JP6670943B2 - 前方ビューのスペクトル符号化内視鏡検査のための簡単なモノリシック光学素子 - Google Patents

Description

関連出願への相互参照
本出願は、２０１６年２月１２日に出願された米国特許仮出願第６２／２９４，６２８号、および２０１７年１月２７日に出願された米国特許仮出願第６２／４５１，２１３号に対する優先権を主張するものであり、米国特許仮出願第６２／２９４，６２８号および第６２／４５１，２１３号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般に、内視鏡検査のための例示的な装置および方法に関し、より詳細には、前方向の情報を取得するための例示的なスペクトル符号化内視鏡検査プローブと、画像を取得するための例示的方法と、内視鏡を製造する例示的な方法とに関する。

医用プローブは、患者の体内から画像を提供する能力を有する。異物を挿入することにより生ずるおそれのある人体への損傷を考えると、プローブは可能な限り小さいことが好ましい。さらに小さな脈管、小さな導管、小さな針、割れ目など、小さな経路内で撮像する能力には、小さいプローブサイズが必要とされる。

有用な１つの医用プローブは、スペクトル符号化内視鏡技術（「ＳＥＥ」）を使用するものであり、それは、ｍｍまたはサブｍｍ直径のプローブにより高精細撮像を行うことのできる小型の内視鏡検査技術である。ＳＥＥを用いると、広帯域光は、ファイバの先端にある回折格子により回折されて、サンプル上に分散スペクトルを生成する。サンプルから戻った光は、分光計を用いて検出され、また各分解可能な波長は、サンプル上の異なる点からの反射率に対応する。ＳＥＥ技法、および０．５ｍｍ、すなわち、５００μｍの直径を有するＳＥＥプローブの原理は、Ｄ．Ｙｅｌｉｎ他，Ｎａｔｕｒｅ、４４３巻，７６５〜７６５（２００６）で述べられている。ＳＥＥは、２次元および３次元で高品質の画像を生成することができる。

しかし、大部分のＳＥＥプローブは、ＳＥＥプローブに隣接する壁面を撮像するが、プローブの前方の領域を撮像しない。これらの側方ビュー（ｓｉｄｅ−ｖｉｅｗ）のＳＥＥ構成は、回折格子による画角の限界、プローブの円筒形の側壁に起因する収差の限界、さらに、使用時にプローブの前方に何があるかの知識を有することなく器官の内部をナビゲートするのは困難であることの限界を含むいくつかの限界を有する。

前方ビューＳＥＥは多くの用途に対して好ましい。前方ビューＳＥＥは、整形外科、耳、眼、および副鼻腔（ＥＥＮＴ）、腹腔鏡手術、ならびに小児外科などの用途に対して特に有利である。

ＳＥＥプローブを製作するための技術的課題の１つは、前方ビューＳＥＥ撮像（フロントビュー（ｆｒｏｎｔ−ｖｉｅｗ）ＳＥＥ撮像とも呼ばれる）を行うことであった。以前に、ダブルプリズム回折プリズム（ＤＰ ＧＲＩＺＭ）を利用するＳＥＥプローブ設計が、前方ビュー撮像に対して提案されている（本明細書にそれぞれが参照により組み込まれる米国特許出願公開第２０１１／０２３７８９２号、米国特許第８，１４５，０１８号、および米国特許第７，７９６，２７０号、ならびに、Ｚｅｉｄａｎ他、およびＹｕｎ他、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，３９（１６）：４８７１〜４，２０１４年；Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，１１（２）：１２０〜，２００３年を参照のこと）。この刊行物は、スペクトル符号化共焦点顕微鏡検査（ＳＥＣＭ）およびＳＥＥプローブを示しているが、プローブをＳＥＥプローブで使用できるサイズに小型化するには数多くの課題が存在する。さらにこれらのプローブは、励起光と検出された光との間のクロストーク（例えば、照明および検出のためにコア／クラッド構成を使用する場合）、または視野の喪失（例えば、検出のために別個のファイバを使用する場合）により、問題を生ずることが多い。

しかし、向上させた信号レベルおよび有効な視野を含む、向上させたＳＥＥ光学系（ｏｐｔｉｃｓ）およびＳＥＥシステムがなお求められている。したがって、本明細書の上記で示した欠点の少なくともいくつかに対処し、および／または克服し、したがって、前方向を見ることのできる新しいＳＥＥプローブを提供し、かつ、例えば小さな光学系で撮像するためになど、このようなプローブを使用する装置を提供することは有益であり得る。

本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、照明要素（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）および検出要素（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）を備えるプローブが提供される。照明要素は、導光構成要素（ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、光集束構成要素（ｌｉｇｈｔ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、および第１の分散構成要素（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を備える。検出要素は、マルチモード光ファイバなどの複数の光収集構成要素（ｌｉｇｈｔ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）であって、複数の光収集構成要素の遠位端が照明要素を少なくとも部分的に囲む、光収集構成要素と、第２の分散構成要素と、光集束構成要素と、検出器（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）とを備える。複数の光収集構成要素の近位端は、第２の分散構成要素に光学的に接続されるリニアアレイ（ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ）を形成する。複数の光収集構成要素は、遠位端において、照明構成要素の周りにリングを形成し、また分光計に対する入口スリット（ｅｎｔｒａｎｃｅ ｓｌｉｔ）において線を形成することができる。

本発明は、光源、回転接合部（ｒｏｔａｒｙ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）、上記で述べたような照明要素、検出要素、およびプロセッサを備えるシステムをさらに含む。

本開示のこれらの、および他の目的、特徴、ならびに利点は、添付図面、および提供される特許請求の範囲と併せて、本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。

本開示のさらなる目的、特徴、および利点は、本開示の例示的な実施形態を示す添付図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

照明光学系を示す実施形態の図である。 光プローブの複数の実施形態の端面図である。 照明光学系および検出光学系を示す実施形態の図である。 検出光学系を示す実施形態の図である。 前方ビューＳＥＥシステムの概略図である。 図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、照明光学系を囲むマルチＭＭＦの横断面を示す図であり、図６（Ａ）は、マルチＭＭＦシースの熱収縮工程前の図であり、図６（Ｂ）は、熱収縮後の図である。図６（Ｃ）は、マルチＭＭＦによって囲まれた照明光学系の横断面を反対の次元（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）で示す図である。 図７（Ａ）は、プローブからの例示的な画像の図である（円形変換）。図７（Ｂ）は、２４０μｍのＦＷＨＭを有するスペクトル符号化方向におけるＬＳＦを示す図である。図７（Ｃ）は、１６７μｍのＦＷＨＭを有する走査方向におけるＬＳＦを示す図である。 図８（Ａ）は、遠位端を示すプローブ先端の画像の図である。図８（Ｂ）は、ある角度で撮られたプローブ先端の画像の図である。 プローブからの例示的な画像の図である。図９（Ａ）は、最初の長方形データを用いた画像を示す図であり、図９（Ｂ）は、円形変換後の画像を示す図である。

図の全体を通して、同じ参照数字および文字は、別段の指定がない限り、例示された実施形態の同様の特徴、要素、構成要素、または部分を示すために使用される。さらに主題の開示が、次に諸図を参照して詳細に述べられるが、それは、説明のための例示的な実施形態に関してそのように行われる。添付の特許請求の範囲により定義される主題の開示の真の範囲および趣旨から逸脱することなく、述べられた例示的な実施形態に対して、変更および修正を加えることができることを意図する。

前方ビュー（ｆｏｒｗａｒｄ−ｖｉｅｗ）スペクトル符号化内視鏡システムにおける照明は、いくつかの方法の１つで行うことができる。例えば、図１の実施形態で示されるように、光は、ファイバ回転接合部１０２を出た後、光ファイバ１０４を通して送られる。光は、次いで、ファイバ回転接合部１０２により回転されるＧＲＩＮレンズ１０６に入る。光は、次いで、スペーサ要素１０８を通過するが、それは、光を、スペーサ要素１０８の鏡面１１２で反射した後、スタンプされたエポキシ回折格子１１０へと導く。回折格子１１０は、サンプル１１４へと導かれる様々な波長へと光を分離し、様々な励起波長（λ₁、λ₂、およびλ₃）が、位置Ｘ₁、Ｘ₂、およびＸ₃でサンプルに当たる。回転接合部１０２がプローブを回転させると、サンプル上の光もまた回転し、その場合、位置Ｘ₁における光は、サンプル１１４上で小径のリング（ｒｉｎｇ）を作り、また位置Ｘ₃における光は、より大きな直径を有するリングを作る。サンプル１１４の正確な中心に小さな領域が存在する可能性があるが、このプローブは、前方ビューを可能にする。他の励起光学系も使用することができる。例えば、参照により本明細書に組み込まれるＷＯ２０１５／１１６９５１で述べられた照明光学系を使用することができる。

いくつかの実施形態では、照明要素は、前方ビューの構成においてサンプルに光を提供する。特に、少なくとも１つの回折された光が、実質的にプローブの光軸に沿って、照明要素の回折格子構成要素から伝播するが、ここで、プローブの光軸は、光集束構成要素を介して、導光構成要素から提供され光の伝播方向に沿って延びる軸である。いくつかの実施形態では、照明要素は、近位端から、広帯域ソースからの光が導光構成要素から光集束構成要素を通して任意選択の光反射構成要素で反射され、次いで、第１の分散構成要素を通ってまたは通らずに、サンプルへと伝播するように構成される。サンプルは、組織または器官などの生体内（ｉｎ ｖｉｖｏ）サンプルとすることができる。

複数の検出ファイバを有すること、およびファイバがマルチモードファイバであることは、光収集を増加させる利点を有する。検出ファイバが多くなればなるほど、光の収集は大きくなる。マルチモードは、より大きなコアを有し、かつ光結合の検出に有利になる。例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４本の、またはさらに多くの検出ファイバがあり得る。より多くの数の検出ファイバは、スペックルの大幅な低減を提供し、かつ検出器への信号入力を増加できる利点がある。いくつかの実施形態では、検出ファイバは、照明要素の周囲のリングに緊密に詰め込むことができる。いくつかの実施形態では、検出ファイバの遠位端の周りのクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）は、照明要素の周囲の検出ファイバの詰込み密度（ｐａｃｋｉｎｇ ｄｅｎｓｉｔｙ）を高めるために除去される。したがって、除去されない何らかの保護クラッディングを含む、照明要素の外径は、ファイバリング（ｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ）を形成できる検出ファイバの数を制限する。例えば、照明要素に対する５０μｍの管壁厚さ、および１４５μｍの検出ファイバ直径（クラッディングを含む）の場合、６μの許容差を有すると、リングを囲む１８本のファイバが存在できる。１８５μｍの検出ファイバ直径（クラッディングを含む）に対して、２０μｍの許容差を有すると、リングを囲む１４本のファイバが存在できる。同じ検出ファイバであるが、照明要素に対して１００μｍの管壁厚さの場合、２０本および１５本のファイバがそれぞれあり得る。いくつかの実施形態では、照明要素の周りに２列または３列のリングがあり得る。

複数の検出ファイバを有することは、検出ファイバが照明ファイバに対して異なる位置に配置されることになり、したがって、それらは、異なる光路長を用いて、対象物上の同じ点からの光を収集するので、画像からのスペックルを低減するのを助けることになる。可能な限り、複数の検出ファイバを分離することにより（ただし、小径プローブに求められるパラメータ内で）、スペックル低減効果は増加することになる。

光ファイバ（検出ファイバ）として例示される光収集構成要素は、照明要素を少なくとも部分的に囲む。複数の検出ファイバを可能な限り分離し、円筒形の外側シースの制約内でなお動作するための１つの方法は、複数の検出ファイバを照明要素の周りにリングの配置で提供することである。一実施形態では、検出ファイバ２０２は、照明要素１００（図２（Ａ））を完全に囲み、ファイバリング２００を形成する。他の実施形態では、いくつかのファイバ２０２が、照明要素１００（図２（Ｂ）および図２（Ｃ））の周りで等間隔に配置されて、複数の光収集構成要素２００を形成することができる。他の実施形態（図２（Ｄ））では、複数の検出ファイバ２００は、照明要素１００を大部分囲んでいるが、スペースまたはチャネル（ａ）２０４を有する。このスペースは、例えば、１つまたは複数の内視鏡ツールに対して使用することができる。他の実施形態では、検出ファイバ２００は、照明要素の周りに等間隔に配置されていない、または非対称の分布を有する（図２（Ｅ））。

図３は、前方ビューＳＥＥ検出光学系を示している。この実施形態では、広帯域光源（ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｓｏｕｒｃｅ）３００は、約４２０ｎｍから８２０ｎｍの光放射を行う。しかし、他の実施形態では、特にＵＶ、可視、およびＩＲにおけるものなど、他の範囲を使用することができる。他の実施形態では、カラーＳＥＥを提供するために、複数の放射帯域を１つまたは複数のファイバで提供することができる。ファイバ３０２は、広帯域光源３００を、ファイバ回転接合部１０２に接続する。光は、次いで、光ファイバ１０４、ＧＲＩＮレンズ１０６を通り、次に、遠位面に回折格子１１０を有するスペーサ要素１０８へと進む。また、収集光学要素を囲むファイバリング２００を形成する複数の検出ファイバを含む収集光学系が示されている。この実施形態は、照明光学系の全視野をカバーし、かつ図２（Ａ）で真横から示されている１６本のマルチモードファイバ２００を示しており、検出ファイバ２００は、プローブ１００の励起光学系部分の周りでリングを形成する。ファイバリング２００は、任意選択で、検出光学系を保護するために、外側シース（図示せず）に入れる、またはそれにより囲まれ得る。これは、例えば、熱収縮チューブを用いることによって形成することができる。

図４で示すように、ファイバリング２００を通るサンプルからの光を収集した後、ファイバリング２００は形状を変えて、末端が一列になるマルチモードファイバ４０２のリニアアレイとなる。マルチモードファイバのリニアアレイは、例えば、単一ファイバの太さとすることができる（例えば、図４の１４×１ファイバアレイ４０２）。他の実施形態では、リニアアレイは、２本以上のファイバ太さとすることができる。マルチモードファイバ４０２のこのリニアアレイからの光は、コリメートレンズ４０４によって平行なり、ライン走査カメラ４１０に当たる前に、回折格子４０６および集束レンズ（ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ）４０８を通して送られる。

回折格子４０６は、回折格子上の矢印で示される格子ベクトル（ｇｒａｔｉｎｇ ｖｅｃｔｏｒ）４１２を有する。コリメートレンズ４０４、回折格子４０６、および集束レンズ４０８は、分光計を備えることができ、マルチモードファイバ４０２のリニアアレイは分光計入口で終端する。分光計の他の構成も、本発明で使用することができる。マルチモードファイバ４０２のリニアアレイは、分光計の入口スリットの大部分または全体をカバーすることができる。これは、収集された光の大部分を利用する分光計のスペクトル分解能を維持するのを助けることになる。スペクトル分解能は、スペクトル符号化内視鏡の画像解像度に相当する。これは、収集された光の大部分を利用する分光計のスペクトル分解能を維持するのを助けることができる。スペクトル分解能は、スペクトル符号化内視鏡の画像解像度に相当する。

図５は、広帯域光源３００と、広帯域光源３００をファイバ回転接合部１０２に接続するファイバ３０２とを含むシステムを示す。光は、次いで、光ファイバ１０４を通り、照明光学系１００へと進む。照明光学系１００の回転は、円形の矢印で描かれ、また光のスペクトルは、サンプル（図示せず）上に入射する。検出要素２００は、横断面で示され、光は、マルチモードファイバ４０２を介して送られて、分光計５０６に対する入口スリットにおいて、リニアアレイに並ぶ。光は、次いで、検出器５０８上に投影される。

いくつかの実施形態では、検出器５０８は、ライン走査カメラなどのライン走査センサである。ライン走査センサは、分光計の回折格子４０６の格子ベクトル４１２と直角をなすセンサ画素の長辺を有する長方形の画素要素とすることができる。それは、また、反対の寸法になっている画素の短辺を用いて、短い波長幅をカバーし、かつより多くの光を収集することにより、スペクトル分解能を維持することもできる。また、画素のより長辺を用いて、ファイバ端部の整列した画像をカバーすることにより信号強度を向上させる。ライン走査センサは、例えば、ライン走査センサが長方形である限り、１画素幅、２画素幅、５画素幅、またはさらに多くの画素幅とすることができる。

照明光学系は、例えば、溶融シリカ回折格子上にＰＤＭＳスタンピングをすることにより作製することができる。また、回折格子は、ＳＥＥプローブに対して格子パターンのレプリカモールドを行うことにより作製することもでき、ＵＶ硬化エポキシが、スタンプ（ｓｔａｍｐ）およびＵＶ光を用いてスペーサ要素上に回折格子をスタンプするために使用される。例えば、ＷＯ２０１５／１１６９７４およびＷＯ２０１４／０３１７４８を参照されたい。

検出要素は、例えば、照明要素を囲む管の周りに検出ファイバを固定することによって作ることができる。照明要素は、例えば、形成中に、検出要素の形状を維持するためにハイポチューブもしくは別のマンドレル（ｍａｎｄｒｅｌ）を用いることにより、検出要素の形成後に、検出要素の中に挿入することができる。検出ファイバは、管の周囲付近に位置し、また熱収縮チューブは、検出ファイバのこのリングの外径周りに固定されて、検出ファイバを保護し、かつ保持することができる。このプロセスは、図６（Ａ）および図６（Ｂ）で示され、内側の管（ハイポチューブ）６０２は、静止した管（すなわち、ポリイミド管）６０４内に挿入される。ファイバリング２００（複数のマルチモードファイバ）が配置された後、熱収縮チューブ６０６がプローブの周囲に配置される。周囲の回転する管（すなわち、ポリイミド管）６０８を有する照明光学系１００は、ハイポチューブ６０２を除去した後、静止した管６０４内に挿入される。例示的な５００μｍの照明要素１００、および１８５μｍの検出ファイバの場合、全体の直径は、１２９７μｍである。マルチＭＭＦが、照明光学系１００、回転する管６０８、および静止した管６０４を囲むファイバリング２００を形成する、回転する管６０８の内側に挿入された照明光学系１００を有する例示的なプローブが、図６（Ｃ）で示されている。また、この図は、トルクコイル６１０、およびプローブ組立体の遠位部分を囲む管６１２を示している。

本開示のいくつかの例示的な実施形態によれば、例示的なＳＥＥプローブは、前方向のビュー（ｖｉｅｗ）を容易にすることができ、それにより、様々な内視鏡検査システムにさらなる価値を加えることができる。例えば、本開示の様々な例示的な実施形態によるＳＥＥプローブは、生体内用途において有用であり得る。例示的なプローブは、生体内で使用するように構成され、また小型であるため、画像データを取得するために、より複雑で侵襲性のある処置が必要になり得る他の大型の従来のプローブに対して利点を提供することができる。さらに本明細書で述べられる例示的なＳＥＥプローブは、手、指、足、および装着するのに従来のプローブでは大きすぎる他の体の領域など、従来の内視鏡がアクセスできない場所で撮像するのに有用であり得る。

本記述を参照すると、開示された例の十分な理解を提供するために、具体的な細部が記載されている。他の例では、よく知られた方法、手順、構成要素、およびプロセスは、本開示を不必要に長くしないように、詳細には述べていない。

ある要素または部分が、別の要素もしくは部分「の上にある」、「に接して存在する」、「に接続される」、または「に結合される」と称される場合、それは、直接、他の要素もしくは部分の上に、それに接して存在する、それに接続される、または結合することができるが、あるいはその間に介在する要素もしくは部分が存在し得る。それとは対照的に、ある要素が、別の要素もしくは部分「の上に直接ある」、「それに直接接続される」、または「それに直接結合される」と称される場合、間に介在する要素もしくは部分は存在しない。使用される場合、「および／または」という用語は、そのように提供される場合、関連する列挙された項目の１つまたは複数のものの任意の、かつすべての組合せを含む。

「近位の」、「遠位の」、および同様のものなどの空間的に相対的な用語は、様々な図で示されたような、１つの要素または機能の、別の要素または機能に対する関係を述べるための記述を容易にするために、本明細書で使用することができる。しかし、空間的に相対的な用語は、図で示された向きに加えて、使用または動作におけるデバイスの様々な向きを包含するように意図されていることを理解されたい。

本明細書で使用される場合、「約」という用語は、例えば、１０％以内、５％以内、またはそれ未満を意味する。いくつかの実施形態では、「約」という用語は、測定誤差内であることを意味することができる。

第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、構成要素、領域、部分、および／またはセクションを記述するために本明細書で使用することができる。これらの要素、構成要素、領域、部分、および／またはセクションは、これらの用語によって限定されるべきではないことを理解されたい。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、部分、またはセクションを、別の領域、部分、またはセクションから区別するために使用されているに過ぎない。したがって、本明細書の教示から逸脱することなく、以下で論ずる第１の要素、構成要素、領域、部分、またはセクションを、第２の要素、構成要素、領域、部分、またはセクションと呼ぶこともできる。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を記述するためのものに過ぎず、限定することを意図していない。本明細書で使用される場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明確にその他の形を示していない限り、複数形を同様に含むことが意図されている。「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、明示的に述べられていない１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在もしくは追加を除外するものではないことをさらに理解されたい。

図面で示された例示的な実施形態の記述において、明確化のために特定の専門用語が使用される。しかし、本特許明細書の開示は、そのように選択された特定の専門用語に限定されることを意図しておらず、各特定の要素は、同様の方法で動作するすべての技術的に均等な形態を含むものと理解すべきである。

本開示は、例示的な実施形態を参照して述べられてきたが、本開示は、開示された例示的な実施形態に限定されないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲は、すべてのこのような変更、ならびに均等な構造および機能を包含するように最も広い解釈に一致すべきである。

より具体的な例が、以下の実施形態で説明される。

プローブ
第１のプローブは、０．６６ＮＡマルチモードファイバを用いて形成された（ＦＳＵＡ１２５１４５１８５）。このファイバの外径は、コア／クラッド／被覆のそれぞれについて、１２５／１４５／１８５μｍである。最大の許容差を含む被覆直径は、２０５μｍである。プローブ直径を減少させるために、より小径の０．６６ＮＡファイバを使用することも可能である。

信号を検出する場合、検出ファイバへの高ＮＡ入射に対する出力ＮＡは、ファイバに対する低ＮＡ入射のものよりも高くなることが見出された。（０．６６ＮＡ入射における出力ＮＡ（１３．５％）は、０．３２〜０．４７であるが、０度入射においては０．２５〜０．３０である）また、高ＮＡ入射に対する出力パワーは、低ＮＡ入射に対するものよりも低い。（０．６６ＮＡ入射における出力パワーは、０度入射における出力パワーの１０％未満である。）したがって、低ＮＡ入射よりも高ＮＡ入射においては、はるかに小さい検出効率（プローブおよび分光計）となる。

分光計
倍率０．３５、および高さ５００μｍの浜松センサを備えた、３５ｍｍＦ１．４のレンズからの推定されるレンズデータを用いる分光計モデルである。したがって、分光計に結合され得るファイバアレイの高さは、５００／０．３５＝１４２８μｍである。入力として被覆されたファイバを用いると、７〜８本のファイバをファイバリングへと結合することができ、ファイバの被覆がない場合、９〜１０本のファイバをファイバリングへと結合することができる。

この設計において、４５０〜８２０ｎｍ光に対応するセンサの画素数（画素幅＝２４μｍ）は７３４である。単色の前方ビュープローブの分解可能な点の数は、制限された１／ｅ²パワーのガウシアンビームを用いて、レイリー基準（Ｒａｙｌｅｉｇｈ ｃｒｉｔｅｒｉａ）では３０２、またスパロー基準（Ｓｐａｒｒｏｗ ｃｒｉｔｅｒｉａ）では３５７である。したがって、サンプリング定理が満たされる。

本明細書で述べられたようなプローブを製造し、テストを行った。プローブは、１つの鏡面および１つのスタンプされたエポキシ回折格子を備える５００μｍスペーサに取り付けられた３５０μｍＧＲＩＮレンズを使用する。収集光学系は、プローブ先端の縁部の周囲に円形に配置された１６本のマルチモードファイバを含む。

製造されたプローブは、６ｍｍの剛性のある長さと、５００μｍの外径を有していた。この例のライン走査カメラは、２４μｍ×５００μｍの画素サイズを有する。図７（Ａ）は、このプローブを用いて撮像された画像である。このプローブは、直径当たり１４８の分解可能な点、および円形画像当たり６８８００の等価な画素を備えた５２°の画角を有することが示された。１つの円形画像に対する撮像速度は、最高で１５ｆｐｓの撮像速度であった。このファイバによって作られた画像は、図７（Ａ）で見られる。スペクトル符号化方向に対する線広がり関数（ＬＳＦ）は、２４０μｍであると計算され、また走査方向におけるＬＳＦは、１６７μｍであると計算された。（図７（Ｂ）および図７（Ｃ）を参照のこと）。プローブそれ自体は、図８（Ａ）および図８（Ｂ）で見ることができる。

５００μｍの外径を有し、かつポリイミド管（ＩＤ５６１μｍ、ＯＤ６３５μｍ）により囲まれた照明光学系の周囲に、複数のマルチモード検出ファイバをリングで含むプローブを、以下の工程により作製した。
・ハイポチューブ（ＯＤ６５０μｍ）を静的なポリイミド管（ＩＤ７００μｍ、ＯＤ８００μｍ）の中に入れる。ハイポチューブは、熱収縮工程中に、静的なポリイミド管の形状を保持するためのマンドレルとして使用される。
・マルチモードファイバ（ＯＤ１８５μｍ）をシートとして置く。テープを用いて互いに固定する。
・ファイバのシートを静的なポリイミド管の周りに巻きつける。
・ファイバおよび管を熱収縮チューブ（ｒｅｃｏｖｅｒｅｄ ＩＤ６８６μｍ）の中に配置し、テープを除去する。
・立体顕微鏡によりシース端部を確認する。熱収縮チューブは、ファイバおよびポリイミド管の端部よりもわずかに後方にあるべきである。
・ヒートガンにより熱を加えて、管を熱収縮させる。
・ファイバおよびポリイミド管だけを研磨する。
・ハイポチューブをＳＥＥ照明光学系で置き換える。
この工程は、図６（Ａ）および図６（Ｂ）で示される。１５本のファイバを有するプローブが作成され、図８（Ａ）および図８（Ｂ）で示されている。この実施形態では、ＭＭＦは露出されていない。シースの外径は、約１．３ｍｍであった。

分光計入力用に単一の列のファイバを使用するために、プローブにおける１６ファイバのうちの８本（円形配置の１つおきのファイバ）を、分光計に接続した。（センサ高さ＝５００μｍ、分光計拡大率＝０．３５、したがって、センサに結合され得る対象の高さは１４２８μｍであり、それは、８本の露出されないファイバの列の高さに相当している。）分光計入力において、８本のＭＭＦは、１つの垂直な列に整列した。８本のファイバからの光は、５００μｍ高さのセンサ（浜松Ｓ１１４９０ＣＣＤセンサ）に結合された。分光計からのＤＡＱおよびＲＪモータが、ほとんど同じ速度を有するように設定され、また好ましくは同期化される。

このシステムを用いて得られる画像は、８つの半径方向の影（ｒａｄｉａｌ ｓｈａｄｏｗ）を含んでいた。１６本の検出ファイバのうちの８本が使用されたため、検出効率は、円周方向に周期的に変化し、影を生ずるものと考えられる。

１ｍｍ未満の直径を有する小型化した内視鏡は、内部の撮像および治療処置が行われている間の外傷および合併症を大幅に低減する可能性を有する。広帯域光（４６０〜７２０ｎｍ）は、シングルモードファイバを介して照明光学系に送達された。照明光学系の内部では、光は、小型のＧＲＩＮレンズ（直径＝３５０μｍ）により焦点が合わされ、鏡面（５００μｍ直径のガラスロッドの斜め研磨面（ａｎｇｌｅ−ｐｏｌｉｓｈｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ））により反射され、かつ小型の回折格子（１３７９ｌｐｍｍ）上に入射した。回折格子に対する入射角は、最も短い波長のスペクトルが、照明光学系の光軸に沿って伝播するように注意深く選択された。

小型のトルクコイル（直径＝５６０μｍ）を用いて、１５ｒｐｓの回転速度で照明光学系を回転させることにより、２次元照明が達成された。サンプルからの反射光は、１６本のマルチモードファイバ（ＮＡ＝０．６６、直径＝１８５μｍ）の円形アレイにより収集された。遠位側において、円形のファイバアレイは、リニアファイバアレイを照明するために再配置され、リニアアレイからの光は、縦長画素（ｔａｌｌ−ｐｉｘｅｌ）のカメラ（１０２４画素）を有する特注の分光計により検出された。検出ファイバアレイを含めた最終デバイスのサイズは、直径で１．３ｍｍであった。剛性のある長さは６．２ｍｍであった。ＳＥＥプローブは、５２°の画角を達成し、また有効画素の合計数は７１０００であった。ＳＥＥビデオは、この技術が、生物学的サンプルおよび非生物学的サンプルの内視鏡的な視覚化を可能にすることを示した。したがって、小型の前方ビューＳＥＥデバイスを使用して撮像できる高精細内視鏡が提供される。

別の例では、１．３ｍｍ未満の直径を有する小型の内視鏡が、撮像のために使用された。広帯域光（４１５〜７８４ｎｍ）が、シングルモードファイバを介して、照明光学系に送達された。照明光学系の内部では、光は、小型のＧＲＩＮレンズ（直径＝２５０μｍ）により焦点が合わされ、鏡面（５００μｍ直径のガラス棒の斜め研磨面）により反射され、小型の回折格子（２０００ｌｐｍｍ）上に入射した。回折格子に対する入射角は、最短波長のスペクトルが、照明光学系の光軸に沿って伝播するように注意深く選択された。２次元照明は、小型のトルクコイル（直径＝５６０μｍ）を用いて１５ｒｐｓの回転速度で、照明光学系を回転させることによって達成された。サンプルからの反射光は、１６本のマルチモードファイバ（ＮＡ＝０．６６、直径＝１８５μｍ）の円形アレイにより収集された。前の例のように、円形のファイバアレイは、遠位側で、リニアファイバアレイを照明するために再配置され、リニアアレイからの光は、縦長画素のカメラ（１０２４画素）を有する特注の分光計により検出された。検出ファイバアレイを含む最終的なデバイスのサイズは、直径で１．３ｍｍであった。剛性のある長さは４ｍｍであった。

このプローブからの撮像結果は、図９で示され、最初の長方形データが図９（Ａ）で示されており、図９（Ｂ）は、円形変換後の同じ画像を提供する。図９（Ａ）および図９（Ｂ）の画像では、ＦＯＶは８３度であり、ＬＳＦのＦＷＨＭは４３．８μｍである。この画像の場合、４０４個の分解可能な点があり、それは、円形画像における５１３０００画素に相当する。スポットサイズの測定は、以下のようになる。

Claims (33)

1. 近位端および遠位端を有し、スペクトル符号化内視鏡（ＳＥＥ）撮像のために構成されたプローブであって、
   前記プローブの前記近位端から前記遠位端へのプローブ軸に沿って、導光構成要素、第１の光集束構成要素および第１の分散構成要素をこの順序で備える照明要素と、
   複数の光収集構成要素、第２の分散構成要素および第２の光集束構成要素を備える検出要素と
   を備え、
   前記複数の光収集構成要素の遠位端は、前記照明要素の遠位端の周りに円形に配置されて、前記第１の分散構成要素を少なくとも部分的に囲み、
   前記複数の光収集構成要素の近位端が、前記第２の分散構成要素に光学的に接続されるリニアアレイを形成し、
   前記照明要素は、回転可能な前記照明要素に対して前記複数の光収集構成要素が静止している一方で、前記プローブ軸の周りを回転するように構成される、プローブ。
2. 前記複数の光収集構成要素は、マルチモード（ＭＭ）光ファイバである、請求項１に記載のプローブ。
3. 前記複数のＭＭ光ファイバは、少なくとも６本のＭＭ光ファイバを備える、請求項２に記載のプローブ。
4. 前記複数のＭＭ光ファイバは、少なくとも１０本のＭＭ光ファイバを備える、請求項３に記載のプローブ。
5. 前記複数のＭＭ光ファイバは、少なくとも１５本のＭＭ光ファイバを備える、請求項４に記載のプローブ。
6. 前記複数のＭＭ光ファイバの前記遠位端は、前記照明要素の周りにリングを形成する、請求項２に記載のプローブ。
7. 前記複数のＭＭ光ファイバの開口数は、前記照明要素の全視野をカバーする、請求項２に記載のプローブ。
8. 前記照明要素および検出要素は、合わせて１．５ｍｍ未満の直径を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブ。
9. 前記照明要素を回転させるように構成された回転接合部をさらに備える、請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブ。
10. 前記検出要素は、前記回転接合部によって回転されない、請求項９に記載のプローブ。
11. 前記照明要素がその内部に固定されて配置された回転する管と、
    前記複数の光収集構成要素がその外面に固定して取り付けられた非回転の管と、
    をさらに備え、
    前記照明要素と前記複数の光収集構成要素との間に、前記回転する管および前記非回転の管が同軸上に配置されている、請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブ。
12. 前記回転する管および前記非回転の管は、ポリイミド材料から成る、請求項１１に記載のプローブ。
13. 前記第２の分散構成要素は、分光計である、請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブ。
14. 前記複数の光収集構成要素の前記近位端は、前記分光計の入口スリットに対応するリニアアレイを形成する、請求項１３に記載のプローブ。
15. 前記検出要素によって収集された光を検出するように構成された検出器、
    をさらに備え、
    前記検出器は、ライン走査センサである、請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブ。
16. 前記ライン走査センサは、長方形の画素を備え、前記第２の分散構成要素は回折格子を備え、
    前記長方形の画素の長辺が、前記第２の分散構成要素の格子ベクトルに対して直角に配置される、請求項１５に記載のプローブ。
17. 前記照明要素は、前記第１の分散構成要素から前方向に伝播する少なくとも１つの回折光が、実質的に前記プローブの光軸に沿って伝播するように構成される、請求項１から７のいずれか１項に記載のプローブ。
18. 光源と、
    サンプルを照明するように構成された照明要素と、
    前記サンプルからの光を収集するように構成された検出要素と、
    前記検出要素に対して前記照明要素を回転させるように構成された回転接合部と、
    前記検出要素によって収集された光を検出するように構成された検出器と、
    前記検出器からのデータを処理し、画像を形成するように構成されたプロセッサと、
    を備え、
    前記照明要素および前記検出要素は、近位端および遠位端を有するプローブに配置され、
    前記照明要素は、前記近位端から前記遠位端へのプローブ軸に沿って、導光構成要素、第１の光集束構成要素および第１の分散構成要素をこの順序で備え、
    前記検出要素は、複数の光収集構成要素、第２の分散構成要素および第２の光集束構成要素を備え、
    前記複数の光収集構成要素の近位端が、前記第２の分散構成要素に光学的に接続されるリニアアレイを形成し、
    前記複数の光収集構成要素の遠位端は、前記照明要素の遠位端の周りに円形に配置されて、前記第１の分散構成要素を少なくとも部分的に囲み、
    前記照明要素は、回転可能な前記照明要素に対して前記複数の光収集構成要素が静止している一方で、前記プローブ軸の周りを回転するように構成される、
    内視鏡撮像システム。
19. 前記複数の光収集構成要素は、マルチモード（ＭＭ）光ファイバである、請求項１８に記載の内視鏡撮像システム。
20. 前記複数のＭＭ光ファイバは、少なくとも６本のＭＭ光ファイバを備える、請求項１９に記載の内視鏡撮像システム。
21. 前記複数のＭＭ光ファイバは、少なくとも１０本のＭＭ光ファイバを備える、請求項２０に記載の内視鏡撮像システム。
22. 前記複数のＭＭ光ファイバは、少なくとも１５本のＭＭ光ファイバを備える、請求項２１に記載の内視鏡撮像システム。
23. 前記複数のＭＭ光ファイバの前記遠位端は、前記照明要素の周りにリングを形成する、請求項１９に記載の内視鏡撮像システム。
24. 前記複数のＭＭ光ファイバの開口数は、前記照明要素の全視野をカバーする、請求項１９に記載の内視鏡撮像システム。
25. 前記照明要素および検出要素は、合わせて１．５ｍｍ未満の直径を有する、請求項１８に記載の内視鏡撮像システム。
26. 前記検出要素は、前記回転接合部により回転されない、請求項１８に記載の内視鏡撮像システム。
27. 前記照明要素がその内部に固定されて配置された回転する管と、
    前記複数の光収集構成要素がその外面に固定して取り付けられた非回転の管と、
    をさらに備え、
    前記照明要素と前記複数の光収集構成要素との間に、前記回転する管および前記非回転の管が同軸上に配置されている、請求項１８から２４のいずれか１項に記載の内視鏡撮像システム。
28. 前記回転する管は、ハイポチューブ／ポリイミドチューブであり、前記非回転の管は、ポリイミド管である、請求項２７に記載の内視鏡撮像システム。
29. 前記第２の分散構成要素は、分光計である、請求項１８に記載の内視鏡撮像システム。
30. 前記複数の光収集構成要素の前記近位端は、前記分光計の入口スリットに対応するリニアアレイを形成する、請求項２９に記載の内視鏡撮像システム。
31. 前記検出器は、ライン走査センサである、請求項１８に記載の内視鏡撮像システム。
32. 前記ライン走査センサは、長方形の画素を備え、前記第２の分散構成要素は回折格子を備え、
    前記長方形の画素の長辺が、前記第２の分散構成要素の格子ベクトルに対して直角に配置される、請求項３１に記載の内視鏡撮像システム。
33. 前記照明要素は、前記第１の分散構成要素から前方向に伝播する少なくとも１つの回折光が、実質的に前記プローブの光軸に沿って伝播するように構成される、請求項１８に記載の内視鏡撮像システム。