WO2012147379A1 - 光走査型プローブ - Google Patents

Abstract

　可撓管と、可撓管内に軸中心に回転自在に支持された走査光伝送用の光ファイバと、光ファイバと一体に回転する、該光ファイバからの走査光を発散光束から平行光束もしくは収束光束へ変換する正のパワーを持った対物レンズとを有し、走査光を偏向して被写体に照射する偏向面を対物レンズに設ける。

Description

光走査型プローブ

　本発明は、被写体を光走査する光走査型プローブに関する。

　体腔内の生体組織を撮像する撮像システムとして光走査システムが知られている。例えば特開平１１－５６７８６号公報（以下、「特許文献１」と記す。）には、光走査システムの具体的構成例として、消化器や気管支等の管腔表層付近の微細構造を撮像するＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）システムが記載されている。

　特許文献１に記載のＯＣＴシステムは、管腔に挿入するＯＣＴプローブを有している。特許文献１に記載のＯＣＴプローブは、光源から射出された低コヒーレンス光を光ファイバにより伝送して管腔側壁に照射する。低コヒーレンス光は、光ファイバの軸周りの回転に伴い管腔側壁を周方向に走査する。ＯＣＴシステムは、走査光が管腔のどの位置、どの深さでどの程度反射し又は散乱したかを低コヒーレンス干渉法の原理に基づいて計測し、計測結果を用いて管腔の断層画像データを演算し生成する。生成される管腔の断層画像は、現在一般的に用いられている、超音波システム等による断層画像よりも高解像度である。

　特許文献１に記載のＯＣＴプローブにおいて、光ファイバの先端には、低コヒーレンス光を集光するＧＲＩＮレンズが結合している。ＧＲＩＮレンズの先端面には、低コヒーレンス光の光路を管腔側壁に向けて屈曲させるマイクロプリズムが連結固着している。この種のマイクロプリズムは微小な光学部品であるため、加工が困難という問題を抱えている。また、一般に管腔側壁等の被検物体からの散乱光は非常に微弱であるため、光学系に依存する光量損失をできる限り抑えたいという要望がある。

　本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造を容易化すると共に光学系に依存する光量損失を抑えるのに好適な光走査型プローブを提供することである。

　上記の課題を解決する本発明の一形態に係る光走査型プローブは、可撓管と、可撓管内に軸中心に回転自在に支持された走査光伝送用の光ファイバと、光ファイバと一体に回転する、該光ファイバからの走査光を発散光束から平行光束もしくは収束光束へ変換する正のパワーを持った対物レンズとを有する装置である。本発明に係る対物レンズは、走査光を偏向して被写体に照射する偏向面を有することを特徴とする。

　本発明によれば、光走査型プローブにおいて従来必須の構成要素とされていた微小で加工が困難なマイクロプリズムが不要であるため、単に部品点数及び加工工数が削減されるだけに留まらず、製造が容易化すると共に走査光透過面の減少（従来あったマイクロプリズムとＧＲＩＮレンズとの接合面の削減）により走査光の光量損失が抑えられる。

　対物レンズは、例えばＧＲＩＮレンズである。ＧＲＩＮレンズの偏向面は、軸に対して斜めに傾いた、ＧＲＩＮレンズの被写体側の端面としてもよい。

　対物レンズの偏向面は、一方向に所定の曲率を有するシリンドリカル面としてもよい。シリンドリカル面の曲率は、走査光がＧＲＩＮレンズ及び可撓管を透過する際に生じる非点収差を補正する大きさに設定されてもよい。

　対物レンズの偏向面は、走査光を反射するコートが施された反射面、又は走査光を全反射する全反射面であってもよい。

　本発明に係る光走査型プローブは、対物レンズの偏向面に固着され、対物レンズとの合成重心を光ファイバの軸上に位置させる重心調節部材を有した構成としてもよい。

　本発明によれば、製造を容易化すると共に光学系に依存する光量損失を抑えるのに好適な光走査型プローブが提供される。

本発明の実施形態のＯＣＴシステムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態のＯＣＴプローブの内部構造を示す内部構造図である。 本発明の実施形態のＯＣＴプローブが有するＧＲＩＮレンズの外観形状図である。 別の実施形態のＯＣＴプローブが有するＧＲＩＮレンズの外観形状図である。 別の実施形態のＯＣＴプローブの内部構造を示す内部構造図である。

　以下、図面を参照して、本発明に係る光走査型プローブを有する光走査システムの具体的構成について説明する。本実施形態においては、光走査システムの具体的構成として、低コヒーレンス干渉法の原理に基づく測定を行い、その測定データを用いて画像を生成するＯＣＴシステムを例示する。

　図１は、本実施形態のＯＣＴシステム１の概略構成を示すブロック図である。図１中、電気信号の経路は、二点鎖線で、光ファイバによる光路は、実線で、空気中又は生体組織内を進む光の光路は、破線で、それぞれ示される。以降の説明においては、ＯＣＴシステム１の光路中、光源に近づく方向を基端側と定義し、遠ざかる方向を先端側と定義する。

　図１に示されるように、ＯＣＴシステム１は、消化器や気管支等である管腔Ｔの表層付近の像を取得するためのＯＣＴプローブ１０を有している。ＯＣＴプローブ１０は、プローブスキャニングデバイス３０を介してシステム本体部２０と接続されている。具体的には、プローブスキャニングデバイス３０は、ＯＣＴプローブ１０が有する光ファイバ１１の基端と、システム本体部２０のファイバ干渉計２１からシステム本体部２０の外部に延びるプローブ用光ファイバ２２の先端とを光学的に接続している。図１においては、図面を簡略化する便宜上、ＯＣＴプローブ１０の構成を、ＯＣＴ観察系の原理の説明に必要な最小限の図示に留めている。また、説明の便宜上、ＯＣＴプローブ１０の中心軸（設計上、光ファイバ１１の回転中心軸と一致する軸）を「基準軸ＡＸ」と記す。

　システム本体部２０は、ファイバ干渉計２１、プローブ用光ファイバ２２に加えて、低コヒーレンス光源２３、信号処理回路２４、供給用光ファイバ２５、参照用光ファイバ２６、レンズ２７、ダハミラー２８、コントローラ２９を有している。コントローラ２９は、低コヒーレンス光源２３の発光制御、信号処理回路２４の制御、ダハミラー２８及びプローブスキャニングデバイス３０の各モータの駆動など、ＯＣＴシステム１の各種制御を統括的に行う。

　低コヒーレンス光源２３は、低コヒーレント光を射出可能な光源であり、具体的には、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）である。低コヒーレンス光源２３から射出された低コヒーレンス光は、供給用光ファイバ２５の基端に入射する。供給用光ファイバ２５は、入射した低コヒーレンス光をファイバ干渉計２１に伝送する。ファイバ干渉計２１は、供給用光ファイバ２５からの低コヒーレンス光を光カップラ等によって２つの光路に分離する。分離された一方は、物体光としてプローブ用光ファイバ２２を伝送する。もう一方は、参照光として参照用光ファイバ２６を伝送する。

　プローブスキャニングデバイス３０は、プローブ用光ファイバ２２の先端と光ファイバ１１の基端とを結合するロータリージョイント３１を有している。ロータリージョイント３１には、図示省略された伝達機構を介してラジアルスキャン用モータ３２が連結している。ロータリージョイント３１は、ラジアルスキャン用モータ３２の駆動に伴い、光ファイバ１１をプローブ用光ファイバ２２に対して基準軸ＡＸ周りに回転させる。プローブ用光ファイバ２２を伝送した物体光は、ロータリージョイント３１を介して光ファイバ１１の基端に入射する。

　図２は、ＯＣＴプローブ１０の内部構造を示す内部構造図である。図２に示されるように、ＯＣＴプローブ１０は、光ファイバ１１、フェルール１２、ＧＲＩＮレンズ１３を有している。光ファイバ１１、フェルール１２、ＧＲＩＮレンズ１３の各構成要素は、ほぼ円柱形状を有しており、ＯＣＴプローブ１０の外観をなす管状のアウターシース１５に収容されている。アウターシース１５は、ＯＣＴプローブ１０を管腔に挿入するため、可撓性を有する材料で構成されている。

　光ファイバ１１は、フェルール１２内部の基準軸ＡＸ上に保持され、熱硬化型接着剤１０３により接着されている。光ファイバ１１の先端面は、フェルール１２の先端面と同一面に配置され、ＧＲＩＮレンズ１３と光学的かつ機械的に接続している。

　光ファイバ１１の基端に入射した物体光は、光ファイバ１１を伝送してＧＲＩＮレンズ１３に入射する。ＧＲＩＮレンズ１３の偏向面１３Ｒは、基準軸ＡＸに対して斜めに傾いた面であり、物体光を反射するためアルミ等の金属膜がコートされている。

　物体光は、正のパワーを持つＧＲＩＮレンズ１３により発散光束から平行光束もしくは収束光束へ変換されながら、基準軸ＡＸと交差する偏向面１３Ｒ上の点をほぼ中心とした領域に入射し反射する。反射により光路が屈曲した物体光は、アウターシース１５を透過して管腔Ｔの側壁に向けて射出する。少なくともＧＲＩＮレンズ１３とアウターシース１５との間の光路には、屈折率差に起因する光量損失を抑えるため、シリコンオイル等の液体が充填されている。

　偏向面１３Ｒで屈曲した物体光が射出するＧＲＩＮレンズ１３の外周面は、ＧＲＩＮレンズ１３が円柱形状であることから、シリンドリカル面として作用する。また、物体光が透過するアウターシース１５の内周面及び外周面も、アウターシース１５が管状であることから、シリンドリカル面として作用する。そのため、非点収差が発生する。

　そこで、偏向面１３Ｒは、ＧＲＩＮレンズ１３及びアウターシース１５の物体光透過面により発生する非点収差を打ち消すように、所定のシリンドリカル面形状を有している。図３（ａ）は、ＧＲＩＮレンズ１３の外観側面図である。図３（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図３（ａ）中矢印Ａ、Ｂ方向からＧＲＩＮレンズ１３に臨んだときの外観図である。図３に示されるように、偏向面１３Ｒは、基準軸ＡＸと直交する方向（便宜上、「サジタル面方向」と記す。）に外観上凹となる曲率を持ち、サジタル面方向に直交する方向（便宜上、「メリディオナル面方向」と記す。）には曲率を持たない。そのため、物体光のメリディオナル像面位置に対するサジタル像面の相対的な位置をシリンドリカル面の曲率によりコントロールすることができ、非点収差を低減させることができる。偏向面１３Ｒのシリンドリカル面をこのように設計すると、メリディオナル像面とサジタル像面の両方をＧＲＩＮレンズ１３単体での像面位置（ここではメリディオナル像面位置）近傍に合わせることができるため、設計上必要な計算等が容易となり有利である。

　ＧＲＩＮレンズ１３は、フェルール１２と共に光ファイバ１１に固定されている。そのため、ラジアルスキャン用モータ３２の駆動に伴い、光ファイバ１１からＧＲＩＮレンズ１３までの構成全体が一体となって基準軸ＡＸを中心に回転する。これにより、物体光は、管腔Ｔを周方向に走査する。

　低コヒーレンス光には、可視光よりも生体内に進達する特性を持つ近赤外光が一般的に使用される。物体光は、管腔Ｔへ照射され表層付近に進達して反射し又は散乱して、その一部がＧＲＩＮレンズ１３に入射する。ＧＲＩＮレンズ１３に入射した戻り光は、光ファイバ１１、ロータリージョイント３１、プローブ用光ファイバ２２を介してファイバ干渉計２１に戻る。

　参照光は、参照用光ファイバ２６を伝送して参照用光ファイバ２６の先端から射出してレンズ２７に入射する。レンズ２７は、参照光を発散光束から平行光束に変換して射出する。ダハミラー２８は、レンズ２７から射出された平行光束を折り返してレンズ２７に再度入射させる。ダハミラー２８は、参照光の光路長を可変するため、図示省略された駆動機構によって、光軸方向（図１中矢印方向）に移動自在に支持されている。レンズ２７に戻された参照光は、参照用光ファイバ２６を介してファイバ干渉計２１に戻る。

　ファイバ干渉計２１では、低コヒーレンス干渉計の原理を利用した干渉信号の計測が行われる。具体的には、ファイバ干渉計２１では、プローブ用光ファイバ２２から戻された物体光と、参照用光ファイバ２６から戻された参照光のうち、互いの光路長がほぼ一致する場合のみ干渉信号が得られる。また、干渉信号の強度は、ダハミラー２８の位置（参照光の光路長）に対応する管腔Ｔの特定の位置（物体光の光路長）で起こった物体光の反射や散乱の程度に応じて決まる。

　ファイバ干渉計２１は、物体光と参照光との干渉パターンに対応する干渉信号を信号処理回路２４に出力する。信号処理回路２４は、入力した干渉信号に所定の処理を施して、干渉信号に対応する走査位置に応じた画素アドレスの割当てを行う。管腔Ｔの周方向の走査位置は、ラジアルスキャン用モータ３２の駆動量により特定され、管腔Ｔの深さ方向の走査位置は、ダハミラー２８用の駆動モータ（不図示）の駆動量により特定される。

　信号処理回路２４は、割り当てた画素アドレスに従って、各干渉信号が表現する点像の空間的配列によって構成される画像の信号を、図示省略されたフレームメモリにフレーム単位でバッファリングする。バッファリングされた信号は、所定のタイミングでフレームメモリから掃き出されて、表示装置４０が有する情報処理端末４１に出力される。情報処理端末４１は、入力した信号に所定の処理を施して映像信号に変換し、管腔Ｔの表層付近の画像をモニタ４２に表示させる。

　本実施形態のＯＣＴプローブ１０においては、微小なマイクロプリズムを不要な構成としたことで、部品点数及び加工工数が削減されるだけに留まらず、マイクロプリズムよりも大きいＧＲＩＮレンズ１３に反射面加工を施す構成となるため製造が容易化する。また、物体光透過面の減少（従来あったマイクロプリズムとＧＲＩＮレンズとの接合面の削減）により物体光の光量損失が抑えられる。

　以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、上記の構成に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば本発明は、ＴＤ－ＯＣＴ（Time Domain OCT）方式のＯＣＴシステムに限らず、ＳＤ－ＯＣＴ（Spectral Domain OCT）方式、ＳＳ－ＯＣＴ（Swept Source OCT）方式等のＦＤ－ＯＣＴ（Fourier Domain OCT）方式のＯＣＴシステムにも適用することができる。

　偏向面１３Ｒの外側の媒質が例えば空気等のＧＲＩＮレンズ１３よりも屈折率が低い媒質である場合、偏向面１３Ｒは、反射面加工を特に施さない全反射面であってもよい。

　図４（ａ）は、別の実施形態のＧＲＩＮレンズ１３の外観側面図である。図４（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図４（ａ）中矢印Ａ、Ｂ方向からＧＲＩＮレンズ１３に臨んだときの外観図である。図４に示されるように、別の実施形態の偏向面１３Ｒは、メリディオナル面方向に外観上凸となる曲率を持ち、サジタル面方向には曲率を持たない。そのため、物体光のサジタル像面位置に対するメリディオナル像面の相対的な位置をシリンドリカル面の曲率によりコントロールすることができ、非点収差を低減させることができる。偏向面１３Ｒのシリンドリカル面をこのように設計すると、ＧＲＩＮレンズ１３が本来全て負担すべきパワーを反射面１３Ｒに一部負担させることができる。そのため、ＧＲＩＮレンズ１３の全長を短く設計することができる。ＯＣＴプローブ１０中の可撓性を有さない領域の長さが短くなるため、ＯＣＴプローブ１０を管腔により一層挿入させやすくなる。

　図５は、更に別の実施形態のＯＣＴプローブ１０の内部構造を示す内部構造図である。図５において、図２のＯＣＴプローブ１０と同一の又は同様の構成には同一の又は同様の符号を付して説明を簡略又は省略する。

　ＧＲＩＮレンズ１３は、重心が基準軸ＡＸに対してずれている。そのため、光ファイバ１１の先端及びＧＲＩＮレンズ１３は、ラジアルスキャン用モータ３２の駆動力が伝達されると基準軸ＡＸ周りに首振り運動する。そこで、別の実施形態のＯＣＴプローブ１０においては、図５に示されるように、偏向面１３Ｒの裏面に重心調節部材１２１を接着固定した。図５に示すＯＣＴプローブ１０は、偏向面１３Ｒの裏面に重心調節部材１２１が接着固定されている以外、図２に示すＯＣＴプローブ１０と同一の構成を有している。

　ＧＲＩＮレンズ１３と重心調節部材１２１は、同一の材料又は比重がほぼ同じ材料で構成されている。そのため、ＧＲＩＮレンズ１３と重心調節部材１２１との合成重心は、基準軸ＡＸ上に位置する。光ファイバ１１の先端に固着した全部品（フェルール１２、ＧＲＩＮレンズ１３、重心調節部材１２１）の合成重心が光ファイバ１１の回転中心軸上に位置するため、光ファイバ１１の先端部がほぼ基準軸ＡＸ上で安定して回転する。偏向面１３Ｒの位置も基準軸ＡＸ周りで安定するため、焦点位置が安定する。

　重心調節部材１２１は、ＧＲＩＮレンズ１３との合成重心を基準軸ＡＸ上に位置させると共にアウターシース１５内での回転運動を阻害しない形状であれば、体積、材料、比重等に関する制限は特にない。

　シリコンオイルのような粘性の高い流体内で部材を高速回転させると、キャビテーションによる壊食現象が懸念される。そこで、重心調節部材１２１は、ＧＲＩＮレンズ１３とほぼ同径の円柱をベース形状とし、基端面が偏向面１３Ｒに対応する形状（偏向面１３Ｒの転写形状）を有している。ＧＲＩＮレンズ１３と重心調節部材１２１は同軸になるように接着されているため、両部材のエッジ（偏向面１３Ｒのエッジと重心調節部材１２１の基端面のエッジ）が外形輪郭に現れない。更に、重心調節部材１２１の先端エッジは曲面状に面取りされている。すなわち、外形輪郭上エッジが現れないため、回転動作中に流体抵抗が大きい箇所が無く、キャビテーションの発生が有効に抑えられる。

　重心調節部材１２１は、ＧＲＩＮレンズ１３に接着されることにより、偏向面１３Ｒを保護する機能も兼ねている。

Claims (7)

1. 　可撓管と、
   　前記可撓管内に軸中心に回転自在に支持された走査光伝送用の光ファイバと、
   　前記光ファイバと一体に回転する、該光ファイバからの走査光を発散光束から平行光束もしくは収束光束へ変換する正のパワーを持った対物レンズと、
   を有し、
   　前記対物レンズは、前記走査光を偏向して被写体に照射する偏向面を有することを特徴とする光走査型プローブ。
2. 　前記対物レンズは、ＧＲＩＮレンズであることを特徴とする、請求項１に記載の光走査型プローブ。
3. 　前記偏向面は、前記軸に対して斜めに傾いた、前記ＧＲＩＮレンズの前記被写体側の端面であることを特徴とする、請求項２に記載の光走査型プローブ。
4. 　前記偏向面は、一方向に所定の曲率を有するシリンドリカル面であることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れか一項に記載の光走査型プローブ。
5. 　前記シリンドリカル面の曲率は、前記走査光が前記対物レンズ及び前記可撓管を透過する際に生じる非点収差を補正する大きさに設定されていることを特徴とする、請求項４に記載の光走査型プローブ。
6. 　前記偏向面は、前記走査光を反射するコートが施された反射面、又は前記走査光を全反射する全反射面であることを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光走査型プローブ。
7. 　前記偏向面に固着され、前記対物レンズとの合成重心を前記光ファイバの軸上に位置させる重心調節部材
   を有することを特徴とする、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の光走査型プローブ。

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