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Die
Erfindung betrifft ein Computerprogramm für ophthalmologische Eingriffe,
insbesondere betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zum Bestimmen
eines Veränderungsprofils
für die
refraktive Augenchirurgie und zum Steuern eines Lasersystems, dessen
emittierte Strahlung den chirurgischen Eingriff bewirkt. Die Erfindung
betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Steuerprogramms gemäß dem mit
Laserstrahlung ein ophthalmologischer Eingriff durchgeführt wird.
Somit betrifft die Erfindung auch einen elektronischen Rechner und
eine Vorrichtung für
die ophthalmologische Chirurgie, bei denen ein erfindungsgemäßes Computerprogrammprodukt
bzw. ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugtes Steuerprogramm eingesetzt werden.
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Es
ist Stand der Technik, chirurgische Eingriffe zur Korrektur von
Fehlsichtigkeiten oder sonstige therapeutische Behandlungen (z.B.
Schnitte für Keratoplastiken)
mit Laserstrahlung durchzuführen, die
mit Teilen des Auges in Wechselwirkung tritt, um optische Eigenschaften
des Auges in gewünschter Weise
zu ändern.
Prominentes Beispiel einer Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung
und Auge ist die Neuformung der Kornea (Hornhaut) durch Ablation (Abtragung
von Gewebe). Der derzeitige Stand der Technik setzt hierzu die bekannte
LASIK-Technik ein. Die Erfindung betrifft insbesondere diese LASIK-Technik,
aber auch darüber
hinausgehend allgemein ophthalmologische Eingriffe mit Laserstrahlung (z.B:
an der Augenlinse). Als Laserstrahlungssysteme kommen insbesondere
UV-Strahlquellen (z.B. Excimerlaser), IR-Strahlungsquellen (z.B. Erbium: YAG
Laser), und auch ultrakurze Laserpulse (Titan: Saphir, Cr:LiSAF,
Nd:YLF) in Betracht.
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Es
ist auch Stand der Technik durch einen chirurgischen Eingriff ein
künstliche
Augenlinse (intraokular Linsen) in das Auge zu implantieren um eine
optische Korrektur am Auge durchzuführen. Bestimmte intraokulare
Linsentypen sind nach der Implantation durch Lichteinwirkung (z.B.
durch UV – Licht)
in ihrer Form und optischen Wirkung veränderbar. Auch ist bekannt,
dass Materialien, welche hohen Lichtintensitäten (z.B. durch ultrakurze
Laserpulse ) ausgesetzt werden, ihre Lichtbrechungs-Eigenschaften (z.B.
Brechungsindex) verändern
können.
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Im
Stand der Technik erfolgt auf Basis von klinischen Daten (z.B. Daten
hinsichtlich einer Fehlsichtigkeit) und passenden theoretischen
Modellen (Augenmodellen) eine Berechnung der zu erzielenden Formänderungen
an bestimmten optischen Strukturen des Auges, z.B. der Hornhaut.
Aus der Differenz zwischen der präoperativen Form und der theoretischen
postoperativen Form der zu bearbeitenden Augenstruktur lassen sich
dann die erforderlichen sogenannten Behandlungsprofile oder Veränderungsprofile
ableiten, gemäß denen
die Laserstrahlung räumlich
und zeitlich gesteuert wird. Dies alles ist dem Fachmann geläufig. Beispielsweise
ergibt eine präoperative
Hornhautkrümmung
abzüglich der
gewünschten
postoperativen Hornhautkrümmung
ein nach Form und Inhalt definiertes Volumen an Hornhautgewebe,
das abzutragen ist, um die gewünschte
Formänderung
der Hornhaut zur Erzielung der angestrebten optischen Veränderung
des Gesamtsystems „Auge" zu erreichen.
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Wird
gepulste Laserstrahlung im sogenannten Spot-Scanning-Verfahren eingesetzt,
d.h. werden einzelne Laserpulse, die auf einen im Vergleich zur Kornea
kleinen Durchmesser fokussiert sind, sukzessive über die Kornea geführt, dann
ist es auch Stand der Technik, unter Zugrundelegung von Annahmen über den
von jedem einzelnen Laserschuss bewirkten Gewebeabtrag ein vollständiges Steuerprogramm
für die
Laserpulse in Raum und Zeit zu erstellen, also insbesondere eine
Liste von einzelnen x, y, z-Positionen für die Laserpulse abzuleiten,
gemäß der dann
z.B. die Ablation auf der Hornhautoberfläche oder auch die Wechselwirkung
zwischen Laserstrahlung und Augengewebe im Gewebe selbst durchgeführt wird.
Letzteres wird zur Zeit bekanntlich mit ultra-kurzen Laserpulsen
durchgeführt.
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Es
ist im Stand der Technik auch bekannt, bestimmte Faktoren, die das
Ergebnis des chirurgischen Eingriffes beeinflussen, bei der Liste
von einzelnen Laserpulsen zu berücksichtigen.
Solche Einflussfaktoren sind z.B. die Wundheilung, biomechanische Änderungen
durch den Eingriff selbst, oder auch Glättungseffekte durch das Gewebe
oder den Tränenfilm.
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Solche
Einflussfaktoren werden in aller Regel empirisch aufgrund klinischer
Daten erfasst und mittels geeigneter Bewertungsfunktionen berücksichtigt,
z.B. der Point-Spread
Function, Modulation Transfer Function etc. Die Berücksichtigung
und quantitative Berechnung solcher Einflussfaktoren ist dem Fachmann
ebenfalls hinreichend bekannt.
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Im
Stand der Technik werden in der Regel die Positionen der einzelnen
Laserpulse in Bezug auf eine zu bestimmende Referenzachse berechnet,
wobei häufig
als Referenzachse die Sichtlinie („Line of Sight") gewählt wird.
Diese Referenzachse wird dann auch für die Steuerung des Lasersystems
zugrundegelegt. Bekanntlich werden geeignete Strahlformungs- und
Führungselemente
eingesetzt, um die einzelnen Laserpulse zu formen und räumlich zu
positionieren. Die Positionierung erfolgt dreidimensional, wobei
sich x, y, z-Koordinaten eingebürgert
haben, derart, dass die x, y-Ebene
etwa senkrecht zur Sichtlinie steht und die z-Dimension zumindest
annähernd
parallel dazu verläuft.
Die z-Koordinate ist somit abhängig
von der Fokussierung des Laserstrahls.
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Es
ist im Stand der Technik bereits bekannt (WO 01/85075 A1), bei der
Bestimmung von Ablationsprofilen zur Lasersteuerung Reflexionsverluste beim
Laserabtrag, die durch unterschiedliche Auftreffwinkel auf die Kornea
bedingt sind, zu berücksichtigen.
Auch ist aus diesem Stand der Technik bekannt, unterschiedliche
Ablationswirkungen der Laserstrahlpulse aufgrund unterschiedlicher
Strahlungsenergiedichten (Fluenz), die durch die unterschiedlichen
Auftreffwinkel zwischen Strahlung und Korneaoberfläche bedingt
sind, zu berücksichtigen. Ebenfalls
bekannt ist es, postoperative Wundheilungsprozesse zu berücksichtigen.
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Diese
bekannten Techniken sind aber insofern verbesserungsfähig, als
sie in aller Regel nicht patientenspezifisch sind, sondern durch
Mittelung postoperativer klini scher Ergebnisse bei einer großen Anzahl
von Patienten statistisch gewonnen werden.
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Es
ist Stand der Technik, die refraktive Chirurgie wellenfrontgeführt durchzuführen. Damit
wird zwar eine deutliche Verbesserung der Behandlungsergebnisse
auch bei Sehfehlern höherer
Ordnung erreicht, jedoch ist der Stand der Technik insbesondere insofern
verbesserungsfähig,
als bei der Profilberechnung Annahmen und Vereinfachungen zugrunde gelegt
werden, die einer erhöhten
Präzision
der Laserwechselwirkung entgegenstehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Computerprogramme und Verfahren
zum Erzeugen von Computerprogrammen bereitzustellen, mit denen verbesserte
ophthalmologische Behandlungsergebnisse erzielt werden können.
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Hierzu
stellt die Erfindung zunächst
ein Computerprogramm bereit, mit dem ein Veränderungsprofil für die refraktive
Augenchirurgie bestimmt und ein Lasersystem gesteuert werden kann,
mit
- – einer
Benutzerschnittstelle für
die Eingabe von Daten durch einen Benutzer,
- – einer
Datenaufnahmeschnittstelle zur Aufnahme von Messdaten bezüglich des
zu behandelnden Auges,
- – einem
Veränderungsprofilgenerator
zum Generieren eines Veränderungsprofils
auf Basis eingegebener Daten und Messdaten,
- – einem
Generator zum Generieren von Steuerdaten zum Steuern der Laserstrahlung,
- – einem
Simulator zum Simulieren eines Behandlungsergebnisses aufgrund des
genannten Veränderungsprofils,
- – einer
Bewertungsstufe zum Bewerten des genannten Behandlungsergebnisses
unter Anwendung vorgegebener Kriterien,
- – einer
Iterationsschleife im Falle einer negativen Bewertung zum iterativen
Generieren eines anderen Veränderungsprofils
auf Basis anderer Daten oder zum iterativen Generieren anderer Steuerdaten
zum Steuern der Laserstrahlung, und
- – einer Übergabeschaltung
zum Übergeben
von Steuerdaten an eine Steuerung des Lasersystems im Falle einer
positiven Bewertung in der Bewertungsstufe.
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Bei
dem vorstehend genannten Veränderungsprofil
kann es sich insbesondere und bevorzugt um ein Ablationsprofil im
oben definierten Sinne handeln, also um einen räumlich definierten Abtrag von Gewebe
auf oder in der Kornea.
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Die
vorstehend genannte Benutzerschnittstelle und die Datenaufnahmeschnittstelle
können getrennte
Programmmodule oder auch dasselbe Programmmodul sein.
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Die
oben genannte Bewertungsstufe ist bevorzugt ein vollautomatisches
Programm-Modul zum Bewerten
des genannten Behandlungsergebnisses mit vorgegebenen Bewertungskriterien.
Es ist jedoch auch möglich,
in dieser Bewertungsstufe ganz oder teilweise Bewertungen durch
eine Person vorzusehen, insbesondere nach vom Computerprogramm vorgegebenen
und für
die Person auf dem Bildschirm dargestellten Bewertungskriterien.
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Die
Erfindung lehrt auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Steuerprogramms,
gemäß dem mit Laserstrahlung
ein ophthalmologischer Eingriff durchgeführt wird, mit zumindest den
folgenden Schritten zur Programmerzeugung:
- (a)
Erzeugen eines individualisierten Augenmodells unter Verwendung
patientenbezogener Daten, insbesondere der Ausgangsform der Hornhaut,
- (b) Bestimmen einer anzustrebenden Referenzhornhautform mittels
iterativer dreidimensionaler inverser Strahl-Rückverfolgung an dem Augenmodell,
- (c) Bestimmen der Differenz zwischen der Referenzhornhautform
und der Ausgangsform zur Gewinnung eines Ausgangsbearbeitungsprofils,
- (d) Ableiten von Steuerdaten zum Steuern der Laserstrahlung,
insbesondere Positionsdaten für
die Orte der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und der
Hornhaut,
- (e) Simulieren der Wechselwirkung zwischen gemäß den Steuerdaten
gesteuerter Laserstrahlung und der Hornhaut unter Zugrundelegung
des individualisierten Augenmodells, um unter Abarbeitung des Ausgangsbearbeitungsprofils
eine simulierte Hornhautform zu erhalten,
- (f) Vergleichen der simulierten Hornhautform mit der Referenzhornhautform
unter Anwendung vorgegebener Kriterien zur Bestimmung, ob ein Unterschied
zwischen der simulierten Hornhautform und der Referenzform innerhalb
oder außerhalb einer
vorgegebenen Toleranz liegt, und
- (g) iteratives Wiederholen der Schritte (d) bis (f) mit geänderten
Steuerdaten bis der Vergleich einen Unterschied innerhalb der Toleranz
ergibt.
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Dieses
Verfahren zum Erzeugen eines Steuerprogramms kann auch auf einen
ophthalmologischen Eingriff an einer Augenlinse eingesetzt werden und
zeichnet sich dann durch die folgenden Schritte aus:
- (a) Erzeugen eines individualisierten Augenmodells unter Verwendung
patientenbezogener Daten, insbesondere der Ausgangsform der Augenlinse
(Vorder- und/oder
Rückfläche),
- (b) Bestimmen einer anzustrebenden Referenzlinsenform (Vorder-
und/oder Rückfläche) mittels iterativer
dreidimensionaler inverser Strahl-Rückverfolgung an dem Augenmodell,
- (c) Bestimmen der Differenz zwischen der Referenzlinsenform
und der Ausgangsform zur Gewinnung eines Ausgangsbearbeitungsprofils,
- (d) Ableiten von Steuerdaten zum Steuern der Laserstrahlung,
insbesondere Positionsdaten für
die Orte der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und der
Augenlinse,
- (e) Simulieren der Wechselwirkung zwischen gemäß den Steuerdaten
gesteuerter Laserstrahlung und der Augenlinse unter Zugrundelegung
des individualisierten Augenmodells, um unter Abarbeitung des Ausgangsbearbeitungsprofils
eine simulierte Augenlinsenform zu erhalten,
- (f) Vergleichen der simulierten Augenlinsenform mit der Referenzlinsenform
unter Anwendung vorgegebener Kriterien zur Bestimmung, ob ein Unterschied
zwi schen der simulierten Augenlinsenform und der Referenzlinsenform
innerhalb oder außerhalb
einer vorgegebenen Toleranz liegt, und
- (g) iteratives Wiederholen der Schritte (d) bis (f) mit geänderten
Steuerdaten bis der Vergleich einen Unterschied innerhalb der Toleranz
ergibt.
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Das
vorstehend beschriebene Verfahren zum Erzeugen eines Steuerprogramms
für einen ophthalmologischen
Eingriff an einer Augenlinse kann auch verwendet werden zur Erzeugung
eines Steuerprogramms für
einen Eingriff an einer künstlichen
Augenlinse.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist hinsichtlich der Benutzerschnittstelle
bei dem vorstehend genannten Computerprogramm vorgesehen, dass sie
dazu ausgelegt ist, zumindest einen, bevorzugt mehrere, weiter bevorzugt,
alle der folgenden Datensätze
im Programm aufzunehmen:
demographische Daten; klinische Daten;
gemessene Wellenfrontfehler; Tiefenschärfe für das postoperative Auge; unterschiedliche
optische Zonen auf der Hornhaut oder in der Augenlinse; biometrische
Größen des
Auges, wie z.B. Augenlänge,
Hornhautform; biophysikalische Größen am Auge, wie z.B. Wassergehalt
des Gewebes; Messbedingungen bei der Diagnostik, z.B. eine Zentrierung
auf eine bestimmte Referenzachse; optische Größen des Auges, wie z.B. der
Pupillendurchmesser, oder Brechungsindex; gewünschter Visuswert; klinischer
Status des Patienten; Behandlungsplaner (z.B. Arzt).
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Weiterhin
ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Computerprogramms vorgesehen,
dass die genannte Datenaufnahmeschnittstelle zumindest einen, bevorzugt
mehrere und weiter bevorzugt alle der nachfolgend genannten Messdatensätze aufnimmt:
Energiedaten
bezüglich
der Laserstrahlung; Umgebungsbedingungen wie z.B. Raumfeuchtigkeit und/oder
Raumtemperatur; biometrische Daten bzgl. des Auges wie z.B. Augenlänge, Hornhautform;
biophysikalische Daten bzgl. des Auges, wie z.B. der Wassergehalt
des Gewebes; optische Parameter bzgl. des Auges, wie z.B. der mo mentane
Pupillendurchmesser, Brechungsindex etc.; Messbedingungen bei der
Diagnostik, wie z.B. Zentrierung auf eine vorgegebene Referenzachse;
demographische Daten bzgl. des Patienten; klinischer Status des
Patienten; Daten bzgl. des Behandlungsplaners (Arzt).
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Figuren näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild eines ophthalmologischen Lasersystems
einschließlich
einer Computersteuerung dafür;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm einer Computersteuerung gemäß 1 mit
weiteren Einzelheiten;
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3 bis 5 schematische
Blockdarstellungen einzelner Berechnungsmodule zur Verwendung in
einer Computersteuerung gemäß den 1 und 2;
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7 ein
Blockschaltbild für
ein Verfahren zum Erzeugen eines Steuerprogramms gemäß dem ein
ophthalmologischer Eingriff z.B. an der Kornea oder einer Augenlinse
durchgeführt
wird;
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8 schematisch
die Bestimmung eines individualisierten Augenmodells und ein inverses Ray-Tracing
zur Bestimmung der idealen Hornhautvorderfläche;
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9 die
Gewinnung eines Basis-Ablationsprofils (Veränderungsprofils) für die Iteration;
und
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10 schematisch
die Anpassung der Fluenz für
jeden Puls bei einer sich verändernden
Hornhautfläche
während
der Simulation.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild des Lasersystems einschließlich seiner Computersteuerung und
insbesondere die bei der Steuerung des Lasersystems berücksichtigten
Randbedingungen. Der Block „Lasersystem
für Augenchirurgie" beinhaltet das Computer-Steuerprogramm.
Darüber
sind die im Programm berücksichtigten
Randbedingungen aufgeführt,
die sich auf den Patienten und sein Auge beziehen.
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„Biometrische
Größen" sind z.B. die individuelle
Augenlänge
und die Hornhautform. Der Stand der Technik berücksichtigt in der Regel bei
Zugrundelegung eines Augenmodells nur einen Mittelwert der Augenlänge. Dass
kann insbesondere zu Fehlern bei der Auswertung der Wellenfrontaberration
führen,
da die Abbildungsverschiebungen auf der Netzhaut von der Augenlänge abhängen. Eine
biometrische Größe ist insbesondere
auch die Hornhauttopographie.
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Ein
weiterer Einflussfaktor, der durch das zu behandelnde Auge bestimmt
ist, sind die biophysikalischen Größen, also insbesondere der
Wassergehalt des Gewebes, der die Wechselwirkung der Laserstrahlung
mit dem Gewebe beeinflusst. Dieser Wassergehalt des Gewebes kann
sich auch während
der Operation ändern.
Im Betracht kommt also eine Messung vor der Operation und eine Eingabe
in das System und eine Messung während
der Operation („on-line") sowie deren Berücksichtigung.
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Unter „optische
Größen" sind insbesondere der
Pupillendurchmesser des Auges und der Brechungsindex zu verstehen
sowie am Patientenauge gemessene Wellenfrontfehler.
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Hinzu
kommen als Randbedingungen die Messbedingungen bei der Diagnostik,
also z.B. bei der Durchführung
der Hornhauttopographie oder Wellenfrontmessung. Dabei muss eine
bestimmte Referenzachse zugrundegelegt werden (z.B. die „line-of-sight)
und diese Zentrierung der Daten sollte für das gesamte weitere Verfahren
zugrundegelegt oder zumindest berücksichtigt werden.
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Hinzu
kommen Einflussfaktoren (Randbedingungen), die durch den Patienten
bedingt sind, wie z.B. demographische Daten (Alter) und klinische
Daten, z.B. die anzunehmende Wundheilungsreaktion des individuellen
Patienten, die je nach Gesamtkonstitution des Patienten unterschiedlich
ausfallen kann. Ein weiterer Einflussfaktor kann durch den behandelnden
Arzt gegeben sein, der aufgrund von Erfahrungswerten bestimmte Behandlungsziele
und chirurgische Techniken bevorzugt.
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Weitere über eine
Schnittstelle in das Programm eingebbare Randbedingungen, können sein: ein
beabsichtigter minimaler Wellenfrontfehler (bei Einsatz der bekannten
Messung der Wellenfrontaberration), eine gewünschte maximale Tiefenschärfe für das postoperative
Auge, insbesondere bei Korrektur einer Alterssichtigkeit, oder auch
gewünschte unterschiedliche
optische Zonen auf der Hornhaut oder in der Augenlinse.
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All
diese Daten werden über
eine Schnittstelle (in 1 durch das Ende der Pfeile
angedeutet) in das Rechnersystem eingegeben, dessen Computerprogramm
ausgelegt ist, ein Veränderungsprofil
für die
refraktive Augenchirurgie zu bestimmen und sodann ein Lasersystem
mit zugehörigen
Strahlformungs- und Führungsmitteln
entsprechend zu steuern. Dies ist im entsprechend gekennzeichneten Block
der 1 und näher
in 2 ausgeführt.
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Danach
enthält
das Rechnerprogramm einen Veränderungsprofilgenerator,
der in den Figuren als „Behandlungsprofilgenerator" bezeichnet ist.
Dieser Generator erzeugt aufgrund der vorstehend genannten eingegebenen
Daten und Messdaten ein Veränderungsprofil,
also eine Darstellung des anzustrebenden Ziels der Behandlung, d.h.
z.B. ein Ablationsprofil für
die Veränderung
der Form der Hornhaut.
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Weiterhin
enthält
das Programm einen Generator zum Generieren von Steuerdaten auf
Basis des genannten Veränderungsprofils
zum Steuern der Laserstrahlung. All dies ist noch „theoretische
Rechnung", die konkrete
Steuerung des Lasers erfolgt später
(vgl. weiter unten). Dieser Generator ermittelt also insbesondere
die x, y, z- Positionen
für die
gepulste Laserstrahlung, d.h. die oben erläuterte Liste in Raum und Zeit
für die
sequentielle Anwendung der einzelnen Laserpulse.
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Weiterhin
weist das Programm einen Simulator zum Simulieren eines Behandlungsergebnisses mit
den zuvor gewonnenen Steuerdaten unter Zugrundelegung des genannten
Veränderungsprofils auf.
Der Rechner simuliert also eine Behandlung, ohne dass diese zunächst tatsächlich durchgeführt wird.
Bei dieser Simulation können
bevorzugt alle oben genannten Einflussfaktoren und Randbedingungen
aufgrund empirischer Daten, die beschreiben, wie sich diese Einflussfaktoren
und Randbedingungen typischerweise auswirken, berücksichtigt werden.
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Dies
ergibt ein Behandlungsergebnis, welches dann in einen Bewerter eingegeben
wird. Der Bewerter beurteilt, ob die simulierte Behandlung bestimmte,
vorgegebene Bewertungskriterien erfüllt, also wieweit das Behandlungsziel
erreicht wird. Dieser Bewerter steht in einer Iterationsschleife,
die zum Behandlungsprofilgenerator zurückführt. Diese Iteration hat insbesondere
den Vorteil, dass die zu berücksichtigenden
Einflussfaktoren und Randbedingungen in einem sehr komplexen Wechselwirkungsverhältnis stehen
(sie können „interagieren"). So kann der Laser
beispielsweise die Hornhautdicke so stark reduzieren, dass es durch
den Augeninnendruck zu einer Veränderung
der Hornhautwölbung
kommt, wodurch der Krümmungsradius
der Hornhaut stark geändert werden
kann. Dies kann nun in dem iterativen Prozess, wie beschrieben,
dadurch berücksichtig
werden, dass beim zweiten Berechnungsdurchgang die Ablation leicht
erhöht
wird, um die anschließende druckbedingte
Auswölbung
zu kompensieren. Es kann sich dabei ergeben, dass aufgrund der nun
erfolgten stärkeren
Ablation die Auswölbung
noch höher
ausfällt,
was wiederum in der nächsten
Iterationsschleife zu berücksichtigen
ist. Solche gegenläufigen Prozesse
können
durch diese iterative Simulation zu einem optimierten Ergebnis geführt werden.
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Wenn
schließlich
der Bewerter das aufgrund dieser Iterationsschleifen gewonnene Behandlungsergebnis
unter Anwendung vorgegebener Kriterien als hinreichend be wertet,
kann das iterative Verfahren beendet werden und es werden die im
Generator erzeugten Steuerdaten zum Steuern der Laserstrahlung an
das Steuerungssystem für
den Laser übergeben,
also z.B. insbesondere die x, y, z-Positionen für die Laserpulse und weiter
Steuerdaten hinsichtlich insbesondere der Strahlformung, der Energie
etc.
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Damit
werden dann der Laser selbst und die Mittel zur Strahlformung, Strahlführung und
Strahlpositionierung, die alle als solches dem Fachmann gut bekannt
sind, angesteuert.
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Das
System ermöglicht
gemäß 2 dann noch
eine online-Berücksichtigung
der momentanen Energie und/oder Energiedichte, Fehler hinsichtlich der
Strahlpositionierung (insbesondere Abweichungen beim Eye-Tracking)
und auch eine Berücksichtigung
der Umweltbedingungen, deren momentane Größen direkt in den Generator
rückgeführt werden können, um
während
der Behandlung unter Berücksichtigung
dieser Parameter die Steuerdaten für den Laser anzupassen. Eine
Berücksichtigung
dieser Abweichungen von den Ausgangsdaten erfolgt aber erst, falls
in der Iterationsschleife momentan festgestellt wird, dass die gewünschten
Bewertungskriterien nicht mehr erfüllt sind – erst in einem solchen Fall wird
im Generator eine neue Liste von Laserpositionen in x, y, z erstellt.
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Die 3-5 beschreiben
im einzelnen Berechnungsmodule hinsichtlich ihrer Eingangs- und Ausgangsdaten.
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So
beschreibt 3 den Generator für das Veränderungsprofil,
welches, wie gesagt, bei diesen Ausführungsbeispielen spezieller
als Behandlungsprofil bezeichnet ist. In den einzelnen Blöcken sind die
Einflussgrößen, Randbedingungen,
und die angestrebten optischen Ergebnisse am Patientenauge aufgeführt. Diese
werden gemäß den Verarbeitungsschritten
verrechnet. Der erste Block beschreibt die Gewinnung des dreidimensionalen
Augenmodells, welches sich aus dem numerischen Input, also den oben
aufgeführten, über die
Schnittstellen eingegebenen Daten er gibt. Der nächste Block beschreibt eine
besondere optische Anpassung des Augenmodells. Als wichtigste Ausgangsdaten
sind die Abbildungseigenschaften des Auges aufgrund der Wellenfront-Messungen
sowie die geometrische Form der Kornea Vorderfläche bekannt. Aufgrund von nicht verfügbaren weiteren
Informationen über
das individuelle Patientenauge kommt es aber, wenn das Augenmodell
nur mit den vorstehend als bekannt vorausgesetzten Informationen
gewonnen wird, zu Abweichungen in den Abbildungseigenschaften zwischen
dem Augenmodell und dem realen Auge. Zur Verbesserung des Augenmodells
werden nun durch sogenannte Strahl-Rückverfolgungsverfahren
(„inverse
Ray-Tracing") im
Augenmodell noch nicht bekannte optische Elemente so variiert, dass
es zu einer bestmöglichen Übereinstimmung
zwischen den Abbildungseigenschaften des gemessenen Auges und des
Augenmodells kommt. Hieraus ergibt sich ein optimales Augenmodell.
Schließlich
zeigen die weiteren Blöcke
in 3 die Gewinnung der Daten für die Lasersteuerung.
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4 zeigt
Einzelheiten des Generators zum Generieren von Laser-Steuerdaten,
also insbesondere der Laserpositionen in x, y, z-Koordinaten. Es
sind die eingegebenen Daten (Inputdaten) und die Verarbeitungsschritte
in 4 gekennzeichnet.
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5 zeigt
Einzelheiten des Simulators zum Simulieren eines Behandlungsergebnisses.
In den oberen Blöcken
sind wieder die Eingangsdaten aufgeführt und darunter die Verarbeitungsschritte,
und unten die ausgegebenen Daten (Outputdaten). 6 zeigt
die besondere Berücksichtigung
der oben erläuterten
Randbedingungen und Einschlussfaktoren. Die einzelnen Verarbeitungsschritte
sind aufgeführt und
die daraus sich ergebenen Ausgangsdaten (Outputdaten).
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7 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, bei dem zweit Iterationsschleifen eingesetzt werden (entsprechend
den Ansprüchen
4 und 8). Bei diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemäß 7 ist
eine Iterationsschleife vorgeschaltet, mit der zunächst eine
anzustrebende ideale Hornhautvorderfläche bestimmt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
entspricht die im Algorithmus nachfolgende zweite Iterationsschleife
weitgehend der Iterationsschleife gemäß den 1 und 2. Auch
mit dem Algorithmus gemäß 7 wird
eine deutliche Verbesserung der Korrekturgenauigkeit bei der Behandlung
unter Berücksichtigung
von Wellenfront-Aberrationen
höherer
Ordnung erreicht. Es ist auch eine Behandlung von Hornhautirregularitäten, wie
beispielsweise der sogenannten Central Islands oder auch von Vernarbungen
ermöglicht.
Die Dateneingabeschnittstellen, über
die die oben erläuterten Daten
in das Programm eingegeben werden, sind hinsichtlich der Übertragung
von Messdaten von externen Messgeräten (z.B. dem Topographiemessgerät) direkt
angeschlossen. Eine Bauweise in Modulen ermöglicht die ständige Verbesserung,
Verfeinerung und Nachrüstung
bestehender Anlagen um weitere Module mit zusätzlicher Berücksichtigung
weiterer Einflussfaktoren und Randbedingungen.
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Der
Algorithmus gemäß 7 wird
wie folgt erläutert:
Zunächst wird
ein individualisiertes Augenmodell erstellt, zu dem oben bereits
einiges ausgeführt
ist. Insbesondere werden also die individuelle Augenlänge des
Patienten und z.B. die Vorderkammertiefe berücksichtigt. Sodann erfolgt über eine
inverse Strahlen-Rückverfolgung
(Inverses Ray-Tracing) eine Berechnung der idealen, anzustrebenden
Hornhautvorderfläche.
Dieses inverse Rückverfolgen
von Strahlen durch ein Modellauge macht sich den Umstand zunutze,
dass der ideale Bildpunkt des optischen Systems „Auge" bekannt ist. Es handelt sich um einen
beugungsbegrenzten Fokuspunkt in der Netzhautebene. Davon ausgehend
wird, unter Berücksichtigung
der Linsenaberrationen und der Biometriedaten auf die zugehörige Hornhautvorderfläche zurückgeschlossen,
die den genannten idealen Fokuspunkt zu erzeugen vermag. Auf diese
Weise wird eine ideale Hornhautvorderfläche gewonnen, wobei die dargestellte
Iterationsschleife solange durchlaufen wird, bis ausgehend von dem
individualisierten Augenmodell die anzustrebende ideale Hornhautvorderfläche unter
Einhaltung vorgegebener Toleranzbedingungen erreicht ist. Ist diese
ideale Hornhautvorderfläche
erreicht, können
gegebenenfalls noch optische Zonen eingegeben werden, wenn die Hornhautvorderfläche in z.B.
zwei oder mehr optische Zonen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufgeteilt
werden soll.
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Mit
der so erhaltenen idealen Hornhautvorderfläche wird dann das Ausgangs-Veränderungsprofil
in der oben beschriebenen Weise bestimmt, welches in 7 als „Basisablationsprofil" bezeichnet ist,
weil es bei diesem Ausführungsbeispiel
um die Ablation an der Vorderfläche
der Hornhaut geht. Mit diesem Basis-Ablationsprofil wird dann das
eigentliche Ablationsprofil berechnet, also die Differenz zwischen
der gegebenen Hornhautvorderfläche
und der anzustrebenden Hornhautvorderfläche, d.h. das nach Form und
Inhalt bestimmte Volumen von abzutragendem Hornhautgewebe.
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Damit
wird dann in dem oben bereits erläuterten Generator die Schussliste
für die
Laserpulse bzgl. insbesondere ihrer x, y, z-Positionen berechnet, dies
ist in 7 mit dem Block „Schusslistenberechnung" dargestellt.
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Sodann
erfolgt die oben bereits beschriebene Simulation, die in 7 mit „Ablationssimulation" bezeichnet ist.
Der Simulator simuliert also im Rechner ein Behandlungsergebnis
aufgrund der zuvor bestimmten Daten und Bedingungen. An dieser Stelle ist,
in Erweiterung der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, eine Simulation
von Glättungseffekten
und einer Re-Epithelisation möglich,
wozu gegebenenfalls Patientendaten eingegeben werden, die empirische
Erfahrungswerte hinsichtlich einer postoperativen Glättung und
Wundheilung betreffen.
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Weiterhin
kann nachfolgend eine Simulation der Formänderung durch Biomechanik erfolgen,
also beispielsweise die oben bereits angesprochene Änderung
der Hornhautwölbung
durch intraokularen Druck (IOP).
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Anschließend kann
dann die oben bereits erläuterte
Bewertung erfolgen, die in 7 durch
die Frage „Differenz
von idealer zu simulierter Oberfläche" dargestellt ist. Das Bewertungsergebnis
stellt also einen Vergleich der simulierten Hornhautform mit der
Referenzhornhautform unter Anwendung vorgegebener Toleranzkriterien
dar. Ist die vorgesehene Genauigkeit noch nicht erreicht, erfolgt
ein weiterer Durchgang durch die Iterationsschleife mit einer erneuten
Berechnung des Ablationsprofils unter Zugrundelegung anderer Daten.
Ist hingegen die gewünschte
Genauigkeit erreicht, werden die gewonnen Steuerdaten an die Lasersystemsteuerung (1, 2) übergeben.
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Nachfolgend
werden Einzelheiten der oben beschriebenen Programmmodule erläutert.
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Hinsichtlich
des genannten individualisierten Augenmodells und der Bestimmung
der idealen Hornhautvorderfläche
zur Ermittlung des Veränderungsprofils
gilt folgendes:
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8 zeigt
schematisch den Aufbau des individualisierten Augenmodells und ein
inverses sogenanntes Ray-Tracing zur Bestimmung der idealen Hornhautvorderfläche. Die
folgenden Größen werden
am Patientenauge gemessen (8, links): Hornhauttopographie,
Wellenfrontaberrationen, Scheimpflugaufnahmen, Hornhautdicke (L1),
Vorderkammertiefe (L2), Linsenposition (L3), Linsendicke (L4), Augenlänge (L5),
Netzhautkrümmung
(R).
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Bei
der Implementierung dieser Daten in das Augenmodell wird insbesondere
wie folgt vorgegangen:
- – Modellierung der Linsengrundform
basierend auf:
Variante A: Linsendickenmessung und Annahmen bezüglich der
Grundkrümmungen
(Asphärizitätskonstanten,
zentrale Krümmungsradien).
Oder
Variante B: Scheimpflugaufnahmen;
- – Errechung
der Linsenirregularitäten
aus der Differenz von Topographie- und Abberationsdaten;
- – Treffen
weiterer Annahmen: Refraktive Indizes der Medien, Form der Hornhautrückfläche (Asphärizitätskonstante,
zentraler Krümmungsradius).
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Nach
der Festlegung der Anzahl zur verfolgender Strahlen und des Startpunktes
(Variante A) oder der Startpunkte (Variante B) auf der Netzhaut, wird
das Ray-Tracing gestartet. Es beinhaltet die sequentielle Berechnung
der Lichtbrechung an der Linsenhinterfläche, an der Linsenvorderfläche und
an der Hornhautrückfläche gemäß dem Brechungsgesetz
(Snellius). Anschließend
folgt die Rekonstruktion der idealen Hornhautvorderfläche. Durch
das sogenannte Anfitten einer Ableitungsfunktion an die Gesamtheit
der Normal-Ebenen des/der verfolgten Strahlenbündel (s) nach Brechung an der
Hornhautrückfläche kann
die von der unbekannten Hornhautvorderfläche erzeugte idealen Wellenfront
im Hinblick auf den idealen Fokuspunkt (Variante A) oder den Fokusbereich
(Variante B) bestimmt werden. Dies ist in 8, rechts,
schematisch dargestellt. Bei der Variante B erfolgt eine gewichtete
Mittelung der auf verschiedene Lichteintrittswinkel optimierten
Wellenfronten. Von der idealen Wellenfront kann dann auf die Hornhautoberfläche geschlossen
werden.
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Diese
Hornhautoberfläche
wird dann soweit axial verschoben, bis sie die präoperative
Hornhautvorderfläche
an deren Rückseite über der
optischen Zone tangiert. Die Rekonstruktion der idealen Vorderfläche erfolgt
dabei iterativ, da die genauen Durchtrittspunkte der Strahlen mit
der neuen Fläche zunächst nicht
bekannt sind und nur schrittweise angenähert werden können.
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Das
im oben beschriebenen Iterationsverfahren zunächst zugrundegelegte Veränderungsprofil,
welches auch als Basis-Ablationsprofil bei Anwendung der Erfindung
auf zum Beispiel LASIK bezeichnet werden kann, wird wie folgt gewonnen.
Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf 9. 9 zeigt
die Gewinnung des Basis-Ablationsprofils
(Veränderungsprofil)
für die
Iteration. Es errechnet sich aus der Differenz zwischen der präoperativ gemessenen
Hornhauttopographie und der berechneten idealen Hornhautvorderfläche.
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Das
Basis-Ablationsprofil dient als Ausgangspunkt für den iterativen Prozess, bei
dem das Ablationsprofil durch Berücksichtigung der diversen Einflussfaktoren
(siehe oben) optimiert wird. Im Unterschied zu einem herkömmlichen,
aus der Wellenfront-Aberration
berechneten Ablationsprofil beinhaltet das hier genannte Basis-Ablationsprofil bereits eine
Kompensation des sogenannten Mehrlinsen-Effektes (be schrieben von
F. Manns et al.; Journal of Cateract and Refractive Surgery, 2002;
28:766-774). Dieser Effekt wird bereits beim inversen Ray-Tracing berücksichtigt.
Zum Simulator:
Es erfolgt eine rechnerische Simulation des
Scanning-Spot-Abtrags. Dieser wird numerisch simuliert. Dafür werden
sowohl die zu bearbeitende Topographie-Fläche als auch das jeweilige
Spot-Profil mit demselben Rasterungsintervall diskretisiert. Um
die oben genannten verschiedenen Einflusseffekte (zum Beispiel Abhängigkeit
der Abtragstiefe von der Hornhautkrümmung, Reflexionsverluste an
der Hornhaut aufgrund unterschiedlicher Einfallswinkel; unterschiedliche
Ablationswirkungen aufgrund unterschiedlichen Wassergehalts etc.)
berücksichtigen, wird
das Spot-Profil für
jeden einzelnen Laserpuls der (simulierten) Behandlung in Abhängigkeit
von der Spot-Position (die beiden vorstehend zuerst genannten Einflussfaktoren
sind ortsabhängig
in der x-y-Ebene)
und der Zeit (die Abhängigkeit
vom Wassergehalt ist zeitabhängig)
aus dem Fluenzprofil der Laserstrahlung bestimmt.
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Die
Simulation des Behandlungsergebnisses kann zum Beispiel unter Annahme
eines ablatierenden Lasers (z.B. ArF-Laser) aber auch durch Veränderungen
im Gewebe selbst mit ultra-kurzen, hochfokussierten Laserpulsen
erfolgen (sogenannte Plasma-Ablation
oder Photodisruption). Es lassen sich aber auch Veränderungen
in den optischen Eigenschaften (z.B. Brechungsindex) oder Materialverschiebungen
in künstlichen
Augenlinsen (z.B. durch Kapillareffekte) simulieren.
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Während dieses
simulierten Abtragsprozesses bzw. Veränderungsprozesses verändert sich
die Hornhautvorderfläche
bei jeder Iterationsschleife und somit ändern sich die Flächensteigungen
ständig. Dies
berücksichtigt
der Simulationsalgorithmus. Die Teilfluenzen der diskretisierten
Laserpulse werden bei der Simulation der als Beispiel genannten
Einflussfaktoren (Abhängigkeit
der Abtragstiefe von der Hornhautkrümmung und Reflexionsverluste
an der Hornhaut aufgrund der Einfallswinkel) individuell, je nach
Schussposition ständig
neu berechnet und an die sich ständig
verändernde
Oberfläche
angepasst. Dies ist in 10 schematisch dargestellt,
wel che schematisch zeigt, wie die Berechnung der Fluenz für jeden
Puls der sich verändernden
Hornhautfläche angepasst
wird. 10 zeigt auch die diskretisierten Mikro-Oberflächen, in
Bezug auf die die Teilfluenzen gebildet werden.
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Die
Simulation von Wundheilungs- und Glättungsmechanismen erfolgt im
wesentlichen empirisch und kann durch Anwendung eines sogenannten Butterworth-Low-Pass-Filters 1. Ordnung
auf die zu ablatierende Oberfläche
erfolgen (vgl. D. Huang et al. in Am. J. Ophtalmol.; 2003, 135 (3):
267-78).
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Werden
bei der Simulation biomechanische Veränderungen der Hornhaut berücksichtigt
(also zum Beispiel die Berücksichtigung
des IOP – Intraokularer
Druck), dann wird ein FE-Modell (Finite Elemente) erstellt. Im Iterationsverfahren
kann dann unter Berücksichtigung
der ortsabhängigen
Hornhautdickenänderungen
und bei Annahme eines konstanten Augeninnendruckes die endgültige Hornhautoberfläche nach
der Behandlung approximiert werden. Dabei wird der intraokulare
Druck des Patienten gemessen. Es können dabei auch andere patientenspezifische
Größen berücksichtigt
werden, zum Beispiel Gewebefestigkeit oder dergleichen.
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Bei
der Simulation erfolgt der Vergleich der so errechneten post-operativen
Oberfläche
mit der idealen Oberfläche,
vgl. die Bewertungsstufe. Aufgrund dieses Vergleiches kann dann
das Basis-Ablationsprofil (allgemein: Veränderungsprofil) entsprechend
korrigiert werden. Fiel der Abtrag zum Beispiel beim gerade beendeten
Iterationsschritt aufgrund der genannten Bewertung zu gering aus,
so wird das Ablationsprofil an den jeweiligen Stellen erhöht. Die
Iteration wird solange durchgeführt,
bis die gewünschte Genauigkeit
erreicht ist.