(57)【要約】  後方散乱反射光測定を用いて医療デバイス２０の位置及び／又は形状を感知するための光学的形状感知システムであって、この光学的形状感知システムは、広帯域スペクトルの複数の波長の入力光を発生させるための広帯域光源１２と、マルチコア光ファイバ２２ｍ、３０を含む複数の干渉計を備える干渉計装置１１と、を備え、マルチコア光ファイバ２２ｍ、３０は少なくとも２つのファイバコア３１、３２ａ、ｂ、ｃを備え、干渉計の各々は、入力光から分割された複数の入力光ビームのうちの対応するものを用いて後方散乱反射光測定を別個に遂行するように構成されており、対応する入力光ビームを参照ビームとデバイスビームとに分割するためのファイバスプリッタ１４と、参照ビームを案内するための追加の光ファイバ２２ｓと、デバイスビームを医療デバイス２０内で反射されるように案内し、反射されたデバイスビームを案内するためのマルチコア光ファイバ２２ｍ、３０の対応するファイバコア３１、３２ａ、ｂ、ｃと、反射されたデバイスビームを参照ビームと結合し、出力光ビームを形成するためのファイバ結合器１８とを備え、光学的形状感知システムは、出力光ビームを受光し、それと相互作用するための分光計２８を更に備え、分光計２８は、出力光ビームを検出するための検出器ユニット２６を備える。
2018527041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
後方散乱反射光測定を用いて医療デバイスの位置及び／又は形状を感知するための光学的形状感知システムであって、前記光学的形状感知システムは、
広帯域スペクトルの複数の波長の入力光を発生させるための広帯域光源と、
マルチコア光ファイバを含む複数の干渉計を備える干渉計装置と、を備え、
前記マルチコア光ファイバは、少なくとも２つの中心コアを備え、前記干渉計の各々は、前記入力光から分割された複数の入力光ビームのうちの対応するものを用いて前記後方散乱反射光測定を別個に遂行し、前記干渉計の各々は、
対応する前記入力光ビームを参照ビームとデバイスビームとに分割するためのファイバスプリッタと、
前記参照ビームを案内するための追加の光ファイバと、
前記デバイスビームを前記医療デバイス内で反射されるように案内し、反射された前記デバイスビームを案内するための前記マルチコア光ファイバの対応するファイバコアと、
反射された前記デバイスビームを前記参照ビームと結合し、出力光ビームを形成するためのファイバ結合器と、を備え、
前記光学的形状感知システムは、
前記出力光ビームを受光し、前記出力光ビームと相互作用するための分光計を更に備え、前記分光計は、前記出力光ビームを検出するための検出器ユニットを備える、光学的形状感知システム。
【請求項２】
前記広帯域光源は、スーパールミネッセント発光ダイオードを備える、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項３】
前記広帯域スペクトルは、本質的に１５５０ｎｍを中心とする本質的に２０ｎｍの帯域幅を持つ連続的光学帯域を含む、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項４】
前記広帯域スペクトルは、本質的に８００ｎｍを中心とする本質的に１０ｎｍ又は５ｎｍの帯域幅を持つ連続的光学帯域を含む、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項５】
前記検出器ユニットは、アレイ状に配列された複数の検出器要素からなる検出器アレイを備える、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項６】
前記検出器アレイは、２次元アレイを含む、請求項５に記載の光学的形状感知システム。
【請求項７】
前記２次元アレイの１つの次元は、前記広帯域スペクトルの分散のために用いられ、前記２次元アレイの他の次元は、前記マルチコア光ファイバのコアのうちの１つから各々生じる異なる出力光信号を分布させるために用いられる、請求項６に記載の光学的形状感知システム。
【請求項８】
前記マルチコア光ファイバは、前記マルチコア光ファイバの中心に配置された中心コア、及び前記中心コアの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも３つの外側コアを含む、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項９】
前記外側コアは、前記光ファイバの長手方向と垂直な断面において互いに等距離を隔てて配置される、請求項８に記載の光学的形状感知システム。
【請求項１０】
前記検出器ユニットには、１ミリ秒〜２ミリ秒の積分時間が与えられる、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項１１】
前記干渉計装置は、前記デバイスビームを前記マルチコア光ファイバへ方向付けし、前記マルチコア光ファイバから反射された前記デバイスビームを前記ファイバ結合器へ方向付けし直すためのサーキュレータを備えるマッハ・ツェンダー干渉計を備える、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項１２】
前記光学的形状感知システムは、前記入力光ビームの各々を２つの入力偏光状態に偏光させるための偏光コントローラを更に備え、前記偏光コントローラは、前記広帯域光源と光学フーリエドメイン反射率計との間に配置されている、請求項１に記載の光学的形状感知システム。
【請求項１３】
前記光学的形状感知システムは、前記出力光ビームを、２つの出力偏光状態のうちの各々対応するものである２つの信号部分に分割するための偏光ビームスプリッタを更に備え、前記検出器ユニットは、２つの信号部分を検出し、前記偏光ビームスプリッタは、前記光学フーリエドメイン反射率計と前記検出器ユニットとの間に配置されている、請求項１２に記載の光学的形状感知システム。
【請求項１４】
後方散乱反射光測定を用いて医療デバイスの位置及び／又は形状を感知するための方法であって、前記方法は、
広帯域スペクトルの複数の波長の入力光を発生させるステップと、
マルチコア光ファイバを含む複数の干渉計を備える干渉計装置を用いて前記入力光から分割された複数の入力光ビームのうちの対応するものを用いて後方散乱反射光測定を別個に遂行するステップと、を有し、
前記マルチコア光ファイバは、少なくとも２つのファイバコアを備え、
前記後方散乱反射光測定は、
対応する前記入力光ビームを参照ビームとデバイスビームとに分割するステップ、
追加の光ファイバを用いて前記参照ビームを案内するステップ、
前記マルチコア光ファイバの対応する前記ファイバコアを用いて、前記デバイスビームを前記医療デバイス内で反射されるように案内し、反射された前記デバイスビームを案内するステップ、及び
前記反射されたデバイスビームを前記参照ビームと結合し、出力光ビームを形成するステップ、を含み、
前記方法は、前記出力光ビームを受光して相互作用し、前記出力光ビームを検出するステップを更に有する、方法。
【請求項１５】
コンピュータプログラムがコンピュータ上で実施されると、前記コンピュータに、請求項１４に記載の方法のステップを遂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、後方散乱反射光測定を用いて医療デバイスの位置及び／又は形状を感知するための光学的形状感知システム並びに方法に関する。本発明は、低侵襲介入技法、特に、ファイバ、内視鏡、カテーテル又はガイドワイヤなどの、細長い医療デバイスに適用される。
【背景技術】
【０００２】
光学的形状感知（Ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｈａｐｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ、ＯＳＳ）は、３次元空間における構造体の位置及び形状を決定するための光学的測定技法である。光学的形状感知（ＯＳＳ）技術はまた、ファイバー・オプティカル・リアルシェイプ（Ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃａｌ  ＲｅａｌＳｈａｐｅ、ＦＯＲＳ）技術とも呼ばれる。光学的形状感知は、患者の身体内における細長い医療デバイスの３次元形状を監視することが有利である、医療における低侵襲手技において適用することができる。
【０００３】
この目的を達成するために、ＯＳＳは、３つの技法、第１に、分光法を用いた歪み感知、第２に、干渉法を用いた分布感知、及び第３に、特別なファイバ幾何形状を用いた形状再構成に基づく。現況技術のＯＳＳ技法は、スペクトルシフトの測定を必要とする歪み感知を利用する。具体的には、選定された波長の光を発生させる掃引レーザ光源が適用される。ここでは、波長は波長スパン内で可変とすることができる。このような掃引レーザ光源はまた、波長可変レーザ光源（ｔｕｎａｂｌｅ  ｌａｓｅｒ  ｓｏｕｒｃｅ、ＴＬＳ）としても知られる。ＴＬＳによって発生された光ビームはファイバスプリッタによって参照ビームとデバイスビームとに分けられる。デバイスビームはサーキュレータを介して被試験デバイス（ｄｅｖｉｃｅ  ｕｎｄｅｒ  ｔｅｓｔ、ＤＵＴ）に向けて方向付けられる。デバイスビームはＤＵＴ内で反射され、サーキュレータによってファイバ結合器へ方向付けし直される。参照ビームはファイバ結合器へ直接案内され、参照ビームと反射されたデバイスビームとから結合された出力照明を形成する。出力光ビームは、検出器によって、参照ビームと反射されたデバイスビームとの間の建設的干渉及び相殺的干渉から生じる干渉信号を取得するために監視され得る。
【０００４】
いくつかの要求条件が、ＯＳＳの現在の実装形態において利用されるＴＬＳによって満足される必要がある。第１に、医療デバイス内を進む光、具体的には、医療デバイスによって封入されたファイバに沿った異なる内面の間で反射される光が、干渉計の参照経路に沿ってのみ進む光との適切な干渉を引き起こすために、はっきりとした位相を依然として有することになるように、レーザのスペクトル出力は単色性である必要がある。換言すれば、レーザのコヒーレンス長は、ファイバ長にファイバの屈折率を乗算したものの２倍よりもはるかに大きくなければならない。これは、線幅はＭＨｚの範囲内にあるか、又はそれよりも低くなければならないことを意味する。線幅は、レーザが走査していない間におけるスペクトルの幅である。スペクトル幅が小さいほど、光周波数（ＭＨｚ単位）及び波長は良好に決定され、コヒーレンス長（光の速度／周波数幅）は長くなる。
【０００５】
第２に、全スペクトル範囲にわたるレーザの掃引は時間的に線形でなければならない。後者の要求条件は、異なるファイバ位置は、ＴＬＳによって掃引される周波数範囲が時間的に線形である時にのみ特定のうなり周波数を検出器上に生じさせることになるという事実に由来する。さもなければ、隣接するファイバ位置に対応する光学データのスクランブリングが生じることになる。しかし、当技術分野において知られているＴＬＳはこの要求条件を十分に満足しない。その結果、固定した遅延長を有する追加の干渉計をシステムに追加する必要がある。次に、追加の干渉計からの信号を用いて全ての他の光信号を線形化する。
【０００６】
第３に、レーザの走査／掃引速度は十分に大きくなければならない。医療用途のための光学的形状感知では、ファイバはカテーテル又はガイドワイヤ内に組み込まれる。これらのデバイスは手で操作され、したがって、振動を被りやすい。それにもかかわらず、高い安定性、具体的には、干渉、即ち、サブ波長の安定性が要求される。干渉又はサブ波長の安定性は、精密走査中の参照ビームと反射されたデバイスビームとの経路差は波長よりも大幅に小さいこと、即ち、ナノメートル領域内になければならないことを意味する。これは、短い収集時間を用いてのみ達成することができ、レーザが１０，０００ｎｍ／ｓ以上の走査速度で動作することを必要とする。このような大きな走査速度は、遅延長に単に線形的に比例するだけでなく、遅延における追加の二次効果をも呈する干渉計信号を早くも生じさせる。
【０００７】
米国特許第７，７７２，５４１（Ｂ２）号は、２つ以上のシングルコア光ファイバ、又は２つ以上のファイバコアを有するマルチコア光ファイバのどちらかを有する光ファイバを含む光ファイバ位置及び／又は形状感知デバイスを開示している。米国特許第７７８１７２４（Ｂ２）号は、少なくとも２つのシングルコア光ファイバ、又は少なくとも２つのファイバコアを有するマルチコア光ファイバを備える、光ファイバ手段を備える光ファイバ位置及び形状感知デバイスを開示している。当技術分野において知られているこれらの光ファイバ位置及び形状感知デバイスは、ＯＳＳを遂行するための光を発生させるために、掃引レーザ光源を利用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、参照ビームとデバイスビームとの間の適切な干渉を促進し、隣接するファイバ位置のデータスクランブリングをより容易に回避するとともに、振動を受けるシステムの高い安定性を維持しつつ、後方散乱反射光測定に基づく光学的形状感知を可能にする、医療デバイスの位置及び／又は形状を感知するための光学的形状感知システム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様では、後方散乱反射光測定を用いて医療デバイスの位置及び／又は形状を感知するための光学的形状感知システムであって、この光学的形状感知システムは、広帯域スペクトルの複数の波長の入力光を発生させるための広帯域光源と、マルチコア光ファイバを含む複数の干渉計を備える干渉計装置と、を備え、マルチコア光ファイバは、光ファイバの中心に配置された中心コア、及び光ファイバの長手方向と垂直な断面において互いに等距離を隔てて配置されるようにして中心コアの周りに螺旋状に巻かれた少なくとも３つの外側コアである、複数のファイバコアを備え、干渉計の各々は、入力光から分割された複数の入力光ビームのうちの対応するものを用いて後方散乱反射光測定を別個に遂行するように構成されており、対応する入力光ビームを参照ビームとデバイスビームとに分割するためのファイバスプリッタと、参照ビームを案内するための追加の光ファイバと、デバイスビームを医療デバイス内で反射されるように案内し、反射されたデバイスビームを案内するためのマルチコア光ファイバの対応するファイバコアと、反射されたデバイスビームを参照ビームと結合し、出力光ビームを形成するためのファイバ結合器とを備え、光学的形状感知システムは、出力光ビームを受光し、それと相互作用するための分光計を更に備え、分光計は、出力光ビームを検出するための検出器ユニットを備える、光学的形状感知システムが提供される。
【００１０】
本発明の更なる態様では、後方散乱反射光測定を用いて医療デバイスの位置及び／又は形状を感知するための方法であって、本方法は、広帯域スペクトルの複数の波長の入力光を発生させることと、マルチコア光ファイバを含む複数の干渉計を備える干渉計装置を用いて入力光から分割された複数の入力光ビームのうちの対応するものを用いて後方散乱反射光測定を別個に遂行することと、を有し、マルチコア光ファイバは少なくとも２つのファイバコアを備え、後方散乱反射光測定は、対応する入力光ビームを参照ビームとデバイスビームとに分割すること、追加の光ファイバを用いて参照ビームを案内すること、マルチコア光ファイバの対応するファイバコアを用いて、デバイスビームを医療デバイス内で反射されるように案内し、反射されたデバイスビームを案内すること、及び反射されたデバイスビームを参照ビームと結合し、出力光ビームを形成することと、を含み、本方法は、出力光ビームを受光して、相互作用し、出力光ビームを検出することを更に有する、方法が提供される。
【００１１】
本発明のなお更なる諸態様では、コンピュータプログラムであって、このコンピュータプログラムがコンピュータ上で実施されると、コンピュータに、本明細書に開示されている方法のステップを遂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、及びデバイスによって実行されると、本明細書に開示されている方法を遂行させる、コンピュータ製品を内部に記憶する非一時的コンピュータ可読記録媒体が提供される。
【００１２】
本発明の好ましい諸実施形態は従属請求項において定義される。クレームされている方法及びコンピュータプログラムは、クレームされているシステム、並びに従属請求項において定義されているのと同様及び／又は同一の好ましい諸実施形態を有することを理解されたい。
【００１３】
広帯域光源は、好ましくは、歪みによる全ての典型的な波長シフトが生じる波長範囲と重複する十分に広い光スペクトルを有する。広帯域光源によって発生された入力光はまず複数の入力光ビームに分割される。干渉計装置は、後方散乱反射光測定を遂行するように構成されており、各々の個々の干渉計は、対応する個々の入力光ビームを用いて干渉法を別個に遂行するように構成されている。
【００１４】
干渉計ごとに、入力光ビームはファイバスプリッタによって２つのビーム、参照ビームとデバイスビームとに分割される。参照ビームは、ファイバスプリッタから、好ましくはシングルコア光ファイバである、追加の光ファイバのファイバ区分を介してファイバ結合器へ直接案内される。デバイスビームはまず、マルチコア光ファイバの対応するファイバコアによって医療デバイス内へ案内され、次に、医療デバイス内で反射又は後方散乱される。反射されたデバイスビームはその後、反射された光ビームをファイバ結合器へ方向付けし直すサーキュレータへ案内される。それゆえ、参照ビームをファイバスプリッタとファイバ結合器との間で案内するための経路は参照岐路であり、その一方で、したがって、デバイスビームをファイバスプリッタとファイバ結合器との間で案内するための経路はデバイス岐路である。
【００１５】
デバイスビームと参照ビームとの光学経路長差、及び光の波長に依存して、反射されたデバイスビームと参照ビームとは建設的干渉又は相殺的干渉を生じさせる。具体的には、建設的／相殺的干渉は、光学経路長差が波長の半分の偶数／奇数量に等しい時に生じる。
【００１６】
出力光ビームは、分光計によって、好ましくは、分光計の回折格子によって受光され、出力光ビームはそれと光学的に相互作用する。その後、出力光ビームは分光計の検出器ユニットによって検出される。分光計は、異なる波長又は波長間隔に各々対応する干渉信号を分離することによって、干渉を解明するように構成されている。代替的に、出力光ビームは１つ又は複数のプリズムによって受光され、出力光ビームはそれと相互作用する。
【００１７】
したがって、光学的形状感知システムは、反射率データに基づいて、医療デバイス内に挿入されているか、或いは代替的に、それ自体が医療デバイスである光ファイバの歪み及び曲率を得ることができる、光学フーリエドメイン反射率計（ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｄｏｍａｉｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ、ＯＦＤＲ）である。このように、光学フーリエドメイン反射率計は、反射率及び干渉法測定のみを用いながら、後方散乱反射光測定又は光学フーリエドメイン干渉法を遂行する。光学フーリエドメイン反射率計はまた、周波数ドメイン反射率計としても理解され得る。
【００１８】
有利に、波長可変レーザ光源（ＴＬＳ）に関連付けられる上述の不利点は、高いスペクトル分解能が促進されながら克服され、それにより、光学的形状感知の結果は非常に信頼性が高くなる。更に、後方散乱反射光測定から得られた分布散乱パターン、即ち、波長依存反射率及び干渉法データを用いて、計算デバイスを用いてファイバセンサの各セグメントのスペクトルシフト及び関連する歪みパラメータを決定することができ、それにより、歪みパラメータに基づいてファイバの一部分についての位置及び／又は形状を評価することができる。ファイバセンサは、患者の身体内へ差し込み可能な介入医療デバイス内へ挿入されるべきマルチコア光ファイバの部分である。代替的に、マルチコア光ファイバ及び／又はファイバセンサはそれ自体が介入医療デバイスである。
【００１９】
干渉計を用いることは、分光計によって空間的に分散させられた光周波数をはるかにより低い周波数へ「ダウンミックスする」。周波数分析（フーリエ変換）によって、光周波数の関数としての信号は、遅延時間、即ち、ファイバに沿った走行時間の関数としての信号へ変形される。したがって、干渉計は、分布情報、即ち、ファイバセンサ上の位置の関数としての分布情報を獲得することが可能である。
【００２０】
マルチコア光ファイバの各コアは、ファイバスプリッタ、参照岐路、デバイス岐路及びファイバ結合器を有する別個の干渉計に取り付けられる。デバイス岐路は好ましくはサーキュレータを通過する。サーキュレータは３ポートデバイスである。第１のポート（ポート１）は、ファイバスプリッタに接続された入力である。第２のポート（ポート２）はマルチコアファイバ（ＤＵＴ）のコアに接続されている。第３のポート（ポート３）は、結合器に接続された出力ポートである。サーキュレータはポート１をポート２に、ポート２をポート３に接続する。広帯域光源からの入力光は好ましくは、マルチコア光ファイバのコアの数と同じ数の入力光ビームに分けられる。その数は好ましくは４つである。
【００２１】
全てのデバイス岐路内の様々なサーキュレータは、好ましくは、いわゆる「ファンアウト」に接続された出力ポートを有する。ファンアウトは、様々なサーキュレータと１つのマルチコアファイバとの間の光学要素であり、複数のシングルコアファイバを、好ましくはマルチコア被試験デバイスに取り付けられた複数のコアを有する単一のファイバに結合する。マルチコアファイバの各コアは好ましくは、マルチコア光ファイバと同じ長さまで延びる。マルチコアファイバの中心コア、及び３つの外側コアの各々は光ビームのうちの対応するものを互いに別個に独立して伝える。外側コアの等距離を隔てた配置は、断面において、規則形状、好ましくは、正三角形幾何形状をもたらすため、３つの外側コア内のファイバ全体の曲げによって生じる歪みは互いに打ち消し合い、そのため、それらの曲げ歪みの合計は本質的に０に等しくなる。外側コアの数は３つより多くてもよく、外側コアは一般的に断面において等距離を隔てて配置される。
【００２２】
後方散乱反射光測定は、各々の対応する入力光ビームを用いて別個に遂行されるため、分布散乱パターンはコアごとのファイバセンサを通じて得ることができ、スペクトルシフトも同様に得ることができる。その結果、ファイバの各セグメントの関連歪みパラメータは、異なるコアの信号間のクロストークを生じることなく、各コアから別個に決定することができる。４つのコアを用いる場合には、センサの長さにわたって４つの異なる歪み信号が利用可能である。これらの歪み信号の適切な組み合わせによって、ファイバセンサに沿った位置の関数としての以下の４つの量：軸方向歪み（若しくは温度）、ねじれ、及びファイバセンサの長手方向軸と直交する２つの垂直方向における曲率を評価することができる。これらの４つの量から、３次元空間における正確な形状を推測することができる。
【００２３】
好ましい実施形態では、広帯域光源はスーパールミネッセント発光ダイオードを備える。このように、高い出力及び明るさの利点を低コヒーレンスのものと組み合わせつつ、入力光ビームを発生させることができ、非常に効果的な広帯域光源をもたらす。
【００２４】
別の好ましい実施形態では、広帯域スペクトルは、少なくとも２０ｎｍの帯域幅を有する連続的光学帯域を含む。このように、多数の異なる波長の光を、光学的形状感知を実施するために適用することができる。有利に、スペクトル帯域幅は、４０ミクロンという低い空間分解能に対応する。総スペクトル幅が、空間分解能、及び最大波長シフト量、即ち、最大歪み量を決定する。分光計のスペクトル分解能が、最小スペクトルシフト量、及びその結果、最小歪み量を決定する。分光計のスペクトル分解能は、センサの最大許容長をも決定する。
【００２５】
別の好ましい実施形態では、連続的光学帯域は、本質的に１５１５ｎｍ又は８００ｎｍの中心波長を含む。このように、電気通信のために用いられるＣ帯域に加えて、また、８００ｎｍ前後の光学帯域も、増大した感度を有するＯＳＳを遂行するために用いることができる。
【００２６】
別の好ましい実施形態では、回折格子は複数の散乱要素を備える。これは、分布散乱パターンを可能にするために有利である。
【００２７】
別の好ましい実施形態では、検出器ユニットは、アレイ状に配列された複数の検出器要素からなる検出器アレイを備える。このように、ピクセル化された検出器ユニットは、信号を高感度で提供することができるように実現される。
【００２８】
好ましくは、回折格子は、出力光ビームを、各々、波長間隔の光からなり、検出器アレイの検出器要素のうちの対応するものへ伝搬する複数のビーム成分へ分布させるように構成されている。このように、出力光ビームは、対応する波長間隔からの光を有する異なるビーム成分へ分離される。各ビーム成分は、検出器アレイの対応する検出器要素によって検出される。したがって、回折格子は出力光ビームを波長に依存して様々なビーム成分に分散させる。有利に、異なるビーム成分は検出器アレイの異なる検出器要素によって検出され、分光計の高い分解能をもたらす。
【００２９】
別の好ましい実施形態では、検出器アレイは１つの次元内に少なくとも２００００個の検出器要素を備える。このように、検出器ユニットは高度にピクセル化され、高い検出器分解能をもたらす。
【００３０】
別の好ましい実施形態では、検出器アレイは２次元検出器アレイである。有利に、検出器アレイは、回折格子から発出する出力光ビームを２次元で検出することが可能であり、検出可能信号量の増大、したがって光学的形状感知の信頼性の向上をもたらす。好ましくは、２次元アレイの１つの次元は広帯域スペクトルの分散のために用いられる。更に好ましくは、２次元アレイの他の次元は、マルチコア光ファイバのコアのうちの１つから各々生じる異なる出力光信号を分布させるために用いられる。
【００３１】
別の好ましい実施形態では、検出器ユニットには１ミリ秒（ｍｓ）〜２ｍｓの積分時間が与えられる。このように、医療デバイス、特に、ファイバセンサの操作に起因する振動に対する検出器ユニットの感度を低減するか、又は更に減退させることができる。
【００３２】
別の好ましい実施形態では、干渉計装置は、デバイスビームをマルチコア光ファイバへ方向付けし、マルチコア光ファイバから反射されたデバイスビームをファイバ結合器へ方向付けし直すためのサーキュレータを備えるマッハ・ツェンダー干渉計を備える。マッハ・ツェンダー干渉計は、広範に適用可能であり、干渉測定のために非常に精度が高いことが知られている。有利に、本光学的形状感知システムを非常に精密に構築することができる。代替的に、干渉計装置はマイケルソン干渉計を備える。
【００３３】
別の好ましい実施形態では、光学的形状感知システムは、各入力光ビームを２つの入力偏光状態に偏光させるための偏光コントローラを更に備える。偏光コントローラは広帯域光源と光学フーリエドメイン反射率計との間に配置されている。本実施形態は、複屈折の測定を可能にする偏光ダイバーシティ方式を促進する。有利に、光学的形状感知の結果は複屈折の寄与によって補正され、それゆえ、更により信頼性が高くなり得る。
【００３４】
好ましくは、光学的形状感知システムは、出力光ビームを、２つの出力偏光状態のうちの各々対応するものである２つの信号部分に分割するための偏光ビームスプリッタを更に備え、検出器ユニットは、２つの信号部分を検出するように構成されており、偏光ビームスプリッタは光学フーリエドメイン反射率計と検出器ユニットとの間に配置されている。有利に、複屈折は精密に決定することができ、ＯＳＳの結果のより信頼性の高い補正を可能にする。
【００３５】
本発明の好ましい諸実施形態は従属請求項において定義される。クレームの方法は、クレームされているデバイス、及び従属請求項において定義されているのと同様及び／又は同一の好ましい諸実施形態を有することを理解されたい。
【００３６】
本発明のこれら及び他の態様は、以下において説明される実施形態（単数又は複数）から明白であり、それらを参照して明らかにされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】波長可変レーザ光源を備える光学的形状感知システムを概略的に示す図である。
【図２】広帯域光源を備える光学的形状感知システムを概略的に示す図である。
【図３】マルチコア光ファイバを概略的に示す図である。
【図４】図３のマルチコア光ファイバを断面で概略的に示す図である。
【図５】医療デバイスの位置及び／又は形状を感知するための方法の概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
光学的形状感知（ＯＳＳ）は、３つの技法、第１に、分光法を用いた歪み感知、第２に、干渉法を用いた分布感知、及び第３に、特別なファイバ幾何形状を用いた形状再構成を用いて遂行され得る。ＯＳＳにおける現況技術の技法は、スペクトルシフトの測定を必要とする歪み感知に基づく。ここで、典型的な測定感度は約１．２ｐｍ／μεであり、１μεは１０−６の相対的な長さの増大に対応する。このように、典型的な測定感度は最小検出可能波長シフトによって決定される。
【００３９】
干渉法は、高い空間分解能を有する分布感知を可能にする。例えば、従来知られている方法は、掃引レーザ光源又は波長可変レーザ光源（ＴＬＳ）を用いており、そのため、ブラッグ格子に基づいて測定された様々な歪みセンサは、たとえ、それらのスペクトル応答が同じであっても、互いに区別され得る。
【００４０】
ファイバセンサ内の各位置は、デバイス岐路と参照岐路との光路長差、及びＴＬＳの走査速度に比例するその固有のうなり周波数によって特徴付けられる。これは、たとえ、位置間の距離が小さくても、反射位置である膨大な量の感知位置が利用可能になることを意味する。感知位置の数は通例、１０５個以上の範囲内にあり、データ収集によってのみ決定される。精査することができる、即ち、後方散乱反射光測定を遂行することができる光ファイバの全長は次式によって与えられる。
【数１】
2018527041.tif 000003
【００４１】
ここで、λは中心波長であり、ｎは光ファイバ内の光の屈折率であり、δλは波長分解能、即ち、連続したデータ点の間の波長増分又は刻みである。数メートルの長さの場合、波長の刻みは、電気通信領域（Ｃ帯域）内、即ち、１，５２５〜１，５６５ｎｍの中心波長のために、０．１ｐｍという小ささでなければならない。ＴＬＳの全波長スパンΔλは、空間分解能、即ち、ファイバ内の２つの連続したセンサ位置の間の空間増分を決定する：
【数２】
2018527041.tif 000004
【００４２】
曲げによる歪みは数ミリストレイン（ｍｉｌｌｉｓｔｒａｉｎ）に達し得るという事実を所与とすると、適切な空間分解能を達成するために、波長スパンは約２０ｎｍに及ぶべきである。比Δλ／２δλはセンサ点の量を与え、波長刻み及び波長スパンの上述の値を考慮すると、この比は本質的に１０５に等しい。
【００４３】
図１は、波長可変レーザ光源（ＴＬＳ）１２０及び検出器ユニット２７０に接続されたマッハ・ツェンダー干渉計１１０を備える光学的形状感知システム１００を概略的に示す。マッハ・ツェンダー干渉計１１０は、ＴＬＳ１２０によって発生され、その後、第１のファイバ区分２２０ａによって案内された入力光ビームを、第２のファイバ区分２２０ｂによって案内される参照ビームと第３のファイバ区分２２０ｃによって案内されるデバイスビームとに分割するためのファイバスプリッタ１４０を備える。
【００４４】
マッハ・ツェンダー干渉計１１０は、デバイスビームを、第４のファイバ区分２２０ｄを介して医療デバイス２００内へ方向付けるためのサーキュレータ１６０を更に備える。第４のファイバ区分２２０ｄは医療デバイス２００内に少なくとも部分的に封入されている。デバイスビームは医療デバイス２００内において特定の反射位置２１０で反射される。具体的には、ファイバセンサはレイリー散乱及び／又はファイバブラッグ格子を備える。レイリー散乱及び／又はファイバブラッグ格子はデバイスビームと相互作用し、それにより、入射デバイスビームの少なくとも一部分は後方散乱／反射される。反射されたデバイスビームは第４のファイバ区分２２０ｄを介してサーキュレータ１６０へ逆向きに案内される。その後、サーキュレータ１６０は、反射されたデバイスビームを、第５のファイバ区分２２０ｅを介して、マッハ・ツェンダー干渉計１１０のファイバ結合器１８０によって参照ビームと結合されるように方向付けし直す。ファイバスプリッタ１４０は入力光ビームを参照ビームとデバイスビームとに等しく分割し、ファイバ結合器１８０は、等しい信号量を有する参照ビームと反射されたデバイスビームとを結合する。ファイバ結合器１８０は、反射されたデバイスビームを参照ビームと結合し、出力光ビームを形成する。出力光ビームは第６のファイバ区分２２０ｆによって、検出器ユニット２７０によって検出されるように案内される。
【００４５】
第２のファイバ区分２２０ｂを通る光学経路はマッハ・ツェンダー干渉計１１０の参照岐路を形成し、第３、第４及び第５のファイバ区分２２０ｃ、ｄ、ｅ、並びにサーキュレータ１６０を通る光学経路はマッハ・ツェンダー干渉計１１０のデバイス岐路を形成する。反射されたデバイスビームは、ファイバ結合器１８０において参照ビームと干渉することができ、図１において波として例示的に示される干渉信号を生じさせる。デバイス岐路の、即ち、ファイバスプリッタ１４０から反射位置２１０を介してファイバ結合器１８０へ向かう光経路は、参照岐路の光経路とは長さが異なることになる。その結果、いかなる時点においても、検出器へ向かうファイバ区分２２０ｅ内の光は、一定の時間差を有する２つの異なる時点より波長可変光源１２０から生じる２つの成分を有する。光源１２０の光周波数は時間的に線形的に調整されるため、一定の時間差は一定の光周波数差を生じさせる。干渉信号は検出器ユニット２７０によって検出され得る。うなり周波数は、デバイス岐路と参照岐路との長さの差、及びＴＬＳ１２０の走査速度に比例する。医療デバイス２００はまた、被試験デバイス（ＤＵＴ）としても知られる。
【００４６】
図１では、特定の位置２１０におけるファイバセンサ内の１つの回折格子のみが示されており、そのため、検出器ユニット２７０は１つのうなり周波数を測定するのみである。位置２１０において、ブラッグ格子は特定の周期性Λを用いて書かれる。これは、他の波長と比べて反射率が高い共振波長λｂ＝ｎΛが存在することを意味する。位置２１０に対応するうなり周波数は、レーザ光源１２０がこの共振をまたいで調整される時にのみ、検出器２７０によって記録されることになる。歪みは回折格子の周期性の変化を引き起こし、その結果、共振波長のシフトをも生じさせることになる。検出器ユニット２７０はまた、対応する回折格子の共振波長を包含する固有の光スペクトルに各々関連付けられた複数のうなり周波数も検出し得る。
【００４７】
図２は、後方散乱反射光測定を用いて医療デバイス２０（ＤＵＴ）の位置及び／又は形状を感知するための光学的形状感知システム１０を概略的に示す。光学的形状感知システム１０は、複数の個々のマッハ・ツェンダー干渉計（図２では別個に示されていない）を備える干渉計装置１１を備える。各マッハ・ツェンダー干渉計は広帯域光源１２及び分光計２８に光学的に接続されている。更に、各マッハ・ツェンダー干渉計は同じ広帯域光源１２と同じ分光計２８との間に接続されている。光学的形状感知システム１０は広帯域光源１２と分光計２８とを備える。広帯域光源１２と分光計２８とは、干渉計装置１１と組み合わせて、後方散乱反射光測定を遂行するための光学フーリエドメイン反射率計（ＯＦＤＲ）を形成する。
【００４８】
各々の個々のマッハ・ツェンダー干渉計は、ファイバスプリッタ１４、サーキュレータ１６、ファイバ結合器１８、及び複数のシングルコアファイバ区分２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅを含むシングルコア光ファイバ２２ｓを備える。各マッハ・ツェンダー干渉計は、複数のファイバコア、特に、４つ以上のコアを備える、マルチコア光ファイバ２２ｍ（図３〜図４により詳細に示される）のファイバコアを更に含む。図２では、１つの単一のマッハ・ツェンダー干渉計のみが概略的に示されている。
【００４９】
ファイバスプリッタ１４、サーキュレータ１６、ファイバ結合器１８及びシングルコア光ファイバ２２ａ〜ｅは、マルチコア光ファイバ２２ｍのファイバコアと同じ数のセットで提供されることが理解される。このように、マルチコアファイバ２２ｍの各々の個々のファイバコアを、構成要素の対応するセットと併せて用いて後方散乱反射光測定を別個に遂行することができる装置が構築される。
【００５０】
好ましくは、広帯域光源１２によって発生された広帯域光を、別個のファイバ区分２２ａによって各々案内される複数の入力光ビームに分割するための追加のファイバスプリッタが提供される。更に好ましくは、各々の個々のサーキュレータ１６をマルチコア光ファイバ２２ｍと結合するための追加のファイバ結合器が提供される。したがって、各々の個々の入力光ビームは、干渉法を遂行するために他の入力光ビームと別個に案内される。
【００５１】
光学的形状感知システム１０によって用いられる感知方法は、図５において示される概略ブロック図によって例示的に示されており、以下において説明されることになる。
【００５２】
広帯域光源１２は、複数の波長の入力光を発生させるように構成されている（図５におけるステップ５１）。広帯域光源１２は、好ましくは、少なくとも２０ｎｍの帯域幅を有する連続的光学帯域からの光を発生させるように構成されたスーパールミネッセント発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える。更に好ましくは、連続的光学帯域の中心波長は本質的に１，５５０ｎｍ又は８００ｎｍである。図２における広帯域光源１２と併せて図によって例示的に示されるように、帯域幅は、波長の関数としての、発生された光の強度分布の半値全幅（Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）であるΔλによって表される。中心波長はλｍによって表される。図２に示される図は、波長にわたる発生された光の強度分布の例示的な表現であり、実際の強度分布を厳密に反映することを主張しないことに留意されたい。
【００５３】
好ましい一実施形態では、中心波長を１５５０ｎｍ前後として、帯域幅は約２０ｎｍである。これは、約５ｍｍの最小曲率半径に対応する最大８ミリストレインまでの歪み値を測定することを可能にする。更に、式（２）によれば、これは５０μｍの空間分解能に対応する。
【００５４】
同じ最小曲率半径を達成するための帯域幅は中心波長に比例する。別の好ましい実施形態では、中心波長を８００ｎｍ前後として、帯域幅は約１０ｎｍである。式（２）に従えば、８００ｎｍ前後の中心波長及び５０μｍの空間分解能を有する実施形態は約５ｎｍの帯域幅を有する。
【００５５】
個々のマッハ・ツェンダー干渉計ごとに、広帯域光源１２によって発生された入力光ビームは第１のファイバ区分２２ａによってファイバスプリッタ１４へ案内される（図５におけるステップ５２）。ファイバスプリッタ１４は、入力光ビームを参照ビームとデバイスビームとに分割するように構成されている（図５におけるステップ５３）。次に、参照ビームは第２のファイバ区分２２ｂによってファイバ結合器１８へ直接案内される（図５におけるステップ５４）。デバイスビームはまず、第３のファイバ区分２２ｃによってサーキュレータ１６へ案内される（図５におけるステップ５５）。サーキュレータ１６は、デバイスビームを、カテーテル、ガイドワイヤ又はコーティングなどの医療デバイス２０に向けて方向付けるように構成されている（図５におけるステップ５６）。
【００５６】
この目的のために、医療デバイス２０内に部分的に封入されているか、又は代替的に、それ自体が医療デバイスであるマルチコア光ファイバ２２ｍは、方向付けられたデバイスビームを、デバイスビームが医療デバイス２０内で後方散乱される前及びその後に案内するように構成されている（図５におけるステップ５７）。反射されたデバイスビームはサーキュレータ１６へ逆方向に案内される。サーキュレータ１６は、その後、反射されたデバイスビームを方向付けし直し（図５におけるステップ５８）、第４のファイバ部分２２ｄを介してファイバ結合器１８へ向かわせる（図５におけるステップ５９）。医療デバイス２０（ＤＵＴ）内に封入されたマルチコアファイバ２２ｍの部分が光ファイバセンサを形成する。代替的に、マルチコアファイバ２２ｍ全体が光ファイバセンサ又はＤＵＴである。
【００５７】
なおも個々のマッハ・ツェンダー干渉計ごとに、ファイバ結合器１８は、参照ビームと反射されたデバイスビームとを結合し、出力光ビームを形成するように構成されている（図５におけるステップ６０）。出力光ビームは第５のファイバ部分２２ｅを介して分光計２８に向けて更に案内される（図５におけるステップ６１）。
【００５８】
医療デバイス内に組み込まれたファイバセンサは、好ましくは４つ以上のコアを有するマルチコアファイバである。図３に、例示的なマルチコアファイバセンサ３０が概略的に示される。同図は、３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃを螺旋状に巻かれた中心コア３１を示す。各コア３１、３２ａ、ｂ、ｃは好ましくはクラッディング内に埋め込まれている。コア３１、３２ａ、ｂ、ｃは、コーティング３４、好ましくは、ポリマーコーティングによって保護されている。中心コア３１は、マルチコアファイバセンサ３０の長手方向軸に沿って延びるように光ファイバセンサの中心に配置されている。３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃは、光ファイバセンサ３０の長手方向と垂直な断面（図４に示される）において、互いに等距離を隔てて配置されている。
【００５９】
図４において見ることができるように、３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃは正三角形の形態で配置されており、中心コア３１は正三角形の中心にある。コーティング３４の外径Ｄは２３５μｍである。クラッディングの外径ｄは１２５μｍである。各コア３１、３２ａ、ｂ、ｃの直径は７μｍである。各外側コア３２ａ、ｂ、ｃと中心コア３１との間の距離は３５μｍである。
【００６０】
コア３１、３２ａ、ｂ、ｃの各々のために、個々のマッハ・ツェンダー干渉計が提供される。この目的を達成するために、広帯域光源１２によって発生された光は４つの入力光ビームに分けることができ、サーキュレータの各々は、複数のシングルコアファイバをマルチコアファイバ２２ｍに結合するファンアウトの対応する引き出し線に取り付けられる。
【００６１】
干渉計の各々の出力は分光計２８へ案内され得る。分光計２８は２Ｄ検出器アレイを有し、それにより、アレイの１つの次元はスペクトルの分散のために用いることができ、他の次元は、医療デバイス２０の異なるコア３１、３２ａ、ｂ、ｃの様々な信号を分布させるために用いることができる。マルチコアファイバ２２ｍの４つのコアの各々は、対応する光ビームを案内するように構成されているため、干渉計装置１１の各マッハ・ツェンダー干渉計は後方散乱反射光測定及び／又は干渉法を、各々の対応する光ビームを用いて別個に遂行することができる。
【００６２】
中心コア３１は曲げ又はトルクに対して中立である。つまり、中心コアは、ファイバセンサ３０の長さに沿った温度変化によって主に生じる軸方向歪みのみを監視するように構成されている。軸方向歪み信号は、いわゆる同相分除去において他の３つのコア３２ａ、ｂ、ｃの信号をゼロにするために用いられる。
【００６３】
ファイバセンサ３０の３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃは中心コア３１の周りに特定のピッチ又はねじれ率、即ち、１メートル当たりの回転数で螺旋状に巻かれている。医療デバイス２０内に封入されたファイバセンサがトルクを受けると、３つの外側コアのねじれ率は対応して変化することになり、同時の長さの変化、即ち、歪みを生じさせる。他方で、曲げ力は３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃの歪みを異なって変化させることになる。具体的には、全ての３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃについて同じ軸方向位置を考慮すると、ファイバの曲げ部分は外側と内側とを含み、外側は、ファイバセンサ３０の曲げ部分の内側と比べて、より大きい開き角度を有する。３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃは中心コア３１の周りに螺旋状に巻かれているため、３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃは、ファイバセンサ３０の曲げ部分内において内側又は外側のどちらかにより近接している。特定の外側コアが内側により近接しているのか、それとも外側により近接しているのかに依存して、特定の外側コアは、本質的に、曲がったファイバ部分の内側又は外側に沿って曲げられる。光ファイバセンサ３０の長手方向と垂直な断面における３つの外側コア３２ａ、ｂ、ｃの正三角形幾何形状のゆえに、外側コア３２ａ、ｂ、ｃの曲げ歪みの合計は、ファイバセンサ３０に沿った各軸方向位置において本質的に０になる。
【００６４】
その結果、外側コア３２ａ、ｂ、ｃの平均歪みは光ファイバセンサ３０のトルクを指示することができる。具体的には、外側コア３２ａ、ｂ、ｃの間の歪みの差から、互いに直交する２つの方向における光ファイバセンサ３０全体の曲げ歪みを評価することができる。ファイバセンサの湾曲は、一方におけるコア−中心間距離、即ち、外側コアとファイバの中心との間の距離と、他方における湾曲の半径との比に比例する曲げ歪みを生じさせる。したがって、２つの直交方向における曲率半径がファイバセンサ３０の軸方向位置ごとに分かると、医療デバイス２０内に封入された第４のファイバ区分２２ｄの部分である、ファイバセンサ３０の長さに沿った曲げ角度を合計することによって、ファイバの形状を算出することができる。代替的に、第４のファイバ区分２２ｄ自体が医療デバイスを形成する。
【００６５】
反射されたデバイスビームは、参照ビームと結合された後に、参照経路と参照経路との長さの差、及び波長に依存して、建設的／相殺的干渉を生じさせる。具体的には、建設的／相殺的干渉は、経路長差が半波長の偶数／奇数量に等しい時に生じる。参照経路及びデバイス経路は図１と類似的に理解される。
【００６６】
分光計２８は、好ましくは複数の散乱要素２５ａ、ｂ、ｃを備える回折格子２４を備える。回折格子２４は、出力光ビームを受光し、それと相互作用するように構成されている（図５におけるステップ６２ａ）。回折格子２４は、好ましくは、平行出力光ビームから、散乱光の角度と波長との対応を有する発散出力光ビームを作り出す。様々な波長依存スペクトル部分への広帯域スペクトルの分割は検出器アレイ及びそのピクセルによって行われる。
【００６７】
更に、分光計２８は、回折格子２４と相互作用した出力光ビームから出力光信号を検出するための（図５におけるステップ６２ｂ）検出器ユニット２６を備える。好ましくは、検出器ユニット２６は、アレイ状に配列された複数の検出器要素２７ａ、ｂ、ｃからなる検出器アレイを備える。検出器アレイは１つの次元内に少なくとも２００００個の検出器要素２７ａ、ｂ、ｃを備えてもよく、各検出器要素２７ａ、ｂ、ｃはピクセルに対応する。また、検出器アレイは２次元検出器アレイであってもよい。分光計２８は出力光ビームを監視する。監視信号は図２において波によって例示的に表現されている。好ましくは、ファイバ区分２２ｅからの出力光ビームを平行にするためのレンズ要素２３がファイバ結合器１８と分光計２８との間に配置されている。レンズ要素２３は、対応する干渉計を用いる異なる入力光ビームから各々生じる複数の出力光ビームを平行にするために用いられ得る。
【００６８】
更に好ましくは、回折格子２４は、出力光ビームを、各々、波長間隔の光からなり、異なる空間角度で、具体的には、検出器アレイの検出器要素のうちの対応するものの方向に伝搬する複数のビーム成分へ分布させるように構成されている。このように、出力光ビームは、発生された広帯域光の全スペクトルからの対応する波長間隔からの光を各々包含する、異なるビーム成分へ分離される。各ビーム成分は、検出器アレイの対応する検出器要素によって検出される。したがって、回折格子は出力光ビームを波長に依存して様々なビーム成分に分散させる。図２では、デバイスビームが散乱又は反射される、ファイバセンサ内の１つの位置のみが示されている。医療デバイス２０上の３つの縞は、周期性を有するブラッグ格子を例示的に示している。この周期性は本質的に０．５μｍの長さを有し得、その一方で、２０ｎｍの全スペクトル範囲に対応する空間分解能は本質的に５０μｍに等しい。空間分解能は、ファイバの位置を決定する精度を制限する。最小可能波長間隔は、検出器アレイのピクセルサイズ、回折格子とアレイとの間の距離、及び回折格子の分散能、即ち、線／ｍｍによって決定される。
【００６９】
それゆえ、分光計内で干渉パターンを解明することができる。検出器アレイ上の空間的うなり周波数は、経路長差、及びしたがって、被試験デバイス内の位置に比例する。分光計の代替として、単一の点検出器が回転可能回折格子と併せて適用される。具体的には、回折格子は経時的に回転させることができ、それにより、所望のスペクトルが完全に走査され得る。
【００７０】
検出された出力光信号は分析ユニット、具体的には、計算デバイスへ更に案内することができ（図５におけるステップ６３）、分析ユニットは周波数分析を遂行し、ファイバセンサの歪みデータ及び／又は曲率を得る（図５におけるステップ６４）。具体的には、反射率データは、波長の関数としての、検出された出力光信号のパワー及び／又は強度である反射率を包含する。フーリエ変換を適用することによって、反射率データは、反射率がファイバセンサに沿った散乱位置の関数として表されるように変換される。それゆえ、ファイバセンサの歪み及び／又は曲率はファイバセンサの軸方向位置の関数として決定することができる。歪み及び／又は曲率データから、ファイバセンサの位置及び／又は形状を算出することができる（図５におけるステップ６５）。
【００７１】
図２に示される光学的形状感知システム１０は、第１に、静的な光源を有する波長可変光源の代わりに、広いスペクトルを有する広帯域光源を備えることにより、第２に、単一の点検出器の代わりに、スペクトル分解能を有する分光計を備えることにより、当技術分野において知られているシステムよりも有利である。２０ｎｍの長さにわたる２００００個のピクセルのピクセル化の場合、空間分解能は本質的に１ｐｍに等しい。具体的には、図２における広帯域光源１２のスペクトルは、ファイバセンサ内の歪みに起因する全ての典型的な波長シフトが生じる波長範囲と重複する。更に、図２に示されるシステム１０は、スペクトル情報が、図２における示されるシステム１０によって、時間の代わりに、ファイバセンサ内の位置パラメータの関数として得られるという事実により、当技術よりも有利である。
【００７２】
精査することができる、即ち、後方散乱反射光測定を遂行することができるファイバセンサ内の位置の量は、先と同様に、以上において示された式（１）及び式（２）の比によって与えられる。単純な実装形態では、これは、ナイキストの定理を考慮すると、検出器アレイ上のピクセルの量の半分という結果になるであろう。したがって、大きな検出器アレイが好ましい。検出器アレイは１つの次元内に２ｘ１０４個より多くのピクセルを有し得る。スペクトルの幅は、光学的形状感知のためのファイバセンサの最小曲げ半径に対応する、検出可能な歪み量、又は反射率データを得ることができるファイバセンサの空間分解能のいずれかを制限する。検出器アレイの検出能力は、２次元アレイを用い、回折格子の特別な設計を用いてスペクトルを折り曲げることによって改善することができる。具体的には、可能性は、回折格子を用いてスペクトルを分散させることである。直交方向内の第２の分散要素によって、２つの方向内に分布させられた多数のスペクトルを得る。
【００７３】
光学的形状感知システム１０は好ましくは、各入力光ビームを２つの入力偏光状態へ偏光させるための偏光コントローラを含む偏光ダイバーシティ方式を備える。偏光コントローラは、広帯域光源と、反射率計１１を有する光学フーリエドメインとの間に配置されている。偏光ダイバーシティ方式は、各出力光ビームを、各々、２つの出力偏光状態のうちの対応するものである２つの信号部分に分割するための偏光ビームスプリッタを更に含む。この目的のために、検出器ユニット２６は、２つの信号部分を検出するように構成されている。更に、偏光ビームスプリッタは光学フーリエドメイン反射率計１１と検出器ユニット２６との間に配置されている。有利に、複屈折は偏光ダイバーシティ方式によって精密に決定することができ、ＯＳＳの結果のより信頼性の高い補正を可能にする。好ましくは、光学的形状感知システム１０は、８の倍数である多数のピクセルを各次元内に有する２次元検出器アレイを有する単一の分光計を備える。
【００７４】
ファイバセンサを操作している間における振動に対する感受性を回避するために、検出器アレイの積分時間は１ｍｓ〜２ｍｓの範囲に制限され得る。このような積分時間は、１００００ｎｍ／ｓの走査速度で１０〜２０ｎｍの波長間隔にわたって掃引レーザ光源を用いる光学フーリエドメイン反射率計における走査時間に相当する。他方で、分光計を用いる図２に示されるものなどの光学的形状感知システムでは、広帯域光源１２によって発生された光のパワーは検出器アレイの多くのピクセル上に分割される。これは、２つの異なる光学的形状感知システム１０、１００における、２つの異なる光源、ＴＬＳ及び広帯域光源によって発生された光のパワーが同じであり、且つ測定スペクトルが同じ量のデータ点について得られる場合には、信号対雑音比（ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ、ＳＮＲ）も２つのシステム１０、１００について同じになることを示す。
【００７５】
分光計を用いる光学フーリエドメイン反射率計の別の利点は、明るい広帯域光源が電気通信Ｃ帯域以外の波長範囲において利用可能であることである。本質的に８００ｎｍの中心波長において動作する光学フーリエドメイン反射率計は様々な利点を有する。第１に、光学フーリエドメイン反射率計は、シリコン技術に基づく検出器アレイがそれらの最高感度を有する波長を中心とする。これらの検出器アレイは最も費用効果が高く、最大量のピクセルを用いて構築することができる。第２に、レイリー散乱における散乱光の強度は波長の逆数の４乗に比例する。それゆえ、１５５０ｎｍ前後の波長から８００ｎｍになることは、散乱光の強度を１４倍増加させる。第３に、干渉計では、ファイバ長の変化を含む全ての歪み情報は波長の関数として決定される。これは、全ての信号内の位相情報は、波長に反比例する感度を有することを意味する。それゆえ、波長を１５５０ｎｍから８００ｎｍに減少させることによって、システムは、歪みに対して、したがってファイバセンサの曲げ及びねじれに対して、ほぼ２倍感度が高くなることになる。
【００７６】
本発明は図面及び上述の説明において詳細に図解され、説明されたが、このような図解及び説明は、限定ではなく、例証又は例示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。クレームされている発明の実施においては、図面、開示、及び添付の請求項の検討から、本開示の諸実施形態に対する他の変更が当業者によって理解され、実施されることが可能である。
【００７７】
請求項において、単語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数を除外しない。単一の要素又はその他のユニットが、請求項に記載されているいくつかの項目の機能を果たし得る。特定の方策は、相互に異なる従属請求項に記載されているという事実のみをもって、これらの方策の組み合わせを有利に用いることができないことが指示されるわけではない。
【００７８】
コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに、又はその一部として提供される、光学記憶媒体又は固体媒体などの、好適な媒体上に記憶され／配付されてもよいが、また、インターネット又はその他の有線若しくは無線電気通信システムを介するなど、他の形態で配付されてもよい。
【００７９】
請求項内の参照符号はいずれも、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】
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【国際調査報告】
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