波長(zhǎng)掃描型光學(xué)相干斷層儀及其相位穩(wěn)定化方法
【專利摘要】不追加使用昂貴且復(fù)雜的硬件地修正SS-OCT的光源的波長(zhǎng)掃描和由光檢測(cè)器收集數(shù)據(jù)作為光譜干涉信號(hào)的時(shí)間點(diǎn)之間的顫動(dòng)而使相位穩(wěn)定化。其具有基于通過使從SS-OCT的波長(zhǎng)掃描型光源(2)出射并被分割的、在固定參照鏡(8)反射的參照光和在被測(cè)量物體(6)反射的樣本光重合并由光檢測(cè)器(15)檢測(cè)而得的光譜干涉信號(hào)由生成斷層圖像的計(jì)算機(jī)(16)并由第一修正單元進(jìn)行粗略修正、由第二修正單元進(jìn)行更詳細(xì)修正的功能，從而使SS-OCT的相位穩(wěn)定化。
【專利說明】波長(zhǎng)掃描型光學(xué)相干斷層儀及其相位穩(wěn)定化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及掃描光源的波長(zhǎng)而得到光譜干涉信號(hào)的波長(zhǎng)掃描型光學(xué)相干斷層儀 (Swept Source Optical Coherence Tomography，簡(jiǎn)稱為"SS-0CT"。）及其相位穩(wěn)定化方法， 特別涉及不使用追加的硬件而僅通過與一般所使用的SS-0CT相同的構(gòu)成來使相位穩(wěn)定化 的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 以往，作為用于醫(yī)療領(lǐng)域等的非破壞斷層測(cè)量技術(shù)的一種，存在隨時(shí)間地使用低 相干光作為探頭（探針）的光斷層圖像化法"光學(xué)相干X射線斷層照相術(shù)"（0CT)(參照專 利文獻(xiàn)1)。0CT由于將光用作測(cè)量探頭，因此具有能夠測(cè)量被測(cè)量物體的折射率分布、分光 信息、偏光信息（多折射率分布）等的優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 基本的0CT43以邁克爾遜干涉儀為基本，用圖3說明其原理。從光源44射出的光 由校準(zhǔn)透鏡45平行化后，通過射線分裂器46分割為參照光和樣本光。樣本光通過樣本臂 內(nèi)的物鏡47聚光于被測(cè)量物體48,并在此處散射、反射后再次返回物鏡47、射線分裂器46。
[0004] 另一方面，參照光經(jīng)過參照臂內(nèi)的物鏡49后通過參照鏡50反射，再次經(jīng)過物鏡49 并返回射線分裂器46。這樣，返回的射線分裂器46的樣本光和參照光和樣本光一同入射至 聚光透鏡51并聚光于光檢測(cè)器52 (光電二極管等）。
[0005] 0CT的光源44隨時(shí)間地利用低相干的光（不同時(shí)刻從光源射出的光彼此極難干 涉的光）的光源。在隨時(shí)間地以低相干光作為光源的邁克爾遜型干涉儀中，僅當(dāng)參照臂和 樣本臂的距離大致相等時(shí)出現(xiàn)干涉信號(hào)。該結(jié)果，一邊使參照臂和樣本臂的光程差（τ) 變化，一邊由光檢測(cè)器52測(cè)量干涉信號(hào)的強(qiáng)度，從而得到相對(duì)于光程差的干涉信號(hào)（干涉 圖）。
[0006] 該干涉圖的形狀表示被測(cè)量物體48的深度方向的反射率分布，通過一維的軸方 向掃描能夠得到被測(cè)量物體48深度方向的構(gòu)造。這樣，在0CT43中，通過光程掃描能夠測(cè) 量被測(cè)量物體48深度方向的構(gòu)造。
[0007] 通過在這種軸方向掃描之外，再加上橫方向的機(jī)械掃描，進(jìn)行二維掃描來得到被 測(cè)量物體的二維截面圖像。作為進(jìn)行該橫方向掃描的掃描裝置，使用以下等構(gòu)成，使被測(cè)量 物體直接移動(dòng)的構(gòu)成、以物體固定的狀態(tài)變換物鏡的構(gòu)成、以及以被測(cè)量物體和物鏡均固 定的狀態(tài)旋轉(zhuǎn)物鏡的瞳面附近的檢流計(jì)反射鏡的角度的構(gòu)成。
[0008] 從以上的基本的0CT發(fā)展出的0CT有使用分光器得到光譜信號(hào)的光譜領(lǐng)域 OCT (SD-0CT)和掃描光源的波長(zhǎng)而得到光譜干涉信號(hào)的波長(zhǎng)掃描型OCT (Sw印t Source 0CT，簡(jiǎn)稱為"SS-0CT"。）。對(duì)于SD-0CT存在傅里葉領(lǐng)域OCT (Fourier Domain 0CT，簡(jiǎn)稱為 "FD-0CT"。參照專利文獻(xiàn)2)以及偏光感受型OCT(Polarization-Sensitive 0CT，簡(jiǎn)稱為 "PS-0CT"。參照專利文獻(xiàn)3)。
[0009] FD-0CT的特征在于，由分光儀（光譜分光器）取得來自被測(cè)量物體的反射光的波 長(zhǎng)光譜，并通過對(duì)該光譜強(qiáng)度分布進(jìn)行傅里葉變換，取出在實(shí)空間（0CT信號(hào)空間）上的信 號(hào)，該FD-OCT無需進(jìn)行深度方向的掃描，能夠通過進(jìn)行x軸方向的掃描來測(cè)量被測(cè)量物體 的截面構(gòu)造。
[0010] SS-0CT通過高速波長(zhǎng)掃描激光來改變光源的波長(zhǎng)，使用與光譜信號(hào)同步取得的光 源掃描信號(hào)并重排列干涉信號(hào)，通過加上信號(hào)處理來得到3維光學(xué)斷層圖像。此外，作為改 變光源波長(zhǎng)的單元，即使是利用單色儀的設(shè)備，也能夠用作SS-0CT。
[0011] 已知通過多普勒光學(xué)相干X射線斷層照相術(shù)（多普勒0CT)進(jìn)行的視網(wǎng)膜血流分 布的測(cè)量。這是使用上述FD-0CT等能夠進(jìn)行視網(wǎng)膜血流分布測(cè)量的單元，同樣地，通過使 用光譜領(lǐng)域0CT，能夠得以形成橫截面視網(wǎng)膜血流圖像，另外也能夠觀察維的視網(wǎng)膜的脈管 構(gòu)造。
[0012] 本發(fā)明的發(fā)明人員長(zhǎng)久地著眼于多普勒0CT，一直在進(jìn)行非侵襲地測(cè)量生物體內(nèi)， 特別是眼底的血流的方法的研究、開發(fā)。以往發(fā)明人員以SD-0CT為技術(shù)平臺(tái)在其上安裝 多普勒0CT并成功進(jìn)行眼底血流檢查，但近年0CT的技術(shù)平臺(tái)從SD-0CT逐漸向新一代的 SS-0CT 轉(zhuǎn)變。
[0013] 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0014] 專利文獻(xiàn)
[0015] 專利文獻(xiàn)1:日本特開2002-310897號(hào)公報(bào)
[0016] 專利文獻(xiàn)2:日本特開平11-325849號(hào)公報(bào)
[0017] 專利文獻(xiàn)3:日本特開2004-028970號(hào)公報(bào)
[0018] 非專利文獻(xiàn)
[0019] 非專利文獻(xiàn) 1 :B. Vokoc et. al.，"Phase-resolved optical frequency domain im aging,，'0pticsExpressl3, 5483-(2005).


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 發(fā)明所要解決的課題
[0021] 雖然本發(fā)明的發(fā)明人員通過SS-0CT也能進(jìn)行多普勒測(cè)量的研究開發(fā)，但在多普 勒測(cè)量中，存在困難的問題。這是由SS-0CT特有的相位不穩(wěn)定性引起的。
[0022] 修正SS-0CT的相位不穩(wěn)定性的方法雖然有Harvard Medical School提出的方案 (參照非專利文獻(xiàn)1)，但是該技術(shù)需要復(fù)雜的硬件因而不能避免制品成本的增大。
[0023] 本發(fā)明的目的在于解決上述SS-0CT的相位不穩(wěn)定性的問題，僅以與以往同樣的 標(biāo)準(zhǔn)的SS-0CT的構(gòu)成為前提，并以通過對(duì)從其得到的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理來得到較高的相 位穩(wěn)定性為課題，據(jù)此，利用以往的SS-0CT，來實(shí)現(xiàn)通過SS-0CT進(jìn)行的測(cè)量以及多普勒測(cè) 量。
[0024] 用于解決課題的方法
[0025] 本發(fā)明為了解決上述課題，提供一種使SS-0CT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的 方法，其在SS-0CT中，基于光譜干涉信號(hào)并通過由生成斷層圖像的計(jì)算機(jī)，來修正光譜干 涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)，所述光譜干涉信號(hào)通過使從波長(zhǎng)掃描型光源出射并被分割的、在固定 參照鏡反射的參照光和在被測(cè)量物體反射的樣本光重合并被光檢測(cè)器檢測(cè)而得，上述使 SS-0CT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的方法的特征在于，
[0026] 上述光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正以如下方式進(jìn)行，在鄰接的兩個(gè)A-掃描中， 根據(jù)成為基準(zhǔn)的第一 A-掃描的光譜干涉信號(hào)Si (j)和第二A-掃描的光譜干涉信號(hào)、即受 到因顫動(dòng)而產(chǎn)生的光譜位移β的光譜干涉信號(hào)S' 2(j)，根據(jù)下式（2'），且作為成為基準(zhǔn) 的光譜干涉信號(hào)Si (j)使用第一 A-掃描的參照光光譜，求得光譜位移β，并通過消去該光 譜位移β，來進(jìn)行光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正。
[0027] Angle[F[S'=-i2Ji ζ β/Ν · · · (2,）
[0028] 其中，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ是表示被測(cè)量物體深度的變量，ζ = 0、1、……、N_1，F(xiàn)[] 是對(duì)□內(nèi)進(jìn)行傅里葉變換的式子，Angle □是表示□內(nèi)的相位的式子/表示復(fù)數(shù)共軛。
[0029] 本發(fā)明為了解決上述課題，提供一種使SS-0CT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的 方法，其在SS-0CT中，基于光譜干涉信號(hào)并通過由生成斷層圖像的計(jì)算機(jī)，依次進(jìn)行第一 修正處理和第二修正處理來修正光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)，所述光譜干涉信號(hào)通過使從波 長(zhǎng)掃描型光源出射并被分割的、在固定參照鏡反射的參照光和在被測(cè)量物體反射的樣本光 重合并被光檢測(cè)器檢測(cè)而得，上述使SS-0CT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的方法的特征 在于，上述第一修正處理以如下方式進(jìn)行，在鄰接的兩個(gè)A-掃描中，根據(jù)成為基準(zhǔn)的第一 A-掃描的光譜干涉信號(hào)Si (j)和第二A-掃描的光譜干涉信號(hào)、即受到因顫動(dòng)而產(chǎn)生的光 譜位移β的光譜干涉信號(hào)S' 2(j)，按照下式（2'），且作為成為基準(zhǔn)的光譜干涉信號(hào)Si (j) 使用第一 A-掃描的參照光光譜，求得光譜位移β，并通過消去該光譜位移β，來進(jìn)行光譜 干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正，上述第二修正處理以如下方式進(jìn)行，在表示由上述兩個(gè)Α-掃 描而得到的光譜干涉信號(hào)的多普勒相位變換的下式（9)中，關(guān)于沒有多普勒信號(hào)\(()的 區(qū)域的、ζ的截距bm = 4 π τ vb/ λ斜率am = -2 π β ' /Ν的1次函數(shù)，通過求得使下式 (10)所表示的誤差能量為最小的斜率am和截距bm，來求得因體運(yùn)動(dòng)以及顫動(dòng)而產(chǎn)生的光 譜位移β的殘差β '，從而進(jìn)行光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正。
[0030] Angle[F[S'=-i2Ji ζ β/Ν · · · (2,）
[0031] 其中，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ為表示被測(cè)量物體深度的變量，ζ = 0、1、……、N_1，F(xiàn)[] 是對(duì)□內(nèi)進(jìn)行傅里葉變換的式子，Angle □是表示□內(nèi)的相位的式子/表示復(fù)數(shù)共軛。
[0032]

【權(quán)利要求】
1. 一種使SS-OCT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的方法，其在SS-OCT中，基于光譜干涉 信號(hào)并通過生成斷層圖像的計(jì)算機(jī)，來修正光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)，所述光譜干涉信號(hào) 通過使從波長(zhǎng)掃描型光源出射并被分割的、在固定參照鏡反射的參照光和在被測(cè)量物體反 射的樣本光重合并被光檢測(cè)器檢測(cè)而得，上述使SS-OCT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的 方法的特征在于， 上述光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正以如下方式進(jìn)行：在鄰接的兩個(gè)A-掃描中，根據(jù) 成為基準(zhǔn)的第一 A-掃描的光譜干涉信號(hào)Si (j)和第二A-掃描的光譜干涉信號(hào)、即受到因 顫動(dòng)而產(chǎn)生的光譜位移β的光譜干涉信號(hào)S'2(j)，根據(jù)下式，且作為成為基準(zhǔn)的光譜干涉 信號(hào)Si (j)使用第一 A-掃描的參照光光譜，求得光譜位移β，并通過消去該光譜位移β， 來進(jìn)行光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正， Angle[F[S,2( ζ ) jFtS；( ζ ) ]] = -?2 π ζ β/Ν 其中，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ是表示被測(cè)量物體深度的變量，ζ = 0、1、……、N-1，F(xiàn)□是 對(duì)□內(nèi)進(jìn)行傅里葉變換的式子，Angle □是表示□內(nèi)的相位的式子/表示復(fù)數(shù)共軛。
2. -種使SS-OCT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的方法，其在SS-OCT中，基于光譜干 涉信號(hào)并通過生成斷層圖像的計(jì)算機(jī)，依次進(jìn)行第一修正處理和第二修正處理來修正光譜 干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)，所述光譜干涉信號(hào)通過使從波長(zhǎng)掃描型光源出射并被分割的、在固 定參照鏡反射的參照光和在被測(cè)量物體反射的樣本光重合并被光檢測(cè)器檢測(cè)而得，上述使 SS-OCT的光譜干涉信號(hào)的相位穩(wěn)定化的方法的特征在于， 上述第一修正處理以如下方式進(jìn)行：在鄰接的兩個(gè)A-掃描中，根據(jù)成為基準(zhǔn)的第一 A-掃描的光譜干涉信號(hào)Si (j)和第二A-掃描的光譜干涉信號(hào)、即受到因顫動(dòng)而產(chǎn)生的光譜 位移β的光譜干涉信號(hào)S' 2 (j)，根據(jù)下式（1)，且作為成為基準(zhǔn)的光譜干涉信號(hào)Si (j)使 用第一 A-掃描的參照光光譜，求得光譜位移β，并通過消去該光譜位移β，來進(jìn)行光譜干 涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正， 上述第二修正處理以如下方式進(jìn)行：在表示由上述兩個(gè)Α-掃描得到的光譜干涉信號(hào) 的多普勒相位變換的下式（2)中，關(guān)于沒有多普勒信號(hào)\(()的區(qū)域的、ζ的截距bm = 4 π τ vb/ λ。、斜率am = -2 π β ' /N的1次函數(shù)，通過求得使下式（3)所表示的誤差能量為 最小的斜率am和截距bm，來求得因體運(yùn)動(dòng)以及顫動(dòng)而產(chǎn)生的光譜位移β的殘差β '，從而 進(jìn)行光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正， Angle[F[S,2( ζ ) jFtS；( ζ ) ]] = -?2 π ζ β/Ν · · · (1) 其中，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ為表示被測(cè)量物體深度的變量，ζ = 0、1、……、N-1，F(xiàn)□是 對(duì)□內(nèi)進(jìn)行傅里葉變換的式子，Angle □是表示□內(nèi)的相位的式子/表示復(fù)數(shù)共軛。
其中，以下符號(hào)分別表示，τ為兩個(gè)A-掃描間的時(shí)間，λ。為光源的中心波長(zhǎng)，n為折 射率，變量ξ的函數(shù)vzU)為光軸方向的速度，vb為體運(yùn)動(dòng)的速度，β'為因顫動(dòng)而引起 的光譜位移的殘差，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ的函數(shù)ν Ζ(ζ)為光軸方向的速度，ζ為表示被測(cè)量 物體的深度的變量，ξ = 〇、1、……、Ν_1，
其中，m = 0、l、2……，ζ是表示被測(cè)量物體深度的變量，Wm( ζ )是加權(quán)。
3. -種SS-OCT，其具備：波長(zhǎng)掃描型光源；光檢測(cè)器，其檢測(cè)通過使從波長(zhǎng)掃描型光源 出射并被分割的、在固定參照鏡反射的參照光和在被測(cè)量物體反射的樣本光重合而成的光 譜干涉信號(hào)；以及基于光檢測(cè)器檢測(cè)的光譜干涉信號(hào)生成斷層圖像的計(jì)算機(jī)，上述SS-OCT 的特征在于， 上述計(jì)算機(jī)具備修正單元，其修正光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)而使SS-OCT的相位穩(wěn)定 化， 就上述修正單元而言，在鄰接的兩個(gè)A-掃描中，根據(jù)成為基準(zhǔn)的第一 A-掃描的光譜干 涉信號(hào)Si (j)和第二A-掃描的光譜干涉信號(hào)、即受到因顫動(dòng)而產(chǎn)生的光譜位移β的光譜 干涉信號(hào)S' 2 (j)，根據(jù)下式，且作為成為基準(zhǔn)的光譜干涉信號(hào)& (j)使用第一 Α-掃描的參 照光光譜，求得光譜位移β，并通過消去該光譜位移β，來進(jìn)行光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù) 的修正， Angle[F[S,2( ζ ) jFtS；( ζ ) ]] = -?2 π ζ β/Ν 其中，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ是表示被測(cè)量物體深度的變量，ζ = 0、1、……、N-1，F(xiàn)□是 對(duì)□內(nèi)進(jìn)行傅里葉變換的式子，Angle □是表示□內(nèi)的相位的式子/表示復(fù)數(shù)共軛。
4. 一種SS-OCT，其具備：波長(zhǎng)掃描型光源；光檢測(cè)器，其檢測(cè)通過使從波長(zhǎng)掃描型光源 出射并被分割的、在固定參照鏡反射的參照光和在被測(cè)量物體反射的樣本光重合而成的光 譜干涉信號(hào)；以及基于光檢測(cè)器檢測(cè)的光譜干涉信號(hào)生成斷層圖像的計(jì)算機(jī)，上述SS-OCT 的特征在于， 上述計(jì)算機(jī)具備依次修正光譜干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)從而使SS-OCT的相位穩(wěn)定化的第 一修正單元和第二修正單元， 就上述第一修正單元而言，在鄰接的兩個(gè)A-掃描中，根據(jù)成為基準(zhǔn)的第一 A-掃描的光 譜干涉信號(hào)Si (j)和第二A-掃描的光譜干涉信號(hào)、即受到因顫動(dòng)而產(chǎn)生的光譜位移β的光 譜干涉信號(hào)S' 2(j)，根據(jù)下式（1)，且作為成為基準(zhǔn)的光譜干涉信號(hào)Si (j)使用第一 Α-掃 描的參照光光譜，求得光譜位移β，并通過消去該光譜位移β，來進(jìn)行光譜干涉信號(hào)的相 位數(shù)據(jù)的修正， 就上述第二修正單元而言，在表示由上述兩個(gè)Α-掃描得到的光譜干涉信號(hào)的多普勒 相位變換的下式（2)中，關(guān)于沒有多普勒信號(hào)'(()的區(qū)域的、ζ的截距= TVb/ λ。、斜率am = -2 π β '/Ν的1次函數(shù)，通過求得使下式（3)所表示的誤差能量為最小的斜 率am和截距bm，來求得因體運(yùn)動(dòng)以及顫動(dòng)而產(chǎn)生的光譜位移β的殘差β '，從而進(jìn)行光譜 干涉信號(hào)的相位數(shù)據(jù)的修正， Angle[F[S,2( ζ ) jFtS；( ζ ) ]] = -?2 π ζ β/Ν · · · (1) 其中，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ是表示被測(cè)量物體深度的變量，ζ = 0、1、……、N-1，F(xiàn)□是 對(duì)□內(nèi)進(jìn)行傅里葉變換的式子，Angle □是表示□內(nèi)的相位的式子/表示復(fù)數(shù)共軛。
其中，以下符號(hào)分別表示，τ為兩個(gè)A-掃描間的時(shí)間，λ。為光源的中心波長(zhǎng)，n為折 射率，變量ξ的函數(shù)VZU)為光軸方向的速度，Vb為體運(yùn)動(dòng)的速度，β'為因顫動(dòng)而引起 的光譜位移的殘差，Ν為采樣點(diǎn)數(shù)，ζ的函數(shù)νζ(ζ)為光軸方向的速度，ζ為表示被測(cè)量 物體的深度的變量，ξ = 〇、1、……、Ν-1，
其中，m = 0、1、2……，ζ是表示被測(cè)量物體深度的變量，Wm( ζ )為加權(quán)。
【文檔編號(hào)】A61B3/12GK104053980SQ201280062822
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月5日
【發(fā)明者】安野嘉晃, 伊藤雅英, 洪暎周 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人筑波大學(xué)