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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lösung bei der die im ophthalmologischen Gerät vorhandene Bildaufnahmeeinheit dazu verwendet werden soll Bilder aufzunehmen, die zum Einen für Justieraufgaben und zum Anderen für Messaufgaben erforderlich sind. Dabei müssen alle aufgenommenen Bilder die jeweils erforderlichen Mindestanforderungen hinsichtlich Auflösung, Kontrastverhältnis, Farbtreue, Schärfentiefe u. a. erfüllen.
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Nach dem bekannten Stand der Technik sind dazu Lösungen bekannt, bei denen für die unterschiedlichen Aufgaben Bilder mit verschiedenen Auflösungen aufgenommen werden.
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Die Schrift
WO 2000/033729 A1 beschreibt eine Anordnung zur Vermessung von Teilabschnitten des Auges, vorzugsweise zur Ermittlung der Vorderkammertiefe VKT, bestehend aus einer seitlich zum Auge unter einem Winkel zur Beobachtungsachse einstrahlender spaltförmigen Beleuchtung und einer die vom Auge kommenden, Streubilder erfassenden Empfängeranordnung mit einer Signalverarbeitung. Die beschriebene Lösung ermöglicht eine berührungslose Vermessung von verschiedenen Augenparametern nach vorheriger Justierung des Gerätes zum Patientenauge. Dabei realisieren verschiedene Optiken unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe, wobei die Optiken durch eine motorische Einheit wechselweise in den Strahlengang des Gerätes eingeschwenkt werden. Diese mechanische Bewegung wirkt sich nachteilig aus. Neben einem Zeitverzug in der Messwerterfassung durch die erforderliche Umschaltung, unterliegen die mechanisch bewegten Teile dem Verschleiß und bedürfen einer regelmäßigen Schmierung und Wartung. Daraus resultiert eine unter Umständen erhöhte Störanfälligkeit. Zudem muss die Bewegung der Optiken mit äußerster Präzision vorgenommen werden.
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Auch in Bezug auf die von der Bildaufnahmevorrichtung ophthalmologischer Geräte zu realisierenden Justier- und Messaufgabe sind Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt.
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So beschreibt die
DE 102 50 569 A1 eine Anordnung und ein Verfahren zur Positionierung eines Gerätes bezüglich des zu untersuchenden Patientenauges in x-, y- und/oder z-Koordinaten. Das ophthalmologische Gerät verfügt dazu neben einer steuerbaren Beleuchtungseinheit, einem Beobachtungssystem, einer Bildaufnahmeeinheit, einer zentralen Steuereinheit, einer Ausgabeeinheit und einer Eye-Tracker-Einheit über Mittel zum relativen Positionieren. Das Abbildungssystem der Eye-Tracker-Einheit verfügt dabei über mindestens zwei verschiedene einstellbare Vergrößerungen, wobei das Signal der Eye-Tracker-Einheit, außer zur Nachführung einer auf das Auge projizierten Messmarke und/oder Gitterstruktur, auch zur Detektion der Position des Patientenauges bezüglich der optischen Achse des ophthalmologischen Gerätes verwendet wird. Dabei kommen ebenfalls verschiedene, einstellbare Vergrößerungen zum Einsatz, die vorzugsweise durch ein Zoom- oder Wechselobjektiv realisiert werden. Wie bei der zuvor beschriebenen Lösung wirken sich auch hier die mechanisch bewegten Teile nachteilig aus.
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Die oben beschriebenen Lösungen funktionieren ausreichend gut, sind jedoch kostenaufwendig und benötigen aufgrund der Verstellvorgänge eine gewisse Zeit, die für Messzwecke nicht genutzt werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu entwickeln, mit der die im ophthalmologischen Gerät vorhandene Bildaufnahmevorrichtung in der Lage ist Bilder vom Auge bzw. von Teilen des Auges mit hoher Qualität unmittelbar hintereinander aufzunehmen, um dadurch die Bedienung des Gesamtgerätes weiter zu vereinfachen und die Belastung des Patienten zu minimieren.
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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 Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen ophthalmologischen Gerät mit Abbildungsmodi für Justier- und Messaufgaben besteht aus mindestens einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Auges, einer Bildaufnahmevorrichtung, einer zentralen Steuereinheit mit einer Ausgabeeinheit, sowie einer Abbildungsoptik zur Abbildung des Beleuchtungslichtes auf unterschiedliche Teile des Auges und zur Abbildung des von Teilen des Auges reflektierten Lichtes auf die Bildaufnahmevorrichtung dadurch gelöst, dass die Bildaufnahmevorrichtung eine Digitalkamera mit hoher Auflösung und einer Digitalzoom-Funktion ist, die zur Realisierung der Justier- und Messaufgaben sowie zur Darstellung auf der Ausgabeeinheit Verbindungen zu der zentralen Steuereinheit aufweist.
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Vorzugsweise wurde bisher für die Keratometerberechnung eine Apertur (Objektapertur) von NA=0,04 verwendet, dabei für die herkömmlichen VGA-Kameras rund 290 Pixel für die Höhe genutzt. Die erfindungsgemäße Optik verwendet die gleiche Apertur von NA=0,04 und hat für die XGA- Kameras ebenfalls 290 Pixel für die um den Digitalzoomfaktor reduzierte Höhe zur Verfügung. Für die erfindungsgemäße Anordnung lässt sich die Apertur auf bis etwa NA=0,065 steigern und damit die Genauigkeit für die Keratometerabbildung weiter verbessein.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist für die Verwendung in allen ophthalmologischen Geräten vorgesehen, in denen unterschiedliche Bildgrößen für Mess- und/oder Justierzwecke benötigt werden. Obwohl eine Nutzung insbesondere beim IOLMaster® vorgesehen ist, kann die Lösung prinzipiell auch für Funduskameras, Spaltlampen oder OCT-Geräte Verwendung finden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen:
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- 1a: Abbildung eines Auges im Vollbild,
- 1b: Abbildung eines Auges in einen Bildausschnitt,
- 2: den Strahlengang des ophthalmologischen Gerätes mit einem zusätzlichen Achromat als Abbildungsoptik,
- 3: den Strahlengang des ophthalmologischen Gerätes mit einem zusätzlichen Achromat und einer Korrekturlinse als Abbildungsoptik und
- 4: den Strahlengang des ophthalmologischen Gerätes mit zwei zusätzlichen Achromaten als Abbildungsoptik.
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Das erfindungsgemäße ophthalmologische Gerät mit Abbildungsmodi für Justier- und Messaufgaben besteht aus mindestens einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Auges, einer Bildaufnahmevorrichtung, einer zentralen Steuereinheit mit einer Ausgabeeinheit, sowie einer Abbildungsoptik zur Abbildung des Beleuchtungslichtes auf unterschiedliche Teile des Auges und zur Abbildung des von Teilen des Auges reflektierten Lichtes auf die Bildaufnahmevorrichtung. Dabei ist die Bildaufnahmevorrichtung eine Digitalkamera mit hoher Auflösung und einer Digitalzoom-Funktion, die zur Realisierung der Justier- und Messaufgaben sowie zur Darstellung auf der Ausgabeeinheit Verbindungen zu der zentralen Steuereinheit aufweist.
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Obwohl die von Digitalkameras angebotene Funktion eines Digitalzooms ebenfalls der Vergrößerung von Bildinhalten dient, ist die Wirkungsweise eine völlig Andere. Beim Digitalzoom handelt es sich im Gegensatz zu einem Zoomobjektiv um eine auf einem mathematischen Verfahren basierende Ausschnittvergrö-ßerung. Für den zu speichernden Bildausschnitt wird nur ein Teil der aktiven Bildsensorfläche und somit des optischen Bildfeldes des Objektivs genutzt, wodurch weniger Bildpunkte zur Verfügung stehen. Der Bildausschnitt wird anschließend oft durch die Firmware wieder auf die nominelle Bildauflösung des Bildsensors hochgerechnet, wobei die fehlenden Bildpunkte aus den benachbarten vorhandenen Bildpunkten ermittelt werden müssen. Im einfachsten Fall geschieht dies durch das Kopieren eines benachbarten Bildpunktes. Durch Interpolation mehrerer benachbarter Bildpunkte werden bessere Ergebnisse erzielt, der rechnerische und somit zeitliche Aufwand bei der Berechnung ist jedoch zum Teil erheblich höher. Weiterhin ist dabei zu beachten, dass die Auflösung mit zunehmender Vergrößerung abnimmt.
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Während die zentrale Steuereinheit zur Realisierung der Justieraufgaben die von der Digitalkamera übermittelten Bilder im Vollbildmodus verwendet, dienen die von der Digitalkamera übermittelten Bildausschnitte im Zoommodus der Realisierung der Messaufgaben.
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Dabei ermöglichen die im Vollbildmodus aufgenommenen Bilder die Erfassung von Informationen eines großen Bereiches. Im Gegensatz dazu wird bei den im Zoommodus aufgenommenen Bildausschnitten ein relativ kleiner Bereich genutzt, um nur bestimmte, wesentliche Details zu ermitteln und umgebende, nicht relevante Informationen auszuschließen.
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Zur Verdeutlichung der beiden Abbildungsmodi zeigen die 1a und 1b in einer Gegenüberstellung Abbildungen eines Auges. Während die 1a das Abbild eines Auges im Vollbild zeigt, ist in 1b das Abbild eines Auges in einen Bildausschnitt dargestellt.
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In einer ersten besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die von der Digitalkamera übermittelten Bilder im Vollbildmodus von der zentralen Steuereinheit für eine automatische Positionierung des ophthalmologischen Gerätes verwendet. Dazu verfügt das ophthalmologische Gerät über entsprechende Stellantriebe, die von der zentralen Steuereinheit gesteuert werden.
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In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Digitalkamera geeignet sowohl Einzelbilder als auch Bildsequenzen mit hoher Auflösung aufzunehmen und zwar im Vollbildmodus und im Zoommodus gleichermaßen.
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Da die Auflösung und damit die Messgenauigkeit mit zunehmender Vergrößerung abnimmt, müssen die eingesetzte Abbildungsoptik und der Sensor der Digitalkamera entsprechend aufeinander abgestimmt werden.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass beispielsweise für eine Keratometerberechnung bestimmte Genauigkeitsanforderungen bestehen, die auch bei der elektronischen Nachvergrößerung durch die Funktion des Digitalzooms einzuhalten sind. Die Anforderungen an die Auflösung des optischen Systems sind für Keratometermessung höher als für die Realisierung anderen Abbildungsaufgaben, wie beispielsweise Vorderkammermessung und Umfeldbeobachtung.
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Ausgehend von einem erforderlichen Kontrastwert der Modulationsübertragungsfunktion (MTF) für die Abbildung des Augenabschnittes auf dem Sensor der Digitalkamera, der meistens zwischen 30 % und 40 % liegt, muss die gleiche Anzahl von Linienpaaren aus dem Objekt (Augenabschnitt) in den gezoomten Bildausschnitt abgebildet werden, wobei der Pixelabstand auf dem Sensor zu beachten ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Aperturen von Abbildungsoptik und Sensor der Digitalkamera aufeinander abgestimmt.
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Um die gleiche Empfindlichkeit wie bei den nach dem Stand der Technik bekannten ophthalmologischen Geräten zu erreichen, sollte die Apertur am Auge (Objektapertur) mindestens so groß wie bisher (NA=0,04), vorzugsweise aber größer sein, wobei sich diese bis auf etwa NA=0,065 steigern lässt.
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Die Apertur auf dem Sensor der Digitalkamera ist jedoch zwangweise größer, weil diese für die Umfeldabbildung bestimmt wird und das Objektfeld für die Keratometermessung am Auge größer ist als bisher. Mit größer werdender Apertur für die Abbildung auf den Sensor der Digitalkamera wird auch der Aufwand für die Abbildungsoptik größer.
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In einer ersten Ausgestaltung der Abbildungsoptik wird die gleiche Objektapertur gewählt. Hierzu zeigt die 2 den Strahlengang des ophthalmologischen Gerätes, der ausgehend von der Ebene der Hornhaut 1, aus einem Abschlussglas 2, zwei Teilerprismen 3 und 4, einem Achromaten 9, einem zwischen den Spiegeln 5 und 6 angeordneten zusätzlichen Achromaten 10, sowie einer Keratometerblende 7 und dem Sensor der Digitalkamera 8 besteht.
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Bei einem Kontrastwert der MTF von 40 % wird auf dem Sensor der Digitalkamera 8 dann die gleiche Anzahl von Linienpaaren pro mm für die Objekthöhe am Patientenauge von 3 mm abgebildet, wenn dieser eine Auflösung von mindestens 1024 x 768 Pixel aufweist. Dadurch entspricht die zu erwarten Genauigkeit der für Keratometerberechnung erforderlichen Genauigkeitsanforderung. Gleichzeitig wird im Vollbildmodus das gleiche Umfeld am Auge beobachtet, wie mit den nach dem Stand der Technik bekannten Lösungen. Siehe dazu 1.
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Obwohl als Bildaufnahmevorrichtung eine Digitalkamera 8 mit einer Auflösung von 1024 x 768 Pixel ausreichend ist, jedoch ein Sensor mit einer Auflösung von 1280 x 1024 Pixel verwendet werden, der sollte vorzugsweise auf der CMOS-Technologie basiert.
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Trotzdem liefert die erste Ausgestaltung der Abbildungsoptik gemäß 2 zwar für Keratometerberechnungen eine ausreichend gute Bildqualität, für die Umfeldbeobachtung ist diese jedoch unzureichend. Dies resultiert daher, dass der Abbildungsmaßstab der Apertur auf dem Sensor der Digitalkamera 8 in der Regel größer wird.
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In einer zweiten Ausgestaltung der Abbildungsoptik wird dies durch eine Korrekturlinse 11 behoben. Dazu zeigt die 3 den Strahlengang des ophthalmologischen Gerätes, der ebenfalls, ausgehend von der Ebene der Hornhaut 1, einem Abschlussglas 2, zwei Teilerprismen 3 und 4, einem zwischen den Spiegeln 5 und 6 angeordneten zusätzlichen Achromaten 10, sowie der Keratometerblende 7 und dem Sensor der Digitalkamera 8 besteht. In dieser zweiten Ausgestaltung verfügt die Abbildungsoptik allerdings über eine Korrekturlinse 11, die ebenfalls zwischen den Spiegeln 5 und 6, vor dem zusätzlichen Achromat 10 angeordnet ist. Die Keratometerblende 7 dient auch hier zur Erzwingung der telezentrischen Hauptstrahlen vom Patientenauge.
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Während die beiden Ausgestaltungen der Abbildungsoptik gemäß der 2 und 3 für Keratometerberechnungen und die Umfeldbeobachtung eine ausreichend gute Bildqualität liefern, ist diese jedoch für Bildausschnitte der Vorderkammer im Zoommodus unzureichend.
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Nach dem Stand der Technik erfolgte die Erzeugung von Bildausschnitten der Vorderkammer mit einer größeren Apertur. Dies war für die empfindliche Auswertung der Bildausschnitte notwendig, da der Bereich des vorderen Augenabschnittes relativ dunkel ist.
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In einer dritten Ausgestaltung der Abbildungsoptik wird dies durch die Anordnung eines weiteren Achromaten behoben. Dazu zeigt die 4 den Strahlengang des ophthalmologischen Gerätes bei dem die Abbildungsoptik aus zwei Achromaten besteht. Hierbei geht der Strahlengang des ophthalmologischen Gerätes ebenfalls wieder von der Ebene der Hornhaut 1 aus und besteht aus einem Abschlussglas 2, zwei Teilerprismen 3 und 4, einem Achromaten 9, einem zwischen den Spiegeln 5 und 6 sowie einer Keratometerblende 7 und dem Sensor der Digitalkamera 8. In dieser dritten Ausgestaltung verfügt die Abbildungsoptik allerdings über zwei zusätzliche Achromaten 10 und 12, die ebenfalls zwischen den Spiegeln 5 und 6 angeordnet sind.
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Ein Vorteil dieser Abbildung mit verringerter Apertur ist die bessere Kantenkontrastschärfe für die Vorderkammerabbildung. Um die erforderliche Helligkeit zu erreichen, sind sowohl eine Steigerung der Intensität der Beleuchtung oder die Verwendung eines empfindlicheren Sensors der Digitalkamera möglich.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das ophthalmologische Gerät mit Abbildungsmodi für Justier- und Messaufgaben ein auf kurzkohärenten Verfahren basierendes optisches Messgerät, vorzugsweise ein IOLMaster®.
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Der IOLMaster® von der Carl Zeiss Meditec AG ist ein auf kurzkohärenten Verfahren basierendes optisches Messgerät, mit dem sich die Achslänge, Vorderkammertiefe und Hornhautbrechkraft eines Auges exakt und berührungsfrei bestimmen lässt.
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Dazu verfügt der IOLMaster® ebenfalls über eine Bildaufnahmevorrichtung in Form einer Digitalkamera mit hoher Auflösung und einer Digitalzoom-Funktion und eine zentrale Steuereinheit zur Realisierung der Justier- und Messaufgaben sowie zur Darstellung der von der Digitalkamera übermittelten Bilder auf der Ausgabeeinheit.
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Mit den zuvor beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen ist der IOLMaster® in der Lage, neben der Justieraufgabe auch die anfallenden Messaufgaben, wie Bestimmung von Achslänge und Vorderkammertiefe, sowie Hornhautkrümmung und -brechkraft eines Auges exakt und berührungsfrei zu bestimmen und dabei auf bewegte Teile, insbesondere einen Objektivwechsel zu verzichten. Dadurch können die Messungen wesentlich schneller erfolgen und die Belastung für den Patienten können minimiert werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine Lösung für ophthalmologische Geräte zur Verfügung gestellt, mit der die von einer Bildaufnahmevorrichtung aufgenommenen Bilder im Vollbild- und Zoommodus für Justier- und Messaufgaben verwendet werden können. Dabei kann auf bewegte Teile, wie beispielsweise einen Objektivwechsler verzichtet werden, wodurch das Gesamtsystem schneller und störunanfälliger wird.
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Der Einsatz einer Digitalkamera mit Digitalzoom-Funktion kann in einem ophthalmologischen Gerät verwendet werden, um im Vollbildmodus das Auge des Patienten und eine große Umgebung aufzunehmen und/oder darzustellen. Dies kann zum Beispiel genutzt werden um eine Grobeinstellung des Gerätes vorzunehmen. Im Bildausschnitt wird gezielt nur ein Ausschnitt des Auges aufgenommen und/oder dargestellt, welcher zum Durchführen von Messungen geeignet ist. Aufnahme und Darstellungen sind dabei als Einzelbild oder als Video möglich.
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Mit der vorgestellten Lösung konnte ein neues System realisiert werden, das die drei Aufgaben Keratometermessung, Umfeldbeobachtung und Messung der Vorderkammertiefe etwa mit gleich hoher Qualität erfüllt. Trotz elektronischer Vergrößerung wird die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt.
