JP7252977B2 - 波長掃引式光干渉断層撮影システム用の収集装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の実施の形態における波長掃引式光干渉断層撮影システム用の収集装置に関する。

光干渉断層撮影（ＯＣＴ）は、非透過性の構造体中のサブミリメートルレベルの構造体及びマイクロメートルレベルの構造体の空間再構成を可能にする注目の画像処理技術である。この画像処理技術は、眼科学（おそらくは、最も発展した活用事例）、胃腸科学、心臓学、腹腔内手術画像を含む幾つかの生体臨床アプリケーションや非生体アプリケーションを含むその他の多くのアプリケーションで使用されている。

ＯＣＴは、集約的なデジタル信号処理技術であり、進歩的な光学システムと共に、特別なアーキテクチャと革新的なアルゴリズムとを有する強力な信号処理プラットフォームを必要とする。

ＯＣＴは、大抵は生物学的な特徴を呈する試料中の表面下の構造を分析するために低コヒーレンスの光源と組み合わせた、例えば従来のマイケルソン構造を成す光学干渉計を使用する。

初期のＯＣＴは、機械式の経路長のスキャニングに基づくものであった。時間領域のＯＣＴ又はＴＤ－ＯＣＴとして公知のシステムでは、干渉パターンが、干渉計の参照アームの、例えばマイケルソン型のミラーを直線状に移動させることによって取得される。その結果、当該参照経路長が、試料中の反射に起因する光路に一致するときに、干渉パターンが得られる。軸分解能が、光源のコヒーレンス長によって決定され、一般にマイクロメートルのオーダーである。

フーリエドメイン光コヒーレンストモグラフィ（ＦＤ－ＯＣＴ）では、試料から後方散乱された光が、一定の群遅延で参照光と合成される。当該試料中の異なる深さでの複数の反射が、干渉スペクトル中に振動を生成する。当該振動の周波数が、最初の反射の遅延又は光路に結合される。その結果、当該干渉スペクトルの逆フーリエ変換が、深さスキャン情報を提供する。

ＳＤ－ＯＣＴとしても知られるスペクトラルドメインＯＣＴは、短い時間的コヒーレンスを有する広帯域光源（多くの場合、高輝度発光ダイオード：ＳＬＥＤ）と、分光計、例えば回折格子を使用して干渉計の検出アームのスペクトル密度を測定することによる深さとを使用する。多くの場合、スペクトログラムが、ライン光検出器によって収集され、試料の深さ分解構造が、当該スペクトログラムに対するフーリエ変換によって取得され得る。

波長掃引型光干渉断層撮影又はＳＳ－ＯＣＴとして知られる別の最近の方式では、周波数掃引光源が、広帯域光源の代わりに使用される。当該手段では、信号のスペクトル成分が、時間分解され、干渉計の検出アームが、分光計ではなくて、寸法、速度、性能及びコストにおいて著しく有利な信号検出器と高速アナログ／デジタル変換器とを備える。

一般に、ＯＣＴ用の掃引光源は、高速スキャンを可能にするように特別に設計されているチューナブルなレーザである。現在のＳＳ－ＯＣＴの光源は、１００ｋＨｚの反復率と共に１００ｎｍの波長の掃引レンジと、１００ｐｍの瞬時線幅とを達成している。掃引サイクルは、試料の軸プロファイルに関する情報を提供するので、当該掃引サイクルは、一般に「Ａスキャン」と表記される。その一方で、用語「Ｂスキャン」及び「Ｃスキャン」は、試料の分層中の光学密度及び体積を取得するための、試料に対する光ビームの移動を示す。

ＳＳ－ＯＣＴシステムでは、試料中の軸プロファイルが、干渉計の検出アームで検出された信号のスペクトル密度によって取得される。当該スペクトル密度は、デジタル化された信号に対するデジタルフーリエ変換演算処理によって容易に取得され得る。サンプリングされた複数の地点が、光波数ｋ空間内で直線状に離間されている。ほとんどの光源は、一時的な波数ｋが時間の線形関数である掃引を作り出すことができず、ハードウェア及びソフトウェアによる様々な解決策が、この欠点に対処するために考案されている。多くの場合、当該解決策は、光源の光波数（又は等価な光周波数）と一緒に変化するｋクロックと表記される参照信号の生成を含む。Ａクロック信号は、干渉計（例えば、マッハチェンダ干渉計）と光検出器とによって、又はその他の公知の技術によって取得されてもよい。

ＯＣＴ信号（ＯＣＴアナログ信号）が、ｋクロックの振動と同期してサンプリングされるように、アナログ／デジタル変換器をクロック動作させるために高周波のｋクロック信号（ｋクロックアナログ信号）を使用することが知られている。その結果、当該ＯＣＴ信号のサンプリングが、ｋ空間内で均一に離間されることが保証される。しかしながら、当該ｋクロック信号が、ＯＣＴ信号中の対象となる最も高い周波数成分の２倍の周波数成分である時間周波数を有することが、この技術の欠点である。

その他の知られたシステムは、ｋクロックとＯＣＴ信号との双方を時間的に均一にサンプリングし、したがってｋ空間内では不均一にサンプリングし、次いで当該ｋクロック中に含まれた位相情報を使用して、適切なデジタル処理装置による当該不均一にサンプリングされたＯＣＴ信号に基づいて深さプロファイルを計算する。多くの場合、この演算処理は、当該ｋクロック信号の位相変化を抽出することと、ＯＣＴ信号を当該ｋ空間内の等間隔に離間した位置でデジタル式にリサンプリングすることとを含む。特に、当該システムが、リアルタイムで動作する場合、当該システムは、高速のｋクロックを必要としないが、数値計算により特化し、当該ｋクロック信号用の追加の取得チャネルを必要とする。

幾つかの使用事例では、１つよりも多いＯＣＴ信号の同時の取得及び処理が要求されるか又は有益である。この状況は、特に、光の２つの偏光成分を検出し処理する偏光を感知する装置と、マルチビーム装置とで発生する。

ＯＣＴ信号が時間的に均一にサンプリングされるＳＳ－ＯＣＴシステムによる別の問題点は、サンプリング時間を光源の掃引の開始に対して特定することに関連する。当該掃引の開始は、一般にＡスキャントリガー信号によって印付けされる。当該Ａスキャントリガー信号は、記憶されるべきＯＣＴ信号の対象となる範囲に印付けするために使用される。一般に、当該Ａトリガーの正確な特定の時点は、１つの周期、例えば１ｎｓの概算値で知得される。当該概算値は、誤差の無視できない要因である。

特開２０１５－１９８７５７号 米国特許出願公開第２０１５０１０９６２１号明細書 米国特許出願公開第２０１６００２５４７８号明細書 米国特許出願公開第２０１７０２４１７６３号明細書 米国特許出願公開第２０１７０３０７３５３号明細書

本発明の課題は、光干渉断層（ＯＣＴ）撮影装置用の改良されたタイミング特性を有する収集装置を提供することにある。

本発明によれば、当該課題は、添付された特許請求の範囲の対象によって解決される。

本発明は、図面によって例示され且つ図示された実施の形態の説明によってより良好に理解される。

本発明の実施の形態による波長掃引型光干渉断層撮影（ＳＳ－ＯＣＴ）システムを概略的に示す。 本発明の装置の動作時の入力波形のスペクトルを示す。 本発明によるデータ処理システムを示すブロック図である。 光干渉断層撮影（ＯＣＴ）信号を生成する処理を示す。 トリガー発生器

図１は、本発明によるＳＳ－ＯＣＴシステムの構成を概略的に示す。光源３０は、干渉計５０に光学接続された帯域波長掃引光源である。当該分野で知られているように、干渉計５０は、試料から後方散乱された光を解析するために使用され、２つ以上の電気ＯＣＴ信号ＯＣＴ１，ＯＣＴ２及びｋクロック信号を生成する。当該サンプリング信号は、当該分野で知られているように、制御装置４０の監視下で、光学素子４４によって集光され、制御されるミラー４３によって偏向される。

ＯＣＴ信号ＯＣＴ１，ＯＣＴ２及びｋクロック信号は、特にＯＣＴ信号をデジタル化し処理するために適合された収集装置２４に送信される。好ましくは、図示されているように、収集装置２４は、光学制御装置８０と同様に同じホストシステム２０内に含まれているが、当該構成は、本発明の本質的特徴ではない。当該ホストシステムは、パーソナルコンピュータ、産業用ＰＣ又はデジタル処理可能なその他のあらゆる装置でもよい。好ましくは、収集装置２４は、収集カード２４とホスト２８との間の通信を保証する通信バスと互換性があるインターフェースを備えるモジュールカードである。ＰＸＩ、ＰＣＩ ｅｘｐｒｅｓｓ、ＵＳＢ、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔ（商標）又はその他のあらゆる適切な接続を含む、適切なあらゆるインターフェースが、本発明の範囲内で採用されてもよい。

当該システムは、好ましくは同じ収集装置２４内に、デジタル化装置６０及びデータ処理装置７０を有する。データ処理装置７０は、特別にプログラミングされたＦＰＧＡ、プログラミング可能な信号プロセッサ又は適切なあらゆる演算手段によって実現されてもよい。処理装置７０の目的は、スペクトログラム、Ａスキャンプロファイル画像又は等価情報をアプリケーション８０に提供することである。次いで、この情報は、視覚化装置９０上に表示され得るか、さらなる解析のために記憶され得るか、（図示されなかった）別の処理装置に送信され得るか、又はその他のあらゆるものに対して使用される。

好ましくは、当該収集装置は、トリガー時間補間モジュール１７５も有する。このトリガー時間補間モジュール１７５の機能は、後で説明するように、測定の安定性及び再現性を向上させ、デジタル化された参照時間情報に関連するデジタル信号処理の離散的性質を補うことである。

既に説明したように、ｋクロックは、検査対象の試料１０の光学特性に関係ないが、ＯＣＴ光源３０によって放射された光の一時的な波数に固有に関係する。さらに重要なことは、ＯＣＴ信号ＯＣＴ１，ＯＣＴ２とｋクロック信号とは、全く異なるスペクトル特徴を有し、ＯＣＴ１，ＯＣＴ２信号は、参照アーム（図１）の長さを変更することによって望ましい周波数帯域にシフトされ得る点である。ｋクロックスペクトルが、望ましい周波数帯域に限定されるように、ｋクロック信号を生成する光学装置（例えば、マッハチェンダ干渉計）が選択又は構成されてもよい。本発明の実施の形態によれば、図２に示されているように、ｋクロック信号のスペクトルが、当該ＯＣＴ信号のスペクトルと大きく重複しないように、これらのパラメータは選択される。

図２は、ＯＣＴ信号２２０よりも低い周波数帯域内のｋクロック信号２１０を示す。しかしながら、本発明は、ｋクロック信号が当該ＯＣＴ信号の周波数よりも上の周波数帯域内にある場合も想定している。

代わりに又は加えて、ｋクロック信号の周波数とＯＣＴ信号の周波数とが、大きく重複する場合、性能の著しい損失なしに、これらの周波数が重複しないように、これらの信号がフィルタリングされ得る。

図３は、本発明による収集カード２４の可能な実施の形態を示す。この収集カードは、上記と同様の３つのアナログ信号である干渉計５０内の対応する光学検出器からのＯＣＴ信号ＯＣＴ１，ＯＣＴ２とｋクロック信号とを受信する。

第１ＯＣＴ信号ＯＣＴ１は、アナログ／デジタル変換器６７ａの入力部に供給される。一般に、アンチエイリアシングフィルタが、当該ＡＤＣの前に挿入されるが、このＡＤＣは、図面には示されていない。このＡ／Ｄ変換器６７ａは、デジタルＯＣＴ１信号６８を生成する。このデジタルＯＣＴ１信号６８は、予め設定されたサンプリング速度とビット分解能とバッファ深さとでＯＣＴ１信号をデジタル式に示すものである。幾つかの実施の形態では、デジタル信号６８は、１Ｇサンプル／秒又は２Ｇサンプル／秒のサンプリング速度を有してもよく、それぞれのサンプルは、１２ビットワード又は１４ビットワードと、２０４８～８１９２のサンプル深さ値とから成る。しかしながら、これらの値は限定されていない。

一方で、第２ＯＣＴ信号ＯＣＴ２とｋクロックとは、一緒に加算され、第２アナログ／デジタル変換器６７ｂに供給される。好ましくは、低域通過フィルタ１２０及び／又は高域通過フィルタ１２５は、ｋクロック信号のスペクトルとＯＣＴ２のスペクトルとが重複しないことを保証する。図示された例は、低域通過フィルタ１２０をｋクロックの入力部に有し、高域通過フィルタ１２５をＯＣＴ２の入力部に有するが、ｋクロック信号が、ＯＣＴ信号の上にシフトされているならば、これらのフィルタは、反対の種類のフィルタである。ｋクロック信号のスペクトルとＯＣＴ信号のスペクトルとが重複しないように、当該ｋクロック信号と当該ＯＣＴ信号とが、本質的に周波数制限されているならば、フィルタ１２０及び１２５は、場合によっては省略されてもよい。

アナログ加算器（加算ノード）１３０が、ミキサーとして使用される５０Ωのパッシブスプリッタ又はその他の適切な装置によって実現され得る。第２Ａ／Ｄ変換器６７ｂは、ＯＣＴ２＋ｋクロックをデジタル式に示すものであるデジタル信号６９を生成する。好ましくは、デジタル合成信号６９のサンプリング速度、ビット分解能及びバッファ深さは、第１デジタル信号６８のサンプリング速度、ビット分解能及びバッファ深さと同じであり、この合成信号６９の複数のサンプルが、この第１信号６８の複数のサンプルと同期する。

Ａトリガーが、光源３０の波長掃引サイクルの開始を信号で知らせ、デジタル信号６８，６９をこれらのデジタル信号６８，６９のそれぞれのデータバッファ内に配置するために使用される。当該Ａトリガーは、トリガー時間補間モジュール１７５を介してデータ処理装置７０に入手させることもできる。

Ａトリガーは、スキャンされる光源３０によって生成されてもよく、又は好ましくは、光源３０によって生成された光が、予め設定された波長を掃引領域内で何時有するかを検出するために配置された光学検出器によって生成されてもよい。このような検出器は、図５に示されているように、ファイバブラッググレーティング１１５と、サーキュレータ１１０と、当該グレーティングから反射された放射線を感知する光センサとを有してもよい。

データ処理装置７０は、ｋクロック信号をデジタル合成信号６９から抽出するために配置された信号抽出フィルタ１５０と、場合によっては、ＯＣＴ２信号を合成信号６９から抽出するために配置された第２フィルタ１５５と、ｋクロック処理装置７７と、試料１０の１つ又は複数のプロファイル画像を作成するために配置されているリサンプリング／スペクトル処理装置７８とから構成されてもよい。これらの構成要素は、ここでは理解をし易くするために別々に示されているが、これらの構成要素の機能は、公知であり、実施の形態によっては情報源を共有してもよい。もっとも、これらの構成要素は、部分的に又は完全にソフトウェアによって規定され得て、独立した物理的な回路によって実現される必要はない。好適な実施の形態では、当該データ処理装置は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を有する。

当該図示された例では、ｋクロック信号の周波数領域が、ＯＣＴ信号の周波数領域のしたにあるので、信号抽出フィルタ１５０は、低域通過フィルタであり、第２フィルタ１５５は、高域通過フィルタである。

次いで、データ処理装置７０のフローチャートを、図３及び４を参照して説明する。ｋクロック信号を処理するブロック７７では、当該ｋクロック信号が、デジタル合成信号６９から抽出される（ステップ１８０）。１８５で示されたステップは、ｋ空間の較正から成る。当該ｋ空間は、デジタル信号６８，６９のサンプルインデックスと光源３０からの光のその時の波数との間の対応関係を規定するか、又はデジタルｋクロック信号に基づいて、デジタルＯＣＴ信号のサンプリング時間に対応する波数の値を規定する。

波数ｋを再構成するための可能なアルゴリズムが、例えば、ｋクロック信号のヒルベルト変換を計算すること、当該ｋクロック信号の位相に対応する当該ｋクロック信号の複素数の偏角を選択すること、及び不連続性を除去するために当該偏角をアンラップすることから成る。当該アンラップされた位相は、波数に比例し、適切な較正を適用することによって当該波数に変換され得る。当該波数ｋの再構成は、それぞれのＡスキャンに対してリアルタイムで実行され得るか、又は幾つかのＡスキャンの組み合わされた処理から実行され得る。

Ａスキャントリガーのタイミング情報は、当該トリガーが取得バッファ内の既定の位置でかかるように、Ａ／Ｄ変換器６６，６７（矢印６３）を起動させるために使用される。冒頭で言及したように、このことは、１つのサンプリング周期（例えば、１ｎｓ）の不確実性を正確なトリガー位置に残す。トリガー時間補間装置１７５が、当該Ａ／Ｄ変換器のサンプリングクロックと当該Ａスキャントリガー信号のリーディングエッジとの間の時間オフセットを測定する高速時間デジタル変換器（ＴＤＣ）を有する。一般に、当該トリガー時間補間装置は、当該トリガーのその時の位置を、当該サンプリング周期よりも遥かに小さい、例えば１０分の１未満の不確実性で、又は１００ｐｓ未満の不確実性で特定できる。

当該トリガー時間補間装置は、当該Ａ／Ｄ変換器のサンプリングクロックに対する当該トリガーの一時的な位置に基づいて、ｋ空間較正ステップ１８５に計算された波数の値を補正する（矢印６５）。当該補正は、以下の任意の補正又はその他の補正を含んでもよい：
・当該トリガーの位置によって与えられた大きさだけｋクロック較正を時間シフトさせること。
・当該トリガーの位置に基づいて（場合によっては一定でない）位相シフトを計算すること。
・その他の任意の適切な補正。

本発明では、このような補正が、発生するＯＣＴ像の位相安定性を著しく向上させることが発見された。当該位相安定性は、偏光感受型のアプリケーションにとって特に重要である。

好適な実施の形態では、その時に均一に離間した地点でＡ／Ｄ変換器によってサンプリングされるデジタル信号６８，６９が、波数ｋ空間における等間隔に離間した複数の地点でリサンプリングされる（ステップ１９０）。次いで、発生するベクトルが、ホストシステムによって選択されたウィンドウ関数に基づいてウィンドウ処理されてもよい（ステップ２００）。デジタルフーリエ変換が適用される（ステップ２１０）。発生するスペクトルの振幅と好ましくは位相とが検出される（ステップ２２０）。好ましくは、データ処理装置が、バックグラウンド除去（ステップ２３０）及び平均化（ステップ２３３）も実行する。

可能なバリエーションでは、デジタル信号ＯＣＴ１及びＯＣＴ２が、ｋ空間における不均一サンプリングとして取り扱われ、ｋ空間において等間隔にリサンプリングされ、次いで離散フーリエ変換されるのではなくて、適切な不均一離散フーリエ変換演算器によって処理される。

いずれにしても、装置７８が、スペクトル選択を実行するので、ｋクロック２１０の寄与が、対象となる深さ範囲において無視できることを考慮すると、入力高域通過フィルタ１５５は、場合によっては省略されてもよい。しかしながら、ｋ空間内ではなくて時間サンプリングされるデータ上で動作するプレフィルタ１５５が有益であるかもしれない。

当該処理されたデータは、記憶装置２３５内に記憶される。ホストシステムが、カードデータインターフェース、例えばＰＣＬｅバスを介してこの記憶装置から当該処理されたデータを収集する（ステップ２４０）。好適な実施の形態では、当該リサンプリングされたＯＣＴ信号及び／又は未処理のＯＣＴ信号（矢印２３２）が、複素離散フーリエ変換出力（矢印２３４）と同様に記憶装置内でアドレス指定可能であり、要求に応じて当該ホストシステムにアップロードされ得る。

本発明をデュアルチャネルＯＣＴの重要な使用の場合について説明したが、必ずしもこれに限定されない。実際には、多くの場合、本発明は、ＯＣＴ信号とｋクロック信号とが結合されている合成信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器を有するシングルチャネルＯＣＴシステムに適用され得る。また、本発明は、任意のＮ個の数のＯＣＴチャネルとＮ個のＡ／Ｄ変換器とを有するシステムを含む。当該システムでは、少なくとも１つの変換器が、ＯＣＴ信号とｋクロック信号とを結合している合成信号を離散周波数帯域内でデジタル化する。

１０ 試料
２４ 収集カード、収集装置
２８ ホストシステム、ＰＣ
３０ 光源
４０ 光学制御装置
４３ ガルバノミラー
４４ 光学素子
５０ 干渉計／検出器／サーキュレータ
５３ 参照アーム
６０ デジタル化装置
６３ Ａ／Ｄ開始
６５ トリガー時間補正
６６ Ａ／Ｄ変換器
６７ Ａ／Ｄ変換器
６８ デジタルＯＣＴ１信号（デジタルＯＣＴ信号）
６９ デジタル合成信号
７０ データ処理装置
７７ ｋクロック処理
７８ スペクトル処理装置
８０ アプリケーションロジック
９０ ディスプレイ
１１０ サーキュレータ
１１５ ファイバブラッググレーティング
１２０ 低域通過フィルタ
１２５ 高域通過フィルタ
１３０ アナログ加算器（加算ノード）
１５０ デジタル低域通過フィルタ
１５５ デジタル高域通過フィルタ
１６１ ＯＣＴ１信号（ＯＣＴアナログ信号）
１６４ ＯＣＴ２（ＯＣＴアナログ信号）＋ｋクロック信号（ｋクロックアナログ信号）
１６８ Ａスキャントリガー
１７５ トリガー時間補間
１８０ クロック抽出
１８５ ｋ空間の線形化及び較正
１９０ リサンプル
１９８ ウィンドウ処理
２００ ホストからのパラメータ
２１０ 離散フーリエ変換
２２０ 振幅／位相計算
２３０ バックグラウンド除去
２３３ 平均化
２３５ 記憶装置
２４０ ホストへ

Claims (4)

1. 波長掃引式光干渉断層撮影システム用の収集装置において、
   前記収集装置は、
   ＯＣＴアナログ信号を受信するように構成された入力部と、
   ｋクロックアナログ信号を受信するように構成された制御入力部と、
   合成アナログ信号を出力するように構成された、前記ＯＣＴアナログ信号と前記ｋクロックアナログ信号とを受信するアナログ加算器と、
   前記合成アナログ信号をデジタル合成信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、
   前記デジタル合成信号に基づいて前記ＯＣＴアナログ信号から生成された試料の断層プロファイルを特定するデータ処理装置と、を有し、
   前記ｋクロックアナログ信号のスペクトルが、前記ＯＣＴアナログ信号のスペクトルと大きく重複しない、又は、前記ｋクロックアナログ信号のスペクトルと前記ＯＣＴアナログ信号のスペクトルとが重複しないように、前記ｋクロックアナログ信号及び／又は前記ＯＣＴアナログ信号とが、低域通過フィルタ及び／又は高域通過フィルタによってフィルタリングされ、
   前記データ処理装置は、前記デジタル合成信号に対する前記ＯＣＴアナログ信号の成分を示す前記デジタルＯＣＴ信号と、前記デジタル合成信号に対する前記ｋクロックアナログ信号の成分を示すデジタルｋクロック信号とをこのデジタル合成信号から抽出する１つ以上のデジタルフィルタを有し、
   前記データ処理装置は、前記デジタルｋクロック信号に基づいて前記デジタルＯＣＴ信号のサンプリング時間に相当する波数の値を特定する当該収集装置。
2. 掃引光源のスキャンを起動させるトリガー信号を受信するためのトリガー入力部を有する前記収集装置であって、
   前記Ａ／Ｄ変換器は、前記デジタル合成信号を、Ａ／Ｄクロックと同期するサンプリングベクトルとして生成し、トリガーが、前記サンプリングベクトルの既定の位置でかかり、
   前記収集装置は、前記Ａ／Ｄクロックに対する前記トリガー信号のその時の位置を特定し、そして当該位置に基づいて前記デジタルＯＣＴ信号のサンプリング時間に相当する前記波数の値を補正するトリガー時間補間装置を有する請求項１に記載の収集装置。
3. 前記データ処理装置は、リサンプリングされたデジタルＯＣＴ信号を計算し、当該デジタルＯＣＴ信号は、均一に離間した波数に対してサンプリングされる請求項１に記載の収集装置。
4. 追加の少なくとも１つのＯＣＴアナログ信号を取得するための追加の少なくとも１つの入力部を有する請求項１に記載の収集装置。

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