JP5635026B2 - 高分解能コヒーレント光画像化のための方法及び装置 - Google Patents
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Description
細胞レベル及び細胞より小さいレベルの分解能を達成するためには、内視顕微鏡は、好ましくは軸方向及び横方向のいずれにおいても5μmより小さい構造を解像すべきである。既存の生体内OCTシステムのほとんどとは対照的に、等比発散による、画像化されている組織の深度にともなう横方向分解能の実質的な低下が生じてはならない。
内視顕微鏡の適切な視野は、光軸の軸方向及び横方向においてほぼ2mm×2mmである。この視野で臨床上の応用には十分であると考えられる。画像全体にわたり軸方向及び横方向のいずれにおいても5μm分解能を達成するためには、それぞれのフレームに対して800回をこえるA−走査(すなわち深度走査)が行われなければならない。得られる画像は、640,000をこえる画素をもつであろう。この画素数は既存の生体内OCTシステムより数桁大きい。
既存の生体内OCTシステムのほとんどは、既存の内視鏡の計装チャネルの制約に基づいて設計されている。この結果、そのようなシステムの外径はほぼ2から3mmに抑えられ、このため撮像システムの開口数が制約される。このことから、生体内条件下で高い横方向分解能を得ることが困難になる。このような制約は技術上不要であり得るし、考察している臨床上の応用におけるOCT/OCMの恩恵の十全な活用を制限し得る。したがって、例えば3mmないしそれ以上のような、より大きな外径を、20mmより短い硬質チップ長とともに、内視鏡に用いることができる。
内視顕微鏡は生体内条件下で高分解能の大面積画像化に用いられるであろうから、生理学的運動による組織の運動があるので、運動アーティファクトが考慮されなければならない。これらの運動アーティファクトは良好な画像品質を保証するために除去されるべきである。したがって、内視顕微鏡は、典型的な生理学的運動速度が5mm/秒であるとすれば、画像1フレームを好ましくは12.6ミリ秒以内に取得できるべきである。これは、毎秒63,000回のA−走査に相当する。この画像化速度は現在の生体内OCTシステムに比べて1桁より大きい。
臨床上の有用性を向上させるため、好ましくは従来の白色光画像化が内視顕微鏡に統合されるべきである。さらに、好ましくは、内視顕微鏡の誘導の下に切除生検が行われ得るように、計装チャネルが設計されるべきである。おそらくは、水及び空気の送配のための計装チャネルも利用可能にされることも好ましい。
複数の個別光放射源を提供するための光源手段;
光源手段から延びる第1の光路;及び
第1の光路の選択された範囲の実質的に連続な覆域を提供するために光放射源からの光を第1の光路内の面上に位置する複数の焦点のそれぞれに集束させ、使用時には、試料の少なくとも一部を前記選択された範囲内に配置することができ、よって試料内の複数の点を同時に走査することを可能にするための、第1の光路内の集束手段;
を備える。
(a) 第1の光路に沿う、複数の個別光放射源からの光を提供するステップ;
(b) 第1の光路内に集束手段を提供するステップ;
(c) 第1の光路の選択された範囲の実質的に連続な覆域を提供するために、光放射源からの光を第1の光路内の面に沿う複数の焦点のそれぞれに集束させるステップ;
(d) 第1の光路内に少なくとも一部が配置された試料を提供するステップ;及び
(e) 試料内の複数の点を同時に走査するステップ;
を含む。
LE→BS1→S1→BS1→D1 (20)
からの光が、光路:
LE→BS1→ODGE→BS1→D1 (21)
からの光とコヒーレントに干渉するときに生じ、検出器D1で検出される。チャネル2に対する所望の画像化信号は、光路:
LE→BS2→S2→BS2→D2 (22)
からの光が、光路:
LE→BS2→ODGE→BS2→D2 (23)
からの光とコヒーレントに干渉するときに生じ、検出器D2で検出される。さらに、2本のチャネルにおけるOCT画像化は、BS1→S1光路長がBS1→ODGE光路長に等しく、BS2→S2光路長がBS2→ODGE光路長に等しいときに限りおきる。そうでなければ、上述した所望の画像化経路ではない2つ(またはさらに多く)の様々な経路からの反射光の強めあう干渉により画像劣化がおこり得る。
LE→BS1→S1→BS1→D1 (20)
からの光が、光路:
LE→BS2→ODGE→BS1→D1 (24)
からの光と干渉し得る。あるいは、光路:
LE→BS2→S2→BS2→D2 (22)
からの光が、光路:
LE→BS1→ODGE→BS2→D2 (24)
からの光と干渉し得る。
LE→BS2→S2→BS1→D1 (26)
からの光が、光路:
LE→BS1→ODGE→BS1→D1 (21)
からの光と干渉し得る。あるいは、光路:
LE→BS1→S1→BS2→D2 (27)
からの光が、光路:
LE→BS2→ODGE→BS2→D2 (23)
からの光と干渉し得る。
LE→BS1→S1→BS1→D1 (20)
からの光が、光路:
LE→BS2→ODGE→PME→ODGE→BS1→D1 (28)からの光と干渉し得る。
a) 一般的な内視鏡法の手順に続いて、従来の前面観察白色光チャネル312の 案内の下にGI内視鏡300が挿入されるステップ;この操作は現時点で利 用できるGI内視鏡の操作と異なることはないはずである;
b) 内視鏡医が顕微鏡検査を行う必要がある場合、彼/彼女がGI内視鏡300 を押し込んで図13に示されるように内腔壁に接触させるステップ;光学系 は、GI内視鏡300が組織に接触しているときに、光学系全体の正しい作 動距離が得られるように設計される;GI内視鏡300は壁に接触している が、図15に示されるように、顕微鏡検査下にある組織部分は接触しない; したがって、組織の表面構造が接触圧で変形することはない;しかし、この ことはGI内視鏡300が接触モードでのみ動作し得ることを意味しない; 実際上、GI内視鏡300は、画像が形成される限り非接触モードで動作す ることができ、これは先に述べた動的トリガ印加アルゴリズムが空気−組織 界面を見いだすか否かにより規定される;空気−組織界面がシステムの作動 距離内にあれば、先に‘適応トリガ印加’法で説明したように、検出された 光パターンに界面が明瞭なピークを生じさせるから、界面は明確かつ容易に 検出されるはずである;
c) 内視鏡医がステップ(b)で画像化した領域に隣接する領域を検査する必要が あれば、内視鏡医がGI内視鏡300をひねり、視野を回転させて新しい位 置におくことができるステップ;
が取り入れられるであろう。
12 ファイバ束チップ
14 集束レンズ
16 ミラー
18 表面
20 軸
21,22,23 ビーム
21a,22a,23a 集束点
24 画像化深度
Claims (27)
- 試料の光検のための装置であって、当該装置が、
複数の個別光放射源を提供するための光源手段;
前記光源手段から延びる第1の光路;及び、
前記第1の光路の選択された範囲の実質的に連続な覆域を提供するために、前記光放射源からの光を前記第1の光路内の表面の上に位置する複数の焦点のそれぞれに集束させるための、前記第1の光路にある集束手段であって、使用においては、前記選択された範囲内の少なくとも一部に試料を配置することができ、よって前記試料内の複数の点の同時走査を可能にし、連続走査面を形成するものである集束手段;
を有してなり、
前記光源手段が、複数の光ファイバ及び複数の光導波路のうちの1つを有する光結合手段を含み、前記複数の光ファイバまたは前記複数の光導波路の末端が、前記第1の光路に沿って互いに段差が付けられており、前記複数の光ファイバまたは前記複数の光導波路の各々からの光が、前記第1の光路の前記表面の上の相異なる焦点に集束され、
前記光結合手段が、前記光源手段と前記光ファイバまたは前記光導波路との間の複数の光結合器、前記光結合器に結合された光遅延発生器、及び、前記光結合器に結合された検出手段を含み、
前記光結合器が、一次光源からの光の一部を前記第1の光路に沿って前記光遅延発生器に送り、前記光遅延発生器は、第2の光路を提供し、ここで前記第1の光路及び前記第2の光路に沿って前記光結合器に向かって戻る光の間に干渉効果が生じ、前記光結合器が、前記第1及び第2の光路に沿って戻った前記光を前記検出手段に送ることを特徴とする装置。 - 前記光結合手段が、前記一次光源を前記光放射源に結合することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記第1の光路内に、前記表面の回転運動を可能にするために前記光放射源からの光を偏向させるための、可回転ミラーを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
- 前記第1の光路内にミラーを備え、前記光源手段、前記集束手段及び前記ミラーを、結合して、前記表面の直線並進運動を可能にするために直線的に並進させ得ることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
- 前記第1の光路内に可回転ミラーを備え、前記光源手段、前記集束手段及び前記可回転ミラーを、結合して、前記表面のヘリカル運動を可能にするために直線的に並進させ得ることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
- 前記表面が複雑な表面であることを特徴とする請求項3、4または5に記載の装置。
- 前記ミラーがプリズムの表面であることを特徴とする請求項3、4または5に記載の装置。
- 前記ミラーに結合された、前記ミラーを回転させるためのミクロ機械加工電気機械システムを備えることを特徴とする請求項3または5に記載の装置。
- 前記光源手段、前記集束手段及び前記ミラーを直線的に並進させるためのミクロ機械加工電気機械システムを備えることを特徴とする請求項4または5に記載の装置。
- 複数の一次光源及び複数のツリー型結合器を備え、前記複数のツリー型結合器のそれぞれは、前記複数の一次光源の内の1つと関係付けられ、前記1つの一次光源を前記光結合器の内の少なくとも1つに結合することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の装置。
- 前記検出手段が、複数の検出器を含み、回収光を前記検出器手段に与えるために前記光結合器と前記検出器手段との間に配置された、複数の光サーキュレータを備えることを特徴とする請求項10に記載の装置。
- 複数本の光ファイバが前記光結合器を前記光遅延発生器に結合し、前記光遅延発生器は回折格子及び走査ミラーを有し、前記走査ミラーは軸を有し;前記回折格子が前記複数本の光ファイバのそれぞれからの光を前記走査ミラー上に直線的に配向されるスペクトル成分に分解し;前記スペクトル成分の中点が前記スペクトル成分を位相変調するために距離xdだけ前記走査ミラーの前記軸からオフセットされていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の装置。
- 前記複数の光結合器のそれぞれを位相変調器に結合するための第1の複数本の光ファイバ及び前記位相変調器のそれぞれを前記光遅延発生器に結合するための第2の複数本の光ファイバを備え、前記光遅延発生器は回折格子及び走査ミラーを有し、前記走査ミラーは軸を有し;それぞれの光ファイバについて、前記位相変調器が前記光を位相変調し、前記回折格子が前記位相変調された光を前記走査ミラー上に直線的に配向されるスペクトル成分に分解し、前記スペクトル成分の中点が前記走査ミラーの軸上に向けられ;それぞれの光ファイバからの前記スペクトル成分が別の光ファイバからの光の前記スペクトル成分と間隔をおいて配置されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の装置。
- 複数本の光ファイバを備え、前記複数本の光ファイバのそれぞれは前記複数本の光ファイバのそれぞれからの光を第1の光ファイバに結合するために前記複数の光結合器のそれぞれをツリー型結合器に結合し、前記第1の光ファイバは前記結合された光を位相変調するための位相変調器に結合され;前記位相変調器を前記光遅延発生器に結合するための第2の光ファイバを備えることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の装置。
- 前記装置が、身体の内部検査のための内視鏡として構成され;前記第1の光路、前記集束手段及び前記ミラーが前記内視鏡内に備えられ;前記内視鏡が、少なくとも1つの白色光照明用チャネル、白色光内視鏡前面観察用チャネル、空気ノズル及び水ノズルの内の1つのためのチャネル、及び吸引/生検チャネルの内の少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項3、4または5に記載の装置。
- 前記内視鏡が動径、並進またはヘリカル走査を行うように適合されていることを特徴とする請求項15に記載の装置。
- 前記内視鏡が駆動機構としてミクロ機械加工電気機械システムをさらに備えることを特徴とする請求項16に記載の装置。
- 試料の光検のための方法において、前記方法が:
(a) 複数の個別光放射源から、第1の光路に沿う、光を提供するステップ;
(b) 前記第1の光路内に集束手段を提供するステップ;
(c) 前記第1の光路の選択された範囲の実質的に連続な覆域を提供するために、前記第1の光路内の表面に沿う複数の焦点のそれぞれに前記光放射源からの前記光を集束させるステップ;
(d) 前記第1の光路内に少なくとも一部が位置する試料を提供するステップ;及び
(e) 前記試料内の複数の点を同時に走査するステップ;
を含み、
ファイバ束の先端において複数の光ファイバを切断するステップであって、当該ファイバ束の先端における前記複数の光ファイバの末端が共通の面内にあり、前記第1の光路に沿って互いに段差が付くようにし、共通のレンズを通して前記複数の光ファイバからの光が集束するようにするステップ、及び、
前記複数の光ファイバに、複数の光結合器を通して一次光源からの光を供給するステップ、前記光結合器に接続された光遅延発生器を提供し、第2の光路を提供するステップ、干渉パターンを形成するために前記第1及び第2の光路に沿う前記光結合器への光の送り戻しを可能にするステップ、及び、前記干渉のパターンを検出するために、前記光結合器において前記第1及び第2の光路から受け取った光を検出手段に送るステップを含むことを特徴とする方法。 - 前記一次光源からの前記光を、複数本の光ファイバを介して前記複数の個別光放射源に送るステップを含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。
- (a)前記第1の光路内に可回転ミラーを提供するステップ;
(b)前記第1の光路を偏向させるステップ;
(c)前記複数の焦点を一表面上に配置するステップ;
(d)軸方向走査を実施するステップ;
(e)前記表面を移動させるために前記ミラーを回転させるステップ;及び
(f)前記ステップ(d)を少なくとも2回反復し、それぞれの反復の間に前記ステップ(e)を実施するステップ;
を含むことを特徴とする請求項18または19に記載の方法。 - (a)前記第1の光路内にミラーを提供するステップ;
(b)前記第1の光路を偏向させるステップ;
(c)前記複数の焦点を一表面上に配置するステップ;
(d)軸方向走査を実施するステップ;
(e)前記表面を移動させるために、前記集束手段、前記複数の光放射源及び前記ミラーを、結合して、直線的に並進させるステップ;及び
(f)前記ステップ(d)を少なくとも2回反復し、それぞれの反復の間に前記ステップ(e)を実施するステップ;
を含むことを特徴とする請求項18または19に記載の方法。 - (a)前記第1の光路内にミラーを提供するステップ;
(b)前記第1の光路を偏向させるステップ;
(c)前記複数の焦点を一表面に配置するステップ;
(d)軸方向走査を実施するステップ;
(e)前記表面を移動させるために、前記ミラーを回転させると同時に、前記集束手段、前記複数の光放射源及び前記ミラーを、結合して、直線的に並進させるステップ;及び
(f)前記ステップ(d)を少なくとも2回反復し、それぞれの反復の間に前記ステップ(e)を実施するステップ;
を含むことを特徴とする請求項18または19に記載の方法。 - 前記ミラーとしてプリズムの表面を提供するステップを含むことを特徴とする請求項19,20または21に記載の方法。
- 前記一次光源を複数提供し、前記複数の一次光源のそれぞれに対して、それぞれのツリー型結合器を提供するステップ;及び前記複数の一次光源のそれぞれを前記それぞれのツリー型結合器を介して前記光結合器のそれぞれに結合するステップを含むことを特徴とする請求項19、20または21に記載の方法。
- 回収光を前記検出手段に与えるために、前記光結合器と前記検出手段との間に光サーキュレータ手段を提供するステップを含むことを特徴とする請求項19、20または21に記載の方法。
- 前記光放射源を含む媒体と前記試料との間に屈折率の変化があり、それぞれの焦点に対して、前記試料内の実際の前記光放射源のそれぞれのコヒーレンスゲートと前記焦点の位置との間の前記屈折率変化による変位間隔を:
(a)前記光放射源の前記焦点が前記光放射源を含む前記媒体から前記試料内に延びる光路に沿って配列されるように、前記第1の光路において前記複数の光放射源からの光を走査するステップ;
(b)前記焦点のそれぞれについて反射光を検出するステップ;及び
(c)隣接する焦点に比較して反射光に大きな変化がある焦点の位置を突き止めるステップ;
にしたがって得、それによって、前記ステップ(c)で位置が突き止められた前記焦点が前記試料と前記光放射源を含む前記媒体との間の界面の位置を示すことにより得ることを特徴とする請求項22または23に記載の方法。 - 選択された走査域に対して適切な空間分解能を得るために、それぞれの軸方向走査について前記ステップ(a)から(c)を繰り返すステップをさらに含むことを特徴とする請求項26に記載の方法。
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