JP7113637B2 - 光干渉断層撮像装置および光干渉断層撮像方法 - Google Patents

光干渉断層撮像装置および光干渉断層撮像方法 Download PDF

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Description

この発明は、光コヒーレンストモグラフィ撮像の原理に基づく断層撮像技術に関するものである。
医学や生化学の技術分野では、容器中で培養された細胞や微生物を観察することが行われる。観察対象となる細胞等に影響を与えることなく観察を行う方法として、顕微鏡等を用いて細胞等を撮像する技術が提案されている。このような技術の１つとして、光コヒーレンストモグラフィ（Optical Coherence Tomography；以下、「ＯＣＴ」と略称する）技術を利用したものがある。そのうちフーリエドメイン（Fourier Domain）光コヒーレンストモグラフィ（以下、「ＦＤ－ＯＣＴ」と略称する）と称される技術では、種々の波長成分を含む光を光源から被撮像物に入射させ、被撮像物からの反射光と参照光との間で生じる干渉光を検出する。そして、干渉光のスペクトルをフーリエ変換して、被撮像物の深さ方向の情報を得ている。被撮像物が例えば生体や培養液中で培養された細胞等である場合、光源のスペクトルとしては一般に近赤外領域を中心とするものが用いられる。
ＦＤ－ＯＣＴ技術では、光源のスペクトルがガウス分布と異なる場合、フーリエ変換後のスペクトルに現れるサイドローブが画像ノイズの原因となることが知られている。この問題に対応するため、例えば特許文献１に記載の技術では、光源スペクトルを検出したときにそのエンベロープがガウス分布型となるように干渉信号のスペクトルを変換してからフーリエ変換することによって、サイドローブの抑制が図られている。
また、他のＦＤ－ＯＣＴ撮像装置として、特許文献２には、物体光学系の開口数（Numerical Aperture；ＮＡ）を変更することで横方向（物体光学系の光軸に垂直な方向）の解像度（分解能）を変化させ、高解像度モードと低解像度モードとを切り替える装置が記載されている。
特開２００７－１０１２４９号公報 特開２０１１－０２４８４２号公報
詳しくは後述するが、ＦＤ－ＯＣＴ撮像における奥行き方向の分解能は、光源から被撮像物に入射する光のスペクトルに依存する。具体的には、高い分解能を得るためには中心波長が短く、幅の広い光源スペクトルが望ましい。一方、光の散乱特性に着目すると、長波長ほど散乱が少ないため被撮像物の深部まで到達し、奥行き方向の撮像可能範囲は広くなる。このように、奥行き方向における分解能と撮像可能範囲とは光源の波長に関してトレードオフの関係にあり、これらを適度にバランスさせた撮像条件が適用されることが望ましい。しかしながら、従来は主に分解能に着目した撮像条件が考慮されており、撮像可能範囲を積極的に制御するという観点は見られない。特に、特許文献２に記載のように光学系の切り替えで分解能を変更可能な装置においては、光学系の切り替えで横方向の撮像可能範囲が変化するにもかかわらず奥行き方向の撮像可能範囲は一定であり、高解像度モードと低解像度モードとのそれぞれで最適な撮像条件が提供されているとは言えない。これらの点から、上記した従来技術には、分解能との関係で撮像可能範囲を最適化するという観点において改善の余地が残されている。
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、光コヒーレンストモグラフィを用いた撮像技術において、奥行き方向の撮像可能範囲を分解能との関係で最適化することのできる技術を提供することを目的とする。
この発明に係る光干渉断層撮像装置の一の態様は、上記目的を達成するため、複数の波長成分からなる光源スペクトルを有する光を出射する光源と、前記光源からの光を分岐させ、一の分岐光を対物レンズを介して被撮像物に入射させ、前記被撮像物から反射された光を前記対物レンズで集光し他の分岐光と合波して干渉光を生じさせる干渉光生成部と、前記干渉光を検出する検出部と、検出された前記干渉光のスペクトルに基づき前記被撮像物の反射光強度分布を求める信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記光源スペクトルが当該光源スペクトルとは中心波長の異なる１つのガウス分布曲線に変換される変換特性を有するスペクトル変換を、前記干渉光のスペクトルに対して実行し、前記スペクトル変換後のスペクトルをフーリエ変換することで前記被撮像物の反射光強度分布を求め、前記反射光強度分布に基づき前記被撮像物の断層画像を作成する。
また、この発明に係る光干渉断層撮像装置の他の一の態様は、上記目的を達成するため、複数の波長成分からなる光源スペクトルを有する光を出射する光源と、前記光源からの光を分岐させ、一の分岐光を対物レンズを介して被撮像物に入射させ、前記被撮像物から反射された光を前記対物レンズで集光し他の分岐光と合波して干渉光を生じさせる干渉光生成部と、前記干渉光を検出する検出部と、検出された前記干渉光のスペクトルに基づき前記被撮像物の反射光強度分布を求める信号処理部と開口数が互いに異なる複数のレンズと、前記複数のレンズを切り替えて選択的に前記対物レンズとして機能させる切替部とを備え、前記信号処理部は、前記光源スペクトルが当該光源スペクトルの中心波長と異なるガウス分布曲線に変換される変換特性を有するスペクトル変換を、前記干渉光のスペクトルに対して実行し、前記スペクトル変換後のスペクトルをフーリエ変換することで前記被撮像物の反射光強度分布を求め、前記ガウス分布曲線の中心波長が互いに異なる複数種の前記変換特性を、前記レンズの選択に応じて切り替える。
また、この発明に係る光干渉断層撮像方法の一の態様は、上記目的を達成するため、複数の波長成分からなる光源スペクトルを有する光を分岐させ、一の分岐光を対物レンズを介して被撮像物に入射させ、前記被撮像物から反射された光を前記対物レンズで集光し他の分岐光と合波して干渉光を生じさせる工程と、前記干渉光を検出しそのスペクトルに基づき前記被撮像物の反射光強度分布を求める工程とを備え、前記光源スペクトルが当該光源スペクトルとは中心波長の異なる１つのガウス分布曲線に変換される変換特性を有するスペクトル変換を、前記干渉光のスペクトルに対して実行し、前記スペクトル変換後のスペクトルをフーリエ変換することで前記被撮像物の反射光強度分布を求め、前記反射光強度分布に基づき前記被撮像物の断層画像を取得する。
このように構成された発明では、フーリエドメイン光干渉断層撮像（ＦＤ－ＯＣＴ撮像）において、干渉光のスペクトルに対するスペクトル変換によりサイドローブに起因するノイズ抑制が図られており、画像品質の良好な断層画像を得ることが可能である。ここで、ＦＤ－ＯＣＴ撮像における奥行き方向、つまり対物レンズの光軸に沿った方向の分解能は、光源スペクトルの中心波長が短く、スペクトル幅が広いほど高くなる。
なお、スペクトル変換を伴うＦＤ－ＯＣＴ撮像において、奥行き方向の分解能に関わる光源スペクトルの中心波長およびスペクトル幅は、いずれもスペクトル変換後のものである。また、フーリエ変換の結果から得られる断層画像における奥行き方向の撮像可能範囲は、スペクトル変換後において長波長成分がどの程度含まれているかに依存する。このように、奥行き方向における分解能および撮像可能範囲は、スペクトル変換の変換特性によって制御することが可能である。
一方、対物レンズの光軸と直交する横方向における分解能は、光源スペクトルの中心波長に比例し対物レンズの開口数に反比例する。この場合の光源スペクトルは実際に対物レンズを通過する光のスペクトルであり、光源自身が出射する光のスペクトルであって、スペクトル変換後のものではない。また、レンズ径が同程度であれば、開口数が大きいほど分解能は高くなるが撮像可能範囲は狭くなる。
従来の技術では、より高い分解能を得ることを目的として、中心波長が短くかつ広帯域の光源が選択され、そのスペクトル幅を有効に利用するために、光源スペクトルの中心波長を中心波長とするガウス分布曲線に基づくスペクトル変換が行われる。しかしながら、被撮像物の断層画像またはその三次元画像を取得するというＦＤ－ＯＣＴ撮像の目的からは、奥行き方向の分解能と、光源スペクトルと対物レンズの開口数とで決まる横方向の分解能とのうち一方だけを高くする必要がない場合が多い。現実的にはこれらは同程度でよい。
このことから、スペクトル変換における変換特性を、奥行き方向における分解能と撮像可能範囲とを最適化する目的で操作することが考えられる。具体的には、変換特性を示すガウス分布曲線の中心波長を操作することで、奥行き方向の分解能と撮像可能範囲とを調整することが可能である。例えばガウス分布曲線の中心波長を光源スペクトルの中心波長より短波長側に設定すると、奥行き方向の分解能は向上するが撮像可能範囲は狭くなる。逆にガウス分布曲線の中心波長を光源スペクトルの中心波長より長波長側に設定すると、奥行き方向の分解能は低下するが撮像可能範囲は拡大される。
このように、スペクトル変換特性におけるガウス分布曲線の中心波長を光源スペクトルの中心波長よりも短波長側または長波長側にシフトさせることにより、単に高分解能化を求めるだけではなく、奥行き方向の分解能と撮像可能範囲とのバランスを取ることが可能になる。したがって、奥行き方向の撮像可能範囲を、同方向の分解能との関係で最適化することが可能である。
上記のように、本発明によれば、光コヒーレンストモグラフィを用いた撮像技術において、スペクトル変換時のガウス分布曲線の中心波長を光源スペクトルの中心波長からシフトさせることにより、奥行き方向の分解能と撮像可能範囲とのバランスを最適化することができる。
本発明にかかる光干渉断層撮像装置の一実施形態である画像処理装置を示す図である。 この画像処理装置における撮像原理を説明する図である。 ＯＣＴ装置の具体的構成例を示す図である。 この画像処理装置の動作を示すフローチャートである。 スペクトル変換特性の例を示す図である。 断層画像を模式的に示す図である。 高倍率撮像における断層画像の例を示す図である。 低倍率撮像における断層画像の例を示す図である。 スペクトル変換特性と結果画像との対応関係を示す図である。
図１は本発明にかかる光干渉断層撮像装置の一実施形態である画像処理装置を示す図である。この画像処理装置１は、液体（例えば培養液）中で培養されたスフェロイド（細胞集塊）を断層撮像し、得られた断層画像を画像処理して、スフェロイドの立体像を作成する。以下の各図における方向を統一的に示すために、図１に示すようにＸＹＺ直交座標軸を設定する。ここでＸＹ平面が水平面、Ｚ軸が鉛直軸を表す。より詳しくは、（＋Ｚ）方向が鉛直上向き方向を表している。
画像処理装置１は保持部１０を備えている。保持部１０は、ガラス製または樹脂製の透明な底部を持つディッシュやプレートと呼ばれる培養容器１１を、その開口面を上向きにして略水平姿勢に保持する。容器１１には予め適宜の培地Ｍが所定量注入されており、培地中では容器１１の底部１１１に試料Ｓｐ（ここではスフェロイド）が培養されている。図１では１つの試料Ｓｐのみが記載されているが、１つの容器１１内で複数の試料Ｓｐが培養されていてもよい。培地Ｍは液状またはゲル状であり、特に液状であるときには培養液ともいう。
保持部１０により保持された容器１１の下方に、撮像ユニット２０が配置される。撮像ユニット２０には、被撮像物の断層画像を非接触、非破壊（非侵襲）で撮像することが可能な光干渉断層撮像（Optical Coherence Tomography；ＯＣＴ）装置が用いられる。詳しくは後述するが、ＯＣＴ装置である撮像ユニット２０は、被撮像物への照明光を発生する光源２１と、ビームスプリッタ２２と、対物レンズ２３と、参照ミラー２４と、分光器２５と、光検出器２６とを備えている。
また、画像処理装置１はさらに、装置の動作を制御する制御ユニット３０と、撮像ユニット２０の可動機構を制御する駆動制御部４０とを備えている。制御ユニット３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１、Ａ／Ｄコンバータ３２、信号処理部３３、３Ｄ復元部３４、インターフェース（ＩＦ）部３５、画像メモリ３６およびメモリ３７を備えている。
ＣＰＵ３１は、所定の制御プログラムを実行することで装置全体の動作を司り、ＣＰＵ３１が実行する制御プログラムや処理中に生成したデータはメモリ３７に保存される。Ａ／Ｄコンバータ３２は、撮像ユニット２０の光検出器２６から受光光量に応じて出力される信号をデジタルデータに変換する。信号処理部３３は、Ａ／Ｄコンバータ３２から出力されるデジタルデータに基づき後述する信号処理を行って、被撮像物の断層画像を作成する。３Ｄ復元部３４は、撮像された複数の断層画像の画像データに基づいて、撮像された胚の三次元像（３Ｄ像）を作成する機能を有する。信号処理部３３により作成された断層画像の画像データおよび３Ｄ復元部３４により作成された三次元像の画像データは、画像メモリ３６により適宜記憶保存される。
インターフェース部３５は画像処理装置１と外部との通信を担う。具体的には、インターフェース部３５は、外部機器と通信を行うための通信機能と、ユーザからの操作入力を受け付け、また各種の情報をユーザに報知するためのユーザインターフェース機能とを有する。この目的のために、インターフェース部３５には、装置の機能選択や動作条件設定などに関する操作入力を受け付け可能な例えばキーボード、マウス、タッチパネルなどの入力デバイス３５１と、信号処理部３３により作成された断層画像や３Ｄ復元部３４により作成された立体像など各種の処理結果を表示する例えば液晶ディスプレイからなる表示部３５２とが接続されている。
また、ＣＰＵ３１は駆動制御部４０に制御指令を与え、これに応じて駆動制御部４０は撮像ユニット２０の可動機構に所定の動作を行わせる。次に説明するように、駆動制御部４０により実行される撮像ユニット２０の走査移動と、光検出器２６による受光光量の検出との組み合わせにより、被撮像物である試料Ｓｐの断層画像が取得される。
図２はこの画像処理装置における撮像原理を説明する図である。より具体的には、図２（ａ）は撮像ユニット２０における光路を示す図であり、図２（ｂ）は試料Ｓｐの断層撮像の様子を模式的に示す図である。前記したように、撮像ユニット２０は光干渉断層撮像（ＯＣＴ）装置として機能するものである。なお、ここでは説明のために試料Ｓｐを略球形として表示しているが、実際の撮像において試料Ｓｐの形状は特に限定されない。
撮像ユニット２０では、例えば発光ダイオードまたはスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などの発光素子を有する光源２１から、広帯域の波長成分を含む低コヒーレンス光ビームＬ１が出射される。光ビームＬ１はビームスプリッタ２２に入射して分岐し、破線矢印で示すように一部の光Ｌ２が容器１１に向かい、一点鎖線矢印で示すように一部の光Ｌ３が参照ミラー２４に向かう。
容器１１に向かった光Ｌ２は、対物レンズ２３を経て容器１１に入射する。より具体的には、ビームスプリッタ２２から出射される光Ｌ２は、対物レンズ２３を介して容器底部１１１に入射する。対物レンズ２３は、ビームスプリッタ２２から容器１１に向かう光Ｌ２を容器１１内の試料Ｓｐに収束させる機能と、試料Ｓｐから出射される反射光を集光してビームスプリッタ２２に向かわせる機能とを有する。対物レンズ２３は複数の光学素子と組み合わされて物体光学系を構成するものであってもよい。
この画像処理装置１は、互いに開口数の異なる２種類の対物レンズ２３ａ，２３ｂと、駆動制御部４０に設けられたレンズ切替機構４３とを備えている。レンズ切替機構４３は、これら２種類の対物レンズ２３ａ，２３ｂを切り替えて選択的に光Ｌ２の光路に配置する。例えば、解像度が高く撮像範囲の狭い高倍率撮像と、これより解像度が低く撮像範囲が広い低倍率撮像との切り替えのために、このような切替機構を使用することができる。ここでは、一方の対物レンズ２３ａが他方の対物レンズ２３ｂよりも大きな開口数を有するものとする。対物レンズ２３ａは高倍率撮像において使用される一方、対物レンズ２３ｂは低倍率撮像に使用される。本明細書では、２種類の対物レンズ２３ａ，２３ｂを特に区別する必要がないときこれらを「対物レンズ２３」と記載している。
対物レンズ２３は、駆動制御部４０に設けられた焦点調整機構４１により、Ｚ方向に移動可能に支持されている。これにより、被撮像物に対する対物レンズ２３の焦点位置がＺ方向に変更可能となっている。対物レンズ２３の光軸は鉛直方向と平行であり、したがって平面状の容器底部１１１に垂直である。また、対物レンズ２３への照明光の入射方向は光軸と平行であり、その光中心が光軸と一致するように、対物レンズ２３の配置が定められている。
試料Ｓｐが光Ｌ２に対する透過性を有するものでなければ、容器底部１１１を介して入射した光Ｌ２は試料Ｓｐの表面で反射される。一方、試料Ｓｐが光Ｌ２に対してある程度の透過性を有するものである場合、光Ｌ２は試料Ｓｐ内まで進入してその内部の構造物により反射される。光Ｌ２として例えば近赤外線を用いることで、入射光を試料Ｓｐ内部まで到達させることが可能である。試料Ｓｐからの反射光は散乱光として種々の方向に放射される。そのうち対物レンズ２３の集光範囲内に放射された光Ｌ４が、対物レンズ２３で集光されてビームスプリッタ２２へ送られる。
参照ミラー２４は、駆動制御部４０に設けられたミラー駆動機構４２により、その反射面を光Ｌ３の入射方向に対し垂直姿勢に、しかも、該入射方向に沿った方向（図ではＹ方向）に移動可能に支持されている。参照ミラー２４に入射した光Ｌ３は反射面で反射されて、入射光路を逆向きに辿るように進む光Ｌ５としてビームスプリッタ２２に向かう。この光Ｌ５が参照光となる。ミラー駆動機構４２により参照ミラー２４の位置が変更されることにより、参照光の光路長が変化する。
試料Ｓｐの表面もしくは内部の反射面で反射された反射光Ｌ４と、参照ミラー２４で反射された参照光Ｌ５とは、ビームスプリッタ２２を介して光検出器２６に入射する。このとき、反射光Ｌ４と参照光Ｌ５との間で位相差に起因する干渉が生じるが、干渉光の分光スペクトルは反射面の深さにより異なる。つまり、干渉光の分光スペクトルは被撮像物の深さ方向の情報を有している。したがって、干渉光を波長ごとに分光して光量を検出し、検出された干渉信号をフーリエ変換することにより、被撮像物の深さ方向における反射光強度分布を求めることができる。このような原理に基づくＯＣＴ撮像技術は、フーリエドメイン（Fourier Domain）ＯＣＴ（ＦＤ－ＯＣＴ）と称される。
この実施形態の撮像ユニット２０は、ビームスプリッタ２２から光検出器２６に至る干渉光の光路上に分光器２５が設けられている。分光器２５としては、例えばプリズムを利用したもの、回折格子を利用したもの等を用いることができる。干渉光は分光器２５により波長成分ごとに分光されて光検出器２６に受光される。
光検出器２６が検出した干渉光に応じて光検出器２６から出力される干渉信号をフーリエ変換することで、試料Ｓｐのうち、光ビームＬ２の入射位置における深さ方向、つまりＺ方向の反射光強度分布が求められる。容器１１に入射する光ビームＬ２をＸ方向に走査することで、ＸＺ平面と平行な平面における反射光強度分布が求められ、その結果から当該平面を断面とする試料Ｓｐの断層画像を作成することができる。以下、本明細書では、Ｘ方向へのビーム走査によってＸＺ平面と平行な断面における１つの断層画像Ｉｔを取得する一連の動作を、１回の撮像と称することとする。
また、Ｙ方向におけるビーム入射位置を多段階に変更しながら、その都度断層画像の撮像を行うことで、図２（ｂ）に示すように、試料ＳｐをＸＺ平面と平行な断面で断層撮像した多数の断層画像Ｉｔを得ることができる。Ｙ方向の走査ピッチを小さくすれば、試料Ｓｐの立体構造を把握するのに十分な分解能の画像データを得ることができる。Ｘ方向およびＹ方向へのビーム走査は、例えば図示しないガルバノミラー等の光路を変化させる光学部品を用いてビーム入射位置をＸＹ方向に変化させる方法、試料Ｓｐを担持する容器１１と撮像ユニット２０とのいずれかをＸＹ方向に移動させてこれらの相対位置を変化させる方法などにより実現可能である。
なお、上記の原理説明では、撮像ユニット２０において光源２１からの光を照明光と参照光とに分岐させる分波機能、および信号光と参照光とを合成して干渉光を生じさせる機能がビームスプリッタ２２により実現されている。一方、近年では、ＯＣＴ装置においてこのような分波・合波機能を担うものとして、以下に例示するような光ファイバカプラが用いられる場合がある。
図３はＯＣＴ装置の具体的構成例を示す図である。なお、理解を容易にするために、以下の説明では、上記した原理図の構成と同一のまたは相当する構成に同一符号を付すものとする。その構造および機能は、特に説明のない限り上記原理図のものと基本的に同じであり、詳しい説明は省略する。また、光ファイバカプラによる干渉光を検出するＯＣＴ撮像原理も基本的に上記と同じであるので、詳しい説明を省略する。
図３（ａ）に示す構成例では、撮像ユニット２０ａは、ビームスプリッタ２２に代わる分波・合波器として光ファイバカプラ２２０を備えている。光ファイバカプラ２２０を構成する光ファイバの１つ２２１は光源２１に接続されており、光源２１から出射される低コヒーレンス光は、光ファイバカプラ２２０により２つの光ファイバ２２２，２２３への光に分岐される。光ファイバ２２２は物体系光路を構成する。より具体的には、光ファイバ２２２の端部から出射される光はコリメータレンズ２２３を介して物体光学系２３に入射する。被撮像物からの反射光（信号光）は物体光学系２３、コリメータレンズ２２３を介して光ファイバ２２２に入射する。
他の光ファイバ２２４は参照系光路を構成する。より具体的には、光ファイバ２２４の端部から出射される光はコリメータレンズ２２５を介して参照ミラー２４に入射する。参照ミラー２４からの反射光（参照光）はコリメータレンズ２２５を介して光ファイバ２２４に入射する。光ファイバ２２２を伝搬する信号光と光ファイバ２２４を伝搬する参照光とが光ファイバカプラ２２０において干渉し、干渉光が光ファイバ２２６および分光器２５を介して光検出器２６に入射する。光検出器２６により受光された干渉光から被撮像物における反射光の強度分布が求められることは上記原理通りである。
図３（ｂ）に示す例でも、撮像ユニット２０ｂに光ファイバカプラ２２０が設けられる。ただし光ファイバ２２４は使用されず、光ファイバ２２２から出射される光の光路に対してコリメータレンズ２２３およびビームスプリッタ２２７が設けられる。そして、前述の原理通り、ビームスプリッタ２２７により分岐される２つの光路にそれぞれ対物レンズ２３、参照ミラー２４が配置される。このような構成ではビームスプリッタ２２７により信号光と参照光とが合成され、それにより生じた干渉光が光ファイバ２２２，２２６を通って光検出器２６へ導かれる。
これらの例では、図２（ａ）の原理図では空間中を進行する各光の光路の一部が光ファイバに置き換えられているが動作原理は同じである。これらの例においても、焦点調整機構４１が物体光学系２３を容器１１に対し接近・離間方向に移動させることにより、被撮像物に対する対物レンズ２３の焦点深さを調整することが可能である。また、レンズ切替機構４３は２種類の対物レンズ２３ａ，２３ｂを切り替えることができる。また、ミラー駆動機構４２が参照ミラー２４を光の入射方向に沿って移動させることにより、参照光の光路長を変更可能である。
図４はこの画像処理装置の動作を示すフローチャートである。最初に、撮像すべき試料Ｓｐが培養液とともに担持された容器１１が、ユーザまたは搬送ロボットにより保持部１０にセットされる（ステップＳ１０１）。また、入力デバイス３５１を介して、対物レンズ２３に関するユーザの選択入力が受け付けられる（ステップＳ１０２）。すなわち、開口数の大きい対物レンズ２３ａを用いた高倍率撮像、開口数の小さい対物レンズ２３ｂを用いた低倍率撮像のいずれをユーザが希望するかに関する指示入力を、ユーザから受け付ける。
ＣＰＵ３１は、撮像ユニット２０および駆動制御部４０を制御して、被撮像物である容器１１内の試料Ｓｐの断層撮像を行う。具体的には、レンズ切替機構４３が、２種類の対物レンズ２３ａ，２３ｂのうちユーザからの選択入力で指定された一方を光ビームＬ２の光路に配置し（ステップＳ１０３）、撮像ユニット２０が上記原理に基づく断層撮像を実行し、光検出器２６が出力する波長ごとの干渉光の強度から得られた反射光データは画像メモリ３６またはメモリ３７に保存される（ステップＳ１０４）。
信号処理部３３は、予めメモリ３７に記憶されている複数種のスペクトル変換特性のうち選択された対物レンズに適合したものを呼び出し（ステップＳ１０５）、該変換特性に基づくスペクトル変換を実行する（ステップＳ１０６）。そして、変換後のスペクトルをフーリエ変換することで、各位置における奥行き方向の反射光強度分布を算出する（ステップＳ１０７）。そして、信号処理部３３は、Ｘ方向の各位置における反射光強度分布から、ＸＺ平面に平行な１つの断面におけるウェルＷ内の断層画像を表す断層画像を作成する（ステップＳ１０８）。Ｙ方向の各位置において同様に断層画像データが作成される。作成された断層画像データは画像メモリ３６に記憶保存され、必要に応じ表示部３５２への表示あるいは外部への送出が行われる。
こうして得られた断層画像データに基づき、３Ｄ復元部３４は、試料Ｓｐの立体像に対応する３Ｄ画像データを作成することが可能である。具体的には例えば、Ｙ方向に離散的に取得された断層画像データをＹ方向に補間することにより、３Ｄ画像データを求めることが可能である。断層画像データから３Ｄ画像データを作成する技術は既に実用化されているので詳しい説明を省略する。
次に、ステップＳ１０６のスペクトル変換における変換特性についてより詳しく説明する。ここでは詳しい原理説明は省略するが、スペクトル変換は、広帯域の光源スペクトルが非ガウス型分布を有することに起因する画像ノイズを抑制する目的で実行されるものである。すなわち、光源が発する光Ｌ１のスペクトルをガウス分布型へ変換するような変換特性を干渉光のスペクトルに適用して変換する。こうすることで、被撮像物である試料Ｓｐに入射する照明光Ｌ２があたかもガウス分布型のスペクトルを有していたかのように、反射光の各波長成分に生じるサイドローブを抑えることができる。
図５はスペクトル変換特性の例を示す図である。図５（ａ）は光源のスペクトルと変換特性におけるガウス分布曲線との間で中心波長を一致させた例を示す。図５（ａ）において破線カーブは光源２１の一例としてのＳＬＤが発する光Ｌ１が有する光源スペクトルの例を示す。その中心波長を符号λａにより表す。また実線カーブは変換後の仮想的な光源スペクトルを示し、これは中心波長λｂのガウス分布曲線である。ただしここでは中心波長λｂを光源スペクトルの中心波長λａと一致させているので、λｂ＝λａである。スペクトル変換において重要なのはスペクトル形状つまり各波長成分間の相対強度であるので、縦軸は強度最大値を１として正規化した任意単位で表されている。
破線で示される光源のスペクトルが実線で示すガウス分布型曲線となるために必要な、波長成分ごとの強度の圧縮率または伸長率を表すのが「変換特性」である。この変換特性を、干渉光のスペクトルに対して適用することでスペクトル変換が実行される。
図５（ａ）に実線で示される変換後の光源スペクトルは、中心波長λｂ、半値全幅Δλのガウス分布型曲線である。このときのＦＤ－ＯＣＴ撮像における奥行き方向（Ｚ方向）の分解能Ｒｚは、次式：
Ｒｚ＝０．４４λｂ２／Δλ … （式１）
により表されることが知られている。（式１）で表される数値が小さいほど分解能が高いと言える。したがって、中心波長λｂが短く、スペクトル幅が広いほど高い分解能が得られる。
被撮像物が例えば生体や培養液中で培養された細胞等である場合、光源のスペクトルとしては近赤外領域、例えば波長７００ｎｍないし１４００ｎｍ程度の光が用いられることが多い。これは、近赤外線よりも波長の短い可視領域の光はヘモグロビンをはじめとする生体構成物質における吸収が大きく、またより長波長の遠赤外領域の光では水による吸収が大きくなり、いずれにおいても光が被撮像物の深部まで到達せず奥行き方向の撮像可能範囲が狭くなるからである。上記波長域は、生体や細胞に対して高い透過性を有し生体の観察に好適であるという意味で「生体の光学窓（第２光学窓）」とも呼ばれる。
この波長領域では、被撮像物による光の吸収が少なく散乱が支配的であり、奥行き方向における撮像可能範囲は被撮像物の散乱特性に依存する。ここで、近赤外領域においては長波長ほど散乱が少なくなるという傾向がある。このため、長波長ほど光が深部まで到達することとなるので、撮像可能範囲を広くするためには長波長成分を有効に利用することが望ましい。
一方、光源スペクトルがガウス分布型となるようなスペクトル変換においては、中心波長λｂから離れた波長領域ほどその信号成分は有効利用されないこととなる。高分解能の観点から中心波長の短いスペクトル変換特性が適用される場合、近赤外領域の中でも比較的長波長の信号成分は結果画像に反映されにくくなる。その結果、被撮像物のうち奥行き方向における深部の情報が失われることとなる。このように、ＦＤ－ＯＣＴ撮像技術においては、高分解能化を図ると奥行き方向の観察可能範囲が狭くなるという問題がある。
なお、本明細書にいう「撮像可能範囲」は、ＦＤ－ＯＣＴ撮像原理上の、一点へのビーム入射によって反射光強度分布を一括して取得可能な奥行き方向の範囲とは異なる概念である。そのような意味での撮像可能範囲は、例えば対物レンズの焦点位置を奥行き方向に変化させることで拡張可能である。一方、本明細書にいう撮像可能範囲は、容器底面１１１を介して入射した光が届き、かつ反射光として検出可能な奥行き方向の範囲を意味している。光が吸収・散乱によって次第に消失することで生じる制約であり、撮像や信号処理の工夫では対応することができない。
図５（ｂ）に示すように、中心波長λｂを光源スペクトルの中心波長λａを長波長側に設定した場合を考える。このとき（式１）により表される奥行き方向分解能は図５（ａ）の例よりも小さくなるが、より深部まで到達する長波長成分がより多く保存されているため、奥行き方向の撮像可能範囲が広がる。このように、スペクトル変換時の変換特性における中心波長λｂを、光源スペクトルの中心波長λａに拘らず適宜に設定することで、奥行き方向における分解能と撮像可能範囲とを適切にバランスさせることが可能である。
以下、その具体例としてこの実施形態におけるスペクトル変換特性を説明する。この実施形態の画像処理装置１は、対物レンズ２３の切り替えにより高倍率撮像と低倍率撮像とを選択的に実行することが可能である。対物レンズの集光特性により制限される横方向、つまり対物レンズ２３の光軸と直交する方向（Ｘ方向）における分解能Ｒｘは、次式：
Ｒｘ＝ｋ・λａ／ＮＡ … （式２）
で表される。
（式２）で表される数値が小さいほど分解能が高いと言える。（式２）において、ＮＡは対物レンズ２３の開口数である。またｋは０．６程度の係数であり、実用的にはｋ＝０．６１とすることができる。また、このときの波長λａは光源スペクトルの中心波長である。したがって、横方向における分解能Ｒｘは、スペクトル変換特性とは関係なく光源２１および対物レンズ２３の光学的特性によって一意に定まる。対物レンズ２３の切り替えにより分解能Ｒｘは変化し、開口数ＮＡの大きい対物レンズ２３ａでは、より開口数ＮＡの小さい対物レンズ２３ｂよりも高い分解能Ｒｘが得られる。
一方、上記したように、奥行き方向の分解能Ｒｚはスペクトル変換特性に依存する。このことから、対物レンズ２３の切り替えによって横方向の分解能Ｒｘを変化させるとき、これに伴って奥行き方向の分解能Ｒｚについても変化を許容することで、スペクトル変換特性をより柔軟に定めることが可能になる。
図６は断層画像を模式的に示す図である。より具体的には、図６は、容器１１に注入された培地Ｍ内で培養される試料Ｓｐ、例えばスフェロイドを容器底面１１１を介して断層撮像したときの画像を模式的に示す図である。このような断層画像を、対物レンズ２３ａを用いた高倍率撮像および対物レンズ２３ｂを用いた低倍率撮像によりそれぞれ撮像する場合を考える。
図７は高倍率撮像における断層画像の例を示す図である。図において点線で示す格子は断層画像における画素の区切りを模式的に表している。開口数が大きい対物レンズ２３ａを用いた高倍率撮像では、照明光Ｌ２の入射方向に直交する横方向における分解能Ｒｘの値が、後述する低倍率撮像の値よりも小さい。
横方向と奥行き方向とで画素サイズを同等とするためには、（式１）で表される奥行き方向の分解能Ｒｚを横方向分解能Ｒｘと略同じにする必要がある。奥行き方向において高い分解能が必要であるとき、例えば図５（ａ）に示す、中心波長λｂが短くスペクトル幅Δλの広いスペクトル変換特性が有効である。例えば横方向分解能Ｒｘ＝４［μｍ］であるとき、図５（ａ）においてλｂ＝８９８［ｎｍ］、Δλ＝９０［ｎｍ］である変換特性を適用すれば、（式１）よりＲｚ≒３．９［μｍ］となり、必要条件を満たす。
光ビームＬ２が入射する容器底部１１１から見て試料Ｓｐの深部（図７において上方）まで到達する長波長の光は、スペクトル変換によって相対的に弱められるため、結果画像への寄与は小さくなる。これにより、実質的に撮像可能な奥行き方向の範囲が制限される。容器底部１１１を起点としたときの撮像可能範囲の深さを符号Ｄ１により表す。
図８は低倍率撮像における断層画像の例を示す図である。開口数が小さい対物レンズ２３ｂを用いた低倍率撮像では、照明光Ｌ２の入射方向に直交する横方向における分解能Ｒｘの値は上記の高倍率撮像の値よりも小さい。このときの横方向分解能Ｒｘを例えば１０［μｍ］とする。
仮に高倍率撮像と同じスペクトル変換特性を適用した場合、図８（ａ）に示すように、奥行き方向分解能Ｒｚおよび撮像可能範囲Ｄ１は変わらない。一方、横方向分解能Ｒｘは低くなっているため、結果的に、奥行き方向分解能Ｒｚが横方向分解能Ｒｘに対して過度に高い状態であると言える。
ここで、図５（ｂ）に示すように、中心波長λｂを長波長側にシフトさせたスペクトル変換特性を導入する。例えば中心波長λｂ＝９３７［ｎｍ］、Δλ＝５８［ｎｍ］とすると、（式１）より奥行き方向分解能Ｒｚ＝６．７［μｍ］となり、横方向分解能Ｒｘに近い値となる。このとき、図５（ａ）の変換特性では失われる長波長成分が結果画像に大きく寄与するため、図８（ｂ）に示すように、奥行き方向の撮像可能範囲Ｄ２は、図５（ａ）の変換特性を適用した図８（ａ）のケースよりも広くなる。
このように、低ＮＡの対物レンズ２３ｂが使用される場合には、奥行き方向分解能Ｒｚが横方向分解能Ｒｘと同程度まで低下することを許容し、これに合わせた変換特性を適用してスペクトル変換を行うようにすることで、撮像可能範囲を広げることができる。このような特徴は、高分解能を求めず広い範囲を観察したいという低倍率撮像への元々のニーズにも合致するものである。
図９はスペクトル変換特性と結果画像との対応関係を示す図である。本願発明者は、撮像により検出された干渉光のスペクトルに対し、中心波長λｂが互いに異なる３種類のスペクトル変換を個別に実行し、変換後のスペクトルにより表される断層画像を比較する実験を行った。図９はその結果の一例を示すものである。図９（ａ）に示すように、中心波長λｂがそれぞれ８４０ｎｍ、８６０ｎｍ、９２０ｎｍとなるガウス分布型曲線への変換特性を有するスペクトル変換を行った。
図９（ｂ）は変換後のスペクトルから作成された断層画像の例であり、左から順に、λｂ＝８４０［ｎｍ］、８６０［ｎｍ］、９２０［ｎｍ］の変換を行ったときの画像である。これらの対比からわかるように、スペクトル変換時の中心波長が長波長側にシフトするにつれて画像の上部における明るい領域が増加しており、画像の下部から見た撮像可能範囲が拡大していることがわかる。
図９（ｃ）は画像の深さ方向（上下方向）における階調レベルの変化の実測結果を示している。図９（ｂ）に示す各画像のうち、左右方向にはスフェロイドの像が現れる中央部を占め、深さ方向には画像の上端から下端まで延びる帯状の領域について、左右方向の画素平均値を深さ方向にプロットしたのが図９（ｃ）である。なお深さについては画像の下方から上向きに定義される。これからわかるように、スペクトル変換の中心波長λｂが長波長であるほど深い領域まで明るい画素が存在し、反射光強度を画像に反映させることができる範囲、すなわち撮像可能範囲が広がっている。
以上のように、この実施形態では、ＦＤ－ＯＣＴ撮像装置において、光源スペクトルをガウス分布型に変換する変換特性を有するスペクトル変換を、検出された干渉光スペクトルに対して実行する。これにより、各波長成分に生じるサイドローブに起因する画像ノイズの発生が抑制される。
スペクトル変換特性は、単に奥行き方向の分解能を高くすることのみを目的とするのではなく、必要な分解能と撮像可能範囲とのバランスを加味して決定される。具体的には、開口数の大きい対物レンズ２３ａを用いる高倍率撮像においては、光源スペクトルを効率よく用いて高分解能を得るべく、変換特性における中心周波数λｂが光源スペクトルの中心周波数λａに設定され、またスペクトル幅も光源スペクトルと同程度に広く設定される。
一方、開口数の小さい対物レンズ２３ｂを用いる低倍率撮像においては、高倍率撮像と同じ分解能を確保する必要はない。このため、分解能の低下を許容し、変換特性における中心波長λｂを長波長側にシフトさせることで、光源からの光に含まれるより長波長の成分を有効に画像に反映させ、奥行き方向の実効的な撮像可能範囲を広げるという効果を得ることができる。
以上説明したように、この実施形態の画像処理装置１は、本発明の「光干渉断層撮像装置」として機能するものである。そして、撮像ユニット２０，２０ａ，２０ｂは本発明の「光源」、「干渉光生成部」、「対物レンズ」および「検出部」の機能を兼備するものである。具体的には、光源２１および対物レンズ２３が本発明の「光源」および「対物レンズ」に相当し、分光器２５および光検出器２６が本発明の「検出部」に相当している。そして、撮像ユニット２０，２０ａ，２０ｂに設けられたその他の光学素子が、本発明の「干渉光生成部」を構成している。
また、上記実施形態では、制御ユニット３０、特に信号処理部３３が本発明の「信号処理部」として機能している。また、複数の対物レンズ２３ａ，２３ｂが本発明の「複数のレンズ」に相当し、レンズ切替機構４３が本発明の「切替部」として機能している。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、互いに開口数の異なる２種類の対物レンズ２３ａ，２３ｂが切り替えられるが、３種類以上の対物レンズが切り替え可能な構成であってもよい。この場合、各対物レンズに対応するスペクトル変換特性を、開口数の大きい対物レンズほど中心波長が短波長側に位置するような設定とすることで、各対物レンズが有する横方向分解能に応じた奥行き方向分解能を得つつ、奥行き方向の撮像可能範囲を最大化することができる。
また、上記実施形態では、スペクトル変換特性における中心波長λｂは、光源スペクトルの中心波長λａと同じかこれより長波長に設定されている。しかしながら、スペクトル変換特性における中心波長λｂを光源スペクトルの中心波長λａよりも短波長とすることも可能であり、この場合には奥行き方向の撮像可能範囲は狭まるが、分解能のさらなる向上を図ることができる。
また、上記実施形態の画像処理装置１は、撮像機能と信号処理機能との両方を備えたものであるが、このうち信号処理に関しては、撮像機能を持たない例えば汎用コンピュータ装置でも実行可能なものである。このことから、撮像と信号処理とが別体の装置で実行されてもよい。
特に、いったん撮像を行いスペクトル変換前の干渉光のデータを保存しておけば、そのデータを用いて事後的に種々の変換特性を有するスペクトル変換を実行し、目的に応じた断層画像を作成することが可能となる。このような処理については、撮像機能を持たない一般的な構成のコンピュータ装置で実行可能であることが好ましい。
また、上記実施形態は容器中で培養された細胞等を被撮像物として断層撮像する装置であるが、この種の装置は生体の観察、例えば医療目的で眼球を観察する用途にも使用されている。このような用途の撮像装置に対しても、本発明を適用することが可能である。
なお、対物レンズが１種類で切り替えを行わない装置においても、光源のスペクトル特性から一義的に変換特性を決めるのでなく、分解能と撮像可能範囲とのバランスの観点で変換特性の中心波長を設定するという技術思想は有効である。また、同じ対物レンズを用いた撮像においても、例えば分解能を重視する目的と撮像範囲を重視する目的との間でスペクトル変換特性を切り替えることも可能である。
以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、この発明において、ガウス分布曲線の中心波長は光源スペクトルの中心波長より長波長であってもよい。このような構成によれば、被撮像物の深部まで到達する長波長の成分が画像作成に有効に利用されることとなるため、奥行き方向における実効的な撮像可能範囲を広げることができる。
また、ガウス分布曲線の中心波長は、光源スペクトルの中心波長と対物レンズの開口数とにより決まる対物レンズの光軸と垂直な方向（横方向）の分解能に応じて定められてもよい。ガウス分布曲線の中心波長の設定により奥行き方向の分解能を変化させることができるが、横方向の分解能とのバランスが取れていなければ画像としては必ずしも有用なものとならない。横方向の分解能に応じた設定とすることで、目的に応じた画像品質と撮像範囲とを実現することができる。
また、信号処理部は、ガウス分布曲線の中心波長が互いに異なる複数種の変換特性を切り替える構成であってもよい。このような構成によれば、奥行き方向の分解能および撮像可能範囲を用途に応じて切り替えることが可能となる。
また、この発明に係る光干渉断層撮像装置は、開口数が互いに異なる複数のレンズと、複数のレンズを切り替えて選択的に対物レンズとして機能させる切替部とをさらに備え、信号処理部はレンズの選択に応じて変換特性を切り替える構成であってもよい。このような構成によれば、開口数の異なる対物レンズを切り替えることによって変化する横方向の分解能に応じて、奥行き方向の分解能と撮像可能範囲とを調整することができる。
この場合、レンズのうち開口数が最大のものに対応する変換特性におけるガウス分布曲線の中心波長が光源スペクトルの中心波長に最も近く、より開口数の小さいレンズに対応する変換特性ほどガウス分布曲線の中心波長が長波長側にあってもよい。このような構成によれば、横方向における分解能が最大となる開口数の大きい対物レンズにおいて奥行き方向の分解能も最大となり、横方向分解能が小さい対物レンズに対しては奥行き方向の分解能も小さくなるようにすることで、奥行き方向における撮像可能範囲を効果的に拡張することが可能である。
また、光源スペクトルは、波長が７００ナノメートルないし１４００ナノメートルの範囲の成分を含むものであってもよい。このような波長領域は、生体や細胞に対し高い透過性を示し、生体や細胞を被撮像物とする場合に広い撮像可能範囲を確保するのに有効である。すなわち、本発明は、被撮像物が生体または培養液中の細胞である場合に有効なものである。
この発明は、ＦＤ－ＯＣＴ撮像技術全般に適用することができる。特に、生体や培養された細胞等の観察・分析を目的として撮像する医学・生化学・創薬の分野において好適に適用することができる。
１ 画像処理装置（光干渉断層撮像装置）
２０ 撮像ユニット
２１ 光源
２２ ビームスプリッタ（干渉光生成部）
２３，２３ａ，２３ｂ 対物レンズ（レンズ）
２４ 参照ミラー（干渉光生成部）
２５ 分光器（検出部）
２６ 光検出器（検出部）
３０ 制御ユニット（信号処理部）
３１ ＣＰＵ
３３ 信号処理部
４３ レンズ切替機構（切替部）
２２０ 光ファイバカプラ（干渉光生成部）

Claims (8)

  1. 複数の波長成分からなる光源スペクトルを有する光を出射する光源と、
    前記光源からの光を分岐させ、一の分岐光を対物レンズを介して被撮像物に入射させ、前記被撮像物から反射された光を前記対物レンズで集光し他の分岐光と合波して干渉光を生じさせる干渉光生成部と、
    前記干渉光を検出する検出部と、
    検出された前記干渉光のスペクトルに基づき前記被撮像物の反射光強度分布を求める信号処理部と
    を備え、
    前記信号処理部は、
    前記光源スペクトルが当該光源スペクトルとは中心波長の異なる１つのガウス分布曲線に変換される変換特性を有するスペクトル変換を、前記干渉光のスペクトルに対して実行し、前記スペクトル変換後のスペクトルをフーリエ変換することで前記被撮像物の反射光強度分布を求め、前記反射光強度分布に基づき前記被撮像物の断層画像を作成する、光干渉断層撮像装置。
  2. 複数の波長成分からなる光源スペクトルを有する光を出射する光源と、
    前記光源からの光を分岐させ、一の分岐光を対物レンズを介して被撮像物に入射させ、前記被撮像物から反射された光を前記対物レンズで集光し他の分岐光と合波して干渉光を生じさせる干渉光生成部と、
    前記干渉光を検出する検出部と、
    検出された前記干渉光のスペクトルに基づき前記被撮像物の反射光強度分布を求める信号処理部と
    開口数が互いに異なる複数のレンズと、
    前記複数のレンズを切り替えて選択的に前記対物レンズとして機能させる切替部と
    を備え、
    前記信号処理部は、
    前記光源スペクトルが当該光源スペクトルの中心波長と異なるガウス分布曲線に変換される変換特性を有するスペクトル変換を、前記干渉光のスペクトルに対して実行し、前記スペクトル変換後のスペクトルをフーリエ変換することで前記被撮像物の反射光強度分布を求め、
    前記ガウス分布曲線の中心波長が互いに異なる複数種の前記変換特性を、前記レンズの選択に応じて切り替える、光干渉断層撮像装置。
  3. 前記レンズのうち開口数が最大のものに対応する前記変換特性における前記ガウス分布曲線の中心波長が前記光源スペクトルの中心波長に最も近く、より開口数の小さい前記レンズに対応する前記変換特性ほど前記ガウス分布曲線の中心波長が長波長側にある請求項２に記載の光干渉断層撮像装置。
  4. 前記ガウス分布曲線の中心波長は前記光源スペクトルの中心波長より長波長である請求項１ないし３のいずれかに記載の光干渉断層撮像装置。
  5. 前記ガウス分布曲線の中心波長は、前記光源スペクトルの中心波長と前記対物レンズの開口数とにより決まる前記対物レンズの光軸と垂直な方向の分解能に応じて定められる請求項１ないし４のいずれかに記載の光干渉断層撮像装置。
  6. 前記光源スペクトルは、波長が７００ナノメートルないし１４００ナノメートルの範囲の成分を含む請求項１ないし５のいずれかに記載の光干渉断層撮像装置。
  7. 複数の波長成分からなる光源スペクトルを有する光を分岐させ、一の分岐光を対物レンズを介して被撮像物に入射させ、前記被撮像物から反射された光を前記対物レンズで集光し他の分岐光と合波して干渉光を生じさせる工程と、
    前記干渉光を検出しそのスペクトルに基づき前記被撮像物の反射光強度分布を求める工程と
    を備え、
    前記光源スペクトルが当該光源スペクトルとは中心波長の異なる１つのガウス分布曲線に変換される変換特性を有するスペクトル変換を、前記干渉光のスペクトルに対して実行し、前記スペクトル変換後のスペクトルをフーリエ変換することで前記被撮像物の反射光強度分布を求め、前記反射光強度分布に基づき前記被撮像物の断層画像を取得する、光干渉断層撮像方法。
  8. 前記被撮像物が生体または培養液中の細胞である請求項７に記載の光干渉断層撮像方法。
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