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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges durch Auswertung des Spiegelbildes eines räumlich verteilten Musters, insbesondere eines mit Hilfe einer Placidoscheibe erzeugten Ringmusters.
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Bei der Placido-Scheibe handelt es sich um eine beleuchtete Scheibe, auf der in regelmäßigen Abständen runde Kreise aufgetragen sind. Die Diagnose wird dann anhand der Betrachtung der Reflektion der Kreise auf der Oberfläche der Kornea gestellt, auf der sich die Kreise ebenso regelmäßig abbilden sollten.
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Hierbei sollte nun auf der Korneaoberfläche eine symmetrische Reflexion der konzentrischen Placido-Kreise zu sehen sein. Sind hingegen asymmetrische Formen der Kreise zu finden, ist dies ein Hinweis auf eine Abweichung der Hornhautoberfläche von einer Referenzoberfläche. Unregelmäßigkeiten der Korneaoberfläche sind z. B. bei einem Astigmatismus, aber auch bei mechanischen oder chemischen Verletzungen der Kornea zu finden.
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Unter dem Begriff Keratometrie ist die Vermessung von Form und Gestalt der Hornhaut des Auges zu verstehen. Mit einem Ophthalmometer (auch Keratometer) werden die Krümmungsradien der Hornhaut zentral und in der Peripherie ermittelt. Die gemessenen Radien sind die beispielsweise Grundlage für die Anpassung von Kontaktlinsen. Eine besondere Form der Keratometrie ist die Topographie. Hier werden mit speziellen Verfahren die zentralen und peripheren Krümmungsradien der Hornhaut gemessen und mathematisch ausgewertet.
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Die Oberflächenvermessung der Hornhaut des menschlichen Auges erweist sich dahingehend schwierig, dass die Hornhaut transparent ist und sichtbares Licht nicht in nennenswertem Maße rückgestreut wird.
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Die Hornhaut (Kornea) ist der vorderste Abschnitt des Auges und weist eine nach vorn gewölbte, spezifische Geometrie auf. Um diese geometrische Form der Hornhautvorderfläche in ihrer Gesamtheit zu erfassen bedient man sich der Topographie. Die Vorderflächenform kann dabei variieren, wobei zwei der wichtigsten und auch allgemein bekanntesten, die sphärische (kugelförmig) und die astigmatische (verkrümmte) Hornhaut sind.
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Mit ihrer Brechkraft von über 40 Dioptrien ist die Hornhaut ein maßgeblicher Faktor für die Brechung des in das Auge einfallenden Lichtes. Die Brechkraft der Hornhaut hängt hierbei vorrangig von der Form der Hornhautoberfläche und insbesondere ihrer Kurvatur ab. Die Bestimmung der Form der Hornhautoberfläche ist insbesondere bei den folgenden Einsatzbereichen von größter Wichtigkeit:
- • Katarakt-Chirurgie, in Verbindung mit Reduktion des Astigmatismus,
- • Kontaktlinsenanpassung,
- • Erkennung eines Keratokonus,
- • korneale Bestimmung des Astigmatismus und
- • refraktive Chirurgie.
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Bei den chirurgischen Anwendungen ist die Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges sowohl vor als auch nach dem chirurgischen Eingriff wichtig, da die Oberflächenform zur Erkennung von anomalen oder abnormen Formen der Hornhaut geeignet ist.
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Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberflächenform mit Hilfe so genannter Keratometer oder Keratographen ist nach dem Stand der Technik seit langem bekannt. Die auf die Hornhaut abgebildeten konzentrischen Ringe der Placido-Scheibe werden durch den Tränenfilm der Hornhaut reflektiert und mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. In Abhängigkeit der Kurvatur der Hornhaut ist das von der Kamera detektierte reflektierte Ringmuster verzerrt. Um aus diesen Reflexionssignalen eine Bestimmung der Kurvatur zu erhalten, müssen die Verzerrungen der Ringe mit einer bekannten Form verglichen werden, die üblicherweise als eine Kugel mit einem Radius von 7,8 mm gewählt ist. Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der Schrift
US 4,685,140 A beschrieben.
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Die bei Topographen zur Anwendung kommenden Placido-Scheiben zur Erzeugung konzentrischer Ringe muss dabei nicht zwangsläufig eine plane Scheibe sein. Derartige plane Placido-Scheiben sind zwar im Stand der Technik hinreichend bekannt und beispielsweise in
US 5,110,200 A und
US 5,194,882 A beschrieben, verbreiteter sind allerdings trichterförmige (
US 5,684,562 A ,
US 6,116,738 A ) oder auch sphärisch bewölbte (
US 5,864,383 A ) Placido-Scheiben.
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In den Schriften
US 6,575,573 B2 und
US 6,692,126 B1 werden Lösungen zu Ophthalmometern (auch Keratometern) beschrieben, die durch eine Spalt-Beleuchtungseinheit ergänzt sind. Während die Abbildung von Placido-Ring-Systemen zur Messung der Oberflächenkrümmung der Hornhaut des Auges vorgesehen ist, werden mit der Spalt-Beleuchtungseinheit Schnittbilder des Auges erzeugt, aus denen die Dicke der Hornhaut des Auges bestimmt werden kann. Im Ergebnis dieser Kombination kann ein Hornhaut-Dicken-Profil ermittelt werden.
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Dieses Verfahren hat zwar den Vorteil, dass zur Vermessung der Hornhautoberflächenform nur eine einzige Aufnahme erforderlich ist, die bei einer hohen räumlichen Auflösung eine große Menge an Datenpunkten beinhaltet. Dadurch dass nur eine einzige Aufnahme erforderlich ist, haben Augenbewegungen keine Auswirkung auf die Genauigkeit der Messung. Ein erster Nachteil derartiger Lösungen ist darin zu sehen, dass die von der Kamera aufgenommenen Bilder ein Abbild des Auges, insbesondere dessen Iris und das Reflexbild der auf den Tränenfilm vor der Hornhaut projizieren Placido-Ringe als Überlagerung enthält.
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Für eine exakte Bestimmung der Oberflächentopographie des Auges muss der Auswertealgorithmus die Placido-Ringe jedoch einwandfrei erkennen. Hierbei kann das Problem auftreten, dass die überlagerte Irisstruktur die Erkennung der Placido-Ringe stört, da unter Umständen der Pupillenrand mit den Ringen verwechselt werden kann.
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Kommerziell erhältliche Topographiesysteme projizieren reelle Placidoringe in kurzem Abstand vor dem Auge auf die Hornhaut von wo sie reflektiert und mit einer Kamera erfasst werden. Die Hornhautrekonstruktion basiert auf der Winkelauswertung von Einfalls- und Ausfallswinkel der projizierten und von der Hornhaut reflektierten Placidoringe. Dabei dient die Abweichung der Ringposition auf der Hornhaut relativ zur Ringposition eines bekannten Referenztestkörpers, als Grundlage für die Hornhautrekonstruktion. Ein zweiter Nachteil derartiger Lösungen ist darin zu sehen, dass die Genauigkeit der Messung stark von den Winkelverhältnissen und damit vom Messabstand abhängig ist.
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Zur Bestimmung bzw. zur Kontrolle des korrekten Messabstandes werden verschiedenste Methoden. So kann die Messung beispielsweise automatisch ausgelöst werden, wenn der richtige Arbeitsabstand erreicht ist. Dies kann zum einen durch eine Korrektur des fehlerhaften Abstandes vor einer jeden Messung erfolgen, indem mit Hilfe von Lichtschranken, Kontakten oder zusätzlichen Messsystemen der Abstand bzw. die Position bestimmt und gegebenenfalls korrigiert wird.
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Beispielhaft sind hierzu die Schriften
US 6,048,065 A und
US 6,070,981 A genannt. Die darin beschriebenen Lösungen stellen Topographen dar, die auf einer Placido-Scheibe basieren. Zur Kontrolle des korrekten Messabstandes verfügen beide Lösungen über eine Punktlichtquelle, deren Licht auf die Hornhaut projiziert, von dieser reflektiert und auf eine CCD-Kamera als Punktbild abgebildet wird. Die Position des Punktbildes innerhalb des Auffangbereiches gibt Auskunft über die Entfernung zwischen Placido-Scheibe und Auge. Zur exakten Positionierung wird die Placido-Scheibe verschoben, bis der Abstand optimiert ist. Erst dann wird mit der Messung begonnen.
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Bei den in
EP 0 843 529 B1 und
EP 1 138 254 A1 beschriebenen Lösungen wird der korrekte Messabstandes über zwei zusätzliche Kameras, die jeweils rechts und links, seitlich vom Kopf angeordnet sind, kontrolliert bzw. korrigiert. Dabei ist vorgesehen, dass sowohl die beiden seitlich angeordneten Kameras als auch die auf der optischen Achse angeordnete Hauptkamera zur Vermessung der Hornhaut starr zueinander angeordnet sind. In Abhängigkeit der von den seitlich angeordneten Kameras aufgenommenen Bilder wird das Gesamtsystem in Bezug auf das zu vermessende Auge bzw. dessen Hornhaut so positioniert, dass eine optimale Messposition erreicht ist.
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Zum anderen können aber auch die bei nicht optimalen Abständen vorgenommenen Messungen entsprechend korrigiert werden, in dem bestimmte Korrekturalgorithmen für die Fälle zur Anwendung kommen, bei denen beispielsweise durch eine Bildauswertung nicht optimale Messabstände festgestellt wurden. Durch entsprechende Korrekturalgorithmen können die „fehlerhaften” Messergebnisse korrigiert werden.
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Das weltweit meistgenutzte Hornhauttopographie-System der Carl Zeiss Meditec heißt ATLASTM und verfügt über derartige Korrekturalgorithmen. Durch die leistungsstarke und bedienerfreundliche Software-Plattform liefert das ATLASTM System bei jeder Untersuchung und praktisch für jeden Bediener präzise, zuverlässige und reproduzierbare Ergebnisse.
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Durch das patentierte, so genannte Cone-of-FocusTM Ausrichtungssystem wird beim ATLASTM sichergestellt, dass die zu vermessende Kornea korrekt zum Messsystem ausgerichtet ist. Dies erfolgt, basierend auf einer Triangulation mit Cone-of-FocusTM in Verbindung mit der ebenfalls patentierten Placido-Scheibe.
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Die exakte, hochgenaue Ausrichtung im Bereich von weniger als 1 Mikrometer schafft die Vorraussetzung für hochpräzise Messungen bei jeder Untersuchung. Vom Bildanalyse-System SmartCaptureTM werden bis zu 15 digitale Bilder pro Sekunde während der Ausrichtung analysiert und automatisch das Bild mit der besten Qualität ausgewählt.
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Die Idee zur genauen Untersuchung und Vermessung der Hornhaut des menschlichen Auges ist bereits sehr alt. So wurde das erste klassische Keratometer bereits im Jahre 1856 von H. von Helmholz entwickelt. Das damit durchführbare Messverfahren entsprach dem heute noch gängigen Messverfahren. Allerdings war das Keratometer von Helmholz sehr unhandlich.
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Umso erstaunlicher ist, dass es Littmann erst im Jahre 1950 gelang, einen gänzlich entfernungsunabhängigen Keratometer zu entwickeln. Bei entfernungsunabhängigen Keratometern sind die Einstellungen der Bildschärfe durch die Akkommodation des Beobachters und Fehlsichtigkeiten nicht beeinflussbar, wodurch die größten Mängel entfernungsabhängiger Geräte behoben wurden.
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Beim Littmann-Keratometer werden virtuelle Testzeichen projiziert, welche über eine Linse ins unendliche auf die Hornhaut abgebildet werden. Damit ist die Entfernungsabhängigkeit bei der Messung nur von der Tiefenschärfe der als optisches Beobachtungssystem dienenden Kamera, nicht aber von der Testzeichenentfernung abhängig. Die Entfernungsunabhängigkeit bei der Bilderfassung wird durch einen telezentrischen Strahlengang gelöst. Die Messgenauigkeit im Bezug auf den Abstand zwischen Auge und Gerät wird dadurch wesentlich desensibilisiert und die Messergebnisse dadurch sehr wiederholbar. Zudem konnte die Anzahl von Mess- und Ablesefehlern verringert und die Messvorgänge beschleunigt werden.
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Als nachteilig erweist sich allerdings die geringe Anzahl an Messpunkte bei Keratometern nach Littmann. Während bei Littmann-Keratometern nur 2 bis 8 Messpunkte erzeugt werden, liegt die Anzahl der Messpunkte bei den auf Placido-Scheiben basierenden Topographen bei mehreren Tausend.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges zu entwickeln, welches weitgehend entfernungsabhängige Messungen erlaubt und dafür eine Vielzahl von Messpunkten erzeugt.
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Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges, bestehend aus einer Placidoscheibe, einer Beleuchtungseinheit, einer Bildaufnahmeeinheit mit telezentrischer Bilderfassung sowie einer Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gelöst, dass die Placidoscheibe zur Darstellung der Ringe über halbierte, torusförmigen Elementen mit halbkreisförmigen Querschnitt verfügt, die unterschiedliche Radien aufweisen und deren vordere, sphärische Oberflächen zur Kornea des Auges gerichtet sind, dass als Beleuchtungseinheit eine Reihe von LEDs dienen, die hinter den halbierten, torusförmigen Elementen verteilt angeordnet sind und dass die Bildaufnahmeeinheit so ausgebildet ist, dass die telezentrische Bilderfassung entfernungsunabhängig erfolgt.
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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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Das vorgeschlagene System ist zur Bestimmung der Oberflächentopometrie reflektierenden Körper geeignet. Insbesondere dient es jedoch der Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen:
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1a: die perspektivische Prinzipdarstellung einer im erfindungsgemäßen System verwendeten Placido-Scheibe,
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1b: ein zur Darstellung eines Ringes verwendetes, torusförmiges Element mit halbkreisförmigem Querschnitt,
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1c: ein zur Darstellung eines Ringes verwendetes, torusförmiges Element, dessen Oberfläche ebenfalls eine sphärische Form aufweist,
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2a: die Schnittdarstellung einer im erfindungsgemäßen System verwendeten Placido-Scheibe,
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2b: den durch ein torusförmiges Element erzeugte Strahlverlauf zur Darstellung eines Ringes und
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3: der prinzipielle Strahlverlauf der telezentrischen Bilderfassung.
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Das vorgeschlagene System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges besteht aus einer Placidoscheibe, einer Beleuchtungseinheit, einer Bildaufnahmeeinheit mit telezentrischer Bilderfassung sowie einer Steuer- und Auswerteeinheit. Erfindungsgemäß verfügt die Placidoscheibe zur Darstellung der Ringe über halbierte, torusförmigen Elementen mit halbkreisförmigem Querschnitt, die unterschiedliche Radien aufweisen und deren vordere, sphärische oder asphärische Oberflächen zur Korea des Auges gerichtet sind. Weiterhin ist die Bildaufnahmeeinheit so ausgebildet, dass die telezentrische Bilderfassung entfernungsunabhängig erfolgt.
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Hierzu zeigt die 1a die perspektivische Prinzipdarstellung einer im erfindungsgemäßen System verwendeten Placido-Scheibe 1, die zur Darstellung der Ringe über halbierte, torusförmige Elemente 2 mit halbkreisförmigem Querschnitt verfügt, die unterschiedliche Radien aufweisen. Der Übersichtlichkeit halber sind nur vier torusförmige Elemente 2 zur Darstellung von vier Ringen dargestellt.
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Die 1b und 1c zeigen jeweils ein zur Darstellung eines Ringes verwendetes halbiertes, torusförmiges Element 2 im Detail. Während das halbierte, torusförmige Element 2 in einer ersten Ausgestaltung gemäß der 1b einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist, ist die hintere Oberfläche des halbierten, torusförmigen Elementes 2 in einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der 1c ebenfalls sphärisch, in Richtung der Kornea des Auges gewölbt.
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Erfindungsgemäß besteht die Beleuchtungseinheit aus einer Reihe von LEDs, die hinter den halbierten, torusförmigen Elementen verteilt angeordnet sind.
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Hierzu zeigt die 2a eine Schnittdarstellung der verwendeten Placidoscheibe. Die Placidoscheibe 1 verfügt über eine Anzahl von halbierten, torusförmigen Elementen 2, die unterschiedliche Radien aufweisen und deren vordere, sphärische Oberflächen 2.1 zur Kornea 3 des Auges gerichtet sind.
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Erfindungsgemäß sind die als Beleuchtungseinheit dienenden LEDs jeweils im Fokus der halbierten, torusförmigen Elemente angeordnet, um die Projektion der Ringe der Placidoscheibe in Richtung der Kornea des Auges nach Unendlich zu realisieren. Zur Erzeugung einer möglichst homogenen Beleuchtung verfügen die LEDs jeweils über einen Diffusor. Zur möglichst homogenen Beleuchtung der Ringe sind hinter jedem halbierten, torusförmigen Element eine Reihe von LEDs verteilt angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die hinteren Oberflächen der halbierten, torusförmigen Elemente ebenfalls sphärische Oberflächen auf, die in Richtung der Kornea des Auges gewölbt sind. Dabei sind die sphärischen Oberflächen eines jeden halbierten, torusförmigen Elementes aufeinander abgestimmt, um eine möglichst optimale Projektion der Ringe der Placidoscheibe in Richtung der Kornea des Auges nach Unendlich zu erreichen.
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2b zeigt hierzu den durch ein torusförmiges Element 2 erzeugten Strahlverlauf zur Darstellung eines Ringes. Das von der, im Fokus des halbierten, torusförmigen Elementes 2 angeordnet LED 4 erzeugte Licht wird von einem davor angeordneten Diffuser 5 so weit aufgeweitet, dass die hintere Fläche 2.2 des halbierten, torusförmigen Elementes 2 vollständig ausgeleuchtet wird. Von dem halbierten, torusförmigen Element 2, mit seinen aufeinander abgestimmten sphärischen Oberflächen 2.1 und 2.2 wird der Beleuchtungsstrahl als nahezu paralleles Strahlenbündel 6 in Richtung der Kornea des Auges abgebildet.
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Erfindungsgemäß verfügt das vorgeschlagene System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges über eine Bildaufnahmeeinheit mit telezentrischer Bilderfassung. Hierzu zeigt die 3 den prinzipiellen Strahlverlauf der telezentrischen Bilderfassung. Die Placidoscheibe 1 weist in dieser Darstellung fünf halbierte, torusförmige Elemente 2 mit unterschiedlichen Radien auf und verfügt in ihrem Zentrum über eine Öffnung für die telezentrischer Bilderfassung. Die (nicht dargestellte) Kornea des Auges reflektiert das Abbild der erzeugten und auf die Kornea projizierten Ringstruktur in Richtung der, hinter der zentralen Öffnung der Placidoscheibe 1 angeordneten Bildaufnahmeeinheit 7. Die Bildaufnahmeeinheit 7 besteht aus einem Abbildungssystem 8 und einem Bildsensor 10, der mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbunden ist.
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Die 3 gezeigte Placidoscheibe 1 mit einer sphärischen Form stellt hierbei eine vorteilhafte Ausgestaltung dar. Prinzipiell kann die Placidoscheibe 1 auch eine plane, beliebig gewölbte oder eine trichterförmige Form aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die halbierten, torusförmigen Elemente zur Darstellung der Ringe so auf der Placidoscheibe angeordnet und ausgerichtet sind, dass sich deren Projektionen in Richtung der Kornea des Auges nach Unendlich in einem Punkt schneiden.
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Durch das erfindungsgemäße System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges wird kein reelles, sondern ein virtuelles Abbild des Placidoringsystems, ins Unendliche auf die Hornhaut projiziert. Die Einfallswinkel unter welchen die Abbilder der einzelnen Placidoringe auf die Hornhaut projiziert werden sind damit konstant, so dass die Messung dadurch weitgehend entfernungsunabhängig erfolgt.
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Basierend auf den bekannten (sich nicht ändernden) Einfallswinkeln und dem von der Bildaufnahmeeinheit mit telezentrischer Bilderfassung aufgenommenen Reflexionsbild der Kornea mit dem darauf projizierten Ringmuster kann von der Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Algorithmus zur Rekonstruktion der Kornea, deren Topographie ermittelt werden. Grundlage bildet dabei die Rekonstruktion der Topographie eines bekannten Test- bzw. Vergleichsobjektes.
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Mit der erfindungsgemäßen Losung wird ein System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges zur Verfügung gestellt, welches auf einer Placidoscheibe und einer Bildaufnahmeeinheit mit telezentrischer Bilderfassung basiert und trotzdem weitgehend entfernungsunabhängige Messungen der Hornhauttopographie ermöglicht.
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Durch die Verwendung einer Placidoscheibe wird eine Vielzahl von Messpunkten erzeugt, was zwangsläufig zu einer Erhöhung der Genauigkeit der Bestimmung der Topographie der Kornea führt.
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Das vorgeschlagene System zur Bestimmung der Oberflächenform der Kornea eines Auges kombiniert somit den Vorteil eines auf einer Placidoscheibe basierenden Topographen (Vielzahl von Messpunkten) mit dem Vorteil eines Littmann-Keratometers (entfernungsabhängige Messungen).
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Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Placidoscheibe zur Darstellung der Ringe über halbierte, torusförmigen Elementen mit halbkreisförmigen Querschnitt verfügt, die unterschiedliche Radien aufweisen und deren Abbilder in Richtung der Kornea des Auges nach Unendlich abgebildet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4685140 A [0009]
- US 5110200 A [0010]
- US 5194882 A [0010]
- US 5684562 A [0010]
- US 6116738 A [0010]
- US 5864383 A [0010]
- US 6575573 B2 [0011]
- US 6692126 B1 [0011]
- US 6048065 A [0016]
- US 6070981 A [0016]
- EP 0843529 B1 [0017]
- EP 1138254 A1 [0017]