AT518602A1 - Ophthalmologische Längenmessung mittels Doppelstrahl Raum-Zeit-Domäne Wavelength Tuning Kurzkohärenz-Interferometrie - Google Patents

Abstract

Diese Anmeldung betrifft die Messung intraokulärer Längen durch Doppelstrahl Fourier-Kurzkohärenz-Interferometrie basierend auf Fresnel-Zonen-artigen Raum-Zeit-Domäne Interferogrammen (RZI) der Purkinje-Sanson Reflexe. Das Messobjekt Auge (1) wird von einem Bündel zueinander paralleler gleichfrequenter monochromatischer Doppelstrahlen (11) mit in zeitlicher Sequenz unterschiedlichen Wellenlängen beleuchtet. Die Wellenlängen-Spektren der Raum-Zeit-Domäne Interferogramme (51) werden von einem Photodetektor-Array (70) mit vorgeschaltetem Bildverstärker (BV) oder einer Digitalkamera verstärkt und von einem Photodetektor-Array(70) registriert. Hierbei werden Blickrichtung und Position des Probandenauges mit optischen Hilfsmitteln fixiert und mittels akustischer und optischer Hilfsmittel kontrolliert. Eine Zoom-Optik (52) im Ausgangsstrahl des ophthalmologischen Interferometers erlaubt - als inverse Lupe fungierend - durch einfaches Fokussieren die virtuellen Fresnel-Zonen-artigen Raum-Zeit-Domäne Interferogramme (51) des Auges (1) aus Kontrastoptimierten Positionen auf das Photodetektor-Array (70) oder auf einen diesem vorgeschalteten Bildverstärker (BV) (oder Digitalkamera) so abzubilden, dass die positionsabhängige Größenänderung der RZI (51) durch die Massstabsänderung dieser Abbildung kompensiert wird.

Description

PATENTANMELDUNG

Bezeichnung:

OPHTHALMOLOGISCHE LÄNGENMESSUNG MITTELS DOPPELSTRAHL RAUM-ZEIT-DOMÄNE WAVELENGTH TUNING KURZKOHÄRENZ-INTERFEROMETRIE

BESCHREIBUNG 1. TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG Ophthalmologische Teilstrecken-Längenmessung wird in der Augenheilkunde zur Dimensionierung von Abtragparametern für die refraktive Chirurgie und zur Dimensionierung von Linsenimplantaten für die refraktive Chirurgie und für die Katarakt-Chirurgie benutzt. 2. STAND DER TECHNIK: Kurzkohärenz-interferometrische Längenmessung in der Ophthalmologie.

Ophthalmologische Interferometrie: Die Berechnung der Brechkraft der zu implantierenden Linse bei der Kataraktchirurgie oder der vorzunehmenden Brechkraftänderung bei refraktiver Chirurgie erfolgt mittels verschiedener Biometrie-Formeln auf der Basis präoperativer Augenparameter wie Augenlänge,

Corneadicke,Corneakrümmung, Vorderkammertiefe, Brechkraft der Linse und Linsendicke. Hierzu wird heute die optische Kurzkohärenz (KK)-Interferometrie benutzt, weil diese, im

Gegensatz zur früher benutzten akustischen Messung, berührungsfrei und um gut 1 Größenordnung präziser arbeitet. Entsprechende Meßgeräte werden beispielsweise von den Firmen Carl Zeiss Meditec AG, Haag-Streit AG und NIDEK Co. kommerziell angeboten und sind beispielsweise in den Patenten DE 103 23 920 Al (Zeiss) und EP 1 946 039 Bl (Haag-Streit) beschrieben.

Ophthalmologisches Interferogramm: Beleuchtet man ein Auge von seitlich vorne, kann man die bekannten Purkinje-Sanson-Bilder Pl, P2, P3 und P4 einigermaßen voneinander getrennt beobachten, wie in Figur la dargestellt. Dies sind Bilder der das Auge beleuchtenden Lichtquelle, durch Reflexion an den Grenzflächen der Augenoptik entstanden. Pl entsteht durch Reflexion an der Cornea-Vorderfläche, P2 durch Reflexion an der Cornea-Innenfläche, P3 durch Reflexion an der Linsen-Vorderfläche und P4 durch Reflexion an der Linsen-Rückfläche. Zusammen mit dem vom Fundus des Auges reflektierten Licht bilden die den Purkinje-Sanson-Bildern entsprechenden Reflexe die Basis für die KK-Interferometrie am Auge.

Beleuchtet man das Auge mit zeitlich kohärentem Licht, beobachtet man im Raum vor dem Auge ein Speckle-Feld und in dieses eingebettet Raum-Zeit-Domäne Interferenzen der Lichtstrahlen der Purkinje-Sanson Reflexe: Figur lb zeigt in einer Momentaufnahme dieses Fresnel-Zonen-artige Raum-Zeit-Domäne Interferogramm (RZI), eingebettet in die Speckle-Struktur; Figur lc zeigt einen vergrößerten Ausschnitt davon. Diese Figur ist das Raum-Domäne Interferogramm von Fundusreflex mit Corneareflex. Wegen der pulssynchronen Größenänderung des Bulbus ändert sich die örtliche Phase in diesem Interferogramm zeitlich, die Interferenzringe pulsieren in radialer Richtung synchron mit dem Herzpuls, daher: "Raum-Zeit-Domäne Interferogramm". Einzelne Strahlen dieses RZI bilden die Strahlen der KK-Interferometrie.

Das in Figur lc abgebildete RZI ist das markanteste unter mehreren ähnlichen, von den verschiedenen Purkinje-Sanson Reflexen erzeugten RZI. Es entsteht durch Interferenz zwischen der an der Cornea-Vorderfläche reflektierten Welle und jener vom Fundus reflektierten. Das RZI ist ein Schnitt durch eine 3-dimensionale Interferenzerscheinung der 2 erwähnten Wellen, die, aus konzentrischen, abwechselnd hellen (konstruktive Interferenz) und dunklen (destruktive Interferenz) Interferenz-Hohlkegeln bestehend, mit zunehmendem Durchmesser entlang der optischen Achse des Auges auftritt.

Zum Teil deckungsgleich, treten - bei regulärer Anatomie des Auges - auch RZI zwischen Fundusreflex und den Reflexen von der Cornea-Innenfläche sowie der Vorderfläche der Augenlinse auf.

Doppelstrahl KK-Interferometrie: Benutzt man zeitlich kurzkohärentes Licht, verschwinden die Interferenzerscheinungen zwischen den Purkinje-Sanson-Reflexen und dem Reflex vom Fundus. Beleuchtet man jedoch das Auge mit einem Doppelstrahl aus zwei in einem Interferometer intern gegeneinander zeitlich versetzten kurzkohärenten Lichtstrahlen, kann man das entsprechende RZI wieder sichtbar machen, vorausgesetzt, die Wegdifferenz ALdieser 2 Lichtstrahlen entspricht — innerhalb der Kohärenzlänge lc der optischen Länge des Abstands der betreffenden Grenzflächen im Auge. Gleiches gilt auch für die punktuell auf Einzelstrahlen beruhenden Interferenzen der KK-Interf erometrie .

Auf dieser - im Interferometer leicht meßbaren -Wegdifferenz

, c = Lichtgeschwindigkeit, At =

Zeitdifferenz der Doppelstrahlkomponenten, basieren sowohl die KK-Interferometrie als auch die in dieser Anmeldung benutzte WT-Interferometrie. Die bestimmende Größe für das Auflösungsvermögen dieser Meßverfahren ist die Kohärenzlänge

(1) mit der mittleren Wellenlänge λ0 und der FWHM (Full Width at Half Maximum) Bandbreite Δλ, der Lichtstrahlen - unter der Annahme eines bei den meisten hier benutzten Lichtquellen, beispielsweise Superlumineszenzdioden, gut erfüllten Gauss-

Spektrums. Dies ist die Doppelstrahl Zeit-Domäne KK-Messtechnik; sie basiert auf der Anpassung der leicht meßbaren Interferometer-internen Wegdifferenz an eine optische Wegdifferenz im Auge und ist damit unabhängig gegenüber Bewegungen des Auges als Ganzes gegenüber dem Meßgerät. Sie liefert - ohne weitere

Vorkehrungen - die Struktur des Auges bei x = y = 0, das heißt auf der Sehachse entlang dem Messstrahl.

Fresnel-Zonen-artige Raum-Zeit-Domäne Interferogramme (RZI) lassen sich als reelle Interferogramme vor dem Auge (in Figur 2 bei z > 0) als auch als virtuelle Interferogramme im und hinter dem Auge (in Figur 2 bei z < 0) beobachten und nicht nur punktuell, sondern auch flächenweise, zur KK-Interferometrie am Auge einsetzen. Wegen der im Vergleich zu anderen Organen ungewöhnlichen Anatomie des Auges (Dominieren regulärer Reflexe im Gegensatz zu sonst dominierender diffuser Reflexion), kann man - bei normaler Anatomie - auch in z-Positionen außerhalb des Auges lokalisierte Interferenzen zur Längenmessung im Auge benutzen und deren außeraxiale x-y-Position sinngemäß übertragen; solche RZI vor dem Auge bilden die Basis für die hier beschriebene Patentanmeldung.

Alternativ zur oben beschriebenen Doppelstrahl KK-Interferometrie kann man das Auge auch mit einem einzigen kurzkohärenten Lichtstrahl beleuchten und das vom Auge zurück kommende Objektlicht mittels eines Zweistrahl-Interferometers in 2 gegeneinander um eine Weglängen-Differenz AL in Ausbreitungsrichtung versetzte Lichtstrahlen aufspalten, die ein Interferogramm nur dann erzeugen, wenn die Wegdifferenz AL dieser 2 Lichtstrahlen — innerhalb der Kohärenzlänge lc — der optischen Länge des Abstands zweier Grenzflächen im Auge entspricht.

Wavelength-Tuning-Interferometrie (WT-Interferometrie): Ein Nachteil der oben beschriebenen Doppelstrahl Zeit-Domäne KK-Interferometrie ist das notwendige Durchstimmen der Wegdifferenz AL im Interferometer sowie das Faktum, dass das momentane Messsignal beziehungsweise Interferogramm immer nur auf Lichtanteilen mit dem zugehörigen AL basiert, der Rest erzeugt Rauschen. Demgegenüber benutzt die Fourier-KK Interferometrie das gesamte momentan aus dem Objekt reflektierte Licht. Bei der WT-Interferometrie Variante der Fourier-KK Technik (auch "Swept-Source" oder "Swept Wavelength Laser" KK-Interferometrie genannt) wird das ophthalmologische Interferometer in zeitlicher Folge von einer Sequenz monochromatischer Lichtstrahlen beleuchtet.

Das so gewonnene Spektrum der Lichtreflexionen aus dem Interferometer ist die Fourier-Transformierte des Betrags des Streupotentials des Objekts beziehungsweise die Objektstruktur entlang dem Messstrahl, siehe Gleichung(2)im Abschnitt 4D-b.

Katarakt: Die Katarakt (oder: der graue Star) ist definiert als optische Inhomogenität der Augenlinse. Es handelt sich hierbei um Trübungen und Brechungsinhomogenitäten. Beim Altersstar werden sog. Wasserspalten (flüssigkeitsgefüllte Vakuolen oder Spalten) beobachtet. Die Cataracta nuclearis (Kernkatarakt) führt zu einer bräunlichen Trübung und Zunahme der Brechkraft. Häufig treten Mischtypen dieser morphologischen Kataraktformen auf. Es gibt keine medikamentöse Therapie. Die Kataraktoperation oder Operation des Grauen Star ist heute die am häufigsten durchgeführte ophthalmologische Operation in der westlichen Hemisphäre. Bei der Kataraktoperation (z. B. in Deutschland etwa 400.000 p. a.) wird die natürliche Augenlinse durch eine künstliche Intraokularlinse, beispielsweise aus Plexiglas, ersetzt. KK-Interferometrie bei Katarakt: Gegenüber den in der Vergangenheit benutzten Ultrschalltechniken schließt die okuläre Distanzmessung mittels optischer Doppelstrahl KK-Interferometrie unter günstigen Bedingungen Fehlmessungen aus und führt bei normaler Anatomie schnell zum Ergebnis. Jedoch sind die derzeitigen KK-Techniken beispielsweise für dichtere Katarakt nicht hinreichend sensitiv. Hier tut sich eine medizinische

Versorgungslücke auf, die allerdings vor allem Patienten in sich entwickelnden Ländern trifft. Die Fourier-KK-Interferometrie löst dieses Problem, ebenso wie die Verwendung längerer Wellenlängen, nur begrenzt.

Die Sensitivität der KK-Interferometrie wird primär durch die Leistung des Messstrahls am Messobjekt bestimmt. Höhere Sensitivität wäre an sich - wegen der durch Sicherheits-Vorschriften begrenzten Leistungsdichte des Beleuchtungsstrahls in der Pupille - unter Verwendung des gesamten Strahlquerschnitts des vom Auge reflektierten Lichts bei maximal geöffneter Pupille möglich. Dies ist jedoch wegen der über den Strahlquerschnitt variablen Phase des Raum-Domäne-Interferogramms nicht ohne weiteres möglich. Die kürzlich vom Anmelder vorgeschlagene Lösung dieses Problems durch die sensitivere Raum-Zeit-Domäne Interferometrie (AT 511 740 81) liefert zwar wegen des größeren Energiestroms im Messstrahl eine entsprechend hohe Sensitivität, erfordert jedoch aufwändige Bildverarbeitung.

Weiters tritt das Problem auf, dass viele Katarakte inhomogen sind, weshalb Messstrahl-Durchmesser und Messstrahl-Position flexibel gestaltet werden müssen.

Selbst bei unauffälligen Patienten muß mit einer gewissen Streuung der Augenparameter gerechnet werden, was ein Höchstmaß an Flexibilität bei der Beleuchtung des Auges und der Registrierung des RZI erfordert.

3. TECHNISCHE AUFGABE

Der Erfindung liegt daher die technische Aufgabe zugrunde, Verfahren und Anordnungen für die ophthalmologische Längenmessung anzugeben, die Position und Durchmesser des Messstrahls innerhalb der Pupille des zu messenden Auges frei zu gestalten erlaubt und durch hohe Sensitivität kurze Messzeiten und Anwendbarkeit auch bei dichterer Katarakt bietet. Die Erfindung wird anhand der Figuren 1 und 2 mit den dort benutzten Detailnummern erklärt.

Die der Erfindung zugrunde liegende technische Aufgabe wird mittels Doppelstrahl Raum-Zeit-Domäne WT-Interferometrie dadurch gelöst, dass das Probanden-Auge 1 in zeitlicher Folge entsprechend der Doppelstrahl-KKI von einem Wellenlängen-Spektrum monochromatischer Mess-Doppelstrahlen aus je zwei gegenseitig zeitlich versetzten koaxialen Komponenten beleuchtet wird und aus dem Spektrum der Intensitätsdaten I(iv)(k) des vom Auge gestreuten und/oder reflektierten Streufelds die Struktur des Auges berechnet wird, hierbei die zur Berechnung der Struktur des Auges erforderlichen Streufeld-Intensitätsdaten I (k) des Auges aus transversalen ξ-ζ// Positionen von longitudinal einige cm bis dm vom Auge bei z = Z entfernten reellen Fresnel-Zonen-artigen Raum-Zeit---

Domäne Interferogrammen RZI 51 durch Abbildung auf ein Photodetektor-Array 70 gewonnen werden, dessen Photodetektor-Signaldaten an einen Rechner 90 weiter gegeben werden, wobei für die besagte Abbildung eine Zoom-Optik 52 im Ausgangsstrahl 49 des an das Auge optisch angekoppelten ophthalmologischen Interferometers (Kasten [A]) so angeordnet wird, dass sie, als inverse Lupe fungierend, über ihre Brennweiten-Einstellung aus den entlang der Sehachse 48 des Auges mit unterschiedlichem Streifenkontrast positionierten RZI 51 jenes mit maximalem Kontrast auf eine in z-Richtung fix positionierte Bildverstärker-Photokathode 53 oder auf ein solches Photodetektor-Array 70 abzubilden erlaubt, und die weiters im Ausgangsstrahl 49 des Interferometers auf dessen Achse so positioniert wird, dass die entlang der Sehachse des Auges in z-Richtung auftretende Zunahme der Ringdurchmesser der RZI durch den mit zunehmendem Abstand vom Auge (1) in z-Richtung abnehmenden Massstab der Abbildung der RZI auf das Photodetektor-Array 70 oder die Bildverstärker-Photokathode 53 kompensiert wird, wobei die das Interferometer beleuchtenden monochromatischen Doppelstrahlen unterschiedlicher

Wellenlängen 11 von einem durchstimmbaren Laser 10 und einem Strahlteiler 14 in einem Michelson-Interferometer erzeugt werden; weiters, dass das Auge 1 von zwei zu den Mess-Doppelstrahlen koaxialen Fixierstrahlen 31, 44 unterschiedlicher Farbe zur Erleichterung der Justierung des Auges beleuchtet wird, deren einer, die Richtung des Auges fixierender Strahl durch Abbildung der Austrittsfläche 32 eines Licht führenden Lichtleiters 33 durch eine Optik 34 auf den Fundus des Auges erzeugt wird, und deren anderer, zur Positionierung des Auges dienender Strahl, durch Abbildung einer Kreisring-förmigen beleuchteten. Blendenöffnung 41 auf die Lederhaut beziehungsweise auf die Umgebung der Pupille 2 des Auges 1 erzeugt wird und weiters zur Kontrolle des Zustands des Interferometers einer der Teilstrahlen des Mess-Doppelstrahls 11 im dem den Doppelstrahl generierenden Michelson-Interferometer von einem Retroreflektor 21 reflektiert wird, der periodisch um kleine Beträge, beispielsweise um λ/4, mit Tonfrequenz f hin und her bewegt wird, so dass ein Teil des Ausgangsstrahls 49, auf einen Photodetektor 81, mit Verstärker 82 und Lautsprecher 83 gerichtet, mittels Signaltons der Frequenz f signalisiert, daß Licht aus dem ophthalmologischen Interferometer über das Auge den BV erreicht. Hierbei gewährleistet die Raum-Zeit-Domäne Technik einerseits hohe Flexibilität der Messung durch Zugriff auf IxJ parallel zueinander verlaufende intraokuläre Strecken innerhalb willkürlich großer und flexibel gestaltbarer und positionierbarer Segmente der Augenpupille, und damit auf Stützpunkte der Wellenfläche in diesen Bereichen und somit auch auf die Übertragungsfunktion der Optik des Auges sowie, alternativ, durch Summen- oder Mittelwertbildung der intraokularen Streckenlängen innerhalb beliebiger Pupillensegmente eine erhebliche Sensitivitätssteigerung. 4. BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG.

Die Erfindung wird hier anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß Figur 2 näher erläutert.

In dem in Figur 2 dargestellten Strahlengang einer erfindungsgemäßen Anordnung sind der Übersichtlichkeit wegen das ophthalmologische Interferometer im engeren Sinn [A], die Fixierlicht-Komponenten [B] und die Vorrichtung zur Kontrolle und Detektion des Messsignals [C] durch Strichpunktlinien-Kästen abgegrenzt. 4A. Ophthalmologisches Interferometer: Das hier beschriebene Messverfahren benutzt Interferometer auf unkonventionelle Weise insofern, als das Auge nicht von einem einzelnen Messstrahl beleuchtet wird, sondern von einem durch ein Michelson-Interferometer erzeugten Mess-Doppelstrahl. Das Michelson-Interferometer im engeren Sinn umfaßt die Komponenten 10 bis 27. 9 ist die Hand des die Längenmessung durchführenden Beobachters (Arzthelferin). 10 ist die Lichtquelle für den Mess-Doppelstrahl 11. Die Messlichtquelle 10 ist eine räumlich kohärente und in ihrer Wellenlänge durchstimmbare Lichtquelle (DSL), beispielsweise ein durchstimmbarer, räumlich kohärenter Laser. Der von der Messlichtquelle 10 emittierte Lichtstrahl 12 wird von der Optik 13 kollimiert und vom Strahlteiler 14 in zwei Teilstrahlen 15 und 16 aufgeteilt.

Der Teilstrahl 15 wird von dem parallel zur Strahlrichtung (y-Richtung) verschiebbaren Messspiegel 17 als Teilstrahl 24 des Mess-Doppelstrahls 11 zum Strahlteiler 30 reflektiert. Der Retroreflektor 17 ist auf einem Verschiebetisch 18 montiert, der von Hand 9 aus oder mittels eines elektrischen Antriebs 19 kontrolliert verstellbar ist und dessen y-Position von einem eingebauten Positionsgeber nach außen abgegeben oder mit Hilfe eines Nonius 20 durch den Beobachter abgelesen werden kann. Ähnlich wie bei der Raum-Domäne Doppelstrahl KK-Interferometrie Technik wird auch hier gegenüber dem Teilstrahl 16 eine für den Doppelstrahl 11 intrinsische Wegdifferenz ÄL eingestellt.

Diese Wegdifferenz spielt eine wichtige Rolle bei der Lösung des im Abschnitt 4D-a angesprochenen Autokorrelations-Problems.

Der Teilstrahl 16 trifft auf einen Retroreflektor 21, der auf einem Piezoaktuator 22 montiert ist und von diesem durch eine Wechselspannung „U~" angetrieben, periodisch in Strahlrichtung (z-Richtung) um kleine Beträge, beispielsweise um 71/4, mit einer Tonfreguenz f hin und her bewegt wird. Dadurch erfährt der hier reflektierte Teilstrahl 23 des Mess-Doppelstrahls 11 gegenüber dem Teilstrahl 24 eine zeitlich periodische Phasenverschiebung. Diese dient der Justagekontrolle per Audiosignal; sie wird bei Auslösung der Messung beziehungsweise beim Start der Signalregistrierung durch das Photodetektor-Signal unterbrochen. Beide reflektierten

Teilstrahlen 23 und 24 werden vom Strahlteiler 14 als Mess-Doppelstrahl 11 schließlich in Richtung Strahlteiler 30 reflektiert beziehungsweise transmittiert und von diesem auf das Auge (1) reflektiert.

Zur Anpassung des Messstrahl-Durchmessers an die Pupillengröße dient der aus Zoom-Okular 26 und Objektiv 27 bestehende Strahlaufweiter. Das Zoom-Okular 26 ist in Figur 2 durch die gezeichnete Sammellinse-Zerstreuungslinse-Kombination nicht in seinem tatsächlichen Aufbau dargestellt, sondern nur symbolisch. (Analoges gilt für die Zoom-Optiken 52 und 56.) 4B. Strahlparameter und Fixierung des Probandenauges.

Die Grundparameter des Messstrahls in der Pupille des Probanden sind Strahlintensität, Strahldurchmesser und Wellenlänge sowie Strahlrichtung und Strahlposition bezüglich Richtung und Position der Sehachse,des Auges.

Strahlintensität: Der zulässige Grenzwert für die Bestrahlungsstärke (Strahlungsleistung bezogen auf die Strahlquerschnittsfläche) der auf das Auge treffenden Lichtstrahlen ist durch

Sicherheitsvorschriften begrenzt und hängt, neben der Wellenlänge, von der zu erwartenden Bestrahlungsdauer ab.

Strahldurchmesser: Dieser bestimmt zum einen die insgesamt in das Auge eintretende Strahlungsleistung und damit die erreichbare Sensitivität der Längenmessung. Zum anderen begrenzt der Strahldurchmesser die Ausleuchtung der Pupille und damit beispielsweise die maximale Ausdehnung der meßbaren Übertragungsfunktion des Auges.

Wellenlänge: Die hier dominierende Rayleigh-Streuung nimmt mit 1//14 zu. Die Verwendung von Licht größerer Wellenlänge ist daher vorteilhaft, wird jedoch durch Absorption im Gewebswasser ab etwa λ = 1,4 um zunehmend eingeschränkt. (Derzeit sind DSL's im Wellenlängenbereich von etwa 680 nm bis ~3 pm kommerziell erhältlich.)

Strahlrichtung bezüglich Sehachse: Diese wird durch die Richtung des Fixierstrahls 31 festgelegt, wobei der Patient auf den vom Fixierstrahl auf seiner Retina erzeugten Lichtfleck schaut. Der Fixierstrahl 31 wird durch Abbildung der Austrittsfläche 32 des Lichtleiters 33 durch die Optik 34 und die Optik des Patientenauges 1 über die Strahlteiler 40, 36 und 30 auf dessen Fundus erzeugt. Die Lichtleitfaser 33 wird von einer Licht emittierenden Diode (LED) 38, die beispielsweise grünes Licht emittiert, beleuchtet, deren Licht von einer Optik 35 auf die Eintrittsfläche 37 der Lichtleitfaser 33 fokussiert wird. Die x-y-Position der Austrittsfläche 32 der Lichtleitfaser 33 bestimmt die Richtung des Fixierstrahls 31; sie wird mittels einer 2-Koordinaten Einstellvorrichtung 39 in 2 zueinander orthogonalen

Richtungen, beispielsweise x- und y-Richtung, positioniert.

Messstrahl-Position bezüglich Sehachse: Diese wird mittels eines auf das Patientenauge projizierten Lichtrings gesteuert. Zur Erzeugung dieses Lichtrings wird eine Kreisring-förmige Blendenöffnung 41 mittels eines Fixierlichtstrahls 44 durch die Optik 34, reflektiert vom Strahlteiler 36, und durch den Strahlteiler 30 hindurch auf die Lederhaut beziehungsweise auf die Umgebung der Pupille 2 des Patientenauges 1 abgebildet. Die Blendenöffnung 41 wird mit Hilfe einer Optik 42 von der LED 43, die beispielsweise rotes Licht emittiert, beleuchtet. Damit kann auch der Patient bei der Positionierung aktiv mitwirken. Die Position des Auges 1 wird durch eine 2-Koordinaten Einstellvorrichtung 45 in 2 zueinander orthogonalen Richtungen, beispielsweise x- und y-Richtung, eingestellt. Als Kriterium für die Standard-Position des Patientenauges kann symmetrische Helligkeits-Empfindung des Patienten bei der betreffenden Wellenlänge beziehungsweise Farbe des von der LED 43 emittierten Lichts benutzt werden. 4C. Positionskontrolle und RZI-Registrierung.

Eine Kontrolle der Positionierung der Eintrittspupille 2 des Patientenauges relativ zum Lichtringbild wird durch Abbildung der Pupillenebene mittels der Zoom-Optik 52 am Interferometerausgang über den Bildverstärker (BV) in die

Brennebene 60 des Okulars 61 ermöglicht. Hierzu werden Brennweite und/oder z-Position (der Ursprung von z befindet sich im Krümmungsmittelpunkt der Cornea, etwa 8 mm vom Corneascheitel im Innern der Vorderkammer des Auges) der Zoom-Optik 52 so eingestellt, dass die Pupille 2 auf die Photokathode 53 des BV abgebildet wird.

Ein solcher BV kann beispielsweise auf Mikrokanalplatten-Technologie, basierend aus Photokathode 53 am Eingang, Mikrokanalplatte 54 zur Verstärkung im engeren Sinn und Phosphorschirm 55 am Ausgang des BV, beruhen. Die spektrale Empfindlichkeit dieser BV wird durch das jeweilige Photokathoden-Material bestimmt. Oberhalb einer

Wellenlänge von 1 gm nimmt die Detektivität der hier zur Verfügung stehenden Festkörper-Photoempfänger allerdings mit l/λ2 ab. Alternativ kann anstelle eines solchen BV auch eine Digitalkamera, basierend auf CCD Technologie, Electron Multiplying CCD oder Intensified CCD Technologie, eingesetzt werden. In den letzteren Fällen ersetzt der Sensor der Digitalkamera die Photokathode, der Phosphorschirm 55 wird durch den elektronischen Kamerasucher ersetzt.

Visuelle Positionskontrolle: Das am Phosphorschirm 55 des BV auftretende verstärkte RZI erleichtert das Auffinden des RZI durch Beobachter 100 (mit Hilfe der Mikroskop analogen Optiken 56 und 61) oder Beobachter 101 (durch Abbildung auf das Array 70 und Übertragung durch den Rechner 90 auf den Monitor 91), insbesondere bei irregulärer Optik des Auges. In der Ebene des Phosphorschirms 55 des BV befindet sich ferner ein Strichkreuz 58 als Hilfe zur visuellen Kontrolle der vorliegenden RZI-Position. Die Beobachtung des Bilds am BV-Ausgang auf dem dort angeordneten Strichkreuz erleichtert die Positionierung und Ausrichtung des Probandenauges. (Letztere kann mittels des Fixierstrahls 31 nachgestellt werden.)

Justierungskontrolle per Audiosignal. Eine etwas pauschale Kontrolle des Justierzustands des ophthalmologischen Interferometers wird durch eine akustische Beobachtung unterstützt. Hierzu befindet sich im Ausgangsstrahl 49 des ophthalmologischen Interferometers ein Strahlteiler 80, der einen Teil des Ausgangsstrahls auf einen Photodetektor 81 mit Verstärker 82 und Lautsprecher 83 lenkt. Ein am Aktuator 22 bei eingeschaltete Wechselspannung U~ auftretender Ton der Frequenz f signalisiert, daß Licht aus dem ophthalmologischen Interferometer über das Auge den BV erreicht.

Zur interferometrischen Messung wird durch Variieren der Brennweite der Zoom-Optik 52 zunächst der Kontrast eines auf den BV abgebildeten RZI 51 optimiert, dann das RZI mittels des vom Strahlteiler 59 reflektierten Teils des Abbildungsstrahls 57 auf das Photodetektor-Array 70 abgebildet und von dessen Photodetektoren-Raster gemessen beziehungsweise "abgetastet".

Fresnel-Zonen-artige Interferogramme RZI 51: Das vom Auge reflektierte Lichtstrahlbündel 50, hier durch den "Ausgangsstrahl" 49 des ophthalmologischen Interferometers charakterisiert, enthält eine Reihe 3-dimensionaler Interferenzerscheinungen in Form von Interferenz-Hohlkegeln mit zunehmendem Durchmesser entlang der optischen Achse des Auges. Bei regulärer Anatomie des Auges überlagern alle diese Interferogramme, wobei das Interferogramm der starken Reflexe des Fundus und der beiden Corneareflex dominiert. Andererseits haben die Corneareflexe und der Reflex der hinteren Linsenfläche fast gleichen Krümmungsradius und daher über fast die gesamte Augenpupille denselben Interferenzzustand, so dass die von ihnen bei Beleuchtung mit Licht großer Kohärenzlänge gebildeten (monochromatischen) Interferogramme visuell kaum voneinander getrennt erkennbar sind. Bei irregulärer Anatomie, beispielsweise Katarakt, wird man unter Umständen überhaupt keine kompletten oder nur Speckle-ähnliche Interferogramme beobachten können.

Die hier interessierenden kontrastreichen RZI liegen zunächst als reelle Interferenzen im Bereich vor der Cornea (z > 0) und als virtuelle Interferenzen hinter der Cornea (bei z < 0) vor. Reelle kontrastreiche Interferenzen sind auf der z-Achse (mehrere cm bis dm) vor dem Auge lokalisiert. Für die vor dem Auge angeordnete Zoom-Optik 52 sind dies virtuelle Objekte und werden von dieser - im Sinne einer invers wirkenden Lupe - als reelle Bilder auf den BV-Eingang oder ein dort positioniertes Photodetektor-Array abbildet.

Diese Interferogramme bilden die Basis für die ophthalmologische WT-Interferometrie-Variante der KK-Längenmessung. In jedem Pupillenpunkt (x,y) kann man daher grundsätzlich eine Reihe intraokularer Distanzen messen. Bei regulärer Anatomie des Auges gibt es, wegen des Dominierens regulärer Reflexe für das RZI, eine eindeutige Zuordnung der Interferogramm-Positionen zur entsprechenden x-y-Position in der EP des Auges. So erhält man beispielsweise Zugriff auf die Verteilung der optischen Augenlänge Cornea/Fundus oder der Vorderkammertiefe Cornea/Augenlinse innerhalb der Pupille. In jedem Fall kann man die gemessenen Längen über die gesamte Pupille addieren und so ein Signal mit sehr hoher Sensitivität erhalten - allerdings wegen der

Summenbildung über unterschiedliche Längen zum Preis verminderter Genauigkeit. Übrigens befindet sich Das zur Messung benutzte RZI 51 befindet sich - vom Probanden aus gesehen - hinter der Zoomoptik 52 (bei z > D) . Der Abstand des zur Messung benutzten RZI von der Zoomoptik hat daher keinen das Interferometer in z-Richtung vergrößernden Einfluß. Die Zoomoptik 52 kann auch unmittelbar an den Strahlteiler 80 oder, bei Weglassen der Justierhilfen, an den Strahlteiler 36 angrenzen. 4D. SIGNALVERARBEITUNG. 4D-a. Die hier benutzte WT-Interferometie oder Swept-Source KK-Interferometrie - es gibt hier mehrere auf denselben optischen Prinzipien beruhende Techniken mit unterschiedlichen aber sinngleichen Namen - basiert auf dem Intensitätsspektrum Ιξψ(Υ) der an der transversalen

Objektposition (ξ,ψ) aus dem AUGE austretenden Lichtwellen. Diese werden mittels spektral durchstimmbarer Laser als Lichtquelle erzeugt, von einem Detektor an einen Rechner 90 weiter gegeben und liefern dort per Fourier-Transformation und Autokorrelations-Entschlüsselung die Objektstruktur in den transversalen Objektposition (ξ,ψ) entlang dem Messstrahl im ophthalmologischen Interferometer [A] .

In der erfindungsgemäßen Methode wird das zur Berechnung der Tiefenstruktur des Auges erforderliche Streufeld-Intensitätsspektrum Ix,y(k) des Patientenauges aus Transversal-Positionen eines RZI (51), das in longitudinaler z-Richtung einige cm bis dm außerhalb des Patientenauges lokalisiert ist, von einem Photodetektor-Array (70) registriert und an einen Rechner (90) weiter gegeben. Wegen der in diesen Abständen auch bei moderater Katarakt dominierenden regulären Reflexe ist eine eindeutige Zuordnung der RZI-Positionen zu den transversalen Pupillenkoordinaten weitgehend gegeben. 4D-b. Fourier-Transformation der RZI Array-Daten. Der PC 90 speichert das Spektrum der okulären Streufeld-Intensitäten Ix,y(k) der einzelnen Array-Photodetektoren, berechnet daraus die den Transversal-Positionen (x,y) der Array-Photodetektoren entsprechenden Teilstrecken-Längendaten und stellt diese auf dem angeschlossenen Monitor 91 dar.

Die Array-Daten sind Datenmatrizen Ix,y(k) mit

(2) worin FTZ = Fourier-Transformation bezüglich z-Kooddinate;

ist die Wellenzahl, λ die Wellenlänge des vom DSL emittierten Lichtstrahl. Ix/y(k) sind die durch Lichtausbreitung außerhalb der Patientenaugenpupille (über die Optiken 52 und 56 sowie den BV) den einzelnen Array-Photodetektoren zugeordneten und von diesen registrierten spektralen Intensitäten. Hierbei wird der DSL 10 durch ein Spektrum Δλ durchgestimmt, dessen Größe die Tiefenauflösung bestimmt, s. Gleichung (1).

ist das Streupotenial des Auges oder seine "Struktur", n(x,y;z) ist der zugehörige Brechungsindex.

Die Signalstärke ist bei dem hier benutzten zurückgestreuten Licht an Stellen aneinander grenzender Gewebe mit großen Streupotential-Ünterschieden groß. Daher lassen sich die z-Positionen von Gewebegrenzen ζ^^χ,γ) entlang jedem Lichtstrahl in der Augenpupillen-Position (x,y) anhand der dort auftretenden Signal-Intensitätsspitzen bestimmen (der Index Gi/Gj bedeutet „Gewebegrenze zwischen Gewebe Gi und Gewebe Gj" mit beispielsweise: G1/G2 = Cornea-Vorderfläche/Cornea-Innenfläche, G1/G3 = Cornea-Vorderfläche/Linsen-Vorderfläche, G4/G5 = Linsen-Innenfläche/Fundus). Die entsprechenden Teilstrecken-Längen erhält man als Differenz Δζ^ der z-Werte dieser Signal-Intensitätsspitzen entlang der Strahlen durch die Pupillenposition (x,y).

Hier gibt es folgende Nutzungs-Varianten: (a) Benutzung gemessener Teilstrecken-Längen Δζ^ in der Pupille zur Bestimmung der optometrischen Daten oder der Übertragungsfunktion des Patientenauges, (b) Benutzung der meßbaren Teilmengen der Teilstrecken-Längen AzGj/Qj(x,y) in Segmenten der Pupille, insbesondere bei fortgeschrittener Katarakt, (c) Mittelwertbildung der meßbaren Teilstrecken-Längen ΔzGi/GJ(x,y) über mehrere oder alle Pupillenpunkte zur Sensitivitätserhöhung.

Auflösung und Meßbereich. Die Transversalauflösung, mit der das RZI registriert wird, ist entsprechend der klassischen Abbeschen Auflösungsformel durch Wellenlänge und numerische Apertur der Abbildung durch die Optik 52 gegeben. Tiefenauflösung wird durch Durchstimmen des DSL 10 über ein Spektrum Ak erreicht. Diese ist durch die Kohärenzlänge des abbildenden Lichtbündels gegeben.

Die Größe des Meßbereichs hingegen wird von der Dichte der Äbtastwerte auf der k-Achse bestimmt.

Autokorrelation. Eine inverse FT der Intensitätsdaten des Photodetektor-Array 70 liefert allerdings - ohne weiteres -nicht die Objektstruktur, sondern deren

Autokorrelationsfunktion. Zur Lösung dieses Problems gibt es eine Reihe von Techniken, die in der Literatur ausführlich beschrieben sind (z. B. Fercher et al., Opt.Commun. 117(1995)43-48 oder Seelamantula et al., J.

Opt. Soc. Am A, 25(2008)1762-1771) und auch hier benutzt werden können. 4D-c. Größe und Kontrast des RZI; Rolle des Abtast- oder "Sampling"-Theorems. Beide, Position D und Brennweite der Zoom-Optik 52 bestimmen den Abbildungsmaßstab des auf die Photokathode 53 des BV und weiter auf das Array 70 abgebildeten - oder auf ein ohne Zwischenschaltung eines BV lokalisiertes Photodetektor-Array 70 abgebildeten RZI. Grundsätzlich ist die RZI-Größe am Photodetektor-Array mittels Zoom-Opik 56 natürlich so zu wählen, daß es von den Array-Detektoren - in Übereinstimmung mit dem Abtast-Theorem - in korrekten Abständen "abgetastet" wird. Mit einem 32 x 32 Photodetektor-Array beispielsweise, kann die zentrale Interferogramm-Kreisfläche eines RZI und darüber hinaus noch dessen Ringstruktur bis zum 4. Interferenzring - in Übereinstimmung mit dem Abtast-Theorem - abgetastet werden. Das führt, gegenüber Detektion der zentralen Interferogramm-Kreisfläche allein, für das Summensignal zu einem Sensitivitätsgewinn von bereits 6 dB (bei Vernachlässigung des Gauss-Profils und bei homogener Transparenz der Augenmedien nimmt die Größe des Summensignals des Photodetektor-Arrays mit der Fläche des registrierten RZI zu). Ein Photodetektor-Array mit 1000 x 1000 Pixel hat bei Abtast-Theorem-gerechter Verwendung darüber hinaus ein Sensitivitäts-Potential in der Größenordnung von 20 dB. 4D-d. RZI-Größe und Sensitivität. Optimaler RZI-Kontrast liegt allerdings in individuell unterschiedlichen z-Positionen (innerhalb einiger cm bis dm vor dem Patientenauge) vor. Bildet man zur Kontrastoptimierung unterschiedliche z-Positionen des RZI 51 (über die Optiken 52 und 56 und den BV) auf das Detektor-Array 70 ab, erfolgt das wegen des erforderlichen Durchstimmens der Brennweite der Zoom-Optik 52 unter individuell verschiedenen, von den Parametern des Auges abhängigen Abbildungsmassstäben. Die Abtastung des in seiner Größe variierenden Bilds des RZI 51 auf dem Photodetektor-Array 70 führt daher häufig zu "Undersampling" oder "Oversampling", wodurch Bildqualität und Sensitivität verschlechtert werden.

Homogenisierung der RZI Größe. Zur Signaloptimierung sind somit 2 Schritte erforderlich: 1. Aufsuchen eines RZI mit optimalem Kontrast entlang der z-Achse. 2. Abtast-Theoremgerechte Abbildung des RZI vom Phosphorschirm 55 des BV per Zoomoptik 56 auf das Photodetektor-Array 70. Das ist eine 2-dimensionale Mannigfaltigkeit von Möglichkeiten und daher impraktikabel.

Da die Ringdurchmesser der RZI, durch die Zunahme der Krümmungsradien der sich ausbreitenden Corneareflexe bedingt, mit zunehmendem Abstand z vom Patientenauge zunehmen, der Abbildungsmassstab der RZI auf die

Photokathode des BV mit zunehmendem Abstand von der Optik 52 jedoch abnimmt, kann man die Größenveränderung der RZI entlang der z-Achse durch geeignete Wahl des RZI-Abbildungsmassstabs - also durch geeignete Wahl der Position und/oder Brennweite der Zoom-Optik 52 -kompensieren. Als Beispiel sei eine Positionierung der Zoom-Optik 52 bei z = D = 60 mm vor dem Auge 1 angenommen. Damit erreicht man - durch entsprechende Zoom-Optik-52-Brennweite - eine Konstanz der auf die Photokathode 53 abgebildeten RZI-Ringdurchmesser von besser als + /- 5% für z-Positionen zwischen z = 100 mm bis - 600 mm.

Alternativ kann man anstelle des Durchstimmens der Brennweite der Zoom-Opik 52 auch die Vorrichtung zur Detektion des Messsignals [C] entlang der z-Achse (z. B. nach Position C', siehe offenen Pfeil 71) verschieben. 4D-e. Stark inhomogene Transparenz der Patientenaugenmedien. In solchen Fällen besteht beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Gewinn dadurch, dass das im Vergleich zum Einzeldetektor gegebenenfalls viel größere Detektor-Array zu einer erheblichen Erleichterung der ansonsten bei der standardgemäßen punktuellen Spektralinterferometrie mit einem einzigen winzigen Detektor viel mühsameren Signalsuche und auch eine Segmentierung histologisch zusammengehöriger Bereiche erlaubt.

5.FIGUREN

Figur la: Purkinje-Sanson-Bilder PI, P2, P3, P4..

Figur lb: Fresnel-Zonen-artiges Raum-Zeit-Domäne Interferogramm (RZI), eingebettet in die Matter der Speckle-Struktur vor dem Auge.

Figur lc: Vergrößerter Ausschnitt des RZI aus Figur lc.

Claims (9)

1. Dr. Adolf Friedrich Fercher, Hassreitersteig 3/11, 1230 Wien PATENTANMELDUNG OPHTHALMOLOGISCHE LÄNGENMESSUNG MITTELS DOPPELSTRAHL RAUM-ZEIT-DOMÄNE WAVELENGTH TUNING KURZKOHÄRENZ-INTERFEROMETRIE PATENTANSPRÜCHE 1) Anordnung zur ophthalmologischen Längenmessung mittels Doppelstrahl Raum-Zeit-Domäne Wavelength-Tuning Interferometrie, bei der das Patientenauge (1) von einem Mess-Doppelstrahl (11) aus einem Zweistrahl-Interferometer [A] beleuchtet wird, das seinerseits von einem durchstimmbaren Laser (10) beleuchtet wird und so am Ausgang des Interferometers [A] einen durchstimmbaren Mess-Doppelstrahl (11) aus paarweise monochromatischen, zeitlich versetzten koaxialen Komponenten (23 und 24) erzeugt, der nach Reflexion an einem Strahlteiler (30) das Patientenauge (1) beleuchtet, und aus dem Spektrum der Streufeld-Intensitätsdaten Ιξ,ψ(^ des vom Probandenauge (1) austretenden gestreuten und/oder reflektierten Streufelds - in Figur 1 als Ausgangsstrahl (49) markiert - die Struktur des Auges berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Struktur des Auges erforderlichen Streufeld-Intensitätsdaten Ιξ,ψ(^ aus den vom Ausgangsstrahl (49) des Auges in transversalen ξ-ψ-Positionen aus longitudinal einige cm bis dm außerhalb des Probandenauges (1) virtuell lokalisierten RZI(51) von einer Optik (52) auf den Eingang eines Bildverstärkers, bestehend beispielsweise aus Photokathode 53 am Eingang, Mikrokanalplatte 54 zur Bildverstärkung und Phosphorschirm 55 an seinem Ausgang, und von diesem verstärkt auf ein Photodetektor-Array (70) projiziert und an einen Rechner (90) weiter gegeben werden.
2. 2) Anordnung zur ophthalmologischen Längenmessung mittels auf Doppelstrahl (11) basierender Raum-Zeit-Domäne Wavelength-Tuning Interferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass Zoom-Optiken (52) im Ausgangsstrahl (49) des ophthalmologischen Interferometers so angeordnet werden, dass sie, als inverse Lupe fungierend, über ihre Brennweiten-Einstellung entlang der Sehachse (48) des Auges, in z-Richtung unterschiedlich positionierte Raum-Zeit-Domäne Interferogramme (51) auf eine in z-Richtung fixe Position einer Bildverstärker-Photokathode (53) oder eines Photodetektor-Arrays (70) abbilden.
3. 3) Anordnung zur ophthalmologischen Längenmessung mittels auf Doppelstrahl (11) basierender Raum-Zeit-Domäne Wavelength-Tuning Interferometrie, dadurch gekennzeichnet, dass Raum-Zeit-Domäne Interferogramme (51) auf Bildverstärker-Photokathode (53) oder Photodetektor-Array (70) abbildende Zoom-Optiken (52) im Ausgangsstrahl (49) auf der z-Achse (bei z = D) so positioniert werden, dass eine Zunahme der Ringdurchmesser der Fresnel-Zonen-artigen Raum-Zeit-Domäne Interferogramme entlang der Sehachse des Auges (in z-Richtung) durch den mit zunehmendem Abstand vom Auge (1) in z-Richtung abnehmenden Massstab der Abbildung der RZI auf das Photodetektor-Array (70) oder die Bildverstärker-Photokathode (53) kompensiert wird.
4. 4) Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass monochromatische Doppelstrahlen (11) unterschiedlicher Wellenlängen von einem durchstimmbaren Laser (10) und einem Strahlteiler (14) in einem Michelson-Interferometer erzeugt werden.
5. 5) Anordnung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass Patientenaugen (1) von zwei zu den Mess-Doppelstrahlen (11) koaxialen Fixierstrahlen (31, 44) unterschiedlicher Farbe für die Justierung des Patientenauges (1) beleuchtet werden.
6. 6) Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass Fixierstrahlen (31) für die Richtung des Patientenauges (1) durch Abbildung der Austrittsfläche (32) eines Licht führenden Lichtleiters (33) durch eine Optik (34) auf den Fundus des Auges realisiert werden.
7. 7) Anordnung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, ein Fixierstrahlen (44) für die Position des Patientenauge (1) mittels eines auf das Patientenauge projizierten Lichtrings durch Abbildung einer Kreisring-förmigen beleuchteten Blendenöffnung (41) auf die Lederhaut beziehungsweise auf die Umgebung der Pupille (2) des Patientenauges (1) realisiert werden.
8. 8) Anordnung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Teilstrahlen des Mess-Doppelstrahls (11) im dem den Doppelstrahl generierenden Michelson-Interferometer ([A])von einem Retroreflektor (21) reflektiert wird, der periodisch um kleine Beträge, beispielsweise um λ/4, mit Tonfrequenz hin und her bewegt wird.
9. 9) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Ausgangsstrahl(49) des ophthalmologischen Interferometers angeordneter Strahlteiler (80) einen Teil des Ausgangsstrahls auf einen Photodetektor 81 mit Verstärker 82 und Lautsprecher 83 lenkt.