JP2016086867A - 光断層画像撮影装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】所定のカーネルの領域を用いた平均化処理において、サンプルの複屈折による位相変化をキャンセルしてカーネル内の各ピクセルのグローバル位相差を算出して移動平均処理を実施することにより、より高いSNRや画質を持つ2次元又は/及び3次元の断層画像を取得できる光断層画像撮影装置を提供する。【解決手段】ジョーンズ行列に対応して取得したBスキャン画像又は/及びCスキャン画像に対して所定のカーネルを設定し、設定した所定のカーネル内の各ピクセルにおけるジョーンズ行列を1つ以上のユニタリ行列を用いてモデル化して各ピクセルの相対グローバル位相を算出し、算出した相対グローバル位相を所定のカーネル内の各ピクセルで相殺して、所定のカーネル内のジョーンズ行列の各要素を平均化処理する処理手段を備えた。【選択図】図3

Description

本発明は、光断層画像像撮影装置に関し、特に、眼科医療等に用いられるOCTにより断層画像を撮る光断層画像撮影装置に関するものである。
光コヒーレンストモグラフィー(OCT)は、非侵襲、非接触で測定できることから、眼科における生体組織の高解像度な断層画像を取得する手段として広く使用されている方法である。
光コヒーレンストモグラフィー(OCT)においては、タイムドメイン方式と呼ばれる、ミラーを動かして参照光の光路長を機械的に変化させながら断層画像取得を行うタイムドメインOCTと、フーリエドメイン方式と呼ばれる、分光器を用いてスペクトル情報を検出し断層画像取得を行うスペクトルドメインOCT、もしくは、波長走査光源を用いてスペクトル干渉信号を検出し断層画像取得を行う光周波数掃引OCTとがある。
偏光状態を変化させる複屈折は分子が一定方向に配列する組織において生じる。眼底における網膜では網膜神経繊維層、網膜色素上皮層、血管壁、強膜、篩状板に強い複屈折性が存在する。機能性OCTの一つである偏光感受型OCT(PS−OCT)は、この複屈折性の断層化によるこれら組織の可視化のため、近年、さまざまな偏光感受型OCTの開発が試みられている。
偏光感受型OCT(PS−OCT)は、サンプルを観察する測定光に円偏光或いは偏光変調した光を用い、干渉光を2つの直交する直線偏光として検出する構成をとる。
特許文献1には、偏光感受型OCT(PS−OCT)の1例が開示されている。そこには、Bスキャンと同時に(同期して)光源からの偏光ビーム(偏光子により直線的に偏光されたビーム)をEO変調器(偏光変調器、電気光学変調器)によって連続的に変調し、この連続的に偏光を変調した偏光ビームを分けて、一方をサンプルに照射し、その反射光を得ると共に、他方を参照光として、両者のスペクトル干渉によりOCT計測を行い、このスペクトル干渉成分のうち、垂直偏光成分と水平偏光成分を同時に2つの光検出器で測定することにより、サンプルの偏光特性を表すジョーン行列を得ることが開示されている。
非特許文献1には偏光感受型OCT(PS−OCT)によって取得したジョーンズ行列に対応した画像のSNR(信号ノイズ比)や画質を向上するため、ジョーンズ行列に対応したBスキャン像に対して、例えば3×5ピクセルのカーネルサイズで移動平均する方法が開示されている。
非特許文献1のように、ジョーンズ行列に対応したBスキャン像に対して、所定のカーネルサイズで移動平均する場合、スペックルノイズを低減するために、カーネル内の各ピクセルについてグローバル位相差を求めて、カーネル内の各ピクセルでグローバル位相差を相殺する方法が提案されている。
ところが、試料(以下「サンプル」)の複屈折による位相変化とグローバル位相の区別することが困難なため、サンプルの複屈折が求めたグローバル位相のアーチファクトとなることがあった。
本発明は、上記の課題を解決するため、偏光感受型OCT(PS−OCT)によって取得したジョーンズ行列に対応した2次元又は/及び3次元の断層画像を取得する光断層画像撮影装置において、所定のカーネルの領域を用いた平均化処理において、サンプルの複屈折による位相変化をキャンセルしてカーネル内の各ピクセルのグローバル位相差を算出して移動平均処理を実施することにより、より高いSNRや画質を持つ2次元又は/及び3次元の断層画像を取得できる光断層画像撮影装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、サンプル(被検物)の偏光特性を表すジョーン行列を取得する偏光感受型OCT(PS−OCT)であって、ジョーンズ行列に対応して取得したBスキャン画像又は/及びCスキャン画像(ボリュームデータ)に対して所定のカーネル(XZ方向又は/或いはXYZ方向の所定のピクセル範囲)を設定し、設定した所定のカーネル内の各ピクセルにおけるジョーンズ行列を1つ以上のユニタリ行列を用いてモデル化して各ピクセルの相対グローバル位相を算出し、算出した相対グローバル位相を所定のカーネル内の各ピクセルで相殺して、所定のカーネル内のジョーンズ行列の各要素を平均化処理する処理手段を備えたことを特徴とする。
設定した所定のカーネル内の各ピクセルにおけるジョーンズ行列を図6に示す式(1)のように、各ピクセルにおけるグローバル位相とユニタリ行列Uin、Uoutを用いてモデル化し、ユニタリ行列Uin、Uoutの要素をパラメータ化して、参照ピクセル(n=0)に対する相対グローバル位相Φ(n)−Φ(0)を、図6に示す式(2)を用いて算出することにより、参照ピクセルと各ピクセルとの間における複屈折による相対位相遅延量が相殺されて、サンプルの複屈折のアーチファクトを排除した相対グローバル位相が算出されるため、効果的に所定のカーネル内の各ピクセルのグローバル位相を相殺することが可能である。
また、上記目的を達成するために、本発明は、請求項1に記載の光断層画像撮影装置であって、所定のカーネル内で最もS/N比の高いピクセルを参照ピクセルとして検出し、検出した参照ピクセルのグローバル位相に対して各ピクセルの相対グローバル位相を算出することを特徴とする。
参照ピクセルを所定のカーネル内で最もS/N比の高いピクセルとすることにより、より効果的にグローバル位相が相殺可能である。
また、上記目的を達成するために、本発明は、請求項1又は2に記載の光断層画像撮影装置であって、設定した所定のカーネルのX方向又は/及びY方向又は/及びZ方向の各ピクセルのジョーンズ行列の各要素(画素値)に対して所定の重み付け処理を実施することを特徴とする。
例えば、カーネルが2次元である場合はX方向及びZ方向に0〜1のGaussian波形処理を実施して平均化する。実空間でGaussian波形処理を実施することは、フーリエ空間では図5のGaussian関数(点線)を(フーリエ変換された測定信号に)掛けることと同意であるため、空間的に高周波のノイズが効率よく除去できることがわかる。このように、重み付け処理を実施することにより、より効果的な平均化処理ができるのである。
本発明によれば、図6に示す式(1)及び(2)を用いてカーネル内の各ピクセルのサンプルの複屈折の位相変化をキャンセルした相対グローバル位相が算出できることから、各ピクセルのグローバル位相が効果的にキャンセルされて平均化処理を行うため、より高いSNRや画質を持つ2次元又は/及び3次元の断層画像が取得できる。
本発明による光断層画像取得部の一例の詳細を示した図である。 光断層画像撮影装置の構成を示した図である。 移動平均処理のフローチャートを示した図である。 3次元断層像の取得までのフローを説明する図である。 フーリエ空間におけるSINC関数(実線)とGaussian関数(点線)の空間周波数特性を示した図である。 本発明に係る各ピクセルにおける相対グローバル位相を算出するための数式を示した図である。
以下、本発明の一実施例に係る光断層画像撮影装置について図面を参照して説明する。図1には断層画像取得部100の詳細構成を示す。
図1に示すように、断層画像取得部100ではサンプル(被検査物)117に測定光を照射することにより、サンプル117の2次元又は/及び3次元断層画像を撮影する。本実施形態では、時間的に波長を変化させて走査する波長走査光源101を用いたフーリエドメイン(光周波数掃引)方式が採用されている。
即ち、波長走査光源101から出力された光は、光ファイバを通してファイバーカプラ102に入力され、このファイバーカプラ102において、例えば5:95の比率で、参照光と測定光とに分波されて各々参照アーム160及びサンプルアーム150へ出力される。そのうち参照アーム160に出力された参照光は、光ファイバを通って光サーキュレーター120に入力後、コリメータレンズ121に入力され、参照ミラー122へ入射される。参照ミラー122はサンプルの表面位置に参照光路を合わせる光路長調整のため光路軸上で移動制御可能であり、OCT断層像を測定する前に、測定光路長と参照光路長を合わせる。
そして、参照ミラー122で反射された参照光はコリメータレンズ121から光ファイバを通り光サーキュレーター120で光路が変更され、偏光コントローラ119を通り、コリメータレンズ123に入力し偏光感受型検出アーム136に入力される。
一方、前記ファイバーカプラ102からサンプルアーム150に出力された測定光は、光ファイバを通って偏光コントローラ103を介して偏波依存ディレイライン133のコリメータレンズ104に入力後、偏光子105を通る。本実施例では偏光子105の偏光角度は45度に設定してある。さらに、偏光コントローラ103を通過しコリメータレンズ104に入力する直前の偏光角度も45度に制御され、45度に偏光された測定光が効率よく取り出せるように、偏光コントローラ103及び偏光子105が調整及び制御されている。
45度に偏光された測定光は偏波依存ディレイライン133内の偏光ビームスプリッター106を通すことにより互いに直交する2つの直線偏光状態(垂直方向及び水平方向)の光に分割される。分割された測定光は各々異なる全反射プリズム107及び108で反射され、2つの異なる光路で伝播させる。ここで、全反射プリズム107及び108の少なくとも1つの全反射プリズムを移動制御することにより、2つの異なる偏光状態(垂直方向及び水平方向)の間の遅延を生じさせる。
ここで、入射測定光を偏光ビームスプリッター106の中心から一定距離外れた位置に入射するように設定することにより、偏光ビームスプリッター106により2つの異なる偏光状態の光を生成し、各々異なる全反射プリズム107及び108で反射され、一定の遅延を持つ2つの異なる偏光状態(垂直方向及び水平方向)の測定光が生成され、反射ミラー110で光路を変えた後、コリメータレンズ109により光ファイバ接続される。
光ファイバを通った測定光は、偏光コントローラ111を通った後、光サーキュレーター112で光路が変更され、コリメータレンズ113に入射後、ガルバノミラー114及び115で反射し、レンズ116により集光して、サンプル117へ入射する。
ガルバノミラー114及び115は、測定光を走査させるためのもので、ガルバノミラー114及び115を制御することにより、測定光をサンプル117の表面において水平方向に及び垂直方向に走査されるようになっている。これにより、サンプル117の2次元の断層画像や3次元の断層画像が取得できるのである。
サンプル117で反射された測定光は、上記とは逆にレンズ116、ガルバノミラー115及び114を通り、コリメータレンズ113に入力される。そして、測定光は光ファイバを通って前記光サーキュレーター112で光路が変更され、偏光コントローラ118を通った後、コリメータレンズ125に入力し偏光感受型検出アーム136に入力される
コリメータレンズ123から偏光感受型検出アーム136に入力し、偏光子124で偏光された参照光と、サンプル117で反射された測定光は無偏光ビームスプリッター132を用いて合成され、分割される。分割された光は、その後、コリメータレンズ126及び127に入力後、2つのインライン型の偏光ビームスプリッター128及び129によって2つの直交する偏光状態に分けられる。
ここで、インライン型の偏光ビームスプリッター128及び129後の参照光の垂直方向及び水平方向の直線偏光のパワーを等しくするために、偏光子124の偏光角度は45度に調整すると共に、効率を上げるため、事前に通る偏光コントローラ119を用いて偏光子124へ入射する直前の偏光角度がほぼ45度となるように制御されている。
2つの偏光状態の干渉は、2つのバランス型光検出器130及び131により検出される。検出された垂直方向及び水平方向の2つの偏光状態の干渉信号は図2に示す制御装置200に設けられた演算部202において、各干渉信号に対するフーリエ変換などの処理が行われ、サンプル117のジョーンズ行列に対応して取得したBスキャン画像又は/及びCスキャン画像(ボリュームデータ)が取得される。取得された断層画像は記憶部203に記憶される。
図4は、断層像取得部100による断層像(Bスキャン像)を取得する様子を示したものである。図4(a)は被検眼Eの眼底網膜の一例を、図4(b)は断層像取得部100から取得して得られた眼底網膜401の複数の2次元断層像(Bスキャン像)の例を示している。そして、図4(c)は本実施例にて生成された眼底部のCスキャン像(3次元断層像、ボリュームデータとも言う)の例を示している。尚、図4(a)〜(c)のx軸はBスキャンのスキャン方向を、y軸はCスキャンの方向を示す。更に、図4(b)、(c)のz軸はAスキャン信号の奥行き方向、つまり眼底部の深さ方向を示す。
図4(b)の404は取得した2次元断層像であり、ガルバノミラーユニット106をX方向にスキャンさせながら、演算部202がAスキャン信号403を再構築して作成される。この2次元断層像がBスキャン像であり、眼底網膜401に対する奥行き方向(Z方向)と直交するX方向の2次元の断面、すなわち図4(b)におけるx軸及びz軸で規定される平面における2次元断層像である。図4(a)の402は2次元断層像404の撮影位置を示す。
図4に示したBスキャン像及びCスキャン像は複数のピクセルで構成された画像である。本発明による移動平均は、所定数のピクセル、例えば、Bスキャン像(2次元画像)ではX方向及びZ方向に対して各所定のピクセル数の領域(例えばX方向3ピクセル、Z方向5ピクセルであれば、3×5ピクセルの領域)を本発明では所定のカーネルの領域とする。Cスキャン像に対して移動平均処理を実施する場合はX方向、Y方向及びZ方向の各所定数のピクセルの領域を所定のカーネルの領域とする。
次に、本発明のポイントである、取得した画像の移動平均処理について図3のフローチャートを用いて説明する。
取得された画像はSNR(信号ノイズ比)や画質を向上させるため、移動平均処理を行う。図3に示すフローは移動平均処理の一実施例であり、移動平均処理はこのフローに限定されるものではない。
まず、S10で最初のピクセルを設定する。最初のピクセルは0番目のピクセルとするため、S10ではm=0と設定し、設定したピクセルをm番目のピクセルとする。
S12で記憶部203に記憶したボリュームデータから、m番目のピクセルを基に所定のカーネルの領域を抽出する。例えば、1つのBスキャン像に対して移動平均処理を実施する場合は、m番目のピクセルを含む、X方向及びZ方向の所定の数のピクセルの領域(本発明では「カーネルの領域」と記載する、例:3ピクセル×5ピクセル)を抽出する。カーネルの領域とm番目のピクセルの位置の関係は予め設定しておいてもよい。関係が一定であれば、抽出も容易であり、移動平均化処理の効果も得られやすい。
また、ボリュームデータに対して移動平均化処理をする場合は、m番目のピクセルを含む、X方向、Y方向及びZ方向の各方向の所定の数のピクセルの領域(例:3×5×3ピクセル)のカーネルの領域を抽出する。
S14では、抽出したカーネルの領域に対してWindow function(窓関数)を掛ける。掛ける方向としては、対象がBスキャン像であれば、X方向とZ方向、対象がボリュームデータであればX、Y及びZ方向に掛けてもよいし、いずれか1つの方向で効果が期待できるのであれば、X、Y及びZ方向のいずれか1つの方向でもいいし、ボリュームデータの場合は、選択した2つの方向でもよい。
Window function(窓関数)としては、Gaussian関数(Gaussian窓とも言う)を用いてもよい。Gaussian関数を用いた場合、図5の点線で示す空間周波数特性から、効率よく高周波に係るノイズの除去が可能になる。
S14の処理は、各ピクセルのジョーンズ行列各要素にGaussian関数などの窓関数を掛ける。また、掛ける窓関数はGaussian関数に限ったものではなく、Hamming関数(Hamming窓とも言う)やHanning関数(Hanning窓とも言う)を採用してもよい。これらの関数を採用しても、Gaussian関数の場合と同様な効果を得ることができる。
S14で、カーネルの領域に対してWindow function(窓関数)を掛けた後、S16では、カーネルの領域の各ピクセルのSNR(信号ノイズ比)を算出し、一番高いSNRを持つピクセルを検出し、参照ピクセル(n=0)とする。
S18では、n=1として参照ピクセルとは別のn番目のピクセルを検出する。
S20では、検出した所定のカーネルの領域のn番目のピクセルとS16で検出した参照ピクセル(0番目のピクセル)のジョーンズ行列から図6の式(1)及び(2)を用いて参照ピクセルのグローバル位相との差(相対グローバル位相)Φ(n)−Φ(0)を算出する。
図6は、本発明に係る各ピクセルにおける相対グローバル位相を算出するための数式を示した図である。式(1)はカーネル内のn番目のピクセルのジョーンズ行列をグローバル位相とユニタリ行列Uin、Uoutを用いてモデル化した式である。各パラメータの詳細は図6に記載した通りである。
そして、ユニタリ行列Uin、Uoutの要素をパラメータ化して、参照ピクセルに対する相対グローバル位相Φ(n)−Φ(0)は図6の式(2)として導くことができる。式(2)を用いて参照ピクセルのグローバル位相との差(相対グローバル位相)Φ(n)−Φ(0)を算出する。式(2)には、Δφ(n)、λ、λ及びUin、Uoutの要素がないため、式(2)を用いることにより、サンプルの複屈折によるアーチファクトを排除した相対グローバル位相Φ(n)−Φ(0)を算出することができる。相対グローバル位相はピクセルのジョーンズ行列各要素毎に算出する。
S22では、S20で算出した所定のカーネルの領域のn番目のピクセルのジョーンズ行列各要素におけるグローバル位相差を用いて、n番目のピクセルのジョーンズ行列各要素のグローバル位相差をキャンセルする。これにより、カーネルの領域のn番目のピクセルのグローバル位相差はキャンセルされる。
S22で、n番目のピクセルのグローバル位相差はキャンセルした後、S24で、nを1つ加算して所定のカーネルの領域の次のピクセルについてS20〜S22の処理を実施して同様にグローバル位相差(相対グローバル位相)をキャンセルする。
S26で所定のカーネルの領域のすべてのピクセルについて相対グローバル位相をキャンセルすると(n>n(Final))、S28で所定のカーネルの領域の各ピクセルのジョーンズ行列の各要素毎に要素の値を平均する。
S28で、ジョーンズ行列各要素を平均したら、S30で、ピクセルの番号を1つ加算する。S32で、加算したmの値が所定の数m(final)より大きい場合は、対象としたBスキャン像又はボリュームデータ全ての範囲で移動平均処理が完了したと判断して、移動平均処理を終了する。所定の数m(final)以下の場合はS12に戻り、次のピクセルに対するカーネルの領域を抽出して、S12〜S28の処理を繰り返す。
S32の所定の数m(final)は、対象とするBスキャン像又はボリュームデータのピクセルの総数であってもよい。この場合、対象としたBスキャン像又はボリュームデータの全領域に亘って移動平均化処理される。これに限らず、総数より小さい所定の数でもよい。例えば、Bスキャン像又はボリュームデータの中の任意の特徴部位のみ画像を確認したい場合は任意の特徴部位の領域に合わせてm(final)の値を設定してもよい。
上述のように、図6の式(1)及び(2)を用いることにより、サンプルの複屈折による位相変位をキャンセルして各ピクセルの相対グローバル位相が算出されるため、より正確な相対グローバル位相が算出可能になる。これにより、より効果的な平均化処理ができることから、より高いSNRや画質を持つ2次元又は/及び3次元の断層画像が取得できるのである。
ここで、図6の式(2)は設定した所定のカーネル領域内の2つのピクセル(0番目のピクセルとn番目のピクセル)間の信号位相差を算出する式であるため、式(2)を用いて異なるAスキャン像の任意の深さ位置における信号位相差を求めることも可能である。つまり、サンプルの複屈折による位相変位をキャンセルしたドップラー位相シフトが式(2)を用いて算出できることからドップラーOCTにも応用可能である。また、式(2)を用いてサンプルに対する応力付加前後のOCT信号の位相差も算出可能であるため、OCTエラストグライフィーにも応用可能である。
以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。
例えば、本発明では、ピクセルの相対グローバル位相を算出するため、図6に示す式(1)及び(2)を開示したが、算出するための数式は、式(1)及び(2)に限定されるものではなく、より効果を高めるために式の一部を変更したり、パラメータを追加しても適応可能である。
100・・断層画像取得部
101・・波長走査光源
102・・ファイバーカプラ
106・・偏光ビームスプリッター
112、120・・光サーキュレーター
128、129・・インライン型偏光ビームスプリッター
130、131・・バランス型光検出器
132・・無偏光ビームスプリッター
133・・偏波依存ディレイライン
201・・ADボード
202・・演算部
203・・記憶部

Claims (5)

  1. 被検物の偏光特性を表すジョーン行列を取得する偏光感受型OCT(PS−OCT)であって、
    ジョーンズ行列に対応して取得したBスキャン画像又は/及びCスキャン画像(ボリュームデータ)に対して所定のカーネル(XZ方向又は/或いはXYZ方向の所定のピクセル範囲)を設定し、
    設定した所定のカーネル内の各ピクセルにおけるジョーンズ行列を1つ以上のユニタリ行列を用いてモデル化して各ピクセルの相対グローバル位相を算出し、
    算出した相対グローバル位相を所定のカーネル内の各ピクセルで相殺して、
    所定のカーネル内のジョーンズ行列の各要素を平均化処理する処理手段を備えたことを特徴とする光断層画像撮影装置。
  2. 所定のカーネル内で最もS/N比の高いピクセルを参照ピクセルとして検出し、検出した参照ピクセルのグローバル位相に対して各ピクセルの相対グローバル位相を算出することを特徴とする請求項1に記載の光断層画像撮影装置。
  3. 設定した所定のカーネルのX方向又は/及びY方向又は/及びZ方向の各ピクセルのジョーンズ行列の各要素(画素値)に対して所定の重み付け処理を実施することを特徴とする請求項1又は2に記載の光断層画像撮影装置。
  4. 所定の重み付け処理は、Gaussian処理であることを特徴とする請求項3に記載の光断層画像撮影装置。
  5. 所定の重み付け処理は、Hamming、Hanningなどの窓関数処理であることを特徴とする請求項3に記載の光断層画像撮影装置。
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