DE102013002827A1

DE102013002827A1 - Anordnung und Verfahren zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen

Info

Publication number: DE102013002827A1
Application number: DE102013002827.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mohr; Björn ROßBERGER; Tobias Schmitt-Manderbach; Wolfgang Grau
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-21
Also published as: WO2014125063A1

Abstract

Um eine Anordnung und ein Verfahren zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen zu schaffen, durch die ein lokales Maximum im Fundusbild bewertet wird, um eine deutlich bessere Bildqualität zu erhalten, bei gleichzeitiger Optimierung der Belichtungssteuerung, wird ein mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (16) verbundener Bildsensor (13) zur Ermittlung und Ausgabe einer maximalen Intensität eines Fundusbildes vorgeschlagen, der eine örtliche Mindestauflösung von Pixeln und eine sehr hohe Bildfrequenz aufweist. Zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen erfolgt durch den ortsauflösenden Bildsensor (13) in Wiederholungen nach der Aufnahme eines Bewegungsfeldes des Auges eine Bewertung eines lokalen Maximums im Fundusbild und die Steuer- und Auswerteeinheit (16) ermittelt aus dem Datenstrom der maximalen Intensitäten einen Zeitpunkt zur Abschaltung einer Beleuchtungseinheit (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen für Funduskameras zur Beobachtung, Untersuchung, Diagnose und Therapie eines Augenhintergrundes, wenn im Fundusbild eine sehr hohe Dynamik, sehr dunkle und sehr helle Bereiche enthalten sind.
Es ist bekannt, dass bei der Beobachtung, Untersuchung und zur Diagnose des Augenhintergrundes eines Patienten mit einer Funduskamera das Problem auftritt, dass die vorhandene automatische Belichtung nur einen flächig integralen Wert für das gesamte Fundusbild misst und dass bei Erreichen eines Schwellwertes die Beleuchtung, z. B. eine Blitzlampe, abgeschaltet wird. Dieses Prinzip ist von Nachteil, wenn im Fundusbild eine sehr hohe Dynamik, sehr helle und sehr dunkle Bereiche enthalten sind. Die Dynamik eines Fundusbildes gibt dabei das Verhältnis aus der höchsten und der niedrigsten im Bild enthaltenen Intensitäten an. Die Integration über das gesamte Bild eines Fundus mit sehr hoher Dynamik enthält dann bei Erreichen des Schwellwertes überstrahlte Bereiche und diese führen zu einer schlechteren Bildqualität. Deshalb ist es gerade in der Ophthalmologie für die Untersuchungen des Auges, verbunden mit der Abbildung von einzelnen Augenabschnitten wichtig, dass insbesondere bei Einzelbildern mit einer hohen Dynamik sowohl alle Strukturen eindeutig abgebildet werden und gleichzeitig gut erkennbar sind. Aus dem Stand der Technik sind deshalb eine Vielzahl von technischen Lösungen bekannt, um diese Bedingungen für eine sehr gute Bildqualität zu erreichen. So ist aus der DE 10 2007 046 210 A1 eine Anordnung und ein Verfahren zur Erzeugung von Bildern mit einer erweiterten Dynamik bekannt, indem mindestens ein Strahlteiler, insbesondere mit einem asymmetrischen Teilungsverhältnis, und mindestens zwei Bildsensoren über mindestens einen Strahlteiler in einen gemeinsamen Abbildungsstrahlengang eingespiegelt werden. Aus der DE 10 2009 030 467 A1 ist weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme hochdynamischer Fundus- und Spaltbilder bei sehr geringer Beleuchtungsintensität bekannt, indem die Vorrichtung ein zweites opto-elektronisches Sensor-Array und einen zusätzlichen Strahlteiler zur Aufteilung des vom Auge reflektierten Lichtes aufweist. Beide opto-elektronischen Sensor-Arrays nehmen das vom Auge reflektierte Licht auf und leiten die Ausgangssignale der Auswerteeinheit zu.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen zu schaffen, durch die ein lokales Maximum im Fundusbild bewertet wird, um eine deutlich bessere Bildqualität zu erhalten, mit einer einfachen und kostengünstigen Anordnung zur automatischen Belichtung sowie einer einfachen Bedienung bei gleichzeitiger Optimierung der Belichtungssteuerung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist und durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale aufweist. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß weist die Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen ein mit einer Steuer- und Auswerteeinheit verbundenen Bildsensor mit einer örtlichen Mindestauflösung von Pixeln und einer sehr hohen Bildfrequenz auf, wobei eine Bewertung eines lokalen Maximums im Fundusbild erfolgt und die Steuer- und Auswerteeinheit den Datenstrom der maximalen Intensitäten mit einem Schwellwert vergleicht und bei Überschreitung des Schwellwerts ein Signal zur Abschaltung einer Beleuchtungseinheit erzeugt. Gegenüber der bekannten automatischen Belichtung, die nur einen flächig integralen Wert für das gesamte Fundusbild misst, ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung zur automatischen Belichtung eine bessere Bildqualität, da die Fundusaufnahmen keine überstrahlten Bereiche mehr aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass zur Abbildung eines kleinen Feldes auf den ersten Bildsensor zur Erfassung aller für die Belichtung relevanten Retinabereiche ein zweiter Bildsensor vorgesehen ist. Zur Abbildung des Fundusbildes auf den ersten Bildsensor und den zweiten Bildsensor in einen gemeinsamen Abbildungsstrahlengang ist ein Strahlteiler vorgesehen, der zu den Bildsensoren ein unterschiedliches jeweils unsymmetrisches Teilungsverhältnis aufweist. Der Strahlteiler weist dabei zu dem ersten Bildsensor ein kleines Teilungsverhältnis und zu dem zweiten Bildsensor ein großes Teilungsverhältnis auf, so dass dadurch unterschiedliche Strahlungsenergien im reflektierten und transmittierten Licht mit geringem Aufwand ermöglicht werden. Der erste Bildsensor weist weiterhin bevorzugt eine spektrale Empfindlichkeit von blau bis infrarot auf.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass der erste Bildsensor zur Optimierung der Belichtungssteuerung vorgesehen ist, derart, dass zur Optimierung der Belichtungssteuerung sowohl eine minimale Intensität des Fundusbildes als auch das Integral aller Intensitäten ausgelesen wird, oder zur Optimierung der Belichtungssteuerung insbesondere für Mindestbelichtungen werden gezielt ausgewählte dunkle Bereiche des Fundusbildes betrachtet.
Eine bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, dass der erste Bildsensor ab einer bestimmten Auflösung von Pixeln auch als Vorschaukamera vorgesehen ist. Die Vorschaukamera erzeugt bevorzugt ein Livebild zur Nutzeranzeige und zur fortlaufenden Kontrolle der Positionierung der Funduskamera relativ zum Patientenauge.
Es ist ebenso vorteilhaft vorgesehen, dass die Auswerte- und Steuereinheit mit der Beleuchtungseinheit derart gekoppelt ist, dass bei Erreichen eines Schwellwertes die Beleuchtungseinheit sehr schnell abschaltbar ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Beleuchtungseinheit einer Funduskamera sind z. B. eine Spaltlampe, eine Blitzlampe oder LEDs. Dabei ist zu beachten, dass bei Verwendung einer Blitzlampe, einer LED oder eines Lasers ein maximaler Zeitraum von der Pixelauswertung bis zum Abschalten der Beleuchtungseinheit von bevorzugt 50 μs benötigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen mit einer sehr hohen Dynamik im Fundusbild sieht mittels der erfindungsgemäßen Anordnung vor, dass der ortsauflösende erste Bildsensor in Wiederholungen ein Bewegungsfeld des Auges aufnimmt und einen lokalen Bereich, der die höchste Intensität aufweist, ermittelt. Anschließend wird die maximale Intensität für diesen Bereich ermittelt und es erfolgt ein Vergleich der ermittelten maximalen Intensität mit einem vorgegebenen Schwellwert.
Die Berechnung einer optimierten Belichtungszeit bzw. eines Abschaltzeitpunktes der Beleuchtung erfolgt dann aus der ermittelten maximalen Intensität.
Durch Aussenden eines Signals zur Beleuchtungseinheit erfolgt dann die Abschaltung der Beleuchtungseinheit und die Übermittlung des optimal belichteten Fundusbildes zu der Auswerte- und Steuereinheit und einer Anzeigeeinheit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematisch in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen erfindungsgemäßen Abbildungsstrahlengang zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen für Funduskameras für klassische Retinauntersuchungen eines Patientenauges. Der von einer Beleuchtungseinheit 1 einer Funduskamera, z. B. einer Spaltlampe, einer Blitzlampe oder LEDs ausgesandte Beleuchtungsstrahl zur Beleuchtung eines Augenhintergrundes 7 eines Auges 8 für eine direkte Beobachtung oder eine Aufnahme wird in einem Beleuchtungsstrahlengang 2 über ein Objektiv 3, einen Lochspiegel 4 und eine Ophthalmoskoplinse 5 durch eine Pupille 6 auf den Augenhintergrund 7 des zu untersuchenden Auges 8 als Leuchtfeld abgebildet, durch welches der Augenhintergrund 7 gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Das von dem Augenhintergrund 7 des Auges 8 reflektierte Licht wird zur Bildgebung durch die Pupille 6 über die Ophthalmoskoplinse 5 unter Bildung eines Zwischenbildes durch die Apertur des Lochspiegels 4 und ein dem Lochspiegel 4 nachgeordnetem Objektiv 9 auf einen in der optischen Achse eines Abbildungsstrahlenganges 10 angeordneten ein- und ausschwenkbaren, schräg gestellten, dichroitisch ausgebildeten Strahlteiler 11 geführt, der beispielsweise als Teilerspiegel mit einem unsymmetrischen Teilungsverhältnis der Reflexion zur Transmission ausgebildet ist. Das von dem Auge 8 durch die Ophthalmoskoplinse 5 einfallende Licht wird durch den Strahlteiler 11 vorzugsweise mit einem unsymmetrischen Teilungsverhältnis von beispielsweise 5–10% über ein vorgeschaltetes Objektiv 12 auf einen ersten Bildsensor 13 und vorzugsweise mit einem unsymmetrischen Teilungsverhältnis von beispielsweise 90–95% über ein vorgeschaltetes Objektiv 14 auf einen zweiten Bildsensor 15 geleitet. Das Teilungsverhältnis zwischen den Bildsensoren 13 und 15 ist so dimensioniert, dass für den zweiten Bildsensor 15 nur das minimal notwendige Licht zur zuverlässigen Auswertung der maximalen und minimalen Intensitäten ausgekoppelt wird. Der zweite Bildsensor 15 muss dabei die Anforderungen der ophthalmologischen Applikation, beispielsweise eine Mindestauflösung, Farbtreue und eine Mindestdynamik erfüllen. Der erste Bildsensor 13 muss eine Mindestauflösung von ca. 30×30 Pixeln aufweisen, sowie die beschriebenen Auswertemodalitäten, beispielsweise eine kurze Belichtungszeit aufweisen und kann dann bei dieser Auflösung auch als Vorschaukamera eingesetzt werden. Eine Auswerte- und Steuereinheit 16 stellt sowohl die Belichtungszeiten der Bildsensoren 13 und 15 für die Aufnahmen der Einzelbilder asymmetrisch ein und liest auch nach der Aufnahme die Einzelbilder aus den Bildsensoren 13 und 15 aus und überträgt sie auf einen nicht näher dargestellten, bekannten Rechner, der die Auswerte- und Steuereinheit 16 überwacht und einstellt und der Auswerte- und Steuereinheit 16 die Belichtungszeiten für die Bildsensoren 13 und 15 vorgibt. Um einerseits eine beschleunigte Messung vorzunehmen und anderseits eine Belastung des Patienten durch ein schnelles Auslesen der Sensoren zu verringern, ist die Auswahl der Sensoren sehr wichtig. In diesem Ausführungsbeispiel ist vorzugsweise für den Bildsensor 13 ein Sensor mit Messung in mehreren Sektoren vorgesehen. Die im Strahlengang dargestellten Pfeile zeigen dabei die reellen Zwischenbilder an. Um die Bildqualität der automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen zu verbessern, wird der bekannte, flächig integrale Bildsensor 15 durch einen Bildsensor 13 ergänzt, der beispielsweise in diesem Ausführungsbeispiel eine örtliche Mindestauflösung von bevorzugt 30×30 Pixeln aufweist.
Der erste Bildsensor 13 arbeitet dabei vorzugsweise mit sehr hoher Bildfrequenz von mindestens 1 kHz und ermittelt in zeitlicher Folge Pixel mit maximaler Intensität und gibt diese maximale Intensität in folgenden Verfahrensschritten aus:
der ortsauflösende Bildsensor 13 nimmt in Wiederholungen ein Bewegungsfeld des Auges 8 auf, anschließend erfolgt die Ermittlung eines lokalen Bereiches, der die höchste Intensität aufweist und die Ermittlung der maximalen Intensität für diesen Bereich. Durch einen Vergleich der ermittelten maximalen Intensität mit einem vorgegebenen Schwellwert erfolgt eine Berechnung einer optimierten Belichtungszeit bzw. eines Abschaltzeitpunktes der Beleuchtung aus der ermittelten maximalen Intensität, und das Aussenden eines Signals zur Beleuchtungseinheit 1 zur Abschaltung der Beleuchtungseinheit 1 oder die Übermittlung des optimal belichteten Fundusbildes zu der Auswerte- und Steuereinheit 16 und einer nicht näher dargestellten bekannten Anzeigeeinheit.
Zur Optimierung der Belichtungssteuerung wird sowohl eine minimale Intensität als auch das Integral aller Intensitäten ausgelesen und für Mindestbelichtungen werden gezielt ausgewählte dunkle Bereiche des Fundusbildes betrachtet. Die Auswerte- und Steuereinheit 16 ist so eingerichtet, dass sie das Gesamtbild mit einer hohen Dynamik ermittelt und dieses an einen nicht näher dargestellten bekannten Rechner übermittelt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit 16 aus dem Datenstrom der maximalen Intensitäten einen Schwellwert ermittelt, so dass von der Steuer- und Auswerteeinheit 16 die Diagnose- oder Therapieuntersuchungen unterbrochen werden, indem die Beleuchtungseinheit 1, z. B. eine Blitzlampe abgeschaltet wird.
Bei der Verwendung einer Blitzlampe, einer LED oder eines Lasers wird dabei ein maximaler Zeitraum von der Pixelauswertung bis zum Abschalten der Beleuchtungseinheit von bevorzugt 50 μs benötigt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Ausführungsbeispiel, sondern ist in der angewandten Einrichtung variabel. Sie umfasst insbesondere auch Varianten, die durch Kombination von in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung beschriebenen Merkmalen bzw. optischen Elementen gebildet werden können. Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und in den Ansprüchen erwähnt sind.
Bezugszeichenliste

1: Beleuchtungseinheit
2: Beleuchtungsstrahlengang
3: Objektiv
4: Lochspiegel
5: Ophthalmoskoplinse
6: Pupille des Auges
7: Augenhintergrund
8: Auge
9: Objektiv
10: Abbildungsstrahlengang
11: Strahlteiler
12: vorgeschaltetes Objektiv
13: erster Bildsensor
14: vorgeschaltetes Objektiv
15: zweiter Bildsensor
16: Auswerte- und Steuereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007046210 A1 [0002]
DE 102009030467 A1 [0002]

Claims

Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen für Funduskameras zur Beobachtung, Untersuchung, Diagnose und Therapie eines Augenhintergrundes für Fundusbilder, die eine sehr hohe Dynamik enthalten, umfassend einen Beleuchtungsstrahlengang mit einer Beleuchtungsoptik zur Beleuchtung des Augenhintergrundes, einen Beobachtungsstrahlengang, der von dem Augenhintergrund des Auges über eine Beobachtungsoptik zu einem Detektor zur Abbildung des vom Auge reflektierten Lichtes führt, einen Strahlteiler und mindestens einen Bildsensor sowie eine Steuer- und Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (16) verbundener Bildsensor (13) zur Ermittlung und Ausgabe einer maximalen Intensität eines Fundusbildes eine örtliche Mindestauflösung von Pixeln und eine sehr hohe Bildfrequenz aufweist, wobei bei einer automatische Belichtung von Fundusaufnahmen mit einer Bewertung eines lokalen Maximums im Fundusbild die Steuer- und Auswerteeinheit (16) aus dem Datenstrom der maximalen Intensitäten einen Zeitpunkt zur Abschaltung einer Beleuchtungseinheit (1) ermittelt.
Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abbildung des Fundusbildes auf den ersten Bildsensor (13) und einen zweiten Bildsensor (15) in einem gemeinsamen Abbildungsstrahlengang (10) ein Strahlteiler (11) vorgesehen ist, wobei der Strahlteiler (11) zu den Bildsensoren (13, 15) ein unterschiedliches jeweils unsymmetrisches Teilungsverhältnis aufweist.
Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (11) zu dem Bildsensor (13) ein kleines Teilungsverhältnis und zu dem Bildsensor (15) ein großes Teilungsverhältnis aufweist.
Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (13) eine spektrale Empfindlichkeit von blau bis infrarot aufweist.
Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (13) ab einer Auflösung von ca. 30×30 Pixeln auch als Vorschaukamera vorgesehen ist.
Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor (13) zur Optimierung der Belichtungssteuerung eine minimale Intensität ausliest.
Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (16) mit der Beleuchtungseinheit (1) gekoppelt ist, derart, dass bei Erreichen eines Schwellwertes die Beleuchtungseinheit (1) abschaltbar ist.
Anordnung zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung einer Blitzlampe, einer LED oder eines Lasers ein maximaler Zeitraum von der Pixelauswertung bis zum Abschalten der Beleuchtungseinheit von bevorzugt 50 μs benötigt wird.
Verfahren zur automatischen Belichtung von Fundusaufnahmen mit einer sehr hohen Dynamik im Fundusbild zur Beobachtung, Untersuchung und zur Diagnose eines Augenhintergrundes, mit einer Beleuchtungsoptik, einer Abbildungsoptik, einem Strahlteiler, mindestens einem Bildsensor (13) und einer Auswerte- und Steuereinheit (16) gekennzeichnet durch folgende Schritte: Aufnahme eines Bewegungsfeldes des Auges durch den ortsauflösenden ersten Bildsensor (13) in Wiederholungen und Ermittlung eines lokalen Bereiches, der die höchste Intensität aufweist, Ermittlung der maximalen Intensität für diesen Bereich, Vergleich der ermittelten maximalen Intensität mit einem vorgegebenen Schwellwert, Berechnung einer optimierten Belichtungszeit bzw. eines Abschaltzeitpunktes der Beleuchtung aus der ermittelten maximalen Intensität, Aussenden eines Signals zur Beleuchtungseinheit (1) zur Abschaltung der Beleuchtungseinheit (1), Übermittlung des optimal belichteten Fundusbildes zur Auswerte- und Steuereinheit (16) und einer Anzeigeeinheit.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Belichtungssteuerung sowohl eine minimale Intensität als auch das Integral aller Intensitäten ausgelesen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Belichtungssteuerung insbesondere für Mindestbelichtungen gezielt ausgewählte dunkle Bereiche des Fundusbildes betrachtet werden.