(57)【要約】【課題】角度較正機構を付加して、回転ムラによる断層画像の劣化がない走査用アクチュエータ付きの、体外からの磁気で走査される光プローブを用いた光波断層画像測定装置を提供する。【解決手段】走査用アクチュエータ付光波断層画像測定装置において、カテーテルに配置されるファイバー光プローブ１４と、このファイバー光プローブ１４の先端に設けられる磁気駆動回転走査機構とを備え、カテーテルの姿勢と位置を正確にモニターしつつ、このカテーテル周辺の断層画像を得る。【選択図】    図２
2004195057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）カテーテルに配置されるファイバー光プローブと、
（ｂ）該ファイバー光プローブの先端に設けられる体外からの磁気で駆動される回転走査機構とを備え、
（ｃ）カテーテルの姿勢と位置をモニターできる、前記カテーテル周辺の断層画像を得ることを特徴とする磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記磁気駆動回転走査機構は、体外に配置された３次元型ヘルムホルツコイルと径方向に光軸を変えるためのミラー面を有する回転ミラーを具備することを特徴とする磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記回転ミラーのミラー面に前記ファイバーからの光波を入射させて反射させ、前記カテーテル周辺の断層画像を得ることを特徴とする磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置。
【請求項４】
請求項２記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記３次元型ヘルムホルツコイルの外部からの電流制御により磁気駆動回転走査機構の走査を行うことを特徴とする磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置。
【請求項５】
請求項２記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記回転ミラーの周辺部に配置される円筒状のウィンドウの円周の所定位置に回転位置の較正を行うための微小ミラーを具備することを特徴とする磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置。
【請求項６】
請求項２記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記３次元型ヘルムホルツコイルの電流値から回転子の姿勢と位置を求めることを特徴とする磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カテーテルの磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、生体に対する断層画像判定においては、高い空間分解能と無侵襲性から光波断層画像判定法（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）〔非特許文献１〕が注目され、すでに眼科臨床では実用化されている。
【０００３】
これに基づき臨床応用の拡大のために、様々なタイプのＯＣＴが研究開発されている。その一つが、消化器官用ＯＣＴ〔非特許文献２〕である。これは、光ファイバーで延長した走査プローブを機械的に体外から接続されている細いワイヤー状のものを伝播するトルクで回転駆動して、プローブを回転走査する機構である。
【０００４】
【特許文献１】
特表２００２−５２８２３７  磁気的外科的処置用開放形フィールドシステム
【特許文献２】
特表２００１−５２４０１２  内在する医療装置の場所と向きを確定するシステムと方法
【非特許文献１】
佐藤  学，丹野  直弘、計測と制御  第３９巻  第４号  ２０００年４月号  ｐｐ．２５９−２６６  「光コヒーレンストモグラフィーによる生体組織の断層画像計測」
【非特許文献２】
ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ／Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．１９／Ｏｃｔｏｂｅｒ１，１９９９  ｐｐ．１３５８−１３６０，「Ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ  ｉｎ  ｖｉｖｏ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｈｕｍａｎ  ｇａｓｔｒｏｉｎｔｅｓｔｉｎａｌ  ｕｌｔｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｂｙ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｅｎｄｏｓｃｏｐｉｃ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ  ｗｉｔｈ  ａ  ｎｏｖｅｌ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ  ｄｅｓｉｇｎ」
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
磁気を用いたマイクロマシンの生体応用は応用研究が進んでおり、上記した非特許文献１や非特許文献２のような報告がある。
【０００６】
しかしながら、従来のものは、体外に回転機構がある場合、屈曲した体管に沿わせていくときワイヤー回転駆動では回転位相ズレが発生し、実際にプローブの回転が正確に信号取り込み系に同期しているかどうかが分からないという問題があった。
【０００７】
また、血管用ＯＣＴなどの場合、体内挿入部を細くする必要があったり、体外に回転機構があるとねじれてしまうために、細さ、長さに制限が生じていた。
【０００８】
また、実際に光プローブの先端がどこにあり、どの姿勢になっているかが不明であった。
【０００９】
このように、従来は、技術的に満足のいく走査用アクチュエータ付き光波断層画像測定装置が見受けられないのが現状である。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、角度較正機構を付加して、回転ムラによる断層画像の劣化がない走査用アクチュエータ付きの、さらには、その姿勢と位置情報をも得られる磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、カテーテルに配置されるファイバー光プローブと、このファイバー光プローブの先端に設けられる体外からの磁気で駆動される回転走査機構とを備え、カテーテルの姿勢と位置をモニターしつつ、このカテーテル周辺の断層画像を得ることを特徴とする。
【００１２】
〔２〕上記〔１〕記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記磁気駆動回転走査機構は、体外に配置された３次元型ヘルムホルツコイルと径方向に光軸を変えるためのミラー面を有する回転ミラーを具備することを特徴とする。
【００１３】
〔３〕上記〔２〕記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記回転ミラーのミラー面に前記ファイバーからの光波を入射させて反射させ、前記カテーテル周辺の断層画像を得ることを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔２〕記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記３次元型ヘルムホルツコイルの外部からの電流制御により磁気駆動回転走査機構の走査を行うことを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔２〕記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記回転ミラーの周辺部に配置される円筒状のウィンドウの円周の所定位置に回転位置の較正を行うための微小ミラーを具備することを特徴とする。
【００１６】
〔６〕上記〔２〕記載の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置において、前記３次元型ヘルムホルツコイルの電流値から回転子の姿勢と位置を求めることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
まず、磁気回転子の回転原理について説明する。
【００１９】
図１は本発明にかかる磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置の全体構成図、図２はその光波断層画像測定装置のアクチュエータ付き回転プローブの構成図、図３は図２のアクチュエータ付き回転プローブのＡ−Ａ線断面図である。
【００２０】
光波断層画像測定装置は、図１に示すように、低コヒーレンス光源１、光ファイバーカップラー２、奥行き方向走査用参照ミラー３、アクチュエータ付き回転プローブ４、ビームスプリッター５、ヘテロダインビート信号検出器６、走査角較正用光検出器７、信号処理系８、コンピュータ９で構成されている。
【００２１】
また、アクチュエータ付き回転プローブ４は、図２に示すように、カテーテル（図示なし）に配置される光ファイバー１１、対物レンズである屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）１２、ミラー面１３Ａを有する回転ミラー（プラスチックロータ）１３、回転ミラー１３の回転機構をなす微小磁気回転子１４、この微小磁気回転子１４の磁気回転用の磁石１４Ａを有する容器１５、微小ミラー１７を有する円筒状ガラスウィンドウ１６で構成されている。１８は回転走査ビーム、１９は消化器官や脈管などの内壁である。
【００２２】
図３に示すように、アクチュエータ付き回転プローブ４は、ミラー面を有する回転ミラー（プラスチックロータ）１３、ガラスウィンドウ１６、位置検出用微小ミラー１７、回転走査ビーム１８で構成されている。
【００２３】
以下、本発明の実施例を示すアクチュエータ付き回転プローブの微小磁気回転子を駆動する体外のコイル（３次元型ヘルムホルツコイル）について詳細に説明する。
【００２４】
図４はヘルムホルツコイルの模式図である。
【００２５】
ヘルムホルツコイルは、図４に示すように、２つの円形コイルを向かい合わせにして電流を流すことにより、２つの円形コイルの中心を結ぶ中心軸に沿って一様な磁界を作る。つまり、ヘルムホルツコイルとは、２つの円形コイル（一対の円形コイル）で１つの磁界成分を発生させることができるものである。したがって、３次元空間内に任意の磁界ベクトルを発生させるには、直交する３つの磁界成分（ｘｙｚ成分）に対して、３つのヘルムホルツコイルを用いればよい。具体的には、３つのヘルムホルツコイルを用いて、それぞれのヘルムホルツコイルで発生する一様磁界が、ｘｙｚ軸に平行で互いに直交するように配置すればよい。任意の回転磁界は、それぞれの電流とその位相を制御することにより実現できる。
【００２６】
より具体的に示すと、半径ｒの一対の円形コイル１０１，１０２が間隔ｒだけ離れて存在する場合、その中心の磁界Ｈは、
Ｈ＝（８／５√５）・（Ｉ・ｎ／ｒ）
であり、例えば、ｎ＝４００回、ｒ＝０．５ｍ、Ｉ＝１０Ａの場合、その中心の磁界Ｈは５７２４Ａ／ｍとなる。
【００２７】
ここで、ｎはコイル巻数、Ｉはコイルへの通電電流である。
【００２８】
そこで、直径２００μｍ＝２×１０-4ｍ、長さ１ｍｍ＝１０-3ｍの場合（全長１ｍｍ、直径０．２ｍｍの円柱）、飽和磁化Ｍｓが１Ｔの磁石の磁気モーメントは、
体積Ｖ＝π×（１×１０-4）2 ×１０-3＝３．１４×１０-11 ｍ3 
Ｍｓ・Ｖ＝３．１４×１０-11 Ｔ・ｍ3 
希土類磁石（例えば、ＴＤＫ製ＲＥＣ−３２Ａ、Ｓｍ2 Ｃｏ17系磁石、残留磁束密度Ｂｒ＝１．１３Ｔ＝１１３０Ｇ、保磁力Ｈｃ＞６３７ＫＡ／ｍ＝８０００Ｏｅ）を用い、円柱の直径方向に磁化した場合の反磁界係数は最大１／２である。
【００２９】
つまり、ヒステリシスループの第２象限において１／２Ｂｒもの反磁界が常に作用しているが、保磁力が十分大きいため実質の磁化は１Ｔ（＝１００００Ｇ）に保たれる。
【００３０】
これに上記のヘルムホルツコイル１０３の磁界Ｈを作用させた時の最大トルクは磁界Ｈと磁気モーメントが直交した時は、
Ｈ×ＶＴ  故に  １．８×１０-7ｋｇ・ｍ＝１．８×１０-2ｇ・ｃｍ
である。
【００３１】
磁石の密度は、約８．５×１０3 ｋｇ／ｍ3 であるから、上記円柱の重量は２６．７×１０-8ｋｇ＝２．６７×１０-4ｇである。
【００３２】
トルクは重量よりも十分大きいため、外部磁界を回転させることにより、この円柱磁石を軸の回りに回転させることができる。
【００３３】
つまり、体外にヘルムホルツコイルをセットすることにより、体内の微小磁石を回転することができる。
【００３４】
任意の回転磁界を得るためには、ヘルムホルツコイルを３つ、それぞれの中心軸をｘ，ｙ，ｚ方向に揃えて配置し、駆動交流電流の位相と振幅を制御すればよい。
【００３５】
図５は本発明にかかるヘルムホルツコイルを３つ（円形コイルを３対）ｘ，ｙ，ｚ方向に設置して３次元空間内に任意の平面上で回転磁界を発生させるためのものである。
【００３６】
この図において、１１１，１１２はｘ方向に配置される一対の円形コイル（１つのヘルムホルツコイル）、１１３，１１４はｙ方向に配置される一対の円形コイル（１つのヘルムホルツコイル）、１１５，１１６はｚ方向に配置される一対の円形コイル（１つのヘルムホルツコイル）である。
【００３７】
このように、ヘルムホルツコイルをｘ，ｙ，ｚ方向にそれぞれ配置することにより、ある空間内で任意の方向を有する一様な磁界を実現できる。さらに、お互いの電流Ｉx ，Ｉy ，Ｉzの位相を制御することにより、任意の３次元回転磁界ベクトルを実現できる。その中に、微小磁気回転子（例：直径０．２ｍｍ、長さ１ｍｍ）１１７を挿入すれば、摩擦力以上の回転トルクが作用した場合、容易に回転子１１７は外部回転磁界に追従して回転する。
【００３８】
つまり、体内の回転子は外部回転磁界でどのような姿勢でも回転駆動が可能である。
【００３９】
次に、磁気回転子の姿勢検出原理について説明する。
【００４０】
例えば、ｘ−ｙ平面上に回転磁界を発生させるためには、それぞれの方向のコイルに流す電流を
Ｉｙ＝Ｉo ｃｏｓ  ωｔ
Ｉｘ＝Ｉo ｓｉｎ  ωｔ
Ｉｚ＝０
ただし、ω＝２πｆ：角速度
と設定すれば良い。もし、円柱磁性体の軸が＋ｚ方向に向いていれば最大トルクを受けるので回転数は最大となる。ここで、円柱磁性体の軸方向が＋ｚ方向から傾いたとすると、回転トルクは弱まるため、回転数は低下する。従って、磁石の回転数が最大となる様に回転磁界の面を傾けることで、磁石の方位を決定することができる。
【００４１】
ある座標（ｘ1 ，ｙ1 ，ｚ1 ）をｘ軸を中心に角度α、次にｙ軸の回りに角度β、ｚ軸の回りに角度γだけ回転させた後の位置（ｘ2 ，ｙ2 ，ｚ2 ）は、オイラー回転として知られており下式で表される。
【００４２】
【数１】
2004195057.tif 000003
したがって、ｘ1 ＝Ｉx ，ｙ1 ＝Ｉy ，ｚ1 ＝Ｉzを代入し、ｘ軸を中心に角度±Δαだけ変化させた時の磁石の回転数が増す方向にαを逐次増やしていき、回転数が最大となるαの値を決める。次に、同様にｙ軸周囲の回転角β、ｚ軸周囲の回転角γを決める。この操作をα，β，γの微小変化に対して回転数変化が検出できなくなるまで繰り返すことにより、円柱磁性体の軸方位が決定できる。
【００４３】
よって、摩擦力は一定であり、回転トルクは、磁気回転子と外部回転ベクトルの回転平面が一致したときに最大になるので、外部回転ベクトルの回転平面の角度を走査・変化させて、回転子の回転数が最大になるように、３組のコイルの電流を制御させることにより、回転子の回転平面と回転磁界の平面を一致させることができる。この際、この３組のコイルの電流値から回転子の姿勢方向を求めることができる。
【００４４】
図６は本発明の実施例を示す光波断層画像測定装置による測定原理の説明図、図７は本発明の実施例を示す光波断層画像測定例を示す図である。
【００４５】
以下、図１〜図３をも参照しながら説明する。
【００４６】
本発明の磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置は、消化器官、血管等に従来のカテーテル型血管内視鏡と同様に挿入される。
【００４７】
微小磁気回転子１４には、光ファイバー１１から光波が導入されて、ＧＲＩＮレンズ１２、回転ミラー１３、円筒状のガラスウィンドウ１６を介して、試料である消化器官や脈官などの内壁１９に照射される。照射されると内部への光波の伝播に伴い、組織内部のいたるところで後方散乱光が発生する。
【００４８】
ＯＣＴの原理により、ある角度（θ＝０）において奥行き方向走査用参照ミラー３を走査すると、この後方散乱光の強度分布、つまり、ある角度でのｒ方向での強度プロファイルａがヘテロダインビート信号の振幅プロファイルとして、ヘテロダインビート信号検出器６によって得られる。次に、角度θを変えて順次、強度プロファイルがｂ，ｃ，ｄ，ｅと測定される。これを信号処理系８を介してコンピュータ９で、断層画像として処理すると、例えば、図８や図９に示すような断層画像〔非特許文献２〕を測定することが可能である。
【００４９】
光波の回転走査は、外部より回転磁界を微小磁気回転子１４に印加して回転させ、回転ミラー１３を回転することにより行う。
【００５０】
しかし、微小な回転アクチュエータのために回転ムラが生じる可能性がある。これについては、円筒状のガラスウィンドウ１６に微小ミラー１７を９０°間隔で設ける。微小磁気回転子１４が回転して、回転ミラー１３が回転する。このとき９０°間隔で強い戻り光が発生して、これは走査角較正用光検出器７で直流信号として、図７に示すカーブｍとして測定される。
【００５１】
よって、ヘテロダインビート信号検出器６からの強度プロファイルと、そのときの走査角較正用光検出器７からの直流信号を同期させて記録する。回転ムラが生じた場合、時間軸上ではカーブｍのピーク間隔は異なるが、ピークの間隔は常に９０°なので、測定した各強度プロファイル群（ａ，ｂ，ｃ，…，ｈ，ｉ，ｊ）を一旦メモリに入れて、角度θ方向に較正することにより、角度θ方向により正確な断層画像が得られる。
【００５２】
本発明は、より細い光プローブを有して正確な断層画像が得られるので、ＯＣＴの用途を消化器系や循環器系へと拡大することができるために、医学分野での貢献や、半導体や他の産業分野への波及効果は多大である。
【００５３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５５】
（Ａ）角度較正機構があるので、回転ムラによる断層画像の劣化がない。
【００５６】
（Ｂ）サブミリオーダーの十分細いＯＣＴ用プローブを実現することができ、しかもそのプローブの姿勢と位置が分かる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる磁気走査光プローブを用いた光波断層画像測定装置の全体構成図である。
【図２】本発明にかかる光波断層画像測定装置のアクチュエータ付き回転プローブの構成図である。
【図３】図２のアクチュエータ付き回転プローブのＡ−Ａ線断面図である。
【図４】ヘルムホルツコイルの模式図である。
【図５】本発明にかかるヘルムホルツコイルを３つ（円形コイルを３対）ｘ，ｙ，ｚ方向に設置した３次元型ヘルムホルツコイルの模式図である。
【図６】本発明の実施例を示す光波断層画像測定装置による測定原理の説明図である。
【図７】本発明の実施例を示す光波断層画像測定例を示す図である。
【図８】通常の人の食道の光波断層画像を示す図である。
【図９】通常の人の結腸の光波断層画像を示す図である。
【符号の説明】
１    低コヒーレンス光源
２    光ファイバーカップラー
３    奥行き方向走査用参照ミラー
４    アクチュエータ付き回転プローブ
５    ビームスプリッター
６    ヘテロダインビート信号検出器
７    走査角較正用光検出器
８    信号処理系
９    コンピュータ
１１    カテーテルに配置される光ファイバー
１２    対物レンズである屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）
１３    回転ミラー（プラスチックロータ）
１３Ａ    ミラー面
１４    微小磁気回転子
１４Ａ    磁気回転用の磁石
１５    磁気回転用の磁石の容器
１６    円筒状ガラスウィンドウ
１７    微小ミラー
１８    回転走査ビーム
１９    消化器官や脈管などの内壁
１０１，１０２    円形コイル
１０３    ヘルムホルツコイル
１１１，１１２    ｘ方向に配置される一対の円形コイル（１つのヘルムホルツコイル）
１１３，１１４    ｙ方向に配置される一対の円形コイル（１つのヘルムホルツコイル）
１１５，１１６    ｚ方向に配置される一対の円形コイル（１つのヘルムホルツコイル）
【図１】
2004195057.tif 000004
【図２】
2004195057.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004195057.tif 000009
【図７】
2004195057.tif 000010
【図８】
2004195057.tif 000011
【図９】
2004195057.tif 000012