず、高速画像形成が行える如何なる画像形成技術を用いることも可能である。可干渉性画像形成システム部２００は、広域帯の光源４０２と、混合器４０８と、フィルター４１０と、検出アレー４１２を備えている。システム部２００は、一次元撮像を行うだけで、平行処理とタイムゲート処理により、管腔３０２の三次元画像を生成することができる。

タイムゲートの使用は、ヤスノ等著作の「非線形のホウ酸β−バリウムによるスペクトル インターフェロメトリック オプチカル トモグラフィ、第２７巻、Ｎｏ．６、２００２年、３月１５日発行」に詳細に説明されており、また、平行処理を用いる方法はゼイリコビッチ等の「回折格子を用いたサンプルの選択された光学的計測を実行するシステム及び装置、米国特許ＵＳＰ Ｎｏ．５，９４３，９，１３３」に説明されている。それらに記載されている説明内容は、ここに言及することにより、本発明の説明に含まれる。

広域帯光源４０２により広域帯光線パルス４２０を発生し、この光線パルス４２０はビームスプリッター４０４に向けて照射される。このビームスプリッター４０４は、本実施例では、５０：５０の比率で光線を分割するように構成されており、前記光線４０２を、組織用パルス４２２とリファレンスパルス４２４とに分割する。当技術分野の技術者によれば、可干渉性のＯＣＴ画像形成システムにおいて、様々な光線分配比率のビームスプリッターを装備することは可能であり、本実施例のシステム１００は、如何なる光線分配比率のビームスプリッターにも限定されるものではない。光源４０２は、好ましくは、組織が損傷されるような大きな危険性を伴うことなく、高強度の光で画像形成できるパルス手段によって光線４２０を発生することができるように構成される。反射したパルスの捕捉と同時に高い強度が生じるようになっているにも拘わらず、光線のデューティサイクルを低減することにより、身体に及ぼされる総エネルギ量を減少させることができる。強化パルスのスーパールミネイトダイオード（ＳＬＤ’ｓ）又はレーザーは、放電型電力供給装置を始動させるための時期信号を発生するための処理システム４１６を必要とするが、これは、当技術分野において良く知られた技術である。ただし、光源４０２はパルス供給源には限定されず、もしシステム１００の特性が、ノイズを含む信号を含んでいても、低強度の連続的な波動供給装置の使用が可能な場合には、連続的な波動フォーマットの光源を配設することが可能である。

光源パルス４２０は、光線の干渉長に直接比例する広域帯を有しており、それにより高画像解像度を得ることができるようになっている。光源４０２として、いかなる広域帯パルスの光源を採用することが可能であり、より短いパルスレーザー又はＳＬＤも含まれる。また、光源４０２として、より広域帯幅を得ることができるように、複数ＳＬＤ’ｓのアレーを採用することもできる。これらの実施例は、以下、詳細に説明する。

図の簡略化のために、光線は自由空間を通って照射されているように示されているが、好ましい実施例において、これらの光線は、光ファイバーのような光通路を通るように照射することができ、この場合、光通路の方向を変更するための鏡を使用する必要はなくなる。組織用パルス４２２は、レンズＬ１を通して内部コア１０６内に照射され、画像形成体１０８に至り、画像形成体１０８は、パルス４２２を組織３０２に順次照射する。レンズＬ１は、一つの空間的な方向において、身体の管腔又はその他の組織に焦点を合わせる。組織用パルス４２２は、管腔３０２を貫通し、変調され、又は反射し、そして、管腔３０２の複数の点から後方散乱される。画像形成体１０８は反射した組織用パルス４２２を受光（受信）し、そして、このパルス４２２は内部コア１０６を介してビームスプリッター４０４に戻される。反射した組織用パルス４２２は、管腔３０２の空間的及び時間的な形状を含んでおり、時間的な形状には深度情報が含まれる。ビームスプリッター４０４は、反射したパルス４２２を、回折格子４０６及びレンズＬ２を有するスペクトルメータ４１４に向けて照射する。

当技術分野の技術者であれば、可干渉性ＯＣＴ画像形成において多くの異なったスペクトルメータが存在することは容易に認識できる。この実施例において、回折格子４０６及びレンズＬ２は、反射した組織用パルス４２２を、混合器４０８に向かう一時的スペクトル構成部分に空間的に分解する。好ましい実施例において、混合器４０８は、反射した組織用パルス４２２とリファレンスパルス４２４とを受光し、リファレンスパルス４２４の一時的持続時間に対応すると共に組織用パルス４２２の空間形状と略同じ次空間形状を有する光波４２６を出力する。

タイムゲート４０８は、反射したパルス４２２内の位相ゆがみを消去するために用いられる。この位相ゆがみは、パルス４２２の一時的持続時間と同様に、パルス４２２の変調及び回折により生じる現象である。この位相ゆがみは、たとえば、数ピコセカンドの範囲内で生じると共に、検出アレー４１２を変化させる空間信号を生じさせることがある。複数の鏡Ｍ１〜Ｍ５によってタイムゲート４０８に指向されるリファレンスパルス４２４の飛翔時間を調節するために、遅延ライン（図示せず）を備えることができる。本実施例において、タイムゲート４０８は、ホウ酸非線形性β−バリウムクリスタルであり、入射する組織用パルス４２２とリファレンスパルス４２４を混合して、光波４２６を発生させるために使用される。光波４２６は、好ましくは、リファレンスパルス４２４の一時的持続時間に調和した波であり、この実施例においては、略１５０フェムトセカンド（ｆｓ）である。調和した光波４２６は、リファレンスパルス４２４に対応したより短い持続時間を有する組織用パルス４２２と同じ空間形状を有しており、入射した組織用パルス４２２の位相ゆがみを十分に低減することができる。一つの実施例において、タイムゲート４０８は、タイムゲート４０８にリファレンスパルス４２４が入射した時に、リファレンスパルス４２４によって起動し、組織用パルス４２２とリファレンスパルス４２４を混合する。

管腔３０２の深度構成は、レンズＬ３によってフーリエ変換され、フィルター４１０を通り、検出アレー４１２に至る。フィルター４１０は、好ましくは、バンドパスフィルターであり、ノイズ及び干渉構成部分を調和光波４２６から除去するために使用される。検出アレー４１２は、電荷結合素子のような光検出素子、又は、半導体ベースの画像形成体のアレーであり、これのアレー４１２は、光が入射している短時間で、調和光波４２６の光度を検出することができる。アレー４１２は、好ましくは、反射後に回折された組織用パルスのすべてについて、個々の適用例の必要性に応じた高解像度を得られるように、十分な数の光検出素子等を備えている。アレー４１２は処理システム４１６に伝達可能に接続されており、この処理システム４１６は、投影された深度構成を処理し、観察可能なフォーマットで二次元及び三次元画像を作り出す。処理システム４１６は、好ましくはコンピュータであるが、各適用例の必要性により決定された比率で画像処理するのに十分な容量を有するようにカスタマイズされたシステム、あるいは標準のデータの処理システムとすることも可能である。

幾つかの実施例において、システム１００の画像形成速度及び捕捉速度を高くした場合には、システムを通過するノイズが増加すると共に、信号とノイズの比率（ＳＮＲ）が低下することになる。一つの好ましい実施例において、たとえば、二つ又はそれ以上のスーパールミネンスダイオードを有するＳＬＤアレーのような光源４０２を備えることにより、光源４０２の信号強さを、より高いノイズレベルが除去できるように増強することができる。一つの実施例において、光源４０２として、中心がオフセットされた帯域幅を有する２つのＳＬＤを配列した構造とすることもできる。画像形成後、処理システム４１６は、配列された光源のスペクトル密度を、アルゴニズム的にガウス分布に適合させ、それにより、高い強度のガウス型広域光源を作り出すことができる。このスペクトル形成技術により、システムは、光源４０２の信号強度が向上すると共に光源４０２の帯域幅が広くなり、そして、順次、非ガウス型スペクトル密度による解像度及び精度の喪失が生じることなく、ＳＮＲを増加させることができる。スペクトル形成は、ツリパティ著作の「オプチカル コーヒレンス トモグラフィ おける 非ガウスソース スペクトル、光学レター、第２７巻、Ｎｏ．６、２００２年、３月１５日発行」に詳しく記載されている。この内容は、ここで参照することにより、本発明の内容に組み込まれる。図４に示された画像形成システム２００の実施例に、前記スペクトル形成技術を組み込むことにより、増加したＳＮＲにより高速の画像形成を行うことができるようになる。

この実施例において、２つのＳＬＤ’ｓの結合されたスペクトル密度は、組織用パルスの可干渉性の応答を、鏡又はガラススライドのような単一面にフーリエ変換することにより、計算される。この結合されたスペクトル密度は、処理システム４１６内のメモリに保存することができる。その後、スペクトル密度は、入射調和光波４２６によって作り出される画像から、出力スペクトルの平均自乗根を計算することにより、決定される。理想的なガウス源スペクトルは、好ましくは管腔から得られたスペクトル密度の０番目モーメントと、単一の面から得られるスペクトル密度の第１及び第２のモーメントを用いて決定される。理想的なガウス源スペクトルと測定された光源スペクトルとの比率は、スペクトル正規曲線により決定される。スペクトル正規曲線による各画像のフーリエ変換を複数回行うことにより、各画像のスペクトル的に濾過されたガウス型応答が与えられる。コーヒレンス関数曲線は、デジタル的な直角変調により得ることができる。

この実施例において、非ガウス光源４０２のガウスコーヒレンス関数は、調和光波４２６をフーリエ変換することにより得られる。フーリエ変換は各フーリエ構成部分に訂正を適用し、訂正された信号を逆変換する。このスペクトル形成技術のため、好ましくは、信号処理アルゴリズムは、処理システム４１６内に保存される。好ましくは、光源４０２内に取り付けられるＳＬＤ’ｓは、直角に偏向され、そして、偏向ビームスプリッターに結合することができる。それにより、改良されたシステムは、血液が置換される時間を短くできると共に、身体の内部撮像から三次元画像を得ることがきる。

ここに述べた実施例に加え、システム１００は、当技術分野において知られた他の技術と関連させて使用することが可能である。たとえば、追加的なガイドカテーテル、ガイドワイヤ及びプロステーゼ（補綴）と関連させて使用することができる。さらに、カテーテル１０２及びこの構成部品の長さ及び組成は、個々の適用例に基づいて変更することができる。細長い管状部材１０４は、他の適当な材料又はペバックス７０Ａ、テコフレックス、ポリエチレン、ナイロン、ハイポ管、天然ゴム、シリコンゴム、ポリ塩化ビニリデン、ポリウレタン、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及び熱可塑性ポリマー等から作ることができる。また、強度、可撓性及び耐久性を向上させるために、カテーテル内に強化材を組み込んだ複合材として形成することも可能である。また、適切な補強層として、ワイヤメッシュ層及びそれに類するものを組み込むことも可能である。

以上の説明は、幾つかの実施例に基づいて本発明を説明したものである。しかしながら、本発明の広い精神及び請求項から逸脱しない範囲において、各種の変形例を適用することは可能である。また、ここで説明した実施例、組合せ及び方法は単に図示しているだけであり、本発明は、前記実施例とは異なった又は追加的なシステム又は方法を用いることも可能である。たとえば、本発明は、特に、カテーテルにおける高速の光学的画像形成を含む適用例に適しているが、光学的画像形成を含む如何なる構造にも適用することは可能である。さらなる例として、一つの実施例の各特徴は、他の実施例に示された特徴と組み合わせたり、適応したりすることができる。望まれるならば、光学的画像形成の分野において通常の知識を有する者に知られた形状及び方法を組み込むこともできる。また、望まれる場合には、各種特徴は形状を追加あるいは取り除くことも可能である。さらに、本発明は、添付の請求項及びそれらと同等に限定される範囲を除いては、如何なる制限も課せられることはない。

医療システムの一実施の形態を示す概略図である。 医療システムの一実施の形態を示す概略図である。 医療システム内のカテーテルの別の例を示す斜視図であるである。 医療システムの別の実施の形態を示す概略図である。

Claims (16)

1. 基端部と先端部を有すると共に、前記先端部が生体内に挿入可能で身体組織を光学的に撮像できるようになっているカテーテルであって、身体組織に液体を導入するための開口を備えた細長い管状部材と、この細長い管状部材の中で摺動できるようになった内部コアとを備えたカテーテルと、
   前記内部コアを、前記細長い管状部材内で中心軸芯回りに回転させると共に、中心軸芯に沿って軸芯方向に移動させるようになっている制御システムと、
   前記内部コアに光学的に接続されると共に、広域帯光パルスを発生する光源と、
   前記光源及び前記内部コアに光学的に接続されると共に、前記光パルスを組織用パルスとリファレンスパルスとに分割し、前記内部コアが前記組織用パルスを身体組織に向けて照射するように構成された可干渉性光学的画像形成システム部と、を備え、
   前記可干渉性光学的画像形成システム部は、
   身体組織から反射した組織用パルスをリファレンスパルスと混合し、リファレンスパルスの一時的持続時間と反射した組織用パルスの空間形状とに対応した光波を出力するように構成された光混合器と、
   前記光波を検出する複数の光検出器を有し、少なくとも毎秒５２０フレームのフレームレートで前記内部コアから画像を取り込むように構成された画像形成体と、
   前記光波から、身体組織の深度構成を前記複数の光検出器に空間的に投影するように構成されたレンズと、を有する動的な光学的画像形成システム。
2. 前記可干渉性光学的画像形成システム部は、ガウス型スペクトル密度を作り出すために、前記光波の非ガウス型スペクトル密度をアルゴリズム形成するように構成されている請求項１記載のシステム。
3. 前記光源は、複数のスーパールミネンスダイオードを備えている請求項１記載のシステム。
4. 前記画像形成体は電荷結合素子を備えている請求項１記載のシステム。
5. 前記液体は実質的に膨張する液体である請求項１記載のシステム。
6. 前記液体は塩水である請求項１記載のシステム。
7. 前記画像形成システム部は、身体組織の三次元画像を形成するようになっている請求項１記載のシステム。
8. 前記制御システムは、前記内部コアを回転させると共に軸芯方向に移動させる駆動システムを有しており、
   該駆動システムは、
   ハウジングと、
   該ハウジング内に配置されると共に前記内部コアの基端部に連結された回転継手と、
   該回転継手を前記ハウジングに回転可能に支持する高速ボールベアリングと、
   該ベアリングの先端部に配置されると共に前記細長い管状部材の内部空間から前記ハウジングを密封する高速シールと、
   を備えている請求項１記載のシステム。
9. 前記駆動システムは、前記内部コアを、毎秒略６．２５ｍｍ以上の速度で軸芯方向に移動させるように構成されている請求項８記載のシステム。
10. 前記内部コアの先端部に配置されると共に、組織用パルスを身体組織に向けて照射し、該身体組織から反射した組織用パルスを受光する光学的画像形成体を備えた請求項１記載のシステム。
11. 前記カテーテルは、基端部に注液口を備えており、該注液口は、細長い管状部材の内部に液体を導入するように構成され、前記導入された液は前記開口を通って身体組織へ導かれるようになっている請求項１記載のシステム。
12. 前記注液口は、毎秒略４ｃｍ³以下の割合で前記液体を導入するように構成されている請求項１１記載のシステム。
13. 前記画像形成システム部は、三次元画像を保存するためのメモリを備えている請求項７記載のシステム。
14. 前記画像形成システム部は、表示装置を備えると共に、予め決められた比率で複数の三次元画像を表示するように構成されている請求項１３記載のシステム。
15. 前記画像形成システム部は、１回転で、身体組織の略５１２分割部位の画像を形成する請求項１記載のシステム。
16. 前記内部コアと前記細長い管状部材との間の領域に、潤滑剤を注入している請求項１記載のシステム。

Images