JP5655805B2 - 光プローブおよび光学的測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光干渉断層撮像（Optical Coherence Tomography: ＯＣＴ）の手法を用いて測定するために使用される光プローブに関するものである。

血管などの管腔形状の対象物の内腔の断層構造を測定する手法として光干渉断層撮像（ＯＣＴ）が知られており、また、このＯＣＴ測定のために対象物の内腔に挿入されて使用される光プローブも知られている（特許文献１参照）。ＯＣＴ測定は、シングルモード光ファイバの先端（遠位端）に接続されたグレーデッドインデックス光ファイバをレンズとして機能させて、ワーキングディスタンスが１ｍｍより長く、スポットサイズが１００μｍより小さくなるように構成することで、１ｍｍより大きな内半径を持つ対象物を１００μｍより細かい空間分解能で光学的に測定することができる。

ＯＣＴ測定では、光源から出力された光を２分岐して照明光および参照光とし、照明光を光プローブにより対象物に照射し、その照射に伴い対象物で生じた後方反射光を光プローブにより光検出器に導くとともに、参照光をも光検出器に導く。そして、後方反射光と参照光とによる干渉光を光検出器により検出し、分析部により後方反射光のスペクトルを分析して対象物の内部における物質の分布情報を画像情報として取得する。

米国特許６,４４５,９３９号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１５１８２３号明細書

R. E. Schuh, Electronics Letters,Vol.31, No.20, pp.1172-1173 (1995) R. Ulrich, Optics Letters, Vol.5,No.6, pp.273-275 (1980) M. Legre, JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY, Vol.21, No.12, pp.3374-3378 (2003)

従来の光プローブを用いたＯＣＴ装置では、光プローブが曲げられた場合に、光プローブを伝搬する照明光および後方反射光それぞれの偏波状態が変動し、それによって検出感度が変動するという問題があった。その問題は偏波状態ごとに後方反射光を分けて検出するなどの方法で解消することが可能であったが、その方法のために追加の検出器が必要となって装置コストが上がるという問題があった。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光プローブが曲げられた場合であっても検出感度の変動を抑制することができる光学測定方法、および、そのような方法に用いるのに適した光プローブを提供することを目的とする。

本発明の光プローブは、(1) 近位端と遠位端の間で光を伝送する光ファイバと、(2) 近位端において光ファイバと接続されている光コネクタと、(3) 遠位端において光ファイバに接続され、光ファイバの遠位端から出射される光を集光する集光光学系と、(4) 遠位端において光ファイバと接続され、光ファイバの遠位端から出射される光を偏向する偏向光学系と、(5) 光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延び、近位端において光コネクタに対して固定されているとともに、遠位端において光ファイバ，集光光学系および偏向光学系の何れかに対して固定されているサポートチューブと、(6) サポートチューブを包囲してサポートチューブに沿って延び、光ファイバ，光コネクタ，集光光学系，偏向光学系およびサポートチューブに対して回転自在であるジャケットチューブと、を備えことを特徴とする。さらに、光ファイバが、光ファイバの軸を中心として１回転／ｍ以上５０回転／ｍ以下の回転数（ピッチ）で捻られてサポートチューブに対して固定されていることを特徴とする。

本発明の光プローブでは、サポートチューブが複数本の線状体を撚り合わせて捻られた構造を持ち、コネクタから回転を導入しないフリーの状態において光ファイバの捻りの方向とサポートチューブの捻りの方向とが互いに逆であるのが好適である。

本発明の光学的測定方法は、上記の本発明の光プローブと、近赤外光を発生させる光源と、光源から発せられた近赤外光を円偏波状態に変換して出力する偏波状態調整部と、偏波状態調整部から出力された近赤外光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部と、近赤外光を検出する光検出器と、近赤外光の減衰スペクトルを分析して当該分析結果を画像情報として取得する分析部と、を用い、光分岐部から出力された照明光を光ファイバの近位端に入射させ遠位端から出射させて対象物に照射し、その照射に伴い対象物で生じた後方反射光を光ファイバの遠位端に入射させ近位端から出射させて光検出器に導くとともに、光分岐部から出力された参照光をも光検出器に導いて、後方反射光と参照光とによる干渉光を光検出器により検出し、分析部により後方反射光のスペクトルを分析して対象物の内部における物質の分布情報を画像情報として取得することを特徴とする。

本発明の光学的測定方法では、サポートチューブが複数本の線状体を撚り合わせて捻られた構造を持ち、コネクタから回転を導入しないフリーの状態において光ファイバの捻りの方向とサポートチューブの捻りの方向とが互いに逆であり、サポートチューブの捻りの方向と逆の方向に、光ファイバ，光コネクタ，集光光学系，偏向光学系およびサポートチューブを一体として回転させながら、対象物の内部を照明光でスキャンするのが好適である。また、光ファイバ，光コネクタ，集光光学系，偏向光学系およびサポートチューブを一体として回転させることによって、光ファイバを５回転／ｍ以上５０回転／ｍ以下の回転数で捻るのが好適である。

本発明によれば、光プローブが曲げられた場合であっても検出感度の変動を抑制することができる。

本実施形態の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置１の構成を示す図である。 本実施形態の光プローブ１０の内部構造を示す図である。 本実施形態の光プローブ１０におけるサポートチューブ１５の構造を示す図である。 基準捻れレートと曲げ半径との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置１の構成を示す図である。ＯＣＴ装置１は、光プローブ１０および測定部３０を備え、対象物３の光干渉断層画像を取得する。

光プローブ１０は、近位端１１ａと遠位端１１ｂとの間で光を伝送する光ファイバ１１と、近位端１１ａにおいて光ファイバ１１と接続されている光コネクタ１２と、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ１１と光学的に接続されている集光光学系１３および偏向光学系１４と、光ファイバ１１を包囲して光ファイバ１１に沿って延びるサポートチューブ１５およびジャケットチューブ１６と、を備える。光コネクタ１２は測定部３０に光学的に接続される。

測定部３０は、近赤外光を発生させる光源３１と、光源３１から発せられた近赤外光を円偏波状態に変換して出力する偏波状態調整部３８と、偏波状態調整部３８から出力された近赤外光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部３２と、光分岐部３２から到達した光を検出する光検出器３３と、光分岐部３２から到達した参照光を出力する光端末３４と、光端末３４から出力された参照光を光端末３４へ反射させる反射鏡３５と、光検出器３３により検出された光のスペクトルを分析する分析部３６と、分析部３６による分析の結果を出力する出力ポート３７と、を備える。

測定部３０において、光源３１から直線偏波状態を持つ近赤外光が出力され、その近赤外光は偏波状態調整部３８により円偏波状態に変換される。偏波状態調整部３８から出力された円偏波状態の近赤外光は、光分岐部３２により２分岐され照明光および参照光として出力される。光分岐部３２から出力された照明光は、光コネクタ１２を経て光ファイバ１１の近位端１１ａに入射され、光ファイバ１１により導光されて遠位端１１ｂから出射されて、集光光学系１３および偏向光学系１４を経て対象物３に照射される。その対象物３への照明光の照射に応じて生じた後方反射光は、偏向光学系１４および集光光学系１３を経て光ファイバ１１の遠位端１１ｂに入射され、光ファイバ１１により導光されて近位端１１ａから出射されて、光コネクタ１２および光分岐部３２を経て光検出器３３に結合される。

光分岐部３２から出力された参照光は、光端末３４から出射されて反射鏡３５で反射され、光端末３４および光分岐部３２を経て検出器３３に結合される。対象物３からの後方反射光と参照光とは光検出器３３において干渉し、この干渉光が光検出器３３により検出される。干渉光のスペクトルは分析部３６に入力される。分析部３６において、干渉光のスペクトルの解析が行われ、対象物３の内部の各点における後方反射効率の分布が計算される。その計算結果に基づいて対象物３の断層画像が計算される。

光プローブ１０中の光ファイバ１１，集光光学系１３，偏向光学系１４およびサポートチューブ１５は、ジャケットチューブ１５の内腔の中で一体となって回転することができる。この回転によって対象物３を照明光でスキャンすることができる。対象物３を照明光で一箇所ずつスキャンしながら、各箇所での反射率分布を計算することにより、対象物３の断層画像が計算され、画像信号として信号出力ポート３７から出力される。

なお、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射された照明光が対象物３を経由して再び光ファイバ１１の遠位端１１ｂに戻るメカニズムとしては、厳密には反射や屈折や散乱がある。しかし、それらの違いは本発明にとっては本質的でないので、簡潔化のために本明細書ではこれらを総称して後方反射と呼ぶ。

図２は、本実施形態の光プローブ１０の内部構造を示す図である。光ファイバ１１は、一般的なシングルモード光ファイバであり、高屈折率のコアおよび低屈折率のクラッドを含むガラス繊維１１ｃが樹脂被覆１１ｄによって覆われた構造を持つ。光ファイバ１１は、近位端１１ａにおいて光コネクタ１２に対して固定され、遠位端１１ｂにおいてサポートチューブ１５に対して接着剤１７を介して接着固定される。光ファイバ１１は、捻られており、それによって発生した円複屈折を有する。光コネクタ１２との固定部位およびサポートチューブ１５との固定部位においては、樹脂被覆１１ｄが除去されており、光コネクタ１２およびサポートチューブ１５はガラス繊維１１ｃに対して固定される。それにより、光コネクタ１２を回転させたときに、ガラス繊維１１ｃに対してトルクを効率的に伝達することができる。

光ファイバ１１の遠位端１１ｂには、集光光学系１３としてのグレーデッドインデックス（GRIN）レンズと偏向光学系１４としてのミラーとが直列的に融着接続されて設けられている。集光光学系１３は、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射される光を集光する。偏向光学系１４は、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射される光を径方向へ偏向する。レンズ（集光光学系１３）およびミラー（偏向光学系１４）は、石英ガラスまたはホウケイ酸ガラスで構成される。

光ファイバ１１はサポートチューブ１５の内腔に収納されている。サポートチューブ１５は、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ１１に接着固定されるとともに、近位端１１ａにおいて光コネクタ１２に対して固定されている。その結果、光コネクタ１２を回転させると、それと共にサポートチューブ１５も回転し、さらに回転トルクが光ファイバ１１に伝達され、光ファイバ１１，集光光学系１３，偏向光学系１４およびサポートチューブ１５が一体となって回転する。

図３は、本実施形態の光プローブ１０におけるサポートチューブ１５の構造を示す図である。サポートチューブ１５は、近位端１５ａにおいて光コネクタ１２に接続され、遠位端１５ｂにおいて光ファイバ１１に接続される。サポートチューブ１５は、ステンレス、Ｃｏ−Ｃｒ合金またはＮｉ−Ｔｉ合金で構成される複数本（典型的には５〜５０本）の金属線１５ｃが中空型に撚り合わされて捻られた構造を有する。サポートチューブ１５は、０.１５ｍｍ以上の厚さを持つと共に、１００〜３００ＧＰａのヤング率を持つ。それにより、サポートチューブ１５は、血管などの柔らかく屈曲した対象物に挿入できる柔軟性を持つことができると同時に、近位端１１ａに与えられた回転トルクを効率的に遠位端１１ｂに伝達することができる。

サポートチューブ１５の捻りの方向を、近位端１１ａから遠位端１１ｂを見ながら遠位端１１ｂに向かって進んだときの回転方向で定義する。また、使用時に近位端１１ａにおいて光ファイバ１１に与えられる回転方向を、近位端１１ａから遠位端１１ｂを見たときの近位端１１ａの回転方向で定義する。サポートチューブ１５の捻りの方向は、使用時に近位端１１ａにおいて光ファイバ１１に与えられる回転方向と逆の方向、すなわち、回転によってサポートチューブ１５がより強く捻られる方向とする。

回転を時計方向に行うと、遠位端１１ｂに対して近位端１１ａを時計方向に動かす力が加わる。遠位端１１ｂは慣性や摩擦のため移動が妨げられているので、この力によって、遠位端１１ｂに対して近位端１１ａは時計方向に捻れる。そのときの捻れの方向は反時計方向となる。つまり、時計方向に捻られたサポートチューブ１５を、時計方向に回転させると、より強く捻られることになる。それにより、サポートチューブ１５は回転トルクを効率的に伝達することができる。

さらに、サポートチューブ１５は、金属線を同軸の複数のリングの形に撚り合わせて構成されたものであることが望ましい。それにより、サポートチューブ１５のトルク伝達性をさらに高めることができる。その場合は、最外層のリングにおいてサポートチューブ１５の捻りの方向が使用時の回転トルクの方向と逆方向であることが好ましい。

光ファイバ１１の捻りの方向および使用時の回転の方向は時計方向（ｃｗ方向）とし（図２参照）、サポートチューブの捻りの方向は、それとは逆の反時計方向（ｃｃｗ方向）とする（図３参照）。それにより、使用時に回転トルクを与えた場合、サポートチューブ１５が回転トルクによって反時計方向にさらに捻られ、光ファイバ１１は時計方向の捻りが一旦解消された後に反時計方向に捻られる。

その結果、光ファイバ１１の反時計方向の捻れは、光ファイバ１１を元々時計方向に捻ってあった分だけ低減される。光プローブ１０を高速で回転させると、回転トルクによって光ファイバ１１に大きな捻れが加わり、それによって光ファイバ１１が破断するリスクがある。しかし、光ファイバ１１を回転トルクの方向と逆方向に予め捻っておくことにより、破断のリスクを低減することができる。なお、上述した捻り及び回転の方向とは逆にして、光ファイバ１１の捻りの方向および回転方向を反時計方向とし、サポートチューブ１５の捻りの方向を時計方向としても差し支えない。

光ファイバを捻ると該光ファイバに円複屈折が発生することが知られている。非特許文献１に記載されているように、捻れレート（単位長当たりの捻り回転角度）をγとすると、円複屈折による伝搬定数差Δβｔは次式で表される。比例係数ｇは、ガラスの光ファイバでは典型的に０.１４である。
Δβｔ＝ｇ＊γ

一方、光ファイバに曲げが加えられると該光ファイバに直線複屈折が発生することが知られている。非特許文献２に記載されているように、光ファイバのガラス半径をｒとし、曲げ半径をＲとすると、直線複屈折による伝搬定数差Δβｂは次式で表される。ここで、ｎは屈折率であり、ｋは波数であり、Δｐは歪光学係数の異方性であり、νはポアソン比である。ガラスの光ファイバでは波長１.３μｍにおいては、ｎ＝１.４４７、Δｐ＝−０.１５、ν＝０.１７ である。
Δβｂ＝０.２５＊ｎ^３＊ｋ＊Δｐ＊（１＋ν）＊（ｒ／Ｒ）^２

光ファイバに捻り及び曲げの両方が加えられると、該光ファイバに円複屈折および直線複屈折の両方が発生するが、大きい方の複屈折による効果が支配的となる。従って、光ファイバに加えられる曲げが使用状況によって変動しうる場合であっても、光ファイバに予め捻りを与えておくことで、曲げによる直線複屈折より大きな円複屈折を発生させておくとともに、光ファイバに円偏波状態の光を入射させて使用することで、光ファイバを伝搬する光の偏波状態を安定に保つことができる。そのような条件は、次式で与えられる基準捻れレートγ０より大きな捻れを光ファイバに与えることによって実現できる。
γ０＝（０.２５／ｇ）＊ｎ^３＊ｋ＊｜Δｐ｜＊（１＋ν）＊（ｒ／Ｒ）^２

図４は、回転数単位で表した基準捻れレートと曲げ半径との関係を示す図である。血管などを対象とした測定では、光プローブ１０の光ファイバ１１において、典型的に５０ｍｍより大きな曲げ半径が不可避的に発生し、さらに２５ｍｍより大きな曲げ半径も発生する場合がある。同図に示されるように、曲げ半径５０ｍｍに対応する基準捻れレートは１.１回／ｍであり、曲げ半径２５ｍｍに対応する基準捻れレートは４.５回／ｍである。したがって、典型的には１回／ｍの捻れを光ファイバ１１に与えることで、光ファイバ１１を伝搬する照明光および後方反射光それぞれの偏波状態を安定に保つことができる。また、５回／ｍ以上の捻れを光ファイバ１１に与えることで、より多くの場合において照明光および後方反射光それぞれの偏波状態を安定に保つことができる。

ただし、捻れレートが大きすぎると光ファイバが破断するリスクが高まることも知られている。非特許文献３に記載されているように、捻れレートが７０〜８０回／ｍにおいて破断のリスクが高まることが知られていることから、破断のリスクを十分に低く保つためには光ファイバ１１の捻れレートは５０回／ｍ以下とすることが好ましい。

対象物３を照明光でスキャンするために光ファイバ１１を回転させると、回転トルクによる追加的な捻れが光ファイバ１１に加わる。測定を高速で行うためには、回転速度を速くすることが好ましいが、それによって追加的な捻れも増大する。前述のように、本実施形態では、回転による追加的な捻れと逆方向の捻れを予め光ファイバ１１に与えておくことにより、回転時の捻れの絶対値を低減して、光ファイバ１１の破断のリスクを低減する。具体的には、回転時の光ファイバ１１の捻れレートが５０回転／ｍ以下であることが好ましい。さらに、照明光および後方反射光それぞれの偏波状態を一定に保つために回転時の光ファイバ１１の捻れレートが５回転／ｍ以上であることが好ましい。また、回転させずに対象物３の一箇所だけを測定する場合においても照明光および後方反射光それぞれの偏波状態が一定に保たれるようにするために、光ファイバ１１に予め１回転／ｍ以上の捻れを与えておくことが好ましい。

１…ＯＣＴ装置、３…対象物、１０…光プローブ、１１…光ファイバ、１１ａ…近位端、１１ｂ…遠位端、１２…光コネクタ、１３…集光光学系、１４…偏向光学系、１５…サポートチューブ、１６…ジャケットチューブ、３０…測定部、３１…光源、３２…光分岐部、３３…光検出器、３４…光端末、３５…反射鏡、３６…分析部、３７…出力ポート、３８…偏波状態調整部。

Claims (5)

1. 近位端と遠位端の間で光を伝送する光ファイバと、
   前記近位端において前記光ファイバと接続されている光コネクタと、
   前記遠位端において前記光ファイバに接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を集光する集光光学系と、
   前記遠位端において前記光ファイバと接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を偏向する偏向光学系と、
   前記光ファイバを包囲して前記光ファイバに沿って延び、前記近位端において前記光コネクタに対して固定されているとともに、前記遠位端において前記光ファイバ，前記集光光学系および前記偏向光学系の何れかに対して固定されているサポートチューブと、
   前記サポートチューブを包囲して前記サポートチューブに沿って延び、前記光ファイバ，前記光コネクタ，前記集光光学系，前記偏向光学系および前記サポートチューブに対して回転自在であるジャケットチューブと、
   を備え、
   前記光ファイバが、前記光ファイバの軸を中心として１回転／ｍ以上５０回転／ｍ以下の回転数で捻られて前記サポートチューブに対して固定されている、
   ことを特徴とする光プローブ。
2. 前記サポートチューブが複数本の線状体を撚り合わせて捻られた構造を持ち、
   前記コネクタから回転を導入しないフリーの状態において前記光ファイバの捻りの方向と前記サポートチューブの捻りの方向とが互いに逆である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光プローブ。
3. 請求項１に記載の光プローブと、近赤外光を発生させる光源と、前記光源から発せられた近赤外光を円偏波状態に変換して出力する偏波状態調整部と、前記偏波状態調整部から出力された近赤外光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部と、近赤外光を検出する光検出器と、近赤外光の減衰スペクトルを分析して当該分析結果を画像情報として取得する分析部と、を用い、
   前記光分岐部から出力された照明光を前記光ファイバの前記近位端に入射させ前記遠位端から出射させて対象物に照射し、その照射に伴い前記対象物で生じた後方反射光を前記光ファイバの前記遠位端に入射させ前記近位端から出射させて前記光検出器に導くとともに、前記光分岐部から出力された参照光をも前記光検出器に導いて、前記後方反射光と前記参照光とによる干渉光を前記光検出器により検出し、前記分析部により前記後方反射光のスペクトルを分析して前記対象物の内部における物質の分布情報を画像情報として取得する、
   ことを特徴とする光学的測定方法。
4. 前記サポートチューブが複数本の線状体を撚り合わせて捻られた構造を持ち、
   前記コネクタから回転を導入しないフリーの状態において前記光ファイバの捻りの方向と前記サポートチューブの捻りの方向とが互いに逆であり、
   前記サポートチューブの捻りの方向と逆の方向に、前記光ファイバ，前記光コネクタ，前記集光光学系，前記偏向光学系および前記サポートチューブを一体として回転させながら、前記対象物の内部を照明光でスキャンする、
   ことを特徴とする請求項３に記載の光学的測定方法。
5. 前記光ファイバ，前記光コネクタ，前記集光光学系，前記偏向光学系および前記サポートチューブを一体として回転させることによって、前記光ファイバを５回転／ｍ以上５０回転／ｍ以下の回転数で捻る、ことを特徴とする請求項４に記載の光学的測定方法。
   

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