JP2014202484A - 光断層画像取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて対象物の正確な光断層画像を取得することができる光断層画像取得方法を提供する。【解決手段】光学素子４１は、一定の波数間隔で透過率のピークを有する。光学素子４１の透過スペクトルを利用して、対象物２からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて一定の波数間隔の複数の波数それぞれでの干渉光データを求め、これをフーリエ変換することにより対象物の正確な光断層画像を取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて対象物の光断層画像を取得する方法に関するものである。

対象物の光断層画像を取得するＯＣＴ（Optical CoherenceTomography）技術は、対象物の奥行き方向の構造を非侵襲かつ高分解能で検出することができることから、様々な分野で実用化されている。ＯＣＴの方式は、時間領域ＯＣＴ（Time-Domain OCT、ＴＤ-ＯＣＴ）とフーリエ領域ＯＣＴ（Fourier-Domain OCT、ＦＤ-ＯＣＴ）とに大別される。

ＴＤ-ＯＣＴでは、低コヒーレント光を対象物に照射したときの対象物からの反射光と参照光とによる干渉光の強度を、両光の間の光路長差を走査しながら求め、各光路長差における干渉光強度に基づいて対象物の光断層画像を求める。ＦＤ-ＯＣＴでは、対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて対象物の光断層画像を求める。ＦＤ-ＯＣＴは、ＴＤ-ＯＣＴと比べて短時間に光断層画像を取得することができることから、現在では主流となってきている。また、ＦＤ-ＯＣＴは、広帯域光源および分光器を用いる構成（Spectral-domain ＯＣＴ）と、波長掃引型光源および単一または複数の検出器を用いる構成（Sweep-source ＯＣＴ）とに分かれる。

ＦＤ-ＯＣＴでは、対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルのうち一定間隔の複数の波数それぞれでの干渉光強度データに基づいて光断層画像を求める。特許文献１，２には、Sweep-source ＯＣＴにおいて、波長掃引型光源から波長が掃引されて出力された光のうち一部を、一定の波数間隔で透過率のピークを有する光学素子に入力させ、この光学素子からの透過光の強度がピークとなるタイミングで干渉光強度を求めることで、一定間隔の複数の波数それぞれでの干渉光強度データを求める発明が開示されている。

特開２００８−５４５９７０号公報 特開２００７−１０１２４９号公報

しかしながら、広帯域光源および分光器を用いるSpectral-domain ＯＣＴでは、分光器の波長分解能の制約により、精度良く一定間隔の複数の波数それぞれでの干渉光強度データを求めることができず、対象物の正確な光断層画像を取得することができない。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて対象物の正確な光断層画像を取得することができる光断層画像取得方法を提供することを目的とする。

本発明の光断層画像取得方法は、対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルを複数の画素を有する検出器により測定し、この干渉スペクトルに基づいて対象物の光断層画像を取得する方法であって、(1) 一定の波数間隔で透過率のピークを有する光学素子の透過光強度を検出器により透過スペクトルとして測定する透過スペクトル測定ステップと、(2) 透過スペクトルを周波数拡張する周波数拡張ステップと、(3) 複数の画素の各画素に対する初期の波数を複数の波数として決めるデータ初期配置ステップと、(4) 周波数拡張された透過スペクトルを補間して、等間隔の波数グリッド上の複数の波数における光強度データを求める波数補間ステップと、(5) 複数の波数それぞれでの光強度データに基づいてフーリエ変換を行い、このフーリエ変換結果に出現する複数のピークのうち何れか１つの特定ピークを窓関数により選択的に抽出し、その抽出した特定ピークに相当する振動成分の位相の波数に対する非線形性の大きさを評価する位相非線形性評価ステップと、(6) 位相非線形性評価ステップで得られた評価結果に基づいて複数の波数を更新するデータ更新配置ステップと、を備えることを特徴とする。

そして、本発明の光断層画像取得方法は、位相非線形性評価ステップで得られた評価結果に基づいて非線形性の大きさが基準値以下になるまで又は繰り返し回数が所定数になるまで、データ更新配置ステップ、波数補間ステップおよび位相非線形性評価ステップを繰り返し行って複数の波数を更新し、干渉スペクトルのうち最終更新後の複数の波数それぞれでの干渉光強度データに基づいて光断層画像を求めることを特徴とする。

本発明の光断層画像取得方法は、位相非線形性評価ステップにおいて、窓関数として、特定ピークの位置を含む一定範囲で値が非０であって他の範囲で値が０である矩形型関数を用いるのが好適であり、また、特定ピークの位置を中心とするガウシアン関数を用いるのも好適である。

また、本発明の光断層画像取得方法は、検出器が分光器を含み、データ初期配置ステップにおいて、分光器の設計に基づいて設定される複数の波数それぞれでの光強度データを求めるのが好適である。

本発明によれば、対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて対象物の正確な光断層画像を取得することができる。

ＯＣＴ装置１の構成を示す図である。 光学素子４１の構成例を示す図である。 光学素子４１の構成例を示す図である。 検出器４４の構成例を示す図である。 本実施形態の光断層画像取得方法の手順を示す図である。 位相非線形性評価ステップの処理内容の一例を説明する図である。 位相非線形性評価ステップの処理内容の他の一例を説明する図である。 位相非線形性評価ステップの処理内容の更に他の一例を説明する図である。 位相非線形性評価ステップにおいて波数に対する位相の非線形性の大きさを評価する方法を説明する図である。 位相非線形性評価ステップにおいて波数に対する位相の非線形性の大きさを評価する方法を説明する図である。 データ更新配置ステップの処理内容の一例を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、ＯＣＴ装置１の構成を示す図である。ＯＣＴ装置１は、対象物２からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて対象物２の光断層画像を取得する光断層画像取得装置である。ＯＣＴ装置１は、光源１１、光スイッチ１２、光カプラ１３、可変光減衰器２１、光サーキュレータ２２、参照光用レンズ２３、ミラー２４、可変光減衰器３１、光サーキュレータ３２、偏波コントローラ３３、測定光用レンズ３４、光学素子４１、光カプラ４２、光カプラ４３および検出器４４を備える。なお、これらの構成要素の間で光は光ファイバにより導波されるのが好適である。

Spectral-domain ＯＣＴでは、光源１１として広帯域光源が用いられ、検出器４４として例えばフォトダイオードアレイを含む分光器が用いられる。Sweep-source ＯＣＴでは、光源１１として波長掃引型光源が用いられ、検出器４４として例えばフォトダイオードを含む単一または複数の検出器が用いられる。

光スイッチ１２は、光源１１から出力された光を入力し、その光を光カプラ１３および光学素子４１の何れかへ出力する。光源１１から出力される光が光スイッチ１２を経て光カプラ１３へ入力される場合、その光は光カプラ１３により２分岐され、一方の分岐光は参照光として可変光減衰器２１へ出力され、他方の分岐光は測定光として可変光減衰器３１へ出力される。

光カプラ１３から出力された参照光は、可変光減衰器２１により強度が調整され、光サーキュレータ２２を経て、参照光用レンズ２３によりコリメートされてミラー２４に入射される。ミラー２４で反射された参照光は、参照光用レンズ２３，光サーキュレータ２２および光カプラ４２を経て、光カプラ４３に入力される。

光カプラ１３から出力された測定光は、可変光減衰器３１により強度が調整され、光サーキュレータ３２を経て、偏波コントローラ３３により偏波状態が調整され、測定光用レンズ３４により集光されて対象物２に照射される。対象物２への測定光の照射によって対象物２の表面または内部で生じた反射光は、測定光用レンズ３４，偏波コントローラ３３および光サーキュレータ３２を経て、光カプラ４３に入力される。

ミラー２４からの参照光と対象物２からの反射光とは光カプラ４３に入力されて干渉し、その干渉光は検出器４４に入力されて検出される。検出器４４により、対象物２からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルが得られる。

一方、光源１１から出力される光が光スイッチ１２を経て光学素子４１へ入力される場合、その光は、その波長および光学素子４１の透過スペクトルに応じた透過率で光学素子４１を透過する。光学素子４１からの透過光は、光カプラ４２および光カプラ４３を経て、検出器４４に入力されて検出される。光学素子４１は、一定の波数間隔で透過率のピークを有する。検出器４４により、光学素子４１の透過スペクトルが得られる。

図２は、光学素子４１の構成例を示す図である。同図に示される光学素子４１Ａは、図１に示されるＯＣＴ装置１における光学素子４１として用いられ得るものであって、ビームスプリッタ５１，５２およびミラー５３，５４を備える。光学素子４１Ａは、入力光をビームスプリッタ５１により２分岐し、第１分岐光をミラー５３，５４により反射させ、この第１分岐光と第２分岐光とをビームスプリッタ５２により干渉させて出力する。

図３は、光学素子４１の他の構成例を示す図である。同図に示される光学素子４１Ｂは、図１に示されるＯＣＴ装置１における光学素子４１として用いられ得るものであって、互いに平行な２つの主面５５，５６を有するエタロンである。光学素子４１Ｂは、第１主面５５に入力された光を主面５５，５６で多重反射させて、多重干渉光を第２主面５６から出力する。

光学素子４１の透過スペクトルＩ(ω)は、一般式として下記（１）式で表さる。ωは角周波数である。ｋは波数である。ｎは次数である。ｄは干渉を生じさせるための光路長差である。光学素子４１Ａ（図２）の場合、透過スペクトルＩ(ω)はｎ＝１の成分のみを有する。光学素子４１Ｂ（図３）の場合、透過スペクトルＩ(ω)はｎ＞１の成分をも有する。光学素子４１の透過スペクトルＩ(ω)は、一定の波数間隔でピークを有する。

図４は、検出器４４の構成例を示す図である。同図に示される検出器４４は、レンズ６１、反射型回折格子６２、レンズ６３およびフォトダイオードアレイ６４を含む分光器の構成を有する。この検出器４４では、入力光は、レンズ６１によりコリメートされ、回折格子６２により波長分離され、レンズ６３により波長に応じた位置に集光されて、フォトダイオードアレイ６４により受光される。フォトダイオードアレイ６４の各画素（各フォトダイオード）は、その位置に応じた波長の光を受光する。

フォトダイオードアレイ６４の画素位置ｘと、当該画素が受光する光の波長λとの間の関係は、下記（２）式で表される。ｆ_１はレンズ６１の焦点距離である。ｆ_２はレンズ６３の焦点距離である。θ_inはレンズ６１から回折格子６２への光の入射角である。θ_outは回折格子６２からレンズ６３への波長λの光の出射角である。λ_０は中心波長である。Ｎは回折格子の本数である。Δｘは光軸に対するセンサ位置のずれである。ｍは回折の次数である。フォトダイオードアレイ６４の各画素は、波数順に並んでいるものの、波数に関して厳密に一定間隔で配置されているわけではない。

ＦＤ-ＯＣＴの原理から、波数に関して等間隔に並んだ干渉光強度データを得ることができれば、これをフーリエ変換することにより対象物の正確な光断層画像を取得することができる。しかし、検出器４４としての分光器に含まれるフォトダイオードアレイ６４においては、各画素位置に対応する波数は等間隔に分布していないので、対象物の正確な光断層画像を取得することができない。

本実施形態では、光学素子４１の透過スペクトルを利用して、対象物２からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルに基づいて一定の波数間隔の複数の波数それぞれでの干渉光データを求め、これをフーリエ変換することにより対象物の正確な光断層画像を取得することができる。

図５は、本実施形態の光断層画像取得方法の手順を示す図である。本実施形態では、先ず、光学素子４１の透過光強度のスペクトルを検出器４４により測定し（透過スペクトル測定ステップＳ１）、この透過スペクトルを波数割り当てに基づいて等間隔の波数軸上に並べ直し、その後フーリエ変換によって断層像を得る。

一般に、検出器４４としての分光器は、高速性が要求されることから、ラインカメラを内蔵している。そのデータ数（画素数）は、例えば５１２または１０２４であり、スペクトルデータとしては比較的少ない。データ数が少ない透過スペクトルに基づいて一定間隔の複数の波数それぞれでの光強度データを求めようとすると、補間誤差が大きくなる。

そこで、周波数拡張ステップＳ２としてデータ数を増加させるZero-paddingと呼ばれる手法を光学素子４１の透過スペクトルに適用するのが好ましい。Zero-paddingでは、透過スペクトルをフーリエ変換し、そのフーリエ変換結果における周波数の範囲を定数倍に周波数拡張し、逆フーリエ変換をする。Zero-padding後の透過スペクトルには、元の透過スペクトルのデータが定数倍の周期で残っており、その間には滑らかに補間されたデータが並んでいる。

波数補間ステップＳ４では、このZero-padding後の透過スペクトルを等間隔の波長グリッド上に並べなおす。しかし、この時点では、透過スペクトルの各データの波数が不明である。そこで、データ初期配置ステップＳ３では、複数の波数それぞれを初期設定する。たとえば、分光器４４の設計に基づいて設定される複数の波数それぞれでの光強度データを求めるのが好適である。又は、事前に波長可変光源を用いて測定した結果に基づいて各データ点の波数を特定するのも好適である。

ここで、各点の波数が真値からずれていると見かけのスペクトルがゆがんでしまう。そこで、各データ点の波数を特定する位相非線形性評価ステップＳ５において、複数の波数が一定間隔であると仮定して複数の波数それぞれでの光強度データに基づいてフーリエ変換を行い、このフーリエ変換結果に出現する複数のピークのうち何れか１つの特定ピークを窓関数により選択的に抽出し、その抽出した特定ピークに相当する振動成分の位相の波数に対する非線形性の大きさを評価する。

図６は、位相非線形性評価ステップの処理内容の一例を説明する図である。位相非線形性評価ステップＳ５では、Zero-padding後の透過スペクトルのうち複数の波数それぞれでの光強度データからなるスペクトルｙを実部スペクトルＲｅ(ｙ)とし、スペクトルｙをフーリエ変換してフーリエ変換結果Ｆ(ｙ)を求める。下記（３）式で表される窓関数Ｈをフーリエ変換結果Ｆ(ｙ)に乗じ、その乗じた結果を逆フーリエ変換して虚部スペクトルＩｍ(ｙ)を求める。そして、実部スペクトルＲｅ(ｙ)と虚部スペクトルＩｍ(ｙ)とから、位相と波数との関係を求める。

図７は、位相非線形性評価ステップの処理内容の他の一例を説明する図である。透過スペクトルｙが高次の周波数成分を含んでいる場合、図６に示される処理を行うと高次の周波数成分が雑音となるので、図７に示される処理を行うのが好適である。すなわち、Zero-padding後の透過スペクトルのうち複数の波数それぞれでの光強度データからなるスペクトルｙをフーリエ変換してフーリエ変換結果Ｆ(ｙ)を求める。下記（４）式または（５）式で表される窓関数Ｈをフーリエ変換結果Ｆ(ｙ)に乗じ、その乗じた結果を逆フーリエ変換して実部スペクトルＲｅ(ｙ)および虚部スペクトルＩｍ(ｙ)を求める（複素信号化）。そして、実部スペクトルＲｅ(ｙ)と虚部スペクトルＩｍ(ｙ)とから、位相と波数との関係を求める（位相抽出）。

（４）式または（５）式で表される窓関数Ｈは、フーリエ変換結果Ｆ(ｙ)に出現する複数（図７では２個）のピークのうち何れか１つの特定ピークを選択的に抽出するものである。（４）式で表される窓関数Ｈsqは、特定ピークの位置を含む一定範囲で値が非０であって他の範囲で値が０である矩形型関数である。（５）式で表される窓関数Ｈgは、特定ピークの位置を中心とするガウシアン関数である。

図８は、位相非線形性評価ステップの処理内容の更に他の一例を説明する図である。同図に示されるように、透過スペクトルｙが高次の強い周波数成分を含んでいる場合、窓関数Ｈは、フーリエ変換結果Ｆ(ｙ)に現れる複数のピークのうち何れか１つの高次の周波数成分のピークを選択的に抽出するものであってもよい。光学素子４１がエタロンである場合（図３）、エタロンの透過スペクトルは多重反射により周期的なピークを有する波形となるが、高次成分は次数分だけ位相が変化するので、一定波数間隔からの歪みを検出しやすい。

また、以上の何れかの２方法を組み合わせて、正負の双方でバンドパス特性を有し実部と虚部とで位相が互いに異なる窓関数（下記（６）式）を用いてもよい。Ｈbは、ω_０を中心としてバンドパス特性を有する関数である。

位相非線形性評価ステップＳ５では、以上のようにして求めた位相と波数との関係に基づいて、波数に対する位相の非線形性の大きさを評価する。図９および図１０は、位相非線形性評価ステップＳ５において波数に対する位相の非線形性の大きさを評価する方法を説明する図である。複数の波数が一定間隔である場合、図９に示されるように、波数に対して位相は線形である。これに対して、複数の波数が一定間隔でない場合、図１０に示されるように、波数に対して位相は線形ではなく非線形性を有する。

したがって、波数に対する位相の非線形性の大きさを評価することによって、一定間隔の複数の波数に対する誤差の大きさを知ることができる。波数ｋに対する位相の非線形性の大きさΔφは、下記（７）式の多項式で表すことができる。ｎｄは、波数に対して位相が線形である場合の当該線形特性の傾きであり、測定可能である。ｋ_０は位相差を０とする基準波数である。なお、多項式に替えて一意性のある他の関数を用いて位相の非線形性の大きさΔφを近似してもよい。

位相非線形性評価ステップＳ５に続くデータ更新配置ステップＳ６では、位相非線形性評価ステップＳ５で得られた評価結果に基づいて複数の波数を更新して、その更新後の複数の波数それぞれでの光強度データを求める。図１１は、データ更新配置ステップの処理内容の一例を説明する図である。データ更新配置ステップＳ６では、波数ｋに対する位相の非線形性の大きさΔφを上記（７）式にフィッティングして（７）式中の係数ａ_ｎを求める。そして、この（７）式を用い、下記（８）式に従って、これまでの波数列{ｋ_ｉ}を更新して新たな波数列{ｋ'_ｉ}を求める。

点（ｋ'_ｉ，Δφ(ｋ_ｉ)）は理想的な線形特性線上に位置するので、{ｋ'_ｉ}を新しい波数の配置とすることで、波数に対する位相の非線形性を軽減することができる。途中で補間処理があることから、１回の更新で完全に補正することができない。しかし、非線形成分の二乗和が一定の基準値以下になるまで、又は、繰り返し回数が所定数になるまで、データ更新配置ステップＳ６および位相非線形性評価ステップＳ５を繰り返し行って波数{ｋ_ｉ}を更新することにより、波数に対する位相の非線形性を極力０に近い状態にすることができる。

そして、対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルのうち最終更新後の複数の波数それぞれでの干渉光強度データに基づいて、対象物の光断層画像を求める。このとき、干渉スペクトルに対してZero-paddingを行うのが好適である。このZero-padding後の干渉スペクトルに基づいて、一定の波数間隔の複数の波数（最終更新後の複数の波数）それぞれでの干渉光強度データをフーリエ変換することで、対象物の正確な光断層画像を求めることができる。

１…ＯＣＴ装置、１１…光源、１２…光スイッチ、１３…光カプラ、２１…可変光減衰器、２２…光サーキュレータ、２３…参照光用レンズ、２４…ミラー、３１…可変光減衰器、３２…光サーキュレータ、３３…偏波コントローラ、３４…測定光用レンズ、４１…光学素子、４２…光カプラ、４３…光カプラ、４４…検出器。

Claims (4)

1. 対象物からの反射光と参照光とによる干渉スペクトルを複数の画素を有する検出器により測定し、この干渉スペクトルに基づいて前記対象物の光断層画像を取得する方法であって、
   一定の波数間隔で透過率のピークを有する光学素子の透過光強度を前記検出器により透過スペクトルとして測定する透過スペクトル測定ステップと、
   前記透過スペクトルを周波数拡張する周波数拡張ステップと、
   前記複数の画素の各画素に対する初期の波数を複数の波数として決めるデータ初期配置ステップと、
   前記周波数拡張された透過スペクトルを補間して、等間隔の波数グリッド上の複数の波数における光強度データを求める波数補間ステップと、
   前記複数の波数それぞれでの光強度データに基づいてフーリエ変換を行い、このフーリエ変換結果に出現する複数のピークのうち何れか１つの特定ピークを窓関数により選択的に抽出し、その抽出した特定ピークに相当する振動成分の位相の波数に対する非線形性の大きさを評価する位相非線形性評価ステップと、
   前記位相非線形性評価ステップで得られた評価結果に基づいて前記複数の波数を更新するデータ更新配置ステップと、
   を備え、
   前記位相非線形性評価ステップで得られた評価結果に基づいて前記非線形性の大きさが基準値以下になるまで又は繰り返し回数が所定数になるまで、前記データ更新配置ステップ、前記波数補間ステップおよび前記位相非線形性評価ステップを繰り返し行って前記複数の波数を更新し、
   前記干渉スペクトルのうち最終更新後の複数の波数それぞれでの干渉光強度データに基づいて前記光断層画像を求める、
   ことを特徴とする光断層画像取得方法。
2. 前記位相非線形性評価ステップにおいて、前記窓関数として、前記特定ピークの位置を含む一定範囲で値が非０であって他の範囲で値が０である矩形型関数を用いる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光断層画像取得方法。
3. 前記位相非線形性評価ステップにおいて、前記窓関数として、前記特定ピークの位置を中心とするガウシアン関数を用いる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光断層画像取得方法。
4. 前記検出器が分光器を含み、
   前記データ初期配置ステップにおいて、前記分光器の設計に基づいて設定される前記複数の波数それぞれでの光強度データを求める、
   ことを特徴とする請求項１に記載の光断層画像取得方法。
   

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