DE10061326A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Topologieermittlung von biologischem Gewebe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, bei dem das Gewebe (8a) mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung (2) erzeugten Bestrahlungsmuster (26) bestrahlt wird, wobei die Anregungsstrahlung (2) Licht der Wellenlängenbereiche des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums enthält, und bei dem das von den bestrahlten Gewebebereichen emittierte Streustrahlungsmuster (27a) zumindest in Wellenlängenbereichen des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des biologischen Gewebes (8a) ausgewertet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei dem eine sich der Oberfläche des Gewebes anpassende Schicht, die zur Fluoreszenz anregbare Moleküle enthält, auf das Gewebe (8a) aufgebracht wird und die Schicht (40) mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung (2) erzeugten Bestrahlungsmuster (26) bestrahlt und das von den bestrahlten Schichtbereichen (8a) emittierte Fluoreszenzmuster detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) ausgewertet wird. Die Erfindung umfaßt gleichfalls entsprechende Vorrichtungen.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Topologieermittlung von biologischem Gewebe.

Um beispielsweise zu exakten medizinischen Diagnosen zu gelangen, Operationen präzise durchführen zu können oder auch zur Anfertigung von körperangepaßten Kleidungsstücken, ist es notwendig, die Oberflächenform des betreffenden biologischen Gewebes genau zu kennen. Es sind hierzu optische Verfahren bekannt, bei denen beispielsweise sichtbares Licht auf Hautbereiche des menschlichen Körpers - wie die weibliche Brust oder Fußbereiche - gerichtet, die gestreute Strahlung detektiert und zur Berechnung der Topometrie der entsprechenden Formen ausgewertet wird. Auf diese Weise können beispielsweise diesen Körperteilen entsprechend angepaßte Kleidungsstücke hergestellt werden.

Bei der Oberflächenvermessung der Hornhaut des menschlichen Auges werden andere bekannte Verfahren eingesetzt, da die Hornhaut transparent ist und sichtbares Licht nicht in nennenswertem Maße rückstreuen würde. Mit ihrer Brechkraft von über 40 Dioptrien ist die Hornhaut ein maßgeblicher Faktor für die Brechung des in das Auge einfallenden Lichtes. Die Brechkraft der Hornhaut hängt hierbei vorrangig von der Form der Hornhautoberfläche und insbesondere ihrer Kurvatur ab. In letzter Zeit sind Verfahren entwickelt worden, bei denen mittels eines Lasers Gewebe der Hornhaut abgetragen wird (sog. Laserablation), um Fehlsichtigkeiten durch Änderungen der Brechkraft der Hornhaut zu korrigieren. Der Eingriff erfolgt zumeist ambulant. Die Patienten erlangen je nach Verfahren bereits nach einem Tag (bei dem sog. Laser-in-situ-keratomileusis-Verfahren, abgekürzt LASIK) bzw. 1-2 Wochen (bei dem sog. photorefractive-keratectomy-Verfahren, abgekürzt PRK) ein gutes Sehvermögen ohne Sehhilfe. Da - beispielsweise mittels eines Lasers - nur wenige zehn Mikrometer der Hornhaut abgetragen werden müssen, ist eine exakte Vermessung der Oberfläche unabdingbar. Diese wird derzeit vor und mehrere Tage nach der Fehlsichtigkeitskorrektur mit Hilfe optischer Verfahren ermittelt.

Ein bekanntes Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberfläche ist das sogenannte Slit-Scan-Verfahren, bei dem ein Lichtstrahl sichtbaren Lichtes in Form eines geraden schmalen Schlitzes nacheinander (abtastend) auf jeweils benachbarte Bereiche der Hornhaut projiziert wird, bis der gesamte interessierende Hornhautabschnitt abgetastet ist. Der Lichtstrahl teilt sich an der Hornhautoberfläche in einen reflektierten und einen gebrochenen Strahl auf. Der letztere durchdringt die Oberfläche und wird an internen Streuzen­ tren volumengestreut, d. h. omnidirektional. Die deutlichsten Signale rühren von Streuzentren nahe der Hornhautoberfläche her. Daher ist es möglich, Oberflächenpunkte unabhängig voneinander mittels dem bekannten sog. direkten Triangulationsverfahren zu berechnen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß nahezu keine Streuung am Tränenfilm vor der Hornhaut auftritt, so daß die von den Streuzentren herrührenden Signale nicht durch den Trä­ nenfilm beeinflußt werden. Der Nachteil bei diesem bekannten Verfahren besteht in der langen Meßzeit, die durch den Abtastprozess bedingt ist. Spontane Augenbewegungen während dieser Zeit führen zur Unbrauchbar­ keit der Messung. Zudem muß die Intensität des auf die Hornhaut zu rich­ tenden Schlitzes relativ hoch sein, da die Intensität des gestreuten, überwie­ gend blauen Lichtes vergleichsweise niedrig ist. Daher ist dieses bekannte Verfahren für den Patienten nicht relativ unangenehm.

Ein schon lange bekanntes und überwiegend eingesetztes Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberflächenform verwendet sogenannte Kerato­ meter, bei denen konzentrischen Ringe, die sogenannten Placido-Ringe, auf den Tränenfilm vor der Hornhaut projiziert werden und die reflektierten Si­ gnale mit einer Kamera detektiert und ausgewertet werden. Hierzu wird zwi­ schen dem Auge und der Beleuchtungseinrichtung eine Scheibe mit kreis­ förmigen, zueinander konzentrischen Schlitzen angeordnet, in deren Zen­ trum eine Kamera plaziert ist. Aufgrund der Kurvatur der Hornhaut ist das von der Kamera detektierte reflektierte Ringmuster verzerrt. Um aus diesen Reflexionssignalen eine Bestimmung der Kurvatur zu erhalten, müssen die Verzerrungen der Ringe mit einer bekannten Form verglichen werden, die üblicherweise als eine Kugel mit einem Radius von 7,8 mm gewählt ist. Am Beginn der Vermessung wird zunächst ein Fadenkreuz in das Zentrum der Hornhaut plaziert, um dann meist 20 Ringe auf die Augenoberfläche zu pro­ jizieren. Anschließend werden 180 Meridiane im 1°-Abstand um den manuell festgelegten Mittelpunkt der Hornhaut gelegt. Eine Computersoftware ver­ sucht dann, die Vorder- und Hinterflanke der reflektierten Kreise zu ermitteln, so daß zwei Schnittpunkte pro Ring pro Meridian erhalten werden. Somit ergeben sich insgesamt ungefähr 7.200 Datenpunkte (180 Meridiane × 20 Ringe × 2 Schnittpunkte), aus denen dann die Krümmung der Hornhaut be­ rechnet werden kann. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß aufgrund der Aufstellung der Kamera im Mittelpunkt der Ringanordnung auf einer Fläche mit einem Durchmesser von mindestens 1,5 mm im Zentrum der Hornhaut keine Daten aufgenommen werden können, wobei gerade sol­ che Daten besonders wichtig wären. Desweiteren ist die manuelle Plazierung des Fadenkreuzes im Zentrum der Hornhaut anfällig für individuelle Fehler, da gerade in diesem Bereich der zentralen Hornhaut aufgrund der Anord­ nung der Kamera eine verläßliche Kontrolle nicht möglich ist. Auch birgt die Annahme einer idealen kugelförmigen Hornhautoberfläche Gefahrenquellen, da stärker als übliche Abweichungen von diesem Standardauge nicht selten sind. Auch ist die Gesamtzahl von 7.200 Datenpunkten relativ gering, zumal der Abstand der Datenpunkte mit zunehmender Entfernung vom Mittelpunkt der Hornhaut abnimmt, so daß gerade an den Randbereichen der Hornhaut eine nur mangelhafte Oberflächenermittlung möglich ist. Nicht zuletzt werden mittels des Placido-Verfahrens lediglich Abweichungen von der angenom­ menen Steigung der idealen Kugeloberfläche entlang jedes gemessenen Meridians ermittelt, so daß aus diesen Steigungspunkten die Höhe der Hornhaut an jedem dieser Meßpunkte in einem weiteren Schritt ausgerech­ net werden muß.

Weiterhin ist das sogenannte Fourier-Profilometrie-Verfahren bekannt, bei dem zwei identische Sinuswellenmuster auf die Oberfläche des Auges proji­ ziert werden. Hierbei wird gefiltertes blaues Licht zur Projektion benutzt, wel­ ches eine dem Tränenfilm hinzugefügte Flüssigkeit fluoreszieren läßt. Das Wellenmuster des Fluoreszenzlichts wird anschließend von einer CCD- Kamera aufgenommen und mittels einer zweidimensionalen Fourier- Transformations-Analyse die Phasenverschiebung errechnet, die direkt mit der Hornhauttopologie in Beziehung steht. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß die Daten nicht genauer als die Dicke des Tränenfilms sein können (ca. 200 µm), die zudem je nach Tageszeit verschieden ist.

Es ist weiterhin das sogenannte Streifen-Projektions-Verfahren bekannt, welches überwiegend in der Industrie eingesetzt wird, um Oberflächen von Metallen und anderen Materialien zu vermessen. Dieses bekannte Verfahren hat den Vorteil, daß es berührungslos und schnell durchgeführt werden kann, da nur eine einzige Aufnahme notwendig ist. Bei diesem Verfahren wird ein geeignetes Streifenmuster, welches beispielsweise interferometrisch oder durch die Abbildung einer geeigneten Struktur erzeugt werden kann, auf die zu vermessende Oberfläche projiziert und anschließend das von der Oberfläche diffus gestreute Licht detektiert. Wird dieses Verfahren zur Ver­ messung einer Augenhornhaut eingesetzt, ist das detektierte Streifenmuster aufgrund der Erhebungen der Hornhaut verzerrt. Eine weitere Verzerrung entsteht dadurch, daß die Detektionskamera nicht im Strahlengang des Be­ strahlungsmusters liegt, sondern winklig zur Projektions- bzw. Bestrahlungsrichtung angeordnet ist. Mittels Fourier-Transformationen, die mittlerweile mit modernen Rechnern innerhalb kürzester Zeit ausgeführt werden können, lassen sich aus den verzerrten Streifenmustern die Oberflächenformen be­ stimmen.

Allerdings können bei diesem bekannten Verfahren Phasenmeßfehler auf­ treten, wenn der Kontrast des detektierten Streifenmusters verhältnismäßig schwach ist. Um dies zu umgehen, wird bei bekannten Modifikationen des beschriebenen Verfahrens entweder das zu vermessende Objekt mit einer kontrasterhöhenden, stark streuenden Schicht bedampft oder ein Fluores­ zenz-Farbstoff vor die zu vermessende Oberfläche aufgebracht. In Applied- Optics 34, 3644 ff., 1995 ist vorgeschlagen worden, einen solchen Fluores­ zenz-Farbstoff zum Tränenfilm hinzugeben, damit nach Bestrahlung des Tränenfilms mit blauem Licht dieser aufgrund der Fluoreszenzanregung grü­ nes Licht emittiert, welches dann detektiert und ausgewertet werden kann. Ein ähnliches Verfahren ist in der US 5,406,342 beschrieben, bei dem zwei Teilmuster aus verschiedenen Richtungen auf einen mit Fluoreszenz- Farbstoff angereicherten Tränenfilm projiziert werden, um anschließend nacheinander zwei emittierte Halbbilder mit einer Kamera aufzunehmen. Aufgrund der Projektion aus verschiedenen Richtungen kann der direkte Re­ flex des Bestrahlungsbündels herausgerechnet werden.

Die beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Hornhauttopologie wer­ den nur bei vor der Hornhaut vorhandenem Tränenfilm eingesetzt. Wenn die Hornhautvermessung indirekt über Messung des Flächenverlaufes des Trä­ nenfilmes vorgenommen wird, treten jedoch Meßfehler dadurch auf, daß die Dicke des Tränenfilms zeitlich und lokal schwankt. Weiterhin verteilt sich ein zugesetztes fluoreszierendes Medium über die gesamte Tränenfilmdicke, so daß die Meßgenauigkeit nicht höher als die Filmdicke, d. h. bis zu 200 µm, sein kann. Ebenfalls ist die Epithelschicht der Hornhaut bei der Anwendung der beschriebenen bekannten Verfahren stets vorhanden, die jedoch zwangsläufig als äußerste Schicht der Hornhaut bei der Laserabtragung entfernt werden. Wenn eine fluoreszierende Flüssigkeit bei entfernter Epit­ helschicht eingesetzt werden würde, würde die Flüssigkeit in die Hornhaut eindringen und diese aufquillen lassen und dadurch zudem die Tiefenauflö­ sung vermindern.

Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen eine dünne, diffus reflektie­ rende Abdeckung auf die Hornhaut aufgebracht und ein Bestrahlungsmuster auf die Abdeckung projiziert wird. Die US 5,507,740 beschreibt beispielswei­ se ein Verfahren, bei dem das auf die Abdeckung projizierte Muster aus konzentrischen Kreisen besteht und die Verzerrungen des Musters aufgrund der Hornhauterhebungen untersucht werden. Die US 5,116,115 beschreibt ebenfalls die Projektion eines strukturierten Musters sichtbaren Lichts auf eine die Hornhaut abdeckende Schicht, wobei die Phase dieses Lichtmu­ sters moduliert wird. Ein Computer berechnet aus der rückgestreuten Strah­ lung die Phase jedes reflektierenden Punktes der Schicht, aus der dann auf dessen relative Höhe geschlossen werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren bzw. Vorrichtungen der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei denen sich die To­ pologie eines biologischen Gewebes und speziell einer Hornhaut auf einfa­ che Weise und dennoch sehr präzise ermitteln läßt und die Ergebnisse ggf. bei der operativen Behandlung verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfah­ ren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe gelöst, bei dem das Gewebe mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung erzeug­ ten Bestrahlungsmuster bestrahlt wird, wobei die Anregungsstrahlung Licht der Wellenlängenbereiche des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums enthält, und bei dem das von den bestrahlten Gewebebereichen emittierte Streustrahlungsmuster zumindest in Wellenlängenbereichen des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums detektiert und zur Be­ rechnung der Oberflächenform des biologischen Gewebes ausgewertet wird.

In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, bei dem ein sich der Oberfläche des Gewebes anpassender Film auf das Gewebe aufgebracht, der Film mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung erzeugten Bestrahlungsmuster bestrahlt und das von den bestrahlten Film­ bereichen emittierte Strahlungsmuster detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes ausgewertet wird, wobei der Film Moleküle enthält, die durch die Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmuster zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung bestehenden Fluoreszenzmusters angeregt werden, welches detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des Filmes und somit derjenigen des Gewebes ausgewertet wird.

Die Aufgabe wird weiterhin bezüglich der Vorrichtungen einerseits gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 28 (korrespondierend zur Erfindung gemäß ihrem ersten Aspekt) und andererseits durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 29 (korrespondierend zur Erfindung gemäß ihrem zweiten Aspekt).

Die Vorteile der Erfindung gemäß ihrem ersten Aspekt bestehen insbeson­ dere darin, daß Strahlung mit Wellenlängenbereichen verwendet wird, die - je nach untersuchter Gewebeart - eine extrem geringe Eindringtiefe aufwei­ sen kann. Für die niedrige Eindringtiefe sind charakteristische zelluläre Be­ standteile des Gewebes verantwortlich, welche zu einer vermehrten Streu­ ung des Lichts führen. Somit verläßt vor allem aus der äußersten Gewebe­ schicht rückgestreutes Licht das Gewebe, welches von einer im Wellenlän­ genbereich des Streulichts - im wesentlichen derselbe Bereich wie derjenige der Anregungsstrahlung - empfindlichen Kamera aufgenommen wird. Es kann somit ein Streulichtmuster detektiert werden, das im wesentlichen aus den die Oberflächenform bestimmenden Gewebebereichen stammt. Das von der Gewebeoberfläche emittierte Licht wird hierbei statistisch in alle Richtungen gestreut, während das zusätzlich auftretende, direkt an der Gewebeo­ berfläche reflektierte Licht dem Brechungsgesetz nach Snellius unterliegt.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich an der Köperoberflä­ che befindliche Bereiche als auch innenliegende Körperabschnitte topolo­ gisch vermessen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zusätzlich zu dem Streustrahlungsmuster ein Fluoreszenzmuster detektiert wird. Wenn die Wellenlänge zur Anregung der Fluoreszenzstrahlung beispielsweise im ultra­ violetten Wellenlängenbereich liegt, kann dieselbe Anregungsstrahlung und dasselbe Bestrahlungsmuster zur Erzeugung des Fluoreszenzmusters ver­ wendet werden. Bei diesem zusätzlichen Verfahrensschritt kann vorteilhaf­ terweise das biologische Gewebe selbst zur Emission von fluoreszierender Strahlung angeregt werden. Auch hierbei ist darauf zu achten, daß die Inten­ sität und insbesondere die Wellenlänge der Anregungsstrahlung derart ge­ wählt ist, daß ihre Eindringtiefe in das Gewebe gering ist und nur die äußer­ sten Gewebebereiche zur Fluoreszenz angeregt werden. Die Dicke dieser Gewebebereiche liegt beispielsweise bei 2 bis 3 µm. Meßverfälschungen sind bei dieser Vorgehensweise minimal, da keine Durchmischung der fluo­ reszierenden Materie mit einer vorgelagerten Flüssigkeit - wie beispielsweise im Falle eines Tränenfilms vor der Hornhaut - auftritt. Auch quillt das Gewe­ be wegen des nicht vorhandenen und in das Gewebe eindringenden Flüs­ sigkeitsfilmes nicht auf.

Wenn die entsprechenden Meßungenauigkeiten in Kauf genommen werden (können), kann alternativ zur Eigenfluoreszenz des Gewebes ein mit einer zur Fluoreszenz anregbaren Substanz angereicherter Film vor dem biologi­ schen Gewebe verwendet werden. In diesem Fall würde das Streulichtmu­ ster von dem Gewebe und das Fluoreszenzmuster von dem vorgelagerten Film herrühren.

Maßgeblich für die niedrige Eindringtiefe der Anregungsstrahlung bei der Streuung ist der Absorptions-Koeffizient sowie der Streu-Koeffizient. Für die Vermessung von Gewebeoberflächen ist daher die Wellenlänge der Anre­ gungsstrahlung vorteilhafterweise kleiner als 400 nm (UV-Licht) oder größer 1,5 µm (IR-Licht). UV-Licht wird insbesondere an unterschiedlichen Be­ standteilen von Zellen stark gestreut und dringt somit nicht über die ersten Gewebeschichten hinaus in das Gewebe ein. IR-Licht wird hingegen über­ wiegend an den in allen biologischen Geweben enthaltenen Wassermolekü­ len gestreut. Da dieses ebenfalls in den obersten Gewebeschichten enthal­ ten ist, wird relativ intensitätsstarkes IR-Licht insbesondere von diesen Ge­ webeschichten rückgestreut. Rückgestreutes Licht aus tieferen Gewebe­ schichten weist meist keine hinreichende Intensität auf.

Neben dem Streulicht gelangt auch der an der Oberfläche des Gewebes re­ flektierte direkte Reflex in die Detektionseinheit und überlagert einen Bereich des Meßfeldes, in dem das gestreute Muster dann nicht mehr von dem di­ rekten Reflex unterschieden werden kann. Um dieses zu verhindern, wird vorzugsweise linear polarisiertes Licht zur Beleuchtung der zu bestrahlenden Gewebebereiche verwendet. Hierzu wird vorzugsweise ein Polarisator in den Strahlengang der Anregungsstrahlung und ein senkrecht zum Polarisator orientierter Analysator in den Strahlengang der zu detektierenden Strahlung positioniert. Bei der Reflexion bleibt die Polarisation der reflektierten Strah­ lung im Gegensatz zur Streustrahlung erhalten. Demnach kann lediglich die gestreute Strahlung und nicht die reflektierte Strahlung den Analysator pas­ sieren und zum Detektor gelangen. Hierdurch wird der Kontrast des detek­ tierten Musters und die Genauigkeit der Auswertung erhöht.

Die Vorteile der Erfindung gemäß ihrem zweiten Aspekt liegen insbesondere darin, daß die zu vermessende Oberfläche mit einer sich an diese anliegen­ de Schicht belegt wird, welche die Oberflächenform möglichst exakt abbildet. Der Film kann hierbei von einer anfänglich flüssigen Substanz oder einer festen Schicht, beispielsweise in Form einer flexiblen und ggf. elastischen Matte - beispielsweise aus Teflon -, gebildet sein. Der Film muß nicht durch­ gängig das Gewebe bedecken, sondern kann auch beispielsweise als Netz mit feinen Maschen ausgebildet sein. Als Gewebe kommen sowohl körper­ äußere als auch im Körper liegende Gewebe in Frage, die z. B. mittels inva­ siver Chirurgie erreicht werden können. Da dem Film bzw. der Schicht zur Fluoreszenz anregbare Moleküle beigesetzt sind, lassen sich diese durch Beleuchtung zur Emission von Fluoreszenzlicht anregen. Im Strahlengang des Fluoreszenzlichtes können geeignete Filter plaziert werden, mit denen die Wellenlängen der Anregungsstrahlung unterdrückt werden, so daß nur Fluoreszenzlicht empfangen wird und nicht der direkte Reflex der Anre­ gungsstrahlung sowie - wenn dies unerwünscht ist - Streustrahlung. Mittels dieser Vorgehensweise kann eine hohe Meßgenauigkeit erhalten werden.

Der Film bzw. die Schicht kann vorteilhafterweise auf die bevorzugt vorher weitgehend flüssigkeitsfreie Gewebeoberfläche aufgetropft werden und legt sich dann weitgehend gleichmäßig an diese an (eine noch vorhandene Flüs­ sigkeitsschicht würde sich nach Aufbringung des Films zwischen diesem und dem Gewebe befinden und die Messungen verfälschen). Hierdurch läßt sich eine nahezu gleiche Filmdicke über die gesamte Gewebeoberfläche errei­ chen. Auch kann die Schichtdicke sehr klein eingestellt werden. Die Ein­ dringtiefe der Anregungsstrahlung hängt dabei nicht mehr von den optischen Oberflächeneigenschaften des biologischen Gewebes ab, sondern nur noch von denen der Schicht. Wird diese so gewählt, daß die Eindringtiefe sehr gering ist, ist die Tiefenauflösung sehr gut und liegt im Bereich von wenigen Mikrometern.

Eine besonders dünne und dennoch sich eng an die Gewebeoberfläche an­ liegende Molekülschicht läßt sich erreichen, wenn die Schicht bzw. der Film einander elektrostatisch abstoßende Moleküle aufweist, so daß eine ein- bis weniglagige Schicht auf der Gewebeoberfläche entsteht. Vorteilhafterweise wird die Ladung der sich elektrostatisch abstoßenden Moleküle derart ge­ wählt, daß diese selbst elektrostatisch an der Gewebeoberfläche haften.

Beispielsweise werden Schichtmoleküle mit positiver Ladung gewählt, wenn die Gewebeoberfläche im wesentlichen negativ geladene Moleküle aufweist. Auf diese Weise läßt sich die Bildung von vielen Molekülschichten überein­ ander unterdrücken, die aufgrund nicht idealer Übereinanderlagerungen eine Fehlerquelle für die Messungen darstellen könnten.

Die die Fluoreszenzstrahlung emittierenden Filmbereiche werden bevorzugt mit einer Anregungsstrahlung bestrahlt, welche Anteile im ultravioletten Wellenlängenbereich aufweist. Vorzugsweise liegt die Anregungsstrahlung im Wellenlängenbereich von 150 nm bis zu 400 nm. Bei Verwendung bei­ spielsweise eines ArF-Lasers liegt die Anregungsstrahlung bei 193 nm, wäh­ rend bei einem z. B. Frequenz-verfünffachten Nd:YAG-Laser die Anregungs­ strahlung eine Wellenlänge von 213 nm aufweist. Kürzere Wellenlängen als 150 nm lassen sich derzeit nur mit hohem technischen Aufwand mit hinrei­ chender Energie erzeugen. Zudem ist die von ihnen erzeugte Fluoreszenz­ strahlung mittels konventioneller Technik momentan nur unzureichend de­ tektierbar. Auf der anderen Wellenlängenseite könnten Wellenlängen mit mehr als 400 nm - je nach Material des bedeckenden Filmes - eine zu große Eindringtiefe aufweisen, so daß die Fluoreszenzstrahlung auch von tieferen Filmlagen oder sogar vom darunter liegenden Gewebe stammen würde und die Tiefenauflösung somit eingeschränkt wäre.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß nicht nur die von den bestrahlten Filmbereichen emittierte Fluoreszenz­ strahlung detektiert und ausgewertet wird, sondern daß zusätzlich die von diesen Bereichen ausgehende Streustrahlung gemessen und zur Berech­ nung der Oberflächenform des Gewebes herangezogen wird. Dies kann entweder durch Messung mit derselben Detektionsvorrichtung geschehen, oder es wird eine zusätzliche Detektionsvorrichtung allein für die Streustrah­ lung verwendet. Bei Verwendung von zwei Detektionsvorrichtungen wird vorteilhafterweise vor jeder Detektionsvorrichtung mindestens ein Filter an­ geordnet, das für die von dieser Detektionsvorrichtung nicht zu detektierende Strahlung - Streustrahlung bzw. Fluoreszenzstrahlung - undurchlässig, hin­ gegen für die zu detektierende Strahlung - Fluoreszenzstrahlung bzw. Streustrahlung - durchlässig ist.

Mit den vorgestellten Verfahren lassen sich allgemein Oberflächen von bio­ logischen Geweben - seien es äußere oder innere Körperoberflächen - vermessen, beispielsweise Oberflächenveränderungen aufgrund von Haut- oder sonstigen Krankheiten oder zur individuellen Identifikation heranzuzie­ hende Strukturmerkmale, wie beispielsweise Fingeroberflächen. In einigen Fällen kann es notwendig sein, im Lichtweg vorhandene störende Objekte, wie beispielsweise Haare, zu entfernen.

Zur Detektion des Bestrahlungsmusters - sowohl des Streustrahlungsmu­ sters als auch des Fluoreszenzmusters, unabhängig davon, ob dieses von dem biologischen Gewebe selbst (Eigenfluoreszenz) oder einem auf diesem aufgebrachten fluoreszierenden Film stammt - wird vorteilhafterweise eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera verwendet. Beide erlauben eine ortsaufgelöste Detektion im Bereich von 5 bis 10 µm mit mehreren 100.000 Datenpunkten. Während eine CMOS-Kamera eine um eine 10er-Potenz ge­ ringere Lichtempfindlichkeit sowie ein höheres Rauschen aufweist, liegt ihr Preis momentan deutlich niedriger als derjenige einer CCD-Kamera. Beide Kameratypen genügen jedoch den Voraussetzungen für eine exzellente To­ pologiebestimmung. Wird zur Erzeugung der Anregungsstrahlung eine UV- Strahlungsquelle eingesetzt und die Streustrahlung detektiert, ist eine im ul­ travioletten empfindliche Kamera zu verwenden. Ist hingegen alternativ oder zusätzlich eine Fluoreszenzstrahlung zu vermessen, muß die Detektionska­ mera aufgrund des Wellenlängenunterschiedes zu der Anregungsstrahlung (auch) in einem längerwelligen Bereich arbeiten. Die Detektion des direkten Reflexes von der zu vermessenden Oberfläche kann unterdrückt werden, indem ein Farb- oder Polarisationsfilter zwischen dem Gewebe und der De­ tektionsvorrichtung plaziert wird.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die vom biologi­ schen Gewebe bzw. von dem Film emittierte Streu- und/oder Fluoreszenz­ strahlung unter einem von der Bestrahlungsrichtung verschiedenen Winkel detektiert, der beispielsweise 45° beträgt. Hierdurch ist es möglich, die Kur­ vatur der Gewebeoberfläche bzw. des Films aufgrund der perspektivischen Verzerrung des Streustrahlungs- bzw. Fluoreszenzmusters präziser zu ver­ messen. Die Verzerrung sorgt nämlich dafür, daß das Muster in der Per­ spektive gekrümmter als unter Frontalbetrachtung erscheint, so daß eine genauere Auflösung hinsichtlich des Krümmungsverlaufes erhalten werden kann.

Der erwähnte Verzerrungseffekt kann jedoch auch dahin führen, daß Linien in von der Detektionsvorrichtung abgewandten Bereichen unerwünschter­ maßen ineinanderfließen und daher nicht mehr präzise auflösbar sind. In einem solcher Fall kann vorteilhafterweise mindestens eine weitere Detekti­ onsvorrichtung verwendet werden, die gerade den Teil des zu detektieren­ den Musters mißt, den die andere Detektionsvorrichtung nicht mehr präzise genug auflösen kann. Alternativ zu einer zweiten Detektionsvorrichtung kann ein vor dem biologischen Gewebe positionierter Spiegel eingesetzt werden, der die zu detektierende Strahlung von der der Detektionsvorrichtung ent­ fernten Seite des biologischen Gewebes zu eben dieser spiegelt. Bei dieser Anordnung werden die räumlichen Halbbilder nacheinander aufgenommen und gemeinsam zur Auswertung herangezogen.

Bei beträchtlich gekrümmten, zu vermessenden Oberflächen ist vorteilhaf­ terweise vorgesehen, daß das biologische Gewebe bzw. der Film aus min­ destens zwei Richtungen bestrahlt wird, um eine hinreichende Ausleuchtung zu erreichen. Bei einer Hornhaut, die nahezu kugelsymmetrisch aufgebaut ist, bietet es sich an, einen symmetrischen Aufbau der beiden Strahlungs­ quellen bezüglich der Hornhaut zu realisieren. Dies bedeutet, daß die beiden Projektions- bzw. Bestrahlungsrichtungen die gleichen Winkel mit einer zwi­ schen ihnen verlaufenden Normalen einschließen, die durch den Mittelpunkt der sichtbaren Hornhautoberfläche verläuft und auf der beispielsweise eine Detektionsvorrichtung angeordnet ist. Neben mehreren Strahlungsquellen können auch mehrere Detektionsvorrichtungen bzw. mehrere Spiegel oder andere Lichtumlenkeinrichtungen vorgesehen sein.

Als Bestrahlungsquelle können beispielsweise Excimer-Laser, wie ArF-Laser (λ = 193 nm), KrF-Laser (λ = 248 nm), XeCI-Laser (λ = 308 nm), XeF-Laser (λ = 351 nm) sowie Stickstoff-Laser (λ = 337 nm) sowie frequenzverviel­ fachte Festkörper-Laser, wie beispielsweise ein frequenzverdreifachter, - vervierfachter oder - verfünffachter Nd:YAG-Laser mit λ = 355 nm, 266 nm bzw. 213 nm oder durch derartige Festkörper-Laser gepulste Farbstoff-Laser verwendet werden. Es sollte darauf geachtet werden, daß die Intensität der Streu- und/oder Fluoreszenzstrahlung möglichst hoch ist (ohne daß Schädi­ gungen des Gewebes oder des Filmes durch die Anregungsstrahlung auf­ treten), da dann die Anforderungen an die Detektionsvorrichtung(en) niedri­ ger sind.

Als kostengünstige Alternative zu einem Laser können auch Blitzlampen mit beispielsweise Xenon- oder Deuterium-haltigen Gasgemischen verwendet werden, deren Wellenlängenbereiche mittels Filter auf den gewünschten Be­ reich begrenzbar sind. Um eine gleich hohe Empfindlichkeit wie bei der Ver­ wendung von Lasern zu erhalten, müssen aufgrund der oft niedrigeren In­ tensität der Blitzlampen empfindlichere Detektionsvorrichtungen eingesetzt werden.

Das Bestrahlungsmuster zur Projektion auf das biologische Gewebe bzw. den Film besteht vorzugsweise aus parallelen Streifen mit sinus-, kosinus²- oder rechteckförmigem Intensitätsverlauf. Unter Verwendung geeigneter Re­ chenalgorithmen ist eine Auflösung von wenigen Mikrometern zu erreichen, wenn beispielsweise eine Streifenbreite und ein Streifenabstand von 100 µm gewählt wird. Alternativ zu einem solchen Streifenprojektionsverfahren kann ein Lochmuster oder ein Ringmuster ähnlich der Placido-Ringe verwendet werden. Ebenso kommt ein aus zwei Linienmustern bestehendes Moiré- Muster oder auch ein Raster in Frage, dessen im Bestrahlungsmuster wie­ derzufindende Schnittpunkte ausgewertet werden. Allgemein kann jedes ge­ eignete geometrische Muster zur Erzeugung des Bestrahlungsmusters auf dem biologischen Gewebe oder dem Film verwendet werden.

Um das geometrische Bestrahlungsmuster zu erzeugen, können verschie­ denste Vorrichtungen eingesetzt werden. Beispielsweise wird eine Maske mit parallelen Schlitzen oder regelmäßig angeordneten Löchern verwendet. Auch sind bereichsweise strukturell veränderte Substrate, wie beispielsweise Gläser, einsetzbar, bei denen sich z. B. Bereiche starker Streuung oder Ab­ sorption mit unpräparierten Bereichen hoher Transmission abwechseln. Mit­ tels kommerziell erhältlicher Mikrolinsen auf einem transparenten Glassub­ strat lassen sich ebenfalls Streifenmuster sowie andere Bestrahlungs- und damit Streu- bzw. Fluoreszenzmuster erhalten. Die Mikrolinsen haben den Vorteil, daß im Gegensatz zu einer Maske nahezu die gesamte Anregungs­ strahlung auf das biologische Gewebe bzw. den Film fallen kann. Zusätzlich ist eine höhere Tiefenschärfe bei Verwendung von Mikrolinsen gegeben. Auch ist ein genauerer sinusförmiger Intensitätsverlauf der hellen und dunk­ len Streifen in einem Streifenmuster gegenüber einer Maske erhältlich. Al­ ternative Ausführungsbeispiele zur Erzeugung des Bestrahlungsmusters umfassen Interferenzmethoden nach beispielsweise Aufweitung des Strahles von einem monochromatischen kohärenten Laser mittels eines Strahlteilers oder die Erzeugung eines Interferenzmusters auf dem Gewebe mittels zwei­ er aufeinander abgestimmter Strahlungsquellen. Auch sind viele eng zu­ sammenstehende Mikrospiegel einsetzbar, die die Anregungsstrahlung zum Gewebe reflektieren. Eine Kombination von den oben genannten Erzeu­ gungsmöglichkeiten des Bestrahlungsmusters ist ebenfalls möglich.

Die Oberflächenform des Gewebes wird bevorzugt von einer Auswerteein­ heit, d. h. einem Computer, berechnet, wobei das Rechenergebnis zur Steuerung eines Lasers herangezogen werden kann. Der Laser kann hierbei der­ selbe sein, wie der zur Bestimmung der Oberflächenform verwendete Laser. Auf diese Weise läßt sich vorteilhafterweise eine kompakte und kostengün­ stige Vorrichtung zur Oberflächenkorrektur realisieren. Alternativ kann ein Meßlaser auf einem bestehenden Operationsfaser montiert werden oder de­ finiert in dessen Nähe angeordnet, um eine preisgünstige Nachrüstung die­ ses Operationslasers zu ermöglichen. Die Anschaffung eines gesamten neuen Systems erübrigt sich damit. Handelt es sich bei dem biologischen Gewebe um die Hornhaut eines Auges, kann die Steuerung zur Einstellung der Bestrahlungsdauer und der Intensität des Operationslasers verwendet werden, um durch Abtragung von Hornhautschichten zur gewünschten Ziel­ dicke der Hornhaut zu gelangen. Um eine kontrollierte Abtragung des biolo­ gischen Gewebes zu erreichen, wird bevorzugt die Oberflächenform vor und während sowie ggf. nach der Operation bestimmt.

Soll die Topologie einer Hornhaut vermessen werden, ist zu berücksichtigen, daß das Auge sich spontan und willensunabhängig bewegt. Einerseits kön­ nen zur Umgehung dieser Schwierigkeiten Laser mit sehr kurzen Pulsdauern in der Größenordnung von Milli-, Mikro- sowie Nanosekunden eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können sogenannte Eye-Tracker verwen­ det werden, mittels derer auch längere Bestrahlungszeiten realisiert werden können. Eine derartige Vorrichtung sammelt Informationen über typische Bewegungsabläufe des Auges, um anhand dieser Informationen die Anre­ gungsstrahlung den zu bestrahlenden Hornhautbereichen nachzuführen. Alternativ kann bei Änderung der Lage des Auges die Bestrahlung bzw. die Detektion gestoppt werden. Alternativ oder zusätzlich wird mit einem Eye- Tracker vor jeder Bestrahlung bzw. nach jeder Detektion die Lage des Auges bestimmt und bei der Auswertung des Streu- und/oder Fluoreszenzmusters berücksichtigt. Ein Eye-Tracker kann gemäß beider Erfindungsaspekte ver­ wendet werden - für die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt insbesondere dann, wenn ein transparenter Film eingesetzt wird, der die Beobachtung der Augenbewegungen nicht behindert.

Das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist im Falle einer Hornhaut-Topologiebestimmung auch dann einzusetzen, wenn kein Tränenfilm und keine Epithelschicht vorhanden ist. Hierdurch ist es möglich, auch während einer Operation beliebig oft die momentane Ge­ webeform zu bestimmen, um anhand dieser Ergebnisse den nächsten Ope­ rationsschritt durchzuführen. Diese Kontrollmöglichkeit während der Operati­ on minimiert die Fehler und ermöglicht ein stufenweises vorsichtiges Abtra­ gen von Hornhautschichten, um präzise die Fehlsichtigkeit zu korrigieren. Eigens für bestimmte Patientengruppen angefertigte Nomogramme werden vom Operateur nicht mehr benötigt. Wird ein und derselbe Laser sowohl für die Applikation als auch für die Vermessung verwendet, wird während der Operation zwischen dem Operationsmodus und dem Meßmodus hin- und hergeschaltet, um die Abtragung anhand der Meßergebnisse zu steuern bzw. zu regeln.

Auch das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erlaubt eine Applikation des zur Fluoreszenz anregbaren Filmes während einer Operation. Hierbei kann der beispielsweise zwischen den Operationsschritten aufgetragene Film durch Erhöhung der auftreffenden Strahlungsintensität verdampft und die Operation fortgesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist gemäß Erfindung, daß zum einen direkt die Höhe - und nicht die Steigung - der Gewebeobefläche gemessen werden kann. Zum anderen ist lediglich eine einzige Aufnahme des Streustrahlungs- und/oder Fluoreszenzsmusters notwendig.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Projektion ei­ nes Bestrahlungsmusters auf eine Hornhaut und zur Detektion des erzeugten Streustrahlungs- und ggf. eines Fluoreszenzmu­ sters gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei die Strah­ lungsquelle sowohl zur Topologiebestimmung als auch zur Horn­ hautabtragung dient (einteiliges System);

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung im wesentlichen dem Grundaufbau gemäß der Fig. 1 entsprechend, wobei jedoch die Strahlungsquelle zur Topologiebestimmung und die Strahlungs­ quelle zur Hornhautabtragung verschieden sind; und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus der Fig. 1, jedoch mit einem auf die Horn­ haut aufgebrachten Film.

Anhand der Fig. 1 wird zunächst die Funktionsweise der Erfindung gemäß ihrem ersten Aspekt zusammenfassend vorgestellt. Aus einer Anregungs­ strahlung 2 von einer Strahlungsquelle 1 wird ein Bestrahlungsmuster 26 aus parallelen Streifen erzeugt und fällt auf ein gekrümmtes Gewebe 8a, im dar­ gestellten Ausführungsbeispiel die Hornhaut 8a eines menschlichen Auges 8b. Ein Teil des von der Hornhaut 8a ausgehenden Streulichts 14a wird mit einer Kamera 12 detektiert, die unter einem Winkel α gegenüber der Be­ strahlungsrichtung vor der Hornhaut 8a plaziert ist. Aufgrund der Oberflä­ chenkrümmung der Hornhaut 8a und der gegenüber der Bestrahlungsrich­ tung gedrehten Beobachtungsrichtung nimmt die Kamera 12 ein auf einem Monitor 28 zu beobachtendes Bild 27 eines der gewölbten Hornhaut 8a ent­ sprechend gekrümmten Streifenmusters 27a auf.

Im einzelnen erzeugt gemäß der Fig. 1 die Strahlungsquelle 1 eine Anre­ gungsstrahlung 2, vorzugsweise eine UV-Strahlung oder eine IR-Strahlung. Ein optionales erstes Linsensystem 3 (angedeutet durch eine schematisch dargestellte Sammellinse) formt aus dieser Strahlung einen parallelen und homogenen Strahl, welcher anschließend Mittel 4 zum Erzeugen eines Be­ strahlungsmusters durchläuft. Diese Mittel 4 sind in der dargestellten Ausfüh­ rungsform von einer senkrecht zum Strahlengang aufgestellten Schlitzblende bzw. Maske 4 mit beispielsweise parallelen streifenförmigen Öffnungen mit einer Breite und einem jeweiligen Abstand von 100 µm gebildet. Die Anre­ gungsstrahlung 2, von der in Fig. 1 lediglich der Mittelpunktsstrahl als durch­ gezogene Linie mit Andeutung der Strahlungsrichtung sowie die Einhüllen­ den bzw. die Randstrahlen als gestrichelte Linien dargestellt sind, wird an dieser Maske 4 teilweise zurückgehalten und teilweise - durch die Öffnungen - durchgelassen. Auf diese Weise wird die Anregungsstrahlung 2 quer zur Strahlungsrichtung in Form eines Bestrahlungsmusters 26 strukturiert, wel­ ches im weiteren Strahlverlauf an einem Spiegel 5 umgelenkt und mittels eines zweiten Linsensystems 6 (angedeutet durch eine schematisch darge­ stellte Sammellinse) nach Durchlaufen einer ersten Aperturblende 7 auf die Oberfläche eines biologischen Gewebes 8a abgebildet wird (s. der Horn­ hautoberfläche zugeordnetes Bezugszeichen 26). Das Gewebe 8a in dem gewählten Ausführungsbeispiel ist die Augenhornhaut 8a eines menschli­ chen Patienten, der auf der Patientenliege 13 plaziert ist. Der Einfachheit halber ist nur das Auge 8b des Patienten dargestellt.

Die die Maske 4 passierende Anregungsstrahlung 2 ist hinsichtlich Intensität und Wellenlänge so gewählt, daß sie maximal nur wenige Mikrometer in die Hornhaut 8a eindringt. Dies ist dann der Fall, wenn ihre Wellenlänge im UV- oder im IR-Bereich liegt; im sichtbaren Bereich ist die Hornhaut 8a ihrer Funktion nach transparent. Die Anregungsstrahlung 2 wird demnach im we­ sentlichen an der Oberfläche der Hornhaut 8a oder in den nahe darunter liegenden Gewebebereichen in alle Richtungen gestreut, d. h. es entsteht eine Streustrahlung 14a in Form eines dem Bestrahlungsmuster 26 entsprechenden, durch die Hornhautkrümmung verzerrten Streustrahlungsmusters 27a, welches unter dem Winkel α mit Hilfe eines dritten Linsensystems 9 nach Durchlaufen einer zweiten Aperturblende 10 auf den Sensor 11 einer Detektionsvorrichtung 12 abgebildet wird. Die Detektionsvorrichtung 12 ist beispielsweise eine ggf. durch einen Bildverstärker (nicht dargestellt) intensi­ vierte CCD- oder CMOS-Kamera 12. Im Gegensatz beispielsweise zum Slit- Scan-Verfahren genügt eine einzige Aufnahme mit der Detektionsvorrichtung 12, um die gesamte benötigte Information über die Oberflächenform der Hornhaut 8a zu erhalten. Hierzu ist die Detektionsvorrichtung 12 - unter Zwi­ schenschaltung eines nicht dargestellten Analog-Digital-Konverters, wenn die Detektionsvorrichtung 12 analoge Signale ausgibt - über eine Verbin­ dungsleitung 29 mit einer vorzugsweise von einem Computer gebildeten Auswerteeinheit 30 verbunden, die mit Hilfe von Auswerteprogrammen die Topologie der Hornhaut 8a berechnet.

Die Anregungsstrahlung 2 regt bei geeigneter Wellenlänge (bspw. UV-Licht) und Intensität die Hornhaut 8a ebenfalls zur Emission von Fluoreszenz­ strahlung 14b in den bestrahlten Bereichen an, während die nicht bestrahlten Bereiche der Hornhaut 8a keine Fluoreszenzstrahlung 14b emittieren kön­ nen. Es entsteht somit neben dem Streustrahlungsmuster 27a ein Fluores­ zenzmuster 27b. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Streustrahlung 14a und die Fluoreszenzstrahlung 14b von derselben Detek­ tionsvorrichtung 12 aufgenommen. Wegen der unterschiedlichen Wellenlän­ gen der beiden Strahlungen 14a, 14b - die Fluoreszenzstrahlung 14b ist ge­ genüber der Streustrahlung 14a langweiliger - ist es von Vorteil, daß zwei unterschiedliche, für die jeweilige Strahlung empfindliche oder durch ent­ sprechende Filter nur für einen engen Wellenlängenbereich erreichbare De­ tektionsvorrichtungen 12 eingesetzt werden.

Während die Wellenlänge der Streustrahlung 14a im wesentlichen derjeni­ gen der Anregungsstrahlung 2 entspricht, ist die Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung 14b - wie erwähnt - in einen längerwelligen Bereich verscho­ ben. Bei Verwendung eines ArF-Lasers als Strahlungsquelle 1 (λ = 193 nm) liegen die Hauptmaxima der von den bestrahlten Gewebebereichen der Hornhaut 8a ausgehenden Fluoreszenzstrahlung 14b ungefähr bei 300 nm und 450 nm, die einer Detektion ohne größeren Aufwand - wie beispielswei­ se mittels der CCD-Kamera 12 - zugänglich sind.

Mit der Vorrichtung gemäß der Fig. 1 ist eine wechselseitige Vermessung der Hornhaut 8a und deren Operation durch Abtragung am tränenfilmfreien Auge 8b möglich, wobei dieselbe Strahlungsquelle 1, üblicherweise ein UV-Laser, zu beiden Zwecken eingesetzt wird. Vorzugsweise wird dieser wechselseitige Vorgang automatisch mit Hilfe einer dem Computer 30 über eine Datenlei­ tung 31 nachgeschalteten Steuer-/Regelvorrichtung 32 durchgeführt, der mit dem Laser 1 über eine Datenleitung 33 verbunden ist. Während der Mes­ sung ist weder ein Tränenfilm noch eine Epithelschicht vor der Hornhaut 8a vorhanden und die freiliegenden obersten Schichten der Hornhaut 8a wer­ den in den mit dem Bestrahlungsmuster 26 bestrahlten Bereichen direkt zur Emission von Streustrahlung 14a und ggf. von Fluoreszenzstrahlung 14b mit Hilfe der Anregungsstrahlung 2 angeregt. Eine entfernte Epithelschicht wächst innerhalb von wenigen Tagen nach einer Operation wieder nach. Wurde alternativ die Epithelschicht nach entsprechendem Einritzen mit ei­ nem Teil des darunter liegenden Stroma aus dem Strahlengang der Anre­ gungsstrahlung weggeklappt, so kann diese nach der Operation wieder in die ursprüngliche Position gebracht werden.

Wird ein einziger Laser sowohl zur erfindungsgemäßen Vermessung als auch zur - großflächigen - Abtragung verwendet, wird zur Schonung der Hornhaut 8a während der Meßphase vorzugsweise mindestens ein Intensi­ tätsabschwächer 15 (in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt) in den Strahlengang der Anregungsstrahlung 2 - also zwischen der Strahlungsquelle 1 und der Hornhaut 8a - eingefügt, der während der Operationsphasen wieder aus dem Strahlengang entfernt wird. Das Einfügen und das Entfernen des Inten­ sitätsabschwächers 15 in den Strahlengang wird vorzugsweise computer­ gesteuert durchgeführt (entsprechende Steuerung nicht dargestellt).

Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform wird ein Laserstrahl mit einem relativ kleinen Durchmesser von beispielsweise 2 mm verwendet, um die Hornhaut 8a - im Gegensatz zu einer großflächigen Bestrahlung - in jeweils nur kleinen Bereichen abzutragen. Hierbei wird der Laserstrahl scan­ nend über die Hornhaut 8a geführt. Während der Vermessung der Horn­ hautoberfläche bietet es sich daher an, den Laserstrahl zur Erzeugung des gegenüber dem Operationsstrahl großflächigeren Bestrahlungsmusters 26 mit mindestens einem Strahlaufweiter (nicht dargestellt) aufzuweiten, wel­ cher zwischen die Strahlungsquelle 1 und die Hornhaut 8a in den Strahlen­ gang eingebracht wird. Während der Operationsphasen wird der mindestens eine Strahlaufweiter wieder aus dem Strahlengang der Anregungsstrahlung 2 entfernt.

Alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der kombinierten Strahlungsquelle sowohl für Vermessung als auch für Operation wird die Strahlungsquelle 1 auf den Operationslaser aufgesetzt oder sonstig geeignet in definierter Position zu diesem angeordnet. Auf diese Weise sind bei­ spielsweise vorhandene Operationslaser weiter zu verwenden. In Fig. 2 ist vereinfacht eine solche Anordnung dargestellt. Das Bestrahlungsmuster 26 wird unter einem Winkel α gegenüber der Normalen N mittels der Bestrah­ lungsquelle 1 auf die Hornhaut 8a projiziert und das Muster der Streustrah­ lung 14a und dasjenige der Fluoreszenzstrahlung 14b unter einem Winkel β gegenüber der Normalen N mit einer Detektionsvorrichtung 12 detektiert. Auf der Normalen N ist der Operationslaser 101 angeordnet. Die Mittel zur Er­ zeugung des Bestrahlungsmusters, Spiegel, Sammelllinsen, Blenden, Strahlaufweiter und Intensitätsabschwächer sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet. Die Signale der Detektionsvorrichtung 12 werden ggf. mittels eines AD-Wandlers 35 digitalisiert (wenn nicht schon die Detektionsvorrich­ tung 12 digitale Signale liefert) und zum Computer 30 weitergeleitet, der die Topologie-Berechnung anhand von beispielsweise Fourier-Algorithmen durchführt. Die Berechnungsergebnisse werden dann an die Steuer- /Regeleinheit 32 weitergeleitet und dort entschieden, ob und wie ggf. eine erneute Messung der Hornhauttopologie mittels der Strahlungsquelle 1 vor­ genommen wird oder der Operationslaser 101 einen Befehl für die Aus­ strahlung eines Pulses bestimmter Energie und/oder bestimmter Pulsdauer erhält, um eine definierte Schichtdicke der Hornhaut 8a abzutragen.

Bei dem kombinierten System der Fig. 1 und dem zweigeteilten System der Fig. 2 können die Ergebnisse der Bestimmung der Hornhautform sofort in einem anschließenden Operationsschritt verwendet werden, um die Horn­ hautabtragung mittels der entsprechenden Strahlungsquelle 1, 101 zu steu­ ern bzw. zu regeln. Während einer Vermessungsphase zwischen zwei Ope­ rationsschritten kann sofort das Resultat des vorangehenden operativen Schritts kontrolliert und der nächste Operationsschritt darauf abgestimmt werden.

In einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform, bei der das Meß- und ggf. das Operationsprinzip prinzipiell dasselbe wie in den Fig. 1 bis 2 ist, sind zwei Detektionsvorrichtungen 12 sich gegenüberliegend vor der Hornhaut 8a angeordnet, wobei die Strahlungsquelle 1 im Winkelbereich zwischen den beiden Detektionsvorrichtungen 12 angeordnet ist. Das Fluoreszenzmuster wird hierbei zwei Seiten detektiert, um insbesondere bei einer gekrümmten Gewebeoberfläche eine höhere Auflösung zu erhalten. Alternativ oder zu­ sätzlich kann das Gewebe 8a aus zwei Richtungen bestrahlt werden. Bei­ spielsweise spaltet ein Strahlteiler die Anregungsstrahlung 2 von einer Strahlungsquelle 1 auf und lenkt sie mit Hilfe einer oder mehrerer Lichtum­ lenkeinrichtungen - wie beispielsweise Spiegel - auf das Gewebe 8a. Alter­ nativ werden mehrere Strahlungsquellen 1 verwendet.

Gegebenenfalls kann eine digitale Subtraktion der vor und während der Ein­ strahlung des Bestrahlungsmusters 26 aufgenommenen Bilder den Kontrast und damit die Präzision des Verfahrens noch steigern.

In Fig. 3 ist ein auf die Hornhaut 8a aufgebrachter Film 40 dargestellt. Dieser Film enthält Moleküle, die bei Bestrahlung mit vorzugsweise UV-Strahlung fluoreszieren. Gemessen wird wie in den Fig. 1 und 2 die von der Gewebeo­ berfläche - in dem dargestellten Fall der Oberfläche der Hornhaut 8a - aus­ gehende, gemäß dem Bestrahlungsmuster 26 strukturierte Strahlung, die hier insbesondere aus der Fluoreszenzstrahlung 14b besteht. Bis auf diesen Unterschied gelten obige Ausführungen zu der direkt von dem Gewebe aus­ gehenden Streustrahlung gemäß der Fig. 1 und 2 entsprechend. Deshalb wird auch in der Fig. 3 die Fluoreszenzstrahlung mit demselben Bezugszei­ chen 14b versehen wie die Eigenfluoreszenzstrahlung 14b der Hornhaut 8a gemäß der Fig. 1 und 2. Zusätzlich zu der Fluoreszenzstrahlung 14b von dem Film 40 kann die Streustrahlung 14a von dem Film 40 gemessen wer­ den (auch hier wird dasselbe Bezugszeichen 14a für die jeweilige Streu­ strahlung 14a in den Fig. 1 bis 3 verwendet).

Ein vor einer Operation (nach Entfernung bzw. Wegklappen der Epithel­ schicht) bzw. während einer Operationsunterbrechung auf die Hornhaut 8a aufgebrachter Film 40 kann nach der Topologiemessung und zu Beginn des nächsten Operationsschrittes mittels Laserstrahlen wieder verdampft wer­ den, sei es durch Intensitätserhöhung des Meß- und Operationslasers 1 (im Falle eines einteiligen Systems gemäß der Fig. 1) bzw. durch den Meßlaser 1 oder den Operationslaser 101 (im Falle eines zweiteiligen Systems gemäß der Fig. 2).

Während die oben aufgeführten Ausführungsbeispiele jeweils hinsichtlich der Vermessung der Oberflächenform einer Augenhornhaut erläutert wur­ den, sind die erfindungsgemäßen Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ohne Einschränkung ebenfalls geeignet, in entsprechender Weise an anderen biologischen Geweben eingesetzt zu werden. Hierbei spielt es keine Rolle, ob diese Gewebe an der Körperoberfläche oder im Körperinneren lokalisiert sind.

Claims (40)

1. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Ge­ webe, bei dem das Gewebe (8a) mit einem mit Hilfe einer Anregungs­ strahlung (2) erzeugten Bestrahlungsmuster (26) bestrahlt wird, wobei die Anregungsstrahlung (2) Licht der Wellenlängenbereiche des ultra­ violetten und/oder infraroten Teils des Spektrums enthält, und bei dem das von den bestrahlten Gewebebereichen emittierte Streustrah­ lungsmuster (27a) zumindest in Wellenlängenbereichen des ultravio­ letten und/oder infraroten Teils des Spektrums detektiert und zur Be­ rechnung der Oberflächenform des biologischen Gewebes (8a) aus­ gewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Streustrahlungsmuster (27a) ein Fluoreszenzmuster (27b) detektiert wird, welches von den bestrahlten Gewebebereiche (8a) nach Anregung mit dem Bestrahlungsmuster (26) emittiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Anregungsstrahlung (2) unterhalb 400 nm und/oder oberhalb 1.5 µm gewählt wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polarisator in den Strahlengang der Anregungsstrahlung (2) und ein senkrecht zum Polarisator orientierter Analysator in den Strahlengang der zu detektierenden Strahlung (14a) positioniert wird, so daß die gestreute Strahlung (14a), nicht aber die reflektierte Strahlung den Analysator passieren kann.

5. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Ge­ webe, bei dem ein sich der Oberfläche des Gewebes anpassender Film auf das Gewebe (8a) aufgebracht wird, der Film (40) mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung (2) erzeugten Bestrahlungsmuster (26) bestrahlt und das von den bestrahlten Filmbereichen (8a) emit­ tierte Strahlungsmuster detektiert und zur Berechnung der Oberflä­ chenform des Gewebes (8a) ausgewertet wird, wobei der Film (40) Moleküle enthält, die durch die Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmu­ ster (26) zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung (14b) beste­ henden Fluoreszenzmusters (27b) angeregt werden, welches detek­ tiert und zur Berechnung der Oberflächenform des Filmes (40) und somit derjenigen des Gewebes (8a) ausgewertet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (40) auf die Gewebeoberfläche aufgetropft wird und sich weitgehend gleichmäßig an die Gewebeoberfläche anlegt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (40) einander elektrostatisch abstoßende Moleküle aufweist, die aufgrund ihrer Ladung an der Gewebeoberfläche haften.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Fluoreszenzstrahlung (14b) emittierenden Filmbereiche im wesentlichen mit einer im ultravioletten (UV) Wellen­ längenbereich liegenden Anregungsstrahlung (2) angeregt werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsstrahlung (2) im Wellenlängenbe­ reich von 150 nm bis 400 nm gewählt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den bestrahlten Filmbereichen und ei­ ner Detektionsvorrichtung (12) zur Detektion des emittierten Strah­ lungsmusters ein Filter positioniert wird, der zumindest teilweise für die Anregungsstrahlung undurchlässig ist.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der emittierten Fluoreszenzstrah­ lung (14b) emittierte Streustrahlung (14a) von bestrahlten Filmberei­ chen detektiert und ausgewertet wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Operation des biologischen Ge­ webes (8a) ein zur Fluoreszenz anregbarer Film (40) wiederholt auf das biologische Gewebe (8a) aufgetragen und mittels eines Lasers vor dem nächsten Operationsschritt wieder verdampft wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vermessende Gewebe (8a) die Hornhaut (8a) eines Auges (8b) ist oder andere Gewebebereiche ei­ nes menschlichen oder tierischen Körpers umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Oberflächenform der Hornhaut (8a) der Tränenfilm auf der Hornhaut (8a) entfernt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Oberflächenform der Hornhaut (8a) die Epit­ helschicht der Hornhaut (8a) zumindest vorübergehend aus dem Strahlengang der Anregungsstrahlung (2) entfernt wird.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streu- und/oder Fluoreszenzstrah­ lung (14a, 14b) mit mindestens einer Detektionsvorrichtung (12), vor­ zugsweise einer CCD-Kamera (12) oder einer CMOS-Kamera, detek­ tiert

17. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streu- und/oder Fluoreszenzstrah­ lung (14a, 14b) unter einem von der Bestrahlungsrichtung verschiede­ nen Winkel (α) detektiert wird.

18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das biologische Gewebe (8a) oder der Film (40) aus mindestens zwei Richtungen mit der Anregungsstrah­ lung (2) bestrahlt wird.

19. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streu- und/oder Fluoreszenzstrah­ lung (14a, 14b) zumindest teilweise von einer Lichtumlenkvorrichtung zu einer Detektionsvorrichtung (12) umgeleitet und dort detektiert wird.

20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 und 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eye-Tracker Informationen über typische Bewegungsabläufe des Auges (8b) aufzeichnet, um anhand dieser Informationen die Anregungsstrahlung (2) dem Auge (8b) zur Realisierung langer Bestrahlungszeiten nachzuführen oder bei Ände­ rung der Lage des Auges (8b) die Bestrahlung oder die Detektion zu stoppen.

21. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsstrahlung (2) mit einer als Laser (1) oder Blitzlampe ausgebildeten Strahlungsquelle (1) erzeugt wird.

22. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestrahlungsmuster (26) ein Muster aus parallelen Streifen, ein rechtwinkliges Gitter, ein Lochmuster, ein Muster aus mehreren konzentrischen Kreislinien mit radial vom Zen­ trum ausgehenden und mit gleichem Winkelabstand angeordneten Li­ nien oder ein aus zwei Linienmustern bestehendes Moiré-Muster ge­ wählt wird.

23. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenform des Gewebes (8a) von einer Auswerteeinheit (30) berechnet wird, die mittels der berech­ neten Oberflächenform einen Laser (1) steuert.

24. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Oberflächenform vor, während und/oder nach einer Operation an dem zu vermessen­ den Gewebebereich (8a) vorgenommen wird.

25. Verfahren zur Unterstützung eines operativen Eingriffs an einem bio­ logischen Gewebe, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis der Auswertung des nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü­ che durchgeführten Verfahrens in die aktuelle operative Behandlung des biologischen Gewebes (8a), insbesondere in die aktuelle refrakti­ ve Operation einer Hornhaut (8a) eines Auges (8b), regelnd und/steuernd einbezogen wird.

26. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anregung der Emission von Streustrahlung (14a) und/oder Fluoreszenzstrahlung (14b) verwendete Strahlungsquelle (1) auch zur operativen Behandlung des Gewebes (8a) eingesetzt wird.

27. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Strahlungsquellen (1) zur Anre­ gung der Emission von Streustrahlung (14a) und/oder Fluoreszenz­ strahlung (14b) einerseits und zur operativen Behandlung des Gewe­ bes (8a) andererseits eingesetzt werden.

28. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach minde­ stens einem der Ansprüche 1 bis 4 und 13 bis 27, mit mindestens ei­ ner Strahlungsquelle (1) zum Erzeugen einer Anregungsstrahlung (2), deren Wellenlängen im wesentlichen im ultravioletten und/oder infra­ roten Teil des Spektrums liegen, Mitteln (4) zum Erzeugen eines Be­ strahlungsmusters aus der Anregungsstrahlung (2) auf dem Gewebe (8a), mindestens einer Detektionsvorrichtung (12) zum Detektieren des von dem Gewebe (8a) emittierten Streustrahlungsmusters (27a), und einer Auswerteeinheit (30) zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) aus diesem Streustrahlungsmuster (27a).

29. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach minde­ stens einem der Ansprüche 5 bis 27, mit mindestens einer Strah­ lungsquelle (1) zum Erzeugen einer Anregungsstrahlung (2), Mitteln (4) zum Erzeugen eines Bestrahlungsmusters (26) aus der Anre­ gungsstrahlung (2) auf einem auf dem Gewebe (8a) aufgebrachten und sich dem Gewebe (8a) anpassenden Film (40), so daß die be­ strahlten Filmbereiche zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung bestehenden Fluoreszenzmusters (27b) angeregt werden, min­ destens einer Detektionsvorrichtung (12) zum Detektieren des Fluo­ reszenzmusters (27b), und einer Auswerteeinheit (30) zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) aus dem detektierten Fluo­ reszenzmuster (27b).

30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Detektionsvorrichtungen (12) vorgesehen sind, so daß sowohl Streustrahlung (14a) als auch Fluoreszenzstrahlung (14b) von den bestrahlten Gewebe- (8a) oder Filmbereichen (30) detektier­ bar sind.

31. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Detektionsvorrichtung (12) eine CCD-Kamera (12) und/oder eine CMOS-Kamera umfaßt.

32. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) als Laser (1), vorzugs­ weise als frequenzvervielfachter Festkörperlaser, Excimerlaser, Gas­ laser oder frequenzvervielfachter Farbstofflaser, oder als Blitzlampe, vorzugsweise mit einem Xenon- oder einem Deuterium-Gasgemisch gefüllt, ausgebildet ist.

33. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 32, ge­ kennzeichnet durch mindestens eine weitere Strahlungsquelle (1) und/oder mindestens eine Einrichtung zur Aufteilung der Anregungs­ strahlung (2), um das biologische Gewebe (8a) aus mindestens zwei Richtungen mit der Anregungsstrahlung (2) zu bestrahlen.

34. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 33, ge­ kennzeichnet durch mindestens eine Lichtumlenkeinrichtung zur Um­ lenkung von Fluoreszenzstrahlung (14b) zu einer Detektionsvorrich­ tung (12).

35. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (4) zum Erzeugen des Bestrahlungs­ musters (26) eine Maske (4) mit Öffnungen in Form von parallelen Schlitzen oder regelmäßig angeordneten Löchern und/oder ein struk­ turiertes Glas mit die Anregungsstrahlung (2) absorbierenden und/oder streuenden sowie für die Anregungsstrahlung (2) transpa­ renten Bereichen und/oder eine vorzugsweise regelmäßige Anordnung von quer zum Strahlengang der Anregungsstrahlung (2) angeordneten diffraktiven optischen Elementen, vorzugsweise Mikrolinsen, und/oder Mittel zum Erzeugen eines Interferenzmusters auf dem biologischen Gewebe (8a) und/oder mindestens ein Feld aus Mikrospiegeln umfas­ sen.

36. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 35, ge­ kennzeichnet durch einen Eye-Tracker zum Ermitteln von Informatio­ nen über typische Augenbewegungen, um anhand dieser Informatio­ nen die Anregungsstrahlung (2) dem Auge (8b) zur Realisierung lan­ ger Bestrahlungszeiten nachzuführen oder bei Änderung der Lage des Auges die Bestrahlung oder die Detektion zu stoppen.

37. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß ein Computer (30) vorgesehen ist, der die Ober­ flächenform des Gewebes (8a) ermittelt, die zur Steuerung eines La­ sers (1; 101) herangezogen wird.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Computer (30) gesteuerte Laser (1) und die zur Anregung des Streustrahlung- und/oder Fluoreszenzmusters (27a, 27b) des biologi­ schen Gewebes (8a) oder des auf dem Gewebe (8a) liegenden Films (30) verwendete Strahlungsquelle (1) übereinstimmen.

39. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) hinsichtlich Intensität, Pulsdauer, Wiederholrate und Wellenlänge der Anregungsstrahlung (2) zur operativen Behandlung des biologischen Gewebes (8a), wie beispielsweise der bereichsweisen Abtragung einer Hornhaut (8a), ausgebildet ist.

40. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 39, ge­ kennzeichnet durch einen Intensitätsabschwächer (15) oder einen Strahlaufweiter zwischen der mindestens einen Strahlungsquelle (1) und dem biologischen Gewebe (8a) zum Einführen und Herausneh­ men aus dem Strahlengang der Anregungsstrahlung (2).