JP5037215B2 - 補償テーブル生成方法、装置、プログラムおよびこれを用いた断層画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）計測により光断層画像を生成するときに用いられる補償テーブルの生成方法、装置、プログラムおよびこれを用いた断層画像処理装置に関するものである。

従来、生体組織の光断層画像を取得する際に、ＯＣＴ計測を利用した光断層画像取得装置を用いることが提案されている。たとえば眼底や前眼部、皮膚の断層画像を取得する場合の他に、光プローブを用いる動脈血管壁の観察、内視鏡の鉗子チャンネルから光プローブを挿入する消化器管の観察など、様々な部位に応用されている。この光断層画像取得装置では、光源から射出された低コヒーレント光を測定光と参照光とに分割した後、該測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光、もしくは後方散乱光と参照光とを合波し、該反射光と参照光との干渉光の強度に基づいて光断層画像を取得する。以下、測定対象からの反射光、後方散乱光をまとめて反射光と標記する。

上記のＯＣＴ計測には、大きくわけてＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測とＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測の２種類がある。ＴＤ−ＯＣＴ（Ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測は、参照光の光路長を変更しながら干渉光強度を測定することにより、測定対象の深さ方向の位置（以下、深さ位置という）に対応した反射光強度分布を取得する方法である。

一方、ＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測は、参照光と信号光の光路長は変えることなく、光のスペクトル成分毎に干渉光強度を測定し、ここで得られたスペクトル干渉強度信号を計算機にてフーリエ変換に代表される周波数解析を行うことで、深さ位置に対応した反射光強度分布を取得する方法である。ＴＤ―ＯＣＴに存在する機械的な走査が不要となることで、高速な測定が可能となる手法として、近年注目されている。ＦＤ（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ）−ＯＣＴ計測を行う装置構成で代表的なものとしては、ＳＤ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）装置とＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｗｅｐｔ ｓｏｕｒｃｅ ＯＣＴ）の２種類が挙げられる（たとえば特許文献１、非特許文献１参照）。
米国第５９５６３５５号明細書 Yoshiaki Yasuno, Violeta Dimitrova Madjarova and Shuichi Makita, "Three-dimensional and high-speed swept-source optical coherence tomography for in vivo investigation of human anterior eye segments," OPTICS EXPRESS 2005 Vol. 13, No. 26.

ここで、ＦＤ−ＯＣＴ計測において、検出される干渉信号は波長に対する干渉強度からなるのに対し、干渉信号から断層情報を取得するための周波数解析においては波数に対する干渉強度からなる干渉信号が必要となる。そこで、非特許文献１においては、ミラーを試料としたときに取得される干渉信号から光の波長掃引特性を算出し、算出した波長掃引特性に基づいて波長毎の干渉強度として得られる干渉信号を波数毎の干渉強度からなる干渉信号に変換している。また、特許文献１においては、予め光源の時間に対する波長掃引特性の情報を取得しておき、干渉信号が観測されたタイミングと波長掃引特性とに基づいて波数に対する干渉信号に変換し、さらに干渉強度を波数ｋについて等間隔になるように信号変換している。

しかし、特許文献１および非特許文献１のように予め光の波長掃引特性を計測し、変換テーブルを作成するには手間が掛かってしまうという問題がある。よって、より簡便に変換テーブルを作成できることが望まれている。

そこで、本発明は、ＯＣＴ計測により取得された干渉信号のデータ変換に用いられる補償テーブルを簡便に作成することができる補償テーブル生成方法、装置、プログラムおよびこれを用いた断層画像処理装置を提供することを目的とするものである。

本発明の補償テーブル生成方法は、光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした干渉信号を補償するための補償テーブルを生成する補償テーブル生成方法であって、測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得し、取得した前記反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出し、算出した評価用出力信号を用いて下記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化することを特徴とするものである。

本発明の補償テーブル生成装置は、光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした干渉信号を補償ための補償テーブルを生成する補償テーブル生成装置であって、測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得する干渉信号取得手段と、干渉信号取得手段において取得された反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出する評価信号算出手段と、評価信号算出手段により算出された評価用出力信号を用いて、上記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化する最適化手段とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の補償テーブル生成プログラムは、光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした干渉信号を補償するための補償テーブルを生成する補償テーブル生成プログラムであって、コンピュータに、測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得し、取得した前記反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出し、算出した評価用出力信号を用いて上記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化することを実行させることを特徴とするものである。

本発明の断層画像処理装置は、光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした干渉信号を用いて測定対象の断層情報を取得し断層画像を生成する断層画像処理装置において、干渉信号を取得する干渉信号取得手段と、干渉信号取得手段において取得される干渉信号のうち、測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出する評価信号算出手段と、評価信号算出手段により算出された評価用出力信号を用いて上記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化する最適化手段と、最適化手段により最適化された補償テーブルを用いて、干渉信号取得手段において取得された干渉信号を補償する信号補償手段と、信号補償手段により補償された干渉信号を測定対象の断層情報を取得する断層情報取得手段と、断層情報取得手段により取得された断層情報を用いて断層画像を生成する断層画像生成手段とを備えたことを特徴とするものである。

ここで、反射光とは、測定対象からの反射光および後方散乱光を意味する。

また、反射体とは反射率の極めて高い試料を意味し、たとえば測定光がシースに被覆された光ファイバを有する光プローブ内を導波しシースを透過して測定対象に照射される場合のシースやミラー等を用いることができる。

信号取得手段は、測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得するものであればよく、サンプリング空間が干渉光の波長である反射干渉信号を取得するものであってもよい。このとき、評価信号算出手段は、反射体干渉信号を式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより、サンプリング空間が干渉光の波数である評価用出力信号を算出するものであってもよい。

あるいは、信号取得手段は、波長毎の干渉強度を示す反射体干渉信号を波数毎の干渉強度を示す反射体干渉信号に変換する機能を有するもものであってもよい。このとき、評価信号算出手段は、信号取得手段により取得された波数に対する干渉強度を示す反射体干渉信号を前記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出するようにしてもよい。すなわち、反射体干渉信号および評価用出力信号のサンプリング空間はともに干渉光の波数になる。

なお、上記式（１）におけるモデル係数Ｃ_ｉの初期値は、適当な値を代入したものであってもよいし、すでに存在する補償テーブルから取得するようにしてもよい。

また、反射体干渉信号は測定光の光軸方向に反射体が配置された状態でサンプリングされたものであれば良いが、反射体のみが配置されたときに取得されたものであることが好ましい。

また、上記式（１）のうち、次元数Ｎおよび設定ノルムＭはどのような値に設定されていても良いが、スペクトルがスパースな信号であることから１以上２未満に設定されていることが望ましい。

さらに、最適化手段は、モデル係数の最適化を行うものであればどのような手法により最適化を行うものであってもよく、たとえばシンプレックス法によりモデル係数の最適化を行うものであってもよいし、パウエル法によりモデル係数の最適化を行うものであってもよい。具体的には最適化手段が、評価信号取得手段において取得された評価用出力信号のスペクトルを算出するスペクトル算出手段と、スペクトル算出手段において算出されたスペクトルを用いて、下記式（２）により補償テーブルに対する評価値を算出する評価値算出手段と、評価値算出手段により算出された評価値が小さくなるようにモデル係数を更新する係数更新手段とを有するものであってもよい。

また、干渉信号解析手段は、干渉信号から各深さ位置における断層情報を取得するものであればその方法は問わず、たとえばフーリエ変換処理、最大エントロピー法、Ｙｕｌｅ−Ｗａｌｋｅｒ法等のスペクトル解析により断層情報を取得するようにしてもよい。

なお、光は所定の波長帯域内において波長を掃引しながら周期的に射出されたものであって、いわゆるＳＳ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得するものであってもよいし、所定の波長帯域からなる低コヒーレンス光を射出するものであって、いわゆるＳＤ−ＯＣＴ計測により断層画像を取得するものであっても良い。

本発明の補償テーブル生成方法、装置およびプログラムならびにこれを用いた断層画像処理装置によれば、光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した測定光が測定対象に照射されたときの測定対象からの反射光と参照光とを合波し、反射光と参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした干渉信号を補償するための補償テーブルを生成する際、測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得し、取得した前記反射体干渉信号から上記式（１）を用いて再サンプリングを行ったときの反射干渉信号を評価用出力信号として算出し、算出したした評価用出力信号を用いて上記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化することにより、従来のように、補償テーブルを生成するために予め光源ユニットの波長掃引特性を計測する必要がなく、反射体からの反射体干渉信号とそれ以外の干渉信号とはスパースな信号になることを利用し、簡便に補償テーブルの生成を行うことができる。

なお、最適化手段が、評価信号取得手段において取得された評価用出力信号のスペクトルを算出するスペクトル算出手段と、スペクトル算出手段において算出されたスペクトルを用いて、上記式（２）により補償テーブルに対する評価値を算出する評価値算出手段と、評価値算出手段により算出された評価値が小さくなるようにモデル係数を更新する係数更新手段とを有するとき、補償テーブルの作成を自動的に効率よく行うことができる。

また、干渉信号取得手段が、波長毎の干渉強度としてサンプリングされた反射体干渉信号を波数毎の干渉強度を示す反射体干渉信号に変換する機能を有し、最適化手段が信号取得手段により変換された反射体干渉信号を用いて補償テーブルのモデル係数を最適化するものであるとき、既に波数毎の干渉強度からなる干渉信号への変換を微調整することができ、画質の向上を図ることができる。

さらに、測定光がシースに被覆された光ファイバを有する光プローブ内を導波し、シースを透過して測定対象に照射されるものであって反射体がシースである場合、反射体干渉信号を得るために測定光の光軸方向にミラー等の反射体を別途設ける必要がなく、より簡便に補償テーブルを作成することができる。

以下、図面を参照して本発明の断層画像処理装置の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の断層画像処理装置を用いた光断層画像化システムの好ましい実施の形態を示す模式図である。光断層画像化システム１は、たとえば体腔内の生体組織や細胞等の測定対象の断層画像ＰをＳＳ−ＯＣＴ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ）計測により取得するものであって、光Ｌを射出する光源ユニット３１０と、光源ユニット３１０から射出された光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割する光分割手段３と、光分割手段により分割された測定光Ｌ１が測定対象Ｓの各深さ位置において反射したときの反射光（後方散乱光）と参照光Ｌ２とを合波する合波手段４と、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４を干渉信号ＩＳとしてサンプリングする干渉光検出手段４０と、干渉光検出手段４０によりサンプリングされた干渉信号ＩＳから断層画像を生成する断層画像処理装置５０とを備えている。

光源ユニット３１０は、図２（Ａ）に示すような波長帯域Δλ内において波長を一定の周期Ｔで掃引させながらレーザ光Ｌを射出するものである。具体的には光源ユニット３１０は、半導体光増幅器（半導体利得媒質）３１１と光ファイバＦＢ１０とを有しており、光ファイバＦＢ１０が半導体光増幅器３１１の両端に接続された構造を有している。半導体光増幅器３１１は駆動電流の注入により微弱な放出光を光ファイバＦＢ１０の一端側に射出するとともに、光ファイバＦＢ１０の他端側から入射された光を増幅する機能を有している。そして、半導体光増幅器３１１に駆動電流が供給されたとき、半導体光増幅器３１１および光ファイバＦＢ１０により形成される光共振器によりパルス状のレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１へ射出されるようになっている。

さらに、光ファイバＦＢ１０には光分岐器３１２が結合されており、光ファイバＦＢ１０内を導波する光の一部が光分岐器３１２から光ファイバＦＢ１１側へ射出されるようになっている。光ファイバＦＢ１１から射出した光はコリメータレンズ３１３、回折格子素子３１４、光学系３１５を介して回転多面鏡（ポリゴンミラー）３１６において反射される。そして反射された光は光学系３１５、回折格子素子３１４、コリメータレンズ３１３を介して再び光ファイバＦＢ１１に入射される。

ここで、この回転多面鏡３１６は矢印Ｒ１方向に回転するものであって、各反射面の角度が光学系３１５の光軸に対して変化するようになっている。これにより、回折格子素子３１４において分光された光のうち、特定の波長の光だけが再び光ファイバＦＢ１１に戻るようになる。この光ファイバＦＢ１１に戻る光の波長は光学系３１５の光軸と反射面との角度によって決まる。そして光ファイバＦＢ１１に入射した特定の波長の光が光分岐器３１２から光ファイバＦＢ１０に入射され、結果として特定の波長のレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１側に射出されるようになっている。

したがって、回転多面鏡３１６が矢印Ｒ１方向に等速で回転したとき、再び光ファイバＦＢ１１に入射される光の波長λは、時間の経過に伴って一定の周期で変化することになる。こうして光源ユニット３１０からは、図２（Ａ）に示すような一定の周期Ｔで波長掃引され図２（Ｂ）に示すようなスペクトル強度を有するレーザ光Ｌが光ファイバＦＢ１側に射出される。

光分割手段３は、たとえば２×２の光カプラから構成されており、光源ユニット３１０から光ファイバＦＢ１を介して導波した光Ｌを測定光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割する。光分割手段３は、２本の光ファイバＦＢ２、ＦＢ３にそれぞれ光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２により導波され、参照光Ｌ２は光ファイバＦＢ３により導波される。なお、本実施形態における光分割手段３は、合波手段４としても機能するものである。

光ファイバＦＢ２には光プローブ３０が光学的に接続されており、測定光Ｌ１は光ファイバＦＢ２から光プローブ３０へ導波される。図３は図１の光プローブ３０の先端部分の一例を示す模式図である。光プローブ３０は、たとえば鉗子口から鉗子チャンネルを介して体腔内に挿入されるものであって、光学コネクタ３０Ａにより光ファイバＦＢ２に対し着脱可能に取り付けられている。シース３１、光ファイバＦＢ２０、光学レンズ３２等を有している。シース３１は可撓性を有する筒状の部材からなっており、測定光Ｌ１および反射光Ｌ３が透過する材料からなっている。なお、シース３１は先端がキャップにより閉塞された構造を有している。

光ファイバＦＢ２０は測定光Ｌ１を測定対象Ｓまで導波するとともに、測定光Ｌ１が測定対象Ｓに照射されたときの測定対象Ｓからの反射光（後方散乱光）Ｌ３を光ファイバＦＢ２まで導波するものであってシース３１内に収容されている。この光ファイバＦＢ２０は光学コネクタ３０Ａによりシース３１に対し矢印θ方向に回転する。

光学レンズ３２は、光ファイバＦＢ２０から射出した測定光Ｌ１を測定対象Ｓに対し集光するものであり、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３を集光し光ファイバＦＢ２０に入射する。光学レンズ３２は光ファイバＦＢ２０の光出射端部に固定されており、光ファイバＦＢ２０が矢印θ方向に回転したとき、光学レンズ３２も一体的に矢印Ｒ１方向に回転する。よって、光プローブ３０は、測定対象Ｓに対し光学レンズ３２から射出される測定光Ｌ１を矢印θ方向に対し走査しながら照射することになる。

一方、図１の光ファイバＦＢ３における参照光Ｌ２の射出側には光路長調整手段２０が配置されている。光路長調整手段２０は、測定対象Ｓに対する測定開始位置を調整するために、参照光Ｌ２の光路長を変えるものであって、コリメータレンズ２１および反射ミラー２２を有している。そして、光ファイバＦＢ３から射出した参照光Ｌ２はコリメータレンズ２１を透過した後、反射ミラー２２により反射され、再びコリメータレンズ２１を介して光ファイバＦＢ３に入射される。

ここで、反射ミラー２２は可動ステージ２３上に配置されており、可動ステージ２３はミラー駆動手段２４により矢印Ａ方向に移動可能に設けられている。そして可動ステージ２３が矢印Ａ方向に移動することにより、参照光Ｌ２の光路長が変更するよう構成されている。

合波手段４は、２×２の光カプラからなり、光路長調整手段２０により光路長の変更が施された参照光Ｌ２と測定対象Ｓからの反射光Ｌ３とを合波するとともに２分し、光ファイバＦＢ１、ＦＢ４を介して干渉光検出手段４０側に射出するように構成されている。

干渉光検出手段４０は、たとえばフォトダイオード等からなっており、合波手段４により合波された反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４をサンプリングし干渉信号ＩＳとして出力するものである。なお本例の装置は、干渉光Ｌ４を合波手段４（光ファイバカプラ）４で二分した干渉光Ｌ４をそれぞれ光検出器４０ａと４０ｂに導き、バランス検波を行う機構を有している。

次に、上述した光断層画像化システム１の動作例について説明する。まず、可動ステージ２３が矢印Ａ方向に移動することにより、測定可能領域内に測定対象Ｓが位置するように光路長の調整が行われる。その後、光源ユニット３１０から光Ｌが射出され、光Ｌは光分割手段３により測定光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。測定光Ｌ１は光プローブ３０により体腔内に導波され測定対象Ｓに照射される。そして、測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が反射ミラー２２において反射した参照光Ｌ２と合波手段４により合波され、反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４が干渉信号ＩＳとして干渉光検出手段４０によりサンプリングされる。

そして、光プローブ３０内の光ファイバを矢印θ方向に回転させることにより、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を矢印θ方向に走査させる。すると、この走査方向θに沿った各部分において測定対象Ｓの深さ方向（測定光Ｌ１の光軸方向ｚ）の情報が得られる。よって、断層画像処理装置５０において、この複数の干渉信号ＩＳから断層画像Ｐが取得されることになる。なお、測定対象Ｓに対して測定光Ｌ１を、上記走査方向に対して直交する第２の方向（光プローブ３０の長手方向）に走査させることにより、この第２の方向を含む断層面についての断層画像Ｐをさらに取得することも可能である。

図４は本発明の断層画像処理装置の好ましい実施の形態を示すブロック図であり、図４を参照して断層画像処理装置５０について説明する。なお、図４のような断層画像処理装置５０の構成は、補助記憶装置に読み込まれた断層画像処理プログラムをコンピュータ（たとえばパーソナルコンピュータ等）上で実行することにより実現される。このとき、この断層画像処理プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の情報記憶媒体に記憶され、もしくはインターネット等のネットワークを介して配布され、コンピュータにインストールされることになる。

断層画像処理装置５０は、干渉信号取得手段５１、信号補償手段５２、断層情報取得手段５３、断層画像生成手段５４、画像出力手段５５を有している。干渉信号取得手段５１は干渉光検出手段４０においてサンプリングされた干渉信号ＩＳを取得するものである。なお、干渉光検出手段４０においては、光のスペクトル強度の影響を受けた状態で干渉信号ＩＳがサンプリングされることになる。そこで、干渉信号取得手段５１は干渉信号ＩＳへの前処理として光Ｌのスペクトル強度の影響の除去を行うようにしてもよい。

図３の信号補償手段５２は、下記式（１）に示す補償テーブルを用いて干渉信号ＩＳを補償し、補償後の干渉信号ＩＳ１０を出力するものである。なお、信号補償手段５２は図５に示すように干渉光検出手段４０において波長毎（時間経過毎）の干渉強度として取得された干渉信号ＩＳを補償（補間）し、波数ｋ（＝２π／λ）軸において等間隔になるような補償後の干渉信号ＩＳ１０を生成する機能を有している。

すなわち、干渉光検出手段４０はサンプリング空間が時間変化（波長λ変化）であるときの干渉強度を干渉信号ＩＳとしてサンプリングする。一方、信号補償手段５２はこの干渉信号ＩＳをサンプリング空間が波数ｋ（２π／λ）であるときの干渉強度に再サンプリングして補償後の干渉信号ＩＳ１０を生成する。補償テーブルＲＴは、上述したサンプリング空間の変換を行うときに、波長におけるサンプリング空間ｘが波数における再サンプリング空間ｙのいずれの再サンプリング点に該当するかを示すものである。

なお、サンプリング点ｘは整数であるが、式（１）により導出される再サンプリング点ｙは必ずしも整数になるとは限らない。このとき、信号補償手段５２は、導出された小数点となった再サンプリング点ｙにおける干渉強度を用いて、整数の再サンプリング点ｙにおける干渉強度を補間し、補償後の干渉信号ＩＳ１０を生成する。なお、この信号変換手法の詳細は米国第５９５６３５５号明細書に開示されている。

断層情報取得手段５３は、補償後の干渉信号ＩＳ１０を用いて測定対象Ｓの各深さ位置における断層情報ｒ（ｚ）を取得するものである。ここで、断層情報取得手段５３は、たとえばフーリエ変換処理、最大エントロピー法（ＭＥＭ）、Ｙｕｌｅ−Ｗａｌｋｅｒ法等の公知のスペクトル解析技術を用いて、深さ方向ｚの断層情報（反射率）を取得する。さらに、断層情報取得手段５３は、干渉光検出手段４０において波長掃引１周期分の干渉信号ＩＳがサンプリングされる度に、１ライン分の断層情報ｒ（ｚ）を取得していく。

断層画像生成手段５４は、断層情報取得手段５３により逐次取得された複数ライン分の断層情報から１枚の断層画像を生成するものである。具体的には、断層画像生成手段５４は、図１の光源ユニット３１０における波長掃引１周期分の干渉信号ＩＳから得られた断層情報ｒ（ｚ）を１ライン分の断層情報ｒ（ｚ）として記憶してゆく。さらに、光プローブ３０により測定光Ｌ１が測定対象Ｓに対し走査されながら照射されたときに、断層画像生成手段５４は逐次取得される複数の断層情報ｒ（ｚ）を記憶していく。その後、断層画像生成手段５４は、記憶していた複数ライン分の断層情報ｒ（ｚ）を用いて断層画像Ｐを生成する。そして、画像出力手段５５は、断層画像生成手段５４により生成された断層画像Ｐを図１の表示装置６０に表示することになる。

ここで、信号補償手段５２において用いられる補償テーブルＲＴは図４に示す補償テーブル生成装置７０により生成されたものである。なお、図４の補償テーブル生成装置７０の構成は、補助記憶装置に読み込まれた補償テーブル生成プログラムをコンピュータ（たとえばパーソナルコンピュータ等）上で実行することにより実現される。このとき、この補償テーブル生成プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の情報記憶媒体に記憶され、もしくはインターネット等のネットワークを介して配布され、コンピュータにインストールされることになる。

補償テーブル生成装置７０は、干渉信号取得手段５１、評価信号取得手段７１、最適化手段７２を有している。干渉信号取得手段５１は、上述のような測定対象Ｓからの反射光Ｌ３と参照光Ｌ２との干渉光Ｌ４をサンプリングしたときの干渉信号ＩＳを取得する場合に限らず、測定光Ｌ１の光軸方向（図３の矢印ｚ方向）に反射体（シース３１）が配置されている状態で得られる干渉信号を反射体干渉信号ＲＩＳとして取得する機能を有している。たとえば干渉信号取得手段５１は、たとえば光プローブ３０を体腔内に挿入せず測定対象Ｓからの反射光Ｌ３が発生しない状態で、光プローブ３０から測定光Ｌ１を射出したときにサンプリングされる干渉信号を反射体干渉信号ＲＩＳとして取得する。

評価信号取得手段７１は、反射体干渉信号ＲＩＳから下記式（１）を用いて再サンプリングを行ったときの反射干渉信号を評価用出力信号ＲＩＳ１０として算出するするものであって、上述した信号補償手段５２と同様の機能を有している。

なお、評価信号取得手段７１は、上記式（１）における次元数Ｎおよびモデル係数Ｃ_ｉの適当な初期値を有しており、この次元数Ｎおよびモデル係数Ｃ_ｉの初期値は、波数ｋ＝２π／λであることを考慮し決定される。たとえば次元数Ｎ＝４に設定されている場合、初期の補償テーブルＲＴは下記式（１’）のようになり、式（１）におけるモデル係数Ｃ_ｉ（ｉ＝１、２、３）の初期値は予め適当な値に設定される。

そして、評価信号取得手段７１は式（１’）のサンプリング点ｘにおける干渉強度から、再サンプリング点ｙにおける干渉強度を取得することにより、評価用出力信号ＲＩＳ１０を取得する。

最適化手段７２は、干渉信号取得手段５１において取得された反射体干渉信号ＲＩＳを用いて上記式（１）で示される補償テーブルＲＴのモデル係数Ｃ_ｉを最適化するものである。ここで、最適化手段７２は、ｓｉｍｐｌｅｘ法やパウエル法等によりモデル係数Ｃ_ｉの最適化を行うものであって、スペクトル算出手段７１ａ、評価値算出手段７１ｂ、係数更新手段７１ｃを有している。

スペクトル算出手段７１ａは、評価信号取得手段７１において取得された評価用出力信号ＲＩＳ１０のスペクトルＹ（ｔ）を算出するものである。このときスペクトル算出手段７１ａはたとえばフーリエ変換や最大エントロピー法等の公知の各種スペクトル推定手法を用いて、評価用出力信号ＲＩＳ１０からスペクトルＹ（ｔ）を算出する。

評価値算出手段７１ｂは、スペクトル算出手段７１ａより算出されたスペクトルＹ（ｔ）を用いて補償テーブルＲＴに対する評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）を下記式（２）により算出するものである。

なお、モデル係数Ｃ_iを用いた補償テーブルＲＴより評価用出力信号ＲＩＳ１０が算出され、この評価用出力信号ＲＩＳ１０をフーリエ変換することによりY(t)が求まる。したがって、式（２）の評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）はモデル係数Ｃ_iの関数となる。

そして、係数更新手段７１ｃは、評価値算出手段７１ｂにより算出された評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）が小さくなるようにモデル係数Ｃ_ｉを更新する。なお、最適化手段７２において、評価用出力信号ＲＩＳ１０の取得、評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）およびモデル係数Ｃ_ｉの更新が設定回数ｋだけ繰り返し行うように設定されている。

ここで、評価用出力信号ＲＩＳ１０から取得される断層情報（反射率）は、図６に示すようにシース３１の内面３１ａおよび外面３１ｂにおいて大きい値となって表れ、シース像以外の断層情報（反射率）は極めて小さい値となる。つまり、反射体の断層情報ｒ（ｚ）（シース像）とそれ以外の断層情報ｒ（ｚ）とはスパースな信号（疎な信号）となる。

評価用出力信号ＲＩＳ１０のスペクトルＹ（ｔ）がスパースな信号であるとき、式（２）において設定ノルムＭが１以上２未満（たとえば設定ノルムＭ＝１）に設定されたときの評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）は小さくなり、また小さければ小さいほどスペクトルＹ（ｔ）はよりスパースな信号であることを意味する。

しかし、実際に反射体干渉信号ＲＩＳから得られる断層情報ｒ（ｚ）は、光源ユニット３１０の波長掃引特性、測定対象Ｓの分散特性・吸収特性、光断層画像化システム１に用いられる各種光学部品の波長依存特性等の影響により、スパース性が失われている場合がある。スパース性を失った断層情報ｒ（ｚ）から断層画像Ｐを作成したとき、分解能の劣化等の画質の劣化を生じさせる。

一方、上述した最適化手段７２においては、この反射体干渉信号ＲＩＳから得られる断層情報ｒ（ｚ）がスパースな信号として出力されるようにモデル係数Ｃ_ｉの最適化が行われる。これは補償テーブルＲＴが波長掃引特性等の影響を補償することができるように最適化されたことを意味する。よって、最適化された補償テーブルＲＴを用いて干渉信号ＩＳを補償することにより、画質の劣化を防止することができることになる。

図７は本発明の補償テーブル生成方法の好ましい実施形態を示すフローチャートであり、図７を参照して補償テーブル生成方法について説明する。なお、以下には補償テーブルＲＴが未だ作成されていない場合について例示し、最適化手段７２において、式（１’）のように４次の多項式（Ｎ＝４）として予め設定された初期モデル係数Ｃ_１〜Ｃ_４が設定されているものとする（ステップＳＴ１〜ステップＳＴ４）。

まず、干渉信号取得手段５１において干渉信号ＩＳが取得されたとき、最適化手段７２において、干渉信号ＩＳが初期の補償テーブルＲＴ（式（１’））により補償され、評価用出力信号ＲＩＳ１０が取得される。次に、スペクトル算出手段７１ａにおいて、評価用出力信号ＲＩＳ１０のスペクトルＹ（ｔ）が算出され、評価値算出手段７１ｂによりスペクトルＹ（ｔ）の評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）が算出される（ステップＳＴ５）。そして、係数更新手段７１ｃにより、評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）が小さくなるようにモデル係数Ｃ_ｉが更新される（ステップＳＴ６）。この作業が設定ループ回数ｋだけ繰り返される（ステップＳＴ３〜ＳＴ７）。

このように、反射体干渉信号ＲＩＳを用いて補償テーブルＲＴを生成することにより、予め光源ユニット３１０の波長掃引特性を測定せずに簡便に補償テーブルＲＴを生成することができる。すなわち、従来、光源ユニット３１０の波長掃引特性に合わせて、予め光源ユニット３１０における時間に対する波長変化を計測しておく必要がある。一方、図４の補償テーブル生成装置７０においては、反射体（シース）のある光プローブ３０を用いてＯＣＴ計測により取得した断層情報はスパースな信号になるという性質を利用し、光源ユニットの波長掃引特性を計測しなくても式（１）、（２）を用いて補償テーブルＲＴを簡便に作成することができる。特に反射体としてシース３１を用いた場合、反射体干渉信号ＲＩＳを得るために測定光Ｌ１の光軸方向ｚにミラー等の反射体を別途設ける必要がなく、より簡便に補償テーブルＲＴを作成することができる。

また、実際に得られた反射体干渉信号ＲＩＳを用いて補償テーブルＲＴの作成を行うものであるため、波長掃引特性のみならず測定対象Ｓの分散特性・吸収特性、光断層画像化システム１に用いられる各種光学部品の波長依存特性等の影響を考慮した補償テーブルＲＴを作成することができる。

図８は本発明の断層画像処理装置１５０の別の実施形態を示すブロック図である。なお、図８の断層画像処理装置１５０において図４の断層画像処理装置５０と同一の部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図８の断層画像処理装置１５０が、図１の断層画像処理装置５０と異なる点は、干渉信号取得手段１５１が取得された干渉信号を波数毎の干渉強度を示す干渉信号に変換する機能を有することである。

信号取得手段１５１は、光源ユニット３１０の時間−波長掃引特性を予め計測しておき、これを変換テーブルＴＴとして用いて、干渉光検出手段４０において時間軸（波長軸）に対してサンプリングされた干渉強度として取得される干渉信号ＩＳを波数ｋ軸において等間隔になるように再サンプリングを行った干渉信号ＩＳ１００（反射干渉信号ＲＩＳ１００）を出力するものである。なお、この信号変換手法の詳細はＵＳ５９５６３５５号明細書に開示されている。

信号補償手段１５２は信号取得手段１５１により変換された干渉信号ＩＳ１００を補償するようになっている。言い換えれば、信号補償手段１５２は信号取得手段１５１における変換テーブルＴＴに基づく変換結果を微調整するように機能する。そして、信号補償手段１５２において用いられる補償テーブルＲＴは、補償テーブル生成装置１７０において信号取得手段１５１により信号変換された反射体干渉信号ＲＩＳ１００を用いて補償テーブルＲＴを生成することになる。なお、補償テーブルＲＴの最適化は上記アルゴリズム（図７参照）を適用することができる。この場合であっても、簡便に補償テーブルＲＴの生成を行うことができるとともに、より最適化された補償後の干渉信号ＩＳ１０を取得することができる。

上記各実施の形態によれば、干渉信号ＩＳを補償するための補償テーブルＲＴを生成する際、測定光Ｌ１の光軸方向ｚに反射体３１が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号ＲＩＳとして取得し、取得した反射体干渉信号ＲＩＳを用いて上記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルＲＴのモデル係数Ｃ_ｉを最適化することにより、従来のように、補償テーブルＲＴを生成するために予め光源ユニット３１０の波長掃引特性を計測する必要がなく、反射体３１からの信号成分とそれ以外の信号成分とはスパースな信号になることを利用し、簡便に補償テーブルＲＴの生成を行うことができる。

また、図４に示すように、最適化手段７２が、補償テーブルＲＴを用いて反射体干渉信号ＲＩＳを補償した評価用出力信号ＲＩＳ１０を算出する評価信号取得手段７１と、評価信号取得手段７１において取得された評価用出力信号ＲＩＳ１０のスペクトルＹ（ｔ）を算出するスペクトル算出手段７１ａと、スペクトル算出手段７１ａにおいて算出されたスペクトルＹ（ｔ）を用いて、上記式（２）により補償テーブルに対する評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）を算出する評価値算出手段７１ｂと、評価値算出手段７１ｂにより算出された評価値Ｅ（Ｃ_ｉ）が小さくなるようにモデル係数Ｃ_ｉを更新する係数更新手段７１ｃとを有するとき、補償テーブルＲＴの作成を自動的に効率よく行うことができる。

また、図８に示すように、干渉信号取得手段５１が波長毎の干渉強度を示す反射体干渉信号ＲＩＳ１００を、波数毎の干渉強度を示す反射体干渉信号ＲＩＳに変換する機能を有し、最適化手段７２が信号取得手段１５１により変換された反射体干渉信号ＲＩＳ１００を用いて補償テーブルＲＴのモデル係数Ｃ_ｉを最適化するものであるとき、既に波数毎の干渉強度へ変換された干渉信号ＩＳ１００を微調整することができ、画質の向上を図ることができる。

さらに、測定光Ｌ１がシース３１に被覆された光ファイバＦＢ２０を有する光プローブ３０内を導波し、シース３１を透過して測定対象Ｓに照射されるものであって反射体がシース３１である場合、反射体干渉信号ＲＩＳを得るために測定光Ｌ１の光軸方向ｚにミラー等の反射体を別途設ける必要がなく、より簡便に補償テーブルＲＴを作成することができる。

本発明の実施の形態は、上記実施の形態に限定されない。たとえば、反射体としてシース３１を用いた場合について例示しているが、測定光Ｌ１の光軸方向ｚにミラーを配置し、ミラーによる反射体断層情報と他の部分の断層情報とがスパースな信号になることを利用して上述のように補償テーブルＲＴを作成するようにしても良い。

また、反射体干渉信号ＲＩＳは測定光Ｌ１の光軸方向ｚ上にシース３１のみが配置された状態で取得された場合について例示しているが、光プローブ３０を体腔内に挿入しＯＣＴ計測を行ったときに得られた干渉信号を反射体干渉信号ＲＩＳとしてもよい。つまり、シース３１は通常の生体組織等の測定対象Ｓでは存在しない程の強い反射率を有するため、たとえば体腔内に挿入した状態においても、干渉信号ＩＳに含まれる反射体（シース）３１での信号成分とそれ以外の測定対象Ｓでの信号成分とはスパースな関係が成立する。

さらに、図４の最適化手段７２において、モデル係数Ｃ_ｉを予め初期値が設定した式（１）のような形で補償テーブルＲＴが与えられている場合について例示しているが、既にたとえばルックアップテーブル等の式（１）とは異なる形で記憶されている場合、このルックアップテーブルのデータ列から式（１）におけるモデル係数Ｃ_ｉの初期値を決定するようにしてもよい。

また、上記実施の形態において断層画像処理装置５０をいわゆるＳＳ−ＯＣＴ計測に適用した場合について例示しているが、図９に示すようなＳＤ−ＯＣＴ計測を用いた光断層画像化システムについても同様に適用することができる。なお、図９においては、光源ユニット１１０は、広帯域な低コヒーレンス光を射出するものであり、干渉光検出手段１４０において、干渉光Ｌ４がレンズ４１介して回折格子素子４２に入射され、回折格子素子１７１において各波長帯域毎に分光された後、レンズ４３を介して複数の光検出素子（フォトダイオード等）が配列された光検出部４４によって干渉信号ＩＳとして検出されることになる。この場合であっても、測定対象Ｓの分散特性・吸収特性、光断層画像化システム１に用いられる各種光学部品の波長依存特性等の影響を考慮した補償テーブルＲＴを簡便に作成することができる。

本発明の補償テーブル生成装置が適用される光断層画像化システムの好ましい実施の形態を示す概略構成図 図１の光源ユニットから射出される光の波長が掃引される様子を示すグラフ 図１の光断層画像化システムに使用される光プローブの一例を示す模式図 本発明の断層画像処理装置の好ましい実施形態を示すブロック図 図１の信号補償手段において干渉信号が変換される様子を示す模式図 図４のスペクトル算出手段において算出された反射干渉信号のスペクトルの一例を示すグラフ 本発明の補償テーブル生成方法の好ましい実施形態を示すフローチャート 本発明の断層画像処理装置の別の実施形態を示すブロック図 本発明の断層画像処理装置が適用される光断層画像化システムの別の一例を示す模式図

符号の説明

１ 光断層画像化システム
３ 光分割手段
４ 合波手段
１１０、３１０ 光源ユニット
３０ 光プローブ
３０Ａ 光学コネクタ
３１ シース（反射体）
４０ 干渉光検出手段
５０、１５０ 断層画像処理装置
５１、１５１ 干渉信号取得手段
５２、１５２ 信号補償手段
５３ 断層情報取得手段
５４ 断層画像生成手段
５５ 画像出力手段
６０ 表示装置
７０、１７０ 補償テーブル生成装置
７１ 評価信号取得手段
７２ 最適化手段
７１ａ スペクトル算出手段
７１ｂ 評価値算出手段
７１ｃ 係数更新手段
Ｃ_ｉ モデル係数
Ｅ（Ｃ_ｉ） 評価値
ＦＢ２０ 光ファイバ
ＩＳ 干渉信号
ＩＳ１０ 補償後の干渉信号
Ｌ 光
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 参照光
Ｌ３ 反射光
Ｌ４ 干渉光
Ｍ 設定ノルム
Ｐ 断層画像
ｒ（ｚ） 断層情報
ＲＩＳ 反射体干渉信号
ＲＩＳ１０ 評価用出力信号
ＲＴ 補償テーブル
Ｓ 測定対象
Ｙ（ｔ） スペクトル
ｚ 光軸方向

Claims (10)

1. 光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波し、前記反射光と前記参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした前記干渉信号を補償するための補償テーブルを生成する補償テーブル生成方法であって、
   前記測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得し、
   取得した前記反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出し、
   算出した前記評価用出力信号を用いて下記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化する
   ことを特徴とする補償テーブル生成方法。
   

   
2. 光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波し、前記反射光と前記参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした前記干渉信号を補償するための補償テーブルを生成する補償テーブル生成装置であって、
   前記測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得する干渉信号取得手段と、
   前記干渉信号取得手段において取得された前記反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出する評価信号算出手段と、
   該評価信号算出手段により算出された前記評価用出力信号を用いて、下記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化する最適化手段と
   を備えたことを特徴とする補償テーブル生成装置。
   

   
3. 前記最適化手段が、
   該評価信号算出手段において取得された前記評価用出力信号のスペクトルを算出するスペクトル算出手段と、
   該スペクトル算出手段において算出されたスペクトルを用いて、下記式（２）により前記補償テーブルに対する評価値を算出する評価値算出手段と、
   該評価値算出手段により算出された前記評価値が小さくなるように前記モデル係数を更新する係数更新手段と
   を有するものであることを特徴とする請求項２記載の補償テーブル生成装置。
   

   
4. 前記設定ノルムが１以上２未満であることを特徴とする請求項３記載の補償テーブル生成装置。
5. 前記最適化手段が、シンプレックス法により前記モデル係数の最適化を行うものであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の補償テーブル生成装置。
6. 前記信号取得手段が、サンプリング空間が前記干渉光の波長である前記反射体干渉信号を取得するものであり、
   前記評価信号算出手段が、前記反射体干渉信号を前記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより、サンプリング空間が前記干渉光の波数である評価用出力信号を算出するものであることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項記載の補償テーブル生成装置。
7. 前記信号取得手段が、前記干渉光の波長に対する干渉強度を示す前記反射体干渉信号を波数に対する干渉強度を示す前記反射体干渉信号に変換する機能を有し、
   前記評価信号算出手段が、該信号取得手段により取得された波数に対する干渉強度を示す前記反射体干渉信号を前記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出するものであることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項記載の補償テーブル生成装置。
8. 前記測定光がシースに被覆された光ファイバを有する光プローブ内を導波し該シースを透過して前記測定対象に照射されるものであり、前記反射体がシースであることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項記載の補償テーブル生成装置。
9. 光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、分割した前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波し、前記反射光と前記参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングした際に、コンピュータに、サンプリングした前記干渉信号を補償するための補償テーブルを生成することを実行させるための補償テーブル生成プログラムであって、
   前記測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた干渉信号を反射体干渉信号として取得し、
   取得した前記反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出し、
   算出した前記評価用出力信号を用いて下記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルのモデル係数を最適化する
   ことを実行させるための補償テーブル生成プログラム。
   

   
10. 光を射出し、射出した光を測定光と参照光とに分割し、前記測定光が測定対象に照射されたときの該測定対象からの反射光と前記参照光とを合波し、前記反射光と前記参照光とが合波したときの干渉光を干渉信号としてサンプリングし、サンプリングした前記干渉信号を用いて前記測定対象の断層情報を取得し断層画像を生成する断層画像処理装置において、
    前記干渉信号を取得する干渉信号取得手段と、
    前記干渉信号取得手段において取得される干渉信号のうち、前記測定光の光軸方向に反射体が配置されているときにサンプリングされた反射体干渉信号を下記式（１）により変換されるサンプリング空間において再サンプリングすることにより評価用出力信号を算出する評価信号算出手段と、
    該評価信号算出手段により算出された前記評価用出力信号を用いて、下記式（１）のＮ次多項式として設定された補償テーブルの設定しモデル係数を最適化する最適化手段と、
    該最適化手段により最適化された前記補償テーブルを用いて、前記干渉信号取得手段において取得された前記干渉信号を補償する信号補償手段と、
    該信号補償手段により補償された前記干渉信号を用いて前記測定対象の断層情報を取得する断層情報取得手段と、
    該断層情報取得手段により取得された前記断層情報を用いて断層画像を生成する断層画像生成手段と
    を備えたことを特徴とする断層画像処理装置。
    

    

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