(57)【要約】【課題】より精度が高い血流画像を生成することが可能な血流画像化装置を提供する。【解決手段】血流画像化装置１００は、コヒーレント光源２、照射光学系１０、二次元イメージセンサ３０、および制御部４０を備える。照射光学系１０は、コヒーレント光源２から出射された測定光を、生体組織の検査対象領域に照射する。制御部４０は、二次元イメージセンサ３０によって連続して撮影された複数の画像の、対応する各画素の出力信号の時間変化から、検査対象領域における血流速度の二次元分布を示す血流画像を生成する。照射光学系１０は、生体組織に照射される測定光の強度分布を均一化するホモジナイザ１５を、測定光の光路上に備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレント光である測定光を出射するコヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源から出射された測定光を、生体組織の検査対象領域に照射する照射光学系と、
前記検査対象領域によって反射された測定光の反射光を受光する二次元イメージセンサと、
前記二次元イメージセンサによって連続して撮影された複数の画像の、対応する各画素の出力信号の時間変化から、前記検査対象領域における血流速度の二次元分布を示す血流画像を生成する制御部と、
を備え、
前記照射光学系は、
前記生体組織に照射される測定光の強度分布を均一化するホモジナイザを、測定光の光路上に備えたことを特徴とする血流画像化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の血流画像化装置であって、
前記ホモジナイザは、
非球面のレンズ面を有し、測定光の不均一な強度分布を均一な強度分布に変換する強度変換レンズを備えたことを特徴とする血流画像化装置。
【請求項３】
請求項２に記載の血流画像化装置であって、
前記強度変換レンズよりも測定光の光路の下流側に配置されると共に、非球面のレンズ面を有し、前記強度変換レンズを通過した測定光の位相を補正する位相補正レンズをさらに備えたことを特徴とする血流画像化装置。
【請求項４】
請求項１に記載の血流画像化装置であって、
前記ホモジナイザは、回折光学素子、レンズアレイ、ロッドレンズ、および光ファイバの少なくともいずれかを備えたことを特徴とする血流画像化装置。
【請求項５】
請求項４に記載の血流画像化装置であって、
前記ホモジナイザは、測定光の光軸に直交する断面における形状を矩形に整形することを特徴とする血流画像化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、生体組織の血流状態を測定するための血流画像化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体組織の血流速度の二次元分布を画像化する血流画像化装置が知られている。例えば、特許文献１に記載の血流画像化装置は、レーザ光束である測定光を拡げて眼底に照射し、眼底からの反射光を二次元イメージセンサ上にレーザスペックルとして結像する。像面に発生したレーザスペックルの時間変化から血流マップが生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１０２８８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
血流速度を示す値として、平均ブレ率（Ｍｅａｎ  Ｂｌｕｒ  Ｒａｔｅ：ＭＢＲ）が知られている。血流が遅いと、二次元イメージセンサによって撮影されるスペックルの斑点模様がゆっくりと動く（ブレが少なくなる）。逆に、血流が速いとスペックルの斑点模様のブレが多くなる。従って、血流速度の二次元分布を、平均ブレ率に基づいて生成することが可能である。
【０００５】
しかし、測定光の強度に応じて平均ブレ率が変化する。従来の血流画像化装置では、血流速度の違いに加えて、測定光の強度の違いも平均ブレ率に影響していたため、生成された血流画像における血流速度の二次元分布の精度が低い場合があった。
【０００６】
本開示の典型的な目的は、より精度が高い血流画像を生成することが可能な血流画像化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示における典型的な実施形態が提供する血流画像化装置は、コヒーレント光である測定光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源から出射された測定光を、生体組織の検査対象領域に照射する照射光学系と、前記検査対象領域によって反射された測定光の反射光を受光する二次元イメージセンサと、前記二次元イメージセンサによって連続して撮影された複数の画像の、対応する各画素の出力信号の時間変化から、前記検査対象領域における血流速度の二次元分布を示す血流画像を生成する制御部と、を備え、前記照射光学系は、前記生体組織に照射される測定光の強度分布を均一化するホモジナイザを、測定光の光路上に備える。
【０００８】
本開示における血流画像化装置は、より精度が高い血流画像を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の血流画像化装置１００の概略構成を示す図である。
【図２】強度変換レンズ１５Ａおよび位相補正レンズ１６の概略構成を示す図である。
【図３】第２実施形態の血流画像化装置２００の概略構成を示す図である。
【図４】第３実施形態の血流画像化装置３００の概略構成を示す図である。
【図５】第４実施形態の血流画像化装置４００の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
＜概要＞
本開示で例示する血流画像化装置は、コヒーレント光源、照射光学系、二次元イメージセンサ、および制御部を備える。コヒーレント光源は、コヒーレント光である測定光を出射する。照射光学系は、コヒーレント光源から出射された測定光を、生体組織の検査対象領域に照射する。二次元イメージセンサは、検査対象領域によって反射された測定光の反射光を受光する。制御部は、二次元イメージセンサによって連続して撮影された複数の画像の、対応する各画素の出力信号の時間変化から、検査対象領域における血流速度の二次元分布を示す血流画像を生成する。照射光学系は、生体組織に照射される測定光の強度分布（パワー密度分布）を均一化するホモジナイザを、測定光の光路上に備える。
【００１１】
本開示で例示する血流画像化装置によると、測定光の強度分布は、生体組織に到達した時点で均一となる。その結果、測定光の強度差の影響が低い平均ブレ率に基づいて血流画像が生成される。したがって、より精度が高い血流画像が生成される。
【００１２】
ホモジナイザは強度変換レンズを備えていてもよい。強度変換レンズは、少なくとも一方のレンズ面が非球面に形成されており、入射する光の不均一な強度分布を均一な強度分布に変換して下流側へ出射する。この場合、コヒーレント光源にシングルモードレーザを用いた場合でも、強度変換レンズを通過した測定光に干渉が生じないため、照射面で光強度ノイズが生じない。従って、測定光の強度分布が適切に均一化される。ただし、コヒーレント光源にシングルモードレーザ以外の光源を用いる場合でも強度変換レンズを使用できることは言うまでもない。
【００１３】
強度変換レンズよりも測定光の光路の下流側に、位相補正レンズが設けられていてもよい。位相補正レンズは、少なくとも一方のレンズ面が非球面に形成されており、強度変換レンズを通過した測定光の位相を補正する。この場合、強度変換レンズによって乱れた測定光の位相が、位相補正レンズによってビーム面内で揃えられる。よって、測定光の強度分布がより適切に均一化される。
【００１４】
ホモジナイザは、回折光学素子、レンズアレイ、ロッドレンズ、および光ファイバの少なくともいずれかを備えてもよい。この場合、測定光の強度分布が適切に均一化される。
【００１５】
ホモジナイザは、測定光の光軸に直行する断面における形状を矩形に整形してもよい。この場合、矩形の検査対象領域に測定光が照射される。例えば、血流画像化装置は、測定光の光束を複数照射する場合に、矩形の検査対象領域が隣接するように複数の測定光を照射させることで、広範囲の血流画像を容易に生成することができる。さらに、ホモジナイザが測定光の断面形状を整形する機能を兼ねるため、測定光の断面形状を整形するための光学部材（例えば矩形の開口等）を別で設ける必要が無い。
【００１６】
ただし、ホモジナイザは、矩形以外の形状に測定光の断面形状を整形してもよい。この場合でも、血流画像化装置は、生体組織の適切な領域に測定光を照射することができる。また、ホモジナイザによって測定光の断面形状が整形されなくてもよい。
【００１７】
＜第１実施形態＞
以下、本開示における典型的な実施形態の１つである第１実施形態について、図１および図２を参照して説明する。本実施形態の血流画像化装置は、生体組織である被検者眼Ｅの眼底の血流画像を生成する。ただし、本開示で例示する技術の少なくとも一部は、眼底以外の生体組織の血流画像を生成する場合にも適用できる。
【００１８】
図１を参照して、第１実施形態の血流画像化装置１００の概略構成について説明する。血流画像化装置１００は、コヒーレント光源２、照射光学系１０、受光光学系２０、二次元イメージセンサ３０、および制御部４０を備える。本実施形態の血流画像化装置１００では、照射光学系１０と受光光学系２０の間で対物レンズ３が共用されている。図１では、光学系の構成の理解を容易にするために、照射光学系１０と受光光学系２０を別々に図示している。その結果、共用されている対物レンズ３、および被検者眼Ｅは、照射光学系１０および受光光学系２０の各々で図示されている。ただし、対物レンズ３は、照射光学系１０と受光光学系２０の間で共用されていなくてもよい。
【００１９】
コヒーレント光源２は、コヒーレント光を測定光として出射する。本実施形態では、コヒーレンスを有するレーザ光を出射するレーザ光源（例えば半導体レーザ光源等）がコヒーレント光源２として用いられている。
【００２０】
照射光学系１０は、コヒーレント光源２から出射された測定光を、生体組織の検査対象領域（本実施形態では、被検者眼Ｅの眼底で二次元方向に広がる検査対象領域）に照射する。第１実施形態における照射光学系１０は、測定光の光路の上流側（コヒーレント光源２に近い側）から順に、コリメートレンズ１１、強度変換レンズ１５Ａ、位相補正レンズ１６、拡がり角調整レンズ１７、および対物レンズ３を備える。
【００２１】
コリメートレンズ１１は、コヒーレント光源２から出射された測定光の光束を、ほぼ平行な光束に変換する。強度変換レンズ１５Ａおよび位相補正レンズ１６の詳細については後述する。拡がり角調整レンズ１７は、対物レンズ３に向けて出射される測定光の拡がり角を調整する。拡がり角調整レンズ１７と眼底共役位置８の間の距離が調整されることで、眼底共役位置８における測定光のサイズ（光軸に直交する断面における大きさ）が調整される。対物レンズ３は、拡がり角調整レンズ１７によって拡がり角が調整された測定光を、被検者眼Ｅに向けて出射する。対物レンズ３を透過した測定光は、被検者眼Ｅの角膜近傍で集光した後、被検者眼Ｅの眼底において二次元方向の拡がりを持つ検査対象領域に照射される。
【００２２】
なお、本実施形態の拡がり角調整レンズ１７は凹レンズであるが、拡がり角調整レンズ１７の代わりに凸レンズが使用されてもよい。この場合、凸レンズは、対物レンズ３との間の光路上で測定光を一旦集光させた後発散させて、発散光を対物レンズ３に入射させてもよい。
【００２３】
受光光学系２０は、検査対象領域によって反射された測定光の反射光を、二次元イメージセンサ３０に導光する。本実施形態の受光光学系２０では、測定光の反射光は、対物レンズ３およびリレーレンズ２１を透過して二次元イメージセンサ３０の撮像面に入射する。
【００２４】
二次元イメージセンサ３０は、受光光学系２０によって導光された測定光の反射光を受光することで、生体組織の検査対象領域を撮影する。二次元イメージセンサ３０には、例えば、複数の受光素子が二次元平面上（例えば格子状等）に並べられた二次元ＣＣＤセンサ等を使用できる。
【００２５】
制御部４０は、コントローラ（ＣＰＵ）および記憶装置を備え、血流画像化装置１００における各種処理を司る。一例として、本実施形態の制御部４０はコヒーレント光源２に電気的に接続されており、コヒーレント光源２による測定光の出射を制御する。制御部４０は、各種光学系を備える血流画像化装置１００の筐体内に設けられていてもよいし、各種光学系を備える筐体とは別の筐体内に設けられていてもよい。例えば、各種光学系を備えた筐体をパーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」という）に接続することで、ＰＣの制御部が血流画像化装置１００の制御部４０として使用されてもよい。
【００２６】
制御部４０は、二次元イメージセンサ３０から出力される信号に基づいて血流画像を生成することができる。本実施形態における血流画像とは、生体の検査対象領域における血流速度の二次元分布を示す画像である。本実施形態における血流画像の生成方法について説明する。制御部４０は、二次元イメージセンサ３０によって連続して撮影された複数の画像の対応する各画素の出力信号の時間変化から、血流画像を生成する。コヒーレント光を生体組織に照射すると、散乱光が干渉し合い、レーザスペックルと言われるランダムな斑点模様が形成される。レーザスペックルは、生体組織中の移動散乱粒子（例えば血球等）によって動的に変化する。制御部４０は、連続して撮影された複数の画像におけるレーザスペックルの時間変化を、それぞれの画素における出力信号を処理することで定量化し、血流画像を生成する。
【００２７】
本実施形態では、血流速度を定量化する値として平均ブレ率（ＭＢＲ）が用いられる。血流が遅いと、撮影されるスペックルの斑点模様がゆっくりと動くので、平均ブレ率は小さくなる。逆に、血流が速いとスペックルの斑点模様が速く動くので、平均ブレ率が大きくなる。従って、血流速度の二次元分布を、平均ブレ率に基づいて生成することが可能である。しかし、生体組織の同一の部位について得られた平均ブレ率であっても、測定光の強度に応じて平均ブレ率が変化することが判明した。そこで、本実施形態の血流画像化装置は、生体組織に照射される測定光の強度分布を均一化するホモジナイザ１５を照射光学系１０に備える。その結果、測定光の強度差の影響が低い平均ブレ率に基づいて血流画像が生成される。第１実施形態の強度変換レンズ１５Ａは、ホモジナイザ１５の一例である。
【００２８】
図２を参照して、強度変換レンズ１５Ａおよび位相補正レンズ１６について詳細に説明する。強度変換レンズ１５Ａは、非球面のレンズ面を備える。図２で例示する強度変換レンズ１５Ａでは、後面側（下流を向く側）のレンズ面が非球面に形成されている。第１実施形態では、ほぼ平行光束とされたガウス分布の測定光が、強度変換レンズ１５Ａに入射する。ガウス分布の測定光では、光軸Ｏに近い部分の光強度が高く、光軸Ｏから離間する程光強度が低くなる。第１実施形態の強度変換レンズ１５Ａは、光軸Ｏ近傍の測定光を拡げて強度を下げると共に、光軸Ｏから離間した位置の測定光を相対的に収束させて強度を上げることで、不均一な強度分布を均一な強度分布に変換する。強度変換レンズ１５Ａを透過した測定光には干渉が生じないので、コヒーレント光源２にシングルモードレーザを用いた場合でも照射面で光強度ノイズが生じない。
【００２９】
位相補正レンズ１６は、非球面のレンズ面を備える。図２で例示する位相補正レンズ１６では、前面側（上流を向く側）のレンズ面が非球面に形成されている。強度変換レンズ１５Ａを透過して位相補正レンズ１６に到達した測定光は均一な強度分布を有するが、測定光の位相は乱れている。従って、測定光を平行光として伝播させるためには位相補正が必要である。位相補正レンズ１６は、測定光の位相を補正し、且つ平行光束として下流側に伝播させる。その結果、測定光の位相がビーム面内で揃えられる。位相補正は、幾何光学的に傾いた光線を平行に戻すことに相当する。強度変換レンズ１５Ａおよび位相補正レンズ１６を透過した測定光の強度分布はトップハット型となる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
図３を参照して、本開示における典型的な実施形態の１つである第２実施形態について説明する。第２実施形態の血流画像化装置２００は、ホモジナイザ１５として回折光学素子１５Ｂを備える点で、第１実施形態の血流画像化装置１００と異なる。一方で、ホモジナイザ１５以外の構成には、第１実施形態で説明した各種構成と同様の構成を採用できる。従って、第２実施形態以降の説明では、第１実施形態と同様の構成を採用できる構成には第１実施形態と同じ番号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００３１】
第２実施形態の血流画像化装置２００は、照射光学系１０における測定光束の光路上に、ホモジナイザ１５として回折光学素子（ＤＯＥ）１５Ｂを備える。回折光学素子１５Ｂは、光の回折の原理を利用して光強度分布を調整する素子である。第２実施形態の回折光学素子１５Ｂは、コリメートレンズ１１と拡がり角調整レンズ１７の間に配置されており、コリメートレンズ１１から伝播された測定光の、眼底における強度分布を均一化させる。その結果、測定光の強度差の影響が低い平均ブレ率に基づいて血流画像が生成される。
【００３２】
また、第２実施形態の回折光学素子１５Ｂは、測定光の光軸に直交する断面における形状を所定の形状に整形する機能も有する。詳細には、第２実施形態の回折光学素子１５Ｂは、測定光の断面形状を矩形に整形する。さらに、第２実施形態の血流画像化装置２００は、照射光学系１０を複数備えると共に、矩形の検査対象領域が互いに隣接するように複数の測定光を眼底に照射する。その結果、眼底における広範囲の血流画像が容易に生成される。回折光学素子１５Ｂが測定光の断面形状を整形する機能を兼ねるため、測定光の断面形状を整形するための光学部材を別で設ける必要が無い。
【００３３】
＜第３実施形態＞
図４を参照して、第３実施形態について説明する。第３実施形態の血流画像化装置３００は、ホモジナイザ１５としてレンズアレイ１５Ｃを備える。レンズアレイ１５Ｃは、並列的に配置された複数のレンズエレメントを備えており、複数のレンズエレメントの各々によって形成される像を重ねて１個の像を形成する。その結果、測定光の強度分布が均一化される。
【００３４】
第３実施形態のレンズアレイ１５Ｃは、第１レンズアレイ１８Ｃおよび第２レンズアレイ１９Ｃを備える。第１レンズアレイ１８Ｃおよび第２レンズアレイ１９Ｃの各々は、レンズエレメントがマトリクス状に配置されたフライアイレンズでもよいし、円柱レンズであるレンズエレメントが並べて配置されたシリンドリカルレンズアレイであってもよい。第１レンズアレイ１８Ｃと第２レンズアレイ１９Ｃの焦点距離は同じであり、第１レンズアレイ１８Ｃの焦点位置に第２レンズアレイ１９Ｃが配置されている。第１レンズアレイ１８Ｃには、コリメートレンズ１１によって平行光束とされた測定光が入射する。測定光は、第１レンズアレイ１８Ｃによって、レンズエレメントの個数分に分割されると共に、分割されたそれぞれの光束は第２レンズアレイ１９Ｃの位置で集光する。第２レンズアレイ１９Ｃから出射されたそれぞれの発散光束群は、リレーレンズ４５を透過した後、生体組織（本実施形態では眼底）における同一の検査対象領域に重ね合わせられて照射される。その結果、検査対象領域における測定光の強度分布は均一となる。リレーレンズ４５と眼底共役位置８の間の距離は、リレーレンズ４５の焦点距離とされている。
【００３５】
なお、図４に示すように、レンズアレイ１５Ｃによって分割されたそれぞれの光束は、分割されたまま角膜位置近傍で集光して被検者眼Ｅに入射する。従って、第３実施形態の血流画像化装置３００によると、角膜における測定光のパワー密度の増加が抑制されるため、測定光が角膜に与える影響が小さくなり、光安全性が高い。また、レンズアレイ１５Ｃの分割数が多くなる程、測定光の強度分布の均一性は向上するが、眼底共役位置８におけるトップハットビームの幅Ｗは狭くなる。トップハットビームの幅Ｗは、レンズアレイ１５Ｃのピッチ（隣接するレンズエレメント間の最短距離）ｐと、レンズアレイ１５Ｃの焦点距離Ｆａと、リレーレンズ４５の焦点距離Ｆｒによって決まる（Ｗ＝（Ｆｒ／Ｆａ）×ｐ）。従って、本実施形態では、必要なトップハットビームの幅Ｗに応じて、それぞれの値が最適化されている。
【００３６】
また、第３実施形態のレンズアレイ１５Ｃは、測定光の光軸に直交する断面における形状を、所定の形状に整形する機能も有する。詳細には、第３実施形態のレンズアレイ１５Ｃにおけるそれぞれのレンズエレメントの形状は、矩形に形成されている。第１レンズアレイ１８Ｃの各レンズエレメントと被検眼Ｅの眼底面は共役関係となっているため、測定光の眼底での断面形状が矩形に整形される。従って、第３実施形態の血流画像化装置３００は、第２実施形態と同様に複数の照射光学系１０を備えることで、広範囲の血流画像を容易に生成することができる。また、測定光の断面形状を整形するための光学部材を、レンズアレイ１５Ｃと別で設ける必要が無い。
【００３７】
なお、レンズアレイ１５Ｃの具体的な構成は適宜変更できる。例えば、図４に例示したレンズアレイ１５Ｃは、第１レンズアレイ１８Ｃおよび第２レンズアレイ１９Ｃを別々に備える。しかし、２つのレンズアレイを一体化し、且つ入射面および出射面を凸面としたレンズアレイ１５Ｃが用いられてもよい。
【００３８】
＜第４実施形態＞
図５を参照して、第４実施形態について説明する。第４実施形態の血流画像化装置４００は、ホモジナイザ１５としてロッドレンズ１５Ｄを備える。ロッドレンズ１５Ｄは、内部で測定光を繰り返し全反射させることで、出射端面における測定光の強度分布を均一化する。コヒーレント光源２から出射される測定光の拡がり角は、ロッドレンズ１５Ｄの内部で光が全反射しながら進行するための開口数ＮＡ以下とする。コヒーレント光源２から出射される測定光の拡がり角が、ロッドレンズ１５Ｄの開口数ＮＡよりも大きい場合には、コヒーレント光源２とロッドレンズ１５Ｄの間の光路上にレンズを配置することで、ロッドレンズ１５Ｄに入射させる測定光の拡がり角を調整してもよい。
【００３９】
また、第４実施形態のロッドレンズ１５Ｄは、測定光の光軸に直交する断面における形状を、所定の形状に整形する機能も有する。詳細には、第４実施形態のロッドレンズ１５Ｄの内側は、測定光束の光軸方向に延びる軸を有する四角柱状に形成されている。ロッドレンズ１５Ｄの出射面と被検眼Ｅの眼底面は共役関係となっているため、測定光の眼底での断面形状が矩形に整形される。従って、第４実施形態の血流画像化装置４００は、第２実施形態および第３実施形態と同様に複数の照射光学系１０を備えることで、広範囲の血流画像を容易に生成することができる。また、測定光の断面形状を整形するための光学部材を、ロッドレンズ１５Ｄと別で設ける必要が無い。
【００４０】
上記実施形態で開示された技術は一例に過ぎない。従って、上記実施形態で例示された技術を変更することも可能である。例えば、第４実施形態（図５参照）におけるロッドレンズ１５Ｄの代わりに、光ファイバをホモジナイザ１５として使用してもよい。光ファイバは、ロッドレンズ１５Ｄと同様に、測定光の強度分布を均一化することができる。また、光ファイバのコア形状を矩形とすることで、測定光の断面形状を矩形に整形してもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１００，２００，３００，４００    血流画像化装置
２    コヒーレント光源
１０    照射光学系
１５    ホモジナイザ
１５Ａ    強度変換レンズ
１５Ｂ    回折光学素子
１５Ｃ    レンズアレイ
１８Ｃ    第１レンズアレイ
１９Ｃ    第２レンズアレイ
１６    位相補正レンズ
２０    受光光学系
３０    二次元イメージセンサ
４０    制御部
【図１】
2018171369.tif 000003
【図２】
2018171369.tif 000004
【図３】
2018171369.tif 000005
【図４】
2018171369.tif 000006
【図５】
2018171369.tif 000007