JP2006132995A - 光コヒーレンストモグラフィー装置および計測ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で、高速で撮像できる光コヒーレンストモグラフィー装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 光コヒーレンストモグラフィー装置は、光源１６と、光源光を、参照光２９と被計測試料２２に照射する計測光２８とに分ける光分割部１９と、計測光２８と、参照光２９とを干渉させて干渉光とする干渉部１９と、干渉光を計測する光検出部２６と、運動可能な計測ヘッド２０１であって、その運動によって計測光２８が被計測試料２２に照射される位置が変化する計測ヘッド２０１と、計測ヘッド２０１の運動を測定する力学量センサ３８と、光検出部２６で計測された干渉光と、力学量センサ３８で測定された計測ヘッド２０１の運動に基づいて、被計測試料２２の情報を求める演算部２７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、非破壊断層計測技術の１つである光コヒーレンストモグラフィー（低コヒーレンスな光をプローブとして用いる断層計測）装置に関する。

従来、歯科の診断において、顎口腔領域を撮影するために、Ｘ線撮影装置、口腔内カメラ、歯科用カメラ、Ｘ線ＣＴ、ＭＲＩ等が使用されてきた。

Ｘ線撮影装置で得られる像は、あくまで透過像であり、被写体のＸ線進行方向の情報は、重ねあわされて検出される。そのため、被写体の内部構造を３次元的に知ることができない。また、Ｘ線は人体に有害であるため、年間被爆線量が決められており、資格を持った術者しか装置を扱えない上に、鉛・鉛ガラスなどの遮蔽部材に囲まれた部屋でしか使用できない。

口腔内カメラは、口腔内組織の表面のみを撮像するので、歯等の内部情報が得られない。Ｘ線ＣＴは、Ｘ線撮影装置と同様人体に有害である上に、分解能が悪く、装置も大型かつ高価である。ＭＲＩは、分解能が悪く、装置が大型かつ高価である上に、水分のない歯の内部構造は撮影できない。

ところで、光コヒーレンストモグラフィー装置（以下、ＯＣＴ装置と称する）は、人体に無害で、被写体の３次元情報が高分解能で得られるため、角膜や網膜の断層計測等の眼科の分野で応用されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

ここで、従来のＯＣＴ装置について説明する。図１３は、従来のＯＣＴ装置の構成を示す図である。図１３に示すＯＣＴ装置を構成するＯＣＴユニット１において、光源２から射出された光はレンズ３でコリメートされた後に、ビームスプリッタ４により、参照光６と計測光５に分けられる。計測光５は、ガルバノミラー８を経て対物レンズ９によって被計測試料１０に集光され、そこで散乱、反射した後に再び対物レンズ９、ガルバノミラー８、ビープスプリッタ４を通って集光レンズ７によって光検出器１４に集光される。一方、参照光６は、対物レンズ１２を通って参照ミラー１３で反射し、再び、対物レンズ１２、ビームスプリッタ４を通過した後に、計測光５と並行に集光レンズ７に入射し光検出器１４に集光される。

光源２は、時間的に低コヒーレンスな光源である。時間的に低コヒーレンスな光源から、異なった時刻に出た光どうしは極めて干渉しにくい。そのため、計測光５が通過する光路の距離と、参照光６が通過する光路の距離がほぼ等しいときにのみ干渉信号が現れることとなる。その結果、参照ミラー１３を参照光６の光軸方向に動かして計測光５と参照光６の光路長差を変化させながら、光検出器１４で干渉信号の強度を計測すると、被計測試料１０の奥行き方向（ｚ軸方向）の反射率分布を得ることができる。つまり、光路長差走査により、被計測試料１０の奥行き方向の構造が得られる。

参照ミラー１３による被計測試料の奥行き方向（ｚ軸方向）の走査に加えて、ガルバノミラー８による横方向（ｘ軸方向）の走査を行うことで、被計測試料１０の２次元断面画像が得られる。このようなＯＣＴ装置では、数μｍという高分解能な計測が可能である。したがって、ＯＣＴ装置によって、非破壊、非接触で生体内部の高分解能な画像を得ることができる。

ＯＣＴ装置の歯科の分野への適用については、ＯＣＴ装置を用いて、歯の断層を撮影した例が開示されている（例えば、非特許文献１〜５参照）。
特開２００３−３２９５７７号 特開２００２−３１０８９７号 特開平１１−３２５８４９号 特開２００１−０５９７１４号 レーザー研究 ２００３年１０月号：医療を中心とする光コヒーレンストモグラフィーの技術展開 Journal of Biomedical Optics, October 2002, Vol.7 No.4：Imaging caries lesions and lesion progression with polarization sensitive optical coherence tomography APPLIED OPTICS, Vol.37, No.16, 1 June 1998: Imaging of hard- and soft-tissue structure In the oral cavity by optical coherence tomography OPTICS EXPRESS, Vol.3,No.6,14 September 1998: Dental OCT OPTICS EXPRESS, Vol.3,No.6,14 September 1998: In vivo OCT Imaging of hard and soft tissue of the oral cavity

しかしながら、ＯＣＴ装置は実際の歯科診療に使用されていない。ＯＣＴ装置を歯科診断に使用することは、少なくとも現時点では実用的ではなく、歯科測定用のＯＣＴ装置は製品として存在していない。なぜならば、ＯＣＴ装置では、１枚の断層像を得るのに奥行き方向を含む２次元の機械的走査が必要であるため、撮像に時間がかかる上に、装置が複雑で高価となり、耐久性も劣っているという課題があったためである。

そこで、本発明は上記課題を鑑み、構造が簡単で、高速で撮像できる光コヒーレンストモグラフィー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明にかかる光コヒーレンストモグラフィー装置は、光源と、前記光源から出射した光源光を、参照ミラーに照射する参照光と被計測試料に照射する計測光とに分ける光分割部と、前記被計測試料で反射した前記計測光と、前記参照ミラーで反射した参照光とを干渉させて干渉光とする干渉部と、前記干渉光を計測する光検出部と、外部からの操作によって、運動可能な計測ヘッドであって、該計測ヘッドが運動することにより、前記計測光が前記被計測試料に照射される位置または方向の少なくとも１つが変化する計測ヘッドと、前記計測ヘッドの少なくとも一方向の運動を測定する力学量センサと、前記光検出部で計測された前記干渉光と、前記力学量センサで測定された前記計測ヘッドの運動に基づいて、前記被計測試料の情報を求める演算部とを備える。

上記目的を達成するために、本発明にかかる光コヒーレンストモグラフィー装置は、光源と、前記光源から出射した光源光を、参照ミラーに照射する参照光と被計測試料に照射する計測光とに分ける光分割部と、前記被計測試料で反射した前記計測光と、前記参照ミラーで反射した参照光とを干渉させて干渉光とする干渉部と、前記干渉光を計測する光検出部と、前記光検出部で計測された前記干渉光に基づいて、前記被計測試料の情報を求める演算部と、前記計測光が通る光ファイバと、前記光ファイバの先端に設けられ、前記計測光を前記光ファイバから前記被計測試料へ導く計測ヘッドと、前記計測ヘッドは、前記計測光の光軸の方向を変更する１または２以上の光軸変更部を備え、前記光軸変更部は、前記計測ヘッドに着脱可能である。

本発明によれば、構造が簡単で、高速で撮像できる光コヒーレンストモグラフィー装置を提供することができる。

本発明にかかる光コヒーレンストモグラフィー装置は、光源と、前記光源から出射した光源光を、参照ミラーに照射する参照光と被計測試料に照射する計測光とに分ける光分割部と、前記被計測試料で反射した前記計測光と、前記参照ミラーで反射した参照光とを干渉させて干渉光とする干渉部と、前記干渉光を計測する光検出部と、外部からの操作によって、運動可能な計測ヘッドであって、該計測ヘッドが運動することにより、前記計測光が前記被計測試料に照射される位置または方向の少なくとも１つが変化する計測ヘッドと、前記計測ヘッドの少なくとも一方向の運動を測定する力学量センサと、前記光検出部で計測された前記干渉光と、前記力学量センサで測定された前記計測ヘッドの運動に基づいて、前記被計測試料の情報を求める演算部とを備える。

力学量センサは、例えば、加速度センサ、角速度センサ等を用いることができる。加速度センサとして、互いに直交する３方向それぞれについて感応軸を配置した３つの加速センサを設けることができる。角速度センサとして、互いに直交する３方向の軸周りの角速度を検出する３つの角速度センサを設けることができる。上記３つの加速度センサと、上記３つの角速度センサのうち、任意に組み合わせたものを用いることができる。撮影の目的、つまり被計測試料の計測領域と、それを撮像するための計測ヘッドの運動の仕方に応じて、力学量センサを適切に選択、配置することができる。

例えば、前記計測ヘッドを少なくとも前記一方向へ移動させる操作により、前記計測光が前記被計測試料に照射される位置が変化するので、被計測試料の前記一方向に連なる複数の断層画像、または前記一方向に連なる断層画像による情報が得られる。一方、前記一方向に感応軸を配置した１つの加速度センサで測定された加速度から、前記計測ヘッドの前記一方向に移動した位置が得られる。前記計測ヘッドが移動した位置情報と、前記被計測試料の一方向に連なる複数の断層画像または連続した断層画像による情報とを同期して得ることにより、機械的走査しなくても前記一方向における前記被計測試料の複数のまたは連続した広い領域の断面情報が得られる。その結果、機械的走査手段を装置内に組み込む必要がないので、装置の構造が単純になり、装置が安価に製造できる。

光分割部と干渉部は、ビームスプリッタまたはファイバーカプラにより両機能を兼用する構成が好ましい。

本発明にかかる光コヒーレンストモグラフィー装置は、光源と、前記光源から出射した光源光を、参照ミラーに照射する参照光と被計測試料に照射する計測光とに分ける光分割部と、前記被計測試料で反射した前記計測光と、前記参照ミラーで反射した参照光とを干渉させて干渉光とする干渉部と、前記干渉光を計測する光検出部と、前記光検出部で計測された前記干渉光に基づいて、前記被計測試料の情報を求める演算部と、前記計測光が通る光ファイバと、前記光ファイバの先端に設けられ、前記計測光を前記光ファイバから前記被計測試料へ導く計測ヘッドと、前記計測ヘッドは、前記計測光の光軸の方向を変更する１または２以上の光軸変更部を備え、前記光軸変更部は、前記計測ヘッドに着脱可能である。

前記計測光は、光ファイバを通り、光ファイバの先端に設けられた前記計測ヘッドを通じて前記被計測試料に照射される。そのため、前記計測ヘッドは、被計測試料の位置にあわせて移動することができる。

前記計測ヘッドは、前記計測光の照射方向を変更する１または２以上のミラーを含む光路変更部を備えるので、例えば、口腔内等の限られた空間にある被計測試料を様々な方向から撮影することができる。また、前記光路変更部は、前記計測ヘッドに着脱可能であるため、被計測試料の環境に合うように、前記光路変更部を着けるか否か選択することができる。その結果、例えば、口腔内等のように入り組んだ場所にある被計測試料を様々な方向から撮影することができる。

本発明にかかる計測ヘッドは、光ファイバの先端に設けられ、前記光ファイバの先端から出射された計測光を前記光ファイバから被計測試料へ導く計測ヘッドであって、前記計測光の光軸の方向を変更する１または２以上の光軸変更部を備え、前記光軸変更部は、前記計測ヘッドに着脱可能であることを特徴とする。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるフーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィー装置（以下、ＦＤ−ＯＣＴ装置と称する）の構成の一例を表す図である。

ＦＤ―ＯＣＴ装置は、被計測試料で反射した計測光と参照ミラーで反射した参照光との干渉光を分光して得られたスペクトルを検出し、このスペクトルから被計測試料の計測光照射方向の情報を、フーリエ逆変換を用いて求めることを特徴とするＯＣＴ装置である。

図１に示すように、ＦＤ−ＯＣＴ装置は、ＯＣＴユニット１００、計測ヘッド２０１および計算機２７で構成されている。ＯＣＴユニット１００には、光源１６、ファイバカップラ１９、参照ミラー２４、回折素子２５、ＣＣＤカメラ２６が設けられている。計測ヘッド２０１には、ガルバノミラー２０、対物レンズ２１が設けられている。計算機２７は、光源１６、ＣＣＤカメラ２６、ガルバノミラー２０と通信できるように接続されている。計算機２７は、例えば、パーソナルコンピュータ等であり、ＣＰＵ等の演算部、ハードディスク等の記録部を少なくとも備えている。

なお、ＯＣＴユニット１００、計測ヘッド２０１、計算機２７の構成は、図１に示す構成に限られない。例えば、計算機２７の機能をＯＣＴユニット１００内に組み込むことができる。

本実施の形態において、被計測試料２２は、生体の顎口腔領域組織または、顎口腔領域の人工組成物である。

光源１６は、時間的に低コヒーレントな光源である。すなわち、狭い範囲に波長が分布した光源である。光源１６は、例えば、スーパールミネッセントダイオードであることが好ましい。

ファイバカップラ１９は、光分割部および干渉部の機能を果たす光学干渉器の一例である。光学干渉器とは、２つの入力光を干渉させて２方向に出力する入出力可換な光学部品である。光学干渉器の例として、ファイバカップラ１９の他にビームスプリッタ、ハーフミラー等が挙げられる。

回折素子２５は、回折分光機能を備えた反射型または透過型の光学的部材である。回折素子２５は、例えば、グレーティング素子、回折格子、プリズム等であることが好ましい。また、回折素子２５は、光記録メディアの切片でもよい。光記録メディアは例えば、ＣＤ、ＤＶＤ、ＭＯ等である。

ＣＣＤカメラ２６は、光検出部の一例である。光検出部として、例えば、１次元光検出器、２次元光検出器などを用いることができる。１次元光検出器は、リニアＣＣＤが好ましく、２次元光検出器はＣＣＤ撮像素子、ＣＭＯＳ撮像素子が好ましい。２次元光検出器は２次元撮像装置を含む。

計測ヘッド２０１は、操作者が手持ちで操作できる構成であることが好ましい。光ファイバ１８によって、ＯＣＴユニット１００と計測ヘッド２０１の間を光が伝達されることで、計測ヘッド２０１の可動範囲が広くなる。

ＦＤ−ＯＣＴ装置を歯科用に適用する場合、患者が通常診療の際に座っている椅子のチェアサイドでＦＤ−ＯＣＴ装置が使用されることが想定される。この場合、計測ヘッドを位置付けするのに、空中光学系（計測ヘッドへの光路を光ファイバではなく空中とする）では、ＯＣＴユニット全体を患者の口腔に精密に位置付けしなければならない。また、比較的重いＯＣＴユニットを、操作者が持って操作するのは、非現実的である。

計測ヘッド２０１は、操作者が手持ちで操作できる構成であるため、歯科診療において、操作者がチェアサイドで手軽に利用できる。患者と計測ヘッドの位置関係がフリーな状態で、操作者がＦＤ−ＯＣＴ装置を使用できる。

次に、図１に示すＦＤ−ＯＣＴ装置の動作について説明する。以下の説明において、座標系を次のように定義する。図１に示すように、被計測試料２２においては計測光２８の光軸方向すなわち被計測試料２２の奥行き方向をｚ、断層面をｚｙ面（ガルバノミラー２０のスキャン方向をｙにとることで実現）とし、被計測試料２２以外の場所では被計測試料２２のｘ、ｙ、ｚのそれぞれに光学的に対応する方向をｘ、ｙ、ｚとする。光学的に対応するとは、ミラーやレンズ・光ファイバ等で空間的な方向が変化しても、光の進行方向をｚ、ガルバノミラー等で走査される方向をｙ、ｚとｙの両方に垂直な方向をｘとするということである。

光源１６から射出された光はレンズ１７でコリメートされた後に、ファイバカップラ１９により、参照光２９と計測光２８に分けられる。計測光２８は、光ファイバ１８、ガルバノミラー２０を経て対物レンズ２１によって被計測試料２２に集光され、そこで散乱、反射した後に再び対物レンズ２１、ガルバノミラー２０、光ファイバ１８、ファイバカップラ１９を通って集光レンズ３０によって回折素子２５に導かれる。

一方、参照光２９は、光ファイバ１８、対物レンズ２３を通って参照ミラー２４で反射し、再び、対物レンズ２３を通ってファイバカップラ１９で計測光２８と干渉させられて、計測光２８と並行に集光レンズ３０に入射し回折素子２５に導かれる。

この計測光２８と参照光２９は、回折素子２５で同時に分光されスペクトル領域で重ねあわされることでＣＣＤカメラ２６上にスペクトルの干渉縞、つまり計測光２８と参照光２９の結合パワースペクトルを形成する。このＣＣＤカメラ２６によって計測されるスペクトル干渉縞を計算機２７内でフーリエ逆変換することによって、計測光２８と参照光２９の結合相関が得られる。この結合相関より、被計測試料２２の奥行き方向（ｚ軸方向）の反射率特性を通して、構造、組成または光学特性に関する情報が得られる。

したがって、参照ミラー２４を動かして、計測光２８の光路長と参照光２９の光路長を調節し、ｚ軸方向の走査を行う必要がない。すなわち、ｚ軸方向の機械的操作を行うことなく、被計測試料２２の奥行き方向（ｚ軸方向）の構造に関する情報を得ることができる。

被計測試料２２の２次元断面画像を得るためには、ｚ軸方向に加えて、ｙ軸方向の走査を行うこと必要がある。本実施の形態において、ｙ軸方向の走査は、ガルバノミラー２０を駆動することにより行われている。

なお、ｙ軸方向の走査方法として、カルバノミラー２０を駆動する方法の他に、後述するシリンドリカルレンズを用いる方法や、レンズを駆動する方法、光ファイバを駆動する方法、被計測試料２２を駆動する方法、または、後述する操作者が計測ヘッド２０１を動かす方法等を用いることができる。

ここで、ｙ軸方向の走査方法の変形例として、シリンドリカルレンズを用いる方法を説明する。

図２は、シリンドリカルレンズを用いてｙ軸方向に光を拡張するＦＤ−ＯＣＴ装置の構成の一例を表す図である。図２において、図１に示すＦＤ−ＯＣＴ装置と同じ部分には、同じ番号を付し、その説明を省略する。

図２に示すＦＤ−ＯＣＴ装置が図１に示すＦＤ−ＯＣＴ装置と異なる点は、シリンドリカルレンズ３３が設けられている点と、ファイバカップラ１９の代わりにビームスプリッタ３４が用いられている点と、ガルバノミラー２０の走査方向である。

図１に示すＦＤ−ＯＣＴ装置においては、ｙ軸方向の走査方法として、カルバノミラー２０を駆動させる方法を用いていたが、図２に示すＦＤ−ＯＣＴ装置においては、カルバノミラー２０によるｙ軸方向の走査に替えて、シリンドリカルレンズ３３によるｙ軸方向への光拡張を採用している。

シリンドリカルレンズ３３は、レンズとして機能する方向と光軸を含む平面内での断面は通常のレンズであり、この断面形状はレンズとして機能しない方向における位置によらず同一である。シリンドリカルレンズ３３は、レンズとして機能する方向が、ｙ方向となる様に配置する。つまり、シリンドリカルレンズ３３によってｙ方向に広げられた光が被計測試料２２のｙ方向に分布照射される（シリンドリカルレンズ３３上のｙ方向と被計測試料２２のｙ方向は、光学的に同一な方向であり、必ずしも空間的に同一の方向ではない）。シリンドリカルレンズ３３がｙ方向光拡張手段になっている。計測光２８の断面は、ｙ軸方向に沿う線状となる。

なお、シリンドリカルレンズ３３と同様の機能を、シリンドリカルミラーを用いて実現することもできる。

計測光はｙ軸方向に空間的に拡張された光であるために、この光を光ファイバーで導光する場合には、この光ファイバ１８は、断面を１次元線上に束ねた光ファイバ、または断面を２次元円形に束ねた光ファイバであることが必要となる。

また、回折素子２５の溝の向きは、ｙ軸方向であることが好ましい。

前記計測光２８は、被計測試料２２のｙ軸方向に分布照射されるので、ｙ軸方向に機械的走査をしなくても、被計測試料２２のｙ軸方向の断面をＣＣＤカメラ２６ワンショットで得ることができる。そのため、カルバノミラー２０は、ｘ軸方向に走査を行うだけで、被計測試料２２の３次元的立体構造を得ることができる。

被計測試料２２の３次元構造を得るには、ｚ軸方向およびｙ軸方向の操作に加えて、ｘ軸方向の走査を行う必要がある。本実施の形態においては、操作者が計測ヘッド２０１を動かすことによって、ｘ軸方向の走査を行う方法を用いている。

図３（ａ）および（ｂ）は、本実施の形態における計測ヘッドの構成の例を示す図である。

まず、図３（ａ）に示す計測ヘッド２０１について説明する。

図３（ａ）に示す計測ヘッド２０１は、加速度センサ３８を備えている。加速度センサ３８に含まれるセンサＧｘは、ｘ軸方向の加速度を検出する。計測ヘッド２０１は、例えば、操作者の操作等の外部からの操作により、被計測試料２２に対して、少なくともｘ軸方向に移動可能となっている。

操作者が、計測ヘッド２０１をｘ軸方向に動かすと、計測光２８が被計測試料２２に照射される位置が変化する。この位置の変化は、加速度センサ３８によって検出された加速度を積分することによって得られる。従って、ｘ方向に連なる被計測試料２２の各断面情報を取得するとともに、これらに同期して加速度センサ３８の情報を得ることにより、各断面情報のｘ方向の位置を特定することが出来る。すなわち、操作者が計測ヘッド２０１をｘ方向に動かすことで、ｘ方向の走査が可能となる。その結果、ｘ軸方向の機械的走査が不要になるので、ｘ軸方向の機械的な走査手段を計測ヘッド２０１内に組み込む必要がなくなり、構造が簡単、小型化した計測ヘッドが、安価で得られるようになる。

加速度センサ３８は、計算機２７（例えば図１参照）に接続されており、加速度センサが検出したデータは、計算機２７へ送られる。

なお、計測ヘッド２０１にｘ方向の加速度センサとｙ方向の加速度センサを２個装着する構成にしてもよい。操作者が計測ヘッド２０１をｙ方向に動かした場合においても、ｘ方向に動かした場合と同様に、ｙ方向に連なる被計測試料２２の各断面情報と、これらに同期したｙ方向の加速度センサの情報により、各断面情報のｙ方向の位置を特定することができる。この場合、カルバノミラー２０によるｙ軸方向の走査または、シリンドリカルレンズ３３によるｙ軸方向への光拡張は省略できる。

本実施の形態にかかるＦＤ−ＯＣＴ装置においては、上述のように、被計測試料２２のｚ軸方向の構造は、スペクトル干渉縞から求められる。ｙ軸方向またはｘ軸方向の走査は、計測ヘッド２０１を動かすことによって行うことができる。そのため、機械的な走査手段を装置に組み込むことを省略できる。その結果、装置の構造が簡単になり、高速で撮像が可能となる。

次に、図３（ｂ）に示す計測ヘッド２０４について説明する。計測ヘッド２０４は、計測ヘッド２０１の変形例である。

図３（ｂ）に示す計測ヘッド２０４は、加速度・角速度センサ３９を備えている。加速度センサ３９は、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の加速度をそれぞれ検出する加速度センサＧｘ、Ｇｙ、Ｇｚおよび、ｘ、ｙ、ｚ軸周りの角速度を検出する角速度センサΩｘ、Ωｙ、Ωｚを含む。計測ヘッド２０４は、操作者の操作等の外部からの操作により、被計測試料２２に対して移動可能となっている。また、加速度・角速度センサ３９は、計算機２７に接続されており、加速度・角速度センサ３９が検出したデータは、計算機２７へ送られる。

加速度・角速度センサ３９を計測ヘッド２０４に設けることで、操作者による計測ヘッド２０４の任意の動きに対して、動きの際に計測ヘッド２０４が計測した複数の計測断面のそれぞれの空間的位置・方向を特定することができる。その結果、計測ヘッド２０４が動いた範囲で、被計測試料２２の内部構造を含む３次元データを得ることができる。この場合、カルバノミラー２０によるｘ軸およびｙ軸方向の走査を省略することができる。

以下に被計測試料２２の３次元データを得る処理の流れの例を説明する。

計測開始時に、計算機２７において位置・方向情報をリセットする。リセットと同時に最初の断層画像を取得し、この断面画像の面をｘ＝０上のｚｙ面とし、断層像の奥行き方向をｚ方向、横方向をｙ方向とし、断層像の中心をｙ＝０、ｚ＝０とする。

その後の計測ヘッド２０４の動きは、加速度センサの出力を計算機２７内で２回時間積分、角速度センサの出力を計算機２７内で１回時間積分することで、計測ヘッド２０４の位置・方向データとして求められる。計測ヘッド２０４の位置・方向データは、計測ヘッド２０４が動いた際に取得した断面画像データと同期して保存される。

計算機２７は、計測ヘッド２０４の位置・方向データから、リセット後の断層画像の位置・方向を演算し、各断層画像データを空間的に合成して被計測試料２２の内部構造を含む３次元データを構築する。

計算機２７においては、被計測試料２２の３次元データに関するデータ処理（例えば、組織の抽出、病変部の特定、データ解析等）が行われ、これら処理結果は、保存される。

また、計算機２７は、計測断面の接続、任意断面の表示、計測断面の整列表示、立体表面表示、またはこれらの組み合わせ等をモニタに表示することもできる。

本実施の形態によれば、計測ヘッド２０４に設けられた加速度・角速度センサ３９によって、ＯＣＴ計測時の計測ヘッド２０４の３次元的動きを検出することにより、被計測試料２２の内部情報を含む計測領域データの３次元空間上の６自由度の位置決めを行うことができる。

また、ＦＤ−ＯＣＴ装置を含むＯＣＴ装置の撮像範囲は、ガルバノミラー等の機械的走査を行っても、数ｍｍ×数ｍｍと限られている。これに対し、例えば、口腔およびその周辺組織においては、歯１本だけとっても５〜１５ｍｍである。歯周組織を入れると２０ｍｍ、歯列弓は１００〜１５０mmという大きさである。

ガルバノミラーやシリンドリカルレンズ等を用いたｘ軸またはｙ軸方向の走査もしくは拡張により断層画像が得られるＦＤ−ＯＣＴ装置においても、その断層画像の幅は数ｍｍであり、それを超えた領域の断層画像については、別途計測する必要がある。

そのため、多くの場合にはｙ方向に連なる複数の断層画像を複数回の計測で取得する必要があるが、これらの「連なった複数の断層画像データ」の位置関係を求める必要がある。本実施の形態によると、連なった複数の断層画像の３次元的位置・方向関係が明確になるため、広い範囲の計測データが構築可能となる。また、複数の断層画像の３次元的な位置および方向関係を特定することができる。

ひいては、ＯＣＴ装置の持つ被計測試料の３次元的内部情報を定量的に取得できるという基本的特性や、非侵襲性、高分解能等の優れた特性が例えば、歯科分野等で生かされることになる。

なお、本実施の形態においては、ＦＤ−ＯＣＴ装置について説明を行ったが、必ずしもＦＤ−ＯＣＴ装置である必要はなく、ＦＤ−ＯＣＴ装置ではないＯＣＴ装置でもよい。す例えば、回折素子２５の代わりに単純なミラーを用いて、ＣＣＤカメラ２６は光検出器である構成でもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２におけるＦＤ−ＯＣＴ装置は、以下に説明する部分以外の部分は、図１または図２に示すＦＤ−ＯＣＴ装置を適用することができるので、その説明を省略する。

本実施の形態におけるＦＤ−ＯＣＴ装置では、計算機２７（例えば図１参照）が、計測ヘッドで計測された被計測試料２２の情報の３次元空間上の位置決めを行う。本実施の形態においては、予めその形状が判っている参照物体４１を被計測試料２２に取りつけたものを測定する。

図４（ａ）は、参照物体４１を被計測試料２２に取りつけた状態の例を示す図である。図４（ｂ）は参照物体４１の例を示す図である。参照物体４１は、どの断面をとってもその断面の位置と方向が特定できるものとする。参照物体４１は、四角錐であることが好ましい。以下の処理の流れを説明する。

計測開始時に、計算機２７内で位置・方向情報をリセットする。リセットと同時に予めその形状が判っている参照物体４１を含む最初の断層画像を取得し、参照物体４１を基準とした被計測試料２２の座標系を決定する。

その後、計測ヘッド２０５が移動して取得された断層画像についても参照物体４１とともに計測し、計算機２７内で、参照物体４１の位置・方向を基に、断層画像の位置・方向を演算する。各断層画像データを空間的に合成して被計測試料２２の内部構造を含む３次元データを構築する。

上記処理において、ＦＤ−ＯＣＴ装置は、ＯＣＴ計測操作をする以前に予めその形状が判っている参照物体４１を被計測試料２２に固定して計測した。これとは別の方法であって、以下に示す方法を用いることもできる。

計測ヘッドの移動を伴い、複数または連続したＯＣＴ断層画像データを計測したＯＣＴ計測操作以降に、計測データの一部より被計測物体の全体または部分を特定し参照形状データとし、被計測物体のＯＣＴ計測データ全体の中から該参照物体の形状を照合することにより、被計測物体の複数または連続したＯＣＴ断層画像データの３次元空間上の６自由度の位置決めを行うこともできる。

なお、本実施の形態においては、ＦＤ−ＯＣＴ装置について説明を行ったが、必ずしもＦＤ−ＯＣＴ装置である必要はなく、ＦＤ−ＯＣＴ装置ではないＯＣＴ装置でもよい。

（実施の形態３）
実施の形態３におけるＯＣＴ装置は、以下に説明する部分以外の部分は、図１または図２に示すＦＤ−ＯＣＴ装置を適用することができるので、その説明を省略する。

本実施の形態におけるＦＤ−ＯＣＴ装置では、ＦＤ−ＯＣＴ装置で計測された被計測試料２２の断面画像の３次元空間上の位置決めを行う。本実施の形態においては、被計測試料２２の内部情報を含む複数の計測領域データの中から共通のデータ構造を抽出することにより、これらの計測領域データの３次元空間上の６自由度の位置関係を決定する。

図５は、複数の計測領域データにおける画像を示す図である。画像範囲４２は、ＦＤ−ＯＣＴ装置で得られた被計測試料２２のある断面画像である。画像範囲４３は、例えば、計測ヘッドが移動すること等により、画像範囲４２の計測領域とは別の計測領域を計測した場合の断面画像である。以下処理の流れを説明する。

計測開始時に、計算機２７（例えば図１参照）内で位置・方向をリセットする。リセット時に被計測試料２２の断面を計測する。このリセット時の計測で得られた断面画像が画像範囲４２であるとする。計算機２７は、この画像範囲４２から特徴パターン４５を抽出する。特徴パターンは、例えば、被計測試料２２に含まれる病変部の画像等である。

その後、例えば、計測ヘッドが移動すること等により、画像範囲４２の計測領域とは別の計測領域を計測する。その際に得られた断面画像が画像範囲４３であるとする。計算機２７は、画像範囲４３中から特徴パターン４５を抽出する。一連の計測は、計測ヘッドを移動しながら不連続または連続して計測されるので、この作業を続けることで、特徴パターンの位置を追跡することができる。

計算機２７は、画像範囲４２中の特徴パターン４５と画像範囲４３中の特徴パターンを同一パターンとみなして、各画像を接続する。図５に示す場合では、画像範囲４３の右辺４０を画像範囲４２中で二点鎖線４４で示す位置にあわせるように接続することができる。

計算機２７は、以上のような画像接続処理を複数の画像について行うことによって、被計測試料２２の内部構造を含む広範囲なデータを構築する。

なお、本実施の形態においては、ＦＤ−ＯＣＴ装置について説明を行ったが、必ずしもＦＤ−ＯＣＴ装置である必要はなく、ＦＤ−ＯＣＴ装置ではないＯＣＴ装置でもよい。

（実施の形態４）
図６〜１２は実施の形態４におけるＯＣＴ装置の計測ヘッドの構成を表す図である。本実施の形態におけるＯＣＴ装置で、以下に説明する部分以外については、図１または図２に示すＦＤ−ＯＣＴ装置または従来のＯＣＴ装置を適用することができるので、その説明は省略する。

図６は、本実施の形態におけるＯＣＴ装置の計測ヘッドの構成の好ましい一例を示す図である。

図６に示す例においては、計測ヘッド２１０は、光ファイバ１８の先端に設けられている。光ファイバは、ＯＣＴユニット１０１（例えば図２参照）の光分割部（例えば、ビームスプリッタ３４）から照射された計測光を被計測試料２２へ導き、被計測試料２２で反射した計測光を、再びＯＣＴユニット１０１の干渉部（例えば、ビームスプリッタ３４）へ導く。

計測ヘッド２１０は、例えば、図２に示すＦＤ−ＯＣＴ装置のようにシリンドリカルレンズを用いたタイプのＦＤ−ＯＣＴ装置の計測ヘッドとして用いることが好ましい。光ファイバ１８は、束ねたものであって、光ファイバ１８からは、ｙ方向に広げられた計測光が被計測試料２２のｙ方向に沿って分布照射される。図６中、点線ｇは、中心結像光線を表し、一点鎖線ｈは、撮像エリアを示す。

計測ヘッド２１０において、光ファイバ１８の先端から先の部分は、照射集光部２１０ａである。照射集光部２１０ａは、計測光を、光ファイバ先端部の光ファイバの光軸方向に対して、光軸方向を変更することなく、レンズ４６を通してコリメートし、被計測試料２２に照射する。また、照射集光部２１０ａは、被計測試料２２からのｚ方向反射光を集光する。

図７は、本実施の形態におけるＯＣＴ装置の計測ヘッドの構成の好ましい他の例を示す図である。

図７に示す例において、照射集光部２１１ａは、照射集光部２１１ａに固定された走査駆動されるミラー４９（ガルバノミラー）と走査駆動されないミラー４７（固定ミラー）により計測光の光軸方向を、光ファイバ１８先端部の光ファイバ１８の光軸方向とは別の方向に変更する。つまり、ガルバノミラー４９およびミラー４７が光軸変更部となる。

計測ヘッド２１１は、例えば、図１に示すＦＤ−ＯＣＴ装置のようなガルバノミラーを備えるタイプのＦＤ−ＯＣＴ装置の計測ヘッドとして用いることができる。光ファイバ１８は１本であって、光ファイバ１８から出た計測光は、カルバノミラー４９によって、ｙ軸方向に走査される。すなわち、ガルバノミラー４９が回転運動することによって、被計測試料内の結像点が撮像範囲５１内を移動する。

図６および図７に示す計測ヘッド２１０、２１１は、前歯、犬歯、第１大臼歯の頬側面からの断層画像計測に有効である。

図８（ａ）は、本実施の形態におけるＯＣＴ装置の計測ヘッドの構成の好ましいさらに他の例を示す図である。

計測ヘッド２１２は、例えば、図２に示すＯＣＴ装置の計測ヘッドのようにシリンドリカルレンズを用いたタイプのＦＤ−ＯＣＴ装置の計測ヘッドとして用いることができる。光ファイバ１８は、束ねたものであって、光ファイバ１８からは、ｙ方向に広げられた計測光が被計測試料２２のｙ方向に沿って分布照射される。図８（ａ）中、点線ｇは、中心結像光線を表し、一点鎖線ｈは、撮像エリアを示す。

照射集光部２１２ａは、固定された走査駆動されないミラー４７により計測光の光軸方向を変更する。

図８（ｂ）は、本実施の形態におけるＯＣＴ装置の計測ヘッドの構成の好ましいさらに他の例を示す図である。

計測ヘッド２１３は、例えば、図１に示すＦＤ−ＯＣＴ装置のようにガルバノミラーを備えるタイプのＦＤ−ＯＣＴ装置の計測ヘッドとして用いることができる。光ファイバ１８は１本であって、光ファイバ１８から出た計測光は、カルバノミラー４９によって、ｙ軸方向に走査される。

図８（ｂ）に示す例において、照射集光部２１３ａは、照射集光部２１３ａに固定された走査駆動されるミラー（ガルバノミラー）４９により計測光の光軸方向を、光ファイバ１８先端部の光ファイバ１８の光軸方向に対して変更する。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示す計測ヘッド２１２、２１３は、歯の咬合面からの断層画像計測に有効である。また、咬合面以外に臼歯部の舌側面からの断層計測にも有効である。

図９は、本実施の形態におけるＯＣＴ装置の計測ヘッドの構成の好ましいさらに他の例を示す図である。

計測ヘッド２１４は、例えば、図２に示すＯＣＴ装置の計測ヘッドのようにシリンドリカルレンズを用いたタイプのＦＤ−ＯＣＴ装置の計測ヘッドとして用いることができる。光ファイバ１８は、束ねたものであって、光ファイバ１８からは、ｙ方向に広げられた計測光が被計測試料２２のｙ方向に沿って分布照射される。図９中、点線ｇは、中心結像光線を表し、一点鎖線ｈは、撮像エリアを示す。

照射集光部２１４ａは、照射集光部２１４ａに固定された２つの走査駆動されないミラー４７Ａ、４７Ｂにより計測光の光軸方向を変更する。照射集光部２１４ａはＬ字型の形状を実現し、このＬ字型の内側に被計測試料２２である歯芽を配置することが可能な開いた空間を有することができる。

図１０は、本実施の形態におけるＯＣＴ装置の計測ヘッドの構成の好ましいさらに他の例を示す図である。

計測ヘッド２１５は、例えば、図１に示すＦＤ−ＯＣＴ装置のようにガルバノミラーを備えるタイプのＦＤ−ＯＣＴ装置の計測ヘッドとして用いることができる。光ファイバ１８は１本であって、光ファイバ１８から出た計測光は、カルバノミラー４９によって、ｙ軸方向に走査される。

図１０に示す例において、照射集光部２１５ａは、走査駆動されるミラー（ガルバノミラー）４９と走査駆動されないミラー４７により計測光の光軸方向を変更する。照射集光部２１５ａは、Ｌ字型の形状を実現し、このＬ字型の内側に被計測試料２２である歯芽を配置することが可能な開いた空間を有する
図９および図１０に示す計測ヘッド２１４、２１５は、歯の舌側面からの断層画像計測に有効である。

図６〜１０に示す計測ヘッド２１０〜２１５において、照射集光部２１０ａ〜２１５ａの少なくとも一部は、光ファイバ１８先端部またはＯＣＴユニットから分離可能で、かつ取り替え可能であることが好ましい。

また、図６〜１０に示す計測ヘッド２１０〜２１５の少なくとも一部は回転可能であることが好ましい。例えば、図１０に示す計測ヘッド２１５の先端部分が矢印ｊの方向に回転可能とすることができる。また、計測ヘッドの照射集光部の最も被写体に近いミラーが回転可能であるような態様とすることもできる。

ここで、計測ヘッド２１０〜２１５において、照射集光部２１０ａ〜２１５ａの少なくとも一部を分離または、取り替えた場合の例を説明する。

例えば、図６に示す照射集光部２１０ａを取り外し、図８に示す照射集光部２１２ａに取り替えた場合、照射集光部内の計測光の光学的距離は長くなる。しかしながら、ＯＣＴ装置においては、計測光の光学的距離と参照光の光学的距離が略一致する必要がある。そのため、計測光の光学的距離が変化すると、それにあわせて参照光の光学的距離も変化させる必要がある。すなわち、ビームスプリッタ３４またはファイバカップラ１９等の光分割部（干渉部）から計測範囲の略中心位置までの光学的距離が、光分割部（干渉部）から参照ミラーまでの光学的距離と等しくなる様に、参照光の光学的距離を変化させる必要がある。

参照光の光学的距離を変化させる方法については、参照ミラーの位置が変更されるか、位置の異なる複数の参照ミラー間で参照光を反射する参照ミラーが切り替わることが好ましい。

図１１（ａ）は、参照ミラーの位置を切り替える場合の例を示す図である。参照ミラー２４とレンズ２３の位置は実線で示す位置と点線で示す位置とに切り替わる。これらはリニアアクチュエータまたは手動で動作することができる。図１１（ａ）では、実線と点線で参照ミラー２４とレンズ２３の２つの位置が示されている。参照ミラー２４とレンズ２３の停止位置を３ヶ所以上設けて、光学的距離の異なる３ヶ所以上で参照ミラー２４の位置を切り替えても良い。

図１１（ｂ）は、位置の異なる複数の参照ミラー間で参照光を反射する参照ミラーが切り替わる構成の例を示す図である。図１１（ｂ）に示す構成においては、参照光路長の異なる２つの参照ミラー２４Ａ、２４Ｂが設けられている。これら２つの参照ミラー２４Ａ、２４Ｂの切り替えは、切替ミラー５２によって行われる。切替ミラー５２は、その端部を回転軸５３として略４５度回転する。切替ミラー５２はモーターまたは手動により回転する。図１１（ｂ）においては、実線と破線で切替ミラー５２の角度と切り替わる光路を示している。切替ミラー５２の停止角度を３つ以上設けて、光学的距離の異なる３ヶ所以上の参照ミラー２４を切り替えることもできる。参照ミラー２４とともに参照ミラー２４へ結像するレンズを複数備えていてもよい。

また、照射集光部２１０ａ〜２１５ａのうちいずれか２つを互いに取り替えた場合でも、計測光の光学的距離が変化しないように照射集光部２１０ａ〜２１５ａを設計することもできる。すなわち、照射集光部２１０ａ〜２１５ａの計測光の光学的距離が等しくなるように、ミラー４７やカルバノミラー４９等の光軸変更部を配置することもできる。また、照射集光部２１０ａ〜２１５ａ内に光ファイバを備えることで、計測光の光学的距離を調整することができる。

例えば、図７に示す計測ヘッド２１１において、計測光の光学的距離が、図８（ｂ）に示す計測ヘッド２１３および図１０に示す計測ヘッド２１５における計測光の光学的距離と等しくなるように、ミラー４７とカルバノミラー４９との間の距離を設定することができる。

ところで、計測ヘッドは口腔内に挿入する使用形態が想定される。計測ヘッドが口腔内に挿入された際、歯芽に触れる可能性がある。従って、計測ヘッドを滅菌もしくは除菌する必要がある。そのため、計測ヘッドの先端に、計測光（ｚ方向物体反射光）が透過可能な材料のキャップまたはカバー等の覆いを取り付けることが可能であることが好ましい。

図１２は、滅菌用キャップを計測ヘッドに装着した場合の例を示す図である。図１２に示すように、計測ヘッド２１６の先端部にキャップ５５が装着されている。キャップ５５は、計測ヘッド２１６に固定されるためのくびれ５５ａを備える。キャップ５５のくびれ５５ａに対応して計測ヘッド２１６のハウジングにもくびれが設けられている。

キャップ５５および計測ヘッド２１６は、滅菌可能である必要がある。そのため、計測ヘッド２１６の構成部品には１００℃以上１５０℃以下の温度で耐熱性のある素材または、滅菌用ガスによって変質、変形しない素材を使用することが好ましい。キャップ５５は強度・波長を除く計測光の光学的性質を変化させない素材を使用することが好ましい。また、位相・偏光状態の影響について既知の素材を使用することが好ましい。キャップは透明な素材であり、ディスポーサブル（使い捨て）であることが好ましい。好適な材料として、ガラスや樹脂、セラミックがあげられる。これらは計測光を透過すれば良く、必ずしも可視光で透明である必要は無い。

以上のように、本実施の形態にかかる計測ヘッドを用いることで、従来計測が困難であった被計測試料をＯＣＴ装置により計測することができる。例えば、歯列は複雑な並び方をしており、個々の歯の面は、いろいろな角度、方向をもつ。また、これは個人によっても大きく差がある。これら多様な方向を向いている面を口腔という限られた開口部から挿入した計測ヘッドで計測するとなれば、計測光を歯面に垂直に当てるために、計測ヘッドを持つ手をいろいろな方向に向ける必要がある。従来のＯＣＴ装置では、多くの場合、患者が無理な姿勢となる場合や、計測光を計測したい歯面に垂直に当てることが不可能な場合も生じていた。本実施の形態にかかる計測ヘッドによれば、様々な方向から口腔内の歯列に対して、計測光を歯面に垂直に当てることができる。

本発明は、高速計測が可能であり、かつ簡単な構造で安価な光コヒーレンストモグラフィー装置として、特に歯科測定用装置として利用可能である。

実施の形態１におけるフーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィー装置（以下、ＦＤ−ＯＣＴ装置と称する）の構成の一例を表す図である。 実施の形態２におけるＦＤ−ＯＣＴ装置の構成の一例を表す図である。 （ａ）は、計測ヘッドの構成の例を示す図である。（ｂ）は、計測ヘッドの構成の別の例を示す図である。 （ａ）は、参照物体４１を被計測試料２２に取りつけた状態の例を示す図である。（ｂ）は参照物体４１の例を示す図である。 複数の計測領域データにおける画像を示す図である。 計測ヘッドの構成の好ましい一例を示す図である。 計測ヘッドの構成の好ましい他の例を示す図である。 （ａ）は計測ヘッドの構成の好ましい他の例を示す図である。（ｂ）は、計測ヘッドの構成の好ましいさらに他の例を示す図である。 計測ヘッドの構成の好ましい他の例を示す図である。 計測ヘッドの構成の好ましい他の例を示す図である。 （ａ）は、参照ミラーの位置を切り替える場合の例を示す図である。（ｂ）は、位置の異なる複数の参照ミラー間で参照光を反射する参照ミラーが切り替わる構成の例を示す図である。 滅菌用キャップを計測ヘッドに装着した場合の例を示す図である。 従来のＯＣＴ装置の構成を示す図である。

符号の説明

１、１００、１０１ ＯＣＴユニット
２、１６ 光源
３、１７、２３、４６ レンズ
４、３４ ビームスプリッタ
５、２８ 計測光
６、２９ 参照光
８、２０、４９ ガルバノミラー
９、１２、２１ 対物レンズ
１０、２２ 被計測試料
１３、２４ 参照ミラー
１４ 光検出器
１８ 光ファイバ
１９ ファイバカップラ
２５ 回折素子
２６ ＣＣＤカメラ
２７ 計算機
３０ 集光レンズ
３３ シリンドリカルレンズ
３８ 加速度センサ
３９ 加速度・角速度センサ
４１ 参照物体
４２、４３ 画像範囲
４５ 特徴パターン
４７ ミラー
５１ 撮像範囲
５２ 切替ミラー
５３ 回転軸
５５ キャップ
５７ 回転ミラー
２０１、２０２、２０４、２０５、２１０、２１１、２１２、２１３、２１４、２１５、２１６ 計測ヘッド

Claims (3)

1. 光源と、
   前記光源から出射した光源光を、参照ミラーに照射する参照光と被計測試料に照射する計測光とに分ける光分割部と、
   前記被計測試料で反射した前記計測光と、前記参照ミラーで反射した参照光とを干渉させて干渉光とする干渉部と、
   前記干渉光を計測する光検出部と、
   外部からの操作によって、運動可能な計測ヘッドであって、該計測ヘッドが運動することにより、前記計測光が前記被計測試料に照射される位置または方向の少なくとも１つが変化する計測ヘッドと、
   前記計測ヘッドの少なくとも一方向の運動を測定する力学量センサと、
   前記光検出部で計測された前記干渉光と、前記力学量センサで測定された前記計測ヘッドの運動に基づいて、前記被計測試料の情報を求める演算部とを備える光コヒーレンストモグラフィー装置。
2. 光源と、
   前記光源から出射した光源光を、参照ミラーに照射する参照光と被計測試料に照射する計測光とに分ける光分割部と、
   前記被計測試料で反射した前記計測光と、前記参照ミラーで反射した参照光とを干渉させて干渉光とする干渉部と、
   前記干渉光を計測する光検出部と、
   前記光検出部で計測された前記干渉光に基づいて、前記被計測試料の情報を求める演算部と、
   前記計測光が通る光ファイバと、
   前記光ファイバの先端に設けられ、前記計測光を前記光ファイバから前記被計測試料へ導く計測ヘッドと、
   前記計測ヘッドは、前記計測光の光軸の方向を変更する１または２以上の光軸変更部を備え、
   前記光軸変更部は、前記計測ヘッドに着脱可能である光コヒーレンストモグラフィー装置。
3. 光ファイバの先端に設けられ、前記光ファイバの先端から出射された計測光を前記光ファイバから被計測試料へ導く計測ヘッドであって、
   前記計測光の光軸の方向を変更する１または２以上の光軸変更部を備え、
   前記光軸変更部は、前記計測ヘッドに着脱可能であることを特徴とする計測ヘッド。

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