JP2005249704A - 断層映像装置 - Google Patents

Abstract

【目的】OCTを用いた断層映像装置において、参照面を、先端光学系の所定の光学界面とすることで、信号光経路等の形状による影響や、被検体設定環境の揺動による影響等による干渉波の劣化を防止し、画質の良好なOCT映像を得る。
【構成】先端光学系３２は、ＧＲＩＮレンズ３２Ａと、斜面３２Ｃにおいて光路を９０度偏向する直角プリズム３２Ｂとから構成されており、その直角プリズム３２Ｂの出射端面３２Ｄが参照面として形成されており、光ファイバ２２により伝送された多波長光のうち、この出射端面３２Ｄにより反射された光が参照光とされる。被検体３１の各組織境界位置３１Ａからの反射光である各信号光と、出射端面３２Ｄからの反射光である参照光は、干渉を生じ、これにより生成された干渉光が合成された状態で、光ファイバ２２を介して後段の分光システム部に伝送される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、低コヒーレンス長の光を出力する光源と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トレンズ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、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を、例えばプローブ部分を人体内に挿入する内視鏡装置に用いた場合、信号光の経路は光ファイバを通して人体内の被検体１３１に至る経路であるのに対して、参照光の経路は人体外部のコントローラ内における参照ミラー１４２に至る経路であり、人体内の信号光経路等の形状に伴う光ファイバの湾曲の影響や、人体の揺動の影響等により参照光との間で干渉波の劣化が生じ、OCT画像の画質が劣化するという問題があった。

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、信号光経路等の形状による影響や、被検体設定環境の揺動による影響等による干渉波の劣化を防止し、画質の良好なOCT映像を得ることのでき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。

また、上記特許文献１に記載の断層映像装置においては、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を採用しているが、観察すべき各断層境界面の深さ位置に応じて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ものの、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、このような事情にも鑑みなされたもので、上記目的に加え、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、
光ビームを出射する広帯域光源と、
該光源から出射された光ビームを、参照面に照射するとともに先端光学系から出射せしめて被検体に照射し、該参照面および該被検体から各々反射された光ビームを合波せしめて干渉させ、その干渉光の光強度分布を光検出器により得るようにした干渉計とを、備えた断層映像装置において、
前記参照面が、前記先端光学系の所定の光学界面とされていることを特徴とするものである。

ここで上記「広帯域光源」とは、時間的に低コヒーレントではあるが、各波長ごとに空間的なコヒーレンス性を有する光を射出する光源であることを意味する。

また、前記断層映像装置において、前記被検体に照射される光ビームが、前記参照面に照射された光ビームのうち該参照面を透過する光ビームとされるように構成されていることを特徴とするものである。

また、前記参照面は、前記先端光学系内に配設された光路偏向用プリズムの端面とされていることが好ましい。

さらに、前記光検出器がラインセンサまたは面状センサからなり、前記干渉せしめられた干渉光を、分光手段とフーリエ変換機能を有するレンズとからなる分光システム部を介して、該光検出器に導くように構成されていることが好ましい。

また、前記分光手段が反射型回折格子とされていることが好ましい。

本発明の断層映像装置によれば、OCTを用いた断層映像装置において、干渉計の参照面が先端光学系の所定の光学界面とされているため、この断層映像装置を内視鏡装置等に用いて、そのプローブ部分を人体内等に挿入した場合においても、信号光と参照光の経路がともに人体内等に至る経路となり、信号光と参照光の間で、光ファイバの湾曲や人体の揺動の影響等を相殺可能であるから、画質の良好なOCT映像を得ることができる。

特に、いわゆるフィゾータイプの干渉計を用いる場合には、信号光と参照光の経路における相違部分は参照面と人体等の被検体との間の僅かな経路のみとなり、信号光と参照光の間で、光ファイバの湾曲や人体の揺動の影響等を略相殺することができるので、画質の良好なOCT映像を確実に得ることができる。

また、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、分光システムを用い、かつフーリエ変換法を用いることにより、参照光と信号光の相関をとるようにしている。したがって従来技術のように、干渉計の参照ミラーを光軸方向に機械的に走査する必要がないので参照面を先端光学系の光学界面とすることが可能となり、さらに、その走査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、干渉計部と分光システム部と信号処理部とからなる。

干渉計部３０は、光源１０が低コヒーレンス光源とされ、全体としてフィゾー型干渉計を構成しており、光源１０のほか、光ファイバ２１、２２、２３と、光サーキュレータ２５と、被検体３１の前段に配される先端光学系３２とを備えている。
また、分光システム部５０は、コリメートレンズ５１と反射型の回折格子５２と、フーリエ変換レンズ５３と、マルチチャンネル検出器５４とを備えている。
また、信号処理部６１はＬＰＦ（ローパスフィルタ）６２、ＦＦＴ（フーリエ変換演算部）６３と、画像生成部６４とを備えており、さらに画像表示部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、多波長光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図示されない集光レンズにより光ファイバ２１の入射端面に集光され、光ファイバ２１により光サーキュレータ２５に伝送される。

光源１０から伝送された多波長光は、この光サーキュレータ２５および光ファイバ２２を介して先端光学系３２に伝送され、一方、光ファイバ２２を介して戻された先端光学系３２からの戻り光（信号光、参照光）は、この光サーキュレータ２５により光ファイバ２３に伝送される。

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、上記先端光学系３２によって被検体３１（人体）の所定深さ位置（例えば深さ200μmの位置）に集光される。また、被検体３１の光スポット径は、例えば50μmとされる。

ここで多波長光は、被検体３１の深さ方向（ｚ方向）の異なる位置から、その位置の被検体情報を含んで各々反射（後方散乱）されることになる。
これにより、上記多波長光は、それぞれ異なる深さ位置における反射光強度情報を担持した信号光とされて、先端光学系３２を介して光ファイバ２２の出射端面に戻る。

一方、上記先端光学系３２は、図２（Ａ）に示すように、ＧＲＩＮレンズ３２Ａと、斜面３２Ｃにおいて光路を９０度偏向する直角プリズム３２Ｂとから構成されており、その直角プリズム３２Ｂの出射端面３２Ｄが参照面として形成されており、光ファイバ２２により伝送された多波長光のうち、この出射端面３２Ｄにより反射された光が参照光とされる。

したがって、図２（Ｂ）に示すように、上記被検体３１の各組織境界位置３１Ａからの反射光である各信号光と、直角プリズム３２Ｂの出射端面３２Ｄからの反射光である参照光は、この出射端面３２Ｄにおいて同一波長同士が干渉し、これにより生成された各干渉光が合成された状態で光ファイバ２２、光サーキュレータ２５を介して、分光システム部５０に至る。

この分光システム部５０において、光ファイバ２３によって伝送された干渉光は、コリメートレンズ５１により平行光とされ、反射型の回折格子５２に導かれる。ここで、信号光と参照光は同時に分光されスペクトル領域で重ねあわされることでマルチチャネル検出器５４上にスペクトルの干渉縞、すなわち信号光と参照光の結合パワースペクトル（合波のパワースペクトル）を形成する。Wiener-Khinchineの定理から、パワースペクトルと相関関数の間にはフーリエ変換の関係が成立するので、マルチチャンネル検出器５４によって検出されるスペクトル干渉縞をＬＰＦ（ローパスフィルタ）６２を介してＦＦＴ（フーリエ変換演算部）６３にてフーリエ変換することにより、信号光（ここでは、生体からの反射光）と参照光の結合相関信号（信号光と参照光の合波の自己相関信号）が得られる。この結合相関信号は、低コヒーレンス光源１０からの光の自己相関関数と、低コヒーレンス光源１０からの光と信号光の相互相関関数と、信号光の自己相関関数よりなる。このうち、低コヒーレンス光源１０からの光はコヒーレンス長が十分短いため、ほぼデルタ関数とみなすことができるので、低コヒーレンス光源１０からの光と信号光の相互相関関数は、ほぼ信号光、すなわち生体からの深さに関しての反射情報を反映していることになり、１次元のOCT信号（Ａモード信号）を得ることができる。

このようにして得られた映像情報は、画像生成部６４に送出され、所定の画像生成処理により断層映像が生成され、生成された断層映像は画像表示部７１の画面上に表示される。

このように、本実施形態装置においては分光システム部５０において回折格子５２を用いて、被検体深さ方向の各位置に関する光情報を担持した光毎に分解し、分解した各情報にフーリエ変換演算を施すことにより、各深さ位置に応じた被検体情報が得られるようにしており、従来技術の如く、干渉計の参照ミラーをその光軸方向に移動させる操作が不要となるので参照面３２Ｄを先端光学系３２の光射出端面とすることが可能となり、被検体３１の断層映像を高速度で表示することが可能である。

なお、上述した如き分光システムを用いて被検体の断層映像情報を得るようにした装置は、例えば、“Handbook of Optical Coherence Tomography （M.W.LINDNER et al. ：pp335-357）”記載されている。

また、上記先端プローブ部分を横方向に移動することで、被検体３１の横方向（ｘ方向および/または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次元または３次元の断層映像情報を、上記先端プローブ部分の横方向への移動と略同時に得ることができる。

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、波長走査型レーザ等の周知の広帯域光源（空間的にはコヒーレンス性を有する）を使用することが可能である。

また、分光システム部の分光手段としては、プリズム等の他の分光手段を用いることが可能である。

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、参照面としては先端光学系の他の光学界面に設けるようにしても良く、また、先端光学系に上述したような直角プリズム等の光偏向手段を設けることは必ずしも必要とされない。

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。

さらに、本発明の断層映像装置の干渉計部としてマイケルソンタイプ等の等光路長型の干渉計を用いてもよい。

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に示す実施形態装置の一部を拡大した概念図（Ａ）および本実施形態装置の作用を説明するための概念図（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
２１、２２、２３、１２１、１２２、１２３、１２４ 光ファイバ
２５ 光サーキュレータ
３１、１３１ 被検体
３１Ａ 組織境界位置
３２ 先端光学系
５１ コリメータレンズ
３２Ａ ＧＲＩＮレンズ
３２Ｂ 直角プリズム
３２Ｃ 斜面
３２Ｄ 出射端面
５２ 回折格子
５３ 収束レンズ（フーリエ変換レンズ）
５４、１５２ マルチチャンネル検出器（光検出器）
６１ 信号処理部
６２ ＬＰＦ
６３ ＦＦＴ
６４ 画像生成部
７１ 画像表示部
１４２ 参照ミラー

Claims (5)

1. 光ビームを出射する広帯域光源と、
   該光源から出射された光ビームを、参照面に照射するとともに先端光学系から出射せしめて被検体に照射し、該参照面および該被検体から各々反射された光ビームを合波せしめて干渉させ、その干渉光の光強度分布を光検出器により得るようにした干渉計とを、備えた断層映像装置において、
   前記参照面が、前記先端光学系の所定の光学界面とされていることを特徴とする断層映像装置。
2. 前記被検体に照射される光ビームは、前記参照面に照射された光ビームのうち該参照面を透過する光ビームであることを特徴とする請求項１記載の断層映像装置。
3. 前記参照面は、前記先端光学系内に配設された光路偏向用プリズムの端面とされ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. 前記光検出器がラインセンサまたは面状センサからなり、
   前記干渉せしめられた干渉光を、分光手段と収束レンズとからなる分光システム部を介して、該光検出器に導くように構成されてい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. 前記分光手段が反射型回折格子であることを特徴とする請求項４記載の断層映像装置。
   

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