JP2013057549A

JP2013057549A - 光断層画像取得方法

Info

Publication number: JP2013057549A
Application number: JP2011194940A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Hirano; 充遥平野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-28

Abstract

【課題】スペックルノイズの影響が低減されて高画質であって高い空間分解能を有する光断層画像を取得することができる方法を提供する。
【解決手段】測定光の集光ビームサイズと等しい又はこれより小さいＸＹ平面上の区間において複数の照射位置に測定光を照射して複数の断層像を得て、これら複数の断層像を平均化することで該区間のＺ方向の１次元断層像を取得する。そして、ＸＹ平面上の複数の区間それぞれについて取得したＺ方向の１次元断層像に基づいて対象物２の２次元または３次元の光断層画像を取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光断層画像取得方法に関するものである。

光コヒーレンストモグラフィ（Optical CoherenceTomography: ＯＣＴ）に拠る光断層画像取得技術は、光の干渉を用いて対象物の深さ方向の反射量分布を測定することができる。この光断層画像取得技術は、高い空間分解能で対象物の内部の構造を画像化することができることから、近年では生体計測に応用されている。

ＯＣＴに拠る光断層画像取得技術は、光源部から出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、参照光を反射体に照射したときに該反射体で生じる反射光と、測定光を対象物に照射したときに該対象物で生じる拡散反射光とを干渉させ、当該干渉光のパワーを検出部により検出し、この検出結果を解析することで対象物の深さ方向（測定光照射方向、Ｚ方向）の反射情報分布（１次元断層像）を得る。さらに、対象物への光照射位置をＺ方向に垂直な方向に１次元走査することで、対象物の２次元断層画像を取得することができる。また、対象物への光照射位置をＺ方向に垂直な方向に２次元走査することで、対象物の３次元断層画像を取得することができる。

ＯＣＴのうちＴＤ-ＯＣＴ（time-domainOCT）は、コヒーレンス長が短い光を出力する光源部を用いたときに、光源部から検出部までの両光の光路長差がある場合には干渉光の振幅が小さく、光源部から検出部までの両光の光路長差がない場合にのみ干渉光の振幅が大きくなることを利用する。このＴＤ-ＯＣＴでは、反射体の位置に応じた対象物の深さ方向位置の反射情報を得ることができるので、反射体を移動させながら干渉光振幅を検出することにより、対象物の深さ方向の反射情報分布（１次元断層像）を得ることができる。

一方、ＯＣＴのうちＦＤ-ＯＣＴ（Fourier-domainOCT）は、干渉信号の波長依存性を利用するものであって、ＴＤ-ＯＣＴと比べると対象物の断層画像を取得する時間が短い。光源部から出力される光を参照光と測定光とに等分した場合、光源部から出力される光のパワーをＰ_０、光の波数をｋ（＝２π／λ）、対象物の深さ方向位置をｚ、対象物での反射率をＲ_ｓ、反射体での反射率をＲ_ｍで表したとき、波数ｋの光についての干渉信号の強度Ｐ(ｋ)は、以下の式で表される。
Ｐ(ｋ)＝Ｐ_０／４｛Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｍ＋２(Ｒ_ｓＲ_ｍ)^1/2cos(２ｋｚ)｝

この式から判るように、波数ｋの光についての干渉信号の強度Ｐ(ｋ)は、対象物での反射率Ｒ_ｓの２分の１乗に比例する振幅で、対象物の深さ方向位置ｚに応じた周期で振動する。したがって、検出部により検出される干渉信号のスペクトルを波数軸２ｋでフーリエ変換すると、その結果は、対象物の深さ方向位置ｚでの反射率Ｒ_ｓ（すなわち、深さ方向の反射率分布）を表すものとなる。ＦＤ-ＯＣＴは、このことを利用する。

すなわち、ＦＤ-ＯＣＴでは、対象物に対して光を照射したときに、その光が対象物の内部まで浸透し光軸に沿った各位置で拡散反射が生じると、検出部により検出される干渉信号は、対象物の内部の各位置についての信号が重なり合った形で現れる。このような干渉信号をフーリエ変換すると、対象物の深さ方向の反射分布（１次元断層像）が直接求められる。ＦＤ-ＯＣＴでは、スペクトルを測定する必要があるので、検出部として分光器を用いる。

ＯＣＴに拠る光断層画像取得技術によって高画質の光断層画像を取得するには、装置構成，測定方法およびデータ処理方法の適切な選択が重要である。特に、ＯＣＴでは、光の干渉を利用しているので、取得される光断層画像にスペックルノイズが生じ易いという問題がある。そこで、スペックルノイズの影響を低減して高画質の光断層画像を取得するために、複数の断層像を平均化する処理が行われる。

特許文献１に開示されたＯＣＴに拠る光断層画像取得技術は、対象物の深さ方向（Ｚ方向）に垂直なＸＹ平面上で複数の照射位置に測定光を照射して複数の断層像を得て、これら複数の断層像を平均化することで、スペックルノイズの影響が低減された高画質の光断層画像を取得することを図っている。

特開２０１１−９５００５号公報

しかしながら、スペックルノイズの影響の低減を図るべく複数の断層像を平均化する処理をしても、スペックルノイズの影響を充分に低減することができない場合があり、また、光断層画像の空間分解能が低下する場合があることを、本発明者は見出した。

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、スペックルノイズの影響が低減されて高画質であって高い空間分解能を有する光断層画像を取得することができる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、光源部から出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、参照光を反射体に照射したときに該反射体で生じる反射光と、測定光を対象物に照射したときに該対象物で生じる拡散反射光とを干渉させ、当該干渉光のパワーを検出部により検出し、当該検出結果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、対象物への測定光の照射の方向をＺ方向とし、このＺ方向に垂直であって互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、測定光の集光ビームサイズと等しい又はこれより小さいＸＹ平面上の区間において複数の照射位置に測定光を照射して複数の断層像を得て、これら複数の断層像を平均化することで区間のＺ方向の１次元断層像を取得し、ＸＹ平面上の複数の区間それぞれについて取得したＺ方向の１次元断層像に基づいて対象物の２次元または３次元の光断層画像を取得することを特徴とする。

本発明の光断層画像取得方法では、ＸＹ平面上の区間における測定光の複数の照射位置のうち最も離れた２つの照射位置の間隔が測定光の集光ビームサイズの半分以上であるのが好適である。ＸＹ平面上の区間における測定光の複数の照射位置が等間隔であるのが好適である。また、ＸＹ平面上の区間における測定光の照射位置の数が１０以下であるのが好適である。

本発明によれば、スペックルノイズの影響が低減されて高画質であって高い空間分解能を有する光断層画像を取得することができる。

光断層画像取得装置１の概略構成を示す図である。本実施形態の光断層画像取得方法の第１設定例を説明する図である。本実施形態の光断層画像取得方法の第２設定例を説明する図である。本実施形態の光断層画像取得方法の第３設定例を説明する図である。本実施形態の光断層画像取得方法の第４設定例を説明する図である。１次元断層像における反射強度と深さ方向（Ｚ方向）位置との関係を示すグラフである。対象物２として寒天を用いた場合における照射位置数と回帰誤差との関係を示すグラフである。対象物２としてラードを用いた場合における照射位置数と回帰誤差との関係を示すグラフである。

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。また、図１〜図５では説明の便宜の為にＸＹＺ直交座標系が示されている。

図１は、光断層画像取得装置１の概略構成を示す図である。光断層画像取得装置１は、ＯＣＴに拠って対象物２の光断層画像を取得するものであって、光源部１０、干渉部２０、参照部３０、測定部４０、検出部５０、解析部６０および表示部７０を備える。

光源部１０は、帯域を有する光を出力する。ＯＣＴでは、対象物２の深さ方向の空間分解能は光の帯域幅に反比例し、スペクトル形状にも依存する。したがって、光源部１０として、広帯域かつ平坦度の高いスペクトルを有した光を出力することができるものが好ましい。例えば、希土類元素が添加されたガラスを光増幅媒体として備え広帯域の自然放出（ＡＳＥ）光を出力することができるＡＳＥ光源、光導波路における非線形光学現象によって帯域が拡大されたスーパーコンティニウム（ＳＣ）光を出力することができるＳＣ光源、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を含む光源、等が好適に用いられる。

干渉部２０は、光源部１０からから出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、参照光を反射体３１に照射するとともに当該照射に伴う反射体３１からの反射光を入力し、測定光を対象物２に照射するとともに当該照射に伴う対象物２からの拡散反射光を入力し、これら反射光と拡散反射光とを互いに干渉させて当該干渉光を検出部５０へ出力する。

参照部３０は、反射体３１と干渉部２０と反射体３１との間の光学系とを含み、干渉部２０からの参照光を反射体３１へ導き、反射体３１からの反射光を干渉部２０へ導く。測定部４０は、干渉部２０と対象物２との間の光学系であり、干渉部２０からの測定光を対象物２へ導き、対象物２からの拡散反射光を干渉部２０へ導く。また、対象物２への測定光の照射位置を走査する走査部４１が設けられている。

検出部５０は、干渉部４０から出力される干渉光を検出する。解析部６０は、検出部５０による検出の結果を解析して対象物２の光断層画像を求める。表示部７０は、解析部６０により求められた対象物２の光断層画像を表示する。

ＦＤ-ＯＣＴでは、検出部５０により干渉信号のスペクトルを測定し、解析部６０により該スペクトルをフーリエ変換することで対象物２の深さ方向の反射情報分布を得ることができる。ＦＤ-ＯＣＴでは、機械的に反射体３１を移動させる必要がないので、ＴＤ-ＯＣＴと比べると対象物２の断層画像を取得する時間が短い。

本実施形態の光断層画像取得方法では、このような光断層画像取得装置１を用いて、対象物２の２次元または３次元の光断層画像を取得する。ここで、図１中に示したようなＸＹＺ直交座標系を設定する。Ｚ方向は、対象物２への測定光の照射の方向である。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に垂直であって、互いに直交する２方向である。対象物２への測定光の照射は、Ｚ方向に平行であって、走査部４１によりＸ方向またはＹ方向に走査される。

本実施形態の光断層画像取得方法は、測定光の集光ビームサイズ（ビームの中心強度に対して強度が１／ｅ^２となる領域のサイズ）と等しい又はこれより小さいＸＹ平面上の区間において複数の照射位置に測定光を照射して複数の断層像を得て、これら複数の断層像を平均化することで該区間のＺ方向の１次元断層像を取得する。そして、ＸＹ平面上の複数の区間それぞれについて取得したＺ方向の１次元断層像に基づいて対象物２の２次元または３次元の光断層画像を取得する。

本実施形態の光断層画像取得方法における具体的な測定光照射位置の設定例は以下のとおりである。なお、以下で説明する図２〜図５それぞれにおいて、対象物２に向かう矢印は測定光の照射位置を表している。

図２に示される本実施形態の光断層画像取得方法の第１設定例では、対象物２における複数の区間のうち何れかの区間（高画質かつ高分解能の光断層画像を取得したい領域に含まれる区間）において、「ビームサイズ≧ 区間幅 ≧ 区間内で最も離れた照射位置の間隔」が満たされるように、測定光の複数の照射位置が設定される。

図３に示される本実施形態の光断層画像取得方法の第２設定例では、対象物２における複数の区間のうち何れかの区間（高画質かつ高分解能の光断層画像を取得したい領域に含まれる区間）において、「ビームサイズ≧ 区間幅 ≧ 区間内で最も離れた照射位置の間隔 ≧ ビームサイズの半分」が満たされるように、測定光の複数の照射位置が設定される。

図４に示される本実施形態の光断層画像取得方法の第３設定例では、対象物２における複数の区間のうち何れかの区間（高画質かつ高分解能の光断層画像を取得したい領域に含まれる区間）において、「ビームサイズ≧ 区間幅 ≧ 区間内で最も離れた照射位置の間隔 ≧ ビームサイズの半分」が満たされ、かつ、各照射位置の間隔が等しいように、測定光の複数の照射位置が設定される。

図５に示される本実施形態の光断層画像取得方法の第４設定例では、対象物２における複数の区間のうち何れかの区間（高画質かつ高分解能の光断層画像を取得したい領域に含まれる区間）において、「ビームサイズ≧ 区間幅 ≧ 区間内で最も離れた照射位置の間隔 ≧ ビームサイズの半分」が満たされ、かつ、各照射位置の間隔が等しく、照射位置の数が１０以下であるように、測定光の複数の照射位置が設定される。

そして、第１〜第４の各設定例の何れにおいても、各区間において複数の照射位置に測定光が照射されて複数の断層像が得られ、これら複数の断層像が平均化されることで該区間のＺ方向の１次元断層像が取得される。さらに、ＸＹ平面上の複数の区間それぞれについて取得されたＺ方向の１次元断層像に基づいて対象物２の２次元または３次元の光断層画像が取得される。

このように、本実施形態の光断層画像取得方法では、区間の幅が適切に設定されるとともに、該区間内における測定光の複数の照射位置が適切に設定されることにより、スペックルノイズの影響が低減されて高画質であって高い空間分解能を有する光断層画像が容易に取得され得る。

第２〜第４の各設定例の場合のように、区間における測定光の複数の照射位置のうち最も離れた２つの照射位置の間隔が測定光のビームサイズの半分以上であると、平均化処理によるスペックルノイズの低減が効果的になされる。また、第３および第４の各設定例の場合のように、区間における測定光の複数の照射位置が等間隔であると、走査部４１による測定光の走査が容易である。

第４設定例では、区間における測定光の複数の照射位置は等間隔とされ、且つ、該区間における測定光の照射位置の数は１０以下とされた。その理由について図６〜図８を用いて説明する。

図６は、１次元断層像における反射強度と深さ方向（Ｚ方向）位置との関係を示すグラフである。ここでは、拡散反射が空間的に一様である見做せる材料（寒天、ラード）が対象物２として用いられた。同図に示されるように、対象物内部において反射強度（ｄＢ）はＺ方向位置の一次式で近似される。その一次式で表される直線からの反射強度の誤差（すなわち、回帰分析の標準誤差）の大きさは平均化処理の際の照射位置数に依存すると考えられる。

図７は、対象物２として寒天を用いた場合における照射位置数と回帰誤差との関係を示すグラフである。図８は、対象物２としてラードを用いた場合における照射位置数と回帰誤差との関係を示すグラフである。ここで、照射位置数は、測定光の集光ビームサイズ（３０μｍ）と等しい又はこれより小さい区間において等間隔に設定された測定光の照射位置の数である。各照射位置に測定光が照射されて得られた断層像が平均化されて１次元断層像が取得され、この１次元断層像における回帰誤差が求められた。

これらの図から判るように、区間における測定光の照射位置の数が増えると平均化処理後の１次元断層像の回帰誤差が小さくなる傾向が認められる。照射位置の間隔が測定光の集光ビームサイズの１／５まで短くなると、平均化処理後の１次元断層像の回帰誤差が１／３程度減少した。しかし、さらに照射位置数が増加しても、照射位置数の増加に対する回帰誤差の低減の効果は、これ以上には改善されない。このことから、区間における測定光の照射位置の数が１０以下であるのが好適である。

１…光断層画像取得装置、２…対象物、１０…光源部、２０…干渉部、３０…参照部、３１…反射体、４０…測定部、４１…走査部、５０…検出部、６０…解析部、７０…表示部。

Claims

光源部から出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、前記参照光を反射体に照射したときに該反射体で生じる反射光と、前記測定光を対象物に照射したときに該対象物で生じる拡散反射光とを干渉させ、当該干渉光のパワーを検出部により検出し、当該検出結果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、
前記対象物への前記測定光の照射の方向をＺ方向とし、このＺ方向に垂直であって互いに直交する２方向をＸ方向およびＹ方向としたとき、前記測定光の集光ビームサイズと等しい又はこれより小さいＸＹ平面上の区間において複数の照射位置に前記測定光を照射して複数の断層像を得て、これら複数の断層像を平均化することで前記区間のＺ方向の１次元断層像を取得し、ＸＹ平面上の複数の区間それぞれについて取得したＺ方向の１次元断層像に基づいて前記対象物の２次元または３次元の光断層画像を取得する、
ことを特徴とする光断層画像取得方法。
ＸＹ平面上の区間における前記測定光の複数の照射位置のうち最も離れた２つの照射位置の間隔が前記測定光の集光ビームサイズの半分以上である、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。
ＸＹ平面上の区間における前記測定光の複数の照射位置が等間隔である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光断層画像取得方法。
ＸＹ平面上の区間における前記測定光の照射位置の数が１０以下である、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光断層画像取得方法。