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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw.
Ermittlung und/oder Verfolgung der Position des Zentrums charakteristischer
Augenbestandteile nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Derartige
Verfahren sind 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 die 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 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.
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Insbesondere
dann, wenn die Lokalisierung über die ganze Untersuchung
oder Behandlung hinweg, als Augentracking, erfolgen soll, ist es
für das zum Einsatz kommende Lokalisierungsverfahren von fundamentaler
Bedeutung, dass es extrem schnell arbeitet, so dass die aus der
ermittelten Position oder Eigenschaft abgeleitete Hilfestellung
immer gleich in das zu behandelnde Auge eingeblendet oder anderweitig
angezeigt werden kann. Die Ableitung der Position und/oder Eigenschaft
und Angabe der Hilfestellung muss also möglichst ohne Zeitversatz
erfolgen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung
von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder Verfolgung der Position
charakteristischer Augenbestandteile zu entwickeln, welches zuverlässig
und schnell arbeitet.
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Gelöst
wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein
Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften bzw. Ermittlung und/oder
Verfolgung der Position charakteristischer Augenbestandteile mit den
Merkmalen von Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß wird
einem Verfahren zur Ermittlung von Eigenschaften oder der Lokalisierung charakteristischer
Augenbestandteile ein monochromatisches digitales Bild, ein Graustufenbild,
zugrunde gelegt, welches auf dem Rotauszug einer farbigen digitalen
Aufnahme des Augenausschnitts basiert. Die Aufnahme kann ein mehrfarbiges
Bild sein, aus der der rote Farbauszug gewonnen wird oder aber auch
im Roten aufgenommen worden sein. Es wird also nur ein Farbauszug
verwendet, der auf dem Rotkanal basiert. Durch die Verwendung nur
eines Farbauszugs bzw. einer abgeleiteten Graustufendarstellung
des digitalen Bildes kann der zu analysierende Datensatz stark reduziert
und damit das Verfahren erheblich beschleunigt werden. Um die Zuverlässigkeit
des Verfahrens zu optimieren muss der am besten geeignete Farbauszug
verwendet werden. Dieser soll vorzugsweise während des
gesamten Verfahrens verwendet werden und muss deshalb für
alle Bilder geeignet sein. Den geeigneten Farbauszug jedes Mal erneut
zu Beginn des entsprechenden Verfahrens zu bestimmen wäre
zwar prinzipiell möglich, würde aber das Verfahren
stark verlangsamen und eine nahezu Echtzeitanalyse nicht mehr zulassen. Der
am besten geeignete Farbkanal ist prinzipiell der Farbauszug, in
dem der Kontrast zwischen dem zu suchenden charakteristischen Augenbestandteil
und seiner Umgebung am höchsten ist. Zu entscheiden welcher
Farbauszug dies für das jeweils zu behandelnde Auge ist,
kann dann, wenn er für alle Augen gelten soll aber sehr
kompliziert sein, da große Unterschiede zwischen den Augen
an sich, insbesondere aber zwischen erkrankten Augen bestehen. Bei
manchen Augen 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 es beispielsweise
in diesen Aufnahmen immer relativ schwierig ist, Iris und Pupille
zu separieren. Auch die Sclera kann gerade bei erkrankten Augen
angefärbt sein und bei sehr heller Iris relativ wenig Kontrast
zur Iris bieten. Darüber hinaus ist die Sclera immer von
störenden Blutgefäßen durchzogen und
kann stark durch Blutungen und während der Behandlung eingeführte
Instrumente beeinträchtigt sein, was bei einem während
der gesamten Behandlung anzuwendenden Verfahren ebenfalls berücksichtigt
werden muss. So ist es schwer, einen Farbauszug zu definieren, der
für alle Augentypen und insbesondere auch im Verlauf aller
Behandlungen zuverlässig eine Identifizierung von Position
und Eigenschaften von charakteristischen Augenbestandteilen zulässt. Überraschender
Weise hat sich aber gezeigt, dass der Rotauszug nahezu immer der
Farbauszug ist, welcher gerade während der Augenbehandlungen
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. Obwohl er häufig
bei weitem nicht der kontrastreichste Farbauszug ist, hat sich gezeigt,
dass seine Resistenz gegenüber durch Blut verursachte Störungen von
so großer Bedeutung ist, dass er die zuverlässigsten
Ergebnisse liefert. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des
Rotkanals bzw. eines roten Farbauszuges des digitalen Bildes wenn
als charakteristischer Augenbestandteil der Limbus, also der Übergang
zwischen Sclera und Iris lokalisiert wird. Auch wenn sie häufig
nicht den kontrastreichsten Übergang darstellt, ist dies
eine sehr zuverlässig zu identifizierende Größe
in speziell diesem Farbauszug, da die Iris sich in ihrer Farbe im
Allgemeinen immer von der Sclera unterscheidet und die Sclera im
roten Farbauszug wenig von der Behandlung beeinträchtigt
wird. Somit ist gewährleistet, dass dieser Übergang
in dem roten Farbauszug wenn auch nicht extrem hohe so doch immer
genügend Kontrast aufweist um ihn zu identifizieren. Soll
ein Verfahren demzufolge so schnell sein, dass es eine jeweils erneut
durchzuführende Auswahl eines geeigneten Farbkanals nicht
zulässt, so ist die Kombination aus einer Lokalisierung
des Limbus des Auges und der Verwendung des Rotkanals zu dieser
Identifizierung die geeignete Wahl, welche immer ein ausreichend
zuverlässiges Ergebnis gewährleistet.
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Besonders
vorteilhaft lässt sich dies dann einsetzen, wenn der charakteristische
Augenbestandteil nicht nur einmal identifiziert sondern während
der ganzen Behandlung nachverfolgt werden soll. Damit muss der gewählte
Farbauszug nämlich gegenüber allen während
der Behandlung auftretenden möglichen Störungen
am resistentesten sein.
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Besonders
vorteilhaft kann das Verfahren dann realisiert werden, wenn der
charakteristische Augenbestandteil über eine Korrelation
des Bildes mit einem ringförmigen Vergleichsobjekt realisiert wird
und dabei der Rotauszug für die Korrelation zugrunde gelegt
wird. Dies kann beispielsweise in Form eines Vergleichs mit einem
Template oder einer Faltung mit einem Ringfilter geschehen. Durch
die Wahl eines derartigen Bildverarbeitungsverfahrens und die Zugrundelegung
eines roten Farbauszuges für alle zu analysie renden Bilder
kann die Geschwindigkeit des Verfahrens extrem gesteigert und eine
Analyse der Bilder nahezu in Echtzeit erreicht werden. Insbesondere
dann, wenn der Limbus über eine Korrelation des roten Farbauszugs
mit einem ringförmigen Filter gesucht wird, ergibt sich
ein extrem schnelles und zuverlässiges Verfahren.
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Vorzugsweise
ist der Ringfilter so ausgebildet, dass er zwei konzentrische ringförmige
Bestandteile aufweist, zwischen denen bei der Faltung die Differenz
gebildet wird. Hierfür kann vorzugsweise bei der Faltung
der eine ringförmige Bestandteil des Filters mit positivem,
der andere mit negativem Vorzeichen versehen werden. Idealer Weise
ist der Filter bzw. sind dessen ringförmige Bestandteile
so gewählt, dass er bei Faltung mit einer grauen Fläche, also
einer gleichmäßigen Fläche ohne Dichteübergang
ein neutrales Ergebnis wie beispielsweise Null ergibt, während
er bei der Faltung mit einer Fläche im Bereich eines Dichteübergangs
mit zunehmender Stärke des Übergangs immer größere
Werte produziert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird ein Rotauszug
des digitalen Bildes verwendet um anhand eines Kantendetektionsverfahrens den
Rand des charakteristischen Augenbestandteils zu identifizieren.
Gerade wenn dieser Rand mit dem Limbus übereinstimmt ist
der Rotkanal besonders bevorzugt einzusetzen, da dieser aus vorher
bereits genannten Gründen im roten Farbkanal immer zuverlässig
zu identifizieren ist. Obwohl die Schwellwertfestlegung in den Kantendetektionsverfahren
immer noch kritisch ist, liefert dieser Kanal doch eine zuverlässige
Basis, auch mit einem solchen Verfahren ein relativ schnelles und
zuverlässiges Auffinden des charakteristischen Augenbestandteils
zu ermöglichen.
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Vorzugsweise
wird auch für Binarisierungen, welche im Rahmen eines derartigen
Verfahrens zur Ermittlung von Radius oder Position charakteristischer
Augenbestandteile mittels Methoden der Bildverarbeitung vorgenommen
werden ein roter Farbauszug zugrunde gelegt. Dadurch, dass im roten Farbkanal
alle Blutgefäße und Blutungen welche durch die
Behandlung verursacht werden unterdrückt bzw. eliminiert
werden können, wird jede Binarisierung maßgeblich
vereinfacht. Das Binarisierungsverfahren kann sich auf die tatsächlich
zu lokalisierenden charakteristischen Augenbestandteile konzentrieren,
ohne von Störungen übermäßig
beeinträchtigt zu werden.
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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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1a und 1b Jeweils
vier Farbauszüge von Aufnahmen eines Augenausschnitts zu
Beginn bzw. während einer Augenoperation,
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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 und
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4 ein
Beispiel für eine Filterantwort aufgetragen über
den Radius.
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1 zeigt Aufnahmen eines Augenausschnitts,
wie sie typischer Weise bei einer Augenoperation wie einer Kataraktoperation
mittels einer Videokamera getätigt werden. Jeweils von
links oben nach rechts unten sind dabei Farbauszüge in
rot 1, grün 2 und blau 3 sowie
der Luminanzkanal 4 (der sich z. B. aus der Summe der Farbauszüge
rot 1, grün 2 und blau 3 dividiert
durch drei ergibt) zu sehen. In der 1a handelt
es sich um die Farbauszüge einer Aufnahme, welche zu Beginn
der Behandlung gemacht wurde. Soll in dieser Aufnahme ein Farbauszug
ausgewählt werden, welcher für ein Bildverarbeitungsverfahren
zugrunde gelegt wird um den Limbus zu erkennen, bei dem somit der
Kontrast zwischen Limbus und Sclera möglichst groß sein
soll, würde in erster Linie der blaue Farbauszug 3 in
Betracht gezogen werden. In diesem erscheint an dieser Stelle der
Kontrastsprung am größten, was eine Identifizierung
des Limbus am einfachsten erscheinen lässt. Dennoch ist
zu bemerken, dass in diesem blauen Farbauszug 3 die Sclera
von vielen Adern durchsetzt ist und damit ein Kantenerkennungsverfahren
oder auch bei einer Binarisierung Probleme auftreten können,
da an den Äderchen Kanten detektiert werden können,
welche weitaus dominanter sind als der Übergang Sclera – Limbus.
Dieser ist beispielsweise im roten Farbauszug 1 weniger
stark ausgebildet, dafür erscheint das Bild jedoch ingesamt
harmonischer, es sind weniger störende Kanten zu sehen.
Somit würde ein Verfahren, das automatisch den kontrastreichsten
Farbauszug als Basis für die Lokalisierung ermittelt hier
wohl den blauen Farbauszug 3 wählen, auch wenn
unter Umständen der rote Farbauszug 1 geeigneter
oder zumindest ebenso geeignet erscheint. Noch deutlicher wird dies im
Lauf der Behandlung, wie in der 1b zu
sehen ist. Durch das Auftreten von Blutungen ändert sich die
Lage noch einmal stark zugunsten des roten Farbauszugs 1.
Dieser ist nämlich der einzige, der nicht allzu stark von
Blutungen beeinträchtigt wird. Sowohl im grünen 2 als
auch im blauen 3 und im Luminanzauszug 4 tritt
die Blutung als dominantes, stark im Kontrast zur Sclera stehendes
Element hervor und erschwert das Auffinden des Limbus maßgeblich.
Im blauen Farbauszug 3 ist die Blutung sogar so dominant,
dass sie das Auffinden des Pupillenrandes erschweren würde.
Nur im roten Farbauszug 1 ist die Blutung von geringer
Bedeutung. Hier ist die Sclera kaum von ihr beeinflusst, der Limbus-Sclera-Kontrast
bleibt nahezu unverändert. Anhand dieses Beispieles wird
eindeutig klar, dass die Wahl des roten Farbauszugs 1 als
Grundlage für das Lokalisierungsverfahren zwar nicht in
jedem Einzelfall die allerbeste Wahl darstellt, dass diese aber doch
immer eine Wahl ist, die ausreichend gut für eine zuverlässige
Ermittlung v. a. des Limbus ist. Demzufolge wird dieser rote Farbkanal 1 dem
im Folgenden erläuterten Lokalisierungsverfahren zur Identifizierung
des Limbus zugrunde gelegt.
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Ein
zur Lokalisierung des Limbus gut geeignetes, schnelles und zuverlässiges
Verfahren, welches anhand der 2 bis 4 erläutert
wird, arbeitet mit der Faltung eines, aus dem Rotkanal gewonnenen
Graustufenbildes mit einem Ringfilter. Um ein zuverlässiges
Arbeiten dieses 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 5 wie er in 2 schematisch
dargestellt, einem Augenausschnitt überlagert ist, mit
der Aufnahme des Augenausschnitts gefaltet. Der Ringfilter 5 ist
aus zwei ringförmigen Bestandteilen, einem äußeren Ring 6 und
einem inneren Ring 7 zusammengesetzt, welche bei an den
Limbus angepassten Radius des Ringfilters 5 sym metrisch
um den untersuchten Limbus 8 gelegt sind. Der Ringfilter 5 ist
so normiert, dass der äußere Ring 6 positive
Beiträge zur Filterantwort liefert, während der
innere Ring 7 negative Beiträge ergibt. Darüber
hinaus ist der Ringfilter 5 so normiert, dass die Filterantwort
bei der Faltung mit einer grauen Fläche den Wert Null ergibt.
Das bedeutet, dass die beiden Ringe 6 und 7 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 5 in einem später zu beschreibenden
Initialisierungsschritt abgeleitet und von daher bekannt ist. Bei
allen danach aufgenommenen Bildern von Ausschnitten desselben Auges wird
der Radius des Ringfilters 5 beibehalten, es kann immer,
zumindest solange der Aufnahmemodus am Mikroskop nicht verändert
wird, derselbe Ringfilter 5 verwendet werden. Dieser Ringfilter 5 wird
nun mit dem Bildausschnitt gefaltet. Das heißt, die Filterantwort
wird an jedem Punkt des Bildes ermittelt. Das Ergebnis einer Faltung
mit dem Ringfilter 5 ist in 3 beispielhaft
dargestellt. An dem Ort, an dem das Zentrum von Ringfilter 5 und
Limbus 8 liegt, wenn diese 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 8, welches zur Ableitung der Hilfestellung für
den Chirurgen verwendet wird.
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Es
ist jedoch, wie schon erwähnt, notwendig, vorab in einem
etwas aufwändigeren Verfahren den Radius des Limbus 8 und
damit den geeigneten Radius für den Ringfilter 5 zu
bestimmen. Hierfür wird, wie in der erwähnten
Parallelanmeldung detailliert beschrieben, das Bild eines Augenausschnitts
mit Ringfiltern 5 unterschiedlicher Größe
und damit unterschiedlichem Radius gefaltet. Für jede Faltung
mit einem Ringfilter 5 wird die maximale Filterantwort
ermittelt. Diese maximale Filterantwort wird gegen den Radius des
verwendeten Ringfilters 5 aufgetragen, so dass sich eine
Kurve ergibt, die immer dann maximale Werte zeigt, wenn ein Radius
eines gewählten Ringfilters 5 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 8 entspricht,
so dass das dem größten Radius der korrelierten
Ringfilter 5 zugehörige Maximum in der Kurve bzw.
dessen Filterradius dem Radius des Limbus 8 entspricht.
Dieser wird im Folgenden als Radius des Ringfilters 5 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 5 festgelegten
Radius, zu falten und bspw. den Schwerpunkt des hellen Bereiches
der Filterantwort zu ermitteln. Damit wurde ein äußerst
effizientes und zuverlässiges Verfahren entwickelt, den Radius
des Limbus 8 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. Durch die Wahl des Rotkanals 1 als Grundlage
für alle Korrelationen wird das Verfahren in seiner Schnelligkeit
optimiert, ohne an Zuverlässigkeit einzubüßen.
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- 1
- Farbauszug
rot
- 2
- Farbauszug
grün
- 3
- Farbauszug
blau
- 4
- Luminanzkanal
- 5
- Ringfilter
- 6
- Äußerer
Ring
- 7
- Innerer
Ring
- 8
- Limbus
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004055683
A1 [0005, 0007]
- - DE 10108797 A1 [0006, 0007]