DE10196985T5

DE10196985T5 - System und Verfahren zur Bestimmung der Doppelbrechung des Anteriorsegments eines Patientenauges

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Publication number: DE10196985T5
Application number: DE10196985T
Authority: DE
Original assignee: Laser Diagnostics Technologies Inc
Current assignee: Carl Zeiss Meditec Inc
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2004-04-29
Also published as: WO2002051333A3; US6356036B1; WO2002051333A2; AU2002243433A1

Abstract

Verfahren zum Analysieren der Doppelbrechung des Anterior- und des Posteriorsegments eines Auges (11) mit:
Bereitstellen eines Lichtstrahls mit einem bekannten Polarisationszustand;
Richten des Lichtstrahls durch das Anteriorsegment des Auges (11), so daß der Lichtstrahl auf einen aaswählbaren Bereich des Fundus trifft und davon reflektiert wird, um einen Rücklaufstrahl zu bilden;
auf der Grundlage des Rücklaufstrahls erfolgendes Bestimmen einer optischen Achse und Größe einer Anteriorsegmentdoppelbrechung;
Konfigurieren eines variablen Retarders (37), um die Anteriorsegmentdoppelbrechung zu neutralisieren; und Bestimmen einer Doppelbrechung des Posteriorsegments durch Richten eines Strahls durch den variablen Retarder (37) und das Posteriorsegment.

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein das Diagnostizieren von Augenleiden mittels polarisierter Lichtquellen.
2. Hintergrund der Erfindung
Die Kenntnis der Dicke der Netzhautnervenfaserschicht eines Patienten kann beim Diagnostizieren eines Glaukoms und anderer Erkrankungen des Sehnervs entscheidend sein. Nun ist die Nervenfaserschicht "formdoppelbrechend" ist, was bedeutet, daß wenn die Polarisationsachse eines die Schicht durchlaufenden polarisierten Lichtstrahls weder parallel noch senkrecht zu den Nervenfaserbündeln ist, Retardation in den Strahl eingeführt wird. Insbesondere ist die Doppelbrechung eine optische Eigenschaft, die aus der Anisotropie eines Mediums herrührt, durch das sich polarisiertes Licht ausbreitet, und sie manifestiert sich durch die Variation der Geschwindigkeit des Lichts, wobei die Geschwindigkeit von der Ausbreitungsrichtung und Polarisationsachse des Lichts abhängig ist. Breitet sich Licht senkrecht zur optischen Achse eines anisotropen Materials aus, bewegen sich zwei orthogonal polarisierte Komponenten des Lichts, eine mit Polarisation parallel zur optischen Achse und die andere mit Polarisation senkrecht zur optischen Achse, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, was zu einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponenten führt. Diese Phasenverschiebung wird als "Retardation" bezeichnet. Der Polarisationszustand des austretenden rückgestreuten Lichts ändert sich auf der Grundlage des Retardationsbetrags zwischen den beiden Komponenten. Ein Retardationskennfeld kann auf der Grundlage des rückgestreuten Lichts erzeugt werden, das die Dicke der Nervenfaser schicht darstellt und das somit zum Diagnostizieren von Augenleiden von Nutzen ist.
Folglich wurden vom Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung Laserdiagnosevorrichtungen in den US-A-5303709, 5787890, 6112114 und 6137585 offenbart, die die Dicke der Nervenfaserschicht messen, indem sie den Retardationsbetrag von Laserlicht in der Faserschicht messen, wobei der Retardationsbetrag danach gemäß technisch bekannten Grundsätzen mit der Schichtdicke korreliert wird. Ebenso ist im Verständnis der Erfindung die sogenannte Henle-Faserschicht, die Photorezeptoraxone aufweist und die radial verteilte langsame Achsen in Zentrierung um die Fovea in der Makula des Auges hat, auch formdoppelbrechend, weshalb sich ihre Dicke zu Diagnosezwecken mit Laserlicht auch messen läßt.
Wie ferner hierin erkannt ist, sind Abschnitte des Auges (im folgenden gemeinsam als "Anteriorsegmente" bezeichnet), die anterior zur Nervenfaserschicht und Henle-Faserschicht liegen, ebenfalls doppelbrechend. Zum Beispiel sind sowohl die Hornhaut als auch die Linse doppelbrechend. Außerdem kann die axiale Orientierung und Größe der Doppelbrechung der Anteriorsegmente von Person zu Person erheblich variieren. Da der Diagnosestrahl diese Anteriorsegmente durchlaufen muß, geht die Erfindung davon aus, daß die durch diese Abschnitte verursachte Laserstrahlretardation berücksichtigt werden muß, um Posteriorsegmente, z. B. die Nervenfaserschicht und Henle-Faserschicht, im Kennfeld genauer abzubilden.
In der o. g. US-A-5303709 wurde ein Hornhautkompensator zum Neutralisieren der Effekte der Doppelbrechung von Anteriorsegmenten des Auges auf einen Diagnosestrahl offenbart, der zur Dickenmessung der Nervenfaserschicht bestimmt ist. Die Kompensationsstruktur im Patent '709 verfügt über ein polarisationsempfindliches konfokales System, das an einem Laserabtast-Netzhautpolarimeter befestigt ist. Der Detektor dieser Vorrichtung verfügt über eine Lochapertur, die eingestellt wird, damit sie mit der Laserquelle und der Posteriorfläche der Kristallinse so konjugiert ist, daß nur reflektiertes Licht von den Posteriorflächen der Kristallinse aufgefangen und analysiert wird. Ein variabler Retarder wird anschließend so eingestellt, daß er jede Retardation im zurückgeführten Lichtstrahl neutralisiert.
Wenngleich es für seine beabsichtigten Zwecke wirksam ist, erfordern die Kompensationsmerkmale des Patents '709 in der Erkenntnis hierin, daß mehrere optische Komponenten zum bereits komplexen optischen System eines Laserabtastpolarimeters zugefügt werden. Außerdem verwendet die Erfindung des Patents '709 die Patientenlinse als Referenzfläche zur Bestimmung der Anteriorsegmentdoppelbrechung. In der Erkenntnis hierin kann die Reflexionsstärke einer Patientenlinse, die durch die konfokale Abbildung erfaßt wird, infolge von Augenbewegung schwanken, weshalb es schwierig sein kann, die Anteriorsegmentdoppelbrechung genau zu kompensieren, wenn die Linse als Referenzfläche genutzt wird.
Wie zudem hierin erkannt ist, kann, abgesehen vom Verständnis der Erfindung, daß noch kein Verfahren zum Kompensieren der Doppelbrechung von Anteriorsegmenten des Auges durch Berechnungen nach der Messung offenbart wurde, eine solche Kompensation nach der Messung kompliziert sein. Grund dafür ist, daß der spezielle Beitrag der Henle-Faserschicht zur Gesamtretardation nicht unbedingt bekannt und statt dessen mit der gesamten Anteriorsegmentdoppelbrechung vermischt ist.
Daher wäre es erfindungsgemäß wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Doppelbrechung von Segmenten des Auges, die anterior zur Netzhaut sind, trotz Augenbewegung bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die hier offenbarten Vorrichtungen und Verfahren überwinden die Mängel der o. g. Hornhautmeßvorrichtung. Statt der Detektion des Polarisationszustands der Reflexion von der Rückseite der Kristallinse erfolgt eine Polarimetrie an Reflexionen vom Fundus, um die Größe und axiale Orientierung der Anteriorsegmentretardation zu bestimmen. Die Anteriorsegmentdoppelbrechung wird durch Analysieren des Polarisationszustands des rückgestreuten Lichts von einem der folgenden Fundusbereiche bestimmt: der Makula, den Hauptnetzhautgefäßen und Stellen, an denen die Netzhautdoppelbrechung im Vergleich zur Doppelbrechung des Anteriorsegments belanglos ist.
Dazu verwendet die Erfindung einen polarisierten Lichtstrahl mit bekanntem Polarisationszustand. Einer der beiden einfachen Polarisationszustände ist bevorzugt: ein rotierendes linear polarisiertes Licht und ein zirkular polarisiertes Licht. Vorgesehen ist ein variabler Retarder (Phasenplatte), um die Anteriorsegmentdoppelbrechung so auszulöschen, daß der einfallende Strahl ein linear polarisierter Lichtstrahl oder zirkular polarisierter Lichtstrahl beim Auftreffen auf den Fundus bleibt.
Mit der Erfindung kann ein vereinfachtes Laserabtastpolarimeter denselben Strahlenweg zum Messen der Hornhaut- und Linsendoppelbrechung verwenden, der zum Messen der Doppelbrechung der Netzhautnervenfaserschicht verwendet wird. Ferner läßt sich die Anteriorsegmentdoppelbrechung bestimmen, ohne daß Augenbewegungen die Bestimmung stören. Durch Messen der Anteriorsegmentdoppelbrechung entlang im wesentlichen identischer Strahlenwege, die zur Messung von Strahlen der Netzhautnervenfaserschicht verwendet werden, kann außerdem eine genauere Messung der Anteriorsegmentdoppelbrechung erfolgen, da die Hornhautdoppelbrechung mit dem Einfallswinkel des Strahls und mit der Lage der Hornhaut variiert.
Wie später näher offenbart wird, liegt das zum Rückstreuen des Sondenstrahls verwendete Referenzziel, um die Doppelbrechung des Anteriorsegments zu detektieren, nicht auf der Linse, sondern ist der Netzhaut zugeordnet. Zum Beispiel kann das Ziel die Henle-Faserschicht in der Makula sein. Alternativ können große Netzhautblutgefäße als Ziel dienen. Grund dafür ist, daß gemäß der Erkenntnis hierin Netzhautblutgefäße nahe der Netzhautoberfläche liegen und die spiegelnde Reflexion von der Oberseite der Hauptnetzhautgefäße den Polarisationszustand des einfallenden Strahls bewahrt. Als Folge ist die an Hauptblutgefäßen gemessene Retardation eine Messung der Doppelbrechung vom Anteriorsegment. Fundusbereiche, in denen die Netzhautdoppelbrechung minimal ist, können auch als Referenzziel verwendet werden, da das rückge streute Licht von diesen Bereichen den Polarisationszustand des einfallenden Lichts erhält.
Die Ausgabe der Erfindung ist ein Retardationskennfeld der Nervenfaserschicht oder der Henle-Faserschicht (Photorezeptoraxonschicht), das als Werkzeug dienen kann, um Glaukom, Makuladegeneration, Optikusneuropathie, Neuritis optica, Alterung und andere Augenerkrankungen zu diagnostizieren und zu überwachen, z. B. solche, die Ganglienzellen- oder Photorezeptoraxonatrophie verursachen.
In einem Aspekt wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Doppelbrechung eines Posteriorsegments eines Auges offenbart, das ein Anteriorsegment und eine Netzhaut hat. Das Verfahren weist auf: Richten eines ersten Strahls auf einen Abschnitt der Netzhaut, um einen ersten reflektierten Strahl zu bilden, und auf der Grundlage von Polarisationseigenschaften des ersten reflektierten Strahl erfolgendes Bestimmen einer Doppelbrechung des Anteriorsegments. Ferner weist das Verfahren das Konfigurieren einer polarisationskompensierenden Vorrichtung auf, um die Doppelbrechung des Anteriorsegments zu neutralisieren. Ein zweiter Strahl wird durch die polarisationskompensierende Vorrichtung und auf einen Abschnitt der Netzhaut gerichtet, um einen zweiten reflektierten Strahl zu bilden. Auf der Grundlage der Polarisationseigenschaften des zweiten reflektierten Strahls bestimmt das Verfahren dann eine Doppelbrechung des Posteriorsegments.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Doppelbrechung des Anteriorsegments bestimmt, indem die polarisationskompensierende Vorrichtung so konfiguriert wird, daß sie eine neutralisierende Einstellung hat, und dann der erste Strahl durch die Vorrichtung gerichtet wird, um den ersten reflektierten Strahl zu bilden. Als nächstes wird die polarisationskompensierende Vorrichtung so konfiguriert, daß sie eine nicht neutralisierende Einstellung hat. Wiederum richtet das Verfahren den ersten Strahl durch die Vorrichtung, um den ersten reflektierten Strahl zu bilden.
Wie später näher erläutert wird, bestimmt man in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform die Doppelbrechung des Anteriorsegments durch Bestimmen einer aus dem ersten reflek tierten Strahl abgeleiteten maximalen Größe, Bestimmen eines Henle-Faserschichtwerts auf der Grundlage einer Differenz zwischen der maximalen Größe und einer aus dem ersten reflektierten Strahl abgeleiteten minimalen Größe und anschließendes Bestimmen eines Retardationswerts des Anteriorsegments durch von der maximalen Größe erfolgendes Subtrahieren des Henle-Werts und eines Einstellwerts der polarisationskompensierenden Vorrichtung. Offenbart wird ferner ein Algorithmus zum Bestimmen der Doppelbrechung des Rnteriorsegments. Der Algorithmus weist das Bestimmen eines Retardationswerts δ wie folgt auf: δ = [λ/360°] sin^–1 [I_max/I_total] ^1/2, wobei I_max eine maximale Ausgangsstärke eines ersten Detektors ist, der den reflektierten Strahl detektiert, I_total die Summe der Stärken ist, die durch zwei Detektoren ausgegeben werden, die den reflektierten Strahl detektieren, und λ die Wellenlänge des ersten reflektierten Strahls ist.
Alternativ läßt sich die Doppelbrechung des Anteriorsegments wie nachfolgend beschrieben bestimmen. In dieser Ausführungsform wird eine langsame Polarisationsachse des Anteriorsegments beobachtet. Danach bestimmt das Verfahren eine Größe einer Retardation des Anteriorsegments auf der Grundlage eines mittleren Retardationswerts, gewonnen aus einer Ringfläche in Zentrierung auf die Fovea des Auges innerhalb eines Kegels von 6° in der Messung von der Pupille des Auges, wo die Faserschicht relativ dünn ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann zirkular polarisiertes Licht verwendet werden. Bei diesem Verfahren wird der zirkular polarisierte Lichtstrahl auf die Makula gerichtet. Ein Viertelwellenretarder wird auf null eingestellt, wonach die Retardationsachse anhand der später beschriebenen "Schleife" bestimmt wird. Die Viertelwellenretarderachse wird zur beobachteten Achse ausgerichtet und ihr Wert von null ausgehend solange erhöht, bis die "Schleife" aus dem Bild verschwindet. An diesem Punkt stellen die Achse und der Wert des Retarders die Achse und den Wert der Anteriorsegmentretardation dar.
Die Einzelheiten der Erfindung, sowohl in ihrem Aufbau als auch ihrem Betrieb, werden am besten anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht des Auges, die verschiedene Teile des Anteriorsegments identifiziert;
2 ist eine schematische Querschnittansicht der Netzhaut im Blick entlang der Linie 1-1 von 1;
3 ist eine schematische Darstellung der Abtuaststrahlenwege im Auge;
4 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen optischen Systems;
5 ist ein Ablaufplan des Gesamtverfahrens der Erfindung;
6 ist ein Ablaufplan des Verfahrens zur Bestimmung der Anteriorsegmentdoppelbrechung in einer ersten Ausführungsform unter Verwendung von Netzhautblutgefäßen oder vorbestimmten Flächen des Fundus;
7 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen Detektorausgaben und der Polarisationsachse;
8 ist eine schematische Ansicht der Beziehung zwischen der Polarisationsachse und den Retarderachsen;
9 ist ein Ablaufplan des Verfahrens zur Bestimmung der Anteriorsegmentdoppelbrechung in einer zweiten Ausführungsform unter Verwendung der Henle-Faserschicht;
10 ist eine schematische Darstellung des Aussehens der Retardationsverteilung der Henle-Faserschicht;
11 ist ein Ablaufplan des Verfahrens zur Bestimmung der Anteriorsegmentdoppelbrechung in einer dritten Ausführungsform unter Verwendung einer Einzelmessung; und
12 ist ein Ablaufplan des Verfahrens zur Bestimmung der Anteriorsegmentdoppelbrechung in einer vierten Ausführungsform unter Verwendung von zirkular polarisiertem Licht.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der Verwendung hierin deckt Polarisations-"Verschiebung" allgemein alle Arten von Polarisationsänderungen ab, u. a. die Drehung der optischen Achse von polarisiertem Licht, die Änderung von linearem zu elliptisch oder zirkular polarisiertem Licht und umgekehrt sowie jede Kombination daraus. "Polarimetrie" bezeichnet Techniken zur Bestimmung der Polarisations-"Verschiebung" eines Lichtstrahls. "Polarimeter" bezeichnet Vorrichtungen zur Durchführung der Polarimetrie. "Räumlich aufgelöste Netzhautpolarimetrie" und "räumlich aufgelöstes Netzhautpolarimeter" bezeichnen die Technik und Vorrichtung zur punktweisen Durchführung der Polarimetrie auf der Netzhaut. "Retardationskennfeld" bezeichnet eine zweidimensionale Anzeige der Retardationsverteilung in der Messung mit einem räumlich aufgelösten Polarimeter. "Hornhautdoppelbrechung" bedeutet Anteriorsegmentdoppelbrechung, u. a. Beiträge der Linse zusätzlich zur Hornhaut; und "Hornhautkompensator" dient zur Beschreibung einer Vorrichtung zum Neutralisieren der Doppelbrechung des Anteriorsegments des Auges, z. B. ein variabler Retarder.
Mit anfänglichem Bezug auf 1 und 2 hat ein Auge 11 eine Hornhaut 10, die als vorderster, transparenter Abschnitt des Auges dient. Hinter der Hornhaut 10 liegen die Iris 12 und die Linse 14. Das Innere des Auges 11 ist mit Glaskörper gefüllt, und hinten im Auge befindet sich die Netzhaut 15, die sich aus Schichten gemäß 2 zusammensetzt. Die Lagen der Fovea 17 und des Sehnervenkopfes 13 sind auch in 1 gezeigt.
Gemäß 2 verfügt die Netzhaut 15 über eine Innengrenzhaut 16, gefolgt von der Nervenfaserschicht 18, dem Rezeptorsystem 21, der Henle-Faserschicht 20, dem Netzhautpigmentepithel 22 und der Aderhaut 23. Die gesamte Augenstruktur anterior zur Innengrenzhaut 16 wird hierin als "Anteriorsegment" des Auges bezeichnet.
Wie später näher dargelegt wird, kann die Dicke der Henle-Faserschicht 20 und der Nervenfaserschicht 18 gemessen werden. 3 veranschaulicht die unterschiedlichen Strahlenwege, die zur Durchführung dieser Messungen verwendet werden können. Insbesondere ist der Abtaststrahlenweg im Auge gemäß 46 auf der Fovea 17 zur Makulamessung zentriert, wäh rend der bei 47 gezeigte Abtaststrahlenweg auf dem Sehnervenkopf 13 zur peripapillären Nervenfaserschichtmessung zentriert ist. Diese Meßzonen sind zueinander benachbart und überlappen sich im wesentlichen. Wie durch die Erfindung erkannt, wird im wesentlichen derselbe Bereich der Hornhaut und Linse in beiden Messungen verwendet. Somit ist der Effekt des Anteriorsegments in beiden Messungen im wesentlichen gleich.
4 zeigt ein optisches System, das zur Realisierung der Erfindung genutzt werden kann. Eine monochromatische Lichtquelle 30, z. B. ein Laser, erzeugt einen monochromatischen Lichtstrahl, der durch die mit "Strahl" bezeichnete Linie dargestellt ist. Der Strahl durchläuft einen Polarisator 31, um das Licht zu polarisieren, dessen Polarisationsachse entweder parallel oder senkrecht zur Einfallsebene eines nichtpolarisierenden Strahlteilers 32 eingestellt ist. Danach wird der Lichtstrahl durch eine Linse 33 kollimiert. Der kollimierte Strahl durchläuft einen Polarisationsdreher 34, der die Polarisationsachse des Strahls um einen Winkel θ dreht, während der Lichtstrahl linear polarisiert bleibt.
Vom Dreher 34 breitet sich das polarisierte Licht durch eine Abtasteinheit 35 aus. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abtasteinheit 35 eine zweidimensionale Abtastvorrichtung auf. Eine geeignete herkömmliche zweidimensionale Abtasteinheit kann verwendet werden. In einer Ausführungsform führt ein erster Zeilenabtaster eine Zeilenabtastung durch, und ein zweiter Abtaster führt eine Schrittabtastung zum Abschluß jeder Zeilenabtastung durch. Danach wird das dadurch erzeugte zweidimensionale Abtastfeld über eine Abbildungsoptikeinheit 36 projiziert, die eine Objektivlinse und eine Fokussiereinheit aufweisen kann, um den Brechungsfehler des Auges zu kompensieren.
Als nächstes durchläuft der Strahl einen variablen Retarder 37. Wie später dargestellt wird, ist der variable Retarder 37 ein Beispiel für einen Hornhautkompensator, der verwendet wird, um die Doppelbrechung des Anteriorsegments des Auges zu messen. Außerdem dient der variable Retarder 37 als Kompensator, um die Anteriorsegmentdoppelbrechung des Au ges zu neutralisieren. Der variable Retarder 37 kann ein variabler Flüssigkristallretarder mit gesteuerten Achsen sein, oder er kann mit zwei festen Retardern nullter Ordnung konfiguriert sein.
Rückgestreutes Licht, d. h. Reflexionen vom Fundus, läuft durch dieselben optischen Komponenten zurück, bis es durch den Strahlteiler 32 zu einem polarisierenden Strahlteiler 38 umgeleitet wird. Der polarisierende Strahlteiler 38 trennt das Licht in zwei Komponenten. Eine Komponente mit einer Polarisationsachse senkrecht zur Einfallsebene des Strahlteilers 38 wird zu einem ersten Detektor 39 reflektiert, und die andere Komponente mit einer Polarisationsachse parallel zur Einfallsebene wird zu einem zweiten Detektor 40 durchgelassen.
In 5 sind die Schritte des Gesamtverfahrens zur Messung der Doppelbrechung (manifestiert durch die Lichtstrahlretardation, die sie verursacht) des Anteriorsegments ersichtlich. Beginnend im Block 42 wird der polarisierte Lichtstrahl auf eine vorbestimmte Fläche des Fundus gerichtet. Allgemeiner wird der Strahl auf die Netzhaut gerichtet.
Als nächstes wird im Block 44 das rückgestreute Licht verwendet, um die Doppelbrechung des Anteriorsegments gemäß der späteren Offenbarung zu bestimmen. Danach wird im Block 46A der variable Retarder 37 auf einen Wert und eine Achse eingestellt, die die Anteriordoppelbrechung neutralisieren. Im Block 48 wird dann polarisiertes Licht auf die im Kennfeld zu erfassende Faserschicht gerichtet, z. B. die Nervenfaserschicht 18 oder Henle-Faserschicht 20. Dadurch wird rückgestreutes Licht aufgefangen, wobei das rückgestreute Licht nur die durch Posteriorsegmente verursachte Retardation darstellt, da die Anteriorsegmentdoppelbrechung durch den variablen Retarder 37 neutralisiert ist. Im Block 50 wird ein Schichtdickenkennfeld ausgegeben, indem die Doppelbrechungswerte in Schichtdickenwerte in Übereinstimmung mit Grundsätzen umgewandelt werden, die in der Technik bekannt sind.
6 zeigt ein erstes Verfahren zur Bestimmung der Doppelbrechung des Anteriorsegments mit Hilfe von Netzhautblutgefäßen oder nicht doppelbrechenden Abschnitten des Fun dus. Beginnend im Block 52 wird der variable Retarder auf einen Wert von null eingestellt. Weiter erfolgt im Block 54 eine Polarimetrie durch Richten des Lichtstrahls auf Netzhautblutgefäße oder nicht doppelbrechende Abschnitte des Fundus.
Hier ist zu beachten, daß wenn der Polarisator 31 mit seiner Achse parallel zur Einfallsebene des Strahlteilers 32 eingestellt ist, der erste Detektor 39 das kreuzpolarisierte Licht empfängt und der zweite Detektor 40 das Licht des ursprünglichen Polarisationszustands empfängt. Die Ausgaben des Detektors 39 und Detektors 40 hängen beide von der Retardation und der Polarisationsachse ab. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Ausgabe der beiden Detektoren und der Linearpolarisationsachse. In 7 bezeichnet "θ" die Orientierung der Linearpolarisation nach dem Dreher 34. Der Retardationswert δ wird im Block 54 nach folgender Formel berechnet: δ = [λ/360°] sin^–1 [I_max/I_total]^1/2, wobei I_max die maximale Ausgangsstärke des ersten Detektors 39, I_total die Gesamtausgangsstärke durch die Detektoren 39, 40 und λ die Wellenlänge des Strahls ist.
Zu beachten ist, daß im Fall von Augenbewegung oder Linsenakkommodation die Lichtstrahlstärke schwanken würde. Jedoch würden I_max und I_total proportional schwanken. Daher wird der Wert von δ nicht durch Augenbewegung oder Akkommodation beeinflußt.
Verständlich sollte sein, daß der Winkel θ_max die Polarisationsachse ist, die I_max entspricht und 45° von der langsamen oder schnellen Achse der Retardation des Strahls liegt. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Achsen läßt sich aus 8 ablesen, in der F und S für die schnelle bzw. langsame Achse der Retardation stehen, P die Achse des linear polarisierten Lichts darstellt, θ der Drehwinkel der Linearpolarisation ist und θ_max die Polarisationsachse ist, die I_max des ersten Detektors 39 gemäß 8 entspricht. Retardationsachsen werden im Block 56 in 6 bestimmt, indem die Polarisation um θ_max gemäß 8 verschoben wird und dann 45° dazu addiert oder davon subtrahiert werden.
Anschließend muß bestimmt werden, welche Retardationsachse die schnelle und welche die langsame ist. Somit wird in Fortsetzung des Verfahrens zur Bestimmung der schnellen und langsamen Achse der Anteriorsegmentdoppelbrechung in 6 im Block 58 der Wert des variablen Retarders auf einen vorbestimmten Distanzwert eingestellt. Im Block 60 werden die Achsen des variablen Retarders 37 zu den Achsen des ursprünglichen Retarders ausgerichtet. Ist im Block 62 das Maximum der Ausgabe des Detektors 39 höher als vor Addition der Distanz, wird dadurch bestimmt, daß die langsame Achse des Distanzretarders zur langsamen Achse vor der Distanz ausgerichtet ist. Ist dagegen das Maximum der Ausgabe des Detektors 39 niedriger, so ist die langsame Achse des Distanzretarders zur schnellen Achse ausgerichtet.
In 9 ist das Verfahren zur Messung der Anteriorsegmentdoppelbrechung unter Verwendung der Henle-Faserschicht 20 ersichtlich. Beginnend im Block 64 wird der Wert für den variablen Retarder 37 auf null eingestellt, und der Wert der Retardation der Makula (d. h. der durch die Henle-Faserschicht in der Makula verursachten Retardation) wird gemäß der nachfolgenden Offenbarung gemessen.
Wie hier erkannt ist, ist die langsame Achse der Doppelbrechung der Henle-Faserschicht 20 parallel zu den Axonen und ist daher radial verteilt. Somit wird im Block 66 in 9 und gemäß der deutlichsten Darstellung bei der Bezugszahl 68 in 10 gewöhnlich ein Schleifenmuster beobachtet. Das Schleifenmuster ist ein Ergebnis der kombinierten Retardation des Anteriorsegments des Auges 11 und des variablen Retarders 37 in Überlagerung auf der gleichmäßig verteilten Retardation der Henle-Faserschicht. Die Orientierung, in der das Schleifenmuster am hellsten ist, bei 70 in 10 gezeigt, entspricht der langsamen Achse der kombinierten Retardation. Im Gegensatz dazu entspricht die Orientierung, in der das Schleifenmuster am dunkelsten ist, der schnellen Achse. Beträgt die kombinierte Retardation des Anteriorsegments und des variablen Retarders null, verschwindet das Schleifenmuster, und die Makula zeigt folglich ein gleichmäßiges Retardationskennfeld. Somit lassen sich die schnelle und langsame Achse der kombinierten Retardation anhand der Beobachtung des Schleifenmusters im Block 66 unmittelbar bestimmen.
Allerdings kann die Größe der kombinierten Retardation nicht aus einer einzelnen Henle-Faserschichtmessung bestimmt werden, da die Retardation der Henle-Faserschicht unbekannt ist. Daher geht die Logik zum Block 72 in 9 über, in dem der variable Retarder 37 auf einen bekannten Wert eingestellt und die langsame Achse des variablen Retarders 37 zur langsamen Achse der im Block 66 beobachteten Anteriorsegmentdoppelbrechung ausgerichtet wird. Weiter wird im Block 74 der Lichtstrahl auf die Henle-Faserschicht 20 der Makula gerichtet, wonach die Retardation des Anteriorsegments aus einer Ringfläche in Zentrierung auf der Fovea 17 ermittelt wird, in der das Schleifenmuster maximale Modulation hat (d. h. wo die Henle-Faserschicht am dicksten ist). Die Differenz zwischen dem Maximum und Minimum der Meßwerte ist das Doppelte der Retardation der Henle-Faserschicht, was im Block 76 bestimmt wird. Im Block 78 wird die Anteriorsegmentretardation bestimmt, indem vom Maximalwert sowohl die Retardation der Henle-Faserschicht als auch der eingestellte Retardationswert des variablen Retarders 37 subtrahiert werden.
In 11 ist ein Verfahren zur Schätzung der Anteriorsegmentdoppelbrechung mit Hilfe einer Einzelmessung veranschaulicht. Beginnend im Block 80 wird der variable Retarder 37 auf null eingestellt. Im Block 82 wird der Lichtstrahl dann auf die Henle-Faserschicht gerichtet, und die langsame Achse des Anteriorsegments wird wie zuvor diskutiert beobachtet. Die Größe der Retardation des Anteriorsegments wird als mittlerer Retardationswert geschätzt, der aus einer Fläche in Zentrierung auf der Fovea 17, wo die Henle-Faserschicht relativ dünn ist, irgendwo innerhalb von 6° in der Messung von der Mitte der Pupille gewonnen wird.
12 zeigt noch eine weitere Ausführungsform zur Verwendung von zirkular polarisiertem Licht als Sondenstrahl. Verständlich sollte sein, daß bei Verwendung von zirkular polarisiertem Licht das System von 4 wie folgt abgewandelt ist: Der variable Retarder 37 ist durch einen Viertelwellenretarder ersetzt, um einen zirkular polarisierten Lichtstrahl zu erzeugen. Die Achsen des Viertelwellenretarders sind 45° von der Achse des linear polarisierten Lichts versetzt. In dieser Ausführungsform empfängt der zweite Detektor 40 das kreuzpolarisierte Licht, und der erste Detektor 39 empfängt das Licht des ursprünglichen Polarisationszustands. Das durch den zweiten Detektor 40 erzeugte Makulastärkebild dient zur Bestimmung der Anteriorsegmentdoppelbrechung.
Das Verfahren zur Verwendung von zirkular polarisiertem Licht beginnt im Block 84, in dem ein zirkular polarisierter Lichtstrahl auf die Makula gerichtet wird. Der variable Retarder wird im Block 86 auf null eingestellt, wonach die Retardationsachse im Block 88 anhand des resultierenden "Schleifen"-Bilds bestimmt wird, wobei das Stärkekennfeld anstelle des Doppelbrechungskennfelds verwendet wird. Mit Übergang zum Block 90 wird die Achse des variablen Retarders zur beobachteten Achse ausgerichtet und ihr Wert von null ausgehend erhöht, während ihre Achsenausrichtung beibehalten wird, bis im Block 92 die "Schleife" aus dem Bild verschwindet. An diesem Punkt stellen die Achse und der Wert des variablen Retarders die Achse (genau gekreuzt) und einen Wert dar, der gleich dem der Anteriorsegmentretardation ist. Folglich werden diese Werte im Block 94 als Darstellung der Achse und des Werts der Anteriorsegmentretardation ausgegeben.
Sobald die Anteriorsegmentretardation und -achse bestimmt sind, wird der Retarder so eingestellt, daß er die Hornhautdoppelbrechung wie zuvor diskutiert neutralisiert. Das Retardationskennfeld der Nervenfaserschicht und/oder der Henle-Faserschicht wird anschließend genau gemessen, und die Dicke dieser Strukturen läßt sich schätzen.
Während das spezielle "System und Verfahren zur Bestimmung der Doppelbrechung des Rnteriorsegments eines Patientenauges" gemäß der Darstellung und näheren Beschreibung hierin die o. g. Aufgaben der Erfindung vollständig erfüllen kann, sollte verständlich sein, daß es die derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist und somit den Gegenstand darstellt, der durch die Erfindung weitgefaßt erwogen ist, daß der Schutzumfang der Erfindung andere Ausführungsformen vollständig einschließt, die dem Fachmann deutlich werden können, und daß der Schutzumfang der Erfindung folglich durch nichts als die beigefügten Ansprüche beschränkt sein soll, in denen die Erwähnung eines Elements im Singular nicht "ein und nur ein" bedeuten soll, sofern dies nicht ausdrücklich erklärt ist, sondern "ein oder mehrere". Alle Struktur- und Funktionsäquivalente für die Elemente der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausführungsform, die dem Fachmann bekannt sind oder künftig bekannt werden, sind hierin durch Verweis ausdrücklich aufgenommen und sollen durch die Ansprüche erfaßt sein. Zudem ist es nicht notwendig, daß eine Vorrichtung oder ein Verfahren jedes einzelne Problem behandelt, das durch die Erfindung gelöst werden soll, damit sie (es) durch die Ansprüche erfaßt ist. Ferner soll auf kein Element, keine Komponente oder keinen Verfahrensschritt in dieser Offenbarung zugunsten der Allgemeinheit verzichtet werden, unabhängig davon, ob das Element, die Komponente oder der Verfahrensschritt ausdrücklich in den Ansprüchen aufgeführt ist. Keinerlei Anspruchselement hierin ist nach den Bestimmungen des US-Patentgesetzes von 1952, § 112, sechster Absatz auszulegen, sofern das Element nicht ausdrücklich mit der Wendung "Einrichtung zum" aufgeführt ist oder im Fall eines Verfahrensanspruchs das Element als "Schritt" statt "Vorgang" aufgeführt ist.

4

11: Auge
30: Monochrome Lichtquelle Strahl
31: Polarisator
32: Strahlteiler
33: Linse
34: Polarisationsdreher
35: 2D-Abtasteinheit
36: Abbildungsoptik
37: Variabler Retarder
38: Polarisierender Strahlteiler
39: Detektor
40: Detektor

5

: Gesamtablauf
42: Polarisiertes Licht auf vorbestimmte Fläche des Fundus richten
44: Mit Hilfe des rückgestreuten Strahls Doppelbrechung des Anteriorsegments bestimmen
46A: Variablen Retarder so einstellen, daß Anteriordoppelbrechung neutralisiert ist
50: Kennfeld der Faserschicht ausgeben, indem Doppelbrechung in Dicke umgewandelt wird

6

: Bestimmung der Anteriordoppelbrechung unter Verwendung von Blutgefäßen oder des Fundus

52: Variablen Retarder auf null einstellen
54: Polarimetrie durchführen; Retardationswert des Anteriorsegments
56: Achsen der Anteriordoppelbrechung bestimmen
58: Variablen Retarder auf einstellen
60: Achsen des Retarders zu bestimmten Achsen ausrichten
62: Langsame und schnelle Achse bestimmen

8

Polarisationsreferenz

9

: Bestimmung der Anteriordoppelbrechung unter Verwendung der Henle-Schicht
64: Variablen Retarder auf null einstellen; Retardation der Makula
: messen
66: Langsame Achse anhand des "Schleifen"-Bilds beobachten
72: Variablen Retarder auf bekannten Retardationswert einstellen,
: langsame Achse zur langsamen Achse (beobachtet) ausgerichtet
74: Retardation der Makula messen
76: Differenz zwischen Maximum und Minimum = doppelte Henle-Retardation
78: Anteriorretardation = Maximalwert minus Wert des variablen Retarders minus Henle-Retardation

11

: Mit Einzelmessung
80: Variablen Retarder auf null einstellen
82: Langsame Achse beobachten; Anteriordoppelbrechung als mittleren
: Retardationswert anhand der 6°-Fläche in Zentrierung auf der Fovea

12

: Mit zirkular polarisiertem Licht
84: Zirkular polarisiertes Licht auf Makula richten
86: Variablen Retarder auf null einstellen
88: Achse anhand der "Schleifen"-Orientierung aus Stärkekennfeld bestimmen
90: Achse des variablen Retarders zur "Schleifen"-Achse ausrichten undRetarderwert erhöhen
92: Retarderwert einstellen, bis "Schleife" verschwindet
94: Anteriorsegmentretardation, Achse ausgeben

Zusammenfassung
Bestimmt werden die Größe und Axialorientierung der Doppelbrechung des Anterior- und des Posteriorsegments des menschlichen Auges (11). Das Anteriorsegment weist im wesentlichen die kombinierte Doppelbrechung der Hornhaut (10) und der Kristallinse (14) auf, und das Posteriorsegment weist Regionen am Fundus auf. Die polarisationserhaltenden und Doppelbrechungskennwerte auswählbarer Bereiche des Fundus werden in der Erfindung verwendet. Die optische Achse und die Größe der Doppelbrechung des Anteriorsegments werden zuerst bestimmt, wonach die Doppelbrechung des Anteriorsegments durch einen variablen Retarder (37) neutralisiert wird. Die Doppelbrechung des Posteriorsegments wird dann ohne den Einfluß der Doppelbrechung des Anteriorsegments bestimmt. Die Vorrichtung und das Verfahren sind anwendbar auf die Messung der Doppelbrechung der Netzhautnervenfaserschicht (18) im peripapillären Bereich und der Doppelbrechung der Henle-Faserschicht (20) im Makulabereich der Netzhaut (15).
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Claims

Verfahren zum Analysieren der Doppelbrechung des Anterior- und des Posteriorsegments eines Auges (11) mit: Bereitstellen eines Lichtstrahls mit einem bekannten Polarisationszustand; Richten des Lichtstrahls durch das Anteriorsegment des Auges (11), so daß der Lichtstrahl auf einen aaswählbaren Bereich des Fundus trifft und davon reflektiert wird, um einen Rücklaufstrahl zu bilden; auf der Grundlage des Rücklaufstrahls erfolgendes Bestimmen einer optischen Achse und Größe einer Anteriorsegmentdoppelbrechung; Konfigurieren eines variablen Retarders (37), um die Anteriorsegmentdoppelbrechung zu neutralisieren; und Bestimmen einer Doppelbrechung des Posteriorsegments durch Richten eines Strahls durch den variablen Retarder (37) und das Posteriorsegment.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der auswählbare Bereich des Fundus mindestens ein Objekt am Fundus aufweist, das die Polarisation des einfallenden Lichtstrahls nach Reflexion vom Objekt bewahrt, wobei das Objekt über Blutgefäße und/oder Regionen am Fundus mit einer Doppelbrechung verfügt, die wesentlich kleiner als die Anteriorsegmentdoppelbrechung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bereich des Fundus Gewebe des Auges (11) aufweist, die eine Doppelbrechung haben, die von einer Mitte um die Fovea (17) des Auges (11) radial verteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Posteriorsegment eine Sehnervenfaserschicht (18) und/oder eine Henle-Faserschicht (20) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit Detektieren des Rücklaufstrahls unter Verwendung mindestens zweier polarisationsempfindlicher Detektoren (39, 40).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Lichtstrahlen entlang einem jeweiligen ersten und zweiten Weg bewegen und sich der erste und zweite Weg im wesentlichen überlappen.
Verfahren zum Analysieren der Doppelbrechung eines Anterior- und Posteriorsegments eines Auges (11) mit: Erzeugen eines einfallenden Lichtstrahls mit einem bekannten Polarisationszustand entlang einem Strahlenweg; Positionieren eines variablen Retarders (37) im Strahlenweg; Richten des einfallenden Lichtstrahls durch das Anteriorsegment des Auges (11), wobei der einfallende Lichtstrahl auf einen auswählbaren Bereich des Fundus trifft und von dort reflektiert wird, um einen reflektierten Strahl zu bilden; Richten des reflektierten Strahls zu einem Polarisationsstrahlteiler (38) und Trennen des reflektierten Strahls in zwei orthogonal polarisierte Komponenten; Erzeugen von Signalen unter Verwendung jeweiliger polarisationsempfindlicher Detektoren (39, 40) aus den orthogonal polarisierten Komponenten; und Analysieren der Signale in Übereinstimmung mit den Polarisations- und Doppelbrechungskennwerten des auswählbaren Bereichs.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die orthogonal polarisierten Komponenten entweder linear polarisierte Lichtstrahlen oder zirkular polarisierte Lichtstrahlen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der auswählbare Bereich des Fundus mindestens ein Objekt am Fundus aufweist, das die Polarisation des einfallenden Lichtstrahls im reflektierten Lichtstrahl bewahrt, wobei das Objekt über Blutgefäße und/oder Regionen am Fundus mit einer Doppelbrechung verfügt, die wesentlich kleiner als die Doppelbrechung des Anteriorsegments ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der auswählbare Bereich des Fundus optische Gewebe aufweist, die eine Doppelbrechung haben, die von einer Mitte um die Fovea (17) des Auges (11) radial verteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit Bestimmen einer Dickenmessung von doppelbrechendem Material am auswählbaren Bereich.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner mit Diagnostizieren von (a) Alterung, (b) Makuladegeneration, (c) Glaukom, (d) Optikusneuropathie und/oder (e) Neuritis optica auf der Grundlage der Dickenmessung.
Verfahren zur Bestimmung einer Doppelbrechung eines Posteriorsegments eines Auges (11), das ein Anteriorsegment und eine Netzhaut (15) hat, mit: Richten eines ersten Strahls auf einen Abschnitt der Netzhaut (15), um einen ersten reflektierten Strahl zu bilden; auf der Grundlage von Polarisationseigenschaften des ersten reflektierten Strahls erfolgendes Bestimmen einer Doppelbrechung des Anteriorsegments; Konfigurieren einer polarisationskompensierenden Vorrichtung (37), um die Doppelbrechung des Anteriorsegments zu neutralisieren; Richten eines zweiten Strahls durch die polarisationskompensierende Vorrichtung (37) und auf einen Abschnitt der Netzhaut (15), um einen zweiten reflektierten Strahl zu bilden; und auf der Grundlage von Polarisationseigenschaften des zweiten reflektierten Strahls erfolgendes Bestimmen einer Doppelbrechung des Posteriorsegments.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Vorgang des Bestimmens einer Doppelbrechung des Anteriorsegments ferner aufweist: Konfigurieren der polarisationskompensierenden Vorrichtung (37), so daß sie eine neutralisierende Einstellung hat; Richten des ersten Strahls durch die Vorrichtung, um den ersten reflektierten Strahl zu bilden; Konfigurieren der polarisationskompensierenden Vorrichtung (37), so daß sie eine nicht neutralisierende Einstellung hat; und erneutes Richten des ersten Strahls durch die Vorrichtung (37), um den ersten reflektierten Strahl zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Vorgang des Bestimmens einer Doppelbrechung des Anteriorsegments ferner aufweist: Bestimmen einer maximalen Doppelbrechungsgröße, die aus dem ersten reflektierten Strahl abgeleitet ist; Bestimmen eines Werts einer Henle-Faserschicht (20) auf der Grundlage einer Differenz zwischen der maximalen Doppelbrechungsgröße und einer minimalen Doppelbrechungsgröße, die aus dem ersten reflektierten Strahl abgeleitet ist; und Bestimmen eines Retardationswerts des Anteriorsegments durch von der maximalen Größe erfolgendes Subtrahieren des Werts der Henle-Faserschicht (20) und eines Einstellwerts der polarisationskompensierenden Vorrichtung (37).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Vorgang des Bestimmens einer Doppelbrechung des Anteriorsegments ferner aufweist: Bestimmen eines Retardationswerts δ wie folgt: δ = [λ/360°] sin^–1[I_max/I_total]^1/2, wobei I_max eine maximale Ausgangsstärke eines ersten Detektors (39) ist, der den ersten reflektierten Strahl detektiert, I_total eine Gesamtstärkeausgabe durch mehrere Detektoren (39, 40) ist, die den ersten reflektierten Strahl detektieren, die den ersten reflektierten Strahl detektieren, und λ die Wellenlänge des ersten reflektierten Strahls ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Vorgang des Bestimmens einer Doppelbrechung des Anteriorsegments ferner aufweist: Richten eines Lichtstrahls mit bekanntem Zustand auf die Makulafläche (20); Beobachten einer langsamen Polarisationsachse des Anteriorsegments anhand eines Stärkekennfelds; und Bestimmen einer Größe einer Retardation des Anteriorsegments auf der Grundlage eines mittleren Retardationswerts, gewonnen aus einer Ringfläche in Zentrierung auf die Fovea (17) des Auges (11) innerhalb eines Kegels von 6° in der Messung von der Pupille des Auges (11), wo die Doppelbrechungsfaserschicht relativ dünn ist.
Verfahren zur Verwendung eines zirkular polarisierten Lichtstrahls, um die Anteriorsegmentretardation zu messen, mit: Richten des Strahls auf die Makula; Einstellen eines variablen Retarders (37) auf null; Bestimmen einer Retardationsachse; Ausrichten einer Achse des variablen Retarders (37) zur Retardationsachse; Erhöhen des variablen Retarders (37) von null ausgehend, bis ein vorbestimmtes Bild erzeugt wird, wobei an diesem Punkt die Achse und der Wert des variablen Retarders (37) die Achse und den Wert der Anteriorsegmentretardation darstellen.