JP6030088B2 - 相分解光学周波数領域画像化を行うための装置、方法及びシステム - Google Patents

Description

本出願は、２００５年６月１日に提出した米国特許出願番号第６０／６８６，７９０号に基づき、優先権の利益を請求するとともに、その全ての開示を参照によってここに援用する。

本発明に先立つ研究は少なくとも部分的に、国立衛生研究所の助成番号Ｒ３３ ＣＡｌ １０１３０及びＲ０１ ＨＬ７００３９によって支援された。よって、米国政府は本発明に係る特定の権利を保有し得る。

本発明は、光学周波数領域で少なくともサンプルの一部を画像化するための、詳しくは、光学周波数領域画像化法を使用して、透明で混濁したサンプルについての位相分解画像化を実行するための装置、方法及びシステムに関する。

光学コヒーレンストモグラフィ（「ＯＣＴ」）は、参照光ビームと、サンプルからの戻り反射光ビームとの間の干渉を測定する画像化技術である。従来の時間領域ＯＣＴに関する詳細なシステムの説明は、Ｈｕａｎｇ等の「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（光学コヒーレンストモグラフィ）」、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２５４、１１７８（１９９１）で初めて記載された。スペクトル領域ＯＣＴ及び光学周波数領域干渉法についての詳細なシステムの説明は、国際特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０３／０２３４９及び米国特許出願番号第６０／５１４，７６９号でそれぞれ与えられる。偏光検出ＯＣＴは、反射光の偏光状態の変化を観察することによって、更にコントラストを提供する。偏光検出時間領域ＯＣＴについての最初のファイバ・ベースの実施が、Ｓａｘｅｒ等の「Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｏｆ ｉｎ ｖｉｖｏ ｈｕｍａｎ ｓｋｉｎ（生体内ヒト皮膚の高速ファイバ・ベース偏光検出光学コヒーレンストモグラフィ）」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２５、１３５５（２０００）に記載された。

ＯＣＴの典型的な一技術では、生物学的サンプルの断面画像が、数ミクロンから十ミクロン程度の解像度で与えられる。従来のＯＣＴ技術でのコントラストは、様々な組織の光学的散乱特性の違いから生じるものであり、組織の微細構造を画像化できる。サンプルの、空間的に局所化された運動を測定するためにドップラ技術を適用することで、生体情報又は機能情報が更に得られる。これらの典型的な技術は、カラードップラＯＣＴ又は光学ドップラトモグラフィと称することがあり、皮膚、網膜、食道等の血流の画像化に用いられてきた。組織の微細構造及び血流を同時に画像化することにより、ＯＣＴについての診断の有用性を大いに高めることができる。初期のドップラＯＣＴ測定は、時間領域ＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）システムを用いて行われ、その一例を図１Ｂに示す。

近年では、フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）が大幅に向上した感度を提供することが実証され、これにより高速な画像化を可能にした。ＦＤ−ＯＣＴは、２つの構成、つまりスペクトル領域ＯＣＴ（「ＳＤ−ＯＣＴ」）と光学周波数領域画像化（「ＯＦＤＩ」）で実施されている。ＳＤ−ＯＣＴでは、分光計がスペクトル・フリンジ、つまりサンプルからの反射光と参照ビームとの干渉によって生じる縞を記録するために用いられる。ＯＦＤＩでは、狭帯域の波長掃引（スイープ）光源及び単一検出器が、上記と同じインターフェログラムを記録するために用いられる。ドップラ画像化は、ＳＤ−ＯＣＴシステムで最近示された。ドップラＳＤ−ＯＣＴシステムの一例を図１Ｃに示す。ＯＦＤＩ技術を使ったドップラ画像化は、我々の知る限りでは示されていない。しかしＯＦＤＩの技法は、いくつかのアプリケーションのための画像化の形態に好適な場合があり、その理由は、内視鏡と関連した運動のアーティファクトが低い傾向にあり、更に深い範囲を提供できるからである。また波長掃引レーザ光源についての不断の開発によって、画像化の速度及び解像度が更に向上する見込みがある。これらの利点は、いくつかのＯＣＴの適用、Ｂａｒｒｅｔｔの食道検査及び冠状動脈イメージングを含む適用へと駆り立てる。このように、多くの適用における流れの画像化は、位相分解ＯＦＤＩの開発を必要とする。

従来のＯＣＴシステム及び技術は、深さの関数としての反射率の大きさに基づいて画像を作成する。信号の反射率の位相を調べることによって、更に情報を得ることができる。通常、信号の位相情報は、該信号の別の位相と比較した場合に意味をもつ。この位相は、異なる深さでの位相の別の測定値、又は連続的な深さ走査による同じ深さでの位相の測定値とすることができる。正確な実施に関係なく、位相測定値から構築される画像の感度は、個々の位相測定値におけるノイズ及び位相測定値の再現性の関数となる。

位相分解ドップラＯＦＤＩにおいて、同期誤差は干渉縞位相のスプリアス測定値を引き起こす可能性があり、性能低下をもたらす。この同期誤差を、以下では「タイミング起因性の位相誤差」と称することにする。

上記の課題及び／又は欠陥に対処し及び／又は克服するために、タイミング起因性の位相誤差の影響を低減させる典型的なシステム、方法及び装置が提供される。例えば、ある従来法では、光信号を更に生成し、該信号を用いてタイミング起因性の誤差を測定することで、測定画像から該誤差を除去できる。他の技術では、改良された同期化方式により、タイミング起因性の位相ノイズの大きさを直接的に低減させることが示される。

本発明によれば、典型的なＯＦＤＩシステムを使用して高感度の深さ分解位相測定を容易に行える、典型的なシステム、方法及び装置が与えられる。例えば、位相の測定値は、血流や、混濁した媒体又は散乱性媒体の運動測定に使用でき、また経時的な又は横軸方向の位置の関数として、材料の光学的厚さを監視するために使用できる。また、本発明の例示的な実施形態に従って高感度を達成する典型的な方法についても、本願明細書に記載している。このような典型的な方法では、較正信号は、タイミング起因性の位相測定誤差を補正し、修正し、及び／又は、これに対処するために生成及び利用できる。本発明の他の例示的実施形態によれば、典型的なＯＦＤＩシステムは、較正信号とサンプル信号を同時に測定できるように修正され、例えば上記較正信号を用いて、サンプル信号におけるタイミング起因性の位相測定値を補正し、修正し、及び／又は、これに対処するための典型的な手順を提供できる。本発明の更に別の例示的実施形態では、較正信号は、別のチャネルで発生させることができ、サンプル信号とは独立に得られる。例えば、較正信号は、サンプル信号の誤差を補正するために同様に用いることができる。また、本発明の別の例示的実施形態によれば、タイミング起因性の位相誤差を低減し、補正し、及び／又は最小化するための方法、装置、及びシステムを提供できる。

このように、本発明の例示的な一実施形態によれば、参照部及びサンプルから受けた信号を利用する、装置、システム及び方法が提供される。特に、サンプルに向けた１つ以上の第１の電磁放射と、参照部に向けた１つ以上の第２の電磁放射を含む放射が提供される。この放射の周波数は経時的に変化する。干渉は、第１の放射に関連した１つ以上の第３の放射と第２の放射に関連した１つ以上の第４の放射との間で検出できる。前記干渉の少なくとも１つの周波数成分の少なくとも１つの位相と関連した特定の信号を得ること、及びこの特定の信号を少なくとも１つの特定の情報と比較することができる。更に、前記特定の信号がさらなる信号に基づいて較正できるように、上記放射の少なくとも１つの部分を受けること、及びさらなる放射を提供することができる。

例えば、特定の情報は、予め定められたデータを含むことができる。また、前記干渉の少なくとも１つのさらなる周波数成分の少なくとも１つのさらなる位相と関連したさらなる信号を決定すること、及び少なくとも１つの特定の情報は、このさらなる信号とすることができる。更に、前記干渉とは異なる、さらなる干渉の少なくとも１つのさらなる周波数成分の少なくとも１つのさらなる位相と関連したさらなる信号を決定することも可能である。

本発明の他の例示的実施形態では、前記さらなる干渉が、前記放射及び前記第２の放射に基づいてもよい。また、前記干渉及びさらなる干渉は、異なる時間及び／又はサンプルの異なる位置で得られてもよい。前記特定の情報が、さらなる信号に基づいて提供されるように、前記放射と関連したさらなる信号を生成することが、更に可能である。また、前記放射の少なくとも一部を受けること、及びさらなる放射を提供することも可能であり、前記特定の信号及び／又は前記特定の情報が、このさらなる放射と関連してもよい。また、前記さらなる信号に基づいて前記特定の信号を較正することができる。前記較正は、サンプルと特定のアレンジメントとの間の実際の距離及び／又は光学距離に基づいて行える。更に、サンプルと特定のアレンジメントとの間の実際の距離及び／又は光学距離に基づいて、前記特定の信号を較正することが可能である。

本発明の上記目的及び他の目的、特徴及び利点については、添付請求項を参照しながら、本発明の実施形態例に係る以下の詳細な説明を読む際に明らかとなる。

本発明の更なる目的、特徴及び利点は、本発明の実施形態を示す添付図に関連した、以下の詳細な説明から明らかとなる。

図全体を通して、同一の参照番号及び文字は、特に明記しない限り、図示した実施例における同様の特徴部、構成要素、又は部分を示すために用いる。更に、対象発明を図面に関して詳述するが、これは実施例との関連において行われる。なお、記載した実施形態に対する変更及び改変については、添付請求項によって規定される対象発明の範囲及び趣旨から逸脱することなく行える。

本発明は、光学周波数領域画像化法を使用して、透明で混濁したサンプルについての位相分解画像化を実行することができる。

本発明によるＯＦＤＩシステムの一実施形態を例示した概略図である。 従来のドップラＴＤ−ＯＣＴシステムの概略図である。 本発明によるスペクトル領域ＯＣＴシステムの一実施形態を示す概略図である。 本発明の典型的な一実施形態として、サンプルアームを修正してタイミング起因性の位相誤差の測定用の較正信号を提供するシステムの一部を例示した実施形態の概略図である。 図２に示す典型的なサンプルアームの構造から生じる代表的なＡラインを例示したグラフである。 本発明による較正ミラー信号を用いて、測定済み位相差を補正する方法について実施形態を例示した図である。 較正信号として使用できる末端光学部分での既存の反射を示す従来のＯＦＤＩプローブの遠位端部について具体例を示す図である。 本発明の例示的な実施形態に従って、生体内の血流を測定する位相分解ＯＦＤＩプローブの典型的な使用を示す図である。 本発明に従うＯＦＤＩシステムの別の例示的な実施形態を示す概略図であり、較正信号がＯＦＤＩ干渉計の外部に設けられた干渉計から生成される。 本発明に従う位相分解ＯＦＤＩシステムの更に別の例示的な実施形態を示す概略図であり、波長掃引ソース及びデータ取得装置を同期させるための、光学的に生成されるサンプルクロックを使用できる。 本発明に従う位相分解ＯＦＤＩシステムの更にまた別の例示的な実施形態を示す概略図であり、ＤＡＱサンプルクロックに起因する信号によって駆動できる周波数シフタを採用している。 光路長の深さ分解変化を、時間の関数として測定するために、位相分解ＯＦＤＩシステムについて例示的な実施形態の使用を示す図である。 光路長の深さ分解された変化を、横変位の関数として測定するために、位相分解ＯＦＤＩシステムについて例示的な実施態様の使用例を示す図である。 較正ミラー、及び本発明の例示的な実施形態に従うタイミング起因性の位相誤差を修正する前と後におけるサンプルアームの静止ミラーについて測定された位相差を例示したグラフである。 本発明による位相分解ドップラＯＦＤＩシステムの例示的な実施形態により測定される、イントラリピッド模型の強度像及びフロー（流れ）画像例を示した図である。 πを超える位相差をもたらす程に速い流速でイントラリピッドサンプルの深さ分解フロー測定例を示した図である。 πを超える位相差をもたらす程に速い流速でイントラリピッドサンプルの深さ分解フロー測定例を示した図である。 πを超える位相差をもたらす程に速い流速でイントラリピッドサンプルの深さ分解フロー測定例を示した図である。 本発明の例示的な実施形態を使用して実施された、生体内ヒト皮膚の血流測定例を示した図である。 本発明によるシステムの例示的な実施形態を示すブロック図であり、較正信号を干渉計外のフィルタで生成して、該信号を平衡検出構成と組み合わせることができる。

本発明に従うシステム、ソフトウェア構成及び方法についての例示的な実施形態が、各種ＯＣＴシステムや他のシステム、つまりリファレンスアーム及びサンプルアームからの信号が互いに干渉し合って有用な信号を生み出すシステムにおいて実施できることを理解されたい。

位相分解ドップラＦＤ−ＯＣＴの典型的原理

典型的な位相分解ＯＣＴ技術を、フーリエドメイン（領域）ＯＣＴの枠内で以下に説明するが、これはＯＣＴのカテゴリであり、本発明によるＯＦＤＩシステムの例示的な実施形態と関連する。フーリエ領域ＯＣＴでは、混濁した媒体、半濁した媒体、又は透明な媒体の深さ依存性をもつ反射光を測定するために、干渉計の２アーム（例えばサンプルアーム及びリファレンスアーム）間の干渉を使用する。例えば、入射光は、リファレンスアームとサンプルアームに分割される。サンプルアームの光は画像化されるサンプルに向けて送出され、そして、サンプルからの反射光は出力カプラの第１ポートに向けて送出される。またリファレンスアームの光は、上記と同じ出力カプラの第２ポートに向けて送出される。ビーム間のスペクトル干渉は、波長の関数として干渉計が出力するパワーを記録することで測定される。位置ｚ（「ｚ」は、サンプルアームとリファレンスアームとの間の全経路差を示す）でのサンプルの単一反射光について、干渉計の出力は以下のように与えられる。

ここで、「Ｓ（ｋ）」は出力信号（光出力）であり、「Ｐ（ｋ）」は波数ｋでのソース（光源）出力であり、「Ｒ（ｚ）」は位置ｚにおける散乱体の出力の反射率であり、そして「φｚ」は、反射光の位相である。

位置ｚでの散乱体の反射率は、周波数２ｋｚにおける信号の大きさによって与えられる。通常、検出信号は離散的に標本化された信号であり、これは、測定信号が、連続出力Ｓ（ｋ）についてのｎ個の離散的なサンプルで記録されることを意味する。離散的に標本化された出力、「Ｓ_ｌ」は下式で与えられる。

ここで「Ｐ_ｌ」は波数ｋ_ｌでのソース出力である。離散的に標本化された出力、「Ｓ_ｌ」の離散フーリエ変換（「ＤＦＴ」）によって、深度指数ｉの関数として複素反射率プロファイル「ａ_ｉ」が与えられる。

位置ｚでの散乱体からの信号は、複素反射プロファイル係数「ａ_ｍ」に含まれ、ここで「ｍ」は位置ｚに対応する深度指数である。例えば、離散的に標本化された出力「Ｓ_ｌ」の各測定から、深さの関数として、複素反射率プロファイルの単一測定値を得ることができる（Ａライン）。深度指数ｉにおける散乱体の運動は、複素反射率プロファイル係数「ａ_ｉ」の位相「φ_ｉ」（φ_ｉ＝ａｎｇｌｅ（ａ_ｉ））の変化となる。複素反射率プロファイルが、Ａラインｊに対して深度指数ｉを用いて「ａ_ｉｊ」として与えられる場合に、ＡラインｊとＡラインｊ−１との間の変位δ_ｚが、下式で与えられる位相変化をもたらす。

位相分解ＦＤ−ＯＣＴによって散乱媒体の運動を測定でき、これは、連続したＡラインについてのサンプル深さにおける上記位相差を算出することで行われる。

位相分解ドップラＯＦＤＩ技術

ＳＤ−ＯＣＴのＦＤ−ＯＣＴ技術並びにＯＦＤＩのシステム及び方法はともに、離散的に標本化された出力「Ｓ_ｌ」を測定できる。しかしながら、これらの技術は一般に、本測定の実行において異なる。ＯＦＤＩのシステム及び方法では、波長掃引ソースと、単一素子のフォトレシーバ（受光器）、（及び／又は単一素子フォトレシーバの組）を使用でき、時間の関数としてＳ_ｌを記録する。図１Ａは、サンプルの少なくとも一部を画像化するための高速ＯＦＤＩ技術について、典型的な実施形態のブロック図を示す。図１Ａに示す典型的なシステムでは、３つのモジュール８５、９０及び９５を含み、例えば、波長掃引ソース８５、干渉計９０、及びデータ取得回路装置９５を含む。波長掃引ソース８５（以下、「掃引源」と称する）は、リング共振器レーザとして設けることができる。掃引源８５は、利得素子としての半導体光増幅器（「ＳＯＡ」）１２５とポリゴンミラーフィルタ１０１を含むことができる。このポリゴンミラーフィルタ１０１は、ポリゴンミラー１００、望遠光学系１０５、回折格子１１０、及びファイバコリメータ１１３を含むことができる。偏光コントローラ１２０は、レーザ偏光を最適化するために含まれ、出力カプラ１３０はレーザ出力を提供できる。出力カプラは、出力ポート１３２とレーザポート１３１との間で予定通りに光を等分に分割する。光学サーキュレータ１１５は、レーザポート１３１からポリゴンミラーフィルタ１０１に光を導き、そしてポリゴンミラーフィルタ１０１から戻る光を偏光コントローラ１２０へと導く。ポリゴンミラー１００が回転する際に、ポリゴンミラーフィルタ１０１からの反射光の波長掃引が行われ、これによりレーザ出力についても同様の方法で波長掃引が行われる。

従ってポート１３２のレーザ出力は、時間的に波長掃引されることになる。この出力は干渉計に入り、該干渉計は、光をリファレンスアームポート１３５ａとサンプルアームポート１３５ｂに分割する干渉計カプラ１３５を含む。リファレンスアームの光は、カプラ１６５によって分割される。カプラ１６５の出力ポート１６５ａからの光は第２サーキュレータ１４５に向けて送出され、該サーキュレータは光をファイバブラッグ格子（「ＦＢＧ」）１５０に通過させる。このＦＢＧ１５０は、ソースの波長掃引範囲内で、離散波長において狭帯域の反射作用を有する。ソース８５はこの反射後に波長を調節するので、反射光パルスが発生する。このパルスはサーキュレータ１４５によってフォトレシーバ（受光器）１５５に向けて送出され、そして、送出された当該パルスは、ＴＴＬパルス発生器１６０によってＴＴＬパルスに変換される。このＴＴＬパルスは、データ収集回路装置２００のトリガ信号として使用できる。カプラの他の出力ポート１６５ｂからの光は、第３サーキュレータ１７０に向けて送出され、該サーキュレータは可変光学遅延部２１０に光を導く。この可変光学遅延部は、干渉計９０の経路整合に用いる。戻り光は、サーキュレータ１７０によって、偏光コントローラ１７５に向けられ、その後段に偏光子１８０が続き、最終的に出力カプラ１８５の第１ポート１８５ａに送出される。サンプルアームポート１３５ｂにおけるサンプルアームの光は、第４サーキュレータ２０５に向けられ、これは次に、画像化されるサンプルへと、ファイバ２０６の光を導く。画像化光学系２１５は、光をサンプルに集光させ、ビームの平行移動が可能である。サンプルからの反射光は、同じファイバ２０６によって収集され、そして第４サーキュレータ２０５に戻され、該サーキュレータは光を出力カプラ１８５の第２ポート１８５ｂに向けて送出する。

リファレンスアームの光及びサンプルアームの光は、出力カプラ１８５で干渉する。この干渉信号は、出力ポート１８５ｃ上のフォトレシーバ１９０ａ及び他の出力ポート１８５ｄ上のフォトレシーバ１９０ｂによって検出される。これらのフォトレシーバ１９０ａ，１９０ｂからの信号は、装置１９５において減算されて、データ収集（ＤＡＱ）ボード２００のアナログ‐デジタル（ＡＤ）入力ポートに向けて送出される。

ＤＡＱボード２００は、クロックレートｆ_ｃｌでｎ個のサンプルを得る。ここで、ｎは予め規定されている。クロック信号は、ＤＡＱボード２００で内部的に発生させることができる。ＴＴＬパルス発生器１６０からのトリガ信号は、ＦＢＧ１５０によって生成される光学パルスに起因する。トリガーパルスと内蔵ＤＡＱのサンプルクロックとが同期していないと、トリガーパルスの生成と第１アナログ−デジタル変換との間に可変遅延を引き起こす虞がある。この遅延は、サンプルクロックの全一周期によって生じる。ソース掃引を、「ｋ_ｌ＝ｋ_ｏ＋α_ｋ・ｌ」とする場合に、Ａラインｊについての標本化されたフリンジ、「Ｓ_ｌｊ」は、下式で与えられる。

ここで「Δ_ｊ」は、サンプルクロックとトリガーパルスとの相対的なタイミングに応じて、０と１の間で変化する。位置ｚにおける静止散乱体についての連続したＡライン間で測定される位相差は、下式で与えられる。

この位相差は、取得時間（Δ_ｊによって記述される）におけるタイミング変化から生じ、サンプルの運動から生じる位相差を覆い隠し、システム感度を低下させる。ナイキスト限界から決まる撮像深さを、

と書き、正規化した深さ因子Γ_ｚ＝ｚ／ｚ_Ｎｙを用いると、タイミング起因性の位相誤差は下式で記述できる。

本発明の上記手順は、タイミング起因性の位相誤差が、例えば

の最大値までの深さに伴って、線形的に増加することを示す。

較正信号の生成によるタイミング起因性位相誤差の補正

本発明のある典型的な実施形態によれば、追加的な信号を、本願明細書に記載した典型的なシステムによって生成でき、該信号は、タイミング起因性の位相誤差を計測してその後に補正するために利用できる。例えば、図２は本発明に従うこの種の典型的なシステムの実施形態を示しており、サンプルアームを修正することで、追加的な較正信号を容易に生成できる。図２は、サンプルアームの典型的な詳細を示し、該アームは、図１に示した光学サーキュレータ２０５の後段にある。図２に示すように、ファイバ３００（すなわち図１Ａのファイバ２０６）の光は、カプラ３０５によって分割される。ポート３０５ａの光は、較正ミラー３１０に向けられ、該ミラーは可変光学遅延部をもつことができる。ポート３０５ｂの光は、図１Ａと同様に、サンプル３２０に向けて送出される。較正ミラーから送出される干渉計出力信号は深く局所化され、最大の撮像深さの近傍に位置する（よって、サンプル光学系３２０から生じる画像を著しく不明瞭にしない）ように、可変光学遅延部を調整できる。可変光学遅延部から生じる信号の大きさを調整することで、その大きさについては、その深さでのサンプルに起因する信号の大きさに比べてかなり大きいが、顕著な自己相関ノイズを誘発する程大きくならないようにすることができる。

図３Ａは、図２に示す例示的なシステム構成から生じる例示的なＡラインのグラフ３５０を示している。較正ミラーからの信号３５５は、サンプル（組織）の反射光信号３６０中で、明瞭に分かる。本発明に従い、この較正ミラー信号を使って、測定済み位相差を補正する方法の例示的な実施形態について、その流れ図を図３Ｂに示すと、これは以下の通りである。
（１）各測定ＡラインのＤＦＴ、ａ_ｉ，ｊ＝ＤＦＴ（Ｓ_ｉ，ｊ）の決定又は計算 −ステップ３７０。
（２）角度φ_ｉ，ｊ＝ｕｎｗｒａｐ（ａｎｇｌｅ（ａ_ｉ，ｊ））の決定又は計算、ここでｕｎｗａｒｐ（位相接続）は、ディメンジョンｊに沿って行う標準的な位相接続法のアルゴリズムである。―ステップ３７５。
（３）隣接Ａライン間の位相差、Δφ_ｉ，ｊ＝φ_ｉ，ｊ−φ_{ｉ，ｊ−１}の決定又は計算 ―ステップ３８０。
（４）補正済み位相差Δφ’_ｉ，ｊについての、Δφ’_ｉ，ｊ＝Δφ_ｉ，ｊ−（ｉ／ｋ）Δφ_ｋ，ｊ（ここで、「ｋ」は較正ミラー信号の深度指数である）による決定又は計算 −ステップ３８５。

さらなる実施形態では、光学プローブからの現在の反射光が、較正信号として使用される。図４は、本発明の例示的なＯＣＴの末端光学部分の例示的な実施形態を示す。図４に示すように、光はファイバ４００上を伝わり、コリメートレンズ４１０、直角プリズム４２０を経て、画像化されるサンプル４４０に到達する。個々の反射光は、構成要素の間の境界部のいずれかで生じ、これらの反射光による信号は、図２の較正ミラー３１０に加えて及び／又はその代わりに較正信号として利用できる。

図６に示す本発明によるシステムの更なる例示的実施形態では、較正信号を光学装置によって生成でき、該装置はＯＦＤＩ干渉計の外部とされ、較正信号はＯＦＤＩシステム出力のサンプリングを行う検出と同期してサンプリングを行う第２検出器で検出される。特に、ソース５５０の出力はカプラ５６０によって分割され、該カプラは、光の第１部分をＯＦＤＩ干渉計システム５６１に向けて送出し、光の第２部分を較正信号発生器５６２に向けて送出する。較正信号発生器２６２は周期光学フィルタ５９５を含み、該フィルタにより、強度変調されてその後にレシーバ５９６で検出される光信号を容易に生成できる。周期光学フィルタ５９５は、例えば、ファブリ−ペローエタロン、マッハ−ツェンダ干渉計又はマイケルソン干渉計とすることができる。較正信号及びＯＦＤＩ信号は、ＤＡＱチャネル１装置（要素５９７として示す）及びＤＡＱチャネル２装置（要素５９８として示す）でそれぞれ検出される。これらのチャネルについては、同期してサンプリングを行える。較正信号がサンプルアームのミラーで生成される場合に、取得タイミングの変化は、上記と同様に本較正信号の位相に影響を及ぼすことがある。よって、ＤＡＱチャネル１で検出される較正信号は、タイミング起因性の位相誤差を補正するために使用できる。これに代って、又はこれに加えて、例えば検出後であってアナログ−デジタル変換前に、較正信号及びＯＦＤＩ信号を電子的に結合することで、両方とも同じアナログ−デジタル・チャネルによりサンプリングを行える。

図１５には、本発明によるシステムの更なる例示的実施形態を示しており、サンプルアームと無信号の参照経路をもつリファレンスアームとの間の干渉を伝える信号チャネルの平衡化によって平衡検出を達成できる。例えば、ドップラ測定値を較正するための参照干渉については、無信号の参照部（図１５の破線枠に示す）においてファブリ−ペロー共振器９５５を導入することで生成できる。ファブリ−ペロー共振器９５５によって導入される、波長の関数としての参照部の変調度は、平衡検出スキームに影響を及ぼさないよう十分に小さく、かつ良好な較正信号を与えるよう十分に大きいことが望ましい。図１５のシステムにおける他の要素及びその動作については、本願明細書において既述した通りである。

後処理による、タイミング起因性の位相誤差の補正

本発明によるシステム、装置及び方法の更に別の例示的実施形態では、位相測定値を、較正ミラーを用いずに補正できる。この典型的な技術において、強度で重み付けした線形フィッティングを、深度指数ｉの関数、ｙ_ｉ，ｊ＝ｍ_ｊｉ＋ｂ_ｊとして、測定された位相差ラインΔφ_ｉ，ｊの各々に適用できる。補正された位相差は、Δφ’_ｉ，ｊ＝Δφ_ｉ，ｊ―ｍ_ｊｉ−ｂ_ｊで与えられる。

データ取得及びソースの改善された同期化による、タイミング起因性の位相誤差の補正

別の実施形態では、タイミング起因性の位相誤差が、掃引源とＤＡＱボードとの同期を改善することによって低減される。図１Ａのポリゴンミラー１００の回転速度は、ポリゴンミラー駆動部（図示せず）への入力信号の周波数によって決定できる。この信号が、ＤＡＱボードのサンプルクロックを生成するクロックと同じクロックから生成される場合に、ポリゴンと駆動信号との間の位相ロックを適正に保つことができ、波長掃引とデータ収集との同期を実現できる。この場合、Δ_ｊで示す上式５の遅延が一定の状態を維持したままで、タイミング起因性の位相誤差を低減できる。

図７に示す本発明によるシステムの別の例示的な実施形態では、取得用サンプルクロックを、周期的フィルタ、例えばファブリ−ペローエタロン、マッハ−ツェンダ干渉計、及び／又はマイケルソン干渉計を用いて、光学的に発生できる。図７に示すように、掃引源６００の光の一部は、サンプルクロック発生器６０６に向けられ、該発生器は周期光学フィルタ６１０、レシーバ６１５、及びＴＴＬ生成回路６２０を含むことができる。周期光学フィルタ６１０は周期振動出力信号を生成でき、該信号はレシーバ６１５で検出される。レシーバ出力はＴＴＬ生成回路６２０に送出され、該回路は、ＴＴＬパルス列を生成するために電圧コンパレータ及び／又はシュミット・トリガ回路を含むことができる。このパルス列はＤＡＱ外部サンプルクロック入力ポート６５５に入力され、サンプルクロックとして使用される。サンプリングをサンプルクロック発生器によってレーザ波長掃引と同期化できるので、タイミング起因性ノイズを直接低減できる。この技術については、位相誤差補正のための前述した技術とは別に使用し、又は該技術と組み合わせて使用することができる。

位相分解ＯＦＤＩの適用

本発明の更に別の例示的な実施形態では、位相分解ＯＦＤＩシステムを、血管内ＯＦＤＩ画像化における血流分布の画像化に使用できる。血流を画像化できる典型的な装置を、図５に示す。例えば、本発明による典型的な光学プローブ５１０が動脈５２０内に位置され、画像化ビーム５００をプローブ５１０の側部から放射できる。深さ方向での血流が検出され、そしてプローブが回転する場合に、血流の２次元マップを作成できる。端面図は、画像化ビームの回転を例示する。これに代わって、前方を見るプローブを、プローブ５１０の前方の血液を画像化するために設けることができる。

図８に示す本発明の位相分解ＯＦＤＩシステムの更に別の例示的な実施形態では、周波数シフタを内部に設けることができる。例えば、周波数シフタ７１１は、撮像深さを２倍にするために使用できる。周波数シフタ７１１がサンプリングクロックと非同期の信号によって駆動される場合に、測定された位相にノイズが生じる虞がある。図８に示すシステムの例示的な実施形態において、周波数シフタは、サンプルクロックに起因する信号によって駆動される。光はソースから出力されて、第１スプリッタ７１０によってリファレンスアーム、サンプルアームへと分割される。リファレンスアームは周波数シフタ７１２を含み、サンプルアームは同様の周波数シフタ７１１を含む。通常、周波数シフタ７１１、７１２のうちの１つだけが能動的に駆動され、シフタ７１１、７１２の他方は駆動される周波数シフタの分散を補償するために使用できる。あるいは、駆動されない周波数シフタを、分散補償要素に代えることもできる。リファレンスアームの周波数シフタ７１２は、ライン７１３上を伝わる信号によって駆動され、該信号はＤＡＱサンプルクロック出力７２５に起因する。この出力クロック７２５は、「Ｎで割る（Ｎ分周）」デジタル論理回路７２０を用いて、周波数が下方シフトされ、得られた信号は、ライン７１３上に単一周波数信号を生成するための、アンプ及びフィルタ段７１５を通過する。周波数シフタ用の駆動信号がＤＡＱサンプルクロック出力７２５によって得られるので、周波数シフトの位相をサンプルクロックと同期させることができ、よって追加的な位相ノイズを更に誘発することはない。本願明細書に記載した本発明に従う各種の典型的な技術は、あらゆる残留タイミング起因性ノイズの補正に用いることができる。

本発明の位相分解ＯＦＤＩシステムについての別の例示的な実施形態では、この種のシステムは、時間の関数としての、２つの深さ位置の間における光路長変化を決定するために使用できる。例えば、図９は、位相分解ＯＦＤＩシステムの例示的な実施形態の使用例を示しており、該システムは、光路長の深さ分解変化を、時間の関数として測定するものである。この使用例は、深さｚ１の第１反射面８０５と深さｚ２の第２反射面８１０との間に対象物が置かれた状況である。反射面８０５と８１０との間には、画像化の対象物８１５がある。反射面８０５、８１０は、固定された外面、例えばスライドガラス又は生物学的対象物自体の構造的特徴部とすることができる。これらの表面８０５、８１０からの反射光による信号位相を監視することにより、ｚ１とｚ２との間の光路長を監視でき、監視対象物の変化が許容される。このような起こり得る変化には、対象物の経時的な屈折率変化や、時間内での対象物の膨張が挙げられる。図９の例では、画像化ビームが固定的に保持され、時間経過に伴う一定の横位置での変化を監視するために使用される。

位相分解ＯＦＤＩシステムの例示的な実施形態についての別の使用例では、該システムが、光路長の深さ分解変化を、横方向変位の関数として測定する。画像化ビーム８５０は、第１反射面８５５と第２反射面８６５の間に位置したサンプル対象物に向けられる。対象物８６０を挿入する前に、これらの反射面８５５と８６５との間の光路長の差は、システムの設計から既知であるか、及び／又は事前の測定により既知とされる。反射面８５５、８６５の位相は、画像化ビーム８５０の横方向変位の関数として測定でき、対象物８６０の横方向の光路長変化は、２つの信号間の位相差を、対象物がない状態で測定されるか及び／又は事前に既知とされる位相差と比較することで判明する。例えば、システムが十分な安定性を有する場合に、ｚ１での第一面の反射率は不要とされる。

当業者であれば分かるように、前記実施形態の１つを本明細書に記載した別の例示的な実施形態と組み合わせて使用し、本発明に従い、タイミング起因性の位相ノイズを低減する、各種の位相分解ＯＦＤＩシステムを提供することができる。

実施例

本発明によるシステム、装置及び方法の、例示的な実施形態が、以下のように検証された。

連続したＡライン間の位相差が、図２の典型的な構成においてサンプルアームの静止サンプルミラーを用いて測定された。図１１は、較正ミラーと、本発明の典型的な実施形態に従ってタイミング起因性の位相誤差を補正する前後でのサンプルアームの静止ミラーについて、測定された位相差を例示したグラフ９１０である。較正ミラー信号９１５及び補正前のサンプル信号９２０は、上式７によって予測される大きさの位相誤差を示す。補正後の位相測定値９２５は、スプリアス（不要波）位相差の大幅な減少を示す。

図１２は、静止状態のイントラリピッドに浸漬した管を通って流れるイントラリピッド（散乱液体）の測定例を示す。ＯＦＤＩ強度像９３０及びフロー（流れ）画像９３５の両方を示す。流れの存在は、本発明の例示的な実施形態の位相分解ＯＦＤＩシステムによって、明瞭に検出される。

図１３Ａ乃至１３Ｃは、管内を流れるイントラリピッドの測定例を示し、この場合に、流速は、πよりも大きな位相差が生じるように、十分に大きくされている。図１３Ａのグラフでは、深さ分解フロー９４０を、時間の関数としてプロットしている。図１３Ｂのグラフにおいて、２πの不連続性を取り除くために、測定された位相差９４５を繋ぎ合わせることで、速いフロープロファイルを測定できる。図１３Ｃは、図１３Ａ及び図１３Ｂに記した時刻Ｔにおける、位相接続されたフロープロファイル９５０のグラフを示す。これは、フリンジウォッシュアウトの悪影響を伴うことなく、πを超える位相差を生起させる大きな流速を測定する、位相分解ＯＦＤＩの能力を示すものである。

図１４は、人指の爪床付近での生体内血流についての位相分解測定の一例を示す。血管はフロー画像９５５において明瞭に示され、強度像９６０には現れない。

前述の記載は単に本発明の原理を示すものである。記載した実施形態に対する各種変更、改変については、本願明細書の教示から当業者には明らかである。実際、本発明の例示的な実施形態による装置構成、システム及び方法は、任意のＯＣＴシステム、ＯＦＤＩシステム、ＳＤ−ＯＣＴシステム又は他の画像処理システムで使用することができ、例えば国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０２９１４８（２００４年９月８日出願）、米国特許出願番号第１１／２６６，７７９号（２００５年１１月２日出願）、及び米国特許出願番号第１０／５０１，２７６号（２００４年７月９日出願）に記載されたシステムに使用できる。そして、それらの開示内容は全て本願明細書に援用される。本願明細書には明示的に示されないか又は記載されていないが、当業者は本発明の原理を具体化した多数のシステム、装置、及び方法を案出することができ、これらが本発明の趣旨及び範囲内にあることは勿論である。また、従来技術の知識が上記で本願明細書において明確に引用されなかった範囲についても、それは全体として本願明細書において明確に組み込まれる。上記に参照した全ての刊行物は、参照によりそのまま本願明細書に引用される。

８５、９０、９５ モジュール

Claims (13)

1. 放射を提供する１つ以上の第１のアレンジメントであって、該放射がサンプルに向かう少なくとも１つの第１放射及び参照部に向かう少なくとも１つの第２放射を含み、時間経過につれて周波数が変化する前記放射を提供する第１のアレンジメントと、
   前記少なくとも１つの第１放射に関連した１つ以上の第３放射と、前記少なくとも１つの第２放射に関連した１つ以上の第４放射との間の干渉を検出するように構成された１つ以上の第２のアレンジメントと、
   タイミング起因性の位相誤差を補正するための較正信号を、較正光路からの信号に基づいて生成するように構成された第３のアレンジメントと、を備え、
   前記１つ以上の第２のアレンジメントが、前記干渉における少なくとも１つの周波数成分の１つ以上の位相に関連した特定の信号を得るように構成されて、該特定の信号を、少なくとも１つの特定の情報と比較する機能を有し、
   前記１つ以上の第２のアレンジメントが、さらなる干渉における少なくとも１つのさらなる周波数成分についての１つ以上のさらなる位相と関連した前記特定の情報を前記較正信号から得るように構成され、前記さらなる干渉が前記干渉とは異なり、
   前記干渉及び前記さらなる干渉が異なる時間に得られ、
   前記特定の信号は、前記サンプルについての連続したＡライン間での位相差であり、
   前記特定の情報は、前記較正信号から得られた連続したＡライン間での位相差である、装置。
2. 前記さらなる干渉は、前記放射及び少なくとも１つの第２放射に基づいている請求項１記載の装置。
3. 前記干渉及び前記さらなる干渉は、前記サンプルの異なる位置からの反射光に基づいて得られる請求項１記載の装置。
4. 放射を提供する１つ以上の第１のアレンジメントであって、該放射がサンプルに向かう少なくとも１つの第１放射及び参照部に向かう少なくとも１つの第２放射を含み、時間経過につれて周波数が変化する前記放射を提供する第１のアレンジメントと、
   前記少なくとも１つの第１放射に関連した１つ以上の第３放射と、前記少なくとも１つの第２放射に関連した１つ以上の第４放射との間の干渉を検出するように構成された１つ以上の第２のアレンジメントと、
   タイミング起因性の位相誤差を補正するための較正信号を、外部の光学アレンジメントにより生成するように構成された１つ以上の第３のアレンジメントと、を備え、
   前記１つ以上の第２のアレンジメントが、前記干渉における少なくとも１つの周波数成分の１つ以上の位相に関連した特定の信号を得るように構成されて、該特定の信号を、少なくとも１つの特定の情報と比較する機能を有し、
   前記１つ以上の第２のアレンジメントが、前記干渉における少なくとも１つのさらなる周波数成分についての１つ以上のさらなる位相と関連した前記特定の情報を前記較正信号から得るように構成され、
   前記特定の信号は、前記サンプルについての連続したＡライン間での位相差であり、
   前記特定の情報は、前記較正信号から得られた連続したＡライン間での位相差である、装置。
5. 前記１つ以上の第３のアレンジメントが干渉計アレンジメントを含む、請求項４に記載の装置。
6. 放射を提供する１つ以上の第１のアレンジメントであって、該放射がサンプルに向かう少なくとも１つの第１放射及び参照部に向かう少なくとも１つの第２放射を含み、時間経過につれて周波数が変化する前記放射を提供する第１のアレンジメントと、
   前記少なくとも１つの第１放射に関連した１つ以上の第３放射と、前記少なくとも１つの第２放射に関連した１つ以上の第４放射との間の干渉を検出するように構成された１つ以上の第２のアレンジメントと、
   タイミング起因性の位相誤差を補正するための較正信号を、前記サンプルと前記第１のアレンジメントの末端光学部分との間の実際の距離又は光学距離のうちの少なくとも１つが既知である、前記末端光学部分での反射からの信号に基づいて生成するように構成された１つ以上の第３のアレンジメントと、を備え、
   前記１つ以上の第２のアレンジメントが、前記干渉における少なくとも１つの周波数成分の１つ以上の位相に関連した特定の信号を得るように構成されて、該特定の信号を、少なくとも１つの特定の情報と比較する機能を有し、
   前記１つ以上の第２のアレンジメントは、前記干渉における少なくとも１つのさらなる周波数成分についての１つ以上のさらなる位相と関連した前記特定の情報を前記較正信号から得るように構成され、
   前記特定の信号は、前記サンプルについての連続したＡライン間での位相差であり、
   前記特定の情報は、前記較正信号から得られた連続したＡライン間での位相差である、装置。
7. サンプルに向かう少なくとも１つの第１放射及び参照部に向かう少なくとも１つの第２放射を含む放射であって、時間経過につれて周波数が変化する放射を提供し、
   前記少なくとも１つの第１放射に関連した１つ以上の第３放射と、前記少なくとも１つの第２放射に関連した１つ以上の第４放射との間の干渉を検出し、
   前記干渉における少なくとも１つの周波数成分の１つ以上の位相に関連した特定の信号を取得し、
   タイミング起因性の位相誤差を補正するための較正信号を、較正光路からの信号に基づいて生成し、
   前記特定の信号を、少なくとも１つの特定の情報と比較し、
   さらなる干渉における少なくとも１つのさらなる周波数成分についての１つ以上のさらなる位相と関連した前記特定の情報を較正信号から得て、前記さらなる干渉が前記干渉とは異なり、
   前記干渉及び前記さらなる干渉が異なる時間に得られ、
   前記特定の信号は、前記サンプルについての連続したＡライン間での位相差であり、
   前記特定の情報は、前記較正信号から得られた連続したＡライン間での位相差である、方法。
8. 前記さらなる干渉は、前記放射及び少なくとも１つの第２放射に基づいている請求項７記載の方法。
9. 前記干渉及び前記さらなる干渉は、前記サンプルの異なる位置からの反射光に基づいて得られる請求項７記載の方法。
10. サンプルに向かう少なくとも１つの第１放射及び参照部に向かう少なくとも１つの第２放射を含む放射であって、時間経過につれて周波数が変化する放射を提供し、
    前記少なくとも１つの第１放射に関連した１つ以上の第３放射と、前記少なくとも１つの第２放射に関連した１つ以上の第４放射との間の干渉を検出し、
    前記干渉における少なくとも１つの周波数成分の１つ以上の位相に関連した特定の信号を取得し、
    タイミング起因性の位相誤差を補正するための較正信号を、サンプルと、サンプルに向かう少なくとも１つの第１放射を提供する特定のアレンジメントの末端光学部分との間の実際の距離又は光学距離のうちの少なくとも１つが既知である、前記末端光学部分での反射からの信号に基づいて生成し、
    前記特定の信号を、少なくとも１つの特定の情報と比較し、
    前記干渉における少なくとも１つのさらなる周波数成分についての１つ以上のさらなる位相と関連した前記特定の情報を前記較正信号から得て、
    前記特定の信号は、前記サンプルについての連続したＡライン間での位相差であり、
    前記特定の情報は、前記較正信号から得られた連続したＡライン間での位相差である、方法。
11. 前記特定の信号が干渉計信号である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記較正光路は、較正ミラーを含む、請求項１に記載の装置。
13. 前記較正光路は、較正ミラーを含む、請求項８に記載の方法。

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