JP5397670B2

JP5397670B2 - 非接触式超音波眼圧計

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Publication number: JP5397670B2
Application number: JP2008237144A
Authority: JP
Inventors: 将幸神出; 哲之三輪; 健一郎牧野
Original assignee: Nidek Co Ltd
Current assignee: Nidek Co Ltd
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2010068874A; EP2165646A1; US20100069737A1

Description

本発明は、超音波を用いて非接触にて被検者眼の眼圧を測定する非接触式超音波眼圧計に関する。

被検者眼への入射波と被検者眼からの反射波とを比較して被検者眼の眼圧を非接触にて測定する装置としては、被検者眼（ただし、模型眼）に入射させる超音波を発する振動子と被検者眼で反射された超音波を検出するセンサとを有する探触子が設けられ，被検者眼の前に探触子が配置されて被検者眼の眼圧を非接触にて測定する眼圧測定装置が提案されている（非特許文献１参照）。
神出将幸、外３名「超音波位相シフト法による非接触型眼圧計測システムに関する基礎的研究」,電気学会研究資料センサ・マイクロマシン部門総合研究会,２００７年、ｐ．９３―９６

しかしながら、上記構成の場合、被検者眼と装置との作動距離（ワーキングディスタンス）が短く、実際に人眼に対して眼圧を測定しようとすると、被検者眼との接触の可能性があり、また、被検者に対して恐怖心を与え易い。

また、従来の探触子の場合、空気中における超音波の伝搬効率が低く、音響レンズを用いて超音波ビームを収束させても、空気中での超音波の減衰によって角膜からの反射波が小さくなってしまい、精度良く眼圧を測定することが困難であった。

本発明は、上記従来技術を鑑み、被検者眼に対する作動距離を確保しつつ、精度良く眼圧を測定できる非接触式超音波眼圧計を提供することを技術課題とする。

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

（１）
被検者眼に対して超音波を送受波する探触子と、
前記探触子からの出力信号を処理して被検者眼の眼圧を求める演算部と、
を有する非接触式超音波眼圧計において、
眼圧測定時における被検者眼と前記眼圧計との適正作動距離は、少なくとも１０ｍｍより長い距離に設定されており、
前記探触子として、広帯域の周波数成分を有する超音波を送受波する広帯域空気結合超音波探触子を用いたことを特徴とする。
（２）（１）の非接触式超音波眼圧計において、
被検者眼に対する前記探触子の作動距離方向におけるアライメント状態を検出するアライメント検出手段と、
前記アライメント検出手段の検出結果に基づいて、少なくとも１０ｍｍより長い距離に設定された前記適正作動距離に前記探触子を移動させるために表示モニタを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。
（３）（１）〜（２）のいずれかの非接触式超音波眼圧計において、
前記探触子は、前記超音波が収束されるように、その出射面形状が凹面形状になっており、
前記凹面の曲率半径は、少なくとも１０ｍｍより長い距離に設定された前記適正作動距離と同じであることを特徴とする。

本発明によれば、被検者眼に対する作動距離を確保しつつ、精度良く眼圧を測定できる。

本発明者らは、非接触式超音波眼圧計の実用化に向けて、角膜からの反射波を高い感度で検出できると共に、少なくとも１０ｍｍより長く被検者眼と装置との作動距離を確保できる探触子を探していた。その目的は、測定精度の向上と被検者眼の安全性の確保とが主である。

まず、本発明者らは、超音波探触子としてよく知られているセラミック圧電探触子（圧電素子型探触子）の使用を試みたが、どのようなセラミック圧電探触子であっても、空気中における超音波の減衰が避けられず、角膜反射波の検出感度がどうしても低くなってしまう。また、被検者眼と装置との距離が長くなるほど、空気中を伝播する超音波の減衰が大きくなるという関係上、１０ｍｍより長い作動距離を確保した状態で高い測定精度を得ることは、実用上困難であった。

その後、本発明者らは、角膜反射波の高感度検出と作動距離の確保という要件を満たす探触子を模索しているとき、「空中超音波による非接触検出」（江渡洋二著、月刊検査技術２００１年１２月号，ｐ．６２−ｐ．６４）という論文を発見した。本論文には、振動面の前後を空気にした構造を持つ探触子としてMicroacoustic社のBAT^TM（Broadband Air Transducer）が記載されており、BAT^TM探触子は、空気伝播の効率が非常に良く、広帯域信号を送受可能であると示されていた。

そこで、本発明者は、BAT^TM探触子によって送受波される超音波の空気中での伝播効率が非常に良いことに着目し、非接触式超音波眼圧計の探触子としてBAT^TM探触子を用いることによって、被検者眼と装置との間における超音波の伝播効率を格段に高め、被検者眼と装置との作動距離が１０ｍｍより長くても角膜反射波を高感度で検出できるのではないかと考えた。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る非接触式超音波眼圧計の測定系及び光学系及び制御系について説明する図である。なお、以下の測定系及び光学系は図示無き筐体に内蔵されている。筐体は、装置に設けられた周知のアライメント移動機構の駆動により、操作部材（例えば、ジョイスティック）を介して被検者眼に対して３次元的に移動される。

被検者眼Ｅの眼前に配置される探触子（トランスデューサ）１０は、被検者眼Ｅに入射させる超音波（入射波）を発する振動子１１と、被検者眼Ｅで反射された超音波（反射波）を検出する振動検出センサ１３と、を有し、被検者眼Ｅの眼圧を非接触にて測定するために用いられる。なお、本実施形態の探触子１０は、制御部７０の制御により振動子１１の動作と振動検出センサ１３の動作とを兼用する構成となっている。なお、これに限るものではなく、振動子１１と振動検出センサ１３は、別構成であってもよい
また、本実施形態では、被検者眼Ｅに入射させる超音波として、パルス波が用いられ、振動子１１は、超音波パルスを被検者眼Ｅに入射させる超音波発信部として用いられ、振動検出センサ１３は被検者眼Ｅに入射された超音波パルスによる反射波を受信する超音波受信部として用いられる。

図２は本実施形態に係る探触子１０の要部について説明する図である。探触子１０は、広帯域の周波数成分を有する超音波を送受波する広帯域空気結合超音波探触子（Broadband Air-coupled Transducer）であり、マイクロアコースティック（Microacoustic）社のBAT^TM探触子が用いられる。なお、BAT^TM探触子は、コンデンサ型（静電容量型）センサーである。

より具体的には、探触子１０は、それぞれがエアポケットとなる複数の微細な孔１１１ａが形成された基板（バックプレート）１１１と、基板１１１の下部（基板１１１の粗面化されていない面側）に配置された第１の電極１１３と、基板１１１の上部（基板１１１の粗面化された面側）に配置される第２の電極１１７と、第２電極１１７と基板１１１との間に配置された絶縁膜（又は誘電膜）１１５（以下、絶縁膜１１５に省略する）と、を有する。

なお、基板１１１に関して、片方（上方）の面が粗面化され、小さなエアポケットが形成されるようになっていればよい。また、絶縁膜１１５としては、ポリエチレン、ポリイミドなどの絶縁性ポリマー材料、もしくは、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、マイカなどの絶縁性非ポリマー材料を用いることが考えられる。

なお、基板１１１、絶縁膜１１５、及び第２の電極１１７は、凹状に湾曲した形状となっており、被検者眼に照射される超音波ビームが収束されるような構成となっている。また、探触子１０の略中心には、固視光源３２（後述する）からの光束又はアライメント光源４２からの光束の少なくともいずれかを通過させるための開口部１５（例えば、直径１、５ｍｍ程度の円孔）が形成されている（図１参照）。

ここで、第１の電極１１３と第２の電極１１７との間に電圧が印加されると、絶縁膜１１５が振動され超音波が発生する。また、絶縁膜１１５が振動されると、絶縁膜１１５と基板１１１との間の空気層が振動され、複数の微細な孔１１１ａがそれぞれエアポケットとして機能する。そして、エアポケット内の空気と、絶縁膜１１５及び第２の電極１１７が共振状態となることにより空気中における伝搬効率の高い超音波が被検者眼に向けて照射される。この場合、例えば、約２００ｋＨｚ〜１ＭＨzまでの周波数帯域を持つ広帯域の超音波が発せられる。なお、図２に示した広帯域空気結合超音波探触子の詳細については、米国特許５２８７３３１号公報、特表２００５−５０６７８３号公報等を参照されたい。

図１に戻る。探触子１０は、増幅器８１、周波数成分分析部８２、周波数位相差特定部８３、及び制御部７０と順次接続されている。そして、被検者眼に対して入射される入射波（振動子１１から出射される出射波）と，被検者眼から反射される反射波に対応する電気信号は、増幅器８１によって適切な信号レベルに増幅され、周波数成分分析部８２によって、入射波及び反射波の周波数成分分析が行われ、入射波及び反射波のそれぞれについて周波数に対する位相差のスペクトル分布が求められる。

次に、周波数位相差特定部８３によって、入射波のスペクトル分布と反射波のスペクトル分布とが比較され、それぞれの周波数ｆｘにおける、その入射波の位相と反射波の位相との差である位相差θｘが求められて特定される。ここで、周波数ｆｘにおける位相差θｘは被検者眼Ｅの眼圧（厳密には、眼内圧の変化による角膜の硬さの変化）に応じて変化するため、制御部８０は、周波数位相差特定部８３の出力信号に基づいて位相差θｘを検出し、その検出結果に基づいて被検者眼Ｅの眼圧値を得る。なお、前述した超音波パルス法による硬さ検出手法については、特開２００２−２７２７４３号公報を参照されたい。

次に、光学系の構成について説明する。本光学系においては、被検者眼の前眼部を観察するための観察光学系２０と、被検者眼を固視させるための固視標投影光学系３０と、ＸＹアライメント用の指標を被検者眼角膜に投影する第１指標投影光学系４０と、作動距離方向におけるアライメント検出用の指標を被検者眼角膜に投影する指標投影光学系５０と、被検者眼角膜に投影された作動距離方向におけるアライメント検出用の指標を検出する距離指標検出光学系５５が設けられている。

観察光学系２０は、その観察光路中に探触子１０が配置され、探触子１０の周辺領域を介して前眼部像を結像させる。より具体的には、観察光学系２０は、対物レンズ２２、結像レンズ２４、フィルタ２５、二次元撮像素子２６、とを有し、観察光軸Ｌ１上に探触子１０が配置されている。このため、被検者眼の所定部位（例えば、角膜中心、瞳孔中心）に対して観察光軸Ｌ１がアライメントされると、被検者眼の正面に探触子１０が配置される。

被検者眼の斜め前方には、被検者眼を赤外光により照明する前眼部照明光源３８が配置されている。フィルタ２５は、光源３８及び後述する光源４２の光を透過し、後述する作動距離検出用の光源５１の光に対して不透過の特性を持つ。

ここで、前眼部照明光源３８による前眼部反射光は、対物レンズ２２に向かう。この場合、探触子１０の周辺領域に到達した前眼部反射光は、対物レンズ２２を通過し、ビームスプリッタ３６及びビームスプリッタ４６を介して、結像レンズ２４によって二次元撮像素子２６上に結像される。

上記構成において、二次元撮像素子２６は前眼部観察用の撮像素子として用いられる。そして、二次元撮像素子２６から出力される撮像信号は、制御部７０へ入力され、表示モニタ７２の画面上に表示される。また、対物レンズ２２及び結像レンズ２４からなる結像光学系は、被検者眼前眼部像を二次元撮像素子２６に導光する導光部材として用いられる。なお、本実施形態では、複数のレンズからなるレンズ系によって被検者眼前眼部像を二次元撮像素子２６上に導光させる構成としたが、一つの対物レンズによって被検者眼前眼部像を二次元撮像素子２６上に導光させるような構成であってもよい。

固視標投影光学系３０は、少なくとも固視標投影用の固視光源を有し，被検者眼を固視させるための固視標を被検者眼に向けて投影する。より具体的には、固視標投影光学系３０は、可視光を発する固視用の光源３２、固視標３３、開口絞り３４、投影レンズ３５、ビームスプリッタ４６、ビームスプリッタ３６、とを有し、探触子１０に形成された開口部１５を介して被検者眼に固視標を投影する。固視標投影光学系３０の投影光軸Ｌ２は、観察光学系２０の光路中に配置されたビームスプリッタ４６にて観察光軸Ｌ１と同軸とされる。

ここで、光源３２から出射された固視標投影用の光束によって照明された固視標３３からの光は、開口絞り３４によって光束径が絞られた後、投影レンズ３５を通過し、ビームスプリッタ４６によって反射された後、ビームスプリッタ３６、開口部１５を介して、被検者眼に向かい、被検者眼眼底に投影される。これにより、被検者眼の固視がなされる。

第１指標投影光学系４０は、少なくともアライメント指標投影用のアライメント光源を有し，被検者眼前眼部に向けてアライメント指標を正面方向から投影する。より具体的には、第１指標投影光学系４０は、赤外光を発するアライメント用の光源４２、投影レンズ４４、ビームスプリッタ３６、とを有し、探触子１０に形成された開口部１５を介して被検者眼角膜上にＸＹアライメント指標を投影する。また、アライメント指標投影光学系４０の投影光軸Ｌ３は、観察光学系２０の光路中に配置されたビームスプリッタ３６にて観察光軸Ｌ１と同軸とされる。

ここで、光源４２から出射されたアライメント用光束は、投影レンズ４４を通過した後、ビームスプリッタ３６によって反射された後、開口部１５を介して被検者眼角膜に照射される。そして、角膜Ｅｃで鏡面反射したアライメント光束によって、光源４２の虚像である指標ｉ１（アライメント指標像）が形成される。

そして、指標ｉ１からの光束は対物レンズ２２へと向かう。この場合、探触子１０の周辺領域に到達したアライメント用の反射光は、対物レンズ２２を通過し、ビームスプリッタ３６及びビームスプリッタ４６を介して、結像レンズ２４によって二次元撮像素子２６上に結像される。すなわち、アライメント光源４２による角膜反射像ｉ１と前眼部照明光源３８による被検者眼前眼部像は、探触子１０の周辺領域を介して二次元撮像素子２６上に結像される。これにより、二次元撮像素子２６上には、前眼部像と角膜輝点像（アライメント指標像）が受光される。

作動距離指標投影光学系５０は、Ｚ方向（前後方向）のアライメント検出用の赤外光源５１、投影レンズ５２、を有し、作動距離（Ｚ）方向におけるアライメント検出用の指標を被検者眼角膜上に投影する。なお、投影光学系５０の投影光軸Ｌ４は、観察光軸Ｌ１と所定の角度で交わる。ここで、光源５１による光は、投影レンズ５２により略平行光束とされた後、投影光軸Ｌ４に沿って被検者眼角膜に斜め方向から投影され、角膜Ｅｃで鏡面反射した光束は光源５１の虚像である指標ｉ２を形成する。

作動距離指標検出光学系５５は、受光レンズ５６、フィルタ５７、位置検出素子５８（例えば、ラインＣＣＤ）、を有し、距離指標投影光学系５０によって形成されたアライメント指標像を検出する。フィルタ５７は、光源５１の光を透過し、光源３８及び光源４２の光に対して不透過の特性を持つ。なお、作動距離指標検出光学系５５の投影光軸Ｌ５と作動距離指標投影光学系５０の投影光軸Ｌ４は観察光軸Ｌ１に対して対称な軸を持ち、光軸Ｌ５は光軸Ｌ４と光軸Ｌ１上で交差する。

ここで、指標ｉ２からの光束は、受光レンズ５６によってフィルタ５７を介して位置検出素子５８上に結像される。被検者眼Ｅ（角膜Ｅｃ）がＺ方向に移動すると、位置検出素子５８上を指標ｉ２が移動するため、位置検出素子５８からの検出信号に基づき被検者眼Ｅに対する探触子１０のＺ方向におけるアライメント状態を検出できる。

次に、制御系の構成について説明する。制御部７０は、周波数位相差特定部８３、光源３２、光源４２、光源５１、二次元撮像素子２６、位置検出素子５８、光源３８、表示モニタ７２、記憶部としてのメモリ７５、等と接続され、装置全体の制御、測定値の演算処理等を行う。

なお、メモリ７５には、周波数ｆｘにおける位相差θｘと被検者眼の眼圧値との相関関係を示すテーブルが記憶されており、制御部７０は、周波数位相差特定部８３から出力される位相差θｘに対応する被検者眼の眼圧値をメモリ７５により取得し、得られた眼圧値を表示モニタ７２に表示する。

なお、位相差θｘと被検者眼の眼圧値との相関関係は、例えば、ゴールドマン眼圧計によって得られる被検者眼の眼圧値と、本装置によって取得される位相差θｘとの相関関係を予め実験により求めておくことにより設定可能である。また、メモリ７５には、探触子１０を用いて被検者眼の眼圧を測定するためのプログラムの他、装置全体の制御を行うための制御プログラムなどが記憶されている。

以上のような構成を備える装置の動作について説明する。まず、検者は、表示モニタ７２を見ながら、図示無きジョイスティックを用いて前述の測定系及び光学系等が内臓された図示無き筐体を移動させて被検者眼に対するアライメントを行う。また、検者は、被検者が固視標を見るように指示する。このとき、制御部７０は、図３に示すように、二次元撮像素子２６によって取得される前眼部画像と、被検者眼に対するアライメントを行うために利用されるレチクルＬＴ及びインジケータＧをモニタ７２上に合成して表示する。この場合、制御部７０は、位置検出素子５８からの検出信号から得られるＺ方向のアライメント情報に基づいて、インジケータＧを表示制御する。

検者は、モニタ７２に表示される指標ｉ１像がレチクルＬＴ内に入ると共に、インジケータＧがアライメント完了を示す（図３（ｂ）参照）ように、ジョイスティックを操作する。このようにして各方向のアライメントが完了し、検者によって図示無き測定開始スイッチが押されると、制御部７０は、測定開始のトリガ信号を発し、探触子１０を用いて眼圧測定を開始する。

上記のようにして測定開始のトリガ信号が発せられる（入力される）と、制御部７０は、そのトリガ信号に基づいて、探触子１０を用いて、超音波パルスを被検者眼に向けて出射させると共に、被検者眼に入射された超音波パルスによる反射波を検出する。そして、制御部７０は、前述のように、周波数位相差特定部８３からの出力信号に基づいて被検者眼の眼圧値を算出し、測定結果をモニタ７２に表示する。

以上示したように、探触子１０として広帯域空気結合超音波探触子を用いることにより、空気中における超音波の伝搬効率を格段に高めることができるため、被検者眼に対する作動距離を長くしても被検者眼角膜からの反射波を高い感度で検出できる。

この場合、眼圧測定時における被検者眼と眼圧計との適正作動距離を少なくとも１０ｍｍより長く設定することが可能となる。なお、被検者眼Ｅと眼圧計との適正作動距離を１０ｍｍより長くしたのは、被検者眼Ｅが瞬きをするときに、装置の一部と睫とが接触するのを回避するためである。

また、上記のように探触子１０の出射面形状を凹面形状にして超音波ビームを収束させる場合、適正作動距離における超音波ビームの照射エリアが被検者眼の開瞼エリアに収まるように、凹面形状を設定するのが好ましい（例えば、探触子１０の出射面における凹面の曲率半径を被検者眼と眼圧計との適正作動距離と同じにする）。これにより、超音波の照射エリアを角膜のみに制限することができるため、被検者眼の瞼等から反射された超音波がノイズとなって測定精度が低下するのを回避できる。

なお、上記構成においては、探触子１０の出射面形状を凹面形状したが、平面形状であってもよい。この場合、被検者眼に照射される超音波が被検者眼角膜のみに照射されるように、探触子１０の出射面を設定することが好ましい。例えば、被検者眼の開瞼エリアよりも探触子１０の出射径を小さくするようなことが考えられる。

また、探触子１０の出射面の表面形状が平面形状の場合においても、超音波を収束させる構成とすることは可能である。この場合、第２の電極１１７の一部がリング状に除去され、第２の電極１１７による同心円状の多重リングパターンが出射面に形成されるような構成（いわゆる音響的フレネルゾーンプレート）が考えられる。この場合、リング状に形成された各電極１１７から発せられる超音波同士が干渉されることにより超音波が収束される。

また、本実施形態の探触子１０によれば、従来のセラミック圧電探触子と比較して探触子１０から発せられる球面波の影響を軽減できるため、被検者眼に照射される超音波が被検者眼の角膜以外に照射されるのを容易に回避できる。

また、上記のように探触子１０の中心部に開口部１５を設けることにより、被検者眼の眼前に探触子１０が配置された場合であっても、被検者眼の固視及び被検者眼角膜へのアライメント光束の投影が可能となる。この場合、上記のような広帯域空気結合超音波探触子を用いることによって、基板１１１に形成された孔１１１ａ毎にエアポケットが形成され、各エアポケットにて空気の共振現象が発生するため、探触子１０の中心部に開口部１５を設けた場合であっても、安定した超音波を発することが可能となる。これに対し、従来のセラミック圧電探触子の場合、開口部を設けることで、探触子が発する周波数特性が変化してしまい、探触子から発せられる超音波の周波数特性が不安定となる可能性があった。

なお、以上の説明において、被検者眼に入射される入射波と被検者眼から反射される反射波との位相差により被検者眼の眼圧を求めるものとしたが、これに限るものではなく、反射波の音響強度を検出して被検者眼の眼圧を求めるようにしてもよい。この場合、眼圧が高いほど、角膜と空気との音響インピーダンスの差が大きいため、音響強度が強く検出され、眼圧が低いほど、角膜と空気との音響インピーダンスの差が小さいため、音響強度が弱く検出される。

例えば、探触子１０から出力される反射波の音響強度に基づいて角膜の音響インピーダンスを算出し、算出された音響インピーダンスから被検者眼の眼圧を算出するようなことが考えられる。この場合、音響インピーダンス（もしくは音響強度）と被検者眼の眼圧との関係を予め求めておけばよい。

なお、以上の説明においては、被検眼の眼前に超音波を送受波する探触子１０を配置する構成としたが、図４に示すように、被検者眼Ｅに入射させる超音波を発する振動子（空気結合超音波送信探触子）１１と、被検者眼Ｅで反射された超音波を検出する振動検出センサ（空気結合超音波受信探触子）１３を、観察光軸Ｌ１に対して対称な位置に設けるような構成であってもよい。

本実施形態に係る非接触式超音波眼圧計の測定系及び光学系及び制御系について説明する図である。本実施形態に係る探触子の要部について説明する図である。モニタに表示される前眼部観察画面の一例を示す図である。振動子と振動検出センサを観察光軸に対して対称な位置に設けた場合の図である。

符号の説明

１０探触子
２０前眼部観察光学系
３０固視標投影光学系
３２光源
４０第１指標投影光学系
４２光源
１１１基板
１１３第１の電極
１１５絶縁膜（又は誘電膜）
１１７第２の電極

Claims

被検者眼に対して超音波を送受波する探触子と、
前記探触子からの出力信号を処理して被検者眼の眼圧を求める演算部と、
を有する非接触式超音波眼圧計において、
眼圧測定時における被検者眼と前記眼圧計との適正作動距離は、少なくとも１０ｍｍより長い距離に設定されており、
前記探触子として、広帯域の周波数成分を有する超音波を送受波する広帯域空気結合超音波探触子を用いたことを特徴とする非接触式超音波眼圧計。
請求項１の非接触式超音波眼圧計において、
被検者眼に対する前記探触子の作動距離方向におけるアライメント状態を検出するアライメント検出手段と、
前記アライメント検出手段の検出結果に基づいて、少なくとも１０ｍｍより長い距離に設定された前記適正作動距離に前記探触子を移動させるために表示モニタを制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする非接触式超音波眼圧計。
請求項１〜２のいずれかの非接触式超音波眼圧計において、
前記探触子は、前記超音波が収束されるように、その出射面形状が凹面形状になっており、
前記凹面の曲率半径は、少なくとも１０ｍｍより長い距離に設定された前記適正作動距離と同じであることを特徴とする非接触式超音波眼圧計。