(57)【要約】マルチコアファイバおよび内視鏡構成が、対応する製造および使用方法と共に提供される。様々な構成は、マルチコアファイバとセンサとの間のインタフェースを改善するための断熱的に先細の近位ファイバチップおよび/または近位光学素子と、ファイバに沿った減衰を低減するフォトニック結晶ファイバ構成と、必要とされる可撓性および光学忠実度を維持しながら減衰を低減する内視鏡のための画像処理方法およびジョイントされた剛性リンク構成とを含む。様々な構成は、ファイバおよび内視鏡を通して送達される放射線の情報内容を増加させるスペクトル多重化アプローチ、ならびに画質を改善し、視野を強化し、長手方向情報を提供する構成を含む。様々な構成は、ファイバベースの波面センサを含む。開示された構成の多くは、画像解像度を増大させ、スペクトル画像および3次元画像などの内視鏡を非常に薄く維持しながら、追加の動作モードの統合を可能にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通のクラッドを有する少なくとも１０，０００個のコアを備え、ファイバの遠位端において組織から画像放射線を送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバであって、画像放射線がコアに閉じ込められ、コアは、それらの間のクロストークを防止するためにファイバ断面積内に間隔を置いて配置され、
前記マルチコアイメージングファイバは、１ｃｍよりも短く、断熱的に先細りになってファイバ断面積およびコア直径を少なくとも３分の１に低減し、画像放射線が狭められたコアから出ることを可能にし、画像放射線を隣接センサに送達するように構成された近位チップを備える、マルチコアイメージングファイバ。
【請求項２】
前記近位チップから前記画像放射線を受け取る前記隣接センサの有効面積が、前記隣接センサの全面積の少なくとも５０％である、請求項１に記載のマルチコアイメージングファイバ。
【請求項３】
前記近位チップは、０．５ｃｍより短く、剛性である、請求項１または２に記載のマルチコアイメージングファイバ。
【請求項４】
減少した繊維断面積が０．１ｍｍ２より小さく、減少したコア直径が０．５μｍより小さく、減少したコアピッチが２μｍより小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマルチコアイメージングファイバ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載のマルチコアイメージングファイバを含む内視鏡。
【請求項６】
共通のクラッドを有する少なくとも１０，０００個のコアを備えるマルチコアイメージングファイバの近位チップを断熱的に先細にすることで、ファイバの遠位端において組織から画像放射線を送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバの近位チップを断熱的に先細にするステップであって、画像放射線はコアに閉じ込められ、コアは、それらの間のクロストークを防止するためにファイバ断面積内で間隔を空けられる、近位チップを断熱的に先細るにするステップと、
前記断熱的に先細にされた近位チップを１ｃｍより短くなるように構成し、マルチコアイメージングファイバに対して少なくとも３分の１に低減されたファイバ断面積およびコア直径を有し、画像放射線が狭められたコアから出て、隣接するセンサに画像放射線を送達することを可能にするステップと、
を備えた方法。
【請求項７】
共通のクラッドを有し、ファイバの遠位端において組織から画像放射線を送達するように構成された少なくとも１０，０００個のコアであって、画像放射線は前記コアに閉じ込められ、前記コアは、それらの間のクロストークを防止するためにファイバ断面積内で間隔を置いて配置される、少なくとも１０，０００個コアを備えたマルチコアイメージングファイバにおいて、
前記マルチコアイメージングファイバは、ファイバ断面内のコアのフィルファクタを光学的に低減し、画像放射線を隣接するセンサに送達するように構成された近位光学素子を含む、マルチコアイメージングファイバ。
【請求項８】
前記近位光学素子は、前記ファイバ断面の領域に対して、前記隣接するセンサ上のより小さい領域を満たすように、前記コアから送達された画像放射を再配向するように構成された少なくとも1つのプリズムおよび/または少なくとも1つの回折格子を備える、請求項7に記載のマルチコアイメージングファイバ。
【請求項９】
前記センサの前記より小さい領域および前記領域は、前記ファイバ断面から3倍以上小さい、請求項８に記載のマルチコアイメージングファイバ。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか一項に記載のマルチコアイメージングファイバを含む内視鏡。
【請求項１１】
ファイバの遠位端において組織から画像放射線を送達するように構成された、共通のクラッドを有する少なくとも１０，０００個のコアを備えるマルチコアイメージングファイバのファイバ断面におけるコアの充填率を光学的に低減することを含む方法であって、画像放射線は、コアに閉じ込められ、コアは、コアからの送達された画像放射線を、ファイバ断面の領域に対して隣接するセンサ上のより小さい領域を充填するように再配向することによって、コア間のクロストークを防止するために、ファイバ断面領域内で間隔を空けられる、方法。
【請求項１２】
少なくとも２種類の空気孔を有するように構成された、複数の空気孔からなるフォトニック結晶構造を有するマルチコアファイバにおいて、
コアタイプの空気孔内に画像放射を閉じ込めるように選択された特定のコアピッチでファイバ断面積内に間隔を置いて配置されたコアタイプの空気孔と、
コアタイプの空気孔間のクラッド空気孔であって、コアタイプの空気孔間のクロストークを防止するように選択された特定のクラッドピッチでファイバ断面積内に間隔を置いて配置されたクラッド空気孔と、
を備えた、マルチコアファイバ。
【請求項１３】
１０，０００を超えるコアタイプの空気孔を有する、請求項１２に型のマルチコアファイバ。
【請求項１４】
１０ｃｍの長さに対して、同数のポリマーコアを有する同等のマルチコアファイバよりも２倍小さい減衰係数を有する、請求項１２または１３に記載のマルチコアファイバ。
【請求項１５】
請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のマルチコアイメージングファイバを含む内視鏡。
【請求項１６】
空気孔を少なくとも２つのタイプに設計することによって、複数の空気孔から構成されるフォトニック結晶構造からマルチコアファイバを構成するステップを備えた方法において、
コアタイプの空気孔内に画像放射を閉じ込めるように選択された特定のコアピッチでファイバ断面積内に間隔を置いて配置されたコアタイプの空気孔と、
前記コアタイプの空気孔間の空気孔をクラデッィングするステップであって、前記コアタイプの空気孔間のクロストークを防止するように選択された指定されたクラデッィングピッチにおける前記ファイバ断面積内に間隔を置いて配置された空気孔をクラデッィングするステップと、
を備えた方法。
【請求項１７】
近位端における組織から画像放射線を受信し、前記画像放射線を前記遠位マルチコアイメージングファイバの遠位端に送達するように構成された遠位マルチコアイメージングファイバと、
それぞれ複数のジョイントにより相互接続された複数の剛性画像リレー素子であって、前記剛性画像リレー素子の遠位の素子は、対応するジョイントを介して前記遠位マルチコアイメージングファイバの前記近位端に接続される、複数の剛性画像リレー素子と、
を備え、前記ジョイントは、互いに前記剛性画像リレー素子の角運動時に前記遠位マルチコアイメージングファイバの前記近位端から前記送達された画像放射線を保存し、内視鏡の近位端において画像放射線を送達するように構成される、遠位マルチコアイメージングファイバとを備えた内視鏡。
【請求項１８】
対応するジョイントを介して剛性画像中継素子の近位1つに接続され、近位剛性画像中継素子から画像放射線を送達するように構成された、近位マルチコアイメージングファイバをさらに備える、請求項１７に記載の内視鏡。
【請求項１９】
前記剛性画像リレー素子がガラスGRIN (勾配屈折率)リンクであり、前記ジョイントが、機械的ジョイント内に配置された球状ボールレンズを含み、前記機械的ジョイントが、隣接する剛性画像リレー素子またはファイバに機械的に接続され、前記球状ボールレンズが、前記送達された画像放射線を近接して保存するように配置される、請求項１７または１８に記載の内視鏡。
【請求項２０】
遠位マルチコアイメージングファイバおよび複数の剛性画像中継素子から内視鏡を構成するステップであって、前記遠位マルチコアイメージングファイバおよび複数の剛性画像中継素子は、前記遠位マルチコアイメージングファイバの近位端で組織から画像放射線を受け取り、前記画像放射線を遠位マルチコアイメージングファイバの遠位端に送達する、内視鏡を構成するステップと、
それぞれの複数のジョイントにより前記剛性画像中継素子を相互接続するステップであって、前記遠位マルチコアイメージングファイバは、その近位端における組織から画像放射線を受信するように構成され、前記画像放射線を前記遠位のマルチコアイメージングファイバの遠位端に送達する、相互接続するステップと、
を備え、
前記ジョイントは、ジョイントは、剛性画像中継素子が互いに対して角運動する際に、遠位マルチコアイメージングファイバの近位端から送達された画像放射線を保存し、内視鏡の近位端で画像放射線を送達するように構成される、方法。
【請求項２１】
前記近位の剛性画像中継素子から前記画像放射線を送達するために、前記剛性画像中継素子の近位の1つに、対応するジョイントを介して、近位のマルチコア画像ファイバを接続することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
指定された複数の別個の波長で照明を送達するように構成された照明源と、
指定された複数の別個の波長で検出された放射線を復号するように構成された分光計を備える検出器と、
複数のコアを備え、前記コアを介して、前記検出器に、前記照明源により照明された組織から受信した画像放射線を送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバと、
前記コアの各々の、前記復号された検出画像放射線から、前記指定された複数の個別の波長に対応する画像データを導出するように構成された処理ユニットと、
を備えた内視鏡。
【請求項２３】
前記処理ユニットは、前記複数の波長に対応するコア当たりの複数の入力を利用する超解像撮像をインプリメントするようにさらに構成される、請求項２２に記載の内視鏡。
【請求項２４】
前記照明源は、
前記指定された複数（Ｎ）の個別の波長範囲のための広帯域ブラッグフィルタミラーと、
前記対応する個別の波長に関するＮ個の狭帯域ブラックフィルタミラーであって、各々が前記対応する個別の波長のみを反射するように設計されたＮ個の狭帯域ブラッグフィルタミラーに接続された制御可能な１対Ｎスイッチと、
前記接続されたＮ個の狭帯域ブラッグフィルタミラーを有した前記制御可能な１対Ｎスイッチと前記ブラッグフィルタミラーとの間に接続されたファイバ内励起利得媒体と、
前記Ｎ個の狭帯域ブラッグフィルタミラーからの照明放射線を結合するように構成された波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）と、
を備えたファイバレーザを備えた、請求項２２または２３に記載の内視鏡。
【請求項２５】
前記複数の別個の波長を利用して、狭帯域撮像検出のための分光計をインプリメントするようにさらに構成される、請求項２２乃至２４のいずれか一項に記載の内視鏡。
【請求項２６】
特定の複数の別個の波長により組織を照明するステップと、
マルチコアイメージングファイバの複数のコアの各々を介して、照明された組織から受信した撮像放射を送達するステップと、
前記コアの各々に関して、前記特定の複数の別個の波長において検出された放射線を復号するステップと、
前記コアの各々の前記復号された検出画像放射線から、前記指定された複数の個別の波長に対応する画像データを導出するステップと、
を備えた方法。
【請求項２７】
前記複数の波長に対応するコア当たりの複数の入力を利用した超解像撮像をインプリメントすることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
指定された空間スペクトルパターンに従って組織上の異なる位置を照射する異なる波長を有する、指定された複数の空間的に符号化された別個の波長で照射を送達するように構成された空間エンコーダを備える照明源と、
指定された空間スペクトルパターンに従って、前記指定された複数の別個の波長で、検出された放射線を復号するように構成された分光計と空間デコーダとを備える検出器と、
複数のコアを備え、前記照明源により照明された組織から受信した画像放射線を、前記コアを介して前記検出器に送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバであって、各コアは、前記指定された空間スペクトルパターンにより照明された組織領域から画像放射線を送達するように構成された、マルチコアイメージングファイバと、
前記コアの各々の前記空間スペクトルで復号された検出画像放射線から、各コアにより送達された画像放射線から前記指定された複数の個別の波長に対応する画像データを導出するように構成された処理ユニットと、
を備えた、内視鏡。
【請求項２９】
前記空間エンコーダは、前記指定された複数の別個の波長に広帯域照明を分割するように構成された第1の格子と、前記分割された広帯域照明を前記組織の異なる領域に対応する複数のパターンに複製するように構成された第2の格子とによってインプリメントされる、請求項２８に記載の内視鏡。
【請求項３０】
指定された複数の別個の波長により、指定された空間スペクトルパターンにおける組織を照明するステップと、
マルチコアイメージングファイバの複数のコアの各々を介して照明された組織から受信した画像放射線を送達するステップと、
前記コアの各々に関して前記空間スペクトルパターンに従う前記指定された複数の別個の波長において検出した放射線を復号するステップと、
前記コアの各々の前記復号された検出画像から、前記指定された複数の別個の波長に対応し、かつ前記指定された空間スペクトルパターンに従う画像データを導出するステップと、を備えた方法。
【請求項３１】
シングルモードのマルチコア照明ファイバおよびマルチコアイメージングファイバを備え、前記マルチコアイメージングファイバは、シングルモード、マルチコア照明ファイバによって照明された組織から画像放射線を送達するように構成される、内視鏡。
【請求項３２】
前記内視鏡は、前記送達された画像放射線から、前記シングルモードのマルチコア照明ファイバによる前記照明からスペックルパターンを識別し、除去するように構成された処理ユニットをさらに備える、請求項３１に記載の内視鏡。
【請求項３３】
前記処理ユニットは、指定されたパターンに従って少なくとも1つの照明スポットパラメータに関して前記照明を変調し、前記指定されたパターンを使用して、前記送達された画像放射線の結果として生じる変化を分析し、前記指定されたパターンに従って変動する前記送達された画像放射線の特徴を、二次スペックルパターンに関連するものとして除去するようにさらに構成される、請求項３２に記載の内視鏡。
【請求項３４】
単一モードのマルチコア照明ファイバを使用して、マルチコアイメージングファイバによって撮像された組織を照明することを備えた方法。
【請求項３５】
マルチコアイメージングファイバにより送達された画像放射線から、前記単一モードまたはマルチモードのマルチコア照明ファイバによる前記照明からスペックルパターンを識別し、除去することをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記識別および除去は、前記照明スポットの形状を変調し、画像処理によって二次スペックルパターンを除去することによって実行される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
共通のクラッドを有する少なくとも１０，０００個のコアを含み、ファイバの遠位端において組織から画像放射線を送達するように構成され、前記コアが１０〜１００個のモードを支持するように構成されるマルチコアイメージングファイバと、前記送達された画像放射線からモード混合歪みを除去するように構成されるモードデカップリングモジュールを備える処理ユニットと、を備えた内視鏡。
【請求項３８】
１０〜１００モードの間をサポートするように構成されたコアを有するマルチコアイメージングファイバによって、照明された組織を撮像するステップと、
前記ファイバによって送達された画像放射線からモード混合歪みを除去することによって前記モードをデカップリングするステップと、
を備えた方法。
【請求項３９】
共通のクラッディングを有する少なくとも１０，０００個のコアを含み、ファイバの遠位端において組織から画像放射線を送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバであって、前記マルチコアイメージングファイバは、ファイバの視野を変化させるために互いに対して制御可能に変位可能な遠位チップ光学素子を含む、マルチコアイメージングファイバ。
【請求項４０】
前記遠位チップ光学素子は、負の焦点距離−Ｆを有する第1のレンズと、正の焦点距離＋Ｆを有する第２のレンズとを備えた、請求項３９に記載のマルチコアイメージングファイバ。
【請求項４１】
前記遠位チップ光学素子は、それに接続された少なくとも1つのバネによって制御可能に変位可能である、請求項３９または４０に記載のマルチコアイメージングファイバ。
【請求項４２】
調節可能プリズムをその遠位チップにインプリメントすることによって、イメージングファイバの視野を増大させることを含む方法。
【請求項４３】
前記ファイバの視野を変化させるために、遠位チップ光学素子を互いに対して制御可能に変位させることをさらに備えた、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記インプリメントすることが、反対の焦点距離+Fおよび−Fを有する遠位チップ光学素子を使用することを備えた、請求項４２または４３に記載の方法。
【請求項４５】
共通クラッドを有する少なくとも１０，０００個のコアを含み、ファイバの遠位端において組織から画像放射線を送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバであって、前記マルチコアイメージングファイバは、その長さの少なくとも一部に沿って、ファイバの側面からの放射線がその特定の周辺コアに入ることを可能にするように構成された複数の周辺放射線入射位置を備えた、マルチコアイメージングファイバと、
特定の周辺コアを通して送達された放射線から長手方向データを導出するように構成された処理ユニットと、
を備えた、内視鏡。
【請求項４６】
遠位端で組織を照射することに加えて、内視鏡に沿って放射線を放出するように構成された照射ファイバをさらに備える、請求項４５に記載の内視鏡。
【請求項４７】
前記ファイバの長さに沿って、前記ファイバに近接した組織についての指標を導出するようにさらに構成された、請求項４５または４６に記載の内視鏡。
【請求項４８】
放射線がマルチコアイメージングファイバの側面を通ってその特定の周辺コアに入ることを可能にするステップと、
前記特定の周辺コアを通って送達される放射線からファイバを取り囲む組織に関する長手方向データを導出するステップと、を備えた、方法。
【請求項４９】
前記放射線が前記特定の周辺コアに入ることを可能にするために、前記ファイバ内に周辺スリットを設計することをさらに含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
組織上の特定の複数の空間的に別個の位置で照明を送達するように構成された照明源と、
検出器と、
複数のマルチモードコアを備え、コアを通して、前記照明源によって照明された組織から受信された波面放射を前記検出器に送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバと、
送達された波面放射から3次元(3D)画像データを導出するように構成された処理ユニットと、を備えた内視鏡。
【請求項５１】
コアを通って送達された画像放射線を検出することにより、少なくとも１０，０００個のマルチモードコアを有するマルチコアイメージングファイバにより波面検出をインプリメントするステップと、
前記コアに関連したスポット位置を測定するステップと、
前記スポット位置から３Ｄ画像データを導出するステップと、
を備えた、方法。
【請求項５２】
共通のクラッドを有する少なくとも１０，０００個のコアを備え、ファイバの遠位端で組織から画像放射線を送達するように構成されたマルチコアイメージングファイバであって、前記画像放射線はコアに閉じ込められ、前記コアは、前記コア間のクロストークを防止するために、ファイバ断面積内に間隔を置いて配置され、前記マルチコアイメージングファイバは、前記組織に対してフーリエ面に配置された遠位チップを備えたマルチコアイメージングファイバと、送達された画像放射線から、圧縮された感知アルゴリズムを使用して組織を導出するように構成された処理ユニットと、を備えた、内視鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内視鏡の分野に関し、より詳細には、マルチコアファイバ内視鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な構成の内視鏡は、様々な医療問題の効率的な治療、ならびにアクセスが制限された様々な状況を操作するための手段を可能にする。内視鏡手術は、照明、検出、および治療が長くて狭い手術モードに限定されるという点で困難である。光ファイバ技術は、そのような技術の中心的なイネーブラ（enabler）であり、ファイバベースの内視鏡は、継続的な改善を経験する。
【発明の概要】
【０００３】
以下は、本発明の最初の理解を提供する簡略化された概要である。この概要は、必ずしも重要な要素を特定するものではなく、本発明の範囲を限定するものでもなく、単に以下の説明の導入部として役立つに過ぎない。
【０００４】
本発明の様々な態様は、マルチコアファイバとセンサとの間のインタフェースを改善するために、断熱的に先細りになった（adiabatically tapered）近位ファイバチップ（proximal fiber tips）および/または近位光学素子（proximal optical element）のいずれかを備える、対応する製造および使用方法、ファイバに沿った減衰を低減するフォトニック結晶ファイバ構成、必要な可撓性および光学忠実度を維持しながら減衰を低減するジョイント剛性リンク構成、画像処理方法、ファイバおよび内視鏡を通して送達される放射線の情報内容を増大させるスペクトル多重化手法、ならびにファイバベースの波面センサを提供する。
【０００５】
本発明のこれらの、追加の、および/または他の態様および/または利点は、以下の詳細な説明に記載され、おそらく詳細な説明から推論可能であり、および/または本発明の実施によって学習可能である。本発明の実施形態のより良い理解のために、また、本発明がどのように実施され得るかを示すために、ここでは、単に例として、添付の図面が参照され、添付の図面において、同様の数字は、全体を通して対応する要素またはセクションを示す。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、近位テーパ端を有するマルチコア画像ファイバの高レベル概略図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、近位光学素子を有するマルチコア画像ファイバの高レベル概略図である。
【図２】図２は、本発明のいくつかの実施形態による、マルチコアフォトニック結晶ファイバの断面の高レベル概略図である。
【図３】図３は、本発明のいくつかの実施形態によるハイブリッド内視鏡の高レベル概略図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、内視鏡およびその照明源の高レベルの概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、内視鏡およびその照明源の高レベルの概略図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、内視鏡およびその照明源の高レベルの概略図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、内視鏡およびその照明源の高レベルの概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、波長多重化超解像撮像を実施するように構成された、内視鏡およびその照明源の高レベル概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、波長多重化超解像撮像を実施するように構成された、内視鏡およびその照明源の高レベル概略図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、波長多重化超解像撮像を実施するように構成された、内視鏡およびその照明源の高レベル概略図である。
【図６】図６は、本発明のいくつかの実施形態による、マルチモード、マルチコア照明ファイバを有する内視鏡の高レベル概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の幾つかの実施形態に係るマルチコアファイバを有する内視鏡の高次概念概略図である。
【図７Ｂ】図7Bは、本発明の幾つかの実施形態に係るマルチコアファイバを有する内視鏡の高次概念概略図である。
【図８Ａ】図８Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、視野が強化された内視鏡の高レベルの概略図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、視野が強化された内視鏡の高レベルの概略図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、長手方向に感知する内視鏡の高レベルの概略図である。
【図９Ｂ】図9Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、長手方向に感知する内視鏡の高レベルの概略図である。
【図９Ｃ】図9Cは、本発明のいくつかの実施形態による、長手方向に感知する内視鏡の高レベルの概略図である。
【図１０】図１０は、本発明のいくつかの実施形態による、波面感知内視鏡の高レベル概略図である。
【図１１（１）】図１１（１）は、本発明のいくつかの実施形態による方法を示す高レベルフローチャートである。
【図１１（２）】図１１（２）は、本発明のいくつかの実施形態による方法を示す高レベルフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下の説明では、本発明の様々な態様について説明する。説明の目的のために、本発明の完全な理解を提供するために、特定の構成および詳細が記載される。しかし、本発明は、本明細書に提示される特定の詳細なしに実施され得ることも、当業者には明らかであろう。さらに、本発明を曖昧にしないために、周知の特徴は省略または簡略化されている。特に図面を参照すると、示された詳細は、例として、本発明の例示的な議論の目的のためだけであり、本発明の原理および概念的態様の最も有用で容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示されることが強調される。この点に関して、本発明の基本的な理解のために必要である以上に、詳細に本発明の構造的詳細を示す試みはなされておらず、図面を用いてなされた説明は、本発明のいくつかの形態が実際にどのように具現化され得るかを当業者に明らかにする。
【０００８】
本発明の少なくとも1つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の説明に記載されるか、または図面に示される構成要素の構成および配置の詳細に限定されないことを理解されたい。本発明は、開示された実施形態の組み合わせだけでなく、様々な方法で実施または実行され得る他の実施形態にも適用可能である。また、本明細書で使用される語法および用語は、説明の目的のためのものであり、限定とみなされるべきではないことを理解されたい。
【０００９】
特に明記しない限り、以下の説明から明らかなように、本明細書全体を通して、「処理する」、「計算する（computing）」、「計算する（calculating）」、「決定する」、「強化する」、「導出する」などの用語を利用する説明は、計算システムのレジスタおよび/またはメモリ内の物理量などの物理量として表されるデータを、計算システムのメモリ、レジスタ、または他のそのような情報記憶、送信、または表示装置内の物理量として同様に表される他のデータに操作および/または変換する、コンピュータまたは計算システム、または同様の電子計算デバイスの動作および/または方法を指すことが理解される。開示されたモジュールまたはユニットのいずれも、コンピュータプロセッサによって少なくとも部分的に実装され得る。
【００１０】
マルチコアファイバおよび内視鏡構成が、対応する製造および使用方法と共に提供される。様々な構成は、マルチコアファイバとセンサとの間のインタフェースを改善するための断熱的に先細の近位ファイバチップおよび/または近位光学素子と、ファイバに沿った減衰を低減するフォトニック結晶ファイバ構成と、必要とされる可撓性および光学忠実度を維持しながら減衰を低減する内視鏡のための画像処理方法およびジョイントされた剛性リンク構成とを含む。様々な構成は、ファイバおよび内視鏡を通して送達される放射線の情報内容を増加させるスペクトル多重化アプローチ、ならびに画質を改善し、視野を強化し、長手方向情報を提供する構成を含む。様々な構成は、ファイバベースの波面センサを含む。
開示された構成の多くは、画像解像度を増大させ、スペクトル画像および３次元画像などの内視鏡を非常に薄く維持しながら、追加の動作モードの統合を可能にする。以下では、組織を撮像対象として言及するが、任意の他の要素、対象、表面、または部分が、開示されたファイバおよび内視鏡によって撮像されてもよく、用語「組織」は、いかなる形でも本発明を限定するものと解釈されるべきではないことに留意されたい。さらに、構成は、単にそれぞれの説明を単純化するために別々に開示され、構成は、異なる図に示され、かつ/または異なる実施形態で開示され得る２つ以上の構成を有する内視鏡のために組み合わされ得ることに留意されたい。
テーパ端
【００１１】
図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態による、近位テーパ端１２０を有するマルチコア画像ファイバ１００の高レベル概略図形である。マルチコアイメージングファイバ１００は、ファイバ１００の遠位端１００Ａにおいてイメージングされた組織９０(非限定的な例として)から放射線９５Ａを受け取り、ファイバの長さ全体にわたって放射線を伝達し、ファイバ１００の近位端１００Ｂにおいてセンサ８０に放射線９５Ｂを送達する。マルチコアイメージングファイバ１００は、共通のクラッドおよび/または複数のクラッド構造１１２内に多数のコア１１０を備えることができ、例えば、マルチコアイメージングファイバ１００は、数十または数十万のコア１１０を備えることができる。図１Ａは、説明のために、わずかなコア１１０のみを概略的に示す。特定の実施形態は、マルチコアイメージングファイバ１００を含む内視鏡を含む。
【００１２】
例えば、マルチコアイメージングファイバ１００は、共通のクラッド１１２を有する少なくとも１０，０００個のコア１１０(おそらく５０，０００個のコア、１００，０００個のコア、または任意の中間もしくは他の数)を含み得、ファイバ１００の遠位端１００Ｂにおいて組織９０から画像放射線９５Ａを送達するように構成された近位チップ１００Ａを有する。画像放射１０５Ａは、コア１１０Ａ(例えば、０．５−２μｍ間、１−１．５μｍ間などの直径ｄｌを有する)に閉じ込められてもよく、コア１１０Ａは、コア１１０Ａ間のクロストークを防止するために、ファイバ断面積Ａｌ(コア１１０Ａは、例えば、数μｍなければならない、例えば、３〜５μｍなければならない)内に間隔を置いて配置されてもよい。断面１００Ａは、遠位端１００Ａからファイバ１００の全体にわたって広がっているが、ファイバ１００のテーパ付き端部１２０については、クラッド材料または構造１１２Ａによって囲まれ、画像放射１０５Ａがコア１１０Ａに閉じ込められた各コア１１０Ａを示すように示されている。コア１１０は、様々な程度の秩序を有することができ、ある程度のランダム性で繊維断面全体に分散させることができることに留意されたい。コア１１０間の間隔、すなわちピッチＬ１は、平均または中央間隔として理解することができる。
【００１３】
テーパ付き端部１２０を有する近位チップは、長さＴによって示されるように、例えば２ｃｍ、１ｃｍ、０．５ｃｍなどよりも非常に短く、断熱的にテーパを付けて、ファイバ断面積を(例えば、ファイバ直径Ｄｌおよび断面積Ａｌからファイバ直径Ｄ２および断面積Ａ２に)低減し、コア直径を(例えば、コア１１０Ａのコア直径ｄｌからコアHOBのコア直径ｄ２に、および対応するピッチＬ１から低減されたピッチＬ２に)少なくとも３の係数低減し、画像放射１０５Ｂが狭められたコアＨＯＢを出ることを可能にすることができる。テーパがかけられた端部１２０を有する近位チップは、元のファイバ断面積対センサ面積比(Ａ３：Ａ１)よりもはるかに大きい有効画像面積対センサ面積比Ａ３：Ａ２)で、画像放射線１０５Ｂを放射線９５Ｂとして隣接するセンサ８０に送達するようにさらに構成されてもよい。
例えば、有効画像面積対センサ面積比(Ａ３：Ａ２)は、少なくとも１：３、１：２、またはさらに大きくてもよく、おそらく１：１に近づく。センサ面積に対する画像面積の比が大きいことにより、より小さいセンサ８０を使用すること(画像によるセンサカバレージがより効率的であるため)、より効率的に大きいセンサ８０を使用すること(より多くの画素が画像データを感知する)、および/またはより単純なセンサ８０を使用すること(コア１１０Ａ間の空間が低減され、放射１０５Ｂがテーパ状端部の断面積Ａ２の大部分またはすべてにわたって送達され得るため、画素間にギャップがない)のいずれかが可能になる。放射線１０５Ｂは、テーパ付き端部１２０においてより小さいコアＨＯＢを出て、コアＨＯＢの累積面積よりも大きい面積にわたってセンサ８０に放射線９５Ｂを送達する一方で、近位端部１００Ｂの短さによるクロストークを回避し、テーパ付き端部１２０が機械的に固定され、曲がることができないという事実によるクロストークを回避することができる。
【００１４】
例えば、特定の非限定的な実施形態では、近位チップ１２０から画像放射線９５Ｂを受け取る隣接センサ８０の有効面積は、隣接センサ８０の全面積(Ａ３)の少なくとも５０％、場合によってはその少なくとも７０％、８０％、または９０％であってもよい。特定の実施形態では、近位チップ１２０は、０．５ｃｍより短く、かつ/または剛性であってもよい。特定の実施形態では、低減されたファイバー断面積Ａ２は、０．１ｍｍ２より小さくてもよく、低減されたコア径ｄ２は、光をコアから出てクラッド領域内を進行させるために、光波長より小さくてもよく(例えば、０．５μｍ−５００ｍｍより小さく、０．４μｍ−４００ｍｍより小さく、または他の値)、および/または低減されたコアピッチＬ２は、２μｍより小さくてもよい。
【００１５】
有利には、開示された設計は、マルチコアファイバを使用してセンサ効率を改善する。
遠位端１００Ａと同様の近位端を有するマルチコアファイバを提供するために感知アレイ８０を適用することは、撮像カメラがコア１１０Ａとコア１１０Ａ間のクラッド１１２Ａとをサンプリングするのに十分な画素を有することを必要とする。さらに、カメラは空間を均一にサンプリングするが、コア１１０Ａは完全には順序付けられていないので、コア１１０Ａ間の領域は、カメラハードウェアの浪費を必要とし、すなわち、センサは、ファイバ内のコア１１０Ａの数よりもはるかに多い数のピクセルを有する。しかしながら、開示された実施形態では、断面積１００Ｂが断面積１００Ａよりもはるかに小さいだけでなく、コアＨＯＢ間の空間が、センサ８０に隣接する断面積１００Ｂの大部分または全部にわたって放射線９５Ｂを送達するために、有意に低減されるか、または回避さえされるが、これは、テーパ付きセクション内を伝播する光がテーパ付きセクション内では、もはやコア領域に限定されず、むしろクラッド領域に漏出するためである。狭められたコアＨＯＢを越えて放射線１０５Ｂを広げることは、センサ８０のより効率的な使用を提供するが、近位テーパ端１２０が非常に短い(曲がりを防止するためにさらに剛性にされてもよい)ので、コアＨＯＢ間のクロストークをもたらさず、ファイバ１００の曲がりを制限しないことに留意されたい。例えば、８０，０００個のコア１１０を有するファイバ１００では、センサ８０は、全ての放射線９５Ｂ、９５Ａを検出するために、ただ1つの又は数個の１００，０００個のピクセルを有することができ、一方、従来技術のファイバ(近位断面１００Ａを有する)は、組織９０からの全ての放射線を検出するために、ｚ数メガピクセルを必要とすることがある。
実効フィルファクタ（fill factor）の光学的低減
【００１６】
図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、近位光学素子１２２を有するマルチコア画像ファイバ１００の高レベル概略図形である。マルチコアイメージングファイバ１００は、ファイバ１００の遠位端１００Ａにおいてイメージングされた組織９０(非限定的な例として)から放射線９５Ａを受け取り、ファイバの長さ全体にわたって放射線を伝達し、ファイバ１００の近位端１００Ｂにおいて、センサ８０に放射線９５Ｂを送達する。マルチコアイメージングファイバ１００は、共通のクラッドおよび/または複数のクラッド構造１１２内に多数のコア１１０を備えることができ、例えば、マルチコアイメージングファイバ１００は、数十または数十万のコア１１０を備えることができる。センサ８０は、送達された放射線９５Ｂを処理し、そこから画像を形成するように構成された処理ユニット１８０に接続された検出器８５の一部であってもよい。図１Ｂは、説明のために、わずかなコア１１０のみを概略的に示す。特定の実施形態は、マルチコアイメージングファイバ１００を含む内視鏡を含む。
【００１７】
例えば、マルチコアイメージングファイバ１００は、共通のクラッド１１２を有する少なくとも１０，０００個のコア１１０(おそらく５０，０００個のコア、１００,０００個のコア、または任意の中間もしくは他の数)を含み得、ファイバ１００の遠位端１００Ｂにおいて組織９０から画像放射線９５Ａを送達するように構成された近位チップ１００Ａを有する。画像放射１０５Ａは、コア１１０Ａ(例えば、０．５−２μｍ間、１−１．５μｍ間などの直径ｄｌを有する)に閉じ込められてもよく、コア１１０Ａは、コア１１０Ａ間のクロストークを防止するために、ファイバ断面積Ａ１(コア１１０Ａは、例えば、数μｍ、例えば、３〜５μｍ離間していなければならない)内に間隔を置いて配置されてもよい。断面１００Ａは、遠位端１００Ａからファイバ１００の全体にわたって広がっており、クラッド材料または構造１１２Ａによって囲まれ、画像放射１０５Ａがコア１１０Ａに閉じ込められた各コア１１０Ａを示すように示されている。コア１１０は、様々な程度の秩序を有することができ、ある程度のランダム性で繊維断面全体に分散させることができることに留意されたい。コア１１０間の間隔、すなわちピッチＬ１は、平均または中央間隔として理解することができる。
【００１８】
近位光学素子１２２は、遠位ファイバ端１００Ｂとセンサ８０との間に設定されてもよく、センサ８０に到達する放射線９５Ｂのフィルファクタを効果的に低減するために、コア１１０からの画像放射線を遠位ファイバ端１００Ｂの領域よりも小さい領域に収集するように構成されてもよい(フィルファクタは、画像放射線照射断面積とファイバ１００の全断面積との間の比として見られてもよい)。例えば、近位光学素子１２２は、センサ８０に到達する画像放射線９５ＢがＬ１よりも小さい有効ピッチであるように、個々のコアからより近い画像放射線をシフトするように構成された1つまたは複数のプリズムおよび/または回折格子を備えることができる。特定の実施形態では、送達された放射線９５Ｂは、コア１１０、および検出器８５および/または処理部１８０の空間順序を混合するようにシフトされてもよく、シフトされたコア画像放射線を再配置して正しい画像を形成するように構成されてもよい。例えば、複数の配向を有するプリズムまたはダンマン格子（Dammann grating(s)）(類似の解決策については図5Cも参照)を使用して、近位光学素子１２２を実装することができる。例えば、近位光学素子１２２は、ファイバ断面１００Ｂの領域に対して隣接するセンサ８０上のより小さい領域を満たすようにコア１１０から送達された画像放射を再配向することによって、例えば、ファイバ断面１００Ｂの３分の1以下の領域(例えば、コア１１０によって画定される領域)を有するセンサ８０を使用することを可能にするように、ファイバ断面内のコア１１０のフィルファクタ（a fill factor）を光学的に低減するように構成されてもよい。
【００１９】
本開示全体を通して、用語「遠位」は、内視鏡のインタフェース(検出器またはユーザの眼との)から遠く、撮像された組織およびその周囲に近いファイバ１００および/または内視鏡１５０の端部および関連する部分を指すために使用され、用語「近位」は、内視鏡のインタフェース(検出器またはユーザの眼)に近く、撮像された組織およびその周囲に遠いファイバ１００および/または内視鏡１５０の端部および関連する部分を指すために使用されることに留意されたい。コア１１０に関して、コア１１０は、単一の放射モードをサポートすることができ、または特定の実施形態では、コアは、コア１１０の開口数(ＮＡ)および直径ならびに送達される波長によって決定されるように、マルチモーダルであり、２つ以上の放射モードをサポートすることができることに留意されたい。
【００２０】
さらに、開示される実施形態のいずれかにおけるファイバ１００および/または内視鏡１５０は、近視野または遠視野画像、またはそれらの間の任意の画像位置のために使用されてもよいことに留意されたい。近接場画像化は、内視鏡ファイバの遠位端、典型的にはファイバのチップにおける(画像化された物体、組織、および/またはそれらの周囲の)画像の形成を指す。次いで、画像は、典型的には、ファイバを介して、場合によっては近位光学素子を介して、検出器に転送される。遠視野撮像は、内視鏡ファイバの遠位端(例えば、内視鏡ファイバの遠位端は、内視鏡の光学系の開口または瞳孔面にあってもよい)、典型的にはファイバのチップにおける、撮像された物体、組織、および/またはそれらの周囲のフーリエ変換の形成を指す。撮像された物体、組織、および/またはそれらの周囲の画像は、内視鏡ファイバの近位端で、典型的にはファイバの近位チップで、または場合によっては近位光学素子を介して検出器上に直接形成することができる。近視野および/または遠視野画像は、光学システムの様々な実施形態、例えば、画像された物体または組織とファイバチップとの間にいかなる光学素子も無い直接画像、または任意の光学素子(例えば、レンズ)を通した画像によって実施されてもよい。光学素子は、撮像された物体または組織と遠位ファイバチップとの間に配置されてもよく、遠位ファイバチップは、少なくともほぼ、光学素子のフーリエ面(遠視野撮像の場合、異なる状況では開口面および瞳孔面とも呼ばれる)または焦点面(近視野撮像の場合、異なる状況では画像面とも呼ばれる)にある。中間撮像はまた、ファイバ１００および/または内視鏡１５０にも適用可能であり、処理部は、空間構成(例えば、ファイバの遠位チップに対するフーリエおよび/または画像平面の相対位置)を決定し、組織から送達された放射線をそれぞれ処理するように構成される。
解決策の改善
【００２１】
特定の実施形態では、フーリエ領域が疎であり、少数のコアがスペクトル情報を送信するのに十分であるため(特に、コア１１０が周期的に順序付けられておらず、したがってフーリエのサンプリングが疎であり、撮像される物体の情報を適切に表すのにさらに良好である均一/周期的ではない場合)、内視鏡１５０は、ファイバ１００の遠位チップ１００Ａが撮像システムのフーリエ平面にあり(送達された放射線として撮像された組織のフーリエ変換を送達する)、送達された放射線中のピクセルの数によって決定される検出器８５における出力分解能を用いて(近接場撮像におけるようにコア１１０の数によってではなく)、遠視野撮像を提供するように動作されてもよい。特定の実施形態では、ファイバ１００の遠位端１００Ａを組織９０に対して対応する位置に設定することによるフーリエ平面のスパースサンプリング（sparse sampling）(遠視野撮像)を使用して、コア１１０間の隙間に対応する組織９０を撮像することの困難性を克服することによって、例えば、近視野撮像に関して圧縮された感知アルゴリズムを実施することによって、結果として得られる画像の解像度を改善することができる(例えば、図１Ａおよび図１ＢのピッチＬ１を参照)。
フォトニック結晶ファイバ
【００２２】
図２は、本発明のいくつかの実施形態による、マルチコアフォトニック結晶ファイバ１００の断面の高レベル概略図である。特定の実施形態は、マルチコアイメージングファイバ１００を含む内視鏡を含む。ある実施形態では、マルチコアファイバ１００は、少なくとも２つの型において複数の空気孔１０１から構成されるフォトニック結晶構造を有し得る:コア型空気孔１１０内に画像照射１０５を閉じ込めるように選択された特定のコアピッチＰ１においてファイバ横断面領域内に交差するコア型空気孔１１０、及びコア型空気孔１１０間のクロストークを防止するように選択された特定のクラッディングピッチＰ２においてファイバ横断面領域内に交差するクラッディングエアホール１１２(コア型空気孔１１０間)。コア直径(コアタイプの空気孔１１０およびクラッド空気孔１１２に対してDで示される)は、コアタイプの空気孔１１０内の画像放射閉じ込めを支持するように構成されても型(例えば、コアタイプ空気孔１１０の直径は、０．７−１μｍの間、例えば、０．９μｍであり得る)。
【００２３】
有利には、コアタイプの空気孔１１０を提供するために空気孔１０１を使用することにより、例えばポリ(メチルメタクリレート)(ＰＭＡＡ)、ポリスチレン(ＰＳ)などのポリマー材料で作られたコア１１０を通って進む放射線１０５の減衰が低減される。クラッド空気孔１１２は、ポリマーコアのような屈折率の差によるのではなく、クラッド構造の空間周期性により、放射１０５をその中に閉じ込めるために、各コアタイプ空気孔１１０の周りに周期構造（periodic structure）を形成するように設計される。実際には、マルチコアファイバ１００は、初めてマルチコアフォトニック結晶ファイバを提供するものとして見ることができる。例えば、特定の実施形態では、マルチコアファイバ１００は、同数のポリマーコアを有する同等のマルチコアファイバよりも、例えば１０ｃｍの長さ当たり２倍小さい減衰係数を有することができる。
剛性リンク・ジョイント構造
【００２４】
図３は、本発明のいくつかの実施形態によるハイブリッド内視鏡１５０の高レベル概略図である。内視鏡１５０は、それぞれの複数のジョイント１４０によって相互接続された複数の剛性画像中継素子１３０に光学的に結合された遠位マルチコアファイバ１００を含むことができる。遠位マルチコアファイバ１００、例えば、撮像ファイバは、その遠位端１００Ａにおいて組織９０から画像放射線９５Ａを受け取り、画像放射線を近位マルチコア撮像ファイバ１００の近位端１００Ｂに送達するように構成されてもよい。
【００２５】
剛性画像中継素子１３０は、ファイバ１００のコア材料よりもそれぞれの波長範囲においてより透明である材料から作られ、内視鏡１５０に沿った減衰の全体的な低減を提供することに留意されたい(例えば、剛性画像中継素子１３０は、ガラスから作られてもよく、一方、ファイバコア１１０は、より透明でないポリマーから作られてもよい)。例えば、剛性画像リレー素子１３０は、ガラス製のGRIN (グレーデッドインデックス)ロッド及び/又はレンズであってもよい。それぞれの複数のジョイント１４０によって相互接続された剛性画像中継素子１３０は、ファイバ１００を通って進行する放射線を放射線９５Ｂとして検出器８５(例えば、対応する光学素子を有するセンサ８０)に送達するように構成されてもよい。剛性画像中継素子１３０の遠位の1つは、対応するジョイント１４０Ａを介して遠位マルチコア撮像ファイバ１００の近位端１００Ｂに接続されてもよい。
【００２６】
ジョイント１４０Ａ、１４０は、剛性画像リレー素子１３０の互いに対する角度運動１３６Ａの際に、遠位マルチコア画像化ファイバ１００の近位端１００Ｂから送達された画像放射線を保存し、内視鏡１５０の近位端１００Ｃで画像放射線を送達するように構成され得る。
【００２７】
任意選択で、内視鏡１５０は、対応するジョイント１４０Ｂを介して剛性画像中継素子１３０の近位の1つに接続され、近位剛性画像中継素子１３０から検出器８５に画像放射線を送達するように構成された近位マルチコア撮像ファイバ１００−１をさらに備えることができる。
【００２８】
ジョイント１４０、１４０、１４０Ａ、１４０Ｂは、図示の設計原理に従って、隣接する剛性画像中継素子１３０(およびそこからの、それぞれファイバ１００、１００−１へのジョイント１４０Ａ、１４０Ｂに関する)間の画像化条件を保存する機械−光学的ジョイントとして設計されてもよく、その結果、光は、剛性画像中継素子１３０の異なる回転角度で、1つのリンクから次のリンクに連続的に結合される。内視鏡１５０では、画像は、剛性素子１３０間のある程度の可撓性と同様に維持され、これは内視鏡１５０の長さの大部分に十分であり得ることが強調される。マルチコアファイバ１００は、内視鏡１５０の撮像端部１００Ａにおいてのみ、場合によってはその検出器端部１００Ｃにおいてのみ使用されてもよい。そのような構成は、マルチコアファイバ１００の長さ(例えば、少なくとも部分的にポリマーコア１１０を通る光減衰による減衰、価格、光学性能など)に起因する制限無しに、長い内視鏡１５０を提供するために使用されてもよい。内視鏡１５０は、開示された構造を機械的に支持するためのスリーブ(図示せず)をさらに備えることができる。
【００２９】
特定の実施形態では、剛性画像中継素子１３０の少なくともいくつか、またはすべては、ガラスGRINリンクを備えることができ、ジョイント１４０は、隣接する剛性画像中継素子１３０またはファイバ１００、１００−１(それぞれジョイント１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ用)に機械的に接続された機械的ジョイント１３６内に配置された球状ボールレンズ１３５を備えることができる。球状ボールレンズ１３５は、隣接する剛性リンク１３０間の任意の角度関係で、送達された画像放射線を(近位方向に)近接して保存するように配置されてもよい。例えば、球面ボールレンズ１３５は、ジョイント１４０の一方の側に配置された1つのリンク１３０の出口面１３０Ａと、ジョイント１４０の他方の側に配置された次の隣接するリンク１３０の入口面１３０Ｂとの間の撮像条件を満たす距離で、機械的摺動リング１３６の中心に配置されてもよい。あるいは、球状ボールレンズ１３５の代わりに光学素子１３５を用いてもよい。球面ボールレンズ１３５などの光学素子１３５は、リンク１３０間に生成される任意の可能な角度(または機械的に制限される特定の範囲内の角度)について、1つのリンク１３０から次のリンク１３０への光の結合を生成するように構成されてもよい。
スペクトル多重化
【００３０】
図４Ａ〜４Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、内視鏡１５０およびその照明源１６０の高レベルの概略図形である。特定の実施形態は、特定の複数の別個の波長で照明６５を(例えば、1つ以上の照明ファイバ６０を介して)照射するように構成された照明源１６０(図４Ａ参照)を備える内視鏡１５０と、特定の複数の別個の波長で検出された放射線９５Ｂを復号するように構成された分光計１６２(センサ８０および任意選択で光学素子８２に加えて)を備える検出器８５と、コア１１０を通って検出器８５に、照明源１６０から照明６５によって照明された組織９０から受け取った画像放射線９５Ａを送達するように構成されたマルチコア撮像ファイバ１００と、コア１１０のそれぞれの復号された画像放射線から、特定の複数の別個の波長に対応する画像データを導出するように構成された処理部１８０とを備える。複数の別個の波長で照明を同時にまたは順次適用し、各コア１１０について複数の波長に関して受信画像を分析することは、本明細書ではスペクトルまたは波長多重化と呼ばれる。
【００３１】
例えば、図４Ｂに概略的に示されるように、複数の入力ファイバ１６２は、照明ファイバ６０を通って組織９０に送達される照明６５に放射を結合するマルチプレクサ１６５(例えば、波長分割マルチプレクサ(WDM))に、狭帯域放射として別個の波長(λ１・・・λＮで示される)を送達するように構成され得る。したがって、狭帯域入力ファイバ１６２0は、マルチプレクサ１６５を介して結合されて、同時にまたは時間的に分離された複数の別個の波長を送達することができる。同様に、図４Ｃに概略的に示されるように、分光計１７０は、マルチコアファイバ１００から放射９５Ｂを受信し、デマルチプレクサ１７５、例えば、波長分割マルチプレクサ/デマルチプレクサ(WDM)(おそらくWDM１６５と同じでさえある)によって、それを別個の波長１７２(λ１・・・λＮで示される)に分離することができる。結果として得られる狭帯域放射チャネル１７２は、例えば、光学系８２を介してセンサ８０に送達されてもよく、結果として得られるデータは、各コア１１０から複数のデータチャネルを導出するように構成されてもよい処理部１８０に送達されてもよい。したがって、波長多重化は、別個の波長の数、および画像化に使用されるスペクトル内の狭帯域波長範囲(例えば、約４００〜７００ｎｍの可視範囲において、３ｎｍの帯域幅は、Ｎ＝１００個の別個の波長を提供し、これは、λ１・・・λ１００として示される)を密集させる能力に応じて、おそらく数十、数百、または数千のファクタだけ、各コア１１０を通過する情報コンテンツを大幅に増加させるように構成され得る。
【００３２】
開示された波長多重化は、多機能マイクロ内視鏡１５０を実施するために、内視鏡１５０の分解能を向上させるために、および/または撮像に加えてOCT(光コヒーレンストモグラフィ)、分光分析などの追加の機能またはモダリティを組み込むために使用されてもよい。
例えば、OCTアプリケーションを使用して、内部組織９０の深さ情報を抽出することができる。特定の実施形態では、内視鏡１５０は、フルフィールドフーリエ領域OCTアプリケーションによってスキャンされた波長の範囲で複数の２Ｄ画像を取り込み、処理することを可能にするスペクトルスキャン能力を有するように構成された照明源１６０を用いて、フーリエ領域OCTを実施するように構成されてもよい。特定の実施形態では、照明源１６０は、スペクトル的に調整可能であるように構成されてもよく、複数の波長における画像は、各ピクセル当たりのスペクトル情報を有する２Ｄ空間画像を提供するために、波長の範囲の各(時間走査)後に処理部１８０によって捕捉され、組み立てられてもよい。特定の実施形態では、各種スペクトル範囲、例えば、蛍光顕微鏡用の蛍光バンドまたは他の特定の範囲を走査することができ、内視鏡１５０の汎用性および機能性の数をさらに高める。
【００３３】
マルチコアイメージングファイバ１００および内視鏡１５０は、本明細書に開示される実施形態のいずれかとして、例えば、近位テーパ付き端部１２０を有するマルチコアイメージングファイバ１００として、マルチコアフォトニック結晶ファイバ１００として、および/または、ジョイントで相互接続された剛性イメージリレー素子１３０に光学的に結合された遠位マルチコアファイバ１００を有する内視鏡１５０として実装されてもよい。
【００３４】
図４Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、照明源１６０における時間スペクトル多重化の高レベル概略図形である。照明源１６０は、指定された複数(N)の別個の波長の範囲のための広帯域ブラッグ（Bragg）・フィルタ・ミラー１６１と、対応する別個の波長のためのＮ個の狭帯域ブラッグ・フィルタ・ミラー１６７に接続された制御可能な1対Ｎスイッチ１６４とを備えるファイバ・レーザ１６２を備えることができ、各狭帯域ブラッグ・フィルタ・ミラー１６７は、対応する別個の波長のみを反射するように設計されている。
１対Ｎスイッチ１６４は、電気的に(または機械的に、光学的になど)制御することができる。照明源１６０は、ブラッグフィルタミラー１６１と、接続されたＮ個の狭帯域ブラッグフィルタミラー１６７を有する制御可能な1対N切替１６４との間に接続された励起ゲインファイバ媒体１６３をさらに備えることができる。照明源１６０は、Ｎ個の狭帯域ブラッグフィルタミラー１６７からの照明放射を結合し、照明ファイバ６０を介して組織９０に送達される照明６５を、別個の波長の1つまたは複数の範囲に対して同時に、または時間的に調整可能な方法で提供するように構成されたマルチプレクサ１６５(例えば、WDM)をさらに備えることができる。
【００３５】
図４Ｄに示される構成は、図４Ｂに関して図４Ｃに概略的に示されるように、分光計１７０、例えば、狭帯域イメージング検出を提供するように構成される分光計１７０として使用されるように反転されてもよいことが強調される。特定の実施形態では、狭帯域イメージング検出は、癌性組織の改善された診断のために使用され得る。
【００３６】
スペクトル多重化の代替的または相補的な実施は、複数の波長特定のビームスプリッタまたは格子を備えてもよく、これらのビームスプリッタまたは格子は、複数の狭帯域スペクトル範囲をλ１・・・λＮで提供するように構成される。スペクトル多重化は、分解能、視野、作動距離、焦点深度、３Ｄ能力などのファイバ１００および内視鏡１５０の様々な特性のいずれかを、各コア１１０を介して送達される情報の量に(スペクトル範囲およびスペクトル分解能に応じて)１０係数、１００係数、または１０００係数さえ乗算することによって向上させるために使用され得る。これらの強化は、内視鏡１５０内の1つ以上のファイバモジュールに関して実行されてもよく、および/または内視鏡内のいくつかのファイバモジュールを使用する必要性に取って代わって実行されてもよい(ファイバモジュールは、画像送達を協働的に処理する関連するファイバ１００を指す)。スペクトル多重化はまた、複数の波長に対応するコア１１０当たりの複数の入力を利用して、様々な手段によって達成される超解像撮像を実施するために使用されてもよい。
波長多重超解像イメージング
【００３７】
図５Ａ〜５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、波長多重化超解像撮像を実施するように構成された、内視鏡１５０およびその照明源１６０の高レベル概略図形である。内視鏡１５０は、広帯域照明源１６０(例えば、白色光源)を有するように構成され得、そして広帯域照明を空間的に分割し、組織９０上の異なる位置に異なる狭帯域波長範囲を送達するように構成された空間エンコーダ１６６を備え得る(図５Ａにおいてパターン６６として概略的に示され、図５Ｂは、パターン６６についての非限定的な例を示す)。空間エンコーダ１６６は、例えば、1つ以上の格子のような分散光学素子、1つ以上のプリズムのような透過光学素子、および/または場合によっては、DLP(デジタル光処理素子)、ミラーアレイ等のような素子と組み合わせて、広帯域照明から個々の波長λ１・・・λＮを分離し、組織９０上の異なる位置に異なるλ１・・・λＮを送達するために、上記に開示されるようなデマルチプレクサ１７５を備えてもよい。
【００３８】
例えば、波長範囲λ１・・・λＮは、図５Ｂに例示される折り返し線形パターン６６で走査されて、異なる波長λ１・・・λＮによって照射される異なる位置を有する所与の領域９０Ａをカバーすることができる。空間スペクトル分解能は、波長当たりのより大きな位置を有するより大きな領域９０Ａ、または波長当たりのより小さな位置を有するより小さな領域９０Ａをカバーするように構成されてもよく、あるいは、別個の波長(N)の数および/または波長範囲(λ１・・・λＮ)は、スペクトル符号化された空間分解能を増加または減少させるように構成されてもよい。
【００３９】
したがって、照明６５は、波長によって空間的に符号化されるように構成することができ、場合によっては指定されたパターン６６に従って、異なる波長で組織９０上の各位置を照明する。図５Ｃは、照明パターン６６の光学的実施のための非限定的な例を概略的に示し、すなわち、スペクトルラスタ分割を実施するための第1の格子１６８と、組織９０の全視野を完全に照明するためにスペクトルラスタ符号化を複製するように構成された第２のダンマン様格子（Dammann-like grating）１６９とを使用し、組織９０のすべての組織領域９０Ａ上のパターン６６を照明することによる(図５Ｃに非常に概略的な様式で示される)。空間エンコーダ１６６は、格子１６８、１６９を有する白色光照明６４を使用して、組織９０のすべての組織領域９０Ａに複数の照明パターン６６を送達し、各組織領域９０Ａからの放射線が異なるコア１１０に送達されるように構成されてもよい。符号化放射線６５は、組織領域９０Ａのパターン６６を投影するために(組織９０からの光学素子１６８Ａの距離が光学素子１６８Ａの焦点長さＦに等しい状態で)、例えば、集束符号化放射線６５を送達するように構成された、1つまたは複数の光学素子１６８Ａを通して組織９０に送達されてもよい。
【００４０】
ファイバ１００は、スパースコア１１０(図１Ａ、図１Ｂ参照)を有するように構成されてもよく、コア１１０のいくつかまたは各々は、領域９０Ａからの放射１０５Ａを全パターン６６(または場合によってはその一部)によって照射され、その結果、任意の２つのコア１１０間の領域は、波長λ１・・・λＮ多重化されて、コア１１０内で導かれる各空間ピクセルが、パターン６６に従って異なる波長によって符号化される情報の実際に多くの空間点を含むようにすることができることを強調しておく。したがって、結果として得られる画像は、空間デコーダ１７６によって分析され、コア１１０の数よりもはるかに多くの情報の空間ピクセルを有することができる(例えば、コアの数の最大Ｎ時間)。
【００４１】
したがって、組織９０からの放射線９５Ａは、同様に空間スペクトル的に符号化されてもよく、マルチコアファイバ１００は、領域９０Ａ内の異なる位置を符号化する複数の波長を含む、組織９０の領域９０Ａ(概略的に示される)からの放射線９５Ａを検出器８５に送達するように構成されてもよい。したがって、各コア１１０は、組織９０(例えば、領域９０Ａ)上の複数の位置からスペクトル的に符号化された情報を送達するように(例えば、集束および非集束によって)構成され得る。検出器８５は、分光計１７０(例えば、図４Ｃおよび/または４Ｄに開示された原理を使用して、上で開示されたように実装される)と、スペクトル情報から空間反射率情報を復号するように構成された空間復号器１７６とを備え、各コア１１０にＮ個のデータ点を提供することができる。したがって、各コア１１０は、組織９０のスペクトル的に符号化された領域９０Ａに対応する、センサ８０上の複数のピクセルのためのデータを送達するために使用され得る。
【００４２】
特定の実施形態は、特定の複数の空間的に符号化された別個の波長であって、異なる波長が特定の空間スペクトルパターン６６に従って、組織上の異なる位置を照射する、照明６５を照射するように構成された空間エンコーダ１６６と、特定の空間スペクトルパターン６６に従って、検出された複数の別個の放射線９５Ｂを復号するように構成された、分光計１７０および空間デコーダ１７６を備える検出器８５と、コア１１０を備え、コア１１０を通って検出器８５に(９５Ｂ)を送達するように構成された、マルチコア撮像ファイバ１００と、照明源１６０によって照射された組織９０から受光された画像放射線９５Ａ(少なくともいくつかの、または各コア１１０は、特定の空間スペクトルパターン６６によって照射された組織領域から画像放射線９５Ａを送達するように構成される);および、単一コア１１０の空間スペクトル的に復号された検出画像放射線９５Ｂから、各コア１１０によって送達された画像放射線から、特定の複数の別個の波長λ１・・・λＮに対応する画像データを導出するように構成された処理部１８０と、を備える照明源１６０を備える内視鏡１５０を備える。特定の実施形態では、空間エンコーダ１６６は、広帯域(例えば、白色光)照明を指定された複数の別個の波長λ１・・・λＮに分割するように構成された第1の格子１６８と、分割された広帯域照明を組織９０の異なる領域に対応する複数のパターン６６に複製するように構成された第2の格子１６９とによって実装されてもよい。
スペックル（Speckle）低減
図６は、本発明のいくつかの実施形態による、マルチモードマルチコア照明ファイバ１０２を有する内視鏡１５０の高レベル概略図である。特定の実施形態では、照明源１６０は、単一モード、マルチコア照明ファイバ１０２を通して照明１０４を照射して、大面積コアを有するマルチモード照明ファイバによるなど、異なるタイプの照明よりも均一で、より大きなスペックルを有するスペックルパターン１０８を組織９０上に生成するように構成されてもよい。単一モード、マルチコア照明ファイバ１０２は、(製造プロセスのために)それぞれの光チャネルのほぼ同一の軸方向長さを有する複数のコアを通して照明を送達しながら、同等の量の照明またはエネルギーを送達するために、単一コアマルチモード照明ファイバとほぼ同じ領域を有するように構成されてもよい。光路は実際上同一であるので、結果として生じるスペックルパターン１０８は、(寸法が小さい異なるコアから来る光の干渉による)大きなスペックルからなり、単一コアマルチモード照明よりも均一である。有利なことに、より大きなスペックルは、より単純なスペックル平均化および低減を必要とし、したがって、結果として得られる画像品質および必要とされる処理能力に関して有利である。さらに、シングルモードマルチコア照明ファイバ１０２のコアは、照明チャネルおよびパターン１０８におけるスペックルのサイズを最大化するために、コアのサイズおよび数に関して最適化され得る。照明ファイバ１０２の遠位チップの処理(例えば、異なるコアを介して送達される照明放射のコヒーレンスを向上させるように構成されてもよい)。処理部１８０は、シングルモードマルチコア照明ファイバ１０２によって、照射１０４から、送達された画像放射９５Ｂ、スペックルパターン１０８を識別し、除去するように構成されてもよい。
【００４３】
特定の実施形態では、照明は、スペックル形成の均一性を完全に向上させる際に追加の柔軟性を提供するために、少数の多重モード(例えば、２〜１０モード、または数十、例えば、１０〜３０モード)を有するコアを有する1つまたは複数の多重モード多重コア照明ファイバ１０２によって実施されてもよい。特定の実施形態では、照明スポットの形状は、画像処理によって、スポットサイズに依存する二次スペックルパターンを除去するように変調されてもよい。特定の実施形態では、処理部１８０は、照明スポットの形状、直径、及び/又は空間モードのいずれかのような少なくとも1つの照明スポットパラメータに関して、例えば指定されたパターンに従って、照明源１６０を介して照明１０４を変調するように構成されてもよい。処理部１８０は、検出器８５によって検出されるように、照明スポットの画像における結果として生じる変化を分析し、画像化された組織ではなく二次スペックルパターンに関連するものとして、指定されたパターンに従って変動する画像の特徴を除去するために、指定されたパターンを使用するようにさらに構成されてもよい。有利には、二次スペックルパターンのコントラストは、大幅に低減され、画像品質は大幅に改善される。
除去可能な二次スペックルパターンは、照明１０４を変調することによって修正され得る特徴に関連し、一方、例えば、照明１０４が実行されるディフューザ(図示せず)のサイズに関連する特徴など、いくつかの残存する一次スペックルパターンが残り得ることに留意されたい。
ハイブリッドイメージングファイバ
【００４４】
図７Ａおよび７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、数十のモードを有するマルチモードコアを有するマルチコアファイバ１００を有する内視鏡１５０の高レベル概略図形である。マルチコアファイバ１００は、コア１１０がシングルモードコアではなく、何百または何千ものモードをサポートする通常のマルチモードコアでもないという意味で、ハイブリッド型マルチコアファイバ１００を実装するために、比較的少数のコア、例えば、数十のモード(例えば、１０、３０、５０、８０)または数百のモード(例えば、１００、１５０、２００)を有するように構成されてもよい。相補的に、処理部１８０は、ハイブリッド・マルチコア・ファイバ１００の曲がりにおけるモード混合によって引き起こされ得る歪みを除去するように構成されたモードデカップリングモジュール１８４を備えることができる。有利なことに、マルチモードコアの使用は、送達される放射線９５Ｂの情報内容を増加させるが、内視鏡１５０は、モード混合による歪みを除去する際の計算上の労力が許容可能であり、そのような用途のために利用可能なプロセッサによって達成可能であるため、数千または数万ものモードをサポートする従来技術のファイバほどファイバ１００の曲げに敏感にならない。
【００４５】
ファイバ１００が動作中に曲げられると、異なるモードが混合され、それらを通って導かれる画像が歪められるが、歪みは、例えば、モード結合モジュール１８４による深い学習ニューラルネットワークアルゴリズムを適用することによって反転されてもよい。すべてのコア１１０は少数のモード(例えば、通常のマルチモードファイバよりもはるかに少ない数十のモード)を有するので、曲げによるモード混合の反転をリアルタイムで実行することができる。
【００４６】
特定の実施形態(例えば、非限定的な例として図７Ｂを参照)では、照明源１６０は、組織９０上に点(または任意のパターン)６７を投影するように構成されてもよく、処理部１８０は、(ファイバ１００によって撮像され、画像９５Ｂとして概略的に示される組織９０の領域９０Ｂ内の)ファイバ１００を通して送達されるその画像９７(概略的に示される)内の照明された点(またはパターン)６７の歪みを分析することによって歪みを推定するように構成されてもよい。モード結合モジュール184は、照射点またはパターン６７の歪み推定を使用して歪みクリーニング計算を強化するように構成されてもよい。有利なことに、全体の分解能は、処理部１８０の処理能力に過度の過負荷を加えることなく、著しく増大される。例えば、例示的な非限定的な例では、２０，０００個のコア１１０を有する４５０×４５０ミクロンのファイバ１００を想定し、各コア１１０が１００個のモードを有すると仮定すると、コア１１０がシングルモードである場合、受信画像(９５Ｂ)は、２０Ｋ個のピクセルのみではなく２Ｍ個のピクセルを有することになる。ハイブリッドファイバ１００の特定の実施形態は、マルチコアファイバにおいてシングルモードコアを製造する際の困難さと、マルチモードファイバにおける剛性の要件(修正することができないモードの混合を防止するため)との両方を回避して、比較的少ない数のモードによる曲げに対する感度が低減されたマルチモードマルチコアファイバを使用する場合の情報増加の利点を組み合わせる。
強調・ズームの視野
【００４７】
図８Ａおよび８Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、視野が強化された内視鏡１５０の高レベルの概略図形である。特定の実施形態では、内視鏡１５０は、内視鏡１５０およびファイバ１００の遠位チップを曲げる必要なく、広い視野を有するように構成されてもよい。視野を増大させるために内視鏡１５０の遠位チップを曲げる一般的な慣行は、内視鏡１５０の遠位チップを取り扱うために(その曲げ半径が限られているために)組織９０の近くに大きな体積を必要とするが、開示された実施形態では、視野の大きな拡張を提供する開示された遠位チップ光学素子１９０を収容するためにはるかに小さな体積が必要とされることに留意されたい。遠位チップ光学素子１９０は、図８Ａに概略的に示されるように、ファイバ１００の視野(１９２Ｂ)を変化させるように構成された相対変位１９２Ａとともに、互いに対して(それらの光軸に対して垂直に)制御可能に変位可能であるように構成されてもよい。
【００４８】
図形８Ｂに概略的に示すように、非限定的な例では、遠位チップ光学素子１９０は、負の焦点距離を有する第1のレンズ１９１Ａと、ファイバ１００の遠位チップ１００Ａにおいて正の焦点距離を有する第２のレンズ１９１Ｂとを含むことができる。レンズ１９１Ａ、１９１Ｂの相対位置のシフト１９２Ａは、チューナブルプリズム(以下の式１を参照)を実施するように構成されてもよい。遠位チップ光学素子１９０を用いて、レンズ１９１Ａ、１９１Ｂを互いに対してシフトさせる(１９２Ａ)ことは、内視鏡１５０の遠位チップを曲げることを必要とせずに内視鏡１５０の遠位チップのサイズのみを増加させることによって、内視鏡１５０の視野(１９２Ｂ)を増加させ、これは、利用可能な大きな自由体積を必要とする。さらに、レンズ１９１Ａ、１９１Ｂ間の距離(１９２Ａ)を変更することは、光学ズーミングを実現するように構成されてもよい(代替的に、または場合によっては視野強調に加えて)。機構１９４は、レンズ１９１Ａ、１９１Ｂの間で(それらの光軸に対して垂直に)シフト１９２Ａを実行するように構成されてもよい。例えば、機構１９４の機械的実施は、レンズ１９１Ａ、１９１Ｂに接続された制御可能な可動スリーブ、および/または内視鏡１５０のナビゲーション遮光(図示せず)に接続された既存のバネと同様のバネを備えることができ、これらのバネは、これらの素子の長手方向シフト１９２Ｃをレンズ１９１Ａ、１９１Ｂの垂直シフト１９２Ａに伝達することができる。
【００４９】
以下の式１は、レンズ１９１Ａ、１９１Ｂ間の相対シフトを変化させること(式１の左側の式)が、レンズ１９１Ａ、１９１Ｂ間の相対シフト(１９２Ａ)の量に比例する角度を有するプリズム(式１の右側の式)と等価であり、Ｔ（ｘ）は、図８Ｂに概略的に示されるように、レンズ１９１Ａ、１９１Ｂの全体的な透過式を表し、絶対値で同じ焦点距離Fを有し(−Ｆを有するレンズ１９１Ａおよび＋Ｆを有するレンズ１９１Ｂ)、それらの間に２Δｘの相対横方向シフトを伴って連続的に配置され、λは、光学波長を表すことを実証する。
【数１】
2020527972.tif 000003
エミュレートされたプリズムの全体的な透過式(式1の右側の式)は、2つのレンズ１９１Ａ、１９１Ｂの間の正確に相対的なシフトである２Δｘのファクタだけ得られた画像をシフトする結像レンズの開口面上に配置されたプリズムを反映する。(Δｘを変化させることによって)シフト量を調整する(１９２Ａ)ことによって、ファイバ１００の視野を走査することができ、所与の結像レンズの単なる物理的視野よりも大きな視野を提供する。
長手方向検知内視鏡
【００５０】
図９Ａ〜９Ｃは、本発明のいくつかの実施形態による、長手方向検知内視鏡１５０の高レベル概略図形である。特定の実施形態では、内視鏡１５０は、その長さの少なくとも一部に沿って感知能力を有するように構成されてもよい。例えば、ファイバ１００は、図９Ａ〜９Ｃに概略的に示されるように、ファイバ100の側面からの放射がファイバ１００の周辺コアHOCに入ることを可能にするように構成された複数の周辺放射入射位置１９５(「窓」)を有するように構成されてもよい。異なる周辺コアHOCは、内視鏡１５０に沿った周辺放射線入射位置１９５の対応する構成によって、例えば、血管などの身体導管９１に沿った位置から、異なる位置から放射線９５Ｃを受け取るように、ファイバ１００に沿って構成され得る。照明ファイバ６０は、ファイバ１００による周囲組織９１からの反射放射線９５Ｃの感知を改善または可能にするために、内視鏡１５０に沿って放射線６５Ａを放出するように構成されてもよい。
【００５１】
例えば、周辺放射線入射位置１９５は、円１９５内に配置することができ、各円１９５は、図９Ｂに概略的に示すように、異なる周辺コアHOCに接続される。そのような構成は、内部コア１１０が上記で説明された画像化に使用されている間に、周辺コアHOCの読み出しを抽出することによって、その長手方向軸に沿った組織９１からのファイバ１００の距離を抽出するために使用されてもよい。したがって、長手方向の感知を使用して、内視鏡１５０の制御を改善し、組織９１に対する横方向の損傷を回避し、組織９１に関するデータを提供することができる。特定の実施形態では、円１９５のような周辺放射線入射位置１９５は、ファイバ１００を生成するために、プリフォームの延伸中にプリフォームの制御されたねじれによって形成されてもよい。図９Ｃは、本発明者らによって製造されたスリット１９５を有するこのような実際のファイバ１００の非限定的な例を提供する。
【００５２】
内視鏡１５０は、ファイバ１００の遠位チップから送達された画像データ１９７に加えて、指定された周辺コアを通して送達された放射線９５Ｃから長手方向データ１９８を導出するように構成された処理部１８０をさらに備えることができる。照明ファイバ６０は、それに対応して、組織９０をその遠位端で照明６５することに加えて、内視鏡１５０に沿って放射線６５Ａを放出するように構成されてもよい。内視鏡１５０は、さらに、例えば処理部１８０を介して、その長さに沿ってファイバ１００に近接した組織９１の指標を導出するように構成されてもよい。
波面検知
図１０は、本発明のいくつかの実施形態による波面感知内視鏡１５０を示す高レベル概略図である。内視鏡１５０は、組織９０上の特定の複数の空間的に異なる位置で照明６５を照射するように構成された照明源１６０、コア１１０内の複数の放射線モード、例えば２〜６モードのいずれか、または恐らく２〜１０または２〜２０モードのいずれかを支持するように構成された検出器８５およびマルチコアファイバーイメージングコア１１０を画像マルチコアファイバーイメージングコア１００を備えることができる(理論によって束縛されることなく、モードの数をV、モードの数をＡ、コア１１０の断面積をNA、コア１１０およびλの数値の開口をNAとすると、Ｖ＝π・Ａ・（ＮＡ／λ）２に従い構成される、以下の詳細な解析を参照)。マルチコアイメージングファイバ１００は、マルチモードコア１１０を介して、照射源１８０によって照射された組織９０から受け取った波面放射線９６を検出器８５に送達するように構成され得る。波面放射９６は、遠位ファイバチップ１００Ａにおける光学素子無しでコア１１０を通して、または遠位ファイバチップ１００Ａと組織９０との間の光学素子１１４(例えば、穿孔、小型レンズ、Shack Hartmann干渉計構成、ピンホールアレイ構成など)によって修正され得る修正波面放射９６Ａとして送達され得る。例えば、光学素子１１４は、波面放射９６の断面をコア１１０に集束させて、波面放射９６内の位相情報が、マルチコアファイバ１００に沿ってコア１１０を通して送達される空間情報(例えば、双方向矢印によって概略的に示される直交焦点並進)に修正される修正波面放射９６Ａを生成するように構成されてもよい。内視鏡１５０は、送達された波面放射９６および/または９６Ａから、例えば、コア１１０の各々またはいくつかに関連するスポット位置変化量に従って、波面放射９６から導出された３次元(３Ｄ)画像データ１８２を導出するように構成された処理部１８０をさらに備えてもよい。スポット位置の変化は、それぞれのコア１１０に入る波面の角度を示す。
【００５３】
このような構成の一例を以下に示す。マルチモードコア１１０によってサポートされるモードの数は、コア１１０の情報配信容量と、ファイバ１００の曲げに対する配信モードの感度との間のトレードオフとして選択されてもよい(例えば、曲がりにくい構成、コア１１０は、より多くのモードをサポートするように構成されてもよい)。このトレードオフは、以下で説明され、ファイバ１００は、様々なトレードオフを実施するように構成されてもよく、コアは、様々な数のモードをサポートする。モード(V)の数は、数学的開口を表すNA、光の波長を表すコアの半径をa、光の波長を表すλ、対応する屈折率を表すｎｃｏｒｅおよびｎｃｌａｄｄｉｎｇによって式2で表すことができる。
【数２】
2020527972.tif 000004
【００５４】
単一モード条件はＶ＜２．４０５を必要とし、モード数(M)は２・（Ｖ／２．４０５）２に比例し、特にステップインデックス線維Ｍ＝４Ｖ２／π２に比例する。コア１１０間のクロストークに関するモード数のトレードオフは、光コア１１０を通って伝播する技術分野のガウスプロファイルの幅(その最大値の1/eである技術分野値に対して定義されるWによって示される)と、V(モード数)および(コア半径)に関して式3で表されるコア１１０間のピッチLとによって表すことができる。例えば、コア１１０間のクロストークを防止するための条件は、ピッチ(L)とコア半径(a)との間の関係を提供するＬ＞２Ｗとして定義することができる。
【数３】
2020527972.tif 000005
【００５５】
そのような条件は、コアマルチモード構成によって達成可能な３Ｄ解像度に関してファイバ設計においてバランスをとることができ、これは、以下のように表すことができる。空間における３Ｄ解像度は、ピッチサイズＬ(コアサイズに関連する)に等しく、波面９６に対する位相φ感受性における解像度は、あらゆる軸(yおよびx)における２π／√Ｍに等しい。したがって、軸方向Zに沿った伝播方向の角度感受性、ΔθＺを表し、近似して式4で表すことができる。
【数４】
2020527972.tif 000006
【００５６】
ΔθＺとVとの間の逆数関係は、モードの数(V)を増加させると、(より小さい角度Δθを感知することができるので)感度が改善されるが、上述のように、Vを増加させると、ファイバの曲げに対する感度も増加する(モード結合による漏話が増加する)ことを示す。曲げ角の低下(ファイバの曲げ半径に影響する)は、モード数のルート、√Ｍに比例し、これは４ａ・ＮＡ／λに比例する。
【００５７】
式２〜４および上記の考察は、機械的要件および波面感知(３Ｄ解像度)要件に関して内視鏡性能を最適化するために特定のファイバ構成を実施することができる方法を明確に記載している。内視鏡の種々の用途は、ファイバ剛性、コアパラメータ(サイズおよびピッチ)、および達成される空間分解能に関して異なるファイバ構成を暗示することができる。
【００５８】
波面感知内視鏡１５０は、本明細書に開示される実施形態のいずれかとして、例えば、近位テーパ付き端部１２０を有するマルチコア撮像ファイバ１００として、マルチコアフォトニック結晶ファイバ１００として、および/または、ジョイントで相互接続された剛性画像中継素子１３０に光学的に結合された遠位マルチコアファイバ１００を有する内視鏡１５０として実装されてもよいことに留意されたい。
【００５９】
図１１は、本発明のいくつかの実施形態による方法２００を示す高レベルフローチャートである。方法段階は、上述の内視鏡１５０および/またはファイバ１００に関して実行されてもよく、これらは、任意選択で、方法２００を実施するように構成されてもよい。
【００６０】
方法２００は、少なくとも1つのコンピュータプロセッサによって少なくとも部分的に実装され得る。特定の実施形態は、方法２００の関連する段階を実行するように具現化され、構成されたコンピュータ可読プログラムを有するコンピュータ可読記憶媒体を備えるコンピュータプログラム製品を含む。方法２００は、装置内視鏡１５０および/またはファイバ１００を製造、準備、および/または使用するための段階(例えば、それらの順序に関係なく、以下の段階のいずれか)を含み得る。
【００６１】
方法２００は、ファイバの遠位端で組織から画像放射線を送達するように構成された、共通のクラッドを有する少なくとも１０，０００個のコアを備えるマルチコア撮像ファイバの近位チップを断熱的にテーパ付けするステップ(段階２１０)を含むことができ、画像放射線はコアに閉じ込められ、コアは、それらの間のクロストークを防止するためにファイバ断面積内に間隔を置いて配置され、断熱的にテーパ付けされた近位チップ(段階２１５)は、１ｃｍより短く、マルチコア撮像ファイバに対して少なくとも３分の１に低減されたファイバ断面積およびコア直径を有するように構成され、画像放射線が狭められたコアから出て、隣接するセンサに画像放射線を送達することを可能にする。いくつかの実施形態は、センサ上のより小さい領域を満たすようにコアから送達された画像放射を再配向することによって、送達された画像のフィルファクタを光学的に低減することを含む(段階２１７)。
【００６２】
方法２００は、複数の空気孔から構成されるフォトニック結晶構造(段階２２０)からマルチコアファイバを構成することを含み得、これは、少なくとも２つの型、すなわち、コア型の空気孔、コア型の空気孔内に画像放射を閉じ込めるように選択された特定のコアピッチでファイバ断面積内に間隔を空けられたコア型の空気孔、およびコア型の空気孔間にクラッド空気孔、コア型の空気孔間のクロストークを防止するように選択された特定のクラッドピッチでファイバ断面積内に間隔を空けられたクラッド空気孔内に間隔を空けられたクラッド空気孔、にあるように空気孔を設計することによる。
【００６３】
方法２００は、遠位マルチコア撮像ファイバおよび複数の剛性画像中継素子から内視鏡を構成するステップ(段階２３０)を含むことができ、遠位マルチコア撮像ファイバは、その近位端で組織から画像放射線を受け取り、画像放射線を遠位マルチコア撮像ファイバの遠位端に送達するように構成され、剛性画像中継素子をそれぞれの複数のジョイントによって相互接続し(段階２３５)、剛性画像中継素子の遠位の1つが、対応するジョイントを介して遠位マルチコア撮像ファイバの近位端に接続される。ジョイントは、剛性画像中継素子が互いに対して角運動すると、遠位マルチコア撮像ファイバの近位端から送達された画像放射線を保存し、内視鏡の近位端に画像放射線を送達するように構成される。
【００６４】
方法２００は、近位の剛性画像リレー素子から画像放射線を送達するために、近位のマルチコア画像ファイバ(段階２３７)を、対応するジョイントを介して剛性画像リレー素子の近位の1つに接続することをさらに含んでもよい。方法２００は、送達された放射線の情報内容を強化するためにスペクトル多重化を使用すること(段階２４０)と、各コアを通って送達された放射線をスペクトル的に符号化することと、コア当たり複数のデータ点をそこから復号すること(段階２４５)とを含むことができる。例えば、方法２００は、指定された複数の別個の波長によって組織を照射するステップと、照射された組織から受け取った画像放射線をマルチコアイメージングファイバの複数のコアのそれぞれを通して送達するステップと、コアのそれぞれについて、指定された複数の別個の波長内の検出された放射線を復号するステップと、コアのそれぞれの復号された検出された画像放射線から、指定された複数の別個の波長に対応する画像データを導出するステップとを含むことができる。方法２００は、複数の波長に対応するコア当たりの複数の入力を利用して超解像撮像を実施するステップ(段階２４７)をさらに含むことができる。
【００６５】
方法２００は、例えば、指定された空間スペクトルパターンで指定された複数の別個の波長によって組織を照射すること、マルチコアイメージングファイバの複数のコアの各々を通して照射された組織から受け取った画像放射線を送達すること、コアの各々について、指定された空間スペクトルパターンに従って指定された複数の別個の波長で検出された放射線を復号すること、およびコアの各々の復号された検出された画像放射線から、指定された複数の別個の波長に対応し、指定された空間スペクトルパターンに従って画像データを導出することによって、空間スペクトル符号化および照明の復号を使用して、空間スペクトルパターン化照明によって空間分解能を向上させることを含むことができる(ステージ２５０)。
【００６６】
方法２００は、単一モードのマルチコア照射ファイバによって組織を照明してスペックルサイズを増大させ、場合によってはスペックル効果を除去すること(段階２６０)を含むことができ、例えば、単一モードのマルチコア照明ファイバを使用してマルチコアイメージングファイバによって撮像された組織を照明し、任意選択で、マルチコアイメージングファイバによって送達された画像放射、単一モードのマルチコア照明ファイバによる照明からのスペックルパターンを識別し、画像放射から除去することができる。方法２００は、照明スポットの形状を調節することと、スポットサイズに依存する二次スペックルパターンを画像処理によって除去することとをさらに含むことができる(段階２６２)。
【００６７】
方法２００は、１０〜１００のモード間をサポートするように構成されたコアを有するマルチコアイメージングファイバによって照明された組織を撮像することと、ファイバによって送達された画像放射からモード混合歪みを除去することによってモードを切り離すこととを含むことができる(段階２７０)。方法２００は、例えば、遠位チップ光学素子を互いに対して制御可能に変位させてファイバの視野を変化させることによって、場合によっては、反対の焦点距離+Fおよび−Fを有する遠位チップ光学素子を使用して、その遠位チップに調節可能プリズムを実装することによって、撮像ファイバの視野を増大させること(段階２８０)を含むことができる。
【００６８】
方法２００は、例えば、放射線がマルチコアイメージングファイバの側面を通って入り、その特定の周辺コアに入ることを可能にすることによって、周辺組織の近接の指標を導出するために、周辺コアに横方向に放射線を導入することと(段階２９０)、特定の周辺コアを通って送達される放射線から、ファイバを取り囲む組織に関する長手方向データを導出することとを含むことができる。例えば、方法２００は、放射が指定された周辺コアに入ることを可能にするように、ファイバ内に周辺スリットを設計することを含むことができる。方法２００は、少なくとも１０,０００個のマルチモードコアを有するマルチコアイメージングファイバによって波面感知をインプリメントすることと、そこを通って送達される画像放射線を検出することと、コアに関連するスポット位置を測定することと、そこから３Ｄ画像データを導出することとを含むことができる(ステージ３００)。
【００６９】
上記の説明では、実施形態は、本発明の一例または実施形態である。「一実施形態」、「一実施形態」、「特定の実施形態」または「いくつかの実施形態」の各種外観は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではない。本発明の様々な特徴は、単一の実施形態の文脈で説明することができるが、特徴は、別々に、または任意の適切な組み合わせで提供することもできる。逆に、本発明は、明確にするために、本明細書では別個の実施形態の文脈で説明することができるが、本発明は、単一の実施形態で実施することもできる。本発明の特定の実施形態は、上で開示された異なる実施形態からの特徴を含むことができ、特定の実施形態は、上で開示された他の実施形態からの要素を組み込むことができる。特定の実施形態の文脈における本発明の要素の開示は、特定の実施形態のみにおけるそれらの使用を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、本発明は、様々な方法で実施または実施することができ、本発明は、上記の説明で概説したもの以外の特定の実施形態で実施することができることを理解されたい。
【００７０】
本発明は、これらの図または対応する説明に限定されない。例えば、フローは、図示された各ボックスまたは状態を通って、または図示され説明されたのと全く同じ順序で移動する必要はない。本明細書で使用される技術用語および科学用語の意味は、別段の定義がない限り、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものとする。本発明を限られた数の実施形態に関して説明してきたが、これらは、本発明の範囲に対する限定として解釈されるべきではなく、むしろ、好ましい実施形態のいくつかの例示として解釈されるべきである。他の可能な変形、修正、および応用もまた、本発明の範囲内である。したがって、本発明の範囲は、これまでに説明されたものによって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの法的均等物によって限定されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１（１）】
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【図１１（２）】
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【国際調査報告】
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