JP2016003898A

JP2016003898A - 光断層画像撮影装置

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Publication number: JP2016003898A
Application number: JP2014122967A
Authority: JP
Inventors: 正宏山成; Masahiro Yamanari
Original assignee: Tomey Corp
Current assignee: Tomey Corp
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2016-01-12

Abstract

【課題】偏光感受型ＯＣＴによって取得したジョーンズ行列に対応した２次元又は／及び３次元の断層画像を取得する光断層画像撮影装置において、空間的に高周波のノイズを除去し、かつ、より効果的に平均化処理を実施して、より高いＳＮＲや画質を持つ２次元又は／及び３次元の断層画像を取得できる光断層画像撮影装置を提供すること。【解決手段】偏光感受型ＯＣＴによって取得したジョーンズ行列に対応した２次元又は／及び３次元の断層画像に対して所定のカーネル（ＸＺ方向又は／或いはＸＹＺ方向の所定のピクセル範囲）を設定し、設定した所定のカーネルのＸ方向又は／及びＹ方向又は／及びＺ方向の各ピクセルに対して所定の重み付け処理を実施して、所定のカーネル内の各ピクセルを平均化処理する処理手段を備えた。【選択図】図３

Description

本発明は、光断層画像像撮影装置に関し、特に、眼科医療等に用いられるＯＣＴにより断層画像を撮る光断層画像撮影装置に関するものである。

光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）は、非侵襲、非接触で測定できることから、眼科における生体組織の高解像度な断層画像を取得する手段として広く使用されている方法である。

光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）においては、タイムドメイン方式と呼ばれる、ミラーを動かして参照光の光路長を機械的に変化させながら断層画像取得を行うタイムドメインＯＣＴと、フーリエドメイン方式と呼ばれる、分光器を用いてスペクトル情報を検出し断層画像取得を行うスペクトルドメインＯＣＴ、もしくは、波長走査光源を用いてスペクトル干渉信号を検出し断層画像取得を行う光周波数掃引ＯＣＴとがある。

偏光状態を変化させる複屈折は分子が一定方向に配列する組織において生じる。眼底における網膜では網膜神経繊維層、網膜色素上皮層、血管壁、強膜、篩状板に強い複屈折性が存在する。機能性ＯＣＴの一つである偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）は、この複屈折性の断層化によるこれら組織の可視化のため、近年、さまざまな偏光感受型ＯＣＴの開発が試みられている。

偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）は、試料を観察する測定光に円偏光或いは偏光変調した光を用い、干渉光を２つの直交する直線偏光として検出する構成をとる。

特許文献１には、偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）の１例が開示されている。そこには、Ｂスキャンと同時に（同期して）光源からの偏光ビーム（偏光子により直線的に偏光されたビーム）をＥＯ変調器（偏光変調器、電気光学変調器）によって連続的に変調し、この連続的に偏光を変調した偏光ビームを分けて、一方を試料に照射し、その反射光を得ると共に、他方を参照光として、両者のスペクトル干渉によりＯＣＴ計測を行い、このスペクトル干渉成分のうち、垂直偏光成分と水平偏光成分を同時に２つの光検出器で測定することにより、試料の偏光特性を表すジョーン行列を得ることが開示されている。

非特許文献１には偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）によって取得したジョーンズ行列に対応した画像のＳＮＲ（信号ノイズ比）や画質を向上するため、ジョーンズ行列に対応したＢスキャン像に対して、例えば３×５ピクセルのカーネルサイズで移動平均する方法が開示されている。

特許第４３４４８２９号公報

"Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｃｏｒｎｅａａｎｄａｎｔｅｒｉｏｒｓｅｇｍｅｎｔｂｙｏｆｆｉｃｅ−ｂａｓｅｄｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｃｏｈｅｒｅｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ" ＢＩＯＭＥＧＩＣＡＬＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．８，Ａｕｇｕｓｔ１，２０１１，２３９２

しかし、非特許文献１に開示されている移動平均は、カーネルの各ピクセルのジョーンズ行列各要素を単純平均化するものである。この際、カーネルのＸ方向及びＺ方向に０／１の矩形波処理を実施した後に平均化することになる。

実空間における矩形波処理は、フーリエ空間ではSINC関数を掛けることと同意である。図５は、フーリエ空間におけるSINC関数（実線）とGaussian関数（点線）の空間周波数特性を示したものである。前述のように、実空間で矩形波処理するということはフーリエ空間ではSINC関数を掛けることと同意であるため、非特許文献１のように矩形波処理を実施すると、図５の実線のように高周波のノイズ（例えば、スペックルノイズなど）がカット（排除）されずに残ってしまい、結果的に高画質な画像が取得できないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するものであり、偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）によって取得したジョーンズ行列に対応した２次元又は／及び３次元の断層画像を取得する光断層画像撮影装置において、空間的に高周波のノイズを除去し、かつ、より効果的に平均化処理を実施して、より高いＳＮＲや画質を持つ２次元又は／及び３次元の断層画像を取得できる光断層画像撮影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、被検物の偏光特性を表すジョーン行列を取得する偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）であって、ジョーンズ行列に対応して取得したＢスキャン画像又は／及びＣスキャン画像（ボリュームデータ）に対して所定のカーネル（ＸＺ方向又は／或いはＸＹＺ方向の所定のピクセル範囲）を設定し、設定した所定のカーネルのＸ方向又は／及びＹ方向又は／及びＺ方向の各ピクセルのジョーンズ行列各要素に対して所定の重み付け処理を実施して、所定のカーネル内の各ピクセルのジョーンズ行列各要素を平均化処理する処理手段を備えたことを特徴とする。

本発明は上記構成のように、カーネルの各ピクセルのジョーンズ行列各要素に対して重み付け処理を実施する。例えば、カーネルが２次元である場合はＸ方向及びＺ方向に０〜１のGaussian波形処理を実施して平均化する。

実空間でGaussian波形処理を実施することは、上述のように、フーリエ空間では図５のGaussian関数（点線）を（フーリエ変換された測定信号に）掛けることと同意であるため、空間的に高周波のノイズが効率よく除去できることがわかる。さらに、重み付け処理を実施することにより、より効果的な平均化処理ができるのである。

本発明によれば、Gaussian波形処理などの重み付け処理を実施することにより、スペックルノイズなどの空間的に高周波のノイズを除去し、かつ、効果的に平均化処理ができることから、より高いＳＮＲや画質を持つ２次元又は／及び３次元の断層画像が取得できる。

本発明による光断層画像取得部の一例の詳細を示した図である。光断層画像撮影装置の構成を示した図である。移動平均処理のフローチャートを示した図である。３次元断層像の取得までのフローを説明する図である。フーリエ空間におけるSINC関数（実線）とGaussian関数（点線）の空間周波数特性を示した図である。

以下、本発明の一実施例に係る光断層画像撮影装置について図面を参照して説明する。図１には断層画像取得部１００の詳細構成を示す。

図１に示すように、断層画像取得部１００では試料（被検査物）１１７に測定光を照射することにより、試料１１７の２次元又は／及び３次元断層画像を撮影する。本実施形態では、時間的に波長を変化させて走査する波長走査光源１０１を用いたフーリエドメイン（光周波数掃引）方式が採用されている。

即ち、波長走査光源１０１から出力された光は、光ファイバを通してファイバーカプラ１０２に入力され、このファイバーカプラ１０２において、例えば５：９５の比率で、参照光と測定光とに分波されて各々参照アーム１６０及びサンプルアーム１５０へ出力される。そのうち参照アーム１６０に出力された参照光は、光ファイバを通って光サーキュレーター１２０に入力後、コリメータレンズ１２１に入力され、参照ミラー１２２へ入射される。参照ミラー１２２は試料の表面位置に参照光路を合わせる光路長調整のため光路軸上で移動制御可能であり、ＯＣＴ断層像を測定する前に、測定光路長と参照光路長を合わせる。

そして、参照ミラー１２２で反射された参照光はコリメータレンズ１２１から光ファイバを通り光サーキュレーター１２０で光路が変更され、偏光コントローラ１１９を通り、コリメータレンズ１２３に入力し偏光感受型検出アーム１３６に入力される。

一方、前記ファイバーカプラ１０２からサンプルアーム１５０に出力された測定光は、光ファイバを通って偏光コントローラ１０３を介して偏波依存ディレイライン１３３のコリメータレンズ１０４に入力後、偏光子１０５を通る。本実施例では偏光子１０５の偏光角度は４５度に設定してある。さらに、偏光コントローラ１０３を通過しコリメータレンズ１０４に入力する直前の偏光角度も４５度に制御され、４５度に偏光された測定光が効率よく取り出せるように、偏光コントローラ１０３及び偏光子１０５が調整及び制御されている。

４５度に偏光された測定光は偏波依存ディレイライン１３３内の偏光ビームスプリッター１０６を通すことにより互いに直交する２つの直線偏光状態（垂直方向及び水平方向）の光に分割される。分割された測定光は各々異なる全反射プリズム１０７及び１０８で反射され、２つの異なる光路で伝播させる。ここで、全反射プリズム１０７及び１０８の少なくとも１つの全反射プリズムを移動制御することにより、２つの異なる偏光状態（垂直方向及び水平方向）の間の遅延を生じさせる。

ここで、入射測定光を偏光ビームスプリッター１０６の中心から一定距離外れた位置に入射するように設定することにより、偏光ビームスプリッター１０６により２つの異なる偏光状態の光を生成し、各々異なる全反射プリズム１０７及び１０８で反射され、一定の遅延を持つ２つの異なる偏光状態（垂直方向及び水平方向）の測定光が生成され、反射ミラー１１０で光路を変えた後、コリメータレンズ１０９により光ファイバ接続される。

光ファイバを通った測定光は、偏光コントローラ１１１を通った後、光サーキュレーター１１２で光路が変更され、コリメータレンズ１１３に入射後、ガルバノミラー１１４及び１１５で反射し、レンズ１１６により集光して、試料（被検査物）１１７へ入射する。

ガルバノミラー１１４及び１１５は、測定光を走査させるためのもので、ガルバノミラー１１４及び１１５を制御することにより、測定光を試料１１７の表面において水平方向に及び垂直方向に走査されるようになっている。これにより、試料１１７の２次元の断層画像や３次元の断層画像が取得できるのである。

試料（被検査物）１１７で反射された測定光は、上記とは逆にレンズ１１６、ガルバノミラー１１５及び１１４を通り、コリメータレンズ１１３に入力される。そして、測定光は光ファイバを通って前記光サーキュレーター１１２で光路が変更され、偏光コントローラ１１８を通った後、コリメータレンズ１２５に入力し偏光感受型検出アーム１３６に入力される

コリメータレンズ１２３から偏光感受型検出アーム１３６に入力し、偏光子１２４で偏光された参照光と、試料（被検査物）１１７で反射された測定光は無偏光ビームスプリッター１３２を用いて合成され、分割される。分割された光は、その後、コリメータレンズ１２６及び１２７に入力後、２つのインライン型の偏光ビームスプリッター１２８及び１２９によって２つの直交する偏光状態に分けられる。

ここで、インライン型の偏光ビームスプリッター１２８及び１２９後の参照光の垂直方向及び水平方向の直線偏光のパワーを等しくするために、偏光子１２４の偏光角度は４５度に調整すると共に、効率を上げるため、事前に通る偏光コントローラ１１９を用いて偏光子１２４へ入射する直前の偏光角度がほぼ４５度となるように制御されている。

２つの偏光状態の干渉は、２つのバランス型光検出器１３０及び１３１により検出される。検出された垂直方向及び水平方向の２つの偏光状態の干渉信号は図２に示す制御装置２００に設けられた演算部２０２において、各干渉信号に対するフーリエ変換などの処理が行われ、試料（被検査物）１１７のジョーンズ行列に対応して取得したＢスキャン画像又は／及びＣスキャン画像（ボリュームデータ）が取得される。取得された断層画像は記憶部２０３に記憶される。

図４は、断層像取得部１００による断層像（Ｂスキャン像）を取得する様子を示したものである。図４（ａ）は被検眼Ｅの眼底網膜の一例を、図４（ｂ）は断層像取得部１００から取得して得られた眼底網膜４０１の複数の２次元断層像（Ｂスキャン像）の例を示している。そして、図４（ｃ）は本実施例にて生成された眼底部のＣスキャン像（３次元断層像、ボリュームデータとも言う）の例を示している。尚、図４（ａ）〜（ｃ）のｘ軸はＢスキャンのスキャン方向を、ｙ軸はＣスキャンの方向を示す。更に、図４（ｂ）、（ｃ）のｚ軸はＡスキャン信号の奥行き方向、つまり眼底部の深さ方向を示す。

図４（ｂ）の４０４は取得した２次元断層像であり、ガルバノミラーユニット１０６をＸ方向にスキャンさせながら、演算部２０２がＡスキャン信号４０３を再構築して作成される。この２次元断層像がＢスキャン像であり、眼底網膜４０１に対する奥行き方向（Ｚ方向）と直交するＸ方向の２次元の断面、すなわち図４（ｂ）におけるｘ軸及びｚ軸で規定される平面における２次元断層像である。図４（ａ）の４０２は２次元断層像４０４の撮影位置を示す。

図４に示したＢスキャン像及びＣスキャン像は複数のピクセルで構成された画像である。本発明による移動平均は、所定数のピクセル、例えば、Ｂスキャン像（２次元画像）ではＸ方向及びＺ方向に対して各所定のピクセル数の領域（例えばＸ方向３ピクセル、Ｚ方向５ピクセルであれば、３×５ピクセルの領域）を本発明では所定のカーネルの領域とする。Ｃスキャン像に対して移動平均処理を実施する場合はＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向の各所定数のピクセルの領域を所定のカーネルの領域とする。

次に、本発明のポイントである、取得した画像の移動平均処理について図３のフローチャートを用いて説明する。

取得された画像はＳＮＲ（信号ノイズ比）や画質を向上させるため、移動平均処理を行う。図３に示すフローは移動平均処理の一実施例であり、移動平均処理はこのフローに限定されるものではない。

まず、Ｓ１０で最初のピクセルを設定する。最初のピクセルは０番目のピクセルとするため、Ｓ１０ではｎ＝０と設定し、設定したピクセルをｎ番目のピクセルとする。

Ｓ１２で記憶部２０３に記憶したボリュームデータから、ｎ番目のピクセルを基に所定のカーネルの領域を抽出する。例えば、１つのＢスキャン像に対して移動平均処理を実施する場合は、ｎ番目のピクセルを含む、Ｘ方向及びＺ方向の所定の数のピクセルの領域（本発明では「カーネルの領域」と記載する、例：３ピクセル×５ピクセル）を抽出する。カーネルの領域とｎ番目のピクセルの位置の関係は予め設定しておいてもよい。関係が一定であれば、抽出も容易であり、移動平均化処理の効果も得られやすい。

また、ボリュームデータに対して移動平均化処理をする場合は、ｎ番目のピクセルを含む、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向の各方向の所定の数のピクセルの領域（例：３×５×３ピクセル）のカーネルの領域を抽出する。

Ｓ１４では、抽出したカーネルの領域に対してWindow function（窓関数）を掛ける。掛ける方向としては、対象がＢスキャン像であれば、Ｘ方向とＺ方向、対象がボリュームデータであればＸ、Ｙ及びＺ方向に掛けてもよいし、いずれか１つの方向で効果が期待できるのであれば、Ｘ、Ｙ及びＺ方向のいずれか１つの方向でもいいし、ボリュームデータの場合は、選択した２つの方向でもよい。

Window function（窓関数）としては、Gaussian関数（Gaussian窓とも言う）を用いてもよい。Gaussian関数を用いた場合、図５の点線で示す空間周波数特性から、効率よく高周波に係るノイズの除去が可能になる。

Ｓ１４の処理は、各ピクセルのジョーンズ行列各要素にGaussian関数などの窓関数を掛ける。また、掛ける窓関数はGaussian関数に限ったものではなく、Hamming関数（Hamming窓とも言う）やHanning関数（Hanning窓とも言う）を採用してもよい。これらの関数を採用しても、Gaussian関数の場合と同様な効果を得ることができる。

Ｓ１４で、カーネルの領域に対してWindow function（窓関数）を掛けた後、Ｓ１６では、カーネルの領域の各ピクセルのＳＮＲ（信号ノイズ比）を算出し、一番高いＳＮＲを持つピクセルを検出する。

Ｓ１８では、Ｓ１６で検出した一番高いＳＮＲを持つピクセルのジョーンズ行列各要素とその他のピクセルのジョーンズ行列各要素との間のグローバル位相差を算出する。グローバル位相差は各ピクセルのジョーンズ行列各要素毎に算出する。

Ｓ２０では、Ｓ１８で算出した各ピクセルのジョーンズ行列各要素におけるグローバル位相差を用いて、各ピクセルのジョーンズ行列各要素のグローバル位相差をキャンセルする。これにより、カーネルの領域の各ピクセルのグローバル位相差はキャンセルされる。

Ｓ２０で、カーネルの領域の各ピクセルのグローバル位相差をキャンセル後、Ｓ２２では、カーネルの領域の各ピクセルのジョーンズ行列各要素毎に要素の値を平均する。

Ｓ２２で、ジョーンズ行列各要素を平均したら、Ｓ２４で、ピクセルの番号を１つ加算する。Ｓ２６で、加算したｎの値が所定の数ｎ(final)より大きい場合は、対象としたＢスキャン像又はボリュームデータ全ての範囲で移動平均処理が完了したと判断して、移動平均処理を終了する。所定の数ｎ(final)以下の場合はＳ１２に戻り、次のピクセルに対するカーネルの領域を抽出して、Ｓ１２〜Ｓ２４の処理を繰り返す。

Ｓ２６の所定の数ｎ(final)は、対象とするＢスキャン像又はボリュームデータのピクセルの総数であってもよい。この場合、対象としたＢスキャン像又はボリュームデータの全領域に亘って移動平均化処理される。これに限らず、総数より小さい所定の数でもよい。例えば、Ｂスキャン像又はボリュームデータの中の任意の特徴部位のみ画像を確認したい場合は任意の特徴部位の領域に合わせてｎの値を設定してもよい。

上述のように、Gaussian波形処理などの重み付け処理を実施して移動平均処理を実施することで、スペックルノイズなどの空間的に高周波のノイズを除去し、かつ、効果的に平均化処理ができることから、より高いＳＮＲや画質を持つ２次元又は／及び３次元の断層画像が取得できるのである。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。

１００・・断層画像取得部
１０１・・波長走査光源
１０２・・ファイバーカプラ
１０６・・偏光ビームスプリッター
１１２、１２０・・光サーキュレーター
１２８、１２９・・インライン型偏光ビームスプリッター
１３０、１３１・・バランス型光検出器
１３２・・無偏光ビームスプリッター
１３３・・偏波依存ディレイライン
２０１・・ＡＤボード
２０２・・演算部
２０３・・記憶部

Claims

被検物の偏光特性を表すジョーン行列を取得する偏光感受型ＯＣＴ（ＰＳ−ＯＣＴ）であって、
ジョーンズ行列に対応して取得したＢスキャン画像又は／及びＣスキャン画像（ボリュームデータ）に対して所定のカーネル（ＸＺ方向又は／或いはＸＹＺ方向の所定のピクセル範囲）を設定し、
設定した所定のカーネルのＸ方向又は／及びＹ方向又は／及びＺ方向の各ピクセルのジョーンズ行列の各要素（画素値）に対して所定の重み付け処理を実施して、
所定のカーネル内のジョーンズ行列の各要素（画素値）を平均化処理する処理手段を備えたことを特徴とする光断層画像撮影装置。
所定の重み付け処理は、Gaussian処理であることを特徴とする請求項１に記載の光断層画像撮影装置。
所定の重み付け処理は、Hamming、Hanningなどの窓関数処理であることを特徴とする請求項１に記載の光断層画像撮影装置。