JP2010259698A - Octシステムにおける情報処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被検査物の断層情報と移動速度情報が高速で取得でき、スポット径よりも広範囲に亙る領域でこれらの情報の取得が可能となるOCTシステムにおける情報処理装置を提供する。
【解決手段】被検査物の断層情報と移動速度情報とを取得するOCTシステムにおける情報処理装置であって、
前記第1及び第2のビームからなる測定光を、前記被検査物に対して走査するための走査光学系と、
前記第1及び第2のビームからなる測定光を、前記被検査物の異なるスポット位置に照射する光学系と、
前記被検査物の異なるスポット位置に照射された測定光による戻り光と、前記参照光による干渉信号を生成する干渉信号生成手段と、
前記生成された第1及び第2の干渉信号による干渉信号を用いて位相の変化量を求め、該位相の変化量を元に前記被検査物の移動速度を求める演算処理手段と、を有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、OCTシステムにおける情報処理装置に関し、特に複数のビームを用いたOCTシステムにおける情報処理装置に関する。
近年、低コヒーレンス干渉計または白色干渉計の技術を応用した光断層画像撮像装置(光干渉断層イメージング装置)が実用化されている。
この装置は、オプティカルコヒーレンストモグラフィー(OCT:Optical Coherence Tomography)と呼ばれ、特に眼科領域において、眼底・網膜の断層像を得る目的で用いられている。
眼科以外でも、皮膚の断層観察や、内視鏡やカテーテルとして構成して消化器、循環器の壁面断層撮影等が試みられている。
以下、このようなOCTシステムによる光断層画像撮像装置を、OCT装置と記す。
近年、ドップラーシフトによる干渉信号の位相変化を同時に測定し、被検査物の流速情報(被検査物の移動速度情報)を取得することが可能なドップラーOCT装置と呼ばれる装置が開発されている。
シングルビームを用いたタイムドメイン方式のOCT装置において、異なる時間で取得された干渉光のスペクトラル情報をそれぞれフーリエ変換して位相の変化量を得るドップラーOCT装置が、特許文献1に開示されている。
これは、Hilbert変換で位相を求め、深さ方向の断層画像情報(Aスキャン)どうしの時間差を求めることにより、OCT信号の位相変化量を得る方法である。
そして、この位相の変化量がドップラー信号として被検査物の移動速度に対応していることを利用して、被検査物の移動速度を求める。
米国特許第6549801号明細書
しかしながら、上記した従来例の特許文献1のようにシングルビームによるものでは、測定時間が長くなること、スポット径よりも広範囲に亙る領域で、被検査物の形態情報と移動速度情報を取得することが困難であること、等の点において課題を有している。
シングルビームによるものでは、ドップラー信号を得るに際して位相の変化量を得るため、ビーム走査の繰り返しにより、一つのビームによって異なる時間(時刻)に、同じ場所を照射することが必要となる。
その際、このように同じ場所で、被検査物の形態情報と移動速度情報についての複数種類の情報を得るためには、隣り合うA−lineとの間隔をスポット径より細かく設定する等の作業が必要となる。
このようなことから、シングルビームによるものでは、1断層像を測定する時間が長くなってしまうこととなる。
また、測定領域がスポット径の範囲に限定されるため、スポット径よりも広範囲に亙る領域で、被検査物の形態情報と移動速度情報を取得することができないことから、人眼の視神経乳頭部付近全体の平均血流量を求めるという用途などには不向きである。
本発明は、上記課題に鑑みて、被検査物の断層情報と移動速度情報が高速で取得することができ、またスポット径よりも広範囲に亙る領域で被検査物の断層情報と移動速度情報の取得が可能となるOCTシステムにおける情報処理装置の提供を目的とする。
本発明は、つぎのように構成したOCTシステムにおける情報処理装置を提供するものである。
本発明のOCTシステムにおける情報処理装置は、少なくとも第1ビームと第2ビームとによる複数のビームからなる光を測定光と参照光とに更に分割して用い、
被検査物の断層情報と移動速度情報とを取得するOCTシステムにおける情報処理装置であって、
前記第1及び第2ビームからなる測定光を、前記被検査物に対して走査するための走査光学系と、
前記走査光学系によって走査される前記第1及び第2ビームからなる測定光を、前記被検査物の異なるスポット位置に照射する光学系と、
前記被検査物の異なるスポット位置に照射された前記第1及び第2ビームからなる測定光による戻り光と、前記参照光の光路に設けられた参照ミラーによって反射された前記第1及び第2ビームからなる参照光と、
による第1及び第2の干渉信号を生成する第1及び第2の干渉信号生成手段と、
前記生成された第1及び第2の干渉信号によるそれぞれ異なる干渉信号を用いて位相の変化量を求め、該位相の変化量を元に前記被検査物の移動速度を演算する信号処理手段と、
を有することを特徴とする。
本発明によれば、被検査物の断層情報と移動速度情報が高速で取得することができ、またスポット径よりも広範囲に亙る領域で被検査物の断層情報と移動速度情報の取得が可能となるOCTシステムにおける情報処理装置を実現することができる。
本発明の実施形態および実施例1のOCTシステムにおける情報処理装置の構成を説明する図。 本発明の実施例1のOCTシステムにおける情報処理装置での記録処理部での処理について説明する図。 本発明の実施例1における被検査物と走査線の関係を説明する図。 本発明の実施例1における測定結果を説明する図。 本発明の実施例2における被検査物と走査線の関係を説明する図。 本発明の実施例2における測定結果を説明する図。 本発明の実施例3の構成例を説明する図。
つぎに、本発明の実施形態における被検査物の断層情報と移動速度情報とを取得するOCTシステムにおける情報処理装置について説明する。
図1に示される本実施形態のOCTシステムにおける情報処理装置(以下、これをOCT装置100と記す)は、つぎのように構成されている。
本実施形態におけるOCT装置100において、低コヒーレンス光源101から出射された光は光ファイバ113を通って、ファイバビームスプリッタ102に入射する。そして、複数のビームからなる光(ここでは、第1ビーム、第2ビーム、第3ビームによる3本の光)に分割される。
分割された光はそれぞれ、ファイバカプラ103によって、これらの複数のビームからなる測定光と参照光に更に分割される。
測定光は、ファイバアレイコリメータ104によって等間隔に配置された平行ビームにコリメートされる。
平行ビームはスキャナとレンズで構成された走査光学系105によって走査され、対物レンズ106により、被検査物120の異なるスポット位置に照射される。
被検査物120による反射光または散乱光は測定光と同じ光路を通ってファイバカプラ103に戻る。
参照光はファイバコリメータ107により、平行ビームにコリメートされ、分散補償ガラス108を通して、参照光に設けられた参照ミラー109によって反射され、ファイバカプラ103に戻される。
ファイバカプラ103(ここでは、第1の干渉信号生成手段、第2の干渉信号生成手段、第3の干渉信号生成手段)において、測定光の反射光または散乱光と参照光が合成され、干渉光(ここでは、第1から第3の3つの干渉信号)が生成される。
各干渉光はレンズ、回折格子、ラインセンサカメラで構成される分光検出部110に入射し、分光され、コンピュータによる記録処理部(信号処理手段)111にデジタルデータとして記録・信号処理される。
つぎに、記録処理部111における処理フローについて説明する。
図2に示す分光検出部110にて生成された各分光データ(分光データ1,2,3)は、ラインセンサのn番目の画素に対応した波長λnにおける干渉強度P(λn)のデータ列からなっている。
フーリエ変換処理を行う前に、記録処理部111における波長−波数変換処理工程において、このデータ列を波数空間のデータ列に変換される。
その際、単純にkn=2π/λnとして、波数空間における干渉強度Pk(kn)=P(λn)とすると、波数空間において等間隔のデータ列にならないため、線形補間によって、等間隔の波数列のm番目Kmに対応した干渉強度PK(Km)を求める。
次に、記録処理部111におけるフーリエ変換処理工程において、深さz、時間tにおける、つぎの(式1)によるフーリエ変換した信号を得る。

FT[PK(Kj)−Ps(Kj)−Pr(Kj)]=A(z,t) exp[iΦ(z,t)] …(式1)

ここで、FT[ ]はフーリエ変換、Ps、Prはそれぞれ測定光、参照光強度である。
また、A(z,t)は強度振幅であり、この強度振幅A(z,t)を用いて、通常のOCT画像を構成する。
また、Φ(z,t)は位相であり、この位相Φ(z,t)の時間差分から、ドップラーシフト周波数fD(z,t)をつぎの(式2)により求める。
また、(式2)を元に、流速v(z,t)をつぎの(式3)により求める。

D(z,t)=[Φ(z,t+Δt)−Φ(z,t)]/(2πΔt) …(式2)

v(z,t)= fD(z,t)λ0/(2n cosθ) …(式3)

ここで、λ0は光源の中心波長、nは被検査物120の屈折率、θは光軸と流速のなす角度である。
このように、複数のビームからなる光によるそれぞれ異なる干渉信号(第1の干渉信号、第2の干渉信号、第3の干渉信号)を用いて、フーリエ変換することによって上記(式2)によってドップラーシフト周波数による位相の変化量を求めることができる。
そして、該位相の変化量を元に上記(式3)により前記被検査物の移動速度を演算処理し流速(被検査物の移動速度)を求める。これらにより、同時に複数箇所の流速(被検査物の移動速度)を測定することができる。
また、各スポットの流速を平均化することで、広範囲の平均流速(被検査物の平均移動速度)を測定することができる。
以上の信号振幅A(z,t)、信号位相Φ(z,t)の処理を、それぞれ信号振幅処理工程、信号位相処理工程で処理し、断層形態画像およびドップラー画像を得る。その結果が、画像表示部112に表示される。
以上、本実施形態のように複数のビームを用いた構成によれば、上記したシングルビームを用いた従来例のように、位相の変化量を得るため、ビーム走査の繰り返しにより、一つの同じビームによって異なる時間(時刻)に、同じ場所を照射する必要がなくなる場合がある。
したがって、被検査物の断層情報と移動速度情報が高速で取得することが可能となる。
なお、本発明のこのようなOCTシステムによる光断層画像撮像装置は、眼底観察や皮膚、内視鏡などの生体観察ならびに、産業上の品質管理などを含み、各種の診断装置、検査装置に利用することができる。
以下に、図面に沿って本発明の実施例を具体的に説明する。
[実施例1]
実施例1では、OCTシステムにおける情報処理装置として、上記実施形態と同様の図1に示されるOCT装置100が用いられ、被測定対象となる被検査物として、眼の網膜120が選ばれている。
低コヒーレンス光源101として、出力20mW、中心波長840nm、波長幅45nmのSLD光源が用いられる。
光源より発せられた光は1対3のファイバビームスプリッタ102により、3本に等分される。
それぞれの光は3個の50:50ファイバカプラ103によって測定光と参照光に分岐される。
測定光側はファイバコリメータ104によって平行ビームにされ、ガルバノスキャナとレンズで構成される走査光学系105によって走査され、対物レンズ106により、ビーム径約1mmの平行ビームとなって入射し、眼の網膜120上の異なる点に照射される。
図3に、本実施例の網膜120における眼底像350を示す。
網膜120の眼底像350上における各スポットおよび走査線は、視神経乳頭部351を中心に301a、301b、301cの3つである。入射ビーム径が約1mmとなるよう光学系を調整しているため、眼底上のスポット径は約20μmになる。
また、ファイバコリメータ104でのファイバ間隔が80μm、コア径が5μm、ファイバ数が3本のものを使用しており、各スポット間の間隔は約320μmになる。
また、参照光側は、ファイバコリメータ107により、3本がそれぞれ平行ビームになり、分散補償ガラス108を介して参照ミラー109によって反射され、ファイバカプラ103に戻される。
3つのファイバカプラ103で生成された干渉信号は、それぞれ3つの分光検出部110に入射する。
分光検出部110は、1200本/mmの透過型回折格子と画素ピッチ14μm、画素数2048、ライン取得レート20kHzのラインセンサを用いた分光光学系によって構成され、干渉信号を含んだ波長スペクトルデータが得られる。
これらのデータを12bitのデジタルデータとして記録処理部111に記録し、図2に示す処理フローに基づき信号処理を行う。その結果が画像表示部112に表示される。
図3における走査線の長さは、網膜上で約2mmに相当する。
この範囲を1024回A−line測定すると、測定時間間隔Δtは50μs、測定ピッチは約2μm、全測定時間は51.2msである。
図4の左図に、上記した走査によって得られた信号を、上記(式1)の方法によって処理したOCT画像の模式図を示す。
図4(a)、(b)、(c)は、各ビームスポット301a、301b、301cに対応している。
図4の右図は、OCT画像の中で破線で囲った血管断面と思われる部分のドップラーシフト周波数を前記(式2)で計算し、λ0=840nm、n=1.38、θ=80°として、血流速v(z、t)を前記(式3)によって計算したものである。
また、このOCT画像の全範囲にわたって血流速v(z、t)を計算し、Σv(z、t)/(画素数)のように平均化することで、視神経乳頭部全体の平均血流速が求められる。
以上のように、本実施例によれば、複数のスポットによって異なる測定位置のドップラー周波数、流速を同時に測定することができ、各スポットによる測定結果を平均化処理することにより、スポット径より広範囲に亙る領域の平均流速を求めることができる。
ここでは、3個の異なるスポットの場合を例として示したが、2つ以上の複数の異なるスポットであれば、同様の効果が得られる。
また、本実施例ではスペクトラルドメイン(Spectral Domain)方式による方法を示したが、スエプトソース(Swept Source)方式による方法においても、同様の効果が得られる。
また、タイムドメイン(Time Domain)方式の場合には、Hilbert変換によって位相を求め、(式2)によって位相Φ(z,t)の時間差分を求める方法においても、同様の効果が得られる。
[実施例2]
実施例2では、実施例1と同様のOCT装置を用い、ビームスポット位置を走査線方向に変えた場合の構成例について説明する。
図5に、本実施例の網膜120における眼底像350を示す。
眼底像350上における各スポットおよび走査線は、視神経乳頭部351の中心付近に501a、501b、501cの3つである。
分かりやすくするために、眼底像350上では走査線をずらして図示しているが、実際は図5の右図に示すように重なっている。
入射ビーム径が約1mmとなるよう光学系を調整しているため、眼底上のスポット径は約20μmになる。
また、ファイバコリメータ104でのファイバ間隔が80μm、コア径が5μm、ファイバ数が3本のものを使用しており、各スポット間の間隔は約320μmになる。
本実施例においては、3つの分光検出部110は、1200本/mmの透過型回折格子と画素ピッチ10μm、画素数2048、ライン取得レート70kHzのラインセンサを用いた分光光学系によって構成され、干渉信号を含んだ波長スペクトルデータが得られる。
これらのデータを12bitのデジタルデータとして記録処理部111に記録し、図2に示す処理フローに基づき信号処理を行う。
このとき、同一のビームスポットのデータを使うのではなく、異なるビームスポットのデータを用いる。
すなわち、同一走査線上をビームスポット501a、501b、501cがスポット間隔に相当する時間差Δtで通過するため、この時間差に相当する画素数だけデータ列をずらしたものを用いて、上記(式2)のドップラー周波数を計算する。
図5における各走査線の長さは網膜上で約2mmに相当する。
この範囲を256回A−line測定すると、測定時間は約3.66ms、測定ピッチは約7.8μm、ビームスポット501a、501b、501cの間隔320μmに相当する時間差Δtは約0.21msである。
図6の左図に、上記した走査によって得られた信号を、上記(式1)の方法によって処理したOCT画像の模式図を示す。
図6(a)、(b)、(c)は各ビームスポット501a、501b、501cに対応している。
OCT画像の中で破線で囲った血管断面と思われる部分のドップラーシフト周波数を前記(式2)によって、まず図6(a)と図6(b)、図6(b)と図6(c)間で計算する。
次に、それらの結果を平均化してドップラー周波数fD(z、t)とする。
さらに、λ0=840nm、n=1.38、θ=80°として、血流速v(z、t)を前記(式3)によって計算したものが図6右図である。先に血流速を求めた後、平均化しても同じ結果が得られる。
本実施例の方法によると、各測定光スポットは同じ位置を走査するため、スポット径と同じ横分解能で測定が可能になる。
また、走査速度とスポット間隔によって時間差Δtを決めることができるので、走査速度を速くし、測定時間を短くすることができる。
また、以上では、走査光学系は、複数のビームからなる測定光の各スポットを同一方向に走査する構成を備え、該走査での各スポットによる走査領域の走査方向に垂直な方向の大きさが、各スポットのそれぞれを合計した大きさよりも小さい例について説明した。
しかし、このように、走査方向と垂直な方向には走査線がほぼ重なった場合だけでなく、ビーム径の範囲内でずれている場合でも、走査線がほぼ重なった場合と同じ効果が得られる。
さらに、ファイバコリメータ104を光軸を中心として回転させると、実施例1と同じ形態になる。この回転機構を設けることで、広範囲の測定を行う実施例1の形態と、ビームスポットサイズにほぼ等しい領域を正確に測定する実施例2の形態を切り替えて測定することが可能になる。
[実施例3]
本実施例では、走査速度、ビーム間隔が固定されていた実施例1、2と相違し、ビームの間隔または走査光学系の走査速度の少なくとも一方を、可変とする手段を備えている構成例について説明する。
本実施例では、図7に示されるように、ファイバ光学系ではなくバルク光学系で構成されている。これらはいずれにしても効果は同様である。
本実施例では、被測定対象となる被検査物として、眼の網膜120が選ばれている。
低コヒーレンス光源101からファイバコリメータ104までは同じであるが、ファイバコリメータ104によって平行ビームになった後の光学系がバルク光学系で構成されている。
平行ビームは凸レンズ2枚と凹レンズ1枚で構成される可変ズーム光学系701を通り、ビームスプリッタ702によって、それぞれ平行ビームが測定光と参照光に分けられる。
測定光は走査光学系105、対物レンズ106を通して、網膜120上の異なる点に照射される。測定光の網膜120における散乱光は測定光の光学系を逆に通り、ビームスプリッタ702に戻る。
参照光は、分散補償ガラス703を通り、参照ミラー704で反射され、ビームスプリッタ702に戻される。
散乱光と参照光はビームスプリッタ702にて合成され、干渉光が生じる。
干渉光はファイバコリメータ705により光ファイバに入射し、それぞれ分光検出部110にて分光され、記録処理部111にて図2の処理フローによって処理され、画像表示部112に表示される。
ガルバノミラーを用いた走査光学系105は500Hzまでの任意の周波数で走査周波数を変えることができる。
また、可変ズーム光学系701において、ビーム径を1〜4mmの間で変えることができる。
つまり、倍率を4倍の範囲で変えることができ、同時に、ビームの間隔も4倍の範囲で変わる。実施例2と同様に走査線が重なるように、ビームスポットの位置を図5のようにすると、ビーム径が1mmの場合は実施例2と同じである。
倍率が4倍、つまりビーム径が4mmの場合は、スポットサイズは5μm、スポット間隔は80μmになる。
検出できる位相変化の標準偏差をΔΦstdev(z,t)とすると、検出可能な最小流速は、

min(z)=ΔΦstdev(z,t)λ0/(4nΔtπ)…(式4)

となる。
また、検出できる最大の位相変化πは

min(z)=λ0/(4nΔt) …(式5)

と表される。
走査光学系105による走査速度とA−line測定回数を実施例2と同じでかつ一定とすると、時間差Δtはスポット間隔が320μmの場合の約0.21msから、スポット間隔80μmの場合の約0.05msまで可変にできる。
したがって、上記(式4)と(式5)とで、ΔΦstdev(z,t)=1°、λ0=840nm、n=1.38とすると、
Δt=0.21msのとき:vmin(z)=4.0μm/s、vmax(z)=724μm/s、
Δt=0.05msのとき:vmin(z)=17μm/s、vmax(z)=3043μm/s、
となり、この範囲で可変にすることができる。
このように可変ズーム光学系701によれば、流速の分解能vmin(z)を変えることができる。
したがって、これによれば、まず、スポットサイズ5μm(Δt=0.05ms)のモードで大まかに血流速の範囲を把握し、次に、特定の血管が含まれる領域をスポットサイズ20μm(Δt=0.21ms)のモードで測る、という使い分けをすることができる。
本実施例では、ビーム径を変化させ時間差Δtを変えたが、走査光学系105の走査速度を変えることでも、時間差Δtを変化させることができる。
101:低コヒーレンス光源
102:ファイバビームスプリッタ
103:ファイバカプラ
104:ファイバアレイコリメータ
105:走査光学系
106:対物レンズ
107:ファイバコリメータ
108:分散補償用ガラス
109:参照ミラー
110:分光検出部
111:記録処理部
112:画像表示部
113:光ファイバ
120:被検査物

Claims (3)

  1. 少なくとも第1ビームと第2ビームとによる複数のビームからなる光を測定光と参照光とに分割して用い、
    被検査物の断層情報と移動速度情報とを取得するOCTシステムにおける情報処理装置であって、
    前記第1及び第2ビームからなる測定光を、前記被検査物に対して走査するための走査光学系と、
    前記走査光学系によって走査される前記第1及び第2ビームからなる測定光を、前記被検査物の異なるスポット位置に照射する光学系と、
    前記被検査物の異なるスポット位置に照射された前記第1及び第2ビームからなる測定光による戻り光と、前記参照光の光路に設けられた参照ミラーによって反射された前記第1及び第2ビームからなる参照光と、
    による第1及び第2の干渉信号を生成する第1及び第2の干渉信号生成手段と、
    前記生成された第1及び第2の干渉信号によるそれぞれ異なる干渉信号を用いて位相の変化量を求め、該位相の変化量を元に前記被検査物の移動速度を演算する信号処理手段と、
    を有することを特徴とするOCTシステムにおける情報処理装置。
  2. 前記走査光学系は、前記第1及び第2ビームからなる測定光の各スポットを同一方向に走査する構成を備え、
    前記走査での前記各スポットによる走査領域の走査方向に垂直な方向の大きさが、該各スポットのそれぞれを合計した大きさよりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のOCTシステムにおける情報処理装置。
  3. 前記第1及び第2ビームの間隔または前記走査光学系の走査速度の少なくとも一方を、可変とする手段を備えていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のOCTシステムにおける情報処理装置。
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