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1. WO2013121959 - 光プローブ

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明 細 書

発明の名称 光プローブ

技術分野

0001  

背景技術

0002  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0003  

課題を解決するための手段

0004   0005  

発明の効果

0006  

図面の簡単な説明

0007   0008   0009  

発明を実施するための形態

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6  

図面

1   2   3  

明 細 書

発明の名称 : 光プローブ

技術分野

[0001]
 本発明は、光干渉断層撮像(Optical Coherence Tomography: OCT)の手法を用いて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ために使用される光プローブに関するものである。

背景技術

[0002]
 米国特許第6,445,939号(特許文献1)は、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のOCTと、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を記載している。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。それにより、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。

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0003]
 本発明は、散乱性が大きい対象物を測定する場合であっても低ノイズで精確なOCT測定をすることができる光プローブを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0004]
 本発明の光プローブは、近位端と遠位端との間で光を伝送する光ファイバと、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、遠位端においてその一端が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集光する集光光学系と、遠位端において光ファイバと光学的に接続され、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、光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延び、光ファイバ,光コネクタ,集光光学系および偏向光学系に対して回転自在であるジャケットチューブとを備える。ここで、光ファイバは、中心軸を含み屈折率n を有するコア領域と、このコア領域を包囲し屈折率n を有する第1クラッド領域と、この第1クラッド領域を包囲し屈折率n を有するトレンチ領域と、このトレンチ領域を包囲し屈折率n を有する第2クラッド領域とを含み、n >n >n <n なる関係を有する。偏向光学系の一端は集光光学系の他端に接続されていてもよく、一端が斜めカットされたGIレンズにより集光光学系と偏光光学系の双方が構成されていてもよい。
[0005]
 本発明の光プローブは、光ファイバを包囲して光ファイバに沿って延び、ジャケットチューブの内側に配置され、光ファイバの少なくとも一部分および光コネクタに固定されているサポートチューブを更に備えてもよい。サポートチューブが複数本の線状体をより合わせた構造を持ってもよい。サポートチューブが0.15mm以上の厚さと100GPa以上300GPa以下のヤング率とを有するのが好適である。また、光ファイバが、波長1.26μmと1.625μmの間の所定の波長において、半径5mmの曲げによる基底モードの伝送損失が1dB/turnより低く、半径140mmの曲げによるLP11モードの伝送損失が10dB/mより高いのが好適である。

発明の効果

[0006]
 本発明によれば、散乱性が大きい対象物を測定する場合であっても、低ノイズで精確なOCT測定をすることができる。

図面の簡単な説明

[0007]
[図1] 比較例の光プローブを備えるOCT装置を示す概念図である。
[0008]
[図2] 実施形態の光プローブを備えるOCT装置を示す概念図である。
[0009]
[図3] (a)領域は、実施形態の光プローブで用いられる光ファイバの断面構造を示す概念図、(b)領域は、同光ファイバの屈折率分布を示す概念図である。

発明を実施するための形態

[0010]
 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。また、初めに比較例について説明し、その後に比較例と対比しつつ実施形態について説明する。
[0011]
 従来の光プローブを用いたOCT装置では、散乱性が大きい対象物を測定する場合に、光プローブを構成する光ファイバの高次モードに因る雑音が発生して、精確な測定ができないという問題点があることを本発明者は見出した。
[0012]
 図1は、比較例の光プローブ10を備えるOCT装置1を示す概念図である。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と接続されている光学系13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。
[0013]
 測定部30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、光学系13を経て対象物3に照射される。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、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を経て測定部30により検出される。測定部30では、後方反射光の位相が解析されることで、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、それに基づいて対象物3の断層画像が取得される。
[0014]
 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。
[0015]
 OCT測定では、光ファイバ11の遠位端11bにおいて照明光は基底モードから出射される。対象物3が散乱性のものである場合、様々な方向に伝搬する後方反射光が対象物3において発生する。そのうち、照明光の伝搬方向に対して約180度(定量的な範囲はプローブ先端の集光光学系に依存する)の方向に伝搬する後方反射光の成分は、光ファイバ11の基底モードに結合される。測定部30では、この後方散乱光の成分をOCT信号として検出する。
[0016]
 これに対して、対象物3において発生した後方散乱光のうち、照明光の進行方向に対して成す角度が180度と有意に異なる光は、光ファイバ11の高次モードに結合される。もし、光ファイバ11が理想的なシングルモード光ファイバであるならば、光ファイバ11により高次モードが伝送されることはなく、高次モードに因る雑音が発生することはない。しかし、現実の光ファイバでは、シングルモード性は高次モードの伝送損失によって表される。高次モードの伝送損失が十分に高くなければ、基底モードに対して高次モードが無視できない大きさとなり、高次モードが雑音の原因となる。
[0017]
 シングルモードであることの定義とケーブルカットオフ波長(cable cut-off wavelength)の定義がITU-T G.650.1(2004)に規定されている。これによれば、長さ22mの光ファイバの中央部20mを半径140mmで巻き、両端の1mずつを半径40mmで1周ずつ巻いた状態で、LP11モードの伝送損失がLP01基底モードの伝送損失より19.3dB高ければ、その光ファイバがシングルモードであると定義される。また、シングルモードとなる最小の光波長がケーブルカットオフ波長と定義されている。ITU-TG.652ではケーブルカットオフ波長が1.26μm以下である光ファイバが標準シングルモード光ファイバとして規定されており、この定義が市場においても広く用いられている。
[0018]
 しかし、OCT測定の際の実使用状態ではファイバ長は長さ22mに比べて大幅に短い。OCT測定の際には典型的に10μm程度の精度で光路長を測定する。光ファイバの屈折率の温度依存性は典型的には10 -5/℃程度(G. B. Hocker, Applied Optics, Vol.18, No.9, pp.1445-1448 (1979))であるので、1mの光ファイバが1℃の温度変化を受けただけでも、10μm程度の光路長オフセットが生じて光路長の測定に無視できない影響を及ぼす。したがって、光ファイバ長は数m以下とする必要がある。実用上は、生体組織に対するOCT測定では、測定部30と対象物3との間で光をデリバリするのに必要な最小限の長さである2m以上3m以下とすることが好ましい。
[0019]
 このように、OCT用光プローブの実使用状態では、カットオフ波長の標準的な定義で想定されている長さに比べてファイバ長が10分の1程度に短い。このことから、光ファイバにおいて高次モードが受ける伝送損失が小さくなりやすく、その結果、規格上はシングルモードの光ファイバであっても、OCT測定の実使用状態ではシングルモードで動作しない場合がしばしば生じる。
[0020]
 このような問題を回避するためには、OCT用光プローブの実使用状態においてシングルモードで動作するシングルモード光ファイバを光ファイバ11として選択して用いる必要がある。しかし、シングルモード性を支配している高次モードの曲げ損失が大きいと、基底モードの曲げ損失も大きい。したがって、従来の光プローブで用いられていたシングルモード光ファイバでは、OCT用光プローブの実使用状態においてシングルモード性を実現しようとすると、基底モードの曲げ損失特性が増大するという問題がある。
[0021]
 測定部30の内部には、数m程度のシングルモード光ファイバや、場合によっては高次モードフィルタを含むことができ、それらは高次モードを遮断する効果を持つ。しかし、光プローブはロータリージョイントにおいて回転し、更にロータリージョイントは現実的には有限の大きさの軸ずれや角度ずれを有するので、ロータリージョイントにおいて光プローブの高次モードと測定装置側の光ファイバの基底モードとのモード結合が生じ得る。その場合は、測定部30内でいかに高次モードを遮断したとしても、光プローブの高次モードによる雑音を抑制することができない。
[0022]
 図2は、実施形態の光プローブ20を備えるOCT装置2を示す概念図である。光プローブ20は、OCT測定における高次モード雑音の発生を抑制することが可能な光ファイバを備え、かつ、そのような光ファイバによって生じ得る潜在的なリスクも減少させることができる。OCT装置2は、光プローブ20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20は、近位端21aと遠位端21bとの間で光を伝送する光ファイバ21と、近位端21aにおいて光ファイバ21と接続されている光コネクタ22と、遠位端11bにおいて光ファイバ21と接続されている集光光学系23および偏向光学系24と、光ファイバ21を包囲して光ファイバ21に沿って延びるサポートチューブ25およびジャケットチューブ26とを備える。光コネクタ22は測定部30に光学的に接続される。
[0023]
 光ファイバ21の遠位端21bには、集光光学系23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24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23は、光ファイバ21の遠位端21bから出射される光を集光する。偏向光学系24は、集光光学系23から出射される光を径方向へ偏向する。なお、一端が斜めカットされたGIレンズにより集光光学系23と偏光光学系24の双方が構成されていてもよい。
[0024]
 光ファイバ21はサポートチューブ25の内腔に収納されている。サポートチューブ25は、光ファイバ21の少なくとも一部分および光コネクタ22に固定されている。それにより、光コネクタ22を回転させると、光ファイバ21,集光光学系23,偏向光学系24およびサポートチューブ25は一体となって回転する。光ファイバ21,集光光学系23,偏向光学系24およびサポートチューブ25は、ジャケットチューブ26の内腔に収納され、その中で回転することができる。それにより、回転する部分が対象物3に接触して対象物3が破損することが防止される。
[0025]
 図3(a)領域は、光プローブ20で用いられる光ファイバ21の断面構造を示す概念図である。図3(b)領域は同じく光ファイバ21の屈折率分布を示す概念図である。光ファイバ21は、中心軸を含み屈折率n を有するコア領域41と、コア領域41を包囲し屈折率n を有する第1クラッド領域42と、第1クラッド領域42を包囲し屈折率n を有するトレンチ領域43と、トレンチ領域43を包囲し屈折率n を有する第2クラッド領域44と、第2クラッド領域44を包囲する被覆層45とを含む。光ファイバ21は、各領域の屈折率の間にn >n >n <n なる関係を有する。
[0026]
 コア領域41,第1クラッド領域42,トレンチ領域43および第2クラッド領域44それぞれの領域のサイズおよび屈折率は、ITU-T G.657 AまたはBの特性に適合するように調整される。また、これらの領域のサイズおよび屈折率は、波長1.26μmにおいてLP11モードの伝送損失が曲げ半径140mmにおいて10dB/m以上となるように選択される。
[0027]
 一般に、曲げによる伝送損失は波長に対して単調に増加するので、光ファイバ21は、波長1.26μm以上の波長においてLP11モードを始めとする高次モードの伝送損失が十分に高い。特許文献1に開示されているようにOCT測定では波長1.32μmの波長が典型的に用いられるので、光ファイバ21はOCT測定において高次モード雑音を低減するのに有効である。そのような光ファイバ21としては例えば米国特許出願公開第2009/0279835号においてBend insensitive fiber(BIFファイバ)として開示されているものが知られている。
[0028]
 また、光ファイバ21は、波長1.625μmにおける基底モードの曲げ損失が半径5mmにおいて1dB/turnより低いことが好ましい。一般に、曲げによる伝送損失は波長に対して単調に増加するので、このような光ファイバ21では波長1.625μmより短い波長において基底モードの曲げ損失が低く抑えられる。したがって、例えば血管の分岐部のように半径5mm程度の曲率半径を有する管腔部分を通して光プローブ20を対象物3に到達させてOCT測定を実施することができる。このことと前述のLP11モードの曲げ損失特性とにより、波長1.26μmと1.625μmの間において高次モード雑音が低く、曲がりを持つ管腔にも適用可能な光プローブ20が実現される。この波長帯は、生体組織による光散乱係数と水による光吸収の両方が小さく、生体組織のOCT測定に好適である。
[0029]
 しかし、5mm未満の曲率半径で光ファイバを曲げると、それによって誘起される歪によって光ファイバが破断するリスクが高まる問題がある。従来の光プローブで用いられているようなシングルモード光ファイバでは、光ファイバの破断リスクを生じさせるような曲げが発生すれば曲げ損失が増大する。よって、OCTの操作者または測定装置自身が危険な曲げの発生を検知して、そのような曲げを回避することが可能であった。しかし、光ファイバ21は、曲げ損失が低いので、危険な曲げの発生を検知して回避するのが難しくなり、光ファイバ21の破断のリスクが更に高まる。
[0030]
 そこで、図2に示されるように、光ファイバ21はサポートチューブ25の内腔に収納されるのが好適である。また、サポートチューブは、0.15mm以上の厚さを持つとともに、ステンレスと同等程度の100Gp以上300GPa以下のヤング率を持つことが望ましい。サポートチューブ25は、必ずしも周方向に連結していなくともよく、5乃至20本程度の線をより合わせた構造とし、それによって柔軟性を調整しても良い。それにより、光ファイバ21の破断リスクを高めるような小さい曲げが光プローブ20に加わることを防ぐことができる。そのようなサポートチューブ25は米国特許出願公開第2002/0151823に開示されている。
[0031]
 サポートチューブ25は、光コネクタ22に対して固定されているとともに、光ファイバ21の少なくとも1箇所に対して固定されている。その結果、光コネクタ22が回転すると、それと共にサポートチューブ25も回転し、更に回転トルクが光ファイバ21に伝達される。それにより、光ファイバ21だけを回転させた場合に比べて、光ファイバ21に負荷されるトルクが低減され、トルクによる光ファイバ21の破断も防ぐことができる。
[0032]
 集光光学系23としてのGRINレンズは、軸に垂直な断面内において中心から周縁部へ向かって減少する屈折率分布を有する。また、偏向光学系24としてのミラーは、光軸に対して約45度の角度を成す反射面を有する。その結果、光ファイバ21の基底モードは、遠位端21bから径方向に所定の距離だけオフセットした位置にビームウェストを有するように集光される。そのようなレンズおよびミラーの構成については特許文献1に開示されている。

請求の範囲

[請求項1]
 近位端と遠位端との間で光を伝送する光ファイバであって、中心軸を含み屈折率n を有するコア領域と、このコア領域を包囲し屈折率n を有する第1クラッド領域と、この第1クラッド領域を包囲し屈折率n を有するトレンチ領域と、このトレンチ領域を包囲し屈折率n を有する第2クラッド領域とを含み、n >n >n <n なる関係を有する光ファイバと、
 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その一端が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光学的に接続され、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、前記光ファイバ,前記光コネクタ,前記集光光学系および前記偏向光学系に対して回転自在であるジャケットチューブと
を備える光プローブ。
[請求項2]
 前記偏向光学系の一端が前記集光光学系の他端に接続されている
請求項1に記載の光プローブ。
[請求項3]
 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、前記ジャケットチューブの内側に配置され、前記光ファイバの少なくとも一部分および前記光コネクタに固定されているサポートチューブを更に備える
請求項1に記載の光プローブ。
[請求項4]
 前記サポートチューブが複数本の線状体をより合わせた構造を持つ
請求項3に記載の光プローブ。
[請求項5]
 前記サポートチューブが0.15mm以上の厚さと100GPa以上300GPa以下のヤング率とを有する
請求項3に記載の光プローブ。
[請求項6]
 前記光ファイバが、波長1.26μmと1.625μmの間の所定の波長において、半径5mmの曲げによる基底モードの伝送損失が1dB/turnより低く、半径140mmの曲げによるLP11モードの伝送損失が10dB/mより高い
請求項1に記載の光プローブ。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]