JP2005066146A

JP2005066146A - 眼球運動撮像装置

Info

Publication number: JP2005066146A
Application number: JP2003302432A
Authority: JP
Inventors: Tomoya Miyasaka; 智哉宮坂; Akira Ishikawa; 朗石川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】身体の肢位変化、他の顔面装着具の装着下、頭部及び顔面への固体物の接触などが単独に、あるは複合した状態であっても、常に一定の光学角度を保持することで、任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像することを可能とする。
【解決手段】被撮像眼球前面を中心軸とし、眼球中立位における前方自然視からなる視線と重なる直線から体幹に向かって３０°から８５°の範囲によってなす角度で表わす直線に対して垂直な角度となる位置にミラー１を配設し、任意の眼瞼開裂度で眼球運動像を映し出し、ビデオカメラ２で眼球運動を撮像する。
【選択図】図２

Description

本発明は、身体の肢位変化、他の顔面装着具の装着下、頭部及び顔面への固体物の接触など、使用者の身体的状況、生活状況の変化に対応して、ビデオカメラ及び撮像光学部品位置を可変して配設し、配設位置を変更しても常に一定の光学角度を保持することで、任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像することが可能な眼球運動撮像装置に関するものである。

筋萎縮性側索硬化症などの神経筋疾患は、進行的に運動機能が低下し、随意的な運動機能は眼球運動などに限られ、やがては全身の運動機能が脱失する病気として知られている。罹患した対象者の身体的運動機能は、病期によって進行的に制限を受けていく。

このうち、上下肢及び体幹の運動機能が低下すると、自己で移動や寝返りなどが次第に困難になり、最後には不能になる。また、頭頚部の運動機能が低下すると、自己で頭部の位置を保持することができなくなり、支えがなければ重力によって頚部が折れ曲がる状態となる。また、発声機能が低下すると、発話が困難となり、最後には不能となる。また、呼吸機能が低下すると、最後には自立した換気が不能となり、その機能を代償するために人工呼吸器によって換気を受けることがある。人工呼吸器による換気には、顔面周囲及び口腔内の随意運動機能が残存している場合は、人工呼吸器用マスクを鼻口部に配設することによって実施する非侵襲的人工呼吸療法を用いることがある。配設されたマスクは、鼻口部を中心として頬部前面を覆い、マスクの固定バンドは頬部側面から後頭部にかけてかかる。顔面周囲及び口腔内の随意運動機能を脱失した場合には気管切開による侵襲的人工呼吸療法を用いることがある。また、顔面周囲の運動機能が低下し、このうち、眼瞼運動の随意運動機能が低下すると、随意性はあっても、長時間高頻度で眼瞼を自然な状態で開裂できなくなり、更に機能が低下すると眼瞼を随意的に開裂することが困難になり、最後には眼瞼を随意的に運動させることができず、任意の位置で保持されたままの状態となる。眼球運動は疾患が進行しても長期的に随意的運動機能が残存するが、他の運動機能と同様に低下していき、最後には全ての随意的眼球運動が脱失する。これらの運動機能制限は、発現する箇所、時期、進行度について個人差があり、単独に、そして疾患の進行とともに複合して起きる。

罹患した対象者の生活行動は、疾患の進行とともに自動的な運動機能が低下しても、他者の介助によってなされていく。寝ているときは、体表面の限局的な圧迫を防止し、良好な呼吸機能を保持し、不快感を解消するために、左側臥位、仰臥位、右側臥位と体位交換を実施する。左側臥位のときは、左後頭部から左側頭部、及び顔面の左側面が寝具に接触する。仰臥位のときは後頭部が寝具に接触する。右側臥位のときは右後頭部から右側頭部、及び顔面の右側面が寝具に接触する。また、車椅子や椅子などに移乗し、後頭部から側頭部にかけての部分をヘッドレストに保持して座位で過ごすことがある。また、眼鏡や人工呼吸器用マスクなどの顔面を覆う装着具を装着することがある。また、介護処置や医療処置により、頻繁に他者の手指や器具が顔面に接触することがある。これらの生活行動は、疾患の状況、疾患の進行度、生活環境、医療環境、介護環境によって個人差があり、単独に、または複合して起きる。

罹患した対象者が生活する上での問題点の一つは他者との意思伝達や機器操作に必要な意思表出手段が失われていくことである。従来よりこの問題に対応するため、随意的運動能力が他の身体部分よりも長期間残存する眼球運動を利用し、眼球運動や視線を入力源とした意思伝達装置や入力装置で他者との意思伝達や機器操作信号入力の機能代償を果たしてきた。

眼球運動や視線を入力源とした装置のうち、人体の任意の部分に装着具などで固定したビデオカメラを用い、眼球運動を撮影し、その画像情報から眼球運動を検出する複数の装置がある。これらは頭頚部角度に変化があっても眼球画像を撮影できることや、眼球運動をモニタ画面で動画像としてモニタできることから、位置決めが容易であるなどの特徴がある。

それらの装置群は、眼瞼を自然な状態で開裂できる者が使用できるが、眼瞼を自然な状態まで開裂できない者については充分に使用できない。加えて、その他の運動機能低下や生活行動の制限が、更に使用できる条件を制限する。このうち、特開平６−１６５７５９のように、眼球の正面像を撮像する光学系の場合は、眼瞼の開裂が少なくとも自然な開裂状態になるまで開裂しないと、眼瞼や睫毛が眼球前面を遮り、撮像した動画像から眼球運動を認識することが困難になる。また、装置構成部品が顔面の遠方へと配置された状態で顔面に装着されており、この場合、頚部を軸にした頭部の屈曲方向への慣性モーメントが増大し、頭頚部を自己で保持できないと、立位や座位で使用した場合に頚部が前方に屈曲してしまい、大変危険である。更にゴーグル型による構成は、眼鏡や人工呼吸器用マスクなど、他の顔面装着が装着されている場合には装着することができない。また、頭部装着バンドの調整ねじが後頭部側にあり、仰臥位で寝る場合、調整ねじが寝具にあたり、仰臥位姿勢の維持が困難になる。また、仮に仰臥位を避け、側臥位を取った場合にしても、バンド及びゴーグルの側面が寝具に接触し、頭部の荷重を受けるため、位置ずれが発生する可能性がある。

また、特開平１１−２２５９６８のように、顔面の鼻口部を中心とした前方にビデオカメラや光学系を配置した構成による眼球撮像装置は、すでに人工呼吸器用マスクが装着された場合には装着できない。加えて、その他の実施例である、頭部装着具から伸びる支持部によって固定されたカメラによって眼球運動を撮像する構成では、支持部が顔面から離れた位置に空間的に配置されており、これでは、介護処置や医療処置を実施する際に顔面に他者の手指が接触する場合、手指と支持部が接触し，容易に位置ずれを起こす可能性がある。

また、特開２０００−２３７１３９のように、頬部にビデオカメラ支持部を接触させてビデオカメラを保持するように配置した構成による眼球撮像装置は、人工呼吸器用マスクが装着されている場合、そのマスクを保持するためのバンドが頬部から後頭部へと広く覆ってしまうので、支持部とバンドが干渉してしまい、ビデオカメラを固定できない。更に頬部付近に支持部があるので、側臥位になると、支持部が顔面側部と寝具に挟まれてしまい、容易に位置ずれを起こす可能性がある。また、ビデオカメラを顔面の下部に設置しており、人工呼吸器用マスクが装着されている場合、マスクが被撮像眼球とビデオカメラの間に存在することになり、眼球像を遮ってしまい、撮像することができない。
特開平６−１６５７５９号公報特開平１１−２２５９６８号公報特開２０００−２３７１３９号公報アメリカＡＬＳ協会編集, 遠藤明翻訳「ＡＬＳマニュアル―ＡＬＳと共に生きる」日本メディカルセンター１９９７年ＪｏｈｎＲ．Ｂａｃｈ，石川悠加共著「神経筋疾患の呼吸管理」日本小児医事出版社１９９６年

解決しようとする問題点は、眼瞼の開裂が不十分な場合、眼球運動を撮像することが困難になることであり、そのとき臥位における肢位変化、他の顔面装着具の装着、頭部及び顔面に固体物が接触するなどの生活行動の制限が発生すると、眼球運動を撮像することが更に困難になることである。

本発明は、任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像可能な光学角度を設定し、身体運動機能の低下や生活行動の制限があってもその角度を保持して眼球運動を撮像することを最も主要な特徴とする。

本発明の眼球運動撮像装置は、被撮像眼球前面を中心軸とし、眼球中立位における前方自然視からなる視線と重なる直線から体幹に向かって３０°から８５°の範囲によってなす角で表わす直線に対して垂直な角度となる位置に撮像光学系を配設し、それによって得られた眼球運動像をビデオカメラで撮像することで、任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像できる利点がある。その際、臥位における肢位変化、他の顔面装着具の装着、頭部及び顔面に固体物が接触する場合でも、任意の眼瞼開裂度で眼球運動が撮像が可能な、撮像光学系及びビデオカメラを保持する支持部及び、支持部を固定し頭部及び前額面に装着する装着具、選択可能な照明を配設することによって、身体運動機能が低下し、生活行動に制限があっても任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像できる利点がある。

臥位における肢位変化があっても、他の顔面装着具の装着下でも、頭部及び顔面に固体物が接触する場合でも、任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像するという目的を、少ない部品点数で、使用者の負担を少なくして実現した。

請求項２は、請求項１における任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像するひとつの手段を構成した眼球運動撮像装置である。

眼球は、頭骸を構成する部分の一要素である、眼窩と呼ばれるくぼみの中にある。眼窩は一般に上部が下部よりも前方に突出しており、上部端から下部端を結ぶ直線は、床面から垂直に立つ直線に対してやや前傾し、座位、あるいは立位において頭頚部中立位のとき、わずかに下方を向いている。

眼球前面の虹彩上にある角膜部分は、眼球前面から突出しており、更に眼球は、眼窩の上部と下部を結ぶ直線よりも、前面に突出していることから、眼窩及び眼球の周辺では眼球の角膜部分が顔面の前方に向かって最も突出している部分となっている。

眼瞼を閉じるとき、眼瞼裂はほぼ角膜下縁の高さにあり、上眼瞼は眼球の角膜を完全に覆う。このとき、上眼瞼は眼球の角膜の突出部分を覆っており、前方に膨らんだ状態になっている。

眼瞼の開裂は上部眼瞼の運動によって起き、開裂してまもなくは角膜下縁が表面に露出し、虹彩の一部が現れる。上部眼瞼が開裂していくに従って、次第に角膜及び虹彩が表面に現れてくるが、眼瞼裂を自然な状態で開裂し、前方を注視した状態でも、上眼瞼は角膜の上約１／４を覆っている。そのとき下眼瞼裂は角膜のすぐ下縁にある。更に意識的に上部眼瞼を開裂したときに、初めて全ての角膜と虹彩が表面に現れる。

上部眼瞼にある上睫毛は、下から上に向かって反り返るようにして伸び、下部眼瞼にある下睫毛は、上から下に向かって反り返るようにして伸び、閉眼時であってもそれらが重なることはない。

閉眼状態から上部眼瞼を開裂していくと、開裂して上部眼瞼が角膜を覆っている間は、眼窩の構造、眼球角膜部分の前方への突出、それを上部眼瞼が覆っていることから上部眼瞼が下部眼瞼よりも前方に突出しており、その開裂面は眼球前面を中心軸とし、眼球中立位における前方自然視からなる視線よりも下方へと向いている。更に睫毛の根元部分が開裂面に対して平行に延びている。

これら眼球及び眼球周辺の構造は、上部及び正面方向からの強い光や、雨水、ごみなどの直接的な侵入を防止するという意味において、機能解剖学的に合目的的な構造となっている。

一方、角膜は強く湾曲する透明板であることから、眼球中立位における前方自然視からなる視線よりも下方へと向いた位置からでも虹彩像を見ることができる。

眼球運動を撮像することを考えた場合、眼球表面における眼球強膜の明部と虹彩及び瞳孔の暗部が撮像できればよい。このうち、瞳孔は虹彩の中心付近にあるので、実質的には眼球強膜と虹彩像が撮像できればよい。

以上のことから、特に閉眼時から眼球開裂間もないときの眼瞼裂の開裂面が正面よりも下方に向いており、加えて上睫毛が眼球から正面及び上面に対して庇状に存在することら、眼球運動を撮像する場合には、被撮像眼球の正面から撮像するよりも、その下方から被撮像眼球を見上げるような位置で撮像するほうが、より狭い眼瞼開裂度で眼球強膜及び虹彩を撮像することができる。

下記表１には、被撮像眼球前面を中心軸とし、眼球中立位における前方自然視からなる視線と平行な直線を０°とし、またそれより下方の直線について、それらの直線に垂直な面に撮像光学系を配設したときに、眼瞼開裂度を変更して、被撮像眼球の虹彩及び眼球強膜がともに視認できる場合を有効、それ以外を無効と判定する有効撮像範囲を示している。眼瞼開裂度は、自然な状態で開裂したときの上眼瞼と下眼瞼の最大距離を１とし、閉眼時を０としたときの相対比である。また、図１は撮像角度及び眼瞼開裂度を示している。

上記表から、眼瞼開裂度が０．２から１．２の範囲のときに虹彩及び眼球強膜が視認できる範囲は、撮像角度が眼球中立位における前方自然視からなる視線と平行な直線から３０°から８５°の範囲で下方に向けたときに、それに垂直な面に撮像光学系を配設した場合に可能である。眼球開裂度が０．２のときは、上部眼瞼が開裂し、虹彩の下縁が見えはじめる状態であり、眼球開裂度が１．２のときは上部眼瞼が意識的に大きく開裂した状態であるので、前記範囲において眼球運動を撮像することで、実質的に任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像できる。

従来の眼球運動撮像装置群において、光学系やビデオカメラを下方に配設し、撮像しているものがある。このうち、特開２０００−２３７１３９号や発明者がすでに開発した眼球撮像装置がある。これらはビデオカメラを被撮像眼球よりも下方に配設する構造としているが、それらの目的は使用者が被撮像眼球での視界を確保し、他者が使用者の表情を確認するためであり、眼球を撮像するための光学角度を規定する目的ではない。また、特開平１１−２２５９６８号についても、ビデオカメラを下方に配設しているが、眼瞼の開裂度に応じた光学角度を規定しておらず、特に閉眼時から開裂間もない状態での眼球運動の撮像について、その可能性を示していない。

以上のことからも、任意の眼瞼開裂状態で眼球運動を撮像することを可能にする光学角度範囲を設定することは、従来自然な眼瞼開裂状態で撮像することを目的とした眼球運動撮像装置群にはない技術的項目である。請求項１及び請求項２における、任意の眼瞼開裂状態で眼球運動を撮像することを可能にする光学角度範囲を設定する眼球運動撮像装置は、眼瞼の随意的開裂機能に障害のある方が使用でき、健常者であっても覚醒時における日常生活下では大半が自然な眼瞼開裂状態よりも狭い範囲で眼瞼を開裂して過ごしていることから、実生活上における眼瞼運動下での眼球運動の観察に使用でき、眼球下転時において、協同的運動で上部眼瞼が下がる作用における眼球運動の観察などに使用できることから、従来の眼球運動撮像装置の適用範囲の拡大に大いに役立つ。

図２は、本発明装置の１実施例の側面図である。

請求項３は、請求項２で示した眼球運動撮像装置における光学角度で眼球運動像を映し、ビデオカメラへ眼球運動像を配するミラーについてであり、本発明装置の１実施例の図２、図３においてはミラー１に対応する。ミラー固定及び角度調整器具４を用いてミラー１を前記角度範囲に調整し、ビデオカメラ及び撮像光学系支持部３に固定する構成となっている。ミラー１は、被撮像眼球から近い位置で、加えて眼鏡や人工呼吸器用マスクによる他の装着具による構造的及び光学的干渉が少ない被撮像眼球の眼窩下縁からその前方にかけて位置するように配設する。

請求項４は、請求項３で示した眼球運動撮像装置における前記光学角度を保持した状態でビデオカメラ及び撮像光学系を固定する支持部についてであり、本発明装置の１実施例の図２においてはビデオカメラ及び撮像光学系支持部３に対応する。前記支持部３は、ミラー１の他、ビデオカメラ２をビデオカメラの固定及び角度調整器具５で、ミラー１からの眼球運動像が撮像できる位置に角度を調整し固定する。前記支持部３は、眼鏡の干渉を避けるため、前記支持部３のフレーム部分を屈曲し、眼鏡フレームをまたぐような構成にして配設する。

請求項５は、請求項４で示した眼球運動撮像装置における装着部に配設する、前記支持部を、前記角度を保持した状態で使用者の前額面上を移動することが可能なガイドレールについてであり、本発明装置の１実施例の図２においては装着部８に配設したガイドレール６に対応する。ガイドレール６は、ビデオカメラ及び光学系部品支持部の固定及び角度調整器具７によって前記支持部３を固定し、前記支持部３を前額面上のガイドレール６の範囲で移動することが可能である。これにより、左右の眼球を被撮像眼球にすることができ、眼鏡の装着時には前記支持部を顔面の側面方向に移動し、側臥位をとるときには前記支持部３を寝具に干渉しない前額面の中央部付近に配設することができる。

請求項６は、請求項５で示した眼球運動撮像装置における装着部に配設する、頭部が装着部の外部にある固体に接触する面には、装着部による拘束部分を取り外す脱着コネクタについてであり、本発明装置の１実施例の図２においては装着部８に配設した脱着コネクタ９に対応する。脱着コネクタ９は、左右側頭部の前後面に１箇所ずつ、計４箇所配設している。仰臥位のときは後頭部に寝具が接触するので、予め後部２箇所の脱着コネクタを開放し、後頭部部分に接触する装着部を取り外す。これにより、頭部皮膚と寝具に装着部８が挟まれることがなくなり、装着部のたわみが起きず、光学系の位置ずれがなくなる。また、後頭部の限局した部分の圧迫がなくなることで、辱創の発生を抑制できる。左側臥位の場合は左側2箇所、及び右側臥位の場合は右側２箇所の脱着コネクタを外すことで仰臥位と同様の効果を発することができる。

請求項７は、請求項６で示した眼球運動撮像装置における前記ビデオカメラ上あるいは前記支持部上に配設する近赤外線光源、及び前記ビデオカメラ及び撮像光学系を光学的に覆う脱着可能な遮光カバーについてであり、本発明装置の１実施例の図２においては近赤外線光源固定器具１０、近赤外線光源１１、遮光カバー１２に対応する。前期眼球運動撮像装置は、周辺からの光線、周辺からの光線と近赤外線光源から発する近赤外光線との混合光線、近赤外線光源から発する光線を前記ビデオカメラ２の撮像における照明として任意に設定することが可能である。周辺からの光線を光源とするときは遮光カバー１２を外した状態で近赤外線光源１１を点灯しない。周辺からの光線と近赤外線光源による混合光線を光源とするときは、遮光カバー１２を外した状態で近赤外線光源１１を点灯する。近赤外線光源による光線を光源とするときは遮光カバー１２を配設した状態で近赤外線光源１１を点灯する。これは長時間近赤外線に眼球を曝露することで発生する疲れ目現象を低減させる目的であり、周囲が明るい場合は周辺からの光線を光源として利用することができる。
渡邊郁緒、新美勝彦著「イラスト眼科第７版」文光堂２００３年伊藤隆著、高野廣子改訂「解剖学講義改訂２版」南山堂２００３年宮坂智哉「ＰＣ制御を必要としない安価な眼球運動入力意思伝達装置の試作」第１８回リハ工カンファレンス論文集２００３年

本発明品は身体機能、生活行動に制限がある者の他、健常な状態の者であってもなんら作用に制限を及ぼすものはなく、よって健常者に対しても任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像することが可能である。日常生活上における覚醒時では、眼瞼を自然状態の位置まで開裂するよりも狭い開裂度で過ごす時間が大半であることから、日常生活上における眼瞼運動下での眼球運動の観察に利用できる。また、意識的に眼瞼を開裂しない状態で眼球像を撮像し、その画像情報から個人認識をすることに応用が可能できる。また、眼瞼及び眼球に負担が少ないことを特徴とした、眼球運動入力手段を用いたハンズフリーのパソコン入力装置やテレビゲーム入力装置の入力手段として応用が可能である。

有効撮像範囲の算出根拠に用いた撮像角度及び眼瞼開裂度を示した説明図である。眼球運動撮像装置の実施方法を示した説明図である。

符号の説明

１ミラー
２ビデオカメラ
３ビデオカメラ及び撮像光学系支持部
４ミラー固定及び角度調整器具
５ビデオカメラの固定及び角度調整器具
６ガイドレール
７ビデオカメラ及び光学系部品支持部の固定及び角度調整器具
８装着バンド
９脱着コネクタ
１０近赤外線光源固定器具
１１近赤外線光源
１２遮光カバー

Claims

使用者の頭部及び前額面に固定装着するための装着部と、この装着部から延設された支持部、及びこの支持部に取り付けられた撮像光学系とビデオカメラにより、使用者の眼球周辺を撮像してその映像信号を取得するようにした眼球運動撮像装置において、前記眼球運動撮像装置本体には、任意の肢位で、任意の他の顔面装着具の装着下で、頭部及び頚部への固体面の接触があって、これらの条件が単独で、あるいは複合した状態であっても、任意の眼瞼開裂度で眼球運動を撮像する手段を備えた眼球運動撮像装置。
請求項１において、被撮像眼球前面を中心軸とし、眼球中立位における前方自然視からなる視線と重なる直線から体幹に向かって３０°から８５°の範囲によってなす角度で表わす直線に対して垂直な角度となる位置に撮像光学系を配設し、任意の眼瞼開裂度で眼球運動像を映し出し、前記ビデオカメラで眼球運動を撮像する構成としている眼球運動撮像装置。
請求項２において、前記眼球運動撮像装置には、被撮像眼球の眼窩下縁またはその前方に前記角度となる位置に撮像光学系を構成するミラーを配設し、前記ビデオカメラによって撮像する構成としている眼球運動撮像装置。
請求項３において、前記眼球運動撮像装置には、前記角度を保持した状態でビデオカメラ及び撮像光学系を固定する支持部を配設した構成としている眼球運動撮像装置。
請求項４において、前記眼球運動撮像装置には、前記装着部に、前記支持部を前記角度を保持した状態で使用者の前額面上を移動するガイドレールを配設した構成としている眼球運動撮像装置。
請求項５において、前記眼球運動撮像装置には、前記装着部に、頭部が装着部の外部にある固体に接触する面には装着部による拘束部分を取り外す脱着コネクタを配設した構成としている眼球運動撮像装置。
請求項６において、前記眼球運動撮像装置には、前記ビデオカメラ上あるいは支持部上に近赤外線光源を配設し、更に前記ビデオカメラ及び撮像光学系を光学的に覆う脱着可能な遮光カバーを配設し、周辺からの光線、周辺からの光線と近赤外線光源から発する近赤外光線との混合光線、近赤外線光源から発する光線をビデオカメラ撮影における照明として任意に設定する構成としている眼球運動撮像装置。