JP2006510878A - 光コヒーレンストモグラフィに関する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、光コヒーレンストモグラフィに関する方法であって、参照光ビーム及び測定光ビームを供給するステップと、合成された光ビームを供給するために、参照光ビーム及び測定光ビームを合成するステップと、参照光ビームを変調させるステップと、各サンプリング位置ごとに強度バリエーションの振幅を測定するために、合成された光ビームをサンプリングするステップと、１つの画素に関する強度信号を供給するために振幅を足し合わせるステップと、電子ドメイン又は光ドメインにおいて歪み及び収差を補正するステップと、を含む方法に関する。

Description

本発明は、医用イメージングの分野に関し、特に光コヒーレンストモグラフィ（optical coherence tomography、ＯＣＴ）に関する。

ＯＣＴは、生物学的システムの非侵襲的な断面イメージングのための既知の技法である。ＯＣＴは、超音波パルスエコーイメージングに似たやり方で、内部組織の微細構造からの光学散乱による２次元画像を生成するためにコヒーレンスインターフェロメトリを使用する。

コヒーレンスリフレクトメトリにおいて、サンプルから反射される光のコヒーレンス特性は、サンプルの反射境界及び後方散乱サイトからの飛行時間の遅延に関する情報を与える。遅延情報は、反射サイトの縦方向の位置を決定するために使用される。ＯＣＴシステムは、サンプルの反射サイトの２次元マップを提供するために、一連の横方向位置において複数の縦方向走査を実施する。対応するＯＣＴシステムは、米国特許第５，８４７，８２７号及び同第６，０５７，９２０号明細書並びにJ.Biomedによる文献（Opt. 4(1), 157-173 (1996)）から知られている。

従来技術のＯＣＴシステムの共通の不利益は、高い横方向解像度が、必然的に、利用可能な走査深さの大きな低減に関連することである。従って、本発明の目的は、光コヒーレンストモグラフィに関する改善された方法及び対応するコンピュータプログラム製品並びに光コヒーレンストモグラフィ装置を提供することである。

本発明は、参照光ビーム及び測定光ビームの合成から生じる合成された光ビームがサンプリングされる、光コヒーレンストモグラフィに関する方法を提供する。参照光ビームが変調されるとき、サンプリング位置の各々について、干渉による強度バリエーションの振幅が決定される。振幅は、変調深さとも呼ばれる。

個別のサンプリング位置の振幅が足し合わせられ、それによって、１つの画素に関する強度信号を提供する。強度信号は、改善された品質を有する。これは、位相情報を無視しながら振幅を足し合わせることが、より高い開口数をもつ従来のＯＣＴシステムにおいて生じる深さレンジの低減なく、より高い収集角度（又は開口数）を使用することができることによる。特に、スペックルの影響が低減されることができる（J. M. Schmitt他による「Speckle in Optical Coherence Tomography」(Journal of Biomedical Optics 4(1),
95-105 (January 1999))を参照）。

本発明の好ましい実施例によれば、サンプリング位置における強度バリエーションの位相情報が、個々の位相オフセットを補償するために使用される。これは、サンプリング位置の各々に対して調整可能な光学素子を有する調整可能な光学フィルタを制御することによって行われる。

このように、高い開口数をもつ光学システムが、高い開口数による解像度ゲインを十分に利用しながら、走査深さを光学システムの焦点領域に制限することなく、使用されることができる。

以下において、本発明の好ましい実施例は、図面を参照することによって、より詳しく説明される。

図１は、ＯＣＴシステム１００を示す。ＯＣＴシステム１００は、光源１０２を有する。光源１０２によって供給される低コヒーレンス光ビーム１０４は、参照光ビーム１０８及び測定光ビーム１１０を供給するために、ビームスプリッタ１０６に向けられる。動作時、光源１０２は、低コヒーレンス光を出力する。

参照光ビーム１０８は、参照ミラー１１２の縦方向の移動及び／又は変調器１１４によって、変調されることができる。参照ミラー１１２及び／又は変調器１１４による参照光ビーム１０８の変調は、それ自体、従来技術から知られている。

代替例として、変調は、変調器１１４によって、参照光ビーム１０８の周波数を変調させることによって実施されることができる。この例において、音響光学変調器が、１ｋＨｚから最高１ＭＨｚまで範囲の周波数変調をもたらすために使用されることができる。

測定光ビーム１１０は、走査ユニット１２０及び対物レンズ１２２によって対象物（オブジェクト）１１８のポイント１１６にフォーカスされる。反射された測定光ビーム１１０及び反射された参照光ビーム１０８は、合成された光ビーム１２４を供給するために重ね合わせられる。参照ビームの変調は、イメージングされる対象物１１８内部に反射サイトがある場合のみ生じる干渉によって、合成されたビームに強度変調をもたらす。反射サイトに進み、ビームスプリッタ１０６に戻ってきた光と、参照ミラー１１２に進み、ビームスプリッタ１０６に戻ってきた光との間の光路長の差は、光源１０２のコヒーレンス長より短い。こうして、参照ミラーは、光源のコヒーレンス長に等しい幅を有する対象物内部のウィンドウを選択する。

合成された光ビーム１２４は、合成された光ビーム１２４に対し垂直な平面においてサンプリングされる。光検出器素子のアレイ１２６が、合成された光ビーム１２４をサンプリングするために設けられる。アレイ１２６の光検出器素子の各々は、対応する検出器素子の表面に当たる光の強度について、電気的な測定信号を送り出す。電気的な測定信号の各々は、別個のライン１２８によって、信号処理ユニット１３０に伝送される。信号処理ユニットは、アナログ又はデジタル装置として実現されることができる。

信号処理ユニット１３０は、対応するライン１３２を介して、画像処理ユニット１３４に、光検出器素子の各々に対する振幅信号を供給する。

測定光ビーム１１０の対応する波面は、ポイント１１６にフォーカスされ、対象物１１８から反射される。この反射が生じるとき、波面プロファイルが変えられる。この影響は、収差とも呼ばれる。収差の大きさ及び形状は、測定光ビーム１１０の対象物１１８を通したさまざまな光路に依存する。結果として、反射された測定光ビーム１１０の反射された参照光ビーム１０８との干渉は、反射された測定光ビームの変更された波面プロファイルにより、一様でない。

それゆえ、強め合う干渉が、アレイ１２６の或る光検出器素子のサンプリング位置にあり、同時に、弱め合う干渉が、別のサンプリング位置にある。参照光ビーム１０８が変調されると、これは、アレイ１２６によって与えられるさまざまなサンプリング位置における対応する一様でない強度バリエーションをもたらす。

サンプリング位置の各々について、参照光ビーム１０８の変調中の強度バリエーションの振幅が、測定される。測定された振幅のすべてが、強度バリエーションの位相に関係なく足し合わせられることにより、単一の強度信号を供給する。この強度信号は、ポイント１１６に関する、結果的に得られた画像情報である。

検出器素子からの信号が（従来技術のシステムにおいて用いられる単一の広域検出器の場合にそうであるように）直接に足し合わせられる場合、ある位置の強度バリエーションは、別の位置の逆の位相をもつ強度バリエーションを打ち消し、それによって信号損失及び情報損失をもたらす。

対象物１１８は、画像処理ユニット１３４によってトモグラフィ画像を供給するために、走査ユニット１２０によって走査されることができる。

更に、信号処理ユニット１３０は、個別の光検出器素子の強度バリエーションについて位相情報を供給することができる。このために、任意の参照位相が規定されることができる。参照光ビーム１０８の変調による、アレイ１２６の光検出器素子の各強度バリエーションの位相オフセットは、信号処理ユニット１３０から制御ユニット１３６に供給される。制御ユニット１３６は、適応的な光学フィルタ１３８に結合される。

適応的な光学フィルタ１３８は、調整可能な光学素子のアレイを有する。調整可能な光学素子の各々は、アレイ１２６によって与えられるサンプリング位置の１つに割り当てられる。例えば、調整可能な光学素子は、制御可能なＬＣＤ素子によって実現されることができる。

制御ユニット１３６は、アレイ１２６によって決定される位相オフセットを補償するために、適応的な光学フィルタ１３８を制御する。

例えば、反射される測定光ビーム１１０は、適応的な光学フィルタ１３８の光学素子１４２を通る光路１４０を含む。光路１４０は、ビームスプリッタ１０６におよび、ビームスプリッタ１０６から、アレイ１２６の光検出器素子１４４に達する。言い換えると、光路１４０は、光学素子１４２と光検出器素子１４４との間に１対１の関係を規定する。光路１４０を介して光検出器素子１４４に当たる光は、干渉パターンの局所的の振幅を決定するために、光検出器素子１４４によって測定される。

光検出器素子１４４によって与えられる測定信号の強度バリエーションの位相オフセットは、制御ユニット１３６に供給される。制御ユニット１３６は、補償位相を与えるために、比例積分（ＰＩ）又は比例積分微分（ＰＩＤ）フィルタのような適切な制御フィルタを有する。光学素子１４２が、この補償位相を、光路１４０上の光学素子１４２を通る測定光ビーム１１０の光に適用するように制御されるように、対応する制御信号が、制御ユニット１３６によって出力される。このように、制御ループが、対象物１１８における測定光ビーム１１０の反射によって引き起こされる波面プロファイルの変化を補償するために形成される。

波面プロファイルの変更を補償するために制御ループを使用することの特定の利点は、それによって収差が補正され、焦点ずれも補償されることである。これは、改善された解像度のために大きな開口数をもつ対物レンズ１２２を使用することを可能にする。この場合、幾何学的なフォーカスが、参照ミラー１１２によって提供される深さ走査に自動的に追従する。

歪み及び収差が、電子ドメイン又は光ドメインのいずれにおいても補正されることができる点に留意すべきである。

図２は、別の実施例を示している。ファイバ束２００が、対物レンズの瞳孔２０２の像内に位置する。ファイバ束２００は、ファイバ束２００の個別のファイバに選択的にストレス（応力）を与えることによって、適応的な光学フィルタとして使用されることができる。ファイバ束２００の個別のファイバにストレスを与えることによって、当該ファイバを通る光の位相シフトが引き起こされる。それゆえ、ファイバ束２００は、図１の光学素子１４２と同様の機能を有する。説明を簡潔にするために、光源、参照光ビーム、合成された光ビーム及び関連する光学素子は、図２の実施例に示されていない。

図３は、逐次サンプリングのセットアップを示している。

図１及び図２の実施例とは対照的に、サンプリングは、複数の光検出器素子を使用することによって並行に実施されるのではなく、合成された光ビーム（図１の合成された光ビーム１２４を参照）のレシーバとして単一の光ファイバ３００を逐次的に使用することによって実施される。ここで考えられる実施例において、サンプリングは、走査ミラー３０２のピボット回転によって実施される。このように、走査ミラーは、対物レンズ３０４のより高い開口数にわたってＯＣＴセットアップの制限された開口数を動かす。移動する対象物（生体内測定）の場合、動き補償アルゴリズムを使用することによって、対象物が走査中に合成されたビームにわたって移動されるときに生じるアーチファクトを補正することが可能である。

図４は、対物レンズの焦点面４０２から深さｄだけずれた像平面４０に像を生成するための原理を示している。

像平面４００上の画素ｘ’に関する強度値を得るために、横方向の走査が、焦点面４０２において実施される。特に、横方向の走査は、画素ｘ_１、ｘ_２、...に関する強度信号を得るために実施される。画素ｘ_ｉの各々は、像平面４００上の画素ｘ’を含む割り当てられた光円錐を有する。例えば、焦点面４０２上の画素ｘ_１は、画素ｘ’を含む光円錐４０４を有する。同様に、焦点面４０２上の画素ｘ_２は、同じく画素ｘ’を含む光円錐４０６を有する。

画素ｘ_１に関する強度信号を取得するために合成された光ビームのサンプリングが実施されるとき、光円錐４０４は、位置ｙ_１において検出される反射光を含む。同様に、画素ｘ_２に関する強度信号を与えるためにデータ取得が実施されるとき、ｙ_２は、光円錐４０６を測定するための別のサンプリング位置を示す。一般に、焦点面４０２上の画素ｘ_ｉの各々は、画素ｘ’を含む光円錐を測定するための対応するサンプリング位置ｙ_ｊを有する。

図１及び図２の実施例のような検出器素子のアレイが使用される場合、ｙ_ｊは、アレイの光検出器素子の１つを示す（図１のアレイ１２６及び光検出器素子１４４を参照）。

画素ｘ’に関する強度信号は、焦点面４０２内の逐次の横方向走査の間、光円錐４０４、４０６．．について得られた振幅を足し合わせることによって得られる。像平面４００上のすべての画素についてこれを行うことによって、像が、図１及び図２の適応的な光学フィルタ（図１の適応的な光学フィルタ１３８及び図２のファイバ束２００）を使用せずに、焦点面４０２からずれた像平面４００について計算されることができる。

数学的タームにおいて表現される場合、画素ｘ’に関する強度信号Ｉは、次のように得られる：
Ｉ（ｘ’，ｄ）＝Ｓｕｍｊ［Ｓｊ（ｘ’−（ｄ／ｆ）ｙｊ，ｄ）］ （１）
ここで、
Ｉ（ｘ’，ｄ）：画素ｘ’に関する強度信号
ｊ：サンプリング位置に関する添字
ｙｊ：ｊ番目のサンプリング位置のロケーション
Ｓｊ（ｘｉ，ｄ）：ｊ番目の位置からのデータだけが使用される場合の強度信号
ｆ：対物レンズの焦点距離
ｘ’：ｘ’＝ｘｉ＋（ｄ／ｆ）ｙｊ

図５は、本発明による光コヒーレンストモグラフィのための電子デバイス５００を示している。電子デバイス５００は、複数の別個の物理ユニットによって実現されることができ、又は「システムオンチップ」としても実現されることができる。

電子デバイス５００は、光検出器素子５０２のアレイを有する（図１のアレイ１２６を参照）。アレイ素子ｙ_ｉの各々は、対応する光路ｊ上の合成された光ビームの一部を受け取る。

参照光ビームが変調されると、強度バリエーションの振幅が、サンプリング位置ｙ_ｊの各々について測定される。すべてのサンプリング位置の振幅情報が、積分器５０４によって加算される。結果として得られる強度データは、実際の画素に関する画像データとして出力され、ストレージ５０６に記憶される。

更に、サンプリング位置ｙ_ｊにおける各強度バリエーションの位相オフセットが、位相制御部５０８に入力される。適応的な光学フィルタが、測定光ビームの光路において利用可能である場合、位相制御部５０８は、収差及び焦点ずれを補償するために、図１に関して説明された原理に従って適応的な光学フィルタを有する制御ループを形成することができる。

適応的なこのような光学フィルタ（図１の適応的な光学フィルタ１３８を参照）が利用可能でない場合、図４に関して説明される方法が、焦点面の外側にある像平面に関して像データを計算するための代替方法として使用される。このために、サンプル位置ｙ_ｊにおいて測定される強度バリエーションの振幅のすべてが、キーとしての対応する画素ｘ_ｉに関して、ストレージ５１０に記憶される。このデータに基づいて、積分器５０４は、焦点面の外側の像平面上にある画素ｘ’に関する強度データを計算するために、上述の式１の数値を求める。この画像データも、ストレージ５０６に記憶される。

図６は、本発明の有利な効果を示す。

図６の画像ａ）は、ＯＣＴによって混成（compounding）無く取得された。画像ｂ）は、混成無く異なる画像を平均化することによって取得された。画像ｃ）は、適応的な光学フィルタを使用せずに、図３の実施例に従って混成を伴って異なる領域にわたって平均化を行うことにより得られた。画像ｃ）のスペックルノイズは、画像ａ）及びｂ）と比較して、明らかに抑制されている。特に、画像ｂ）は、画像の平均化のみではスペックルを抑制するのに十分でないことを示している。

本発明の実施例のブロック図。 光ファイバ束を使用するＯＣＴシステムを示す図。 合成された光ビームを受け取るために単一の光ファイバを使用して、合成されたビームを逐次にサンプリングするＯＣＴシステムを示す図。 焦点面の外側のピクセルのための像取得を示す回路図。 信号処理システムのブロック図。 従来技術の画像取得と比較して、本発明の原理に従って取得された画像を示す図。

符号の説明

１００ ＯＣＴシステム
１０２ 光源
１０４ 低コヒーレンス光ビーム
１０６ ビームスプリッタ
１０８ 参照光ビーム
１１０ 測定光ビーム
１１２ 参照ミラー
１１４ 変調器
１１６ ポイント
１１８ 対象物
１２０ 走査ユニット
１２２ 対物レンズ
１２４ 合成された光ビーム
１２６ 光検出器素子のアレイ
１２８ ライン
１３０ 信号処理ユニット
１３２ ライン
１３４ 画像処理ユニット
１３６ 制御ユニット
１３８ 適応的な光学フィルタ
１４０ 光路
１４２ 光学素子
１４４ 光検出器素子
２００ ファイバ束
２０２ 対物レンズ瞳孔
３００ 光ファイバ
３０２ 走査ミラー
３０４ 対物レンズ
４００ 像平面
４０２ 焦点面
４０４ 光円錐
４０６ 光円錐
５００ 電子デバイス
５０２ アレイ
５０４ 積分器
５０６ ストレージ
５０８ 位相制御部
５１０ ストレージ

Claims (16)

1. 光コヒーレンストモグラフィに関する方法であって、
   参照光ビーム及び測定光ビームを供給するステップと、
   前記参照光ビーム及び前記測定光ビームを合成して、合成された光ビームを供給するステップと、
   前記参照光ビームを変調するステップと、
   各サンプリング位置ごとに強度バリエーションの振幅を測定するために、前記合成された光ビームをサンプリングするステップと、
   １つの画素に関する強度信号を供給するために、前記振幅を足し合わせるステップと、
   を含む方法。
2. 位相参照に対する、各サンプリング位置の前記強度バリエーションの位相オフセットを決定するステップと、
   前記測定光ビーム用の調整可能な光学フィルタを用意するステップと、
   前記位相オフセットを補償するために、前記調整可能な光学フィルタを制御するステップと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記調整可能な光学フィルタが、前記サンプリング位置の各々について調整可能な光学素子を有し、前記方法が、各々の個別の前記位相オフセットを補償するために、前記調整可能な光学素子の各々を個別に制御するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記調整可能な光学素子がＬＣＤ素子である、請求項３に記載の方法。
5. 前記参照光ビーム及び前記測定光ビームがファイバ束によって供給される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
6. 応力が、対応する前記位相オフセットを補償するために、前記ファイバ束のファイバの個別のものに選択的に与えられる、請求項５に記載の方法。
7. 単一のファイバが、前記合成された光ビームを受け取るために使用され、前記サンプリングが、回動可能なミラーによって実施される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
8. 動き補償アルゴリズムが、対象物の動きから生じるアーチファクトを補正するために使用される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
9. 像平面と焦点面との間の距離である深さＤと、前記焦点面の横方向の位置である走査位置ｘｉと、の関数として、前記強度信号を取得するステップと、
   式、
   Ｉ（ｘ’，ｄ）＝Ｓｕｍｊ［Ｓｊ（ｘ’−（ｄ／ｆ）ｙｊ，ｄ）］
   ここで、
   Ｉ（ｘ’，ｄ）：画素ｘ’に関する強度信号
   ｊ：サンプリング位置に関する添字
   ｙｊ：ｊ番目のサンプリング位置のロケーション
   Ｓｊ（ｘｉ，ｄ）：ｊ番目の位置からのデータのみが使用される場合の強度信号ｆ：対物レンズの焦点距離
   ｘ’：ｘ’＝ｘｉ＋（ｄ／ｆ）ｙｊ
   に従って、以前のステップにおいて取得されたデータから画像を再構成するステップと、
   を更に含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
10. デジタル記憶媒体のようなコンピュータプログラムであって、
    光コヒーレンストモグラフィに関して、各サンプリング位置ごとに強度バリエーションの振幅を測定するために、参照光ビーム及び測定光ビームを合成することによって得られる合成された光ビームをサンプリングするステップと、
    １つの画素に関する強度信号を供給するために、前記振幅を足し合わせるステップと、
    を実施するコンピュータプログラム方法を含む、コンピュータプログラム。
11. 前記コンピュータプログラム方法が、
    位相参照に対する、各サンプリング位置の前記強度バリエーションの位相オフセットを決定するステップと、
    前記位相オフセットを補償するために、前記測定光ビーム用の調整可能な光学フィルタを制御するステップと、
    を実施するように構成される、請求項１０に記載のコンピュータプログラム。
12. 前記コンピュータプログラム方法が、
    焦点面における画素ｘｉの強度信号を取得するステップと、
    式、
    Ｉ（ｘ’，ｄ）＝Ｓｕｍｊ［Ｓｊ（ｘ’−（ｄ／ｆ）ｙｊ，ｄ）］
    ここで、
    Ｉ（ｘ’，ｄ）：画素ｘ’に関する強度信号
    ｊ：サンプリング位置に関する添字
    ｙｊ：ｊ番目のサンプリング位置のロケーション
    Ｓｊ（ｘｉ，ｄ）：ｊ番目の位置からのデータのみが使用される場合の強度信号
    ｆ：対物レンズの焦点距離
    ｘ’：ｘ’＝ｘｉ＋（ｄ／ｆ）ｙｊ
    を計算することによって、前記焦点面から深さｄの距離にある像平面における画素ｘ’の強度信号を決定するステップと、
    を実施するように構成される、請求項１０又は１１に記載のコンピュータプログラム。
13. 光コヒーレンストモグラフィ装置であって、
    各サンプリング位置ごとに強度バリエーションの振幅を測定するために、合成された光ビームをサンプリングする手段と、
    １つの画素に関する強度信号を供給するために、前記振幅を足し合わせる手段と、
    を有する装置。
14. 位相参照に対する、各サンプリング位置の前記強度バリエーションの位相オフセットを決定する手段と、
    前記測定光ビーム用の調整可能な光学フィルタと、
    前記位相オフセットに補償するために、前記調整可能な光学フィルタを制御する手段と、
    を有する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記調整可能な光学フィルタが、各サンプリング位置ごとに、調整可能な光学素子を有する、請求項１４に記載の装置。
16. 焦点面における画素ｘｉの強度信号を取得し、
    式、
    Ｉ（ｘ’，ｄ）＝Ｓｕｍｊ［Ｓｊ（ｘ’−（ｄ／ｆ）ｙｊ，ｄ）］
    ここで、
    Ｉ（ｘ’，ｄ）：画素ｘ’に関する強度信号
    ｊ：サンプリング位置に関する添字
    ｙｊ：ｊ番目のサンプリング位置のロケーション
    Ｓｊ（ｘｉ，ｄ）：ｊ番目の位置からのデータのみが使用される場合の強度信号
    ｆ：対物レンズの焦点距離
    ｘ’：ｘ’＝ｘｉ＋（ｄ／ｆ）ｙｊ
    を計算することによって、前記焦点面から深さｄの距離にある像平面における画素ｘ’の強度信号を決定する、請求項１３、１４又は１５に記載の装置。

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