JP7214270B2 - 眼球内部組織の状態推定装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、眼球の内部組織の状態を推定する装置およびその方法に関する。

眼球の内部組織に向かって光を照射し、対象組織を撮像する方法が知られている。たとえば、異なる照明点から眼球組織に向かって照射ビームを照射し、網膜および虹彩のうちの少なくとも一方から後方散乱した光を瞳孔から集め、眼底の画像を取得する眼球組織の撮像システムが提案されている。このシステムによれば、眼底の画像を処理して位相コントラスト画像を取得し、この位相コントラスト画像から眼球組織の情報を抽出することができる（特許文献１参照）。

特表2019-518511号公報

しかしながら、上記のような眼球組織の撮像システムでは、位相コントラスト画像を取得するために、２つの異なる照明点から撮像された少なくとも２つの画像が必要である。さらに、眼球組織の情報を抽出するために、２つの画像の強度から位相コントラスト画像を計算し、この位相コントラスト画像を所定の関数のアルゴリズムを用いて再構成し、光の位相および吸収情報のみを含む画像を取得する必要がある。このように、眼球組織の情報を抽出するために、複数の眼底の画像に対して複数の処理を施すことが必要となるため、複雑である。

本発明の目的の一つは、眼球の内部組織の状態を簡便に、かつ、高い精度で推定することである。

なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用および効果であって、従来の技術では得られない作用および効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

一つの側面では、眼球内部組織の状態推定装置は、生体の眼球の外部である第一の位置に配置され、前記眼球の内部の視神経乳頭に向かって光を照射する第一光照射部と、前記眼球の内部で反射される光を撮像する撮像部と、を備えるとともに、前記撮像部で得られた第一撮像情報から前記視神経乳頭に関する影情報を取得し、前記影情報から影の長さを取得し、前記影の長さから前記視神経乳頭の陥凹部の深さを求め、前記求めた視神経乳頭の陥凹部の深さから前記視神経乳頭の状態を推定する処理部を備え、前記第一の位置は、前記第一光照射部が照射する光の光軸が前記眼球の光軸に対して所定の角度で傾斜する位置である。

他の側面では、第一光照射部と、撮像部と、処理部とを備える眼球内部組織の状態推定装置の作動方法は、眼球内部組織の状態推定装置が、前記第一光照射部で、生体の眼球の外部である第一の位置から前記眼球の内部の視神経乳頭に向かって光を照射するステップと、眼球内部組織の状態推定装置が、前記撮像部で、前記眼球の内部で反射される光を撮像するステップとを含む。さらに、眼球内部組織の状態推定装置が、前記処理部で、前記撮像された第一撮像情報から前記視神経乳頭に関する影情報を取得し、前記影情報から影の長さを取得し、前記影の長さから前記視神経乳頭の陥凹部の深さを求め、前記求めた視神経乳頭の陥凹部の深さから前記視神経乳頭の状態を推定するステップとを含み、前記光を照射するステップの前記第一の位置は、前記第一光照射部が照射する光の光軸が前記眼球の光軸に対して所定の角度で傾斜する位置である。

本発明によれば、眼球の内部組織の状態を簡便に、かつ、高い精度にて推定できる。

図１は、第一実施形態の眼球内部組織の状態推定装置の構成を示す図である。 図２は、図１の本体の内部構造を概略的に示す断面図である。 図３は、図２の光照射ユニットおよび撮像ユニットが用いる光学系を表す図である。 図４は、図１の制御装置の構成および各装置の機能を表すブロック図である。 図５は、第一実施形態で撮像された画像を示す図であり、図５Ａに影を抽出した印付けがされた画像の例を示す。図５Ｂに図５Ａの画像から影の大きさを取得する手法を示す。 図６は、第二実施形態における本体の内部構造を概略的に示す断面図である。 図７は、第二実施形態の光照射ユニットおよび撮像ユニットが用いる光学系を表す図である。 図８は、第二実施形態で撮像された画像を示す図である。 図９は、モデルアイを用いた検証結果を示す図である。図９Ａに影を抽出した印付けがされた画像の例を示し、図９Ｂに図９Ａの画像から影の大きさを取得する手法を示す。 図１０は、本状態推定装置および光干渉断層計（ＯＣＴ）による測定結果を比較した結果を示す。図１０Ａに眼底カメラを使用して撮像した除核豚眼の画像を示し、図１０Ｂに図１０Ａの画像の強度正規化画像を示す。さらに、図１０Ｃに図１０Ｂの画像にＫ－平均法を用いたクラスタリングアルゴリズムを適用した画像を示し、図１０Ｄに図１０Ｃの画像に微分処理を行なった画像を示す。

以下、本発明の、眼球内部組織の状態推定装置およびその方法に関する実施形態について説明する。
眼圧の上昇などの影響で、視神経乳頭付近での形状の変化を伴う進行性の視神経萎縮が起こり、その進行過程で、視神経線維が損傷を受け、視野喪失を生じる緑内障という病気がある。緑内障の進行中に、視神経線維が消失するため、多くの場合、視野喪失が発生する以前に、図２に示す、視神経が収束する視神経乳頭４４の陷凹が深くなる。よって、視神経乳頭の３次元形状やその時間的変化を観察することで緑内障を発見することができる。
特に、緑内障は加齢に伴って発症しやすくなる。緑内障が発症すると、徐々に視神経が障害され視野が狭くなる。しかし、緑内障の症状は、初期段階では、患者によって自覚されにくい。このため、緑内障は、治療の開始が遅れやすい。
視神経乳頭の測定手法としては、光干渉断層計（ＯＣＴ）を用いた眼底3次元画像解析が知られているが、高価で、専門病院などにしか備えられていないのが現状で、日常的に人々が検査のために用いることはできない。上記のように、緑内障は、自覚されにくいもののため、自覚症状が現れ、専門病院に来院する頃には失明など手遅れになることがあり、多くの人々が日常的に緑内障の発症を簡便に検査することができる機器の開発は重要である。
本実施形態では、緑内障の発症を早期に簡便に検査するために、眼球の内部組織、特に、対象組織の一例として、視神経乳頭の状態を精度よく推定する手法を例として説明する。

本実施形態では、説明で用いる図面の方向を下記のように定義する。
水平方向を前後方向（図中には前方を「Ｆ」で示すとともに後方を「Ｂ」で示す）および左右方向（図中には左方を「Ｌ」で示すとともに右方を「Ｒ」で示す）に細別して説明する。左右方向については、後方から前方へ向いた状態を基準に左右を定める。また、鉛直方向のうち重力の作用方向を下方（図中には「Ｄ」で示す）とし、下方の反対方向を上方（図中には「Ｕ」で示す）とする。

［１．第一実施形態］
［１－１．眼球内部組織の状態推定装置の構成］
図１に示すように、本実施形態では、本体２と、制御装置３とを備える眼球内部組織の状態推定装置１を説明する。
ここでは、本体２および制御装置３は、無線で接続される例を示しているが、有線で接続されてもよい。
本体２は、撮像した画像を制御装置３に送信する。本例では、眼球の内部で反射された光を撮像した画像が送信される。本体２は、光照射ユニット１０と、撮像ユニット２０とを備える。光照射ユニット１０と、撮像ユニット２０とは一体の構造になっている。
本体２は、被検者が手で持ち運びできる程度の大きさであり、例えば、携帯機器のカメラに取り付けることで使用することも可能である。
制御装置３は、本体２から画像を受信し、画像から眼球の内部組織の状態を推定する。

［１－２．本体２の内部構造］
図２に示すように、光照射ユニット１０は、筐体１１を有する。
ここでは、筐体１１には、後方の面に孔１２が設けられている。眼球の測定は、左右それぞれ測定するため、ここでは、孔１２は１つ設けられているが、両方の眼球の測定を同時に行いたい場合は、左右方向に並んで２つ設けるようにしてもよい。孔１２は、生体の眼４の周辺をそれぞれ囲むことができる程度の大きさを有する。孔１２が被検者の眼４の位置に合うように、筐体１１の後面を被検者の顔面に接触させると、生体の眼４の周辺と筐体１１とで閉空間が形成される。
なお、孔１２と被検者の顔面に接触させる面との間には、孔１２の周囲にゴムなどの可撓性の部材を設けるのが好ましい。眼４の周辺の顔面を可撓性の部材が接触することで、外部からの迷光を減らし、また、可撓性部材の変形により、撮像ユニット２０の光軸を被検者の眼４に簡便に合せることができる。

筐体１１の内部には、照明が設けられている。照明は、赤外線ＬＥＤである。照明の波長は、可視光などでも良いが、被検者に眩しさを感じさせないため、および、皮膚などを通して照射する際の光の侵入長などから、赤外光が好ましい。本実施形態では、一般的に行われているような、照明光を、レンズを通して角膜から入射させるものではなく、直接、眼球４０の強膜や、眼球４０周囲の皮膚を通して照射するものである。このため、眼の検査で用いられるような瞳孔拡張のための散瞳薬が不要である。ここでは例えば、850nm波長のＬＥＤを使用している。照明は、筐体１１内部の上方の位置に設置されているため、この照明を「上方照明Ｌ_Ｕ」（第一光照射部）と称する。また、上方照明Ｌ_Ｕの設置位置を「上方位置Ｐ１」（第一の位置）と称する。上方位置Ｐ１については後述する。なお、ここでは上方位置Ｐ１で説明を行うが、照明の位置は光が強膜や、眼球周囲の皮膚を通して入射できる位置であれば上方位置Ｐ１に限定されず、下方位置や、右方位置、左方位置いずれの位置でも可能である。本実施形態では、主に、強膜や眼球４０周囲の皮膚を介した斜め/軸外照明を使用する。また、照明は固定されるものに限らず、例えば、筐体内で孔１２の外周周辺に、回転する部材に照明を設置して、照射位置が適切な位置になるように移動可能なものであってもよい。

撮像ユニット２０は、筒体２１を備える。筒体２１の内部には、第一レンズＲ１と、第二レンズＲ２と、カメラ２２と、撮像素子２３とが設けられている。
ここでは、第一レンズＲ１および第二レンズＲ２は、既存の眼科用対物レンズである。第一レンズＲ１は、筐体１１の前方の面と筒体２１の後方の面とが接続する境界に設けられている。第二レンズＲ２は、筒体２１の前後方向の中央領域に設けられている。第一レンズＲ１および第二レンズＲ２は、眼球４０の内部で反射された光を集光しカメラ２２へ中継するためのものである。

第二レンズＲ２の前方には、カメラ２２が設けられている。カメラ２２は、第二レンズＲ２からの光を取り込んで、撮像された画像を取得する。カメラ２２は、撮像素子２３を備える。撮像素子２３は、撮像対象を結像し、結像した光の明暗を電気信号に変換する。電気信号に変換された画像は、制御装置３に送信される。撮像ユニット２０は、撮像部の一例である。

［１－３．光学系］
図２および図３を参照して、光照射ユニット１０および撮像ユニット２０が用いる光学系を説明する。
はじめに、図２を参照して、眼４の構造を簡単に説明する。眼球４０は、複数の膜で保護されている。膜は、眼球の外側から強膜、脈絡膜、網膜４１の順番に並んでいる。瞳孔４２から眼球４０の中に入った光は、網膜４１の視細胞で感知され、網膜４１に張り巡らされた視神経４３を通って脳に伝達され、映像になる。網膜を覆っている視神経４３は、眼球の奥の方で１本の太い束に収束する。視神経４３が１本の束に収束する箇所は、視神経乳頭４４という。視神経乳頭４４は、陥凹していることが多い。言い換えると、視神経乳頭４４の形状はクレーター状とみなすことができる。

上方照明Ｌ_Ｕは、筐体１１の内部に、照明の光軸Ｏ_Ｌが、眼球４０の瞳孔４２を水平に通過する光軸（眼球の光軸）Ｏ_Ｅに対して、上方向に所定の傾斜角度θ１で傾斜するように設置されている。その所定の傾斜角度θ１は、上方照明Ｌ_Ｕからの光が、眼球４０の瞳孔４２以外の部位に入射して眼底４５を照射するように、例えば４５°に設定されている。言い換えると、上方照明Ｌ_Ｕが設置されている上方位置Ｐ１は、筐体１１の孔１２に対して上方に４５°傾斜する位置である。

図３に示すように、上方照明Ｌ_Ｕは、上方位置Ｐ１から眼球４０の内部に向かって光を照射する。ここでは、上方照明Ｌ_Ｕから照射された光は、直接、眼球４０の強膜、および／又は、眼球４０周辺の皮膚を通過して、網膜４１に達し、眼球４０の内部の視神経乳頭４４を含む眼底４５に照射される。眼球４０に入射した光は、眼球４０の内部で多少散乱するが、光の大部分は、眼底４５で反射され、瞳孔４２から眼球４０の外部に出射する。

撮像ユニット２０の第一レンズＲ１（収差補正レンズ）は、瞳孔４２から眼球４０の外部に出射された光を集光する。第二レンズＲ２（収差補正レンズ）は、第一レンズＲ１からの光を撮像素子２３に中継する。
眼底４５の撮像範囲は、画角θ２と焦点距離Ｆ_Ｌによって決定される。画角θ２は、撮像範囲の広さを角度で表したものである。図２に示すように、焦点距離Ｆ_Ｌとは、ここでは、眼底４５から反射した光が集まる焦点Ｆ_Ｐと第一レンズＲ１の中心との距離を言う。眼底４５を広い範囲で撮像するためには、焦点距離Ｆ_Ｌを短く設定する必要がある。本実施形態では、画角θ２が６０°になるように、焦点距離Ｆ_Ｌを定めている。
なお、第一レンズＲ１および第二レンズＲ２の光軸の中心軸は、筒体２１の中心軸と合致している。

図３に示すように、カメラ２２は、第二レンズＲ２から中継された光をレンズ（不図示）で集光する。集光された光は、撮像素子２３で受光され、結像される。本実施形態では、上方照明Ｌ_Ｕのみからの光を照射して眼底４５を撮像するため、撮像された画像は「単一照明画像Ｉ_Ｓ」（第一撮像情報）と称する。

［１－４．制御装置の構成］
図４を参照して、制御装置３の構成を説明する。
制御装置３は、処理装置３０と記憶装置３４とを備える。処理装置３０は、記憶装置３４に記憶されたプログラムを実行することにより、後述する機能を実現する。本例では、処理装置３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。なお、処理装置３０は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、又は、プログラム可能な論理回路装置（ＰＬＤ；Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）により構成されていてもよい。処理装置３０は処理部の一例である。

記憶装置３４は、情報を読み書き可能に記憶する。例えば、記憶装置３４は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ）、半導体メモリ、および、有機メモリの少なくとも１つを備える。なお、記憶装置３４は、フレキシブルディスク、光ディスク、光磁気ディスク、および、半導体メモリ等の記録媒体と、記録媒体から情報を読み取り可能な読取装置と、を備えていてもよい。
なお、制御装置３は、集積回路（例えば、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等）により実現されてよい。

［１－５．処理装置の機能］
図４に示すように、処理装置３０の機能は、影情報取得部３１と、パラメータ取得部３２と、状態推定部３３とを備える。

影情報取得部３１は、撮像ユニット２０から取得した単一照明画像Ｉ_Ｓから視神経乳頭4４の輪郭形状および影Ｓ（影情報）を取得する。（本発明において、「影」は物体などにより光線が遮られた際に生じる暗部をいう。）上方照明Ｌ_Ｕから照射された光は、視神経乳頭４４に対して斜めに当たる。上述したように、視神経乳頭４４は陥凹しているため、陥凹の深さに応じて、光が照射された方向から、陥凹内に影Ｓが形成される。このため、眼底４５から反射した光を撮像した単一照明画像Ｉ_Ｓには、視神経乳頭４４の陥凹の影Ｓが含まれる。影Ｓを含む単一照明画像Ｉ_Ｓは、眼底４５を立体的に撮像した画像といえるため、準３Ｄ画像とも称される。

図５Ａに、単一照明画像Ｉ_Ｓの例を示す。図５Ａは豚の目を本実施形態の装置１を用いて実際に測定したものである。
影情報取得部３１は、単一照明画像Ｉ_Ｓの中で明度の低い領域を影Ｓとして抽出（特定、取得）する。また、同時に、視神経乳頭４４の輪郭を抽出する。影情報取得部３１は、所定の閾値等を用いて、影Ｓを抽出すると、影Ｓとその周辺領域とを含む範囲に印をつける。図５Ａに示すように、ここでは、破点で印付けがされている。

パラメータ取得部３２は、影情報取得部３１が取得した影Ｓから、影の大きさＬ（第一パラメータ）を取得する。影の大きさＬは、詳細には、上方照明Ｌ_Ｕの光が照射された方向から視神経乳頭４４の陥凹（陥凹部）に伸びる形で形成する影の長さＬ（陥凹の縁から、光が照射された（進行する）方向に伸びる影のうち最も長い長さ。）である。この影の長さＬは、得られた画像Ｉ_Ｓから直接求めてもよい。しかし、直接求める方法では、影の縁が不明確な場合、正確に求めるのが難しい場合がある。本実施形態では、図５Ｂを参照して、影Ｓの長さＬの算出（取得）手法を説明する。

（０）前提として、パラメータ取得部３２は、予め、影情報取得部３１が取得した影Ｓを含む単一照明画像Ｉ_Ｓの一部（破線で囲まれた領域；図５Ａ参照）の画像を拡大し、既存のソフトウェアを用いて影Ｓを強調する処理を行なう。

（１）影Ｓの長さＬの取得は、２つの円又は楕円（以下、「第一の円Ｃ１」および「第二の円Ｃ２」と称する）を用いて行なう。円Ｃ１，Ｃ２の大きさは、影Ｓを内包することができる程度の大きさが望ましい。
まず、影Ｓの一方の弧（円周の孤の一部）が第一の円Ｃ１に内接されるように、影Ｓを第一の円Ｃ１で囲む。詳細には、視神経乳頭４４の陥凹部の輪郭（好ましくは、内輪郭；ここで、内輪郭とは、特にクレーター状の陥凹部の内縁を言う。）に沿う形で影Ｓを第一の円Ｃ１で囲むことが望ましい。但し、形状が不明確な場合、視神経乳頭４４の陥凹部の輪郭の一部を形成する影Ｓの輪郭（周縁）の一部に、第一の円Ｃ１の円弧の一部が沿うように、第一の円Ｃ１を影Ｓ上に配置する。

（２）さらに、影Ｓのもう一方の弧（円周の孤の他部）が第二の円Ｃ２に内接されるように、影Ｓを第二の円Ｃ２で囲む。詳細には、視神経乳頭４４の陥凹部の内輪郭に対向する影Ｓの輪郭（周縁）の一部に、第二の円Ｃ２の円弧の一部が沿うように、第二の円Ｃ２を影Ｓ上に配置する。但し、形状が不明確な場合、第一の円Ｃ１の円弧の一部が沿う影Ｓの輪郭（周縁）の一部に対向する影Ｓの輪郭に、第二の円Ｃ２の円弧が沿うように、第二の円Ｃ２を影Ｓ上に配置する。ここで、第二の円Ｃ２が重ねられる影Ｓの輪郭の一部とは、第一の円Ｃ１が重ねられた影Ｓの輪郭の一部とは異なる。よって、第二の円Ｃ２の円弧は、第一の円Ｃ１の円弧と二点で交差する。

（３）そして、第一の円Ｃ１の円弧と第二の円Ｃ２の円弧に囲まれた影Ｓの長さを測定する。ここでは、（図２及び図３における）上方向ＵをＹ軸、左方向ＬをＸ軸とする仮想座標を、その原点оが、一方の円の中心と一致または略一致し、二つの円Ｃ１，Ｃ２の円弧が交差する点どうしを結んだ線がＹ軸に平行になるように、単一照明画像Ｉ_Ｓに重ねる。そして、影ＳのＸ軸方向の幅である二つの円の円弧上の点の間の距離、すなわちＸ軸と交差する第二の円Ｃ２の円弧上の点と第一の円Ｃ１の円弧上の点との間の距離を測定する。換言すれば、影Ｓの長さは、第一の円Ｃ１と第二の円Ｃ２とで囲まれた領域の幅であって、交差した円Ｃ１，Ｃ２の円弧の頂点どうしを結んだ線と略垂直な線の長さである。これにより、精度よく影の長さＬが取得される。

次に、パラメータ取得部３２は、影の長さＬと、視神経乳頭の大きさＤ（直径；第二パラメータ）とに基づいて、この大きさＤとは異なる視神経乳頭４４の大きさを表す値ｄ（深さ；第三パラメータ）を取得（算出）する。

ここで、視神経乳頭４４の陥凹部の形状は、クレーター状の放物曲面、楕円、或いは、球面にモデル化できると仮定する。このような形状に傾斜光が入射した場合、陥凹部に厳密にその直径Ｄの半分の長さの影が得られた場合、陥凹部の深さｄは、２次元平面投影図で得られた影の長さＬおよび傾斜角度θ１で、以下の単純な数式１により表される。

しかし、上記式は、非常に深い陥凹部や、浅い陥凹部には使用できない。また、複雑な楕円（円）形である視神経乳頭４４の陥凹部に、陥凹部に厳密にその直径Ｄの半分の長さの影を得ることは、非常に困難なことである。直径Ｄの半分より短い、又は、長い影は、任意の補正係数を用いて修正する手段もあるが正確とは言えない。
そこで、本実施形態では、視神経乳頭４４の陥凹部を第一の円Ｃ１を直径Ｄとする放物曲面、楕円、或いは、球面とし、影が形成する形状を第二の円Ｃ２として、それぞれを方程式として表した計算から導かれた結果を用いる。

ここで、視神経乳頭４４の大きさＤは、視神経乳頭４４の直径Ｄであり、ここでは、所定の文献値（ヒトの場合、一般的な直径は１．５ｍｍである。）を用いる。なお、眼底写真から視神経乳頭４４の直径を推計して、その値を用いてもよい。また、値ｄは、詳細には、視神経乳頭４４の陥凹の深さｄである。視神経乳頭４４の陥凹部が第一の円Ｃ１を直径Ｄとする放物曲面、或いは、球面とし、影が形成する形状を第二の円Ｃ２としたとき、影の長さＬと、視神経乳頭４４の直径Ｄと、視神経乳頭４４の陥凹の深さｄとの関係は、数式２により表される。

また、視神経乳頭４４の陥凹部が楕円形であった場合は、影の長さＬと、視神経乳頭４４の直径Ｄと、視神経乳頭４４の陥凹の深さｄとの関係は、数式３により表される。

図２に示したように、上方照明Ｌ_Ｕの照明の光軸Ｏ_Ｌは、４５°の傾斜角度θ１で眼球４０に入射しているため、tanθ1＝１である。従って、上記数式に、影の長さＬ、視神経乳頭４４の直径Ｄ、角度θ１を挿入することで、視神経乳頭４４の陥凹の深さｄを取得することができる。このうち、視神経乳頭４４の直径Ｄおよび角度θ１は予め設定されている値であるため、実質的には、影の長さＬを取得するだけで、視神経乳頭４４の陥凹の深さｄを取得することが可能である。

状態推定部３３は、パラメータ取得部３２が取得した視神経乳頭４４の陥凹の深さｄを取得し、視神経乳頭４４の状態を推定する。状態推定部３３は、たとえば、取得された深さｄを、一般的な値（例えば臨床的に得られた平均値）や、被検者の眼４毎に以前の検査時に得られた値と比較することで、視神経乳頭４４の状態が正常であるか異常であるかを推定する。

［１－６．記憶装置の機能］
図４に示すように、記憶装置３４の機能は、記憶部３５を備える。
記憶部３５は、視神経乳頭４４の状態推定のため用いられる種々の情報を記憶する。記憶部３５は、たとえば、撮像ユニット２０で撮像された単一照明画像Ｉ_Ｓ、影情報取得部３１が印付けした単一照明画像Ｉ_Ｓ、パラメータ取得部３２で用いるおよび取得されたパラメータＤ、ｄ、Ｌ、状態推定部３３における推定結果などを含む情報を記憶する。更に、後述する照射調整部３７において検出した結果などの情報を記憶する。

［１－７．動作］
眼球内部組織の状態推定方法について説明する。
まず、本体２の孔１２を眼球４０の位置に合わせ、本体２の筐体１１の後方の面を被検者の顔面に接触させる。
次に、筐体１１内部の上方照明Ｌ_Ｕから眼球４０内部の視神経乳頭４４に向かって光を照射する。上方照明Ｌ_Ｕの照明の光軸Ｏ_Ｌは、眼球４０の光軸Ｏ_Ｅに対して上方に４５°傾斜している。
上方照明Ｌ_Ｕから照射された光は、眼球４０の眼底４５で反射され、眼球４０の瞳孔４２から出射される。出射された光は、撮像ユニット２０の第一レンズＲ１および第二レンズＲ２で集光され、カメラ２２で撮像される。
カメラ２２で撮像された単一照明画像Ｉ_Ｓは、撮像ユニット２０の撮像素子２３で電気信号に変換され、処理装置３０に送信される。
なお、撮像された眼底画像が所期の位置より大きくずれている場合は、被検者が本体２の方向をずらすことで、所期の位置に簡便に調整できる。

処理装置３０の影情報取得部３１は、取得した単一照明画像Ｉ_Ｓから視神経乳頭４４の影Ｓを取得する。
処理部３０のパラメータ取得部３２は、影情報取得部３１が取得した視神経乳頭４４の陥凹に形成される影Ｓの長さＬを取得する。影Ｓの長さＬは、二つの円Ｃ１，Ｃ２を用いて取得される。
パラメータ取得部３２は、影の長さＬと、視神経乳頭４４の直径Ｄと、上方照明Ｌ_Ｕの傾斜角度θ１とに基づいて、視神経乳頭４４の陥凹の深さｄを取得する。
処理部３０の状態推定部３３は、深さｄに基づいて視神経乳頭４４の状態を推定する。

［１－８．作用および効果］
本実施形態の眼球内部組織の状態推定装置は、上述のような構成を備えるため、下記のような作用および効果を得ることができる。
（１）これによれば、被検者が正視している間に、照射された光によって視神経乳頭４４の陥凹に形成された影Ｓが含まれた単一照明画像Ｉ_Ｓを取得できる。この結果、視神経乳頭４４の状態を簡便に、かつ、高い精度で推定できる。
（２）更に、影Ｓの長さＬと、視神経乳頭４４の直径Ｄとから、視神経乳頭４４の陥凹の深さｄを取得できる。特に、本実施形態では視神経乳頭４４の直径Ｄは文献値を採用したため、影の長さＬを取得するだけでよい。よって、視神経乳頭４４の状態を推定するために必要なパラメータは少なくて済む。
（３）影Ｓの長さＬは、２つの円を用いて抽出することができ、専門的な知識（特に数学の知識）を必要としない。よって、視神経乳頭４４の状態を推定するために必要なパラメータをシンプルな手法で取得できる。
（４）上方照明Ｌ_Ｕから眼球４０に対して斜めに光を照射することで、強制的に瞳孔４２を大きく広げることなく、眼球４０の眼底４５を撮像できる。よって、被検者への負担が少ない。

［２．第二実施形態］
第二実施形態に係る眼球内部組織の状態推定装置およびその方法について、図４、図６および図７を参照して説明する。本実施形態に係る状態推定装置は、第一実施形態に係る状態推定装置に対して、照明を複数備える点で相違する。以下、第一実施形態と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

［２－１．本体２の内部構造］
図６に示すように、筐体１１は、その内部に、上方照明Ｌ_Ｕに加え、下方の位置に設置された下方照明Ｌ_Ｄ（第二光照射部）を備える。照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄはいずれも赤外線ＬＥＤである。
下方照明Ｌ_Ｄは、上方照明Ｌ_Ｕと同様に、照明の光軸Ｏ_Ｌが、眼球４０の瞳孔４２を水平に通過する光軸（眼球の光軸）Ｏ_Ｅに対して、下方向に所定の傾斜角度θ１で傾斜するように設置されている。その所定の傾斜角度θ１は、上方照明Ｌ_Ｕと同様に、例えば４５°に設定されている。

［２－２．光学系］
図７を参照して、光照射ユニット１０および撮像ユニット２０が用いる光学系を説明する。
上方照明Ｌ_Ｕは、上方位置Ｐ１から光を照射し、同時に、下方照明Ｌ_Ｄは、下方位置Ｐ２（第二の位置）から光を照射する。上方照明Ｌ_Ｕおよび下方照明Ｌ_Ｄから眼球４０内部の視神経乳頭４４に向かって照射された光は、直接、眼球４０の強膜、および／又は、眼球４０周辺の皮膚を通過して、網膜４１に達し、眼底４５で反射され、瞳孔４２から眼球４０の外部に出射される。出射された光は撮像ユニット２０で集光され、撮像される。撮像ユニット２０で撮像された画像は、２つの光を撮像したものであるため、「複数照明画像Ｉ_Ｐ」（第二撮像情報）と称する。複数照明画像Ｉ_Ｐは、撮像ユニット２０から処理装置３０に送信される。

［２－３．制御装置の構成］
図４に示すように、制御装置３は、更に、照明制御装置３６（調整部）を備える。照明制御装置３６の機能は、照射調整部３７を備える。照射調整部３７は、撮像ユニット２０から複数照明画像Ｉ_Ｐを取得し、この複数照明画像Ｉ_Ｐに基づいて、照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄを調整する。

図８に、複数照明画像Ｉ_Ｐの例を示す。
照射調整部３７は、この複数照明画像Ｉ_Ｐ中の明度から照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄの照射状態を検出する。ここでは、複数照明画像Ｉ_Ｐは、画像内の左側に光が強く当たっていることが分かる。また、視神経乳頭４４が撮像されているが（破線で囲んだ領域）、複数照明画像Ｉ_Ｐ内には明度が低い箇所が複数存在する。

照射調整部３７は、照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄの照射状態から、照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄの向きや照射強度を調整する。従って、第一実施形態に記載した照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄの傾斜角度θ１は、４５°から変更されることがある。傾斜角度θ１を変更することで、画像の明度をより強調することができる。
さらに、照射調整部３７は、上方照明Ｌ_Ｕおよび下方照明Ｌ_Ｄのいずれを用いて単一照明画像Ｉ_Ｓを取得するかを決定してもよい。

［２－４．作用および効果］
（５）上方照明Ｌ_Ｕおよび下方照明Ｌ_Ｄを同時に照射することで、眼底４５について広角の複数照明画像Ｉ_Ｐを取得することができる。よって、撮像したい視神経乳頭４４の位置や角度等を精度よく把握できる。
（６）複数照明画像Ｉ_Ｐに基づいて、上方照明Ｌ_Ｕおよび下方照明Ｌ_Ｄを調整するため、より明確な影Ｓが含まれる単一照明画像Ｉ_Ｓを得ることができる。よって、眼球４０内部の視神経乳頭４４の状態をより一層高い精度で推定できる。

［３．変形例］
［３－１．変形例１］
上述の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、この実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、適宜組み合わせることもできる。

たとえば、２つの照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄのそれぞれから時間を異にして眼球４０に光を照射し、それぞれ単一照明画像Ｉ_Ｓを取得してもよい。この場合、照射調整部３７は、取得した単一照明画像Ｉ_Ｓどうしを比較することで、各照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄを調整してもよい。さらに、照射調整部３７は、いずれの照明Ｌを用いてさらに単一照明画像Ｉ_Ｓを取得するかを決定してもよい。また、各２つの照明Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｄで得られた単一照明画像Ｉ_Ｓからそれぞれ影の長さＬを求め、比較、或いは、平均値をとるなどして、より測定精度を高めてもよい。

あるいは、照明の数は３つ以上であってもよい。この場合、眼底４５全体について異なる画像を取得できる。また、照明の位置は上方および下方に限定されず、左方および右方であってもよい。

照明は赤外線ＬＥＤではなく、可視光ＬＥＤを用いてもよい。可視光を用いると、網膜４１を含む眼底４５における動脈の状態を推定することができる。網膜４１下部に影が見える場合には、眼底４５における動脈の異常が推定される。影の長さによって、動脈の出血や血栓の有無を判断することが可能である。

［３－２．変形例2］
ここで、図５Ａ，図５Ｂおよび図８に示されるようなモノクロ画像から、画像の影を正確に認定するのが困難な場合がある。その原因としては、例えば、陥凹部の位置や陥凹部の形状が考えられる。陥凹部の位置が原因となる例は、視神経乳頭の中心付近にはほとんど陥凹部が存在せず、視神経乳頭の中心以外の部分に陥凹部が存在する場合である。この場合には、視神経乳頭の内縁の影の濃淡だけでは、正確に陥凹部の位置（輪郭）を認定するのが難しい。また、陥凹部の形状が原因となる例は、陥凹内に形成される影領域が明瞭でない場合である。光源から光線が照射された物体が形成する影は、主に、物体が完全に光線を遮る場合にできる影（本影）と、物体が部分的に光線を遮る場合にできる影（半影）とに分けられ、半影は本影に比べて明瞭でない。視神経乳頭４４の陥凹部の表面は平坦でないため、陥凹内には陥凹部の表面形状に応じて半影が生じる場合が多い。このため、半影が生じている画像から正確に影を検出するには、画像のピクセルを特定の数の類似または非類似のグループに分割するクラスタリングベースのアルゴリズムを用いた手法を適用するのが好ましい。例えば、最も一般的なクラスタリングのアルゴリズムである、Ｋ－平均法（K-means clustering）等を用いるのが好ましい。また、Ｋ－平均法等の処理を行った画像を、更に、微分処理してもよい。このように画像を処理することで、より、影領域を明確に特定することができる。

［４．検証結果］
［４－１．検証１］
視神経乳頭の陥凹部の影の長さから深さが正確に算出されるかを検証した。図９Ａ，図９Ｂを参照し、解析結果を評価する。
［眼球内部組織の状態推定装置の光学設計］
本実証における状態推定装置１は、図６および図７に示した構造と同一である。詳細には、2つのIR-LED（波長850nm）を光源とし、それぞれ光軸に対し４５°の角度位置になるように配置した。ＬＥＤからの照明光は、熱障害の懸念がない強度であり、強膜を通過すると拡散し、眼球４０の内部領域を均一に照らすことができる。第一レンズＲ１（対物レンズ）として、78D ophthalmic lens（外角視野60°、焦点距離8mm）（Righton、日本）を使用した。また、第二レンズＲ２として収差補正レンズ用いた。カメラ２２として、Webカメラ（Logitech HD ProウェブカメラC920）のカメラセンサのカラーフィルタをIRフィルタに置き換えることにより、IRイメージング用に変更した。設計した状態推定装置は手のひらサイズの携帯可能な軽量の大きさであり、図９Ａ，図９Ｂに示すような、優れた眼底画像の撮像能力を有していた。

［影の長さによる深さの算出］
検証では、3Dプリンタを使用してモデルアイを作成した。モデルアイの視神経乳頭の寸法は、直径3mm、深さ1.5mmとした。目の瞳孔として機能する目のレンズとして、焦点距離24mmの収差補正レンズを使用した。モデルアイの目は水で満たされている。状態推定装置１を用いてモデルアイの測定を行った。
図９Ａおよび図９Ｂに示すように、モデルアイの画像では、眼底画像同様、光の影を撮像することができた。得られた影の画像を、本実施形態に記載の手法を用いて解析した。モデルアイは球面状であるので、数式２を用いた。解析により算出された深さは、設計された深さと一致する1.50mmであった。
したがって、本実施形態に記載の手法を用いて実際の視神経乳頭の深さを影の長さから求めることができ、この深さから視神経乳頭の状態を推定できることが確認できた。

［４－２．検証２］
［視神経乳頭の深さの測定結果の比較］
視神経乳頭の深さについて、本実施形態の状態推定装置１を用いた測定結果と、既存のＯＣＴを用いた測定結果とを比較した。
サンプルとして、摘出された3つのブタの眼球を用意した。
ＯＣＴ画像で測定された視神経乳頭の断面画像を解析したところ、これらサンプルの測定された断面点での深さは183μｍ～490μｍの範囲で変化していた。
次に、ブタの眼球を本実施形態の状態推定装置１を用いて測定を行った。図１０Ａは、本実施形態の状態推定装置１を用いて得られたブタの眼球のモノクロ画像である。傾斜光照明により視神経乳頭の影が得られた。ブタの眼球の視神経乳頭の形状は、楕円形であることが知られている。そのため、数式３を用いて視神経乳頭の深さを求めた。
さらに、正確な影を求めるにあたり、画像処理を行った。図１０Ｂは、１画素を８bit(256レベル)の強度で正規化された強度画像である。図１０Ｃは、Ｋ－平均法を１０００回繰り返して得られた画像である。Ｋ－平均法により、影の部分とそうでない部分とを明確に分離することができた。
より正確に影の長さを求めるために、図１０Ｃの画像を微分処理した。図１０Ｄは、微分処理により得られた、微分Ｋ－平均法による画像である。微分処理により特定された影の領域は破線で囲まれた領域であった。視神経乳頭の直径は約2.1mmであった。また、この画像の斜光照明の角度は４５°であった。数式３を用いて、様々な影の断面での視神経乳頭の深さを計算したところ、視神経乳頭の深さは179μｍ～350μｍまで変化していた。この値の範囲は、ＯＣＴで求まったブタの眼球の視神経乳頭の深さの値の範囲とよく一致（重複）していた。
以上より、本実施形態の状態推定装置１を用いることで、ＯＣＴのような高価な装置を用いることなく、簡易的に、ＯＣＴと同等の視神経乳頭の深さを求めることができ、本実施形態の状態推定装置１が、簡易的な検査装置として、優れていることが実証できた。
また、本実施形態の状態推定装置１で得られた値から、視神経乳頭の容積と、面積を計算することもできる。また影から得られた形状により、視神経乳頭の形状を３Ｄ再構成することもでき、緑内障を含む様々な眼疾患の進行を日常の診断で、簡易的に検出できる可能性がある。

１ 眼球内部組織の状態推定装置
２ 本体
３ 制御装置
４ 眼
１０ 光照射ユニット
１１ 筐体
１２ 孔
２０ 撮像ユニット（撮像部）
２１ 筒体
２２ カメラ
２３ 撮像素子
３０ 処理装置（処理部）
３１ 影情報取得部
３２ パラメータ取得部
３３ 状態推定部
３４ 記憶装置
３５ 記憶部
３６ 照明制御装置（調整部）
３７ 照射調整部
４０ 眼球
４１ 網膜
４２ 瞳孔
４３ 視神経
４４ 視神経乳頭
４５ 眼底
Ｐ１ 上方位置（第一の位置）
Ｐ２ 下方位置（第二の位置）
Ｌ_Ｕ 上方照明（第一光照射部）
Ｌ_Ｄ 下方照明（第二光照射部）
Ｏ_Ｌ 照明の光軸
Ｏ_Ｅ 眼球の光軸
Ｆ_Ｐ 焦点
Ｆ_Ｌ 焦点距離
θ１ 傾斜角度
θ２ 画角
Ｒ１ 第一レンズ
Ｒ２ 第二レンズ
Ｉ_Ｓ 単一照明画像（第一撮像情報）
Ｉ_Ｐ 複数照明画像（第二撮像情報）
Ｃ１ 第一の円
Ｃ２ 第二の円
Ｓ 影（影情報）
Ｌ 影の長さ（第一パラメータ）
Ｄ 視神経乳頭の直径（第二パラメータ）
ｄ 視神経乳頭の陥凹の深さ（第三パラメータ）

Claims (9)

1. 生体の眼球の外部である第一の位置に配置され、前記眼球の内部の視神経乳頭に向かって光を照射する第一光照射部と、
   前記眼球の内部で反射される光を撮像する撮像部と、を備えるとともに、
   前記撮像部で得られた第一撮像情報から前記視神経乳頭に関する影情報を取得し、前記影情報から影の長さを取得し、前記影の長さから前記視神経乳頭の陥凹部の深さを求め、前記求めた視神経乳頭の陥凹部の深さから前記視神経乳頭の状態を推定する処理部を備え、
   前記第一の位置は、前記第一光照射部が照射する光の光軸が前記眼球の光軸に対して所定の角度で傾斜する位置である、
   眼球内部組織の状態推定装置。
2. 前記処理部は、
   前記影の長さと、前記視神経乳頭の大きさとに基づいて、前記視神経乳頭の陥凹部の深さを取得し、
   前記視神経乳頭の陥凹部の深さから前記視神経乳頭の状態を推定する、
   請求項１に記載の眼球内部組織の状態推定装置。
3. 前記影の長さの取得は、
   二つの円を用いて前記影の大きさを取得することを含む、
   請求項２に記載の眼球内部組織の状態推定装置。
4. 前記所定の角度が４５度である、請求項１～３のいずれか一項に記載の眼球内部組織の状態推定装置。
5. 前記第一光照射部に加え、更に、
   前記第一の位置とは異なる第二の位置に配置され、前記眼球の内部の前記視神経乳頭に向かって光を照射する第二光照射部を備えるとともに、
   前記第一光照射部および前記第二光照射部の照射を調整する調整部を備える、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の眼球内部組織の状態推定装置。
6. 前記撮像部は、
   前記第一光照射部および前記第二光照射部から前記眼球の内部の前記視神経乳頭に向かって同時に照射され、前記眼球の内部で反射される光を撮像した第二撮像情報を取得し、
   前記調整部は、前記第二撮像情報に基づいて、前記第一光照射部および前記第二光照射部の照射を調整する、
   請求項５に記載の眼球内部組織の状態推定装置。
7. 前記第一の位置は、前記光が強膜、又は、眼球周囲の皮膚を通して入射できる位置である、請求項１～６のいずれか一項に記載の眼球内部組織の状態推定装置。
8. 前記影情報は、クラスタリングのアルゴリズムを用いた画像処理手段により、影の部分と影でない部分とを分離して得られる、請求項１～７のいずれか一項に記載の眼球内部組織の状態推定装置。
9. 第一光照射部と、撮像部と、処理部とを備える眼球内部組織の状態推定装置の作動方法であって、
   眼球内部組織の状態推定装置が、前記第一光照射部で、生体の眼球の外部である第一の位置から前記眼球の内部の視神経乳頭に向かって光を照射するステップと、
   眼球内部組織の状態推定装置が、前記撮像部で、前記眼球の内部で反射される光を撮像するステップと、
   眼球内部組織の状態推定装置が、前記処理部で、前記撮像された第一撮像情報から前記視神経乳頭に関する影情報を取得し、前記影情報から影の長さを取得し、前記影の長さから前記視神経乳頭の陥凹部の深さを求め、前記求めた視神経乳頭の陥凹部の深さから前記視神経乳頭の状態を推定するステップとを含み、
   前記光を照射するステップの前記第一の位置は、前記第一光照射部が照射する光の光軸が前記眼球の光軸に対して所定の角度で傾斜する位置である、
   眼球内部組織の状態推定装置の作動方法。

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