JP2012145568A - 光断層画像取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、歯科用などの光断層画像取得装置に関するもので、正確な断層画像を取得することを目的とするものである。
【解決手段】本光断層画像取得装置では、表面検出処理部４７は、２値化工程と、収縮工程と、膨張工程と、膨張処理された表示画像データより測定対象の表面を検出する表面検出工程と、表面検出工程で検出された測定対象の表面と、断層画像用演算部より得られた表示画像データを比較して、表示画像補正を行う補正工程と、を順次実行させる。
【選択図】図１８

Description

本発明は、例えば、医療用として活用される光断層画像取得装置に関するものである。

従来、医療用として活用される光断層画像取得装置の構成は、以下のような構成となっていた。
すなわち、従来の光断層画像取得装置は、光源と、光源から出た光を少なくとも一方と他方に分割する分割部と、分割された一方の光を光入出部から測定対象に向けて照射しその測定対象からの反射光を光入出部から測定光として取り込むブローブと、分割部によって分割された他方の光の経路補正を行う参照鏡と、参照鏡からの経路補正された光とプローブが取り込んだ測定光とを干渉させて干渉光を生成する干渉部と、干渉部で生成された干渉光を演算処理して測定対象の断層画像情報を生成する断層画像用演算部と、断層画像用演算部の演算結果を表示部へ出力する表面検出処理部と、を備えた構成となっていた。

これら従来の光断層画像取得装置のうち、表示部に表示する断層画像を見やすくするために、表面検出処理部が干渉光の周波数スペクトラムのピーク検出によって測定対象の表面検出を行い、表面検出データに基づいて断層画像の測定対象と非測定対象部分を分離補正することで、測定対象の断層画像を見やすくする技術もあった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２２５３４９号公報

上記従来の光断層画像取得装置では、正確な光断層画像が表示できないという課題を有している。
すなわち、上記従来の光断層画像取得装置では、測定対象の断層画像情報を表示するために、干渉光の周波数スペクトラムのピーク検出によって測定対象の表面検出を行い、表面検出データに基づいて断層画像の測定対象と非測定対象部分を分離し、測定対象の断層画像を見やすくする構成となっていた。
このようにすると、測定対象部分のみの断層画像データについて表示補正可能となるので、断層画像をより見やすくすることが可能となる。しかし、測定対象の断層画像が正確に表示できないという問題が発生した。

本発明者は、このような測定対象の断層画像が正確に取得できない原因を鋭意検討する中で、プローブ内に存在するレンズや透明カバーの界面の後方反射光が原因となって、断層画像に界面が表示されてしまい、干渉光の周波数スペクトラムのピーク検出によって、界面を測定対象の表面として検出してしまう誤検出によって、測定対象の断層画像が正確に表示できないことを見いだした。
そこで、本発明は、測定対象の表面を検出する表面検出処理部において測定対象の表面を誤検出することを回避して、正確な断層画像を表示することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、光源と、分割部と、プローブと、参照鏡と、干渉部と、断層画像用演算部と、表面検出処理部と、を備えている。分割部は、光源から出た光を第１方向と第２方向とに分割する。プローブは、第１方向に分割された第１の光を測定対象に向けて照射し、測定対象からの反射光を測定光として取り込む光入出部を有する。参照鏡は、分割部において第２方向へ分割された第２の光の経路補正を行う。干渉部は、参照鏡において経路補正された第２の光とプローブに測定光として取り込まれた第１の光とを干渉させて干渉光を生成する。断層画像用演算部は、干渉部において生成された干渉光を演算処理して測定対象の断層画像情報を生成する。表面検出処理部は、２値化処理部と、収縮処理部と、膨張処理部と、表面検出処理部と、補正処理部と、を有しており、断層画像用演算部の演算結果を出力する。２値化処理部は、断層画像用演算部から得られた表示画像データの輝度値を基準値に対して０と正規化基準値に２値化する。収縮処理部は、２値化された表示画像データの所定画素の周辺画素の輝度値の少なくとも１画素でもその輝度値が０の場合には所定画素の輝度値を０とする。膨張処理部は、収縮処理された表示画像データの所定画素の周辺画素の輝度値の少なくとも１画素でもその輝度値が正規化基準値の場合には所定画素の輝度値を正規化基準値とする。表面検出処理部は、膨張処理された表示画像データより測定対象の表面を検出する。補正処理部は、表面検出処理部において検出された測定対象の表面と断層画像用演算部から得られた表示画像データとを比較して表示画像補正を行う。

本発明によれば、断層画像を見やすく表示するために、測定対象の表面を検出する表面検出処理部において測定対象の表面を誤検出することを回避できるため、正確な光断層画像を表示することができる。

本発明の一実施形態に係る光断層画像取得装置の使用例を示す斜視図。 図１の光断層画像取得装置の斜視図。 図２の光断層画像取得装置の表示部の表示画面を示す図。 図２の光断層画像取得装置の分解斜視図。 図２の光断層画像取得装置の分解斜視図。 図２の光断層画像取得装置の主要部の分解斜視図。 図２の光断層画像取得装置の電気的なブロック図。 図２の光断層画像取得装置の主要部の使用時における断面図。 図２の光断層画像取得装置の表示部の表示画面を示す図。 図２の光断層画像取得装置の干渉光の周波数スペクトラム図。 図２の光断層画像取得装置の表示部の表示画面を示す図。 図２の光断層画像取得装置の表示部における画素配置図。 図２の光断層画像取得装置の表示部の表示画面を示す図。 図２の光断層画像取得装置の表示部の表示画面を示す図。 図２の光断層画像取得装置の表示部における画素配置図。 図２の光断層画像取得装置の表示部の表示画面を示す図。 図２の光断層画像取得装置の表示部の表示画面を示す図。 図２の光断層画像取得装置の主要部の電気的なブロック図。 図２の光断層画像取得装置による光断層画像を表示するまでの流れを示すフローチャート。

以下、本発明の一実施形態に係る光断層画像取得装置について、添付図面を用いて説明する。
なお、以下の説明において、前後方向とは、光断層画像取得装置のプローブの長手方向に相当する方向を意味するものとする。また、前方とは、口腔内に挿入される先端側を意味し、後方とはその反対側を意味するものとする。

図１は、本実施の形態に係る光断層画像取得装置の使用例を示す。
図１に示すように、プローブ本体１の前方には、光入出部２が突出した状態で装着されている。
本実施形態に係る光断層画像取得装置は、後段において詳細に説明するが、図１に示すように、口腔３内に光入出部２を差し込み、歯４のＸ軸方向の光断層画像をＹ軸方向に連続的に取得する。

プローブ本体１は、図２に示すように、片手で保持できるようにピストル形状を有している。そして、プローブ本体１の後端には、ケーブル５を介して制御ボックス６が接続されている。なお、ケーブル５内には、光入出力用や電気的信号用の配線が収納されている。
また、プローブ本体１内には、図４から図６に示すように、測定用の近赤外光（波長１３１０ｎｍ）を平行光とするコリメータレンズ７を有している。このコリメータレンズ７から出た近赤外光は、光走査部８によってＸ軸方向（図４等参照）に対応する方向に走査され、続いて、それに直交するＹ軸方向に対応する方向に移動後、再びＸ軸方向に走査される。つまり、本実施形態の光断層画像取得装置では、従来のブラウン管テレビにおける画像形成のための走査状態と同じ状態で走査される。

そして、走査された光は、波長分離プリズム９、反射ミラー１０を介して、図４および図５に示すように、歯４に対して照射される。このとき、走査された光は、図３に示す表示画面１２の画像から理解されるように、歯１１のＸ軸方向に走査され、そのＸ軸方向の走査時における断層画像は、図３に示す表示画面上方の表示画面１３に表示される。
図３において、表示画面１３には、下方の表示画面１２では発見されなかった虫歯１４が断層画像として表示されている。例えば、虫歯１４は、歯１１の表面では、わずかな黒シミにしか見えなかったものが、断層画像を撮れば、表示画面１３に示されているように、下方に大きく開口した状態であることが確認できる。これにより、この虫歯１４について、直ちに虫歯治療を行うことができるため、早期治療が可能となる。

つづいて、次のステップとして、Ｙ軸方向にわずかに移動した状態で、再びＸ軸方向の走査が行われる。この時の画像は、再び表示画面１３に表示される。もちろん、このようにＸ軸方向の走査ごとに、直ちに表示画面１３にその断層画像を表示させなくても、後で歯科医の手操作により、画像を１枚ずつ送りながら確認することもできる。
さて、このような画像を作成するために、波長分離プリズム９の前方に、図５および図６に示すように、照明用の発光素子１５が配置されている。発光素子１５から照射された光は、反射ミラー１０を介して歯１１に照射される。この照射により、歯において反射され、光入出力開口部から反射ミラー１０に入射した光は、再び反射ミラー１０で反射されて、波長分離プリズム９、内部反射ミラー２８、内部反射ミラー２９を経由して、カメラ１６において画像として検出される。そして、その画像が、上述した表示画面１２に示す画像となる。

つまり、表示画面１２は、現在どの歯１１の断層画像を得ようとしているかを使用者に認識させるために表示されるものである。使用者は、表示画面１２の画像を見ながらプローブ本体１を操作することで、図４および図５に示す近赤外光の走査が行われる。
このように、図４および図５に示すように、走査された近赤外光は、波長分離プリズム９を直進し、コリメータレンズ７を通過した後、ケーブル５を介して、制御ボックス６（図２参照）に戻される。そして、ここで画像処理された後の画像が、図３の表示画面１３に表示される。つまり、図３は、制御ボックス６の表示部１７の表示画面を示している。

ここで、制御ボックス６における画像処理について説明する。
本実施形態の光断層画像取得装置の制御ボックス６は、図７に示すように、光源１８、分割部１９、参照鏡２０、干渉部２１、受光部２２、断層画像用演算部２３、制御部２４、観察画像用演算部２５、表面検出処理部４７、および表示部１７を有している。
光源１８は、波長掃引光源である。そして、光源１８から出た光は、分割部１９において分割され、その一部がケーブル５を介して光走査部８に供給される。これにより、上述した歯４に対して、Ｘ軸方向とＹ軸方向における走査が行われる。

また、分割部１９において分割された残りの光は、参照鏡２０において反射され、それが干渉部２１に供給される。干渉部２１では、参照鏡２０において反射された光と、光走査部８、ケーブル５を介して戻された光とを干渉をさせて干渉光を生成する。この干渉光は、受光部２２で電気信号に変換される。そして、この電気信号がＡ／Ｄ変換された後、その結果が断層画像用演算部２３に供給される。

断層画像用演算部２３では、干渉光のＡ／Ｄ変換結果に対してＦＦＴ演算（高速フーリエ変換演算）を行い、測定対象である歯４の表面形状と、その断層画像情報とを取得する。
制御部２４は、観察画像用演算部２５を制御するとともに、表示画面１２（図３参照）に観察画像をリアルタイムに表示させる。また、制御部２４は、断層画像用演算部２３を制御しており、表示画面１３（図３参照）に断層画像を表示させる。

ここで、表示画面１３に断層画像を表示する際の表示範囲について以下で説明する。
すなわち、上述した分割部１９から参照鏡２０を経由して干渉部２１までの光学経路長Ｘと、分割部１９からプローブの光入出部２の光学経路の先端、つまりプローブの光入出部２を折り返して干渉部２１までの光学経路長Ｙと、の差が干渉光のスペクトラムとして現れる。ここで、光学経路Ｘ＝Ｙとなる位置が、表示画面１３に表示される断層画像の表示開始位置Ｓとなる。この表示開始位置Ｓについては、後段にて詳述する。

本実施形態における光走査部８は、図４、図５、図６に示すガルバノスキャナ２６により、コリメータレンズ７からの近赤外光を第１方向（図４、図５のＸ方向）に走査し、第１方向に直交する第２方向（図４、図５のＹ方向）に走査するガルバノスキャナ２６，２７を有している。
図８は、プローブ本体１の光入出部２が、口腔内に挿入された場合の断面構造を示している。上述したように、プローブ本体１の前方には、光入出部２が設けられている。そして、その先端には、光偏向部材である反射ミラー１０が設けられている。さらに、光透過性のカバー体である保護カバー３８が、光入出部２の内部を前後に分けるようにして設けられている。

ここで、プローブ本体１の光入出部２に取り付けられた保護カバー３８は、防水カバーの機能を備えており、光入出部２の前方側の空間に対して、後方側を防水する構成となっている。
このため、患者の口腔内にプローブ本体１の光入出部２側を挿入した際には、光入出部２の前方側に設けられた開口部３９から患者の唾液等が侵入してくるため、保護カバー３８の交換・洗浄等が必要となる。よって、光入出部２は、プローブ本体１に対して着脱可能に構成されている。なお、プローブ本体１から取り外された光入出部２は、洗浄された後、次の患者に対して使用可能である。

しかしながら、光入出部２の内面に付着した患者の唾液等を完全に除去するように洗浄することは、使用者の利便性を低下させることになる。そのため、本実施形態では、開口部３９を含めた光入出部２全体を覆い、開口部３９からの患者の唾液等の侵入を防止することが可能なカバー３８ａを設けている。これにより、衛生面をさらに向上させることができる。

本実施形態では、このような構成において、プローブ本体１側から入射した光は、保護カバー３８を通過し、光屈折部材である反射ミラー１０によって偏向され、開口部３９を通ってカバー３８ａを経て測定対象である歯４に照射される。歯４に照射された光は、反射して再びカバー３８ａを経て開口部３９から反射ミラー１０を経由して、保護カバー３８を通過し、プローブ本体１側に測定光として返っていく。

このプローブの開口部３９と歯４の間には、上述したように、断層画像の表示開始位置となる点Ｓが設定されている。
表示開始位置Ｓの定義については、上述した実施形態１において説明した通りである。
そして、本実施形態においては、表示開始位置Ｓの点から歯４の表面および断層方向の画像を取得する。

以下、本実施形態における主な特徴点について説明する。
まず、図３に戻って、本実施形態における主要課題について説明する。
上述したように、図３の表示画面１３の上方には、歯１１の断層画像が表示されており、この断層画像は、白、黒の濃淡、いわゆるグレースケールによって断層情報を表示している。

この断層情報としては、測定対象としての歯１１の表面１１ａから歯１１の内部に至る測定対象内部情報が重要であって、歯１１の表面１１ａよりプローブに近い側、いわゆる空気層１１ｂの情報は、実質的に不要である。そこで、歯１１の表面１１ａを検出し、測定対象内部情報と空気層の情報とに分離し、より断層情報を識別しやすくする表示方法が知られている。
この歯１１の表面１１ａの検出方法としては、測定光と参照光の干渉信号のスペクトラムのピークを検出する方法が、特開２００７−２２５３４９号公報に記載されている。しかし、この方法では、以下のような課題が発生する。

図８に示すように、プローブ本体１側から入射した光は、開口部３９を通ってカバー３８ａを通過する。このとき、カバー３８ａの界面を完全に通過しないで、後方に反射する光、いわゆる後方反射光４１ａが発生する。
後方反射光４１ａは、測定光に混入し、干渉部での干渉信号のスペクトラムのピークとして現れる。
図９に、この後方反射光４１ａが測定光に混入した場合の断層画像を示す。図９に示す断層画像には、歯１１の表面１１ａより下方に歯１１の内部情報４２が表示されている。一方、歯１１の表面１１ａの上方には、カバー３８ａの界面４３が表示されている。

図１０に、図９に示すＡラインにおける干渉光のスペクトラムを示す。
この干渉光のスペクトラムには、周波数の低い側から順に、カバー３８ａの界面４３による第１のピーク４４と、歯１１の表面１１ａによる第２のピーク４５が発生している。
このような２つのピークが発生しているような場合においては、歯１１の表面１１ａを単純に干渉光のスペクトラムのピークとして検出を行ったのでは、カバー３８ａの界面４３を、歯１１の表面１１ａと誤検出してしまうおそれがある。その結果、正しく断層画像が表示できなくなってしまう場合がある。

そこで、本実施形態の光断層画像取得装置では、図１８に示すように、表面検出処理部４７が、内部に生成される機能ブロックとして、２値化処理部４８と、収縮処理部４９と、膨張処理部５０と、表面検出部５１と、空気層補正部（補正処理部）５２と、組織層補正部（補正処理部）５３と、画像深度補正部５４と、を有している。
そして、図７に示すように、カバー３８ａの界面４３が混入した断層情報において、まず、２値化処理部４８が、図７に示す断層画像用演算部２３より得られた表示画像データの輝度値を基準値に対して０と正規化基準値とに２値化する２値化処理工程を実施する。その結果、図９に示す断層画像は、図１１に示すような、２値化された明確なコントラストを示す断層画像となる。

次に、収縮処理部４９が、２値化された断層画像データについて、図１２に示すように、所定画素４６の輝度値について、所定画素４６の上下左右に配置された周辺画素４６ａの輝度値の少なくとも１画素でもその輝度値が０の場合は、所定画素４６の輝度値を０とする収縮工程を行う。この工程を１回からＮ回行うことによって、界面４３は、図１３および図１４に示すように、界面４３は次第に薄くなっていく。

次に、膨張処理部５０が、Ｎ回の収縮処理をされた断層画像データについて、図１５に示すように所定画素４６の輝度値について、この所定画素４６の上下左右に配置された周辺画素４６ａの輝度値の少なくとも１画素でもその輝度値が正規化基準値の場合は、所定画素４６の輝度値を正規化基準値とする膨張工程を行う。この工程をＮ回行うことによって、図１６に示す歯１１の表面１１ａは回復するが、界面４３は線としての繋がりはなくなり、断続的になっている。

次に、表面検出部５１が、膨張処理された断層情報の中で、正規化基準値となっている画素を表面候補点とし、この表面候補点と図９に示す原画像データとを比較して、原画像データの表面候補点の上領域、下領域で輝度値の総和を求め、領域間の差分が大きい場合は表面候補線を歯１１の表面１１ａとする表面検出処理を行う。
本実施形態の光断層画像取得装置では、以上の一連の工程を順次実施することにより、歯１１の表面１１ａを正確に検出できることができる。

次に、空気層補正部５２と組織層補正部５３とが、歯１１の表面検出を行った後、表面より上方を空気層、下方を測定対象内部情報として歯１１の断層情報とに分別し、この断層情報に表示画像補正を行う。これにより、表示画像をより見やすい状態で表示することができる。
この補正工程における処理としては、空気層の情報を非測定対象のデータとして、輝度値を同一の値にする処理を行い、測定対象内部情報の輝度値のダイナミックレンジを拡張すればよい。

その結果、図１７に示すように、界面４３を消去し、非測定対象である空気層１１ｂの輝度値を同一の値とし、歯１１の断層画像の輝度値のダイナミックレンジを拡張することで、歯１１の断層画像のコントラストを高めることができる。よって、歯１１の内部情報４２の表示を、より滑らかにかつ高いコントラストで表示することができる。
本実施形態の光断層画像取得装置では、以上の処理を実施するために、図７のブロック図に示すように、断層画像用演算部２３と表示部１７との間に、表面検出処理部４７を設けている。

ここで、表面検出処理部４７の内部に生成される機能ブロック図を図１８、それらの機能ブロックによる処理の流れを示すフローチャートを図１９に示す。
図１８および図１９に示すように、まず、断層画像用演算部２３において計算された断層情報が取得される（Ｓ１）。
次に、取得された断層情報は、２値化処理部４８で２値化される（Ｓ２）。

次に、収縮処理部４９では、歯の組織以外の非測定対象内の界面を除去する（Ｓ３）。
次に、膨張処理部５０では、収縮処理によって削られた組織の情報を復元する（Ｓ４）。
次に、表面検出部５１では、断層情報の中で、正規化基準値となっている画素を表面候補点とし、表面候補点と原画像データとを比較して、原画像データの表面候補点の上領域、下領域で輝度値の総和を求め、領域間の差分が大きい場合は表面候補点を歯の表面とする表面検出処理を行う（Ｓ５）。

次に、空気層補正部５２では、表面検出された情報と、断層画像用演算部２３で計算された原画像としての断層情報とを比較して、この原画像の断層情報の表面検出された歯の表面より上方の断層画像をマスクする（Ｓ６）。
次に、組織層補正部５３では、この原画像の断層情報の表面検出された歯の表面より下方の断層画像をコントラスト補正（Ｓ７）することで、正確な光断層画像を表示することができる。

次に、画像深度補正部５４では、この断層画像における表面位置が所定の深度に来るように、画像全体を深さ方向にオフセットして表示部１７に表示させる（Ｓ８）。すなわち、表面検出位置が、表示部１７の表示画面上における所定の位置に固定的に表示されるように制御される。これにより、使用者が保持しているプローブが手振れによって動いた場合でも、表示部１７の表示画面において歯の表面位置に対して固定した位置になるように断層画像が表示されるため、表示画面を見やすくすることができる。

本発明は、断層画像を見やすく表示するために、測定対象の表面を検出する表面検出処理部において測定対象の表面を誤検出することを回避できるため、正確な光断層画像を表示することができるという効果を奏することから、例えば、歯科用光断層画像取得装置として、広く活用が期待される。

１ プローブ本体
２ 光入出部
３ 口腔
４ 歯
５ ケーブル
６ 制御ボックス
７ コリメータレンズ
８ 光走査部
９ 波長分離プリズム
１０ 反射ミラー
１１ 歯
１１ａ 表面
１１ｂ 空気層
１２ 表示画面
１３ 表示画面
１４ 虫歯
１５ 発光素子
１６ カメラ
１７ 表示部
１８ 光源
１９ 分割部
２０ 参照鏡
２１ 干渉部
２２ 受光部
２３ 断層画像用演算部
２４ 制御部
２５ 観察画像用演算部
２６ ガルバノスキャナ
２７ ガルバノスキャナ
２８ 内部反射ミラー
２９ 内部反射ミラー
３８ 保護カバー
３８ａ カバー
３９ 開口部
４１，４１ａ 後方反射光
４２ 内部情報
４３ 界面
４４ 第１のピーク
４５ 第２のピーク
４６ 所定画素
４６ａ 周辺画素
４７ 表面検出処理部
４８ ２値化処理部
４９ 収縮処理部
５０ 膨張処理部
５１ 表面検出部
５２ 空気層補正部（補正処理部）
５３ 組織層補正部（補正処理部）
５４ 画像深度補正部

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源から出た光を第１方向と第２方向とに分割する分割部と、
   前記第１方向に分割された第１の光を測定対象に向けて照射し、前記測定対象からの反射光を測定光として取り込む光入出部を有するプローブと、
   前記分割部において前記第２方向へ分割された第２の光の経路補正を行う参照鏡と、
   前記参照鏡において経路補正された前記第２の光と前記プローブに測定光として取り込まれた前記第１の光とを干渉させて干渉光を生成する干渉部と、
   前記干渉部において生成された干渉光を演算処理して測定対象の断層画像情報を生成する断層画像用演算部と、
   前記断層画像用演算部から得られた表示画像データの輝度値を基準値に対して０と正規化基準値に２値化する２値化処理部と、２値化された表示画像データの所定画素の周辺画素の輝度値の少なくとも１画素でもその輝度値が０の場合には所定画素の輝度値を０とする収縮処理部と、収縮処理された表示画像データの所定画素の周辺画素の輝度値の少なくとも１画素でもその輝度値が正規化基準値の場合には所定画素の輝度値を正規化基準値とする膨張処理部と、膨張処理された表示画像データより測定対象の表面を検出する表面検出部と、前記表面検出処理部において検出された測定対象の表面と前記断層画像用演算部から得られた表示画像データとを比較して表示画像補正を行う補正処理部と、を有しており、前記断層画像用演算部の演算結果を出力する表面検出処理部と、
   を備えている光断層画像取得装置。
2. 前記表面検出処理部から出力された断層画像情報を受信する表示部を、さらに備えている、
   請求項１に記載の光断層画像取得装置。
3. 前記測定対象の表面位置が前記表示部の表示画面における所定の位置に来るように、前記測定対象の深さ方向において前記表面位置をオフセットする画像深度補正部を、さらに備えている、
   請求項２に記載の光断層画像取得装置。
4. 前記補正処理部は、非測定対象のデータの輝度値を同一の値にする処理を行う、
   請求項１から３のいずれかに記載の光断層画像取得装置。
5. 前記補正処理部は、測定対象のデータの輝度値のダイナミックレンジを拡張する処理を行う、
   請求項１から４のいずれかに記載の光断層画像取得装置。
   

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