(57)【要約】  本発明は、形状感知用の光ファイバセンサに関し、光ファイバセンサは、光ファイバの長手方向中心軸０から距離をおいて配置された複数の少なくとも４つのファイバコア１−６を中に埋め込んだ光ファイバを有し、複数のファイバコア１−６は、少なくとも２つのファイバコア１、３、５の第１のサブセットと、少なくとも２つのファイバコア２、４、６の第２のサブセットとを含み、第２のサブセットのファイバコア２、４、６は、ファイバセンサ１２'の形状感知測定において冗長性を提供するように構成される。第１のサブセットのファイバコア１，３，５は、互いに対して中心軸０の周りに方位角方向に分布し、第２のサブセットの各ファイバコア２は、第１のサブセットの２つの近隣のファイバコア１，３に対して中心軸０の周りに方位角方向に非等距離に配置される。
2022501585.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向中心軸から離間して配置された複数の少なくとも４つのファイバコアを内部に埋め込んだ光ファイバ、
を有する光ファイバセンサにおいて、
前記複数のファイバコアが、少なくとも２つのファイバコアの第１のサブセットと、少なくとも２つのファイバコアの第２のサブセットとを含み、前記第２のサブセットのファイバコアが、前記ファイバセンサの形状感知測定において冗長性を提供するように構成され、前記第１のサブセットのファイバコアが、互いに対して前記中心軸の周りの方位角方向に分布し、前記第２のサブセットの各ファイバコアが、前記第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアに対して前記中心軸の周りの方位角方向に非等距離に配置され、前記第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアの間に配置される前記第２のサブセットのファイバコアが、前記第１のサブセットの前記２つの近隣のファイバコアの一方よりも前記第１のサブセットの前記２つの近隣のファイバコアの他方に近い角度位置を持つ、
光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記第１のサブセットのファイバコアが。互いに対して前記中心軸の周りで方位角方向に等距離に配置され、前記第２のサブセットのファイバコアが、互いに対して前記中心軸の周りで方位角方向に等距離に配置される、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記ファイバコアの第１サブセットが、前記長手方向中心軸から半径方向距離に配置された３つのファイバコアを含み、前記ファイバコアの第２サブセットが、前記長手方向中心軸から半径方向距離に配置された３つのファイバコアを含む、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記中心軸の周りの方位角方向における前記第２のサブセットの１つのファイバコアの角度位置と、前記第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアのうちの１つの角度位置との間の角度が、前記第１のサブセットの前記２つの近隣のファイバコアの角度位置の間の半分の角度よりも少なくとも１０％小さい、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記中心軸の周りの方位角方向における前記第２のサブセットの１つのファイバコアの角度位置と、前記第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアのうちの１つの角度位置との間の角度は、２０°乃至４０°の範囲内にある、請求項３に記載の光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記中心軸の周りの方位方向における前記第２のサブセットの１つのファイバコアの角度位置と、前記第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアのうちの１つの角度位置との間の角度は、約３０°である、請求項３に記載の光ファイバセンサ。
【請求項７】
前記第２のサブセットのファイバコアの光学特性が、前記第１のサブセットのファイバコアの光学特性とは異なる、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項８】
前記第１のサブセットのファイバコアが、歪みなし状態で当該ファイバコアに導入された光に応答する第１の共振波長を有し、前記第２のサブセットのファイバコアが、歪みなし状態で当該ファイバコアに導入された光に応答する第２の共振波長を有し、前記第２の共振波長は、前記第１の共振波長とは異なる、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項９】
前記第１のサブセットのファイバコア及び前記第２のサブセットのファイバコアは、前記中心軸から等しい距離を有する、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項１０】
前記光ファイバコアは、前記ファイバの前記中心軸上に配置された中心ファイバコアを更に有する、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光ファイバセンサを有する光学形状感知装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光ファイバセンサと、
前記光ファイバセンサの前記第１サブセットのファイバコア及び前記第２サブセットのファイバコアをスキャン波長範囲の光でインタロゲートし、前記光ファイバセンサの前記第１サブセットのファイバコア及び前記第２サブセットのファイバコアから受信された反射スペクトルを測定するように構成された光学インタロゲーションユニットと、
前記反射スペクトルを用いて前記ファイバセンサの形状を再構成するように構成された評価ユニットと、
を有する、光学形状感知システム。
【請求項１３】
前記光学インタロゲーションユニットは、前記スキャン波長範囲の中心波長が、前記第１のサブセットのファイバコアの第１の共振波長に対して偏心されるように、前記スキャン波長範囲を設定するように構成され、前記共振波長は、前記ファイバコアの歪みなし状態において前記第１のサブセットの前記ファイバコアに導入される光に応答する、請求項１２に記載の光学形状感知システム。
【請求項１４】
前記光学インタロゲーションユニットは、前記スキャン波長範囲の中心波長が、前記第２のサブセットのファイバコアの第２の共振波長に対して偏心されるように、前記スキャン波長範囲を設定するように構成され、前記第２の共振波長は、前記ファイバコアの歪みなし状態で前記第２のサブセットの前記ファイバコアに導入される光に応答する、請求項１２に記載の光学形状感知システム。
【請求項１５】
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光ファイバセンサを提供するステップと、
前記第１のサブセットのファイバコア及び前記第２のサブセットのファイバコアに光でインタロゲートするステップと、
前記第１のサブセットのファイバコア及び前記第２のサブセットのファイバコアから戻る光の反射スペクトルを測定するステップと、
前記反射スペクトルを使用して前記光ファイバセンサの形状を再構成するステップと、
を有する、光学形状感知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、光学形状感知の分野に関する。特に、本発明は、ファイバの中心軸から半径方向距離に配置された多数のファイバコアを有する光学形状感知に用いる光ファイバセンサに関する。本発明は、このような光ファイバセンサを有する光学形状感知装置、及びこのような光ファイバセンサを有する光学形状感知システムに関する。更に、本発明は、光ファイバセンサを使用する光学形状感知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学形状感知（ＯＳＳ）は、特殊な光ファイバの三次元形状が、ファイバ内の光の反射から再構成されることができる技術である。この技術は、例えば、医療装置、例えば、カテーテル及びガイドワイヤのような装置の完全な形状のリアルタイム３Ｄ視覚化を可能にする。医療装置の形状は、Ｘ線画像又は術前ＣＴスキャン上に重ね合わされることができる。このようにして、医師は、Ｘ線追跡を必要とせずに、処置中に装置をナビゲートすることができる。
【０００３】
光学形状感知においては、光学形状感知ファイバとも称される光ファイバセンサは、ファイバのファイバコア内に結合された光でインタロゲートされ、分散歪み及び温度信号は、干渉計を組み込んだインタロゲータユニットで得られた後方散乱スペクトルから得られる。標準的な光ファイバセンサは、ファイバの半径方向中心に配置された、第４コアの周囲に螺旋状に巻かれている３つの外側ファイバコア（本明細書では、ファイバの中心軸から離間して配置されたファイバコアも、外側ファイバコアとして示される）を有する。歪み及び温度に対するファイバコアの応答は、ファイバセンサに沿った遅延位置の関数として、干渉計からの光信号の位相差として測定される。位相差は、ファイバセンサが明確な形状、例えば、完全に真っ直ぐな形状である基準測定に関して得られる。ファイバコアの位相差から、歪み及び温度差が、各ファイバコアについて推定されることができる。歪み信号は、ねじり歪み及び軸歪みと同様に、直交する２方向の曲げ歪みの和であり、後者は、光ファイバセンサの長手方向の歪みである。これら４つの位置依存量から、ファイバセンサの形状が、再構成されることができる。高精度形状感知のためには、正確なファイバセンサ特性が、形状再構成モデルにおいて必要である。これらの特性は、較正プロセスにおいて個々の光ファイバごとに決定されることができる。
【０００４】
形状感知技術の更なる拡張は、軸歪みの影響から温度の影響を区別することができるようにすることである。そうするために、例えば、国際公開第２０１６／０９９９７６号パンフレットに記載されるように、異なる温度感度を有する少なくとも１つの追加のコアが、必要とされる。
【０００５】
上述したように、光学感知ファイバの形状は、ファイバ内部のいくつか、典型的には４つのコアについて測定された位置依存歪み信号から計算される。例えば、ファイバコア及びファイバ中心によって定義された平面内でファイバを曲げることは、そのコアがファイバの中心に配置されていない場合に、そのファイバコアにおいて歪みを生じる。この場合、歪みεは、ファイバの中心軸からのそのコアの距離ａと、そのコアの曲がりの半径ｒとの商である。曲げ歪みは、ここではファイバの真っすぐで歪んでいない状態に対して測定される。歪みの大きさは、反射光のスペクトルシフトの量から推測されることができる。ファイバコアが、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を含む場合、ブラッググレーティングの周期的な性質により、センサは、共振波長と称される１つの特定の波長の光を反射する。ファイバコアが、基準測定値に対して細長い（正に歪んでいる）場合、ＦＢＧの周期性は、増加し、共振波長の増加という結果になる。他方で、圧縮（負の）歪みの場合、ＦＢＧの周期性は、減少し、共振波長の減少という結果になる。曲げの曲率半径が小さいほど、（曲げ部のファイバコアの位置に応じて、正又は負のいずれかの方向において）共振波長のシフトδλは大きくなる。
δλ＝λ0ζε＝(λ0ζα/ｒ)sin(ｇtwist(ｚ)＋φ)    （１）
ここで、λ0は、ファイバコア、より正確には、歪みなし状態のＦＢＧの共振波長でありであり、ζは、屈折率の歪み誘起変化を考慮する歪み光学係数（≒０．８）であり、ブラッグ周期と波長との間の関係に影響する。サイン関数は、ファイバ中心の周りで螺旋状にねじれているときの、外側コアの変化する位置を記述する。ｇtwistは、コアの累積ねじれ角であり、これは、紡糸されたファイバに本質的に存在するねじれと、外部から加えられたねじれとの和である。φは、曲げ平面の向きと、基準位置におけるファイバコアの角度とに関連するオフセット角である。明確性の理由で、式（１）では、曲げによる歪みのみが、仮定される。
【０００６】
光ファイバセンサが、例えば、医療装置の管腔内に挿入される場合、光ファイバセンサは、変化する曲率半径を経験する。医療装置は、予め成形されてもよく、装置の取り扱い中に、その形態を変化させる。光ファイバセンサにより遭遇される最小曲率半径は、装置の設計、光ファイバ自体、及びそれが使用されている環境に依存する。例えば、人間の血管系は、例えば、非常に曲がりくねっている可能性がある。これらの種類の血管にアクセスすることができるように、より柔軟な装置が、使用される。このような医療装置内の光ファイバセンサは、小さな曲率半径に耐えることができるべきである。しかしながら、光ファイバセンサの最小測定可能曲げ半径に関係する限界が、存在する。
【０００７】
形状感知では、典型的には、スペクトルが、歪みなし状態のＦＢＧの共振波長を中心とする固定波長範囲Δλにわたって光源をスキャンすることによって、各ファイバコアに対して記録される。測定されたスペクトルの内側にまだ共振を有する最小曲げ半径は、
ｒmin＝(２λ0ξａ)/Δλ  （２）
である。
【０００８】
λ0＝１５４５ｎｍ、ξ＝０．８、及びａ＝３５μｍを中心とするスキャン範囲では、測定可能な最小曲げ半径は、５．１ｍｍである。光ファイバセンサが、曲率を下げるように曲げられる場合、信号は、曲げ面内にあるファイバコアに対して測定されない。
【０００９】
式（２）から、最小測定可能曲げ半径が、ファイバコア距離ａを減少させることによって、及び／又はスキャン波長範囲Δλを増加させることによって減少させることができることが分かる。外側ファイバコア距離ａを減少させることが、ねじれ歪みに対する感度がａ2でスケールするので、曲げ歪みに対する感度及びねじれ歪みに対する感度をも減少させるという欠点を持つ。ねじれに関する要求精度は高く、したがって、ファイバの中心軸からの外側ファイバコア距離を減少させることは、好ましくない。スキャン範囲Δλを増加することは、他の理由で不利である。これは、共振ピークが相対的に少なくスペクトルを埋めるので、信号対雑音比を減少させる。更に、２つの連続するノード（ファイバ上の位置の関数としてのデータ点）間の遅延長が、減少され、ファイバの同じ物理的長さに対するデータ点の増加を与える。
【００１０】
ＷＯ２０１８／０７５９１１Ａ１は、３つ以上の外側ファイバコアを有する光ファイバセンサを提供することを提案しており、ここで、ファイバコアは、ファイバの中心軸から複数の異なる半径方向距離において配置される。小さな曲げ半径が測定されるには、より小さい距離におけるファイバコアに切り替える必要があり、これは、形状感知測定の精度を低下させる結果となる可能性がある。このような光ファイバセンサの設計は、したがって、精度の損失を被る。
【００１１】
ＵＳ２００７／０２９７７１２Ａ１は、身体の曲率を検出するための光ファイバセンサを開示し、センサは、外周を有するクラッドを有する。中心コアは、ブラッググレーティングを有し、クラッドの中立面に位置する。周辺コアは、光を送受信する。
【００１２】
ＵＳ２０１６／００４７９７６Ａ１は、少なくとも１つの第１のコアと、該第１のコアを取り囲むクラッドとを有する光導波路を有し、該第１のコアが、該光導波路の実質的に全長にわたって延在する、光ファイバセンサを開示している。
【００１３】
ＵＳ２００６／００２４００８Ａ１は、中心コアと、該中心コアに光学的に近接して該中心コアの周囲に螺旋状に巻き付けられた少なくとも１つの側面コアとを有する複合導波路を開示している。
【００１４】
ＵＳ２０１６／０２３８７８３Ａ１は、ファイバ軸に沿って延在する複数のコアから構成されるコアグループと、コアグループを含む共通クラッドと、共通クラッドの外周を被覆するコーティングとを有する光ファイバを開示している。
【００１５】
ＵＳ２０１７／０１２３１４６Ａ１は、クラッドマトリクス内にランダムに配置されたコアを有するマルチコア光ファイバを開示している。
【００１６】
ＷＯ２０１８／００９３４２Ａ１は、Ｍ個の一次コアとＮ個の冗長コアとを含むファイバを開示しており、ここで、Ｍは２より大きい整数であり、Ｎは１より大きい整数である。干渉計回路は、光ファイバが感知位置内に配置される場合に、Ｍ個の一次コア及びＮ個の冗長コアに関連付けられた干渉パターンデータを検出する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明の目的は、中心軸からのファイバコア距離を減少させることなく、及び／又はスキャン波長範囲を増加させることなく、小さな曲げ半径で形状測定を可能にする光ファイバセンサを提供することである。
【００１８】
本発明の更なる目的は、改良された光ファイバセンサを有する装置を提供することである。
【００１９】
本発明の更なる目的は、改良された形状感知測定を可能にする光学形状感知システムを提供することである。
【００２０】
本発明の更なる目的は、改良された形状感知測定を可能にする光学形状感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】
【００２１】
本発明の第１の態様によれば、形状感知用の光ファイバセンサが、提供され、前記光ファイバセンサは、光ファイバの長手方向中心軸から離間して配置された複数の少なくとも４つのファイバコアを内部に埋め込まれた光ファイバを有し、前記複数のファイバコアは、少なくとも２つのファイバコアの第１のサブセットと、少なくとも２つのファイバコアの第２のサブセットとを含み、第２のサブセットのファイバコアは、ファイバセンサの形状感知測定において冗長性を提供するように構成され、第１のサブセットのファイバコアは、互いに対して中心軸の周りの方位角方向に分布し、第２のサブセットの各ファイバコアは、第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアに対して、中心軸の周りの方位角方向に非等距離に配置される。
【００２２】
オプションとして、第１サブセットの２つの近隣のファイバコアの間に配置される第２サブセットのファイバコアは、第１サブセットの２つの近隣のファイバコアのうちの一方に、第１サブセットの２つの近隣のファイバコアのうちの他方より近い角度位置を有し、第１サブセットのファイバコアは、互いに対して中心軸の周りに等距離に配置され、第２サブセットのファイバコアは、互いに対して中心軸の周りに等距離方向に配置される。
【００２３】
本発明による光ファイバセンサは、複数のファイバコアに冗長性を持たせることによって、３つの外側コアのみを有する標準的なファイバセンサより小さな曲げ半径を測定することを可能にする。本発明は、ファイバセンサで測定可能な最小曲げ半径を小さくするために、中心軸から異なる距離に外側ファイバコアを設ける必要がないという洞察に基づいている。本発明による光ファイバセンサでは、第１のサブセットの外側ファイバコア及び第２のサブセットの少なくとも１つのファイバコアが、ファイバの中心軸から同じ半径方向距離に配置されてもよく、これは、好ましいが、必須ではない。本発明によるファイバセンサでは、第２のサブセットの少なくとも１つの、好ましくは各ファイバコアが、第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアに対して、中心軸の周りの方位角方向に非等距離に配置される。これは、第１のサブセットの２つの近隣の外側ファイバコアの間に配置される第２のサブセットの外側ファイバコアが、第１のサブセットの２つの近隣の外側ファイバコアの他方よりも、第１のサブセットの隣接する外側ファイバコアの一方に近い角度位置を有することを意味する。これは、中心軸の周りの角度位置に関して、第１サブセットの外側ファイバコアと第２サブセットのファイバコアとの間に特定の非対称性をもたらす。本明細書でより詳細に説明されるように、外側ファイバコアのこのような配置は、スキャン波長範囲を増加させることなく、及び／又は中心軸からのファイバコア距離を減少させることなく、測定可能な最小曲げ半径を減少させるのに適している。
【００２４】
非対称性が、第１のサブセットのファイバコア及び第２のサブセットのファイバコアの角度配置の間に存在してもよいが、全てのファイバコアの全体的な配置は、対称であってもよい。例えば、第１のサブセットの１つの外側ファイバコア及び第２のサブセットの１つの近隣の外側ファイバコアは、一対の外側ファイバコアを形成するものとみなすことができ、ファイバ内に存在する対は、各対におけるファイバコアの角度位置の差が同じであり、かつ対が互いに対して中心軸の周りの角度位置において等しい差を有する場合、ファイバコア対の対称配置を形成してもよい。しかしながら、対における２つのファイバコアの間の角度位置の差を変化させること、及び／又は対の間の角度位置の差を変化させて、第１及び第２のサブセットのファイバコアの全体的な配置に対称性が存在しないようにすることも可能である。
【００２５】
全体的に対称な配置の一例は、第１及び第２のサブセットが、それぞれ３つの外側ファイバコアを含む配置であってもよく、第１のサブセットの外側ファイバコアが、０°、１２０°、２４０°に配置されてもよく、第２のサブセットの外側ファイバコアが、中心軸の周りに３０°、１５０°、２７０°に配置されてもよい。
【００２６】
中心軸の周りの方位角方向における第２のサブセットの１つのファイバコアの角度位置と、第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアのうちの１つの角度位置との間の角度は、第１のサブセットの２つの近隣のファイバコアの角度位置の間の半分の角度より少なくとも１０％、又は少なくとも２０％、又は少なくとも４０％小さくてもよい。第１のサブセット内に３つの外側コアを有し、第２のサブセット内に３つの外側コアを有するファイバセンサの実施形態では、角度は、２０°乃至４０°の範囲、例えば約３０°であってもよい。
【００２７】
ファイバコアの第１及び第２のサブセットのファイバコアは、ファイバセンサの中心軸の周りに螺旋状に巻かれてもよい。中心ファイバコアは、中心軸上に配置され、同じ軸に沿って延在してもよい。
【００２８】
第１のサブセットのファイバコア及び第２のサブセットのファイバコアは、それぞれのファイバコアの長さに沿って１つ以上のファイバブラッググレーティングを有してもよい。
【００２９】
ファイバコアの第２のサブセットは、３つ以上のファイバコアを含んでもよい。
【００３０】
前述の実施形態のいずれか１つと組み合わされうる別の実施形態では、第２のサブセットのファイバコアの光学特性が、第１のサブセットのファイバコアの光学特性とは異なる。
【００３１】
光学特性は、この点に関して、歪みのない状態におけるファイバコアの共振波長であってもよい。一実施形態では、歪みなし状態でファイバコアに導入された光に応答する第１のサブセットのファイバコアの第１の共振波長と、歪みなし状態の第２のサブセットの少なくとも１つのファイバコアの第２の共振波長とは、互いに異なってもよい。この測定は、光ファイバの最小測定可能曲げ半径を小さくするのにも適している。
【００３２】
また、上記の実施形態のいずれかと組み合わせられうる光ファイバの最小測定可能曲げ半径を小さくするための更なる方策は、ファイバコアをインタロゲートするのに使用される光のスキャン波長範囲の中心波長に対して、第１サブセットのファイバコアの第１共振波長及び／又は第２サブセットの少なくとも１つのファイバコアの第２共振波長を偏心することである。この実施形態では、第１及び第２の共振波長は、互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。
【００３３】
本発明の第２の態様によれば、第１の態様及びその実施形態による光ファイバセンサを有する光学形状感知装置が、提供される。
【００３４】
光学形状感知装置は、医療装置、特にカテーテル又はガイドワイヤであってもよい。
【００３５】
本発明の第３の態様によれば、第１の態様による光ファイバセンサと、光ファイバセンサの第１のサブセットのファイバコア及び第２のサブセットのファイバコアの少なくとも１つのファイバコアに、スキャン波長範囲の光を用いてインタロゲートし、光ファイバセンサの第１のサブセットのファイバコア及び第２のサブセットのファイバコアの少なくとも１つのファイバコアから受け取られた反射スペクトルを測定するように構成された光学インタロゲーションユニットと、反射スペクトルを用いてファイバセンサの形状を再構成するように構成された評価ユニットとを有する光学形状感知システムが、提供される。
【００３６】
本発明による光学形状感知システムは、本発明による光ファイバセンサに関して説明されたものと同じ又は同様の利点を有する。特に、スキャン波長範囲は、３つの外側コアのみを有する標準的なファイバセンサの場合と同じであってもよく、それにもかかわらず、標準的なファイバセンサの場合より小さな曲げ半径が、このスキャン波長範囲で測定されてもよい。
【００３７】
一実施形態では、光学インタロゲーションユニットは、スキャン波長範囲の中心波長が第１のサブセットのファイバコアの第１の共振波長に対して偏心されるように、スキャン波長範囲を設定するように構成されてもよく、共振波長は、ファイバコアの歪みなし状態でファイバコアに導入された光に応答し、及び／又は光学インタロゲーションユニットは、スキャン波長範囲の中心波長が第２のサブセットの少なくとも１つのファイバコアの第２の共振波長に対して偏心されるように、スキャン波長範囲を設定するように構成され、第２の共振波長は、少なくとも１つのファイバコアの歪みなし状態で少なくとも１つのファイバコアに導入された光に応答する。これらの実施形態では、スキャン波長範囲は、光ファイバの外側ファイバコアの共振波長に対して非対称であり、これは、従来のシステムで可能なものより、光ファイバセンサのより小さな曲げ半径を測定するのにも適している。
【００３８】
更なる態様によると、光学形状感知方法が、提供され、この方法は、
第１の態様による光ファイバセンサを提供するステップと、
ファイバコアの前記第１のサブセットのファイバコア及びファイバコアの第２のサブセットの少なくとも１つのファイバコアに光でインタロゲートするステップと、
ファイバコアの第１のサブセットのファイバコア及び第２のサブセットのファイバコアの少なくとも１つのファイバコアから戻る光の反射スペクトルを測定するステップと、
反射スペクトルに基づいて光ファイバセンサの形状を再構成するステップと、
を有する。
【００３９】
本発明による光学形状感知方法は、上述されたものと同じ又は同様の利点を有する。
【００４０】
上述された全ての実施形態が、光ファイバセンサ、光学形状感知装置、光学形状感知システム、光学形状感知方法を提供するために互いに組み合わせられることができ、これらは全て、可能な限り小さい光ファイバセンサの曲げ半径を測定することを可能にすることは、理解されるべきである。
【００４１】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、それを参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】光学形状感知システムの一例を示すブロック図を示す。
【図２】標準的な光ファイバセンサの一例の斜視図を示す。
【図３Ａ】標準的な光ファイバセンサの断面を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの光ファイバセンサのシミュレーション結果の図を示し、共振波長及びスキャン波長範囲の中心波長の差が、曲げを有する光ファイバセンサ上の位置の関数としてプロットされる。
【図４Ａ】６つの外側コアを有する光ファイバセンサの一実施形態を示す。
【図４Ｂ】図４Ａの光ファイバセンサのシミュレーション結果の図を示し、共振波長及びスキャン波長範囲の中心波長の差は、光ファイバセンサ上の位置の関数としてプロットされる。
【図５Ａ】６つの外側コアを有する光ファイバセンサの一実施形態を示す。
【図５Ｂ】共振波長及びスキャン波長範囲の中心波長の差が、光ファイバセンサ上の位置の関数としてプロットされる、図５Ａの光ファイバセンサのシミュレーション結果の図を示す。
【図６Ａ】図４Ａと同様の６つの外側コアを有する光ファイバセンサの一実施形態を示す。
【図６Ｂ】図６Ａの光ファイバセンサのシミュレーション結果の図を示し、共振波長及びスキャン波長範囲の中心波長の差が、光ファイバセンサ上の位置の関数としてプロットされる。
【図７Ａ】図４Ａと同様の６つの外側コアを有する光ファイバセンサの一実施形態を示す。
【図７Ｂ】共振波長及びスキャン波長範囲の中心波長の差が、光ファイバセンサ上の位置の関数としてプロットされた、図７Ａの光ファイバセンサに関するシミュレーション結果の図を示す。
【図８Ａ】図７Ａの光ファイバセンサを示す。
【図８Ｂ】図８Ａの光ファイバセンサのシミュレーション結果の図を示し、共振波長及びスキャン波長範囲の中心波長の差が、光ファイバセンサ上の位置の関数としてプロットされる。
【図９Ａ】２組の外側コアの共振周波数に対するスキャン波長範囲の中心スペクトルの偏心の関数としてのゲイン係数ｆ＝ｒmin／ｒ0及びｒ0／ｒxに対するシミュレーション結果の図を示す。
【図９Ｂ】２組の外側コアの共振周波数に対するスキャン波長範囲の中心スペクトルの偏心の関数としてのゲイン係数ｆ＝ｒmin／ｒ0及びｒ0／ｒxに対するシミュレーション結果の図を示す。
【図１０】様々な光ファイバセンサ設計のための４コアでまだ測定可能な最小半径の関数として、６つの外側コアで測定可能な最小曲率半径に対するシミュレーション結果の図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、光ファイバセンサ１２を感知するためのマルチチャネル光周波数領域反射率測定（ＯＦＤＲ）ベース及び分布歪み感知システムとして構成された光ファイバセンサシステム１０の一部を概略的に示す。光ファイバセンサ１２は、複数のファイバコア１４、１６、１８、２０を内部に埋め込まれた光ファイバを有し、本例では、１つの中心コア１６及び３つの外側コア１４、１８、２０を有する４つのコアを有する。図１に示される光ファイバセンサは、標準的なファイバセンサである。ここで、本発明が、３より多い外側コアを有する光ファイバセンサ設計を提案することに注意されたい。図２は、中心コア１６の周りで螺旋状にされた外側コア１４、１８、２０を持つファイバコア１４、１６、１８、２０の長さの一片を示す。中心コア１６は、光ファイバセンサ１２の中心軸上に配置される。外側ファイバコア１４、１８、２０は、光ファイバセンサ１２の長手方向中心軸の周りの方位方向において互いに対して角度的に離間している。長手方向中心軸は、中心コア１６に一致する。本例における複数の４つのコアによれば、近隣の外側コアの間の角度的間隔は、１２０°であってもよい。
【００４４】
再び図１を参照すると、光学形状感知システム１０は、インタロゲータユニット２１を有する。インタロゲータユニット２１は、スキャン波長範囲とも称される光周波数の範囲にわたって掃引されることができる調節可能な光源２２を有してもよい。光源２２によって放射された光は、光ファイバセンサ１２の複数のファイバコア１４、１６、１８、２０に応じて光チャネル２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄを有する光干渉ネットワーク２４内に結合される。光ファイバセンサ１２が、４より多いコアを有する場合、光干渉ネットワーク２４が、対応する数の光チャネルを有してもよい。
【００４５】
調節可能光源２２が、ある範囲の光周波数にわたって掃引される場合、各チャネル２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、したがって、光ファイバセンサ１２の各ファイバコア１４、１６、１８、２０は、同時に及び独立に光学的にインタロゲートされ、ファイバコア１４、１６、１８、２０の各々から戻ってくる反射スペクトルに基づく干渉信号は、それぞれの光検出器２５を介して処理ユニット又はデータ取得ユニット２６に送られる。次いで、多重チャネルＯＦＤＲシステムを使用するコア１４、１６、１８、２０からの分布歪み測定値は、更なる処理、特に光ファイバセンサ１２の三次元形状再構成のため、及び再構成された三次元光ファイバセンサ１２の視覚的表示のために評価ユニット２７にエクスポートされ得る。
【００４６】
光ファイバセンサ１２の一実施形態において、ファイバコア１４、１６、１８、２０は、屈折率の周期的変動によって形成されるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有してもよい。単純化のために、単一の共振波長を有するＦＢＧが、ここで考慮される。ＦＢＧは、ＦＢＧの格子周期に依存する特定の波長（共振波長）の光を反射し、他の全ての波長を透過する。光ファイバセンサ１２の曲がりにより、格子周期は、歪みにより影響を受け、ファイバに沿った任意の位置についての反射波長の測定値は、局所的な歪みを決定することを可能にする。以下に説明される本発明の実施形態による光ファイバセンサ１２'は、このようなＦＢＧを有してもよい。
【００４７】
光ファイバセンサ１２の光学的インタロゲーションは、原理的に、ファイバセンサ全体の三次元形状をリアルタイムで再構成するために必要とされる情報を与える。適切な基準フレームを前提として、完全なファイバセンサ１２の正確な向き及び位置をリアルタイムで知ることが、可能である。
【００４８】
光ファイバセンサ１２のような光ファイバセンサが、例えば、カテーテル又はガイドワイヤのような医療装置内で使用される場合、装置は、装置の取扱い中にその形態を変化させる。例えば、装置が、非常に曲がりくねっている可能性がある人間の血管系内に導入するためのカテーテルである場合、装置、したがって、光ファイバセンサ１２は、非常に小さい可能性がある曲率半径を有してもよい長さに沿った曲げを経験する。しかしながら、光学形状感知技術では、光ファイバセンサの最小測定可能曲げ半径に関係する限界が、存在する。
【００４９】
上記の式（２）を参照すると、標準的な光ファイバセンサ１２の最小測定可能曲げ半径は、歪みなし状態におけるファイバコアの共振波長λ0＝１５４５ｎｍを中心とするスキャン範囲、ξ＝０．８、及びａ＝３５μｍに対して５．１ｍｍとなる（これらのパラメータの定義に関しては上記参照）。標準的な光ファイバセンサ１２が、より低い曲率、すなわち５．１ｍｍ未満の曲げ半径を有する曲率に曲げられる場合、曲げ平面内にあるファイバコアについては、信号は測定されない。
【００５０】
図３Ａは、標準的な光ファイバセンサ１２の断面を示し、３つの外側コアは、１、２、３のラベルを付され、中心コアは、０のラベルを付されている。図３Ｂは、半径５．１ｍｍの曲げを有する光ファイバセンサ１２についてのシミュレーション結果（式（１）参照）を示す。図３Ｂでは、λres、すなわち曲げられた状態のファイバコア１、２、３の各々についての共振波長と、λc、すなわちスキャン波長範囲の中心波長との差が、中心軸（中心コア０）の周りの方位角方向に１２０°だけ分離された３つの外側コア１、２、３に対して、長さに沿った光ファイバセンサ上の位置の関数としてプロットされる。中心コア０のスペクトルは、中心コア０の曲げ歪みによる共振波長のシフトが存在しないので、図３Ｂには描かれない。外側ファイバコア１、２、３のねじれ率は、メートル当たり５０ターンであり、１つのインデックスは、４８．２μｍに対応する。灰色陰影領域は、曲げによる外側コアの共振波長のシフトをカバーするために必要とされるスキャン波長範囲を与える。図３Ｂにおいて、曲線４１は、コア１についてのシミュレーション結果を示し、曲線４２は、コア２についてのシミュレーション結果を示し、曲線４３は、コア３についてのシミュレーション結果を示す。５．１ｍｍの曲げ半径（すなわち、曲げに対する光ファイバセンサの全ての向きについて）を常にカバーするのに必要とされる最小スキャン範囲は、図３Ｂにおいて、λres−λc＝±８．４ｎｍにおいて点線５１、５２によって示される。
【００５１】
図４Ａは、本発明による光ファイバセンサ１２'の一実施形態を示し、これは、３より大きい数の外側ファイバコアを有する。換言すれば、光ファイバセンサ１２'は、標準的なセンサ１２の３つの外側ファイバコアと比較してファイバ１２'のより小さな曲げ半径を測定することを可能にするために、ファイバ１２'の形状感知測定において冗長性を提供する更なる外側ファイバコアを追加することによって、冗長性を提供する。図４Ａにおいて、外側ファイバコアは、参照番号１乃至６でラベル付けされる。ファイバセンサ１２'は、中心コア０をも含み、ここで０は、ファイバセンサ１２'の中心軸をも示す。したがって、ファイバコアの第１のサブセットの３つの外側ファイバコア、例えばファイバコア１、３、５、及びファイバコアの第２のサブセットの３つの外側ファイバコア、例えばファイバコア２、４、６が、存在する（第１のサブセット及び第２のサブセットへのファイバの割当ては重要ではないことに留意されたい）。
【００５２】
図４Ａに示されるように、第１のサブセットのファイバコア１、３、５及び第２のサブセットのファイバコア２、４、６は、中心軸（中心コア０）から同じ半径方向距離を有する。更に、ファイバコア１乃至６は、方位方向において中心軸の周りに等距離に配置される。したがって、ファイバコア１乃至６の２つの近隣のファイバコアの間の角度は、６０°である。ファイバコア１，３，５は、ファイバ１２'の歪みなし状態で第１の単一共振波長を有してもよく、ファイバコア２，４，６は、ファイバセンサ１２'の歪みなし状態で第２の単一共振波長を有してもよい。この例では、第１及び第２の共振波長は、等しい。
【００５３】
ファイバコアの第２のサブセットのファイバコアは、センサ１２'の中心軸の周りに螺旋状に巻き付けられてもよい。
【００５４】
光ファイバセンサ１２'を用いる形状再構成に必要とされる４つの位置依存量を区別することができるように、これらの量が２つの直交方向の曲げ歪み、ねじれ歪み及び軸方向歪みであり、中心コア０及び外側コア１乃至６の少なくとも３つの信号は、既知であるべきである。
【００５５】
図４Ｂは、図４Ａの光ファイバセンサ１２'のシミュレーション結果を示し、図３Ｂに関して説明されたように、共振波長λresとスキャン波長範囲の中心波長λcとの差が、光ファイバセンサ１２'上の位置の関数としてプロットされる。灰色陰影領域は、外部コア１乃至６の少なくとも３つの共振を含むのに必要とされるスキャン波長範囲を与える。図４Ｂにおいて、曲線４１乃至４６は、外側ファイバコア１乃至６についてのシミュレーション結果を示す（中央コア０についての結果は図４Ｂでは再び省略される）。図４Ｂの図から分かるように、黒い点線５１及び５２は、もはやファイバコア信号の最大値ではなく、これは、同じスキャン波長範囲（±８．４ｎｍ）を用いて、より小さな曲げ半径が測定されることができることを意味する。この場合には、４．５ミリメートルの最小曲げ半径ｒminが、測定されることができる。図３Ｂ及び図４Ｂのシミュレーション結果を比較すると、例えば、３つの代わりに６つの外側ファイバコアを設けることによって、ファイバコアにおける冗長性を明らかにし、測定可能な最小曲げ半径が、スキャン波長範囲を増加させることなく、かつ中心軸からの外側コアの距離を減少させることなく、減少されることができる。
【００５６】
図３Ａの光ファイバセンサ１２のような、３つの外側コアを有する標準的な光ファイバセンサと比較して、外側ファイバコアにおける冗長性の有益な効果のための方策を有するために、ゲイン係数ｆが、計算されてもよく、これは、スキャン波長範囲を増加させることなく、コアの量ｎによる冗長性によって得られる。
ｆ＝cos((π/(ｎ−１)floor((ｎ/２)−２))，ｎ≧４    （３）
ここで、ｎは、（中心コア及びｎー１個の外側ファイバコアを含む）ファイバコアの総数である。ｎ＝４（標準的な光ファイバセンサ）の場合、ｆは１である。ｎ＝７（６つの外側コア及び１つの中心コア）の場合、ｆは約０．８７である。これは、６つの外側コアの対称的な配置（２つの近隣の外側コアの間の６０°の角度）について、最小の測定可能な曲げ半径が、同じスキャン波長範囲で、０．８７倍、すなわち、５．１ｍｍから４．５ｍｍに減少されることができることを意味する。
【００５７】
ゲイン係数ｆ、したがって、最小測定可能曲げ半径は、更なる実施形態に関連して説明される以下の方策のうちの１つ又は複数によって更に低減されることができる。
【００５８】
一般に、ゲイン係数ｆの最適化は、互いに対するファイバコア角度を変化させることによって、及び／又はコア光学特性を変化させることによって、及び／又はスキャン波長範囲と歪みなし状態におけるファイバコアの共振波長との間に非対称性を導入することによって行われることができる。これらの方策が、以下に説明される。
【００５９】
図５Ａは、６つの外側コア１乃至６を有する光ファイバセンサ１２′の実施形態を示し、図４Ａにおける実施形態との差は、図５Ａにおけるファイバコア１乃至６がファイバ１２′の中心軸に沿って延在する中心コア０の周りの方位角方向に等距離に分布していないことである。図５Ａの実施形態では、近隣のファイバコアのいくつか、例えばファイバコア２及び３の間の角度は、他の近隣のファイバコア、例えばファイバコア１及び２の間の角度よりも小さい。例えば、ファイバコア２と３との間、４と５との間、及び６と１との間のより小さな角度は、３０°であってもよく、一方、ファイバコア１と２との間、３と４との間、及び５と６との間のより大きな角度は、９０°であってもよい。図５Ａに示されるような６つの外側ファイバコアの数は、例示的なものであり、冗長性がある限り、任意の他の数の外側ファイバコアも、同様に採用されることができることに留意されたい。図５Ａの実施形態では、外側コア１、３、５の第１のサブセットは、０°、１２０°、及び２４０°に配置され、同じ相対角度を有する３つのコア２、４、６の第２のサブセットは、第１のサブセットのファイバコア１、３、５に対してθ＝３０°の角度の下に配置される。任意のθを持つ７コア光ファイバセンサ（６つの外側のファイバコア及び１つの中心コア）に対して、ゲイン係数ｆ は次式で与えられる。
ｆ＝max{cos((|θ|-π/3)/2), -sin((|θ|-2π/3)/2)}, -π/3＜θ≦π/3    （４）
【００６０】
最小ゲイン係数ｆは、７コアファイバセンサ１２'におけるθ＝３０°（ｆ = ０．７１）に対して得られる。図５Ｂは、図５Ａの６つの外側コア１乃至６についてのシミュレーション結果の図４Ｂに類似した図を示す。灰色陰影領域は、再び、少なくとも３つの外側コアの共振を含むために必要とされるスキャン波長範囲を与え、点線５１、５２は、５．１ｍｍの曲げ半径についての全てのファイバコアの共振をカバーするために必要とされる最小スキャン波長範囲を示す。
【００６１】
したがって、角度θ＝３０°では、最小測定可能曲げ半径の３．６ｍｍへの減少が、達成されることができ、これは、±８．４ｎｍの同じ固定スキャン波長範囲に対して、θ＝６０°である図４Ａにおける実施形態のより対称的な場合よりも小さい。
【００６２】
光ファイバセンサの最小測定可能曲げ半径を最適化するための更なる方策は、第１及び第２のサブセット内のファイバコアの光学特性を適切に選択することである。ファイバコア間で異なり得るこのような光学特性は、歪みなし状態のファイバコアの共振波長λ0であってもよい。図６Ａは、図４Ａの実施形態と幾何学的に同一である光ファイバセンサ１２'の実施形態を示し、これは、ファイバコアの第１のサブセット、例えば、ファイバコア１、３、５と、ファイバコアの第２のサブセット、例えば、ファイバコア２、４、６とを有する。図４Ａの実施形態との差は、歪みなし状態の外側コアの第１のサブセットの共振波長λ0Aが、歪みなし状態のファイバコアの第２のサブセットのファイバコアの共振波長λ0Bとは異なることである。第１のサブセットのファイバコアの共振波長は、スキャン波長範囲の中心波長λCから偏心されてもよく、第２のサブセットのファイバコアの共振波長は、スキャン波長範囲中心λCに保たれる。一例として、ファイバコアの第１のサブセットについては、λ0AーλCは、４．３ｎｍであってもよく、外側ファイバコアの第２のサブセットについてはλ0B＝λCであってもよい。また、λ0A,0B−λCは、３つの外側ファイバコアの第１のサブセット及び３つの外側ファイバコアの第２のサブセットについて、ゼロから逸れることも考えられる。図６Ｂは、図６Ａの光ファイバセンサ１２'のシミュレーション結果を示し、歪み状態における共振波長λresとスキャン波長範囲の中心波長λCとの差は、図３Ｂに関して説明されたように、外側ファイバコア１乃至６のセンサ上の位置の関数としてプロットされる。
【００６３】
また、図６Ａの実施形態を図５Ａの実施形態と組み合わせること、すなわち、図５Ａに示されるように、外側ファイバコア１乃至６の角度位置を非等距離に変更することも考えられる。
【００６４】
最小測定可能曲げ半径を減少させるために、外側光ファイバコアの冗長性と組み合わせた更なるオプションは、例えば、歪みなしファイバコアのＦＢＧの共振波長と、ファイバコアにインタロゲートするために使用されるスキャン波長範囲の中心波長との間に非対称性を導入することである。これは、λ0が全てのファイバコアに対して同じである場合でさえ、λ0≠λCであることを意味する。このために、図１の光学形状感知システム１０のインタロゲーションユニット２１は、中心波長がファイバコア１乃至６の共振波長と異なるように中心波長λCを設定するように構成される。図７Ａ及び図８Ａは、それぞれの場合において、６つの外側ファイバコア１乃至６及び１つの中心コア０を有する光ファイバセンサ１２'の断面を示す。図７Ａ及び図８Ａにおける光学感知ファイバ１２'の幾何学的設計は、互いに関して同じである。図７Ａの実施形態では、スキャン波長範囲は、歪みなしファイバコア１乃至６の共振波長λ0が、スキャン範囲の端部に完全にあるように、すなわち、この例ではλ0ーλC＝８．４ｎｍになるように設定される。この場合、最小測定可能曲げ半径は、１６．７ｎｍのスキャン範囲に対して２．６ｍｍまで低くなる。しかしながら、この構成は、共振が、完全に直線状のファイバの限界の場合にのみスキャン波長範囲にあることを意味する。全てのファイバコア１乃至６ がまだ測定されたスペクトル内である最小の曲率半径をｒx で定義する場合、ｒx＝∞である。これは、ファイバコアの冗長性が、より低い曲率の場合でさえも、他のものにもはや使用されることができないので、望ましくない状況であり得る。偏心λ0−λCを下げると、ｒxも下がる。図８Ａ及び図８Ｂは、４つのファイバコア（中心コアを含む）で測定可能な最小半径であるｒminとｒxとの間でトレードオフが行われる例を与える。例えば、全ての外側ファイバコア１乃至６に対してλ0−λC＝２．３ｎｍである場合、ｒmin＝３．５ｍｍ及びｒx＝７．０ｍｍである。
【００６５】
以下の表１では、図３Ａにおける標準的な場合及び図４Ａ、５Ａ、６Ａ、７Ａ及び８Ａにおける実施形態のシミュレーション結果が、要約される。表１には、ゲイン係数ｆ、ｒmin（中心コアを含む４つのファイバコアでまだ測定可能な最小曲率半径）及びｒx（全てのファイバコアがまだ測定スペクトル内にある最小曲率半径）が、列挙される。
【表１】
2022501585.tif 000003
【００６６】
表１は、また、上述のように、λ0ーλCが、第１のサブセットの外側ファイバコアに対して及び第２のサブセットの外側ファイバコアに対してゼロから逸れる、表１の５行目の実施形態を含み、ここで、第１のサブセットの外側ファイバコアについてλ0ーλC＝２．８ｎｍであり、第２のサブセットの外側ファイバコアについてλ0ーλC＝ー２．８ｎｍである。
【００６７】
光ファイバセンサ１２'の設計を最適化し、光ファイバセンサ１２'のファイバコアのインタロゲーションのスキャン範囲を提供するインタロゲータユニット２１（図１）を最適化する上述の方策は、全て、実行されるアプリケーションのために組み合わせられることができる。
【００６８】
例えば、ファイバコアの歪みなし状態における共振波長λ0は、何らかの他の設計上の制約により、ファイバコアごとに逸れてもよい。例えば、温度を軸方向歪みと区別することが望ましい場合、他のコアとは異なる温度感受性を有する少なくとも１つのファイバコアが、使用されなければならない。これは、このファイバコアに対するλ0の逸れを生じることができる。図６Ａのものに類似した設計の７ファイバコア形状感知ファイバの場合について、いくつかのオプションが、以下に説明される。この目的のために、Δ＝λ0,A−λ0,Bであると定義され、ここで、Ａ及びＢが、６０°だけ分離された３つの外側コアの２つのサブセットを示す。ここで、特定のΔ及びλ0,A−λCに対してｒminとｒxを計算することが可能である。結果は、図９Ａ及び９Ｂ並びに図１０において与えられる。
【００６９】
図１０において、１／ｒxは、Δ＝０．０ｎｍからΔ＝±１２．０ｎｍまでの範囲の複数のΔに対するｒminの関数としてプロットされる。図９Ａは、ゲイン係数f = rmin／ｒ0に対するシミュレーション結果を示し、図９Ｂは、量ｒ0／ｒxに対するシミュレーション結果を示し、それぞれλ0,A−λC及びλ0,B−λCの関数として示されている。ｒ0は、図３Ａに示されるような３つの外側コアを有する標準的なファイバー設計に対する最小測定可能曲げ半径である。
【００７０】
９Ａ及び９Ｂの２つのプロットが、図１０において組み合わされている。図１０は、７つのファイバコアで測定可能な最も高い曲率（１／ｒx）を、Δによって表される様々なセンサ設計に対するファイバセンサ１２'の４つのファイバコア（中心コアを含む）で依然として測定可能な最小半径ｒminの関数として示す。ｒminは、２．６ｎｍから５．９ｍｍの範囲を取り、ｒxは、５．１ｎｍから無限大の範囲を取る。図９Ａ、図９Ｂ、及び図１０から、ｒminとｒxとの間のトレードオフを最大限に活用する「局所」最適設計が存在することがわかる。例えば、Δ＝０ｎｍの場合は、Δ≠０ｎｍを有する全ての曲線が、ｒminに対する、より大きい又はせいぜい等しい値を生じさせるので、最適値を表す。Δ＝０ｎｍの場合には、スキャン波長範囲におけるオフセットの関数として、測定可能な最小曲げ半径の式を導くことが可能である。この目的のために、相対スキャン波長範囲オフセットＯf が、Ｏf＝|2(λ0,A−λC)/Δλ|＝|2(λ0,B−λC)/Δλ|で開始され、ここで、Δλは、フルスキャン範囲を表し、これは本例では１６．７ｎｍである。ゲイン係数ｆ＝ｒmin／ｒ0は、次式で与えられる。
ｆ＝(１/２)・√３/(１＋Ｏf),   ０≦Ｏf≦(√３−１)/(√３＋１)
ｆ＝(１/２)・１/(１−Ｏf),   (√３−１)/(√３＋１)≦Ｏf≦１/３
ｆ＝１/(１＋Ｏf),  １/３≦Ｏf≦１
ｒ0/ｒx＝１−Ｏf,   ０≦Ｏf≦１                                  （５）
【００７１】
式（５）及び図１０から、ｆ＝０．６８及びｒ0/ｒx＝０．７３であるように、Ｏf＝(√３−１)/(√３＋１)において最適値が存在することが明らかである。１６．７ｎｍのスキャン範囲及びｒ0＝５．１ｍｍに対して、これは、ｒmin＝３．５ｍｍ及びｒx＝７．０ｍｍを有する設計を構成する（これはまさに図８Ａに与えられる例である）。わずかに小さいｒminに対して、ｒxは、直接的にはるかに大きくなる。この局所最適値は、λ0,A−λC＝２．３ｎｍに対して達成される。同様の考察が、他の形状感知ファイバ設計についても行われることができる。
【００７２】
上述の態様は、冗長性の場合、すなわち、ファイバセンサ内のファイバコアの数が、光ファイバセンサ１２'の形状を正確に感知するために必要とされる量の数より大きい場合には全て有効である。。しかしながら、厳密に言えば全体的な冗長性がない場合でも、同じ態様を使用することが有利であることができる。形状感知に必要とされる必須量のために時間的又は空間的に「冗長性」を作り出すために、あまり重要でない量に関する情報を失うことは許容可能でありうる。例えば、いくつかの測定値に対して、又は、例えば、より小さな曲率半径を有する短い曲げを有する、いくつかの特定の位置において、より小さな曲げ半径が依然としてプローブされることができるように、ファイバコアのいくつかの信号のみが、使用されうる。これは、精度を僅かに損なうかもしれず、又はこれは、信号の（時間的又は空間的）内挿又は外挿によって補償されることができる。これは、以下でより詳細に説明される。
【００７３】
再び図６Ａを参照すると、合計で７コアを有する光ファイバセンサ１２'を示し、３つの感温ファイバコアは、歪みなし状態で異なる共振波長λ0を有し、したがって、測定すべき量の数（５つ）は、ファイバコアの数（７つ）よりも少ないため、軸方向歪、温度、２つの直交方向の曲げ歪み、及びねじれ歪みが、測定されることができる。前述の量が測定されることができる最小曲率半径は、１０．６ｍｍ（ｒx）である。この半径より下、かつｒmin＝３．２ｍｍより上では、依然として３つの外側ファイバコアのみが、スペクトル内にある。これらの３つの外側ファイバコア及び中心ファイバコアにより、依然として、２つの直交方向の曲げ歪みとねじれ歪みが、軸方向歪と温度の効果の合計と同様に、測定されることができる。軸方向歪みと温度は、もはや分離されることができないため、他の信号の精度は、損なわれるが、小さな距離に対して、残りの精度が、十分でありうる。きつい曲げが光ファイバセンサ１２'内に存在する確率が低い多くの用途が存在してもよく、それらが発生する場合、きつい曲げの長さは、短く、例えば医療装置において、形状の端部であってもよく、全体的な形状精度への影響を更に低減する。前に述べたように、７つのファイバコアが依然として利用可能である場所での温度及び軸方向歪みの分離は、精度の損失を補償するために、内挿又は外挿されてもよい。又は、他の状況では、ｒmin＜ｒ＜ｒxでの測定に対する温度及び軸方向歪みの分離は、ｒ＞ｒxでの測定に時間的に近い測定から内挿又は外挿され得る。
【００７４】
上述した光ファイバセンサ１２'の１つ以上の実施形態を使用して最小測定可能曲げ半径を低減するのに適した上記の態様は、光学形状感知方法において使用されることができる。この方法では、光ファイバセンサ（１２'）が設けられる。ファイバコアの第１のサブセットのファイバコア（１、３、５）及びファイバコアの第２のサブセットのファイバコア（２、４、６）は、光でインタロゲートされる。ファイバコアの第１のサブセットのファイバコア（１，３，５）及びファイバコアの第２のサブセットの少なくとも１つのファイバコア（２，４，６）から戻ってくる光の反射スペクトルが、測定され、反射スペクトルに基づく光ファイバセンサ（１２'）の形状が、再構成される。この方法は、図１のシステム１０で実行することができ、上述のように、システム１０は、４よりも大きい対応する数の光学チャネル２４ａ乃至２４ｄを有する。上述のファイバセンサ１２'は、カテーテル又はガイドワイヤのような医療装置によって構成されてもよい。
【００７５】
本発明が、図面及び前述の説明において詳細に図示及び説明されてきたが、そのような図示及び説明は、説明的又は例示的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の請求項の検討から、請求項に記載された発明を実施する際に当業者によって理解及び実施されることができる。
【００７６】
請求項において、単語「有する」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数性を排除するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に列挙されるいくつかの項目の機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。
【００７７】
請求項におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図１】
2022501585.tif 000004
【図２】
2022501585.tif 000005
【図３Ａ】
2022501585.tif 000006
【図３Ｂ】
2022501585.tif 000007
【図４Ａ】
2022501585.tif 000008
【図４Ｂ】
2022501585.tif 000009
【図５Ａ】
2022501585.tif 000010
【図５Ｂ】
2022501585.tif 000011
【図６Ａ】
2022501585.tif 000012
【図６Ｂ】
2022501585.tif 000013
【図７Ａ】
2022501585.tif 000014
【図７Ｂ】
2022501585.tif 000015
【図８Ａ】
2022501585.tif 000016
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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