DE102007017611A1 - Verfahren und System zur Augenvermessung - Google Patents

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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
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    • A61B3/101Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for examining the tear film

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung zumindest der Oberflächenform einer Hornhaut (54) eines Auges (50) vorgeschlagen, bei dem ein fluoreszierender Farbstoff dem Tränenfilm (53) zugegeben wird, ein Lichtmuster aus streifenförmigen Linien (S) auf die Hornhaut (54) projiziert wird und Fluoreszenzstrahlung vom angeregten Farbstoff im Tränenfilm (54) mittels einer Kamera (14) detektiert wird, wobei die detektierten Signale zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) ausgewertet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass als Strahlungsquelle (1) eine Leuchtdiode (1) mit Emission im blauen Wellenlängenbereich verwendet wird. Des weiteren wird ein System zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Vermessung eines Auges.
  • Für die optische Diagnostik am Auge werden je nach Messgröße verschiedene Messprinzipien genutzt. Mit Wellenfrontaberrometern können die Abbildungseigenschaften des Auges gemessen werden. Hornhauttopographen stellen die Oberflächenform der transparenten Hornhaut dar. Die Korrektur von Fehlsichtigkeiten bzw. einem Teil der optischen Aberrationen des Auges kann mit Brillen vorgenommen werden, die sich vor dem Auge befinden. Alternativ dazu kann auch die eigentliche Optik der Oberfläche des Auges verändert werden, indem eine Kontaktlinse eingesetzt oder Teile der Hornhaut mit einem Laser abgetragen oder verdampft werden. Für eine optimale Behandlung der Fehlsichtigkeiten des Auges an der Oberfläche ist daher auch die genaue Kenntnis von deren Form erforderlich. Gemeinsam mit den Messwerten der Fehlsichtigkeit, die beispielsweise mit einem Wellenfrontaberrometer ermittelt werden, kann so eine bestmögliche neue Oberflächenform als Kontaktlinse oder Laserbehandlung errechnet werden.
  • Bei der genannten Methode der Laserbehandlung wird mit einem Laser die Hornhautoberflächenform durch Abtrag oder Verdampfen von Gewebe gezielt verändert. Der Behandlung gehen umfangreiche Diagnosen voraus, zu denen auch die Hornhauttopometrie und immer häufiger auch die Aberrometrie zählen. Beide Messgrößen fließen neben weiteren in die Behandlungsparameter mit ein, nach denen der Laser gesteuert wird. Dabei kommt der Aberrometrie eine größere Bedeutung zu, da allgemein angenommen wird, dass die Aberrationen des Auges einen wesentlichen Einfluss auf dessen Sehleistung haben. Die Topometrie spielt eine eher untergeordnete Rol le, da durch die Laserbehandlung eine relative Formänderung herbeigeführt wird, die die Aberrationen korrigieren soll. Damit ist die Ausgangsform bis heute noch lediglich eine Kontrollgröße.
  • Bezüglich der Oberflächenvermessung von Hornhäuten ist es bekannt, das Gewebe mittels Fluoreszenzanregung mit UV Licht zu vermessen. Eine hoch genaue Messmethode zur Erfassung der Hornhautoberflächenform ist beispielsweise im Patent DE 198 37 932 offenbart. Beschrieben wird ein Streifenprojektionsverfahren, in dem ein UV Muster auf das Auge abgebildet wird. In der äußersten Gewebeschicht des Auges entsteht so ein Fluoreszenzmuster, das eine Kamera aufzeichnet. Das aufgenommene Bild wird in eine Höhenkarte umgerechnet. Vorteilhaft gegenüber anderen Verfahren sind die extrem kurze Aufnahmedauer und der große Bereich auf dem Auge, der mit einer Messung abgedeckt wird. Da für die Erzeugung des Fluoreszenzmusters im Gewebe eine teure UV Lichtquelle erforderlich ist, können kommerzielle Systeme derzeit kaum wirtschaftlich angeboten werden.
  • Im Patent US 5,406,342 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Fluoreszenzmuster im Tränenfilm mit einer weißes Licht emittierenden Halogenlampe angeregt wird, vor der ein Anregungsfilter positioniert ist, das nur blaues Licht transmittiert. Ein entsprechendes Sperrfilter ermöglicht die Detektion des zu längeren Wellenlängen ins Gelb-Grüne verschobenen Fluoreszenzmusters. Bei diesem Verfahren werden relativ breite Streifen von zwei Richtungen auf das Auge projiziert. Die Anregung ist zeitlich so synchronisiert, dass in jeweils einem Halbbild einer Videokameraaufnahme das Muster aus einer bzw. der anderen Richtung aufgenommen wird. Die Überlagerung der beiden mit zeitlichem Versatz voneinander aufgenommenen Halbbilder ergibt ein Moirémuster, das die Berechnung einer Höhenkarte ermöglicht. Die Höhenauflösung der Karte ist aufgrund der breiten Streifen und der niedrigen Pixelzahl der Videokamera jedoch begrenzt. Auch kann mit der beschriebenen Konfiguration keine hinreichende Tiefenschärfe erreicht werden, um auch die weißen Teile des Auges, die Sklera, hinreichend genau aufnehmen zu können. Dies ist jedoch für die Anpassung von Kontaktlinsen mit großen Durchmessern wünschenswert. Darüber hinaus ist die Aufnahme für den Patienten unangenehm, da aufgrund der niedrigen Empfindlichkeit der Kamera eine relativ intensive Beleuchtungsstärke gewählt werden muss.
  • Eine weitere Methode wird in Patent US 4,995,716 beschrieben. Darin wird offenbart, ein Gitter aus horizontalen und vertikalen Linien auf die vom mit Fluoreszin angereicherten Tränenfilm bedeckte Hornhaut zu projizieren. Die Schnittpunkte der zueinander senkrecht verlaufenden Gitterlinien auf dem von einer Kamera detektierten Fluoreszenzbild werden ermittelt. Aus der Lage der Schnittpunkte im Kamerabild wird ein Punktraster berechnet, das die Oberflächenform der Hornhaut repräsentiert. Basierend auf dieser Methode wurden einzelne Geräte kommerziell vertrieben. Aufgrund technischer Mängel und der damals noch aufwändigen Handhabung des Fluoreszins konnte sich das Verfahren jedoch nicht am Markt etablieren.
  • Die beiden zuletzt zitierten Verfahren beruhen auf der Anregung des Fluoreszenzmusters mit einer im wesentlichen weißen Lichtquelle, aus deren Spektrum die für die Anregung des Farbstoffs optimal geeigneten Wellenlängen durch ein Filter selektiert werden. Dieses Licht wird dann genutzt, um über eine Projektionsoptik ein bzw. zwei Muster auf der Augenoberfläche abzubilden. Ein wesentlicher Nachteil bei dieser Methode besteht in der relativ niedrigen verfügbaren Lichtintensität. Dadurch muss die Belichtungszeit des Auges verlängert werden, sodass Bewegungsartefakte auftreten können. Ein weiterer Nachteil ist die Ausdehnung der Lichtquelle und ihre hohe Divergenz. Dies erschwert eine scharfe Abbildung mit großer Tiefenschärfe. Daher sind die mit diesen Verfahren projizierten Muster zwangsläufig relativ grob. Wesentlich für diese beiden Verfahren ist außerdem, dass Schnittpunkte von sich kreuzenden Linien detektiert und deren Lage im detektierten Bild ausgewertet werden.
  • Weiterhin sind Videokeratometer bekannt, bei denen ein Ringmuster am Tränenfilm gespiegelt wird. Die typische Messgenauigkeit solcher Videokeratometer reicht für eine grobe Orientierung hinsichtlich der Krümmungsverhältnisse an der Oberfläche. Für eine präzise Aussage in Form von 3D-Daten ist sie jedoch zu gering. Außerdem decken diese Systeme im Allgemeinen nur den zentralen 8–10 mm Bereich der Hornhaut ab.
  • Bei anderen, alternativen Messverfahren wird ein Lichtspalt in einer Zeitspanne von typischerweise mehr als einer Sekunde über die Hornhaut gescannt oder rotiert. Eine empfindliche Kamera nimmt Bilder von dem im Hornhautgewebe gestreuten Lichtspalt auf. Die einzelnen Bilder ergeben Schnittlinien, die zu einer Gesamtform zusammengefügt werden. Aufgrund willkürlicher Augenbewegungen während der Messung entstehen bei dieser Berechnung jedoch Fehler, sodass die Messgenauigkeit auch dieser Systeme höheren Ansprüchen nicht genügen kann. Dieser Mangel soll bei neueren Geräten durch den gleichzeitigen Einsatz von Eyetrackern, welche die Augenbewegungen registrieren, behoben werden. Das Licht des Spalts wird in dem weißen Skleragewebe stark gestreut, sodass die Kamera in diesen Bereichen stark überbelichtet wird. Somit ist derzeit die Messung mit diesen Spaltprojektionssystemen auf die transparente Hornhaut beschränkt. Bei diesen Systemen werden teilweise moderne Lichtsysteme mit Leuchtdioden als Quellen verwendet. Fluoreszin kommt dabei jedoch nicht zum Einsatz, da mit den Geräten auch die Hornhautrückfläche vermessen werden soll. Dazu wird die Änderung der Streulichtintensität zwischen der Hornhautrückfläche und der angrenzenden Vorderkammer des Auges genutzt. Bei der Verwendung von Fluoreszin bleibt diese Grenzschicht unsichtbar, da das Spaltlicht vom Fluoreszin im Tränenfilm vollständig absorbiert wird.
  • Die weiterhin bekannten Wellenfrontaberrometer nutzen einen Teststrahl, um die Brechfehler des optischen Systems des Auges zu prüfen. Der Teststrahl hat üblicherweise eine Wellenlänge von etwa 670 nm oder länger. Die ebene Wellenfront des Teststrahls wird beim Durchlaufen der optischen Elemente des Auges deformiert, da die brechenden optischen Medien Abweichungen von der perfekten Form aufweisen. Diese Deformationen der ursprünglich eingestrahlten Wellenfront werden Aberrationen genannt. Sie lassen sich beispielsweise mit einem Hartmann-Shack-Sensor vermessen. Details zu solchen Systemen finden sich beispielsweise im Patent US 5,777,719 .
  • Durch das Tragen von Kontaktlinsen können bekanntermaßen Fehlsichtigkeiten des Auges wie Kurzsichtigkeit, Weitsichtigkeit oder Astigmatismen korrigiert werden. Andererseits beeinträchtigen Kontaktlinsen die Versorgung der Hornhaut mit Nährstoffen. Ziel der Anpassung von Kontaktlinsen muss daher immer neben einer guten Sehschärfe auch eine optimale Verträglichkeit auf dem Auge sein. Die Kontaktlinse sollte nicht zu dicht auf dem Auge liegen, da dann kein Austausch des Tränenfilms mehr erfolgen kann. Andererseits darf sie auch nicht zu locker aufliegen, da sonst keine gleichmäßige optische Wirkung erzielt wird und sie im Extremfall sogar herausfallen kann. Weiche Linsen legen sich an die Augenoberfläche an, wenn ihre Rückflächengestalt nicht allzu weit von der Augenform abweicht. Bei formstabilen Kontaktlinsen, die sich nur bedingt der Augenoberflächenform anpassen können, ist hingegen die Gestaltung der Rückflächenform der Linse entscheidend für ihre Verträglichkeit.
  • Der optisch wirksame Bereich von Kontaktlinsen befindet sich im wesentlichen vor der Pupille des Auges und bedeckt eine kreisrunde Fläche von bis zu 8 mm Durchmesser. Die Zonen der Linse, die über diese optische Zone hinausreichen, dienen vor allem dazu, die Linse gut mit dem Auge verträglich zu machen. Gleichzeitig müssen sie jedoch eine hinreichende Unterspülung der Linse mit Tränenflüssigkeit ermöglichen, damit die Versorgung der Hornhaut mit Nährstoffen aus dem Tränenfilm gewährleistet ist. Die Krümmung der Hornhaut nimmt unter natürlichen Bedingungen nach außen hin ab, d. h. sie wird mit zunehmendem Abstand vom Zentrum flacher. An die Grenze der Hornhaut, den Limbus, schließt sich die Sklera an, deren Form sehr irregulär sein kann. Sie ist derzeit keiner zuverlässigen Messung zugängig. Dennoch sollte die periphere Form der Linse an die jeweils individuelle Augen- bzw. Skleraform angepasst werden, damit eine möglichst gute Verträglichkeit erreicht wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein System zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei der Vermessung eines Auges zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ähnlich wie in der DE 198 37 932 wird ein Streifenmuster (in Form eines Lichtmusters mit vielen Streifen oder zeitlich nacheinander mit gegeneinander versetzten Streifen) auf die Hornhaut projiziert und von einer Kamera unter einem Triangulationswinkel detektiert. Jedoch wird vorliegend – statt die Eigenfluoreszenz des Gewebes mit UV Licht anzuregen – blaues Licht einer Leuchtdiode (LED) mit einer Emissionswellenlänge zwischen 470 nm und 510 nm (blau-grün) verwendet, um im Tränenfilm gelösten Farbstoff, insbesondere Fluoreszin, zur Emission von Fluoreszenzlicht anzuregen. Das relativ breite Wellenlängenspektrum der Leuchtdiode kann zusätzlich mit einem geeigneten Filter auf Wellenlängen um 490 nm eingeschränkt werden, bei denen der Fluoreszenzfarbstoff besonders stark absorbiert. Damit kann die Belastung des Auges mit hohen Lichtintensitäten, die nicht zur eigentlichen Messung beitragen, weiter reduziert werden.
  • Das detektierte Lichtmuster (ein vollständiges Streifenmuster oder einzelne streifenförmige Lichtteilmuster, die zusammen ein Streifenmuster ergeben) entsteht durch Emission von Fluoreszenzstrahlung aus dem im Tränenfilm gelösten Farbstoff. Typisch für Fluoreszenzphänomene ist, dass sich die Anregungswellenlänge von der Emissionswellenlänge unterscheidet. Dadurch lassen sich mit Filtern die beiden Strahlengänge voneinander trennen.
  • Das detektierte Streifenbild ist aus Pixeln aufgebaut, die durch ihre beiden Koordinaten (x, y) und ihren Grauwert eindeutig gekennzeichnet sind. Die Kalibrierung benötigt diese drei Werte, um eine Höhenkarte zu berechnen. Die Mehrzahl der zuvor erwähnten Patente wertet die Schnittpunkte von Linien in den Bildern aus. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demgegenüber die relative Helligkeit jedes Bildpunkts (Pixels) im Vergleich zu seinen benachbarten Pixeln erfasst, um daraus den Verlauf der Linien noch genauer zu berechnen. Dieser Verlauf ergibt anhand der Kalibrierdaten die gesuchte Höhenkarte. Es werden also keine Schnittpunkte zwischen einzelnen Linien benötigt. Statt dessen reicht es, die Helligkeit bzw. den Grauwert jedes Pixels zu erfassen und diesen gemeinsam mit den zugehörigen Pixelkoordinaten anhand der Kalibrierung weiterzuverarbeiten.
  • Besonders bevorzugt wird für die Messung ein sog. Triangulationswinkel von etwa 30° zwischen der Projektion und der Detektion des Streifenmusters gewählt. Aufgrund des Winkels erscheinen die Streifen ähnlich wie bei einer Spaltlampe verbogen. Aus der Verbiegung wird anhand einer Kalibriervorschrift die Oberflächenform berechnet.
  • Da die Projektion vorzugsweise unter einem Winkel von 30° erfolgt, werden von dem Anteil des Lichts, das den Tränenfilm durchstrahlt, nur periphere Teile der Netzhaut beleuchtet, sodass der Blendungseindruck während der Messung weniger unangenehm als bei frontaler Beleuchtung ist. Damit können Schäden an der Netzhaut durch zu hohe Lichtintensitäten effizient vermieden werden.
  • Im Gegensatz zum Patent DE 198 37 932 wird in dem hier beschriebenen Verfahren bevorzugt der im Tränenfilm gelöste Farbstoff Fluoreszin und nicht das Gewebe zur Emission von Fluoreszenzlicht angeregt. Da die spätere Kontaktlinse im Wesentlichen auf dem Tränenfilm schwimmt, ist dessen Vermessung sinnvoll und aussagekräftig. Die Intensität des anregenden Lichts reicht vorliegend aus, um nur eine relativ geringe Konzentration des Farb stoffs im Tränenfilm verwenden zu müssen und trotzdem ein kontrastreiches Streifenbild aufnehmen zu können. Daher wird die eigentliche Tränenfilmdicke nur unwesentlich verändert. Dieser Aspekt spielte vor allem bei dem im Patent US 5,406,342 beschriebenen Verfahren eine wesentliche Rolle. Dort war es aufgrund der niedrigen Lichtmenge und der geringen Empfindlichkeit der Kamera notwendig, relativ viel Farbstoff in den Tränenfilm zu geben, sodass dessen Dicke unverhältnismäßig zunahm und damit nicht mehr repräsentativ für den physiologischen Zustand des Auges war.
  • Das vorgenannte Problem wird vorliegend aufgrund der höheren Lichtintensität der Leuchtdioden-Beleuchtung umgangen. Vorteilhaft bei der Verwendung von Fluoreszin ist dabei, dass nicht nur die Tränenfilmschicht vor der Hornhaut vermessen werden kann, sondern auch der sklerale Bereich des Auges, da der mit Farbstoff angereicherte Tränenfilm beim Blinken auch die Sklera bedeckt. Dieser Bereich der Augenoberfläche ist anderen Messsystemen aufgrund der verwendeten, oben beschriebenen Prinzipien im Allgemeinen nicht zugängig. Der große Messbereich ermöglicht insbesondere die Nutzung der Daten für die Anpassung von Kontaktlinsen mit großen Durchmessern.
  • Wird das Auge von einer Lichtquelle beleuchtet und auf den Chip einer Kamera abgebildet, so entsteht im Kamerabild an einem Ort ein heller Reflex, da es stets einen Bereich auf der gewölbten Oberfläche gibt, für den der Einfallswinkel der Beleuchtung dem Ausfallswinkel der Detektion entspricht. Dieser Reflex überstrahlt das Lichtmuster so stark, dass er unterdrückt werden muss, um die Aufnahme einer vollständigen Oberflächenkarte zu ermöglichen. Die Unterdrückung erfolgt mit einem Farbfilter.
  • Alternativ zur Beleuchtung der Augenoberfläche mit einem vollständigen Streifenmuster bestehend aus einer Vielzahl feiner, paralleler Linien können auch einzelne Linien zeitlich nacheinander mit einem Linienscanner auf das Auge projiziert werden. Auch hier wird bevorzugt im Tränenfilm gelöstes Flu oreszin zur Emission von Fluoreszenzlicht in Form einer im Kamerabild gebogen erscheinenden Linie angeregt. Die Kamera ist in der Lage, Bilder in sehr kurzen Abständen von weniger als 10 Millisekunden voneinander aufzunehmen. Daher kann eine Vielzahl von Linienbildern mit der Kamera aufgenommen werden, ohne dass sich das Auge während der Aufnahmen bewegt. Somit ist gewährleistet, dass die einzelnen Linienbilder das Auge in einer jeweils identischen Lage repräsentieren und sich zu einer Gesamtoberfläche mit geringem Bewegungsfehler zusammenfügen lassen. Dies kann beispielsweise durch computergestütztes Addieren der einzelnen Bilder zu einem vollständigen Streifenmuster geschehen, sodass ähnliche Auswertealgorithmen wie bei der Streifenprojektion verwendet werden können. Anderenfalls wird auf bekannte Kalibrier- und Auswerteverfahren von Linienscannern zurückgegriffen. Entscheidender Unterschied zu bestehenden Systemen, mit denen die Augenoberfläche über einen gescannten Lichtstrahl durch Detektion von – dementsprechend schwachem – Streulicht erfasst wird, ist wiederum die Verwendung des Fluoreszins zur Beschränkung der Information auf die Oberfläche sowie der Einsatz einer sehr schnellen Kamera, die es gestattet, viele Linienbilder innerhalb der natürlichen Bewegungslosigkeit des Auges aufzunehmen um damit allfällige Bewegungsartefakte in den Bildern zu verhindern.
  • Das Absorptionsmaximum von Fluoreszin liegt bei etwa 490 nm. Im vorliegenden Fall ist daher für die Anregung mit blau/grünem Licht ein Filter zweckmäßig, das Wellenlängen unter 515 nm, vorzugsweise unter 500 nm, effizient transmittiert und solche über 515 nm, vorzugsweise 500 nm, unterdrückt. Dazu sind aus mehreren Schichten aufwändig aufgebaute Interferenzfilter erforderlich. Einfache blaue Farbgläser sind prinzipiell auch denkbar, transmittieren aber im Allgemeinen noch geringe Lichtintensitäten mit Wellenlängen über 500 nm. Umgekehrt wird bei der Detektion des Fluoreszenzlichtes ein Filter eingesetzt, das nur Wellenlängen über 515 nm transmittiert. Es hat sich gezeigt, dass beispielsweise ein gelbes Farbglasfilter mit der Bezeichnung OG515 von der Firma Schott mit einer Transparenz für Welien längen über 515 nm dafür gut geeignet ist. Wird ein einfaches blaues Farbglas mit weniger steilen Kanten für die Anregung verwendet, so ist ein OG535 Filter erforderlich, wodurch sich die Gesamtintensität des detektierten Lichts verringert.
  • Die genannten Wellenlängen stehen im Zusammenhang mit dem Farbstoff Fluoreszin, der schon lange am Auge angewendet wird. Es sind jedoch prinzipiell auch andere Farbstoffe denkbar, die ebenfalls gut im Tränenfilm löslich, biokompatibel und leuchtstark sind. Diese würden andere Filterkombinationen für die Beleuchtung und die Detektion erfordern.
  • Das Licht einer blauen Leuchtdiode ist im Allgemeinen wesentlich intensiver als das durch einen Blaufilter von einer konventionellen Lichtquelle (Glühlampe, Halogenlampe) erhaltene Licht. Leuchtdioden sind insbesondere mit gerichteter Abstrahlcharakteristik erhältlich. Durch die höhere Leuchtintensität ist es möglich, kameraseitig mit einer kleineren Blende zu arbeiten und dennoch ein genügend kontrastreiches Bild aufnehmen zu können. Damit lässt sich eine größere Tiefenschärfe in der Abbildung des detektierten Musters erzielen. Die somit schärfere Abbildung ermöglicht wiederum die Verwendung eines feineren Streifenmusters, wodurch die Messgenauigkeit erhöht werden kann. Maßgeblich für die Höhenauflösung ist neben dem Projektionswinkel unter anderem auch die Streifenperiode des projizierten Gitters.
  • Die Auswertung des Streifenmusters erfolgt besonders bevorzugt anhand von Kalibrierdaten, die für das jeweilige Messsystem während einer Kalibrierprozedur individuell ermittelt werden. Diese Daten berücksichtigen alle wesentlichen optischen Parameter, welche die Lage der Streifen im Bild in Abhängigkeit von der vermessenen Oberflächenform und deren Position bestimmen. Dazu werden zweckmäßigerweise Aufnahmen von hoch genau angefertigten und ggf. zuvor interferometrisch vermessenen Referenzkörpern gemacht, die an fest vorgegebene Orte im Messvolumen verfahren werden.
  • Die Referenzkörper sind mit einer Präzision gefertigt, die besser als die vom Messsystem erreichbare Auflösung ist. Die Positionierung der Referenzkörper erfolgt mit computergesteuerten, hochgenau einstellbaren Linearverstellern. Die Referenzkörper weisen bevorzugt ähnliche optische Eigenschaften bezüglich der Fluoreszenzemission wie menschliche Augen auf, in deren Tränenfilm der fluoreszierende Farbstoff wie z. B. Fluoreszin gelöst ist. Somit kann die Kalibrierung und die eigentliche Vermessung der Augen mit exakt dem gleichen optischen Aufbau durchgeführt werden. Dadurch erhält jedes Messsystem einen individuellen Datensatz, über den es sich von den anderen unterscheidet. Die Streifenbilder können bei dieser Ausführung zuverlässig nur mit Hilfe der Kalibrierdaten ausgewertet werden. Die Kalibrierung stellt somit eine wichtige Voraussetzung für die Nutzbarkeit des Systems und dessen Messgenauigkeit dar. Sie schützt andererseits das System vor einer missbräuchlichen Nutzung, wenn sie räumlich von dem Aufnahmesystem getrennt wird.
  • Es hat sich gezeigt, dass die Streifenperiode auf dem Auge und der Abbildungsmaßstab des Detektionssystems vorteilhaft so aufeinander angepasst werden, dass jedes Linienpaar sich über eine Breite zwischen 5 und 15 Pixel erstreckt. Die Helligkeit und Schärfe des detektierten Streifenmusters muss so kontrastreich sein, dass die Linienpaare vermittels des Auswertealgorithmus deutlich voneinander getrennt werden. Dabei darf die Belichtungszeit nicht länger als 100 ms bis 200 ms sein, da es dem untersuchten Auge für gewöhnlich sonst nicht gelingt, in Ruhe zu verharren.
  • Eine besonders bevorzugte Weiterentwicklung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass simultan oder in kurzem zeitlichen Abstand zur Oberflächenmessung auch eine Aberrationsmessung erfolgen kann. Die Isolierung der beiden Messstrahlen gelingt hierbei vorzugsweise aufgrund der unterschiedlichen Lichtwellenlängen, die mit geeigneten Filtern und/oder Spiegeln voneinander getrennt werden können. Durch die Gleichzeitigkeit beider Messungen oder durch das unmittelbar Nacheinandermessen ist gewährleistet, dass sich die Datensätze beider Messsysteme auf ein identisches Koordinatensystem beziehen. Die Bezeichnung „unmittelbar nacheinander" bedeutet hierbei, dass sich das Auge während der aufeinander folgenden Aufnahmen nicht bewegt. Dies ermöglicht eine direkte Zuordnung von mit dem Wellenfrontaberrometer gemessenen Aberrationen zu mit dem Togometer gemessenen Oberflächendetails. Bei seriellen Messungen hingegen besteht immer das Problem, die Messdaten beider Systeme später in ein gemeinsames Koordinatensystem überführen zu müssen. Da sich das Auge zwischen den einzelnen, zeitlich versetzten Messungen jedoch bewegt bzw. eine identische Blickrichtung bei beiden Messungen nicht gewährleistet ist, kann ein genauer Abgleich der Datensätze gemäß dem Stand der Technik nur bedingt erfolgen. Vörliegend sind jedoch gleichzeitige oder unmittelbar aufeinander folgende Messungen möglich, wenn die Strahlengänge während der Messungen voneinander getrennt werden. Wenn sich das Auge dennoch während aufeinander folgender Messungen bewegen sollte, werden die Messungen einfach wiederholt.
  • Aufgrund der zeitgleichen oder quasi-zeitgleichen (ohne Augenbewegungen) Messungen von Aberrationen und Oberflächenform können beide Messdatensätze miteinander abgeglichen werden. Aberrationen des Auges entstehen durch seine optischen Bestandteile, die das Licht durchlaufen muss, bis es auf die Netzhaut trifft. Die Hornhaut mit ihrer starken Krümmung beeinflusst die Brechung des Lichts dabei besonders stark. Durch ihre periphere Abflachung werden beispielsweise spezielle Aberrationen induziert. Aufgrund der simultanen oder direkt aufeinander folgenden Messungen ist es nun möglich, die durch die Hornhautoberflächenform induzierten Aberrationen von den Gesamtaberrationen zu subtrahieren, sodass nur noch die durch interne optische Bestandteile des Auges induzierte Aberrationen verbleiben. Diese lassen sich dann rechnerisch durch eine optimale Augenoberflächenform kompensieren. Die optimale Oberflächenform kann sodann in einem nächsten Schritt erzeugt werden, entweder in Form einer individuellen Kontaktlinse, oder in Form eines Laserabtrags mit einem refraktiv-chirurgischen Behandlungslaser. Somit hilft die simultane bzw. quasi-simultane Erfassung der beiden Messdatensätze, diejenigen der Oberflächenform und diejenigen der gesamten Aberrationen, die internen Aberrationen durch eine optimale Oberfläche zu kompensieren. Erst durch die hohe Messgenauigkeit des Oberflächenmesssystems mittels der Erfindung ist es nunmehr möglich, die gesamten Aberrationen des Auges zuverlässig und effizient optimal zu verändern.
  • Durch die genannten zeitgleichen oder unmittelbar aufeinander folgenden Messungen mit einerseits der Topometrie-Messeinrichtung und andererseits der Aberrometrie-Messeinrichtung ist eine direkte räumliche Zuordnung der beiden Datensätze gewährleistet. Die zeitgleiche oder quasi-zeitgleiche Messung mit beiden Modulen ist möglich, da sich die für die jeweiligen Messungen erforderlichen Strahlen aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen mit optischen Filtern voneinander trennen lassen. Die Wellenlängen bei der Topometrie für die Anregung liegen vorliegend im Bereich um 500 nm und für die Detektion zwischen 520 nm und 580 nm. Die Messungen mit einem konventionellen Aberrometer hingegen erfolgen bei Wellenlängen um 670 nm. So erfolgt die Anregung des Fluoreszins für die Oberflächenmessung mit blauem Licht; detektiert wird gelblich-grünes Licht. Die Aberrationen hingegen werden bevorzugt vollständig mit rotem Licht gemessen. Insbesondere ist es daher zweckmäßig, dass sich im Strahlengang vor der Detektionseinheit des Oberflächenmesssystems solche Filter befinden, die nur Licht mit kürzeren Wellenlängen als 580 nm transmittieren. Gleichzeitig müssen im Strahlengang vor der Kamera des Wellenfrontaberrometers Filter eingebracht werden, die nur Licht mit längeren Wellenlängen als 640 nm transmittieren.
  • In einer Weiterentwicklung ist die simultane oder nahezu simultane Aufnahme der beiden Bilder von Topometrie und Aberrometrie mit einer einzigen Kamera denkbar. Diese muss dazu beispielsweise Doppelbelichtungen mit einer kurzen Latenz im Bereich weniger Mikrosekunden ermöglichen, sodass eine ähnlich kurze Trennung der jeweiligen Belichtung mit den beiden unterschiedlichen Wellenlängen zu keinerlei Bewegungsartefakten des Auges führt. Dazu ist es erforderlich, dass die Gesamtzeit beider Aufnahmen und der Pause dazwischen so kurz ist, dass trotz der Fixierung eventuell auftretende sakkadische Augenbewegungen entweder entdeckt werden, sodass die Messungen wiederholt werden können, oder aber irrelevant sind, da sie außerhalb der eigentlichen Belichtungszeiten erfolgen und eine identische Blickrichtung gewährleistet ist. Voraussetzung für die Nutzung nur einer Kamera ist, dass die einzelnen, getrennten Lichtwege der Topometrie und der Aberrometrie durch geeignete Strahlteiler vor der Kamera wieder zusammengeführt werden.
  • Weiterhin vorteilhaft bei der Kombination der beiden Geräte ist die gleichzeitige Nutzung der Versorgungseinheit (Netzteil und weitere Elektronik) und der Auswerteeinheit (Rechner und Softwaremodule). Dadurch können die Systemkosten für den Nutzer und der erforderliche Platzbedarf maßgeblich reduziert werden.
  • Das normale Auge blickt und fixiert entlang seiner Sehachse. Diese Sehachse fällt mit der z-Achse des Koordinatensystems, in dem die Messdaten dargestellt werden, zusammen. Daher muss gewährleistet sein, dass sich das Messsystem unter Verwendung einer Fixationseinrichtung für das Auge über Justageelemente entsprechend ausrichten lässt. Dies gelingt bevorzugt über die Konstruktion einer Beleuchtungseinrichtung mit Kollimation, die das Auge während der Messung fixieren muss. Die Kollimation bewirkt dabei, dass die Beleuchtung nur unter einem sehr eingeschränkten Blickwinkel an einer vorgegebenen Position des Auges sichtbar wird. Eine solche Kollimationseinrichtung kann aus einer Lichtquelle bestehen, vor der sich in unterschiedlichen Abständen enge Blenden befinden. Das Auge ist dann ausgerichtet, wenn es durch beide Blenden blickend die Lichtquelle erkennt (subjektive Ausrichtung).
  • Der kollimierte Strahl wird vorzugsweise mit einem teildurchlässigen Spiegel dem Strahlengang der Detektionseinrichtung bzw. Kamera überlagert. Dadurch ist gewährleistet, dass die Sehachse mit der Flächennormalen im Zentrum des Kamerabildes übereinstimmt. Vorteilhaft kann für die Fixation eine blaue Leuchtdiode verwendet werden, sodass als Spiegel ein Kantenfilter geeignet ist, das die blauen Wellenlängen vollständig reflektiert, die Fluoreszenzwellenlängen über 515 nm jedoch transmittiert. Denkbar ist hierfür auch die Nutzung des für den Kamerastrahlengang erforderlichen Farbfilters.
  • Da die Fixationsbeleuchtung in Richtung des Auges strahlt, wird sie bevorzugt – gesteuert durch eine Synchronisationseinrichtung – während der kurzen Dauer der eigentlichen Messung ausgeschaltet. Andernfalls würde im Zentrum der Sehachse auf der Hornhaut ein fluoreszierender Punkt erscheinen. Alternativ kann die Beleuchtung schwach genug eingestellt werden, sodass sie zwar vom Auge noch zu sehen ist, jedoch kein merkliches Fluoreszenzsignal mehr anzuregen vermag.
  • Die Kalibrierung des Systems gewährleistet eine extrem hohe Messgenauigkeit innerhalb eines vorgegebenen Volumens, das in sich die drei Raumrichtungen x, y und z erstreckt. Die x- und y-Richtungen spannen eine Ebene auf, die parallel zur Pupillenebene und senkrecht zur Sehachse, also der z-Richtung, verläuft. Das Messsystem wird vor dem Auge in x- und y-Richtung durch Verschieben des Pupillenzentrums im Livebild auf dem Monitor der mit der Kamera verbundenen Rechnereinheit grob justiert. Die Feinjustage in x- und y-Richtung erfolgt anhand der Fixationseinrichtung auf die Sehachse.
  • Für die Einrichtung des Abstands der Messeinheit vom Auge ist vorteilhafterweise eine zusätzliche Beleuchtungseinheit vorgesehen, die ein Lichtmuster unter einem zweiten Triangulationswinkel auf das Auge projiziert. Bei dem hier beschriebenen System bietet es sich an, die Projektion dieses zweiten Lichtmusters auf der gegenüberliegenden Seite von der Streifenprojektionseinheit anzubringen. Zweckmäßig wird als Muster eine schmale Linie proji ziert, da sie über ihren Verlauf gut erkennbar ist. Die Linie entsteht beispielsweise unter Verwendung einer Laserdiode mit einer Wellenlänge um 670 nm, deren Strahl mit einer Zylinderlinse zu einer Linie geformt wird. Die Breite der Linie kann über eine weitere Plankonvexlinse eingestellt werden.
  • Gemäß einer Alternative zu dieser zweiten Projektionseinrichtung kann auch ein ausgezeichneter Teil des für die eigentliche Messung projizierten Lichtmusters (Gesamtstreifenmuster aus Einzelstreifenmuster aus Linienscanner) für die Abstandseinstellung verwendet werden. So kann beispielsweise ein Streifen unterbrochen sein und somit einer automatischen, rechnergesteuerten Erkennung zugängig gemacht werden. Alternativ kann ein Streifen eine irreguläre Breite oder Helligkeit aufweisen.
  • Wenn sich die Linie oder der markierte Streifen beispielsweise mit dem Zentrum der Pupille oder einer Markierung auf dem Monitorbild deckt, befindet sich das Auge in einem Abstand vom Messsystem, in dem die Linien des Lichtmusters (gesamtes Streifenmusters oder aus vielen, zeitlich nacheinander projizierten Streifen zusammengesetzt) scharf abgebildet werden. Weicht der Verlauf der Linie oder die Lage des markierten Streifen von der Pupillenmitte ab, so ist das Auge zu weit entfernt oder zu nahe an dem Messkopf.
  • Über ein Bildverarbeitungsmodul innerhalb der Software kann der Verlauf der Linie oder der markierte Streifen automatisch erkannt werden. So kann dem Anwender während der Justage ein Hinweis auf die Richtung und die Größe erforderliche Abstandsänderung gegeben werden. Diese Information kann alternativ auch eine motorisierte Verstelleinheit dazu veranlassen, die Justage automatisch in optimaler Weise vorzunehmen.
  • Die Wellenlänge der Linie muss von dem Filter, das vor der Detektionseinheit mit Kamera angeordnet ist, transmittiert werden. Wird Fluoreszin als Farbstoff verwendet, so muss die Wellenlänge der Linie länger als 515 nm sein.
  • Eine Laserdiode mit 670 nm Wellenlänge erfüllt diese Forderung und ist außerdem relativ preiswert und gut fokussierbar.
  • Die Beleuchtung des Auges mit der Linie darf nur während der Justage erfolgen, da sonst das für die Oberflächenmessung benötigte Streifenmuster überstrahlt wird. Daher ist die Beleuchtungseinheit für die Abstandseinrichtung vorzugsweise derart über geeignete Softwaremodule triggerbar, dass die Linie nur während der Justage, nicht jedoch während der eigentlichen Messung projiziert wird.
  • Erfolgt die Abstandseinstellung über das eigentliche Streifenbild, so sind mehrere aufeinander folgende Aufnahmen zweckmäßig, bis der Abstand optimal eingestellt ist. Dabei ist die Strahlenbelastung des Auges, die mit der Projektion des Musters einhergeht, so gering wie möglich zu halten. Vorteilhaft sind daher eindeutige Hinweise von der Software an den die Justage vornehmenden Untersucher, in welche Richtung und um wie viel die z-Position des Systems nachgestellt werden muss.
  • Die oben angesprochene Ein-Bild-Messung ist besonders vorteilhaft für die Kombinierbarkeit der Oberflächenvermessung mit der Aberrationsbestimmung geeignet. Da auch jene mit nur einer Aufnahme erfolgen kann, lassen sich beide Aufnahmen miteinander synchronisieren, sodass eine spätere Umrechnung oder Anpassung der Datensätze in ein gemeinsames Koordinatensystem nicht mehr erforderlich ist.
  • Die Messdaten sind aufgrund der Pixelstruktur der Kamera in einem kartesischen Raster als Tripel x, y, z angeordnet. Dabei beziehen sich die äquidistanten x- und y- Koordinaten auf eine senkrecht zur Beobachtungsrichtung der Sehachse liegende Ebene. Die z-Koordinate gibt die Pfeilhöhe bzw. Erhebung des Oberflächenpunkts in Bezug auf diese Ebene, parallel zur Sehachse an. Die Daten lassen sich anhand geeigneter Algorithmen in beliebige Dateiformate und auch in andere Raster, z. B. Polarkoordinaten umrechnen.
  • Sie können vor allem auch so umgerechnet werden, dass sie für zur Fertigung von Kontaktlinsen üblicherweise eingesetzte CNC-Maschinen lesbar sind. Gleichermaßen kann anhand der Daten ein optimaler Laserabtrag für eine refraktive Behandlung errechnet werden.
  • Es sind Ausführungsformen des Aufnahmesystems denkbar, bei denen die Bilderfassung des Messsystems von einem einfachen Handcomputer, einem sog. PDA, oder einer ähnlichen Steuereinheit vorgenommen wird, welche die Bilddaten dann drahtgebunden oder drahtlos an den Rechner mit der Patienten- oder Kundendatenbank überträgt. Damit ist gewährleistet, dass die erhobenen Daten den bereits vorhandenen Stammdaten des untersuchten Patienten bzw. Kunden effizient zugeordnet werden. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass das eigentliche Messsystem keine vollständige Rechnereinheit mit integrierter Auswertesoftware und Datenbank benötigt, sondern lediglich eine Steuereinheit für die Justage und Bildaufnahme. Der Aufbau des Messsystems wird damit einfacher und seine Kosten geringer.
  • Da die Messwerte in digitaler Form vorliegen, können sie effizient über geeignete Schnittstellen an andere Geräte zur Weiterverarbeitung und zur Darstellung übertragen werden. Insbesondere ist es möglich, die eigentliche Auswertung des mit der Kamera aufgenommenen Streifenmusters nicht auf dem lokal vorhandenen, mit dem Aufnahmesystem verbundenen Rechner vorzunehmen. Statt dessen kann die Bilddatei ggf. verschlüsselt und komprimiert über das Internet auf einen Zentralrechner versandt werden, der die Auswertung der Bilder vornimmt und die so generierten und ggf. an die jeweilige Verwendung angepassten Höhendaten wiederum an eine geeignete Instanz weiterleitet. So kann lediglich die Vermessung der Augen eines Kunden oder Patienten beim Augenoptiker oder Augenarzt erfolgen, der die Bilddaten an den Zentralrechner übersendet. Dort werden sie mit den für das jeweilige Gerät hinterlegten Kalibrierdaten ausgewertet und für die weitere Verwendung aufbereitet.
  • Die Kosten für das Messsystem können durch die Erhebung von Nutzungsgebühren eingespielt werden. Dadurch muss der Anwender keine hohen Anfangsinvestitionen tätigen, sodass sich das Messsystem leichter am Markt etablieren lässt. Die Gebühren entstehen erst mit der Auswertung der Bilder, sodass der Anwender eine genaue Kontrolle über seine Kosten hat. Durch eine Preisstaffelung kann die Akzeptanz und die Nutzung des Messsystems weiter erhöht werden. Die Gebühren werden bei der Nutzung des Zentralrechners erfasst. Sollte die Auswertung auf einem lokal beim Anwender stehenden Rechner erfolgen, so ist die Software dafür vorteilhafterweise mit einem Hardwaresystem Dongle verbunden, mit dem die Gebühren ermittelt werden. Dieses System enthält eine Zählautomatik, anhand derer ermittelt wird, wie oft Daten erhoben, berechnet und versandt werden. In beiden Fällen ist die eigentliche Aufnahme des Streifenmusters auf dem Auge von der Umrechnung des Bildes in Daten zur Weiterverarbeitung räumlich und zeitlich getrennt.
  • Vorder- und Rückflächen von Kontaktlinsen können in fertigungstechnisch vorgegebenen Grenzen individuell bearbeitet werden. Weiche Kontaktlinsen sind in verschiedenen Standardgrößen erhältlich, sodass sie preiswert in großen Stückzahlen verkauft werden. Formstabile Linsen hingegen können individuell passend als Einzelstücke hergestellt werden. Für die Änderung der optischen Brechkraft des Auges durch die Kontaktlinse spielt neben der durch ihre beiden Oberflächen vorgegebenen Materialdicke auch der zwischen der Kontaktlinsenrückfläche und der Hornhaut befindliche Tränenfilm, die sog. Tränenfilmlinse, eine entscheidende Rolle. Deren Einfluss kann erst dann individuell berücksichtigt werden, wenn die Form der Hornhautoberfläche hinreichend genau bekannt ist. Bislang geschieht dies über die oben beschriebenen, sog. Fluobilder. Künftig dient dazu das erfindungsgemäße hochgenaue Togometer. Für die Rückflächenfertigung wird zweckmäßig zunächst mit den gängigen Parametern eine Optimierung vorgenommen, sodass der Zwischenraum zwischen Kontaktlinse und Hornhaut die Tränenfilmlinse möglichst die angestrebte Dicke annimmt. Für besonders irreguläre Hornhautformen kann eine lokal angepasste Fertigung der Rückflächenform der Kontaktlinse erforderlich werden.
  • Für die Gestaltung der Vorderfläche und somit der Kontaktlinsendicke werden die Daten der Messung des Aberrometers oder aber einer anderen Refraktionsbestimmung verwendet.
  • Ein wesentliches Kriterium für die Verträglichkeit von Kontaktlinsen ist ihre Passform auf dem Auge, die unter Verwendung der mit dem beschriebenen Messsystem erhobenen Daten optimiert wird. Darüber hinaus spielen die Beweglichkeit der Kontaktlinse und der Einfluss der Augenlider beim Blinken eine große Rolle für das Fremdkörpergefühl des Trägers, aus dem sich die Akzeptanz der Kontaktlinse ergibt. Diese unter dem Begriff Dynamik zusammengefassten Einflüsse können von Experten auf dem Gebiet der Kontaktlinsenanpassung beobachtet und bewertet werden.
  • Eine objektive Bewertung der genannten Dynamik kann anhand von Kameraaufnahmen mit dem beschriebenen System erfolgen, indem eine Sequenz von Bildern abgespeichert wird. Zuvor wird die zu untersuchende Linse vorzugsweise mit einem Farbstift an mehreren Stellen markiert. Diese Markierungen werden von einem Softwaremodul auf den abgespeicherten Bildern automatisch erkannt. Die Bewegung der Linse während eines Lidschlags wird dann von dem Softwaremodul errechnet und grafisch dargestellt. Alternativ dazu erfolgt eine Registrierung der Markierungen direkt über die Live-Bilder der Kamera. Das Softwaremodul erfasst dabei die relevanten Merkmale während der Aufnahme, ohne die einzelnen Bilder abzuspeichern. Durch eine Reduzierung der Auflösung des Bildes, Zusammenlegen von Pixeln bzw. Reduktion des Bildausschnitts wird die Kamera dazu – falls erforderlich – mit erhöhter Bildrate betrieben.
  • Die gemeinsamen Daten des Togometers und des Aberrometers können besonders bevorzugt gleichfalls für die Behandlungsplanung und die Nachkon trolle einer refraktiven Laserbehandlung genutzt werden. Diese erfolgen heute noch mit ähnlichen Geräten, jedoch stets mit einem zeitlichen Versatz zueinander, sodass die oben beschriebenen Probleme mit dem räumlichen Abgleich der Datensätze entstehen. Mit dem beschriebenen System bzw. Verfahren ließen sich diese Untersuchungen effizienter und vor allem genauer durchführen, was zu einer Qualitätssteigerung im Bereich refraktiver Laserchirurgie führt.
  • Das Messsystem kann aufgrund seiner hohen Genauigkeit auch dazu genutzt werden, in einer klinischen Situation die Qualität einer Spenderhornhaut zu beurteilen. Dabei stünde vor allem die Frage im Vordergrund, ob die Spenderhornhaut zuvor einer Laserbehandlung unterzogen wurde. Dies würde ihre Nutzung als Transplantat ausschließen. Bei stetig wachsender Zahl an Patienten, die sich einer Laserbehandlung unterziehen, wächst die Wahrscheinlichkeit, eine solche Hornhaut als Spendermaterial zu bekommen. Da bis heute eine solche Untersuchung von Spenderhornhäuten routinemäßig nicht durchgeführt wird und bei den üblichen Untersuchungen eine vorangegangene Laserbehandlung unentdeckt bleiben könnte, bietet es sich an, das System für diese Art Qualitätssicherung zu verwenden. Dazu müsste die Spenderhornhaut in eine spezielle Halterung eingefügt werden, die es gestattet, sie mit einem gleichmäßigen Fluoreszinfilm zu bedecken. Dadurch kann eine hochgenaue Topometrie erfolgen, in der eine vorhergehende Laserbehandlung entdeckt werden würde.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet. Im Rahmen der Ansprüche sind beliebige Kombinationen der in den Ansprüchen sowie der in der Beschreibung einschließlich der anschließenden Figurenbeschreibung aufgeführten Merkmale möglich.
  • Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben, wobei für gleiche Funktionselemente gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
  • 1 eine Topometrie-Messeinrichtung;
  • 2 die Topometrie-Messeinrichtung gemäß der 1 sowie eine Aberrometrie-Messeinrichtung, und
  • 3 ein Kamerabild eines Fluoreszenzstreifenmusters auf der Augenoberfläche.
  • In 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes System mit einem Togometer bzw. einer Topometrie-Messeinrichtung 8 dargestellt, wobei eine Leuchtdiode 1 in Verbindung mit einem Filter 2 den für die Anregung des Farbstoffs im Tränenfilm 53 vor der Hornhaut 54 eines Auges 50 benötigten Wellenlängenbereich erzeugt. Vom Filter 2 werden vor allem die längeren Wellenlängen absorbiert oder reflektiert. Bei Verwendung von Fluoreszin als Farbstoff emittiert die erfindungsgemäß verwendete Leuchtdiode 1 vorrangig blau-grünes Licht mit Wellenlängen um 500 nm, sodass mit dem Filter 2 vorliegend Wellenlängen um 495 nm selektiert werden, die für die Anregung des Fluoreszin besonders geeignet sind. Eine Kollimationsoptik 3 sorgt für eine effiziente Ausleuchtung eines Transmissionsgitters 4 zur Streifenprojektionserzeugung, das beispielsweise aus einem mit feinen Chromlinien beschichteten Glasträger besteht, bei gleichzeitiger Optimierung der Ausleuchtung der Eintrittspupille einer Abbildungsoptik 5. Damit entspricht der Beleuchtungsstrahlengang einer sog. Köhler'schen Beleuchtung. Alternativ werden die Komponenten 4 und 5 durch einen Linienprojektor mit Ablenkeinheit zum hintereinander Scannen einer einzelnen Linie ersetzt.
  • Die Abbildungsoptik 5 ist ein Objektiv, bestehend auch mehreren Linsen, und ist beispielsweise ein einfacher Achromat. Es bildet das Gitter 4 unter einem Triangulationswinkel α auf dem Tränenfilm 53 ab. Das vom Tränenfilm entlang der optischen Achse emittierte Fluoreszenzmuster durchläuft ein Filter 10, das die Wellenlängen des Anregungslichts reflektiert bzw. absorbiert und die Wellenlängen des Fluoreszenzlichts transmittiert. Bei dem Fluoreszenzfarbstoff Fluoreszin ist dieser Filter 10 bevorzugt ein OG515 oder ein OG535 Gelbfilterglas von Schott. Das Fluoreszenzmuster wird sodann über eine Abbildungsoptik 11 und eine Telezentrieblende 12 zur Einstellung der Tiefenschärfe auf den CCD Chip bzw. CMOS Chip 13 einer Kamera 14 abgebildet.
  • Während der Aufnahme fixiert das Auge eine Lichtquelle 20, die es nur sehen kann, wenn es entlang der Achse der Kamera 14 durch eine Kollimatoroptik 21, beispielsweise bestehend aus zwei voneinander entfernt aufgestellten Blenden 21a und 21b, blickt. Auf diese Achse wird das Licht der Lichtquelle 20 durch die Kollimatoroptik 21 über zwei Spiegel 22 und 23 eingelenkt. Dabei ist der Spiegel 23 teildurchlässig, sodass das Fluoreszenzlicht die Kameraoptik erreichen kann. In einer vorteilhaften, nicht dargestellten Variante ist das Gelbfilterglas 10 mit dem teildurchlässigen Spiegel 23 identisch, sodass eine optische Komponente eingespart wird.
  • Die Justage des Abstands des Togometers vom Auge erfolgt über einen Linienprojektor, bestehend aus einer Lichtquelle 30, beispielsweise einer Laserdiode mit Wellenlänge 670 nm, deren Licht über eine Optik 31, beispielsweise eine Zylinderlinse, auf das Auge projiziert wird. Die dadurch auf der Augenoberfläche unter dem Tränenfilm 53 entstehende Linie wird ebenfalls auf die Kamera 14 abgebildet. Durch die Änderung des Abstands zwischen Togometer und Auge wird gemäß dem Triangulationswinkel β die Linie im Kamerabild lateral verschoben. Anhand einer zuvor durchgeführte Justage der Linie kann somit der Abstand eingestellt werden.
  • Sämtliche Komponenten des Systems werden durch eine Rechnereinheit 100 gesteuert und synchronisiert. Für die Justage wird das Kamerabild der Kamera 14 im Livemodus auf dem Monitor der Rechnereinheit 100 über die Datenleitung 103 dargestellt. Zudem wird über die Verbindung 102 dem Auge das Fixierlicht angeboten. Gleichzeitig wird über die Leitung 104 die Linie für die Abstandseinstellung projiziert. Sobald eine für die Messung optimale Lage des Auges erreicht ist, erfolgt die Triggerung der Leuchtdiode 1 über die Anbindung 101. Gleichzeitig wird die Linie über die Leitung 104 ausgeschaltet.
  • Ergänzend zur erfindungsgemäßen Topometrie-Messeinrichtung 8 mit Leuchtdiode 1 gemäß der 1 ist in 2 ein Aberrometer bzw. eine Aberrometrie-Messeinrichtung 9 als zweite Messeinrichtung hinzugefügt. Es enthält eine Lichtquelle 40, die Licht mit einer definierten Wellenfront im Wellenlängenbereich um 670 nm mit einem kleinen Strahldurchmesser emittiert. Deren Licht wird über einen Spiegel 41 zu 100% und einen Spiegel 42, der transparent für Wellenlängen kürzer als 600 nm ist, in das Auge geleitet, wo es auf die Netzhaut 51 trifft. Dort wird ein Teil des Lichts reflektiert, sodass es durch die Linse 52 und den Tränenfilm 53 aus dem Auge 52 heraus gebrochen und wiederum am Spiegel 42 reflektiert wird.
  • Vor allem durch die Brechung des Lichts am Tränenfilm 53 und an der Linse 52 verändert sich die ursprüngliche Wellenfront. Die somit aberrierte Wellenfront wird über einen teildurchlässigen Spiegel 43 auf einen Analysator 49 gelenkt, der beispielsweise aus einem Mikrolinsenarray 44, einem Objektiv 45, einer Blende 46 und einer weiteren Kamera 47 mit CCD bzw. CMOS Chip 48 besteht.
  • Die Triggerung zur Aufnahme der aberrierten Wellenfront erfolgt über die Datenleitung 105 vorzugsweise simultan mit der Topometrieaufnahmentriggerung über die Leitung 101. Das Punktmuster der Wellenfront wird über die Datenleitung 106 der Rechnereinheit 100 zur Auswertung zugeführt. Auf grund der Trennbarkeit der unterschiedlichen Wellenlängen beider Messsysteme 8, 9 anhand des Spiegels 42 können beide Messungen simultan durchgeführt werden. Dadurch ist es der Auswerteeinheit 100 möglich, die von den Messsystemen 8, 9 erhaltenen Datensätze gemeinsam in einem Koordinatensystem abzubilden, ohne aufwändige Verschiebungen der Daten im Raum für deren Abgleich aufeinander vornehmen zu müssen. Dies ermöglicht eine genauere Zuordnung der Messdaten zur Hornhaut bzw. zur internen Optik des Auges, wodurch eine Korrektur des Sehfehlers zuverlässiger möglich wird. Dies gelingt, indem die internen Aberrationen des Auges durch Subtraktion der beiden Datensätze ermittelt und anschließend auf der Hornhaut gezielt korrigiert werden.
  • Die Rechnereinheit 100 steuert die beiden Systeme 8, 9. In ihr werden die Daten erfasst und entweder direkt ausgewertet, um für eine diagnostische Aussage und/oder therapeutische Maßnahme zur Verfügung zu stehen, oder die Daten werden von der Rechnereinheit 100 an einen weiteren, extern befindlichen Rechner übertragen, auf dem die Auswertung der Messwerte erfolgt. Die Daten sind im Umfeld von Laserbehandlungen zur Fehlsichtigkeitskorrektur nützlich. Sie ermöglichen die Erfassung des jeweiligen Zustands des Auges zur Planung, Vorbereitung und Nachkontrolle von Behandlungen. Mit den Daten kann auch erkannt werden, ob ein Auge aufgrund einer Vorschädigung oder anderer Besonderheiten für eine Laserbehandlung ungeeignet ist. Außerdem können die Daten im Umfeld von Kontaktlinsenanpassungen zur Fertigung von hochwertigen Linsen oder zur Überprüfung der Wirkung bereits vorhandener Linsen eingesetzt werden.
  • 3 zeigt ein Kamerabild eines Fluoreszenzmusters auf einer Augenoberfläche, das durch die Beleuchtung mit einem Streifenmuster S angeregt wurde. Für die Erzeugung des Streifenmusters wurde blaues Licht einer Leuchtdiode verwendet. Damit wurde im Tränenfilm des Auges gelöstes Fluoreszin zur Emission von gelb-grünlichem Fluoreszenzlicht angeregt. Die schwarzweiß Kamera konvertiert das Bild in Grauwerte, die anhand einer Kalibrierda tei in Höhendaten umgerechnet werden können. Projektionswinkel und Pixel pro Linienpaar entsprachen den oben gemachten Ausführungen.
  • Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungen beschränkt. Abwandlungen der Erfindung innerhalb der Ansprüche sind ohne weiteres möglich. Insbesondere kann anstelle der beiden in 2 dargestellten Kameras 14, 47 eine einzige Kamera verwendet werden, die unmittelbar hintereinander die aberrierte Wellenfront und das Fluoreszenz-verschobene Abbild registriert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19837932 [0004, 0014, 0019]
    • - US 5406342 [0005, 0019]
    • - US 4995716 [0006]
    • - US 5777719 [0010]

Claims (41)

  1. Verfahren zur Ermittlung zumindest der Oberflächenform einer Hornhaut (54) eines Auges (50), bei dem ein fluoreszierender Farbstoff dem Tränenfilm (53) zugegeben wird, ein Lichtmuster aus streifenförmigen Linien (S) auf die Hornhaut (54) projiziert wird, und Fluoreszenzstrahlung vom angeregten Farbstoff im Tränenfilm (54) mittels einer Kamera (14) detektiert wird, wobei die detektierten Signale zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (1) eine Leuchtdiode (1) mit Emission im blauen Wellenlängenbereich verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtmuster mit voneinander beabstandeten Streifen (S) auf die Hornhaut (54) projiziert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtmuster aus mehreren Lichtteilmustern besteht, wobei die Lichtteilmuster nacheinander in Form von zueinander versetzten Streifen bzw. Linien auf die Hornhaut (54) projiziert werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein detektiertes und ggf. aus einzelnen Lichtteilmustern zusammengesetztes Lichtmuster aus Bildpunkten (Pixeln) aufgebaut ist, wobei die Bildpunkte durch ihre beiden Koordinaten (x, y) und ihren Grauwert eindeutig gekennzeichnet sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Helligkeit jedes Bildpunkts (Pixels) im Vergleich zu seinen benachbarten Pixeln ermittelt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den jeweiligen drei Werten zu jedem Bildpunkt anhand von Kalibrierdaten die Oberflächenform (Höhenkarte) der Hornhaut (54) berechnet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung von Kalibrierdaten für die Auswertung der detektierten Lichtmuster oder Lichtteilmuster Aufnahmen von Referenzkörpern gemacht werden, die mit einer Präzision gefertigt werden, die besser als die vom Messsystem erreichbare Auflösung ist, und die an fest vorgegebene Orte im Messvolumen verfahren werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtmuster bestehend aus mehreren Streifen (S) mit einer Belichtungszeit von 200 ms oder kürzer aufgenommen werden.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander folgende Lichtteilmuster in Abständen von 10 ms oder kürzer aufgenommen werden.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Projektionsverfahren die Strahlengänge des emittierten Lichts und des zu detektierenden Lichts einen Triangulationswinkel einschließen, vorzugsweise im Bereich von 30°.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fixationseinrichtung zur subjektiven Ausrichtung des Auges während der Messungen verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstandseinstellung des Messsystems vom Auge eine zusätzliche Beleuchtungseinheit verwendet wird, die ein Lichtmuster unter einem zweiten Triangulationswinkel auf das Auge projiziert.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abstandseinstellung des Messsystems vom Auge ein Teil des Streifenmusters (S) oder ein Lichtteilmuster verwendet wird.
  14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als fluoreszierender Farbstoff Fluoreszin verwendet wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich oder unmittelbar nacheinander sowohl die Oberflächenform der Hornhaut nach einem der vorhergehenden Ansprüche (Topometrie) als auch die Gesamtaberrationen des Auges (Aberrometrie) mit unterschiedlichen Wellenlängen vermessen werden, wobei die Datensätze aus beiden Messungen in demselben Koordinatensystem erhalten und die Datensätze ohne Umrechnung miteinander korreliert werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Datensätze aus beiden Messungen voneinander subtrahiert werden, wobei die Aberrationen des Augeninneren erhalten werden.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Aberrationen des Augeninneren die Form der Hornhautoberfläche berechnet wird, welche die Aberrationen des Augeninneren kompensieren würde.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei unmittelbar nacheinander aufgenommen Messungen nur solche Datensätze verwendet werden, deren Koordinaten in demselben Koordinatensystem liegen.
  19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtaberrationen mittels eines Wellenaberrometers gemessen werden.
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine einzige Kamera verwendet wird, um sowohl die Lichtstrahlen der Gesamtaberrationsmessung als auch der Hornhautoberflächenmessung zu detektieren.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Filter in den Strahlengängen der Gesamtaberrationsmessung als auch der Hornhautoberflächenmessung angeordnet werden, die eine Überlappung der jeweiligen, von beiden Messverfahren stammenden und vom Auge zurückgestreuten Wellenlängen unterbinden.
  22. System zur Ermittlung zumindest der Oberflächenform einer Hornhaut (54) eines Auges (50), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Topometrie Messeinrichtung (8) mit – mindestens einer Strahlungsquelle (1) zum Erzeugen einer Anregungsstrahlung, – einer Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtmusters aus der Anregungsstrahlung im Tränenfilm (53) vor der Hornhaut (54), wobei dem Tränenfilm ein fluoreszierender Farbstoff zugegeben wurde, sodass die Farbstoffmoleküle zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung bestehenden Fluoreszenzmusters angeregt werden, – mindestens einer Kamera (14) zum Detektieren der vom Farbstoff emittierten Fluoreszenzstrahlung, und – einer Rechnereinheit (100) zur Berechnung der Oberflächenform der Hornhaut (54) aus der detektierten Fluoreszenzstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) eine Leuchtdiode mit Emission im blauen Wellenlängenbereich ist.
  23. System nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdiode (1) überwiegend Licht mit einer Wellenlänge von unterhalb 510 nm ausstrahlt.
  24. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (14) eine CMOS- oder CCD-Kamera ist.
  25. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Filter (2) zwischen der Lichtquelle (1) der Topometrie-Messeinrichtung (8) und dem Auge (50) angeordnet ist, das Licht mit einer Wellenlänge von oberhalb 515 nm, vorzugsweise von oberhalb 500 nm im Wesentlichen blockiert.
  26. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Filter (10) zwischen Auge (50) und Kamera (14) angeordnet ist, das Wellenlängen im Bereich der Lichtquelle (1) blockiert und Wellenlängen des vom fluoreszierenden Farbstoff im Tränenfilm (53) stammenden Fluoreszenzlichtes transmittiert, vorzugsweise Licht oberhalb von 515 nm.
  27. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (17) zur Detektion eines aus Bildpunkten (Pixeln) aufgebauten Lichtmusters ausgelegt ist, wobei die Bildpunkte durch ihre beiden Koordinaten (x, y) und ihren Grauwert eindeutig gekennzeichnet sind, und dass die Rechnereinheit (100) derart ausgebildet ist, dass sie aus diesen jedem Bildpunkt zugeordneten drei Werten anhand von Kalib rierdaten die gesuchte Oberflächenform (Höhenkarte) der Hornhaut zu ermitteln vermag.
  28. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtmusters ein Streifenmuster (S) auf der Hornhaut (51) zu projizieren vermag.
  29. System nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Einrichtung ausgebildet ist als – eine Maske (4) mit Öffnungen in Form von parallelen Schlitzen oder regelmäßig angeordneten Löchern, oder – ein strukturiertes Glas mit die Anregungsstrahlung absorbierenden und/oder streuenden sowie für die Anregungsstrahlung transparenten Bereichen, oder – vorzugsweise regelmäßige Anordnung von quer zum Strahlengang der Anregungsstrahlung angeordneten diffraktiven optischen Elementen, vorzugsweise Mikrolinsen.
  30. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtmusters Lichtteilmuster in Form von Streifen auf die Hornhaut (54) zu projizieren vermag, wobei die Streifen zeitlich nacheinander und örtlich versetzt zueinander auf die Hornhaut (54) projizierbar sind.
  31. System nach dem vorhergehenden Vorrichtungsanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Einrichtung als Linienscanner ausgebildet ist.
  32. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Messeinrichtung (9) zur Bestimmung der Gesamtaberration des Auges (Aberrometrie-Messeinrichtung), wobei in den Strahlengängen des vom Auge (50) zurückgestreuten Lichts der beider Messeinrichtungen (8, 9) mindestens ein Element (42) zur Trennung der vom Auge (50) zurückgeworfenen Signale angeordnet ist, um zeitgleich oder unmittelbar nacheinander durchgeführte Messungen mit beiden Messeinrichtungen (8, 9) in demselben Koordinatensystem vornehmen zu können, und mit einer Rechnereinheit (100) zur Korrelation der mit beiden Messeinrichtungen (8, 9) aufgenommenen Datensätze in demselben Koordinatensystem.
  33. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (40) der Aberrometrie-Messeinrichtung (9) mit einer Wellenlänge von größer als 600 nm, vorzugsweise größer als 650 nm, bevorzugt bei ca. 670 nm, arbeitet.
  34. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch ein Mikrolinsen-Array (44) oder einen adaptiven, deformierbaren Spiegel im Strahlengang des von der Netzhaut (51) reflektierten Lichts.
  35. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch einen teildurchlässigen Spiegel (42) zur Trennung des vom fluoreszierenden Farbstoff im Tränenfilm (53) stammenden Fluoreszenzlichtes und des von der Netzhaut (51) reflektierten Lichtes.
  36. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (100) derart ausgebildet ist, dass sie die Datensätze aus beiden Messungen voneinander subtrahiert, um die Aberrationen des Augeninneren zu erhalten.
  37. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Messeinrichtung (8, 9) jeweils eine Kamera (14, 47) zugeordnet ist.
  38. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine einzige Kamera als gemeinsame Detektionseinheit für beide Messeinrichtungen (8, 9) vorgesehen ist.
  39. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch eine Fixationseinrichtung zur subjektiven Ausrichtung des Auges (50) während der Messungen.
  40. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Beleuchtungseinheit (30) zur Abstandseinstellung der beiden Messeinrichtungen (8, 9) vom Auge (50), die ein Lichtmuster, insbesondere einen schmale Linie, unter einem von der Topometrie-Messeinrichtung (8) abweichenden Triangulationswinkel auf das Auge (50) projiziert.
  41. System nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (100) derart ausgebildet ist, dass sie aus den Daten hinsichtlich eines Teils des aufgenommenen Streifenmusters (S) oder der Teillichtmuster den Abstand der beiden Messeinrichtungen (8, 9) zum Auge (50) berechnet.
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