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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine laserbasierte Vorrichtung
zur berührungslosen Abtastung von menschlichen Augen und/oder
von tierischen Augen, die insbesondere auch die Abtastung der Augen
in vivo erlaubt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber
hinaus auf ein entsprechendes Abtastverfahren.
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Mit
zunehmendem Alter nimmt die Härte der Augenlinse des Menschen
zu. Durch den damit zusammenhängenden Verlust an Akkomodationsfähigkeit
des Auges entsteht beispielsweise die Alterssichtigkeit. Die Härte
der Augenlinse scheint maßgeblich für die Deformationseigenschaften
der Augenlinse verantwortlich zu sein und stellt somit eine zentrale
Größe in der Beschreibung der optischen Eigenschaften
sowie der Funktionsfähigkeit des gesamten menschlichen
Auges dar.
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Alle
bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und/oder
Verfahren zur Bestimmung der Linsenhärte setzen ein Extrahieren
der Linse voraus (die Linse kann somit nicht in vivo untersucht
werden, sondern es muss bei Verstorbenen eine Extraktion der Linse
und eine in vitro-Untersuchung der Linse durchgeführt werden)
oder schädigen das Gewebe des Auges: Zur Bestimmung der Linsenhärte
wurden Methoden wie die Messung der Kräfte beim Einstechen
von Nadeln (K. R. Heyes, molecular vision 2004, 10, S. 956–963)
oder die Deformation der Linsen durch Fliehkräfte infolge
schneller Rotation (R. F. Fischer, J. physiol., 212, S. 147–180)
genutzt. Weiterhin wird von Untersuchungen berichtet, bei denen
eine externe Belastung über Zangen in die Linse eingebracht
und gleichzeitig die entstehenden Kräfte wie auch die Deformation
der Linse erfasst werden (B. K. Pierscionek „in
vitro ulteration of human lense curvatures by radial stretching",
Exp. Eye Res., 1993, 57, S. 629–635). Darüber
hinaus existieren auch Ansätze, bei denen Leistungsultraschall
verwendet wird. Leistungsultraschall ist jedoch für lebendes
Gewebe kritisch zu bewerten. Daneben existieren noch zahlreiche
Verfahren, bei denen die elastischen Eigenschaften, insbesondere die
Viskosität der unterschiedlichen Augengewebsarten mittels
Ultraschall bestimmt werden. Auch diese Verfahren erfordern jedoch
ein spezielles Präparieren der (entnommenen) Augen.
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Basierend
auf dem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine laserbasierte Vorrichtung und ein entsprechendes Abtastverfahren
zur berührungslosen Abtastung von menschlichen und/oder
tierischen Augen zur Verfügung zu stellen, mit der/dem
die zerstörungsfreie und schädigungsfreie Prüfung
der Härte der Augenlinse, insbesondere also eine Prüfung
am lebenden Objekt, möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine laserbasierte Vorrichtung nach Patentanspruch
1 sowie ein laserbasiertes Verfahren nach Anspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Vorrichtung sowie des Verfahrens
lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen
entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen sind
im Anspruch 16 beschrieben.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein beschrieben,
dem schließt sich ein Ausführungsbeispiel zur
Realisierung einer erfindungsgemäßen laserbasierten
Vorrichtung (sowie des entsprechenden Verfahrens) an. Die in der
allgemeinen Beschreibung sowie im Ausführungsbeispiel erwähnten
bzw. beschriebenen Kombinationen von Merkmalen müssen dabei
im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht in den beschriebenen
Merkmalskombinationen realisiert werden, sondern können
im Rahmen der Patentansprüche und basierend auf dem Fachwissen
des Fachmannes auch in anderen Kombinationen realisiert sein bzw.
verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung verbindet ultraschallbasierte
Messmethoden mit den Vorzügen der laserbasierten Anregung
und der laserbasierten Detektion. Als Anregungsprinzip dient der
laserakustische Effekt: Im Zentrum des von einem mindestens einen
Laser umfassenden Lasersystem (beispielsweise von einem Anregungslaser
eines ersten Lasersystems) in einen Zielbereich innerhalb des Auges fokussierten
Strahls wird für extrem kurze Sekundenbruchteile ein lokal
begrenztes Mikroplasma gebildet. Die sich dadurch im untersuchten
Auge ausbreitenden Wellenfronten werden an den Grenzflächen
der unterschiedlichen Gewebearten im Auge (z. B. an der Grenzfläche
zwischen der vorderen Augenkammer und der Linse, an der Grenzfläche
zwischen der hinteren Linsenfläche und dem Glaskörper
oder an der Grenze zwischen dem Glaskörper und der Netzhaut) teilweise
reflektiert und/oder gestreut und in Abhängigkeit vom durchlaufenen
Gewebe in ihren Signaleigenschaften (z. B. in ihrem Frequenzspektrum,
in ihren Laufzeiten etc.) beeinflusst. Die reflektierten und/oder
gestreuten Wellenanteile werden mittels eines Lasersystems (beispielsweise
kann es sich hierbei um das gleiche, oben erwähnte Lasersystem
handeln, es ist aber auch ein separates, weiteres energiearmes Lasersystem,
das einen vom Anregungslaser getrennten Nachweislaser umfasst und
nachfolgend auch als zweites Lasersystem bezeichnet wird, hierzu
einsetzbar), als Schwingungen der einzelnen Gewebe wie z. B. der
Hornhaut berührungslos erfasst. Eine gezielte Auswertung
der durch das Auge gewanderten Wellen ermöglicht es, die
Lage und Bewegung der Grenzflächen sowie daraus die viskoelastischen
Eigenschaften des Gewebes selbst (und somit z. B. auch die Linsenhärte)
zu charakterisieren.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit der
laserakustische Effekt im Auge gezielt zur Emission von Ultraschall
eingesetzt: Mittels des laserakustischen Effektes werden im Auge
berührungslos Ultraschallwellen erzeugt, indem die lokal im
Auge vom Laser bzw. Anregungslaser erzeugte Energiedichte so eingestellt
wird, dass eine Fotodisruption stattfindet (eine Fotodisruption,
auch als optischer Durchbruch bezeichnet, tritt dann auf, wenn es im
Fokuspunkt der Anregungslaserstrahlung zu sehr hohen Intensitäten
von im Bereich von über 1 TW/cm2 kommt;
durch solche Energiedichten wird eine auf den Fokus begrenzte Materialtrennung
induziert). Wird hierbei die Anregungsenergie mittels des Lasers
bzw. Anregungslasers in geeigneter (z. B. in gepulster Form mit
ausreichend kurzer Impulsdauer) zugeführt, und wird die
Fotodisruption innerhalb geeigneter Gewebe des Auges durchgeführt
(insbesondere innerhalb der vorderen Augenkammer), so lassen sich
bleibende Schäden am Auge vermeiden, so dass die vorgestellte
laserbasierte Vorrichtung bzw. das entsprechende Abtastungsverfahren
auch in vivo eingesetzt werden kann.
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Von
der lokalen Fotodisruption bzw. Plasmablase geht dann im weiteren
Verlauf eine Schockwelle hoher Beschleunigung aus, die dann in akustische
Ultraschallwellen übergeht, die wiederum an den entsprechenden
Grenzflächen reflektiert werden und schließlich
mittels des Nachweislasersystems wie nachfolgend noch genauer beschrieben
erfasst bzw. detektiert werden können. Bei geeigneter Wahl der
Lasereinstellung und des Anregungsortes bleiben keine Beeinträchtigungen
der Sehleistung zurück.
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Ein
besonders vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dabei
die Kombination zweier Lasersysteme, eines ersten, den Anregungslaser umfassenden
Lasersystems, mit dem lokal definiert ein hoher Energieeintrag in
einem geeigneten Gewebe im Auge realisiert wird und eines zweiten,
einen Nachweislaser und einen Detektor umfassenden Lasersystems,
mit dem die vom ersten Lasersystem über die Fotodisruption
ausgelösten akustischen Ultraschallwellen abgetastet werden
können (alternativ dazu ist aber auch ein einzelner Laser
einsetzbar, dessen Strahlung in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird,
wobei dann jeder Teilstrahl hinsichtlich seiner Strahleigenschaften
(z. B. Intensität, Frequenz, ...) so aufbereitet wird,
dass ein Teilstrahl die Rolle der anregenden Laserstrahlung und
ein Teilstrahl die Rolle der abtastenden Laserstrahlung übernimmt).
Diese Abtastung der an den Gewebegrenzflächen im Auge reflektierten
oder abgelenkten Wellen wird dann dazu genutzt, um aus den Eigenschaften
der Reflexion bzw. Ablenkung Informationen über die Viskosität beispielsweise
der Augenlinse abzuleiten: Erhöht sich beispielsweise die
Viskosität der Augenlinse (was einer Verhärtung
der Linse entspricht) so verringert dies die Amplitude der Linsenechos
bzw. der an der Linse reflektierten Signalanteile. Ein solches Verhalten
lässt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auswerten
und zur Charakterisierung der Augenlinse nutzen.
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Erfindungsgemäß kann
mit der laserbasierten Vorrichtung der mit dem für den
Nachweis ausgebildeten Teil des Aufbaus oder dem Nachweislasersystem
erfasste, im Auge reflektierte, abgelenkte und/oder gestreute Anteil
im Zeitbereich (z. B. hinsichtlich der Laufzeit, der Lage, der Amplitude und/oder
der Form von Impulsspitzen und/oder von Wellenfronten oder auch
hinsichtlich von Laufzeitunterschieden von erfassten Impulsen relativ
zu auslösenden Impulsen, also Impulsen, die durch das Anregungslasersystem
eingestrahlt wurden) oder auch im Frequenzbereich (z. B. hinsichtlich
der Lage, Amplitude und/oder der Form von Frequenzspitzen) ausgewertet
werden. Dies kann in einer Auswerteeinheit durchgeführt
werden, die beispielsweise auf Basis eines handelsüblichen
Rechnersystems (z. B. PC) mit geeigneter Software ausgebildet sein
und mit dem Detektor des Nachweislasersystems zum Datenaustausch
verbunden sein kann.
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Aus
den durch diesen Teil des Aufbaus oder das Nachweislasersystem erfassten
Signalanteilen können dann physikalische Kenngrößen
abgeleitet werden (hierbei kann es sich z. B. um Schwingungsgeschwindigkeiten
oder Auslenkungen von Gewebegrenzflächen des Auges oder
um Elastizitätsmodule von Geweben im Auge handeln), aus
denen schließlich auf den Linsenzustand bzw. die viskoelastischen Linseneigenschaften
rückgeschlossen werden kann.
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Die
Erfassung im Auge reflektierter oder abgelenkter Signalanteile mittels
des Nachweisteils des Aufbaus oder Nachweislasersystems kann zu
einer Vielzahl unterschiedlicher Zeitpunkte durchgeführt werden,
so dass sich über ein definiertes Zeitintervall ein Signalverlauf
ergibt, der sowohl im Zeitbereich, als auch im Frequenzbereich (letzteres
z. B. mittels FFT) ausgewertet werden kann. Ebenso ist es möglich,
Messungen unter identischen Anregungs- und Nachweisbedingungen vielfach
zu wiederholen, so dass auf dem Fachmann bekannte Art und Weise
die Messgenauigkeit der einzelnen Messungen erhöht werden
kann.
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Wie
nachfolgend noch näher beschrieben, kann der Nachweisteil
des Aufbaus oder das Nachweislasersystem in Form eines Interferometers,
beispielsweise in Form eines Laser-Doppler-Vibrometers ausgebildet
sein. Dieses führt dann, aufgrund der hohen Frequenzen
des Laserlichtes, eine Demodulation nicht direkt durch, sondern
nutzt eine kohärente Überlagerung des am Augengewebe
reflektierten Lichtanteils mit einem Referenzstrahl (der genaue
Aufbau eines Interferometers bzw. eines Laser-Doppler-Vibrometers
ist hierbei dem Fachmann bekannt). Der Detektor des Nachweislasersystems misst
in diesem Falle die Intensität des überlagerten Lichtes,
dessen Schwebungsfrequenz der Differenzfrequenz zwischen dem Referenzstrahl
und dem Messstrahl (bzw. dem reflektierten Strahlanteil) ent spricht.
So kann der Detektor die zeitabhängige Intensität
I(t) am Überlagerungspunkt des Messstrahls und des Referenzstrahls
erfassen. Wird dann eine Grenzfläche im Auge durch die
vom Anregungslasersystem lokal erzeugte Energiedichte bzw. die Fotodisruption
und die hiervon ausgehenden Ultraschallwellen in Schwingung versetzt,
so bewirkt das an der schwingenden Grenzfläche reflektierte
Signal des Nachweislasers eine Schwankung der bestimmten Lichtintensität
I(t). Anhand der Schwankungsparameter dieser Schwankung lässt
sich dann beispielsweise die Auslenkung der Grenzfläche
und/oder deren Geschwindigkeit bestimmen, was wie vorbeschrieben
Rückschlüsse auf die Gewebeparameter zulässt.
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Besonders
vorteilhaft werden im Rahmen des Nachweisteils oder des Nachweislasersystems (z.
B. also eines Laser-Doppler-Vibrometers) Geräte eingesetzt,
die den Frequenzbereich mit einer Bandbreite von > 20 MHz abtasten können.
Als obere Grenzfrequenz der Geräte sollten mindestens 12,
besonders bevorzugt mindestens 30 MHz erreicht werden. Entsprechende
Vibrometerbausteine sind dem Fachmann bekannt und stehen ihm zum
Einsatz bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Verfügung.
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Vorteilhafterweise
wird der Laser oder der Anregungslaser der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in gepulster Form mit Pulsdauern im Nano-, Piko- oder
Femtosekundenbereich betrieben. Pulsdauer und Pulsform sollten beispielsweise
bei Nanosekunden-Pulsen so eingestellt werden, dass die mittlere Energie
pro Puls, die dann im Fokus in den entsprechenden Gewebebereich
eingetragen wird, im Bereich von 1 μJ bis 50 mJ, besonders
bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 mJ liegt. Dieser Energiebereich
ermöglicht es einerseits, einen zur Ausbildung von Fotodisruptionen
ausreichenden Energieeintrag zu realisieren, verhindert aber auf
der anderen Seite Schädigungen aufgrund eines zu hohen
Energieeintrages. Vorteilhafterweise wird darüber hinaus
der anregende Laserstrahl des Anregungslasers mit einem mittleren
Strahldurchmesser im Bereich von < 50 μm,
bevorzugt < 20 μm
und besonders bevorzugt < 10 μm erzeugt.
Die Wellenlänge des Anregungslasers kann bevorzugt zwischen
1064 und 2900 nm gewählt werden, da hier die Absorption
in Wasser stark zunimmt und entsprechende, zugelassene Medizinlaser
verfügbar sind. Die durch diese Pulsdauern, Energieeinträge
und Strahlparameter im Augengewebe angeregten Ultraschallwellen
liegen dann im vorbeschriebenen Frequenzbereich, also im Bereich
von unter einem bis zu mehreren 10 MHz, so dass eine Ortsauflösung
im Submillimeterbereich möglich ist.
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Neben
der vorbeschriebenen Erzeugung von Fotodisruptionen können
die Strahlparameter jedoch auch so eingestellt werden, dass es zu
einer thermoelastischen Anregung im Augengewebe durch den Anregungslaser
kommt.
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Erfindungsgemäß ist
es nun auf der einen Seite möglich, den Ort der Fokussierung
der anregenden Laserstrahlung oder des Anregungslasers (nachfolgend
auch als erster Zielbereich bezeichnet) und den Ort, auf den die
abtastende Laserstrahlung oder der Laserstrahl des Nachweislasers
fokussiert wird (nachfolgend auch als zweiter Zielbereich bezeichnet)
an unterschiedlichen Stellen innerhalb des zu untersuchenden Auges
zu platzieren: So kann beispielsweise der erste Zielbereich in die
vordere Augenkammer gelegt werden (siehe vorstehend genannten Grund,
dass insbesondere hier Fotodisruptionen erzeugt werden können, welche
keine bleibenden Schäden beim Auge verursachen), wohingegen der
zweite Zielbereich auf die Oberfläche der Hornhaut oder
auch auf die vordere Linsenfläche der Augenlinse gelegt
werden kann.
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Auf
diese Art und Weise lassen sich erfindungsgemäß der
Anregungsort und der Nachweisort voneinander trennen (dies kann
beispielsweise mit geeigneten Strahlführungssystemen für
die Laserstrahlung bzw. für die Laserstrahlung des Anregungslasers
und für die Laserstrahlung des Nachweislasers realisiert
werden, es ist jedoch auch ganz einfach möglich z. B. den
Nachweislaser und den Anregungslaser z. B. bezüglich der
Abstände zum Auge und/oder der Einstrahlungswinkel unterschiedlich
so zu positionieren, dass die beiden Zielbereiche beabstandet voneinander
angeordnet sind).
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Als
Strahlführungsoptiken können hierbei insbesondere
Ablenkoptiken wie beispielsweise klappbare oder halbtransparente
Spiegel, oder auch regelbare Fokussieroptiken eingesetzt werden.
So können beispielsweise mithilfe eines halbtransparenten
Spiegels, der im Strahlengang der beiden Laser (Anregungs- und Nachweislaser)
angeordnet wird, die Strahlen des Anregungs- und des Nachweislasers
auf eine gemeinsame optische Achse gebracht und auf das Auge eingestrahlt
werden. Über eine unterschiedliche Wahl der Vorfokussierung
mittels einer regelbaren Fokussieroptik können dann der
Endfokus der Anregungslaserstrahlung und der Endfokus der Nachweislaserstrahlung
in verschiedenen Tiefen des Auges zum Liegen gebracht werden (Trennung des
Anregungs- und des Nachweis- bzw. Analyseortes).
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Alternativ
dazu ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, den ersten
und den zweiten Zielbereich identisch zu wählen.
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Alternativ
zu den vorbeschrieben angedeuteten Anwendungsbereichen lässt
sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur
Therapiekontrolle einsetzen: Die mittels des Anregungslasers durch
Fotodisruption in der Augenlinse erzeugten kleinen Gasblasen hinterlassen
nach ihrem Kollabieren (und den dadurch ausgelösten Schockwellen)
nämlich eine elastisch weichere Matrix. Auf diese Art und
Weise kann die Akkomodationsfähigkeit teilweise oder möglicherweise
sogar vollständig wiederhergestellt werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich,
die Vorrichtung zur Detektion von Fremdkörpern im Auge
zu verwenden: Wird dem Nachweislasersystem (beispielsweise mithilfe
von ablenkbaren Spiegeln oder einem Galvano-Scanner) eine geeignete
Strahlablenkoptik vorgeschaltet, so ist es möglich, mit
dem Nachweislaserstrahl Flächenbereiche des Auges abzurastern
und anhand der empfangenen und ausgewerteten reflektierten oder abgelenkten
Strahlanteile eine ortsaufgelöste Darstellung vorzunehmen.
Anhand geeigneter Auswertungen der Echosignale ist es dann möglich,
eingedrungene Fremdkörper (welche in der Regel deutlich höhere
Echoamplituden auslösen) festzustellen.
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Gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren
bietet die Erfindung eine Reihe wesentlicher Vorteile:
- • Durch die Verwendung eines geeignet ausgebildeten
Lasersystems mit einem Laser oder zweier Lasersys teme, des Anregungslasersystems
und des Nachweislasersystems, bietet die Erfindung den Vorteil eines
berührungslosen Vorgehens. Die anregende Laserstrahlung
oder der Anregungslaser ist dabei in der Art ausgestaltet, dass durch
die Bestrahlung vor oder auch im Auge optisch-akustische Wirkungen
hervorgerufen werden können.
- • Die beispielsweise in der Augenvorkammer durch Fotodisruption
ausgelösten kugelartigen Schockwellen wandern durch das
Auge und regen an einer Vielzahl von Grenzflächen im Auge Reflexionen
an, die dann aufgrund der Ausbreitung der reflektierten Wellenanteile
durch das biologische Gewebe des Auges nach deren Austritt mittels
des Nachweisteils bzw. des Nachweislasersystems erfasst werden können:
Die sich ausbreitenden, reflektierten Wellenanteile werden durch
die Eigenschaften der durchlaufenen biologischen Gewebe in ihren
Signaleigenschaften verändert, was auf eine Vielzahl möglicher
Arten detektiert und ausgewertet werden kann. So können
zum Beispiel Laufzeitunterschiede bestimmt werden, Amplitudenverhältnisse
bestimmt werden, Abschwächungen der Amplituden in Abhängigkeit
vom durchlaufenen Weg ausgewertet werden usw. Diese Vielzahl möglicher
Auswertungsvarianten ermöglicht es, unterschiedliche physikalische
Kenngrößen der Augengewebe abzuleiten. Aus diesen
physikalischen Kenngrößen kann dann auf Eigenschaften
des Auges wie zum Beispiel die Stabilität und/oder Festigkeit
der Linse rückgeschlossen werden.
- • Durch den Einsatz z. B. eines Laser-Doppler-Vibrometers
ist auf zuverlässige und genaue Art und Weise eine Erfassung
und nachfolgende Auswertung der reflektierten Signalanteile möglich.
- • Neben der berührungslosen Arbeitsweise zeichnet
sich die vorliegende Erfindung auch durch das gewebeschonende Anregungs-
und Nachweisvorgehen aus. Damit können am Menschen (auch am
Tier) Augen zerstörungsfrei, schädigungslos und
berührungslos untersucht werden.
- • Durch die definierte Strahlführung von Laserstrahlen
ist die vorliegende Erfindung insbesondere auch dazu geeignet, kleine
Strukturen wie beispielsweise lokale Bereiche in der Augenlinse
zu bewerten.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung nun anhand zweier Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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Hierzu
zeigt 1 einen möglichen Aufbau einer beispielhaften
erfindungsgemäßen laserbasierten Vorrichtung zur
berührungslosen Abtastung von Augen, der zwei Laser verwendet,
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2 ein
Beispiel für ein mit der Vorrichtung nach 1 erfasstes
Messsignal und dessen Auswertung, und
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3 einen
weiteren möglichen Aufbau mit nur einem Laser, der zur
Anregung und zum Nachweis benutzt wird.
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Wie 1 skizziert,
weist eine erfindungsgemäße laserbasierte Vorrichtung
zur berührungslosen Abtastung von Augen ein erstes Lasersystem 1 auf, das
einen Anregungslaser 1a umfasst. Die mit diesem Anregungslaser 1a erzeugte
Laserstrahlung 1b wird mithilfe einer geeigneten Strahlformungsoptik (nicht
ge zeigt, es kann sich hierbei beispielsweise um eine regelbare Fokussieroptik
handeln) und über einen halbtransparenten Spiegel 5 auf
einen ersten Zielbereich 3-1 innerhalb eines zu untersuchenden Auges
A, das innerhalb eines Zielvolumens 3 platziert wurde,
fokussiert. Der im Zielvolumen 3 liegende erste Zielbereich 3-1 wurde
so gewählt, dass er innerhalb der vorderen Augenkammer
des Auges A liegt.
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Als
Anregungslaser 1a wird ein Therapielaser eingesetzt, wie
er dem Fachmann bekannt ist. Es kann sich hierbei beispielsweise
um einen Nd:YAG-Laser handeln.
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Der
Therapielaser 1a wird gepulst mit einer Pulsdauer im Nano-,
Pikosekunden- oder auch im Femtosekundenbereich betrieben. Die Energiedichte,
die pro Puls in der vorderen Augenkammer absorbiert wird, wird mittels
geeigneter Steuer- und Regelsysteme des Lasers 1a so eingestellt,
dass lokal pro Puls 1 bis etwa 10 mJ im Zielbereich 3-1 appliziert werden.
Der Strahldurchmesser auf Höhe des Fokus bzw. der Fokusdurchmesser
beträgt 5 bis 10 μm. Mithilfe der variablen Fokussieroptik
ist es möglich, eine variable Fokustiefe einzustellen bzw.
die Lage des ersten Zielbereiches 3-1 innerhalb des Auges
nahezu beliebig einzustellen. Aus den vorbeschriebenen Gründen
ist jedoch eine Lage dieses Zielbereiches innerhalb der vorderen
Augenkammer bevorzugt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist desweiteren
ein zweites Lasersystem (Nachweislasersystem 2) auf, das
einen Nachweislaser 2a und einen Detektor 2d umfasst.
Dieses Nachweislasersystem ist hier als Laser-Doppler-Vibrometer
ausgebildet, dessen genauer Aufbau dem Fachmann bekannt ist, so
dass das Nachweislasersystem 2 in 1 nur grob
skizziert ist. Mit dem Nachweislaser 2a wird die zweite,
abtastende Laserstrahlung 2b in einen zweiten Zielbereich 3-2 innerhalb
des Zielvolumens 3 eingestrahlt. Der zweite Zielbereich 3-2 ist
hier so gewählt, dass er auf der äußeren
Oberfläche der Hornhaut des Auges A liegt. Alternativ dazu
kann (ebenfalls mittels geeigneter, nicht gezeigter regelbarer Fokussieroptiken)
der Fokus bzw. der zweite Zielbereich 3-2 der Nachweislaserstrahlung 2b jedoch
auch z. B. auf die augenvorderseitige Linsenoberfläche des
Auges A gerichtet sein). In den oder am zweiten Zielbereich 3-2 reflektierte,
abgelenkte oder gestreute Signalteile 2c der eingestrahlten
Nachweisstrahlung 2b können dann mit dem Detektor 2d erfasst werden.
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Im
vorbeschriebenen Beispiel werden der Anregungslaserstrahl 1b und
der Nachweislaserstrahl 2b mithilfe des halbtransparenten
Spiegels 5 auf eine gemeinsame optische Achse gelenkt und parallel
zueinander auf das Auge A im Zielvolumen 3 eingestrahlt
(der rückreflektierte Strahlanteil 2c, siehe nachfolgend,
wird am Spiegel 5 in Richtung des Detektors 2d umgelenkt
und von diesem erfasst). Der Einsatz eines solchen Spiegels 5 ist
jedoch nicht notwendig: Alternativ dazu können der Anregungslaserstrahl 1b und
der Nachweislaserstrahl 2b auch von unter unterschiedlichen
Winkeln zum Zielvolumen 3 positionierten Lasern 1a, 2a und
somit unter unterschiedlichem Einstrahlungswinkel auf das Auge A gerichtet
werden.
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Wie
vorbeschrieben wird nun durch die lokale Disruption im ersten Zielbereich 3-1 eine
Schockwelle ausgelöst, die in akustische Ultraschallwellen übergeht,
welche dann die einzelnen Bestandteile des Auges, unter anderem
auch die Hornhaut, zu entsprechenden Schwingungen anregen.
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Im
Fokus 3-2 des Nachweislasersystems 2 wird somit
die an der beobachteten Grenzfläche (äußere
Hornhautfläche) anliegende Schwingung interferometisch
vermessen. Die entsprechend an der äußeren Hornhaut
reflektierten oder gestreuten, durch die Schwingung der Hornhaut
in ihrer Frequenz veränderten Anteile 2c der eingestrahlten
zweiten Laserstrahlung 2b werden mithilfe des Detektors 2d des Laser-Vibrometers 2 erfasst
und zwischengespeichert.
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Mit
dem Detektor 2d des Nachweislasersystems 2 ist
eine Auswertevorrichtung 4 in Form eines PC mit geeignet
ausgebildeter Soft- und Hardware verbunden. Mit dieser Auswerteeinheit
können die zurücklaufenden, reflektierten und/oder
gestreuten Anteile 2c der eingestrahlten Nachweislaserstrahlung 2b dann
wie vorbeschrieben ausgewertet werden. Die Abtastbandbreite des
Vibrometers beträgt hier etwa 30 MHz: Sowohl kleinere Frequenzen
im Bereich oberhalb von etwa 100 KHz, als auch höhere Frequenzen
bis zur Grenzfrequenz von mindestens 30 MHz lassen sich somit auswerten.
Auch höhere Frequenzen von bis zu einigen hundert MHz,
z. B. von bis zu 300 MHz sind auswertbar. Die höheren Frequenzen
im Megahertzbereich (die zugehörigen Wellenlängen
letzterer sinf sehr viel kleiner als die Abstände im Auge)
lassen sich insbesondere über Laufzeitmessungen auswerten.
Die kleineren Frequenzen (Bereich von einigen hundert kHz) lassen sich
insbesondere auswerten, indem mittels FFT (Fast-Fourier-Transformation)
in der Auswerteeinheit 4 ein Spektrum erstellt und auf
Maximal- bzw. Signalspitzen untersucht wird. Die Signalspitzen bzw.
Maxima entsprechen Eigenschwingungsmoden unterschiedlicher Bestandteile
im Auge und lassen daher Rückschlüsse auf die
entsprechenden Gewebe zu (so sind zum Beispiel die elastischen Eigenschaften der
Augenlinse frequenzabhängig).
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Darüber
hinaus ist es auch möglich, mithilfe geeigneter gesteuerter
Ablenkspiegel (beispielsweise in Form eines Galvano-Scanners) den
Nachweislaserstrahl 2b rasterförmig über
einen entsprechenden Flächenbereich im oder am Auge A zu
bewegen. Es ist dann eine ortsaufgelöste Detektion möglich.
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In
der vorliegenden Erfindung wird somit im Fokus des Nachweislasersystems
die an der beobachteten Grenzfläche anliegende Schwingung
(mit Frequenzen im kHz- oder MHz-Bereich) mithilfe der Laserstrahlung
des Nachweislasersystems abgetastet. Auf diese Art und Weise kann
durch Messen der entsprechend ausgelösten Echowellen die
Bewegung von Grenzflächen im Auge erfasst und ausgewertet
werden.
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Hierbei
ist es sowohl möglich, die Gewebegrenzflächen über
Einzelpulsanregung in Schwingung zu versetzen, als auch über
Einstrahlung von Impulszügen (also von Signalen, die aus
einer Vielzahl einzelner, aneinander gereihter Impulse bestehen).
Messungen können unter identischen Bedingungen wiederholt
werden, um die Messstatistik zu verbessern (so kann unter identischen
Anregungsbedingungen und Auswertebedingungen, also bei fester Geräteeinstellung,
eine Einzelpulsanregung z. B. mehrere hundert Male wiederholt werden).
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Puls-Echo-Signale
sowie mittels Vibrometrie aufgezeichnete Schwingungsgzustände
der Grenzflächen innerhalb des Auges können parallel
ausgewertet werden. Eine Signalkorrelation ist möglich, ebenso
Laufzeitenbestimmung, Bestimmung der spektralen Zusammensetzung
oder statistische Auswertungen.
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2 zeigt
ein Beispiel für eine Laufzeitbestimmung auf Basis einer
Einzelpulsanregung: Zum Zeitpunkt t = 0 wurde im Zielbereich 3-1 eine
Fotodisruption erzeugt. Die hierdurch (durch Reflexion an Gewebegrenzflächen)
ausgelösten Streuimpulse 2c erreichen den Nachweisdetektor 2d aufgrund
ihrer Laufzeitunterschiede im Auge zu unterschiedlichen Zeiten.
So erreicht der an der Hornhaut ausgelöste Impuls den Detektor
zum Zeitpunkt S1, der an der Linsenvorderseite ausgelöste
Impuls den Detektor zur Zeit S2 und der an der Linsenrückseite
reflektierte Impuls den Detektor zum Zeitpunkt S3. S4 kennzeichnet
den an der Augenrückwand reflektierten Impuls. Wie 2 (bei
der die vom Detektor empfangene Intensität I(t) über
der Zeitachse t aufgetragen ist) deutlich zeigt, können
anhand der bis zum Empfang des Impulssignals vergangenen Zeiten
die einzelnen Gewebegrenzflächen des Auges deutlich voneinander
unterschieden werden. Eine Auswertung der entsprechenden Impulsform
bzw. ihrer Einhüllenden ermöglicht es darüber
hinaus, Aussagen über die einzelnen durchlaufenen Augengewebe
zu treffen (so hängt die Pulsform bzw. die Form der Einhüllenden stark
von den elastischen Eigenschaften der einzelnen Gewebearten ab).
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3 zeigt
ein weiteres Beispiel für einen erfindungsgemäßen
Aufbau. Die wesentlichen Merkmale des in 3 gezeigten
Aufbaus entsprechen dabei dem in 1 gezeigten
Aufbau, so dass nachfolgend nur die Unterschiede beschrieben werden: Beim
in 3 gezeigten Aufbau wird statt des Anregungslasers 1a und
des Nachweislasers 2a nur ein einziger Laser, der hier
ebenfalls mit dem Bezugszeichen 1a bezeichnet ist, verwendet
(das Bezugszeichen 1 bezeichnet hier dann den eigentlichen
Laser 1a und die Steuer- und Regelelektronik dieses Lasers).
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Wie
die Figur zeigt, wird hier der Rechner 4 auch zur Ansteuerung
des Lasers 1a verwendet.
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Die
Strahlung des Lasers 1a wird durch den Strahlteiler 6 in
zwei Teilstrahlen aufgespalten: Ein erster Teilstrahl wird mithilfe
eines Intensitätsverstärkers 7 in seiner
Intensität verstärkt und mithilfe einer Frequenzveränderungseinheit 8 auf
eine zur Anregung geeignete Frequenz gebracht. Dieser Teilstrahl wird
dann als anregende Laserstrahlung 1b auf das Auge eingestrahlt.
Die Freqenzveränderungseinheit 8 kann im Strahlengang
nicht nur nach, sondern auch vor dem Intensitätsverstärker 7 angeordnet
sein.
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Der
mittels des Strahlteilers 6 abgetrennte zweite Teilstrahl
bzw. Strahlanteil wird über einen ersten Umlenkspiegel 9' einem
Intensitätsabschwächer 7' zugeführt
und von diesem über eine weitere Frequenzänderungseinheit 8' und
einen zweiten Umlenkspiegel 9'' auf einen halbtransparenten
Spiegel 5 (vergleiche den Aufbau in 1) gelenkt.
Dieser zweite Strahlanteil wird somit durch die Einheiten 7' und 8' so
geformt, dass er zur Abtastung geeignet ist. Im vorliegenden Fall
können somit die Einheiten 1a, 6, 7' und 8' als „Nachweislaser” des
Systems angesehen werden.
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Auch
beim zweiten Strahlanteil ist es möglich, die Frequenzänderungseinheit 8' vor
dem Intensitätsabschwächer 7' anzuordnen.
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Alternativ
zum vorbeschriebenen Fall in 3 ist es
auch möglich, mit einem energiearmen Laser 1a zu
arbeiten: Der erste Teilstrahl wird dann wie vorbeschrieben mit
einem Verstärker 7 verstärkt, es ist jedoch
dann für den zweiten Teilstrahl keine Intensitätsabschwächung
notwendig. Ebenso ist es möglich mit einem hochenergetischen
Laser 1a zu arbeiten, mit dem für den ersten Teilstrahl
keiner Verstärkung 7, jedoch für den
zweiten Teilstrahl eine Abschwächung 7' benötigt
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - K. R. Heyes,
molecular vision 2004, 10, S. 956–963 [0003]
- - R. F. Fischer, J. physiol., 212, S. 147–180 [0003]
- - B. K. Pierscionek „in vitro ulteration of human lense
curvatures by radial stretching”, Exp. Eye Res., 1993,
57, S. 629–635 [0003]