JP2014102087A - Optical measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学的測定方法に関するものである。 The present invention relates to an optical measurement method.
ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography），ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）およびＤＯＴ（DiffuseOptical Tomography）等の光学的測定方法では、サンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光を検出して、その検出結果に基づいてサンプルの情報を得ることができる。ＯＣＴでは、サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させた光を検出することでサンプルの深さ方向の一次元の光断層画像を取得することができ、また、サンプルへの光照射の位置を走査することで二次元または三次元の光断層画像を取得することができる。 In optical measurement methods such as OCT (Optical Coherence Tomography), OTDR (Optical Time Domain Reflectometer), and DOT (Diffuse Optical Tomography), the reflected light generated in the sample is detected when the sample is irradiated or propagated. Sample information can be obtained based on the detection result. In OCT, a one-dimensional optical tomographic image in the depth direction of a sample can be acquired by detecting light obtained by causing interference between reflected light and reference light generated in the sample, and the position of light irradiation on the sample. 2D or 3D optical tomographic image can be acquired.
このような光学的測定方法において、サンプルに入射した光量に対してサンプルで生じた反射光の光量は吸収および散乱の双方による減衰が含まれる場合がある。非特許文献１に記載された光学的測定方法は、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収成分および散乱成分を互いに分離して求め、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を求めることができる。 In such an optical measurement method, the amount of reflected light generated in the sample with respect to the amount of light incident on the sample may include attenuation due to both absorption and scattering. The optical measurement method described in Non-Patent Document 1 can obtain an absorption component or a scattering distribution inside a sample by separately obtaining an absorption component and a scattering component included in the attenuation amount of the reflected light amount with respect to the incident light amount. .
非特許文献１に記載された光学的測定方法により得られる結果は、計算時のパラメータの設定値によってはサンプル内部の吸収分布または散乱分布を正確に求めることができないという問題点を有していることを、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、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を正確に求めることができる光学的測定方法を提供することを目的とする。 The result obtained by the optical measurement method described in Non-Patent Document 1 has a problem that the absorption distribution or scattering distribution inside the sample cannot be obtained accurately depending on the parameter setting value at the time of calculation. The present inventors have found that. The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an optical measurement method capable of accurately obtaining an absorption distribution or a scattering distribution inside a sample.
本発明の光学的測定方法は、(1) サンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光を時間または波長の関数として検出して、複数の時間帯または波長帯におけるサンプル内部の反射位置と反射光量との関係を取得するデータ取得ステップと、(2) このデータ取得ステップにおいて取得された複数の時間帯または波長帯におけるサンプル内部の反射位置と反射光量との関係に基づいて、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収成分および散乱成分を互いに分離して求め、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を求めるデータ処理ステップと、を備えることを特徴とする。さらに、本発明の光学的測定方法は、データ処理ステップにおいて、反射光量の信号品質指標の値に応じて平滑化パラメータの値を設定して、反射光量，吸収成分，散乱成分，ならびに，平滑化パラメータの設定値が乗ぜられた吸収成分の空間二次微分および散乱成分の空間二次微分を含む目的関数が最小となるように、吸収成分および散乱成分を求めることを特徴とする。 The optical measurement method of the present invention includes: (1) detecting reflected light generated in a sample as a function of time or wavelength when the sample is irradiated with light or propagating the sample; A data acquisition step for acquiring the relationship between the reflection position and the amount of reflected light, and (2) based on the relationship between the reflection position and the amount of reflected light inside the sample in a plurality of time zones or wavelength bands acquired in this data acquisition step. And a data processing step for obtaining the absorption component and the scattering component included in the attenuation amount of the reflected light amount with respect to the incident light amount, and obtaining the absorption distribution or scattering distribution inside the sample. Furthermore, the optical measurement method of the present invention sets the value of the smoothing parameter according to the value of the signal quality index of the reflected light amount in the data processing step, and the reflected light amount, the absorption component, the scattered component, and the smoothing The absorption component and the scattering component are obtained so that the objective function including the spatial second derivative of the absorption component multiplied by the parameter setting value and the spatial second derivative of the scattering component is minimized.
データ処理ステップにおいて、信号品質指標の基準値に対応する平滑化パラメータの基準値を予め記憶装置に格納しておき、反射光量の信号品質指標の値に応じて平滑化パラメータを増減させるのが好適である。反射光量の信号品質指標の値が信号品質指標の基準値と等しい場合に平滑化パラメータの設定値を平滑化パラメータの基準値と等しくし、信号品質指標の値が信号品質指標の基準値より低い場合に平滑化パラメータの設定値を平滑化パラメータの基準値より小さくし、信号品質指標の値が信号品質指標の基準値より高い場合に平滑化パラメータの設定値を平滑化パラメータの基準値より大きくするのが好適である。また、複数の信号品質指標の基準値と平滑化パラメータの基準値の組み合わせをデータベースとして格納しておき、反射光量の信号品質指標の値に対応する平滑化パラメータをデータベースを参照して算出するのが好適である。その算出方法としては、線形補間や多項式補間を用いる。 In the data processing step, it is preferable that the reference value of the smoothing parameter corresponding to the reference value of the signal quality index is stored in the storage device in advance, and the smoothing parameter is increased or decreased according to the value of the signal quality index of the reflected light amount. It is. When the value of the signal quality indicator for the amount of reflected light is equal to the reference value of the signal quality indicator, the smoothing parameter setting value is made equal to the reference value of the smoothing parameter, and the signal quality indicator value is lower than the reference value of the signal quality indicator If the smoothing parameter setting value is smaller than the smoothing parameter reference value and the signal quality index value is higher than the signal quality index reference value, the smoothing parameter setting value is larger than the smoothing parameter reference value. It is preferable to do this. Further, a combination of a plurality of signal quality index reference values and smoothing parameter reference values is stored as a database, and a smoothing parameter corresponding to the value of the signal quality index of the amount of reflected light is calculated with reference to the database. Is preferred. As the calculation method, linear interpolation or polynomial interpolation is used.
データ取得ステップにおいて、サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させた光を時間または波長の関数として検出し、この関数をフーリエ変換することでサンプル内部の反射位置と反射光量との関係を取得するのが好適である。また、データ取得ステップにおいて、サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させた光を波長の関数として検出し、この関数を複数の波長帯に分割して波長帯毎にフーリエ変換することで波長帯毎のサンプル内部の反射位置と反射光量との関係を取得するのが好適である。 In the data acquisition step, the light that interferes with the reflected light and the reference light generated in the sample is detected as a function of time or wavelength, and this function is Fourier transformed to obtain the relationship between the reflection position inside the sample and the amount of reflected light. It is preferable to do this. Further, in the data acquisition step, the light produced by the interference between the reflected light and the reference light generated in the sample is detected as a function of wavelength, and this function is divided into a plurality of wavelength bands and subjected to Fourier transform for each wavelength band. It is preferable to acquire the relationship between the reflection position inside the sample for each band and the amount of reflected light.
本発明によれは、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を正確に求めることができる光学的測定方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical measurement method capable of accurately obtaining an absorption distribution or a scattering distribution inside a sample.
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。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図１は、本実施形態の光学的測定方法が適用される光学的測定システム１の概略構成を示す図である。光学的測定システム１は、ＯＣＴ装置２およびプローブ３を備え、サンプル９の光断層画像を取得する。ＯＣＴ装置２は、光源から出力された光を２分岐して観察光および参照光として出力する。プローブ３は、ＯＣＴ装置２の光分岐部から出力された観察光を導光して先端からサンプル９へ照射するとともに、その光照射によって該サンプル９で生じる反射光を先端に入力してＯＣＴ装置２へ導光する。ＯＣＴ装置２は、プローブ３により導光されて到達した反射光と参照光とを干渉させて当該干渉光を検出する。そして、ＯＣＴ装置２は、この干渉光に基づいて、サンプルの深さ方向の光断層画像を取得することができる。また、プローブ３によるサンプル９への光照射の位置を走査（スキャン）することで、ＯＣＴ装置２は二次元または三次元の光断層画像を取得することができる。 FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical measurement system 1 to which the optical measurement method of the present embodiment is applied. The optical measurement system 1 includes an OCT apparatus 2 and a probe 3 and acquires an optical tomographic image of a sample 9. The OCT apparatus 2 bifurcates the light output from the light source and outputs it as observation light and reference light. The probe 3 guides the observation light output from the optical branching unit of the OCT apparatus 2 and irradiates the sample 9 from the tip, and inputs the reflected light generated in the sample 9 by the light irradiation to the tip, and the OCT apparatus. 2 is guided. The OCT apparatus 2 detects the interference light by causing the reflected light guided by the probe 3 and the reference light to interfere with each other. And the OCT apparatus 2 can acquire the optical tomographic image of the depth direction of a sample based on this interference light. Further, the OCT apparatus 2 can acquire a two-dimensional or three-dimensional optical tomographic image by scanning the position of light irradiation on the sample 9 by the probe 3.
本実施形態の光学的測定方法は、データ取得ステップおよびデータ処理ステップを備える。データ取得ステップでは、サンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光を時間または波長の関数として検出して、複数の時間帯または波長帯におけるサンプル内部の反射位置と反射光量との関係を取得する。データ処理ステップでは、データ取得ステップにおいて取得された複数の時間帯または波長帯におけるサンプル内部の反射位置と反射光量との関係に基づいて、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収成分および散乱成分を互いに分離して求め、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を求める。 The optical measurement method of this embodiment includes a data acquisition step and a data processing step. In the data acquisition step, reflected light generated in the sample when the sample is irradiated with light or propagated is detected as a function of time or wavelength, and the reflection position and amount of reflected light inside the sample in a plurality of time bands or wavelength bands are detected. Get the relationship. In the data processing step, the absorption component and scattering included in the attenuation amount of the reflected light amount with respect to the incident light amount based on the relationship between the reflection position inside the sample and the reflected light amount in the plurality of time zones or wavelength bands acquired in the data acquisition step. The components are obtained separately from each other, and the absorption distribution or scattering distribution inside the sample is obtained.
図２は、光学的測定システム１により取得されるデータ等の例を示す図である。データ取得ステップにおいて、干渉光を検出することで、波長λに対する干渉光強度（信号強度）を得ることができる。この例では、波長帯を６分割して波長帯毎にフーリエ変換することで、波長帯毎の光断層画像を取得することができる。続く、データ処理ステップでは、この波長帯毎の光断層画像に基づいて以下のような処理を行う。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of data acquired by the optical measurement system 1. In the data acquisition step, the interference light intensity (signal intensity) with respect to the wavelength λ can be obtained by detecting the interference light. In this example, an optical tomographic image for each wavelength band can be acquired by dividing the wavelength band into six and performing Fourier transform for each wavelength band. In the subsequent data processing step, the following processing is performed based on the optical tomographic image for each wavelength band.
各波長帯の光断層画像は、該波長帯における散乱および吸収の双方の情報を含んでいる。ここで、サンプル９における波長λ、深さ方向の位置zに対するログスケールでの反射光量をＹ(λ,ｚ)とし、サンプル９における単位濃度当りの吸光係数をεａ(λ)とし、サンプル９における単位濃度当りの散乱係数をεｓ(λ)とし、サンプル９における吸収性散乱体の濃度のｚ＝０からの積分値をＦａ(ｚ)とし、サンプル９における非吸収性散乱体の濃度のｚ＝０からの積分値をＦｓ(ｚ)とし、サンプル９における波長λに依存しない他の項のｚ＝０からの積分値をＣ(ｚ)とする。サンプル９の表面をｚ＝０とする。これらのパラメータの間の関係は下記（１）式で表される。 The optical tomographic image of each wavelength band includes information on both scattering and absorption in the wavelength band. Here, the reflected light quantity on the log scale with respect to the wavelength λ and the position z in the depth direction in the sample 9 is Y (λ, z), the extinction coefficient per unit concentration in the sample 9 is ε a (λ), and the sample 9 The scattering coefficient per unit concentration in ε is ε s (λ), the integrated value of the absorbing scatterer concentration in sample 9 from z = 0 is F a (z), and the non-absorbing scatterer concentration in sample 9 is Let F s (z) be the integral value from z = 0, and let C (z) be the integral value from z = 0 of the other term that does not depend on the wavelength λ in the sample 9. The surface of the sample 9 is set to z = 0. The relationship between these parameters is expressed by the following equation (1).
吸光係数εａ(λ)および散乱係数εｓ(λ)が既知であれば、未知数がＦａ(ｚ)、Ｆｓ(ｚ)およびＣ(ｚ)の３つであるので、３つ以上の波長帯で光断層像を得て連立方程式を解けば、Ｆａ(ｚ)およびＦｓ(ｚ)を得ることができる。そして、Ｆａ(ｚ)を微分することで、サンプル９における吸収性散乱体の空間分布を得ることができる。 If the extinction coefficient ε a (λ) and the scattering coefficient ε s (λ) are known, there are three unknowns, F a (z), F s (z), and C (z). F a (z) and F s (z) can be obtained by obtaining an optical tomogram in the wavelength band and solving the simultaneous equations. And the spatial distribution of the absorptive scatterer in the sample 9 can be obtained by differentiating F a (z).
吸光係数εａ(λ)は、ＦＴ-ＩＲによる実測値として得ることができる。散乱係数εｓ(λ)は、下記（２）式で表される波長λを変数とする一次関数のモデルを用いることができる。（２）式のa,bは散乱係数の一次関数モデルにおけるそれぞれ傾きと切片である。（２）式のλ０は、全波長帯の中心波長とする。図３は、吸光係数εａ(λ)および散乱係数εｓ(λ)それぞれの波長依存性の例を示すグラフである。（２）式を用いると、（１）式は下記（３）式のように表される。また、波長λを変数とする（３）式に替えて、波数ｋを変数とする下記（４）式を用いてもよい。（４）式で、波長λ０に対応する波数がｋ０である。 The extinction coefficient ε a (λ) can be obtained as an actual measurement value by FT-IR. As the scattering coefficient ε s (λ), a model of a linear function with the wavelength λ represented by the following equation (2) as a variable can be used. In Equation (2), a and b are the slope and intercept in the linear function model of the scattering coefficient, respectively. In equation (2), λ 0 is the center wavelength of the entire wavelength band. FIG. 3 is a graph showing an example of the wavelength dependence of the extinction coefficient ε a (λ) and the scattering coefficient ε s (λ). When the expression (2) is used, the expression (1) is expressed as the following expression (3). Further, instead of the equation (3) using the wavelength λ as a variable, the following equation (4) using the wave number k as a variable may be used. In the equation (4), the wave number corresponding to the wavelength λ 0 is k 0 .
６分割後の各波長帯の波数をｋ１〜ｋ６とする。このとき、解くべき連立方程式は、下記（５）式および（６）式のように行列を用いて表現することができる。６行３列の行列Ａは、既知の行列要素からなる。３行１列の行列Ｘは、データ処理ステップにおいて求められるべき未知の行列要素からなる。６行１列の行列Ｙは、データ取得ステップにおいて得られた反射光量からなる。 The wave numbers in the respective wavelength bands after the six divisions are k 1 to k 6 . At this time, the simultaneous equations to be solved can be expressed using a matrix as shown in the following equations (5) and (6). The 6-by-3 matrix A is composed of known matrix elements. The 3 × 1 matrix X is composed of unknown matrix elements to be obtained in the data processing step. The matrix Y of 6 rows and 1 column is composed of the amount of reflected light obtained in the data acquisition step.
（５）式の両辺に行列Ａの転置行列ＡＴを左から掛けると、下記（７）式となる。この（７）式から下記（８）式が得られる。このように行列表現を用いると、解Ｘは表される。 When both sides of the equation (5) are multiplied by the transposed matrix AT of the matrix A from the left, the following equation (7) is obtained. From the equation (7), the following equation (8) is obtained. Using the matrix representation in this way, the solution X is represented.
Ｆａ(ｚ)を求めるには、方程式の数（すなわち、分割した波長帯の数）は３であればよい。しかし、実際にはノイズの影響があるので、方程式の数が３であると、得られる解が不安定になり易い。そこで、方程式の数（すなわち、分割する波長帯の数）は、３より大きい６としている。ただし、波長帯の分割数が多すぎると光断層像の分解能が低下するので、波長帯の分割数を適切に設定することが好ましい。 In order to obtain F a (z), the number of equations (that is, the number of divided wavelength bands) may be three. However, since there is actually an influence of noise, if the number of equations is 3, the obtained solution tends to be unstable. Therefore, the number of equations (that is, the number of wavelength bands to be divided) is set to 6 which is larger than 3. However, if the number of divisions in the wavelength band is too large, the resolution of the optical tomographic image is lowered. Therefore, it is preferable to set the division number in the wavelength band appropriately.
未知変数の個数に対して方程式の個数が多いので、最小二乗法を用いて、下記（９）式で表される目的関数Ｓが最小（目的関数の偏微分がゼロ）となるような解Ｘを求める。しかし、実際に計算して解Ｘを求めてみると、光断層像の空間的なノイズが重畳された解Ｘが得られる。 Since the number of equations is larger than the number of unknown variables, a solution X that minimizes the objective function S expressed by the following equation (9) (the partial differential of the objective function is zero) using the least square method. Ask for. However, when the solution X is actually calculated and obtained, the solution X on which the spatial noise of the optical tomographic image is superimposed is obtained.
このノイズ問題に対処する為、Ｆａ(ｚ)，Ｆｓ'(ｚ)それぞれがノイズに比べて空間的に滑らかに変化する（空間的な変化が小さい）ことを仮定して、目的関数を修正する。すなわち、下記（１０）式で表されるＦａ(ｚ)，Ｆｓ'(ｚ)それぞれの二次微分値が小さいと仮定する。修正後の目的関数Ｓ' は下記（１１）式で表される。αは、Ｓに対する二次微分値の重みを決めるパラメータである。α２は、Ｆａ(ｚ)，Ｆｓ'(ｚ)それぞれの二次微分値を小さくするためのパラメータであるので、平滑化パラメータと呼ぶことにする。目的関数Ｓ' は、反射光量Ｙ，吸収成分Ｆａ，散乱成分Ｆｓ'，吸収成分Ｆａの空間二次微分および散乱成分Ｆｓ'の空間二次微分を含む関数である。 In order to deal with this noise problem, assuming that each of F a (z) and F s ′ (z) changes spatially more smoothly than the noise (the spatial change is small), the objective function is Correct it. That is, it is assumed that the secondary differential values of F a (z) and F s ′ (z) represented by the following equation (10) are small. The corrected objective function S ′ is expressed by the following equation (11). α is a parameter that determines the weight of the second derivative with respect to S. Since α 2 is a parameter for reducing the secondary differential values of F a (z) and F s ′ (z), it is called a smoothing parameter. The objective function S ′ is a function including the reflected light amount Y, the absorption component F a , the scattering component F s ′, the spatial second derivative of the absorption component F a , and the spatial second derivative of the scattering component F s ′.
行列を用いて表現すると下記（１２）式のようになる。Ｌは二次微分演算子（ラプラシアン演算子）である。この（１２）式から、解Ｘは下記（１３）式で表される。 When expressed using a matrix, the following equation (12) is obtained. L is a secondary differential operator (Laplacian operator). From this equation (12), the solution X is expressed by the following equation (13).
Ｆａ(ｚ)，Ｆｓ'(ｚ)は離散的なデータであるので、或る位置での二次微分値は、該位置のデータに加えて前後のデータも用いた計算により求める。計算により求められる二次微分値は、計算手法によって異なり、また、計算に用いるデータの点数によっても異なる。計算手法としては、差分法、Savitzky-Golay filterを用いた数値微分、前進差分近似、後退差分近似、中心差分近似、Stirlingの公式、などが知られている。 Since F a (z) and F s ′ (z) are discrete data, the secondary differential value at a certain position is obtained by calculation using the data before and after the data in the position. The secondary differential value obtained by calculation differs depending on the calculation method, and also differs depending on the number of data points used in the calculation. As calculation methods, a differential method, numerical differentiation using a Savitzky-Golay filter, forward difference approximation, backward difference approximation, center difference approximation, Stirling formula, and the like are known.
図４は、行列Ｙの一例を模式的に示す図である。図５は、行列Ａの一例を模式的に示す図である。図６は、行列Ｌの一例を模式的に示す図である。図７は、行列Ｘの一例を模式的に示す図である。深さ方向のデータ数は５１２であり、波長帯の数は６である。差分法により３点のデータを用いて二次微分を計算する場合の行列Ｌを示している。二次微分演算子である行列Ｌは、Ｆａ(ｚ)，Ｆｓ'(ｚ)に作用するが、Ｄ(ｚ)には作用しない。 FIG. 4 is a diagram schematically illustrating an example of the matrix Y. FIG. 5 is a diagram schematically illustrating an example of the matrix A. FIG. 6 is a diagram schematically illustrating an example of the matrix L. As illustrated in FIG. FIG. 7 is a diagram schematically illustrating an example of the matrix X. The number of data in the depth direction is 512, and the number of wavelength bands is 6. The matrix L in the case of calculating a secondary differentiation using the data of 3 points | pieces by the difference method is shown. The matrix L which is a second-order differential operator acts on F a (z) and F s ′ (z), but does not act on D (z).
図８は、本実施形態におけるＦａの二次元画像の一例を示す図である。ここでは、７点のデータを用いたSavitzky-Golay filterを用いた数値微分による二次微分演算子と、９点のデータを用いたSavitzky-Golay filterを用いた数値微分による二次微分演算子と、の線形結合で表される二次微分演算子を採用した。 Figure 8 is a diagram showing an example of a two-dimensional image of F a in this embodiment. Here, the secondary differential operator by numerical differentiation using Savitzky-Golay filter using 7-point data, and the secondary differential operator by numerical differentiation using Savitzky-Golay filter using 9-point data, A second-order differential operator represented by a linear combination of
ところで、本発明者の知見によれば、上記（１１）式の目的関数Ｓ'における平滑化パラメータα２の値が適切でないと、フィッティング品質が悪くなり、ノイズ対策の効果が小さくなって、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を正確に求めることができない。平滑化パラメータα２の値が大きすぎると、ノイズの影響を低減することができるものの、本来の信号が崩れてしまう。逆に、平滑化パラメータα２の値が小さすぎると、本来の信号の崩れを抑制することができるが、ノイズの影響の低減が不充分となる。したがって、フィッティング品質が良くなるように、平滑化パラメータα２の値を適切に設定する必要がある。 Meanwhile, according to the knowledge of the present inventors, the above (11) the value of the smoothing parameter alpha 2 in the objective function S 'of formula is not appropriate, fitting quality is deteriorated, the effect of noise suppression is decreased, the sample The internal absorption distribution or scattering distribution cannot be determined accurately. When the value of the smoothing parameter alpha 2 is too large, although it is possible to reduce the influence of noise, the original signal is lost. Conversely, if the value of the smoothing parameter alpha 2 is too small, it is possible to suppress the collapse of the original signal, reducing the effect of noise may be insufficient. Therefore, it is necessary to appropriately set the value of the smoothing parameter α 2 so that the fitting quality is improved.
さらに本発明者の知見によれば、フィッティング品質が良くなる平滑化パラメータα２の好適値は、反射光量Ｙの信号品質指標との間に相関を有する。すなわち、反射光量Ｙの信号品質指標が高いほど、平滑化パラメータα２の設定値を大きくすれば、フィッティング品質が良くなって、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を正確に求めることができる。 Further, according to the knowledge of the present inventor, the preferred value of the smoothing parameter α 2 that improves the fitting quality has a correlation with the signal quality index of the reflected light amount Y. That is, the higher the signal quality index of the reflection light amount Y, by increasing the smoothing parameter alpha 2 setting, getting better fitting quality, the absorption distribution or scattering distribution of the sample inside can be obtained accurately.
そこで、本実施形態の光学的測定方法では、反射光量Ｙの信号品質指標の値に応じて平滑化パラメータα２の値を設定して、上記（１１）式の目的関数Ｓ'が最小となるように吸収成分および散乱成分を求める。好適には、データ処理ステップにおいて、複数の信号品質指標の基準値と平滑化パラメータの基準値の組み合わせをデータベースとして記憶装置に格納しておき、反射光量Ｙの信号品質指標の値に対応する平滑化パラメータをデータベースを参照して算出するのが好適である。その算出方法としては、線形補間や多項式補間を用いる。 Therefore, in the optical measuring method of this embodiment, by setting the signal quality value smoothing parameter alpha 2 value according to the indication of the amount of reflected light Y, the (11) the objective function S 'of the minimum Thus, the absorption component and the scattering component are obtained. Preferably, in the data processing step, a combination of a plurality of signal quality index reference values and smoothing parameter reference values is stored in a storage device as a database, and the smoothing corresponding to the signal quality index value of the reflected light amount Y is stored. It is preferable to calculate the optimization parameter with reference to a database. As the calculation method, linear interpolation or polynomial interpolation is used.
反射光量Ｙの信号品質指標の基準値に対応する平滑化パラメータの基準値は、以下のようにして求めることができる。すなわち、反射光量Ｙの信号品質指標の基準値に対して平滑化パラメータを各値に設定し、平滑化パラメータを各値についてフィッティング品質を求める。そして、フィッティング品質が最も良くなるときの平滑化パラメータを基準値とする。これら信号品質指標の基準値および平滑化パラメータの基準値を予め求めておいて記憶装置に格納しておく。 The reference value of the smoothing parameter corresponding to the reference value of the signal quality index of the reflected light amount Y can be obtained as follows. That is, the smoothing parameter is set to each value with respect to the reference value of the signal quality index of the reflected light amount Y, and the fitting quality is obtained for each value of the smoothing parameter. The smoothing parameter when the fitting quality is the best is used as the reference value. The reference value of the signal quality index and the reference value of the smoothing parameter are obtained in advance and stored in the storage device.
反射光量Ｙの信号品質指標は、下記（１４）式で定義されるＳＮＲ（Signal-to-NoiseRate）であってもよいし、下記（１５）式で定義されるＣＮＲ（Contrast-to-Noise Rate）であってもよいし、下記（１６）式で定義されるＥＮＲ（Enhancement-to-Noise Ratio）であってもよいし、また、下記（１７）式で定義されるピーク値とバックグラウンドの差Ｐであってもよい。これらの指標は同様の傾向を示す。ｘは注目する領域内の強度の最大値であり、μは平均値であり、σは標準偏差である。これらの値は何れもリニアスケールの値を用いる。添え字のｘは注目する領域を示し、添え字のｂは信号のないノイズ領域を示す。 The signal quality index of the reflected light amount Y may be SNR (Signal-to-NoiseRate) defined by the following equation (14), or CNR (Contrast-to-Noise Rate) defined by the following equation (15). ), ENR (Enhancement-to-Noise Ratio) defined by the following equation (16), or peak value and background defined by the following equation (17): The difference P may be used. These indicators show similar trends. x is the maximum value of intensity in the region of interest, μ is the average value, and σ is the standard deviation. As these values, linear scale values are used. The subscript x indicates a region of interest, and the subscript b indicates a noise region without a signal.
フィッティング品質については以下のとおりである。吸収がない非吸収性散乱体と、散乱および一定の吸収がある吸収性散乱体とを想定する。これら非吸収性散乱体および吸収性散乱体それぞれをサンプルとしてＯＣＴ測定を行ったときに得られる干渉信号（図９）を計算し、この干渉信号に様々なレベルのノイズを加える。図２に示されるように、分割した波長帯毎の断層画像を作成し、各断層画像の信号品質指標を求める。そして、平滑化パラメータα２を各値に設定して、上記（１１）式の目的関数が最小となるように吸収成分を求める。 The fitting quality is as follows. Assume non-absorbing scatterers with no absorption and absorbing scatterers with scattering and constant absorption. An interference signal (FIG. 9) obtained when OCT measurement is performed using each of the non-absorbing scatterer and the absorbing scatterer as a sample is calculated, and various levels of noise are added to the interference signal. As shown in FIG. 2, a tomographic image for each divided wavelength band is created, and a signal quality index for each tomographic image is obtained. Then, the smoothing parameter alpha 2 is set to each value, obtains the absorbing component as the objective function of equation (11) is minimized.
ノイズが無い理想の条件であれば、非吸収性散乱体では吸収がゼロとなり、吸収性散乱体では設定した一定の吸収となる。しかし、ノイズが加えられた条件では、目的関数の最小化で得られる結果において、非吸収性散乱体および吸収性散乱体の何れの吸収スコアも或る幅を有する（図１０）。そこで、非吸収性散乱体および吸収性散乱体それぞれの吸収スコアの統計的な差を考慮して、ＲＯＣ（Receiver Operating Characteristic）曲線の面積（図１１）のハッチング領域の面積）をフィッティング品質と定義する。ＲＯＣ曲線とは、吸収スコアの境界値を変化させたときの偽陽性率（境界値以上のスコア値を持つ非吸収性散乱体の割合）を横軸にし、陽性率（境界値以上のスコア値を持つ吸収性散乱体の割合）を縦軸にして、プロットしたものである。ハッチング領域の面積が大きいほど、２つのスコア分布の重なりが小さいことを表し、フィッティング品質が良いことを表す。 Under ideal conditions with no noise, the absorption is zero for the non-absorbing scatterer and the set absorption is constant for the absorptive scatterer. However, under the condition where noise is added, the absorption scores of the non-absorbing scatterer and the absorbing scatterer have a certain width in the result obtained by minimizing the objective function (FIG. 10). Therefore, considering the statistical difference between the absorption scores of the non-absorbing scatterer and the absorbing scatterer, the area of the ROC (Receiver Operating Characteristic) curve (the area of the hatched area in FIG. 11) is defined as the fitting quality. To do. The ROC curve is the false positive rate (ratio of non-absorbing scatterers having a score value equal to or higher than the boundary value) when the boundary value of the absorption score is changed, and the positive rate (score value equal to or higher than the boundary value). The ratio of the absorptive scatterer having a ordinate is plotted on the vertical axis. The larger the hatched area, the smaller the overlap between the two score distributions, and the better the fitting quality.
図１２は、以上のようにして求めたフィッティング品質と平滑化パラメータとの関係を示すグラフである。同図には、信号品質指標としてCNR = 11およびCNR = 9それぞれの場合が示されている。同図から以下のことが判る。CNR = 11およびCNR = 9の何れの場合にも、平滑化パラメータα２の値が小さすぎるとフィッティング品質は悪くなり、平滑化パラメータα２の値が大きすぎてもフィッティング品質は悪くなり、フィッティング品質が良くなる平滑化パラメータα２の好適値が存在する。CNR = 11の場合と比べてCNR = 9の場合には、フィッティング品質は低い。また、CNR = 11の場合と比べてCNR = 9の場合には、平滑化パラメータα２の好適値が小さい。 FIG. 12 is a graph showing the relationship between the fitting quality determined as described above and the smoothing parameter. In the figure, the cases of CNR = 11 and CNR = 9 are shown as signal quality indicators. The following can be seen from the figure. In any case the CNR = 11 and CNR = 9 also, when the value of the smoothing parameter alpha 2 is too small fitting quality deteriorates, even fitting quality deteriorates the value of smoothing parameter alpha 2 is too large, the fitting There is a preferred value for the smoothing parameter α 2 that improves the quality. The fitting quality is lower when CNR = 9 than when CNR = 11. In addition, when compared with the case of the CNR = 11 of CNR = 9 has a small preferred value of the smoothing parameter alpha 2.
このように、フィッティング品質が良くなる平滑化パラメータα２の好適値は、反射光量Ｙの信号品質指標との間に相関を有する。すなわち、反射光量Ｙの信号品質指標が高いほど、平滑化パラメータα２の設定値を大きくすれば、フィッティング品質が良くなって、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を正確に求めることができる。本実施形態の光学的測定方法では、反射光量Ｙの信号品質指標の値に応じて平滑化パラメータα２の値を設定して、上記（１１）式の目的関数Ｓ'が最小となるように吸収成分および散乱成分を求める。これにより、サンプル内部の吸収分布または散乱分布を正確に求めることができる。 Thus, the preferred value of the smoothing parameter alpha 2 of the fitting quality is better, it has a correlation between the signal quality indicator reflected light Y. That is, the higher the signal quality index of the reflection light amount Y, by increasing the smoothing parameter alpha 2 setting, getting better fitting quality, the absorption distribution or scattering distribution of the sample inside can be obtained accurately. The optical measuring method of this embodiment, by setting the smoothing parameter alpha 2 values depending on the value of the signal quality index of the reflection light amount Y, as above (11) the objective function S 'of the minimum An absorption component and a scattering component are obtained. Thereby, the absorption distribution or scattering distribution inside the sample can be accurately obtained.
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記の実施形態ではＯＣＴについて説明したが、本発明の光学的測定方法は、ＯＣＴに限られるものではなく、ＯＴＤＲおよびＤＯＴにも適用が可能である。また、本発明の光学的測定方法は、ＯＣＴのうちでもＴＤ-ＯＣＴおよびＦＤ-ＯＣＴの何れにも適用が可能である。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. In the above embodiment, OCT has been described. However, the optical measurement method of the present invention is not limited to OCT, and can be applied to OTDR and DOT. Moreover, the optical measurement method of the present invention can be applied to both TD-OCT and FD-OCT among OCT.
１…光学的測定システム、２…ＯＣＴ装置、３…プローブ、９…サンプル。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical measuring system, 2 ... OCT apparatus, 3 ... Probe, 9 ... Sample.
Claims (4)
このデータ取得ステップにおいて取得された複数の時間帯または波長帯における前記サンプル内部の反射位置と反射光量との関係に基づいて、入射光量に対する前記反射光量の減衰量に含まれる吸収成分および散乱成分を互いに分離して求め、前記サンプル内部の吸収分布または散乱分布を求めるデータ処理ステップと、
を備え、
前記データ処理ステップにおいて、
前記反射光量の信号品質指標の値に応じて平滑化パラメータの値を設定して、
前記反射光量，前記吸収成分，前記散乱成分，ならびに，前記平滑化パラメータの設定値が乗ぜられた前記吸収成分の空間二次微分および前記散乱成分の空間二次微分を含む目的関数が最小となるように、前記吸収成分および前記散乱成分を求める、
ことを特徴とする光学的測定方法。 Detects the reflected light generated as a function of time or wavelength when irradiating or propagating light to the sample, and obtains the relationship between the reflected position inside the sample and the amount of reflected light in multiple time bands or wavelength bands Data acquisition step,
Based on the relationship between the reflection position inside the sample and the reflected light amount in a plurality of time zones or wavelength bands acquired in this data acquisition step, the absorption component and the scattering component included in the attenuation amount of the reflected light amount with respect to the incident light amount are calculated. A data processing step for obtaining an absorption distribution or a scattering distribution inside the sample, obtained separately from each other;
With
In the data processing step,
Set the value of the smoothing parameter according to the value of the signal quality index of the reflected light amount,
The reflected light amount, the absorption component, the scattering component, and the objective function including the spatial second derivative of the absorption component multiplied by the set value of the smoothing parameter and the spatial second derivative of the scattering component are minimized. So as to obtain the absorption component and the scattering component,
An optical measurement method characterized by the above.
前記信号品質指標の基準値に対応する前記平滑化パラメータの基準値を予め記憶装置に格納しておき、
前記信号品質指標の値が前記信号品質指標の基準値と等しい場合に前記平滑化パラメータの設定値を前記平滑化パラメータの基準値と等しくし、
前記信号品質指標の値が前記信号品質指標の基準値より低い場合に前記平滑化パラメータの設定値を前記平滑化パラメータの基準値より小さくし、
前記信号品質指標の値が前記信号品質指標の基準値より高い場合に前記平滑化パラメータの設定値を前記平滑化パラメータの基準値より大きくする、
ことを特徴とする請求項１に記載の光学的測定方法。 In the data processing step,
The reference value of the smoothing parameter corresponding to the reference value of the signal quality index is stored in a storage device in advance,
When the value of the signal quality index is equal to the reference value of the signal quality index, the set value of the smoothing parameter is equal to the reference value of the smoothing parameter,
When the value of the signal quality index is lower than the reference value of the signal quality index, the set value of the smoothing parameter is made smaller than the reference value of the smoothing parameter;
When the value of the signal quality index is higher than the reference value of the signal quality index, the set value of the smoothing parameter is made larger than the reference value of the smoothing parameter;
The optical measurement method according to claim 1.
In the data acquisition step, light obtained by causing interference between the reflected light and the reference light generated in the sample is detected as a function of wavelength, and this function is divided into a plurality of wavelength bands and subjected to Fourier transform for each wavelength band. The optical measurement method according to claim 1, wherein a relationship between a reflection position inside the sample and a reflected light amount for each band is acquired.
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