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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung der Position des
Augapfels eines Patienten. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine
Messanordnung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Mit
Hilfe von optoelektronischen Verfolgungssystemen, so genannten Eye-Trackern,
können
Bewegungen des Augapfels eines liegenden Patienten in der Horizontalebene
verfolgt werden. Derartige Systeme sind insbesondere für die Erkennung
der Augenposition bei refraktiven, also die Brechkraft der Hornhaut ändernden
Laser-Operationen am Auge erforderlich. Es sind beispielsweise Systeme
bekannt (vergleiche WO 00/27273), mit denen die Verschiebungen in
der Vertikalachse, insbesondere in einer x-y-Ebene, erfasst werden
können.
Diese Informationen werden genutzt, um die Auslenkung des Laserstrahls
bei der Behandlung an die Augenbewegungen anzupassen. Bei unerwünscht großen Abweichungen
(„Exkursionen") des Auges wird der
Laserstrahl abgeschaltet. Das Ziel ist, dadurch die einzelnen ablativen
Laserpulse korrekt zu platzieren.
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Nachteilig
bei bekannten Eye-Trackern ist, dass sie vom Prinzip her nicht die
Positionen der Hornhautoberfläche
selbst verfolgen können.
Die gesunde Hornhaut und die Hornhautoberfläche, also die Orte, an denen
die Laserenergie wirken soll, sind durchsichtig und ohne zusätzlich Markierung
optisch nicht festlegbar. Um ohne zusätzlich Markierungen unterscheidbare
und ausmachbare Orte im Auge zu finden, werden daher beispielsweise
das Pupillenzentrum oder der kreisförmige Limbus der Augen als
erkennbare „Haltepunkte" verwendet. Es kommt
damit, wie noch erläutert
werden wird, zu Parallaxenfehlern, sobald das Auge verrollt wird,
das heißt,
sobald die Pupillarebene nicht mehr senkrecht zum Sensor des Eye-Trackers
ausgerichtet ist. Es kann damit zu Fehlbehandlungen kommen, da die
Wirkungslokation des Laserstrahls nicht mit der berechneten Lokation übereinstimmt.
Außerdem
trifft der Lichtstrahl nicht im berechneten Winkel auf die Hornhaut auf,
wodurch sich die Energiedichte (fluence) am Wirkungsort ändert und
damit der Gewebeabtrag am Wirkungsort anders als berechnet erfolgt.
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Es
stellt sich demnach die Aufgabe, die Bewegungen des Augapfels nicht
nur parallel und senkrecht zur Pupillarebene zu erfassen, sondern
auch Verrollungen des Auges, also die Neigung der Pupillarebene,
relativ zum Behandlungslaser oder zu einer definierten Behandlungsebene
zu berücksichtigen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Feststellung der Position des Augapfels
eines Patienten, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- – Von
wenigstens einem außerhalb
des Auges liegenden Ursprungspunkt werden Lichtstrahlen auf das Auge
gerich tet, die von mehreren Reflektionszonen, die auf der Pupillarebene
oder einer dazu im wesentlichen parallelen Ebene liegen, reflektiert
werden;
- – das
reflektierte Licht wird aufgefangen und es werden die jeweiligen
Entfernungen von dem oder den Ursprungspunkten festgestellt;
- – ausgehend
von einer Bezugsstellung der Pupillarebene werden anhand der Entfernungsdifferenzen
bei Verstellung des Augapfels und der Pupillarebene Änderungen
der Pupille und der Lage der Pupillarebene und damit die Lage des
Augapfels festgestellt.
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Vorzugsweise
wird die Entfernung jeweils mittels einer interferometrischen Distanzmessung
bestimmt.
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Die
Reflektionszonen sollen auf einem leicht auffindbaren und wiederholbar
ansteuerbaren Bereich des Auges liegen. Hierzu eigenen sich insbesondere
die Iris und/oder der Limbus, die im Wesentlichen auf der Pupillarebene
liegen. Wenigstens ein Teil der Reflektionszonen kann auch auf einem
Ring aus augenverträglichem
Material liegen, der auf die Hornhaut gelegt wird.
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Möglich ist
auch, dass durch eine hohe Dichte von Reflektionszonen und Interpolieren
der Messergebnisse an diesen Reflektionszonen die Entfernung diskreter
Lagepunkte auf der Pupillarebene interpoliert wird.
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Weiterhin
können
sich bei Anordnung einer Matrix von Reflektionszonen um die Pupille
mit ausreichend hoher Messzonen-Dichte zwei deutlich unterschiedliche
Entfernungswert-Gruppen ergeben, nämlich die Entfernungswerte
bis zur Pupillarebene und die Entfernungswerte bis zur Retina, wobei
die letztgenannten Werte der Pupille zugeordnet werden und die Position
der Pupille hierdurch ermittelt wird.
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Eine
Anordnung von Reflektionszonen kann in wenigstens einem Polygonzug
verteilt um die Pupillenmitte erfolgen. Darüber hinaus können die
Reflektionszonen auf mehreren, um die Pupillenmitte konzentrischen
Polygonzügen
liegen, wobei der radiale Abstand der Polygonzüge untereinander sich von der
Pupillenmitte nach außen
vergrößern kann,
um zentral eine höhere
Dichte von Messwerten zu erhalten.
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Sollen
auch die Rotation um die Fixierlinie des Auges, das heißt um die
Sehachse in Blickrichtung, erfasst werden, so können optisch unterscheidbare
Reflektionsbereiche auf der Iris als Referenz für eine Lageerfassung bei einer
Zyklorotation der Pupillarebene dienen.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Messanordnung zur Durchführung des
Verfahrens, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
- – Wenigstens
eine Lichtquelle, von der aus Lichtstrahlen auf das Auge zu richten
sind, die von mehreren Reflektionszonen, die auf der Pupillarebene
oder einer dazu im Wesentlichen parallelen Ebene liegen, reflektiert
werden,
- – Photorezeptoren,
mit denen das reflektierte Licht aufgefangen und die jeweilige Entfernung
von dem oder den Ursprungspunkten festgestellt wird,
- – so
dass ausgehend von einer Bezugsstellung der Pupillarebene anhand
der Entfernungsdif ferenzen bei Verstellung des Augapfels und der
Pupillarebene Änderungen
der Lage der Pupillarebene und der Pupille und damit die Lage des
Augapfels feststellbar sind.
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Weitere
Unteransprüche,
die die Messanordnung betreffen, werden anhand der nachfolgenden
Beschreibung erläutert.
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Die
Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
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1 Schematisch
einen Schaltkreis eines Eye-Trackers
mit zusätzlicher
Vorrichtung gemäß Erfindung;
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2 das
menschliche Auge und seine möglichen
Freiheitsgrade der Bewegung;
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3 schematisch
die zur Ausführungsform
der Vorrichtung gehörenden
Elemente;
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4a bis 4c Anordnung
von Reflektionszonen im Bereich der Iris und des Limbus;
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5a und 5b eine
Anordnung einer Messmatrix mit zahlreichen Reflektionspunkten im
Bereich des Auges.
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In 1 ist
schematisch eine Vorrichtung zur Feststellung der Hornhaut-Position
im Zusammenhang mit einem Operationsplatz zur Operation an der Hornhaut
mit Hilfe eines Laser-Systems dargestellt. Es wird gemäß Ausführungsbeispiel
ein Excimer-Laser 1 verwendet, der einen für Hornhaut-Operationen
verwendbaren Laserstrahl 2 entsprechender Wellenlänge und
Energiedichte erzeugt. Der Laserstrahl 2 wird durch einen Spiegel 3 steuerbar
auf das Au ge 4, speziell auf die Hornhaut 40,
gelenkt. Durch intermittierende Pulse wird ein Teil der Hornhaut 40 abgetragen,
wie durch Punkte angedeutet ist.
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Der
Spiegel 3 ist durchsichtig für infrarotes und sichtbares
Licht. Blickt das Auge des Patienten nach oben, kann es durch ein
Mikroskop 6 beobachtet werden (Strahl 6').
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Um
den willkürlichen
und unwillkürlichen
Bewegungen des Auges 4 und der Pupille folgen zu können, ist
ein als „Eye-Tracker" oder Pupillen-Verfolgungssystem 30 bekanntes
System vorgesehen. Hierbei wird ausgegangen von zwei Infrarot-Lichtquellen 11, 12,
die ein Bild der Pupille des Auges 4 erzeugen, das durch
den Spiegel 3 geführt
und durch den Spiegel 10 abgelenkt wird, so dass es direkt
zu einer CCD-Kamera 13 gelangt, der eine Bildfangschaltung
(frame grabber) 14 zur Digitalisierung des empfangenen
Bildes nachgeschaltet ist. Das digitalisierte Bild wird in einem
Computer 15 eingegeben, der auch die Funktion des Lasers 1 steuert.
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Durch
Vergleich der Bilder der Pupille mit einem Ausgangswert, der einer
Bezugsstellung entspricht, kann das jeweils sich in der x-y-Ebene
verstellte Zentrum der Pupille bei jeder Bildsequenz festgestellt
werden. Damit können
die x-y-Koordinaten des Pupillenzentrums ermittelt und über einen
Steuerungskreis, der eine Nachstellung vornimmt, dem Laser 1 zugeführt werden.
Für die
Nachstellung können
auch optische Systeme, die hier nicht weiter dargestellt sind, eingesetzt
werden.
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2 zeigt
die Freiheitsgrade der Bewegungsmöglichkeiten des Augapfels im
Raum durch entsprechende Pfeile. Die am Augapfel angreifenden Muskeln
ermöglichen
eine willensgesteuerte Rotationsbewegung um eine Achse eines gedachten
Koordinatensystems (gepunktete Linien) mit dem Ursprung im Augendrehpunkt
M. Diese Bewegung wird als Verrollung (Pfeil P1)
bezeichnet. Auch kann das Auge um die Sehachse rotieren (Pfeil P2). Diese Bewegung wird als Zyklorotation
bezeichnet. Bei Augenoperationen kommen außerdem noch lineare und rotierende
Bewegungen des Auges mitsamt des Kopfes in allen Richtungen des
Raumes hinzu, welche – mathematisch
vereinfacht – so
betrachtet werden, als ob sie sich in einer Ebene vollziehen, wobei
angenommen wird, dass diese Bewegung mit einem Eye-Tracker mit ausreichender
Genauigkeit ebenso wie die Rotation um die Sehachse verfolgt werden
können.
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3 zeigt
schematisch eine weitere Überwachungsvorrichtung,
die über
dem Auge 4 angeordnet ist. E handelt sich um eine Anordnung
von mehreren, beispielsweise vier Entfernungsmessern in Form von
Fotodetektoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4.
Die Fotodetektoren gehören
zu interferometrischen Messkreisen, die im Folgenden noch beschrieben
werden.
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Hierbei
sei zur Verdeutlichung angenommen, dass sich im Ausgangszustand
das Pupillenzentrum als Referenzpunkt im Kartesischen Koordinatensystem
mit x-, y-, z-Achse gemäß 3 im
Koordinatenursprung x = y = z = 0 befindet. Bei geringer Abweichung,
ausgehend von diesem Ursprung in x- oder y-Richtung, ändert sich
die Position des Scheitels S der Hornhaut. Der sich damit auch ändernde
Auftreffpunkt des Laserstrahls 2 kann bis zu einem gewissen Grade
dieser Veränderung
folgen. Hierbei wird angenommen, dass der Wert der z-Koordinate
zunächst
bei dieser Änderung
nicht beeinflusst ist.
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Rollt
dagegen das Auge, so ändert
sich der z-Wert des Hornhaut-Scheitels. Der Laserstrahl 2,
hier mit 2' bezeichnet,
der sich weiterhin an der x-y-Verrückung des Pupillen-Mittelpunkts
P zu P' orientiert
um beispielsweise den Hornhautscheitel zu treffen, trifft die Hornhaut
seitlich außerhalb
des Scheitels und damit nicht an dem erwünschten Operationspunkt.
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Um
diese Fehlsteuerung auszuschließen,
werden von vier Fotodetektoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 die
Entfernungen a1, a2,
a3, a4 als Abstände zu einer
Pupillarebene am Auge gemessen. Innerhalb des Gehäuses der Fotodetektoren
befinden sich jeweils frequenzstabile Helium-Neon-Laser, deren Laserstrahl über einen Strahlteiler
in einen Messstrahl und einen Referenzteil aufgeteilt wird und nach
dem Prinzip des Michelson-Interferometers in einem Fotodetektor
auf Interferenz überprüft wird.
Anhand der Interferenzwerte kann bis zur Größenordnung der Lichtwellenlänge genau
eine Entfernung zu einer Reflektionszone am Auge festgestellt werden.
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Auf
einer Pupillarebene E liegen mehrere Reflektionszonen 7.1,
... 7.4 entsprechend der Anzahl von Fotodetektoren 5.1 ...5.4.
Der reflektierte Lichtstrahl, der zu dem jeweiligen Fotodetektor
zurück
gelangt, erlaubt es, die genauen Entfernungen a1...a4 festzustellen. Kippt jetzt beispielsweise
das Auge um den Winkel α um
den Augendrehpunkt M, so dass sich gemäß 3 ein wesentlich
neues Wertetripel x, y, z für
das Pupillenzentrum ausstellt, so ist auch die Pupillarebene E verkippt,
so dass sich andere Werte für
a1...a4 ergeben. Es
kann sogar so sein, dass der zu a1 gehörende Strahl
in die Pupille selbst fällt
und damit einen wesentlich höheren
Wert ergibt als der Ausgangswert, da eine Reflektion des Strahls
an der tiefer liegenden Retina erfolgt. Damit kann mit Sicherheit
festgestellt werden, dass durch Verrollung und/oder Verschiebung
des Auges die Hornhaut sich nicht mehr im Bereich der richtigen
Arbeitsposition befindet.
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Durch
Feststellung der Entfernungen bei Verstellung des Augapfels und
der Pupillarebene wird die Veränderung
auch bei einem Verrollen festgestellt. Die Entfernungsweite wird
ebenfalls in den Computer 15 eingegeben und dort verarbeitet.
Bei Überschreitung
eines bestimmten Wertes kann der Laserstrahl 2 abgeschaltet
werden.
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Als
Beispiel seien der Parallaxenfehler und dessen Berücksichtigung
für eine
vereinfachte Modellrechnung dargestellt (vergl 3).
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Der
Augapfel soll sich dabei um einen fiktiven Augendrehpunkt M, der
sich etwa in der Mitte des Augapfels befindet, verrollen. Der Abstand
vom Hornhautscheitel S zum Pupillarebenen-Mittelpunkt P sei mit
3,5 mm und der Abstand vom Hornhautscheitel S bis zum Augendrehpunkt
M mit 13,5 mm angenommen.
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Bei
einer Verrollung oder Rotation des Augapfels um den Augendrehpunkt
M um einen Winkel α folgt aus
dem Strahlensatz:
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Dabei
bedeutet [SS'] die
Entfernung von Punkt S zu Punkt S', [MP] die Entfernung vom Augendrehpunkt
M zur Pupillenmitte P usw.
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Bei
einer Verrollung um den Augendrehpunkt M gemäß Beispiel ist die Verschiebung
der Hornhaut in der Horizontalebene senkrecht zum Sensor am Laser
um den Faktor 1,35 größer als
die Verschiebung der Pupillenmitte in der Pupillarebene, oder, im
vorliegenden Beispiel: bei 1 mm Verschiebung der Pupillenmitte ist die
Verschiebung des Hornhautscheitels [SS'] 1,35 mm, entsprechend bei 2 mm Verschiebung
der Pupillenmitte ist die Verschiebung des Hornhautscheitels [SS'] 2,70 mm. Der durch
den Verrollungswinkel α hervorgerufene
Fehler in der Horizontalverschiebung muss demnach korrigiert werden.
folgt bei einem Abstand
[MP] von 10 mm eine Verschiebung der Pupillenmitte von 0,5 mm ein
Verrollungswinkel von α =
2,87°, bei
1 mm ein Verrollungswinkel von α =
5,74°, bei
2 mm ein Verrollungswinkel von α =
11,53°. Das
bedeutet, dass bei einer Verrollung um 11,53° die Pupillenmitte um 2 mm in
der Horizontalebene verschoben wird und der Laserspot um 0,7 mm
falsch platziert wird.
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Der
Verrollungswinkel α kann
bestimmt werden, wenn angenommen wird, dass die Messstrahlen annähernd parallel
oder parallel auf die Pupillarebene fallen (vergl.
5b).
Aus der Weglängendifferenz
zweier Strahlen und ihrem horizontalen Abstand ergibt sich aus
der Winkel α.
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Das
in den 1 und 3 dargestellte System erlaubt
die Feststellung, dass die Pupillarebene außer einer Bewegung in x- oder
y-Richtung auch eine Verrollung vorgenommen hat. In einem begrenzten
Bereich kann der Laserstrahl dann entsprechend geführt werden,
so dass das Muster aus einzelnen Laserpulsen weiterhin an den geplanten
Orten auf der Hornhautoberfläche
platziert und ein Parallaxenfehler vermieden wird. Wird ein Grenzwert überschritten,
so wird der Laserstrahl abgeschaltet.
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Das
Messverfahren lässt
sich jedoch auch dahingehend variieren, dass nicht nur drei oder
vier Reflektionszonen als Messpunkte verwertet werden, sondern eine
wesentlich größere Anzahl.
In 4a sind beispielsweise acht Reflektionszonen 7.1...7.8 auf
der Iris 22 verteilt angeordnet, die polygonal symmetrisch
um die Pupille 23 verteilt sind.
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Auch
können
Reflektionszonen an der durch den Limbus 20, also der Grenze
zwischen Iris und Sklera (Lederhaut) gebildeten Pupillarebene angeordnet
sein (vergleiche 4c). Auch können um das Pupillenzentrum
mehrere, in Form von Polygonzügen
angeordnete Reflektionszonen-Anordnungen liegen. Dabei kann sich
der radiale Abstand der Polygonzüge
untereinander vergrößern, so
dass die höchste
Zonendichte nahe der Pupille besteht.
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Es
wurde allerdings festgestellt, dass so verteilte Reflektionszonen
auf der Oberfläche
der Iris wie auch am Limbus nicht auf einer „mathematischen" Ebene liegen, sondern
mit Varianzen quasi auf Höhen
und Tiefen angeordnet sind. Insbesondere die Iris ist von Mensch
zu Mensch unterschiedlich zerklüftet.
Daher reicht eine Messung von nur wenigen Reflektionspunkten nicht
aus. Es werden daher, wie 4b zeigt,
die vier Reflektionsbereiche jeweils in ein Messtripel 26 von
drei Punkten aufgelöst,
deren Werte gemittelt werden.
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Um
die Drehung des Augapfels, also die Zyklorotation, gesehen vom Zentrum
der Pupille, zu erfassen, kann das Verfahren auch durch eine Bilderfassungseinheit
erweitert werden. Zusätzlich
zu Entfernungen werden optisch unterscheidbare Reflektionsbereiche
auf der Iris durch einen Scanner-Strahl erfasst, die dem optischen
Digitalisierungssystem zugeführt
werden. Bei einer Zyklorotation des Augapfels kann diese erfasst
und gleichermaßen
die Neigung der Pupillarebene verfolgt werden. Entsprechend kann
eine Korrektur des operierenden Laserstrahls 2 erfolgen.
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Eine
weitere Variation des Messverfahrens wird anhand der 5a und 5b erläutert. Gemäß dargestelltem,
nicht einschränkend
zu verstehenden Ausführungsbeispiel
misst eine 9 × 11-Matrix
von Messdetektoren die entsprechende Anordnung von Reflektionszonen 7,
die sich über
den Hornhaut-Bereich 21,
die Iris 22, die Pupille 23 und die Sklera 24 des
Augapfels verteilen. Geht man von einer Neutral-Stellung des Auges aus, ergeben sich
verschiedene Entfernungen, die eine räumliche Topographie des Auges
ermitteln lassen. Dies geht auch aus der Seitenansicht gemäß 5b hervor.
Da die durch die Pupille gemessene Entfernung zur Netzhaut (Retina)
wesentlich größer ist
als die Entfernung bis zur Iris, die die Pupille umgibt, kann mit einem
solchen Messergebnis auch festgestellt werden, wenn das Auge aus
der Nulllage soweit abweicht, dass eine Verschiebung der Pupille
angenommen werden muss. Aus dem Vergleich der Weglängendifferenzen
von z.B. sich paarweise in Bezug auf die Pupillenmitte gegenüber liegenden
Reflektionszonen kann auf die Neigung der Pupillarachse, also auch
auf Verrollen des Auges geschlossen werden, wie bereits beschrieben
wurde.
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Eine
solche Matrix-Anordnung, verbunden mit einer optischen Unterscheidung
bestimmter Irisbereiche, kann auch einen optischen Vergleich gemäß der Anordnung
der 1 ersetzen, wobei nicht nur eine x-y-Erfassung
der Pupillenmitte erfasst wird, sondern auch die Zyklorotation und
das Verrollen durch die Auswertung aller möglichen Messwerte ermittelt
werden können.
Dies kann insbesondere auch während
einer in-vivo-Operation bei Menschen erfasst und zum Nachführen des
Behandlungsstrahls benutzt werden. Bei Überschreitung eines Grenzwertes
kann der Laserstrahl abgeschaltet werden. Damit können Fehler
bei der Diagnostik und Therapie des Patientenauges vermieden werden.
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Beispielsweise
können
die gewonnenen Werte eingesetzt werden bei der Hornhautbehandlung
mit einem LASER, wie z. B. bei der phototherapeutische Keratektomie
(PTK), der photorefraktiven Keratektomie (PRK), der Laser-in-situ-Keratomileusis (LASIK)
oder der EPI-LASIK oder der Laserassistierten subepithelialen Keratektomie
(LASEK).
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Im
Rahmen der präoperativen
Diagnostik ist das beschriebene Verfahren beispielsweise bei der
Aberrometriebestimmung des Auges und bei der Hornhauttopographie
einsetzbar, um genauere Messungen zu ermöglichen. Desweiteren können durch
eine so bestimmte Hornhauttopografie indivi dualisierte Kontaktlinsenanpasssungen
vorgenommen werden, die regionale Irregularitäten der Hornhaut beispielsweise
nach Verletzungen, Degenerationen (besonders Keratokonus) oder Operationen
ausgleichen können.
