JP2007267927A - 光断層画像化方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光断層画像化方法および装置において、測定対象で生じる分散の影響を抑制する。
【解決手段】光源ユニット１０から射出された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割し、測定光Ｌ１を生物学的な測定対象Ｓに照射し、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とを合波し、合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を検出し、検出された干渉光Ｌ４から測定対象Ｓの断層画像を取得する光断層画像化方法において、参照光Ｌ２の光路に水分含有量が７０質量％以上の媒質２７を配置して、測定対象Ｓで生じる分散の影響を抑制する。
【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、生体組織の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。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、該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と参照光とを合波し、該反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて断層画像を取得する。

上記のような光断層画像取得装置では、参照光の光路長を変更することにより、測定対象に対する深さ方向の位置（以下、深さ位置という）を変更し断層画像を取得するＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用した装置がある。

また、近年では、上述した参照光の光路長を変更することなく高速に断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測を利用したＳＤ−ＯＣＴ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後、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を干渉させ、こ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変換することにより、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波長を掃引させて反射光と参照光とを各波長において干渉させ、一連の波長に対する干渉スペクトルをフーリエ変換することにより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。

ところで、上記のような光断層画像化装置においては、信号光側光路（測定光および反射光の光路）と、参照光側光路との分散の差によって、干渉波形（干渉光の波形）が広がることが知られている。干渉波形が広がると、Ｓ／Ｎ比が低下し、断層画像の画質が劣化してしまう。特許文献１には、信号光側光路と参照光側光路それぞれで用いられる導波用光ファイバの長さの差による分散の差を補償するように分散補償ユニットを設けることが記載されている。また、非特許文献１には、計算により分散補償を試みた例が記載されている。
特表２０００−５０３２３７号公報 Optics Communications 204 67 (2002)

しかしながら、生体を測定対象として、その深部からの反射光を用いて断層画像を得る場合には、生体内部の生体組織や体液等を通過する過程で分散が生じ、これによる信号光側光路と参照光側光路との分散の差により断層画像の画質が劣化する。分散による影響は、コヒーレンス長が短いほど顕著であることが知られており、生体を測定対象とした測定では、コヒーレンス長が短い光、すなわち、低コヒーレント光を用いるため、分散による影響は大きいものとなる。

生体は水分含有量が高く、例えば人体の約７０％は水であると言われている。図８は、水の分散の影響を示す図であり、干渉装置において、信号光側光路と参照光側光路で分散の差がほぼ無い理想的な状態から、信号光側光路と参照光側光路の一方に水を配置し、水厚を変化させたときの干渉波形の広がりを示す図である。図８の横軸は水厚であり、縦軸は、水厚が０のとき、すなわち分散の差がないときの干渉波形の半値幅を基準値として、その基準値に対する相対値（計算値）を用いている。

なお、干渉波形の半値幅は、深さ方向（光軸方向）の測定位置の確定精度を示すものであることから、実質的なコヒーレンス長に相当する。図８は中心波長が１１００ｎｍ、基準値がコヒーレンス長２．０μｍに相当する例について示す。図８に示す例に光断層画像化装置を適用して深さ０〜２ｍｍまでの画像を取得すると考えると、水厚１ｍｍで干渉波形の半値幅の相対値が１．３であるから、深さ方向の半分以上の領域で１．３倍以上の干渉波形の劣化が起こり、最大で２倍近い劣化が起こることになる。

一方、分散を補償するには、基本的には異種の材質ではできず、同一材質あるいは分散を生じる物質と同等の分散特性をもつ材質でなければできない。そのため、生体のような水分含有量が高い測定対象で生じる分散を、通常の分散補償に使用されるプリズム等の光学部材で補償することはできない。

図９は、異種の材質で分散補償を試みた例を示す図である。図９の菱形のプロットは、信号光側光路と参照光側光路のうちの一方に配置された顕微鏡用カバーガラス２枚（合計の厚み０．２７ｍｍ）で生じる分散を、他方の光路に配置された石英ガラスで補償すべく、石英ガラスの厚みを変化させたときの干渉波形の半値幅（測定値）を示すものである。なお、図９の縦軸は、干渉波形の半値幅をコヒーレンス長に換算した値を用いている。

図９の一点鎖線は、比較のために、信号光側光路と参照光側光路で分散の差が無い理想的な状態での干渉波形の半値幅（コヒーレンス長換算で１．２４μｍ）を示すものである。図９に示すように、石英ガラスの厚みを変化させても、理想的な状態と同じ値になることはなく、これにより、同じガラス同士であっても、カバーガラスで生じた分散を材質の異なる石英ガラスで補償することはできないことがわかる。

すなわち、特許文献１に記載されているような、光ファイバの長さの差による分散の影響に対しては、この光ファイバと同一材料または同等の分散特性をもつ光学材料を光路に挿入することによりほぼ完全に補償できるが、生体等の測定対象で生じる分散を補償するには、通常の光学材料を用いても補償することはできず、測定対象と同一材質あるいは同等の分散特性をもつ物質を用いなければならない。しかしながら、測定対象は測定ごとに異なり、また、測定対象の生体と同一材質の物質を用意することは困難である。

非特許文献１に記載された例では、分散がないものの干渉波形の半値幅が１．０３μｍ、０．１４４ｍｍ厚のカバーガラスを挿入したときの干渉波形の半値幅が３．２３μｍであったものが、分散補償用の計算の結果、それぞれ１．２μｍ、１．３２μｍとなっている。しかし、カバーガラスを挿入したものに対する補償も十分でなく３０％程度の劣化が残存している上、分散がないものに対しても劣化が生じた結果となり、満足のいくものではない。さらに、この計算は均質媒質を想定したものであり、実際の測定対象は必ずしも均質ではなく、その場合にはさらなる劣化が予想される。この計算は特殊な技法が要求されるものでもあり、以上の点を考慮すると、非特許文献１に記載の方法は好ましいものとはいえない。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、測定対象で発生する分散の影響を抑制可能な光断層画像化方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の光断層画像化方法は、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し、前記測定光を生物学的な測定対象に照射し、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、検出された前記干渉光から前記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、前記参照光の光路に水分含有量が７０質量％以上の媒質を配置して、前記測定対象で生じる分散の影響を抑制することを特徴とするものである。

本発明の光断層画像化装置は、光を射出する光源ユニットと、前記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、前記測定光が生物学的な測定対象に照射され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、前記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検出する干渉光検出手段と、前記干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像化装置において、前記参照光の光路に、前記測定対象で生じる分散の影響を抑制するための水分含有量が７０質量％以上の媒質を配置したことを特徴とするものである。

なお、「生物学的な測定対象」とは、生物（本明細書においては生きた状態にあるものだけでなく、死んだ状態にあるものも含む）として分類されるもの、人間を含む動物もしくは植物の体全部もしくは一部であり、医学的な測定対象も当然含まれ、例としては、生体、人体、内蔵、組織等が挙げられる。

なお、「媒質」とは、所定の透過率で前記参照光を透過させる物質である。

上記光断層画像化方法および装置において、前記媒質が、水、生理食塩水、生体水、人工生体水のいずれかであってもよい。

なお、「生体水」とは、測定対象が人間および動物を対象とする場合には体液であり、例えば、血液、脳内液、骨髄液、腸液、胃液、羊水、細胞内液等である。また、「人工生体水」とは、医療現場等で使用される、人工的に作られた上記生体水に近似の成分を有する液体であり、例えば、人工血液、人工腸液、人工胃液、人工羊水等である。

ここで、上記光断層画像化装置において、前記媒質内における前記参照光の光路長が可変であるように構成されていることが好ましい。その際に、前記媒質は変形自在な容器に収容され、該容器の一部には前記参照光のための光学窓が配設されるよう構成してもよい。

なお、「変形自在な容器」としては、可撓性の容器でもよく、あるいは、伸縮自在な容器でもよく、変形自在な部位は必ずしも容器全体でなく一部だけでもよく、上記光路長が可変となるように変形自在であればよい。また、「光学窓」としては、参照光に対してほぼ透明な平行平板を用いることができる。

また、前記測定光および前記反射光を導波する光学系で生じる分散と、前記参照光を導波する光学系および前記光学窓で生じる分散との差を補償する分散補償手段が設けられていてもよい。

なお、「導波する光学系」としては、例えば、光ファイバや、光導波路、バルク光学系等が考えられる。

さらに、前記測定光または前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、前記光路長調整手段の光路長の調整と連動して、前記測定対象で生じる分散の影響を抑制するように、前記媒質内における前記参照光の光路長を変更する制御手段とが設けられていてもよい。

なお、上記の本発明の断層画像化装置は、前記光源ユニットが、波長を一定の周期で掃引したレーザ光を射出するものであり、前記画像取得手段が、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の断層画像を取得するＳＳ−ＯＣＴ計測を利用した装置として構成してもよい。

または、上記の本発明の断層画像化装置は、前記光源ユニットが、低コヒーレント光を射出するものであり、前記画像取得手段が、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ計測を利用した装置として構成してもよい。

生体等の生物学的な測定対象は、水分含有量が高く、例えば人体の約７０％は水であると言われている。このような測定対象で生じる分散を全くの異種材料であるプリズム等の光学材料で補償することはできないが、本発明の光断層画像化方法および装置では、上記測定対象と近似した構成の水分含有量が７０質量％以上の媒質を用いているため、測定光側光路の測定対象内部で生じる分散と、参照光側光路の上記媒質で生じる分散との差を小さくすることができ、測定対象内部で生じる分散の影響を抑制することができる。そして、従来発生していた干渉波形の広がりやＳ／Ｎ比の低下を抑制し、断層画像の画質の劣化を抑制することができる。

前記媒質が、水または生理食塩水であれば、容易に入手可能であり、低コストで分散の影響を抑制することができる。前記媒質が生体水または人工生体水であれば、測定対象に近似した成分をもつため、測定対象で発生する分散の影響をより良好に抑制することが期待できる。

前記媒質内における前記参照光の光路長が可変であるように構成されていれば、測定する深さに応じて光路長を変更でき、測定対象で発生する分散の影響をより良好に抑制することができる。また、光路長を選択することにより、測定範囲全体で良好に分散の影響を抑制する、あるいは所定深さ位置について重点的に分散の影響を抑制する等の選択が可能であり、所望の条件に応じて測定することができる。

その際に、前記媒質は変形自在な容器に収容されていれば、容器の変形により媒質内における参照光の光路長を容易に変更可能であり、簡易な構成で光路長変更を実現できる。容器の一部には前記参照光のための光学窓が配設されていれば、参照光が容器を通過する前後の光軸の傾きを防止することができる。

また、前記測定光および前記反射光を導波する光学系で生じる分散と、前記参照光を導波する光学系および前記光学窓で生じる分散との差を補償する分散補償手段が設けられていれば、導波する光学系だけでなく、光学窓も含めて、信号光側光路で生じる分散と、参照光側光路で生じる分散の差を補償することができ、良好な断層画像を得ることができる。

さらに、前記測定光または前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、前記光路長調整手段の光路長の調整と連動して、前記測定対象で生じる分散の影響を抑制するように、前記媒質内における前記参照光の光路長を変更する制御手段とが設けられていれば、光路長調整手段の光路長の調整量に応じて媒質内における参照光の光路長を自動的に変更することができ、利用者の負担を軽減して、測定対象Ｓで発生する分散の影響を容易に抑制することができる。

ここで、前記光源ユニットが、波長を一定の周期で掃引したレーザ光を射出するものであり、前記画像取得手段が、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の光断層画像を取得するものであれば、ＳＳ−ＯＣＴ計測を利用した装置とすることができ、参照光の光路長を変更することなく高速に光断層画像を取得することができる。

また、前記光源ユニットが、低コヒーレント光を射出するものであり、前記画像取得手段が、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の光断層画像を取得するものであれば、ＳＤ−ＯＣＴ計測を利用した装置とすることができ、参照光の光路長を変更することなく高速に光断層画像を取得することができる。

以下、図面を参照して本発明の光断層画像化方法および装置の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態による光断層画像化装置の構成を示す図である。光断層画像化装置１００は、例えば体腔内の生体組織や細胞等の生物学的な測定対象Ｓの断層画像をＳＳ−ＯＣＴ計測により取得するものである。光断層画像化装置１００は、光Ｌを射出する光源ユニット１０と、光源ユニット１０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の光路において、光路長および分散を調整する光路長・分散調整手段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Ｓまで導波するプローブ３０と、プローブ３０から測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたときの測定対象からの反射光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４０と、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Ｓの断層画像を取得する画像取得手段５０とを有している。

本装置における光源ユニット１０は、波長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ＦＢ０へ射出されるようになっている。

さらに、光ファイバＦＢ１０にはサーキュレータ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サーキュレータ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、回折光学素子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、回折光学素子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、回折光学素子１４において分光された光のうち、特定の波長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に戻る光の波長は光学系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に入射した特定の波長域からなる光がサーキュレータ１２から光ファイバＦＢ１０に入射され、結果として特定の波長域からなるレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ０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２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ＦＢ０側に射出され、そのレーザ光Ｌはさらに光ファイバカプラ２を経由して光ファイバＦＢ１側に射出される。

光分割手段３は、たとえば２×２の光ファイバカプラから構成されており、光源ユニット１０から光ファイバＦＢ１を介して導波された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割する。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により導波され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３により導波される。なお、本実施形態における光分割手段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へ導波される。プローブ３０は、たと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ＯＣにより光ファイバＦＢ２に対し着脱可能に取り付けられている。

光プローブ３０は、先端が閉じられた円筒状のプローブ外筒３２と、このプローブ外筒３２の内部空間に、該外筒３２の軸方向に延びる状態に配設された１本の光ファイバ３３と、光ファイバ３３の先端から射出した光Ｌ１をプローブ外筒３２の周方向に偏向させるプリズムミラー３４と、光ファイバ３３の先端から射出した光Ｌ１を、プローブ外筒３２の周外方に配された被走査体としての測定対象Ｓにおいて収束するように集光するロッドレンズ３５と、プリズムミラー３４を光ファイバ３３の軸を回転軸として回転させるモータ３６とを備えている。

一方、光ファイバＦＢ３における参照光Ｌ２の射出側には光路長・分散調整手段２０が配置されている。光路長・分散調整手段２０は、光路長調整手段２１と、分散抑制手段２５と、分散補償手段２６を有している。

光路長調整手段２１は、測定対象Ｓに対する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。

また、光路長調整手段２１は、第２光学レンズ２１ｂと反射ミラー２２とを固定した可動ステージ２３と、該可動ステージ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。そして可動ステージ２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変更するよう構成されている。

光路長調整手段２１の第１光学レンズ２１ａと第２光学レンズ２１ｂとの間には、測定対象Ｓで生じる分散の影響を抑制するための分散抑制手段２５と、測定光Ｌ１および反射光Ｌ３を導波する光学系で生じる分散と、参照光Ｌ２を導波する光学系および分散抑制手段２５が有する光学窓２９ａ、２９ｂで生じる分散との差を補償する分散補償手段２６が設けられている。

分散抑制手段２５は、図３に示すように、内部に媒質２７を収容した袋体２８からなり、その側面の一部の２カ所には参照光Ｌ２が透過するための光学窓２９ａ、２９ｂが設けられている。媒質２７は、測定対象Ｓと同等もしくは近似の分散特性をもつものが好ましく、本実施形態では、測定対象Ｓが生物学的ものであるため、その水分含有量の高さに注目して水分含有量が７０質量％以上の媒質２７を用いている。なお、媒質２７としては、具体的には水や生理食塩水を用いてもよく、あるいは測定対象Ｓに近似の成分をもつ生体水や人工生体水等を用いてもよい。

袋体２８の材質としては例えば樹脂を用いることができ、光学窓２９ａ、２９ｂの材質としては例えば石英ガラスを用いることができる。光学窓２９ａ、２９ｂは、参照光Ｌ２に対してほぼ透明な材質の平行平板からなり、その平面が参照光Ｌ２の進行方向に略垂直になるよう互いに対向配置されている。この構成により、参照光Ｌ２が分散抑制手段２５の通過する前後でその光軸が傾くことはない。

光学窓２９ａと光学窓２９ｂの間隔は不図示の制御手段により連続的に変更可能なように構成されており、これにより袋体２８内部の媒質２７の光路長が連続的に変更可能とない、測定対象Ｓを測定する深さに応じて調整することができる。図３（Ａ）は光路長が長い状態、図３（Ｂ）は光路長が短い状態を示す。

なお、光学窓２９ａと光学窓２９ｂの間隔を０にすることも可能であり、このときには媒質２７内の光路長が０となり、分散抑制を行わない基準状態となる。上記光路長の変更は、光学窓２９ａと光学窓２９ｂの両方を移動させてもよく、あるいは一方のみを移動させてもよい。例えば１軸方向に移動可能な微動ステージ等を用いて一方の光学窓を移動させることにより実現可能であり、１軸のみの単純操作で効果的に分散抑制をすることができる。

袋体２８は変形自在であり、上記光路長の連続的な変更に伴い、大きな抵抗無く変形可能である。また、所定範囲で光路長が変化しても光学窓２９ａと光学窓２９ｂの間は常に媒質２７で満たされるように、参照光Ｌ２が透過する領域の容積に対して、該領域以外の容積が十分大きなものとなるよう袋体２８および媒質２７は構成されている。上記構成を有する分散抑制手段２５は、複雑な部品や機構を必要とせず、簡易に構成可能であり、加工性が高く、コスト的に優れている。

なお、測定対象Ｓと分散抑制手段２５の媒質２７とは全く同じ材質ではないため、深さ方向の測定全範囲について測定対象Ｓで生じる分散を完全に補償することはできない。しかし、図８によれば、水厚に対する干渉波形の半値幅の比、すなわちコヒーレンス長の比は多次関数の傾向を示すため、分散の影響が強い水厚の厚い領域、すなわち、深い領域に合わせて媒質２７の光路長を調節することにより、大きな抑制効果が期待できる。

例えば、図８に示す例に光断層画像化装置を適用して深さ０〜２ｍｍまでの画像を取得する場合を考えると、中間の深さである１ｍｍに合わせて媒質２７の光路長を調節することにより、分散の差が０のときの干渉波形の半値幅を基準値として、約８０％の領域で基準値に対する相対値を１．２以下にすることができ、最悪でも相対値が１．３になるようにすることができる。

また、所定深さの点を補償対象として、これに合わせて媒質２７の光路長を調節すれば、その所定深さ以外の点については分散は残存するものの、その深さの点については分散補償を行うことが可能である。例えば、測定対象Ｓの一部に病変部が含まれ、その部分について高解像度の画像を取得したい場合には有効である。

分散補償手段２６は、図４に示すように、２枚の平行平板２６ａ、２６ｂを逆方向に同角度だけ傾けて、光軸に垂直な面に対して互いに鏡面対称となるように配置されたものである。なお、平行平板２６ａ、２６ｂの材質は、分散補償のためには、参照光側および信号光側光路の導波光学系および上記光学窓２９ａ、２９ｂと同じ材質が好ましく、本実施形態の光断層画像化装置１００では、参照光を導波する光ファイバＦＢ３と、信号光側の光ファイバＦＢ２および光ファイバ３３に石英ファイバを用い、光学窓２９ａ、２９ｂに石英を用いているため、平行平板２６ａ、２６ｂの材質にもこれらと同材質の石英を用いている。

平行平板２６ａ、２６ｂは、不図示の制御手段により、鏡面対称関係を保ったまま傾斜角を変更可能なように構成されており、傾斜角の変更により平行平板２６ａ、２６ｂを通過する光の光路長が変更される。また、平行平板２６ａ、２６ｂの傾き角は等しく方向が逆なため、平行平板２６ａに入射した光と、該光が平行平板２６ａ、２６ｂを通過して平行平板２６ｂを射出した光との光軸は、平行平板２６ａ、２６ｂの傾き角の大きさによらず、等しいものとなる。

以上説明した光路長・分散調整手段２０において、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、分散抑制手段２５、分散補償手段２６を通過し、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、分散補償手段２６、分散抑制手段２５を通過し、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。上述したように、分散抑制手段２５および分散補償手段２６の通過の前後で光軸の傾きがないよう構成されているため、第１光学レンズ２１ａを射出した光は分散抑制手段２５、分散補償手段２６を経由して往復した後、再び第１光学レンズ２１ａに戻ることができる。

合波手段４は、前述のとおり２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段２０により光路長が変更された参照光Ｌ２と測定対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波しこれらの干渉光Ｌ４を導波手段である光ファイバＦＢ４を介して干渉光検出手段４０側に射出するように構成されている。

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。上記干渉光検出手段４０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なる画像取得手段５０に接続され、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。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をフーリエ変換することにより測定対象Ｓ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Ｓ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により表示される。なお、本例の装置においては、干渉光Ｌ４を光分割手段３で二分した光を光検出器４０ａと４０ｂに導き、演算手段４１においてバランス検波を行う機構を有している。

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Ｓに照射されたとき、測定対象Ｓ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 ・・・（１）
で表される。ここで、ｋは波数、ｌは光路長差である。式（１）は波数ｋ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が検出した干渉光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Ｓの各深さ位置における反射情報を取得し、断層画像を生成することができる。そして、生成された断層画像は、表示装置６０において表示される。

次に、上記構成を有する光断層画像化装置１００の動作例について説明する。まず、測定対象Ｓの測定を始める前に、分散抑制手段２５の光学窓２９ａ、２９ｂの間隔を０にし、分散補償手段２６の平行平板２６ａ、２６ｂを回転することにより、測定対象Ｓおよび媒質２７を光路に含まない状態で、信号光側光路で生じる分散と参照光側光路で生じる分散の差をなくすように分散補償を行う。次に、光路長調整手段２１の可動ステージ２３が矢印Ａ方向に移動することにより、測定可能領域内に測定対象Ｓが位置するように光路長の調整を行う。その後、光源ユニット１０から光Ｌが射出され、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により体腔内に導波され測定対象Ｓに照射される。

このとき、分散抑制手段２５において、測定対象Ｓを測定する深さに応じて、光学窓２９ａ、２９ｂの間隔を変更して媒質２７内における参照光Ｌ２の光路長を調節することにより、測定対象Ｓで発生する分散の影響を抑制する。

そして、測定対象Ｓ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と合波手段４により合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉光検出手段４０により検出される。この検出された干渉光Ｌ４の信号が画像取得手段５０において周波数解析されることにより断層画像が取得される。このように、ＳＳ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得する光断層画像化装置１００においては、干渉光Ｌ４の周波数および光強度に基づいて各深さ位置における画像情報を取得するようになっており、反射ミラー２２の矢印Ａ方向の移動は測定対象の深さ方向について断層画像信号を得る位置の調整に用いられる。

なお、プローブ３０を回転させて、測定対象Ｓ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Ｓ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。また、測定対象Ｓ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。

以上説明した光断層画像化装置１００によれば、測定対象Ｓで発生する分散の影響を分散抑制手段２５により抑制することができ、従来、測定対象Ｓで生じていた分散に起因する干渉波形の広がりやＳ／Ｎ比の低下を抑制でき、断層画像の画質の劣化を抑制することができる。また、光断層画像化装置１００では、参照光を導波する光ファイバＦＢ３と、測定光および反射光を導波する光ファイバＦＢ２および光ファイバ３３だけでなく、光学窓２９ａ、２９ｂで生じる分散も考慮して、分散補償手段２６で分散補償するようにしているため、より良好に分散補償が行われ、良好な画像が取得できる。

次に、上記第１の実施形態の変形例による光断層画像化装置１１０について図５を参照して説明する。なお、変形例である光断層画像化装置１１０は、第１の実施形態の光断層画像化装置１００の光路長・分散調整手段２０に代わり、該光路長・分散調整手段２０に制御手段１２５を追加した構成の光路長・分散調整手段１２０を用いた点のみ異なる。よって、図５の光断層画像化装置１１０において図１の光断層画像化装置１００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。

制御手段１２５は、光路長調整手段２１の光路長の調整と連動して、測定対象Ｓで生じる分散の影響を抑制するように、媒質２７内における参照光Ｌ２の光路長を自動的に変更するものである。光路長調整手段２１の可動ステージ２３の移動量から測定対象Ｓにおいて断層画像の取得を開始する深さ方向の位置がわかり、また、一括で測定可能な深さ方向の測定範囲も既知なため、これらに応じて媒質２７内における参照光Ｌ２の光路長を予め設定しておくことができる。実際の測定においては、ミラー移動手段２４から制御手段１２５へ移動量を送信し、制御手段１２５がこの移動量に応じて光学窓の一方を移動させて媒質２７内における光路長を変更する。

以上説明した本変形例によれば、自動的に媒質２７内における光路長が変更されるため、利用者の負担を軽減でき、測定対象Ｓで発生する分散の影響を容易に抑制することができる。

次に、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図６を参照して説明する。なお、第２の実施形態である光断層画像化装置２００は、いわゆるＳＤ−ＯＣＴ計測を行うことにより断層画像を取得するＳＤ−ＯＣＴ装置であって、図１の光断層画像化装置１００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。図６の光断層画像化装置２００において図１の光断層画像化装置１００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。

光断層画像化装置２００が有する光源ユニット２１０は、たとえばＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅ）やＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）等の低コヒーレンス光を射出する光源２１１と、光源２１１から射出された光を光ファイバＦＢ１内に入射するための光学系２１２とを有している。なお、光源２１１としては、測定対象Ｓ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、たと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。

一方、干渉光検出手段２４０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、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２４２と、分光手段２４２により分光された各波長帯域の干渉光Ｌ４毎に設けられた光検出手段２４４とを有している。この分光手段２４２はたとえば回折光学素子等により構成されており、光ファイバＦＢ４からコリメータレンズ２４１を介して入射される干渉光Ｌ４を分光し、光検出手段２４４側に射出するようになっている。

また、光検出手段２４４は、たとえば１次元もしくは２次元にＣＣＤ等の複数の光センサを配列した構造を有し、各光センサが光学レンズ２４３を介して入射される干渉光Ｌ４を波長帯域毎にそれぞれ検出するようになっている。ここで、干渉光検出手段２４０において、光源ユニット２１０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。そして、干渉光検出手段２４０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、測定対象Ｓの各深さ位置における反射情報を取得し、断層画像を生成する。生成された断層画像は、表示装置６０において表示される。

以上説明した第２の実施形態の光断層画像化装置２００も、第１の実施形態の光断層画像化装置１００と同様に、分散抑制手段２５および分散補償手段２６を有するため、光断層画像化装置２００においても、光断層画像化装置１００と同様の効果が得られ、良好な画質の断層画像を取得することができる。

次に、本発明の第３の実施形態による光断層画像化装置について図７を参照して説明する。なお、第３の実施形態である光断層画像化装置３００は、いわゆるＴＤ−ＯＣＴ計測を行うことにより断層画像を取得するＴＤ−ＯＣＴ装置であって、図６の光断層画像化装置２００と基本的に異なる点は、干渉光検出手段と光路長調整手段の機能である。図７の光断層画像化装置３００において図１の光断層画像化装置１００および図６の光断層画像化装置２００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。

光断層画像化装置３００の光路長・分散調整手段３２０は、光断層画像化装置１００の光路長・分散調整手段２０と同様に、光路長調整手段３２１と、分散抑制手段２５と、分散補償手段２６を有する。分散抑制手段２５および分散補償手段２６は、第１の実施形態の光断層画像化装置１００と全く同じ構成、機能を有し、分散抑制および分散補償を行うものである。

一方、本実施形態の光路長調整手段３２１は、第１の実施形態の光路長調整手段２１と同様の構成を有するが、測定対象Ｓ内の測定位置を深さ方向に変化させるために、参照光Ｌ２の光路長を変える機能を有している。さらに、光断層画像化装置３００では、参照光Ｌ２の光路中（光ファイバＦＢ３）に位相変調器３２７が配置されており、参照光Ｌ２に対しわずかな周波数シフトを与える機能を有している。これらの光路長調整手段２０および位相変調器３２７により参照光Ｌ２の光路長の変更および周波数シフトがなされるようになっている。

また、光断層画像化装置３００の干渉光検出手段３４０は、たとえばヘテロダイン検波により干渉光Ｌ４の光強度を検出するようになっている。具体的には、測定光Ｌ１の全光路長と反射光Ｌ３の全光路長との合計が、参照光Ｌ２の全光路長と等しいときに、参照光Ｌ２と反射光Ｌ３との差周波数で強弱を繰り返すビート信号が発生する。光路長調整手段２０により光路長が変更されていくにつれて、測定対象Ｓの測定位置（深さ）が変わっていき、干渉光検出手段３４０は各測定位置における複数のビート信号を検出するようになっている。なお、測定位置の情報は光路長調整手段３２０から画像取得手段５０へ出力される。そして、干渉光検出手段３４０により検出されたビート信号と、ミラー移動手段２４における測定位置の情報とに基づいて光断層画像が生成される。生成された光断層画像は、表示装置６０において表示される。

以上説明した第３の実施形態の光断層画像化装置３００も、第１の実施形態の光断層画像化装置１００と同様に、分散抑制手段２５および分散補償手段２６を有するため、光断層画像化装置３００においても、光断層画像化装置１００と同様の効果が得られ、良好な画質の断層画像を取得することができる。

なお、分散抑制手段の構成は上記例に限定されるものではなく、種々の構成のものが採用可能である。例えば、媒質を収容する容器は、媒質内における参照光の光路長が可変にできるものであればよく、上記袋体以外の構成も採用可能である。また、分散補償手段も上記構成に限定されず、回折光学素子等を用いた構成も採用可能である。

なお、図５に例示した変形例の制御手段を有する構成は、図６、図７に例示したＳＤ−ＯＣＴ装置、ＴＤ−ＯＣＴ装置にも適用可能である。

本発明の第１の実施形態による光断層画像化装置の概略構成図 図１の光断層画像化装置における波長掃引の様子を示す図 分散抑制手段を説明するための図 分散補償手段を説明するための図 本発明の変形例による光断層画像化装置の概略構成図 本発明の第２の実施形態による光断層画像化装置の概略構成図 本発明の第３の実施形態による光断層画像化装置の概略構成図 水の分散の影響を表す図 異種材料による分散補償を表す図

符号の説明

２ 光ファイバカプラ
３ 光分割手段
４ 合波手段
１０、２１０ 光源ユニット
１１ 半導体光増幅器
１２ サーキュレータ
１４ 回折光学素子
１６ 回転多面鏡
２０、１２０、３２０ 光路長・分散調整手段
２１ 光路長調整手段
２１ａ 第１光学レンズ
２１ｂ 第２光学レンズ
２２ 反射ミラー
２３ 可動ステージ
２４ ミラー移動手段
２５ 分散抑制手段
２６ 分散補償手段
２６ａ、２６ｂ 平行平板
２７ 媒質
２８ 袋体
２９ａ、２９ｂ 光学窓
３０ プローブ
４０ 干渉光検出手段
４０ａ、４０ｂ 光検出器
４１ 演算手段
５０ 画像取得手段
６０ 表示装置
１００、１１０、２００、３００ 光断層画像化装置
１２５ 制御手段
ＦＢ０、ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３、ＦＢ４、ＦＢ１０、ＦＢ１１ 光ファイバ
Ｌ 光
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
ＯＣ 光コネクタ
Ｓ 測定対象

Claims (9)

1. 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し、
   前記測定光を生物学的な測定対象に照射し、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、
   検出された前記干渉光から前記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、
   前記参照光の光路に水分含有量が７０質量％以上の媒質を配置して、前記測定対象で生じる分散の影響を抑制することを特徴とする光断層画像化方法。
2. 光を射出する光源ユニットと、
   前記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、
   前記測定光が生物学的な測定対象に照射され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、
   前記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検出する干渉光検出手段と、
   前記干渉光検出手段により検出された前記干渉光から前記測定対象の断層画像を取得する画像取得手段とを備えた光断層画像化装置において、
   前記参照光の光路に、前記測定対象で生じる分散の影響を抑制するための水分含有量が７０質量％以上の媒質を配置したことを特徴とする光断層画像化装置。
3. 前記媒質が、水、生理食塩水、生体水、人工生体水のいずれか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。
4. 前記媒質内における前記参照光の光路長が可変であるように構成されていることを特徴とする請求項２または３記載の光断層画像化装置。
5. 前記媒質は変形自在な容器に収容され、該容器の一部には前記参照光のための光学窓が配設されていることを特徴とする請求項４記載の光断層画像化装置。
6. 前記測定光および前記反射光を導波する光学系で生じる分散と、前記参照光を導波する光学系および前記光学窓で生じる分散との差を補償する分散補償手段が設けら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. 前記測定光または前記参照光の光路長を調整する光路長調整手段と、
   前記光路長調整手段の光路長の調整と連動して、前記測定対象で生じる分散の影響を抑制するように、前記媒質内における前記参照光の光路長を変更する制御手段とが設けられていることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項記載の光断層画像化装置。
8. 前記光源ユニットが、波長を一定の周期で掃引したレーザ光を射出するものであり、
   前記画像取得手段が、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の光断層画像を取得するものであることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項記載の光断層画像化装置。
9. 前記光源ユニットが、低コヒーレント光を射出するものであり、
   前記画像取得手段が、前記干渉光を周波数解析することにより前記測定対象の光断層画像を取得するものであることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項記載の光断層画像化装置。

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