光学断层图像产生方法和光学断层图像产生装置

摘要

本发明涉及光学断层图像产生方法和光学断层图像产生装置。针对光学断层成像装置提供容易地提高图像质量的方法。产生对象的断层图像的光学断层图像产生方法包括：获取信号；执行傅立叶变换；以及获得断层图像。光学断层图像产生方法还包括以下步骤之一：合成在预定时间内获取的多个信号；和在对于在预定时间内获取的多个信号执行傅立叶变换之后合成该多个信号。

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生对象的断层图像的光学断层图像产生方法和光学断层图像产生装置。

背景技术

使用光学相干断层法(OCT)的成像装置(以下也被称为OCT装置)现在被付诸于实用，在所述光学相干断层法(OCT)中利用低相干光的干涉。该成像装置能够以几微米的深度分辨率(depthresolution)获取断层图像，这导致对象的断层图像的高分辨率成像。

日本专利申请公开No.2008-237238公开了一种光学图像测量设备，所述光学图像测量设备意图提高要形成的图像的图像质量。该设备形成眼底的多个断层图像，并且存储所形成的图像。然后，使用断层图像中的一个图像和与该图像相邻的断层图像以进行算术运算，以由此形成新的断层图像。作为结果，可以提高所形成图像的图像质量。

在上述日本专利申请公开No.2008-237238中，图像质量在一定程度上得到提高，但是，没有充分地得到提高。特别是在对象移动的情况下，对象的位置在断层图像之间变化，这增加信号波形被修约(round)的风险。

因此，需要进一步提高图像质量。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而提出的，因此，本发明的一个目的是实现图像质量的进一步提高。本发明的另一个目的是，通过抑制对象的移动的影响，即使当对象移动时也实现图像质量的提高。

根据本发明，提供一种产生对象的断层图像的光学断层图像产生方法，该方法包括以下步骤：获取信号；执行傅立叶(Fourier)变换；以及获得断层图像，其中，光学断层图像产生方法还包括以下步骤之一：对于在预定时间内获取的多个信号进行合成；和在对于在预定时间内获取的多个信号执行傅立叶变换之后对于所述在预定时间内获取的多个信号进行合成。

根据本发明，还提供一种光学断层图像产生装置，该光学断层图像产生装置用于将来自光源的光分成测量光和参考光，通过测量光路将测量光引向对象，并通过参考光路将参考光引向参考反射镜，以由此通过使用作为被对象反射或散射的测量光的返回光、在参考反射镜上反射的参考光和通过对返回光和参考光进行合成而获得的合成光来产生对象的断层图像，该光学断层图像产生装置包括用于扫描对象的单元和用于控制成像定时的单元，并且还包括用于对在预定时间内获取的信号进行合成的单元。

根据本发明，还提供一种光学断层图像产生方法，所述光学断层图像产生方法产生对象的断层图像，包括以下步骤：获取通过扫描对象而获得的多个信号；对于多个获取的信号之中的在预定时间内获取的多个信号进行合成；对于通过合成步骤获得的信号执行傅立叶变换；以及基于通过傅立叶变换获得的信号来产生断层图像。

根据本发明，还提供一种光学断层图像产生装置，所述光学断层图像产生装置产生对象的断层图像，包括：用于获取通过扫描对象而获得的多个信号的单元；用于对于多个获取的信号之中的在预定时间内获取的多个信号进行合成的单元；用于对于通过所述用于进行合成的单元获得的信号执行傅立叶变换的单元；以及用于基于通过傅立叶变换获得的信号来产生断层图像的单元。

根据本发明，还提供一种光学断层图像产生方法，所述光学断层图像产生方法产生对象的断层图像，包括以下步骤：获取通过扫描对象而获得的多个信号；对于多个获取的信号执行傅立叶变换；对于经受傅立叶变换的多个信号之中的在预定时间内被获取并经受傅立叶变换的多个信号进行合成；以及基于通过合成步骤获得的信号来产生断层图像。

根据本发明，还提供一种光学断层图像产生装置，所述光学断层图像产生装置产生对象的断层图像，包括：用于获取通过扫描对象而获得的多个信号的单元；用于对于多个获取的信号执行傅立叶变换的单元；用于对于经受傅立叶变换的多个信号之中的在预定时间内被获取并经受傅立叶变换的多个信号进行合成的单元；以及用于基于通过所述用于进行合成的单元获得的信号来产生断层图像的单元。

根据本发明，通过对于在预定时间内获取的多个信号进行合成或对于在对所述多个信号执行傅立叶变换之后获得的信号进行合成，实现图像质量的提高。

参考附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的信号处理步骤的解释图；

图2是示出根据本发明第一实施例的Michelson OCT装置的解释图；

图3A、图3B、图3C和图3D是示出根据本发明第一实施例的扫描仪的关于经过时间的位置和该扫描仪的测量定时之间的关系的解释图；

图4是示出根据本发明第二实施例的Mach-Zehnder OCT装置的解释图；

图5A和图5B是示出根据本发明第二实施例的信号处理步骤的解释图；以及

图6是示出根据本发明第三实施例的信号处理步骤的解释图。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。

根据本发明，提供一种产生对象的断层图像的光学断层图像产生方法，该方法包括以下步骤：获取信号；执行傅立叶变换；以及获得断层图像，其中，光学断层图像产生方法还包括以下步骤之一：对于在预定时间内获取的多个信号进行合成；和在对于在预定时间内获取的多个信号执行傅立叶变换之后对于在所述预定时间内获取的多个信号进行合成。图1示出光学断层图像产生方法包括对于在预定时间内获取的多个信号进行合成的步骤的情况。

实施例

第一实施例

下面描述本发明的第一实施例。在本实施例中，利用使用Michelson干涉计的成像装置来产生断层图像，但是，可用于本发明的成像装置不限于此。此外，本实施例的信号处理的特征在于，在获取多个信号之后合成所述多个信号。

Michelson干涉计

参考图2，描述根据第一实施例的光学相干断层成像装置(以下也被称为OCT装置)。图2是示出根据本实施例的使用Michelson光学系统(Michelson干涉计)的成像装置的示意图。

从光源201发射的光穿过光纤(fiber)202和透镜203-1，并且通过光束分离器204被分成测量光214和参考光213。测量光214穿过XY扫描仪208、物镜(objective lens)205-1和物镜205-2，并且入射到作为对象的眼睛217。然后，入射到眼睛的测量光穿过角膜216，并到达视网膜218。

在眼睛217的视网膜218上反射和散射的返回光215通过依次穿过物镜205-2、物镜205-1、XY扫描仪208和光束分离器204而返回。并且，返回光215通过透镜203-2被引向分光计211。分光计211包含透镜、光栅和图像拾取器件。用作图像拾取器件的是电荷耦合器件(CCD)型或互补金属氧化物半导体(CMOS)型的线传感器(linesensor)。通过分光计211的线传感器获得的信号被发送到计算机212并被存储在存储器中。存储的信号然后经受后面描述的处理。

另一方面，参考光213穿过色散补偿玻璃207，在参考反射镜209上被反射，再次穿过色散补偿玻璃207，并返回到光束分离器204。色散补偿玻璃207被用于补偿在眼睛217和物镜205-1、205-2中引起的色散。参考反射镜209可借助于反射镜调整机构210调整参考光路的光路长度。通过光束分离器204合成这些参考光213和返回光215。然后，合成的光被引向分光计211。注意，测量光路上的具有与参考光路的光路长度匹配的光路长度的部分被称为相干门(coherencegate)。在测量眼睛217的视网膜218的情况下，参考反射镜209的位置被调整，使得相干门变得接近视网膜218。

作为光源201，使用作为典型的低相干光源的超亮二极管(SLD，super luminescent diode)。关于其波长，例如，中心波长为840nm并且带宽为50nm。注意，带宽是重要的参数，原因在于它对于要获得的断层图像在光轴方向上的分辨率的影响。此外，在本文中，所选的光源201的类型是SLD，而作为替代方案，可使用放大自发发射(ASE)，只要光源201发射低相干光。显然，根据对象的内容，可使用诸如卤素灯的其他光源。注意，波长影响要获得的断层图像在横向方向上的分辨率，因此，当横向方向上的分辨率是重要的时，希望短波长。

计算机212执行后面描述的算术处理和控制，并且还控制分光计211、XY扫描仪208、反射镜调整机构210和焦点调整机构206。显然，计算机212还能够进行数据输入、图像处理、图像显示和数据存储。

信号处理步骤

参考图1，描述由图2所示的OCT装置执行的信号处理。在A1～A7之中，在步骤A2和A3之间提供合成步骤M1。

在步骤A1中，开始测量。在该阶段，激活OCT装置，并且针对测量，设定作为对象的眼睛。另外，由操作员执行测量所需的调整，以便开始测量。

在步骤A2中，获取信号。下面，描述获取一个二维断层图像的情况作为例子。沿图2的与眼睛217的光轴垂直的X方向移动XY扫描仪208。图3A～3D是示出XY扫描仪208的关于经过时间的位置和XY扫描仪208的成像定时之间的关系的图。图3A示出XY扫描仪208沿X方向逐步移动的情况。步骤的数量为例如512。图3B示出测量定时，并且示出在一个步骤中以规则的间隔执行三次的成像的控制。测量间隔310对于一个步骤以及在步骤之间均是相等的。由此，成像被执行1,536(＝512×3)次。注意，对于每次成像所获取的数据，在具有1,024个像素的线传感器的情况下获得具有1,024个元素的一维阵列。

因此，由于存在1,536个线，因此，最终获得具有1,024×1,536个元素的二维阵列。注意，各线的数据作为二维阵列的各列的数据被存储。

注意，如图3C所示，XY扫描仪208可以沿X方向连续地移动。与上述的情况相比，连续移动降低扫描仪上的负载并且导致平稳的移动。测量间隔可以相等，并且，作为替代方案，可以提供诸如图3D所示的测量间隔302和测量间隔303的这样的不同间隔。在这种情况下，为了获得要合成的信号，在三个连续的成像操作之中设置规则的间隔，而在相邻的两组成像操作之间设置不同的测量间隔。显然，位置控制和成像定时的组合被自由地确定。可以组合使用图3C所示的连续移动的位置控制和图3B所示的规则成像定时。

注意，在对于通过在沿X方向连续移动XY扫描仪208时执行的成像而获取的信号进行合成的情况下，当移动距离大时，信号分量会被修约(要被合成的数据相互抵消，使得原始的信号分量会被丢失)。因此，希望移动距离304小于等于OCT装置的横向分辨率的几倍长度(一般地，基于对象上的测量光的光束直径被确定)。特别地，移动距离304的范围为从几微米到几百微米。注意，在扫描仪的移动速度已知的情况下，预定距离可被转换成时间，并且，由此获得的时间可被设定为预定的时间。只要满足预定距离或预定时间的条件，作为X方向或Y方向的直线移动的替代，可以像圆形扫描那样通过转动XY扫描仪208来获取数据。

例如，在通过20kHz的线传感器对于6mm的范围执行成像的情况下，扫描仪在扫描对象时的移动速度为78(＝6/1,536×20k)mm/s。当针对三个线进行平均时的移动距离为12(＝78×(3/20k))μm。当OCT装置的横向分辨率为20μm时，移动距离落入一个范围内，在该范围中，即使在合成之后也不太可能发生信号损失。注意，以20kHz获取512个线的图像所需的时间为25.6(＝512/20k)msec。在获取三个图像的情况下，需要至少76.8(＝25.6×3)msec。获取三个线的信号所需的时间为0.15(＝3/20k)msec，在该段时间中，对象没有移动这么远。

在步骤M1中，信号被合成。在该步骤中，相邻三个光谱的一维阵列被平均化，并且，新的一维阵列被创建。特别地，在1,024×1,536二维阵列中，第3j、第(3j+1)和第(3j+2)列(j是范围为0～511的整数)的一维阵列被平均化。作为结果，获得1,024×512二维阵列。通过平均化，可以去除噪声分量。

与在步骤A3之后的过程中执行平均化的情况相比，可以用较少数量的数据执行计算，这导致缩短计算时间的效果。注意，平均可以是加权平均，但是当权重不同时，去噪效果会改变。注意，在对于图3C和图3B所示的控制进行组合的情况下，要被平均化的线的数量不一定是三个，而可以是满足上面描述的横向分辨率的条件的任意整数。此外，可以去除被认为具有测量误差的数据。

在步骤A3中，执行波长-波数变换。一般地，来自分光计211的数据包括波长和在该波长处的强度。此外，关于波长以规则的间隔执行采样。首先，创建强度数据关于波长的函数。然后，各波长被转换成波数，并且，强度数据关于波数的函数被创建。波数是波长的倒数，由此以规则的间隔分配1024个波数。然后，计算与波数对应的强度数据。要被利用的计算方法为例如内插，所述内插可以是一般线性内插或样条内插。在这种情况下，希望使用线性算术运算。作为结果，获得具有包含关于波数按规则间隔配置的强度的1,024×512个元素的二维阵列。

在分光计211可关于波数以规则的间隔执行采样的情况下，只要因波长-波数变换引起的误差是可以忽略的，那么显然可省略该步骤。

在步骤A4中，执行傅立叶变换。在该步骤中，对于各列，关于波数以规则的间隔配置的强度值经受离散傅立叶变换。作为结果，获得1,024×512的复数二维阵列。注意，由于傅立叶变换的特性，所以各列的第m行和第(1024-m)行具有相同的强度值。因此，提取第0行到第511行，并且获得512×512的复数二维阵列。

在步骤A5中，复数数据被转换成实数数据。对于将复数转换成实数所使用的不是线性算术运算。因此，步骤A5之前的平均化在根本上与步骤A5之后的平均化不同。在第二实施例中描述该区别。

在步骤A6中，获得断层图像。在该步骤中，在512×512二维阵列中进一步调整范围。

要调整的范围为例如纵向长度与横向长度之比。为了调整该范围，通过内插来增大和减小像素的数量。此外，调整对比度。对比度的调整指的是用于图像处理的γ值的一般校正。作为结果，获得适合于医生的诊断的图像。然后，在计算机212的显示屏幕上显示所获得的断层图像。

在步骤A7中，过程结束。以上已描述了从使用OCT装置的测量开始到图像显示的过程，并且，作为替代方案，例如，上述的过程可被应用于经由网络获取的多帧数据，以由此从单个断层图像获得具有减少的噪声的图像。

根据本实施例，可通过合成在预定时间内获取的信号而获得高质量图像。

第二实施例

下面描述本发明第二实施例。在本实施例中，对于产生断层图像使用利用Mach-Zehnder干涉计的成像装置，但是，可用于本发明的成像装置不限于此。并且，本实施例的信号处理的特征在于，在傅立叶变换之后执行信号合成。

Mach-Zehnder干涉计

参考图4描述根据第二实施例的光学相干断层成像装置。图4是示出根据本实施例的使用Mach-Zehnder光学系统的成像装置的示意图。以下描述与第一实施例的区别。

从光源201发射的光穿过光纤耦合器(fiber coupler)401-1，并且被分成测量光214和参考光213。

测量光214入射到循环器(circulator)402-2的端口1，从其端口2射出，并且到达透镜403-2。并且，测量光穿过XY扫描仪208、物镜205-1、物镜205-2、眼睛217的角膜216，并且到达视网膜218。在视网膜上散射和反射的返回光215通过穿过物镜205-2、物镜205-1、XY扫描仪208和透镜403-2而返回，入射到循环器402-2的端口2，从其端口3射出，并到达光纤耦合器401-2。

另一方面，参考光213入射到循环器402-1的端口1，从其端口2射出，穿过透镜403-1和色散补偿玻璃207，并且在参考反射镜209上被反射。反射的参考光213通过穿过色散补偿玻璃207和透镜403-1而返回循环器402-1的端口2，从循环器402-1的端口3射出，并且到达光纤耦合器401-2。参考反射镜209可借助于反射镜调整机构210来调整光路长度。通过光纤耦合器401-2合成参考光213和返回光215，并且，合成的光被引向分光计。

信号处理步骤

参考图5A和图5B描述由图4所示的OCT装置执行的信号处理。图5A示出在步骤A1～A7之中、在步骤A4和A5之间提供合成步骤M2的情况。图5B示出在步骤A5和A6之间提供合成步骤M3的情况。

现在描述两种情况之间的不同。首先，在步骤M2的情况下，合成在步骤A4中获得的复数数据，并且，得到的复数数据被传给步骤A5。在合成步骤中，对复数数据执行简单平均或加权平均。另一方面，在步骤M3的情况下，合成在步骤A5中计算的实数数据，并且，得到的实数数据被传给步骤A6。在合成步骤中，对实数数据执行简单平均或加权平均。

基于步骤M2中的复数的合成在根本上与基于步骤M3中的实数的合成不同。参考以下的数学表达式来描述区别。下面，通过使用虚数单位i的表达式1-1和表达式1-2来分别表示复数的要素1和要素2。

a₀+b₀i＝r₀e(iφ₀)           表达式1-1

a₁+b₁i＝r₁e(iφ₁)           表达式1-2

当将复数加在一起并且然后将得到的复数转换成实数时，获得用表达式2表示的数据。

$>\sqrt{{(a_0+a_1)}^2+{(b_0+b_1)}^2}$>表达式2

当将复数转换成实数并且然后将得到的实数加在一起时，获得用表达式3表示的数据。

$>\sqrt{a_0^2+b_0^2}+\sqrt{a_1^2+b_1^2}$>表达式3

当对表达式2和表达式3求平方并且然后减去共同部分时，建立表达式4的关系(通过对两边进一步求平方而容易地获得证明)。

$>a_0{a}_1+b_0{b}_1\le \sqrt{a_0^2+b_0^2}\sqrt{a_1^2+b_1^2}$>表达式4

换句话说，表达式2的值小于等于表达式3的值。这个事实在去噪方法中是重要的。特别地，在随机噪声的情况下，存在正分量(pluscomponent)和负分量(minus component)。当在复数的状态下将两种分量加在一起时，这些分量被抵消。因此，在理论上，当对图5A和图5B的步骤进行相互比较时，通过图5A的步骤进一步减少噪声。相反，当获得实数并然后将它们加在一起时，抵消效果被限制。注意，在第一实施例中，执行线性算术运算直到傅立叶变换，并由此可获得与在复数的状态下将分量加在一起的情况相同的效果。注意，由于噪声是等价(equivalent)的，因此与加权平均相比，更希望简单平均。

表1示出包含图1的步骤的处理和包含图5B的步骤的处理之间的信噪比(SNR)方面的比较。单位是分贝。作为扫描仪的位置控制，应用图3C的情况，在图3C中，扫描仪的位置被连续地偏移。作为成像定时，应用图3B的情况，在图3B中，以规则的间隔执行采样。成像对象的中心在正常眼睛的黄斑(macula)上，并且，在约6mm的范围中测量视网膜。线的数量为2,048。使用相同的原始数据，并且，在以下的情况下通过各处理获得SNR的值：(1)从2,048根线提取每四个线，以由此创建不经受合成的512个线的断层图像；(2)从2,048个线提取每两个线以获得1,024个线，并且，进一步合成两个相邻的线，以由此创建512个线的断层图像；以及(3)合成2,048个线的四个线，以由此创建512个线的断层图像。在将复数转换成实数之前对线进行合成的情况下，随着合成的线的数量变大，SNR得到提高。另一方面，在将复数转换成实数之后对线进行合成的情况下，SNR几乎是恒定的。当将不执行平均处理的情况与在获得实数之后执行平均处理的情况相比时，在后一种情况下获得更平滑的图像。注意，在该比较中使用的SNR指的是每个像素的最大值与它的行的噪声的均方根(RMS)的最小值之比。

表1SNR的比较

 图1的步骤  图5B的步骤  512(没有平均) 40.22  40.22  1,024(二线平均) 42.84  40.27  2,048(四线平均) 45.74  40.35

根据本实施例，可通过合成在预定时间内获取的信号来获得高质量图像。

第三实施例

下面描述本发明第三实施例。在本实施例的信号处理中，在傅立叶变换之后执行相位调整，然后合成信号。

信号处理步骤

参考图6描述本实施例的信号处理。在步骤A4和A5之间提供相位调整步骤和合成步骤。下面描述与第二实施例的区别。

在步骤P1中，复数数据经受相位调整。在该步骤中，调整三个相邻线的阵列的相位。首先，将数据转换成多组极坐标。可以从极坐标获得振幅分量和相位分量。通过被设为第3j列(j是范围为0～511的整数)的三个线中的第一个线，参考第3j列的相位来调整第(3j+1)列的一维阵列的相位(或者，参考第3j列和第(3j+1)列的合成结果来调整第(3j+2)列的相位)。首先，通过改变第(3j+1)列的阵列的相位分量来创建新的阵列。当例如从0度到350度以10度改变相位分量时，可获得36个不同的一维阵列。

在步骤M3中，执行合成。第3j列的一维阵列分别与36个不同的一维阵列进行合成。在该步骤中，执行简单平均，以由此新获得36个不同的阵列。

在步骤A5中，获得实数数据。存在从通过合成而获得的36个不同的阵列获得的36个不同实数阵列。

在步骤P2中，执行选择。从通过合成而获得的所述36个不同的阵列中，选择信号最大的阵列。虽然主要在第一和第二实施例中获得去噪效果，但是，在本实施例中可使信号最大化。并且，在随机噪声的情况下，即使使用相位调整，噪声也是随机的，因此仍获得去噪效果。

在步骤P3中，确定是否完成合成。特别地，合成第3j列到第(3j+2)列中的三个线，以由此创建新的第3j列。确定对于所有j是否完成这样的合成。当完成合成时，处理进入到步骤A6。当未完成合成时，处理返回到步骤P1。

根据本实施例，可通过使用相邻线的数据来获得高质量图像。

可通过使用计算机、用用于执行由计算机程序实现的相应步骤的过程执行上述的根据本发明的光学断层图像产生方法。

其它实施例

也可通过读出并执行记录在存储器设备上的程序以执行上述实施例的功能的系统或装置的计算机(或者诸如CPU或MPU的设备)、以及通过由系统或装置的计算机通过例如读出并执行记录在存储器设备上的程序来执行各个步骤以执行上述实施例的功能的方法，实现本发明的各方面。为此，例如经由网络或从用作存储器设备的各种类型的记录介质(例如，计算机可读介质)向计算机提供程序。在这种情况下，系统或装置、以及存储程序的记录介质被包含在本发明的范围内。

虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有这样的变更方式及等同的结构和功能。