視力スクリーニングのためのスマートフォンを用いた主観屈折検査

サマリー

この論文では、スマートフォンアプリを使用して屈折異常を主観的に測定するためのプロトコルと臨床検証データを示します。

要約

視力ケアへのアクセスを改善し、大規模な視力スクリーニングを可能にするために、屈折異常を測定するためのスマートフォンアプリが開発されました。外部アタッチメントを必要とせずに、スタンドアロンの電話上で動作するアプリは、一般の担当者が主観的な屈折を測定するために使用できます。その有効性は、臨床現場やサービスの行き届いていないコミュニティでパイロットテストされています。このアプリは、視覚刺激を識別するために遠方点の距離を測定することにより、屈折誤差を推定します。球面等価屈折と非点収差は、それぞれタンブリングE文字とグレーティングパターンを使用して測定できます。この論文の目的は、アプリを使用して主観的屈折を実行するための測定プロトコルを説明することです。34人の被験者(球面等価30眼、乱視評価38眼)の実験結果を発表します。アプリによる測定は、標準的な臨床方法と比較されました。球面等価屈折の平均絶対誤差は0.63D、乱視測定の平均絶対誤差は0.28Dであった。さらに、22人の被験者が登録され、アプリによる瞳孔間距離(IPD)測定が評価されました。アプリを使用したIPD測定の平均絶対誤差は1.2mmでした。アプリでIPDを測定するためのプロトコルについても説明します。

概要

未矯正屈折異常(URE)は、眼鏡で治療可能である^{にもかかわらず、}86¹〜1億1600万人2が罹患している、世界の失明と視力障害の主な原因です。研究によると、遠隔地でのUREの有病率は、主に眼科医療専門家の数が少ないことと、眼鏡を調剤するための適切な医療インフラの欠如によって引き起こされています³。例えば、サブサハラ・アフリカの50歳以上の成人におけるUREによる視力障害の有病率は、高所得国の10倍です¹。

現在の業界の進歩により、眼鏡のコストはわずか数米ドルに下がりました。しかし、眼科医療専門家のトレーニングには費用と時間がかかり、何年ものトレーニングが必要です⁴。最近の研究では、健康への一人当たりの支出が少ないため、特に遠隔地では、より広範な医療システム内での眼科医療の有意義な統合が引き続き制限されていると結論付けられています⁵。これらの厳しい現実は、UREの診断を利用できるようにする大きな必要性を示しています。

スマートフォンベースの視力スクリーニングツールは、その手頃な価格、ユビキタス性、有効性により、視力スクリーニングの取り組みにおいて極めて重要な役割を果たすことができます^{6、7、8、9、10、11、12、13}。これらの革新的なツールは、特にサービスが行き届いていないコミュニティで、視力の問題をスクリーニング、特定、および対処するための費用対効果が高く便利なソリューションを提供することにより、目の健康管理に影響を与える可能性があります。

そのような技術の一例が、モバイルビジョンスクリーニングの分野で大きな進歩を遂げたPeek Acuityアプリです。このアプリは、アフリカ14,15,16の一部の研究では、数万人の個人をスクリーニングするために展開されています。Peek Acuityアプリは、視力を効率的に測定する方法を提供することで、医療従事者がより多くの人々にリーチできるようにし、視覚障害に対処するための便利なツールとなっています。視力に加えて、屈折異常を測定するためのスマートフォンベースの技術も提案され、評価されています^17,18。Salmerón-Campilloらは、スマートフォンの画面を使用して、視力と屈折の測定のためにBadalオプトメーターに青色の視覚刺激を提示しました¹⁷。Tousignantらは、スマートフォンが挿入されたハンドヘルド双眼ビューア¹⁸からなるNetraスマートフォン屈折器をテストした。これらのシステムでは、一般的なスマートフォンアプリと比較して、スマートフォン以外の専用コンポーネントやアタッチメントでは、ユーザーが専用デバイスを購入する必要があるため、技術のアクセシビリティが制限される場合があります。

大量UREスクリーニングのアクセシビリティの問題に対処するために、コンピュータービジョンと心理物理学的方法を使用して屈折誤差を測定するスマートフォンベースの屈折アプリ(図1)を開発しました¹⁹。このアプリは、近視の患者の特定の刺激の遠点を見つけることにより、主観的な屈折を測定します (球面等価物の場合はタンブリング E、乱視の場合は格子)。このアプリの重要な特徴は、特別に作られたアタッチメントが不要なことです。測定を実行するために必要なすべての処理は、アプリ内のデバイス上で実行され、クラウドコンピューティングは関与しません。そのため、アプリをネットワークに接続しなくても屈折を測定できます。最小限のトレーニングで、素人はアプリを使用して、スマートフォンが互換性がある場合、患者の屈折を測定できます。アプリの精度は、以前に標準的な臨床検査方法⁸に対して評価されています。このアプリは、眼鏡の処方に直接使用することはできませんが、近視のスクリーニングに使用される可能性があります。最近では、農村部の生徒を対象とした視力検査で使用され、成功を収めた⁹。このホワイトペーパーでは、アプリを使用して主観的な屈折を測定するためのプロトコルを示します。

プロトコル

この研究は、Mass Eye and Ear Infirmary(マサチューセッツ州ボストン)でのヘルシンキ宣言の信条に従って実施されました。インフォームドコンセントは、すべての参加者から得られました。この研究は、Mass Eye and Ear(マサチューセッツ州ボストン)の地元の施設内審査委員会によって承認されました。検眼医によると、被験者の選択基準は近視の診断であり、白内障や網膜疾患などの他の眼の状態は診断されませんでした。

1. 球面当量の測定

1. アプリを起動し、ホームページの[ Refraction](屈折)ボタン をタップします(図1)。電話を患者から少なくとも2m離して置きます。
2. タンブリングE刺激の ボタンE を選択します(図2)。測定する 目 (左または右)を選択し、患者にもう一方の目を覆うように依頼します。
3. 画面を患者に向けて電話を持ち、[ スタート]ボタンをタップします。電話の画面に表示されているすべての文字の向きがわかるかどうか、患者に尋ねてください。
4. 患者が文字の向きをわからない場合は、電話を徐々に患者の方に動かします。
5. 徐々に患者に近づきながら、文字が識別できるかどうか確認し続けます。患者が文字の向きを伝えられるようになったら、すぐに停止します。
6. 「確認」ボタンをタップします。実際の文字の向きは、画面上のテキストで表示されます。それらを患者のレポートと比較します。3つの答えがすべて一致した場合は、「正解」ボタンをタップしてテストを終了します。いずれかの文字の向きが正しく報告されない場合は、「誤用」ボタンをタップしてテストをやり直します。

2. 乱視の測定

1. アプリを起動し、ホームページの[ Refraction](屈折)ボタン をタップします(図1)。患者から少なくとも2m離れたところから開始します。
2. クロックダイヤルパターンである Astigm 1刺激を選択します( 図3の右上の挿入図)。この刺激は、時計のように、1つのスポットから異なる方向を指す一連のライングループで構成されています。各線グループには、3 本の平行な細い線が含まれています。
3. 測定する目を選択し、患者にもう一方の目を覆うように依頼します。画面を患者に向けて電話を持ち、[ スタート]ボタンをタップします。
4. いずれかの方向のライングループが3つの別々のラインとして表示されるかどうかを患者に尋ねます。患者がどの方向にも別々の線を見ることができない場合は、電話を徐々に患者の方に動かします。
5. 接近する動きの間は、患者に確認し続けてください。患者が少なくとも一方向に分離された線を見ることができるようになったらすぐに停止します。
6. 赤と緑の色の2つの格子パッチである Astigm 2刺激を選択します。これらのパッチは、一方の端がもう一方の端よりも幅が広くなっています( 図3の右下の挿入図)。
7. 電話機の画面に対して垂直な軸を中心に電話機を回転させ、格子が Astigm 1 の最も明確なライン グループの方向とほぼ一致する位置まで回転させます。
8. 電話の回転を微調整して、患者が赤と緑の格子パッチを等しくはっきりと見ることができる最適な場所を見つけます。最適なスポットが見つかったら、[ ポイント1]ボタン をタップして、最初の遠方ポイントを記録します。
9. ポイント1が記録された後、Astigm 2刺激は自動的に90°回転します。最初の遠方のポイント(ポイント 1 の位置)から、電話の向きを保ち、患者が赤と緑の格子パッチを等しくはっきりと見て、広い端がわかるまで電話を近づけます。
10. ポイント2ボタンをタップして、2番目の遠いポイントを記録します。2つの遠方点を記録すると、アプリは球面屈折誤差と非点収差を計算し、結果を画面に表示できます。
11. 結果メッセージボックスで、[ 保存]ボタン をタップして結果を保存するか、必要に応じて[ 再取得]ボタン をタップして測定をやり直します。

3. 瞳孔間距離(IPD)の測定

1. アプリを起動し、ホームページの IPDボタン をタップします(図1)。電話を患者から約40cm離して目の高さに置き、患者に懐中電灯を見るように依頼します。
2. 右の 丸いボタン をタップすると、患者さんの顔を撮影できます。その後、アプリは画像の処理を開始します。
3. 2 つの緑色の十字線が画面 (図 4) にプロットされている場合は、それらの位置が目の中心に揃っているかどうかを確認します。はいの場合は、[保存] ボタンをタップします。
4. どちらかの十字線が明らかに目の中心にない場合は、[ 再撮影]ボタン をタップして測定を拒否し、手順3.2に戻り、測定をやり直します。

結果

この研究では、屈折試験の界面を 図2に示します。選択した刺激に応じて、アプリは球状相当または完全屈折テストを実行します。[タンブリングE]を選択すると、アプリは球面の等価物を測定します(図2)。格子刺激の乱視 1 または 2 を選択すると、アプリは乱視を含む屈折誤差を測定します (図 3)。

アプリの有効性を実証するために、66人の被験者(女性25人)を3つのグループに分け、球面当量、乱視、IPDテストをそれぞれ実施しました。対象年齢は8歳から74歳(平均±SD年齢:33.7歳±13.9歳)であった。

図5は、アプリの測定値をオートレフラクターを使用した標準的な臨床測定と比較した研究(30眼)の球面等価測定の結果を示しています。最大の屈折誤差は-8Dまででした。回帰分析では、線形回帰の傾きがほぼ 1 で、回帰の R2 乗が 0.965 であるため、2 つの方法は非常に一貫性があることが示唆されています。2つの方法の平均絶対差は0.63Dであり、その差は80%のケースで1D<でした。 図 5B の Bland-Altman プロットは、一致の 95% 極限が [-1.81D, 1.58D] であることを示しています。

図6は、乱視測定研究(38眼)の結果を示しており、アプリの測定値を標準的な主観屈折測定と比較しました。最大の乱視は-2.25Dで、これらの患者の平均シリンダー出力は-0.63D±0.59Dでした。アプリとオートレフラクターの測定値の差(平均± SD)は0.08D±0.41Dで、絶対誤差の平均は0.28Dでした。 図 6B の Bland-Altman プロットは、一致の 95% 極限が [-0.89D, 0.73D] であることを示しています。さらに、2つの測定値のシリンダパワーをJ0とJ45の2つのベクトルに分解し、シリンダ軸²⁰に基づいて、アプリの誤差を解析した。J0誤差(誤差の平均と誤差広がりの標準偏差)は-0.15D±0.56D、J45誤差は0.07D±0.21Dであった。

図4に、2つのIPD測定ケースを示します。左側の写真は成功した試行であり、右側の写真は左目の十字線が中心からずれているため、失敗した試行を示しています。図7は、アプリによるIPD測定の誤差(n = 22)と、IPD定規を使用した検眼医の臨床測定を比較したものです。定規測定によるIPDの範囲は58-69mm(平均±SD:63.6mm±3.2mm)であった。アプリの誤差は (-0.55 mm ± 1.4 mm) で、絶対誤差の平均は 1.2 mm でした。

図1:視力検査アプリのホームページ。 ユーザーは、患者の記録を作成し、屈折、瞳孔間距離、視力(ここでは紹介しません)など、実施する検査を選択できます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:屈折測定のインターフェース。 このスクリーンショットは、球状に等価なテスト セッションを示しています。患者は2本の指で左目を覆います。眉毛、鼻、口がすべて見えるため、咬合は最小限に抑えられています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:乱視の測定。 この場合、患者は乱視1の1時方向(右上の挿入図)が最も鋭いと報告しました。そのため、Astigm 2 刺激 (右下の挿入図) に切り替えるときは、1 時方向付近の最適なスポットを探すために、電話機を傾ける必要がありました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:IPD測定の2つのケース。 左: 2 つの十字線が目の中心によく揃っています。測定を受け入れることができます。右:左目の十字線は明らかに目の中心にありません。この測定値は破棄する必要があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:球面等価測定結果の評価。 この研究では、アプリとオートレフラクターを使用して30個の目を測定しました。(A)線形回帰は、2つの測定値が非常に一貫していることを示しています(傾き= 1.02、R² = 0.965)。(B)ブランド-アルトマンプロット。一致の95%の制限は[1.81、1.58]でした。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:乱視測定結果の評価。 (A)38眼のアプリによる乱視測定の誤差の箱ひげ図。これらの患者の平均シリンダー出力は-0.63D±0.59Dでした。ボックスは四分位範囲を表し、ひげはエラーの範囲を示します。十字はエラーの平均を示します。円でマークされているように、2つの外れ値がありました。(B)ブランド-アルトマンプロット。一致の95%の限界は[-0.89、0.73]でした。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:22人の被験者に対するアプリによるIPD測定の誤差の箱ひげ図。 臨床測定値をIPD定規と比較すると、誤差は(-0.55mm±1.4mm)でした。ボックスは四分位範囲を表し、ひげはエラーの範囲を示します。十字はエラーの平均を示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

このアプリを使用すると、専門的な検眼トレーニングを受けていない人でも主観的な屈折異常検査を行うことができます。視力スクリーニングにおけるその応用は、農村地域の学齢期の学生を対象とした最近の眼科スクリーニング研究で実証されています⁹。視力検査²¹のみに基づく他のマスビジョンスクリーニング法と比較して、このアプリは、診療所で一般的に使用される球状および円筒形の誤差値の観点から屈折の測定を提供できる。このアプリはスマートフォンにインストールするとすぐに使用できるため、このソリューションはサービスの行き届いていないコミュニティにとって非常にアクセスしやすいものです。屈折アプリの実行には、画面解像度が400ピクセル/インチを超え、自撮りカメラの解像度が1920 x 1080ピクセルを超えるスマートフォンが適しています。現在市場に出回っている多くのスマートフォンは、仕様を満たすことができます。

スマートフォンベースの屈折測定ソリューションは、眼科の臨床医が提供するサービスプログラムや専用のスクリーニングデバイス(iScreen、Spot Vision Screenerなど)²²を補完し、特にリソースの少ない国や状況に適していることが期待できます。ただし、このアプリの 1 つの制限は、ここで紹介したプロトコルを使用して遠視を測定しないことです。アプリを使用して遠視を測定または特定する方法は調査中です。一部の眼科検診プログラムで必要な斜視評価については、サービスの行き届いていないコミュニティの視力検診にも使用できる別のアプリを開発および検証しました10,11,12。

眼科医療専門家へのアクセスが利用可能な場合、眼科の処方はアプリの測定に基づくべきではありませんが、専門家以外の人が労働力に参加できる集団視力スクリーニングでは依然として価値があります。重大な屈折異常のフラグが立てられた患者は、さらなる検査のために眼科医に紹介することができます。

測定精度は、紹介の誤検出率を最小限に抑えるために重要です。以下は、測定を成功させるためのヒントです。通常、アプリを使用した測定は、明るい環境 (少なくとも 300 ルクスを推奨) で実行する必要があります。スマートフォンアプリは、コンピュータービジョン技術を利用して顔の特徴を抽出し、それに基づいて視聴距離を推定します。電話のカメラの視野に患者の顔だけが見えるようにする必要があります。テスト中に電話画面に表示される自撮りカメラのプレビューには、テスト管理者の顔を含む他の顔が表示されないようにする必要があります。これは、アプリが患者を特定できないためです。アプリは顔の特徴に基づいて視距離を推定するため、テスト中にできるだけ多くの顔の特徴が表示されると、視距離の推定に役立ちます。小さなオクルーダーを使用するか、2本の指だけでテストされていない目を覆い、眉毛、鼻、口角がすべてカメラから見えるようにすることをお勧めします(図2)。短い視距離では、患者の顔がカメラのビューのほぼ全体を占める場合があります。テスターは、画面上のライブ画像を監視し、カメラビューに常に顔全体が表示されるように、カメラを適切に位置合わせする必要があります。

IPD は、アプリで測定される屈折に不可欠なパラメーターです。事前にわかっている場合は、アプリの患者プロファイルに手動で入力できます。それ以外の場合は、アプリを使用してIPDを測定できます。個別の IPD がないと、アプリは既定値を使用し、ある程度の測定誤差が発生する可能性があります。不正確な収束は、IPD測定に影響を与える可能性があることに注意してください。たとえば、屈折異常とフォリアのある患者は、片方の目がずれる可能性があるため、双眼鏡で懐中電灯に適切に固定できない場合があります。このような場合、患者はIPDテストで眼鏡を着用する必要があります。

テスターは、この検査が屈折の主観的な尺度であること、つまり、結果が自動屈折器によって行われる眼の光学系の分析ではなく、患者の知覚に基づいていることを理解する必要があります。主観的屈折は、眼鏡を処方するためのゴールドスタンダードです。しかし、課題は、最高の主観的知覚の状態を見つけることです。球面等価測定の場合、基準は3文字の読み取りに基づいています。患者は一部の文字を正しく推測する可能性がありますが、実際にはすべての文字をはっきりと見ることはできません。複数のテストは、問題を軽減するのに役立ちます。

さらに、乱視が高い (通常は 2D よりも高い) 患者は、タンブリング E 文字を使用する現在のプロトコルでは文字の向きが考慮されていないため、アプリでの球面相当検査に適していない可能性があります。強い乱視が疑われる患者の場合、ダイヤルクロックの刺激(乱視1)を示し、患者に1つの方向が他の方向よりもはるかに鋭いかどうかを尋ねることにより、大まかな推定値を見つけることができます。

乱視測定は、異なる軸の屈折を決定する必要があるため、球面等価測定よりも手続き的に要求が高くなります。正確な測定の鍵は、さまざまな軸の真の遠方点を特定することですが、軸の正確な方向も決定する必要があります。適切な戦略は、電話を患者に向かってゆっくりと動かしながら、電話の画面を比較的速く回転させて格子の向きをスキャンすることです。動きが速すぎると、電話機が遠いポイントを通過する可能性があるため、過大評価が発生する可能性があります。一部の患者は、実際には非常にぼやけた画像よりもよく見えるのに、格子がはっきりと見えると報告する傾向があります。このような時期尚早な報告は、過小評価の原因となります。検査前に鋭い刺激がどのように見えるかを患者に示しておくと、検査中に一貫して報告できるようになります。刺激の知覚を適切に報告する方法を理解していないと、 図6Aに示されている外れ値のような重大なエラーが発生する可能性があります。2つの外れ値は1人の被験者からのもので、彼は右目が検査されたときにポイント1を早く報告しすぎました(格子の分離線がはっきりと見えませんでした)。彼はまた、左目が検査されたときにポイント2を報告するのが遅すぎました(彼はすでにクリアポイントを通過していました)。したがって、誤った遠方点レポートが大きなエラーにつながっていました。

材料

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スマートフォン	Samsung	Galaxy	市販のスマートフォン