JP5958525B2 - 眼球の光計測装置 - Google Patents
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Description
但し、A:測定された尿の旋光角[deg]
Ah:妨害旋光性物質によって発現する旋光角の最大値[deg]
Al:妨害旋光性物質によって発現する旋光角の最小値[deg]
α:旋光性物質の比旋光度[deg/cm・dl/kg]
L:測定光路長[cm]
の範囲であると判定する尿検査方法が記載されている。
ここで、角膜の頂部の位置よりも眼球の奥側の位置には、光照射手段および光受光手段の全体を配置するような十分なスペースがないため、光を反射するミラー等の光反射部材を利用して、この光反射部材を眼球の奥側に配置し、光源等のその他の部材は手前側に配置する構成を採用することが考えられる。
したがって、光受光手段側における光反射部材によって反射した光の偏光状態を検出した場合、前眼房を横切ったことによる偏光状態の変化と、光反射部材による偏光状態の変化とが合成されたものから、前者のみを抽出することが困難となり、眼房水に関する光計測の精度が悪くなってしまう。
請求項2に記載の発明は、光源と、当該光源からの光を偏光制御する偏光手段と、を有し、前記光源、前記偏光手段及び前記光反射手段が、前記眼球の目頭側において当該眼球の前後方向に並んで配置された請求項1に記載の眼球の光計測装置である。
請求項3に記載の発明は、光源、当該光源からの光を偏光制御する偏光手段及び偏光制御された当該光を眼球の前眼房を横切るように反射させる光反射手段が、当該眼球の目頭側において当該眼球の前後方向に並んで配置された光照射手段と、前記前眼房を横切った光の偏光状態の変化を検出する検光子及び受光素子が、前記眼球の目尻側において当該眼球の内外方向に並んで配置された光受光手段と、を備える眼球の光計測装置である。
<光計測装置1>
図1は、第1の実施の形態が適用される光計測装置1の構成の一例を示す図である。なお、図1に示す眼球10は左目である。
この光計測装置1は、被計測者(被験者)の眼球10の前眼房13(後述)内の眼房水に関する計測に用いる光学系20、光学系20を制御する制御部40、光学系20および制御部40を保持する保持部50、光学系20を用いて計測されたデータに基づいて眼房水の特性を算出する算出部60、被計測者の瞼に接触し瞼を抑える瞼抑え部70を備えている。
また、第1の実施の形態が適用される光計測装置1が測定する眼房水の特性とは、眼房水に含まれる光学活性物質による直線偏光の振動面の回転角(旋光度αM)、円偏光に対する吸色度(円二色性)などをいう。なお、直線偏光の振動面とは、直線偏光において電界が振動する面をいう。
光源の一例としての発光部25は、発光ダイオード(LED)やランプのような波長幅が広い光源であってもよく、レーザのような波長幅が狭い光源であってもよい。また、LED、ランプ又はレーザを複数備えていてもよい。なお、後述するように、複数の波長を使用できることが好ましい。
偏光手段の一例としての偏光子27は、例えば、ニコルプリズムなどであって、入射した光から、予め定められた振動面の直線偏光を通過させる。
光反射手段の一例としてのミラー29は、偏光子27を通過した光を反射させ、点線で示す光路28を折り曲げる。
補償子31は、例えばガーネット等を用いたファラデー素子などの磁気光学素子であって、磁場によって直線偏光の振動面を回転させる。
検光子33は、偏光子27と同様の部材であって、予め定められた振動面の直線偏光を通過させる。
受光部35は、シリコンダイオードなどの受光素子であって、光の強度に対応した出力信号を出力する。
保持部50は、光学系20及び制御部40を保持する略円筒状の筺体である。なお、図1に示す保持部50は、円筒を軸方向と平行な面で切断した形状として示しているが、これは、光学系20を見やすくするためである。また、保持部50の形状は、他の形状であってもよく、例えば、断面が四辺形や楕円の筒状であってもよい。なお、保持部50の詳細については、後述する。
算出部60は、制御部40から計測データを受信し、眼房水の特性を算出する。
なお、光計測装置1は、瞼抑え部70を備えなくてもよい。
ここでは、保持部50を説明する。
保持部50は、円筒状の本体50A、支持部50B、50C、50D、50Eを備えている。支持部50B、50C、50D、50Eは、本体50Aの後側(奥側)の端部に固定して設けられている。支持部50B、50Cは、発光系21、上眼瞼抑え部71及び下眼瞼抑え部72のそれぞれの一端部を支持する。支持部50D、50Eは、受光系23、上眼瞼抑え部71及び下眼瞼抑え部72のそれぞれの他端部を支持する。
そして、発光系21を支持する支持部50B、50Cには、発光系21から出射される光の方向を変更する際の軸O−O′が設けられている。後述するように、この軸O−O′を中心として、発光系21におけるミラー29又は発光系21を回転(移動)させる(角度を変える)ことにより、発光系21から出射される光の方向を変更する。
調整部80は、モータなどを含み、制御部40の制御に基づいて、発光系21におけるミラー29又は発光系21を回転させて光の方向を調整するものであってもよい。また、調整部80は、回転可能なダイヤルなどの機構を含み、被計測者が手動により発光系21におけるミラー29又は発光系21を回転させて光の方向を調整するものであってもよい。すなわち、調整部80は、発光系21におけるミラー29の角度を調整できる機構であれば、他の機構であってもよい。
なお、光計測装置1が瞼抑え部70を備えない場合には、支持部50B、50Cは、発光系21を支持し、支持部50D、50Eは、受光系23を支持するように構成される。
図3は、眼球10と光学系20における光路28との関係を説明する図である。図3では、人(被計測者)を頭側(上側)から見た状態を示している。また、図では、光学系20の一部が、顔の内部に埋め込まれているように見えるが、これは顔の表面の凹凸形状の関係でそのように見えているだけであり、実際は顔の表面上に配置されている。
ここでは、まず眼球10の構造について説明をし、次にこの眼球10と光学系20の光路28との関係について詳細に説明する。
図3に示すように、眼球10は、外形がほぼ球形であって、中央にガラス体11がある。そして、レンズの役割をする水晶体12が、ガラス体11の一部に埋め込まれている。水晶体12の前側には、前眼房13があり、その前側に角膜14がある。前眼房13及び角膜14は、球形から凸状に飛び出している。
水晶体12の周辺部は虹彩に囲まれ、その中心が瞳孔15である。水晶体12に接する部分を除いて、ガラス体11は、網膜16で覆われている。
図3に示すように、光学系20において、眼房水の特性の計測に用いる光は、発光部25から出射され、光路28に沿って進み、受光部35へ入射する。すなわち、発光部25から出射された光は、偏光子27を通過後、ミラー29により前眼房13を横切る方向(目に平行な方向)に折り曲げられる。そして、前眼房13を横切るよう(内外方向)に通過する。さらに、前眼房13を通過した光は、補償子31、検光子33を介して、受光部35に入射する。
すなわち、発光系21が前眼房13に向けて出射する光が前後方向における前側に向けて斜めに進むように、発光系21(ミラー29)が配置されている。つまり、ミラー29は、眼球10の露出部(前眼房13)の前側頂部よりも、後側(奥側)に配置されている。
また、受光系23は、前眼房13から前後方向における後側(奥側)に向けて斜めに進む光を受けるように配置されている。
そこで、図示の光計測装置1においては、眼球10に対して平行に近い角度で光を入射させ、前眼房13を横切るように光路28を設定するため、発光系21において、ミラー29を設け、内側(目頭側)の光路28を折り曲げることで、スペースを有効に利用しようとしている。
すなわち、第1の実施の形態では、発光系21を内側(目頭側)に設け、受光系23を外側(目尻側)に配置している。
次に、光計測装置1を用いて、前眼房13における眼房水のグルコース濃度を算出する例を説明する。
まず、眼房水のグルコース濃度を測定する背景について説明する。
インスリン治療を必要とする1型糖尿病患者、2型糖尿病患者(被計測者)には、自己血糖測定が推奨されている。自己血糖測定では、血糖コントロールを精緻に行うために、家庭などにおいて被計測者自身で自己の血糖値を測定する。
現在流通している自己血糖測定器は、指先などを注射針で穿刺し、微量の血液を採取して、血液中のグルコース濃度を測定する。自己血糖測定は、毎食後や就寝前等での測定が推奨されることが多く、一日に1回から数回行うことが求められる。特に、強化インスリン治療では、さらに多数回の測定が必要とされている。
このため、穿刺式の自己血糖測定器を用いた侵襲式の血糖値測定法は、血液を採取する時(採血時)の痛みによる苦痛から、被計測者の自己血糖測定に対するインセンティブ低下を招きやすい。このため、効率的な糖尿病治療が困難となる場合がある。
非侵襲式の血糖値測定法として、近赤外分光法、光音響分光法、旋光性を利用する方法などが検討されている。なお、これらの方法では、グルコース濃度から血糖値を推測する。
近赤外分光法や光音響分光法は、指の血管内の血液における光吸収スペクトルや音響振動を検出する。しかし、血液中には赤血球、白血球などの細胞物質が存在する。このため、光散乱の影響を大きく受ける。さらに、血管内の血液の他に周囲の組織の影響も受ける。よって、これらの方法は、タンパク質、アミノ酸等、莫大な数の物質が関与する信号からグルコース濃度に関する信号を検出することを必要とし、信号の分離が難しい。
そして、眼房水に含まれるタンパク質、グルコース、アスコルビン酸等は光学活性物質であって、旋光性を有している。
そこで、第1の実施の形態が適用される光計測装置1は、この眼房水から、旋光性を利用してグルコースを含む光学活性物質の濃度を光学的に計測する。
なお、眼房水は、グルコースを輸送するための組織液であることから、眼房水のグルコース濃度は、血液中のグルコース濃度と相関すると考えられている。そして、ウサギを用いた測定において、血液から眼房水へのグルコースの輸送にかかる時間(輸送遅延時間)は、10分以内であると報告されている。
さて、眼房水に含まれるグルコースなどの光学活性物質の濃度を光学的に計測する手法において、設定することのできる光路は以下の2つである。
1つは、図3に示す第1の実施の形態と異なり、眼球10に対して垂直に近い角度、すなわち前後方向に沿って光を入射させ、角膜14と眼房水との界面又は眼房水と水晶体12との界面で光を反射させ、反射した光を受光(検出)する光路である。もう1つは、図2に示す第1の実施の形態のように、前後方向と交差する角度、具体的には眼球10に対して平行に近い角度で光を入射させ、前眼房13を横切るように通過した光を受光(検出)する光路である。
光学活性物質による振動面の回転角(旋光度)は、光路長に依存し、光路長が長いほど旋光度が大きい。よって、前眼房13を横切るように光を通過させることで、光路長を長く設定できる。
図4は、光計測装置1によって、前眼房13における眼房水に含まれる光学活性物質による振動面の回転角(旋光度)を計測する方法を説明する図である。ここでは、説明を容易にするため、光路28を折り曲げない構成とし、ミラー29の記載を省略している。
また、図4に示す発光部25、偏光子27、前眼房13、補償子31、検光子33、および受光部35のそれぞれの間において、光の進行方向から見た偏光の様子を円内の矢印で示している。
偏光子27を通過した直線偏光は、前眼房13における眼房水に含まれる光学活性物質により、振動面が回転する。図4では、振動面は角度αM(旋光度αM)回転する。
そして、検光子33を通過した直線偏光を受光部35により受光し、光の強度に対応した出力信号に変換する。
まず、発光部25を出射した光が前眼房13を通過させない状態において、発光部25、偏光子27、補償子31、検光子33、及び受光部35を含む光学系20を用いながら、受光部35からの出力信号が最小になるよう、補償子31及び検光子33を設定する。図4に示す例において、光が前眼房13を通過させない状態では、偏光子27を通過した直線偏光の振動面は、検光子33を通過する振動面と直交する。
この補償子31によって回転させた振動面の角度が、眼房水に含まれる光学活性物質によって発生した旋光度αMに対応する。ここで、補償子31に印加した磁場の大きさと回転した振動面の角度との関係は、事前に知られている。したがって、補償子31に印加した磁場の大きさから、旋光度αMが分かる。
なお、算出部60により算出された光学活性物質の濃度は、光計測装置1が備える表示手段(不図示)に表示してもよいし、光計測装置1が備える出力手段(不図示)を介してPC(Personal Computer)などの他の端末装置(不図示)に出力してもよい。
前述したように、顔の目(眼球10)の周囲には、鼻(鼻梁)が位置し、光学系20を設定するスペースが少ない。そこで、前眼房13を横切るように光を通過させるためには、発光系21を目頭(鼻)側に配置し、ミラー29を用いて光路28を折り曲げることが好ましい。そして、受光系23は、外側(目尻側)に配置し、ミラーを用いないことが好ましい。
光学活性物質による旋光以外に振動面を回転させたり、偏光状態を変化させたりする要因に、発光系21におけるミラー29による反射、及び角膜14による複屈折がある。
まず、発光系21におけるミラー29の偏光状態に及ぼす影響について説明する。
一般的に、ミラーによる反射では、入射面に平行な成分(P)及び垂直な成分(S)のそれぞれの反射率は、ミラーの屈折率及び入射角に依存する。このため、ミラーに偏光を入射させると、入射角により反射光の偏光状態が入射光の偏光状態と異なる(変わる)ことがある。例えば、直線偏光を入射させる場合、ある入射角では、反射光も直線偏光となることがあり、異なる入射角では、反射光が楕円偏光になることがある。
なお、ミラーの屈折率、入射光の偏光状態(振動面の向き及び直線偏光、楕円偏光などの状態)及び入射角が既知であれば、反射光の偏光状態は算出しうる。
図5(a)に示すように、発光部25から出射し、ミラー29に入射する入射光28Aは、ミラー29で反射され、眼球10に向かう。しかし、ミラー29で反射された反射光28Bは、前眼房13を横切るように通過せず、後側(奥側、眼球10側)に向かう。
そこで、図5(b)に示すように、ミラー29の角度を変えて、ミラー29で反射した反射光28Cが前眼房13を横切って通過するように調整する。
したがって、例え、図5(a)におけるミラー29からの反射光28Bの偏光状態が分かっていたとしても、図5(b)に示すようにミラー29の角度を変えたことで、反射光28Cの偏光状態が分からなくなる。よって、前眼房13を横切って通過した光を計測しても、眼房水に含まれる光活性物質の旋光度αMを正確に算出できない。
しかし、図5(b)におけるミラー29の角度が分かれば、反射光28Cの偏光状態を算出しうる。よって、ミラー29による偏光状態の変化を考慮することにより、眼房水に含まれる光活性物質の旋光度αMがより正確に算出される。
すなわち、図5(b)において、ミラー29の角度を測定することが必要となる。
ステッピングモータMは、ロータ(磁石)と、ロータの周りに設けられた複数のコイルとから構成されている。そして、複数のコイルをあらかじめ定められた方法で励磁することで、ステッピングモータMのロータが微小な角度で回転する。すなわち、ステッピングモータMは、コイルを励磁する電流の供給により、回転角が設定される。
図5(a)に示すミラー29の角度を基準とし、ステッピングモータMを回転させることで、図5(b)に示すミラー29の角度にする。このとき、ステッピングモータMの回転角から、ミラー29の角度の変化が測定される。すなわち、ミラー29の角度が分かる。よって、ミラー29による反射光28Cの偏光状態は算出しうる。
なお、ステッピングモータMの制御は、制御部40によって行われる。
ミラー角度測定部37は、ビーム状の測定光をミラー29に向けて出射する光源と、ミラー29から反射した光を受光する複数の受光セルを備えた撮像素子とを備えている。
図5(a)に示すミラー29の角度を基準とする。このとき、光源から出射されたビーム状の角度測定光は、ミラー29の表面で反射され、撮像素子の複数の受光セルのいずれかに入射する。そして、ミラー29の角度を変えて、図5(b)に示すミラー29の角度にする。すると、光源から出射されたビーム状の角度測定光は、ミラー29の表面で反射して、撮像素子の複数の受光セルの他のいずれかに入射する。すなわち、ミラー29の表面で反射した角度測定光を受光する受光セルの位置のシフト(ずれ)により、ミラー29の角度の変化が測定される。すなわち、ミラー29の角度が分かる。よって、ミラー29による反射光の偏光状態が算出しうる。
なお、ビーム状の測定光をミラー29に向けて出射する光源は、LEDやレーザであってよく、ミラー29の表面で反射した測定光を受光する撮像素子は、CCDやCMOSセンサであってよい。
このとき、ミラー29の角度は、調整部80が備えるモータの回転で設定してもよく、被測定者が手動で調整部80が備えるダイヤルなどにより設定(調整)してもよい。
なお、ミラー角度測定部37の制御は、制御部40によって行えばよい。
ここで、ミラー29の角度を変える際の回転の軸O−O′について説明する。なお、ミラー29は、調整部80によって、軸O−O′の回りに移動させられることで角度を変える。このことを、ここでは、ミラー29が軸O−O′の回りで回転すると表現する。
図7は、ミラー29の角度を変える際の回転の軸O−O′(図中ではO(O′)と表記する)を説明する図である。図7(a)は、回転の軸O−O′がミラー29上の反射点Rと一致する場合、図7(b)は、回転の軸O−O′がミラー29の中心と一致する場合、図7(c)は、回転の軸O−O′がミラー29の前後方向における後側(奥側)の端29Aと一致する場合を示す。
ここでは、ミラー29における光路28の反射点Rをミラー29の前後方向における後側(奥側)に近付けて示している。なお、ミラー29が、反射面を有する部材と、反射面を有する部材の裏面にあって、反射面を有する部材を支持する部材とを含む場合は、これらの部材を全体としてミラー29と表記する。
よって、反射点Rをできるだけ移動させないためには、ミラー29を回転させる軸O−O′は、ミラー29の領域のうち反射点Rに近接した位置に設けることが好ましく、反射点Rと一致させるようにすることがより好ましい。また、ミラー29が顔(眼球10)に当たるおそれを低減するためには、軸O−O′は、ミラー29の領域のうち顔側に近い側の領域に設けられることが好ましく、顔側に近い側の端部に設けられることがより好ましい。
次に、受光系23においてミラーを用いない理由について説明する。
図8は、受光系23にミラーを用いない場合とミラーを用いた場合を説明する図である。図8(a)は、受光系23にミラーを用いない場合、図8(b)は、受光系23にミラー39を用いる場合を示す図である。なお、受光系23において、補償子31、検光子33、受光部35の記載を省略している。
一方、図8(b)に示すように、受光系23にミラー39を用いる場合では、眼球10の前眼房13を横切った光が角膜14を通過して、受光系23に入射し、ミラー29で反射され、補償子31、検光子33、受光部35に入射する。したがって、補償子31に入射する光は、ミラー39による反射によって偏光状態がさらに変化した光である。
したがって、発光系21のミラー29と同様にミラー39の屈折率及び入射角が既知であっても、前眼房13を横切ったことによる偏光状態の変化と、ミラー39による偏光状態の変化とが合成された信号から、前者による信号を抽出することが困難となり、眼房水に関する光計測の精度が悪くなってしまう。
第1の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1では、光学系20の発光系21において、発光部25及び偏光子27を固定し、ミラー29の角度を変えて、光路28が前眼房13を横切るように通過して受光系23に入射するように設定した。
第2の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1では、光学系20の発光系21において、発光部25、偏光子27、ミラー29を固定部材38によって固定し、固定部材38によって、発光系21全体の角度を変えることにより、光路28が前眼房13を横切るように通過して受光系23に入射するように設定する。
なお、受光系23は、第1の実施の形態と同様に、ミラーを用い(介さ)ない構成としている。
第2の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1は、第1の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1とは、光学系20における発光系21が異なるが、他の構成は同じである。よって、以下では、光学系20における発光系21を説明する。
図9(a)に示すように、光学系20における発光系21は、発光部25、偏光子27、ミラー29が固定部材38によって固定されている。そして、ミラー29の角度も、固定部材38によって固定されている。つまり、発光部25に対してミラー29の角度を独立に変えることができない。
そこで、図9(b)に示すように、固定部材38ごと、発光部25、偏光子27、ミラー29を、軸O−O′の回りで回転させる。これにより、光路28が前眼房13を横切るように通過するように設定される。
このため、第1の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1と異なって、ミラー29の角度を変える毎に、ミラー29から反射される光の偏光状態を考慮する必要がない。
第2の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1では、光学系20の発光系21を支持部50B、50Cで支持された軸O−O′の回りで移動させることにより、光路28が前眼房13を横切って通過して受光系23に入射するように設定した。
第3の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1では、支持部50B、50Cの代わりにレール51を用い、レール51上で発光系21を移動させることにより、光路28が前眼房13を横切って通過して受光系23に入射するように設定する。
なお、受光系23は、第1の実施の形態と同様に、ミラーを用い(介さ)ない構成としている。
第3の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1は、第2の実施の形態が適用される眼球の光計測装置1とは、光学系20における発光系21が異なるが、他の構成は同じである。よって、以下では、光学系20における発光系21を説明する。
図10(a)に示すように、光学系20における発光系21は、第2の実施の形態と同様に、発光部25、偏光子27、ミラー29に加えて、固定部材38を備えている。そして、発光部25、偏光子27、ミラー29は、固定部材38に固定されている。さらに、ミラー29の角度も、固定部材38によって固定されている。つまり、発光部25に対してミラー29の角度を独立に変えることができない。
なお、発光系21は、被計測者が手動によりレール51上を移動させてもよい。この場合、レール51が、調整手段の他の一例である。また、発光系21がレール51により支持される部分にモータなどを備え、モータの回転軸とレール51の表面とを接触させることで、制御部40の制御に基づくモータの回転により、発光系21を移動させてもよい。この場合、レール51及び発光系21をレール51上で移動させる機構が、調整手段のさらに他の一例である。
また、本開示は上記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施することができる。
Claims (3)
- 眼球の目頭側に配置され、当該眼球の前側から奥側に向かう偏光制御された光を当該眼球の前眼房を横切るように反射させる光反射手段と、
前記眼球の目尻側に配置され、光の偏光状態を変化させる光反射手段を介さずに、前記前眼房を横切った光を受光し、当該前眼房を横切ったことによる光の偏光状態の変化を検出する光受光手段と、
を備える眼球の光計測装置。 - 光源と、当該光源からの光を偏光制御する偏光手段と、を有し、
前記光源、前記偏光手段及び前記光反射手段が、前記眼球の目頭側において当該眼球の前後方向に並んで配置された請求項1に記載の眼球の光計測装置。 - 光源、当該光源からの光を偏光制御する偏光手段及び偏光制御された当該光を眼球の前眼房を横切るように反射させる光反射手段が、当該眼球の目頭側において当該眼球の前後方向に並んで配置された光照射手段と、
前記前眼房を横切った光の偏光状態の変化を検出する検光子および受光素子が、前記眼球の目尻側において当該眼球の内外方向に並んで配置された光受光手段と、
を備える眼球の光計測装置。
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