(57)【要約】  超音波圧力センサ、および超音波圧力を検出する方法。一実施形態では、超音波圧力センサは、（１）基準アームと、プローブ・ファイバを含む信号アームとを有する干渉計であって、プローブ・ファイバは、その遠位端に反射性コーティングを有し、遠位端に最も近い超音波を結合するように構成され、干渉計は、レーザ光を受け取り、超音波に基づいて２つの出力ビームを生成するように構成される、干渉計と、（２）干渉計に結合され、２つの出力ビームに基づいて電気信号を発生するように構成された光検出器とを含む。
2010520464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準アームと、プローブ・ファイバを含む信号アームとを有する干渉計であって、前記プローブ・ファイバは、その遠位端に反射性コーティングを有し、前記遠位端に最も近い超音波を結合するように構成され、前記干渉計は、レーザ光を受け取り、前記超音波に基づいて２つの出力ビームを生成するように構成される、干渉計と、
前記干渉計に結合され、前記２つの出力ビームに基づいて電気信号を発生するように構成された光検出器と
を備える、超音波圧力センサ。
【請求項２】
前記超音波が前記遠位端に、
前記プローブ・ファイバの長手方向軸にほぼ沿った方向と、
前記長手方向軸にほぼ垂直な方向と
からなる群から選択される方向から入射する、請求項１に記載の超音波圧力センサ。
【請求項３】
前記光検出器が、前記２つの出力ビームの強度に比例する２つの電圧信号と、さらに前記強度の差に比例する電圧信号とを発生する平衡型光検出器である、請求項１に記載の超音波圧力センサ。
【請求項４】
光サーキュレータをさらに備え、前記基準アームは、駆動部がそれに結合された光位相シフタを含み、前記信号アームは集束レンズをさらに含む、請求項１に記載の超音波圧力センサ。
【請求項５】
ローパスフィルタを含み、前記光検出器と前記駆動部を結合し、前記位相シフタによって発生される位相シフトを制御するように構成されたフィードバックループをさらに備える、請求項４に記載の超音波圧力センサ。
【請求項６】
前記光検出器と前記駆動部を結合し、前記位相シフタによって発生される位相シフトをある範囲の値にわたって掃引させ、前記超音波圧力センサの位相バイアスを求めるために前記電気信号を監視し、その後に前記超音波圧力センサに超音波を感知させるように構成されるコントローラをさらに備える、請求項４に記載の超音波圧力センサ。
【請求項７】
前記位相シフタが、
電気光学変調器と、
圧電積層体に結合されたミラーと、
圧電性巻枠の周りに位置する基準ファイバに結合された集束レンズと
からなる群から選択される、請求項１に記載の超音波圧力センサ。
【請求項８】
前記プローブ・ファイバの前記遠位端と前記反射性コーティングの間に置かれた可撓性材料の層をさらに備える、請求項１に記載の超音波圧力センサ。
【請求項９】
前記プローブ・ファイバと前記可撓性材料とが一致した屈折率を有し、前記プローブ・ファイバは前記超音波の波長の約１／４の厚さを有する、請求項８に記載の超音波圧力センサ。
【請求項１０】
前記プローブ・ファイバが、細長い円筒形の物体の周りに少なくとも１回巻かれた、請求項１に記載の超音波圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００５年１２月２２日にＺｈｏｕによって出願された「Ｉｍａｇｅ−Ｇｕｉｄｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｃａｔｈｅｔｅｒ」という名称の米国特許出願第１１／３１５，５４６号の一部継続出願であり、さらに２００７年２月２８日にＺｈｏｕによって出願された「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒ」という名称の米国特許仮出願第６０／８９１，９８６号に基づいており、これらは共に本出願の権利者が所有し、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に超音波圧力センサを対象とし、より具体的には超音波圧力センサ、および超音波圧力センサを動作させる方法を対象とする。
【背景技術】
【０００３】
超音波圧力センサは、超音波圧力を測定し、それを電圧信号に変換する。これらのセンサは、材料の非破壊試験、海洋生物学から、医療画像に及ぶ様々な用途に広く用いられる。医療画像では、超音波トランスデューサは組織内に高周波パルスを放射し、組織からの音響エコーは、通常同じトランスデューサ上に実装される超音波圧力センサによって受け取られる。このようなパルス・エコー法は、組織の機械的（すなわち音響的）特性のグレー・スケールの断層画像を合成するのに役立つ。現在最も成功した超音波画像装置の１つは、血管内超音波すなわちＩＶＵＳである。
【０００４】
多くの用途向けに超音波圧力センサを作製するために、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電材料が用いられている。ＰＺＴはセラミック多結晶体であり、大きな基板に取り付けないと機械加工および小さな寸法へのパッケージングが困難となる、固有の粒径を有する。ＰＶＤＦはポリマーであり、それが圧電気を示す前に電気的に分極されなければならず、その感度はＰＺＴの感度より低い。さらに圧電信号は、伝送線路損失および電磁界干渉を受ける非常に小さな電圧である。カテーテルの遠位端からその近位端までなどの長い距離にわたって伝送するためには、圧電信号は、通常、小型の同軸ケーブルによって遮蔽され、カテーテルの先端近くに組み込まれたチップによって前置増幅されなければならない。遮蔽および信号の前置増幅が必要であることにより、非常に小さな外形を有する圧電センサを構成することが困難となる。
【０００５】
容量性超音波圧力センサは、いくつかの会社によって開発されており、いくつかの興味深い性質を有する。これらは半導体産業によって開発されたシリコン処理技術を用いて製作される一種のＭＥＭＳデバイスである。しかしこれらのデバイスは、製造にコストがかかり、感知キャパシタを順方向バイアスする必要性に信頼性の問題が伴う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１１／３１５，５４６号
【特許文献２】米国特許仮出願第６０／８９１，９８６号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｂｅａｒｄら、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｆｉｌｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｒｅ  Ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｆｉｅｌｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｒａｎｇｅ  １−３０ＭＨｚ：ａ  Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｗｉｔｈ  ＰＶＤＦ  Ｎｅｅｄｌｅ  ａｎｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、４７巻、１号、２０００年１月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
光学的超音波圧力センサは、世界中のいくつかの研究グループによって提案され、研究されている。Ｂｅａｒｄらによる「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｆｉｌｍ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｒｅ  Ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｆｉｅｌｄｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｒａｎｇｅ  １−３０ＭＨｚ：ａ  Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｗｉｔｈ  ＰＶＤＦ  Ｎｅｅｄｌｅ  ａｎｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、４７巻、１号、２０００年１月で述べられた設計では、光ファイバの遠位先端に、薄いファブリ・ペロー・エタロンが形成される。レーザ光は、光ファイバの近位端からファイバ内に発射され、続いてファブリ・ペロー・エタロンによって反射され、光検出器によって受け取られる。ファイバの遠位端と相互作用する超音波は、ファブリ・ペロー・エタロンの共振器長を変調し、反射光強度の変化を引き起こす。このセンサが正しく動作するためには、ポリマーのファブリ・ペロー・エタロンの厚さを、製作時に非常に高精度で制御しなければならず、これは実行が難しい。さらに、温度および圧力などの応用環境の変化は、ファブリ・ペロー・エタロンの特性を大幅に変化させ、センサの性能に悪影響を及ぼし得る。さらに、この設計の高周波応答はエタロン層の有限の厚さによって制限され、かつこのセンサの横方向プローブ幾何学的配置での能力は限られる。
【０００９】
当技術分野で必要とされるのは、中でも、上述した従来技術の欠点のいくつかに対処した超音波圧力センサである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の従来技術の欠陥に対処するために、本発明の一態様は、超音波圧力センサを提供する。一実施形態では、超音波圧力センサは、（１）基準アームと、プローブ・ファイバを含む信号アームとを有する干渉計であって、プローブ・ファイバは、その遠位端に反射性コーティングを有し、遠位端に最も近い超音波を結合するように構成され、干渉計は、レーザ光を受け取り、超音波に基づいて２つの出力ビームを生成するように構成される、干渉計と、（２）干渉計に結合され、２つの出力ビームに基づいて電気信号を発生するように構成された光検出器とを含む。
【００１１】
本発明のもう１つの態様は、超音波圧力を検出する方法を提供する。一実施形態では、方法は、（１）基準アームと、プローブ・ファイバを含む信号アームとを有する干渉計のプローブ・ファイバの遠位端内に超音波を結合することであって、プローブ・ファイバは遠位端に反射性コーティングを有する、超音波を結合すること、（２）干渉計にレーザ光を供給することであって、干渉計は超音波に基づいて２つの出力ビームを生成する、レーザ光を供給すること、および（３）２つの出力ビームに基づいて電気信号を発生することを含む。
【００１２】
上記は、当業者が以下の本発明の説明をよりよく理解できるように、本発明のいくつかの態様および実施形態の概要を述べたものである。本発明の特許請求の範囲の主題となる他の態様および実施形態については、本明細書で以下に説明する。当業者は、本発明と同じ目的を実行するように他の構造を設計または変更するためのベースとして、開示された態様および実施形態を容易に用い得ることを理解するべきである。当業者はまた、そのような等価な構成は、本発明の範囲を逸脱しないことを理解するべきである。
【００１３】
本発明のより完全な理解のために、添付の図面と併せ読まれる以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の原理により構成された超音波圧力センサの一実施形態の概略図である。
【図２】本発明の原理により構成された超音波圧力センサの様々な実施形態で用いることができる、平衡型光検出器の一実施形態の概略図である。
【図３】干渉計位相がフィードバックループを用いて制御される、本発明の原理により構成された超音波圧力センサの一実施形態の概略図である。
【図４】干渉計位相ドリフトが管理される、本発明の原理により構成された超音波圧力センサのもう１つの実施形態の概略図である。
【図５】Ａ〜Ｃは干渉計の基準アーム内に実装することができる、本発明の原理による光位相シフタの様々な実施形態を示す図である。
【図６】Ａ〜Ｅは本発明の原理によるプローブ・ファイバに、超音波を結合することができる様々な方法を示す図である。
【図７】本発明の原理により実行される、超音波圧力を検出する方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の原理により構成された超音波圧力センサ１００の一実施形態の概略図を示す。超音波圧力センサ１００は、マイケルソン干渉計の構造を使用する。レーザ１０１からのレーザ光は、光サーキュレータ１０２、ビームスプリッタ１０４、および集束レンズ１１２を通過し、光ファイバ１２０内に結合する。光ファイバ１２０は、超音波圧力センサ１００のためのプローブとして働き、この理由により、以下では光ファイバ１２０をプローブ・ファイバ１２０と呼ぶ。ビームスプリッタ１０４はまた、レーザ光の一部を分割し、それが光位相シフタ１０６を通過し、ミラー１０８で反射されるように方向付ける。プローブ・ファイバ１２０の遠位（すなわち遠い方の）端部１２４は、その先端に反射性コーティングを有し、それにより遠位端１２４に達するレーザ光は、ほぼ反射される。ミラー１０８からの、およびファイバ遠位端１２４からの、２つの反射された光のビームは逆方向に伝播し、ビームスプリッタ１０４内で組み合わされる。ビームスプリッタ１０４は、組み合わされたビームの一部を反射し（出力ビーム１３２を生成）、組み合わされたビームの別の一部を通過させ、これはその後に光サーキュレータ１０２に入り、続いてその出口ポートへ経路指定される（出力ビーム１３４を生成）。光サーキュレータ１０２は、市販の光アイソレータでよい（例えばニュージャージー州ニュートンのＴｈｏｒｌａｂｓ社のＯＦＲ部門からの型番ＩＯ−３−５３２−ＶＨＰで、その「リジェクト」ポートが出口ポートとして働く）。平衡型光検出器１３０は、出力ビーム１３２、１３４の両方を受け取る。信号プロセッサ１４０は、平衡型光検出器１３０からの信号を、取得、整形、および記憶または表示する。図にはまた、光位相シフタ１０６用の駆動部１１０が示される。
【００１６】
上述のように、超音波圧力センサ１００はマイケルソン干渉計の構造を使用する。干渉計の信号アームは、ビームスプリッタ１０４、集束レンズ１１２、およびプローブ・ファイバ１２０を含む。干渉計の基準アームは、ビームスプリッタ１０４、光位相シフタ１０６、およびミラー１０８を含む。干渉計の２つの出力は、２つの出力ビーム１３２、１３４である。プローブ・ファイバ１２０のいずれかの部分と相互作用する超音波は、屈折率、またはプローブ・ファイバ１２０の一部の光路長、あるいはその両方での変化を引き起こすことができる。この結果、信号アーム内での位相変化、すなわち位相シフトを生じる。
【００１７】
ここで超音波圧力センサ１００の理論動作を説明するために、簡略化モデルを用いる。簡略化モデルは関係する物理現象の完全な、または厳密な説明のためではなく、関連する原理の本質を示すものである。２つの干渉計出力ビーム１３２、１３４の電磁界振幅は、それぞれ次のように記述することができ、
【数１】
2010520464.tif 000003
および
【数２】
2010520464.tif 000004
ただし、Ｅａは出力ビーム１３２の電磁界振幅、Ｅｂは出力ビーム１３４の電磁界振幅である。Ｅｒは基準アーム中の光ビームの電磁界振幅、Ｅｓは信号アーム中の光ビームの電磁界振幅である。Φｒは基準アームの光位相、Φｓは超音波によって誘起された位相変化を除く信号アームの光位相である。Φｕは、超音波が寄与する光位相の部分を表す。式（１）および（２）から、２つの干渉計出力ビーム１３２、１３４のそれぞれの強度は、
【数３】
2010520464.tif 000005
および
【数４】
2010520464.tif 000006
ここで、Φ＝Φｒ−Φｓは、干渉計位相（または位相バイアス）と呼ばれ、これは超音波の寄与分を除く、基準アームと信号アームの間の相対位相である。
【００１８】
図２は、図１の平衡型光検出器１３０の一実施形態の概略図を示す。平衡型光検出器は通常、よく整合した１対のフォトダイオード、およびトランスインピーダンス増幅器から構成される。平衡型光検出器を構成する方法は当技術分野ではよく知られているので、ここでは、さらにそれらについては説明しない。光検出器１３０は、干渉計出力ビーム１３２、１３４の両方を受け取り、その出力ポート１３６に強度Ｉａに比例する電圧信号Ｖａを生成し、その出力ポート１３８に強度Ｉｂに比例する電圧信号Ｖｂを生成する。式（３）および（４）からＶａとＶｂは共に、位相シフトΦｕを通じて超音波についての情報を含むことが明らかである。しかし、バックグラウンドのレーザ強度（式（３）または（４）の右辺の第１項）は、レーザ強度における固有のノイズにより、測定に対するかなりのノイズとなる。この理由およびその他の理由により、平衡型光検出器１３０はまた、２つの強度ＩａとＩｂの差に比例する第３の信号Ｖｄを出力ポート１３９に発生し、すなわち、
【数５】
2010520464.tif 000007
ただし、γはフォトダイオード応答度および平衡型光検出器のトランスインピーダンス利得などの因子によって決まる比例定数である。式（５）は、差動出力Ｖｄからは、レーザ強度変動における加法的な項がほぼ除去され、それによって検出感度が改善されることを示している。しかし上記の比較的簡単なモデル、したがって式（５）は、レーザ強度のランダムな変動を引き起こすよく知られた量子ノイズ（しばしば「ショットノイズ」と呼ばれる）を考慮していないことに留意されたい。実際には差動出力Ｖｄは、式（５）に示される信号項に加えてショットノイズを含む。干渉計位相バイアスΦがπ／２のとき、式（５）は次のように近似することができ、
【数６】
2010520464.tif 000008
ただし、超音波によって誘起された位相シフトはΦｕ≪１であることを仮定しており、通常はそのようになる。式（６）から差動信号Ｖｄは、超音波によって誘起された位相シフトに比例することが明らかである。検出感度は、最終的にはレーザのショットノイズによって制限される。
【００１９】
干渉計位相バイアスΦは、基準アームと信号アームにおける温度、振動、機械的応力、および空気流などの多くの不確定要因によって影響され得る。制御されないと、Φは比較的短い時間スケールでランダムにドリフトし得る。一般的に言えば、Φがπ／２でないときは、式（６）で与えられるものとは異なる検出感度の変化が生じる。以下に説明するように、干渉計位相ドリフトを管理するためのいくつかの方法がある。
【００２０】
図３は、干渉計位相がフィードバックループを用いて制御される、本発明の原理により構成された超音波圧力センサ３００の一実施形態の概略図を示す。超音波圧力センサ３００は、追加の増幅器／信号プロセッサ３１０と、出力が光位相シフタ１０６の駆動部１１０の制御入力に接続されたローパスフィルタ３１２とを有する。平衡型光検出器１３０からの差動出力１３９は、追加の増幅器／信号プロセッサ３１０によって増幅され、ローパスフィルタ３１２によってフィルタリングされ、位相シフタ１０６によって発生される位相シフトの大きさを制御する。ポート１３９でのゼロでない出力は、所望のπ／２の値からの干渉計位相バイアスΦの偏移、すなわち誤差を表し、この誤差信号は位相シフタ１０６に伝達され、それにより誤差を補償するように、基準アームにおける逆の位相変化が発生される。典型的には、フィードバックループ応答を最適化するように、増幅器利得およびフィルタ時定数が調整される。このフィードバックループが活動化され、適切に調整されると、干渉計位相バイアスをπ／２に非常に近い値に「ロック」することができる。図３に示されるフィードバックループはまた、干渉計出力ビーム１３２、１３４のいずれかに異なる大きさの減衰を与えることにより、干渉計位相バイアスをπ／２とは異なる値にロックすることができ、これは他の信号検出用途に望ましいものとなり得ることに留意されたい。代替の技術は、位相誤差信号を検出するためにロック・イン増幅器と共に、位相シフタ１０６の小振幅で高周波の「ディザリング」を使用し、次いで同じ位相シフタを用いて位相誤差を補償する。干渉計を位相ロックするための他の技術は、当技術分野では知られており、ここでは、さらにそれらについては説明しない。
【００２１】
図４は、干渉計位相ドリフトが管理される、本発明の原理により構成された超音波圧力センサ４００のもう１つの実施形態の概略図を示す。図４の実施形態では、干渉計位相バイアスは活発に監視されるが、必ずしも常に制御されない。これは、超音波感知がパルスによってトリガされる、パルス・エコー画像および他の用途に適している。超音波圧力センサ４００は、パルス・エコー画像を監視し制御するコントローラ４１０を有する。コントローラ４１０はまた、ＶａおよびＶｂを受け取り、これらは平衡型光検出器１３０の出力ポート１３６、１３８に発生されることを想起されたい。コントローラ４１０はまた、コマンド信号４１３を位相シフタ駆動部１１０に送り、駆動部１１０は位相シフタ１０６に位相シフトを発生させる。コマンド信号４１３は、例えば１組の値にわたって絶えず掃引するように干渉計位相シフトを走査する、周期的な三角ランプ信号とすることができる。干渉計位相シフトを活発に走査しながら、干渉計出力ビームを監視することにより、コントローラ４１０は、干渉計に「問い合わせ」を行い、位相バイアス値を知る。正しい位相バイアスに達した後、コントローラ４１０は一時的に走査を停止し、適切な超音波パルスを送出するように超音波パルス発生器（図示せず）をトリガするための信号４１５を送る。コントローラ４１０はまた、センサ・データ収集を開始するように信号プロセッサ１４０をトリガするためのもう１つの信号４１１を送る。上記の制御シーケンスは、干渉計に大幅な位相ドリフトが生じ得る時間スケールよりもずっと短い時間間隔で完了する。一実施形態では、制御シーケンスにかかる時間は、概して約１０マイクロ秒から約１０ミリ秒の間とすることができる。トリガされた後に、超音波エコー信号は、特定の用途に応じて例えば約１マイクロ秒から約１００マイクロ秒未満以内に収集することができる。
【００２２】
図５Ａ〜Ｃは、干渉計の基準アーム内に実装することができる、本発明の原理による光位相シフタの様々な実施形態を示す。図５Ａは、位相シフタ１０６の電気光学変調器の実装形態を示す。当技術分野で知られているように、電気光学変調器はその両端に印加された電圧に従って屈折率が変化する結晶から作製することができる。別の実施形態では、図５Ａの位相シフタ１０６として液晶セルを用いることもできる。図５Ｂは、圧電積層体５２０にミラー５１０を取り付けることによって実装される位相シフタを示す。圧電積層体の両端に印加された電圧は、入射光に近づくまたは遠ざかるようにミラー５１０を移動させ、したがって基準アームの光位相を変化させる。図５Ｃは、集束レンズ５５０を用いて基準アーム内の光を光ファイバ５３０（以下では基準ファイバ５３０と呼ぶ）内に結合することによって実装される位相シフタを示す。基準ファイバ５３０の遠い方の端部５３１は、遠い方の端部に到達した光がほぼ反射されるように反射性コーティングを有する。基準ファイバ５３０の一部は、圧電性巻枠５４０の周りに巻かれる。圧電性巻枠５４０に印加される電圧を変化させることによって、基準ファイバ５３０に異なる大きさの応力を加えることができ、その結果として基準アームの光位相の変化を生じる。
【００２３】
図６Ａ〜Ｅは、本発明の原理によるプローブ・ファイバ（例えば図１のプローブ・ファイバ１２０）に、超音波を結合することができる様々な方法を示す。結合の機構を説明するために、プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４をより詳細に示している。
【００２４】
図６Ａは、内視鏡プローブ技術の一実施形態を示し、ここでは超音波６００は、およそプローブ・ファイバの長手方向軸に沿った方向から入射する。プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４内を伝播する光６１０は、ミラー面６２０によって反射され、このミラー面はプローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４上に堆積された反射性コーティングの層とすることができる。
【００２５】
ここで図６Ａの内視鏡プローブ技術の実施形態の場合に、プローブ・ファイバ１２０内に、どのように超音波が結合されるかを説明するために簡略化モデルを用いる。簡単なモデルは関係する物理現象の完全な、または厳密な説明のためではなく、関連する原理を示すものである。超音波６００は、次の近似の関係に従って、プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４内に結合され、
Ｐｆ＝Ｐｏ×２Ｚｆ／（Ｚｏ＋Ｚｆ）  （７）
および
δ＝（λｕ／２π）Ｐｆ／Ｂｆ  （８）
ただし、Ｐｆはプローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４内に結合された超音波圧力振幅、Ｐｏはプローブ・ファイバ１２０上に入射する超音波圧力振幅、ＺｆおよびＺｏはそれぞれプローブ・ファイバ１２０および周囲媒体の音響インピーダンスである。δは超音波結合によってミラー面６２０が受ける変位振幅、λｕはプローブ・ファイバ１２０内の超音波波長、およびＢｆはプローブ・ファイバ１２０の体積弾性率である。したがって、干渉計の信号アームにおいて超音波によって誘起された位相シフトは、近似的に
Φｕ＝２δ×（２π×ｎ／λ）
（９）
ただし、ｎはプローブ・ファイバ１２０の屈折率、λは光学波長である。
【００２６】
図６Ｂは、内視鏡プローブ技術の別の例示の実施形態を示す。適当なポリマーなどの可撓性材料６３０の薄い層が、プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４とミラー面６２０の間に堆積される。層６３０は、好ましくはプローブ・ファイバ１２０と一致した屈折率と、それ自体内での超音波波長の１／４におよそ等しい厚さとを有する。層６３０の低い体積弾性率および１／４波長の厚さは共に、ミラー面６２０内での超音波によって誘起された変位を増加するのに役立ち、したがって超音波感度が改善される。
【００２７】
図６Ｃは、横方向プローブ技術の例示の実施形態を示し、ここでは超音波は、プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４の長手方向軸にほぼ垂直な方向から入射する。超音波６００または６０１は、側面からプローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４内へ結合され、プローブ・ファイバ１２０のコアとクラッドの間の境界層において、小さな量の変位および／または屈折率変化を引き起こす。プローブ・ファイバ１２０内の光６１０は、伝播時にコア／クラッド境界層によって実効的に何度も内部全反射されるので、光６１０の光位相は、コア／クラッド境界層への擾乱によって変調される。横方向プローブ技術における干渉計内への超音波結合の基本的な物理現象は、内視鏡プローブ技術で前に述べたものと同様である。しかし実際の応用では、横方向プローブ技術は、内視鏡プローブ技術に比べていくつかの重要な利点を有する。この技術の場合の超音波感度は、通常、内視鏡技術よりも高い。これは、非常に短い距離であっても光６１０はコア／クラッド境界層で何度も反射され、したがって光位相に対する境界面擾乱の効果はそれに従って増大され、結果として、より高い感度を生じるからである。もう１つの重要な利点は、横方向プローブ技術により、同じプローブ・ファイバ１２０が、プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４の長手方向軸にほぼ垂直な平面内で異なる方向に伝播する複数の超音波を感知することが可能になることである。したがって横方向プローブ技術では、プローブはその長手方向軸に垂直な平面内で全方向的に機能する。
【００２８】
図６Ｄは、横方向プローブ技術の代替実施形態を示す。この幾何学的配置は、プローブ・ファイバ１２０が、カテーテルまたはガイドワイヤなどの細長い円筒形の物体内に埋め込まれる用途の場合に有用となり得る。カテーテルまたはガイドワイヤ内の他の物体の存在は、プローブ・ファイバ１２０がすべての所望の方向から超音波を感知することを妨げ得る。図６Ｄでは、プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４は、カテーテル６４０の外径近くの周りに巻かれ、それにより超音波６００または６０１などの複数の方向からの超音波を、同じプローブ・ファイバ１２０によって感知することができる。プローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４は、同様に、その上に堆積されたミラー面６２０を有する。図６Ｅには、横方向プローブ技術の代替実施形態が示され、ここではプローブ・ファイバ１２０の遠位端１２４は、カテーテル６４０の周りに複数回巻かれ、それにより超音波感度はほぼコイルの巻数だけ増大する。
【００２９】
図７は、本発明の原理により実行される、超音波圧力を検出する方法の一実施形態の流れ図を示す。方法は、開始ステップ７１０から始まる。ステップ７２０では、超音波は、基準アームと、プローブ・ファイバを含む信号アームとを有する干渉計のプローブ・ファイバの遠位端内へ結合される。プローブ・ファイバは、遠位端に反射性コーティングを有する。ステップ７３０では、レーザ光が干渉計に供給される。ステップ７４０では、干渉計は超音波に基づいて２つの出力ビームを生成する。ステップ７５０では、２つの出力ビームに基づいて電気信号が発生される。したがって電気信号は、超音波に基づく。一実施形態では、電気信号は、２つの出力ビームの強度に比例した２つの電圧信号と、さらに強度の差に比例した電圧信号とを含む。
【００３０】
ステップ７６０では、位相シフタによって発生される位相シフトは、ある範囲の値にわたって掃引することができ、超音波圧力センサの位相バイアスを求めるために、電気信号を監視することができる。ステップ７７０では、超音波圧力センサを断続的に動作させることができる。超音波圧力センサは、光検出器と駆動部を結合するコントローラを用いて超音波を感知させることができる。方法は、終了ステップ７８０で終了する。
【００３１】
本発明が関係する当技術分野の技術者には、本発明の範囲を逸脱せずに、説明した実施形態に対して、その他のおよびさらなる追加、削除、置換、および変更を行い得ることが理解されよう。
【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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【国際調査報告】
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