JP4986296B2 - 光断層画像化システム - Google Patents

Description

本発明は、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）計測により光断層画像を生成する断層画像処理方法、装置およびプログラムならびにこれを用いた断層画像化システムに関するものである。

従来、生体組織の光断層画像を取得する際に、ＯＣＴ計測を利用した光断層画像取得装置が用いられることがある。眼底や前眼部、皮膚をはじめ、ファイバプローブを用いる動脈血管壁の観察、内視鏡の鉗子チャンネルからファイバプローブを挿入する消化器管の観察など、様々な部位に応用されている。この光断層画像取得装置では、光源から射出された低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光、もしくは後方散乱光と参照光とを合波し、反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得する。

上記のＯＣＴ計測には、大きくわけてＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測とＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測の２種類がある。特許文献１に示すＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測は、参照光の光路長を変更しながら干渉光強度を測定することにより、測定対象の深さ方向の位置（以下、深さ位置という）に対応した反射光強度分布を取得する方法である。

一方、ＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測は、参照光と信号光の光路長は変えることなく、光のスペクトル成分毎に干渉光強度を測定し、ここで得られたスペクトル干渉強度信号を計算機にてフーリエ変換に代表される周波数解析を行うことで、深さ位置に対応した反射光強度分布を取得する方法である。ＴＤ―ＯＣＴに存在する機械的な走査が不要となることで、高速な測定が可能となる手法として、近年注目されている。

ＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測を行う装置構成で代表的な物としては、ＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）装置とＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）の２種類が挙げられる。このうち、ＳＳ−ＯＣＴ装置は、光源ユニットから波長を時間的に掃引させたレーザ光を射出させ、反射光と参照光とを各波長において干渉させ、光周波数の時間変化に対応した信号の時間波形を測定し、これにより得られたスペクトル干渉強度信号を計算機でフーリエ変換することにより光断層画像を構成するようにしたものである（特許文献２参照）。

上述したＳＳ−ＯＣＴ計測において、Ｓ／Ｎ比を向上させるために、特許文献１に示すように、光ファイバカプラ等を使用して干渉光を光量が略均等になるように２つに分岐し、分岐したそれぞれの干渉光をディテクタにより検出し、検出した信号の差分を干渉信号として検出することが開示されている（バランス検波）。これにより、干渉信号は２倍に増幅され、それ以外の同相光雑音はキャンセルされることになり、非干渉成分を除去してＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。
特開２００１−２６４２４６号公報 特開２００６−１３２９９６号公報

上述した特許文献１のＴＤ−ＯＣＴ計測において干渉光をいわゆるバランス検波することによりＳ／Ｎ比を向上させているが、このバランス検波は特許文献２に示すＳＳ−ＯＣＴ計測にも適用することができる。このバランス検波によりＳ／Ｎ比を向上させるためには、干渉光を２つに分岐させるときに、略均等の光量になるように分岐させることが必要であるとともに、分岐したときの２つの干渉光の光路長が同一であることが必要である。

しかし、２つの干渉光の光路長（位相差）が異なってしまう場合があり、その結果Ｓ／Ｎ比が低下してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、バランス検波を行うときのＳ／Ｎ比の向上を図ることができる光断層画像化システムを提供することを目的とするものである。

本発明の光断層画像化システムは、一定の周期で波長を掃引しながら光を射出する光源ユニットと、光源ユニットから射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、光分割手段により分割された測定光が測定対象において反射したときの反射光と参照光とを合波する合波手段と、合波手段により合波された反射光と参照光との干渉光を第１干渉光と第２干渉光とに分岐する光分岐手段と、光分岐手段により分岐された第１干渉光と第２干渉光との光路長が同一になるように、第１干渉光および／または第２干渉光の光路長を調整する干渉光路長調整手段と、干渉光路長調整手段により光路長が調整された第１干渉光と第２干渉光との差分を干渉信号として検出する干渉光検出手段と、干渉光検出手段により検出された干渉信号から断層画像を生成する断層画像処理手段とを備えたことを特徴とするものである。

ここで、干渉光路長調整手段は、第１干渉光と第２干渉光との光路長が同一になるように光路長を調整するものであれば、第１干渉光側の光路長を調整しても良いし第２干渉光側の光路長を調整しても良いし双方の光路長を調整しても良い。
なお、干渉光路長調整手段は、第１干渉光および／または第２干渉光の光路長を調整するものであればその構成を問わず、たとえば光分岐手段から出力された第１干渉光および／または第２干渉光を平行光にするコリメータレンズと、コリメータレンズにより平行光にされた第１干渉光および／または第２干渉光を干渉光検出手段に入射するための光ファイバに集光する集光手段と、集光手段とコリメータレンズとの間の第１干渉光および／または第２干渉光が平行光となる距離を調整する距離調整手段とを有するものであってもよい。

また、光断層画像化システムは、光分岐手段により分岐された第１干渉光および第２干渉光をそれぞれ波長帯域毎に異なる減衰率であって、第１干渉光と第２干渉光との光量が略均等になるように調整する光量調整手段をさらに備えたものであってもよい。ここで、光量調整手段は、第１干渉光および第２干渉光をそれぞれ波長帯域毎に異なる減衰率で減衰するものであれば、どのような構成であっても良い。たとえば、光量調整手段は、光分岐手段により分岐された第１干渉光および／または第２干渉光が入射される、円周方向に沿って光の減衰率が異なる円盤状の減光フィルタと、減光フィルタを回転させる回転駆動手段とを備えたものであってもよいし、絞りからなるものであってもよい。

また、光断層画像化システムは、いわゆるＦＤ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得するものであってもよいし、ＴＤ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得するものであってもよい。

本発明の光断層画像化システムによれば、一定の周期で波長を掃引しながら光を射出する光源ユニットと、光源ユニットから射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、光分割手段により分割された測定光が測定対象において反射したときの反射光と参照光とを合波する合波手段と、合波手段により合波された反射光と参照光との干渉光を第１干渉光と第２干渉光とに分岐する光分岐手段と、光分岐手段により分岐された第１干渉光と第２干渉光との光路長が同一になるように、第１干渉光および／または第２干渉光の光路長を調整する干渉光路長調整手段と、干渉光路長調整手段により光路長が調整された第１干渉光と第２干渉光との差分を干渉信号として検出する干渉光検出手段と、干渉光検出手段により検出された干渉信号から断層画像を生成する断層画像処理手段とを備えたことにより、光分岐手段から干渉光検出手段へ第１干渉光および第２干渉光を導波させたときに、第１干渉光と第２干渉光との光路長が異なってしまった場合であっても、干渉光路長調整手段により第１干渉光と第２干渉光との光路長が同一になるように調整を行うことができるため、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。

なお、光分岐手段により分岐された第１干渉光および第２干渉光をそれぞれ波長帯域毎に異なる減衰率であって、第１干渉光と第２干渉光との光量が略均等になるように調整する光量調整手段をさらに備えたものであるとき、光分岐手段の波長依存特性により光分岐手段が干渉光の全波長帯域において均等に分岐できないときであっても、光量調整手段により第１干渉光と第２干渉光との光量が各波長帯域において略均等になるように調整することができるため、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の光断層画像化システムの実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の光断層画像化システムの好ましい実施の形態を示す概略図である。光断層画像化システム１は、体腔内に光プローブ１０を挿入することにより、体腔内の生体組織や細胞等の測定対象Ｓの断層画像をＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）計測により取得するものである。この光断層画像化システム１は、光プローブ１０、干渉計２０、光源ユニット３０、周期クロック生成手段８０、Ａ／Ｄ変換ユニット９０、断層画像処理手段１００、表示装置１１０等を有している。

図２は図１の光プローブ１０の先端部分の一例を示す模式図である。図２の光プローブ１０は、たとえば鉗子口を介して体腔内に挿入されるものであって、プローブ外筒（シース）１１、光ファイバ１２、光学レンズ１５等を有している。プローブ外筒１１は、可撓性を有する筒状の部材からなっており、測定光Ｌ１および反射光Ｌ３が透過する材料からなっている。なお、プローブ外筒１１は先端がキャップ１１ａにより閉塞された構造を有している。

光ファイバ１２は、干渉計２０から射出された測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波するとともに、測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたときの測定対象Ｓからの反射光（後方散乱光）Ｌ３を干渉計２０まで導波するものであって、プローブ外筒１１内に収容されている。また光ファイバ１２の外周側にはバネ１３が固定されており、光ファイバ１２およびバネ１３は回転駆動ユニット１０Ａに機械的に接続されている。そして、光ファイバ１２およびバネ１３は回転駆動ユニット１０Ａによりプローブ外筒１１に対し矢印Ｒ１方向に回転するようになっている。なお、回転駆動ユニット１０Ａは回転エンコーダを具備しており（図示せず）、回転制御手段１０Ｂは回転エンコーダからの信号に基づいて測定光Ｌ１の照射位置を認識するようになっている。

光学レンズ１５は、光ファイバ１２から射出した測定光Ｌ１を測定対象Ｓに対し集光するために略球状の形状を有しており、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３を集光し光ファイバ１２に入射する。ここで、光学レンズ１５の焦点距離は、たとえば光ファイバ１２の光軸ＬＰからプローブ外筒の径方向に向かって距離Ｄ＝３ｍｍの位置に形成されている。光学レンズ１５は光ファイバ１２の光出射端部に固定部材１４を用いて固定されており、光ファイバ１２が矢印Ｒ１方向に回転したとき、光学レンズ１５も一体的に矢印Ｒ１方向に回転する。よって、光プローブ１０は、測定対象Ｓに対し光学レンズ１５から射出される測定光Ｌ１を矢印Ｒ１方向（プローブ外筒１１の円周方向）に対し走査しながら照射することになる。

図１の光ファイバ１２および光学レンズ１５を回転させる回転駆動ユニット１０Ａの動作は回転制御手段１０Ｂにより制御されており、回転制御手段１０Ｂはたとえば約２０Ｈｚでプローブ外筒１１に対し矢印Ｒ１方向に回転するように制御する。そして、回転制御手段１０Ｂは回転駆動ユニット１０Ａの回転エンコーダからの信号に基づき光ファイバ１２が１回転したと判断したとき、回転クロック信号Ｒ_CLKを断層画像処理手段１００に出力するようになっている。

図３は光源ユニット３０の一例を示す模式図である。光源ユニット３０は、波長を一定の周期Ｔ_０で掃引させながらレーザ光Ｌを射出するものである。具体的には、光源ユニット３０は、半導体光増幅器（半導体利得媒質）３１１と光ファイバＦＢ３０とを有しており、光ファイバＦＢ３０が半導体光増幅器３１１の両端に接続された構造を有している。半導体光増幅器３１１は駆動電流の注入により微弱な放出光を光ファイバＦＢ３０の一端側に射出するとともに、光ファイバＦＢ３０の他端側から入射された光を増幅する機能を有している。

さらに、光ファイバＦＢ３０には光分岐器３１２が結合されており、光ファイバＦＢ３０内を導波する光の一部が光分岐器３１２から光ファイバＦＢ３１側へ射出されるようになっている。光ファイバＦＢ３１から射出した光はコリメータレンズ３１３、回折格子素子３１４、光学系３１５を介して回転多面鏡（ポリゴンミラー）３１６において反射される。そして反射された光は光学系３１５、回折格子素子３１４、コリメータレンズ３１３を介して再び光ファイバＦＢ３１に入射される。

ここで、この回転多面鏡３１６は矢印Ｒ３０方向に回転するものであって、各反射面の角度が光学系３１５の光軸に対して変化するようになっている。これにより、回折格子素子３１４において分光された光のうち、特定の波長帯域の光だけが再び光ファイバＦＢ３１に戻るようになる。この光ファイバＦＢ３１に戻る光の波長は光学系３１５の光軸と反射面との角度によって決まる。そして光ファイバＦＢ３１に入射した特定の波長の光が光分岐器３１２から光ファイバＦＢ３０に入射され、特定の波長のレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１ａ側に射出されるようになっている。

したがって、回転多面鏡３１６が矢印Ｒ３０方向に等速で回転したとき、再び光ファイバＦＢ１ａに入射される光の波長λは、時間の経過に伴って一定の周期で変化することになる。具体的には、図４に示すように、光源ユニット３０は最小掃引波長λminから最大掃引波長λmaxまで波長を一定の周期Ｔ_０（たとえば約５０μｓｅｃ）で掃引した光Ｌを射出する。そして、光源ユニット３０から射出された光Ｌは、光ファイバカプラ等からなる光分岐手段２により、光ファイバＦＢ１ｂ、ＦＢ１ｃにそれぞれ分岐され、干渉計２０および周期クロック生成手段８０にそれぞれ入射される。

なお、光源ユニット３０としてポリゴンミラーを回転させることにより波長を掃引させる場合について例示しているが、たとえばＡＳＥ光源ユニット等のような公知の技術により一定の周期で波長を掃引させながら射出するようにしても良い。

周期クロック生成手段８０は、光源ユニット３０において波長が１周期分掃引されたときに周期クロック信号Ｔ_CLKを出力するものであって、たとえば光源ユニット３０から射出された光の波長が設定波長になったことを検出して周期クロック信号Ｔ_CLKを出力する。なお、周期クロック信号Ｔ_CLKの出力タイミングは掃引される波長帯域内であれば波長の掃引終了後もしくは開始直後の波長に設定して周期クロック信号Ｔ_CLKを出力するようにしてもよいし、掃引波長域の中間の波長に設定して周期クロック信号Ｔ_CLKを出力するようにしてもよい。また、図３において、周期クロック生成手段８０は、光源ユニット３０から射出された光Ｌを検出することにより周期クロック信号Ｔ_CLKを生成する場合について例示しているが、光源ユニット３０が回転ミラーの角度を検出することにより周期クロック信号Ｔ_CLKを出力するようにしてもよい。

図５は図１の光断層画像化システム１における干渉計２０の一例を示す模式図である。干渉計２０はマッハツェンダー型の干渉計であって、筐体２０Ａに各種光学部品を収容することにより構成されている。干渉計２０は、光源ユニット３０から射出された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段３により分割された測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたときの測定対象Ｓからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段７０とを備えている。なお、干渉計２０と光源ユニット３０とはＡＰＣ（Angled physical contact）コネクタを用いて接続されている。ＡＰＣコネクタを用いることにより光コネクタ（光ファイバ）の接続端面からの反射戻り光を極限にまで低減し、断層画像Ｐの画質劣化を防止することができる。

光分割手段３は、たとえば２×２の光ファイバカプラからなっており、光源ユニット３０から光ファイバＦＢ１ｃを導波した光Ｌをそれぞれ測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。このとき、光分割手段３は、たとえば測定光Ｌ１：参照光Ｌ２＝９９：１の割合で分割する。光分割手段３は、２つの光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、分割された測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２側に入射され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３側に入射されるようになっている。
光ファイバＦＢ２には光サーキュレータ２１が接続されており、光サーキュレータ２１には光ファイバＦＢ４、ＦＢ５がそれぞれ接続されている。光ファイバＦＢ４には測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波する光プローブ１０が接続されており、光分割手段３から射出した測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２から光プローブ１０へ導波され、測定対象Ｓに照射される。また、測定対象Ｓを反射した反射光Ｌ３は光ファイバＦＢ４を介して光サーキュレータ２１に入射され、光サーキュレータ２１から光ファイバＦＢ５側に射出されるようになっている。なお、光ファイバＦＢ４と光プローブ１０とはＡＰＣ（Angled physical contact）コネクタを用いて接続されており、光コネクタ（光ファイバ）の接続端面からの反射戻り光を極限にまで低減し、断層画像Ｐの画質劣化を防止するようになっている。

一方、光ファイバＦＢ３には光サーキュレータ２２が接続されており、光サーキュレータ２２には光ファイバＦＢ６、ＦＢ７がそれぞれ接続されている。光ファイバＦＢ６には、断層画像の取得領域を調整するために参照光Ｌ２の光路長を変更する光路長調整手段４０が接続されている。光路長調整手段４０は、光路長を粗調整する光路長粗調整用光ファイバ４０Ａと、光路長を微調整する光路長微調整手段４０Ｂとを有している。

光路長粗調整用光ファイバ４０Ａは、一端側が光ファイバＦＢ６に対し着脱可能に接続されており、他端側が光路長微調整手段４０Ｂに着脱可能に接続されている。光路長粗調整用光ファイバ４０Ａは予め異なる長さのものが複数用意されており、必要に応じて適切な長さの光路長粗調整用光ファイバ４０Ａが適宜取り付けられる。なお、この光路長粗調整用光ファイバ４０Ａは、光ファイバＦＢ６および光路長微調整手段４０ＢとＡＰＣ（Angled physical contact）コネクタを用いて接続されており、光コネクタ（光ファイバ）の接続端面からの反射戻り光を極限にまで低減し、断層画像Ｐの画質劣化を防止するようになっている。

光路長微調整手段４０Ｂは、反射ミラー４３、光ターミネータ４４等を有している。反射ミラー４３は、光路長粗調整用光ファイバ４０Ａから射出された参照光Ｌ２を光ターミネータ４４側に反射するとともに、光ターミネータ４４から反射した参照光Ｌ２を再び光路長粗調整用光ファイバ４０Ａ側に反射するものである。反射ミラー４３はこの反射ミラー４３は可動ステージ（図示せず）上に固定されており、ミラー移動手段により参照光Ｌ２の光軸方向（矢印Ａ方向）に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変更する。この可動ステージは医師等により、光路長調整操作部４６が操作されることにより反射ミラー４３を矢印Ａ方向に移動させるようになっている。

さらに、光ファイバＦＢ７には偏波コントローラ５０が光学的に接続されている。この偏波コントローラ５０は参照光Ｌ２の偏波方向を回転させる機能を有している。なお偏波コントローラ５０としてたとえば特開２００１−２６４２４６号公報等の公知の技術を用いることができる。偏波コントローラ５０は、医師等により偏波調整操作部５１が操作されることにより偏波方向を調整するようになっており、たとえば反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とが合波手段４において合波されるときのそれぞれの偏波方向が一致するように偏波調整操作部５１を操作することにより、断層画像が鮮明になるように調整することができる。

合波手段４は、２×２の光ファイバカプラからなり、光ファイバＦＢ５を導波した反射光Ｌ３と光ファイバＦＢ７を導波した参照光Ｌ２とを合波するものである。具体的には合波手段４は、光ファイバＦＢ５を導波した反射光Ｌ３を２つの光ファイバＦＢ８、ＦＢ９に分岐するとともに、光ファイバＦＢ７を導波した参照光Ｌ２を２つの光ファイバＦＢ８、ＦＢ９に分岐する。したがって、各光ファイバＦＢ８、ＦＢ９においてそれぞれ反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とが合波され、光ファイバＦＢ８内を第１干渉光Ｌ４ａが導波し、光ファイバＦＢ９内を第２干渉光Ｌ４ｂが導波することになる。つまり、合波手段４は、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を２つに干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂに分岐する光分岐手段５としても機能している。

干渉光検出手段７０は、第１干渉光Ｌ４ａを検出する第１光検出部７１と、第２干渉光Ｌ４ｂを検出する第２光検出部７２と、第１光検出部７１により検出された第１干渉光Ｌ４ａと第２光検出部７２により検出された第２干渉光Ｌ４ｂとの差分を干渉信号ＩＳとして出力する差分アンプ７３とを有している。各光検出部７１、７２は、たとえばフォトダイオード等からなっており、干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂを介して入射される各干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂを光電変換し差分アンプ７３に入力するものである。差分アンプ７３は各干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂの差分を増幅し干渉信号ＩＳとして出力するものである。このように、各干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂを差分アンプ７３によりバランス検波することにより、干渉信号ＩＳを増幅して出力しながら干渉信号ＩＳ以外の同相光雑音が除去することができ、断層画像Ｐの画質の向上を図ることができる。

光分岐手段５（合波手段４）と干渉光検出手段７０との間には干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂが設けられている。干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂは、第１干渉光Ｌ４ａおよび第２干渉光Ｌ４ｂのそれぞれの光路長を調整するものである。図６は干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂの一例を示す模式図である。なお、干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂは同一の構成を有するものであり、図６においては干渉光路長調整手段６０Ａについて説明する。

干渉光路長調整手段６０Ａは、コリメータレンズ６１、集光レンズ６２、距離調整手段６３を備えている。コリメータレンズ６１は、光分岐手段５から光ファイバＦＢ８を介して射出された第１干渉光Ｌ４ａを平行光にするものであり、集光レンズ６２はコリメータレンズ６１により平行光になった第１干渉光Ｌ４ａを干渉光検出手段７０に入射するための光ファイバＦＢ１０内に入射するものである。距離調整手段６３は、集光レンズ６２および光ファイバＦＢ１０を一体的に光軸方向に移動させ、平行光である距離を可変にすることにより第１干渉光Ｌ４ａの光路長を調整する。このとき、光路長の調整は、干渉光検出手段７０からの信号出力値に基づいて同相ノイズ除去値（ＣＭＲＲ：Common-Mode Rejection Ratio）が最大となるように手動もしくは自動で行われる。

これにより、干渉光検出手段７０においてバランス検波するとき、非干渉成分の同相ノイズが最大に除去され、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。つまり、干渉光検出手段７０のバランス検波によりＳ／Ｎ比を向上させるためには、第１干渉光Ｌ４ａと第２干渉光Ｌ４ｂとの光路長が同一であることが必要となる。ここで、第１干渉光Ｌ４ａおよび第２干渉光Ｌ４ｂは、光分岐手段５から光ファイバＦＢ８、ＦＢ１０を用いて干渉光検出手段７０に導波される。したがって、光ファイバＦＢ８、ＦＢ１０の長さが製造誤差等により異なっている場合、ホワイトノイズ成分が増加してＳ／Ｎ比が低下してしまう結果になり、バランス検波の目的を十分に達成することができない。そこで、上述した干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂを設けることにより、各干渉信号Ｌ４ａ、Ｌ４ｂの光路長を同一にしてバランス検波によるＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

さらに、コリメータレンズ６１と集光レンズ６２との間には光量調整手段６４Ａが配置されている。なお、第２干渉光Ｌ４ｂ側には光量調整手段６４Ｂが設けられることになる。光量調整手段６４Ａは、たとえば光量の減衰量を時間により調整可能な絞りからなっており、第１干渉光Ｌ４ａの光量を各波長帯域毎に異なる減衰率で減衰し、干渉光検出手段７０側に射出するものである。この光量調整手段６４Ａは、干渉光路長調整手段６０による光学特性のばらつきにより第１干渉光Ｌ４ａと第２干渉光Ｌ４ｂとの光量バランスを調整するものである。さらに、光量調整手段６４Ａは、時間変化とともに異なる波長の干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂが入射されたとき、干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂを波長変化に合わせて減衰率を変えて干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂをそれぞれ減衰するものである。

これにより、各光検出部７１、７２において検出される各干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂの光強度検出信号レベルが全波長帯域において略均等になり、干渉光検出手段７０においてバランス検波するときのＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。すなわち、第１干渉光Ｌ４ａおよび第２干渉光Ｌ４ｂは、光ファイバカプラあるいはビームスプリッタ等の光分岐手段５を用いて分岐されるものである。この光ファイバカプラ等は図７に示すように波長依存特性を有しており、干渉光Ｌ４の全波長域（レーザ光Ｌの掃引波長帯域）にわたり、５０：５０の分岐比になるものではない。つまり、干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂの波長帯域によってはそれぞれ異なる分岐比で分岐される場合がある。

一方、干渉光検出手段７０のバランス検波によりＳ／Ｎ比を向上させるためには、第１干渉光Ｌ４ａと第２干渉光Ｌ４ｂとの光量が略均一であることが必要となる。逆に、第１干渉光Ｌ４ａと第２干渉光Ｌ４ｂとの光量が異なっているときホワイトノイズ成分が増加してＳ／Ｎ比が低下してしまう結果になり、バランス検波の目的を十分に達成することができない。そこで、光分岐手段５と干渉光検出手段７０との間に干渉光Ｌ４の波長により減衰率が図８に示すように変化する光量調整手段６４を挿入する。

ここで、光分岐手段５により分岐されたときの第１干渉光Ｌ４ａの各波長帯域毎の光量をＰａ（λ）、第２干渉光のＬ４ｂの各波長帯域毎の光量をＰｂ（λ）とし、光量調整手段６４の第１干渉光Ｌ４ａの各波長帯域毎の透過率をＴａ（λ）、第２干渉光Ｌ４ｂの各波長帯域毎の透過率をＴｂ（λ）としたとき、
Ｐａ（λ）・Ｔａ（λ）＝Ｐｂ（λ）・Ｔｂ（λ）
となるように、各光量調整手段６４Ａ、６４Ｂの減衰率（透過率）が設定される。

これにより、分岐された各干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂの光量が全波長帯域において略均等になり、干渉光検出手段７０におけるバランス検波によりホワイトノイズ成分を除去してＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

なお、干渉光検出手段７０から出力された干渉信号ＩＳは、増幅器７４により増幅された後、信号帯域フィルタ７５を介してＡ／Ｄ変換ユニット９０に出力される。この信号帯域フィルタ７５を設けることにより、干渉信号ＩＳからノイズを除去し、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができる。

図９は図１に示すＡ／Ｄ変換ユニット９０の一例を示すブロック図である。Ａ／Ｄ変換ユニット９０は、干渉光検出手段７０により検出された干渉信号ＩＳをデジタル信号に変換し出力するものであって、Ａ／Ｄ変換器９１、サンプリングクロック発生回路９２、制御コントローラ９３、干渉信号記憶手段９４を有している。Ａ／Ｄ変換器９１は、干渉計２０からアナログ信号として出力される干渉信号ＩＳをデジタル信号にするものである。Ａ／Ｄ変換器９１は、サンプリングクロック発生回路９２から出力されるサンプリングクロックに基づいて干渉信号ＩＳのＡ／Ｄ変換を行うものである。干渉信号記憶手段９４はたとえばＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等からなり、デジタル信号化された干渉信号ＩＳを記憶するものである。このＡ／Ｄ変換器９１、サンプリングクロック発生回路９２、干渉信号記憶手段９４の動作は制御コントローラ９３により制御されている。

ここで、干渉信号記憶手段９４により記憶された干渉信号ＩＳは、周期クロック信号Ｔ_CLKが出力されたときに、この周期クロック信号Ｔ_CLKが出力されたタイミングを基準として１周期分だけ干渉信号取得手段１０１により取得されるようになっている。具体的には、たとえば干渉信号取得手段１０１は、周期クロック信号Ｔ_CLKの出力タイミングに合わせて干渉信号ＩＳを取得する。

図１０は断層画像処理手段１００の一例を示すブロック図である。なお、図３のような断層画像処理手段１００の構成は、補助記憶装置に読み込まれた断層画像処理プログラムをコンピュータ（たとえばパーソナルコンピュータ等）上で実行することにより実現される。この断層画像処理手段１００は、干渉信号取得手段１０１、干渉信号変換手段１０２、干渉信号解析手段１０３、断層画像生成手段１０５等を有している。

干渉信号取得手段１０１は、周期クロック生成手段８０から出力される周期クロック信号Ｔ_CLKに基づいて、干渉光検出手段７０により検出された１周期分の干渉信号ＩＳを干渉信号記憶手段９４から取得するものである。

干渉信号変換手段１０２は、図１１に示すようなＡ／Ｄ変換ユニット９０において時間経過とともに取得される干渉信号ＩＳを、図１２に示すような波数ｋ（＝２π／λ）軸において等間隔になるように再配列する機能を有している。具体的には、干渉信号変換手段１０２は、光源ユニット３０の時間−波長掃引特性データテーブルもしくは関数を予め有しており、この時間−波長掃引特性データテーブル等を用いて波数ｋ軸において等間隔になるように干渉信号ＩＳを再配列する。これにより、干渉信号ＩＳから断層情報を算出するときに、フーリエ変換処理、最大エントロピー法による処理等の周波数空間において等間隔であることを前提とするスペクトル解析法により精度の高い断層情報を得ることができる。なお、この信号変換手法の詳細はＵＳ５９５６３５５号明細書に開示されている。このように干渉信号変換手段１０２が予め有している時間−波長掃引特性データテーブル等を用いて変換処理を行うことにより、信号変換処理の効率化を図ることができる。

干渉信号解析手段１０３は、干渉信号変換手段１０２により信号変換された干渉信号ＩＳをたとえばフーリエ変換処理、最大エントロピー法（ＭＥＭ）、Ｙｕｌｅ−Ｗａｌｋｅｒ法等の公知のスペクトル解析技術を用いて解析し、断層情報ｒ（ｚ）を取得するものである。

断層画像生成手段１０５は、干渉信号解析手段１０３により取得された１周期分（１ライン分）の断層情報ｒ（ｚ）を光プローブ１０のラジアル方向（矢印Ｒ１方向）について取得し、図１３に示すような１枚の断層画像Ｐを生成するものである。ここで、断層画像生成手段１０５は、順次取得される１ライン分の断層情報ｒ（ｚ）を断層情報蓄積手段１０５ａに記憶しておき、図１の回転制御手段１０Ｂから回転クロック信号Ｒ_CLKが出力されたとき、図１３に示すような記憶していたｎライン分の断層情報ｒ（ｚ）を用いて断層画像Ｐを生成する。たとえば、光源ユニット３０から周期クロックＴ_CLKが２０ｋＨｚであって、光プローブ１０が２０Ｈｚで測定光Ｌ１を矢印Ｒ１方向に走査するものであるとき、断層画像生成手段１０５は、ｎ＝１０２４ライン分の断層情報ｒ（ｚ）を用いて１枚の断層画像Ｐを生成する。

なお、画質を上げるために、複数枚の断層画像を取得し取得して平均化する方法を用いても良い。すなわち、光プローブ１０が測定対象Ｓの同一部位に対し複数回測定光Ｌ１を走査しながら照射することにより、断層画像生成手段１０５は同一部位から複数の断層画像を取得する。そして、断層画像生成手段１０５は、この複数の断層画像を用いて光プローブ１０の長さ方向に対する位置ｘにおける各深さ位置ｚの断層情報ｒ（ｘ，ｚ）の平均値を算出する。これにより、各断層画像に含まれているノイズ成分が相殺され、画質の良い断層画像を取得することができる。

また、断層画像生成手段１０５は走査方向（矢印Ｒ１方向）に対して複数ライン分の断層情報ｒ（ｚ）を用いて断層画像を生成するとき、隣接する複数のラインの断層情報を平均化したものを用いて断層画像を生成するようにしても良い。たとえば断層画像生成手段１０５は、隣接する３ライン分の断層情報の平均値を断層画像の生成に用いる断層情報として用いる。これにより、各ラインの断層情報に含まれているノイズ成分が相殺され、画質の良い断層画像を生成することができる。

画質補正手段１０６は、断層画像生成手段１０５により生成された断層画像Ｐに対し、鮮鋭化処理、平滑化処理等を施すことにより画質を補正する。そして、画質補正が施された断層画像Ｐが図１の表示装置１１０に表示されることになる。

図１から図１３を参照して光断層画像化システムの動作例について説明する。まず、光源ユニット３０から所定の波長帯域内において一定の周期で掃引された光束が射出される。光Ｌは光分岐手段２において２分され、干渉計２０と周期クロック生成手段８０とにそれぞれ入射される。干渉計２０の光分割手段３において光Ｌは測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに光分割され、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２側に射出され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３側に射出される。

測定光Ｌ１は光サーキュレータ２１、光ファイバＦＢ４および光プローブ１０を導波し測定対象Ｓに照射される。そして、測定対象Ｓの各深さ位置ｚにおいて反射した反射光Ｌ３および後方散乱した光が再び光プローブ１０に入射される。この反射光Ｌ３は光プローブ１０、光ファイバＦＢ４、光サーキュレータ２１および光ファイバＦＢ５を介して合波手段４に入射される。

一方、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３、光サーキュレータ２２、光ファイバＦＢ６を介して光路長調整手段４０に入射される。そして、光路長調整手段４０により光路長が調整された参照光Ｌ２が再び光ファイバＦＢ６、光サーキュレータ２２、偏波コントローラ５０、光ファイバＦＢ７を導波し合波手段４に入射される。

合波手段４において、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とが合波されるとともに、合波されたときの干渉光Ｌ４が合波手段４（光分岐手段５）において分岐され、２つの干渉光Ｌ４ａ、４ｂが光ファイバＦＢ８、ＦＢ９にそれぞれ射出される。そして、各光ファイバＦＢ８、ＦＢ９を導波した各干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂが光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂにより光路長が同一になるように調整されるとともに光量調整手段６４Ａ、６４Ｂより光量調整され、干渉光検出手段７０においてバランス検波される。

このように、干渉光検出手段７０におけるバランス検波の前に、干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂにより第１干渉光Ｌ４ａおよび第２干渉光Ｌ４ｂの光路長を同一にするとともに、光量調整手段６４Ａ、６４Ｂにより各干渉光Ｌ４ａ、Ｌ４ｂの光量を調整することにより、干渉光検出手段７０でのバランス検波により非干渉成分を確実に除去してＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

干渉光検出手段７０によりバランス検波により検出された干渉光Ｌ４は干渉信号ＩＳとして出力され、増幅器７４および信号帯域フィルタ７５を経てＡ／Ｄ変換ユニット９０に出力される。その後、干渉信号ＩＳは、Ａ／Ｄ変換ユニット９０においてＡ／Ｄ変換され、光源ユニット３０の１周期分（１ライン分）のデータが干渉信号記憶手段９４に格納される。

一方、光源ユニット３０から光分岐手段２を介して周期クロック生成手段８０に入射され、波長が掃引される毎に周期クロック生成手段８０から干渉信号取得手段１０１に対し周期クロック信号Ｔ_CLKが出力され、干渉信号記憶手段９４に記憶された干渉信号ＩＳのうち、１周期分の干渉信号ＩＳが取得される。

断層画像処理手段１００において、干渉信号変換手段１０２により１ライン分の干渉信号ＩＳに波数ｋについて等間隔になるように信号変換処理が施される。その後、干渉信号解析手段１０３により、干渉信号ＩＳがスペクトル解析されることにより、干渉信号ＩＳからそれぞれ断層情報（反射率）が断層情報ｒ（ｚ）として取得される。断層画像生成手段１０５において、取得した断層情報ｒ（ｚ）が測定光Ｌ１の走査方向（矢印Ｒ１方向）についてｎライン分だけ蓄積される。そして、回転クロック信号Ｒ_CLKが検出したとき、蓄積した複数の断層情報ｒ（ｚ）を用いて１枚の断層画像Ｐが生成される。その後、画質補正手段１０６において、生成した断層画像Ｐについて画質補正が行われ、画質補正された断層画像Ｐが図１の表示装置１１０に表示される。

上記各実施の形態によれば、分岐した第１干渉光Ｌ４ａと第２干渉光Ｌ４ｂとの差分を用いて干渉信号ＩＳを生成するときに、第１干渉光と第２干渉光との光路長が同一になるように調整することにより、干渉光検出手段７０においてバランス検波されるときにＳ／Ｎ比の向上を図ることができる。

また、図６に示すように、光分岐手段５により分岐された第１干渉光Ｌ４ａおよび第２干渉光Ｌ４ｂをそれぞれ波長帯域毎に異なる減衰率であって、第１干渉光と第２干渉光との光量が略均等になるように調整する光量調整手段６４をさらに備えたものであるとき、干渉光路長調整手段６０Ａ、６０Ｂの光学特性のばらつきによる光量変化が生じたときや、光分岐手段５の波長依存特性により光分岐手段が干渉光の全波長帯域において均等に分岐できないときであっても、光量調整手段６４により第１干渉光Ｌ４ａと第２干渉光Ｌ４ｂとの光量が各波長帯域において略均等になるように調整することができるため、Ｓ／Ｎ比の向上をさらに図ることができる。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されない。図１の光断層画像化システム１はいわゆるＳＳ−ＯＣＴ計測により断層画像Ｐを取得する場合について例示しているが、ＳＤ−ＯＣＴ計測もしくはＴＤ−ＯＣＴ計測においてバランス検波する場合についても上記干渉光路長調整手段６０を適用することができる。

また、図６において、第１干渉光Ｌ４ａおよび第２干渉光Ｌ４ｂの双方に干渉光路長調整手段６０が設けられている場合について例示しているが、いずれか一方のみ設けられていても良い。このとき、一方の光路長を基準として他方の光路長を調整することようになる。

さらに、図６において、光量調整手段６４は絞りからなる場合について例示しているが、たとえば可変光アッテネータ等の公知の技術を用いて波長域毎に減衰率を可変可能な構成を適用することができる。

さらに、図６において、干渉光路長調整手段は、集光レンズ６２を移動させることにより光路長を変化させる場合について例示しているが、コヒーレントレンズ６１および光ファイバ側を移動させるようにしてもよい。さらには、平行光の距離を変化させることにより光路長を調整する場合について例示しているが、たとえばくさび形の光学部材を介在させた場合等の公知の光路長調整技術を適用することができる。

本発明の光断層画像化システムの好ましい実施の形態を示す概略構成図 図１の光断層画像化システムに使用される光プローブの一例を示す模式図 図１の光断層画像化システムにおける光源ユニットの一例を示す模式図 図３の光源ユニットから射出される光の波長が掃引される様子を示すグラフ 図１の光断層画像化システムにおける干渉計の一例を示す模式図 図５の干渉計における干渉光路長調整手段の一例を示す模式図 図５における光分岐手段の波長−分岐比特性の一例を示すグラフ 図６の光量調整手段の波長−減衰特性の一例を示すグラフ 図１の光断層画像化システムにおけるＡ／Ｄ変換ユニットの一例を示すブロック図 図１の断層画像処理手段の一例を示すブロック図 図１０の干渉信号変換手段に入力される干渉信号の一例を示すグラフ 図１０の干渉信号変換手段により再サンプリングされた干渉信号の一例を示すグラフ 図１０の断層画像生成手段により生成された断層画像の一例を示す模式図

符号の説明

１ 光断層画像化システム
３ 光分割手段
４ 合波手段
５ 光分岐手段
１０ 光プローブ
２０ 干渉計
３０ 光源ユニット
６０Ａ、６０Ｂ 干渉光路長調整手段
６４Ａ、６４Ｂ 光量調整手段
７０ 干渉光検出手段
７５ 信号帯域フィルタ
８０ 周期クロック生成手段
９０ Ａ／Ｄ変換ユニット
１００ 断層画像処理手段
ＩＳ 干渉信号
Ｌ 光
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
Ｌ４ａ 第１干渉光
Ｌ４ｂ 第２干渉光
Ｐ 断層画像
ｒ(ｚ) 断層情報
Ｓ 測定対象

Claims (3)

1. 光を射出する光源ユニットと、
   該光源ユニットから射出された光を測定光と参照光とに分割する光分割手段と、
   該光分割手段により分割された前記測定光が測定対象において反射したときの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
   該合波手段により合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を第１干渉光と第２干渉光とに分岐する光分岐手段と、
   該光分岐手段により分岐された前記第１干渉光と前記第２干渉光との光路長が同一になるように、前記第１干渉光および／または前記第２干渉光の光路長を調整する干渉光路長調整手段と、
   該干渉光路長調整手段により光路長が調整された前記第１干渉光と前記第２干渉光との差分を干渉信号として検出する干渉光検出手段と、
   該干渉光検出手段により検出された前記干渉信号から断層画像を生成する断層画像処理手段と
   を備えたことを特徴とする光断層画像化システム。
2. 前記干渉光路長調整手段が、
   前記光分岐手段から出力された前記第１干渉光および／または前記第２干渉光を平行光にするコリメータレンズと、
   該コリメータレンズにより平行光にされた前記第１干渉光および／または前記第２干渉光を前記干渉光検出手段に入射するための光ファイバに集光する集光手段と、
   該集光手段と前記コリメータレンズとの間の前記第１干渉光および／または前記第２干渉光が平行光となる距離を調整する距離調整手段と
   を有するものであることを特徴とする請求項１記載の光断層画像化システム。
   
3. 前記光分岐手段により分岐された前記第１干渉光および第２干渉光をそれぞれ前記波長帯域毎に異なる減衰率であって、前記第１干渉光と前記第２干渉光との光量が略均等になるように調整する光量調整手段をさらに備えたものであることを特徴とする請求項１または２記載の光断層画像化システム。

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