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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtung und Verfahren zur Aufnahme
hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder von Augen bei sehr geringer
Beleuchtungsintensität.
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Mit
einer Funduskamera sind genaueste Untersuchungen der Netzhaut durch
Fotografie des Augenhintergrundes möglich. Die von der
Bildaufnahmeeinheit aufgenommenen, hochgenauen Bilder werden für
eine sofortige Ansicht und Beurteilung in der Regel auf einen Bildschirm
abgebildet. Durch die Möglichkeit, die Aufnahmen nahezu
beliebig zu vergrößern, können Details
gesehen werden, die mit bloßem Auge bei der Untersuchung
der Netzhaut nicht erkennbar sind. Die Aufnahmen werden in einer Datenbank
gespeichert und ermöglichen damit zusätzlich Verlaufskontrollen
von Befunden in einer mit herkömmlichen Methoden nicht
möglichen Genauigkeit.
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Im
Gegensatz dazu sind Spaltlampen medizinische Untersuchungsgeräte,
mit denen der Augenarzt oder der Augenoptiker die Augen stereoskopisch,
d. h. räumlich betrachten kann. Dieses optische Gerät
bietet dem Nutzer die Möglichkeit, einen scharf begrenzten
spaltförmigen Lichtstrahl, der in seiner Breite einstellbar
ist, auf das zu untersuchende Auge zu projizieren und damit das
Auge durch ein Auflichtmikroskop zu betrachten. Mit Spaltlampen werden
vorzugsweise die vorderen Augenbereiche mit Linse, Hornhaut und
vorderer Augenkammer betrachtet. Durch die Verwendung pupillenerweiternder Mittel
wird es jedoch auch möglich, die Netzhaut oder die Hornhautrückfläche
zu sehen. Neben der Möglichkeit der direkten, stereoskopischen
Beobachtung bieten moderne Spaltlampen selbstverständlich
auch die Möglichkeit mit Hilfe einer Bildaufnahmeeinheit fotografische
Aufnahmen zur sofortigen Ansicht und Begutachtung, sowie zur Verlaufskontrolle
von Befunden zu realisieren.
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Nach
dem bekannten Stand der Technik kommen als Beleuchtungseinheit bei
Funduskameras und Spaltlampen hauptsächlich Blitzlampen,
Halogenlampen oder LEDs zum Einsatz, die zur Beleuchtung des Auges
für eine direkte Beobachtung und/oder für fotografische
Aufnahmen dienen.
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Während
bei der Beleuchtung lediglich darauf zu achten ist, dass zulässige
Beleuchtungsstärken einzuhalten sind, um die Belastung
des Auges so gering wie möglich zu halten, sind die Anforderungen an
die zu verwendende Bildaufnahmeeinheit insbesondere für
hochqualitative Fundus- oder Spaltaufnahmen wesentlich höher.
Die Ursachen dafür liegen in der individuellen, den Strahlengang
des ein- und ausfallenden Lichtes verändernden Optik und
der gekrümmten Fläche der Netzhaut des Auges.
Wesentlichster Bestandteil der in der Regel digital arbeitenden
Bildaufnahmeeinheiten sind opto-elektronische Sensoren, die vorzugsweise
direkt im Beobachtungsstrahlengang angeordnet sind.
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Um
die zulässige Beleuchtungsstärke einzuhalten und
die Belastung des Auges möglichst zu verringern, wird die
Intensitäten und/oder Dauer der Beleuchtung ständig
verringert. Dies hat jedoch zur Folge, dass auf dem optoelektronischen
Sensor eine immer geringere Lichtmenge ankommt, was die Erzeugung
hochqualitativer Fundus- oder Spaltaufnahmen wesentlich erschwert.
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Eine
einfache Verlängerung der Belichtungszeit führt
hierbei jedoch nicht zum Erfolg, da das Auge in der Regel nicht
stillsteht und scharfe Fundus- oder Spaltaufnahmen somit unmöglich
werden. Eine mögliche Fixierung des Auges für
längere Belichtungszeiten würde jedoch die Belastung
des Patienten extrem erhöhen.
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Um
diesem Umstand abzuhelfen, ist der Einsatz von Bildaufnahmeeinheiten
möglich, die über hochempfindliche, opto-elektronische
Sensoren verfügen. Da hochempfindliche, opto-elektronische
Sensoren bei gleicher Größe in der Regel über
eine geringere Auflösung verfügen und zudem nur Schwarz-Weiß-Bilder erzeugen,
ist deren alleinige Verwendung wenig vorteilhaft. Zudem führen
elektronische Nachverstärkungen, die eine relativ aufwendige
Elektronik erfordern, bei hochempfindlichen, opto-elektronischen
Sensoren zur Einschränkung deren Dynamik. Weiterhin ist
es Stand der Technik, dass hochempfindliche Sensoren gekühlt
werden, um elektronische Rauscheinflusse zu minimieren.
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Die
sogenannte Dynamik des opto-elektronischen Sensors ist ein Maß für
die Genauigkeit der Detektierung und Wiedergabe der Intensitäten
und wird durch das Verhältnis von höchster messbarer
Intensität zu niedrigster messbarer Intensität
ausgedrückt.
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Während
sich der gesamte Intensitätsbereich von einer absoluten
minimalen Intensität bis zu einer absoluten maximalen Intensität
erstreckt, ist der messbare Bereich ist in der Regel kleiner und
so zu verstehen, dass in diesem Bereich die Intensitäten proportional
zueinander, d. h. mit linearer Empfindlichkeit registriert werden.
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Nach
dem Stand der Technik sind jedoch andere technische Lösungen
bekannt, mit denen trotz geringer, detektierbarer Lichtmenge hochqualitative Fundus-
oder Spaltaufnahmen realisierbar sind.
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In
einer ersten Gruppe von Lösungen wird dazu die Beleuchtung,
d. h. die Blitzbelichtung des Auges für die Fundus- oder
Spaltaufnahmen optimiert.
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Während
DE 102 42 851 A1 und
DE 10 2004 011 906
A1 Systeme zum Steuern der Blitzabgabe eines Blitzgerätes
betreffen, wird in der
EP
0 512 508 B1 eine Kamera mit automatischer Belichtungssteuerungs-Einrichtung
beschrieben, bei der zur Belichtungsmessung ein Vorblitz im sichtbaren
Spektralbereich und eine zugehörigen elektronischen Auswertung
erfolgt. Dabei erfolgt die Auswertung der Belichtungsmessung in
Zonen, mit einer Photodiode für die zentrale Messung und
einem Array für die Messung des Umgebungslichtes. Da ein
Vorblitz meist nicht ausreichend ist, um eine Belichtungsmessung
durchzuführen, wird in der Regel mit einer kurzen Folge von
Vorblitzen gearbeitet.
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Nachteilig
wirkt sich bei diesen Lösungen aus, dass die Vorblitze
im sichtbaren Spektralbereich erfolgen, dass nur eine zonenweise
Auswertung in Teilbereichen erfolgt und dass eine zusätzliche
Photodiode bzw. ein Array von Photodioden erforderlich ist. Außerdem
weisen auch hier die opto-elektronischen Sensoren eine begrenzte
Dynamik auf.
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Weitere,
mit Vorblitzen arbeitende Lösungen sind in
DE 3 139 547 C2 und
DE 33 32 835 C2 beschrieben.
Während bei diesen beiden Lösungen die Vorblitze
im sichtbaren Spektralbereich liegen, erfolgt die zugehörige
Auswertung der Lichtmessung im infraroten Spektralbereich, für
die eine zusätzliche Photodiode erforderlich ist.
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Die
Lösungen nach
DE
33 47 872 C2 und
DE 690
26 826 T2 basieren zwar auch auf einer Vorblitz-Methode,
die Lichtmessung erfolgt jedoch über Spot- und Integralbelichtungsmessung.
Die Lichtmessung erfolgt in Zonen, wofür eine Photodiode
für den zentralen Spot und eine Photodiode bzw. ein Array
für die Messung des Umgebungslichtes vorhanden sind. Als
nachteilig wirkt sich hierbei neben den sichtbaren Vorblitzen die
nur zonenweise erfolgende Auswertung aus.
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Das
Problem einer begrenzten Dynamik tritt bei den hier verwendeten
optoelektronischen Sensoren generell auf. In der Regel weisen derartige
Sensoren nur eine Dynamik von 8 Bit auf, was 256 Helligkeitsstufen
entspricht. Dies ist ein sehr geringer Wert im Vergleich zu konventionellem
Filmmaterial, welches eine Dynamik von etwa 13 Bit hat, und macht
sich beispielsweise dadurch nachteilig bemerkbar, dass helle Bereiche
im Bild schnell zur Übersteuerung führen. Um die
begrenzte Dynamik der Sensoren optimal nutzen zu können,
ist nach dem Stand der Technik eine zweite Gruppe von Lösungen
bekannt, bei denen nicht die Beleuchtung sondern die Belichtung
optimiert wird.
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So
beschreibt beispielsweise die
DE 103 07 744 A1 ein Verfahren, bei dem durch
mehrfache Belichtung mit stark unterschiedlichen Strahlungsenergien
eine Dynamikerweiterung erreicht werden kann. Dazu erfolgt die Bestimmung
von Intensitätswerten elektromagnetischer Strahlung von
Orten in einem Gebiet, wobei die elektromagnetische Strahlung eine absolute
minimale Intensität und eine absolute maximale Intensität
aufweist, mittels einer Detektierungseinrichtung die Messwerte in
einem Bereich von einer niedrigsten messbaren Intensität
bis zu einer höchsten messbaren Intensität mit
linear steigender Empfindlichkeit registriert und gespeichert wird.
Auf diese Weise kann man mit einer Detektierungseinrichtung von
eigentlich geringer Dynamik mittels mehrerer Aufnahmen desselben
Gebiets G bei unterschiedlichen Belichtungszeiten die effektive
Dynamik der Detektierungseinrichtung wesentlich erhöhen
und ein Bild zusammensetzen, das mit dieser effektiven Dynamik aufgenommen
zu sein scheint. Da sich durch die Vielzahl der Fundus- oder Spaltaufnahmen
die Dauer der Behandlung wesentlich verlängert, erhöht sich
auch die Belastung des Patienten.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die derzeit verwendeten opto-elektronischen
Sensoren über eine begrenzte Dynamik von zumeist 8 Bit
verfügen, die für ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis möglichst
maximal auszusteuern ist, d. h. die Beleuchtung ist individuell
bzw. automatisch zu regeln. Unter der Berücksichtigung
einer nicht zu hohen Lichtbelastung des Patienten ist die Empfindlichkeit der
derzeit verwendeten opto-elektronischen Sensoren nicht ausreichend,
um ausreichend gute Aufnahmen zu realisieren.
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Im
Gegensatz dazu erzeugen hochempfindliche Sensoren (CCD) ein verwertbares,
analoges, elektrisches Signal erst bei einer Mindestmenge von etwa
100 einfallenden Photonen, so dass bei sehr geringen Strahlungsenergien
extrem lange Belichtungszeiten erforderlich sind. Zudem verfügen
hochempfindliche Sensoren über eine begrenzte Auflösung
z. B. 5 Megapixel, benötigen für die Nachverstärkung
eine aufwendige elektronische Schaltung und arbeiten nur im Schwarz–Weiß-Modus.
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Eine
Beschleunigung des Messvorganges und die damit zusammenhängende
Verringerung der Belastung des Patienten könnte durch das
Auslesen von Teilbereichen des Sensors erreicht werden. Dies ist
jedoch nicht bei allen Sensoren möglich. CMOS-Sensoren,
die das Auslesen zusammenhängender Teilbereiche ermöglichen,
sind prinzipbedingt jedoch stark rauschbehaftet.
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Auch
ein Auslesen während des Belichtungsprozesses ist nicht
bei allen Sensoren möglich. Die hierfür geeigneten,
sogenannten Global-Shutter-Sensoren sind allerdings nicht in der
erforderlichen Empfindlichkeit verfügbar.
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So
könnte das Auslesen des gesamten Sensors auch dadurch beschleunigt
werden, dass statt nur eines Analog-Digital-Wandlers mehrerer, parallel arbeitende
AD-Wandler Verwendung finden. Diese Variante ist jedoch sehr kostenintensiv;
schnelle AD-Wandler arbeiten zudem mit sehr niedriger Dynamik wie
z. B. mit max. 8 Bit. Die Auslesezeit wird zusätzlich dadurch
verlängert, dass alle digitalen Daten nach dem Auslesen
zwischengespeichert und dann separat bearbeitet werden; unter Umständen
erfolgt sogar eine serielle Übermittlung zu einer separaten Auswerteeinheit,
wie einem PC mit Auswertesoftware.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder von
Augen bei sehr geringer Beleuchtungsintensität zu entwickeln.
Dabei soll die Lösung die Nachteile des Standes der Technik
beheben und bei einem einfachen und kostengünstigen Aufbau
eine einfache Bedienung und eine schnelle Auswertung ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme hochdynamischer
Fundus- und Spaltbilder besteht aus einer Beleuchtungseinheit, Mitteln
zur Erzeugung spezieller Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen,
Mitteln zur Ein- und Auskopplung des Lichtes der Beleuchtungseinheit und/oder
des vom Auge reflektierten Lichtes sowie zwei opto-elektronischen
Sensor-Arrays zur Aufnahme des vom Auge reflektierten Lichtes, die
Verbindungen zu einer Auswerteeinheit aufweisen und einem zusätzlichen
Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes auf
die beiden opto-elektronischen Sensor-Arrays, wobei ein opto-elektronisches
Sensor-Array auf Single-Photonen-Detektoren und das andere auf Photostrom
messenden Photodioden basiert.
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Die
vorgeschlagene technische Lösung betrifft eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Abbilder des menschlichen
Auges und ist für Fundus- und Spaltbilder gleichermaßen
geeignet. Außerdem ist die vorgeschlagene Lösung
auch dazu geeignet, hochdynamische Abbilder der vorderen Augenabschnitte
des menschlichen Auges im Rahmen der Vorbereitung, Durchführung und/oder
Begutachtung von Katerakt-Operationen zu realisieren.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme hochdynamischer
Fundus- und Spaltbilder besteht aus einer Beleuchtungseinheit, Mitteln
zur Erzeugung spezieller Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen,
einem optoelektronischen Sensor-Array zur Aufnahme des vom Auge
reflektierten Lichtes, einer Auswerteeinheit, sowie Mitteln zur Ein-
und Auskopplung des Lichtes der Beleuchtungseinheit und/oder des
vom Auge reflektierten Lichtes, wobei ein zweites opto-elektronisches
Sensor-Array und ein zusätzlicher Strahlteiler zur Aufteilung
des vom Auge reflektierten Lichtes auf diese Sensor-Arrays vorhanden
sind und beide opto-elektronischen Sensor-Arrays Verbindungen zur
Auswerteeinheit aufweisen.
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Erfindungswesentlich
ist hierbei, dass ein opto-elektronisches Sensor-Array aus Photodetektoren
besteht, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten, während
das andere opto-elektronische Sensor-Array auf Photodioden basiert,
die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen. Das nach dem Lawinen-Effekt
oder auch Avalanche-Effekt arbeitende Sensor-Array hat dabei eine
um den Faktor 100 höhere Empfindlichkeit als das den inneren
photoelektrischen Effekt nutzende Sensor-Array.
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Als
Photodetektoren, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten können
beispielsweise Photomultiplier Tubes (PMT), Avalanche Photo Dioden (APD)
oder Silicon Photomultipliers (SiPMs) Verwendung finden. Es kommen
auch emCCDs (electron multiplying CCD) oder sCMOS (scientific CMOS)
in Frage, die eine Elektronen-Vervielfältigung bereits
intrinsisch implementiert haben.
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Photodioden,
die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen basieren hingegen
meist auf der konventionellen (ohne Lawinen-Effekt) CCD-(charge-coupled
device) oder CMOS-Technologie (complementary metal Oxide semiconductor).
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Opto-elektronische
Sensor-Arrays bestehen in der Regel aus einer Matrix (seltener einer
Zeile) lichtempfindlicher Photodioden, die auch Pixel genannt werden.
Die Arrays können rechteckig oder quadratisch sein, mit
Kantenlängen von weniger als 3 μm bis über
20 μm. Je größer die Fläche
der Pixel, desto höher die Lichtempfindlichkeit und der
Dynamikumfang des Sensors und desto kleiner die Bildauflösung,
bei gleicher Größe des Sensors.
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Weiterhin
ist erfindungswesentlich, dass die Messwerte an den digitalen Ausgängen
der opto-elektronischen Sensor-Arrays derart normiert sind, dass
ein stufenloser Übergang der Lichtintensitätsmessung
erfolgen kann. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensor-Arrays
gleiche Abmessungen aufweisen, da sich dadurch die Auswertung und Bilderzeugung
wesentlich vereinfacht.
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Für
eine einfache und schnelle Auswertung der Signale der Sensor-Arrays
ist es weiterhin von Vorteil, wenn die digitalen Ausgänge
der Single-Photonen-Detektoren über separate Verarbeitungseinheiten
verfügen. Vorzugsweise werden dafür Zählratenkonverter
verwendet, von denen das Messergebnis digital an die Auswerteeinheit übermittelt
wird.
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Da
jeder Single-Photonen-Detektor über eine separate Verarbeitungseinheit
verfügt, ist es auch möglich, eine individuelle
Auslesung der digitalen Ausgangssignale vorzunehmen. So lassen sich neben
Teilbereichen auch spezielle Formen, wie Linien, Kreise, Gitter,
Sektoren o. ä. auslesen. Dies stellt einen wesentlichen
Vorteil dar, der trotz der Kombination mit einem „normalen” Sensor-Array
erhalten bleibt. Die separaten Verarbeitungseinheiten jedes Single-Photonen-Detektors
haben noch den Vorteil, dass durch die Möglichkeit des
parallelen Auslesens die Bilderzeugung wesentlich schneller erfolgen kann.
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Die
Dynamik der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann
dadurch noch vergrößert werden, dass Zählern
mit hohen Zählgrößen von z. B. 24 Bit
verwendet werden. Diese Zähler sind dann in der Lage das „OVERFLOW”-Steuersignal
auszuwerten. Bei Erreichen des maximalen Zählstandes wird
automatisch ein weiterer Zähler generiert, der die Anzahl
der „OVERFLOW”-Signale zählt. Eine derartige
dynamische Konfiguration mit der Generierung eines weiteren Zählers
erfolgt mit einer zusätzlichen Steuerlogik, so dass eine
dynamische Erweitung einzelner, überlaufender Zähler
problemlos möglich ist.
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In
einer ersten Ausführung wird neben einem Sensor-Array auf
CCD- bzw. CMOS-Basis ein Sensor-Array verwendet, bei dem als Single-Photonen-Detektoren
Silicon Photomultipliers (kurz SPM) verwendet werden.
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Derartige
Sensor-Arrays werden beispielsweise von der Firma SensL Technologies
Ltd. auch in Form von Arrays angeboten. Die SPMs von SensL basieren
dabei auf einer neuartigen Silizium-Struktur und wurden für
geringste Beleuchtungsstärken optimiert. So erzeugt bereits
ein einziges Photon einen Impuls auf dem Sensor-Array, das über
integrierte Schaltkreise entsprechend verstärkt wird. Dazu
wird das Sensor-Array im Geiger-Modus betrieben. Beim sogenannten
Geiger-Modus werden die SPM's oberhalb der Durchbruchspannung betrieben,
so dass eine Verstärkung von bis zu 10
6 erreicht
wird. Dabei stellt die Detektorelektronik sicher, dass die SPMs nicht
zerstört und anschließend wieder zurückgesetzt werden.
Diese, auf SPM's basierenden Sensor-Arrays kombiniert die Vorteile
von ”normalen” Photodioden (Größe,
Niederspannungsbetrieb und Robustheit) mit den wichtigen Vorteilen
einer hohen Verstärkung und Empfindlichkeit. Details zu
den SPM-Arrays der Firma SensL Technologies Ltd. sind sowohl den
Produktbeschreibungen auf der Internetseite
www.sensl.com als
auch der Offenlegungsschrift
WO 2006/126027 A2 zu entnehmen.
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Die
vorgeschlagene Lösung verfügt über eine
für Single-Photonen-Detektoren übliche, nichtlineare
Empfindlichkeitskurve. Nach dem Eintreffen eines Photons und dem
Auslösen des Lawineneffekts ist der Single-Photonen-Detektor
für kurze Zeit, d. h. während der sogenannten
Totzeit (DEAD TIME) nicht empfindlich. Photonen, die in dieser Zeit
auf den Detektor treffen, werden nicht registriert. Bei hoher Strahlungsenergie
steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eintreffende Photonen nicht
mehr detektiert werden. Ais Ergebnis erhält man eine nichtlineare Empfindlichkeitsfunktion,
die bei der Auswertung zu berücksichtigen ist. Deshalb
sind vorzugsweise Single-Photonen-Detektoren zu verwenden, die über
eine sehr kurze Totzeit im Bereich von 20 bis 50 ns verfügen.
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Die
Firma SensL gibt in den Datenblattern der verfügbaren Single-Photonen-Detektoren (SPM-Array)
an, dass bei einem gekühlten Photon Counting Device (PCDMini)
die typische Pulslänge bei 53 ns und die nachfolgende Totzeit
bei 98 ns liegen. Der Detektor kann somit während der Zeit
von 151 ns das Auftreffen keiner weiteren Photonen messen. Die sich
daraus ergebende maximale Photonenzählrate im linearen
Bereich, bei dem die Zählrate proportional zum Lichtfluss
ist, führt jedoch insbesondere bei kurzen Messzeiten von
beispielsweise 100 ns zu einer zu geringen Dynamik.
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Der
zusätzlich vorhandene Strahlteiler zur Aufteilung des vom
Auge reflektierten Lichtes auf die beiden Sensor-Arrays ist so ausgebildet,
dass ein Teilungsverhältnis von etwa 75:25 bis 95:5, vorzugsweise
90:10 erzeugt wird, wobei der Hauptteil des vom Auge reflektierten
Lichtes auf das Array aus Single-Photonen-Detektoren abgebildet
wird. Das Teilungsverhältnis ist dabei von den verschiedenen Empfindlichkeiten
der beiden Sensor-Arrays abhängig. Der verwendete Strahlteiler
kann hierbei beliebig geartet sein. Es kann sich zum Beispiel um
einen metallischen Strahlteiler oder einen Polka-Dot-Strahlteiler
handeln. Wenn die beiden Sensor-Arrays deutlich unterschiedliche
spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, kann es auch vorteilhaft
sein, den Strahlteiler dichroitisch auszulegen, so dass Detektionsstrahlung spektral
selektiert auf die Sensor-Arrays fällt.
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Von
der Auswerteeinheit werden zur Erzeugung hochdynamischer Fundus-
und Spaltbilder vorrangig die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren
und erst bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner
Single-Photonen-Detektoren die korrespondierenden, digitalisierten
Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays verwendet.
Der Sättigungsbereich einzelner Single-Photonen-Detektoren
wird jenseits der maximalen Photonenzählrate im linearen
Bereich, d. h. bei einer dem Lichtfluss proportionalen Zählrate, erreicht.
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Die
Bilderzeugung erfolgt somit durch Kombination der Ausgangssignale
beider Sensor-Arrays. Die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren
bilden dabei die Grundlage, wobei die digitalen Ausgangssignale
der Single-Photonen-Detektoren, die ihren Sättigungsbereich
erreicht haben, durch die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale
des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ersetzt werden. Bei
gleich großen Sensor-Arrays ist dies auf einfache Art und
Weise, pixelgenau möglich.
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Diese
Verfahrensweise hat den Vorteil, dass das erzeugte Fundus- oder
Spaltbilder keine überstrahlten Bereiche (Erreichen des
Sättigungsbereiches) aufweist. Aufgrund der bereits genannten
unterschiedlichen Empfindlichkeiten der beiden Sensor-Arrays wird
sichergestellt, dass bei Erreichen des Sättigungsbereiches
einzelner Single-Photonen-Detektoren, was gleichbedeutend ist mit
einer großen Anzahl auftreffender Photonen, auf dem korrespondierenden
Pixel des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ausreichend
Photonen auftreffen und detektiert werden können und zwar
trotz des vorzugsweise verwendeten Teilungsverhältnisse
von 90:10.
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Für
die Erzeugung von Fundusbildern werden für den sonst sehr
hell erscheinenden Sehnerv die Daten des zweiten opto-elektronischen
Sensor-Arrays (auf das vorzugsweise nur 10% des vom Auge reflektierten
Lichtes treffen) und für dunkle Bereiche die Daten der
hochempfindlichen Single-Photonen-Detektoren verwendet. Die so erzeugten
Fundusbilder haben eine sehr ausgeglichene Helligkeit.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird den beiden opto-elektronischen
Sensor-Arrays jeweils eine abbildende Optikbaugruppe vorgeordnet,
die vorzugsweise auch als Mikrolinsenarrays ausgebildet sein können.
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Ein
Nachteil von Single-Photonen-Detektoren ist darin zu sehen, dass
diese keine Farben sondern nur Intensitäten auflösen
können. Somit lassen sich nur Schwarz-Weiß-Bilder
erzeugen. Dieser Umstand kann jedoch dadurch behoben werden, dass dem
opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren
Filter vorgeordnet und vorzugsweise schwenkbar ausgebildet sind.
Dadurch sind die Single-Photonen-Detektoren in der Lage bestimmte
Wellenlängen zu selektieren.
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Dabei
ist es sogar möglich das Sensor-Array mit einer „Bayer-Matrix” zu
versehen, bei der jeder einzelne Single-Photonen-Detektor mit einem
spektralen Filtern versehen wird. Sensor-Arrays mit einer sogenannten
Bayer-Matrix sind ähnlich einem Schachbrett, mit Farbfiltern überzogen,
die meist zu 50% aus Grün, und je 25% aus Rot und Blau
bestehen.
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Obwohl
die Bayer-Matrix eine der gebräuchlichsten Verteilungen
für Farb-Sensor-Arrays darstellt, können die spektralen
Filter jede andere mögliche Verteilung, auch zur Selektion
mehrfacher Wellenlängen, oder auch eine über den
Bereich des Arrays variierende Filtercharakteristik verwenden.
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Mit
der nächsten Ausgestaltung wird eine weitere Möglichkeit
zur Detektion bestimmter Wellenlängen durch das opto-elektronischen
Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren beschrieben. Hierzu
wird der Umstand genutzt, dass Photonen mit verschiedenen Wellenlängen
unterschiedlich tief in das Substrat der Single-Photonen-Detektoren
eindringen.
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Nach
dem Stand der Technik ist bekannt, dass Licht verschiedener Wellenlängen
in unterschiedlichen Schichten absorbiert wird, weil langwelliges
(rotes) Licht in Silizium eine größere Eindringtiefe
hat als kurzwelliges (blaues). Nach diesem Prinzip wurde von Foveon
der sogenannte und nach ihm benannte Direkt-Bildsensor auf CMOS-Basis
entwickelt, der drei übereinander liegende Sensorelemente
enthält, um mit jedem Pixel alle drei Grundfarben aufzuzeichnen.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden mehrere
opto-elektronische Sensor-Arrays aus Single-Photonen-Detektoren
in Einfallsrichtung des vom Auge reflektierten Lichtes hintereinander
angeordnet, so dass die Selektion bestimmter Wellenlängen über
die Eindringtiefe der Single-Photonen erfolgen kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird zwischen dem Strahlteiler zur
Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes und dem opto-elektronischen Sensor-Array
aus Single-Photonen-Detektoren ein variabler Abschwächer
angeordnet, der Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweist. Zum Einen
dient der variable Abschwächer der Anpassung der beiden unterschiedlichen
Empfindlichkeiten der Sensor-Arrays und zum Anderen der Reduzierung
des Lichtstromes auf das Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren,
um die Linearität der Abbildung zu sichern.
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Um
sicherstellen zu können, dass möglichst viele
Photonen (theoretische alle) gezählt werden, ist eine Überwachung
der Häufigkeit von Photoneneinschlägen erforderlich.
Der variable Abschwächer wird dann von der Auswerteeinheit
aktiviert und eingestellt, wenn die Häufigkeit der Photoneneinschläge zunimmt.
Die Wahrscheinlichkeit, dass dann Photonen auf das Sensor-Array
treffen und aufgrund der Totzeit nicht gezählt werden,
steigt somit ebenfalls. Der variable Abschwächer wird beispielsweise
von der Auswerteeinheit aktiviert und eingestellt, wenn sich Single-Photonen-Detektoren
ihrer Sättigung nähern und in jedem zweiten Zählintervall
ein Photoneneinschlag registriert wird. Dadurch ist eine zusätzliche
Erhöhung der Dynamik der Fundus- und Spaltbilder möglich.
Erreichen Single-Photonen-Detektoren trotz der variablen Abschwächung
ihren Sättigungsbereich, so werden zur Bilderzeugung, wie bereits
beschrieben die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale
des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays verwendet.
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Die
vorliegende Lösung ermöglicht es, auch bei sehr
geringer Beleuchtungsintensität Fundus- und Spaltbilder
von Augen mit einer hohen Dynamik von bis zu 18 Bit aufzunehmen.
Diese hochdynamischen Bilder lassen sich jedoch für eine
sofortige Ansicht bzw. Begutachtung auf den heute größtenteils verwendeten
Anzeigegeräten, wie z. B. TFT-Displays nicht darstellen.
Um auf Anzeigegeräte mit einer Dynamik von 8 Bit Bilder
mit einer Dynamik von bis zu 18 Bit anzeigen zu können,
müssen diese entsprechend angepasst bzw. konvertiert werden.
Nach dem Stand der Technik sind dazu Softwarealgorithmen bekannt,
mit denen eine sogenannte nichtlineare Kontraststreckung der hochdynamischen
Bilder vorgenommen wird, indem diese in ein 8-Bit-Anzeigebild transformiert
werden. Dabei werden vorzugsweise die dunklen Bits weitgehend linear
und die hellen Bits zusammengefasst wiedergegeben, wobei die Kennlinie
z. B. einer Wurzelfunktion zur vierten Potenz entspricht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer
Fundus- und Spaltbilder wird das Auge von einer Beleuchtungseinheit, dessen
Licht spezielle Beleuchtungsmuster, -profile und/oder -bedingungen
aufweist, beleuchtet und das vom Auge reflektierte Licht von einem
opto-elektronischen Sensor-Array aufgenommen und einer Auswerteeinheit
zugeführt, wobei das Licht der Beleuchtungseinheit und/oder
das vom Auge reflektierte Licht ein- und/oder ausgekoppelt werden
kann. Dazu wird ein Teil des vom Auge reflektierten Lichtes von
einem zusätzlichen Strahlteiler auf ein zweites opto-elektronisches
Sensor-Arrays geleitet. Beide opto-elektronischen Sensor-Arrays
nehmen das vom Auge reflektierte Licht auf und führen die
Ausgangssignale der Auswerteeinheit zu.
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Erfindungswesentlich
ist hierbei, dass ein opto-elektronisches Sensor-Array aus Photodetektoren
besteht, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten, während
das andere opto-elektronische Sensor-Array auf Photodioden basiert,
die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen. Das nach dem Lawinen-Effekt
oder auch Avalanche-Effekt arbeitende Sensor-Array hat dabei eine
um den Faktor 100 höhere Empfindlichkeit als das den inneren
photoelektrischen Effekt nutzende Sensor-Array.
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Als
Photodetektoren, die nach dem Lawinen-Effekt arbeiten können
beispielsweise Photomultiplier Tubes (PMT), Avalanche Photo Dioden (APD)
oder Silicon Photomultipliers (SiPMs) Verwendung finden. Es kommen
aber auch emCCD (electron multiplying CCD) oder sCMOS (scientific
CMOS) in Frage, die eine Elektronen-Vervielfältigung bereits intrinsisch
implementiert haben.
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Photodioden,
die den inneren photoelektrischen Effekt nutzen basieren hingegen
meist auf der konventionellen (ohne Lawinen-Effekt) CCD-(charge-coupled
device) oder CMOS-Technologie (complementary metal Oxide semiconductor).
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Die
verwendeten opto-elektronische Sensor-Arrays bestehen in der Regel
aus einer Matrix (seltener einer Zeile) lichtempfindlicher Photodioden, die
auch Pixel genannt werden. Die Arrays können rechteckig
oder quadratisch sein, mit Kantenlängen von weniger als
3 μm bis über 20 μm. Je größer
die Fläche der Pixel, desto höher die Lichtempfindlichkeit und
der Dynamikumfang des Sensors und desto kleiner die Bildauflösung,
bei gleicher Größe des Sensors.
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Weiterhin
ist erfindungswesentlich, dass die Messwerte an den digitalen Ausgängen
der opto-elektronischen Sensor-Arrays derart normiert werden, dass
ein stufenloser Übergang der Lichtintensitätsmessung
erfolgt. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensor-Arrays
gleiche Abmessungen aufweisen, da sich dadurch die Auswertung und
Bilderzeugung wesentlich vereinfacht.
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Für
eine einfache und schnelle Auswertung der Signale der Sensor-Arrays
ist es weiterhin von Vorteil, wenn die digitalen Ausgänge
der Single-Photonen-Detektoren über separate Verarbeitungseinheiten
verfügen. Vorzugsweise werden dafür Zählratenkonverter
verwendet, die das Messergebnis digital an die Auswerteeinheit übermitteln.
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Da
jeder Single-Photonen-Detektor über eine separate Verarbeitungseinheit
verfügt, ist es auch möglich, eine individuelle
Auslesung der digitalen Ausgangssignale vorzunehmen. So lassen sich neben
Teilbereichen auch spezielle Formen, wie Linien, Kreise, Gitter,
Sektoren o. ä. auslesen. Dies stellt einen wesentlichen
Vorteil dar, der trotz der Kombination mit einem „normalen” Sensor-Array
erhalten bleibt. Die separaten Verarbeitungseinheiten jedes Single-Photonen-Detektors
haben noch den Vorteil, dass durch die Möglichkeit des
parallelen Auslesens die Bilderzeugung wesentlich schneller erfolgen kann.
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Die
Dynamik des erfindungsgemäßen Verfahrens kann
dadurch noch vergrößert werden, dass Zählern
mit hohen Zählgrößen von z. B. 24 Bit
verwendet werden. Diese Zähler sind dann in der Lage das „OVERFLOW”-Steuersignal auszuwerten.
Bei Erreichen des maximalen Zählstandes wird automatisch
ein weiterer Zähler generiert, der die Anzahl der „OVERFLOW”-Signale
zählt. Eine derartige dynamische Konfiguration mit der
Generierung eines weiteren Zählers erfolgt mit einer zusätzlichen
Steuerlogik, so dass eine dynamische Erweitung einzelner, überlaufender
Zähler problemlos möglich ist.
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Eine
erste Ausgestaltung des Verfahrens sieht die Verwendung eines Sensor-Array
auf CCD- bzw. CMOS-Basis sowie eines Sensor-Array vor, dessen Single-Photonen-Detektoren
Silicon Photomultipliers (kurz SPM) sind.
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Derartige
Sensor-Arrays werden beispielsweise von der Firma SensL Technologies
Ltd. auch in Form von Arrays angeboten. Die SPMs von SensL basieren
dabei auf einer neuartigen Silizium-Struktur und wurden für
geringste Beleuchtungsstärken optimiert. So erzeugt bereits
ein einziges Photon einen Impuls auf dem Sensor-Array, das über
integrierte Schaltkreise entsprechend verstärkt wird. Dazu
wird das Sensor-Array im Geiger-Modus betrieben. Beim sogenannten
Geiger-Modus werden die SPMs oberhalb der Durchbruchspannung betrieben,
so dass eine Verstärkung von bis zu 10
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wird. Dabei stellt die Detektorelektronik sicher, dass die SPMs nicht
zerstört und anschließend wieder zurückgesetzt werden.
Diese, auf SPMs basierenden Sensor-Arrays kombiniert die Vorteile
von ”normalen” Photodioden (Größe,
Niederspannungsbetrieb und Robustheit) mit den wichtigen Vorteilen
einer hohen Verstärkung und Empfindlichkeit. Details zu
den SPM-Arrays der Firma SensL Technologies Ltd. sind sowohl den
Produktbeschreibungen auf der Internetseite
www.sensl.com als
auch der Offenlegungsschrift
WO 2006/126027 A2 zu entnehmen.
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Bei
dem vorgeschlagenen Verfahren weisen zu verwendenden Single-Photonen-Detektoren
eine für sie übliche, nichtlineare Empfindlichkeitskurve auf.
Nach dem Eintreffen eines Photons und dem Auslösen des
Lawineneffekts ist der Single-Photonen-Detektor für kurze
Zeit, d. h. während der sogenannten Totzeit (DEAD TIME)
nicht empfindlich. Photonen, die in dieser Zeit auf den Detektor
treffen, werden nicht registriert. Bei hoher Strahlungsenergie steigt
die Wahrscheinlichkeit, dass eintreffende Photonen nicht mehr detektiert
werden. Ais Ergebnis erhält man eine nichtlineare Empfindlichkeitsfunktion, die
bei der Auswertung zu berücksichtigen ist. Deshalb sind
vorzugsweise Single-Photonen-Detektoren zu verwenden, die über
eine sehr kurze Totzeit im Bereich von 20 bis 50 ns verfügen.
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Die
Firma SensL gibt in den Datenblättern der verfügbaren
Single-Photonen-Detektoren (SPM-Array) an, dass bei einem gekühlten
Photon Counting Device (PCDMini) die typische Pulslänge bei
53 ns und die nachfolgende Totzeit bei 98 ns liegen. Der Detektor
kann somit während der Zeit von 151 ns das Auftreffen keiner
weiteren Photonen messen. Die sich daraus ergebende maximale Photonenzählrate
im linearen Bereich, bei dem die Zählrate proportional
zum Lichtfluss ist, führt jedoch insbesondere bei kurzen
Messzeiten von beispielsweise 100 ns zu einer zu geringen Dynamik.
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Von
einem zusätzlich vorhandenen Strahlteiler wird das vom
Auge reflektierte Licht auf beiden Sensor-Arrays aufgeteilt. Das
Teilungsverhältnis ist etwa 75:25 bis 95:5, vorzugsweise
90:10, wobei der Hauptteil des vom Auge reflektierten Lichtes auf
das Array aus Single-Photonen-Detektoren abgebildet wird. Das Teilungsverhältnis
ist dabei von den verschiedenen Empfindlichkeiten der beiden Sensor-Arrays
abhängig. Der verwendete Strahlteiler kann hierbei beliebig
geartet sein. Es kann sich zum Beispiel um einen metallischen Strahlteiler
oder einen Polka-Dot-Strahlteiler handeln. Wenn die beiden Sensor-Arrays
deutlich unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen,
kann es auch vorteilhaft sein, den Strahlteiler dichroitisch auszulegen,
so dass Detektionsstrahlung spektral selektiert auf die Sensor-Arrays
fällt.
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Die
Auswerteeinheit verwendet zur Erzeugung hochdynamischer Fundus-
und Spaltbilder vorrangig die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren
und erst bei Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner
Single-Photonen-Detektoren die korrespondierenden, digitalisierten
Ausgangssignale des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays. Der
Sättigungsbereich einzelner Single-Photonen-Detektoren
wird jenseits der maximalen Photonenzählrate im linearen
Bereich, d. h. bei einer dem Lichtfluss proportionalen Zählrate,
erreicht.
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Die
Bilderzeugung erfolgt somit durch Kombination der Ausgangssignale
beider Sensor-Arrays. Die digitalen Ausgangssignale der Single-Photonen-Detektoren
bilden dabei die Grundlage, wobei die digitalen Ausgangssignale
der Single-Photonen-Detektoren, die ihren Sättigungsbereich
erreicht haben, durch die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale
des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ersetzt werden. Bei
gleich großen Sensor-Arrays ist dies auf einfache Art und
Weise, pixelgenau möglich.
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Diese
Verfahrensweise hat den Vorteil, dass das erzeugte Fundus- oder
Spaltbilder keine überstrahlten Bereiche (Erreichen des
Sättigungsbereiches) aufweist. Aufgrund der bereits genannten
unterschiedlichen Empfindlichkeiten der beiden Sensor-Arrays wird
sichergestellt, dass bei Erreichen des Sättigungsbereiches
einzelner Single-Photonen-Detektoren, was gleichbedeutend ist mit
einer großen Anzahl auftreffender Photonen, auf dem korrespondierenden
Pixel des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays ausreichend
Photonen auftreffen und detektiert werden können und zwar
trotz des vorzugsweise verwendeten Teilungsverhältnisse
von 90:10.
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Für
die Erzeugung von Fundusbildern werden für den sonst sehr
hell erscheinenden Sehnerv die Daten des zweiten opto-elektronischen
Sensor-Arrays (auf das vorzugsweise nur 10% des vom Auge reflektierten
Lichtes treffen) und für dunkle Bereiche die Daten der
hochempfindlichen Single-Photonen-Detektoren verwendet. Die so erzeugten
Fundusbilder haben eine sehr ausgeglichene Helligkeit.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird den beiden opto-elektronischen
Sensor-Arrays jeweils eine abbildende Optikbaugruppe vorgeordnet,
die vorzugsweise auch als Mikrolinsenarrays ausgebildet sein können.
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Ein
Nachteil von Single-Photonen-Detektoren ist darin zu sehen, dass
diese keine Farben sondern nur Intensitäten auflösen
können. Somit lassen sich nur Schwarz-Weiß-Bilder
erzeugen. Dieser Umstand kann jedoch dadurch behoben werden, dass dem
opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren
Filter vorgeordnet werden, die vorzugsweise schwenkbar ausgebildet
sind. Dadurch sind die Single-Photonen-Detektoren in der Lage bestimmte
Wellenlängen zu selektieren.
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Dabei
ist es sogar möglich das Sensor-Array mit einer „Bayer-Matrix” zu
versehen, bei der jeder einzelne Single-Photonen-Detektor mit einem
spektralen Filtern versehen wird. Sensor-Arrays mit einer sogenannten
Bayer-Matrix sind ähnlich einem Schachbrett, mit Farbfiltern überzogen,
die meist zu 50% aus Grün, und je 25% aus Rot und Blau
bestehen.
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Obwohl
die Bayer-Matrix eine der gebräuchlichsten Verteilungen
für Farb-Sensor-Arrays darstellt, können die spektralen
Filter jede andere mögliche Verteilung, auch zur Selektion
mehrfacher Wellenlängen, oder auch eine über den
Bereich des Arrays variierende Filtercharakteristik verwenden.
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Mit
der nächsten Ausgestaltung des Verfahrens wird eine weitere
Möglichkeit zur Detektion bestimmter Wellenlängen
durch das opto-elektronischen Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren
beschrieben. Hierzu wird der Umstand genutzt, dass Photonen mit
verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich tief in das
Substrat der Single-Photonen-Detektoren eindringen.
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Nach
dem Stand der Technik ist bekannt, dass Licht verschiedener Wellenlängen
in unterschiedlichen Schichten absorbiert wird, weil langwelliges
(rotes) Licht in Silizium eine größere Eindringtiefe
hat als kurzwelliges (blaues). Nach diesem Prinzip wurde von Foveon
der sogenannte und nach ihm benannte Direkt-Bildsensor auf CMOS-Basis
entwickelt, der drei übereinander liegende Sensorelemente
enthält, um mit jedem Pixel alle drei Grundfarben aufzuzeichnen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere
opto-elektronische Sensor-Arrays aus Single-Photonen-Detektoren
in Einfallsrichtung des vom Auge reflektierten Lichtes hintereinander
angeordnet, so dass die Selektion bestimmter Wellenlängen über
die Eindringtiefe der Single-Photonen erfolgt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird zwischen dem Strahlteiler
zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes und dem opto-elektronischen
Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren ein variabler Abschwächer
angeordnet, der Verbindungen zur Auswerteeinheit aufweist. Zum Einen
dient der variable Abschwächer der Anpassung der beiden
unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Sensor-Arrays und zum Anderen
der Reduzierung des Lichtstromes auf das Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren,
um die Linearität der Abbildung zu sichern.
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Um
sicherstellen zu können, dass möglichst viele
Photonen (theoretische alle) gezählt werden, ist eine Überwachung
der Häufigkeit von Photoneneinschlägen erforderlich.
Der variable Abschwächer wird dann von der Auswerteeinheit
aktiviert und eingestellt, wenn die Häufigkeit der Photoneneinschläge zunimmt.
Die Wahrscheinlichkeit, dass dann Photonen auf das Sensor-Array
treffen und aufgrund der Totzeit nicht gezählt werden,
steigt somit ebenfalls. Der variable Abschwächer wird beispielsweise
von der Auswerteeinheit aktiviert und eingestellt, wenn sich Single-Photonen-Detektoren
ihrer Sättigung nähern und in jedem zweiten Zählintervall
ein Photoneneinschlag registriert wird. Dadurch ist eine zusätzliche
Erhöhung der Dynamik der Fundus- und Spaltbilder möglich.
Erreichen Single-Photonen-Detektoren trotz der variablen Abschwächung
ihren Sättigungsbereich, so werden zur Bilderzeugung, wie bereits
beschrieben die korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale
des zweiten opto-elektronischen Sensor-Arrays verwendet.
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Das
vorliegende Verfahren ermöglicht es, auch bei sehr geringer
Beleuchtungsintensität Fundus- und Spaltbilder von Augen
mit einer hohen Dynamik von bis zu 18 Bit aufzunehmen. Diese hochdynamischen
Bilder lassen sich jedoch für eine sofortige Ansicht bzw.
Begutachtung auf den heute größtenteils verwendeten
Anzeigegeräten, wie z. B. TFT-Displays nicht darstellen.
Um auf Anzeigegeräte mit einer Dynamik von 8 Bit Bilder
mit einer Dynamik von bis zu 18 Bit anzeigen zu können,
müssen diese entsprechend angepasst bzw. konvertiert werden. Nach
dem Stand der Technik sind dazu Softwarealgorithmen bekannt, mit
denen eine sogenannte nichtlineare Kontraststreckung der hochdynamischen
Bilder vorgenommen wird, indem diese in ein 8-Bit-Anzeigebild transformiert
werden. Dabei werden vorzugsweise die dunklen Bits weitgehend linear
und die hellen Bits zusammengefasst wiedergegeben, wobei die Kennlinie
z. B. einer Wurzelfunktion zur vierten Potenz entspricht.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus-
und Spaltbilder von Augen bei sehr geringer Beleuchtungsintensität
zur Verfügung gestellt, mit der die Nachteile des Standes
der Technik behoben wurden. Basierend auf einem einfachen und kostengünstigen
Aufbau ermöglicht die vorgeschlagene Lösung eine
einfache Bedienung und eine schnelle Auswertung. Mit der vorgeschlagenen Lösung
sind Aufnahmen mit hoher Dynamik im Bereich von bis zu 18 Bit und
hoher Linearität möglich.
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Die
vorgeschlagene Lösung ermöglicht nicht nur die
Erhöhung der Dynamik von Fundus- und Spaltbildern, sondern
durch eine automatische Anpassung der Belichtung auch deren Optimierung. Dies
kann dadurch erfolgen, dass schnelle Zähler mit hohen Zählgrößen
von z. B. 24 Bit verwendet werden. Selbst bei „langen” Belichtungszeiten
kommt es nicht zu Überstrahlungen. Die Belichtungszeit
wird letztendlich nur von der Zeitspanne begrenzt, in der es nicht
zu Bewegungen des Auges kommt. Eine Anpassung der Belichtung an
die aktuellen Strahlungsverhältnisse ist somit nicht mehr
erforderlich.
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Während
herkömmliche Sensor-Arrays, wie auch das hier verwendete,
den inneren photoelektrischen Effekt nutzende opto-elektronische
Sensor-Array, erst auslesbar sind, wenn die Belichtung des gesamten
Arrays abgeschlossen ist, bieten die Sensor-Array aus Single-Photonen-Detektoren
die Möglichkeit einzelne, Gruppen oder auch alle Single-Photonen-Detektoren
während der Belichtung auszulesen. Dadurch wird ermöglicht,
den Lichtstrom zu überwachen, das Erreichen der Belichtungsgrenzen zu
kontrollieren und sich anbahnende teilweise Überstrahlungen
rechtzeitig zu korrigieren.
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Ebenfalls
kann man bei sehr langen Belichtungszeiten die Bilder zeitlich sequentiell
auslesen und einer Bildverarbeitung zuführen. Damit kann man
vor allem Bewegungsartefakte in den Aufnahmen minimieren. Pixelweise
Verschiebungen in den Teilbildern kann ein Algorithmus bewerten
und durch pixelweise Überlagerung korrigieren.
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Neben
den geringen Lichtintensitäten, für die die Vorrichtung
entwickelt wurde, ist es jedoch auch möglich, hohe Lichtintensitäten
zu detektieren, da die Auswerteeinheit in Abhängigkeit
vom Erreichen des Sättigungsbereiches einzelner Single-Photonen-Detektoren
auf korrespondierenden, digitalisierten Ausgangssignale des zweiten
opto-elektronischen Sensor-Arrays „umschaltet” und
diese zur Bilderzeugung nutzt.
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Gegenüber
der alleinigen Verwendung eines opto-elektronischen Sensor-Arrays
aus Single-Photonen-Detektoren kann durch die Kombination mit einem
zweiten, auf dem inneren photoelektrischen Effekt basierenden opto-elektronische
Sensor-Array die Gesamtdynamik vor allem bei sehr langen Belichtungszeiten
prinzipiell um den Faktor 100 erweitert werden.
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Im
idealen Fall sind die beiden minimalen Empfindlichkeiten von Single-Photonen-Detektoren (etwa
1 fW) und CCD-Sensor-Array (etwa 0,1 pW) ideal angepasst und man
erhält die Steigerung der Empfindlichkeit im Vergleich
zur Verwendung eines einzelnen CCD-Sensor-Arrays um den Faktor 100. Die
Dynamik von Single-Photonen-Detektoren von etwa 104 der
Silicon-Photomultipliers (SiPMs) kann man mit der Dynamik der Siliziumdiode
von etwa 105 im idealen Fall zu einer Gesamtdynamik
von bis zu 109 kombinieren.
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Ein
weiterer, sehr wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, dass die
komplette Vorrichtung digital arbeitet und kostengünstig
ist. Im Vergleich zu Sensor-Arrays nach dem Stand der Technik, die
aufwendige und kostenintensive A/D-Wandler benötigen, arbeitet
Single-Photonen-Detektoren bereits digital und im Idealfall bereits
mit einem logischen Pegel, so dass eine analoge Auswerteelektronik
komplett entfällt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10242851
A1 [0013]
- - DE 102004011906 A1 [0013]
- - EP 0512508 B1 [0013]
- - DE 3139547 C2 [0015]
- - DE 3332835 C2 [0015]
- - DE 3347872 C2 [0016]
- - DE 69026826 T2 [0016]
- - DE 10307744 A1 [0018]
- - WO 2006/126027 A2 [0039, 0067]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.sensl.com [0039]
- - www.sensl.com [0067]