JP7401527B2 - 光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバ - Google Patents

Description

[001] 介入医療処置は、針やカテーテルなどの介入医療機器を用いて、血管など体内への介入を伴う医療処置である。

介入医療処置は、常に、何らかの形態のナビゲーションを必要とし、また、正しい組織が処置されることを確実にするためなどに、直接的なリアルタイムの組織フィードバックを必要とすることが多い。

[002] 例えば、心臓血管処置は、多くの場合、血管系を通ってナビゲートされるカテーテルが病変組織に到達し、適宜、病変組織を処置することを必要とする。ナビゲートする１つのやり方は、介入医療機器に光学形状感知（ＯＳＳ）ファイバを統合するやり方である。光学形状感知（ＯＳＳ）はまた、ファイバベースの形状感知又はファイバ感知としても知られており、光ファイバ内の干渉パターンと相関する、温度又は歪みの変化などの明確な状況下で反射光の波長が異なるという原理に基づいている。光学形状感知は、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ／ｏｒ Ｓｈａｐｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ」なる名称のＦＲＯＧＡＴＴらの米国特許第８，７７３，６５０号、及び「Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ ｆｏｒ ｎｏｎ－ｉｄｅａｌ ｍｕｌｔｉ－ｃｏｒｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」なる名称のＫＬＥＩＮらの米国特許出願公開第２０１２／００６９３４７号に説明されている。

[003] これとは別に、リアルタイムの組織フィードバックは、スペクトル組織感知（ＳＴＳ）を用いて可能になる。拡散光学分光法は、白色光を組織に送り、反射光を測定する技術である。反射光は、組織と相互作用する光子の吸収及び散乱により、特定のスペクトル分布を有する。これらの変化は、組織組成によって決定されるので、この技術は、組織識別を提供する。このスペクトル組織感知は、介入医療機器にマルチモード光ファイバを組み込んで、介入医療機器の先端におけるリアルタイムの組織フィードバックを提供することによって達成できる。

[004] 外科用デバイスにおいて光学形状感知及びスペクトル組織感知を統合することは、光学形状感知及びスペクトル組織感知を行うことができるように、２つの異なる分離したファイバを一体化する外科用デバイスを必要とする。しかしながら、多くの介入医療処置は、小さな曲げ半径を可能にするために、小さな横方向寸法及び高い可撓性を必要とする。２つの異なる分離したファイバを統合することは、外科用デバイスがより堅くなり、それによって曲げ半径を妥協するか、又はファイバの少なくとも一方が曲げによるかなりの量の歪みを受けるかのいずれかを意味する。加えて、光学形状感知ファイバのコアは単一モード使用のために設計されている一方で、スペクトル組織感知はマルチモードファイバを必要とする。したがって、光学形状感知及びスペクトル組織感知は、例えば、スペクトル組織感知にも適合された単一の統合された光学形状感知ファイバには統合されない。

[005] 光学形状感知において、ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、光学形状感知ファイバのファイバコアの短いセグメントにおける反射体として作用する歪みセンサである。ＦＢＧは、特定の波長の光を反射し、他のすべてを透過する。反射／透過特性は、ファイバコア内に屈折率の周期的変動を加えることによって達成でき、これは波長別の誘電体ミラーを生成する。したがって、ＦＢＧは、特定の波長を反射し、他のすべてを透過するために、インライン光反射体として使用できる。

[006] ＦＢＧは、針又はカテーテルの３次元（３Ｄ）形状をリアルタイムで追跡するために使用される。それぞれが対応する統合ＦＢＧを有する３つ以上のファイバコアを一緒に利用して、ファイバの３Ｄ形状をリアルタイムで追跡できる。具体的には、単一モードファイバの複数コア内のＦＢＧ歪みセンサを用いて、単一モードファイバに沿った任意の点が空間内にどのように配置されるかを決定する。光ファイバ及びＦＢＧの特性は曲率により変化し、３つ以上のファイバコアの各々におけるＦＢＧの相対的変化を感知することにより、位置の３Ｄ変化を決定できる。

[007] 図１Ａは、ＦＢＧを使用するファイバコアを有する既知の光ファイバを示す。図１Ａでは、ＦＢＧは、特定の波長を反射し、他のすべてを透過するインライン光反射器として示されている。図１ＡにおけるＦＢＧの動作の背後にある基本原理は、屈折率が変化する各界面におけるフレネル反射である。波長によっては、様々な周期の反射光が互いに同位相であるため、反射に対して建設的干渉が存在し、その結果、透過に対して相殺的干渉が存在する。

[008] 図１Ｂは、図１ＡのＦＢＧを使用する既知のファイバコアの屈折率プロファイルを示す。図１Ｂでは、図１Ａの既知のファイバコアに沿った屈折率の変化が屈折率プロファイルとして示されている。

[009] 図１Ｃは、図１ＡのＦＢＧを使用するファイバコアを有する既知の光ファイバのスペクトル応答を示す。図１Ｃでは、各チャートのＸ軸は、波長λを表し、Ｙ軸は、左のチャートでは入力（例えば強度）を、真ん中のチャートでは結果としての透過成分、及び右チャートでは結果としての反射成分を表す。

[010] 図１Ｃの右のチャートでは、ブラッグ波長はλ_Ｂとして示されている。ブラッグ波長は、温度だけでなく歪みにも敏感である。ＦＢＧセンサでは、測定すべき量はブラッグ波長のシフトΔλ_Ｂを引き起こす。加えられた歪み（ε）及び温度の変化（ΔＴ）によるブラッグ波長の相対シフトΔλ_Ｂ／λ_Ｂは、近似的に次式で与えられる：

係数Ｃｓは、歪み係数と呼ばれ、その大きさは、通常、約０．８×１０^－６／με（又は絶対量では約１ｐｍ／με）である。係数Ｃ_Ｔは、センサの温度感度を記述し、熱膨張係数と熱光学効果とで構成される。その値は、約７×１０^－６／Ｋ（又は絶対量として１３ｐｍ／Ｋ）である。

[011] 図１Ｄは、複数のファイバコア及び対応するＦＢＧ歪みセンサを有する既知の光ファイバを示す。光学形状感知においてＦＢＧを使用することの主な利点の１つは、様々なＦＢＧをファイバの長さにわたって分布させることができることである。介入医療機器に埋め込まれたファイバの長さに沿って様々なＦＢＧを有する３つのコアを組み込むことにより、そのような介入医療機器の３Ｄ形態を正確に決定することが可能になる。この状況を図１Ｄに示す。３つのＦＢＧセンサは、様々な位置でファイバの長さに沿って位置付けられている。合計で４つのコアが使用され、４つのうちの３つは、中心コアとして第４のコアの周りに螺旋状に巻かれた外側コアとして使用される。これにより、２方向におけるコモンモード、ツイスト、及び屈曲を測定することができる。各ＦＢＧの歪み測定値から、介入医療機器の湾曲をその位置で推測できる。多数の測定された位置から、光ファイバの３Ｄ形態が決定される。

[012] 本開示の一態様によれば、光学装置が、外側ジャケットと、共通クラッドと、複数の単一モードファイバコアとを含む。共通クラッドは、外側ジャケットが共通クラッドをクラッドするようにマルチモードファイバとして使用され且つ外側ジャケット内にある。単一モードファイバコアは、共通クラッドが複数の単一モードファイバコアをクラッドするように共通クラッド内にある。

[013] 本開示の別の態様によれば、光学システムが、メモリと、プロセッサと、外側ジャケットと、共通クラッドと、複数の単一モードファイバコアとを含む。メモリは命令を格納する。プロセッサは命令を実行する。共通クラッドは、外側ジャケットが共通クラッドをクラッドするようにマルチモードファイバとして使用され且つ外側ジャケット内にある。単一モードファイバコアは、共通クラッドが複数の単一モードファイバコアをクラッドするように共通ファイバ内にある。プロセッサによって実行されると、命令は、共通のクラッドを通過する光に基づいてスペクトル組織感知を行うことを含むプロセスを光学システムに実行させる。

[014] 例示的な実施形態は、添付の図面と共に読まれるとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。様々な特徴は、必ずしも一定の縮尺で描かれていないことが強調される。実際、寸法は、説明を明確にするために任意に増減され得る。適用可能で実用的である限り、同様の参照番号は同様の要素を指す。

[015]図１Ａは、ＦＢＧを使用するファイバコアを有する既知の光ファイバを示す。 [016]図１Ｂは、図１ＡのＦＢＧを使用する既知のファイバコアの屈折率プロファイルを示す。 [017]図１Ｃは、図１ＡのＦＢＧを使用するファイバコアを有する既知の光ファイバのスペクトル応答を示す。 [018]図１Ｄは、複数のファイバコア及び対応するＦＢＧ歪みセンサを有する既知の光ファイバを示す。 [019]図２は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバを示す。 [020]図３は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための光学形状感知ファイバ装置を示す。 [021]図４Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための別の光学形状感知ファイバ装置を示す。 [022]図４Ｂは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための別の光学形状感知ファイバ装置を示す。 [023]図４Ｃは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための別の光学形状感知ファイバ装置を示す。 [024]図５Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための金金属錯体を示す。 [025]図５Ｂは、代表的な実施形態による、図５Ａの光学形状感知及びスペクトル組織感知のための金金属錯体の吸収スペクトルを示す。 [026]図６Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための１５００ｎｍの最大吸収波長を有する金金属錯体を示す。 [027]図６Ｂは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための１６７０ｎｍの最大吸収波長を有する金金属錯体を示す。 [028]図７は、代表的な実施形態に従って光学形状感知及びスペクトル組織感知におけるスペクトル組織感知の方法が実施され得る、一般的なコンピュータシステムの例示的な実施形態である。 [029]図８は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための光学形状感知ファイバシステムを使用するためのプロセスを示す。 [030]図９は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための２つの統合型ファイバの配置を示す。 [031]図１０Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知における血液、水、及び脂肪の吸収スペクトルの対数プロットを示す。 [032]図１０Ｂは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知におけるコラーゲン、エラスチン、ＮＡＤＨ及びＦＡＤの固有蛍光曲線を示す。

[033] 以下の詳細な説明では、限定ではなく説明の目的で、特定の詳細を開示する代表的な実施形態が本教示による実施形態の完全な理解を提供するために記載される。代表的な実施形態の説明を曖昧にすることを避けるために、既知のシステム、デバイス、材料、動作方法、及び製造方法の説明は省略されてもよい。それにもかかわらず、当業者の視野内にあるシステム、デバイス、材料、及び方法は、本教示の範囲内であり、代表的な実施形態に従って使用され得る。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図していないことを理解されたい。定義された用語は、本教示の技術分野において一般に理解され受け入れられている定義された用語の技術的及び科学的意味に追加される。

[034] 第１、第２、第３などの用語は、様々な要素又は構成要素を説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素又は構成要素は、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るであろう。これらの用語は、１つの要素又は構成要素を別の要素又は構成要素から区別するためにのみ使用される。したがって、以下で説明する第１の要素又は構成要素は、本発明の概念の教示から逸脱することなく、第２の要素又は構成要素と呼ぶことができる。

[035] 本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを意図していない。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形は、コンテキストが別段の明確な指示をしない限り、単数形及び複数形の両方を含むことが意図されている。さらに、用語「含む」、「備える」、及び／又は類似の用語は、本明細書で使用される場合、記載された特徴、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除しない。本明細書で使用される場合、用語「及び／又は」は、関連する列挙されたアイテムの１つ以上のアイテムの任意の及びあらゆる組み合わせを含む。

[036] 特に断りのない限り、要素又は構成要素が、別の要素又は構成要素に「接続されている」、「結合されている」、又は「隣接している」と言われる場合、要素又は構成要素は、他の要素又は構成要素に直接接続又は結合することができ、あるいは介在する要素又は構成要素が存在し得ることが理解されるであろう。すなわち、これら及び同様の用語は、１つ以上の中間要素又は構成要素が２つの要素又は構成要素を接続するために使用され得る場合を包含する。しかしながら、要素又は構成要素が別の要素又は構成要素に「直接接続されている」と言われる場合、これは２つの要素又は構成要素が中間又は介在する要素又は構成要素なしに互いに接続されている場合のみを包含する。

[037] 前述に鑑みて、本開示は、その様々な態様、実施形態、及び／又は特定の特徴又はサブコンポーネントのうちの１つ以上を通して、したがって、以下に具体的に述べるような利点のうちの１つ以上をもたらすことを意図している。限定ではなく説明の目的で、特定の詳細を開示する例示的な実施形態が本教示による実施形態の完全な理解を提供するために記載される。しかしながら、本明細書に開示する特定の詳細から逸脱する、本開示に矛盾しない他の実施形態は、添付の特許請求の範囲内にある。さらに、既知の装置及び方法の説明は、例示的な実施形態の説明を曖昧にしないように省略されてもよい。このような方法及び装置は、本開示の範囲内である。

[038] 本明細書で説明されるように、光学形状感知ファイバは、共通クラッド内に埋め込まれた数ミクロンのいくつかの単一モードファイバコアからなり、共通クラッドはジャケットによって囲まれる。共通クラッドは、分光測定のためのマルチモードファイバとして使用される。光学形状感知単一モードファイバコアの／そのための共通クラッドに光をトラップするために、外側ジャケットが、分光測定のためのマルチモードファイバとして使用される共通クラッドの／そのためのクラッドとして機能する。外側ジャケットは、共通クラッドの／そのためのクラッドとして機能するために、共通クラッドの屈折率よりも低い屈折率を必要とする。本明細書で提供される教示を使用して、光学形状感知及びスペクトル組織感知は、ガイドワイヤ又はカテーテルなどの可撓性の細長いデバイスに統合され、これにより、高い可撓性及び小さい曲げ半径を可能にする。

[039] 図２は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバを示す。

[040] 図２において、光学形状感知ファイバ２００は、クラッド２２０内に４つのＦＢＧコア２１０を含む。４つのＦＢＧコア２１０は、単一モードファイバコアであり、それぞれ、光学形状感知において光学形状感知ファイバ２００の場所／位置を特定するために個々に使用される。クラッド２２０は、４つのＦＢＧコア２１０などの単一モードファイバコアをクラッドするために一般的に使用されるタイプであってよく、また、本明細書では共通クラッドとみなして参照される。クラッド２２０は、ジャケット２３０内に示されており、したがって、ジャケット２３０は外側ジャケットとみなされる。光学形状感知ファイバ２００は、製造品などの光学装置とみなされる。図２において、４つのＦＢＧコアのそれぞれは、８μｍなどの直径を有する。４つのＦＢＧコアのいずれかの中心間の最も狭い間隔は、３５μｍなどの間隔である。クラッド２２０の直径は、約１２５μｍである。ジャケット２３０の直径は、約２００μｍである。図２には４つのＦＢＧコアが示されているが、一実施形態における最小要件は、共通クラッド、すなわちクラッド２２０内に少なくとも２つの単一モードファイバコアである。

[041] 一実施形態では、光学形状感知ファイバ２００は、１つの中心コアと、中心コアの周りに螺旋状に巻かれた３つの外側コアとを含む。一例として、３つの外側コアのねじれ率は、５０巻回／メートル±５券回／メートルである。３つの外側コアから中心コアまでの典型的な距離は、３５μｍである。共通クラッドはシリカから成り、中心コア及び外側コアはＧｅＯドープシリカから成る。ドーピングは、開口数が約０．２１であり、３つの外側コア及び中心コアにおける付随するレイリー散乱が、標準的な電気通信ファイバに比べて６ｄＢ以上増強されるように、十分に高くすべきである。クラッドの典型的な直径は１２５μｍである。光学形状感知のために、レイリー後方散乱信号を使用する。ＦＢＧは、信号レベルをブーストするために、中心コア及び外側コアに書き込まれてもよい。スペクトル組織感知の目的のために、ジャケット２３０は、シリカ製の共通クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有するべきである。一実施形態では、ジャケット２３０が共通のクラッド上に引き出された後にＦＢＧの書き込みを可能にするために、ジャケット２３０は紫外線スペクトルにおいて透明である。換言すれば、紫外線スペクトルにおいて透明であるジャケット２３０は、ジャケット２３０を通してＦＢＧを描画することを可能にする。共通クラッドの屈折率は１．４６である。波長１５５０ｎｍ付近で１．３３３５の屈折率を有し、２００μｍの厚さで９５％／メートルの透過率を有することから、アモルファスフルオロポリマＣＹＴＯＰ（商標）をジャケット２３０に使用することができる。あるいは、約１．４０の屈折率を有し、２００μｍの厚さで９０％／メートルの透過率を有することから、シリコーンコーティングをジャケット２３０に使用してもよい。したがって、シリコーンコーティングで作られる場合に、ジャケット２３０を通してＦＢＧを書き込むことができる。

[042] 図３は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための光学形状感知ファイバ装置を示す。

[043] スペクトル組織サンプリングでは、光学カテーテルのファイバを光学コンソールに接続する。コンソールは、スペクトル組織サンプリングのために光を供給し、反射光を検出する２つの機能を行う。コンソールは、光学導波管などの光学ガイドを含んでもよい。図３において、コンソールからの光学ガイドは、マルチコアコンソールファイバ３０１として示されている。特定の実施形態では、コンソールは、シャッタが埋め込まれたハロゲン広帯域光源の形態の光源と、光検出器を有する介入デバイスの周りのスリーブとを含む。光学検出器は、４００ｎｍ～１５００ｎｍなどの波長スペクトルの可視領域及び赤外領域に実質的にある波長を有する光を分解できる。マルチコアコンソールファイバ３０１は、光の送受信を可能にして拡散反射率測定を可能にする。

[044] 組織特性を抽出するための機構として拡散反射分光法が上述されているが、拡散光トモグラフィのような他の光学的方法も、複数の光ファイバ、差分光路長分光法、蛍光及びラマン分光法（又はＳＯＲＳ：空間オフセットラマン分光法）を使用することによって使用できる。

[045] コンソールはまた、測定されたスペクトルを、放出光及び検出光の各ペアについての組織状態を示す生理学的パラメータに変換するプロセッサを含んでもよい。

[046] 図３において、マルチコアコンソールファイバ３０１は、図示するように、光学形状感知ファイバ装置を介してマルチコアセンサファイバ３０２に接続されている。光学形状感知ファイバ装置は、２つの屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）、すなわち、ＧＲＩＮレンズ３４１及びＧＲＩＮレンズ３４２と、帯域通過を有するビームスプリッタ３４０と、レンズ３４９とを含む。帯域通過を有するビームスプリッタ３４０は、所定の通過帯域内の光を通過させ、右上から出力されるスペクトル光を反射し、右上から入力される広帯域光を含む他の光をマルチコアセンサファイバ３０２に向けて反射する。上向きに反射された光は、レンズ３４９を通過する。

[047] 図示されていないが、マルチコアコンソールファイバ３０１及びマルチコアセンサファイバ３０２は、図２の光学形状感知ファイバ２００及び図１Ａの光ファイバ１９０の特性、素子及び／又は特徴のうちの１つ又はすべてを含む。つまり、マルチコアコンソールファイバ３０１及びマルチコアセンサファイバ３０２は、中心コア及び中心コアの周りに配置された周辺コアなどの複数のコアを含む。マルチコアセンサファイバ３０２の各コアは、マルチコアセンサファイバ３０２の形状を光学的に感知するのに役立つようにＦＢＧを含んでもよい。

[048] 図３のＧＲＩＮレンズ３４１及びＧＲＩＮレンズ３４２は、光学形状感知のための光入力結合（ｉｎｃｏｕｐｌｉｎｇ）デバイスの例である。光学形状感知において、コネクタ、スプライス及びファイバ端部からの反射光は、センサファイバに沿った各点から来る比較的弱い反射信号を圧倒することを回避するために最小限に抑えられるべきである。ＧＲＩＮレンズは、一般に、好ましいフォームファクタと可能な低反射とを組み合わせて、光ファイバネットワーク内又はファイバセンサ用のコネクタとして適切な接続を行う。ＧＲＩＮレンズは、光が空気－ガラス転移では屈折せず、半径方向に屈折率分布プロファイルで屈折するため、使用される。ＧＲＩＮレンズの特性を使用して、接続が確立された際のすべての空気からガラスへの転移を排除する。光学形状感知ファイバ及びＧＲＩＮレンズは、融着接続、接着又は他のやり方で屈折率整合させて一緒に押し付けられる。

[049] ＧＲＩＮレンズは、例えば「１／４ピッチ」長さで作られ、その結果、一組の平行ビームが光学形状感知ファイバのコアにおける焦点へとＧＲＩＮレンズに入り、また、光学形状感知ファイバのコアにおける焦点からＧＲＩＮレンズから出て行く。非常に類似した屈折率を有する何らかの余分な光学素子が導入される場合、平行ビームは、著しい後方反射なしに容易に通過する。その光学素子は、例えば窓である。図３において、光学素子は、帯域通過を有するビームスプリッタ３４０である。帯域通過を有するビームスプリッタ３４０の例としては、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッタ、及び帯域通過スプリッタが挙げられる。図３において、帯域通過を有するビームスプリッタ３４０は、例えば、１５４５ｎｍの光を透過するが、１４００ｎｍよりも短いすべての波長を反射する。追加のレンズ、ＧＲＩＮレンズ、光ファイバ又は他の光学部品を使用して、より短い波長の光をマルチコアセンサファイバ３０２の内側クラッド内に送り出すことができる。すべての素子間の良好な光学的接触が、屈折率整合接着剤によって、又は正しい屈折率のシリコーン箔などの圧縮性材料によって達成できる。

[050] 図３に示す光路の代替として、１５４５ｎｍの光を反射し、広帯域光を透過する異なるビームスプリッタを有する配置を構築することが、より実用的である。さらに、一実施形態では、ビームスプリッタが垂直な角度で配置された２つのポートを有する。別の実施形態では、ビームスプリッタが互いに垂直よりも大きいか又は小さい別の角度で配置された２つのポートを有する。

[051] さらに、帯域通過を有するビームスプリッタ３４０上の帯域通過は、典型的には１５２０ｎｍ～１５７０ｎｍである光学形状感知波長を透過し、他のすべての波長を反射する。帯域通過を有するビームスプリッタ３４０上の帯域通過が不完全であり、１５２０ｎｍ～１５７０ｎｍの光の一部が反射される場合、反射光は、帯域通過を有するビームスプリッタ３４０上に終端を置くことによって吸収される。終端の例は、以下の実施形態で吸収材料として説明されている。

[052] 図４Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための別の光学形状感知ファイバ装置を示す。

[053] 図４Ａにおいて、マルチコアファイバ４０３がターミネータ４５０で終端している。ターミネータ４５０の反対側にあるレンズ４４３は、スペクトル組織感知（ＳＴＳ）のために光を集束又は脱集束する。ターミネータ４５０は、光学形状感知（ＯＳＳ）ファイバ終端部であり、光学形状感知に使用される帯域幅の光を終端する。図示されていないが、マルチコアファイバ４０３は、図２の光学形状感知ファイバ２００及び図１Ａの光ファイバ１９０の特性、素子及び／又は特徴のうちの１つ又はすべてを含む。つまり、マルチコアファイバ４０３は、中心コア及び中心コアの周りに配置された周辺コアなどの複数のコアを含む。マルチコアファイバ４０３の各コアは、マルチコアファイバ４０３の形状を光学的に感知するのに役立つようにＦＢＧを含んでもよい。

[054] 図４Ａの実施形態では、レンズ４４３は、組織内へのスペクトル組織感知光を平行にし、組織からの反射光を受け取るために使用される１つ以上のレンズを表す。

[055] 図４Ｂは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための別の光学形状感知ファイバ装置を示す。

[056] 図４Ｂにおいて、マルチコアファイバ４０３はターミネータ４５０で終端しているが、ターミネータ４５０の反対側にはレンズ４４３又は他の光学素子が示されていない。ターミネータ４５０は、図４Ａのターミネータ４５０であり、従って、光学形状感知に使用される帯域幅の光を終端する。ターミネータ４５０の反対側のスペクトル組織感知（ＳＴＳ）のための光は、任意の適切な態様で使用される。したがって、図４Ｂにレンズ又は他の光学素子がないことは、レンズ又は他の光学素子の禁止を意味するものではなく、むしろ、任意のレンズ又は他の適切な光学素子が図４Ｂにおけるターミネータ４５０の反対側に使用されてもよい。

[057] 図４Ｃは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための別の光学形状感知ファイバ装置を示す。

[058] 図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃの実施形態では、マルチコアファイバ４０３のコアは、２つ以上のＦＢＧコアであってよい。図２の実施形態について先に説明したように、少なくとも１つの外側コアが、中心コアの周りに螺旋状に巻かれている。

[059] 加えて、図４Ｃにおいて、マルチコアファイバ４０３はターミネータ４５０で終端している。ターミネータ４５０の反対側のミラー４４４が、スペクトル組織感知（ＳＴＳ）のために光を（下方に）反射する。ターミネータ４５０は、ここでも光学形状感知（ＯＳＳ）ファイバ終端部であり、光学形状感知に使用される帯域幅の光を終端する。マルチコアファイバ４０３は、ここでも図４Ａのマルチコアファイバ４０３であり、図２の光学形状感知ファイバ２００及び図１Ａの光ファイバ１９０の特性、素子及び／又は特徴のうちの１つ又はすべてを含む。

[060] 上述の図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃでは、ターミネータ４５０は様々な形態をとることができる。ターミネータ４５０は、光学形状感知ファイバとして使用されるマルチコアファイバ４０３の端部の光ターミネータである。ターミネータ４５０は、光学形状感知に使用される波長でマルチコアファイバ４０３の端部に到達する光が反射されず、かつ、透過しないことを確実にするために使用される。したがって、光吸収素子が、マルチコアファイバ４０３の遠位端にターミネータ４５０として取り付けられる。反射が確実にないように、ターミネータ４５０として使用される光吸収素子は、スペクトル組織感知に使用される光を吸収してはならない。したがって、ターミネータ４５０として使用される光吸収素子は、１５４５ｎｍ及び直ぐ周囲の波長の光のみを吸収すべきである。抑制は、１５４５ｎｍで１０万倍を超える抑制を伴ってもよい。このために、材料は、２つの特性、すなわち、
〇１５４５ｎｍ付近の吸収帯
〇可視光及び近赤外光、すなわち、４００ｎｍ～１３００ｎｍでの十分な透明度
を有するべきである。

[061] 上述したように、光学形状感知ファイバ２００、マルチコアセンサファイバ３０２、及びマルチコアファイバ４０３は、共通クラッドに埋め込まれた数ミクロンのいくつかの単一モードファイバコアからなり、共通クラッドはジャケットによって囲まれる。共通クラッドは、分光測定のためのマルチモードファイバとして使用される。ジャケット２３０などの外側ジャケットは、共通クラッドに光をトラップするために、マルチモード共通クラッドのクラッドとして使用される。したがって、ジャケット２３０などの外側ジャケットは、共通クラッドの屈折率よりも低い屈折率を有する。

[062] 上の図３の実施形態では、マルチコアセンサファイバ３０２への光の結合は、同時の光学形状感知及びスペクトル組織感知を可能にする。光学形状感知ファイバへの光の結合には、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズが使用される。すなわち、このＧＲＩＮレンズによって光の束が光学形状感知ファイバのコアのサイズの小さなスポットにフォーカスされ、これにより光がコア内で結合される。ビームスプリッタを間に有するこれらのＧＲＩＮレンズのうちの２つを使用することによって、光学形状感知に使用される光（典型的には１５４５ｎｍ）は、スペクトル組織感知に使用される広帯域光から分離される。

[063] さらに、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃについて説明したように、光学形状感知ファイバの遠位端は、ＦＢＧを有するにコアに送り込まれた光を吸収する吸収材料で覆われている。これは、遠位ファイバ端部からの反射光が光学形状感知信号を妨害するのを防止する。光学形状感知ファイバのこの遠位端にビームスプリッタを使用することは有利ではないが、吸収材料で受け取られる光の１つ以上の帯域幅を終端するために使用される吸収材料の後に反射表面を使用することができる。レンズ又は他の光学素子（例えば、プリズム、散乱材料、偏光子、ＧＲＩＮレンズ）を有するビームスプリッタ（例えば、単純なミラー）が、光学形状感知ファイバから吸収材料の反対側に設けられてもよい。

[064] 図５Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための金金属錯体を示す。

[065] 図５Ａにおいて、中性金錯体が図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃのターミネータ４５０として使用される材料である。図５Ａの中性金錯体は、１５４５ｎｍ付近の帯域の光を吸収し、さもなければ、可視光及び近赤外光、すなわち、４００ｎｍ～１３００ｎｍで十分に透過的である光吸収素子である。

[066] 図５Ｂは、代表的な実施形態による、図５Ａの光学形状感知及びスペクトル組織感知のための金金属錯体の吸収スペクトルを示す。

[067] 図５Ｂにおいて、Ｘ軸は波長をナノメートル（ｎｍ）で表し、Ｙ軸は吸光度を任意単位（ａ．ｕ．）で表す。吸光度は、材料を通る透過放射パワーに対する入射の比率の常用対数によって決定できる。本明細書で説明される実施形態では、吸収材料は、４００ｎｍ～１３００ｎｍで実質的に透過性であり、１５３５ｎｍ～１５５５ｎｍ、又はさらには１５２０ｎｍ～１５７０ｎｍで実質的に吸収性であってよい。

[068] 厚さ１ｍｍの石英セル中に置かれた二硫化炭素（ＣＳ_２）中の金錯体の０．２８６ｍＭ溶液を用いた試験環境での測定値から得られた光吸収スペクトル（詳細は、Ｇ．Ｃｈａｔｚｉｋｙａｋｏｓらによる論文「Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ａ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ Ａｕ ｄｉｔｈｉｏｌｅｎｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｕｎｄｅｒ ｐｓ ａｎｄ ｎｓ ｌａｓｅｒ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ」、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ５１３（２０１１）２２９－２３５を参照）。図５Ａの金錯体の吸収スペクトルは、１４５０～１５５０ｎｍの領域で高い吸収を示し、６００ｎｍ及び１２００ｎｍ付近の関心の波長範囲で十分に透過的である。正確な調整が所望される場合、錯体の芳香族側鎖における化学変化は、１５４５ｎｍの最大吸収波長をもたらす。

[069] 図６Ａ及び図６Ｂは、図５Ａに示す金錯体などの金錯体の化学構造に対する最大吸収波長依存性の例である。

[070] 図６Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための１５００ｎｍの最大吸収波長を有する金金属錯体を示す。

[071] 図６Ａの化合物は、１５００ｎｍの最大吸収波長を示し、図５Ａの金錯体を化学的に変化させて、より高い最大吸収波長をもたらす態様の一例である。

[072] 図６Ｂは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための１６７０ｎｍの波長における最大吸収を有する金金属錯体を示す。

[073] 図６Ｂの化合物は、１６７０ｎｍの波長における最大吸収波長を示し、図５Ａの金錯体を化学的に変化させて、より高い最大吸収波長をもたらす態様の別の例である。

[074] 図７は、代表的な実施形態に従って光学形状感知及びスペクトル組織感知におけるスペクトル組織感知の方法が実施され得る、一般的なコンピュータシステムの例示的な実施形態である。

[075] コンピュータシステム７００は、コンピュータシステム７００に、本明細書で開示する方法又はコンピュータベースの機能のうちの任意の１つ以上を行わせるために実行可能な命令セットを含み得る。コンピュータシステム７００はスタンドアロンデバイスとして動作しても、又は、例えばネットワーク７０１を使用して、他のコンピュータシステム又は周辺デバイスに接続されてもよい。図７のコンピュータシステム７００の要素及び特性のいずれか又はすべては、従来技術の光ファイバ１９０、図２の光学形状感知ファイバ２００、図３のマルチコアセンサファイバ３０２、又は図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃのマルチコアファイバ４０３を通過する光に基づいてスペクトル組織感知を行うために使用されるプロセッサを有する任意のシステムの要素及び特性を表すことができる。プロセッサを有する任意のそのようなシステムは、図７に示し、以下で説明する要素のいずれか又はすべてを有してよく、また、システムの性質に応じて追加の要素を有していてもよい。コンピュータシステム７００は、本明細書で説明されるプロセスを行うコンピュータ化されたシステムを表す。

[076] ネットワーク化された展開では、コンピュータシステム７００は、サーバ－クライアントユーザネットワーク環境においてクライアントとして動作し得る。コンピュータシステム７００はまた、コンソール、光学コンソール、コントローラ、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、又はそのマシンによってとられるべき動作を指定する命令セット（シーケンシャルなど）を実行することができる任意の他のマシンなど、様々なデバイスとして完全に又は部分的に実装されるか、又はその中に組み込まれ得る。コンピュータシステム７００は、追加のデバイスを含む統合システム内にあるデバイスとして、又はデバイス内に組み込まれ得る。一実施形態では、コンピュータシステム７００は、ビデオ又はデータ通信を提供する電子デバイスを使用して実装され得る。さらに、コンピュータシステム７００が示されているが、「システム」という用語はまた、１つ以上のコンピュータ機能を行うために１つ以上の命令セットを個別に又は共同で実行するシステム又はサブシステムの任意の集合を含むものと解釈される。

[077] 図７に示すように、コンピュータシステム７００は、プロセッサ７１０を含む。コンピュータシステム７００のプロセッサ７１０は、有形かつ非一時的である。本明細書で使用される場合、「非一時的」という用語は、状態の永続的な特性としてではなく、ある期間持続する状態の特性として解釈されるべきである。「非一時的」という用語は、任意の時点で一時的にしか存在しない搬送波若しくは信号又は他の形態など飛行特性を特に否定する。本明細書で説明される任意のプロセッサは、製造品及び／又は機械構成要素である。コンピュータシステム７００のプロセッサは、本明細書の様々な実施形態に説明される機能を実行するために、ソフトウェア命令を実行する。コンピュータシステム７００のプロセッサは、汎用プロセッサであっても、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の一部であってもよい。コンピュータシステム７００のプロセッサはまた、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサチップ、コントローラ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、ステートマシン、又はプログラマブル論理デバイスであってもよい。コンピュータシステム７００のプロセッサはまた、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのプログラマブルゲートアレイ（ＰＧＡ）を含む論理回路、又はディスクリートゲート及び／又はトランジスタ論理を含む別のタイプの回路であってもよい。コンピュータシステム７００のプロセッサは、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、又はその両方であってもよい。さらに、本明細書に説明される任意のプロセッサは、複数のプロセッサ、並列プロセッサ、又はその両方を含んでもよい。複数のプロセッサが、単一のデバイス又は複数のデバイスに含まれていても、結合されていてもよい。

[078] さらに、コンピュータシステム７００は、バス７０８を介して互いに通信可能なメインメモリ７２０及びスタティックメモリ７３０を含む。本明細書で説明されるメモリは、データ及び実行可能命令を格納することができ、命令が格納されている間は非一時的である有形の記憶媒体である。本明細書で使用される場合、「非一時的」という用語は、状態の永続的な特性としてではなく、ある期間持続する状態の特性として解釈されるべきである。「非一時的」という用語は、任意の時点で一時的にしか存在しない搬送波若しくは信号又は他の形態など飛行特性を特に否定する。本明細書で説明されるメモリは、製造品及び／又は機械構成要素である。本明細書で説明されるメモリは、データ及び実行可能命令をコンピュータによって読み取り可能であるコンピュータ可読媒体である。本明細書で説明されるメモリは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、電気的にプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能な読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ（登録商標））、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、テープ、コンパクトディスク読み出し専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク、ブルーレイ（登録商標）ディスク、又は当技術分野で既知の任意の他の形態の記憶媒体であり得る。メモリは、揮発性又は不揮発性、セキュアか及び／又は暗号化されているか、アンセキュアか及び／又は暗号化されていなくてもよい。

[079] 図示するように、コンピュータシステム７００はさらに、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、フラットパネルディスプレイ、ソリッドステートディスプレイ、又は陰極線管（ＣＲＴ）などのビデオ表示ユニット７５０を含み得る。さらに、コンピュータシステム７００は、キーボード／仮想キーボード、タッチセンシティブ入力画面又は音声認識を伴う音声入力などの入力デバイス７６０と、マウス、タッチセンシティブ入力画面又はパッドなどのカーソル制御デバイス７７０とを含み得る。コンピュータシステム７００はまた、ディスクドライブユニット７８０、スピーカ又はリモート制御器などの信号生成デバイス７９０、及びネットワークインターフェースデバイス７４０も含み得る。

[080] 一実施形態では、図７に示されるように、ディスクドライブユニット７８０は、１つ以上の命令セット７８４、例えばソフトウェアを埋め込み可能なコンピュータ可読媒体７８２を含み得る。命令セット７８４は、コンピュータ可読媒体７８２から読み取り可能である。さらに、命令７８４は、プロセッサによって実行されると、本明細書で説明される方法及びプロセスのうちの１つ以上を行うために使用できる。一実施形態では、命令７８４は、コンピュータシステム７００による実行中に、メインメモリ７２０、スタティックメモリ７３０、及び／又はプロセッサ７１０内に完全に、又は少なくとも部分的に常駐していてもよい。

[081] 代替実施形態では、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理アレイ、及び他のハードウェア構成要素などの専用ハードウェア実装形態を、本明細書で説明される方法のうちの１つ以上を実装するように構築できる。本明細書で説明される１つ以上の実施形態は、モジュール間及びモジュールを介して通信できる関連する制御信号及びデータ信号を有する２つ以上の特定の相互接続されたハードウェアモジュール又はデバイスを使用して機能を実装できる。したがって、本開示は、ソフトウェア、ファームウェア、及びハードウェア実装形態を包含する。本願の何れも、ソフトウェアのみで実施される又は実施可能であり、有形の非一時的プロセッサ及び／又はメモリのようなハードウェアではないと解釈されるべきではない。

[082] 本開示の様々な実施形態によれば、本明細書で説明される方法は、ソフトウェアプログラムを実行するハードウェアコンピュータシステムを使用して実装され得る。さらに、例示的な非限定的な実施形態では、実装形態は、分散処理、構成要素／オブジェクト分散処理、及び並列処理を含み得る。仮想コンピュータシステム処理は、本明細書で説明される方法又は機能のうちの１つ以上を実装するように構築でき、また、本明細書で説明されるプロセッサは、仮想処理環境をサポートするために使用され得る。

[083] 本開示は、ネットワーク７０１に接続されたデバイスがネットワーク７０１を介してビデオ又はデータを通信することができるように、命令７８４を含むか、又は伝搬された信号に応答して命令７８４を受信し、実行するコンピュータ可読媒体７８２を企図する。さらに、命令７８４は、ネットワークインターフェースデバイス７４０を介して、ネットワーク７０１を介して送受信され得る。

[084] 図８は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバのための光学形状感知ファイバシステムを使用するためのプロセスを示す。

[085] 図８において、Ｓ８１０で、プロセスは共通クラッドで受け取った光の強度を測定することにより開始する。Ｓ８１５において、共通クラッドによって受け取った光にスペクトル組織サンプリングが行われる。

[086] スペクトル組織サンプリングは、図３のマルチコアコンソールファイバ３０１に接続されたコンソールなど光学コンソールを介して行われる。介入医療機器のファイバは、ＧＲＩＮレンズ３４１、ＧＲＩＮレンズ３４２及び帯域通過を有するビームスプリッタ３４０で示される機構を介して、図３のマルチコアコンソールファイバ３０１に接続される。従って、介入医療機器のファイバは、光学コンソールに接続される。光学コンソールの光学ガイドは、光学導波管であり得る。光学ガイドは、放出された光を導く。反射光は、スペクトル組織サンプリングのために検出される。特定の実施形態では、光学コンソールは、シャッタが埋め込まれたハロゲン広帯域光源の形態の光源を含む。介入医療機器の周りのスリーブは、反射光を検出するための光学検出器を含み得る。光学検出器は、４００ｎｍ～１５００ｎｍなどの波長スペクトルの可視領域及び赤外領域に実質的にある波長を有する光を分解できる。図３のマルチコアコンソールファイバ３０１及びマルチコアセンサファイバ３０２は、光の送受信を可能にして拡散反射率測定を可能にする。

[087] 図７のプロセッサ７１０などのプロセッサは、測定されたスペクトルを、各線源－検出器ペアの組織状態を示す生理学的パラメータに変換する。図７のプロセッサ７１０などのプロセッサによって行われるアルゴリズムの一例は、以下のとおりである。

[088] 生理学的パラメータを抽出するための例として使用されるアルゴリズムにおいて、取得されたスペクトルは、例えば、Ｍａｔｌａｂ７．９．０（Ｍａｔｈｗｏｒｋｓ、マサチューセッツ州ナティック）に基づくカスタマイズされたプログラムを使用して適合される。このアルゴリズムでは、広く受け入れられている分析モデル、すなわち、以下の文献に紹介されるモデルが実施され、この文献は、参考文献［１］として、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる：
「Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｈｒｏｍｏｐｈｏｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ： ｂｅｎｅｆｉｔ ｏｆ ｅｘｔｅｎｄｉｎｇ ｔｈｅ ＵＶ－ＶＩＳ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒａｎｇｅ ｔｏ ｉｎｃｌｕｄｅ １０００ ｔｏ １６００ ｎｍ」、Ｒ．Ｎａｃｈａｂｅ、Ｂ．Ｈ．Ｗ．Ｈｅｎｄｒｉｋｓ、Ｍ．Ｖ．Ｄ．Ｖｏｏｒｔ、Ａ．Ｅ、及びＨ．Ｊ．Ｃ．Ｍ．Ｓｔｒｅｎｂｏｒｇ、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、第１８巻、２０１０年、８７９－８８８頁。

[089] 上記のモデルに入力される引数は、吸収係数、等価散乱係数、及び線源－検出器分離（ＳＤＳ）としても知られる、プローブの先端における放出ファイバ及び収集ファイバ間の中心間距離である。拡散理論モデルの十分な説明のために、参考文献［２］として、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる以下の文献を参照されたい：
「Ａ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｐａｔｉａｌｌｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ，ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｄｉｆｆｕｓｅ ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｎｏｎ－ｉｎｖａｓｉｖｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｉｓｓｕｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」、Ｔ．Ｊ．Ｆａｒｒｅｌｌ、Ｍ．Ｓ．Ｐａｔｔｅｒｓｏｎ、及びＢ．Ｃ．Ｗｉｌｓｏｎ、Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ．１９（１９９２年）８７９－８８８頁。

[090] このモデルで使用される式は、主として、上記のＮａｃｈａｂｅらの研究だけでなく、参考文献［３］として、参照によりその全体が組み込まれる以下の文献の研究にも基づいている：
「Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｐｉｄ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｍｅｄｉａ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｕｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｆｒｏｍ ９００ ｔｏ １６００ ｎｍ」、Ｒ．Ｎａｃｈａｂｅ、Ｂ．Ｈ．Ｗ．Ｈｅｎｄｒｉｋｓ、Ａ．Ｅ．Ｄｅｓｊａｒｄｉｎｓ、M．ｖａｎ ｄｅｒ Ｖｏｏｒｔ、Ｍ．Ｂ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｍａｒｋ、及びＨ．Ｊ．Ｃ．Ｍ．Ｓｔｅｒｅｎｂｏｒｇ、Ｊ．Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．第１５巻、第３号、３７０１５－１０頁、２０１０年。

[091] 二重べき乗則関数を使用して等価散乱の波長依存性を記述することができ、ここで、波長λはｎｍで表され、λ０＝８００ｎｍの波長値に正規化される。パラメータａは、この特定の波長における等価散乱の振幅に対応する。

[092] 式（１）において、等価散乱係数は、ミー散乱とレイリー散乱との和として表され、ここで、ρ_ＭＲは、ミー対全体の等価散乱比である。ミー散乱の等価散乱の傾きはｂと示され、粒径に関係する。

[093] 均一な分布の吸収体では、全光吸収係数を、吸収体の体積分率と減光係数との積として計算できる（図１０Ａ参照）：

[094] 吸収係数μ_α（λ）を、４つの関心の発色団の各濃度によって重み付けされた吸収係数の和としてモデル化する代わりに、組織吸収係数は、以下のように表される：

[095]ここで、

は、血液による吸収に対応し、

は、探査される体積中の水及び脂質の両方による吸収に対応する。水及び脂質の体積分率は、Ｖ_ＷＬ＝［Ｌｉｐｉｄ］＋［Ｈ_２Ｏ］であるのに対して、Ｖ_{Ｂｌｏｏｄ}は、１５０ｍｇ／ｍｌの全血液中のヘモグロビン濃度に対する血液の体積分率を表す。

[096] 係数Ｃは、色素パッケージング（ｐｉｇｍｅｎｔ ｐａｃｋａｇｉｎｇ）の効果を考慮に入れる波長依存性補正係数であり、吸収スペクトルの形状に応じて変化する。この効果は、組織中の血液は全体の体積の非常に小さな割合、すなわち血管に限定されるという事実によって説明することができる。したがって、血管の中心に近い赤血球は、周辺部における赤血球よりも光を吸収しにくい。実際には、組織内に均一に分布されると、より少ない数の赤血球が、個別の血管内に分布する実際の数の赤血球と同じ吸収を生じる。この補正係数は、次のように表すことができる：

[097]ここで、Ｒは、ｃｍで表される血管の平均半径を示す。血液に関係する吸収係数は、次のように与えられる：

式（５）において、

及び

は、それぞれ、酸化ヘモグロビンＨｂＯ_２及び脱酸素化ヘモグロビンＨｂの基本減光係数スペクトルを表す。ヘモグロビンの総量中の酸化ヘモグロビンの割合は、α_ＢＬ＝［ＨｂＯ_２］／（［ＨｂＯ_２］＋［Ｈｂ］）と記され、血液酸素飽和率として一般に知られている。測定される組織中の水及び脂質の存在による吸収は、次のように定義される：

[098] この場合、脂質及び水の総濃度に対する脂質の濃度は、α_ＷＦ＝［Ｌｉｐｉｄ］／（［Ｌｉｐｉｄ］＋［Ｈ_２Ｏ］）と書くことができ、ここで、［Ｌｉｐｉｄ］及び［Ｈ_２Ｏ］は、それぞれ、脂質（０．８６ｇ／ｍｌの密度）及び水の濃度に対応する。

[099] 水及び脂質の体積分率を別個に推定するのではなく、式（６）に定義された吸収係数の式において水及び脂質のパラメータを関連付けるこのやり方は、適合のための基本関数の共分散を最小限に抑え、より安定した適合をもたらす。

[0100] また、図８において、Ｓ８２０で、各単一モードファイバコアを介して受け取った光が測定される。Ｓ８２０において各単一モードファイバコアから測定された光に基づいて、Ｓ８２５において、光学形状感知が行われる。プロセスはＳ８３０で終了する。

[0101] 図８において、スペクトル組織感知及び光学形状感知を並行して行い得ることが明らかであり、これは、本明細書で説明される統合された二重用途のファイバの使用からもたらされる。すなわち、スペクトル組織感知及び光学形状感知は、同時に行う必要も、同じプロセッサによって行う必要さえないが、これらを同時に及び／又は同じプロセッサによって行うことができる。

[0102] 図９は、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知のための２つの統合型ファイバの配置を示す。

[0103] スペクトル組織感知を用いて組織特性を定量化するために、放出及び収集ＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０間の距離は既知でなければならない。この距離は、線源－検出器分離（ＳＤＳ）として知られている。さらに、放出及び収集ＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０間の角度、及び組織に対する角度もまた既知でなければならない。角度は、ファイバ形状として知られている。ほとんどのスペクトル組織感知用途では、放出及び収集ＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０の両方を含む単一のプローブが使用される。プローブが構築されると、ＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０間の距離を測定できる。しかしながら、特に、カテーテルなどのプローブのための自然のチャネルが非常に小さい組織を測定することを目的とする場合、放出及び収集ＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０の位置決めについて、より可撓性を有することが有利である用途があり得る。すなわち、可撓性は、小さい気道又は血管の存在下で有利であり得る。１つのＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０が放出ファイバとして使用され、別のＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０が収集ファイバとして使用される場合、両方のファイバの正確な位置は、形状感知から決定され得、この情報は、組織特性を計算する際に、スペクトル組織感知アルゴリズムに供給され得る。この原理は、組織を通る光の反射率及び透過率の両方に適用される。図９において、この概念が反射率モードについて示されている。透過率モードでは、収集ファイバは組織の反対側にある。

[0104] 他の実施形態では、２つのＯＳＳ－ＳＴＳファイバ９６０間の線源－検出器分離は、光学形状感知情報から導出されたデバイス姿勢を使用して決定できる。少なくとも２つのＯＳＳ－ＳＴＳデバイスがあり、一方がスペクトル組織感知（ＳＴＳ）光を放出し、他方がＳＴＳ光を収集すると仮定すると、ＯＳＳ－ＳＴＳデバイス間の正確な距離を取得及び使用して、組織特性を適切に定量化できる。すなわち、２つのＯＳＳ－ＳＴＳデバイス間の角度及びそれらの間の距離を使用して組織特性を導出でき、これらは、光伝播アルゴリズムの入力パラメータとして使用される。

[0105] 上述のように、図１０Ａは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知における血液、水、及び脂肪の吸収スペクトルの対数プロットを示す。具体的には、本明細書で説明されるアルゴリズムでは、均一な分布の吸収体を得るために、全光吸収係数を、吸収体の体積分率と減光係数との積として計算できる。

[0106] スペクトルの差を識別する別のやり方は、主成分分析法を利用することによる。この方法は、スペクトルの差の分類を可能にし、したがって、組織間の識別を可能にする。スペクトルから特徴を抽出することもできる。

[0107] 拡散反射とは別に、蛍光を測定することができる。この場合、図１０Ｂに示されるように、例えば、コラーゲン、エラスチン、ＮＡＤＨ及びＦＡＤのようなパラメータもまた測定することができる。特に、光学レドックスパラメータと呼ばれるＮＡＤＨ／ＦＡＤ比は、組織の代謝状態の指標であるため、興味深い。これは、Ｍ．Ｍｕｌｌｅｒ及びＢ．Ｈ．Ｗ．Ｈｅｎｄｒｉｋｓによる「Ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｂｙ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ ｍｏｄｅｌｉｎｇ」（Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．、第１８巻、第２号、２７００９－１３頁、２０１３年）において説明されており、がん細胞の有効な治療により変化すると考えられる。

[0108] 上述のように、図１０Ｂは、代表的な実施形態による光学形状感知及びスペクトル組織感知におけるコラーゲン、エラスチン、ＮＡＤＨ及びＦＡＤの固有蛍光曲線を示す。

[0109] 光学形状感知及びスペクトル組織感知を使用するためのさらなる例は、以下のとおりである。第１の例のコンテキストとして、典型的には、スペクトル組織サンプリングセットアップにおいて、一度に単一の点のみが測定される。しかしながら、いくつかの臨床用途では、従来のスペクトル組織サンプリングと同じ解像度で、より大きな視野を有する画像を得ることが有利であり得る。これを行う１つのやり方は、
〇単一の点プローブを使用して組織をスキャンし、
〇各場所における点を取得し、
〇後処理を行って、各点測定値が画像内のピクセルである画像を形成することによる。

この例では、これらのスキャンを行うために正確なセットアップが必要であるか、又は光学形状感知を使用して、各測定の正確な場所を決定できる。これらの正確な位置は、画像を再構成する際に使用できる。これは、正視（ｅｎ－ｆａｃｅ）イメージング、回転イメージング、又は透過照明イメージングのいずれかに使用することができる。

[0110] 実施形態では、スペクトル組織感知における使用のために構成された光学形状感知ファイバを使用して、様々な異なる目的を達成できる。例えば、光学形状感知ファイバを使用して、組織特性と共に介入医療機器の位置を特定できる。この結果、両方の機能に光学形状感知ファイバを使用して、関心領域の３Ｄマップが得られる。光学的形状感知データから機器の３Ｄ座標が得られる。３Ｄ座標は、機器の長さに沿った座標及び機器の先端における座標を含み得る。スペクトル組織感知は、各サンプリング点における組織特性の知識を提供する。３Ｄ座標とサンプリングされたデータ点とを一致させることにより、関心領域の組織特性の３Ｄマップを作成できる。この３Ｄマップは、スペクトル組織感知技術の感知深さに基づく～１ｃｍの深さの詳細を提供する一方で、表面積は、関心領域の表面に沿ってサンプリングされた点の数によってのみ制限される。さらに、結果として得られる３Ｄ組織特性マップはさらに、医用画像に位置合わせされてもよい。例えば、一例として、医用画像を３Ｄ組織特性マップと融合させて、さらなる解剖学的コンテキストを提供できる。

[0111] 別の例では、スペクトル組織サンプリングスペクトルからヘモグロビン濃度を適切に抽出することは、血管充填率を含めることを必要とする。血管充填率は、血液は、血管を通って流れ、組織全体にランダムに分散されるわけではないという事実を考慮する。他の吸収体も、この「色素」充填率を利用する。別の話として、いくつかの報告書では、プローブの圧力がヘモグロビン及び他の吸収体がスペクトル組織サンプリングスペクトルから抽出される精度に影響を及ぼし得ることが示されている。これの１つの理由は、かなりの圧力が加えられると血液が血管から押し出されて、圧力がほとんど又はまったく加えられていないときよりも、探査体積内のヘモグロビンがはるかに少なくなるからである。この場合、血管が動いてしまっているので、血管充填率及びヘモグロビンの抽出は正確ではない。この例では、光学形状感知を使用して、コア内の軸方向の歪みを介してファイバに加えられる圧力を測定できる。光学形状感知から得られる軸方向歪み（したがって、力／圧力）を使用して、組織特性を導出するＳＴＳアルゴリズムにおける血管充填率を補正できる。スペクトル組織サンプリングスペクトルを同時に取得しながら、光学形状感知を介して軸方向歪みを測定することは、ヘモグロビン濃度だけでなく他の吸収体の濃度を抽出するための機構（例えば、アルゴリズム）の改善につながり得る。

[0112] さらに別の例では、光学形状感知ファイバはまた、温度変化を測定することもできる。例えば、組織が加熱又は冷却される焼灼手順では、焼灼手順中に組織の変化を知ることは、より良い／より最適な転帰をもたらし得る。現在、医師は、組織や処置中の焼灼に対するその反応についてのフィードバックがほとんどなく、これは、健康な組織の急性又は永久的な損傷をもたらす可能性がある。光学形状感知による温度測定と、スペクトル組織サンプリングによる定量的組織特徴付けとの組合せは、焼灼処置中の組織変化のモニタリングを改善できる。この例では、スペクトル組織サンプリングを使用して、組織中の脂肪、水、及び血液の割合など、組織に関する情報を導出することができ、光学形状感知は、温度を決定することによって、又は軸方向歪み又はねじれデータから、機器に加えられている力を推測することによって、組織に関する情報を提供できる。両方の技術から得られた組織特性及び組織情報を組み合わせることにより、臨床的意思決定を改善できる。例えば、組織が加熱又は冷却される焼灼処置において、局所組織の温度及び血液含有量の変化の両方を知ることは、焼灼の持続時間を決定するために、又は焼灼をいつ停止するかを決定するために使用され得る。

[0113] したがって、光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバは、単一の外側ジャケット内などの単一の装置内で、形状感知能力及び組織感知能力両方を有する高度に可撓性の機器を使用することによって、最小限の侵襲的介入を可能にする。

[0114] いくつかの例示的な実施形態を参照して、光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバについて説明したが、使用された用語は限定の用語ではなく、説明及び例示の用語であることが理解される。光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバの範囲及び精神から逸脱することなく、その態様において、現在述べられているように及び修正されたように、添付の特許請求の範囲内で変更を行うことができる。特定の手段、材料、及び実施形態を参照して、光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバについて説明したが、光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバは、開示された詳細に限定されることを意図するものではなく、むしろ、光学形状感知及びスペクトル組織感知のための統合型ファイバは、添付の特許請求の範囲内にあるすべての機能的に同等の構造、方法、及び使用に及ぶ。

[0115] 本明細書で説明される実施形態の例示は、様々な実施形態の構造の一般的な理解を提供することを意図している。これらの例示は、本明細書で説明される開示の要素及び特徴のすべての完全な説明として役割を果たすことを意図したものではない。多くの他の実施形態は、本開示を検討した当業者には明らかであろう。本開示の範囲から逸脱することなく、構造的及び論理的な置換及び変更を行うことができるように、他の実施形態を本開示から利用し、導出してもよい。さらに、例示は単に代表的なものであり、正確な縮尺率で描かれてはいない。図面におけるいくつかの比率は強調されている一方で、他の比率は縮小されている。したがって、開示及び図面は、限定的ではなく例示的であると見なされるべきである。

[0116] 本開示の１つ以上の実施形態は、本明細書では、単に便宜上、かつ本出願の範囲を任意の特定の発明又は発明概念に自発的に限定することを意図することなく、「発明」という用語によって、個別に及び／又は集合的に言及され得る。さらに、本明細書では特定の実施形態を図示し、説明したが、同じ又は同様の目的を達成するように設計された任意の後続の配置が示された特定の実施形態の代わりに使用されてもよいことを理解されたい。本開示は、様々な実施形態の任意の及びすべての後続の適合又は変形を包含することが意図される。上記の実施形態と本明細書に具体的に記載されていない他の実施形態との組み合わせは、説明を検討した当業者には明らかになるであろう。

[0117] 本開示の要約は、米国特許法施行規則第１．７２条第（ｂ）項を遵守するために提供され、かつ、請求項の範囲又は意味を解釈又は限定するために使用されないという理解をもって提出される。さらに、前述の詳細な説明では、開示を合理化する目的で、様々な特徴は１つのグループにまとめるか、又は単一の実施形態で説明され得る。本開示は、特許請求される実施形態が各請求項に明示的に列挙されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、本発明の主題は、開示される実施形態のいずれかの特徴のすべてよりも少ないものを対象とし得る。したがって、以下の請求項は、各請求項自体が特許請求される主題を別個に定義するものとして、詳細な説明に組み込まれる。

[0118] 開示された実施形態の前述の説明は、当業者が本開示に記載された概念を実施することを可能にするために提供される。したがって、上記で開示された主題は、限定的ではなく例示的であると見なされるべきであり、添付の請求項は、本開示の真の精神及び範囲内にある、すべてのそのような修正、強調、及び他の実施形態を包含することが意図される。したがって、法律で認められる最大限の範囲において、本開示の範囲は、以下の請求項及びそれらの等価物の最も広い許容可能な解釈によって決定されるものであり、前述の詳細な説明によって制限又は限定されるものではない。

Claims (14)

1. 外側ジャケットと、
   前記外側ジャケットが共通クラッドをクラッドするように、マルチモードファイバとして使用される前記外側ジャケット内にある前記共通クラッドと、
   前記共通クラッドが複数の単一モードファイバコアをクラッドするように前記共通クラッド内にある前記複数の単一モードファイバコアと、
   前記複数の単一モードファイバコア、前記共通クラッド及び前記外側ジャケットの端部に適用され、光学形状感知に使用される波長の第１の光を実質的にキャプチャし、第２の光を実質的に透過する吸収材料と、
   を含む、光学装置。
2. 前記共通クラッド内の前記複数の単一モードファイバコアは、１つの中心コア、及び、前記１つの中心コアの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも１つの外側コアを有する、少なくとも２つの単一モードファイバコアを含む、請求項１に記載の光学装置。
3. 各単一モードファイバコアは、対応する光ファイバブラッグ格子を含む、請求項１に記載の光学装置。
4. 前記共通クラッドの屈折率は、前記外側ジャケットの屈折率よりも高い、請求項１に記載の光学装置。
5. 前記複数の単一モードファイバコアは、光学形状感知に使用される光を伝送し、
   前記共通クラッドは、スペクトル組織感知に使用される光を伝送する、
   請求項１に記載の光学装置。
6. 前記複数の単一モードファイバコアに光を集束させる第１のレンズをさらに含む、請求項１に記載の光学装置。
7. 前記第１のレンズは、ＧＲＩＮレンズを含む、請求項６に記載の光学装置。
8. 前記複数の単一モードファイバコアに光を集束させる第２のレンズと、
   前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に配置され、光学形状感知に使用される第１の光を、スペクトル組織感知に使用される第２の光から分離するビームスプリッタと、
   をさらに含む、請求項６に記載の光学装置。
9. 前記吸収材料は、４００ｎｍ～１３００ｎｍの間で実質的に透過的であり、１５３５ｎｍ～１５５５ｎｍで実質的に吸収性である、請求項１に記載の光学装置。
10. 請求項１に記載の光学装置と、
    命令を格納するメモリと、
    前記命令を実行するプロセッサと、
    を含む光学システムであって、
    前記命令は、前記プロセッサによって実行されると、前記光学システムに、前記共通クラッドを通過する光に基づいてスペクトル組織感知を行うことを含むプロセスを実行させる、光学システム。
11. 各単一モードファイバコアは、対応する光ファイバブラッグ格子を含み、
    前記複数の単一モードファイバコアは、光学形状感知に使用される光を伝送し、
    前記共通クラッドは、スペクトル組織感知に使用される光を伝送する、請求項１０に記載の光学システム。
12. 前記複数の単一モードファイバコアに光を集束させる第１のレンズをさらに含む、請求項１０に記載の光学システム。
13. 前記複数の単一モードファイバコアに光を集束させる第２のレンズと、
    前記第１のレンズと前記第２のレンズとの間に配置され、光学形状感知に使用される第１の光を、スペクトル組織感知に使用される第２の光から分離するビームスプリッタと、
    をさらに含む、請求項１２に記載の光学システム。
14. 前記吸収材料は、４００ｎｍ～１３００ｎｍの間で実質的に透過的であり、１５３５ｎｍ～１５５５ｎｍで実質的に吸収性である、請求項１０に記載の光学システム。

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