JP3999437B2 - 光断層画像化装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低コヒーレンス光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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低コヒーレンス光を用いた光断層画像化装置、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。
【０００３】
この光断層画像化装置は、ＳＬＤ(Super Luminescent 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。
【０００４】
このような光断層画像化装置においては、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。
【０００５】
一般に、光源の波長分布がガウス型分布であれば、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。
【０００６】
ΔＬ＝（２／π）・ln２・（λｃ／Δλ） （１）
例えば光源として、中心波長８００nm、スペクトル幅２０ｎｍのＳＬＤを用いた場合、コヒーレンス長は、約１４μｍ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。
【０００７】
近年、臨床分野において、生体組織等の断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。
【０００８】
このため、例えば「Optics Letters Vol.21,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。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記KLM 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。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の光断層画像化装置は、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。
【００１２】
ここで、上記「発光体」とは、外部からの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。
【００１３】
「干渉光強度を測定する」とは、上記信号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。
【００１４】
被測定部は、生物組織の一部であり、低コ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。
【００１５】
また、励起エネルギーとしては、５００nm以上１７００nm以下の波長帯域内の励起光が望ましい。
【００１６】
上記発光体としては、蛍光を発する色素が好適である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明の光断層画像化装置は、信号光お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。
【００２０】
また、被測定部が生物組織の一部であり、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。
【００２１】
また、励起エネルギーが、５００nm以上１７００nm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。
【００２２】
上記発光体としては、蛍光を発する色素を用いれば、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。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的な実施の形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。
【００２６】
この光断層画像化装置は、中心波長８００nm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。
【００２７】
光源部100 は、励起光が入射されると低コ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、７００nm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。
【００２８】
ファイバ光源101 は、中心にコア107 を有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２００nmの低コヒーレンス光が出射される。
【００２９】
ファイバ結合光学系200 は、ファイバ光源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500 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206 とを備えている。なお、ファイバ204 、205 および206 はシングルモード光ファイバである。
【００３０】
光路遅延部300 は、ファイバ205 から射出された参照光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。
【００３１】
光走査部400 は、信号光Ｌｓを図１におけ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。
【００３２】
バランス差分検出器500 は、干渉光Ｌｃの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。
【００３３】
次に本実施の形態の光断層画像化装置の動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。
【００３４】
励起光は、コア107 内を伝搬しながら、ド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107 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。
【００３５】
本実施の形態に用いられるファイバ光源101 からは、中心波長が約８００nm、スペクトル幅が約２００nm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。
【００３６】
ファイバ204 を透過した低コヒーレンス光は、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206 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。
【００３７】
参照光Ｌr は光路上に設けられたピエゾ素子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。
【００３８】
信号光Ｌs は光走査部400 のレンズ401 および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。
【００３９】
一方、ピエゾ素子203 で変調された後の参照光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205 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。
【００４０】
ファイバカプラ201 で合波された信号光Ｌｓ’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。
【００４１】
参照光Ｌr および信号光Ｌｓ’は、可干渉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。
【００４２】
干渉光Ｌｃは、ファイバカプラ201 で分割され、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206 を透過して光検出器502 に入力される。
【００４３】
光検出器501 および502 では、干渉光Ｌｃ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。
【００４４】
なおこのときに、プリズム302 をその光軸方向（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。
【００４５】
上記の動作により、被測定部10の所定点に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。
【００４６】
信号処理部600 では、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、画像信号に変換し、断層画像として画像表示部700 に表示する。
【００４７】
また、光源部100 から出射される低コヒー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。
【００４８】
このため、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、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。
【００４９】
また、低コヒーレンス光の波長帯域が略７００nm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。
【００５０】
また、励起エネルギーが、半導体レーザ102 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。
【００５１】
なお、ファイバ光源101 を交換可能であるため、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。
【００５２】
なお、上記本発明の実施の形態では、励気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ＹＡＧ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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光断層画像化装置の概略構成図
【符号の説明】
10 被測定部
100 光源部
101 ファイバ光源
102 半導体レーザ
104 励気光カットフィルタ
200 ファイバ結合光学系
201,202 ファイバカプラ
203 ピエゾ素子
204,205,206 ファイバ
300 光路遅延部
302 プリズム
400 光走査部
500 バランス差分検出部
501,502 光検出器
503 差動増幅器
600 信号処理部
700 画像表示部

Claims (3)

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、蛍光を発する色素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。
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１７００nm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。
3. 前記励起エネルギーが、５００nm以上１７００nm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。

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