JP4975305B2

JP4975305B2 - 眼科装置

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Publication number: JP4975305B2
Application number: JP2005344782A
Authority: JP
Inventors: 正典天野
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: JP2006181358A

Description

本発明は、眼を観察する顕微鏡を備える眼科装置及び患者眼にレーザ照射する眼科装置に関する。

従来、眼を観察するための顕微鏡を３次元で任意の位置及び方向に向けることが可能な手術顕微鏡は、それぞれの移動や向きを変更するための専用の軸を備える構成であった（例えば、特許文献１参照）。
また、屈折矯正手術のために角膜切除用のレーザ照射光学系を組み込んだ眼科装置においては、眼を観察しながらレーザ照射することが必要なため、レーザ照射端を顕微鏡下に設けている（例えば、特許文献２参照）。この装置においては、レーザ照射端を移動するために、水平移動可能なスライドアームと、上下移動可能なアーム先端部を備え、アーム先端部に顕微鏡が配置されている。この装置においては、顕微鏡及びレーザ照射端の自由度は水平方向と上下方向の３軸方向である。
特開２００３−１１１７７６号公報特開平９−１４９９１４号公報

しかし、従来装置には次のような問題があった。特許文献２のようにレーザ照射光学系を組み込んだ装置では、眼の傾き方向に合わせて顕微鏡やレーザ照射光学系の向きを変えることができず、角膜の一定位置を基準にしたレーザ照射が難しい問題があった。また、手術に際して、初めに患者の顔の位置を正して、観察位置や手術状態を決めたとしても、手術中に顔の姿勢を維持できず、顔が動いてしまう患者も少なくない。顔が傾くと、眼も傾く。手術中に眼が動くと、手術を中断して顕微鏡を動かすか、患者の顔をもう一度動かす等の処置が必要で、スムーズな手術が行えない。また、視線が定まらずに眼転を起こす患者も少なくない。
観察に必要な患部を常に目標に捕らえて、顕微鏡及びレーザ照射端を遠隔操作により追従させるためには、特許文献１のように１軸ずつ直列に顕微鏡を固定する機構では剛性確保が難しい。遠隔操作で各軸を移動制御するための駆動源をそれぞれの軸近辺に配置する必要があり、軸数が増えるに従い機構が複雑になり、重量も重くなる。このため、顕微鏡やレーザ照射端の位置決めが難しい問題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、患者眼に対してレーザ光を適切に照射できる眼科装置を提供することを技術課題とする。また、患者眼を適切に観察するための顕微鏡の位置決めが容易に行える眼科装置を提供することを技術課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、次のような構成を備えることを特徴とする。

（１）患者眼に向けて角膜手術用のレーザ光を照射するレーザ照射光学系を備え、レーザ照射光学系が持つ基準軸を患者眼に対して所期する位置関係にアライメントしてレーザ照射する眼科装置において、前記レーザ照射光学系が配置されたレーザ照射端ユニットを移動する移動手段であって、患者眼に対するレーザ照射光学系の前記基準軸の傾き及び位置を変化させる移動手段と、患者眼の前眼部を撮像する第１撮像手段及び第２撮像手段であって、それぞれの撮像光軸が異なる方向で且つ前記基準軸に対して所定の位置関係に配置された第１撮像手段及び第２撮像手段と、該第１撮像手段及び第２撮像手段によりそれぞれ得られた前眼部画像を処理して前記基準軸に対する患者眼の傾き及び位置を検出する眼検出手段と、該眼検出手段による検出結果に基づいて前記レーザ照射光学系の前記基準軸の傾き及び位置が患者眼に対して所期するアライメント状態となるように前記移動手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
（２）（１）の眼科装置において、前記移動手段は、前記レーザ照射端ユニットを支持すると共に各支持位置を個別に変えられる少なくとも６本の制御棒と，各制御棒を駆動する駆動源と，を持つパラレルリンク機構を備え、さらに患者眼を観察するための顕微鏡が前記パラレルリンク機構に支持されていることを特徴とする。

本発明によれば、患者眼に対してレーザ光を適切に照射できる。また、患者眼を適切に観察するための顕微鏡の位置決めが容易に行える。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、手術顕微鏡及びレーザ照射ユニットを備える眼科装置の全体の概略構成図である。

図１において、手術顕微鏡１は支柱脚１０の上部に設けられた第１水平関節アーム１１及び第２水平関節アーム１２を備え、第２水平関節アームはパラレルリンク機構１００の固定部１０１を保持する。この例ではパラレルリンク機構１００を粗く移動するために２つの水平関節アームとしているが、垂直関節アームやその複合タイプであっても良い。パラレルリンク機構１００は、６本の制御棒１１１〜１１６（図２参照）より移動部１０２を固定部１０１に対して移動可能に支持している。移動部１０２には、顕微鏡２０とレーザ照射端ユニット３０が配置されている。パラレルリンク機構１００により移動部１０２に設けられた顕微鏡２０，ユニット３０の位置及び傾きが任意に変えられる。１３０はパラレルリンク機構１００等を制御する制御ユニットである。１４０はパラレルリンク機構１００を動作させるための操作信号を入力する遠隔操作用の操作パネルである。

また、この眼科装置では、顕微鏡２０の下にレーザ照射端ユニット３０が配置され、レーザ装置本体３１から角膜切除用の治療レーザ光（例えば、エキシマレーザ光）が多間接アーム３３を介してレーザ照射端ユニット３０に導光される。多間接アーム３３の各関節部には治療レーザ光を反射させるミラーが配置されており、多間接アーム３３の先端部は任意の動きに追従可能となっている。レーザ装置本体３１からレーザ照射端ユニット３０までのレーザ光の導光は、移動部１０２の任意の動きに追従できる導光体であれば良く、光ファイバを用いても良い。レーザ照射端ユニット３０の下には、照明ユニット５が配置されている。

次に、パラレルリンク機構１００の構成を、図２及ぶ図３により説明する。図２はパラレルリンク機構１００の全体及び顕微鏡２０等の配置状態を示す斜視図である。図２において、パラレルリンク機構１００は、固定部１０１に対して移動部１０２の位置及び傾きを変えるための６本の制御棒１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６を備える。この制御棒１１１〜１１６をそれぞれ駆動するための駆動源であるモータ１２１〜１２６は、固定部１０１に配置されている（図１では、モータ１２１、１２６の図示を略している）。

図３は、１本の制御棒１１１の構成を説明する図である。モータ１２１の回転軸には偏心カム１１１ａが取り付けられている。この偏心カム１１１ａの回転により、制御棒１１１の基部１１１ｂは、固定部１０１に保持されている中心軸１１１ｃを中心に垂直面で回転可能となっている。基部１１１ｂには第１駆動軸１１１ｄが取り付けられ、第１駆動軸１１１ｄの先端には、その軸周りに回転可能な第１軸受け１１１ｅが取り付けられている。第１軸受け１１１ｅには、第１駆動軸１１１ｄに対して屈曲角度を変更可能に第２駆動軸１１１ｆが設けられている。さらに、第２駆動軸１１１ｆの先端には、その軸周りに回転可能な第２軸受け１１１ｇが取り付けられている。第２軸受け１１１ｇには、第２駆動軸１１１ｆに対して角度を変更可能に軸１１１ｈが取り付けられている。そして、軸１１１ｈは移動部１０２に固定された支持ブロック１０３ａに取り付けられている。

他の制御棒１１２〜１１６についても、制御棒１１１と同様な構成である。制御棒１１２は支持ブロック１０３ａに取り付けられ、制御棒１１３及び１１４は支持ブロック１０３ｂに取り付けられ、制御棒１１５及び１１６は支持ブロック１０３ｃに取り付けられている。制御棒１１１〜１１６にそれぞれ対応して固定部１０１に設けられたモータ１２１〜１２６を同時に制御することにより、移動部１０２に配置された顕微鏡２０の位置及び傾きが任意に変更可能とされる。なお、顕微鏡２０は、レーザ照射端ユニット３０を介して移動部１０２に取り付けられている。

図４は、レーザ照射端ユニット３０に配置されるレーザ照射光学系の概略構成図である。多間接アーム３３から出力されたレーザ光は、スキャニングミラーとしての第１ガルバノミラー３４、第２ガルバノミラー３６によって２次元的にスキャニングされる。顕微鏡２０の対物レンズ２１と患者眼Ｅの間には、角膜切除用のレーザ光を反射し、可視の観察光を透過するダイクロイックミラー３８が配置されている。ダイクロイックミラー３８により、照射光学系の基準光軸Ｌ２は対物レンズ２１の光軸Ｌ１と同軸にされる。また、対物レンズ２１の光軸Ｌ１上には、固視灯２３が配置されており、手術時には固視灯２３を患者眼Ｅに固視させる。

多間接アーム３３から出射した小径スポットのレーザ光は、ガルバノミラー３４，３６により患者眼Ｅの角膜上で２次元的にスキャンされる。角膜上に照射されるレーザ光のスポット径は、好ましくは０．１〜１ｍｍ程である。レーザ光は中心部から周辺部に行くに従って徐々にエネルギ密度が低くなるビームである。この小スポットのレーザ光を角膜上で２次元的にスキャニングし、レーザ光を重ね合わせることにより角膜形状を任意の形状に切除できる。屈折矯正手術では、小スポットのレーザ光の重ね合わせにより、角膜曲率を変化させる。

また、手術顕微鏡１は患者眼の傾きを含む眼のアライメント状態を検出する眼検出機構４０が設けられている。眼検出機構４０は、眼の動きの検出も兼ねる。眼検出機構４０は、図５のように、患者眼の前眼部を撮像する撮像手段としての３つの撮像カメラ４１ａ，４１ｂ，４１ｃを持つ。このカメラ４１ａ〜４１ｃは移動部１０２に配置され、顕微鏡２０と一体となって移動する。カメラ４１ａは、顕微鏡２０の光軸Ｌ１上に配置されたハーフミラー等の光分割部材４２を介して、患者眼Ｅの前眼部を光軸Ｌ１方向から撮像する位置に配置されている。カメラ４１ｂ及びカメラ４１ｃは、光軸Ｌ１に直交するＸ軸方向及びＹ軸方向の直交する位置関係で、各カメラの撮像光軸が光軸Ｌ１に対して斜めになる方向から患者眼Ｅの前眼部を撮像する位置に配置されている。また、対物レンズ２１の光軸Ｌ１上のピント位置に各カメラ４１ａ〜４１ｃのピントが合うように配置されている。カメラ４１ａ〜４１ｃの撮像信号は、画像処理部４３に入力される。カメラ４１ａ〜４１ｃのサンプリング周波数は、２００Ｈz以上が好ましい。画像処理部４３は、光軸Ｌ１に直交する平面での患者眼Ｅの位置ずれ（Ｘ―Ｙ位置）、対物レンズ２１に対する距離（Ｚ位置）、及び光軸Ｌ１に対する患者眼Ｅの傾き（傾きの角度及び方向）を検出する。

図６は、眼科装置の制御系ブロック図である。制御ユニット１３０には、パレルリンク機構１００を動作させて移動部１０２と共に顕微鏡３の位置及び姿勢を変えるための操作信号等を入力する信号入力手段としての操作パネル１４０、画像処理部４３、ガルバノミラーの駆動部３５及び３７を制御するスキャニング制御部３９、レーザ装置本体１、データ入力装置１５０等が接続されている。レーザ装置本体３１の内部には、角膜をアブレーション可能なレーザ光を出射する紫外レーザ光源１３２が配置されている。

操作パネル１４０には移動部１０２に配置された顕微鏡２０を水平方向（ＸＹ方向）に移動させる信号を入力するレバー１４１、顕微鏡２０を所定の軸回りに回転させる信号を入力する回転ノブ１４２、顕微鏡２０をＸ方向で傾ける信号（傾き角を変更する信号）を入力するスイッチ１４３ａ，１４３ｂ、顕微鏡２０をＹ方向で傾ける信号（傾き角を変更する信号）を入力するスイッチ１４４ａ，１４４ｂ、顕微鏡２０を上下に移動す信号を入力するスイッチ１４５ａ，１４５ｂが配置されている。また、１４６はオートアライメントを開始させるスイッチ、１４７は顕微鏡２０を患者眼に対して所期する位置関係に置いた後に自動追尾を開始させるスイッチである。

次に、上記のような構成の装置において、パレルリンク機構１００による顕微鏡２０の位置合わせとレーザ照射の動作を説明する。

患者は図示を略すベッドで仰向けの状態で手術を受ける。術者は、手術顕微鏡１の第１水平関節アーム１１及び第２水平関節アーム１２を手で動かし、患者の手術する方の眼（患者眼Ｅ）の上に顕微鏡２０を粗く位置させる。患者眼Ｅには固視灯２３を固視させ、視線を固視灯２３の方向に導く。患者眼Ｅに対する精密な位置合わせは、顕微鏡２０で患者眼Ｅを観察しながら、操作パネル１４０の各スイッチを操作してパラレルリンク機構１００を動作させることで行える。制御ユニット１３０は、各スイッチの操作信号によりモータ１２１〜１２６を同時に制御して移動部１０２に配置された顕微鏡２０及びレーザ照射端ユニット３０の位置や傾きを変える。

例えば、図２の状態において、６本の制御棒１１１〜１１６の屈曲量を同時に増加／減少させると、顕微鏡２０の位置を上昇／下降させることができる。また、図７（ａ）のように、制御棒１１５，１１６の屈曲量を減少させ、制御棒１１２，１１３の屈曲量を増大させつつ制御棒１１１，１１４の屈曲量を変えると、顕微鏡２０を図７（ａ）上の右方（検者の手前側）に移動させることができる。また、図７（ｂ）のように、各制御棒１１１〜１１６の屈曲量を変えることにより、顕微鏡２０を傾けることができる。

ここで、顕微鏡２０の傾き角の変更に際して、制御ユニット１３０は顕微鏡２０での観察位置を保持しつつ、その観察方向の向きだけを変えるようにパラレルリンク機構１００の動作を制御する。図８に示すように、顕微鏡２０が持つ対物レンズ２１の光軸Ｌ１上で、対物レンズ２１から距離Ｗだけ離れた位置を観察すべき基準点Ｏとする。スイッチ１４３ａ，１４３ｂ，１４４ａ，１４４ｂにより傾き角を変更する信号が入力された場合、制御ユニット１３０は基準点Ｏを固定して傾きの変更角θだけ顕微鏡２０を傾けると共に、基準点Ｏと対物レンズ２１との距離Ｗを保持して顕微鏡２０の水平位置及び高さ位置を変更すべく、パラレルリンク機構１００の動作を制御する。つまり、基準点Ｏを中心に傾きの変更角θだけ顕微鏡２０を円弧状に移動させる。これにより、傾き角を変更するスイッチ操作では、顕微鏡２０による患者眼の観察位置を変えることなく、その観察方向のみを変更することができ、都合がよい。なお、距離Ｗは対物レンズ２１のピント距離とするが、これはモニタを持つデータ入力装置１５０の設定で任意の距離とすることできる。

また、顕微鏡２０は予め設定した垂直基準軸を中心に回転させることも可能である。この垂直基準軸は、データ入力装置１５０により、図２の状態における顕微鏡２０の対物レンズ２１の光軸Ｌ１と同軸に設定したり、任意に変更できる。

このように、６本の制御棒１１１〜１１６の屈曲量をそれぞれ変化させることにより、左右方向（Ｘ）、前後（Ｙ）、上下（Ｚ）、前後の傾斜角（θｙ）、左右の傾斜角（θｘ）、及び回転（θｚ）の6つの自由度が与えられる。これにより、患者眼Ｅに対して顕微鏡２０の位置及び姿勢を適切に位置決めできる。この位置決めに際して、顕微鏡２０を配置した移動部１０２が６本の支持軸である制御棒１１１〜１１６により支持されているため、簡単な構成でありながら、剛性が高く、自在に精密な位置決めが可能となる。

また、顕微鏡２０の位置や姿勢を決めた後、スイッチ１４７を押すことにより眼検出機構４０を作動させ、自動追尾モードを開始することができる。カメラ４１ａ，４１ｂ，４１ｃに撮像された患者眼Ｅの前眼部像は画像処理部４３に入力される。制御ユニット１３０は、スイッチ１４７の信号をトリガとして、このときに撮像された前眼部像の位置を基準状態（所期する状態）とする。患者眼Ｅの位置は、例えば、前眼部像の瞳孔エッジや瞳孔中心を画像処理して検出できる。患者眼Ｅが左右前後方向（ＸＹ方向）で動いた場合、カメラ４１ａ〜４１ｃにより撮像される瞳孔が移動する。患者眼Ｅが上下方向（Ｚ方向）に動いた場合、カメラ４１ｂ及び４１ｃにより撮像される瞳孔の位置が変化する。制御ユニット１３０は、各カメラ４１ａ〜４１ｃにより撮像される前眼部像が基準状態になるようにパレルリンク機構１００を駆動制御して顕微鏡２０の位置を患者眼Ｅの動きに合わせて移動する。

患者眼Ｅの傾き状態は、ＸＹ方向に配置されたカメラ４１ｂ，４１ｃにより取得された像から検出できる。例えば、図９のように、基準状態のときに円形の瞳孔エッジＰｕが、Ｘ方向で角度＋αだけ傾いたとする。第１カメラ４１ａで撮像される瞳孔エッジＰｕの形状は、円形形状からＸ方向に角度αだけ傾いた楕円形状になる。一方、第１カメラ４１ａに対してＸ軸方向に角度ψ1だけ傾けて配置された第２カメラ４１ｂで撮像される瞳孔エッジＰｕの形状は、角度ψ1での楕円形状に対して角度（ψ1−α）だけ傾いた形状に変化する。これにより、Ｘ方向における傾き角度と傾き方向（＋方向と−方向の何れであるか）が検出される。同様に、第１カメラ４１ａに対してＹ方向に角度ψ2だけ傾けて配置された第３カメラ４１ｃにより、Ｙ方向における傾き角度と傾き方向（＋方向と−方向の何れであるか）が検出される。制御ユニット１３０は、これらの検出情報のフィードバックに基づいてパレルリンク機構１００を駆動制御し、患者眼に対する顕微鏡２０の位置関係が初めの基準状態となるように、顕微鏡２０の傾き角を変更すると共に顕微鏡２０の水平位置及び高さ位置を変更する。これにより、術者はＸＹＺ方向の位置変化に加えて、患者眼Ｅの傾きを含む眼の動きに合わせた適切な状態で患者眼Ｅを観察できる。

さらに、患者眼Ｅの視軸回りの回転については、カメラ４１ａで撮像される虹彩模様等の前眼部像の特徴点を処理することで、検出するこができる。この検出情報に基づいて顕微鏡２０の回転を変えることにより適切に患者眼Ｅを観察できる。

上記は、初めの基準状態の位置合わせを術者が操作パネル１４０の操作で行うものとしたが、予め設定された基準状態となるようにオートアライメントも可能である。アライメントの基準状態は、例えば、瞳孔中心に光軸Ｌ１を一致させると共に、虹彩面に対して光軸Ｌ１が垂直になる状態とする。スイッチ１４６を押してオートアライメントに設定した後、顕微鏡２０を粗く患者眼Ｅに位置合わせすることで、患者眼Ｅがカメラ４１ａ〜４１ｃの検出可能範囲に入ると、オートアライメントが作動する。制御ユニット１３０は、３つのカメラ４１ａ〜４１ｃにより検出された情報を基に、顕微鏡２０の観察状態が基準状態となるようにパレルリンク機構１００を駆動制御する。

顕微鏡２０の位置が適切な状態となれば、治療レーザ光の照射が可能になる。術者がフットスイッチ１３３を踏んでレーザ照射のトリガ信号を入力すると、レーザ装置本体１の内部に配置された紫外レーザ光源１３２が駆動される。レーザ装置本体１からのレーザ光は、多間接アーム３３によりレーザ照射端ユニット３０まで導光される。ガルバノ制御部３９は、予めデータ入力装置１５０により入力された角膜矯正データに従ってガルバノミラー３４，３６の駆動を制御する。ガルバノミラー３４，３６の駆動により、ダイクロイックミラー３８で反射された小径スポットのレーザ光は患者眼Ｅの角膜上で走査され、レーザ光を重ね合わせることにより角膜形状が所期する形状にアブレーションされる。

このレーザ照射時においても、患者眼Ｅが動くと眼検出機構４０による検出情報を基にパラレルリンク機構１００が駆動され、患者眼Ｅの動きに合わせて顕微鏡２０と共にレーザ照射端ユニット３０が移動される。これにより、患者眼Ｅの傾きを含む眼の動きに合わせて、レーザ照射位置が角膜上の適正位置に照射される。

例えば、図１０（ａ）のように、患者眼Ｅが水平方向にあるときの状態から、顔の姿勢の変化や眼転（眼のひき運動）により、図１０（ｂ）のように、眼が角度αだけ傾いたとする。レーザ光は、瞳孔中心Ｐucを基準に照射するものとする。図１０（ａ）の状態で、瞳孔中心Ｐucを垂直方向（Ｚ方向）から見たときの角膜上の位置はＰ0である。しかし、眼が傾いた図１０（ｂ）の状態で垂直方向から瞳孔中心Ｐucを見ると、角膜上の対応点は位置Ｐ0からΔｄだけずれた位置Ｐ1となっている。眼の傾きを考慮せずに、瞳孔中心Ｐucのみを基準に水平方向に追尾する機構であると、眼が傾いた状態では角膜上の一定位置Ｐ0を基準にレーザ照射できず、結果的に精度の高い適切な角膜切除が行えなくなる。

これに対して、本装置では眼の傾きを含む眼の動きを検出し、レーザ照射の基準軸を眼の傾きαに合わせて変化させることが可能であるので、角膜上の一定位置Ｐ0を基準にしたレーザ照射が可能となる。これにより、精度の高い角膜切除が行える。

ここで、患者眼Ｅの動きが速く、パラレルリンク機構１００による移動では追尾が追いつかずに許容範囲を超えた場合、制御部ユニット１３０はレーザ装置本体３１にレーザ照射の停止信号を出力する。その後、移動部１０２と共に移動する照射端ユニット３０の追尾が追いつき、レーザ照射の許容範囲に入ったことが眼検出機構４０により検出されれば、制御部ユニット１３０はレーザ照射の許可信号を出力してレーザ照射を再開させる。

なお、ガルバノミラー３４，３６のスキャニングミラーの動きはパラレルリンク機構１００の動きよりも遥かに高速動作が可能である。そのため、光軸Ｌ１に対して眼の傾きが無く、光軸Ｌ１に対する直交面での位置のみが変化した場合には、眼検出機構４０の検出情報を基に、ガルバノミラー３４，３６によるレーザ照射の位置を眼の動きに追尾するように移動させることが可能である。この場合、スキャニング制御部３９は、パラレルリンク機構１００による照射端ユニット３０及び顕微鏡２０の移動と平行してガルバノミラー３４，３６のスキャニング動作を制御する。これにより、レーザ照射を中断することなく、スムーズな手術が可能となる。眼検出機構４０により眼の傾きが許容範囲を超えたことが検出された場合には、前述の理由によりレーザ照射が停止される。

レーザ照射端ユニット３０に配置される角膜切除用の照射光学系は、小スポットビームをスキャニングする光学系とする他、大ビームを開口径可変のアパーチャを用いて、角膜曲率を変化させる光学系とすることも可能である。また、６つの自由度を持つパラレルリンク機構１００としては、屈曲角度が可変の制御棒１１１〜１１６に代えて、伸縮を自在に変えられる６本の制御棒で構成しても良い。パラレルリンク機構１００としては、レーザ照射光学系や顕微鏡２０を支持する位置を個別に変えられる少なくとも６本の制御棒１１〜１１６と、各制御棒を駆動する駆動源を持てば良く、屈曲角度や伸縮を変えられる制御棒の等価な構造としては、制御棒１１１〜１１６の基部を直線レール上でスライド移動させる機構も含まれる。

眼検出機構４０が持つカメラ４１ｂ，４１ｃにより取得された前眼部像を基に眼の傾きを検出する方法の例を説明する。図１１において、レーザ照射光学系及び顕微鏡２０の基準軸である光軸Ｌ１の方向をＺ軸方向とし、図５と同じく、カメラ４１ｂの撮像光軸Ｍ１及びカメラ４１ｃの撮像光軸Ｍ２がＺ軸（光軸Ｌ１）に直交するＸ軸方向及びＹ軸方向に位置するものとする。また、カメラ４１ｂの撮像光軸Ｍ１がＺ軸に対してＸ軸方向に角度ψ1だけ傾けて配置され、カメラ４１ｃの撮像光軸Ｍ２がＹ軸方向に角度ψ2だけ傾けて配置されているものとする。例えば、ψ1＝ψ2＝３５°とする。また、撮像光軸Ｍ１及びＭ２はＺ軸上の所定点Ｏで交差するように配置されている。説明を簡単にするために、所期するアライメント状態は、虹彩面ＦがＺ軸に対して垂直になる場合とする。この場合、瞳孔エッジＰｕ及び虹彩面ＦはＺ軸方向から見たときに円形であり、瞳孔中心ＰucがＺ軸上の点Ｏに一致しているものとする。また、カメラ４１ｂ及びカメラ４１ｃで得られる像は、光学歪の無い撮像素子面への投影像として考える。

眼の傾きの検出は、瞳孔形状の変形方向を基に検出する方法と、瞳孔形状の２方向の寸法比を基に検出する方法がある。まず、瞳孔形状の変形方向を基に眼の傾斜を検出する方法を説明する。

虹彩面ＦがＺ軸に対して垂直である場合、カメラ４１ｂ及びカメラ４１ｃでそれぞれ得られる瞳孔エッジＰｕの形状は、図１２のように、長軸が水平状態の楕円形状として検出される。図１２（ａ）は、Ｘ軸方向のカメラ４１ｂで撮像された瞳孔エッジＰｕ及び虹彩面Ｆが楕円形状となっている状態を示し、瞳孔エッジＰｕの楕円長軸ＫＬ１が水平方向Ｈとなっている。同様に、図１２（ｂ）は、Ｙ軸方向のカメラ４１ｃで撮像された瞳孔エッジＰｕ及び虹彩面Ｆが楕円となっている状態を示し、瞳孔エッジＰｕの楕円長軸ＫＬ２も水平方向Ｈとなっている。なお、瞳孔エッジＰｕの楕円形状は、撮像された画像の瞳孔エッジＰｕを楕円近似処理（最小二乗法により楕円にフィットさせる処理）を行って検出することができる。

次に、虹彩面Ｆが水平状態から傾斜した場合（眼が回転した場合）を考える。眼がＸ軸方向のみに傾いた場合、Ｘ軸方向のカメラ４１ｂで撮像された瞳孔エッジＰｕの楕円形状については、楕円の離心率は変わるが、長軸ＫＬ１の方向は水平方向のままで変化は無い（図１３（ａ）参照）。一方、Ｙ軸方向のカメラ４１ｃで撮像された瞳孔エッジＰｕの楕円形状については、長軸ＫＬの方向が水平方向Ｈに対して右又は左に傾いて検出される（図１３（ｂ）参照）。眼がＹ軸方向のみに傾いた場合は、カメラ４１ｂとカメラ４１ｃでそれぞれ得られる楕円形状は、図１３（ａ），（ｂ）と逆の関係となる。したがって、この検出方法では、Ｙ軸方向のカメラ４１ｃによりＸ軸方向成分の眼の傾き情報を検出でき、Ｘ軸方向のカメラ４１ｂによりＹ軸方向成分の眼の傾き情報を検出できる。

さらに、眼がＸ軸方向及びＹ軸方向に傾いた場合を考える。図１４のように、虹彩面Ｆが水平状態から、ＸＹ平面のＹ軸から角度Ｔαの方向で、且つＸＹ平面に対して角度Ｔβだけ傾いたとする。このとき、Ｘ軸方向のカメラ４１ｂで撮像された瞳孔エッジＰｕの楕円形状について、水平方向Ｈに対する楕円長軸ＫＬ１の角度をＴγ１とし（図１５（ａ）参照）、Ｙ軸方向のカメラ４１ｃで撮像された瞳孔エッジＰｕの楕円形状について、水平方向Ｈに対する楕円長軸ＫＬ２の角度をＴγ２（図１５（ｂ）参照）とすると、次の関係式が成り立つ。

上記の２つの式において、角度ψ1，ψ2は設計的に既知であり、Ｔγ１，Ｔγ２はカメラ４１ｂ及び４１ｃで得られる瞳孔エッジＰｕを画像処理して検出できるので、眼の傾きである角度Ｔα及びＴβが求められる。眼の傾き検出においては、瞳孔エッジＰｕの楕円の長軸方向の代わりに短軸方向を使用することも可能である。

なお、上記のように楕円形状を検出する方法においては、Ｚ軸（光軸Ｌ１＝レーザ照射光学系の基準軸）と各カメラ４１ｂ，４１ｃの撮像光軸とが成す角度（ψ1，ψ2）だけ眼が傾斜した場合には、撮像された瞳孔エッジＰｕの形状が円形となり、長軸方向が無くなってしまう。逆に、眼の傾斜により、虹彩面Ｆと各カメラ４１ｂ，４１ｃの成す角度が９０度以上になると、瞳孔が検出できなくなる。角度ψ1，ψ2は大きくなるほど楕円の離心率が大きくなり、楕円として検出しやすくなるが、角度４５度を越えた場合は傾きの検出範囲のバランスが悪くなる。この場合、さらに、鼻や頬等により撮像の影になりやすくなる。一方、角度ψ1，ψ2が小さくなると、楕円の離心率が小さくなるので楕円としての検出が難しくなり、また検出範囲も狭くなる。したがって、角度ψ1，ψ2としては、３０度以上、４５度以下の値が好ましい。

また、カメラ４１ｂ，４１ｃの両者の撮像光軸が成す角度は、好ましくは７０度〜１１０度の範囲である。両者の撮像光軸が成す角度を上記実施形態のように９０度（直交関係）にすると、異なる方向で撮像される瞳孔エッジの楕円形状の傾きが検出し易く、特に好ましい。

図１６は、図１４に示す眼がＸＹ方向で位置ずれを起した場合を説明する図である。眼の位置ずれについて、カメラ４１ｂから見た縦方向の角度の変化をε１（縦方向の位置ずれを表す）とし、カメラ４１ｂから瞳孔中心Ｐｕｃまでの縦方向の距離をＮ１、横方向の位置ずれをＪ１とする。このとき、カメラ４１ｂで撮像された瞳孔エッジＰｕの楕円形状について、水平方向Ｈに対する楕円長軸ＫＬ１の角度をＴρ１とすると（図１７（ａ）参照）、

となる。眼のＹ軸方向への位置ずれであるＪ１は、カメラ４１ｂの撮像光軸から瞳孔中心Ｐｕｃの横方向のずれ量から検出できる。ε１及びＮ１は、撮像光軸から瞳孔中心Ｐｕｃの縦方向のずれ量が分かれば、カメラ４１ｂの配置条件から演算できる。

また、カメラ４１ｃから見た縦方向の角度の変化をε２（縦方向の位置ずれを表す）とし、カメラ４１ｃから瞳孔中心Ｐｕｃまでの縦方向の距離をＮ２、横方向の位置ずれをＪ２とする。このとき、カメラ４１ｃで撮像された瞳孔エッジＰｕの楕円形状について、水平方向Ｈに対する楕円長軸ＫＬ２の角度をＴρ２とすると（図１７（ｂ）参照）、

となる。眼のＸ軸方向への位置ずれであるＪ２は、カメラ４１ｃの撮像光軸から瞳孔中心Ｐｕｃの横方向のずれ量から検出できる。ε２及びＮ２は、撮像光軸から瞳孔中心Ｐｕｃの縦方向のずれ量が分かれば、カメラ４１ｃの配置条件から演算できる。

なお、眼のＸ軸方向への位置ずれは、図１７（ａ）のように、カメラ４１ｂで検出される瞳孔中心Ｐｕｃの縦方向のずれであるＫ１としても検出できる。眼のＹ軸方向への位置ずれは、図１７（ｂ）のように、カメラ４１ｃで検出される瞳孔中心Ｐｕｃの縦方向のずれであるＫ２としても検出できる。

ここで、さらに眼がＺ軸方向にδＺだけ位置ずれを起こした場合を考える。この場合、カメラ４１ｂで検出される眼のＸ軸方向への位置ずれＫ1からの変化をＫδＺ１とすると、

となる。一方、カメラ４１ｂで検出される眼のＹ軸方向への位置ずれは、Ｊ１のまま変化しない。同様に、眼がＺ軸方向にδＺだけ位置ずれを起こした場合、カメラ４１ｃで検出される眼のＹ軸方向への位置ずれＫ２からの変化をＫδＺ２とすると、

となる。一方、カメラ４１ｃで検出される眼のＸ軸方向への位置ずれは、Ｊ２のまま変化しない。したがって、２つのカメラ４１ｂ，４１ｃの瞳孔位置の検出情報からＸＹ方向の位置ずれ情報及びＺ方向の位置ずれ情報が分かる。眼がＺ方向に位置ずれを起こした場合の眼の傾斜情報は、Ｚ方向の位置ずれ分をオフセットして計算すれば良い。

上記の基準軸に対する患者眼の位置ずれ及び傾きの検出は、斜め方向から撮像した瞳孔エッジＰｕの形状を楕円近似して求め、楕円の長軸（又は短軸）を基に傾斜情報を算出している。この方法は、精度が高い反面、演算処理に時間を要する。そこで、眼の位置及び傾き情報の簡素化した検出方法を、図１８を使用して説明する。

図１８は、カメラ４１ｂ又は４１ｃにより撮像された前眼部像の瞳孔エッジＰｕの像を示す。図１８において、撮像された前眼部画像における撮像中心をＣｏとし、中心Ｃｏを通る水平軸をｘ、中心Ｃｏを通る垂直軸をｙとする。撮像された前眼部画像における瞳孔部分を水平走査及び垂直走査し、各走査線上の瞳孔エッジＰｕの位置を検出する。ある水平走査線ＨＳｎ上において、瞳孔エッジＰｕの開始点ＨＳｎｓ及び終了点ＨＳｎｅが検出されたら、この開始点ＨＳｎｓ及び終了点ＨＳｎｅの中点ＨＳｎｍを得る。同様に、他の水平走査線ＨＳnについても、瞳孔エッジＰｕの開始点ＨＳｎｓ及び終了点ＨＳｎｅが検出されたら、その中点ＨＳｎｍを得る。そして、水平走査線上の各中点ＨＳｎｍについて、その回帰直線ＨＲＬを求める。

垂直方向の走査においても、ある垂直走査線ＶＳｎ上の瞳孔エッジＰｕの開始点ＶＳｎｓ及び終了点ＶＳｎｅが検出されたら、この開始点ＶＳｎｓ及び終了点ＶＳｎｅの中点ＶＳｎｍを得る。他の垂直走査線についても瞳孔エッジＰｕの開始点ＶＳｎｓ及び終了点ＶＳｎｅを検出した後、その中点ＶＳｎｍを得る。そして、垂直走査線上の各中点ＶＳｎｍについて、その回帰直線ＶＲＬを求める。

瞳孔中心Ｐｕｃは、水平走査の回帰直線ＨＲＬと垂直走査の回帰直線ＶＲＬとの交点として得ることができる。眼の位置ずれ情報は、撮像中心Ｃｏに対する瞳孔中心Ｐｕｃのｘｙ方向の位置ずれとして得ることができる。眼の傾き情報は、水平走査方向に対する回帰直線ＨＲＬの傾斜角度ＴＨＲγ（又は垂直走査方向に対する回帰直線ＶＲＬの傾斜角度としても良い）として得ることができる。この傾き情報は、先の説明の傾き情報ほど厳密でないが、少なくとも眼の傾きの程度は検出できる。この方法によれば、眼の傾斜情報の検出に際して、瞳孔エッジＰｕを楕円形状にフィットさせる処理の必要がなく、演算処理時間の簡素化を図ることができる。なお、水平方向及び垂直方向の走査線の数は、精度と演算時間を考慮して増減させれば良い。

患者眼の位置検出は、瞳孔エッジＰｕに囲まれた領域の重心位置として求めても良い。眼の傾き情報の検出についても、上記は一例であり、２つのカメラ４１ｂ，４１ｃでそれぞれ得られる瞳孔や虹彩の前眼部画像を利用することにより、他の方法によっても得ることができる。

次に、瞳孔形状の瞳孔中心を基準にした２方向の瞳孔形状の寸法比を基に眼の傾斜を検出する方法を説明する。図１９は、図１４と同じく、虹彩面Ｆ上の瞳孔エッジＰｕがＸＹ平面のＹ軸から角度Ｔαの方向で、且つＸＹ平面に対して角度Ｔβだけ傾いた場合を説明する図である。図１９において、虹彩面ＦがＸＺ平面を横切ったときのＸ軸との角度をγｘ、虹彩面ＦがＹＺ平面を横切ったときのＹ軸との角度をγｙとする。このとき、傾き角度Ｔα，Ｔβと角度γｘ，γｙの間には、数学的に次のような関係が成り立つ。

また、図２０は、傾いた瞳孔エッジＰuにおいて、Ｘ軸カメラ４１ｂの検出面に投影される瞳孔形状の変化を説明する図である（図１９に対して見る方向を変えている）。このときカメラ４１ｂの検出面に投影される瞳孔形状について、図２１（ａ）に示すように、瞳孔エッジＰｕの瞳孔中心Ｐucからの垂直方向（x軸方向）の寸法及び水平方向（y軸方向）の寸法をrv1，rh1とする。同様に、Ｙ軸カメラ４１ｃの検出面に投影される瞳孔形状について、図２１（ｂ）に示すように、瞳孔エッジＰｕの瞳孔中心Ｐucからの垂直方向（x軸方向）の寸法及び水平方向（y軸方向）の寸法をrv2、rh2とする。瞳孔エッジＰｕの半径＝ｒとすると、垂直方向の寸法rv1，rv2はそれぞれ次のように表すことができる。

次に、カメラ４１ｂの検出面に投影される水平方向の寸法rh1について、図２２により説明する。図２２は図２０の部分拡大図である。図２２において、カメラ４１ｂの瞳孔中心を原点としたｙ軸上に投影される瞳孔エッジを点Ａとし、点Ａからカメラ４１ｂの投影方向（角度ψ1方向）に延ばした線とＹ軸との交点を点Ｂとし、点Ｂから角度γyで傾斜した虹彩面ＦまでＺ方向に下ろした線の交点を点Ｃとする。線分ＡＢの長さをａ、線分ＢＣの長さをｂ、線分ＣＡの長さをｃとする。図２２より、線分ＯＢ＝rh1、線分ＯＡ＝ｒであるので、

また、三角形ＡＢＣを考えたとき、線分ＢＣと線分ＡＣの成す角度＝（90−γx ）であり、線分ＡＢと線分ＡＣの成す角度＝｛180−ψ1−（90−γx）｝であるので、正弦定理より、ａ／sin（90−γx ）＝ｂ／sin｛180−ψ1−（90−γx）｝の関係がある。sin｛180−ψ1−（90−γx）｝＝sin（ψ1＋90−γx）である。したがって、線分ＡＢの長さａは、数学的に次のように求めることができる。

上記の式１１、式１２、式１３より、rh1は以下の式で求められる。

同様に、rh2は以下となる。

上記の式９、式１４より、カメラ４１bにより得られた瞳孔エッジＰuの縦／横の寸法比Ｑ１＝rv1／rh1は、瞳孔エッジＰuの半径rが消去された以下の式となる。

同様に、カメラ４１cにより得られた瞳孔エッジＰuの縦／横の寸法比Ｑ２＝rv2／rh2は、瞳孔エッジＰuの半径rが消去された以下の式となる。

上記の式１６、式１７において、Ｑ１，Ｑ２は、それぞれカメラ４１ｂ及び４１ｃで得られた前眼部像を画像処理して瞳孔エッジＰｕを検出することにより求めることができる。角度ψ1及びψ２は設計的に既知である。従って、２つの式１６及び式１７より、γｘ及びγｙが求められる。γｘ及びγｙが分かれば、これを前述の式７及び式８に代入することにより、眼の傾きである傾き角度Ｔα，Ｔβが求められる。

また、図１６に示したように、眼の瞳孔中心ＰucがＸ軸方向にＪ２、Ｙ軸方向にＪ１だけずれた場合は、カメラ４１b及び４１ｃで得られる瞳孔中心Ｐucをそれぞれ画像処理して求めることにより得ることができる。そして、瞳孔中心Ｐucを基準にして式１５のＱ１及び式１６のＱ２を求めることにより、このときの角度Ｔα，Ｔβが求められる。さらに、眼がＺ軸方向にδＺだけ位置ずれを起こした場合についても、前述の式５及び式６から求める位置ずれを求めることができる。したがって、２つのカメラ４１ｂ及び４１ｃの前眼部像を基に３次元的な眼の位置ずれを求めることができる。

なお、２つのカメラ４１ｂ及び４１ｃにより２方向の瞳孔形状の寸法比を基に眼の傾斜を検出する方法においては、瞳孔エッジの寸法比を得る上での縦長さ及び横長さは単に例示に過ぎず、各画像上で直交したｘ軸、ｙ軸であれば検出処理がし易いためであり、少なくとも２方向で寸法比を得ることができれば良い。さらに好ましくは、３方向以上での寸法比を平均化処理する。瞳孔エッジＰｕが円形でない場合にも近似的に処理できる。

また、２方向の瞳孔形状の寸法比を基に眼の傾斜を検出する方法においては、カメラ４１ｂ及び４１ｃのそれぞれの撮像光軸は、異なる方向で且つ光軸Ｌ１に対して所定の位置関係で配置されていれば良く、例えば、一方の撮像光軸が光軸Ｌと同軸であっても可能である。また、眼の傾きを検出においては、瞳孔形状の変形方向を検出する方法と２方向の瞳孔形状の寸法比を検出する方法の両方を使用することも可能である。

上記のように眼の位置ずれ及び眼の傾き情報（Ｔα及びＴβ）が検出できれば、制御ユニット１３０はその検出情報を基にパラレルリンク機構１００の駆動を制御する。例えば、スイッチ１４６によりオートアライメントを作動させると、制御ユニット１３０は、眼の位置ずれ及び傾き情報に基づきパラレルリンク機構１００の駆動を制御し、瞳孔中心に基準軸である光軸Ｌ１が一致する（所定の許容範囲内）と共に、虹彩面Ｆに対して光軸Ｌ１が垂直（所定の傾斜範囲内）になるように、顕微鏡２０及びレーザ照射光学系を移動させる。眼のＺ方向の位置ずれが検出された場合、制御ユニット１３０はＺ方向の位置ずれが許容範囲となるように顕微鏡２０及びレーザ照射光学系を移動させる。

また、顕微鏡２０及びレーザ照射光学系を所定の基準状態に位置決めした後、スイッチ１４７により自動追尾開始の信号を入力すると、制御ユニット１３０は、この基準状態のときに検出された光軸Ｌ１に対する眼の位置及び傾き情報を制御ユニット１３０が持つメモリに記憶する。メモリに記憶した眼の位置及び傾きに対して、レーザ照射時に眼の位置及び傾きの変化が検出されると、制御ユニット１３０はパラレルリンク機構１００の駆動を制御し、眼の位置及び傾きが基準状態となるように顕微鏡２０及びレーザ照射光学系を移動させる。光軸Ｌ１方向（Ｚ方向）の位置ずれが検出された場合も、制御ユニット１３０は基準状態となるように顕微鏡２０及びレーザ照射光学系を移動させる。これにより、患者眼の傾きを含む眼の動きに合わせて、角膜上の適正位置にレーザ光を照射することができる。

なお、レーザ照射時に眼の傾きが大きい場合、レーザ照射光学系や顕微鏡を大きく移動する場合がある。眼の傾きが許容範囲を超えて検出されたときには、制御ユニット１３０はレーザ装置本体３１にレーザ照射の停止信号を出力し、レーザ照射を一旦停止する。術者は、再びオートアライメントを作動させることにより、レーザ照射光学系及び顕微鏡２０をレーザ照射開始時のアライメント状態に移動させることができる。

また、制御ユニット１３０に接続された表示器１６０には、眼の傾き情報及び位置ずれ情報が表示される。術者は表示器１６０の表示を確認し、操作パネル１４０に配置されたレバー１４１やスイッチ等を操作することによって、顕微鏡２０及びレーザ照射光学系を患者眼に対して所期する位置関係にアライメントすることができる。あるいは、表示器１６０に表示される眼の傾き情報を確認しながら患者の顔を動かすことにより、顕微鏡２０及びレーザ照射光学系と患者眼とを所期する位置関係とすることができる。そして、レーザ照射時に眼の傾きが許容範囲を超えて検出されたときには、制御ユニット１３０によりレーザ照射が停止されるので、術者は再び表示器１６０に表示される眼の傾き情報を確認しながら患者の顔を正せば良い。表示器１６０に表示される眼の傾き情報及び位置ずれ情報は、例えば、光軸Ｌ１に対して虹彩面Ｆが垂直となるアライメント状態を基準とする。

手術顕微鏡及びレーザ照射ユニットを備える眼科装置の全体の概略構成図である。パラレルリンク機構の構成を説明する図である。パラレルリンク機構の制御棒の構成を説明する図である。レーザ照射端ユニットに配置される光学系の概略構成図である。眼検出機構の構成を説明する図である。眼科装置の制御系ブロック図である。パラレルリンク機構による顕微鏡の位置、傾きの変更状態を示す図である。傾き角を変更する信号が入力された場合に、顕微鏡２０による観察位置を保持してその傾き角を変更する動作を説明する図である。患者眼の傾き状態の検出を説明する図である。患者眼が傾きに合わせてレーザ照射位置を角膜上の適正位置に照射するための動作を説明する図である。眼の傾きを検出する別の方法を説明する図である。眼が水平状態にある場合に、２つのカメラにより撮像された瞳孔エッジの楕円形状を示す図である。眼がＸ軸方向のみに傾いた場合に、２つのカメラにより撮像された瞳孔エッジの楕円形状を示す図である。眼がＸ及びＹ軸方向に傾いた場合を説明する図である。眼がＸ及びＹ軸方向に傾いた場合に、２つのカメラにより撮像された瞳孔エッジの楕円形状の傾きを説明する図である。図１４に示す眼がＸＹ方向で位置ずれを起した場合を説明する図である。眼がＸ及びＹ軸方向に傾き、且つ眼がＸＹ方向で位置ずれを起した場合に、２つのカメラにより撮像された瞳孔エッジの楕円形状の傾きを説明する図である。眼の位置及び傾き情報の簡素化した検出方法を説明する図である。眼の瞳孔エッジが傾いた場合を説明する図である。Ｘ軸カメラの検出面に投影される瞳孔形状の変化を説明する図であるＸ軸カメラ及びＹ軸カメラの検出面に投影される瞳孔エッジの垂直方向、水平方向の寸法の図示である。図２０の部分拡大図である。

符号の説明

１手術顕微鏡
２０顕微鏡
２１対物レンズ
３０レーザ照射端ユニット
３１レーザ装置本体
３４第１ガルバノミラー
３６第２ガルバノミラー
４０眼検出機構
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ撮像カメラ
１００パラレルリンク機構
１０１固定部
１０２移動部
１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６制御棒
１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６モータ
１３０制御ユニット
１４０操作パネル

Claims

患者眼に向けて角膜手術用のレーザ光を照射するレーザ照射光学系を備え、レーザ照射光学系が持つ基準軸を患者眼に対して所期する位置関係にアライメントしてレーザ照射する眼科装置において、
前記レーザ照射光学系が配置されたレーザ照射端ユニットを移動する移動手段であって、患者眼に対するレーザ照射光学系の前記基準軸の傾き及び位置を変化させる移動手段と、
患者眼の前眼部を撮像する第１撮像手段及び第２撮像手段であって、それぞれの撮像光軸が異なる方向で且つ前記基準軸に対して所定の位置関係に配置された第１撮像手段及び第２撮像手段と、
該第１撮像手段及び第２撮像手段によりそれぞれ得られた前眼部画像を処理して前記基準軸に対する患者眼の傾き及び位置を検出する眼検出手段と、
該眼検出手段による検出結果に基づいて前記レーザ照射光学系の前記基準軸の傾き及び位置が患者眼に対して所期するアライメント状態となるように前記移動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする眼科装置。
請求項１の眼科装置において、前記移動手段は、前記レーザ照射端ユニットを支持すると共に各支持位置を個別に変えられる少なくとも６本の制御棒と，各制御棒を駆動する駆動源と，を持つパラレルリンク機構を備え、さらに患者眼を観察するための顕微鏡が前記パラレルリンク機構に支持されていることを特徴とする眼科装置。