(57)【要約】  光線を回転放射する回転機構の回転ムラや回転伝達遅れなどを防ぐとともに、回転方向だけでなく軸方向に一定長さの走査が行なえ、また光回転ジョイントを不要にしつつ光学的減衰の少ない３次元の観察画像を得ることができる光イメージング用プローブを実現するために、光線を略半径方向に放射する第１光路変換手段を、光ファイバーの先端側に配置し、光ファイバーの先端から回転中心に対して光路を微小角度傾けて回転放射する第２光路変換手段を、光ファイバーと第１光路変換手段の間に配置する。そして、第１光路変換手段が固定された第１モータの回転軸の中空穴に第２光路変換手段が固定された第２モータの回転軸を相対的に回転自在に挿入するとともに、第２モータの回転軸の中空穴に光ファイバーまたは光ファイバーから放射された光線を貫通させる構造とする。
2017047739.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側に入射した光を後方側へ導く光イメージング用プローブにおいて、  チューブ内に回転不能に配置した光ファイバーと、  前記光ファイバーの先端側に位置し、第１モータにより回転駆動させられ、光線を略半径方向に放射する第１光路変換手段と、  前記光ファイバーと、前記第１光路変換手段の間に位置し、第２モータにより回転駆動され、前記光ファイバーの先端から放出された光線を、回転中心に対して、微小角度傾けて回転放射する第２光路変換手段とを、  略同一線上に配置し、前記光ファイバーの端面から光線が、前記第２光路変換手段側に向けて放出可能としたことを特徴とする光イメージング用プローブ。
【請求項２】
前記第１モータおよび前記第２モータの回転軸は、いずれも中空形状であり、  前記第１光路変換手段が固定された前記第１モータの回転軸の穴に、前記第２光路変換手段が固定された前記第２モータの回転軸が相対的に回転自在に挿入され、  前記第２モータの回転軸の穴に、前記光ファイバーまたは前記光ファイバーから放射された光線が貫通していることを特徴とする請求項１記載の光イメージング用プローブ。
【請求項３】
前記第１モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第１パルス発生手段と、前記第２モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第２パルス発生手段と、前記第１パルス発生手段及び前記第２パルス発生手段からのパルスにより、前記第１モータ及び前記第２モータの回転速度を調整する制御手段とを有し、  前記第１モータの回転速度Ｎ１と前記第２モータの回転速度Ｎ２の関係を、Ｎ２＝Ｎ１−Ｘ［回転／秒］で回転させることで、前記第１光路変換手段からＮ１［回転／秒］の回転速度で略半径方向に放出させる共に、Ｘ［往復／秒］の速度で光線の放出角を軸方向に変化させることを特徴とする請求項１又は２記載の光イメージング用プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光学式測定機器や医療機器において被検体で反射させた光を立体的に取り込んで観察するための３次元走査型の光イメージング用プローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  画像診断技術（光イメージング技術）は、装置機械、医療などの現場において広く利用されている技術である。例えば、医療現場や精密機械部品の製造現場などにおいて、画像診断の手法として、一般的なカメラ観察や超音波診断装置に加えて、断層画像や３次元断層画像を撮影する事が可能なＸ線ＣＴ、核磁気共鳴、光の干渉性を利用したＯＣＴ画像(光干渉断層撮影)などの方式が研究されると共に活用されている。近年、この断層画像や３次元断層画像撮影はこれら方式の中でも最も微細な撮影画像が得られるＯＣＴ画像診断技術の開発が特に注目されている。【０００３】  ＯＣＴ画像は光源として波長１３００ｎｍ（ナノメートル）程度の近赤外線を用いる事が多いが、近赤外線は生体に対して非侵襲性であるとともに、超音波よりも波長が短いために空間分解能に優れている。そのため、断層撮影方式を内視鏡に組込み、医療現場で人体の胃部、小腸部、動脈流等の血管部における患部の発見、診断及び治療への活用が期待されている。また工業用途では管内の精度測定や塗装の皮膜厚さ測定に応用が期待されている。このＯＣＴ画像技術を適用したＯＣＴ内視鏡プローブの代表的な構造は、例えば、特許文献１に示されている通りである。【０００４】  特許文献１に示すＯＣＴ内視鏡プローブでは、該文献中図１に示される環状のガイドカテーテルの内部に細長のチューブ状のカテーテルが挿入されている。そして、カテーテル内部には、回転および摺動可能で光学的に接続された光ファイバーまたはコアを有し、光ファイバーを回転させると共に、該文献中図３に示すように長さ方向に移動させて身体組織に照射を行い、解析画像を観察するＯＣＴの３次元画像システムである。しかしながらこの構成では、カテーテルの内周面と内部コア（106）との間に摩擦抵抗が発生する問題があった。また、内部コア（106）の擦れ、撓み、ねじれ、に起因して、回転速度ムラや、回転伝達遅れ、トルク損失の変動等を生じるため、得られる解析画像が乱れ、要求される空間分解能が得られなかった。また、内部コア（106）は高速シール部材（210）でシールされながら高速回転し、回転継手〔光回転ジョイント〕（214）に接続されているが、この光回転ジョイントによる光学損失があることと、装置の大きさとコストが問題であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５２０９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、内視鏡タイプの光イメージング用プローブにおいて、回転伝達遅れやトルク損失等の発生を軽減することで光線を回転放射する回転機構の回転ムラや軸振れ、擦れ、回転伝達遅れを防ぐとともに、回転方向だけでなく軸方向に放射することで一定長さの３次元走査が行なうことにある。また光回転ジョイントを不要にしつつ光学的減衰の少ない、３次元の観察画像を得ることができる光イメージング用プローブを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  上記課題を解決するための一手段は、先端側に入射した光を後方側へ導く光イメージング用プローブ次のように構成した。チューブ内に回転不能に配置した光ファイバーと、光ファイバーの先端側に位置し第１モータによって回転駆動させられることで光線を略半径方向に放射する第１光路変換手段と、光ファイバーと第１光路変換手段の間に位置して第２モータによって回転駆動させられることで光ファイバーの先端から放出された光線を回転中心に対して微小角度傾けて回転放射する第２光路変換手段とを備える。そして、光ファイバーと第１光路変換手段と第２光路変換手段とを略同一線上に配置して、光ファイバーの端面から光線が、第２光路変換手段側に向けて放出可能としたものである。
【発明の効果】
【０００８】  本発明によれば、内視鏡装置等のカテーテル内で光ファイバーは回転させないので擦れることがなく、回転伝達遅れやトルク損失等の発生しない。また、回転光ジョイントを用いる必要がなく光学的損失が軽減される。更に第１光路変換手段と第２光路変換手段のそれぞれが独立して回転することで光線の放射角度を略半径方向と中心軸方向の両方に意図的に変えられるので、深穴内面用精密測定機やＯＣＴ内視鏡において３次元の空間分解能が高く高精度な観察画像データを得ることができる。 
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光イメージング用プローブの断面図
【図２】同光イメージング用プローブを用いた内面測定機構成図
【図３】同光イメージング用プローブの回転走査方向説明図
【図４】同光イメージング用プローブの回転走査方向説明図
【図５】同光イメージング用プローブの回転走査方向説明図
【図６】同光イメージング用プローブの回転走査方向説明図
【図７】同光イメージング用プローブの回転走査方向説明図
【図８】同光イメージング用プローブの３次元走査範囲説明図
【図９】同光イメージング用プローブの第１モータのパルス発生部説明図
【図１０】同光イメージング用プローブの第２モータのパルス発生部説明図
【図１１】同光イメージング用プローブのモータパルスのタイミングチャ−ト
【図１２】同光イメージング用プローブにより収集した３次元イメージ説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】  本発明の光イメージング装置の第１の特徴は、先端側に入射した光を後方側へ導く光イメージング用プローブにおいて、回転不能に配置されたチューブ内に挿入され回転不能な光ファイバーと、光ファイバーの先端側に位置し、第１モータにより回転駆動させられ、光線を略半径方向に放射する第１光路変換手段と、光ファイバーと、第１光路変換手段の間に位置し、第２モータにより回転駆動され光ファイバーの先端から放出された光線を、回転中心に対して微小角度傾けて回転放射する第２光路変換手段を、略同一線上に配置し、光ファイバーの端面から第２光路変換手段に向けて光線が放出可能とした。  この構成によれば、後方から光ファイバーに送られた光線を、第１光路変換手段が回転して２次元的に放射状に光を反射すると共に、第２光路変換手段が回転して光線の放出方向に回転中心に対する角度を変化させる事で３次元観察が可能になり３次元の観察画像を得ることができる。
【００１１】  第２の特徴としては、第１モータおよび、第２モータの回転軸はいずれも中空形状であり、第１光路変換手段が固定された第１モータの回転軸の穴に第２光路変換手段が固定された第２モータの回転軸が相対的に回転自在に挿入され、第２モータの回転軸の穴に、回転不能な光ファイバーまたは光ファイバーから放射された光線を貫通させるように構成した。  この構成によれば、光ファイバーは回転しないので捩れや回転摩擦がなく、光路の途中に光回転ジョイントを介さずに光線を送るため、コンパクトで光の減衰がなく空間分解能が高い３次元の観察画像を得ることができる。
【００１２】  第３の特徴としては、第１モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第１パルス発生手段と、第２モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第２パルス発生手段を有し、第１及び第２のパルス発生手段からのパルスにより第１及び第２モータの回転速度を調整する制御手段を有し、第１モータの回転速度Ｎ１と第２モータの回転速度Ｎ２の関係を、Ｎ２＝Ｎ１−Ｘ［回転／秒］で回転させることで、第１光路変換手段からＮ１［回転/秒］の回転速度で略半径方向に放出させる共に、Ｘ［往復／秒］の速度で光線の放出角を軸方向に変化させることを特徴とする請求項１から２項記載の光イメージング用プローブ。  この構成によれば、光線の放射がＮ１の速度（例えば３０回転/秒）で高速回転しながら、毎秒Ｘ往復の遅い速度（例えば１往復/秒）で軸方向に放射角を変更し、光線を螺旋状に放射する事が可能であり、３次元データを効率よく収集することができ、空間分解能が高い３次元の観察画像を得る内視鏡プローブを得ることができる。
【００１３】  次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１４】  図１〜図１０は本発明に係る光イメージング用プローブの実施形態を示している。  図１は本発明の第１の実施の形態に係る３次元走査型光イメージング用プローブの構造を示す断面図である。プローブの後端側から先端側に光線を導く光ファイバー１は十分に長いチューブ６の穴の中に挿通され、光ファイバー固定具５により非回転状態に固定されている。【００１５】  光ファイバー１の先端側は端面が直角かつ平滑に加工され前方に光線を放出可能としている。または光ファイバー１には必要に応じて先端側に集光レンズ２が取り付けられ、より一層光線を乱反射なく放射可能としている。【００１６】  光ファイバー１と略同軸上に第１モータ１２と第２モータ１７が配置され、第１モータ１２は、第１軸受９ａ、９ｂ、第１モータコイル１０、第１ロータ磁石１１および、中空穴を有する第１中空回転軸８からなり、第１軸受９ａ、９ｂと第１モータコイル１０は例えば金属製で薄肉のチューブ６の内部に固定され、第１ロータ磁石１１は第１中空回転軸８の外周面に固定されている。光ファイバー１は第１中空回転軸８の穴に相対的に回転自在に挿入されている。【００１７】  第２モータ１７は、第２軸受１４ａ、１４ｂ、第２モータコイル１５、第２ロータ磁石１６および、中空穴を有する第２中空回転軸１３からなり、第２軸受１４ａ、１４ｂと第２モータコイル１５はチューブ６の内部に固定され、第２ロータ磁石１６は第２中空回転軸１３の外周面に固定されている。第２中空回転軸１３は、第１中空回転軸８の穴に相対的に回転自在に挿入されている。【００１８】  第１モータ１２の第１中空回転軸８の光ファイバー１より先端側には第１連結部とミラー等からなる第１光路変換手段３が固定され、第２モータ１７の第２中空回転軸１３の光ファーバーの先端側には第２連結部１３ａが取り付けられ、第１光路変換手段３と光ファイバー１の間には、プリズム等からなる第２光路変換手段４が固定される。【００１９】  チューブ６の先端近傍はガラス、石英、またはサファイヤ等からなる透光部７が取り付けられ、内部の各部品を保護しつつ、光線が透過するように構成されている。また、必要に応じて表面反射を減らし、光線の透過率を高めるためのコーティング等が施されている。【００２０】  第１中空回転軸８と第２モータ回転軸１３の間の隙間には、必要に応じて摺動性を高める第１カラー２２、又は潤滑剤が挿入され、光ファイバー１と第２中空回転軸１３の間の隙間には必要に応じて第２カラー２３または潤滑剤が挿入され、相対回転をスムーズにしている。【００２１】  第１モータ１２には必要に応じて第１パルス発生手段２０ａ、２０ｂが取り付けられ第１モータ１２の回転によりパルス信号を発生する。第２モータ１７には必要に応じて第２パルス発生手段２１ａ、２１ｂが取り付けられ、第２モータ１７の回転によりパルス信号を発生するように構成されている。ただ、これら第１および第１パルス発生手段が無い場合は、第１および第２モータコイル１０、１５から発生する微弱電圧のパルスを検出する事で代替することも可能である。【００２２】  図１に示される光ファイバー１は、屈曲自在なグラスファイバーであり直径は０．７５〜０．２５ミリメートル程���のものを使っており、第２中空回転軸１３の内部に被接触状態で配置可能にしている。但し、光ファイバー１は必ずしも第２中空回転軸の内部に配置する必要はなく、第２中空回転軸の本体８５側に配置され、ファイバー１の端部から放射された光線のみが第２中空回転軸１３の内部を貫通し、第２光路変換手段に放射されても同様の効果が得られる。【００２３】  図１に示される第２中空回転軸１３の穴の直径は０．１５〜０．３ミリメートルであり、その材質は金属またはセラミックス材料である。そして、溶融金属の金型による引き抜き加工、電柱加工法、または焼成前のセラミックスの金型による押し出し加工、等で作られ、外周面は研磨加工法等により仕上げ加工が施されている。【００２４】  また、第１モータ１２には通常は４本の細いリード線からなる第１配線１８が接続され、第２モータ１７には第２配線１９が接続されている。【００２５】  図２は、本発明の光イメージング用プローブを用いた内面測定機の構成図である。ベース８０にスタンド８１が固定され、スライダ用モータ８３によりスライダ８２が本発明光イメージングプローブの３６と共に上下に移動する。被検査物３０はベース８０上にセットされており、光プローブ３６は被検査物３０の深穴に出入りし、光ファイバー１は自在チューブ３１で被覆されており、測定機本体８５の接続部８４を介して光干渉解析部８８に光学的に繋がっている。【００２６】  測定機本体８５で発生した近赤外光または白色光の光線は、光ファイバー１を通過して光プローブ３６の透光部７から放射される。被検査物３０の内周面で反射した光線は、光プローブ３６内と光ファイバー１と、さらに測定機本体８５の接続部８４を通過して、光干渉解析部８８に入り、コンピュータ８９で解析してモニタ９０に画像を表示する。【００２７】  また自在チューブ３１の直径は５ミリメートル以下であり丈夫でかつ柔軟性を有するフッ素樹脂チューブ等で構成されている。【００２８】  図１の第１モータ１２には図２の第１モータドライバ回路８６から電力が供給されて回転駆動され、第２モータ１７は第２モータドライバ回路８７から電圧が印加されて回転駆動される。  【００２９】  次に上述した図１の光イメージング用プローブについて、図３から図１２を用いてその特徴的な作用効果を詳細に説明する。【００３０】  図１において第１電線１８から電力が供給され、第１モータ１２がＮｒｐｍの回転数（約１８００〜２万ｒｐｍの範囲）の一定速度で回転すると、測定機本体８５から光ファイバー１を通して導かれた光線は，第２光路変換手段４を透過し、第１光路変換手段３で略直角方向に反射し、３６０度全周方向に放射される。また第２電線１９から電力が供給され、第２モータ１７が第１モータ１２より僅かに異なる一定速度で回転、例えば（Ｎ−ｘ）ｒｐｍで回転すると、第１光路変換手段が高速回転すると同時に、第１光路変換手段３と第２光路変換手段４の間に角度位相差がゆっくりと生じるため、スクリュー状に３次元方向に放射される。  【００３１】  図１は第１モータ１２の図９および図１０に示される回転角度（α）が０°で、第１モータ１７の回転角度（β）も０°になる、ある一瞬の状態を示している。この瞬間には光線は図���、矢印に示すように下方にθ２の方向に放射され、被測定物からの反射光も同じ角度から戻り、光ファイバー１を通過して光干渉解析部８８に入光する。【００３２】  図３は、第１モータ１２の回転角度（α）が１８０°で、第１モータ１７の回転角度（β）も１８０°になる、ある一瞬の状態を示しており、これは図１の回転角度のまま反転した状態である。この瞬間には光線は図中、矢印に示すように上方にθ２の方向に放射される。【００３３】  図４は、やがて２個のモータ間に回転位相差が生じて行き、第１モータ１２の回転角度（α）が０°で、第１モータ１７の回転角度（β）が９０°になったある一瞬の状態を示している。この瞬間には光線は図中、矢印に示すように略、真下方向に放射される。【００３４】  図５は、やがて２個のモータ間に回転位相差が生じて行き、第１モータ１２の回転角度（α）が１８０°で、第１モータ１７の回転角度（β）が２７０°になったある一瞬の状態を示している。この瞬間には光線は図中、矢印に示すように略、真上方向に放射される。【００３５】  図６は、さらに２個のモータ間に回転位相差が生じて行き、第１モータ１２の回転角度（α）が０°で、第１モータ１７の回転角度（β）が１８０°になったある一瞬の状態を示している。この瞬間には光線は図中、矢印に示すように右下方向にθ１の角度で放射される。【００３６】  図７は、さらに２個のモータ間に回転位相差が生じて行き、第１モータ１２の回転角度（α）が１８０°で、第１モータ１７の回転角度（β）が１８０°になったある一瞬の状態を示している。この瞬間には光線は図中、矢印に示すように右下方向にθ１の角度で放射される。【００３７】  この時の光線の放射範囲、即ち光干渉内視鏡の走査範囲は図８に示すように透光部７の外径ｄ１（約１．５〜５ｍｍ）から直径ｄ２（約５〜１０ｍｍ）の距離まで光線が透過しその間の全ての範囲でピントが合うように設計され、３６０度の全周方向に２次元的に走査している。第１モータ１２と第２モータ１７が回転すると、光線の放射方向がθ１〜θ２の範囲で徐々に変化させられるため、光線の放射範囲はθ１＋２θの範囲となり３次元的に走査することができる。【００３８】  図９から図１０において、第１モータ１２には第１パルス発生手段２０ａ、２０ｂが設けられ、１回転に１回のパルス信号を発生する。また第２モータ１７には２１ａ、２１ｂが設けられ１回転に１回のパルス信号を発生する。【００３９】  図１１は、光発明イメージング用プローブの第１モータ１２と第２モータ１７の発生パルスタイミングチャ−トであり、図中上側の線図は第１モータ１２の第１パルス発生手段２０からの発生パルス、図中下側の線図は第２モータ１７の第２パルス発生手段２１の発生パルスを示し、横軸は時間軸を示している。  図中Stand byに示す時間帯は、第１モータ１２と第２モータ１７が同一の回転数で回転しながら走査開始信号を待っている状態である。【００４０】  次に、イメージング用プローブの取扱い者の操作によりStart信号が出されると、それと同時に、第１モータ１２は、例えばＮパルス／秒に表される速度（例えば３０回転/秒）で回転し被検体のＯＣＴ観察画像データをコンピュータ８９に蓄積し始める。【００４１】  これと同時��第２モータ１７は、例えば（Ｎ−１）パルス/秒（例えば２９回転/秒）の速度で回転するため、図８に示すように放射角度はθ１からθ２まで０．５秒で変化し、１秒後には再度θ１の角度に戻り、光線の３次元方向への放射を完了する。【００４２】  この場合、コンピュータは放射角度がθ１〜θ２に往復する時間内に計２回（２回で１セット）の３次元データを取り込み、欠落のない鮮明な３次元のＯＣＴ診断画像を得る。データの取り込みと蓄積が行えた時点で、第１モータ１２と第２モータ１７は再びStand by状態になり、次のStart信号を待ちながら回転を行う。【００４３】  本実施形態では、チューブ６の後方から先端までの全長に渡る内部で光ファイバー１は、長いチューブ６の中で回転させないので擦れる事がなく、回転伝達遅れやトルク損失等の発生を防止できる。【００４４】  図２の光イメージング用プローブを用いた内面測定機において最も重要な要求性能は３次元空間の測定精度を高める事であるが、測定精度の要因には、第１モータ１２の第１中空回転軸８の振れ精度、第１光路変換手段３と、第２光路変換手段４の形状精度および表面粗さ等がある。【００４５】  この中で影響度が大きいのはモータ１２の回転振れであるため、先端部にモータ１２を内蔵し、第１光路変換手段３を高精度で、かつ回転速度ムラなく回転させるよう構成している。本発明の内視鏡プローブではたとえば０．０２ミクロン以下の高い３次元の形状精度（真円度、円筒度、表面粗さ）の測定を安定して達成できている。【００４６】  図１２は、本発明光イメージング用プローブにより収集した３次元イメージの事例である。直径２ミリメートルの内周面の３次元データが高精度かつ高い分解能で取り込めている。【００４７】  本発明によれば、内視鏡装置等のチューブ内で光ファイバーを回転させないので擦れる事がなく、回転伝達遅れやトルク損失等の発生を軽減できる。また、第１および第２光路変換手段の同期回転により光線を３次元的に放射して走査できるとともに、細穴や深穴の形状精度が、０．０２ミクロンレベルの高い精度で測定することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４８】  本発明の３次元走査型の光イメージング用プローブは、長いチューブ内の光ファイバーを回転させることなく、チューブの先端近傍にモータで速度ムラなく回転する光路変換手段を設けて高精度な回転走査機構を有する事により、精密測定機の測定精度を改善する事が可能である。さらに、光ファイバーは全体を非回転状態で固定できるため、回転光ジョイントを用いる必要がなく、光線の減衰を防止し、高精度に測定できる。これにより工業用内面測定機、工業用ＯＣＴ装置への活用が期待できると共に、医療用内視鏡装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】１  光ファイバー２  集光レンズ３  第１光路変換手段４  第２光路変換手段５  光ファイバー固定具６  チューブ７  透光部８  第１中空回転軸８ａ  第１連結部９ａ、９ｂ  第１軸受１０  第１モータコイル１１  第１ロータ磁石１２  第１モータ１３  第２中空回転軸１３ａ  第２連結部１４ａ、１４ｂ    第２軸受１５  第２モータコイル１６  第２モータ磁石１７  第２モータ１８  第１配線１９  第２配線２０ａ、２０ｂ  第１パルス発生手段２１ａ、２１ｂ  第２パルス発生手段２２  第１カラー２３  第２カラー３０  被測定物３１  自在チューブ３６  プローブ８０  ベース８１  スタンド８２  スライダ８３  スライダ用モータ８４  接続部８５  測定機本体８６  第１モータドライバ回路８７  第２モータドライバ回路８８  光干渉解析部８９  コンピュータ９０  モニタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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2017047739.tif 000016
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