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1. KR1020140124718 - 광 프로브

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[ KO ]
광 프로브{OPTICAL PROBE}
기 술 분 야
 본  발명은,  광  간섭  단층  촬상(Optical  Coherence  Tomography:    OCT)의  수법을  이용하여  혈관  등의  관강(管腔)  형상의  대상물의  내강(內腔)의  단층  구조를  측정하기  위해서  사용되는  광  프로브에  관한  것이다.
배경기술
 미국  특허  제  6,445,939호(특허  문헌  1)는,  관강  형상의  대상물의  내강의  단층  구조를  측정하는  수법으로서의  OCT와,  OCT  측정을  위해서  대상물의  내강에  삽입되어  사용되는  광  프로브를  기재하고  있다.    OCT  측정은,  싱글  모드  광  섬유의  선단(원위단)에  접속된  그레이디드  인덱스(graded-index)  광  섬유를  렌즈로서  기능시키고,  워킹  디스턴스(working  distance)가  1mm보다  길고,  스폿  사이즈가  100μm보다  작아지도록  구성한다.    그에  의해,  1mm보다  큰  내측  반경을  갖는  대상물을  100μm보다  미세한  공간  분해능으로  광학적으로  측정할  수  있다.
발명의 상세한 설명
   해결하려는 과제
 본 발명은, 산란성이 큰 대상물을 측정하는 경우에도 저 노이즈로 정확한 OCT 측정을 할 수 있는 광 프로브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
   과제의 해결 수단
 본  발명의  광  프로브는,  근위단(近位端,  proximal  end)과  원위단(遠位端,  distal  end)의  사이에  광을  전송하는  광  섬유와,  근위단에  있어서  광  섬유와  접속되어  있는  광  커넥터와  원위단에  있어서  그  일단이  광  섬유와  접속되고,  광  섬유의  원위단으로부터  사출되는  광을  집광하는  집광  광학계와,  원위단에  있어서  광  섬유와  광학적으로  접속되고,  광  섬유의  원위단으로부터  사출되는  광을  편향하는  편향  광학계와,  광  섬유를  포위하며  광  섬유를  따라  연장하고,  광  섬유,  광  커넥터,  집광  광학계  및  편향  광학계에  대해서  회전  자유로운  쟈켓  튜브를  구비한다.    여기서,  광  섬유는,  중심축을  포함하며  굴절률  n 1을 갖는 코어 영역과, 이 코어 영역을 포위하며 굴절률 n 2를 갖는 제 1 클래드 영역과, 이 제 1 클래드 영역을 포위하며 굴절률 n 3을 갖는 트렌치 영역과, 이 트렌치 영역을 포위하며 굴절률 n 4를 갖는 제 2 클래드 영역을 포함하며, n 1>n 2>n 3<n 4로  되는  관계를  갖는다.    편향  광학계의  일단은  집광  광학계의  타단에  접속되어  있어도  좋고,  일단이  비스듬히  절단된  GI  렌즈에  의해  집광  광학계와  편광  광학계의  쌍방이  구성되어  있어도  좋다.
 본  발명의  광  프로브는,  광  섬유를  포위하며  광  섬유를  따라  연장하고,  쟈켓  튜브의  내측에  배치되고,  광  섬유의  적어도  일부분  및  광  커넥터에  고정되어  있는  서포트  튜브(support  tube)를  더  구비해도  좋다.    서포트  튜브가  복수  개의  선  형상체가  꼬여진(twisted)  구조를  가져도  좋다.    서포트  튜브가  0.15mm  이상의  두께와  100GPa  이상  300GPa  이하의  영률(Young's  modulus)을  갖는  것이  바람직하다.    또한,  광  섬유가,  파장  1.26μm와  1.625μm의  사이의  소정의  파장에  있어서,  반경  5mm의  굽힘(bend)에  의한  기저  모드의  전송  손실이  1dB/turn보다  낮고,  반경  140mm의  굽힘에  의한  LP11  모드의  전송  손실이  10dB/m보다  높은  것이  바람직하다.
   발명의 효과
 본 발명에 의하면, 산란성이 큰 대상물을 측정하는 경우에도, 저 노이즈로 정확한 OCT 측정을 할 수 있다.
도면의 간단한 설명
 도 1은 비교예의 광 프로브를 구비하는 OCT 장치를 나타내는 개념도이다.
도 2는 실시 형태의 광 프로브를 구비하는 OCT 장치를 나타내는 개념도이다.
도 3의 (a) 영역은, 실시 형태의 광 프로브에서 이용되는 광 섬유의 단면 구조를 나타내는 개념도, (b) 영역은, 동 광 섬유의 굴절률 분포를 나타내는 개념도이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
 이하,  첨부  도면을  참조하여,  본  발명을  실시하기  위한  형태를  상세하게  설명한다.    또한,  도면의  설명에  있어서  동일한  요소에는  동일한  부호를  부여하여,  중복하는  설명을  생략한다.    또한,  먼저  비교예에  대해  설명하고,  그  후에  비교예와  대비하면서  실시  형태에  대해  설명한다.
 종래의 광 프로브를 이용한 OCT 장치에서는, 산란성이 큰 대상물을 측정하는 경우에, 광 프로브를 구성하는 광 섬유의 고차 모드에 인한 잡음이 발생하여, 정확한 측정을 할 수 없다고 하는 문제점이 있는 것을 본 발명자는 발견하였다.
 도  1은,  비교  예의  광  프로브(10)를  구비하는  OCT  장치(1)를  나타내는  개념도이다.    OCT  장치(1)는,  광  프로브(10)  및  측정부(30)를  구비하며,  대상물(3)의  광  간섭  단층  화상을  취득한다.    광  프로브(10)는,  근위단(11a)과  원위단(11b)의  사이에  광을  전송하는  광  섬유(11)와,  근위단(11a)에  있어서  광  섬유(11)와  접속되어  있는  광  커넥터(12)와,  원위단(11b)에  있어서  광  섬유(11)와  접속되어  있는  광학계(13)를  구비한다.    광  커넥터(12)는  측정부(30)에  광학적으로  접속된다.
 측정부(30)로부터  출력된  조명광은,  광  커넥터(12)를  거쳐  광  섬유(11)의  근위단(11a)에  입사되고,  광  섬유(11)에  의해  도광되어  원위단(11b)으로부터  사출되고,  광학계(13)를  거쳐  대상물(3)에  조사된다.    대상물(3)에의  조명광의  조사에  따라  생긴  후방  반사광은,  광학계(13)를  거쳐  광  섬유(11)의  원위단(11b)에  입사되고,  광  섬유(11)에  의해  도광되어  근위단(11a)으로부터  사출되고,  광  커넥터(12)를  거쳐  측정부(30)에  의해  검출된다.    측정부(30)에서는,  후방  반사광의  위상이  해석됨으로써,  대상물(3)의  내부의  각  점에  있어서의  후방  반사  효율의  분포가  계산되고,  그것에  기초하여  대상물(3)의  단층  화상이  취득된다.
 또한,  광  섬유(11)의  원위단(11b)으로부터  사출된  조명광이  대상물(3)을  경유하여  재차  광  섬유(11)의  원위단(11b)으로  돌아오는  메카니즘으로서는,  엄밀하게는  반사나  굴절이나  산란이  있다.    그러나,  그러한  차이는  본  발명에  있어서는  본질적인  것은  아니기  때문에,  간결화를  위해서  본  명세서에서는  이들을  총칭하여  후방  반사라고  부른다.
 OCT  측정에서는,  광  섬유(11)의  원위단(11b)에  있어서  조명광은  기저  모드로부터  사출된다.    대상물(3)이  산란성의  것인  경우,  각종  방향으로  전파하는  후방  반사광이  대상물(3)에  있어서  발생한다.    그  중에서,  조명광의  전파방향에  대해서  약  180도(정량적인  범위는  프로브  선단의  집광  광학계에  의존함)의  방향으로  전파하는  후방  반사광의  성분은,  광  섬유(11)의  기저  모드에  결합된다.    측정부(30)에서는,  이  후방  산란광의  성분을  OCT  신호로서  검출한다.
 이에  대해서,  대상물(3)에  있어서  발생한  후방  산란광  중,  조명광의  진행  방향에  대해서  이루는  각도가  180도와  현저하게  상이한  광은,  광  섬유(11)의  고차  모드에  결합된다.    만약,  광  섬유(11)가  이상적인  싱글  모드  광  섬유이면,  광  섬유(11)에  의해  고차  모드가  전송되지  않고,  고차  모드에  인한  잡음이  발생하지  않는다.    그러나,  현실의  광  섬유에서는,  싱글  모드  특성은  고차  모드의  전송  손실에  의해  나타내어진다.    고차  모드의  전송  손실이  충분히  높지  않으면,  기저  모드에  대해서  고차  모드를  무시할  수  없는  크기로  되어,  고차  모드가  잡음의  원인이  된다.
 싱글  모드인  것의  정의와  케이블  컷오프  파장(cable  cut-off  wavelength)의  정의가  ITU-TG.650.1(2004)에  규정되어  있다.    이에  의하면,  길이  22m의  광  섬유의  중앙부  20m를  반경  140mm로  감아서,  양단의  1m씩을  반경  40mm로  1회전씩  감은  상태에서,  LP11  모드의  전송  손실이  LP01  기저  모드의  전송  손실보다  19.3dB  높으면,  그  광  섬유가  싱글  모드라고  정의된다.    또한,  싱글  모드로  되는  최소의  광  파장이  케이블  컷오프  파장이라고  정의되어  있다.    ITU-TG.652에서는  케이블  컷오프  파장이  1.26μm  이하인  광  섬유가  표준  싱글  모드  광  섬유로서  규정되어  있고,  이  정의가  시장에  있어서도  넓게  이용되고  있다.
 그러나,  OCT  측정시의  실사용  상태에서는  섬유  길이는  길이  22m에  비해  대폭으로  짧다.    OCT  측정  시에는  전형적으로  10μm  정도의  정밀도로  광로  길이를  측정한다.    광  섬유의  굴절률의  온도  의존성은  전형적으로는  10 -5/℃  정도(G.  B.  Hocker,  Applied  Optics,  Vol.18,  No.9,  pp.1445-1448(1979))이므로,  1m의  광  섬유가  1℃의  온도  변화를  받은  것만으로도,  10μm  정도의  광로  길이  오프셋이  생겨  광로  길이의  측정에  무시할  수  없는  영향을  미친다.    따라서,  광  섬유  길이는  수m  이하로  할  필요가  있다.    실용상은,  생체  조직에  대한  OCT  측정에서는,  측정부(30)와  대상물(3)의  사이에  광을  전달하는데  필요한  최소한의  길이인  2m  이상  3m  이하로  하는  것이  바람직하다.
 이와  같이,  OCT용  광  프로브의  실사용  상태에서는,  컷오프  파장의  표준적인  정의로  상정되어  있는  길이에  비해  섬유  길이가  10분의  1  정도로  짧다.    이것으로부터,  광  섬유에  있어서  고차  모드가  받는  전송  손실이  작아지기  쉽고,  그  결과,  규격상은  싱글  모드의  광  섬유이어도,  OCT  측정의  실사용  상태에서는  싱글  모드에서  동작하지  않는  경우가  자주  생긴다.
 이러한  문제를  회피하기  위해서는,  OCT용  광  프로브의  실사용  상태에  있어서  싱글  모드에서  동작하는  싱글  모드  광  섬유를  광  섬유(11)로서  선택하여  이용할  필요가  있다.    그러나,  싱글  모드  특성을  지배하고  있는  고차  모드의  굽힘  손실(bend  loss)이  크면,  기저  모드의  굽힘  손실도  크다.    따라서,  종래의  광  프로브에서  이용되고  있던  싱글  모드  광  섬유에서는,  OCT용  광  프로브의  실사용  상태에  있어서  싱글  모드  특성을  실현하려고  하면,  기저  모드의  굽힘  손실  특성이  증대한다고  하는  문제가  있다.
 측정부(30)의  내부에는,  수m  정도의  싱글  모드  광  섬유나,  경우에  따라서는  고차  모드  필터를  포함할  수  있고,  그들은  고차  모드를  차단하는  효과를  갖는다.    그러나,  광  프로브는  로터리  조인트(rotary  joint)에  있어서  회전하고,  또한  로터리  조인트는  현실적으로는  유한의  크기의  축  어긋남이나  각도  어긋남을  가지므로,  로터리  조인트에  있어서  광  프로브의  고차  모드와  측정  장치측의  광  섬유의  기저  모드의  모드  결합이  생길  수  있다.    그  경우에는,  측정부(30)내에서  고차  모드를  차단했다고  하더라도,  광  프로브의  고차  모드에  의한  잡음을  억제할  수  없다.
 도  2는,  실시  형태의  광  프로브(20)를  구비하는  OCT  장치(2)를  나타내는  개념도이다.    광  프로브(20)는,  OCT  측정에  있어서의  고차  모드  잡음의  발생을  억제하는  것이  가능한  광  섬유를  구비하며,  또한,  그러한  광  섬유에  의해  생길  수  있는  잠재적인  위험성도  감소시킬  수  있다.    OCT  장치(2)는,  광  프로브(20)  및  측정부(30)를  구비하며,  대상물(3)의  광  간섭  단층  화상을  취득한다.    광  프로브(20)는,  근위단(21a)과  원위단(21b)의  사이에  광을  전송하는  광  섬유(21)와,  근위단(21a)에  있어서  광  섬유(21)와  접속되어  있는  광  커넥터(22)와,  원위단(11b)에  있어서  광  섬유(21)와  접속되어  있는  집광  광학계(23)  및  편향  광학계(24)와,  광  섬유(21)를  포위하며  광  섬유(21)를  따라  연장하는  서포트  튜브(25)  및  쟈켓  튜브(26)를  구비한다.    광  커넥터(22)는  측정부(30)에  광학적으로  접속된다.
 광  섬유(21)의  원위단(21b)에는,  집광  광학계(23)로서의  그레이디드  인덱스(GRIN)  렌즈와  편향  광학계(24)로서의  미러가  직렬적으로  융착  접속되어  설치되어  있다.    집광  광학계(23)는,  광  섬유(21)의  원위단(21b)으로부터  사출되는  광을  집광한다.    편향  광학계(24)는,  집광  광학계(23)로부터  사출되는  광을  직경  방향으로  편향한다.    또한,  일단이  비스듬히  절단된  GI  렌즈에  의해  집광  광학계(23)와  편광  광학계(24)의  양쪽이  구성되어  있어도  좋다.
 광  섬유(21)는  서포트  튜브(25)의  내강에  수납되어  있다.    서포트  튜브(25)는,  광  섬유(21)의  적어도  일부분  및  광  커넥터(22)에  고정되어  있다.    그에  의해,  광  커넥터(22)를  회전시키면,  광  섬유(21),  집광  광학계(23),  편향  광학계(24)  및  서포트  튜브(25)는  일체로  되어  회전한다.    광  섬유(21),  집광  광학계(23),  편향  광학계(24)  및  서포트  튜브(25)는,  쟈켓  튜브(26)의  내강에  수납되어,  그  중에서  회전할  수  있다.    그에  의해,  회전하는  부분이  대상물(3)에  접촉하여  대상물(3)이  파손되는  것이  방지된다.
 도  3(a)  영역은,  광  프로브(20)에서  이용되는  광  섬유(21)의  단면  구조를  나타내는  개념도이다.    도  3(b)  영역은  동일하게  광  섬유(21)의  굴절률  분포를  나타내는  개념도이다.    광  섬유(21)는,  중심축을  포함하며  굴절률  n 1을 갖는 코어 영역(41)과, 코어 영역(41)을 포위하며 굴절률 n 2를 갖는 제 1 클래드 영역(42)과, 제 1 클래드 영역(42)를 포위하며 굴절률 n 3을 갖는 트렌치 영역(43)과, 트렌치 영역(43)을 포위하며 굴절률 n 4를  갖는  제  2  클래드  영역(44)과,  제  2  클래드  영역(44)을  포위하는  피복층(45)을  포함한다.    광  섬유(21)는,  각  영역의  굴절률의  사이에  n 1>n 2>n 3<n 4로 되는 관계를 갖는다.
 코어  영역(41),  제  1  클래드  영역(42),  트렌치  영역(43)  및  제  2  클래드  영역(44)  각각의  영역의  사이즈  및  굴절률은,  ITU-TG.657  A  또는  B의  특성에  적합하도록  조정된다.    또한,  이러한  영역의  사이즈  및  굴절률은,  파장  1.26μm에  있어서  LP11  모드의  전송  손실이  굽힘  반경  140mm에  있어서  10dB/m  이상으로  되도록  선택된다.
 일반적으로,  굽힘에  의한  전송  손실은  파장에  대해서  단조적으로  증가하므로,  광  섬유(21)는,  파장  1.26μm  이상의  파장에  있어서  LP11  모드를  위시한  고차  모드의  전송  손실이  충분히  높다.    특허  문헌  1에  개시되어  있는  바와  같이  OCT  측정에서는  파장  1.32μm의  파장이  전형적으로  이용되므로,  광  섬유(21)는  OCT  측정에  있어서  고차  모드  잡음을  저감하는데  유효하다.    그러한  광  섬유(21)로서는,  예를  들면,  미국  특허  출원  공개  제2009/0279835호에  있어서  Bend  insensitive  fiber(BIF  섬유)로서  개시되어  있는  것이  알려져  있다.
 또한,  광  섬유(21)는,  파장  1.625μm에  있어서의  기저  모드의  굽힘  손실이  반경  5mm에  있어서  1dB/turn보다  낮은  것이  바람직하다.    일반적으로,  굽힘에  의한  전송  손실은  파장에  대해서  단조적으로  증가하므로,  이러한  광  섬유(21)에서는  파장  1.625μm보다  짧은  파장에  있어서  기저  모드의  굽힘  손실이  낮게  억제된다.    따라서,  예를  들면,  혈관의  분기부와  같이  반경  5mm  정도의  곡율  반경을  갖는  관강  부분을  통해  광  프로브(20)를  대상물(3)에  도달시켜  OCT  측정을  실시할  수  있다.    이것과  전술의  LP11  모드의  굽힘  손실  특성에  의해,  파장  1.26μm와  1.625μm의  사이에  있어서  고차  모드  잡음이  낮고,  굽힘을  갖는  관강에도  적용  가능한  광  프로브(20)가  실현된다.    이  파장대는,  생체  조직에  의한  광  산란  계수와  물에  의한  광  흡수의  양쪽이  작고,  생체  조직의  OCT  측정에  바람직하다.
 그러나,  5mm  미만의  곡율  반경에서  광  섬유를  굽히면,  그에  따라  야기되는  왜곡에  의해  광  섬유가  파단(破斷)하는  위험성이  높아지는  문제가  있다.    종래의  광  프로브에서  이용되어  있는  바와  같은  싱글  모드  광  섬유에서는,  광  섬유의  파단  위험성을  일으키게  하는  굽힘이  발생하면  굽힘  손실이  증대한다.    따라서,  OCT의  조작자  또는  측정  장치  자신이  위험한  굽힘의  발생을  검지하여,  그러한  굽힘을  회피하는  것이  가능했다.    그러나,  광  섬유(21)는,  굽힘  손실이  낮기  때문에,  위험한  굽힘의  발생을  검지하여  회피하는  것이  어려워져,  광  섬유(21)의  파단의  위험성이  더  높아진다.  
 그래서,  도  2에  나타낸  바와  같이,  광  섬유(21)는  서포트  튜브(25)의  내강에  수납되는  것이  바람직하다.    또한,  서포트  튜브는,  0.15mm  이상의  두께를  가짐과  아울러,  스테인레스와  동등한  정도의  100Gp  이상  300GPa  이하의  영률을  갖는  것이  바람직하다.    서포트  튜브(25)는,  반드시  둘레방향으로  연결하고  있지  않아도  좋고,  5  내지  20개  정도의  선이  꼬여진  구조로  하여,  그에  따라  유연성을  조정해도  좋다.    그에  의해,  광  섬유(21)의  파단  위험성을  높이도록  하는  작은  굽힘이  광  프로브(20)에  가해지는  것을  방지할  수  있다.    그러한  서포트  튜브(25)는  미국  특허  출원  공개  제2002/0151823호에  개시되어  있다.
 서포트  튜브(25)는,  광  커넥터(22)에  대해서  고정되어  있음과  아울러,  광  섬유(21)의  적어도  1  개소에  대해서  고정되어  있다.    그  결과,  광  커넥터(22)가  회전하면,  그와  함께  서포트  튜브(25)도  회전하여,  회전  토크가  광  섬유(21)에  더  전달된다.    그에  의해,  광  섬유(21)만을  회전시켰을  경우에  비해,  광  섬유(21)에  부하되는  토크가  저감되고,  토크에  의한  광  섬유(21)의  파단도  방지할  수  있다.
 집광  광학계(23)로서의  GRIN  렌즈는,  축에  수직인  단면내에  있어서  중심으로부터  주연부를  향해  감소하는  굴절률  분포를  갖는다.    또한,  편향  광학계(24)로서의  미러는,  광축에  대해서  약  45도의  각도를  이루는  반사면을  갖는다.    그  결과,  광  섬유(21)의  기저  모드는,  원위단(21b)로부터  직경  방향으로  소정의  거리만큼  오프셋한  위치에  빔  웨이스트(beam  waist)를  갖도록  집광된다.    그러한  렌즈  및  미러의  구성에  대해서는  특허  문헌  1에  개시되어  있다.