JP2008534051A - 種々の観察距離における瞳孔中心ドリフトおよび瞳孔サイズの測定のための瞳孔計 - Google Patents

Abstract

本発明は、一般的には、少なくとも一方の眼球の特性を測定するための、詳細には、種々の観察状態のもとで、眼球の生理学的変化を測定するための、改良されたデバイス、システム、および方法を提供する。例示的な一実施形態において、観察距離の変化に伴う、瞳孔中心の位置の任意の変化を測定する瞳孔計が、提供される。眼球は、多くの場合、観察中に相当に動くから、瞳孔中心位置は、多くの場合、外側虹彩境界のような眼球の好都合な基準に比較して測定される。さらに、瞳孔サイズを記録してもよく、また、患者の両眼球からの測定を同時に行ってもよい。例示的な実施形態において、片眼球が測定されているのか、それとも、両眼球が測定されているのかに関わらず、両眼球の間の輻輳角が、種々の観察距離に応じて変わることが可能になるような構成にすることができる。

Description

本発明は、一般的には、眼球の光学的診断および光学的測定に関するものであり、そして、詳細な実施形態において、距離および／またはその他の観察状態の変化に伴う、瞳孔の状況、位置およびその他同様のものの変化を測定するデバイス、システムおよび方法が、提供される。

老眼は、眼球の遠近調節特性に影響を与える健康異常である。物体が、若くかつ適切に機能する眼球に近づけば近づくほど、毛様体筋の収縮および毛様小帯の弛緩によって眼球の水晶体が、より丸くなる、すなわち、より凸状になる。これは、水晶体の光学的屈折力を増加させて、眼球が近距離に焦点を結ぶ能力を高める。遠近調節は、眼球が近接物体と遠隔物体との相互間で、焦点を結び、焦点を外すことを可能にする。

老眼は、通常人が年を取るとともに進み、そして遠近調節の自然な進行性の老化に関係している（「老視」と呼ばれることもある）。老眼になった眼球では、多くの場合、さまざまな距離にある物体上に迅速かつ容易に焦点を結び直す能力が衰える。さらに、近距離にある物体に焦点を結ぶ能力が衰える場合もある。この健康異常は、個々人の生涯を通じて進行するが、老眼の影響は、通常、４５才ごろに顕著になる。６５才までに、水晶体は、多くの場合、ほとんど全ての弾性特性を失ってしまい、形状を変化させるという限られた能力をもつだけになる。残存遠近調節は、眼球に残存している遠近調節の大きさのことを言う。残存遠近調節の程度が低ければ低いほど、より重度の老眼の原因となり、一方、残存遠近調節の程度が高ければ高いほど、より軽度の老眼となる。

老眼を処置するための方法およびデバイスの開発に関する研究が、現在、進行中である。それらの処置は、多くの場合、正視眼の視覚に近い視覚を与えようとする。正視眼では、遠隔物体と近接物体とのどちらも、眼球の遠近調節を用いて見ることができる。老眼に関連した視覚問題に対処するために、従来の処置には、老眼鏡、および、その他同様のものが含まれる。老眼鏡は、個々人の眼球に正の屈折度数を加え、それによって、眼球が、近接物体上に焦点を結んで、明確な像を保持することを可能にする。老眼は、また、レンズの一部分が遠方視用に較正されており、レンズの他の部分が近方視用に較正されている二重焦点眼鏡を用いて処置されている。そのようなアプローチは、眼球が適切なレンズを通して見ているときには、はっきりとした視覚を与えることができるが、視野内の他の物体は、歪むであろう。単眼視野（一方の眼球が遠方視用に矯正され、そして、他方の眼球が近方視用に矯正される）およびその他同様のことを含めて、なお、さらなる代替処置が、使用されている。これらの治療の多くは、少なくとも、ある程度の患者に対して成功しているが、広い観察距離範囲にわたって、全ての患者に対して理想的な観察能力を与えるというものではない。

屈折矯正手術の分野において、老眼処置のための、いくつかの切除プロファイルが、提案されている。それらの老眼切除プロファイルの目的は、多くの場合、組み合わせを修復しようとするのではなく、眼球の焦点範囲を増加させることである。それらの切除プロファイルの多くは、多くの場合において、なんらかの妥協を伴ってではあるが、より広い焦点深度を与えることができる。参照によって、全開示が本明細書に組込まれる特許文献１（２００３年１２月５日に米国出願された、「Presbyopia Correction Using Patient Data（患者データを用いる老眼の矯正）」という名称の、米国特許出願第１０／７３８３５８号）は、レーザ切除、および他の屈折矯正技術を用いる老眼の処置のための有望なアプローチについて記述している。それらの提案されている屈折作用の多くは、個々の患者に対して調整され、または合わせられる。
米国特許出願第１０／７３８３５８号明細書

新しく提案されている老眼処置アプローチは、前途大いに有望であるが、実地において、なおさらなる強化を行うことが有益であろう。特に、老眼処置は種々の観察状態に対する眼球の反応に関する知識を増加させることによって利益を得るであろう。これは、例えば、患者が、その観察を、近接距離と遠隔距離との間で変更するときの、眼球に関する典型的な生理学的変化について、よりよく理解することを通して、処置形状の適切なクラスを開発することを容易にするであろう。観察距離の変化に対する眼球の反応を測定するための、改良されたデバイスは、さらに個々の患者に対して適切な処置を合わせる、または選択することの助けとなるであろうしまたは、一定の患者を不適切であろう処置および／または代替処置を通じて別のやり方で得られるであろう視力よりも低い視力をもたらす処置を行わないようにるすために用いられるであろう。

上述のことに照らして、眼球を測定および／または診断するための改良されたデバイス、システム、および方法を提供することは有利なことであろう。それらの改善された技術が、患者のクラス、または個々の患者に対して屈折矯正処方を開発すること、および／または合わせることを容易にする場合には、それは特に有利であろう。

本発明は、一般的には、少なくとも一方の眼球の特性を測定するための、詳細には、種々の観察状態のもとでの眼球の生理学的変化を測定するための改良されたデバイス、システムおよび方法を提供する。例示的な一実施形態において、観察距離の変化に伴う瞳孔中心の位置の変化を測定する瞳孔計が提供される。眼球は相当に動く（随意的に、および／または不随意的に）傾向をもつから、瞳孔中心の位置は多くの場合、外側虹彩境界のような眼球の好都合な基準と比較して測定される。瞳孔サイズも記録することができ、また患者の両眼球からの測定を実質的に同時に測定することができる。例示的な実施形態において、片眼球が測定されているのか、それとも、両眼球が測定されているのかに関わらず、両眼球の間の輻輳角が種々の観察距離に応じて変わることが、可能になるような構成にすることができる。

第１の態様において、本発明は光センサを備えてなる瞳孔計を提供する。センサと眼球測定位置とは、検知光路により結びつけられる。可変距離観察ターゲット・システムが処理装置に結合され、処理装置は、さらに、センサに結合されている。それによって、処理装置は眼球位置と観察ターゲットとの間の観察距離の変化と、眼球位置に配置された眼球の瞳孔の瞳孔中心ドリフトとの間の関係を決定することができる。

多くの実施形態において、処理装置は観察距離の変化と瞳孔中心ドリフトとの間の関係を決定するように構成されている。観察ターゲットは多くの場合、付随する近接観察配置と付随する遠隔観察配置とを持ち、遠隔観察配置におけるターゲットは近接観察配置におけるよりも長い観察距離だけ眼球から光学的に離されている。近接観察配置状態の観察ターゲットは通常、眼球から光学的に約１メートル以下だけ離されている。遠隔観察配置状態の観察ターゲットは、通常、眼球から光学的に少なくとも３メートル、多くの場合、５ｍ以上離されている。さらに、１つ以上の中間観察距離配置を備えてもよく、その観察距離は、任意選択に全範囲にわたって可変である。

多くの実施形態において、観察ターゲットは検知光路の少なくとも一部によって眼球測定位置に結合される。これは眼球の光軸伝いに測定することを容易にすることができる。いくつかの実施形態において、ターゲット光路がターゲットを眼球測定位置に結びつけられ、そのターゲット光路の少なくとも一部が検知光路から分かれている。ターゲット光路の光路長は、通常、観察ターゲット・システムの配置の変化に伴って変わる。いくつかの実施形態において、とりわけ、軸外し瞳孔測定を用いるときには、ターゲット光路と検知光路とは、実質的に、それらの全長にわたって分離していてもよい。

可動ターゲット像と、相異なるターゲット光路長をもつ複数の代替的に選択可能なターゲット像と、光学ズームと、種々のミラー・アセンブリ、レンズまたはレンズ・セット、または、その他同様のもののような、代替的に選択可能な光学素子のタレットと、を含む種々の路長変更アプローチのいずれかによって、観察ターゲットの配置の変化を、もたらすことができる。ズームレンズ、および、その他同様のものを用いれば、ターゲットと眼球との間の物理的距離を変化させる必要はない。

任意選択に、瞳孔計は、患者のもう他の眼球の測定のために、他の眼球測定位置に結びつけられる、少なくとも部分的に分かれた検知光路をもつ両眼構造からなってもよい。観察距離と各眼球の瞳孔ドリフトとの間の関係を互いに独立に決定するように、処理装置を構成することができ、それらの測定は、多くの場合、同時に行われる。いくつかの実施形態において、もう他の眼球の瞳孔サイズ、中心位置および／またはその他同様のものを測定するために別のセンサを備えてもよい。別の実施形態において、１つのセンサで、両瞳孔の特性を測定するように、もう１つのセンサ光路によって、他の眼球測定位置に同じセンサを結びつけても。センサは、多くの場合、赤外（「ＩＲ」）光に応答する電荷結合素子（「ＣＣＤ」）、またはその他同様のもののような、少なくとも１つの画像捕捉デバイスを備えている。単一の画像捕捉デバイスが用いられる場合には、画像捕捉デバイスのセンサ面を各眼球に関係する部分に分割してもよく、または、センサ面上に生成される画像を患者の左眼球と右眼球との相互間で交代させてもよい。

両眼瞳孔計の実施形態において、光軸は各眼球測定位置の近傍から観察ターゲットに向かって延びてもよい。観察ターゲットが、近接観察配置と遠隔観察配置との間で変化するとき、第１の光軸と第２の光軸との間の輻輳角が変化してもよい。輻輳角のそのような変化に対応することは、観察距離の変化に、より自然な生理学的応答を与えるのに役立つことができ、そしてそれによって観察距離の変化に伴う瞳孔サイズおよび／または瞳孔ドリフトの測定を促進することができる。

多くの実施形態において、光路は、瞳孔および眼球の外側虹彩境界の、少なくとも重要な部分を画像捕捉デバイスの画像検出面上に結像させる。これは、瞳孔計が外側虹彩境界の中心に比較して、瞳孔の中心を決定することを可能にすることができる。任意選択に、可変明度照射源を、眼球測定位置に光学的に結びつけてもよい。眼球の照度と、瞳孔ドリフトまたは瞳孔サイズとの間の関係を決定するために、処理装置を可変照射源に結合させることができる。処理装置は、複数の相対瞳孔中心およびそれに関連する瞳孔サイズおよび観察距離を記録してもよい。

別の１つの態様において、本発明は、画像捕捉システムと、画像捕捉システムを第１の眼球測定位置に結びつける第１の検知光路とを備えてなる両眼瞳孔計を提供する。第１の検知光路は、第１の眼球位置から延びる第１の光軸をもつてもよい。第２の検知光路が、画像捕捉システムを、第２の眼球測定位置に結びつけてもよい。第２の検知光路は、第２の眼球位置から延びる第２の光軸をもつてもよい。可変距離観察ターゲット・システムが、ターゲット像とともに、第１の配置および第２の配置をもつ。ターゲット・システムが第１の配置にあるとき、第１および第２の眼球位置とターゲット像との間に第１の観察距離がある。同様に、ターゲット・システムが第２の配置にあるとき、第２の像と、第１および第２の眼球位置との間に、第２の光学的観察距離がある。第２の観察距離は、第１の観察距離よりも長く、ターゲット・システムが第１の配置と第２の配置との間で変化するとき、第１の光軸と第２の光軸との間の輻輳角が変化する。処理装置が画像捕捉システムおよび観察ターゲット・システムに結合されている。その処理装置は眼球と観察ターゲットとの間の観察距離の変化と、各眼球位置に配置された眼球の瞳孔の瞳孔ドリフトとの間の関係を決定するように構成されている。

別の１つの態様において、本発明は、第１の眼球が第１の観察距離で観察しているときに、第１の眼球の第１の画像を捕捉する工程を含んでなる瞳孔測定方法を提供する。第１の眼球が第２の観察距離で観察しているときに、第１の眼球の第２の画像が、捕捉される。第２の観察距離は第１の観察距離と異なる。第１の眼球の瞳孔中心ドリフトが第１の眼球の第１および第２の捕捉画像から決定される。

多くの実施形態において、第２の眼球が、第１および第２の観察距離でそれぞれ観察しているときに、第２の眼球の第１および第２の画像が、捕捉される。両眼球は同時に、同様の距離で観察していてもよい。第２の眼球の第１および第２の捕捉画像から、第２の眼球の瞳孔中心ドリフトを決定してもよい。第１の眼球の光軸と、第２の眼球の光軸との間の輻輳角が、観察距離の変化に伴って変化する。

第１の画像から、第１の眼球の外側虹彩境界の中心に対して第１の眼球の第１の瞳孔の第１の中心を決定することによって、瞳孔中心ドリフトを決定してもよい。同様に、第１の眼球の外側虹彩境界の中心に対して第１の眼球の瞳孔の第２の中心を第２の画像から決定してもよい。眼球は、多くの場合、第１の画像の取得と第２の画像の取得との間で変位する。

第１および第２の観察距離における瞳孔サイズが、多くの場合、測定され、中間距離（任意選択により、１つ以上の中間距離を備えたもの、またいくつかの実施形態においては、連続中間距離領域を含んだもの）を、測定のために用いてもよい。種々の観察距離で、明度と瞳孔サイズとの間の関係を決定するために照射明度の変化を設けてもよい。

本発明は、一般的には、眼球の特性を測定するための、詳細には、さまざまな観察状態の下で眼球の特性を測定するための改良されたデバイス、システムおよび方法を提供する。例示的な実施形態において、本発明は、さまざまな観察距離の関数として、瞳孔サイズと瞳孔中心ドリフトとの両方を測定することができる瞳孔計を提供する。そのデバイスは、多くの場合、１つまたは２つのカメラを用いるもので、一般に、虹彩の外側境界の虹彩中心を決定するのに十分な部分を捕捉するための十分な視野を与える一連の光学部品を各カメラに対してもつている。画像処理ソフトウェアが、通常、虹彩と瞳孔との両方の境界および中心を識別し、サイズおよび相対中心位置が計算される。虹彩中心位置が瞳孔サイズに実質的に依存しないから、虹彩中心を基準にして、瞳孔中心を追跡することができる。

瞳孔ドリフトおよび瞳孔サイズの測定に加えて、本発明は、さらに、観察距離、照度または明度またはその他同様のものの変化に伴うさらなる特性測定を与えることができる。例えば、瞳孔の真円度の測定を得ることができるし、観察状態が、１つの方向に変化していく（例えば、遠隔観察距離から中間観察距離へと変化していく）場合と、別の方向に変化していく（我々の例では、近接観察距離から中間観察距離へと変化していく）場合とを対比した、眼球の生理学的特性の間の履歴または差異およびいくつかの実施形態においては、観察状態の変化の間の応答時間または遅延および患者の２つの眼球の間の生理学的応答差および／またはその他同様のものを決定することができる。したがって、本発明の当初の応用は、老眼処方を開発し、または合わせるためのものであり得るが、本発明は、さらに、瞳孔不同の測定、薬物乱用および／またはアヘン耽溺の検出およびその他同様のことのような他の分野における応用も見出し得る。

ここで、図１を参照すると、瞳孔計１０は、一般に、眼球Ｅの瞳孔特性を測定する。眼球Ｅは、一般に、眼球位置１２に配され、光路１６を通して、カメラ１４のような光学センサに結びつけられる。可変距離観察ターゲット・システム１８が、観察ターゲットを眼球Ｅを示す。ターゲットは、眼球位置１２から可変の光学的観察距離にある。観察ターゲット・システム１８およびカメラ１４は処理装置２０に結合されている。

ここで、図１および図２を参照すると、観察ターゲット・システム１８は、通常、近接観察配置および遠隔観察配置を持ち、ターゲットは、ターゲット・システムの配置の変化にともなって変化する観察距離で眼球Ｅに表示される。眼球Ｅは、観察距離の変化にともなって生理学的に、種々に変化する。若い正視眼では、毛様体筋が、観察距離の変化につれて、眼球の水晶体の形状を変化させて、その屈折力を変化させる。さらに、眼球Ｅの瞳孔Ｐのサイズは、観察距離の変化に応じて変わる。より具体的に言うと、瞳孔Ｐは、患者の焦点が、相対的に遠隔の距離にあるターゲットの観察から、より近接した距離にあるターゲットの観察へと変化するとき収縮する。瞳孔Ｐは、さらに明度または照度の変化に伴って収縮および／または拡張する。ここで、それらの照度の変化には、任意選択に、観察されている物体すなわちターゲットの明度の変化、観察ターゲットのまわりの周囲光の変化、および、その他同様のものが、含まれる。

眼球Ｅが、種々の観察状態にあるとき、瞳孔Ｐの全体的なサイズの変化に加えて、瞳孔中心Ｃの位置も変化し得る。瞳孔中心の位置のこの変化は、眼球の任意の全体的な動きとは別のものであり得るし、また、全体的な動きと一緒に起こり得るということに注意されたい。言い換えると、たとえ、眼球Ｅが全体的に固定された空間位置にとどまって、眼球の角膜および網膜が、動かなくても、瞳孔Ｐが最初の瞳孔構成からより小さな瞳孔構成Ｐ’に収縮するにつれて、瞳孔中心Ｃはそれに対応してその位置を新しい瞳孔中心Ｃ’に変えることができる。瞳孔中心位置のこの変化は、用語「瞳孔中心ドリフト」が、本明細書において用いられるとき、この用語に包含される。

瞳孔中心ドリフトについての上記の記述においては、全体的な眼球Ｅは動いていないと仮定された。しかしながら、眼球は動く。さらに、人が遠隔距離にある物体の熟視から、非常に近接している距離にある物体の熟視へと転じるときに、両眼球は徐々に、内側に向かっていき、その結果、それぞれの眼球が同一の空間位置に向けられる。輻輳角のこの変化に対応し、そして、それを備えることによって、瞳孔計１０は、観察距離の変化に対する、向上した生理学的測定精度を備えることができる。患者が種々の位置のターゲットを熟視するとき、眼球の随意的な動きに加えて、眼球は、さらに、不随意的にも動く。言い換えれば、患者が、視覚ターゲット上にゆるぎなく凝視を持続しているときでさえ、眼球の動きは、やはり生じる。この不随意的な動きは、多くの場合、眼球がその眼窩の中を回転するような、瞳孔Ｐの二次元的な側方への動き、眼球のその光軸の周りの回旋転、およびその他同様のものを含んでいる。それらの動きは、瞳孔中心位置の変化を、隣接する眼球構造に対比して測定しようとするときに、極めて急激で、かなりの大きさになり得る。

瞳孔がその構成を遠隔距離Ｐでの観察から近接観察構成Ｐ’に変更するときの、眼球の光学特性の厳密な分析を可能にするために、瞳孔中心Ｃの変化をその初期位置から、変更された中心位置Ｃ’まで眼球Ｅのなんらかの他の組織に対比して測定するのが、多くの場合有利である。その目的のために、中心位置Ｃは、多くの場合、眼球上のなんらかの可視基準構造に対比して、理想的には外側虹彩境界Ｂに対比して測定される。外側虹彩境界は、一般に、眼球の縁ＬＩに隣接している。この縁は眼球の透明な角膜と、白い強膜との間の境界面である。しかしながら、この縁は急激な境界というよりも、むしろ、角膜と強膜との間の移行帯である。さらに、角膜との境界面にある強膜組織は透明であろうし、したがって、この縁は、少なくとも部分的に、２つの透明な組織の間の境界面を有しているであろう。これらの理由によって、瞳孔中心ドリフトをモニタするための基準位置として虹彩Ｉの外側境界Ｂを使用するのには、利点があるであろう。

ここでも、図１および図２を参照すると、図２は、システム１０の使用中にカメラ１４によって得られるような眼球Ｅの画像を（収縮した瞳孔Ｐ’、瞳孔中心位置Ｃ、Ｃ’、およびその他同様のものを付け加えて、一緒に）、一般的に示している。カメラ１４は、一般に瞳孔中心位置、瞳孔サイズ、外側虹彩境界Ｂのサイズおよび／または位置、眼球上の他のさらなる、または代替の基準構造の位置、およびその他同様のものの測定に十分な光学的情報を検出することができる画像捕捉デバイス、または他の光センサを備えている。例示的な本実施形態においては、カメラ１４は、赤外光に応答する電荷結合素子（「ＣＣＤ」）を備えている。

眼球の位置１２は、一般に、アイカップ、またはその他同様のもののような眼球Ｅのまわりの組織によって係合される構造によって、少なくとも部分的に定められる。瞳孔計１０の両眼バージョンでは、眼球間の距離の変更を可能にするメカニズムが多くの場合、設けられており、またシールド、ハウジング、ドレープ（掛け布）、またはその他同様のものを用いて、眼球位置１２からカメラ１４までの光路１６を周囲のルーム環境から分離する（および、任意選択に両眼瞳孔計のもう一方の光路の少なくとも一部から分ける）ことができる。

光路１６は、多くの場合、図１の単純化された概略図から省略されている眼球Ｅの虹彩Ｉをカメラ１４の画像検知面上に結像させるための結像レンズ、およびその他同様のものを含むさらなる光学的結像素子を含んでいる。絞り、フィルタ、ビーム・スプリッタ、およびその他同様のもののような、さらなる結像部品を、少なくとも部分的に、光路１６を定めるために用いてもよく、またそれらの光学部品は、通常、アイカップに隣接する眼球位置１２からカメラ１４まで、および／またはカメラ１４を越えて延在するハウジング内に一体化されていてもよい適切な金属または高分子の支持構造によって、適切な位置に保持されている。

カメラ１４は、通常、赤外光に応答するＣＣＤを備えているが、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）画像捕捉デバイス、ＨＤＲＣ画像捕捉デバイス、およびその他同様のものを含む、種々様々な代替画像捕捉構造を使用してもよい。カメラ１４は、例えば、ニューヨークのＧＥＮＷＡＣ社によって商品化されて、日本のワテック株式会社によって製造されている、８８０ｎｍの波長をもつＩＲ（赤外線）照射を用いて画像を撮ることができる、ＧＷ−９０２Ｈモデルのカメラを備えていてもよい。さらに、ＧＥＮＷＡＣ社によるＧＷ−９０２Ｂモデルのカメラ、日本の東京電子工業株式会社による、９４０ｎｍの波長をもつＩＲ照射を用いて画像を撮ることができるＴｅｌｉ ＣＥカメラ、および／またはＣＳ８３００Ｂシリーズとして商品化されているカメラから選択された別のカメラ、サンディエゴのＣＯＨＵ社エレクトロニクス・ディビジョンによって商品化されている４９００モデル・シリーズのカメラ、その他同様のものを含む、種々の代替のカメラ、結像構造、または他のセンサを用いてもよい。光路１６は、カメラ１４を用いて、虹彩の十分な部分を結像させるために、通常、画像検知面上に少なくとも約１０．５ｍｍ×１４．０ｍｍの視野（眼球の虹彩面で測定された）を結像させる。

瞳孔計１０の処理装置２０は、多くの場合、図１に例示されているように、パーソナル・コンピュータを備えている。処理装置２０は、通常、眼球の構造の画像、瞳孔ドリフト、および任意の他の生理学的特性の測定のグラフ表示、およびその他同様のものを示すためのディスプレイ２２を含んでいる。処理装置２０は、通常、本明細書に記述されている方法ステップを実行するためのプログラミング命令を備えた機械可読コードおよび／またはデータを収録するための有形媒体２４を含んでいる。有形媒体２４は、フロッピィ・ディスクまたは磁気テープのような磁気記録媒体、ＣＤ（コンパクトディスク）またはＤＶＤ（デジタル多用途ディスク）のような光記録媒体、ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）またはＲＯＭ（読み出し専用メモリ）のような電子媒体すなわち電子メモリ、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）メモリスティック・デバイスのような不揮発性メモリ、またはその他同様のものを備えていてもよい。いくつかの実施形態において、この機械可読コードおよび／またはデータを、インターネット、イントラネット、無線送信デバイス、光ネットワークまたは光ケーブル、電気同軸ケーブルまたはツイスト・ペア・ケーブル、またはその他同様のものを介して送信してもよい。パーソナル・コンピュータの形式の場合には、処理装置２０は、通常、キーボードおよび／またはマウスのようなユーザ入力デバイス、入出力ポート、オペレーティング・システムのようなソフトウェア、および、瞳孔計ユーザインターフェイスを含んでいる。さらに、特定用途のプロセッサ・ボード、分散データ・ソフトウェア構成および／またはハードウェア構成、および、その他同様のものを含む、代替の処理装置構造を用いてもよい。

瞳孔計１０が使用中のとき、眼球Ｅは、多くの場合、カメラ１４によって眼球を結像させるのに適切な波長をもつ照射源で照射される。例えば、眼球Ｅを、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）で照射してもよい。さらに、可変距離ターゲット・システム１８が、任意選択に、眼球から所望の光学距離にある観察ターゲットの明度を変化させて、照射を与えてもよい。多くの実施形態において、観察ターゲットまたは他の可変照射物の観察距離と明度との両方とも、処理装置２０によって、可変距離ターゲット１８および／または任意のさらなる照射源に送られる命令信号を用いて制御される。一般に、結像信号がカメラ１４によって生成されて、処理装置２０に伝達される。

赤外線照射下では、赤外線エネルギーが透明な角膜構造によって、そのまま反射されないから、眼球Ｅの瞳孔Ｐはカメラ１４にとって相対的に暗く見える。瞳孔Ｐを囲んでいる虹彩Ｉは、カメラ１４に対してずっと明るい影を示し、虹彩を囲んでいる白い強膜組織は、さらにより明るい影を示す。瞳孔と虹彩との間、および外側虹彩境界と周囲の組織との間の相対的に高いコントラストの境界が、瞳孔と虹彩とのサイズおよび中心位置を決定するのに十分な高コントラストの画像を与えることができる。

ここで、図１〜図４Ｂを参照すると、虹彩Ｉ（および、眼球Ｅの全ての他の組織）の位置が、眼球の衝動性運動、および他の運動に伴って変化する。眼球Ｅが第１の比較的近接した観察距離（処理装置２０の命令に基づいて、可変観察ターゲット１８によって決定されたとおりの）で観察している間に、画像捕捉デバイス１４が眼球の画像を得る。瞳孔Ｐと周囲の虹彩Ｉとの間の相対的なコントラスト差を用いて、カメラ１４は、瞳孔Ｐの直径を決定し、そして中心位置ＰＣ１を識別する。同様に、カメラ１４によって捕捉された同じ画像を用いて、処理装置２０は、一般に、外側虹彩境界と周囲の組織との間のコントラスト差を用いることによって、さらに外側虹彩境界Ｂの直径、および、境界中心ＢＣ１の位置を決定する。外側虹彩境界の中心ＢＣ１と、瞳孔の境界の中心ＰＣ１との間の位置差に基づいて、処理装置２０は水平中心差Δｘおよび垂直中心差Δｙを識別する。図４Ａに示されているような、比較的近接した観察距離での第１の画像に対して、識別されたΔｘ１およびΔｙ１が、図３Ａおよび図３Ｂに例示されているようにプロットされる。

ここで、図２、図３Ａ、図３Ｂ、および図４Ｂを参照すると、より近接した光学的観察距離にある可変距離観察ターゲットで行われた測定は、より小さな瞳孔サイズＰ’への瞳孔の収縮という結果をもたらす。処理装置２０は、この場合にもまた、共点である外側虹彩境界中心ＢＣ２に比較して収縮した瞳孔のサイズおよび中心位置ＰＣ２を決定し、それによって、新しい水平中心オフセットΔｘ２および垂直中心オフセットΔｙ２を決定する。一連の相異なる観察距離を測定することによって、観察距離Ｄの変化に伴う、水平瞳孔中心ドリフトおよび垂直瞳孔中心ドリフトを図３Ａおよび図３Ｂに示されているようにプロットすることができる。

瞳孔Ｐおよび外側虹彩境界Ｂのサイズおよび中心位置の決定に用いるための画像処理ソフトウェアが、多数の市販され利用可能である。（例えば）インテル画像処理ライブラリ、またはその他同様のものを含む種々の画像処理ソフトウェア・パッケージを用いることができる。瞳孔計に適切な処理装置には、インテル・ペンティアム（登録商標）プロセッサの能力をもつＰＣ（パーソナル・コンピュータ）が含まれる。さらに、ＡＰＰＬＥ ＣＯＭＰＵＴＥＲＳ社によるマックＯＳオペレーティング・システムを実行する処理装置、カスタムＤＳＰ（デジタル信号処理）デバイス、またはその他同様のものを含む、処理装置の多くを用いることができる。代替実施形態において、英国のＰＲＯＣＹＯＮ社によって販売されている瞳孔計のＰ２０００系列のような市販の瞳孔計のソフトウェアから修正されたソフトウェアを用いてもよい。

さまざまな観察距離にわたって、瞳孔中心ドリフト、瞳孔サイズ、瞳孔真円度、およびその他の生理学的な変化を効率的に測定するために、眼球位置１２とターゲットとの間の光学的観察距離を約１メートル以下から少なくとも約３メートルまで、多くの場合、少なくとも約５メートルまで変えることができる可変距離観察ターゲット・システム１８を組み込むことは、多くの場合有利なことである。典型的な可変距離観察ターゲット・システム１８は、最近接観察距離と最遠隔観察距離との間に、複数の中間観察距離を備えている。いくつかの実施形態において、詳細には、ヒステリシスが問題になるように見える実施形態において、処理装置２０は相異なる瞳孔中心ドリフトと観察距離との間の関係を計算してもよく、その１つの関係は、瞳孔収縮（遠隔観察距離から近接観察距離に進む際の）に対するものであり、また、１つの関係は、瞳孔拡張（近接観察距離から遠隔観察距離に進む際の）に対するものである。明所視の観察状態、暗所視の観察状態、および、中間光の観察状態におけるような種々の観察明度における瞳孔中心ドリフトを含む、なお、さらなる瞳孔中心ドリフト測定を、記録および／または分析してもよい。

ここで、図５を参照すると、眼球Ｅ１およびＥ２をもつている患者が近接距離の観察ターゲット３２を観察しているとき、両眼球の光軸が第１の輻輳角Ｖ１を定めている。両眼球が近接観察ターゲット３２から遠隔観察ターゲット３４に観察距離を変えるとともに、両眼球Ｅ１、Ｅ２の輻輳角は第２の輻輳角Ｖ２に変化する。本明細書に記述されている瞳孔計は、特に瞳孔計の両眼バージョンにおいて、観察距離の変化に伴う輻輳角のそのような変化に対応しているのが好ましい。

ここで、図６を参照すると、瞳孔計１０の光学部品がより詳細に示されている。上述のように、光路１６が眼球位置１２からカメラ１４まで延びている。眼球位置１２は、眼球Ｅのまわりの組織に係合するアイカップ３４によって定められる。ハウジング３６が、眼球の光学成分および瞳孔計のパンクロフィルムを周囲光から分離し、瞳孔計の光学部品を構造的に支持している。任意選択に、ハウジング３６が、両眼瞳孔計の半分を形成していて、瞳孔計の残りの部分が患者の他方の眼球のために、中心線ＣＬの反対側に配置されていてもよい。

眼球Ｅの輻輳角の変化に対応するために、光路１６は、平行移動可能なミラー３８、および／または、角度変位可能なミラー４０を含む可動ミラー・システムによって反射される。多くの場合、処理装置２０から受け取られた信号を通じて、検流計、または他の電気的に駆動されるアクチュエータによって、これらの可動ミラーを駆動することができる。別の実施形態において、ハウジング３６の外からの手動入力に応じて位置および／または角度を変更する、手動で再配置されるミラーを用いてもよい。

図６の実施形態において、結像光路１６の部分が、可変観察距離システム１８のビーム・スプリッタＢＳによって、ターゲット光路４２から分離される。別の実施形態において、特に、眼球の結像が眼球の光軸から外れて生じるときには、ターゲット光路と結像光路とを、実質的にそれらの全長にわたって、分離してもよい。軸外し眼球追跡装置（瞳孔中心ドリフトを測定するためには、修正されるかもしれない）が、現在、特許文献２）米国特許第６３２２２１６号として発行されている、２０００年４月７日に出願された、「Two Camera Off-Axis Eye Tracker for Laser Eye Surgery（レーザ眼球手術のための、２つのカメラによる軸外し眼球追跡装置）」という名称の、米国特許出願第０９／５４５２４０号（代理人整理番号０１８１５８−０１６２１０））に、より詳細に記載されており、その全開示が、参照によって、本明細書に組み込まれる。
米国特許第６３２２２１６号明細書

図６の概略説明図において、観察ターゲット像４４のほかに、可変距離観察システム１８は、眼球位置１２とターゲット４４との間の光学的観察距離を変化させるためのズームレンズ・システム４６を含んでいる。ズームレンズ・システム４６は、処理装置からの信号に応じて光路距離を変化させるために、レンズを配置し直すためのモータ、または、その他同様のものを含んでいる。代替実施形態において、処理装置に信号を供給するズーム位置センサを用いてズームレンズを作動させるための手動システムをもつてもよいし、または、ズーム位置の手動入力に頼ってもよい。

さらに、１つ以上の光学部品の除去と置換に頼るシステムを含めて、代替の可変距離観察ターゲットが可能である。例えば、可変距離観察システムのレンズのうちの１つ以上を、タレット（円盤を回転させて、その周囲に取り付けられた複数のレンズを迅速に交換できる装置）上に搭載してもよく、それによって、第１のレンズをターゲット光路４２の範囲外に回転させて、タレットの別のレンズと取り替えることができる。いくつかの実施形態において、ターゲット像４４を単純に、他の光学部品から離して、相当に大きな距離を移動させてもよく、またはより遠隔の観察距離にある別のターゲットで取り替えてもよい。

図７に概略的に例示されている瞳孔計構造を含めて、なお、さらなる代替の瞳孔計構造を使用してもよい。瞳孔計１１０の光学部品は、２００４年６月１７日に出願された、「Correction of Presbyopia Using Adaptive Optics and Associated Methods（補償光学および関連方法を用いる老眼の矯正）」という名称の、米国特許出願第１０／８７２３３１号（代理人整理番号０１８１５８−０２５４００ＵＳ）に、より詳細に記載されており、その全開示が、参照によって、本明細書に組み込まれる。観察距離の変化に応じての瞳孔の変化、または眼球のその他の生理学的変化の結像および測定を可能にするとともに、瞳孔計１１０は、眼球の屈折変化をモデル化し、また、眼球の光学収差を測定するために、可変形ミラー、および、ハルトマン−シャック波面センサを含んでいる。より詳細には、瞳孔計１１０は、一般に、調整可能なターゲット１１４を患者の右眼球１１６Ｒに結合させる光路１１２Ｒを含んでいる。同様の光路１１２Ｌが、調整可能なターゲット１１４を、左眼球１１６Ｌに結合させ、それらによって、両眼観察システムが、実現される。図６に関して上述したような調整可能なミラー、またはその他同様のものを、両眼球間の輻輳角の変化に対応するために含めてもよい。右側の光路１１２Ｒに沿った、瞳孔計１１０の光路の部品、センサ、およびその他同様のものは、一般に、左側の光路１１２Ｌのものと同様であるから、装置の構造および使用法を理解するためには、右側を記述するだけでよい。

光路１１２は、可変形ミラー１１８Ｒを介して、右眼球１１６Ｒに調整可能なターゲット１１４を光学的に結合させるための、一連のレンズＬおよびミラーＭを含んでいる。ハルトマン−シャック波面センサＨＳが、眼球１１６Ｒの収差の測定のために、ビーム・スプリッタＢＳによって光路１１２Ｒに結合されている。さらに、センサ１２０が、眼球１１６Ｒの瞳孔のサイズの測定、瞳孔中心ドリフトの測定、および、その他同様のことのために、１つ以上のビーム・スプリッタＢＳによって、光路１１２Ｒに結びつけられている。

調整可能なターゲット１１４は、光路１１２Ｒに沿って像を伝達し、その光は、視野絞りをもつ開口Ａによって、輪郭を定められる。光は、調整可能焦点距離レンズＬによって平行光にされた後、プリズムＰを用いて光路に沿って導かれる。眼球１１６Ｒに近接した光路の終端において、光は、レンズＬによって再度平行光にされて、眼球の光学的な構成成分、すなわち主として角膜および水晶体を通過して網膜上に像を形成する。

瞳孔計１１０が、瞳孔中心ドリフトを測定するために用いられるときには、可変形ミラー１１８Ｒを、平坦構成にしてもよいし、または、眼球１１６Ｒの屈折異常を補償するように構成してもよい。どちらにしても、患者は、所望の観察距離にある観察ターゲット１１４を観察する。カメラ１４に関して上述したように、多くの場合、ＣＣＤまたはその他同様のものを有するセンサ１２０が、眼球１１６Ｒの画像を得る。センサ１２０は、適切な画像信号を、コンピュータ制御システム１２２に伝達して、外側瞳孔境界（または、その他同様のもの）と比較しての瞳孔中心位置を瞳孔サイズ、または任意の他の所望の生理学的特性とともに、決定することを可能にする。その後、調整可能な観察ターゲット１１４を新しい観察ターゲット距離に変更して、プロセスを繰り返すことができる。

米国特許出願第１０／８７２３３１号に、より詳細に記載されているように、コンピュータ制御システム１２２が、ハルトマン−シャック・センサＨＳに関連した別のＣＣＤ １２６からの信号に応答して、可変形ミラー１１８Ｒを駆動してもよい。これは、可変形ミラーが両眼球の眼球収差を補償し、そして、測定することを可能にすることができる。さらに、種々の照明状態において瞳孔特性を測定するために、周囲照明１２４をコンピュータ・システム１２２の制御下においてもよい。

例示的な実施形態が、理解を明確にするために、また、例示のために、かなり詳細に記述されているが、種々の改良、変更、および変形が、当業者にとっては明白である。例えば、処理装置は、瞳孔および外側虹彩境界の測定に、動的な閾値化を使用してもよい。外側虹彩境界の形状を、その構造の一部だけから評価するのではなく、本方法は、外側虹彩境界全体が、画像捕捉デバイスの視野内になるように、瞳孔中心ドリフトの測定中に、眼球に検鏡を使用してもよい。全開示が、参照によって、本明細書に組み込まれる、米国特許第５７８４１４５号に記載されているように、両眼球からの光路を、任意選択に、シールドまたはその他同様のものによって、単一のカメラの画像検知面の直前で互いに隔離することによって、その単一のカメラを用いて、両眼システムで両眼球の瞳孔を測定するようにしてもよい。したがって、本発明の範囲は、請求項によってしか、制限されない。

観察距離の変化に伴う、瞳孔中心ドリフト、瞳孔サイズ、および／またはその他同様のもののような瞳孔特性を測定するための瞳孔計システムを概略的に例示している。 図１のシステムの画像捕捉デバイスによって捕捉される画像を例示しており、また、さらに、瞳孔中心位置の変化すなわち瞳孔ドリフトを示している。 図３Ａは患者の左眼球および右眼球に対する、それぞれの、瞳孔中心ドリフトと観察距離との間の関係を、グラフで例示している。図３Ｂは患者の左眼球および右眼球に対する、それぞれの、瞳孔中心ドリフトと観察距離との間の関係を、グラフで例示している。 図４Ａは瞳孔中心および外側虹彩境界を識別することによって、種々の観察距離で撮られた種々の画像から瞳孔中心ドリフトを決定する方法を概略的に例示している。図４Ｂは瞳孔中心および外側虹彩境界を識別することによって、種々の観察距離で撮られた種々の画像から瞳孔中心ドリフトを決定する方法を概略的に例示している。 観察距離の変化に伴う、輻輳角の変化を概略的に例示している。 瞳孔計の光学素子および他の部品のいくつかを概略的に例示している。 両眼瞳孔計の一代替実施形態を例示している。

符号の説明

１０、１１０ 瞳孔計
１２ 眼球位置
１４ カメラ
１６、１１２Ｌ、１１２Ｒ 光路
１８ 可変距離観察ターゲット・システム
２０ 処理装置
３２ 近接観察ターゲット
３４ 遠隔観察ターゲット
４２ ターゲット光路
４４ 観察ターゲット像
４６ ズームレンズ・システム
１１４ 調整可能なターゲット
１１６Ｌ、１１６Ｒ、Ｅ、Ｅ１、Ｅ２ 眼球
１２０ センサ
Ｂ 外側虹彩境界
Ｃ、Ｃ’、ＰＣ１、ＰＣ２ 瞳孔中心
Ｉ 虹彩
Ｐ、Ｐ’ 瞳孔

Claims (24)

1. 光センサと、
   前記センサを眼球測定位置に結合させるための検知光路と、
   可変距離観察ターゲット・システムと、
   前記眼球位置と前記観察ターゲットとの間の観察距離の変化と、前記眼球位置に配置された眼球の瞳孔の瞳孔中心ドリフトとの間の関係を決定することができるように、前記センサと前記観察ターゲットとに結合されている処理装置と、
   を備えてなる瞳孔計。
2. 前記観察ターゲットが、付随する近接観察配置と付随する遠隔観察配置とをもつ、請求項１に記載の瞳孔計。
3. 前記近接観察配置状態の前記観察ターゲットが、前記眼球から光学的に１ｍ以下だけ離されている、請求項２に記載の瞳孔計。
4. 前記遠隔観察配置状態の前記観察ターゲットが、前記眼球から光学的に５ｍ以上離されている、請求項３に記載の瞳孔計。
5. 前記観察ターゲットが、前記検知光路の少なくとも一部によって前記眼球測定位置に結合される、請求項２に記載の瞳孔計。
6. 前記ターゲットを前記眼球測定位置に結びつけるターゲット光路であって、前記ターゲット光路の少なくとも一部が前記検知光路から分かれており、前記ターゲット光路の光路長が前記観察ターゲットの配置の変化に伴って変わるターゲット光路をさらに備えてなる、請求項２に記載の瞳孔計。
7. 可動ターゲット像と、
   相異なるターゲット光路長をもつ複数の代替的に選択可能なターゲット像と、
   光学ズームと、
   前記ターゲット光路に沿った代替的に選択可能な光学素子のタレットと、
   から成るグループから選択される少なくとも１つの要素を用いて、前記観察ターゲットの配置の変化がもたらされる、請求項６に記載の瞳孔計。
8. 前記観察ターゲットが前記近接観察配置の光路長よりも長く、かつ、前記遠隔観察配置の光路長よりも短い光路長の少なくとも１つの付随する中間観察配置をもつ、請求項２に記載の瞳孔計。
9. 前記瞳孔計が、もう１つの眼球測定位置に結びつけられるもう１つの検知光路をもつ両眼瞳孔計を備えてなり、前記処理装置は、前記一番目の眼球が前記眼球測定位置にあるときに、観察距離と、前記もう１つの眼球測定位置にある患者のもう１つの眼球の瞳孔ドリフトとの間のもう１つの関係を決定するように構成されている、請求項１に記載の瞳孔計。
10. 前記もう１つの検知光路中に、もう１つのセンサを、さらに備えてなる、請求項９に記載の瞳孔計であって、前記もう１つのセンサが、前記処理装置に瞳孔結像情報を伝達するために、前記処理装置に結合されている、瞳孔計。
11. 前記センサが、前記もう１つの検知光路によって、前記もう１つの眼球測定位置に結合される、請求項９に記載の瞳孔計。
12. 第１の光軸が前記眼球測定位置の近傍から、前記観察ターゲットに向かって延び、第２の光軸が前記もう１つの眼球測定位置の近傍から、前記観察ターゲットに向かって延び、前記観察ターゲットが、近接観察配置と遠隔観察配置との間で変化するとき、前記第１の光軸と前記第２の光軸との間の輻輳角が変化する、請求項９に記載の瞳孔計。
13. 前記光センサが画像捕捉デバイスを備えている、請求項１に記載の瞳孔計。
14. 前記画像捕捉デバイスがＩＲ（赤外）光に応答するＣＣＤ（電荷結合素子）を備えている、請求項１３に記載の瞳孔計。
15. 前記瞳孔計が前記眼球の外側虹彩境界の中心に比較して、前記瞳孔の中心を決定することができるように、前記光路が前記瞳孔および前記外側虹彩境界の少なくとも十分な部分を、前記画像捕捉デバイスの画像検出面上に結像させる、請求項１３に記載の瞳孔計。
16. 前記処理装置が、複数の相対瞳孔中心、およびそれに関連する瞳孔サイズおよび観察距離を記録する、請求項１５に記載の瞳孔計。
17. 前記眼球測定位置に光学的に結合される可変照射源を、さらに備えてなる、請求項１に記載の瞳孔計であって、前記処理装置が、前記眼球の照度と、瞳孔ドリフトまたは瞳孔サイズとの間の関係を決定するために、前記可変照射源に結びつけられる、瞳孔計。
18. 画像捕捉システムと、
    前記画像捕捉システムを第１の眼球測定位置に結びつける第１の検知光路であって、前記第１の眼球位置から延びる第１の光軸をもつ第１の光検知路と、
    前記画像捕捉システムを第２の眼球測定位置に結びつける第２の検知光路であって、前記第２の眼球位置から延びる第２の光軸をもつ第２の光検知路と、
    ターゲット像、第１の配置、および第２の配置をもつ可変距離観察ターゲット・システムであって、前記ターゲット・システムが、前記第１の配置にあるとき、前記第１および前記第２の眼球位置と、前記ターゲット像との間に、第１の観察距離を持ち、前記第２の配置にあるとき、前記ターゲット像と、前記第１および前記第２の眼球位置との間に、第２の光学的観察距離を持ち、前記第２の距離が前記第１の距離よりも長く、前記ターゲット・システムが前記第１の配置と前記第２の配置との間で変化するとき、前記第１の光軸と前記第２の光軸との間の輻輳角が変化する、可変距離観察ターゲット・システムと、
    前記画像捕捉システムおよび前記観察ターゲット・システムに結合されている処理装置であって、
    前記眼球位置と前記観察ターゲットとの間の観察距離の変化と、
    各眼球位置に配置された眼球の瞳孔の瞳孔ドリフトと、
    の間の関係を決定するように構成されている処理装置と、
    を備えてなる両眼瞳孔計。
19. 第１の眼球が第１の観察距離で観察しているときに、前記第１の眼球の第１の画像を捕捉する工程と、
    前記第１の眼球が、第２の観察距離で観察しているときに、前記第１の眼球の第２の画像を捕捉する工程であって、前記第２の観察距離が前記第１の観察距離と異なる、工程と、
    前記第１の眼球の前記第１および前記第２の捕捉画像から、前記第１の眼球の瞳孔中心ドリフトを決定する工程と、
    を含んでなる瞳孔測定方法。
20. 第２の眼球が、前記第１および前記第２の観察距離で観察しているときに、それぞれ、前記第２の眼球の第１および第２の画像を捕捉する工程であって、前記第１の眼球と前記第２の眼球とが、同時に、前記第１の距離で観察し、また、前記第１の眼球と前記第２の眼球とが、同時に、前記第２の距離で観察する、工程と、
    前記第２の眼球の、前記第１および前記第２の捕捉画像から、前記第２の眼球の瞳孔中心ドリフトを決定する工程と、
    を、さらに含んでなる、請求項１９に記載の瞳孔測定方法。
21. 前記第１の眼球の光軸と、前記第２の眼球の光軸との間の輻輳角が、前記第１の観察距離と前記第２の観察距離との間での変化に伴って変化する、請求項１９に記載の瞳孔測定方法。
22. 前記瞳孔中心ドリフトが、前記第１の画像から、前記第１の眼球の外側虹彩境界の中心に比較して、前記第１の眼球の第１の瞳孔の第１の中心を決定し、かつ、前記第２の画像から、前記第１の眼球の前記外側虹彩境界の前記中心に比較して、前記第１の眼球の前記第１の瞳孔の第２の中心を決定することによって決定される、請求項１９に記載の瞳孔測定方法。
23. 前記第１の眼球の前記第１の画像から、前記第１の瞳孔の第１のサイズを決定し、前記第２の眼球から、前記第１の瞳孔の第２のサイズを決定し、そして、瞳孔サイズと観察距離との間の関係を決定する工程を、さらに含んでなる、請求項２１に記載の瞳孔測定方法。
24. 照射明度を変える工程と、種々の観察距離で、明度と瞳孔サイズとの間の関係を決定する工程とを、さらに含んでなる、請求項２２に記載の瞳孔測定方法。

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