JP5664564B2

JP5664564B2 - 光断層画像取得方法

Info

Publication number: JP5664564B2
Application number: JP2012012034A
Authority: JP
Inventors: 充遥平野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2032-01-24
Also published as: JP2013152101A

Description

本発明は、光断層画像取得方法に関するものである。

光コヒーレンストモグラフィ（Optical CoherenceTomography: ＯＣＴ）に拠る光断層画像取得技術は、光の干渉を用いて対象物の深さ方向の反射量分布を測定することができる。この光断層画像取得技術は、高い空間分解能で対象物の内部の構造を画像化することができることから、近年では生体計測に応用されている。

ＯＣＴに拠る光断層画像取得技術は、光源部から出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、参照光を反射体に照射したときに該反射体で生じる反射光と、測定光を対象物に照射したときに該対象物で生じる拡散反射光とを干渉させ、当該干渉光を検出部により検出し、この検出結果を解析することで対象物の深さ方向（測定光照射方向、Ｚ方向）の反射情報分布（１次元断層像）を得る。さらに、対象物への光照射位置をＺ方向に垂直な方向に１次元走査することで、対象物の２次元断層画像を取得することができる。また、対象物への光照射位置をＺ方向に垂直な方向に２次元走査することで、対象物の３次元断層画像を取得することができる。

ＯＣＴのうちＴＤ-ＯＣＴ（time-domainOCT）は、コヒーレンス長が短い光を出力する光源部を用いたときに、光源部から検出部までの両光の光路長差がある場合には干渉光の振幅が小さく、光源部から検出部までの両光の光路長差がない場合にのみ干渉光の振幅が大きくなることを利用する。このＴＤ-ＯＣＴでは、反射体の位置に応じた対象物の深さ方向位置の反射情報を得ることができるので、反射体を移動させながら干渉光振幅を検出することにより、対象物の深さ方向の反射情報分布（１次元断層像）を得ることができる。

一方、ＯＣＴのうちＦＤ-ＯＣＴ（Fourier-domainOCT）は、干渉信号の波長依存性を利用するものであって、ＴＤ-ＯＣＴと比べると対象物の断層画像を取得する時間が短い。ＦＤ-ＯＣＴは例えば非特許文献１に記載されている。ＦＤ-ＯＣＴでは、光源部から出力される光を参照光と測定光とに等分した場合、光源部から出力される光のパワーをＰ_０、光の波数をｋ（＝２π／λ）、対象物の深さ方向位置をｚ、対象物での反射率をＲ_ｓ、反射体での反射率をＲ_ｍで表したとき、波数ｋの光についての干渉信号の強度Ｐ(ｋ)は、以下の式で表される。

Ｐ(ｋ)＝Ｐ_０／４｛Ｒ_ｓ＋Ｒ_ｍ＋２(Ｒ_ｓＲ_ｍ)^1/2cos(２ｋｚ)｝

この式から判るように、波数ｋの光についての干渉信号の強度Ｐ(ｋ)は、対象物での反射率Ｒ_ｓの２分の１乗に比例する振幅で、対象物の深さ方向位置ｚに応じた周期で振動する。したがって、検出部により検出される干渉信号のスペクトルを波数軸２ｋでフーリエ変換すると、その結果は、対象物の深さ方向位置ｚでの反射率Ｒ_ｓ（すなわち、深さ方向の反射率分布）を表すものとなる。ＦＤ-ＯＣＴは、このことを利用する。

すなわち、ＦＤ-ＯＣＴでは、対象物に対して光を照射したときに、その光が対象物の内部まで浸透し光軸に沿った各位置で拡散反射が生じると、検出部により検出される干渉信号は、対象物の内部の各位置についての信号が重なり合った形で現れる。このような干渉信号をフーリエ変換すると、対象物の深さ方向の反射率分布（１次元断層像）が直接求められる。ＦＤ-ＯＣＴでは、スペクトルを測定する必要があるので、検出部として分光器を用いる。

R. Leitgeb, et al, "Performanceof fourier domain vs. time domain optical coherence tomography," OPTICSEXPRESS, Vol.11, No.8, pp.889-894 (2003)

ＦＤ-ＯＣＴでは、干渉光のスペクトルをフーリエ変換することで対象物の深さ方向の反射率分布（１次元断層像）を求めることができるが、装置の特性により干渉性の大きさが波長により異なると対象物の深さ方向の反射率分布（１次元断層像）を正確に求めることができない。

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、より正確な光断層画像を取得することができる光断層画像取得方法を提供することを目的とする。

本発明の光断層画像取得方法は、光源部から出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、参照光を反射体に照射したときに該反射体で生じる反射光と、測定光を対象物に照射したときに該対象物で生じる拡散反射光とを干渉させ、当該干渉光のスペクトルを検出して、このスペクトルに基づいて対象物の光断層画像を取得する方法であって、反射率の波長依存性が既知である基準サンプルを対象物に替えて用いて干渉光のスペクトル（以下「基準スペクトル」という。）を検出する基準スペクトル検出ステップと、この基準スペクトルの包絡線を表す関数を求める包絡線関数取得ステップと、対象物を用いて干渉光のスペクトル（以下「対象スペクトル」という。）を検出する対象スペクトル検出ステップと、この対象スペクトルを包絡線を表す関数で割ることにより補正する対象スペクトル補正ステップと、この補正後の対象スペクトルに基づいて対象物の光断層画像を取得する画像取得ステップと、を備えることを特徴とする。

本発明の光断層画像取得方法は、包絡線関数取得ステップにおいて、各波長で関数の値に対する基準スペクトルの値の比の絶対値が所定値を超える場合に、その比の絶対値が所定値を超えないように関数の値を修正するのが好適である。基準スペクトル検出ステップにおいて、鏡面反射率が大きいサンプルを基準サンプルとして用いるのが好適であり、測定波長帯域における反射率の波長依存性が小さいサンプルを基準サンプルとして用いるのも好適である。

本発明によれば、ＦＤ-ＯＣＴにおいて、より正確な光断層画像を取得することができる。

光断層画像取得装置１の概略構成を示す図である。本実施形態の光断層画像取得方法のフローチャートである。基準スペクトル検出ステップＳ１で検出された基準スペクトルを示す図である。包絡線関数取得ステップＳ２で求められた包絡線関数に基づいて基準スペクトル（図３）を補正した結果を示す図である。基準スペクトル（図３）のフーリエ変換結果、および、基準スペクトルを包絡線関数で割って得られた補正後のスペクトル（図４）のフーリエ変換結果、を示す図である。包絡線関数取得ステップＳ２における包絡線関数の求め方の一例を説明する図である。

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。

図１は、光断層画像取得装置１の概略構成を示す図である。光断層画像取得装置１は、ＯＣＴに拠って対象物２の光断層画像を取得するものであって、光源部１０、干渉部２０、参照部３０、測定部４０、検出部５０、解析部６０および表示部７０を備える。なお、同図では説明の便宜の為にＸＹＺ直交座標系が示されている。

光源部１０は、帯域を有する光を出力する。ＯＣＴでは、対象物２の深さ方向の空間分解能は光の帯域幅に反比例し、スペクトル形状にも依存する。したがって、光源部１０として、広帯域かつ平坦度の高いスペクトルを有した光を出力することができるものが好ましい。例えば、希土類元素が添加されたガラスを光増幅媒体として備え広帯域の自然放出（ＡＳＥ）光を出力することができるＡＳＥ光源、光導波路における非線形光学現象によって帯域が拡大されたスーパーコンティニウム（ＳＣ）光を出力することができるＳＣ光源、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を含む光源、等が好適に用いられる。

干渉部２０は、光源部１０からから出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、参照光を反射体３１に照射するとともに当該照射に伴う反射体３１からの反射光を入力し、測定光を対象物２に照射するとともに当該照射に伴う対象物２からの拡散反射光を入力し、これら反射光と拡散反射光とを互いに干渉させて当該干渉光を検出部５０へ出力する。

参照部３０は、干渉部２０と反射体３１との間の光学系とを含み、干渉部２０からの参照光を反射体３１へ導き、反射体３１からの反射光を干渉部２０へ導く。測定部４０は、干渉部２０と対象物２との間の光学系であり、干渉部２０からの測定光を対象物２へ導き、対象物２からの拡散反射光を干渉部２０へ導く。また、対象物２への測定光の照射位置を走査する走査部４１が設けられている。

検出部５０は、干渉部４０から出力される干渉光を検出する。解析部６０は、検出部５０による検出の結果を解析して対象物２の光断層画像を求める。表示部７０は、解析部６０により求められた対象物２の光断層画像を表示する。

ＦＤ-ＯＣＴでは、検出部５０により干渉信号のスペクトルを測定し、解析部６０により該スペクトルをフーリエ変換することで対象物２の深さ方向の反射情報分布を得ることができる。ＦＤ-ＯＣＴでは、機械的に反射体３１を移動させる必要がないので、ＴＤ-ＯＣＴと比べると対象物２の断層画像を取得する時間が短い。

本実施形態の光断層画像取得方法では、このような光断層画像取得装置１を用いて、ＦＤ-ＯＣＴにより対象物２の２次元または３次元の光断層画像を取得する。ここで、図１中に示したようなＸＹＺ直交座標系を設定する。Ｚ方向は、対象物２への測定光の照射の方向である。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に垂直であって、互いに直交する２方向である。対象物２への測定光の照射は、Ｚ方向に平行であって、走査部４１によりＸ方向またはＹ方向に走査される。

図２は、本実施形態の光断層画像取得方法のフローチャートである。本実施形態の光断層画像取得方法は、基準スペクトル検出ステップＳ１、包絡線関数取得ステップＳ２、対象スペクトル検出ステップＳ３、対象スペクトル補正ステップＳ４および画像取得ステップＳ５を備える。

基準スペクトル検出ステップＳ１では、反射率の波長依存性が既知である基準サンプルを対象物２に替えて用いて干渉光のスペクトル（基準スペクトル）を検出する。この基準スペクトル検出ステップＳ１では、鏡面反射率が大きいサンプルを基準サンプルとして用いるのが好適であり、また、測定波長帯域における反射率の波長依存性が小さいサンプルを基準サンプルとして用いるのも好適である。例えば基準サンプルとして金ミラーを用いる。金ミラーは、近赤外の波長帯域でほぼ一定の反射率を有する。

包絡線関数取得ステップＳ２では、この基準スペクトルの包絡線を表す関数を求める。この包絡線関数取得ステップＳ２では、各波長で包絡線を表す関数の値に対する基準スペクトルの値の比の絶対値が所定値を超える場合に、その比の絶対値が所定値を超えないように関数の値を修正するのが好適である。

対象スペクトル検出ステップＳ３では、対象物２を用いて干渉光のスペクトル（対象スペクトル）を検出する。対象スペクトル補正ステップＳ４では、この対象スペクトルを包絡線を表す関数に基づいて補正する。そして、画像取得ステップＳ５では、この補正後の対象スペクトルに基づいて対象物２の光断層画像を取得する。

図３は、基準スペクトル検出ステップＳ１で検出された基準スペクトルを示す図である。また、ここでは、基準サンプルとして金ミラーが用いられた。金ミラーは近赤外の波長帯域でほぼ一定の反射率を有することから、図３に示されるスペクトルの包絡線は、光源部１０からの出力光のスペクトルおよび装置の波長特性や偏波特性などに基づくものである。

図４は、包絡線関数取得ステップＳ２で求められた包絡線関数に基づいて基準スペクトル（図３）を補正した結果を示す図である。同図に示されるように、基準スペクトルを包絡線関数で割って得られた補正後のスペクトルは、振幅が波長によらず略均一となっており、光源部１０からの出力光のスペクトルおよび装置の波長特性や偏波特性などの影響が取り除かれたものとなっている。

図５は、基準スペクトル（図３）のフーリエ変換結果、および、基準スペクトルを包絡線関数で割って得られた補正後のスペクトル（図４）のフーリエ変換結果、を示す図である。ガウシアンでフィッティングを行うと、補正前の半値幅に対する補正後の半値幅の比は０.８６となり、補正によりピークが鋭くなることが確認できた。

なお、図３と図４とを対比して判るように、包絡線関数の値が小さい波長において、基準スペクトルを包絡線関数で割って得られた補正後のスペクトルの値は均一値から外れる。包絡線関数の値が０に近い波長において、基準スペクトルを包絡線関数で割って得られた補正後のスペクトルの値は発散する場合がある。そこで、包絡線関数取得ステップＳ２では、各波長で包絡線関数の値に対する基準スペクトルの値の比の絶対値が所定値（例えば１.５）を超える場合に、その比の絶対値が所定値を超えないように包絡線関数の値を修正するのが好適である。

包絡線関数の修正は以下のように行われる。通常は、基準スペクトルの包絡線関数で該基準スペクトルを割って得られる補正後のスペクトルにおいて、山および谷それぞれの絶対値は１に規格化される。ところが、包絡線関数の値が０に近い波長部分では、包絡線関数の値の小さな誤差によって、補正後のスペクトルにおいて山および谷それぞれの絶対値が大きく変動する。そこで、包絡線関数の値に対する基準スペクトルの値の比の絶対値が所定値を超えた部分では、その比の絶対値が所定値を超えないように包絡線関数の値を大きくする。

基準サンプル以外の対象物２を測定して得られる対象スペクトルについても、基準スペクトルの包絡線関数で割ることにより、同様に装置の波長特性や偏波特性の影響を取り除くことができる。

金ミラーだけでなく、ＯＣＴ装置の測定波長帯域における反射率の波長依存性が既知であるサンプルであれば、反射率を考慮して補正することにより、基準サンプルとして用いることができる。

図６は、包絡線関数取得ステップＳ２における包絡線関数の求め方の一例を説明する図である。同図に示される包絡線関数の求め方は、スペクトルと包絡線との間の関係を利用するものである。スペクトルの包絡線は、該スペクトルの基本周波数に対してサイドバンドとして現れる。そこで、スペクトル（同図（ａ））をフーリエ変換した周波数領域（同図（ｂ））において、干渉縞成分を基本周波数分シフトさせれば（同図（ｃ））、包絡線成分を取り出すことができる。その際に、より正確な包絡線を抜き出すために、フィルタとなる関数をかけて（同図（ｄ））、干渉縞成分と関係のない直流成分等を除く。その後、逆フーリエ変換を行うと包絡線関数を取り出すことができる（同図（ｅ））。元のスペクトル（同図（ａ））を包絡線（同図（ｅ））で割ると、スペクトルの振幅がそろう（同図（ｆ））。

１…光断層画像取得装置、２…対象物、１０…光源部、２０…干渉部、３０…参照部、３１…反射体、４０…測定部、４１…走査部、５０…検出部、６０…解析部、７０…表示部。

Claims

光源部から出力される光を２分岐して参照光および測定光とし、前記参照光を反射体に照射したときに該反射体で生じる反射光と、前記測定光を対象物に照射したときに該対象物で生じる拡散反射光とを干渉させ、当該干渉光のスペクトルを検出して、このスペクトルに基づいて前記対象物の光断層画像を取得する方法であって、
反射率の波長依存性が既知である基準サンプルを前記対象物に替えて用いて前記干渉光のスペクトル（以下「基準スペクトル」という。）を検出する基準スペクトル検出ステップと、
この基準スペクトルの包絡線を表す関数を求める包絡線関数取得ステップと、
前記対象物を用いて前記干渉光のスペクトル（以下「対象スペクトル」という。）を検出する対象スペクトル検出ステップと、
この対象スペクトルを前記包絡線を表す関数で割ることにより補正する対象スペクトル補正ステップと、
この補正後の対象スペクトルに基づいて前記対象物の光断層画像を取得する画像取得ステップと、
を備えることを特徴とする光断層画像取得方法。
前記包絡線関数取得ステップにおいて、各波長で前記関数の値に対する前記基準スペクトルの値の比の絶対値が所定値を超える場合に、その比の絶対値が前記所定値を超えないように前記関数の値を修正する、ことを特徴とする請求項１に記載の光断層画像取得方法。
前記基準スペクトル検出ステップにおいて、鏡面反射率が大きいサンプルを前記基準サンプルとして用いる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の光断層画像取得方法。
前記基準スペクトル検出ステップにおいて、測定波長帯域における反射率の波長依存性が小さいサンプルを前記基準サンプルとして用いる、ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光断層画像取得方法。