新しいコンパクト型二重パス眼内散乱測定システムに関する研究進展

学術的背景

世界保健機関（World Health Organization, WHO）の報告によると、白内障は世界中で失明の主な原因となっており、失明症例の約50％を占めています。全世界で2000万人以上が白内障により視力を失う、または重度の視力障害を抱えています。現在の治療方法は主に手術に依存しており、混濁した水晶体を除去し、人工水晶体を挿入することで視力を回復させています。しかし、白内障の発生機序に関する研究が進むに伴い、薬物による予防および治療への期待が高まっています。この期待を実現するためには、白内障の初期症状を正確に監視することが極めて重要です。

白内障の初期症状はほとんど目立たず、または検出が困難な場合が多いですが、病状が進行すると、眼内の光学媒体が徐々に混濁し、眼内散乱（intraocular scatter）を引き起こします。これは白内障発展の重要な病理的変化であり、そのため、眼内散乱の変化をモニタリングすることは、白内障の早期診断において極めて重要とされています。

眼内散乱の従来の検出方法の中で、二重パス（Double-Pass, DP）技術は広く臨床で使用されています。この技術は、網膜上の点広がり関数（Point Spread Function, PSF）のぼやけ具合を分析することで、目標散乱指数（Objective Scatter Index, OSI）を算出し、眼内散乱を客観的に評価します。しかし、PSFは散乱と収差（aberrations）の情報を含んでおり、高次の収差が存在すると測定結果に大きな影響を及ぼす可能性があります。この問題は瞳孔径が大きい場合に特に顕著です。現時点では、PSFへの収差影響を修正する多くの方法は、複雑で高価な適応光学（adaptive optics, AO）システムに依存しており、これが一般的な臨床利用を制約しています。したがって、低コストかつ高精度で収差の影響を効果的に除去できる眼内散乱測定システムの開発は、重要な臨床的応用価値を有しています。

研究の出典

本研究は「Compact and aberration effects-shielded objective intraocular scatter measurement system」（収差を遮蔽したコンパクト型眼内散乱測定システム）と題し、Junlei Zhao、Zitao Zhang、Yanrong Yang を含む研究者によるもので、研究者は成都中医薬大学および中国科学院などの著名な研究機関に所属しています。論文は 2025 年 2 月 1 日付の《Biomedical Optics Express》誌に掲載されました。

研究のプロセスと特徴

a) 研究の実施プロセス

本研究では、新しいコンパクト型二重パス眼内散乱測定システムを提案しました。このシステムは、収差の影響を取り除きながら、眼内散乱を高精度に評価することができます。

1. システムの設計と構成

本システムは3つの光路で構成されています：照明光路、遠距離光路、波面センサー光路。具体的な詳細は以下の通りです：

• 照明光路：波長 840 nm の超放射ダイオード（Super-luminescent Diode, SLD）を光源として使用し、複数のレンズおよびビームスプリッタを通じて光を目に入射。
• 遠距離光路：二重パス点広がり関数（DP PSF）画像を取得するための光路。この関数は光路中の回転円筒レンズを用いてビームスプリッタによる散光の影響を補正し、最終的にCCDカメラで形成されます。
• 波面センサー光路：Shack-Hartmann 波面センサーを使用して波面収差を検出し、7次Zernike収差係数を生成し、収差が引き起こす点広がり関数画像を再現します。

2. 収差補正とOSIの計算

初期OSI値（OSI0）はDP PSF画像から計算され、波面データは散乱測定における収差影響係数（△OSI）の計算に使用されます。最終的な正確な目標散乱指数（OSI1）は、OSI0から△OSIを差し引いて算出されます。

3. 実験的検証

研究では人工モデル眼と光学フィルターの組み合わせ、ならびに3名の被験者の実際の人眼データを用いて実験を行い、4 mmと6 mmの瞳孔直径での測定結果を比較しました。これにより、収差影響を除去した場合の測定精度、および結果の安定性や一貫性を検証しました。

b) 革新的技術とアルゴリズムの実装

本研究で提案されたシステムは以下の特徴を備えています： 1. Shack-HartmannセンサーがAOシステムを代替：Shack-Hartmannを利用して波面収差データを取得し、測定結果から収差の影響を後処理で除去します。これにより、従来のAOシステムに比べて装置のコストと複雑性が大幅に削減されました。 2. Zernike多項式に基づく収差再構成アルゴリズム：Zernike多項式を用いて収差がPSFに及ぼす影響を再現し、フーリエ変換を用いてPSFを計算します。 3. 光学構造と完全なシミュレーションモデル：異なる散乱レベルをシミュレーションするための人工モデル眼と光学フィルターを設計し、システムの精度と再現性を検証しました。

c) テスト実験の主な結果

実験結果は以下の通りです： 1. システムによる人工眼モデルの静的OSI0測定では、一般的な光学品質解析システム（Optical Quality Analysis System, OQAS）との最大偏差が0.016であり、人眼サンプルでは偏差が0.019でした。これは両者の高い一致性を示しています。 2. このシステムの測定による7次Zernike収差係数は、基準干渉計測定結果と比べた偏差が最大でも0.04 µmであり、△OSIの計算に必要な精度を十分に満たしています。 3. 6 mmの瞳孔径条件下で収差の影響を除去した後、測定の正確性が4 mm条件下と比較して28.9％向上しました。また、大口径条件下では収差が大きい場合の優位性がさらに顕著となりました。

d) 研究の結論

研究では、低コストで高精度、かつコンパクト設計の新しい眼内散乱測定システムを提案しました。このシステムは機器の小型化を実現しつつ、測定精度を大幅に向上しました。特に、瞳孔径が大きい場合や収差が大きい場合でも、収差を効果的に校正し、正確な測定を実現することで、臨床応用性が向上しています。

さらに、本システムは眼内散乱の精確な測定を可能にするだけでなく、高次収差の正確な検出も実現しており、眼科疾患の多機能診断に貢献する可能性があります。

e) 研究のハイライト

1. Shack-Hartmannセンサーを用いて適応光学システムを代替する方法を提案し、機器の複雑さとコストを削減しました。
2. 大きな瞳孔径条件下での高精度な眼内散乱測定方法を成功裏に設計しました。
3. 現存する測定プラットフォーム（例：OQAS）と比較して、検出精度を顕著に向上させ、小型化と低コストの特性を維持しました。

研究の意義と将来展望

提案された新しいシステムは、眼科臨床の診断価値を大きく高めており、特に白内障の早期スクリーニングにおいて、より高精度で経済的な検出を実現します。この技術革新は、眼科診断技術を広範化の方向へ推進し、また今後の関連薬物開発へデータサポートを提供します。

将来の研究方向としては、システム性能や操作の簡便性のさらなる向上を目指し、多様な臨床シナリオでの適用を広げることが挙げられます。特に、光学的な制約が存在する眼内環境下における収差検出の限界を克服することで、適用範囲の拡大が期待されています。