JP4187160B2 - 断層映像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コヒーレンス長の短い光を出力する光源とマイケルソン干渉計等の等光路長型干渉計を組み合わせて構成されるOptical Coherence Tomography (以下、OCTと称す)による手法を適用して、医療または工業等の分野において被検体の断層映像を得る際に用いられる断層映像装置に関するものである。
近年、医療用や工業用等の被検体を撮像する分野、特に電子内視鏡の分野において、OCTの手法を用いて被検体の断層映像を撮影する装置が知られている。
このOCTによる断層映像装置は、光を検出プローブとして用いていることから、従来のX線撮影装置の如く被検体がX線照射により被爆するという問題がなく、特に、被検体が人体であるような場合には極めて好ましい。また、CTやMRI等のように大型な装置を要さず、簡易に被検体の検査を行なうことができるので、被検者のコスト的な負担や体力的な負担を軽減でき、この面でも好ましい。
また、このOCTを用いた断層映像装置は、広帯域なスペクトル幅を有する光の低コヒーレンス性を利用して、被検体の深さ方向の各位置における干渉波情報を得るようにしているので、被検体内部からの反射光をμmオーダーの空間分解能で検出することができ、従来のX線撮影装置に比べて測定分解能を大幅に向上させることができる。
このような多くの優れた特性を有するOCTを用いた断層映像装置は、例えば下記非特許文献1等に開示されている。
図8は、従来の断層映像装置の概略を示すものである。すなわち、低可干渉光源310からの出力を光ファイバ321に入射せしめる。光ファイバ321内を進行する光束は、2×2カプラ325により2光束に分離され、その一方は光ファイバ322により被検体331側に導かれ、その他方は光ファイバ323により参照ミラー342側に導かれる。
光ファイバ322の光出射端の後段には、対物集光レンズ332が設けられており、このレンズ332により、光束が被検体331に集光されるようになっている。
一方、光ファイバ323の光出射端から射出された光はコリメータレンズ341を介して参照ミラー342に照射されるが、この参照ミラー342は、光軸方向に移動可能とされており、光ファイバ322の光出射端から被検体331の深さ方向の観察位置までの光路長と、光ファイバ323の光出射端から参照ミラー342までの光路長とが互いに等しくなるような位置にこの参照ミラー342が移動されるようになっている。これにより、低可干渉光によっても光干渉させることができる、いわゆるマイケルソン型の干渉計が構築され、被検体331の深さ方向各位置の干渉波情報が得られることになる。
被検体331の上記観察位置からの反射光と、参照ミラー342からの反射光は各々その照射経路を逆進し、2×2カプラ325で合波されて互いに干渉し、その干渉光は光ファイバ324を介して光検出器352に到達し、その干渉波情報がこの光検出器352により検出されることになる。この後、光検出器352により検出された干渉波情報は電気信号に変換されて、増幅器362、バンドパスフィルタ363、A/Dコンバータ364を介してコンピュータ365に入力され、所定の画像処理がなされることになる。
光学32巻4号(2003):佐藤学、丹野直弘著
しかしながら、上述したようなOCTを用いた断層映像装置は、マイケルソン干渉計において低可干渉光を測定光として用い、被検体内部の各深さ位置における断層境界面での反射情報に基づいて断層映像化するものであり、観察する各深さ位置からの反射光強度が、その深さに応じて指数関数的に減衰するために、深部からの反射光強度は極端に微弱となり、これに伴って深部からの干渉波情報も極めて微弱となる。このため、断層映像として浅い部分は鮮明に、深い部分は不鮮明になるおそれがある。このため、1つの断層映像の浅い部分と深い部分とを同様の明るさレベルで判断することが困難であり、特に深い部分についての状態判断を誤る危険性が大となり、問題となっていた。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、1つの断層映像において、浅い部分と深い部分とを同様の明るさレベルで判断することを可能とし、特に深い部分についての状態判断を誤る危険性を低減し得る断層映像装置を提供することを目的とするものである。
本発明の第1の断層映像装置は、
低可干渉性を有する光ビームを出射する光源と、
該光源から出射された光ビームを2分し、一方を被検体に照射するとともに、他方を参照ミラーに照射し、該被検体および該参照ミラーから各々反射された光ビームを干渉せしめて、該干渉による光強度分布を光検出器により得るようにした等光路長型干渉計とを備え、
該被検体の深さ方向の干渉波情報を得ることができるように該参照ミラーを該参照ミラーの光軸方向に移動可能とされた断層映像装置において、
該被検体の観察位置の深さが大きくなるのに伴う該観察位置からの反射光量の低下による干渉波情報量の低下を緩和するように、該参照ミラーの移動位置に応じて前記光源から出力される光ビームの強度を変化させる光源光強度制御部を備えてなることを特徴とするものである。
本発明の第2の断層映像装置は、
低可干渉性を有する光ビームを出射する光源と、
該光源から出射された光ビームを2分し、一方を被検体に照射するとともに、他方を参照ミラーに照射し、該被検体および該参照ミラーから各々反射された光ビームを干渉せしめて、該干渉による光強度分布を光検出器により得るようにした等光路長型干渉計とを備え、
該被検体の深さ方向の干渉波情報を得ることができるように該参照ミラーを該参照ミラーの光軸方向に移動可能とされた断層映像装置において、
該被検体の観察位置の深さが大きくなるのに伴う該観察位置からの反射光量の低下による干渉波強度の低下を緩和するように、該参照ミラーの移動位置に応じて前記光検出器における信号利得を制御する検出器利得制御部を備えてなることを特徴とするものである。
また、上述した第1または第2の断層映像装置において、前記参照ミラーの光軸方向への移動に応じて、前記光ビームの一方を前記被検体の観察位置に収束せしめるようにフォーカシングするオートフォーカス機能を備えてなることが好ましい。
また、前記光源光強度制御部または前記検出器利得制御部は、前記被検体の深さ位置と、該深さ位置に応じて減衰する反射光強度との関係を表す関係式テーブルを備えていることが好ましい。
さらに、上述したいずれかの断層映像装置において、前記オートフォーカス機能は、前記参照ミラーの光軸方向への移動位置に応じ、前記光源光強度制御部または前記検出器利得制御部からの指示信号に基づき、対物集光レンズの全部または一部のレンズを、その対物集光レンズの光軸方向に移動させてフォーカシングを行うことが好ましい。
本発明の第1の断層映像装置によれば、被検体の観察位置の深さが大きくなるのに伴う該観察位置からの反射光強度の低下による干渉波情報量の低下を緩和するように、該参照ミラーの移動位置に応じて前記光源から出力される光ビームの光強度を変化させる光源光強度制御部を備えており、この光源光強度制御部により、参照ミラーの移動に応じて前記光源から出力される光強度を変化させ、観察位置の深さが大きくなっても、該観察位置からの反射光量の低下を緩和することができるので、浅い部分と深い部分とを同様の明るさレベルで判断することが可能となり、また、特に深い部分についての状態判断を誤る危険性を低減することができる。
また、本発明の第2の断層映像装置によれば、被検体の観察位置の深さが大きくなるのに伴う該観察位置からの反射光強度の低下による干渉波強度の低下を緩和するように、該参照ミラーの移動位置に応じて前記光検出器における信号利得を変化させる検出器利得制御部を備えており、観察位置の深さが大きくなっても、該観察位置についての干渉波強度の低下を緩和することができるので、浅い部分と深い部分とを同様の明るさレベルで判断することが可能となり、また、特に深い部分についての状態判断を誤る危険性を低減することができる。
以下、本発明の実施形態に係る断層映像装置について図面を参照しつつ説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る断層映像装置を示す概念図である。
本実施形態に係る断層映像装置は、医療用の内視鏡に適用されたものであって、光源部と干渉計部と信号処理部とからなる。
光源部は低可干渉光源10からなる。また、干渉計部は、全体として、いわゆるアンバランス型のマイケルソン干渉計を構成しており、4つの光ファイバ21、22、23、24と、2×2カプラ25と、被検体31の前段に配される対物集光レンズ32と、コリメータレンズ41と、参照ミラー42と、被検体情報を担持した干渉波映像を撮像する光検出器52とを備えている。
また、信号処理部は、増幅器62と、バンドパスフィルタ63と、A/Dコンバータ64と、画像処理部65と、画像表示部66とを備えてなる。
以下、上記実施形態装置の作用を説明する。
低可干渉光源10は、近赤外域に広いスペクトル幅(広波長帯域)を有する光(以下、低可干渉光とも称する)を出射する光源であって、例えばSLD(Super-luminescent diode)やASE(Amplified Spontaneous Emission)光源等からなる。この低可干渉光源10から出射された光は図示されない集光レンズにより光ファイバ21の入射端面に集光され、光ファイバ21により2×2カプラ25に伝送される。
伝送された低可干渉光は、この2×2カプラ25において2分割され、一方は光ファイバ22に他方は光ファイバ23により伝送される。光ファイバ22により伝送された低可干渉光は、光ファイバ22の出射端面から出射され、対物集光レンズ32によって被検体31(人体)に集光照射される。
被検体31に照射された低可干渉光は、被検体31の深さ方向の各位置から反射され、その照射経路を逆に進み2×2カプラ25に到達する。一方、参照ミラー42から反射された低可干渉光も、その照射経路を逆に進み2×2カプラ25に到達する。このようにして、被検体31の深さ方向の各位置で反射された低可干渉光(以下物体光と称する)と参照ミラー42により反射された低可干渉光(以下参照光と称する)は2×2カプラ25において合波されるが、合波された両光はコヒーレンス長が極めて短いものであるため、参照光と略光路長の等しい物体光のみが干渉を生じることになる。
すなわち、参照ミラー42の光軸方向の位置に対応する被検体31の深さ方向の位置のみ(詳細には低可干渉光のコヒーレンス長の範囲)の干渉波情報が得られることになるから、参照ミラー42を光軸方向(矢印B方向)に移動させることにより、被検体31の深さ方向の各位置の干渉波情報が時系列的に得られることになる。
この後、2×2カプラ25で得られた干渉光は光ファイバ24を介して光検出器52に到達し、その干渉波情報が光強度の変化として、この光検出器52により検出されることになる。光検出器52により検出された干渉波情報は電気信号に変換されて、増幅器62、バンドパスフィルタ63、A/Dコンバータ64を介して画像処理部65に入力されて被検体31の断層映像が生成され、生成された断層映像は画像表示部66において表示される。
なお、上記画像処理部65においては、光検出器52から出力された、被検体31の深さ方向の情報を担持した1次元の各反射光強度信号に対し、包絡線処理を施すようにしている。すなわち、上記各反射光強度信号は交流信号の形態で現れるため、マイナス成分を折り返してプラス成分のみを有する信号に変換し、その後、その包絡線を抽出して連続的な反射光強度信号を得るようにしている。
この後、連続的な深さ方向(z方向)の各反射光強度分布をy方向の各点について繋げる画像信号処理を施して2次元断層映像信号を生成し、画像表示部66に出力して被検体31の2次元断層映像が表示される。
このように、低可干渉光を検査光として用い、等光路長型のマイケルソン干渉計を基本構成とすることで、互いに干渉しあう波長幅を極めて短くすることができるので、被検体31の深さ方向の空間分解能を極めて短く設定でき、例えばμmオーダーの空間分解能を得ることができる。
また、被検体31に低可干渉光を集光照射する対物集光レンズ32は、その一部のレンズが光軸方向(矢印C方向)に移動可能とされて、観察位置にフォーカシングし得るようになっており、これにより、観察位置における被検体画像のピンボケを防止することができるようになっている。
また、光ファイバ22の光出射端部分および対物集光レンズ32は内視鏡の鉗子チャンネルを通して使用する先端プローブ部分を構成しており、この先端プローブ部分を矢印A方向に移動することで、被検体31の横方向(y方向)の各点に対応する断層映像情報を得ることができる。すなわち、上記先端プローブ部分のy方向への移動により被検体31の2次元断層映像情報を得ることができる。
ところで、一般に、被検体31が生体である場合、照射光強度が一定とすると、観察される各断層境界面の深さ位置からの反射光強度は、その深さに応じて指数関数的に減衰する。換言すれば、被検体31の深さ情報は、照射光に対する反射光の強度比によって表される。
しかして、被検体31が、図2に示すように深さ方向に直交する層構成とされている場合、各層の境界にて光反射が生じるため、各反射光が担持する被検体情報を干渉波信号として検出することになる。
このため、従来は、図2に示すような被検体31について、断層映像信号を検出すると、図3に示す如くその信号強度のピーク値は深部に向かう程小さくなり、断層映像として表示すると、1枚の画像内での明暗の差が大きいため極めて見にくくなり、また、特に深部の映像は不鮮明になってしまう。
そこで、本実施形態の断層映像装置においては、図1に示すように、被検体31の観察位置の深さが大きくなるのに伴う、被検体31の観察位置からの反射光強度の低下による干渉波強度の低下を緩和するように、参照ミラー42の移動位置に応じて光源10から出力される低可干渉光の光強度を変化させる、光源光強度制御用の制御部1を設けている。この制御部1は、被検体31の深さ位置と、この深さ位置に応じて減衰する反射光強度との関係を表す関数の逆関数(指数関数)に相当する関係式テーブルを光源光強度制御テーブルとして備えている。この制御部1は、この光源光強度制御テーブルに基づき、被検体31の深さ位置に相当する参照ミラー42の移動位置に応じて、光源10の強度を指数関数的に滑らかに変化させる。すなわち、光源10から出力される低可干渉光の光強度は図4に示す如く、参照ミラー42の移動位置に応じて指数関数的に変化することになり、得られる干渉波信号のピーク強度は、図5に示す如く、観察される被検体31の深さ位置に拘わらず略一定となる。
これにより、画像表示部66に表示された断層映像は、1枚の画像内での明暗の差がほとんどないため見易くなり、また、特に深部の映像を鮮明に表示することができる。
なお、参照ミラー42の位置検出は周知の位置センサを用いればよい。
また、本実施形態の装置において、参照ミラー42の光軸方向への移動位置に応じ、制御部1からの指示信号に基づいて対物集光レンズ32の所定のレンズ(焦点距離f)をその光軸方向(矢印C方向)に移動させてフォーカシングを行い、上記光ビームの一方を被検体31の観察位置に収束せしめるようなオートフォーカス機能をもたせるようにすれば、マニュアル的に観察位置のフォーカス調整を行なわずともよくなるので、操作者の労力が軽減されるとともに、測定時間を短縮することができる。
なお、上記所定のレンズの駆動は、周知のレンズ駆動用のアクチュエータを用いる。
また、干渉波信号のコントラストを向上させるため、例えば参照ミラー42の前段に透過光量を調整可能なNDフィルタを設けておき、物体光の光量変化に応じて、物体光の光量と参照光の光量が同一レベルとなるように調整可能としておくことが好ましい。この場合、NDフィルタの位置調整が、上記制御部1からの指示信号に基づいて行なわれるようにしてもよい。
図7は、本実施形態により得られた被検体31の2次元断層映像の一例を示すものである。なお、図7に示す画像はともに、縦方向がz方向に一致し(上方が被検体31の表面)、横方向がy方向に一致している。また、図7の画像において、縦方向および横方向ともに、被検体31の組織の2mmの範囲を示すものである。
図7によれば、本実施形態により得られた2次元断層映像は、深さ方向の全範囲に亘って略一様なレベルの明るさとされており、深部においても鮮明な画像が得られ、さらに空間分解能においても優れていることが明らかである。
<態様の変更>
また、上記実施形態においては、参照ミラー42の移動位置に応じて光源10から出力される低可干渉光の光強度を変化させる光源光強度制御用の制御部1を設けているが、これに替えて、被検体31の観察位置の深さが大きくなるのに伴う、被検体31の観察位置からの反射光強度の低下による干渉波強度の低下を緩和するように、参照ミラー42の移動に応じて光検出器52における信号利得を制御する、検出器利得制御用の制御部101を備えることも可能である(図面の簡便のため、図1では光源光強度制御用の制御部1を検出器利得制御用の制御部101に転用する記載としている)。
すなわち、この検出器利得制御用の制御部101は、被検体31の深さ位置と、この深さ位置に応じて減衰する反射光強度との関係を表す関数の逆関数(指数関数)に相当する関係式テーブルを検出器利得制御テーブルとして備えている。この制御部101は、この検出器利得制御テーブルに基づき、被検体31の深さ位置に相当する参照ミラー42の移動位置に応じて、光検出器52の信号利得を指数関数的に滑らかに変化させる。すなわち、光検出器52の信号利得も、上記光源10から出力される低可干渉光の光強度と同様に、図4に示す如く、参照ミラー42の移動位置に応じて指数関数的に変化することになり、得られる干渉波信号のピーク強度は、図5に示す如く、観察される被検体31の深さ位置に拘わらず略一定となる。
これにより、画像表示部66に表示された断層映像は、1つの画像内での明暗の差がほとんどないため見易くなり、また、特に深部の映像を鮮明に表示することができる。
また、図1に示す装置においては、アンバランス型のマイケルソン干渉計を用いているが、これに替えて、図6に示すような、バランス型のマイケルソン干渉計を用いてもよい。アンバランス型のマイケルソン干渉計で用いられた処理はこのバランス型のマイケルソン干渉計でも略同様に用いることができる。したがって、図6において図1と対応する部材については、図1の部材に付された符号に200を加えた符号を付すものとし、その詳細な説明は省略する。ただし、バランス型のマイケルソン干渉計においては、アンバランス型のマイケルソン干渉計では用いられなかった経路が必要となり、2つの2×2カプラ212、213および光学アイソレータ214等が配されている。また、2×2カプラ213からの2つの光出力同士では、各信号I、Iにおいて、干渉波成分が正負逆符号となっており、一方、バイアス成分は同符号となっている。したがって、光検出器252A、252Bからの両出力信号強度に対し、コンパレータ等を用いて両者の差分をとることにより、光源の揺らぎも含めたバイアス成分が相殺され、干渉波信号成分のみを理論上2倍として得ることができる。
このことを数式を用いて説明すると、参照ミラー242からの光信号強度をI、被検体31からの光信号強度をIとし、干渉させる2光波の位相差をφとし、合波された後の干渉波信号強度をIとすると、アンバランス型のマイケルソン干渉計による干渉波信号強度Iは、以下の式で表される。
Figure 0004187160
これに対し、バランス型マイケルソン干渉計による干渉波信号強度Iは、上述したように光検出器252A、252Bからの両出力信号強度I、Iの差として表されるから以下の式で表される。
Figure 0004187160
上記2式の比較から明らかなように、バランス型マイケルソン干渉計による干渉波信号強度Iでは、検出信号におけるバイアス成分が相殺され、被検体231に関する必要な情報成分のみを抽出していることになる。このため、光検出器252A、252Bの利得を上げても、光検出器252A、252Bのダイナミックレンジを越えることがなく、検出信号の強度を高めることができる。
なお、本発明の断層映像装置としては、その他の形態の変更が可能であり、例えば低可干渉光源としても上述した光源に替えて、通常のダイオードや高圧水銀ランプ等の周知の低可干渉光源を使用することが可能である。
また、上記実施形態においては、等光路長型干渉計としてマイケルソンタイプのものを用いているが、これに替えてマッハ−ツェンダタイプ等の他の等光路長型干渉計を用いるようにしてもよい。
また、被検体としては人体に限られず、光が内部に侵入して、内部の各位置から反射光が得られるその他の種々の組織とすることができる。
本発明の実施形態に係る断層映像装置を示す概念図 被検体の、深さ方向に直交する層構成を示す模式図 従来技術における、被検体の深さ位置に対する干渉信号強度を示すグラフ 本発明の実施形態における、深さ位置に対する光源から出力される低可干渉光の光強度を示すグラフ 本発明の実施形態における、被検体の深さ位置に対する干渉信号強度を示すグラフ 図1に示す実施形態の一部変更態様を示す図 図1に示す実施形態により得られた被検体の2次元断層映像の一例を示す図 従来技術に係る断層映像装置を示す概念図
符号の説明
1、101、201 制御部
10、110、210 低可干渉光源
21、22、23、24、221、222、223、224、
321、322、323、324 光ファイバ
25、212、213、225、325 2×2カプラ
31、231、331 被検体
32、232、332 対物集光レンズ
42、242、342 参照ミラー
52、252A、252B、352 光検出器
41、241、341 コリメータレンズ
62、262、362 増幅器
63、263、363 バンドパスフィルタ
64、264、364 A/Dコンバータ
65、265、365 画像処理部
66、266、366 画像表示部

Claims (8)

  1. 低可干渉性を有する光ビームを出射する光源と、
    該光源から出射された光ビームを2分し、一方を被検体に照射するとともに、他方を参照ミラーに照射し、該被検体および該参照ミラーから各々反射された光ビームを干渉せしめて、該干渉による光強度分布を光検出器により得るようにした等光路長型干渉計とを備え、
    該被検体の深さ方向の干渉波情報を得ることができるように該参照ミラーを該参照ミラーの光軸方向に移動可能とされた断層映像装置において、
    該被検体の観察位置の深さが大きくなるのに伴う該観察位置からの反射光量の低下による干渉波情報量の低下を緩和するように、該参照ミラーの移動位置に応じて前記光源から出力される光ビームの強度を変化させる光源光強度制御部を備えてなることを特徴とする断層映像装置。
  2. 低可干渉性を有する光ビームを出射する光源と、
    該光源から出射された光ビームを2分し、一方を被検体に照射するとともに、他方を参照ミラーに照射し、該被検体および該参照ミラーから各々反射された光ビームを干渉せしめて、該干渉による光強度分布を光検出器により得るようにした等光路長型干渉計とを備え、
    該被検体の深さ方向の干渉波情報を得ることができるように該参照ミラーを該参照ミラーの光軸方向に移動可能とされた断層映像装置において、
    該被検体の観察位置の深さが大きくなるのに伴う該観察位置からの反射光量の低下による干渉波強度の低下を緩和するように、該参照ミラーの移動位置に応じて前記光検出器における信号利得を制御する検出器利得制御部を備えてなることを特徴とする断層映像装置。
  3. 前記参照ミラーの光軸方向への移動位置に応じて、前記光ビームの一方を前記被検体の観察位置に収束せしめるようにフォーカシングするオートフォーカス機能を備えてなることを特徴とする請求項1記載の断層映像装置。
  4. 前記参照ミラーの光軸方向への移動位置に応じて、前記光ビームの一方を前記被検体の観察位置に収束せしめるようにフォーカシングするオートフォーカス機能を備えてなることを特徴とする請求項2記載の断層映像装置。
  5. 前記光源光強度制御部は、前記被検体の深さ位置と、該深さ位置に応じて減衰する反射光強度との関係を表す関係式テーブルを備えていることを特徴とする請求項1または3記載の断層映像装置。
  6. 前記検出器利得制御部は、前記被検体の深さ位置と、該深さ位置に応じて減衰する反射光強度との関係を表す関係式テーブルを備えていることを特徴とする請求項2または記載の断層映像装置。
  7. 前記オートフォーカス機能は、前記参照ミラーの光軸方向への移動位置に応じ、前記光源光強度制御部からの指示信号に基づき、対物集光レンズの全部または一部のレンズを、その対物集光レンズの光軸方向に移動させてフォーカシングを行うことを特徴とする請求項1、3および5のうちいずれか1項記載の断層映像装置。
  8. 前記オートフォーカス機能は、前記参照ミラーの光軸方向への移動位置に応じ、前記検出器利得制御部からの指示信号に基づき、対物集光レンズの全部または一部のレンズを、その対物集光レンズの光軸方向に移動させてフォーカシングを行うことを特徴とする請求項2、4および6のうちいずれか1項記載の断層映像装置。
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