JP2004518497A - 前眼部における距離決定方法 - Google Patents

Abstract

本発明は前眼部における距離、好ましくは瞳孔および／または虹彩の直径を決定する方法であって、目の少なくとも一部の画像が撮像装置および目を照明するための配列を用いて記録され、デジタル化される方法に関する。前記デジタル画像に基づき、大まかな決定として強度および閾値解析を実行することにより、特に瞳孔の位置に対し、重力中心解析および中心点の決定を行う。前記大まかな決定に基づき、瞳孔の縁および／または虹彩の縁の位置の精細な検出を実行する。さらに、瞳孔中心および／または虹彩中心への固視反射の位置から、目の視軸と光軸との間の角度を決定することができる。

Description

【０００１】
ＩＯＬ（眼内レンズ）計算式「Ｈｏｌｌａｄａｙ ２」（「屈折手術のための眼内レンズ倍率（ｐｏｗｅｒ）計算」、Ｊａｃｋ Ｔ．Ｈｏｌｌａｄａｙ、Ｏｐｅｒａｔｉｖｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ Ｃｏｎｔａｒａｃｔ ａｎｄ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．３（９月）、１９９８：ｐｐ１０５−１１７）（これによりヒトの目に移植するための眼内レンズ（ＩＯＬ）の倍率を計算することができる）、および特別な型のＩＯＬ（ＩＣＬなど）の選択では、入力値として虹彩の水平距離であるいわゆる「水平白−白（ｗｈｉｔｅ−ｔｏ−ｗｈｉｔｅ）距離」（ｈｏｒ−ｗ−ｔ−ｗ）が必要である。
【０００２】
ヒトの目における視覚欠如を排除するための角膜手術（ＰＲＫ、ＬＡＳＩＫ）では、患者の視軸がどの点で角膜を通過しているかを知ることも外科医の関心事である。それ以来、角膜の幾何学中心に基づく従来の仮定を用いる場合に比べ、その点ではより正確にレーザ切除を実行することができる。
【０００３】
ＰＣＩを用いたヒトの目における角膜の厚さ、前眼房の深さおよびレンズの厚さの干渉計による長さ測定では、実際の視軸に沿った目の位置決定を必要とする軸長測定に対し、測定機器の前での理論光軸に沿った目の予備調整が必要である。
【０００４】
「ｈｏｒ−ｗ−ｔ−ｗ」を決定するために、従来はルーラーおよびテンプレート（図１１およびｈｔｔｐ；／／ｗｗｗ．ａｓｉｃｏ．ｃｏｍ／１５７６．ｈｔｍ）が使用されていた。これらを患者の目の前に保持し、そこから固視を行うことにより虹彩の直径を読みとる。この方法は観察中の視差の干渉に影響されやすく、従来使用されたテンプレートは０．５ｍｍの目盛りを有するため精度が限定される。他の周知の解決策はスリットランプ装置上の付属品として測定用接眼レンズを使用するものである（スリットランプ３０ＳＬ／Ｍ、発行番号Ｇ ３０−１１４−ｄ（ＭＡＸＩ／７９）Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ Ｄ−７０８２ Ｏｂｅｒｋｏｃｈｅｎ．３６ページ用の指示マニュアル）。そのような接眼レンズにより視差エラーを防ぐことができるが、直径値は目盛りから読みとらなければならない。
【０００５】
さらに、強膜の切開により前眼房内に挿入される機械的スライドゲージの形をした侵襲性の測定手段が、知られている（例えば、米国第４，３１９，５６４号）。
【０００６】
さらに、いわゆるゴニオスコープが周知である。これは目の上に置かれ、虹彩上に目盛りを投影し、拡大鏡により虹彩直径を読みとることを可能にするものである（例えば、米国第４，３９８，８１２号）。
【０００７】
瞳孔の直径を測定する装置は瞳孔計と呼ばれる（例えば、欧州第０，５５０，６７３号）。しかしながら、これらの装置では虹彩の直径は測定されない。
視軸が角膜を通過する点を決定するための装置は知られていない。カメラ業界ではヒト眼が見ている方向を決定する方法を使用しているだけである。そのような装置の出力シグナルは例えば写真用カメラのオートフォーカス機構を制御するように機能する（例えば、米国第５，２９１，２３４号）か、あるいはいわゆるアイトラッカーにおいて使用される。かかる装置は目の動きまたは視野の動きをモニタする。
【０００８】
また、別々に目の焦点合わせをすることによりあるいは測定ビームを走査することにより光軸に沿って目の予備調節を行う装置も知られていない。むしろ、試行的に光軸に沿う目の正確な位置を見出すための無計画な努力が払われている。
【０００９】
出願人のＷＯ ００／３３７２９号では、単一の装置を用い、非接触様式で目の軸長、角膜曲率および前眼房深度を決定し眼内レンズの視覚効果を計算するシステムおよび方法が開示されている。一般に目に可視または赤外ＬＥＤから光を照射し、その反射像をＣＣＤカメラで獲得し表示させる。さらに、被験者に固視光を提供し、眼の瞳孔を光軸方向に向け、固視光の反射もＣＣＤカメラで獲得する。
【００１０】
本発明の目的は、使用者とは無関係に、より高い精度でｈｏｒ−ｗ−ｔ−ｗを決定することができる装置および方法を提供することである。本発明によれば、この目的は独立請求項の特徴により達成される。さらに好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。
【００１１】
驚くべきことに、本発明ではまた瞳孔の中心および／または虹彩の中心に対する角膜を通る視軸の交差点を説明することが実際に可能であり、その交差点の位置と角膜の幾何学中心に基づき目の光軸に沿った干渉計による長さ測定機器のより正確な予備調整が可能となる。
【００１２】
視軸の位置はそのような機器の使用者には以前には未知であった。そのため、患者は適当な手段（機器の内外の患者の目に対する固視光）により別々に焦点を合わす必要があった。その後測定を開始したが、測定は光軸に沿って行われた時にのみ成功した。これは、測定後まで光軸が合っているかどうかが明らかにならないことを意味する。
固視光は１°刻みで移動させる。前記干渉計測定が成功する点に到達するまでには、かなりの数の無用な測定が必要となることがある。
そのような手順は眼科学の日常的作業では許容されない。
【００１３】
（従来の技術）
（特許文献１）
国際公開第００／３３７２９号パンフレット
（特許文献２）
独国特許発明第１９６４９５４２号明細書
（特許文献３）
米国特許第５，０７１，２４５号明細書
（特許文献４）
米国特許第５，０３６，３４７号明細書
（特許文献５）
独国特許出願公開第１９６４１６３２号明細書
【００１４】
実施形態の例
本発明を、以下の概略図を参照してより詳細に説明する。
図８では、好ましくは赤外光放射光源２により被験者の目１が照射される。この光源２はＷＯ ００／３３７２９号において示されるように、光軸の周りに円形に配列される（例えばＬＥＤ）。被験者が焦点を合わせる光源３は、ビームスプリッタ４により観察ビーム経路と同軸となるように観察システムでフェードインする。光源３は可視光を発する（例えばＬＥＤまたはレーザダイオード）。
【００１５】
眼像は、テレセントリック撮像システム５により、制御評価ユニット（図示せず）に接続された画像センサ６、好ましくはＣＣＤカメラ上に投影される。カメラのビデオシグナルはスクリーンまたはＬＣディスプレイ（図示せず）上に表示される。
照明２により、使用者は被験者の調整および測定時間全体において、被験者の焦点合わせが正しいかどうか、結果的にはその測定結果が正しいかどうか確認することができる。関連する像細部を有する被験者の眼による撮像はテレセントリック様式で実行され、被験者の調整の影響が最小に抑えられる。
【００１６】
患者の目が正確に調整され使用者が開始すると、ＣＣＤカメラのＢＡＳシグナルはフレーム取込み器を介してコンピュータのメモリに取り込まれる。図９は瞳孔７、瞳孔直径９および虹彩８、虹彩直径１０を含むそのような像を示す略図である。図１０は、照明の反射点１１、固視光１２の像、虹彩中心１３および瞳孔中心１４が示された、瞳孔の拡大部分図を示す。
【００１７】
画像処理手段を使用して、前記像内の距離を決定する。その距離から観察光学機器の画像スケールに基づき以下の値を計算することができる。
・虹彩の直径および中心
・瞳孔の直径および中心
・虹彩中心に対する固視光の角膜像のｘおよびｙ座標（一次プルキンエ像）
・瞳孔中心に対する固視光の角膜像のｘおよびｙ座標（一次プルキンエ像）
ヒト眼の虹彩および瞳孔の実際の形状は必ずしも円ではないので、他の実施形態に従い、半軸および焦点のパラメータを有する楕円を決定してもよい。
【００１８】
撮像光学機器５の画像スケールを適当に選択すると、計算精度＜±０．０１ｍｍで測定値を決定することができる。
虹彩直径（Φ_ｉｒｉｓ）から水平白対白距離が得られる：
白対白距離（ｍｍ）＝Φ_ｉｒｉｓ（画素）／１ｍｍあたりの画素数
固視光のプルキンエ像のｘおよびｙ座標から、被験者の焦点が正しく合っていれば視軸が角膜を通過する点が得られる。その点についてはＬＣディスプレイ上のライブビデオ画像を基に測定中に使用者が確認することができる。視軸および光軸は互いに８°までずれてもよい。中心窩は鼻に関して３°から８°まで一時的にずれることがあるからである（Ｇｕｌｌｓｔｒａｎｄ、Ｄｉｅｐｅｓ 「Ｒｅｆｒａｋｔｉｏｎｓｂｅｓｔｉｍｍｕｎｇ」 Ｂｏｄｅ ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ ｃｏｍｐａｎｙ Ｐｆｏｒｔｚｈｅｉｍ， 第５版、１９８８年に従う簡略化された略眼）。
【００１９】
目の視軸と光軸との間の角度は、例えばグルストランド眼に基づく角度の関係により生じる。固視点の像と虹彩中心および／または瞳孔中心との間の測定ずれ（距離）が考慮される。
【００２０】
前眼媒質の干渉計測定前に、両方の視軸の互いのずれを決定する。
この測定システムの固視点は視軸に沿ってマークされる。この点の瞳孔中心（および／または虹彩中心）までの距離の量および方向を決定する。
簡単な三角法方程式により光軸と視軸との間の必要な角度が得られる。
例えば：
α＝アークタンジェント（ａ／ｋ）
α−視軸と光軸との間の角度
ａ−固視点と瞳孔中心（虹彩中心）との間の距離
ｋ−結節点（Ｄｉｅｐｅｓ文献を参照のこと）と角膜との距離−Ｒ／２（約３．８ｍｍ）
【００２１】
この測定値によれば、患者の見る方向の予備調整を、計算した角度αで患者に固視光を提供することにより実行することができ、従って複雑な探索手順が不要となるため、好都合である。
【００２２】
（瞳孔、虹彩および固視点の位置決定方法）
フローチャート（図１）
評価のための入力値として、虹彩全体が周囲の視野照明により獲得される画像スケールでデジタル化されたグレースケール画像を使用する。
ノイズ低減後、評価ユニットがオブジェクトである瞳孔、虹彩および固視点像を決定する。
【００２３】
好都合に瞳孔像が最初に大まかに決定され、虹彩決定に使用される。その理由は、虹彩の縁でのコントラストは通常弱く、さらに虹彩の周囲はその上下部がまぶたで覆われており、円形ではなく扇形形状の感知のみが可能であるからである。
【００２４】
実行が成功すると、虹彩および瞳孔のパラメータは円モデル（半径、中心）として、または楕円モデル（主軸、中心）として戻される。固視点（すなわち、視軸が角膜を通過する点）はその座標の形で戻される。すなわち、座標は呼び出しプログラムに有効である。
【００２５】
（ノイズ低減）
オリジナルイメージのグレースケールプロファイルに基づく縁検出では、縁の位置を決定する際の変動が大きくなる。そのような変動は画像シグナル上に重ね合わされたノイズから生じる。２０×２０メジアンフィルタを使用してノイズを低減させる。
【００２６】
（瞳孔の大まかな検出−図２／図３）
瞳孔の位置の大まかな検出のために、その後に２値（バイナリ）画像内の結合されたオブジェクトを探索する２値化（バイナリゼーション）法を使用する。
図３には、Ｘ／Ｙ座標系における、ＣＣＤカメラにより感知され、閾値解析（閾値１）により決定された不均一なグレースケール分布ｇ（ｘ、ｙ）が示されている。この領域の理論中心ｘ０，ｙ０は中心解析により決定され、半径Ｒの円形モデル／楕円モデルが決定される（これについては以下で説明する）。
【００２７】
バイナリゼーションとは、以下の式に従う画素に関するグレースケール変換である。
【００２８】
【数１】

ｘ 画素の水平座標
ｙ 画素の垂直座標
ｇ（ｘ，ｙ） 位置（ｘ，ｙ）での画素のグレースケール値
ｔｈｒ 負でない閾値
瞳孔は、予め決定された最小値を超え、画像中心に最も近接するバイナリーオブジェクトであると仮定される。周囲の輝度に依存するため、一定閾値を有するバイナリゼーション法は適していない。そのため、バイナリーオブジェクトは上記方法にかかる一連の閾値に対し決定される。「最適」閾値ｔｈｒ^＊は、インクリメントすると選択したバイナリオブジェクト（すなわち、位置およびサイズ）の変化が最も小さくなる値と仮定される。この閾値に割り当てられたバイナリオブジェクトに基づいて、瞳孔の位置の大まかな評価に対し以下の因子を決定する。
【００２９】
【数２】

【数３】

【数４】

ここで
【００３０】
【数５】

（ｘ_０，ｙ_０） バイナリオブジェクトの中心（中心座標）
Ｒ （バイナリオブジェクトの面積／π）^１／２（推定半径）
（瞳孔および虹彩の精細な検出−図４）
瞳孔および虹彩の縁の位置（縁＝円／楕円の「周囲」）を、大まかに決定した瞳孔の中心によりグレースケールプロファイル（経路に沿ったメジアンフィルタ画像のグレースケール値のスキャン）から決定する（図を参照）。虹彩については、第１に、縁は大まかに検出された瞳孔と同一中心に配列された特定のより大きな円形リング内に位置すると仮定する。以下のアルゴリズムは瞳孔の縁および虹彩の縁の両方の精細な検出に同様に適用される。
【００３１】
スキャンはｘ０、ｙ０から開始する探索ビームＳ（複数の探索方向）により実行した。探索ビームの方向は角度αでうまく変化させた。探索ビームＳ上の大まかな探索範囲ＳＢは、すでに決定された虹彩および瞳孔の大まかなモデルから得られる。瞳孔の縁Ｋの決定は完全な円上で実行するが、虹彩の縁の決定はまぶたが覆う可能性があるのでＸ軸の周りの角度領域（円の２つの扇形）内でのみ行われる。
【００３２】
これらのプロファイルにおいて、適当な平滑化および数値微分により変向点が決定される。この目的に対しては多くの方法が知られている（例えば、Ｓａｖｉｌｚｋｙ Ａ．およびＧｕｌａｙ、Ｍ．Ｊ．Ｅ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｖｏｌ．３６、ｐｐ．１６２７−３９、１９６４）。これらの方法は１次元の線形フィルタとして実装されてもよい。一般に、グレースケールプロファイルに沿って多数の変向点が見出される。これらの中で以下の条件に見合う位置（ｘ，ｙ）が縁の位置として決定される。
【００３３】
（ａ）（ｘ，ｙ）は内側半径および外側半径を有する（ｘ_０，ｙ_０）（瞳孔の大まかな位置）の周りの円形リング内に位置する。ｘ_０，ｙ_０はそれぞれ瞳孔検出および虹彩検出においてｒ０（瞳孔の大まかな半径）の関数として決定される。
【００３４】
（ｂ）グレースケールプロファイル内の（ｘ、ｙ）の周りに位置する極端な値の間の絶対的な差は（ａ）に見合う全ての位置のその最大に到達する。
このように、２つの縁位置の最大はそれぞれ、虹彩モデルおよび瞳孔モデルに対し各グレースケールプロファイルあたり（すなわち、各スキャン角αあたり）で有効である。例えばまぶたの開きが狭い場合に虹彩または瞳孔が覆われることにより生じる体系的な妨害を排除するために、使用するスキャン角の範囲は制限され、虹彩の縁決定ではα_{ｍｉｎ，ｉｒｉｓ}＜α＜α_{ｍａｘ，ｉｒｉｓ}、および同様に瞳孔の縁決定ではα_{ｍｉｎ， ｐｕｐｉｌｌｅ}＜α＜α_{ｍａｘ， ｐｕｐｉｌｌｅ}としてもよい（ｍｉｎ＝最小値、ｍａｘ＝最大値、ｉｒｉｓ＝ 虹彩、ｐｕｐｉｌｌｅ＝瞳孔）。
【００３５】
（瞳孔／虹彩モデルの適合−図５）
前の工程で決定された縁位置（ｘｉ，ｙｉ）の数により瞳孔モデルおよび虹彩モデル（すなわち、円または楕円）のパラメータが回帰により決定される。これは可能なパラメータベクトルｐ（円：中心座標および半径、楕円：中心座標、主軸長、最大主軸とｘ軸との角度）の数に対し二乗誤差の合計を最小にすることにより行われる。
【００３６】
【数６】

円の調整では、（１）の解は特異値分布法により直接かつ数値的に有効な様式で可能である。楕円の適合に対する制限された二乗平均平方根値問題の解でも、多くの標準アプローチが存在する（例えば、Ｂｏｏｋｓｔｅｉｎ、Ｆ．Ｌ．「散乱データへのフィッティング円錐セクション（Ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｏｎｉｃ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｔｏ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｄａｔａ）」、Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｒａｐｈｉｃｓ ａｎｄ ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， Ｖｏｌ．９，ｐｐ．５６−７１，１９７９およびＦｉｔｚｇｉｂｂｏｎ，Ａ．Ｗ．およびＦｉｓｈｅｒ，Ｒ．Ｂ．「円錐フィッティングへのバイヤーガイド（Ａ ｂｕｙｅｒ‘ｓ ｇｕｉｄｅ ｔｏ ｃｏｎｉｃ ｆｉｔｔｉｎｇ）」，Ｐｒｏｃｅｅｄｅｉｎｇｓ ｏｆ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｖｉｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｂｉｒｍｉｎｇｈａｍ，１９９５）。
【００３７】
大きく外れた値（すなわち、不正確に決定された縁の位置）の影響を減少させるために、図５にかかる２段階回帰法を使用する。
さらに、円モデルのためのＨｏｕｇｈ変換などの、パラメータを適合するために使用すべき縁の位置を選択するための他の方法を使用することができる。
【００３８】
（固視点の検出−図６）
固視点の検出のために、ＣＣＤカメラのフィルタをかけていない画像のバイナリゼーション（以上を参照のこと）をΘ_ＦＰ＝ｓ^＊ｔｈｒ^＊（ｓ＞１．０）の閾値を用いて実行する。この閾値はｔｈｒ^＊（瞳孔の大まかな検出のために使用される閾値）に依存する。固視点として、決定された瞳孔中心ＰＭに最も近接して位置すると共に予め決定された最小表面積を有する積分バイナリオブジェクトＢＦ（グレースケール値＞Θ_ＦＰ）の決定された中心が存在する。
瞳孔中心からの距離がより大きなことから、他の無関係のバイナリオブジェクト（例えばＬＥＤ照明の反射像）が識別されるが、それらは考慮されない。
【００３９】
（確実性チェック−図７）
決定した座標を要求プログラムに戻す前に、図７にかかる確実性チェックを行い、不正確に検出された要素が見出されることがないようにする。質問は試験したオブジェクトの以前の周知の特性を含み、決定された結果はこれらと一致しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる方法のフローチャートである。
【図２】瞳孔の大まかな検出に対するアルゴリズムを示す。
【図３】グレースケール分析／中心決定を表すフローチャートである。
【図４】縁分析を表すグラフである。
【図５】縁分析のフローチャートである。
【図６】固視点位置の検出および決定を示すグラフである。
【図７】確実性チェックのフローチャートである。
【図８】照射ビーム経路および／または検出ビーム経路を示す略図である。
【図９】測定する目の全体像である。
【図１０】図９の中心の拡大図である。
【図１１】Ｈｏｌｌａｄａｙ−Ｇｏｄｗｉｎに従う白対白ゲージを示す図である。

Claims (5)

1. 前眼部における距離、好ましくは瞳孔直径および虹彩直径の少なくとも一方の決定方法であって、
   画像獲得装置および目の照明のための配列を用いて目の少なくとも一部の画像を獲得およびデジタル化し、前記デジタル化画像に基づき、強度閾値分析により、特に瞳孔の位置に関して大まかな決定として重心分析および中心決定を行い、そのような大まかな決定に基づき瞳孔の縁および／または虹彩の縁の精細な検出を実行する方法。
2. 角膜を通過する視軸の交差点を、固視光を用いて決定する、視軸の決定方法。
3. さらに、瞳孔および／または虹彩に対する目の角膜を通過する視軸の交差点を、固視反射の位置に基づき決定する請求項１記載の方法。
4. 前記目の前記視軸と前記光軸との間の角度を、瞳孔中心および虹彩中心の少なくとも一方に対する固視反射の位置に基づき決定する請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
5. ヒトの目の前眼部の干渉計測定用機器は、前記角度を用いて前記目の前記光軸に沿って予備調整される請求項４記載の方法。

Images