JP5700165B2 - 光学的測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、光干渉断層撮像（Optical Coherence Tomography: ＯＣＴ）の手法を用いて測定する光学的測定装置に関するものである。
血管などの管腔形状の対象物の内腔の断層構造を測定する手法として光干渉断層撮像（ＯＣＴ）が知られており、また、このＯＣＴ測定のために対象物の内腔に挿入されて使用される光プローブも知られている（特許文献１参照）。ＯＣＴ測定は、シングルモード光ファイバの先端（遠位端）に接続されたグレーデッドインデックス光ファイバをレンズとして機能させて、ワーキングディスタンスが１ｍｍより長く、スポットサイズが１００μｍより小さくなるように構成することで、１ｍｍより大きな内半径を持つ対象物を１００μｍより細かい空間分解能で光学的に測定することができる。
ＯＣＴ測定は、血管内の病変を診断して治療方法を選択する際に用いられる。病変をＯＣＴ測定すると、病変の断層画像が得られる。断層画像では、病変の内部において光を強く散乱する部位は明るく、光を弱くしか散乱しない部位は暗い階調で、単色の画像で表示される。この画像の明暗の分布のパタンは病変によって異なるので、画像の明暗パタンから病変の種類を或る程度推定できることが知られている（非特許文献１参照）。
W. M. Suh, Circ CardiovascImaging. 2011;4:169-178
従来の光プローブを用いたＯＣＴ装置では、病変の種類の識別が困難である場合があり、例えば脂質病変（lipid-rich plaque）と石灰化病変（fibrocalcificplaque）との識別が困難であることを、本発明者は見出した。
非特許文献１にも記載されているように、脂質病変は暗い階調と明瞭でない輪郭を特徴とし、石灰化病変は暗い階調と明瞭な輪郭を特徴とする。しかし、階調の明暗は相対的なものであるので、個体差や測定条件などによるばらつきが加わると、判断が難しい。また、輪郭の明瞭さについても、実際の病変は様々な形のパタンがあるので、これも判断が難しい場合が多い。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、血管内の脂質の分布を測定するのに好適な光学的測定装置を提供することを目的とする。
本発明の光学的測定装置は、(1) 近位端と遠位端との間で光を伝送する光ファイバと、前記近位端において前記光ファイバと接続されている光コネクタと、前記遠位端において前記光ファイバと接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を集光する集光光学系と、前記遠位端において前記光ファイバと接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を偏向する偏向光学系と、前記光ファイバを包囲して前記光ファイバに沿って延び、前記光ファイバ，前記光コネクタ，前記集光光学系および前記偏向光学系に対して回転自在であるジャケットチューブとを備える光プローブと、(2) 波長帯域１.６μｍ〜１.８μｍにおいて光を発生させる光源と、(3) 前記光源から発せられた光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部と、(4) 前記波長帯域において光を検出する光検出器と、(5) 前記波長帯域において光減衰スペクトルを分析して当該分析結果を画像情報として取得する分析部とを含み、(6) 前記光分岐部から出力された照明光を前記光ファイバの前記近位端に入射させ前記遠位端から出射させて対象物に照射し、その照射に伴い前記対象物で生じた後方反射光を前記光ファイバの前記遠位端に入射させ前記近位端から出射させて前記光検出器に導くとともに、前記光分岐部から出力された参照光をも前記光検出器に導いて、前記後方反射光と前記参照光とによる干渉光を前記光検出器により検出し、前記分析部により前記干渉光のスペクトルをフーリエ解析することにより前記対象物の断層構造情報を生成するとともに、前記干渉光のスペクトルにおける光の吸収を分析することにより前記対象物内部における脂質の分布情報を生成し、前記断層構造情報と前記脂質の分布情報とを合わせて解析することで、前記対象物内部における前記脂質の分布を表示した断層画像を計算する。
前記光ファイバが１.５３μｍより短いカットオフ波長を有するのが好適である。前記分析部により、前記干渉光のスペクトルのうち波長範囲１.７０〜１.７５μｍに吸収ピークを持つスペクトル成分を抽出し、前記スペクトル成分に基づいて脂質の分布情報と断層構造情報とを生成し、前記脂質の分布情報と前記断層構造情報とを合わせて解析することで、脂質を分布表示した断層画像を計算するのが好適である。また、前記分析部において、前記対象物内部における前記脂質の散乱強度の情報を保持し、前記脂質の分布に関する複数の解の中から、前記散乱強度の情報に最も整合する解を選択するのが好適である。
本発明によれば、従来技術では測定が難しかった血管内の脂質の分布を測定することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態の光プローブ１０を備えるＯＣＴ装置（光学的測定装置）１の構成を示す図である。ＯＣＴ装置１は、光プローブ１０および測定部３０を備え、対象物３の光干渉断層画像を取得する。
光プローブ１０は、近位端１１ａと遠位端１１ｂとの間で光を伝送する光ファイバ１１と、近位端１１ａにおいて光ファイバ１１と接続されている光コネクタ１２と、遠位端１１ｂにおいて光ファイバ１１と光学的に接続されている集光光学系１３および偏向光学系１４と、光ファイバ１１を包囲して光ファイバに沿って延びるサポートチューブ１５およびジャケットチューブ１６と、ジャケットチューブの内腔に充填された緩衝流体１７と、を備える。光コネクタ１２は測定部３０に光学的に接続される。光ファイバ１１は１.５３μｍより短いカットオフ波長を有する。光ファイバ１１，集光光学系１３，偏向光学系１４，ならびに，光ファイバ１１の基底モードに結合する光路上にある緩衝流体１７およびジャケットチューブ１６は、波長帯域１.６μｍ〜１.８μｍにおいて−２ｄＢ〜０ｄＢの光透過率を有する。
光ファイバ１１は、１〜２ｍの長さを有し、石英ガラスで構成される。光ファイバ１１は、波長範囲１.６μｍ〜１.８μｍにおいて２ｄＢ以下、好ましくは１ｄＢ以下の伝送損失を有し、１.５３μｍ以下のカットオフ波長を有し、上記波長範囲においてシングルモードで動作する。そのような光ファイバとしては、ＩＴＵ−ＴＧ.６５２，Ｇ.６５４、Ｇ.６５７に準拠した光ファイバが好適である。特にＩＴＵ−ＴＧ.６５４ＡまたはＣに準拠した光ファイバは、波長１.５５μｍにおいて伝送損失が０.２２ｄＢ／ｋｍ以下と低く、典型的には純シリカガラスのコアを有し、非線形光学係数が低く、自己位相変調などの非線形光学効果による雑音を低減できるので特に好適である。
光ファイバ１１の遠位端１１ｂには、集光光学系１３としてのグレーデッドインデックス（GRIN）レンズと偏向光学系１４としてのミラーとが直列的に融着接続されて設けられている。集光光学系１３は、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射される光を集光する。偏向光学系１４は、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射される光を径方向へ偏向する。
レンズ（集光光学系１３）およびミラー（偏向光学系１４）は、石英ガラスまたはホウケイ酸ガラスで構成され、波長１.６μｍ〜１.８μｍの波長範囲において２ｄＢ以下の伝送損失を有する。ミラーは、円柱形のガラスに、軸に対して３５〜５５度の角度をなす平坦な反射面を形成した構造をとる。この平坦な反射面はそのままでも光を反射させることができるが、さらに反射面にアルミニウムまたは金を蒸着することで、波長１.６〜１.８μｍにおける反射率を高めることが好適である。
光ファイバ１１はサポートチューブ１５の内腔に収納されている。サポートチューブ１５は、光ファイバ１１の少なくとも一部分および光コネクタ１２に固定されている。その結果、光コネクタ１２を回転させると、それと共にサポートチューブ１５も回転し、さらに回転トルクが光ファイバ１１に伝達され、光ファイバ１１、集光光学系１３、偏向光学系１４およびサポートチューブ１５が一体となって回転する。それにより、光ファイバ１１だけを回転させた場合に比べて、光ファイバ２１に負荷されるトルクが低減され、トルクによる光ファイバ１１の破断を防ぐことができる。
サポートチューブ１５は、０.１５ｍｍ以上の厚さを持つと共に、ステンレスと同等程度の１００〜３００ＧＰａのヤング率を持つことが望ましい。サポートチューブ１５は、必ずしも周方向に連結していなくともよく、５〜２０本程度の線を撚り合わせた構造とし、それによって柔軟性を調整しても良い。そのようなサポートチューブは特許文献２に開示されている。
光ファイバ１１、集光光学系１３、偏向光学系１４およびサポートチューブ１５は、ジャケットチューブ１６の内腔に収納され、その中で回転することができる。それにより、回転する部分が対象物３に接触して対象物３が破損することが防止される。照明光は偏向光学系１４から出射され、ジャケットチューブ１６を透過して、対象物３へ照射される。ジャケットチューブ１６は、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＰＥＴまたはナイロンで構成され、１０〜５０μｍの厚さを有し、波長１.６〜１.８μｍにおける透過損失が２ｄＢ以下となる透明度を有する。
ジャケットチューブ１６の内腔は緩衝流体１７が充填される。緩衝流体１７は、回転するサポートチューブ１５の外面とジャケットチューブ１６の内面との間の摩擦を低減するとともに、偏向光学系１４とジャケットチューブ１６との間の光路における屈折率変化量を調整する。緩衝流体１７は、生理食塩水、デキストラン水溶液またはシリコーンオイルであり、波長１.６〜１.８μｍにおいて２ｄＢ以下の透過損失を有する。
測定部３０は、光を発生させる光源３１と、光源３１から発せられた光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部３２と、光分岐部３２から到達した光を検出する光検出器３３と、光分岐部３２から到達した参照光を出力する光端末３４と、光端末３４から出力された参照光を光端末３４へ反射させる反射鏡３５と、光検出器３３により検出された光のスペクトルを分析する分析部３６と、分析部３６による分析の結果を出力する出力ポート３７と、を備える。
測定部３０において光源３１から出力された光は、光分岐部３２により２分岐され照明光および参照光として出力される。光分岐部３２から出力された照明光は、光コネクタ１２を経て光ファイバ１１の近位端１１ａに入射され、光ファイバ１１により導光されて遠位端１１ｂから出射されて、集光光学系１３および偏向光学系１４を経て対象物３に照射される。その対象物３への照明光の照射に応じて生じた後方反射光は、偏向光学系１４および集光光学系１３を経て光ファイバ１１の遠位端１１ｂに入射され、光ファイバ１１により導光されて近位端１１ａから出射されて、光コネクタ１２および光分岐部３２を経て光検出器３３に結合される。
光分岐部３２から出力された参照光は、光端末３４から出射されて反射鏡３５で反射され、光端末３４および光分岐部３２を経て検出器３３に結合される。対象物３からの後方反射光と参照光とは光検出器３３において干渉し、この干渉光が光検出器３３により検出される。干渉光のスペクトルは分析部３６に入力される。分析部３６において、干渉光のスペクトルの解析が行われ、対象物３の内部の各点における後方反射効率の分布が計算される。その計算結果に基づいて対象物３の断層画像が計算され、画像信号として信号出力ポート３７から出力される。
なお、光ファイバ１１の遠位端１１ｂから出射された照明光が対象物３を経由して再び光ファイバ１１の遠位端１１ｂに戻るメカニズムとしては、厳密には反射や屈折や散乱がある。しかし、それらの違いは本発明にとっては本質的でないので、簡潔化のために本明細書ではこれらを総称して後方反射と呼ぶ。
本実施形態においては、測定部３０において、光源３１は、波長１.６μｍ〜１.８μｍの波長範囲にわたってスペクトルが連続的に広がった広帯域の光を発生させる。この波長範囲では、図２に示すように、脂質病変は、波長１.７０〜１.７５μｍに吸収ピークを持っており、この点で正常血管と異なる。純粋な脂質であるラードも同様の吸収ピークを持つことから、この吸収ピークは脂質による寄与であるといえる。したがって、脂質を含む対象物３を測定すると、干渉光のスペクトルは、脂質による吸収の影響を受け、波長１.７０〜１.７５μｍにおいて隣接波長帯に比べて大きな減衰を示す。
さらに、干渉光のスペクトルは対象物３の断層構造の情報をも有していることから、物質の吸収の影響が少ない波長帯域を選択してスペクトルをフーリエ解析することにより、対象物３の断層構造の情報が得られる。断層構造情報と脂質吸収情報とを合わせて解析することで、脂質を分布表示した断層画像を計算することができる。
この計算は、脂質自体の吸収および脂質の分布の双方がスペクトルに影響することから、１つのスペクトルに対応する脂質の分布は複数あり得る。しかし、非特許文献１に記載されているように脂質は正常血管に比べて散乱強度が低い特徴を有することなどが知られているので、この既知の情報に最も整合するような解を選択することにより、脂質の分布を求めることができる。
光ファイバ１１、集光光学系１３、偏向光学系１４、緩衝流体１７およびジャケットチューブ１６は、全てが同じ物質ではないので、屈折率が必ずしも等しくなく、相互の間の界面で光が反射し得る。このような光プローブ１０の界面で生じる反射光は、対象物３からの後方反射光と混合されて検出されるので、雑音ともなり得る。しかし、本実施形態においては、光プローブ１０の界面で生じる反射光を測定系の校正に用いる。
ＯＣＴ測定において、対象物３からの後方反射光と参照光とは、互いに異なる光路を経由するので、光路上の波長分散も互いに異なり得る。波長分散が異なると、光の群遅延時間が波長によって異なる。ＯＣＴ測定では、波長の関数であるスペクトルをフーリエ解析することで自己相関関数を群遅延時間の関数として計算し、それに基づいて断層画像を生成するので、波長によって群遅延時間が異なると断層画像の空間分解能が低下することが知られている。この問題は、対象物３を測定する前に、対象物３に替えて鏡などの基準物体を測定して波長分散の影響を測定しておき、その結果に基づいて分散を補償するデータ処理を行うことで解決できることが知られている。
しかし、本実施形態では、断層画像の取得だけでなく物質分布の推定の際にもスペクトル情報を用いるので、従来のＯＣＴに比べて波長分散の影響に対してより敏感となる。それ故、対象物３を測定する前に分散補償処理を行う従来の方法では、測定中に生じ得る測定系の機械的変動や温度変動による波長分散変動によって、物質分布の推定に影響が生じ得る。そこで、測定中、測定直前または測定直後に遠位端１１ｂにおける光プローブ１０の界面での反射を測定して分散補償処理を行うことが好適である。
具体的には、遠位端１１ｂにおける光プローブ１０の界面で生じる反射光と参照光とを干渉させて光検出器３３により検出し、分析部３６により、限定された複数の波長帯域で波長スペクトルをフーリエ解析して自己相関関数を計算し、その自己相関関数上の反射ピークの位置が、解析に用いる波長帯域によって変化しないような波長分散の値を推定し、その推定された波長分散を相殺するように数値的に分散を加えることで分散補償処理を行うことが好適である。
この目的を達成するためには、遠位端１１ｂにおいて光プローブ１０の１箇所の界面において、観測可能かつ光検出器３３を飽和させない強さの反射光が生じることが望ましい。ＯＣＴ測定では典型的に−１００〜−５０ｄＢの範囲の反射率を測定することが可能である。そこで、光ファイバ１１と集光光学系１３との界面、集光光学系１３と偏向光学系１４との界面、偏向光学系１４と緩衝流体１７との界面、緩衝流体１７とジャケットチューブ１６との界面、および、ジャケットチューブ１６と外部媒質との界面、のいずれか１つにおいて、−１００〜−５０ｄＢかつ他の界面に比べて１０ｄＢ以上高い反射が生じることが望ましい。
ここで、界面での反射率は、遠位端１１ｂにおける光ファイバ１１のコアから出射して界面に入射した光パワーに対する、該界面で反射されて光ファイバ１１のコアに再結合した光パワーの比率である。従って、界面での反射率は、界面における屈折率変化だけでなく界面の形状にも依存する。偏向光学系１４と緩衝流体１７との界面、緩衝流体１７とジャケットチューブ１６との界面、および、ジャケットチューブ１６と外部媒質との界面は、いずれも円柱状であるので、その形状の効果で反射率が０〜３０ｄＢ程度低下する。ジャケットチューブ１６の外側に存在する外部媒質は、対象物３が血管である場合は、血液または生理食塩水であることが典型的であり、屈折率（典型的な屈折率評価波長である波長５８９ｎｍでの値、以下同じ。）は１.３３である。
そこで、一つの好適な組み合わせは、ジャケットチューブ１６をＦＥＰまたはＰＦＡ（屈折率１.３４）で構成し、緩衝流体１７を生理食塩水（屈折率１.３３）とし、光ファイバ１１、集光光学系１３および偏向光学系１４を石英ガラスで構成する組み合わせである。このとき、光ファイバ１１と集光光学系１３との界面での比屈折率差は０％となり、集光光学系１３と偏向光学系１４との界面での比屈折率差は０％となり、偏向光学系１４と緩衝流体１７との界面での比屈折率差は８.９９％となり、緩衝流体１７とジャケットチューブ１６との界面での比屈折率差は０.８２％となり、ジャケットチューブ１６と外部媒質との界面での比屈折率差は０.８２％となる。なお、界面の両側の媒質の屈折率をｎ１、ｎ２としたとき、その界面での比屈折率差は２（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２） なる式で定義される。
この場合、偏向光学系１４と緩衝流体１７との界面での比屈折率差８.９９％は、他の界面に比べて１１倍となる。界面における反射率は比屈折率差の２乗に比例するので、偏向光学系１４と緩衝流体１７との界面での反射率は、他の界面での反射率に比べて２１ｄＢ以上高い。なお、光ファイバ１１、集光光学系１３および偏向光学系１４それぞれの屈折率が一致しているので、これらの間の界面での反射率は無視できる。この結果、複数の界面での反射がＯＣＴ断層画像上で重なることがなく、偏向光学系１４と緩衝流体１７との界面での反射ピークを明瞭に観測することができ、この反射ピークを用いて波長分散の校正を行うことが可能となる。
１…ＯＣＴ装置（光学的測定装置）、３…対象物、１０…光プローブ、１１…光ファイバ、１１ａ…近位端、１１ｂ…遠位端、１２…光コネクタ、１３…集光光学系、１４…偏向光学系、１５…サポートチューブ、１６…ジャケットチューブ、１７…緩衝流体、３０…測定部、３１…光源、３２…光分岐部、３３…光検出器、３４…光端末、３５…反射鏡、３６…分析部、３７…出力ポート。
Claims (4)
- 近位端と遠位端との間で光を伝送する光ファイバと、前記近位端において前記光ファイバと接続されている光コネクタと、前記遠位端において前記光ファイバと接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を集光する集光光学系と、前記遠位端において前記光ファイバと接続され、前記光ファイバの前記遠位端から出射される光を偏向する偏向光学系と、前記光ファイバを包囲して前記光ファイバに沿って延び、前記光ファイバ，前記光コネクタ，前記集光光学系および前記偏向光学系に対して回転自在であるジャケットチューブとを備える光プローブと、
波長帯域１.６μｍ〜１.８μｍにおいて光を発生させる光源と、
前記光源から発せられた光を２分岐して照明光および参照光として出力する光分岐部と、
前記波長帯域において光を検出する光検出器と、
前記波長帯域において光減衰スペクトルを分析して当該分析結果を画像情報として取得する分析部と
を含み、
前記光分岐部から出力された照明光を前記光ファイバの前記近位端に入射させ前記遠位端から出射させて対象物に照射し、その照射に伴い前記対象物で生じた後方反射光を前記光ファイバの前記遠位端に入射させ前記近位端から出射させて前記光検出器に導くとともに、前記光分岐部から出力された参照光をも前記光検出器に導いて、前記後方反射光と前記参照光とによる干渉光を前記光検出器により検出し、
前記分析部により前記干渉光のスペクトルをフーリエ解析することにより前記対象物の断層構造情報を生成するとともに、前記干渉光のスペクトルにおける光の吸収を分析することにより前記対象物内部における脂質の分布情報を生成し、
前記断層構造情報と前記脂質の分布情報とを合わせて解析することで、前記対象物内部における前記脂質の分布を表示した断層画像を計算する、
光学的測定装置。 - 前記光ファイバが１.５３μｍより短いカットオフ波長を有する、
請求項１に記載の光学的測定装置。 - 前記分析部により、前記干渉光のスペクトルのうち波長範囲１.７０〜１.７５μｍに吸収ピークを持つスペクトル成分を抽出し、前記スペクトル成分に基づいて脂質の分布情報と断層構造情報とを生成し、前記脂質の分布情報と前記断層構造情報とを合わせて解析することで、脂質を分布表示した断層画像を計算する、
請求項１または２に記載の光学的測定装置。 - 前記分析部において、前記対象物内部における前記脂質の散乱強度の情報を保持し、前記脂質の分布に関する複数の解の中から、前記散乱強度の情報に最も整合する解を選択する、
請求項１または２に記載の光学的測定装置。
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