JP2001255265A - 光断層画像化装置 - Google Patents
光断層画像化装置Info
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Abstract
する光断層画像化装置において、大型で高価な光源を使
用せずに、高い分解能で断層情報を取得する。 【解決手段】 ファイバカプラ201において、光源部100
から出射された低コヒーレンス光を、被測定部10に照
射する信号光と、ピエゾ素子203 で周波数シフトされる
参照光とに分割し、また、被測定部10の所定の深部で反
射された信号光と参照光とを合波する。この合波された
干渉光の光強度をバランス差分検出部500 で検出し、信
号処理部600 で画像処理を行い、画像表示部700 に断層
画像として表示する。光源部100 は、励気用の半導体レ
ーザ102 および色素がドープされたファイバ光源101 か
ら構成されるため、小型で安価なものとなる。またファ
イバ光源101 から放出されるコヒーレンス長の短い自然
放出光を低コヒーレンス光として用いるため、低コヒー
レンス干渉における分解能も高くなる。
Description
である信号光を被測定部に照射して被測定部の断層画像
を取得する光断層画像化装置に関し、特に被測定部の表
面および深部の微細構造情報を信号光の反射光に基づい
て、画像化する光断層画像化装置に関する。
画像化装置、特に低コヒーレンス干渉光の光強度をヘテ
ロダイン検波により測定することにより、被測定部の断
層画像を取得する光断層画像化装置が、眼底網膜下の微
細構造の光断層画像の取得等に用いられている。
uminescent Diode)等から成る光源から出射された低コ
ヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、ピエゾ素子等
により参照光の周波数を僅かにシフトさせ、信号光を被
測定部に入射させて該被測定部の所定の深度で反射した
反射光と参照光とを干渉させ、その干渉光の光強度をヘ
テロダイン検波により測定し、断層情報を取得するもの
であり、参照光の光路上に配置した可動ミラー等を微少
移動させ、参照光の光路長を僅かに変化させることによ
り、参照光の光路長と信号光の光路長が一致した、被測
定部の深度での情報を得ていた。
被測定部の所望の深度における断層情報を得るために、
信号光と参照光の干渉は参照光の光路長と信号光の光路
長とが完全一致した時にのみ生じることが理想である
が、実際には信号光と参照光の光路長差が光源のコヒー
レンス長以下であれば、干渉が生じてしまう。すなわ
ち、低コヒーレンス干渉における分解能は、光源のコヒ
ーレンス長により定められるものとなる。
あれば、そのコヒーレンス長ΔLは、中心波長をλc、
スペクトル幅をΔλとすると、次式で表される。
0nmのSLDを用いた場合、コヒーレンス長は、約1
4μmとなる。したがって、上記従来の光断層画像化装
置の光源として、このようなSLDを用いた場合の分解
能は、約14μmとなる。このため、この分解能と同程
度の厚さの中に複数層を有するような被測定部の場合、
各層からの反射光を区別することはできなかった。
層画像の有用性が広く知られるようになり、眼球部位に
留まらず、眼球部位に比べ、光散乱の大きい生体組織の
断層画像を高い分解能で取得することが望まれるように
なった。このためには、出力が大きく、かつコヒーレン
ス長の短い低コヒーレンス光を出射可能な光源が必要で
ある。しかし、SDLでは、出力の向上が難しく、また
バンドギャップによりスペクトル幅が決まるため、スペ
クトル幅を広げて、コヒーレンス長を短くすることも難
しいという問題があった。
1,No22 P1839-1841」(by B.E.Boumaet.al 1996)には、
光源にKLM mode-locked Ti:sapphire Laser を備え、超
短パルス光と光ファイバの分散遅延を利用して、高出
力、広スペクトル幅の低コヒーレンス光を実現し、信号
光および参照光として使用することにより、高い分解能
で断層画像を取得できる装置が提案されている。
M mode-locked Ti:sapphire Laser を光源に備えた光断
層画像化装置では、光源部分が大型で高価なものとな
り、また、光源部の取り扱いも難しく、実用化の面から
考えると大きさ、コスト、使い勝手等の面で問題があっ
た。
あり、低コヒーレンス干渉を用いてて断層画像を取得す
る光断層画像化装置において、大型で高価で取り扱いの
難しい光源を使用することなく、高い分解能で断層情報
を取得可能な光断層画像化装置を提供することを目的と
するものである。
置は、低コヒーレンス光を信号光と参照光に分割し、信
号光を被測定部に照射し、参照光の周波数を前記信号光
と僅かな周波数差を有する周波数にシフトし、信号光の
被測定部の所定の深部からの反射光と、参照光とを干渉
させ、干渉光強度を測定し、被測定部の光断層画像を取
得する光断層画像化装置において、低コヒーレンス光
が、発光体がドープされた光ファイバに励起エネルギー
を印加することにより射出される増幅された自然放出光
であることを特徴とするものである。
エネルギー印加によって励起され、励起エネルギーが光
として放出されるものを意味する。また、「信号光の被
測定部の所定の深度からの反射光」とは、被測定部に照
射された信号光が被測定部の所定の深部で反射した反射
光と、被測定部の表面で反射した反射光とを含むもので
ある。
光と参照光との差周波数で強弱を繰り返すビート信号
(干渉光)の強度を計測することを意味し、例えば、ヘ
テロダイン干渉計等による計測を意味する。
ヒーレンス光の波長は、600nm以上1700nm以下の
範囲内の波長が好ましい。
以上1700nm以下の波長帯域内の励起光が望ましい。
好適である。
オンまたは錯イオンであってもよい。
ある Cr3+、Mn4+、Mn2+、 Fe3+、希土類イオン
であるSc3+、Y3+、La3+、Ce3+、Pr3+、N
d3+、Pm3+、Sm3+、 Eu3+、Gd3+、Tb3+、D
y3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+、錯イ
オンであるWO4 2-、MoO4 2-、VO4 3+、Pt(C
N)4 2-およびWO6 6-からなる群から選ばれる少なくと
も1種類のイオンであってもよい。
よび参照光を形成する低コヒーレンス光として、発光体
がドープされた光ファイバに励起エネルギーを印加する
ことにより射出される増幅された自然放出光を用いるこ
とにより、小型で安価で、かつ取り扱いも容易な光源か
ら、高出力、広スペクトル幅の低コヒーレンス光を得る
ことができるので、従来必要であった、大型で、高価で
かつ取り扱いの難しい超短パルスレーザ等を備える光源
を用いることなく低コヒーレンス干渉における分解能を
向上させることができる。
低コヒーレンス光の波長が、600nm以上1700nm以
下の範囲内であれば、信号光が被測定部において、望ま
しい透過性および散乱性を有するので、所望の断層画像
を取得することができる。
700nm以下の波長帯域内の励起光であれば、効率良く
光ファイバ内にドープされた発光体を励起することがで
きる。
用いれば、望ましい中心波長およびスペクトル幅を有す
る低コヒーレンス光を得ることができる。
土類イオンまたは錯イオンを用いれば、光ファイバへ容
易にドープ可能であり、また、望ましい中心波長および
スペクトル幅を有する低コヒーレンス光を得ることがで
きる。
ンである Cr3+、Mn4+、Mn2+、 Fe3+、希土
類イオンであるSc3+、Y3+、La3+、Ce3+、P
r3+、Nd3+、Pm3+、 Sm3+、Eu3+、Gd3+、T
b3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu
3+、 錯イオンであるWO4 2-、MoO4 2-、VO4 3+、
Pt(CN)4 2- およびWO6 6- からな る群から選ば
れる少なくとも1種類のイオンを用いれば、励起光を望
ましい低コヒーレンス光へ効率良く変換することができ
る。
態である光断層画像化装置について図1を参照して説明
する。図1は本発明による光断層画像化装置の概略構成
図である。
nmで、スペクトル幅が約200nmの低コヒーレンス光を
出射する光源部100 と、この光源部100 から出射された
低コヒーレンス光の参照光Lrおよび信号光Lsへの分
割および合波を行うファイバ結合光学系200 と、参照光
Lrの光路上に配され、参照光Lrの光路長を変化させ
る光路遅延部300 と、信号光Lsで生体組織の被測定部
10を走査する光走査部400 と、被測定部10の所定の面で
反射された信号光Ls’と参照光Lrとの干渉光Lcの
強度を検出するバランス差分検出部500 と、バランス差
分検出部500 で検出された干渉光Lcの光強度から被測
定部10の所定の面で反射された信号光Ls’の強度を求
めるヘテロダイン検出を行い、画像信号に変換する信号
処理部600 と、信号処理部600 で得られた画像信号を断
層画像として表示する画像表示部700 とから構成される
ものである。
ヒーレンス光を射出するファイバ光源101 と、該ファイ
バ光源101 を励起する励起光である波長660nmのレー
ザ光を射出する半導体レーザ102 と、励起光をファイバ
光源101 の入射端面に集光するレンズ103 と、低コヒー
レンス光に含まれている励起光をカットするために、7
00nm以下の波長帯域の光をカットする励起光カットフ
ィルタ104 と、ファイバ光源101 から出射された低コヒ
ーレンス光を集光するレンズ105 およびレンズ106 とを
備えている。
する光ファイバであり、コア107 には、励起光を吸収し
て発光する色素がドープされている。励起光がファイバ
光源101 に入射すると、ファイバ光源101 の出射端から
は、中心波長が約800nmで、スペクトル幅が約200
nmの低コヒーレンス光が出射される。
101 から出射された低コヒーレンス光を信号光Ls と参
照光Lr とに分割し、また、信号光Lsの被測定部10の
所定の深部からの反射である信号光Ls’と参照光Lr
を合波し、干渉光Lcを得るファイバカプラ201 と、光
源部100 とファイバカプラ201 の間に設けられるファイ
バカプラ202 と、参照光Lrに僅かな周波数シフトを生
じさせるピエゾ素子203 と、光源部100 とファイバカプ
ラ202 を繋ぐファイバ204 と、ファイバカプラ201 およ
び202 を介して光路遅延部300 とバランス差分検出部50
0 を繋ぐファイバ205 と、ファイバカプラ201 を介して
光走査部400 とバランス差分検出部500を繋ぐファイバ2
06 とを備えている。なお、ファイバ204 、205 および2
06 はシングルモード光ファイバである。
された参照光Lrを平行光に変換し、また反射された参
照光Lrをファイバ205 へ入射させるレンズ301 と、図
1における水平方向への移動により参照光Lrの光路長
を変化させるプリズム302 とを備えている。
る垂直方向に移動し、また被測定部10で反射した信号光
Ls’をファイバ206 に入射させるレンズ401 およびレ
ンズ402 とを備えている。
光強度を測定する光検出器501 および502 と、光検出器
501 の検出値と光検出器502 の検出値の入力バランスを
調整し、ノイズ成分やドリフト成分を相殺した上で、差
分を増幅する差動増幅器503とを備えている。
作について説明する。まず、半導体レーザ102 から射出
された波長660nmの励起光は、レンズ103 により集
光され、ファイバ光源101 のコア107 に導入される。
ープされた色素に吸収される。励起光を吸収した色素
は、基底状態から励起状態に遷移する。励起状態から
は、熱緩和や発光過程を通して、基底状態へ戻る。ファ
イバ光源101 は、光共振器を構成していないため、個々
の発光がランダムに、相関無く増幅されながら、コア10
7内を伝搬し、自然放出光としてファイバ光源101 の端
面から出射する。この自然放出光は、コア107 内にドー
プされた色素の発光スペクトルとファイバ光源101の伝
送特性から決まるスペクトル特性を有する低コヒーレン
ス光である。また、その光強度は、励起光の光強度とコ
ア107 内にドープされた色素の量に依存する。すなわ
ち、励起光の光強度、ファイバ光源101 のコア107 内に
ドープされる色素の種類と量、およびファイバ光源101
の長さを適宜選択することにより、所望の中心波長、ス
ペクトル幅および光強度を有する低コヒーレンス光が得
られる。
1 からは、中心波長が約800nm、スペクトル幅が約2
00nmの低コヒーレンス光が出射され、この低コヒーレ
ンス光は、レンズ105 により平行光に変換され、励起光
カットフィルタ104 を透過後、レンズ106 により集光さ
れ、ファイバ204 に導入される。
は、ファイバカプラ202 で、ファイバ205 に導入され、
さらに、ファイバカプラ201 で、ファイバ205 内を光路
遅延部300 の方向へ進行する参照光Lrと、ファイバ20
6 内を光走査部400 の方向へ進行する信号光Lsとに分
割される。
子203 により変調され、参照光Lrと信号光Lsには、
僅かな周波数差△fが生じる。
よび402 を経て被測定部10へ入射される。被測定部10に
入射された信号光Lsのうち被測定部10の所定の深度で
反射された信号光Ls’は、レンズ402 および401 によ
り、ファイバ206 に帰還せしめられる。ファイバ206 に
帰還せしめられた信号光Ls’は、ファイバカプラ201
において、後述するファイバ205 に帰還せしめられた参
照光Lrと合波される。
照光Lr は、ファイバ205 を通過し光路遅延部300 のレ
ンズ301 を介して、プリズム302に入射し、このプリズ
ム302で反射され再度レンズ301 を透過して、ファイバ2
05 に帰還せしめられる。ファイバ205 に帰還せしめら
れた参照光Lrはファイバカプラ201 で、上述した信号
光Ls’と合波される。
s’および参照光Lr は、再び同軸上に重なることにな
り所定の条件の時に信号光Ls’と参照光Lrが干渉
し、干渉光Lcとなり、ビート信号を発生する。
距離の短い低コヒーレンス光であるため、低コヒーレン
ス光が信号光Lsと参照光Lrに分割されたのち、信号
光Ls(Ls’) がファイバカプラ201 に到達するまで
の光路長が、参照光Lr がファイバカプラ201 に到達す
るまでの光路長に略等しい場合に両光が干渉し、この干
渉する両光の周波数差(△f)で強弱を繰り返すビート
信号が発生する。
され、一方は、ファイバ205 を透過してバランス差分検
出器500 の光検出器501 に入力され、他方はファイバ20
6 を透過して光検出器502 に入力される。
から上記ビート信号の光強度を検出し、差動増幅器503
で、光検出器501 の検出値と光検出器502 の検出値の差
分を求め、信号処理部600 へ出力する。なお、差動増幅
器503 は、その入力値の直流成分のバランスを調整する
機能を備えているため、たとえ光源部100 から出射され
た低コヒーレンス光にドリフトが生じている場合でも、
直流成分のバランスを調整した上で差分を増幅すること
により、ドリフト成分は相殺され、ビート信号成分のみ
が検出される。
方向(図中水平方向)に移動すると、参照光Lr がファ
イバカプラ201 に到達するまでの光路長が変化する。こ
のため参照光Lrと干渉する信号光Ls(Ls’)の光
路長も変化するため、断層情報を取得する被測定部10の
深度も変化する。
おける表面から所望の深度までの断層情報を取得したの
ち、光走査部400 のレンズ401 およびレンズ402 によ
り、信号光Lsの入射点を図1の垂直方向に僅かに移動
させ、同様に所定の深度までの断層情報を取得する。こ
のような動作を繰り返すことにより、被測定部10の断層
画像を得ることができる。
500 で検出された干渉光Lcの光強度から被測定部10の
所定の面で反射された信号光Ls’の強度を求めるヘテ
ロダイン検出を行い、画像信号に変換し、断層画像とし
て画像表示部700 に表示する。
レンス光の中心波長は800nmであり、スペクトル幅は
200nmであるので、式1からコヒーレンス長は、1.4
μmとなる。すなわち、低コヒーレンス干渉における分
解能も1.4μmとなる。
価でかつ取り扱いの難しい超短パルスレーザ等を備える
光源を用いることなく、低コヒーレンス干渉における分
解能を、生体組織等の微細断層画像を取得可能な高分解
能まで向上させることができる。
00nmから略900nmの範囲であるため、生体組織であ
る被測定部10において、望ましい透過性および散乱性を
有するので、所望の断層画像を取得することができる。
2 から出射される波長660nmのレーザ光であるため、
効率良くファイバ光源101 内にドープされた色素を励起
することができる。
ため、被測定部10の光透過特性および光散乱特性に応じ
て、適宜低コヒーレンス光の中心波長およびスペクトル
幅を選択することができ、光断層画像化装置の利便性を
向上させることができる。
光光源として半導体レーザ102 を用いたが、半導体レー
ザの代わりに、波長660nmの第2高調波を発生するY
AGレーザを用いることもでき、この場合には、より高
出力の励気光が得られるため、低コヒーレンス光も一層
高出力化が可能である。
して、色素がドープされたファイバ光源101 の代わり
に、発光体として、遷移金属イオン、希土類イオンまた
は錯イオンをドープしたファイバ光源を用いた光断層画
像化装置を考えることもできる。これらのイオンは、フ
ァイバ光源のコアに容易にドープ可能であり、ファイバ
光源の製造コストを低減することができる。また、適宜
上記発光体として、遷移金属イオンである Cr3+、M
n4+、Mn2+、 Fe3+、希土類イオンであるSc 3+、
Y3+、La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm3+、Sm
3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、E
r3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+、錯イオンであるWO4
2-、MoO4 2-、VO4 3+、Pt(CN)4 2-およびWO6
6-からなる群から選ばれる少なくとも1種類のイオンを
用いれば、励起光を望ましい中心波長およびスペクトル
線幅を有する低コヒーレンス光へ効率良く変換すること
ができる。
Claims (6)
- 【請求項1】 低コヒーレンス光を信号光と参照光に分
割し、 前記信号光を被測定部に照射し、 前記参照光の周波数を前記信号光と僅かな周波数差を有
する周波数にシフトし、 前記信号光の前記被測定部の所定の深部からの反射光
と、前記参照光とを干渉させ、干渉光強度を測定し、前
記被測定部の光断層画像を取得する光断層画像化装置に
おいて、 前記低コヒーレンス光が、発光体がドープされた光ファ
イバに励起エネルギーを印加することにより射出される
増幅された自然放出光であることを特徴とする光断層画
像化装置。 - 【請求項2】 前記被測定部が生物組織の一部であり、 前記低コヒーレンス光の波長が、600nm以上1700
nm以下の範囲内の波長であることを特徴とする請求項1
記載の光断層画像化装置。 - 【請求項3】 前記励起エネルギーが、500nm以上1
700nm以下の波長帯域内の励起光であることを特徴と
する請求項2記載の光断層画像化装置。 - 【請求項4】 前記発光体が蛍光を発する色素であるこ
とを特徴とする請求項1から3いずれか1項記載の光断
層画像化装置。 - 【請求項5】 前記発光体が遷移金属イオン、希土類イ
オンまたは錯イオンであることを特徴とする請求項1か
ら3いずれか1項記載の光断層画像化装置。 - 【請求項6】 前記発光体が、遷移金属イオンである
Cr3+、Mn4+、Mn2+、Fe3+、希土類イオンである
Sc3+、Y3+、La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+、Pm
3+、 Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho
3+、Er3+、Tm3+、Yb3+、Lu3+、錯イオンである
WO4 2-、MoO4 2-、VO4 3+、Pt(CN)4 2-および
WO6 6-からなる群から選ばれる少なくとも1種類のイ
オンであることを特徴とする請求項2から5いずれか1
項記載の光断層画像化装置。
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EP (1) | EP1132731A3 (ja) |
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