JP2018529089A - 光散乱オブジェクトの内側の少なくとも１つのセクショナルフェースを露出するための方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、オブジェクトによって散乱された光が電子カメラで結像する干渉計測方法に関し、ここでサンプル光成分はオブジェクトの内部のセクショナルフェースの散乱サイトに割り当てられる。このサンプル光成分は、カメライメージを処理することによって他のサンプル光成分の影響から分離されて断面イメージとなり得る。本発明の特に有利な点は、オブジェクトの内部の複数の平行なセクショナルフェースをお互いにあらかじめ定められたインターバルで順番に露出できる点にある。当該一連の断面イメージはオブジェクトの固体モデルを演算するために使用できる。本発明は特に生きている網膜に利用でき、コスト効率が良く、必要であれば、ハンドヘルドデバイスで３次元の網膜走査を数秒で実施できる。適用分野の選択肢には眼科学および生体認証分野がある。

Description

本発明は、光散乱オブジェクトの１つ以上のセクショナルフェースを露出するための方法およびデバイスに関する。当該方法では、短いコヒーレント光がサンプルビームと参照ビームに分割され得て、オブジェクトはサンプルビームで照明され、オブジェクトで散乱された光は後述するカメラの電子平面検出器で参照ビームと干渉する。したがって、本発明は、短いコヒーレントあるいは白色光干渉分光法およびこの方法を実装するデバイスに関する。

この明細書では用語「露出（ｅｘｐｏｓｕｒｅ）」は光の検出を示すために使用し、当該光は、光の物理的な操作によって散乱オブジェクトによって少なくとも一部が散乱されカメラに到達する。操作にはオブジェクトの光学イメージの生成と、干渉計でのサンプル光と参照光の重ね合わせの両方を含む。

光干渉断層撮影（ＯＣＴ）は、現在、眼科分野における最も重要な診断方法の１つである。それはＨＵＭＰＨＲＥＹ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ ＡＮＤ ＺＥＩＳＳによって１９９６年に市場に紹介され、その分解能と測定速度は著しく向上した。しかしながら、デバイスの大きさ、コストおよび操作原理は基本的に変更がなかった。ＯＣＴシステムは今日まで病院か設備の整った医者の手術でしか利用できなかった。

しかしながら多くの目の症状には、治療効果を得るために患者に近接したモニタリングが望まれる。この例としては、特に、年齢に関係する滲出型の黄斑変性症（ＡＭＤ）の薬剤ベースの注射治療があるが、糖尿病黄斑浮腫または網膜静脈閉塞症のような他の病気もある。長期間のモニタリングによる治療には毎日ではないにしても、頻繁な目の眼底の深さ方向に分解能を持つ観察が必要であり、それはＯＣＴデバイスの使用によってのみ可能である。非常に多くの潜在的な患者がいる（約１，８００万のＡＭＤ患者がドイツにはいる）ので、患者がＯＣＴデバイスを利用可能な場所を訪れることを頻繁に強要されるのであれば、これは問題であり、設置コストに集中すべきである。

したがって、簡単で、使用が容易で、とりわけ、安価なＯＣＴデバイスを、患者が自分自身で、自宅で利用可能であるあることが望ましい。

この目的を達成するために、ＯＣＴデバイスのコストを著しく低減することが望ましく、例えば５〜１０倍低減することが望ましい。未経験の個人がＯＣＴ設備を使用することが可能であれば、この目標を達成するためにはさらに都合がよい。特に、老齢患者によるハンドヘルド測定時に発生する動作に関連するアーチファクトを補償することができれば都合がよい。

「在宅治療の（ｈｏｍｅｃａｒｅ）」ＯＣＴデバイスは、通常網膜のセクショナルフェースの一連の電子イメージを獲得し、保存する。これらから、組織の構造は断層像の形態で再構成され得る。これによって医者による解釈が可能な網膜の構造を示すことになる。

すべてのシーケンスが獲得されて記憶される期間は、以下の記載では、測定期間と称する。測定期間は数秒以上であるべきではない。シーケンスの各イメージは非常に短い時間間隔で獲得され、それは本明細書では以下で、露出時間（ｅｘｐｏｓｕｒｅ ｔｉｍｅ）と称する。露出時間はカメラのイメージセンサーの強度のための積分時間と同じである。これはカメラからデータを読み出す読み出し時間とは区別される。これは時間間隔に相当し、それは最初にピクセルで蓄積された電荷を電圧に変換し、次にデジタル情報に変換するために要求される時間間隔である。読み出し時間は通常カメラのフレームレートのリミットを設定する。

ＯＣＴでは、２つの異なるモーションアーチファクトが区別されなければならない。両方とも測定デバイスに対するオブジェクトの移動によって発生する。測定期間の長さのオーダーの時間スケールでの横方向すなわち軸方向の移動によって、測定コース上で測定された構造の幾何学的マッピングに変化を生じさせる。結果として断層像の幾何学的ひずみとなる。当該歪みアーチファクトは、測定期間中にＯＣＴデバイスを一定に保持できない可能性がある、結果として目を特定のポイントにフォーカスできない患者に発生し得る。

一方、軸方向の網膜の動きも露出時間内に追加的に発生し得て、それはＯＣＴ信号の位相シフトとなる。特に、オブジェクトが露出時間の間に軸方向に半波長だけ変位すると、信号が完全に消えてしまうことが起こりえる。眼科学におけるＯＣＴ用途では、このアーチファクトをできるだけ避けるために、露出時間は２００マイクロ秒よりも小さいことが必要である。

さらに、ハンドヘルドＯＣＴデバイスで網膜の検査をする間、装置から目までの距離を非常にうまく制御することはできない。したがってハンドヘルドＯＣＴデバイスは、どのような患者の網膜であってもさらなる準備をしないで、少なくとも１センチメータの測定範囲で信頼性がある走査ができなければならない。

ここ数年の間に、拡散的に散乱されたオブジェクトの散乱体分布を決定するためのホログラフィー手法が改良されてきた。これらの手法では調節可能なレーザ光源を使用し、すなわち可変波長で空間的に一時的なコヒーレント光を使用し、それは光をサンプルビームと参照ビームに分割し、オブジェクトをサンプルビームで平面的に照射する。オブジェクトから戻ってくる光はイメージを全く結ばないか、無限遠でイメージを結ぶ。したがって、サンプルビームに配置された面検出器はオブジェクト光波をファーフィールドで測定する。面検出器でこのオブジェクト光波が参照ビームと重ねられ、コヒーレンス長が長いレーザ光なので全体のオブジェクト深さは干渉効果に寄与する。測定結果は検出器上で実際には複雑な構造強度パターンであって、それはホログラムとして記憶される。多数のホログラムが異なる波長で記憶される。参照ビームの光波はそれぞれの場合に既知であり、後続するコンピュータでの評価でホログラムから検出器のサンプルビームの光波を再構成するために使用される。この光波はオブジェクトの複数の所望の深さに伝搬でき、散乱中心の３次元位置を決定する。

デジタルホログラフィー（ＤＨ）の使用方法に関するさらなる詳細は、米国特許出願公開公報第２００８／１３７９３３Ａ１号および米国特許出願公開公報第２０１４／０９２３９２Ａ１号から入手することができる。これらの手法では、現在達成可能な測定深さは光源の線幅によって制限され、数ミリメータである。カメラの露出時間でのオブジェクトのいかなる変位もホログラムのコントラストの減少に直接関与する。それは測定された正弦波変調の周波数または位相角度を変化させるからである。したがって、この方法はモーションアーチファクトの影響を受けやすい。調節可能なレーザ光源がいまだ高価な部品であるという事実だけではなく、モーション補償をするためにはモーションを検出するための加速度センサー等のさらなる部品が必要となり得る。

Ｍａｓｓａｔｓｃｈ ｅｔ ａｌ．，（「Ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ． ４４， Ｎｏ． １０， １． Ａｐｒｉｌ ２００５）にはホログラフィー方法が記載され、そこでは深さ層からの放射の最初から使用するコヒーレンスウィンドウ（「低コヒーレンスゲート法」）がカメラでの干渉を制限するために紹介され、コヒーレンス長内においてカメラまでのこの光路長が参照光の経路長に合致する。散乱オブジェクトの深さ方向の走査のために、参照ミラーが変位させられるが、これは時間領域（ＴＤ）ＯＣＴとしてよく知られている。この方法では、オブジェクトの異なる深さのプレーンに割り当てられ得るホログラムが取得される。ホログラムによれば全オブジェクトプレーンの構造情報をホログラフィックで再構成できる。８０フェムト秒のパルス期間を有するパルスレーザがここでは光源として使用される。

上述のホログラフィック方法では、得られるイメージは直接解釈可能なものではないので、空間領域座標での構造、すなわち理解可能なオブジェクトモデルを特定するために、一般に集約的な数値解析のための演算が必要になる。

興味深いことに、拡散的に散乱されたオブジェクトの表面構造を測定するために長い間知られているデバイスが存在し、その構造はＭａｓｓａｔｓｃｈ ｅｔ ａｌ．の構造と非常に類似する。これはＤＥ４１０８９４４Ａ１に開示されている。ホログラフィーとは異なり、ここでは表面がカメラ上に結像されるので、構造の空間的な配置が入射光イメージを使用して直接得られる。オブジェクトの表面プロファイルが移動可能な参照ミラーによって走査され得て、ここでは、実際に、カメラから、カメラの参照光との干渉に寄与するサンプル光が散乱する表面ポイントまでの距離が変化する。

ＤＥ４１０８９４４Ａ１のデバイスの不利な点は干渉縞にスペックルが発生することであり、その位相角は先見的には分からない。追加のイメージによってこの位相角度が一旦解明されれば、スペックルのランダムな強度および位相によってのみ散乱オブジェクト表面の深さが分かる。この目的のために、すべてのスペックルの位相角度が変化するように、参照ミラーはあらかじめ定めされたそれぞれの位置で少なくとも一度移動しなければならない。このために、センチメータオーダーのオブジェクトの所望の測定深さによって、ミラーの迅速な変位のための駆動部を備えるように設計された参照ミラーに加えて、位相変調器または１０ナノメータのオーダーの位置精度を持つ第２の駆動部も要求される。このためにデバイスは高価であるだけではなく、すべての種類の振動と移動に関して敏感にもなりやすい。これはハンドヘルド測定デバイスとしては適切ではない。

米国特許出願公開第２００９／１２０３２８Ａ１号はラインセンサーによってＯＣＴ信号を検出するための方法を開示しており、それは検出器での測定深さ間隔が大きくても、アンダーサンプリングを防止するための解決法を提案している。特に、グレーティングからの回折によって伝搬方向が変更可能になり、すなわちコヒーレンスプレーンを同時に角度で傾けることなく光ビームの同位相波面の、それに沿って存在するパルスフロントともここでは称するが、伝搬方向を変更可能になることを示した。グレーティングの背後で回折プレーンが最大になる方向に伝搬する光ビームはそのビーム断面に沿って経路長分布を有し得て、左および右ビームエッジからの光がお互いに干渉しないことを確実にする。回折によってパルスフロントおよび同位相波面がお互いに適切な角度で配置される。

本発明の目的は、光散乱オブジェクト内部の少なくとも１つのセクショナルフェースを露出させる方法を提供することであり、それは迅速で最も安い部品、および、デバイスで実行可能であり、当該方法の使用を未経験のユーザに可能にさせる。

当該目的は独立請求項の範囲によって達成される。本発明の有効な実施形態は従属請求項の範囲にある。

本発明の一態様によれば、オブジェクトから散乱したサンプル光は電子カメラで結像され、サンプル光成分はオブジェクトの内部のセクショナルフェースの散乱サイトに割り当てられ得る。このサンプル光成分はカメライメージを処理することで他のサンプル光成分の寄与から分離でき、セクショナルフェースのイメージ、すなわち断面イメージとなる。

本発明のさらなる態様によれば、露出セクショナルフェースの形状、方向および深さはユーザによって定義され得る。

本発明のさらなる態様によれば、オブジェクトの内部の複数の平行なセクショナルフェースがお互いに順番にあらかじめ定められたインターバルで露出される。当該一連の断面イメージはオブジェクトの固体モデルを演算するために使用され得る。

本発明のさらなる態様は、生きた網膜を露出するための方法に適用される。本発明の特に役に立つ態様は、一連のカメライメージの獲得中にイメージデータから、直接、カメラに対する網膜の相対的な移動を検出および補償する可能性にある。このことによって、本発明をハンドヘルド測定デバイスに実装可能となる。

本発明の例示実施形態は光散乱オブジェクトの内部のセクショナルフェースを露出させる方法に関する。当該方法は、
あらかじめ定められた中心波長と２５マイクロメータ未満のコヒーレンス長で光を放出する光源を提供する段階と、
光源からの光をサンプル光と参照光に分割する段階と、
サンプル光でオブジェクトの表面を照明する段階と、
カメラ面の少なくとも１つの軸に沿って平均スペックル直径Ｄを２ピクセル幅よりも大きくするように構成することによって、ピクセル幅Ｐのピクセルで電子カメラにオブジェクトから散乱したサンプル光を結像する段階と、
カメラで参照光とサンプル光を干渉させる段階を含み、干渉させる段階は、
カメラ面のあらかじめ定められた軸に沿って、参照光の経路長プロファイルと位相勾配を構成し、位相勾配は２π／Ｄ〜π／Ｐであるように構成する段階と、
カメライメージを獲得する段階であって、オブジェクトの内部のセクショナルフェースから散乱したサンプル光であって、参照光の経路長プロファイルを有するサンプル光だけが干渉縞に寄与する段階よって実施される。

本発明の有利な実施形態では、時間依存性の速度で参照ビームの経路長プロファイルを変位させる段階と、さらなるカメライメージを獲得する段階を含み、それぞれのカメライメージは経路長プロファイル時間依存性の変位の測定で少なくともインデックス付けられる。

好ましくは、本発明は、構成された位相勾配に基づいて、カメライメージを断面イメージと入射光イメージに分割する処理段階を含むように拡張される。

特に本発明の有利な設計によれば、異なるインデックスが付された入射光イメージの同一構造のイメージの相対変位を考慮しつつ、ボクセル配列に割り当てられた断面イメージ値によって、複数の異なるインデックスが付されたカメライメージから、オブジェクトの３次元モデルが演算される。

本発明の特に好ましい構成の散乱オブジェクトとして生きている網膜を適用する本発明の用途では、異なるインデックスが付けられたカメライメージの網膜の少なくとも１つの層境界のイメージの相対変位から、カメライメージの獲得時間の間でのカメラから網膜までの距離の変化が推測される。

本発明によれば低コストで、必要があれば、ハンドヘルドデバイスによって３次元網膜の走査を数秒で実施することができる。

以下の記載では、本発明の詳細について例示実施形態に基づき、図１を参照することによって説明する。

本発明の実施形態によるデバイスの図である。

カメラのスペックルのサイズと本発明で有する位相勾配との関連性について最初に説明する。

サンプル光がスペックルを示し、それが問題になり得るＤＥ４１０８９４４Ａ１をすでに示した。通常、散乱中心間の平均距離が結果として生じる焦点体の寸法よりも非常に小さい場合には、散乱オブジェクトを少なくとも部分的にコヒーレントな光で照明することによってスペックル効果が発生する。したがって、散乱体の密度が大きい場合には、オブジェクト体の異なる粒子で散乱する成分はお互いに干渉し、オブジェクト体をカメラに結像する場合に、同様の強度と位相角度の領域が形成される。これらのスペックル間のコントラストは光源のコヒーレンスの程度と光学的な構造によって異なる。スペックルの強度は確率分布にしたがって変化する。位相関係の変動は０〜２πの範囲で均一に分布する。

本発明はオブジェクトによって散乱されたサンプル光のイメージングをする段階を提供し、カメラ面の少なくとも１つの軸に沿ったスペックル領域の平均直径Ｄはカメラのピクセル幅Ｐの２倍よりも大きい。当該軸はユーザによって自由に選択され得るが、ピクセルの２つの座標軸のうちのいずれか一方を選択することが推奨される。

カメラのスペックルＤの平均直径は光源の中心波長λ_０に依存する回折限界分解能に相当するので周知の方法で定義され得て、開口絞りの直径Ｂおよびレンズの焦点距離ｆ、または開口数ＮＡによって以下の式で表される。

この式から、開口数が充分小さく構成され得れば、本発明のＤ＞２×Ｐとなるスペックル直径に到達することが分かる。開口数の制限は、オブジェクトのイメージのフーリエ面に配置される追加の開口絞りによっても達成され得る。共通の中心を持たない偏心開口絞り、好ましくは、側面の長さが異なる矩形開口を使用することで、カメラ面の選択された軸に沿って垂直方向よりも開口数を小さく構成することが可能である。さらに、スペックル直径が２ピクセル幅よりも大きい状態を維持するために、結像光学系に追加の拡大レンズを設けることも可能である。

スペックルの軸方向寸法は光源のコヒーレンス関数とイメージの軸点広がり関数のコンボリューションに対応する。ＯＣＴで一般的に使用される開口数とコヒーレンス長に対して、軸方向のスペックル寸法は光源コヒーレンス長によって主に決定される。これらの条件は本発明にも適用される。

さらに、本発明はカメラ面で上述した軸と同一の軸に沿って位相勾配を有するように参照光を操作する段階を提供し、すなわちその同位相波面はカメラ面に向かって傾いている。これは、カメラ面の法線に対する参照ビームが入射する入射面と非ゼロ角度の選択によって達成される。入射面はそのあらかじめ定められた軸に沿ってカメラ面と交差するように選択されるべきであり、本発明によるスペックル直径Ｄ＞２×Ｐも守られる必要がある。入射角度によって位相勾配の大きさが決定される。

本発明による教示の一部によれば、参照光の位相変化はあらかじめ定められた軸に沿って２×πをカメラのピクセル幅の２倍で割った値よりも小さく、同時に２×πをスペックルの平均直径で割った値よりも大きくするべきである。

参照光とサンプル光が干渉する場合には、カメラに垂直な面に対する参照ビームの入射角度αによって、カメラと入射面の交差ラインに沿ってカメラ面にフリンジパターンが発生する。ストリップの周期長は次式で与えられる。

特に、好都合なことにフリンジパターンをカメラで走査することは可能なので、周期長はピクセル幅Ｐの２倍よりも大きいように選択されるべきである。

ｌ_フリンジ＞２×Ｐ
これは、位相勾配はπ／Ｐよりも小さくなければならないという制約と等価である。位相勾配が２×π／Ｄよりも大きければ、あらかじめ定められた軸に沿ったスペックルは、順番に、ストリップの少なくとも１つの周期長を含む。

Ｄ＞ｌ_フリンジ
このように、各スペックルは変調されたフリンジパターンを含み、カメラも各スペックルのフリンジパターンを検出することができる。したがってスペックルはカメライメージを以下に詳述する処理方法で分離することに適している。これは、カメラピクセル上の参照光とサンプル光成分の経路長が同じでコヒーレントである場合には、スペックルと、フリンジパターンのフリンジの両方だけがカメラ上にあらわれるからである。この場合には、可視スペックルは断面イメージに対応できる。

別の観点からすると、スペックルと参照波の未知の位相差に起因する真の散乱強度の曖昧さは、単一のイメージ記録中の位相勾配によって解決でき、それは、すべてのスペックルに対して、同一スペックルに対する少なくとも２つの位相シフト測定値がカメラの隣接ピクセルから検出可能だからである。

以下では、カメラピクセル上の参照光の経路長プロファイルの仕様によって定義される露出されたセクショナルフェースをより詳細に説明する。

参照ビームがカメラに入射されると、位相勾配を有する軸に沿って、ピクセル上に経路長プロファイルを定義する。オブジェクトによって散乱されたサンプル光はこの経路長プロファイルに正確に対応する成分を含み得て、この成分だけがカメライメージの干渉縞に貢献する。散乱光が前記経路長プロファイルを有する、結像されたオブジェクトポイントは、散乱オブジェクト内のセクショナルフェースの上に存在する。通常、セクショナルフェースはその垂直面が光軸に対して角度αだけ傾いた面であって、その角度はカメラに入射する参照ビームの角度である。

後者がカメラ面に衝突すると、カメラの経路長プロファイルは参照ビームのビーム横断面の経路長分布に直接依存する。角度をもって入射するように参照光がミラーまたはプリズムによって屈折すると、光同位相波面とパルスフロントが一致し、すなわちビーム横断面に平行な同位相波面では、経路長はどこでも同じである。しかしながらカメラ上では、線形経路長プロファイルが形成され、例えば、それにはインターバル幅が約５００波長λ_０、通常は数百マイクロメータの経路長インターバルが含まれる。厳密に言えば、カメラ上の経路長プロファイルは２つのピクセル座標の関数であるが、ここでは参照光の入射面によってあらかじめ定められた１つの軸に沿ってのみ変化する。

カメラからオブジェクトポイントまでの光学距離が、このピクセル上に存在する経路長プロファイルの値に正確に対応すれば、いずれかのオブジェクトポイントからの光はカメラピクセルとして焦点を結び、参照光と干渉する。この場合にだけ、オブジェクトポイントがセクショナルフェースに位置する。したがって、カメライメージ中の干渉可能なサンプル光成分は通常は異なるオブジェクト深さに起因するので、結像されたセクショナルフェースは光軸に対して傾いている。セクショナルフェースの位置はカメラ上の経路長プロファイルによって通常決定される。

すでに従来技術において上述したように、適切な回折格子における回折によって、カメラに入射する光の角度を変える代わりに参照光の経路長プロファイルを調節でき、例えば、すべてのピクセル上で同一の経路長が存在するようにもできる。この場合には、セクショナルフェースはイメージの光軸に対して垂直である。

球状の同位相波面およびパルスフロントであっても、すなわち点光源からの光でも、目標が達成されることも説明しておく。この場合はカメラ上の経路長プロファイルはより複雑な形状を有するが、この場合には、オブジェクトが結像されるセクショナルフェースは曲面である。この明細書の記載では、説明を簡潔にする目的のためだけに、光は平面波で記載される。

いずれにせよ、カメラ上の参照光の経路長プロファイルはユーザによって特定できることを強調しておく。このプロファイルによってオブジェクトのセクショナルフェースのどれがー方向、形状およびカメラからの距離に関してー獲得されたカメライメージの干渉縞に寄与するかが分かる。

本発明による露出は、特に構造化されたカメライメージを生成する。イメージの構造には特に干渉縞を含み、それは、あらかじめ定められたセクショナルフェースに起因する光成分を他の光成分から分離するために有用である。本発明は、セクショナルフェースを短いコヒーレンスでコード化された位置で定義することによって、光散乱オブジェクトの内部のセクショナルフェースの写真を迅速に生成する方法として理解できる（「ＳｈｏｒｔーＣｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｓｎａｐｓｈｏｔ ｏｆ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ」、ＳＣＩＳＳＯＲ）。

セクショナルフェースの実際の表示像は非常に簡単なイメージ処理によって獲得されたカメライメージから得ることができ、以下に記載する。

本発明の特に好ましい態様では、参照ビームの経路長プロファイルを変位させることを含み、時間に依存する速度でさらなるカメライメージを獲得し、それぞれは少なくとも経路長プロファイルの時間依存変位による測定でインデックスされる。このようにして、オブジェクトの中でお互いに平行に位置する複数のセクショナルフェースの露出を得る。

最も単純な場合には、経路長プロファイルの変位ーカメラピクセル上のすべての経路長が同じ量だけ同時に変化することを意味するーが矩形状に進行する時間に依存する速度で実行される。例えば、すべての経路長が２つの交互に異なる速度値で単調に増加する。低速、例えば値がゼロ、が存在するあるタイムインターバル中に、カメライメージを検出する。次のカメライメージは、高速が経過し低速が再び存在する少なくとも１つのタイムインターバルの後に獲得される。このようにしてカメライメージは平行な積層セクショナルフェースを露出し、これらのセクショナルフェース間の距離は変位によって記述される。時間インデックスを記録し、時間依存速度を知ることによって、後に変位を計算することもできる。

カメラ上の経路長プロファイルの変位は、センチメータ単位の広い範囲の値にわたって容易に拡張できる。露出する特定のセクショナルフェースはイメージ毎にオブジェクトを通過したものであり、すべてのカメライメージの全体から完全に再構成が可能であり、オブジェクトの内部の散乱強度の３次元記録が得られる、隣接するセクショナルフェース間の距離が光源のコヒーレンス長の大きさのオーダーで選択されれば、本発明によって散乱オブジェクトの固体部分の露出も可能になる。

本発明の実施形態では、以下のパラメータ範囲を推薦する。
中心波長λ_０は好ましくは近赤外線から中赤外線スペクトルから選択され、特に７００〜１５００ナノメータの範囲が好ましい。

開口数ＮＡは０．０１から０．１の区間が好ましい。開口数は特に０．０２〜０．０５の間の値が好ましい。

カメラのピクセル幅Ｐは０．５〜２０マイクロメータの区間が好ましい。特に好ましくは１〜５マイクロメータの範囲である。

獲得された１つのカメライメージは、好ましくは、２次元フーリエフィルタリングによって、露出セクショナルフェースの断面イメージとオブジェクトの入射光イメージに分離できる。断面イメージに割り当てられるべき集められた光成分は、事前に知られた周期的な強度変調を有し、それはカメラに沿って構成される位相勾配に起因する。これらの光成分はスペックルによって特徴づけられるが、各スペックルはカメラによって明確に検出可能な前記変調も搬送する。変調は既知の２次元波数ベクトルによって記述され、変調の空間周波数ともしばしば称される。

特にカメライメージの２次元フーリエ変換によって、この空間周波数の周囲のフーリエ成分となる。これらのフーリエ成分は別々に決定され得て、次に位相勾配の空間周波数によってシフトされるとオリジンと変換された空間領域を形成し、カメライメージの干渉に寄与するセクショナルフェースだけの画像表示を生成する。カメライメージのすべての他のフーリエ成分のフーリエ変換によってオブジェクトの従来の入射光イメージを生成し、それは参照ビームとの重ね合わせによって干渉縞を示さない。

したがって、本明細書で使用する用語フーリエフィルタリングは空間領域から波数領域、および、それらの逆のフーリエ変換を実行することを意味し、そこではあらかじめ定められたフーリエ係数が選択されて分離される。周波数ベースの情報をフィルタリングするこのアプローチは信号処理分野の当業者には周知である。

上述したように、獲得されたカメライメージを、構成された位相勾配に対して２次元フーリエフィルタリングすることによって、カメライメージを断面イメージと入射光イメージに分離すると、自動的に検出可能な構造が一緒に別々のイメージとして記憶される。特に、これは入射光イメージの構造のすべての位置が断面イメージの構造の位置を決定するために利用され得ることを意味する。

網膜等の固体オブジェクトをハンドヘルドＳＣＩＳＳＯＲシステムで露出させることを所望する場合に、これは特に有用である。そのために、断面イメージからオブジェクトの散乱強度の３次元分布を推測するためには、オブジェクトの異なるセクショナルフェースに対する一連のカメライメージが獲得されなければならない。この分布は、例えば、オブジェクトのモデルとしての数値ボクセル配列によって表現され得て、ここで断面イメージ値は、確認されるべき散乱強度と解釈され、３次元でインデックスされたボクセルに１対１で割り当てられる。

カメライメージはカメラ上の参照ビームの経路長プロファイルの変位測定でインデックス付けられるので、イメージシーケンスによってボクセル配列の異なる断面イメージを配置する１座標がすでに得られている。しかし全イメージシーケンスを獲得する測定期間中に、ユーザまたはオブジェクトの移動によってカメラとオブジェクトはお互いに対して移動し得るので、断面イメージはお互いに対してシフトし得る。しかしながら、いかなるユーザの動きもない場合には、連続して獲得された入射光イメージは事実上同一である。これらは従来技術のカメラでも見られる全ての構成を示す。電子イメージの中の同一構造の変位を自動で特定するために、従来技術には効率的なアルゴリズムがあり、例えば、変位ベクトルを使用してハフ空間でマッチングが実行され得る。

したがって、特に本発明の有用な設計によれば、異なるようにインデックス付けられた入射光イメージの同一構造のイメージの相対変位を考慮して、ボクセル配列に割り当てられた断面イメージ値によって、オブジェクトの３次元モデルが複数の異なるインデックスが付されたカメライメージから演算される。当該３次元モデル、すなわちボクセル配列の生成は、オブジェクトを通過するいずれかの方向の他の断面イメージの数値演算を既知の方法で実施できるという単純な理由から有用である。

露出されるオブジェクトが光軸に対して既知の方向に少なくとも１つの散乱層境界を有する場合であって、これは特に生きている網膜の場合であり、当該境界は細胞層の間に見られることが事前に知られている場合にも、オブジェクト内部の本発明によって露出されるセクショナルフェースが光軸に対して傾いている場合には、予期に反して有用である。それは、断面イメージは明確に視認できる水平線を示し、すなわち、これはセクショナルフェースと前記散乱層境界との交点の線のイメージであり、すべてのセクショナルフェースに対してこの交点線が存在するからである。経路長プロファイルの変位が変化すれば、他のピクセル座標で各断面イメージを通常は見られることができるという意味において、水平線は断面イメージの中を「移動（ｍｏｖｅ）」する。しかしながら、実際にはユーザの独立した移動によって水平線は追加的に移動する。

光軸に垂直な面すなわち横方向の入射光イメージによって、カメライメージを記録する間のユーザの動きを記載したように補償することができる。光軸方向へのユーザ移動による第３の成分は、通常はＯＣＴシステムではアクセスできない。しかしここでは、それも正確に決定できる。それは、ユーザが距離を変化させて引き起こしたセクショナルフェースの変化に起因すれば、ユーザの横方向移動の補償後に、さらに水平線の移動を検出することが可能であるからである。セクショナルフェースは散乱層境界に対して傾いているので、イメージされる区切り線は必然的に横方向に移動し、カメラで撮影される。これは、特に網膜測定では、異なるインデックスが付されたカメライメージの網膜の少なくとも１つの層境界のイメージの相対変位から、カメライメージの獲得時間の間のカメラから網膜までの距離の変化を推測することが可能であることを意味する。

したがって、本発明によれば、記録されたカメライメージのイメージデータから直接３次元のユーザ移動が補償された散乱オブジェクトの３次元モデルを取得することが可能であり、いかなる追加の測定努力またはセンサーも必要としない。

図１は、マイケルソン干渉計流の例示ＳＣＩＳＳＯＲデバイスを示す図である。

時間的に短期間コヒーレントである光源（１）から発散して放出される光はコリメータレンズ（２）によって最初にコリメートされる。半透明ミラーを有するビームスプリッター（４）は４つのレンズ（３、５、７、９）によって囲まれ、最初にコリメートされた光で参照ミラー（６）およびオブジェクト（１０）をそれぞれ照射し、次に、カメラ（８）の上にオブジェクト（１０）を結像させるように配置される。参照ミラー（６）はあらかじめ定められた角度αだけ傾いているので、その結果、反射した参照ビームはわずかに横方向に偏向して電子カメラ（８）の面に傾いた角度で入射する。光散乱オブジェクト（１０）は対物レンズ（９）の焦点面に配置され、ここでは明確にするために図の開口数は誇張されている。実際、オブジェクト（１０）のすべての光散乱ポイントは、オブジェクト（１０）内のそれらの深さ位置にかかわらず、カメラ（８）上で程度の差はあるが明確に結像される。参照ミラー（６）からビームスプリッター（４）までの距離は図示しないアクチュエータによって，図の両方向の矢印で示されるように変化する。

角度αに対する角度の範囲が上述の記載から以下の式のように演算される。

上記不等式をλ_０で除算し逆数をとると、次式が得られる。

拡大係数Ｍは結像時のイメージサイズとオブジェクトサイズの比である。例えば、非常に大きいＮＡが選択される場合には、ここでは結像光学系に拡大レンズを使用することを明確にしておく。本発明の重要なパラメータはカメラ上のスペックル直径であり、それはここではＭ×Ｄで与えられる。通常、Ｍ＝１であってもよい。

例えば、ＯＣＴで一般的に使用されるように、カメラのピクセルのピクセル幅が５マイクロメータであり、中心波長が８００ナノメータに選択され、ＮＡの値が０．０５である場合には、αの許容できる角度範囲は２．３５°〜４．５９°の間である。より小さい開口数、および／または、より大きな波長の場合には角度間隔はより大きくなる。比較的大きなカメラピクセルだけが拡大することを要求しそうである。

ＳＣＩＳＳＯＲデバイスは、常にサンプルブランチと参照ブランチを有する干渉計デバイスである。この場合には図１の図だけがデバイスの例示実施形態として与えられる。例えば、参照ミラー（６）からの参照光はビームスプリッター（４）を通過して再びレンズ（５、７）を通過する必要はないが、これらの成分は迂回してカメラ（８）に到達できる。また、傾いた参照ミラー（４）だけが必須ではないが好ましい。要求される特徴はカメラ（８）上での位相勾配であり、それは好ましくは参照光の入射角度を変えることで単純に生成される。例えば、参照光は交互に横方向にオフセットされ、回折格子を通過してカメラ（８）に垂直に入射され、この場合にはカメラ（８）は参照光の２次回折が最大となる方向に配置される。この場合には、参照光の一部だけが入射されるが角度を持ってカメラ（８）に入射する。干渉計の種類もマイケルソン設計に限定されるわけではない。

より一般的に説明すると、散乱オブジェクトのボリュームを露出する干渉計デバイスであって、コヒーレンス長が２５マイクロメータ未満で中心波長λ_０の光を放出する光源（１）、光をサンプルブランチと参照ブランチに分割するビームスプリッター（４）、参照ブランチ長を変更する手段（５、６）、サンプルブランチでオブジェクト（１０）の表面を照明する手段（９）、ピクセル幅Ｐの電子カメラ（８）、開口数ＮＡおよび拡大係数Ｍを有しオブジェクト（１０）から散乱された光をカメラ（８）に結像するように配置される結像光学系（７、９）、および、獲得したカメライメージを処理するための演算ユニットを備え、参照ブランチからカメラへ入射する光の入射角度αはλ_０／（２×Ｐ）＞ｓｉｎ（α）＞ＮＡ／（１．２２×Ｍ）で規定される。

デバイスの有用な設計によれば、上述したように中心が異なる開口絞りを含む結像光学系（７、９）を備え得る。

好ましくは、デバイスは、参照ブランチ長を変更するように手段（５、６）に作用するアクチュエータ駆動部と、アクチュエータコントローラを含む。アクチュエータコントローラは獲得されたイメージを処理する演算ユニットと通信可能に接続されるように設計され、参照ブランチの状態に関する演算ユニットデータを送信し、例えば、その長さおよび／またはその長さの変化速度は、イメージを獲得する間は少なくとも同じ割合を維持する。参照ブランチの変化は、カメラ（８）上での参照ビームの経路長プロファイルの変位を生じさせるので、演算ユニットはアクチュエータコントローラからのデータをカメライメージにインデックスを付けるために使用できるので、例えば、両方のデータを一緒にカメラ（８）のデータメモリに書き込む。

さらに、演算ユニットは、好ましくは、獲得されたカメライメージの少なくともあらかじめ定められた２次元フーリエ係数を演算するように設計される。したがって、記録されたカメライメージを断面イメージと入射光イメージに分離し、それらを別々のイメージとして例えばカメラ（８）の電子データ記憶部に記憶することができる。

しかしながら代わりに、演算ユニットはカメライメージに評価可能な断面イメージが存在するか否かを検証するためだけに使用されることもできる。この目的のためには、カメライメージから位相勾配のすでに既知の空間周波数の領域のフーリエ成分だけを演算し、それらの絶対値があらかじめ定められた閾値を超えるか否かを判定するだけで充分である。あらかじめ定められた閾値を超えない場合には、評価可能な断面イメージが獲得されなかったことになる。可能性があるケースは参照ブランチ長がオブジェクトからカメラまでの距離とかなり異なるので、サンプル光と干渉できない場合である。特に生きている目の網膜を最初に測定する場合には、デバイスが目の前で保持されることが起こり得る。デバイスは最初に網膜の位置を探し出し、それに対する参照ブランチを調節しなければならない。演算ユニットは当該状況を特定し、次にアクチュエータをトリガし、オブジェクトを配置させるプロセスを加速するために、参照ブランチ長を大きなステップで変化させることができ、例えば数百マイクロメータからミリメータの範囲で変化させることができる。

いずれにせよ、好ましい設計では、演算ユニットはイメージ獲得ステップで獲得されたカメライメージのフーリエ係数を特定し、それらをあらかじめ定められた閾値と比較し、比較結果に基づいてあらかじめ定められたコマンドをアクチュエータコントローラに送信するように設計される。イメージ獲得と処理をアクチュエータコントローラにフィードバックするコンセプトによって、特に診断に依存した変形形態の経路長プロファイルの変化、したがって、セクショナルフェースの走査速度も変更することができる。

好ましくは、参照ビームの経路長プロファイルの変化は測定中に発生し、少なくとも１センチメータの範囲、特に好ましくは１〜２センチメータにわたって、単調に増加または減少する方法で発生する。同一のオブジェクトの複数の測定を即時に連続して実施し、前回の測定結果を使用して、次回の測定のためにアクチュエータコントローラにコマンドを送信することも本発明の範囲である。

例えば、網膜測定の場合には、最初の測定では経路長プロファイルの変化ステップを例えば１００マイクロメータ単位で大きくし、網膜の位置を例えば幅１〜２センチメータの測定ウィンドウで決定できる。一旦網膜の位置が決定されれば、例えばそれぞれのケースでの同じ桁による変化で軸上の測定範囲と増分を大きく低減することになる。測定ウィンドウの正確な軸方向は網膜の前回測定された位置に調節され、それに続いて直ちに２回目の測定が低減された増分で実施される。

ここでは、高度な技術的要求を満たす必要がないので、アクチュエータは非常に安価であることを強調しておきたい。例えば、参照ミラー（６）はゆっくり動かされることができるが、アクチュエータはカメラによるイメージ獲得中には静止している。カメラ（８）が一連のイメージを獲得する間、アクチュエータは参照ミラー（４）を連続的に動かすこともできる。これは、カメラが高フレームレートの場合には特に有利である。この場合には、測定期間中の移動速度を仕様によるソフトウェア制御または演算ユニットからのコマンドのどちらかによってアクチュエータが制御することができる。

今日では安価に入手可能なカメラでも、例えば、約８００イメージ／秒で記録でき、すなわち１２５０マイクロ秒毎に１イメージを記録できる。サンプリング定理に基づいてオブジェクトの全体積を完全に走査するには、この期間に参照光の経路長はコヒーレンス長の半分だけ、例えば、通常は約７．５マイクロメータしか変化できない。最大経路長変化レートはＶＲ＝６ｍｍ／秒で与えられ、上記例では、参照ミラー（６）は最大速度３ｍｍ／秒までの範囲で変位でき得る。有利なことに、測定範囲が例えば１．８センチメータの測定期間は３秒未満である。

しかしながら、目的が、すなわち各カメライメージを獲得中に参照ブランチ長を連続して変化させることであれば、充分に短い露出時間で観察することが必要である。なぜなら、積分中の参照波の位相がカメラ（８）のすべてのピクセルで２π変化すると、干渉に寄与するすべての光成分が相殺されてしまうからである。これは中心波長λ_０の周辺で経路長プロファイルが変化する場合に該当する。したがって、露出時間はλ_０／ＶＲ未満であることが必要である。これによって参照ビームの経路長プロファイルが連続して変位することが可能になり、ここでカメラの露出時間に、すべての経路長は中心波長をあらかじめ定められた数値で割った値未満で変化する。

前記サンプル値であるλ_０＝８００ｎｍおよびＶＲ＝６ｍｍ／秒では、露出時間は約１３３マイクロ秒未満でなければならない。好ましくは、露出時間はλ_０／（２×ＶＲ）、特に好ましくは例えばλ_０／（４×ＶＲ）未満に選択に選択される。いずれにせよ、各イメージの短期間動きアーチファクトを避けるためには、２００マイクロ秒未満の露出時間が適切である。

最後に、デバイスの測定データがユーザの家、または、データを解析する人がいない他のいずれかの場所で収集される場合には、デバイスの好ましい実施形態はデータインターフェースによって特徴付けられ、それによって記録され、処理された可能性があるイメージを無線で、例えばＷＬＡＮまたは移動無線ネットワークで、あらかじめ定められた受領者に好ましくは自動的に送信する。レシーバは医者が所有するスマートフォンでもインターネット上のサーバでもよく、それは追加の処理タスクおよび／またはアーカイビング処理を実行する。例えば、網膜の２つの測定の間で組織が変化すると、自動的に異なるイメージに変換されて医者に送信され得る。

ＳＣＩＳＳＯＲデバイスの基本的に有利な点は、当該デバイスは工場で取り付けられた部品を備えるコンパクトな設計で製造されなければならないということである。ユーザは自分でいかなる設定もする必要がない。参照ブランチ長はプログラムされた制御システムによって自動的に変化する。網膜から測定デバイスまでの距離および配置は事前には知られていないし、測定の間にそれが決定されることが必ずしも必要であるわけではない。その代わりに、参照ブランチ長の変化が、ユーザの網膜が当該測定範囲に含まれなければならない長い測定範囲にわたって発生する。

できるだけ静かに保持されれば、従来のＯＣＴに関する知識がない患者または看護スタッフのどちらかによって、装置は検査される目の前で保持され得る。

測定に必要な時間はわずか数秒であり、その間老齢患者はデバイスを固定して保持することができるべきである。ユーザの移動は追加的に入射光イメージに基づいて検出され、数値モデリング処理で補償され得る。

ＳＣＩＳＳＯＲデバイスで最も高価になりそうな部品は電子カメラであり、それはできるだけ高フレームレートである必要がある。他のすべての部品は非常に安価で入手可能である。デバイスは一般世帯で購入できる価格範囲で販売されて入手可能であるべきである。

記録されたイメージシーケンスは遠隔データ送信で医者に送信できる。それは好ましくはー必要があれば匿名でーインターネットのサーバに送信され、自動でデータ処理を実行する。これには、例えば、医者から指定された断面イメージから網膜の３次元モデルを形成することが含まれ得る。特に、ファイルは保存され得る。さらに、フォローアップ検査に対しては、これが、少なくとも２つの検査間のイメージシーケンスおよび／またはモデルを比較することで、網膜の散乱強度分布の変化を表示する設備になり得る。

多くの網膜イメージおよび治療プロセスをインターネットに記録できるので、医療研究および医療指導の目的で役に立ち得る。

ＳＣＩＳＳＯＲデバイスは医療および安全の両方に関する目的に使用され得る。これは、網膜走査によって、特に意図的に、特定の個人に関連付けることが可能であり、すなわち、３次元的に記録可能な固有の網膜構造に基づいて個人の特定が信頼性よく生物学的に可能であるという事実に基づく。

Claims (16)

1. 光散乱オブジェクトの内部のセクショナルフェースを露出させる方法であって、
   あらかじめ定められた中心波長と２５マイクロメータ未満のコヒーレンス長の光を放出する光源を提供する工程と、
   前記光源からの前記光をサンプル光と参照光に分割する工程と、
   前記サンプル光でオブジェクトを層状に照射する工程と、
   前記カメラ面の少なくとも１つの軸に沿って平均スペックル直径Ｄを２ピクセル幅よりも大きくするように構成することによって、ピクセル幅がＰであるピクセルを有する電子カメラに前記オブジェクトから散乱した前記サンプル光を結像する工程と、
   前記参照光と前記サンプル光を前記カメラで干渉させる工程を含み、前記干渉させる工程は、
   前記カメラの面のあらかじめ定められた軸に沿って前記参照光の経路長プロファイルと位相勾配を構成する工程であって、ここで前記位相勾配は２π／Ｄ〜π／Ｐの間である工程と、
   カメライメージを獲得する工程であって、前記オブジェクトの内部の前記セクショナルフェースによって散乱され、前記参照光の前記経路長プロファイルを有する前記サンプル光だけが干渉縞に寄与する工程によって実施される方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   時間に依存する速度で参照ビームの前記経路長プロファイルを変位させる工程と、
   前記経路長プロファイルの時間に依存する変位の測定によってそれぞれが少なくともインデックス付けされる、さらなるカメライメージを獲得する工程を含む方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記参照ビームの前記経路長プロファイルは連続して変位し、前記カメラの露出時間中に、すべての経路長は前記中心波長のあらかじめ定められた数値分の１未満で変化する方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法において、
   構成された前記位相勾配に基づいて、カメライメージを断面イメージと反射イメージに分離する工程を含むことを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、
   前記カメライメージを分離する工程は、構成された前記位相勾配に対して獲得されたカメライメージを２次元フーリエフィルタリングする工程を含む方法。
6. 請求項４または５に記載の方法において、
   前記オブジェクトの３次元モデルは、異なるインデックスが付された反射イメージの同一構造のイメージの相対変位を考慮して、ボクセル配列に割り当てられた断面イメージ値によって、複数の異なるインデックスが付されたカメライメージから演算される方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の方法において、
   光散乱オブジェクトは生きている目の網膜であることを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、
   前記セクショナルフェースは前記網膜の細胞層と角度を持って交差する面であることを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法において、
   異なるインデックスが付されたカメライメージの前記網膜の少なくとも１つの層境界のイメージの相対変位から、前記カメライメージを獲得する間の前記カメラから前記網膜までの距離の変化を推測する方法。
10. 請求項７乃至９のいずれかに記載の方法において、
    カメライメージおよび／またはモデルと、保存された少なくとも１つ前の獲得時間のカメライメージおよび／またはモデルとの比較に基づいて、前記網膜の変化を表示する工程を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項７乃至１０のいずれかに記載の方法において、
    ユーザの同一性について生体照合する工程を含むことを特徴とする方法。
12. 散乱オブジェクトのボリュームを露出するための干渉計デバイスであって、
    ２５マイクロメータ未満のコヒーレンス長と中心波長λ_０の光を放出する光源（１）と、
    前記光をサンプルブランチと参照ブランチに分割するビームスプリッター（４）と、
    前記参照ブランチ長を変更する手段（５、６）と、
    前記サンプルブランチにあるオブジェクト（１０）の表面を照明する手段（９）と、
    ピクセル幅がＰである電子カメラ（８）と、
    前記オブジェクト（１０）によって散乱された前記光を前記カメラ（８）に結像するように配置された開口数がＮＡで拡大係数Ｍの結像光学系（７、９）と、
    獲得したカメライメージを処理するための演算ユニットを含み、
    前記参照ブランチから前記カメラに入射する前記光の入射角度αは、λ_０／（２×Ｐ）＞ｓｉｎ（α）＞ＮＡ／（１．２２×Ｍ）の条件によって規定される干渉計デバイス。
13. 請求項１２に記載の干渉計デバイスにおいて、
    前記結像光学系（７、９）は偏心開口絞りを含むことを特徴とする干渉計デバイス。
14. 請求項１２または１３に記載の干渉計デバイスにおいて、
    前記演算ユニットは獲得されたカメライメージの少なくともあらかじめ定められた２次元フーリエ係数を演算するように構成されることを特徴とする干渉計デバイス。
15. 請求項１２乃至１４のいずれかに記載の干渉計デバイスにおいて、
    アクチュエータコントローラに基づいて、参照ブランチ長を変化させる前記手段（５、６）を駆動するアクチュエータ駆動部を含み、前記アクチュエータコントローラは獲得されたイメージを処理する前記演算ユニットと通信可能に接続されることを特徴とする干渉計デバイス。
16. 請求項１４または１５に記載の干渉計デバイスにおいて、
    前記演算ユニットはイメージ獲得段階において獲得されたカメライメージのフーリエ係数を特定し、フーリエ係数をあらかじめ定められた閾値と比較し、比較結果に基づいてあらかじめ定められたコマンドをアクチュエータコントローラに送信するように構成されることを特徴とする干渉計デバイス。
    

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