(57)【要約】【課題】吸収散乱成分の分離の精度の低下を抑制することができる光学的測定方法を提供する。【解決手段】本発明の光学的測定方法は、複数の吸収散乱性物質を含むサンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させて当該干渉光データを波長の関数として検出し、分割された複数の波長帯における干渉光データを取得するデータ取得ステップと、この取得された前記複数の波長帯における干渉光データに基づいて吸収散乱性物質の分布を求めるデータ処理ステップと、を備え、前記データ取得ステップにおいて、前記複数の波長帯それぞれにおける前記吸収散乱性物質の吸収散乱スペクトルの面積の差が、各々の中心波数が一定間隔となるように同数に分割した場合の前記複数の波長帯それぞれにおける吸収散乱スペクトルの面積の差より大きくなるように、前記複数の波長帯に分割する。【選択図】図１
2015094651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の吸収散乱性物質を含むサンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させて当該干渉光データを波長の関数として検出し、分割された複数の波長帯における干渉光データを取得するデータ取得ステップと、
このデータ取得ステップにおいて取得された前記複数の波長帯における干渉光データに基づいて、前記複数の吸収散乱性物質それぞれについて、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収散乱成分を求め、この吸収散乱成分に基づいて該吸収散乱性物質の分布を求めるデータ処理ステップと、
を備え、
前記データ取得ステップにおいて、前記複数の波長帯それぞれにおける前記吸収散乱性物質の吸収散乱スペクトルの面積の差が、各々の中心波数が一定間隔となるように同数に分割した場合の前記複数の波長帯それぞれにおける前記吸収散乱性物質の吸収散乱スペクトルの面積の差より大きくなるように、前記複数の波長帯に分割する、
光学的測定方法。
【請求項２】
前記データ取得ステップにおいて、前記複数の波長帯それぞれにおける干渉光データの数が等しくなるように、前記複数の波長帯に分割する、
請求項１に記載の光学的測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography），ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）およびＤＯＴ（DiffuseOptical Tomography）等の光学的測定方法では、サンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光を検出して、その検出結果に基づいてサンプルの情報を得ることができる。ＯＣＴでは、サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させた光を検出することでサンプルの深さ方向の一次元の光断層画像を取得することができ、また、サンプルへの光照射の位置を走査することで二次元または三次元の光断層画像を取得することができる。
【０００３】
このような光学的測定方法において、サンプルに入射した光量に対してサンプルで生じた反射光の光量は吸収または散乱による減衰が含まれる場合がある。非特許文献１に記載された光学的測定方法は、複数の吸収散乱性物質を含むサンプルに光を照射または伝搬させたときに、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収散乱成分を複数の吸収散乱性物質それぞれについて互いに分離して求め、サンプル内部の複数の吸収散乱性物質それぞれの分布を求めることができる。
【０００４】
この光学的測定方法は、具体的には、複数の吸収散乱性物質を含むサンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させて当該干渉光データを波長の関数として検出し、分割された複数の波長帯における干渉光データを取得する。そして、この取得した複数の波長帯における干渉光データに基づいて、複数の吸収散乱性物質それぞれについて、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収散乱成分を求め、この吸収散乱成分に基づいて該吸収散乱性物質の分布を求める。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Chenyang Xu, et al., "Separationof absorption and scattering profiles in spectroscopic optical coherencetomography using a least-squares algorithm," Optics Express, Vol.12, No.20,pp.4790-4803 (2004).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者は、上記のような光学的測定方法において複数の波長帯に分割する態様によっては吸収散乱成分の分離の精度が低下するという問題点があることを見出した。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、吸収散乱成分の分離の精度の低下を抑制することができる光学的測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光学的測定方法は、複数の吸収散乱性物質を含むサンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させて当該干渉光データを波長の関数として検出し、分割された複数の波長帯における干渉光データを取得するデータ取得ステップと、このデータ取得ステップにおいて取得された前記複数の波長帯における干渉光データに基づいて、前記複数の吸収散乱性物質それぞれについて、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収散乱成分を求め、この吸収散乱成分に基づいて該吸収散乱性物質の分布を求めるデータ処理ステップと、を備え、前記データ取得ステップにおいて、前記複数の波長帯それぞれにおける前記吸収散乱性物質の吸収散乱スペクトルの面積の差が、各々の中心波数が一定間隔となるように同数に分割した場合の前記複数の波長帯それぞれにおける前記吸収散乱性物質の吸収散乱スペクトルの面積の差より大きくなるように、前記複数の波長帯に分割する。前記データ取得ステップにおいて、前記複数の波長帯それぞれにおける干渉光データの数が等しくなるように、前記複数の波長帯に分割するのが好適である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、吸収散乱成分の分離の精度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の光学的測定方法が適用される光学的測定システム１の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態の光学的測定方法におけるデータ取得ステップを説明する図である。
【図３】本実施形態の光学的測定方法におけるデータ取得ステップを説明する図である。
【図４】光学的測定システム１により取得される干渉光データ等の例を示す図である。
【図５】行列Ｘの一例を模式的に示す図である。
【図６】行列Ｌの一例を模式的に示す図である。
【図７】行列Ｙの一例を模式的に示す図である。
【図８】行列Ａの一例を模式的に示す図である。
【図９】比較例および本実施形態それぞれの光学的測定方法における複数の波長帯に分割する態様を説明する図である。
【図１０】本実施形態の光学的測定方法における複数の波長帯に分割する態様を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１１】
図１は、本実施形態の光学的測定方法が適用される光学的測定システム１の概略構成を示す図である。光学的測定システム１は、ＯＣＴ装置２およびプローブ３を備え、サンプル９の光断層画像を取得する。ＯＣＴ装置２は、光源から出力された光を２分岐して観察光および参照光として出力する。プローブ３は、ＯＣＴ装置２の光分岐部から出力された観察光を導光して先端からサンプル９へ照射するとともに、その光照射によって該サンプル９で生じる反射光を先端に入力してＯＣＴ装置２へ導光する。ＯＣＴ装置２は、プローブ３により導光されて到達した反射光と参照光とを干渉させて当該干渉光を検出する。そして、ＯＣＴ装置２は、この干渉光に基づいて、サンプルの深さ方向の光断層画像を取得することができる。また、プローブ３によるサンプル９への光照射の位置を走査（スキャン）することで、ＯＣＴ装置２は二次元または三次元の光断層画像を取得することができる。
【００１２】
本実施形態の光学的測定方法は、データ取得ステップおよびデータ処理ステップを備える。データ取得ステップでは、複数の吸収散乱性物質を含むサンプルに光を照射または伝搬させたときに該サンプルにおいて生じる反射光と参照光とを干渉させて当該干渉光データを波長の関数として検出し、分割された複数の波長帯における干渉光データを取得する。データ処理ステップでは、データ取得ステップにおいて取得された複数の波長帯における干渉光データに基づいて、複数の吸収散乱性物質それぞれについて、入射光量に対する反射光量の減衰量に含まれる吸収散乱成分を求め、この吸収散乱成分に基づいて該吸収散乱性物質の分布を求める。
【００１３】
光学的測定システム１は、図２および図３を用いて説明するように、本実施形態の光学的測定方法による測定を行うこともできる。図２および図３は、本実施形態の光学的測定方法におけるデータ取得ステップを説明する図である。干渉光のスペクトル（図２（ａ））に対して、帯域を分割する為の複数の窓関数（図２（ｂ））を乗じ、各帯域のスペクトル（図３（ａ））をフーリエ変換する。窓関数は例えばハン関数である。このフーリエ変換の結果（図３（ｂ））に基づいて、サンプル９内部の吸収性または散乱性を有する吸収散乱性物質（例えば脂質）の分布を求めることができる。
【００１４】
図４は、光学的測定システム１により取得される干渉光データ等の例を示す図である。データ取得ステップにおいて、干渉光を検出することで、波長λに対する干渉光強度（信号強度）を得ることができる。この例では、波長帯を６分割して波長帯毎にフーリエ変換することで、波長帯毎の光断層画像を取得することができる。続く、データ処理ステップでは、この波長帯毎の光断層画像に基づいて以下のような処理を行う。
【００１５】
干渉信号Ｉ(ｋ,ｚ)は下記（１）式で表される。ｋは波数である。ｚは、サンプル９における深さ方向の位置であり、サンプル９表面でｚ＝０である。ｍは、サンプル９に含まれる吸収散乱性物質の種類の数である。Ｓ(ｋ)は、光源のスペクトルである。Ｈｓ(ｋ)Ｈｓ(ｚ)は、光学的測定システム１の応答関数である。Ｈｒ(ｋ)Ｈｒ(ｚ)は、サンプル９における後方散乱の応答関数である。εｉ(ｋ)は、サンプル９に含まれるｍ種類の吸収散乱性物質のうちの第ｉの吸収散乱性物質の吸収散乱係数である。ｆｉ(ｚ)は、サンプル９に含まれる第ｉの吸収散乱性物質の空間的濃度分布である。
【００１６】
【数１】
2015094651.tif 000003
【００１７】
このように、干渉信号Ｉ(ｋ,ｚ)は、光源スペクトルＳ(ｋ)、光学的測定システム１の応答関数Ｈｓ(ｋ)Ｈｓ(ｚ)、サンプル９内部における吸収または散乱による減衰を表す因子（数式中の指数関数の部分）、および、サンプル９における後方散乱の応答関数Ｈｒ(ｋ)Ｈｒ(ｚ)、の積で表される。
【００１８】
波数ｋにおけるサンプル９内部の位置ｚでのログスケールでの反射光量Ｙ(ｋ,ｚ)は下記（２）式で表される。（２）式中のＦｉ(ｚ)は、下記（３）式で表され、サンプル９に含まれる第ｉの吸収散乱性物質による吸収散乱成分であり、第ｉの吸収散乱性物質の濃度のｚ＝０からの積分値である。（２）式中のＣ(ｚ)は、下記（４）式で表され、吸収・散乱が波長に依存しない波長無依存物質による吸収散乱成分であり、この波長無依存物質の濃度のｚ＝０からの積分値である。この波長無依存物質は第(ｍ＋１)の吸収散乱性物質として扱うことができる。
【００１９】
【数２】
2015094651.tif 000004
【００２０】
【数３】
2015094651.tif 000005
【００２１】
【数４】
2015094651.tif 000006
【００２２】
データ取得ステップにおける波長帯の分割数をｎとする。このとき、ｎ個の波長帯それぞれについての上記（２）式を連立させて行列で表すと、下記（５）式〜（８）式のように表される。ｋｊは、ｎ個の波長帯のうちの第ｊ波長帯の波数である。ｎ行(ｍ＋１)列の行列Ａは、既知の行列要素からなる。(ｍ＋１)行１列の行列Ｘは、データ処理ステップにおいて求められるべき未知の行列要素からなる。ｎ行１列の行列Ｙは、データ取得ステップにおいて得られた反射光量からなる。
【００２３】
【数５】
2015094651.tif 000007
【００２４】
【数６】
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【００２５】
【数７】
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【００２６】
【数８】
2015094651.tif 000010
【００２７】
未知変数の個数に対して方程式の個数が多いので、最小二乗法を用いて、下記（９）式で表される目的関数Ｓが最小（目的関数の偏微分がゼロ）となるような解Ｘを求める。しかし、実際に計算して解Ｘを求めてみると、光断層像の空間的なノイズが重畳された解Ｘが得られる。
【００２８】
【数９】
2015094651.tif 000011
【００２９】
このノイズ問題に対処する為、各Ｆｉ(ｚ)がノイズに比べて空間的に滑らかに変化する（空間的な変化が小さい）ことを仮定して、目的関数を修正する。すなわち、各Ｆｉ(ｚ)の二次微分値が小さいと仮定する。修正後の目的関数Ｓ' は下記（１０）式で表される。αは、Ｓに対する二次微分値の重みを決めるパラメータである。α２は、各Ｆｉ(ｚ)の二次微分値を小さくするためのパラメータであるので、平滑化パラメータと呼ぶことにする。目的関数Ｓ' は、反射光量Ｙ，吸収散乱成分Ｆｉおよび吸収散乱成分Ｆｉの空間二次微分を含む関数である。
【００３０】
【数１０】
2015094651.tif 000012
【００３１】
解Ｘは、行列を用いて表現すると下記（１１）式のように表される。Ｌは二次微分演算子（ラプラシアン演算子）である。
【００３２】
【数１１】
2015094651.tif 000013
【００３３】
Ｆｉ(ｚ)は離散的なデータであるので、或る位置での二次微分値は、該位置のデータに加えて前後のデータも用いた計算により求める。計算により求められる二次微分値は、計算手法によって異なり、また、計算に用いるデータの点数によっても異なる。計算手法としては、差分法、Savitzky-Golay filterを用いた数値微分、前進差分近似、後退差分近似、中心差分近似、Stirlingの公式、などが知られている。
【００３４】
図５は、行列Ｘの一例を模式的に示す図である。図６は、行列Ｌの一例を模式的に示す図である。図７は、行列Ｙの一例を模式的に示す図である。図８は、行列Ａの一例を模式的に示す図である。ここで、深さ方向のデータ数は５１２である。波長帯の分割数ｎは７である。波長無依存物質を除く吸収散乱性物質の種類の数ｍは１である。Savitzky-Golay filterを用いた数値微分により３点のデータを用いて二次微分を計算する場合の行列Ｌを示している。二次微分演算子である行列Ｌは、Ｆｉ(ｚ)に作用するが、Ｃ(ｚ)には作用しない。
【００３５】
解Ｘが求められると、すなわち、各吸収散乱性物質についてＦｉ(ｚ)，Ｃ(ｚ)が求められると、これをｚで微分することで各吸収散乱性物質の空間的分布ｆｉ(ｚ)，ｃ(ｚ)が得られる。第ｉの吸収散乱性物質の分布ｆｉ(ｚ)は下記（１２）式で表される。第(ｍ＋１)の吸収散乱性物質（波長無依存物質）の分布ｃ(ｚ)は下記（１３）式で表される。なお、ノイズ低減の為に、各吸収散乱性物質の分布ｆｉ(ｚ)，ｃ(ｚ)について空間上または時間上の平均化処理を行うのが好適である。
【００３６】
【数１２】
2015094651.tif 000014
【００３７】
【数１３】
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【００３８】
これまでに図２〜図４等を用いて説明したように、分割された複数の波長帯における干渉光データに基づいて上記（２）式を連立させて連立方程式（（５）式〜（８）式）とし、目的関数（（９）式または（１０）式）が最小となるような連立方程式の解を求める。このとき複数の波長帯に分割する態様は様々あり得る。しかし、複数の波長帯に分割する態様によっては、吸収散乱成分の分離の精度が低下し、また、一部の干渉光データが無駄になる場合がある。本実施形態では、このような問題を解消する為に、データ取得ステップにおいて複数の波長帯に分割する態様の点に特徴を有する。
【００３９】
図９は、比較例および本実施形態それぞれの光学的測定方法における複数の波長帯に分割する態様を説明する図である。同図は、４つの波長帯に分割する場合を示す。同図（ａ）に示される比較例では、４つの波長帯Ａ〜Ｄそれぞれの中心波数が一定間隔となるように分割する。同図（ｂ）に示される本実施形態では、４つの波長帯Ａ〜Ｄそれぞれにおける吸収散乱性物質の吸収散乱スペクトルε(ｋ)の面積の差が、比較例の場合の吸収散乱スペクトルε(ｋ)の面積の差より大きくなるように分割する。各波長帯の吸収散乱スペクトルε(ｋ)の面積は下記（１４）式で表される。
【００４０】
【数１４】
2015094651.tif 000016
【００４１】
同図（ａ）の比較例に対し、同図（ｂ）の本実施形態では、吸収散乱スペクトルε(ｋ)が大きい範囲を占めるように波長帯Ｂが設定される。これにより、波長帯Ｂにおける吸収散乱スペクトルε(ｋ)の面積と、吸収散乱スペクトルε(ｋ)が略０である波長帯Ｄにおける吸収散乱スペクトルε(ｋ)の面積との差を、大きくすることができる。このようにすることで、吸収散乱性物質の空間的分布ｆ(ｚ)の計算の精度が向上する。
【００４２】
図１０は、本実施形態の光学的測定方法における複数の波長帯に分割する態様を説明する図である。同図も、４つの波長帯に分割する場合を示す。同図に示されるように、本実施形態では、４つの波長帯Ａ〜Ｄそれぞれにおける干渉光データの数が等しくなるように分割する。Ｙ(ｋ,ｚ) の位置zのデータ数は各波長帯内のデータ数で決まるが、帯域分割後の有効な位置zのデータ数は、最もデータ数の少ない波長帯のデータ数によって決まる。本実施形態では、複数の波長帯それぞれが同じデータ数になるように分割することで最も効率的にデータを利用することができる。同図のように、帯域によってデータの密度が異なる場合、密度の小さいところは波長帯を広くするように分割することで、同じデータ数（同図では各帯域７データ）で分割する。
【符号の説明】
【００４３】
１…光学的測定システム、２…ＯＣＴ装置、３…プローブ、９…サンプル。
【図１】
2015094651.tif 000017
【図２】
2015094651.tif 000018
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015094651.tif 000022
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図４】
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