JPWO2010044322A1 - 光断層測定装置 - Google Patents

Abstract

光断層測定装置は、可干渉性の光を発生する光源１０と、光源１０からの光を分割し、測定対象物からの戻り光と参照ミラー３０から戻り光を干渉させるカプラ１２と、カプラ１２によって分割された一方の光を測定対象物に向けて伝送する光路２１と、カプラ１２によって分割された他方の光を参照ミラー３０に向けて伝送する光路３１と、カプラ１２による干渉光を検出する光検出器４２とを備え、光路２１，３１は、屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成された光ファイバをそれぞれ含む。こうした構成により、屈曲可能な光ファイバを用いた場合でも、良好な干渉信号を得ることでき、高解像度の断層像が取得可能な光断層測定装置が得られる。

Description

本発明は、測定対象物の光断層像を取得するための光断層測定装置に関する。

近年、生体組織を診断する場合、その組織の表面状態の光学的情報を得るイメージング装置の他に、組織内部の光学的情報を得ることのできる光コヒーレンス断層画像化（ＯＣＴ：Optical Coherent Tomography）装置が提案されている。光コヒーレンス断層画像化装置とは、低干渉性光を二つに分割して、一方の光を被検体に照射し、被検体の位相情報を付与された戻り散乱光を他方の光と干渉させ、干渉光の強度情報から被検体の位相情報を得て、被検体の測定箇所を画像化する技術である（例えば、特許文献１参照）。

特表平６−５１１３１２号公報 特開２００３−３０７４８７号公報 米国特許第６９０３８２０号明細書

このような光断層測定装置を体内診断に応用するためには、内視鏡や血管カテーテルのように、体内挿入時に自由に屈曲する導光路によって体内に上記光源を測定位置まで導入する必要がある。このような導光路は、可撓性の光ファイバ等で達成できる。

光ファイバの屈曲状態が変化すると、その導光路を通過した光の偏光状態や波長分散特性が変化することは一般に知られている。こうした屈曲状態の変化に起因して２つに分割した光のうち一方の偏光状態や波長分散特性が変化すると、サンプル戻り光および参照戻り光の干渉信号の強度や位相が変化してしまい、高解像度な断層画像の取得が困難となってしまう。

特許文献２では、光プローブのファイバ部が変形して画像が劣化するのを防ぐために、プローブ先端部に光断層干渉計を内蔵することが開示されている。しかし、この構成では、プローブ先端部にプリズム等で干渉計を構成する必要があり、先端部のサイズが大きくなってしまう。

特許文献３では、同一のファイバにサンプル光と参照光を通して、プローブ先端に配置した、ＰＢＳ等の部分反射ミラーを用いて参照光のみプローブ端面で反射して戻す構成が開示されている。しかし、この構成では、サンプル光を反射するために配置されたプローブ先端の部分反射ミラーが、ゴーストの原因となったり、参照光とサンプル光の光路が分離されていないため、サンプル光と参照光の光量比をサンプルの反射率に応じて調節して適切な干渉信号を得ることが困難である。

本発明の目的は、屈曲可能な光ファイバを用いた場合でも、良好な干渉信号を得ることでき、高解像度の断層像が取得可能な光断層測定装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る光断層測定装置は、測定対象物の光断層像を取得するためのものであって、可干渉性の光を発生する光源と、光源からの光を分割するための光分割手段と、光分割手段によって分割された一方の光を測定対象物に向けて伝送するためのサンプル側光路手段と、光分割手段によって分割された他方の光を参照ミラーに向けて伝送するための参照側光路手段と、測定対象物からサンプル側光路手段を経由したサンプル戻り光、および参照ミラーから参照側光路手段を経由した参照戻り光を干渉させるための光干渉手段と、光干渉手段による干渉光を検出するための光検出器とを備え、サンプル側光路手段および参照側光路手段は、屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成された光ファイバをそれぞれ含むことを特徴とする。

本発明において、サンプル側光路手段の測定対象物側の先端、および参照側光路手段の参照ミラー側の先端には、互いに同じレンズがそれぞれ配置されていることが好ましい。

本発明において、光検出器は、サンプル戻り光と参照戻り光の干渉光を差動検出することが好ましい。

本発明において、サンプル側光路手段に含まれる光ファイバ、および参照側光路手段に含まれる光ファイバは、屈曲可能な同一のチューブに挿入されていることが好ましい。

本発明において、サンプル側光路手段の先端と参照側光路手段の先端がほぼ同じ位置に保持されていることが好ましい。

本発明によれば、光ファイバの屈曲に起因してサンプル光の偏光状態や波長分散特性が変化した場合でも、参照光の偏光状態や波長分散特性も同様に変化するため、良好な干渉信号を維持できる。その結果、光ファイバの屈曲に関わらず、高解像度の断層像を取得することができる。

第１実施形態に係る光断層測定装置を示す構成図である。 第２実施形態に係る光断層測定装置を示す構成図である。 第３実施形態に係る光断層測定装置を示す構成図である。 第４実施形態を示す構成図である。

１０ 光源
１１，２１，３１，４１，４１ａ，４１ｂ，４３ 光路
１２，４０ カプラ
１３，２２，３２ サーキュレータ
２０ プローブ
２５，３５ レンズ
２６ 反射プリズム
３０ 参照ミラー
３０ａ ミラー面
３３ アッテネータ
４２ 光検出器
４２ａ，４２ｂ 差動検出器
ＴＢ チューブ

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る光断層測定装置を示す構成図である。光断層測定装置は、低コヒーレンス光源を用いたマイケルソン干渉計として構成され、光源１０と、カプラ１２と、プローブ２０と、参照ミラー３０と、光検出器４２と、複数の光路１１，２１，３１，４１などを備える。光路１１，２１，３１，４１は、可撓性の単一モード光ファイバを含む。

光源１０は、ＳＬＤ(Super Luminescent Diode)等で構成され、例えば、中心波長が１．３μｍ、発振スペクトル幅が約５０ｎｍの低コヒーレンス光を発生する。光源１０からの光は、光路１１を通ってカプラ１２に到達する。

カプラ１２は、光ファイバカプラやビームスプリッタ等で構成され、光路１１からの光を光路２１，３１に向けて所定の比率で分割する光分割手段としての機能と、各光路２１，３１を逆行する光を干渉させる光干渉手段としての機能とを備える。

光路２１は、カプラ１２によって分割されたサンプル光をプローブ２０に向けて伝送する。プローブ２０は、サンプル光を測定対象物に向けて照射する。測定対象物の内部構造に応じて反射したサンプル戻り光は、再びプローブ２０入射し、光路２１を逆行してカプラ１２に戻る。

光路３１は、カプラ１２によって分割された参照光を参照ミラー３０に向けて伝送する。参照ミラー３０で反射した参照戻り光は、光路３１を逆行してカプラ１２に戻る。

光路２１，３１をそれぞれ逆行したサンプル戻り光および参照戻り光は、カプラ１２で混合されて干渉光を発生する。干渉光は、光路４１を通って光検出器４２に到達する。光検出器４２は、例えば、ＩｎＧａＡｓのＰＩＮダイオードで構成され、干渉光の強度に応じた電圧をヘテロダインビート信号として出力する。

光検出器４２からの信号は、各種のノイズ除去やフィルタ処理が施され、デジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータ等の信号処理装置に保存される。信号処理装置は、保存したデータを用いて、後述の光断層測定方式に応じて光断層像を構築する。

光断層測定の方式は、タイムドメインＯＣＴ（ＴＤ―ＯＣＴ）とフーリエドメインＯＣＴ（ＦＤ―ＯＣＴ）に大別され、さらに、フーリエドメインＯＣＴは波長走査型ＯＣＴ（ＳＳ―ＯＣＴ）と分光器型ＯＣＴ（ＳＤ―ＯＣＴ）に分類される。タイムドメインＯＣＴでは、光路２１および光路３１のいずれか一方または両方に光位相変調器を設けて、走査信号に応じて光の位相を変調する。波長走査型ＯＣＴでは、光源１０として波長可変光源を用いて、走査信号に応じて光の波長を変調する。分光器型ＯＣＴでは、サンプル戻り光および参照戻り光の干渉光を回折格子で分光し、その分光スペクトルをリニアイメージセンサで計測する。

本発明は、上述の何れの方式にも適用可能であるが、参照光路内に光路長を時間的に変動させる機構が不要となり、参照光路で構成される部分を細径化できる点で、波長走査型ＯＣＴや分光器型ＯＣＴが好ましい。

本実施形態において、サンプル側光路２１および参照側光路３１は、屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成された光ファイバをそれぞれ含む。こうした構成により、本発明に係る光断層測定装置を体内診断に適用して、各光路２１，３１に含まれる光ファイバは共に内視鏡等に挿入することが可能になる。そして、診断の際、内視鏡の屈曲に伴って光ファイバが屈曲した場合、サンプル側光ファイバも参照側光ファイバも同じ形状となるように曲げが加えられる。このためサンプル光の偏光状態や波長分散特性が変化しても、参照光の偏光状態や波長分散特性も同様に変化するため、良好な干渉信号を維持でき、断層像の劣化が抑えられる。

各光路２１，３１での光ファイバが屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成するためには、図１に示すように、両方の光ファイバを屈曲可能な同一のチューブＴＢに挿入することが好ましい。こうしたチューブＴＢを内視鏡の鉗子穴に挿入することで、参照光路とサンプル光路をほぼ同じ屈曲状態とすることが容易になる。また別の構成として、参照光路、サンプル光路用のそれぞれの光ファイバーを接着することによっても、同様な効果を得ることができる。

また、サンプル側光路２１の先端と参照側光路３１の先端がほぼ同じ位置に保持されていることが好ましい。光路の先端まで、サンプル側光路２１および参照側光路３１を揃えることにより、両方のファイバの状況（例えば、屈曲度合い）がより近くなり、より良好な干渉信号を得ることができる。例えば、人体内部にプローブを深く挿入して測定する場合、プローブは先端付近で複雑な屈曲状態になる可能性がある。そのような場合でも、参照側光路３１の先端がサンプル側光路２１のほぼ先端まで配置されていれば、複雑な屈曲状態による影響もほぼ同一になるので、良好な干渉信号が得られる。

また、サンプル光と参照光は別々の光ファイバで伝送する構成であるため、参照側光路３１だけにアッテネータの挿入が可能になる。そのため、参照戻り光の光量制御が容易に実現でき、干渉に最適な光量調整が図られる。さらに、サンプル光と参照光は別々の光路を通るため、サンプル光路内で発生するゴースト光の除去も可能となる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る光断層測定装置を示す構成図である。光断層測定装置は、低コヒーレンス光源を用いたマイケルソン干渉計として構成され、光源１０と、カプラ１２と、サーキュレータ２２，３２と、アッテネータ３３と、プローブ２０と、参照ミラー３０と、カプラ４０と、差動検出器４２ａ，４２ｂと、複数の光路１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂなどを備える。光路１１，２１，３１，４１ａ，４１ｂは、可撓性の単一モード光ファイバを含む。

光源１０は、ＳＬＤ等で構成され、例えば、中心波長が１．３μｍ、発振スペクトル幅が約５０ｎｍの低コヒーレンス光を発生する。光源１０からの光は、光路１１を通ってカプラ１２に到達する。

カプラ１２は、光ファイバカプラやビームスプリッタ等で構成され、光路１１からの光を光路２１，３１に向けて所定の比率で分割する光分割手段としての機能を有する。

カプラ１２によって分割されたサンプル光は、光路２１およびサーキュレータ２２を通って、プローブ２０に到達する。プローブ２０は、サンプル光を測定対象物に向けて照射する。測定対象物の内部構造に応じて反射したサンプル戻り光は、再びプローブ２０に入射し、光路２１を逆行して、サーキュレータ２２を通ってカプラ４０に到達する。

カプラ１２によって分割された参照光は、光路３１、サーキュレータ３２およびアッテネータ３３を通って、参照ミラー３０に到達する。参照ミラー３０で反射した参照戻り光は、光路３１を逆行して、アッテネータ３３およびサーキュレータ３２を通ってカプラ４０に到達する。

光路２１，３１をそれぞれ逆行したサンプル戻り光および参照戻り光は、カプラ４０で混合されて干渉光を発生する。カプラ４０は、光ファイバカプラやビームスプリッタ等で構成され、各光路２１，３１を逆行する光を干渉させる光干渉手段としての機能を備える。干渉光は、光路４１ａ，４１ｂを通って差動検出器４２ａ，４２ｂにそれぞれ到達する。差動検出器４２ａ，４２ｂは、２つの干渉信号の差分を出力する。

差動検出器４２ａ，４２ｂからの信号は、各種のノイズ除去やフィルタ処理が施され、デジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータ等の信号処理装置に保存される。信号処理装置は、保存したデータを用いて、上述の光断層測定方式に応じて光断層像を構築する。

本実施形態では、サンプル戻り光と参照戻り光の干渉信号を差動検出することによって、サンプル光路からの光と参照光路からの光をカプラ４０で干渉させた信号は逆相の信号となるため、差動検出により信号強度が増強される。一方、例えば、サンプル光路内に配置したプリズム等の光学面で発生したゴースト起因の干渉信号は、カプラ４０で単に分割されるだけなので同相となり、差動検出によりノイズ信号が低減でき、その結果、良好な断層像を得ることができる。

また本実施形態において、サンプル側光路２１および参照側光路３１は、屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成された光ファイバをそれぞれ含む。こうした構成により、診断の際、内視鏡の屈曲に伴って光ファイバが屈曲した場合、サンプル側光ファイバも参照側光ファイバも同じ形状となるように曲げが加えられる。このためサンプル光の偏光状態や波長分散特性が変化しても、参照光の偏光状態や波長分散特性も同様に変化するため、良好な干渉信号を維持でき、断層像の劣化が抑えられる。

各光路２１，３１での光ファイバが屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成するためには、前の実施形態と同様に、両方の光ファイバを屈曲可能な同一のチューブＴＢに挿入することが好ましい。こうしたチューブＴＢを内視鏡の鉗子穴に挿入することで、参照光路とサンプル光路をほぼ同じ屈曲状態とすることが容易になる。また別の構成として、参照光路、サンプル光路用のそれぞれの光ファイバーを接着することによっても、同様な効果を得ることができる。

また、サンプル側光路２１の先端と参照側光路３１の先端がほぼ同じ位置に保持されていることが好ましい。光路の先端まで、サンプル側光路２１および参照側光路３１を揃えることにより、両方のファイバの状況（例えば、屈曲度合い）がより近くなり、より良好な干渉信号を得ることができる。例えば、人体内部にプローブを深く挿入して測定する場合、プローブは先端付近で複雑な屈曲状態になる可能性がある。そのような場合でも、参照側光路３１の先端がサンプル側光路２１のほぼ先端まで配置されていれば、複雑な屈曲状態による影響もほぼ同一になるので、良好な干渉信号が得られる。

また、サンプル光と参照光は別々の光ファイバで伝送する構成であるため、参照側光路３１だけにアッテネータ３３の挿入が可能になる。そのため、参照戻り光の光量制御が容易に実現でき、干渉に最適な光量調整が図られる。さらに、サンプル光と参照光は別々の光路を通るため、サンプル光路内で発生するゴースト光の除去も可能となる。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態に係る光断層測定装置を示す構成図である。光断層測定装置は、低コヒーレンス光源を用いたマイケルソン干渉計として構成され、光源１０と、サーキュレータ１３と、カプラ１２と、アッテネータ３３と、プローブ２０と、参照ミラー３０と差動検出器４２ａ，４２ｂと、複数の光路１１，２１，３１，４１，４３などを備える。光路１１，２１，３１，４１，４３は、可撓性の単一モード光ファイバを含む。

光源１０は、ＳＬＤ等で構成され、例えば、中心波長が１．３μｍ、発振スペクトル幅が約５０ｎｍの低コヒーレンス光を発生する。光源１０からの光は、光路１１およびサーキュレータ１３を通ってカプラ１２に到達する。

カプラ１２は、光ファイバカプラやビームスプリッタ等で構成され、光路１１からの光を光路２１，３１に向けて所定の比率で分割する光分割手段としての機能と、各光路２１，３１を逆行する光を干渉させる光干渉手段としての機能とを備える。

光路２１は、カプラ１２によって分割されたサンプル光をプローブ２０に向けて伝送する。プローブ２０は、サンプル光を測定対象物に向けて照射する。測定対象物の内部構造に応じて反射したサンプル戻り光は、再びプローブ２０入射し、光路２１を逆行してカプラ１２に戻る。

光路３１は、カプラ１２によって分割された参照光を参照ミラー３０に向けて伝送する。参照ミラー３０で反射した参照戻り光は、光路３１を逆行して、アッテネータ３３を通ってカプラ１２に戻る。

光路２１，３１をそれぞれ逆行したサンプル戻り光および参照戻り光は、カプラ４０で混合されて干渉光を発生する。干渉光の一部は、光路４１を通って差動検出器４２ｂに到達し、残りの一部は、光路１１を逆行し、サーキュレータ１３を通って差動検出器４２ａに到達する。差動検出器４２ａ，４２ｂは、２つの干渉信号の差分を出力する。

差動検出器４２ａ，４２ｂからの信号は、各種のノイズ除去やフィルタ処理が施され、デジタル信号に変換された後、パーソナルコンピュータ等の信号処理装置に保存される。信号処理装置は、保存したデータを用いて、上述の光断層測定方式に応じて光断層像を構築する。

本実施形態では、サンプル戻り光と参照戻り光の干渉信号を差動検出することによって、サンプル光路からの光と参照光路からの光をカプラ１２で干渉させた信号は逆相の信号となるため、差動検出により信号強度が増強される。一方、例えば、サンプル光路内に配置したプリズム等の光学面で発生したゴースト起因の干渉信号は、カプラ１２で単に分割されるだけなので同相となり、差動検出によりノイズ信号が低減でき、その結果、良好な断層像を得ることができる。

また本実施形態において、サンプル側光路２１および参照側光路３１は、屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成された光ファイバをそれぞれ含む。こうした構成により、診断の際、内視鏡の屈曲に伴って光ファイバが屈曲した場合、サンプル側光ファイバも参照側光ファイバも同じ形状となるように曲げが加えられる。このためサンプル光の偏光状態や波長分散特性が変化しても、参照光の偏光状態や波長分散特性も同様に変化するため、良好な干渉信号を維持でき、断層像の劣化が抑えられる。

各光路２１，３１での光ファイバが屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成するためには、前の実施形態と同様に、両方の光ファイバを屈曲可能な同一のチューブＴＢに挿入することが好ましい。こうしたチューブＴＢを内視鏡の鉗子穴に挿入することで、参照光路とサンプル光路をほぼ同じ屈曲状態とすることが容易になる。また別の構成として、参照光路、サンプル光路用のそれぞれの光ファイバーを接着することによっても、同様な効果を得ることができる。

また、サンプル側光路２１の先端と参照側光路３１の先端がほぼ同じ位置に保持されていることが好ましい。光路の先端まで、サンプル側光路２１および参照側光路３１を揃えることにより、両方のファイバの状況（例えば、屈曲度合い）がより近くなり、より良好な干渉信号を得ることができる。例えば、人体内部にプローブを深く挿入して測定する場合、プローブは先端付近で複雑な屈曲状態になる可能性がある。そのような場合でも、参照側光路３１の先端がサンプル側光路２１のほぼ先端まで配置されていれば、複雑な屈曲状態による影響もほぼ同一になるので、良好な干渉信号が得られる。

また、サンプル光と参照光は別々の光ファイバで伝送する構成であるため、参照側光路３１だけにアッテネータ３３の挿入が可能になる。そのため、参照戻り光の光量制御が容易に実現でき、干渉に最適な光量調整が図られる。さらに、サンプル光と参照光は別々の光路を通るため、サンプル光路内で発生するゴースト光の除去も可能となる。

（第４実施形態）
図４は、第４実施形態を示す構成図である。ここでは、プローブ２０および参照ミラー３０の構成について説明する。プローブ２０は、光路２１の先端に配置された、例えば、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ等のレンズ２５と、レンズ２５を出射したサンプル光を反射し、測定対象物ＯＢＪに向けて照射する反射プリズム２６とを備える。測定対象物ＯＢＪの内部構造に応じて反射したサンプル戻り光は、反射プリズム２６によって反射し、レンズ２５を通って光路２１に再び入射する。

参照ミラー３０は、光路３１の先端に配置された、例えば、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ等のレンズ３５と、所定の屈折率ｎおよび長さＬを有し、最終端面にミラー面３０ａを持つ焦点位置合わせ部材３６とを備える。

焦点位置合わせ部材３６の光路長（＝ｎ×Ｌ）は、反射プリズム２６の光路長と、反射プリズム２６の出射面から測定対象物ＯＢＪまでの光路長との合計と一致するように設計することが好ましい。これによりカプラ１２から測定対象物ＯＢＪを経てカプラ１２（あるいはカプラ４０）に至るまでの経路に関して、サンプル光が往復する光路長は参照光が往復する光路長と一致するようになり、干渉時の位相誤差を低減できる。

また、サンプル光側のレンズ２５と参照光側のレンズ３５は、光学特性（例えば、レンズ材料、レンズ厚さ、屈折パワー、分散）の点で同じであることが好ましい。これによりレンズ２５で発生する光の分散がレンズ３５で発生する光の分散と同じになるため、波長走査型ＯＣＴを採用した場合、干渉時の位相誤差を低減できる。なお、ここではレンズ２５，３５として屈折率分布型レンズを例示したが、通常の曲面レンズでも構わない。

本発明は、良好で高解像度の断層像が取得できる点で、産業上極めて有用である。

Claims (5)

1. 測定対象物の光断層像を取得するための光断層測定装置であって、
   可干渉性の光を発生する光源と、
   光源からの光を分割するための光分割手段と、
   光分割手段によって分割された一方の光を測定対象物に向けて伝送するためのサンプル側光路手段と、
   光分割手段によって分割された他方の光を参照ミラーに向けて伝送するための参照側光路手段と、
   測定対象物からサンプル側光路手段を経由したサンプル戻り光、および参照ミラーから参照側光路手段を経由した参照戻り光を干渉させるための光干渉手段と、
   光干渉手段による干渉光を検出するための光検出器とを備え、
   サンプル側光路手段および参照側光路手段は、屈曲時に互いに同じ形状に屈曲するように構成された光ファイバをそれぞれ含むことを特徴とする光断層測定装置。
2. サンプル側光路手段の測定対象物側の先端、および参照側光路手段の参照ミラー側の先端には、互いに同じレンズがそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１記載の光断層測定装置。
3. 光検出器は、サンプル戻り光と参照戻り光の干渉光を差動検出することを特徴とする請求項１記載の光断層測定装置。
4. サンプル側光路手段に含まれる光ファイバ、および参照側光路手段に含まれる光ファイバは、屈曲可能な同一のチューブに挿入されていることを特徴とする請求項１記載の光断層測定装置。
5. サンプル側光路手段の先端と参照側光路手段の先端がほぼ同じ位置に保持されていることを特徴とする請求項１記載の光断層測定装置。

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