JPH05130995A - 空間差分を用いた光断層イメージング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 常に被検体表面と照射したビーム光光軸との
交点より出射した光を検出して、散乱光成分を精度良く
抑制し、分解能のよい良好な断層像を得る。 【構成】 光源４より被検体１にビーム光を照射し、こ
のビーム光の光軸上に配置された光検出器（１）５、及
びビーム光の光軸と所定の角度をなす軸上に配置された
光検出器（２）によって、被検体１を透過した光を検出
する。このとき、測距用光源１２，ラインセンサ１１，
制御装置１６により前記光検出器５，６と被検体１との
距離を測定し、この距離に基づいて駆動装置１７により
Ｘステージ９を移動させ、光検出器５，６を変位させる
ことにより、常にそれぞれの検出器で前記光軸と被検体
表面との交点からの光を検出するようにする。そして、
差分増幅器２０，コンピュータ２２により被検体の断層
像を再構築し、表示装置２３に表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光を用いて生体内部の
組織や器官の情報を画像化するのに適した光断層イメー
ジング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】赤色から近赤外領域の光は、生体組織に
対して、高い透過性、ヘモグロビン，ミオグロビン，チ
トクローム酸化酵素など生体の酸素代謝をつかさどる物
質への吸光性、それら物質の酸素結合状態に対応する吸
光スペクトルの変化などといった特徴を有している。こ
のような特徴を利用して、生体内部の酸素代謝を求める
装置がUS Patent No.４２２３６８０に示されている。

【０００３】また、最近では生体内部の酸素代謝情報を
断層像や透視像といった画像で表わし、生体内部の各臓
器の代謝分布の測定や癌の診断などに有効な方法が示さ
れている。たとえば、特開昭６０−７２５４２号公報に
は、Ｘ線ＣＴと同様なアルゴリズムを用いて生体内部の
ヘモグロビン、ミオグロビン、チトクローム酸化酵素の
酸素濃度の２次元断層画像を得て、血行障害等の器質性
障害の診断に有効な装置が示されている。また、特公平
２−５０７３３号公報には、人間女性の***に発生した
乳ガンを近赤外スペクトルにより診断する装置が示され
ている。

【０００４】ところで、光を用いて外部より測定を行
い、生体内部を２次元分布画像として、または局所情報
として表して生体内部の組織情報を得ようとする場合、
生体の表皮や内部組織による強い散乱のため照射した光
が広範囲に拡がってしまい、空間分解能がきわめて悪く
なるといった問題点があった。そこで、本出願人は特願
平２−８１５５２号および特願平２−１１９４６８号に
おいて、空間分解の高い断層画像を求めるため光の散乱
を抑制する方法を提案している。

【０００５】この方法に用いられる装置は、被検体に照
射されたビーム光に対し、前記ビーム光の光軸上の光を
検出するため、その被検体の透過側に前記ビーム光軸の
延長上に配置された第１の光検出器と、被検体の検出器
側の面と前記光軸とが交わる点において前記光軸とある
角度で散乱してきた光を検出するため、前記光軸とある
所定の角度で配置された第２の光検出器と、前記光検出
器のそれぞれの光出力を差分し、散乱成分を抑制する手
段とを備えて構成される。すなわち、第１の検出器には
被検体を直進し僅かに透過した直進成分と被検体内を散
乱してきた散乱成分とが検出され、第２の検出器には前
記散乱成分と同じ光路を通った散乱成分が検出されるの
で、２つの検出器で検出された成分を差し引きすること
によって、散乱成分が除かれ、直進成分だけを検出する
ことができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の装置においては、被検体の検出側表面と検出器との
距離が変化すると、第２の光検出器では前記被検体検出
側表面とビーム光光軸の交わる点より出射した光を検出
できなくなる。このため、前記第１の検出器により検出
した散乱成分と第２の検出器により検出した散乱成分と
が一致せずに誤差が発生し、得られる断層画像が劣化し
てしまうという問題点があった。

【０００７】本発明は、前記事情に鑑みてなされたもの
で、被検体と検出器との距離に依らずに、被検体表面と
照射したビーム光光軸との交点より出射した光を検出し
て、散乱光成分を精度良く抑制することができ、分解能
のよい良好な断層像を容易に得ることが可能な光断層イ
メージング装置を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による光断層イメ
ージング装置は、被検体に照射するビーム光を発生する
光源と、前記ビーム光の光軸上に配置され、前記ビーム
光の被検体を透過した光あるいは被検体内部より反射し
てきた光を検出する第１の検出器と、前記ビーム光の光
軸と所定の角度をなす軸上に配置され、前記ビーム光の
被検体を透過した光あるいは被検体内部より反射してき
た光を検出する第２の検出器と、前記第１及び第２の検
出器と前記被検体との距離を測定する測距手段と、前記
測距手段によって検出された距離に基づいて、前記光軸
と前記被検体表面との交点からの光を検出するように前
記第２の検出器を変位させる位置制御手段と、前記第１
の検出器の出力と前記第２の検出器の出力とを演算し、
これに基づいて被検体の断層画像情報を生成する断層像
生成手段とを備えたものである。

【０００９】

【作用】光源より被検体にビーム光を照射し、このビー
ム光の光軸上に配置された第１の検出器、及びビーム光
の光軸と所定の角度をなす軸上に配置された第２の検出
器によって、ビーム光の被検体を透過した光あるいは被
検体内部より反射してきた光を検出する。このとき、測
距手段により前記第１及び第２の検出器と前記被検体と
の距離を測定し、この距離に基づいて位置制御手段で前
記第２の検出器を変位させ、それぞれの検出器で前記光
軸と前記被検体表面との交点からの光を検出するように
する。そして、断層像生成手段によって前記第１の検出
器の出力と前記第２の検出器の出力とを演算し、これに
基づいて被検体の断層画像情報を生成する。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明の第１実施例に係る光断層イメージ
ング装置の構成を示す構成説明図である。

【００１１】第１実施例は、被検体１をＸステージ２，
θステージ３からなる被検体用のステージに配置し、光
源（１）４より被検体１にビーム光を照射して透過光よ
り断層像を得る例を示している。

【００１２】光源（１）４は、被検体１への光透過性の
高い波長、例えば生体組織の場合は近赤外領域のビーム
光を発生し、被検体１へ照射するようになっており、被
検体１をはさんで前記光源（１）４と対向した位置に、
被検体１を透過した光を検出する光検出器（１）５およ
び光検出器（２）６が設けられている。

【００１３】前記光検出器（１）５，光検出器（２）６
の直前には、外来光など余分な光を除くため入射角度を
制限するコリメータ（１）７，コリメータ（２）８がそ
れぞれ設けられている。これらの光検出器（１）５，光
検出器（２）６、及びコリメータ（１）７，コリメータ
（２）８は、光源（１）４から照射されたビーム光の光
軸方向に移動可能な検出器用のＸステージ９上に配置さ
れている。また、光検出器（１）５は前記ビーム光の光
軸上に、光検出器（２）６は前記ビーム光の光軸とある
所定の角度をなす軸上に配置されている。さらに、Ｘス
テージ９上には、レンズ１０及びラインセンサ１１が設
けられ、測距用の光源（２）１２とによって、光検出器
（１）５および光検出器（２）６から前記被検体１の透
過側までの距離を測定する測距手段が構成されている。
なお、符号１３は光源（１）４の光軸と光源（２）１２
の光軸とを一致させるためのハーフミラーあるいはダイ
クロイックミラーである。コリメータ（１）７，コリメ
ータ（２）８の前方には測距用光源（２）１２の光を取
り除くための光学フィルタ（１）１４が、レンズ１０の
前方には光源（１）４の光を取り除くための光学フィル
タ（２）１５がそれぞれ配置されている。

【００１４】また、光検出器（１）５，（２）６の位置
を制御する制御装置１６、及び光検出器（１）５，
（２）６を含むＸステージ９を駆動する駆動装置（３）
１７により構成される位置制御手段が設けられており、
制御装置１６でラインセンサ１１より得られた信号から
前記被検体１と光検出器（１）５，（２）６との距離を
検出して、この距離を一定にするように駆動信号を駆動
装置（３）１７へ出力し、Ｘステージ９を駆動して光検
出器（１）５，（２）６の位置を変位させるようになっ
ている。

【００１５】一方、前記光検出器（１）５及び光検出器
（２）６の出力側には、それぞれの出力に対して検出器
のなす角度の重み付け及び感度の補正を行う増幅器
（１）１８，増幅器（２）１９と、これらの増幅器
（１）１８，増幅器（２）１９の出力の差をとることに
より、光散乱成分を抑制し直進成分を検出する差分増幅
器２０とが設けられている。この差分増幅器２０の出力
端は、Ａ／Ｄ変換器２１を介して光断層像を再構築する
ための各処理を行うコンピュータ２２に接続されてお
り、差分増幅器２０で得られた直進成分より光断層像を
再構築し、表示装置２３に表示するようになっている。

【００１６】さらに、光断層像の再構築に必要なデータ
を測定するために被検体１を移動、回転させる駆動装置
（１）２４，駆動装置（２）２５が設けられており、そ
れぞれが駆動する被検体用のＸステージ２，θステージ
３に接続されている。

【００１７】次に、本実施例の作用について説明する。
まず、光源（１）４より発生した近赤外光を生体組織の
被検体１に照射すると、近赤外光は組織による散乱のた
め大きく広がりながら透過する。このように空間的に広
がった透過光を、光軸上に正しく位置合わせされた光検
出器（１）５と前記光軸と被検体１の透過側表面との交
点に対しある所定の角度に配置された光検出器（２）６
とで検出すると、光軸上にある光検出器（１）５には被
検体内部を直進してきた直進成分と散乱してきた散乱成
分が検出され、また、光検出器（２）６には散乱成分の
みが検出される。

【００１８】そして、それぞれの光検出器の出力を増幅
器（１）１８，増幅器（２）１９で検出角度に応じて重
み付けした後、差動増幅器２０で差分すると、散乱成分
が打ち消され被検体の光軸上の吸光度に対応した直進成
分のみが検出される。さらに、コンピュータ２２によっ
て駆動装置（１）２４，駆動装置（２）２５を制御し、
被検体１を移動、回転させて被検体１のあらゆる方向か
ら前記直進成分を検出し、Ｘ線ＣＴと同様な画像再構築
アルゴリズムを用いることによって、被検体すなわち生
体の近赤外光断層像を得ることができる。

【００１９】ところで、被検体１の形状は通常円形でな
いため、被検体を移動回転すると光検出器（１）５，
（２）６と被検体１との距離が変化する。そこで、測距
手段および位置制御手段により前記距離を一定にする。

【００２０】測距用の光源（２）１２より発生する光
は、光源（１）４より発生された近赤外光と異なり、被
検体への透過性の低い波長、例えばＹＡＧ光の第２高周
波の緑色光などを用いる。この光をダイクロイックミラ
ー１３により光源（１）４の光軸と一致させて検出器側
より被検体１に照射する。そして、光源（１）４からの
近赤外光を光学フィルタ（２）１５で取り除き、被検体
表面上の緑色散乱光を結像レンズ１０でラインセンサ１
１上に結像する。結像レンズ１０およびラインセンサ１
１は、緑色散乱光の光軸方向の移動に対しこの散乱光の
像がラインセンサ１１上を移動するように配置されてお
り、散乱光が光軸方向に移動するとこれに対応してライ
ンセンサ１１上の散乱光の結像位置が変化する。従っ
て、制御装置１６により、ラインセンサ１１で検出した
光分布、すなわち位置が一定となるように駆動装置
（３）１７をフィードバック制御しＸステージ９を駆動
する。これによって、光検出器（１）５，（２）６と被
検体１との距離は常に一定に保たれる。

【００２１】以上のように、本実施例によれば、被検体
と検出器との距離が変化するような場合においても、変
化に応じて検出器を変位させることにより検出器と被検
体との距離を常時一定にすることができる。このため、
常に被検体表面と照射したビーム光光軸との交点より出
射した光を検出することができるので、精度良く散乱成
分を抑制でき、画質の良い生体断層像を再構築すること
ができる。

【００２２】なお、前記測距手段として、光に代わって
超音波を用いて測定する装置、すなわち、超音波の反射
エコー信号の時間差より距離を測定するものを用いても
良い。また、被検体からの直進成分を検出する際に、光
源（１）４と光源（２）１２を順次照射するようにして
も良い。この場合、光学フィルタ（１）１４および光学
フィルタ（２）１５は必要としない。

【００２３】図２及び図３は本発明の第２実施例に係
り、図２は光断層イメージング装置の構成を示す構成説
明図、図３は検出器で検出されたそれぞれの反射光成分
を示す波形図である。

【００２４】第２実施例は、被検体にパルス光を照射
し、その反射光から断層像を求める装置の例である。

【００２５】図２に示すように、光断層イメージング装
置は、生体への透過性の高い近赤外領域の波長の光でピ
コ秒オーダのパルス光を発生するパルスレーザ３１と、
前記パルス光を照射検出光軸に重ねるハーフミラー３２
と、前記パルス光を伝達するライトガイド（１）３３に
導光するレンズ３４と、前記パルス光を被検体１に照射
し、照射光軸と同じ光軸上を反射してくる直進成分およ
び散乱成分を含む光を検出するよう配置されたコリメー
タ（１）３５と、前記パルス光の反射光のうち散乱成分
のみを検出するため前記照射光軸とある所定の角度をな
す軸上に配置されたコリメータ（２）３６と、このコリ
メータ（２）３６に接続され前記パルス光の反射光を伝
達するライトガイド（２）３７と、前記コリメータ
（１）３５，コリメータ（２）３６及びライトガイド
（１）３３，（２）３７により検出されたそれぞれのパ
ルス光の時間分解波形を測定するストリークカメラ３８
とを備えている。

【００２６】前記コリメータ（１）３５，（２）３６、
及びライトガイド（１）３３，（２）３７の前端部は、
ＸＹＺ方向に移動可能なＸＹＺステージ３９上に配置さ
れている。また、前記ストリークカメラ３８より得られ
たパルス光の立ち上がり時間より被検体１とコリメータ
との距離を検出し、この距離が一定となるように前記コ
リメータ（１）３５及びコリメータ（２）３６の位置を
光軸方向に移動制御する制御装置３９と、この制御装置
３９の駆動信号によりＸＹＺステージ３９を駆動し、コ
リメータ（１）３５及びコリメータ（２）３６を変位さ
せる駆動装置４０が設けられている。ここでは、コリメ
ータ（１）３５，ライトガイド（１）３３及びコリメー
タ（２）３６，ライトガイド（２）３７の位置によって
反射したパルス光を検出する位置が決まるため、コリメ
ータ（１）３５，（２）３６と被検体１との距離が検出
器と被検体との距離に比例する。

【００２７】また、前記ストリークカメラ３８より得ら
れたそれぞれのパルス光の時間分解波形を演算処理して
散乱成分をキャンセルし、被検体１の光軸上の吸光度に
対応した散乱の少ない反射パルス光を求める信号処理装
置４１が設けられており、コンピュータ４２に接続され
ている。コンピュータ４２は、信号処理装置４１により
得られた反射パルス光の信号から光断層像を再構築し、
表示装置４３に表示するようになっている。

【００２８】なお、前記ストリークカメラ３８の掃引タ
イミングをパルス光と同期させるため、パルスレーザ３
１からの出射光の光路上に配置されたビームサンプラ４
４と、前記ビームサンプラ４４により検出されたパルス
光を電気パルスに変換するフォトダイオード４５とが設
けられ、ストリークカメラ３８に接続されている。

【００２９】次に、本実施例の作用について説明する。
まず、パルスレーザ３１より発生した近赤外パルス光を
ハーフミラー３２、レンズ３４、ライトガイド（１）３
３、コリメータ（１）３５を通じて被検体１に照射する
と、パルス光は組織による散乱のため大きく広がりなが
ら一部は透過し一部は反射する。このように広がりなが
ら反射してきたパルス光を照射光軸上に正しく位置合わ
せされたコリメータ（１）３５及びライトガイド（１）
３３を通じてストリークカメラ３８で検出する。また、
一方前記照射光軸に対しある角度をなすパルス光をコリ
メータ（２）３６及びライトガイド（２）３７を通じて
ストリークカメラ３８で検出する。ストリークカメラ３
８で検出されたそれぞれの反射パルス光は、図３（ａ）
および図３（ｂ）に示すようになる。

【００３０】図３（ａ）において、時間零の位置のパル
ス波形はパルスレーザ３１を出射した直後の波形であ
り、その後の波形は、被検体１とコリメータ（１）３５
及びライトガイド（１）３３との距離に対応する時間遅
れＴで立ち上がり、被検体表面および内部を反射し時間
的に広がった光軸上のパルス波形である。また、図３
（ｂ）は光軸とある角度をなす位置に配置されたコリメ
ータ（２）３６及びライトガイド（２）３７で検出され
た反射パルス波形である。ここで、図３（ａ）の時間遅
れＴは被検体１に照射され表面で反射してきた光の光路
長、つまり被検体１とコリメータ及びライトガイド前端
面との距離に対応するので、制御装置３９及び駆動装置
４０により前記時間遅れＴが一定となるようにＸＹＺス
テージ３９を光軸方向に移動制御し、コリメータ（１）
３５，（２）３６及びライトガイド（１）３３，（２）
３７を変位させることで、被検体と検出器との距離を常
時一定にすることができる。

【００３１】そして、このようにして前記ストリークカ
メラ３８で得られたそれぞれの時間分解波形を信号処理
装置４１により各時間で演算処理することで、散乱成分
が打ち消され、散乱の影響の少ない反射パルス光が得ら
れる。この散乱成分が打ち消された反射パルス光の時間
波形を図３（ｃ）に示す。さらに、ＸＹＺステージ３９
を光軸と垂直な平面上で移動させ、各点で前記と同様の
時間分解波形を求め、コンピュータ４２により被検体内
部の光断層像を構成し、表示装置４３に表示する。

【００３２】このように、本実施例によれば、被検体か
らの反射パルス光の直進成分を得る際に、第１実施例と
同様に被検体と検出器との距離を常時一定にすることが
でき、常に被検体表面と照射したビーム光光軸との交点
より出射した光を検出することができるので、精度良く
散乱成分を抑制できる。

【００３３】なお、第１実施例に示した測距手段を用い
て被検体と検出器との距離を測定するようにしても良
い。

【００３４】図４は本発明の第３実施例に係る光断層イ
メージング装置の主要部の構成を示す構成説明図であ
る。

【００３５】第３実施例は、第１実施例に示した検出器
の位置を変化させる手段の代わりに第２の検出器の検出
角度（コリメータ（２）８及び光検出器（２）６の角
度）を変化させる手段を設け、被検体表面と照射したパ
ルス光光軸との交点より出射した光を検出できるように
した例である。

【００３６】図４に示すように、コリメータ（２）８の
直前には、振動子を振動させることにより偏光角度を変
化可能なＡ／Ｏ偏光器（acoustic oscilator 偏光器）
４５が配置されている。また、第１実施例と同様な測距
手段より測定された被検体１と光検出器との距離に基づ
いて、前記Ａ／Ｏ偏光器４５の偏光角度を制御する制御
装置４６と、前記Ａ／Ｏ偏光器４５に駆動信号を出力す
る駆動装置４７とが設けられている。その他は第１実施
例と同様に構成されており、同一符号を付して説明を省
略する。

【００３７】測距用の光源（２）１２より被検体１に照
射された光の散乱光は、ラインセンサ１１上に結像され
るが、このとき、被検体１と光検出器（１）５，（２）
６との距離に対応してラインセンサ１１上の散乱光の像
が移動する。そして、ラインセンサ１１上の光強度分布
に基づいて、制御装置４６によって被検体１と検出器と
の距離を計算し、その距離データをもとに制御装置４
６，駆動装置４７によりＡ／Ｏ偏光器４５を駆動し、Ａ
／Ｏ偏光器４４の偏光角度を変化させる。これにより、
光検出器（２）６の検出角度を照射したビーム光の光軸
と被検体表面との交点に一致させる。

【００３８】そして、光検出器（１）５，（２）６で検
出されたビーム光成分をそれぞれ増幅器（１）１８，増
幅器（２）１９に供給し、第１実施例と同様にして被検
体の断層像を生成する。なお、このとき増幅器（２）１
９において、前記検出角度の変化に対応して光検出器出
力の重み付けを行なう。

【００３９】このように、本実施例によれば、第２の検
出器の検出角度を変化させることにより、常に被検体表
面と照射したビーム光光軸との交点より出射した光を検
出することができるため、散乱成分を精度良く抑制で
き、分解能のよい良好な断層像を得ることができる。

【００４０】図５は本発明の第４実施例に係る光断層イ
メージング装置の主要部の構成を示す構成説明図であ
る。

【００４１】第４実施例は、機械的に被検体との検出器
との距離を一定にする手段を有した装置の例である。

【００４２】図５に示すように、光断層イメージング装
置は、筒型の固定部５１と、この固定部５１の軸方向に
移動可能であり、光検出器（１）５，光検出器（２）
６、及びコリメータ（１）７，コリメータ（２）８を内
設した先端構成部５２とを備えている。前記光検出器
（１）５，光検出器（２）６、及びコリメータ（１）
７，コリメータ（２）８は、先端構成部５２内の所定の
位置に固定されており、先端構成部５２の先端側には光
を透過するたとえば光学ガラスよりなる透明部材５３が
配置されている。この透明部材５３の先端面は、前記コ
リメータ（１）７とコリメータ（２）８の光軸の交点に
位置している。前記先端構成部５２の後端面と固定部５
１との間には、先端構成部５２を前方に付勢する弾性部
材５４が設けられている。すなわち、この装置では、透
明部材５３を被検体１と一定の力で接触させ、先端構成
部５２を被検体１表面の形状に合わせて移動させること
により、透明部材５３と被検体１との接触面（被検体１
の表面）が常に前記コリメータ（１）７とコリメータ
（２）８の光軸の交点となるように構成されている。ま
た、前記固定部５１は、前記先端構成部５２を被検体１
に対し、移動走査するため図示しない移動ステージに取
り付けられている。なお、光検出器（１）５，光検出器
（２）６は、増幅器（１）１８，増幅器（２）１９に接
続されており、他は第１実施例と同様に構成されてい
る。

【００４３】以上のように構成することにより、被検体
１の表面が常に前記コリメータ（１）７とコリメータ
（２）８の光軸の交点となるため、光検出器（１）５，
光検出器（２）６は、常に被検体表面と照射したビーム
光光軸との交点より出射した光を検出することができ
る。このため、散乱成分を精度良く抑制でき、分解能の
よい良好な断層像を得ることができる。また、被検体１
と透明部材５３とを接触させ、機械的に被検体との検出
器との距離を一定にするようにしているので、特殊な電
気回路や駆動装置等を設けることなく容易にかつ安価に
前記効果を実現できる。

【００４４】図６は本発明の第５実施例に係る光断層イ
メージング装置の構成を示す構成説明図である。

【００４５】本出願人は先に出願した特願平２−２５９
９１４号において、光を用いて体腔内臓器内部の断層像
を求める装置を提案している。第５実施例は、第２実施
例に示した反射光を利用した空間差分方法を、体腔内臓
器に挿入可能な細径のファイバ束により構成された内視
鏡に適用した例である。

【００４６】図６に示すように、光断層イメージング装
置は、体腔内臓器５５に挿入する細長の挿入部５６を備
えた内視鏡５７と、パルス光を照射し、その反射光より
光断層像を求める解析装置５８とにより構成される。な
お、第２実施例と同様の構成要素には同一符号を付して
説明を省略する。

【００４７】挿入部５６は、照射パルス光を体腔内臓器
５５に照射し、その反射光を検出するため、一方の先端
側が同心二層構造であり他方の解析装置側でそれぞれの
層が二本のファイバ束に分かれているＹ字状のライトガ
イド５９と、前記照射パルス光を挿入部の先端部５６ａ
の円周方向に回転照射するため、回転可能なように円盤
状の歯車６０に固着されたプリズム６１とを備えてい
る。前記歯車６０は、モータ６２より延出された回転軸
先端に連設された歯車６３と噛合しており、モータ６２
が回転することによってプリズム６１が回転し、先端部
５６ａの円周方向に照射パルス光が走査されるようにな
っている。モータ６２にはエンコーダ６４が連設されて
おり、エンコーダ６４に接続された制御装置６５にモー
タ６２の回転量や回転位置の値が入力されるようになっ
ている。

【００４８】前記ライトガイド５９とプリズム６１との
間には、前記体腔内臓器５５に照射されてその表面およ
び内部を反射してきた光を検出するため焦点距離の可変
なフォーカシングレンズ６６と、前記反射光の検出され
る立体角を制限するコリメータ６７とが配設されてい
る。フォーカシングレンズ６６は、前記体腔内臓器５５
と光出射面６８との距離に対応して、フォーカシングレ
ンズ６６の焦点位置を移動させるラックアンドピニオン
機構６９上に配置されており、このラックアンドピニオ
ン機構６９にはモータ７０より延出された回転軸が接続
されている。すなわち、モータ７０が回転することによ
ってフォーカシングレンズ６６が変位し、焦点距離が変
化するようになっている。モータ７０にはエンコーダ７
１が連設されており、このエンコーダ７１は前記と同様
に制御装置６５に接続され、モータ７０の回転量や回転
位置の値が入力されるようになっている。

【００４９】また、解析装置５８には、ストリークカメ
ラ３８より得られたパルス波形より前記光出射面６８と
体腔内臓器５５との距離を測定する制御装置６５と、前
記制御装置６５からの駆動信号によりモータ６２，７０
を駆動し、プリズム６１およびフォーカシングレンズ６
６を変位させる駆動装置７２，７３とが設けられてい
る。

【００５０】さらに、図示しないが、本装置には内視鏡
像の観察のための光源、ライトガイド、対物レンズ、イ
メージガイド、接眼レンズが設けられている。

【００５１】次に、本実施例の作用について説明する。
パルスレーザ３１より出射したパルス光は同心二層構造
のライトガイド５９の中心部側のファイバ束５９ａに導
光され、図中実線に示すように体腔内臓器５５に照射さ
れる。この照射されたパルス光は臓器組織による散乱に
より空間的に大きく広がってしまう。ここで、このパル
ス光の反射光をフォーカシングレンズ６６とコリメータ
６７を通じて、同心二層構造のライトガイド５９で受光
することにより、臓器内部を散乱反射してきた光のう
ち、図中実線に示すように光軸上を反射してきた光は中
心側のファイバ束５９ａで、図中破線に示すように光軸
外の光は外周側のファイバ束５９ｂで検出される。これ
らの検出された反射光を解析装置５８に導光し、それぞ
れのパルス光の時間分解波形を測定する。なお、このと
き、中心側ファイバ束５９ａで検出できる立体角と周辺
側ファイバ５９ｂで検出できる立体角は同一に設定して
ある。

【００５２】そして、制御装置６５により反射パルス光
の立ち上がり部分の時間遅れを測定し、これより、光出
射面６８と体腔内臓器５５との距離を計算する。この検
出された距離に対応して、フォーカシングレンズ６６の
焦点位置が体腔内臓器表面となるように駆動装置７３に
よって変位させることで、常に体腔内臓器表面と照射パ
ルス光光軸との交点からの光が検出される。

【００５３】また、駆動装置７２によってモータ６２を
駆動し、プリズム６１を回転させることで、パルス光を
挿入部５６の周方向に走査させる。この走査して得られ
た各方向における反射パルス光の時間分解波形を基にコ
ンピュータ４２で断層像を再構築し、表示装置４３に表
示する。

【００５４】このように、フォーカシングレンズ６６の
焦点位置が体腔内臓器表面となるように制御し、体腔内
臓器表面と照射パルス光光軸との交点からの光を検出す
ることによって、第２実施例と同様に光散乱の影響を精
度良く取り除くことができ、分解能の高い光断層像を得
ることができる。また、本実施例によれば、生体体腔内
よりアプローチできるので適用範囲を脳、心臓、胃、腸
など広い範囲に広げることができる。

【００５５】図７は本発明の第６実施例に係る光断層イ
メージング装置の構成を示す構成説明図である。

【００５６】第６実施例は、第２実施例のパルス光の代
わりに変調光を用い、その変調光の位相差信号を差分す
ることで光散乱成分を抑制する装置の例である。

【００５７】図７に示すように、光断層イメージング装
置は、近赤外領域の連続光を発生する光源８１と、前記
光源８１からの光の強度を時間的に変化させるための光
変調器８２と、前記光変調器８２において極めて高い周
期、例えば１Ｇヘルツの周期で変調するための基準信号
を発生する発振器８３とを備えている。前記光変調器８
２より出射された変調光は、第１実施例と同様に、ハー
フミラー１３で反射されて被検体１に照射される。この
被検体１からの反射光を検出するため、前記変調周期よ
り十分早い時間で応答する光検出器（１）８４及び
（２）８５が設けられ、これらの検出器の前方にはコリ
メータ（１）７，コリメータ（２）８が配置されてい
る。

【００５８】前記光検出器（１）８４，（２）８５は、
前記発振器８３と同期して検出された光の位相を検波す
る位相検波装置（１）８６及び位相検波装置（２）８７
にそれぞれ接続されている。これらの位相検波装置
（１）８６，（２）８７は、位相検波された出力信号を
演算処理することで散乱成分を抑制する信号処理装置８
８に接続されており、信号処理装置８８の出力を基にコ
ンピュータ４２で断層像が再構築され、表示装置４３に
表示されるようになっている。

【００５９】ここでは、図示しないが、前述した実施例
と同様に、被検体１と光検出器（１）８４，（２）８５
との距離が一定となるように検出器の位置を制御する位
置制御手段が設けられている。

【００６０】なお、第１実施例に示した装置のように、
被検体を透過した光を検出する構成としても良い。

【００６１】まず、発振器８３により１Ｇヘルツ程度の
基準信号を発生させる。この基準信号により光変調器８
２を駆動すると、光源８１により出射した連続ビーム光
はおよそ１Ｇヘルツで強度変調される。この変調光を被
検体１に照射すると、光散乱のため反射光および透過光
の位相がずれる。この位相のずれた光を前述した実施例
と同様に配置された光検出器（１）８４，（２）８５で
検出し、それぞれの位相遅れを位相検波装置（１）８
６，（２）８７で位相検波して検出する。

【００６２】ここで、位相検波装置で検出された位相遅
れが例えば１０度であればその間に進む光の距離は１
８．７５ｍｍである。つまり、変調光の位相を検出する
ことでも前記パルス光を用いた実施例と同様の効果が得
られる。そして、それぞれの位相検波装置（１）８６，
（２）８７で得られた位相を信号処理装置８８で演算処
理することで散乱成分が抑制され、照射光軸に対応した
位相のみが測定される。これを基にコンピュータ４２で
断層像が再構築される。

【００６３】このように、変調光を用いた場合において
も、パルス光を用いた場合と同様に散乱成分を精度良く
抑制できる。

【００６４】図８は本発明の第７実施例に係る光断層イ
メージング装置の構成を示す構成説明図である。

【００６５】従来、ヘモグロビン、ミオグロビン、チト
クロームなどの酸素飽和度を測定する場合、２〜４種類
の波長の近赤外光の吸光度を求め、それぞれの吸光度に
対する連立方程式を解くことで計算している。第７実施
例は２つの波長のパルス光を用いて、前記ヘモグロビン
などの測定に適した光断層イメージング装置の例であ
る。

【００６６】図８に示すように、光断層イメージング装
置は、光源として、ピコ秒オーダのパルス光を発生する
パルスレーザ９１と、前記パルス光（波長λ0）を励起
光として前記励起光と異なる波長のパルス光を発生する
色素レーザ（１）９２（波長λ1 ）及び色素レーザ
（２）９３（波長λ2 ）とを備えている。また、パルス
レーザ９１の前方には、波長λ0 のパルス光を２分する
ハーフミラー９４が配置されており、色素レーザ（２）
９３の前方には、λ1 およびλ2 のパルス光を時間的に
も空間的にも一致するように重ねるダイクロイックミラ
ー９５が配置されている。なお、図中の符号９６はアル
ミなどが蒸着された全反射ミラーである。前記それぞれ
の波長のパルス光は、光軸および時間的立ち上がりを一
致させて被検体１に照射されるようになっている。

【００６７】前記照射されるパルス光と被検体１を挟ん
で対向した位置に、パルス光の透過光をある受光角で検
出するレンズとピンホールからなるコリメータ９７と、
透過光を再び波長λ1 とλ2 とに分けるダイクロイック
ミラー９８とが配置されている。そして、前記分割され
たそれぞれの透過光を検出し、光軸上の光と光軸外の光
とを分けるように一端が同心二層構造であり他端は各層
で２本のファイバ束に分割されているＹ字状のライトガ
イド（１）９９及びライトガイド（２）１００が入射光
軸が直交するように配置されている。ここで、検出した
パルス光が時間的にずれないように前記ライトガイド
（１）９９とライトガイド（２）１００のファイバ長は
等しくしてある。

【００６８】また、検出されたそれぞれのパルス光の時
間分解波形を測定するストリークカメラ３８等は、第２
実施例と同様に構成されており、同一符号を付して説明
を省略する。

【００６９】この実施例では、まず、パルスレーザ９１
により波長λ0 のパルス光を発生させる。このパルス光
をハーフミラー９４により２分し、一方は色素レーザ
（１）９２に、もう一方は色素レーザ（２）９３に照射
し、前記波長λ0 と異なる近赤外の波長のパルス光λ1
およびλ2 を励起する。そして、前記λ1 およびλ2 の
パルス光を時間的にも空間的にも一致するようにダイク
ロイックミラー９５で重ね、このパルス光を被検体１に
照射すると、組織などによる光散乱のため前記パルス光
は空間的にも時間的にも広がる。この広がった光を照射
パルス光の透過側に配置されたコリメータ９７で検出
し、ダイクロイックミラー９８で再度λ１およびλ2 の
波長に分離する。さらに、それぞれ波長の光に対し、直
進成分と散乱成分を含む光軸上の光と散乱成分のみの光
軸外の光とを分離して検出するように、同心二層構造の
ライトガイド（１）９９およびライトガイド（２）１０
０で受光し、この光をストリークカメラ３８に導く。ス
トリークカメラ３８には同時に４つの光パルス時間分解
波形が得られ、それぞれの波形を処理装置４１で演算処
理することで、散乱成分が抑制され、局所におけるヘモ
グロビン等の酸素飽和度の情報が得られる。

【００７０】このように、２つの波長のパルス光を用い
ることにより、局所におけるヘモグロビン等の酸素飽和
度を求めることができる。また、前述した実施例のよう
に、コリメータ９７等を被検体１との距離に応じて変位
させる位置制御手段を設けることにより、散乱成分を精
度良く抑制することができる。

【００７１】なお、コリメータ，ライトガイド等の検出
器は被検体１からの反射光を検出するように反対側に配
置しても良い。

【００７２】ところで、生体組織の屈折率は空気中（ｎ
＝１．０）と比べ、約ｎ＝１．４と大きい値を示す。こ
のため、光を使って空気中にある生体組織のような被検
体の断層像を再構成する場合、空気と被検体の境界で光
の屈折および反射が起こり、断層像境界面で大きな偽像
が発生する問題があった。このような偽像の発生を解決
するため、本出願人は特願平３−６０８０１号におい
て、被検体の周囲に被検体の屈折率とほぼ等しい緩衝液
などの光伝達部材を設けるようにし、光透過時の屈折を
減少させることができる装置を提案している。以下に、
前記屈折率の変化による偽像を減少させる手段を前述し
た光断層イメージング装置に適用した例を示す。

【００７３】図９及び図１０は腸や血管などの管腔臓器
の診断に適した装置の例である。図９は光イメージング
走査を行う挿入部先端部の構成を示している。

【００７４】挿入部先端部１１１の先端側には、光透過
性の高い透明な弾性部材よりなるドーナツ状の弾性膜１
１２が設けられており、弾性膜１１２で囲まれた内部に
は管腔臓器１１３と等しい屈折率の透明な液体よりなる
緩衝液１１４が増減可能なように満たされている。そし
て、測定時には前記緩衝液１１４を増加して弾性膜１１
２を膨らませ、管腔臓器１１３と密着するようにするこ
とにより、光出射面１１５と管腔臓器表面１１６との間
を管腔臓器１１３と等しい屈折率にするようになってい
る。このように構成することで、臓器表面による光の屈
折が減少し、偽像の発生が減少するため、良好な断層画
像を得ることができる。なお、光出射面１１５は光軸に
対し、垂直となるように設定されており、光の反射を防
ぐため反射防止膜が塗布されている。

【００７５】次に、図１０を参照して本例の詳細につい
て説明する。図１０は前記挿入部先端部１１１の内部の
構成を示す断面図である。

【００７６】挿入部先端部１１１内は、図６に示した第
５実施例と同様に構成されており、同一符号を付して説
明を省略する。なお、挿入部先端部１１１の先端側は光
が透過可能なように透明部材１１７で覆われている。

【００７７】前述したように、透明部材１１７の外側に
は弾性膜１１２が設けられており、この弾性膜１１２
は、先端部は押さえ板１１９によって後端部は糸１２０
により挿入部先端部１１１に固定されている。また、弾
性膜１１２内に緩衝液１１４を送るためのチューブ１２
１が挿入部内を挿通しており、先端側は弾性膜１１２内
に開口している。チューブ１２１の後端側には水槽１２
２が設けられており、緩衝液１１４が満たされている。
水槽１２２にはポンプ１２３が接続されており、ポンプ
１２３を動作させることにより弾性膜１１２内の緩衝液
１１４が増減するようになっている。

【００７８】管腔臓器に挿入する際には、挿入し易いよ
うに弾性膜１１２内部の緩衝液１１４はポンプ１２３に
より吸引され、光出射面１１５と弾性膜１１２とが密着
し細径となる。測定の際には、水槽１２２内の緩衝液１
１４をポンプ１２３によりチューブ１２１を通じて弾性
膜１１２内に送液し、弾性膜１１２が管腔臓器１１３と
密着するまで緩衝液１１４を弾性膜１１２と光出射面１
１５との間に満たす。このように、管腔臓器表面１１６
と弾性膜１１２との間に隙間がない、すなわち、光出射
面１１５と管腔臓器表面１１６との間で屈折率の変化が
少ない状態で光を照射すると、管腔臓器内を反射散乱し
た光が屈折率の影響を受けずに進行する。このため、精
度良く光軸上の光および光軸外の光を検出することがで
きる。

【００７９】また、本出願人は特願平２−２５９９１６
号において、体腔内臓器の光断層像を測定するのに適し
た装置を提案している。図１１に前述した屈折率の変化
による偽像を減少させる手段を管状でない臓器、例えば
胃や心室内などに適した光断層イメージング装置に適用
した例を示す。

【００８０】本例の光断層イメージング装置は、体腔内
臓器に挿入する細長の挿入部１３１と、この挿入部１３
１が接続され、検出された反射光より光断層像を再構築
する解析装置１３２と、断層像を再構築するのに必要な
データを測定するため挿入部１３１の先端部１３３を走
査する走査駆動装置１３４と、内視鏡観察のための光源
装置１３５と、前記解析装置１３２に接続され、光断層
像を表示する表示装置１３６とを備えている。

【００８１】前記挿入部１３１は、体腔内臓器に挿入可
能なように細長で可撓性を有し、その先端部１３３を覆
うように弾性膜１３７が設けられており、弾性膜１３７
内部には臓器と等しい屈折率の緩衝液１１４が満たされ
るようになっている。また、先端部１３３には、通常の
内視鏡観察のための観察窓１３９、照明窓１４０、光断
層像を測定するための測定窓１４１、前記緩衝液１１４
を噴出、吸引するチャンネル１４２が設けられている。
前記チャンネル１４２は挿入部１３１内を挿通されたチ
ューブ１４３と連通している。チューブ１４３の他端
は、緩衝液１１４が満たされた水槽１４４と、ポンプ１
４５とにより構成された緩衝液増減装置１４６に接続さ
れている。

【００８２】前記照明窓１４０にはライトガイド１４７
が接続され、このライトガイド１４７は挿入部１３１内
を挿通して光源装置１３５に接続される。この光源装置
１３５は、照明光を出射するランプ１４８と、この照明
光をライトガイド１４７に導光するレンズ１４９とを備
えている。また、前記観察窓１３９には図示しない対物
レンズが設けられ、この対物レンズの結像位置に、イメ
ージガイド１５０の前端面が配置されている。イメージ
ガイド１５０は、挿入部１３１内を挿通して内部に接眼
レンズ１５１を備えた接眼部１５２に接続される。

【００８３】前記測定窓１４１には送光用ファイバ１５
３と受光用ファイバ１５４の一端が接続され、送光用フ
ァイバ１５３の他端はレンズ１５５を介してパルス光を
発生するピコ秒レーザ１５６に、受光用ファイバ１５４
の他端はレンズ１５７を介して光を時間分解で測定する
ストリークカメラ１５８にそれぞれ接続されている。ス
トリークカメラ１５８は処理装置１５９に接続されてお
り、ストリークカメラ１５８により得られた時間分解波
形は、処理装置１５９で演算処理され断層像が再構築さ
れる。また、断層像を再構築する際の走査を制御する制
御装置１６０が設けられており、前記ピコ秒レーザ１５
６、処理装置１５９、走査駆動装置１３４を制御して断
層像を再構築するのに必要なデータを測定するようにな
っている。

【００８４】前述した図１０の例と同様に、緩衝液１１
４を弾性膜１３７内に満たすことで光の屈折を防ぐよう
にしている。体腔内臓器に挿入する際には、挿入し易い
ように弾性膜１３７内部の緩衝液１１４は吸引され、弾
性膜１３７が先端部１３３に密着し細径となっている。
一方、測定の際には、ポンプ１４５により水槽１４４内
の緩衝液１１４をチューブ１４３，チャンネル１４２を
通じて弾性膜１３７内に流出し、弾性膜１３７が測定部
位１６１に密着するまで満たす。そして、測定部位１６
１と弾性膜１３７との間に隙間がない、すなわち、測定
窓１４１と測定部位１６１との間で屈折率の変化が少な
い状態で光を照射および走査すると、測定部位内を反射
散乱された光が屈折率の影響を受けずに進行する。この
ため、精度良く光軸上の光および光軸外の光を検出する
ことができる。

【００８５】図１２に光断層像を得るための光ファイバ
のみを弾性膜で覆った装置の例を示す。この例では、挿
入部１３１に光断層像を得るための光ファイバ１６２を
挿入するチャンネル１６３が設けられている。また、前
記図１１に示した例と同様に、観察窓１３９及び照明窓
１４０が設けられている。前記チャンネル１６３内に
は、一方が先端部１３３より突出し、他方が水槽１４４
と接続されたシース１６４と、前記シース１６４内を挿
通したパルス光の送受光を行なう光ファイバ１６２とが
配置されている。また、前記シース１６４の先端部１３
３より突出した部分には、弾性膜１６５が光ファイバ１
６２を覆うように設けられ、その内部には緩衝液１１４
が満たされている。

【００８６】この例によれば、観察窓１３９が弾性膜１
６５で囲まれていないので、内視鏡像の観察が容易であ
るとともに、シース１６４を抜去することで通常の内視
鏡としても使用可能である。

【００８７】また、図１３に弾性膜を有さない装置の例
を示す。図に示すように、この例は、弾性膜１３７を有
しない他は図１１の例と同様に構成されている。

【００８８】測定部位１６１が窪んだ部位である場合
は、本例のように直接緩衝液１１４を測定部位１６１の
周囲に満たし、緩衝液１１４内に先端面が位置するよう
に挿入部先端部１３３を配置して、前記と同様に光断層
像を測定する。

【００８９】本例によれば、体腔内臓器に直接緩衝液が
満たされているので、測定部位と光照射面との間に光の
屈折を起こす空気が入る恐れがなく、より精度の高い測
定が可能である。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、被
検体と検出器との距離に依らずに、被検体表面と照射し
たビーム光光軸との交点より出射した光を検出でき、こ
れにより、散乱光成分を精度良く抑制することができ、
分解能のよい良好な断層像を容易に得ることが可能とな
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る光断層イメージング
装置の構成を示す構成説明図

【図２】図２及び図３は本発明の第２実施例に係り、図
２は光断層イメージング装置の構成を示す構成説明図

【図３】検出器で検出されたそれぞれの反射光成分を示
す波形図

【図４】本発明の第３実施例に係る光断層イメージング
装置の主要部の構成を示す構成説明図

【図５】本発明の第４実施例に係る光断層イメージング
装置の主要部の構成を示す構成説明図

【図６】本発明の第５実施例に係る光断層イメージング
装置の構成を示す構成説明図

【図７】本発明の第６実施例に係る光断層イメージング
装置の構成を示す構成説明図

【図８】本発明の第７実施例に係る光断層イメージング
装置の構成を示す構成説明図

【図９】管腔臓器の診断に適した光イメージング走査手
段の例を示す構成説明図

【図１０】図９の光イメージング走査手段の詳細な構成
を示す断面説明図

【図１１】管状でない臓器の診断に適した屈折率の変化
による影響を減少させる手段を有する光断層イメージン
グ装置の例を示す構成説明図

【図１２】屈折率の変化による影響を減少させる手段と
して光断層像を得るための光ファイバのみを弾性膜で覆
った装置の例を示す構成説明図

【図１３】弾性膜を有さない屈折率の変化による影響を
減少させる手段を備えた装置の例を示す構成説明図

【符号の説明】

１…被検体 ４…光源 ５，６…光検出器 ７，８…コリメータ ９…検出器用Ｘステージ １１…ラインセンサ １２…測距用光源 １６…制御装置 １７…駆動装置 １８，１９…増幅器 ２０…差分増幅器 ２２…コンピュータ ２３…表示装置

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年１月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０６Ｆ 15/62 ３９０ Ｂ 9287−5Ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検体に照射するビーム光を発生する光
   源と、 前記ビーム光の光軸上に配置され、前記ビーム光の被検
   体を透過した光あるいは被検体内部より反射してきた光
   を検出する第１の検出器と、 前記ビーム光の光軸と所定の角度をなす軸上に配置さ
   れ、前記ビーム光の被検体を透過した光あるいは被検体
   内部より反射してきた光を検出する第２の検出器と、 前記第１及び第２の検出器と前記被検体との距離を測定
   する測距手段と、 前記測距手段によって検出された距離に基づいて、前記
   光軸と前記被検体表面との交点からの光を検出するよう
   に前記第２の検出器を変位させる位置制御手段と、 前記第１の検出器の出力と前記第２の検出器の出力とを
   演算し、これに基づいて被検体の断層画像情報を生成す
   る断層像生成手段と、 を備えたことを特徴とする空間差分を用いた光断層イメ
   ージング装置。