專利名稱：光學斷層圖像產生裝置和光學斷層圖像產生方法
技術領域：
本發明涉及光學斷層圖像產生裝置和光學斷層圖像產生方法。
背景技術：
當前，使用利用低相干光的干涉的光學相干斷層法(OCT)的實用的成像裝置在使 用中。該裝置(以下也被稱為OCT裝置)能夠以幾微米的深度分辨率獲得斷層圖像，從而 使得能夠提供對象的高分辨率斷層圖像。日本專利申請公開No. 公開了用于提高所形成圖像的圖像質量的光 學圖像測量裝置。該裝置形成眼底的多個斷層圖像，并且存儲所形成的圖像。然后，光學圖 像測量裝置通過使用斷層圖像之一和與其相鄰的斷層圖像來執行算術運算，由此使得能夠 形成另一個斷層圖像。因此，可以提高所形成圖像的圖像質量。

發明內容
但是，即使如日本專利申請公開No. 那樣形成多個斷層圖像并通過 使用斷層圖像的像素值來執行算術運算以形成最終的斷層圖像，由于噪聲分量沒有被有效 地去除，因此圖像質量的提高也會受到限制。為了解決上面的問題，提出本發明，并且，本發明的一個目的是，通過有效地去除 噪聲分量來進一步提高斷層圖像的圖像質量。本發明的發明人發現，當如日本專利申請公開No. 那樣通過使用多 個斷層圖像來執行算術運算時，由于在常規上算術運算是在斷層圖像的像素值被轉換成實 數之后執行的，因此未執行有效的降噪。因此，本發明的發明人證實，可通過針對保持為復 數形式的像素值執行算術運算并然后在算術運算之后將復數轉換成實數來提供更有效的 降噪，由此完成本發明。換句話說，根據本發明的光學斷層圖像產生方法是一種用于產生對象的斷層圖像 的光學斷層圖像產生方法，該方法包括獲得通過向對象施加光束而獲得的多個幀的信號； 通過對所述多個幀的信號執行傅立葉變換而獲得相應的復數數據；使用相應的復數數據以 復數形式合成所述多個幀；以及基于合成的數據產生斷層圖像。此外，根據本發明的光學斷層圖像產生裝置是這樣的光學斷層圖像產生裝置，在 該光學斷層圖像產生裝置中，來自光源的光束被分成測量光束和參考光束，測量光束經 由測量光束路徑被引向對象，參考光束經由參考光束路徑被引向參考反射鏡，并且，使用 作為被對象反射或散射的測量光束的返回光束和被參考反射鏡反射的參考光束的組合 (combined)光束來產生對象的斷層圖像，該光學斷層圖像產生裝置包括檢測組合光束的 檢測單元；存儲通過檢測單元檢測的多個幀的信號的存儲器；通過對多個幀的信號執行傅 立葉變換來獲得相應的復數數據的單元；使用相應的復數數據以復數形式執行多個幀的合 成的合成單元；以及基于合成的數據產生斷層圖像的產生單元。根據本發明，可期望通過有效地去除噪聲分量來進一步提高圖像質量。
參考附圖閱讀實施例的以下描述，本發明的其它特征將變得清晰。


圖1是示出本發明的例子1中的信號處理的示圖。圖2是示出本發明的例子1中的Michelson型OCT裝置的示圖。圖3A、圖;3B和圖3C是示出本發明的例子1中的時序圖的示圖。圖4是示出本發明的例子2中的Mach-Zehnder型OCT裝置的示圖。圖5是示出本發明的例子2中的信號處理的示圖。
具體實施例方式現在將根據附圖詳細描述本發明的優選實施例。本發明的實施例提供一種用于產生對象的斷層圖像的光學斷層圖像產生方法，該 方法包括獲得通過向對象施加光束而獲得的多個幀的信號；通過對多個幀的信號執行傅 立葉變換而獲得相應的復數數據；使用相應的復數數據以復數形式合成多個幀；以及基于 合成的數據產生斷層圖像。如圖1和圖5所示，可在合成信號之前計算幀的位移，以基于這 種信息來合成多個幀。例子 1下面將描述本發明的例子1。雖然在本例子中通過使用Michelson干涉計的成 像裝置產生斷層圖像，但是，可用于本發明的成像裝置不限于該裝置，例如，可以使用諸如 Mach-Zehnder干涉計的任何類型的干涉計。此外，在本例子中的信號處理中，基于實數數據 執行位移計算，這與后面描述的例子2不同。(Michelson 干涉計)將參考圖2描述根據例子1的光學相干斷層成像裝置。圖2是示出根據本例子的 使用Michelson型光學系統(Michelson干涉計)的成像裝置的示意圖。透射通過光纖(fiber) 202和透鏡203_1的從光源201發射的光束被光束分離器 204分成測量光束214和參考光束213。測量光束214經由XY掃描儀208和物鏡205-1、 205-2入射到作為對象的眼睛217。然后，入射到眼睛的測量光束214穿過角膜216并然后 到達視網膜218。被眼睛217的視網膜218反射和散射的返回光束215依次返回物鏡205_2和 205-1、XY掃描儀208和光束分離器204。并且，返回光束215經由透鏡203-2被引向分光 計211。分光計211包含例如透鏡、光柵和圖像傳感器。對于圖像傳感器，可以使用C⑶或 CMOS線傳感器。通過分光計211中的線傳感器獲得的信號被發送到計算機212并被存儲在 存儲器中，并且，對所述信號執行后述的處理。同時，參考光束213經由色散補償玻璃207被參考反射鏡209反射，并再次穿過色 散補償玻璃207，返回到光束分離器204。設置色散補償玻璃207是為了補償由眼睛217和 物鏡205-1、205-2引起的色散。參考反射鏡209可借助于反射鏡調整機構210調整參考光 束的光路長度。通過光束分離器204組合參考光束213和返回光束215。然后，該組合光束 被引向分光計211并被分光計211檢測。在測量光束路徑中，其長度與參考光束的長度一 致的部分被稱為相干門(coherencegate)。當測量眼睛217的視網膜218時，參考反射鏡209的位置被調整，以使得相干門接近視網膜218。對于光源201，可以使用作為典型的低相干光源的超亮(superluminescent) 二極 管(SLD)。來自光源201的光束具有例如840nm的中心波長和50nm的帶寬。應當注意，帶 寬是重要的參數，原因是它影響所獲得的斷層圖像在光軸方向上的分辨率。此外，雖然光源 201的類型是SLD，但這里可以使用能夠發射低相干光的任何光源，例如，可以使用放大自 發發射(ASE)。應當理解，根據對象的性質，可以使用諸如鹵素燈的其它光源。但是，由于波 長影響所獲得的斷層圖像在橫向方向上的分辨率，因此，在強調橫向方向上的分辨率的情 況下，希望波長是短的。除了后面描述的計算和控制以外，計算機212還控制分光計211、XY掃描儀208、 反射鏡調整機構210以及聚焦機構206。應當理解，計算機212還能夠執行例如數據輸入、 圖像處理、圖像顯示和數據存儲。(信號處理過程)將使用圖1來描述由圖2所示的OCT裝置執行的信號處理。在步驟Al中，開始測量。在該狀態下，激活OCT裝置并且將關心的眼睛設定于適 當的位置。并且，由操作員進行所需的調整，并開始測量。在步驟A2中，獲得信號。這里，將描述在向眼底的視網膜218施加測量光束214時 通過借助于XY掃描儀208 二維地掃描視網膜218來獲得三維圖像的情況。在圖2中，與眼 睛的光軸垂直的X方向是快掃描方向，Y方向是慢掃描方向。圖3A、圖;3B和圖3C分別是示 出X位置、Y位置和記錄定時的時序圖。當在Y位置固定的情況下沿X方向連續地執行記錄 512次時，如果分光計211中的線傳感器中的像素的數量是1024，那么獲得包含10MX512 個元素的一個幀的數據。可從如前面描述的那樣獲得的一個幀的數據獲得沿X-Z面的斷層 圖像。并且，當使XY掃描儀208沿Y方向移動500步時，對于這些步中的每一步執行X方 向上的連續記錄，從而導致獲得500幀的數據。圖3A、圖;3B和圖3C示出從這500個幀之中 獲得要被合成的三個幀第一幀301、第二幀302和第三幀303。幀記錄之間的時間被用于 例如掃描儀在X方向和Y方向上的位移以便在下一個位置中記錄、以及用于向計算機212 的數據傳送。應當理解，掃描模式不限于此，并且，可以取得具有相同的Y位置的多個幀的圖 像，以隨后合成這些圖像。此外，不僅可通過沿諸如X方向或Y方向的線性方向移動掃描儀， 而且可通過像圓形掃描那樣轉動掃描儀，來獲得數據。在本例子中，獲得在Y方向的相應步驟中具有不同的Y位置的各幀的數據。這里， 如果獲得的幀之間的位置的差異是大的，那么在合成數據時，信號分量會被破壞(要被合 成的數據可相互抵消，從而導致原始信號分量的丟失)。因此，希望Y方向上的位置差異不 大于OCT裝置的橫向分辨率(一般由要被測量的對象上的測量光束的光束直徑來確定)的 幾倍。在本例子的要被測量的對象上的測量光束的光束直徑約為5毫米的情況下，Y方向 上的位置差異約為幾十毫米。在步驟A3中，執行波長-波數轉換。一般地，來自分光計211的數據包含波長和波 長的強度。通常以規則的間隔對波長進行采樣。首先，創建強度數據關于波長的函數。然 后，將各波長轉換成波數，以創建強度數據關于波數的函數。由于波數是波長的倒數，因此， 如果它們被原樣使用，那么波數不具有規則的間隔。因此，新分配波數，以使得IOM個波數5具有規則的間隔。然后，計算與這些波數對應的強度數據。計算方法可以為例如諸如一般 線性內插或樣條內插的內插。希望計算為線性運算。因此，對于每個幀獲得具有10MX512 個元素的二維陣列，所述10MX512個元素包含具有規則的間隔的波數和對于所述波數的 強度。應當理解，在分光計211可以按規則的間隔執行波數的采樣的情況下，或者，在由于 波長-波數轉換引起的誤差不導致問題的情況下，步驟A3可被跳過。在步驟A4中，執行傅立葉變換。這里，針對各列執行關于波數具有規則間隔的強 度數據的離散傅立葉變換。因此，針對各幀獲得具有10MX512個復數的二維陣列。但是， 由于傅立葉變換的性質，因此各列中的第m行和第(lOM-m)行具有相同的強度。因此，第O 行到第511行被提取以獲得具有512X512個復數的二維陣列，并且，這樣的數據被發送到 下面的步驟。在步驟A5中，計算信號要被合成的幀之間的位移。這里，將描述第二幀302的圖 像和第三幀303的圖像相對于第一幀301的圖像的位移的計算。首先，各幀的512X512個 復數數據被轉換成實數。這里，關于第一幀301的第1 列(第65行到第448行中的384個元素)選擇第 二幀302的圖像中的i列(512個元素)，并且，計算第一幀301的384個元素和i列中的從 j行起的連續的384個元素之差以獲得一維陣列。獲得一維陣列中的元素和在第一幀中選 擇的元素的均方。對于所需的i個列和j個行執行該計算，并且，從所述i個列和j個行之 中確定具有最小均方的“和丄。然后，對于第一幀301的第384列(第65行到第448行 中的384個元素)執行類似的計算以確定具有最小均方的12和j2。因此，獲得第二幀302 的圖像相對于第一幀301的圖像的位移。如果位移為零，那么I1 = 128, J1 = 65，并且i2 = 384，j2 = 65。并且，以類似的方式關于第一幀301的圖像獲得第三幀303的圖像的位移。然后， 有關計算的位移的信息被發送到步驟M。可以重復上面的方法以提高有關位移的信息的精度，或者，可通過針對各列執行 內插來計算子像素的位移。應當理解，可對于位移計算使用其它的方法。在步驟M中，合成信號。在步驟A4中獲得的二維復數數據基于在步驟A5中獲得 的有關位移的信息而被平均化。作為平行或轉動位移的結果的第二幀302的復數數據被加 到第一幀301的復數數據上。應當理解，由于陣列是離散陣列，因此對于第二幀302的圖像 已施加所需的內插處理。同樣作為平行或轉動位移的結果的第三幀303的復數數據被進一 步加到被加了第二幀302的復數數據的復數數據301上。然后，所合成的復數數據被轉換 成實數并被發送到步驟A6。雖然對于平均化使用加權平均，但是，如果對于所述復數設置不同的權重，那么降 噪的效果會改變。應當注意，可去掉被確定為具有測量誤差的幀數據。在步驟A6中，在計算機212的顯示屏幕中示出數據作為一個斷層圖像。然后，處理在步驟A7中結束。雖然這里已描述了從使用OCT裝置的測量到圖像顯示的處理，但是，例如，可通過 向經由網絡獲得的多個幀的數據應用上述的處理，獲得其噪聲被減少的圖像。在本例子中，當合成多個幀的數據時，基于實數數據執行位移計算，基于復數數據 執行合成，從而使得能夠有效地減少噪聲，并由此可期望進一步提高圖像質量。
(原理的描述)在本例子中的步驟M中，以復數形式將各幀圖像加在一起并隨后將復數轉換成實 數，而在常規的技術中，是在轉換成實數之后，將各幀圖像加在一起來合成信號。這些方法 之間的原理的不同歸結為在將兩個復數轉換成實數之后將它們加在一起的情況和在將兩 個復數轉換成實數之前將它們加在一起并隨后將它們轉換成實數的情況之間的不同。這里，通過使用虛數單位i，分別用式1-1和1-2表示復數中的要素1和要素2。a0+b0i = r0e (i Φ 0)(式 1—1)B^b1 i = rie (i Φ》(式 1-2)將復數形式的要素1和要素2加在一起并然后將所述要素轉換成實數的結果由式 2表不。
^0+^1)2+(Z)0+^1)2 (式 2)在將要素1和要素2轉換成實數之后將它們加在一起的結果由式3表示。^ja20 +b20 +(式 3)當式2和式3被升為2次冪并且從式2和式3導出公共項時，式2和式3具有由 式4表示的關系。(當兩邊進一步被升為二次冪時，可容易地證明該關系)。aQax + B0B1 < ^jal+b^af +b^ (式 4)換句話說，式2的值不大于式3的值。這對于降噪是重要的。即，在隨機噪聲的情 況下，噪聲包含正分量和負分量。如果以復數形式將要素加在一起，那么噪聲的正分量和負 分量相互抵消，由此，可以執行更有效的平均化。通過在信號處理的各步驟中使用線性變 換，即使將轉換成復數之前的數據疊加在另一數據上，也可獲得相同的結果。表1指示信號/噪聲比(SNR)的比較。該結果與通過本例子中的過程獲得的結果 有些不同，原因在于，如后面描述的例子2那樣，各幀中的線被合成。但是，該表提供足以在 像素值轉換成實數的定時方面對于SNR進行比較的數據。對于記錄對象，測量以黃斑作為 其中心的正常眼睛的視網膜的約6mm的范圍。線的數量為2048。通過使用相同的原始數 據，(1)通過從這2048根線中每四根線提取一根線，將2048根線減少到512根線，以產生 未經受合成的一個幀的斷層圖像；(2)通過每兩根線提取一根線，將2048根線減少到IOM 根線，并且，合成相鄰的兩根線，以產生具有512根線的一個幀的斷層圖像；以及(3)合成 2048根線中連續的四根線，以產生具有512根線的一個幀的斷層圖像。對于各情況，該表指 示在從復數轉換成實數之前執行合成的SNR和在轉換成實數之后的SNR之間的比較。在轉 換成實數之前執行合成的情況(與本例子中的復數形式的幀合成對應)表明，隨著要被合 成的線的數量越大，SNR被提高得越多。同時，在轉換成實數之后執行合成的情況表明，SNR 大致恒定。但是，不管何時執行到實數的轉換，與不執行合成(平均化)的情況和在轉換成 實數之后執行合成的情況相比，執行合成的情況提供更平滑的圖像。這里，SNR是各線中的 噪聲的均方根(RMS)中的最小值與像素之中的最大值之比。表 權利要求
1.一種光學斷層圖像產生方法，所述光學斷層圖像產生方法用于產生對象的斷層圖 像，該方法包括獲得通過向對象施加光束而獲得的多個幀中的每一個幀的強度信號；通過對所述多個幀的信號執行離散傅立葉變換來獲得相應的復數數據；通過將來自所述多個幀中的每一個幀的相應的復數數據平均化來以復數形式合成所 述多個幀；以及基于合成的數據產生斷層圖像。
2.根據權利要求1的光學斷層圖像產生方法，還包括獲得幀位移信息，其中，通過根據所獲得的幀位移信息對所述多個幀進行加權而將所述多個幀平均化， 來執行所述多個幀的合成。
3.根據權利要求2的光學斷層圖像產生方法，其中，通過基于將復數數據轉換成實數 數據的結果而計算位移信息，來獲得位移信息。
4.根據權利要求2的光學斷層圖像產生方法，其中，通過基于所獲得的復數數據以復 數形式計算位移信息來獲得位移信息。
5.根據權利要求1的光學斷層圖像產生方法，還包括通過合成在用于沿與對象的光軸 垂直的預定方向進行掃描的掃描時間內獲取的強度信號來獲得幀，其中，在合成所述多個幀之前執行強度信號的合成。
6.一種光學斷層圖像產生裝置，在所述光學斷層圖像產生裝置中，來自光源的光束被 分成測量光束和參考光束，所述測量光束經由測量光束路徑被引向對象，所述參考光束經 由參考光束路徑被引向參考反射鏡，并且，通過使用作為被對象反射或散射的測量光束的 返回光束和被參考反射鏡反射的參考光束的組合光束來產生對象的斷層圖像，所述光學斷 層圖像產生裝置包括檢測單元，被配置為檢測所述組合光束；存儲器，被配置為存儲通過檢測單元檢測的多個幀中的每一個幀的強度信號；被配置為通過對所述多個幀的強度信號執行離散傅立葉變換來獲得相應的復數數據 的單元；合成單元，被配置為通過將來自所述多個幀中的每一個幀的相應的復數數據平均化來 以復數形式執行所述多個幀的合成；以及產生單元，基于合成的數據產生斷層圖像。
7.根據權利要求6的光學斷層圖像產生裝置，還包括被配置為通過對幀中相鄰的線的 數據進行合成而在該幀內合成該幀的強度信號的單元，其中，所述合成單元被配置為合成已在相應的幀內執行了合成的多個幀中的每一個幀。
8.根據權利要求6的光學斷層圖像產生裝置，其中，通過使用位置的差異不大于測量 光束的光束直徑的幾倍的信號，執行幀之間和/或幀內的合成。
9.一種計算機程序，當被可編程裝置執行時，該計算機程序使該裝置執行如權利要求 1所述的光學斷層圖像產生方法。
全文摘要
本發明涉及光學斷層圖像產生裝置和光學斷層圖像產生方法。所述光學斷層圖像產生方法包括獲得多個幀的信號；通過對所述多個幀的信號執行傅立葉變換來獲得相應的復數數據；使用相應的復數數據來合成多個幀；基于合成的數據產生斷層圖像。該配置使得能夠容易地提高光學相干斷層成像裝置中的圖像質量。
文檔編號A61B3/12GK102038486SQ20101051556
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月22日 優先權日2009年10月23日
發明者末平信人, 杉田充朗 申請人:佳能株式會社