JP2006162418A - Cars three-dimensional image system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えばCARS(コヒーレントアンチストークスラマン散乱)顕微鏡、又はCARS顕微鏡を用いた生体計測装置など、医学生物学分野において生体組織やそれを構成する細胞の微細構造を非侵襲的に高精度で3次元計測するためのCARS3次元画像装置に関するものである。 In the medical biology field, the present invention is capable of non-invasively and highly accurately measuring a living tissue and a fine structure of a cell constituting the same, such as a CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering) microscope or a biological measuring device using a CARS microscope. The present invention relates to a CARS three-dimensional image device for three-dimensional measurement.
従来のCARS顕微鏡では、2波長の光が試料に照射され、それらの2波長光の周波数差のエネルギー順位の共鳴から発生する光が計測される。これにより、試料に固有の物質の分子振動における特定周波数成分が選択的に計測され画像化される。このため、高エネルギーの蛍光用の励起光を照射する必要も、計測物質を蛍光体でラベリングする必要もなく、細胞の微細構造を画像化することができる(例えば、特許文献1参照)。 In a conventional CARS microscope, a sample is irradiated with light of two wavelengths, and light generated from resonance of energy ranks of frequency differences between the two wavelengths of light is measured. Thereby, the specific frequency component in the molecular vibration of the substance specific to the sample is selectively measured and imaged. For this reason, it is not necessary to irradiate excitation light for high energy fluorescence, and it is not necessary to label the measurement substance with a phosphor, and the fine structure of the cell can be imaged (for example, see Patent Document 1).
上記のような従来のCARS顕微鏡により3次元画像データを収集するためには、照射光軸に垂直な面内の2次元的な走査だけではなく、照射光軸方向(いわゆるスライス深度方向)の走査も行う必要がある。そして、このような照射光軸方向の走査には、対物レンズ又は被検体の機械的移動による走査方法(機械的走査)が用いられている。このため、計測時間の短縮に限界があった。また、試料に最も近づく対物レンズ部に高精度の移動機構を組み込む必要があるため、装置構成が複雑で高価になってしまう。さらに、CARS顕微鏡を小型化し、内視鏡に組み込む上での障害となっていた。 In order to collect three-dimensional image data with the conventional CARS microscope as described above, not only two-dimensional scanning in a plane perpendicular to the irradiation optical axis but also scanning in the irradiation optical axis direction (so-called slice depth direction). Also need to do. For such scanning in the irradiation optical axis direction, a scanning method (mechanical scanning) by mechanical movement of the objective lens or the subject is used. For this reason, there was a limit in shortening measurement time. In addition, since it is necessary to incorporate a highly accurate moving mechanism in the objective lens portion that is closest to the sample, the apparatus configuration is complicated and expensive. Furthermore, the CARS microscope has been reduced in size and has become an obstacle to incorporation into an endoscope.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置構成の複雑化を抑えつつ、照射光軸方向の走査を高速化することができるCARS3次元画像装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. It is an object of the present invention to obtain a CARS three-dimensional image apparatus capable of speeding up scanning in the irradiation optical axis direction while suppressing the complexity of the apparatus configuration. Objective.
この発明に係るCARS3次元画像装置は、互いに波長の異なる第1及び第2の光を合成して被計測体に照射し、発生したCARS光を計測することにより被計測体の3次元状態を画像化するCARS3次元画像装置において、第1及び第2の光のエネルギーを同一周量ずつ変化させることにより、照射光軸方向の走査を行うものである。 The CARS three-dimensional image device according to the present invention synthesizes the first and second light beams having different wavelengths and irradiates the measured object, and measures the generated CARS light to image the three-dimensional state of the measured object. In the CARS three-dimensional image device to be converted, scanning in the direction of the irradiation optical axis is performed by changing the energy of the first and second light by the same circumference amount.
この発明のCARS3次元画像装置は、第1及び第2の光のエネルギーを同一周量ずつ変化させることにより、照射光軸方向の走査を行うので、照射光軸方向については機械的な走査機構を用いずに済み、装置構成の複雑化を抑えつつ、照射光軸方向の走査を高速化することができる。 Since the CARS three-dimensional image device of the present invention performs scanning in the direction of the irradiation optical axis by changing the energy of the first and second light by the same amount of circumference, a mechanical scanning mechanism is used in the direction of the irradiation optical axis. Scanning in the direction of the irradiation optical axis can be accelerated while suppressing the complexity of the apparatus configuration.
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるCARS3次元画像装置を示す構成図である。この例では、光源部1としてYAGレーザが用いられている。光源部1で発生した光は、パルス光発生部2によりピコ秒オーダーの超短パルス光に変換される。パルス光発生部2からの光は、第1の波長変換部3に入射される。第1の波長変換部3は、例えば非線型効果を利用したパラメトリック増幅装置により構成されている。この第1の波長変換部3により、パルス光発生部2からの光の波長が変換される。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 is a block diagram showing a CARS three-dimensional image apparatus according to
第1の波長変換部3を通過した光は、分光手段としての第1のハーフミラー4で第1及び第2の光に分岐される。第1のハーフミラー4で反射された第1の光は、第1のミラー(全反射鏡)5で90度変向され、第2のミラー7で再度90度変向され、第2のハーフミラー8に入射される。
The light that has passed through the first wavelength conversion unit 3 is branched into first and second light by a first half mirror 4 as a spectroscopic means. The first light reflected by the first half mirror 4 is turned 90 degrees by the first mirror (total reflection mirror) 5 and turned again 90 degrees by the second mirror 7, so that the second half The light enters the
一方、第1のハーフミラー4を透過した第2の光は、第2の波長変換部9に入射される。第2の波長変換部9では、被計測体である試料11における計測物質の振動周期に対応するエネルギー変位が第2の光に加えられる。第2の波長変換部9を通過した第2の光は、光路調整部6に入射される。光路調整部6は、一対の固定ミラー6a,6bと、固定ミラー6a,6bに接離する方向へ変位可能な一対の可動ミラー6c,6dとを有している。光路調整部6を通過した第1の光は、第2のハーフミラー8に入射される。第2のハーフミラー8では、第1の光と第2の光とが、それらの光軸が一致するように合成され、照射光が生成される。
On the other hand, the second light transmitted through the first half mirror 4 is incident on the second wavelength converter 9. In the second wavelength conversion unit 9, an energy displacement corresponding to the vibration period of the measurement substance in the
第2のハーフミラー8で生成された照射光は、所望の深度に調整された焦点を持つ対物レンズ9により試料11内部に収束される。試料11内に照射光が収束されると、試料11内の非線型効果によりコヒーレントアンチストークスラマン散乱光(以下、CARS光と略称する。)が発生する。このCARS光は、照射光とは異なる波長で、照射光と同一光路を逆向きに進行し、ダイクロイックミラー12で分離され第1の検出器13で検出される。また、試料11内からの後方散乱光は、ダイクロイックミラー12を通過し、第3のハーフミラー14で分離され、第2の検出器15で検出される。
The irradiation light generated by the
第1及び第2の検出器13,15からの計測信号は、信号収集部16を介してコンピュータ17へ転送される。
Measurement signals from the first and
試料11に対する2次元的な走査は、xy走査部18により行われる。また、照射光軸方向の走査は、エネルギー変換制御部である波長変換制御部19によって、第1の波長変換部3におけるシフトエネルギーを逐次変換することにより行われる。信号収集部16からコンピュータ17への計測信号の転送は、xy走査部18及び波長変換制御部19の動作に同期して行われる。コンピュータ17は、上記のような3方向の空間走査により得られた計測信号を用いて、第2の波長変換部9の変位周波数に同期する振動順位を有する分子の空間分布を画像化して表示する。
Two-dimensional scanning of the
次に、3次元画像化の詳細について説明する。試料11内に照射光が収束されると、焦点位置近傍においては、照射波長に対応するCARS光が入射光軸方向に沿って発生する。このCARS光は、入射する第1及び第2の光の振動数差の周波数の振動エネルギー順位を持つ特定の分子から、共鳴光として発生する。従って、第1及び第2の光の振動数差を、例えば細胞の膜に特異的に含まれる脂質の振動順位に設定すれば、細胞を染色することなく、その膜構造を詳細に画像化することができる。
Next, details of the three-dimensional imaging will be described. When the irradiation light is converged in the
ここで、CARS光は、照射光強度の2乗に比例して発生するため、図1のように対物レンズ10を用いると、その焦点位置付近からのみ共鳴光が発生するように設定することができる。また、CARS光は照射光とのコヒーレントな効果により発生するため、その進行方向は、入射励起光と同一方向及び180度逆転した方向(入射光にコヒーレントな光)となる。これらのうち、前者はT−CARS、後者はE−CARSと称される。
Here, since the CARS light is generated in proportion to the square of the irradiation light intensity, when the
ここで、T−CARS光は、入射光方向と同一方向に出射するため、試料11の裏側から計測する必要がある。このため、試料11の厚みが薄く、かつ試料11の裏側にも収束用の対物レンズを装着できる場合のみ画像化に利用できる。
Here, since the T-CARS light is emitted in the same direction as the incident light direction, it is necessary to measure from the back side of the
従って、この実施の形態では、後方散乱を用いるE−CARSタイプの画像化方式を採用している。これにより、試料11の裏側に対物レンズを配置する必要がなく、厚い試料11への適用も可能となっている。また、1個の対物レンズ10を用いるだけで済むため、厳密な焦点調節が不要である。さらに、内視鏡に装着して体腔内表面付近の細胞特性を調べる非侵襲診断にも利用できる。
Therefore, in this embodiment, an E-CARS type imaging method using backscattering is adopted. Thereby, it is not necessary to arrange an objective lens on the back side of the
また、照射光が対物レンズ10で絞り込まれることにより、CARS光は、照射光の光密度が十分に高い対物レンズ10の焦点位置近傍に限定されて発生する。この焦点領域を3方向へ走査すれば、照射光のビーム幅及び焦点付近の光分布で決まる微小な領域の空間分解能での3次元画像化が可能となる。
Further, when the irradiation light is narrowed down by the
この実施の形態のCARS3次元画像装置では、入射光軸に垂直な面(XY面)内での2次元走査は、xy走査部18により機械的に行われる。一方、光軸方向(Z)方向の走査は、第1及び第2の光のエネルギーを同時に変化させ、対物レンズ10の焦点距離を変化させることにより行われる。具体的には、波長差は同じままで(共鳴周波数となる2波長光の周波数の差を変化させることなく)、第1及び第2の光の波長を波長変換制御部19により変化させることにより、第1及び第2の光のエネルギーが変化される。これにより、対物レンズ10の焦点距離が変化され、計測面深度が変化される。
In the CARS three-dimensional image apparatus according to this embodiment, two-dimensional scanning in a plane (XY plane) perpendicular to the incident optical axis is mechanically performed by the
図2は図1のCARS3次元画像装置における照射光の波長と対物レンズ10の焦点距離との関係を示すグラフである。このような焦点距離の変化は、レンズの色収差として知られており、一般的には光学系の歪みの原因となることから抑制されるべきものである。しかし、この実施の形態では、波長の変化を積極的に利用して焦点距離を変化させ、3次元走査に利用している。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the wavelength of irradiation light and the focal length of the
図3は図1のCARS3次元画像装置における照射光の波長変化による対物レンズ10の焦点面の変化を示す説明図である。照射光の波長をλ1からλ2に変化させることにより、対物レンズ10の焦点面(計測スライス面)の位置は、焦点面11aから焦点面11bへと変化される。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a change in the focal plane of the
なお、通常の分光的な計測では、照射光波長を変化させると計測スペクトル特性が変化するため、画像化は不可能となる。しかし、CARS計測では、第1及び第2の光のエネルギー差が一定であれば、対象となる計測順位エネルギー、つまり計測分子は変わらないため、第1及び第2の光のエネルギーを同量変化させることにより、計測対象物質は変化しない。また、照射光のエネルギー変化により、試料中11での分光吸収変化が生じ、データが変化するが、第2の検出器15で後方散乱光強度を計測し、第1の検出器13で検出されたCARS光強度を補正することにより、データの変化を補正することができる。
In normal spectroscopic measurement, if the irradiation light wavelength is changed, the measurement spectral characteristics change, so that imaging becomes impossible. However, in CARS measurement, if the energy difference between the first and second lights is constant, the target measurement order energy, that is, the measurement molecule does not change, so the energy of the first and second lights changes by the same amount. By doing so, the measurement target substance does not change. Moreover, the spectral absorption change in the
3次元走査の手順は、まず波長変換制御部19によるシフトエネルギーを最小として固定し、その上でxy走査部18による2次元走査を行い、1番目の計測スライス面のCARS信号分布を計測する。このとき、第2の検出器15の信号も同時に取り込み、第1の検出器13による検出光強度を補正する。次に、波長変換制御部19によるシフトエネルギーを適当な量だけ増加して固定し、同様に2次元走査を行い、2番目の計測スライス面のCARS信号分布を計測する。このような動作を逐次繰り返すことにより、3次元画像化が可能となる。
In the three-dimensional scanning procedure, first, the shift energy by the wavelength
ここで、各計測スライス面間の距離は、対物レンズ10の焦点距離と波長との関係から規定される。逆に、各計測スライス面間の距離から、エネルギーシフトのステップ値を決定することができる。図2は焦点距離の波長依存性の一例を示すもので、焦点距離が5mmの場合800nm付近で10nmの波長変化を与えれば、約2μmの焦点移動が可能であることを示している。
Here, the distance between each measurement slice plane is defined from the relationship between the focal length of the
以上のように、この実施の形態のCARS3次元画像装置では、第1及び第2の光のエネルギーを同一周量ずつ変化させることにより、照射光軸方向の走査を行うので、照射光軸方向の機械的な走査が不要となり、装置構成の複雑化を抑えつつ、照射光軸方向の走査を高速化することができる。
また、共通の光源部1からの光の波長を、第1の波長変換部3で変化させた後、第1のハーフミラー4で第1及び第2の光に分け、さらに第2の光の波長を第2の波長変換部9で変化させるので、第1の波長変換部3でのシフトエネルギーを波長変換制御部19により制御することにより、第1及び第2の光の波長を容易に同一周量変更することができる。
As described above, in the CARS three-dimensional image apparatus according to this embodiment, scanning in the irradiation optical axis direction is performed by changing the energy of the first and second lights by the same amount of circumference, so Mechanical scanning is unnecessary, and the scanning in the irradiation optical axis direction can be speeded up while suppressing the complexity of the apparatus configuration.
Moreover, after changing the wavelength of the light from the common
さらに、照射光軸方向の走査を機械的走査で行わないことにより、CARS3次元画像装置の内視鏡への適用が容易になる。即ち、CARS3次元内視鏡は、被検体の体腔内に挿入される挿入部と、挿入部の先端部に設けられたヘッド部と、挿入部の基端部に接続され挿入部を操作する操作部とを有している。そして、ヘッド部には、照射光の出射部及びCARS光の受光部である対物レンズ10及びxy走査部18が設けられている。また、挿入部には、照射光及びCARS光を導く光ファイバが内蔵されている。このような内視鏡では、照射光軸方向の機械的走査を行わずに済むので、ヘッド部を小型化することができる。また、照射光軸方向へのヘッド部の変位については、変位を無視できるように変位速度に対して十分に高速で走査を行うか、又は被計測部とヘッド部との距離を保つための間隔保持具をヘッド部に搭載すればよい。
Furthermore, since the scanning in the irradiation optical axis direction is not performed by the mechanical scanning, the application of the CARS three-dimensional image device to the endoscope becomes easy. That is, the CARS three-dimensional endoscope is an operation for operating the insertion portion connected to the insertion portion inserted into the body cavity of the subject, the head portion provided at the distal end portion of the insertion portion, and the proximal end portion of the insertion portion. Part. The head unit is provided with an
なお、上記の例では、照射光軸に垂直な面内の2次元走査を機械的な光軸移動で実施したが、例えば共焦点型顕微鏡で利用されているマルチマイクロレンズを用いれば、機械走査せずに多点の焦点計測が可能となる。従って、エネルギー変化による軸方向走査とマイクロレンズアレイ法とを共用すれば、機械的操作の不要な非常に小型なCARS顕微鏡が実現できる。 In the above example, two-dimensional scanning in a plane perpendicular to the irradiation optical axis is performed by mechanical optical axis movement. However, for example, if a multi-micro lens used in a confocal microscope is used, mechanical scanning is performed. Multipoint focus measurement is possible without this. Therefore, if the axial scanning by energy change and the microlens array method are shared, a very small CARS microscope that does not require mechanical operation can be realized.
1 光源部、3 第1の波長変換部、4 第1のハーフミラー(分光手段)、9 第2の波長変換部、19 波長変換制御部。
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