(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光イメージデータを計算する方法であって、
波長走査光源光コヒーレンストモグラフィ装置により生成される光イメージデータを処理するために少なくとも一つのグラフィックス処理ユニットと少なくとも一つの中央処理ユニットを提供するステップと、
前記少なくとも一つのグラフィックス処理ユニットを用いて前記光イメージデータにフーリエ変換処理ステップを実行するステップと、
前記少なくとも一つの中央処理ユニットを用いて、データ取得ステップを実行し、また前処理、後処理、画像表示、および表示後相互作用から成る群から選択された他の処理ステップを実行するステップであって、前記データ取得ステップが、前記波長走査光源光コヒーレンストモグラフィ装置を同期化することを含む、ステップと、
処理された光イメージデータを表示装置に送信し、リアルタイムフレームレートで光コヒーレンストモグラフィ画像を表示するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
データ取得が、計測を開始させるステップと、光イメージ信号をデジタル化するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記前処理が、雑音除去ステップと、ウィンドイングおよびアポダイゼーションステップと、線形波数空間への内挿ステップと、整数・浮動小数点変換ステップと、利得／オフセット変更ステップと、ゼロパディングステップとのうちの少なくとも１つのステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記後処理が、フィルタリングステップと、エッジ検出ステップと、特徴抽出ステップと、極座標表現マッピングステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
付加的な後処理と、画像特徴の測定と、再生制御とを要求するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
超音波イメージングを実行するため前記少なくとも一つのグラフィックス処理ユニットと前記少なくとも一つの中央処理ユニットを使用するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記フーリエ変換が高速フーリエ変換である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
光イメージデータを計算する処理システムであって、
光イメージデータを生成するべく構成された波長走査光源光コヒーレンストモグラフィ装置と、
前記光イメージデータにフーリエ変換処理を実行するべく構成されたグラフィックス処理ユニットと、
データ取得及び前記光イメージデータに他の処理ステップを実行するべく構成された中央処理ユニットであって、前記データ取得が、前記波長走査光源光コヒーレンストモグラフィ装置を同期化することを含み、前記他の処理ステップが、前処理、後処理、画像表示、および表示後相互作用を含む、中央処理ユニットと、
少なくとも一つのデータ記憶用のメモリと、
処理された光イメージデータを表示するためのディスプレイと、
前記グラフィックス処理ユニットと前記中央処理ユニットを前記少なくとも一つのメモリと前記ディスプレイに接続し、データ通信を提供する通信リンクと、
を備える処理システム。
【請求項９】
前記少なくとも一つのメモリが複数のメモリの一つであり、前記グラフィックス処理ユニットと前記中央処理ユニットが前記複数のメモリと通信する、請求項８に記載の処理システム。
【請求項１０】
前記グラフィックス処理ユニット、前記中央処理ユニット、および前記複数のメモリがユーザインターフェイスを使ってインターフェイス接続され、前記通信リンクがコンピュータネットワークである、請求項９に記載の処理システム。
【請求項１１】
前記グラフィックス処理ユニットと前記中央処理ユニットに結合した超音波システムをさらに備える、請求項８に記載の処理システム。
【請求項１２】
ユーザインターフェイスをさらに備える、請求項８に記載の処理システム。
【請求項１３】
前記フーリエ変換が高速フーリエ変換である、請求項８に記載の処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にコンピューティングシステムに関し、特に、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スペクトル領域光コヒーレンストモグラフィ（ＳＤ−ＯＣＴ）は、フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）としても知られ、参照アーム長の変調を必要とすることがないので、高速画像取得レートの可能性がある。ＳＤ−ＯＣＴは、参照アームとサンプルアームとからの再結合された光がスペクトル的に分離され、検出され、深さプロファイルに変換されるスペクトル干渉法に基づいている。従って、包括的スクリーニングの可能性を開く３次元データ集合が素早く取得できる。
【０００３】
ＯＣＴは、後方散乱光または後方反射光のエコー時間遅延を測定することによりマイクロスケール解像度で組織の断面画像を生成する。フーリエ領域ＯＣＴ（ＦＤ−ＯＣＴ）は、干渉計を使用して単一の静止した参照反射体からの光と干渉したサンプル光の光スペクトルを取得することにより高感度および高いイメージング速度を達成可能である。波長走査光源ＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ）は、広い光帯域幅に亘って狭帯域光源を素早く変化させることにより波数を時間符号化する。
【０００４】
高速ＯＣＴイメージングシステムは、高ビットレート、すなわち、およそ１０ないし１０００メガビット／秒でデータを生成する。現在のところ、中央プロセッサユニット（ＣＰＵ）は、すべての高速フーリエ変換（ＦＦＴ）計算を実行している。本発明は、リアルタイム・フレームレートでＯＣＴ画像を効率的に取得し、処理し、表示する課題を解決する。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、リアルタイム・フレームレートでＯＣＴ画像を取得し、処理し、表示する分散コンピューティングシステムに関する。
【０００６】
上記の概要は、以下の発明の好ましい実施形態の詳細な説明と共に、添付図面と併せて読まれたときに、理解されるであろう。発明を図解する目的のため、図面には現在好ましい実施形態が示されている。しかし、発明は図示されたとおりの仕組みと構成に限定されるものではないことが理解されるべきである。
【０００７】
発明の以下の特徴および利点と他の特徴および利点とは、添付図面と併せて読むと、以下の典型的な実施形態の詳細な説明から明白である。詳細な説明および図面は、特許請求の範囲に規定された発明およびその均等物の範囲を限定するものではなく、発明の単なる例示である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】分散コンピューティングシステムを示す図である。
【図２Ａ】発明の実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】発明の実施形態を示す図である。
【図３】データ取得ステップの概略図である。
【図４Ａ】前処理ステップの概略図である。
【図４Ｂ】デジタイザの概略図である。
【図５】後処理ステップの概略図である。
【図６】画像表示ステップの概略図である。
【図７】発明の一実施形態を示す図である。
【図８】発明の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
添付図面中、類似した要素は本発明のいくつかの好ましい実施形態に共通して類似した参照番号によって特定されている。
【００１０】
一般的に言うと、発明は、リアルタイム・フレームレートでＯＣＴ画像を取得し、処理し、表示する分散コンピューティングシステム１０である。図１に示されているように、分散コンピューティングシステム１０は、データ取得ステップ３０と、前処理ステップ４０およびフーリエ変換ステップ５０と、画像後処理ステップ６０と、表示ステップ７０と、アーカイブステップ８０とを含む複数のＯＣＴステップを備えるＯＣＴシステム２０に連結されている。ＯＣＴシステム２０は、その後にＯＣＴステップの間に処理され分割されるＯＣＴ信号を生成する。分散コンピューティングシステム１０は、２台以上の別個であるが、しかし、ネットワーク化されたコンピュータまたはプロセッサを使用して複数のＯＣＴステップを達成する。ユーザは、取得前に、イメージングパラメータをセットアップするために、そして、データ取得３０を開始するためにユーザインターフェイス９２を使って分散コンピューティングシステム１０と相互作用する。ユーザは、表示７０の後にも、付加的な後処理、インタラクティブ処理、画像特徴の測定、再生制御などを要求するためにユーザインターフェイス９４を使って分散コンピューティングシステム１０と相互作用する。ＯＣＴステップは、利用可能なプロセッサの台数と、各演算を実行するときの各プロセッサタイプの効率とに依存して、複数台のプロセッサを含むか、または、何らかの組み合わせのプロセッサのクラスタ１００に割り当てられることがある。発明の一実施形態では、図２Ａに示されているように、あるプロセッサ１１０がデータ取得ステップ３０のため使用され、第２のプロセッサ１１２が前処理ステップ４０と、フーリエ変換ステップ５０と、後処理ステップ６０と、表示ステップ７０と、アーカイブステップ８０、及び表示後のインタラクティブ処理９０とのため使用されることがある。プロセッサ１１０および１１２は、ローカルメモリ１２０を共有することがあり、または、別個のメモリソースを含むことがある。発明の別の実施形態では、図２Ｂに示されているように、コンピュータのクラスタ２００がＯＣＴステップのため導入され、ここで、単独のコンピュータ２１０がすべてのユーザ相互作用のため使用されてもよく、第２のコンピュータ２１２が取得ステップ、フーリエ変換ステップ、および、後処理のため使用されてもよい。クラスタ２００の中の各コンピュータはネットワーク２２０によって接続されている。
【００１１】
「コンピュータ」は、マイクロプロセッサまたは中央処理ユニット（ＣＰＵ）と、ローカルメモリまたはランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）と一体となり、オペレーティングシステムを実行し、いくつかの通信能力をもつどのような電子機器でもよい。コンピュータは、従来的なパーソナルコンピュータ、ワークステーション、ネットワークコンピュータノード、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）付きのグラフィックスカード、専用デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）拡張カードなどを含むことがある。
【００１２】
各コンピュータは、コンピュータ上で動き、限定されることはないが、Ｗｉｎｄｏｗｓ(登録商標)、Ｌｉｎｕｘ、ＵＮＩＸ(登録商標)、Ｓｏｌａｒｉｓ、Ｍａｃ  ＯＳ、リアルタイムオペレーティングシステムなどを含むソフトウェアである、「オペレーティングシステム」を備える。「通信能力」は、ＯＣＴデータおよび他のコマンドをネットワークの中のコンピュータの間で通信する何らかの手段である。ＯＣＴデータとコマンドとは必ずしも同じバス／ネットワークを介して通信されなくてもよい。多数の通信ネットワークが利用されることがある。通信能力は、通信ハードウェア（例えば、ネットワークカード）とソフトウェアに基づく通信プロトコルとの両方を含む。標準化されたデジタル通信能力（ハードウェアおよびソフトウェア）の包括的なリストは、１００ギガビットイーサネット(登録商標)、１０ギガビットイーサネット、ＴＣＰ／ＩＰ、ＵＤＰ、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ、ＵＳＢ  ２、ＳＣＳＩ、ＳＡＴＡ、ｅＳＡＴＡ、ＰＣＩ、ＰＣＩエクスプレス、光ファイバ、ＩＤＥなどを含む。付加的に、カスタム・ソフトウェア・プロトコルがリストに載せられたハードウェアオプション上の転送速度を最適化するため書かれることがあり、または、一般に市販されている特定されていない他のデジタルＩ／Ｏカードを利用することもある。
【００１３】
ＯＣＴシステムにおけるコンピュータノード間の伝送は、ＲＡＭ、磁気ハードディスク、フラッシュＲＡＭなどのようなメモリ／記憶ハードウェアを用いて（内部的または外部的に）一時記憶されることがある。これらのバッファは、コンピュータノードによって制御されることがあり、または、使用されるネットワークプロトコルに従う専用コントローラを有することがある。これらのバッファの実施例は、外部ＲＡＭディスク、ネットワーク・アタッチ・ストレージ（ＮＡＳ）ディスク、ストレージ・エリア・ネットワーク（ＳＡＮ）などを含む。
【００１４】
コンピュータにより実行可能な命令のようなソフトウェアは、付属しているコンピュータの作業負荷を管理し、全体的な動作速度を最大化するためにそれに応じてタスクの経路を決める。これによって、上述されたプログラムの流れは、小さい部分にさらに分割され、ネットワーク上の多数のコンピュータに配分されることがある。プログラムモジュールのようなソフトウェアは、１台以上のコンピュータまたは他の装置によって同様に実行されてもよい。一般に、プログラムモジュールは、特有のタスクを実行するか、または、特有の抽象データ型を導入するコンピュータコード、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。画像構築ソフトウェアおよび他のオペレーティングソフトウェアは、タスクが通信ネットワークを介してリンクされたリモート処理装置によって実行される分散コンピューティング環境の中で実施される。画像構築ソフトウェアはその場合にＯＣＴ信号のリアルタイム画像を生成することがある。
【００１５】
データ取得ステップ３０は、図３に示されているように、トリガーステップ３２と、同期化ステップ３４と、デジタル化ステップ３６とを含む。トリガーステップ３２は計測を始動させ、同期化ステップは、光源のクロックの計時のようなＯＣＴシステムの計測を同期化させる。デジタル化ステップ３６は、高速アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器（ＡｌａｚａｒＴｅｃｈ，  Ｍｏｎｔｒｅａｌ，  Ｃａｎａｄａ）を使用してＯＣＴ信号をデジタル化する。Ａ／Ｄ変換器は、典型的、にホストコンピュータに接続され、ホストコンピュータによって制御され、データバス（例えば、ペリフェラル・コンポーネント・インターコネクト「ＰＣＩ」、ＰＣＩｅ、計測用ＰＣＩ拡張「ＰＸＩ」、ＰＸＩｅなど）を介してホストプロセッサと通信する。Ａ／Ｄ変換器は、オンボード・ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）を含んでも含まなくてもよく、取得されたデータの一部または全部をホストコンピュータのＲＡＭへ即座に転送しても転送しなくてもよい。Ａ／Ｄ変換器は、オンボードＲＡＭとデータバスを介して他の機器またはコンピュータへデータを外部転送する手段とを搭載した自立型機器（例えば、デジタルオシロスコープ）でもよい。各データ取得ステップ３０は、さらに分けられ、分散コンピューティングシステム１０の中の別個のコンピュータ１００に割り当てられてもよい。データ取得ステップ３０は、その後に、前処理ステップ４０およびフーリエ変換ステップ５０が続けられる。
【００１６】
図４Ａに示されているように、前処理ステップ４０は、整数−浮動小数点変換４１、雑音除去４２、Ａ／Ｄカードからのデータのスケーリング（利得およびオフセット）４３、ウィンドウイング／アポダイゼーション４４、データへのゼロパディング４５、および、線形波数空間への内挿４６、および、その後に、通常は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）、フーリエ変換ステップ、または、他の周波数変換演算を用いる時間／周波数変換４８のような前処理ステップを含む。雑音除去は、雑音が光源と、干渉計と、検出器およびエレクトロニクスとから生じるので、ＯＣＴ演算のため必要である。ウィンドウイング／アポダイゼーションは打ち切られたインターフェログラムから取得されるスペクトルの中にギブス現象「リンギング」を低減するため使用される数学的手法である。前処理ステップ４０は、典型的に、プロセッサ集約的演算であり、よって、分散コンピューティングシステム１０の恩恵を受け、さらに分割され、別個のプロセッサまたはコンピュータ１００に割り当てられてもよい。
【００１７】
発明の別の実施形態では、図４Ｂに示されているように、オンボードＡ／Ｄデジタイザ３８がＯＣＴシステム２０からＯＣＴ信号を取得し、Ａ／Ｄデジタイザカード３８の中で前処理ステップ４０および高速フーリエ変換をそのまま実行する。オンボード処理は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、ＤＳＰ、マイクロプロセッサなどを使って実現される。フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイは、「ロジックブロック」と呼ばれるプログラマブル・ロジック・コンポーネントと、プログラマブルインターコネクトとを格納している半導体装置である。オンボード処理を管理するソフトウェアは、Ａ／Ｄデジタイザカードのファームウェアの中に存在する。ファームウェアは、マイクロコントローラの中のようなＡ／Ｄデジタイザカードのハードウェア装置の中に組み込まれたコンピュータプログラムである。ファームウェアは、標準的な多重記録モードを使用してＡ／Ｄデジタイザのオンボードメモリに必要な個数の波形を獲得する。多重記録モードは、多数の波形が捕捉され、Ａ／Ｄデジタイザ３８のオンボードメモリに積み重ねられることを可能にする。波形はオンボードＦＦＴアルゴリズムを通じてホストコンピュータへダウンロードされる。ＦＦＴアルゴリズムは、データ転送速度を低下させないパイプライン形式で構造化されている。ＦＦＴがＡ／Ｄデジタイザで実行される前に、時間領域ウィンドウがデータに適用されてもよい。ウィンドウイング／アポダイゼーション関数が設けられ、どのような設計の任意の対称ウィンドイング関数が選択されてもよい。Ａ／Ｄデジタイザ３８上の前処理ステップ４０およびＦＦＴ４８が実行された後、後処理ステップ６０および画像表示ステップ７０がプロセッサのクラスタ１００上で実行されることがある。
【００１８】
図５に示されているように、画像後処理ステップ６０は、フィルタリング６２、エッジ検出６４、特徴抽出６６、および、極座標表現のマッピング６８を含むことがある。フィルタリング６２は、いくらでも周知の画像処理アルゴリズムを用いる雑音除去、スペックル除去などを含む。フィルタリングは、平均値フィルタ、メジアンフィルタ、および、ガウシアンフィルタを使用する適応フィルタリングまたはローパスフィルタリングによって実現されてもよい。スペックル除去技術は、空間平均化技術、周波数コンパウンド技術、偏波平均化技術、および、画像処理技術を含む。エッジ検出６４および特徴抽出６６は最新自動化プロセスである。特徴抽出６６は、画像セグメンテーション、画像計測、および、画像表示を含む。エッジ検出６４は、例えば、Ｍａｒｒ−Ｈｉｌｄｒｅｔｈアルゴリズムを含んでいてもよい。極座標表現のマッピング６８は、画像が円筒または螺旋走査パターンで取得され、直交座標から極座標表現へマップされる可能性が高いときに必要とされる。後処理ステップ６０は、分割され、分散コンピューティングシステム１０の中の別個のプロセッサまたはコンピュータ１００に割り当てられることがある。後処理ステップ６０の後、リアルタイム画像表示７０が続く。
【００１９】
図６に示されているように、ＯＣＴデータの表示７０およびアーカイブ８０は、
（Ａ／Ｄ変換器から、および／または、最終的な処理済み画像から直接的に、および／または、いずれかの中間ステップにおいて）デジタルデータを即座に観察し、ディスクに保存するため画像をスクリーンにプロットすることだけを必要とする。リアルタイム表示の後、ユーザは、ユーザインターフェイス９４を通して付加的な後処理７２、インタラクティブ処理７４、画像特徴の測定７６、および、再生制御７８を要求可能である。
【００２０】
ＯＣＴデータにＦＦＴ関数を実行するためＧＰＵを使用
発明の別の実施形態では、分散コンピューティングシステム１０は、フーリエ変換ステップ５０を実施するためグラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）プロセッサ２００をさらに含む。どの前処理ステップおよび後処理ステップも含み、ＦＦＴ処理だけに限定されるべきでない、メインＣＰＵによって実行できるステップは、どれでもＧＰＵによって実行できる。このステップは、どの前処理ステップおよび後処理ステップを含み、ＦＥＴ処理だけに限定されるべきでない。ＣＰＵ集約的なＦＦＴ計算の負荷をＧＰＵに載せることにより、他のＯＣＴステップが分散コンピューティングシステム１０のための他のプロセッサによって実行されることがある。ＮＶＩＤＩＡプログラミングキットを使用して、ＦＦＴ変換は、ＦＦＴを計算するため要する時間を短縮するために最新型高速ＧＰＵ上で実施され、ＯＣＴシステム２０のあらゆるソフトウェアの局面を改善する。様々なＮＶＩＤＩＡおよびＡＴＩビデオカードのためこのコードは数種類のＣ言語による実施が存在する。
【００２１】
発明の別の実施形態では、ＰＣＩカードは、分散コンピューティングシステム１０においてフーリエ変換ステップ５０を実行してもよい１−８個のＤＳＰを含んでいてもよい。代替的に、ＦＰＧＡが分散コンピューティング１０においてフーリエ変換ステップ５０を実行することがある。
【００２２】
超音波／ＯＣＴシステム
発明の別の実施形態では、超音波（ＵＳ）／ＯＣＴ複合型システム３００は、図８に示されているように、リアルタイム光超音波イメージングのため分散コンピューティングシステム１０のプラットフォームを活用する。ＵＳシステム３１０およびＯＣＴシステムは、共通したタスクのためネットワーク上のコンピュータを共有することがあり、さらに、異なるタスクのため共通したコンピュータと連結されている別個のコンピュータを有することがある。発明の一実施形態では、ＯＣＴシステムおよびＵＳシステムは、別個の取得コンピュータおよび処理コンピュータと、共通した表示コンピュータとを有することがある。コンピュータクラスタは、必ずしも、すべてのコンピュータクラスタが外側から単独のコンピュータとして見えるように個々のケースに詰め込まれなくてもよい。ＵＳシステムは、分散コンピューティングシステム１０の恩恵を受ける前処理ステップおよび後処理ステップを含む。
【００２３】
ＵＳイメージングシステムは、口径３８ｍｍの広帯域（５ないし１０ＭＨｚ）直線アレイトランスデューサが備え付けられることがある。細胞は、カラー・パワードップラー・モード、パワードップラーモード、Ｍモード、および、Ｂスキャンモードで画像化されることがある。階調モードとも呼ばれるＢスキャンソノグラム画像法は、音波の後方散乱を使用して人体を監視または検査する典型的な超音波法である。Ｍモード超音波は、所定の時間に亘る一定超音波ビームでのスキャンの系列を使用する。Ｍモードは心臓弁のような運動する被写体を素早く可視化するため使用される。従来的なＢスキャン画像法と比べると、ドップラー超音波法は、反射した音波の周波数の変化を評価するため使用される。カラーパワードップラー法は、ドップラーシフトした反射した音波を従来的なＢスキャン画像の上に重なる色に変換し、運動する被写体の速度および方法を示すことが可能である。パワードップラー超音波法は、運動する対象物を評価するため最も広く使用され、カラー・パワードップラー・モードより高い感度を有している。カラーパワーおよびドップラーイメージングモードの利得は、背景雑音を抑えるために手動で調整されることがある。超音波計測のセッティングが変更されない場合、それぞれの客観的比較が行われることがある。
【００２４】
発明は様々な実施形態と関連して説明されているが、発明はさらなる変更が可能であることが理解されるであろう。本願は、一般に、発明の原理に従い、そして、発明が属している技術分野における周知かつ慣用的な実施の範囲に含まれるような本開示からの逸脱を含む発明のいかなる変更、使用、または、適応も対象とすることが意図されている。
【図１】
0005788174.tif 000002
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
0005788174.tif 000008
【図６】
0005788174.tif 000009
【図７】
0005788174.tif 000010
【図８】
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