JP2014021127A - 断層映像生成方法及び断層映像生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の透過深さが増加した断層映像生成方法及び断層映像生成装置を提供する。
【解決手段】本発明の断層映像を生成する断層映像生成方法は、空間光変調器を通過して対象体に入射する光線を利用して、対象体の表面の一つの地点で深さスキャンを行い、空間光変調器の複数のパターンのそれぞれに対して同じ地点で深さスキャンを反復して、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得し、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて、ベクトル空間を表す行列Ｒを生成し、行列Ｒに対して所定の行列分解を行い、行列分解によって、副空間成分の和として表現されるベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離し、信号副空間の成分及び／又はノイズ副空間の成分を利用してベクトル空間を再構成し、再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を利用して断層映像を生成する断層映像生成方法及び断層映像生成装置に関する。

単色性、凝集性、及び方向性を有する光の特性を利用して、現在、多様な分野で光が活用されている。バイオ分野及び医療分野において、光は、組織又は細胞の観察、病気の診断、或いはレーザ手術などで多様に活用されている。

このような光の様々な特性を利用することで、生きている組織又は細胞の高解像度の撮影が可能なため、人体と生命体とを直接的に切開せずにその内部構造を観察できる。医療分野では、各種の疾病の原因、位置及び進行経過などを容易且つ安全に把握するのに活用される。光を利用した人体の断層映像の撮影においては、人体又は生命体の深いところの細胞又は組織まで光を透過させるように光の透過深さを増加させることが要求される。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、光の透過深さが増加した断層映像生成方法及び断層映像生成装置を提供することにある。また、断層映像生成方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による断層映像生成方法は、パターンによって入射する光線の強度又は位相を変調する空間光変調器を通過して対象体に入射する光線を利用して、前記対象体の表面の一つの地点で深さスキャンを行うステップと、前記対象体の表面の一つの地点で、前記空間光変調器の複数のパターンのそれぞれに対して前記深さスキャンを反復して、前記複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得するステップと、前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて、ベクトル空間を表す行列Ｒを生成するステップと、前記行列Ｒに対して所定の行列分解を行うステップと、前記行列分解によって、副空間成分の和として表現される前記ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離するステップと、前記信号副空間の成分及び前記ノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成するステップと、前記再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成するステップと、を有する。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による断層映像生成方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を提供する。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による断層映像生成装置は、光線を出力する光出力部と、パターンによって入射する光線の強度又は位相を変調する空間光変調器と、前記空間光変調器の複数のパターンのそれぞれが前記空間光変調器に順次に適用されるように前記空間光変調器を制御する変調制御部と、前記空間光変調器を通過して対象体に入射する光線を利用して、前記対象体の表面の一つの地点で深さスキャンを行い、前記空間光変調器の前記複数のパターンのそれぞれに対して前記対象体の表面の一つの地点で前記深さスキャンを反復する深さスキャン部と、前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンの実行結果によって獲得される光線に基づいて、前記複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得するデータ獲得部と、前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいてベクトル空間を表す行列Ｒを生成し、前記行列Ｒに対して所定の行列分解を行い、前記行列分解によって、副空間成分の和として表現される前記ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離し、前記信号副空間の成分及び前記ノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成する信号処理部と、前記再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成する映像生成部と、を備える。

本発明の断層映像生成方法によれば、非相関関係にある空間光変調器の複数のパターンを利用して信号値を獲得し、獲得された信号値の相関関係に基づいて信号成分とノイズ成分とを分離して信号成分を強化することによって、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を増加させて解像度を向上させ、透過深さが増加した断層映像を生成することができる。
また、断層映像生成装置によれば、空間光変調器を利用して、フィードバックなしに、獲得された信号の信号処理を通じてスペックルノイズなどのノイズを低減させるため、断層映像を早く獲得することができる。

本発明の一実施形態による断層映像生成装置を示すブロック図である。 図１の信号処理部によって、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいてノイズ成分と信号成分とが分離されることを示すグラフである。 ベクトル空間を再構成して断層映像を生成することによって、透過深さが増加した断層映像が獲得されることを示すグラフである。 図１に示した断層映像生成装置の一実施形態に該当する光干渉断層撮影装置を示す図面である。 本発明の一実施形態による断層映像生成方法を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による断層映像生成装置を示すブロック図である。図１を参照すると、断層映像生成装置１００は、光出力部１１０、空間光変調器１２０、変調制御部１３０、深さスキャン部１４０、データ獲得部１５０、信号処理部１６０、及び映像生成部１７０から構成される。

図１に示した断層映像生成装置１００は、本実施形態の特徴が不明瞭になることを防止するために、本実施形態に係る構成要素のみを示している。従って、図１に示した構成要素以外に、他の汎用的な構成要素が更に含まれてもよいことを、当業者ならば理解できるであろう。

本実施形態による断層映像生成装置１００は、光を利用して対象体の断層映像を獲得する装置であって、光干渉断層撮影装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＣＴ）、光干渉顕微鏡（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＯＣＭ）、及び光学顕微鏡のように、光干渉性に基づいて断層映像を獲得できる全ての光学映像装置を含む。

光出力部１１０は、対象体１０に入射する光線を出力する。この時、光出力部１１０は、波長可変光、レーザなどを出力するが、これらに限定されるものではない。光出力部１１０から出力された光線は、空間光変調器１２０を通過して対象体１０に入射する。

空間光変調器１２０は、パターンによって、入射する光線の強度又は位相を変調する。光出力部１１０から出力された光線は、空間光変調器１２０のパターンによって、光線の強度又は位相がそれぞれ異なって変調されて対象体１０に入射する。例えば、空間光変調器１２０は、複数のピクセルから構成され、ピクセルが配列されたパターンによって光線の強度又は位相を変調する。空間光変調器１２０は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）となる。この時、ＤＭＤは、入射する光線を反射する微小ミラーで構成されて、各微小ミラーをオン／オフに制御し、オン／オフになったピクセルの配列によってパターンを形成する。但し、空間光変調器は、ＤＭＤに限定されるものではない。

変調制御部１３０は、空間光変調器１２０の複数のパターンのそれぞれが空間光変調器１２０に順次に適用されるように空間光変調器１２０を制御する。また、変調制御部１３０は、空間光変調器１２０の非相関関係にある複数のパターンを決定する。

例えば、変調制御部１３０は、複数のパターンのそれぞれが他のパターンの光線の位相変調に対して非相関関係にあるように複数のパターンを決定する。一実施形態として、変調制御部１３０は、複数のパターンのそれぞれが他のパターンと互いに直交関係にあるように複数のパターンを決定する。他の実施形態として、変調制御部１３０は、複数のパターンをアダマールパターンの順列に基づいて決定する。

また、変調制御部１３０は、一部のパターンに対して空間シフト変調を行って複数のパターンを獲得する。空間シフト変調は、一つのパターンに対して垂直方向又は水平方向に所定の個数ほどピクセルの配列を移動させて、シフトされた複数のパターンを獲得するものである。

例えば、変調制御部１３０は、一つのパターンの垂直方向に対して所定のピクセルほど空間シフト変調を行う。また、変調制御部１３０は、垂直方向にシフト変調された複数のパターンを水平方向に所定のピクセルほど空間シフト変調を行って、シフト変調の回数ほどに該当する複数のパターンを獲得する。

本実施形態による変調制御部１３０は、少なくとも一つ以上のプロセッサに該当するか又は少なくとも一つ以上のプロセッサを含む。

深さスキャン部１４０は、空間光変調器１２０を通過した光線を利用して、対象体１０の表面の一つの地点で深さスキャンを行う。この時、深さスキャンは、対象体１０の表面の一つの地点で深さ方向に空間光変調器１２０を通過した光線を透過させ、対象体１０に入射した光線が透過、反射、散乱などにより深さスキャン部１４０に戻る光線を、深さによって獲得することを表す。深さスキャンは、Ａ−ｓｃａｎともいう。一実施形態によると、深さスキャン部１４０は、光干渉性を利用して深さスキャンを行う。

深さスキャン部１４０は、空間光変調器１２０の複数のパターンのそれぞれに対して、同じ地点で深さスキャンを反復する。

本実施形態による深さスキャン部１４０は、少なくとも一つ以上のプロセッサを含む。また、深さスキャン部１４０は、断層映像生成装置１００の外部に、別途のモジュールとして位置してもよい。

データ獲得部１５０は、空間光変調器１２０の複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンの実行結果によって獲得される光線に基づいて、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得する。

例えば、データ獲得部１５０は、空間光変調器１２０を通過した光線が対象体１０に入射した後、深さスキャン部１４０に戻る光線に基づいて、深さによる信号の強度を表すスペクトル信号を獲得する。

本実施形態によるデータ獲得部１５０は、少なくとも一つ以上のプロセッサに該当するか又は少なくとも一つ以上のプロセッサを含む。また、データ獲得部１５０は、図１に示したように、断層映像生成装置１００の内部に位置するが、これに限定されるものではなく、断層映像生成装置１００の外部に位置してもよい。

具体的に、深さスキャン部１４０及びデータ獲得部１５０は、下記のような過程を通じて、複数のパターンのそれぞれに対して深さスキャンを反復し、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得する。

変調制御部１３０は第１パターンを空間光変調器１２０に適用し、深さスキャン部１４０は対象体１０の表面の一つの地点で第１パターンに対する光線を検出し、データ獲得部１５０は、検出された光線に基づいて、第１パターンに対する深さスキャンデータを獲得する。

データ獲得部１５０が、第１パターンの深さスキャンデータを獲得した後、制御信号を変調制御部１３０に伝送すると、変調制御部１３０は第２パターンを空間光変調器１２０に適用し、深さスキャン部１４０は同じ地点で深さスキャンを行う。データ獲得部１５０は、第２パターンに対して深さスキャンを行った結果、第２パターンに対する深さスキャンデータを獲得して制御信号を再び変調制御部１３０に伝送する。

同様に、変調制御部１３０は、第３パターン、第４パターンなどの複数のパターンを順次に空間光変調器１２０に適用する。深さスキャン部１４０は適用されたパターンによって同じ地点で深さスキャンを反復し、データ獲得部１５０は、深さスキャンの結果によって、複数のパターンに対する深さスキャンデータを順次に獲得する。

信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて、信号成分とノイズ成分とを分離して信号成分を強化する。信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて生成された行列Ｒを所定の行列分解を利用してノイズ副空間と信号副空間とに分離することによって、信号成分とノイズ成分とを分離する。

先ず、信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値を獲得する。例えば、一つのパターンに対する深さスキャンデータから深さによるｍ個の信号値が獲得される場合、ｎ個の複数のパターンに対してそれぞれｍ個の信号値が下記の数式１のように獲得される。

数式１において、Ｙは、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の集合を表し、

第ｎパターンの深さ方向によるｍ番目の信号値を表す。

この時、獲得された深さスキャンデータの信号値

実際の信号に光線の散乱などによるノイズが含まれた値である。これによって、獲得された深さスキャンデータの信号は、数式２のように表現される。

数式２において、ｙ（ｔ）は獲得された深さスキャンデータの信号を表し、Ａは対象体に入射する光線のＰＳＦ（ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を表す。そして、ｘ（ｔ）は実際の信号を、ｎ（ｔ）はホワイトノイズを表す。

即ち、信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対して獲得された深さスキャンデータの信号値の相関関係を利用して、各信号値に含まれたノイズ成分であるｎ（ｔ）を減少させ、実際の信号成分であるｘ（ｔ）を強化する。

信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいてベクトル空間を表す行列Ｒを生成する。例えば、行列Ｒは、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の共分散行列となる。但し、行列Ｒは、共分散行列以外に、信号値の相関関係に基づく多様な行列となってもよいことを当業者ならば理解できるであろう。以下、説明の便宜上、行列Ｒを共分散行列という。

これによって、信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の集合Ｙに対して共分散行列Ｒを獲得する。共分散行列Ｒは、下記の数式３のように、信号値の集合Ｙの行列とＹの共役転置行列とを乗じることによって獲得される。

数式３において、Ｒは共分散行列を表し、Ｃｏｖ＿Ｙは信号値の集合Ｙに対する共分散行列を表し、Ｙ^Ｈは行列Ｙの共役転置行列を表す。複数のパターンの数がｎ個であり、一つのパターンに対してｍ個の信号値が獲得される時、ｍがｎよりも大きい場合、共分散行列Ｒは、ｍ×ｍ個の値で構成される。数式３において、

共分散行列Ｒの信号値であって、共分散行列Ｒの信号値がｍ×ｍ個の値で構成されることを表す。

複数のパターンに対する深さスキャンデータの信号値の共分散に該当する数式３を、深さスキャンデータの信号値に含まれた実際の信号とノイズとに対して表すと、数式４のように表現される。

数式４において、Ｒ_ｙは、複数のパターンに対して獲得された深さスキャンデータの信号値の共分散を表す。Ｒ_ｙは、信号成分

ノイズ成分

で表現される。信号成分

において、Ｒ_ｘは深さスキャンデータの信号値に含まれた実際の信号成分間の共分散を表し、Ａは対象体に入射する光線のＰＳＦを、Ａ^ＨはＡの共役転置を表す。そして、ノイズ成分

σ^２はノイズ分散を、Ｉは単位行列を表す。

信号処理部１６０は、行列Ｒに対して所定の行列分解を行う。例えば、信号処理部１６０は、行列Ｒを固有値分解又は特異値分解を利用して分解する。以下、説明の便宜上、信号処理部１６０が特異値分解を利用して行列Ｒを分解するものとする。

信号処理部１６０は、特異値分解を利用して、行列Ｒを下記の数式５のように分解する。

数式５において、ＳＶＤ（Ｒ）は、行列Ｒの特異値分解を表す。行列Ｒは、数式５のように、三つの行列の積として表現される。

で構成された最初の行列は、ｌ×ｍ個の値で構成され、左特異ベクトルを表す。二番目の行列は、ｍ×ｍ個の値で構成され、行列の対角線成分には負数ではないλ_ｍの値を有し、残りはいずれも０を有する対角行列である。この時、λ_ｍは、特異値となる。

で構成された三番目の行列は、ｍ×ｚ個の値で構成され、右特異ベクトルを表す。

信号処理部１６０は、上記のような行列分解を利用して、副空間成分の和として表現されるベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離する。

信号処理部１６０は、行列分解によって分解された行列を利用して、しきい値を基準としてベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離する。この時、信号処理部１６０は、副空間の成分の特性又はノイズレベルに基づいてしきい値を決定する。しきい値は、信号対ノイズ比（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）又はノイズ分散となるが、これらに限定されるものではない。

例えば、信号処理部１６０は、行列Ｒを、特異値分解を利用して分解し、特異値分解によって分解された行列のうちの特異ベクトルに対応する特異値行列の値を大きさ順に整列し、所定のしきい値に基づいて整列された値を分離することによって、ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離する。

これによると、信号処理部１６０は、上記数式５の二番目の行列でλ値を降順に整列し、整列された値を、所定のしきい値に基づいて、しきい値よりも大きい値としきい値よりも小さい値とに分離する。この時、しきい値よりも大きい値は信号成分となり、しきい値よりも小さい値はノイズ成分となる。これによって、信号処理部１６０は、行列Ｒのベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離する。

例えば、信号処理部１６０がλ値を大きさ順に整列した時、しきい値を基準として、λ_１からλ_ｔまではしきい値よりも大きい値であり、λ_ｔ＋１からλ_ｍまではしきい値よりも小さい値であるとすると、信号処理部１６０は、数式６のように、ベクトル空間を信号副空間とノイズ副空間とに分離する。

数式６のように、行列Ｒのベクトル空間は、行列分解によって副空間成分の和として表現される。信号処理部１６０は、ベクトル空間を、λ_１からλ_ｔまでは、信号副空間として、λ_ｔ＋１からλ_ｍまでは、ノイズ副空間として分離する。本実施形態の特徴が不明瞭になることを防止するために、数式６では、特異値成分を除いた残りの成分は［…］で表示した。

他の実施形態によって、信号処理部１６０は、行列Ｒを、固有値分解を利用して分解し、固有値分解によって分解された行列のうちの固有ベクトルに対応する固有値行列の値を大きさ順に整列し、所定のしきい値に基づいて整列された値を分離することによって、ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離する。信号処理部１６０は、ノイズ副空間と信号副空間とを分離する作業を、所定のコンピュータアルゴリズムなどを利用して自動的に行う。

最後に、信号処理部１６０は、信号副空間の成分及びノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成する。一実施形態によると、信号処理部１６０は、ノイズ副空間の成分を排除し、信号副空間の成分のみでベクトル空間を再構成する。

本実施形態によって、上記数式６のベクトル空間でノイズ成分を排除してベクトル空間を再構成すると、数式７のように表現される。

数式７において、Ｒ′は、再構成されたベクトル空間を表す。数式６及び７を参照すると、信号処理部１６０は、λ_ｔ＋１からλ_ｍまでのノイズ成分に該当するノイズ副空間の成分を除去して、残りの信号成分に該当する信号副空間の成分のみでベクトル空間を再構成する。

他の実施形態によると、信号処理部１６０は、ノイズ副空間の成分を利用してベクトル空間を再構成する。本実施形態によって、信号処理部１６０は、上記数式６のベクトル空間で、λ_ｔ＋１からλ_ｍまでのノイズ副空間の成分を利用してベクトル空間を再構成する。

例えば、信号処理部１６０は、分離されたノイズ副空間の成分を利用してＭＵＳＩＣ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）スペクトルを算出し、算出されたＭＵＳＩＣスペクトルを利用してベクトル空間を再構成する。

信号処理部１６０は、下記の数式８のように、ＭＵＳＩＣスペクトルを算出する。

数式８において、Ｐ_ＭＵは、ベクトル空間のＭＵＳＩＣスペクトルを表す。Ｑはノイズ副空間の成分を、Ｑ^Ｈはノイズ副空間の成分の共役転置を表す。また、Ａは光線のＰＳＦを表し、ｐはノルムの次数を表す。これによって、ＭＵＳＩＣスペクトルＰ_ＭＵは、ノイズ副空間の成分の共役転置Ｑ^ＨとベクトルＡとの積のノルムを求めた後、ｐノルムの逆数を取ることによって獲得される。

この時、ｐノルムの算出値は、信号がある位置では小さく、ノイズがある位置では大きい。これによって、ｐノルムの算出値の逆数を取ったＭＵＳＩＣスペクトル上で、信号がある位置では非常に大きく、ノイズがある位置では小さい。これによって、信号処理部１６０は、ノイズ成分に埋められていた信号を復元する。

信号処理部１６０は、信号副空間の成分及びノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用して、ベクトル空間を再構成する作業を所定のコンピュータアルゴリズムなどを利用して自動的に行う。

信号処理部１６０は、以上のように行った信号処理の結果に該当する再構成されたベクトル空間の値を映像生成部１７０に出力する。

本実施形態による信号処理部１６０は、少なくとも一つ以上のプロセッサに該当するか又は少なくとも一つ以上のプロセッサを含む。また、信号処理部１６０は、図１に示したように、断層映像生成装置１００の内部に位置するが、これに限定されるものではなく、断層映像生成装置１００の外部に位置してもよい。

映像生成部１７０は、再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成する。これによって、映像生成部１７０は、ノイズ成分が抑制され、信号成分が強化された断層映像を獲得する。

本実施形態による映像生成部１７０は、少なくとも一つ以上のプロセッサに該当するか又は少なくとも一つ以上のプロセッサを含む。また、映像生成部１７０は、図１に示したように、断層映像生成装置１００の内部に位置するが、これに限定されるものではなく、断層映像生成装置１００の外部に位置してもよい。

また、断層映像生成装置１００は、光制御部（図示せず）を更に備える。

光制御部（図示せず）は、対象体１０に光線が入射する位置を水平に移動させる。これによって、深さスキャン部１４０は移動した地点で空間光変調器の複数のパターンそれぞれに対して深さスキャンを反復し、データ獲得部１５０は移動した地点に対して複数のパターンの深さスキャンデータを獲得し、信号処理部１６０は、移動した地点の複数のパターンの深さスキャンデータに対してベクトル空間を再構成する。映像生成部１７０は、再構成されたベクトル空間に基づいて、移動した地点で断層映像を生成する。

映像生成部１７０は、入射する光線の位置が移動することによって、移動した光線が深さスキャンを行う各地点に対応する断層映像を順次に獲得する。断層映像生成装置１００のユニットは、上記のような作業を反復して複数の断層映像を生成する。映像生成部１７０は、最終的に複数の断層映像を連結して、対象体１０に入射する光線の全体の移動距離に対応する領域の一つの断層映像を生成する。

以上のように、断層映像生成装置１００は、非相関関係にある空間光変調器１２０の複数のパターンを利用して信号値を獲得し、獲得された信号値の相関関係に基づいて信号成分とノイズ成分とを分離し、分離された成分を利用してベクトル空間を再構成することによって、ノイズが抑制された断層映像を生成する。これによって、断層映像生成装置１００は、増加した信号対ノイズ比によって解像度を向上させ、透過深さが増加した断層映像を獲得することができる。

また、断層映像生成装置１００は、空間光変調器１２０を利用して、フィードバックなしに、獲得された信号の信号処理を通じてスペックルノイズなどのノイズを低減させるため、断層映像を早く獲得することができる。

図２は、図１の信号処理部によって、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいてノイズ成分と信号成分とが分離されることを示すグラフである。図２のグラフにおいて、横軸は特異値を表し、縦軸は特異ベクトルに対応する特異値を区別する指示子である。

信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて生成された行列Ｒを、特異値分解を利用して分解し、特異値分解によって分解された行列のうちの特異ベクトルに対応する特異値行列のλ値を大きさ順に整列する。

本実施形態では、信号処理部１６０が特異値分解を利用して行列Ｒを分解するものと記述したが、これに限定されるものではなく、他の行列分解を利用して行列Ｒを分解してもよい。

行列Ｒのベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離することの理解を助けるために、大きさ順に整列されたλ値は、図２のグラフの実線２１０のように一つのグラフに表示される。点線２２０は、ベクトル空間を信号副空間とノイズ副空間とに分離する基準となる所定のしきい値λ_ｔｈを表す。信号処理部１６０は、所定のしきい値λ_ｔｈを基準として、特異値行列のλ値をしきい値よりも大きい値としきい値よりも小さい値とに分離する。

この時、信号処理部１６０は、副空間の成分の特性又はノイズレベルに基づいて所定のしきい値λ_ｔｈを決定する。例えば、信号処理部１６０は、ノイズ分散を所定のしきい値λ_ｔｈとして決定する。

或いは、信号処理部１６０は、信号対ノイズ比を所定のしきい値λ_ｔｈとして決定する。これによって、ベクトル空間は、信号副空間とノイズ副空間とに分離される。

即ち、信号処理部１６０は、所定のしきい値を基準としてしきい値よりも大きい値としきい値よりも小さい値とに分離して、しきい値よりも大きい値は信号副空間に含まれる値２３０とし、しきい値よりも小さい値はノイズ副空間に含まれる値２４０とする。

信号処理部１６０は、図２のように、信号副空間に含まれる値２３０とノイズ副空間に含まれる値２４０とに分離して、信号副空間の成分及びノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成する。映像生成部１７０は、再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成する。

これによって、断層映像生成装置１００は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて、信号成分とノイズ成分とを分離して信号成分を強化した断層映像を生成する。

図３は、ベクトル空間を再構成して断層映像を生成することによって、透過深さが増加した断層映像が獲得されることを示すグラフである。図３のグラフにおいて、横軸は深さを表し、縦軸は大きさを表す。

断層映像生成装置１００の深さスキャン部１３０で、対象体１００の一つの地点で深さスキャンを行い、深さスキャンによって獲得される深さによる信号値は、図３のように表示される。

深さスキャン部１３０で対象体１０の表面に光線を透過させると、対象体１０を透過する光線の多重散乱によりノイズが発生する。深さスキャン部１３０では、透過深さが深くなるほど獲得される信号の大きさが小さくなる。従って、透過深さが深いところでは、信号の大きさが小さくなってノイズと区別できない。

図３において、実線３１０は、信号を表す。透過深さが深くなるほど実線３１０の大きさが小さくなる。図３の点線３２０は、信号処理部１６０によって信号処理を行う前のノイズ成分を表す。透過深さが深くなるほど信号の大きさが小さくなって、透過深さが特定の深さを超えると、点線３２０の大きさが実線３１０の大きさを超えるため、ノイズ成分と信号成分とを区別できない。

これによって、信号処理部１６０によって信号処理を行わずに観測可能な対象体１０の透過深さは、深さ３３０となる。

図３の点線３４０は、信号処理部１６０によって信号処理を行った場合のノイズ成分を表す。断層映像生成装置１００は、空間光変調器１２０の複数のパターンを利用して、信号値の相関関係に基づいて信号成分とノイズ成分とを分離して信号成分を強化する信号処理を行うことによって、点線３４０のようにノイズ成分の全体大きさを減らす。

図３を参照すると、点線３４０の大きさが実線３１０の大きさを超える深さは、深さ３５０となる。即ち、信号処理部１６０によって信号処理を行う場合、観測可能な対象体１０の透過深さが深さ３５０に増加する。また、点線３４０のように、全体的にノイズの大きさが減って信号の大きさが強化される。これにより、断層映像生成装置１００は、信号処理部１６０の信号処理によって、ノイズ成分に埋められていた信号を復元する。

図４は、図１に示した断層映像生成装置の一実施形態に該当する光干渉断層撮影装置を示す図面である。図４を参照すると、光干渉断層撮影装置４００は、光出力部４１０、空間光変調器４２１、変調制御部４３０、データ獲得部４４０、信号処理部４５０、映像生成部４６０、干渉計４７０、及び光プローブ４８０から構成される。図１において、光出力部１１０、空間光変調器１２０、変調制御部１３０、データ獲得部１５０、信号処理部１６０、及び映像生成部１７０について記載した内容は、図４に示した光出力部４１０、空間光変調器４２１、変調制御部４３０、データ獲得部４４０、信号処理部４５０、及び映像生成部４６０にも適用可能なため、重複する説明は省略する。また、図４の干渉計４７０及び光プローブ４８０は、図１に示した深さスキャン部１４０に対応する。従って、下記で省略する内容であるとしても、図１〜図３に示した断層映像生成装置１００について上述した内容は、図４に示した光干渉断層撮影装置４００にも適用されるということが分かる。

図４に示した光干渉断層撮影装置４００は、本実施形態の特徴が不明瞭になることを防止するために、本実施形態に係る構成要素のみを示している。従って、図４に示した構成要素以外に他の汎用的な構成要素が更に含まれてもよいことを、当業者ならば理解できるであろう。

光出力部４１０は、光線を出力する。この時、光出力部４１０から出力される光線は、波長可変光又はレーザに該当するが、これらに限定されるものではない。光出力部４１０は、出力された光線を干渉計４７０に伝達する。本実施形態によると、光出力部４１０と干渉計４７０との間に、空間光変調器４２１が位置する。これによって、空間光変調器４２１により位相の変調された光が干渉計４７０に伝達される。

空間光変調器４２１は、パターンによって光線の強度又は位相を変調する。光干渉断層撮影装置４００の空間光変調器４２１は、光出力部４１０から放出された光線、測定光線又は参照光線のうちのいずれか一つの位相を変調する。図４を参照すると、光干渉断層撮影装置４００の空間光変調器４２１は、光出力部４１０と干渉計４７０との間の位置のみでなく、第２位置４２２又は第３位置４２３にも位置してもよい。即ち、空間光変調器４２１は、光出力部４１０と干渉計４７０との間、干渉計４７０の基準ミラー４７４とビームスプリッタ４７２との間、ビームスプリッタ４７２から分離された測定光線が入射するプローブ４８０側の位置のうちのいずれの一つにも位置してもよい。

変調制御部４３０は、空間光変調器４２１の複数のパターンのそれぞれが空間光変調器４２１に順次に適用されるように空間光変調器４２１を制御する。

干渉計４７０は、光出力部４１０から出力された光線を測定光線と参照光線とに分離し、光プローブ４８０を通じて測定光線を対象体１０に照射し、光プローブ４８０を通じて測定光線が対象体１０から反射されて戻った応答光線を受信する。

干渉計４７０は、ビームスプリッタ４７２及び基準ミラー４７４を備える。光出力部４１０から伝達された光線は、ビームスプリッタ４７２で測定光線と参照光線とに分離される。ビームスプリッタ４７２で分離された光線のうち、測定光線は光プローブ４８０に伝達され、参照光線は、ガルバノスキャナ４８４に伝達されて反射された後、再びビームスプリッタ４７２に戻る。一方、光プローブ４８０に伝達された測定光線は、光プローブ４８０を通じて内部の断層映像を撮影する対象体１０に照射され、照射された測定光線が対象体１０から反射された応答光線は、光プローブ４８０を通じて干渉計４７０のビームスプリッタ４７２に伝達される。伝達された応答光線と基準ミラー４７４から反射された参照光線は、ビームスプリッタ４７２で干渉を起こす。

光プローブ４８０は、コリメーターレンズ４８２、ガルバノスキャナ４８４、及びレンズ４８６を備える。ここで、ガルバノスキャナ４８４は、一定の軸を中心として一定の半径回転が可能なミラーであって、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）から回転に必要な駆動力を得るＭＥＭＳスキャナとして具現される。干渉計４７０から伝達された測定光は、光プローブ４８０のコリメーターレンズ４８２を通過して視準され、ガルバノスキャナ４８４から反射されることによって進行方向が調節されて、レンズ４８６を通過した後、対象体１０に照射される。

深さスキャン部１４０は、干渉計４７０及び光プローブ４８０から構成される。これによって、干渉計４７０及び光プローブ４８０は、空間光変調器４２１を通過して対象体に入射する光線を利用して、対象体１０の表面の一つの地点で深さスキャンを行い、空間光変調器４２１の複数のパターンのそれぞれに対して、同じ地点で深さスキャンを反復する。

データ獲得部４４０は、応答光線と参照光線とにより発生する干渉信号を獲得し、干渉信号に基づいて複数のパターンのそれぞれに対するスペクトル信号を獲得する。データ獲得部４４０は、複数のパターンのそれぞれに対するスペクトル信号を信号処理部４５０に伝達する。

信号処理部４５０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいてベクトル空間を表す行列Ｒを生成し、行列Ｒに対して所定の行列分解を行い、行列分解によって副空間成分の和として表現されるベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離し、信号副空間の成分及びノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成する。

映像生成部４６０は、再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成する。

また、光干渉断層撮影装置４００は、対象体に光線が入射する位置を水平に移動させる光制御部（図示せず）を更に備える。図１に示した光制御部に対する内容は、図４の光制御部にも適用可能なため、重複する説明は省略する。

これによって、光干渉断層撮影装置４００は、非相関関係にある空間光変調器４２１の複数のパターンを利用して信号値を獲得し、獲得された信号値の相関関係に基づいて信号成分とノイズ成分とを分離して信号成分を強化することによって、信号対ノイズ比を増加させて解像度を向上させ、透過深さが増加した断層映像を生成することができる。

図５は、本発明の一実施形態による断層映像生成方法を示すフローチャートである。図５を参照すると、図５に示した方法は、図１〜図４に示した断層映像生成装置１００又は光干渉断層撮影装置４００において、時系列的に処理されるステップで構成される。従って、下記で省略する内容であるとしても、図１〜図４に示した断層映像生成装置１００又は光干渉断層撮影装置４００について説明した内容は、図５に示した方法にも適用されるということが分かる。

ステップ５１０において、深さスキャン部１４０は、空間光変調器１２０を通過して対象体に入射する光線を利用して、対象体の表面の一つの地点で深さスキャンを行う。

ステップ５２０において、深さスキャン部１４０によって、同じ地点で空間光変調器１２０の複数のパターンのそれぞれに対して深さスキャンを反復し、データ獲得部１５０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得する。

ステップ５３０において、信号処理部１６０は、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて、ベクトル空間を表す行列Ｒを生成する。例えば、行列Ｒは、複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータの信号値の共分散行列となる。

ステップ５４０において、信号処理部１６０は、行列Ｒに対して所定の行列分解を行う。例えば、信号処理部１６０は、行列Ｒを固有値分解又は特異値分解を利用して分解する。

ステップ５５０において、信号処理部１６０は、行列分解によって、副空間成分の和として表現されるベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離する。例えば、信号処理部１６０は、副空間成分の特性又はノイズレベルに基づいてしきい値を決定し、分解された行列を利用して、しきい値を基準としてベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離する。

ステップ５６０において、信号副空間の成分及びノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成する。これによって、信号処理部１６０は、信号成分とノイズ成分とを分離して、信号成分を強化してノイズ成分に埋められていた信号を復元する。

ステップ５７０において、映像生成部１７０は、再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成する。これによって、映像生成部１７０は、信号対ノイズ比及び透過深さが増加した断層映像を生成する。

一方、上述した方法は、コンピュータで実行されるプログラムで作成可能であり、コンピュータ読み取り可能な記録媒体を利用してプログラムを作動させる汎用のデジタルコンピュータで具現される。また、上述した方法で使われるデータ構造は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に様々な手段を通じて記録される。コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、磁気記録媒体（例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスクなど）、光学的読み取り媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなど）のような記録媒体を含む。

以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。

本発明は、例えば、バイオ及び医療関連の技術分野に適用可能である。

１０ 対象体
１００ 断層映像生成装置
１１０、４１０ 光出力部
１２０、４２１ 空間光変調器
１３０、４３０ 変調制御部
１４０ 深さスキャン部
１５０、４４０ データ獲得部
１６０、４５０ 信号処理部
１７０、４６０ 映像生成部
２３０ 信号副空間に含まれる値
２４０ ノイズ副空間に含まれる値
４２２ 第２位置
４２３ 第３位置
４７０ 干渉計
４７２ ビームスプリッタ
４７４ 基準ミラー
４８０ 光プローブ
４８２ コリメーターレンズ
４８４ ガルバノスキャナ
４８６ レンズ

Claims (20)

1. 断層映像生成方法であって、
   パターンによって入射する光線の強度又は位相を変調する空間光変調器を通過して対象体に入射する光線を利用して、前記対象体の表面の一つの地点で深さスキャンを行うステップと、
   前記対象体の表面の一つの地点で、前記空間光変調器の複数のパターンのそれぞれに対して前記深さスキャンを反復して、前記複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得するステップと、
   前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいて、ベクトル空間を表す行列Ｒを生成するステップと、
   前記行列Ｒに対して所定の行列分解を行うステップと、
   前記行列分解によって、副空間成分の和として表現される前記ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離するステップと、
   前記信号副空間の成分及び前記ノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成するステップと、
   前記再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成するステップと、を有することを特徴とする断層映像生成方法。
2. 前記ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離するステップは、
   前記副空間の成分の特性又は前記信号値のノイズレベルに基づいてしきい値を決定するステップと、
   前記行列分解によって分解された行列を利用して、前記しきい値を基準として前記ベクトル空間を前記ノイズ副空間と前記信号副空間とに分離するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
3. 前記ベクトル空間を再構成するステップは、前記信号副空間の成分のみを利用して前記ベクトル空間を再構成することを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
4. 前記ベクトル空間を再構成するステップは、
   前記ノイズ副空間の成分によりＭＵＳＩＣ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）スペクトルを算出するステップと、
   前記算出されたＭＵＳＩＣスペクトルを利用して前記ベクトル空間を再構成するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
5. 前記行列Ｒは、前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンデータの信号値の共分散行列であることを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
6. 前記行列分解は、固有値分解又は特異値分解であることを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
7. 前記行列分解は、固有値分解であり、
   前記ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離するステップは、
   前記固有値分解によって分解された行列のうちの固有ベクトルに対応する固有値行列の値を大きさ順に整列するステップと、
   所定のしきい値に基づいて前記整列された値を分離することによって、前記ベクトル空間を前記ノイズ副空間と前記信号副空間とに分離するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
8. 前記行列分解は、特異値分解であり、
   前記ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離するステップは、
   前記特異値分解によって分解された行列のうちの特異ベクトルに対応する特異値行列の値を大きさ順に整列するステップと、
   所定のしきい値に基づいて前記整列された値を分離することによって、前記ベクトル空間を前記ノイズ副空間と前記信号副空間とに分離するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
9. 前記複数のパターンのそれぞれは、他のパターンと互いに非相関関係にあることを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
10. 前記複数のパターンは、アダマールパターンの順列に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
11. 前記空間光変調器は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）であることを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
12. 前記断層映像生成方法は、光干渉断層撮影装置（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ： ＯＣＴ）又は光干渉顕微鏡（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ： ＯＣＭ）で行われることを特徴とする請求項１に記載の断層映像生成方法。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の断層映像生成方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
14. 断層映像生成装置であって、
    光線を出力する光出力部と、
    パターンによって入射する光線の強度又は位相を変調する空間光変調器と、
    前記空間光変調器の複数のパターンのそれぞれが前記空間光変調器に順次に適用されるように前記空間光変調器を制御する変調制御部と、
    前記空間光変調器を通過して対象体に入射する光線を利用して、前記対象体の表面の一つの地点で深さスキャンを行い、前記空間光変調器の前記複数のパターンのそれぞれに対して前記対象体の表面の一つの地点で前記深さスキャンを反復する深さスキャン部と、
    前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンの実行結果によって獲得される光線に基づいて、前記複数のパターンのそれぞれに対する深さスキャンデータを獲得するデータ獲得部と、
    前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンデータの信号値の相関関係に基づいてベクトル空間を表す行列Ｒを生成し、前記行列Ｒに対して所定の行列分解を行い、前記行列分解によって、副空間成分の和として表現される前記ベクトル空間をノイズ副空間と信号副空間とに分離し、前記信号副空間の成分及び前記ノイズ副空間の成分のうちの少なくとも一つを利用してベクトル空間を再構成する信号処理部と、
    前記再構成されたベクトル空間に基づいて断層映像を生成する映像生成部と、を備えることを特徴とする断層映像生成装置。
15. 前記信号処理部は、
    前記副空間の成分の特性又は前記信号値のノイズレベルに基づいて前記行列分解によって分解された行列を分析し、前記分析結果に基づいてしきい値を決定し、前記行列分解によって分解された行列を利用して、前記しきい値を基準として前記ベクトル空間を前記ノイズ副空間と前記信号副空間とに分離することを特徴とする請求項１４に記載の断層映像生成装置。
16. 前記信号処理部は、前記ノイズ副空間の成分を利用してＭＵＳＩＣ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｉｇｎａｌ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）スペクトルを算出し、前記算出されたＭＵＳＩＣスペクトルを利用して前記ベクトル空間を再構成することを特徴とする請求項１４に記載の断層映像生成装置。
17. 前記行列Ｒは、前記複数のパターンのそれぞれに対する前記深さスキャンデータの信号値の共分散行列であることを特徴とする請求項１４に記載の断層映像生成装置。
18. 前記信号処理部は、前記行列Ｒに対して固有値分解又は特異値分解を行うことを特徴とする請求項１４に記載の断層映像生成装置。
19. 前記複数のパターンのそれぞれは、他のパターンと互いに非相関関係にあることを特徴とする請求項１４に記載の断層映像生成装置。
20. 前記対象体に光線が入射する位置を水平に移動させる光制御部を更に備え、
    前記深さスキャン部は、移動した地点で前記空間光変調器の前記複数のパターンのそれぞれに対して前記深さスキャンを反復し、
    前記データ獲得部は、前記移動した地点に対して前記複数のパターンの深さスキャンデータを獲得し、
    前記信号処理部は、前記移動した地点の前記複数のパターンの深さスキャンデータに対して前記ベクトル空間を再構成し、
    前記映像生成部は、前記再構成されたベクトル空間に基づいて前記移動した地点で断層映像を生成し、前記光線の入射する位置が移動することによって、前記対象体の全体の移動距離に対応する領域の最終断層映像を生成することを特徴とする請求項１４に記載の断層映像生成装置。

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