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Die vorliegende Erfindung betrifft ein ophthalmologisches Biometrie- oder Bilderzeugungssystem und ein Verfahren zur Erfassung und Auswertung von Messdaten, zur Ermittlung von Größen, Abstände und/oder geometrische Beziehungen von Augenstrukturen. Diese Messergebnisse sind beispielsweise für die Anpassung von Implantaten, wie Intraokularlinsen nach Kataraktoperationen, erforderlich.
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Wegen der zunehmenden Komplexität und angestrebten Individualisierung der Implantate werden jedoch Messdaten von mehr als einem Tiefenprofil (A-Scan) des Auges, insbesondere von mehreren, lateral gegeneinander versetzten A-Scans benötigt.
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Andere ophthalmologische Geräte dienen vorrangig dazu flächige Bilder, Schnittbilder und Volumen-Scans verschiedener Bereiche des Auges zu erzeugen und hinsichtlich des visuellen Eindrucks, der Größen und der Abstände bestimmter Augenstrukturen zu bewertet. So sind aus dem Stand der Technik Lösungen bekannt, die dazu optische Scan-Systeme verwenden.
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Eine erste Gruppe stellen hierbei Tomographie-Systeme dar, die beispielsweise auf dem sogenannten OCT-Verfahren (OCT = optical coherence tomography) basieren, bei dem kohärentes Licht mit Hilfe eines Interferometers zur Entfernungsmessung und Bildgebung an reflexiven und streuenden Proben eingesetzt wird. Die optische Kohärenztomographie am menschlichen Auge liefert beim Scan in die Tiefe, aufgrund der Änderungen im Brechungsindex an optischen Grenzflachen und aufgrund von Volumenstreuung messbare Signalantworten.
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Das beispielsweise in
US 5,321,501 beschriebene Grundprinzip des OCT-Verfahrens basiert auf der Weißlicht-Interferometrie und vergleicht die Laufzeit eines Signals mit Hilfe eines Interferometers (meist Michelson-Interferometer). Dabei wird der Arm mit bekannter optischer Weglänge (= Referenzarm) als Referenz zum Messarm, in dem sich die Probe befindet, herangezogen. Die Interferenz der Signale aus beiden Armen ergibt ein Muster, aus dem man die Streuamplituden in Abhängigkeit von der optischen Verzögerungen zwischen den Armen bestimmen kann und somit ein tiefenabhängiges Streuprofil, dass in Analogie zur Ultraschalltechnik als A-Scan bezeichnet wird. Schnelle Variationen der optischen Verzögerung zwischen Mess- und Referenzarm lassen sich beispielsweise mittels Faserstrecken (
EP 1 337 803 A1 ) oder sogenannter rapid-scanning optical delays (RSOD) realisieren (
US 6,654,127 B2 ). In den mehrdimensionalen Rasterverfahren wird der Strahl dann transversal in einer oder zwei Richtungen geführt, womit sich ein flächiger B-Scan oder ein dreidimensionales Volumentomogramm aufnehmen lässt. Wird die Referenzarmlänge konstant gehalten, kann bei lateralem Scannen des Messstrahles in zwei Richtungen ein flächiger C-Scan gewonnen werden.
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Auch die in der
US 2007/0291277 A1 beschriebene Lösung betrifft eine auf dem OCT-Verfahren basierende Vorrichtung. Im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Lösung findet hier ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einem Faser-Referenzpfad Anwendung. Die Bildgebung des optischen Kohärenz-Scanning-Gerätes soll durch verschiedene Zusatzgeräte bzw. -funktionen, wie beispielsweise ein Fundus-Imaging-Gerät, ein Iris-Viewer, eine motorisierte Kinnstütze und eine interne Prüfung der Geräteausrichtung verbessert werden.
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Eine zweite Gruppe stellen auf konfokalen Scannern basierende Ophthalmoskope, insbesondere konfokale Scanning-Laser-Ophthalmoskope (confocal laser scanning ophthalmoscopes, kurz cSLO) dar, die neben den OCT-basierten Tomographie-Systemen ebenfalls bekannte und wichtige Werkzeuge für Diagnose und Therapie in der Augenheilkunde darstellen (
US 6,769,769 B2 ). Konfokale Scanner können eine dreidimensional Ortsauflösung durch Beschränkung der Tiefe eines ortsveränderlichen Fokus mittels räumlicher Filterung und stützen sich, im Gegensatz zu OCT, nicht auf die Ausnutzung von Interferenzeffekten.
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Außer zur Fluoreszein- oder Indozyaningrün-Angiographie können Scanning-Laser-Ophthalmoskope auch dazu verwendet werden, aus den erzeugten Fundus-Autofluoreszenz-Bilder (FAF-Bilder) verschiedene retinale Erkrankungen zu detektieren. Durch Anregung mit Licht einer geeigneten Wellenlänge und die dazu passenden Filter werden verschiedene retinale Erkrankungen detektierbar. Veränderungen der topographischen FAF-Intensitätsverteilung zeigen sich bei verschiedenen retinalen Pathologien, wie beispielsweise altersabhängiger Makuladegeneration (AMD), Makulaödem und genetisch determinierten Retinopathien. Wie auch beim OCT, wird durch die Vermessung von Form und Größe des Nervenfaserkopfes (optic nerve head) eine Glaukomdiagnose ermöglicht. Auch bei diesem Verfahren werden Streuprofile aus dem Antwortsignal gewonnen. Da an den optischen Grenzflächen diese Rückstreuung infolge der Brechzahlsprünge besonders hoch ist, ist die Bestimmung der optischen Weglängen zwischen den Grenzflächen somit ebenfalls möglich (
WO 2008/151 821 A1 ).
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Zur Gewinnung der für die Diagnose erforderlichen Bilder in Form von flächigen Bildern, Schnittbildern und Volumen-Scans sind neben A-Scans (einzelne Tiefenprofile) transversal in einer ersten (B-Scans) und in einer zweiten Richtung (Volumenscans) erforderlich. Dabei ist zu beachten, dass Scans sehr schnell aufgenommen werden müssen, da die verfügbare Aufmerksamkeitsspanne eines Patienten (mit kaum 2 s) sehr begrenzt ist.
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Deshalb müssen in diesen bildgebenden Systemen sehr schnelle Ablenksysteme für die Messstrahlen eingesetzt werden. Gleichzeitig müssen diese Ablenksysteme ein vorgegebenes Scanmuster sehr genau, linear und sehr reproduzierbar wiedergeben können, damit die entstehenden Schnittbilder und Volumen-Scans keine Verzerrungen aufweisen, die die Bewertung der Strukturen unnötig erschweren würden. Bei den üblichen Galvanometerscannern ist dies ein Widerspruch, da die resonanten Varianten zwar sehr schnell scannen können, aber meist auf sinusähnliche Scanmuster beschränkt sind. Andere Muster können jedoch nur mit langsameren und aufwändigeren nichtresonanten Galvanometerscannern realisiert werden.
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Diese hohen Anforderungen an die Ablenkeinrichtungen hinsichtlich Geschwindigkeit, Regelgenauigkeit und Linearität werden beispielsweise noch zusätzlich verschärft, wenn in der Ophthalmologie bereits weit verbreitete sogenannte Tracking-Systeme, die Augenbewegungen während des Ablaufs von Messungen erkennen, registrieren und/oder aktiv kompensieren, verwendet werden. Derartige Tracking-Systeme sind beispielsweise in den Schriften
US 6,726,325 B2 ;
US 2006/228011 A1 ;
US 6,325,512 B1 und
US 7,365,856 B2 beschrieben.
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Alternativ zum aktiven Tracking können Tomogrammverzerrungen infolge von störenden Augenbewegungen auch durch geeignete Referenzierung an schnellen, störfesteren OCT-Scans in bestimmte Richtungen korrigiert werden (
WO 2006/077107A1 ).
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Um diese Bedingungen zu erfüllen, werden nach dem bekannten Stand der Technik entweder zur Realisierung möglichst linearer Sägezahn- oder Dreiecks-Scans stabil rotierende Polygonspiegel oder Galvanometerspiegel innerhalb geschlossener Regelkreise verwendet. Polygonspiegel können zwar sehr schnell und stabil scannen, sind aber auf ein bestimmtes Ablenkmuster in eine bestimmte Richtung festgelegt. Weiterhin sind sie sehr laut und teuer.
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Im Gegensatz dazu können Galvanometerspiegel zwar verschiedene Scanmuster realisieren, benötigen aber einen sehr großen elektronischen Regelaufwand (
US 6,956,491 B2 und
US 6,433,449 B1 ), um ein vorgegebenes Ablenkmuster mit für die Bildgebung akzeptabler Genauigkeit, Linearität und Reproduzierbarkeit nachzuvollziehen.
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Aufgrund dessen kommen in den ophthalmologischen Geräten als optische Scaneinheit auch aufwändige Kombinationen beider Ablenksysteme zum Einsatz, bei dem ein schnell rotierender Polygonspiegel ein fest vorgegebenes Ablenkmuster in einer Ablenkrichtung erzeugt und ein Galvanometerspiegel ein abweichendes und in gewissen Grenzen flexibles Ablenkmuster in einer zweiten, langsameren Ablenkrichtung realisiert (
US 7,374,287 B2 und
US 6,810,140 B2 ).
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Weiterhin bekannte optische Scaneinheiten sind lageveränderliche diffraktive oder refraktive optische Elemente, wie beispielsweise rotierende Prismen (
S. Han et al., Journal of Biomedical Optics, Vol. 13, 020505-1 (2008)), oder elektrostatisch abgelenkte Miniaturspiegel (MEMS,
US 2008/0186501 A1 ), akusto-optische (AOM) und elektro-optische Modulatoren (EOM;
US 6,404,531 B1 ). Prinzipiell sind auch deformierbare Spiegel und Flüssigkristallmodulatoren zur Strahlablenkung geeignet, aber im Allgemeinen vergleichsweise langsam.
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Die nach dem Stand der Technik bekannten und hier beschriebenen Lösungen für Ablenksystem zur scannenden Messwerterfassung haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr aufwändig und teuer sind.
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Das Beispiel für ein aus dem Stand der Technik bekanntes System zur Messstrahlablenkung für ein OCT-System (
US 2007/0291277 A1 ) wird anhand der
1a und
1b beschrieben. Das in
1a als Funktionsschema dargestellte OCT-System besteht dabei aus einer Beleuchtungseinheit, einem Interferometer, einer Signalerfassung und einer zentralen Steuereinheit mit Ausgabeeinheit. Im Messarm des Interferomters befindet sich zur Realisierung von Bund C-Scans, sowie Volumenscans eine Ablenk- bzw. Scaneinheit, die Verbindungen zur zentralen Steuereinheit aufweist. Von der zentralen Steuereinheit wird eine Mustergenerierung für eine oder auch beide Scan-Richtungen aktiviert, die die zu realisierenden Muster an die zusätzlich vorhandene Steuerung der optischen Scaneinheit übermittelt. Um zu erreichen, dass das erzeugte Scan-Muster möglichst gut dem abzubildenden Muster entspricht, verfügt die Gesamtanordnung über einen Regelkreis, zu dem noch mindestens ein Positionssensor gehört, der das Rückkopplungssignal liefert. Während die Steuerung das zu generierende Muster als Sollwert vorgibt, wird das tatsächlich abgebildete Muster vom Positionssensor ermittelt. Im Regelkreis werden Differenzen zwischen Soll- und Ist-Werte ermittelt und von der Ansteuereinheit der optischen Scaneinheit zu einer Minimierung des Betrages |Soll – Ist| genutzt.
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Dazu zeigt 1b in einem Diagramm ein vorgegebenes Soll-Muster (gestrichelte Linie) sowie ein tatsächlich abgebildetes Ist-Muster (durchgezogene Linie). Die Abweichungen sind durch die begrenzte Fähigkeit der optischen Scannereinheit einem vorgegeben, insbesondere schnellveränderlichen Mustern zu folgen und lassen sich zwar mit viel Aufwand minimieren, aber nie vollständig vermeiden. Je nach Einstellungen des Regelkreises kann es zu einem unvollständigen Nachfolgen („kriechende Annäherung”) des tatsächlichen Musters in Bezug auf das angestrebte Muster oder aber zu Überkompensationen kommen („Überschwinger” wie in 1b dargestellt). Das Verhalten einer optischen Scaneinheit einschließlich Regelkreis kann durch eine Transferfunktion zwischen Soll- und Ist-Mustern, die gemessen und deren Eigenschaften teilweise bei der Mustergenerierung berücksichtigt werden können, beschrieben werden.
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In der zentralen Steuereinheit werden aus den gewonnenen Messwerten entsprechende Signale rekonstruiert und Bilder generiert und ggf. Biometriedaten berechnet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein System zur Ablenkung von Messstrahlen für ophthalmologische Biometrie- oder Bilderzeugungssysteme zu realisieren, bei dem die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile behoben sind und welches deutlich kostengünstiger und aufwandsgeringer ist. Darüber hinaus soll es die Aufnahme von unverzerrten Tomogrammen und korrekten Biometriedaten ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das ophthalmologische Biometrie- oder Bilderzeugungssystem, basierend auf einer Messanordnung, mit einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Auges mit mindestens einem Messstrahl, einer Signalerfassungseinheit zur Erfassung der vom Auge zurück gestreuten oder reflektierten Lichtanteile, einer zentralen Steuereinheit mit Ausgabeeinheit und einer von der zentralen Steuereinheit aktivierten Mustergenerierungseinheit, welche über eine optische Scaneinheit, eine Ansteuereinheit, zur Steuerung der Ablenkung des mindestens einen Messstrahls in Bezug auf die Augenstrukturen, sowie ein Positionssensor zur Messung der realisierten Ablenkungen der optischen Scaneinheit verfügt, wobei Ansteuereinheit, optische Scaneinheit und Positionssensor einen Regelkreis bilden können, dadurch gelöst dass der Positionssensor, außer der Verbindung innerhalb des möglichen Regelkreises, zur Optimierung der Messwerterfassung eine Verbindung zu einer Einheit der Messanordnung oder zur Korrektur der biometrischen Messwerte oder Tomogramme zur zentralen Steuereinheit aufweist.
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Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Unter dem Begriff „Biometrie” sind hierbei sowohl die Messungen als auch die für die Bestimmungen von Abständen im Auge erforderlichen Mess- und Auswerteverfahren zu verstehen.
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Im Gegensatz dazu sind unter dem Begriff „Bilderzeugung” sämtliche Abbildungsverfahren oder auch bildgebende Verfahren zu verstehen. Während bei den Abbildungsverfahren das aufzunehmende Objekt als zweidimensionales Abbild direkt abgebildet wird, werden bei den bildgebenden Verfahren zwei- oder auch dreidimensionale Abbilder eines realen Objektes aus Messgrößen erzeugt, wobei die Messgröße oder eine daraus abgeleitete Information ortsaufgelöst und über Farben oder Helligkeitswerte kodiert visualisiert werden. Insbesondere ist hierbei auch die Erzeugung von Schnittbildern, die auch Tomogramme genannt werden, zu verstehen, welche die innere räumliche Struktur eines Objektes darstellen. Ein Schnittbild bzw. Tomogramm gibt die inneren Strukturen so wieder, wie sie nach dem Aufschneiden des Objekts oder nach dem Herausschneiden einer dünnen Scheibe vorlägen.
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Obwohl die vorgeschlagene optische Scaneinheit insbesondere für die Verwendung in ophthalmologischen Biometrie- oder Bilderzeugungssystemen vorgesehen ist, die auf einer interferometrischen Messanordnung basieren, ist dessen Verwendung jedoch nicht auf derartige Systeme beschränkt. Die optische Scaneinheit und das Verfahren zur Messwerterfassung sind prinzipiell sowohl in anderen ophthalmologischen Messanordnungen als auch in Messanordnungen artfremder technischer Gebiete anwendbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
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1a: das Funktionsschema eines OCT-System nach dem bekannten Stand der Technik,
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1b: ein Positions-Zeit-Diagramm mit Soll- und Ist-Muster zum OCT-System nach 1a,
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2a: das Funktionsschema des erfindungsgemäßen ophthalmologischen Biometriesystems,
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2b: ein Positions-Zeit-Diagramm mit Soll- und Ist-Muster zur optischen Scaneinheit nach 2a,
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2c: eine Gegenüberstellung eines verzerrten und eines entzerrten Tomogrammes nach 2a,
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2d: das Funktionsschema des erfindungsgemäßen ophthalmologischen Biometriesystems ohne Regelkreis
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3a: das Funktionsschema des erfindungsgemäßen ophthalmologischen Biometriesystems mit Trigger-Einheit, zur positionsabhängigen Steuerung der Signalerfassungseinheit,
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3b: das Funktionsschema des erfindungsgemäßen ophthalmologischen Biometriesystems mit Trigger-Einheit, zur positionsabhängigen Steuerung der Beleuchtungseinheit,
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3c: das Positions-Zeit-Diagramm eines getriggerten Scan-Musters nach 3a und
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4: eine Prinzipdarstellung eines B-Scans entlang einer Bahn durch den Vertex der Hornhaut.
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Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes ophthalmologisches Biometrie- oder Bilderzeugungssystem basiert auf einer interferometrischen Messanordnung, die aus einer Beleuchtungseinheit, einem Zweistrahl-Interferometer, wie beispielsweise einem Michelson- oder einem Mach-Zehnder-Interferometer, einer Signalerfassung sowie einer zentralen Steuereinheit mit Ausgabeeinheit besteht und über eine Mustergenerierungseinheit für die optische Scan-Einheit verfügt, die über die zentrale Steuereinheit aktiviert wird. Die Mustergenerierungseinheit verfügt über eine optische Scaneinheit, eine Ansteuereinheit, zur Steuerung der Ablenkung des mindestens einen Messstrahls in Bezug auf die Augenstrukturen, sowie ein Positionssensor zur Messung der realisierten Ablenkungen der optischen Scaneinheit, wobei Ansteuereinheit, optische Scaneinheit und Positionssensor einen Regelkreis bilden können. Die Mustergenerierungseinheit kann hierbei beispielsweise ein Speicher sein, der eine Werttabelle enthält, deren Werte schrittweise ausgelesen, bevorzugt in analoge Spannungswerte gewandelt und nacheinander an die Ansteuereinheit übermittelt werden. Erfindungsgemäß weist der Positionssensor, außer der Verbindung innerhalb des möglichen Regelkreises, zur Optimierung der Messwerterfassung eine Verbindung zu einer Einheit der Messanordnung oder zur Korrektur der biometrischen Messwerte oder Tomogramme zur zentralen Steuereinheit auf.
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Die aus mindestens einem Galvanometerspiegel bestehende optische Scan-Einheit ist hierbei im Messarm des Zweistrahl-Interferometers angeordnete und verfügt über einen geschlossenen Regelkreis zur Realisierung der Scan-Bewegungen und Dämpfung von mechanischen Störungen. Dazu verfügt der geschlossene Regelkreis über eine Scanner-Ansteuerungseinheit zur Realisierung des von der Mustergenerierungseinheit übermittelten Scan-Musters und mindestens einen Positionssensor zur Erfassung der tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels während der Realisierung des Scan-Muster. Zur Übermittlung dieser tatsächlichen Positionen verfügt der Positionssensor bevorzugt über Verbindungen zur zentralen Steuereinheit, die die übermittelten, tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels zur Korrektur der Messwerte verwendet.
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Der Terminus „Zweistrahl-Interferometer” soll hierbei nicht nur auf klassische Zweistrahl-Interferometer, wie beispielsweise Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometer beschränkt sein. Ebenso sind als Messanordnung auch Varianten von Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometern denkbar, die über mehrere Referenz- oder Messarme verfügen. Mit derartigen Messanordnungen können gemäß der Schriften
US 2008/0285043 A1 und
DE 10 2007 046 507 A1 beispielsweise mehrere Messbereiche gleichzeitig erfassen werden.
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Bei dieser ersten Ausgestaltungsvariante besteht die Scan-Einheit aus nur einem Spiegel, der entweder nur eine Richtung oder auch zwei Richtungen abtastet. Zur Erfassung der tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels sind hierbei Positionssensoren verwendbar. Diese können ein- oder auch zweidimensional ausgeführt sein (position sensitive detector,
US 7,232,229 B2 ). Obwohl der Positionssensor auf unterschiedlichen Messprinzipien, wie beispielsweise kapazitiv, induktiv, potentiometrisch, magnetisch (
US 5,177,631 A ), magnetostriktiv o. ä. basieren kann, werden optische Positionssensoren bevorzugt, da die optische Positionserfassung durch Triangulation oder Intensitätsmodulation (
US 5,235,180 A ) genau und vor allem störunempfindlicher ist.
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Die Positionssignale sind zur Verwendung im Regelkreis bevorzugt analoge Signale, während sie bevorzugt zur Übermittlung und Speicherung in der zentralen Steuereinheit mittels einer Digitalisierungseinheit digitalisiert werden, die in den Abbildungen zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Sind die Positionsinformationen absolut, so sollte die Auflösung des Positionssignals höher sein als diejenige der absoluten Musterwerte. Allerdings können auch relative Positionsänderungswerte genutzt werden, die geringere Anforderungen an die Auflösungen und Bittiefen stellen.
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Hierzu zeigt 2a das Funktionsschema einer Scan-Einheit für ophthalmologische Biometriesysteme, bestehend aus einer Beleuchtungseinheit, einem Zweistrahl-Interferometer, einer Signalerfassung sowie einer zentralen Steuereinheit mit Ausgabeeinheit und Mustergenerierung. Die aus einem Galvanometerspiegel bestehende Scan-Einheit ist hierbei im Messarm des Zweistrahl-Interferometers angeordnete und verfügt über einen geschlossenen Regelkreis zur Realisierung der Scan-Bewegungen und Dämpfung von Störungen. Dazu verfügt der geschlossene Regelkreis über eine Scanner-Ansteuerungseinheit mit einer elektronischen Regelungsschaltung zur Realisierung des von der Mustergenerierung übermittelten Scan-Musters und mindestens einen Positionssensor zur Erfassung der tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels während der Realisierung des Scan-Musters. Zur Übermittlung dieser tatsächlichen Positionen verfügt der Positionssensor über Verbindungen zur zentralen Steuereinheit. Von der zentralen Steuereinheit werden die übermittelten, tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels zur Korrektur der Messwerte verwendet. Weiterhin ist es aber auch möglich, dass von der zentralen Steuereinheit zur Optimierung der Messwerterfassung, in Abhängigkeit von den realisierten Positionen der optischen Scaneinheit mindestens ein Parameter der Messanordnung variiert wird.
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Neben der Variation der Mustergenerierung über die Mustergenerierungseinheit können von der zentralen Steuereinheit zur Optimierung der Messwerterfassung beispielsweise auch die Regelparameter der Ansteuereinheit für die Scaneinheit in Abhängigkeit von dessen realisierten Positionen variiert werden.
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Von der zentralen Steuereinheit wird durch einmaligen oder periodischen Vergleich der realisierten mit den angestrebten Positionen die eingangs erwähnte Transferfunktion des optischen Scansystems analysiert und zur Anpassung von Scanmustern zur Erzielung verbesserter Scanabläufe verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Möglichkeit in Abhängigkeit von der Transferfunktion, beispielsweise die Spitzen von Dreiecks- oder Sägezahn-Scanmustern zu überhöhen, um die für die Scanumkehr benötigte Zeit zu minimieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden von der zentralen Steuereinheit die optimalen Regelparameter durch die erwähnte Transferfunktionsanalyse bestimmt und an die Ansteuereinheit im Regelkreis der optischen Scaneinheit übermittelt. Optimale Parameter können beispielsweise diejenigen sein, die die erwähnten Überschwinger oder „kriechende Annäherung” bei der Mustergenerierung vermeiden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden von der zentralen Steuereinheit in Abhängigkeit von den realisierten Positionen der optischen Scaneinheit die Interferenzverhältnisse im Zweistrahl-Interferometer positionsabhängig variiert.
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In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise vorteilhaft, bei einem Scan über eine Struktur mit ortsabhängiger Doppelbrechung, wie der menschlichen Hornhaut, die Polarisationsanpassung zwischen Mess- und Referenzarm in einem OCT-Interferometer zu verändern, um gute Signalstärken in allen Bereichen des Scans zu gewährleisten. Diese schnelle Veränderung der Polarisationsanpassung kann beispielsweise durch gedrehte doppelbrechende Wellenplatten, motorisiert bewegte Faserpaddles, doppelbrechende oder polarisationsrotierende Flüssigkristallmodulatoren oder schnellen elektrooptische Polarisationsmodulatoren erfolgen, wie Pockelszellen. Eine weitere Ausführung dieses Verfahrens ist beispielsweise die positionsabhängige Veränderung der Intensität von Mess- oder Referenzarm in einem OCT-Interferometer, beispielsweise, um positionsabhängig die Empfindlichkeit oder das Signal-Rausch-Verhältnis zu steuern. Dies ist beispielsweise durch bekannte variable optische Abschwächer möglich.
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Weiterhin kann die optische Verzögerung zwischen Mess- und Referenzarm ortsabhängig, insbesondere in Abhängigkeit von den tatsächlich realisierten Positionen der optischen Scaneinheit variiert werden. Dies ist beispielsweise mittels schneller variabler optischer Verzögerungseinheiten realisierbar, wie Faserstreckern oder eingangs erwähnter RSODs. Besonders günstig ist diese ortsabhängige Verzögerung beispielsweise, wenn die von einem OCT-System realisierte Scantiefe kleiner ist, als der axiale Bereich in dem sich beispielsweise eine gekrümmte Probenoberfläche bei ausgedehntem lateralem Scannen erstreckt, wie beispielsweise eine Netzhaut oder Hornhaut, so dass das Messfenster ortsabhängig nachgeführt werden kann. Dies ist besonders in Kombination mit TD- und SS-OCT vorteilhaft, da die schnelle Variation der optischen Verzögerung kein Signalverlust „fringe-washout” verursacht, wie dies bei SD-OCT der Fall wäre.
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Bei einer dritten Ausgestaltung dieser Variante werden von der zentralen Steuereinheit die optimalen Regelparameter durch die erwähnte Transferfunktionsanalyse bestimmt und zur Optimierung der Messwerterfassung an eine zusätzlich in der Messanordnung vorhandene Fixiereinheit übermittelt. Mit dieser Variante lässt sich beispielsweise der Scanbereich der Scaneinheit durch Zuhilfenahme von Augenbewegungen des Patienten erweitern. Dies erfolgt durch Lageveränderung (Umfixierung) der Fixiermarke.
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Die Verwendung eines Regelkreises zur Minimierung der |Soll – Ist|Differenz erfolgt hierbei nur noch optional. Prinzipiell könnte statt einer Regelung auch nur eine Steuerung ohne Rückkoppelsignal realisiert werden, wobei Störungen und Abweichungen durch die Positionsdetektion erfass- und korrigierbar werden. Bevorzugt wird in diesem Fall trotzdem noch eine Dämpfung für Störungen realisiert, beispielsweise eine mechanische Dämpfung zur schnellen Unterdrückung der Auswirkung von äußeren Stößen oder Vibrationen.
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Dazu zeigt 2b in einem Diagramm ein vorgegebenes Soll-Muster (gestrichelte Linie) sowie ein tatsächlich abgebildetes Ist-Muster (durchgezogene Linie).
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Der benutzte Positionsbegriff soll hierbei räumliche Positionen und Lagen der optischen Scaneinheit während der Mustergenerierung umfassen. Diese lassen sich wie erwähnt in verschiedenen Weisen bestimmen, beispielsweise kapazitiv, resistiv, induktiv oder aber durch Orts- oder Winkelbestimmungen eines von der optischen Scaneinheit selbst abgelenkten Lichtstrahles. Hierbei kann es sich auch um einen Teil des Messstrahles selbst handeln, der beispielsweise mittels eines Strahlteilers vom Hauptteil des Messstrahles abgetrennt und dessen momentanen Lagen dann während der Scanmustergenierung mittels mindestens eines ortsauflösenden Sensors erfasst werden.
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Besonders günstig ist es dabei, wenn die Positionsbestimmungen der optischen Scaneinheit nicht nur in Bezug auf Teile des Biometriesystems erfolgen, sondern in Bezug auf das sich im Allgemeinen bewegende Auge. Dadurch werden nicht nur Abweichungen und Störungen in der Scanmustergenerierungen selbst berücksichtigt werden, sondern gleichzeitig auch noch störende Augenbewegungen.
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Dies kann direkt, beispielsweise durch Kameraufzeichnung der Positionen Messstrahlreflexe auf der Hornhaut erfolgen, oder aber indirekt, in dem die auf das Biometriesystem bezogenen Positionsinformationen der optischen Scaneinheit um die ebenfalls beispielsweise durch Kameraaufzeichnung erfassbaren Positionen des Auges in Bezug auf das Biometriesystem ergänzt werden.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik werden in den erfindungsgemäßen Lösungen die Positionssignale in erster Linie zur Erfassung der tatsächlichen Positionen der Messstrahlablenkung während der Mustergenerierung verwendet und nicht, wie im Stand der Technik, zur Realisierung sehr präziser bzw. sehr linearer Scanmuster. Deshalb sind die Anforderungen an die Linearität des Positionssignals hier viel geringer, insbesondere wenn die Nichtlinearitäten durch eine Kalibrierung erfasst und in der Signalverarbeitung zur Ermittlung von Biometriewerten oder Bildern, insbesondere Tomogrammen korrigiert werden können.
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Eine solche Kalibrierung der Positionsmessung kann einmalig oder regelmäßig mittels Referenzstrukturen erfolgen, wie beispielsweise mittels eines externen Testauges oder interner räumlicher Teststrukturen. Werden direkt Ablenkungen der optischen Scaneinheit erfasst, so kann eine Positionsmessungskalibrierung auch durch Anfahren von Anschlägen oder Endpositionssensoren, wie Gabelkoppler usw., erfolgen.
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Die in einzelnen Ausführungen der Erfindung gezeigten Regelkreise sind in erster Linie zur Unterdrückung und Dämpfung äußerer Störungen gedacht, wie Stöße, Vibrationen usw. wobei gewisse Nichtlineariäten in der Rückkopplungssignalgenerierung akzeptabel sind.
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Bei einer zweiten (nicht dargestellten) Ausgestaltungsvariante besteht die Scan-Einheit aus zwei Galvanometerspiegeln. Für die Erfassung der tatsächlichen Positionen der Galvanometerspiegel verfügt der geschlossene Regelkreis vorzugsweise zwei eindimensionale Positionssensoren, die Verbindungen zur zentralen Steuereinheit aufweisen. In einer alternativen Ausgestaltung kann auch ein zweidimensionaler ortsauflösender Sensor verwendet werden.
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Bei diesen ersten beiden Ausgestaltungsvarianten werden erfindungsgemäß die momentanen Positionen der Galvanometerspiegel der Scan-Einheit relativ zu den Zeitpunkten der Signalerfassung durch A-Scans erfasst und zur Bestimmung von Biometriedaten durch Korrektur der Messdaten verwendet. Weiterhin können die erfassten, momentanen Positionen dazu verwendet werden Tomogramme zu entzerren.
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Hierzu zeigt die 2c eine Gegenüberstellung eines verzerrten (links) und eines entzerrten (rechts) Tomogrammes, wobei die senkrechten Linien die Abgrenzungen der A-Scans repräsentieren sollen. Die gekrümmten Kurven in sollen interpolierte Grenzen einer exemplarischen Struktur, beispielsweise einer Hornhaut, repräsentieren, deren Streusignale hier schematisch grau dargestellt sind. Während auf der linken Seite ein durch angenommene Scanstörungen verzerrtes Tomogramm dargestellt ist, bei dem zeitlich äquidistant A-Scans aufgenommen und über der Zeitachse aufgetragen wurden, wurden die A-Scans, bei dem auf der rechten Seite abgebildeten Tomogramm proportional zur ihrer tatsächlichen Position aufgetragen und dadurch räumlich korrigiert.
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Die exemplarisch gezeigten Störungen bei der Darstellung über der Zeitachse könnten beispielsweise durch eine ungleichmäßig arbeitende, aber andererseits aufwandsgering zu realisierende optische Scaneinheit mit variierender Scangeschwindigkeit verursacht worden sein.
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Durch die erfindungsgemäße Erfassung und Berücksichtigung der tatsächlichen Scanbewegung durch die Positionserfassung wird nun eine räumliche Entzerrung des Tomogramms ermöglicht (2c rechts), indem die einzelnen A-Scans über den Positionen aufgetragen werden, die zum Zeitpunkt ihrer Aufnahme durch die optische Scaneinheit realisiert und vom Positionssensor erfasst und an die Steuereinheit übermittelt wurden. Außer der räumlichen Entzerrung von Tomogrammen wird hierdurch auch eine Bestimmung von räumlich korrigierten Biometriewerten ermöglicht, wie beispielsweise von Krümmungsparametern von Hornhäuten.
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Die Berücksichtigung der tatsächlichen, momentanen Positionen der Galvanometerspiegel, d. h. die Verwendung zur Korrektur der Messwerte ist in 2c darin zu sehen, dass die die zeitlich äquidistanten A-Scans repräsentierenden senkrechten Linien in der rechten Abbildung nicht mehr gleiche Abstände aufweisen. Trotzdem ist es auch hier möglich unverzerrte Tomogramme dadurch zu vervollständigen, dass durch mathematische Interpolationsverfahren zusätzliche Stützstellen an nicht-äquidistanten Punkten berechnet werden.
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2d zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Biometriesystems ohne Regelkreis. Diese Ausführung ist einfacher als die in 2a gezeigte, weist aber dafür eine höhere Empfindlichkeit gegenüber äußeren mechanischen Störungen, wie Vibrationen, auf. Allerdings lässt sich diese Empfindlichkeit wiederum durch eine erhöhte mechanische oder elektrische Dämpfung an der optischen Scaneinheit verringern.
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Bei einer dritten Ausgestaltungsvariante ist der Positionssensor zur Optimierung der Messwerterfassung über eine Triggereinheit mit der Signalerfassungseinheit verbunden, so dass bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Galvanometerspiegels die Signalerfassung aktiviert und somit die Messwerterfassung auslöst wird.
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Hierzu zeigt 3a das Funktionsschema einer weiteren Scan-Einheit für ophthalmologische Biometriesysteme. Der Unterschied zu 2a besteht in der zusätzlichen Triggereinheit, die mit der Signalerfassungseinheit verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltungsvariante wird die Signalerfassung erst aktiviert und somit die Messwerterfassung auslöst, wenn von der Triggereinheit festgestellt wird, dass der Galvanometerspiegel eine vorgegebene Position erreicht hat. Die Positionsinformationen sind somit prinzipiell in der Abtastfolge der Signale enthalten und können durch Indizierung der Abtastwerte und Vergleich mit den für Auslösungspunkte vorgegebenen Positionen später wieder rekonstruiert werden. Es besteht die Möglichkeit, hierfür eine Triggerwerttabelle zu nutzen, beispielsweise um bestimmte räumliche, aber zwangsläufig nicht äquidistante Auslösepositionen für A-Scanaufnahmen zu realisieren und in der anschließenden Auswertung zu berücksichtigen.
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In einer weiteren Ausgestaltung dieser Variante ist der Positionssensor zur Optimierung der Messwerterfassung über eine Triggereinheit mit der Beleuchtungseinheit verbunden, so dass bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Galvanometerspiegels die Beleuchtungseinheit aktiviert und somit die Messwerterfassung auslöst wird.
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Dadurch wird die direkte Aufnahme lateral äquidistanter Messdaten ermöglicht, da die A-Scans jeweils nur bei Erreichen der festgelegten Positionen (in gleichen Abständen) ausgelöst und die Messwerte aufgenommen werden. Im Ergebnis erhält man somit formrichtiger Scans, die aber keiner nachträglichen Entzerrung bedürfen. Dies zeigt das in 3c dargestellte Positions-Zeit-Diagramm eines getriggerten Scan-Musters. Bei Erreichen vorgegebene, hier äquidistant verteilter Positionen, durch den Messstrahl oder den Scanner, werden durch die Triggereinheit A-Scan Aufnahme ausgelöst, beispielsweise durch Start der Belichtungsdauer der Spektrometerkamera in einem SD-OCT System.
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Analog ist aber auch die Durchstimmung der Quelle in einem SS-OCT steuerbar, um positionsabhängige Aufnahmen von A-Scans zu realisieren. Dabei können sowohl A-Scans mit konstanten als auch variablen Aufnahmedauern realisiert werden. Im ersten Fall ist allerdings nachteilig, dass nicht alle verfügbaren Photonen genutzt werden können und im zweiten Fall, dass unterschiedliche Photonenzahlen registriert würden, die letztendlich zu unterschiedlichen Signal-Rausch-Verhältnissen in den A-Scans führen würden.
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Gelöst wird dieses Problem für alle OCT-Varianten, insbesondere SD-OCT, indem die Beleuchtungseinheit scanpositionsabhängig geschaltet wird. Beispielsweise kann die Superlumineszenzdiode in einem typischen SD-OCT System jeweils nach Erreichen einzelner vorgegebener Aufnahmepositionen eingeschaltet und nach Abgabe einer festgelegten Photonenzahl wieder deaktiviert werden. Hiermit wird ein konstantes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt und die von der Probe rückgestreuten Photonen werden optimal ausgenutzt.
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Das erfindungsgemäße, ophthalmologisches Biometrie- oder Bilderzeugungssystem ist in der Lage, die vom Positionssensor zur zentralen Steuereinheit übermittelten, realisierten Positionen der optischen Scaneinheit dazu zu verwenden, sowohl biometrischen Messwerte als auch Bilder, insbesondere Tomogramme zu korrigieren.
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Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung liegen in dem geringeren numerischen Aufwand zur Bestimmung der biometrischen Daten und/oder der Entzerrung von Bildern, sowie einem effizienteren Abtasten der gewünschten Strukturen der Augen bzw. Proben.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit entzerrter Bilder, insbesondere Tomogramme ist es hierbei möglich, durch mathematische Interpolationsverfahren zusätzliche Stützstellen an räumlich äquidistanten oder nicht-äquidistanten Punkten zu berechnen.
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Dazu werden sowohl die vom Positionssensor gemessenen und an die zentrale Steuereinheit übermittelten, realisierten Ablenkungen der optischen Scaneinheit als auch die Messwerten der Signalerfassungseinheit dazu genutzt positionskorrigierte, biometrische Messwerte oder Bilder, insbesondere Tomogramme an nicht vermessenen oder auch nicht vermessbaren Positionen zu interpolieren.
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Eine häufige vorwiegend altersbedingte Degradationserscheinung des Auges ist der Graue Star, der operativ durch Entfernung der Augenlinse und Implantation einer Kunstlinse (IOL) therapiert wird. Um nach dem Eingriff eine gewünschte Refraktion des Auges, im Allgemeinen einen emmetropen Zustand, zu erreichen, ist eine sorgfältige Auswahl der Kunstlinse für das individuelle Auge erforderlich.
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In den Auswahlprozess geht als ein wesentlicher Parameter die Augenlänge ein. Nach dem bekannten Stand der Technik erfolgt die optische Bestimmung der Augenlänge mittels der sogenannten dual-beam Kurzkohärenz-Interferometrie (
DE 198 57 001 A1 ) oder mittels OCT-Verfahren (
US7400410B2 ) durch einen A-Scans entlang einer Messachse, üblicherweise der Sehachse vom Hornhautscheitel zur Fovea.
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Da die Augenlängenmessungen auch durch vom Grauen Star stark getrübte natürliche Augenlinsen erfolgen sollen, müssen die verwendeten Messsysteme hochempfindlich sein. Abhängig von der Ausführung des Meßsystems kann deshalb bei Messungen direkt auf dem Hornhautscheitel infolge der spekularen Reflexion des Messlichtes am Tränenfilm des Auges eine Störung der Signalerfassung auftreten, beispielsweise durch Übersteuerung des Dynamikbereiches eines verwendeten OCT-Systems. Damit kann eine direkte Messung der Achslänge des Auges vom Hornhautscheitel aus extrem erschwert oder gar unmöglich sein.
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In der Patentanmeldung
JP 2008-188047 wird vorgeschlagen, den Messfehler, der auftritt, wenn die Messung nicht entlang der Fixierlinie erfolgt, rechnerisch zu kompensieren. Die Korrektur erfolgt dabei auf Basis einer photographischen Messung der Fehlausrichtung des Messstrahls. Eine derartige Messung ist jedoch aufwendig und die Korrektur mit Fehlern behaftet.
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Im Gegensatz zu dieser Lösung des Standes der Technik können mit dem erfindungsgemäßen ophthalmologischen Biometrie- oder Bilderzeugungssystem die biometrischen Messwerte oder Bilddaten auf einfache Art und Weise in Abhängigkeit von den realisierten Positionen der optischen Scaneinheit korrigiert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die übermittelten realisierten Ablenkungen der optischen Scaneinheit in Verbindung mit den Messwerten der Signalerfassungseinheit von der zentralen Steuereinheit dazu genutzt, um positionskorrigierte, biometrische Messwerte oder Bilddaten an nicht vermessenen oder nicht vermessbaren Positionen zu interpolieren.
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Hieraus ergibt sich eine besonders vorteilhafte Anwendung. Nach der Bestimmung der Lage des Hornhautscheitels durch Interpolation lässt sich mit sehr hoher Genauigkeit auf einfachste Weise die Achslänge des Auges bestimmen.
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Gemäß der Prinzipdarstellung in 4 erfolgt ein B-Scans entlang einer Bahn durch den Hornhautscheitel (im Folgenden auch Vertex der Hornhaut genannt). Dazu erfolgt ein B-Scan eines OCT-Messstrahls entlang einer Bahn, die durch den Vertex der Hornhaut verläuft, wobei die einzelnen Messungen durch Punkte auf der Hornhaut markiert sind. Hierbei muss der B-Scan aber keine A-Scans am Ort des Hornhautscheitels umfassen. Aus 4 ist ersichtlich, dass die (peripheren) Messstrahlen aber zu einer fehlerhaften Bestimmung der Achslänge des Auges führen würden. Erst durch Interpolation der Hornhautoberfläche lässt sich die exakte Achslänge am Hornhautscheitel entlang der nun virtuellen Messachse zur Fovea bestimmen.
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Die Signale im resultierenden B-Scan-Bild, die den Grenzflächen von Hornhaut und Retina entsprechen, werden mit geeigneten stetigen und stetig differenzierbaren Funktionen angenähert und die optische Augenlänge aus dem Abstand der Funktionswerte im Vertex bestimmt.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Messung, der einen Ebenenschnitt durch das Auge liefert mit einem einzigen B-Scan. Dieser Ebenenschnitt muss durch den Vertex oder seiner unmittelbaren Umgebung erfolgen. In der Nähe des Vertex kann jedoch der spekulare Reflex zu einer Übersteuerung des Messsystems führen und die Messdaten an dieser Stelle unbrauchbar machen. In diesem Fall werden die entsprechenden Daten für die Näherung an die Fitfunktion nicht berücksichtigt.
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Während derzeit die Messung der Augenlänge entlang diskreten, vom Anwender manuell eingerichteten Richtungen erfolgt, wird erfindungsgemäß automatisiert eine Reihe von benachbarten Messungen entlang einer definierten Bahn durchgeführt. Aus dieser Messreihe lässt sich der Wert für die Augenlänge auch in schwierigen Situationen präzise und mit geringem Zeitaufwand ermitteln.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erfassung und Auswertung von Messdaten eines ophthalmologischen Biometrie- oder Bilderzeugungssystems wird ein Auge mit mindestens einem von einer optischen Scaneinheit abgelenkten Messstrahl aus einer Beleuchtungseinheit beleuchtet und ein vom Auge zurück gestreuter oder reflektierter Lichtanteil von einer Signalerfassungseinheit detektiert und an eine zentrale Steuereinheit mit Ausgabeeinheit zur Verarbeitung, Auswertung und Speicherung übermittelt. Die Scanbewegung der Scaneinheit wird hierbei von einer von der zentralen Steuereinheit aktivierten Mustergenerierungseinheit, über eine Ansteuereinheit gesteuert und deren realisierte Ablenkungen von einem Positionssensor gemessen, wobei Ansteuereinheit, optische Scaneinheit und Positionssensor einen Regelkreis bilden können. Dabei wird der Messstrahl der interferometrischen Messanordnung von einer, aus mindestens einem Galvanometerspiegel bestehenden optischen Scan-Einheit mit einer Scanner-Ansteuereinheit abgelenkt. Während der Realisierung des von einer Mustergenerierung übermittelten, zu realisierenden Scan-Musters werden die tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels erfasst, geeignet digitalisiert und außer innerhalb des möglichen Regelkreises zur Optimierung der Messwerterfassung zu einer Einheit der Messanordnung oder zur Korrektur der biometrischen Messwerte oder Bilddaten zur zentralen Steuereinheit übermittelt.
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Bei dieser ersten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Messstrahl mit nur einem Galvanometerspiegel abgelenkt, wobei die Ablenkung in nur einer Richtung oder auch in zwei Richtungen erfolgen kann. Die aus nur einem Galvanometerspiegel bestehende optische Scan-Einheit ist hierbei im Messarm des Zweistrahl-Interferometers angeordnete und verfügt über einen geschlossenen Regelkreis zur Realisierung der Scan-Bewegungen und Dämpfung von mechanischen Störungen. Die Erfassung der tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels erfolgt hierbei mit Hilfe eines Positionssensors. Obwohl der Positionssensor auf unterschiedlichen Messprinzipien, wie beispielsweise kapazitiv, induktiv, potentiometrisch, magnetostriktiv o. ä. basieren kann, werden optische Positionssensoren bevorzugt, da die optische Positionserfassung durch Triangulation oder Intensitätsmodulation genau und vor allem störunempfindlicher ist.
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Der Terminus „Zweistrahl-Interferometer” soll hierbei nicht nur auf klassische Zweistrahl-Interferometer, wie beispielsweise Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometer beschränkt sein. Ebenso sind als Messanordnung auch Varianten von Michelson- oder Mach-Zehnder-Interferometern denkbar, die über mehrere Referenz- oder Messarme verfügen. Mit derartigen Messanordnungen können gemäß der Schriften
US 2008/0285043 A1 und
DE 10 2007 046 507 A1 beispielsweise mehrere Messbereiche gleichzeitig erfassen werden.
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Die Messwerterfassung in Form von B- und C-Scans, sowie Volumenscans erfolgt hierbei durch entsprechende Ablenkung des Messstrahls der interferometrischen Messanordnung mit Hilfe einer Scan-Einheit in Form eines Galvanometerspiegels. Dazu aktiviert die zentrale Steuereinheit die Mustergenerierung, die an die Steuerung der Scan-Einheit ein entsprechendes Scan-Muster übermittelt.
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In einem geschlossenen Regelkreis wird mit Hilfe der Scanner-Steuerung und eines Positionssensor die Realisierung des darzustellenden Scan-Musters durchgeführt. Dazu wird vom Positionssensor die tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels während der Realisierung des Scan-Musters erfasst und an die zentrale Steuereinheit übermittelt. Mit Hilfe dieser übermittelten, tatsächlichen Positionen des Galvanometerspiegels werden die Messwerte entsprechend korrigiert. Weiterhin ist es aber auch möglich, dass von der zentralen Steuereinheit zur Optimierung der Messwerterfassung, in Abhängigkeit von den realisierten Positionen der optischen Scaneinheit mindestens ein Parameter der Messanordnung variiert wird.
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Neben der Variation der Mustergenerierung über die Mustergenerierungseinheit können von der zentralen Steuereinheit zur Optimierung der Messwerterfassung beispielsweise auch die Regelparameter der Ansteuereinheit für die Scaneinheit in Abhängigkeit von dessen realisierten Positionen variiert werden.
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Von der zentralen Steuereinheit wird durch einmaligen oder periodischen Vergleich der realisierten mit den angestrebten Positionen die eingangs erwähnte Transferfunktion des optischen Scansystems analysiert und zur Anpassung von Scanmustern zur Erzielung verbesserter Scanabläufe verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Möglichkeit in Abhängigkeit von der Transferfunktion, beispielsweise die Spitzen von Dreiecks- oder Sägezahn-Scanmustern zu überhöhen, um die für die Scanumkehr benötigte Zeit zu minimieren.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden von der zentralen Steuereinheit die optimalen Regelparameter durch die erwähnte Transferfunktionsanalyse bestimmt und an die Ansteuereinheit im Regelkreis der optischen Scaneinheit übermittelt. Optimale Parameter können beispielsweise diejenigen sein, die die erwähnten Überschwinger oder „kriechende Annäherung” bei der Mustergenerierung vermeiden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden von der zentralen Steuereinheit in Abhängigkeit von den realisierten Positionen der optischen Scaneinheit die Interferenzverhältnisse im Zweistrahl-Interferometer positionsabhängig variiert.
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In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise vorteilhaft, bei einem Scan über eine Struktur mit ortsabhängiger Doppelbrechung, wie der menschlichen Hornhaut, die Polarisationsanpassung zwischen Mess- und Referenzarm in einem OCT-Interferometer zu verändern, um gute Signalstärken in allen Bereichen des Scans zu gewährleisten. Diese schnelle Veränderung der Polarisationsanpassung kann beispielsweise durch gedrehte doppelbrechende Wellenplatten, motorisiert bewegte Faserpaddles, doppelbrechende oder polarisationsrotierende Flüssigkristallmodulatoren oder schnellen elektrooptische Polarisationsmodulatoren erfolgen, wie Pockelszellen. Eine weitere Ausführung dieses Verfahrens ist beispielsweise die positionsabhängige Veränderung der Intensität von Mess- oder Referenzarm in einem OCT-Interferometer, beispielsweise, um positionsabhängig die Empfindlichkeit oder das Signal-Rausch-Verhältnis zu steuern. Dies ist beispielsweise durch bekannte variable optische Abschwächer möglich.
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Weiterhin kann die optische Verzögerung zwischen Mess- und Referenzarm ortsabhängig, insbesondere in Abhängigkeit von den tatsächlich realisierten Positionen der optischen Scaneinheit variiert werden. Dies ist beispielsweise mittels schneller variabler optischer Verzögerungseinheiten realisierbar, wie Faserstreckern oder eingangs erwähnter RSODs. Besonders günstig ist diese ortsabhängige Verzögerung beispielsweise, wenn die von einem OCT-System realisierte Scantiefe kleiner ist, als der axiale Bereich in dem sich beispielsweise eine gekrümmte Probenoberfläche bei ausgedehntem lateralem Scannen erstreckt, wie beispielsweise eine Netzhaut oder Hornhaut, so dass das Messfenster ortsabhängig nachgeführt werden kann. Dies ist besonders in Kombination mit TD- und SS-OCT vorteilhaft, da die schnelle Variation der optischen Verzögerung kein Signalverlust „fringe-washout” verursacht, wie dies bei SD-OCT der Fall wäre.
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Bei einer dritten Ausgestaltung dieser Variante werden von der zentralen Steuereinheit die optimalen Regelparameter durch die erwähnte Transferfunktionsanalyse bestimmt und zur Optimierung der Messwerterfassung an eine zusätzlich in der Messanordnung vorhandene Fixiereinheit übermittelt. Mit dieser Variante lässt sich beispielsweise der Scanbereich der Scaneinheit durch Zuhilfenahme von Augenbewegungen des Patienten erweitern. Dies erfolgt durch Lageveränderung (Umfixierung) der Fixiermarke.
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Die Verwendung eines Regelkreises zur Minimierung der |Soll – Ist|-Differenz erfolgt hierbei nur noch optional. Prinzipiell könnte statt einer Regelung auch nur eine Steuerung ohne Rückkoppelsignal realisiert werden, wobei Störungen und Abweichungen durch die Positionsdetektion erfass- und korrigierbar werden. Bevorzugt wird in diesem Fall trotzdem noch eine Dämpfung für Störungen realisiert, beispielsweise eine mechanische Dämpfung zur schnellen Unterdrückung der Auswirkung von äußeren Stößen oder Vibrationen.
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Bei diesen ersten beiden Ausgestaltungen des Verfahrens werden erfindungsgemäß die momentanen Positionen der Galvanometerspiegel der Scan-Einheit relativ zu den Zeitpunkten der Signalerfassung durch A-Scans erfasst und zur Bestimmung von Biometriedaten durch Korrektur der Messdaten oder zur Entzerrung von Bildern, insbesondere Tomogrammen verwendet.
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Nach den Verfahren des Standes der Technik werden Tomogramme in der Weise aufgenommen, dass möglichst in Zeit und Raum äquidistante A-Scans realisiert und dem entsprechend proportional der Zeit dokumentiert werden. Obwohl auch hier die Realisierung des abzubildenden Scan-Musters durch einen Soll-Ist-Vergleich geregelt wird, können Positionsabweichungen beim Scan-Vorgang zu Verzerrungen des aufgenommenen Tomogrammes führen. Infolgedessen sind räumlich ungestörte Tomogramme im Stand der Technik nur annähernd und mit sehr hohem Aufwand und Anforderungen an die optische Scaneinheit und ihre Ansteuerung zu erzielen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nunmehr die momentanen von der optischen Scaneinheit realisierten Positionen in Bezug zu den Zeitpunkten der Signalerfassung der A-Scans erfasst und zur späteren Korrektur der Messdaten verwendet. Tomogramme können somit beispielsweise entzerrt werden, indem die Messwerte unter Berücksichtigung der tatsächlich realisierten Positionen über einer Positionskoordinate dargestellt werden. Beispielsweise könnte damit ein Tomogramm exakt bezüglich des kapazitiv detektierten Drehwinkels eines ablenkenden Galvanometerspiegels dargestellt werden oder auch beispielsweise bezüglich der Position bzw. Lage eines OCT-Messstrahles in mehreren Dimensionen relativ zur Probe, dessen zeitabhängige Wegdaten während beispielsweise der Aufnahme eines Volumenscans mittels ortsauflösender optischer Sensoren registriert wird und zusammen mit den OCT-Daten an die zentrale Steuereinheit übermittelt, gespeichert und zur Korrektur der OCT-Daten herangezogen wird.
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Bei einer dritten Ausgestaltungsvariante des Verfahrens übermittelt der Positionssensor die Positionsdaten zur Optimierung der Messwerterfassung an eine Triggereinheit, die die Signalerfassungseinheit positionsabhängig steuert. Bei dieser Verfahrensvariante wird die Signalerfassung erst aktiviert und somit die Messwerterfassung auslöst, wenn von der Triggereinheit festgestellt wird, dass der Galvanometerspiegel eine vorgegebene Position erreicht hat. Die Positionsinformationen sind somit prinzipiell in der Abtastfolge der Signale enthalten und können durch Indizierung der Abtastwerte und Vergleich mit den für Auslösungspunkte vorgegebenen Positionen später wieder rekonstruiert werden. Es besteht die Möglichkeit, hierfür eine Triggerwerttabelle zu nutzen, beispielsweise um bestimmte räumliche, aber zwangsläufig nicht äquidistante Auslösepositionen für A-Scanaufnahmen zu realisieren und in der anschließenden Auswertung zu berücksichtigen.
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In einer weiteren Ausgestaltung dieser Verfahrensvariante übermittelt der Positionssensor die Positionsdaten zur Optimierung der Messwerterfassung an eine Triggereinheit, die mit der Beleuchtungseinheit verbunden ist, so dass bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Galvanometerspiegels die Beleuchtungseinheit aktiviert und somit die Messwerterfassung auslöst wird.
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Auch mit der positionsabhängig gesteuerten Beleuchtungseinheit wird die direkte Aufnahme lateral äquidistanter Messdaten ermöglicht, da die A-Scans jeweils nur bei Erreichen der festgelegten Positionen (in gleichen Abständen) ausgelöst und die Messwerte aufgenommen werden. Im Ergebnis erhält man somit formrichtiger Scans, die aber keiner nachträglichen Entzerrung bedürfen. Bei Erreichen vorgegebene, hier äquidistant verteilter Positionen, durch den Messstrahl oder den Scanner, werden durch die Triggereinheit A-Scan Aufnahme ausgelöst, beispielsweise durch Start der Belichtungsdauer der Spektrometerkamera in einem SD-OCT System.
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Analog ist aber auch die Durchstimmung der Quelle in einem SS-OCT steuerbar, um positionsabhängige Aufnahmen von A-Scans zu realisieren. Dabei können sowohl A-Scans mit konstanten als auch variablen Aufnahmedauern realisiert werden. Im ersten Fall ist allerdings nachteilig, dass nicht alle verfügbaren Photonen genutzt werden können und im zweiten Fall, dass unterschiedliche Photonenzahlen registriert würden, die letztendlich zu unterschiedlichen Signal-Rausch-Verhältnissen in den A-Scans führen würden.
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Gelöst wird dieses Problem für alle OCT-Varianten, insbesondere SD-OCT, indem die Beleuchtungseinheit scanpositionsabhängig geschaltet wird. Beispielsweise kann die Superlumineszenzdiode in einem typischen SD-OCT System jeweils nach Erreichen einzelner vorgegebener Aufnahmepositionen eingeschaltet und nach Abgabe einer festgelegten Photonenzahl wieder deaktiviert werden. Hiermit wird ein konstantes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt und die von der Probe rückgestreuten Photonen werden optimal ausgenutzt.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit der entzerrten Tomogramme ist es hierbei möglich, durch mathematische Interpolationsverfahren zusätzliche Stützstellen an räumlich äquidistanten oder nicht-äquidistanten Punkten zu berechnen.
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Die Verwendung eines Regelkreises zur Minimierung der |Soll – Ist|-Differenz erfolgt hierbei nur noch optional. Prinzipiell könnte statt einer Regelung auch nur eine Steuerung ohne Rückkoppelsignal realisiert werden, wobei Störungen und Abweichungen durch die Positionsdetektion erfass- und korrigierbar werden. Bevorzugt wird in diesem Fall trotzdem noch eine Dämpfung für Störungen realisiert, beispielsweise eine mechanische Dämpfung zur schnellen Unterdrückung der Auswirkung von äußeren Stößen oder Vibrationen.
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Dazu werden sowohl die vom Positionssensor gemessenen und an die zentrale Steuereinheit übermittelten, realisierten Ablenkungen der optischen Scaneinheit als auch die Messwerten der Signalerfassungseinheit dazu genutzt positionskorrigierte, biometrische Messwerte oder Tomogramme an nicht vermessenen oder auch nicht vermessbaren Positionen zu interpolieren.
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Eine häufige vorwiegend altersbedingte Degradationserscheinung des Auges ist der Graue Star, der operativ durch Entfernung der Augenlinse und Implantation einer Kunstlinse (IOL) therapiert wird. Um nach dem Eingriff eine gewünschte Refraktion des Auges, im Allgemeinen einen emmetropen Zustand, zu erreichen, ist eine sorgfältige Auswahl der Kunstlinse für das individuelle Auge erforderlich.
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In den Auswahlprozess geht als ein wesentlicher Parameter die Augenlänge ein. Nach dem bekannten Stand der Technik erfolgt die optische Bestimmung der Augenlänge mittels der sogenannten dual-beam Kurzkohärenz-Interferometrie (
DE 198 57 001 A1 ) oder mittels OCT-Verfahren (
US7400410B2 ) durch einen A-Scans entlang einer Messachse, üblicherweise der Sehachse vom Hornhautscheitel zur Fovea.
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Da die Augenlängenmessungen auch durch vom Grauen Star stark getrübte natürliche Augenlinsen erfolgen sollen, müssen die verwendeten Messsysteme hochempfindlich sein. Abhängig von der Ausführung des Meßsystems kann deshalb bei Messungen direkt auf dem Hornhautscheitel infolge der spekularen Reflexion des Messlichtes am Tränenfilm des Auges eine Störung der Signalerfassung auftreten, beispielsweise durch Übersteuerung des Dynamikbereiches eines verwendeten OCT-Systems. Damit kann eine direkte Messung der Achslänge des Auges vom Hornhautscheitel aus extrem erschwert oder gar unmöglich sein.
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In der Patentanmeldung
JP 2008-188047 wird vorgeschlagen, den Messfehler, der auftritt, wenn die Messung nicht entlang der Fixierlinie erfolgt, rechnerisch zu kompensieren. Die Korrektur erfolgt dabei auf Basis einer photographischen Messung der Fehlausrichtung des Messstrahls. Eine derartige Messung ist jedoch aufwendig und die Korrektur mit Fehlern behaftet.
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Im Gegensatz dazu, lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messwerterfassung in einem ophthalmologischen Biometrie- oder Bilderzeugungssystem die Achslänge eines Auges durch die positionsrichtige Erfassung von Biometriedaten und Bildern, insbesondere Tomogrammen auf robuste und sehr genau bestimmen.
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Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein B-Scans entlang einer Bahn durch den Hornhautscheitel (im Folgenden auch Vertex der Hornhaut genannt). Dazu erfolgt ein B-Scan eines OCT-Messstrahls entlang einer Bahn, die durch den Vertex der Hornhaut verläuft, wobei die einzelnen Messungen durch Punkte auf der Hornhaut markiert sind. Hierbei muss der B-Scan aber keine A-Scans am Ort des Hornhautscheitels umfassen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die (peripheren) Messstrahlen aber zu einer fehlerhaften Bestimmung der Achslänge des Auges führen würden. Erst durch Interpolation der Hornhautoberfläche lässt sich die exakte Achslänge am Hornhautscheitel entlang der nun virtuellen Messachse zur Fovea bestimmen.
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Die Signale im resultierenden B-Scan-Bild, die den Grenzflächen von Hornhaut und Retina entsprechen, werden mit geeigneten stetigen und stetig differenzierbaren Funktionen angenähert und die optische Augenlänge aus dem Abstand der Funktionswerte im Vertex bestimmt.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Messung, der einen Ebenenschnitt durch das Auge liefert mit einem einzigen B-Scan. Dieser Ebenenschnitt muss durch den Vertex oder seiner unmittelbaren Umgebung erfolgen. In der Nähe des Vertex kann jedoch der spekulare Reflex zu einer Übersteuerung des Messsystems führen und die Messdaten an dieser Stelle unbrauchbar machen. In diesem Fall werden die entsprechenden Daten für die Näherung an die Fitfunktion nicht berücksichtigt.
-
Während derzeit die Messung der Augenlänge entlang diskreten, vom Anwender manuell eingerichteten Richtungen erfolgt, wird erfindungsgemäß automatisiert eine Reihe von benachbarten Messungen entlang einer definierten Bahn durchgeführt. Aus dieser Messreihe lässt sich der Wert für die Augenlänge auch in schwierigen Situationen präzise und mit geringem Zeitaufwand ermitteln.
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Das beschriebene Verfahren lässt sich nicht nur für Achslängenmessungen verwenden, sondern kann prinzipiell auch auf andere Teilstreckenmessungen am Auge übertragen werden, wie zum Beispiel Messungen der internen oder externen Vorderkammertiefe oder der Kristalllinsendicke, da hier jeweils auch störende spekulare Reflexe direkt auf den angestrebten Messachsen auftreten können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die von jedem Positionssensor erfassten und an die zentrale Steuereinheit übermittelten tatsächlich Positionen des Galvanometerspiegels, zusätzlich zur Triggerung der Messwerterfassung verwendet, indem die Signalerfassung erst bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Galvanometerspiegels aktiviert und somit auslöst wird.
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Wie bei den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen des Verfahrens erfolgt die Messwerterfassung in Form von B- und C-Scans, sowie Volumenscans durch entsprechende Ablenkung des Messstrahls der interferometrischen Messanordnung mit Hilfe einer Scan-Einheit, wobei dazu die zentrale Steuereinheit die Mustergenerierung aktiviert, die an die Steuerung der Scan-Einheit ein entsprechendes Scan-Muster übermittelt.
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Auch hier wird in einem geschlossenen Regelkreis mit Hilfe der Scanner-Ansteuerung und einem Positionssensor eine möglichst störungsfeste, regelungsbasierte Realisierung des darzustellenden Scan-Musters durchgeführt. Zusätzlich werden der optischen Scaneinheit die tatsächlich realisierten Positionen vom Positionssensor während der Generierung des Scan-Musters erfasst und an die zentrale Steuereinheit übermittelt.
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Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten werden die tatsächlich Positionen des Galvanometerspiegels zusätzlich zur Triggerung der Messwerterfassung verwendet. Die Signalerfassung wird nunmehr erst bei Erreichen einer vorgegebenen Position des Galvanometerspiegels aktiviert und somit auslöst.
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Dadurch wird die direkte Aufnahme lateral äquidistanter Messdaten ermöglicht, da die A-Scans jeweils nur bei Erreichen der festgelegten Positionen (in gleichen Abständen) ausgelöst und die Messwerte aufgenommen werden. Im Ergebnis erhält man somit formrichtiger Scans, die keiner nachträglichen Entzerrung bedürfen.
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Die wesentlichsten Vorteile dieser Ausgestaltungsvariante liegen in dem geringeren numerischen Aufwand zur Bestimmung der biometrischen Daten und/oder der Entzerrung von Bildern, insbesondere Tomogrammen, sowie einem effizienteren Abtasten der gewünschten Strukturen der Augen.
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Mit den erfindungsgemäßen ophthalmologischen Biometriesystemen und dem Verfahren zur Messwerterfassung wird eine Lösung zur Verfügung gestellt, bei der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile behoben sind und welche deutlich kostengünstiger und aufwandsgeringer ist. Darüber hinaus ist die Aufnahme von unverzerrten Tomogrammen möglich.
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Dies wurde vor allem dadurch erreicht, dass an das vorgeschlagene, kostengünstige Ablenksystem wesentlich geringere Anforderungen hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Genauigkeit bei der Realisierung eines vorgegebenen Ablenkmusters und auch keine hohen Anforderungen an die Linearität des realisierten Scans gestellt werden. Die hierbei verwendete Regelelektronik dient vorrangig der Dämpfung äußerer Störungen, so dass diese dadurch ebenfalls einfach und kostengünstig ist.
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Die vorgeschlagene Lösung kann in Biometriesystemen, die sowohl auf „Time Domain”-OCT (kurz TD-OCT) als auch „Frequency Domain”-OCT (kurz FD-OCT) basieren, Verwendung finden. Beim „Time Domain”-Verfahren zur Bestimmung der Messwerte der Referenzarm in der Länge verändert und kontinuierlich die Intensität der Interferenz gemessen, wodurch beispielsweise auf eine signaloptimierende Nachführung der Messstrahlfokussierung während der Aufnahme einzelner A- oder C-Scans möglich wird (
US 5,847,827 A ). Demgegenüber können bei dem als „Frequency Domain” oder auch „Fourier-Domain”-OCT bezeichneten Verfahren vollständiger A-Scans durch parallele Erfassung spektraler Interferenzen sehr schnell und effizient erfasst und mittels Fouriertransformation rekonstruiert werden.
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Das „Frequency Domain”-Verfahren lässt sich in Abhängigkeit der verwendeten Beleuchtungseinheit in simultane und sequentielle Verfahren unterteilen. Das simultane, eine breitbandige Beleuchtungseinheit erfordernde Verfahren wird auch als „(Parallel) Spectral Domain”-Verfahren (kurz SD-OCT) bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird beim simultanen Verfahren eine durchstimmbare Beleuchtungseinheit (
US 7,414,779 B2 ) mit veränderlicher Wellenlänge verwendet, wobei das sequentielle „Frequency Domain”-Verfahren wird auch als ”Swept source”-Verfahren (kurz SS-OCT) bezeichnet wird. Biometriesystem die nach diesen beiden Verfahren arbeiten sind ebenfalls möglich.
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Die wesentlichsten Vorteile dieses sehr einfachen und kostengünstigen, ophthalmologischen Biometrie- oder Bilderzeugungssystem sind dabei im Folgenden zu sehen:
- – Mustergenerierung mit gewisser Fehlerakzeptanz (Rauschen, Quantisierungssprünge usw.), sowie geringen Anforderung an die Reproduzierbarkeit der Muster,
- – Nutzung nichtlinearer Scans, wie z. B. sinusförmige Scans (wesentliche Reduzierung der mechanischen Anforderungen an die Scan-Einheit),
- – Regelkreise für die Ablenkeinheit sind nicht erforderlich bzw. mit deutlich geringeren technischen Anforderungen verbunden,
- – Anforderungen an Temperaturstabilität sind wesentlich geringer,
- – die Akzeptanz gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen, wie Stößen oder Vibrationen, Mikrophonieeffekte usw. ist wesentlich größer und würde im Extremfall sogar gestörte räumliche Reihenfolgen der aufgenommenen A-Scans korrigieren,
- – Bestimmung biometrischer Messwerte wie: Augenlänge, Linsendicke, Vorderkammertiefe usw., in einem einzigen B-Scan,
- – und es können größere und schwerere Spiegel eingesetzt werden.
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Die erwähnten Einheiten (Mustergenerierungseinheit, Signalerfassungseinheit, Triggereinheit, Ansteuereinheit usw.) können prinzipiell auch Module oder funktionelle Einheiten der zentralen Steuereinheit sein, ohne den Schutzumfang der vorgeschlagenen Erfindung zu verlassen.
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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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- US 5321501 [0005]
- EP 1337803 A1 [0005]
- US 6654127 B2 [0005]
- US 2007/0291277 A1 [0006, 0019]
- US 6769769 B2 [0007]
- US 7284859 A [0008]
- US 7374287 B2 [0008, 0016]
- WO 2008/151821 A1 [0009]
- US 6726325 B2 [0012]
- US 2006/228011 A1 [0012]
- US 6325512 B1 [0012]
- US 7365856 B2 [0012]
- WO 2006/077107 A1 [0013]
- US 6956491 B2 [0015]
- US 6433449 B1 [0015]
- US 6810140 B2 [0016]
- US 2008/0186501 A1 [0017]
- US 6404531 B1 [0017]
- US 2008/0285043 A1 [0041, 0090]
- DE 102007046507 A1 [0041, 0090]
- US 7232229 B2 [0042]
- US 5177631 A [0042]
- US 5235180 A [0042]
- DE 19857001 A1 [0078, 0113]
- US 7400410 B2 [0078, 0113]
- JP 2008-188047 [0080, 0115]
- US 5847827 A [0130]
- US 7414779 B2 [0131]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. Han et al., Journal of Biomedical Optics, Vol. 13, 020505-1 (2008) [0017]
