JP2007101249A - 光断層画像化方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光断層画像化装置において、測定光のスペクトル形状の乱れや、スペクトル形状並びに強度の変動が有っても、正確な断層画像を取得可能にする。
【解決手段】光源１１１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、測定光Ｌ１が測定対象Ｓｂに照射されたとき戻って来る反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を干渉光検出手段１４０と、検出された干渉光Ｌ４の周波数および強度に基づいて、測定対象Ｓｂの複数の深さ位置における反射光の強度を検出し、その検出された各深さ位置における反射光Ｌ３の強度に基づいて測定対象Ｓｂの断層画像を取得する画像取得手段５０とを備えてなる光断層画像化装置１において、干渉光Ｌ４を検出して得た干渉信号から測定光Ｌ１のスペクトル成分を除去した補償信号を得、該信号をガウス変換して反射光Ｌ３の強度検出に供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＯＣＴ(Optical Coherence Tomography)計測により光断層画像を取得する光断層画像化方法および装置に関するものである。

従来、生体組織等の測定対象の断層画像を取得する方法の一つとして、例えば特許文献１、２に示されるように、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）計測により光断層画像を取得する方法が提案されている。このＯＣＴ計測は、測定光および反射光と参照光との光路長が一致したときに干渉光が検出されることを利用した計測方法である。すなわちこの方法において、光源から射出された低コヒーレント光は測定光と参照光とに分割され、測定光は測定対象に照射され、測定対象からの反射光が合波手段に導かれる。一方、参照光は、測定対象内の測定深さを変更するために、光路長の変更が施された後に合波手段に導かれる。そして、合波手段により反射光と参照光とが合波され、合波されたことによる干渉光がヘテロダイン検波等により測定される。

上記ＯＣＴ装置においては、参照光の光路長を変更することにより、測定対象に対する測定位置（測定深さ）を変更し断層画像を取得するようになっており、この手法は一般にＴＤ−ＯＣＴ（Time domain OCT）計測と称されている。より具体的に、特許文献１の参照光の光路長調整機構は、光ファイバから射出した参照光をミラーに集光する光学系を有し、ミラーのみを参照光のビーム軸方向に移動させて光路長の調整を行っている。また特許文献２に示された参照光の光路長調整機構は、光ファイバから射出した参照光をレンズによって平行光化し、平行光になった参照光を再び光路長調整レンズにより集光して光ファイバに入射させ、そして、光路長調整レンズを参照光のビーム軸方向に進退させて光路長の調整を行っている。

他方、上述した参照光の光路長の変更を行うことなく高速に断層画像を取得する装置として、ＳＤ−ＯＣＴ（Spectral Domain OCT）計測による光断層画像化装置が提案されている。このＳＤ−ＯＣＴ装置は、広帯域の低コヒーレント光をマイケルソン型干渉計を用いて測定光と参照光とに分割した上で、測定光を測定対象に照射させ、そのとき戻って来た反射光と参照光との干渉光を各周波数成分に分解したチャンネルドスペクトルをフーリエ解析することにより、深さ方向の走査を行わずに断層画像を構成するようにしたものである。

さらに、参照光の光路長の変更を行うことなく高速に断層画像を取得する装置として、ＳＳ−ＯＣＴ（Swept source OCT）計測による光断層画像化装置も提案されている。このＳＳ−ＯＣＴ装置は、光源から射出されるレーザ光の周波数を掃引させて反射光と参照光とを干渉させ、そして光周波数領域のインターフェログラムから測定対象の深さ位置における反射光強度を検出し、これを用いて断層画像を構成するようにしたものである。
特開平６−１６５７８４号公報 特開２００３−１３９６８８号公報

上述したＳＤ−ＯＣＴ装置およびＳＳ−ＯＣＴ装置においては、光の干渉を利用して測定対象の深さ方向情報を検出するようにしているため、測定光に対しては、瞬時的並びに経時的の両面において、強度とスペクトルに安定性が求められる。より具体的には、波長対強度の関係がガウス分布となっている理想的なスペクトル特性が求められるが、光源の特性から元々そのような関係が満足されていないこともあるし、あるいは、そのような関係が経時変化によって乱れてしまうこともある。この測定光の強度の変動は、測定対象からの反射情報の測定誤差を招き、またスペクトル形状の変動は、干渉信号にサイドローブ等の発生による疑似信号を発生させてしまう。

ＯＣＴ装置は眼科分野で実用化された後、他分野への広範な応用を目指して高分解能化、高感度化、高速化の研究が進められている。この高分解能化の点から光源のスペクトルの広帯域化が、そして高感度化および高速化の点から光源の高出力化が求められているが、光源の広帯域化および高出力化は、測定光のスペクトル形状の乱れや、スペクトル形状並びに強度の経時変動といった問題を招きやすくなっている。光源の広帯域化および高出力化が実現されても、その一方でこのような問題が生じると、上述した疑似信号の発生により、正確な断層画像を形成することが困難になる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、測定光のスペクトル形状の乱れや、スペクトル形状並びに強度の変動が有っても、安定して正確な断層画像を得ることができる光断層画像化方法を提供することを目的とする。

さらに本発明は、そのような方法を実施できる光断層画像化装置を提供することを目的とする。

本発明による光断層画像化装置は、先に説明したＳＤ−ＯＣＴやあるいはＳＳ−ＯＣＴ計測による光断層画像化方法、すなわち、
共通の光源から射出された光を測定光と参照光とに分割し、
前記測定光を測定対象に照射し、該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波し、
合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出し、
この検出された干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の複数の深さ位置における反射光の強度を検出し、
これらの各深さ位置における前記反射光の強度に基づいて測定対象の断層画像を取得する光断層画像化方法において、
前記測定光のスペクトル成分を計測し、
前記干渉光を検出して得た干渉信号から前記測定光のスペクトル成分を除去した補償信号を得、
この補償信号をガウス変換してから、前記反射光の強度検出に供することを特徴とするものである。

なお、この本発明による光断層画像化方法においては、前記干渉信号が示す干渉スペクトルをＳi（ｋ）、前記測定光のスペクトルをＳo（ｋ）としたとき、前記補償信号をＲ（ｋ）＝｛Ｓi（ｋ）／Ｓo（ｋ）｝−１ として求めることが望ましい。

さらに、本発明による光断層画像化方法においては、前記補償信号に含まれる、除算に起因するノイズ成分を除去してから、前記ガウス変換を行うことが望ましい。なおこの「除算」とは、干渉光を検出して得た干渉信号を測定光スペクトル成分で除算することを意味する。

また、本発明による光断層画像化方法においては、前記ガウス変換後の信号に含まれる、除算に起因するノイズ成分を除去してから、反射光の強度検出を行うことも望ましい。

他方、上記方法を実施する本発明の光断層画像化装置は、先に説明したＳＤ−ＯＣＴ計測やあるいはＳＳ−ＯＣＴ計測による光断層画像化装置、すなわち、
光を射出する光源と、
この光源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、
前記測定光を測定対象に照射したときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
この検出された干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の複数の深さ位置における反射光の強度を検出し、これらの各深さ位置における反射光の強度に基づいて測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えてなる光断層画像化装置において、
前記測定光のスペクトル成分を計測する手段と、
この計測されたスペクトル成分を記憶しておく記憶手段と、
前記干渉光を検出して得た干渉信号から、前記記憶手段に記憶されている測定光のスペクトル成分を除去した補償信号を生成し、この補償信号をガウス変換してから、前記反射光の強度検出に使用させる演算手段とが設けられたことを特徴とするものである。

なお、この本発明による光断層画像化装置は、
前記光源として低コヒーレント光を射出する光源が用いられ、
前記画像取得手段として、前記ガウス変換後の信号をフーリエ変換する手段を含むものが用いられて、
ＳＤ−ＯＣＴ（Spectral Domain OCT）装置として構成されることが望ましい。

また、この本発明による光断層画像化装置は、
前記光源として、波長を掃引したレーザ光を射出する光源が用いられ、
前記画像取得手段として、前記ガウス変換後の信号の光周波数領域のインターフェログラムを求める手段を含むものが用いられて、
ＳＳ−ＯＣＴ（Swept Source OCT）装置として構成することも可能である。

本発明の光断層画像化方法は、干渉光を検出して得た干渉信号から測定光のスペクトル成分を除去した補償信号を得、この補償信号をガウス変換するようにしたので、このガウス変換後の信号は、実際の測定光のスペクトル成分がどのようなものであってもそれとは無関係に、基本的にガウス状波形の信号に干渉成分が重畳した形のものとなる。したがって、このガウス変換後の信号を反射光の強度検出に供すれば、測定光のスペクトル形状の乱れや、スペクトル形状並びに強度の変動が有っても、安定して正確な断層画像を得ることが可能となる。

また本発明の光断層画像化方法において特に、前記補償信号に含まれる、前記除算に起因するノイズ成分を除去してから、前記ガウス変換を行う場合には、反射光の強度検出を行う際にこのノイズ成分に起因する疑似信号が発生して、それにより断層画像が不正になることを防止できる。また、その代わりに、前記ガウス変換後の信号に含まれる、前記除算に起因するノイズ成分を除去してから、反射光の強度検出を行うようにしても、同様の効果が得られる。

一方、本発明による光断層画像化装置は、測定光のスペクトル成分を計測する手段と、この計測されたスペクトル成分を記憶しておく記憶手段と、干渉光を検出して得た干渉信号から、前記記憶手段に記憶されている測定光のスペクトル成分を除去した補償信号を生成し、この補償信号をガウス変換してから前記反射光の強度検出に使用させる演算手段とを有するものであるから、上述した本発明による光断層画像化方法を実施できるものとなる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による光断層画像化装置を示す模式図である。本実施形態の光断層画像化装置１は、例えば体腔内の生体組織や細胞等の測定対象の断層画像をＳＤ−ＯＣＴ計測により取得するものであって、光Ｌを射出する光源ユニット１１０と、光源ユニット１１０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により分割された参照光Ｌ２の光路長を調整する光路長調整手段２０と、光分割手段３により分割された測定光Ｌ１を測定対象Ｓｂに照射するプローブ３０と、こうして測定対象Ｓｂに測定光Ｌ１が照射されたとき該測定対象Ｓｂで反射した反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との間の干渉光Ｌ４を検出する干渉光検出手段１４０とを有している。

光源ユニット１１０は、低コヒーレント光Ｌを射出する例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）やＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）等の光源１１１と、光源１１１から射出された光を光ファイバＦＢ１内に入射させるための光学系１１２とを有している。なお本実施形態の光断層画像化装置１は、体腔内の生体部位を測定対象Ｓｂとして断層画像を取得するものであるので、光源１１１としては、測定対象Ｓｂ内を透過するときの散乱・吸収による光の減衰を最小限に抑えることができる、例えば広スペクトル帯域の超短パルスレーザ光源等を用いるのが好ましい。

光分割手段３は、例えば２×２の光ファイバカプラから構成されており、光源ユニット１１０から光ファイバＦＢ１を介して導波した光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。この光分割手段３は、２本の光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２を導波し、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３を導波する。なお、本実施形態におけるこの光分割手段３は、合波手段４としても機能するものである。

光ファイバＦＢ２にはプローブ３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２からプローブ３０へ導波する。プローブ３０は、例えば鉗子口から鉗子チャンネルを介して体腔内に挿入されるものであって、光学コネクタ３１により光ファイバＦＢ２に対して着脱可能に取り付けられている。

一方、光ファイバＦＢ３の参照光Ｌ２の射出側には光路長調整手段２０が配置されている。図２はこの光路長調整手段２０の一例を示す模式図であり、以下、この図２も参照して説明する。光路長調整手段２０は、断層画像の取得を開始する位置を調整するために、参照光Ｌ２の光路長を変更するものであって、光ファイバＦＢ３から射出された参照光Ｌ２を反射させる反射ミラー２２と、反射ミラー２２と光ファイバＦＢ３との間に配置された第１光学レンズ２１ａと、第１光学レンズ２１ａと反射ミラー２２との間に配置された第２光学レンズ２１ｂとを有している。

第１光学レンズ２１ａは、光ファイバＦＢ３のコアから射出された参照光Ｌ２を平行光にするとともに、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２を光ファイバＦＢ３のコアに集光する機能を有している。また、第２光学レンズ２１ｂは、第１光学レンズ２１ａにより平行光にされた参照光Ｌ２を反射ミラー２２上に集光するとともに、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２を平行光にする機能を有している。つまり、第１光学レンズ２１ａと第２光学レンズ２１ｂとにより共焦点光学系が形成されている。

したがって、光ファイバＦＢ３から射出した参照光Ｌ２は、第１光学レンズ２１ａにより平行光になり、第２光学レンズ２１ｂにより反射ミラー２２上に集光される。その後、反射ミラー２２により反射された参照光Ｌ２は、第２光学レンズ２１ｂにより平行光になり、第１光学レンズ２１ａにより光ファイバＦＢ３のコアに集光される。

さらに光路長調整手段２０は、第２光学レンズ２１ｂと反射ミラー２２とを固定した基台２３と、該基台２３を第１光学レンズ２１ａの光軸方向に移動させるミラー移動手段２４とを有している。そして基台２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変えられるようになっている。

また、図１に示す合波手段４は、前述の通り２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段２０により周波数シフトおよび光路長の変更が施された参照光Ｌ２と、測定対象Ｓｂからの反射光Ｌ３とを合波し、光ファイバＦＢ４を介して干渉光検出手段１４０側に射出するように構成されている。

一方、干渉光検出手段１４０は、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を検出するものであって、光ファイバＦＢ４から出射した干渉光Ｌ４を平行光化するコリメータレンズ１４１と、複数の波長帯域を有する干渉光Ｌ４を各波長帯域毎に分光する分光手段１４２と、分光手段１４２により分光された各波長帯域の干渉光Ｌ４を検出する光検出手段１４４とを有している。

分光手段１４２は例えば回折格子素子等から構成されており、そこに入射した干渉光Ｌ４を分光して、光検出手段１４４に向けて射出する。また光検出手段１４４は、例えば１次元もしくは２次元に光センサが配列されてなるＣＣＤ等の素子から構成され、各光センサが、上述のように分光された干渉光Ｌ４を波長帯域毎にそれぞれ検出するようになっている。

上記光検出手段１４４は画像取得手段５０に接続され、この画像取得手段５０はＣＲＴや液晶表示装置等からなる表示装置６０に接続されている。また光検出手段１４４は、記憶手段７０にも接続されている。画像取得手段５０および記憶手段７０は、例えばパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムから構成されている。

以下、上記構成を有する光断層画像化装置１の作用について説明する。断層画像を取得する際には、まず基台２３を矢印Ａ方向に移動させることにより、測定可能領域内に測定対象Ｓｂが位置するように光路長の調整が行われる。その後、光源ユニット１１０から光Ｌが射出され、この光Ｌは光分割手段３により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１はプローブ３０から体腔内に向けて射出され、測定対象Ｓｂに照射される。そして、測定対象Ｓｂからの反射光Ｌ３が反射ミラー２２において反射した参照光Ｌ２と合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段１４０によって検出される。この検出された干渉光Ｌ４が画像取得手段５０において周波数解析されることにより、測定対象Ｓｂの深さ方向の情報が得られる。

そして、例えばプローブ３０を回転させることにより、測定対象Ｓｂに対して測定光Ｌ１を１次元方向に走査させれば、この走査方向に沿った各部分において測定対象Ｓｂの深さ方向の情報が得られるので、この走査方向を含む断層面についての断層画像を取得することができる。なお、測定対象Ｓｂに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像をさらに取得することも可能である。

ここで、光路長の調整を行うために基台２３を矢印Ａ方向に移動させたとき（図２参照）、第１光学レンズ２１ａの焦点位置は光ファイバＦＢ３のコアから移動することがない。さらに、第２光学レンズ２１ｂの焦点位置は反射ミラー２２上から移動することがない。よって、光路長調整手段２０により光路長が調整された参照光Ｌ２が再び光ファイバＦＢ３に入射する際に、参照光Ｌ２の光量が減少することを防止でき、光路長調整の度に干渉光Ｌ４の強度が変化してしまうことによる画質の劣化を防止することができる。

干渉光検出手段１４０の光検出手段１４４においては、測定光Ｌ１のスペクトルに反射情報の関数をフーリエ変換したものを加えた干渉光Ｌ４が観測される。そこで、干渉光検出手段１４０において検出された干渉光Ｌ４を画像取得手段５０において周波数解析することにより深さ位置における反射情報を取得することができる。

この深さ位置における反射情報の取得について、さらに詳しく説明する。生体組織等の測定対象Ｓｂの反射情報をＲ（τ）とすると、光源からの波動Ｖ^（ｒ） _Ｔ（ｔ）に対する反射の波動は、

で表すことができる。したがって、干渉光波の自己相関は以下のようになる。

ここで、第４項は無視でき、第３項はｔ＋τ→ｔの置換を行うことにより、マイナス時間の積分となり、実際では０となる。したがって、

となる。式（４）を時間領域で考えると、光源自身の自己相関と測定対象Ｓｂの反射情報に光源自身の自己相関関数（コヒーレンス関数）を畳み込み積分した波形が観測されることになる。

また、スペクトル領域で考えると、式（４）をフーリエ変換の形式で標記して、

となる。なお、式（５）において、畳み込み積分のフーリエ変換は自明として省略している。これにより、図９（ａ）に示すような、光源２のスペクトルに反射情報の関数がフーリエ変換されたものが加えられたものを観測することができる。干渉光検出手段１４０において図９（ａ）のように検出された干渉光Ｌ４を、画像取得手段５０において周波数解析することにより、図９（ｂ）に示すような深さ位置ｚにおける反射情報を取得することができる。この周波数解析は、光検出手段１４４の出力に基づいて得られる図９（ａ）に示すような波形を示す干渉信号を例えばフーリエ変換することによってなされる。すなわち、そのフーリエ変換により、例えば図９（ｂ）に示すように深さ位置ｚ₀に反射界面が存在することを示す信号が得られる。

以上のように、スペクトル干渉を用いて断層画像を取得することにより、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との光路長を変更して測定深さ位置を変更するＯＣＴ装置に必要な機械的可動部が不要となり、断層画像の取得を高速に行うことができる。

次に、測定光Ｌ１のスペクトル形状の乱れや、スペクトル形状並びに強度の変動が有っても、安定して正確な断層画像が得られるようにした点について説明する。この測定光Ｌ１つまりは光Ｌのスペクトル形状が理想的なガウス形状となっている場合、図９（ｂ）に示す信号においては、深さ位置ｚ₀に反射界面が存在することを示す成分のみが出現する。しかし光源１１１自体にリップルが存在すると、それは図９（ａ）において光源のスペクトルに重畳している、反射情報の関数がフーリエ変換されたものと同様となるので、図９（ｂ）に示すフーリエ変換後の信号においては、それがサイドローブとして出現する。このサイドローブは、見かけ上は、上述したようにある深さ位置に反射界面が存在することを示す成分と同じとなるので、反射情報に対するノイズとなって、断層画像の画質を劣化させてしまう。

以下、この問題を解消する方法を定性的に考察する。前述の式（５）を見直し、スペクトル面上で取得される干渉信号を以下のように記述する。

Ｓi（ｋ）＝Ｓo（ｋ）｛１＋Ｒ（ｋ）｝ ・・・（６）
ここで、Ｓo（ｋ）は光源のスペクトルを示す信号成分、Ｒ（ｋ）は反射成分を意味する。したがって、先見情報として光源のスペクトルが既知であれば、以下の式（７）の演算を行うことで、測定光のスペクトル成分は除去して、反射成分だけを抽出した補償信号Ｒ（ｋ）を得ることができる。

Ｒ（ｋ）＝｛Ｓi（ｋ）／Ｓo（ｋ）｝−１ ・・・（７）
そこで、この補償信号Ｒ（ｋ）をガウス変換すれば、その変換後の信号は、スペクトル形状が理想的なガウス形状となっている測定光を用いた場合の干渉信号と同じようなものとなるので、それをフーリエ変換すれば、上記ノイズの出現を防止できることになる。

以上のことに基づいて図１の装置では、前述のようにして断層画像を取得する前に、予め光Ｌがそのまま干渉光検出手段１４０に導かれ、光検出手段１４４によってこの光Ｌのスペクトルが計測される。このスペクトルを示す信号Ｓoは、補償用データとして記憶手段７０に格納される。そして断層画像を取得する際に画像取得手段５０は、得られた信号Ｓi（ｋ）および、記憶手段７０から読み出したスペクトル信号Ｓo（ｋ）から式（７）の演算を行い、それにより得られた補償信号Ｒ（ｋ）をガウス変換し、その変換後の信号を前記フーリエ変換にかける。それにより、測定光Ｌ１のスペクトル形状がガウス形状から外れていたり、あるいはスペクトル形状並びに強度の変動が有っても、上記ノイズの出現を防止して、安定して正確な断層画像が得られるようになる。なお、以上の説明から明らかなように、画像取得手段５０は本発明における演算手段を構成している。

以下図３〜８を参照して、上述の効果を具体的に説明する。なおこの図３〜８においては、上記信号Ｓo（ｋ）、Ｓi（ｋ）をそれぞれ簡略化してＳ0、Ｓ1と示してあり、以下ではこの表記を用いる。まずスペクトル信号Ｓ0が、例えば図３（Ａ）に示すようなものである場合、それを用いて深さ方向情報を得たときの前記フーリエ変換後の信号（これを以下「ＦＴ信号」という）は、一例として同図（Ｂ）に示すようなものとなる。なおこの例は、測定対象Ｓｂの表面から深さ方向２００μｍ近辺の位置に反射界面が有る場合のものであり、ＦＴ信号はその位置に対応する信号成分（図中Ｓで表示）を有する。またその成分の両側に、あたかも反射界面の存在を示すような成分が見られるが、それらは、測定光Ｌ１のスペクトル形状がガウス形状から外れていることに起因するノイズ（図中Ｎで表示）である。この例において、上記信号成分Ｓの強度は相対値で０．４８、ノイズＮの強度は相対値でそれぞれ０．０９５と０．０８であり、信号成分Ｓに対するノイズＮの強度比は２０％、１７％となる。

それに対して、スペクトル信号Ｓ0が同じく図３（Ａ）に示すようなものである場合、前述のガウス変換も行って深さ方向情報を得たときのＦＴ信号は、一例として同図（Ｃ）に示すようなものとなる。なおこのときの測定対象Ｓｂは、上述の場合と同じものである。この場合もＦＴ信号においては、反射界面による信号成分Ｓの両側にノイズＮが発生するが、それらの強度はそれぞれ０．０２と０．０１５である。このときの信号成分Ｓに対するノイズＮの強度比は４．２％、３．１％であり、上記ガウス変換を行わない場合の２０％、１７％から大幅に低減している。

以下、上に説明した例において得られる各信号の波形を、図４〜８により説明する。まず干渉信号Ｓ1は図４（Ａ）に示すように、ガウス形状から外れているスペクトル信号Ｓ0に干渉成分が重畳した形のものとなり、ＦＴ信号は同図（Ｂ）に示すようなものとなる。なお同図（Ｂ）は、図３の（Ｃ）と対応している。また、前述の補償信号Ｒ（ｋ）つまりＳ1／Ｓ0−１は、図５（Ａ）に示すようなものとなり、それをフーリエ変換した場合のＦＴ信号は同図（Ｂ）に示すようなものとなる。

図５（Ａ）に示される通り補償信号Ｓ1／Ｓ0−１には、スペクトル信号Ｓ0の微弱部分で除算することに起因するノイズ（波形の左右両端部の大きな振幅部分）が生じている。上述した例では行っていないが、仮にこの補償信号Ｓ1／Ｓ0−１をそのまま前記ガウス変換にかけると、図７（Ａ）に示すような波形の信号が得られる。そしてそれをフーリエ変換した場合のＦＴ信号は同図（Ｂ）に示すようなものとなる。

上述した例では、補償信号Ｓ1／Ｓ0−１をそのままガウス変換にかけることはしないで、図５（Ａ）に示されるノイズを除去して、一旦図６（Ａ）に示すような補正信号を得ている。そして、この補正信号をガウス変換にかけることにより、図８（Ａ）に示す信号が得られる。この信号は、あたかも理想的なガウス形状のスペクトル信号に干渉成分が重畳したような形となっている。そこで、この信号をフーリエ変換した場合のＦＴ信号は同図（Ｂ）に示すようなものとなる。つまりこの図８（Ｂ）が、図３の（Ｃ）に対応している。なお、図６（Ａ）に示す補正信号をフーリエ変換した場合のＦＴ信号は、同図（Ｂ）に示すようなものとなる。

図７（Ａ）の信号波形と図８（Ａ）の信号波形とを比較すると明らかなように、前者においては、スペクトル信号Ｓ0の微弱部分で除算することに起因するノイズが残っている。したがって、より正確な断層画像を形成するためには、上述した図５（Ａ）に示されるノイズを除去して、一旦図６（Ａ）に示すような補正信号を得てから、それをガウス変換することが好ましい。

ただし、図４（Ｂ）と図７（Ｂ）とを比較すれば明らかであるが、上記ノイズの除去を行わなくても、ガウス変換により疑似信号発生抑制の効果は得られるので、必要に応じてこのノイズ除去を行えばよい。また、図５（Ａ）に示されるノイズを除去して、一旦図６（Ａ）に示すような補正信号を得てからそれをガウス変換する代わりに、図７（Ａ）に示すガウス変換後の信号からノイズ成分を除去しても、同様の効果を得ることができる。

なお、記憶手段７０に格納しておくスペクトル信号Ｓ0は、基本的には一度測定しておけばよいものであって、例えば光断層画像化装置１を作製する際に光ファイバＦＢ１を干渉光検出手段１４０に接続したり、あるいは光分割手段３に接続している光ファイバＦＢ２あるいはＦＢ３を干渉光検出手段１４０に接続することによって測定することができる。

しかし、測定光Ｌ１のスペクトル形状や強度が経時変化することが懸念される場合は、光断層画像化装置１が実使用されるようになってからスペクトル信号Ｓ0の計測を随時行って、記憶手段７０に格納するスペクトル信号Ｓ0を適宜更新することが望ましい。そのような更新は、例えば実使用において光断層画像化装置１を立ち上げる際に毎回行う、あるいは１週間や１月等の所定期間が経過したら行う、等の形態で実施すればよい。また、スペクトル信号Ｓ0の計測を随時行ったとき、その計測結果が、その時点で記憶手段７０に格納されているスペクトル信号Ｓ0と所定の変動幅内に収まっている際には、上記更新を行わないようにしてもよい。

また、前述の補償信号Ｓ1／Ｓ0−１を求めてそれをガウス変換する処理は、断層画像を取得する際に毎回必ず行うようにしてもよいし、スペクトル信号Ｓ0の計測を随時行うようにし、計測されたスペクトル信号Ｓ0のガウス形状からの乱れが所定幅に収まっている場合は、このガウス変換処理を行わないようにしてもよい。

次に、図１０を参照して本発明の第２の実施形態による光断層画像化装置について説明する。本実施形態の光断層画像化装置１００はＳＳ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得するものであって、具体的に図１の光断層画像化装置１と異なる点は、光源ユニットおよび干渉光検出手段の構成である。なお、同図において図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。

本装置における光源ユニット１０は、周波数を一定の周期で掃引させながらレーザ光Ｌを射出するものである。具体的に該光源ユニット１０は、半導体光増幅器（半導体利得媒質）１１と光ファイバＦＢ１０とを有しており、光ファイバＦＢ１０が半導体光増幅器１１の両端に接続された構造を有している。半導体光増幅器１１は駆動電流の注入により微弱な放出光を光ファイバＦＢ１０の一端側に射出するとともに、光ファイバＦＢ１０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。そして、半導体光増幅器１１に駆動電流が供給されたとき、半導体光増幅器１１および光ファイバＦＢ１０により形成される光共振器によりパルス状のレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１へ射出されるようになっている。

さらに、光ファイバＦＢ１０には光分岐器１２が結合されており、光ファイバＦＢ１０内を導波する光の一部が光分岐器１２から光ファイバＦＢ１１側へ射出されるようになっている。光ファイバＦＢ１１から射出した光はコリメータレンズ１３、回折格子素子１４、光学系１５を介して回転多面鏡（ポリゴンミラー）１６において反射される。そして反射された光は光学系１５、回折格子素子１４、コリメータレンズ１３を介して再び光ファイバＦＢ１１に入射される。

ここで、この回転多面鏡１６は矢印Ｒ１方向に回転するものであって、各反射面の角度が光学系１５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１４において分光された光のうち、特定の周波数域からなる光だけが再び光ファイバＦＢ１１に戻るようになる。この光ファイバＦＢ１１に戻る光の周波数は光学系１５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ＦＢ１１に入射した特定の周波数域からなる光が光分岐器１２から光ファイバＦＢ１０に入射され、結果として特定の周波数域からなるレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１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１６が矢印Ｒ１方向に等速で回転したとき、再び光ファイバＦＢ１１に入射される光の波長λは図１１に示すように、時間ｔの経過に伴って一定の周期で変化することになる。こうして光源ユニット１０からは、波長掃引されたレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１側に射出される。

干渉光検出手段４０は、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。そして、画像取得手段５０は、干渉光検出手段４０により検出された干渉光Ｌ４を周波数解析することにより、測定対象Ｓｂの各深さ位置における反射光Ｌ３の強度を検出し、測定対象Ｓｂの断層画像を取得する。そして、この取得された断層画像が表示装置６０に表示される。なお図１０の実施形態においては、光ファイバＦＢ１の光ファイバカプラ２から分岐したレーザ光Ｌの光強度を検出する検出器４０ａと、干渉光Ｌ４の光強度を検出する検出器４０ｂとを設け、干渉光検出手段４０が検出器４０ａからの出力に基づいて干渉光Ｌ４の光強度のバランスを調整する機能を有している。

ここで、干渉光検出手段４０および画像取得手段５０における干渉光Ｌ４の検出および画像の生成について簡単に説明する。なお、この点の詳細については「武田 光夫、「光周波数走査スペクトル干渉顕微鏡」、光技術コンタクト、２００３、Ｖｏｌ４１、Ｎｏ７、ｐ４２６−ｐ４３２」に詳しい記載がなされている。

測定光Ｌ１が測定対象Ｓｂに照射されたとき、測定対象Ｓｂの各深さからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とがいろいろな光路長差をもって干渉しあう際の各光路長差ｌに対する干渉縞の光強度をＳ（ｌ）とすると、干渉光検出手段４０において検出される光強度Ｉ（ｋ）は、
Ｉ（ｋ）＝∫_０ ^∞Ｓ（ｌ）［１＋ｃｏｓ（ｋｌ）］ｄｌ ・・・（８）
で表される。ここで、ｋは波数、ｌは光路長差である。式（８）は波数ｋ＝ω／ｃを変数とする光周波数領域のインターフェログラムとして与えられていると考えることができる。このため、画像取得手段５０において、干渉光検出手段４０が検出したスペクトル干渉縞をフーリエ変換にかけて周波数解析を行い、干渉光Ｌ４の光強度Ｓ（ｌ）を決定することにより、測定対象Ｓｂの測定開始位置からの距離情報と反射強度情報とを取得し、断層画像を生成することができる。

以上の通りにして断層画像を生成する本実施形態の光断層画像化装置１００においても、断層画像の取得前に予めレーザ光Ｌのスペクトルを計測し、その計測で得たスペクトル信号Ｓ0を記憶手段７０に記憶しておき、断層画像取得時にこのスペクトル信号Ｓ0を読み出してから前述の補償信号Ｓ1／Ｓ0−１を求め、そしてこの補償信号Ｓ1／Ｓ0−１をガウス変換した後の信号について周波数解析を行うようにすれば、第１の実施形態におけるのと同様に、測定光Ｌ１のスペクトル形状の乱れや、スペクトル形状並びに強度の変動が有っても、安定して正確な断層画像が得られるようになる。

なお、上記補償信号Ｓ1／Ｓ0−１を求める際のＳ1／Ｓ0の演算は、同じ波数に関する信号Ｓ1とＳ0との間で行わなければならない。そのために本実施形態においては、前記光ファイバカプラ２に接続した光ファイバＦＢ２０に波数トリガー発生部８０が接続されている。この波数トリガー発生部８０は、光ファイバＦＢ２０から出射したレーザ光Ｌを平行光化するコリメータレンズ８１と、平行光となったレーザ光Ｌの光路に挿入されたファブリペローエタロン８２と、このファブリペローエタロン８２を通過したレーザ光Ｌを受光する信号発生器８３とから構成されている。

上述したようにレーザ光Ｌのスペクトルを計測する際、および断層画像を取得する際には、光ファイバＦＢ２０を導波したレーザ光Ｌが信号発生器８３に受光される。このとき信号発生器８３に到達するレーザ光Ｌは、その掃引されている波長（つまり波数）に応じて、ファブリペローエタロン８２の特性から定まる特定波長間隔毎に強度が周期的に変動するものとなる。そこで信号発生器８３において、強度変動するレーザ光Ｌが例えばピーク強度を取る毎にトリガー信号ＴＳを発生させれば、時間経過に伴って順次発生するこのトリガー信号ＴＳは、発生順がレーザ光Ｌの波数と対応したものとなる。

そこで、画像取得手段５０において上記演算のための信号Ｓ1、Ｓ0を求める際に、トリガー信号ＴＳが入力される毎にそれぞれ信号Ｓ1、Ｓ0をサンプリングし、サンプリング順が同じ信号Ｓ1、Ｓ0どうしの間でＳ1／Ｓ0の演算を行うようにすれば、同じ波数に関する信号Ｓ1とＳ0との間でＳ1／Ｓ0の演算がなされるようになる。

なお、上記補償信号Ｓ1／Ｓ0−１に含まれるノイズ（図５（Ａ）参照）を除去する補正処理を行い、それで得た補正信号をガウス変換するか、あるいは補償信号Ｓ1／Ｓ0−１をガウス変換した後の信号からノイズ成分を除去すれば、より正確な断層画像を取得可能である点も、第１実施形態におけるのと同様である。

本発明の第１実施形態による光断層画像化装置を示す概略構成図 図１の光断層画像化装置の一部を示す側面図 図１の装置において得られるスペクトル信号の波形例（Ａ）と、フーリエ変換信号の波形例（Ｂ）、（Ｃ）を示すグラフ 図１の装置において得られる干渉信号の波形例（Ａ）と、それをフーリエ変換した信号の波形例（Ｂ）を示すグラフ 図１の装置において得られる干渉信号から測定光のスペクトル成分を除去した補償信号の波形例（Ａ）と、それをフーリエ変換した信号の波形例（Ｂ）を示すグラフ 図５（Ａ）に示す補償信号からノイズ成分を除去した補正信号の波形例（Ａ）と、それをフーリエ変換した信号の波形例（Ｂ）を示すグラフ 図５（Ａ）に示す補償信号をガウス変換した信号の波形例（Ａ）と、それをフーリエ変換した信号の波形例（Ｂ）を示すグラフ 図６（Ａ）に示す補正信号をガウス変換した信号の波形例（Ａ）と、それをフーリエ変換した信号の波形例（Ｂ）を示すグラフ 図１の装置において得られる干渉信号の波形（Ａ）と、それをフーリエ変換して得られる信号の波形（Ｂ）を示すグラフ 本発明の第２実施形態による光断層画像化装置を示す概略構成図 図１０の装置において用いられる測定光の波長掃引の様子を示すグラフ

符号の説明

１、１００ 光断層画像化装置
３ 光分割手段
４ 合波手段
１０、１１０ 光源ユニット
２０ 光路長調整手段
３０ プローブ
４０、１４０ 干渉光検出手段
５０ 画像取得手段
６０ 表示装置
７０ 記憶手段
Ｌ 光
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
Ｓｂ 測定対象

Claims (7)

1. 光源から射出された光を測定光と参照光とに分割し、
   前記測定光を測定対象に照射し、該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波し、
   合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出し、
   この検出された干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の複数の深さ位置における反射光の強度を検出し、
   これらの各深さ位置における前記反射光の強度に基づいて測定対象の断層画像を取得する光断層画像化方法において、
   前記測定光のスペクトル成分を計測し、
   前記干渉光を検出して得た干渉信号から前記測定光のスペクトル成分を除去した補償信号を得、
   この補償信号をガウス変換してから、前記反射光の強度検出に供することを特徴とする光断層画像化方法。
2. 前記干渉信号が示す干渉スペクトルをＳi（ｋ）、前記測定光のスペクトルをＳo（ｋ）としたとき、前記補償信号をＲ（ｋ）＝｛Ｓi（ｋ）／Ｓo（ｋ）｝−１ として求めることを特徴とする請求項１記載の光断層画像化方法。
3. 前記補償信号に含まれる、除算に起因するノイズ成分を除去してから、前記ガウス変換を行う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方法。
4. 前記ガウス変換後の信号に含まれる、除算に起因するノイズ成分を除去してから、前記反射光の強度検出を行う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方法。
5. 光を射出する光源と、
   この光源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、
   前記測定光を測定対象に照射したときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波する合波手段と、
   合波された前記反射光と前記参照光との干渉光を検出する干渉光検出手段と、
   この検出された干渉光の周波数および強度に基づいて、前記測定対象の複数の深さ位置における反射光の強度を検出し、これらの各深さ位置における反射光の強度に基づいて測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えてなる光断層画像化装置において、
   前記測定光のスペクトル成分を計測する手段と、
   この計測されたスペクトル成分を記憶しておく記憶手段と、
   前記干渉光を検出して得た干渉信号から、前記記憶手段に記憶されている測定光のスペクトル成分を除去した補償信号を生成し、この補償信号をガウス変換してから、前記反射光の強度検出に使用させる演算手段とが設けられたことを特徴とする光断層画像化装置。
6. 前記光源として低コヒーレント光を射出する光源が用いられ、
   前記画像取得手段として、前記ガウス変換後の信号をフーリエ変換する手段を含むものが用いられて、
   ＳＤ−ＯＣＴ（Spectral Domain OCT）装置として構成されていることを特徴とする請求項５記載の光断層画像化装置。
7. 前記光源として、波長を掃引したレーザ光を射出する光源が用いられ、
   前記画像取得手段として、前記ガウス変換後の信号の光周波数領域のインターフェログラムを求める手段を含むものが用いられて、
   ＳＳ−ＯＣＴ（Swept Source OCT）装置として構成されていることを特徴とする請求項５記載の光断層画像化装置。
   
   

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