JP5477294B2 - 光回転プローブ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、光コヒーレンス断層画像化（ＯＣＴ：Optical Coherent Tomography）装置などに好適であって、測定対象物に向けて光を照射し、測定対象物からの戻り光を受光するための光回転プローブに関する。

近年、生体組織を診断する場合、その組織の表面状態の光学的情報を得るイメージング装置の他に、組織内部の光学的情報を得ることのできる光コヒーレンス断層画像化（ＯＣＴ：Optical Coherent Tomography）装置が提案されている。光コヒーレンス断層画像化装置とは、低干渉性光を二つに分割して、一方の光を被検体に照射し、被検体の位相情報を付与された戻り散乱光を他方の光と干渉させ、干渉光の強度情報から被検体の位相情報を得て、被検体の測定箇所を画像化する技術である（例えば、特許文献１参照）。

特表平６−５１１３１２号公報 特開２００７−２２２３８１号公報（図１４） 特開２００６−９５１４３号公報（図２） 特開平４−１３５５５０号公報（図６） 米国特許第５８７２８７９号明細書 米国特許第５９４９９２９号明細書

血管等の細い生体組織を光信号で診断する場合、一般に、ファイバ等を用いた屈曲可能な細径の光プローブを用いて、プローブの軸周りの回転走査を行うことにより血管の内壁やその断面の映像を得ることができる。このような回転走査タイプの光プローブ場合、従来は、プローブのファイバ光路中に機械的な断点を設けて、一方を固定、他方を回転することで３６０度全周の走査を可能にしている。

しかし、断点付近で光の損失や光の反射を抑えるためには、複雑な機構が必要となる。また、ＯＣＴのような断層像を得る場合には、断点における回転時の光路長変動を高精度で抑制する必要があり、部品コストの増加や装置の信頼性の低下を招く。

特許文献２，３では、ファイバプローブと先端のミラーを機械的に分離して、ミラーを回転することで回転走査を実現している。しかし、ミラー回転機構をプローブ先端部に配置する必要があり、ミラーとファイバ端面の位置を精度良く維持する必要があるので、プローブ先端部の大型化が避けられない。

特許文献４では、レンズで集光した光を回転ファイバプローブに導入している。しかし、回転プローブに効率よく光を導入するには、プローブの回転位置とレンズの集光位置を高精度に調整する必要があり、しかもプローブ入射端面の反射が大きく、ノイズの増加を招く。

特許文献５，６では、ファイバ結合部分をフェルールとして構成している。しかし、軸方向の距離を高精度に調整する必要があり、しかも端面同士の当接によって破損する可能性があり、信頼性が低い。

本発明の目的は、光の損失や反射ゴーストを抑制でき、簡単な機構で信頼性が高い光回転プローブを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る光回転プローブは、測定対象物に向けて光を照射し、測定対象物からの戻り光を受光するためのものであって、光源からの光を伝送するための導光路と、導光路によって伝送された光を反射するためのミラー部材と、導光路の先端部およびミラー部材を、導光路の長手軸周りに回転振動させるための回転振動機構とを備え、回転振動機構は、導光路のねじれ弾性限界の範囲内で回転振動を行い、ねじれ振動の定速回転区間で測定を行い、非定速回転区間では測定しないことを特徴とする。

本発明において、導光路の途中に、ねじれ範囲を規制するための固定保持部材を備えることが好ましい。

本発明において、導光路のねじれ振動を行う部分がたるんでいることが好ましい。

本発明において、内部に前記ミラーが固定される中空円筒状の回転保持部材と、
前記回転保持部材又は前記回転振動機構の回転角度を検出する検出器と、をさらに備えることが好ましい。

本発明において、測定対象物からの戻り光を伝送するための第２の導光路をさらに備えることが好ましい。

本発明において、各導光路は、単一の屈曲性柔軟部材の中に格納されていることが好ましい。

本発明において、回転振動機構は、屈曲性柔軟部材に対して各導光路を一体的に回転振動させることが好ましい。

本発明に従えば、導光路の先端部およびミラー部材を、導光路のねじれ弾性限界の範囲内で回転振動することによって、導光路の途中に機械的な断点を設ける必要がなくなる。そのため、機械的断点に起因した光の損失や反射ゴーストを抑制でき、低コストで信頼性の高い回転走査を達成できる。また、ねじれ振動の定速回転区間で測定を行い、非定速回転区間では測定しないことによって、光断層像を構築する際に必要な画像処理の計算量が低減できるため、より高速な画像取得が可能となり、画像処理に必要なデータ記憶領域を低減できる。

本発明が適用可能な光断層測定装置の一例を示す構成図である。 第１実施形態に係るプローブを示す構成図である。 第２実施形態に係るプローブを示す構成図である。 第３実施形態に係るプローブを示す構成図である。 第４実施形態に係るプローブを示す構成図である。

１０ 光源
１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ 光路
１２，４０ カプラ
２１ａ ねじれ部
２１ｂ たるみ部
２２，３２ サーキュレータ
２５ 固定保持部材
３０ 参照ミラー
３３ アッテネータ
４２ａ，４２ｂ 差動検出器
５０ プローブ
５１ 対物レンズ
５２ ミラー部材
５５ 回転保持部材
５６ 回転振動機構
５７ シース
５８ シース保持部材

（第１実施形態）
図１は、本発明が適用可能な光断層測定装置の一例を示す構成図である。光断層測定装置は、低コヒーレンス光源を用いたマイケルソン干渉計として構成され、光源１０と、カプラ１２と、サーキュレータ２２，３２と、アッテネータ３３と、プローブ５０と、参照ミラー３０と、カプラ４０と、差動検出器４２ａ，４２ｂと、複数の光路１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂなどを備える。光路１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂは、可撓性の単一モード光ファイバを含む。

光源１０は、ＳＬＤ等で構成され、例えば、中心波長が１．３μｍ、発振スペクトル幅が約５０ｎｍの低コヒーレンス光を発生する。光源１０からの光は、光路１１を通ってカプラ１２に到達する。

カプラ１２は、光ファイバカプラやビームスプリッタ等で構成され、光路１１からの光を光路２１，３１に向けて所定の比率で分割する光分割手段としての機能を有する。

カプラ１２によって分割されたサンプル光は、光路２１およびサーキュレータ２２を通って、プローブ５０に到達する。プローブ５０は、サンプル光を測定対象物に向けて照射する。測定対象物の内部構造に応じて反射したサンプル戻り光は、再びプローブ５０に入射し、光路２１を逆行して、サーキュレータ２２を通ってカプラ４０に到達する。

カプラ１２によって分割された参照光は、光路３１、サーキュレータ３２およびアッテネータ３３を通って、参照ミラー３０に到達する。参照ミラー３０で反射した参照戻り光は、光路３１を逆行して、アッテネータ３３およびサーキュレータ３２を通ってカプラ４０に到達する。

光路２１，３１をそれぞれ逆行したサンプル戻り光および参照戻り光は、カプラ４０で混合されて干渉光を発生する。カプラ４０は、光ファイバカプラやビームスプリッタ等で構成され、各光路２１，３１を逆行する光を干渉させる光干渉手段としての機能を備える。干渉光は、光路４１ａ，４１ｂを通って差動検出器４２ａ，４２ｂにそれぞれ到達する。差動検出器４２ａ，４２ｂは、２つの干渉信号の差分を出力する。

差動検出器４２ａ，４２ｂからの信号は、各種のノイズ除去やフィルタ処理が施され、デジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータ等の信号処理装置に保存される。信号処理装置は、保存したデータを用いて、後述の光断層測定方式に応じて光断層像を構築する。

光断層測定の方式は、タイムドメインＯＣＴ（ＴＤ―ＯＣＴ）とフーリエドメインＯＣＴ（ＦＤ―ＯＣＴ）に大別され、さらに、フーリエドメインＯＣＴは波長走査型ＯＣＴ（ＳＳ―ＯＣＴ）と分光器型ＯＣＴ（ＳＤ―ＯＣＴ）に分類される。タイムドメインＯＣＴでは、光路２１および光路３１のいずれか一方または両方に光位相変調器を設けて、走査信号に応じて光の位相を変調する。波長走査型ＯＣＴでは、光源１０として波長可変光源を用いて、走査信号に応じて光の波長を変調する。分光器型ＯＣＴでは、サンプル戻り光および参照戻り光の干渉光を回折格子で分光し、その分光スペクトルをリニアイメージセンサで計測する。

本発明は、上述の何れの方式にも適用可能であるが、参照光路内に光路長を時間的に変動させる機構が不要となる点で、波長走査型ＯＣＴや分光器型ＯＣＴが好ましい。

本実施形態では、サンプル戻り光と参照戻り光の干渉信号を差動検出することによって、サンプル光路からの光と参照光路からの光をカプラ４０で干渉させた信号は逆相の信号となるため、差動検出により信号強度が増強される。一方、例えば、サンプル光路内に配置したプリズム等の光学面で発生したゴースト起因の干渉信号は、カプラ４０で単に分割されるだけなので同相となり、差動検出によりノイズ信号が低減でき、その結果、良好な断層像を得ることができる。

また、サンプル光と参照光は別々の光ファイバで伝送する構成であるため、参照側光路３１だけにアッテネータ３３の挿入が可能になる。そのため、参照戻り光の光量制御が容易に実現でき、干渉に最適な光量調整が図られる。さらに、サンプル光と参照光は別々の光路を通るため、サンプル光路内で発生するゴースト光の除去も可能となる。

図２は、第１実施形態に係るプローブを示す構成図である。プローブ５０は、光ファイバからなる光路２１と、対物レンズ５１と、ミラー部材５２と、回転保持部材５５と、回転振動機構５６などを備える。

対物レンズ５１は、例えば、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズや曲面レンズ等からなり、光路２１の先端が対物レンズ５１の入射面に当接した状態で固定される。ミラー部材５２は、例えば、反射プリズム等からなり、対物レンズ５１の出射面がミラー部材５２の入射面に当接した状態で固定される。

光源１０からのサンプル光は、光路２１を通って対物レンズ５１によって集光され、ミラー部材５２で反射されて、測定対象物をスポット照射する。測定対象物の内部構造に応じて反射したサンプル戻り光は、再びミラー部材５２に入射し、対物レンズ５１および光路２１を逆行して、図１に示すサーキュレータ２２を通ってカプラ４０に戻る。

回転保持部材５５は、金属やプラスチック等の硬い材料、あるいは屈曲可能な柔軟な材料からなる中空円筒状の部材であり、その先端内部に対物レンズ５１およびミラー部材５２が固定される。対物レンズ５１の出射面に対向する部分は、光が通過可能なように開口または透明材料からなる窓が設けられる。回転保持部材５５は、円筒の長手軸周りに回転可能なように支持されている。

回転振動機構５６は、モータ等で構成され、回転保持部材５５を介して対物レンズ５１およびミラー部材５２を光路２１の長手軸周りに回転振動させ、回転保持部材５５の周囲に存在する測定対象物を円筒走査する。このとき光路２１のねじれ弾性限界の範囲内で回転振動を行うことによって、光路２１の途中に、従来のような機械的断点を設ける必要がなくなる。そのため、機械的断点に起因した光の損失や反射ゴーストを抑制でき、低コストで信頼性の高い回転走査を達成できる。

また、光路２１は光ファイバで構成することによって、光路２１での光の伝送損失を低減でき、しかも自在に屈曲できるため、内視鏡や血管カテーテルへの応用に適している。

サンプル戻り光および参照戻り光の干渉信号を処理する際、ねじれ振動の定速回転区間で測定を行い、非定速回転区間では測定しないことが好ましい。これにより光断層像を構築する際に必要な画像処理の計算量が低減できるため、より高速な画像取得が可能となり、画像処理に必要なデータ記憶領域を低減できる。

そのため、回転保持部材５５や回転振動機構５６など、回転する部材の回転角度を検出する検出器を設けることが好ましい。これによりねじれ振動の定速回転区間を判定することが可能になる。また、回転速度が変化した場合でも、回転位置情報から測定点の位置ずれを補正して画像出力できるため、回転速度変動によって生じる画像歪みを低減できる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係るプローブを示す構成図である。プローブ５０は、光ファイバからなる光路２１と、対物レンズ５１と、ミラー部材５２と、回転保持部材５５と、回転振動機構５６と、シース５７と、シース保持部材５８などを備える。サンプル光の回転走査の構成および動作については、図２の第１実施形態と同様であるため、重複説明を省く。

シース５７は、金属やプラスチック等の硬い材料、あるいは屈曲可能な柔軟な材料からなる中空円筒状の部材であり、その内部において回転保持部材５５を回転可能なように支持している。シース保持部材５８は、シース５７を固定して、シース５７の回転運動を規制している。

本実施形態では、光路２１の途中に、ねじれ範囲を規制するための固定保持部材２５を設置している。固定保持部材２５の設置によって、光路２１全体のうち、ねじれ振動が生ずるねじれ部２１ａの領域が限定される。そのため、光路２１の姿勢変動や屈曲による弾性限界の変動が少なくなるため、ねじれ回転量の最大値の設定が容易になる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態に係るプローブを示す構成図である。プローブ５０は、光ファイバからなる光路２１と、対物レンズ５１と、ミラー部材５２と、回転保持部材５５と、回転振動機構５６と、シース５７と、シース保持部材５８などを備える。サンプル光の回転走査の構成および動作については、図２の第１実施形態と同様であるため、重複説明を省く。また、シース５７の構成については、図３の第２実施形態と同様であるため、重複説明を省く。

本実施形態でも第２実施形態と同様に、光路２１の途中に、ねじれ範囲を規制するための固定保持部材２５を設置している。固定保持部材２５の設置によって、光路２１全体のうち、ねじれ振動が生ずるねじれ部２１ａの領域が限定される。そのため、光路２１の姿勢変動や屈曲による弾性限界の変動が少なくなるため、ねじれ回転量の最大値の設定が容易になる。

また、光路２１の途中に、たるみ部２１ｂを設けることが好ましい。これによりねじれ振動の弾性限界内での回転量を大きくとることができるため、回転速度を速くしたり、複数回の回転を行うことが可能となる。さらに、たるみ部２１ｂは、図４に示すようにコイル形状とすることが好ましく、これにより小さなスペースでねじれ回転許容量を増やすことができ、プローブ５０の小型化が図られる。

（第４実施形態）
本発明は、ＯＣＴ用プローブ以外にも、蛍光測定、分光測定や共焦点走査プローブへの応用も可能である。これらのプローブの場合、測定物を照明する光源からの光を導光する光源光導光用光ファイバーと、照明された測定物からの蛍光や散乱光を光検出器や分光器に導光する測定光導光用光ファイバーの計２本が必要となるため、測定領域を回転走査することが一般には困難である。

本実施形態では、２本の光ファイバを弾性限界内でねじれ振動させることで、回転部と固定部の接続部分に特別な工夫をすることなく、回転走査画像が得られる。

図５は、第４実施形態に係るプローブを示す構成図である。プローブ５０は、光ファイバからなる２つの光路２１，６１と、対物レンズ５１と、ミラー部材５２と、回転保持部材５５と、回転振動機構５６と、シース５７と、シース保持部材５８などを備える。サンプル光の回転走査の構成および動作については、図２の第１実施形態と同様であるため、重複説明を省く。

光源１０からのサンプル光は、光路２１を通って対物レンズ５１によって集光され、ミラー部材５２で反射されて、測定対象物をスポット照射する。スポット照射により発生した反射光や蛍光は、サンプル戻り光となって再びミラー部材５２に入射し、対物レンズ５１および第２の光路６１を通過して、光検出器６０で受光される。検出された信号は、コンピュータ等の信号処理装置に供給されて、光強度の変化や分光スペクトル等の測定が行なわれる。

このように、サンプル光とサンプル戻り光は別々の光路２１，６１で伝送する構成であるため、いずれか一方の光路にアッテネータが挿入可能になるため、光路ごとに独立した光量制御が容易に実現でき、干渉に最適な光量調整が図られる。さらに、サンプル光とサンプル戻り光は別々の光路を通るため、サンプル光路内で発生するゴースト光の除去も可能となる。

回転保持部材５５は、２つの光路２１，６１を一体的に格納するとともに、その先端内部に対物レンズ５１およびミラー部材５２が固定される。

回転振動機構５６は、モータ等で構成され、回転保持部材５５を介して対物レンズ５１およびミラー部材５２を光路２１，６１の長手軸周りに回転振動させ、回転保持部材５５の周囲に存在する測定対象物を円筒走査する。このとき光路２１，６１のねじれ弾性限界の範囲内で回転振動を行うことによって、光路２１，６１の途中に、従来のような機械的断点を設ける必要がなくなる。そのため、機械的断点に起因した光の損失や反射ゴーストを抑制でき、低コストで信頼性の高い回転走査を達成できる。

シース５７は、金属やプラスチック等の硬い材料、あるいは屈曲可能な柔軟な材料からなる中空円筒状の単一部材であり、その内部において回転保持部材５５を回転可能なように支持している。シース保持部材５８は、シース５７を固定して、シース５７の回転運動を規制している。

本実施形態では、２つの光路２１，６１を単一のシース５７の中に格納することによって、プローブ５０の取り扱いが便利になる。また、回転振動機構５６は、シース５７に対して各光路２１，６１を一体的に回転振動させることによって、回転走査時において測定対象物への影響を小さくできる。また、測定対象物に負荷がかからず、円滑な回転走査を実現できる。

本実施形態でも第２および第３実施形態と同様に、光路２１，６１の途中に、ねじれ範囲を規制するための固定保持部材２５を設置している。固定保持部材２５の設置によって、光路２１，６１全体のうち、ねじれ振動が生ずるねじれ部２１ａ，６１ａの領域が限定される。そのため、光路２１，６１の姿勢変動や屈曲による弾性限界の変動が少なくなるため、ねじれ回転量の最大値の設定が容易になる。

本発明は、簡単な機構で信頼性が高い光回転プローブを提供できる点で、産業上極めて有用である。

Claims (7)

1. 測定対象物に向けて光を照射し、測定対象物からの戻り光を受光するための光回転プローブであって、
   光源からの光を伝送するための導光路と、
   導光路によって伝送された光を反射するためのミラー部材と、
   導光路の先端部およびミラー部材を、導光路の長手軸周りに回転振動させるための回転振動機構とを備え、
   回転振動機構は、導光路のねじれ弾性限界の範囲内で回転振動を行い、
   ねじれ振動の定速回転区間で測定を行い、非定速回転区間では測定しないことを特徴とする光回転プローブ。
2. 導光路の途中に、ねじれ範囲を規制するための固定保持部材を備えることを特徴とする請求項１記載の光回転プローブ。
3. 導光路のねじれ振動を行う部分がたるんでいることを特徴とする請求項１記載の光回転プローブ。
4. 内部に前記ミラーが固定される中空円筒状の回転保持部材と、
   前記回転保持部材又は前記回転振動機構の回転角度を検出する検出器と、をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光回転プローブ。
5. 測定対象物からの戻り光を伝送するための第２の導光路をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光回転プローブ。
6. 各導光路は、単一の屈曲性柔軟部材の中に格納されていることを特徴とする請求項５記載の光回転プローブ。
7. 回転振動機構は、屈曲性柔軟部材に対して各導光路を一体的に回転振動させることを特徴とする請求項６記載の光回転プローブ。

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