Top > Search of Japanese Patents > JONES MATRIX OCT SYSTEM AND PROGRAM FOR PERFORMING IMAGE PROCESSING OF MEASUREMENT DATA OBTAINED BY THE OCT

JONES MATRIX OCT SYSTEM AND PROGRAM FOR PERFORMING IMAGE PROCESSING OF MEASUREMENT DATA OBTAINED BY THE OCT

Patent code P150011457
File No. S2013-1022-N0
Posted date Feb 27, 2015
Application number P2013-110009
Publication number P2014-228473A
Patent number P6346410
Date of filing May 24, 2013
Date of publication of application Dec 8, 2014
Date of registration Jun 1, 2018
Inventor
  • (In Japanese)安野 嘉晃
  • (In Japanese)朱 明珍
  • (In Japanese)伊藤 雅英
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人筑波大学
Title JONES MATRIX OCT SYSTEM AND PROGRAM FOR PERFORMING IMAGE PROCESSING OF MEASUREMENT DATA OBTAINED BY THE OCT
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a Jones matrix OCT which is improved in image stability, image quality, and an image depth area.
SOLUTION: Light from a wavelength scan type light source 6 is divided into two light paths, one light path is provided with a reference arm 12, the other light path is provided with a probe arm 13 for irradiating light to a measurement object so as to make the light reflected and generating object light, the probe arm 13 is provided with a polarization delay unit 21 for performing linear polarization to perform division between an S wave component and a P wave component, and overlapping the S wave component and the P wave component through light paths having mutually different light path lengths, and photodetectors 68, 70 detect spectral interference light respectively corresponding to the S wave component and the P wave component and being different in a depth direction of the measurement object about spectral interference light corresponding to a vertical polarization component and a horizontal polarization component, and acquire four spectral interference signals.
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。

そして、OCTは、およそ2~15μmの分解能で生体の断面構造及び三次元構造を、非侵襲、高コントラストで画像を可視化できるので、眼科学、皮膚病学、歯科学、胃腸学及び心臓病学等の分野に広く利用されている。

基本的なOCT93は、マイケルソン干渉計を基本としており、その原理を図5で説明する。光源94から射出された光は、コリメートレンズ95で平行化された後に、ビームスプリッタ96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97によって被計測物体98に集光され、そこで散乱・反射された後に再び対物レンズ97、ビームスプリッタ96に戻る。

一方、参照光は参照アーム内の対物レンズ99を通過した後に参照鏡100によって反射され、再び対物レンズ99を通してビームスプリッタ96に戻る。このようにビームスプリッタ96に戻った物体光と参照光は、物体光とともに集光レンズ101に入射し光検出器102(フォトダイオード等)に集光される。

OCTの光源94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102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98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98の奥行き方向の構造を得ることができる。このように、OCT93では、光路長走査により、被計測物体98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次元断層画像が得られる。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層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。

PS-OCTは、フーリエドメインOCTと同様に、被計測物体からの反射光の波長スペクトルをスペクトル分光器で取得するものであるが、試料(被検物体)のもつ偏光情報を捉え、試料のより微細な構造および屈折率の異方性を計測可能とする光コヒーレンストモグラフィー装置である(特許文献3参照)。

さらに詳しくは、PS-OCTは、たとえば、B-スキャンと同時に直線偏光したビームの偏光状態を連続変調するもので、入射光及び参照光をそれぞれ1/2波長板、1/4波長板等を通して水平直線偏光、垂直直線偏光、45°直線偏光、円偏光として、被計測物体からの反射光と参照光を重ねて1/2波長板、1/4波長板等を通して、たとえば水平偏光成分だけをスペクトル分光器に入射させて干渉させ、物体光の特定偏光状態をもつ成分だけを取り出してフーリエ変換するものである。このPS-OCTも、奥行き方向の走査を行う必要がない。

生体内、特に眼底の血流(網膜の血流)を非侵襲で計測し眼科診療に適しており、さらに癌や脳内の画像化の手段に適しているOCTとして、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)が知られている(特許文献4参照)。

ドップラーOCTは、上記FD-OCT等を用いて、血流等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。

また、OCTの一態様として、ジョーンズマトリックスを利用したOCT(ジョーンズマトリックスOCT)が知られている(特許文献5参照)。特に、ファイバーを使用し、ドップラー及び偏光画像を形成するOCTが知られている(非特許文献1)。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、光干渉計測技術に分野であって、光コヒーレンストモグラフィー(Optical Coherence Tomography、略して「OCT」という)画像に対する画像処理の技術に関し、特に、ジョーンズマトリックスを利用したジョーンズマトリックスOCTシステム、及び該OCTで得られた計測データを画像処理するプログラムに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
波長走査型光源と、波長走査型光源の光を2つの光路へ分割するカップラと、前記2つの光路の一方に設けられ、分割された一方の光を参照鏡で反射して参照光を生成する参照アームと、前記2つの光路の他方に設けられ、分割された他方の光を計測対象物に照射し反射させて物体光を生成するプローブアームと、参照光と物体光を重ねてスペクトル干渉光を生成し、該スペクトル干渉光を光検出器で検出する偏光分離検出ユニットと、偏光分離検出ユニットで検出されたスペクトル干渉光に基づき計測対象物の断層画像を生成するコンピュータと、を備えたジョーンズマトリックスOCTシステムであって、
プローブアームは、前記他方の光を直線偏光してからS波成分とP波成分に分割して、S波成分とP波成分を互いに光路長の異なる光路を通して重畳する偏光遅延ユニットを設けており、
偏光分離検出ユニットは、光検出器によって、前記スペクトル干渉光における、垂直偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なる2つのスペクトル干渉光を検出し、該垂直偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送るとともに、水平偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なるスペクトル干渉光を検出し、該水平偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送り、
コンピュータは、前記コンピュータに送られた4つのスペクトル干渉信号から、計測対象物の深さz方向に異なる断層画像を生成する機能を有し、4つのスペクトル干渉信号のマトリクスから、式(数35)で表されるθ1~θ3を用いることでコヒーレント結合Eout(z)を式(数34)のとおり求め、式(数34)からさらに、式(数36)に示すB-スキャンのデータを得ることで、より解像度の高い断層画像を生成する構成であり、
コンピュータは、j番目のB-スキャンにおけるA-ラインと、j+1番目のB-スキャンにおけるA-ラインとの間の、式(数37)のドップラーシフトΔφ(z,jを用いてドップラー像を式(数38)で算出して表示する機能を有し、同一点を複数(m)回のB-スキャンで計測することにより、式(数39)に示すドップラーシフトΔφ(z,jを得る構成であることを特徴とするジョーンズマトリックスOCTシステム。
【数34】
 
(省略)
なお、E(1)outA(z)は、水平偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outA(z)は、水平偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(1)outB(z)は、垂直偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outB(z)は、垂直偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号である。
【数35】
 
(省略)
【数36】
 
(省略)
【数37】
 
(省略)
【数38】
 
(省略)
【数39】
 
(省略)
ここで、m0はスタートのB-スキャンのパラメータであり、W(z,j)は強度マスクで、次の式(数40)で定義され、ε2はOCT像のノイズフロア(最低雑音)である。
【数40】
 
(省略)

【請求項2】
 
波長走査型光源と、波長走査型光源の光を2つの光路へ分割するカップラと、前記2つの光路の一方に設けられ、分割された一方の光を参照鏡で反射して参照光を生成する参照アームと、前記2つの光路の他方に設けられ、分割された他方の光を計測対象物に照射し反射させて物体光を生成するプローブアームと、参照光と物体光を重ねてスペクトル干渉光を生成し、該スペクトル干渉光を光検出器で検出する偏光分離検出ユニットと、偏光分離検出ユニットで検出されたスペクトル干渉光に基づき計測対象物の断層画像を生成するコンピュータと、を備えたジョーンズマトリックスOCTシステムであって、
プローブアームは、前記他方の光を直線偏光してからS波成分とP波成分に分割して、S波成分とP波成分を互いに光路長の異なる光路を通して重畳する偏光遅延ユニットを設けており、
偏光分離検出ユニットは、光検出器によって、前記スペクトル干渉光における、垂直偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なる2つのスペクトル干渉光を検出し、該垂直偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送るとともに、水平偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なるスペクトル干渉光を検出し、該水平偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送り、
コンピュータは、前記コンピュータに送られた4つのスペクトル干渉信号から、計測対象物の深さz方向に異なる断層画像を生成する機能を有し、4つのスペクトル干渉信号のマトリクスから、式(数35)で表されるθ1~θ3を用いることでコヒーレント結合Eout(z)を式(数34)のとおり求め、式(数34)からさらに、式(数36)に示すB-スキャンのデータを得ることで、より解像度の高い断層画像を生成する構成であり、
コンピュータは、計測対象物からの散乱反射光による散乱OCT像(強度OCT像)を、式(数41)として得る機能を有し、さらに計測対象物のバルクオフセットψb(j)を含むm0回目からm0+m-1回目までのB-スキャンデータから式(数42)る構成であることを特徴とするジョーンズマトリックスOCTシステム。
【数34】
 
(省略)
ここで、E(1)outA(z)は、水平偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outA(z)は、水平偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(1)outB(z)は、垂直偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outB(z)は、垂直偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号である。
【数35】
 
(省略)
【数36】
 
(省略)
【数41】
 
(省略)
【数42】
 
(省略)

【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た光を2つの光路へ分割するカップラと、2つの分岐光路の一方に設けられ、分割された一方の光を参照鏡で反射して参照光を生成する参照アームと、2つの分岐光路の他方に設けられ、分割された他方の光を計測対象物に照射し反射させて物体光を生成するプローブアームと、参照光と物体光を重ねてスペクトル干渉光を生成し、該スペクトル干渉光を光検出器で検出する偏光分離検出ユニットと、コンピュータと、を備えたジョーンズマトリックスOCTシステムにおける前記コンピュータに搭載され、光検出器で検出したスペクトル干渉光に基づき計測対象物の断層画像を生成するプログラムであって、
プローブアームは、前記他方の光を直線偏光してからS波成分とP波成分に分割して、S波成分とP波成分を互いに光路長の異なる光路を通して重畳する偏光遅延ユニットを設けており、
偏光分離検出ユニットは、光検出器によって、前記スペクトル干渉光における、垂直偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なる2つのスペクトル干渉光を検出し、該垂直偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送るとともに、水平偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なるスペクトル干渉光を検出し、該水平偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送り、
前記プログラムは、コンピュータを、該コンピュータに送られた4つのスペクトル干渉信号から、計測対象物の深さz方向に異なる断層画像を生成する機能を有し、4つのスペクトル干渉信号のマトリクスから、式(数35)で表されるθ1~θ3を用いることでコヒーレント結合Eout(z)を式(数34)のとおり求め、式(数34)からさらに、式(数45)に示すB-スキャンのデータを得ることで、より解像度の高い断層画像を生成する画像処理手段として機能させ、
コンピュータを、j番目のB-スキャンにおけるA-ラインと、j+1番目のB-スキャンにおけるA-ラインとの間の、式(数46)のドップラーシフトΔφ(z,jを用いてドップラー像を式(数47)で算出して表示する機能を有し、同一点を複数(m)回のB-スキャンで計測することにより、式(数48)に示すドップラーシフトΔφ(z,jを得る画像処理手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【数43】
 
(省略)
ここで、E(1)outA(z)は、水平偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outA(z)は、水平偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(1)outB(z)は、垂直偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outB(z)は、垂直偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号である。
【数44】
 
(省略)
【数45】
 
(省略)
【数46】
 
(省略)
【数47】
 
(省略)
【数48】
 
(省略)
ここで、m0はスタートのB-スキャンのパラメータであり、W(z,j)は強度マスクで、次の式(数49)で定義され、ε2はOCT像のノイズフロア(最低雑音)である。
【数49】
 
(省略)

【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た光を2つの光路へ分割するカップラと、2つの分岐光路の一方に設けられ、分割された一方の光を参照鏡で反射して参照光を生成する参照アームと、2つの分岐光路の他方に設けられ、分割された他方の光を計測対象物に照射し反射させて物体光を生成するプローブアームと、参照光と物体光を重ねてスペクトル干渉光を生成し、該スペクトル干渉光を光検出器で検出する偏光分離検出ユニットと、コンピュータと、を備えたジョーンズマトリックスOCTシステムにおける前記コンピュータに搭載され、光検出器で検出したスペクトル干渉光に基づき計測対象物の断層画像を生成するプログラムであって、
プローブアームは、前記他方の光を直線偏光してからS波成分とP波成分に分割して、S波成分とP波成分を互いに光路長の異なる光路を通して重畳する偏光遅延ユニットを設けており、
偏光分離検出ユニットは、光検出器によって、前記スペクトル干渉光における、垂直偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なる2つのスペクトル干渉光を検出し、該垂直偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送るとともに、水平偏光成分のS波成分とP波成分にそれぞれ対応し、計測対象物の深さ方向に異なるスペクトル干渉光を検出し、該水平偏光成分に係る2つのスペクトル干渉光を2つのスペクトル干渉信号としてコンピュータに送り、
前記プログラムは、コンピュータを、該コンピュータに送られた4つのスペクトル干渉信号から、計測対象物の深さz方向に異なる断層画像を生成する機能を有し、4つのスペクトル干渉信号のマトリクスから、式(数44)で表されるθ1~θ3を用いることでコヒーレント結合Eout(z)を式(数43)のとおり求め、式(数43)からさらに、式(数45)に示すB-スキャンのデータを得ることで、より解像度の高い断層画像を生成する画像処理手段として機能させ、
コンピュータを、計測対象物からの散乱反射光による散乱OCT像(強度OCT像)を、式(数50)として得る機能を有し、さらに計測対象物のバルクオフセットψb(j)を含むm0回目からm0+m-1回目までのB-スキャンデータから式(数51)得る画像処理手段として機能させることを特徴とするプログラム。
【数43】
 
(省略)
ここで、E(1)outA(z)は、水平偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outA(z)は、水平偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(1)outB(z)は、垂直偏光かつP波成分に対応したOCT断面画像信号であり、E(2)outB(z)は、垂直偏光かつS波成分に対応したOCT断面画像信号である。
【数44】
 
(省略)
【数45】
 
(省略)
【数50】
 
(省略)
【数51】
 
(省略)
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

※Click image to enlarge.

JP2013110009thum.jpg
State of application right Registered
Please contact us by E-mail or facsimile if you have any interests on this patent.


PAGE TOP

close
close
close
close
close
close
close