JP6648891B2 - 物質含有量を断層可視化する装置および方法 - Google Patents
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Description
[実施例]
図1は、実施例に係る物質含有量可視化装置の構成を概略的に表す図である。本実施例の装置は、皮膚組織の水分量をマイクロスケールにて断層計測し、可視表示するものである。この断層計測にOCTを利用する。
光源2は、中心波長が異なる2つの光源32,34を有する。これらの光源は、スーパールミネッセントダイオード(Super Luminessent Diode:以下「SLD」と表記する)からなる広帯域光源である。光源32は、中心波長が1317nmである1300波長帯域の光(「第1の光」に該当する)を出射する。一方、光源34は、中心波長が1421nmである1400波長帯域の光(「第2の光」に該当する)を出射する。制御演算部14は、光源32,34から異なる波長帯域の光を同時に出射させる。以下では便宜上、1300波長帯域の光を「1300波長帯域光」、1400波長帯域の光を「1400波長帯域光」ともいう。
本実施例では上述のように、RSOD方式の周波数変調機構を採用する。この方式によれば、参照鏡26(スキャニングミラー)と回折格子52とを用いることにより、波長帯域が異なる複数の光(波長帯域光)を、それぞれ異なるドップラー周波数に変調したうえで干渉させることができる。このため、その光干渉信号をその変調周波数に基づいて周波数解析することで複数の波長帯域光ごとに分離し、それぞれの干渉光強度(輝度)を抽出できる。
なお、RSODは、レンズを省略し、その代わりに湾曲ミラーを用いた湾曲ミラー型であってもよい。あるいは、光路を倍にするための三次元的な光路を有し、回折格子に4回入射するダブルパス型であってもよい。湾曲ミラー型は、レンズの光分散を避けられるメリットがある。ダブルパス型は、奥行き走査距離が拡大するメリットと、リファレンスアームでの光強度の揺らぎの低減できるメリットがある。このため、本システムには湾曲ミラー型かつダブルパス型のRSODが最適である。特に、光強度の揺らぎ低減は、干渉強度比を信号とする本システムでは大きなメリットとなる。
上述のように、OCTにおいて、オブジェクトアーム4を経た物体光(測定対象からの反射光)と、リファレンスアーム6を経た参照光とが合波され、光検出装置12により光干渉信号として検出される。制御演算部14は、この光干渉信号を干渉光強度に基づく測定対象(皮膚S)の断層画像として取得することができる。この断層分布は三次元で演算することもできるが、ここでは二次元での演算について説明する。
図3は、水による光吸収特性を表す図である。本図の横軸は光の波長を示し、縦軸は後述の吸収減衰係数を示す。本図は、所定含水率を有する組織の光吸収作用が、光の波長によってどの程度異なるかを示す。図中の実線は含水率100%の場合、一点鎖線は含水率80%の場合、破線は含水率60%の場合をそれぞれ示す。
組織性状や組織形態が急減に変化する部位(例えば、角層から表皮生細胞層や真皮に変わる境界)では、強度が急激に変化するため、エネルギー反射率R1400(z)やR1300(z)が急変する。このため、それぞれの干渉信号の強度勾配を先に算出すると、上記境界部位では空間勾配の値がオーバーシュートしてしまい、強度比の算出が困難となる。この点、上記式(7)の強度比を取る演算によって、組織性状や組織形態が急減に変化する部位での過誤検出を低減できる。それにより、対象物質の光吸収特性μa1400を検出し、物質の含有量をマイクロ断層可視化することができる。
制御演算部14は、吸収係数μa 1400と含水率との対応関係が予め設定された演算マップを保持し、上述のように吸収係数μa 1400の断層分布を演算した後、その演算結果に基づいてその演算マップを参照することにより含水率の断層分布を演算する。
図5および図6は、各波長帯域光を同時照射したときに得られる信号を表す図である。図5(A)は、光源のスペクトル情報を表している。横軸が波長(nm)を示し、縦軸が光強度(a.u.)を示す。図5(B)は、光検出装置12にて検出される光干渉信号を表している。横軸が奥行方向位置(μm)を示し、縦軸が干渉光強度(mV)を示す。図6(A)は、光干渉信号の周波数解析結果を表している。横軸がドップラー周波数(kHz)を示し、縦軸が干渉光強度(V)を示す。図6(B)は、ヒルベルト変換後の光干渉信号の奥行方向強度分布を表している。横軸が奥行方向位置(μm)を示し、縦軸が干渉光強度(mV)を示す。
図8および図9は、パターンマッチング処理を表す図である。
図8(A)〜(C)は、再帰的相互相関法による処理過程を示す。各図にはOCTにより同時に撮影される断層画像が示されている。左側には1300波長帯域光の断層画像(Image1)が示され、右側には1400波長帯域光の断層画像(Image2)が示されている。
本実施例では、スペックルノイズの影響を受けたランダム性の強い相関値分布から正確な最大相関値を決定する方法として、隣接相互相関乗法を導入している。下記式(12)により、隣接相互相関乗法では検査領域S1における相関値分布Ri,j(Δx,Δz)と、その検査領域S1にオーバーラップする隣接検査領域に対する相関値分布Ri+Δi,j(Δx,Δz)とRi,j+Δj(Δx,Δz)の乗算を行い、新たな相関値分布R'i,j(Δx,Δz)を用いて最大相関値を検索する。
図9(A)〜(C)は、サブピクセル解析による処理過程を示している。各図にはOCTにより同時に撮影される各波長帯域光の断層画像が示されている。左側には1300波長帯域光の断層画像(Image1)が示され、右側には1400波長帯域光の断層画像(Image2)が示されている。
上述した風上勾配法までは検査領域S1の形状は変更せず、正方形を保ったまま2画像間におけるずれベクトルの算出を行っている。しかし、現実には両波長帯の光学特性に依存して検査領域S1も変形している(ひずんでいる:ディストーション)と考えられるため、検査領域S1の微小変形を考慮したアルゴリズムを導入し、2画像間におけるずれと変形のベクトルを高精度にて算出する必要がある。このため、本実施例ではサブピクセル精度での変形ベクトルの算出に画像変形法を導入している。すなわち、一方の波長帯の断層画像における検査領域S1ともう一方の波長帯の断層画像の伸縮及びせん断変形を考慮した検査領域S1とで相互相関を実施し、相関値ベースの反復計算によってサブピクセル変形量を決定している。なお、検査領域S1の伸縮及びせん断変形は線形で近似している。
上述したパターンマッチング後に、上記式(7)に基づき、両波長帯域光の断層画像について輝度比を演算すると、図10(A)に示す断層分布が得られる。そして、上記式(8)に基づき、この輝度比の分布について自然対数をとり、空間微分を施すと、図10(B)に示す吸収係数μa 1400の断層分布が得られる。この断層分布に基づいて、図4(C)の演算マップを参照することにより、図10(C)に示すように、皮膚Sの含水率をマイクロ断層可視化することができる。
図11は、通常状態(湿度50%)で皮膚を断層計測した場合の演算結果を示す図である。図11(A)の左側は1300波長帯域光のOCT断層画像を示し、右側は1400波長帯域光のOCT断層画像を示す。図11(B)は、それらの断層画像に基づく含水率の演算結果を示す。図示のように、皮膚の奥行方向に含水率が変化する様子が認められる。上記式(7)を用いたことにより、皮膚が比較的乾燥した通常状態においても、角層と表皮生細胞層との境界部において演算上のオーバーシュートが低減され、含水率分布が精度良く可視化されている。
図13は、制御演算部14により実行される含水率可視化処理の流れを示すフローチャートである。制御演算部14は、光源2および光学機構8,10を駆動制御するとともに、複数の光源32,34によるOCT干渉信号を取得する(S10)。
含水率の断層計測については、特に上記式(7)による強度比の演算により、光干渉信号に内在する散乱と吸収の光特性の分離を可能にした。それにより、組織性状や組織形態が急減に変化する部位での過誤検出を低減でき、そのような部位でのマイクロ断層計測が可能となる。
ドラックデリバリーシステムによれば、例えば悪性新生物の治療において薬剤を患部へ集積でき、その過剰投与を抑制できる。また、循環器系疾患の治療において免疫抑制剤の溶出によって細胞増殖を抑え、再狭窄を抑制できる。このようなドラックデリバリーシステムを用いた治療では、一般に薬剤浸潤度を時空間的に把握することが困難である。この点、上記実施例の手法を用いることにより、生体組織における薬剤濃度断層分布を高空間分解能かつ高時間分解能(マイクロスケール)にて得ることができる。
図14は、変形例に係る物質含有量断層可視化方法を表す図である。図14(A)は光干渉信号の周波数スペクトルを示す。図14(B)は測定対象の光吸収スペクトルを示す。図14(C)は含有率計測方法を概念的に示す。
Claims (7)
- 光コヒーレンストモグラフィーを用いる光学系を含み、測定対象における特定の物質の含有量分布を断層可視化する物質含有量可視化装置であって、
前記物質による光吸収作用が互いに異なる波長帯域を包括する複数の波長帯域光を同時に出射可能な単一もしくは複数の光源と、
前記測定対象を経由するオブジェクトアームに設けられ、前記光源からの光を前記測定対象に導いて走査させる第1光学機構と、
前記測定対象を経由しないリファレンスアームに設けられ、前記光源からの光を参照鏡に導いて反射させる第2光学機構と、
前記測定対象にて反射した物体光と前記参照鏡にて反射した参照光とが重畳された干渉光を検出する光検出装置と、
前記第1光学機構および前記第2光学機構を駆動し、前記光検出装置から出力された光干渉信号を処理することにより、前記物質の含有量の断層分布を演算する制御演算部と、
前記制御演算部の演算結果に基づいて、前記測定対象における前記物質の含有量分布を断層可視化する態様で表示する表示装置と、
を備え、
前記第2光学機構は、前記リファレンスアームを経由する前記複数の波長帯域光に対して互いに異なる周波数変調を施すための変調機構を含み、
前記光検出装置は、複数の干渉光を単一チャンネルの光ファイバを介して入力し、
前記制御演算部は、
前記光検出装置から入力された光干渉信号に対して前記変調機構による変調周波数に基づくバンドパスフィルタ処理を実行し、各波長帯域に対応する光干渉信号に分離し、
分離された光干渉信号の強度比に基づいて、その光干渉信号に内在する散乱と吸収の光特性を分離し、前記物質の含有量の断層分布を演算することを特徴とする物質含有量可視化装置。 - 前記制御演算部は、前記強度比の空間勾配に基づき、前記光吸収作用が相対的に大きい波長帯域の光の吸収減衰係数を演算し、その演算結果に基づいて前記物質の含有量の断層分布を演算することを特徴とする請求項1に記載の物質含有量可視化装置。
- 前記光源は、前記物質による光吸収作用が相対的に小さい波長帯域の第1の光と、前記物質による光吸収作用が相対的に大きい波長帯域の第2の光とを同時に出射可能であり、
前記第1の光が、前記物質による光吸収作用を実質的に有しないものであり、
前記制御演算部は、前記強度比に基づいて前記第2の光の吸収減衰係数を演算し、その演算結果に基づいて前記物質の含有量の断層分布を演算することを特徴とする請求項1または2に記載の物質含有量可視化装置。 - 前記制御演算部は、前記強度比の算出に先立ち、前記分離された光干渉信号による複数の断層画像の断層位置を対応させるようパターンマッチング処理を実行することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の物質含有量可視化装置。
- 前記制御演算部は、前記光吸収作用が相対的に大きい波長帯域の光の吸収減衰係数と前記物質の含有量との対応関係が予め設定された演算マップを保持し、
前記吸収減衰係数の断層分布を演算した後、その演算結果に基づいて前記演算マップを参照することにより前記物質の含有量の断層分布を演算することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の物質含有量可視化装置。 - 前記変調機構は、
前記参照鏡を軸線周りに回転させるための回転機構と、
前記単一もしくは複数の光源からの光に含まれる各波長光を、前記参照鏡において前記軸線からの距離が互いに異なる位置に照射させるための回折格子と、
を含み、
前記制御演算部は、前記回転機構による前記参照鏡を回転させることにより、前記各波長光の周波数をそれぞれ変調させ、複数の波長帯域に対応してそれぞれ異なる周波数に干渉信号を変調させることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の物質含有量可視化装置。 - 光コヒーレンストモグラフィーを用いて、測定対象における特定の物質の含有量分布を断層可視化する物質含有量可視化方法であって、
光吸収作用が互いに異なる波長帯域を包括する複数の波長帯域光を同時に出射する出射工程と、
出射された光を、前記測定対象を経由するオブジェクトアームと、参照鏡を経由するリファレンスアームとに分波する分波工程と、
前記リファレンスアームを経由する前記複数の波長帯域光に対し、互いに異なる周波数変調を施す変調工程と、
前記オブジェクトアームを経由する光と前記リファレンスアームを経由する光との干渉信号を単一チャンネルにて取得し、前記変調工程による変調周波数に基づいて各波長帯域に対応する光干渉信号にデジタル処理にて分離する分離工程と、
分離された光干渉信号の強度比に基づいて、その光干渉信号に内在する散乱と吸収の光特性を分離し、前記物質の含有量の断層分布を演算する演算工程と、
前記物質の含有量分布を断層可視化する表示工程と、
を備えることを特徴とする物質含有量可視化方法。
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