JP5590524B2

JP5590524B2 - オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置とその光源

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Publication number: JP5590524B2
Application number: JP2010060506A
Authority: JP
Inventors: 裕三吉國
Original assignee: Kitasato Institute
Current assignee: Kitasato Institute
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2010-03-17
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-03-17
Also published as: JP2011196695A

Description

本発明は、オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置及びその光源に関する。

オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー（Optical Coherence Tomography; OCT）装置は、光の干渉現象を利用して網膜等の断層像を撮影する装置である。ＯＣＴ装置は、光源と、光源に接続された干渉計と、干渉計の出力光強度を測定して断層像を導出する断層像導出ユニットとを有している。

ＯＣＴ装置の光源としては、出力光の波長が連続的に変化する波長可変ファイバーレーザや波長可変半導体レーザなど種々の装置が提案されている。中でも、波長が時間と共に離散的に（例えば、ステップ状に）変化する単一波長レーザ光（縦単一モードレーザ光）を発生する波長可変半導体レーザが、小型で量産性に優れている。このような単一波長レーザ光（以下、離散的波長スイープ光と呼ぶ）を発生する半導体レーザとしては、SSD-DBRレーザ（super-structure-grating distributed Bragg reflector lasers）が存在する。

尚、初期のＯＣＴ装置は、干渉計の参照アームの光路長の変化に伴う、干渉光強度の変化から断層像を直接得ていた。しかし、その後のＯＣＴ装置は、干渉光の強度をフーリエ変換して断層像を得ている。そこで、干渉光の強度をデータ処理して断層像を得るＯＣＴ装置を、以後、単にＯＣＴ装置と呼ぶこととする。

特開２００６−２０１０８７号公報

吉國裕三、「波長可変レーザの開発動向とそのシステム応用への期待」、応用物理、応用物理学会、２００２年、第７１巻、第１１号、p.1362-1366.

単一波長レーザ光は、可干渉距離が長いので、光の干渉現象を利用するOCTに適している。しかし、サイズの大きな測定対象（例えば、眼球）を測定する場合には、この可干渉距離の長さが測定の妨げになることがある。

ＯＣＴ像（ＯＣＴ装置で撮影した断層像）は、そのフーリエ変換の性質により、測定対象の深さ方向に一定の周期で同じ断層像が繰り返される。このため、この繰り返し周期より測定対象が大きい場合には、断層像同士が重なり合って断層像が不明瞭になる。

そこで、本発明の目的は、断層像の重なりの影響を抑制したＯＣＴ装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、時間と共に離散的に変化する中心波長を中心として、波長が振動する単一波長レーザ光を発生する波長可変レーザ光発生ユニットと、前記単一波長レーザ光を参照光と測定光に分岐し、前記測定光を測定対象に照射して後方散乱光を発生させ、前記後方散乱光と前記参照光を結合して干渉光を生成する干渉計ユニットと、前記干渉光の強度を測定し、前記波長が振動する夫々の期間における前記強度の時間平均と前記中心波長の関係に基づいて前記測定対象の断層像を導出する断層像導出ユニットとを有するオプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置が提供される。

本発明によれば、断層像の重なりの影響を抑制したＯＣＴ装置を提供することができる。

実施の形態のＯＣＴ装置の構造を説明する概略図である。実施の形態の波長可変レーザ光発生ユニットが発生する単一波長レーザ光の波長の時間変化を説明する図である。離散的波長スイープ光による断層像の重なりを説明する図である。断層像の一周期より離れた位置の別組織が、ＯＣＴ像の撮影範囲に侵入した場合を説明する図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。

（１）構造
図１は、本実施の形態のＯＣＴ装置２の構造を説明する概略図である。図１に示した実線は、下記各光学部材を接続する光ファイバーである。尚、本実施の形態は、１次元断層像を撮影するＯＣＴ装置に関するものである。しかし、本実施の形態のＯＣＴ装置２を、２次元断層像又は３次元画像像を撮影するＯＣＴ装置に拡張することは容易である。そのためには、よく知られているように、ガルバノミラー等の光走査装置を下記光照射/補足ユニット２８に設ければよい。

本実施の形態のＯＣＴ装置２は、図１に示すように、時間と共に波長が変化する単一波長レーザ光４を発生する波長可変レーザ光発生ユニット６（ＯＣＴ用光源）を有している。また、ＯＣＴ装置２は、単一波長レーザ光４を参照光８と測定光１０に分岐し、測定光１０を測定対象１２に照射して後方散乱光１４を発生させ、この後方散乱光１４と参照光８を結合して干渉光１６ａ, １６ｂを生成する干渉計ユニット１８を有している。

また、ＯＣＴ装置２は、干渉光１６ａ,１６ｂの強度を測定し、測定対象１２の断層像を導出する断層像導出ユニット２０を有している。

―波長可変レーザ光発生ユニット―
波長可変レーザ光発生ユニット６は、SSD-DBRレーザとその制御装置を有している。図２は、波長可変レーザ光発生ユニット６が発生する単一波長レーザ光４の波長の時間変化を説明する図である。図２の横軸は時間である。図２の縦軸は波長である。

単一波長レーザ光４の波長２２は、図２に示すように、時間と共に離散的（図２の例では、ステップ状）に変化する中心波長２４を中心として振動する。ここで、中心波長２４に対応する波数ｋの間隔δk_cは、一定である。

このような単一波長レーザ光４はSSD-DBRレーザの位相調整領域に注入する電流を変調することで、容易に発生することができる（非特許文献１参照）。尚、単一波長レーザ光４のサイドモード抑圧比は、例えば、２０ｄＢ以上である。また、単一波長レーザ光４の線幅は、例えば１００ＭＨｚ以下である。尚、単一波長レーザ光４のサイドモード抑圧比及び線幅は、夫々、１０ｄＢ以上及び１ＧＨｚ以下であってもよい。

尚、背景技術で説明した離散的波長スイープ光は、図２に点線で示した中心波長２４と同様に波長が離散的に変化する単一波長レーザ光である。

― 干渉計ユニット―
干渉計ユニット１８は、図１に示すように、単一波長レーザ光４を参照光８と測定光１０とに分岐する光分岐器２６（例えば、方向性結合器）を有している。

また、干渉計ユニット１８は、測定光１０を測定対象１２に照射し且つ測定光１０が測定対象１２により後方散乱されて発生した後方散乱光１４を補足する光照射/補足ユニット２８を有している。

また、干渉計ユニット１８は、参照光８と後方散乱光１４を結合して第１の干渉光１６ａと第２の干渉光１６ｂを出射する光結合器３０（例えば、分岐比が１：１の方向性結合器）を有している。ここで、測定対象が単一の反射面からなる場合、第１の干渉光１６ａと第２の干渉光１６ｂの強度は、単一波長レーザ光４の波数に対して周期的に変化し、その位相はπずれている。

また、干渉計ユニット１８は、参照光８が伝搬する光路（以下、参照アーム）の光学長を微調整する光遅延器３２を有している。但し、測定光１０と後方散乱光１４が伝搬する光路（以下、計測アームと呼ぶ）の光学長と参照アームの光学長が最初から略等しい場合には、光遅延器３２を省略することができる。

光照射/補足ユニット２８は、図１に示すように、光分岐器２６により分岐されその光入射口ａに入射した測定光１０を、光入出射口ｂから出射させる第１の光サーキュレータ３４を有している。また、光照射/補足ユニット２８は、第１の光サーキュレータ３４の光入出射口ｂから出射した測定光を平行光線に変換する第１のコリメータレンズ３６を有している。また、光照射/補足ユニット２８は、この平行光線を集光して測定対象１２に照射する第１のフォーカシングレンズ３８を有している。

測定対象１２に照射された測定光１０は、測定対象１２により後方散乱されて後方散乱光１４になる。この後方散乱光１４は、測定光１０が進行して来た光路を逆行して第１の光サーキュレータ３４の光入出射口ｂに入射し、第１の光サーキュレータ３４の光出射口ｃから出射する。光出射口ｃから出射した後方散乱光１４は、光結合器３０に入射し、参照光８と結合する。

光遅延器３２の構造は、光照射/補足ユニット２８と略同じである。光遅延器３２は、図１に示すように、光分岐器２６により分岐されその光入射口ｅに入射した参照光８を、光入出射口ｆから出射させる第２の光サーキュレータ４０を有している。また、光遅延器３２は、第２の光サーキュレータ４０の光入出射口ｆから出射した参照光８を平行光線に変換する第２のコリメータレンズ４２を有している。また、光遅延器３２は、この平行光線を集光する第２のフォーカシングレンズ４４と、この集光された平行光線（参照光８）が照射される可動ミラー４６を有している。

ミラー４６に照射された参照光８は、ミラー４６により反射されて、進行して来た光路を逆行して第２の光サーキュレータ４０の光入出射口ｆに入射し、第２の光サーキュレータ４０の光出射口ｇから出射する。光出射口ｇから出射した参照光８は、光結合器３０に入射し、後方散乱光１４と結合する。

ここで、ミラー４６は、参照光８の進行方向に沿って前後に移動する可動ミラーである。この可動ミラー４６の位置を調整することで、参照アームの光学長を微調整することができる。この微調整により参照光アームと計測アームの長さを略等しくした状態で、測定対象１２の断層像を撮影する。

―断層像導出ユニット―
断層像導出ユニット２０は、図１に示すように、第１の干渉光１６ａを受光してその光強度に対応する信号（例えば、光電流）を出力する第１の光検知器４８（例えば、pinフォトダイオード）と、第２の干渉光１６ｂを受光してその光強度に対応する信号（例えば、光電流）を出力する第２の光検知器５０（例えば、pinフォトダイオード）とを有している。

また、断層像導出ユニット２０は、第１の光検知器４８の出力と第２の光検知器５０の出力の差を増幅する差動増幅器５２を有している。

また、断層像導出ユニット２０は、差動増幅器５２の出力をアナログデジタル変換するＡＤ変換器５４（analogue-to-digital converter ）を有している。ＡＤ変換器５４は、差動増幅器５２の出力を積分回路により平均化した後、アナログデジタル変換する。この積分回路時定数は、波長２２の振動周期より長く、波長２２が振動する期間２５より短い８図２参照）。従って、ＡＤ変換器５４の出力は、中心波長２４が一定に保持される期間（すなわち、波長２２が振動する夫々に期間２５）における干渉光１６ａ,１６ｂの時間平均の差である。

また、断層像導出ユニット２０は、ＡＤ変換器５４の出力を中心波長２４の波数ｋ_ｃ（＝２π／波長）に関してフーリエ変換し、その絶対値（または、絶対値の２乗）を算出する演算制御装置５６を有している。この絶対値は、測定対象１２における測定光１０の進行方向に沿った位置座標ｚの関数であり、測定対象１２の後方散乱光強度の深さ方向（測定光１０の進行方向）の分布すなわち１次元断層像に対応している。

演算制御装置５６は、例えば、ＯＣＴ装置２の動作を制御し且つ断層像を導出するプログラムがロードされたコンピュータであり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）
と、上記プログラムが記録された補助メモリ（例えば、磁気ディスク）と、このプログラムがロードされる主メモリ(例えば、Random Access Memory)とを有している。

すなわち、本実施の形態の形態では、干渉光１６ａ,１６ｂの強度の時間平均の差をフーリエ変換して、断層像を導出する。これにより、干渉光１６ａ,１６ｂの同相成分が除去され、干渉光１６ａ,１６ｂの差動成分だけが増幅されてSN比(signal to noise ratio)が向上する。しかし、一方の干渉光（例えば、干渉光１６ａ）の強度の時間平均を、直接フーリエ変換してもよい。

以上のように、断層像導出ユニット２０は、干渉光の強度を測定し、単一波長レーザ光４の波長２２が振動する夫々の期間２５における干渉光の強度の時間平均と中心波長２４の関係に基づいて、測定対象１２の断層像を導出する。ここで、断層像を導出する際のデータ処理の対象は、上記関係に基づいて得られる干渉光強度の時間平均の差であってもよし、一方の干渉光の強度の時間平均であってもよい。

（２）断層像の重なりとその抑制
図３は、離散的波長スイープ光による断層像の重なりを説明する図である。

図３の上部に示した座標軸５８は、測定光１０に沿った位置座標ｚを表している。座標軸５８の下には、離散的波長スイープ光により得られる眼球のＯＣＴ像が示されている。

このＯＣＴ像は、フーリエ変換の性質により、π/δｋの周期で同じ画像が繰り返される。ここで、δｋは、離散的波長スイープ光の波数間隔である。

図３の上段の画像は、z=−π/δｋを中心とする１周期分の断層像である。図３の中段及び下段の画像は、夫々、z=0及びz=+π/δｋを中心とする１周期分の断層像である。

図３には、角膜や虹彩からなる前眼部の断層像６０,６０ａ,６０ｂが示されている。図３の中段に示すように、ｚ＝０を中心とした対称位置に、断層像６０に対応する折り返し像６２が現れる。ここで、破線で示した領域６４は、ＯＣＴ像の一周期π/δｋに対応する領域である。図３に示すように、この領域６４の右半分には、下段に示す断層像６０ａの折り返し像６２ａが現れる。このため、離散的波長スイープ光によるＯＣＴ装置では、導出した断層像に折り返し像が含まれないように、ＯＣＴ像の半周期π/（２δｋ）に対応する領域６６でのみ断層像を導出する。

ところで、通常の臓器では測定光１０は、表面から数ｍｍの深さまでしか到達しない。このため、通常は、この範囲のＯＣＴ像しか導出されない。しかし、透明な組織（例えば、眼球の水晶体）や空洞を有する臓器では、事情が異なっている。測定光は、透明な組織や空洞を透過して離れた位置に存在する組織にも到達する。このため、図３に示すように、測定対象の組織（例えば、前眼部６０）とは別の組織（例えば、網膜６８,６８ｃ）の断層像も導出される。

この時、測定対象とは別の組織（例えば、網膜６８）が断層像の周期π/δｋ（例えば、０〜１２ｍｍ）より離れた位置に存在すると、上段に示す一周期前の断層像７０における別組織６８ｃの断層像が、ＯＣＴ像の撮影範囲６６に侵入してくる（図３の領域７２参照）。

図４は、このような場合の断層像を説明する図である。図４に示す例では、網膜６８ｃの断層像と前眼部６０が断層像が略重なり合って、ＯＣＴ像が不明瞭になっている。

本実施の形態のＯＣＴ装置２でも、フーリエ変換により断層像を導出するので、断層像は重なり合う。しかし、本実施の形態によれば、単一波長レーザ光４の波長２２を振動させることで、その可干渉距離を短くすることができるので、断層像の重なりの影響を抑制することができる。

断層像導出の基になる干渉光１６ａ,１６ｂの強度差ΔＩ（＝Ｉ₊−Ｉ_-）は、次式で表すことができる（特許文献１参照）。但し、測定対象１２は、測定光１０を後方散乱する反射面を一つだけ含むものとする。

ここで、Ｉ_ｒ及びＩ_sは、夫々、後方散乱光１４及び参照光８の強度（パワー）である。また、Ｌ_ｒは、測定光１０と後方散乱光１４が走行する光路（計測アーム）の光学長である。Ｌ_ｓは、参照光８が走行する光路（参照アーム）の光学長である。ｋは、単一波長レーザ光４の波数（＝２π／波長）である。ここでＬ_ｒは、測定対象１２の反射面の位置により変化する。

ところで、本実施の形態の単一波長光レーザ光４の波長は、図２に示しように振動している。従って、干渉光１６ａ,１６ｂの強度もその波長（＝２π/ｋ）にしたがって振動し、その時間平均の差Δ＜Ｉ＞は、次式で表すことができる。

ここで、ｋ_ｃは、中心波長２４に対応する波数（＝２π/波長）である。Δｋは、波長２２の振幅Δλに対応する波数ｋの振幅である。Ｔは、波長振動の周期である。尚、波数ｋは、時間に対して鋸歯状に振動すると仮定した。

式（２）から明らかように、干渉光強度の時間平均の差Δ＜Ｉ＞は、干渉光の強度差ΔＩにsinc関数（＝sinx/x;xは変数）を乗じたものである。よく知られているように、sinc関数は、その変数ｘが０の時に最大になり、変数ｘが＋π（または−π）で０になる。その後、sinc関数は、変数ｘが０から離れるにしたがって、０を中心に振動しながらその振幅が急速に減少させる。

このため、ΔＬがπ/Δｋ以上（または、−π/Δｋ以下）の領域で、断層像の強度は急激に減少する。従って、このπ/Δｋを、以後、単一波長レーザ光４の可干渉距離と呼ぶこととする。この可干渉距離π/Δｋは、例えば１２ｍｍである。一方、単一波長レーザ光４の元々の可干渉距離（波長２２を振動させない場合の可干渉距離）は、例えば数ｍに及ぶ。

すなわち、波長を振動させることで単一波長レーザ光４の可干渉距離を狭くすることができる。故に、本実施の形態によれば、ＯＣＴ像の撮影範囲６６に浸み出した他の周期の断層像を容易に減衰させることができるので、断層像の重なりの影響が抑制される。このため、明瞭な断層像を撮影することができる。

本実施例の形態では鋸歯状の波長変化を用いているため、光路長差に対する干渉強度の変化はsinc関数状となり、上記可干渉距離の外側でも周期的に干渉光強度が増加してしまう。しかし、変調波形を調整し変調光の平均スペクトルがガウス型、ローレンツ型などの滑らかな関数となる変調方式をとれば、可干渉距離の外側で単調に減衰するような特性を得る事も可能である。

本実施の形態では、上述したように、干渉光強度の時間平均の差を（中心波長に対応する）波数ｋ_ｃに関してフーリエ変換する。従って、ＯＣＴ像も、離散的波長スイープ光によるＯＣＴ像と同様に、π/δｋ_ｃの周期で繰り返される。

よく知られているように、ＯＣＴ像の座標ｚは、ΔＬの１/２である。従って、ＯＣＴ像における可干渉距離は、π/（２Δｋ）になる。このため、本実施の形態のＯＣＴ像は、夫々のＯＣＴ像の中心（z=0, ±π/δｋ_c, ±２π/δｋ_c・・・）からπ/（２Δｋ）以上離れた位置で急激に減衰する。

従って、-π/δｋ_ｃ+π/（２Δｋ）≦０すなわち２Δｋ≧δｋ_ｃとすることで、z=-π/δｋ_cを中心とする一周期前の断層像７０を、撮影範囲６６において十分に減衰させることができる（図３参照）。この時、単一波長レーザ光２２の波長の振幅Δλは、中心波長２４の波長間隔δλ_ｃの１/２以上になる。

例えば、δｋ_ｃに対応する光周波数の幅が２５ＧＨｚの場合、断層像の周期（π/δｋ）は６ｍｍになる。この時、Δｋに対応する光周波数の幅を１２．５ＧＨｚ以上にすれば、単一波長レーザ光４の可干渉距離（π/２Δｋ）は６ｍｍ以下になり、断層像の重なりの影響を十分に抑制することができる。

尚、２Δｋ≧２δｋ_ｃでれば、一周期前の断層像７０を更に減衰させることができる。また、２Δｋ≧４δｋ_ｃでれば、一周期前の断層像７０を更に減衰させることができる。

（３）動作
次に、本ＯＣＴ装置２の動作を、具体的に説明する。

まず、波長可変レーザ光発生ユニット６が、断層像導出ユニット２０のコンピュータの命令にしたがって、図２に示すように、時間と共に離散的に変化する中心波長２４を中心として、波長２２が振動する単一波長レーザ光４を発生する。ここで、中心波長２４の範囲は、例えば、１２８０〜１３２０ｎｍである。また、中心波長λ_ｃのステップ数は５７０であり、その波数間隔は一定である。すなわち、中心波長λ_ｃの波長間隔δλ_ｃは、略０．０７ｎｍ（２５ＧＨｚ）である。この波長間隔δλ_cに対応する断層像の周期（π/δｋ）は、６ｍｍである。また、波長２２の振幅Δλは、０．０３５ｎｍ（光周波数幅１２．５ＧＨｚ）である。この振幅Δλに対応する干渉光１６ａ,１６ｂの（ＯＣＴ像における）可干渉距離（π/２Δｋ）は６ｍｍである。尚、単一波長レーザ光４の線幅Δｆは、例えば数十Ｍｚである。この場合、単一波長レーザ光４の元々の可干渉距離（すなわち、波長２２が振動しない場合の可干渉距離）は数ｍである。すなわち、単一波長レーザ光４の波長を振動させることにより、その可干渉距離が著しく狭くなる。

次に、光分岐器２６が、この単一波長レーザ光４を参照光８と測定光１０に分岐する。

次に、光照射/補足ユニット２８が、測定光１０を測定対象１２に照射して、後方散乱光１４を発生させる。一方、光遅延器３２は参照光８を遅延させ、参照光アームと計測アームの光路長を略等しくする。

次に、光結合器３０が、参照光８と後方散乱光１４とを結合して第１の干渉光１６ａと第２の干渉光１６ｂを生成する。

次に、断層像導出ユニット２０が、第１の干渉光１６ａの強度と第２の干渉光１６ｂの強度を測定する。次に、断層像導出ユニット２０は、この測定により得れたデータに基づいて、単一波長レーザ光４の波長２２が中心波長２４を中心として振動する夫々の期間２５における上記強度差の時間平均をフーリエ変換し、その絶対値（または、絶対値の２乗）を求める。これにより、測定対象１２の一次元断層像が得られる。

上述したように、上記ＯＣＴ像の周期は６ｍｍである。一方、このＯＣＴ像における単一波長レーザ光４の可干渉距離は６ｍｍである。従って、本実施の形態によれば、ＯＣＴ像の撮影範囲６６における一周期前の断層像７０（図３参照）は十分に弱くなる。故に、本実施の形態によれば、断層像の重なりの影響が抑制され、明瞭な断層像を得ることができる。

以上の実施の形態では、波長可変レーザ光発生ユニット６は、SSG-DBRレーザとその制御装置からなる。しかし、波長可変レーザ光発生ユニット６は、このような装置に限られない。例えば、波長可変レーザ光発生ユニット６は、SG-DBRレーザ（sampled grating distributed Bragg reflector lasers)とその制御装置からなる装置であってもよい。

また、以上の実施の形態では、単一波長レーザ光４の波長２２は鋸歯状に振動している。しかし、波長の振動様式は、鋸歯状に限られない。例えば、単一波長レーザ光４の波長２２が、正弦波状に振動してもよい。又、波長可変レーザ４の制御を簡素化するため、SSG-DBRレーザ等の波長可変光源の外部に位相変調器を付加し、周波数変調を加えることによって、図２のような波長変化を実現する事も可能である。この場合、波長可変レーザ光発生ユニット６は、上記波長可変光源と上記位相変調器を有する。

また、以上の実施の形態では、干渉光強度の時間平均を直接フーリエ変換しているが、ガウシアン等の窓関数を乗じてから、フーリエ変換してもよい。

２・・・ＯＣＴ装置
６・・・波長可変レーザ光発生ユニット
１８・・・干渉計ユニット
２０・・・断層像導出ユニット
２８・・・光照射/補足ユニット

Claims

時間と共に離散的に変化する中心波長を中心として、波長が振動する単一波長レーザ光を発生する波長可変レーザ光発生ユニットと、
前記単一波長レーザ光を参照光と測定光に分岐し、前記測定光を測定対象に照射して後方散乱光を発生させ、前記後方散乱光と前記参照光を結合して干渉光を生成する干渉計ユニットと、
前記干渉光の強度を測定し、前記波長が振動する夫々の期間における前記強度の時間平均と前記中心波長の関係に基づいて前記測定対象の断層像を導出する断層像導出ユニットとを有し、
前記波長の振幅は、前記中心波長の波長間隔の１/２以上である
オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置。