JP5069585B2 - 光プローブを用いた光断層画像化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）計測により光断層画像を生成するときに使用される光プローブおよびこれを用いた断層画像化装置に関するものである。

従来、生体組織の光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。眼底や前眼部、皮膚をはじめ、ファイバプローブを用いる動脈血管壁の観察、内視鏡の鉗子チャンネルからファイバプローブを挿入する消化器管の観察など、様々な部位に応用されている。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、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、もしくは後方散乱光と参照光とを合波し、反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得する。

上記のＯＣＴ計測には、大きくわけてＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測とＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測の２種類がある。ＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測は、参照光と測定光の光路長は変えることなく、光のスペクトル成分毎に干渉光強度を測定し、ここで得られたスペクトル干渉強度信号を計算機にてフーリエ変換に代表されるスペクトル解析を行うことで、深さ位置に対応した反射光強度分布を取得する方法である。

ところで、ＯＣＴ計測により断層画像を取得するためには、測定対象に対し測定光を走査しながら照射する必要がある。ここで、近年のＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術の発展に伴い、先端光学系がプローブ外筒内に設けられたＭＥＭＳモータに取り付けられており、先端光学系がＭＥＭＳモータにより軸回りに回動させる光プローブが開示されている（たとえば非特許文献１参照）。但し、ＭＥＭＳモータをプローブ内に組み込む必要があるため、プローブの小径化が難しくなってしまう。特に、内視鏡の鉗子口を利用してＯＣＴ用光プローブを体腔内に挿入する場合、鉗子口の径は２．６ｍｍもしくは１．８ｍｍが主流であるため、ＯＣＴ用光プローブの径は１．６ｍｍ以下であることが望ましい。

一方、ＯＣＴ計測においてはロータリージョイントを用いて測定光を回転走査させることが一般的に行われている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１において、被検体の内部に挿入されるシースと、このシースの内部で、長手方向に延びる軸回りに回転可能とされた可撓性シャフトと、この可撓性シャフトに被覆された光ファイバと、この光ファイバから出射した光を長手方向に略直角に偏向する先端光学系とを有し、可撓性シャフトを基端に配設されたモータによりギアを介して回転させ、先端光学系を軸回りに回動させるＯＣＴ用光プローブが示されている。
特許３１０４９８４号公報 Jianping Su, Jun Zhang, Lingeng Yu, Zhongping Chen,"In vivo three-dimensional microelectromechanical endoscopic swept source optical coherence tomography",Optics Express, 6 august 2007/Vol. 15, NO16, pp. 10390-10396

しかし、特許文献１のように、光ファイバの根本部分を回転させることにより、光ファイバの先端に取り付けられた先端光学系を回転走査させたとき、シャフトとプローブ外筒との摩擦等により先端光学系に回転ムラが生じるという問題がある。具体的には、先端光学系の１回転中において、ある走査領域では回転が遅くなり、他方の走査領域では回転速度が速くなるという現象が生じる。すると、ある走査領域では測定光の走査ラインが密の状態になり、他方の走査領域では測定光の走査ラインが疎の状態になる。一方、断層画像生成処理においては、１回転走査において所定の走査ライン数の断層画像を等間隔に配列することにより断層画像が形成される。したがって、実際に測定光が照射されている場所と断層画像中に表される場所とが異なる場合が生じ、断層画像の画質が劣化するという問題がある。

そこで、本発明は、先端光学系の回転ムラによる断層画像の画質の劣化を防止することができる光プローブおよびこれを用いた光断層画像化装置を提供することを目的とするものである。

本発明の光プローブは、被検体内に挿入される略円筒形のプローブ外筒と、プローブ外筒の内部空間に長手方向に配設された光ファイバと、光ファイバの先端から出射した光を被検体に向けて偏向させる、プローブ外筒に対し回転可能な先端光学系とを備え、プローブ外筒が、先端光学系から射出される光を透過する光ファイバの回転方向に沿って形成された光透過領域と、先端光学系から射出される光を遮光する光透過領域の開始位置および終了位置に形成された遮光領域とを備えた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、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、測定光を測定対象まで導波する光プローブと、光プローブにより導波された測定光が測定対象に走査しながら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する合波手段と、合波手段により合波された反射光と参照光との干渉光を干渉信号として検出する干渉光検出手段と、干渉光検出手段により走査ライン毎に検出された干渉信号を用いて測定対象の断層情報を取得し、断層情報を用いて測定対象の断層画像を取得する断層画像処理手段とを備え、光プローブのプローブ外筒が、先端光学系から射出される光を透過する光ファイバの回転方向に沿って形成された光透過領域と、先端光学系から射出される光を遮光する光透過領域の開始位置および終了位置に形成された遮光領域とを備えたものであり、断層画像処理手段が、干渉光検出手段により検出された干渉信号に基づいて、走査ライン毎に測定対象の断層情報を取得する干渉信号解析手段と、走査ライン毎の複数の干渉信号もしくは複数の断層情報のうち、遮光領域から取得された遮光干渉信号もしくは遮光断層情報を検出する遮光領域検出手段と、遮光領域検出手段により検出された遮光干渉信号もしくは遮光断層情報を用いて光透過領域から取得された干渉信号もしくは断層情報を検出する透過領域検出手段と、透過領域検出手段により検出された光透過領域の干渉信号を用いて光透過領域の断層画像を生成する断層画像生成手段とを備えたものであることを特徴とするものである。

ここで、反射光とは、測定対象からの反射光および後方散乱光を意味する。

なお、遮光領域は測定光を遮光するものであればその構成を問わず、光を先端光学系側へ反射することにより遮光するものであってもよいし、測定光を吸収もしくは散乱することにより遮光するものであってもよい。

また、遮光領域検出手段は、干渉光検出手段において各走査ライン毎に検出された干渉信号の信号レベルを用いて遮光領域を検出するものであってもよいし、断層情報取得手段において各走査ライン毎に取得された断層情報を用いて遮光領域を検出するものであってもよい。

たとえば遮光領域が先端光学系から射出された測定光を先端光学系側へ反射するものであり、領域検出手段が、干渉信号が設定しきい値よりも大きいか否かを判定することにより遮光領域の位置を認識して光透過領域を検出するものであってもよい。あるいは、遮光領域が先端光学系から射出された測定光を吸収もしくは散乱するものであるとき、遮光領域検出手段は、干渉信号が設定しきい値よりも小さいか否かを判定することにより遮光領域の位置を認識して光透過領域を検出するものであってもよい。

また、遮光領域が先端光学系から射出された測定光を先端光学系側へ反射するものであるとき、遮光領域検出手段は、各走査ラインにおけるプローブ外筒の位置の断層情報が設定しきい値よりも大きいか否かを判定することにより遮光領域を認識し光透過領域を検出するものであってもよい。あるいは 遮光領域が先端光学系から射出された測定光を吸収もしくは散乱するものであるとき、領域検出手段は、干渉信号が設定しきい値よりも小さいか否かを判定することにより遮光領域を認識し光透過領域を検出するものであってもよい。

また、断層画像生成手段は、透過領域を構成する走査ライン数が設定走査ライン数であるかを判断する走査ライン判定手段と、走査ライン判定手段において走査ライン数が設定走査ライン数よりも多いと判定されたとき、光透過領域が設定ライン数からなるように走査ライン数を減少させる画質補正を行う。また、断層画像生成手段は、走査ライン判定手段において走査ライン数が設定走査ライン数よりも少ないと判定されたとき、光透過領域内の走査ライン数が設定ライン数になるように走査ライン数を増加させる画質補正を行う機能を有するものであってもよい。

なお、光断層画像化装置は、いわゆるＦＤ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得するものであってもよいし、ＴＤ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得するものであってもよい。

本発明の光プローブおよびこれを用いた光断層画像化装置によれば、光を射出する光源ユニットと、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、測定光を測定対象まで導波する光プローブと、光プローブにより導波された測定光が測定対象に走査しながら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する合波手段と、合波手段により合波された反射光と参照光との干渉光を干渉信号として検出する干渉光検出手段と、干渉光検出手段により走査ライン毎に検出された干渉信号を用いて測定対象の断層情報を取得し、断層情報を用いて測定対象の断層画像を取得する断層画像処理手段とを備え、プローブ外筒が、先端光学系から射出される光を透過する光ファイバの回転方向に沿って形成された光透過領域と、先端光学系から射出される光を遮光する光透過領域の開始位置および終了位置に形成された遮光領域とを有するものであり、断層画像処理手段が、干渉光検出手段により検出された干渉信号に基づいて、走査ライン毎に測定対象の断層情報を取得する干渉信号解析手段と、走査ライン毎の複数の干渉信号もしくは複数の断層情報のうち、遮光領域から取得された遮光干渉信号もしくは遮光断層情報を検出する遮光領域検出手段と、遮光領域検出手段により検出された遮光干渉信号もしくは遮光断層情報を用いて光透過領域から取得された干渉信号もしくは断層情報を検出する透過領域検出手段と、透過領域検出手段により検出された光透過領域の干渉信号を用いて光透過領域の断層画像を生成する断層画像生成手段とを備えたものであることにより、走査ライン毎に取得される複数の干渉信号もしくは断層情報の中から光透過領域から取得された干渉信号もしくは断層情報を特定して光透過領域の断層画像を生成するため、回転ムラが生じた場合であっても光透過領域に測定光を照射したときの干渉信号を用いて光透過領域の断層画像を生成することができ、先端光学系の回転ムラによる断層画像の劣化を防止することができる。

なお、遮光領域が先端光学系から射出された測定光を先端光学系側へ反射するものであり、遮光領域検出手段が、干渉信号の信号レベルが設定しきい値よりも大きいか否かを判定することにより遮光領域を検出するものであるとき、干渉信号に対しスペクトル解析を施すことなく光透過領域を検出することができるため、効率的な断層画像処理を行うことができる。

また、遮光領域が先端光学系から射出された測定光を吸収もしくは散乱するものであり、遮光領域検出手段が、干渉信号の信号レベルが設定しきい値よりも小さいか否かを判定することにより遮光領域を検出するものであるとき、干渉信号に対しスペクトル解析を施すことなく光透過領域を検出することができるため、効率的な断層画像処理を行うことができる。

さらに、遮光領域が先端光学系から射出された測定光を先端光学系側へ反射するものであり、遮光領域検出手段が、プローブ外筒の位置に当たる断層情報が設定しきい値よりも大きいか否かを判定することにより遮光領域を検出するものであれば、精度良く光透過領域の検出を行うことができる。

また、遮光領域が先端光学系から射出された測定光を吸収もしくは散乱するものであり、遮光領域検出手段が、プローブ外筒の位置に当たる断層情報が設定しきい値よりも小さいか否かを判定することにより遮光領域を検出するものであれば、精度良く光透過領域の検出を行うことができる。

さらに、断層画像生成手段が、透過領域検出手段において検出された光透過領域を構成する走査ライン数が設定走査ライン数よりも多いとき、光透過領域が設定ライン数からなるように走査ライン数の間引きを行い、走査ライン数が設定走査ライン数よりも少ないとき、光透過領域の走査ライン数が設定ライン数になるように走査ラインの補間する機能を有するものであるとき、測定光の走査を繰り返すことにより光透過領域内の断層画像を動画として表示する際、前後の画像フレーム間において略同一の画質からなる断層画像を表示することができる。

以下、図面を参照して本発明の光断層画像化装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の光断層画像化装置の好ましい実施の形態を示す概略図である。図１の光断層画像化装置１は、内視鏡の鉗子口ＦＣを用いて体腔内に光プローブ１０を挿入し、鉗子チャンネルＦＣａから光プローブ１０を突出させることにより体腔内の生体組織や細胞等の測定対象Ｓの断層画像Ｐを取得するものである。なお、この光プローブ１０は光ファイバＦＢ２により干渉計１ａに光学的に接続されている。

図２は図１の光断層画像化装置１の構成を示す模式図である。光断層画像化装置１は、測定対象Ｓの断層画像をＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）計測により取得するものであって、光源ユニット３０、光分割手段３、合波手段４、干渉光検出手段４０、断層画像処理手段５０等を備えている。

光源ユニット３０は、波長を一定の周期Ｔ０で掃引させながらレーザ光Ｌを射出するものである。具体的には、光源ユニット３０は、半導体光増幅器（半導体利得媒質）３１１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３１１の両端に接続された構造を有している。半導体光増幅器３１１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３１１に駆動電流が供給されたとき、半導体光増幅器３１１および光ファイバＦＢ１０により形成される光共振器によりレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１０へ射出される。

さらに、光ファイバＦＢ１０には光分岐器３１２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光分岐器３１２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３１３、回折格子素子３１４、光学系３１５を介して回転多面鏡（ポリゴンミラー）３１６において反射される。そして反射された光は光学系３１５、回折格子素子３１４、コリメータレンズ３１３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３１６は矢印Ｒ３０方向に回転するものであって、各反射面の角度が光学系３１５の光軸に対して変化する。これにより、回折格子素子３１４において分光された光のうち、特定の波長帯域の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３１５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の光が光分岐器３１２から光ファイバＦＢ１０に入射され、特定の波長のレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１ａ側に射出される。

したがって、回転多面鏡３１６が矢印Ｒ３０方向に等速で回転したとき、光ファイバＦＢ１ａに入射される光の波長λは、時間の経過に伴って周期的に変化することになる。具体的には、図３に示すように、光源ユニット３０は最小掃引波長λｍｉｎから最大掃引波長λｍａｘまで波長を一定の周期Ｔ０（たとえば約５０μｓｅｃ）で掃引した光Ｌを射出する。

なお、光源ユニット３０としてポリゴンミラーを回転させることにより波長を掃引させる場合について例示しているが、たとえばＡＳＥ光源ユニット等のような公知の技術により周期的に波長を掃引させながら射出するようにしても良い。

光分割手段３は、たとえば２×２の光ファイバカプラからなっており、光源ユニット３０から光ファイバＦＢ１を導波した光Ｌをそれぞれ測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する。このとき、光分割手段３は、たとえば測定光Ｌ１：参照光Ｌ２＝９９：１の割合で分割する。光分割手段３は、２つの光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、分割された測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２側に入射され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３側に入射される。

光ファイバＦＢ２は光プローブ１０に光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光プローブ１０内を導波する。図４は本発明の光プローブ１０の先端部分の好ましい実施形態を示す断面図、図５は光プローブ１０の先端部分の概略斜視図である。光プローブ１０は、プローブ外筒１１、光ファイバ１２、可撓性シャフト１３、先端光学系１５を備えている。プローブ外筒１１は、可撓性を有する筒状の部材からなり、プローブ外筒１１の先端はキャップ１７により閉塞された構造を有している。

光ファイバ１２は、プローブ外筒１１の内部空間に長手方向に配設されたものであり、測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波するとともに、測定対象Ｓに測定光Ｌ１が照射されたときの測定対象Ｓからの反射光Ｌ３を導波するものである。光ファイバ１２の外周には金属線材を密巻き螺状に巻回した密着コイルからなる可撓性シャフト１３が固定されている。そして、可撓性シャフト１３が矢印Ｒ１方向に回転することにより光ファイバ１２が回転する。

先端光学系１５は、光ファイバ１２の先端から出射した光を測定対象Ｓに向けて偏向させるものであり、略球状に形成された集光レンズを有している。そして、先端光学系１５は光ファイバ１２から射出した測定光Ｌ１を測定対象Ｓ側に偏向させるとともに測定対象Ｓに集光する。また、先端光学系１５は測定対象Ｓに測定光Ｌ１を照射したときの反射光Ｌ３を光ファイバ１２内に入射する。なお、先端光学系１５の焦点距離は、例えば光ファイバ１２の光軸ＬＰからプローブ外筒１１の径方向に向かって距離Ｄ＝３ｍｍ程度の位置に形成されている。

先端光学系１５は固定部材１４を用いて光ファイバ１２に固定されており、光ファイバ１２と一体的に矢印Ｒ１方向に回転する。したがって、先端光学系１５から射出される測定光Ｌ１は測定対象Ｓに対し矢印Ｒ１方向に走査しながら照射されることになる。

ここで、プローブ外筒１１には、先端光学系１５から射出される測定光Ｌ１を透過する光透過領域ＰＲと、先端光学系１５から射出される測定光Ｌ１を遮光する遮光領域ＳＲとが形成されている。光透過領域ＰＲは、先端光学系１５の回転方向に沿って形成されており、遮光領域ＳＲは光透過領域ＰＲの開始位置および終了位置に形成されている。この光透過領域ＰＲおよび遮光領域ＳＲはキャップ１７によりプローブ外筒１１の内壁面側に形成される。

具体的には、キャップ１７は、プローブ外筒１１への挿入部分１７ａが円筒状に形成されているとともに、挿入部分１７ａの一部の側壁面に切り欠きが形成されている。そして、キャップ１７がプローブ外筒１１に挿入されたとき、切欠部分が光透過領域ＰＲを形成し、挿入部分１７ａが遮光領域ＳＲを形成する。したがって、図３および図４では測定光Ｌ１の径方向（矢印Ｒ１方向）のうち、３０°〜９０°の範囲からなる扇状の光透過領域ＰＲが１つのみ形成されており、その他の領域に遮光領域ＳＲが形成されている。そして、遮光領域ＳＲと光透過領域ＰＲとの境界部分に光透過領域ＰＲの開始位置を示す開始遮光領域ＳＲＳと光透過領域ＰＲの終了位置を示す終了遮光領域ＳＲＥとが形成されている。

ここで、遮光領域ＳＲは先端光学系１５から射出された測定光Ｌ１を再び先端光学系１５側に反射する反射体からなっている。遮光領域ＳＲはたとえばキャップ１７の挿入部分１７ａの内壁に反射膜を成膜しもしくは反射テープを貼付することにより形成される。よって、遮光領域ＳＲにおいてプローブ外筒１１の外方に存在する測定対象Ｓに測定光Ｌ１は照射されない。

なお、遮光領域ＳＲは光を反射する場合について例示しているが、光を吸収（もしくは散乱）するものであってもよい。また、光透過領域ＰＲおよび遮光領域ＳＲがキャップ１７により形成される場合について例示しているが、プローブ外筒１１の内壁面もしくは外壁面にテープを貼付する等により形成されるものであってもよい。

一方、図２において、光ファイバＦＢ３の参照光Ｌ２の射出側には光路長調整手段２０が配置されている。光路長調整手段２０は、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および第２光学レンズ２１ｂとを有している。そして、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、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、第１光学レンズ２１ａにより光ファイバＦＢ３に集光される。

さらに光路長調整手段２０は、第２光学レンズ２１ｂと反射ミラー２２とを固定した基台２３と、基台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。そして基台２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変えられるようになっている。

合波手段４は、前述の通り２×２の光ファイバカプラからなり、光路長調整手段２０により光路長の変更が調整された参照光Ｌ２と、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波するとともに、干渉光Ｌ４を光ファイバＦＢ１、ＦＢ４に分岐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を干渉信号ＩＳとして検出するものであって、２つの光検出部（ディテクタ）４０ａ、４０ｂ、差動アンプ４１を備えている。光検出部４０ａ、４０ｂはそれぞれ光ファイバＦＢ１、ＦＢ４を導波した干渉光Ｌ４を検出するものであり、その出力が差動アンプ４１に入力される。差動アンプ４１は、２つの干渉光の差分を干渉信号ＩＳとして出力するものである。このように、２つの干渉光Ｌ４を差動アンプ４１によりバランス検波することにより、干渉信号ＩＳを増幅して出力しながら干渉信号ＩＳ以外の同相光雑音が除去することができ、断層画像Ｐの画質の向上を図ることができる。

図６は図１の断層画像処理手段５０の一例を示すブロック図である。なお、図６のような断層画像処理手段５０の構成は、補助記憶装置に読み込まれた断層画像処理プログラムをコンピュータ（たとえばパーソナルコンピュータ等）上で実行することにより実現される。断層画像処理手段５０は、干渉信号取得手段５１、干渉信号変換手段５２、干渉信号解析手段５３、断層画像生成手段５４、遮光領域検出手段５５、透過領域検出手段５６等を有している。

干渉信号取得手段５１は、図７に示すように、干渉光検出手段４０により検出された干渉信号ＩＳを１走査ライン毎に取得するものである。つまり、光源ユニット３０において波長が１周期分掃引される毎に、干渉光検出手段４０は１走査ライン分の干渉信号ＩＳを取得する。そして、干渉信号取得手段５１は、干渉光検出手段４０において各走査ライン毎に検出された走査ライン毎の干渉信号ＩＳを取得する。

干渉信号変換手段５２は、図８（Ａ）に示すような時間変化に対する信号レベルとして取得される干渉信号ＩＳを、図８（Ｂ）に示すような波数ｋ（＝２π／λ）軸において等間隔になるように配列する機能を有している。具体的には、干渉信号変換手段５２は、光源ユニット３０の時間−波長掃引特性データテーブルもしくは関数を予め有しており、この時間−波長掃引特性データテーブル等を用いて波数ｋ軸において等間隔になるように干渉信号ＩＳを再配列する。これにより、干渉信号ＩＳから断層情報を算出するときに、フーリエ変換処理、最大エントロピー法による処理等の周波数空間において等間隔であることを前提とするスペクトル解析法により精度の高い断層情報を得ることができる。なお、この信号変換手法の詳細はＵＳ５９５６３５５号明細書に開示されている。

図６の干渉信号解析手段５３は、干渉信号変換手段５２により信号変換された干渉信号ＩＳをたとえばフーリエ変換処理、最大エントロピー法（ＭＥＭ）、Ｙｕｌｅ−Ｗａｌｋｅｒ法等の公知のスペクトル解析技術を用いて解析し、測定対象Ｓの深さ位置に対する断層情報ｒ（ｚ）（反射率）を取得するものである。

断層画像生成手段５４は、干渉信号解析手段５３において解析された断層情報ｒ（ｚ）を用いて断層画像Ｐを生成する。特に、光透過領域ＰＲの範囲内の断層画像Ｐを生成する際、断層画像生成手段５４は、光プローブ１０の先端に形成された光透過領域ＰＲの範囲情報を予め記憶しており、下記の遮光領域検出手段５５および透過領域検出手段５６の検出結果に基づき、光透過領域ＰＲから取得された干渉信号ＩＳもしくは断層情報ｒ（ｚ）を特定して断層画像Ｐを生成する。

遮光領域検出手段５５は、複数の干渉信号ＩＳのうち遮光領域ＳＲから取得された遮光干渉信号ＩＳＳを検出するものである。具体的には、遮光領域検出手段５５は、光透過領域ＰＲの開始位置ＳＲＳと終了位置ＳＲＥとに設けられた遮光領域ＳＲ（図４、図５参照）を検出する。

ここで、遮光領域ＳＲが光を反射するものである場合、測定光Ｌ１はプローブ外筒１１に設けられた遮光領域ＳＲにおいて反射し、その反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とが合波され干渉光Ｌ４となる。このとき、遮光領域ＳＲによる反射光Ｌ３の光強度は測定対象Ｓからの反射光Ｌ３の光量よりも極めて大きいものとなる。

一方、干渉光Ｌ４の光強度は反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との光強度に依存するものであって、反射光Ｌ３の光強度が大きければ干渉信号ＩＳの信号レベルも大きくなる。よって、遮光領域ＳＲから取得した干渉信号ＩＳの信号レベルは、図７に示すように光透過領域ＰＲから取得した各走査ラインの干渉信号よりも極めて大きくなる。そこで、遮光領域検出手段５５は干渉信号ＩＳの信号レベルが設定しきい値よりも大きいか否かを判断することにより、遮光領域ＳＲから取得された遮光干渉信号ＩＳＳを検出する。透過領域検出手段５６は、遮光領域検出手段５５により検出された遮光干渉信号ＩＳＳを用いて光透過領域ＰＲの開始位置ＳＲＳおよび終了位置ＳＲＥを特定して光透過領域ＰＲから取得された干渉信号ＩＳを検出する。そして、断層画像生成手段５４は、光透過領域ＰＲの干渉信号ＩＳを用いて図９に示すような断層画像Ｐを生成する。

なお、断層画像生成手段５４は、すべての干渉信号ＩＳについてスペクトル解析を行い断層情報ｒ（ｚ）を取得した後、透過領域検出手段５６の検出結果に基づいて光透過領域ＰＲの断層画像Ｐを生成するようにしてもよいし、あるいは、透過領域検出手段５６において検出された光透過領域ＰＲの干渉信号ＩＳについてのみ干渉信号ＩＳのスペクトル解析を行い断層画像Ｐを生成するようにして解析処理の高速化を図るようにしてもよい。

また、遮光領域ＳＲが測定光Ｌ１を反射する場合について例示しているが、測定光Ｌ１を吸収する場合であっても干渉信号ＩＳから遮光領域ＳＲを検出することができる。つまり、測定光Ｌ１が遮光領域ＳＲにおいて吸収された場合、遮光領域ＳＲの干渉信号ＩＳは参照光Ｌ２の光強度レベルと略同一になり、光透過領域ＰＲの干渉信号ＩＳに比べて小さくなる。そこで、遮光領域検出手段５５は、干渉信号ＩＳが設定しきい値よりも小さいとき遮光領域ＳＲの干渉信号ＩＳであると認識することができる。

さらに、断層画像生成手段５４は、透過領域検出手段５６において検出された光透過領域を構成する走査ライン数により画質向上処理を施す機能を有している。具体的には、光透過領域ＰＲにおける測定光Ｌ１の走査速度（先端光学系１５の回転速度）が遅い場合、光透過領域ＰＲ内の走査ライン数は設定走査ライン数よりも少なくなる。このとき、断層画像生成手段５４は走査ラインの補間を行うことにより、設定走査ライン数からなる断層画像を生成する。なお、断層画像生成手段５４における走査ラインの補間は、たとえばスプライン補間等の公知の技術を用いることができる。

一方、光透過領域ＰＲにおける測定光Ｌ１の走査速度（先端光学系１５の回転速度）が遅い場合、光透過領域ＰＲ内の走査ライン数は設定走査ライン数よりも多くなる。このとき、断層画像生成手段５４は走査ライン数の間引きを行うことにより、設定走査ライン数からなる断層画像Ｐを生成する。なお、断層画像生成手段５４における走査ラインの間引きは、たとえば走査ラインを削除する方法や、複数の走査ライン分の断層情報ｒ（ｚ）を平均化したものを用いて断層画像を生成する等公知の技術を用いることができる。

次に、図１から図９を参照して光断層画像化装置１の動作例について説明する。まず、光源ユニット３０から波長掃引した光Ｌが射出され（図３参照）、光分割手段３により光Ｌは測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１は、光ファイバＦＢ２および光プローブ１０内を導波し測定対象Ｓに回転走査しながら照射される。そして、測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたときの測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が光プローブ１０を介して合波手段４に入射される。一方、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３を介して光路長調整手段２０に入射され、第１光学レンズ２１ａにより平行光になり、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、第１光学レンズ２１ａにより光ファイバＦＢ３内に入射される。このとき、ミラー駆動手段２４により第１光学レンズ２１ａと第２光学レンズ２１ｂとの距離を調整することにより参照光Ｌ２の光路長の調整が行われる。そして、光ファイバＦＢ３を導波した参照光Ｌ２が合波手段４に入射される。

合波手段４において反射光Ｌ３と参照光Ｌ２とが合波されるとともに、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が光ファイバＦＢ１、ＦＢ４にそれぞれ分岐される。その後、干渉光検出手段４０において、分岐された干渉光Ｌ４がバランス検波され、干渉信号ＩＳが取得される。

その後、図６の断層画像処理手段５０において、干渉信号取得手段５１により各走査ライン毎に干渉信号ＩＳが取得され、干渉信号変換手段５２により干渉信号ＩＳが波数に対する信号強度に変換される。そして、干渉信号解析手段５３において干渉信号ＩＳにスペクトル解析が施されて、測定対象Ｓの断層情報ｒ（ｚ）が取得される。

一方、遮光領域検出手段５５において、走査ライン毎に取得される複数の干渉信号ＩＳのうち、遮光領域ＳＲから取得された遮光干渉信号ＩＳＳが検出される。そして、透過領域検出手段５６において、遮光干渉信号ＩＳＳに挟まれた期間に取得された干渉信号ＩＳを光透過領域ＰＲの干渉信号として検出する。

その後、断層画像生成手段５４において、干渉信号解析手段５３により光透過領域ＰＲの干渉信号ＩＳについてスペクトル解析された断層情報ｒ（ｚ）を用いて断層画像Ｐが生成される（図９参照）。このとき、断層画像生成手段５４は、透過領域ＰＲの干渉信号ＩＳのライン数が設定ライン数よりも多きときにはライン数を間引きする処理を行い、ライン数が設定ライン数よりも小さいときにはライン数を補間する処理を行う。

このように、光透過領域ＰＲにおいて取得される干渉信号ＩＳを検出して光透過領域ＰＲの断層画像Ｐを生成することにより、回転走査速度にムラが生じた場合であっても断層画像の画質の劣化を防止することができる。すなわち、上述した断層画像の生成において、先端光学系１５が等速回転運動している場合、走査ライン間隔は全走査領域について略一定になり、光透過領域ＰＲは設定走査ライン数の断層情報ｒ（ｚ）（干渉信号ＩＳ）により形成されることになる。しかし、実際には光プローブ１０が曲げられながら体腔内に挿入されたとき、プローブ外筒１１と可撓性シャフト１３とが接触し回転ムラが生じることがある。このとき、全走査領域について測定光Ｌ１の走査ライン間隔は不均一のものとなる。この場合であっても断層画像生成手段５４においては走査ラインを等間隔に配列して断層画像Ｐを生成するため、画質の劣化が生じる。

一方、遮光領域ＳＲから取得した遮光干渉信号ＩＳＳを検出することにより、光透過領域ＰＲに測定光Ｌ１を照射させたときに得られた干渉信号ＩＳを検出し、検出した干渉信号を用いて光透過領域ＰＲの断層画像Ｐを生成することにより、回転ムラによる測定光Ｌ１の照射位置と断層画像Ｐの表示位置とのずれの発生を防止して画質の劣化を防止することができる。

また、光ファイバ１２のロータリージョイント部１０Ａにエンコーダを設け、ロータリジョイント部１０Ａにおいて測定光Ｌ１の照射位置が検出できる場合であっても、光ファイバ１２および可撓性シャフト１３のねじれ等により、光ファイバ１２の回転と先端光学系１５の回転との位相がずれることがある。そして、ロータリーエンコーダによる測定光Ｌ１の照射位置の検出と実際に先端光学系１５が照射している位置とのずれが生じる。このような場合であっても、図２に示すような光プローブ１０の場合、プローブ外筒１１の先端に形成された遮光領域ＳＲを判別することにより、測定光Ｌ１の照射を検出するものであるため、先端光学系１５の回転を正確に検出することができる。

図１０は本発明の光断層画像化装置における断層画像処理手段のべつの実施形態を示すブロック図であり、図１０を参照して断層画像処理手段１５０について説明する。なお、図１０の断層画像処理手段１５０において図６の断層画像処理手段５０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。図１０の断層画像処理手段１５０が図６の断層画像処理手段５０と異なる点は、スペクトル解析後の断層情報ｒ（ｚ）を用いて遮光領域ＳＲを検出する点である。

遮光領域検出手段１５５は、走査ライン毎に取得された断層情報ｒ（ｚ）に基づいて遮光領域ＳＲを検出する。ここで、先端光学系１５の光射出部分から遮光領域ＳＲまでの距離ｚｈは既知であるため、スペクトル解析によって得られた断層情報ｒ（ｚｈ）を用いることにより遮光領域ＳＲを検出する。このとき、遮光領域ＳＲが反射体からなる場合には断層情報ｒ（ｚｈ）の信号レベルが設定しきい値以上であるかを判断し、遮光領域ＳＲが光吸収する場合には断層情報ｒ（ｚｈ）の信号レベルが設定しきい値以下であるかを判断することにより遮光領域ＳＲが検出される。そして、透過領域検出手段５６は、遮光領域検出手段１５５により検出された遮光断層情報ｒｓ（ｚ）の区間に挟まれた各走査ラインの断層情報ｒ（ｚ）を光透過領域ＰＲから取得された断層情報ｒ（ｚ）として検出する。

この場合であっても、実際に測定光Ｌ１が光透過領域ＰＲに照射されたときに得られた断層情報ｒ（ｚ）を用いて光透過領域ＰＲの断層画像Ｐが生成されるため、回転ムラによる画質の劣化を防止することができるとともに、スペクトル解析後の断層情報ｒ（ｚ）から精度良く遮光領域ＳＲを検出することができる。

上記実施の形態によれば、光を射出する光源ユニット３０と、光源ユニットから射出された光を測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波する光プローブ１０と、光プローブ１０により導波された測定光Ｌ１が測定対象Ｓに走査しながら照射されたときの測定対象Ｓ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を干渉信号ＩＳとして検出する干渉光検出手段４０と、干渉光検出手段４０により走査ライン毎に検出された干渉信号ＩＳを用いて測定対象Ｓの断層情報ｒ（ｚ）を取得し、断層情報ｒ（ｚ）を用いて測定対象Ｓの断層画像Ｐを取得する断層画像処理手段５０とを備え、プローブ外筒１１が、先端光学系１５から射出される光を透過する光ファイバ１２の回転方向Ｒ１に沿って形成された光透過領域ＰＲと、先端光学系１５から射出される光を遮光する光透過領域ＰＲの開始位置および終了位置に形成された遮光領域ＳＲとを有するものであり、断層画像処理手段５０が、干渉光検出手段４０により検出された干渉信号ＩＳに基づいて、走査ライン毎に測定対象Ｓの断層情報ｒ（ｚ）を取得する干渉信号解析手段５３と、走査ライン毎の複数の干渉信号ＩＳもしくは複数の断層情報ｒ（ｚ）のうち、遮光領域ＳＲから取得された遮光干渉信号ＩＳＳもしくは遮光断層情報ｒｓ（ｚ）を検出する遮光領域検出手段５５と、遮光領域検出手段５５により検出された遮光干渉信号ＩＳＳもしくは遮光断層情報ｒｓ（ｚ）を用いて光透過領域から取得された干渉信号ＩＳもしくは断層情報を検出する透過領域検出手段５６と、透過領域検出手段５６により検出された光透過領域ＰＲの干渉信号ＩＳを用いて光透過領域ＰＲの断層画像Ｐを生成する断層画像生成手段５４とを備えたものであることにより、走査ライン毎に取得される複数の干渉信号ＩＳもしくは断層情報ｒ（ｚ）の中から光透過領域ＰＲから取得された干渉信号ＩＳもしくは断層情報を特定して光透過領域ＰＲの断層画像Ｐを生成するため、回転ムラが生じた場合であっても光透過領域ＰＲに測定光Ｌ１を照射したときの干渉信号ＩＳを用いて光透過領域ＰＲの断層画像Ｐを生成することができ、先端光学系１５の回転ムラによる断層画像Ｐの劣化を防止することができる。

また、遮光領域ＳＲが先端光学系１５から射出された測定光を先端光学系１５側へ反射するものであり、遮光領域検出手段５５が、干渉信号ＩＳの信号レベルが設定しきい値よりも大きいか否かを判定することにより遮光領域ＳＲを検出するものであるとき、干渉信号ＩＳに対しスペクトル解析を施すことなく光透過領域ＰＲを検出することができるため、効率的な断層画像処理を行うことができる。

また、遮光領域ＳＲが先端光学系から射出された測定光を吸収もしくは散乱するものであり、遮光領域検出手段５５が、干渉信号ＩＳの信号レベルが設定しきい値よりも小さいか否かを判定することにより遮光領域ＳＲを検出するものであるとき、干渉信号ＩＳに対しスペクトル解析を施すことなく光透過領域ＰＲを検出することができるため、効率的な断層画像処理を行うことができる。

さらに、遮光領域ＳＲが先端光学系１５から射出された測定光Ｌ１を先端光学系１５側へ反射するものであり、遮光領域検出手段５５が、プローブ外筒１１の位置に当たる断層情報ｒ（ｚｈ）が設定しきい値よりも大きいか否かを判定することにより遮光領域ＳＲを検出するものであれば、精度良く光透過領域ＰＲの検出を行うことができる。

また、遮光領域ＳＲが先端光学系１５から射出された測定光を吸収もしくは散乱するものであり、遮光領域検出手段５５が、プローブ外筒１１の位置に当たる断層情報が設定しきい値よりも小さいか否かを判定することにより遮光領域ＳＲを検出するものであれば、精度良く光透過領域ＰＲの検出を行うことができる。

さらに、断層画像生成手段５４が、透過領域検出手段５６において検出された光透過領域ＰＲを構成する走査ライン数が設定走査ライン数よりも多いとき、光透過領域が設定ライン数からなるように走査ライン数の間引きを行い、走査ライン数が設定走査ライン数よりも少ないとき、光透過領域ＰＲの走査ライン数が設定ライン数になるように走査ラインの補間を行う機能を有するものであるとき、測定光Ｌ１の走査を繰り返すことにより光透過領域ＰＲ内の断層画像を動画として表示する際、前後の画像フレーム間において略同一の画質からなる断層画像を表示することができる。

本発明の実施形態は、上記実施形態に限定されない。たとえば、図１１に示すように、上記遮光領域ＳＲを用いた光透過領域ＰＲの検出に加えて、鉗子チャンネルＦＣ内に内蔵された回転検出機構により測定光Ｌ１の照射位置を検出するようにしてもよい。なお、図１１において、鉗子チャンネルＦＣ側に複数のホールＩＣ２１０が取り付けられており、プローブ外筒１１内に円盤状の磁石２２０が設けられている。そして、ホールＩＣ２１０が磁気を検出することにより先端光学系１５の向き（測定光Ｌ１の照射位置）を検知する。たとえば、光透過領域ＰＲの開始位置ＳＲＳおよび終了位置ＳＲＥに当たる位相部分にホールＩＣ２１０を設けることにより、開始位置ＳＲＳおよび終了位置ＳＲＥの検出精度をより高めることができる。

また、たとえば図５および図９の光プローブにおいて、１つの光透過領域ＰＲのみ形成されている場合について例示しているが、複数の光透過領域ＰＲが形成された場合であってもよい。言い換えれば、少なくとも２つの遮光領域ＳＲが走査方向に沿って形成されたものであれば、２つの遮光領域ＳＲに挟まれた光透過領域ＰＲを検出することができ、たとえば図１２に示すように、４つの光透過領域ＰＲおよび遮光領域ＳＲを有するものであってもよい。

また、図２の光断層画像化装置１はいわゆるＳＳ−ＯＣＴ計測により断層画像Ｐを取得する場合について例示しているが、ＳＤ−ＯＣＴ計測もしくはＴＤ−ＯＣＴ計測において回転走査しながら断層画像を取得する光断層画像化装置の光プローブとして適用することができる。

本発明の光断層画像化装置の好ましい実施の形態を示す概略構成図 本発明の光断層画像化装置の好ましい実施の形態を示す模式図 図２の光源ユニットから射出される光の波長が掃引される様子を示すグラフ 図２の光断層画像化装置に使用される光プローブの一例を示す模式図 図２の光断層画像化装置に使用される光プローブの一例を示す模式図 図２の断層画像処理手段の一例を示すブロック図 図６の干渉信号取得手段において取得される各走査ライン毎の干渉信号の一例を示す模式図 図６の干渉信号および再サンプリングされた干渉信号の一例を示すグラフ 図６の断層画像生成手段により生成された断層画像の一例を示す模式図 図２の光断層画像化システムにおける断層画像処理手段の別の実施形態を示すブロック図 内視鏡の鉗子チャンネルに回転検出機構を設けた様子を示す模式図 本発明の光プローブの別の実施形態を示す模式図

符号の説明

１ 光断層画像化装置
３ 光分割手段
４ 合波手段
１０ 光プローブ
１１ プローブ外筒
１２ 光ファイバ
１４ 固定部材
１５ 先端光学系
１７ キャップ
１７ａ 挿入部分
３０ 光源ユニット
４０ 干渉光検出手段
５０、１５０ 断層画像処理手段
５１ 干渉信号取得手段
５２ 干渉信号変換手段
５３ 干渉信号解析手段
５４ 断層画像生成手段
５５、１５５ 遮光領域検出手段
５６、１５６ 透過領域検出手段
ＩＳ 干渉信号
ＩＳＳ 遮光干渉信号
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
Ｐ 断層画像
ＰＲ 光透過領域
ｒ（ｚ） 断層情報
Ｓ 測定対象
ＳＲ 遮光領域
ＳＲＥ 終了位置
ＳＲＳ 開始位置

Claims (2)

1. 光を射出する光源ユニットと、
   該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、
   前記測定光を被検体内の測定対象まで導波する光プローブと、
   該光プローブにより導波された前記測定光が該測定対象に走査しながら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、
   該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干渉信号として検出する干渉光検出手段と、
   該干渉光検出手段により走査ライン毎に検出された前記干渉信号を用いて前記測定対象の断層情報を取得し、該断層情報を用いて前記測定対象の断層画像を取得する断層画像処理手段とを備え、
   前記光プローブが、
   被検体内に挿入される略円筒形のプローブ外筒であって先端がキャップにより閉塞されたプローブ外筒と、
   該プローブ外筒の内部空間に長手方向に配設された光ファイバと、
   該光ファイバの先端から出射した前記測定光を前記被検体内の前記測定対象に向けて偏向させる、前記プローブ外筒に対し回転可能な先端光学系とを備え、
   前記プローブ外筒が、前記先端光学系から射出される前記測定光を透過する前記光ファイバの回転方向に沿って形成された光透過領域と、前記先端光学系から射出される前記測定光を遮光する前記光透過領域の開始位置および終了位置に形成された遮光領域とを備え、
   前記遮光領域が、前記キャップの前記プローブ外筒への挿入部分によって形成され、かつ、前記測定光を前記先端光学系側へ反射することにより遮光するものであり、
   前記光透過領域が、前記挿入部分の切り欠きによって形成されたものであり、
   前記断層画像処理手段が、
   前記干渉光検出手段により検出された前記干渉信号に基づいて、前記走査ライン毎に前記測定対象の断層情報を取得する干渉信号解析手段と、
   前記干渉信号の信号レベルが設定しきい値よりも大きいか否かを判定することにより、前記走査ライン毎の前記複数の干渉信号もしくは前記複数の断層情報のうち、前記遮光領域から取得された遮光干渉信号もしくは遮光断層情報を検出する遮光領域検出手段と、
   該遮光領域検出手段により検出された前記遮光干渉信号もしくは前記遮光断層情報を用いて、前記光透過領域から取得された前記干渉信号もしくは前記断層情報を検出する透過領域検出手段と、
   該透過領域検出手段により検出された前記光透過領域の前記干渉信号を用いて該光透過領域の断層画像を生成する断層画像生成手段と
   を備えたことを特徴とする光断層画像化装置。
2. 前記断層画像生成手段が、前記透過領域検出手段において検出された前記光透過領域を構成する前記走査ライン数が設定走査ライン数よりも多いとき、前記光透過領域が前記設定ライン数からなるように前記走査ライン数の間引きを行い、前記走査ライン数が前記設定走査ライン数よりも少ないとき、前記光透過領域の前記走査ライン数が前記設定ライン数になるように前記走査ラインの補間する機能を有するものであることを特徴とする請求項１記載の光断層画像化装置。

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