JP2005524834A

JP2005524834A - 光コヒーレンストモグラフィーの改良型フィゾー干渉計の設計

Info

Publication number: JP2005524834A
Application number: JP2004501920A
Authority: JP
Inventors: ラルフ，ピータータタム，; ステファン，ウェインジェームズ，
Original assignee: クランフィールドユニヴァーシティ
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2003-05-02
Publication date: 2005-08-18
Also published as: GB0210213D0; WO2003093804A1; US20060114472A1; EP1502096A1; AU2003233870A1

Abstract

光コヒーレンストモグラフィーのための新規の干渉計設計が複数記載されている。これらの干渉計は、光効率が、光コヒーレンストモグラフィーシステム固有の信号対雑音比の不足を克服するように設計されている。

Description

本発明は、光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）装置の信号対雑音比（ＳＮＲ）の性能を改善するために光効率が高まるように設計された光干渉計に関する。

ＯＣＴは、低コヒーレンス干渉法を用いて半透明材料の表面下から情報を提供し、これにより材料構造の３次元画像を形成することのできる、解像度の高い画像技術である。この技術は、複合材料^１及び特に生体組織^２の研究に使用されてきた。媒体内、例えば組織層内の異なる屈折率の境界面から後方散乱された光が参照光と組み合わさると、干渉信号が検出される。

ＯＣＴのＳＮＲは、光源出力に比例し、帯域幅に反比例する。ＯＣＴ画像化においては、生体組織試料から反射して戻ってくるのはきわめて低い光強度であってそれを検出しなければならないので、ＳＮＲが高いということが重要である。実時間ＯＣＴ画像化は、一般的に臨床での応用^３−６には必須であるので、たいていのＯＣＴシステムにはＭＨｚオーダーの帯域幅を有する検出器が必要となり、そのため、高品質画像を得るためにはＳＮＲが最適化されると有利であり、したがって、ＯＣＴシステム内での光出力の損失を最小限にすることが望ましい。

ＯＣＴは、画像化光源として低出力の非コヒーレント光を使用するので、患者に副作用を何ら与えることなく高解像度のかつ深い部分の画像が得られる、インビボでの内視鏡の使用^７−８に適した技術である。

光ファイバーマイケルソン干渉計構成^２はＯＣＴ装置の一実施形態であり、最も一般的なＯＣＴシステムである。この光ファイバーマイケルソン干渉計は、内視鏡の使用に最良の構成ではないが、インビトロでの画像化に関しては良好に働くことが知られている。しかし、試料アームの環境変化が偏光及び位相の変化を引き起こす場合があり、これが信号の視認性を著しく低下させ得る。

第２の実施形態はフィゾー干渉計^９である。この構成は、試料及び参照アーム中の光の同一光ファイバへの進行を可能にすることで、環境変化によるシステム内での偏光及び位相の変化を低減する。検知干渉計は、ファイバの末端と組織試料との間に形成される。ファイバの屈曲及び温度変化によって生じる干渉信号の摂動は、位相及び偏光の変化をもたらす可能性があるが、検出器で観察される干渉パターンには影響を与えない。また、フィゾー装置の別の利点は、臨床での使用の際、方向性結合器及び処理干渉計を検知ヘッドとは別個に収容することができることである。

方向性結合器を利用したファイバーマイケルソン構成及びフィゾー構成では、それぞれ初期信号出力の７５％及び９４％が損失する。
別の光学的部品を使用することにより、フィゾー干渉計構成が従来のマイケルソン装置よりも高いＳＮＲを得ることができ、且つ出力節約に関して最適化されたマイケルソンに匹敵するＳＮＲが得られるような特性を有する出力節約干渉計を構築することができる。

マイケルソン構成（１００）を図１ａに示す。低コヒーレンス光源（１０２）からの光は、３ｄＢ結合器（１０４）によって参照アーム（１０６）と試料アーム（１０８）に分割される。試料アーム（１０８）の光は、組織試料（１１０）内の多数の反射サイトから後方反射される。軸線方向走査参照ミラー（１１２）は参照アーム（１０６）の光を反射し、これら両ビームは結合器（１０４）で再び結合する。試料アーム（１０８）と参照アーム（１０６）の間で光路長が等しい場合、又は光源（１０２）のコヒーレンス長さ以内である場合には、干渉信号は、結合器（１０４）の出口アーム（１１３）により検出される。両干渉アーム（１０６，１０８）からの光が、反射後の帰路で結合器（１０４）によって５０/５０に分割される場合には、光の５０％が、光源アーム（１１３ａ）を通って戻されて損失するので、検出器（１１４）での信号対雑音比（ＳＮＲ）は低くなる。マイケルソン干渉計においてＡＣ成分及びＤＣ成分を有する光電流は、次式によって得られる。

ここで、Ｉ_Ｔｏｔは全光電流、ρは検出器の感度、Ｐ_ｒ及びＰ_ｓは参照アーム及び試料アームから反射された出力であり、参照光と干渉する。ｋ_０は光源の中央波長の波数であり、ΔＬは試料アームと参照アームの間の光路長差である。試料から後方散乱された光は、参照出力と比較して無視可能とみなされる。

ファイバフィゾー干渉計^９（１５０）を図１ｂに示す。低コヒーレンス光源（１５２）からの光は、３ｄＢ結合器（１５４）によって分割され、５０％が試料アーム（１５６）を通ってフィゾー検知ヘッド（１５８）へ、５０％が、ファイバへの後方反射を防ぐための屈折率整合液（ＩＭＬ）（１６２）に浸された出力部を備えたもう一方のアーム（１６０）へ進む。試料アーム（１５６）に進んだ光はフィゾー検知ヘッド（１５８）に入射し、そこでファイバ端部の光の約４％が結合器（１５４）へとフレネル後方反射する。さらに、この光は処理干渉計（１６４）に導かれる（図１ｂの例はマイケルソン干渉計の場合であるが、他の任意の受信干渉計も使用可能である）。この光は、干渉計（１６４）において参照光の役割を果たす。フレネル反射しない光は、組織上に収束し、試料内の様々なミクロ組織から後方散乱され、ファイバに戻って結合する。さらにこの光は、受信干渉計（１６４）に導かれる。フレネル反射した光の光路長が、組織反射サイトの光路長に一致する長さから光源（１５２）のコヒーレンス長以内となる場合、検出器（１６６）で干渉縞が観察される。処理干渉計（１６４）内の参照ミラー（１６８）は軸線方向に走査され、これによりすべての干渉信号が組織での反射に対応して検出器（１６６）で観察される。ＡＣ成分及びＤＣ成分を有する全光電流は、次式で求められる：

ここで、Ｐ_ｘは参照光と非干渉性の試料アームからの出力であり、Ｐ_ｒ１及びＰ_ｒ２は、受信マイケルソン干渉計のアーム１及び２に進行するファイバ端部からの反射光である。Ｐ_ｓ１及びＰ_ｓ２は受信マイケルソン干渉計のアーム１及び２へと進行するファイバ端部からの反射試料光である。後方散乱した試料出力は、この場合も無視可能とみなされる。

干渉計のＳＮＲ（ｄＢ）は次の式によって求められる。

全光電流偏差（σ_ｔｏｔ ^２）は、ショット雑音（σ_Ｓｈ ^２）、過剰雑音（σ_ｅｘ ^２）及び受信器雑音（σ_ｒｅｃ ^２）の総和であり、それぞれ次式で求められる。

式中、ｑは電荷、Ｂは電気帯域幅、Ｖは偏光度、ｃは光の自由空間速度、Δλ_ＦＷＨＭは光源の半値全幅波長、λ_０は光源の中央波長である。受信器雑音（σ_ｒｅｃ ^２）は検出器内での温度雑音によって生じ、通常、市販の装置では製造者によって明記されている。

バランス検出が使用される場合、過剰光子雑音は無視可能とみなされる。過剰雑音の成分は残ってビート雑音（σ_ｂｅ ^２）^９と呼ばれる。これは次式によって求められる。

バランス検出におけるマイケルソン構成及びフィゾー構成の両方の総信号光電流は、両検出器での光電流の合計であり、次式によって求められる。

次に、添付の図面を参照し、本発明を例示的に説明する。

使用したパラメータは、比較のための前述の研究^１０で使用されているものと同一である。次の値を使用してＳＮＲを計算した；Ｒ_ｓ＝１、Ｒ_ｒ＝０．１、Ｒ_ｘ＝０．０００５、ρ＝０．９５及び受信器雑音電流＝２ｐＡ/Ｈｚ^１/２。光源の光出力は、中央波長１３００ｎｍ及び帯域幅５０ｎｍで、２０ｍＷであると仮定した。光源は、偏光されておらず、Ｂ＝１ＭＨｚであった。サーキュレータの透過率はＴｃ＝０．８５であった。

干渉計の３つの構成、マイケルソン^１０、マッハツェンダー^１０及びフィゾー^９に対するＳＮＲを調べた。この研究は、Rollinsら^１０によって報告された前回の論文に続くものであるが、フィゾー構成を含むようにそれを発展させたものである。サーキュレータ及び非バランス結合器を使用して出力節約が改善されるように各干渉計に修正を加えた。サーキュレータは光サーキュレーション手段であり、例えばターミナル１で入力した光がターミナル２で出力された光となり、ターミナル２で入力された光がターミナル３で出力された光となる。非バランス結合器は結合手段であって、光が結合器の各出力チャンネルへと分割する場合の強度比が１：１でない。サーキュレータは、ターミナルで入力された光の大半が後続のターミナルで出射する結合器と比べた場合、光線の強度の分割が起きないという利点がある。各構成のＳＮＲを等式７を用いて計算した。その結果を表１に示す。式中、ｒは、フィゾー受信干渉計のファイバの反射率であり、Ｔ_ｃはサーキュレータの透過率である。

ここで図２を参照する。この場合、光源（２０２）を備えたマイケルソン構成（２００）で得られた最も高いＳＮＲは、バランス結合器（２０４）、サーキュレータ（２０６）及びバランス検出を使用して１０４ｄＢであった^１０。バランス検出は、２つのチャンネル検出器（２０８）を備えており、これらは、一方の入力チャンネルで、試料（２１０）及び走査手段（一般的には走査ミラー（２１２））からの、結合器（２０４）からサーキュレータ（２０６）を介して検出器（２０８）へと通過してきた光を、もう一方の入力チャンネルでは、試料（２１０）及び走査ミラー（２１２）からの、結合器（２０４）から検出器（２０８）へと直接通過してきた光を受信するように配置されている。走査ミラーに代わる走査手段の別の形態は、回転、通常はその中央点を中心とする回転によって走査を行う回折格子である。

バランス結合器は結合手段であって、光が結合器の各出力チャンネルに分割される比が１：１である。バランス検出装置は、検出手段、通常はマルチ入力チャンネル検出器が、同じ光源から発生し同じパラメータを測定する複数の信号（一般的には２つの信号）の各々からの入力を受信するものである。各信号は異なる性質、例えば位相を有しているが、信号が同じ光源から発生していて、同じパラメータを測定するものなので、雑音消去は多数の公知の技術のいずれかによって行うことができる。

図３にフィゾー構成（３００）を示す。この構成では、信号サーキュレータ（３０２）を使用するが結合器は備えておらず、バランス検出を使用しており、これにより、ＳＮＲが１０１ｄＢまで増大している。広帯域光源（３０４）から放出された光は、サーキュレータ（３０２）に入射し、光ファイバ（３０６）を介して試料（３０８）へと進み、一部の光はファイバ（３０６）の末端の内部表面からフレネル反射してサーキュレータ（３０２）へ戻され、分析干渉計（３１０）の参照となる。試料（３０８）から散乱された光も、ファイバ（３０６）を通って戻ってくる。

干渉計（３１０）は、レンズ（３１２）、走査ミラー（３１４），ビームスプリッタ（３１６）及び固定ミラー（３１８）を備えている。光は、サーキュレータ（３０２）からレンズ（３１２）を介して干渉計（３１０）に入射し、ビームスプリッタ（３１６）に衝突する。ビームスプリッタ（３１６）では、一部の光が走査ミラーへと方向付けられ、また別の光は固定ミラー（３１８）へと方向付けられる。

干渉計（３１０）内の光の一部は、レンズ（３１２）を介して、サーキュレータ（３０２）へと出射し、そこからバランス検出器（３２０）の一方の入力部（３１９）へと進む。干渉計（３１０）内の別の光は、干渉計から直接バランス検出器（３２０）の別の入力部（３２１）へと進む。

図４に示すように、別の適切な構成では受信フィゾー干渉計（４００）を使用する。この場合、バランス検出器なし、ファイバ端部の反射率０．４及びバランス検出９８ｄＢで、ＳＮＲが７７ｄＢである。検出器で４つのビームが再結合するので、この構成の光電流は、受信マイケルソン干渉計（等式１）を備えたフィゾー構成と同じである。
広帯域光源（４０２）は第１の光サーキュレータ（４０４）へ光を入力し、サーキュレータ（４０４）はこの光を、光ファイバ（４０８）を介して試料（４０６）へ出力する。図３を参照して前述した通り、光の一部が、ファイバ（４０８）の端部表面からサーキュレータに後方反射して分析干渉計にとっての参照となり、試料（４０６）から反射及び/又は散乱された光も、ファイバ（４０８）を通ってサーキュレータへと戻ってくる。

第１の光サーキュレータ（４０４）は、反射光及び散乱光を、第２の光サーキュレータ（４１０）へと送り、そこで光は光ファイバ（４１１）に沿って走査ミラー（４１２）へと出力する。光の一部が、光ファイバ（４１１）の端部の内部表面からフレネル反射する。走査ミラー（４１２）は干渉縞を走査するために軸線方向に移動する。走査ミラー（４１２）から反射した光は、光ファイバ（４１１）に沿って、第２の光サーキュレータ（４１０）内へと進み、そこから光が検出器（４１４）へと進む。

図５は、単独の４ポートサーキュレータ（５０２）を使用するように修正した受信フィゾー構成（５００）での、バランス検出の使用方法を示す。広帯域光源（５０４）からの光はサーキュレータ（５０２）に入射し、ファイバ（５０６）に沿って試料（５０８）へと進み、ここで、図３及び４を参照して前述したように反射及び散乱が起こる。散乱光及び反射光は、ファイバ（５０６）を介してサーキュレータ（５０２）に入射する。この光は、サーキュレータ（５０２）から第２のファイバ（５１０）に沿って、部分透過性の（一般的には透過率５０％）走査ミラー（５１２）へと出力される。光の反射が、図４を参照して前述したように、第２のファイバ（５１０）の内部の端部表面で起こる。

部分透過性の走査ミラー（５１２）を通過する光は、バランス受信検出器（５１６）の第１の入力部（５１４）へと進む。部分透過性の走査ミラー（５１２）から反射した光は、第２の光ファイバ（５１０）に沿ってサーキュレータ（５０２）へと戻り、ここからバランス受信検出器（５１６）の第２の入力部へと出力される。この構成でのＳＮＲは、バランス検出がない場合は７８ｄＢであり、バランス検出がある場合は９９ｄＢである。

最良のＳＮＲ（表１）が得られる設計を決定するために、複数のファイバ光ＯＣＴ構成に対してＳＮＲを計算した。これらの設計を、Rollinsら^１０によって研究された以前の設計と比較した。新規のフィゾー設計により、以前のマイケルソン設計に匹敵するＳＮＲ値が得られ、それに加えてファイバ内でＳＮＲを低下させる可能性のある不都合な偏光効果が除かれるという利点が得られることが分かった。全体的に、全ての設計は、従来の構成と比較してＳＮＲを著しく向上させた。マイケルソンの場合には２０ｄＢまで、フィゾーの場合には２５ｄＢまでの改善が見られた。また、バランス検出の使用によって、ＳＮＲの向上率が最大となることが分かった。より迅速な走査技術の必要性から、高いＳＮＲを有していることは望ましく、本発明のシステムによりそれが達成可能であることが示された。

表１各干渉計設計について計算されたＳＮＲ値の合計。ＲＡＲ＝参照アーム反射率、ＥｏｆＲ＝ファイバ端部の反射、ＮＡ＝該当なし。

参考文献
[1] M.Bashkansky, M.D. Duncan. Opt. Lett. 22, (1997) 61-3.
[2] D.Huang, E.A.Swanson, P.C.Lin. Science. 25 (1991) 1178-1181.
[3] J.Ballif, R.Gianotti, P.H.Chavanne. Opt. Lett. 22 (1997) 757-759.
[4] J.Szydlo, H.Bleuer, R.Walti. Meas.Sci and Tech. 9 (1998) 1159-1162.
[5] G.J.Tearney, B.E.Bouma, J.G.Fujimoto. Opt. Lett. 22 (1997) 1811-1813.
[6] J.G.Fujimoto, C.Pitris, S.A.Boppart. Neoplasia. 2 (2000) 9-25.
[7] B.E.Bouma, G.J.Tearney. Opt. Lett. 24 (1999) 531-533.
[8] S.D.Dyer, D.A.Christensen. Opt. Eng. 36 (1997) 2440-2447.
[9] K.J.Bamford, S.W.James, H.Barr, R.P.Tatam. Lasers Med Sci. 15 (2000) 188-194.
[10] A.M.Rollins, J.A.Izatt. Opt. Lett 24 (1999) 1484-1486.

図１ａはファイバマイケルソン干渉計を示し、図１ｂは受信マイケルソン干渉計を備えたファイバフィゾー干渉計を示す図である（ＢＢＳ＝広帯域光源、α=分割比、ＢＳ=ビームスプリッタ）。バランス結合器、サーキュレータ及びバランス検出器を備えたマイケルソン干渉計構成である。ＢＢＳ＝広帯域光源（P_r=P₀R_rT_c ²/4, P_s=P₀R_sT_c ²/4, P_x=P₀R_xT_c ²/4）サーキュレータを備えているが結合器は備えていないフィゾー構成であり、バランス検出が使用されている（ＢＢＳ＝広帯域光源、ＢＳ＝ビームスプリッタ）。(P_r=P₀T_c ³R_r/4, P_s=P₀T_c ³R_s(1-R_r)²/4, P_x= P₀T_c ³R_x(1-R_r)²/4, P_r1=P_r2=P_r) フィゾー受信干渉計を備えたフィゾー検知干渉計であって、２×３ポートサーキュレータが使用されている。ＢＢＳ＝広帯域光源(P_r=P_r1=P₀R_rT_c ⁴(1-r)², P_r2=P₀R_rT_c ⁴r², P_s=P₀R_sT_c ⁴(1-R_r)²r, P_x=P₀R_xT_c ⁴(1-R_r)² _r フィゾー受信干渉計を備えたフィゾー検知干渉計であり、４ポートサーキュレータ及びバランス検出が使用されている。ＢＢＳ＝広帯域光源(P_r=P_r1=P₀R_rT_c ²r(1-r)/4, P_r2=P₀R_rT_c ²(1-r)/2, Ps=P₀R_sT_c ²(1-R_r)²(1-r)/2, P_x=P₀R_sT_c ²(1-R_r)²(1-r)/2)である。

Claims

光源、走査手段、検出手段及び光サーキュレーション手段を備えた光コヒーレンストモグラフィー装置であって、前記光サーキュレーション手段が、光源と検出手段の間の光路上に位置しており、且つ光源から放出された光を試料及び走査手段の両方へ方向付けるように配置されている装置。
結合手段が、光源から放出された光を、光サーキュレーション手段から受信して、試料及び走査手段の両方へ方向付けるように配置されている、請求項１に記載の装置。
前記結合手段がバランス結合器である、請求項２に記載の装置。
光サーキュレーション手段が、走査手段から反射した光の少なくとも一部を、検出手段の第１の入力部へ方向付けるように配置されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の装置。
光サーキュレーション手段が、試料から反射又は散乱された光の少なくとも一部を、検出手段の入力部へ方向付けるように配置されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
光サーキュレーション手段が、試料によって散乱及び/又は反射された光を走査手段へ方向付けるように配置されている、請求項１に記載の装置。
光サーキュレーション手段が、走査手段からの光を検出手段の入力部へ方向付けるように配置されている、請求項６に記載の装置。
光サーキュレーション手段が、光ファイバの端部からフレネル反射された光を受信するように配置されている、請求項６又は７に記載の装置。
光ファイバが、光サーキュレーション手段と、試料又は走査手段の間で光を伝搬するように配置されている、請求項８に記載の装置。
走査手段が部分透過性のミラーを具備している、請求項６ないし９のいずれか１項に記載の装置。
部分透過性のミラーが、該ミラーに入射する光の一部を検出手段の入力部へ透過させるように配置されている、請求項１０に記載の装置。
部分透過性のミラーが、少なくとも１つの対象波長で約５０％の透過性及び約５０％の反射性を有している、請求項１０又は１１に記載の装置。
光サーキュレーション手段が少なくとも１つの光サーキュレータを有している、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の装置。
少なくとも１つの前記光サーキュレータのそれぞれが、約０．８５以上の透過率を有している、請求項１３に記載の装置。
走査手段がミラーを有している、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の装置。
光源が広帯域光源を有している、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の装置。
検出手段がバランス受信器を有している、請求項１ないし１６のいずれか１項に記載の装置。
１０４ｄＢ、１０４ｄＢ、９９ｄＢ、９８ｄＢ、７８ｄＢ、７７ｄＢのいずれか１つを超える信号対雑音比が概ね得られる、請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の装置。
フィゾー干渉計を有している、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の装置。
光源、走査ミラー、検出器及び光サーキュレータを備えた光コヒーレンストモグラフィー装置であって、該光サーキュレータが、光源と検出器の間の光路上に位置しており、且つ光源から放出された光を試料及び走査ミラーの両方へ方向付けるように配置されている装置。
バランス結合器が、光源から放出された光を、光サーキュレータから受信して、試料及び走査ミラーの両方へ方向付けるように配置されている、請求項２０に記載の装置。
光サーキュレータが、試料によって散乱及び/又は反射された光を、走査ミラーへ方向付けるように配置されている、請求項２０に記載の装置。
光サーキュレータが、走査ミラーからの光を、検出器の入力部へ方向付けるように配置されている、請求項２２に記載の装置。
光サーキュレーション手段が、光ファイバの端部からフレネル反射された光を受信するように配置されている、請求項２２又は２３に記載の装置。
光ファイバが、光サーキュレータと、試料又は走査ミラーの間で光を伝搬するように配置されている、請求項２４に記載の装置。
走査ミラーが部分透過性のミラーを有している、請求項２２ないし２５のいずれか１項に記載の装置。
部分透過性のミラーが光を検出器の入力部へ透過させるように配置されている、請求項２６に記載の装置。
検出器がバランス受信器を有している、請求項２２ないし２７のいずれか１項に記載の装置。
フィゾー干渉計を備えている、請求項２２ないし２８のいずれか１項に記載の装置。