JP4891640B2 - 眼科測定装置 - Google Patents
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Description
特許文献1には、所定の蛍光剤を点眼した被測定眼の角膜及び涙液からの蛍光強度を定量的に測定する眼科測定装置が記載されている。特許文献2には、脂質層の表面と裏面の反射光の干渉による干渉模様のカラー画像を観察することにより、被測定眼の脂質層の状態、涙液の流れの様子などを知ることができ、非接触で局所的なドライアイの簡易的診断を容易に行うことができる眼科装置が記載されている。また、特許文献3には、被測定眼の涙液層から反射される信号光のみをCCDに入射することで、観察視野にケラレを生じることなく、広い観察視野で妨害光のない鮮明な涙液干渉パターンを観察できる眼科涙液観察装置が記載されている。
さらに、主成分分析に関して、非特許文献1には、人眼波面収差の時間的変化への解析に主成分分析を応用したものが開示されているが、その有用性の可能性を示唆したに過ぎず、具体的な態様構成までは明らかにされていない。
被測定眼を照明する照明光源を含む照明光学系と、
上記照明光学系の照明光束で照明された被測定眼からの反射光束を受け取り受光信号を形成する受光部を含む受光光学系と、
上記受光部で形成された受光信号に基づき、ある瞬きから次の瞬きまでの瞬き間隔における被測定眼の各光学特性の時間経過を表す2次元行列形式の光学特性データを、第1回〜第n回(nは、2以上の整数)の瞬き間隔について求める測定部と、
上記測定部で測定された第1回〜第n回の瞬き間隔についての光学特性データのそれぞれを1次元的に配置し、第p回(1≦p≦n)の瞬き間隔の光学特性の1次元配置をそれぞれp列目に配置することで2次元行列を作成し、該2次元行列に主成分分析処理を施し、主成分分析処理によって得られた主成分を、上記2次元行列の主成分毎に、上記測定部で測定された第1回〜第n回の瞬き間隔についての光学特性データのそれぞれを1次元的に配置したのと逆に、各p列目の1次元データを、各光学特性の時間経過を表す2次元データにして、第1回〜第n回の光学特性データを配置することにより、各光学特性に対する時間変化を表す2次元空間を、第1〜第p主成分に対応してp個求める解析部と、
上記解析部により求められた、第1〜第p主成分に対応したp個の上記2次元空間を並べたコードマップを表示する表示部と、
を備え、
上記解析部は、上記主成分分析処理で得られた第1主成分の寄与率であるドライアイ指数 1 又はすべての主成分のばらつき具合の合計であるドライアイ指数 2 を、次式により計算し、
ことにより、ドライアイ指数 1 が小さいほど、または、ドライアイ指数 2 が大きいほどドライアイの程度が大きいことを予測するようにした眼科測定装置
が提供される。
(瞬き間隔データ)
ある瞬きから次の瞬きまでの瞬き間隔における波面収差測定としては、次の2通りが挙げられる。
(1)瞬き合図による瞬き間隔のデータ(第1の実施の形態)
この場合、メトロノーム音等の合図信号にあわせて、被検者は、例えば、10秒ごとに瞬きをする。このとき、測定は、例えば、1秒毎に行われ、測定時間は1分間とした。
(2)自然な瞬き間隔のデータ(第2の実施の形態)
この場合、被検者に自然にまばたきを検出し、ある瞬きから次の瞬きまでの間に測定し、瞬きからの共通時間について、収差の変化を取り出して、主成分分析する。
主成分分析を適応する経時的に変化する波面収差測定データとしては、プラチドリング方式の角膜形状測定装置などで測定可能な角膜前面から発生する波面収差(角膜波面測定)、シャックハルトマン波面センサーなどで測定可能な全眼球光学系から発生する波面収差(眼球波面測定)、さらに、これら2種類の測定を組み合わせた両方の波面収差(両波面測定)が考えられる。
以下、上述のように、各種波面測定を行う眼科測定装置の実施の形態について説明する。
図1に、眼科測定装置の光学系の構成図を示す。
眼科測定装置は、第1照明光学系10と、第1光源部11と、第1測定部25と、前眼部照明部30と、前眼部観察部40と、第1調整光学部50と、第2調整光学部70と、視標光学部90を備える。また、第1測定部25は、第1受光光学系20と、第1受光部21を含む。なお、被測定眼100については、網膜(眼底)、角膜(前眼部)が示されている。また、座標(x,y)及び座標(xs,ys)、距離Zs等の関係については後述する。
第1照明光学系10は、第1光源部11からの光束で被測定眼100の眼底上で微小な領域を照明するためのものである。第1照明光学系10は、例えば、集光レンズと、バリアブルシリンダーレンズと、リレーレンズとを備える。
視標光学部90は、例えば、被測定眼100の風景チャート、固視や雲霧をさせる為の視標を投影する光路を含むものであって、光源部(例えば、ランプ)、固視標92、リレーレンズを備える。光源部からの光束で固視標92を眼底に照射することができ、被測定眼100にその像を観察させる。
被測定眼100の眼底、視標光学部90の固視標92、第1光源部11、第1受光部21が共役である。また、被測定眼100の眼の瞳(虹彩)、ロータリープリズム62、第1受光光学系の変換部材(ハルトマン板)22、第1照明光学系10の測定光入射側の絞り12が共役である。
図2は、眼科測定装置の電気系の構成図である。
眼科測定装置の電気系の構成は、演算部600と、制御部610と、入力部650と、表示部700と、メモリ800と、第1駆動部910と、第2駆動部911と、第3駆動部912と、第4駆動部913と、合図発生部620を備える。入力部650は、表示部700に表示された適宜のボタン、アイコン、位置、領域等を指示するためのポインティングデバイス、各種データを入力するためのキーボード等を備える。
測定部601は、第1受光部21及び/又は第3受光部41等の受光部で形成された受光信号に基づき、ある瞬きから次の瞬きまでの瞬き間隔における被測定眼の各光学特性の時間経過を表す2次元ベクトル形式の光学特性データを、第1回〜第n回(nは、2以上の整数)の瞬き間隔について求める。光学特性データは、ゼルニケ多項式の係数で構成することができる。
さらに他の実施の形態では、測定部(波面測定部)601は、所定期間又は次の瞬きまでの間、複数回の被測定眼の角膜波面測定及び眼球波面測定の両方の波面収差の測定を行う。
4−1.測定フローチャート(第1の実施の形態)
図3に、第1の実施の形態の測定フローチャートを示す。
第1の実施の形態では、瞬き合図による瞬き間隔データを測定する。
眼科測定装置は、角膜波面測定モード、眼球波面測定モード、角膜と眼球の両波面測定モードのいずれかを選択できるように構成してもよいし、これらのモードのうちひとつ又は複数のモードで測定可能なように構成されていてもよい。
(1)角膜波面測定モード
この測定モードでは、測定部601は、前眼部観察部40等により、角膜形状及び角膜波面収差を測定する。角膜形状、より詳細には、角膜表面の涙液層表面形状の波面収差の測定処理の詳細は後述する。
(2)眼球波面測定モード
この測定モードでは、測定部601は、第1光源部11、第1照明光学系10及び第1受光光学系20等により被測定眼の波面収差を測定する。
(3)角膜波面測定及び眼球波面測定の両波面測定モード
この測定モードでは、測定部601は、前眼部観察部40等により、角膜形状及び角膜波面収差を測定と、第1光源部11、第1照明光学系10及び第1受光光学系20等により被測定眼の波面収差を測定との両方の波面収差を測定する。
図4に、第2の実施の形態の測定フローチャートを示す。
第2の実施の形態では、自然な瞬き間隔データを測定する(瞬き自動検出)。すなわち、被検者に自然に瞬きをしてもらっている間を測定し、瞬きからの共通時間について、収差の変化を取り出す。
(1)角膜波面測定モード
(2)眼球波面測定モード
(3)角膜波面測定及び眼球波面測定の両波面測定モード
(瞬き間隔)/(測定間隔)
になる。
1.採用する瞬き間隔の最低値をあらかじめ決めておく方法
2.測定値をみてから採用する瞬き間隔を決める方法
まず、「1.採用する瞬き間隔の最低値をあらかじめ決めておく方法」について説明する。例えば、採用する瞬き間隔は7秒以上とする。解析部604は、この場合は、瞬き間隔が7秒以上ある場合のみを選んで、そのうちの7秒までのデータを使用する。例えば、測定間隔が1秒のときは、主成分分析の単位は25行7列になる。これを、第1の実施の形態の固定した瞬き間隔のときと同じように、1次元ベクトル化する。そうすると175要素のベクトルができる。解析部604は、それを、先ほど選んだ瞬き間隔個分ならべると、主成分分析にかける2次元行列ができる。
5−1.概説
主成分分析(Principal Component Analysis(PCA))は多数の変数間の相関を分析し、これらの変数の変動をなるべく少数の変数で構成する方法である。主成分分析により、情報の圧縮、次元の縮小が可能である。
そこで、本実施の形態では、継時的にとられた収差測定値について、主成分分析により情報を圧縮することを提案する。
先に述べたように、瞬き合図による瞬き間隔データを取得する場合、測定に関してはこれまでと同様で、被検者は、例えば、10秒毎に瞬きをし、測定時間は1分間、波面収差の測定回数は1秒に1回であった。測定の際、被検者に固視標を提示し、調節、眼球運動の介入をできるだけ防いだ。この例では、解析はゼルニケ多項式2次から6次までの25項、時間方向に54点を主成分分析に利用した(瞬きのかかっている画像は除去した)。
1行目のN、Mはゼルニケ多項式の次数、数字は測定開始からの時間を示す。ここでは、1秒から9秒までの結果を表示した。実際には測定データは59秒まである。
これまで公知になっている経時波面収差に対する主成分分析法では、収差変化の時間依存性を必ずしも有効に利用していない場合があった。また、従来の方法では、検討しなければならない出力が多数あり、臨床的な使用には不便な場合があった。本実施の形態では、これらを改善するために、ゼルニケ多項式の係数と時間の配列をそのまま2次元のデータセットとして処理する方法を提案する。
以下の実施の形態では、一例として、ゼルニケ多項式の係数の時間変化の表で、1つの瞬き間隔に対応する25行9列(係数が25個、時間方向の測定点が9点)の行列を1つの測定単位とする方法を考える(図6(a))。ここで、行列の各係数からは、それぞれの時間方向の平均値を引いておく(図6(b))。なお、平均値を引く以外にも、適宜の平均値との差分を表すための処理を適用することもできるし、また、このような処理を省略してもよい。この25行9列の行列を図6(c)の1列目のように1次元化、つまりベクトルにする。さらに、異なる瞬き間隔からできる、いくつかのベクトルを、図6(c)にように並べることにより、2次元行列Zを作る。ここで、主成分分析をこれらの集合(2次元行列)に適用してみる。
次に、以上の手続きでできあがった行列Zを使って主成分分析をし、その解釈を臨床の場でする方法について説明する(なお、主成分分析については、例えば、「柳井晴夫 ”多変量データ解析法” 朝倉書店」などを参考)。ここでは、主成分分析を行うのに必要最低限の式のみを示す。
S=(1/n)ZZT
(n:時間方向の測定回数、この例では、9回を6セットなので、n=54である。)
つぎに、下記の固有値問題を解く。
Saj=λjaj
共分散行列Sは、瞬き間隔回数の固有値λj、固有ベクトルajを持つ。例えば、ここでの測定条件では、j=1〜6であり、6個の固有値と、6個の固有ベクトルを得ることができる。
Z’= (a1a2,・・・am)
(m:瞬きによるセット数。この例では6が入る)
(1)角膜波面測定モード
この測定モードでは、まず、角膜波面測定を行い、角膜波面測定値を得る。この例での角膜波面測定値の形式は、25行54列である。この25行54列の測定値を入力データとして、主成分分析を行い、分析の結果を出力表示する。
(2)眼球波面測定モード
この測定モードでは、まず、眼球波面測定を行い、眼球波面測定値を得る。この例での眼球波面測定値の形式は、25行54列である。この25行54列の測定値を入力データとして、主成分分析を行い、分析の結果を出力表示する。
(3)角膜波面測定及び眼球波面測定の両波面測定モード
この測定モードでは、角膜波面測定及び眼球波面測定を両方行い、角膜波面測定値及び眼球波面測定値を得る。この例では、角膜と波面収差それぞれに対して、25行54列の形式とし、それぞれ25行54列の測定値を入力データとして、主成分分析を行い、分析の結果を出力表示する。また、角膜と眼球波面の両方からのゼルニケ係数を使うため行列の行数が50行になっており、形式は50行54列とし、この50行54列の測定値を入力データとして、主成分分析を行い、分析の結果を出力表示することもできる。
なお、主成分分析の入力行列は可変とすることができる。
図8に、主成分分析のフローチャートを示す。
まず、解析部604は、メモリ800から測定データを読み出す。又は、測定部601から測定データを得る(ステップS301)。この例では、上述のように、測定データの形式は、25行54列の行列であり、縦25行はゼルニケの係数に対応し、横54列は時間方向の測定点に対応する。また、測定データ中、時間方向の54点は、(まばたき間隔6回)×(時間方向の9点)の測定データに対応する。次に、解析部604は、測定データの行の平均をとり、それぞれの行のデータからこの平均分を引き去る(ステップS303)。次に、解析部604は、データ全体(25行54列)を25行9列の、瞬き間隔ごとの6個の配列としてとらえ、各々の25行9列の2次元配列を1次元のベクトル(要素数は、225個)に変換し、さらに、解析部604は、第P回の瞬き間隔における1次元データを第P列に配置する(ステップS305)。この例では、225要素のベクトルを、瞬き回数6回分ならべて、225行6列の行列を作る。次に、解析部604は、この225行6列の行列を入力データとして、主成分分析を行う(ステップS307)。解析部604は、得られた主成分を、先ほどのステップS305の1次元化とまったく逆方向に2次元化し、その2次元化された主成分をメモリ800に記憶する(ステップS309)。解析部604は、得られた2次元化された主成分をメモリ800から読み出し、表示のための処理を実行し、表示部700に、グレースケールマップ又はカラーコードマップ等により表示する(ステップS311)。
図9に、正常例の主成分の結果の図を示す。また、図10に、ドライアイ気味の主成分の結果の図を示す。
コードマップにはカラーコードマップとグレースケールマップとがある。ここでは、一例として、正常眼と、正常眼ではあるがグレースケールマップによりドライアイ的な結果を紹介する。
ステップS113の自動診断において、解析部604は、次のようなドライアイ指数を計算し、演算部600は、その計算結果を表示部700に表示部に表示するようにしてもよい。
ここで提案した、主成分分析の方法は、図化されたパターンを1つみるだけで、収差の変化が判断できるので、臨床現場での使用に適していると言える。ここでは、ドライアイを自動診断するためのツールとして、ドライアイ指数を下記のように定義する。
以下に、角膜表面の涙液層表面形状の波面収差について、測定処理の詳細を説明する。
図11に、角膜形状測定のフローチャートを示す。これは、図3のステップS107に対応する。
まず、測定部601は、前眼部画像(プラチドリング入り)を取得する(S401)。取得した画像は、適宜メモリ800等に記憶される。測定部601は、前眼部画像に対して画像処理を実行して、プラチドリングと瞳エッジのディテクトする(S403)。測定部601は、ディテクトしたデータに基づき、角膜形状を計算する(S405)。測定部601は、計算された角膜形状から角膜波面収差の計算する(S407)。ここで、計算結果はゼルニケ係数で得られる。
(前眼部画像:S401)
ステップS401では、次のような前眼部画像が取得される。
図12に、角膜形状の時間変化の説明図を示す。
図(A)は、測定開始直後であり、解析すると角膜波面収差は比較的小さい。一方、図(B)は、測定開始から30秒経過し、プラチドリングの像がぼやけており、解析すると角膜波面収差は比較的大きい。
図(A)は、測定開始直後であり、矢印で示すように、反射像がはっきりしており、プラチドリングの反射像の幅が狭い。一方、図(B)は、測定開始から所定時間経過したものであり、矢印で示すように、反射像がぼけており、プラチドリングの反射像の幅が広い。
図14に、プラチドリングと瞳エッジのディテクトの画像処理のフローチャートを示す。これは、ステップS403に対応する。
まず、図15のように、測定部601は、取得した前眼部画像に基づき、角膜頂点の輝点を通る直線を選ぶ(S501)。つぎに、図13に示されるように、測定部601は、直線上の強度プロファイルを得る(S503)。プロファイルに基づき、測定部601は、角膜頂点から、両方の方向のピークを検知する(S505)(プラチドリング像に対応)。また、測定部601は、ピークの周りの強度の広がり方として、ピークの属する山の半値幅を求める(S507)。さらに、測定部601は、エッジに向かって次のピークを検知する(S509)(プラチドリング像に対応)。測定部601は、次のエッジが検出できたか判断し(S511)、エッジが検出されなくなるまで、ステップS507及びS509を繰り返す。
以下に、ステップS405について説明する。一例として、角膜形状の測定法を、Rand RH, Howland HC, Applegate RA “Mathematical model of a placido disk karatometer and its implications for recovery of corneal topography”, Optometry and Vision Science 74 (1997) p926−930に沿って説明する。
Zc=f(x,y)
ここで、x,yは角膜上の座標とする。
以下にステップS407について説明する。角膜形状が得られたので、光学設計の知られるところの非球面の光線追跡から、幾何光学的に厳密な角膜波面収差をもとめることが可能であることはよく知られている。ここでは、一例として、ごく簡単に角膜波面収差を求める方法を紹介する。
つぎに、瞬きをトリガーにした眼科測定について説明する。
ステップS101及びS103は上述した通りである。ステップS105では、被検者は楽な状態で、瞬きも自然にするようにインストラクションされ、入力部650の測定開始ボタンが押される。つぎに、ステップS107及びS109では、演算部600は、測定部601によりハルトマンの連続測定(1秒間隔)を開始する。さらに、ここで、測定部601は、前眼部の連続測定(1秒間隔)を開始し、毎回その明暗に関するヒストグラムをもとめ、これから瞬きを判断する。
図19及び図20に、両眼同時測定のための眼科システム(1)及び(2)の構成図を示す。
この眼科システム(1)及び(2)は、いずれも、図1の光学系1a及び1bを両眼100a及び100bに対して備え、それらが独立に調節可能とされ被検者の両眼に対してアライメントが可能となる。そして、上記までは片眼のみの測定であったが、同装置を2台用いる形で両眼同時に測定を行うこともできる。片眼測定であっても両眼開いていなければならず片眼測定後しばらくはもう片眼の測定を行うことができなかったが、この場合、両眼共確実に測定できるという利点がある。
つぎに、ゼルニケ解析について説明する。一般に知られているゼルニケ多項式からゼルニケ係数ci 2j−iを算出する方法について説明する。ゼルニケ係数ci 2j−iは、例えば、ハルトマン板22を介して第1受光部21で得られた光束の傾き角に基づいて被測定眼100の光学特性を把握するための重要なパラメータである。
11 第1光源部
20 第1受光光学系
21 第1受光部
22 第1変換部材
25 第1測定部
30 前眼部照明部
40 前眼部観察部
41 第3受光部
50 第1調整光学部
70 第2調整光学部
90 視標光学部
600 演算部
610 制御部
650 入力部
700 表示部
800 メモリ
Claims (11)
- 被測定眼を照明する照明光源を含む照明光学系と、
上記照明光学系の照明光束で照明された被測定眼からの反射光束を受け取り受光信号を形成する受光部を含む受光光学系と、
上記受光部で形成された受光信号に基づき、ある瞬きから次の瞬きまでの瞬き間隔における被測定眼の各光学特性の時間経過を表す2次元行列形式の光学特性データを、第1回〜第n回(nは、2以上の整数)の瞬き間隔について求める測定部と、
上記測定部で測定された第1回〜第n回の瞬き間隔についての光学特性データのそれぞれを1次元的に配置し、第p回(1≦p≦n)の瞬き間隔の光学特性の1次元配置をそれぞれp列目に配置することで2次元行列を作成し、該2次元行列に主成分分析処理を施し、主成分分析処理によって得られた主成分を、上記2次元行列の主成分毎に、上記測定部で測定された第1回〜第n回の瞬き間隔についての光学特性データのそれぞれを1次元的に配置したのと逆に、各p列目の1次元データを、各光学特性の時間経過を表す2次元データにして、第1回〜第n回の光学特性データを配置することにより、各光学特性に対する時間変化を表す2次元空間を、第1〜第p主成分に対応してp個求める解析部と、
上記解析部により求められた、第1〜第p主成分に対応したp個の上記2次元空間を並べたコードマップを表示する表示部と、
を備え、
上記解析部は、上記主成分分析処理で得られた第1主成分の寄与率であるドライアイ指数 1 又はすべての主成分のばらつき具合の合計であるドライアイ指数 2 を、次式により計算し、
ことにより、ドライアイ指数 1 が小さいほど、または、ドライアイ指数 2 が大きいほどドライアイの程度が大きいことを予測するようにした眼科測定装置。 - 上記光学特性データが、ゼルニケ多項式の係数で構成されている請求項1記載の眼科測定装置。
- 上記解析部は、上記測定部で測定された光学特性データの各要素から、各要素の時間平均を引き去り、上記光学特性データを形成することを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。
- 上記表示部は、上記コードマップとして、正常、軽度のドライアイ、中程度のドライアイ、重症なドライアイの典型的なグレースケールコード又はカラーコードを、測定された症例の判断のために、画面上に表示する、または、簡単な操作で画面上にこれらグレースケールコード又はカラーコードを表示できるように構成したことを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。
- さらに、被検者に瞬きを促すための合図信号形成部を備え、
上記測定部が、被検者の瞬き終了からの時間経過で変動をする被測定眼の光学特性を測定するように構成したことを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。 - さらに、被検者に瞬きを検出するための判定部を備え、
上記測定部が、上記判定部により被検者に瞬きを検出すると、被検者の瞬き終了からの時間経過で変動をする被測定眼の光学特性を測定するように構成したことを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。 - 上記照明光学系は、上記被測定眼の眼底に略点光源を形成する照明光束、または、角膜曲率中心に収束する照明光束で被測定眼を照明し、
上記受光光学系は、上記照明光学系の照明光束で照明された被測定眼眼底と、角膜表面からの反射光束を受け取り、第1及び第2受光信号を形成する複数の受光部を含み、
上記測定部は、眼底からの反射光束に基づき被測定眼全体の波面収差を測定し、且つ、角膜表面からの反射光束に基づき被測定眼角膜の角膜収差を測定するように構成したことを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。 - 上記測定部は、眼底からの反射光束に基づき被測定眼全体の波面収差を測定すること、及び、角膜表面からの反射光束に基づき被測定眼角膜の角膜収差を測定することを同時に実行するように構成したことを特徴とする請求項7記載の眼科測定装置。
- 上記照明光学系は、上記被測定眼の眼底に略点光源を形成する照明光束で被測定眼を照明し、
上記受光光学系は、上記照明光学系の照明光束で照明された被測定眼眼底からの反射光束を受け取り、受光信号を形成し、
上記測定部は、眼底からの反射光束に基づき被測定眼全体の波面収差を測定するように構成したことを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。 - 上記照明光学系は、上記被測定眼の角膜曲率中心に収束する照明光束で被測定眼を照明し、
上記受光光学系は、上記照明光学系の照明光束で照明された角膜表面からの反射光束を受け取り、受光信号を形成し、
上記測定部は、角膜表面からの反射光束に基づき被測定眼角膜の角膜収差を測定するように構成したことを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。 - 上記照明光学系は、上記被検者の両方の眼底に略点光源を形成するように、及び/又は、被検者の両眼の角膜曲率中心に収束する照明光束で被測定眼を照明するように形成し、
上記受光光学系は、上記照明光学系の照明光束で照明された被検者の両眼の眼底、及び/又は、被検者の両眼の角膜表面からの反射光束を受け取り、第1受光信号及び/又は第2受光信号を形成し、
上記測定部は、眼底からの反射光束に基づき被測定眼全体の波面収差を測定し、及び/又は、角膜表面からの反射光束に基づき被測定眼角膜の角膜収差を測定するように構成したことを特徴とする請求項1記載の眼科測定装置。
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