(57)【要約】【課題】  生体組織が、水分を多く含む物資に覆われている場合であっても、該生体組織の所望の深度までの光断層画像を高精度に取得する。【解決手段】水分を多く含む物資２に覆われた被測定部１における光の損失においては、水の吸収損失の影響が大きくなるため、０．９０μｍ以上１．１５μｍ以下の範囲内に中心波長がある場合に光の損失が少ない。光源部10から中心波長１．０３μｍ、コヒーレンス長１５μｍの低コヒーレンス光L1を射出する。ファイバカプラ201 において、低コヒーレンス光L1を被測定部１に照射する測定光L3とピエゾ素子203 で周波数シフトされる参照光L2とに分割し、また、被測定部１の所定の深部で反射された測定光L3と参照光L2とを合波する。この合波された干渉光の光強度をバランス差分検出部50で検出し、信号処理部60で画像処理を行い、光断層画像を取得する。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分を多く含む物質に覆われた被測定部の光断層画像を取得する光断層画像化装置において、
中心波長λｃである低コヒーレンス光を射出する光源部と、
前記低コヒーレンス光を測定光と参照光に分割し、前記参照光の周波数と前記測定光の周波数に差が生じるように、前記参照光または測定光の少なくとも一つの周波数をシフトさせ、前記測定光を被測定部に照射し、前記測定光の前記被測定部の所定の深部からの反射光と前記参照光とを干渉させる分波・合波手段と、
前記反射光と前記参照光の干渉光の光強度を測定する測定手段と、
該測定手段により測定された前記干渉光の光強度に基づいて、前記被測定部の光断層画像を生成得する画像生成手段とを有し、
前記λｃが、０．９μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の範囲にあることを特徴とする光断層画像化装置。
【請求項２】
前記測定手段がInGaAs系の光検出器を有するものであり、
前記λｃが、０．９８μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の光断層画像化装置。
【請求項３】
前記λｃが、０．９８μｍ以上かつ１．０５μｍ以下の範囲にあることを特徴とする請求項１または２記載の光断層画像化装置。
【請求項４】
前記光源部が、Ｙｂ系パルスレーザを有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項２記載の光断層画像化装置。
【請求項５】
前記光源部が、Ｎｄ系パルスレーザを有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光断層画像化装置。
【請求項６】
前記光源部が、Ｔｉ系パルスレーザを有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光断層画像化装置。
【請求項７】
前記光源部が、スーパールミネッセントダイオードを有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光断層画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コヒーレンス光である測定光を被測定部に照射して被測定部の断層画像を取得する光断層画像化装置に関し、特に水分を多く含む物質に覆われた被測定部の光断層画像を取得する光断層画像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Optical Coherence Tomography（以下ＯＣＴ装置と記載）は、まず眼科用装置として開発が進められ、実用化されている。現在、眼科分野での実用化を受けて、内視鏡への応用を目指してさらに研究開発が進められている。開発当初においては、ＯＣＴ装置の光源波長としては、主に0.8μm帯が用いられてきた（例えば非特許文献１参照）。これは生体における吸収特性を主に考慮した結果、選択された波長である。図１は、水、血液、メラニンおよび表皮の光の吸収係数および水の吸収係数を示すものである。
【０００３】
開発当初においては、0.8μｍ帯の光が、生体の透過率が高く、そのために計測深度が深くなり、ＯＣＴ装置には最も適していると考えられた。
【０００４】
しかしながら、近年、ＯＣＴ装置では、生体内部の後方散乱反射光を検出するため、散乱特性も計測深度を律束することが明らかにされた。生体組織での主な散乱はレーリー散乱であり、レーリー散乱では散乱強度は波長の4乗に逆比例する。ＯＣＴ信号を取得する際の全損失は、吸収損失と散乱損失の和である。
【０００５】
非特許文献２においては、このような生体組織における光の全損失を考慮して、全損失が最小となる波長帯域である、1.3μｍ帯の光を光源波長として用いている。このため、眼科用のＯＣＴ装置が実用化された後、内視鏡応用のＯＣＴ装置においては、光源波長として1.3μｍ帯の光を用いた研究開発が進められている。
【非特許文献１】Optics Letters Vol.24,No17,1999, P1221-1223  by W.Drexler et.al
【非特許文献２】Optics Letters Vol.26,No9,2001, P608-610，2001  by Ｉ.Hartl et.al
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、内視鏡へＯＣＴ装置を応用する場合、被測定部の多くは水分を多く含む物質に覆われている。例えば被測定部が胃壁であれば、胃液に覆われているし、被測定部が大腸壁であれば、粘液に覆われている。また、被測定部が膀胱壁であれば、尿あるいは測定のために用いる生理食塩水等に覆われている。これらの水分を多く含む物質に覆われている被測定部においては、水による吸収の影響が大きいため、光の全損失が最小となる波長帯域が1.3μｍ帯ではない場合があり、所望の深度までの光断層画像が取得できない、あるいは取得した断層画像の信頼度が低下する虞れがある。
【０００７】
本発明はこうした事情を鑑みなされたもので、生体組織が、水分を多く含む物資に覆われている場合であっても、該生体組織の所望の深度までの光断層画像を高精度に取得することのできる光断層画像化装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の光断層画像化装置は、水分を多く含む物質に覆われた被測定部の光断層画像を取得する光断層画像化装置において、
中心波長λｃである低コヒーレンス光を射出する光源部と、
前記低コヒーレンス光を測定光と参照光に分割し、前記参照光の周波数と前記測定光の周波数に差が生じるように、前記参照光または測定光の少なくとも一つの周波数をシフトさせ、前記測定光を被測定部に照射し、前記測定光の前記被測定部の所定の深部からの反射光と前記参照光とを干渉させる分波・合波手段と、
前記反射光と前記参照光の干渉光の光強度を測定する測定手段と、
該測定手段により測定された前記干渉光の光強度に基づいて、前記被測定部の光断層画像を生成得する画像生成手段とを有し、
前記λｃが、０．９μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の範囲にあることを特徴とするものである。
【０００９】
なお、ここで「水分を多く含む物質」とは、組成の５０％以上が水分である物質を意味し、具体的には胃液や粘液等の体液や、尿あるいは検査用の生理食塩水等である。また「被測定部」は、生体組織あるいは生体から切除された組織等を意味している。また、被測定部は、厚さ１mm以上の水分を多く含む物質に覆われているものであってもよい。
【００１０】
前記測定手段がInGaAs系の光検出器を有するものであれば、前記λｃが、０．９８μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の範囲にあってもよい。
【００１１】
また、前記λｃは、０．９８μｍ以上かつ１．０５μｍ以下の範囲であってもよい。
【００１２】
前記光源部は、Ｙｂ系パルスレーザ、Ｎｄ系パルスレーザまたはＴｉ系パルスレーザを有するものであってもよい。なお、Ｙｂ系パルスレーザとしては、Ｙｂ：ＹＡＧレーザ、Ｙｂ：ＧｌａｓｓレーザあるいはＹｂ系ファイバレーザ等を使用することができる。また、Ｎｄ系パルスレーザとしては、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＧｌａｓｓレーザあるいはＮｄ系ファイバレーザ等を使用することができる。
【００１３】
また、前記光源部は、スーパールミネッセンスダイオードを使用することもできる。
【発明の効果】
【００１４】
図２は、水分を多く含む物質に覆われた生体組織における光の損失を説明する模式図である。図２中の点線は、水分を多く含む物質に覆われた生体組織における散乱損失を示すものであり、破線は水分を多く含む物質に覆われた生体組織における吸収損失を示すものである。また、実線は水分を多く含む物質に覆われた生体組織における全損失を示すものである。この図２から、水分を多く含む物質に覆われた生体組織においては、光の全損失が少ない波長帯域は１．０μｍを中心とする波長帯域であることがわかる。
【００１５】
また、ＯＣＴ装置は、生体の光断層画像を取得することが想定される装置であるため、光源の出力をあまり大きくすることは好ましくない。生体へ影響を与える虞のない、光強度の小さい光を用いて高精度の光断層画像を取得するためには、生体内における光の損失が少ないことが好ましい。前述したように、水分を多く含む物質に覆われた生体組織における光の損失が少ない波長帯域は、１．０μｍを中心とする波長帯域であり、図２に示すように、０．９０μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の波長帯域であれば、通常のＯＣＴ装置へ使用される光強度の光を用いて、２ｍｍ程度の深達度を得ることができる。
【００１６】
本発明の光断層画像化装置は、水分を多く含む物資に覆われた生体組織に対して最適な中心波長帯である０．９μｍ以上かつ１．１５μｍ以下の中心波長の光を射出する光源を備えることにより、生体組織が水分を多く含む物質により覆われている場合であっても、該生体組織の所望の深度までの光断層画像を高精度に取得することができる。
【００１７】
また、現在は波長1.0μｍの前後の波長帯域をカバーする実用的な光検出器が存在しないため、光検出器として、InGaAs系の光検出器が使用されることが多い。図４は、InGaAs系の光検出器の感度特性を示す図である。波長帯域が９８０nm以下になると、急激に感度が下がっている。したがって、低コヒーレント光の波長帯域が９８０nm以上あれば、影響は少ない。
【００１８】
さらに、前記λｃが、０．９８μｍ以上かつ１．０５μｍ以下の範囲であれば、光の全損失がさらに小さくなり、取得できる光断層画像の深度が一層深くなる。
【００１９】
また、前記光源部として、Ｙｂ系パルスレーザを用いれば、光断層画像化装置が安価でかつ使い勝手の良い装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的な第１の実施形態である光断層画像化装置について図３を参照して説明する。図３は本発明による光断層画像化装置の概略構成図である。本光断層画像化装置は、厚さ約１ｍｍの粘液や体液等の水分を多く（５０％以上）含む物質２により覆われた生体組織である被測定部１の光断層画像を取得するものである。
【００２１】
この光断層画像化装置は、中心波長1.03μｍでコヒーレンス長が約１５μｍの低コヒーレンス光L1を出射する光源部10と、この光源部10から出射された低コヒーレンス光L1を参照光L2および測定光L3への分割および合波を行うファイバ結合光学系20と、参照光L2の光路上に配され、参照光L2の光路長を変化させる光路遅延部30と、測定光L3で水分を多く含む物質２により覆われた生体組織の被測定部１を走査する光走査部40と、被測定部１の所定の深度で反射された反射光L4と参照光L2との干渉光L5の強度を検出するバランス差分検出部50と、バランス差分検出部50で検出された干渉光L5の光強度から被測定部１の所定の深度で反射された反射光L4の強度を求めるヘテロダイン検出を行い、画像信号に変換する信号処理部60と、信号処理部60で得られた画像信号を断層画像として表示する画像表示部70とから構成されるものである。なお、ファイバ結合光学系20、光路遅延部30および光走査部40は、本発明における分波・合波手段を構成し、バランス差分検出部50および信号処理部60は画像検出手段を構成するものである。
【００２２】
光源部10は、中心波長1.03μｍでコヒーレンス長が約１５μｍの低コヒーレンス光を射出するモード同期Ｙｂ添加ファイバレーザであり、Ｙｂ添加ファイバ103 と、該Ｙｂ添加ファイバ103 に導入される９８０nmの励起光を射出する励起用半導体レーザ104 と、該励起光を導光するファイバ105 と、励起光をＹｂ添加ファイバ103 へ導入するファイバカプラ106 と、過飽和吸収ミラーである全反射ミラー107と、パルス光を後段のファイバ結合光学系20へ導入する光コネクタ108 とから構成されている。なおＹｂ添加ファイバ103 の出射端側には出力ミラーとなるファイバブラッググレーティング109 が形成されている。
【００２３】
ファイバ結合光学系20は、光源部10から出射された低コヒーレンス光L1を測定光L3と参照光L2とに分割し、また、測定光L3の被測定部１の所定の深部からの反射である反射光L4と参照光L2を合波し、干渉光L5を得るファイバカプラ201 と、光源部10とファイバカプラ201 の間に設けられるファイバカプラ202 と、参照光L2に僅かな周波数シフトを生じさせるピエゾ素子203 と、光源部10とファイバカプラ202 を繋ぐファイバ204 と、ファイバカプラ201 および202 を介して光路遅延部30とバランス差分検出部50を繋ぐファイバ205 と、ファイバカプラ201 を介して光走査部40とバランス差分検出部50を繋ぐファイバ206 とを備えている。なお、ファイバ204 、205 および206 はシングルモード光ファイバである。
【００２４】
光路遅延部30は、ファイバ205 から射出された参照光L2を平行光に変換し、また反射された参照光L2をファイバ205 へ入射させるレンズ301 と、図３における水平方向への移動により参照光L2の光路長を変化させるプリズム302 とを備えている。
【００２５】
光走査部40は、測定光L3を図３における垂直方向に移動し、また被測定部１で反射した反射光L4をファイバ206 に入射させるレンズ401 およびレンズ402 とを備えている。
【００２６】
バランス差分検出部50は、干渉光L5の光強度を測定する光検出器501 および502 と、光検出器501 の検出値と光検出器502 の検出値の入力バランスを調整し、ノイズ成分やドリフト成分を相殺した上で、差分を増幅する差動増幅器503 とを備えている。なお、光検出器501および光検出器502は、InGaAs系の光検出器であり、波長０．９８μｍ以上の光に対して検出感度を有するものである。
【００２７】
次に本実施の形態の光断層画像化装置の動作について説明する。まず、光源部10においてモード同期Ｙｂイオン添加ファイバレーザから射出された中心波長１．０３μｍ、コヒーレンス長１５μｍのパルスレーザ光は、光コネクタ108 を介してファイバ結合光学系20のファイバ204 へ導入される。
【００２８】
ファイバ204 を透過した低コヒーレンス光L1は、ファイバカプラ202 で、ファイバ205 に導入され、さらに、ファイバカプラ201 で、ファイバ205 内を光路遅延部30の方向へ進行する参照光L2と、ファイバ206 内を光走査部40の方向へ進行する測定光L3とに分割される。
【００２９】
参照光L2は光路上に設けられたピエゾ素子203 により変調され、参照光L2と測定光L3には、僅かな周波数差△ｆが生じる。
【００３０】
測定光L3は光走査部40のレンズ401 および402 を経て被測定部１へ入射される。被測定部１に入射された測定光L3のうち被測定部１の所定の深度で反射された反射光L4は、レンズ402 および401 により、ファイバ206 に帰還せしめられる。ファイバ206 に帰還せしめられた反射光L4は、ファイバカプラ201 において、後述するファイバ205 に帰還せしめられた参照光L2と合波される。
【００３１】
一方、ピエゾ素子203 で変調された後の参照光L2は、ファイバ205 を通過し光路遅延部30のレンズ301 を介して、プリズム302に入射し、このプリズム302で反射され再度レンズ301 を透過して、ファイバ205 に帰還せしめられる。ファイバ205 に帰還せしめられた参照光L2はファイバカプラ201 で、上述した反射光L4と合波される。
【００３２】
ファイバカプラ201 で合波された反射光L4および参照光L2は、再び同軸上に重なることになり所定の条件の時に反射光L4と参照光L2が干渉し、干渉光L5となり、ビート信号を発生する。
【００３３】
参照光L2および反射光L4は、可干渉距離の短い低コヒーレンス光L1であるため、低コヒーレンス光L1が測定光L3と参照光L2に分割されたのち、測定光L3（反射光L4） がファイバカプラ201 に到達するまでの光路長が、参照光L2がファイバカプラ201 に到達するまでの光路長に略等しい場合に両光が干渉し、この干渉する両光の周波数差（△ｆ）で強弱を繰り返すビート信号が発生する。
【００３４】
干渉光L5は、ファイバカプラ201 で分割され、一方は、ファイバ205 を透過してバランス差分検出部50の光検出器501 に入力され、他方はファイバ206 を透過して光検出器502 に入力される。
【００３５】
光検出器501 および502 では、干渉光L5から上記ビート信号の光強度を検出し、差動増幅器503 で、光検出器501 の検出値と光検出器502 の検出値の差分を求め、信号処理部60へ出力する。なお、差動増幅器503 は、その入力値の直流成分のバランスを調整する機能を備えているため、たとえ光源部10から出射された低コヒーレンス光L1にドリフトが生じている場合でも、直流成分のバランスを調整した上で差分を増幅することにより、ドリフト成分は相殺され、ビート信号成分のみが検出される。
【００３６】
なお、このときに、プリズム302 をその光軸方向（図中水平方向）に移動すると、参照光L2がファイバカプラ201 に到達するまでの光路長が変化する。このため参照光L2と干渉する測定光L3（反射光L4）の光路長も変化するため、断層情報を取得する被測定部１の深度も変化する。
【００３７】
上記の動作により、被測定部１の所定点における表面から所望の深度までの断層情報を取得したのち、光走査部40のレンズ401 およびレンズ402 により、測定光L3の入射点を図１の垂直方向に僅かに移動させ、同様に所定の深度までの断層情報を取得する。このような動作を繰り返すことにより、被測定部１の断層画像を得ることができる。
【００３８】
信号処理部60では、バランス差分検出部50で検出された干渉光L5の光強度から被測定部１の所定の深度で反射された反射光L4の強度を求めるヘテロダイン検出を行い、画像信号に変換し、断層画像として画像表示部70に表示する。
【００３９】
上記のように、低コヒーレンス光L1の中心波長が、1.03μｍであるため、生体組織である被測定部１が、水分を多く含む物質２により覆われている場合であっても、測定光L3の損失が少なく、該被測定部１の所望の深度までの光断層画像を高精度に取得することができる。
【００４０】
また、光源部10として、安価で使い勝手のよい、モード同期Ｙｂ添加ファイバレーザを使用することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態においては、光源としてモード同期Ｙｂ添加ファイバレーザを用いたが、これに限定されるものではなく、Ｙｂ：ＹＡＧレーザあるいはＹｂ：Ｇｌａｓｓなどを用いることができる。また、Ｎｄ系パルスレーザまたはＴｉ系パルスレーザ、あるいはスーパールミネッセンスダイオード等を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】吸収特性の説明図
【図２】水分を多く含む物質に覆われた生体組織における光の損失の説明図
【図３】本発明の実施形態による光断層画像化装置の概略構成図
【図４】InGaAs系の光検出器の感度特性を示す図
【符号の説明】
【００４３】
１        被測定部
２        水分を多く含む物質
10        光源部
20        ファイバ結合光学系
203       ピエゾ素子
30        光路遅延部
302       プリズム
40        光走査部
50        バランス差分検出部
501,502    光検出器
503        差動増幅器
60         信号処理部
【図１】
2006267069.tif 000003
【図２】
2006267069.tif 000004
【図３】
2006267069.tif 000005
【図４】
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