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SWEPT SOURCE OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPH AND PHASE STABILIZATION PROGRAM FOR THE SAME

Patent code P130009717
File No. S2012-0277-N0
Posted date Jul 30, 2013
Application number P2012-000313
Publication number P2013-140077A
Patent number P5900950
Date of filing Jan 5, 2012
Date of publication of application Jul 18, 2013
Date of registration Mar 18, 2016
Inventor
  • (In Japanese)安野 嘉晃
  • (In Japanese)伊藤 雅英
  • (In Japanese)洪 暎周
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人筑波大学
Title SWEPT SOURCE OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPH AND PHASE STABILIZATION PROGRAM FOR THE SAME
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize a phase of jitter between a wavelength scan of a light source in a swept source optical coherence tomograph (SS-OCT) and a timing to collect data as a spectrum interference signal with an optical detector without additionally using expensive and complicated hardware.
SOLUTION: On the basis of a spectrum interference signal which is obtained by overlapping reference light emitted from a swept-source light source 2 in the SS-OCT, split, and reflected by a fixed reference mirror 8, and object light reflected by an object of measurement 6 and which is detected by an optical detector 15, a computer 16 that creates a tomographic image is caused to function to roughly correct the tomographic image with first correction means, and further finely correct the tomographic image with second correction means so as to stabilize a phase of the SS-OCT.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

従来、医療分野等で用いられる非破壊断層計測技術の1つとして、時間的に低コヒーレンスな光をプローブ(探針)として用いる光断層画像化法「光コヒーレンストモグラフィー」(OCT)がある(特許文献1参照)。OCTは、光を計測プローブとして用いるため、被計測物体の屈折率分布、分光情報、偏光情報(複屈折率分布)等が計測できるという利点がある。

基本的なOCT43は、マイケルソン干渉計を基本としており、その原理を図3で説明する。光源44から射出された光は、コリメートレンズ45で平行化された後に、ビームスプリッター46により参照光と物体光に分割される。物体光は、物体アーム内の対物レンズ47によって被計測物体48に集光され、そこで散乱・反射された後に再び対物レンズ47、ビームスプリッター46に戻る。

一方、参照光は参照アーム内の対物レンズ49を通過した後に参照鏡50によって反射され、再び対物レンズ49を通してビームスプリッター46に戻る。このようにビームスプリッター46に戻った物体光と参照光は、物体光とともに集光レンズ51に入射し光検出器52(フォトダイオード等)に集光される。

OCTの光源44は、時間的に低コヒーレンスな光(異なった時刻に光源から出た光同士は極めて干渉しにくい光)の光源を利用する。時間的低コヒーレンス光を光源としたマイケルソン型の干渉計では、参照アームと物体アームの距離がほぼ等しいときにのみ干渉信号が現れる。この結果、参照アームと物体アームの光路長差(τ)を変化させながら、光検出器52で干渉信号の強度を計測すると、光路長差に対する干渉信号(インターフェログラム)が得られる。

そのインターフェログラムの形状が、被計測物体48の奥行き方向の反射率分布を示しており、1次元の軸方向走査により被計測物体48の奥行き方向の構造を得ることができる。このように、OCT43では、光路長走査により、被計測物体48の奥行き方向の構造を計測できる。

このような軸方向の走査のほかに、横方向の機械的走査を加え、2次元の走査を行うことで被計測物体の2次元断面画像が得られる。この横方向の走査を行う走査装置としては、被計測物体を直接移動させる構成、物体は固定したままで対物レンズをシフトさせる構成、被計測物体も対物レンズも固定したままで、対物レンズの瞳面付近においたガルバノミラーの角度を回転させる構成等が用いられている。

以上の基本的なOCTが発展したものとして、分光器を用いてスペクトル信号を得るスペクトルドメインOCT(SD-OCT)と、光源の波長を走査してスペクトル干渉信号を得る波長走査型OCT(Swept Source OCT、略して「SS-OCT」という。)がある。SD-OCTには、フーリエドメインOCT(Fourier Domain OCT、略して「FD-OCT」という。特許文献2参照)、及び偏光感受型OCT(Polarization-Sensitive OCT、略して「PS-OCT」という。特許文献3参照)がある。

FD-OCTは、被計測物体からの反射光の波長スペクトルを、スペクトロメーター(スペクトル分光器)で取得し、このスペクトル強度分布に対してフーリエ変換することで、実空間(OCT信号空間)上での信号を取り出すことを特徴とするものであり、このFD-OCTは、奥行き方向の走査を行う必要がなく、x軸方向の走査を行うことで被計測物体の断面構造を計測可能である。

SS-OCTは、高速波長スキャニングレーザーにより光源の波長を変え、スペクトル信号と同期取得された光源走査信号を用いて干渉信号を最配列し、信号処理を加えることで3次元光断層画像を得るものである。なお、光源の波長を変える手段として、モノクロメーターを利用したものでも、SS-OCTとして利用可能である。

ドップラー光コヒーレンストモグラフィー(ドップラーOCT)による、網膜の血流の分布の計測が知られている。これは、上記FD-OCT等を用いて、網膜の血流の分布が計測を行うことのできる手段であり、同様に、スペクトルドメインOCTを使うことによって、横断面網膜血流画像形成が得られ、また次元の網膜の脈管構造も観察することができる。

本発明者らは、従来よりドップラーOCTに着目し、生体内、特に眼底の血流を非侵襲で計測する手法の研究・開発を行って来た。従来本発明者らはSD-OCTを技術基盤上にドップラーOCTを実装し、眼底血流検査に成功してきたが、近年OCTの技術基板はSD-OCTから、次世代であるSS-OCTに移行しつつある。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、光源の波長を走査してスペクトル干渉信号を得る波長走査型光干渉断層計(Swept Source Optical Coherence Tomography、略して「SS-OCT」という。)及びその位相安定化プログラムに関し、特に、追加的なハードウェアを使用せず、一般的に用いられているSS-OCTと同じ構成のみにより位相を安定化させる技術に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
SS-OCTにおいて、波長走査型光源から出射されて分割され、固定参照鏡で反射された参照光と、被計測物体で反射された物体光とが重ねられて光検知器で検出されたスペクトル干渉信号に基づき、断層画像を生成するコンピュータを、スペクトル干渉信号の位相データを補正する補正手段として機能させるSS-OCTのスペクトル干渉信号の位相を安定化するプログラムであって、
前記補正手段は、隣接する2つのA-スキャンにおいて、基準となる第1のA-スキャンのスペクトル干渉信号S1(j)と、第2のA-スキャンのスペクトル干渉信号であってジッターによるスペクトルシフトβを受けたスペクトル干渉信号S’2(j)とから、下記の式に従い、スペクトルシフトβを求め、このスペクトルシフトβを消去することにより、スペクトル干渉信号の位相データの補正を行うことを特徴とするSS-OCTの位相を安定化するプログラム。

Angle[F[S’2(j)](ζ)F[S1(j)](ζ)]=-2πζβ/N
但し、jはスペクトルのサンプリング点、即ちA-スキャンにおける深さ方向(光軸方向)の座標であり、Nはサンプリング点数であり、ζは被計測物体の深さを示す変数でζ=0,1,・・・・N-1であり、F[ ]は[ ]内をフーリエ変換した式であり、Angle[]は[]内の位相を表す式であり、 は複素共約を示す。

【請求項2】
 
SS-OCTにおいて、波長走査型光源から出射されて分割され、固定参照鏡で反射された参照光と、被計測物体で反射された物体光とが重ねられて光検知器で検出されたスペクトル干渉信号に基づき、断層画像を生成するコンピュータを、スペクトル干渉信号の位相データを補正する第1の補正手段と第2の補正手段として順次機能させるSS-OCTのスペクトル干渉信号の位相を安定化するプログラムであって、
前記第1の補正手段は、隣接する2つのA-スキャンにおいて、基準となる第1のA-スキャンのスペクトル干渉信号S1(j)と、第2のA-スキャンのスペクトル干渉信号であってジッターによるスペクトルシフトβを受けたスペクトル干渉信号S’2(j)とから、下記の式(1)に従い、スペクトルシフトβを求め、このスペクトルシフトβを消去することにより、スペクトル干渉信号の位相データの補正を行い、
前記第2の補正手段は、前記2つのA-スキャンで得られたスペクトル干渉信号に係るドップラー位相シフトを示す下記の式(2)において、ドップラー信号vz(ζ)がない領域における、ζの切片bm=4πτvb/λC、傾きam=-2πβ’/Nの1次関数について、下記の式(3)に示す誤差エネルギーを最小とする傾きamと切片bmを求めることで、バルクモーション及びジッターによるスペクトルシフトβの残差β’を求めて、スペクトル干渉信号の位相データの補正を行うことを特徴とするSS-OCTの位相を安定化するプログラム。

Angle[F[S’2(j)](ζ)F[S1(j)](ζ)]=-2πζβ/N ・・・(1)
但し、jはスペクトルのサンプリング点、即ちA-スキャンにおける深さ方向(光軸方向)の座標であり、Nはサンプリング点数であり、ζは被計測物体の深さを示す変数でζ=0,1,・・・・N-1であり、F[ ]は[ ]内をフーリエ変換した式であり、Angle[]は[]内の位相を表す式であり、 は複素共約を示す。

Δφ(ζ)=(4πτ/λC)nvz(ζ)+(4πτ/λC)vb -2πζβ’/N
・・・(2)
但し、τは2つのA-スキャン間の時間、λC は光源の中心波長、nは屈折率、変数ζの関数vz(ζ)は光軸方向の速度、vbはバルクモーションの速度、β’はジッターによるスペクトルシフトの残差、Nはサンプリング点数、ζの関数vz(ζ)は光軸方向の速度、ζは被計測物体の深さを示す変数をそれぞれ示し、ζ=0,1,・・・・N-1である。

R22=ΣζWm(ζ)[Δφ(ζ)-(amζ+bm)]2 ・・・(3)
但し、m=0,1,2…… であり、ζは被計測物体の深さを示す変数であり、Wm(ζ)は重みである。

【請求項3】
 
波長走査型光源と、波長走査型光源から出射されて分割され、固定参照鏡で反射された参照光と、被計測物体で反射された物体光が重ねられたスペクトル干渉信号を検出する光検知器と、光検知器検出されたスペクトル干渉信号に基づき断層画像を生成するコンピュータと、を備えたSS-OCTであって、
前記コンピュータは、スペクトル干渉信号の位相データを補正してSS-OCTの位相を安定化する補正手段を備えており、
前記補正手段は、隣接する2つのA-スキャンにおいて、基準となる第1のA-スキャンのスペクトル干渉信号S1(j)と、第2のA-スキャンのスペクトル干渉信号であってジッターによるスペクトルシフトβを受けたスペクトル干渉信号S’2(j)とから、下記の式に従い、スペクトルシフトβを求め、このスペクトルシフトβを消去することにより、スペクトル干渉信号の位相データの補正を行うことを特徴とするSS-OCT。

Angle[F[S’2(j)](ζ)F[S1(j)](ζ)]=-2πζβ/N
但し、jはスペクトルのサンプリング点、即ちA-スキャンにおける深さ方向(光軸方向)の座標であり、Nはサンプリング点数であり、ζは被計測物体の深さを示す変数でζ=0,1,・・・・N-1であり、F[ ]は[ ]内をフーリエ変換した式であり、Angle[]は[]内の位相を表す式であり、 は複素共約を示す。

【請求項4】
 
波長走査型光源と、波長走査型光源から出射されて分割され、固定参照鏡で反射された参照光と、被計測物体で反射された物体光が重ねられたスペクトル干渉信号を検出する光検知器と、光検知器検出されたスペクトル干渉信号に基づき断層画像を生成するコンピュータと、を備えたSS-OCTであって、
前記コンピュータは、スペクトル干渉信号の位相データを順次補正してSS-OCTの位相を安定化する第1の補正手段と第2の補正手段を備えており、
前記第1の補正手段は、隣接する2つのA-スキャンにおいて、基準となる第1のA-スキャンのスペクトル干渉信号S1(j)と、第2のA-スキャンのスペクトル干渉信号であってジッターによるスペクトルシフトβを受けたスペクトル干渉信号S’2(j)とから、下記の式(1)に従い、スペクトルシフトβを求め、このスペクトルシフトβを消去することにより、スペクトル干渉信号の位相データの補正を行い、
前記第2の補正手段は、前記2つのA-スキャンで得られたスペクトル干渉信号に係るドップラー位相シフトを示す下記の式(2)において、ドップラー信号vz(ζ)がない領域における、ζの切片bm=4πτvb/λC、傾きam=-2πβ’/Nの1次関数について、下記の式(3)に示す誤差エネルギーを最小とする傾きamと切片bmを求めることで、バルクモーション及びジッターによるスペクトルシフトβの残差β’を求めて、スペクトル干渉信号の位相データの補正を行うことを特徴とするSS-OCT。

Angle[F[S’2(j)](ζ)F[S1(j)](ζ)]=-2πζβ/N ・・・(1)
但し、jはスペクトルのサンプリング点、即ちA-スキャンにおける深さ方向(光軸方向)の座標であり、Nはサンプリング点数であり、ζは被計測物体の深さを示す変数でζ=0,1,・・・・N-1であり、F[ ]は[ ]内をフーリエ変換した式であり、Angle[]は[]内の位相を表す式であり、 は複素共約を示す。

Δφ(ζ)=(4πτ/λC)nvz(ζ)+(4πτ/λC)vb -2πζβ’/N
・・・(2)
但し、τは2つのA-スキャン間の時間、λC は光源の中心波長、nは屈折率、変数ζの関数vz(ζ)は光軸方向の速度、vbはバルクモーションの速度、β’はジッターによるスペクトルシフトの残差、Nはサンプリング点数、ζの関数vz(ζ)は光軸方向の速度、ζは被計測物体の深さを示す変数をそれぞれ示し、ζ=0,1,・・・・N-1である。

R22=ΣζWm(ζ)[Δφ(ζ)-(amζ+bm)]2 ・・・(3)
但し、m=0,1,2…… であり、ζは被計測物体の深さを示す変数であり、Wm(ζ)は重みである。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2012000313thum.jpg
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