JP2011089887A

JP2011089887A - 光断層画像表示システム

Info

Publication number: JP2011089887A
Application number: JP2009243634A
Authority: JP
Inventors: Keiji Isamoto; 圭史諫本
Original assignee: Suntech Co
Current assignee: Suntech Co
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2011-05-06

Abstract

【課題】高い分解能を維持しつつ高速で断面画像を得ることができる光断層画像表示システムを提供すること。
【解決手段】光源１１は所定の波長範囲で多数のスペクトルから成り、夫々が異なった周波数ｆ₁〜ｆ_nで変調された光を出力する。この光源１１からの光を被検出体１６に入射すると共に、光干渉計により干渉させる。得られた干渉光をフォトダイオード１８で光電変換し、光源１１の変調周波数に相当する通過帯域を有するバンドパスフィルタ１９−１〜１９−ｎを介して電気信号の状態で分離し、分離した信号を夫々Ａ／Ｄ変換器２０−１〜２０−ｎによりＡ／Ｄ変換する。これによって高速で高分解能を有する断層画像を得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は高速で断面画像を得ることができる光干渉断層画像表示システムに関する。

近年内視鏡治療などの医療技術の進歩に伴って、病理組織の診断を非深襲かつリアルタイムに行う診断方法が望まれている。従来例えばＣＣＤを用いた電子内視鏡や、ＣＴ、ＭＲＩ、超音波による画像化が診断方法として用いられている。電子内視鏡は生体の表面の観察に限定され、また後者の画像診断システムはミクロンオーダーの分解能で観察するには技術的な限界があった。このような方法を補完する技術として、光コヒーレンストモグラフィーシステム（ＯＣＴ）が注目されている。

ＯＣＴの中には、時間領域ＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）とフーリエドメインＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）の２種類があり、またＦＤ−ＯＣＴの中にもスペクトラルドメインタイプ（ＳＤ−ＯＣＴ）と波長走査型光源タイプ（ＳＳ−ＯＣＴ）の２つがある。時間領域ＯＣＴの場合には深さ方向の走査のために、干渉計のリファレンスミラーを走査距離分だけ移動させる必要があり、高速走査をする上で非常に課題が大きかった。また方式上フーリエドメインと比較するとＳ／Ｎが悪く必要な信号光だけを感度良く検出できなかった。

波長走査型光源を用いたＳＳ−ＯＣＴは測定感度も高く、動的ノイズに強いという点で内視鏡などの実使用に好適である。この技術は物体内部からの信号の周波数分析から極めて高分解能の断層画像を構築することができるため、高度なシステムとして期待されている。特許文献１には波長走査型ＯＣＴの例が示されている。ＳＳ−ＯＣＴは図１に示すように、光源１０１より狭帯域で波長を連続的に変化させた光を出力してハーフミラー１０２を介して参照ミラー１０３と被検出体１０４に光を照射し、ハーフミラー１０３からの参照光と被検出体１０４内の異なる深さから戻ってくる反射光とを干渉計で干渉させる。干渉信号を光電変換器１０５で電気信号に変換し、Ａ／Ｄ変換器１０５でＡ／Ｄ変換した後、信号処理部１０７で周波数成分を分析することによって、断層画像を得るシステムである。ここで照射する光の波長走査の帯域が広いほど周波数分析の帯域が上がるので、深さ方向の分解能が上がる。

又非特許文献１にはＳＤ−ＯＣＴが示されている。ＳＤ−ＯＣＴでは図２に示すように広帯域の光源１１１を用い、光源１１１からの光を出力してハーフミラー１１２を介して参照ミラー１１３と被検出体１１４に光を照射し、ハーフミラー１１３からの参照光と被検出体１１４内の異なる深さから戻ってくる反射光とを干渉計で干渉させ、その干渉信号を分光素子１１５に入射する。分光素子１１５は干渉光をその波長に応じて空間的に分光するもので、分光した光を受光する位置にＣＣＤ等のフォトディレクタアレイ１１６を設ける。そしてフォトディレクタアレイ１１６からの出力を信号処理部１１７に与え、各波長の光から被検出体内の断層画像を得るシステムである。

特開２００７−２７８８６８号公報

A. Fercher, C. Hitzenberger, G. Kamp, and S. El-Zaiat, "Measurement of intraocular distances by backscattering spectral interferometry," Opt. Commun. 117, 43？48 (1995).

ＯＣＴでは画像を短時間で得ることが求められている。特に走査速度を高速化すると撮像時間を短縮することができ、患者への負担が少ない医療機器を実現したり、動体を観察することができる。しかしＳＳ−ＯＣＴの場合には、高速化すると電気信号をＡ／Ｄ変換する際の処理速度が限界に達する。これは波長を掃引しながら干渉光の波長依存性を測定することに起因している。一般的にＳＳ−ＯＣＴでは１回の波長掃引の間に２０００〜３０００点のサンプリング数が必要であり、走査速度を３０ＫＨｚとすると、３０ｋ×３ｋ＝９０Ｍ／secのサンプリングレートが必要となる。更に高速化するため光源の走査速度を１００ｋＨｚとすると、２７０Ｍ／secサンプリングが必要となる。しかし一般的なＡ／Ｄ変換ボードの動作速度は高々１６０ＭＨｚ程度であり、１００ＫＨｚのスキャニングに対して十分な変換速度のＡ／Ｄ変換ボードを実現することが難しいという欠点があった。

一方ＳＤ−ＯＣＴでは波長掃引による制限はないため高速化に適している。しかしＳＤ−ＯＣＴは分光素子１１５で波長成分毎に光を空間的に分散させる必要がある。そのため分解能に限界があり、高分解能の画像を得ることが難しいという欠点があった。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであって、高い空間分解能を維持しつつ高速で断面画像を得ることができる光断層画像表示システムを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の光断層画像表示システムは、ｎ本の隣接した波長スペクトルを有し、夫々のスペクトルｍ₁〜ｍ_n毎に互いに異なる周波数ｆ₁〜ｆ_nで強度変調がなされた光を発振する光源と、前記光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、照射光を被検出物体に導き、物体からの反射光と前記参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、前記受光素子より得られる信号が入力され、前記光源の強度変調周波数ｆ₁〜ｆ_nに相当する周波数ｆ₁〜ｆ_nの成分を夫々分離する複数のバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタから夫々得られるｎ個の出力から成る干渉信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を形成する信号処理部と、を具備するものである。

ここで前記バンドパスフィルタは、周波数ｆ₁〜ｆ_nのうち夫々異なった複数の周波数を含む範囲を周波数選択範囲とする複数のチューナブルフィルタとしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、多数のスペクトルを有する光源を被測定体に向けて照射しているため、ＳＳ−ＯＣＴのように高速のＡ／Ｄ変換器を用いる必要がなく、高速で被測定体の異なった深さからの断面画像を得ることができる。又ＳＤ−ＯＣＴのように光を分光する必要がなく、高い空間分解能を維持しつつ高速で断面画像を得ることができる。

図１は従来のＳＳ−ＯＣＴの構成を示す概略図である。図２は従来のＳＤ−ＯＣＴの構成を示す概略図である。図３は本発明の第１の実施の形態による光断層画像表示システムを示す構成図である。図４は本実施の形態に用いる光源の一例を示す図である。図５は本実施の形態に用いる光源の動作を示す波形図である。図６は本実施の形態の光断層画像表示システムの各部の波形を示す波形図である。図７は本実施の形態の光断層画像表示システムの各部の波形を示す波形図である。図８は本発明の第２の実施の形態による光断層画像表示システムの全体構成を示す図である。

図３は本発明の第１の実施の形態による光断層画像表示システムの全体構成を示すブロック図である。本図において光源１１は広い波長範囲で離散的に多数の縦モードが立って発振する光源を用いる。光源の波長範囲は例えば１００ｎｍとし、断層画像の深さ方向の分解能に応じて互いに隣接したｎ本のスペクトル数を持つものとする。ここで縦モードをｍ₁〜ｍ_mとし、本実施の形態ではｎは例えば２０００とする。モード間隔は例えば０．０５ｎｍ程度であり、ＳＳ−ＯＣＴのサンプリングの波長間隔とほぼ同等とする。この光源１１のｎ本のスペクトルの光は、夫々のスペクトル毎に互いに異なる変調周波数ｆ_i（ｉ＝１〜ｎ）で強度変調されているものとする。

次に光源１１から出射される光の光軸上にハーフミラー１２を４５°傾けて配置する。ハーフミラー１２はその光の一部を反射し一部を透過するものである。ハーフミラー１２で反射される光の光軸に垂直に参照ミラー１３が配置される。光源１１からハーフミラー１２を透過した光軸上には、光をスキャニングするスキャニングミラー１４が設けられる。スキャニングミラー１４は紙面に垂直な軸を中心にして一定範囲で回動することによって、平行光の反射角度を変化させるものである。集束レンズ１５はこの反射光を受光する位置に配置し、測定部位へ光を集束すると共に水平方向にスキャニング（走査）する。そして集束レンズ１５の集束位置に、検出対象となる被検出体１６を配置し、被検出体１６からの反射光をそのままハーフミラー１２に入射する。ここでハーフミラー１２から参照ミラー１３までの光学距離Ｌ１と、ハーフミラー１２から測定部位の表面までの光学距離Ｌ２とを等しくしておく。ここでハーフミラー１２、参照ミラー１３、スキャニングミラー１４、集束レンズ１５、コリメートレンズ１７は干渉光学計を構成している。

さてハーフミラー１２の光を受光する位置にレンズ１７を介してフォトダイオード１８を接続する。フォトダイオード１８は、参照ミラー１３からの反射光と測定部位で反射された光の干渉光を受光することによって、そのビート信号を電気信号として得る受光素子である。フォトダイオード１５の出力端には図示のように多数のフィルタ（Ｆ）１９−１〜１９−ｎが並列的に接続されている。フィルタ１９−１〜１９−ｎは光源１１の変調周波数ｆ_i（ｉ＝１〜ｎ）に夫々対応する透過波長を有するバンドパスフィルタである。このバンドパスフィルタを透過した信号は夫々Ａ／Ｄ変換器２０―１〜２０−ｎに与えられる。各Ａ／Ｄ変換器は夫々のフィルタからの出力をデジタル値に変換するものであって、その出力は信号処理部２１に与えられる。信号処理部２１は各Ａ／Ｄ変換器からの出力をマルチプレクサ（ＭＰＸ）２２を介してフーリエ変換器２３に与える。フーリエ変換器２３はこれらの出力をフーリエ変換するものである。ＣＰＵ２４はフーリエ変換の結果に基づき物体の断層画像を生成し、モニタ２５に出力するものである。

次に本実施の形態に用いる光源１１について詳細に説明する。図４は光源１１の一例を示す概略図である。本図に示すように光源１１にはゲイン媒体３１が設けられ、ゲイン媒体３１を中心としてミラー部３２ａ，３２ｂを互いに対向させることにより、外部共振器長をＬｃとする外部共振器型のレーザ光源が構成されている。そしてこのレーザ光源からの光をカップラ３３により分岐して光ファイバ３４及び３５に与える。光ファイバ３４は所定の長さのファイバであって、その他端はカップラ３６に接続されている。又光ファイバ３５の一端はコリメートレンズ３７に入射され、コリメートレンズ３７より平行光として外部に出射される。ここでコリメートレンズ３７の光の光軸上には、光軸に垂直にミラー３８を設ける。駆動部３９はミラー３８を光軸に垂直に所定の速度ｖで駆動するものである。ミラー３８で反射された光はコリメートレンズ３７を介して光ファイバ４０に入射される。カップラ３６は光ファイバ３４と光ファイバ４０からの光を合成して出力するものである。

次にこの光源１１の動作について説明する。ゲイン媒体３１とミラー部３１ａ，３１ｂにより構成されるレーザ光源は、前述した外部共振器長Ｌｃを十分長くすることにより、図５（ａ）に示すようにｍ₁〜ｍ_nの多数のスペクトルが立つ。この光は光ファイバ３４を介して図５（ｂ）に示すようにカップラ３６にそのまま加えられる。一方光ファイバ３５に入射した光は、コリメートレンズ３７に入射し、コリメートレンズ３７を出射した光はミラー３８によって反射されて再びコリメートレンズ３７に加わり、更に光ファイバ４０を介してカップラ３６に加わる。ここでミラー３８を光軸に垂直に所定の速度ｖで駆動することにより、図５（ｃ）に示すようにドップラ効果によって夫々破線で示すスペクトルから実線で示すスペクトルへと各スペクトルｍ₁からｍ_nまで互いに異なる周波数分だけシフトする。そのためカップラ３６でこれらの光を合成することによって、図５（ｄ）に示すように光の強度変調周波数が夫々異なった多数のスペクトルを有する光信号が得られることとなる。

次に、この光源１１を用いた光断層画像表示システムの動作について説明する。動作原理は従来のＳＤ−ＯＣＴとほぼ同様である。即ち図６（ａ）に示すように光源１１から多数のスペクトルを有する光をハーフミラー１２、スキャニングミラー１４を介して対象物体１６に照射する。又光源１１からの光をハーフミラー１２を介して参照ミラー１３に入射し、干渉光学計を用いて物体内部、あるいは生体表皮下層で反射した後方散乱光と参照光とを干渉させる。干渉光のスペクトルは例えば図６（ｂ）に示すものとなる。この干渉光を光電変換することにより、図７（ａ）に示す信号が得られる。この信号には多数のスペクトル成分が重畳されており、フィルタ１９−１〜１９−ｎによって光源１１の各スペクトルの変調周波数で分離する。こうすれば結果的に光の波長毎に分離することができ、夫々の成分ｍ₁〜ｍ_nは例えば図７（ｂ）に示すものとなる。夫々の出力を波長毎にＡ／Ｄ変換し、波長毎の干渉強度を波数（＝２π／波長）に対してフーリエ変換器２３でフーリエ変換して、被検出体に照射された測定光が後方散乱された深さ方向の位置とその後方散乱光の強度を算出する。そしてスキャニングミラー１４で被検出体に対して所定方向にスキャニングし、多数の測定位置で後方散乱光を測定し、その結果に基づいて断層画像を生成し、モニタ２５に出力するようにしている。更に物体上で２次元に光空間ビームを走査することによって３次元の断層画像を構築することができる。この場合には光源１１は波長走査する必要はなく、Ａ／Ｄ変換器も１波長走査の間に高速でＡ／Ｄ変換をする必要がなくなる。又分解能はあらかじめスペクトルの本数で決まっており、スペクトル本数を適宜選択することによって高分解能で高速の断面画像を得ることができる。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態において前述した第１の実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態ではフォトダイオード１８からの出力をチューナブルフィルタ５１−１〜５１−ｑに出力する。チューナブルフィルタ５１−１〜５１−ｑは夫々Ａ／Ｄ変換器５２−１〜５２−ｑに接続されている。チューナブルフィルタ５１−１は複数の固定バンドパスフィルタ１９−１〜１９−ｋ（１＜ｋ＜ｑ）に相当するものであり、これらのバンドパスフィルタの通過周波数ｆ₁〜ｆ_kを含む周波数範囲をスキャニングしつつその周波数成分を抽出するものである。他のチューナブルフィルタについても固定のバンドパスフィルタの複数分をカバーする可変範囲を有するバンドパスフィルタとする。チューナブルフィルタ５１−１〜５１−ｑは全体で全ての変調周波数ｆ_i（ｉ＝１〜ｎ）をカバーしている。又各Ａ／Ｄ変換器はチューナブルフィルタが固定フィルタの通過周波数帯域に一致した時点でＡ／Ｄ変換を行うことによって、その強度変調周波数に応じたデジタル値を出力するものとする。その他の構成は同一である。この場合には前述した第１の実施の形態に比べてフィルタ及びＡ／Ｄ変換器の数を大幅に減少することができる。但し１つのチューナブルフィルタとＡ／Ｄ変換器とすれば、高速のチューナブルフィルタやＡ／Ｄ変換器が必要となるため、従来例と同一の問題点が生じる。従ってチューナブルフィルタ及びＡ／Ｄ変換器は複数用いる必要がある。

尚ここで説明した光源は一例であって、一定の波長帯域を有し、互いに異なる周波数で強度変調された多数のスペクトルを有する光源であれば同様の効果が得られる。

本発明は高い空間分解能を維持しつつ高速で断層画像を得ることができ、光断層画像表示システムに有用であり、動画像の生成にも有用である。

１１光源
１２ハーフミラー
１３参照ミラー
１４スキャニングミラー
１５集束レンズ
１６被検出体
１７レンズ
１８フォトダイオード
１９−１〜１９−ｎフィルタ
２０−１〜２０−ｎ，５２−１〜５２−ｑＡ／Ｄ変換器
２１信号処理部
２２マルチプレクサ
２３フーリエ変換器
２４ＣＰＵ
２５モニタ
３１ゲイン媒体
３２ａ，３２ｂミラー部
３３，３６カップラ
３４，３５，４０光ファイバ
３７コリメートレンズ
３８ミラー
３９駆動部
５１−１〜５１−ｑチューナブルフィルタ

Claims

ｎ本の隣接した波長スペクトルを有し、夫々のスペクトルｍ₁〜ｍ_n毎に互いに異なる周波数ｆ₁〜ｆ_nで強度変調がなされた光を発振する光源と、
前記光源からの光を参照光と物体への照射光とに分岐し、照射光を被検出物体に導き、物体からの反射光と前記参照光との干渉光を発生する干渉光学計と、
前記干渉光学計より得られる干渉光を受光し、ビート信号を得る受光素子と、
前記受光素子より得られる信号が入力され、前記光源の強度変調周波数ｆ₁〜ｆ_nに相当する周波数ｆ₁〜ｆ_nの成分を夫々分離する複数のバンドパスフィルタと、
前記バンドパスフィルタから夫々得られるｎ個の出力から成る干渉信号をフーリエ変換することにより、前記物体の断層画像を形成する信号処理部と、を具備する光断層画像表示システム。
前記バンドパスフィルタは、周波数ｆ₁〜ｆ_nのうち夫々異なった複数の周波数を含む範囲を周波数選択範囲とする複数のチューナブルフィルタである請求項１記載の光断層画像表示システム。