JPWO2010128605A1 - 光特性測定プローブ - Google Patents

Abstract

本発明の課題は、観察画像に影響を及ぼすことなく、プローブ先端の位置や向きを検出できる光特性測定プローブを提供することである。この課題は、屈曲可能な光特性測定プローブであって、光源からの光を伝送し、測定対象物に光を照射するための導光体７１と、導光体７１を軸周りに回転自在かつ軸方向に沿って変位自在に保持するためのガイド管７０とを備え、導光体７１は、測定対象物の光特性を測定するための測定光、および導光体の位置を測定するため位置確定光の少なくとも２種類の光を導光し、ガイド管７０の側面には、測定光を透過し、位置確定光のみを導光体へ戻す特性を有するマークＭが配置される本発明によって解決される。

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特性測定プローブに関する。

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１，２参照）。

特許文献１は、貫通カテーテルを適切な場所に貫通させるために、光画像診断装置の光プローブの部分にマークをつけてその像を観測することにより、プローブ先端の位置及び／または回転方向を調整可能にしている。

特許文献２は、管腔内に挿入して断層画像を得るプローブを用いて、案内管内を移動させながら観察して撮像する管腔内画像化装置において、案内管にマークをつけることで断層画像の基準位置を確定させて、位置ずれの無い画像化を行っている。

特表２００６−５２０２４４号公報 特開２００７−７４１０号公報

細径の光プローブを用いて、体内等の測定対象物を複数個所で測定する場合、各測定におけるプローブ先端の向きや位置を正確に把握することが重要である。しかし、屈曲可能なプローブの場合、プローブの先端と根元の間で捩れが生ずるため、プローブ根元の位置や向きからだけでは、先端の正確な位置や向きを特定することは困難である。

また、従来例においては、プローブ先端に位置確認用のマークを配置し、測定光がマークに入射した戻り光を検出して、プローブ先端の位置を確認している。しかし、実際の測定光を用いて基準マークを検出しているため、観察像にマークが出現して、マークの影が発生し、マーク背後に位置する観察画像がマークの影になって欠落したり、画像コントラストが低下してしまうという課題がある。

本発明の目的は、観察画像に影響を及ぼすことなく、プローブ先端の位置や向きを検出できる光特性測定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、本発明は、屈曲可能な光特性測定プローブであって、
光源からの光を伝送し、測定対象物に光を照射するための導光体と、
導光体を軸周りに回転自在かつ軸方向に沿って変位自在に保持するためのガイド管とを備え、導光体は、測定対象物の光特性を測定するための測定光、および導光体の位置を測定するため位置確定光の少なくとも２種類の光を導光し、
ガイド管の側面には、測定光を透過し、位置確定光のみを導光体へ戻す特性を有するマークが配置されていることを特徴とする。

本発明において、測定光は近赤外光であり、位置確定光は可視光であることが好ましい。

本発明において、測定光は可干渉光であり、位置確定光は非干渉光であることが好ましい。

本発明において、光特性測定プローブは、回転走査プローブであることが好ましい。

本発明によれば、導光体は測定光および位置確定光の２種類の光を伝送するとともに、ガイド管の測定位置に、測定光を透過し、位置確定光のみを導光体へ戻す特性を有するマークを配置することによって、測定光を用いた観察画像に影響を及ぼすことなく、位置確定光を用いてプローブ先端の位置や向きを検出できる。

本発明の概念を示す概略構成図である。 本発明に係る光プローブの一例を示す構成図である。 光プローブの先端付近の各種構造を示す断面図である。 本発明に係る光プローブを光断層測定装置に適用した一例を示す構成図である。

図１は、本発明の概念を示す概略構成図である。光プローブＰは、内部に光ファイバなどの導光体を内蔵しており、導光体の先端には光走査部ＯＳを備えている。光走査部ＯＳは、測定対象物に向けて光を照射するとともに、測定対象物等で反射した光を取り込む。

測定光源ＳＡは、測定対象物の光特性を測定するための測定光を供給し、位置確定光源ＳＢは、導光体の位置を測定するため位置確定光を供給する。光源ＳＡ，ＳＢからの測定光および位置確定光は、カプラＣＡによって結合され、さらにカプラＣＢを経由して光プローブＰに供給される。

光コヒーレンス断層画像化（ＯＣＴ）の場合、測定光は近赤外領域（例えば、波長８００ｎｍ〜１５００ｎｍ）の可干渉光であり、位置確定光は可視領域（例えば、波長３８０ｎｍ〜７５０ｎｍ）の非干渉光であることが好ましい。位置確定光がＬＥＤ等の非干渉光であることによって、干渉光の場合に発生する光路長変化時に発生する干渉による信号の変化を抑えることができ、より正確に位置測定が可能となる。

一方、測定対象物等で反射した光は、光プローブＰを逆行し、カプラＣＢによって測定光および位置確定光に分岐され、それぞれ測定光検出器ＤＡおよび位置確定光検出器ＤＢによって検出される。なお、カプラＣＢは、光源ＳＡ，ＳＢからの測定光および位置確定光は通過させ、光プローブＰから逆行する光は、波長によって測定光と位置確定光とに分離する機能を有する光学素子である。

測定光検出器ＤＡからの信号は、測定対象物の光特性測定に用いられる。位置確定光検出器ＤＢからの信号は、同期信号発生回路ＳＹに供給され、光走査部ＯＳの同期信号に変換される。

カプラＣＡ，ＣＢは具体的には、サーキュレータ、波長選択フィルタ（例えば、ダイクロイックフィルタ）、ＷＤＭ（波長分割多重）素子などを使用できる。

図２は、本発明に係る光プローブの一例を示す構成図である。図３は、光プローブの先端付近の各種構造を示す断面図である。光プローブは、ガイド管７０と、導光体７１と、集光レンズ７２と、プリズム７３などを備え、全体として屈曲可能なように構成されている。

ガイド管７０は、円筒状の断面形状を有し、測定光に対する透過率が高い可撓性材料、例えば、フッ素樹脂などで形成される。導光体７１は、測定光および位置確定光に対する透過率が高い可撓性材料、例えば、光ファイバなどで形成される。導光体７１は、ガイド管７０の内部に収納され、軸周りに回転自在かつ軸方向に沿って変位自在に保持される。導光体７１の根元には、回転駆動機構が設けられ、導光体７１は、軸周りに一定の回転速度、例えば、１２００ｒｐｍで回転可能なように構成される。

集光レンズ７２は、導光体７１の先端に装着される。プリズム７３は、測定光および位置確定光を反射する反射面を備え、集光レンズ７２に装着される。集光レンズ７２およびプリズム７３は、導光体７１と一体的に回転するとともに、測定光および位置確定光を半径方向に放射して、ガイド管７０の外部に位置する測定対象物を３６０度に渡って回転走査する。

本実施形態において、ガイド管７０の側面には、測定光を透過し、位置確定光のみを導光体７１へ戻す特性を有するマークＭが配置される。こうしたマークＭは、測定光に対してガイド管７０と同じ光学特性を示すとともに、位置確定光に対してガイド管７０とは異なる光学特性を示すものが好ましく、例えば、光透過率や光散乱特性、光反射特性等が波長に応じて変化するような材料やコーティングが選ばれる。

例えば、マークＭは、位置確定光のみを散乱するように構成してもよく、測定光が赤外光で位置確定光が可視光の場合、位置確定光の波長程度の微粒子をマークＭに含有させることによって、位置確定光は大きく散乱されるが、一方、より長い波長の赤外光はほとんど散乱されない構成が可能となる。この場合、位置確定光と測定光の波長は充分離れているように設定しなければならない。

また、波長によって異なる反射率を持つ膜をマークＭとして形成することも可能であり、位置確定光の波長に対しては反射し、測定光の波長に対して透過とすることにより同様の効果を達成できる。

このようなマークＭは、例えば特開昭５８−３１３０７号公報に示されるバンドパスフィルターや、特開昭５９−１９５２０５号公報に示される可視光領域のみ反射する多層膜ミラーを参照して構成することができる。

さらに、体積反射型の回折格子を用いることも可能である。測定光が８００ｎｍ程度の赤外光の場合、その半分以下、例えば２００ｎｍから４００ｎｍの間のピッチの回折格子とすればよい。このような回折格子であれば、赤外光を透過させ、可視光を反射させることができる。

マークＭは、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すように、ガイド管７０の壁面の一部と置換するように形成してもよく、あるいはガイド管７０の外面または内面にコーティング膜として形成してもよい。

図３（ａ）は、３６０度の走査領域において１個のマークＭを形成した例を示す。プリズム７３が回転して、光の照射方向がガイド管７０のマークＭがない部分に向いたとき、測定光はガイド管７０をそのまま通過し、位置確定光はガイド管７０では反射されない。

一方、光の照射方向がマークＭに向いたときは、測定光はマークＭをそのまま通過するが、位置確定光はマークＭによって反射され、プリズム７３および集光レンズ７２を経由して導光体７１に戻る。導光体７１に再入射した位置確定光は、図１に示すように、カプラＣＢによって分岐し、位置確定光検出器ＤＢで検出され、同期信号に変換される。図３（ａ）の構成では、プリズム７３が１回転する毎に１個の同期信号が発生する。

図３（ｂ）は、３６０度の走査領域において２個のマークＭを形成した例を示す。第１および第２のマークＭは１８０度間隔で配置され、マークを識別するために、第１のマークＭの幅は第２のマークＭの幅より大きくしている。プリズム７３が回転して、光の照射方向が第１のマークＭに向いたときは、測定光はマークＭをそのまま通過するが、位置確定光はマークＭによって反射されて導光体７１に戻り、第１の同期信号を発生する。さらに光の照射方向が第２のマークＭに向いたときは、測定光はマークＭをそのまま通過するが、位置確定光はマークＭによって反射されて導光体７１に戻り、第２の同期信号を発生する。こうしてプリズム７３が１回転する毎に２個の同期信号が発生する。一般に、Ｎ個のマークＭを３６０／Ｎ度の間隔で配置することによって、プリズム７３が１回転する毎にＮ個の同期信号が発生する。

本発明に係るプローブは、回転走査プローブに適している。回転走査プローブにおいては、走査領域が連続的であるので、マークを走査領域外に設定することが困難であり、従来技術ではマークによる画像の欠損が避けられなかった。さらに、回転走査プローブにおいて回転駆動がプローブ根元で行われる方式に適している。回転駆動が根元に配置されている駆動方法では、ねじれ等が発生すると、駆動部での回転と先端部の回転状況が完全に一致しないことがある。そのため、先端部での駆動状態を直接測定できる本発明が適している。

マークＭは、図２に示すように、ガイド管７０の長手方向に沿って複数配置してもよい。測定態様によっては、ガイド管７０を固定した状態で導光体７１を長手方向に沿って移動させることがある。光の照射方向がマークＭに向くと、位置確定光はマークＭによって反射されて導光体７１に戻り、同期信号が発する。そこで、導光体７１の移動に伴って発生する同期信号をカウントすることによって、導光体７１の変位量を計測することができる。

このようにガイド管７０の側面に、測定光を透過し、位置確定光のみを導光体７１へ戻す特性を有するマークＭを配置することによって、測定光を用いた観察画像に影響を及ぼすことなく、位置確定光を用いて導光体７１の回転角及び／又は変位量を計測することができる。

図４は、本発明に係る光プローブを光断層測定装置に適用した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、測定光源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、さらに、位置確定光を同じ測定光路に導入して利用するために、位置確定光源６１と、位置確定光検出器６２と、カプラ６３とが追加される。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。

測定光源１０は、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）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。測定光源１０からの測定光は、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測定光は、光路２１およびサーキュレータ２２、カプラ６３を通って、プローブ５０に到達する。プローブ５０は、測定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測定戻り光は、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測定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、測定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、測定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、測定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、測定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、測定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、測定光と参照光は別々の光路を通るため、測定光路内で発生するゴースト光の除去も可能となる。

本実施形態では、位置確定光源６１からの位置確定光をカプラ６３を介して光路２１に導入している。プローブ５０が回転走査及び／又は直線移動すると、図２と図３に示したように、位置確定光は、マークＭで反射してプローブ５０に再び入射し、カプラ６３を通って位置確定光検出器６２で検出され、同期信号を発生する。この同期信号を利用することによって、プローブ５０の回転角及び／又は変位量を計測することができる。このときマークＭは測定光に対して透過であるため、測定光を用いた観察画像は欠落することなく、３６０度の回転走査角に渡って断層画像が得られる。

本実施形態では、導光体を軸周りに回転させているが、プローブ先端にＭＥＭＳミラーを配置した走査系やファイバ自体を振動させて走査する系においても本発明は適用可能であり、プローブ先端での走査位置特定を測定光の減衰なく行えるため、良好なＯＣＴ画像を得ることができる。

本発明は、観察画像に影響を及ぼすことなく、プローブ先端の位置や向きを検出できる光特性測定プローブを提供できる点で、産業上極めて有用である。

１０ 測定光源
１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂ 光路
１２，４０，６３ カプラ
２２，３２ サーキュレータ
３３ アッテネータ
４２ａ，４２ｂ 差動検出器
５０ プローブ
６１ 位置確定光源
６２ 位置確定光検出器
７０ ガイド管
７１ 導光体
７２ 集光レンズ
７３ プリズム
Ｍ マーク

Claims (4)

1. 屈曲可能な光特性測定プローブであって、
   光源からの光を伝送し、測定対象物に光を照射するための導光体と、
   導光体を軸周りに回転自在かつ軸方向に沿って変位自在に保持するためのガイド管とを備え、
   導光体は、測定対象物の光特性を測定するための測定光、および導光体の位置を測定するため位置確定光の少なくとも２種類の光を導光し、
   ガイド管の側面には、測定光を透過し、位置確定光のみを導光体へ戻す特性を有するマークが配置されていることを特徴とする光特性測定プローブ。
2. 測定光は近赤外光であり、位置確定光は可視光であることを特徴とする請求項１記載の光特性測定プローブ。
3. 測定光は可干渉光であり、位置確定光は非干渉光であることを特徴とする請求項１または２記載の光特性測定プローブ。
4. 回転走査プローブであることを特徴とする請求項１記載の光特性測定プローブ。