JP2014236944A - 眼球運動測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 眼球運動測定の結果を検査および診断に用いるには、眼球運動のデータからその症例に固有の要素を抽出する数値的な処理が必要である。
【解決手段】 被検者の視標となる光源を振動させ、これに追従する眼球の運動を測定して位置情報として高速フーリエ変換処理を行う際に、光源の振動信号源に周波数の変動分が１万分の１以下の発信器を用いる、眼球運動測定装置の発明。
【選択図】図１

Description

本発明は、身体機能検査を目的として、眼球運動を測定する装置とその制御、および運動を記録し、定量的に分析する眼球運動測定装置に関する。

眼球の運動は、提示された画像を認識してから眼球を動かすまでの総合的な神経系の応答を示すものであり、眼球の運動機能の情報だけでなく、眼球運動の精確な測定により中枢神経系の情報を得ることも出来る。眼球運動の測定法として、以下の４つの方法があり、それぞれ優劣が有る。

（１）ビデオカメラによる方法
動作や作業の分析を目的として開発されたもので、眼球の前に配置したビデオカメラを使用し、眼球の位置を画像処理で検出する。ビデオカメラの小型化と画像処理用のマイクロコンピュータの進歩で、作業分析用として一般的な方法である。ただし、目の前に設置されたビデオカメラが目障りで、視野角を狭める欠点が有る。

（２）強膜反射法
黒目と白目が外光に対する反射率の差が有ることから、赤外光を外光として黒目と白目の境目を検出して眼球の位置を解析する。被検者に対する負担や、視野が広いこと、測定が簡単で高速処理が可能であること、などで眼球運動の測定に適している。

（３）角膜電位差法
角膜の前後に電位差があることから、目の上下と左右に電極対を付けて角膜の移動を検出し位置を推定する。視野に影響する部品が無いが、眼球の位置と検出された電位の線形性が保証されず、眼球運動の精密な測定には向いていない。

（４）直接視認法
被検者の目を医師あるいは検査技師が直接観察して眼球運動を検査する。簡単であるが定量的な評価ができない。

眼球運動の測定データの解析から得られる情報について、神経症や体調との関係に着目して出願された例を以下に挙げる。

特開平６−１５４１６７号 公報 「固視微動検査装置」眼球の固視微動を測定し、脳内の眼球運動制御機構の異常を検査することで、脳血管性痴呆症とアルツハイマー型痴呆症の鑑別を行うための、検査装置の提供を目的とする。 特開平８−１９５２０号 公報 「眼球運動解析方法」眼球の疲労を生活かつ迅速に求める、を目的として、目の水平または垂直の移動を検出し、その値が時間変化することから眼球の疲労を判定する。 特開２００２−３６０５１８号 公報 「眼球のサッケード運動によりＡＤＨＤを検出する装置」不連続な動きの視標に対する眼球運動を測定し、予め定めたパラメータとの相関性から、ＡＤＨＤを発見する装置の提供を目的とする。

「神経眼科学最近の進歩−水平および垂直眼球運動系」医学の歩み 第８６巻・第７号：昭和４８年８月１８日

（１）検査用として、被検者に対する身体的な負担が少なく、心理的な圧迫感が無いこと。
（２）装置を使って検査を行う医師あるいは技師にとって、操作が簡単で装置の操作に気をとられること無く、被検者に注意を集中できること。
（３）治療効果の長期的な症状の比較と評価が可能な様に、測定装置と方法が校正され、長期間にわたる測定データを比較して、症状の変化の評価が可能であること。
（４）被検者の眼球運動を定量的に評価・分析し診断の根拠となる、データ処理手法を持つこと。
（５）被検者の疲労は眼球運動に影響して診断を不正確にする。被検者の身体的、精神的な負担を減らすために、測定の準備が簡単で測定時間が短いこと、などを課題とする。

強膜反射法では、被検者は眼球の周囲に赤外線発光素子を光源として、眼球からの反射を受ける受光素子を配置し、左右の眼球の動きとして水平方向と上下方向、の計４つの動きを観察する。装置が比較的簡単で、被検者への身体的、心理的負担が少なく、眼球運動測定装置として適している。本発明は強膜反射法を用い、上記の５つの課題を解決する眼球運動の測定装置に関わる発明を行う。

眼球運動の検査は、眼球の動きの基準となる視線の目標（以下、視標と呼ぶ）の動きと眼球の動きを比較して、眼球運動の解析を行う。視標は動きに再現性があり、滑らかに動くことが必要である。

現在、視標として、振り子、あるいはＬＥＤ等の点光源を並べた帯あるいは面、プロジェクターやＰＣの画面に表示した輝点、などがある。単純な振り子は、水平の正弦波運動だけであり、上下動の視標は作れず、減衰振動で一定の振幅を維持出来ないため、実用性は無い。さらに、振り子の照明が受光素子を使う強膜反射法にとって外乱となり、精度を低下させる。

ＬＥＤ等の点光源を帯状あるいは面状に並べて順次光点を移動させる方式は、任意の動きを提示出来るが、視標の動きが飛び飛びで滑らかでない。眼球運動の異常の一つに滑らかな動きが出来ない症状が有る。この視標提示方法では眼球が階段状の動きをして、異常が埋もれてしまう場合が有る。プロジェクターやＰＣ画面上に作った輝点は、正弦波やその他の任意の動きが可能だが、輝点の表示に汎用ＰＣを使えばバックグラウンドで動くアプリケーションソフの影響で視標の動作が不正確になる。

視標の視認性が悪いと、健常者でも眼球運動が揺らいで異常を示すため、視標には十分な視認性が必要である。

強膜反射法では眼球に対する発光素子と受光素子の位置と周辺回路の特性、あるいは外光の影響などで、絶対的な視線の位置情報は得られず、視標の動きに追従する動作についての情報しか得られない。このデータを利用する方法と装置の発明が必要である。

視標に追従する眼球の動きを記録し解析する際に、視標を動かす装置と眼球運動を測定する装置それぞれが基準とする時計を同期が必要である。

眼球運動のデータを他の被検者との比較、および被検者本人の症状の時間的変化を観察するには、視標と眼球の動きを時間情報と共に記録、保存することが必要である。

眼球運動測定の結果を中毒症、アレルギー症、神経症、発達障害等の症状の検査および診断に用いるには、眼球運動のデータからその症例に固有の要素を抽出する数値的な処理が必要である。

測定者はタブレット端末、ＰＣ等を用いて、指標の運動、データの処理と保存をおこなう。

被検者に水平あるいは上下の正弦波振動する視標を提示し、横軸を時間として縦軸に眼球の位置、すなわち振幅、をプロットすると、健常者では眼球運動は滑らかな正弦波の挙動で視標の運動に追従する。障害を持つ場合は正弦波に凹凸が重畳する、あるいは追従が出来ない。

健常者に正弦波運動をする視標を提示し、眼球運動の位置の時間変化を記録し、一定期間を高速フーリエ変換（以下ＦＦＴと呼ぶ）処理を行うと、理論的には周波数成分は提示された正弦波の周波数を基本周波数とした単一のピークとなり、高次の周波数成分は無い。障害を持つ場合は、正弦波に重畳する凹凸による高次の周波数成分が現れる。高次周波数成分の解析を行えば、障害の診断が可能となる。

被検者に一定周期で水平あるいは上下の２点間を、ステップ状に視標を移動させるサッケード運動を眼球に与え、横軸を時間として縦軸に眼球の位置をプロットすると、視標に向かう眼球の動きは、オーバーシュートあるいはアンダーシュートなどの過渡応答特性を示すことになる。

ステップ運動の視標を提示した場合の眼球位置の時間変化を記録し、一定期間のＦＦＴ処理を行うと、理論的には周波数成分は提示された周期の周波数を基本周波数としてピークを持ち、高次の周波数成分は眼球の過渡応答特性を示すことになる。

ＦＦＴ処理を行った眼球運動データを他の患者と、あるいは患者自身の長期的な経過を比較、評価することで診断を行い、治療効果を診ることが可能になる。

ＦＦＴは周波数軸を基準とした観察と評価の方法であり、従来の時間軸を基準とした観察と評価方法に比べて、眼球運動の異常をより定量的に評価できる。時間軸以外を基準とするデータへ変換を行うことで、眼球運動の定量的評価の精度を高くできる。

上記の方法を実現するために、周波数の変動分が１万分の１以下の発信器を用い、この周波数を基準として視標を運動させることを特徴とし、この発信周波数により視標の運動を恒常化する。測定系も同等以上の精度を持つことで、［００１６］と［００１７］で提示した課題を解決して眼球の動作が眼球運動であると解釈可能となり、他の患者あるいは被検者自身の長期的な経過を比較する場合に必要な精度を与える。

視標位置の左右あるいは上下の両端を被検者から見た視野角と呼び、視野角は眼球運動の角速度に影響し、同一周波数で視標が運動する場合は視野角が小さいほど眼球の運動する速度はゆっくりとなる。視野角を定めて眼球の運動速度の基準を作り、データの普遍化ができることを特徴とする。

上記の視標運動の条件を満たし、ＦＦＴ処理結果の恒常性を担保するために、視野角が３０度程度になるようにする。この場合、被検者の前方４０〜１００ｃｍの距離で視標を半径１５〜３０ｃｍの円運動をさせる。

視標は前期の周波数変動が１万分の１以下の発信器を基準とする専用のコンピュータで作る画像、あるいは先端に視標を付けた棒を同様の精度を持つモーターで回転させて被検者に提示することを特徴とする。

被検者は、上記の視標の運動を１〜８周期の間注視し、この間の左右の眼球それぞれの水平と上下の運動を強膜反射法で計測し、計８つの時間変化するデータを得る。これらを生データと称する。

生データをデジタル記録する際のサンプリング周波数は、回転視標の回転する周波数の２０〜１００倍とすれば、眼球運動に含まれる正弦波に重畳する凸凹成分の解析におけるＦＦＴ処理で現れる高次高調波を、１０次〜５０次までの高調波が得られる。

生データをデジタル記録する時間は、回転視標が５〜１０回転する間とすれば、ＦＦＴ処理で現れる高次高調波の分解能を、回転視標の周波数の０．１〜０．２まで分解できる。

本発明は、サンプリング結果のデジタルデータをＦＦＴ処理することを特徴とし、この計算処理で得る高次成分は眼球運動に現れる中枢神経系の変調や疾患の存在を示し、高次高調波と基本波の強度をそれぞれ比較することで、疾患の進行や回復を定量的に診断することを特徴とする。

高次成分の高調波の強度は基本波強度で高次高調波成分を序して、強度を規格化する。比較には、規格化した高次高調波の強度と周波数幅を乗じる面積比較と、高次成分の周波数を基本波周波数で除して得る高調波次数と強度を乗じた重み付け、などの方法による。

高次高調波の面積比較は指標に対して眼球の追従性の遅れを評価するのに適する。高調波次数で重み付けをする比較は眼球運動の振動成分を強調し、眼球周辺の筋肉の不随意性を評価するのに適する。

本発明は、眼球運動に現れる加齢や疲労、飲酒による眼球運動の異常、中毒、アレルギー等の神経症の存在を、高次高調波と基本波の強度をそれぞれ比較することで定量的に診断するため、医療用として診断あるいは治療効果の評価以外に、航空機の操縦士、バス、トラックや公共交通機関の運転士などに対する、被検者の負担が少なく慣れや予測が不可能で潜在的な疾患も検出可能な、簡便で精度の高い身体機能の検査機器となる。

本発明に従う眼球運動計測装置の実施形態を示す図である。視標表示装置１００、眼球運動検出装置２００、統合制御箱３００、操作用タブレット端末４００で構成する。 回転視標の実施形態１を示す図である。視標表示装置は、ステップモーター１１１とその軸に取り付けたＬＥＤ保持棒１１２、ＬＥＤ１１３、ＬＥＤ用電源回路１１４、ステップモーター用ドライバー回路１１５、パルス発信回路１１６、パルス周波数制御回路１１７、電源１１８、音声制御回路１１９で構成する。 眼球運動測定を測定する実施例３に用いる回路である。眼球運動計測装置は、眼鏡２２０、光学測定素子を構成する赤外線ＬＥＤ２２１および受光素子２２２、電流検出抵抗２２４、ＯＰアンプ２２３で構成する。 受光素子信号を眼球の位置情報として処理する実施例５に示すアナログ処理回路である。加算増幅回路３１０、入力抵抗３１１、入力抵抗３１２、負帰還抵抗３１３、ＯＰアンプ３１４、差動増幅回路３２０、入力抵抗３２１、入力抵抗３２２、負帰還抵抗３２３、正入力端子抵抗３２４、ＯＰアンプ３２５で構成し、３２５の出力をマイクロプロセッサー３３０で受ける。マイクロプロセッサーは、ＡＤ変換器は他の３つのチャンネルからも入力し、ドライバーインターフェース、メモリーで構成され、表示装置、入力装置に接続する。 受光素子信号を眼球の位置情報として処理する実施例５に示すアナログ信号をデジタル信号に変換するフローチャートである。 眼球運動に関するデジタル信号をＦＦＴ処理するフローチャートである。 光学素子信号のアナログ情報を、デジタルデータに変換し、ＦＦＴ処理を行う実施例６のフローチャートである。

本発明の実施形態に従う眼球運動測定装置は、被検者の前に提示される回転視標１１０、被検者の眼球の動きを検知する眼球位置検知眼鏡１２０、統合制御箱１３０、データ表示および操作を行うタブレット端末あるいはＰＣ端末１４０、を含むことを特徴とし、眼科医あるいはそ例外を専門とする医師自身、あるいはその指示の下に技師がタブレット端末あるいはＰＣを介して操作を行い、医師は眼球運動を表示する画面あるいは印刷した記録紙で診察を行う。

本発明は、正弦波振動をする視標を被検者に提示するため、視標の視認性が良く、かつ強膜反射法で使用する受光素子への外乱となる光を極力少なくするため、暗室内でＬＥＤ光源が円運動をする回転視標を使用する。回転視標は水平方向と上下方向（垂直方向）の正弦波運動を行う。

回転視標１１０は、ステップモーター１１１の軸に腕１１２を取り付け、この先端に被検者に向けてＬＥＤ１１３を固定し、モーターの回転を、水晶発振器あるいはセラミック振動子等の振動子で制御された発信回路１１６からの基準パルス信号を、パルス周波数制御回路１１７で所定の周波数の駆動信号とすることを特徴とし、駆動パルスの周波数とステップモーターのステップ角度により定まる回転速度を、予め定める回転数に対して誤差を１万分の１以下とする。

強膜反射法で左右の眼球のそれぞれの水平と上下の眼球位置を測定し、位置の時間変化を記録すると、健常者では、視標が円運動をすると視標が時計回りをすると上下方向に対して水平方向は９０度位相が遅れる正弦波曲線をそれぞれが描く。反時計回りでは上下方向が９０度位相が遅れる。

視標の正弦波運動に追従する眼球の運動を、一定のサンプリング時間間隔で記録して保存し、正弦波の１周期以上の時間を区切り、その間の眼球位置をサンプリングした時刻と共に使用して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行うことを特徴とする。

眼球の正弦波運動は視標の回転と同期しているため、正弦波の周期の精度は回転視標に使用するパルス発信回路の振動子の精度と同じになり、ＦＦＴ処理をした時の基本周波数と高次高調波の周波数は回転視標の周波数を基準とした周波数特性となり、他者あるいは当人の過去のデータと高次成分の比較が可能となることを特徴とする。

視標の標準的な回転周波数を０．３Ｈｚとする。眼球の視野角は３０度を標準とする。しかし、今後の臨床知見によってはこれらの値を変更できる。

被検者に回転する視標を提示する。ステップモーター１１１を駆動するドライバー回路１１５へのパルス発振発生回路１１７からのパルス周波数ｆｐは、ステップモーターが１回転するのに必要なパルス数ｎｐに回転視標の回転周波数ｆを掛け、以下の式で求める。
ｆｐ＝ｎｐ ｘ ｆ （１）
例えば、１ステップ１．８度のステップモーターを１６分の１のマイクロステップ駆動すれば、パルス周波数は９６０Ｈｚとなる。

パルス発生回路１１６は、セラミック振動子あるいは水晶振動子により１０万分の１以下の誤差で周波数を発振する。（１）式に従って、任意の周波数を、パルス周波数制御回路１１７で、基準パルスの周波数を１２ビット以上の計数回路でカウントダウンして生成する。

ドライバー回路１１５はパルス発振回路１１６の生成する基準パルスの精度でモーターを駆動するため、視標の回転で作られる水平および上下の周波数は、パルス発生回路の時間精度と同等の精度が保証される。

パルスモーターとドライバーおよびパルス発生回路は、音声制御回路１１９で回転視標の回転開始と停止を行う。音声制御信号は、拍手や指などの身体で作る音を使う。

本実施形態は、パルス信号と回転視標の回転開始と停止信号を統合制御箱３００から供給することで、実施例１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

めがね型検出部を用いて眼球の位置情報を得るにあたり、本実施形態は、眼鏡２２０の内側に光学測定素子２２１を眼球の周囲に複数個配置し、それぞれの赤外線ＬＥＤ２２１を直列接続して赤外線強度を均等にし、受光素子２２２に現れた眼球の運動に伴う電流の変化を検出抵抗２２４で検出し、ＯＰアンプ２２３で増幅すると共に回路インピーダンスを低くして雑音への耐力を高めて、後段の信号処理回路へ信号を送る。

本実施形態に使用するＯＰアンプ２２３には電源配線を簡単化するために、単一電源で電源電圧からアース電位までの出力振幅を得られる、ｒａｉｌ ｔｏ ｒａｉｌ型のＯＰアンプを使用することが適当である。

本実施形態は、光学測定素子および周辺回路２２１〜２２４を帽子前面のツバの下に固定するもので、実施例３と同様の作用効果を得る。

本実施形態は、実施例３のめがね型検出部から得た眼球運動により変動する眼球の位置情報を含むアナログ信号を眼球の位置情報信号に変換することを目的とする回路である。本演算回路は統合制御箱３００に設置し、測定の開始、サンプリング時間の選択、測定時間の調整などはタブレット端末ないしはＰＣからおこなう。

眼鏡２２０に光学測定素子２２１，２２２を左右の眼球の周囲に４個を正方形に取り付けた場合、上の２個をＵ１とＵ２とし、下の２個をＬ１とＬ２とする。ここでＵ１の下はＬ２、Ｕ２の下はＬ２とする。強膜反射法では、赤外線ＬＥＤの電流を共通とすれば、受光素子電流は素子の視野内に占める白目の面積が影響する。

検出抵抗２２４に現れる電圧を各受光素子ごとにＶＵ１、ＶＵ２、ＶＬ１、ＶＬ２とすれば、（ＶＵ１＋ＶＬ１）−（ＶＵ２＋ＶＬ２）＝ＶＨ、は水平方向の位置情報を現し、（ＶＵ１＋ＶＵ２）−（ＶＬ１＋ＶＬ２）＝ＶＶ、は上下方向の位置情報を現すことになる。眼球を運動させて、この和と差の演算を連続で行い、時間変化するとしてそれぞれ（ｔ）の指標を付けてそれぞれ、
（ＶＵ１（ｔ）＋ＶＬ１（ｔ））−（ＶＵ２（ｔ）＋ＶＬ２（ｔ））＝ＶＨ（ｔ） （２）
（ＶＵ１（ｔ）＋ＶＵ２（ｔ））−（ＶＬ１（ｔ）＋ＶＬ２（ｔ））＝ＶＶ（ｔ） （３）
とする。この演算を行う回路を図４に示す回路で行う。

加算回路３１０は２つの入力を入力抵抗３１１、３１２を介して、ＯＰアンプ３１４の負入力端子に入力する。出力端子から負帰還抵抗３１３を介して負入力端子に帰還し、入力抵抗３１１と３１２を同じ値とすることで、２つの入力の和の電圧を得る。

差分回路３２０は１つの入力を入力抵抗３２１を介してＯＰアンプ３２５の負入力端子に入力、他の１つの入力を入力抵抗３２２を介してＯＰアンプ３２５の正入力端子に入力する。出力端子から負帰還抵抗３２３を介して負入力端子に帰還し、同じく正入力端子から正入力端子抵抗３２４を介してアース電位に接続する。入力抵抗３２１と３２２を同じ値に３２３と３２４を同じ値とすることで、２つの入力の差の電圧を得る。

上記の加算回路と差動回路を組み合わせて、（２）式と（３）式の入力関係を実現する配線により、対象とする眼球の水平運動電圧ＶＨ（ｔ）と上下運動電圧ＶＶ（ｔ）の値を得る。

左右それぞれのＶＨ（ｔ）とＶＶ（ｔ）の合計４つのアナログデータを、マイクロプロセッサ３３０の入力端子３４１に入力し、図５のフローチャートに従って処理する。

マイクロプロセッサ３３０は、ＶＵ１，ＶＬ１，ＶＵ２，ＶＬ２の４つのアナログ信号を４つのサンプルホールド回路を使うことで同時にサンプリングしデジタルデータ化する。ここでＡＤ変換の精度は１０ビットないしは１２ビットと程度とする。データが過大あるいは過小の場合は、後段の計算誤差を減らす目的で調整をする。サンプリング周波数は２０〜１００Ｈｚとし、デジタルデータは後段の演算に使用するためにＡＤ変換３４２されたデータを、一時記憶装置３４３に保存すると共に、タブレット端末等３４４に送り、左右それぞれ上下と水平方向の眼球の動きを表示する。

一時記憶装置３４３のデータを図６のＦＦＴ演算ルーチン３５１に送り、フローチャートに従ってＦＦＴ演算を行い、左右の眼球ごとの、それぞれ上下および水平の計４つの眼球運動の周波数分析を行い、分析ごとの結果をタブレット端末等３５４に送り表示する。表示後測定データを記録３５５し、処理ないしは演算処理を終了３５６する。

デジタル処理を行う演算回路（デジタル方式）各眼球に４個ずつ配置された光学測定回路２２３の出力を処理ないしは演算処理子３６１に接続し、８つのデジタルデータに対して（２）および（３）式の演算を図７に示すフローチャートで実施して一時記憶３６５に蓄積し、４つの眼球運動のデジタルデータを図６のＦＦＴ演算に接続し、実施例５と同様の処理ないし演算を行う。

Claims (5)

1. 被検者の視標となる光源を移動させ、これに追従する眼球の運動を数値化した結果を高速フーリエ変換処理を行うことを特徴とする眼球運動測定装置。
2. 光源の移動信号源に周波数の変動分が１万分の１以下の発信器を用いる、請求項１記載の眼球運動測定装置。
3. 振動する視標の視認性が良く、かつ測定用光学素子への外乱を低減した暗室内での測定を行う請求項１記載の眼球運動測定装置。
4. 視標の動きを律する周波数を基準として眼球運動情報の解析を行う請求項１または２または３記載の眼球運動測定装置。
5. 測定の精度を上げるために眼球の動きを検出する回路に利得の調整を持つことを特徴とする請求項１，２，３，４記載の眼球運動測定装置。

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