眼振 の病 態生理 の研究
-第2報
ビデオ画像処理に
よる眼球運動計測-岡 山大学 医学 部 眼科 学教 室(指 導:松 尾信 彦教 授)
岡
山
英
樹
(平 成7年8月30日 受 稿) Key words:眼 球 運 動 計 測,高 速 ビデ オ シ ス テ ム,画 像 処 理緒
言
眼 振 は 頭 位,頭 部 運 動 に 密 接 に 影 響 さ れ る た め,そ の 解 析 に は 頭 位,頭 部 運 動 と眼 球 運 動 を 同 時 に 計 測 す る 必 要 が あ る.筆 者 は3次 元 空 間 で の6軸 自由 度 の 頭 位 を連 続 的 に 計 測 す る シ ス テ ム を開 発 し た1).一 方,眼 球 運 動 計 測 は 簡 便 な 方 法 と し てEOGが 広 く普 及 して い るが,精 度, 安 定 性 に は 多 くの 問 題 点 が あ り,こ れ を 解 決 す る た め に こ れ ま で さ ま ざ ま な分 野 に お い て 多 く の 試 み が な さ れ て い る2).磁 気 を 用 い た サ ー チ コ イ ル 法 は安 定 し た 高 精 度 計 測 が 可 能 な 方 法 と し て以 前 か ら 注 目 され,コ ン タ ク ト レ ン ズ の 改 良 に よ っ て 角 膜 障 害 も減 少 し,実 用 性 が か な り向 上 し て い る が3)4)5),現時 点 で は コ ン タ ク トレ ン ズ そ の もの に 問 題 が あ り,年 長 者 あ る い は ボ ラ ン テ ィ ア を対 象 と し た 計 測 に 限 定 さ れ て い る.フ ォ トセ ル や リニ ア イ メー ジ セ ンサ を用 い て 角 膜 輪 部 や 瞳 孔 縁 を検 出 す る方 法6)7)は装 置 が 簡 便 で あ るが,頭 部 と計 測 装 置 の 間 を厳 密 に 固 定 す る 必 要 が あ り,徴 小 な 水 平 成 分 以 外 の 計 測 に は 問 題 が あ る よ う で あ る.フ ォ トセ ン サ とサ ー ボ ミ ラー を使 っ て 第1お よび 第4 Purkinje像 を追 跡 す る方 法8)は 小 範 囲 の 頭 部 運 動 を許 容 し,し か も 最 も精 度 の 高 い 計 測 法 で あ る が,複 雑 な制 御 機 構 を要 し,大 型 と な り,頭 部 を 自由 に 動 か し た 状 態 で の 眼 球 運 動 計 測 は で き な い.ビ デ オ カ メ ラ を用 い た 方 法 は 頭 部 を 自 由 に 動 か し た状 態 で 非 接 触 で 眼 球 運 動 情 報 が 得 られ る可 能 性 が あ り, 多 くの 報 告 が あ る が9)10)通常 の ビデ オ 信 号 を用 い る 限 りサ ン プ リ ン グ 速 度 が1/30秒 ま た は1/60秒 と遅 く,衝 動 性 眼 球 運 動 の 計 測 に は不 適 当 で ある.今 回,筆 者 は時 間軸 での精 度不 足 を高速 ビ
デ オ システ ム を用 い て改善 し,画 質 低 下 に よ る
角 度分 解 能低 下 を画像 処理 に よ り改善 した シス
テ ム を開 発 した ので報 告 す る.
材 料 と 方 法
1. 録 画 図1 ビデ オ眼 球 運動 計 測 シ ス テム の 構成 高 速 ビデ オ シ ス テ ム は エ ク タ プ ロ1000高 速 動 作 解 析 シ ス テ ム(Kodak)を 用 い た.こ の カ メ ラ は 撮 像 素 子 に192×240画 素 のCCD (Charge Coupled Device)を 用 い, 1000 frames/secの 記録 が 可 能 で あ る.照 明 は 被 検 者 の 差 明 感 を抑 え る た め 赤 外 線 フ ィ ル ター を装 着 した1KWの タ ン グ ス テ ン ラ ン プ を 用 い た.通 常 の ビデ オ 画 像 は低 照 度 で 撮 影 可 能 な た め 小 型 の 赤 外 線 発 光 ダ イ オ ー ドを 照 明 に 用 い, 384×491画 素 のCCDカ メ ラAVC-D1 (SONY)を 用 い て 録 画 し た.近 視 性 乱 視 以 外 に 眼 科 的 異 常 の 無 い29歳 と25歳 の 正 常 者 を被 検 者 と し,頭 部 固 定,両 眼 解 放 下 で 正 面 固 視,水 平,垂 直 の 衝 動 性 眼球 運 動 を 右 眼 に つ い て 計 測 し た(図1).な お,眼 鏡 装 用 下 で は 画 質 が 劣 化 す る た め 被 検 者 の 屈 折 矯 正 は 行 わ な か っ た た め,視 標 は 白 熱 電 球 に よ る光 源 と し, 65
66 岡 山 英 樹 中 央 の 視 標 で 眼 前1mと な る よ う に 設 置 した. キ ャ リブ レー シ ョ ンは10°ず つ 水 平 方 向 は正 面 よ り左 方 へ30° まで,垂 直 方 向 は 下 方 へ20°まで 順 次 固 視 移 動 を行 い30 frames/secで 録 画 し,固 視 移 動 の 前 後 の 画 像 に 対 し て 後 述 の 画 像 処 理 を行 い,得 ら れ た変 位 量 を 基 準 と した. 2. 画 像 処 理 シ ス テ ム 録 画 した デー タ はRS-232Cを 介 し て フ レー ム コ ン トロ ー ル が 可 能 な ビ デ オ デ ッ キVC-S20C (SHARP)を 用 い て1フ レー ムず つ768×512×8 ビ ッ ト構 成(384KB)の フ レー ム バ ッ フ ァ に 取 り込 み,汎 用 パ ー ソナ ル コ ン ピュー ターPC-98XL (NEC)を 用 い て 処 理 を 行 っ た.今 回 は 高 速 処 理 用 途 の 強 力 な 演 算 能 力 を持 つ プ ロ セ ッサ(た と え ばi860 INTEL)な ど特 別 な ハ ー ドは 用 い ず, 標 準 的 な プ ロ セ ッサ(i80286 INTEL)の み を 用 い,し か も大 量 の メ モ リー 操 作 を行 う部 分 以 外 は ア セ ン ブ ラ の 使 用 は で き る だ け 控 え, C言 語 を主 体 に ソ フ トウ ェ ア を作 成 した 評 価 用 の もの の 開 発 を行 い,高 速 処 理 を 意 識 し た シ ス テ ム 構 成 は と っ て い な い. 3. 処 理 の ア ル ゴ リズ ム 将 来 的 に は小 さ な 頭 部 運 動 に よ る 眼 球 の 並 進 運 動 を あ る程 度 キ ャ ン セ ル す る こ と を 目的 と し て い る た め 画 像 中 の 眼 球 像 の 大 き さ は 比 較 的 小 さ く,眼 球 像 がCCDを 構 成 す る受 光 素 子 の1個 分 移 動 し た 場 合, 0.5∼1.0度 程 度 の 眼 球 運 動 に 相 当 し,精 度 は 低 い.さ ら に 赤 外 線 照 明 で は 鮮 明 な 画 像 は 期 待 で きず,高 速 ビ デ オ 画 像 で は ノ イ ズ が 多 い 。 こ の よ うな 条 件 下 で 高 精 度 に 瞳 孔 中心 を も とめ る た め 単 純 な2値 化 法 で は な く, 以 下 に 示 す 明 度 差 重 心 法11)を 用 い た(図2). 図2 明度 差 重 心法 に よる瞳 孔 中 心 の決 定 方 法 図3 正 面 よ り10度 左 方 へ の 衝 動 性 眼 球 運 動 計 測 (高 速 ビ デ オ, 1000 frames/sec) 1) ビデ オ 画 像 を デ ジ タ ル 化 し,フ レ ー ム メ モ リへ 保 存. (768×512×8ビ ッ ト) 2) 瞳 孔 を通 る任 意 行 の 輝 度 分 布 を調 べ,角 膜 反 射 や 閉 瞼 に よ る エ ラ ー を 除 去. 3) 隣 同 士 の 画 素 の 輝 度 の 差(差 分 値)を も とめ,同 時 に 混 在 す る ノ イ ズ を 低 減. 4) 差 分 値 の ピー ク値 よ り閾 値(T1, T2) を決 定 し,そ れ を 越 え る部 分 の 重 心(P1, P2) を決 定. 図4 正 面 よ り20度 左 方 へ の 衝 動 性 眼 球 運 動 計 測 (高 速 ビ デ オ, 1000 frames/sec) 図5 正 面 よ り30度 左 方 へ の 衝 動 性 眼 球 運 動 計 測 (高 速 ビ デ オ, 1000 frames/sec)
5) 水平 お よび垂 直 の両 方 向へ 同様 の処理 を
行 い,瞳 孔 輪郭 を決 定 し,そ の 中心 を得 る.
デー タの 客観 性 と省 力化 をはか る ため計 測対
象領 域 の指 定以 外 はすべ て 自動 処理 と した.
結
果
高 速 ビ デ オ に よ る衝 動 性 眼 球 運 動 の 計 測 結 果 を図3∼ 図6に 示 す.水 平 方 向 で は 視 標 点 灯 後 170∼190msecか ら 始 ま る最 初 の 運 動 とそ れに 続 く修 正 運 動(corrective saccade)の 過 程 が 明 瞭 に 計 測 さ れ て い お り,こ の例 で は10°お よ び20°で は ア ン ダ ー シ ュ ー ト を示 し, 30°で は オ ー バ ー シ ュ ー トを 示 して い る.垂 直 方 向 で は 水 平 に 比 べ や や ノ イ ズ が 多 い が,明 瞭 な衝 動 性 眼 球 運 動 の 経 過 が 記 録 さ れ て い る.高 速 ビ デ オ の 特 殊 な 録 画 方 式 の 関 係 で 画 像 上 に 水 平 方 向 の 線 状 ノ イ ズ が 多 く,垂 直 運 動 の 計 測 は そ れ に 直 交 す る 方 向 につ い て 解 析 す る関 係 上,強 く影 響 を 受 け た と 考 え ら れ る. 通 常 の ビ デ オ カ メ ラ で は サ ンプ リン グ速 度 が 低 す ぎ て衝 動 性 眼球 運 動 の 開始 点 及 び 終 了 点 を 特 定 で き る よ う な 画 像 は 得 ら れ な か っ た.さ ら に今 回用 い た カ メ ラ に は 電 子 シ ャ ッ タ ー 機 能 が な い た め 大 き な角 度 の 衝 動 性 眼 球 運 動 中 の 画 像 は ブ レ が 大 き く上 記 の 画 像 処 理 を行 っ て も実 用 的 な デ ー タ を 得 る こ とは で き な か っ た.し か し, 図7に 示 す 水 平 方 向 の5° き ざみ の ス テ ップ 状 眼 球 運 動 の 計 測 で は 衝 動 性 眼 球 運 動 の 部 分 は 不 明 瞭 で あ る が,閉 瞼 に よ る ノ イ ズ を 除 け ば 眼 位 の 変 化 を安 定 して 記録 して い る. 照 明 条 件 に よ る影 響 を 図8に 示 す.低 照 度 で は ノ イ ズ が か な り増 加 し て い る こ とが わ か る.考
察
ビデ オ画像 計測 法 は非接 触,非 侵 襲計 測 が最
大 の特 徴 であ り,高 速 ビデ オに よ りサ ンプ リン
グ速 度の遅 さは解 決 し,衝 動性 眼球 運 動 の よ う
な高 速現 象 を計 測可 能 となっ た.
図6 正 面 よ り20度 下 方 へ の 衝 動 性 眼 球 運 動 計 測 (高 速 ビ デ オ, 1000 frames/sec) 図7 正 面 よ り5度 ず つ 左 方 へ の 固 視 移 動(通 常 の ビデ オ, 30 frames/sec) 図8 照 明 の 影 響(高 速 ビ デ オ, 1000 frames/sec, 10度 左 方 へ の 衝 動 性 眼 球 運 動) A:低 照 度 下 B:高 照 度 下 著 者 ら は 以 前,高 速 ビ デ オ シ ス テ ム に よ る 眼 球 運 動 計 測 の 可 能 性 と問 題 点 を示 し た が,今 回 -の 研 究 で 一 応 の 基 礎 的 解 決 策 が 得 られ た と考 え て い る.大 量 の 画 像 デ ー タ 処 理 の 問 題 は コ ン ピ ュ ー タ制 御 に よ り フ レ ー ム コ ン ト ロー ル 可 能 な ビ デ オ デ ッ キ と汎 用 パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ を 用 い て 自動 処 理 す る こ と で 解 決 し た.従 来 画 像 デ ー タか ら位 置 情 報 を得 る に は 画 面 に 表 示 され た 画 像 を1フ レー ム ず つ 人 が 確 認 し な が ら 手 作 業 で カ ー ソ ル を合 わせ る とい っ た 方 法 が 主 体 で, 客 観 性 に 乏 し く 多大 な労 力 を要 し,眼 球 運 動 計 測 の よ う な 用 途 で は 全 く実 用 的 で な い.本 シ ス テ ム で は 処 理 開 始 時 の 初 期 設 定 以 外 に は 人 手 は68 岡 山 英 樹 不 要 で,デ ー タ の 客 観 性 は 極 め て 高 い.現 在 の ソ フ トウ ェ ア,ハ ー ドウ ェ ア は 高 速 処 理 を意 識 し た もの で は な く, 1000フ レー ム の処 理 に20分 前 後 を要 し て い る が,ソ フ トウ ェ ア の 改 良 の み で 数 倍 の 高 速 化,さ ら に 前 述 の 強 力 な プ ロ セ ッ サ を用 い れ ば 通 常 の ビ デ オ レー トで あ れ ば リア ル タ イ ム処 理 ま で 可 能 と考 え られ る. 精 度 に つ い て は 画 質 と瞳 孔 径 の 影 響 を受 け や す く,ま た,眼 球 運 動 の 画 像 計 測 方 式 自体 に 内 在 す る 直 線 性 の 問 題,角 膜 形 状,涙 液 の 影 響, 固 視 微 動 の 存 在 な ど正 確 な評 価 は 困 難 で あ るが, ノ イ ズ レベ ル の 点 で は 適 正 な 赤 外 照 明 下 で 正 面 視 方 向 で0.1∼0.2度 以 下(瞳 孔 径4mm)で あ り, 一 応 満 足 の い く も の で あ る.厳 密 な頭 部 固定 下 の 微 小 角 運 動 で あ れ ば 瞳 孔 領 域 を拡 大 撮 影 す る こ と で さ らに 高 精 度 の 計 測 が 可 能 で あ る. 通 常 の ビデ オ シ ス テ ム は 衝 動 性 眼 球 運 動 の よ うな 高 速 現 象 に は 不 適 当 で あ る が,装 置 が 簡 便, 安 価 で あ り,比 較 的 低 速 の 眼 球 運 動 計 測 や 眼位 の 相 対 変 化 の 計 測 に 限 定 す れ ば 精 度 的 に も有 用 な 方 法 と い え る. ビ デ オ 画 像 計 測 法 は 従 来 評 価 の 難 しか っ た 垂 直 運 動 と 回 旋 運 動 を計 測 で き る た め,精 度 お よ び 全 て の 眼 球 運 動 成 分 を 計 測 で き る 点 で サ ー チ コ イ ル 法 と同 等 の 立 場 に 立 つ 可 能 性 を持 っ て い る.サ ー チ コ イ ル 法 は リア ル タ イ ム で 簡 単 に 運 動 情 報 が 得 ら れ る 点 が 特 徴 で あ るが,被 検 者 へ の 侵 襲 や コ ン タ ク ト レ ン ズ 装 用 と い う根 本 的 な 問 類 が あ る.ビ デ オ 画 像 計 測 法 で は 精 度 とサ ン プ リ ン グ速 度 は リア ル タ イ ム化 と相 反 す る 関 係 に あ る が,ど ち ら に 重 点 を お い て 計 測 す る か 柔 軟 に 対 応 で き,非 接 触,非 侵 襲 と い う特 徴 は 臨 床 面 で 小 児 を扱 うこ との 多 い 眼 科 領 域 で は 捨 て 難 い 魅 力 で あ る.し か も,現 在 ビ デ オ カ メ ラ の 小 型,高 精 度 化 は 著 し く,ま た,数 年 前 で は 考 え られ な い よ うな200 MIPSを 超 え る 強 力 で 操 作 性 の 優 れ た 汎 用 マ イ ク ロ プ ロセ ッ サ が 入 手 可 能 と な りつ つ あ り,電 子 技 術 の 進 歩 に よ っ て 様 相 が 一 変 す る 可 能 性 を 含 ん だ分 野 で あ り,将 来 的 に有 望 な 一 方 法 と考 え られ,こ れ ら の 特 徴 を 活 か し た 分 野 へ の 応 用 が 期 待 で き る. 岡 山 大学 医学 部 眼 科 学教 室 松 尾 信 彦 教 授 の御校 閲 に感 謝 致 します.
文
献
1) 岡 山 英 樹:眼 振 の 病 態 生 理 の 研 究.第1報,頭 位 の3次 元 計 画 測 法 の 開 発.日 眼(1986) 90, 1634-1639.2) Young LR and Sheena D: Survey of eye-movement recording methods. Behav Res Methods Instrum
(1975) 7, 397-429.
3) Robinson DA: A method of measuring eye movement using a scleral search coil in a magnetic field.
IEEE (Inst Electr Electron Eng) Trans Biomed Eng (1963) 10, 137-145.
4) Collewijn H, Van Der Mark F and Jansen TC: Precise recording of human eye movements. Vision Res (1975) 15, 447-450.
5) 竹 森 節 子,森 山 春 子:サ ー チ コ イ ル に よ る 眼 球 運 動 の 記 録 ・分 析. Equilibrium Res (1986) 45, 310-317.
6) 丸 尾 享:光 電 素 子 眼 球 運 動 記 録 装 置 の 使 用 経 験.眼 臨(1979) 73, 938-942.
7) 後 藤 公 子,大 平 明 彦,小 沢 哲 磨: CCDを 用 い た 眼 球 運 動 記 録 計 の 試 作.眼 臨(1982) 76, 1225-1227. 8) Crane HD and Sreele CD: Accurate three-dimensional eyetracker. Applied Optics (1978) 17,
691-704.
9) 佐 藤 友 哉,小 島 と も ゑ,可 児 一 孝: Fundus Haploscopeと 新 し い 眼 球 運 動 記 録 解 析 装 置 に よ る 潜 伏 眼 振 の 解 析.臨 眼(1986) 40, 768-769.
10) James L Levine: Performance of an eyetracker for office use. Comput Biol Med. (1984) 14, 77-89. 11) 笠 井 健,東 野 直 己,辻 三 郎: CCDイ メ ー ジ セ ン サ を 用 い た 眼 球 運 動 計 測 法 と そ の 測 定 分 解 能.電 子 通
