JP5998395B2

JP5998395B2 - イメージングプローブ

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Publication number: JP5998395B2
Application number: JP2012092684A
Authority: JP
Inventors: 鄭　昌鎬; 昌鎬鄭
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2012-04-16
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-04-16
Also published as: JP2013220171A

Description

本発明は光を偏向させて測定対象を走査するイメージングプローブに関するものである。

従来、レーザ光を偏向させて対象物を走査し、その反射光を用いて測定対象の状態を観測する装置が用いられている。特に医療の分野においては、光診断は原理的に非侵襲で患者に痛み等の負担を与えず、早急な治療を要する診断を円滑にしたり、又は治療中の経過観察をすることができると考えられ、医療に多大な貢献が期待される。このような光診断では生体内に光プローブや内視鏡を挿入し、光ファイバを通じて信号光を生体部位にあてて後方に戻る光を同じ光ファイバを用いて伝播させ、その光の強度や周波数成分等を解析することによって部位の状態を診断する。腹腔鏡手術など、体外から管状の治療具や内視鏡を挿入して行われる手術では、貫通させる孔が小さければ、出血なども少なく、また患者への負担も小さく、治療後の回復も早い。

又特許文献１には光源からの光を先端が鋭い中空ニードル内の光ファイバに導き、光偏向部を介して検出体に導くと共に、その反射光を同じ経路を通って受光部に導くプローブが提案されている。そして光ファイバを挿脱又は回動させることによって、２次元の画像を得るようにしている。

一方で、ＯＣＴの内視鏡への応用が研究されており、血管内視鏡や消化器内視鏡などが実用化されつつあるが、体外から貫通するプローブは細径化という点でまだ実用化に課題がある。細径のプローブが実現できれば、乳がんの診断、筋組織にかかわる病気の診断などにも実用化が期待される。

また、主に黄班症や網膜剥離の治療のために、網膜についているゼリー状の硝子体を吸引除去することにより網膜を正常に戻す硝子体手術が行われている。従来、ＯＣＴ装置は症状の診断のために事前に用いられるが、非特許文献１には術中に病変部を確認する必要性も挙げられている。

米国特許６，５６４，０８７

Shuo Han et al., "Handheld forward-imaging needle endoscope for ophthalmic optical coherence tomography inspection", Journal of Biomedical Optics, March/April 2008, Vol. 13 2, 020505-1

従来の血管や消化器でのＯＣＴ技術を応用して断面の画像を得ようとすると、柔軟なチューブの内側でプローブをスキャニングさせたり回転させることが必要である。特に人体組織などを貫通して使用するようなプローブでは、比較的直線的で硬い管、あるいは筒状のスリーブの中でプローブをスキャニングさせたり回転させる必要がある。しかしプローブを細径にしなければならず、構造が小型であるために体液や血液との気密を取ることが難しいなどの問題点があった。またプローブの先端が組織を傷つける危険性を伴うという問題点があった。

又特許文献１では光学ユニットを平行移動させる必要がありスキャニングが複雑になるという欠点があった。又生体等に挿入するにはプローブ部分が大きくなりすぎ、診断が難しくなるという欠点があった。

現状の眼科用ＯＣＴ装置は、手術中に使うものではないので手術中での適用は難しいという問題点があった。また既存のＯＣＴ装置では網膜の外周部に関しては眼球外部から水晶体を通して観察することは難しいという欠点があった。

本発明はこのような従来の課題に着目してなされたものであって、安全に生体に挿入し光をスキャニングすることができるイメージングプローブを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のイメージングプローブは、外径が１ｍｍφ以下の筒状体であり、先端部に光透過窓を有するプローブと、前記プローブの内部に固定された屈折率分布型の１本の第１の光ファイバと、前記光ファイバへの光の入射位置を変化させることにより、前記光ファイバからの光の出射位置を変化させる位置調整部と、前記光ファイバからの光を集光して外部に出射し、外部からの光を前記光ファイバに入射する集光レンズと、を具備するものである。

ここで前記位置調整部は、前記第１の光ファイバへの光の入射位置を変化させるピエゾ素子としてもよい。

ここで前記位置調整部は、光を反射させるスキャニングミラーと、前記スキャニングミラーの光の反射角度を変化させるドライバと、を有するようにしてもよい。

ここで前記位置調整部は、前記プローブに保持されている前記第１の光ファイバへの入射位置を変化させるローラと、前記ローラを駆動するモータとを有するようにしてもよい。

ここで前記位置調整部は、前記プローブに保持されている前記第１の光ファイバへの入射位置を変化させる電磁リレーとしてもよい。

ここで前記第１の光ファイバは、通過する光の正弦的伝搬周期をＰとすると、Ｐ／２の整数倍の長さを有するようにしてもよい。

ここで前記位置調整部と前記プローブとは分離されており、前記位置調整部と前記プローブとを接続する屈折率分布型の第２の光ファイバを有するようにしてもよい。

ここで前記プローブは、先端に前記集光レンズからの光を側方に反射する反射体を更に有するようにしてもよい。

このように本発明によれば、光ファイバを伝送路として用いたイメージングプローブにおいて可動部分を少なくしてプローブからの出射光を走査することができる。又光ファイバを保持する管状体の外径は１ｍｍφ以下の細径であり、生体に挿入し終えた後も開口部分の縫合の必要がなく、回復も早いという効果が得られる。又プローブの先端は丸みを帯びているので、生体の網膜などに触れても損傷してしまうことはない。又プローブ内の光ファイバを固定しておく場合にはプローブの細径化を容易に行うことができる。

図１は本発明の第１の実施の形態によるイメージングプローブを用いたＯＣＴによる画像表示システムのブロック図である。図２は本実施の形態のイメージングプローブを示す概略図である。図３Ａは図２のＡ−Ａ線断面図（その１）である。図３Ｂは図２のＡ−Ａ線断面図（その２）である。図４は本発明の第１の実施の形態によるイメージングプローブの光ファイバの振動の状態を示す概略図である。図５は本発明の第２の実施の形態によるイメージングプローブを示す概略図である。図６は本発明の第３の実施の形態によるイメージングプローブを示す概略図である。図７は本発明の第４の実施の形態によるイメージングプローブを示す概略図である。図８は本発明の第５の実施の形態によるイメージングプローブを示す概略図である。図９は本発明の第３の実施の形態によるイメージングプローブの変形例を示す概略図である。図１０は本発明の第２〜第５の実施の形態によるイメージングプローブの変形例を示す概略図である。

（第１の実施の形態）
次に本発明の第１の実施の形態について説明する。図１は第１の実施の形態によるイメージングプローブを用いたＯＣＴ装置の構成の一例を示すブロック図である。本図においてチューナブルレーザ１１は、波長が例えば１μｍ以上で所定範囲、例えば１００ｎｍの範囲の波長の光で周期的に変化させた信号光を出力するものである。チューナブルレーザ１１の出力は光ファイバ１３を介して光サーキュレータ１４に与えられる。光サーキュレータ１４は端子１４ａ，１４ｂ，１４ｃを有し、端子１４ａに加わった光は端子１４ｂより、端子１４ｂに加わった光は端子１４ｃより出射するものである。光サーキュレータ１４の端子１４ｂ側には光分岐部１５が設けられている。光分岐部１５は励起光をシングルモードの光ファイバ１６を介して後述するイメージングプローブ側に伝送すると共に、光ファイバ１７を介して参照鏡１８にも出射し、イメージングプローブと参照鏡１８からの反射光をバランス型のフォトダイオード（ＢＲ）１９側に伝送するものである。フォトダイオード１９は光信号を電気信号に変換するもので、その出力は増幅器２０，ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２１を介して、トリガ発生部１２からのトリガのタイミングに基づきＡＤ変換器２２により集録され、信号処理部２３に加えられる。信号処理部２３はこの反射光の強度又は周波数変化に基づいて断面画像を生成して、画像表示部２４上に表示するものである。

次にイメージングプローブとその周辺部分について図２を用いて説明する。第１の実施の形態では、光ファイバ１６の先端に位置調整部３０とプローブ４０とが設けられ、これらによってイメージングプローブが構成される。図２において、位置調整部３０はケース３１内にモータ３２とその回転軸に接続されたロータ３３を有している。モータ３２は外部からの制御信号によって動作し、一定速度でロータ３３を回転させるものである。ロータ３３は中心軸が偏芯した円柱状の部材である。位置調整部のケース３１内には光ファイバ１６を中心としてロータ３３と対称な位置にばね３４が設けられる。ばね３４は光ファイバ１６の側面を−ｘ軸の方向に付勢している。光ファイバ１６のロータ３３とばね３４に挟まれた部分はロータ３３の回転によってｘ軸に沿って上下動し、これと垂直なｙ軸方向には移動しないように図示しないサポータによって支持されている。

このケース３１の側方にはプローブ４０の保護スリーブ４１が連結されている。保護スリーブ４１はイメージングプローブの測定対象に挿入するものであるため、外径を例えば１ｍｍφ以下の円筒状とし、先端が透明で周囲は丸みを持った形状とする。そしてこの保護スリーブ４１の内部には、光ファイバを保持するためのファイバ保持スリーブ４２が固定されている。ファイバ保持スリーブ４２は図３Ａ，図３ＢにＡ−Ａ線の断面形状を示すように、断面が長円形の筒状の部材であって、その内部で上下方向（ｘ軸方向）に光ファイバ１６を振動させることができる。そしてファイバ保持スリーブ４２の先端部分には集光レンズ４３が設けられる。集光レンズ４３は入射光を外部に集光して出射すると共に、外部からの反射光を光ファイバ１６に戻すものである。プローブ４０内の光ファイバ１６はレーザ光を測定対象に導き、測定対象からの反射光をＯＣＴ装置に戻すための光伝送媒体である。

次にこの実施の形態の動作について説明する。まずこの実施の形態によるイメージングプローブのプローブ４０を測定対象、例えば人体の測定部位に挿入する。プローブ４０は外径が１ｍｍφ以下の円筒状であるため、人体に挿入しても傷口はほとんど広がることはなく、人体への負担を最小限にとどめることができる。保護スリーブ４１の先端の円周部分は丸みをもった形状であるため、観察中にプローブ先端が測定中の部位に当たっても損傷を与えることはない。この状態で図１に示すようにチューナブルレーザ１１を周期的に波長を走査するように駆動する。そして波長走査光を光ファイバ１３、光サーキュレータ１４、光ファイバ１６を介してイメージングプローブに導く。そして光ファイバ１６からのレーザ光を集光レンズ４３に導き、集光レンズ４３で集光してプローブ４０の前方に照射する。測定点からの反射光はそのまま集光レンズ４３を介して光ファイバ１６に加わり、更に光分岐部１５、光サーキュレータ１４を介してＯＣＴ装置側に戻る。このため信号処理部２３での解析によって光の照射方向の断面状態の情報を得ることができる。このときプローブの挿入角度と挿入の長さを変化させ、集光レンズ４３によって集光される焦点位置までの距離を調整することによって、投光した光が測定対象の所望の部位に入射するように調整する。そして位置調整部３０のモータ３２を駆動することによってロータ３３を回転させ、これに伴って光ファイバ１６を図３Ａの状態と図３Ｂの状態とを往復するように上下に振動させることができる。こうすれば光ファイバ１６はファイバ保持スリーブ４２内で上下方向に振動し、光をプローブ４０の前方に上下方向に走査し、その反射光を受光することができる。これによりｘｚ軸の２次元の断面画像を生成して画像表示部２４に表示することができる。

尚プローブ４０の長さが短い場合や光ファイバ１６自体の柔軟性が低ければ、光ファイバ１６の位置をロータ３３によって変化させることで、図２に実線と破線で示すようにファイバ保持スリーブ４２内で光ファイバ１６が単に上下に平行に動くだけとなる。一方プローブ４０の長さが長い場合や光ファイバ１６の柔軟性が高い場合には、図４Ａ，図４Ｂに示すように光ファイバ１６が波打つようにファイバ保持スリーブ４２内で振動する場合もある。いずれの場合も集光レンズ４３の位置で光ファイバの入射位置を変化させることができる。

この実施の形態では光ファイバ１６は保護スリーブ内で振動するが、保護スリーブ自体はプローブの保護スリーブ内で固定されているため、プローブ自体を容易に細径化することができる。又プローブを気密にする必要もなく、プローブの製造を極めて容易に行うことができる。

次に本発明の第２の実施の形態によるイメージングプローブについて図５を用いて説明する。この実施の形態はプローブ内で可動部分がないようにしたものであり、その他の部分は第１の実施の形態と同様である。図５に示すように、光ファイバ１６の先端には位置調整部５０とプローブ６０が設けられる。位置調整部５０はプローブ６０に光を入射したり、プローブ６０から光を出射する位置を変化させるものである。位置調整部５０はケース５１内に光ファイバ１６が導かれており、光ファイバ１６の先端部分の側面にはピエゾアクチュエータ５２が固定されている。ピエゾアクチュエータ５２は外部からの駆動によって光ファイバ１６の端部を実線と破線で示すようにｘ軸方向にわずかに移動させるものである。これによりプローブ６０への光の入射位置が図示のように上下方向にわずかに変化する。

このケース５１の側方にはプローブ６０の保護スリーブ６１が連結されている。保護スリーブ６１は外径が１ｍｍφ以下の円筒形の部材であり、先端部分は光を通過させるための開口部又は透明窓が設けられる。保護スリーブ６１はイメージングプローブの測定対象に挿入するものであるため、先端の周囲は丸みを持った形状とする。プローブ６０の内部には屈折率分布型（ＧＩ型）の第１の光ファイバ６２が固定されている。光ファイバ６２は中心軸をピークとして周辺に近づくにつれて屈折率が徐々に低下する屈折率分布を有する光ファイバであり、入射した光は図示のようにある周期で曲折しながら正弦的に伝搬する。そして１往復して元の像高に戻る長さを１ピッチ（Ｐ）とする。光ファイバ６２の長さは１／２ピッチの整数倍とし、図５では２ピッチとの長さする。この光ファイバ６２の先端には光を集光するためのレンズ６３が設けられる。又光ファイバ６２，レンズ６３は保護スリーブ６１内に固定されている。

さて測定時にはこの実施の形態によるイメージングプローブのプローブ４０を測定対象、例えば人体の測定部位に挿入する。この状態で図１に示すようにチューナブルレーザ１１を周期的に波長を走査するように駆動する。そして波長走査光を光ファイバ１３、光サーキュレータ１４、光ファイバ１６を介してイメージングプローブに導く。こうすれば光ファイバ６２，レンズを通過した光が測定対象に向けて照射される。そして測定対象からの反射光がレンズ６３を介して光ファイバ１６に入射し、そのまま光ファイバ１６を通過して、図１に示す分岐部１５に戻る。ここでピエゾアクチュエータ５２を駆動すると、光ファイバ１６から光ファイバ６２への入射位置を変化させることができる。従って集光レンズ６３からの光の出射方向もこれに合わせて変化することとなり、レーザ光をｘｚ平面内で測定対象に向けて走査することができる。この場合にもチューナブルレーザ１１の波長を走査することによってｘｚ軸の２次元断面画像を生成して画像表示部２４に表示することができる。

次に本発明の第３の実施の形態によるプローブについて図６を用いて説明する。この実施の形態は位置調整部のみが第２の実施の形態と異なっており、プローブ６０の構成は同一であるので詳細な説明を省略する。位置調整部７０はプローブ６０に光を入射及び出射する位置を変化させるものである。本図に示すようにケース７１には光ファイバ１６が導かれており、光ファイバ１６の光軸上にはレンズ７２，スキャニングミラー７３が設けられ、スキャニングミラー７３の反射光が光ファイバ６２に入射できるように配置されている。スキャニングミラー７３はその反射角度をわずかに変化させるためのドライバ７４が接続されている。

さて測定時にはこの実施の形態によるイメージングプローブのプローブ６０を測定対象、例えば人体の測定部位に挿入する。この状態で図１に示すようにチューナブルレーザ１１を周期的に波長を走査するように駆動する。そして波長走査光を光ファイバ１３、光サーキュレータ１４、光ファイバ１６を介してイメージングプローブに導く。こうすれば光ファイバ１６からの光はレンズ７２，ミラー７３を介してプローブ６０の光ファイバ６２に入射される。ここでスキャニングミラー７３をドライバ７４によって微小角度周期的に変化させ、光ファイバ６２に入射する入射方向を変化させる。これによって光ファイバ６２を通過して外部に出射する光の方向を変化させることができ、物体に対してレーザ光をスキャニングすることが可能となる。

次に本発明の第４の実施の形態によるプローブについて図７を用いて説明する。この実施の形態は位置調整部のみが第２の実施の形態と異なっており、プローブ６０の構成はほぼ同一であるので詳細な説明を省略する。位置調整部８０はプローブ６０に光を入射及び出射する位置を変化させるものである。位置調整部８０はケース８１内にモータ８２とその回転軸に接続されたロータ８３を有している。モータ８２は外部からの制御信号によって動作し、一定速度でロータ８３を回転させるものである。ロータ８３は中心軸が偏芯した円柱状の部材である。位置調整部のケース８１内で光ファイバ１６を中心としてロータ８３と対称な位置にはばね８４が設けられる。ばね８４は光ファイバ１６の側面を−ｘ軸の方向に付勢している。光ファイバ１６のロータ８３とばね８４に挟まれた部分はロータ８３の回転によってｘ軸に沿って上下動し、これと垂直なｙ軸方向には移動しないように図示しないサポータによって支持されている。この実施の形態ではプローブ６０の先端には円柱状の集光レンズ６４が用いられている。この集光レンズ６４はＧＲＩＮレンズであり、レンズ６３と同一の機能を有する。

さて測定時にはこの実施の形態によるイメージングプローブのプローブ６０を測定対象、例えば人体の測定部位に挿入する。この状態で図１に示すようにチューナブルレーザ１１を周期的に波長を走査するように駆動する。そして波長走査光を光ファイバ１３、光サーキュレータ１４、光ファイバ１６を介してイメージングプローブに導く。こうすれば光ファイバ１６からの光はプローブ６０の光ファイバ６２に入射される。そしてモータ８２を回転させることによって光ファイバ１６の端面と光ファイバ５２の入射位置をｘ軸方向に沿って変化させ、これによって入射位置を変化させることができる。これによって光ファイバ６２を通過して外部に出射する光の方向を変化させることができ、物体に対してレーザ光をスキャニングすることが可能となる。

次に本発明の第５の実施の形態によるプローブについて図８を用いて説明する。この実施の形態も位置調整部のみが第２の実施の形態と異なっており、プローブ６０の構成は同一であるので詳細な説明を省略する。位置調整部９０はプローブ６０に光を入射及び出射する位置を変化させるものである。位置調整部９０はケース９１内で光ファイバ１６の端部に当接する電磁リレー９２を有している。電磁リレー９２は外部からの制御信号によって動作し、アクチュエータ９３を図示の実線位置と破線の位置とに切換えるものである。位置調整部のケース９１内には光ファイバ１６を中心としてアクチュエータ９３と対称な位置にばね９４が設けられる。ばね９４は光ファイバ１６の側面を−ｘ軸の方向に付勢している。光ファイバ１６のアクチュエータ９３とばね９４に挟まれた部分は電磁リレー９２の付勢、消勢によってｘ軸に沿って上下動し、これと垂直なｙ軸方向には移動しないように図示しないサポータによって支持されている。

この実施の形態によるイメージングプローブのプローブ６０を測定対象、例えば人体の測定部位に挿入する。この状態で図１に示すようにチューナブルレーザ１１を周期的に波長を走査するように駆動する。そして波長走査光を光ファイバ１３、光サーキュレータ１４、光ファイバ１６を介してイメージングプローブに導く。本図に示すように位置調整部９０は電磁リレー９２を用いて光ファイバ６２Ａの入射位置をオン及びオフに周期的に切換えることで実線と破線のように変化させる。これによって光ファイバ６２を通過して外部に出射する光の方向を変化させることができ、物体に対してレーザ光をスキャニングすることが可能となる。

前述した第２〜第５の実施の形態ではプローブ内で光ファイバが伝送媒体として固定されており、更にその先端を気密にする必要がないため、プローブの細径化を容易に行うことができる。又プローブを交換することができれば測定毎にプローブを交換し、人体にプローブを挿入したときの感染を未然に防止することができる。

尚第２〜第５の実施の形態では、プローブ内で光を伝搬する伝搬媒体として屈折率分布型の光ファイバ６２（ＧＩ型光ファイバ）を用いているが、プローブが比較的短い場合には光ファイバ６２に代えてＧＲＩＮレンズ（屈折率分布型ロッドレンズ）を用いてもよい。

又第３の実施の形態ではプローブ６０の先端にレンズ６４を設けているが、これに加えて図９に示すように光軸に対して約４５°の角度で光を側方に反射する反射体を設け、光をｚ軸方向から側方に変化させるようにしてもよい。この反射体には例えば図９に示すプリズム６５を用いてもよく、ミラーを用いてもよい。その他の第１，第２，第４，第５の実施の形態についても同様に反射体を設けてもよい。こうすればプローブの軸に対して略垂直に光を向けて照射し、その反射光を受光することができる。

又前述した各実施の形態ではプローブの先端部分を被う透明のプラスチックカバーを用いているが、金属カバーとし、その一部分のみを透明の窓としておいてもよい。

又前述した第２〜第５の実施の形態では、プローブの側方に位置調整部を設けている。これに代えて図１０に示すように、ＯＣＴシステム１０の出力側に位置調整部５０，７０，８０又は９０を設け、これらの位置調整部から屈折率分布型の第２の光ファイバ１０１を介してプローブ６０に導くようにしてもよい。このとき光ファイバ１０１は使い易い適当な長さ、例えば１ｍ程度とする。こうすればプローブ自体の構造を簡略化することもできる。又プローブを容易に交換できるので、プローブをディスポーザルとすることが可能となる。

本発明のイメージングプローブは人体に対する負荷を小さくすることができるので、腹腔鏡手術や乳がんの診断、筋組織にかかわる病気の診断など硝子体手術などに好適に用いることができる。又硝子体手術において網膜面上で探索しながらＯＣＴ画像として目的部位を確認できれば、手術の精度が飛躍的に上がることが期待できる。

１１チューナブルレーザ
１２駆動部
１３，１６，６２，１０１光ファイバ
１４サーキュレータ
１５光分岐部
２３信号処理部
２４画像表示部
３０，５０，７０，８０，９０位置調整部
３１，５１，７２，８１，９１ケース
３２，８２モータ
３３，８３ロータ
３４，８４ばね
４０，６０プローブ
４１ファイバ保護スリーブ
４２ファイバ保持スリーブ
４３，６３，６４集光レンズ
５２ピエゾアクチュエータ
６５プリズム
７２レンズ
７３スキャニングミラー
７４ドライバ
９２電磁リレー
９３アクチュエータ

Claims

外径が１ｍｍφ以下の筒状体であり、先端部に光透過窓を有するプローブと、
前記プローブの内部に固定された屈折率分布型の１本の第１の光ファイバと、
前記光ファイバへの光の入射位置を変化させることにより、前記光ファイバからの光の出射位置を変化させる位置調整部と、
前記光ファイバからの光を集光して外部に出射し、外部からの光を前記光ファイバに入射する集光レンズと、を具備するイメージングプローブ。
前記位置調整部は、前記第１の光ファイバへの光の入射位置を変化させるピエゾ素子である請求項１記載のイメージングプローブ。
前記位置調整部は、
光を反射させるスキャニングミラーと、
前記スキャニングミラーの光の反射角度を変化させるドライバと、を有する請求項１記載のイメージングプローブ。
前記位置調整部は、
前記プローブに保持されている前記第１の光ファイバへの入射位置を変化させるローラと、
前記ローラを駆動するモータとを有する請求項１記載のイメージングプローブ。
前記位置調整部は、
前記プローブに保持されている前記第１の光ファイバへの入射位置を変化させる電磁リレーである請求項１記載のイメージングプローブ。
前記第１の光ファイバは、通過する光の正弦的伝搬周期をＰとすると、Ｐ／２の整数倍の長さを有する請求項１〜５のいずれか１項記載のイメージングプローブ。
前記位置調整部と前記プローブとは分離されており、
前記位置調整部と前記プローブとを接続する屈折率分布型の第２の光ファイバを有する請求項６記載のイメージングプローブ。
前記プローブは、先端に前記集光レンズからの光を側方に反射する反射体を更に有する請求項１〜７のいずれか１項記載のイメージングプローブ。