JP4789922B2 - 前方走査撮像光ファイバ検出器 - Google Patents

Description

［関連出願への相互参照］
本出願は、２００４年３月２３日に出願された、米国仮出願番号６０／５５５，６２８（弁護士訴訟事件一覧表番号０２０８５９−００５５００ＵＳ；依頼人参照番号ＣＩＴ−４０６０−Ｐ）であって、内容が参照によって完全にここに組み込まれる出願の優先権を主張する。

本発明は一般に光検出器、より特に、光コヒーレンス断層映像法（ＯＣＴ)や他の光イメージング手法に用いられる光検出器に関する。

ＯＣＴはレーザーに基づいた近赤外もしくは赤外レーザー光を皮膚下の細胞組織構造を非破壊的に撮像する手法である。数マイクロメータ（μｍ）の空間解像度を持つ、ほぼミリメータ（ｍｍ）程度の撮像深は、ほぼ１００マイクロワットの実用的な光フルエンスレベルのＯＣＴを用いて比較的容易に達成される。したがって、ＯＣＴは最低限に侵襲的な外科手術中に用いられても良い、生体外、生体内の細胞組織構造撮像の用途にとても有効である。現在、側撮像内視鏡システムと前方撮像内視鏡システムの両方が知られている。

前方ＯＣＴ撮像を遂行可能な針内視鏡の構成はとても重大な設計課題を提起する。現在の内視鏡は通常は５ミリメータ厚以上である。そのような検出器の厚さは、特に、約２ミリメータ幅の正面を向いた撮像領域と比べられた場合、画像誘導外科手術用の針内視鏡としては望ましくない。薄い内視鏡を作成する上での１つの大切な課題は、検出器の侵襲性を最小化するために検出器の直径を約２ミリメータ以下にしつつ、十分な走査体積をカバー可能な検出ビーム偏向システムを設計することが困難であることにある。十分な画像情報を提供する適当なＯＣＴの走査体積は、長さが約３ミリメータで、最大の円周の場所で約２ミリメータの直径を持つ円錐状の体積である。

従って、上述の、及び、他の問題を打開する走査体積のＯＣＴ撮像に有用な前方撮像内視鏡針といった検出器を提供することが望ましい。

本発明は、撮像利用、特にＯＣＴを撮像手法として用いる利用に有用な前方撮像光内視鏡検出器を提供する。本発明の内視鏡検出器は、有利に、内視鏡針先端に接近した周辺の非透明の細胞組織構造の改善された高分解能撮像を可能にさせる。

本発明によると、検出器は、光ファイバの近位端が光源に隣接し、遠心端が第１の傾斜面である、近位端と遠心端を備え、軸を定義する光ファイバを含む。屈折レンズ要素が光ファイバの遠心端に隣接して置かれている。レンズ要素と傾斜したファイバ端は共に、光源から光が供給された場合に円錐状の走査体積を撮像する様に軸に対して別々に回転する様に設定されている。調査中の標本から反射された光はファイバで集められ撮像システムで解析される。このような検出器は、例えば、直径が１ミリメータもしくはそれ以下といったとても小型になり得、最低限に侵襲的な外科手術での使用に有利である。

本発明のひとつの観点によると、一般に光ファイバの近位端が光源に隣接し、遠心端が第１の傾斜面である、近位端と遠心端を備え、軸を定義する光ファイバを含む光装置が提供される。装置はまた通常、光ファイバの遠心端に隣接する屈折レンズ要素を備え、レンズ要素と光ファイバは共に軸に対して回転し、レンズ要素と光ファイバはお互いに対して軸に対して回転するよう設置されている。

本発明の別の観点によると、一般に光ファイバの近位端が光源に隣接し、遠心端が第１の屈折レンズ要素に隣接する、近位端と遠心端を備え、軸を定義する光ファイバを含む光装置が提供される。装置はまた通常、第１の屈折レンズ要素に隣接する第２の屈折レンズ要素を備え、第２の屈折レンズ要素は軸に対して回転する様に設置されており、第１の屈折レンズ要素は第２の屈折レンズ要素とは別に軸に対して回転する様に設置されている。

本発明のさらに別の観点によると、一般に光ファイバの近位端が光源に隣接し、遠心端が第１の屈折レンズ要素に隣接する、近位端と遠心端を備え、軸を定義する光ファイバを含む前方走査検出器を用いた細胞組織標本の前方走査体積を撮像するための方法が提供される。検出器はさらに、通常、第１の屈折レンズ要素に隣接する第２の屈折レンズ要素を備えた撮像端を備え、第２の屈折レンズ要素は軸に対して回転する様に設置されており、第１の屈折レンズ要素は第２の屈折レンズ要素とは別に軸に対して回転する様に設置されている。方法は通常、検出器の撮像端を撮像される細胞組織標本に近接した位置におき、ファイバの近位端に光源からの光束を提供し、細胞組織標本の円錐状の走査体積を撮像するために内管を第１の速度で回転させると同時に外管を第２の速度で回転させることを含む。

図面と請求項を含む明細書の残りの部分を参照することで、本発明の他の特徴や有利性を理解できる。本発明の様々な実施例の構成と動作と同様に本発明のさらなる特徴や有利性は添付の図面に対して詳細に以下に記述されている。図面中、同様の参照番号は同一のもしくは機能的に類似の要素を示す。

本発明は、光コヒーレンス断層映像法（ＯＣＴ）のような撮像手法に用いられる、検出器前部の円錐状の体積を光学的に走査する、新しい検出器、システム、及び、方法を提供する。本発明の検出器が有効な他の有効な撮像手法は、光ドップラー断層映像法（ＯＤＴ）やスペックル非相関断層撮影法（ＳＤＴ）を含む。

１つの実施例による検出器１０が図１に示されている。示されている通り、検出器１０は光ファイバ２０とファイバ２０の端に近接したレンズ要素３０を含む。チューブ４０がファイバ２０を取り囲む。チューブ４０はまた、ファイバ２０に対するレンズ要素３０の回転を促進するためにレンズ要素３０につながれている。ファイバ２０は自身が１つの観点に置いては、図５を参照して以下に詳しく記述される様にチューブ４０と独立して回転しても良い。

１つの観点に置いては、ファイバ２０は、（必要に応じてマルチモードフファイバが用いられても良いが）図１に示される様に角度θを持つ傾斜切断部の端を持つ単モードファイバを含む。ファイバ２０の遠心端に近接しておかれた（図示されていない）光源からの入力光は、ファイバ２０に入り、レンズ要素３０に近接したファイバ２０の端から出る。ファイバ２０から出る光は集光レンズ要素３０の入射光である。１つの観点に置いては、光源が赤外もしくは近赤外波長領域で平行光線を提供することが望ましい。もちろん必要に応じて他の波長が用いられても良い。有効な光源の一例は、赤外もしくは近赤外波長領域を放射するレーザもしくはダイオードレーザである。図２と図３は集光レンズ要素３０が構成される２つの可能な方法を示す。

１つの実施例によると、図２に示されている通り、レンズ要素３０は一端で角度θ_１を持つ様に切断され研磨された（円筒形の）ＧＲＩＮレンズ３１を含む。角度θ_１はＧＲＩＮレンズ３１とファイバ２０の端が図１に示された様式で位置する様に、ＧＲＩＮレンズ３１からの出光が前方で焦点が合う様に選ばれている。１つの観点では、従って、角度θ_１はファイバ端の角度θに相当（例えば１度もしくは２度以内）近くなくてはならない。

図３に示されている別の実施例によると、レンズ要素３０は（円筒形の）ＧＲＩＮレンズ３２とＧＲＩＮレンズ３２に取り付けられた角度のついたガラスウエッジ要素３４を含む。ウェッジ要素３４は好ましくは円筒状のガラス要素から形成されて（例えば切断され研磨されて）いる。ウェッジ要素３４はのり付けされたり、もしくは他の方法でＧＲＩＮレンズ３２に固定されている。ウェッジ３４による切断角は上述と同じ考慮事項で決定されている。例えば、角度θ_１はファイバ端の角度θに相当（例えば１度もしくは２度以内）近くなくてはならない。

１つの観点によると、図２に示されているＧＲＩＮレンズ要素３０（もしくは図３に示されているＧＲＩＮウェッジ構成）の固定されたファイバ方向に対する回転は、前方光束の角度を前方軸に対してゼロからある決まった角度へと変化する。ゼロ角度は、２つの要素が図１に示される様に配置されている場合に達成される。最大角は、２つの要素が図４に示される様に配置されている場合に達成される。ゼロ角度と最大角の視覚化はそれぞれ多少異なった検出器の形態を示す図５Ｂと図５Ａに見られる。これら２つの方向性の間のレンズ要素３０の連続的な回転はゼロ角度と最大角の間の値の完全に網羅する。従って、１つの観点によると、撮像される円錐状の走査体積のために両方の要素の回転が許される。例えば、ファイバ２０をある速度で回転させ、図２のＧＲＩＮレンズ３１（または図３のＧＲＩＮウェッジ構成）を別の速度で回転させることで前方の円錐状の体積の撮像が許される。

レンズ要素３０の焦点距離とファイバ２０の先端からの距離は、好ましくは出力光前方で適切は所望の距離で焦点が合う様に選択されている。例えば、ＯＣＴ撮像システムでは、焦点はＯＣＴ撮像能力の透過距離の半分に選ばれても良い。多くの用途において有効な焦点距離は約２ミリメータである、しかしながら、約０．１ミリメータから１０ミリメータ以上の焦点距離が使用可能である。

図５は本発明の別の実施例による検出器１１０と検出器走査システムを示す。示された実施例では、光検出器１１０は、１対のＧＲＩＮレンズと、適切な角度θに切断された一対の円筒状のガラス要素を含む。示されている通り検出器１１０は光ファイバ１２０とファイバ１２０の端に近接したファイバレンズ要素１２５を含む。第１の管１４０（内管）がファイバ１２０を取り囲む。内管１４０はまたレンズ要素１２５の回転を促進するためにファイバレンズ要素１２５に連結される。第二の回転可能な管１５０（外管）がファイバレンズ要素１２５に対してレンズ要素１３０の回転を促進するために管１４０と屈折レンズ要素１３０を取り囲む。示されている通り、ファイバ１２０の遠心端にある（示されていない）光源からの入力光がファイバ１２０に入り、内管１４０内のファイバ端から出る。１つの観点では、光ファイバ１２０が内管内にファイバレンズ要素１２５の焦点に固定されている。好ましい観点では、レンズ要素１２５はＧＲＩＮレンズを含む。ＧＲＩＮレンズは、示されている様に、斜めに切断されていてもよく、（例えば図３を参照して上述された様なウェッジ３４と同じに）角度のついたウェッジ要素に固定されていても良い。この場合、出光はＧＲＩＮレンズによって平行にされ、角度のついたガラスウェッジ要素で角度に関して移動させられる。傾いた光束は、示された１つの観点では第２のガラスウェッジ要素とＧＲＩＮレンズ対を含み外管に固定されたレンズ要素１３０で焦点を合わせられる。

レンズ要素１３０のファイバレンズ要素１２５に対する回転は、前方軸に対する前方光束の角度を変える。例えば、図５Ａは最大角を提供する方向を示し、図５Ｂはゼロ角度を提供する方向を示す。第１と第２の傾面の方向の角差がΔφ（図５Ｂに示される方向に円筒が位置する場合はΔφ＝０）で与えられるとすると、前方軸に対し出光束で作られる角度は

で近似される。ここで、ｎは円筒の屈折率である。ファイバレンズ要素１２５をレンズ要素１３０に対して回転させることによって、前方軸に対して出光束が成す角度Ψはゼロから2(n-1)ラジアン変化できる。両方のレンズを同調して回転すると出光束は完全な円錐を走査する。出力の焦点が検出器の先端から２ミリメータで、その距離で直径２ミリメータの走査範囲を保証する場合、切断角θは約０．１９ラジアン（約１１度）でなくてはならない。１つの観点では、最小の角度が与えられた場合、設計はＧＲＩＮレンズを与えられた傾斜角で単純に切断することでさらに単純化できガラスウェッジ要素の必要がなくなる。

１つの実施例では、（それぞれレンズ要素１３０とファイバ１２０を保持している）外管と内管は好ましくは二つの異なるモータに図５Ｃで示される様にギアで取り付けられている。図１の実施例では管４０とファイバ２０は同様に異なるモータに接続されていても良い。どちらの場合においても、参照面に対する屈折レンズ要素とファイバの一回転は円錐状の走査を完結させる。従って、これら二つの動作を組み合わせることで上述された検討材料で与えられた前方軸からの最大角をもつ安定した円錐と等しい走査体積を形成する。それぞれのモータは好ましくは１つもしくは複数の１ヘルツから約１キロヘルツ以上の範囲の回転速度を提供する。また、それぞれのモータは接続された要素を他方のモータと同じもしくは反対の方向に回転できても良い。さらに、ファイバ１２０はファイバレンズ要素１２５と共に回転する必要はない。つまり、内管はファイバ１２０が回転することなしに回転しても良い。内管と外管の両方の回転に１つのモータが使用されても良いことも理解されなくてはならない。この場合、モータと両管を連結する歯止め装置（ラチェット）と爪（ポール）形の構造が管を異なる回転速度で回転させるために用いられても良い。側走査検出器のための、同様の回転作動システムとＯＣＴ撮像装置へのファイバ接続はオプティックスレターズ２１巻（１９９６年）５４３頁の「光コヒーレンス断層映像法のための光ファイバカテーテル内視鏡の単一モード走査」に示され、参照により援用される。

各光束路方向沿いの深さ方向に分解した像を作成するためにＯＣＴ撮像法を用いることで、撮像針（検出器）前方の構造の３次元像が構成できる。たとえば、前方走査体積の断層映像を得るために本発明の検出器と共に撮像フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤＯＣＴ）機関が用いられる。大きな走査体積（例えば３−４ミリメータ前方及び前方距離４ミリメータで直径４ミリメータ）で、本発明による針内視鏡は前例のない前方走査能力を持つ。例えば、内管を１００ヘルツでそして外管を１ヘルツで回転させることにより、３次元の、合計毎秒１０^８ボクセルの画像が各走査で１０００ピクセルを１００キロヘルツで取得する能力を持ったＯＣＴ撮像システムで作成することができる。

この革新的なしかも優雅に単純な設計は非常に小型な検出器の製造を可能にする。例えば、直径が１ミリメータ以下の検出器（例えば５００マイクロン以下）である。このような装置は現存する内視鏡撮像技術に対して飛躍的な進歩を提供する。本発明の検出器の小型のサイズと前方断層撮影能力は、最低限に可能な侵襲的な外科手術手法の画像ガイダンスを形成する。

発明が特定の実施例によって記述されてはいるものの、本発明は開示された実施例に制限されたものではないことを理解されなくては成らない。それとは反対に、当業者には明白な様にさまざまな変形例や類似例を網羅する意図がある。例えば、平坦な端面を持つ代わりに、ＧＲＩＮレンズは角度を持って切断されていてもよく、ウェッジ要素が取り付けられていて、望ましい斜面、つまりθもしくはθ_１を提供する様に切断されていても良い。加えて、レンズ要素とファイバを保持している管は柔軟性のある素材もしくは剛体の素材で構成されていても良い。従って添付された請求項の範囲は、そのような変形例、類似例を網羅するにふさわしい最も広く解釈されるべきである。

図１は、１つの実施例による、ファイバとレンズ要素を含む検出器の設計の側面図を示す。 図２は、１つの実施例による、レンズ要素の設計の側面図を示す。 図３は、レンズ要素の設計の別の実施例を示す。 図４は、前方軸に対して前方光が最大角になる図１の要素の方向を示す。 Ａは本発明の別の実施例による、検出器の設計の側面図を示す。Ｂは前方軸に対して前方光がゼロになる、Ａの要素の方向を示す。Ｃは１つの実施例による回転駆動システムを示す。

Claims (19)

1. 近位端と遠心端とを含み、軸を定義し、光ファイバの前記近位端は光源に隣接していて、前記遠心端は第１の斜面を成す光ファイバと、
   前記光ファイバの前記遠心端に隣接する屈折レンズ要素とを備え、前記レンズ要素と前記光ファイバ両方が前記軸に対して回転可能に構成され、前記光ファイバと前記レンズはお互いに前記軸に対して相対的に回転する様に構成され、
   前記軸に対して前記光ファイバを回転させるように適合されたモータをさらに備え、
   前記モータが前記レンズ要素を前記軸に対して回転させる様に前記モータをレンズに結合させる結合機構をさらに備え、前記結合機構は、前記レンズ要素を前記軸に対して、前記軸に対して前記光ファイバが回転する回転率と異なる速度で回転させる様に適合された、
   ことを特徴とする光装置。
2. 前記レンズ要素が、前記軸に対して第１の回転位置にあるとき、実質上、光ファイバの第１の斜面に相補的な第２の斜面を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
3. 前記レンズ要素がＧＲＩＮレンズを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
4. 前記レンズ要素が前記ＧＲＩＮレンズの端面に付着された光ウェッジ要素を含む、ことを特徴とする請求項３に記載の光装置。
5. 前記レンズ要素を前記軸に対して前記光ファイバと異なる、又は同じ回転方向に回転させる様に適合された第２のモータをさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
6. 結合機構が歯止め装置（ラチェット）と爪（ポール）形の結合器を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
7. 光装置が光コヒーレンス断層映像法を用いた顕微鏡検出器である、ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
8. 前記ファイバの前記遠心端に、前記軸に対して垂直な面に対して角度を持って切断されたＧＲＩＮレンズが位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
9. 前記ファイバの前記遠心端に、ＧＲＩＮレンズと該ＧＲＩＮレンズの端面に取り付けられた光ウェッジ要素が位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の光装置。
10. 近位端と遠心端とを含み、軸を定義し、光ファイバの前記近位端は光源に隣接していて、前記遠心端は第１の屈折レンズ要素に隣接している光ファイバと、
    前記第１のレンズ要素に隣接する第２の屈折レンズ要素と、を備え、
    第２の屈折レンズ要素は前記軸に対して回転する様に構成されていて、前記第１のレンズ要素は前記軸に対して前記第２のレンズ要素とは別に回転する様に構成され、
    前記ファイバに連結された第１のモータと、第２のレンズ要素に連結された第２のモータを備え、第１のモータが前記軸に対して第１のレンズ要素を回転する様に構成され、第２のモータが前記軸に対して第２のレンズ要素を第１のレンズ要素と異なる、もしくは、同じ方向に回転する様に構成され、
    前記モータが前記第１のレンズ要素および前記第２のレンズ要素を前記軸に対して回転させる様に前記モータをレンズに結合させる結合機構をさらに備え、前記結合機構は、前記第１のレンズ要素および前記第２のレンズ要素を前記軸に対して、前記軸に対して前記光ファイバが回転する回転率と異なる速度で回転させる様に適合された、
    ことを特徴とする光装置。
11. 前記第１のレンズ要素が、前記軸に垂直な面に対して第１の角度を持って切断されたＧＲＩＮレンズを含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の光装置。
12. 前記第２のレンズ要素が、前記軸に垂直な面に対して第２の角度を持って切断された第２のＧＲＩＮレンズを含み、前記第２の角度が実質的に前記第１の角度と同じである、ことを特徴とする請求項１１に記載の光装置。
13. 前記第１のレンズ要素が、取り付けられたＧＲＩＮレンズと光ウェッジ要素を含み、前記ウェッジ要素が前記軸に垂直な面に対して第１の角度を持った端面を提供する、ことを特徴とする請求項１０に記載の光装置。
14. 前記第２のレンズ要素が、取り付けられた第２のＧＲＩＮレンズと第２の光ウェッジ要素を含み、前記第２のウェッジ要素が前記軸に垂直な面に対して第２の角度を持った端面を提供し、前記第２の角度が実質的に前記第１の角度と同じである、ことを特徴とする請求項１１に記載の光装置。
15. 近位端と遠心端とを含み、軸を定義する光ファイバを含む前方走査検出器を用いて細胞組織標本の前方走査体積を撮像する方法であって、前記光ファイバの近位端は光源に隣接していて、遠心端は第１の屈折レンズ要素に隣接していて、前記検出器はさらに第１のレンズ要素に隣接して位置する第２の屈折レンズ要素を持つ撮像端を含み、前記第２のレンズ要素は前記軸に対して回転する様に構成され、前記第１のレンズ要素は前記第２の要素とは別に前記軸に対して回転する様構成され、
    前記ファイバに連結された第１のモータと、第２のレンズ要素に連結された第２のモータを備え、第１のモータが前記軸に対して第１のレンズ要素を回転する様に構成され、第２のモータが前記軸に対して第２のレンズ要素を第１のレンズ要素と異なる、もしくは、同じ方向に回転する様に構成され、
    前記モータが前記第１のレンズ要素および前記第２のレンズ要素を前記軸に対して回転させる様に前記モータをレンズに結合させる結合機構をさらに備え、前記結合機構は、前記第１のレンズ要素および前記第２のレンズ要素を前記軸に対して、前記軸に対して前記光ファイバが回転する回転率と異なる速度で回転させる様に適合され、
    撮像方法は、
    検出器の撮像端を撮像される細胞組織標本に隣接して置き、
    光束を前記ファイバの近位端に光源から供給し、
    前記光ファイバを保持する内管を第１の速度で回転し、
    同時に、前記第２のレンズ要素を保持する外管を第１の速度と異なる第２の速度で回転する、
    ことを特徴とする方法。
16. 細胞組織標本からの反射光がファイバに収集され、さらに、光コヒーレンス断層映像法撮像システムを用いて細胞組織標本からの前記反射光を捉える、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記光束は赤外もしくは近赤外波長周波数帯域の１つの波長を持つ、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 内管と外管のそれぞれが約１ヘルツから約１キロヘルツの間で回転している、ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 内管が約１００ヘルツで回転して、外管が約１ヘルツで回転している、ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。

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