JP2013009734A - 光干渉断層装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広い波長帯域の測定光を用いて縦分解能に優れた断層画像の提供を行う。
【解決手段】光干渉断層装置において、光源から出射された光を参照光と測定光に分割する手段と、分散特性が異なる第一の分散補償手段と第二の分散補償手段と、前記測定光を被測定検体に照射することによる戻り光と、前記第一の分散補償手段及び前記第二の分散補償手段とを透過した前記参照光とを干渉させて干渉光を得る手段と、前記干渉光に基づき、前記被測定検体の断層像を取得する手段と、を有することとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光干渉断層装置および方法に関し、特に、眼底や皮膚などの断層を撮影する光干渉断層装置および方法に関するものである。

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装置(Optical Coherence Tomography、以下OCT)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記す。低コヒーレンス光を参照光と測定光に分ける。測定光を被測定検体に入射させ、断層撮影対象領域で反射させ、その反射戻り光を参照光と干渉させ、得られた干渉光から被測定検体の断層像を取得することが可能である。OCTにはTD(Time Domain)方式とFD(Fourier Domain)方式の２つの方式がある。FD-OCTは、干渉光から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に垂直な方向の分解能である横分解能に分けられる。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１で表される。

ここでl_c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、ΔGDLはOCTにおける参照光学系と測定光学系の分散量の差を表す。上記式は、波長スペクトルがガウス分布であることを仮定したが、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上記式より劣化する。しかし中心波長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、
（１）光の中心波長を短くする
（２）光の波長幅を広げる
（３）干渉計において参照光学系と測定光学系の分散をそろえる
事で達成される事が分かる。

眼科用のOCTにおいては近赤外領域(波長が850nm近傍)が使用される。使用可能な波長帯域は、網膜での光吸収により、低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では、中心波長を短くして縦分解能を向上させることは難しい。また眼底部の手前にある硝子体による吸収損失やセンサ感度低下のため、長波長側にも波長帯域の制限がある。

従って縦分解能を向上させるためには、上記制限を考慮しつつ（２）光の波長幅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、（２）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（非特許文献１）。

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８は分散補償をした時としていない時の、ある反射面での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８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落ち、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を示している。

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。上記媒質により、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。また容器は変形させる事が可能であり、被測定検体の状態に合わせた分散補償を提供する技術を開示している。

また非特許文献１では、ヒルベルト変換による、反復法を用いた数学的な分散補償手段が開示されている。

特開２００７−２６７９２７

「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、分散補償が行われることが重要である。しかし、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を単一の材質で補償する事が難しくなるという課題があり、縦分解能の向上が抑制される恐れがある。

非特許文献１では、広帯域な光を用いたＯＣＴに関する論文である。複数のガラス材により分散補償を行っている。水とガラスの材質は長波長領域（900nm〜950nm程度の波長帯域）で分散特性は大きく異なるため、広帯域に渡って非特許文献１の装置構成では、水の分散補償を行うのは難しい。

特許文献１では、ＯＣＴにおいて測定対象に合わせて分散補償を水で行うことを特徴としている。しかし水での分散補償では、管理の難しさや品質劣化などにより定常的な使用に課題がある。

上記課題を解決するために本発明の光干渉断層装置は光源から出射された光を参照光と測定光に分割する手段と、分散特性が異なる複数の分散補償手段と、前記測定光を被測定検体に照射することによる戻り光と、前記複数の分散補償手段とを透過した前記参照光とを干渉させて干渉光を得る手段と、前記干渉光に基づき、前記被測定検体の断層像を取得する手段とを有する。

また、本発明の光干渉断層方法は、光源から出射された光を参照光と測定光に分割する工程と、前記測定光を被測定検体に照射することによる戻り光と、分散特性が異なる複数の分散補償手段を透過した前記参照光とを干渉させて干渉光を得る工程と、前記干渉光に基づき、前記被測定検体の断層像を取得する工程とを有する。

本発明によれば、広帯域に渡り測定光学系に存在する諸構成の分散特性に合わせて参照光学系を介する参照光に分散補償を施すことができる。

実施形態１を表わす構成図である。 実施形態２の分散補償部を示す図である。 分散性材質の群速度分散のグラフである。 水で規格化された群速度分散のグラフである。 各分散性材質による分散補償に必要な厚みのグラフである。 実施形態１のポリカーボネート厚をパラメータとしたBK7厚のグラフである。 残留分散量に関するグラフである。 分散によるコヒーレンス関数の変化に関するグラフである。

本発明の一実施の形態を、以下の実施例において図面を用いて詳細に説明する。

（実施例１）
本発明に係る光干渉断層装置を図１で説明する。

図１は本発明を実施するための具体例を表す光干渉断層装置である。
図１において、１００は光源であり、本実施形態において、ＳＬＤ光源（Super Luminescent Diode）であるが、低コヒーレントな光源であれば、何れでもよい。具体的にはASE光源(Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ)、チタンサファイアレーザーや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。波長帯域は850nm近辺を用いるが、被測定検体において縦分解能を犠牲にしてでもより深い部分を測定する必要がある場合にはより長波長の帯域を有する光源を用いる場合もあり目的に応じて波長帯域を選ぶのが望ましい。

１０１はファイバカプラであり、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１０９と、測定光路を構成するファイバ１０２を通る測定光１１１とに分割する。ファイバカプラ１０１は、参照光１０９と測定光１１１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望ましい。分割された測定光１１１は、ファイバコリメータ１１０から平行光として出射される。ファイバコリメータ１１０を通過して平行光になった測定光１１１は、被測定検体である眼１１６の網膜に照射されて該網膜上で走査されるために、スキャナミラーコントローラ１１７により走査されるスキャナミラー１１２とスキャナレンズ１１３で構成される走査光学系を通過したのち、対物レンズ１１４と電動ステージ１１５によってフォーカス調整が行なわれる。このフォーカス調整は、PC１２１に接続されるステージコントローラ１２２により実行される。その後、測定光１１１は眼１１６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、分割された参照光１０９は、ファイバコリメータ１０４から平行光として出射され、第一の分散補償材１０５と第二の分散補償材１０６に入射される。本実施例では第一の分散補償材１０５は光学ガラスであるBK7を用い、第二の分散補償部材１０６は光学プラスチックであるポリカーボネートを用いる。例えば厚みとしてBK7は23mm、ポリカーボネートでは2mm程度の厚みを有する。上記厚みは840nｍの波長帯域を想定した厚みである。波長帯域に応じて上記厚みは変わる。また光学ガラス１０５はBK7以外の光学ガラスでもよい。具体的にはF2などを用いてもよい。また光学プラスチック１０６も同様にポリカーボネートに限定されるものではない。分散補償材１０５、１０６を通過した参照光１０９は参照系反射ミラー１０７で反射される。参照系反射ミラー１０７は位置を調整する電動ステージ１０８上に構成される。なお、電動ステージ１０８の動作による参照光１０９の光路長の調整は、PC１２１、ステージコントローラ１２２によって制御される。

戻り光となった測定光１１１と参照系反射ミラー１０７により反射された参照光１０９とは、ファイバカプラ１０１により合波され合波光路ファイバ１１８を介して干渉光として分光器１１９上に導かれる。分光器１１９により波長毎に分光された干渉光は、更に各々の波長に応じた光検出素子１２０に導かれる。該光検出素子１２０の検出結果から、PC１２１は背景技術で述べた種々の方式を用いて断層画像を生成する。

本実施例において、ファイバカプラ１０１は、光源から射出された光を参照光１０９と測定光１１１とに分離する手段、及び測定光１１１を被測定検体に照射して得られる戻り光と反射された参照光１０９とを干渉させて干渉光を得る手段として機能する。また、分光光１１９からPC１２１までの構成は、干渉光に基づいて被測定検体の断層像を取得する手段を構築する。

次に、本実施例の測定光路に用いられる分散補償を具体的に説明する。測定光路にはスキャナレンズ１１３や対物レンズ１１４などの各種レンズや被測定検体である眼１１６の硝子体、水晶体が存在し、これら各々では屈折率が波長ごとに異なる。従って縦分解能を改善させるために、参照光路に上記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。上記各種レンズの分散補償はレンズ材質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５は平均的な眼軸長を有する被測定検体および図１で示した測定光路で用いられる分散材質の分散補償に必要なＢＫ７とポリカーボネートそれぞれ単一での使用時の各波長に必要な厚みを示したものである。図５より、BK7およびポリカーボネート（PC）の短波長側と長波長側で分散補償に必要な厚み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1umの波長においてゼロ分散を有するために、1umに近づくにつれて、眼を構成する分散性材質である水の分散特性がBK7やポリカーボネートと大きく異なるからである。JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS Vol.4,No.1, 144151に記載のように、群速度分散GDは群屈折率ngの波長に関する一次微分として式２のように表わされる。

図３は分散補償手段の分散補償材である水とＢＫ７とポリカーボネートの該材質に関しての群速度分散GDの波長依存性を表わすグラフである。また図４は水のGDで規格化した各分散補償材のGDであり式３の波長依存性に関するグラフである。

BK7(図４中△印)のGDratio(以下GDR)は波長に関して単調増加となっており、短波長側より長波長側の方が水に対するBK7の群速度分散が大きい事を示している。これは、BK7で水の分散の補償をする場合において、短波長側と長波長側で分散補償に必要な厚さが異なる事を示唆している。

ここで、測定光学系の全分散を補償するために必要なBK7とポリカーボネートの厚さの波長依存性を示している図５によれば、波長毎に分散補償厚は単調に変化しており、単一のBK7やポリカーボネートでは波長が広帯域になるほど分散補償が難しくなる事を示している。これにより式１からOCTの縦分解能は、光源の波長を広帯域にしても分散補償しきれない影響により、所望の縦分解能を実現する事ができない。

従って、本実施例では図４に示すように、GDRの波長依存性が逆の特性を持つ２種類の材質を用いる。数学的には、微分特性として

で表わされる複数の分散補償材質を用いる。式４におけるsgn(x)は符号関数であり、xが正の時は1であり、0の時は0であり、負の時は-1である。式４を満たす２種類の材質material1とmaterial2を用いて、両材質の厚さをコントロールする事により１種類の材質を用いた分散補償と比較してより正確な分散補償を実現できる。また水を用いる事なく硝子体の主成分である水の分散補償を行う事ができる。

例えばBK７の場合、この群速度分散について、群速度分散/被測定対象物の分散物質についての群速度分散、によってあらわされる関数の波長に関しても微分特性はプラスの符号となる。従って、該関数の符号が逆符号のマイナスとなる微分特性を有する材料からなる分散補償手段をBK７と併せて用いることにより、符号を打ち消して短波長側から長波長側まで好適な分散補償特性を得ることが可能となる。

上記のように物理的な分散補償の精度を高めておくことで、後処理である非特許文献１に記載のような反復法による数値計算的分散補償の計算量の低減や、撮像時のアライメント精度向上や疾病の撮り逃し低減などが期待できる。

本実施例ではＢＫ７とポリカーボネート組み合わせが式４の関係を満たす組み合わせである。なおＢＫ７とポリカーボネートの組み合わせを本実施例では用いたが、式４の関係を満たす組み合わせの材質であればこれにこだわる必要はない。また式４を満たす材質が使用されていれば２種類に限定する必要はない。例えば

のような関係を持つ３種類の材質を用いてもよい。

従って、本実施例は、分散特性が異なる複数の分散補償材質からなる分散補償手段を有していると定義可能である。実施例１では第一の分散補償材１０５からなる第一の分散補償手段と、第二の分散補償材１０６からなる第二の分散補償手段から構成される態様を示しているが、これらを複数の分散補償手段からなる構成の一部と考えることが可能である。

また、上述したように、複数の分散補償手段は、分散補償材質の群速度分散／被測定対象の分散性物質の群速度分散で表わされる関数の波長に関する微分特性が逆符号でとなる関係を有する一組の分散補償材質各々より構成される一対の分散補償手段から構成されることが好ましい。

図６はポリカーボネートの厚さをパラメータとした時の、図１の測定光学系の全分散に関する分散補償に必要なBK7の厚さの波長依存性を示したグラフである。図６よりポリカーボネートの厚さが2mmの時、BK7も波長によらず一定の厚さ23mmで分散補償が出来る事を示している。なお、人眼の分散は眼軸長を25mmとして、水25mmに相当する場合で計算した。また、図７は分散補償材としてBK7のみの時とBK7とポリカーボネートを用いた時の残留分散を示したグラフである。

残留分散は式１における平方根の右側の項とする。右側の項はＯＣＴにおいて参照光学系と測定光学系の分散量の違いに起因する項である。左側は光源の特性で決まるコヒーレンス関数のFWHM（半値全幅）である。式１より平方根の左側と右側の量がほぼ等しい値あたりから平方根右側の項は無視できなくなる。光源のコヒーレンス関数のFWHMは100nm程度の波長幅、中心波長が850nmと仮定すると空気中換算で3.2um程度となる。ＳＬＤ光源の非ガウシアン形状を考慮しても光源のコヒーレンス関数のFWHMは4um程度である。図７よりBK7のみで分散補償を行う場合、残留分散量は最小で4um程度となり、この値は光源のコヒーレンス関数のFWHMと同程度となり無視できないほど縦分解能の劣化を引き起こす。またＢＫ７とポリカーボネートを用いた場合、光源のコヒーレンス関数のFWHMと比較して十分小さい範囲に収まっており、縦分解能の劣化をＢＫ７のみと比較して抑える事が出来る。

また、ポリカーボネートはガラスより経年変化しやすい。従って、ポリカーボネートを用いる際には経年変化分を補うために、光軸に対する傾きを制御する機構や、参照光のポリカーボネート透過部を変更するために光軸と平行方向に移動する機構を設けてもよい。このようなポリカーボネートの使用時における傾き制御等は、分散補償手段の参照光の光軸方向の厚さを変更することにも対応する。従って、これら機構は分散補償手段の参照光の光軸方向の厚さを変化させる手段によっても達成される。

ポリカーボネートは複屈折を有し、また熱や応力により複屈折率変化を生じる。近年、光学ポリマーの複屈折を低減する研究が進んでおり、分散補償材にポリカーボネートなどの光学プラスチックを用いる際には成形方法を工夫する事によって複屈折率をある程度低減する事が可能である。ポリカーボネートの複屈折率は小さい方が望ましい。よって、この様な分散補償手段の複屈折率の効果を低減する、或いは抑制する手段を配する、或いは予め複屈折率効果の低減を図っておくことが好ましい。

また、温度変化によって発生する熱応力に起因する複屈折を防ぐために温度調整機構を設けてもよい。さらにひずみ応力を低減するため、光軸方向に直列にポリカーボネートの前後をBK7で固定する構成にしても良い。即ち、複数の分散補償手段中にこの様なポリカーボネート等の光学特性が温度、付加応力、経時、等によって変化する特性を有する材料からなる分散補償手段を含む場合、これらの周囲温度、応力付加の状態等の状態を制御するヒータ、加圧器等の状態を制御する手段を更に有することが好ましい。また、本実施例ではBK7からなる分散補償手段を反射ミラー１０７に最も近い位置に配置しており、従って該状態を制御する手段はこの位置に対応して配置されることが好適である。しかし、例えば光学ガラスとBK7との配置は逆転させることも可能であり、この場合には該状態を制御する手段はこの配置に応じて設置されることが好ましい。

（実施例２）
本実施例では、式４を満たす材質material1,2から構成される複合分散補償材が、図２のように厚さを変えて複数配置する事を特徴とする。

本構成にする事により、近視眼、正常眼、遠視眼にそれぞれ適した分散補償材を提供する事が可能である。図２の２０１、２０２は遠視、２０３、２０４は眼軸長が正常な眼、２０５、２０６は近視眼の被測定検体を測定する際に用いられる分散補償である。具体的には、以下の表１に示す条件を本実施例では採用している。

２０７は被測定検体として模型眼やミラーを置いた際のキャリブレーション用分散補償である。眼軸長はＯＣＴ測定前に眼軸長測定器で測定する事によりあらかじめ取得する事が可能である。material1,2としてBK7とポリカーボネートを用いる場合、図７に示すように想定眼軸長より±１ｍｍ程度であれば、光源のコヒーレンス関数のFWHMより残留分散が半分程度に抑えられるので、その結果分解能の劣化を10%程度と問題ない範囲内に抑える事が出来ると考えられる。従って、さまざまな長さの眼軸長を実用的な数（図では３種類）で構成する事が可能である。

（その他の実施例）
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エア（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（又はＣＰＵやＭＰＵ等）が該ソフトウエアを読み出して実行する処理である。

１００：光源
１０１：ファイバカプラ
１０２：測定光路ファイバ
１０３：参照光路ファイバ
１０４：ファイバコリメータ
１０５：第一の分散補償材
１０６：第二の分散補償材
１０７：参照系反射ミラー
１０８：電動ステージ
１０９：参照光
１１０：ファイバコリメータ
１１１：測定光
１１２：スキャナミラー
１１３：スキャナレンズ
１１４：対物レンズ
１１５：電動ステージ
１１６：被測定検体（眼）
１１７：スキャナミラーコントローラ
１１８：合波光ファイバ
１１９：分光器
１２０：光検出素子
１２１：ＰＣ
１２２：ステージコントローラ

Claims (8)

1. 光源から出射された光を参照光と測定光に分割する手段と、
   分散特性が異なる複数の分散補償手段と、
   前記測定光を被測定検体に照射することによる戻り光と、前記複数の分散補償手段とを透過した前記参照光とを干渉させて干渉光を得る手段と、
   前記干渉光に基づき、前記被測定検体の断層像を取得する手段と、を有することを特徴とする光干渉断層装置。
2. 前記複数の分散補償手段は、分散補償材質の群速度分散／被測定対象の分散性物質の群速度分散で表わされる関数の波長に関する微分特性が逆符号となる関係を有する一組の分散補償材質各々より構成される一対の分散補償手段を有することを特徴とする請求項１に記載の光干渉断層装置。
3. 前記複数の分散補償手段は、各々について前記参照光の光軸方向に厚みを変更させる手段を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光干渉断層装置。
4. 前記複数の分散補償手段が光学ガラスからなる分散補償手段と、光学プラスチックからなる分散補償手段と、を有する事を特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光干渉断層装置。
5. 前記光学プラスチックがポリカーボネートである事を特徴とする請求項４に記載の光干渉断層装置。
6. 前記光学プラスチックの複屈折率効果が低減されている事を特徴とする請求項４または５に記載の光干渉断層装置。
7. 前記複数の分散補償手段の内の少なくとも一つの分散補償手段の状態を制御する手段をさらに有する事を特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光干渉断層装置。
8. 光源から出射された光を参照光と測定光に分割する工程と、
   前記測定光を被測定検体に照射することによる戻り光と、分散特性が異なる複数の分散補償手段を透過した前記参照光とを干渉させて干渉光を得る工程と、
   前記干渉光に基づき、前記被測定検体の断層像を取得する工程と、を有することを特徴とする光干渉断層方法。

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