CN102822866A

CN102822866A - 光学断层摄像设备

Info

Publication number: CN102822866A
Application number: CN201180015879.1A
Authority: CN
Inventors: 汤浅堂司
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: CN102822866B; KR101423855B1; EP2550640B1; JP5801577B2; US20120300217A1; EP2550640A1; WO2011118826A1; KR20120135422A; JP2011218155A; US9299134B2

Abstract

一种光学断层摄像设备，包括：用于根据光源的光束创建测量光束和参考光束、并且通过对由所述测量光束所产生的返回光束和所述参考光束进行合成来生成干涉光的单元；用于检测所述干涉光以生成检测信号的单元；用于基于所述检测信号来形成被检体的图像的单元；用于在所述图像中指定特定区域的单元；用于设置对所述特定区域的图像质量进行判断所使用的计算指标和判断基准范围的单元；以及用于基于所述计算指标对所述特定区域的亮度值进行计算处理、判断作为所述计算处理的结果所获得的计算值是否在所述判断基准范围内、并输出检测结果的单元。

Description

光学断层摄像设备

技术领域

本发明涉及光学断层图像的摄像方法及摄像装置，尤其涉及采用例如眼科诊疗等所使用的光学相干断层成像技术的光学断层图像的摄像方法及摄像装置。

背景技术

近年来，应用低相干干涉仪技术或白光干涉仪技术的光学相干断层摄像方法和光学相干断层摄像设备得到了实际使用。特别地，利用多波长光的干涉现象进行光学相干断层成像(OCT)的光学断层摄像设备(光学干涉仪设备)可以以高分辨率来获得样本的断层图像。因此，在眼科领域中，光学断层摄像设备正成为用于获得眼底或视网膜的断层图像所必不可少的设备。除眼科应用外，光学断层摄像设备也被用于以下方面：皮肤的断层观察；以及利用构成设备的内窥镜或导管对消化器官和心血管器官进行壁面断层成像扫描；等等。在下文中，光学断层摄像设备被称为OCT设备。

近年来，傅立叶域光学相干断层成像(OCT)技术得以发展，结果，摄像所需的时间段与传统时域光学相干断层成像(OCT)相比显著缩短。然而，在诸如人眼等的被检体总是微动的情况下，诸如聚焦位置和摄像范围位置等的摄像条件有所改变，这导致诸如对比度的降低和摄像范围的出帧(frame out)等的问题。因而，为了防止出帧并将关注区域与该关注区域的周围区域进行比较，需要获得包含该关注区域及其周围区域的图像。

日本特开2009-042197公开了如下方法：在构成图像的信号的强度低于预定阈值的情况下，进行控制以增大该信号的强度。

发明内容

技术问题

然而，利用日本特开2009-042197所公开的方法，存在如下情况：与包含周围区域的整个图像有关的信号的增大控制可能会相反地造成图像中关注区域的信号强度的下降。除将信号强度用作指标的情况以外，将SNR或对比度等用作指标的情况也同样如此。因此，存在判断OCT图像中的关注区域是否具有良好图像质量这一问题。

本发明是考虑到上述问题而作出的，因此本发明的目的在于提供一种光学断层摄像设备，其中该光学断层摄像设备能够容易地判断所获得的测量者的关注区域是否具有良好图像质量。

问题的解决方案

为解决上述问题，本发明提供一种光学断层摄像设备，包括：光源，用于输出低相干光束；用于将所述低相干光束分割为测量光束和参考光束、并且通过对由照射了被检体的所述测量光束所产生的返回光束和穿过了参考光路的所述参考光束进行合成来生成干涉光的单元；用于检测所述干涉光以生成检测信号的单元；用于基于所述检测信号来形成所述被检体的图像的单元；用于在所述图像中指定特定区域的单元；用于设置对所述特定区域的图像质量进行判断所使用的计算指标和判断基准范围的单元；以及用于基于所述计算指标对所述特定区域的亮度值进行计算处理、判断作为所述计算处理的结果所获得的计算值是否在所述判断基准范围内、并输出检测结果的单元。

根据本发明的光学断层摄像设备，可以指定OCT图像中的特定关注区域，指定用于判断该区域的图像质量的适当的计算指标，并且根据基于该计算指标所获得的计算值来判断该区域的图像质量是否良好。因此，可以容易地判断所获得的测量者的关注区域是否具有良好图像质量。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

图1示出根据实施例的OCT的结构。

图2示出根据实施例的显示装置的结构。

图3示出根据实施例的图像形成软件所进行的处理步骤。

图4示出根据实施例的图像形成步骤。

图5A、5B和5C示出根据示例2的区域指定。

图6示出根据示例3的区域指定。

具体实施方式

参考图1~4说明本发明的实施例。尽管本实施例采用使用迈克生(Michelson)干涉仪的谱域OCT，但干涉仪的类型并不限于Michelson型。

图1示出本实施例的光学断层摄像设备的整体结构。

从低相干光源101出射的光束穿过光纤，并且被光纤准直器102准直为准直光束。该准直光束被分束器103分割为测量光束和参考光束。

测量光束经由目镜105和两个检流计镜所构成的扫描光学系统104来照射被检体120。扫描光学系统104可以二维地改变被检体120上的光斑位置。此外，目镜105可以通过使用电动台113沿着光轴方向移动来改变测量光束的焦点位置。被检体120所反射或散射的返回光束以相反方向沿着先前经过的路径行进，并且经由目镜105和扫描光学系统104返回至分束器103。

另一方面，参考光束穿过色散补偿玻璃106，由参考镜107反射，以相反方向再次沿先前经过的路径行进，并且返回至分束器103。参考镜107安装在沿着光轴方向移动的电动台114上，从而能够调整参考光路长度。色散补偿玻璃106被配置成将直角三角形形状的两个色散棱镜以斜边相对的方式进行配置，并且该色散补偿玻璃106可以通过使其位置偏移来调整光路长度。构成测量光路和参考光路的光学系统通常是不同的，并且因而具有不同的色散量，而这并非是最佳干涉条件。因而，将色散补偿玻璃106插入参考光路以调整色散量。

由被检体120所反射或散射的返回光束和由参考镜107所返回的参考光束被分束器103合成为干涉光。所生成的干涉光被光纤准直器108输入至光纤，然后输入至检测单元110。检测单元110包括用于对干涉光进行光谱衍射的衍射光栅以及用于检测光谱衍射后的干涉光的线传感器照相机，并且检测单元110将光谱衍射后的干涉光转换为数字化的检测信号，并将该检测信号发送至信号处理装置111。信号处理装置111包括：图像形成处理软件，用于基于该检测信号来形成被检体120的图像；以及显示装置112，用于显示被检体120的图像。

图2示出显示装置112的结构。显示装置112包括图像显示部201、区域设置部202a和202b、计算指标设置部203、计算值显示部204、判断基准范围设置部205、以及检测结果显示部206。图像显示部201显示由信号处理装置111进行处理后的图像数据。区域设置部202a和202b在所显示图像中设置经过图像评价的区域。计算指标设置部203设置用于判断所显示图像的质量的计算指标。计算值显示部204显示由区域设置部202a和202b所设置的区域内计算得到的计算值。检测结果显示部206显示用于表示计算值是否在判断基准范围设置部205所设置的范围内的判断结果。

此外，如图1所示，信号处理装置111可以被配置为将检测结果发送至电动台控制装置115。后面将对此加以说明。

图3示出信号处理装置111的图像形成处理软件所进行的处理步骤。图像形成处理软件首先接收由检测单元110发送来的检测信号，并将该检测信号发送至图像形成步骤(301)。在图像形成步骤中对检测信号进行处理以形成被检体120的图像数据(302)。图像形成处理软件将图像数据显示在图像显示部201上，并接收由区域设置部202a和202b所设置的区域(303)。然后，图像形成处理软件接收在计算指标设置部203中设置的计算指标(304)。图像形成处理软件还接收在判断基准范围设置部205中设置的判断基准范围(305)。图像形成处理软件基于上述信息从图像数据中提取各区域的亮度值，并且基于设置的计算指标来对亮度值执行计算处理。图像形成处理软件将作为结果所获得的计算值与判断基准范围进行比较，并判断计算值是否在判断基准范围内(306)。如果计算值在判断基准范围内，则图像形成处理软件输出“○”(307A)，并且如果计算值在判断基准范围外，则图像形成处理软件输出“×”(307B)。如果操作继续，则图像形成处理软件返回至开始；并且如果操作结束，则图像形成处理软件结束该处理(308)。

图4示出图3的图像形成步骤(302)的细节。首先，检测单元110发送来的检测信号是与低相干光源101中所包含的波长相对应的检测信号，并且在傅立叶变换处理前将该检测信号变换为与波数(波长的倒数)相对应的形式(401)。该数据经过傅立叶变换进行处理(402)，而且计算所输出的复振幅的绝对值(403)。通过常用对数转换将绝对值数据转换为8位(256)灰度级的亮度值以将该绝对值数据显示为图像(404)。使该亮度值数据与图像的位置坐标相对应(405)，并将该亮度值数据作为二维图像数据输出。

根据本实施例的结构，可以指定OCT图像中的特定关注区域，指定用于判断该区域的图像质量的适当的计算指标，并且根据基于该计算指标所获得的计算值来判断该区域的图像质量是否良好，因此，可以容易地判断所获得的测量者的关注区域是否具有良好图像质量。

示例1

根据图1~4所示的实施例说明具体示例。

中心波长为840nm且波长宽度为45nm的超发光二极管(SLD)用作低相干光源101。被检体120为人眼的视网膜。色散补偿玻璃106由BK7玻璃制成，并且通过使用长边为20mm且短边为15mm的两个色散棱镜来构成。将长边配置为平行于光轴，并且将标准折射率液体涂敷至斜面以使斜面相互粘合。可以通过使斜面偏移而使用作光路的玻璃的厚度在大约20±10mm的范围内改变。

按照如下所述配置检测单元110。线传感器照相机具有14-μm平方的像素大小、14μm的像素间距、2048的像素数量和高达27kHz的线速率。对光学系统进行配置，以使得通过1200线/mm的透射型衍射光栅来对光纤所输入的干涉光进行光谱衍射并且使干涉光聚光于线传感器照相机上。干涉光在线传感器照相机中以12比特的分辨率进行模拟-数字转换，并且将转换后的干涉光作为检测信号发送至信号处理装置111。

使用个人计算机作为信号处理装置。此外，使用个人计算机的液晶屏作为显示装置112。

根据本示例，通过关注视网膜色素上皮层的SNR(S/N比)来判断图像显示部201上所显示的图像的图像质量是否良好。由区域设置部202a和202b来指定第一区域和第二区域，在计算指标设置部203中将计算指标设置为“SNR”，并且在判断基准范围设置部205中将判断基准范围设置为40~60[dB]。区域设置部202b所设置的第一区域是部分地包含有视网膜色素上皮层的区域，并且在区域设置部202a所设置的第二区域被认为是背景的情况下判断SNR。基于各区域中的像素的亮度值，根据以下等式来计算SNR。

SNR=20×log{(区域202b的亮度值的最大值)/(区域202a的亮度值的标准偏差)}

将计算结果显示在计算结果显示部204上。在本示例中，计算结果为41.4dB。该计算值处于判断基准范围内，因此在检测结果显示部206上显示“○”。

上述示例中直接显示SNR的值。然而，在考虑到40~60dB的判断基准范围来显示通过将40dB表示为0且将60dB表示为100的比例缩放所获得的值的情况下，这可能会提供对观察者而言更为友好的显示。此外，尽管检测结果由“○”或“×”来表示，但可以使用光的明暗、颜色、符号、声音和机械动作的任意之一，只要该表示方法能够明确区分SNR是在判断基准范围内还是在判断基准范围外即可。

根据本示例，可以通过指定所获得的OCT图像中的关注区域并且采用相对于背景的SNR作为计算指标来容易地判断该关注区域是否被清晰地进行摄像。

根据本示例，尽管说明了采用分束器103的块状光学系统的例子，但通过使用光纤耦合器构成光纤系统也可以获得相同的效果。此外，尽管本示例说明了利用谱域OCT的信号处理，但扫频源OCT和时域OCT可以提供同样的效果。

示例2

本示例参考图5A~5C说明计算指标不是SNR并且区域指定有所不同的情况。

图5A示出指定位于中央凹正下方的视网膜的神经上皮层的附近区域501a的情况。根据谱域OCT，信号强度随着位置越来越接近参考镜而增强，因此信号强度在神经纤维层的附近区域502a趋于增强。因而，可以通过指定区域501a并且将计算指标设置为“最大值”来判断区域501a中的亮度值是否良好。换句话说，可以任意地设置关注区域并且容易地判断亮度值是否高。

图5B说明指定内颗粒层的附近区域501b以及与该层邻接的层的附近区域502b的情况。在这种情况下，可以判断内颗粒层的附近区域是否与其周围部分分离，因而通过将计算指标设置为“对比度”来清楚地进行摄像。“对比度”的表达式通常表示为如下表达式。

|A1-A2|/(A1+A2)

其中，A1表示区域501b中的亮度值的平均值，并且A2表示区域502b中的亮度值的平均值。

应当注意，还可以使用如下的另一定义表达式。

| A 1 - A 2 | / \sqrt{(δ 1^2 - δ 2^2)}

其中，δ1表示区域501b中的亮度值的标准偏差，并且δ2表示区域502b中的亮度值的标准偏差。甚至可以使用如下的更简单的表达式。

A1/A2

该方法使得能够判断是否以使关注区域相互区别的方式对这些关注区域进行了摄像。

图5C示出指定与神经上皮层附近区域垂直相交的直线状的区域501c的情况。在这种情况下，可以通过将计算指标设置为“SMF(锐度度量函数)”来判断分辨率是否清晰地解析了神经上皮层的附近区域的各层。区域501c中亮度值超过预定阈值(诸如200等)的像素的数量N为10，并且区域501c中像素的总数量M为41。因此，SMF可以按照如下进行计算。

SMF=N/M=0.244

此外，SMF可以简化为N或1/N。

OCT图像的分辨率根据光源的光谱形状、测量光束和参考光束的偏光状态、以及色散补偿的程度而改变。该方法使得能够容易地判断关注区域的分辨率。

本示例说明了SNR以外的计算指标的计算的示例，在将这些值按比例缩放然后显示的情况下，提供了与示例1相同的效果。

示例3

本示例说明了通过特定部位的名称来指定区域的示例。

尽管前面部分说明了由图像显示部201中的位置坐标进行指定的示例，但也存在通过特定部位的名称更加方便地指定区域的情况。

图6说明由“神经纤维层”指定区域(601a)的情况以及由“色素上皮层”指定区域(601b)的情况。在利用OCT图像进行病变诊断的情况下，特定部位中的变化常常会被关注，并且可以由名称而非位置坐标来容易地指定特定部位。

可以通过应用根据图像数据来计算各层的边界的处理(分割)来预先区分各层。当被检体120为人眼视网膜的情况下，诸如“神经纤维层”、“外颗粒层”、“内颗粒层”和“色素上皮层”等的选项可供选择，并且执行用于将如下的表存储在个人计算机的存储区域中的处理，其中在该表中，上述选项分别与分割结果相对应。在选择了特定部位的情况下，可以参考该表来指定区域。

该方法使得能够容易地选择摄像者的关注区域。

示例4

本示例说明了通过检测结果的输出来控制装置的情况。

在上述示例中，检测结果仅显示在检测结果显示部206上。可以通过使用检测结果和计算指标的计算值，来容易地提供用于只有在关注区域的图像质量良好的情况下才自动获得并存储图像数据的控制。

如图1所示，检测结果从信号处理装置111发送至电动台控制装置115。电动台控制装置115根据检测结果来操作电动台113和114。

如图6所示，区域被指定为“神经纤维层”601a，并且计算指标被设置为“最大值”，并且判断基准范围被设置为200~255。电动台控制装置115在初始位置被设置为0mm的情况下，通过在以0.2mm的步长使电动台113在-5mm~+5mm的范围内移动期间控制电动台113，来进行摄像。这种情况下各步所获得的图像数据根据图3中的各步骤进行判断，并且将检测结果和图像数据彼此相对应地存储在信号处理装置(个人计算机)111的存储区域中。通过在整个摄像结束之后仅选择检测结果为“○”的图像数据来获得所关注的“神经纤维层”的清晰图像。

尽管上述示例说明了存储所有图像数据、然后选择其中一部分图像数据的方法，但也可以在获得了检测结果为“○”的图像的情况下结束摄像。此外，首先可以仅存储电动台113的各步的检测结果，然后通过再次将电动台113移动到给出检测结果“○”的位置来进行摄像。

同样地，可以使用用于控制参考镜107的电动台114的方法。在电动台114移动参考镜107的情况下，相干门(意为利用OCT测量光进行摄像的轴范围)将会改变。当相干门适合于拍摄对象层的情况下，检测结果显示部206显示结果为“○”，否则显示结果“×”。此外，可以通过对这里未示出的用作低相干光源101的SLD光源的光量、光谱形状和偏光状态以及扫描光学系统104所提供的测量光束的入射位置进行控制，来提供同样的效果。

示例5

本示例说明了与指定区域和计算指标其中之一相对应地自动选择计算指标和判断基准范围的情况。在上述示例中，如图3所示，步骤S303中的区域指定、步骤S304中的计算指标的设置以及步骤S305中的判断基准范围的设置是独立进行的。在本示例中，对图像形成处理软件进行设置，以使得在区域设置部202a和202b这两者进行区域指定的情况下，计算指标设置部203将计算指标设置为“SNR”并且判断基准范围设置部205将判断基准范围设置为40db~60db。该图像形成处理软件使得能够减少用户将错误参数输入至系统的错误次数，并且提高在本示例所述的控制下所获得的图像的质量。可选地，将被检眼的特定区域或特定部位与特定计算指标和特定判断基准范围相关联也是有效的，并且响应于对被检眼的特定区域或特定部位的指定来设置特定计算指标和判断基准范围。此外，如下方式也是有效的：响应于计算指标设置部203将计算指标设置为特定指标，判断基准范围设置部205设置与该特定指标相关联的预定范围。

其它实施例

还可以通过读出并执行记录在存储器装置上的程序以进行上述实施例的功能的系统或设备的计算机(或者CPU或MPU等装置)和通过下面的方法来实现本发明的各方面，其中，系统或设备的计算机通过例如读出并执行记录在存储器装置上的程序以进行上述实施例的功能来进行上述方法的各步骤。由于该原因，例如经由网络或者通过用作存储器装置的各种类型的记录介质(例如，计算机可读介质)将该程序提供给计算机。

尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

本发明要求2010年3月25日提交的日本专利申请2010-070029及2011年3月17日提交的日本专利申请2011-058979的优先权，其全部内容通过引用包含于此。

Claims

1.一种光学断层摄像设备，包括：

光源，用于输出低相干光束；

用于将所述低相干光束分割为测量光束和参考光束、并且通过对由照射了被检体的所述测量光束所产生的返回光束和穿过了参考光路的所述参考光束进行合成来生成干涉光的单元；

用于检测所述干涉光以生成检测信号的单元；

用于基于所述检测信号来形成所述被检体的图像的单元；

用于在所述图像中指定特定区域的单元；

用于设置对所述特定区域的图像质量进行判断所使用的计算指标和判断基准范围的单元；以及

用于基于所述计算指标对所述特定区域的亮度值进行计算处理、判断作为所述计算处理的结果所获得的计算值是否在所述判断基准范围内、并输出检测结果的单元。

2.根据权利要求1所述的光学断层摄像设备，其中，用于指定所述特定区域的单元包括以下单元其中之一：用于通过使用所述图像中的位置坐标来指定所述特定区域的单元；以及用于通过使用所述被检体的特定部位的名称来指定所述特定区域的单元。

3.根据权利要求1或2所述的光学断层摄像设备，其中，所述计算值是以下值其中之一：所述特定区域内的亮度值的最大值；以及基于所述最大值而计算出的值。

4.根据权利要求1或2所述的光学断层摄像设备，其中，所述计算值是以下值其中之一：所述特定区域的第一区域内的亮度值的最大值相对于所述特定区域的第二区域内的亮度值的标准偏差的比；以及基于所述比而计算出的值。

5.根据权利要求1或2所述的光学断层摄像设备，其中，所述计算值是以下值其中之一：

根据A1/A2、|A1-A2|/(A1+A2)、以及中的任一表达式所计算出的值，其中，A1和δ1分别表示所述特定区域的第一区域内的亮度值的平均值和标准偏差，以及A2和δ2分别表示所述特定区域的第二区域内的亮度值的平均值和标准偏差；以及

基于所计算出的所述值而计算出的值。

6.根据权利要求1或2所述的光学断层摄像设备，其中，所述计算值是以下值其中之一：所述特定区域中亮度值超过预定阈值的像素的数量；以及基于所述像素的数量而计算出的值。

7.一种用于光学断层摄像设备的光学断层摄像方法，所述光学断层摄像设备包括：光源，用于输出低相干光束；用于将所述低相干光束分割为测量光束和参考光束、并且通过对由照射了被检体的所述测量光束所产生的返回光束和穿过了参考光路的所述参考光束进行合成来生成干涉光的单元；用于检测所生成的所述干涉光以生成检测信号的单元；以及用于基于所述检测信号来形成所述被检体的图像的单元，

所述光学断层摄像方法包括以下步骤：

在所述图像中指定特定区域；

设置对所述特定区域的图像质量进行判断所使用的计算指标和判断基准范围；以及

基于所述计算指标对所述特定区域的亮度值进行计算处理，判断作为所述计算处理的结果所获得的计算值是否在所述判断基准范围内，并输出检测结果。

8.一种记录有程序的介质，所述程序用于控制计算机以执行根据权利要求7所述的光学断层摄像方法。