DD203228B1 - Anordnung fuer spektrale untersuchungen am auge - Google Patents

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Mit der Anordnung für spektrale Untersuchungen am Auge werden in der Augenheilkunde durch Reflektionsspektrometrie Informationen über Physiologie und Pathologie am lebenden Auge gewonnen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Bestimmung des Hämoglobin- (Hb-) und Oxyhämoglobin- (HbO-) Gehaltes der Corioidea beschreibt Baurmann (Albr. v.

Graefes Arch. klin. exp. Ophthal. 126,1931, S. 536ff.) ein Gullstrandsches Ophthalmoskop, hinter dessen Okular ein Taschenspektroskop angeordnet ist.

Der gesamte Augenhintergrund wird mit weißem Licht beleuchtet. Das von dort reflektierte Licht wird spektral zerlegt und fotografiert.

Durch Densitometrie können aus einer Spektroskopfotografie zwar prinzipiell Absorbtionsspektren bestimmt werden, doch zeigt das Experiment kein typisches HbO- oder Hb-Spektrum.

Hickam und Frayser (Circulation Volume XXVII, March 1963, S.375ff.) beschreiben eine Anordnung, mit der es möglich ist, in den Netzhautvenen und Arterien auf der Papille die Sauerstoffsättigung zu bestimmen.

Durch eine modifizierte Funduskamera wird der Fundus im Umfeld der Papille mit weißem Licht beleuchtet. Mit zwei Kameras, vor die je ein Interferenzfilter gesetzt ist, werden gleichzeitig zwei Bilder des Augenhintergrundes hergestellt.

Densitometrisch wird die Schwärzung auf den Gefäßen und die Schwäzung der Papille bei den Wellenlängen λ 1 und λ 2 bestimmt. Unter Benutzung einer experimentell ermittelten Eichkurve wird aus den gemessenen Schwärzungen die Sauerstoffsättigung berechnet.

Riva (Applied Optics, Vol. 11 No8 1972, S. 1845ff.) stellt ein Zweistrahl-Fundusreflektometer vor. Nach Durchleuchtung eines rotierenden Filterrevolvers für sechs ausgewählte Wellenlängen wird die Lichtquelle auf den Fundus als ein Fleck mit einem minimalen Durchmesser von 0,3mm abgebildet. Dieser Leuchtfleck und das gesondert ausgeleuchtete Umfeld am Fundus können beobachtet werden. Durch Schwenken des gesamten Fundusreflektometers ist der Leuchtfleck auf interessierende Fundusorte positionierbar.

Der beleuchtete Funduspunkt im Meßstrahlengang und die Lichtquelle im Vergleichsstrahlengang werden nacheinander auf einen gemeinsamen Sekundärelektronenvervielfacher abgebildet. Störende Hornhautreflexe werden durch zwei gekreuzte Polarisatoren im Beleuchtungsstrahlengang und vordem Strahlungsempfänger beseitigt. Zur sicheren Funktion des Reflektometers müssen drei codierte verspiegelte Scheiben mit gleicher Drehzahl und konstanten Phasenbeziehungen rotieren.

Diese Drehzahl muß um einen konstanten Faktor größer als die Drehzahl des Filterrevolvers sein.

Der Sekundärelektronenvervielfacher erhält bei einer Umdrehung der Spiegelscheiben je einmal den Vergleichsstrahl und einmal den Meßstrahl.

Störend wirkt sich aus, daß bei den Übergängen zwischen Messen und Vergleichen Anteile des Meß- und des Vergleichsstrahls, ebenso wie Anteile der Umfeldbeleuchtung gleichzeitig auf den Empfänger treffen können.

Fotoempfänger, die über eine mit den Spiegelscheiben und dem Filterrad gekoppelte Zerhackerscheibe angesteuert werden, aktivieren Transistorschalter.

Von diesen werden das Meß- und das Vergleichssignal so oft auf Meß- und Vergleichsintegratoren für jede Wellenlänge geschaltet, wie das Verhältnis aus den Drehzahlen von Spiegelscheiben und Filterscheibe angibt. Der Dunkelstrom des

Sekundärelektronenvervielfachers und dessen Änderungen sind auch nach der Tastung dem Signal überlagert. Der Quotient aus Meß- und Vergleichssignal wird logarithmiert und als Extinktion auf einem Schreiber registriert. Zur Darstellung von langsamen

zeitlichen Änderungen, die durch Beeinflussung des Untersuchungsobjektes erzeugt werden, wird von dem zeitabhängigen

Logarithmiererausgangssignal der Logarithmus des Quotienten der Anfangswerte von Meß- und Vergleichsstrahl substrahiert. Mit dieser Anordnung konnte gezeigt werden, daß sich bei Albinokaninchen das von einem Aderhautgefäß reflektierte Licht in Abhängigkeit vom Augendruck ändert. Ein Gerät, mit dem die fotochemischen Veränderungen in der dunkel adaptierten Netzhaut des Menschen (Rhodopsinausbleichung) untersucht werden können, wird von Weale (Optica Acta 6,1959, S. 158-174) angegeben. Das sequentielle Fundusreflektometer beleuchtet in schneller Folge den Fundus mit monochromatischem Licht, das durch 26 Interferenzfilter erzeugt wird. Den Meßstrahl registriert ein Sekundärelektronenvervielfacher, dessen Ausgangssignal an einem Oszillographen angezeigt wird. Das kinematographisch registrierte Oszillographenbild gestattet es, die Änderungen des Fotostromes auszuwerten. Umfassende Meßergebnisse zur Pigmentregeneration nach eingehender Bleichung der Fundusperipherie wurden von Weale (Vision Res. Vol. 2,1962, S. 25-33) veröffentlicht.

Ziel der Erfindung

Die Anordnung für spektrale Untersuchungen am Auge dient der objektiven reflektometrischen Untersuchung der Physiologie und Pathologie des lebenden Auges, vorwiegend des Fundus.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, die es ermöglicht, regulär und diffus reflektiertes Licht voneinander zu trennen und das diffus reflektierte Licht auszuwerten. Spektroskopische Messungen des diffus reflektierten Lichtes an beliebigen Bereichen des Augenhintergrundes sollen durchgeführt und Bereiche gleichen Reflexionsvermögens erkannt werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Anordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Leuchtfleck im Beleuchtungsstrahlengang senkrecht zu der optischen Achse in der Ebene verstellbar ist und eine zueinander starre Anordnung eines Polarisators im Beleuchtungsstrahlengang und eines Analysators im Meßstrahlengang entsprechend der Verstellung des Leuchtfleckes um die optische Achse drehbar angeordnet ist.

Das Ophthalmoskop enthält eine Einheit zum Erzeugen einer monochromatischen Strahlung, deren Wellenlänge und Bandbreite kontinuierlich verändert werden kann. Diese Strahlung wird so auf den Augenhintergrund geleitet, daß über eine in Koordinaten meßbar verschiebbare Feldblende kleinen Durchmessers oder über eine in Koordinaten meßbar verschiebbare Lichtquelle am Fundus ein kleiner Leuchtfleck entsteht. Die Trennung von regulär und diffus reflektierter Strahlung wird für jede Position des Leuchtpunktes am Fundus ermöglicht, indem im monochromatischen Beleuchtungsstrahlengang ein Polarisator linear polarisiertes Licht erzeugt und ein Analysator im Meßstrahlengang dazu in gekreuzter Stellung steht.

Gemäß der Erfindung ist die Anfangsjustierung des Polarisators im Beleuchtungsstrahlengang mit der φ-Verstellung des Leuchtpunktes (bei Verwendung von Polarkoordinaten) so gekoppelt, daß für jede Leuchtpunktposition ein Azimut von 0 Grad oder 90 Grad garantiert ist. Der Analysator im Meßstrahlengang ist ebenfalls mit der φ-Verstellung gekoppelt, so daß die gekreuzte Stellung beider Polarisatoren erhalten bleibt.

Zur Beseitigung von Reflexen am vorderen Augenabschnitt wird der Helmhotzsche Lochspiegel in Verbindung mit der Trennung der Aperturblenden für Beleuchtungs- und Meßstrahlengang verwendet. Der monochromatisch beleuchtete Funduspunkt muß im beleuchteten Umfeld sichtbar sein. Dazu wird die vorwiegend polychromatische Umfeldbeleuchtung in den monochromatischen Meßstrahlengang durch Amplituden- oder Wellenfrontteilung eingeleitet.

Störende Reflexe an der Ophthalmoskoplinse werden in bekannter Weise durch die Abbildung von Antireflexblenden in die Aperturblende des Beobachtungs- und Meßstrahlenganges beseitigt. Aus dem Beobachtungsstrahlengang, der in bekannter Weise ausgeführt ist, wird durch Amplitudenteilung mit einem halbdurchlässigen Spiegel oder durch Wellenfrontteilung mit einem Prisma oder einem Spiegel in einer Austrittspupille der Meßstrahlengang abgezweigt.

Zum Ausgleich von Intensitätsschwankungen der Lichtquelle wird von der Beleuchtungsstrahlung ein abgleichbarer Vergleichsstrahl abgezweigt, der abwechselnd mit dem Meßstrahl auf einen gemeinsamen Empfänger fällt.

Während der monochromatische Leuchtpunkt kontinuierlich den Fundus beleuchtet, wird die Umfeldbeleuchtung so gechoppert, daß bei gesperrter Umfeldbeleuchtung der Vergleichsstrahl auf den Empfänger gelangt.

Weiterhin wird garantiert, daß zu keinem Zeitpunkt Anteile von Meß-, Vergleichs- oder Umfeldlicht gleichzeitig auf den Sekundärelektronenvervielfacher fallen.

Die spektralen Messungen am Auge können in Hinblick auf die Anwendung geeigneter Theorien zur Bestimmung der Absorbtionseigenschaften aus dem Reflexionsspektrum in verschiedenen Verfahrensschritten erfolgen:

1. Sequentielle Messung eines Weißstandards, des Untergrundes und der zu untersuchenden Augenabschnitte vordem Untergrund mit dem Meßstrahl bei gleichzeitiger Verwendung des Vergleichsstrahles im Durchlicht.

2. Messung des Untergrundes mit dem Meßstrahl bei gleichzeitiger Messung eines Weißstandards mit dem Vergleichsstrahl. Anschließende Messung der Augenabschnitte vor dem Untergrund bei gleichzeitigem Messen eines Weißstandards mit dem Vergleichsstrahl.

3. Messung des Untergrundes mit dem Meßstrahl bei gleichzeitiger Messung eines Weißstardards mit dem Vergleichsstrahl. Anschließende Messung der Augenabschnitte vor dem Untergrund bei gleichzeitigem Messen des Untergrundes mit dem Vergleichsstrahl.

Als Untergrund für die spektralen Messungen am Augenhintergrund kommt die Sklera in Frage.

Bei Messungen des Augenhintergrundes im Vergleich zu einem Weißsfandard oder im Vergleich zum Untergrund (Außenseite der Sklera) werden die Absorbtionsverhältnisse aller auf dem Lichtweg im Auge liegenden Schichten als Summe erfaßt. Durch den Bezug auf einen ausgezeichneten Funduspunkt (z.B. Papille) wird der Einfluß der vor dem Fundus liegenden Augenbestandteile auf die Absorptionsmessung am Fundus eliminiert.

Die Differentialdiagnose bei Augenerkrankungen wird durch die Anwendung der Anordnung objektiviert.

Ausführungsbeispiel

Die Anordnung für spektrale Untersuchungen am Auge wird am Beispiel eines universellen Spektrometer für Untersuchungen am lebenden Auge näher erläutert.

Die Figur stellt das Prinzip der Anordnung für spektrale Untersuchungen am Auge dar.

Das Licht einer Lichtquelle 1 wird von einem Monochromator 2 mit kontinuierlich veränderbarer Wellenlänge und spektraler Bandbreite zerlegt. Eine Beleuchtungsoptik 3 beleuchtet eine Leuchtpunktpositioniereinrichtung 4, in der eine Feldblende kleinen Durchmessers in Polarkoordinaten verschiebbar angeordnet ist. Das durch die Feldblende gelangende Licht wird in einem Polarisator 5 linear polarisiert. Die Aperturblende des monochromatischen Beleuchtungsstrahlenganges wird in bekannter Weise in die Pupille eines Patientenauges 14 abgebildet. Da das monochromatische Licht die Hornhaut nahezu unter dem Einfallswinkel 0 Grad durchdringt, erreicht linear polarisiertes Licht den Fundus.

Die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes wird nach Anfangsjustierung so gedreht, daß für beliebige Leuchtpunktpositionen am Fundus das Azimut, der Winkel zwischen Polarisationsebene und Einfallsebene, immer 90 Grad oder 0 Grad beträgt. Dazu ist der Polarisator 5 mit der Winkelverstellung der Leuchtpunktpositioniereinrichtung 4 gekoppelt.

Das von dem auf den Fundus abgebildeten Leuchtpunkt reflektierte Licht wird von der Ophthalmoskoplinse aufgenommen und gelangt durch den Analysator 6.

Die Schwingungsebene des Lichtes, das durch den Analysator 6 fällt, ist um 90 Grad zur Schwingungsebene des durch den Polarisator 5 einfallenden Lichtes gedreht. Der Polarisator 5 und der Analysator 6 sind so miteinander gekoppelt, daß bei Drehung des Polarisators 5 der Winkel 90 Grad zwischen den Polarisätionsebenen von Polarisator 5 und Analysator 6 erhalten bleibt.

Da die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes für die Azimute 0 Grad und 90 Grad im regulär reflektierten Licht erhalten bleibt, gelangt durch den Analysator 6 nur der diffus am Augenhintergrund reflektierte Strahlungsanteil. Der Analysator 6 hat ein Loch, durch das die monochromatische Eingangsstrahlung ohne Verändern der Polarisationsebene fällt.

Nach Passieren des Analysators 6 gelangt die reflektierte Strahlung auf den um 45 Grad zur Achse der monochromatischen Eingangsstrahlung geneigten Helmholtzschen Lochspiegel. Durch ein abbildendes optisches System 7 wird die reflektierte Strahlung unter Anwendung eines Fehlsichtigkeitsausgleiches auf den fotoelektrischen Empfänger abgebildet, wobei durch Amplituden- oder Wellenfrontteilung ein Teil dieser Strahlung über ein Okular dem Beobachter zum Einstellen des Leuchtpunktes auf definierte Fundusbereiche zur Verfügung steht.

Zur Orientierung des Beobachters ist zusätzlich zum monochromatischen Beleuchtungsstrahlengang durch Amplituden- oder Wellenfrontteilung in Lichtrichtung vordem Polarisator 5 eine Umfeldbeleuchtung 15 angeordnet, und es wird weißes Licht auf den Fundus geleitet. Die Reflexe an den Elementen, die sowohl in den Beleuchtungsstrahlengängen, als auch in dem Beobachtungs- und Meßstrahlengang liegen, werden in bekannter Weise durch Trennung der Beleuchtungs- und Meßapertur und unter Verwendung von Antireflexblenden beseitigt. Aus dem monochromatischen Beleuchtungsstrahlengang wird ein Teil als Vergleichsstrahl abgezweigt. Das dazu erforderliche Element und das optische Element zum Einleiten des weißen Umfeldlichtes befinden sich vorzugsweise in zur Aperturblende optisch konjugierten Ebenen.

Durch den Vergleichsstrahlengang werden in Transmissionsanordnung

- die spektrale Lampencharakteristik,

- zeitliche Änderungen der Lampenleistung,

- die Abhängigkeit des monochromatischen Strahlungsflusses von der Position der Leuchtpunktblende ausgeglichen. In Reflexionsmessung werden zusätzlich mit dem Vergleichsstrahl die Bezugsmessung des Fundus gegenüber einem Weißstandard oder gegenüber dem Fundusuntergrund durch Verwendung der äußeren Sklera als Vergleichsoberfläche vorgenommen.

Meß- und Vergleichsstrahl werden vom gleichen Empfänger 8 registriert.

Während das monochromatische Beleuchtungslicht ständig den Fundus bestrahlt, wird das Umfeldlicht ebenso wie der Meß- und der Vergleichsstrahl unterbrochen. Ist das Umfeldlicht gesperrt, so wird vom Empfänger das Meßlicht registriert. Gelangt das Umfeldlicht auf den Augenhintergrund, so ist der Meßsstrahl gesperrt, während der Vergleichsstrahl auf den Empfänger fällt.

Zwischen der Registrierung des Meß- und Vergleichslichtes sind sowohl diese beiden Strahlengänge als auch das Umfeldlicht unterbrochen.

Die ordnungsgemäße Zuordnung der Unterbrechungs- und Durchlaßphasen ist dann gegeben, wenn das Zerhacken aller drei Strahlengänge durch das gleiche Zerhackerelement 9 vorgenommen wird.

Da Meß- und Vergleichsstrahlengang geringe Intensitäten besitzen, können diese Signale vorteilhaft im Photonenzählverfahren registriert werden.

Mit abnehmender Bandbreite des monochromatischen Lichtes werden gleichzeitig die spektrale Auflösung und die Einsatzbedingungen für das Photonenzählen verbessert.

Das Photonenzählen stellt eine direkte digitale Meßwertwandlung dar, mit dem ohne die sonst übliche Analog-Digital-Wandlung ein digitalrechnergerechtes Signal entsteht.

Über das Zerhackerelement 9 werden für Meß- und Vergleichsstrahl mindestens je ein Steuerempfänger 10,11 angestrahlt, die die zur Bestimmung des Meßergebnisses als Impulsrate (Impulse pro Zeit) erforderliche Meßdauer liefern. Während der Zeit, da die Steuerempfänger im Meß- und Vergleichsstrahlengang unbeleuchtet sind, wird der Dunkelstrom bestimmt.

Die Koordinaten des Leuchtpunktes werden vom Meßsystem zur Informationsverarbeitung bereitgestellt. Die Verarbeitung von Meß-, Vergleichs- und Dunkelstromsignal erfolgt in einem Rechner 12, der gleichzeitig die Signale zur Steuerung des Ophthalmo-Spektrometers wie Wellenlängen- und Bandbreitenveränderung und Meßpunktpositionierung liefert. Unter Verwendung eines Weißstandards 13 im Vergleichsstrahlengang, als das auch die Außenseite der Sklera herangezogen werden kann, werden aus dem vor dem Untergrund der Sklera diffus reflektierenden Licht die Absorbtionseigenschaften interessierender Fundusbereiche bestimmt.

Werden diese Messungen auf einen ausgewählten Funduspunkt, z.B. Papille, bezogen, so liefert die Berechnung die relativen lokalen Absorptionsverhältnisse der Fundusschichten.

Claims (4)

1. Anordnung für spektrale Untersuchungen am Auge unter Verwendung eines Ophthalmoskops mit mindestens einem Beleuchtungsstrahlengang zur Erzeugung eines Leuchtfleckes, mit Beleuchtungsoptik, Polarisator und Patientenauge, einem Vergleichsstrahlengang, einem Meßstrahlengang mit dem Patientenauge, Abbildungsoptik, Analysator und mindestens einem Empfänger, einem Element zur Aufteilung des Beleuchtungs- und Meßstrahlenganges und einem Beobachtungsstrahlengang, dadurch gekennzeichnet, daß der Leuchtfleck im Beleuchtungsstrahlengang senkrecht zu der optischen Achse in der Ebene verstellbar ist und eine zueinander starre Anordnung eines Polarisators (5) im Beleuchtungsstrahlengang und eines Analysators (6) im Meßstrahlengang entsprechend der Verstellung des Leuchtfleckes um die optische Achse drehbar angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Polarisator (5) und Analysator (6) zueinander eine feste um 90 Grad versetzte Polarisationsrichtung haben.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine meßbar verstellbare Lochblende den Leuchtfleck positioniert.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchstimmbarer Farbstofflaser, dessen Leuchtbündel positionierbar ist, den Leuchtfleck erzeugt.