AT511935B1 - Verfahren und vorrichtung zum räumlichen vermessen von gewebestrukturen - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum räumlichen Vermessen einer Mehrzahl von hintereinander liegenden biologischen Gewebestrukturen in einem Organ (1), insbesondere in einem Auge, durch Auswertung von Interferogrammen erhalten aus reflektiertem, kohärentem Licht aus einer auf einen Referenzreflektor gerichteten Referenzsonde (6,7) und zumindest einer Messsonde (6,7), wird bei bekannter räumlicher Erstreckung einer ersten Gewebestruktur des Organs (1) sowohl die Referenzsonde (6,7) als auch die zumindest eine Messsonde (6,7) auf das Organ (1) gerichtet, wobei der Wegunterschied zwischen den beiden Sonden (6,7) konstant gehalten wird. Weiters wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum räumlichen Vermessen einer Mehrzahl vonhintereinander liegenden biologischen Gewebestrukturen in einem Organ, insbesondere ineinem Auge, durch Auswertung von Interferogrammen erhalten aus reflektiertem, niedrig¬kohärentem Licht aus einer auf einen Referenzreflektor gerichteten Referenzsonde und zumin¬dest einer Messsonde. Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung diesesVerfahrens.

[0002] In der Ophthalmologie werden beispielsweise zur Früherkennung von Glaukom biomet¬rische Messungen am Auge vorgenommen, aus denen Rückschlüsse auf den Augeninnendruck(intraocular pressure, IOP) gewonnen werden können. Stand der Technik sind hierbei u.a.interferometrische Verfahren, bei denen die räumliche Erstreckung bzw. die Dicken und Ab¬stände von reflektierenden Oberflächen wie z.B. der Cornea und der Linse mit Hilfe eines Inter¬ferometers gemessen werden. Bei der herkömmlichen Interferometrie wird das zu untersuchen¬de Auge in einem definierten Abstand zu einer Messsonde, im allgemeinen ein Messlichtleiter,positioniert und kohärentes Licht wird durch diese Messsonde und durch eine Referenzsondebzw. einen Referenzlichtleiter, der auf einen Referenzreflektor im Interferometer gerichtet ist,geleitet. Das kohärente Licht aus der Messsonde bzw. Messlichtleiter wird an den unterschiedli¬chen Strukturen reflektiert und die Überlagerung des reflektierten Lichts führt durch die unter¬schiedlichen Weglängen, die das kohärent aus den Sonden bzw. Lichtleitern austretende Lichtbis zu den jeweiligen reflektierenden Strukturen zurückzulegen hat, zu Interferenzmustern, diemit herkömmlichen mathematischen Algorithmen ausgewertet werden können, um die Abständeder reflektierenden Strukturen zueinander zu bestimmen.

[0003] Im Stand der Technik wurde, wie bereits erwähnt, die Referenzsonde auf einen Reflektorim Interferometer gerichtet und die Überlagerung des reflektierten Lichts aus der Messsondeerfolgte über relativ komplizierte und groß bauende Vorrichtungen mit Linsen und halb durch¬lässigen Spiegeln, weshalb die entsprechenden Geräte in der Praxis stationär angewendetwurden. Es ist jedoch bekannt, dass der Augeninnendruck und damit verbunden die räumlicheErstreckung der zu untersuchenden Gewebestrukturen, die einen Rückschluss auf den Augen¬innendruck ermöglichen, bei ein und demselben Patienten abhängig von der Tageszeit und derkörperlichen Aktivität so stark variieren, dass eine einmalige Messung der räumlichen Erstre¬ckung bzw. der relativen Position der relevanten Strukturen keine zufrieden stellende Aussageüber die tatsächlichen physiologischen Gegebenheiten zulässt. Vielmehr wäre es wünschens¬wert, eine kontinuierliche räumliche Vermessung der relevanten biologischen Gewebestrukturenin einem Organ wie beispielsweise dem Auge über einen längeren Zeitraum durchzuführen, umein umfassenderes Bild von den physiologischen Gegebenheiten zu erhalten. Dies war aberaufgrund des Umstands, dass die entsprechenden Messgeräte, nämlich die Interferometer, eineerhebliche Baugröße aufwiesen, bisher praktisch nicht durchführbar.

[0004] Das Dokument WO 2009120544 A1 zeigt eine tragbare Vorrichtung zur interferometri-schen Bestimmung von Relativabständen in einem Auge.

[0005] Das Dokument EP 2301423 A1 offenbart ein optisches Bildmessgerät zur Erstellung vontomografischen Bildern.

[0006] Das Dokument US 2009268161 A1 beschreibt eine optische Kohärenztomografievor¬richtung mit einem einstellbaren Linsensystem.

[0007] Das Dokument US 2010091243 A1 beschreibt eine optische Kohärenztomografievor¬richtung mit einem einzelnen Arm.

[0008] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eineräumliche Vermessung einer Mehrzahl von biologischen Gewebestrukturen in einem Organ mitHilfe der Interferometrie kontinuierlich und über einen längeren Zeitraum mittels mobiler Gerätedurchgeführt werden kann.

[0009] Erfindungsgemäß ist daher das Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekenn- zeichnet, dass bei bekannter räumlicher Erstreckung einer ersten Gewebestruktur des Organssowohl die Referenzsonde als auch die zumindest eine Messsonde auf das Organ gerichtetwird, wobei der Wegunterschied zwischen den beiden Sonden konstant gehalten wird. Beimerfindungsgemäßen Verfahren wird daher vor der eigentlichen Vermessung eine erste Gewe¬bestruktur des Organs hinsichtlich ihrer räumlichen Erstreckung vermessen und bestimmt.Hierfür eignet sich beispielsweise die Dicke der Cornea, die auch bei schwankendem Augenin-nendruck praktisch konstant bleibt. Dadurch, dass nun erfindungsgemäß eine Gewebestrukturam zu vermessenden Organ selbst bereits bekannt ist und als konstant angenommen werdenkann, ist es nicht mehr nötig, die zumindest eine Messsonde in einem konstanten Abstand zumOrgan, also den Gewebestrukturen zu halten, wenn gleichzeitig, wie es der vorliegenden Erfin¬dung entspricht, sowohl die Referenzsonde als auch die Messsonde auf das Organ gerichtetwerden und der Wegunterschied zwischen den beiden Sonden konstant gehalten wird. DerWegunterschied zwischen den beiden Sonden bzw. Lichtleitern ist hierbei stets als Abstand inaxialer Richtung, d.h. in Richtung des Wegs des Lichts bzw. des elektromagnetischen Refe¬renz- und Messsignals gemeint. Beim erfindungsgemäßen Verfahren dient somit eine der zuvermessenden biologischen Gewebestrukturen selbst quasi als Referenzreflektor, sodass einekomplexe Anordnung von Linsen und halb durchlässigen Spiegeln im Interferometer nicht mehrnotwendig ist. Auch ein variierender Abstand zwischen den beiden Sonden und den zu vermes¬senden Gewebestrukturen behindert eine präzise Messung der jeweiligen räumlichen Erstre¬ckungen nicht, sodass keine apparativen Vorkehrungen getroffen werden müssen, um dasAuge in einem entsprechenden Abstand zu halten. Somit kann mit dem erfindungegemäßenVermessungsverfahren der apparative Aufwand eines Interferometers erheblich reduziert wer¬den, sodass neben den Referenz- und Messsonden lediglich eine Recheneinheit mit einerentsprechenden Programmlogik notwendig ist, um die Messdaten verarbeiten und speichern zukönnen.

[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Verfah¬ren dahingehend weitergebildet, dass der Wegunterschied zwischen der Referenzsonde undder zumindest einen Messsonde zum zu vermessenden Organ derart eingestellt und fixiert wird,dass die der ersten Gewebestruktur entsprechenden Interferenzbanden in einer Kopplungskur¬ve die bekannte räumliche Erstreckung dieser Struktur angeben, wobei bevorzugt im Interfero-gramm den weiteren zu vermessenden Gewebestrukturen Interferenzbanden zugeordnet unddie tatsächlichen Abstände der weiteren Gewebestrukturen relativ zum Abstand der der erstenGewebestruktur entsprechenden Interferenzbanden bestimmt werden. Unter einer Kopplungs¬kurve wird in der Technik der Faseroptik jenes Signal einer Photodiode verstanden, in welchemsich die Interferenz-Muster im AC-Anteil des Signals widerspiegeln. Dieses Signal erhält mandurch die Variation der optischen Wellenlänge in einem mittels faseroptischer Komponentenrealisierten Michelson Interferometers (Fibre Optica Essentials; K. THYAGARAJAN, AJOYGHATAK). Auf diese Weise können die Abstände der jeweiligen biologischen Gewebestruktu¬ren zueinander direkt bestimmt und aufgezeichnet werden, um in der Folge zur Diagnose her¬angezogen zu werden. Die erhaltenen Interferogramme können hierbei Interferenzbanden fürunterschiedliche Gewebestrukturen aufweisen. Insbesondere wurden mit dem erfindungsge¬mäßen Verfahren beispielsweise die mittlere Corneadicke (central cornea thickness, CCT), dieTiefe der vorderen Augenkammer (anterior chamber depth, ACD) und die Länge des Augapfels(axial length, AL) gemessen. All diese Werte können mit dem Augeninnendruck in Korrelationgesetzt werden und somit bei der ärztlichen Diagnose Berücksichtigung finden.

[0011] Die Interferenzbanden haben die Grundform einer Gaußschen Glockenkurve und wei¬sen abhängig von der Kohärenzlänge des eingesetzten Lichts eine gewisse Breite auf, die als"dynamic range" bezeichnet wird. Die Erfindung ist daher bevorzugt dahingehend weitergebil¬det, dass die genauen Positionen der Interferenzbanden durch Abstandsbestimmung der Ma¬xima der Gaußschen Hüllkurven der Interferenzbanden bestimmt werden.

[0012] Bevorzugt werden die über einen bestimmten Zeitraum ermittelten Messdaten zur Be¬rechnung der relativen Bewegungen der Mehrzahl von Gewebestrukturen des Organs zueinan¬der herangezogen. Der behandelnde Arzt kann auf diese Weise den Verlauf des Augeninnen- drueks über den betreffenden Zeitraum ermitteln und entsprechende Informationen für dieindizierte Behandlung erhalten.

[0013] Bei Verwendung von lediglich zwei Sonden bzw. Lichtleitern, dem Referenzlichtleiter unddem Messlichtleiter können lediglich eindimensionale Längeninformationen gewonnen werden.Um jedoch ein dreidimensionales Bild von dem untersuchten Organ zu erhalten, ist die Erfin¬dung mit Vorteil dahingehend weitergebildet, dass mehrere in Form eines Array angeordneteMesssonden eingesetzt werden und von einem elektronischen Schaltkreis nacheinander zurErmittlung von Messdaten aktiviert werden. Aufgrund der extrem kurzen Zeit, die für eine räum¬liche Vermessung bzw. Längenbestimmung nötig ist, kann bei entsprechender Beschaltung derauf dem Array nebeneinander angeordneten Lichtleiter bzw. Sonden eine Vielzahl von Messun¬gen in sehr kurzer Zeit vorgenommen werden, sodass praktisch eine Momentaufnahme desbetreffenden Organs im Sinne einer räumlichen, dreidimensionalen Vermessung zu einemgegebenen Zeitpunkt erstellt werden kann.

[0014] Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch ge¬kennzeichnet, dass Referenz- und Messsonden eines Interferometers an einer von einem Pati¬enten tragbaren Brille festgelegt sind und mit einer tragbaren Recheneinheit verbunden sind.Der Patient trägt somit die Recheneinheit und die Brille mit sich.

[0015] Bevorzugt weist die Brille Mittel zum Einstellen und Fixieren des Wegunterschieds zwi¬schen der Referenzsonde und der zumindest einen Messsonde zum zu vermessenden Organauf.

[0016] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnung dargestellten Ausführungs¬beispiels näher erläutert. In dieser zeigen Figur 1 die prinzipielle Anordnung der Referenz- undMesssonden, Figur 2 eine Kopplungskurve wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahrenerhalten wird, Referenz- und Messsonden, Figur 2 eine Kopplungskurve wie sie bei dem erfin¬dungsgemäßen Verfahren erhalten wird, Figur 3 eine Kurve, die die Änderungen eines Mess¬werts über die Zeit anzeigt und Figur 4 eine Darstellung eines Anwendungsbeispiels der Erfin¬dung.

[0017] In Figur 1 ist mit 1 ein Auge als zu vermessendes Organ bezeichnet, wobei die vordereAugenkammer 4 von der Linse 2 und der Cornea 3 begrenzt wird. Die räumliche Erstreckung 5der vorderen Augenkammer 4, d.h. der Abstand zwischen der Linse 2 und der Cornea 3 unter¬liegt bei wechselndem Augeninnendruck messbaren Schwankungen und kann somit zur Be¬stimmung des Augeninnendrucks herangezogen werden, welcher ein wichtiges diagnostischesIndiz im Zusammenhang mit Glaukom ist.

[0018] Zur Messung der räumlichen Erstreckungen der relevanten Gewebestrukturen werdennun gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Lichtleiter 6 und 7 mit einem einstell- und fixierba¬ren Wegunterschied AL in einem Abstand D zum zu untersuchenden Organ an einer nicht näherdargestellten Halterung 8 festgelegt. Mit 9 ist ein nicht näher bezeichneter Lichtleiter bezeich¬net, der das reflektierte Licht aus den Lichtleitern 6 und 7 zu einer ebenfalls nicht dargestelltenRecheneinheit leitet.

[0019] in Fig. 2 ist zu erkennen, dass sich in Abhängigkeit von den Abständen unterschiedlicherStrukturen in einem Augenmodell 10, welches von einer Glasplatte 11 und einem Spiegel 12gebildet ist, in einer Kopplungskurve 13 interferenzbanden 14 ergeben, wobei bei geeigneterEinstellung von AL der Abstand X zwischen der dritten und der vierten Bande unabhängig vomAbstand D der mittleren Dicke der Cornea 3 bzw. der die Cornea repräsentierenden Glasplatte11 entspricht. Der Abstand Y zwischen der vierten und der sechsten Interferenzbande ent¬spricht der räumlichen Erstreckung 5 der vorderen Augenkammer 4. Sind weitere Strukturenvorhanden, die Licht reflektieren, wie z.B. eine nicht dargestellte Retina in einem Auge, sowürden weitere Interferenzbanden abgebildet, die den Abstand der Retina zu den anderenStrukturen angeben.

[0020] Fig. 3 zeigt nun einen Graphen der Werte für die räumliche Erstreckung 5 der vorderenAugenkammer 4 und es ist zu erkennen, dass diese über die Zeit Fluktuationen unterworfen ist.

[0021] In Fig.4 ist zu erkennen, dass das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung beieinem Interferometer angewendet werden kann, bei welchem eine Halterung 8 die Lichtleiter 6und 7 trägt, wobei die Lichtleiter 6 und 7 einer Recheneinheit 15 zugeführt sind, in der die Aus¬wertung der Interferenzmuster erfolgt. Es wurde somit eine tragbare Messvorrichtung geschaf¬fen, die eine kontinuierliche Vermessung der räumlichen Erstreckung von biologischen Gewe¬bestrukturen ermöglicht.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum räumlichen Vermessen einer Mehrzahl von hintereinander liegenden biolo¬gischen Gewebestrukturen in einem Organ, insbesondere in einem Auge, durch Auswer¬tung von Interferogrammen erhalten aus reflektiertem, niedrigkohärentem Licht aus einerauf einen Referenzreflektor gerichteten Referenzsonde und zumindest einer Messsonde,dadurch gekennzeichnet, dass bei bekannter räumlicher Erstreckung einer ersten Gewe¬bestruktur des Organs (1) sowohl die Referenzsonde (6,7) als auch die zumindest eineMesssonde (6, 7) auf das Organ (1) gerichtet wird, wobei der Wegunterschied zwischenden beiden Sonden (6, 7) konstant gehalten wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegunterschied zwi¬schen der Referenzsonde (6, 7) und der zumindest einen Messsonde (6,7) zum zu ver¬messenden Organ (1) derart eingestellt und fixiert wird, dass die der ersten Gewebestruk¬tur (3) entsprechenden Interferenzbanden (14) in einer Kopplungskurve (13) die bekannteräumliche Erstreckung dieser Struktur (3) angeben.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Interferogrammden weiteren zu vermessenden Gewebestrukturen Interferenzbanden (14) zugeordnet unddie tatsächlichen Abstände der weiteren Gewebestrukturen relativ zum Abstand der derersten Gewebestruktur (3) entsprechenden Interferenzbanden (14) bestimmt werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genauen Positi¬onen der Interferenzbanden (14) durch Abstandsbestimmung der Maxima der GaußschenHüllkurven der Interferenzbanden (14) bestimmt werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinen bestimmten Zeitraum ermittelten Messdaten zur Berechnung der relativen Bewegun¬gen der Mehrzahl von Gewebestrukturen des Organs (1) zueinander herangezogen wer¬den.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere inForm eines Array angeordnete Messsonden (6, 7) eingesetzt werden und von einem elekt¬ronischen Schaltkreis nacheinander zur Ermittlung von Messdaten aktiviert werden.
  7. 7. Vorrichtung zum räumlichen Vermessen einer Mehrzahl von hintereinander liegendenbiologischen Gewebestrukturen in einem Organ (1), insbesondere in einem Auge zurDurchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend ein Interfe¬rometer mit einer Referenzsonde (6,7) und zumindest einer Messsonde (6, 7), wobei dieReferenz- und Messsonde (6, 7) an einer von einem Patienten tragbaren Brille (8) festge¬legt sind und mit einer tragbaren Recheneinheit (15) verbunden sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brille (8) Mittel zumEinstellen und Fixieren des Wegunterschieds zwischen der Referenzsonde (6, 7) und derzumindest einen Messsonde (6, 7) zum zu vermessenden Organ (1) aufweist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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