JP6496897B2 - 光イメージング用プローブ - Google Patents

Description

本発明は、被検知部に反射させた光を取得して画像化する光イメージング装置に用いられる光イメージング用プローブに関するものである。

近年、画像診断の手法に光の干渉性を利用したＯＣＴ（Optical Coherence Tomography：光干渉断層撮影）技術が注目されている。光源として波長１３００ｎｍ程度の近赤外線を用いることが多いが、近赤外線は生体に対して非侵襲性であり、また超音波よりも波長が短いために空間分解能に優れており、おおよそ１０〜２０μｍの識別が可能となることから、特に医療現場で用いられることが多くなっている。
ＯＣＴに用いられる光イメージング用プローブは、光ファイバーから入射する光を、光路変換して被検知部に照射し、この被検知部により反射した光を、照射とは逆の経路で光ファイバーに通過させるようにしている（特許文献１及び非特許文献１参照）。光イメージング用プローブから光ファイバーへ戻される光は、ラインセンサにより電気信号に変換され、さらに画像処理装置によって解析されて画像化される。

ところで、前述した従来の光イメージング用プローブによれば、被検知部によって反射した光が戻る光路において、光が空間からＧＲＩＮレンズに入射する際に、その一部の光がＧＲＩＮレンズ（例えば、非特許文献１のＧＬ１）の前端面で反射し、ラインセンサに取り込まれる光の量が低減してしまうおそれがある。

特許第４４６１２１６号公報

Jigang Wu,Micheal Conry,Chunhui Gu,Fei Wang,Zahid Yaqoob,and Changhuei Yang 「Paired-angle-rotation scanning optical coherence tomography forward-imaging probe」 OPTICS LETTERS （U.S.A.） May 1,2006 Vol.31,No.9 1265〜1267

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、光量の損失を低減することができる光イメージング用プローブを提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、光イメージング用プローブにおいて、光ファイバーから入射する光を、光路変換部に透過させ光路変換して被検知部に照射し、この被検知部により反射した光を、照射とは逆の経路で光路変換部および光ファイバーに通過させる。そして、光ファイバーと光路変換部との間に、これらの間の光を透過させるとともに内部の屈折率が一様な光中継部が設けられ、光中継部と光路変換部は、屈折率が等価の材料により形成され接合されていることを特徴とする。

本発明は、以上説明したように構成されているので、光量の損失を低減することができる。

本発明に係る光イメージング用プローブの一例を示す断面図である。 同光イメージング装置の動作を示す要部拡大断面図である。 本発明に係る光イメージング用プローブの他例について動作を示す要部拡大断面である。

本実施の形態の第一の特徴は、光ファイバーから入射する光を、光路変換部に透過させ光路変換して被検知部に照射し、この被検知部により反射した光を、照射までとは逆の経路で前記光路変換部および前記光ファイバーに通過させるようにした光イメージング用プローブにおいて、前記光ファイバーと前記光路変換部との間に、これらの間の光を透過させるとともに内部の屈折率が一様な光中継部が設けられ、前記光中継部と前記光路変換部は、屈折率が等価の材料により形成され接合されている。
この構成によれば、被検知部により反射した光が光路変換部を逆方向に通過して光中継部に入光する際に、光路変換部と光中継部との境界面における反射による光量の損失を低減することができる。
なお、「光中継部」は、光ファイバーとは別体の透光性部材を光ファイバーの前端に接続した態様とすればよいが、他例としては、光ファイバーの前端側のコアの一部分を、光中継部として用いることも可能である。

第二の特徴としては、光量の損失を低減する具体的態様として、前記光中継部を、前記光ファイバーの光軸に沿う長尺状に形成するとともに前記光ファイバーの前端部に同軸状に接合した。

第三の特徴として、特に光路変換部における光量の損失を低減するために、前記光路変換部は、光中継部側から入射される光を、その入射方向に交差する方向へ反射する第１の反射光学素子と、第１の反射光学素子側から入射する光を、その入射方向に交差する方向へ反射する第２の反射光学素子とを接合して構成されている。

第四の特徴としては、接合部分における光量の損失を低減するために、前記光中継部と前記光路変換部との接合に、これら二つの部材と屈折率が等価の透光性接着剤を用いた。

第五の特徴としては、接合部分の位置合わせを容易にするために、光路方向に並ぶ二つの部材について、その一方の部材の接合端面と他方の部材の接合端面とを、同じ面積の多角形状にした。

第六の特徴としては、被照射面積を広く確保するために、前記光路変換部を第１の光路変換部とし、第１の光路変換部の出射方向側に、第１の光路変換部により出射される光を光路変換する第２の光路変換部を備え、前記光中継部及び第１の光路変換部と、第２の光路変換部とを、それぞれ、前記光中継部の光軸を中心に回転するように支持し、前記光中継部及び第１の光路変換部を回転させる第１の回転駆動源と、第２の光路変換部を回転させる第２の回転駆動源とをそれぞれ設け、第１の回転駆動源と第２の回転駆動源をそれぞれ制御することで、前記光中継部及び第１の光路変換部の回転速度と、第２の光路変換部の回転速度とを異ならせた。

次に、上記特徴を有する好ましい実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る光イメージング用プローブ１を示す。
光イメージング用プローブ１は、回転可能に支持された第１回転要素１０と、第１回転要素１０の前側で回転するように支持された第２回転要素２０と、第１回転要素１０を回転させる第１の回転駆動源３０と、第２回転要素２０を回転させる第２の回転駆動源４０とを具備する。
そして、この光イメージング用プローブ１は、光ファイバーＦ１，Ｆ２から入射する光を、第１回転要素１０の第１の光路変換部、及び第２回転要素２０の第２の光路変換部により光路変換して被検知部Ｘに照射し、この被検知部Ｘにより反射した光を、被検知部Ｘへの照射までとは、逆の経路で第１及び第２の光路変換部および光ファイバーＦ１，Ｆ２に通過させる。そして、光ファイバーＦ１に戻される光は、図示しないＯＣＴ等の光イメージング装置により解析され、被検知部Ｘの形状等の情報が画像化される。

光ファイバーＦ１は、光イメージング装置（図示せず）に接続されており、回転不能に支持される。
光ファイバーＦ２は、光ファイバーＦ１の前方側に同軸状に配設され、後述する第１回転要素１０，第１の回転駆動源３０及び第２の回転駆動源４０の中心部に挿通される。
光ファイバーＦ１の前端には光矯正部材ｆ１が接続され、光ファイバーＦ２の後端には光矯正部材ｆ２が接続され、これら光矯正部材ｆ１，ｆ２の間には、隙間ｓが確保される。光矯正部材ｆ１，ｆ２は、隙間ｓへ向けて発する光を拡大しコリメート化するグレーデッドインデックス光ファイバーである。

第１回転要素１０は、中空状の支持体１１内に、支持体１１の後端側に嵌め合せられたスペーサ１２と、スペーサ１２内に固定されるとともに内部に光ファイバーＦ２を挿通した管体１３と、光ファイバーＦ２の前端に直線状に接続された光中継部１４と、この光中継部１４の前端に接続された第１の光路変換部１５と、第１の光路変換部１５の前端に接続されたレンズ１６とを具備し、一体回転可能に構成される。

支持体１１は、内部を中空状の収納空間Ｓを有する円柱状の部材であり、例えば、金属や合成樹脂等の硬質材料から形成される。支持体１１内には、第１の光路変換部１５、光中継部１４、管体１３の前端部を挿入したスペーサ１２が挿入されて固定される。なお、収納空間Ｓの隙間には必要に応じて合成樹脂が充填される。

スペーサ１２は、中心部に前後方向の貫通孔を有する円柱状の部材であり、例えば、金属や合成樹脂等の硬質材料から形成される。
このスペーサ１２は、後述する管体１３を圧入固定した状態で、支持体１１の後端側の内周面に圧入固定されている。

管体１３は、硬質金属材料やセラミック等からなる長尺円筒状の部材であり、その前端側をスペーサ１２に圧入するとともに、その後側の部分を、後述する第１の回転駆動源３０及び第２の回転駆動源４０内に挿通するように長尺状に延設している。
この管体１３内には、上述した光ファイバーＦ２及び光矯正部材ｆ１が挿入されている。
なお、光ファイバーＦ２、スペーサ１２及び管体１３の前端部は、面一になっている。

また、光中継部１４は、内部の屈折率が一様（略均等）な断面多角形状の透光性部材であり、光ファイバーＦ２の前端部に同軸状の接合されるとともに前方へ長尺状に延設されている。
詳細に説明すれば、この光中継部１４は、断面正方形であって光ファイバーＦ２の光軸方向へ延設された長尺状に形成され、その前端部には、光中継部１４の光軸から離れる方向（図２によれば、前方斜め下方）へ臨む傾斜面１４ａを有する（図２参照）。すなわち、傾斜面１４ａは、光中継部１４の光軸に直交する平面に対し、傾斜する面である。
光中継部１４の材料は、後述する第１の光路変換部１５と屈折率が等価（略同等）の材料であり、例えば石英ガラスや、他のガラス材料とする。
この光中継部１４の後端面は、光中継部１４の光軸に直交する平坦面状に形成される。この平坦面は、図２に示すように、光ファイバーＦ２、管体１３及びスペーサ１２の前端部に跨るようにして、これらの前端面に接合されている。
そして、光中継部１４前端の傾斜面１４ａには、第１の光路変換部１５が接合される。

第１の光路変換部１５は、光中継部１４側から入射される光を、その入射方向に交差する方向へ反射する第１の反射光学素子１５ａと、第１の反射光学素子側１５ａから入射される光を、その入射方向に交差する方向へ反射する第２の反射光学素子１５ｂとを接合して構成されている。

光中継部１４の接合端面と第１の光路変換部１５の接合端面とは、同じ面積の多角形状（例えば、正方形状）に形成され、これらの外縁が重ね合わせられて接合される。

第１の反射光学素子１５ａは、光中継部１４前端の傾斜面１４ａと同面積且つ同形状（図示例によれば矩形状）の入射面を有するプリズムであり、入射面を光中継部１４前端の傾斜面１４ａに接着している。この第１の反射光学素子１５ａは、光中継部１４から第１の反射光学素子１５ａに進入する光を、内部反射面に反射させることで、光中継部１４の光軸に対し交差する方向（図２によれば略下方）へ向ける。
この第１の反射光学素子１５ａの材料は、上記したように光中継部１４と屈折率が等価（略同等）の材料であり、例えば石英ガラスや、他のガラス材料とする。

第２の反射光学素子１５ｂは、第１の反射光学素子１５ａの出射側面（図２によれば下面）に接合されたプリズムである。この第２の反射光学素子１５ｂは、第１の反射光学素子１５ａから進入する光を、内部反射面により反射させることで、光中継部１４の光軸に対し前方へ向かって徐々に離れる傾斜方向（図２によれば左斜め下方）へ向ける。
この第２の反射光学素子１５ｂの材料は、第１の反射光学素子１５ａと屈折率が等価（略同等）の材料であり、例えば石英ガラスや、他のガラス材料とする。

第２の反射光学素子１５ｂの出射側面（前端面）には、レンズ１６が接合される。レンズ１６は、第２の反射光学素子１５ｂから入射される光を集光するレンズであり、例えば、円柱状のロッドレンズ等により構成される。
このレンズ１６の材料は、第２の反射光学素子１５ｂと屈折率が等価（略同等）の材料であり、例えば石英ガラスや、他のガラス材料とする。

光中継部１４と第１の反射光学素子１５ａ、第１の反射光学素子１５ａと第２の反射光学素子１５ｂ、第２の反射光学素子１５ｂとレンズ１６等、光路方向に並ぶ二つ部材の接合に用いる接着剤には、これら二つの部材と屈折率が等価の透光性の接着剤が用いられる。この接着剤の具体例としては、熱硬化性のアクリル系ＵＶ接着剤を用いることができる。この接着剤は、適宜に成分調整されることで、二つの部材と同等の屈折率になることが実験的に確認されている。

ここで、光中継部１４、第１の反射光学素子１５ａ、第２の反射光学素子１５ｂ、レンズ１６及びこれらの接合に用いられる接着剤の屈折率が略同等であることについて、より具体的には、接着剤とこの接着剤によって互いに接合されるものの中で、屈折率が最大のものと最小のものとの屈折率の差が絶対値で０．０１以下であることが望ましい。

第２回転要素２０は、光中継部１４を回転可能に内在する筒状ケース２１と、この筒状ケース２１の前端側に固定された第２の光路変換部２２と、筒状ケース２１の後端側を支持する支持部材２３と、支持部材２３の中心部に挿通固定された管体２４とを具備し、一体回転するように構成される。

筒状ケース２１は、金属材料や硬質合成樹脂等から略円筒状に形成され、その周壁の前端側に、この周壁を周方向において部分的に貫通した切欠部２１ａを有する。

第２の光路変換部２２は、第１の光路変換部１５の出射方向側において、切欠部２１ａに対応するように配置され、筒状ケース２１の前端側の内壁面に固定されている。
この第２の光路変換部２２は、例えばガラス製の反射鏡であり、その反射面２２ａを、レンズ１６から前方へ出射される光の経路上に配置している。この第２の光路変換部２２に対しレンズ１６側から入射する光は、図２に示すように、反射面２２ａによって反射し、レンズ１６の光軸に対し交差する方向へ向けられる。

支持部材２３は、筒状ケース２１の後端側内部に同軸状に固定された円筒状の部材である。この支持部材２３は、例えば、金属材料や硬質合成樹脂等から形成される。
この支持部材２３の中心部には、管体２４が貫通状に挿通され固定される。

管体２４は、硬質金属材料やセラミック等からなる長尺円筒状の部材であり、上述した管体１３よりも一回りほど大きく形成される。この管体２４の中心部には、管体２４が径方向の隙間を有する状態で貫通状に挿入される。
管体２４の後端側は、支持部材２３の後端面よりも後方へ長尺状に延設され、後述する第１の回転駆動源３０の回転軸として機能する。

第１の回転駆動源３０は、回転自在な回転子３１と、この回転子３１の周囲を覆う電磁コイル３２と、この電磁コイル３２の周囲を覆う円筒状のハウジング３３（固定子）と、ハウジング３３内の前側と後側に設けられた軸受部材３４，３５とを備え（図１参照）、電磁コイル３２への電力供給により回転子３１を回転させるインナーロータタイプの回転式電動機を構成している。

回転子３１は、永久磁石を有する円筒状に構成され、電磁コイル１２との間の磁気作用によって連続回転する。この回転子３１の中心部には、軸方向へ連続する貫通孔３１ａが設けられる。
また、回転子３１の前部側には、貫通孔３１ａに連通するように、管体２４が接続され、回転子３１の後端部側にも、貫通孔３１ａに連通するように管体２５が接続される。
そして、これら管体２４、貫通孔３１ａ、管体２５内には、径方向に隙間を有するようにして、光ファイバーＦ２を内在する管体１３が貫通状に挿通されている。

電磁コイル３２は、回転子３１の外周面に対し所定のクリアランスを置いて略円筒状に設けられ、ハウジング３３の内周面に回転不能に固定されている。

ハウジング３３（固定子）は、磁性材料（例えばパーマロイ等）から円筒状に形成され、その前端側と後端側の内周面に、それぞれ、軸受部材３４，３５を固定している。

前側の軸受部材３４は、管体２４を挿通して回転自在に支持している。
同様に、後側の軸受部材３５は、管体２５を挿通して回転自在に支持している。この軸受部材３５は、ハウジング３３よりも後方へ突出しており、この突出部分には、後述付する第２の回転駆動源４０が接続される。

第２の回転駆動源４０は、回転自在な回転子４１と、この回転子４１の周囲を覆う電磁コイル（図示せず）と、この電磁コイルの周囲を覆う円筒状のハウジング４２（固定子）と、ハウジング４２内の前側と後側に設けられた軸受部材４３，４４とを備え（図１参照）、第１の回転駆動源３０と略同様に、電磁コイルへの電力供給により回転子４１を回転させるインナーロータタイプの回転電動機を構成している。
この第２の回転駆動源４０は、ハウジング４２及び軸受部材４３の後端側部分を、接続部材４５を介して第１の回転駆動源３０の軸受部材３５に接続することで、第１の回転駆動源３０の後方側に同軸状に連結されている。

回転子４１の中心部には、軸方向へ連続する貫通孔が設けられ、この貫通孔には、光ファイバーＦ２を内在する管体１３が貫通状に挿通され固定されている。

前側の軸受部材４３は、管体１３を挿通して回転自在に支持している。同様に、後側の軸受部材４４は、管体１３を挿通して回転自在に支持している。この軸受部材４４は、ハウジング４２よりも後方へ突出しており、この突出部分には、筒状の接続部材等を介して、光ファイバーＦ１及び光矯正部材ｆ１が、回転不能に接続される。

そして、上記構成の第１の回転駆動源３０と第２の回転駆動源４０は、第１回転要素１０と第２回転要素２０とが異なる速度で回転するように、図示しない制御回路によってそれぞれ制御されている。好ましくは、第１回転要素１０の回転数と第２回転要素２０の回転数との比が整数倍とならないように、第１の回転駆動源３０及び第２の回転駆動源４０が制御される。

次に、上記構成の光イメージング用プローブ１について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。
光イメージング用プローブ１は、例えば、図２に示すように、円筒状の被検知部Ｘ内に挿入されて用いられる。図示しない光イメージング装置から、光イメージング用プローブ１の後部側の光ファイバーＦ１に光が供給されると、この光は、光矯正部材ｆ１、隙間ｓ、光ファイバーＦ２等を通過して、光中継部１４へ進入する。さらに、この光は、光中継部１４内を通過し第１の光路変換部１５内で二回反射してレンズ１６の前端面から出射される。そして、出射された光は、図２に示すように第２の光路変換部２２により反射して円筒状の被検知部Ｘの内周面に照射される。
この照射光は、第１回転要素１０と第２回転要素２０の回転により、被検知部Ｘの内周面を、軸方向に往復移動しながら周方向へも移動する。

また、被検知部Ｘに照射された光は、被検知部Ｘの表面で反射して、第２の光路変換部２２、レンズ１６、第１の光路変換部１５及び光中継部１４、光ファイバーＦ２，Ｆ１等からなる経路を逆方向へ通過する。
逆方向の光は、特に、第１の反射光学素子１５ａから光中継部１４前端の傾斜面１４ａに入光するが、第１の反射光学素子１５ａと光中継部１４との屈折率が等価であり、且つ、これらの間を接着する接着剤も屈折率が等価であるため、これらの境界面での反射による光量の損失を生じ難い。

また、光中継部１４と第１の光路変換部１５とを同面積且つ同多角形状の端面としているため、光イメージング用プローブ１の製造段階において、光中継部１４と第１の光路変換部１５を接合する際に、これら２部材の光軸を合わせる作業を容易にすることができる。
また、二つのプリズムからなる第１の光路変換部１５により光路を略クランク状に曲げるようにしてるため、レンズ１６の軸方向長さや、光経路の軸方向長さを短かくすることができ、その結果、光イメージング用プローブ１全体も比較的短くすることができる。
また、第１の光路変換部１５と第２の光路変換部２２の双方を回転させて、照射軌跡を軸方向及び周方向に変化させるようにしているため、スキャン領域を比較的広く確保することができる。

次に、本発明に係る他の実施例である光イメージング用プローブ２について説明する（図３参照）。
この光イメージング用プローブ２は、上述した光イメージング用プローブ１に対し、筒状ケース２１を筒状ケース２１’に置換し、第２の光路変換部２２を第２の光路変換部２２’に置換したものであるため、主にその変更部分について詳述し、重複する部分は、光イメージング用プローブ１のものと同一の符号を付けて説明を省略する。

筒状ケース２１’は、上記筒状ケース２１から切欠部２１ａを省いた略円筒状に形成される。
また、第２の光路変換部２２’は、円柱体の一端側をその中心軸に直交する平面で切断するとともにその他端側を同中心軸に傾斜する平面で切断した形状のガラスレンズである（図３参照）。この第２の光路変換部２２は、直交する平面を光源側に向けるようにして、筒状ケース２１’内の前端側に同軸状に固定される。

上記構成の光イメージング用プローブ２によれば、レンズ１６の前端面から出射される光は、図３に示すように第２の光路変換部２２’により屈折して、前方の被検知部Ｘ’の表面に照射される。
この照射光は、第１回転要素１０と第２回転要素２０の回転により、被検知部Ｘ’の表面を、円運動しながら径方向に往復運動する。

また、被検知部Ｘ’の表面で反射した光は、上述した光イメージング用プローブ１と同様に、逆方向の経路を進み、第１の反射光学素子１５ａから光中継部１４へ通過する。この通過の際、第１の反射光学素子１５ａと光中継部１４との屈折率が等価であり、且つ、これらの間を接着する接着剤も屈折率が等価であるため、これらの境界面での反射による光量の損失を低減することができる。
よって、光イメージング用プローブ２においても、光イメージング用プローブ１と略同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記実施例によれば、第１の光路変換部１５及び第２の光路変換部２２を回転させる構成としたが、他例としては、第１の光路変換部１５と第２の光路変換部２２のうちの一方又は双方を回転させないようにした光イメージング用プローブを構成することも可能であり、この光イメージング用プローブにおいても、第１の反射光学素子１５ａと光中継部１４の屈折率や上記接着剤の屈折率を等価にすることで、光量の損失を低減することができる。

１，２：光イメージング用プローブ
１０：第１回転要素
１４：光中継部
１５：第１の光路変換部
１５ａ：第１の反射光学素子
１５ｂ：第２の反射光学素子
２０：第２回転要素
２２，２２’：第２の光路変換部
３０：第１の回転駆動源
４０：第２の回転駆動源
Ｘ：被検知部
Ｆ１，Ｆ２：光ファイバー

Claims (4)

1. 光ファイバーから入射する光を、光路変換部に透過させ光路変換して被検知部に照射し、前記被検知部により反射した光を前記照射までとは逆の経路で前記光路変換部および前記光ファイバーに通過させるようにした光イメージング用プローブにおいて、
   前記光ファイバーと前記光路変換部との間に、これらの間の光を透過させるとともに内部の屈折率が一様な光中継部が設けられ、前記光中継部と前記光路変換部は、屈折率が等価の材料により形成され接合されており、
   前記光中継部は、前記光ファイバーの光軸に沿う長尺状に形成されるとともに前記光ファイバーの前端部に同軸状に接合されおり、
   前記光路変換部は、光中継部側から入射される光を、その入射方向に交差する方向へ反射する第１の反射光学素子と、第１の反射光学素子側から入射される光を、その入射方向に交差する方向へ反射する第２の反射光学素子とを接合して構成されており、
   前記第２の反射光学素子の出射面には、前記第２の反射光学素子から入射される光を集光するレンズが接合されており、
   前記光路変換部と前記レンズとは一体に回転可能であることを特徴とする光イメージング用プローブ。
2. 前記光中継部と前記光路変換部との接合に、これら二つの部材と屈折率が等価の透光性接着剤を用いたことを特徴とする請求項１記載の光イメージング用プローブ。
3. 光路方向に並ぶ二つの部材について、その一方の部材の接合端面と他方の部材の接合端面とを、同じ面積の多角形状にしたことを特徴とする請求項１又は２記載の光イメージング用プローブ。
4. 前記光路変換部を第１の光路変換部とし、第１の光路変換部の出射方向側に、第１の光路変換部により出射される光を光路変換する第２の光路変換部を備え、
   前記光中継部及び第１の光路変換部と、第２の光路変換部とを、それぞれ、前記光中継部の光軸を中心に回転するように支持し、
   前記光中継部及び第１の光路変換部を回転させる第１の回転駆動源と、第２の光路変換部を回転させる第２の回転駆動源とをそれぞれ設け、
   第１の回転駆動源と第２の回転駆動源をそれぞれ制御することで、前記光中継部及び第１の光路変換部の回転速度と、第２の光路変換部の回転速度とを異ならせたことを特徴とする請求項１から３何れか１項記載の光イメージング用プローブ。

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