DE102009030466A1

DE102009030466A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten

Info

Publication number: DE102009030466A1
Application number: DE102009030466A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Bergt; Mark Dr. Bischoff
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2011-01-05
Also published as: WO2010149368A3; WO2010149368A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten, welche aus einem ersten Datensatz, welcher einem ersten Diagnosegerät zugeordnet ist, und einem zweiten Datensatz, welcher einem zweiten Gerät zugeordnet ist, bestehen, wobei das Auge eine Hornhaut und eine Pupille aufweist und wobei die Datensätze auf einen gemeinsamen Referenzpunkt bezogen werden, wobei der Referenzpunkt ein geometrisch ausgezeichneter Punkt des Auges, insbesondere der Vertex der Augenhornhaut, ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten. Bei den Augendaten kann es sich sowohl um Diagnosedaten (z. B. Wellenfrontdaten, refraktive Daten, Topographiedaten der Hornhaut usw.) als auch um Therapiedaten (z. B. Abtragprofile einer refraktiven Laserbehandlung usw.) handeln.
In Vorbereitung einer refraktiven Laserbehandlung des Auges werden zunächst die aktuellen Daten (Messwerte) von physikalischen Einflussgrößen auf die Abbildung des Auges erhoben und in Folgenden die zu korrigierenden Augenfehler bestimmt. Diese Korrekturen für den Abbildungsprozess des Auges müssen anschließend in eine Behandlungsprozedur umgewandelt werden, z. B. lokaler Abtrag von Hornhautgewebe zur Erzeugung einer entsprechend angepassten Hornhautform. Für eine richtige Korrektur ist es unabdingbar, dass sich die Diagnosedaten und die Therapiedaten auf einen gemeinsamen geometrischen Referenzpunkt beziehen. Auch wenn Diagnosedaten von mehreren Diagnosegeräten erhoben werden, müssen diese eine gemeinsame Koordinatenbasis haben. Das Beziehen von Datensätzen auf einen gemeinsamen Referenzpunkt wird in der Fachliteratur auch Registrieren genannt.
Es würde sich anbieten dafür die Pupille bzw. deren Mittelpunkt oder Schwerpunkt zu nutzen. Es hat sich aber gezeigt, dass der Schwerpunkt der Pupille bei Konstriktion bzw. Dilatation variiert (WYATT, H.J. (1995) "The form of the human pupil", Vision Res. 35, 14, 2021–2036). Damit ist der Pupillenmittelpunkt a priori nicht als Referenzpunkt geeignet, da üblicherweise die Diagnose mit geweiteter Pupille und die Behandlung mit enger Pupille erfolgt.
Eine geeignete Möglichkeit ist den Schwerpunkt des Limbus, d. h. der Grenze zwischen Iris und weißer Lederhaut (Sclera) zu nutzen, wie es z. B. in WO 02/064 031 vorgeschlagen wird. Die Detektion des Limbus ist allerdings nicht einfach, da er nur einen vergleichsweise schwachen Kontrast aufweist, außerdem kann er durch die Augenlider teilweise verdeckt sein.
Um diesem Problem abzuhelfen wurde in US 7 467 869 vorgeschlagen, Strukturen der Iris als Referenzpunkte zu benutzen. Die Erkennung und Zuordnung dieser Strukturen erfordert aber einen erheblichen rechnerischen Aufwand.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine einfach bestimmbare Koordinatenreferenz anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in einem Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Merkmale des Patentanspruchs 8 auf. Bevorzugte Erweiterungen sind in den Unteransprüchen dargestellt. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
1: schematisch ein Diagnosegerät
2: schematisch ein Therapiegerät
3: eine erste Methode der Vertexbestimmung
4: eine zweite Methode der Vertexbestimmung
5: eine andere Ansicht der zweiten Methode der Vertexbestimmung
6: den Pupillenschwerpunkt als Referenzpunkt.
Die 1 zeigt schematisch ein Auge 1 mit einer Hornhaut 2, ein Wellenfrontmessgerät 3, ein Fixierlicht 4, eine Bildaufnahmeeinrichtung 5 und einen Prozessor 6 mit Speicher 7. Das Fixierlicht 4 dient zum Ausrichten des Auges 1 auf dem Messstrahl 8, die Bildaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme von Bildern des Auges 1, welche mittels des Prozessors im Speicher 7 abgelegt werden. Das Wellenfrontmessgerät 3 misst in an sich bekannter Weise die optischen Fehler des Auges 1, die Messdaten werden von dem Prozessor 6 ebenfalls im Speicher 7 abgelegt. Das Wellenfrontmessgerät 3 kann auch durch ein Topographiemessgerät ersetzt werden, auch kann es mit einem solchen kombiniert werden. Auch andere Messgeräte sind möglich, z. B. Aberometer usw..
2 zeigt schematisch ein Therapiegerät 9, z. B. einen refraktiven Laser, welcher ebenfalls ein Fixierlicht 10, eine Bildaufnahmeeinrichtung 11 und einen Prozessor 12 mit Speicher 13 aufweist.
3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Auges 1 mit der Hornhaut 2. Bei Beleuchtung des Auges 1 aus der Fixationsrichtung 14 mit einem parallelen Lichtbündel 15 wird das parallele Bündel durch Reflexion an der Hornhaut 2 (im Wesentlichen sphärisch) in einem virtuellen Bildpunkt 18 hinter der Hornhaut 2, auf der Verlängerung des Strahles 17, der senkrecht auf die Hornhautoberfläche 2 trifft abgebildet. Erfolgt die Beobachtung mit der Bildaufnahmeeinrichtung 5, welche ein Iris-Bild aufnimmt, ebenfalls aus dieser Richtung (kollinear), erscheint der virtuelle Bildpunkt an der Position des Vertex V. Die Koordinaten des virtuellen Bildpunktes im Kamerabild entsprechen dann den Vertexkoordinaten und werden dazu genutzt, die Messergebnisse des auf dem gleichen Messstrahl 8 messenden Diagnosegerätes 3 auf diesen Vertexpunkt V als Referenzpunkt zu beziehen.
Eine alternative Methode zur Bestimmung des Vertexpunktes V ist in 4 dargestellt. Ein markanter Punkt P z. B. eine Punktlichtquelle in bekannter Lagerelation zur Geräteachse 8 wird an der Hornhaut 2 gespiegelt und die absolute Position des Spiegelbildes im Iris-Bild detektiert. Über einfache mathematische/geometrische Beziehungen kann dann die Lage des Vertex rekonstruiert werden.
Eine mögliche Berechnungsmethode für die Beträge der Ortsvektoren des Vertex ist die Folgende:
Der Abstand Δ des gespiegelten Bildes P' zum in die Abbildungsebene parallelprojezierten Punkt P_II wird aus dem Iris-Bild bestimmt. Die lateralen Positionen (x,y-Vektor) des Originalpunktes P und des Punktes P_II zu einer zum Messstrahl 8 parallelen Gerätereferenzachse 19 sind wegen der Parallelprojektion gleich und durch die Konstruktion des Gerätes bekannt. Der Objektabstand g ist aus der Konstruktion des Gerätes und dessen Arbeitsabstand vom Auge während der Aufnahme bekannt. Der Bildabstand b berechnet sich aus der Abbildungsgleichung der geometrischen Optik:
f ist die Brennweite der als „Wölbspiegels” betrachteten Hornhaut 2, R deren Krümmungsradius
Damit ergibt sich:
Für den Krümmungsradius der Hornhaut 2 kann ein anatomischer Mittelwert (z. B. 7.86 mm) angenommen werden oder es wird ein keratometrischer Messwert (gewonnen über die Spiegelung weiterer Punkte) verwendet. Die Winkelkomponente der im natürlichen Zylinderkoordinatensystem definierbaren Ortsvektoren ist einfach bestimmbar: der Vertex V liegt auf der Geraden durch die x,y-Koordinaten des in die Abbildungseben parallelprojezierten gerätefesten Punktes P_II und den x,y-Koordinaten des gespiegelten Punktes P', der Abstand x' des Vertex vom gespiegelten Punkt P' wird wie oben gezeigt bestimmt. Damit sind die x,y-Koordinaten des Vertex festgelegt. Die entsprechenden Verhältnisse sind in 5 dargestellt.
Alternativ kann die Bestimmung des Vertex V am Diagnosegerät auch über Rekonstruktion der Topographie der Hornhaut-Oberfläche mit bekannten Verfahren der Cornea Topography (z. B. Placido Projektion) erfolgen, die zeitgleich mit der Iris-Bildaufnahme durchgeführt wird. Der Vertex V ist dann der Schwerpunkt des inneren Rings der Placido-Projektion.
Am Therapiegerät erfolgt die Bestimmung des Vertex V nach einem der oben zu 3 und 4 erläuterten Verfahren. Damit sind sie Vertexkoordinaten jetzt auch im Gerätekoordinatensystem des Therapiegerätes bekannt und die errechneten Behandlungsdaten werden auf diese Koordinaten bezogen, womit die Übereinstimmung des Koordinatensystemursprungs zwischen Diagnosedaten und Therapiedaten hergestellt ist. Eventuell ist zwischen den Datensätzen noch eine Skalierung notwendig, welche durch die konstruktiven Daten des Therapiegerätes festgelegt ist. Die Aufrechterhaltung der Zuordnung der refraktiven Daten zum Vertex ist in der parallelen Patentanmeldung „Lasergerät und Verfahren, insbesondere Betriebsverfahren für ein Lasergerät, zur Erstellung von Bestrahlungssteuerdaten für einen gepulsten Laser” der Anmelderin ausgeführt, auf deren kompletten Inhalt hiermit Bezug genommen wird.
Eine Alternative zur Nutzung des Vertexpunktes V als Referenzpunkt zwischen Diagnose-Datensätzen und Therapiedatensätzen stellt die Nutzung des Pupillenmittel- (bzw. schwer)-punktes dar. Dabei muss aber dafür Sorge getragen werden, dass als Referenz die Lagekoordinaten der Pupille bei gleichem Pupillendurchmesser benutzt werden.
Dafür bieten sich prinzipiell zwei Methoden an:

a) Variation am Therapiegerät: Am Diagnosegerät wird eine Iris-Aufnahme mit einem Pupillendurchmesser D_x gemacht, der leicht am Therapiegerät einzustellen wäre (z. B. durch Simulation der Beleuchtungsintensität des Therapiegerätes), Übertragung dieser Pupillengröße D_x und der Pupillenkoordinaten v_x (z. B. Pupillenmitte) in Referenz zum Koordinatensystem der Diagnosedaten zusammen mit den Diagnosedaten an das Therapiegerät, Variation der Beleuchtungsintensität am Therapiegerät (manuell oder automatisch) unter Beobachtung (visuell oder mit Bilderkennung) der Pupillengröße D_i und Übername des Offsets v_i der Behandlungsdaten in dem Moment, wenn die gleiche Pupillengröße wie bei der Diagnose erreicht wird (v_i = v_x ↔ D_i = D_x).
b) Variation am Diagnosegerät: Aufnahme einer Vielzahl von Iris-Bildern am Diagnosegerät bei jeweils unterschiedlichen Beleuchtungsintensitäten. Aufnahme der Relation des Vektors v_i = v_i(D_i) der jeweiligen Pupillenkoordinaten v_i (z. B. Zentrum) im Koordinatensystem der Diagnosedaten in Abhängigkeit von der Pupillengröße (D_i). Übertragung dieser Relation (bzw. Funktion) zusammen mit den Diagnosedaten an das Therapiegerät. Aus dieser Relation wird der Vektor v_y herausgesucht, der zur aktuellen Pupillengröße D_y am Therapiegerät gehört (gegebenenfalls durch Interpolation zwischen den aufgenommenen Pupillengrößen) und mit diesem Offset die Diagnosedaten relativ zu den aktuellen Pupillenkoordinaten (z. B. Zentrum) referenziert (v_i = v_y ↔ D_i = D_y).

Die entsprechenden Verhältnisse sind in 6 dargestellt: 6a große Pupille 20 eingestellt am Diagnosegerät 3, wie sie z. B. zur Wellenfrontmessung üblich ist. Durch Erhöhung der Umgebungshelligkeit wird die Pupille verkleinert 21 und ändert ihren Ort (6b). Der Offset 22 zwischen beiden Positionen wird gespeichert und mit den Diagnosedatensätzen an das Therapiegerät 9 übertragen. An diesem ist entweder durch die entsprechende Beleuchtung die verkleinerte Pupille 21 a priori in dieser Größe (6c) und der Offset 22 dient zur Referenzierung der Diagnosedaten and das Gerätekoordinatensystem des Therapiegerätes 9. Alternativ ist in 6d dargestellt, dass durch Variation der Umgebungshelligkeit die Pupillengröße 20, 21, 22 variiert wird bis sie derjenigen entspricht, auf welche die Diagnosedatensätze referenziert sind. Diese Variation der Helligkeit kann z. B. beim Einschalten des Gerätes realisiert und eine Vielzahl von Irisbildern aufgenommen werden, aus denen dann dass zu den Diagnosedaten passende ausgewählt wird (ggf. durch Interpolation). Dessen Koordinaten werden dann zur Referenzierung der Behandlungsdaten benutzt.
Aus der Richtung des Offsets 22 zwischen den verschiedenen Pupillendurchmessern 20, 21, 23 lässt sich auch die Verdrehung (Cyclotorsion) des Auges bestimmen und zwischen Diagnose- und Therapiegerät übertragen und bei der Behandlung entsprechend berücksichtigen.
Ein beispielhafter Behandlungsablauf sieht dann so aus:

a) Aufnahme einer Topographie- und Wellenfrontmessung an einem Diagnosegerät mit kombinierter Messfunktion innerhalb eines kleinen Zeitintervalls, in dem sich das Auge weniger als die beabsichtigte Registrier-Genauigkeit bewegen kann. Dabei ist die Pupille typischerweise groß, um eine ausgedehnte Wellenfrontmessung zu erhalten. Typischerweise erhält man durch die Topographiemessung (z. B. Placidoring-Projektion) gleichzeitig ein Bild des Auges mit großer Pupille. Der Vertex kann aus der Topographiemessung gefunden werden (höchster Punkt) und sowohl mit der großen Pupille im Placido-Bild als auch mit der Wellenfrontmessung in örtlichen Bezug gebracht werden (Kalibrierung der Messachsen des Gerätes)
b) Direkt nach der kombinierten Wellenfront- und Topographiemessung (also ohne dass der Kopf des Patienten sich aus der arretierten Position bewegt) wird eine Beleuchtung im Diagnosegerät oder in dessen Nähe eingeschaltet, so dass es zur Kontraktion der Pupille kommt. Ein weiteres Bild des Auges einschließlich Topographiemessung mit nun kleiner Pupille wird aufgenommen, idealerweise mit derselben Kamera und Optik, die das erste Bild mit großer Pupille bei der Topographiemessung aufgenommen haben. Vertex und Lage der kleinen Pupille im Placido-Bild können wie in a) bestimmt werden. Somit können mit dem gemeinsamen Bezugspunkt Vertex kleine und große Pupille im Placido-Bild und Wellenfront zueinander Orts-registriert werden. Es wird dabei davon ausgegangen, dass sich das Auge zwischen a) und b) zwar durch z. B. Sakkaden oder Blickbewegungen verschieben kann. Jedoch wird eine Cyclotorsion zwischen den Aufnahmen ausgeschlossen, da sich die Kopfhaltung nicht verändert hat.
c) Planung einer Behandlung relativ zu einem gewählten Referenzpunkt des Auges. Lage von Topographie, Wellenfront, Pupille und gewählter Referenzpunkt sind auf Grund der Informationen aus a) und b) bekannt und können in die Behandlungsplanung einfließen. Z. B. große Pupille um Behandlungsbereich festzulegen, Wellenfront um zur korrigierende Optische Pfaddifferenz-Map (Hornhautabtrag im Falle einer refraktiven Hornhautchirurgie) festzulegen und Topographie um lokale Höhe, Neigung und Krümmung der Hornhautoberfläche in die Behandlungsplanung einfließen zu lassen (Abtragseffizienzt)
d) Einrichtung des gleichen Auges an einem Therapiegerät (z. B. Excimer-Laser für refraktive Hornhautchirurgie) Aktivierung des Eye-Trackings des Therapiegerätes und Start der Aufnahme einer Video-Bildsequenz vom Auge während die Augenbeleuchtung des Therapiegerätes von einem Minimum ausgehend hochgeregelt wird. Dabei kommt es zu einer Kontraktion der Pupille, deren Verlauf von der Videosequenz aufgezeichnet wird. Die Bilder der Videosequenz werden in Echtzeit bezüglich der Größe der Pupille ausgewertet. Erreicht diese die Größe der kleinen Pupille in (b) wird dieses Videobild gespeichert, und der vorberechnete Offset des Referenzpunktes der Behandlung zur Pupille an den Eye-Tracker übertragen, der von da an, auf diesen Referenzpunkt tracken kann.
e) Auswertung der Cyclotorsion des Bildes von b) und dem gespeicherten Bild aus d) (beide weisen kleine (und gleich große) Pupillen auf). Drehung des Behandlungsmusters um den bestimmten Cyclotorsionswinkel.
f) Applizierung der Behandlung relativ zum getrackten Referenzpunkt, so dass die Laserpulse während der gesamten Behandlung an die geplanten Orte adressiert werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 02/064031 [0004]
- US 7467869 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- WYATT, H.J. (1995) ”The form of the human pupil”, Vision Res. 35, 14, 2021–2036 [0003]

Claims

Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten, welche aus einem ersten Datensatz, welcher einem ersten Diagnosegerät zugeordnet ist, und einem zweiten Datensatz, welcher einem zweiten Gerät zugeordnet ist, bestehen, wobei das Auge eine Hornhaut und eine Pupille aufweist, gekennzeichnet dadurch, dass die Datensätze auf einen gemeinsamen Referenzpunkt bezogen werden, wobei der Referenzpunkt ein geometrisch ausgezeichneter Punkt des Auges ist.
Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Referenzpunkt der Vertex der Augenhornhaut ist.
Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Referenzpunkt der Mittelpunkt der Pupille ist, wobei eine dem ersten Datensatz zuordenbare Pupillengröße im wesentlichen einer dem zweiten Datensatz zuordenbaren Pupillengröße entspricht.
Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass durch entsprechende Steuerung einer Umgebungshelligkeit am ersten und/oder zweiten Gerät die Pupillengröße angepasst wird.
Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das erste Diagnosegerät ein Wellenfrontmessgerät oder ein Topographiemessgerät ist.
Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das zweite Gerät ein zweites Diagnosegerät ist.
Verfahren zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das zweite Gerät ein Therapiegerät, z. B. ein refraktiver Laser ist.
Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten, umfassend jeweils eine Fixiereinrichtung zum Ausrichten des Auges und eine Bildaufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines Bildes des Auges an dem ersten Diagnosegerät und an dem zweiten Gerät, eine Einrichtung zur Bestimmung eines gemeinsamen Referenzpunktes aus Bildern am ersten Diagnosegerät und an dem zweiten Gerät, einen Speicher zur Speicherung des ersten Datensatzes, einen Speicher zur Speicherung des zweiten Datensatzes und einen Prozessor, der mit den Speichern der Datensätze und den Einrichtungen zur Bestimmung der Referenzpunkte verbunden ist, und ein Modul zur Ausrichtung der Datensätze auf den gemeinsamen Referenzpunkt.
Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Aufnahme eines Bildes an dem ersten bzw. zweiten Diagnosegerät im Wesentlichen zeitgleich mit der Durchführung einer Messung an dem ersten bzw. zweiten Diagnosegerät realisiert.
Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eines der Geräte eine Steuerung für die Umgebungshelligkeit aufweist.
Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 8, 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Datensätze des ersten bzw. zweiten Diagnosegerätes optische Fehler des Auges repräsentieren.
Vorrichtung zur Ausrichtung von ortsbezogenen Augendaten nach Anspruch 8, 9 oder 10, gekennzeichnet dadurch, dass die Datensätze des Therapiegerätes Steuerdaten zur Korrektur von optischen Fehlern des Auges sind.