DE10349230A1

DE10349230A1 - Gerät zur interferometrischen Augenlängenmessung mit erhöhter Empfindlichkeit

Info

Publication number: DE10349230A1
Application number: DE2003149230
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Phys. Bergner; Klaus-Ditmar Dipl.-Ing. Voigt; Adolf Friedrich Prof. Dr. Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-07-07
Also published as: JP2007508879A; WO2005045362A1

Abstract

Die vorliegende Lösung dient der berührungslosen interferometrischen Messung der Augenlänge. DOLLAR A Das Gerät zur berührungslosen Bestimmung der Achslänge eines Auges besteht aus einer Interferometeranordnung mit einstellbarer Weglängendifferenz, einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung der Messlichtstrahlung, optischen Elementen zur Strahlformung, -leitung und/oder -abbildung, einer Fixierlichtquelle, einem Detektionselement zur Erfassung des Justierzustandes des Auges, einem Photodetektor zur Detektierung der Interferenzsignale, einem Längenmesssystem sowie einer Steuer- und Auswerteeinheit. Von der Fixierlichtquelle wird Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich und von der Beleuchtungseinrichtung Messlichtstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 900 und 1100 nm ausgesendet. DOLLAR A Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Lösung in Kombinationsgeräten zur Bestimmung der Achslänge und/oder der Hornhautkrümmung und/oder der Vorderkammertiefe eines Auges. Zusätzlich zu den Vorteilen der berührungslosen Messung aller zur Bestimmung der zu implantierenden Intraokularlinse (IOL) erforderlichen Daten und der Vermeidung von Übertragungsfehlern durch die Benutzung nur eines Gerätes kann die erreichbare Empfindlichkeit wesentlich erhöht werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur interferometrischen Messung der Augenlänge und basiert auf einem Michelson-Interferometer.
Neben den üblichen Anordnungen und Verfahren zur Bestimmung der Augenlänge mittels Ultraschall im Kontaktverfahren sind nach dem Stand der Technik bereits Lösungen bekannt, die die Verwendung interferometrischer Anordnungen vorsehen.

So wird in der DE 44 46 183 bzw. US 5,673,096 eine Anordnung zur Messung intraokularer Distanzen zwischen verschiedenen optischen Grenzflächen des lebenden Auges mittels eines interferometrischen Meßsystems beschrieben. Dabei ist mindestens ein diffraktiv-optischen Element (DOE) zur Aufteilung des Beleuchtungsstrahlenganges in Teilstrahlen für verschiedene Grenzflächen und/oder zur Vereinigung und gegenseitigen Anpassung der Wellenfronten der von verschiedenen Grenzflächen des Auges stammenden Messlichtanteile und/oder zur Anpassung der Wellenfronten der von verschiedenen Grenzflächen des Auges stammenden Messlichtanteile an die Wellenfront des Messlichtes des Referenzarmes des interferometrischen Meßsystems vorhanden. Durch das DOE, das in seiner Form einer Phasenfressnellinse ähnlich sein kann, werden einzelne Teilstrahlen beispielsweise sowohl auf die Netzhaut als auch auf die Hornhaut fokussiert. Nach nochmaligem Durchlaufen der von der Netzhaut und der Hornhaut reflektierten Teilstrahlen liegen deren Wellenfronten in angepasster, beispielsweise kollimierter Form vor, so dass ein wesentlich größerer Anteil des Bündelquerschnittes zur Signalgewinnung genutzt werden kann.

Die in der DE 32 01 801 beschriebene Lösung dient der Messung der realen optischen Abstände zwischen verschiedenen optischen Grenzflächen in einem Auge. Das Verfahren beruht auf der Auswertung von Interferenzerscheinungen des von den verschiedenen optischen Grenzflächen des Auges reflektierten Lichtes. Aus diesen Interferenzerscheinungen werden mittels einer interferometrischen Messanordnung und einem Längenmessverfahren die optischen Abstände zwischen den verschiedenen Grenzflächen bestimmt. Mit der beschriebenen Lösung ist sowohl die Messung axialer als auch außeraxialer Teilstrecken möglich. Zur Bestimmung außeraxialer Teilstrecken erfolgt die Beleuchtung mit dem Messstrahlen unter einem entsprechenden Winkel zur optischen Achse des Auges.

Eine weitere Anordnung und ein dazugehöriges Verfahren zur berührungslosen Messung der Achslänge (AL), der Hornhautkrümmung (HHK) und/oder der Vorderkammertiefe (VKT) eines Auges wird in der DE 198 57 001 beschrieben. Diese Lösung ist insbesondere für die Auswahl der zu implantierenden Intraokularlinse (IOL) vor einer Katarakt-Operation vorgesehen. Bei der vorgeschlagenen Lösung werden alle notwendigen Parameter des Auges mit nur einer Geräteanordnung und dem entsprechenden Messverfahren bestimmt und die Berechnung der erforderlichen IOL durchgeführt. Datenverluste oder Datenverfälschungen bei der Übertragung der Messwerte von verschiedenen Geräten zu dem die Berechnung der IOL durchführenden Rechner können dadurch vermieden werden.

Zur Vermessung der Achslänge AL wird Licht mit einer Wellenlänge von zum Beispiel 780nm über ein Michelson-Interferometer auf das Patientenauge abgebildet. Das Michelson-Interferometer besteht dabei aus einem feststehenden Referenzarm, einem verstellbaren Messarm und einem Strahlteilerwürfel zur Überlagerung der beiden reflektierten Strahlungsanteile. Von einer Photodiode wird die Lichtleistung der Lichtquelle überwacht. Die von Hornhaut und Netzhaut des Auges reflektierten Teilstrahlen überlagern sich und werden über Tellerwürfel und ein Fokussierelement auf eine Avalanche-Photodiode abgebildet. Die Achslängenmessung kann hierbei nach dem in US 5673096 beschrieben bekannter Verfahren erfolgen. Zur Beobachtung des Auges und der entstehenden Reflexe wird ein Teil des vom Auge kommenden Lichtes mittels eines Fokussierelementes sowie eines Spiegels auf eine CCD-Kamera abgebildet.

Während die beschriebene Lösung bei Katarakt-Patienten mit geringen oder mittelmäßigen Trübungen der Augenlinse problemlos anwendbar sind und exakte Messdaten liefern, kann es bei Katarakt-Patienten mit sehr starken Trübungen der Augenlinse dazu kommen, dass der vom Auge reflektierte Lichtanteil durch den größer werdenden Streulichtanteil unter die Nachweisgrenze des geräteinternen Auswertesystems fällt und somit keine verwertbaren Messwerte ermittelt werden können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zur Bestimmung der Achslänge von Augen zu entwickeln, die eine direkte Messung mit hoher Genauigkeit und ohne Belastung des Patienten ermöglicht und die selbst bei Patienten mit starken Trübungen der Augenlinse infolge fortgeschrittenen Katarakts verwertbare Messdaten liefert.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Lichtquellen mit Wellenlänge von 900 bis 1100 nm wesentliche vorteilhafte Effekte mit sich bringt. Während die Transmission des menschlichen Auges im Vergleich zu einer Laserdiode mit 780nm nur geringfügig vermindert ist, kann der Anteil des gestreuten Lichtes deutlich verringert werden. Durch den größeren Anteil des vom Auge reflektierten und zur Interferenz beitragenden Lichtes, ist eine wesentlich empfindlichere Bestimmung der AL möglich.

Das Gerät zur berührungslosen Bestimmung der Achslänge eines Auges besteht dabei aus einer Interferometeranordnung mit einstellbarer Weglängendifferenz, einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung der Messlichtstrahlung, diversen optischen Elementen zur Strahlformung, -leitung und/oder -abbildung von Beleuchtungs- und Messstrahlung, einer Fixierlichtquelle, einem Detektionselement zur Erfassung und Anzeige des Justierzustandes des Auges, einem Photodetektor zur Detektierung der Interferenzsignale, einem Längenmesssystem und einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Bestimmung der optischen Längen aus den Messwerten. Während die Fixierlichtquelle Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich aussendet nutzt die Beleuchtungseinrichtung Licht mit einer Wellenlänge zwischen 900 und 1100nm. Die eigentliche Bestimmung der Achslänge eines Auges erfolgt entsprechend der in der DE 198 57 001 beschriebenen Lösung.

Die vorgeschlagene technische Lösung ist prinzipiell in allen Messgeräten anwendbar, die die Achslänge eines Auges durch Beleuchtung mittels Licht einer definierten Wellenlänge, beispielsweise interferometrisch bestimmen.

Insbesondere ist die Lösung in Kombinationsgeräten zur Bestimmung der Achslänge und/oder der Hornhautkrümmung und/oder der Vorderkammertiefe eines Auges, wie beispielsweise dem IOLMaster der Carl Zeiss Meditec AG, anwendbar.

Zusätzlich zu den mit einem derartigen Gerät verbundenen Vorteile der berührungslosen Messung aller zur Bestimmung der zu implantierenden Intraokularlinse (IOL) erforderlichen Daten und der Vermeidung von Übertragungsfehlern durch die Benutzung nur eines Gerätes, kann durch die Verwendung der erfinderischen Lösung die erreichbare Messempfindlichkeit wesentlich erhöht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Dazu zeigt:
1: der schematische Aufbau eines Gerätes zur Bestimmung der Achslänge, unter Verwendung der erfinderischen Lösung.
Das Gerät zur berührungslosen Bestimmung der Achslänge eines Auges, besteht aus einer Interferometeranordnung mit einstellbarer Weglängendifferenz, einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung der Messlichtstrahlung, diversen optischen Elementen zur Strahlformung, -leitung und/oder -abbildung von Beleuchtungs- und Messstrahlung, einer Fixierlichtquelle, einem Detektionselement zur Erfassung und Anzeige des Justierzustandes des Auges, einem Photodetektor zur Detektierung der Interferenzsignale, einem Längenmesssystem und einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Bestimmung der optischen Längen aus den Messwerten. Die Fixierlichtquelle sendet Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich aus. Als Beleuchtungseinrichtung wird hierbei eine Laserdiode verwendet, die Licht mit einer Wellenlänge von 900nm bis 1100nm aussendet.
Als optische Elemente zur Strahlformung, -leitung und/oder -abbildung kommen hierbei beispielsweise Abbildungsoptiken, Spiegel und Strahlteilerwürfel zum Einsatz.
Zu Beginn der Bestimmung der Achslänge muss das Gerät exakt auf das zu untersuchende Auge ausgerichtet werden. Dazu wird dem Patienten von der Fixierlichtquelle eine Marke angeboten, auf die sich der Patient fixiert, so dass die Augenpupille in Richtung der optischen Achse des Gerätes ausgerichtet ist.
Der Lichtreflex des Fixierlichtes ist in der Mitte der Pupille zu sehen und kann über eine vorhandene CCD-Kamera und über ein Display/Monitor dargestellt werden. Um auch in dunkleren Räumen den Patienten zum Gerät einjustieren zu können ist das Auge zusätzlich mittels IR- Dioden (z. B. mit 880 nm) zu beleuchten. Die Justierung des Gerätes zum Patienten erfolgt dann über den bekannten, in x/y/z-Richtung verstellbaren Spaltlampen-Kreuztisch. Zur einfachen Justierung wird das Patientenauge mit dem deutlich sichtbaren Lichtreflex der Fixiermarke auf einem Display/Monitor live dargestellt. Dazu ist es vorteilhaft, auf dem Display/Monitor zusätzlich ein Kreis oder Fadenkreuz darzustellen.
Für die Detektierung der Interferenzsignale des Achslängenmessers ist ein Photodetektor, vorzugsweise eine Avalanche-Photodiode (APD) vorgesehen, die eine entsprechend hohe Empfindlichkeit in dem vorgewählten Wellenlängenbereich aufweist.
Gemäß der DE 198 57 001 wird die Avalanche-Photodiode (APD) zur Kontrolle des Zentrierungszustandes des Auges benutzt. Ist das Patientenauge auf die optische Achse des Messgerätes ausgerichtet, so wird die Marke der Fixierlichtquelle von der Hornhautvorderfläche reflektiert und auf die APD abgebildet. Dadurch wird von der APD ein Gleichspannungssignal erzeugt, dessen (relative) Höhe ein Maß für die Zentrierung des Patientenauges darstellt. Dieses Gleichspannungssignal wird der internen Steuer- und Auswerteeinheit zugeführt und von dort in geeigneter Form (z. B. ein Balken oder Kreis) auf dem Display/Monitor dargestellt. Dem Bediener wird durch die unterschiedliche Höhe des Balkens bzw. Größe des Kreissegmentes eine weitere Information zum Justierzustand des Patientenauges vermittelt.
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Gerätes zur Bestimmung der Achslänge, unter Verwendung der erfinderischen Lösung.
Zur Bestimmung der Achslänge AL wird das polarisierte Licht der Beleuchtungseinrichtung 1, mit einer Wellenlänge von beispielsweise 920 nm über eine Interferometeranordnung, im speziellen ein Michelson-Interferometer (3 bis 5) sowie einen Strahlteilerwürfel 8 auf das Patientenauge 10 abgebildet. Das Michelson-Interferometer (3 bis 5) besteht dabei aus einem feststehenden Referenzarm R1 mit einem als Reflektor dienenden Tripelprisma 4 und einem anhand von verschiedenen Positionen eines weiteren Tripelprismas 5 dargestellten verstellbaren Referenzarm R2 sowie einem Strahlteilerwürfel 3 zur Überlagerung der in R1 und R2 reflektierten Strahlungsanteile.
Von einer Photodiode 7 wird die Lichtleistung der Beleuchtungseinrichtung 1 überwacht. Die von Hornhaut und Netzhaut des Auges 10 reflektierten Teilstrahlen überlagern sich und werden mittels Strahlteilerwürfel 8, der eine λ/4 Platte 9 zur Drehung der Polarisationsebene aufweist, einen Strahlteilerwürfel 11 mit einer λ/2 Platte 12, über ein Fokussierelement 16 auf die Avalanche-Photodiode APD 17 abgebildet.
Das aus dem Michelson-Interferometer (3 bis 5) kommende Beleuchtungslicht soll dabei vom Strahlteilerwürfel 8 maximal in Richtung Auge 10 reflektiert werden. Für das vom Auge 10 kommende Reflexlicht soll der Strahlteilerwürfel 8 eine maximale Transmission besitzen. Zusätzlich muss der Strahlteilerwürfel 8 für NIR- und VIS-Lichtanteile maximale Transmission aufweisen.
Das von der Beleuchtungseinrichtung 1 kommende senkrecht polarisierte Licht (s-pol, 920 nm) wird zu ca. 98% vom Strahlteilerwürfel 8 reflektiert. Durch die auf dem Strahlteilerwürfel 8 angeordnete λ/4-Platte 9 wird zirkular polarisiertes Licht erzeugt. Das vom Auge 10 reflektierte Licht wird somit nach Durchlaufen der λ/4 Platte 9 wieder linear polarisiert; jedoch ist die Polarisationsrichtung um 90° gedreht (parallel polarisiert, p-pol). Für diese Polarisationsrichtung weist die Teilerschicht des Strahlteilerwürfels 8 bei 920 nm eine annähernd 100%-ige Transmission auf.
Die Fixierlichtquelle 2 sendet jedoch unpolarisierte VIS-Lichtanteile aus. Die Transmission des Strahlteilerwürfels 8 ist im Wellenlängenbereich von 420 bis 580 nm sowie im Bereich von 800 bis 1100 nm für unpolarisiertes Licht größer 90%.
Wird für die Beleuchtungseinrichtung 1 eine Laserdiode verwendet, die recht breitbandiges Licht aussendet, so ist es möglich, dass ein Anteil der von der Laserdiode emmitierte Lichtes vom Patienten noch gesehen wird. Wenn dies der Fall ist, so kann auf die Fixierlichtquelle verzichtet werden.
Das durch den Strahlteilerwürfel 8 vom Auge 10 kommende Reflexionslicht soll vom Strahlteilerwürfel 11 zu ca. 80 – 95% reflektiert und in Richtung der Avalanche-Photodiode APD 17 gelenkt werden. Auch der Strahlteilerwürfel 11 muss für NIR- und VIS-Lichtanteile maximale Transmission aufweisen.
Von der auf dem Strahlsteilerwürfel 11 angeordneten λ/2-Platte 12 wird die Polarisationsrichtung des ankommenden Reflexionslichtes um 90° gedreht, so dass auf den Strahlteilerwürfel 11 wieder die s-pol Komponente fällt. Auch bei dem Strahlsteilerwürfel 11 ist die Transmission für unpolarisiertes Licht im NIR- und VIS-Bereich größer 90%.
Die Achslängenmessung erfolgt nach bekannten Verfahren, beispielsweise nach der in US 5673096 beschriebenen Lösung. Zur Beobachtung des Auges 10 und der entstehenden Reflexe wird ein Teil des vom Auge 10 kommenden Reflexlichts über Spiegel 13 mittels dem Fokussierelement 14 auf eine CCD-Kamera 15 abgebildet. Um eine maximale Messstrahlung auf die APD 17 zu übertragen, wird vom Strahlteilerwürfel 11 ein großer Teil, vorteilhaft mehr als ca. 80 – 95% auf die APD 17 ausgekoppelt; auf die CCD-Kamera 15 fallen somit nur ca. 20 – 5% des vom Auge 10 kommenden Reflexlichtes.
Die Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung sowie des auf einem mit dem Längenmesssystem verbundenen Schlitten befindliche bewegliche Tripelprisma 5 des verstellbaren Referenzarm R2 erfolgt über die Steuer- und Auswerteeinheit, die beispielsweise ein Computer sein kann.
Die vorgeschlagene technische Lösung ist prinzipiell in allen Messgeräten anwendbar, die die Achslänge eines Auges durch Beleuchtung mittels Licht einer definierten Wellenlänge, beispielsweise mit Hilfe einer interferometrischen Messanordnung bestimmen.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Lösung in Kombinationsgeräten zur Bestimmung der Achslänge und/oder der Hornhautkrümmung und/oder der Vorderkammertiefe eines Auges, wie beispielsweise dem IOLMaster der Carl Zeiss Meditec AG. Zusätzlich zu den mit einem derartigen Gerät verbundenen Vorteilen der berührungslosen Messung aller zur Bestimmung der zu implantierenden Intraokularlinse (IOL) erforderlichen Daten und der Vermeidung von Übertragungsfehlern durch die Benutzung nur eines Gerätes, kann die durch Verwendung der erfinderischen Lösung erreichbare Empfindlichkeit wesentlich erhöht werden.

Claims

Gerät zur berührungslosen Bestimmung der Achslänge eines Auges, bestehend aus einer Interferometeranordnung mit einstellbarer Weglängendifferenz, einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung der Messlichtstrahlung, optischen Elementen zur Strahlformung, -leitung und/oder -abbildung der Messlichtstrahlung, einer Fixierlichtquelle, einem Detektionselement zur Erfassung und Anzeige des Justierzustandes des Auges, einem Photodetektor zur Detektierung der Interferenzsignale, einem Längenmesssystem und einer Steuer- und Auswerteeinheit, bei dem die Fixierlichtquelle Lichtstrahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich und die Beleuchtungseinrichtung Messlichtstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 900 und 1100nm aussenden.
Gerät zur berührungslosen Bestimmung der Achslänge nach Anspruch 1, bei dem als Beleuchtungseinrichtung eine Laserdiode verwendet wird, die Messlichtstrahlung mit einer Wellenlänge von 920nm aussendet.
Gerät zur berührungslosen Bestimmung der Achslänge nach Anspruch 1, bei dem als Beleuchtungseinrichtung eine Laserdiode verwendet wird, die Messlichtstrahlung mit einer Wellenlänge von 1045nm aussendet.
Gerät zur berührungslosen Bestimmung der Achslänge nach Anspruch 1, bei dem die Fixierlichtquelle entfallen kann, wenn die Beleuchtungseinrichtung Messlichtstrahlung mit einem sichtbaren Anteil aussendet.