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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung bzw. Verfolgung
der Position des Zentrums charakteristischer Augenbestandteile nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Derartige
Verfahren sind beispielsweise aus dem Bereich der Augenchirurgie
bekannt.
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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.
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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.
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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 geben. Zur Positionierung
des Musters an der richtigen Stelle ist es notwendig, die Position
der Pupille bzw. der Iris an dem zu behandelnden Auge zu bestimmen.
Idealerweise wird die Position auch während der Operation
immer wieder neu bestimmt oder nachgeführt, da es während
des Eingriffs zu Bewegungen des gesamten Auges bzw. der Pupille
kommen kann.
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Auch
für andere Anwendungen im Bereich der Augenchirurgie ist
es von fundamentaler Bedeutung, die Position oder den Durchmesser
der Iris des zu behandelnden Auges zu bestimmen. 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.
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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 bzw. Iris detaillierter zu bestimmen,
wird bei diesem Verfahren üblicherweise eine Kantendetektion
vorgenommen. Diese Verfahren haben einige Nachteile. Zum einen ist
nicht immer die Pupille das größte zusammenhängende
dunkle Gebiet, vielmehr kann die Pupille durch einen Reflex gestört
sein und ein völlig anderes Aussehen haben. Zum anderen
kann die Kantendetektion beim Einbringen von mikrochirurgischen
Instrumenten während der Operation stark gestört
sein. Grundsätzlich ist es bei allen Verfahren welche mit
einer Schwellwertbildung arbeiten schwierig einen sinnvollen Schwellwert
zu definieren, der einerseits nicht zu viel Information im Bild
belässt, andererseits aber nicht wichtige Details aus dem
Bild herausnimmt.
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Insbesondere
dann, wenn die Lokalisierung über die ganze Untersuchung
oder Behandlung hinweg sozusagen als Augentracking erfolgen soll,
ist es darüber hinaus unerlässlich, dass das Detektionsverfahren
extrem schnell arbeitet, so dass das Ergebnis der Lokalisierung
immer gleich wieder in die Aufnahme eingeblendet werden kann, aus
der es abgeleitet worden ist und das möglichst ohne Zeitversatz.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung
bzw. Verfolgung der Position charakteristischer Augenbestandteile
zu entwickeln, welches robust gegenüber Störeinflüssen
ist und unabhängig von der individuellen Ausgestaltung des
Auges zuverlässig und schnell arbeitet.
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Gelöst
wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein
Verfahren zur Ermittlung bzw. Verfolgung des Zentrums charakteristischer
Augenbestandteile mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß wird
anhand der Korrelation der zu analysierenden digitalen Bildaufnahme
mit einem ringförmigen Vergleichsobjekt mit festgelegtem
Radius ein ringförmiger Hell-Dunkel-Übergang entsprechender
Größe in der Aufnahme ermittelt. Der Erfindung
liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei den im Rahmen einer Augenbehandlung
aufgenommenen Bildern des Auges Augenbestandteile wie der Limbus
oder der Pupillenrand ringförmige Übergangsobjekte
darstellen und dass diese anhand des Vergleichs mit einem entsprechenden
Vergleichsobjekt bzw. über die Faltung mit einem entsprechenden ringförmigen
Filter insbesondere unter Differenzbildung besonders einfach und
zuverlässig zu finden sind. Die Suche nach einem ringförmigen Übergangsobjekt
ist extrem robust gegenüber Beeinträchtigungen,
die als Bild dominierende Merkmale während der Operation
die Aufnahme verfälschen können. Wenn beispielsweise
Instrumente das Auge teilweise verdecken treten weitere starke Kanten
hervor, die jedem Kantendetektionsverfahren starke Schwierigkeiten
bereiten können, da diese anstelle des Limbus oder der
Pupillenkanten detektiert werden. All diese Störungen ändern
aber nichts daran, dass der Limbus oder der Pupillenrand weiterhin,
wenn auch als ausgesetztes oder leicht verformtes, dominierendes,
zumindest im Mittel ringförmiges Element im Bild bestehen
bleibt und bei der Suche mittels eines entsprechenden ringförmigen
Vergleichsobjekts nach wie vor zuverlässig gefunden wird.
Zu betonen ist an dieser Stelle auch, dass eine absolute Schwellwertbildung,
die bei den gängigen Kantendetektionsverfahren notwenig
ist, und damit das Problem der Wahl eines geeigneten Schwellwertes
bei dieser Methode nicht notwendig ist und auch vermieden werden
sollte. Jede absolute Schwellwertbildung bzw. Binärisierung
verfälscht nämlich das Bild und kann den ringförmigen
Charakter von Limbus oder Pupillenrand zerstören, so dass
dieser bei einer anschließenden Suche nach einem ringförmigen
Objekt möglicherweise überhaupt nicht mehr zu
finden ist. Dadurch dass die Suche nach dem ringförmigen
Objekt, also dem Limbus oder dem Pupillenrand direkt auf dem Graustufenbild
vorgenommen wird, ist der ringförmige Charakter sicher
gegeben, selbst wenn ihn Störgrößen beeinträchtigen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird der Radius des Vergleichsobjekts
in einem Initialisierungsschritt bestimmt, indem der zu analysierende Bildausschnitt
jeweils mit ringförmigen Vergleichsobjekten verschiedener
Radien korreliert wird. Bei der Korrelation des Bildausschnittes
mit Vergleichsobjekten unterschiedlicher Größe
wird jeweils die für das Vergleichsobjekt beste Übereinstimmung
ermittelt und anhand der Gegenüberstellung der Werte bester Übereinstimmung
die unter allen absolut beste Übereinstimmung und damit
das Vergleichsobjekt mit der am besten an das zu untersuchende 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 entsprechenden Objekts in dem
zu untersuchenden 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 erkannt wurde. Dieser so ermittelte
Radius wird als festgelegter Radius für ein Vergleichsobjekt
gewählt, welches dazu geeignet ist, den Limbus und damit auch
das Limbuszentrum während der Augenuntersuchung oder auch
Behandlung, also bei der Auswertung folgender Aufnahmen desselben
Objekts, mit zu verfolgen. Dieser Initialisierungsschritt erfordert
einen deutlich größeren Rechenaufwand und damit
Zeitfaktor als die anschließende Nachführung bzw.
Verfolgung des bereits bekannten Objekts mit einem Vergleichsobjekt
definierter Größe. Da er jedoch nur einmal zu
Beginn der Untersuchung oder Behandlung erfolgt ist dies hinnehmbar.
Während der Untersuchung oder Behandlung kann und muss dann
jedoch begünstigt durch das Festhalten des Radius des Vergleichsobjekts
eine Detektion des Limbuszentrums gewissermaßen in Echtzeit
erfolgen. Da anschließend die Trefferwahrscheinlichkeit
bei Verwendung des vorab bestimmten exakt passenden Radius für
das Vergleichsobjekt ungleich höher ist als bei einem willkürlich
gewählten Radius, ist es auf jeden Fall gerechtfertigt,
diese größere Zeitspanne für die Ermittlung
des Radius in Kauf zu nehmen. Wich tig ist jedoch, dass sie nicht
bei jeder Aufnahme wieder erfolgt sondern dass nach der einmal erfolgten Bestimmung
der passende Radius des Vergleichsobjekts festgelegt und immer wieder
verwendet werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das ringförmige
Objekt aus zwei konzentrisch angeordneten ringförmigen
Bestandteilen aufgebaut. Dadurch dass das Vergleichsobjekt 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,
z. B. die Iris, anzupassen. Mittels dieser beiden Bestandteile lässt sich
der Dichteübergang somit gewissermaßen über eine
Korrelation mit dem Vergleichsobjekt verstärken. Die optimale Übereinstimmung
mit dem Vergleichsobjekt 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 Limbusrand von den beiden ringförmigen
Bestandteilen umfasst wird. Dabei kommt das Limbuszentrum in Deckung
mit dem Zentrum des Vergleichsobjekts. Bei dieser Gestaltung des
Vergleichsobjekts wird nicht nur das Formmerkmal, also die ring-
bzw. kreisförmige Erscheinung des Limbus/der Pupille, sondern
auch das Flächenmerkmal, der Dichteübergang, zur
Suche nach dem Übergangsobjekt verwendet. Vorzugsweise
handelt es sich bei den zwei Bestandteilen des Vergleichsobjekts
um zwei schmale ringförmige Bestandteile welche so weit
beabstandet sind, dass keiner der Bestandteile im Übergangsbereich
des Dichteanstiegs sondern jeweils einer im Bereich niedriger, der
andere im Bereich hoher Dichte zu liegen kommt. Dadurch ist eine
eindeutige Identifizierung des Objekts möglich. Wird der
Limbusradius nicht vorab bestimmt, so ist der Abstand der beiden
ringförmigen Bestandteile vorzugsweise so zu wählen,
dass der äußere Ring sicher außerhalb,
der innere sicher innerhalb des Rands des Übergangsobjekts,
also des Limbus oder des Pupillenrands liegt. Ein geeigneter Abstand
kann bei dieser Ausführungsform empirisch anhand der Untersuchung
einer größeren Auswahl von typischen Aufnahmen,
welche bei derartigen Augenuntersuchungen oder -behandlungen gemacht
werden, gefunden werden. Bei einer Auflösung der Aufnahme von
wenigstens 100 × 100 Pixeln, welche notwendig ist, um das
Zentrum des Limbus mit einer für eine Operation erforderlichen
Genauigkeit von wenigstens 1 mm zu bestimmen, wurde ein Abstand
zwischen einem und fünf Pixeln, vorzugsweise zwei Pixel
als geeignet ermittelt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
erfolgt im Rahmen der Korrelation des Vergleichsobjekts mit der
Aufnahme eine Differenzbildung der ringförmigen Bestandteile
des Vergleichsobjekts bzw. der mit diesen korrelierten Gebiete innerhalb
des aufgenommenen Augenausschnitts. So kann vorzugsweise bei der
Korrelation der eine ringförmige Bestandteil des Vergleichsobjekts
mit positivem, der andere mit negativem Vorzeichen versehen werden.
Das Vergleichsobjekt ist bevorzugt so ausgebildet, bzw. die Korrelationsfunktion so
gewählt, dass bei einer Korrelation mit einer grauen Fläche,
also einer Fläche ohne ausgebildeten Dichteübergang
ein neutrales Ergebnis wie beispielsweise der Wert Null erreicht
wird. Erst bei einem ausgebildeten Dichteübergang, auf
dem das Vergleichsobjekt zu liegen kommt, ergibt sich ein erhöhter
Wert der Korrelationsfunktion.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Vergleichsobjekt
durch einen Filter realisiert, mit dem das Bild gefaltet wird. Der
ringförmige Filter ist so ausgebildet, dass sich immer
dann eine maximale Filterantwort ergibt, wenn der ringförmige Filter
auf einen ringförmigen Dichteübergang wie dem
Limbus oder Pupillenrand zu liegen kommt. Dieses Maximum der Filterantwort
ist umso deutlicher ausgebildet, je besser die Übereinstimmung
des Filterradius mit dem Radius des gesuchten Objektes ist. Deshalb
wird bevorzugt entsprechend dem vorab erläuterten Verfahren
der Radius des Filters in einem Initialisierungsschritt ermittelt,
bevor die die Untersuchung oder Behandlung begleitende Augenverfolgung
mit festgelegtem Filterradius erfolgt. Als bevorzugter ringförmiger
Filter wird ein Filter gewählt, welcher zwei konzentrisch
angeordnete Bestandteile aufweist, so dass eine maximale Filterantwort
dann erreicht werden kann, wenn der eine Bestandteil vollständig
im Bereich geringer, der andere vollständig im Bereich
höherer Dichte zu liegen kommt und dabei der zu identifizierende Übergangsbereich,
wie z. B. der Limbus, von den beiden Bestandteilen eingeschlossen
wird. Der Abstand der beiden ringförmigen Bestandteile
ist dabei so groß gewählt, dass kein Bestandteil
im Übergangsbereich liegt sondern beide eindeutig in einer
Dichteregion, gleichzeitig aber so klein, dass eine möglichst
exakte Radiusbestimmung möglich ist.
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Um
diesen Initialisierungsschritt nicht bei einer Veränderung
des Objektradius auf Grund von Veränderungen der Aufnahmebedingungen,
wie des Mikroskopvergrößerungsfaktors, immer wieder durchführen
zu müssen wird in einer bevorzugten Ausführungsform
jede Veränderung an den Geräteeinstellungen, die
sich auf die Größe des aufgenommenen Augenausschnitts
auswirkt in die Größe des ringförmigen
Vergleichsobjekts eingerechnet, bzw. der Filterradius entsprechend
angepasst. Dadurch ist gewährleistet, dass der Radius des
Vergleichsobjekts automatisch an die Aufnahmebedingungen angepasst
wird und tatsächlich nur einmal vorab bestimmt werden muss.
Hierzu ist es notwendig, eine Schnittstelle zwischen dem, den Geräteparameter verändernden
Gerät, beispielsweise dem Mikroskop und der Einrichtung,
an der die Korrelation mit dem Vergleichsobjekt erfolgt, vorzusehen.
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Obwohl
die ringförmige Ausgestaltung des Vergleichsobjekts wichtig
ist, würde es nichts Wesentliches am Verfahren ändern,
wenn ein Vieleck oder etwas 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 gesamt der ringförmige Charakter des Vergleichsobjekts
erhalten bleibt. Insbesondere im Randbereich des Bildes ist es sogar
zuverlässiger nur Ringsegmente zu verwenden. Bei diesen
Ringsegmenten wird bevorzugt der Bereich ausgesetzt, der an dem Rand
liegt, an den sich das Vergleichsobjekt bei der Korrelation und
damit auch der Limbus im Bild annähert. Damit entspricht
das Vergleichsobjekt bei der Korrelation besser dem zu findenden
Objekt, welches sobald es an den Randbereich des Bildes gerät, teilweise
abgeschnitten ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird für
die Korrelation mit dem Vergleichsobjekt immer der Rotauszug der
Aufnahme verwendet. Überraschenderweise hat sich gezeigt,
dass dieser während der Augenbehandlung am wenigsten von Störungen
betroffen ist, da in diesem Farbauszug das Rot der Blutungen und Äderchen
mit dem Weiß der Sclera eine homogene Fläche bildet.
Damit lässt sich in diesem Farbkanal ein zuverlässigeres
Ergebnis erzielen als in anderen Farbauszügen. Dadurch, dass
immer der Rotkanal als Graustufenbild verwendet wird, lässt
sich also eine große Genauigkeit erzielen und das Verfahren
gegenüber der Verwendung eines mehrfarbigen Bildes oder
der immer währenden Auswahl des aktuell kontrastreichsten
Farbkanals beschleunigen.
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Um
das Verfahren weiter zu optimieren ist es vorteilhaft, dieses Graustufenbild
soweit zu verkleinern, wie es die geforderte Genauigkeit zulässt.
Bei entsprechend hoher Rechenkapazität kann dieser Schritt
auch entfallen. Ferner ist es vorteilhaft, das Bild zu homogenisieren,
um kleine, unwichtige Kontrastübergänge, die das
Ergebnis verfälschen würden, zu eliminieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform werden sowohl die, aus
der Position von Pupille oder Limbus abgeleiteten Hilfestellungen
für den Chirurgen, als auch eine Angabe über die
Zuverlässigkeit der ermittelten Größe
in die vom Chirurgen betrachtete Anzeige des Augenausschnitts mit
eingeblendet. Damit wird dem Chirurgen zum einen eine Hilfestellung
für die Operation gegeben, zum anderen kann er aber auch
direkt abschätzen, in wieweit diese Hilfestellung zuverlässig
ist und dadurch selbst entscheiden, ob er sie verwendet oder sich
doch lieber auf seine Erfahrung verlässt.
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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.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
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2 ein
Beispiel eines vorteilhaften Ringfilters einer Aufnahme eines Augenausschnitts überlagert,
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3 ein
Beispiel für eine Filterantwort,
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4 ein
Beispiel für ein Schwellwertbild einer Filterantwort und
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5 ein
Augenausschnitt sowie diesem zugeordnete Beispiele für
Ringfilter, welche im Randbereich ausgesetzt sind.
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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 ins Auge einblendet, ausgeführt
sein.
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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 2 (zur
Erläuterung des Vergleichsobjekts mit überlagertem
Ringfilter) zu sehen ist, an die Recheneinheit 5 übermittelt.
Dort wird gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren das Augenzentrum ermittelt, damit die optimale Schnittposition
für den Schnitt, zur Entnahme der getrübten und
zum Einsetzen der künstlichen Linse, ermittelt werden kann.
Sobald das Zentrum des Limbus und dabei, bei bekanntem Radius des
Limbus 11, die Schnittposition abgeleitet 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 als optimal bestimmte Schnittposition zum Ansetzen des Schnittes.
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Um
ein zuverlässiges Arbeiten des Verfahrens zu gewährleisten,
werden der Radius sowie das Zentrum des Limbus anhand des Startbildes
in einem sehr genauen aber relativ zeitaufwändigen Initialisierungsverfahren
ermittelt. Ein derartiges Verfahren ist in der gleichzeitig, von
der selben Anmelderin eingereichten, Patentanmeldung „Verfahren
zur Ermittlung charakteristischer Eigenschaften und/oder der Position
charakteristischer Augenbestandteile", deren gesamter Inhalt hiermit
einbezogen wird, detailliert beschrieben. Auf dieses Verfahren wird
im nachfolgenden Text kurz eingegangen. In ihm wird ebenso wie in
dem hier beanspruchten Verfahren ein Ringfilter 8 wie er
in 2 schematisch dar gestellt, einem Augenausschnitt überlagert
ist, mit der Aufnahme des Augenausschnitts gefaltet. Der Ringfilter 8 ist
aus zwei ringförmigen Bestandteilen, einem äußeren Ring 9 und
einem inneren Ring 10 zusammengesetzt, welche bei an den
Limbus angepassten Radius des Ringfilters 8 symmetrisch
um den untersuchten Lirabus 11 gelegt sind. Der Ringfilter 8 ist
so normiert, dass der äußere Ring 9 positive
Beiträge zur Filterantwort liefert, während der
innere Ring 10 negative Beiträge ergibt. Darüber
hinaus ist der Ringfilter 8 so normiert, dass die Filterantwort
bei der Faltung mit einer grauen Fläche den Wert Null ergibt.
Das bedeutet, dass die beiden Ringe 9 und 10 entsprechend
ihrer Filteranteile im Bild gewichtet sind. Um das Prinzip des Verfahrens
zu erläutern wird im Folgenden davon ausgegangen, dass
der Radius des Limbus und damit die Größe des
Ringfilters 8 in einem später zu beschreibenden
Initialisierungsschritt abgeleitet und von daher bekannt ist. Bei
allen danach aufgenommenen Bildern von Ausschnitten desselben Auges
wird der Limbus 11 beibehalten, es kann immer, zumindest
solange der Aufnahmemodus am Mikroskop nicht verändert
wird, derselbe Ringfilter 8 verwendet werden. Dieser Ringfilter 8 wird
nun mit dem Bildausschnitt gefaltet. Das heißt, die Filterantwort wird
an jedem Punkt des Bildes ermittelt. Das Ergebnis einer Faltung
mit dem Ringfilter 8 ist in 3 beispielhaft
dargestellt. An dem Ort, an dem Filterradius und Limbus 11 übereinander
liegen, ergibt sich die maximale Filterantwort, welche hier als
heller Bereich zu sehen ist. Das Zentrum dieses hellen Bereichs bzw.
die Position des absoluten Maximums der Filterantwort entspricht
dem Mittelpunkt des Limbus, welches an die Mustererzeugungseinheit 6 übergeben
wird.
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Um
dieses Zentrum exakt zu bestimmen, wird das Bild der Filterantwort,
welches in 3 dargestellt ist, mittels einer
Schwellwertbildung in ein Binärbild, wie es in 4 gezeigt
ist, umgewandelt. Der hierfür verwendete Schwellwert wird
nicht vorab festgelegt sondern aus dem Bildinhalt selbst bestimmt. Ein
Schwellwert von wenigstens 90% des maximalen Wertes der Filterantwort
hat sich als sinnvoll erwiesen. Der Wert 90% wurde als Schwellwert
für die in 4 gezeigte Darstellung genutzt.
Von dieser, in der 4 sichtbaren, kleinen weißen
Fläche, wird der Schwerpunkt bestimmt. Dieser Schwerpunkt
entspricht dem gesuchten Limbuszentrum, welches an die Mustererzeugungseinheit 6 übergeben
wird. Mit diesem Verfahren kann mit dem vorab bestimmten, geeigneten
Ringfilter 8 für jede weitere Aufnahme des Augenausschnitts
extrem schnell und zuverlässig, gewissermaßen
in Echtzeit, nach diesem Verfahren das aktuelle Limbuszentrum ermittelt
werden.
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Es
ist jedoch, wie schon erwähnt, notwendig, vorab in einem
etwas aufwändigeren Verfahren den Radius des Limbus 11 und
damit den geeigneten Radius für den Ringfilter 8 zu
bestimmen. Hierfür wird, wie in der erwähnten
Parallelanmeldung detailliert beschrieben, das Bild eines Augenausschnitts
mit Ringfiltern 8 unterschiedlicher Größe
und damit unterschiedlichem Radius gefaltet. Für jede Faltung
mit einem Ringfilter 8 wird die maximale Filterantwort
ermittelt. Diese maximale Filterantwort wird gegen den Radius des
verwendeten Ringfilters 8 aufgetragen, so dass sich eine
Kurve ergibt, die immer dann maximale Werte zeigt, wenn ein Radius
eines gewählten Ringfilters 8 mit dem Radius eines
runden Objekts in dem Bildausschnitt übereinstimmt. Es
wurde erkannt, dass der Radius des größten dieser
runden Objekte im Bildausschnitt dem Radius des Limbus 11 entspricht,
so dass das dem größten Radius der korrelierten
Ringfilter 8 zugehörige Maximum in der Kurve bzw.
dessen Filterradius dem Radius des Limbus 11 entspricht.
Dieser wird im Folgenden als Radius des Ringfilters 8 zugrunde
gelegt um in allen weiteren Aufnahmen, welche bei derselben Untersuchung oder
Behandlung von demselben Augenausschnitt aufgenommen wurden, verwendet
zu werden. Für alle folgenden Bilder ist es zur Nachverfolgung
des Limbuszentrums somit nur noch notwenig, diese mit dem Ringfilter 8 festgelegten
Radius zu falten, die Filterantwort zu binarisieren und den Schwerpunkt
zu ermitteln. Damit wurde ein äußerst effizientes
und zuverlässiges Verfahren entwickelt, den Radius des Limbus 11 und
das Limbus- bzw. das Pupillenzentrum nach einem einmaligen detaillierten
und etwas länger währenden Analyseschritt in allen
weiteren Bildern extrem schnell abzuleiten und damit dieses Zentrum über
die ganze Augendiagnose oder -behandlung hinweg gewissermaßen
in Echtzeit für jedes Bild zu bestimmen und daraus die
Position abzuleiten, um ein als Hilfestellung für den Chirurgen
gedachtes Muster oder ähnliches einzublenden.
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Lediglich
dann, wenn das Zentrum des Auges in die Randbereiche des Bildausschnitts
wandert, was während einer Augenoperation öfter
einmal vorkommt, wird ein Teil des Limbus durch den Bildrand abgeschnitten
und die Iris entspricht keinem ringförmigen Objekt mehr,
welches mit einem Ringfilter 8 einfach und zuverlässig
zu finden ist. In diesem Fall wird das Verfahren deutlich unzuverlässiger.
Um diesem entgegenzuwirken wird, wie in 5 dargestellt,
vorgeschlagen, in den Randbereichen des Bildes ausgesetzte Ringfilter 8 zu
verwenden bei denen das am Bildrand liegende Ringsegment abgeschnitten
ist.
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Die
für die Bereiche vorzugsweise zu verwendenden Filter sind
in der 5 dargestellt und zur Vereinfachung der Zuordnung
mit jeweils denselben römischen Ziffern versehen, die auch
auf die Randbereiche des darüber abgebildeten Augenabschnitts
gelegt wurden. So wird beispielsweise für die Faltung mit
einem Bild des Augenausschnitts im Bereich der linken oberen Ecke,
welche mit I gekennzeichnet ist, der darunter ebenfalls mit I gekennzeichnete
Filter an Stelle des voll durchgezogenen Ringfilters welcher im
Bild mit V gekennzeichnet ist und im mittleren Bereich der Aufnahme
verwendet wird genutzt. Damit entspricht der jeweils verwendete
Filter auch im Randbereich des Augenausschnitts deutlich besser
dem, in diesem Bereich abgeschnittenen, Limbuskreis. Diese Maßnahme
erhöht die Sicherheit des Verfahrens maßgeblich.
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Dennoch
kann auch damit gerade im Randbereich keine durchgängige
100%ige Trefferwahrscheinlichkeit erreicht werden. Letztlich muss
der Chirurg nach wie vor selbst entscheiden, ob er sich nach der,
ihm angezeigten Hilfestellung richtet oder sich auf sein Gefühl
bzw. auf seine Erfahrung verlässt und ohne die Hilfestellung
weiterarbeitet. Um diese Entscheidung treffen zu können
ist es für den Chirurgen äußerst hilfreich,
wenn ihm zusätzlich zu der Hilfestellung eine Information über
die Zuverlässigkeit der angezeigten Hilfestellung mitgegeben
wird. Die Zuverlässigkeit des Verfahrens kann in dem hier
beschriebenen Verfahren besonders einfach abgeleitet werden. Beispielsweise
kann der Wert des Maximums im Bild der Filterantwort als absolutes
Maß für die Sicherheit der Bestimmung des Limbuszentrums verwendet
werden. Je höher dieser Wert ist, umso besser ist die Übereinstimmung
von Radius des Limbus 11 und entsprechendem Ringfilter 8 und
umso sicherer ist damit das Ergebnis. Diese Sicherheit bzw. Zuverlässigkeit
des ermittelten Zentrums kann beispielsweise in Form eines Balkendiagramms
oder auch in Form einer Kennzeichnung der eingeblendeten Hilfestellung,
beispielsweise als durchgezogenes, gestricheltes oder gepunktetes
Objekt dargestellt werden.
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- 1
- Auge
- 2
- Okular
- 3
- Videokamera
- 4
- Strahlteiler
- 5
- Recheneinheit
- 6
- Mustererzeugungseinheit
- 7
- Auge
des Chirurgen
- 8
- Ringfilter
- 9
- Äußerer
Filterring
- 10
- Innerer
Filterring
- 11
- Limbus
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004055683
A1 [0005, 0007]
- - DE 10108797 A1 [0006, 0007]