(57)【要約】  本発明は光学形状センサＯＳに関し、前記光学形状センサは、長手方向を規定する長さを有する光ファイバＦ２であって、前記光ファイバＦ２の前記長さに沿って延びる少なくとも２つのファイバコアＣ２１，Ｃ２２を有する、光ファイバＦ２と、前記光ファイバＦ２の光ファイバ近位端に配置された光結合部材ＯＣＭ２であって、前記結合部材ＯＣＭ２は、前記光ファイバ近位端に光接続された第１の遠位端面ＯＦ２、および前記光ファイバＦ２の前記長手方向において前記第１の遠位端面ＯＦ２から離間された第２の近位端面ＩＦ２を有し、前記光結合部材ＯＣＭ２は、各ファイバコアＣ２１，Ｃ２２，Ｃ２３内に光を結合する、光結合部材とを備える。前記光結合部材ＯＣＭ２から前記光ファイバ近位端への遷移部に位置する光学界面ＯＩは、部分的に反射性かつ実質的に透過性であり、前記光学界面ＯＩは、光が前記光学界面ＯＩで、前記光結合部材ＯＣＭ２の前記第２の端面ＩＦ２において反射された光の反射強度分布と実質的に重ならない反射強度分布で反射されるような距離に、前記第２の近位端面ＩＦ２から遠位に配置されて構成される。
2021511947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学形状センサであって、前記光学形状センサは、
長手方向を規定する長さを有する光ファイバであって、前記光ファイバの前記長さに沿って延びる少なくとも２つのファイバコアを有する、光ファイバと、
前記光ファイバの光ファイバ近位端に配置された光結合部材であって、前記結合部材は、前記光ファイバ近位端に光接続された第１の遠位端面、および前記光ファイバの前記長手方向において前記第１の遠位端面から離間された第２の近位端面を有し、前記光結合部材は、各ファイバコア内に光を結合する、光結合部材と、
前記光結合部材から前記光ファイバ近位端への遷移部に位置する光学界面であって、前記光学界面は、部分的に反射性かつ実質的に透過性であり、前記光学界面を、前記光学形状センサの形状再構成のための全てのファイバコアの開始位置としての使用のために構成するために、前記光学界面は、光が前記光学界面で、前記光結合部材の前記第２の近位端面において反射された光の反射強度分布と時間において実質的に重ならない反射強度分布で反射されるような距離に、前記第２の近位端面から遠位に配置されて構成される、光学界面と
を備える、光学形状センサ。
【請求項２】
前記光結合部材はＧＲＩＮ（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）レンズである、請求項１に記載の光学形状センサ。
【請求項３】
前記ＧＲＩＮレンズはｋ／４のピッチを有し、ｋは１以上の奇数の整数である、請求項２に記載の光学形状センサ。
【請求項４】
ｋは３、５、または７である、請求項３に記載の光学形状センサ。
【請求項５】
前記光学界面の光学界面屈折率は、前記光ファイバの光ファイバ屈折率および前記光結合部材の光結合部材屈折率の少なくとも一方と異なる、請求項１に記載の光学形状センサ。
【請求項６】
前記光結合部材の前記第１の遠位端は前記光ファイバ近位端に融着接続され、前記光学界面は融着接続された部分において提供される、請求項１に記載の光学形状センサ。
【請求項７】
前記光結合部材の前記第１の遠位端は、接着層を介して前記光ファイバ近位端に接続され、前記光学界面は前記接着層において提供される、請求項１に記載の光学形状センサ。
【請求項８】
前記光学界面に入射した光の強度に対する前記光学界面で反射された光の強度の比は１０−６から１０−５の範囲内である、請求項１に記載の光学形状センサ。
【請求項９】
前記光結合部材の前記近位端面は、入力光を供給する光供給パッチコードの遠位端に接続され、前記光結合部材の前記第２の近位端面にはフォイルが配置され、前記フォイルは、前記光結合部材の前記第２の近位端面と前記光供給パッチコードの前記遠位端との接続部での光の反射を低減する、請求項１に記載の光学形状センサ。
【請求項１０】
光学形状検知コンソールであって、前記光学形状検知コンソールは、
請求項１に記載の光学形状センサ内に入力光を送り、前記入力光に応答して、前記光学形状センサの各ファイバコアから光応答信号を受信する、光学調査ユニットと、
前記光応答信号から前記光学形状センサの形状を再構成する形状再構成ユニットであって、前記形状再構成ユニットは、前記光応答信号から、各ファイバコアの形状再構成のための開始位置を決定し、前記形状再構成ユニットは、前記ファイバコアの前記光応答信号において前記光学界面で反射された入力光の反射強度分布のそれぞれのピークを特定して、前記ピークから形状再構成のためのそれぞれの開始位置を決定する、形状再構成ユニットと
を備える、光学形状検知コンソール。
【請求項１１】
前記形状再構成ユニットはさらに、前記ファイバコアの決定された前記開始位置を互いにアラインメントする、請求項１０に記載の光学形状検知コンソール。
【請求項１２】
前記形状再構成ユニットは、位相復元アルゴリズムを使用して、決定された前記開始位置をアラインメントする、請求項１１に記載の光学形状検知コンソール。
【請求項１３】
請求項１に記載の光学形状センサおよび請求項１０に記載の光学形状検知コンソールを備える、光学形状検知システム。
【請求項１４】
請求項１に記載の光学形状センサ内に入力光を送るステップと、
前記入力光に応答して、前記光学形状センサの各ファイバコアから光応答信号を受信するステップと、
前記光応答信号において、前記光学界面で反射された入力光の反射強度分布のそれぞれのピークを特定するステップと、
前記ピークから各ファイバコアの形状再構成開始位置を決定するステップと、
前記形状再構成開始位置から開始して、前記光学形状センサの形状を再構成するステップと
を含む、光学形状検知方法。
【請求項１５】
コンピュータ上で実行されたとき、請求項１４に記載の光学形状検知方法のステップをコンピュータに実行させるためのプログラムコード手段を含む、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学形状検知の分野に関する。本発明は、インターベンショナル医療デバイスおよびインターベンショナル治療処置、特に、光学インテロゲーション技術を用いた低侵襲医療処置に適用される。
【背景技術】
【０００２】
低侵襲医療インターベンションでは、カテーテルをターゲット領域に進めるためにガイドワイヤが使用される（例えば、低侵襲心臓血管インターベンション中にカテーテルを心臓まで進めるためのガイドワイヤ）。これらの処置は一般的に、例えば、カテーテルとガイドワイヤとの２次元投影画像を写すリアルタイムＸ線画像を用いてガイドされる。しかし、Ｘ線イメージングの課題として、イメージングの２Ｄ性質、患者や医師に害を及ぼし得る電離放射線、患者の腎臓にとって有害な造影剤等が存在する。より実行可能な代替手段は、有害な放射線を要さずに医療機器の完全な３次元形状情報を提供し得る光学形状検知技術を使用することである。光ファイバを使用して空間センシティブ曲がりおよび捩じれ検知を実装する１つの方法は、長さに沿ってＦＢＧ（ｆｉｂｅｒ−Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇｓ）を有する複数のコアを組み合わせることである。構成の一例として、長手方向のファイバ軸に沿ってらせん状に向けられた３つ以上のファイバコアを備え、らせんの中心における追加のまっすぐなファイバコアを含む構成が挙げられる。
【０００３】
具体的には、低侵襲処置では、ガイドワイヤの近位端上でのカテーテルのバックロードを容易にするための光コネクタを備えた光学形状検知ガイドワイヤが使用される。ガイドワイヤは、診断または治療用カテーテルの導入前に、インターベンションのターゲット領域まで進められ得る。ガイドワイヤは、典型的には、ガイドワイヤの近位端においてカテーテルを装着すること、およびターゲット領域に到達させるためにガイドワイヤ上でカテーテルを前進させることを可能にする細いワイヤである。
【０００４】
バックロードを可能にするには、形状検知可能ガイドワイヤと光学形状検知コンソールとの光接続を再確立する前に標準カテーテルをガイドワイヤにバックロードすることができる程度に十分小さい、ガイドワイヤのための光コネクタが必要である。
【０００５】
バックロード可能なガイドワイヤについて、例えばＷＯ２０１６／１９３０５１Ａ１に記載されているように、１つまたは複数のＧＲＩＮ（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）レンズを備えた光コネクタが提案されている。そのコンパクトさや、本来的に低い表面反射のため、ＧＲＩＮレンズは光コネクタの光結合部材として有望な選択肢である。従来のレンズでは、表面上の任意の点における曲面とレンズ材料の屈折率との組み合わせにより、光は所与の点において所望の方向に屈折させられる。従来のレンズの作用にとって、（通常はレンズのガラス材料と周囲の空気との間の）屈折率差は不可欠であるが、欠点として、入射光の一部の反射も引き起こす。ＧＲＩＮレンズでは、従来のレンズとは異なり、径方向において変化するレンズの屈折率プロファイルによって光線が曲げられる。したがって、ＧＲＩＮレンズの作用は、ＧＲＩＮレンズの入力または出力における、レンズ材料と、光路沿いの隣接材料との間の屈折率差に決定的に依存することはない。この特性は、２つの光コネクタ間の接続が確立された際に、あらゆる空気のガラスへの移行を回避することによって光路内の反射を排除するために、または少なくとも高度に抑制するために使用される。光路沿いの任意の地点で屈折率が厳密に合致している場合に低反射が達成される。反射が低くないと、形状検知処置の実行中に検知光ファイバに沿った各地点から来る比較的弱い光応答信号が圧倒されるため、反射を低くする必要がある。
【０００６】
ＧＲＩＮレンズの特性の１つは、いわゆるピッチである。ＧＲＩＮレンズに入射する光線は、ＧＲＩＮレンズの径方向の屈折率プロファイルのために連続的に屈折させられるので、ＧＲＩＮレンズ内の光場は、光伝搬軸に沿ってある周期長ごとに周期的に変化する。ＧＲＩＮレンズのピッチは、ＧＲＩＮレンズの幾何学的長さを周期長で割ったものとして定義される。例えば、ピッチが１／４、３／４、または５／４などの場合、光線が入力端面において光ファイバのファイバコアからＧＲＩＮレンズに入ると、出力端面においてＧＲＩＮレンズからコリメートされたビームのセットが出射され得る（その逆も同様である）。ＧＲＩＮレンズが所定のピッチを有する場合、ＧＲＩＮレンズの幾何学的長さは、ＧＲＩＮレンズの軸中心における屈折率と、ＧＲＩＮレンズの開口数とに基づいて固定される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光学形状検知（ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｈａｐｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ：ＯＳＳ）では、光ファイバセンサの例えば４つのコアにおけるひずみが測定され、これらの測定結果からセンサの３Ｄ形状が計算される。センサの３Ｄ形状再構築のための開始位置を定めるには、マルチコア検知ファイバの全てのファイバコアの相対的形状再構築開始位置をミクロンレベルで合わせるための何らかの方法が必要である。１つの可能性は、ファイバ内のＦＢＧファイバからの反射またはレイリー後方散乱を利用する相関法を使用することである。この方法では、キャリブレーションとして、後方散乱の現在の状態が、過去に記録されたファイバの（おそらくは）数ｍｍからの反射プロファイルと比較される。別の方法は、特にコネクタが直角に研磨されている場合、例えばコネクタ界面における屈折率ステップでの反射を利用する。屈折率ステップは、全てのコアについて全く同じ位置で発生する。これは、キャリブレーション方法に依存しないため、非常に有用な特性である。バックロード可能ガイドワイヤの接続にもこの原理を使用すること、すなわち、ガイドワイヤコネクターレンズとパッチコードコネクタレンズ間のインターフェースにおける屈折率ステップを、形状再構成のための開始点として使用することは理に適っているであろう。しかし、このアプローチにはいくつかの問題が存在する。１つの問題は、パッチコードのコネクタ端とガイドワイヤのコネクタ端との間に無菌バリア（例えば、フォイル）を設ける必要があるために生じ、これは、正確に分離することができない、短い距離（短い時間遅延）での２つの反射を伴う２つの屈折率ステップを生じさせる。別の問題はガイドワイヤの再接続中に、特に、コネクタからカテーテルをアンロードした後に生じる。コネクタは汚染されるか、または少なくとも濡れ、それにより屈折率ステップが変化し、よってこの界面での反射の強度が変化する。さらに別の問題は、バックロード可能ガイドワイヤの再接続により、中間層（例えば、無菌バリアを形成するフォイル）の圧縮にわずかな差が生じ、やはり反射が変化することである。したがって、２つのコネクタ間の界面における屈折率ステップは可変であることから、ファイバコアからの光応答信号において当該界面を識別することが困難になり、形状センサの形状再構成の精度が低下する。
【０００８】
本発明の狙いは、光伝搬遅延のマイクロメートルのレベルまで、多数のチャネル（ファイバコア）内の信号における時間遅延を同時に正確に測定することである。全てのマーカーに共通の屈折率ステップ等の適切な物理マーカーを使用することで、複数のチャネル内の信号間の遅延を特定して補正することができる。個別のチャネルごとに、クロストークの結果として測定された遅延を乱し、システマチックまたはランダムなエラーを発生させ得る他の反射が存在する。反射は時間領域において非常に鋭い可能性があるが、測定は離散的に行われ、有限なサンプリング範囲のフーリエ変換が実行される。これにより、時間領域での反射ピークの幅が広がり、異なる反射に由来するピークの裾が互いに重なり始め、２つの所与の反射間の測定にクロストークが発生し得る。典型的なステップ長は０．０５ｍｍであり、典型的なサンプリング範囲は６４ステップ（ノード）（３．２ｍｍの間隔に対応する）を含み得る。
【０００９】
上記で説明したチャネル内クロストークに加えて、チャネル間クロストークも存在し、これも同様に考慮する必要がある。このようなクロストークは異なるチャネル間の光結合の結果として生じ、光学系の不完全さによって引き起こされる。
【００１０】
本発明の目的は、改善された精度での形状再構成を可能にする光学形状センサを提供することである。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、改善された精度で光学形状センサの形状を再構成するように構成された光学形状検知コンソールを提供することである。
【００１２】
さらに、本発明の目的は、光学形状センサおよび光学形状検知コンソールを備えた光学システムを提供することである。
【００１３】
さらなる目的は、改善された精度での形状再構成を可能にする光学形状検知方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の側面によれば、光学形状センサが提供され、光学形状センサは、
長手方向を規定する長さを有する光ファイバであって、光ファイバの前記長さに沿って延びる少なくとも２つのファイバコアを有する、光ファイバと、
光ファイバの光ファイバ近位端に配置された光結合部材であって、結合部材は、光ファイバ近位端に光接続された第１の遠位端面、および光ファイバの長手方向において第１の端面から離間された第２の近位端面を有し、光結合部材は、各ファイバコア内に光を結合する、光結合部材と、
光結合部材から光ファイバ近位端への遷移部に位置する光学界面であって、光学界面は、部分的に反射性かつ実質的に透過性であり、光学界面は、光が光学界面で、光結合部材の第２の端面において反射された光の反射強度分布と時間において実質的に重ならない反射強度分布で反射されるような距離に、第２の端面から遠位に配置され、かつ、そのように構成される、光学界面とを備える。
【００１５】
本発明は、光学形状センサ内の、光結合部材から光ファイバ近位端に遷移する箇所に、屈折率ステップを有する光学界面を設けるという考えに基づいている。この光学界面は、形状再構成のための全てのファイバコアの開始位置として有利に使用され得る。光結合部材の近位端における光学界面、すなわち、光学形状センサコネクタとパッチコードカウンタコネクタとの間の界面における光学界面とは異なり、ファイバ／結合部材遷移部における光学界面は、無菌バリアや、２つのコネクタ間の圧力等による影響を受けない。したがって、この界面での反射は安定しており、全てのファイバコアからの光応答信号において簡単に復元することができる。ファイバコアの光応答信号におけるこの光学界面での光反射の時間位置は確実に測定され、各ファイバコアの応答信号における時間遅延はゼロに調整され得るので、光ファイバの全てのファイバコアの相対的開始位置をミクロンレベルまで正確に合わせることができる。光結合部材から光ファイバ近位端への遷移部の光学界面は部分的に反射性であり、例えば、−５０ｄＢ未満の反射を提供し、また実質的に透過性であって、例えば、光学界面での挿入損失は１ｄＢ未満であり得る。さらに、本発明によれば、光学界面は、光結合部材の近位端面から十分に離間されているため、ファイバから結合部材への遷移部で反射された光の反射強度分布は、結合部材の近位端面で反射された光の反射強度分布と時間において実質的に重ならない。「実質的に」とは、全く重なりが存在しない場合だけでなく、ファイバ／結合部材の遷移部における光学界面からの光反射が良好に認識可能であり、形状再構成の開始位置のための適切な選択肢となるような、わずかな無視できる重なりが含まれ得る。
【００１６】
ファイバ／結合部材の遷移部における光学界面から結合部材の近位端面までの距離は１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内またはそれ以上であり得る。この構成では、ファイバ／結合部材の遷移部における反射の反射強度ピークは、時間領域において、光結合部材の近位端面での反射の反射強度ピークから十分に離れている。簡単に言えば、例えば、いくらかの反射強度レベルにおいて、ミクロンレベルで反射ピーク位置を正確に決定するためにフーリエ変換が０．０５ｍｍのノードを６４個必要とする場合、結合部材の各端面は少なくとも３．２ｍｍ離れていなければならない。
【００１７】
さらに、光結合部材から光ファイバ近位端への遷移部での光学界面は、光反射が時間領域において他の測定される入力光反射から十分に離れているだけでなく、その光反射自体が十分な強度を有するように（よって、良好に認識可能であるように）構成されるべきである。これは、光結合部材の近位端面における反射率を減少させることによって、および／または、光結合部材から光ファイバ端近位への遷移部の光学界面での反射率を増加させることによって達成され得る。光結合部材から光ファイバ端部への遷移部における光学界面での屈折率差を調整することによって、光学界面の反射率を増加または減少させてもよい。
【００１８】
一方では、明確に識別することができるよう、マーカー（光結合部材からファイバ近位端への遷移部の光学界面）反射がセンサからの形状検知信号よりも高いことが重要である。他方では、マーカー反射ピークの裾がセンサ信号と重なる。ファイバセンサからの形状検知信号がマーカー反射によって圧倒されないように注意する必要がある。典型的には、センサ信号より１５ｄＢ〜２０ｄＢ高いマーカー信号が適していることが認められる。センサ信号は通常、ノイズフロアまたはレイリー散乱よりも２５ｄＢ以上高い。センサ信号は、ＦＢＧからの後方反射に起因するものである。しかし、センサ信号の既知の構造は、それがフィルタリング除去されることを可能にするため、マーカー反射ピークは、フィルタリングされた残留バックグラウンドより３０ｄＢ〜４０ｄＢ高いレベルで確認できるようになり得る。
【００１９】
以下、本発明に係る光学形状センサのさらなる実施形態を説明する。
【００２０】
ある好ましい実施形態では、光結合部材はＧＲＩＮ（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）レンズであり、好ましくはｋ／４のピッチを有し、ここで、ｋは１以上の奇数の整数である。
【００２１】
光結合部材としてのＧＲＩＮレンズは、光学形状センサがバックロード可能な光学形状センサである場合、例えばバックロード可能な形状検知可能ガイドワイヤである場合に有利である。そのようなＧＲＩＮレンズのピッチは１／４、３／４、５／４、・・・で有利である。なぜなら、一方では、形状再構成の開始点を形成するマーカー光学界面がＧＲＩＮレンズの近位端面から離されることにより、マーカー光学界面での光反射の強度がＧＲＩＮレンズの近位端面での光反射の強度から十分に分離され、他方では、前述のピッチを有するＧＲＩＮレンズは、近位端面におけるコリメートされたビームをセンサ光ファイバのファイバ近位端上にフォーカスさせるからである。
【００２２】
ＧＲＩＮレンズのピッチは５／４または７／４であり得る。ＧＲＩＮレンズのピッチが３／４、５／４、または７／４の場合、ＧＲＩＮレンズの近位端面からの光学界面の十分に大きな距離と、制御可能な範囲内にＧＲＩＮレンズ収差を維持することとの間の良好な妥協が見つけられ得る。これらのピッチを使用する場合、ＧＲＩＮレンズの開口数および径方向断面を、１／４ピッチのＧＲＩＮレンズの場合とほぼ同じに保つことができる。さらに、上述のＧＲＩＮレンズのピッチの範囲内では、バックロード可能な光学形状センサのＧＲＩＮレンズの非常に小さな直径を考慮しても、ＧＲＩＮレンズを有する光コネクタの機械的強度は依然として高い可能性がある。典型的な直径は０．２ｍｍ〜０．４ｍｍである。
【００２３】
さらも重要なことに、レンズのガラス材料とファイバとを接合する融着接続プロセスの結果として、屈折率遷移層が形成され得る。具体的な手順に依存するが、この層の厚さは典型的には１０ｎｍ〜１００ｎｍ、またはそれ以上であり得る。この種の層は、一般的に反射強度を低下させる。
【００２４】
良好な近似のために、屈折率ｎ０＝１．４７２のＧＲＩＮレンズとモード屈折率ｎｍｏｄｅ＝１．４５１の光ファイバとの間の鋭い遷移の反射は、次式によって与えられる：
【数１】
2021511947.tif 000003
【００２５】
上記の与えられた値の場合、結果はＲ＝５．１×１０−５の反射となり、これは本発明の目的に対しては高い。屈折率遷移層の利点を利用すると、反射をさらに１０〜１００倍減らすことができ、実践的な状況では約５０倍が認められる。
【００２６】
光学界面（ＯＩ）に入射した光の強度に対する光学界面（ＯＩ）で反射された光の強度の比は１０−６から１０−５の範囲内であり得る。
【００２７】
さらに、ファイバ／結合部材の遷移部における光学界面の光学遷移層屈折率は、光ファイバの光ファイバ屈折率および光結合部材の光結合部材屈折率の少なくとも一方と異なっていてもよい。
【００２８】
この実施形態では、マーカー光学界面と光ファイバ近位端との間、および／またはマーカー光学界面と光結合部材の屈折率との間の屈折率ステップにより、マーカー光学界面での光反射が良好に認識可能である。例えば、光結合部材および光ファイバは、同じまたは実質的に同じ屈折率を有し、この場合、マーカー光学界面は、光ファイバ材料の屈折率および光結合部材材料の屈折率とは異なる屈折率を有する、光ファイバ端部と遠位光結合部材端部との間の薄い材料層によって提供され得る。これは、例えば、光ファイバの屈折率および光結合部材の屈折率とは異なる屈折率を有する接着剤を使用することによって達成され得る。他の例では、光ファイバは、光結合部材の屈折率とは異なる屈折率を有してもよく、この場合、光ファイバ端部は光結合部材に融着接続され、融着接続部それ自体が、光ファイバ近位端から光結合部材の遠位端面への遷移部における光学界面の屈折率ステップを提供する。
【００２９】
したがって、一実施形態では、光結合部材の第１の遠位端は光ファイバ近位端に融着接続され、光学界面は前記融着接続された部分において提供される。
【００３０】
他の実施形態では、光結合部材の第１の遠位端は、接着層を介して光ファイバ近位端に接続され、光学界面は接着層において提供される。
【００３１】
光結合部材の近位端面は、入力光を供給する光供給パッチコードの遠位端に接続され、光結合部材の近位端面にはフォイルが配置され、フォイルは、光結合部材の近位端面と光供給パッチコードの遠位端との接続部での光の反射を低減する。
【００３２】
この手段は、結合部材の近位端面での反射の反射強度を低減する。光結合部材から光ファイバ近位端への遷移部でのマーカー光学界面における反射の反射強度に対して、光結合部材の近位端面での反射の反射強度をさらに低減するために、好ましくは、フォイルの屈折率は、形状センサ側の光結合部材およびパッチコード側のカウンタ光結合部材と合わせられる。その結果、光学界面における反射の反射ピークの特定の信頼性、したがって、形状再構成のための開始点の決定の精度がさらに改善される。
【００３３】
特に、フォイルが圧縮可能および／または弾性である場合に有利である。圧縮可能なフォイルは、製造公差に起因し得る、光結合部材の近位端面の傾斜角または曲率を補償するのに役立ち得る。光結合部材の近位端面および／またはカウンタ光結合部材の遠位端面の傾斜角または曲率は、空隙のために、近位端面での屈折につながり得る。この空隙は、形状センサコネクタ部の光結合部材と、カウンタ光結合部材コネクタ部との間の圧縮可能フォイルによって回避され得る。
【００３４】
本発明の第２の側面によれば、光学形状検知コンソールが提供され、光学形状検知コンソールは、
第１の側面に係る光学形状センサ内に入力光を送り、入力光に応答して、光学形状センサの各ファイバコアから光応答信号を受信する、光学調査ユニットと、
光応答信号から光学センサの形状を再構成する形状再構成ユニットであって、形状再構成ユニットは、光応答信号から、形状再構成のための各ファイバコアの開始位置を決定し、形状再構成ユニットは、光応答信号において光学界面で反射された光の反射強度分布のそれぞれのピークを特定して、ピークから形状再構成のためのそれぞれの開始位置を決定する、形状再構成ユニットとを備える。
【００３５】
本発明のこの側面によれば、光学形状検知コンソールは、高い精度で形状再構成のための開始点を決定するために、光応答信号におけるファイバ／結合部材遷移部での光学界面における反射の反射強度分布のピークを使用する。形状再構成ユニットは、全てのファイバコアからの光応答信号のピークから、（例えば、時間領域における）各ファイバコアの相対的開始位置を決定する。形状再構成ユニットはさらに、決定された相対的開始位置間の遅延をゼロに調整することによって、時間領域における相対的開始位置を合わせ得る。これは、位相復元アルゴリズムを使用することによって行われ得る。
【００３６】
次に、形状再構成ユニットは、ファイバコアのアラインメントされた開始位置から開始して、光学形状センサの３Ｄ形状を再構成し得る。
【００３７】
本発明の第３の側面によれば、第１の側面に係る光学形状センサと、第２の側面に係る光学形状検知コンソールとを備える光学形状検知システムが提供される。
【００３８】
本発明の第４の側面によれば、光学形状検知方法が提供され、光学形状検知方法は、
第１の側面に係る光学形状センサ内に入力光を送るステップと、
入力光に応答して、光学形状センサの各ファイバコアから光応答信号を受信するステップと、
光応答信号において、光学界面で反射された入力光の反射強度分布のそれぞれのピークを特定するステップと、
ピークから各ファイバコアの形状再構成開始位置を決定するステップと、
形状再構成開始位置から開始して、光学形状センサの形状を再構成するステップとを含む。
【００３９】
本発明のさらなる側面によれば、コンピュータ上で実行されたとき、第４の側面に係る方法のステップをコンピュータに実行させるためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムが提供される。
【００４０】
本発明に係る光学形状感知コンソール、光学形状検知システム、および光学形状検知方法は、光学形状センサに関して上記したものと同じまたは同様の利点を有する。クレームされる方法、コンソール、システム、およびコンピュータプログラムは、クレームされる光学形状センサと同様および／または同一の好適な実施形態を有し、特に、従属請求項に定義されているものおよび本明細書に開示されているものを有する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
本発明の上記及び他の側面は、以下に記載される実施形態を参照しながら説明され、明らかになるであろう。
【００４２】
【図１】図１は、光学形状センサおよび光学形状検知コンソールを備える光学形状検知システムの略図を示す。
【図２】図２は、図１の光学形状センサにおいて使用される光ファイバのある区間を示す。
【図３】図３は、図２の光ファイバの断面図を示す。
【図４】図４は、光ファイバおよびＧＲＩＮレンズ構成の一実施形態を示す。
【図５Ａ−Ｃ】図５Ａ〜図５Ｃは、異なるピッチを有する３つのＧＲＩＮレンズを示す。
【図６Ａ−Ｂ】図６Ａ、図６Ｂは、異なるピッチを有するＧＲＩＮレンズに接続された光ファイバを示す。
【図７Ａ−Ｄ】図７Ａ〜図７Ｄは、光ファイバの４つのコアからの光応答信号の強度のグラフを示す。
【図８】図８は、本発明の一実施形態に係る光ファイバおよびＧＲＩＮレンズ構成を示す。
【図９】図９は、形状センサ側に１／４ピッチＧＲＩＮレンズおよび３／４ピッチＧＲＩＮレンズを有する、図４に係る光ファイバ／ＧＲＩＮレンズ構成からの反射強度分布のグラフを時間領域において示す。
【図１０Ａ−Ｂ】図１０Ａ、図１０Ｂは、それぞれＧＲＩＮレンズに接続された２つの光ファイバを、２つのＧＲＩＮレンズ間の中間層と共に示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、低侵襲医療処置のために使用され得る光学形状検知システム１０を示す。光学形状検知システム１０は、光学形状センサＯＳおよび光学形状検知コンソールＣを備える。光学形状センサＯＳは、パッチコードＰＣを介して光学形状検知コンソールＣに接続され得る。光学形状センサＯＳおよびパッチコードＰＣは、光接続デバイスＯＣＤを介して互いに接続されてもよい。
【００４４】
光学形状センサＯＳは、光ファイバの長さに沿って延びる少なくとも２つのファイバコアを有する光ファイバを含む。光学形状センサＯＳにおいて使用される光ファイバ３０の例を図２および図３に示す。図２および図３に示される光ファイバ３０は、４つのファイバコア３１、３２ａ、３２ｂ、および３２ｃを有するマルチコアファイバである。ファイバコア３１は、光ファイバ３０の中心軸に沿って延びる中心ファイバコアである。ファイバコア３２ａ、３２ｂ、および３２ｃは、中心コア３１の周りにらせん状に巻かれたアウターコアである。各コア３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃはクラッド３４内に埋め込まれてもよい。コア３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、コーティング３５（図２には示されていない）、例えばポリマーコーティングによって保護されている。図３に示すように、３つのアウターコア３２ａ、３２ｂ、３２ｃは、光ファイバ３０の長手方向に垂直な断面において互いに等距離にある。
【００４５】
コーティング３５の外径Ｄは２００μｍであってもよい。クラッドの外径ｄは１２５μｍであってもよい。各コア３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃの直径は、例えば６μｍであり得る。各アウターコア３２ａ、３２ｂ、３２ｃと中心コア３１との間の距離は、例えば３５μｍであり得る。
【００４６】
ファイバコア３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃはそれぞれ、各自の長さに沿ってＦＢＧを有し得る。
【００４７】
再び図１を参照すると、光学形状センサＯＳは、バックロード可能ガイドワイヤＧＷとして構成され得る。ガイドワイヤＧＷの基端部ＰＥは、パッチコードＰＣの遠位端ＤＥと接続されるコネクタ部としての機能を有する。ガイドワイヤＧＷのコネクタ部は、パッチコードＰＣのカウンタコネクタ部と嵌合しなければならない。ガイドワイヤＧＷは患者と直接接触するため、ガイドワイヤＧＷは滅菌されている必要がある一方、パッチコードおよびコンソールＣは滅菌されていない可能性がある。ガイドワイヤＧＷのコネクタ部とパッチコードＰＣのカウンタコネクタ部とは光接続デバイスＯＣＤを形成する。線Ｂは、無菌側（ガイドワイヤＧＷ）と非無菌側（パッチコードＰＣ、コンソールＣ）との間のバリアを示す。
【００４８】
バックロード可能なガイドワイヤＧＷ（または、一般的に光学形状センサＯＳ）では、光学形状センサＯＳとパッチコードＰＣとの間の接続は、ともに光結合部材を含む両コネクタ部に依拠する。結合部材は、ＧＲＩＮ（ｇｒａｄｅｄ−ｉｎｄｅｘ）レンズとして構成されてもよい。そのような光接続デバイスＯＣＤの一例が図４に示されている。図４は、パッチコードＰＣのコネクタ部であり得る光コネクタ部ＯＣ１、および図２の光学形状センサＯＳのコネクタ部であり得る光コネクタ部ＯＣ２を示す。光コネクタ部ＯＣ２はＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２として構成され得る光結合部材ＯＣＭ２を含み、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２は光ファイバＦ２に接続され、光ファイバＦ２のファイバコアＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３に入る／から出る光を結合する。結合部材は、ファイバＦ２の近位光ファイバ端に光接続される遠位端面ＯＦ２と、光ファイバＦ２の長手方向ＬＣにおいて遠位端から離間された近位端面ＩＦ２とを有する。
【００４９】
光学形状センサＯＳの光ファイバＦ２は、インターベンショナル処置においてガイドワイヤの光学的形状を検知するために、ガイドワイヤＧＷの全長にわたって延在し得る。光ファイバＦ２は、ファイバコアＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３を有するマルチコアファイバであってもよい。光ファイバＦ２は、３つより多いファイバコアを有してもよく、例えば、光ファイバＦ２は、図２および図３に示される光ファイバのように構成され得る。図４において、光ファイバコアＣ２２は、ファイバＦ２の長手方向軸ＬＣに関して中心コアである。
【００５０】
（図１に示されるように光学形状検知コンソールＣに接続され得る）パッチコードＰＣの光コネクタ部ＯＣ１は、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１として構成され得る光結合部材ＯＣＭ１を含み、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１は光ファイバＦ１に接続され、光ファイバＦ１のファイバコアＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３に入る／から出る光を結合する。結合部材は、遠位端面ＯＦ１と、光ファイバＦ１の遠位光ファイバ端に光接続される近位端面ＩＦ１とを有する。コネクタ部ＯＣ１は、コネクタ部ＯＣ２に対するカウンタコネクタ部を形成する。
【００５１】
図４は、１／４ピッチＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の代表的なケースを示している。ピッチについては、後により詳しく説明する。
【００５２】
各ファイバコアＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３からの光線は、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１の近位端面ＩＦ１においてＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１に入り、コリメートされた光線としてＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１の遠位端面ＯＦ１においてＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１から出る。ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１のコリメーション効果は、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１の１／４のピッチによるものである。次に、コリメートされた光線は、ここでは、光ファイバＦ２に接続されたＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２として構成された光結合部材ＯＣＭ２を有する光コネクタ部ＯＣ２に入る。図４では、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の構成全体のピッチは１／２である。各ケースにおいて１／４ピッチレンズとしてのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の構成を考慮して、コリメートされたビームのセットは、ファイバＦ１、Ｆ２のファイバコアＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３またはＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３の焦点に向かって／から、コネクタＯＣ１およびＯＣ２に／から入射／出射し得る（その逆も同様である）。なお、ファイバコアＣ１１から来た光線は、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２中を伝播した後、ファイバコアＣ２３に入射し、すなわち、ファイバコアＣ１１、Ｃ１２、Ｃ１３の画像は、ファイバコアＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３において反転される。
【００５３】
そのコンパクトさや、原則的に低い表面反射のため、ＧＲＩＮレンズは、医療インターベンショナルデバイスにおける光学形状検知技術のバックロード可能なバージョンに関する良い選択肢である。なぜなら、光は空気−ガラスへの移行において反射または屈折されず、例えばＧＲＩＮレンズの半径方向に伸びるＧＲＩＮプロファイルにおいて曲げられるからである。この特性は、接続が確立されたとき、すなわち、光ファイバとＧＲＩＮレンズとが融着接続され、接着され、または他の態様で互いに接続されたとき、あらゆる空気からガラスへの移行を排除するために利用される。ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１の遠位端面ＯＦ１およびＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の近位端面ＩＦ２における反射を低減または排除するために、コネクタＯＣ１とコネクタＯＣ２との間に薄い屈折率整合中間層ＩＭ（例えば、フォイル）が配置され得る。この整合層は、変形可能（圧縮可能）という機械的に好ましい特性を有し得る。一般的な用途では、整合層は流体またはゲルであり得る。本発明およびその適用例の範囲内において、整合層は弾性で圧縮可能なフォイルであり得る。このようにすることで、整合中間層ＩＭは、接続部の任意の表面凹凸に対して変形することができ、光結合部材ＯＣＭ１およびＯＣＭ２の表面ＯＦ１およびＩＦ２の間の完全な機械的および光学的合致を提供することができる。
【００５４】
図４は、ＧＲＩＮレンズの代表的な長さＬ（例えば、１．３ｍｍ）および代表的な直径ｄ（例えば、０．３ｍｍ）を示す。図５Ａ〜図５Ｃ、図６Ａおよび図６Ｂを参照して、ＧＲＩＮレンズの物理的原理をより詳細に説明する。
【００５５】
ＧＲＩＮレンズ、または一般的にＧＲＩＮ光学コンポーネントは、当該コンポーネントを通る光伝搬を制御するために使用される屈折率の漸進的位置依存変化を有する。ＧＲＩＮ光学系の重要なサブセットは、屈折率が径方向距離ｒに沿ってのみ変化する複数の円柱（ＧＲＩＮロッドレンズとも呼ばれる）によって構成される。例えば、ＧＲＩＮロッドレンズは、ほぼ放物線状の径方向屈折率プロファイルを有する：
【数２】
2021511947.tif 000004
ここで、ｇは勾配定数、ｎ０はＧＲＩＮロッドレンズの中心の屈折率、ｒはＧＲＩＮロッドレンズの長手方向中心軸に対する径方向位置を表す。ＧＲＩＮロッドレンズに入射する光は連続的に屈折するため、そのようなＧＲＩＮロッドレンズ内の光場はｚ軸（円柱軸）に沿って周期的に変化し、周期長は下式の通りである。
【数３】
2021511947.tif 000005
【００５６】
ＧＲＩＮロッドレンズの長さを表す一般的な方法はピッチＰであり、これは、ＧＲＩＮロッドレンズの幾何学的長さＬを周期長ｚｐｅｒｉｏｄで割ったものである：
【数４】
2021511947.tif 000006
【００５７】
式（３）によれば、ＧＲＩＮレンズの幾何学的長さＬはＧＲＩＮレンズのピッチＰに比例する。
【００５８】
例えば、図５Ａは、ピッチＰ＝０．２５のＧＲＩＮロッドレンズを示し、図５Ｂは、ピッチＰ＝０．５のＧＲＩＮロッドレンズを示し、図５Ｃは、ピッチＰ＝１のＧＲＩＮロッドレンズを示す。
【００５９】
ピッチがＰ＝１，２，３，４，・・・のＧＲＩＮロッドレンズは、レンズの前面を後面に結像する（その逆も同様である）。ピッチがＰ＝０．５，１．５，２．５，・・・のＧＲＩＮロッドレンズも前面を背面に結像するが、この場合には画像が反転される（ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の両方によって形成される図４のＧＲＩＮレンズ構成の場合と同様）。他の一般的に使用されるピッチはＰ＝１／４，３／４，５／４，・・・であり、ＧＲＩＮロッドレンズは、前面上の全ての点からの光を後面においてコリメートする（その逆も同様である）。
【００６０】
図６Ａは、ピッチが３／４のＧＲＩＮレンズの例を示し、図６Ｂは、ピッチが５／４のＧＲＩＮレンズの例を示す。
【００６１】
ＧＲＩＮロッドレンズの開口数は、ＧＲＩＮロッドレンズの中心の屈折率、およびＧＲＩＮロッドレンズの外側境界における屈折率によって定められる：
【数５】
2021511947.tif 000007
ここで、ｄは、円柱軸に垂直なＧＲＩＮロッドレンズの直径である（図１を参照されたい）。
【００６２】
要求される最小ＮＡ、および最大直径ｄがわかっている場合、ＧＲＩＮロッドレンズは、用途のニーズに応じた勾配定数ｇを有するように設計され得る：
【数６】
2021511947.tif 000008
【００６３】
さらに、要求されるピッチＰがわかっている場合、ＧＲＩＮロッドレンズは以下のような長さＬを有さなければならない：
【数７】
2021511947.tif 000009
【００６４】
図４の形状センサＯＳの光コネクタＯＣ２のような光コネクタを作成するとき、ファイバＦ２およびＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２は、融着接続プロセスによって互いに結合され得る。融着接続は、光ファイバＦ２（図４）またはＦ（図６Ａ、６Ｂ）とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２（図４）またはＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ（図６Ａ、６Ｂ）とが、熱を使用してそれぞれの端部で結合されるプロセスである。言い換えれば、光ファイバとＧＲＩＮレンズとは、光ファイバの材料およびＧＲＩＮレンズの材料が溶接プロセスのように局所的に溶融されるという形態で、融着される。光ファイバとＧＲＩＮレンズとを互いに結合する別のやり方として、接着剤の薄い層が使用され得る。
【００６５】
光学形状検知では、光ファイバＦ２のファイバコアＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３（図４）（または、光ファイバ３０の４つのコア３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ（図２、図３））において歪みが測定される。ファイバコアの歪みは、光ファイバにおける曲げやねじれに起因し得る。光学形状検知コンソールＣ（図１）は光学調査ユニットＯＩＵを備え、これは、光学形状センサＯＳの光ファイバＦ２のファイバコアＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３に入力光を送り、入力光に応答して、光学形状センサＯＳのファイバコアＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３（または３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）のそれぞれから光応答信号を受信するように構成される。各ファイバコアからの光応答信号は、光学形状センサＯＳに沿った光ファイバＦ２における歪みを示す。光学形状検知制御Ｃはさらに、光学調査ユニットＯＩＵによって受信された光応答信号から光学形状センサＯＳの形状を計算によって再構成するように構成された形状再構成ユニットＳＲＵ（図１）を含む。光学形状検知は、光学形状センサＯＳの３Ｄ形状再構成を可能にする。光学形状センサＯＳの正確な形状再構成には、光学形状センサＯＳをミクロンレベルまで３Ｄ形状構築するために、光学形状センサＯＳ沿いの明確な開始点または位置が要求される。しかし、ファイバコアから受信される光応答信号は、ファイバコアごとに相対的な時間遅延を有し、各ファイバコアの光応答信号から全てのファイバコアに関して形状再構成の開始位置を復元することは困難である。言い換えれば、ファイバコアから受信される応答信号は、ファイバコアごとに異なり得る相対的な開始位置しか提供しない。したがって、光学形状センサの形状を可能な限り正確に再構成するために、光学形状センサＯＳの全てのファイバコアについて、相対的開始位置をミクロンレベルで揃えるやり方が必要とされる。
【００６６】
各ファイバコアの相対的開始位置を揃える１つの可能性は、光ファイバＦ２内のＦＢＧからの反射または光ファイバＦ２内のレイリー後方散乱を使用する相関法を使用することである。このやり方では、キャリブレーションとして、後方散乱の現在の状態が、過去に記録されたファイバの（おそらくは）数ｍｍからの反射プロファイルと比較される。しかし、この方法は不利である。なぜなら、そのようなキャリブレーションは、キャリブレーションプロセス中に、異なるファイバコアの相関セクションの相対的な物理的位置を正確に突き止めるために、例えば圧力点によって誘発され得る（一時的な）物理マーカーを有することを要求するからである。また、このやり方は、時間がかかるおそれがあるという点でも不利である。
【００６７】
別の可能性は、図４の２つのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の間の界面、すなわち、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１の端面ＯＦ１とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の端面ＩＦ２との界面における入力光の反射を利用することである。このやり方は、キャリブレーション方法に依存しないという利点を有する。このやり方では、ガラス−空気−ガラスの屈折率ステップが、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２との間の光学界面での反射の基礎となる。このステップは、全てのファイバコアに関してまったく同じ位置で発生し、相対的開始位置のアラインメントが容易に達成され得る。
【００６８】
しかし、後者の方法では少なくとも２つの問題が存在する。その１つは、ガイドワイヤＧＷがバックロード可能ガイドワイヤである場合、パッチコードＰＣのコネクタＯＣ１とガイドワイヤＧＷのコネクタＯＣ２との間に、中間層ＩＭ（図４）のような無菌バリア（例えば、フォイル）が必要となることに基づく。さらに、図４の２つのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２との間の界面では、血液による汚れ、接続界面の圧力変化や、コネクタＯＣ１およびコネクタＯＣ２の相互接続の無菌性を確保するために存在する中間層ＩＭの状態に起因して、入力光の反射強度が大きく変化する可能性がある。別の問題は、端面ＯＦ１および端面ＩＦ２が光軸に対して厳密に直角に研磨されておらず、その結果、可変空隙が存在し得ることである。これらの状況は、以下で説明するように、ファイバコアからの光応答信号における界面の正確な復元を妨げるおそれがある。
【００６９】
図７Ａ〜図７Ｄは、１／４ピッチのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２を有する２つのファイバＦ１およびＦ２が接続された場合において、入力光に応じて（図２および図３に示されるような光ファイバを有する）図４の構成の４つのファイバコアＣｏｒｅ０〜Ｃｏｒｅ３から受信される光応答信号の例を示す。Ｃｏｒｅ０は光ファイバＦ２の中心ファイバコアを示し、Ｃｏｒｅ１、Ｃｏｒｅ２、Ｃｏｒｅ３はアウターコアを示す。
【００７０】
図７Ａ〜図７Ｄは、ファイバコアＣｏｒｅ０、Ｃｏｒｅ１、Ｃｏｒｅ２、Ｃｏｒｅ３のそれぞれについて、光コネクタＯＣ１およびＯＣ２（図４）沿いの対応するファイバコアの光応答信号の振幅分布を示す（時間領域光応答信号におけるノード４０００〜４２００）。ＦＰは、図４の２つのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の間の光学界面、すなわち、間に中間層ＩＭ（フォイル）を有するＧＲＩＮレンズ端面ＯＦ１およびＩＦ２における光の反射の反射ピークを表す。ファイバコアＣｏｒｅ０、Ｃｏｒｅ１、Ｃｏｒｅ２、Ｃｏｒｅ３の反射ピークＦＰを比較すると、中心コアＣｏｒｅ０の反射ピークＦＰが高いことがわかる。これは、光学界面は中心コアＣｏｒｅ０に対して直角であり、多くの反射光が光ファイバＦ１のファイバコアＣｏｒｅ０にまっすぐ戻されるからである。
【００７１】
ＳＰ２は、図４の光ファイバＦ２とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２との間の光学界面、すなわち、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の遠位端面ＯＦ２における光の反射の反射ピークを表す。ファイバコアＣｏｒｅ０で示されているように、１／４ピッチＧＲＩＮレンズであるＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の場合、反射ピークＦＰおよび反射ピークＳＰ２は約２７目盛り（ノード）離れている。図７Ａ〜Ｄからもわかるように、アウターコアＣｏｒｅ１〜Ｃｏｒｅ３については反射ピークＳＰ２が反射ピークＦＰよりも高いが、Ｃｏｒｅ０については反射ピークＳＰ２が反射ピークＦＰよりも低い。
【００７２】
ＳＰ１は、図４の光ファイバＦ１とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１との間の光学界面、すなわち、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１の近位端面ＩＦ１における光の反射の反射ピークを表す。ＣＴＰは、アウターコアから中心コアＣｏｒｅ０へのクロストークに起因する光応答信号の振幅分布のピークを表す。
【００７３】
図７Ａ〜図７Ｄから、バックロード可能光学形状センサＯＳの場合、光ファイバＦ２とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２との間の光学界面での反射が、形状再構成のための全てのファイバコアの共通の開始位置となり得ることがわかる。すなわち、光学形状センサＯＳのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２から光ファイバＦ２への遷移における光学界面での光反射の時間位置を測定して、ファイバコア間の時間遅延をゼロに調整することが可能である。その時点で、光学界面での反射は穏やかであるか、または穏やかにされ得るが、良好に視認することができ、安定している。
【００７４】
しかし、２つのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の間の界面での反射の反射強度分布の裾は、光ファイバＦ２とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２との間の光学界面での反射の反射強度分布と重なる可能性があり、これにより、反射ピークＳＰ２の測定に使用され得る位置の精度（典型的なシステムでは、ノード距離の約０．０２、または１ミクロン伝搬遅延である必要がある）が低下する。したがって、この重なりは、光ファイバＦ２とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２との間の光学界面からの反射ピークＳＰ２から、光ファイバＦ２の各ファイバコアの開始位置を正確に復元することを妨げ得る。
【００７５】
したがって、本発明によれば、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２から光ファイバＦ２の近位ファイバ端への遷移における部分的に反射性で、実質的に透過性の光学界面は、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２から光ファイバＦ２への遷移における光学界面で、光が、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の近位端面ＩＦ２において反射された光の反射強度分布と実質的に重ならない反射強度分布で反射されるような距離に、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の近位端面ＩＦ２から遠位に配置されるべきであり、かつ、そのように構成されるべきである。
【００７６】
本発明の原理によれば、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の長さは、反射ピークＦＰおよび反射ピークＳＰ２を互いに引き離すために伸長される。しかし、バックロード可能な形状検知可能ガイドワイヤＧＷでは、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の直径を小さくする必要がある。光ファイバＦ２の開口数が典型的なＮＡ＝０．２１であって、１２５ミクロン光ファイバセンサのフィールド径が典型的な７０ミクロンであるとすると、十分に低いＧＲＩＮレンズ収差で全てのファイバコアについて光を直径０．２５〜０．４０ｍｍ以内でコリメートするために、１．０〜１．５ｍｍというかなり短い焦点距離（１／４ピッチ長）が必要になる。これらのパラメータは、最も広く利用されているガイドワイヤの直径０．３６ｍｍ、０．４６ｍｍ、または０．８９ｍｍに対して互換性を有する。
【００７７】
したがって、所与の状況について、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の開口数および径方向断面を変更することなく、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の伸長を行う必要がある。本発明によれば、これは、コリメートされたビームを生成する３／４や５／４ピッチのＧＲＩＮレンズ等のより高いピッチのレンズを使用することによって達成され得る。そのようなＧＲＩＮレンズは、ＧＲＩＮレンズの収差と、反射ピークＦＰおよび反射ピークＳＰ２の十分な分離との間の非常に優れた妥協である。後者は、形状再構成、および形状再構成に用いる共通の開始位置を見つけるための各相対的開始位置のアラインメントのために、各ファイバコアの相対的開始位置のより正確な復元を提供する。
【００７８】
図８は、本発明の原理に従って構成された光学形状センサＯＳの実施形態を示す。光学形状センサＯＳは、３／４ピッチのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２を有する光コネクタＯＣ２を備える。このようにすることで、光ファイバＦ２の近位端からＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の遠位端面ＯＦ２への遷移部における光学界面ＯＩは、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の近位端面ＩＦ２から遠位に十分な距離に位置し、その結果、光学界面ＯＩにおける反射強度分布の反射ピークＳＰ２は、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の近位端面ＩＦ２における反射強度分布の反射ピークＦＰから十分に離れる。また、図８には、光ファイバＦ２を収容するファイバフェルールＦＦと、ファイバフェルールＦＦおよびＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２を機械的に安定した態様で収容するチューブまたはスリーブＳＬとが示されている。
【００７９】
光ファイバＦ２はＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２に融着接続され得る。その場合、融着接続が光学界面ＯＩを形成し得る。レンズのガラス材料とファイバとを接合する融着接続プロセスの結果として、屈折率遷移層が形成され得る。具体的な手順に依存するが、この層の厚さは典型的には１０ｎｍ〜１００ｎｍ、またはそれ以上であり得る。この種の層は、一般的に反射強度を低下させる。
【００８０】
適切な近似のために、屈折率ｎ０＝１．４７２のＧＲＩＮレンズと、モード屈折率ｎｍｏｄｅ＝１．４５１の光ファイバとの間の鋭い遷移の反射は次の式で与えられる：
【数８】
2021511947.tif 000010
【００８１】
上記の与えられた値の場合、結果はＲ＝５．１×１０−５の反射となり、これは本発明の目的にとっては高い。屈折率遷移層の利点を利用すると、反射をさらに１０〜１００倍減らすことができ、実践的な状況では約５０倍が認められる。
【００８２】
光ファイバＦ２が接着によってＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２に接続される場合、光学界面ＯＩは接着剤の層によって形成され得る。また、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２として、５／４ピッチの図６ＢのＧＲＩＮレンズを使用することもでき、あるいは、ＧＲＩＮレンズ収差があまり高くない場合には、レンズＧＲＩＮ２として、さらに高い奇数クォーターのピッチのＧＲＩＮレンズが使用され得る。
【００８３】
一般的に、光学界面ＯＩに入射した光の強度に対する光学界面ＯＩで反射された光の強度の比は１０−６から１０−５の範囲内であり得る。
【００８４】
図９は、１／４ピッチＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２および３／４ピッチＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２について、図４の構成からの光応答信号を時間領域において示す。２つのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２との間の光学界面からの反射ピークＦＰ、および光ファイバＦ２からＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２への遷移における光学界面からの反射ピークＦＰは、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２が１／４ピッチＧＲＩＮレンズの場合、大きく重なる。３／４ピッチＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２を使用する図８に係る構成の場合、状況ははるかに良くなる。
【００８５】
図８に係る光学形状センサＯＳの有利な効果は、図９に示されるように、１／４ピッチ（図９の「ＳＰ２（１／４ピッチ）」）を有するＧＲＩＮレンズと比較して、３／４ピッチＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２では、２つのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の間の界面で反射された光の反射ピークＦＰの裾と、光学界面ＯＩで反射された光のピークＳＰ２の周りの反射強度分布との重なりがはるかに少ない。反射ピークＳＰ２（３／４ピッチ）は、反射ピークＳＰ２（１／４ピッチ）と比較して、反射ピークＦＰから３倍ずれている。図９において矢印Ｖで示されるように、反射ピークＦＰは可変で予測できないため（圧縮やフォイルの血液混入等に依存する）、その効果を補正することは容易ではない。これは、例えば、予測可能であってフィルタ除去可能なＦＢＧからの信号とは状況が異なる。
【００８６】
また、図９には、光ファイバＦ１と１／４ピッチのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１との光学界面における反射ピークＳＰ１が示されている。反射ピークＳＰ１は、反射ピークＦＰよりも反射ピークＳＰ２（３／４ピッチ）からさらに離れているので、より高いピッチのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１を使用する必要はない。
【００８７】
したがって、３／４ピッチＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２を使用することにより、光学界面ＯＩでの反射からの反射ピークＳＰ２に対する２つのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の間の界面での反射からの反射ピークＦＰの影響が低減され、したがって、各ファイバコアＣ２１〜Ｃ２３（または３１、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）のピークＳＰ２の位置をより低いバックグラウンド強度で測定することができ、よって、より正確に測定することができる。
【００８８】
３／４ピッチまたは５／４ピッチのＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の場合の反射ピークＳＰ２の反射ピーク位置決定の精度は、反射ピークＦＰに対する反射ピークＳＰ２の高さを増加させることによってさらに改善することができる。これは、図１０ＡおよびＢに示されるように、屈折率が合わせられた、最適化された中間層ＩＭを使用することによって、または、図４のＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の端面ＯＦ１およびＩＦ２を小さい角度で研磨することによって反射ピークＦＰを下げることで実現され得る。層ＩＭ（例えば、フォイル）は、端面ＯＦ１およびＩＦ２の角度研磨によって導入される幾何学的差異を克服するのに十分な厚さおよび圧縮性を有し得る。フォイルＩＭがない場合、端面ＯＦ１の角度研磨のため、光はある角度でＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１から出る。角度研摩の向きは、レンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の両方で同一ではない可能性があるため、レンズ間の適切な光接続は不可能であろう。２つのレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の間に圧縮性フォイルＩＭを使用することにより、光は再び第２のＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２に向かってまっすぐに出射される。このように、圧縮性フォイルは、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ１およびＧＲＩＮ２の両方の角度研磨が同じ方向を有さなくとも、適切な接続を可能にする。フォイルＩＭは、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２の端面ＩＦ２での光の反射を低減するために屈折率整合されてもよい。
【００８９】
代替的なまたは追加の手段は、反射ピークＳＰ２を増大させることである。これは、ＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２と光ファイバＦ２との間の屈折率の差を調整することによって、例えば、融着接続バージョンの場合（上記のｎ０およびｎｍｏｄｅの例を参照されたい）、光学界面ＯＩでの十分な屈折率ステップを提供するために、十分に異なる屈折率を有する材料をこれらの要素の材料として選択することによって、または、光ファイバＦ２とＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２とが接着される場合は、光学界面ＯＩでの十分な屈折率ステップを提供する適切な接着剤を使用することによって実現され得る。一般的に、光学界面ＯＩの光学界面屈折率は、光ファイバＦ１の光ファイバ屈折率および光結合部材ＯＣＭ２の光結合部材屈折率の少なくとも一方と異なっていてもよい。
【００９０】
再び図１を参照して、光学調査ユニットＯＩＵは、光学形状センサＯＳ内に入力光を送り、入力光に応答して、光学形状センサＯＳのファイバコア（例えば、Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３）のそれぞれから光応答信号を受信するように構成される。各チャネルまたはファイバコアの受信光は干渉計からの出力として測定され、よって、位相および強度の両方が測定される。形状再構成ユニットＳＲＵは、光応答信号から光学形状センサＯＳの形状を再構成するように構成される。ここで、形状再構成ユニットＳＲＵは、光応答信号からの形状再構成のために光学形状センサの各ファイバコアの開始位置を決定するように構成される。形状再構成ユニットＳＲＵは、光応答信号において上述のように光ファイバＦ２からＧＲＩＮレンズＧＲＩＮ２への遷移における光学界面ＯＩでの反射の反射強度分布のピークＳＰ２を特定または測定し、これらのピークから形状再構成のために各ファイバコアの相対的開始位置を決定するように構成される。
【００９１】
形状再構成ユニットＳＲＵはさらに、形状再構成のためにファイバコアの開始位置を合わせるように構成され、例えば、各チャネルの干渉計信号の位相復元アルゴリズムを使用して、形状再構成のためのファイバコアの特定された開始位置を合わせる。
【００９２】
光学形状検知方法では、入力光が光学形状センサＯＳ内に送られ、入力光に応答して、光学形状センサＯＳの各ファイバコア（例えば、ファイバコアＣ２１、Ｃ２２、Ｃ２３）から光応答信号が受信される。光学形状センサＯＳの形状は光応答信号から再構成される。光学界面ＯＩ（図４、図８）で反射された光の反射強度分布のそれぞれのピークが光応答信号において特定される。ピークから各ファイバコアの形状再構成開始位置が決定され、形状再構成開始位置から開始して光学形状センサの形状が再構成される。
【００９３】
方法は、コンピュータ上で実行されたとき、上記のような方法をコンピュータに実行させるためのプログラムコード手段を含むコンピュータプログラムによって実行され得る。
【００９４】
本発明は、図面および上記において詳細に図示および記載されているが、かかる図示および記載は説明的または例示的であり、非限定的であると考えられるべきである。本発明は、開示の実施形態に限定されない。開示の実施形態の他の変形例が、図面、開示、および添付の特許請求の範囲から、クレームされる発明に係る当業者によって理解および実施され得る。
【００９５】
特許請求の範囲において、「含む」という用語は他の要素またはステップを排除するものではなく、単数形は複数を除外しない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を果たし得る。複数の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているからといって、これらの手段の組み合わせが好適に使用することができないとは限らない。
【００９６】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共にまたは他のハードウェアの一部として供給される光学記憶媒体またはソリッドステート媒体等の適切な非一時的媒体上で記憶および／または分配されてもよいし、インターネットまたは他の有線若しくは無線テレコミュニケーションシステムを介して等の他の形態で分配されてもよい。
【００９７】
特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、その範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【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（Ａ）】
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【図５（Ｂ）】
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【図５（Ｃ）】
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【図６（Ａ）】
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【図６（Ｂ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０（Ａ）】
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【図１０（Ｂ）】
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【国際調査報告】
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