(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半透明物質サンプルの散乱構造の空間速度分布の測定方法であって、
複数のスペクトル光干渉断層スペクトルＩ（ｋ）を順次取得するステップを含み、
２つの記録の時間間隔が既知であり、その結果、記録されたスペクトルの時間依存を表し、実像とその鏡像を含む画像データ組Ｉ（ｋ，ｔ）が生成されるものであり、
ｋ−ｚ変換およびｔ−ｖ変換を行うことにより、前記画像データ組Ｉ（ｋ，ｔ）を画像データ組Ｉ（ｚ，ｖ）に変換するステップを含み、ｚは入射光の光軸に沿ったサンプルの後方散乱構造の位置を表し、ｖはサンプルの後方散乱構造の前記軸に沿った速度成分を表すものであり、
ドップラシフトを光に付与するステップを含み、その結果、サンプル光および参照光は、再結合ポイントにおいて、速度ｖＤで互いに相対移動する光源から到来するように見え、
測定に用いられるスペクトルの中心波数をｋ０として、前記時間間隔は、π／（２ｋ０ｖＤ）より短く、
速度ｖＤは、ｔ−ｖ変換後に、実像の範囲に属する全画像データが、鏡像の範囲に属する全画像データとは異なるｖの値を有するように選択されたことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ドップラシフトは、参照光に付与されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ドップラシフトは、反射光の光軸に沿った速度成分ｖＤで移動するミラーを用いて光を反射することによって付与されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記時間間隔は、π／（２ｋＭａｘｖＤ）より短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
ｔ−ｖ変換が最初に行われ、ｋ−ｚ変換が、ｖがある値より大きい画像データ組Ｉ（ｋ，ｖ）の一部についてのみ行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
半透明物質サンプルの散乱構造の空間速度分布の測定装置であって、
サンプル経路と参照経路を含むスペクトル光干渉断層法用の配置を備え、
前記配置は、既知の時間間隔の後にスペクトルを順次記録するよう構成され、その結果、記録されたスペクトルの時間依存を表し、実像とその鏡像を含む画像データ組Ｉ（ｋ，ｔ）が生成されるものであり、
ドップラシフトを光に付与する手段をさらに備え、その結果、サンプル経路の光および参照経路の光は、再結合ポイントにおいて、速度ｖＤで互いに相対移動する光源から到来するように見え、
測定に用いられるスペクトルの中心波数をｋ０として、前記時間間隔をπ／（２ｋ０ｖＤ）より小さく調整するように設計されたタイミングユニットをさらに備え、
ｋ−ｚ変換およびｔ−ｖ変換を行うことによって、前記画像データ組Ｉ（ｋ，ｔ）を画像データ組Ｉ（ｚ，ｖ）に変換するように構成された計算ユニットをさらに備え、ｚは入射光の光軸に沿ったサンプルの後方散乱構造の位置を表し、ｖはサンプルの後方散乱構造の前記軸に沿った速度成分を表すものであり、
速度ｖＤは、ｔ−ｖ変換後に、実像の範囲に属する全画像データが、鏡像の範囲に属する全画像データとは異なるｖの値を有するように選択されたことを特徴とする装置。
【請求項７】
ドップラシフトを付与する前記手段は、参照経路に配置されることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
ドップラシフトを付与する前記手段は、移動ミラーを備えることを特徴とする請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
前記時間間隔をπ／（２ｋＭａｘｖＤ）より小さく調整するよう設計されたタイミングユニットをさらに備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記計算ユニットは、前記ｔ−ｖ変換を最初に行って、前記ｋ−ｚ変換をｖがある値より大きい画像データ組Ｉ（ｋ，ｖ）の一部についてのみ行われるように構成されていることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半透明物質サンプルの散乱構造の空間速度分布を測定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光干渉断層映像法（ＯＣＴ）は、部分的に透明な物質の３次元構造を調査するための技術である。この技術によって、低コヒーレント光が２つに分割される。一方は、サンプル光として用いられ、サンプル経路を通過して調査中のサンプルを照射する。もう一方は、参照光として用いられ、参照経路に入って、サンプルからの後方散乱光と再結合ポイントで再結合する。再結合した光は、サンプルの内部構造に関する情報を運搬する干渉信号を含んでおり、この情報は２つの本質的に異なる方法で読み出し可能である。
【０００３】
「時間領域断層映像法」（ＴｄＯＣＴ）として知られている第１の方法は、参照経路において導入された走査可能な光路遅延をベースとしている。遅延は、振動の態様によって走査される。この場合、干渉縞は、参照経路の光路長がサンプルからの後方散乱光の光路長と一致する特定の走査位置においてのみ生じる。これにより、サンプル内部の後方散乱構造の相対的距離の決定が促進される（論文：huang et al., science, vol, 254, 1991, p. 1178 to 1181）。
【０００４】
「フーリエ領域断層映像法」（ＦｄＯＣＴ）として知られ、再結合した光から情報を取り出す第２の方法は、再結合した光のスペクトル分析をベースにしている。再結合した光のスペクトル、即ち、さまざまなスペクトル成分について光強度の分布が記録される。これは、分光計（論文："Spectral Optical Coherence Tomography", SOCT; Szkulmowska et al., Journal of Physics D: Applied Physics, Vo. 38, 2005, 2606 - 2611)もしくは同調（tuned）光源（論文"Swept Source Optical Coherence Tomography", SS-OCT;  R. Huber et al., Optics Eｘpress, Vol. 13, 2005, 3513 - 3528) を用いることによって実施可能である。
【０００５】
一般的なＯＣＴ装置は、眼を照射する光ビームを横方向に、即ち前記光ビームの光軸に垂直な１方向または２方向に走査する手段を備える。内部サンプル構造の２次元画像または３次元画像が、このようにして生成される。光ビームに平行な軸は、通常ｚ軸と呼ばれ、この軸に沿った構造に関する情報の記録は、「Ａスキャン」と呼ばれる。他の垂直軸は、ｘ軸、ｙ軸と呼ばれる。ｘ軸に沿って取り込まれる一組のＡスキャンは、「Ｂスキャン」と呼ばれる２次元の「ｘｚ」断層画像を形成する。一方、ｙ軸に沿って取り込まれる一組のＢスキャンは、「ｘｙ」断層画像および「ｙｚ」断層画像の形成を可能にするボリュームデータ組を形成する。
【０００６】
構造の３次元画像化に加えて、ＯＣＴが、構造内で動く物体、例えば組織サンプル内の血液の流れの速度を測定できることが判った。論文（Szkulmowski et al., Optics Eｘpress, Vol. 16, 2008, 6008 - 6025）は、単一のＡスキャンの位置においてＴｄＯＣＴとＳＯＣＴの組み合わせを実施する方法を提示した。複数のスペクトルＩ（ｋ）は、既知の時間間隔で取得され、その結果、データ組Ｉ（ｋ，ｔ）が生成される。このデータ組は、２つのステップでサンプルの後方散乱構造の空間速度分布を表すデータ組Ｉ（ｚ，ｖ）に変換される。ここで、ｖはサンプルの後方散乱構造のｚ軸に沿った速度成分を表す。第１ステップは、波数領域から空間領域へのｋ−ｚ変換、例えばフーリエ変換でもよく、データ組Ｉ（ｚ，ｔ）を出力する。この場合、第２ステップは、時間領域から速度領域へのｔ−ｖ変換、同様に、例えばフーリエ変換でもよく、所望のデータ組Ｉ（ｚ，ｖ）を出力する。フーリエ変換を用いるときは、時間ｔの変換変数は、周波数ωであって、速度ｖでない。これらの２つのパラメータωとｖは、ω＝２ｋｖという関係で結ばれており、速度ｖで移動するサンプルの後方散乱構造によるドップラシフトから生じるビート周波数を表す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＳＯＣＴに関する一般的な問題が、複素多義的（ambiguity）アーチファクト（artifact）である。干渉信号は、複素数の性質を有するところ、実数値のみが検出、処理されるため、生成された画像は実像、および像を不明瞭にするその鏡像を含んでいる。このアーチファクトを除去するために、サンプルのどの後方散乱部分も、正のｚ値をとる位置に配置されることを確保することが提案されている。このためには、サンプル全体は、光路長が参照経路の光路長に一致するポイント（ｚ＝０の位置）から離れて、配置されなければならない。しかしながら、これにより検出範囲は大きく制限され、最高の感度を有するこの範囲の領域（即ち、ｚ＝０付近）を使用しないことが要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、半透明物質サンプルの散乱構造の空間速度分布を測定する方法および装置を提供することであり、複素多義的アーチファクトは、Ｉ（ｚ，ｖ）のデータ組においては抑えられるとともに、最大限の空間検出範囲が用いられる。本目的は、請求項１および請求項７において規定した主題によって達成される。従属の請求項はさらなる改良点を規定する。
【０００９】
本発明は、人為的に生成したドップラシフトによって、実像と鏡像を分離するという着想をベースにしている。これは図面中の図１から図３において視覚化されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】先行技術に従って実施されるＳＯＣＴのデータ組の変換効果の視覚表現である。
【図２】先行技術に従って実施されるＳＯＣＴのデータ組の変換効果の視覚表現である。
【図３】本発明に従って実施されるＳＯＣＴのデータ組の変換効果の視覚表現である。
【図４】本発明に従って実施されるＳＯＣＴのデータ組の変換効果の視覚表現である。
【図５】本発明に係る装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は４つの枠を示し、それぞれはデータ組を表す。左上の枠は、ＳＯＣＴ測定によって取得されるデータ組Ｉ（ｋ，ｔ）を含んでいる。ここから２つの変換が可能である。ｋ−ｚ変換を最初に行った場合、Ｉ（ｚ，ｔ）データ組を表す右上の枠に達する。反対に、ｔ−ｖ変換を最初に行った場合、左下の枠で表されるＩ（ｋ，ｖ）データ組に変換される。どちらの場合も２回目の変換により、目的とする右下の枠内のＩ（ｚ，ｖ）データ組に至る。最初にｋ−ｚ変換を行った場合、２回目の変換はｔ−ｖ変換である。同様に最初にｔ−ｖ変換を行った場合、２回目はｋ−ｚ変換が行われる。
【００１２】
枠内で実像の範囲に属するデータは、右上がりの斜線で示している。一方、鏡像に関するデータは、右下がりの斜線で示している。図１において、ｋ−ｚ変換は２つのデータ部分を分離している。これはｚ＝０となる位置が、サンプルの外側に位置するために起こる。
【００１３】
これが当てはまらない場合、即ちｚ＝０の位置がサンプル内部にある場合は、図２のような状況が見られる。実像及び鏡像の範囲に属するデータ部分が互いに重なり、これにより像の解釈が曖昧になる。
【００１４】
本発明は、人為的に生成した付加的なドップラシフトを光に導入することによって、実像及び鏡像の範囲に属するデータ部分がｖ領域において反対方向へシフトする、という着想をベースにしている。そのようなドップラシフトによって、サンプル光と参照光は、再結合ポイントにおいて、速度ｖＤで互いに相対移動する光源から到来するように見える。ｖＤは、０でなく、好ましくはスペクトルの取得中は一定である。ここでｖＤは、絶対値として定義され、即ち、常にｖＤ＞０である。付与されたドップラシフトの方向が変化する場合、代数符号（＋／−）の変化を評価において考慮しなけらばならない。これは例えば、移動ミラーによってドップラシフトが発生し、その駆動装置には三角波の制御信号が印加され、信号の両方の傾きが測定に用いられる場合である。シフトが十分大きい場合、サンプル内部のすべての速度成分ｖを有するデータ部分は、完全に分離され、その結果、複素多義的アーチファクトが完全に除去される。よって通常、できる限り大きいｖＤを選択することが好ましい。
【００１５】
しかしながら、調査中のサンプル内部の検出可能な速度領域が既知の場合、最大感度を達成するためにｖＤを制限することは有効である。速度ｖがｖＭｉｎとｖＭａｘの間で変動し、｜ｖＭｉｎ｜＝｜ｖＭａｘ｜が成り立つ場合、ｖＤは｜ｖＭａｘ｜にできるだけ近い値、例えば、｜ｖＭａｘ｜と１．２｜ｖＭａｘ｜の間の値を選択すべきである。例えば人間の眼の内部の多くの測定において、ｖ値は−５ｍｍ／ｓから５ｍｍ／ｓで変動するので、ｖＤは５ｍｍ／ｓと６ｍｍ／ｓの間で変動するように選択すべきである。視神経円板の近くでは、絶対値が最大３０ｃｍ／ｓまでのより大きい速度が観察されることがあり、ｖＤは３０ｍｍ／ｓと３６ｍｍ／ｓの間で変動するように選択すべきである。いくつかの用途、例えば損傷した網膜組織の血流測定では、ｖが狭い境界内で、例えば−５０μｍ／ｓから５０μｍ／ｓの間で変動するので、本発明は、ｖＤが５０μｍ／ｓと６０μｍ／ｓの間で用いられてもよい。
【００１６】
起こりうることであるが、｜ｖＭｉｎ｜≠｜ｖＭａｘ｜である場合、例えば、調査中の血管が、ｚ軸に平行な面内で傾いている場合、ｖＤは、ｖＭｉｎとｖＭａｘのうち絶対値が小さい方にできるだけ近い値に設定し、ｖ空間で完全な分離を達成する。ｖＤの方向はそれに応じて選択すべきである。
【００１７】
実像および鏡像のうちの１つだけが必要であるため、計算ステップの数は、ｖがある値より上方または下方にあるデータ組Ｉ（ｋ，ｖ）の一部のみを用いることによって大きく減少する。これは図４に示されており、下の両枠を横断する点線は、前記あるｖ値を表す。そのある値は、データ組Ｉ（ｋ，ｖ）におけるｖ全体の中心を選択するのが好ましい。
【００１８】
ドップラシフトは、好ましくは参照光に付与され、これにより簡素化した配置が可能になる。移動ミラーを用いてドップラシフトを付与することは更に有効である。ドップラシフトを発生させるためにミラーを移動させることは、分散効果なしでドップラ効果を導入することができるので、ＳＯＣＴにとって特に有効である。より好ましくは、ミラーは入射光に対して垂直に対して配置され、速度ｖＤで入射光の光軸方向に沿って移動する。これにより、ミラーの速度を簡単に変化させることで、簡単な設計とｖＤの調整を可能になる。
【００１９】
ｖＤの上限は、特定のＳＯＣＴの設定によって検出可能な０からｖＤｅｔＭａｘの範囲の速度ｖによって決まる。この検出可能な速度の範囲は、基本的にスペクトルＩ（ｋ）の記録間の時間間隔の長さに依存する。多くの場合、これらの間隔は一定であり、使用中の特定の検出器の取得スピードにより決まる。Δｔがこうして決まった時間間隔であれば、ｖＤｅｔＭａｘはπ／（２ｋｏΔｔ）となり、異なる波長の影響を考慮すべき場合は、ｖＤｅｔＭａｘはπ／（２ｋＭａｘΔｔ）となる。ここでｋ０は測定に用いられるスペクトルの中心波数、ｋＭａｘはその波数の最大値である。
多くの用途において、速度分布は、ｖ＝０付近が中央になるので、付与されたドップラシフトによって、この中央部分を、検出可能な速度の中心、即ちｖＤｅｔＭａｘ／２にするのが得策である。従ってｖＤをｖＤｅｔＭａx／２付近で、例えば、０．４ｖＤｅｔＭａx／２と０．６ｖＤｅｔＭａx／２の間で選択することが好都合であり、より好ましくはｖＤ＝ｖＤｅｔＭax／２である。
【００２０】
干渉信号の２π周期による多義性を避けるために、複数のＳＯＣＴスペクトルは、π／（２ｋｏｖＤ）より短い時間間隔で取得されることが好ましい。より好ましくは、前記時間間隔はπ／（２ｋＭａｘｖＤ）未満に選択される。
【００２１】
本発明に従った装置は、図５中に示す例を用いて、より詳細に説明する。
【００２２】
光源１、例えばスーパールミネセントダイオードが、低コヒーレント広帯域光を光ファイバシステム２の中に照射する。光アイソレータ３が反射光から光源１を遮蔽する。ファイバカプラ４が、光を第１部分の参照光、および第２部分のサンプル光に分割する。参照光は、参照経路に沿って伝播し、光ファイバシステム２を出射し、コリメータレンズ５によってコリメートされ、参照ミラー６に向けられる。参照ミラー６は、速度ｖＲで入射光に対して平行に移動する。繰り返し測定では、参照ミラー６は前後に移動するが、この移動は左右矢印ｖＲの符号で示されている。ｖＲ≠０の場合、ｖＤはｖＲと等しくなることがあり、スペクトルが取得可能である。ｖＤは好ましくは一定であるので、ミラーは、少なくとも一方向において、少なくともこの移動の大部分で一定の速度で移動すべきである。両方向のミラー移動中にスペクトルを取得すべきであれば、符号の変化を評価において考慮する必要がある。
【００２３】
サンプル光も光ファイバシステム２から出射し、コリメータレンズ７によってコリメートされる。コリメートされた光は、走査ミラー８によって反射される。走査ミラー８は、ある軸の回りに旋回し、ｘ軸に沿って走査するが、その運動は湾曲した矢印で示されている。集光レンズ９が、サンプル光をサンプル１０に集光する。この例に示すように、前記サンプル１０が眼であり、調査中の部位が網膜の一部である場合、眼のレンズは、関心のある領域により集光するために使用してもよい。ここからサンプル光は、サンプル経路に沿ってファイバカプラ４に戻り、サンプル光が戻ってきた反射光を再結合させる。
【００２４】
再結合した光の一部は、光源１に接続しているポートを通じてファイバカプラ４を出射するが、光アイソレータ３によって遮断される。他の部分は残りのポートを通じて光ファイバシステム２を出射し、分光計によってスペクトル分析される。分光計の基本要素は、コリメータ光学系１１、回折格子１２、集光レンズ１３およびラインセンサ１４である。コリメータ光学系１１は、光をスペクトル成分に分解する回折格子１２に向ける。各成分は、集光レンズ１３によってラインセンサ１４のセンサ画素に集光される。各センサ画素は、入射光の強度を電気信号に変換する。これらの信号は、ラインセンサ１４に接続しているコンピュータ１５により読み出される。コンピュータ１５は、データ組Ｉ（ｋ，ｔ）の記録を起動するよう設計されている。それは、ｖＲ＝ｖＤである期間中に、記録を起動する。
【００２５】
さらに、コンピュータ１５は、π／（２ｋｏｖＤ）より短い時間間隔、より好ましくはπ／（２ｋＭａｘｖＤ）より短い時間間隔で前記記録を起動するようにしたタイミングユニットを備える。時間間隔は、一定値Δｔに調節可能であることが好ましい。
【００２６】
コンピュータ１５は、前記データ組Ｉ（ｋ，ｔ）をデータ組Ｉ（ｋ，ｖ）に変換し、さらにデータ組Ｉ（ｚ，ｖ）に変換するように設計された計算ユニットをさらに備える。ここでｚは入射光の光軸に沿ったサンプルの後方散乱構造の位置を表し、ｖはサンプルの後方散乱構造の前記軸に沿った速度成分を表す。計算ユニットは、ｖがある値より大きいデータ組Ｉ（ｋ，ｖ）の一部に対して前記Ｉ（ｋ，ｖ）からＩ（ｚ，ｖ）への変換を行うように構成されることが好ましい。この動作モードにより、実像に関するデータのみを処理することができ、計算資源が節約される。
【００２７】
図示したＳＯＣＴの設定では、０からｖＤｅｔＭａｘの間で検出可能な速度ｖを有する。タイミングユニットが一定の時間間隔Δｔでデータ取得を起動する場合、ｖＤｅｔＭａｘはπ／（２ｋ０Δｔ）であり、異なった波長の影響を考慮すべき場合、ｖＤｅｔＭａｘはπ／（２ｋＭａｘΔｔ）である。ここでｋｏは測定に用いるスペクトルの中心波数であり、ｋＭａｘはその最大波数である。多くの用途において、速度分布は、ｖ＝０付近が中央になるため、付与したドップラシフトによって、この中央部分を検出可能速度の中間の値、即ちｖＤｅｔＭａｘ／２にシフトすることが得策である。従ってｖＤをｖＤｅｔＭａｘ／２付近に、例えば、０．４ｖＤｅｔＭａｘ／２と０．６ｖＤｅｔＭａｘ／２の間で選択することが好都合であり、より好ましくはｖＤ＝ｖＤｅｔＭａｘ／２である。以上の考察は、図示した装置だけでなく、本発明による装置にも当てはまる。
【００２８】
この結果、即ち測定した画像および速度分布データは、ディスプレイ１６に視覚化してもよい。
【００２９】
コンピュータ１５は、標準的なパーソナルコンピュータまたは特別な装置でもかまわない。それは分光計とともに単一の装置に統合してもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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