JP2005530128A

JP2005530128A - 解像度と深さ領域を改善するための軸方向線焦点を用いたｏｃｔ撮像用装置

Info

Publication number: JP2005530128A
Application number: JP2003560471A
Authority: JP
Inventors: ギレルモ・ジェイ・ティアニー; ブレット・ユージン・ブーマ
Original assignee: General Hospital Corp
Current assignee: General Hospital Corp
Priority date: 2002-01-11
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2005-10-06
Also published as: DE60336534D1; AU2009202383A1; AU2003207507A1; US7310150B2; WO2003060423A8; CA2473465C; CN101598685B; EP2290318A1; WO2003060423A3; EP2290318B1; AU2003207507A2; EP1468245B1; AU2009202383B2; EP2290319B1; EP1468245A2; CN1639539A; EP2327954A1; CA2473465A1; EP2290319A1; CN101598685A

Abstract

横解像度を高くかつ焦点深度を大きくして試料の低干渉探査を行うための装置であって、光学的探査システムを備え、該光学的探査システムは、光源、前期光源から前期試料へと光を指向させるための手段、前期試料から反射された光を検出器に向けて指向させるための手段、少なくとも一つの検出器、前期検出器によって受光された光のデータを処理するための手段であってかつ像を生成する手段を有し、さらに、光学素子を備え、該光学素子は、約５μｍ以下とされたΔｒで定義される横解像、ならびに少なくとも約５０μｍの焦点深度Δｚを有している装置。

Description

〔関連出願の相互参照〕
本出願は、２００２年１月１１日に出願された米国仮出願第６０／３４７，５２８号に対する優先権を主張する。先の出願の内容は、本明細書に包括的に組み込まれている。

本発明は、光干渉トモグラフィーを用いて組織試料を撮像するための装置であって、横解像度と焦点深度を改善するための光学素子を備えている装置に関する。

現在、光干渉トモグラフィー（ＯＣＴ）の使用は、生体組織内のモフォロジックな形態的構造を視覚化することに限定されている。細胞以下の形状をＯＣＴを用いて撮像することはこれまで上手くいかなかった。というのも、焦点深度を保つために横解像度（横断方向の解像度）を比較的悪くしなければならないからである。横解像度が高く、深さ領域の広い断面ＯＣＴ撮像を行うことができれば、細胞以下のレベルの解像度が求められる上皮癌の早期診断ならびにその他の生体医療撮像診断に応用することができよう。

これまでのところ、広い深さ領域にわたって高い横解像度で撮像を行うことができる光干渉トモグラフィーの構成は知られていない。高い横解像度で広い深さ領域の光干渉トモグラフィーを行う簡易な装置を実現することが求められていると言えよう。その上、単一の光ファイバを通して光を送ることができれば、この装置はさらに、カテーテルないし内視鏡の内部に容易に組み込まれることであろう。こういった特性によれば、上記の装置は、生物系内の遠隔部位における細胞以下の解像度の撮像に光干渉トモグラフィーを応用することを可能にする技術になることであろう。

本発明を図示するが、図において参照符号は同じかもしくは類似の部材を指す。

〔定義〕
「アキシコン」とは、軸方向に線状に焦点（軸方向線焦点）を生成することができるあらゆる光学素子（もしくはその組み合わせ）を意味するものとする。屈折、回折、及び反射型のアキシコンが実際に証明されている。J. H. McLeod, J. Opt. Soc. Am 44,592 (1954); J. H. McLeod, J. Opt. Soc. Am 50, 166 (1960); and J. R. Rayces, J. Opt. Soc. Am. 48,576 (1958) を参照されたい。

「焦点深度」とは、特定の縦方向の広がりのことを意味するものとし、その縦方向の広がりに渡っては、ビーム径が４倍に増加する（通常はルート２もしくは２）ものとする。ガウシアンビームの場合には、ルート２焦点深度は：

通常のガウシアンスポットサイズ（１／ｅ^２の直径）５μｍおよび波長８３０ｎｍでは、焦点深度はおよそ４８μｍである。一様ビームの焦点深度（縦方向の面を介して動かされる平面反射器に対する３ｄＢ半値全幅強さ反応）は次のように定義することができるであろう：

スポットサイズが５μｍとなるＮＡ＝０．２の場合、一様ビームの焦点深度は、８３０ｎｍにおいておよそ１７μｍである。

「縦方向（Longitudinal）」とは、光軸に対して略平行であることを意味するものとする。

「縦方向解像度」とは、一つの光学的な検出手段で区別されるようにしながら２点を分離することのできる縦方向の最小の隔たりΔｚのことを意味するものとする。

「スポットサイズ」とは、集束スポット（焦点合わせされて結像されたスポット）の横方向の直径を意味するものとする。ガウシアンビームの場合、スポットサイズは、スポットの横方向の幅として定義され、そこでは、焦点における強度が１／ｅ^２だけ低下する。コリメートされたガウシアンビームでは、スポットサイズｄは、次のように定義される：

ここで、Ｄはレンズの位置でのビーム径、ｆはレンズの焦点距離、λは波長である。扁平頂上あるいは一様なビームでは、スポット半径は、エアリ−ディスクの１番目のゼロ値の横方向位置として定義される：

ここで、

そして、ｎは浸漬媒質の屈折率である。

「横方向（Transverse）」とは、光軸に対して略垂直であることを意味するものとする。

「横解像度」は、一つの光学的な検出手段で区別されるようにしながら２点を分離することのできる横方向の最小の隔たりΔｒのことを意味するものとする。習慣的に用いられてきた一つの近似は、Δｒ＝ｄ（ガウシアンビームの場合）あるいはΔｒ＝ｗ（一様ビームの場合）とするものである。

〔基本原理〕
長い長さ（すなわち焦点深度）にわたり狭い横方向ビーム径を有した軸方向線焦点が生成される。ＯＣＴとともに用いられる場合、線焦点の直径は、横解像度を決め、その長さは、領域の深さ（深さ領域）を決める。ＯＣＴで普通行われているように、軸方向焦点に沿った部位から後方反射された光の検出は、マイケルソン干渉計を用いて行われる。光源が有限のスペクトル幅を有している場合には、この構成は、後方反射部位の軸方向位置を決めるのに用いることができる。軸方向解像度は、光源のコヒーレンス長によって決定される。

当業者であれば、線焦点を生成するための多様な既知の装置が存在することを理解することであろう。アキシコン（反射型、透過型、もしくは回折光学素子〔“ＤＯＥ”〕）は、この場合、当業者に既知の許容可能な模範例であり、広い深さ領域にわたる高解像度撮像を実現するための軸方向線焦点によるＯＣＴの利用を実際に示すために本発明において採用される方法となる。この方法は、説明であって、他を除外する模範でないことはいうまでもない。限定するわけではないが、他の既知の形態には、レイリー・ウッド・レンズ（Optical Processing and Computing, H. H Arsenault, T. Szoplik, and B. Macukow eds., Academic Press Inc., San Diego, CA, 1989）といった多焦点レンズ（波長に依存する縦方向軸線に沿った焦点の列を生成するために色収差を利用する）などがある。

〔解像度〕
以下の節では、図１に示されるように、屈折を利用する代表的なアキシコンの物理的な原理について述べる。屈折型のアキシコン・レンズ（R. Arimoto, C. Saloma, T. Tanaka, and S. Kawata, Appl. Opt. 31, 6653 (1992) 参照）を通る光の強度分布は、式（１）によって与えられる：

ここで、Ｅ^２（Ｒ）は、アキシコンに入射する半径Ｒの関数としての光の強度、λは光の波長、そしてβはアキシコンを通る光の半角である。テーパ角はαは、βと焦点深度ＺＤに式（２ａ）及び（２ｂ）によって関係付けられている：

ここで、ｎはアキシコンの屈折率である。上記の式は、軸方向線焦点の直径を決めるのに用いることができる。平面波照明の場合には、焦点径は式（３）により与えられる：

反射型ないし回折型のアキシコンの場合には、式（１）は変更が加えられるものの、それはいかなる場合でも撮像系の横解像度を決定する軸方向焦点の直径である。本発明の主題は、現在のＯＣＴシステムによく見られる低い横解像度が、焦点の占める空間の大きさ（パワー分布）が横方向の次元においても軸方向の次元においても限定されている標準的な集束形状から、焦点の大きさが横方向においてのみ制限されるような集束形状へと変更されることで、改善できることにある。

アキシコンの高い横方向局在性（及び低い軸方向局在性）をＯＣＴ（図２参照）に結びつけることによって、広い領域の規模にわたって高い３次元局在性を提供する撮像系を実現することができる。この撮像技術に関する軸方向解像度は、専ら光源のコヒーレンス長によって決定され（E. A. Swanson, D. Huang, M. R. Hee, J. G. Fujimoto, C. P. Lin, and C. A. Puliafito, Opt. Lett. 17, 151 (1992) ）、式（４）によって与えられる：

ここで、Δλは光源のスペクトル幅（半値全幅〔“ＦＷＨＭ”〕）である。

好ましい実施形態では、光学素子は、Δｒ＝ｄ_０として定義された横解像度（横方向解像度）が約０．５μｍから約１０μｍの範囲、より好ましくは、約５μｍ以下とされている。光学素子は、少なくとも５０μｍのΔｚ＝ｚ_Ｄを有している。

〔像形成〕
図４Ａは、本発明の一実施形態によるＯＣＴ／アキシコン・システムの全体を示す。アキシコン・プローブを除けば全ての構成要素は、ＯＣＴに標準的なものである。ＯＣＴを用いて、後方反射を軸方向線焦点に沿った距離の関数として求めることにより、１次元ラスター走査が行なわれる。この走査は、通常、干渉計参照アームの長さを走査することによってなされる。アキシコンというものは、焦点の軸方向位置のそれぞれが、当該アキシコンの入射開口位置での一つの環に一意的に対応するという特徴を持っている（図３参照）。この関係によれば、参照アームの長さ方向の走査が、アキシコン開口における環状照明の走査によって置き換えられる。

軸方向の次元をどのように走査するかにかかわらず、像を得るためには、もう一つ別の軸の走査を行なう必要がある。この第２の走査を行なう次元は、通常、もっと遅い速度で実行される。第２の軸のこのゆっくりとした走査を行なう方法は、光ファイバ、コリメートレンズ、及びアキシコンを備えたサンプリングアーム光学系をｙ方向に動かす（図４Ｂ参照）、プローブ全体を光ファイバ軸線周りに回転させ（図４Ｃ参照）る、あるいはｘ−ｙ平面（図４Ｄ参照）内で線焦点を角度を持たせて反射させる工程を含んでいる。（G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. E. Bouma, M. E. Brezinski, N. J. Weissman, J. F. Southern, and J. G. Fujimoto, Opt. Lett. 21, 543 (1996) ）ならびに（S. A. Boppart, B. E. Bouma, C. Pitris, G. J. Tearney, J. G. Fujimoto, and M. E. Brezinski, Opt. Lett. 22, 1618 (1997) ）を参照されたい。ｙないしｚ軸に沿った直線運動のいずれも、圧電式のトランデューサもしくは機械式又は圧縮空気式のアクチュエータを用いてコンパクトなプローブ内で容易に行われる。

図５は、広い深さ領域にわたって高い横解像度を実現するのに用いられる別の装置を概略的に示す。このシステムは、光源、ビーム再指向素子、検出器、および光学素子を備えている。上記光学素子により、線焦点ならびに試料上に集束されたスポット列（スポットアレイ）が得られる。

図６が示すのはオフセット・ファイバ・アレイ（段違いファイバ列）であり、反射鏡（ミラー）により対物レンズを通して指向され、試料上の縦と横の次元に集束（結像）スポットを再配置するのに用いられる。これらのスポットは走査され（走査方向は、水平方向の線と矢印によって示されている）、多次元像を生成する。

図７は、試料上の縦と横の次元に集束（結像）スポットを再配置するのに用いられるファイバ・アレイ、マイクロレンズアレイ、および回折格子（反射鏡のアレイ）の概略である。光源（図示せず）からの光は、アレイになったファイバを通過し、さらにマイクロレンズアレイを通過して回折格子にいたる。格子（回折格子）によって指向された光は、対物レンズを通過して試料上に焦点合わせされる。スポットは走査され（走査方向は、水平方向の線と矢印によって示されている）、多次元像を生成する。

大きな焦点深度にわたって高い横解像度を得るための別の方法は、結像レンズの背面にフィルタを用いることである。通常アポダイゼーションと呼ばれるこの技術は、アキシコンにおけるような線焦点、もしくは長さ方向の次元に沿って配置された複数集束スポットのいずれの生成も可能にする。ビームの集束を形成するための環状アポダイゼーションは、これまでにも公知文献に記載されている（M. Martinez-Corral, P. Andres, J. Ojeda-Castaneda, G. Saavedra, Opt. Comm. 119, 491 (1995) ）。しかしながら、長い焦点距離にわたって高い横解像度を得るためにアポダイゼーションを用いることは（このとき、縦方向のデータはＯＣＴによってさらに分解される）、これまでに示されたことはなかった。

図８は、アポダイズされる瞳面のフィルタの実施形態を示す。

図９は、結像レンズの上流側にアポダイザーを用いる場合を概略的に示し、結像レンズからの出力は、軸方向の線で焦点が合わされる。

〔撮像方法〕
また、本発明は、高い解像度で大きな焦点深度の試料像を得るための方法を提供し、この方法では、
ａ．光源を設け；
ｂ．光指向手段により前期光源から光学素子を通して光を試料に指向し、このとき、該光学素子が約５μｍよりも小さな横解像度と、約５０μｍよりも大きな焦点深度を有しており、
ｃ．前期試料から反射されて前期光学素子を介して戻った光を受光し；
ｄ．前期反射された光を検出器に指向し；さらに
ｅ．前期検出器からのデータを処理して像を生成する。

本発明の長所は、コンパクトな光ファイバベースのパッケージにおいて、細胞以下の解像度で試料の横方向および縦方向の次元に沿った撮像がＯＣＴ撮像装置により可能になるという点にある。もう一つの長所は、アポダイザ−レンズの組み合わせ、もしくはアキシコンといったような、軸方向線焦点性光学素子を、コンパクトで低価格にできる点にある。

以上、本発明のいくつかの代表例についてのみ詳しく述べてきたが、当業者であれば、本発明の新しい技術と長所を実質的に逸脱することなく、代表的な実施形態において多くの変形例を容易に想倒するであろう。従って、斯かる変形例は全て、特許請求の範囲に規定されているような本発明の思想に含まれる。さらに、本明細書中参照されたいかなる特許、応用、ならびに公知文献も参照により本明細書に包括的に取り入れられていることに留意されたい。

屈折型のアキシコンによる焦点合わせ（集束）を説明するための概略図であって、コリメートされた光線が左側から入射し、狭い幅で大きい深度の軸方向線焦点が形成される様子を示す図である。サンプリングアーム内にアキシコン光学系を備えたＯＣＴシステムの概略図である。環状の照明と軸線方向の位置との関係を示す概略図である。像形成を示す図である。Ｂは全光学アセンブリのｙ軸方向への平行移動を示す概略図であり、Ｃは全光学アセンブリの回転を示す概略図であり、Ｄは軸方向線焦点のｘ−ｙ面における所定角度での反射を示す図である。広い深さ領域に渡って高い横解像度を実現するために用いられるシステムの概略図である。オフセット・ファイバ・アレイの概略図である。ファイバ・アレイ、マイクロレンズアレイ、および回折格子の概略図である。アポダイズ瞳面フィルタの一実施形態の概略図である。アポダイザーを結像レンズの上流側に用いた様子を示す概略図である。

Claims

横解像度を高くかつ焦点深度を大きくして試料の低干渉探査を行うための装置であって、
ａ．光学的探査システムを備え、該光学的探査システムは、
i）光源、
ii）前期光源から前期試料へと光を指向させるための手段、
iii）前期試料から反射された光を検出器に向けて指向させるための手段、
iv）少なくとも一つの検出器、
v）前期検出器によって受光された光のデータを処理するための手段であってかつ像を生成する手段
を有し、さらに、
ｂ．光学素子を備え、該光学素子は、
i）約５μｍ以下とされたΔｒで定義される横解像度、ならびに
ii）少なくとも約５０μｍの焦点深度Δｚ
を有している装置。
請求項１に記載の装置において、
前期光源は、広いスペクトルを含む光源とされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期光源は、パルスレーザとされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期光源は、直流レーザとされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期試料に向けて光を指向させかつ前期試料からの光を指向させるための手段は、干渉計とされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期試料に向けて光を指向させかつ前期試料からの光を指向させるための手段は、光導波レンズとされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期試料に向けて光を指向させかつ前期試料からの光を指向させるための手段は、光ファイバ・レンズとされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期検出器は、単体の検出器とされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期検出器は、検出器のアレイとされていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期処理装置は、干渉のデータを解析できるように設けられていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期処理装置は、時間的検出を解析できるように設けられていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期装置は、スペクトル分析を解析できるように設けられていることを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置において、
前期光学素子は、アキシコン・レンズ素子とされていることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置において、
前期光学素子は透過型とされていることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置において、
前期光学素子は反射型とされていることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置において、
前期光学素子は屈折型とされていることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置において、
前期光学素子はアポダイズド・レンズとされていることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置において、
前期光学素子はホログラムとされていることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置において、
前期光学素子は、回折素子とレンズとを組み合わせてなることを特徴とする装置。
請求項１３に記載の装置において、
前期光学素子は、アポダイズド・レンズ、ホログラム、および回折素子を組み合わせてなることを特徴とする装置。
横解像度を高くかつ焦点深度を大きくして試料の低干渉探査を行うための装置であって、
ａ．光学的探査システムを備え、該光学的探査システムは、
i）光源、
ii）前期光源から前期試料へと光を指向させるための手段、
iii）前期試料から反射された光を検出器に向けて指向させるための手段、
iv）検出器、
を有し、さらに、
ｂ．前期検出器によって受光された光のデータを処理するための手段であってかつ像を生成する手段を備え、さらに、
ｃ．光学素子を備え、該光学素子は、深さ方向に配分された複数の集束スポットを生成するように設けられている装置。
請求項２１に記載の装置において、
前期複数の集束スポットは、一直線の垂直な線内に存在していることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
前期複数の前期複数の集束スポットは、前期垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
前期複数の集束スポットは、縦方向の位置が異なっていることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
前期光学素子は、アキシコン・レンズ素子とされていることを特徴とする装置。
請求項２５に記載の装置において、
前期光学素子は透過型とされていることを特徴とする装置。
請求項２５に記載の装置において、
前期光学素子は反射型とされていることを特徴とする装置。
請求項２５に記載の装置において、
前期光学素子は屈折型とされていることを特徴とする装置。
請求項２５に記載の装置において、
前期光学素子はアポダイズド・レンズとされていることを特徴とする装置。
請求項２５に記載の装置において、
前期光学素子はホログラムとされていることを特徴とする装置。
請求項２５に記載の装置において、
前期光学素子は、回折素子とレンズとを組み合わせてなることを特徴とする装置。
請求項２５に記載の装置において、
前期光学素子は、アポダイズド・レンズ、ホログラム、および回折素子を組み合わせてなることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
多重目標スポットを生成するための手段をさらに備え、これにより、各スポットが該スポットの起点から前期光学素子まで固有の距離を有することで、各スポットの像が固有の縦方向位置を有するように構成されていることを特徴とする装置。
請求項３３に記載の装置において、
前期多重スポット生成手段は、複数の光ファイバを備えていることを特徴とする装置。
請求項３３に記載の装置において、
前期多重スポット生成手段は、開口マスクを備えていることを特徴とする装置。
請求項３３に記載の装置において、
前期多重スポット生成手段は、回折格子を備えていることを特徴とする装置。
請求項３３に記載の装置において、
前期多重スポット生成手段は、マイクロレンズアレイを備えていることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
前期試料に向けて光を指向させかつ前期試料からの光を指向させるための手段をさらに備えていることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
前期光を走査するための手段をさらに備えていることを特徴とする装置。
請求項３８に記載の装置において、
前期走査手段は、走査ミラーとされていることを特徴とする装置。
請求項３８に記載の装置において、
前期走査手段は、前期光学素子に対して前期ファイバを移動させるための手段とされていることを特徴とする装置。
請求項３８に記載の装置において、
前期走査手段は、前期ファイバと前期光学素子の両方を動かすための手段とされていることを特徴とする装置。
請求項３８に記載の装置において、
前期走査手段は、前期光ファイバから出る光線を移動させるための手段とされていることを特徴とする装置。
請求項３８に記載の装置において、
前期走査手段は、前期光学素子に対して前期光線の角度を変更するための手段とされていることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
当該装置を密閉する外装をさらに備えていることを特徴とする装置。
請求項２１に記載の装置において、
前期軸方向の焦点を走査するための手段をさらに備えていることを特徴とする装置。
高い解像度で大きな焦点深度の試料の結像を得るための方法であって、
ａ．光源を設け；
ｂ．光指向手段により前期光源から光学素子を介して光を試料に指向し、
ｃ．前期試料から反射されて前期光学素子を介して戻った光を受光し；
ｄ．前期反射された光を検出器に指向し；さらに
ｅ．前期検出器からのデータを処理して像を生成し、
このとき、前期光学素子が約５μｍよりも小さな横解像度と、約５０μｍよりも大きな焦点深度を有している方法。