JP7048140B1 - 非接触式の眼球物性測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ここでは下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
(1) 計測方法の基本的な構成
(2)眼表面に発生させる表面波
(3)表面波を発生するための励振手段の構成
(4)表面波を検出するための検出手段の構成
(5)励振手段と検出手段の配置形態
(6)取得データの処理
(7)角膜前面曲率測定機能の実施形態例
(8)光切断法による角膜曲率及び角膜厚み測定の実施形態例
本発明は被検眼の眼球表面波を利用して、その位相速度を求めることにより被検眼眼圧や被検眼組織の材料特性を求めるため、励振点と検出点の位置がそれぞれ一か所である場合に、検出点は励振点と異なる位置を測定しなければ表面波の伝搬は測定できない。ただし励振点あるいは検出点を複数とする場合はその限りではない。
生体組織などの表面に発生する表面波は弾性波として、ずり弾性や粘性が伝搬過程における復元力として作用するレイリー波やレイリー-ラム波と、表面張力が復元力として作用する表面張力波、さらにずり弾性や粘性と表面張力が混在した復元力として作用する漏洩表面張力波などがある。例えば角膜表面に発生させたレイリー-ラム波の場合は非対称モードの0次が観測できる。0次の位相速度は比較的遅く1~5m/sec程度で周波数分散があるので、周波数により位相速度が異なる。周波数が200Hzから5KHz程度までが検出可能で、この周波数レンジから外れると減衰が大きくなり検出は難しくなる。この測定可能周波数は眼組織のヤング率や組織層の厚みにより変わってくるため、複数の周波数で測定することが必要である。
表面波の励振手段としては超音波による励振手段と光学的エネルギーによる励振手段が考えられる。
空中超音波の場合は周波数が20KHzから1MHz程度まで可能であるが、励振用として有効なパワーを得るためには20KHzから100KHz程度までが適切である。100KHz以上の空中超音波用トランスデューサーでは放射音圧が低いだけでなく、空中の伝搬による減衰も大きくなる。超音波が空中を伝搬する場合の減衰係数は超音波の周波数をfとすると1×10ー11×f2(mー1)であり周波数の2乗に比例し、100KHzで減衰係数は0.1(mー1)となり、指数関数的に減衰は大きくなる。
表面波検出用の検出手段としては超音波反射法、光学三角法、光学複数波長同軸共焦点方式、光ヘテロダイン方式などがある。
励振手段の照射軸は励振点の角膜曲面に対する法線に一致しているとき効率よく励振できる。また検出手段の検出軸も同様に角膜曲面に対する法線と一致しているときに検出感度が高い。図14は励振部102と検出部103の配置構成を示しており、励振部102より照射される励振エネルギーの照射軸と検出部103による検出軸の交点が角膜曲率中心と略一致するようにアライメントされている。この照射軸と検出軸の交点が角膜曲率中心に一致するとき照射軸と検出軸も励振点及び検出点上の法線に一致する。測定時のアライメントする際には励振部102と検出部103をこの配置となるようにコントロールされる。
本実施の形態に係る眼球物性測定装置1の検出部103により取得したデータは検出部103からそれぞれ位相、周波数、振幅などのパラメータとして表面波処理部208に出力される。表面波処理部208はこれらのデータより表面波の検出点における位相や遅延時間を計算する。次に、眼球物性計算部209は、位相や遅延時間は検出点が一か所の場合は励振部102の励振信号を基準として位相の変化を求める。検出点が複数ある場合はそれぞれの検出点より得られる振動波形より位相差を求める。この位相差と周波数及び励振点から検出点までの距離より位相速度を算出する。
ここで、μ:ずり弾性率、E:ヤング率、ν:ポアソン比
ここで、Cr:レイリー波の位相速度、μ:ずり弾性率、ρ:密度、ν:ポアソン比
ここで、Cp:レイリーラム波の位相速度、ρ:角膜の密度、ρF:水の密度 d:角膜厚×1/2、k:表面波の波数、ω:表面波の角周波数、μ:ずり弾性率、η:粘性率、cF:水の音速
ここで、cc:表面張力波の位相速度、γ:表面張力、ρ:密度、ω:表面波の角周波数
ここで、Clc:漏洩表面張力波の位相速度、γ:表面張力、ρ:密度、μ:ずり弾性率
ここで、Pi:内圧(眼内圧)、Po:外圧(大気圧)γ:表面張力、R:表面曲率(角膜曲率)
実際の装置構成においては表面波測定によるデータと臨床データとの相関関係による補正式をアレンジして装置の演算部に組み込むことが必要となる。更に臨床データの蓄積により人工知能(AI)、機械学習などによる手法を用いて計算式を用いずに眼圧や眼組織の材料力学特性を算出することも可能である。
表面波の位相速度から算出された表面張力より被検眼眼圧を計算する際に、被検眼角膜の曲率が必要となる。眼圧測定に際してはあらかじめ一体化された又は別体の測定装置において被検眼角膜曲率値を測定して、その測定値を入力することで被検眼眼圧値の計算は可能である。しかし角膜曲率の測定断面が励振点と検出点を含んだ角膜断面に沿って測定することで精度の向上が図られるため、眼球物性測定装置1に角膜曲率の測定機能が付帯して表面波の測定と同時に角膜曲率も測定することが望ましい。この際の測定方法としては以下の図15、図16に示す方法を適用できる。
撮像光軸と同軸の測定光源1502及び撮像光軸周囲のコリメート光源1507a~1507dは点状視標を角膜表面に投影するための光源である。光源1502より発した光はリレーレンズ1503を介してハーフミラー1504で反射されダイクロイックミラー1505、対物レンズ1506を介して被検眼1501の被検眼角膜1501aに投影される。また光軸周囲の同心円上に配置されたコリメート測定光源1507a~1507dより発せられた並行光束の光が被検眼角膜1501aに投影される。被検眼角膜1501aより反射された各光源の反射像は対物レンズ1506、ダイクロイックミラー1505、ハーフミラー1504、リレーレンズ1515、ダイクロイックミラー1520、絞り1516ダイクロイックミラー1513を介して二次元撮像素子1514に点状視標として結像される。
特許文献8、特許文献9などにより従来のエアパフ型眼圧計において測定された被検眼眼圧値を被検眼の角膜の厚みにより補正する手段が知られている。被検眼角膜表面に発生させた表面波の位相速度から算出された表面張力より被検眼眼圧を計算する際にも、より精度よく眼圧値を算出するには角膜厚みの影響も考慮して補正することが望ましい。ここでも、あらかじめ一体化された又は別体の測定装置において被検眼角膜厚みを測定して、その測定値を入力することで被検眼眼圧値の補正計算は可能である。しかし角膜厚の測定断面が励振点と検出点を含んだ角膜断面に沿って測定することで精度の向上が図られるため、眼球物性測定装置1に角膜曲率の測定機能が付帯して表面波の測定と同時に角膜厚及び角膜曲率も測定することが望ましい。この際の測定方法としては以下の図17、図18に示す方法を適用できる。
図18は左眼を測定する場合を示しており、被検眼1801、被検者鼻1802に対して励振ユニット1803、検出ユニット1804が配置されており、被検眼角膜表面に表面波を励振せしめ、検出ユニットにて検出するとともに断面撮影光学系1805により被検眼の断面を撮影し角膜の厚み及び曲率を測定する。投影スリット光のスリット面1806は図のように形成され、励振ユニット1808の励振軸及び検出ユニット1804の検出軸とスリット面1806は同一平面となっている。
この配置により励振点から検出までに沿った位置での被検眼角膜厚み及び被検眼角膜曲率の測定が可能となる。
101 眼球表面
102 励振部(励振手段)
103 検出部(検出手段)
104 励振点
105 検出点
106 表面波
107 照射軸
108 検出軸
201 励振ユニット
201a 変調部(変調手段)
202 検出ユニット
208 表面波処理部(表面波処理手段)
209 眼球物性計算部(眼球物性計算手段)
210 送信制御部
211 制御ユニット
Claims (12)
- 非接触式の眼球物性測定装置であって、
被検眼である眼球表面に表面波を発生するために、照射波を用いて眼球上の少なくとも一以上の励振点を励振する励振手段と、
前記励振手段において発生させた表面波を、前記励振点とは異なる眼球上の少なくとも一以上の検出点で検出する検出手段と、
前記検出手段より検出した表面波を解析する表面波処理手段と、
前記表面波処理手段における解析結果に基づいて、眼球の物性を計算する眼球物性計算手段と、を備え、
前記励振手段が発する照射波は、その基本周波数が20KHz以上、200KHz以下となる空中超音波の連続波、又はこの空中超音波の10波以上のバースト波である、ことを特徴とする眼球物性測定装置。 - 非接触式の眼球物性測定装置であって、
被検眼である眼球表面に表面波を発生するために、照射波を用いて眼球上の少なくとも一以上の励振点を励振する励振手段と、
前記励振手段において発生させた表面波を、前記励振点とは異なる眼球上の少なくとも一以上の検出点で検出する検出手段と、
前記検出手段より検出した表面波を解析する表面波処理手段と、
前記表面波処理手段における解析結果に基づいて、眼球の物性を計算する眼球物性計算手段と、を備え、
前記励振手段が発する照射波は、その基本周波数が50KHz以上、50MHz以下となるコヒーレント光又は非コヒーレント光の光源による連続パルス光であり、
さらに、パルス光を、その基本周波数より低くなる200Hz以上、100KHz以下の変調周波数によりにより振幅変調する変調手段を備え、
前記励振手段は、前記連続パルス光を前記変調手段によってその基本周波数より低い周波数で振幅変調した振幅変調連続パルス光を連続的に照射、又はこの振幅変調連続パルス光の10周期以上のバースト波を照射する、ことを特徴とする眼球物性測定装置。 - 前記表面波処理手段は、表面波の位相変化及び遅延時間の少なくとも一方を特定し、
前記眼球物性計算手段は、当該表面波の位相変化及び遅延時間の少なくとも一方に基づいて当該表面波の位相速度及び群速度の少なくとも一方を特定し、且つ当該表面波の位相速度及び群速度の少なくとも一方に基づいて眼球の物性を計算する、ことを特徴とする請求項1又は2記載の眼球物性測定装置。 - さらに、前記空中超音波を、その基本周波数より低くなる200Hz以上、100KHz以下の変調周波数により振幅変調する変調手段を備える、ことを特徴とする請求項1記載の眼球物性測定装置。
- 前記励振手段は、表面波として、前記変調手段で振幅変調した場合の周波数が20KHz以上、50KHz以下となる表面張力波又は漏洩表面張力波を発生させ、
前記眼球物性計算手段は、当該表面張力波又は漏洩表面張力波の位相速度と一体化された又は別体の測定装置において測定された被検眼角膜の曲率と下記(数1)又は(数2)とに基づいて前記物性である表面張力を求め、次に、下記(数3)に基づいて眼球の眼内圧を演算する、ことを特徴とする請求項2又は4記載の眼球物性測定装置。
- 前記励振手段は、表面波として、前記変調手段で振幅変調した場合の周波数が200Hz以上、5KHz以下となるレイリー波又はレイリー-ラム波を発生させ、
前記眼球物性計算手段は、当該レイリー波又はレイリー-ラム波の位相速度と下記(数4)乃至(数6)とに基づいて前記物性であるずり弾性率、ヤング率又は粘性率を演算する、ことを特徴とする請求項2又は4記載の眼球物性測定装置。
- 前記検出手段は、超音波反射法、光学的三角法、光学的複数波長同軸光線の共焦点方式、光ヘテロダイン方式によるフーリエドメイン光干渉計の位相検出、又はレーザードップラー干渉計による振動検出を用いて表面波を検出する、ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の眼球物性測定装置。
- 前記励振手段の照射軸及び前記検出手段の検出軸の交点が角膜の曲率中心と一致するように前記励振手段及び前記検出手段を配置する、ことを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の眼球物性測定装置。
- さらに、前記励振手段における励振点から前記検出手段における検出点に沿った角膜前面曲率を測定する角膜曲率測定機能を備える、ことを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の眼球物性測定装置。
- さらに、光切断法によって前記励振手段における励振点から前記検出手段における検出点に沿った角膜曲率及び角膜厚みを測定する測定機能を備える、ことを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の眼球物性測定装置。
- 非接触式の眼球物性測定方法であって、
被検眼である眼球表面に表面波を発生するために、照射波を用いて眼球上の少なくとも一以上の励振点を励振する励振ステップと、
前記励振ステップにおいて発生させた表面波を、前記励振点とは異なる眼球上の少なくとも一以上の検出点で検出する検出ステップと、
前記検出ステップより検出した表面波を解析する表面波処理ステップと、
前記表面波処理ステップにおける解析結果に基づいて、眼球の物性を計算する眼球物性計算ステップと、を含み、
前記励振ステップにおいて発する照射波は、その基本周波数が20KHz以上、200KHz以下となる空中超音波の連続波、又はこの空中超音波の10波以上のバースト波である、ことを特徴とする眼球物性測定方法。 - 非接触式の眼球物性測定方法であって、
被検眼である眼球表面に表面波を発生するために、照射波を用いて眼球上の少なくとも一以上の励振点を励振する励振ステップと、
前記励振ステップにおいて発生させた表面波を、前記励振点とは異なる眼球上の少なくとも一以上の検出点で検出する検出ステップと、
前記検出ステップより検出した表面波を解析する表面波処理ステップと、
前記表面波処理ステップにおける解析結果に基づいて、眼球の物性を計算する眼球物性計算ステップと、を含み、
前記励振ステップにおいて発する照射波は、その基本周波数が50KHz以上、50MHz以下となるコヒーレント光又は非コヒーレント光の光源による連続パルス光であり、
さらに、パルス光を、その基本周波数より低くなる200Hz以上、100KHz以下の変調周波数によりにより振幅変調する変調ステップを含み、
前記励振ステップにおいては、前記連続パルス光を前記変調ステップにおいてその基本周波数より低い周波数で振幅変調した振幅変調連続パルス光を連続的に照射、又はこの振幅変調連続パルス光の10周期以上のバースト波を照射する、ことを特徴とする眼球物性測定方法。
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