Development of remote and non-contact fundus oxygen saturation measuring device and examination of its effectiveness
| Project/Area Number |
22K12262
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
海老沢 嘉伸 静岡大学, 工学部, 教授 (40213574)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 瞳孔検出 / マルチスペクトルカメラ / 視線検出 / 眼底 / 血中酸素飽和度 / 非侵襲計測 / 近赤外 / 酸素飽和度 / ヘルスケア / 近赤外2波長瞳孔輝度比 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、遠隔から非接触で人間の眼底の酸素飽和度SO2の計測を行える装置の開発とその実証実験を行う。2波長の不可視の近赤外線LED光源により2種類の明瞳孔画像を得て、2波長間の瞳孔輝度比の変化からSO2の変化を検出する。無呼吸実験により、これを検証する。これまでの研究では高速度カメラを使用していたが、偏光センサカメラを利用した2波長の画像を同時取得できる技術を導入して、低コスト化を試みる。同時にカメラの変更によって新たに起こる測定精度低減の問題の軽減を試みる。本方法は、被験者への負担が小さく、将来、無意識のうちにSO2の変化の検出ができるようになる可能性がある。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、遠隔から（30㎝～50㎝程度を想定）非接触で人間の眼底の血中酸素飽和度SO2の計測が行える装置の開発とその実証実験の試みを行っている。被験者への負担が小さく、将来、スマートフォンなどに導入することで、使用中に無意識のうちにSO2の変化の検出ができる可能性があると考えている。
我々のこれまでの研究では高速度カメラを使用して、2波長の不可視の近赤外線LED光源をビデオカメラの別フレームで点灯させ、顔に光を照射させ明瞳孔画像を得て、2波長間の瞳孔輝度の比の変化からSO2に相関を持つ数値(以後、単にSO2と呼ぶ）の変化を検出した。無呼吸実験により検証を試みた。指先の経皮的動脈血酸素飽和度SpO2を同時計測し、低SpO2時と高SpO2時を時間的に二分して、瞳孔輝度比を比較したところ、有意差が見られたが、ノイズが多く,明確な時間的な変化が見られなかった。今年度、偏光センサカメラを利用した2波長の画像を同時取得できる技術を導入して、低コスト化と共にSO2の測定精度の向上等を試みた。その結果、ノイズが低減した。
これまでの網膜の一か所だけからデータ取得をしていたが、片眼ごとに2か所、両眼で合計4カ所の同時計測ができるようにした。無呼吸実験を行った結果、4か所のうち1か所で、SpO2の経時的変化とSO2が相関的に変化する傾向が見られ、残りの3か所ではほとんど変化がなかった。繰り返して実験を行っても同様の結果が得られた。このように眼底の場所によって無呼吸の反応がある場合とない場合があるのは、計測している眼底の場所によって動脈と静脈の量比が異なるためと考察した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
カメラと眼球との位置関係に変化がなければ、瞳孔面積と瞳孔輝度との関係をプロットすると正比例関係があると予測できる。つまり瞳孔面積と瞳孔輝度の関係の回帰直線は原点を通るということである。それが成立しない場合、つまり2波長の回帰直線が切片を持つため、波長間の瞳孔輝度比は瞳孔面積に依存してしまうので、計測前に予め波長ごとに回帰直線を求めておく必要があるため、較正を被験者ごとにしなければならない。しかも、視線方向を変えると、回帰直線の切片や傾きも変化する可能性が高いため、実用性が低くなると考えられる。しかし、2波長の回帰直線の切片が共に零であれば、傾きが異なったとしても、瞳孔輝度比は変化しないはずであり、さらに、視線方向が変化して、眼底の計測位置が変化しても、それぞれの箇所の瞳孔輝度比が正確に求まる可能性が高い。これまでの高速度カメラを用いた実験では、瞳孔輝度と瞳孔面積との関係が非線形で原点を通らない傾向があったが、今年度、偏光センサカメラを用いた実験では、アルゴリズムの変更によって正比例の傾向が得られるようになった。このことは、予め被験者毎の較正が不要となる可能性が高くなることを意味し、本研究で開発する装置の実用化において重要な意味を持つので、進展が大きかった自己評価できる。また、無呼吸がSO2に与える影響度が眼底の場所によって異なる結果が得られることが分かったことも、今後の研究の方向性を決めるうえで、大きな進展と考えることができる。その一方で、被験者の数が少ないため、信頼性を向上させる必要があるという点が進捗のマイナス面と自己評価できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
まずは、瞳孔輝度と瞳孔面積との関係が正比例になることを多くの被験者で確認する。
これまでに頭部を光学系（カメラと光源）に対して眼球の位置を固定して眼底SO2の計測を試みてきた。さらに、眼底の計測位置も固定するため光学系に対する視線方向も固定するために画面上の一点を固視させて計測をしてきた。眼底のもっと広い範囲での計測をするために、視線方向を変えながら計測する方法を提案し、実施する。さらに、光学系に対する瞳孔の3次元位置が変化しても、瞳孔輝度と瞳孔面積とに正比例関係が成立するかを確かめる。
現在、偏光センサカメラを用い始めているが、2波長分離するためには特別なレンズが必要である。そのような特別なレンズがなくとも、普通のマシンビジョンカメラでも画像の一部を取り込むことで高フレーム化できるカメラが存在するため、それを使用してさらに安価な光学系構成で実施する。
眼底から得られる情報として、血糖値に相関を持つ数値が得られる可能性もあるため、実験を実施する。
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Report
(1 results)
Research Products
(12 results)
