乾燥型加齢黄斑変性症 眼の高解像度スペクトルドメインOCTスキャン（3×3mm ）では、断面像と正面像の両方で黄斑部の地図状萎縮 とドルーゼンが認められる。 光コヒーレンストモグラフィー （OCT ）は、高解像度イメージング 技術であり、その応用分野の多くは医学および生物学である。OCTは、コヒーレントな近赤外光を用いて、生体組織やその他の散乱 媒体のマイクロメートルレベルの深さ分解能を持つ画像を取得する。反射光の振幅と飛行時間を検出するために、干渉 法が用いられる。
OCTは、光ビームの横方向のサンプル走査を使用して、2次元および3次元の画像を取得します。短いコヒーレンス長の光は、広いスペクトル帯域幅を持つ 超発光ダイオード （SLD）または狭い線幅 を持つ広帯域可変レーザーを使用して取得できます。OCTイメージングの最初の実証（in vitro）は、MITとハーバード大学医学部の研究チームが1991年にScience [ 1 ] この論文では、軸方向の分解能が時間的コヒーレンス に基づいている光コヒーレンス領域反射測定法 に由来することを示すために、「OCT」という用語が導入されました。[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
MIT/ハーバード大学グループによるOCTに関する最初の米国特許は、時間領域 OCT（TD-OCT）システムについて記述している。[ 6 ] [ 7 ] これらの特許はツァイス社 によってライセンス供与され、2006年まで第一世代のOCT製品の基礎となった。
In the decade preceding the invention of OCT, interferometry with short-coherence-length light had been investigated for a variety of applications.[ 8] [ 9] [ 10] [ 11] [ 12] [ 13] [ 14] [ 15] [ 16] [ 17] [ 18] [ 19] [ 19] retinal elevation profile and thickness had been demonstrated.[ 18]
The initial commercial clinical OCT systems were based on point-scanning TD-OCT technology, which primarily produced cross-sectional images due to the speed limitation (tens to thousands of axial scans per second). Fourier-domain OCT became available clinically in 2006, enabling a much greater image acquisition rate (tens of thousands to hundreds of thousands of axial scans per second) without sacrificing signal strength. The higher speed allowed for three-dimensional imaging, which can be visualized in both en face and cross-sectional views. Novel contrasts such as angiography , elastography , and optoretinography also became possible by detecting signal change over time. Over the past three decades, the speed of commercial clinical OCT systems has increased more than 1000-fold, doubling every three years and rivaling Moore's law of computer chip performance.
OCTは眼科 で最も広く使用されており、網膜疾患、視神経 疾患、角膜 疾患の診断とモニタリングを大きく変革しました。OCTは失明の三大原因である黄斑変性 、糖尿病 網膜症、緑内障の管理を大幅に改善し、多く の患者の視力喪失を防いでいます。2012年以来、10月は「OCT感謝月間」とされており、臨床ケアと研究におけるOCTの目覚ましい貢献が称えられ、ジャーナルクラブでOCTベースの論文を強調したり、OCT技術に関する医学教育/研究講演会を開催したりしています。[ 20 ] [ 21 ]
血管内OCTイメージングは、冠動脈 プラークの血管内評価やステント 留置のガイドに使用されます。[ 22 ] 眼科や心臓病学以外にも、皮膚科 、消化器科 、[ 23 ] 神経学 および神経血管イメージング、[ 24 ] [ 25 ] 腫瘍学 、歯科 などの他の医療専門分野でも応用が進んでいます。[ 26 ] [ 27 ]
導入 指先の光干渉断層撮影像。コルク栓抜きのような形状をした汗腺が観察できる。 1980年代以降、世界中の複数のグループによって、短コヒーレンス長光（部分コヒーレント光、低コヒーレンス光、広帯域光、広スペクトル光、白色光とも呼ばれる）を用いた生体組織、特に人間の眼の干渉反射測定法が並行して研究されてきた。超音波イメージング のアイデアを取り入れ、飛行時間検出と光干渉法を融合させて、1960年代の自己相関器で知られていたピコ秒およびフェムト秒範囲の光遅延を検出するこの 技術の開発は、新しい電子、機械、および光子機能の利用可能性と密接に関連していた。単一横方向点低コヒーレンス干渉法から派生したこの技術は、幅広い技術の追加により、この計算イメージング技術における重要なマイルストーンを達成した。高速軸方向および横方向スキャナ、超広帯域または超高速スペクトル可変レーザーまたはその他の高輝度放射源、高解像度および高速カメラや高速A/Dコンバータなど、急速に発展するフォトニクス分野のアイデアを取り入れ、推進してきたますます高感度の検出器、そして利用可能なコンピューティング能力の増加は、その誕生と成功に不可欠でした。1991年、当時マサチューセッツ工科大学の ジェームズ・フジモト 研究室の学生であったデビッド・ファンは、MITリンカーン研究所の エリック・スワンソン およびハーバード大学医学部の同僚と共同で、イメージングを実証し、この新しいイメージング方式を「光コヒーレンストモグラフィー」と名付けました。[ 28 ] [ 29 ] [ 1 ] [ 30 ] 。これらの発展は、一般向け [ 21 ]、 [ 31 ] [ 32 ]
OCTは、マイクロメートル分解能とミリメートルの浸透深度を必要とする眼科用途やその他の組織イメージングに特に適しています。[ 33 ] 美術品保存 プロジェクト にも使用されています。OCTは、他の医療イメージングシステムに比べて興味深い利点があります。医療用超音波検査 、磁気共鳴イメージング （MRI）、共焦点顕微鏡、およびOCTは、形態学的組織イメージングにそれぞれ適しています。最初の2つは全身イメージングが可能ですが、解像度が低く（通常はミリメートルの数分の1）、3つ目は1マイクロメートルをはるかに下回る解像度（つまり細胞内）で、深さ0～100マイクロメートルの画像を提供でき、4つ目は500マイクロメートルの深さまでプローブできますが、解像度は低く（つまり構造的）（たとえば、眼科では横方向で約10マイクロメートル、深さで数マイクロメートル、内視鏡では横方向で20マイクロメートル）です。[ 34 ] [ 35 ]
OCTは低コヒーレンス干渉法に基づいています。[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] 長いコヒーレンス長 を持つ従来の干渉法（すなわち、レーザー干渉法）では、光の干渉はメートル単位の距離で発生します。OCTでは、広帯域光源（すなわち、広い周波数範囲で光を発する光源）を使用することにより、この干渉はマイクロメートル単位の距離に短縮されます。広帯域の光は、超発光ダイオードまたは極めて短いパルスを持つレーザー（フェムト秒レーザー ）を使用することで生成できます。白色光は、低出力の広帯域光源の一例です。
OCTシステム内の光は、サンプルアーム（対象物を含む）と参照アーム（通常はミラー）の2つのアームに分割されます。サンプルアームからの反射光と参照アームからの参照光の組み合わせにより干渉パターンが生じますが、これは両アームからの光が同じ 光学距離（同じ とは、コヒーレンス長よりも小さい差を意味します）を移動した場合に限られます。参照アームのミラーをスキャンすることで、サンプルの反射率プロファイルを取得できます（これが時間領域OCTです）。サンプルの中で多くの光を反射する領域は、反射しない領域よりも大きな干渉を生み出します。短いコヒーレンス長の外側にある光は干渉しません。[ 39 ] Aスキャン と呼ばれ、対象物内の構造の空間的寸法と位置に関する情報が含まれています。これらの軸方向深度スキャン（Aスキャン）の系列を横方向に組み合わせることで、断面トモグラム（Bスキャン ）を取得できます。使用するイメージングエンジンによっては、取得した深度での正面イメージングが可能です。
眼科用OCT 網膜厚マップ、右眼800 nmにおける網膜黄斑部の時間領域OCT画像 、軸方向分解能3 μm スペクトルドメインOCTによる黄斑部断面スキャン 光コヒーレンストモグラフィー（OCT）は、半透明または不透明な物質の表面下の画像を低倍率顕微鏡と同等の解像度で取得する技術です。これは実質的に「光学的超音波」であり、組織内部からの反射を画像化して断面画像を提供します。[ 40 ]
OCTは、MRIや超音波などの他の画像診断法よりもはるかに高い解像度（軸方向で10μm未満、横方向で 20μm未満[ 41 ]
OCTの主な利点は以下のとおりです。
ほぼ顕微鏡レベルの解像度で地中をリアルタイムで撮影した画像 組織の微細構造と形態を瞬時に直接画像化 サンプルや被験者の準備は不要、接触も不要 電離放射線なし OCTは、音波や無線周波数ではなく光に基づいているため、高解像度を実現します。光ビームを組織に照射し、表面下構造から直接反射して戻ってくる光のごく一部を収集します。ほとんどの光は大きな角度で散乱することに注意が必要です。従来の画像診断では、この拡散散乱光が背景となり、画像が不明瞭になります。しかし、OCTでは、干渉法と呼ばれる技術を用いて受信光子の光路長を記録することで、検出前に複数回散乱するほとんどの光子を除去します。このように、OCTは背景信号を除去しながら、対象表面から直接反射された光を収集することで、厚いサンプルの鮮明な3D画像を構築できます。
医療研究コミュニティに導入された非侵襲的な3次元イメージング技術の範囲内では、OCTはエコー技術として超音波イメージング に似ています。コンピュータ断層撮影、磁気共鳴イメージング、陽電子放出断層撮影などの他の医療イメージング技術は、エコーロケーションの原理を使用していません。[ 42 ]
この技術は、生体組織の表面から1～2mm下の画像化に限定される 。それより深い場所では、散乱せずに透過する光の割合が小さすぎて検出できないためである。生体試料の特別な前処理は不要で、画像は非接触で、または透明な窓や膜を通して取得できる。
使用される装置からのレーザー出力は低く、 目に安全な近赤外線または可視光[ 43 ] で あるため、サンプルに損傷を与える可能性は低い。
理論 OCTの原理は、白色光、すなわち低コヒーレンス光を用いた干渉法である。光学系は通常、低コヒーレンスで広帯域の光源を備えた干渉計（図1、典型的にはマイケルソン 型）で構成される。光は参照光路と試料光路に分割され、それぞれからの光が再結合される。
フーリエ領域 TDとFD-OCTにおける干渉信号 フーリエ領域（または周波数領域）OCT（FD-OCT）は、時間領域OCT（TD-OCT）に比べて速度と信号対雑音比（SNR）の優位性があり、2006年以降、業界の標準となっています。周波数変調とコヒーレント検出を使用して測距情報を取得するというアイデアは、1980年代に光周波数領域反射率測定[ 8 ] [ 13 ] フーリエ変換して 、深さに対する反射振幅の軸方向スキャンを取得します。SS-OCTでは、レーザー光源の波長を調整してスペクトル干渉図を順次取得します。SD-OCTでは、分光器でスペクトル干渉図を同時に取得します。 SS-OCT の実装は、早くも 1994 年に MIT グループによって記述されました。[ 6 ] [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]
スペクトルドメインOCT スペクトル領域OCT（空間符号化周波数領域OCT）は、分散素子を介して検出器ストライプ（ラインアレイCCDまたはCMOS）に異なる光周波数を分配することによりスペクトル情報を抽出します（図4参照）。これにより、全深度スキャンの情報を1回の露光で取得できます。ただし、FD-OCTの大きな信号対雑音比の利点は、単一の感光ダイオードと比較してストライプ検出器のダイナミックレンジが低いため減少し、より高速では約10 dB のSNRの利点になります。ただし、1300 nmで動作する場合、この波長範囲ではダイナミックレンジは深刻な問題ではないため、これは大きな問題ではありません。[ 44 ]
この技術の欠点は、ゼロ遅延からの距離に比例するSN比の急激な低下と、検出線幅の制限による深度依存感度のsinc 型低下にあります。（1ピクセルは単一の周波数ではなく、光周波数範囲の準矩形部分を検出するため、フーリエ変換によってsinc(z)型の挙動が生じます。）さらに、分光検出器の分散素子は通常、検出器上で周波数が等間隔に分布するのではなく、ほとんどの場合、逆相関の関係にあります。そのため、処理前に信号をリサンプリングする必要がありますが、この方法では局所的な（ピクセルごとの）帯域幅の違いに対応できず、信号品質がさらに低下します。しかし、画素数の多い新世代のCCDやフォトダイオードアレイの開発により、この低下は深刻な問題ではなくなりました。
合成アレイヘテロダイン検出は、 高分散を必要とせずにこの問題に対処する別のアプローチを提供する。
掃引光源OCT スイープソースOCT（時間符号化周波数領域OCT）は、標準的なTDとスペクトル領域OCTの利点を組み合わせようとするものです。ここでは、スペクトル成分は空間的に分離して符号化されるのではなく、時間的に符号化されます。スペクトルは、単一の連続した周波数ステップでフィルタリングされるか生成され、フーリエ変換の前に再構成されます。周波数走査光源（すなわち、周波数走査レーザー）を採用することで、光学系（図3参照）はスペクトル領域OCTよりも簡素化されますが、走査の問題は基本的にTD-OCTの参照アームからスイープソースOCT光源に移行されます。ここでの利点は、実績のある高SNR検出技術にあり、スイープレーザー光源は非常に高い周波数（20～200kHz ）で非常に狭い瞬時帯域幅（線幅）を実現します。欠点としては、波長の非線形性（特に高走査周波数時）、高周波数における線幅の広がり、走査ジオメトリや試料の動きに対する高い感度（連続する周波数ステップ内でのナノメートル以下の範囲）が挙げられる。
スキャン方式 被試験試料表面上の一点に光ビームを集束させ、反射光を基準光と再合成することで、単一のAスキャン（Z軸のみ）に対応する試料情報を含む干渉縞が得られます。試料のスキャンは、試料上で光を走査するか、被試験試料を移動させることによって行うことができます。直線スキャンでは断面画像（XZ軸スキャン）に対応する2次元データセットが得られ、領域スキャンでは体積画像（XYZ軸スキャン）に対応する3次元データセットが得られます。
単一点 シングルポイント、共焦点、またはフライングスポット時間領域OCTに基づくシステムでは、サンプルを2つの横方向次元でスキャンし、軸方向にスキャンする参照アームを介したコヒーレンスゲーティングによって得られた深度情報を使用して3次元画像を再構成する必要があります（図2）。2次元横方向スキャンは、サンプルを移動させることによって電気機械的に実装されており[ 55 ] [ 56 ] 。
ラインフィールドOCT ラインフィールド共焦点光コヒーレンストモグラフィー（LC-OCT）は、広帯域レーザーを用いたライン照明とラインスキャンカメラを用いたライン検出による時間領域OCTの原理に基づくイメージング技術です。[ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] 中心波長約800 nmで約1 μmの準等方性空間分解能が達成されます。一方、ライン照明と検出は、高NA顕微鏡対物レンズの使用と組み合わされて共焦点ゲートを生成し、信号に寄与しないほとんどの散乱光がカメラによって検出されるのを防ぎます。全視野OCT技術にはないこの共焦点ゲートにより、LC-OCTは皮膚組織などの散乱性の高い媒体における検出感度と透過性において優位性を得ています。[ 60 ] これまでのところ、この技術は主 に皮膚科 [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [64] [ 65 ] [ 66 ]および美容 [ 67 ] ます
全視野OCT 全視野OCTの概略図 1998年にクロード・ボッカラのチームによって、ビーム走査なしで画像を取得する時間的OCTのイメージング手法が開発されました[ 68 ] 正面像 、つまり古典的な顕微鏡画像のように、照明光ビームに直交しています[ 69 ] 。
より正確には、干渉画像はマイケルソン干渉計によって生成され、光路長の差は高速電気部品（通常は参照アームのピエゾミラー）によって変化します。CCD カメラで取得されたこれらの画像は、位相シフト干渉法によって後処理（またはオンライン）で合成され、使用されるアルゴリズムに応じて、変調周期ごとに通常 2 枚または 4 枚の画像が取得されます。[ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]
したがって、「正面」断層画像は、両アームで顕微鏡対物レンズを使用するマイケルソン干渉計のリニック構成によって保証される広視野照明によって生成されます。さらに、光源の時間的コヒーレンスは古典的なOCTと同様に低く保つ必要がありますが（つまり、広帯域スペクトル）、寄生干渉を避けるために空間的コヒーレンスも低くする必要があります（つまり、大きなサイズの光源）。[ 73 ]
選択されたアプリケーション 光干渉断層撮影法は確立された医用画像診断技術であり、眼科や循環器科を含む複数の医療分野で用いられており、基礎科学研究においても広く利用されている。
眼科 眼科用OCTは、網膜 や前眼部 の高解像度画像を取得するために、眼科医 や検眼医 によって広く使用されています。OCTは組織層の断面をマイクロメートル分解能で表示できるため、緑内障[78]、加齢黄斑変性[79]、糖尿病性黄斑浮腫[80]、多発性硬化症[81]、視神経炎[82]、および眼症状を伴うその他の 眼 疾患 や 全身 性 病態 細胞 組織 、 光 受容 完全 性 [ [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] 、 軸索 の 厚 さ を 評価 する な 方法を 提供 し [ 83 ] [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] 眼科手術 、特に網膜手術では、OCTを顕微鏡に取り付けることができる。このようなシステムは術中OCT （iOCT）と呼ばれ、手術中に臨床的利点をもたらすサポートを提供する[ 91 ] [ 92 ] [ 93 ]。 [ 94 ] [ 95 ]
OCT は網膜神経線維層 (RNFL) の厚さを測定するために使用できます。[ 96 ] [ 97 ] 確率的移行を形式化するために適用されています。[ 99 ] の フレームワーク [ 100 ] [ 101 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]
前眼部OCT（AS-OCT）プラットフォームは、眼の前部の構造を詳細に描写するために使用され、[ 103 ]
心臓病学 心臓病学の分野では、OCTは冠動脈の 画像化に使用され、血管壁内腔の形態や微細構造を、血管内超音波 やX線血管造影（冠動脈内光コヒーレンストモグラフィー ）などの既存のモダリティよりも約10倍高い解像度で可視化します。この種のアプリケーションでは、経皮的冠動脈インターベンション などの半侵襲的介入によって動脈内腔にアクセスするために、直径1mm以下の光ファイバーカテーテルが使用されます。
内視鏡OCTの最初の実証は、1997年にマサチューセッツ工科大学の藤本研究室の研究者によって報告されました。[ 104 ] マサチューセッツ総合病院によって報告されました。 [ 105 ] [ 106 ] テルモ 株式会社、2020年にGentuity LLCによって導入されました。[ 107 ] [ 108 ]
冠動脈内OCTのその他の発展としては、マルチモダリティイメージングのための他の光イメージングモダリティとの組み合わせが挙げられる。血管内OCTは、分子/機能情報と組織形態情報を同時に検出する能力を高めるために、近赤外蛍光分子イメージング（NIRF）と組み合わされている。 [ 109 ] [ 110 ] [ 111 ]
神経血管 内視鏡/血管内OCTは、虚血性脳卒中や脳動脈瘤の血管内治療をガイドするための画像化など、神経血管アプリケーションでの使用に向けてさらに開発されました。[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ] [ 115 ] 血管内神経OCT（ n OCT） を使用した最初のヒト研究が2024年に報告されました。[ 116 ] [ 117 ] [ 118 ]
Dermatology The first use of OCT in dermatology dates back to 1997.[ 122] [ 123] [ 124] [ 125] [ 126] [ 127]
Dentistry Researchers in Tokyo medical and Dental University were able to detect enamel white spot lesions around and beneath the orthodontic brackets using swept source OCT.[ 128]
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![{\displaystyle I=k_{1}I_{S}+k_{2}I_{S}+2{\sqrt {\left(k_{1}I_{S}\right)\cdot \left(k_{2}I_{S}\right)}}\cdot Re\left[\gamma \left(\tau \right)\right]\qquad (1)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e90b482fe73988b986f3ebc89f0ff288bf6d67d9)
![\displaystyle \gamma \left(\tau \right)=\exp \left[-\left({\frac {\pi \Delta \nu \tau }{2{\sqrt {\ln 2}}}}\right)^{2}\right]\cdot \exp \left(-j2\pi \nu _{0}\tau \right)\qquad \quad (2)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/83da0d10e1049d9b461ab144e7b9dd7e58e85c45)
