WO2006059672A1 - エバネッセントカテーテルシステム - Google Patents

エバネッセントカテーテルシステム Download PDF

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WO2006059672A1
WO2006059672A1 PCT/JP2005/022069 JP2005022069W WO2006059672A1 WO 2006059672 A1 WO2006059672 A1 WO 2006059672A1 JP 2005022069 W JP2005022069 W JP 2005022069W WO 2006059672 A1 WO2006059672 A1 WO 2006059672A1
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light
optical fiber
evanescent
fluorescence
core
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PCT/JP2005/022069
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Atsuo Miyakawa
Matsuyuki Doi
Seiji Yamamoto
Susumu Terakawa
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National University Corporation, Hamamatsu University School Of Medicine
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Publication date
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    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration

Definitions

  • the present invention relates to an evanescent catheter having an optical fiber for detecting fluorescence from a fluorescent substance excited by introducing an excitation light by placing the distal end of the optical fiber in blood, and more specifically, the distal end of the catheter
  • the present invention relates to a catheter system that takes into account the generation structure of evanescent light and the structure that can reliably receive fluorescence from a fluorescent substance.
  • Blood is collected as one of the methods for measuring or detecting changes in blood concentration, and non-blood cell components are quantified by a normal method after blood cell separation by using a blood cell separation membrane or a centrifuge. Is done.
  • Patent Document 1 an optical method for detecting organic substances contained in blood or the like using optical fiber evanescent light is disclosed in Patent Document 1 (automated system and sample analysis method). This removes the cladding layer of the optical fiber that constitutes the optical sensor, generates evanescent light on the surface of the core layer, immerses this part in a liquid sample such as blood, and detects the fluorescence detected by the liquid sample force. Light is received by a sensor, and organic substances in a liquid sample such as blood are detected through an optical interrogation module.
  • Patent Document 2 photodetector
  • an optical fiber guide
  • a liquid specimen blood, etc.
  • the luminescent substance is excited in the evanescent field, and measured by a photoelectric detector.
  • a photodetection device is disclosed.
  • Patent Documents 1 and 2 a force that can selectively and quantitatively measure a light-emitting composition such as in blood using evanescent light.
  • An optical illumination system that generates evanescent light on the core coating except for the cladding at the tip of the bar is a general structure, and the light receiving optical system is constituted by a reflection feedback optical path of an optical fiber.
  • evanescent light is generated on the surface of the light guide, and the light receiving system is performed by a photoelectric detector provided separately on the other end side of the light guide.
  • Patent Documents 1 and 2 commonly quantitate by separately taking out a liquid sample.
  • red blood cells must be separated in advance as necessary.
  • Patent Documents 1 and 2 relate to the tip of the optical fiber. There is no detailed disclosure of the special structure.
  • Patent Documents 3, 4 and 4 5 is disclosed.
  • Patent Document 3 optical fiber sensor for absorption spectrum measurement using total reflection and its system removes a part of the clad portion of the optical fiber as shown in FIG.
  • the sensor unit using evanescent light by total reflection is inserted into the living body, the sensor unit is brought into direct contact with the living tissue, and the evanescent light is propagated by repeating the total reflection in the sensor unit.
  • Evanescent light is absorbed by the chemical component of the living tissue that has contacted the sensor, changes its spectrum, is reflected by the total reflection curtain, is absorbed again by the chemical component, and the reflected light is reflected back to the optical fiber. It is.
  • the configuration in the vicinity of the cladding portion at the tip of the optical fiber in Cited Document 3 is to make the intensity of the evanescent light generated outside the cladding portion in accordance with the intensity of the incident light. Capture spectral changes that are absorbed and changed by chemical components Can However, the fluorescence generated in the area where evanescent light outside the optical fiber is generated cannot be captured by the optical fiber and returned to the incident side.
  • Patent Document 4 is the shape of an optical probe of a near-field optical microscope that detects the presence of chemical substances including blood in living tissue. , 2, 5, 7 and 8, the tip is a conical projection of the core from the cladding, and a light shielding film is formed on the core and cladding surface of the projection except for the opening at the tip.
  • the optical fiber probe collects light by providing a light-shielding film on the conical core portion of the protrusion, thereby strengthening the evanescent field generated on the surface of the core detection end and increasing the detection sensitivity. .
  • the scattered light from the sample in the evanescent field is incident on the opening at the tip having a very small surface area as shown in FIG. This is disadvantageous in terms of collection, and the increase in the total received light power is considered to be small. Further, it does not directly detect the intensity of fluorescence from a fluorescent substance in a living tissue.
  • Patent Document 5 optical fiber and manufacturing method thereof is used in a photon scanning microscope that detects evanescent light localized in a region smaller than the wavelength of light on the surface of a substance, and the like.
  • An optical fiber having an opening with a light-shielding coating layer formed on the surface of the sharpened core and exposing the tip, and light from the other end of the optical fiber.
  • the light incident on the end of the optical fiber is collected at the tapered portion and irradiated outside the opening force.
  • the evanescent light generated near the surface of the material is scattered, and the scattered light is guided to the core through the opening and output from the other end of the optical fiber.
  • the clad diameter has hitherto been much larger than the length of the detection end, so that the clad end could collide with the surface of the sample and possibly damage the tip of the sample or the optical probe. This solves the problem and increases the detection efficiency of the optical probe without the clad edge colliding with the sample surface.
  • This configuration is also similar to Patent Document 4, and as described above, it is not effective in collecting scattered light. It is considered that the increase in received light power as a total is small.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 3429282
  • Patent Document 2 Japanese Patent Publication No. 2000-516719
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-214132
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 10-2905
  • Patent Document 5 Japanese Patent No. 3278164
  • the present invention solves the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a catheter equipped with an optical fiber that uses evanescent light, and is not disturbed by light absorption of hemoglobin in erythrocytes, and fluorescence of substances around the tip of the catheter.
  • An object of the present invention is to provide an evanescent catheter system that has an optical fiber tip structure capable of reliably measuring the intensity and fluorescence spectrum, and that can measure the abundance of a fluorescent substance present in the evanescent light generation portion.
  • claim 1 of the present invention provides an evanescent light generated by removing the cladding layer and placing the optical fiber exposing the core layer in the blood, and is excited by the evanescent light.
  • An evanescent catheter system that detects fluorescence in the blood based on the fluorescence intensity and measures the abundance of the substance in the blood based on the fluorescence intensity, and covers substantially half of the cladding covering the core at the cylindrical tip of the optical fiber.
  • a light receiving element is disposed on the back surface of the optical filter, and fluorescence from the fluorescent substance is detected by the light receiving element.
  • Claim 2 of the present invention comprises a first optical fiber for sending excitation light and a second optical fiber for receiving fluorescence, and the cladding layer of the first optical fiber is removed, The optical fiber with the core layer exposed is placed in blood to generate evanescent light, and the fluorescence from the fluorescent material excited by the evanescent light is received by the second optical fiber and the fluorescence intensity is received.
  • An evanescent catheter system for measuring the abundance of a substance in the blood based on the above, by removing substantially half of the cladding layer covering the core at the cylindrical tip of the first optical fiber, thereby removing the upper cylindrical surface of the core
  • An evanescent light is generated in the first optical fiber
  • a reflecting mirror is disposed in the second optical fiber facing the core from which approximately half of the cladding is removed, and the reflecting mirror reflects the fluorescence of the fluorescent material force.
  • the fluorescent light is guided to the output end of the second optical fiber.
  • the clad layer is removed, the optical fiber with the core layer exposed is placed in blood to generate evanescent light, and fluorescence from the fluorescent material excited by the evanescent light is detected.
  • An evanescent catheter system for measuring the abundance of a substance in blood based on fluorescence intensity, wherein a core layer is removed by removing the cladding layer around the core in a predetermined range at the cylindrical tip of the optical fiber.
  • An inclined surface is formed from the upper end of the tip toward the root, and a reflecting mirror is disposed on the inclined surface to generate evanescent light on the top surface of the removed core of the core.
  • the fluorescence is guided to the output end of the optical fiber by reflecting the fluorescence.
  • the clad layer is removed, the optical fiber with the core layer exposed is placed in blood to generate evanescent light, and fluorescence from the fluorescent material excited by the evanescent light is detected.
  • An evanescent catheter system for measuring the abundance of a substance in blood based on fluorescence intensity, wherein approximately half of the cladding covering the core at the cylindrical tip of the optical fiber is removed, and the cladding is removed.
  • Evanescent light is generated on the exposed cylindrical upper surface of the core, and a number of reflecting mirrors are formed on the lower cylindrical surface of the core cylindrical surface from which the cladding is removed so as to have a predetermined inclination angle with respect to the optical axis.
  • the fluorescent light from the fluorescent material is reflected by the multiple reflecting mirrors so that the fluorescence is guided to the output end of the optical fiber.
  • the clad layer is removed, the optical fiber with the core layer exposed is placed in the blood to generate evanescent light, and the fluorescence from the fluorescent material excited by the evanescent light is detected.
  • the tip of the optical fiber is placed in the blood to generate evanescent light, the fluorescence from the fluorescent material excited by the evanescent light is detected, and the substance in the blood is detected based on the fluorescence intensity.
  • An evanescent catheter system for measuring abundance wherein the protective layer of the cladding layer at the cylindrical tip of the optical fiber is deleted and the core in the cladding layer is formed in a spiral shape, and the spiral core The more leaked excitation light reaches the cylindrical surface of the cladding layer to generate evanescent light on the cylindrical surface of the cladding layer, and the fluorescence from the fluorescent material is reflected by the spiral core portion to output the optical fiber. The fluorescence is guided to an end.
  • evanescent light is generated in the vicinity of the core layer, that is, about 0. of the surface of the core layer, red blood cells have a size of several / zm, and fluorescent substances such as riboflavin and provophor are used. Since the molecular size of pyrilbin is 1 nm 1000 nm or less with respect to erythrocytes, it is not affected by hemoglobin in erythrocytes and can reliably detect fluorescence from a fluorescent substance excited by evanescent light. Since this fluorescence intensity depends on the amount of fluorescent substance present in the portion of evanescent light, the abundance of a fluorescence generating substance such as riboflavin can be calculated based on the fluorescence intensity.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an evanescent catheter system according to the present invention, which is applied to third, fourth, fifth and sixth embodiments of the structure of a force tail.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of an evanescent catheter system according to the present invention, which is applied to the second embodiment of the structure of the force tail.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an excitation light and fluorescence separation optical system.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) is a front sectional view, (b) is a side sectional view, and (c) is a perspective view. Each is shown.
  • FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) is a front sectional view, (b) is a side sectional view, and (c) is a perspective view. Each is shown.
  • FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) shows a front sectional view and (b) shows a side sectional view.
  • FIG. 7 is a diagram showing a fourth embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) is a front sectional view and (b) is a side sectional view.
  • FIG. 8 is a view showing a fifth embodiment of the distal end portion of the catheter of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) shows a front sectional view and (b) shows a side view.
  • FIG. 9 is a view showing a sixth embodiment of the distal end portion of the catheter of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) shows a front sectional view and (b) shows a side view.
  • FIG. 10 shows an example of an evanescent catheter.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a system in which an evanescent catheter is placed in a living tissue and the amount of fluorescent substance in blood is measured.
  • Light source semiconductor laser, LED, xenon lamp, etc.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an evanescent catheter system according to the present invention. This example is a configuration diagram of an optical system and a circuit system applied to the force taper structure of the third, fourth, fifth and sixth embodiments (FIGS. 6, 7, 8, and 9).
  • the control unit 8 sends a light source activation control signal to the light source control unit 11 based on an instruction from the console 12.
  • the light source controller 11 activates a light source 13 such as a semiconductor laser or a xenon lamp.
  • the excitation light of the light source 13 passes through the condenser lens 14 and the excitation filter 15, is reflected by the reflecting mirror 16 and the dichroic mirror 3, and is guided to the optical fiber end of the optical connector 1 by the condenser lens 2.
  • Optical fiber end force The incident excitation light is transmitted to the tip of the evanescent catheter.
  • Fluorescence from the tip of the evanescent catheter is output from the end of the same optical fiber, passes through the condenser lens 2, the dichroic mirror 3, and further passes through the fluorescence behind the dichroic mirror 3 (bandpass filter). 4) The light enters the light detector 6 such as a photomultiplier or a photodiode through the condenser lens 5.
  • the photodetector 6 is in a state in which fluorescence can be detected by receiving an activation signal and a timing signal from the detector controller 7b.
  • the fluorescence (predetermined wavelength region) detected by the photodetector 6 is converted into an electric signal and amplified by the detector amplifier 7a.
  • control unit 8 Based on the control program, the control unit 8 performs light source control and measurement operation using an arithmetic element such as a CPU, and AZD converts the received output of the amplifier 7a to calculate the fluorescence intensity based on a predetermined formula. Based on the fluorescence intensity, the abundance of the fluorescent substance in the blood is calculated.
  • an arithmetic element such as a CPU
  • AZD converts the received output of the amplifier 7a to calculate the fluorescence intensity based on a predetermined formula. Based on the fluorescence intensity, the abundance of the fluorescent substance in the blood is calculated.
  • the monitor 9 displays a menu screen for the measurement operation, and displays the measured fluorescence intensity and the amount of fluorescent substance present.
  • specifications such as the light source output and wavelength range are displayed, and the light emission wavelength and output of the light source and selection of the fluorescent filter can be adjusted using the console 12. It is also possible to adjust the calculation contents to be output.
  • the recorder 10 is engraved with changes in fluorescence intensity due to fluorescent substances such as riboflavin in the blood over time.
  • the semiconductor laser is monochromatic light
  • a bandpass filter such as an excitation filter is not necessary on the light source side.
  • the evanescent catheter can be attached with a thin injection tube, a balloon expansion pipe, or the like.
  • In-vivo substances bilirubin, vitamin B, etc.
  • Drugs Provophor, riboflavin, indocyanine green, etc.
  • the above drugs are injected into the living body by intravenous injection.
  • excitation light of a target fluorescent substance such as riboflavin or indocyanine green
  • riboflavin uses light around 450 nm
  • indocyanine green uses light around 750 nm.
  • the term “near” means the light in the excitation wavelength band.
  • the light output from the optical fiber has a fluorescence emission wavelength, which is a wavelength band having a peak wavelength of 525 nm for fluorescence by riboflavin, and a wavelength band having a peak of 830 nm for emission by indocyanine green.
  • the fluorescence intensity is a
  • I is the number of fluorescent photons per unit volume (cm 3 )
  • Fluorescein mentioned here has many molar extinction coefficients and high quantum yields. Many of the fluorescent molecules in the bovine body have 1Z100 or less. Also, the concentration is often much lower than 1 ju M. Therefore, it is an ideal maximum intensity calculation.
  • the optical fiber used has a diameter r of 0.25 mm and a length that generates evanescent light of 10 mm.
  • the excitation light intensity F incident on the optical fiber is 10 mW (To be exact, it must be indicated by the number of photons, but since the wavelengths of the excitation light and the fluorescence are close, they are displayed in units of energy. The same).
  • this intensity of light is evanescent light.
  • the excited volume V is 100 nm (0.00001 cm) when the thickness t where the evanescent light is generated is 100 nm (0.00001 cm).
  • V 2 X ⁇ X r XLX t
  • the generated fluorescence intensity is F
  • the incident excitation light intensity of about 1Z335 becomes fluorescence.
  • the area where the evanescent light is generated is considered to be half of the above calculation condition, and the fluorescence incidence efficiency is considered to be about 30%. Therefore, about 1Z2 000 can be received as fluorescence.
  • the incident efficiency is poor, and therefore the fluorescence that can be received is even weaker.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the evanescent catheter system according to the present invention, and is an example applied to the second embodiment of the structure of the catheter tip. Since only optical fibers are used for excitation light incidence and fluorescence output, respectively, this is different from Fig. 1, so only the different structure will be explained.
  • optical fiber end 17a At the end of the optical connector 17, there are two optical fiber ends 17a, 17b.
  • An output optical system for receiving the fluorescence output is connected to the optical fiber end 17a in the same manner as in FIG.
  • a condensing lens 18, a reflecting mirror 16, 19, a pumping filter 15 and a condensing lens 14 are disposed at the optical fiber end 17b, and pumping light from a light source 13 such as a semiconductor laser is transmitted to the optical fiber end 17b.
  • a light source 13 such as a semiconductor laser
  • the reflectors 16 and 19 on the light source side in this embodiment are omitted if a small semiconductor laser or the like is used for the force light source 13 used because the distance between the incident side and the emission side of the optical connector 17 of the evanescent catheter is small. It is possible. In addition, since the semiconductor laser is monochromatic light, a bandpass filter for an excitation filter or the like is not required on the light source side.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an excitation light and fluorescence separation optical system.
  • the returned excitation light is processed by inserting a dichroic mirror or notch filter 81 into the light receiving optical system and transmitting the excitation light toward the excitation light absorption cone 82.
  • the excitation level does not return to the detector 6 so that the relative level of fluorescence is increased.
  • FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) is a front sectional view, (b) is a side sectional view, and (c) is a perspective view. Show.
  • the protective layer 22 and the clad 23 are removed over the semicircle of the optical fiber. Further, by arranging a reflecting mirror at the tip of the optical fiber, the intensity of the evanescent light can be increased and the leakage of the excitation light into the blood can be reduced.
  • An optical filter 26 is arranged in an arc shape facing the core 24a of the lower half of the removed portion. Further, a photodiode 28 is similarly arranged in an arc shape on the rear surface. The photodiode 28 is connected to a non-illustrated electric wire, and the electric wire is provided so as to reach the other end of the catheter 21.
  • an interference filter or the like that can extract an arbitrary wavelength with a band width of several lOnm using several nanometers by utilizing the interference action of light can be used.
  • riboflavin when used as a fluorescent substance, it passes through a wavelength range from several nm to several lOnm centering on 525 nm, and other wavelengths are cut.
  • the optical filter 26 is formed at the distal end portion of the catheter by a thin film deposition technique, and the semicylindrical photodiode 28 is formed by a semiconductor production technique.
  • the signal processing circuit has a lock-in amplifier or the like. It is necessary to insert
  • the structure of the distal end of this catheter does not require a light receiving optical system in the signal processing apparatus of FIG. 1, but only an optical system that sends out excitation light from a light source. It becomes the structure which inputs to the amplifier 7.
  • the evanescent light 25 is generated on the surface of the upper half of the core 24 that is exposed.
  • the fluorescence 30 generated by the fluorescent substance is incident on the photodiode 28 after the excitation light 29 is removed by the optical filter 26.
  • the outer shape of the catheter can be reduced, and the size can be made equal to or smaller than that of a normal catheter.
  • the force tail that measures oxygen saturation can reduce the outer shape of the catheter as a single optical fiber that normally uses two optical fibers.
  • the efficiency of receiving fluorescence is high.
  • FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) is a front sectional view, (b) is a side sectional view, and (c) is a perspective view. Each figure is shown.
  • This embodiment uses the signal processing apparatus of FIG.
  • the protective layer 32 and the cladding 33 are removed in a semicircle near the tip of the optical fiber for pumping light.
  • a reflecting mirror at the tip of the optical fiber, the intensity of the evanescent light can be increased and the leakage of the excitation light into the blood can be reduced.
  • Reflective mirrors such as off-axis paraboloidal mirrors 36 and plane mirrors are formed on the corresponding portions of the other optical fiber for receiving fluorescence.
  • the excitation light 38 enters the optical fiber for excitation light
  • the evanescent light 35 is generated on the surface of the upper half of the core 34 that is exposed.
  • the fluorescent light 39 generated by the fluorescent material is reflected by the reflecting mirror and guided to the end of the optical fiber for receiving the fluorescent light.
  • Catheters for measuring oxygen saturation usually use two optical fibers, and although the same size is used, the excitation light and fluorescence are separated through different optical fibers! . Moreover, it is easy to manufacture with relatively high efficiency of receiving fluorescence.
  • FIG. 6 is a view showing a third embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) shows a front sectional view and (b) shows a side sectional view.
  • the clad 43 is removed in the vicinity of the distal end portion of the catheter 41, and the distal end portion of the core 44 has a shape 44a in which one end force of the distal end portion of the circular column is also cut off in an oblique direction. Cut face A reflecting mirror 47 such as an off-axis paraboloidal mirror or a plane mirror is formed.
  • the evanescent light 45 When the excitation light 48 is incident, the evanescent light 45 is generated on the upper surface of the core shape 44a from which the cladding 43 is removed.
  • the fluorescent light 49 excited by the evanescent light 45 and emitted by the fluorescent substance force is reflected by the reflecting mirror 47 and returns to the optical fiber.
  • FIG. 7 is a diagram showing a fourth embodiment of the distal end portion of the catheter of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) shows a front sectional view and (b) shows a side sectional view.
  • the cladding 53 is removed over the upper semicircle.
  • the lower half surface of the core portion 54a from which the clad 53 has been removed has a large number of reflecting mirrors 57 similar in shape to the Fresnel surface.
  • the evanescent light 55 When the excitation light 58 is incident, the evanescent light 55 is generated on the upper surface of the core shape 54a from which the cladding 53 is removed.
  • the fluorescent light 59 that is excited by the evanescent light 55 and emits a fluorescent material force is reflected by a number of reflecting mirrors 57 and returns to the optical fiber.
  • the third and fourth embodiments use the signal processing apparatus of FIG.
  • these catheters can be manufactured easily because the external shape is thin, and the third structure can be manufactured easily.
  • light other than evanescent light leaks strongly due to the effect of the reflector.
  • the detection area is approximately the same as in the second embodiment, and the efficiency of receiving fluorescence is low V. Therefore, it is necessary to sufficiently separate the excitation light and the fluorescence signal in the signal processing device.
  • FIG. 8 is a view showing a fifth embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) shows a front sectional view and (b) shows a side view.
  • the protective layer 62 and the clad 63 are removed, and the core 64 becomes conical!
  • the evanescent light 65 When the excitation light 68 is incident, the evanescent light 65 is generated on the entire surface of the conical core 64a.
  • the evanescent light 65 emits a fluorescent material, and the fluorescent light 69 returns to the optical fiber.
  • the outer shape of the catheter can be reduced and the manufacture is easy. Note that light other than the evanescent light leaks strongly due to the taper of the optical fiber. Since the detection area is narrow and the efficiency of receiving fluorescence is low, it is necessary to sufficiently separate the excitation light and the fluorescence signal in the signal processing device. Become.
  • FIG. 9 is a view showing a sixth embodiment of the catheter tip of the evanescent catheter system according to the present invention, where (a) is a front sectional view and (b) is a side view.
  • (a) is a front sectional view and (b) is a side view.
  • the protective layer 72 is removed, and the cylindrical cladding 73a is exposed.
  • a core 74 is formed in a spiral shape 74 a inside the exposed end portion 73 a of the clad 73.
  • the reflecting mirror 77 at the end portion of the optical fiber, the intensity of the evanescent light can be increased and the leakage of the excitation light into the blood can be reduced.
  • Excitation light 79 penetrates into the cladding 73a. As a result, evanescent light 75 is generated on the surface of the clad 73a. Similarly, the excitation light reflected by the reflecting mirror 77 penetrates the cladding 73a at the falling surface of the wave shape 74a with respect to the traveling direction of the excitation light 79, and generates evanescent light 75 on the surface of the cladding 73a.
  • the fluorescence 80 emitted from the fluorescent material by the evanescent light 75 is captured by the optical fiber through the reverse path and returns to the incident end.
  • the outer shape of the catheter can be narrowed, and the detection area can be increased compared with other embodiments.
  • Light other than evanescent light leaks strongly due to the meandering of the optical fiber.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of an evanescent catheter.
  • the catheter has an optical fiber insertion part, a sampling port, and a liquid or drug administration port.
  • a connector is connected to the end of the optical fiber and is connected to a measurement device that is a signal processing device.
  • FIG. 11 is a view showing a state in which the evanescent catheter is placed in a living tissue.
  • Upper arm base force A catheter is inserted, and the tip reaches a predetermined vein portion of the heart.

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Abstract

　血液中の赤血球内ヘモグロビンの光吸収に妨害されずカテーテル先端周囲の物質の蛍光強度や蛍光スペクトルを確実に測定できる光ファイバ先端部の構造を有し、エバネッセント光発生部分に存在する蛍光を発生する物質の存在量を算出できるエバネッセントカテーテルシステムを提供する。 　カテーテル２１の先端部のコア２４の上側半円部分は保護層２２とクラッド２３は除かれコア２４が露出している。下側半円部分に対向して光学フィルタ２６とフォトダイオード２８が配置されている。励起光２９が入射すると、コア２４の上側半円部分にエバネッセント光２５が発生し蛍光物質により蛍光３０が発生する。干渉フィルタ２６で励起光が除去され蛍光３０のみがフォトダイオード２８に達し、その出力強度は外部に導かれ測定装置で蛍光物質の存在量を測定することができる。

Description

明 細 書
エノ ネッセント力テーテノレシステム
技術分野
[0001] 本発明は、光ファイバの先端を血中に留置し、励起光を導入して励起された蛍光 物質からの蛍光を検出する光ファイバを備えたエバネッセントカテーテル、さらに詳し くいえばカテーテル先端部におけるエバネッセント光の発生構造および蛍光物質か らの蛍光を確実に受光できる構造を考慮したカテーテルシステムに関する。
背景技術
[0002] 血中の濃度変化などを測定または検出する方法の 1つとして採血し、血球分離膜 や遠心分離器などを用いることにより血球分離後に、非血球成分を通常の方法で定 量することが行われて 、る。
一方、血中から直接定量する場合、血中に注入した蛍光物質 (医薬品など)から蛍 光を検出する際に赤血球中に存在するヘモグロビンにより広い波長帯域の光が吸収 されるため、ヘモグロビンの光吸収の影響を受けないようにすることは、多くの医薬品 では困難である。上記ヘモグロビンの光吸収の影響を受けな!/、で定量できる医薬品 はごく少数しか存在しな!、。
[0003] ところで、光ファイバエバネッセント光を利用し血液中などに含まれる有機物を検出 する光学的方法が特許文献 1 (自動化されたシステム及びサンプルの分析方法）に 開示されて 、る。これは光感知センサを構成する光ファイバのクラッド層を除去してコ ァ層の表面にエバネッセント光を発生させ、この部分を血液などの液体標本に浸漬 し、液体標本力 の検出蛍光を光感知センサで受光し、光学呼び掛けモジュールを 経て血液などの液体標本の有機物を検出するものである。
また、特許文献 2 (光検出装置）には、光ファイバ (ガイド)を利用し、液体標本 (血液 など)を光ガイドに接触させ、エバネッセント界内で発光物質を励起し、光電検出器 により測定する光検出装置が開示されている。
[0004] 上記特許文献 1, 2はいずれも、エバネッセント光を利用して血液中などの発光組 成物の選択的，定量的な測定はできるものである力 引用文献 1における、光フアイ バ先端部のクラッドを除きコアの被膜の上にエバネッセント光を発生させる光学照明 系は一般的な構造であり、その受光光学系は光ファイバの反射帰還光路によって構 成されている。また、引用文献 2は光ガイドの表面にエバネッセント光を発生させ、受 光系は光ガイドの他端側に別途設けた光電検出器により行うものである。また、特許 文献 1, 2は共通して液体標本を別途取り出して定量するものである。
したがって、生体内で定量することができない構成であり、血中のヘモグロビンの影 響を除外するためには必要に応じて予め赤血球を分離しなければならな 、。
生体内でヘモグロビンの影響をなくして定量するためには、光ファイバの先端部の 照明系と受光系の構成が重要であるが、特許文献 1, 2には光ファイバの先端部に関 し、特別な構造の詳細な開示はない。
[0005] つぎに光ファイバ先端のコア部を尖鋭ィ匕することにより照明系および受光系が形成 されるシステムに注視した場合、光ファイバの先端構造部分を示すものとして特許文 献 3, 4および 5が開示されている。
特許文献 3 (全反射を用いた吸収スペクトル測定用光ファイバセンサおよびそのシ ステム）は、特許文献 3の図 1に示すように光ファイバのクラッド部の一部を除去すると ともに、光ファイバの先端に全反射によるエバネッセント光を用いたセンサ部を備え、 このセンサ部を生体内に挿入し、センサ部を生体組織に直接接触させ、全反射を繰 り返して伝搬してきた光波によりセンサ部でエバネッセント光を発生させ、エバネッセ ント光がセンサ部に接触した生体組織の化学成分によって吸収されスペクトルを変化 させ全反射幕で反射して再度、化学成分によって吸収させ反射光を、光ファイバを 逆光させるものである。
[0006] これは、生体組織中の吸収スペクトルを測定するものであって、血中の蛍光物質か らの蛍光を検出するものではない。そして、生体組織中の伝搬をなくし伝搬に伴う多 重散乱を発生せず、散乱の影響を極力下げ、かつ空間分解能を有する吸収スぺタト ルの精度を向上させるものである。
引用文献 3の光ファイバ先端部のクラッド部付近の構成は、クラッド部の外側に発生 するエバネッセント光の強度を入射する光の強度に応じたものにするものであり、ェ バネッセント光が生体組織の化学成分で吸収されて変化するスペクトル変化を捉え ることはできる。しかし、光ファイバ外部のエバネッセント光が生じている領域で発生し た蛍光を光ファイバで補足し、入射側へ戻すことはできな 、。
[0007] 特許文献 4 (光ファイバ及びその製造方法）は生体組織の血液などを含めて化学物 質の存在などを検出する近接場光学顕微鏡の光プローブの形状であり、特許文献 4 の図 1, 2, 5, 7および 8に示すように先端部はクラッドからコアを円錐状に突出させ、 先端の開口部を除き突出部のコアおよびクラッド表面に遮光膜を形成したものである この構造の光ファイバプローブは、突出部の円錐状のコア部にも遮光膜を設けて集 光させることにより、コア検出端部の表面に発生されるエバネッセント場を強くして検 出感度を高めるものである。
し力しながら、エバネッセント場にある試料による散乱光を、特許文献 4の図 11に示 すように表面積が非常に小さい先端部の開口部に入射させるものであるので、広い 面積の散乱光を集める点では不利となりトータルとしての受光パワーの増加は小さい と考えられる。また、生体組織中で直に蛍光物質からの蛍光の強度を検出するもの ではない。
[0008] さらに、特許文献 5 (光ファイバ及びその製造方法）は、物質の表面の光の波長より 小さい領域に局在するエバネッセント光を検出するフオトン走査型顕微鏡などに用い られるものであり、コアの一端を先細り状に先鋭ィ匕し、先鋭ィ匕したコアの表面に遮光 性の被覆層を形成し先端部を露出させた開口部を有する光ファイバで、この光フアイ バの他端より光を入出力させ、光ファイバの端部力 入射した光は上記先細り状の部 分で集光されて開口部力 外部に照射されるものである。これにより物質表面に近接 させて発生させたエバネッセント光を散乱させ、この散乱光を開口部を介してコアに 導き光ファイバの他端から出力させるものである。
[0009] この構成は、従来、クラッド径が検出端部の長さより非常に大き力つたためクラッド周 端部が試料の表面に衝突して試料または光プローブの先端が破損するおそれがあ つたという問題を解決し、クラッドの周端部が試料表面に衝突することなぐ光プロ一 ブの検出効率を高くするものである。
この構成も特許文献 4と類似する形状で、上述した通り、散乱光を集める点では不 利となりトータルとしての受光パワーの増加は小さいと考えられる。
特許文献 1：特許 3429282号公報
特許文献 2 :特表 2000— 516719号公報
特許文献 3 :特開 2002— 214132号公報
特許文献 4：特開平 10— 2905号公報
特許文献 5：特許 3278164号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 本発明は、上記諸問題を解決するもので、その目的はエバネッセント光を利用する 光ファイバを備えたカテーテルにおいて、赤血球中ヘモグロビンの光吸収に妨害さ れず、カテーテル先端周囲の物質の蛍光強度や蛍光スペクトルを確実に測定できる 光ファイバ先端部の構造を有し、エバネッセント光発生部分に存在する蛍光を発生 する物質の存在量を測定することができるエバネッセントカテーテルシステムを提供 することにある。
課題を解決するための手段
[0011] 前記目的を達成するために本発明の請求項 1は、クラッド層を除去し、コア層を露 出した光ファイバを血中に留置してエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光 で励起された蛍光物質力 の蛍光を検出して蛍光強度に基づき血中の物質の存在 量を測定するエバネッセントカテーテルシステムであって、前記光ファイバの円柱形 状先端の前記コアを覆うクラッドの略半分を除去することにより前記コアの上側円柱 形状面にエバネッセント光を発生させ、前記クラッド層を除去して露出したコアの下 側円柱形状面に、所定波長領域の蛍光を通過させる光学フィルタを配置し、該光学 フィルタの背面に受光素子を配置し、該受光素子で前記蛍光物質からの蛍光を検出 することを特徴とする。
本発明の請求項 2は、励起光を送出するための第 1の光ファイバと、蛍光を受光す るための第 2の光ファイバよりなり、前記第 1の光ファイバのクラッド層を除去し、コア層 を露出した光ファイバを血中に留置してエバネッセント光を発生させ、該エバネッセン ト光で励起された蛍光物質からの蛍光を前記第 2の光ファイバで受光して蛍光強度 に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムであつ て前記第 1の光ファイバの円柱形状先端の前記コアを覆うクラッド層の略半分を除去 することにより前記コアの上側円柱形状面にエバネッセント光を発生させ、前記クラッ ドの略半分を除去したコアに対向する前記第 2の光ファイバ中に反射鏡を配置し、該 反射鏡で前記蛍光物質力 の蛍光を反射することにより第 2の光ファイバの出力端に 前記蛍光を導くことを特徴とする。
本発明の請求項 3は、クラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバを血中に留 置してエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光で励起された蛍光物質から の蛍光を検出して蛍光強度に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセント カテーテルシステムであって、前記光ファイバの円柱形状先端の所定範囲のコア全 周囲のクラッド層を除去し、クラッド層を除去したコア部分の先端上部より根元に向か つて傾斜面を形成し、該傾斜面に反射鏡を配置することにより前記除去したコアの円 柱形状上面にエバネッセント光を発生させ、前記反射鏡で前記蛍光物質からの蛍光 を反射することにより光ファイバの出力端に前記蛍光を導くことを特徴とする。
本発明の請求項 4は、クラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバを血中に留 置してエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光で励起された蛍光物質から の蛍光を検出して蛍光強度に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセント カテーテルシステムであって、前記光ファイバの円柱形状先端の前記コアを覆うクラ ッドの略半分を除去し、前記クラッドを除去して露出したコアの円柱形状上面にエバ ネッセント光を発生させ、前記クラッドを除去したコアの円柱形状面の下側円柱形状 面に、光軸に対し所定の傾斜角になるように多数の反射鏡を配列することにより、前 記多数の反射鏡を配列することにより、前記多数の反射鏡で前記蛍光物質からの蛍 光を反射することにより光ファイバの出力端に前記蛍光を導くことを特徴とする。 本発明の請求項 5は、クラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバを血中に留 置してエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光で励起された蛍光物質から の蛍光を検出して蛍光強度に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセント カテーテルシステムであって、前記光ファイバの円柱形状先端の前記クラッド層を除 去したコア部分を、光軸に対し所定の角度になるような円錐形状に形成することによ り、前記円錐形状のコア部分の表面にエバネッセント光を発生させ、前記蛍光物質 力 の蛍光を前記円錐形状のコア部分で反射させ光ファイバの出力端に前記蛍光を 導くことを特徴とする。
本発明の請求項 6は、光ファイバの先端を血中に留置してエバネッセント光を発生 させ、該エバネッセント光で励起された蛍光物質からの蛍光を検出して蛍光強度に 基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムであって、 前記光ファイバの円柱形状先端の前記クラッド層の保護層を削除するとともに該クラ ッド層内のコアを螺旋状に形成し、前記螺旋状のコアより漏れる励起光がクラッド層 の円柱形状表面に達することにより該クラッド層の円柱形状表面にエバネッセント光 を発生させ、前記蛍光物質からの蛍光を前記螺旋状のコア部分で反射させ光フアイ バの出力端に前記蛍光を導くことを特徴とする。
発明の効果
[0012] 上記構成によれば、エバネッセント光はコア層のごく近傍、すなわちコア層表面の 約 0. で発生し、赤血球は数/ z mの大きさがあり、さらに蛍光物質として例えば リボフラビンやプロボフォール，ピリルビンの分子サイズは赤血球に対し 1Z1000以 下の nm単位であるため、赤血球中ヘモグロビンに影響されることは少なくエバネッセ ント光で励起された蛍光物質からの蛍光を確実に検出することができる。この蛍光強 度は、エバネッセント光の部分に存在する蛍光物質量に依存するので、蛍光強度に 基づきリボフラビンなどの蛍光発生物質の存在量を演算することができる。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムの構成例を示す図で、力テーテ ル先端の構造の第 3,第 4,第 5および第 6の実施の形態に適用する場合である。
[図 2]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムの構成例を示す図で、力テーテ ル先端の構造の第 2の実施の形態に適用する場合である。
[図 3]励起光と蛍光の分離光学系の一例を示す図である。
[図 4]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 1の実 施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図， （c)は斜視図をそれ ぞれ示している。 [図 5]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 2の実 施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図， （c)は斜視図をそれ ぞれ示している。
[図 6]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 3の実 施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図をそれぞれ示している。
[図 7]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 4の実 施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図をそれぞれ示している。
[図 8]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 5の実 施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面図をそれぞれ示している。
[図 9]本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 6の実 施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面図をそれぞれ示している。
[図 10]エバネッセントカテーテルの一例を示す図である。
[図 11]生体組織中にエバネッセントカテーテルを留置し，血中の蛍光物質の存在量 を測定するシステム例を示す図である。
符号の説明
1 光コネクタ
2, 5, 14, 18 集光レンズ
3 ダイクロイツクミラー
4 蛍光フィルタ
6 検出器 (フォトダイオードなど）
7 検出器用増幅器 ·検出器制御部
8 制御部
9 モニタ
10 記録計 (X - Yプロッタ）
11 光源制御部
12 操作卓
13 光源（半導体レーザ， LED,キセノンランプなど）
15 励起フィルタ 16, 19 反射鏡
21, 31, 41, 51, 61, 71 力テーテノレ
22, 32, 72 保護層
23, 33, 43, 53, 63, 73 クラッ
24, 34, 44, 54, 64, 74 コア
25, 35, 45, 55, 65, 75 エノ ネッセ：
26 光学フィルタ
27, 37, 47, 57, 77 反射鏡
28 フォトダイオード
29, 38, 48, 58, 68, 79 励起光
30, 39, 49, 59, 69, 80 蛍光
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
図 1は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムの構成例を示す図である。 この例は第 3,第 4,第 5および第 6の実施の形態（図 6,図 7,図 8および図 9)の力 テーテル構造に適用される光学系および回路系の構成図である。
制御部 8は操作卓 12からの指示に基づき光源制御部 11に対し光源起動の制御信 号を送る。光源制御部 11は半導体レーザやキセノンランプ等の光源 13を起動させる 。光源 13の励起光は集光レンズ 14,励起フィルタ 15を通過し反射鏡 16,ダイクロイ ックミラー 3で反射され集光レンズ 2により光コネクタ 1の光ファイバ端に導かれる。光 ファイバ端力 入射した励起光はエバネッセントカテーテルの先端に伝達される。 エバネッセントカテーテルの先端部からの蛍光は同じ光ファイバ端から出力され、 集光レンズ 2,ダイクロイツクミラー 3を通過し、さらにダイクロイツクミラー 3の背後にあ る蛍光を通過させる蛍光フィルタ (バンドパスフィルタ) 4,集光レンズ 5を介してフォト マルチプライヤやフォトダイオード等の光検出器 6に入射する。
なお、図示しないが、測定する蛍光物質に適した励起波長と蛍光波長を選択する ために、発光波長の異なる半導体レーザや LEDを複数設けたり、励起フィルタや蛍 光フィルタを手動や自動で交換する機構を付属させることも可能である。 [0016] 光検出器 6は検出器制御部 7bから起動信号およびタイミング信号を受けることによ り蛍光が検出可能状態になる。光検出器 6で検出した蛍光 (所定の波長領域)は電 気信号に変換され検出器用増幅器 7aで増幅される。
制御部 8は、制御プログラムに基づき CPUなどの演算素子によって光源制御や測 定動作を行うとともに受信した増幅器 7aの出力を AZD変換して所定の式に基づき 蛍光強度を演算する。そして蛍光強度に基づき血中の蛍光物質の存在量を算出す る。
モニタ 9には測定動作のためのメニュー画面が表示されるとともに測定した蛍光強 度および蛍光物質の存在量が表示される。メニュー画面では光源の出力，波長領域 などのスペックが表示され、操作卓 12により光源の発光波長や出力，蛍光フィルタの 選択などを調整することができる。また、出力すべき演算内容についても調整するこ とが可能である。
記録計 10は時間とともに血中のリボフラビンなどの蛍光物質による蛍光強度の変化 が刻まれる。
また、半導体レーザは単色光であるため光源側に励起フィルタなどのバンドパスフ ィルタは不要となる。
なお、図示しないが、エバネッセントカテーテルには注射用細管やバルーン膨脹用 パイプ等を付属させることも可能である。
[0017] 多くの生体内物質や医薬品は蛍光を持っているので、蛍光物質としてターゲットと なる可能性がある物質は数多い。例として以下のものが挙げられる。
生体内物質 ；ビリルビン，ビタミン B類など
医薬品 ；プロボフォール，リボフラビン，インドシアニングリーンなど 上記医薬品は多くの場合、静脈注射により生体内に注入する。また筋肉注射や経 口投与 (飲み薬)などでも血中濃度変化を測定することが可能な種類もある。
[0018] 光ファイバに入射させる光、すなわエバネッセント光を発生させる光は、対象とする 蛍光物質 (リボフラビン，インドシアニングリーンなど)の励起光が用いられる。具体的 にはリボフラビンでは、 450nm付近のものが、インドシアニングリーンでは 750nm付 近の光が用いられる。なお、上記「付近」とは励起波長帯の光を指す意味である。 また、光ファイバから出力させる光は、蛍光発光波長であり、リボフラビンによる蛍光 では 525nmをピーク波長とする波長帯，インドシアニングリーンによる発光では 830 nmをピークとする波長帯となる。
[0019] つぎに励起光強度力 得られる蛍光強度の関係を計算例を用いて説明する。
蛍光強度は
I = 2.30359 X I X ε X C X
em ex …（1)
で表される。
ただし、 I ：単位体積 (cm3)当たりの蛍光光子数
em
I ：単位面積 (cm2)当たりの励起光光子数
ex
ε： 蛍光分子のモル吸光係数
フルォレツセイン： 90,000M ^cm"1
C : 蛍光分子のモル濃度 1 M
φ： 蛍光分子の量子収率 フノレオレツセイン： 0.9
ここに例に挙げたフルォレツセインはモル吸光係数も量子収率も高ぐ牛体内の蛍 光分子では 1Z100以下のものも多い。また、濃度も 1 ju Mより遙かに薄いことが多い 。したがって、理想的な最高の強度の計算となる。
[0020] 使用する光ファイバは、直径 rが 0.25mmで、エバネッセント光を生じている長さ が 10mmとする。
前記光ファイバに入射させる励起光強度 Fを 10mWとする（正確には光子数で示 さなければならないが、励起光と蛍光の波長は近いので、近似的にエネルギーの単 位で表示。以下も同様)。
したがって、単位面積当たりの励起光強度 F は
ex
F =F Ζ( π X r2) = 10/(3.14159 X 0.01252) = 20371.8 mWcm— 2 · · · (2)で表され ex i
る。
コアと血液の屈折率により異なる力 この強度の光がエバネッセント光となっている とする。
[0021] 励起されている体積 Vは、エバネッセント光が発生している厚さ tを 100nm(0.00001c m)とすると、 V=2 X π X r X L X t
=2 X 3.14159 X 0.0125 X 10 X 0.00001 = 0.00000785398cm3- · · (3) したがって（1)式に（2) (3)式を代入すると、
発生する蛍光強度は F
em
F =0.0298415 mWとなる。
em
よって入射させた励起光強度の約 1Z335が蛍光となる。
[0022] 後述の図 4の第 1の実施の形態ではエバネッセント光を発生している面積は、上記 計算条件の半分で、蛍光の入射効率は 30%程度と考えられる。したがって、約 1Z2 000が蛍光として受光できることになる。図 5以下の第 2〜第 6までの実施の形態はさ らに入射効率が悪いことから受光できる蛍光はさらに弱いことになる。
[0023] 図 2は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムの構成例を示す図で、カテ 一テル先端の構造の第 2の実施の形態に適用する例である。励起光入射用と蛍光 出力用にそれぞれ光ファイバを用いている点で図 1とは異なるので相違する構造の みを説明する。
光コネクタ 17の端部には 2つの光ファイバ端部 17a, 17bがあり、光ファイバ端部 17 aには蛍光出力を受信する出力光学系が図 1と同様に接続されている。一方、光ファ ィバ端部 17bには集光レンズ 18,反射鏡 16, 19,励起フィルタ 15および集光レンズ 14が配置され、半導体レーザなどの光源 13からの励起光を光ファイバ端部 17bに導
< o
この実施形態における光源側の反射鏡 16, 19はエバネッセントカテーテルの光コ ネクタ 17の入射側と射出側の間隔が小さいため用いている力 光源 13に小型の半 導体レーザ等を用いれば、省略することが可能である。また、半導体レーザは単色光 であるため、光源側に励起フィルタ用のバンドパスフィルタ等は不要となる。
[0024] 図 3は励起光と蛍光の分離光学系の一例を示す図である。
戻ってきた励起光の処理は図 3に示すように受光光学系にダイクロイツクミラーまた はノッチフィルタ 81を挿入して励起光を励起光吸収コ—ン 82に向けて送出する。検 出器 6に励起光が戻らな 、ようにして蛍光の相対的レベルを上げて 、る。
上記の 1枚のフィルタでは実質は 10—3〜10—4程度の減衰率である。このため、後述 の図 4の構造の実施の形態では測定が難しくなるため、ロックインアンプなどの信号 処理を行うことが必要である。また、後述の図 5以下の構造の実施の形態では 2枚以 上のフィルタを用いて励起光を防止する必要がある。実際の測定では暗黒化で行う ことは難しいため、蛍光帯域だけを透過するバンドパスフィルタの使用では外部光の 妨害を十分に除去するのは困難であり、ロックインアンプなどを利用した信号処理が 必要になる。
[0025] つぎにカテーテルの先端部の実施の形態を説明する。
図 4は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 1 の実施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図， （c)は斜視図を それぞれ示している。
カテーテル 21の先端部付近において光ファイバの半円に渡り保護層 22およびクラ ッド 23が除去された構造である。また、光ファイバの先端部に反射鏡を配置すること により、エバネッセント光の強度を高め、励起光の血液中への漏出を減少できる。除 去した部分の下半分のコア 24aに対向して円弧状に光学フィルタ 26が配置されてい る。さらにその背面にはフォトダイオード 28が同じように円弧状に配置されている。フ ォトダイオード 28は図示しな ヽ電線に接続され、電線はカテーテル 21の他端に到達 するように内装されている。
光学フィルタ 26は光の干渉作用を利用して任意の波長を数 nm力ゝら数 lOnmのバ ンド幅で取り出すことができる干渉フィルタなどが利用できる。例えば、蛍光物質とし てリボフラビンを用いれば 525nmを中心に数 nmから数 lOnm幅の波長域を通過さ せ、他の波長はカットされる。
[0026] 光学フィルタ 26は薄膜蒸着技術により、半円筒状のフォトダイオード 28は半導体作 成技術によりカテーテルの先端部に形成される。
この実施の形態は、測定項目毎に専用のカテーテルが必要であり、光学フィルタ 2 6の 1枚では励起光を完全にカットできないので、受光素子で受光した後、信号処理 回路にロックインアンプなどを挿入することが必要である。
このカテーテルの先端部の構造は図 1の信号処理装置では受光光学系は必要で はなく光源の励起光を送り出す光学系のみの構成であり、図示しな!、電線が検出器 用増幅器 7に入力する構成となる。
光ファイバ内に励起光 29が入射すると、エバネッセント光 25が剥き出しとなったコ ァ 24の上半分の表面に発生する。蛍光物質で発生する蛍光 30は光学フィルタ 26で 励起光 29が除かれてフォトダイオード 28に入射する。
この実施の形態は光ファイバが 1本であるため、カテーテルの外形が細くでき、通常 のカテーテルと同一サイズ以下にすることができる。酸素飽和度を測定する力テーテ ルは、通常 2本の光ファイバを用いている力 1本の光ファイバとしてカテーテルの外 形サイズを小さくすることができる。また、蛍光を受ける効率が高い。
[0027] 図 5は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 2 の実施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図， （c)は斜視図を それぞれ示している。
この実施の形態は図 2の信号処理装置を用いるものである。
励起光用の光ファイバの先端付近において半円に渡り保護層 32およびクラッド 33 が除去された構造である。また、光ファイバの先端部に反射鏡を配置することにより、 エバネッセント光の強度を高め、励起光の血液中への漏出を減少できる。蛍光受光 のための他方の光ファイバの対応する部分には軸はずし放物面鏡 36や平面鏡など の反射鏡が形成されて 、る。
[0028] 励起光用の光ファイバ内を励起光 38が入射すると、エバネッセント光 35が剥き出し となったコア 34の上半分の表面に発生する。蛍光物質で発生する蛍光 39は反射鏡 で反射され蛍光受光用の光ファイバの端部に導かれる。
酸素飽和度を測定するカテーテルは通常 2本の光ファイバを用いており、同じサイ ズでありながら、励起光と蛍光を異なる光ファイバを通して!/、るため励起光と蛍光の 分離は容易である。また、蛍光を受ける効率も比較的高ぐ製作も容易である。
[0029] 図 6は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 3 の実施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図をそれぞれ示して いる。
カテーテル 41の先端部付近においてクラッド 43が除去され、コア 44の先端部は円 柱先端部の一端力も斜め方向に切り取られた形状 44aになっている。切り取られた面 には軸はずし放物面鏡や平面鏡などの反射鏡 47が形成されている。
励起光 48が入射すると、エバネッセント光 45はクラッド 43が削除されたコア形状 44 aの上側表面に発生する。エバネッセト光 45で励起され蛍光物質力 発せられる蛍 光 49は反射鏡 47により反射され光ファイバを戻る。
[0030] 図 7は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 4 の実施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面断面図をそれぞれ示して いる。
カテーテル 51の先端部付近において上側半円に渡りクラッド 53が除去された構造 である。このクラッド 53を除去したコア部分 54aの下側半分の面はフレネル面と類似 の形状の反射鏡 57が多数形成されて ヽる。
励起光 58が入射すると、エバネッセント光 55はクラッド 53が削除されたコア形状 54 aの上側表面に発生する。エバネッセト光 55で励起され蛍光物質力も発せられる蛍 光 59は多数の反射鏡 57により反射され光ファイバを戻る。
[0031] 上記第 3,第 4の実施の形態は図 1の信号処理装置を用いるものである。
また、これらカテーテルはその外形を細くでき製作が容易であり、特に第 3の構造は 簡単に製作できる。しかしながら反射鏡の影響でエバネッセント光以外の光が強く漏 出する。検出面積は第 2の実施の形態と略同じ程度であり、蛍光を受ける効率は低 V、ので、信号処理装置で励起光と蛍光信号の十分な分離が必要となる。
[0032] 図 8は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 5 の実施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面図をそれぞれ示している。 カテーテル 61の先端部付近において保護層 62およびクラッド 63が除去され、コア 64は円錐形状になって!/、る。
励起光 68が入射すると、円錐形状のコア 64aの表面全体にエバネッセント光 65が 発生する。エバネッセント光 65により蛍光物質で発せられ蛍光 69は光ファイバを戻る この実施の形態はカテーテルの外形を細くでき製作が容易である。なお、光フアイ バのテーパの影響でエバネッセント光以外が強く漏出する。検出面積は狭ぐ蛍光を 受ける効率は低 、ので、信号処理装置で励起光と蛍光信号の十分な分離が必要と なる。
[0033] 図 9は、本発明によるエバネッセントカテーテルシステムのカテーテル先端部の第 6 の実施の形態を示す図で、（a)は正面断面図， （b)は側面図をそれぞれ示している。 カテーテル 71の先端部付近において保護層 72のみが除去され円柱形のクラッド 7 3aが露出している。この露出したクラッド 73の先端部 73aの内部はコア 74が螺旋状 7 4aに形成されている。また、光ファイバの終端部に反射鏡 77を形成することにより、 エバネッセント光の強度を高め、励起光の血液中への漏出を減少できる。
励起光 79がクラッド 73aに突き抜ける。これによりクラッド 73aの表面にエバネッセン ト光 75が発生する。また、反射鏡 77で反射した励起光は同様に励起光 79の進行方 向に対し波形状 74aの立ち下がり面でクラッド 73aに突き抜け、クラッド 73aの表面で エバネッセント光 75を発生させる。エバネッセント光 75により蛍光物質で発せられた 蛍光 80は、逆の経路で光ファイバに捉えられ、入射端へ戻る。
この実施の形態は上記と同様、カテーテルの外形を細くでき、検出面積を他の実 施の形態に比較し広くすることができる。光ファイバの蛇行の影響でエバネッセント光 以外の光が強く漏出する。また蛇行光ファイバの製作は他の実施の形態に比べ難し くなる。戻る励起光も多くなるため、信号処理装置で励起光と蛍光信号の十分な分離 が必要となる。
[0034] 図 10は、エバネッセントカテーテルの一例を示す図である。
カテーテルは光ファイバを挿入する部分，サンプリングポートおよび液体または薬剤 投与ポートを持っている。光ファイバの端部にはコネクタが接続されており、信号処理 装置である測定装置に接続される。
図 11はエバネッセントカテーテルを生体組織中に留置した状態を示す図である。 上腕部根元力 カテーテルを挿入し、心臓の所定の静脈部分に先端部が達して 、る 。本発明によれば、生体組織中にもかかわらず、血中ヘモグロビンの影響を軽減した 蛍光物質の存在量の測定を可能にするものであり、励起光に対し測定可能な蛍光出 力を得るカテーテルの先端部の構造を提供できるものである。
産業上の利用可能性
[0035] 臨床検査や薬剤モニタするために生体組織中に導入して血中濃度変化などを測 定するカテーテルシステムである。

Claims

請求の範囲
[1] クラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバを血中に留置してエバネッセント光 を発生させ、該ェバネッセント光で励起された蛍光物質からの蛍光を検出して蛍光 強度に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムで あって、
前記光ファイバの円柱形状先端の前記コアを覆うクラッドの略半分を除去すること により前記コアの上側円柱形状面にエバネッセント光を発生させ、
前記クラッド層を除去して露出したコアの下側円柱形状面に、所定波長領域の蛍 光を通過させる光学フィルタを配置し、該光学フィルタの背面に受光素子を配置し、 該受光素子で前記蛍光物質力 の蛍光を検出することを特徴とするエバネッセント力 テーテノレシステム。
[2] 励起光を送出するための第 1の光ファイバと、蛍光を受光するための第 2の光フアイ ノなりなり、前記第 1の光ファイバのクラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバ を血中に留置してエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光で励起された蛍 光物質からの蛍光を前記第 2の光ファイバで受光して蛍光強度に基づき血中の物質 の存在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムであって、
前記第 1の光ファイバの円柱形状先端の前記コアを覆うクラッド層の略半分を除去 することにより前記コアの上側円柱形状面にエバネッセント光を発生させ、
前記クラッドの略半分を除去したコアに対向する前記第 2の光ファイバ中に反射鏡 を配置し、該反射鏡で前記蛍光物質からの蛍光を反射することにより第 2の光フアイ バの出力端に前記蛍光を導くことを特徴とするエバネッセントカテーテルシステム。
[3] クラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバを血中に留置してエバネッセント光 を発生させ、該ェバネッセント光で励起された蛍光物質からの蛍光を検出して蛍光 強度に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムで あって、
前記光ファイバの円柱形状先端のコア全周囲のクラッド層を除去し、クラッド層を除 去したコア部分の先端上部より根元に向かって傾斜面を形成し、該傾斜面に反射鏡 を配置することにより前記除去したコアの円柱形状上面にエバネッセント光を発生さ せ、
前記反射鏡で前記蛍光物質からの蛍光を反射することにより光ファイバの出力端 に前記蛍光を導くことを特徴とするエバネッセントカテーテルシステム。
[4] クラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバを血中に留置してエバネッセント光 を発生させ、該ェバネッセント光で励起された蛍光物質からの蛍光を検出して蛍光 強度に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムで あって、
前記光ファイバの円柱形状先端の前記コアを覆うクラッドの略半分を除去し、前記 クラッドを除去して露出したコアの円柱形状上面にエバネッセント光を発生させ、前 記クラッドを除去したコアの円柱形状面の下側円柱形状面に、光軸に対し所定の傾 斜角になるように多数の反射鏡を配列することにより、
前記多数の反射鏡で前記蛍光物質からの蛍光を反射することにより光ファイバの 出力端に前記蛍光を導くことを特徴とするエバネッセントカテーテルシステム。
[5] クラッド層を除去し、コア層を露出した光ファイバを血中に留置してエバネッセント光 を発生させ、該ェバネッセント光で励起された蛍光物質からの蛍光を検出して蛍光 強度に基づき血中の物質の存在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムで あって、
前記光ファイバの円柱形状先端の前記クラッド層を除去したコア部分を、光軸に対 し所定の角度になるような円錐形状に形成することにより、
前記円錐形状のコア部分の表面にエバネッセント光を発生させ、
前記蛍光物質からの蛍光を前記円錐形状のコア部分で反射させ光ファイバの出力 端に前記蛍光を導くことを特徴とするエバネッセントカテーテルシステム。
[6] 光ファイバの先端を血中に留置してエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント 光で励起された蛍光物質力 の蛍光を検出して蛍光強度に基づき血中の物質の存 在量を測定するエバネッセントカテーテルシステムであって、
前記光ファイバの円柱形状先端の前記クラッド層の保護層を削除するとともに該ク ラッド層内のコアを螺旋状に形成し、
前記螺旋状のコアより漏れる励起光がクラッド層の円柱形状表面に達することにより 該クラッド層の円柱形状表面にエバネッセント光を発生させ、 前記蛍光物質からの蛍光を前記螺旋状のコア部分で反射させ光ファイバの出力端 に前記蛍光を導くことを特徴とするエバネッセントカテーテルシステム。
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