JP4078654B2

JP4078654B2 - 眼球運動の視軸照射軸同軸化追尾装置の作動方法

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Publication number: JP4078654B2
Application number: JP2006258390A
Authority: JP
Inventors: 英一広川
Original assignee: 英一広川
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2026-09-25
Also published as: JP2008073385A

Description

本発明は、眼球運動の視軸照射軸同軸化追尾装置の作動方法に関するものである。

正常に像を結ぶ事が出来ない屈折異常を矯正する手術において、現在では治療用レーザなどの照射装置で患者眼の角膜の中央を削り、角膜を適切な形状に成形する手術が行われることがある。

屈折矯正手術を行うための装置には、治療中の患者眼の動きによる治療用レーザの照射位置のズレを補正するため、患者の眼球の動きを追尾する装置が設けられている。例えば、ビデオカメラ等で撮像した眼球の映像から患者眼の瞳孔中心位置を検出し、患者眼の動きを追尾するもの（例えば特許文献１参照）や患者眼周辺に電極を貼布後、患者眼角膜側と網膜側の電位差を検出する（これはｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｃｕｌｏｇｒａｐｈｙ＝ＥＯＧ法と呼ばれている）ことにより、眼球位置を測定するものも提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開平９−１４９９１４号公報特開２００１−２７６１１１号公報

しかしながら、従来の眼球追尾装置は（例えば特許文献１あるいは特許文献２）、患者の眼球運動を平面的に捉えるのみであり、患者眼の視軸が３次元で回転した場合、実際の治療用レーザ照射位置と所期レーザ照射位置との間のズレ、及び両者の軸方向の間にズレが生じてしまうという問題（偏心照射）があった。

本件発明の課題は、上記従来技術の問題点を鑑み、患者眼の視軸が３次元で回転しても、実際のレーザ照射位置と照射軸方向とを患者眼の視軸に合致させることが可能な視軸照射軸同軸化追尾装置の作動方法を提供することである。

本件発明にかかる視軸照射軸同軸化追尾装置の作動方法は、患者眼の前眼部の平面位置を特定するための検出部と、検出部が取得した前眼部の平面位置情報を基に患者眼の視軸の回転角を算出する演算部と、ビーム照射用光源と、ビーム照射用光源の光軸上に配設した２組の２軸ガルバノミラーと患者の眼前に配設し２組の２軸ガルバノミラーを経由したビームを患者眼に導く凹面鏡とを備えることを特徴とする導光手段と、演算部が算出した演算結果に基づき２組の２軸ガルバノミラーを制御する制御部とを備え、制御部の制御に基づき２組の２軸ガルバノミラーを制御することで凹面鏡に対する見かけの光源位置の偏位とビーム照射方向の偏向とを発生させ、これによりビーム照射用光源が照射したビーム照射方向を前記患者眼の視軸方向に移動し合致させる事を特徴とする。

本件発明の視軸照射軸同軸化追尾装置の作動方法によれば、患者眼の視軸が３次元で回転し、所期照射位置及び軸方向が変化しても、ビーム照射用光源の光軸上に配置された導光手段は患者眼の視軸回転に合わせてビーム照射側の軸を移動・回転させる制御を行い、実際のレーザ照射位置及び照射方向は患者眼の視軸と完全に合致することになる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜視軸回転角及び角膜頂点位置決定法：原理１＞
視軸回転角及び角膜頂点位置決定法について説明する。図１は患者眼の前眼部の像が図４、図５記載の検出部材６のビデオカメラ等により撮影された様子であり、平面位置情報を得るために、中心部（瞳孔の平面位置情報）と周辺部（顔面の平面位置情報）に関心領域が２分割されている。さらに、顔面位置の検出を容易にするために、顔面の、眼球を挟んで対称な２点の位置にマークを貼り付けても良い。顔面位置測定は、本来の目的である眼球回旋点の平面位置の代用である。よって、顔面位置情報は、眼球を挟んで対称な２点の位置情報を入手し、その２点の中点をＦとする事により、顔面の捻れ・回転成分をキャンセルし、平行移動成分のみを算出し、このＦをもって回旋点位置の代用とする。

追尾開始時点の回旋点Ｆ及び瞳孔中心位置Ｐをそれぞれ、Ｆ_０（０，０）、及びＰ_０（０，０）と置く。また、追尾開始後、ある経過時間ｔ後に眼球が移動した時の回旋点位置をＦｔ（ｆ_ｘｔ，ｆ_ｙｔ）及び瞳孔中心位置をＰｔ（ｐ_ｘｔ，ｐ_ｙｔ）とした場合、経過時間ｔにおける（瞳孔中心位置Ｐｔ−回旋点位置Ｆｔ）のベクトル方向が、視軸の回転方向となる。

図１における視軸回転方向に沿った断面から見た図が図２である。瞳孔中心位置及び角膜頂点位置はそれぞれ、Ｚ軸に対して視軸回転角（α）をもって、回転している。ここで、患者眼の回旋点・瞳孔中心間距離をｒ（定数）、回旋点・角膜頂点間距離をＲ（定数）とし、下記数式１及び数式２を用いて患者眼の視軸回転角及び角膜頂点位置（Ｋ）を算出する。
数式１：ｒ＊ｓｉｎα ＝（Ｐ−Ｆ）
数式２：（Ｋ−Ｆ）＝（Ｒ／ｒ）＊（Ｐ−Ｆ）

＜視軸回転角決定法：原理２＞
次に、角膜反射光中心の角膜輪部重心からのズレ量を用いた眼球の視軸・照射ビーム方向間の相対的ズレ角の決定法について図３を用いて説明する。

図３（ａ）は、図９で示す照準光源１６により患者の眼球２０に照準光を照射した場合に、照射ビームと同軸に置かれた検出部材３０で観察した様子を示す。
患者眼の視軸が偏向すると、患者眼の角膜輪郭の動きと角膜表面での反射光の動きに相対的なズレが観察される。

図３（ｂ）は患者の眼球２０の視軸を含みかつ照射ビームと平行な平面で切った断面図であり、患者眼の角膜表面の曲率半径をｃ（定数）、患者眼の角膜輪部重心・角膜頂点間距離をｄ（定数）とし、患者眼の視軸が照射ビーム方向と相対的にΩの角度で偏向したとすると、患者眼の角膜反射中心の角膜輪部重心からの、照射ビーム軸に対する垂直な平面内に投影されたズレ量Ｑは、数式３により求めることができる。
数式３：Ｑ＝（ｃ−ｄ）＊ｓｉｎΩ
したがって、患者眼の角膜反射中心の角膜輪部重心からのズレ量Ｑを計測することにより、患者眼の視軸の相対的なズレ角を求めることが可能となる。

＜原理１による２次元近似視軸追尾装置＞
患者眼の視軸のズレ幅が小さい範囲では、視軸ズレによる角膜頂点への照射ズレを２次元変位で近似補正可能である。図４は、視軸追尾を２次元近似で解決する装置の構成図を示す。２次元近似視軸追尾装置は、ガスレーザなどのビーム照射用光源４と、ハーフミラー５と、ビデオカメラ等の検出部材６と、患者眼の視軸回転角あるいは角膜頂点位置を算出する演算部７と、ビーム照射用光源４の制御を行う制御部８及び患者眼を観察するための観察望遠鏡などの観察部材９とを備える。

ハーフミラー５は、患者の眼球２０に対向して配置される。また、患者眼を観察するための観察望遠鏡等の観察部材９は、ハーフミラー５をはさんで患者眼とは反対方向に設けられる。

今後、患者の眼球２０と観察部材９とを結んだ時に形成される直線をＺ軸とする。

ビデオカメラ等の検出部材６は、ハーフミラー５と観察部材９との間のＺ軸上に設置される。

ビーム照射用光源４は、Ｚ軸上に設置しているハーフミラー５に向けてビーム照射を行うように設置されている。

ビーム照射用光源４から照射されたビームは、ハーフミラー５により患者の眼球２０方向に反射され、患者の眼球２０に導光される。

演算部７は、検出部材６に接続されており検出部材６からの位置情報が入力され、角膜頂点位置を算出する。

演算部７に接続した制御部８は、演算部７より得られた情報を基に、ビーム照射用光源４に内在する固有の偏向装置を駆動することによりビーム照射方向を角膜頂点にむけて制御する。

検出部材６から制御部８によるビーム照射用光源４の制御までの一連の流れにより、患者の瞳孔中心ではなく、患者眼の角膜頂点位置を常に特定し追尾することが可能となる。

ビーム照射用光源４は、自然放出光を利用した発光ダイオードや、誘導放出光を利用した半導体レーザなどの半導体発光素子を用いてもよい。

図４においては、ビーム照射用光源４から照射されたビームを患者の眼球２０へと導く導光手段として、通常のハーフミラー５を用いているが、反射面以外の反射光による干渉を抑制するために、ハーフミラーにくさび状の角度をつけたものを用いてもよい。また、前記導光手段としてはハーフミラー以外にも、後述する複数枚の反射鏡を組み合わせた導光装置やプリズム等を用いてビーム照射光源４からのビームを患者眼の眼球２０に導いてもよい。

＜原理１による視軸照射軸同軸化追尾装置＞
図５は、視軸回転角及び角膜頂点位置決定法：原理１による視軸照射軸同軸化追尾装置の一例の構成を示す。本実施例の視軸照射軸同軸化追尾装置は、ガスレーザなどのビーム照射用光源４と、第１の２軸ガルバノミラー１０と第２の２軸ガルバノミラー１１及び凹面鏡ハーフミラー１２とからなる導光部１３と、ビデオカメラ等の検出部材６と、患者眼の視軸回転角及び角膜頂点位置を算出する演算部７と、ビーム照射用光源４と導光部１３とを制御する制御部８及び患者眼を観察するための観察望遠鏡などの観察部材９とを備える。

凹面鏡ハーフミラー１２は、Ｚ軸上に設けられる。

ビデオカメラ等の検出部材６は、凹面鏡ハーフミラー１２と観察部材９との間のＺ軸上に設置される。

ビーム照射用光源４から照射されたビームは第１の２軸ガルバノミラー１０によって反射され、第１の２軸ガルバノミラー１０に対向するように設置した第２の２軸ガルバノミラー１１に向かう。

第２の２軸ガルバノミラー１１によってさらに反射されたビームは、凹面鏡ハーフミラー１２に向かい、最終的には、患者の眼球２０に導光される。

演算部７は検出部材６に接続されており、検出部材６からの位置情報が入力され、視軸回転角と角膜頂点位置とを算出する。

演算部７に接続した制御部８は、演算部７より得られた情報を基にビーム照射用光源４及び導光部１３を制御する。

次に、本実施例にかかる２個の２軸ガルバノミラー及び凹面鏡ハーフミラーを導光手段として用いた患者眼の視軸の追尾機構について図６を用いて説明する。

図６は、２個の２軸ガルバノミラー及び凹面鏡ハーフミラーを用いた導光部の光学計算作図を示す。

眼球追尾を開始して、ある経過時間における眼球の回旋点がＦ１にある時、視軸の延長が凹面鏡ハーフミラー１２と交差する点をＧとする。このＧと、Ｆ１の共役点Ｌ１（１）を結ぶ線分の延長が、第２の２軸ガルバノミラー１１により写される第１の２軸ガルバノミラー１０の支点の虚像の軌跡が作る曲面Ｌｍとの交点をＬｍ（１）とする。

第２の２軸ガルバノミラー１１の偏向角は、第１の２軸ガルバノミラー１０の支点の像がＬｍ（１）に来るようにただ１つ定まり、その様に駆動する。

この時、照射用光源４から出たビームが点Ｇを通る様な第１の２軸ガルバノミラー１０の偏向角がただ１つ定まり、その様に駆動する。このビームは、Ｋ１を通過しかつＦ１も通過する。
即ち、角膜頂点に対し、視軸に一致した向きからビームが当たることになる。

角膜頂点Ｋ１の共役点Ｌ２（１）は、線分Ｇ→Ｌｍ（１）をＬｍ（１）側に延長した上に存在する。

次に、Ｆ１はそのままに、視軸が回転し瞳孔位置がＰまで変位したとする。それに相当する視軸回転角が決まる。この時、新たな視軸の延長が凹面鏡ハーフミラー１２と交差した点Ｊが求まる。ＪからＬ１（１）に向う線分の延長が曲面Ｌｍと交差する点Ｌｍ（２）が決定する。

この時の角膜頂点Ｋ２の共役点Ｌ２（２）は、線分Ｊ→Ｌｍ（２）の延長上に求まる。Ｌ２（１，２，・・・ｎ）は、第１の２軸ガルバノミラー１０と第２の２軸ガルバノミラー１１を適切に駆動し、上記の追尾操作を持続する事により、ビーム照射装置４と第１の２軸ガルバノミラー１０の支点を結ぶ光軸上に常時写される。その結果として、共役点Ｌ２（ｎ）は、角膜頂点位置Ｋの軌跡に対応してビームの光軸上のある狭い範囲Ｗ（Ｌ２）に分布する。

以上から、角膜表面への光源の結像に関しわずかなデフォーカスを許す場合、ビーム照射装置が作る光源像位置をＷ（Ｌ２）の中心に置く事により、最小のデフォーカスを持って照射ビームが視軸を３次元的に同軸方向から追尾できる事になる。

患者眼の視軸回転角及び角膜頂点位置は、検出部材６により取得された位置情報を基に演算部７において算出される。演算部７で算出された情報は制御部８に伝達され、制御部８はビーム照射用光源４及び患者眼にビームを導くための導光部１３を制御する。

つまり、患者の眼球２０が視軸回転角αをもって回転した際も、第１の２軸ガルバノミラー１０と第２の２軸ガルバノミラー１１及び凹面鏡ハーフミラー１２からなる導光部１３を制御し、視軸回転角αと一致する様にビームの照射方向を調節することで、ビームを常に患者の眼球２０の視軸と同軸で角膜頂点に照射することができる。

上述した検出部材６から制御部８によるビーム照射光源４及び導光部１３の制御までの一連の流れを繰り返すことによって、常に正確に患者の角膜上の所期照射位置と視軸方向とを特定し、３次元的に追尾することが可能となる。

図５においては、ビーム照射用光源４から照射されたビームを患者の眼球２０へと導く導光部として、２枚の２軸ガルバノミラーと凹面鏡ハーフミラーを用いているが、反射面以外の反射光による干渉を抑制するために、ハーフミラーにくさび状の角度をつけたものを用いてもよい。また、前記導光手段以外にも、多面鏡やプリズム等を用いてビーム照射用光源４からのビームを患者の眼球２０に導いてもよい。

前記角膜表面への光源の結像に関しデフォーカスを許容できない場合は、ビーム照射用光源４の結像位置を変更する装置等を追加する。

例えば、図７に示すように、ビーム照射用光源４の内部の結像光学系レンズ１４を光軸方向に移動させ、ビームの結像位置を調整する。

また、図８に示すように、ビーム照射用光源４と第１のガルバノミラー１０間にハーフミラーを設け、ハーフミラーの反射光軸上に平行振動平面鏡１５を設置し、光路を往復させることで、ビームの光路長を調節し、デフォーカスを解消してもよい。

＜原理２による視軸照射軸同軸化追尾装置＞
図９は、視軸回転角決定法：原理２による視軸照射軸同軸化追尾装置の一例の構成を示す。本実施例における視軸照射軸同軸化追尾装置は、ガスレーザなどのビーム照射用光源４と、第１の２軸ガルバノミラー１０と第２の２軸ガルバノミラー１１及び凹面鏡ハーフミラー１２からなる導光部１３と、ビデオカメラ等の検出部材３０と、角膜輪部の幾何学的重心及び角膜反射光中心の角膜輪部重心からのズレ量Ｑを算出する演算部７と、ビーム照射用光源４と導光部１３とを制御する制御部８と、照準光源１６及び患者眼を観察するための観察望遠鏡などの観察部材９とを備える。

凹面鏡ハーフミラー１２は、Ｚ軸上に設けられる。

ビーム照射用光源４は、第１の２軸ガルバノミラー１０に向けてビーム照射を行うように設置されている。

一方、ビデオカメラ等の検出部材３０は、ビーム照射用光源４と第１の２軸ガルバノミラー１０との間の光軸上に設置されている。

図９に示すように、第１の２軸ガルバノミラー１０と検出部材３０を結ぶ光軸上には、照準光源１６が設けられている。

照準光源１６から照射された光は、ビーム照射用光源４から患者の眼球２０までにいたる光路と同じ路を辿り、眼球２０で反射された後、同じ光路を逆に辿って、検出部材３０により検出されることになる。

演算部７は検出部材３０に接続されており、検出部材３０からの位置情報が入力され、角膜輪部重心の変位量と角膜反射光中心・角膜輪部重心間からのズレ量とを算出する。

上述した構成とすることで、本実施例は、全体としてＦｅｅｄｂａｃｋ−Ｌｏｏｐを形成することになる。

次に、本実施例にかかる２個の２軸ガルバノミラー及び凹面鏡ハーフミラーを導光手段として用いた患者眼の視軸の追尾機構について図１０を用いて説明する。なお、図１０において、図６と同じ符号を付した部分は略同一のものを示す。

図１０は２個の２軸ガルバノミラー及び凹面鏡ハーフミラーを用いた導光部の光学機能図である。角膜輪部重心の共役点の軌跡Ｌ１'（ｎ）と、第２の２軸ガルバノミラー１１が作るＬｍ曲面とは可能な限り重なる様に設計してあるものとする。また、追尾の開始時点で、患者は最初にＺ軸上で望遠鏡方向にある固視灯１７を固視し、検出部材３０によるこの時点での角膜輪部重心の測定位置をＢ０、角膜反射光中心とＢ０とのズレ量をＱ０と置く。

ある時刻ｔで、角膜輪部重心がＢ１に位置しているとする。
この時、検出部材３０からみて、角膜輪部重心が追尾開始前のＢ０と同じに見えるように、第２の２軸ガルバノミラー１１の角度を適切に駆動することができる。

この場合、第１の２軸ガルバノミラー１０の支点は、凹面鏡ハーフミラー１２におけるＢ１の共役点あるいはその近傍に存在するので、第１の２軸ガルバノミラー１０の角度が仮に任意の値を取っていたとしても、第２の２軸ガルバノミラー１１による角膜輪部重心の追尾には、ほとんど影響を与えない。

なぜなら、光軸中心を通ってきた照射ビームは、第１の２軸ガルバノミラー１０の支点を通り、従ってその共役点である所のＢ１またはその近傍の点を通過し、かつ、第１の２軸ガルバノミラー１０によって作られる所のある方向から進んでいく事になり、第２の２軸ガルバノミラー１１によるＢ１点の追尾は第１の２軸ガルバノミラー１０の偏向角によらず、問題なく実行される事になるからである。

次に、上記の検出部材３０と演算部７が算出したＱ値＝Ｑ１を利用して第１の２軸ガルバノミラー１０を駆動し、Ｑ＝Ｑ０となる様に制御する。このとき、角膜反射光中心と角膜頂点は一致し、照射ビームは角膜頂点と角膜輪部重心との位置関係が追尾開始時点と同じ関係を保ちつつ、照射が続く事になる。

この第１の２軸ガルバノミラー１０の駆動・偏向が原因で、検出部材３０での角膜輪部重心の観察位置に仮にズレが発生した場合には、第２の２軸ガルバノミラー１１を追加駆動して修正を行う。

以上を続ける事により、角膜頂点に向けて患者眼の視軸と同軸方向からビームを照射するためのＣｌｏｓｅｄＬｏｏｐ型の視軸照射軸同軸化追尾機能が実現する。

図９においては、ビーム照射用光源４から照射されたビームを患者の眼球２０へと導く導光手段として、２枚の２軸ガルバノミラーと凹面鏡ハーフミラーとからなる導光部を用いているが、反射面以外の反射光による干渉を抑制するために、ハーフミラーにくさび状の角度をつけたものを用いてもよい。また、前記導光手段以外にも、多面鏡やプリズム等を用いてビーム照射用光源４からのビームを患者の眼球２０に導いてもよい。

また、反射光強度分布の重心位置情報を得る処理を容易にする為に、例えば、角膜輪部検出には赤外線を用い、角膜反射光検出には可視光のある波長を用いてもよい。

なお、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種変形実施可能である。

患者眼の前眼部を検出部材６のビデオカメラ等で撮影した像である。眼球を、視軸を含むＺ軸と平行な平面で切った断面方向からみた図である。視軸回転角決定法：原理２を説明する図である。視軸回転角及び角膜頂点位置決定法：原理１による２次元近似視軸追尾装置の構成図である。視軸回転角及び角膜頂点位置決定法：原理１による視軸照射軸同軸化追尾装置の構成図である。図５における、２個の２軸ガルバノミラー及び凹面鏡ハーフミラーを用いた導光部の光学計算作図である。デフォーカス解消手段を追加した視軸追尾装置の、ビーム照射光源４内部における光学計算作図である。デフォーカス解消手段を追加した視軸追尾装置の導光部の光学計算作図である。視軸回転角決定法：原理２による視軸照射軸同軸化追尾装置の構成図である。図９の装置における、導光部及び検出部に関する光学計算作図である。

符号の説明

１患者眼前眼部像
２瞳孔
３虹彩
４固有の照射方向偏向装置を内在するビーム照射用光源
５ハーフミラー
６、３０ビデオカメラ等の検出部材
７演算部
８制御部
９観察望遠鏡等の観察部材
１０第１の２軸ガルバノミラー
１１第２の２軸ガルバノミラー
１２凹面鏡ハーフミラー
１３導光部
１４ビーム照射用光源内部の固有の結像光学係レンズ
１５平行振動平面鏡
１６照準光源
１７固視灯
２０患者の眼球
α 視軸回転角
ｒ眼球の回旋点・瞳孔中心間距離
Ｒ回旋点・角膜頂点間距離
ｃ角膜表面の曲率半径
ｄ角膜輪部重心・角膜頂点間距離
ＦＣ回旋点
Ｋ１，Ｋ２角膜頂点
Ａ１角膜反射光中心
Ｂ１角膜輪部重心位置
Ｌ１（１）回旋点Ｆ１の共役点
Ｌ１′（１）角膜輪部重心Ｂ１の共役点
Ｌ２（１）角膜頂点Ｋ１の共役点
Ｌ２（２）角膜頂点Ｋ２の共役点
Ｌｍ第２の２軸ガルバノミラーによって作られる所の“第１の２軸ガルバノミラーの支点の虚像”の軌跡がなす曲面
Ｇ、Ｊ視軸の延長が凹面鏡ハーフミラーと交差した点
Ω 眼球の視軸と照射ビーム方向の間の相対的ズレ角

Claims

患者眼の前眼部の平面位置を特定するための検出部と、
前記検出部が取得した前記前眼部の平面位置情報を基に前記患者眼の視軸の回転角を算出する演算部と、
ビーム照射用光源と、
前記ビーム照射用光源の光軸上に配設した２組の２軸ガルバノミラーと患者の眼前に配設し前記２組の２軸ガルバノミラーを経由したビームを前記患者眼に導く凹面鏡とを備えることを特徴とする導光手段と、
前記演算部が算出した演算結果に基づき前記２組の２軸ガルバノミラーを制御する制御部とを備え、
前記制御部の制御に基づき前記２組の２軸ガルバノミラーを制御することで前記凹面鏡に対する見かけの光源位置の偏位とビーム照射方向の偏向とを発生させ、これにより前記ビーム照射用光源が照射したビーム照射方向を前記患者眼の視軸方向に移動し合致させる事を特徴とする視軸照射軸同軸化追尾装置の作動方法。