JP2006162418A

JP2006162418A - Ｃａｒｓ３次元画像装置

Info

Publication number: JP2006162418A
Application number: JP2004353955A
Authority: JP
Inventors: Fumio Kawaguchi; 文男川口
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】この発明は、装置構成の複雑化を抑えつつ、照射光軸方向の走査を高速化することができるＣＡＲＳ３次元画像装置を得ることを目的とするものである。
【解決手段】入射光軸に垂直な面（ＸＹ面）内での２次元走査は、ｘｙ走査部１８により機械的に行われる。光軸方向（Ｚ）方向の走査は、第１及び第２の光のエネルギーを同時に変化させ、対物レンズ１０の焦点距離を変化させることにより行われる。具体的には、波長差は同じままで、第１及び第２の光の波長を波長変換制御部１９により変化させることにより、第１及び第２の光のエネルギーが変化される。これにより、対物レンズ１０の焦点距離が変化され、計測面深度が変化される。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばＣＡＲＳ（コヒーレントアンチストークスラマン散乱）顕微鏡、又はＣＡＲＳ顕微鏡を用いた生体計測装置など、医学生物学分野において生体組織やそれを構成する細胞の微細構造を非侵襲的に高精度で３次元計測するためのＣＡＲＳ３次元画像装置に関するものである。

従来のＣＡＲＳ顕微鏡では、２波長の光が試料に照射され、それらの２波長光の周波数差のエネルギー順位の共鳴から発生する光が計測される。これにより、試料に固有の物質の分子振動における特定周波数成分が選択的に計測され画像化される。このため、高エネルギーの蛍光用の励起光を照射する必要も、計測物質を蛍光体でラベリングする必要もなく、細胞の微細構造を画像化することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１０７３０１号公報

上記のような従来のＣＡＲＳ顕微鏡により３次元画像データを収集するためには、照射光軸に垂直な面内の２次元的な走査だけではなく、照射光軸方向（いわゆるスライス深度方向）の走査も行う必要がある。そして、このような照射光軸方向の走査には、対物レンズ又は被検体の機械的移動による走査方法（機械的走査）が用いられている。このため、計測時間の短縮に限界があった。また、試料に最も近づく対物レンズ部に高精度の移動機構を組み込む必要があるため、装置構成が複雑で高価になってしまう。さらに、ＣＡＲＳ顕微鏡を小型化し、内視鏡に組み込む上での障害となっていた。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置構成の複雑化を抑えつつ、照射光軸方向の走査を高速化することができるＣＡＲＳ３次元画像装置を得ることを目的とする。

この発明に係るＣＡＲＳ３次元画像装置は、互いに波長の異なる第１及び第２の光を合成して被計測体に照射し、発生したＣＡＲＳ光を計測することにより被計測体の３次元状態を画像化するＣＡＲＳ３次元画像装置において、第１及び第２の光のエネルギーを同一周量ずつ変化させることにより、照射光軸方向の走査を行うものである。

この発明のＣＡＲＳ３次元画像装置は、第１及び第２の光のエネルギーを同一周量ずつ変化させることにより、照射光軸方向の走査を行うので、照射光軸方向については機械的な走査機構を用いずに済み、装置構成の複雑化を抑えつつ、照射光軸方向の走査を高速化することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるＣＡＲＳ３次元画像装置を示す構成図である。この例では、光源部１としてＹＡＧレーザが用いられている。光源部１で発生した光は、パルス光発生部２によりピコ秒オーダーの超短パルス光に変換される。パルス光発生部２からの光は、第１の波長変換部３に入射される。第１の波長変換部３は、例えば非線型効果を利用したパラメトリック増幅装置により構成されている。この第１の波長変換部３により、パルス光発生部２からの光の波長が変換される。

第１の波長変換部３を通過した光は、分光手段としての第１のハーフミラー４で第１及び第２の光に分岐される。第１のハーフミラー４で反射された第１の光は、第１のミラー（全反射鏡）５で９０度変向され、第２のミラー７で再度９０度変向され、第２のハーフミラー８に入射される。

一方、第１のハーフミラー４を透過した第２の光は、第２の波長変換部９に入射される。第２の波長変換部９では、被計測体である試料１１における計測物質の振動周期に対応するエネルギー変位が第２の光に加えられる。第２の波長変換部９を通過した第２の光は、光路調整部６に入射される。光路調整部６は、一対の固定ミラー６ａ，６ｂと、固定ミラー６ａ，６ｂに接離する方向へ変位可能な一対の可動ミラー６ｃ，６ｄとを有している。光路調整部６を通過した第１の光は、第２のハーフミラー８に入射される。第２のハーフミラー８では、第１の光と第２の光とが、それらの光軸が一致するように合成され、照射光が生成される。

第２のハーフミラー８で生成された照射光は、所望の深度に調整された焦点を持つ対物レンズ９により試料１１内部に収束される。試料１１内に照射光が収束されると、試料１１内の非線型効果によりコヒーレントアンチストークスラマン散乱光（以下、ＣＡＲＳ光と略称する。）が発生する。このＣＡＲＳ光は、照射光とは異なる波長で、照射光と同一光路を逆向きに進行し、ダイクロイックミラー１２で分離され第１の検出器１３で検出される。また、試料１１内からの後方散乱光は、ダイクロイックミラー１２を通過し、第３のハーフミラー１４で分離され、第２の検出器１５で検出される。

第１及び第２の検出器１３，１５からの計測信号は、信号収集部１６を介してコンピュータ１７へ転送される。

試料１１に対する２次元的な走査は、ｘｙ走査部１８により行われる。また、照射光軸方向の走査は、エネルギー変換制御部である波長変換制御部１９によって、第１の波長変換部３におけるシフトエネルギーを逐次変換することにより行われる。信号収集部１６からコンピュータ１７への計測信号の転送は、ｘｙ走査部１８及び波長変換制御部１９の動作に同期して行われる。コンピュータ１７は、上記のような３方向の空間走査により得られた計測信号を用いて、第２の波長変換部９の変位周波数に同期する振動順位を有する分子の空間分布を画像化して表示する。

次に、３次元画像化の詳細について説明する。試料１１内に照射光が収束されると、焦点位置近傍においては、照射波長に対応するＣＡＲＳ光が入射光軸方向に沿って発生する。このＣＡＲＳ光は、入射する第１及び第２の光の振動数差の周波数の振動エネルギー順位を持つ特定の分子から、共鳴光として発生する。従って、第１及び第２の光の振動数差を、例えば細胞の膜に特異的に含まれる脂質の振動順位に設定すれば、細胞を染色することなく、その膜構造を詳細に画像化することができる。

ここで、ＣＡＲＳ光は、照射光強度の２乗に比例して発生するため、図１のように対物レンズ１０を用いると、その焦点位置付近からのみ共鳴光が発生するように設定することができる。また、ＣＡＲＳ光は照射光とのコヒーレントな効果により発生するため、その進行方向は、入射励起光と同一方向及び１８０度逆転した方向（入射光にコヒーレントな光）となる。これらのうち、前者はＴ−ＣＡＲＳ、後者はＥ−ＣＡＲＳと称される。

ここで、Ｔ−ＣＡＲＳ光は、入射光方向と同一方向に出射するため、試料１１の裏側から計測する必要がある。このため、試料１１の厚みが薄く、かつ試料１１の裏側にも収束用の対物レンズを装着できる場合のみ画像化に利用できる。

従って、この実施の形態では、後方散乱を用いるＥ−ＣＡＲＳタイプの画像化方式を採用している。これにより、試料１１の裏側に対物レンズを配置する必要がなく、厚い試料１１への適用も可能となっている。また、１個の対物レンズ１０を用いるだけで済むため、厳密な焦点調節が不要である。さらに、内視鏡に装着して体腔内表面付近の細胞特性を調べる非侵襲診断にも利用できる。

また、照射光が対物レンズ１０で絞り込まれることにより、ＣＡＲＳ光は、照射光の光密度が十分に高い対物レンズ１０の焦点位置近傍に限定されて発生する。この焦点領域を３方向へ走査すれば、照射光のビーム幅及び焦点付近の光分布で決まる微小な領域の空間分解能での３次元画像化が可能となる。

この実施の形態のＣＡＲＳ３次元画像装置では、入射光軸に垂直な面（ＸＹ面）内での２次元走査は、ｘｙ走査部１８により機械的に行われる。一方、光軸方向（Ｚ）方向の走査は、第１及び第２の光のエネルギーを同時に変化させ、対物レンズ１０の焦点距離を変化させることにより行われる。具体的には、波長差は同じままで（共鳴周波数となる２波長光の周波数の差を変化させることなく）、第１及び第２の光の波長を波長変換制御部１９により変化させることにより、第１及び第２の光のエネルギーが変化される。これにより、対物レンズ１０の焦点距離が変化され、計測面深度が変化される。

図２は図１のＣＡＲＳ３次元画像装置における照射光の波長と対物レンズ１０の焦点距離との関係を示すグラフである。このような焦点距離の変化は、レンズの色収差として知られており、一般的には光学系の歪みの原因となることから抑制されるべきものである。しかし、この実施の形態では、波長の変化を積極的に利用して焦点距離を変化させ、３次元走査に利用している。

図３は図１のＣＡＲＳ３次元画像装置における照射光の波長変化による対物レンズ１０の焦点面の変化を示す説明図である。照射光の波長をλ１からλ２に変化させることにより、対物レンズ１０の焦点面（計測スライス面）の位置は、焦点面１１ａから焦点面１１ｂへと変化される。

なお、通常の分光的な計測では、照射光波長を変化させると計測スペクトル特性が変化するため、画像化は不可能となる。しかし、ＣＡＲＳ計測では、第１及び第２の光のエネルギー差が一定であれば、対象となる計測順位エネルギー、つまり計測分子は変わらないため、第１及び第２の光のエネルギーを同量変化させることにより、計測対象物質は変化しない。また、照射光のエネルギー変化により、試料中１１での分光吸収変化が生じ、データが変化するが、第２の検出器１５で後方散乱光強度を計測し、第１の検出器１３で検出されたＣＡＲＳ光強度を補正することにより、データの変化を補正することができる。

３次元走査の手順は、まず波長変換制御部１９によるシフトエネルギーを最小として固定し、その上でｘｙ走査部１８による２次元走査を行い、１番目の計測スライス面のＣＡＲＳ信号分布を計測する。このとき、第２の検出器１５の信号も同時に取り込み、第１の検出器１３による検出光強度を補正する。次に、波長変換制御部１９によるシフトエネルギーを適当な量だけ増加して固定し、同様に２次元走査を行い、２番目の計測スライス面のＣＡＲＳ信号分布を計測する。このような動作を逐次繰り返すことにより、３次元画像化が可能となる。

ここで、各計測スライス面間の距離は、対物レンズ１０の焦点距離と波長との関係から規定される。逆に、各計測スライス面間の距離から、エネルギーシフトのステップ値を決定することができる。図２は焦点距離の波長依存性の一例を示すもので、焦点距離が５ｍｍの場合８００ｎｍ付近で１０ｎｍの波長変化を与えれば、約２μｍの焦点移動が可能であることを示している。

以上のように、この実施の形態のＣＡＲＳ３次元画像装置では、第１及び第２の光のエネルギーを同一周量ずつ変化させることにより、照射光軸方向の走査を行うので、照射光軸方向の機械的な走査が不要となり、装置構成の複雑化を抑えつつ、照射光軸方向の走査を高速化することができる。
また、共通の光源部１からの光の波長を、第１の波長変換部３で変化させた後、第１のハーフミラー４で第１及び第２の光に分け、さらに第２の光の波長を第２の波長変換部９で変化させるので、第１の波長変換部３でのシフトエネルギーを波長変換制御部１９により制御することにより、第１及び第２の光の波長を容易に同一周量変更することができる。

さらに、照射光軸方向の走査を機械的走査で行わないことにより、ＣＡＲＳ３次元画像装置の内視鏡への適用が容易になる。即ち、ＣＡＲＳ３次元内視鏡は、被検体の体腔内に挿入される挿入部と、挿入部の先端部に設けられたヘッド部と、挿入部の基端部に接続され挿入部を操作する操作部とを有している。そして、ヘッド部には、照射光の出射部及びＣＡＲＳ光の受光部である対物レンズ１０及びｘｙ走査部１８が設けられている。また、挿入部には、照射光及びＣＡＲＳ光を導く光ファイバが内蔵されている。このような内視鏡では、照射光軸方向の機械的走査を行わずに済むので、ヘッド部を小型化することができる。また、照射光軸方向へのヘッド部の変位については、変位を無視できるように変位速度に対して十分に高速で走査を行うか、又は被計測部とヘッド部との距離を保つための間隔保持具をヘッド部に搭載すればよい。

なお、上記の例では、照射光軸に垂直な面内の２次元走査を機械的な光軸移動で実施したが、例えば共焦点型顕微鏡で利用されているマルチマイクロレンズを用いれば、機械走査せずに多点の焦点計測が可能となる。従って、エネルギー変化による軸方向走査とマイクロレンズアレイ法とを共用すれば、機械的操作の不要な非常に小型なＣＡＲＳ顕微鏡が実現できる。

この発明の実施の形態１によるＣＡＲＳ３次元画像装置を示す構成図である。図１のＣＡＲＳ３次元画像装置における照射光の波長と対物レンズの焦点距離との関係を示すグラフである。図１のＣＡＲＳ３次元画像装置における照射光の波長変化による対物レンズの焦点面の変化を示す説明図である。

符号の説明

１光源部、３第１の波長変換部、４第１のハーフミラー（分光手段）、９第２の波長変換部、１９波長変換制御部。

Claims

互いに波長の異なる第１及び第２の光を合成して被計測体に照射し、発生したＣＡＲＳ光を計測することにより上記被計測体の３次元状態を画像化するＣＡＲＳ３次元画像装置において、上記第１及び第２の光のエネルギーを同一周量ずつ変化させることにより、照射光軸方向の走査を行うことを特徴とするＣＡＲＳ３次元画像装置。
上記第１及び第２の光の波長差は同じままで、上記第１及び第２の光の波長を変化させることにより、上記第１及び第２の光のエネルギーを変化させる波長変換制御部を備えていることを特徴とする請求項１記載のＣＡＲＳ３次元画像装置。
光源部と、上記光源部からの光の波長を変化させる第１の波長変換部と、上記第１の波長変換部からの光を上記第１及び第２の光に分光する分光手段と、上記第２の光の波長を変化させる第２の波長変換部とを備えていることを特徴とする請求項２記載のＣＡＲＳ３次元画像装置。
被検体の体腔内に挿入される挿入部と、上記挿入部の先端部に設けられ、上記被計測体への上記照射光の出射部及び上記ＣＡＲＳ光の受光部が設けられているヘッド部とを備えていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のＣＡＲＳ３次元画像装置。