JP2012088249A

JP2012088249A - 光干渉断層撮像装置、光干渉断層撮像方法、およびプログラム

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Publication number: JP2012088249A
Application number: JP2010236848A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Kurosaka; 亮治黒坂
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP5675268B2; US20120099076A1; US8696124B2

Abstract

【課題】ＯＣＴにおいて、広帯域の光の広い波長帯域に渡って、分散補償を行うのは困難である。
【解決手段】光源から照射された光を参照光と測定光とに分割し、測定光を被測定検体に照射し、当該被測定検体で反射された戻り光と参照光とを干渉させ、被測定検体の断層像を撮像する光干渉断層撮像装置であって、参照光を、波長帯域ごとに複数の参照光に分割する参照光分割部と、複数の参照光のそれぞれを分散補償する分散補償部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉断層撮像装置、光干渉断層撮像方法、およびプログラムに関し、特に、光干渉断層法を用いて、眼底や皮膚などの断層を撮像する光干渉断層撮像装置、光干渉断層撮像方法、およびプログラムに関する。

近年、低コヒーレンス光による光干渉技術を用いた光干渉断層撮像装置(Optical Coherence Tomography、以下「ＯＣＴ」とも称する)が実用化されている。ＯＣＴは医療分野、特に眼科領域において有用な装置である。眼底網膜部の断層像を得ることが可能であり、眼底部の疾患の診断に必要不可欠な装置になりつつある。

ここでＯＣＴの原理について簡単に説明する。まず低コヒーレンス光を参照光と測定光とに分ける。測定光を被測定検体に入射し、断層撮像対象領域からの反射戻り光と参照光とを干渉させることで被測定検体の断層像を取得することが可能となる。ＯＣＴにはＴＤ(Time Domain)方式とＦＤ(Fourier Domain)方式との２つの方式がある。ＦＤ−ＯＣＴは、得られた干渉信号を波数に関してフーリエ変換することにより断層像を取得する方法である。ＴＤ方式に比べて高速に断層像を取得することが可能であるため、現在ではこちらの方式が主流になっている。

断層像を取得する上で、断層像の画質を良くするため分解能を向上させる試みが近年なされている。ＯＣＴにおける分解能は、測定光の光軸方向の分解能である縦分解能および光軸方向に垂直な方向の分解能である横分解能とに分けられる。縦方向の分解能はＯＣＴを用いた眼底断層測定においては層構造の識別に重要であり、層の厚みは眼疾患の判断において非常に重要である。

縦方向分解能はＯＣＴにおいて、主に測定に用いる光の性能によって決定される。光の波長スペクトルがガウス分布であるとき、縦分解能は以下の式で表される。

ここでlcはコヒーレンス関数の半値幅として表される縦分解能、λ₀は光の中心波長、Δλは光の波長幅を表す。式（１）は、波長スペクトルがガウス分布であることを仮定している。ガウス分布でないスペクトルを有する光を用いた時の縦分解能は式（１）よりも劣化するが、中心波長λ₀と光の波長幅Δλにおいて同様の変化を示すため一般性を失うことはない。式（１）より、縦分解能を向上させるためには、
（ａ）光の中心波長λ₀を短くする
（ｂ）光の波長幅Δλを広げる
の２点で実現されることが分かる。眼科用のＯＣＴにおいては赤外の波長帯域(８５０ｎｍ近傍)が使用される。可視光における網膜での光吸収や硝子体での水による吸収により、短波長側に制限がある。従って眼科用ＯＣＴで使用される波長帯域には短波長側に制限があるため、中心波長λ₀を短くして縦分解能を向上させることは難しい。また眼底部に測定光を到達させるために、眼底部の手前にある硝子体による吸収損失を避ける必要があるため長波長側にも制限がある。従って縦分解能の向上は、上記制限を考慮しつつ（ｂ）光の波長幅Δλを広げることによって実現される。実際、近年広帯域な低コヒーレンス光が実用化されつつあるため、（ｂ）によって縦分解能の向上および臨床価値の検討が行われてきている（例えば、非特許文献１参照）。ここで、分散補償について説明する。ＯＣＴにおいて、参照光路と測定光路との分散特性をあわせる必要がある。この分散特性を合わせることを分散補償と言う。図４では、分散補償をした時としていない時とのそれぞれの、ＯＣＴによる深さ方向の強度プロファイルを示す概略図である。点線は分散補償が出来ていない時のプロファイルであり、実線は分散補償が出来ている時のプロファイルを簡略に示している。図４では、分散補償が充分でないと、深さ方向の分解能を示すコヒーレンス関数の強度が低下し、半値幅が広がってしまい、縦分解能が劣化してしまうことが示されている。

特許文献１では、ＯＣＴの分散補償において、分散補償に水を用いることが開示されている。参照光路側に水分含有量７０％以上の媒質が充填された容器が置かれている。この媒質により、測定対象で生じる分散の影響を抑制できることを特徴としている。

また特許文献２では、ＯＣＴにおいて、互いに異なる波長帯域を有する複数の光源を有し、測定光ごとに参照光路を分割することが開示されている。複数の波長帯域を用いることで一度に異なる深さ領域の断層像を取得することが可能である。

特開２００７−２６７９２７号公報特開２００６−１６２３６６号公報

「Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation」, OPTICS EXPRESS Vol.12, No. 11, 31 May 2004, PP2404-2422

ＯＣＴにおいて広帯域な光を用いて縦分解能を向上させるためには、使用する波長帯域に渡って、分散補償を行うことが重要である。被測定物の分散特性が波長毎に異なるため、波長帯域が広くなると分散補償が難しくなり、縦分解能の向上を妨げる恐れがあるという課題がある。

非特許文献１では、広帯域な光を用いたＯＣＴにおいて複数のガラス材により分散補償が行われている。水とガラスの材質は長波長領域（９００ｎｍ〜９５０ｎｍ程度の波長帯域）で分散特性が大きく異なるため、広帯域に渡って水の分散補償を行うのは難しいという課題がある。

特許文献１では、ＯＣＴにおいて測定対象に合わせた分散補償が水により行われている。しかしながら、水による分散補償では、温度依存性や品質の面などで定常的な使用に問題が生じる可能性があるという課題がある。

また、特許文献２では、複数の波長帯域を用いることで一度に異なる深さ領域の断層像を取得することが可能であるが、測定対象の断層像興味領域まで分散性の物質がないため、分散補償に関しては、全く考慮されていないという課題がある。

上記の課題に鑑み、本発明は、広帯域な光の分散特性に応じた分散補償を実現することを目的とする。

上記の目的を達成する本発明に係る光干渉断層撮像装置は、
光源から照射された光を参照光と測定光とに分割し、前記測定光を被測定検体に照射し、当該被測定検体で反射された戻り光と前記参照光とを干渉させ、前記被測定検体の断層像を撮像する光干渉断層撮像装置であって、
前記参照光を、波長帯域ごとに複数の参照光に分割する参照光分割手段と、
前記複数の参照光のそれぞれを分散補償する分散補償手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、広帯域な光の分散特性に応じた分散補償を実現することができる。

第１実施形態に係る光干渉断層撮像装置の説明図。第２実施形態に係る光干渉断層撮像装置の説明図。平均的な眼軸長に相当する厚みを有する水の分散補償に必要となる、ガラスの厚みの波長依存性の一例を示すグラフ。ＯＣＴにおける分散補償の有無による強度プロファイルを比較するグラフ。第１実施形態に係るコヒーレンスゲートのずれが生じている状態の正反射ミラーの断層像を示す図。第１実施形態に係る参照光路波長分割を示す図。ダイクロイックミラーの透過率波長特性を示す図。第２実施形態に係る波長分割を示すグラフ。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、第１実施形態に係る光干渉断層撮像装置を説明する。光源１００は、例えばＳＬＤ光源（Super Luminescent Diode）であるが、低コヒーレントな光源であれば他の光源であってもよい。具体的にはＡＳＥ光源(Amplified Spontaneous Emission)、チタンサファイアレーザやＳＣ光源(Super Continuum)などの超短パルス光源、ＳＳ光源(Swept Source光源)などである。

ファイバカプラ１０１は、光源１００から出射された広帯域な光を、参照光路を構成するファイバ１０３を通る参照光と、測定光路を構成するファイバ１０２を通る測定光とに分割する。ファイバカプラ１０１は、参照光と測定光との分割比率に波長依存性が少なく、分割比率が一定に近いものがよい。分割された測定光は、ファイバコリメータ１１２から平行光として出射される。ファイバコリメータ１１２を通過して平行光になった測定光は、被測定検体である眼１１７の網膜上での走査のために、スキャナミラー１１３とスキャナレンズ１１４で構成される走査光学系を通過した後、対物レンズ１１５によってフォーカス調整される。その後、測定光は眼１１７の網膜で反射され、前述の測定光路を逆方向に進行する。

一方、分割された光のうち参照光は、ファイバコリメータ１０４から平行光として出射され、ダイクロイックミラー１０５に入射される。そして、ダイクロイックミラー１０５で参照光の波長分割が行われ、複数の参照光に分割される（参照光分割処理）。具体的には、光源１００から照射され、ファイバカプラ１０１で分割された参照光のスペクトルの短波長側が参照光路１２２を通過し、長波長側が参照光路１２３を通過する。各参照光路は、それぞれ分散補償を行う分散補償材１０８および分散補償材１０９、反射ミラー１０６および反射ミラー１１０、反射ミラーの位置を調整する電動ステージ１０７および電動ステージ１１１から構成される。分散補償材１０８および分散補償材１０９として、それぞれ、参照光路１２２、参照光路１２３を通過する波長帯域において分散補償を精度良く行うことができる材料が用いられる。具体的には光学ガラス、光学プラスチックなどが用いられる。

各参照光路の電動ステージ１０７および電動ステージ１１１の位置は、電動ステージコントローラ１２１によってコントロールされる。電動ステージコントローラ１２１は、各参照光路の反射ミラー１０６および反射ミラー１１０の位置を独立調整または連動調整できる。反射ミラー１０６および反射ミラー１１０の位置を独立に調整するように電動ステージ１０７および電動ステージ１１１を配置することで、参照光路１２２と参照光路１２３との光路長のずれを補正し、短波長側の参照光と測定光との干渉信号、長波長側の参照光と測定光との干渉信号、それぞれの干渉信号のコヒーレンスゲートが違うことに起因する断層像の縦方向のずれを補正することができる。ここでコヒーレンスゲートとは、測定光の光学距離と参照光の光学距離とが等しい位置を表す。

ここで、コヒーレンスゲートの縦方向の位置ずれについて説明する。眼１１７を測定する前に、正反射ミラーを測定時の眼１１７の位置に設置し、正反射ミラーからの測定光の戻り光とそれぞれの参照光との干渉信号を、電動ステージ１０７および電動ステージ１１１を互いに関連性なく制御し、カメラに取り込んだ後、フーリエ変換を行うと、図５に示されるように断層像において２つの輝点に分裂してしまう。これは、各参照光路における分散補償材１０８および分散補償材１０９が異なるため、両コヒーレンスゲートが電動ステージ１０７および電動ステージ１１１上で別の場所に存在するためである。従って、正反射ミラーを用いた状態で、電動ステージ１０７および電動ステージ１１１を調整することにより、前述の輝点の位置を一致させ、その時の電動ステージ１０７と電動ステージ１１１との相対位置関係を記憶しておく。これにより、参照光路を分割したことによる断層像のずれをなくすことができる。この際、正反射ミラーを用いているので眼１１７の水の部分に相当するものが無く、参照光路の分散と測定光路の分散とは一致していない。しかしながら、参照光路１２２および参照光路１２３におけるコヒーレンスゲートの相互関係の把握に際しては、必ずしも分散を正確に一致させる必要はない。なお、ダイクロイックミラー１０５では反射および透過の波長依存性により波長分割を行っているが、ダイクロイックミラー１０５を透過する方の波長帯域はその分の分散補償をさらに行う必要がある。

ダイクロイックミラー１０５で両参照光路からの参照光を合波し、ファイバカプラ１０１で測定光の戻り光と当該合波された参照光とを干渉させ、分光器１１８により分光した後、カメラ１１９で波長ごとの干渉信号を測定し、ＰＣ１２０で解析することによって、断層像を取得する。また、ＰＣ１２０は電動ステージコントローラ１２１と接続される。ＰＣ１２０が電動ステージコントローラ１２１を介して電動ステージ１０７および電動ステージ１１１をコントロールすることで、眼１１７の断層撮影時に、電動ステージを最適な位置に調整することができる。

次に、本実施形態の測定光路に用いられる分散補償を具体的に説明する。測定光路では、スキャナレンズ１１４や対物レンズ１１５などの測定光路光学系に用いられる各種レンズ、または、被測定検体である眼１１７の硝子体や水晶体があり、それぞれ屈折率が波長ごとに異なる。従って、参照光路に各種レンズや硝子体、水晶体に相当する部材を挿入しなければならない。各種レンズの分散補償は同じレンズを挿入すれば良いためそれほど難しいことではない。しかし硝子体や水晶体の部分の構成物は主に水であるため、硝子体や水晶体の分散補償は難しい。

図３は、平均的な眼軸長を有する被測定検体の分散補償に必要な、一般的な光学ガラスの各波長に対応する厚みを示したものである。図３より、短波長側と長波長側とで分散補償に必要なガラス厚が大きく異なることがわかる。これは水の分散特性おいて、およそ１μｍの波長においてゼロ分散を有するために、１μｍに近づくにつれて、分散補償をする必要がなくなるためである。

各参照光路の分散補償材は、各参照光路を通過する波長帯域での分散補償を精度良く行う部材である。その際に波長分割に特徴を持たせることでより精度の良い分散補償が可能となる。分散補償材１０８には短波長側で水の分散補償を精度良く行うことができる材質を用い、分散補償材１０９は長波長側で水の分散補償を精度良く行う材質を用いる。

図６（ａ）乃至図６（ｄ）を参照して、参照光路波長分割について説明する。眼１１７の測定において、短波長側で分散補償を精度良く行える材質１の部材と、長波長側で分散補償を精度良く行える材質２の部材とが使用される。図６（ａ）は、分散補償に必要な材質１の厚さと波長との関係を示す図である。λ_１よりも小さい波長であれば精度良く分散補償を行える。λ_１の位置は、例えば、使用する最短波長における材質１の部材の厚さの９０％の厚さを有する時の波長であるとして決定すればよい。ただし、必ずしも９０％に限定されず、ある程度の範囲内において任意に決定可能である。また、λ_１の位置は実験的に決定されてもよい。図６（ｂ）は、分散補償に必要な材質２の厚さと波長との関係を示す図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）と図６（ｂ）との各グラフを重ね合わせた図である。図６（ｄ）は、λ_Ｄを境界に図６（ｃ）における重ね合わせの結果を反映させた図である。

両方の部材が精度良く分散補償を行えるλ_１とλ_２との間の波長λ_Ｄにおいて波長分割を行う。λ＜λ_Ｄの波長帯域では材質１の部材を用い、λ＞λ_Ｄの波長帯域では材質２の部材を用いることで、全波長帯域に渡って精度良く分散補償を行う。ここでλ_１は材質１での分散補償に必要な厚みの波長依存性が比較的小さい波長帯域中の波長であり、本実施形態においては例えば０．８５μｍである。一方、λ_２は材質２での分散補償に必要な厚みの波長依存性が比較的小さい波長帯域中の波長であり、本実施形態においては例えば０．８０μｍである。従って、本実施形態においてλ_Ｄは、例えば０．８３μｍとする。

ここで、ダイクロイックミラー１０５の波長分割特性は、図７のように表される。図７において楕円で囲われた波長領域では、参照光路１２２と参照光路１２３との両方を通る参照光として分割されてしまう。この波長領域は、波長分割領域と称される。波長分割領域の分散は、参照光路１２２と参照光路１２３とで合わせておいたほうがよい。本実施形態では、図６（ａ）乃至図６（ｄ）より、波長分割領域をλ_Ｄの近傍波長領域として設定している。波長分割領域中の波長は、参照光路１２２と参照光路１２３とのどちらの光路を通過してもほぼ同じ分散を与えることになる。従って、ダイクロイックミラー１０５による波長分割領域があったとしても、問題なく分散補償を行うことができる。

本実施形態によれば、分散補償を波長帯域ごとに精度良く行うことができる。また、広帯域に渡る高精度な分散補償により縦分解能の向上につなげることができる。

（第２実施形態）
次に、図２を参照して、第２実施形態に係る光干渉断層撮像装置を説明する。本実施形態では、波長分割するダイクロイックミラーにおいて、被測定検体の分散補償に必要な、参照光路に導入する分散補償材の厚みの波長依存性に基づいて波長分割を行う。

具体的には、図３に示されるように、被測定検体の分散補償に必要な分散補償材質厚の波長依存性は長波長側においてより大きな変化を示している。本実施形態では大きく変化している波長領域で細かく波長帯域分割を行うことにより、より詳細に分散補償を行う。その結果、縦分解能のさらなる向上につながる。

具体的には、図２において参照光路を、参照光路２２４、参照光路２２５、および参照光路２２６の３つ用意する。なお、図１と同様の構成については同一の参照符号を付し、説明を省略する。ダイクロイックミラー２０５、ダイクロイックミラー２２７で波長分割されたそれぞれの波長帯域の参照光が、参照光路２２４、参照光路２２５、および参照光路２２６のそれぞれを通過する。図２より、分散補償材の厚みの波長依存性があまり変化しない帯域である短波長側（例えば８５０ｎｍ以下）の参照光が、参照光路２２４を通過する。また、分散補償材の厚みの波長依存性が比較的大きく変化する長波長側の参照光をさらに分割した中波長領域の参照光が、参照光路２２５を通過する。そして、分散補償材の厚みの波長依存性が比較的大きく変化する長波長側の参照光をさらに分割した長波長領域の参照光が、参照光路２２６を通過する。参照光路２２４、参照光路２２５、および参照光路２２６のそれぞれにおける分散補償について、分散補償材の厚さを通過する参照光の波長帯域に適した厚さにすればよく、一般のガラス材のように水の分散補償において厚みが大きく変化するような状況であっても精度良く分散補償することが可能である。なお、第２実施形態に係る光干渉断層撮像装置は反射ミラー２２２および反射ミラー２２２の位置を調整する電動ステージ２２３をさらに備える。

図８は、本実施形態における波長分割する位置を示している。波長分割位置８０１より短波長側では、分散補償に必要なガラス厚がそれほど変化しない。一方、波長分割位置８０１より長波長側では、分散補償に必要なガラス厚が大きく波長依存性を持つことが分かる。従って波長分割位置８０１より長波長側の波長帯域をさらに波長分割位置８０２で分割する。波長分割位置８０１より短波長、波長分割位置８０１から波長分割位置８０２までの間の波長、波長分割位置８０２より長波長の参照光が、各参照光路を通過する。分散補償は、各波長帯域で必要な分散補償量、具体的には代表波長として各波長帯域のほぼ中央の波長（例えば、波長帯域の平均波長）での分散補償に必要なガラス厚８０３、ガラス厚８０４、およびガラス厚８０５に設定しておけばよい。なお、コヒーレンスゲートの位置調整などは、第１実施形態と同様なので説明を省略する。

本実施形態によれば分散補償材の厚みの波長依存性に基づいて波長分割を行うことにより、より精度の良い分散補償が実現できる。さらに、取得する断層画像の縦分解能を向上させることができる。

（その他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims

光源から照射された光を参照光と測定光とに分割し、前記測定光を被測定検体に照射し、当該被測定検体で反射された戻り光と前記参照光とを干渉させ、前記被測定検体の断層像を撮像する光干渉断層撮像装置であって、
前記参照光を、波長帯域ごとに複数の参照光に分割する参照光分割手段と、
前記複数の参照光のそれぞれに分散補償を施す分散補償手段と、
を備えることを特徴とする光干渉断層撮像装置。
前記参照光分割手段は、前記被測定検体の分散特性に応じた前記波長帯域ごとに、前記参照光を複数の参照光に分割することを特徴とする請求項１に記載の光干渉断層撮像装置。
前記参照光分割手段は、ダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１または２に記載の光干渉断層撮像装置。
前記複数の参照光のそれぞれの光路長を調整する調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の光干渉断層撮像装置。
前記分散補償手段は、前記複数の参照光のそれぞれについて、前記波長帯域における代表波長に対応する分散補償を行うこと特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の光干渉断層撮像装置。
前記代表波長は、前記波長帯域における平均波長であること特徴とする請求項５に記載の光干渉断層撮像装置。
参照光分割手段と、分散補償手段とを備え、光源から照射された光を参照光と測定光とに分割し、前記測定光を被測定検体に照射し、当該被測定検体で反射された戻り光と前記参照光とを干渉させ、前記被測定検体の断層像を撮像する光干渉断層撮像装置における光干渉断層撮像方法であって、
前記参照光分割手段が、前記参照光を、波長帯域ごとに複数の参照光に分割する参照光分割工程と、
前記分散補償手段が、前記複数の参照光のそれぞれに分散補償を施す分散補償工程と、
を備えることを特徴とする光干渉断層撮像方法。
請求項７に記載の光干渉断層撮像方法における各工程をコンピュータに実行させるためのプログラム。