JPWO2008072527A1

JPWO2008072527A1 - 眼圧測定装置

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Publication number: JPWO2008072527A1
Application number: JP2008549263A
Authority: JP
Inventors: 定夫尾股; 村山　嘉延; 嘉延村山
Original assignee: Nihon University
Current assignee: Nihon University
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: JP5505684B2; WO2008072527A1

Abstract

眼圧測定装置１０は、眼球８に離隔して向かい合う先端側に凹面音響レンズ２２と、振動子と振動検出センサが積層される探触素子２４とが設けられる探触子２０と、探触子２０の位置を眼球８に対して調整する探触子移動機構３０と、探触子２０に接続され眼圧を算出し出力する本体部６０とを含んで構成される。本体部６０は、探触子２０に増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、位相差をゼロに補償したときの周波数変化量と眼圧との関係を予め求めておき、眼球に超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量から眼圧を算出する眼圧算出部とを含む。

Description

本発明は、眼圧測定装置に係り、特に超音波を用いて眼圧を測定する眼圧測定装置に関する。

眼圧を測定するために、広くトノメータが用いられる。トノメータは、眼球にエアーを吹き付け、そのエアー圧により眼球が歪む様子を光学的に測定し、その歪の大小により眼圧を測定する。

トノメータは、眼球にエアーを吹き付けるものであるので、エアー圧の拍動等の影響を受けて精度がよくない。また、角膜等の眼球組織に直接的にエアーが噴射されるので、被験者に負荷を与える。そこで、例えば、特許文献１には、瞼の上にプローブを当てて適当に加圧し、そのときの前房部の深さの変化を、超音波によって検出することが行われる。ここでは、超音波を入射し、反射音束を検出して、超音波Ａモードと呼ばれる波形について、超音波検出信号の１掃引内の時間軸を眼球前眼部の生体音速により距離に変換する一般的な距離計測原理により、前房部の深さを検出している。

なお、本願発明者は、特許文献２において開示されているように、位相シフト法を用いて対象物の硬さを精度よく測定できる方法を開発している。この技術は、振動子から測定対象物に振動を入射し、測定対象物からの反射波を振動検出センサで検出し、入射波と反射波との間に測定対象物の硬さに応じて生じる位相差を位相シフト回路によって周波数を変化させることで位相差をゼロに補償し、その位相差をゼロに補償する周波数変化量から測定物の硬さを求めるものである。この方法によれば、測定対象物に接触して振動を入力し反射波を検出する接触式によって測定対象物の硬さを測定することができる。

特開平８−３２２８０３号公報特開平９−１４５６９１号公報

上記のようにトノメータはエアー圧を眼球に与え、特許文献１の方法においても瞼を通して眼球を加圧する。このように、従来技術では、外力によって眼球に圧力を与え、その圧力による眼球の歪から眼圧の大小を判断しているので、被検査者に負担をかける。また、本願発明者による特許文献２に記載の位相シフト法によれば、測定対象物に振動を入力しその反射波を検出することで、測定対象物の硬さが測定できる。測定対象物が眼球の場合は、その硬さは眼圧に関連付けられるので、この方法によれば、外力をかけずに眼圧を測定できるが、眼球に接触し、その面では被測定者に負担をかける。そこで、眼球に非接触のままで眼圧を測定できれば、被測定者の負担を軽減でき、便利である。

本発明の目的は、眼球に非接触のままで眼圧を測定できる眼圧測定装置を提供することである。

本発明は、眼球に非接触で振動を入射し、眼球からの反射波を検出し、入射波と反射波との間に生じる位相差について位相シフト法を適用できるかどうかを確かめた実験に基づくものである。実験によれば、眼球に向かい合う探触子の先端形状を工夫すれば、位相差をゼロに補償する周波数差と眼圧との関係に相関が見られることが見出された。この実験に基づけば、以下のような手段をとることができる。

本発明に係る眼圧測定装置は、非接触で眼球に超音波を入射する振動子と、眼球からの反射波を検出する振動検出センサとを有する探触子と、探触子の先端に設けられ、眼球に向かい合う面が凹面である凹面音響レンズと、探触子に増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、位相差をゼロに補償したときの周波数変化量と眼圧との関係を予め求めておき、凹面音響レンズを眼球に離隔させて向かい合わせて眼球に超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量から眼圧を算出する眼圧算出部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る眼圧測定装置において、凹面音響レンズと測定対象物の眼球との間の距離を可変できる探触子移動機構を備えることが好ましい。

また、本発明に係る眼圧測定装置において、凹面音響レンズの曲面形状を可変できる曲面形状可変手段を備えることが好ましい。

上記構成により、眼圧測定装置は、眼球に向かい合う面が凹面である凹面音響レンズを有する探触子を用い、凹面音響レンズを眼球に離隔させて向かい合わせて眼球に超音波を入射する。そして、位相差をゼロに補償したときの周波数変化量と眼圧との関係を予め求めておいて、眼球に超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量から眼圧を算出する。したがって、眼球に非接触のままで眼圧を測定できる。

また、凹面音響レンズと測定対象物の眼球との間の距離を可変できるので、眼球に焦点を合わせて振動を入射し、反射波を検出できる。

また、凹面音響レンズの曲面形状を可変できるので、眼球に焦点を合わせて振動を入射し、反射波を検出できる。

本発明に係る実施の形態における眼圧測定装置の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、探触素子、凹面音響レンズ、本体部に含まれる眼圧測定部の部分の構成について抜き出して示す図である。本発明に係る実施の形態において、位相シフト回路の回路定数が設定される発振周波数の選定の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、周波数変化量と音響インピーダンスとの対応関係を求めるために用いた模擬対象物Ａ，Ｂの形状寸法を示す図である。本発明に係る実施の形態において、周波数変化量と音響インピーダンスとの対応関係を示す図である。本発明に係る実施の形態において、周波数変化量と眼圧との対応関係を求めるために用いた眼球モデルの様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、周波数変化量と眼圧との対応関係を示す図である。

符号の説明

８眼球、１０眼圧測定装置、２０探触子、２２凹面音響レンズ、２４探触素子、２６振動子、２８振動検出センサ、３０探触子移動機構、３２固定台、３４可動台、３６操作ハンドル、３８探触子取付部、４０眼圧測定部、４２，４４，４６端子、４８増幅器、５０位相シフト回路、５２周波数変化量算出部、５４眼圧算出部、６０本体部、７０眼球モデル、７２ベース部分、７４，７５，７６曲面部分、８０加圧器、８２圧力計。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、被測定者に対し、探触子を近づける手段として、床に対して移動可能な可動台に探触子を搭載するものとして説明するが、それ以外の方法によってもよい。例えば、被測定者の頭部等に関連して固定された支持台に探触子を搭載するものとしてもよい。また、以下において探触子は、振動子と振動検出センサとを積層したものとして説明するが、それ以外の配置方法であってもよい。例えば振動子と振動検出センサとを同心状に配置してもよく、また、振動子と振動検出センサとを並列に別個に配置するものとしてもよい。

図１は、眼圧測定装置１０の構成を示す図である。図１には、眼圧測定装置１０の構成要素ではないが、眼圧測定対象の眼球８が示されている。眼圧測定装置１０は、探触子２０と、探触子２０の位置を眼球に対して調整するための探触子移動機構３０と、探触子２０に信号線を介して接続され眼圧を算出し出力する本体部６０とを含んで構成される。

探触子移動機構３０は、床面に固定される固定台３２と、固定台３２に対し直線的に移動可能な可動台３４とを有し、可動台３４には探触子取付部３８が設けられる。固定台３２と可動台３４とは、たとえばピニオンとラックによる回転運動と直線運動との間の変換機構等を用いることができる。この場合には、ピニオンに接続される操作ハンドル３６が設けられ、操作ハンドル３６を回転することで固定台３２に設けられたピニオンが回転し、これに噛み合うラックが直線運動し、ラックが取り付けられている可動台３４を移動させることができる。もちろん、電気信号の制御によって移動可能なリニアモータ等を固定台３２と可動台３４との間の機構として用いてもよい。

探触子２０は、細長い円筒状をなすプローブで、眼球８に離隔して向かい合う先端側に凹面音響レンズ２２と探触素子２４とが設けられ、探触素子２４に一端側が接続される信号線は、他端側で上記の本体部６０に接続される。

図２は、探触素子２４、凹面音響レンズ２２、本体部６０に含まれる眼圧測定部４０の部分の構成について抜き出して示す図である。

探触素子２４は、凹面音響レンズ２２を介して、測定対象物である眼球８に対し超音波を入射する振動子２６と、眼球８からの反射波を検出する振動検出センサ２８とを有する。図２の例では、振動子２６と振動検出センサ２８とが直列に積層されて接続され、接続点を接地して用いられている。具体的には、円板状の圧電素子の両面にそれぞれ電極を設けたものを２つ用いて積み重ね、中間の電極２つを一体化して接地電極とし、積み重ねた上面側電極と下面側電極の一方側を振動子２６の入力電極とし、他方側を振動検出センサ２８の出力電極とする。そして、図２の例では、振動子２６の入力電極側の面を凹面音響レンズ２２の平坦な裏面に接着して固定される。圧電素子としては、市販のＰＺＴ素子を用いることができる。

凹面音響レンズ２２は、探触素子２４から放射される超音波について測定対象物上に焦点を合わせるように、また、測定対象物から放射される反射波を効率よく集めて探触素子２４に伝える機能を有する素子である。凹面音響レンズ２２は、測定対象物である眼球８に向かい合う面が所定の曲面形状を有する凹面に形成され、凹面の反対側の裏面が探触素子２４と接続するために例えば平坦面に形成される。かかる凹面音響レンズ２２は、適当なプラスティック材料またはセラミック、ガラス等を所定の形状に成形したものを用いることができる。

凹面音響レンズ２２の凹面の曲面形状は、測定対象である眼球８の曲面形状に対応する形状が好ましい。簡略的には、一定の曲率半径を有する球面の一部として構成することができる。この場合の曲率半径は、眼圧の測定に適した部位における曲率半径、あるいは眼球の平均的な曲率半径とすることができる。例えば、曲率半径を数ｍｍ程度とすることができる。

凹面音響レンズ２２の凹面形状は、上記のように適当な材料を成形加工して、固定的な形状とすることができるほか、たとえば、円筒形状の支持部の外周に固定端を有する可撓性の曲面膜を張り、円筒状支持部の内部に加圧流体を注入し、流体圧を変更することで凹面の形状を可変する形状可変凹面音響レンズとしてもよい。流体としては、超音波振動が伝播しやすいものを用いることが好ましく、水、流動性のあるシリコンゴム等を用いることができる。

図２には、眼圧測定部４０の構成が示されている。眼圧測定部４０は、振動検出センサ２８からの反射波に相当する出力信号を受け取る端子４２と、振動子２６への入射波に相当する入力信号を出す端子４４と、図１に示す本体部６０の表示画面等の出力部に眼圧値を出力する端子４６とを有する。眼圧測定部４０の内部は、次のように構成される。

振動検出センサ２８に接続される端子４２は、適当なＤＣカットコンデンサを介して増幅器４８に接続される。増幅器４８は、振動検出センサ２８によって検出された反射波信号を適当に増幅する電子回路で、周知の増幅回路を用いることができる。

増幅器４８の出力は、位相シフト回路５０に入力され、位相シフト回路５０の出力は、端子４４を介して振動子２６に接続される。したがって、振動子２６−凹面音響レンズ２２−（大気）−（眼球８）−（大気）−凹面音響レンズ２２−振動検出センサ２８−増幅器４８−位相シフト回路５０−振動子２６の閉ループが構成される。したがって、位相シフト回路５０の内容を適当に設定することで、この閉ループにおいて自励発振を生じさせることができる。

位相シフト回路５０の機能は、この閉ループにおいて、位相シフト回路５０に入力される入力信号と、出力される出力信号との間に位相差が生じるときは、閉ループの発振周波数を変更して、位相差をゼロに補償する機能を有する。そして、位相差をゼロに補償したときの周波数を周波数変化量算出部５２に出力する。

周波数変化量算出部５２は、閉ループにおいて測定対象物が含まれないときに位相シフト回路５０の作用により自励発振が生じるときの閉ループの発振周波数ｆ_１と、閉ループにおいて測定対象物が含まれるときに位相シフト回路５０の作用により自励発振が生じるときの閉ループの発振周波数ｆ_２とを受け取って、これらの間の周波数変化量であるΔｆ＝ｆ_２−ｆ_１を算出する機能を有する。すなわち、周波数変化量算出部５２の機能は、測定対象物が閉ループに含まれないときの発振周波数ｆ_１を閉ループから検出してこれを一旦記憶し、次に測定対象物が閉ループに含まれるときの発振周波数ｆ_２を閉ループから検出してこれも一旦記憶し、記憶された２つの周波数ｆ_１とｆ_２とを読み出して、その差である周波数変化量を演算するという一連の処理を行うものである。

図１、図２の例では、眼球８がない場合の閉ループにおける自励発振の周波数ｆ_１と、眼球８がある場合の閉ループにおける自励発振の周波数ｆ_２の間の周波数変化量であるΔｆ＝ｆ_２−ｆ_１が周波数変化量算出部５２で求められ、眼圧算出部５４に出力される。なお、かかる位相シフト回路５０の具体的構成と詳細な作用については、上記の特許文献２に開示されている。

位相シフト回路５０は、閉ループの自励発振を維持するために、振動検出センサ２８からの出力信号と振動子２６への入力信号との間に位相差が生じるときは、閉ループの周波数を変更して位相差をゼロに補償するものである。したがって、閉ループの自励発振の周波数は、位相差をゼロに補償する際の周波数変化量が大きい方が測定対象物の物性の相違の検出が容易になる。そこで、位相シフト回路５０の回路内容である回路定数は、対象となる閉ループについて、位相差をゼロに補償する際の周波数変化量が安定して大きく取れる発振周波数となるように設定される。換言すれば、探触素子２４の周波数−位相特性において、多くの発振周波数があるが、その中で、発振が安定していること、位相差を変更すると適当な大きさの周波数変化を生じること、の条件を満たす発振周波数が選択され、その選択された発振周波数に対して、位相シフト回路５０の回路定数が設定される。

図３は、位相シフト回路５０の回路定数が設定される発振周波数の選定の様子を示す図である。図３には、探触素子２４の周波数−位相特性が示されている。図３に示されるように、この探触素子２４の特性は、複数のピークを有している。ピークＢは、最も発振特性が先鋭なピークであり、発振が安定しているが、逆にその強い安定性のため、位相差を変更してもほとんど周波数変化を示さない。ピークＣは、発振が不安定である。

そこで、ピークＡが、適当に発振が安定し、しかも位相差の変更に応じて適当な大きさの周波数変化を生じるものとして、測定対象物の物性の特性の相違の検出に適当なピークとして選定することができる。すなわち、位相シフト回路５０の回路定数は、周波数帯で３５０ｋＨｚ近辺に適するように設定される。

眼圧算出部５４は、周波数変化量算出部５２から出力される周波数変化量に基づいて、眼圧を算出する機能を有する。周波数変化量から眼圧を算出するには、周波数変化量と眼圧との関係を予め求めておき、その関係に周波数変化量算出部５２によって算出された周波数変化量を当てはめて実行される。

図４から図７は、眼球に超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量と眼圧との関係を求める実験の様子を説明する図である。これらの図は、眼球をモデル化した模擬対象物に超音波を入射して位相差をゼロに補償したときの周波数ｆ_２とについて、模擬対象物がないときの周波数ｆ_１からの周波数変化量Δｆを求め、これを模擬対象物の音響インピーダンスあるいは、眼圧に相当する圧力と対応付けを行ったものである。なお、以下では、図１、図２の符号を用いて説明する。

図４、図５は、形状の異なる模擬対象物Ａ，Ｂを作成し、凹面音響レンズ２２から模擬対象物Ａ，Ｂの先端までの距離を４０００μｍ、すなわち４ｍｍとして、周波数変化量Δｆと、模擬対象物Ａ，Ｂの音響インピーダンスとの関係を求めた様子を説明する図である。図４には、模擬対象物Ａ，Ｂの形状寸法が示されている。模擬対象物Ａ，Ｂの形状は、眼球８の外形に近似して、半球状よりは緩やかな曲面を有するものとしてある。模擬対象物Ａ，Ｂの先端部における曲率半径は、図４の寸法から、約４ｍｍから約６ｍｍ程度と評価することができる。模擬対象物Ａ，Ｂのそれぞれについて、シリコンゴムを適当な媒体に混ぜて、その濃度を４０％，６０％，８０％，１００％と変化させることで、それぞれ硬さの異なる４種類のサンプルを作成した。

そしてこれらのサンプルについて、硬さに対応する音響インピーダンスを測定した。また、上記のように、約３５０ｋＨｚの周波数帯において、模擬対象物Ａ，Ｂがある場合とない場合との間の発振周波数の変化量である周波数変化量Δｆを求めた。求められた音響インピーダンスと求められた周波数変化量を対応付けた結果を図５に示す。図５から分かるように、形状が異なる模擬対象物Ａ，Ｂについて、それぞれ、周波数変化量Δｆと音響インピーダンスとは相関関係がある。図５によれば、その相関関係はほぼ線形関係であるが、模擬対象物の形状に依存して相関関係が異なっている。

図５によって、位相シフト法を用いたときの周波数変化量Δｆと、測定対象物の硬さとの間に相関関係があることが分かったので、次に、周波数変化量Δｆと眼圧に相当する圧力との対応付けを実験した様子が図６、図７に示されている。ここでは、眼球をモデル化した模擬対象物として、図６に示される形状で、内部に空洞を有するシリコンゴムの眼球モデル７０を用いている。眼球モデル７０は、ベース部分７２と、内部を加圧することで膨らみ外形形状を可変できる曲面部分７４とを含んで構成され、加圧器８０によって、眼球モデル７０の内部に水あるいは適当な流動体を加圧して注入することで、曲面部分７４の形状を可変できる。曲面部分７４における内部流動体の圧力は、マノメータ等の圧力計８２によって検出できる。図６には、圧力を大きくするにつれ、曲面部分７４が膨らんで曲面部分７５，７６に変化する様子が示されている。

図７は、凹面音響レンズ２２から眼球モデル７０の先端までの距離を２０００μｍ、すなわち２ｍｍとして、周波数変化量Δｆと、眼球モデル７０の圧力との関係を示す図である。図７から分かるように、眼球モデル７０の圧力と、位相シフト法における周波数変化量Δｆとの間にきれいな線形性が認められる。

したがって、図７のような対応関係を予めメモリ等に記憶しておくことで、図１に示される眼圧測定装置１０によって、眼球８の眼圧を求めることができる。「Δｆ−眼圧」の対応関係は、Δｆを入力することで眼圧が出力される型式で記憶される。具体的には、ルックアップテーブルのような換算テーブルの型式で記憶されてもよく、計算式の形式で記憶されていてもよい。

上記構成の眼圧測定装置１０の作用を、眼圧を求める手順として以下に説明する。以下では図１から図３の符号を用いて説明する。

最初に、位相シフト回路５０の作用によって、眼球８がない状態で自励発振を生じさせ、そのときの発振周波数をｆ_１として、周波数変化量算出部５２に出力される。上記の例では、ｆ_１は、図３のピークＡの周波数であるので約３５０ｋＨｚである。眼球８がない状態とは、眼球８と凹面音響レンズ２２の先端の間の間隔を十分広く取ることで実現できる。

次に、探触子移動機構３０を用いて、眼球８に対し凹面音響レンズ２２を近づける。近づける距離は、眼球８と凹面音響レンズ２２の先端との間の距離が、凹面音響レンズ２２の代表的な曲率半径となるようにすることが好ましい。あるいは、距離を変化させて、そのときの発振周波数のばらつきが少なくなる位置をもって、測定のための間隔とすることができる。すなわち、眼球８と凹面音響レンズ２２との間の間隔が狭すぎても広すぎても、超音波が発散するか、あるいは凹面音響レンズ２２の曲面上に集中しないからである。

適切な間隔に眼球８と凹面音響レンズ２２との間が設定されると、その位置における発振周波数がｆ_２として、周波数変化量算出部５２に出力される。周波数変化量算出部５２では、周波数変化量として、Δｆ＝ｆ_２−ｆ_１を算出して、眼圧算出部５４に出力する。Δｆの大きさは、図５、図７の例では、およそ１００Ｈｚ程度である。

眼圧算出部５４では、予め記憶されている「Δｆ−眼圧」対応関係を読み出し、その対応関係に周波数変化量算出部５２から与えられた周波数変化量Δｆをあてはめ、対応する眼圧を算出し、出力する。出力された眼圧値は、本体部６０において、ディスプレイあるいはプリンタ等の出力手段によって、表示出力される。図７の例で、Δｆ＝１２０Ｈｚとすれば、対応する眼圧は、約１．１ｋＰａと算出されて表示されることになる。

Claims

非接触で眼球に超音波を入射する振動子と、眼球からの反射波を検出する振動検出センサとを有する探触子と、
探触子の先端に設けられ、眼球に向かい合う面が凹面である凹面音響レンズと、
探触子に増幅器とともに直列に接続され、振動子への入力波形と振動検出センサからの出力波形に位相差が生じるときは、周波数を変化させてその位相差をゼロに補償する位相シフト回路と、
位相差をゼロに補償したときの周波数変化量と眼圧との関係を予め求めておき、凹面音響レンズを眼球に離隔させて向かい合わせて眼球に超音波を入射したときに生じる位相差をゼロに補償する周波数変化量から眼圧を算出する眼圧算出部と、
を備えることを特徴とする眼圧測定装置。
請求の範囲１に記載の眼圧測定装置において、
凹面音響レンズと測定対象物の眼球との間の距離を可変できる探触子移動機構を備えることを特徴とする眼圧測定装置。
請求の範囲１に記載の眼圧測定装置において、
凹面音響レンズの曲面形状を可変できる曲面形状可変手段を備えることを特徴とする眼圧測定装置。