DE102007055921A1

DE102007055921A1 - Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile

Info

Publication number: DE102007055921A1
Application number: DE102007055921A
Authority: DE
Inventors: Günter Meckes; Thomas Schuhrke; Keith Thornton
Original assignee: Carl Zeiss Surgical GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009080792A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile, insbesondere des Limbus oder der Pupille, während einer Augenuntersuchung oder -behandlung. Erfindungsgemäß wird ein digitales Bild zumindest eines Ausschnittes eines Auges mit der Kamera aufgenommen und in diesem Bild mittels eines Lokalisierungsverfahrens der charakteristische Augenbestandteil ermittelt. Sobald dieser bekannt ist, wird daraus wenigstens eine für den ermittelten Augenbestandteil kennzeichnende Größe abgeleitet. Anschließend wird wenigstens ein weiteres digitales Bild des Augenausschnittes aufgenommen und darin der Augenbestandteil in einem Nachführverfahren erneut lokalisiert. Im Nachführverfahren wird die vorab abgeleitete, kennzeichnende Größe berücksichtigt, wodurch dieses zuverlässiger und/oder schneller arbeiten kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften bzw. Ermitteln und/oder Verfolgen der Position charakteristischer Augenbestandteile nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Verfahren sind aus dem Bereich der Augenchirurgie und Augendiagnostik bekannt.
Beispielsweise bei der Hornhautchirurgie zur Beseitigung von Fehlsichtigkeiten des menschlichen Auges (LASIK), bei der ein Teil der Hornhaut mittels eines Lasers abgetragen wird, ist es für den Chirurgen von Interesse, an welchem Punkt die Sehachse des Patienten die Hornhaut durchstößt. Anhand der exakten Bestimmung dieses Punktes auch während der Operation kann die Laserabtragung von diesem Punkt aus präziser erfolgen, als bei der Wahl eines theoretisch angenommenen oder geschätzten Mittelpunktes der Hornhaut.
Ein weiteres Beispiel hierfür ist eine Kataraktoperation, bei der eine natürliche Linse des menschlichen Auges, welche sich getrübt hat, durch eine künstliche Linse ersetzt wird. Einen solchen Eingriff nimmt der Chirurg unter einem Operationsmikroskop vor. Nach einer kreisrunden Eröffnung des vorderen Kapselblattes wird üblicherweise die Linse zertrümmert und abgesaugt. Anschließend wird in den leeren Kapselsack eine künstliche Linse eingesetzt.
Aus der DE 10 2004 055683 A1 ist ein Operationsmikroskop für die Augenchirurgie bekannt, das dem zu operierenden Auge ein Muster überlagert. Das Muster kann eine Hilfestellung zum Ansetzen der Schnittposition geben, es kann aber auch als Orientierungshilfe beim Einsetzen torischer Intraokularlinsen dienen oder auch eine Hilfestellung beim Einbringen einer Naht bei einer Hornhauttransplantation sein. Zur Positionierung des Musters an der richtigen Stelle ist es notwendig, die Position der Pupille an dem zu behan delnden Auge zu bestimmen. Idealerweise wird die Position auch während der Operation immer wieder neu bestimmt also nachgeführt, da es während des Eingriffs zu Bewegungen des gesamten Auges und damit der Pupille kommen kann.
Auch für andere Anwendungen im Bereich der Augenchirurgie ist es von fundamentaler Bedeutung, die Position der Pupille zu bestimmen, um aus ihr die Position oder den Durchmesser der Iris des zu behandelnden Auges abzuleiten. Beispielsweise ist der Durchmesser der Iris notwendig, um die Stärke einer nach einer Kataraktoperation zu implantierenden Intraokularlinse zu berechnen. Darauf und auf weitere mögliche Anwendungen, sowie auf ein Verfahren zur Bestimmung von Positionen und Größenordnungen innerhalb eines Augenabschnitts wird in der DE 101 08 797 A1 genauer eingegangen.
Es sind einige Verfahren bekannt, bei denen anhand der aktuellen Aufnahme des zu operierenden Augenabschnitts, welche mit der Kamera am Operationsmikroskop gewonnen wird, die Position der Pupille ermittelt wird. Sowohl in der DE 10 2004 055683 A1 als auch in der DE 101 08 797 A1 werden Verfahren vorgeschlagen, bei denen als erstes anhand einer Schwellwertbildung ein Binärbild erzeugt wird, um die dunklen Bereiche im Bild zu bestimmen. Danach wird nach dem größten zusammenhängenden Bereich in den dunklen Regionen gesucht, welcher als Pupille identifiziert wird. Um den Rand der Pupille detaillierter zu bestimmen, wird bei diesem Verfahren üblicherweise eine Kantendetektion vorgenommen.
Den meisten Verfahren ist gemeinsam, dass sie die gesuchten Augenbestandteile zwar einigermaßen zuverlässig finden, allerdings sind sie, je genauer sie konzipiert sind, umso langsamer. Damit ist es in der Regel nicht möglich, von jedem während der Operation in schneller Abfolge aufgenommenen Bild sofort eine exakte Analyse vorzunehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften bzw. Ermitteln und/oder Verfolgen der Position charakteristischer Augenbestandteile während einer Augenbehandlung oder -diagnose zu entwickeln, welches schnell und dabei trotzdem zuverlässig arbeitet.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Ermitteln von Eigenschaften bzw. Ermitteln und/oder Verfolgen der Position charakteristischer Augenbestandteile mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Erfindungsgemäß werden wesentliche Eigenschaften, wie beispielsweise der Radius oder auch die Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile während einer Augenuntersuchung oder Behandlung ermittelt, indem in einem ersten von einem Augenausschnitt während einer Augenbehandlung oder -diagnose aufgenommenen Bild der charakteristische Augenbestandteil gesucht und eine für ihn kennzeichnende Größe abgeleitet wird. Diese charakteristische Größe wird verwendet um in jeder weiteren Aufnahme desselben Auges im Rahmen derselben Augenuntersuchung oder -behandlung den charakteristischen Augenbestandteil schneller und einfacher erneut zu lokalisieren. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zu Beginn der Augenuntersuchung oder -behandlung, solange es noch nicht allzu zeitkritisch ist, ein wenig mehr Zeit zu beanspruchen, um in einem etwas aufwändigeren aber sehr zuverlässigen Verfahrensschritt eine für den Augenbestandteil kennzeichnende Größe abzuleiten, welche anschließend während des restlichen Verlaufs der Augenuntersuchung oder -behandlung verwendet werden kann, um in einem dann vereinfachten Verfahren diese als bekannte Größe zu verwenden und damit schneller den zu ermittelnden Wert des Augenbestandteils sehr schnell und ebenso zuverlässig abzuleiten. Dadurch, dass in einem ersten Verfahrensschritt etwas mehr Zeit in Anspruch genommen wird, anschließend aber eine kennzeichnende Größe abgeleitet, gespeichert und immer wieder verwendet wird ergibt sich die Möglichkeit ein sehr zuverlässiges Verfahren zu kreieren, welches nur bei der ersten auszuwertenden Aufnahme langsam ist, bei allen weiteren Aufnahmen während der Untersuchung oder Behandlung aber nahezu in Echtzeit arbeitet und damit gewährleistet, dass beispielsweise Hilfestellungen oder Muster in das, dem aktuell analysierten Bild entsprechende Bild, das der Betrachter am Mikroskop oder Ähnlichem sieht, eingeblendet werden können mit möglichst geringer Verzögerung zur Bildaufnahme. Ohne die Wiederverwendung einer kennzeichnenden Größe für die weiteren Verfahrensschritte müsste entweder immer wieder das zeitaufwändige Verfahren gemacht werden, um ein zuverlässiges Ergebnis zu erhalten oder aber auf die Genauigkeit verzichtet werden um ein schnelles Verfahren zu verwirklichen. Erst die Aufspaltung in zwei Verfahrensschritte, einen sehr exakten aber dafür zeitaufwändigeren und im Folgenden einen zweiten, sehr schnellen, der nur dadurch genau wird, dass er aus dem ersten Schritt abgeleitete Größen verwendet, ist es möglich, ein gleichzeitig sehr zuverlässiges, aber auch sehr schnelles Verfahren zu realisieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird der Limbus oder Pupillenradius als kennzeichnende Größe abgeleitet, so dass für das Nachführverfahren, also für die zweite und jede weitere Lokalisierung des charakteristischen Augenbestandteils bereits bekannt ist, wie groß der zu suchende charakteristische Augenbestandteil ist. Dieser vorteilhaften Idee liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Größe des gesuchten charakteristischen Objekts im Lauf des Verfahrens nur maßgeblich ändert, wenn sich die Aufnahmebedingungen ändern, ansonsten bleibt sie annähernd konstant. Ein Objekt in einem Bild, dessen Größe bereits bekannt ist, ist deutlich einfacher und schneller zu finden als ein Objekt, von dem nichts bekannt ist. Gerade für die Aufnahme eines Augenausschnitts, bei dem der kreisförmige Limbus bzw. die kreisförmige Pupille ein äußerst dominanter Bestandteil ist, eröffnet sich mit der Ableitung und weiteren Verwendung des Radius die Möglichkeit, ein vergleichsweise einfaches Verfahren zur Nachführung der Position des charakteristischen Augenbestandteils also des Limbus oder der Pupille zu entwickeln.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Radius des charakteristischen Augenbestandteils in einem Lokalisierungsverfahren bestimmt, indem der zu analysierende Bildausschnitt jeweils mit ringförmigen Vergleichsobjekten verschiedener Radien korreliert wird. Bei der Korrelation des Bildausschnitts mit Vergleichsobjekten unterschiedlicher Größe, beispielsweise in einem Template- oder Filterverfahren, wird jeweils die für das Vergleichsobjekt beste Übereinstimmung ermittelt und anhand der Gegenüberstellung der Werte bester Übereinstimmung die unter allen absolut optimale Übereinstimmung und damit das Vergleichsobjekt mit der am besten an das zu suchende charakteristische Objekt angepassten Größe ermittelt. Dies geschieht vorteilhafter Weise dadurch, dass die jeweilige maximale Antwort der Korrelationsfunktion, welche sich bei der Korrelation mit dem Bildausschnitt ergibt, für das Vergleichsobjekt gegen dessen Radius aufgetragen wird, wobei sich eine Funktion ergibt, die immer dann ein Maximum ausbildet, wenn der Radius gut zu dem Radius eines kreis- oder ringförmigen charakteristischen Augenbestandteils im Bildausschnitt passt. Das Maximum, das sich beim größten zu einem maximalen Wert gehörigen Radius ergibt, entspricht dem Radius des größten ringförmigen Objekts im Bildausschnitt und damit dem Limbusradius; was im Zuge dieses Verfahrens er kannt wurde. Die Ermittlung des Radius anhand der Korrelation mit ringförmigen Vergleichsobjekten unterschiedlicher Größe hat sich als Verfahren herausgestellt, welches gängigen Kantendetektionsverfahren vor allem deshalb überlegen ist, da es äußerst zuverlässig und wenig anfällig gegenüber Störungen ist. Auch wenn der Chirurg bereits zu Beginn des Verfahrens einen Teil des Auges mit einem Instrument abdeckt, kann der Radius zuverlässig gefunden werden, da der ringförmige Charakter des Limbus oder Pupillenrands weiter erhalten bleibt, solange das Auge nicht vollständig abgedeckt ist.
Ein besonders zuverlässiges schnelles und vorteilhaftes Verfahren zur Lokalisierung ringförmiger charakteristischer Augenbestandteile wie des Limbus oder der Pupillenkante besteht darin, eine Faltung des Bildes mit einem ringförmigen Vergleichsobjekt vorzunehmen, welches aus zwei konzentrischen ringförmigen Bestandteilen aufgebaut ist, zwischen denen bei der Faltung eine Differenzbildung erfolgt. Dadurch, dass das Vergleichsobjekt bzw. der Filter wenigstens zwei Bestandteile aufweist, ergibt sich die Möglichkeit jeweils einen Bestandteil an den Augenbereich außerhalb des Dichteübergangs, z. B. die Sclera und den zweiten Bestandteil an den innerhalb des Dichteübergangs liegenden Augenbereich wie z. B. die Iris anzupassen. Mittels dieser beiden Bestandteile lässt sich der Dichteübergang somit gewissermaßen über die Faltung mit dem Filter verstärken. Die optimale Übereinstimmung mit dem Template oder Filter, welche je nach Verfahren eingesetzt werden, ergibt sich dann wenn der innere Ring des Vergleichsobjekts z. B. auf der Iris, der äußere z. B. auf der Sclera liegt und damit der Übergangsbereich also in diesem Fall der Limbus von den beiden ringförmigen Bestandteilen umfasst wird. Dabei kommt das Limbuszentrum in Deckung mit dem Zentrum des Vergleichsobjekts.
Obwohl die grundsätzlich ringförmige Ausgestaltung des Vergleichsobjekts für das Verfahren wichtig ist, würde es nichts Wesentliches am Verfahren ändern, wenn ein Vieleck oder ähnliches verwendet würde. Es ist auch nicht notwendig, dass ein geschlossener Ring verwendet wird. Das Vergleichsobjekt kann ebenso gut aus ringförmigen Segmenten zusammengesetzt sein. Wesentlich für das Verfahren ist nur, dass insgesamt der ringförmige Charakter des Vergleichsobjekts erhalten bleibt. Insbesondere im Randbereich des Bildes ist es sogar besser, nur Ringsegmente zu verwenden. Bei diesen Ringsegmenten wird bevorzugt der Bereich ausgesetzt, der an dem Rand liegt, an dem sich das Vergleichsobjekt bei der Korrelation und damit auch der Limbus im Bild annähert. Damit ent spricht das Vergleichsobjekt bei der Korrelation besser dem zu findenden Objekt, welches sobald es an den Randbereich des Bildes gerät, ebenfalls teilweise abgeschnitten ist.
Besonders vorteilhaft hat sich dieses Verfahren für die nahezu in Echtzeit erfolgende Analyse der weiteren Aufnahmen des Augenausschnitts erwiesen, da es durch die Vorgabe eines bekannten Radius für das zu korrelierende Vergleichsobjekt extrem schnell durchführbar ist und aufgrund der jeweiligen Mittelung, die jede Ermittlung eines ringförmigen Objekts zulässt sobald nur der ringförmige Charakter einigermaßen sichtbar ist, selbst wenn ein Teil des Ringes verdeckt ist, lässt es vor allem im späteren Verlauf der Operation, bei dem viele Eingriffe des Chirurgen notwendig sind und damit viele Störgrößen den Limbus beeinträchtigen als äußerst zuverlässig gelten.
Die Verwendung eines in einem ersten Lokalisierungsverfahren abgeleiteten Radius in allen weiteren Nachführverfahren, bei denen der selbe charakteristische Augenbestandteil in dem Bildausschnitt ermittelt werden soll, kann aber auch dann sehr vorteilhaft eingesetzt werden wenn beispielsweise mit einem Kantendetektionsverfahren gearbeitet wird. An dieses schließt sich oft nach der Ermittlung aller relevanten Kanten eine Hough-Transformation an, bei der ringförmige Objekte in einem, anhand der Kantendetektion binärisierten Bild gefunden werden, wobei der bekannte Radius dazu verwendet werden kann, zu überprüfen ob das aufgrund der Hough-Transformation ermittelte ringförmige Objekt auch tatsächlich dem zu suchenden Augenbestandteil entspricht. Hierdurch wird dieses Verfahren zwar nicht beschleunigt, dafür aber zumindest zuverlässiger.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird als kennzeichnende Größe, insbesondere bei der Aufnahme eines mehrfarbigen digitalen Bildes der zur Durchführung der Lokalisierung der Augenbestandteile im Nachführverfahren geeignetste Farbkanal bestimmt und im Folgenden zugrunde gelegt. Sowohl zur Beschleunigung des Verfahrens mittels Datenreduktion als auch zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Verfahrens ist es wichtig, einen Farbkanal zu wählen, der dann als Graustufenbild dem Lokalisierungsverfahren zugrunde gelegt wird. Der jeweils geeignete Farbkanal ist im Allgemeinen der, bei dem der gesuchte charakteristische Augenbestandteil also beispielsweise der Limbus oder der Pupillenrand den größten Dichteübergang, also den größten Kontrastsprung hat. Dies kann auch eine Kombination aus mehreren Farbkanälen sein. Dieser ist sowohl abhängig von der Irisfarbe als auch abhängig von der Farbe der Sclera sowie der Beeinträchtigung durch die Operation oder die Beleuchtungsbedingungen. Nachdem man aber aus einem Bild die Information über den charakteristischen Augenbestandteil ermittelt hat kann festgelegt werden, welcher Farbkanal zur Ermittlung dieser Größe in genau diesem Bild am geeignetsten ist. Dieser Farbkanal wird dann vorteilhafter Weise für alle weiteren Lokalisierungen des charakteristischen Augenbestandteils im Nachführverfahren, bei der Analyse aller weiteren Aufnahmen, ebenfalls verwendet. Es kann davon ausgegangen werden, dass dieser Farbkanal auch für die folgenden Aufnahmen sehr geeignet ist und darauf verzichtet werden ihn bei jedem Bild neu zu bestimmen. Dadurch wird die Geschwindigkeit jedes verwendeten Nachführverfahrens deutlich erhöht. Unabhängig davon, welcher Algorithmus verwendet wird ist es dadurch einfacher, eine Echtzeitanalyse zu gewährleisten.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die kennzeichnende Größe, welche nach der einmaligen Lokalisierung des charakteristischen Augenbestandteils ermittelt und im weiteren Verfahren immer wieder verwendet wird, ein Schwellwert. Absolute Schwellwerte für die Binärisierung oder Segmentierung eines digitalen Bildes festzulegen ist immer extrem kritisch und oftmals fehlerbehaftet. Es ist immer eine Gratwanderung zwischen dem Übrigbehalten zu vieler Daten und dem Eliminieren für die Auswertung wichtiger Daten, gerade bei den großen Unterschieden die zwischen Augen an sich, insbesondere aber zwischen erkrankten Augen bestehen. Manchmal ist die Iris extrem hell, die Pupille sehr dunkel – nahezu schwarz – ein anderes Mal ist die Pupille aufgrund eines Stares hell oder milchig und die Iris kann dunkelbraun, nahezu schwarz sein. Es gibt sogar Fälle in denen Iris und Pupille in ihrer Farbe nahezu übereinstimmen, weshalb gerade für diese Aufnahmen die Festlegung eines absoluten Schwellwertes extrem fehleranfällig und schwierig ist. Deshalb ist es sehr vorteilhaft, einen sinnvollen Schwellwert so abzuleiten, dass in einem ersten Lokalisierungsschritt besonders genau und damit auch zeitaufwändig gearbeitet wird, um das charakteristische Augenmerkmal zuverlässig zu finden und aus diesen selbst, einen geeigneten Schwellwert für die Bearbeitung aller weiteren Bilder in extrem kurzer Bearbeitungszeit vorzunehmen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise vorteilhaft die erstmalige Lokalisierung eines charakteristischen Augenbestandteils wie beispielsweise die Grenze zwischen Sclera und Iris bzw. die zwischen Iris und Pupille gefunden werden, indem das digi tale Bild des Augenausschnitts anhand eines Kantendetektionsverfahrens binärisiert und in dem Binärbild durch eine Hough-Transformation zwei ineinander liegende Kreise bestimmt werden. Falls der Schwellwert für die Kantendetektion sorgsam gewählt wird, ist die Hough-Transformation ein sehr geeignetes Mittel, zuverlässig die beiden Übergänge zu finden anhand derer anschließend das Zentrum von Iris oder Pupille abgeleitet werden kann. Das Durchführen von Hough-Transformationen ist jedoch zeitaufwändig und damit nicht geeignet, alle Bilder die im Lauf einer Augenuntersuchung oder -behandlung aufgenommen werden schnell zu analysieren, so dass anschließend jeweils in annähernd dasselbe Bild des Auges eine Hilfestellung eingeblendet werden kann. Aus diesem Grund wird für die Nachführung, d. h. zur Bestimmung der Position der charakteristischen Augenbestandteile in den folgenden Aufnahmen vorteilhafter Weise ein anderes Verfahren verwendet. In dem Farbauszug, in dem sich die Mittelwerte von Pupille und Iris am meisten unterscheiden, indem der Kontrast zwischen ihnen also am höchsten ist, wird ein Schwellwert definiert, der zwischen den beiden Mittelwerten liegt. Bei allen folgenden Bildern wird anhand der Schwellwertbildung die Pupille von der Iris separiert und damit die Pupille ermittelt, um deren Zentrum zu bestimmen. Dieses Verfahren kann ebenso gut für die Grenze zwischen Sclera und Iris verwendet werden. Wichtig ist nur, dass der für die Schwellwertbildung verwendete Schwellwert aus dem ersten Verfahrensschritt abgeleitet wird, in welchem das charakteristische Augenmerkmal mittels einer Hough-Transformation ermittelt wird und dass dieser Schwellwert für die weiteren Aufnahmen beibehalten wird. Auch durch dieses Verfahren ist es möglich, eine sehr zuverlässige und zumindest für alle Folgeaufnahmen schnelle Lokalisierung der charakteristischen Augenbestandteile zu gewährleisten.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die kennzeichnende Größe, welche für alle weiteren Aufnahmen verwendet wird, immer dann vorzugsweise automatisch angepasst, wenn die Aufnahmebedingungen an der Kamera verändert werden. So wird beispielsweise der Radius immer dann entsprechend angepasst, wenn der Zoom-Faktor an der Kamera geändert wird. Hierfür ist es notwendig, eine Schnittstelle zwischen der Kamera und der Auswerteeinheit zur Verfügung zu stellen. Auch die Wahl des Farbkanals oder der Schwellwert kann angepasst werden müssen, wenn der Aufnahmemodus der Kamera verändert wird. Wird beispielsweise die Beleuchtung oder die Empfindlichkeit der Kamera verändert, so kann sich dies stark auf die Kontrastverhältnisse auswirken. In diesem Fall ist es sehr vorteilhaft, eine Anpassung vorzunehmen. Diese Anpassung kann selbstverständlicher Weise auch dadurch erfolgen, dass erneut das Lokalisierungsverfahren welches zeitaufwändiger ist durchgeführt wird und ein neuer Radius, Schwellwert oder Farbkanal ausgewählt wird. Dies unterbricht jedoch das Verfahren und lässt den Chirurgen für eine Weile ohne Hilfestellung.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das anhand der Zeichnungen eingehend erläutert wird.
Es zeigen:
1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein Flussdiagramm zur Erläuterung einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer Faltung mit einem Ringfilter,
3 ein Beispiel eines vorteilhaften Ringfilters einer Aufnahme eines Augenausschnitts überlagert,
4 ein Beispiel für eine Filterantwort und
5 ein Beispiel für Filterantworten, aufgetragen über den Radius.
Die 1 zeigt in schematischer Darstellung den prinzipiellen Aufbau, wie er bei einer Augenbehandlung bei der das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft eingesetzt werden kann typisch ist. Das zu behandelnde Auge 1 des Patienten, welches mit einer nicht dargestellten Lichtquelle beleuchtet wird, wird zum einen mittels eines Okulars 2, zum anderen mittels einer Videokamera 3 beobachtet, wobei der Beobachtungsstrahlengang durch einen Strahlteiler 4 in zwei Beobachtungsstrahlengänge für die beobachtenden Instrumente aufgespaltet wird. Die an der Videokamera 3 aufgezeichneten Daten werden an eine Recheneinheit 5 übergeben, an der die Daten abgespeichert und analysiert werden. Anhand der Daten wird ein Hilfsmuster berechnet, das mittels einer Mustererzeugungseinheit 6 gebildet und dem im Okular 2 sichtbaren Bild überlagert wird, so dass der Chirurg 7 das zu behandelnde Auge 1 zusammen mit dem überlagerten Muster, welches an der Mustererzeugungseinheit 6 gebildet wurde, betrachten kann. Die Mustererzeugungseinheit 6 kann beispielsweise als Projektor mit einer ringförmigen LED-Anzeige, die über den Strahlteiler 4 ein Muster in den Beobachtungsstrahlengang des Auges einblendet, ausgeführt sein.
Bei einer Kataraktoperation wird laufend in sehr kurzen Zeitfolgen mit der Kamera 3 das Auge 1 digital aufgenommen oder analog aufgenommene Daten in digitale umgewandelt und die digitalen Daten der Aufnahme des Augenausschnittes, wie er bspw. in 3 (zur Erläuterung des Vergleichsobjekts mit überlagertem Ringfilter) zu sehen ist, an die Recheneinheit 5 übermittelt. Dort wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren das Augenzentrum und der Limbusradius ermittelt, damit die optimale Schnittposition für den Schnitt, zur Entnahme der getrübten und zum Einsetzen der künstlichen Linse, ermittelt werden kann. Sobald diese Schnittposition bekannt ist, wird dem Bild, das das Auge des Chirurgen 7 über das Okular 2 sieht, ein an der Mustererzeugungseinheit 6 generiertes Muster welches diese Schnittposition anzeigt, überlagert. Dadurch sieht das Auge des Chirurgen 7 während der Behandlung immer die optimale Schnittposition zum Ansetzen des Schnittes.
Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Radius des Limbus 17 und damit Lokalisierung des Augenzentrums wird im Folgenden anhand des in der 2 dargestellten Ablaufdiagramms unter Einbeziehung der 3–5 erläutert. In einem ersten Verfahrensschritt 8 wird das Bild eines Ausschnittes eines zu behandelnden Auges, wie er in 3 zu sehen ist, an der Kamera 3 aufgenommen. Im nächsten Schritt 9 wird dieses Bild an der Recheneinheit 5 mit dem in der 3 schematisch dargestellten Ringfilter 14 gefaltet. Der Ringfilter 14 enthält zwei konzentrische Ringe 15 und 16, die in 3 symmetrisch um den untersuchten Limbus 17 gelegt sind. Der Ringfilter 14 ist so normiert, dass der äußere Ring 15 positive Beiträge zur Filterantwort liefert, während der innere Ring 16 negative Beiträge ergibt. Darüber hinaus ist der Ringfilter 14 so normiert, dass die Filterantwort bei der Faltung mit einer grauen Fläche den Wert Null ergibt. Das bedeutet, dass die beiden Ringe 15 und 16 entsprechend ihrer Flächenanteile im Bild gewichtet sind. Dieser Ringfilter 14 wird nun zu Beginn des Lokalisierungsschritts 9 mit dem Bildausschnitt gefaltet, das heißt, die Filterantwort wird an jedem Punkt des Bildes ermittelt.
Das Ergebnis der Faltung mit einem Ringfilter 14 wie dem in 3 dargestellten, also die Filterantwort wenn Filterradius und Radius des Limbus 17 annähernd identisch sind, ist in 4 als Beispiel dargestellt. An dem Ort, an dem Filterzentrum und Zentrum des Limbus 17 übereinander liegen, ergibt sich die maximale Filterantwort, welche hier hell dargestellt ist. Das Zentrum des hellen Bereichs entspricht dem Augenmittelpunkt und wird als solcher an die Mustererzeugungseinheit 6 übergeben. Die genaue Bestimmung dieses Zentrums ist jedoch erst dann möglich, wenn der Radius des Limbus 17 bzw. der Radius des am besten passenden Ringfilters 14 ermittelt wurde. Zu Beginn des Verfahrensschritts 9 ist dieser noch unbekannt. Um ihn zu finden wird deswegen in einem Verfahrensschritt 10 eine Faltung des Bildausschnittes mit Ringfiltern 14 für einen zu untersuchenden Radiusbereich durchgeführt. Das Bild wird jeweils mit einem Ringfilter 14 eines anderen Radius gefaltet und die jeweilige maximale Filterantwort ermittelt. Die sich dabei ergebenden maximalen Filterantworten werden jeweils über den zugehörigen Radius aufgetragen. Als Ergebnis dieser Untersuchung ergibt sich eine Kurve, wie sie beispielsweise in 5 zu sehen ist. Beim am besten angepassten Radius zeigt die Kurve ein deutlich ausgeprägtes Maximum. Es wird herausgefunden, dass das vom größten Radius ausgehend erste ausgeprägte Maximum immer der Filterantwort, für einen Filter dessen Radius dem Radius des Limbus 17 entspricht, darstellt. Deshalb wird der Radius, bei dem das erste ausgeprägte Maximum zu sehen ist, als Radius des Limbus 17 definiert. Das Zentrum des Limbus 17 entspricht dem Ort der maximalen Filterantwort, welcher bei der Faltung mit dem Ringfilter 14 ermittelt wurde, dessen Radius dem Radius des Limbus 17 entspricht.
In einem Verfahrensschritt 11 wird dieser Radius des Limbus 17 an einer Speichereinheit festgehalten, so dass er für weitere Verfahrenschritte zur Verfügung steht. Im Folgenden wird in einem Verfahrenschritt 12 eine weitere Aufnahme des Augenausschnitts aufgenommen, welche nunmehr möglichst zeitnah analysiert werden soll, damit anschließend eine Hilfestellung für den Chirurgen mittels einer Mustererzeugungseinheit 6 in dieses Bild eingeblendet werden kann. Um das Zentrum des Limbus 17 in der weiteren Aufnahme in einem Verfahrensschritt 13 zu ermitteln wird diese mit einem Ringfilter 14 gefaltet, dessen Radius dem in Verfahrenschritt 11 abgespeicherten Radius entspricht. Damit kann der neue Ort des Zentrums des Limbus 17 extrem schnell abgeleitet werden, ohne den Radius neu bestimmen zu müssen.

1: Auge
2: Okular
3: Videokamera
4: Strahlteiler
5: Recheneinheit
6: Mustererzeugungseinheit
7: Auge des Chirurgen
8–13: Verfahrensschritte
14: Ringfilter
15: Äußerer Filterring
16: Innerer Filterring
17: Limbus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004055683 A1 [0005, 0007]
- DE 10108797 A1 [0006, 0007]

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile, insbesondere des Limbus oder der Pupille, während einer Augenuntersuchung oder -behandlung, dadurch gekennzeichnet, dass – ein digitales Bild zumindest eines Ausschnittes eines Auges mit der Kamera aufgenommen, – in diesem Bild mittels eines Lokalisierungsverfahrens der charakteristische Augenbestandteil ermittelt, – wenigstens eine für den ermittelten Augenbestandteil kennzeichnende Größe abgeleitet wird, – wenigstens ein weiteres digitales Bild des Augenausschnittes aufgenommen und – darin der Augenbestandteil in einem Nachführverfahren erneut lokalisiert wird, – wobei die kennzeichnende Größe im Nachführverfahren berücksichtigt wird.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kennzeichnende Größe der Limbus- oder Pupillenradius ist.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Lokalisierung eine Korrelation mit ringförmigen Vergleichsobjekten erfolgt, wobei die Radien der Vergleichsobjekte variiert werden.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faltung mit einem ringförmigen Filter erfolgt, wobei jeweils die maximale Filterantwort ermittelt und der größte, einen lokal maximalen Wert einer maximalen Filterantwort ergebende Radius als Radius und/oder dessen Ort der maximalen Filterantwort als Position des Zentrums des Limbus bestimmt wird.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Faltung mit einem ringförmigen Filter erfolgt, wobei jeweils die maximale Filterantwort ermittelt und der zweitgrößte, einen lokal maximalen Wert einer maximalen Filterantwort ergebende Radius als Radius und/oder dessen Ort der maximalen Filterantwort als Position des Zentrums der Pupille bestimmt wird.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Filter zwei konzentrische ringförmige Bestandteile aufweist, zwischen denen bei der Faltung eine Differenzbildung erfolgt.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als ringförmiger Filter ein ausgesetzter Ring verwendet wird.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kennzeichnende Größe der zur Durchführung des, für die Nachführung des Augenbestandteils gewählten, Verfahrens geeignetste Farbkanal ist.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Nachführverfahren eine Binarisierung oder Segmentierung erfolgt, wobei der Schwellwert als kennzeichnende Größe aus dem Lokalisierungsverfahren abgeleitet wird.
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kennzeichnende Größe bei einer Veränderung des Aufnahmemodus der Kamera automatisch angepasst wird.