JP2005062020A - 断層映像装置 - Google Patents

Abstract

【目的】被検体の深さ方向の各位置の反射光強度情報を得るのに、分光された各波長毎の光を用いることで、対物集光レンズや干渉計の参照ミラーの光軸方向への走査・駆動に要していた時間を削減し、被検体の断層映像を高速度で表示する。
【構成】多波長光を出射する低可干渉光源１０と集光レンズ１１からなる光源部と、４つの光ファイバ２１、２２、２３、２４と、２×２カプラ２５と、被検体３１の前段に配される軸上色収差を有する対物集光レンズ３２と、色分散機能と光収束機能を有する凹面状の第１回折格子４１と、収束された各波長光に対し、入射光路を戻るように正反射せしめる凹面状の参照ミラー４２と、色分散機能と光収束機能を有する凹面状の第２回折格子５１と、各波長光毎（各深さ位置毎）の被検体情報を取得する光検出器５２と、からなるマイケルソン干渉計部と、信号処理装置６１（画像表示部７１を付設）とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低コヒーレンス長の光を出力する光源とマイケルソン干渉計等の等光路長型干渉計を組み合わせて構成されるOptical Coherence Tomography (以下、OCTと称す)による手法を適用して、医療または工業等の分野において被検体の断層映像を得る際に用いられる断層映像装置に関するものである。

近年、医療用や工業用等の被検体を撮像する分野、特に電子内視鏡の分野において、OCTの手法を用いて被検体の断層映像を撮影する装置が知られている。

このOCTによる断層映像装置は、光を検出プローブとして用いていることから、従来のＸ線撮影装置の如く被検体がＸ線照射により被爆するという問題がなく、特に、被検体が人体であるような場合には極めて好ましい。また、ＣＴやＭＲＩ等のように大型な装置を要さず、簡易に被検体の検査を行なうことができるので、被検者のコスト的な負担や体力的な負担を軽減でき、この面でも好ましい。

また、このOCTを用いた断層映像装置は、広帯域なスペクトル幅を有する光の低コヒーレンス性を利用して、被検体の深さ方向の各位置における干渉波情報を得るようにしているので、被検体内部からの反射光をμｍオーダーの空間分解能で検出することができ、従来のＸ線撮影装置に比べて測定分解能を大幅に向上させることができる。

このような多くの優れた特性を有するOCTを用いた断層映像装置は、例えば下記非特許文献１等に開示されている。

図３は、従来の断層映像装置の概略を示すものである。すなわち、低可干渉光源１１０からの出力を光ファイバ１２１に入射せしめる。光ファイバ１２１内を進行する光束は、２×２カプラ１２５により２光束に分離され、その一方は光ファイバ１２２により被検体１３１側に導かれ、その他方は光ファイバ１２３により参照ミラー１４２側に導かれる。

光ファイバ１２２の光出射端の後段には、光軸方向に移動可能な対物集光レンズ１３２が設けられており、このレンズ１３２を光軸方向に移動させることにより被検体１３１の深さ方向に結像位置を変化させることができるようになっている。

一方、光ファイバ１２３の光出射端から射出された光はコリメータレンズ１４１を介して参照ミラー１４２に照射されるが、この参照ミラー１４２は、光軸方向に移動可能とされており、光ファイバ１２２の光出射端から被検体１３１の深さ方向の上記結像位置までの光路長と、光ファイバ１２３の光出射端から参照ミラー１４２までの光路長とが互いに等しくなるような位置にこの参照ミラー１４２が移動されるようになっている。これにより、低可干渉光によっても光干渉させることができる、いわゆるマイケルソン型の干渉計が構築され、被検体１３１の深さ方向各位置の干渉波情報が得られることになる。

被検体１３１の上記結像位置からの反射光と、参照ミラー１４２からの反射光は各々その照射経路を逆進し、２×２カプラ１２５で合波されて互いに干渉し、その干渉光は光ファイバ１２４を介して光検出器１５２に到達し、その干渉波情報がこの光検出器１５２により検出されることになる。この後、光検出器１５２により検出された干渉波情報は電気信号に変換されて、増幅器１６２、バンドパスフィルタ１６３、Ａ／Ｄコンバータ１６４を介してコンピュータ１６５に入力され、所定の画像処理がなされることになる。

光学３２巻４号（２００３）：佐藤学、丹野直弘著

しかしながら、上述したようなOCTを用いた断層映像装置は、マイケルソン干渉計において低可干渉光を測定光として用い、被検体内部の各深さ位置における断層境界面での反射情報に基づいて断層映像化する方式であり、結像する各断層境界面の深さ位置に応じてマイケルソン干渉計の参照ミラーをその光軸方向に移動させる必要がある。このため、反射ミラーの走査方法に改良・改善を加える試みもなされているが、実時間程度で断層映像を表示するまでには至っていない。

特に、このようなOCTを用いた断層映像装置を医療用として使用する場合には、電子内視鏡操作者は表示部上の被検体の映像を観察しながら、内視鏡先端部を移動させていくことになるので、高速度で被検体の映像を表示することは被検者の負担を軽減することになる。また、今日においては、内視鏡を用い開腹せずに手術する手法が広く知られているが、このような手術においては、被検体の映像を実時間で表示することがその成功率を向上させることに直結する。

本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、被検体内部の断層映像情報を得る際に、干渉計の参照ミラーをその光軸方向に移動させる操作を不要として、被検体の断層映像を高速度で表示することを可能とし得る断層映像装置を提供することを目的とするものである。

本発明の断層映像装置は、波長領域において所定のスペクトル幅を有する光ビームを出射する光源と、
該光源から出射された光ビームを２分し、一方を被検体に照射するとともに、他方を参照ミラーに照射し、該被検体および該参照ミラーから各々反射された光ビームを合波せしめて干渉させ、該干渉による光強度分布を光検出器により得るようにした等光路長型干渉計とを備えた断層映像装置において、
前記一方の光ビームを被検体に照射する際に軸上色収差を発生せしめて、各波長光毎に該被検体の深さ方向の異なる位置に集光せしめる対物集光レンズと、
前記他方の光ビームを波長分散せしめ、波長分散された各光が前記参照ミラー上の所定の位置に収束した後、該参照ミラーで反射され、その反射光が該参照ミラーへの入射光路を逆進するような光路を辿るように構成された第１の波長分散手段と、
前記合波された光ビームを波長分散せしめ、波長分散された各光が前記光検出器の異なる位置にそれぞれ収束するように構成された第２の波長分散手段と、
を備えたことを特徴とするものである。

ここで、上記「参照ミラー上の所定位置」とは、各波長の光毎に、上記他方の光ビームの上記参照ミラーまでの光路長が、上記一方の光ビームの被検体の集光位置までの光路長と、略等しくなるような位置、を意味する。

また、上記断層映像装置の特徴点に加えて、前記光検出器で得られた各波長の光が担持した反射光強度情報に基づき前記被検体の断層映像情報を生成する信号処理部を備えていることを特徴とするものである。

また、前記第１の波長分散手段および／または前記第２の波長分散手段が、回折格子を含むとともに、分散した各波長の光を前記参照ミラー上に収束せしめる機能を備えていることが好ましい。

また、前記所定の軸上色収差を与える対物集光レンズが、屈折率分布型レンズからなることが好ましい。

また、前記第１の波長分散手段および／または前記第２の波長分散手段を凹面型回折格子により構成することが好ましい。

また、前記第１の波長分散手段および／または前記第２の波長分散手段を、平面型回折格子と、この平面型回折格子により分散した各波長の光を前記参照ミラー上に収束せしめる凹面鏡または凸レンズとからなる分光ユニットにより構成することが可能である。

さらに、前記参照ミラーを、前記波長分散された各光の反射光を該参照ミラーへの入射光路を逆進するように正反射せしめる凹面鏡により構成することが可能である。

本発明の断層映像装置によれば、被検体の深さ方向の各位置の反射光強度情報を得るのに、分光された各波長毎の光を用いており、従来技術のように、被検体の前段に配された対物集光レンズや干渉計の参照ミラーを光軸方向に機械的に走査・駆動する必要がないので、その走査・駆動に要していた時間を削減することができる。また、分光された各波長毎の光を用いて、被検体の深さ方向の各位置の反射光強度情報を同時に得ることができるので、被検体の断層映像を高速度で表示することができ、さらに略実時間で表示することも可能である。

以下、本発明の実施形態に係る断層映像装置について図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る断層映像装置を示す概念図である。
本実施形態に係る断層映像装置は、医療用の内視鏡に適用されたものであり、光源部と干渉計部と信号処理部とからなる。

光源部は低可干渉光源１０と集光レンズ１１からなる。また、干渉計部は、全体としてマイケルソン干渉計を構成しており、４つの光ファイバ２１、２２、２３、２４と、２×２カプラ２５と、被検体３１の前段に配される対物集光レンズ３２と、凹面状の第１回折格子４１と、凹面状の参照ミラー４２と、凹面状の第２回折格子５１と、被検体情報を担持した干渉波映像を撮像する光検出器５２とを備えている。
また、信号処理部は信号処理装置６１からなり、画像表示部７１を付設してなる。

以下、上記実施形態装置の作用を説明する。
低可干渉光源１０は、近赤外域に広いスペクトル幅（広波長帯域）を有する光（以下、多波長光とも称する）を出射する光源であって、例えばＳＬＤ（Super-luminescent diode）等からなる。この低可干渉光源１０から出射された光は集光レンズ１１により光ファイバ２１の入射端面に集光され、光ファイバ２１により２×２カプラ２５に伝送される。

伝送された多波長光は、この２×２カプラ２５において２分割され、一方は光ファイバ２２に他方は光ファイバ２３により伝送される。光ファイバ２２により伝送された多波長光は、光ファイバ２２の出射端面から出射され、対物集光レンズ３２によって被検体３１（人体）に集光される。ここで、対物集光レンズ３２は軸上色収差を発生させるように構成されており、多波長光を、各波長毎に被検体３１の深さ方向（ｚ方向）の異なる位置に集光し、結像させる。その集光・結像位置は、長波長成分ほど深い位置に集光・結像するようになっている。

このように、対物集光レンズ３２が有する軸上色収差により各波長光毎の集光する位置を深さ方向にずらすことが可能となる。これにより、上記多波長光は、各波長毎に、被検体３１の深さ方向（ｚ方向）の異なる集光位置において反射され（但し、光干渉に寄与する物体光は組織境界面においてのみ得られる）、それぞれ異なる集光位置における反射光強度情報を担持した状態で、対物集光レンズ３２を介して光ファイバ２２の出射端面に戻る。被検体３１の上記異なる各位置における反射光強度情報を含む各波長光は、この光ファイバ２２の出射端面において合成され、光ファイバ２２により２×２カプラ２５に伝送される。なお、被検体３１の各位置から反射された多波長光を物体光とも称することとする。

これに対し、光ファイバ２１により伝送された多波長光のうち、２×２カプラ２５において分割された他方は、光ファイバ２３により伝送される。光ファイバ２３により伝送された多波長光は、光ファイバ２３の出射端面から出射され、発散光として凹面状の第１回折格子４１上に照射される。この第１回折格子４１は、波長に応じた光分散素子としての機能を有し、また、分散された各波長光をそれぞれ収束する機能をも有する。分散された各波長光は、第１回折格子４１の収束機能により、それぞれ凹面状の参照ミラー４２の表面上の異なった位置に収束せしめられる。なお、その収束位置は、長波長成分ほど第１回折格子４１から遠い位置に収束するようになっている。

また、参照ミラー４２の凹面の曲率および参照ミラー４２の配設位置は、参照ミラー４２上に収束した各波長光が正反射して参照ミラー４２への入射光路を逆進するように設定されており、また、第１回折格子４１においては、周知の相反性の定理が成立するから、
参照ミラー４２において反射された各波長光は第１回折格子４１を介して光ファイバ２３の出射端面に戻る。各波長光は、この光ファイバ２３の出射端面において合成され、光ファイバ２３により２×２カプラ２５に伝送される。なお、参照ミラー４２の各位置から反射された多波長光を参照光とも称することとする。

光ファイバ２２により伝送された物体光と光ファイバ２３により伝送された参照光は２×２カプラ２５において合波され、干渉光とされて光ファイバ２４により伝送される。

なお、２×２カプラ２５における光分割位置から、光ファイバ２２を介して被検体３１の各波長光の集光・結像位置に至り、その後、２×２カプラ２５の合波位置まで戻る光路長と、２×２カプラ２５における光分割位置から、光ファイバ２３を介して参照ミラー４２の各波長の収束位置に至り、その後、２×２カプラ２５の合波位置まで戻る光路長とが、互いに等しくなるように構成されている。これにより、２×２カプラ２５において発生する干渉光は、各波長光毎に生じた干渉光を合成した状態にあるものと考えることができる。

次に、光ファイバ２４により伝送された干渉光は光ファイバ２４の出射端から出射され、発散光として凹面状の第２回折格子５１上に照射される。この第２回折格子５１は、上記第１回折格子４１と同様に、波長に応じた光分散素子としての機能を有し、また、分散された各波長光をそれぞれ収束する機能をも有する。分散された各波長光は、第２回折格子５１の収束機能により、それぞれ、ラインセンサからなる光検出器５２の表面上の異なった位置に収束せしめられる。なお、その収束位置は、長波長成分ほど第２回折格子５１から遠い位置に収束するようになっている。

この光検出器５２の異なる各位置（各受光素子（図示せず））において同時に受光された干渉光はそれぞれ、被検体３１の深さ方向の各位置における反射光強度情報を有しており、光検出器５２の各受光素子で検出した反射光強度情報を光電変換することにより、被検体３１の横方向（ｙ方向）の１点に対応する断層映像信号（ｚ方向１ライン分の信号）を得ることができる。また、このＯＣＴの手法を用いた装置では、低可干渉光を検査光として用い、等光路長型のマイケルソン干渉計を基本構成としており、互いに干渉しあう波長幅が極めて短いので、被検体３１の深さ方向の空間分解能を極めて短く設定でき、例えばμｍオーダーの空間分解能を得ることができる。

また、光ファイバ２２の光出射端部分および対物集光レンズ３２は内視鏡の鉗子チャンネルを通して使用する先端プローブ部分を構成しており、この先端プローブ部分を矢印Ａ方向に移動することで、被検体３１の横方向（ｙ方向）の各点に対応する断層映像情報を得ることができる。すなわち、被検体３１の２次元断層映像情報を、上記先端プローブ部分のｙ方向への移動と略同時に得ることができる。

この後、信号処理装置６１において、光検出器５２から時系列的に送出された反射光強度信号の信号処理を行なう。具体的には、信号増幅、バンドパス処理、Ａ／Ｄ変換処理等の信号処理を行なった後、コンピュータにおいて、表示部７１に表示可能な２次元断層映像信号に変換する処理を行なう。また、この信号処理装置６１においては、光検出器５２から出力された、被検体３１の深さ方向の情報を担持した１次元の各反射光強度信号に対し、包絡線処理を施すようにしている。これは、干渉波情報は、実際には被検体３１の生体組織の各境界面からの光反射が生じた際に得ることができるので、深さ方向の不連続な反射光強度分布を連続的な反射光強度分布とするためになされるものである。

この後、連続的な深さ方向（ｚ方向）の各反射光強度分布をｙ方向の各点について繋げる画像信号処理を施して２次元断層映像信号を生成し、表示部７１に被検体３１の２次元断層映像を表示する。

図２（Ａ）は、このようにして得られた被検体３１の２次元断層映像の一例を示すものである。また、図２（Ｂ）は、その比較例として、従来技術を用いて得られた被検体３１の２次元断層映像の一例を示すものである。なお、図２（Ａ）、（Ｂ）に示す画像はともに、縦方向がｚ方向に一致し（上方が被検体３１の表面）、横方向がｙ方向に一致している。また、上記各画像において、縦方向および横方向ともに、被検体３１の組織の２ｍｍの範囲を示すものである。

図２によれば、本実施形態により得られた２次元断層映像は、従来技術により得られた２次元断層映像に比べて、深さ方向の全範囲に亘って良好な感度を有しており、また、空間分解能においても優れていることが明らかである。

なお、本発明の断層映像装置としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能であり、例えば低可干渉光源としても上述したＳＬＤに替えて、通常のダイオードや高圧水銀ランプ等の周知の低可干渉光源を使用することが可能である。

また、色収差を発生させるための対物集光レンズとして、屈折率分布型レンズ（GRINレンズ）を用いてもよい。屈折率分布型レンズは、一般に大きな軸上色収差を発生させる特性を有しているので、本発明装置の対物集光レンズとして使用すると都合がよい。

また、上述した第１回折格子４１および／または第２回折格子５１に替えて、Czerny-Turnner 型の分光ユニット(平面回折格子と凹面鏡の組み合わせ)を用いてもよい。また、このCzerny-Turnner 型の分光ユニットにおいて、凹面鏡に替えて凸レンズを用いてもよい。

また、上記実施形態においては、等光路長型干渉計としてマイケルソンタイプのものを用いているが、これに替えてマッハ−ツェンダタイプ等の他の等光路長型干渉計を用いるようにしてもよい。

また、光検出器としては上記ラインセンサに替えて、面状アレイセンサを用いてもよいことは勿論である。

また、被検体としては人体に限られず、光が内部に侵入して、内部の各位置から反射光が得られるその他の種々の組織とすることができる。

本発明の実施形態に係る断層映像装置を示す概念図 図１に示す実施形態により得られた被検体の２次元断層映像の一例を示す図（Ａ）、および従来技術により得られた被検体の２次元断層映像の一例を示す図（Ｂ） 従来技術に係る断層映像装置を示す概念図

符号の説明

１０、１１０ 低可干渉光源
１１ 集光レンズ
２１、２２、２３、２４、１２１、１２２、１２３、１２４ 光ファイバ
２５、１２５ ２×２カプラ
３１、１３１ 被検体
３２、１３２ 対物集光レンズ
４１ 第１回折格子
４２、１４２ 参照ミラー
５１ 第２回折格子
５２、１５２ 光検出器
６１ 信号処理装置
７１ 画像表示部
１４１ コリメータレンズ
１６２ 増幅器
１６３ バンドパスフィルタ
１６４ Ａ／Ｄコンバータ
１６５ コンピュータ

Claims (7)

1. 波長領域において所定のスペクトル幅を有する光ビームを出射する光源と、
   該光源から出射された光ビームを２分し、一方を被検体に照射するとともに、他方を参照ミラーに照射し、該被検体および該参照ミラーから各々反射された光ビームを合波せしめて干渉させ、該干渉による光強度分布を光検出器により得るようにした等光路長型干渉計とを備えた断層映像装置において、
   前記一方の光ビームを被検体に照射する際に軸上色収差を発生せしめて、各波長光毎に該被検体の深さ方向の異なる位置に集光せしめる対物集光レンズと、
   前記他方の光ビームを波長分散せしめ、波長分散された各光が前記参照ミラー上の所定の位置に収束した後、該参照ミラーで反射され、その反射光が該参照ミラーへの入射光路を逆進するような光路を辿るように構成された第１の波長分散手段と、
   前記合波された光ビームを波長分散せしめ、波長分散された各光が前記光検出器の異なる位置にそれぞれ収束するように構成された第２の波長分散手段と、
   を備えたことを特徴とする断層映像装置。
2. 前記光検出器で得られた各波長の光が担持した反射光強度情報に基づき前記被検体の断層映像情報を生成する信号処理部を備えていることを特徴とする請求項１記載の断層映像装置。
3. 前記第１の波長分散手段および／または前記第２の波長分散手段が、回折格子を含むとともに、分散した各波長の光を前記参照ミラー上に収束せしめる機能を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の断層映像装置。
4. 前記対物集光レンズが、屈折率分布型レンズからなることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の断層映像装置。
5. 前記第１の波長分散手段および／または前記第２の波長分散手段が、凹面型回折格子とされていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の断層映像装置。
6. 前記第１の波長分散手段および／または前記第２の波長分散手段が、平面型回折格子と、この平面型回折格子により分散した各波長の光を前記参照ミラー上に収束せしめる凹面鏡または凸レンズとからなる分光ユニットとされていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の断層映像装置。
7. 前記参照ミラーが、前記波長分散された各光の反射光を該参照ミラーへの入射光路を逆進するように正反射せしめる凹面鏡とされていることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項記載の断層映像装置。