特開 2025-3321 超音波センシング及びイメージング用光ファイバセンサシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025003321

(43)【公開日】2025-01-09

(54)【発明の名称】超音波センシング及びイメージング用光ファイバセンサシステム

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/00 20060101AFI20241226BHJP

【ＦＩ】

A61B8/00

【審査請求】有

【請求項の数】30

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2024080422

(22)【出願日】2024-05-16

(31)【優先権主張番号】63/510,079

(32)【優先日】2023-06-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】18/492,593

(32)【優先日】2023-10-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】520196081

【氏名又は名称】ディープサイト テクノロジー インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＤｅｅｐＳｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｃ．

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】リ，フ

(72)【発明者】

【氏名】リ，ムコン

(72)【発明者】

【氏名】リ，イハン

(72)【発明者】

【氏名】シュー，リンフア

(72)【発明者】

【氏名】ヤン，ラン

(72)【発明者】

【氏名】ツァオ，グアンミン

(72)【発明者】

【氏名】チュー，ジャンガン

(72)【発明者】

【氏名】ハザリアン，マイク

【テーマコード（参考）】

4C601

【Ｆターム（参考）】

4C601EE13

4C601GA20

4C601GA21

4C601JC20

4C601KK31

(57)【要約】

【課題】医療用途において、物体を視覚化及び追跡して解剖学的イメージングを提供するための高感度を有する新しい改善されたコンパクト技術が必要である。
【解決手段】光ファイバ式音響センサは、超音波信号を含む音響信号を検出及び受信し、かつ関連付けられた光信号を処理及び解釈のためのシステムに提供して、追跡、定位、及びイメージング能力を実装するように構成された、音響応答性光学構造を含む。光ファイバ式センサは、光ファイバの端部に、又は光ファイバの長さに沿って配設される。光ファイバ式センサは、例えば、医療デバイスを含む、様々なデバイス内に含まれる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

装置であって、
センサファイバを備え、
前記センサファイバは、
コア及びクラッディング構造を備える光導波路と、
光共振器、光干渉計、ファセット端部微細構造、及び偏光感知構造のうちの少なくとも１つを含む、前記光導波路の第１の端部に結合された光センサ構造と、を含み、
前記光センサ構造は、
音響信号を検出し、
前記音響信号に対応する光信号を前記光導波路に提供するように構成されている、装置。

【請求項2】

前記光導波路を取り囲む第１の部分と、前記光センサ構造を少なくとも部分的に取り囲む第２の部分と、を伴って構成されたカプセル化構造を更に含む、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記光センサ構造が、光ファイバセンサである、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記光センサ構造が、ファブリペロー共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、マイクロリング、マイクロトロイド、スパイラル共振器、又はフォトニック結晶共振器を含む、光共振器である、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記光センサ構造が、マッハツェンダー（ＭＺ）干渉計、ファブリペロー干渉計、位相シフトコヒーレント干渉計、又はセルフミキシング干渉計を含む、光干渉計である、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

前記光センサ構造が、音響応答性メタ表面パターン、音響応答性低次元材料、又は光物質相互作用を増幅するようにパターン化されたプラズモン構造を含む、ファイバ端部ファセットである、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記光センサ構造が、前記音響信号に応答して、透過光の偏光変化を誘起するように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記光センサ構造が、ポイントセンサ又はラインセンサである、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

前記コア又は前記クラッディング構造が、相対的に小さいヤング率（Ｅ）及び相対的に高い光弾性係数のうちの少なくとも１つを有する材料を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項10】

前記クラッディング構造が、前記コアよりも低い屈折率（ｎ）を有する、請求項２に記載の装置。

【請求項11】

前記カプセル化構造の音響インピーダンスが、光共振器構造インピーダンスから２０％以内のインピーダンスに整合するように選択される、請求項２に記載の装置。

【請求項12】

前記カプセル化構造が、相対的に小さいヤング率（Ｅ）、相対的に高い光弾性係数、及び／又は相対的に大きい屈折率（ｎ）を有する材料を含む、請求項２に記載の装置。

【請求項13】

前記カプセル化構造の音響インピーダンスが、光共振器構造インピーダンスから２０％以内のインピーダンスに整合するように選択される、請求項１０に記載の装置。

【請求項14】

前記センサファイバが配設されている医療デバイスを更に備える、請求項１に記載の装置。

【請求項15】

前記医療デバイスが、針、内視鏡、カテーテル、カニューレ、ガイドワイヤ、外科用ツール、診断ツール、又は治療ツールのうちの１つである、請求項１４に記載の装置。

【請求項16】

前記医療デバイスが、
前記センサファイバを受容するように構成されたシャフト部分と、
前記光センサ構造を受容するように構成された先端部分と、を含む針である、請求項１５に記載の装置。

【請求項17】

前記針が、前記光センサ構造に近接して、前記シャフト部分又は前記先端部分に窓を更に含む、請求項１６に記載の装置。

【請求項18】

前記針が、前記シャフト部分に配設されたチャネルを更に含み、前記センサファイバが、前記チャネル内に配設されている、請求項１６に記載の装置。

【請求項19】

前記針が、前記針の周りに配設され、かつ前記センサファイバを含むように構成されたシースを更に含む、請求項１６に記載の装置。

【請求項20】

前記針が、前記シャフト部分又は前記先端部分に複数の追加の窓を更に含む、請求項１７に記載の装置。

【請求項21】

前記光センサ構造が、少なくとも１８０度、少なくとも２７０度、少なくとも３００度、少なくとも３３０度、又は３６０度の方向範囲にわたって前記音響信号を検出するように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項22】

前記光センサ構造が、前記音響信号の前向き検出のために構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項23】

前記光センサ構造が、音響信号の後ろ向き検出のために更に構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項24】

前記光センサ構造が、前記音響信号の横向き検出のために構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項25】

前記光センサ構造が、シリカを含む遠位部分と、ポリマーを含む近位部分と、を含む、請求項１に記載の装置。

【請求項26】

前記光センサ構造が、インファイバブラッググレーティングを含む、請求項１６に記載の装置。

【請求項27】

前記コアが、前記光導波路における複数のコアの中に含まれる、請求項１に記載の装置。

【請求項28】

前記光導波路を介して、前記光センサ構造に光を提供するように構成された光源と、
前記光信号を受信するように構成された光検出器と、
処理ユニットと、を備え、
前記処理ユニットは、
前記光源を制御し、
前記光検出器から、前記光信号に基づく光データを受信し、
前記光データに基づいて、画像生成及び場所判定のうちの少なくとも１つを実行するように構成されている、請求項１に記載の装置。

【請求項29】

熱及び機械的応力のうちの少なくとも１つの印加を介して、前記光センサ構造の共振を調整するように構成された波長調節機構を更に備える、請求項１に記載の装置。

【請求項30】

前記光源が、手術用レーザであり、前記処理ユニットが、前記手術用レーザの波長を調節するように更に構成されている、請求項２８に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、ＦＩＢＥＲ－ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＥＮＳＯＲ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＳＥＮＳＩＮＧ ＡＮＤ ＩＭＡＧＩＮＧと題された、２０２３年６月２３日に出願された米国仮出願第６３／５１０，０７９号の優先権を主張する。本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、ＯＰＴＩＣＡＬ ＦＩＢＥＲ ＷＩＴＨ ＡＮ ＡＣＯＵＳＴＩＣＡＬＬＹ ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ ＦＩＢＥＲ ＢＲＡＧＧ ＧＲＡＴＩＮＧ ＡＮＤ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＳＥＮＳＯＲ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥと題された、２０２３年６月２３日に出願された米国仮出願第６３／５２２，７９３号に更に関連する。本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０２３年６月２３日に出願された、「ＴＲＡＮＳＰＯＮＤＥＲ ＴＲＡＣＫＩＮＧ ＡＮＤ ＵＬＴＲＡＳＯＵＮＤ ＩＭＡＧＥ ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ」と題された、米国仮出願第６３／５２２，９９４号に更に関連する。本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０２３年１０月２３日に同時出願された、Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔと題された、代理人整理番号１０９８３５－１３９４９７８を有する米国特許出願に更に関連する。本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０２３年１０月２３日に出願され、代理人整理番号１０９８３５－１３８６２０７を有する、Ｍｉｎｉａｔｕｒｅ Ｍｉｘｅｄ Ａｒｒａｙ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｐｒｏｂｅと題された米国仮特許出願を、参照により更に組み込む。

【0002】

本発明は、概して、超音波センシング及びイメージングの分野に関する。

【背景技術】

【0003】

音響イメージングは、医療イメージングを含む様々な産業において使用されている。音響イメージング技術を使用して、患者の身体の内部イメージングを視覚化及び提供し得る。更に、音響イメージング技術は、生検、流体吸引、薬物・神経ブロック／麻酔又は生物製剤などの治療薬の送達、カテーテル挿入、針案内、針留置、深部静脈挿管、注射、ＩＶの留置、ＰＩＣライン、デバイス埋め込み、低侵襲外科的処置などを含むが、これらに限定されない、診断又は治療臨床処置などの医療用途で使用される物体（例えば、針、カテーテル、ガイドワイヤ、内視鏡など）を視覚化及び追跡するために使用され得る。医療用途に音響イメージングを使用することは、いくつかの利点を提供する。例えば、超音波イメージングなどの音響イメージングは、非侵襲的なイメージング形態である。加えて、超音波イメージングは、顕著な浸透深さを有することが知られている超音波信号を使用する。

【0004】

非医療用途では、超音波は、用途の中でも、欠陥検出、非破壊試験、構造試験、及び微粒子粒子選別のための産業用途、採鉱及び掘削作業並びに水中海洋用途を含む地質学用途で使用される。

【0005】

いくつかの既存のイメージング技術は、トランスデューサが医療物体を視覚化及び追跡し、及び診断又は治療医療処置中に画像を生成するために、音響エネルギー生成（ＡＥＧ）材料を使用する。一般的に使用されるＡＥＧ材料としては、当業者に知られている多くの材料の中でも、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、セラミック、圧電単結晶（例えば、ＰＩＮ－ＰＴ、ＰＩＮ－ＰＭＮ－ＰＴ）、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電材料が挙げられる。ＡＥＧトランスデューサには、制限がある。追跡される対象物及び／又は視覚化される解剖学的構造のエコー原性は、追跡される対象物及びイメージングされる組織の画像品質に影響を与え得る。特定の医療処置では、小さいフォームファクタが必要であり、小さいＡＥＧトランスデューサは、概して、低～最小信号出力を有する。したがって、サイズ制限（例えば、物理的なサイズ）のために、小さいフォームファクタを必要とする医療用途にＡＥＧトランスデューサを使用することは、困難であり得る。

【0006】

したがって、特に医療用途において、物体を視覚化及び追跡して解剖学的イメージングを提供するための高感度を有する新しい改善されたコンパクト技術が必要である。

【発明の概要】

【0007】

超音波センシング及びイメージングのためのシステム、デバイス、及び方法が本明細書で提示される。特に、本明細書に記載されるシステム、デバイス、及び方法は、ファイバマイクロセンサデバイス、及びシステム、及び使用方法を含み得る。

【0008】

一実施形態では、センサファイバを備える装置が提供される。センサファイバは、コア及びクラッディング構造を備える光導波路と、光共振器、光干渉計、及び偏光感知構造のうちの少なくとも１つを含む、光導波路の第１の端部に結合された光センサ構造と、を含み得、光センサ構造は、音響信号を検出し、音響信号に対応する光信号を光導波路に提供するように構成されている。センサファイバは、光導波路を取り囲む第１の部分と、光センサ構造を少なくとも部分的に取り囲む第２の部分と、を伴って構成されたカプセル化構造を更に含んでもよい。

【0009】

いくつかの態様では、本明細書に記載されるデバイスは、コア及びクラッディング構造を含む光導波路と、光共振器、光干渉計、ファセット端部微細構造、及び偏光感知構造のうちの少なくとも１つを含む、光導波路の第１の端部に結合された光センサ構造であって、光センサ構造は、音響信号を検出し、音響信号に対応する光信号を光導波路に提供するように構成されている、光センサ構造と、を含むセンサファイバを含む装置に関する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

本明細書に組み込まれる添付の図は、本明細書の一部を形成し、超音波センシング及びイメージングのためのシステム、方法、及びデバイスの実施形態を例示する。説明とともに、図面は、当業者が、本明細書に記載される方法、システム、及びデバイスの原理を説明し、本明細書に記載される方法、システム、及びデバイスを作成及び使用することを可能にする。図面は、本明細書に記載される実施形態の様々な特徴を例示するために提供され、必ずしも縮尺通りに描かれてはいない。図面において、同様の参照番号は、同一又は機能的に類似した要素を示す。

【0011】

【図1】本明細書の実施形態による光ファイバセンサとともに使用するための光センサシステムを示す。

【図2】本明細書の実施形態による光ファイバセンサとともに使用するための光センサシステムを示す。

【図3A】光ファイバセンサ及び関連付けられた光ファイバを含むセンサファイバを示す。

【図3B】光導波路と、光センサとしてのファブリペロー共振器を有する光共振器構造と、を含むセンサファイバを示す。

【図4A-4E】本明細書の実施形態による光共振器構造のいくつかの変形例を示す。

【図5A-5B】本明細書の実施形態による光センサシステム及び光ファイバセンサの例を示す。

【図5C-5D】本明細書の実施形態による光センサシステム及び光ファイバセンサの例を示す。

【図5E-5F】本明細書の実施形態によるマイクロファセット構造の例を示す。

【図6A-6DD】本明細書の実施形態による光センサシステム及び光ファイバセンサの例を示す。

【図6E-6F】本明細書の実施形態による光センサシステム及び光ファイバセンサの例を示す。

【図6G-6H】本明細書の実施形態による光センサシステム及び光ファイバセンサの例を示す。

【図7A-7D】光導波路の端部を成形又は機械加工するために使用され得る製造技法の例を提供する。

【図8A-8D】光導波路の端部に光共振器構造を製造するために使用され得る製造技法の例を提供する。

【図9A-9B】センサファイバに適用される熱調節の方法を示す。

【図10】マルチコア光導波路を含むセンサファイバの一実施形態を示す。

【図11A-11B】前向きの光センサを有して配置されたセンサファイバと横向きの光センサを有して配置されたセンサファイバとの間の比較を示す。

【図12】本明細書の実施形態による、後ろ向きの音響検出能力を提供するセンサファイバの一実施形態を示す。

【図13】本明細書の実施形態による、増加した後ろ向きの音響検出能力を提供するセンサファイバの一実施形態を示す。

【図14】本明細書の実施形態による光共振構造の方向範囲を示す。

【図15】本明細書の実施形態によるインファイバブラッググレーティングを含む光共振器構造を示す。

【図16】本明細書の実施形態による、ファイバ式光センサを動作させる方法を示す。

【図17A-17B】本明細書の実施形態に従う、センサファイバを伴って構成された針を示す。

【図18A-18D】本明細書の実施形態に従う、センサファイバを伴って構成された針を示す。

【図19】側面方向からセンサファイバに入射する音響信号を示す。

【図20A-20B】本明細書の実施形態による、統合されたセンサファイバを有する針の拡大図を提供する。

【図20C-20D】本明細書の実施形態に従う、センサファイバが内部に含まれる針を示す。

【図21】本明細書の実施形態に従う、カテーテル送達針を組み込んだ医療デバイス遠位端部を示す。

【図22】針案内又は針場所におけるファイバ式光センサの使用を示す。

【図23A-23B】ファイバ式光センサを組み込んだカテーテル送達針を示す。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の様々な態様及び変形例の非限定的な例が、本明細書に記載され、添付の図面に示される。以下の発明を実施するための形態は、本質的に単に例示的であり、本発明又は本発明の適用及び使用を限定することを意図するものではない。本発明の発明を実施するための形態は、超音波イメージング及びセンシングのための光ファイバマイクロセンサシステム、方法、及びデバイスのコンテキストにあるが、本開示は、そのように限定するものとみなされるべきではない。例えば、方法が様々な医療処置に関して本明細書で論じられ得るが、本明細書の実施形態は、他の医療処置、並びに本明細書に記載されるセンシング及びイメージング技術から利益を得ることができる他の産業における他の処置又は方法に好適であり得る。更に、ファイバマイクロセンサを組み込んだ様々なシステム及びデバイスが記載される。本明細書に記載されるようなファイバマイクロセンサは、本明細書に記載されない多様なシステム及びデバイスに統合され、かつ／又はこれらとともに使用され得ることが理解される。本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態に修正を加えることができる。したがって、以下の発明を実施するための形態は、限定的であることを意味しない。更に、先行の技術分野、背景、概要、又は以下の発明を実施するための形態に提示される任意の明示的又は黙示的な理論によって拘束する意図はない。

【0013】

様々な構造が、それらの幾何学的特性に従って本明細書に記載される。本明細書で考察されるように、そのように記載される全ての構造は、知られている製造技法の許容誤差に従って、記載される形状から変化し得る。別段明記しない限り、「実質的に」という用語で記載される特徴は、５％以内の正確性であると理解される。例えば、「実質的に平行な」と記載される特徴は、真の平行から５％だけずれ得る。

【0014】

ファイバマイクロセンサ又はファイバセンサデバイスの使用による超音波センシング及びイメージングのためのシステム、デバイス、及び方法が開示される。特に、本明細書に記載される技術は、医療処置中に物体を追跡、視覚化、及び監視（例えば、感知）するとともに、超音波画像を生成し得る。本明細書に記載されるファイバマイクロセンサデバイスは、光ファイバの端部に、又はその長さに沿った指定された場所に配設され、かつ超音波信号を含む音響信号の検出のために構成された、光学デバイスを組み込んでいる。本明細書に記載されるようなセンサファイバは、その端部に結合されたファイバマイクロセンサデバイスを有する光導波路（光ファイバなど）を含む。本明細書で使用される場合、光導波路という用語は、溶解ガラス、ポリマー、半導体／誘電体ウェハ、種々の基板上のナノインプリント／３Ｄプリントされたポリマー、又は任意の他の光信号チャネル、のような材料システムに基づいて、光ファイバ、光ファイバコア、フォトニック集積導波路、平面導波路などを指し得る。

【0015】

本明細書に記載される技術は、コンパクトなサイズであり、高感度を有し、それによって、様々な産業用途、並びに治療及び診断医療用途に対して実行可能になる。非医療用途では、超音波は、用途の中でも、欠陥検出、非破壊試験、構造試験、及び微粒子粒子選別のための産業用途、採鉱及び掘削作業並びに水中海洋用途を含む地質学用途で使用される。そのような用途は、本明細書に記載される実施形態と一致する。治療及び診断医療用途としては、案内針アクセス、生検、吸引、薬物・生物製剤・麻酔又は他の治療薬の送達、カテーテル挿入、低侵襲処置、物体・組織のアブレーション・焼灼・留置又は移動・切断及び／又は切片化、並びに他の医療処置中の物体（例えば、針、カテーテル、ガイドワイヤなど）の、超音波イメージング及びセンシング（追跡、視覚化、案内、及び監視）が挙げられる。以下の分野における処置及び応用は、診断及び治療処置中の正確な案内及びイメージングのための広範な使用及び必要性の例である：麻酔、心臓学、クリティカルケア、皮膚科学、救急医学、内分泌学、消化器学、婦人科及び産科学、肝臓学、感染症、介入放射線学、筋骨格医学、腎臓学、神経学、腫瘍学、整形外科、疼痛管理、小児科、形成及び再建外科、泌尿器科、及び血管アクセス

【0016】

医療アプリケーションにおける物体の視覚化、追跡、案内、及び定位は、安全な、かつ信頼性の高い様態で医療処置を実行するための重要な態様であり得る。追跡、視覚化、及び場所判定のための物体は、対象の身体内を移動するか、又は対象の身体内に位置する任意のタイプの医療デバイスを含み得る。例えば、医師は、生検を実施して安全性を確保しながら、針先端を視覚化及び追跡する。そのような事例では、正確な針先端視覚化又は追跡は、意図しない血管、神経、組織、又は内臓の損傷を防止又は低減するのに役立ち得る。同様に、限定されるものではないが、流体の吸引、薬物又は生物製剤を用いる関節・腱及び神経の注入、流体又は軟組織塊の生検、石灰化の吸引及び洗浄、組織・臓器又は異物の除去、ステント・フィルタ・弁の留置、永続的・一時的又は生分解性インプラント・シャント又はドレイン、麻酔のための注射、注入療法に使用される血管アクセスデバイスの挿入、アブレーション処置、安全な様態で血管及び／又は他の臓器へのアクセスを得るためのセルディンガー技法又はカテーテル法の実行などの、医療処置を実行するときに、針、内視鏡、カニューレ、腹腔鏡ツール、又は他の医療デバイスツールを視覚化、追跡、又は定位することが有用であり得る。視覚化及び追跡は、特に、制限されたアクセス、介在する組織又は臓器の血液若しくは他の流体に起因して、領域を視覚化することが困難な場合、腹腔鏡処置の低侵襲処置及び開放外科処置の両方において有利であり得る。

【0017】

いくつかの既存の技術は、医療処置中の案内のために超音波イメージングを使用して、関心のある解剖学的構造を視覚化するとともに、挿入された医療デバイス、特にデバイスの遠位及び／又は作業部分を視覚化、定位、及び追跡する。しかしながら、医療用途のための従来の超音波イメージング技術に関連付けられたいくつかの欠点がある。旧来の技術は、超音波を放出するイメージングプローブを使用する。針及び他の挿入された医療デバイスの滑らかな表面のために、表面から反射された入射超音波は、受信方向から離れて操縦され得る。これにより、反射波が弱すぎて検出されにくくなり、処置中にデバイスの場所を判定することが困難になり得る。いくつかの技術では、医療デバイスは、医療デバイスのエコー原性を高めることによって超音波の可視性を高めるために、窪んだ、エッチングされた、又はコーティングされた表面などの、粗い表面を有し得る。しかしながら、そのような努力をしても、制限が残っている。超音波案内ツールはまた、それらの特定の入射角度に依存することによって制約され得、この入射角度は、特に、深く留置されたデバイスに対して、正確な視覚化を提供する能力を制限する。この制約に起因して、超音波案内ツールは、展開可能なソリューションとしてのそれらの有用性、採用、及び費用対効果を制限する表面的な場所に追いやられ得る。

【0018】

提案された光センシング技法と比較して、現在の最先端のＡＥＧトランスデューサ（限定されるものではないが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、セラミック、圧電単結晶（例えば、ＰＩＮ－ＰＴ、ＰＩＮ－ＰＭＮ－ＰＴ）、及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ））には、少なくとも２つの主要な音響性能制限がある。第一に、非常に高い感度を達成するには、特定のＡＥＧ材料又は特定の音響設計から製造されたトランスデューサが必要となるが、そのようなトランスデューサは、音響応答において相対的に狭い帯域幅のみを提供し得る。第二に、ＡＥＧトランスデューサの音響応答は、電気素子サイズがＡＥＧトランスデューサの共振周波数に対して小さくなるときに、電気インピーダンス不整合に起因して制限され得る。その結果、小さいフォームファクタを必要とする用途（例えば、血管内又は心臓内超音波、内視鏡、針追跡、肺生検、感知、及び監視など）では、小さいＡＥＧトランスデューサの信号対雑音比（ＳＮＲ）及び帯域幅が低減され、また、特定の用途では、高方向応答を提示し得る。加えて、いくつかのＡＥＧトランスデューサ及びシステムは、アブレーションツール、焼灼ツール、又は組織に電気エネルギーを適用する任意の他の処置又は技法によって引き起こされるような電磁干渉によって影響を受け得る。更に、遠位端部での電気機械トランスデューサの使用は、追加の設計並びに安全性要件及び課題を必要とする導電線及び関連付けられたコンポーネントを含む。

【0019】

対照的に、本開示による光ファイバセンサは、高感度、広帯域幅、及び広い受信角度を有する超音波受信機を提供することができ、電気機械トランスデューサに必要な電気コンポーネントを必要としない。これらの特性により、光ファイバセンサは、既存の技術が感知することができない高調波又は散乱信号を感知することができるものである。更に、本開示による光ファイバセンサは、コンパクト、低コストであり得、スケーラブルなセンサシステムに寄与し得る。本明細書の実施形態は、音響信号を検出するように構成された光ファイバセンサを含む。そのような光ファイバセンサは、光ファイバの端部に、光ファイバの端部に隣接して、又はセンサファイバを作成するために医療デバイス上の診断若しくは治療関連の場所に配設され得る。光ファイバセンサは、限定されるものではないが、ファブリペロー（ＦＰ）共振器、光キャビティ共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、及びフォトニック結晶共振器を含む共振構造、限定されるものではないが、ＭＺＩ、位相シフトコヒーレント干渉計、セルフミキシング干渉計を含む光干渉計、音響応答性ファイバ端部ファセット、及び音響誘起複屈折偏光センサを含む。

【0020】

音響応答性ファイバ端部ファセットは、音響信号に対するファイバセンサの応答を強化するために様々な微細構造を追加するのに好適な基板を備え得る。そのような微細構造は、音響信号の波面形状を変化させ、かつ音響信号の検出を最大化するように配置された小さい要素のパターン（例えば、光信号のおよそ１つの波長未満のサイズを有する）を含むメタ表面、より変形しやすい特別な光機械的特徴を有する音響応答性低次元材料、及び光物質相互作用を増幅するようにパターン化されたプラズモン構造などの、音響応答性構造であり得る。光センサとして動作することに加えて、ファイバ端部ファセット構造は、音響応答を更に強化するために、本明細書に記載される他の光ファイバセンサに追加されてもよい。例えば、メタ表面が、音響信号の波面形状を変更し、かつ本明細書で議論される他のタイプの光ファイバセンサによって収集された音響信号の収集を最大化して、光ファイバセンサの感度を改善するように配置された、小さい要素のパターンを含んでもよい。低次元材料をファイバ端部ファセットに追加することはまた、そのような材料が音響波によって誘起される変形をより起こしやすくし、変形が、光信号のより大きな変化に変換され得るため、感度を改善し得る。プラズモンパターンをファイバ端部ファセットに書き込むことによって、音響波に対する光学応答を強化することが可能である。この強化は、これらのプラズモンパターンによって生成されたホットスポット及び共振を活用して、光物質相互作用を増幅することによって達成され得る。本明細書で使用される場合、「低次元」又は「二次元」特徴は、１ミクロン未満の厚さを有する特徴を指し得る。

【0021】

前述の光学構造は、音響（超音波など）信号に応答するように構成されている。したがって、これらの光学構造は、音響応答性材料及び／又は音響応答性構造を含み得る。本明細書で使用される場合、音響応答性は、材料又は構造の光学特性を調整する様態で入射音響信号（例えば、超音波音響信号）に応答するように構成された構造又は材料を指す。そのような共振器、干渉計、又は音響応答性ファイバ端部ファセット構造における音響信号への応答は、構造の光弾性効果及び／又は物理的変形に起因し得る。音響信号にさらされると、共振器、干渉計、又は音響応答性ファイバ端部ファセット構造は、音響信号音波の交番圧力からの機械的応力及び／又は歪にさらされる。この機械的応力及び／又は歪は、光弾性効果に起因して光センサ構造の光学特性を変化させ得、また、共振器の物理的構造の変化又は変形を引き起こし得る。偏光式センサでは、光が通過している媒体が音響信号にさらされると、光信号の偏光が変化する。光導波路（例えば、光ファイバ）を介して光源（例えば、レーザ光源、広帯域光源（例えば、ランプ又はＬＥＤ）、又は他の好適な光源）に結合されると、光センサ構造への音響信号の影響は、光導波路を介して光センサ構造によって戻される光の変化に起因して測定され得る。本開示内では、光信号及び光は、音響信号に応答するものと称され得る。そのような応答は、音響信号と光が通過する媒体との間の相互作用に起因することが理解される。したがって、本明細書で議論されるように、音響応答性と称される材料又は構造は、本明細書で議論される技法によって、本明細書の実施形態による光信号によって測定され得る様態で、超音波環境に典型的な音響信号に応答し得る。

【0022】

本明細書の実施形態は、光ファイバセンサとともに使用するように構成されたシステムを含む。例えば、本開示によるシステムは、光源（例えば、レーザ光源、広帯域光源（例えば、ランプ又はＬＥＤ）、又は他の好適な光源）、光受信デバイス（例えば、光検出器など）、光学デバイス（スプリッタ、コンバイナ、サーキュレータ、偏光感知カプラ、偏光分析器、偏光コントローラ、周波数シフタなど）、制御デバイス、コンピュータ処理ユニット、及び光ファイバセンサの機能性を容易にする他のデバイスを含み得る。更に、本開示によるそのようなシステムは、トランスデューサ、プローブ、及びそれらの制御のためのハードウェア／ソフトウェアなどの、音響デバイスを含み得る。本開示によるシステムは、容易にするために光ファイバセンサが使用される任意の医療処置を実行するために必要な全てのデバイス、システム、ハードウェア、及びソフトウェアを含む、医療システム及びデバイスを更に含んでもよい。

【0023】

図１は、光ファイバセンサとともに使用するための光センサシステムを示す。本明細書で使用される場合、「光ファイバセンサ」及び「ファイバ式光センサ」という用語は、以下に更に詳細に記載されるように、音響信号を検出するように適合及び／又は構成された光センサを指す。光センサシステム１００Ａは、レーザなどの光源１０４と、光検出器などの光受信デバイス１０３と、１つ以上の光導波路１０５と、光サーキュレータ１０２と、光ファイバセンサ１０１と、を含む。動作中、光源１０４は、光導波路１０５を介して、及び光サーキュレータ１０２を通して、初期光信号１１１を光ファイバセンサ１０１に供給する。供給された初期光信号１１１は、光導波路１０５に沿って光ファイバセンサ１０１によって戻される。戻り光信号１１２は、光サーキュレータ１０２を通って光導波路１０５を介して移動し、光受信デバイス１０３で受信される。上で議論されるように、光ファイバセンサ１０１に入射する音響信号は、光ファイバセンサ１０１の光学特性（物理的構造及び光学材料特性を含み得る）を改変する。そのような光学特性の改変は、以下でより詳細に議論されるように、戻り光信号１１２の変化に従って測定され得る。

【0024】

図２は、光ファイバセンサとともに使用するための光学音響センサシステムを示す。光学音響センサシステム２００は、光ファイバセンサ１０１又は光ファイバセンサアレイ２０１（図２に描かれるように、複数の光ファイバセンサ１０１を含む）の使用を容易にするためのコンポーネント、デバイス、ハードウェア、及びソフトウェアを含む。図２の更なる参照は、単一の光ファイバセンサ１０１の使用を具体的に指し得るが、追加の実施形態では、光ファイバセンサアレイ２０１は、以下で議論される特徴のいずれかと組み合わせて光学音響センサシステム２００に組み込まれてもよく、光ファイバセンサ１０１の属性である任意の機能性が、光ファイバセンサアレイ２０１によって更に実行されてもよいことが理解されよう。実施形態では、例えば、図２に示されるように、光学音響センサシステム２００は、超音波トランスデューサ及び／又は超音波プローブの使用を容易にするためのハードウェア及び構成部分を含み得る。超音波トランスデューサは、音響信号を生成及び受信するため、又は単に音響信号を生成するために使用され得る。光学音響センサシステム２００は、処理システム２５０、光学サブシステム２１５、及び出力デバイス２０８を含み得る。

【0025】

処理システム２５０は、処理ユニット２０９及び画像再構成ユニット２０６を含み得る。処理ユニット２０９は、少なくとも１つのコンピュータプロセッサ、少なくとも１つの非一時的コンピュータ可読記憶媒体、及び適切なソフトウェア命令を含み得る。処理ユニット２０９は、光源制御ユニット２０７、光受信デバイス２０３、及び音響制御ユニット２２２に制御信号を提供し、これらから情報信号を受信するように構成されている。処理ユニット２０９は、光源制御ユニット２０７と（制御信号及び情報信号を介して）通信し、それによって、光ファイバセンサ１０１に提供される光信号の制御を提供し得る。処理ユニット２０９は、音響制御ユニット２２２と（制御信号及び情報信号を介して）通信し、それによって、音響プローブ２４５を介した音響信号の制御及び受信を提供し得る。処理ユニット２０９は、光受信デバイス２０３と通信して、光受信デバイス２０３によって受信された光信号に関連付けられた情報信号を受信するように更に構成されている。したがって、処理ユニット２０９は、必要な制御信号を提供し、かつ光学音響センサシステム２００における取得された情報信号を受信するように動作する。

【0026】

処理ユニット２０９は、画像再構成ユニット２０６と更に通信し、画像再構成ユニット２０６は、処理ユニット２０９によって取得されたデータ及び／又は情報に基づいて画像を生成するように動作する。画像再構成ユニット２０６は、光ファイバセンサ１０１及び音響プローブ２４５によってキャプチャされた、人体などの媒体に関連するデータに基づいて画像を生成し得る。医療デバイス遠位端部２３１は、針、カテーテル、ガイドワイヤ、送達デバイス、及び／又は患者の体内で使用するように構成された任意の他のデバイス又は装置のうちの１つ以上を含み得る。画像再構成ユニット２０６は、処理ユニット２０９を含むシステム内に統合されてもよく、かつ／又は少なくとも１つのコンピュータプロセッサ、少なくとも１つの非一時的コンピュータ可読記憶媒体、及び適切なソフトウェア命令を含む別個のシステムであってもよい。処理システム２５０は、データ出力を提供するための出力デバイス２０８に制御信号を提供し得る。出力デバイス２０８は、例えば、ディスプレイ又はディスプレイを含むデバイスを含み得る。

【0027】

いくつかの実施形態では、出力デバイス２０８は、出力されるデータを使用するように構成された医療処置システムなどの、追加のシステムを更に含んでもよい。例えば、出力デバイス２０８は、内視鏡システム、腹腔鏡システム、ロボット外科システム、神経外科システムを含んでもよく、加えて、相互運用超音波イメージングシステムを含んでもよい。出力データは、医療デバイス遠位端部又は作業部分２３１の場所に関する情報と、患者の解剖学的構造、組織、他の医療ツール／デバイスなどの、医療デバイス遠位端部２３１が使用／展開される場所の領域にある媒体から取得された画像を含み得る。

【0028】

光学サブシステム２１５は、光源制御ユニット２０７、光源２０４、光学デバイス２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ、及び２０２Ｄ、並びに光受信デバイス２０３を含む。光源制御ユニットは、初期光信号２１１の生成を制御するために、光源２０４とインターフェースし、かつ光源２０４を制御するように構成されている。光源は、連続波（ＣＷ）又はパルス発光（刺激発光、自発発光など）を生成し得る。初期光信号２１１は、１つ以上のモード及び１つ以上の周波数で提供されるコヒーレント光、例えばレーザ光、を含み得る。初期光信号２１１は、単一の周波数／波長、周波数／波長の選択、及び／又は広帯域光源であり得る。したがって、光源２０４は、１つ以上のモード及び１つ以上の周波数でレーザ光を生成するように構成されたレーザアレイを含み得る。加えて、供給された光の偏光は、用途要件に従って、検出された信号レベルを最適化するように制御されてもよい。光の偏光状態は、特定の角度で直線偏光するように、又は円偏光するように制御され得る。直線偏光は、特定の入力超音波方向に最適に応答し、円偏光は、全方向からの超音波に応答する。光の偏光は、レーザ光源出力から定義され得、出力偏光状態は、インラインファイバ偏光子、パドルファイバ偏光コントローラ、インラインファイバ偏光コントローラ、又は他のタイプの偏光コントローラによって制御され得る。光学デバイス２０２Ａ、２０２Ｂ、及び２０２Ｃは、光ファイバセンサ１０１で受信された初期光信号２１１を操作するか、又はこれに影響を与えるように構成され得る。初期光信号２１１は、複数の波長で、又は波長のスペクトル全体にわたって提供され得る。光学デバイス２０２Ａは、例えば、初期光信号２１１を光ファイバ端部センサ１０１に導く光導波路２０５を介して同時に伝送するために光源２０４によって提供される初期光信号２１１の複数の周波数を多重化するように構成された波長分割多重（ＷＤＭ）デバイスを含み得る。光学デバイス２０２Ｂは、第１、第２、及び第３のポートを有するサーキュレータであり得、第１のポートは、波長分割多重デバイス（ＷＤＭ）２０２Ａを通して光源と光通信する。初期光信号２１１は、第２の光学デバイス２０２Ｂを通過し得、第２の光学デバイス２０２Ｂは、例えば、光サーキュレータであり得、初期光信号２１１を光学デバイス２０２Ｃに導くように構成されている。光学デバイス２０２Ｃは、光ファイバセンサ１０１に提供される初期光信号２１１を逆多重化するように構成されたＷＤＭデバイスを含み得、光ファイバセンサ１０１は、複数の光ファイバセンサ１０１の各々が異なる波長の光を受信して、その後出力するような、アレイ２０１の一部であり得る。光学デバイス２０２Ｃは、第２の光学デバイス２０２Ｂの第２のポートと光通信して、初期光信号を、各々がそれに関連付けられた波長のうちの１つを有する光信号に分割し、次いで第３のポートとＷＤＭデバイスを含み得る光学デバイス２０２Ｄとを通して光受信デバイス２０３に導かれる光ファイバセンサ１０１からの返された光信号を組み合わせる。

【0029】

初期光信号２１１は、光ファイバセンサ１０１（又は光ファイバセンサアレイ２０１の光センサ１０１いくつかの実施形態）によって受信され、１つ以上の光導波路２０５を通して光学デバイス２０２Ｃに戻され、光学デバイス２０２Ｃは、光受信デバイス２０３への伝送のために、戻り光信号２１２（必要な場合）を多重化するように更に構成され得る。戻り光信号２１２は、光学デバイス２０２Ｂを通して光学デバイス２０２Ｃによって、光学デバイス２０２Ｄの方へ導かれ得、光学デバイス２０２Ｄは、光受信デバイス２０３による受信のために、戻り光信号２１２を逆多重化するように構成されたＷＤＭデバイスであり得る。

【0030】

光学デバイス２０２Ｄは、戻り光信号を受信して、それを個々の波長成分に分割するために、光学デバイス２０２Ｂの第３のポートと光通信し得る。例えば、光検出器アレイであり得る光受信デバイス２０３は、検出された位相シフト又は個々の波長成分の他の変化が感知された音響信号を示すように、戻り光信号の個々の波長成分を受信するために、光学デバイス２０２Ｄと光通信し得る。

【0031】

初期光信号２１１及び戻り光信号２１２の周波数多重化／逆多重化を必要としない実施形態では、光学デバイス２０２Ａ及び２０２Ｃは必要とされなくてもよいことが理解されよう。光受信デバイス２０３は、例えば光検出器を含む、入射光を検出するように構成された任意の好適なデバイスを含み得る。光受信デバイス２０３は、限定されるものではないが、フォトダイオードを更に含んでもよい。光受信デバイス２０３は、検出された位相シフト、偏光の変化、又は個々の波長成分の他の変化が感知された音響信号を示すように、戻り光信号２１２の個々の波長成分を受信するために、光学デバイス２０２Ｄ（例えば、波長分割多重スプリッタ）と光通信し得る。戻り光信号２１２の変化は、（例えば、処理ユニット２０９によって、並びに／又は偏光感知カプラ及び／若しくは周波数シフタなどの、追加の光コンポーネントによって）感知された音響信号を表すデータに変換され得る（これは、例えば、医療デバイス遠位端部２３１が診断又は治療処置の領域に挿入される媒体の組織／解剖学的構造を表すデータを生成するために、及び／又は媒体内の医療デバイス遠位端部２３１の場所を識別するために更に使用され得る）。実施形態では、初期光信号２１１及び戻り光信号２１２の信号は、以下の文書に記載されるように、前処理、ビームフォーミング、及び後処理を経得る。各々が参照により本明細書に組み込まれ、超音波ビームフォーミング及び画像処理のための様々な方法を開示する、Ｉｍａｇｅ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｎｇ ｆｏｒ Ｍｉｘｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙと題する、２０２３年４月２０日に出願された米国出願第１８／０３２９５３号、Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｕｓｉｎｇ Ｍｉｘｅｄ Ａｒｒａｙと題された、２０２３年３月７日に出願された米国出願第１８／２０５０８１号、Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓと題された、２０２２年１２月２９日に出願された米国出願第１８／９０１０７３号、Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｂｅａｃｏｎ Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓと題された、２０２２年１０月７日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０７７７６２号、Ｍｕｌｔｉ－Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｏｒと題された、２０２２年８月２３日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０４１２５０号、及びＡｃｏｕｓｔｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ Ｕｓｉｎｇ Ｗｉｎｄｏｗｅｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｈｉｒｐと題された、２０２２年３月２日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２２／０１８５１５号。次いで、医療デバイス遠位端部２３１（又は光ファイバセンサ１０１）を表す画像及び／又はデータは、コンピュータディスプレイなどを含み得る出力デバイス２０８上でユーザに表示され得る。医療デバイス遠位端部を表す画像及び／又はデータは、照射領域における医療デバイスの遠位部分を更に含み得る。

【0032】

上で議論されるように、光受信デバイス２０３は、処理ユニット２０９と通信する。処理ユニット２０９は、光受信デバイス２０３で受信された戻り光信号２１２を表す情報信号を、光受信デバイス２０３から受信する。処理ユニット２０９はまた、光源２０４によって出力された初期光信号２１１を表す情報信号を、光制御ユニット２０７から受信してもよい。処理ユニット２０９は、（任意選択で、初期光信号２１１に関連付けられた情報信号と比較して）戻り光信号２１２に関連付けられた情報信号を処理して、以下で更に議論されるように、光ファイバセンサ１０１における音響環境についての判定を行うように動作する。音響環境判定は、光ファイバセンサアレイ２０１の１つ以上の光ファイバセンサ１０１に入射する音響信号の検出、識別、及び解釈を含み得る。処理ユニット２０９は、光ファイバセンサ１０１の光ファイバセンサ１０１に入射する音響信号の存在及び性質を判定し得る。

【0033】

したがって、光ファイバセンサ１０１は、音響（例えば、超音波）信号を検出及び／又は受信し、光受信チェーン（例えば、光学デバイス２０２Ｃ、２０２Ｂ、２０２Ｄ）を通して音響信号を表し、かつ音響信号に従う光信号を光受信デバイス２０３に提供するように機能し得、光受信デバイス２０３は、光信号を検出及び／又は受信し、光信号を表し、かつ光信号に従う電気信号を処理及び解釈のために処理ユニット２０９に提供するように構成されている。したがって、処理ユニット２０９は、受信された音響信号を表し、かつ受信された音響信号に従う電気信号を受信し、電気信号を処理及び解釈して、音響信号から画像を再構成するように構成され得る。例えば、遅延及び加算ビームフォーミング原理（超音波画像を再構成する一般的な方法）を使用して、超音波画像を再構成することができる。遅延及び加算ビームフォーミングにおいて、関心のあるボリューム（画像の領域）における超音波場振幅の空間分布は、送信機、画像ピクセル、及び受信機の間の遅延タイミングに従って再形成され、結果として、受信された超音波信号は、画像を生成する目的で再結合される。遅延及び加算ビームフォーミングにおいて、信号は、遅延に従って各画像ピクセルの場所でコヒーレントに加算される。

【0034】

処理ユニット２０９は、音響制御ユニット２２２と更に通信し得る。音響制御ユニット２２２は、音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１に制御データを提供し、かつこれから信号データを受信するように構成され得る。音響プローブ２４５は、エクスビボ又はインビボで使用するように構成され得、超音波信号などの音響信号を生成及び／又は受信するように構成されたＡＥＧトランスデューサ又はＡＥＧトランスデューサのアレイ（又は任意の他の好適な音響トランスデューサ）を含み得る。音響プローブ２４５はまた、米国特許公開第ＵＳ２０２２／０３６５０３６号、第ＵＳ２０２３／００９７６３９号、第ＵＳ２０２２／０３５００２２号、及び第ＵＳ２０２３／０１４８８６９号に開示されるような、音響信号を生成及び／又は受信するように構成されたＡＥＧトランスデューサ（又は任意の他の好適な音響トランスデューサ）と、光センサを受信するように構成された光センサと、の両方の混合アレイを含んでもよく、それらの各々は、参照により本明細書に組み込まれる。第１のタイプの１つ以上のアレイ要素（例えば、ＡＥＧトランスデューサ）を使用して、第１の画像を形成し得る。並行して、第２のタイプの１つ以上のアレイ要素（例えば、光センサ）を使用して、第２の画像を形成するために使用され得る音響エコーを検出する。高感度及び広帯域光センサによって生成される第２の画像は、独立して使用され得るか、又は更に改善された画像を形成するために第１の画像と組み合わせられ得る。光センサの高感度及び広帯域幅のために、光センサによって生成された画像は、改善された空間分解能、改善された貫通深さ、改善された信号対雑音比（ＳＮＲ）、改善された組織高調波イメージング、及び／又は改善されたドップラー感度を有し得る。

【0035】

音響トランスデューサ２２１は、診断又は治療処置が実行されているか、又は実行されることになる媒体内でのインビボ展開のために構成されている医療デバイスシステムの構成要素であり得る。音響トランスデューサ２２１は、カテーテル、カニューレ上などに位置する管腔内トラ又は内空洞トランスデューサを含んでもよいし、選択的に位置決めするためにロボットアームの端部に位置付けられた、又は外科医、助手、又は任意の他の医療関係者によって保持された、腹腔鏡ツールなどでの低侵襲処置中のトランスデューサ位置決めを可能にし得る術中トランスデューサであってもよい。実施形態では、音響トランスデューサ２２１は、例えば光ファイバセンサ１０１とともに、医療デバイス遠位端部２３１と同じ医療デバイス上に配設され得る。実施形態では、音響トランスデューサ２２１は、医療デバイス遠位端部２３１のデバイスとは別個の１つ以上のデバイス上に配設され得る。

【0036】

インビボトランスデューサ２２１は、当技術分野で知られているように、カテーテル／内視鏡／カニューレ上に位置付けられ、媒体における関心のある領域を照射する音波を外向きに伝送し得、前方視プローブと称され得る。あるいは、音響トランスデューサ２２１は、音響波を側面に放出してもよい。例えば、トランスデューサ２２１は、ＩＶＵＳ用途で使用される側面放出フェーズドアレイの一部であってもよい。別の例では、トランスデューサ２２１は、２つの並列管腔を有するガイドカテーテルで使用され得、１つは、ガイドワイヤを捕捉し、１つは、ガイドワイヤ管腔ほど遠位に延伸しない作業管腔である。更に、トランスデューサ２２１は、音波を半径方向に伝送してもよい。例えば、トランスデューサ２２１は、ラジアル型（又はセクタ）、リニア型、カーブリニア型（コンベックスアレイ）、台形型、又は超音波イメージングで使用される任意の他の画像フォーマットを有するエコー内視鏡に含まれてもよい。及びリニア型（コンベックスアレイ）音響パターン。ラジアル型エコー内視鏡は、エコー内視鏡のシャフトに対して直角の円周視野、すなわち、挿入チューブに対して垂直な画像を提供し得る。異なる超音波周波数を使用して、遠位及び近位構造の超音波イメージングを提供し得る。ラジアル型エコー内視鏡は、スクリーニングに使用され得るが、組織試料の取得などの治療用途に限定され得る、解剖学的構造の３６０度画像を提供し得る。カーブリニア型、リニア型、又は他の適切なアレイは、組織試料収集、嚢胞ドレナージ、病変／リンパ節の生検、及び疼痛管理のための注射などの、治療用途に使用され得る。実施形態では、トランスデューサ２２１は、曲線半径に依存する範囲で可視化し、かつ針／治療デバイスのリアルタイム挿入を可能にする、カーブリニア型内視鏡に組み込まれ得る。そのような実施形態では、超音波ビューは、スコープシャフトと同じ線又は平面にあり得る。更なる実施形態では、トランスデューサ２２１は、トランスバースアレイに組み込まれ、スコープのシャフトに垂直な平面に画像を提供し得る。

【0037】

更なる処置では、可動式術中トランスデューサが、ロボットアーム又は他のツール（例えば、ｂｋ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｒｏｂ１２Ｃ４など）の端部に位置付けられ得るか、又は処置中に医療専門家によって単に保持され得る。更に、ある特定のカニューレ及び内視鏡が、カニューレ、カテーテル、又は開頭トランスデューサなどのスコープの前の領域を照射するための前面放出トランスデューサ２２１を有し得る。

【0038】

典型的なエクスビボトランスデューサ２２１又はプローブ２４５は、一般のイメージングのために、又は針案内、針定位、又は針留置などの特定の処置のために一般的に使用されるような、患者の皮膚表面上に位置付けられ得る。

【0039】

処理ユニット２０９は、光ファイバセンサ１０１によって受信された音響プローブ２４５又は音響トランスデューサ２２１（及び光学音響センサシステム２００に接続され得るか、又は光学音響センサシステム２００と通信し得る任意の他の音響信号発生器）からの情報信号を使用して、医療デバイス遠位端部２３１を感知、追跡、及び監視するとともに、処置の領域における解剖学的構造の超音波画像を生成するように構成されている。実施形態では、光ファイバセンサ１０１又はセンサアレイ２０１は、散乱信号及び組織高調波とともに、音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１によって生成された音響信号を受信／検出するように動作する。媒体のイメージングは、音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１によって出力又は伝送される音響信号と、音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１並びに光ファイバセンサ１０１によって受信及び／又は検出される対応する音響信号と、の間の差に従って、処理ユニット２０９によって達成され得る。検出された信号は、検出された散乱信号及び組織高調波を含み得る。音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１によって生成された音響信号が通って移動する媒体の部分が、検出された音響信号に従ってイメージングされ得る。

【0040】

光ファイバセンサ１０１（又はセンサアレイ２０１）は、音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１から伝送された音響信号を受信する。光ファイバセンサ１０１から受信された信号に基づいて、光ファイバセンサ１０１の場所（したがって、医療デバイス遠位端部２３１の場所）は、三角測量によって、（例えば、既知の起点から伝送された１つ以上の音響信号の受信に基づいて）及び／又はコヒーレント画像形成によってのいずれかで計算され得る。更なる詳細については、同時係属の、２０２３年６月２３日に出願された、Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔと題する米国仮出願第６３／５２２，９９４号と、２０２３年１０月２３日に本出願と同時に出願された、代理人整理番号１０９８３５－１３９４９７８を有する、Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔと題する米国出願に見出すことができる。光ファイバセンサ１０１の場所は、音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１の既知の場所に対する光ファイバセンサ１０１の相対的な場所を判定するために、解剖学的構造の超音波画像上に重ねられ得る。更に、周囲の解剖学的構造の超音波画像が、光ファイバセンサ１０１によって、並びに音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１のうちの１つ以上によって受信された音響信号の組み合わせに従って、コヒーレントに再構成され得る。そのような組み合わせは、音響プローブ２４５及び／又は音響トランスデューサ２２１を単独で使用して形成された画像よりも良好な画像品質を生成し得る。

【0041】

医療デバイス遠位端部２３１を追跡、感知、及び監視するための実施形態では、光学音響センサシステム２００は、所定位置に固定されているか、又は場所を追跡されているかのいずれかである複数の音響プローブ２４５を含み得る。医療デバイス遠位端部２３１の場所及び移動を追跡、感知、判定、及び監視することは、例えば、光ファイバセンサ１０１及び音響トランスデューサ２２１によって検出された複数の音響信号間のタイミング及び／又は方向差を識別することによって、達成され得る。

【0042】

図２に示されるような光学音響センサシステム２００の構成は例として提供されていることが理解されよう。本開示の範囲から逸脱することなく、異なる構成が採用されてもよい。例えば、異なる配置の光学デバイス２０２Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄ、異なる数及び配置の光ファイバセンサ１０１及び光ファイバセンサアレイ２０１が採用されてもよい。実施形態では、光源制御ユニット２０７及び音響制御ユニット２２２は、処理システム２５０内に組み込まれ得るか、又は統合され得る。光学音響センサシステム２００の構成要素の追加の組み合わせが、本明細書に記載されるような機能性を達成するために適宜選択され得る。

【0043】

図３Ａは、光ファイバセンサ及び関連付けられた光ファイバを含む、センサファイバを示す。図３Ａに示されるように、装置は、センサファイバ３０１を含み得る。センサファイバ３０１は、端部に配設された光ファイバセンサを伴って構成された光ファイバであり得る。センサファイバ３０１は、コア３１２及びクラッディング構造３１３を備える光導波路３１１を含む。光導波路３１１は、光導波路３１１中で、例えばコア３１２内で、光を伝送又は搬送するように構成されている。コア３１２は、クラッディング構造３１３によって囲まれ、保護されている。光導波路３１１は、光導波路３１１の長さに沿って実質的に円筒形であり得、及び／又は別の好適な形状であり得る。コア３１２は、クラッディング構造３１３の実質的に中心にあり得る。実施形態では、光導波路３１１は、光ファイバであり得、光ファイバに共通の任意の材料を含み得る。例えば、コア３１２は、シリカガラス、ポリマー、又は他の適切な材料を含み得る。クラッディング構造３１３材料は、例えば、超音波誘起圧力又は歪の変化に応答するように選択され得る。超音波によって誘起される圧力又は歪は、変形又は屈折率変化を導入し、光ファイバを通過する光信号の変動につながる。例えば、超音波センサとして使用される場合、変動が大きいほど、感度が高くなり、検出限界が向上する。クラッディング材料は、クラッディング材料に関連付けられた少なくとも１つの材料特性を有し得、少なくとも１つの材料特性は、光ファイバコア３１２の屈折率（ＲＩ）よりも低い屈折率であり得る。ファイバコア、クラッディング材料、及びカプセル化構造のヤング率及び光弾性係数などの材料特性は、同一の材料でも異なる材料でもよく、用途に合わせて適合され得る。より小さいヤング率及びより大きい光弾性係数が、超音波感度の増加及び音響応答性にとって好ましい場合がある。本明細書で使用される場合、音響信号に対して感受性又は応答性であるとは、例えばシリカ材料と比較して、相対的に小さいヤング率（Ｅ）、相対的に高い光弾性係数、及び／又は相対的に大きい屈折率（ｎ）を有する材料を指し得る。本明細書で使用される場合、相対的に小さいヤング率は、３．０ＧＰａ未満、２．０ＧＰａ未満、１．２ＧＰａ未満、又は１．２～０．８ＧＰａの範囲内のヤング率を指し得る。相対的に高い光弾性係数Ｃ（すなわち、｜Ｃ_１－Ｃ_２｜）は、Ｃ＝２＊１０^－１２１／Ｐａよりも大きい光弾性係数を指し得る。相対的に大きい屈折率は、およそ３００ｎｍ～２０００ｎｍの範囲にある光信号についておよそ１．４６よりも大きい屈折率を指し得る。そのような材料は、音響信号を検出するために、本明細書で議論される光学構造の能力を増加、改善、又は最適化するように選択され得る。本明細書に記載される光学構造は、音響信号（例えば、超音波信号）を検出するように構成されているため、それらが構成される材料は、入射音響信号に対する構造の光学特性の感度を最大化するか、又は増加させるように選択され得る。例えば、より低いヤング率を有する材料は、変形するためにより少ない応力を必要とする。いくつかの用途では、変形の増加は、望ましくない場合がある。しかしながら、入射音響信号に応答して増加した変形は、より大きい変形を受ける光学構造を通過する光信号の検出可能な変化を増幅し得るか、又は増加させ得る。同様に、光弾性効果の増加は、本明細書に記載されるような光学構造では望ましいが、異なる目的で構成された異なる構造では望ましくない場合がある。

【0044】

光ファイバコア３１２は、シリカ、シリコン、光学的に透明なポリマーなどから作製されたものなど、任意の好適なタイプの光ファイバコアであり得ることを理解されたい。非限定的な例として、光ファイバコア３１２がシリカ（ＳｉＯ_２）から作製されている場合、クラッディング材料は、ＩｓｒａｅｌのＭＹ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ Ｌｔｄ．製の低屈折率光学コーティングである、ＭＹ－１３３であってもよいし、同じくＩｓｒａｅｌのＭＹ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ Ｌｔｄ．製の低屈折率光学コーティングである、ＢＩＯ－１３３であってもよい。更なる非限定的な例として、コアがシリカよりも高いＲＩを有するシリコンである場合、クラッディング構造３１３は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリスチレン（ＰＳ）、パリレン、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ＭＹ－１３３、又はＢＩＯ－１３３であってもよい。

【0045】

光導波路３１１は、フォームファクタ並びにレーザ及びセンサ波長調節要件に応じて、シングルモード（ＳＭ）伝送用又はマルチモード（ＭＭ）伝送用に構成され得、この場合、ＳＭファイバのほうがサイズが小さくなるであろう。例えば、１５５０ｎｍ帯域で動作するように構成されたシングルモードファイバは、５０ｕｍのクラッディング構造直径とコアＤ≧４．２ｕｍとを有し得る。そのようなファイバは、偏光保持ファイバであり得る。１５５０ｎｍ帯域で動作するように構成されたマルチモードファイバは、コアＤ＝５０ｕｍ～６０．５ｕｍ及び１２５ｕｍのクラッディング直径を有し得る。実施形態では、ポリマーファイバ（例えば、ＰＭＭＡ、ポリスチレン）が使用され得る。そのようなファイバは、典型的なガラス光ファイバよりも大きい直径及びより大きい最小曲げ半径を有し得る。他の実施形態では、フォトニック結晶ファイバ（中空構造／周期パターンを有する）が使用され得る。

【0046】

センサファイバ３０１の端部には、光共振器構造３２１が配設されている。光共振器構造３２１は、光導波路３１１の端部に結合されており、光共振器構造３２１内に統合された、ファブリペロー（ＦＰ）共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、マイクロリング、マイクロトロイド、スパイラル共振器、又はフォトニック結晶共振器などの、光共振器を含み得る。本明細書に記載される光共振器構造３２１及び他の光共振器構造は、以下に記載されるように、光共振器に加えて、光共振器の機能性を容易にするように構成された追加の構造及び構成要素を含み得る。光共振器は、光導波路を介して光共振器に供給される第１の光信号（例えば、光）を受信し、かつ光導波路に沿って戻る第２の光信号を提供するように構成されている。第２の光信号は、光共振器構造３２１に入射する音響信号に対応し、この音響信号を表し得る。上で議論されるように、入射音響信号は、光共振器構造３２１の物理的変形及び／又は材料特性の改変を引き起こし得る。したがって、光共振器構造によって光導波路３１１に沿って提供される光信号は、音響信号によって改変され、影響を受け、又は別様に音響信号を示すか、若しくは表し得、したがって、入射音響信号を特徴付けるために使用され得る。

【0047】

センサファイバ３０１は、例えば、外側コーティング、シールド、保護外層、及び／又はファイバジャケットを含み得る、カプセル化構造３１４を更に含んでもよい。カプセル化構造３１４は、光導波路及び３１１を取り囲む第１の部分３１４Ａと、光共振器構造３２１を少なくとも部分的に取り囲む第２の部分３１４Ｂと、を伴って構成されている。カプセル化構造３１４は、上で議論されるように、パリレン、ＭＹ－１３３、ＢＩＯ－１３３、又は音響信号に対して感受性又は応答性である他の好適なポリマーなどの、ポリマーを含み得る。カプセル化構造３１４の音響インピーダンスは、音響信号の検出の感度を高めるために、光共振器構造３２１のインピーダンスに整合するように選択され得る。本明細書で使用される場合、「インピーダンスの整合」は、整合する音響インピーダンスを有する材料及び／又は構造を選択することを指し得、概して、互いから２０％以内の音響インピーダンスが許容される整合を提供することは、医療用超音波の当業者には周知である。音響インピーダンスのより近い整合は、音響信号のより良い伝送（例えば、音響信号のより小さな部分が反射される）、したがって、より高い感度につながる。実施形態では、光導波路及び３１１を取り囲む第１の部分３１４Ａと、光共振器構造３２１を少なくとも部分的に取り囲む第２の部分３１４Ｂと、は、異なる目的で選択された異なる材料を含み得る。例えば、第１の部分３１４Ａは、例えば、整合を向上させ、それによって、音響信号の反射を最小限に抑えるように選択された音響インピーダンスを有する、音響透過性材料を含み得る。第２の部分３１４Ｂは、上で議論されるように、光共振器構造３２１のこの領域における入射音響信号への応答を増加させるために、音響応答性／感受性材料を含み得る。別段明記しない限り、本明細書で議論される全てのカプセル化構造は、異なる目的で選択された異なる材料を含む第１の部分及び第２の部分を含む、カプセル化構造３１４の特性と類似した特性を含み得る。

【0048】

光共振器構造３２１は、光導波路３１１の端部に配設されており、したがって、ファイバ端部センサと称され得る。クラッディング構造３１３は、第１の直径を有し得、光共振器構造３２１は、第２の直径を有し得る。第１の直径と第２の直径とは、実質的に同じであってもなくてもよい。用途に応じて、実質的に同じサイズのファイバを有すること、又は対称であってもなくてもよいバルブ様構造などの、ファイバよりも有意に大きいセンサを有することが有利であり得る。サイズの増加は、センサの音響感受性表面積を更に増大させ、全体的な感度を増加させ得る。上で議論されるように、センサファイバ３０１は、いくつかの例では、特定の医療用途に必要な小さいフォームファクタを考慮して、必要に応じてコンパクトであり得、第１の直径及び／又は第２の直径は、２００ミクロン未満、１７５ミクロン未満、１５０ミクロン未満、１３０ミクロン未満、１００ミクロン未満、又は８５ミクロン未満である。

【0049】

図３Ｂは、光導波路と、光センサとしてのファブリペロー共振器を有する光共振器構造と、を含むセンサファイバを示す。センサファイバ３５１は、センサファイバ３０１の一例であり、上に記載されるようなセンサファイバ３０１の特徴のいずれかを含み得る。センサファイバ３５１は、コア３５２及びクラッディング構造３５３を有する光導波路３７１を含む。コア３５２は、７～１２ミクロンの範囲の直径、又はおよそ９ミクロンの直径を有し得る。これらの寸法は、単なる一例として提供されており、本開示の実施形態によって包含されるサイズ及び直径を限定するものではない。センサファイバ３５１は、例えば、光導波路３７１と光導波路３７１の端部に配設された光共振器構造３６１との両方をカプセル化する外側コーティング、保護外層、及び／又はファイバジャケットを含み得るカプセル化構造３５４を含み得る。カプセル化構造３５４は、例えば、内層３５５及び外層３５６を含む、多層構造であり得る。内層３５５は、金、又は光波に対する任意の好適な反射材料層を含み得る一方、外層３５６は、パリレン、ＭＹ－１３３、ＢＩＯ－１３３、又は音響透過性であり得る他の好適な保護層を含み得る。カプセル化構造３５４は、光導波路３７１をカプセル化するか、又は取り囲む第１の部分３５４Ａと、光共振器構造３６１をカプセル化するか、又は取り囲む第２の部分３５４Ｂと、を含み得る。カプセル化構造３５４は、異なる材料の第１の部分及び第２の部分を含む、カプセル化構造３１４の特徴と同様の特徴を有し得る。光共振器構造３６１は、光共振器３６２としてファブリペロー共振器を伴って構成され得る。光共振器３６２は、光キャビティ３６５のいずれかの側に配置された遠位反射表面３６４及び近位反射表面３６３を含む。遠位反射表面３６４及び近位反射表面３６３は、任意の好適な反射材料で構成され得る。図３Ｂに示されるように、遠位反射表面３６４及び近位反射表面３６３は、カプセル化構造３５４の内層３５５から形成され、かつ内層３５５と一体であり、したがって、金又は他の好適な反射材料で形成されている。図３Ｂに示されるように、遠位反射表面３６４は、湾曲し得、近位反射表面３６３は、実質的に平坦であり得る。この配置は、例としてのみであり、遠位及び近位反射表面３６４／３６３は、異なる形状及び／又は構成で配置されてもよい。いくつかの追加の例が、図４Ａ～４Ｅに提供される。他の実施形態では、遠位反射表面３６４及び近位反射表面３６３は、異なる材料から形成され得、かつ／又はカプセル化構造３５４から分離された構造であり得る。光キャビティ３６５は、遠位反射表面３６４と近位反射表面３６３との間に配設されている。本明細書で使用される場合、「光キャビティ」という用語は、通過する光に最小限の減衰を提供する（例えば、典型的には１０００よりも高いＱ値を有する）材料によって占有されるボリュームを指す。品質（Ｑ）係数は、共振器内の減衰の量を記述する無次元パラメータである。より高いＱ値は、より感受性が高い共振器に対応する。

【0050】

光学では、共振キャビティのＱ値は、

【数1】

式中、ｆ_０は、共振周波数であり、Ｅは、キャビティに蓄積されたエネルギーであり、

【数2】

は、散逸電力である。光学Ｑ値は、キャビティ共振の帯域幅に対する共振周波数の比率に等しい。キャビティ中の共振光子の平均寿命は、キャビティのＱ値に比例する。したがって、高いＱ値は、低い減衰を表し、キャビティ内の光子の高い寿命を伴う。

【0051】

Ｑ値、並びに感度及び応答性の任意の他の判定は、最終的には、光ファイバコアに使用される材料の選定によって制限される。従来のファブリペロー干渉計は、構造全体にわたってシリカなどの単一の材料から均一に形成され得る。例えばシリカは優れた光透過能力を有するが、同様に例外的な音響感度を有してはいない。卓越した音響感度を有する多数の材料が知られているが、そのような材料は、単独では、光ファイバコアに対するシリカなどの好適な代替にはならない場合がある。本発明は、他の材料に見られる音響感度を利用するために共振アクチュエータを適合させる。

【0052】

光キャビティ３６５は、ポリマーなどの好適な材料で構成され得る。高音響透過率を有する、ＭＹ－１３３又はＢＩＯ－１３３などのポリマー材料が、上で議論されるように、光共振器構造の感度を高めるために採用され得る。光共振器構造３６１は、音響信号を検出するように構成され得る。光共振器構造に、例えば遠位反射表面３６４、近位反射表面３６３、及び／又は光キャビティ３６５に、入射する音響信号は、これらの構造の振動及び／又は他の物理的変形を引き起こし得、これは、それらの光学特性を改変し得るか、又はそれらの光学特性に影響を与え得る。更に、光弾性効果に起因して、これらの構造の材料特性が改変され、したがって、光学特性を更に変化させ得る。したがって、光共振器構造３６１によって（例えば、光導波路３７１を介して供給される光信号に応答して）光波導路３７１に提供される戻り光信号は、光共振器構造３６１に入射する音響信号を示し得るか、又は表し得る。より具体的には、センサビームにおける光の検出された位相シフトは、感知された音響信号を示す。偏光式センサを使用して、偏光分析器は、感知された音響信号を示す信号を生成するために、異なる偏光成分間の位相シフト／遅延を解釈する。

【0053】

図４Ａ～図４Ｅは、本明細書の実施形態による光共振器構造３６１のいくつかの変形例を示す。図４Ａは、実質的に円筒形である光キャビティ３６５の両端部に、実質的に平坦であり、かつ実質的に平行である近位反射表面３６３及び遠位反射表面３６４を有する光共振器構造３６１を示す。図４Ｂは、光導波路３７１に対して実質的に平坦かつ実質的に正方形である近位反射表面３６３と、光キャビティ３６５に対して凹状の遠位反射表面３６４と、を有する光共振器構造３６１を示す。図４Ｃは、光キャビティ３６５に対して凸状である近位反射表面３６３と、光キャビティに対して凹状である遠位反射表面３６４と、を有する光共振器構造３６１を示す。図４Ｄは、光キャビティ３６５に対して凹状である近位反射表面３６３と、光導波路３７１に対して実質的に平坦かつ実質的に正方形である遠位反射表面３６４と、を有する光共振器構造３６１を示す。図４Ｅは、両方とも光キャビティ３６５に対して凹状である近位反射表面３６３及び遠位反射表面３６４を有する光共振器構造３６１を示す。

【0054】

図５Ａは、本明細書の実施形態に従う、光ファイバセンサとともに使用するための光センサシステムを示す。図５Ｂは、本明細書の実施形態に従う干渉計式光センサを示す。図５Ａの光センサシステム１００Ｂは、図５Ｂに示されるように、干渉計式光ファイバセンサ１０１Ｂとともに使用するように構成されている。

【0055】

光ファイバセンサ１０１Ｂは、干渉計式音響センサを有するファイバ端部センサを含み得る。光ファイバセンサ１０１Ｂは、光ファイバセンサ１０１Ｂの端部に、例えば光導波路３１１Ａの端部に、配設された干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａを有するセンサファイバ３０１Ａを含み得る。注記されている場合を除き、センサファイバ３０１Ａは、センサファイバ３０１の特徴及び構造と一致する特徴及び構造を含み得る。干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａは、例えば、マッハツェンダー（ＭＺ）タイプの干渉計を含み得る。干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａは、光導波路３１１Ａの端部に結合されている。干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａは、以下に記載されるように、干渉計式ファイバ端部センサの機能性を容易にするように構成された追加の構造及び構成要素を含み得る。干渉計式ファイバ端部センサは、光導波路３１１Ａを介して干渉計式ファイバ端部センサに供給される第１の光信号（例えば、光）を受信し、かつ光導波路３１１Ａに沿って戻る第２の光信号を提供するように構成されている。第２の光信号は、干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａに入射する音響信号に対応し、この音響信号を表し得る。入射音響信号は、干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａの物理的な変形及び／又は材料特性の改変を引き起こし得る。したがって、干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａによって光導波路３１１Ａに沿って提供される光信号は、音響信号によって改変され、影響を受け、又は別様に音響信号を示すか、若しくは音響信号を表し得、したがって、入射音響信号を特徴付けるために使用され得る。

【0056】

干渉計式ファイバ端部センサ構造３２１Ａは、パリレン又は音響信号に対して感受性がある他の好適なポリマーを含む、音響応答性ポリマー部分３１７Ａを含み得る。ポリマー部分３１７Ａの音響インピーダンスは、上に記載されるように、ファイバ端部センサ構造３２１Ａの感度を高めるために、センサファイバ３０１Ａのカプセル化構造の音響インピーダンスの（例えば、１％、５％、１０％、又は２０％以内）で整合するように選択され得る。遠位反射表面３６４Ａは、ファイバ端部センサ構造３２１Ａの遠位端部に配置されており、任意の好適な材料、例えば金、で構成され得る。図５Ｂに示されるように、遠位反射表面３６４Ａは、金から形成されており、ポリマー部分３１７Ａと一体である。

【0057】

ファイバ端部センサ構造３２１Ａは、光導波路３１１Ａの端部に配設されており、したがって、ファイバ端部センサと称され得る。光導波路３１１Ａは、第１の直径を有し得、ファイバ端部センサ構造３２１Ａは、第２の直径を有し得る。第１の直径及び第２の直径は、実質的に同じであり得、かつ／又は１．０５～０．９５の範囲の比率、１．０２～０．９８の範囲の比率、若しくは１．０１～０．９９の範囲の比率を有し得る。上で議論されるように、センサファイバ３０１Ａは、コンパクトであり得、例えば、第１の直径及び／又は第２の直径は、２００ミクロン未満、１７５ミクロン未満、１５０ミクロン未満、１３０ミクロン未満、１００ミクロン未満、又は８５ミクロン未満である。

【0058】

光センサシステム１００Ｂは、干渉計式光ファイバセンサ１０１Ｂとともに使用するように構成されている。光センサシステム１００Ｂは、レーザなどの光源１０４、光検出器などの光受信デバイス１０３、１つ以上の光導波路１０５、光サーキュレータ１０２、１つ以上の周波数シフタ１０６、及び１つ以上のカプラ１０７を含み得る。動作中、光源１０４は、光導波路１０５を介して、カプラ／デカプラ１０７Ａを介して、及び光サーキュレータ１０２を通して、初期光信号１１１Ａを光ファイバセンサ１０１に供給する。供給された初期光信号１１１Ａは、光導波路１０５に沿って光ファイバセンサ１０１によって戻される。戻り光信号１１２は、光導波路１０５を介して光サーキュレータ１０２及びカプラ／デカプラ１０７Ｂを通って移動し、光受信デバイス１０３で受信される。カプラ／デカプラ１０７Ａは、初期光信号１１１Ａの一部分を、基準光信号１１１Ｂとして周波数シフタ１０６を通してカプラ／デカプラ１０７Ｂに導くように機能し、カプラ／デカプラ１０７Ｂは、光受信デバイス１０３での検出及び比較のために戻り光信号１１２と組み合わされ得る。上で議論されるように、光ファイバセンサ１０１に入射する音響信号は、光ファイバセンサ１０１の光学特性（物理的構造及び光学材料特性を含む）を改変する。そのような光学特性の改変は、基準光信号１１１Ｂと比較して、戻り光信号１１２の変化に従って測定され得る。

【0059】

図５Ｃ及び５Ｄは、音響検出能力を提供又は強化するように構成されたファイバ端部ファセットを含む光ファイバセンサの実施形態を示す。光ファイバセンサ１０１Ｃ及び光ファイバセンサ１０１Ｄは各々、少なくとも、光導波路３１１、ファイバコア３１２、クラッディング構造３１３、及びカプセル化構造３１４を含む。光ファイバセンサ１０１Ｃは、音響応答性ポリマー部分３９７と、音響応答性ポリマー部分３９７の遠位端に位置するファセット基板３９８Ａと、を含む光センサ構造３２９Ｃを含む。光ファイバセンサ１０１Ｄは、音響応答性ポリマー部分３９７と、ポリマー部分３９７及びコア３１２とクラッディング構造３１３と、の間に配設されたファセット基板３９８Ｂと、ポリマー部分３９７の遠位端に配設された遠位端部反射表面３９４と、を含む光センサ構造３２９Ｄを含む。

【0060】

光ファイバセンサ１０１Ｃにおいて、ファセット基板３９８Ａは、光ファイバセンサ１０１Ｃの遠位端部に配設されている。光センサ構造３２９Ｃは、ポリマー部分３９７及びファセット基板３９８Ａによって形成されている。ファセット基板３９８Ａは、断面図に示されるように、１つ以上のファセット構造３９９Ａを含む。ファセット構造３９９Ａは、音響信号の波面形状を変化させ、かつ音響信号の検出を最大化するように配置された小さい要素のパターンを含むメタ表面、音響応答を最適化するように選択された光機械的特徴を有する音響応答性の低次元材料、例えば、音響信号を受信するときにより変形しやすく、かつ音響信号に対してより大きい材料応答を呈する特徴、及び本明細書に記載されるように、光物質相互作用を増幅するようにパターン化されたプラズモン構造などの、音響応答性の微細構造を含み得る。プラズモン構造は、プラズモン構造のプラズモン共鳴に起因して、入射光を局所的に増幅し得る。ファセット構造３９９Ａは、本明細書に記載されるような光センサとして動作する。動作中、供給された光信号１１１１は、ファセット基板３９８Ａから反射し、戻り光信号１１２１としてシステムに戻される。ファセット構造３９９Ａは、音響応答性であるため、戻り光信号１１２１は、入射音響信号によって引き起こされるファセット構造３９９Ａの変化によって修正される。実施形態では、ファセット構造３９９Ａとして機能するプラズモンメタ表面に誘起されるプラズモン共鳴、又はファセット構造３９９Ａとして機能する誘電体メタ表面に誘起されるミー共鳴は、入射音響信号によって、戻り光信号１１２１に検出可能な修正を提供するように改変（例えば、シフト）され得る。次いで、戻り光信号１１２１は、本明細書に記載されるシステムのいずれかによって解釈され得る。

【0061】

光ファイバセンサ１０１Ｄにおいて、ファセット基板３９８Ｂは、ポリマー部分３９７とコア３１２及びクラッディング構造３１３との間に配設されている。光センサ構造３２９Ｄは、ポリマー部分３９７、ファセット基板３９８Ｂ、及び遠位反射表面３９４によって形成されている。ファセット基板３９８Ｂは、断面図に示されるように、１つ以上のファセット構造３９９Ｂを含む。ファセット構造３９９Ｂは、ファセット構造３９９Ａに関して上に記載されるものと同様の音響応答性マイクロ構造を含み得る。ファセット構造３９９Ｂは、光センサ構造３２９Ｄの音響応答を強化、改善、又は別様に変更するように動作する。動作中、供給された光信号１１１１は、遠位反射表面３９４から反射し、戻り光信号１１２１としてシステムに戻される。ポリマー部分３９７及び遠位反射表面３９４は、音響応答性であり、戻り光信号１１２１は、これらの構造に入射する音響信号に従って修正される。ファセット構造３９９Ｂは、音響応答性であり、かつ供給された光信号１１１１及び戻された光信号１１２１の両方がファセット基板３９８Ｂを通過するため、戻り光信号１１２１は、入射音響信号によって引き起こされるファセット構造３９９Ｂの変化によって更に修正される。実施形態では、ファセット構造３９９Ｂは、光センサ構造３２９Ｄのカップリングを最適化し（例えば、信号損失を減少させ）、かつ／又はクリティカルカップリングを達成する（例えば、信号損失を排除する）ように設計及び／又は選択され得る。光センサ構造３２９Ｄにおけるカップリングの増加は、入射音響信号に応答する光信号の振幅を増加させるように機能する。したがって、戻り光信号１１２１は、より高い信号対雑音比を呈し得る。更に、ファセット構造３９９Ｂ内の変形を引き起こす入射音響信号はまた、ファセット構造３９９Ｂが光センサ構造３２９Ｄにおけるカップリングを修正する程度を改変するためのサーバであってもよく、したがって、解釈のために入射音響信号によって改変された戻り光信号１１２１の別の態様を提供する。次いで、戻り光信号１１２１は、本明細書に記載されるシステムのいずれかによって解釈され得る。したがって、ファセット基板３９９Ｂは、光センサ構造３２９Ｄの音響応答を強化、改善、又は別様に修正するように機能し得る。

【0062】

ファセット構造３９９Ａ及び３９９Ｂは、光ファイバセンサ１０１Ｃ及び１０１Ｄに組み込まれているものとして、図５Ｃ及び５Ｄに示される。そのようなファセット基板は、干渉計式構造と、光ファイバセンサ１０１Ｃ及び１０１Ｄの動作と、を有する光センサとの使用に限定されず、本明細書に記載される光ファイバセンサのいずれにも組み込まれ得る。

【0063】

図５Ｅは、プラズモンメタ表面の一例を示し、図５Ｆは、誘電体メタ表面の一例を示す。図５Ｅに示されるように、ファイバ５００は、コア５０１を有する光導波路５０２の端部に配設されたプラズモンメタ表面５１１を含み得る。プラズモンメタ表面５１１は、コア５０１によって画定される領域内のファイバ５００の端部に配設され得る。示されるように、プラズモンメタ表面５１１は、例えば、正方形のパターンで配設されてもよいし、また、任意の他の好適なパターンで配設されてもよい。プラズモンメタ表面５１１は、コア５０１からの光信号が当たったときにプラズモン共鳴を呈し得る。入射音響信号によって引き起こされる変形は、プラズモン共鳴を改変し、本明細書で議論されるように、音響信号の検出及びデコーディングを可能にする。プラズモンメタ表面５１１は、様々な金属を含み得、特に、金などの貴金属を含み得る。更に、プラズモンメタ表面５１１は、５０ミクロン未満、４０ミクロン未満、３０ミクロン未満、２０ミクロン未満、又は１０ミクロン未満の高さを有する薄膜表面であってもよい。更なる実施形態では、プラズモンメタ表面５１１は、１ミクロン未満の高さを有する、低次元又は２次元表面であってもよい。横方向寸法では、プラズモンメタ表面５１１の特徴は小さく、センサによって使用される光信号の波長未満（例えば、６００ナノメートル未満、４００ナノメートル未満、２００ナノメートル未満など）の横方向寸法Ｄ（例えば、幅及び／又は長さ）を有してもよい。プラズモンメタ表面５１１の特徴の横方向の寸法はまた、特徴間の間隔を指し得る。図５Ｆは、ファイバ５５０の光導波路５０２の端部におけるファイバコア５０１の領域内に同様に配設され得る誘電体メタ表面５１２を示す。誘電体メタ表面５１２は、図５Ｆに示されるように、ストリップ若しくは長方形で、又は任意の他の好適な形状で配置され得る。誘電体メタ表面５１２は、光信号が当たったときにミー共振を呈するように構成され得る。ミー共振は、入射音響信号によって改変され、それによって、音響信号の検出及びデコーディングを可能にし得る。実施形態では、誘電体メタ表面５１２は、シリコン、酸化チタンなどの、誘電体材料を含み得る。実施形態では、誘電体メタ表面５１２は、上で議論されるように、プラズモンメタ表面５１２と同様のサイズあり得る。

【0064】

図６Ａは、本明細書の実施形態に従う、光ファイバセンサとともに使用するための光センサシステムを示す。図６Ｂは、本明細書の実施形態に従う偏光式光センサを示す。光センサシステム１００Ｂは、偏光式光ファイバセンサ１０１Ｃとともに使用するように構成されている。光ファイバセンサ１０１Ｃは、偏光式音響センサを有する光ファイバ端部センサを含み得る。光ファイバセンサ１０１Ｃは、光ファイバセンサ１０１Ｃの端部に、例えば光導波路３１１Ｂの端部に、配設された偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂを有するセンサファイバ３０１Ｂを含み得る。更なる実施形態では、以下で議論されるように、偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂは、センサファイバ３０１Ｂに沿った任意の場所に配設されてもよい。注記されている場合を除き、センサファイバ３０１Ｂは、センサファイバ３０１の特徴及び構造と一致する特徴及び構造を含み得る。センサファイバ３０１Ｂは、カプセル化構造３１４Ｃを含み、カプセル化構造３１４Ｃは、例えば、外側コーティング、保護外層、及び／又はファイバジャケットを含み得る。カプセル化構造３１４Ｃは、センサファイバ３０１Ｂのクラッディング構造と相対的に高い音響インピーダンス不整合を有するように選択された材料を含み得る。したがって、センサファイバ３０１Ｂがカプセル化構造３１４Ｃによって覆われている場合、入射音響信号が反射され得る。偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂは、カプセル化構造３１４Ｃの欠如によって画定される窓３２０Ｂによって露出され得、音響応答性ポリマーと、初期光信号１１１を反射光信号１１２として反射するように構成された遠位反射表面３６４Ｂと、を備えるポリマー部分３１７Ｂを含み得る。偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂは、光導波路３１１Ｂを介して偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂに供給される第１の光信号（例えば、光）を受信し、かつ光導波路３１１Ｂに沿って戻る第２の光信号を提供するように構成されている。第２の光信号は、偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂに入射する音響信号に対応し、この音響信号を表し得る。入射音響信号は、偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂの物理的変形及び／又は材料特性の改変を引き起こし得る。したがって、偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂによって光導波路３１１Ｂに沿って提供される光信号は、音響信号によって改変され、影響を受け、又は別様に音響信号を示すか、若しくは音響信号を表し得、したがって、入射音響信号を特徴付けるために使用され得る。偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂにおいて、入射音響信号は、ポリマー部分３１７Ｂに応力を引き起こし、そのことが、ポリマー部分３１７Ｂを通過する光の偏光の１つ以上の二重屈折及び回転のうちの１つ以上と、光導波路３１１Ｂによって搬送される光の偏光の変化と、をもたらし、これは、以下で議論されるように、光センサシステム１００Ｂによって検出及び分析され得る。

【0065】

光センサシステム１００Ｂは、レーザなどの光源１０４と、光検出器などの光受信デバイス１０３と、１つ以上の光導波路１０５と、光サーキュレータ１０２と、光ファイバセンサ１０１Ｂと、を含む。動作中、光源１０４は、光導波路１０５を介して、及び光サーキュレータ１０２を通して、初期光信号１１１を光ファイバセンサ１０１Ｂに供給する。供給された初期光信号１１１は、光導波路１０５に沿って光ファイバセンサ１０１Ｂによって戻される。戻り光信号１１２は、光導波路１０５を介して光サーキュレータ１０２を通って偏光分析器１０８を通って移動し、光受信デバイス１０３で受信される。偏光分析器１０８の使用は、初期光信号１１１と戻り光信号１１２との間の偏光差の判定を可能にする。上で議論されるように、光ファイバセンサ１０１Ｂに入射する音響信号は、光ファイバセンサ１０１Ｂの光学特性（物理的構造及び光学材料特性を含む）を改変し、戻り光信号１１２の偏光の改変を引き起こす。そのような偏光変化は、光検出器に従って判定されるように、戻り光信号１１２及び初期光信号１１１の差に従って測定され得る。

【0066】

実施形態では、偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂの角度感度は、初期光信号１１１の偏光の差にさらされ得る。初期光信号１１１の偏光に応じて、図６Ｃに示されるように、偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂが最も感度が高い入射音響信号の角度が改変され得る。したがって、実施形態では、光センサシステム１００Ｂに関連付けられた制御システムは、音響感度を増加させるために、入力偏光状態１から入力偏光状態２へなど、初期光信号１１１の偏光を調整又は最適化するように構成され得る。これらの偏光状態は、例としてのみ提供され、以下で議論されるように、操作上の必要性に従って改変又は構成され得る。図６Ｃは、入力偏光状態１及び入力偏光状態２が入力音響信号に対して最も感度が高い方向を示す。実線矢印は、入力偏光状態１が最も感度の高い方向に対応し、破線矢印は、入力偏光状態２に対応する。したがって、偏光状態のローブは、最高の音響感度を提供する。したがって、入力偏光状態は、音響信号の予想される方向、又は音響感度が最も望ましい方向と整列するように選択及び実装され得る。これにより、光センサシステム１００Ｂは、音響信号の入射方向に従って、ファイバ端部センサ構造３２１Ｂの性能を最適化することが可能になり得る。偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂの角度感度は、ファイバ端部センサ構造３２１Ｂの構造に依拠しない。実施形態では、偏光保持ファイバが使用され得る。偏光状態が選択及び実装された後、偏光状態は、光信号によって保持される。実施形態では、調整可能なファイバ構成要素を使用して、調整可能な偏光状態を提供し得る。一実施形態では、偏光状態は、変化する条件（音響信号を生成する音響トランスデューサ２２１の移動、及び／又はファイバ端部センサ構造３２１Ｂの移動、回転など）を考慮して使用中に調整され得る。偏光式ファイバ端部センサ構造３２１Ｂの更なる利点は、簡略化されたセンサ構造及び波長ロック要件を含み得る。

【0067】

図６Ｄは、本明細書の実施形態によるファイバ式光センサの更なる実施形態を示す。センサファイバ３０１Ｃは、本明細書に記載されるように、コア及びクラッディング構造を備える光導波路を含む、センサファイバ３０１と同様に構成された光ファイバであり得る。センサファイバ３０１Ｃは、センサファイバ３０１Ｃの端部に配設されたファイバ端部センサ構造３２１Ｃを有し得る。ファイバ端部センサ構造３２１Ｃは、光共振器構造、干渉計構造、音響応答性ファイバ端部ファセット構造、及び偏光式構造を含む、本明細書で論じられるファイバ端部センサ構造のいずれかを含み得る。センサファイバ３０１Ｃは、入射音響信号を反射するように構成されたカプセル化構造３１４Ｃと、カプセル化構造３１４Ｃを欠くギャップ又は露出領域を表す窓３２０Ｃと、を更に含んでもよい。窓３２０Ｃは、例えば、図６Ｂに関して議論されるように、偏光式光センサ構造３２２Ｃを露出し得る。実施形態では、偏光式光センサ構造３２２Ｃは、偏光式光センサ構造３２２Ｃが一部であるファイバのクラッディング構造及びコアから形成されている。すなわち、偏光式光センサ構造３２２Ｃは、ファイバ内の任意の追加の構造ではなく、窓３２０Ｃにおける音響シールドの欠如によって作成された入射音響信号への曝露によって画定され得る。センサファイバ３０１Ｃは、センサファイバ３０１Ｃの長さに沿って配設された任意の数の窓３２０Ｃ及び偏光式光センサ構造３２２Ｃを含み得る。したがって、センサファイバ３０１Ｃは、ファイバ端部センサ構造３２１Ｃと、ファイバ中間の場所用に構成された偏光式光センサ構造３２２Ｃと、の両方を含む、複数の光学式音響センサ構造を含み得る。更なる実施形態では、窓３２０Ｃは、以下でより詳細に議論されるように、窓３２０Ｃが、ポイントセンサとは対照的に、ラインセンサとして動作するように、ファイバの長さに沿って十分にサイズ設定され得る。ラインセンサは、直線センサ又は曲線受信機であり得る。更なる実施形態では、センサファイバ３０１Ｃは、ファイバ端部センサ構造３２１Ｃを含まないが、センサファイバ３０１Ｃの長さに沿って配設された１つ以上の偏光式光センサ構造３２２Ｃを伴って構成されてもよい。

【0068】

ファイバ端部センサ構造３２１Ｃ及び偏光式光センサ構造３２２Ｃの各々は、本明細書に記載されるように、イメージング及び追跡の両方を容易にするために使用され得る。実施形態では、偏光式光センサ３２２Ｃは、例えばサイズ／形状によって、イメージング、追跡、又はその両方を容易にするように構成され得る。例えば、より長い偏光式光センサ構造３２２Ｃは、ラインセンサとして機能して、画像品質を向上させ得、ラインは、直線であっても湾曲していてもよい。別の例では、追跡方法を容易にするために、複数の偏光式光センサ構造３２２Ｃが使用され得る（例えば、デバイスに沿った複数のセンサは、方向判定を支援し得る）。

【0069】

いくつかの実施形態では、偏光窓部分はまた、散乱された音響信号及び／又は組織高調波を検出する光ファイバセンサとして機能し得る。光ファイバセンサが関心のあるイメージング領域内に位置付けられているとき、光ファイバセンサは、あまり遠くに伝播することができない弱い高調波又は散乱音響信号を受信し得る。光ファイバは、受信された音響信号に対応する光信号をシステムプロセッサ（例えば、処理ユニット２０９）に伝達し得る。システムプロセッサは、受信された光信号を使用して、センサを取り囲む解剖学的構造の超音波画像を、遅延及び加算ビームフォーミング方法又は他の好適な画像再構成方法で再構成し得、これは、２０２３年６月２３日に出願された、Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔと題された対応する米国仮出願第６３／５２２，９９４号、及び２０２３年１０月２３日に同時出願された、Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔと題され、代理人整理番号１０９８３５－１３９４９７８を有する米国出願で、詳細に議論されている。このデータを用いて、システムプロセッサは、音響プローブによって放出及び受信されたパルスにのみ基づいて生成されたものよりも良好な品質の画像を生成し得る。実施形態では、システムプロセッサは、１つ以上の光ファイバセンサから受信された光信号にのみ基づいて、画像を構成し得る。実施形態では、１つ以上の光ファイバセンサから受信された光信号は、旧来の超音波プローブによって受信された音響信号と併せて使用され得る。

【0070】

この原理は、図６ＤＤにより詳細に示される。図６ＤＤに示されるように、音響信号６２０を関心のある領域に伝送するために、音響プローブ６０１が使用され得る。音響プローブ６０１は、イメージング目的で音響信号６２０の反射を検出するための旧来の音響プローブとして機能し得る。これらの画像は、１つ以上の光ファイバセンサによって取得された追加情報によって強化され得る。センサファイバ６０２の光ファイバセンサ６１２は、本明細書で議論されるファイバ端部光センサ構造のいずれかに対応し得、音響信号６２２を受信し得る。音響信号６２２は、反射、散乱、及び／又は組織高調波から結果として生じ得る。図６ＤＤに示されるように、音響信号６２２は、関心のある領域内の点６２１から生成される。光ファイバセンサ６１２は、本明細書で議論されるように、任意の方向から音響信号６２２を受信するように構成され得る。センサファイバ６０３は、本明細書で議論されるように、偏光式光センサとして機能するように構成され得、センサファイバ６０３の軸に対して横方向から音響信号６２２を受信し得る。本明細書で使用される場合、「横方向」は、センサファイバ６０３の軸に平行ではない全ての方向を指す。図６ＤＤに示されるように、音響信号６２２は、図６Ｄに関して議論されるように、センサファイバ６０２の長さに沿った任意の露出部分で、任意の方向から、センサファイバ６０２によって受信され得る。更に、図６Ｃに関して議論され、図６Ｃに示されるように、センサファイバ６０２の偏光は、音響信号６２２の予想又は所望される半径方向の入射角に適合するように選択又は調整されてもよい。図６ＤＤは、更に、イメージング関心のある領域内で湾曲し得るセンサファイバ６０４を示す。センサファイバ６０３と同様に、センサファイバ６０４は、入射音響信号６２２を、横方向に、実質的に横方向に、又はセンサファイバ６０４の軸に対して任意の方向から検出し得る。センサファイバ６０４の長さに沿った複数の点での横方向信号の検出は、センサファイバ６０４が媒体内（例えば、医療処置中の人体内）に配設されているときに、センサファイバ６０４を追跡及び／又は定位する能力を高め得る。例えば、図６ＤＤ（ｂ）に示されるように、センサファイバ６０４の長さに沿って入射する複数の信号は、センサファイバ６０４の長さに沿ってセンサファイバ６０４の異なる部分の場所を判定して、したがって、先端領域だけでなく、センサファイバ６０４全体の場所を識別する能力を高め得る。例えば、図６ＤＤ（ｃ）に示されるように、センサファイバ６０４の長さに沿って入射する複数の信号は、センサファイバ６０４の異なる部分の場所を判定して、したがって、センサファイバ６０４の曲率をより高い精度で識別する能力を高め得る。

【0071】

図６Ｅ及び６Ｆは、本明細書の実施形態に従う、光ファイバセンサとともに使用するための光センサシステムを示す。図６Ｆは、本明細書の実施形態に従う、マルチコア光ファイバとともに使用するように構成された光共振器式光センサを示す。図６Ｅの光センサシステム１００Ｄは、図６Ｆに示されるように、マルチコア光共振器式光ファイバセンサ１０１Ｄとともに使用するように構成されている。更なる実施形態では、例えば干渉計式センサを含む、本明細書で議論される他の光センサが、マルチコア光ファイバ式システムで採用されてもよい。

【0072】

光ファイバセンサ１０１Ｄは、本明細書に記載されるような光共振器式音響センサを有するファイバ端部センサを含み得る。光ファイバセンサ１０１Ｄは、光ファイバセンサ１０１Ｄの端部に、例えば光導波路３１１Ｄの端部に、配設された光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄを有するセンサファイバ３０１Ｄを含み得る。注記されている場合を除き、センサファイバ３０１Ｄは、センサファイバ３０１及び３５１の特徴及び構造と一致する特徴及び構造を含み得る。光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄは、光導波路３１１Ｄの端部に結合されている。光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄは、以下に記載されるように、光共振器センサ３２２Ｄの機能性を容易にするように構成された追加の構造及び構成要素に加えて、光共振器センサ３２２Ｄを含み得る。図６Ｆに概略的に示される光共振器式ファイバ端部センサ３２２Ｄは、センサファイバ３０１Ｄの第１の光コア３１３Ｄを介して光共振器式ファイバ端部センサ３２２Ｄに供給される初期光信号１１１（例えば、光）を受信し、かつセンサファイバ３０１Ｄの第２の光コア３１２Ｄに沿って戻る戻り光信号１１２を提供するように構成されるように導波路結合され得る。第２の光信号は、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄに入射する音響信号に対応し、この音響信号を表し得る。入射音響信号は、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄの物理的変形及び／又は材料特性の改変を引き起こし得る。したがって、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄによって第２の光コア３１２Ｄに沿って提供される光信号は、音響信号によって改変され、影響を受け、又は別様に音響信号を示すか、若しくは表し得、したがって、入射音響信号を特徴付けるために使用され得る。

【0073】

光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄは、パリレン、又は音響信号に対して感受性がある他の好適なポリマーを含む、音響応答性ポリマー部分３１７Ｄを含み得る。ポリマー部分３１７Ｄの音響インピーダンスは、上に記載されるように、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄの感度を高めるために、センサファイバ３０１Ｄのカプセル化構造又はクラッディング構造３１４Ｄの音響インピーダンスの（例えば、１％、５％、１０％、又は２０％以内）で整合するように選択され得る。

【0074】

ファイバ端部センサ構造３２１Ｄは、光導波路３１１Ｄの端部に配設されており、したがって、ファイバ端部センサと称され得る。カプセル化又はクラッディング構造３１４Ｄは、第１の直径を有し得、ファイバ端部センサ構造３２１Ｄは、第２の直径を有し得る。第１の直径及び第２の直径は、実質的に同じであり得、かつ／又は１．０５～０．９５の範囲の比率、１．０２～０．９８の範囲の比率、若しくは１．０１～０．９９の範囲の比率を有し得る。上で議論されるように、センサファイバ３０１Ｄは、コンパクトであり得、例えば、第１の直径及び／又は第２の直径は、２００ミクロン未満、１７５ミクロン未満、１５０ミクロン未満、１３０ミクロン未満、１００ミクロン未満、又は８５ミクロン未満である。非常に小さいファイバ直径を用いると、ファイバセンサ端部の直径を増加させることは、音響感度を更に高め得る。

【0075】

光センサシステム１００Ｄは、共振器式光ファイバセンサ１０１Ｄとともに使用するように構成されている。光センサシステム１００Ｄは、レーザなどの光源１０４、光検出器などの光受信デバイス１０３、１つ以上の光導波路１０５、及びマルチコアファイバファンアウトカプラ１０９を含み得る。動作中、光源１０４は、マルチコアファイバファンアウトカプラ１０９を通して、光導波路１０５を介して光ファイバセンサ１０１Ｄに初期光信号１１１を供給する。供給された初期光信号１１１は、第１の光コア３１３Ｄを介して光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄに移動し、入射音響信号によって影響を受け得、次いで、第２の光コア３１２Ｄによって戻り光信号１１２として戻される。戻り光信号１１２は、ファンアウトカプラ１０９を通して光導波路１０５を介して移動して、光受信デバイス１０３で受信される。上で議論されるように、光ファイバセンサ１０１Ｄに入射する音響信号は、光ファイバセンサ１０１Ｄの光学特性（物理的構造並びに光学材料特性を含む）を改変する。そのような光学特性の改変は、入射音響信号の属性及び特性を測定するために、戻り光信号１１２から測定され得る。図６Ｅの実施形態では、例えば、初期光信号１１１のパラメータがシステムによって既知であるため、光学特性の改変を測定するために、初期光信号１１１を光受信デバイス１０３に提供する必要はない。

【0076】

マルチコアファイバファンアウトカプラ１０９は、シングルコア光導波路１０５をマルチコア光導波路３１１Ｄに結合するように機能する。したがって、初期光信号１１１及び戻り光信号１１２は、マルチコア光導波路３１１Ｄにおける別個の光コア中で移動し得る。光センサシステム１００Ｂと比較して、光センサシステム１００Ｄにおけるマルチコアファイバファンアウトカプラ１０９及びマルチコア光導波路３１１Ｄの使用は、光サーキュレータの必要性を排除し得る。そのような設計は、いくつかの理由で有利であり得る。例えば、光センサシステム１００Ｄのマルチコアファイバファンアウトカプラ１０９は、光サーキュレータよりも小さく、軽く、かつ／又は安価であり得、これにより、光ファイバセンサ１０１Ｄをデバイス又は装置に組み込むときにより大きい柔軟性が可能になり得る。実施形態では、シングルコア光ファイバをマルチコア光ファイバに結合するように構成された他の好適な光カプラは、マルチコアファイバファンアウトカプラ１０９の代わりになり得る。

【0077】

図６Ｇ及び６Ｈは、本明細書の実施形態に従う、光ファイバセンサとともに使用するための光センサシステムを示す。図６Ｈは、本明細書の実施形態に従う、シングルコア光ファイバとともに使用するように構成された光共振器式光センサを示す。図６Ｇの光センサシステム１００Ｅは、図６Ｈに示されるように、デュアル光ファイバ共振器式センサ１０１Ｅとともに使用するように構成されている。更なる実施形態では、例えば干渉計式センサを含む、本明細書で議論される他の光センサが、デュアル光ファイバ式システムで採用されてもよい。

【0078】

光ファイバセンサ１０１Ｅは、本明細書に記載されるような光共振器式音響センサを有するファイバ端部センサを含み得る。光ファイバセンサ１０１Ｅは、光ファイバセンサ１０１Ｅの端部に配設された光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｄを有するセンサファイバ３０１Ｅを含み得る。注記されている場合を除き、センサファイバ３０１Ｅは、センサファイバ３０１及び３５１の特徴及び構造と一致する特徴及び構造を含み得る。

【0079】

光ファイバセンサ１０１Ｅは、デュアル光ファイバ構造を含み得る。光ファイバセンサ１０１Ｅは、第１の光ファイバコア３１３Ｅを有する第１の光導波路３１１Ｅと、第２の光ファイバコア３１２Ｅを有する第２の光導波路３１５Ｅと、を含み得る。第１の光導波路３１１Ｅ及び第２の光導波路３１５Ｅの各々は、個別の光ファイバであり得、各々、別個のクラッディング構造３１４Ｅを有し得る。第１の光導波路３１１Ｅ及び第２の光導波路３１５Ｅは、一体結合され得る。例えば、第１の光導波路３１１Ｅ及び第２の光導波路３１５Ｅは、接着剤又は他の粘着剤を介して結合され得る。

【0080】

光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅは、第１の光導波路３１１Ｅ及び第２の光導波路３１５Ｅの両方の端部に結合されている。光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅは、以下に記載されるように、光共振器センサ３２２Ｅの機能性を容易にするように構成された追加の構造及び構成要素に加えて、光共振器センサ３２２Ｅを含み得る。図６Ｈに概略的に示される光共振器式ファイバ端部センサ３２２Ｅは、第１の光導波路３１１Ｅの第１の光コア３１３Ｅを介して光共振器式ファイバ端部センサ３２２Ｅに供給される初期光信号１１１（例えば、光）を受信し、かつ第２の光導波路３１５Ｅの第２の光コア３１２Ｅに沿って戻る戻り光信号１１２を提供するように構成されるように導波路結合され得る。戻り光信号１１２は、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅに入射する音響信号に対応し、この音響信号を表し得る。入射音響信号は、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅの物理的変形及び／又は材料特性の改変を引き起こし得る。したがって、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅによって第２の光コア３１２Ｅに沿って提供される光信号は、音響信号によって改変され、影響を受け、又は別様に音響信号を示すか、若しくは表し得、したがって、入射音響信号を特徴付けるために使用され得る。図６Ｇの実施形態では、例えば、初期光信号１１１のパラメータがシステムによって既知であるため、光学特性の改変を測定するために、初期光信号１１１を光受信デバイス１０３に提供する必要はない。

【0081】

光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅは、パリレン、又は音響信号に対して感受性がある他の好適なポリマーを含む、音響応答性ポリマー部分３１７Ｅを含み得る。ポリマー部分３１７Ｅの音響インピーダンスは、上に記載されるように、光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅの感度を高めるために、センサファイバ３０１Ｅのカプセル化構造（又はクラッディング構造）の音響インピーダンスの（例えば、１％、５％、１０％、又は２０％以内）で整合するように選択され得る。

【0082】

光センサシステム１００Ｅは、共振器式光ファイバセンサ１０１Ｅとともに使用するように構成されている。光センサシステム１００Ｄは、レーザなどの光源１０４、光検出器などの光受信デバイス１０３、１つ以上の光導波路１０５を含み得る。１つ以上の光導波路１０５は、センサファイバ３０１Ｅの第１の光導波路３１１Ｅ及び第２の光導波路３１５Ｅを形成するために互いに構造的に拘束され得、光源１０４及び光受信デバイス１０３と結合するために分離され得る。実施形態では、カプラ又は他のデバイスを使用して、接合を容易にし得る。動作中、光源１０４は、光導波路１０５を介して初期光信号１１１を光ファイバセンサ１０１Ｅに供給する。供給された初期光信号１１１は、第１の光導波路３１１Ｅを介して光共振器式ファイバ端部センサ構造３２１Ｅに移動し、入射音響信号によって影響を受け得、次いで、第２の光導波路３１５Ｅによって戻り光信号１１２として戻される。戻り光信号１１２は、光導波路１０５を介して移動して、光受信デバイス１０３で受信される。上で議論されるように、光ファイバセンサ１０１Ｅに入射する音響信号は、光ファイバセンサ１０１Ｅの光学特性（物理的構造並びに光学材料特性を含む）を改変する。そのような光学特性の改変は、戻り光信号１１２から測定され得る。

【0083】

センサファイバ３０１Ｅのデュアルファイバ設計は、サーキュレータ又はマルチコアファンアウトカプラの必要性を排除する。そのような設計は、いくつかの理由で有利であり得る。例えば、マルチコアファイバファンアウトカプラ及び光サーキュレータを排除することは、より小さく、より軽く、及び／又はより安価なシステムを提供し得、これにより、光ファイバセンサ１０１Ｅをデバイス又は装置に組み込むときにより大きい柔軟性が可能になり得る。

【0084】

図７Ａ～図７Ｄは、光導波路の端部を成形又は機械加工するために使用され得る製造技法の例を提供する。図７Ａは、例えば光キャビティに対して凹状である近位反射表面に適合する凹部を達成するための、光導波路の端部のＣＯ_２レーザ加工の方法を示す。図７Ｂは、例えば光キャビティに対して凹状である近位反射表面に適合する凹部を達成するための、光導波路の端部を湿式エッチングする方法を示す。図７Ｃは、例えば光キャビティに対して凹状である近位反射表面に適合する凹部を達成するための、光導波路の端部の機械研磨の方法を示す。図７Ｄは、例えば、光キャビティに対して凹状である近位反射表面に適合する凹部を達成するための、光導波路の端部のＣＯ_２レーザ加工の方法を示す。

【0085】

図８Ａ～図８Ｄは、光導波路の端部に光共振器構造を製造するために使用され得る製造技法の例を提供する。図８Ａは、光共振器構造を形成するために使用され得る微小成形の方法を示す。図８Ｂは、光共振器構造を形成するために使用され得る浸漬コーティングの方法を示す。図８Ｃは、光共振器構造を形成するために使用され得るコンフォーマルコーティングの方法を示す。図８Ｄは、光共振器構造を形成するために使用され得る浸漬コーティングの方法を示す。

【0086】

図９Ａは、センサファイバに適用される熱調節の方法を示す。干渉計式ファイバセンサ（又は本明細書の実施形態による他の光センサ構造）は、干渉計式ファイバセンサを最適な動作点に維持するための波長調節機構から利益を得ることができる。最適な動作点は、光センサ構造の共振に基づき得る。実施形態では、光センサ構造の共振波長と、光信号を提供するレーザの動作波長と、は、光読み出しを最適化又は最大化するために一括して選択、調整、又は決定され得る。光センサ構造の共振波長と、レーザの動作波長と、は、レーザの動作波長が光センサ構造の共振ピークの傾きと一致するように、選択、調整、又は決定され得る。共振ピークの傾斜上の特定の位置が、センサの設計及び用途固有の要件に従って変動し得る。共振ピークの傾斜上の特定の動作位置は、光センサ構造のダイナミックレンジ及び感度に影響を与える。実施形態では、動作位置（例えば、波長）は、共振の深さの１０％～９０％の範囲内、共振の深さの１０％～３０％の範囲内、共振の深さの３０％～５０％の範囲内、共振の深さの５０％～７０％の範囲内、又は共振の深さの７０％～９０％の範囲内の応答振幅を有するように選択され得る。したがって、本明細書の実施形態に従う波長調節は、これを達成するために、光センサの動作波長又はレーザ又は共振波長のいずれかを調節することを含み得る。

【0087】

本明細書の実施形態による波長調節機構は、例えば、加熱又は調節レーザ、又は機械的応力及び／又は電熱加熱の適用を介して調節するように構成された外部調節器を含み得る。バックエンドシステムにおける調節可能レーザは、調節可能性を提供し得るが、（１）波長調節可能性がないより安価なレーザ、及び（２）共有レーザを有するスケーラブルセンサアレイを可能にし得るため、センシングフロントエンドでの個々の調節可能性（局所調節）もまた望ましい。図９Ａは、余分なケーブルを必要としない、光熱調節を使用する局所調節のための一方法を示す。一実施形態では、（異なる波長の）手術用レーザ及び加熱レーザからの光が、一括してファイバによって案内される。手術用レーザ波長は、センシング性能を最適化するように選択され得、ファイバ端部の少なくとも１つの構造（例えば、光共振器構造３２１、カプセル化構造３１４の一部などは、加熱波長で吸収性である。加熱レーザ光の出力を調節することによって、光共振器構造３２１における局所温度が変更され、したがって、光ファイバセンサの温度感受性光透過率は、手術用レーザの波長とより良好に一致するように調節される。したがって、加熱レーザは、手術用レーザの波長に従って光共振器構造３２１の温度を調整するように操作される。加熱レーザは、連続波又はパルス幅変調のいずれであってもよい。一実施形態では、センサファイバ３０１Ｃは、デュアルクラッド構造を有し得る。センサファイバ３０１／３０１Ａ／３０１Ｂのいずれもが、センサファイバ３０１Ｃの特徴を組み込み得る。センサファイバ３０１Ｃは、内側クラッディング構造３１３Ａ及び外側クラッディング構造３１３Ｂを含み得る。加熱波長が、光透過を動作させるために最適化されたコアのカットオフ波長よりも長い場合、外側クラッディング構造３１３Ｂが導入され得る。

【0088】

図９Ｂに示される別の局所調節方法では、例えば機械的応力又は電熱加熱の適用を通じてセンサ透過率を調節するために、外部調節器９０２が、加熱レーザを置き換えるために提供され得る。図９Ｂは、例として、光共振器構造３２１を有するセンサファイバ３０１を示す。任意の好適なセンサファイバ及び光ファイバセンサが、外部調節器９０２とともに使用され得る。外部調節器９０２は、例えば、光共振器構造３２１に圧力（すなわち、圧縮）又は熱を加えるように構成され得る、光キャビティの外部の圧電及び／又は電熱素子を含み得る。これには、外部調節器を有効にするために、ファイバセンサの長さに沿った追加の電気ケーブル、ワイヤ、トレース、及び／又はマイクロヒータプリントフレックス回路が必要となり得る。余分な構造は、光共振器構造３２１におけるセンサ光路（破線枠３６８内）が中断されない限り、センサの光学特性に影響を与えない。

【0089】

更なる例では、光共振器構造３６１は、光源（例えば、光源レーザ）の波長とより緊密にアライメントするように調整された動作波長を有し得る。複数の光ファイバセンサがアレイに配置されている場合、アレイ内の各光ファイバセンサを個別に較正及び微調節する能力は、アレイ中の各センサの動作を駆動し、かつ同期させる可能性を提供する。この同期はまた、ユーザに、１つの光源レーザを用いて複数の（２つ以上の）光ファイバセンサを駆動しかつ、複数のセンサからの信号を同時にキャプチャすることを可能にし得る。そのような特徴は、イメージングのためのセンサアレイを構築するのに有利である。このプロセスでは、フィードバックループを採用して、熱源又は応力を監視及び調整し、センサの動作波長を微調節して、光源レーザとのセンサのアライメントを確実にし得る。複数のデータ点の同時キャプチャ、又は洗練されたイメージングパターンの共同分析を通じて、センサアレイの同期動作は、堅牢なデータ解釈を保証する。

【0090】

図１０は、マルチコア光導波路を含むセンサファイバの一実施形態を示す。センサファイバ８０１は、上に記載されるように、センサファイバ３０１及び３５１の特徴のいずれか又は全てを含み得る。センサファイバ８０１は、光導波路８１１及び光共振器構造３２１を含み得る。光導波路８１１は、クラッディング構造３１３内に複数のコア３１２、例えば、２個、３個、４個、５個、６個、７個、８個、９個などを含む。

【0091】

図１１Ａ及び図１１Ｂは、前向きの光センサを有して配置されたセンサファイバと横向きの光センサを有して配置されたセンサファイバとの間の比較を示す。センサをデバイスに組み込む際には、センサが使用される環境と、伝送される音響ビームの方向と、の考慮が、重要な考慮事項である。例えば、本明細書に開示される光センサのいくつかのユースケースは、前向きの配置から利益を得る場合がある一方、他のユースケースは、横向きの配置から利益を得る場合がある。

【0092】

図１１Ａは、図３Ａに示されるセンサファイバと一致する、光共振器構造の一部としての光共振器として機能するファブリペロー共振器を有するセンサファイバ３５１を示す。光共振器構造３６１は、前向き構成で配設されている。前向き構成では、音響信号を受信及び検出するように構成された光共振器構造３６１の面又は表面（光共振器３６２では、この面は、遠位反射表面３６４又は近位反射表面３６３であり得る）が、音響応答面がセンサファイバ３５１が延在するのと同じ方向に配向されるように配置される。センサファイバ３５１及び音響応答性表面又は面は、軸を共有し得る。

【0093】

図１１Ｂは、入射音響信号の横向きキャプチャのために配置された光共振器構造１０２１の一部としての光共振器として機能するファブリペロー共振器を有するセンサファイバ１００１を示す。センサファイバ１００１は、センサファイバ３０１、３５１、７０１、及び８０１の特徴の全てを（示されていなくても）含み得る。センサファイバ１００１は、１つ以上のコア１０１２、１つ以上のクラッディング構造１０１３、カプセル化構造１０１４、及び光共振構造１０２１を含み得る。光共振構造１０２１は、図１１Ｂに示されるようなファブリペロー共振器、及び／又は本明細書で議論される任意の他のタイプの光共振器を含み得る。光共振構造１０２１は、光キャビティ１０６５の両側に配置された遠位反射表面１０６４及び近位反射表面１０６３を含み得る。一実施形態では、光共振構造１０２１は、横向き構成で構成されている。横向き構成では、光共振器構造１０２１の音響応答性面又は表面は、音響信号を受信及び検出するように構成されており（光共振器３６２において、この面は、遠位反射表面３６４又は近位反射表面であり得る）、センサファイバ３５１が延在するのと同じ方向に音響応答性面又は表面が配向されるように配置されている。センサファイバ３５１及び音響応答性表面又は面は、センサファイバ１００１の軸に実質的に垂直である軸を有し得る。更なる実施形態では、音響応答性表面又は面の軸とセンサファイバ１００１の軸との間の角度が、音響感度の所望の角度に応じて、０^°～９０°であり得る。

【0094】

図１２は、センサの遠位端の後ろの方向からの音響検出能力、又は近位検出能力を提供し、かつ本明細書の実施形態による、センサファイバの一実施形態を示す。センサファイバ３０１、センサファイバ３５１、センサファイバ７０１、センサファイバ８０１などの本明細書に記載されるセンサファイバは、増加した近位検出能力を備え得る。図１２は、光導波路３７１と軸を共有するように配置された、近位反射表面３６３及び遠位反射表面３６４を有する光共振器構造３６１を有するセンサファイバ３５１を示す。近位反射表面３６３及び遠位反射表面３６４の両方が、音響応答性表面として動作する。後ろ向き能力を増加させるために、クラッディング構造３５３は、センサファイバ３５１が使用されることになる意図された媒体との音響インピーダンス不整合を最小限に抑えるように選択された材料を含み得る。音響インピーダンス不整合を最小限に抑えることによって、センサファイバ３５１と、センサファイバ３５１が配設されている媒体と、の間の境界の臨界角を増加させ、光共振器構造３６１がより大きい角度範囲から音響信号を受信することを可能にする。例えば、人体内での使用を意図したセンサファイバ３５１は、任意の音響インピーダンス不整合を最小限に抑えることによって検出感度を最適化するように選択されたポリマーを含むクラッディング構造３５３を含み得る。実施形態では、クラッディング構造３５３は、コア３５２のヤング率よりも小さいヤング率（Ｅ）と、コア３５２の光弾性係数よりも大きい光弾性係数と、コア３５２の屈折率よりも小さい屈折率（ｎ）と、のうちの少なくとも１つを有するように選択され得る。実施形態では、クラッディング構造３５３は、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）又はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含み得、これらの各々は、小さいヤング率（Ｅ）、高い光弾性係数、及び小さい屈折率（ｎ）を有する。音響インピーダンス不整合を低減することは、クラッディング構造３５３を貫通し、かつ近位反射表面３６３に当たる音響信号を増加させるように機能する。より小さいヤング率は、クラッディング構造３５３の応力関連の変形を増加させ得、これにより、入射音響信号に対する感度が増加し得る。そのような材料の光学特性がより大きい歪関連の変化を呈するため、より高い光弾性係数はまた、音響信号に対するより大きい感度をもたらし得る。クラッディング構造３５３のための更なる好適な材料は、ポリフッ化ビニリデン、パリレン、ポリスチレンなどの超音波強化材料を含み得る。

【0095】

図１３は、本明細書の実施形態による、増加した後ろ向き音響検出能力を提供するセンサファイバの一実施形態を示す。センサファイバ３０１、センサファイバ３５１、センサファイバ７０１、センサファイバ８０１などの本明細書に記載されるセンサファイバは、図１３に示されるように、増加した後ろ向き検出能力を備え得る。図１３は、光共振器構造１２６１を有するセンサファイバ１２５１を示す。光共振器構造１２６１は、光導波路３７１と軸を共有するように配置された、近位反射表面３６３及び遠位反射表面３６４によって画定される光共振器を含む（例えば、光共振器は、上に記載される前向き構成と同じ様式で配設されている）。光キャビティ３６５は、近位反射表面３６３と遠位反射表面３６４との間に配置されている。近位反射表面３６３及び遠位反射表面３６４の両方が、音響応答性表面として動作する。光共振器構造１２６１は、任意の好適な組み合わせで、本明細書で議論される光共振器及び光共振器構造の任意の特徴を更に含んでもよい。後ろ向き能力を増加させるために、光共振器構造１２６１は、具体的には近位反射表面３６３で音響感度を増加させるように構成された、光導波路３７１の遠位部分を含んでもよい。光共振器構造１２６１は、近位クラッディング構造部分３５３Ａ及び遠位クラッディング構造部分３５３Ｂを含み得る、光導波路３７１の遠位端部のクラッディング構造を含み得る。遠位クラッディング構造部分３５３Ｂは、光共振器側に配設されている。遠位クラッディング構造部分３５３Ｂは、センサファイバ１２５１が使用されることになる意図された媒体との音響インピーダンス不整合を低減するか、又は最小限に抑える材料を有するように選択され得る。例えば、遠位クラッディング構造３５３Ｂは、上で議論されるように、ポリマーを含み得る。実施形態では、遠位クラッディング構造３５３Ｂは、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）又はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含み得、これらの各々は、小さいヤング率（Ｅ）、高い光弾性係数、及びより小さい屈折率（ｎ）を有する。遠位クラッディング構造３５３Ｂは、後ろ向き角度からの音響信号が光共振器の近位反射表面３６３に到達することを可能にするのに十分な長さの寸法を有し得る。近位クラッディング構造部分３５３Ａは、例えばシリカを含む、光導波路のための任意の好適な材料を含み得る。

【0096】

図１４は、本明細書の実施形態による光共振構造の方向範囲を示す。上で議論されるように、光共振器構造１２６１は、広い入射範囲で音響信号を検出するように構成され得る。実施形態では、光共振器構造１２６１は、少なくとも１８０度、少なくとも２７０度、少なくとも３００度、又は少なくとも３３０度の方向範囲にわたって音響信号を検出するように構成され得る。いくつかの実施形態では、光共振器構造１２６１は、全方向様式で、例えば３６０度の範囲にわたって、音響信号を検出するように構成され得る。図１４は、本明細書の実施形態による光共振器構造３６１の側面図を示す。円１３０５は、光共振器構造１２６１の周りの３６０の範囲を表し、光共振器構造１２６１の軸１３０７に実質的に垂直な軸１３０６を有する。円１３０５は、音響信号が光共振器構造１２６１に入射し得る３６０の範囲を表す。光共振器構造１２６１は、円１３０５の音響応答性部分１３０３内の音響信号を検出するように構成され得、横方向部分１３０１及びコア部分１３０２を含む、音響感度が低減された部分において、低減された感度又は検出能力を有し得る。横方向部分１３０１では、入射音響信号は、光共振器の反射表面に入射する入射音響信号の斜めの角度に起因して、検出可能性が低下し得る。コア部分１３０２では、音響信号は、光導波路のコアからの遮断に起因して、検出可能性が低下し得る。音響応答性部分１３０３の範囲の合計は、光共振器構造１２６１が音響信号を検出する範囲を表し得る。光共振器構造の異なる配置は（例えば、横向きの光共振器構造１０２１）、音響応答性部分１３０３と、音響感度が低減された部分と、の異なる配置を有し得る。

【0097】

実施形態では、光共振器構造３６１は、半径方向対称である。したがって、二次元の円１３０５によって画定される音響応答性範囲を、軸１３０７の周りに回転して、光共振器構造１２６１の三次元の音響応答性範囲を画し得る。音響応答性範囲に対する更なる効果は、例えば医療デバイス遠位端部２３１を含む、光共振器構造１２６１の周りの構造によって引き起こされ得ることが理解されよう。

【0098】

図１５は、本明細書の実施形態によるインファイバブラッググレーティングを含む光共振器構造を示す。光共振器構造１４２１は、本明細書で議論されるセンサファイバのいずれかと組み合わせて提供され得る。光共振器構造１４２１は、遠位反射表面１４６４と、遠位クラッディング構造１４５３Ａ及び近位クラッディング構造１４５３Ｂを備える長尺の光キャビティ１４６５と、ブラッググレーティング１４７０と、を含む。光共振器構造１２６１におけるように、遠位クラッディング構造１４５３Ａは、ポリマー（例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）又はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ））を含み得る一方、近位クラッディング構造１４５３Ｂは、例えばシリカガラスを含み得る。近位クラッディング構造１４５３Ｂは、遠位クラッディング構造１４５３Ａよりも長い場合があり、例えば、２倍超、５倍超、１０倍超などである。一実施形態では、近位クラッディング構造１４５３Ｂは、遠位クラッディング構造１４５３Ａの長さのおよそ１０倍であり得、例えば、遠位クラッディング構造は、長さがおよそ１０ミクロンであり得る一方、近位クラッディング構造は、長さがおよそ１００ミクロンである。実施形態では、近位クラッディング構造１４５３Ｂは、６０～８０ＧＰａの範囲のヤング率を有し得る一方、遠位クラッディング構造１４５３Ａは、０．８～１．２ＧＰａの範囲のヤング率を有する。実施形態では、近位クラッディング構造１４５３Ｂは、光弾性係数Ｃ１＝－６＊１０^－１３１／Ｐａ及びＣ２＝－４．２＊１０^－１２１／Ｐａを有し得る一方、遠位クラッディング構造１４５３Ａは、光弾性係数Ｃ１＝－４．８＊１０^－１１１／Ｐａ及びＣ２＝－２．９＊１０^－１１１／Ｐａを有する。これらの数値が提供されているが、そのような光弾性係数は、選択された材料に応じた相対的な数値である。遠位端部については、音響感度を最適化するために、より大きいＣ１又はＣ２値を有する材料が好ましい。ブラッググレーティング１４７０は、コア１４１２の構造内に統合され、コア１４１２の屈折率の変動を画定し、それによって、特定の波長の光を反射し得る構造を生成する。光共振器構造１４２１は、ハイブリッドファブリペロー共振器として動作する。この構成では、遠位クラッディング構造１４５３Ａ（例えば、ポリマー構造）は、音響信号の主要な応答を提供する。遠位クラッディング構造１４５３Ａは、インファイバブラッググレーティング反射器を用いてファイバの上部に二光子重合（ＴＰＰ）３Ｄ印刷を介して直接製造され得る。ハイブリッド光共振器構造１４２１の１つの利点は、広帯域幅と高感度との組み合わせである。いくつかの設計では、広帯域幅と高感度との間にトレードオフがある。このハイブリッド構成では、長尺の光キャビティ１４６５の全長は、全長が遠位クラッディング構造１４５３Ａと近位クラッディング構造１４５３Ｂとの合計であるため、より長い。より長いキャビティ長を用いると、通常の設計では、周波数帯域幅応答は、狭くなり得る。しかしながら、このハイブリッド構成では、ＦＰＩセンサの主な応答がポリマー領域から生じるため、有効なセンサ厚さは、非常に小さいままであり、広帯域応答を提供する。

【0099】

図１６は、ファイバ式光センサによって場所及びイメージング情報を生成する方法のステップを示す。更なる詳細については、２０２３年６月２３日に出願された、Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔと題する米国仮出願第６３／５２２，９９４号、及び２０２３年１０月２３日に同時出願された、Ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｉｍａｇｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔと題する、代理人整理番号１０９８３５－１３９４９７８を有する米国特許出願に見出すことができる。

【0100】

方法２０００は、ブロック２０１０を含み得、トランスポンダ、例えば、図２に示される音響プローブ２４５は、音響パルスを媒体へと伝送する。トランスポンダは、多様な知られている方法を使用して、又は上に記載されるように、これらのパルスを伝送し得る。

【0101】

ブロック２０２０において、光ファイバセンサ１０１は、プローブ２４５から伝送された超音波パルス及び／又は散乱信号若しくは組織高調波を受信する。次いで、光ファイバセンサ１０１は、超音波パルス、散乱信号、及び／又は組織高調波を、次いで処理ユニット２０９に伝送される信号に変換する。

【0102】

ブロック２０３０において、処理ユニット２０９は、プローブ２４５から受信された信号に少なくとも部分的に基づいて、ファイバセンサの場所を判定する。例えば、処理ユニット２０９は、三角測量又はコヒーレント画像形成を利用して、プローブ１００及び光ファイバセンサ１０１から受信された複数の信号に基づいて、医療デバイス遠位端部の位置を判定し得る。

【0103】

ブロック２０４０において、処理ユニット２０９及び画像再構成ユニット２０６は、プローブ２４５に戻された信号、並びに／又はファイバセンサによって感知された散乱信号及び組織高調波に基づいて、超音波画像を生成する。超音波画像は、ディスプレイに伝送され、ディスプレイに表示され得る。

【0104】

ブロック２０５０において、処理システムは、光ファイバセンサ１０１から受信された超音波パルスに基づいて、超音波画像を修正する。実施形態では、処理システムはまた、プローブ２４５によって受信される超音波パルスからの情報なしに、光ファイバセンサによって受信された超音波パルスに基づいて、超音波画像を生成及び表示し得る。

【0105】

ブロック２０６０において、処理システム２００は、超音波画像上に光ファイバセンサ１０１の場所を重ねる。したがって、超音波技師、医師、他の医療関係者、又は患者などのユーザによって見られるとき、医療デバイス遠位端部の光ファイバセンサ１０１は、超音波画像と同じディスプレイ上に示され、媒体のどこに医療デバイス遠位端部の光ファイバセンサ１０１が位置するかを示す。

【0106】

図１７Ａ及び１７Ｂは、本明細書の実施形態に従う、センサファイバを伴って構成された針を示す。針１５００Ａは、医療デバイス遠位端部２３１の一例であり得、針１５００Ａと統合された１つ以上のセンサファイバ１５０１を含み得る。センサファイバ１５０１は、本明細書に記載されるセンサファイバのいずれか（光共振器構造のいずれかを有する）を含み得、かつ／又は本明細書に記載されるセンサファイバの特徴の任意の組み合わせを含み得る。針１５００Ａは、任意の適切なサイズ又は機能性の任意のタイプの針であり得る。針１５００Ａは、針シャフト部分１５１０及び針先端部分１５１１を有する針本体１５０５を備える。針先端部分１５１１は、針研磨角度１５２３によって特徴付けられ得る。更に、針１５００Ａは、針シャフト部分１５１０及び針先端部分１５１１の長さの少なくとも一部分について、針本体１５０５上に延在する少なくとも１つのセンサチャネル１５１２を含む。

【0107】

実施形態では、センサチャネル１５１２は、針本体１５０５におけるトレンチ、凹部、又は溝を含み得る。センサチャネル１５１２は、本明細書の実施形態によるセンサファイバ１５０１を受容するようにサイズ設定及び構成され得る。例えば、実施形態では、センサチャネル１５１２は、直径が８０ミクロンであるセンサファイバ１５０１を収容するために、幅がおよそ１２５～２５０ミクロンであり得る。針１５００Ａは、複数のセンサファイバ１５０１を収容するために複数のセンサチャネル１５１２を含み得る。例えば、針１５００Ａは、針１５００Ａの外周の周りに配置された複数のセンサファイバ１５０１を収容する２つ、３つ、４つ、又はそれ以上のセンサチャネル１５１２を含み得る。センサファイバ１５０１は、光共振器構造を支持する遠位端部が、遠位端部に、又は遠位端部に隣接して位置付けられるように、センサチャネル１５１２内に配置されている。センサチャネル１５１２は、センサファイバ１５０１が針本体１５０５の外表面を超えて延在しないような深さを伴って構成され得る。

【0108】

更なる実施形態では、センサチャネルが、例えばガイドとして、チャネルを形成するために外表面に材料を追加することによって作成されてもよい。一例では、隆起した連続的又は断続的な構造として、チャネル１５１２を作成するために、針の外面上に材料が層状に形成され得る。別の例では、粘着剤材料又はテープを、センサチャネルを形成するためにスパイラル内の空間を有するスパイラル構成で巻きつけて、又は針の長さに沿って選択的に位置付けて、センサチャネルを形成し、長さに沿ってセンサファイバを案内し得る。更に別の例では、押し出し針が、押し出し針を通る管腔の形態の管状センサチャネルを含み得る。

【0109】

センサチャネル１５１２は、センサファイバ１５０１が針本体１５０５の保護領域内に置かれることを可能にする。このことは、センサファイバ１５０１を保護し、挿入のための滑らかな針表面を作成するのに役立つ。センサチャネル１５１２は、（図１７Ｂに示されるように）針本体１５０５の外表面上に、又は針本体１５０５の内表面上に配設され得る。

【0110】

センサファイバ１５０１は、針本体１５０５に固定され得る。実施形態では、センサファイバ１５０１は、Ｎｏｒｌａｎｄ－６５接着剤、Ｎｏｒｌａｎｄ８１接着剤、ＭＹ－１３２Ａポリマー、ＭＹ－１３３、ＢＩＯ－１３３、ＤＣ－１３３、又は任意の他の好適なポッティングコンパウンドなどの、ポッティングコンパウンドによってセンサチャネル１５１２内に固定され得る。ポッティングコンパウンドは、ポッティングコンパウンドの音響及び機械的特性、例えば音速、音響インピーダンス、熱伝導率、防水性などに従って選択され得る。ポッティングコンパウンドはまた、センサの機械的固定及び保護に加えて、周囲の媒体への音響インピーダンス整合の修正を提供し得る。ポッティングコンパウンドは、センサチャネル１５１２の全体又は一部分にわたって採用され得る。実施形態では、センサファイバ１５０１は、シース１５２０によってセンサチャネル１５１２内に固定され得る。シース１５２０は、針本体１５０５の周りを巻くように構成されている。シース１５２０は、センサファイバ１５０１を針本体１５０５に機械的に固定し得る。シースは、ファイバをスロットの内側にして針の周りを巻き、ファイバが溝／スロット内で自由に浮遊することを可能にし得る。これにより、針の曲げ／可撓性が可能になり得る。実施形態では、センサファイバ１５０１は、シース１５２０及びポッティングコンパウンドの両方によって少なくとも部分的に固定され得る。そのような配置は、センサファイバ１５０１と針本体１５０５との間の相対移動を可能にし、したがって、針が曲がった場合に潜在的な歪緩和が提供され得る。針１５００Ａは、例えば、ステンレス鋼などの金属又はＰＥＥＫ（ポリエーテルケトン）などのポリマーを含む医療グレードの材料を含む、任意の好適な材料で製造され得る。実施形態では、針１５００は、３Ｄ印刷、射出成形、又は押し出しなどの積層造形技法を介して製造され得る。

【0111】

ファイバ式光センサを組み込んだ針の更なる実施形態を、図１８Ａ及び１８Ｂに示す。針１５００Ｂは、１つ以上の窓１５１３を更に含み得る。窓１５１３は、センサチャネル１５１２の端部に配設された針本体１５０５の開口部である。針１５００Ｂは、複数のセンサファイバ１５０１を収容するために、複数のセンサチャネル１５１２及び対応する複数の窓１５１３を含み得る。センサファイバ１５０１は、光センサを支持する遠位端部が窓１５１３内に延在するように、センサチャネル１５１２内に配置され得る。この実施形態では、センサファイバ１５０１の遠位端部は、ポッティングコンパウンドによって窓１５１３内に固定され得る一方、センサファイバ１５０１の近位部分は、シース１５２０によって針本体１５０５に固定され得る。これにより、センサファイバ１５０１と針本体との間の相対移動が可能になり、したがって、針が曲がった場合に歪緩和が提供され得る。

【0112】

窓１５１３は、音響信号が、針本体１５０５によって遮断されることなく、センサファイバ１５０１の光ファイバセンサに到達することを可能にする。窓１５１３の縁部は、音響信号回折のための境界を作成し、音響信号が窓の縁部の周りで曲がり、伝播して、センサファイバ１５０１の端部の光ファイバセンサに到達することを可能にし得る。回折効果は、センサファイバ１５０１の音響信号検出の円周範囲を増加させる機能を有する。加えて、針の表面上のチャネルの縁部はまた、針シャフトの検出を補助する回折効果を有し得る。

【0113】

実施形態では、本明細書の実施形態による光学超音波センサは、医療デバイス（例えば、医療デバイス遠位端部２３１）と統合され得、エクスビボ場所に構成された超音波源（アレイ）と連携して、医療デバイス遠位端部２３１の場所情報を提供し、かつ／又は処置の標的／解剖学的構造の領域でリアルタイムの音響モニタリングを提供し得る。異なる適用シナリオでは、入力音響信号方向は、図１８Ｃ及び１８Ｄに示されるように、２つのタイプ、すなわち、（１）横断ファイア、及び（２）軸方向ファイアに大まかに分類され得る。

【0114】

図１８Ｃ及び１８Ｄは、針窓１５１３内に配設されたセンサファイバに入射する音響信号を示す。明確さの目的で、センサファイバは、これらの図には示されていない。図１８Ｃは、横断する音響信号１６００を示し、また、図１８Ｄは、軸方向の音響信号を示す。

【0115】

図１８Ｃの横断する音響信号１６００は、サイドビュー内視鏡超音波トランスデューサ又は外部トランスデューサを使用するときに発生し得る状況に典型的である。針先端部分１５１１に近い窓１５１３の場所は、超音波場が針の反対側の壁から遮断されることなく、いずれの側からも窓（及び窓の中に位置するファイバ端部センサ構造）に到達することを可能にする。ファイバ端部センサ構造自体は、横向き又は前向き様式で配置され得、また、用途の要件に応じて、横方向（横断）信号を受信するように構成された偏光式センサであり得る。

【0116】

図１８Ｄの軸方向の音響信号１６０１は、フロントビュー内視鏡的超音波トランスデューサに関して発生する状況に典型的である。内視鏡デバイスの小さいフットプリントに起因して、典型的な入射角度は、針本体に対して小さい場合がある。図１８Ｄに示されるように、（図１８Ｄに示されるように）入射角度が針研磨角度１５２３よりも小さい場合、音響信号１６０１の少なくとも一部分が、針本体（より厚いクロスハッチで示される）によって遮断され得る。これに対処するために、一実施形態では、軸方向の音響信号１６０１が光共振器構造を通過及び到達することを可能にするために、センサ窓の反対側の針本体１５０５に追加の窓１５１３が含まれ得る。別の実施形態では、光共振器構造が位置しない針の部分から低角度の軸方向の音響信号が到達することを確実にするように、針１５００Ａ／Ｂの配向が操作され得る。別の実施形態では、研磨角度１５２３は、予想される音響入射角に従って選択され得る。

【0117】

ファイバ式光センサを組み込んだ針の更なる実施形態を、図１９に示す。針１５００Ａ及び１５００Ｂと同様に、針１５００Ｃは、針シャフト部分１５１０及び針先端部分１５１１を有する針本体１５０５を備える。針先端部分１５１１は、針研磨角度によって特徴付けられ得る。更に、針１５００Ｃは、針シャフト部分１５１０及び針先端部分１５１１の長さの少なくとも一部分について、針本体１５０５上に延在する少なくとも１つのセンサチャネル１５１２を含む。針１５００Ｃは、針１５００Ｃの１つ以上のセンサチャネル１５１２に配設された１つ以上のセンサファイバ１５０１Ｃを含み得る。センサファイバ１５０１Ｃは、センサファイバ３０１Ｃと同様であり得、したがって、センサファイバ１５０１Ｃの端部に配設されたファイバ端部センサ構造１５２１、及びセンサファイバ１５０１Ｃの長さに沿って配設された１つ以上の偏光式センサ構造１５２２を含み得る。針１５００Ｃの長さに沿って位置する偏光式センサ構造１５２２は、針１５００Ｃを追跡又は視覚化するために使用される音響信号が偏光式センサ構造１５２２に当たるときに、針１５００Ｃの強化された視覚化を提供し得る。入射音響信号を示す光信号から集取された情報を、単独で、及び／又は旧来の音響超音波画像と組み合わせて採用して、針１５００Ｃの改善された視覚化を提供し得る。偏光式センサ構造１５２２は、偏光式センサ構造３２２Ｃに関して、及び図６Ｄ及び６ＤＤに関して、上で議論される原理に従って動作し得る。

【0118】

図２０Ａ及び２０Ｂは、統合されたセンサファイバ１５０１を有する針１５００の更なるクローズアップ図を提供する。図２０Ａは、チャネル１５１２が位置する針１５００の第１の側からの斜視図を示し、図２０Ｂは、第１の側とは反対側である針１５００の第２の側面からの斜視図を示す。針１５００の第２の側は、針先端部分１５１１における針１５００の内部の図を含む。示されるように、センサファイバ１５０１は、針シャフト部分１５１０から針先端部分１５１１へと延在する針１５００のセンサチャネル１５１２内に配設されている。窓１５１３は、針先端部分１５１１内に配設されており、それによって、窓１５１３の両側（及び窓１５１３の中に配設されたセンサファイバ１５０１）が入力音響信号にさらされることを確実にする。更に、図２０Ａ～２０Ｂは、センサファイバ１５０１を窓１５１３内に固定するポッティングコンパウンド１５２５を示す。

【0119】

図２０Ｃに示される更なる実施形態では、センサファイバ１５０１Ｄは、チャネル又は他のファイバ受容構造なしに、針１５００Ｄの針本体１５０５Ｄの表面に固定され得る。音響及び機械的特性に従って選択された好適なポリマー又はコンパウンド１５２７を使用して、ファイバ１５０１Ｄを針１５００Ｄに固定し得る。好適なポリマー又はコンパウンド１５２７は、その音響特性及び機械的特性、例えば、音速、音響インピーダンス、熱伝導率、防水性などに従って選択され得る。好適なポリマー又はコンパウンド１５２７はまた、その表面上のセンサの機械的固定及び保護に加えて、周囲の媒体に整合する音響インピーダンスの修正を提供し得る。同様に、図２０Ｄに示されるように、シース１５２０Ｄを使用して、センサファイバを針本体１５０５Ｄに固定し得る。シース１５２０Ｄは、針本体１５０５Ｄの周りを巻くように構成されている。シース１５２０Ｄは、センサファイバ１５０１Ｄを針本体１５０５Ｄに機械的に固定し得る。シースは、ファイバの何らかの移動がシース内にあることを可能にする様態で針の周りを巻き得る。これにより、針の曲げ／可撓性が可能になり得る。実施形態では、センサファイバ１５０１Ｄは、シース１５２０Ｄとポリマー又はコンパウンド１５２７との両方によって、少なくとも部分的に固定され得る。そのような配置は、センサファイバ１５０１Ｄと針本体１５０５Ｄとの間の相対移動を可能にし、したがって、針が曲がった場合に潜在的な歪緩和が提供され得る。この実施形態は、窓を組み込んだ他の実施形態の様態で窓を更に含んでもよく、ポッティングコンパウンド又はポリマーを使用して、先の実施形態の様態で窓内に位置するファイバを更に固定してもよい。

【0120】

図２１は、本明細書の実施形態による、ファイバ端部センサを組み込んだ医療デバイス遠位端部を示す。医療デバイス遠位端部１９０１は、カテーテル１９０２、及び針１９０３などの医療ツールを含む。カテーテル１９０２は、管腔１９０４を介して治療及び／又は診断部位に針１９０３を運ぶ（例えば、針が通して搬送され得る管腔を通るアクセスを提供する）ように構成されている。カテーテル１９０２は、カテーテル１９０２をガイドワイヤに沿って治療及び／又は診断部位に案内するように構成されたガイドワイヤ管腔１９０５を更に含んでもよい。針１９０３は、治療及び／又は診断部位に到達すると、カテーテル１９０２の管腔１９０４から（例えば、オペレータ、人間、又はロボットによって）延伸されるように構成されている。実施形態では、針１９０３は、針１５００と同様に構成されており、針１５００とともに配設されるか、又は針１５００と統合された、１つ以上のセンサファイバ１５０１を含み得る。実施形態では、カテーテル１９０２は、１つ以上のセンサファイバと、カテーテル１９０２上に配設されるか、又はカテーテル１９０２と統合された１つ以上の音響トランスデューサと、を含み得る。実施形態では、１つ以上のセンサファイバ１５０１を使用して、（例えば、カテーテル１９０２が使用されている媒体の外側に位置する音響トランスデューサ／プローブによって生成された音響信号に基づいて、針１９０３の場所を感知、監視、及び／又は追跡し得る。１つ以上のセンサファイバ１５０１と、カテーテル１９０２上に配設された１つ以上の音響トランスデューサと、を使用して、例えば１つ以上のセンサファイバによる音響エコーの検出を通じて、画像を生成し得る。１つ以上の音響トランスデューサは、１つ以上のセンサファイバが周囲の媒体との相互作用に基づいて音響信号のエコー又は反射を受信する間に、音響信号を生成し得る。音響トランスデューサはまた、反射又は散乱された音響信号及び／又は組織高調波を受信し、次いで、それを使用して、追跡情報が追加される周囲領域の画像を作成し得る。

【0121】

図２２は、針に組み込まれたファイバ式光センサの例示的な使用を示す。示される使用は、針１５００Ａ、針１５００Ｂ、１５００Ｃ、１５００Ｄ、又はファイバ式光センサを組み込んだ任意の好適な針を組み込み得る。図２２に示されるように、外部音響プローブ２２４５が、ファイバ式光センサを組み込んだ針１５００Ａ／Ｂ／Ｃ／Ｄとともに採用され得る。本明細書で議論されるように、定位／案内についての一実施形態では、ファイバ式光センサは、外部音響プローブ２２４５によって生成された音響信号を受信し得る。次いで、これらの音響信号を、単独で、又は音響プローブによってキャプチャされた反射された音響信号と組み合わせて使用して、媒体２２６０（例えば、患者の身体）内の針の場所を判定し得る。

【0122】

図２３Ａ～２３Ｂは、カテーテル送達針に組み込まれたファイバ式光センサの実施形態を示す。カテーテル送達針は、例えば生検処置に使用され得る。針２５１５は、カテーテル２５０３を介して処置部位に送達され得る。針２５１５は、本明細書の様々な実施形態に記載されるように、ファイバ式光センサ２５０１を組み込み得る。カテーテル２５０３を介して処置部位に送達されると、針２５１５は、処置を実行するためにカテーテル２５０３の管腔から延伸され得る。針２５１５は、ファイバ式光センサ２５０１によって受信された音響信号を提供する１つ以上の外部音響トランスデューサの使用を通じて、監視、案内、及び／又は定位され得る。音響トランスデューサは、例えば光センサシステムに関連付けられ得る。本明細書に記載される様々な光センサシステムの一例であり得る光センサシステムは、本明細書に記載される光学音響信号感知方法を実行するための必要な処理及び信号生成／受信要件を提供し得る。更なる実施形態では、図２３Ｂに示されるように、カテーテル２５０３は、１つ以上の追加のトランスデューサを含んでもよい。例えば、カテーテルは、ＡＥＧ（又は他の好適な音響トランスデューサアレイ）アレイ及びＰＩＣ（フォトニック集積回路）光センサアレイのうちの１つ以上を含む、混合音響アレイ２５０７を含み得る。２０２２年１１月１８日に出願された、Ｍｉｘｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｒｒａｙｓと題する、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第２０２３０１４８８６９号、及び２０２１年４月２９日に出願された、Ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｐｒｏｂｅと題する、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願公開第ＵＳ２０２２０３５００２２号は、混合トランスデューサアレイで使用され得る様々な光センサを開示している。ＰＩＣアレイは、音響信号の検出に適合され得る。本明細書で議論されるファイバ端部センサと同様に、ＰＩＣアレイは、音響信号の入射から生じるＰＩＣアレイの光学特性の変化を測定又は検出することによって、音響信号の検出に適合され得る。実施形態では、ファイバ式光センサ２５０１、ＰＩＣアレイ、ＡＥＧアレイ、及び外部音響トランスデューサによって様々にキャプチャされた音響信号データを、光センサシステムによって任意の組み合わせで使用して、針２５１５（及び針２５１５を送達するように適合されたカテーテル２５０３）を監視、案内、及び定位し得るとともに、カテーテル２５０３が展開される媒体（例えば、処置部位）の画像を生成し得る。

【0123】

更なる実施形態では、本明細書の実施形態によるファイバ式光センサを、様々な追加の使途で採用してもよい。例えば、ファイバ式光センサを、低侵襲手術中にインビボで使用される光学カメラ及び可動超音波トランスデューサを伴って構成されたカニューレを追跡するために使用してもよい。別の実施形態では、経皮的又は経皮的超音波プローブが、本明細書の実施形態に従う１つ以上のファイバ式光センサを伴って構成され得る。別の実施形態では、ガイドワイヤが、本明細書の実施形態に従う１つ以上のファイバ式光センサを伴って構成され得る。

【0124】

更なる実施形態では、光ファイバセンサを含むデバイス先端のリアルタイム視覚化を、診断超音波画像と共登録し、較正の必要性を排除してもよい。このブレークスルーにより、臨床医は、困難な解剖学的領域でデバイスを高信頼度で追跡することが可能になる。デバイス先端がイメージング面から離れるときを検出することを特別に考慮する、デバイス先端がイメージング面と交差するリアルタイム信頼度インジケータが提供され得、これにより、複雑な処置中でも正確なデバイス先端追跡が確実になり得る。先端軌跡のリアルタイムの見通し視覚化を提供し、デバイス先端の予測される経路とデバイス先端跡との視覚化への貴重な洞察を提供してもよく、これを、強化された処置信頼度及び文書化のために使用してもよい。更に、本明細書に記載されるような光ファイバセンサを組み込んだデバイスは、断面画像と共登録された留置センサからの解剖学的及び血流画像の表示を容易にし得、これにより、診断の精度及び信頼度が高まり得る。

【0125】

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を記載する目的のものであり、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈が別途明確に示さない限り、複数形も含むことが意図されている。本明細書で使用される場合、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」及び／又は「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除しないことを更に理解されたい。

【0126】

追加の実施形態は、以下を含み得る。

【0127】

実施形態１は、コア及びクラッディング構造を備える光導波路と、光共振器、光干渉計、ファセット端部微細構造、及び偏光感知構造のうちの少なくとも１つを含む、光導波路の第１の端部に結合された光センサ構造であって、光センサ構造は、音響信号を検出し、音響信号に対応する光信号を光導波路に提供するように構成されている、光センサ構造と、を含むセンサファイバを備える装置である。

【0128】

実施形態２は、実施形態１に記載の装置であり、光導波路を取り囲む第１の部分と、光センサ構造を少なくとも部分的に取り囲む第２の部分と、を伴って構成されたカプセル化構造を更に含む。

【0129】

実施形態３は、実施形態１又は２に記載の装置であり、光センサ構造は、光ファイバセンサである。

【0130】

実施形態４は、実施形態１～３のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、ファブリペロー共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、マイクロリング、マイクロトロイド、スパイラル共振器、又はフォトニック結晶共振器を含む、光共振器である。

【0131】

実施形態５は、実施形態１～３のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、マッハツェンダー（ＭＺ）干渉計、ファブリペロー干渉計、位相シフトコヒーレント干渉計、又はセルフミキシング干渉計を含む、光干渉計である。

【0132】

実施形態６は、実施形態１～３のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、音響応答性メタ表面パターン、音響応答性低次元材料、又は光物質相互作用を増幅するようにパターン化されたプラズモン構造を含む、ファイバ端部ファセットである。

【0133】

実施形態７は、実施形態１～６のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、音響信号に応答して、透過光の偏光変化を誘起するように構成されている。

【0134】

実施形態８は、実施形態１～７のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、ポイントセンサ又はラインセンサである。

【0135】

実施形態９は、実施形態１～８のいずれか１つに記載の装置であり、コア又はクラッディング構造が、相対的に小さいヤング率（Ｅ）及び相対的に高い光弾性係数のうちの少なくとも１つを有する材料を含む。

【0136】

実施形態１０は、実施形態１～９のいずれか１つに記載の装置であり、クラッディング構造が、コアよりも低い屈折率（ｎ）を有する。

【0137】

実施形態１１は、実施形態１～１０のいずれか１つに記載の装置であり、カプセル化構造の音響インピーダンスが、光共振器構造インピーダンスから２０％以内のインピーダンスに整合するように選択される。

【0138】

実施形態１２は、実施形態２～１１のいずれか１つに記載の装置であり、カプセル化構造が、相対的に小さいヤング率（Ｅ）、相対的に高い光弾性係数、及び／又は相対的に大きい屈折率（ｎ）を有する材料を含む。

【0139】

実施形態１３は、実施形態１～１２のいずれか１つに記載の装置であり、カプセル化構造の音響インピーダンスが、光共振器構造インピーダンスから２０％以内のインピーダンスに整合するように選択される。

【0140】

実施形態１４は、実施形態１～１３のいずれか１つに記載の装置であり、センサファイバが配設されている医療デバイスを更に備える。

【0141】

実施形態１５は、実施形態１４に記載の装置であり、医療デバイスが、針、内視鏡、カテーテル、カニューレ、ガイドワイヤ、外科用ツール、診断ツール、又は治療ツールのうちの１つである。

【0142】

実施形態１６は、実施形態１５に記載の装置であり、医療デバイスが、センサファイバを受容するように構成されたシャフト部分と、光センサ構造を受容するように構成された先端部分と、を含む針である。

【0143】

実施形態１７は、実施形態１６に記載の装置であり、針が、光センサ構造に近接して、シャフト部分又は先端部分に窓を更に含む。

【0144】

実施形態１８は、実施形態１６に記載の装置であり、針が、シャフト部分に配設されたチャネルを更に含み、センサファイバが、チャネル内に配設されている。

【0145】

実施形態１９は、実施形態１６に記載の装置であり、針が、針の周りに配設され、かつセンサファイバを含むように構成されたシースを更に含む。

【0146】

実施形態２０は、実施形態１７に記載の装置であり、針が、シャフト部分又は先端部分に複数の追加の窓を更に含む。

【0147】

実施形態２１は、実施形態１～２０のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、少なくとも１８０度、少なくとも２７０度、少なくとも３００度、少なくとも３３０度、又は３６０度の方向範囲にわたって音響信号を検出するように構成されている。

【0148】

実施形態２２は、実施形態１～２１のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、音響信号の前向き検出のために構成されている。

【0149】

実施形態２３は、実施形態１～２２のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、音響信号の後ろ向き検出のために更に構成されている。

【0150】

実施形態２４は、実施形態１～２３のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、音響信号の横向き検出のために構成されている。

【0151】

実施形態２５は、実施形態１～２４のいずれか１つに記載の装置であり、光センサ構造が、シリカを含む遠位部分と、ポリマーを含む近位部分と、を含む。

【0152】

実施形態２６は、実施形態１６に記載の装置であり、光センサ構造が、インファイバブラッググレーティングを含む。

【0153】

実施形態２７は、実施形態１～２６のいずれか１つに記載の装置であり、コアが、光導波路における複数のコアの中に含まれる。

【0154】

実施形態２８は、実施形態１～２８のいずれか１つに記載の装置であり、光導波路を介して、光センサ構造に光を提供するように構成された光源と、光信号を受信するように構成された光検出器と、処理ユニットであって、光源を制御し、光検出器から、光信号に基づく光データを受信し、光データに基づいて、画像生成及び場所判定のうちの少なくとも１つを実行するように構成された、処理ユニットと、を更に備える。

【0155】

実施形態２９は、実施形態１～２８のいずれか１つに記載の装置であり、熱及び機械的応力のうちの少なくとも１つの印加を介して、光センサ構造の共振を調整するように構成された波長調節機構を更に備える。

【0156】

実施形態３０は、実施形態２８に記載の装置であり、光源が、手術用レーザであり、処理ユニットが、手術用レーザの波長を調節するように更に構成されている。

【0157】

上に記載される実施形態は、例示的な例であり、本発明は、これらの特定の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。本明細書に開示される様々な実施形態は、説明及び添付の図面に具体的に提示される組み合わせとは異なる組み合わせで組み合わせられ得ることを理解されたい。また、例に応じて、本明細書に記載されるプロセス又は方法のいずれかの特定の動作又はイベントは、異なる順序で実行されてもよく、追加されてもよく、統合されてもよく、又は完全に省略されてもよい（例えば、記載される全ての動作又はイベントが、方法又はプロセスを実行するために必要ではない場合がある）ことも理解されたい。加えて、本明細書の実施形態の特定の特徴は、明確化の目的で単一のモジュール、デバイス、又はユニットによって実行されると記載されるが、本明細書に記載される特徴及び機能は、ユニット又はモジュールの任意の組み合わせによって実行され得ることを理解されたい。したがって、様々な変更及び修正は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、当業者によって影響を受け得る。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図5A-5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図5F】

【図6A-6B】

【図6C】

【図6D】

【図6DD】

【図6E-6F】

【図6G-6H】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図18D】

【図19】

【図20A】

【図20B】

【図20C】

【図20D】

【図21】

【図22】

【図23A】

【図23B】

【外国語明細書】