CZ20031797A3

CZ20031797A3 - Způsob stanovení vzdálenosti v předním očním segmentu

Info

Publication number: CZ20031797A3
Application number: CZ20031797A
Authority: CZ
Inventors: Roland Bergner; Roland Barth; Axel Doering; Frank Behrendt; Klaus-Ditmar Voigt
Original assignee: Carl Zeiss Jena Gmbh
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2002-02-16
Publication date: 2003-11-12
Also published as: EP2042078A2; EP1303210B1; IL152395A0; DE50213161D1; HUP0300839A2; KR100917240B1; EP2042078B1; WO2002065899A3; ATE418907T1; IL152395A; CA2417776C; EP1303210A2; WO2002065899A2; MXPA03002692A; KR20020093935A; CA2417776A1; EP2042078A3; JP4250685B2; US7284858B2; JP2004518497A

Description

Způsob stanovení vzdáleností v předním očním segmentu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu stanovení vzdáleností v předním očním segmentu.

Dosavadní stav techniky čočky IOL Lens Power

Pro výpočetní vzorec intraokulární (Intraokularlinse) Holladay 2 (Intraokular Calculations for the Refractive Surgeon, Jack T. Holladay, v: Operative Techniques in Cataract and Refractive Surgery, sv.l, č.3 (September), 1998: str. 105-117), pomocí kterého může být vypočtena síla intraokulární čočky (IOL) určené pro implantaci do lidského oka, jakož i pro volbu speciálního typu čočky (ICL a další zvané horizontální (hor-w-t-w; horizontální vzdálenost white-to-white horizontální průměr duhovky.

intraokulární parametr tak je třeba znát vstupní vzdálenosti bílé-k-bílé Jedná se

Pří chirurgii rohovky prováděné za účelem odstranění vadného vidění lidského oka (PRK, LASIK) je pro operujícího lekaře rovně důležité znát, ve kterém bodě osa vidění pacienta protíná rohovku. Při znalosti tohoto skutečného průsečíků lze přesněji zaměřir laser, než tomu bylo dosud, kdy se vycházelo z geometrického středu rohovky.

·· ···· • ♦ • ··· «» ·« • ♦ · · · · • · ·· · · · rf • rf · rfrfrfrf rfrfrfrf rfrfrfrf rfrf ♦· ·· rfrf ♦ ·

Pro interferometrické délkové měření tloušťky rohovky, hloubky přední komory a tloušťky čočky lidského oka pomocí PCI je nezbytné nastavit oko před měřícím přístojem podél jeho hypotetické optické osy na rozdíl od osově délkového měření, při kterém musí být oko polohováno před měřícím přístrojem podél jeho skutečné osy vidění.

Pro stanovení hodnoty hor-w-t-w byly až dosud používány pravítka, popřípadě šablony (obr.11 a http://www.asico.com/1576.htm), které byly drženy před okem pacienta a pomocí kterých byl odečtením stanoven průměr duhovky. Tato metoda vede k chybám způsobeným paralaxou při pozorování duhovky a odečítání jejího průměru a navíc až dosud používané šablony jsou odstupňovány pouze po 0,5 mm. Tím je možné při měření dosáhnout pouze omezenou přesnost.

Další známé řešení představují měřící okuláry, které se používají jako příslušenství měřících přístrojů se štěrbinovým světelným zdrojem (Návod k použití: Spaltlampe 30 SL/M Druckschriften Nr: G 30-114-d (MA XI/79) Carl Zeiss D-7082 Oberkochen, str 38). Tyto okuláry sice eliminují chybu způsobenou paralaxou, nicméně i v tomto případě musí být hodnota průměru duhovky odečtena na stupnici.

Dále jsou známé invazní měřící prostředky ve formě mechanických posuvných měřítek, které se zavedou řezem do bělma do přední komory (například patent US 4319564).

Dále jsou známé tak zvané gonioskopy, které se nasadí na oko a pomocí kterých se na duhovku promítne měřící škála, načež se pomocí lupy na uvedené škále odečte průměr duhovky (například patent US 4398812).

• 4 44

4 4

4·4 ♦ 4.

« •4 4444

4 4

4444 44

44 4 4 44 4

44 44 »4

Zařízení, která měří průměr zornice jsou tak zvané pupilometry (například patent EP 0550673). Tato zařízení však neměří průměr rohovky.

Pro stanovení průsečíku osy vidění a rohovky nejsou známa žádná zařízení. V průmyslu kamerových systémů se pouze používají způsoby, které detekují směr pohledu (zorný směr) lidského oka; výstupní například k fotografických signály takových uspořádání slouží ovládání samozaostřovacích mechanismů ve komorách (například patent US 5291234), popřípadě se používají v tak zvaných eyetrackerech. Tyto přístroje sledují pohyby oka popřípadě pohyby směru pohledu.

Rovněž nejsou známa žádná zařízení pro nastavení oka podél optické osy; zkouší se pouze přestavováním oka popřípadě skanováním relativně necíleného měřícího paprsku nalézt zkoušením správné polohování oka podél optické osy.

Z mezinárodní patentové přihlášky WO 00/33729 přihlašovatele jsou známé uspořádání a způsob, pomocí kterých lze pro výpočet optického účinku intraokulární čočky bezdotykově stanovit za použití jediného přístroje délku osy, zakřivení rohovky a hloubku přední komory oka. Oko je celkově osvětleno světlem LED viditelné nebo infračervené oblasti, přičemž jeho obraz se snímá a zobrazí pomocí kamery CCD. Dále se předpokládá fixující světlo, pomocí kterého vyšetřující lékař vyrovná oční zornici ve směru optické osy, přičemž se odraz fixujícího světla rovněž snímá kamerou CCD.

Cílem vynálezu je poskytnout zařízení a způsob, které by umožňovaly nezávisle na obsluze dosáhnout vyšší přesnosti při stanovení hodnoty hor-w-t-w. Tohoto cíle je dosaženo podle

44

4 4

444

4 4

4444 44

4»

4« 4444

44 4 · 44 4

44 44 44 vynálezu znaky uvedenými v dále zařazených nezávislých nárocích. Další výhodná provedení podle vynálezu jsou popsána znaky uvedenými v dále zařazených závislých nárocích.

Podstata vynálezu

S překvapením vynález realizuje praktickou možnost definovat průsečík osy vidění s rohovkou ve vztahu ke středu zornice nebo/a duhovky a umožňuje provést podle polohy tohoto průsečíku a geometrického středu rohovky přesné nastavení interferometrického délkového měřícího přístroje podél optické osy oka.

Až dosud byla osa vidění pro obsluhu přístroje neznámá; proto byl pacient za použití vhodných prostředků (fixující světlo v přístroji nebo mimo přístroj pro druhé oko) vyzván, aby se na tyto prostředky viděním fixoval. Potom se provede měření, které je však úspěšné pouze v případě, když se měření provádí podél optické osy oka. To znamená, že teprve po měření je zřejmé, zda bylo měření provedeno podél optické osy oka či nikoliv.

Ve stupních 1° se fixujícící světlo pohybuje; takto může být zapotřebí mnoho nepoužitelných měření, než se dosáhne zaměření, při kterém je interferometrické měření úspěšné. Pro oftalmologická rutinní měření je takovýto způsob měření nepřijatelný.

V následující části popisu bude vynález blíže popsán pomocí konkrétního příkladu jeho provedení, přičemž tento příklad má *4

44

4 9 * 4 44

4« 4«4·

4 4

444 4 44

4* • 4 4 • 4 9 9 4

9 9 9

4 4 4

4 *

4 9 < 4 • 9 4 9 • 9 4 4 pouze ilustrační charakter a nikterak neomezuje vlastní rozsah vynálezu, který je jednoznačně definován definicí patentových nároků a obsahem popisné části.

V tomto příkladu provedení budou činěny odkazy na připojené výkresy.

Popis obrázků na výkresech

Na připojených výkresech:

obr.l znázorňuje schematický průběh způsobu podle vynálezu;

obr.2 znázorňuje algoritmus pro hrubou detekci zornice;

obr.3 znázorňuje zobrazení pro analýzu hodnoty šedi/stanovení středu;

obr.4 znázorňuje zobrazení pro okrajovou analýzu;

obr.5 znázorňuje schematický průběh okrajové analýzy;

obr.6 znázorňuje detekci a stanovení polohy fixačního bodu;

obr.7 znázorňuje schematický průběh kontroly věrohodnosti stanovení;

obr.8 znázorňuje průběh osvětlovacích/detekčních paprsků;

obr.9 znázorňuje schematický pohled na oko určené k měření;

obr.10 zvětšená středová část oka z obr.9;

obr.11 šablona po stanovení hodnoty hor-w-t-w podle Holladay-Godwina.

• 4 4*44

44 » · · 4 4«·· • 444 44 »4 44 ·· 44

Oko 1_ měřené osoby se osvětlí výhodně infračerveným křížovým světelným zdrojem 2, jakým je světelný zdroj popsaný v WO 00/33729 (např. LED), uspořádaným okolo optické osy. V pozorovacím systému je koaxiálně k průběhu pozorovacích paprsků prolnut přes světelný dělič 4 světelný zdroj 3, který vysílá viditelné světlo (například LED mebo laserová dioda), na které se oko měřené osoby fixuje.

Obraz oka se vytvoří přes telecentrický zobrazovací systém 5. na obrazovém senzoru 6, kterým je výhodně kamera CCD a který je spojen s nezobrazenou řídící a vyhodnovací jednotkou. Videosignál kamery se zobrazí na (nezobrazeném) monitoru nebo dispeji LC.

Obsluha zařízení se může pomocí světelného zdroje 2^ v průběhu veškeré doby adjustáže a měření oka přesvědčit o tom, že oko je správně fixováno a že tedy výsledek měření není zkreslen. Zobrazení měřeného oka s relevantními obrazovými výřezy se provádí telecentrický, aby se minimalizoval vliv pacientovy fixace.

Obsluha přístroje zavede signál BAS kamery CCD po přesném nastavení pacientova oka do paměti počítače vyhodnocovací jednotky prostřednictvím obrazového převodníku. Tento obraz je schematicky zobrazen na obr. 9, přičemž zahrnuje zornici Ί_, průměr 9 zornice, duhovku 8_ a průměr 10 duhovky.

Obr. 10 znázorňuje výřez zornice s odrazovými body 11 osvětlovacích paprsků, obrazem fixujícího světla 12, středem 13 duhovky a středem 14 zornice.

9» » * 9 • 9 99·

9999

9 9 •999 99 • 9 4 9 • 9 99

Zpracováním tohoto obrazu se stanoví jednotlivé vzdálenosti v obrazu, ze kterých mohou být v závislosti na zobrazovacím měřítku pozorovací techniky vypočteny následující veličiny:

průměr a střed duhovky, průměr a střed zornice, souřadnice x a y rohovkového obrazu fixujícím světlem (1.

Purkiňovo zobrazení) ve vztahu ke středu duhovky a souřadnice x a y rohovkového obrazu fixujícím světlem (1.

Purkiňovo zobrazení) ve vztahu ke středu zornice.

Vzhledem k tomu, že duhovka a zornice lidského oka nemusí mít nezbytně kruhový tvar, mohou být v rámci další formy provedení vynálezu určeny také parametry elips, kterými jsou jejich poloosy a ohniska.

Měřené veličiny mohou být při vhodné volbě zobrazovacího měřítka zobrazovacího systému J5 stanoveny s početní přesností menší než plus/minus 0,01 mm.

Průměr duhovky poskytuje následující horizontální vzdálenost white-to-white:

white-to-white [ v mm] = 0_duhovka[ ^v pixelech] /počet pixelů na mm.

Souřadnice x a y Purkyněho zobrazení fixujícího světla poskytují průsečík osy vidění s rohovkou za předpokladu, že má meřená osoba oko správně fixované, což může obsluha přístroje v průběhu měření kontrolovat pomocí živého videozáznamu na ·· ·· 4» 44 4444

4*· · » t 4 4 4 • 44« · · 444 4 4 · ·· 4 4 · « · · « 4 4 4 · · 4444 4 4 S 4

4444 44 44 44 44 44 displeji LC. Osa vidění a optická osa oka mohou být od sebe odchýleny až o 8°, poněvadž centrální jamka (žlutá skvrna) může být odsazena 3° nasálně až 8° temporálně (o tom viz Vereinfachtes schematisches Auge nach Gullstrand in Díepes Refraktionsbestimmung, Verlag Bode, Pfortzheim, 5.vydání, 1988).

Uhel mezi osou vidění a optickou osou oka vyplývá z úhlových vztahů například pomocí Gullstrandova oka, ve kterých figuruje naměřený odstup obrazu fixačního bodu od středu duhovky nebo/a středu zornice.

Před interferometrickým změřením předních očních médií se stanoví vzájemná odchylka obou os vidění. Fixační bod uvedeného měřícího systému je vyznačen podél osy vidění. Stanoví se hodnota a směr odstupu tohoto bodu od středu zornice (a nebo od středu duhovky). Hledaný úhel se potom získá pomocí jednoduchých trigonometrických vzorců, například podle následujícího trigonometrického vzorce:

a = are tan (a/k) ve kterém a = úhel mezi osou vidění a optickou osou oka, a = odstup fixačního bodu od středu zornice (středu duhovky), k = vzdálenost styčného bodu (viz literatura Díepes) k rohovce minus R/2 (asi 2,8 mm).

·· ·· ·· ·4 ·· ···· » · · · · · · · · • ··· · · ··· · · · • · · · · · · ··· · · • ·· ···· · · · · ···· ·· ·· ·· ·· ··

Podle takto naměřené hodnoty se může provést nastavení zorného směru pacienta tím, že se mu nabídne fixující světlo pod vypočteným úhlem α. V takovém případě již není zapotřebí provádět vpředu popsané náročné hledání směru pohledu pacienta.

Způsob stanovení polohy zornice, duhovky a fixačního bodu

Blokový diagram (obr.l)

Jako výchozí materiál pro vyhodnocení se použije digitalizovaný šedý snímek ve zobrazovacím měřítku, které umožňuje pojmout celou duhovku se zařazeným osvětlením zobrazovacího pole. Po potlačení šumu se ve vyhodnocovací jednotce stanoví objekty: zornice, duhovka a obraz fixačního bodu. Výhodně se nejdříve nahrubo určí obraz zornice a tento se použije pro detekci duhovky vzhledem k tomu, že kontrast na okraji duhovky bývá zpravidla malý a kromě toho může být duhovka nahoře a dole překryta očními víčky, takže není možné kruhové zachycení duhovky, nýbrž pouze zachycení jejího sektoru. Při úspěšném provedení stanovení se získají parametry duhovky a zornice buď kruhového modelu (poloměr, střed) nebo elipsového modelu (poloosy, střed) . Fixační bod (tj . průsečík osy vidění s rohovkou) je vyjádřen jeho souřadnicemi, což znamená, že tyto souřadnice jsou k dispozici pro použitý program.

Potlačení šumu

Detekce okraje měřeného objektu provedena na bázi profilu hodnot šedi v originálním obrazu vede k velkému rozptylu při stanoveni skutečného místa okraje, který je způsoben zatížením • · • · • ··· • · · • · ··· ···· ·· ·· ·· ·· ·· obrazového signálu šumem. Za účelem potlačení tohoto šumu se použije 20x20-medianový filter.

Hrubá detekce zornice (obr.2/obr.3)

Pro hrubé stanovení zornice se použije binarizující metoda s následným hledáním souvisejících objektů v binárním obrazu.

Na obr.3 je zobrazena kamerou CCD zachycená distribuce hodnot šedi g(x,y) stanovená analýzou prahových hodnot (prahová hodnota 1) v souřadnicovém systému X/Y. Na této ploše se analýzou těžiště stanoví teoretický střed xo,yo a určí se kruhový/elipsový model s poloměrem R (to bude vysvětleno níže).

Binarižací podle vztahu:

se rozumí pixelova transformace hodnot sedí b(x,y) = > thr jinak ze přičemž platí, x - horizontální souřadnice pixelu, y = vertikální souřadnice pixelu, g(x,y) = hodnota šedi pixelu v místě (X,y) a thr = nikoliv negativní prahová hodnota.

Jako zornice je akceptován ten binární objekt, který překračuje určitou předem zvolenou minimální hodnotu a leží nejblíže ke středu obrazu. Binarizační postup s konstantní prahovou hodnotou je nevhodný pro svojí závislost na okolním • · • · • ··· • · · · · • · · t · · · ···· ·· ·· ·· ·· jasu. Proto se určí podle výše uvedeného postupu binární objekty pro sled prahových hodnot. Jako optimální prahová hodnota thr* je přijata taková prahová hodnota, při které dochází při inkrementaci k nejmenší změně u zvoleného binárního objektu (t j . poloha a velikost). Z binárního objektu přiřazenému této prahové hodnotě se jako hrubý odhad polohy zornice určí následující veličiny:

° Σ&,ϊ)

V - Σ^(^χ»τ)·7

T,s(x,y) (sumace přes všechny pixely obrazu) přičemž g(_{x y}y₌ P (^x>T)e binární objekt [ 0 jinak (x , y ) - těžiště plochy binárního objektu (souřadnice středu), 1/2

R = (plocha binárního objektu/π) (odhadnutý poloměr).

Jemná detekce zornice a duhovky (obr.4)

Místa hrany zornice a duhovky (hrana = okraj kruhu nebo elipsy) se určí z profilu hodnot šedi (= snímání hodnot šedi • · • · * * · · ·· ···· ··· ··· · · · • ··· · ···· · · · • ·· · · · · ···· ···· ·· ·· ·· ·· ·· mediánově filtrovaného obrazu podél určených drah) procházejícího skrze střed zhruba stanovené zornice (viz obrázek). Pokud jde o duhovku, zavede se předpoklad, že se její hrana nachází v určitém větším mezikruží uspořádaném koncentricky k nahrubo detekované zornici. Následující algoritmus platí odpovídajícím způsobem jak pro jemnou detekci zornice, tak i pro jemnou detekci duhovky.

Snímání se provádí pomocí vyhledávacích paprsků (detekční směry) S od xo,yo, přičemž detekční směs se postupně mění o úhel a. Hrubá vyhledávací oblast SB vyhledávacího paprsku S je vymezena již určeným hrubým modelem duhovky a zornice. Stanovení zornicové hrany K se provádí v rozsahu celého kruhu, zatímco stanovení hrany duhovky se vzhledem k možným překryvům víčky provádí pouze v určitém uhlové oblasti okolo osy X (takto se získají pro duhovku dvě kruhové výseče).

V získaných profilech se vhodným vyhlazením a numerickou diferenciací stanoví inflexní body. K tomu je známa celá řada postupů (například Savitzky A. a Golay, M.J.E. Analytical Chemistry, sv. 36, str. 1627-39, 1964), které mohou být účinně implementovány jako jednosměrné lineární filtry. Obecně se nalezne množina inflexních bodů podél profilů hodnot šedi. Jako místo hrany je z těchto poloh určena ta poloha (x,y), která splňuje následující podmínky:

a) (x,y) leží v mezikruží okolo (χ_θ,y₀) . (hrubá poloha zornice) s vnitřním a vnějším poloměrem, který může být pro detekci zornice a duhovky vždy stanoven v závislosti na rO (hrubý poloměr zornice);

• * ·» ·· · · ·· ··· • · · ··· · · ···· · · · · · · · ·

b) rozdíl mezi extrémními hodnotami ležímími okolo (x,y)

	v profilu hodnot šedi je hodnotově maximální ve všech
polohách,	které splňují podmínku a).
Tím	jsou pro	každý profil hodnot	šedi (tz.	pro každý
snímací	úhel a)	získány vždy nejvýše	dvě místa	hrany pro

modelování duhovky a zornice. Za účelem vyloučení systematických poruch, ke kterým dochází například překrytím duhovky nebo zornice při zúžené štěrbině mezi víčky, může být rozsah použitých snímacích úhlů omezen mapříklad tak, že se tento úhel nachází v rozmezí a . ,, , < a <a ., , pro stanovení hrany duhovky a mm, duhovka max, duhovka j j analogicky v rozmezí a . < a <a . pro stanovení hrany zornice.

max, zornice max, zornice -²

Aproximace zornicového/duhovkového modelu (obr.5;

Z množiny míst hrany (x_i,y_i) určených v předcházejícím kroku mohou být regresí stanoveny parametry zornicového a duhovkového modelu (rovněž buď kruh nebo elipsa) . To se provede minimalizací sumy kvadratických chyb

Σ₂ (x_,-x (x_i, y_L, p) ) ² + (Yi-y (x_i,y₁,p) ) ² > min (1) v množině možných parametrovách vektorů p (kruh: souřadnice středu a poloměr; elipsa: souřadnice středu, délky hlavních ·· · · · · • · · ♦ · · ♦ · ♦ · · · · · · • ··· · · ··· · « · • ·· · · · · ···· ·····» ·· ·· ·· ·· os, úhel velké hlavní osy k ose X). Pro kruhovou aproximaci je řešení vztahu (1) bezprostředně a numericky efektivní za použití metody rozkladu singulárních hodnot. Pro řešení restringovaného problému kvadratického členu v případě elipsové aproximace rovněž existuje řada standardních formulací (například v Bookstein F.L., Fitting conic sections to scattered data. Computer Graphics and Image Processing, sv.9, str.56-71, 1979 a Fitzgibbon A.W a

Fischer R.B., A buyer's guide to conic fitting. Proceedings of British Machine Vision Conference, Birmingham, 1995) .

Za účelem omezení vlivu nesouhlasných hodnot (například nesprávně určená místa hrany) se používá dvoustupňový regresní postup podle obr.5.

Kromě toho mohou být použity k selekci míst hrany alternativní postupy, které mají být použity pro aproxiomaci parametrů, jako například Houghova transformace pro kruhové modely.

Detekce fixačního bodu (obr.6)

Za účelem určení fixačního bodu se provádí binarizace (viz výše) nefiltrovaného obrazu kamery CCD za použití od thr* (prahová hodnota, která byla použita pro drubou detekci zornice) odvislé prahové hodnoty Θ_ρρ = s* thr* (s>l,0). Jako fixační bod je určen střed souvisejícího binárního objektu BF (hodnota šedi > Θ_ρρ) ležícího nejblíže stanovenému středu zornice PM, který vykazuje určitou minimální plochu.

·» ·» ♦♦· ··· ·· · • ··· · ···· · · · • · · · · ♦ · ···· • ··· ·· · · · · ·· ·«

Jiné nerelevantní binární objekty (například odrazové obrazy osvětlení LED) se identifikují podle jejich větší vzdálenosti od středu zornice a neberou se v úvahu.

Kontrola hodnověrnosti (obr.7)

Před vrácením určených souřadnic do vyvolaného programu se provede kontrola hodnověrnosti podle obr.7, aby se zamezilo tomu, že byly nalezeny případně nesprávně detekované prvky. Dotazy zahrnují předem známé vlastnosti zkoumaného objektu, se kterými musí stanovené výsledky koincidovat.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob stanovení vzdáleností v předním očním segmentu, výhodně průměru zornice nebo/a průměru duhovky, vyznačený t í m, že se pomocí jednotky pro snímání obrazu a uspořádání pro osvětlení oka zachytí a digitalizuje obraz alespoň části oka a za použití tohoto digitálního obrazu se intenzitní prahovou analýzou provede jako hrubé stanovení analýza těžiště a stanovení středu, zejména zornice, a pomocí tohoto hrubého stanovení se provede jemná detekce polohy okraje zornice nebo a okraje duhovky.
2. Způsob stanovení osy vidění, vyznačený tím, že se pomocí fixujícího světla stanoví průsečík osy vidění s rohovkou.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že se dodatečně z polohy odrazu fixujícího světla určí průsečík osy vidění s oční rohovkou ve vztahu k zornici nebo/a duhovce.
4. Způsob podle některého z nároků 1 až 3, vyznačený tím, že se z polohy odrazu fixujícího světla vzhledem ke středu zornice nebo/a středu duhovky určí úhel mezi osou vidění a optickou osou oka.

• · · · ·♦ · * ♦ ·· · · ♦ · · · • · · · · ···· · · « • · · · · · « · · · · · • ·· ···· ···· • •••·· ·· · · »· »«
5. Způsob podle nároku 4, vyznačený tím, že se pomocí uvedeného úhlu předběžně nastaví přístroj pro interferometrické měření dílčího úseku lidského oka podél optické osy tohoto oka.