(57)【要約】  反射低減デバイスは、光検知用に構成され、端部を有する光ファイバ１０４を含む。端部に先端部１０２が結合される。先端部は、長さ寸法ｄを含み、光ファイバと屈折率が整合する。先端部は更に、長さ寸法内で光を吸収し散乱させるための吸収長さと、端部とは反対側に後方反射を低減する表面Ｓとを含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検知用に構成され、端部を有する光ファイバと、
前記端部に結合され、長さ寸法を含み、前記光ファイバと屈折率が整合する先端部と、
を含み、
前記先端部は更に、前記長さ寸法内で光を吸収し散乱させるための吸収長さと、前記端部とは反対側に後方反射を低減する表面とを含む、反射低減デバイス。
【請求項２】
前記長さ寸法は、約５ｍｍ未満である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記光ファイバ及び前記先端部は、フェルール接続界面を共有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記フェルール接続界面は角度が付けられている、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記先端部は、吸光ドーパント又は粒子を有する媒体を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記吸光ドーパント又は粒子は、グラファイト、ナノチューブ、バルキーボール、金属錯体又は粒子、カチオン、アニオン、金属基板の表面改質用のフェムト秒エッチングレーザによって製造された変性金属材料、及び染料のうちの１つ以上を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記吸光ドーパント又は粒子は、プラズモン周波数において約２の比誘電率を有する金属を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項８】
前記吸光ドーパント又は粒子は、所与の長さ寸法について最小反射減衰係数を与える、請求項５に記載のデバイス。
【請求項９】
前記先端部は、前記光ファイバの屈折率と整合する屈折率と、所与の長さ寸法について最小反射減衰係数とを有する材料を含む、請求項５に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記先端部は、光分散形状又は仕上げを含む前記表面を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
少なくとも１つの光ファイバを有する、形状検知が可能にされた医療デバイスと、
前記少なくとも１つの光ファイバから光信号を受け取り、前記医療デバイスの形状を求めるために前記光信号を解釈するコンソールと、
前記少なくとも１つの光ファイバの遠位端に結合された先端部と、
を含み、
前記先端部は、長さ寸法を含み、前記光ファイバと屈折率が整合し、
前記先端部は更に、前記長さ寸法内で光を吸収し散乱させるための吸収長さを含む、形状検知システム。
【請求項１２】
前記長さ寸法は、約５ｍｍ未満である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの光ファイバ及び前記先端部は、フェルール接続界面を共有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記フェルール接続界面は角度が付けられている、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記先端部は、吸光ドーパント又は粒子を有する媒体を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記吸光ドーパント又は粒子は、グラファイト、ナノチューブ、バルキーボール、金属錯体又は粒子、カチオン、アニオン、金属基板の表面改質用のフェムト秒エッチングレーザによって製造された変性金属材料、及び染料のうちの１つ以上を含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記吸光ドーパント又は粒子は、プラズモン周波数において約２の比誘電率を有する金属を含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記吸光ドーパント又は粒子は、所与の長さ寸法について最小反射減衰係数を有する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記先端部は、前記光ファイバの屈折率と整合する屈折率と、所与の長さ寸法について最小反射減衰係数とを有する材料を含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記先端部は、前記光信号からのフィードバックを使用して調節される吸収性を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記先端部は、光分散形状又は仕上げを含む遠位端面を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２２】
光形状検知ファイバの端反射低減方法であって、
先端部を与えるステップと、
前記先端部を、光形状検知用の光ファイバの端部に接続するステップであって、前記先端部は、前記光ファイバと屈折率が整合する、ステップと、
後方反射を低減するために前記光ファイバ内を進行する光の吸収長さを与えるために前記後方反射をフィードバックとして使用して前記先端部の吸収特性を調節するステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記先端部は、約５ｍｍ未満の長さ寸法を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記先端部は、吸光ドーパント又は粒子を有する媒体を含み、前記吸収特性を調節するステップは、前記吸光ドーパント又は粒子の濃度を調節するステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記吸光ドーパント又は粒子は、グラファイト、ナノチューブ、バルキーボール、金属錯体又は粒子、カチオン、アニオン、金属基板の表面改質用のフェムト秒エッチングレーザによって製造された変性金属材料、及び染料のうちの１つ以上を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記吸光ドーパント又は粒子は、プラズモン周波数において約２の比誘電率を有する金属を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記吸光ドーパント又は粒子は、前記先端部の所与の長さ寸法について、最小反射減衰係数を有する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記先端部は、前記光ファイバの屈折率と整合する屈折率と、前記先端部の所与の長さ寸法について最小反射減衰係数とを有する材料を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記先端部に、光分散形状又は仕上げを含む遠位端面を与えるステップを更に含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照：本願は、２０１１年１月２８日に出願された米国仮出願番号第６１／４３７，０３９号の優先権を主張し、参照することによりその全体をここに組み込むものである。関連出願は、２０１１年１月２８日に出願された米国仮出願番号第６１／４３７，０４８号（「Optical Shape Sensing Fiber for Tip and Shape Characterization of Medical Instruments」）である。
【０００２】
本開示は、医療機器に関し、より具体的には、先端における反射が低減される、医療用途における形状検知光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００３】
医療機器又はデバイスの先端及び形状を正確に検知する能力は、介入ガイダンスにおいて重要な役割を果たす。位置特定のための光形状検知（測定）に基づく技術は知られている。しかし、機器へのファイバの取付け方法が、追跡及び／又は形状検知が行われる方法に影響する。例えば、光ファイバがカテーテルの長さに沿って取り付けられ、遠位端の先端において突然終端する場合、先端におけるフレネル（Fresnel）反射による後方散乱が所望の光信号を妨げてしまう。
【０００４】
周囲の組織媒体内に光を散逸させるためにファイバの先端に屈折率整合ゲルに結合することは、ファイバ先端におけるフレネル反射による影響を少なくするのに役立つ。しかし、このアプローチは、実験室では実施可能であるが、医療用製品の製造を複雑にする。
【０００５】
光ファイバに基づく形状検知は、光ファイバブラッグ（Bragg）格子センサに基づく。光ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）は、光の特定波長を反射し、その他の波長はすべて透過させる光ファイバの短いセグメントである。これは、ファイバコアに屈折率の周期的変動を加えることによって達成されるが、これは、波長に固有の誘電体ミラーを生成する。したがって、ファイバブラッグ格子は、特定波長を遮断するインライン光フィルタとして、又は、波長固有リフレクタとして使用することができる。
【０００６】
ファイバブラッグ格子の動作の背後にある基本原理は、屈折率が変化するそれぞれの界面におけるフレネル反射である。幾つかの波長では、様々な周期の反射光は、反射には建設的干渉が、したがって、透過には相殺的干渉があるように位相が揃っている。ブラッグ波長は、歪み及び温度に敏感である。これは、ブラッグ格子を、光ファイバセンサにおける検知素子として使用できることを意味する。ＦＢＧセンサでは、測定量（例えば歪み）によって、ブラッグ波長がシフトされる。
【０００７】
この技術の１つの利点は、様々なセンサ素子を、ファイバの長さ全体に分散配置できる点である。構造体内に埋め込まれているファイバの長さに沿って様々なセンサ（ゲージ）を有する３つ以上のコアを組み込むことによって、当該構造体の３次元構造を、通常は、１ｍｍより優れた精度で正確に求めることが可能となる。ファイバの長さに沿って、様々な位置において、複数のＦＢＧセンサを設置することができる（例えば３つ以上のファイバ感知コア）。各ＦＢＧの歪み測定結果から、当該構造体の湾曲を、その位置において、推測することができる。複数の測定位置から全体の３次元構造が求められる。
【０００８】
光ファイバブラッグ格子の代替として、従来の光ファイバにおける固有の後方散乱を利用できる。このようなアプローチの１つとしては、標準の単一モード通信ファイバにレイリー（Rayleigh）散乱を使用することである。レイリー散乱は、ファイバコアにおける屈折率のランダム変動の結果として生じる。このランダム変動は、格子の長さに沿って振幅及び位相のランダム変動を有するブラッグ格子としてモデル化される。マルチコアファイバの単一長さ内に延在する３つ以上のコアにこの効果を使用して、関心表面の３Ｄ形状及び力学を理解することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光ファイバがカテーテルの長さに沿って取り付けられる場合、遠位端の先端において突然終端する。この構成では、先端界面における反射による後方散乱が、所望の光格子又は後方散乱信号を妨げてしまう。実際には、これは、検出器上に余剰のノイズを有する信号をもたらし、検出器並びに増幅器のダイナミックレンジ、及び、システムのサンプリング精度を損なう。特に、特定レベルの反射では、レーザの位相ノイズが制限することになる。
【００１０】
周囲の組織媒体内に光を散逸させるためにファイバの先端を屈折率整合ゲルと結合することは、後方反射による影響を少なくすることができる。上述したように、このアプローチは、医療用製品の製造を複雑にする。さらに、結合ゲルの最適屈折率はその中で機器が動作する組織（例えば空気対血液）に依存するので、このアプローチは部分的な解決策でしかない。
【００１１】
ファイバの遠位端がカテーテルの先端から遠くにあるように、カテーテルの先端にファイバループが使用されてきている。ファイバループは、患者の体外の実験室用器具内にあってもよい。この場合、周囲の環境が既知であり、任意のサイズ、形状、又は整合媒体の形態の遠位端を置くための空間があるため、端部は適切に取り扱うことができる。しかし、このループによる解決策は２つの実用上の問題がある。まず、ループ自体が強くピンと張られた状態でなければならないが、それでも、ファイバ導波路全体の同じ単一モード特性を維持すべき点である。次に、事実上、カテーテルは、戻り路のために、２倍のファイバ量で作成されなければならない点である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本原理に従えば、吸光及び屈折率整合を与える医療機器用の先端構造が提供される。この先端構造は、コンパクトで生体適合性がある。
【００１３】
反射低減デバイスは、光検知のために構成され、端部を有する光ファイバを含む。先端部は、端部に結合される。先端部は、長さ寸法を含み、光ファイバと屈折率が整合している。先端部は更に、長さ寸法内で吸光し散乱させるための吸収長さを含み、端部と反対側に、後方反射を低減するための表面（Ｓ）を含む。
【００１４】
形状検知システムは、少なくとも１つの光ファイバを有する形状検知が可能にされた医療デバイスを含む。コンソールは、少なくとも１つの光ファイバから光信号を受け取り、当該光信号を解釈して医療デバイスの形状を求める。先端部は、少なくとも１つの光ファイバの遠位端部に結合され、先端部は、長さ寸法を含み、光ファイバと屈折率が整合している。先端部は更に、長さ寸法内で光を吸収し散乱させるための吸収長さを含む。
【００１５】
光形状検知ファイバの端反射低減方法は、先端部を与えるステップと、先端部を、光形状検知用の光ファイバの端部に接続するステップであって、先端部は光ファイバと屈折率が整合する、ステップと、後方反射を低減するために光ファイバ内を進行する光の吸収長さを与えるために後方反射をフィードバックとして使用して先端部の吸収特性を調節するステップと、を含む。
【００１６】
本開示のこれらの及び他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連して読まれるべき本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１７】
本開示は、以下の図面を参照して好適な実施形態の以下の説明を詳細に提示する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本原理に従って、光ファイバに有益な端条件を与える先端構造である。
【図２】図２は、本原理に従って、最小反射減衰係数（ｋｍｉｎ）を求めるための１５５０ｎｍ波長及び屈折率ｎ０＝１．４６８における単一モードファイバ（例えばＳＭＦ２８ｅ）の全反射対減衰係数（ｋ）のグラフである。
【図３】図３は、一実施形態に従って、先端構造を採用する形状検知システムを示すブロック／フロー図である。
【図４】図４は、本原理に従う光ファイバの別の例示的な先端構造である。
【図５】図５は、例示的な実施形態に従う光形状検知ファイバの端反射低減方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本原理に従って、吸光及び屈折率整合を与える、医療機器又は他の光ファイバシステム用の先端構造が提供される。当該先端構造は、コンパクトで、好適には、生体内での生体適合性のある使用を可能にするような態様で形成される（例えば強力な吸収剤がドープされたガラス、保護用及び生体適合性のある終端先端コーティングと組み合わされる、吸光するコロイドポリマーナノ粒子又は鉱物不純物、ＰＥＢＡＸ、ＰＴＦＥ、シリコーン等といったポリマーシース）。医療機器又はデバイスの先端及び形状を正確に検知する能力は、光ファイバ形状検知及び位置特定を使用するために介入ガイダンスに影響を及ぼす。本原理に従う機器の先端は、光ファイバ形状検知及び位置特定を組み込み、吸光特性を有し、光ファイバと屈折率が整合している。
【００２０】
一実施形態では、吸光及び屈折率整合特性を有する先端構造は、低光散乱を与え、光ファイバ形状検知を組み込む医療機器（例えばガイドワイヤ又はカテーテル）の端の方であっても形状検知を損なうことがないように十分に小さい。先端に堆積される材料は、インタロゲーション波長において十分に大きい吸収を有し、その屈折率及びその吸収は共に、特に例えば医療業務時の３７℃である使用時の温度において、屈折率不整合が十分に低いように設定される。ファイバと吸収剤先端との間の界面は、不完全な屈折率整合が生じる場合の反射を最小限にするために傾斜されている。先端部の遠位端のオプティカル形状（Ｓ）及び仕上げは、後方反射光の方向を決定する。
【００２１】
本発明は、医療機器に関して説明されるが、本発明の教示内容は、はるかに広く、任意の光ファイバ機器に適用可能であることは理解されるべきである。幾つかの実施形態では、本原理は、複雑な生物又は機械系の追跡又は分析に使用される。特に、本原理は、生物系の内部追跡手順、肺、消化管、排せつ器官、血管等といった人体のあらゆる領域における手順に適用可能である。図に示される要素は、ハードウェア及びソフトウェアの様々な組み合わせで実施されてよく、単一の要素又は複数の要素において組合されてよい機能を提供する。
【００２２】
図に示される様々な要素の機能は、専用ハードウェア、及び、適切なソフトウェアとの関連でソフトウェアを実行可能なハードウェアの使用を介して提供される。プロセッサによって提供される場合、これらの機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又は複数の個別のプロセッサ（そのうちのいくつかは共有されてもよい）によって提供される。さらに、「プロセッサ」又は「コントローラ」との用語の明確な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアを排他的に指すものと解釈されるべきではなく、当該用語は、次に限定されることなく、デジタルシグナルプロセッサ（「ＤＰＳ」）ハードウェア、ソフトウェアを記憶するための読み出し専用メモリ（「ＲＯＭ」）、ランダムアクセスメモリ（「ＲＡＭ」）、不揮発性メモリ等を暗に含んでよい。
【００２３】
更に、発明の原理、態様、並びに実施形態、及びそれらの具体例を引用する本明細書における全ての記述は、それらの構造上及び機能上の等価物を包含することを意図する。これに加えて、これらの等価物は、現在知られている等価物と、将来に開発される等価物（即ち、構造体に関わらず同じ機能を行う開発される要素）の両者を含むことを意図する。したがって、例えば、当業者であれば、本明細書に提示されるブロック図は、発明の原理を具現化する例示的なシステムコンポーネント及び／又は回路の概念図を表すものであると理解されよう。同様に、任意のフローチャート、フロー図等は、コンピュータ可読媒体に実質的に表現され、したがって、コンピュータ又はプロセッサによって（そのコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されていようとなかろうと）実行される様々なプロセスを表すものであると理解されよう。
【００２４】
また、本発明の実施形態は、コンピュータ若しくは任意の命令実行システムによって使用される又はコンピュータ若しくは任意の命令実行システムに関連してプログラムコードを提供するコンピュータ可用又はコンピュータ可読記憶媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムプロダクトの形態をとってもよい。本説明の目的として、コンピュータ可用又はコンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置若しくはデバイスによって使用される又は命令実行システム、装置若しくはデバイスに関連してプログラムを含む、記憶する、通信する、伝播する、又は転送する任意の装置であってよい。当該媒体は、電子的、磁気的、光学的、電磁気的、赤外線による、若しくは半導体のシステム（又は装置又はデバイス）であっても、又は、伝播媒体であってよい。コンピュータ可読媒体の例としては、半導体又は固体メモリ、磁気テープ、取り外し可能なコンピュータディスク、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、剛体磁気ディスク及び光ディスクが挙げられる。光ディスクの今日の例としては、コンパクトディスク−読み出し専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、コンパクトディスク−読み出し／書き込み（ＣＤ−Ｒ／Ｗ）、ブルーレイ（登録商標）、及びＤＶＤが挙げられる。
【００２５】
同様の番号は、同じ又は類似の要素を表す図面を参照する。まず、図１を参照する。先端構造１００は、光ファイバ１０４に接続された先端部１０２を含む。光ファイバ１０４は、形状検知機能を有する医療デバイスの遠位端部を含む。医療デバイスは、例えば、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡、プローブ、ロボット、電極、フィルタデバイス、バルーンデバイス、又は他の医療コンポーネント等を含んでよい。先端部１０２は、吸光し、ファイバ１０４及び周囲材料と屈折率が整合する材料で形成される。一実施形態では、先端部１０２は、低光散乱である。更に、先端部１０２は、形状検知や医療機器デザインの小型化を損なわないように小さいことが好適であり、形状検知は、形状検知ファイバ１０４がその一部である医療機器の端まで与えられる。
【００２６】
先端部１０２は、形状検知に使用されるインタロゲーション波長において十分に大きい吸光特性を含む。このように、ファイバ１０４内を進行する光は、形状検知に負の影響がないように、反射して戻ることがない、及び／又は、減衰される。一実施形態では、先端部１０２の屈折率及び吸収は、特に、例えば医療実務時の３７℃である使用時の温度において、先端部１０２とファイバ１０４との間に低い屈折率不整合を与える。先端部１０２は、後方反射を低減するために吸光／散乱材料１０８（例えばドーパント及び／又は粒子）を含む。
【００２７】
先端部１０２は、のり若しくは他の接着剤、吸収剤（例えば、染料、顔料、コロイド又は他の粒子状のドーピング材料）を含む複合材料、反射防止コーティングされた体積若しくは半導体、ファイバの端部に接合されるファイバセグメント、フェルール若しくは他の機械的接続、又は、所望の特性を提供可能な他の材料を含んでもよい。先端部１０２は、生物構造体内での使用を可能にする材料で作られることが好適であり、又は、生体適合性のある材料内に十分に囲われている。このような材料は、例えば、ＰＥＴ、ＰＴＦＥ、ＰＥＢＡＸ、シリコーン、ＭＭＡといった生体適合性のあるポリマー又は他の同様の材料を含んでよい。
【００２８】
例えば、吸収剤（１０８）は、プラズモン周波数において、材料の比誘電率（εｒ）が約２（εｒ＝ｎ２−ｋ２，εｉ＝２ｎｋ）である金属を含んでよく、ここで、ｎ及びｋは、材料の屈折率の実数部及び虚数部である。屈折率の実数部ｎは、位相速度を示し、虚数部ｋは、電磁波が材料内を伝搬する際の吸収損失量を示す。ｋは減衰係数と呼ばれる。先端部１０２における吸収剤材料（１０８）は、グラファイト、ナノチューブ、バルキーボール等の炭素系材料、金属錯体（例えばルテニウム系）又はフォトニック結晶ナノ構造体を含んでよい。吸収剤（１０８）は、金属粒子、カチオン、アニオン、又は、（例えばガラス若しくは他の材料の）マトリクスに望み通りに分散される波長の光を吸収する分子を含んでよい。
【００２９】
他の実施形態では、吸収剤（１０８）は、変性金属材料を使用して提供される。このような材料は、例えば、金属基板の表面改質用のフェムト秒エッチングレーザによって製造される（例えば光の特定波長における吸収のために黒くされた金属）。これらの材料は、ファイバの光を吸収するために媒体内に分散される。別の例では、赤外色素１１１０（例えば（置換された）アミニウム化学族の有機染料−金属錯体）を使用する。
【００３０】
先端部１０２は、生体適合性のある材料を含んでもよい。先端は、好適には小さく、例えば、その長さｄは５ｍｍ以下であり、好適には２ｍｍ以下であり、より好適には１ｍｍ以下である。先端の直径は、好適にはサブミリメータであり、好適には光形状検知ファイバのテザー（tether）と同じ直径を有する。一実施形態では、ファイバ１０４と先端部１０２との界面１０６は、不完全な屈折率整合の場合の反射を最小限にするように、傾斜される、リッジ（隆起）がある、又は、そうでなければ幾何学的に形成される。界面１０６は、後方反射を低減するためによく研磨され、形作られた接触面を有するフェルール接続を含んでよい。
【００３１】
一実施形態では、先端部１０２の遠位端面は、任意の残留光を反射する、デフォーカスする、又は散乱させる好ましい形状Ｓを有する。これは、リッジ、傾斜、又は他の光散乱フィーチャを含んでよい。形状Ｓは、コア内で光が進む有効経路長を増加する一方で、先端部の全体のフットプリントが小さいままであるように自身に巻き付く複雑な迷路状の構造体を形成できる。先端部１０２の遠位端部のオプティカル形状Ｓ及び仕上げは、任意の後方反射光の方向を決定する。本実施形態は、同時に、例えば３〜７個のコアを含むマルチコア光ファイバか又は単一モードファイバ（ＳＭＦ）の先端部１０２からの反射も抑制する。
【００３２】
先端部１０２は、反射限度を制御する。ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）光ファイバでは、１ｍｍに亘っての積分反射は、約Ｒ１ｍｍ＝１０−４であり、同じ長さに亘るレイリー散乱の積分反射は、約１０−６である。整合する媒体（先端部１０２）は、１ｍｍ以下のオーダーのサイズを有し、したがって、吸収長さｌａｂｓは、それより短いべきである。これは、インタロゲーション波長λｖａｃにおける最小吸収係数αと、屈折率の虚数部ｋとを決定する。
【数１】
2014510901.tif 000003
【００３３】
一例として、１５５０ｎｍにおける純水の実際値は、ｎ＝１．３１１及びｋ＝１．３５×１０−４である。したがって、ｌａｂｓは１．９１４ｍｍである。長さｄの吸収先端部１０２を通る二重通過による強度損失は、
【数２】
2014510901.tif 000004
であり、Ｉ０は、初期強度である。屈折率不整合によるファイバ／吸収剤界面１０６における反射は、
【数３】
2014510901.tif 000005
であり、ここでｎ及びｋは、先端ファイバ材料の屈折率の実数部及び虚数部である。
【００３４】
単一モードファイバ（例えばＳＭＦ２８ｅ）では、１５５０ｎｍにおける屈折率はｎ０＝１．４６８である。吸収剤遠位端における反射（Ｒａｅ）は、組織、水、又は、最悪な場合、空気（ｎ＝１）であってよい任意の更なる材料に依存する。その場合、
【数４】
2014510901.tif 000006
となる。
【００３５】
この界面１０６の湾曲又は粗さは、元のガイドされた光ファイバモードに戻る任意の潜在的な光の反射も決定する。これは、先端１０２の遠位端の表面形状に影響する追加の要因Ｓを導入する。例えば、ファイバ端（１０４）における回折は、幅
【数５】
2014510901.tif 000007
の発散ビームを与える。単一モード溶融シリカ光ファイバでは、開口数は、ＮＡ＝ｓｉｎθ＝ｎｓｉｎθ’＝０．１４（例えばコーニング（ＴＭ）のＳＭＦ‐２８ｅ）である。このファイバのモードフィールド径（Mode Field Diameter）は、１５５０ｎｍにおいて２ａ＝１０．５ミクロンである。吸収剤長さｄ＝１ｍｍに等しいファイバ端からの距離ｚでは、回折スポットの直径は、２ａ’＝０．１３ｍｍであると計算でき、つまり、元の領域の１５４倍であり、往復で、これは、追加の４倍で後方反射を潜在的に低減し、Ｓ＝１／６００となる。
【００３６】
光ファイバコネクタの構造から、その後方反射は、特に角度８°において、適切な研摩（低減散乱）によって低減されることが知られている。この角度は、偶然にもＮＡ＝０．１４に対応するが、５．６°の内部開口角より大きい。したがって、反射光は、ガイドされたモードに戻ることはできない。
【００３７】
上で検討したのと同じ光ファイバ（コーニング（ＴＭ）のＳＭＦ‐２８ｅ）は、０．４ｄＢ／ｋｍ未満の減衰を有し、したがって、α＝０．０４ｋｍ−１、ｌａｂｓ＝１０．８６ｋｍ、及びｋ＝１．１４×１０−１１であり、ただし、Ｉ＝Ｉ０１０−αｄである。
【００３８】
干渉による影響が顕著でないと想定すると、遠位先端における全反射は、
【数６】
2014510901.tif 000008
となる。ここで、Ｒｆａは、界面１０６における反射であり、Ｒａｅは、遠位端からの反射である。
【００３９】
最適な解決策は、ｎ＝ｎ０の条件を満たし、また、Ｓ＝１（例えば、端ファセットに、吸収剤の長さに等しい曲率半径を与えることによって得られるため、最も好ましくない選択肢）を選択した場合、
【数７】
2014510901.tif 000009
が得られる。
【００４０】
この式から、吸収剤の所与の長さｄに対し、所望の最小全反射値Ｒｍｉｎを所与として、最小反射値（ｋｍｉｎ）を推定することができる。ｋｍｉｎは、反射が最小となるように、先端の特定の長さｄを所与として、減衰係数ｋの最適値である。
【００４１】
図２を参照するに、１５５０ｎｍの波長及び１．４６８の屈折率ｎ０におけるシリカファイバについての全反射対ｋのグラフが示される。図２では、１５５０ｎｍの波長におけるシリカファイバについて、ｄ＝１ｍｍを許容した場合、ｋ＝０．０００９＝ｋｍｉｎでＲｍｉｎ＝１．１２×１０−７の反射の下限があることが分かる。本原理に従えば、一実施形態は、ｋｄｏｐａｎｔ＞＞ｋｍｉｎで光ファイバ材料内に拡散された吸収性が高いドーパントを使用し、当該ドーパントを当該材料において十分な濃度で適用する。別の実施形態は、所与の条件下で、ｎ＝ｎ０及びｋ＝ｋｍｉｎを自然に有する材料を与えることを含む。
【００４２】
例えば、先端部１０２は、ハイドロゲル又は他の流体溶液中のグラファイトナノ粒子を含む。別の例では、金属基板の表面改質用のフェムト秒エッチングレーザを使用してレーザ加工された金属材料が特定波長における光を完全に吸収するために使用されるか、又は、マトリクス材料内にフレーク、粒子、若しくはそのように加工された金属を使用する。更に別の実施形態では、特定の条件が決定され、インタロゲーション波長について、ｎ＝ｎ０及びｋ＝ｋｍｉｎを与える材料が選択される。
【００４３】
図３を参照するに、先端部２２９を構成し、先端部２２９を有するファイバ２２６を使用するシステム２００が例示的に示される。システム２００は、そこから手順が監視及び／又は管理されるワークステーション又はコンソール２１２を含む。ワークステーション２１２は、１つ以上のプロセッサ２１４と、プログラム及びアプリケーションを記憶するメモリ２１６とを含むことが好適である。メモリ２１６は、形状検知デバイス又はシステム２０４からの光フィードバック信号を解釈する光検知モジュール２１５を記憶してもよい。光検知モジュール２１５は、光信号フィードバック（及び任意の他のフィードバック、例えば電磁（ＥＭ）追跡）を使用して変形、偏向、並びに医療デバイス若しくは機器２０２及び／又はその周囲領域に関連付けられる他の変化を再構成する。医療デバイス２０２は、カテーテル、ガイドワイヤ、プローブ、内視鏡、ロボット、電極、フィルタデバイス、バルーンデバイス、又は他の医療コンポーネント等を含む。
【００４４】
デバイス２０２上の形状検知システム２０４は、設定された１つ以上のパターンでデバイス２０２に結合される１つ以上の光ファイバ２２６を含む。光ファイバ２２６は、ケーブル２２７を介してワークステーション２１２に接続する。ケーブル２２７は、光ファイバ、電気的接続、他の器具類等を必要に応じて含む。光ファイバ２２６の遠位端に、先端部２２９が取り付けられる又は付与される。先端部２２９は、光ファイバ２２６の遠位端に取付けられた事前に製造された材料を含んでもよい。事前に製造された材料は、先端部２２９に付与された材料、ファイバ２２６に取付けられた又は接合された先端部、所望の特性等を得るために光フィードバックを使用して動的に変更された先端部を含んでよい。
【００４５】
一実施形態では、先端部２２９の事前に製造された材料は、接合部又は他の取付け機構によって、ファイバの遠位端部に取付けられる。ファイバと先端部２２９との間の界面は、後方反射を低減するために、傾斜されるか、そうでなければ、幾何学的に角度が付けられる。事前に製造された材料は、上述したような吸光ドーパント又は染料を含んでもよい。特に有用な実施形態では、遠位ファイバ端は、デバイス２０２の内壁に取付けられてもよい。一実施形態では、デバイス２０２の壁は、先端部２２９として機能する。
【００４６】
別の実施形態では、ある材料が先端部２２９に付与される。この実施形態では、液体、接着剤、又はゲルが、ファイバ２２６の遠位端に付与される。液体又はゲルは、検知モジュール２１５を使用してモニタリングされる。液体又はゲルは、所望の特性が達成されるまでドーパント又は他の材料を添加することによって変性される。材料は、所望の特性を確実に維持するために、必要に応じて凝固させられる。
【００４７】
図４を参照するに、別の実施形態が、吸収空洞３０８を形成する先端部３０４を含む。吸収空洞３０８は、光ファイバ３０２の端部に嵌るか又は端部に形成される。空洞３０８の構造及び材料は、先端反射測定結果に基づいて動的に最適化若しくは調節されるか、又は、使用シナリオに基づいて取り付けられる。空洞３０８は、以下の例示的な構造のうちの幾つかを含んでよい。一実施形態では、空洞３０８は、ファイバの端部に嵌るスリーブを含み、空洞３０８内に屈折率整合ゲル３１２を含む。別の実施形態では、空洞３０８は、液体又はゲルを含み、ドーパント又は粒子を受け入れる。ドーパント又は粒子の濃度は、反射測定結果に基づいて調節される。液体又はゲルは、その場合、凝固させられることが好適である。別の実施形態では、空洞３０８は、ファイバの端部とのフェルール接続３１０を含む。選択されるフェルール接続３１０は、後方反射量が最も少ないことが好適である（例えば、間に空隙がない状態でファイバと先端部との間の研磨された接触面）。
【００４８】
光ファイバコネクタは、幾つかの異なるフェルール形状又は仕上げを有し、通常、研磨仕上げと呼ばれる。ファイバコネクタフェルールの研磨によって、後方反射の量が決定される。後方反射は、ファイバコネクタの研磨端から反射された光の尺度であり、通常、負のｄＢで測定される。フェルール接続は、空隙、物理的に接触している面、角度が付けられた物理接触界面、屈折率整合ゲル等を含んでよい。
【００４９】
別の実施形態では、先端部３０４は、複数の光吸収ファイバコアを含み、形状検知ファイバ３０２内の光コアのそれぞれにつき１つ含む。このアプローチは、形状検知体と先端部との間でコアを位置合わせする必要があるため、製造により多く費用がかかり、困難である。しかし、このデザインでは、光コア間のクロストークが更に抑えられるという利点がある。
【００５０】
図３を再び参照するに、ワークステーション２１２は、撮像システム２１０が使用される場合には、被検体（患者）の体内像を見るためのディスプレイ２１８を含む。撮像システム２１０は、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム、蛍光透視システム、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム等を含む。ディスプレイ２１８は更に、ユーザがワークステーション２１２及びそのコンポーネント並びに機能、又は、システム２００内の任意の他の要素と相互作用することを可能にする。このことは、ワークステーション２１２からのユーザフィードバック及びワークステーション２１２との相互作用を可能とする、キーボード、マウス、ジョイスティック、触覚デバイス、又は任意の他の周辺若しくは制御を含むインターフェース２２０によって容易にされる。
【００５１】
システム２００は、ワークステーション２１２と一体にされても、別個のシステムであってもよいＥＭ追跡又は同様の位置若しくは方向検知システム２１７を含んでもよい。ワークステーション２１２は、光ファイバに光を与える光源２０６を含む。光インタロゲーションユニット又はモジュール２０８が、全てのファイバから戻る光を検出するために使用される。これにより、介入デバイス２０２によって検知された形状、方向、又は他の特性を解釈するために使用される歪み又は他のパラメータが決定できる。光信号は、誤差にアクセスし、デバイス２０２又はシステム２００を較正するために、調節を行うためにフィードバックとして使用される。
【００５２】
形状検知デバイス２０４は、先端部２２９を有する１つ以上のファイバ２２６を含んでもよい。先端部２２９は、ファイバの遠位端までの形状検知を可能とするために、後方反射を阻止又は低減する。したがって、ファイバ端は明確に定義され、形状検知のために利用できる。光インタロゲーションモジュール２０８は、光検知モジュール２１５（例えば形状決定プログラム）と協働して、先端部２２９の位置並びに方向、及び、機器又はデバイス２０２の形状を決定することができる。本原理は、最小限に侵襲的な介入（ナビゲーション又はターゲッティングの精度を向上させるためにデバイスの形状が必要である）に基づいて任意の細長い機器のリアルタイムの特徴付けを可能にする。
【００５３】
図５を参照するに、光形状検知ファイバの端反射低減方法が例示的に示される。ステップ５０２において、全長を含む先端部が与えられる。全長は約５ｍｍ未満であることが好適である。
【００５４】
ステップ５０６において、先端部は、光ファイバの端部に結合される。ファイバは、光形状検知又は他の用途のために構成される。先端部は、光ファイバと屈折率が整合している。
【００５５】
ステップ５１４において、一実施形態では、先端部の吸収特性が、後方反射をフィードバックとして使用して調節されて、光ファイバ内を進行する光の吸収長さが先端部の長さ寸法より短くなるようにされる。先端部は、吸光ドーパント又は粒子を含む媒体を含んでもよい。吸収特性の調節には、ステップ５１６におけるドーパント又は粒子の濃度の調節が含まれる。
【００５６】
吸光ドーパント又は粒子は、グラファイト、ナノチューブ、バルキーボール、金属錯体又は粒子、カチオン、アニオン、金属基板の表面改質用のフェムト秒エッチングレーザによって製造された変性金属材料、及び染料を含んでよい。吸光ドーパント又は粒子は、プラズモン周波数において約２の比誘電率を有する金属を含んでよい。吸光ドーパント又は粒子は、所与の長さについて、最小反射減衰係数（ｋｍｉｎ）を有してよい。先端部は、光ファイバの屈折率に整合された屈折率と、所与の長さについて最小反射減衰係数（ｋｍｉｎ）とを有する材料を含んでよい。
【００５７】
ステップ５１８において、遠位端形状及び／又は仕上げ（Ｓ）が提供又は選択されて、後方反射が更に低減される。ステップ５２０において、光ファイバの端及び／又は医療デバイスの端部を更に区別するように後方反射を低減させる先端部を使用して術式が行われる。
【００５８】
添付の特許請求の範囲を解釈する際、次のことが理解されるべきである。
ａ）「含む」との用語は、所与の請求項に列挙される要素又は行動以外の要素又は行動の存在を除外するものではない。
ｂ）ある要素に先行する「ａ」又は「ａｎ」との用語は、当該要素が複数存在することを除外するものではない。
ｃ）請求項における任意の参照符号は請求項の範囲を限定するものではない。
ｄ）幾つかの「手段」が、同じアイテム、ハードウェア、ソフトウェアによって実施される構造体、又は機能によって表現される。
ｅ）特に明記されない限り、特定の行動の順番が必要であることを意図しない。
【００５９】
形状検知光ファイバの先端反射低減のための好適な実施形態を説明した（限定ではなく例示を意図している）が、当業者であれば、上記教示内容に鑑みて、修正及び変更できることに留意されたい。したがって、開示される開示内容の特定の実施形態に、請求項に概説されるように本明細書に開示される実施形態の範囲内である変更を行ってもよいことは理解されるべきである。したがって、特許法により要求される詳細及び特徴を説明したが、特許証により請求し保護を望むものは、添付の特許請求の範囲に記載される。
【図１】
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【図４】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【国際調査報告】
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