DE10039896A1 - Tonometer zur berührungslosen Messung des Augeninnendrucks - Google Patents

Abstract

Die Messung des Augeninnendruckes geschieht bislang durch mechanische Verformung der Cornea (Applanations- und Luftimpulstonometer) unter Beeinträchtigung des Patienten. Die Messung des Augeninnendruckes aus den Schwingungseigenschaften des Auges wurde in mehreren Erfindungen vorgeschlagen. In bisherigen Erfindungen wurde noch keine Methode vorgeschlagen, mit der ausreichende Schwingungsamplituden erreicht werden können. DOLLAR A Die zur Anregung einer zur Messung mit der Schwingungsmesseinheit ausreichenden Schwingungsamplitude wird mit einer Anordnung, bestehend aus einer Schalldruckkammer, einem mit dieser gekoppelten Schallwandler und einer flexiblen Manschette zur Ankopplung an das Auge, realisiert. Dadurch läßt sich gegenüber einer Anordnung ohne direkte Ankopplung an das Auge eine deutliche Erhöhung der Anregungsleistung erzielen. Die Messung erfolgt dabei z. B. durch optische oder akustische Triangulation, Laufzeitmessung oder Auswertung von Interferenzen. DOLLAR A Das Tonometer eignet sich zur berührungslosen, fast kraftfreien Messung des Augeninnendruckes und weist erheblich geringere Nebenwirkungen auf als bisherige Geräte.

Description

Referenzen

US-4928697
US-5148807
US-4928697
US-5396888
US-5636635
US-5375595
EP-536574

Kurzbeschreibung der Erfindung

Es wird ein Tonometer zur berührungslosen Messung des Augeninnendrucks vorgeschlagen. Das Auge wird durch einen Helmholtzresonator zu Schwingungen angeregt und die Schwingungen akustisch oder optisch gemessen. Durch Variation der Anregungsfrequenz und Messung der Augenschwingung lässt sich die Resonanzfrequenz des Auges bestimmen, die in charakteristischer Weise vom Augeninnendruck abhängt, so dass sich aus ihr der Augeninnendruck berechnen lässt.

Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1 Messprinzip der Applanationstonometrie. Die Bestimmung des Augeninnendrucks erfolgt durch Applanation der Cornea auf einer bestimmten Fläche und Messung der Kraft, die zur Applanation erforderlich ist.

Fig. 2 Messprinzip der berührungslosen Luftimpressionstonometrie. Die Applanation der Cornea erfolgt mit Hilfe eine Luftimpulses, der einen Staudruck auf der Cornea hervorruft. Die Messung der Applanation erfolgt optisch z. B. durch Auswertung eines von der Cornea reflektierten Meßstrahls

Fig. 3 Abhängigkeit der Schwingungsamplitude des Auges vom Augeninnendruck. Mit steigendem Augeninnendruck nimmt bei einer konstanten Anregungsfrequenz die Schwingungsamplitude in charakteristischer Weise ab, so dass sich daraus der Augeninnendruck bestrimmen lässt.

Fig. 4 Berührungsloses Tonometer mit Helmholtzresonator
1 Helmholtzresonator
2 Schallwandler
3 Laser-Vibrometer zur Messung der angeregten Schwingung mit Auswertelektronik und Anzeige sowie Bedienelementen
4 Patientenauge
5 Manschette
6 optischer oder akustischer Messstrahl
7 Resonatoröffnungen zur Dimensionierung der Resonanzfrequenzen
8 Fenster

Fig. 5 Schalldruck im Helmholtzresonator nach Fig. 4 und Schalldruck eines freien Lautsprechers
1 Schalldruck im Helmholtzresonator
2 Schalldruck des freien Schallwandlers

Fig. 6 Tonometer mit Anregungseinheit bestehend aus 2 gekoppelten Helmholtzresonatoren
1 Erster Helmholtzresonator
2 Schallwandler
3 Laser-Vibrometer zur Messung der angeregten Schwingung mit Auswertelektronik und Anzeige sowie Bedienelementen
4 Patientenauge
5 Manschette
6 optischer oder akustischer Messstrahl
7 Resonatoröffnungen zur Dimensionierung der Resonanzfrequenzen
8 Fenster
9 Zweiter Helmholtzresonator

Fig. 7 Schalldruck zweier Helmholtzresonatoren mit benachbarten Resonanzfrequenzen über der Frequenz und Schalldruck des gekoppelten Systems. Die gekoppelte Anregungseinheit besitzt einen hohen Schalldruck über einen breiten Frequenzbereich.
1, 2 Schalldrücke der zwei Resonatoren nach Fig. 6
3 Schalldruck des gekoppelten Systems aus beiden Resonatoren

Fig. 8 Schalldruck einer Anregung aus 2 gekoppelten Helmholtzresonatoren mit 2 unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Es entsteht eine Anregungseinheit mit 2 schmalbandigen Frequenzbereichen mit hohen Schalldrücken.

Beschreibung Stand der Technik

Die Messung des Augeninnendrucks ist eine Standardmethode in der Ophtalmologie. Diese Messung dient insbesondere zur Diagnose und zur Überwachung von Glaukom gefährdeten Menschen, bei denen auf Grund eines erhöhten Augeninnendrucks der Sehnerv so geschädigt wird, daß Erblindung eintreten kann.

Im allgemeinen wird zur Messung des Augendrucks heute die Tonometrie nach Goldmann verwendet, die auf einer Applanation der Cornea beruht und die Berechnung der Intraokulardrucks aus der zur Applanation einer bestimmten Fläche notwendigen Kraft vornimmt (Fig. 1). Mit dieser Meßmethode ist eine genaue Bestimmung des Augeninnendrucks möglich, durch die verformende und kontaktbehaftete Messung ergeben sich jedoch eine Reihe von gravierenden Nachteilen:

• - Trotz Desinfektion des Meßinstruments sind Augeninfektionen nicht vermeidbar
• - Die Applanation der Cornea ist für den Patienten schmerzhaft, so daß mit Nebenwirkungen behaftete Anästhetika eingesetzt werden müssen
• - Die Anwendung des Meßinstrumentes ist nur durch den approbierten Augenarzt möglich und läßt eine wünschenswerte Selbsttonometrie durch den Patienten oder dessen Angehörige nicht zu.
• - Postoperative Tonometrie zur Überwachung des Operationserfolgs ist aufgrund der zur Messung erforderlichen, starken Verformung der Cornea nicht möglich

Seit einiger Zeit sind sogenannte berührungslose Tonometer erhältlich (z. B. US Pat. 3538754), bei denen der Meßstempel durch einen Luftstoß ersetzt wird. Von einer in direkter Nähe vor der Cornea plazierten Luftdüse wird zur Messung des Augeninnendrucks ein Luftstrahl ausgestoßen. Der dadurch vor der Cornea entstehende und auf das Auge wirkende Staudruck besitzt eine annähernd lineare Druck-Zeit-Beziehung. Meßgröße ist bei diesen Geräten üblicherweise die zur Applanation der Cornea erforderliche Zeit oder der zum Zeitpunkt der Applanation im Gerät vorherrschende Staudruck. Die Applanation der Cornea wird meist optisch bestimmt (Fig. 2). Nachteilig bei diesen Tonometern ist die geringe Meßgenauigkeit. Zudem kann es durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Luft zu Mikroschädigungen der Cornea kommen. Von den meisten Patienten wird der Luftpuls als unangenehm empfunden, was in manchen Fällen zu einer Abwehrhaltung führt und die Messung unbrauchbar machen kann. Eine Selbsttonometrie ist mit diesen Geräten aufgrund obiger Nachteile weiterhin nicht möglich, ebenso ist der postoperative Einsatz wie bei den herkömmlichen Tonometern wegen der notwendigen starken Verformung der Cornea nicht durchführbar.

Eine neue Möglichkeit, den Augeninnendruck zu bestimmen, ist die Ermittlung des Schwingungsverhaltens des Auges. Dieses ist in charakteristischer Weise abhängig vom intraokularen Druck. Beispielsweise sinkt die Schwingungsamplitude des Auges bei Anregung mit konstanter Frequenz und Amplitude mit zunehmendem Intraokularen Druck charakteristisch, so daß aus der gemessenen Schwingungsamplitude auf den Augeninnendruck rückgeschlossen werden kann (Fig. 3). Für diese neue Meßmethode ist es jedoch erforderlich, das Auge im schwingungsfähigen Bereich von einigen 10 Hz bis zu wenigen kHz zum Schwingen anzuregen. Aufgrund des hohen Sprungs der akustischen Impedanz zwischen der das Auge umgebenden Luft und dem Auge wird jedoch nur ein geringer Teil der auf das Auge treffenden Schalleistung in das Auge eingekoppelt. Als Folge werden auch bei Bestrahlung des Auges mit hohen Schalldrücken nur geringe Schwingungsamplituden des Auges erreicht. Die hohen Schalldrücke im hörbaren Frequenzbereich beeinträchtigen das Befinden des Patienten, die geringen Schwingungsamplituden erfordern einen großen Aufwand bei der Messung der Schwingungen und erhöhen die Meßungenauigkeit.

In verschiedenen Patentanmeldungen werden Verfahren und Systeme beschrieben, mit denen sich der Augeninnendruck aus dem Schwingungsverhalten des Auges ermitteln lässt.

In den Patentanmeldungen US-4928697 und US-5148807 von Hsiung Hsu wird ein System beschrieben, bei dem das Auge mit einer konstanten Frequenz angeregt wird. Der Augeninnendruck ist nach den Erfindern eine Funktion der angeregten Schwingungsamplitude. Die im Patent US-4928697 dargestellte Anregungseinheit stellt jedoch einen akustischen Hochpaß dar, mit dem sich am Auge keine ausreichende Schallwechselamplitude im beschriebenen Frequenzbereich erzeugen lässt.

Die in den Patentanmeldungen EP 536574, US-5396888, US-5636635 von Massie beschriebenen Tonometer nutzen zur Applanation oder Impression der Cornea den Langewinschen Strahlungsdruck einer Ultraschallwelle. Die Ermittlung des Augeninnendrucks erfolgt in diesen Systemen über die Messung der Corneaimpression in Abhängigkeit von der Ultraschallintensität.

In der Patentschrift US 05375595 von Dipen N. Sinha wird ein System genannt, das das Auge durch eine amplitudenmodulierte Ultraschallwelle mit variabler Frequenz zum Schwingen anregt und berührungslos die Resonanzfrequenz des Auges mißt. Der Augeninnendruck wird dann nach einem nicht genauer genannten Verfahren aus dieser Resonanzfrequenz ermittelt.

Keine dieser Anmeldungen beschreibt jedoch eine funktionierende und berührungsfreie, akustische Anregung. Aus Messungen ist bekannt, daß für die Anregung einer Schwingung von 1 µm Amplitude ein Schalldruck von 147 dB_A erforderlich ist, die sich nicht mit herkömmlichen Schallwandlern erreichen lässt. Für die Anregung des Auges durch den Strahlungsdruck einer Ultraschallwelle ist ein noch höherer Schalldruck erforderlich, die sich mit bisher bekannten Ultraschallwandlern nicht erreichen läßt. Entsprechend sind zu den vorgenommenen Patentanmeldungen keine Realisierungen und wirtschaftlichen Verwertungen bekannt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zu schaffen, welche die berührungslose Messung des Augeninnendrucks durch Anregung des Auges zu Schwingungen mit ausreichender Amplitude sowie die berührungslose Messung dieser Schwingungen und die Berechnung des Augeninnendrucks aus diesen gemessenen Schwingungen erlaubt, ohne das Wohlbefinden des Patienten durch abgestrahlten Schall hoher Lautstärke zu beeinträchtigen.

Lösung

Die Lösung der Aufgabe ist daher, das Auge mit Hilfe eines Helmholtzresonators anzuregen und die derart angeregten Schwingungen berührungslos zu messen und daraus den Augeninnendruck zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Schalldruckkammer, einem mit dieser gekoppelten Schallwandler (z. B. Lautsprecher) und einer flexiblen Manschette, mit der das Anregungssystem schalldicht an die Augenhöhle angekoppelt werden kann und mit der das Auge oder Teile des Auges zum Schwingen angeregt werden können. Der zur Anregung des Auges erforderliche hohe und für den Patienten unangenehme Schalldruck wird dabei nur innerhalb des aus der Druckkammer gebildeten Helmholtzresonators wirksam. Außerhalb dieser Kammer herrscht nur ein geringer Schalldruck, so dass im Gegensatz zu den in bisherigen Patenten beschriebenen Verfahren eine wesentlich geringere Beeinträchtigung des Patienten stattfindet. Desweiteren ermöglicht die Helmholtzkammer durch ihre konstruktive Ausprägung als Resonanzkörper eine starke Erhöhung des vom Schallerzeuger emittierten Schalldrucks, so daß sich mit dieser Anordnung eine Schwingungsanregung des Auges oder Teile des Auges mit ausreichender Amplitude erreichen lässt.

Die angeregten Schwingungen werden berührungslos von einer Schwingungsmeßeinheit gemessen. Die Messung kann dabei z. B. durch optische oder akustische Triangulation oder Laufzeitmessung optischer oder akustischer Wellen oder durch Ausnutzung von Interferenzeigenschaften optischer oder akustischer Wellen vorgenommen werden. Das Schwingungsverhalten des Auges oder Teile des Auges hängen in charakteristischer Weise vom Augeninnendruck ab, so daß der Augeninnendruck aus den aufgenommenen Schwingungen bestimmt werden kann. Dies ist entweder durch Auswertung der Schwingungsamplitude bei Anregung mit einer konstanten Frequenz oder durch Auswertung der Resonanzfrequenz des Auges oder eines Teils des Auges möglich. Die Resonanzfrequenz kann dabei durch Anregung mit einer variablen Frequenz oder Anregung mit einem Schallsignal, welches mehrere Frequenzkomponenten oder einen spektralen Bereich enthält, bestimmt werden.

Eine mögliche Ausführung der Erfindung zeigt Fig. 4. Das Tonometer besteht in diesem Fall aus einem Anregungssystem mit Helmholtzresonator 1 und Laser-Vibrometer zur Messung der angeregten Schwingung mit Auswertelektronik und Anzeige sowie Bedienelementen 3. Das Tonometer wird mittels einer Manschette 5 dicht an Wangen und Stirn angekoppelt und umschließt das Auge, ohne es zu berühren. Der Schalldruck im Innern der Kammer wird mit einem Schallwandler 2 erzeugt. Eine oder mehrere Resonatoröffnungen 7 erzeugen zusammen mit der Form und dem Volumen der Helmholtzkammer 1 das gewünschte Frequenz/Druckverhalten des Anregungssystems. Der hohe Schalldruck ist dabei nur innerhalb der Kammer vorhanden. Durch ein Fenster 8 wird der optische oder akustische (Ultraschall-)Meßstrahl durch die Helmholtzkammer auf das Auge geführt. Das Vibrometer kann aber auch innerhalb der Helmholtzkammer plaziert werden oder als konstruktives Teil der Helmholtzkammer ausgebildet sein. Als Fenster zum ein- und auskoppeln von Meßsignalen können auch die Resonatoröffnungen 7 genutzt werden.

Fig. 5 zeigt den Verlauf des Schalldrucks innerhalb der Helmholtzkammer und am Auge 1 im Vergleich zum Schalldruck eines freien Lautsprechers 2 über der Anregungsfrequenz. Bei einer charakteristischen Frequenz, die durch das Volumen der Kammer, sowie Größe und Form der Öffnungen gegeben ist, tritt eine Resonanz mit starkem Anstieg des Schalldrucks innerhalb der Kammer auf. Durch entsprechende Dimensionierung läßt sich somit das gewünschte Frequenz-/Druckverhalten einstellen.

Eine Erweiterung des beschriebenen Anregungsverfahrens ist durch die Kopplung mehrerer Helmholtzkammern möglich. Eine mögliche Ausführung eines Tonometers aus zwei gekoppelten Helmholtzresonatoren (1 und 9) zeigt Fig. 6. Es sind jedoch auch mehrere gekoppelte Resonatoren denkbar. Eine Koppelung ist hierbei beispielsweise durch Ankoppelung an den Schallwandler (Fig. 6) oder über die Resonatoröffnungen oder eine passive Koppelmembran möglich. Durch eine geeignete Dimensionierung der beiden oder mehreren Resonatoren kann ein breites Frequenzband mit hohem Anregungsdruck oder mehrere schmalbandige Frequenzbereiche mit hohen Schalldrücken erreicht werden. Fig. 7 zeigt den Verlauf des Schalldrucks für eine Anregung mit breitem Frequenzband 3 durch Kopplung zweier Resonatoren, sowie den Frequenzgang (1, 2)der beiden ungekoppelten Helmholtzresonatoren. Fig. 8 zeigt den Frequenzgang eines gekoppelten Systems mit 2 schmalbandigen Frequenzbereichen mit hohem Schalldruck.

Es ist desweitern möglich, einen Drucksensor in die Helmholtzkammer vor dem Auge einzubringen und damit den effektiven auf das Auge wirkenden Schalldruck zu messen. Auf diese Weise lassen sich sowohl Druckschwankungen als auch Inkonstanzen im Frequenzgang des Anregungssystems messen und bei der Bestimmung des Augeninnendrucks aus den gemessenen Augenschwingungen berücksichtigen. Desgleichen kann mit Hilfe des Drucksensors eine Regelung des Anregungsschalldrucks vorgenommen werden, so daß ein konstanter Anregungsdruck unabhängig von System- und Umgebungsschwankungen und über einen breiten Frequenzbereich erreicht wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung des Augeninnendrucks gekennzeichnet dadurch, daß der Augeninnendruck aus dem Schwingungsverhalten des Auges bestimmt wird, und die Anregung der Schwingungen des Auges mit Hilfe eines Helmholtzresonators geschieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Augeninnendruck durch Messen der Augenschwingungen innerhalb eines schmalen Frequenzbandes bestimmt wird, und die Anregung der Schwingungen des Auges mit Hilfe eines Helmholtzresonators geschieht, dessen Resonanzfrequenz so dimensioniert wurde, daß sie bei dieser Meßfrequenz oder innerhalb dieses schmalen Meßfrequenzbandes liegt, so daß in diesem Frequenzband oder bei dieser Frequenz ein hoher Schalldruck auf das Auge wirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Augeninnendruck durch Messen der Augenschwingungen bestimmt wird, und die Anregung der Schwingungen des Auges mit Hilfe zweier oder mehrerer gekoppelter Helmholtzresonatoren geschieht, dessen einzelne Resonanzfrequenzen so dimensioniert wurden, daß bei diesen diskreten Meßfrequenzen oder innerhalb dieser schmalen Frequenzbänder ein hoher Schalldruck auf das Auge wirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Augeninnendruck durch Messen der Augenschwingungen bestimmt wird, und die Anregung der Schwingungen des Auges mit Hilfe zweier oder mehrerer gekoppelter Helmholtzresonatoren geschieht, dessen einzelne Resonanzfrequenzen so dimensioniert wurden, daß innerhalb eines Frequenzbandes ein hoher Schalldruck auf das Auge wirkt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Augeninnendruck durch Messen der Augenschwingungen bestimmt wird,
und die Anregung der Schwingungen des Auges mit Hilfe eines Helmholtzresonators oder zweier oder mehrerer gekoppelter Helmholtzresonatoren geschieht,
und der Schalldruck, der auf das Auge wirkt, durch einen Drucksensor gemessen wird und daß dieser Schalldruck über eine Regelelektronik konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Augeninnendruck durch Messen der Augenschwingungen bestimmt wird,
und die Anregung der Schwingungen des Auges mit Hilfe eines Helmholtzresonators oder zweier oder mehrerer gekoppelter Helmholtzresonatoren geschieht,
und der Schalldruck, der auf das Auge wirkt, durch einen Drucksensor gemessen wird und dieser gemessene Schalldruck in die Berechnung des Augeninnendrucks einbezogen wird.