-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Diagnose, sowie zur Planung und/oder Verlaufskontrolle einer Operation am Auge, wobei die Vorrichtung unter anderem über ein optisches System zur Ausrichtung und Fixierung des Auges bezüglich der optischen Achse der Vorrichtung verfügt.
-
In der Ophthalmologie stellen die Beobachtung und Dokumentation des Augenstatus wahrscheinlich den am häufigsten erforderlichen Schritt für die Diagnose von Krankheiten, die Planung, Durchführung und die Bewertung von Operationen des menschlichen Auges dar.
-
Aus dem bekannten Stand der Technik sind eine Vielzahl, auf unterschiedlichen Prinzipien basierende Untersuchungs- und Behandlungsgeräten bekannt. Allerdings gilt für alle Typen derartiger Geräte, dass das Auge in Bezug auf das jeweilige Gerät nach Möglichkeit immer gleich und stabil ausgerichtet ist. Dazu ist im Allgemeinen ein separates System für die Ausrichtung und Fixierung des Patientenauges erforderlich.
-
Bei einem derartigen Augenfixierungs-System wird von einer Lichtquelle eine Fixiermarke entlang der optischen Achse des jeweiligen Gerätes in das menschliche Auge projiziert. Der Patient wird gebeten auf diese Fixiermarke zu blicken, wodurch sein Auge auf die optische Achse des Gerätes ausgerichtet wird. In einem zweiten Schritt wird bewertet wie stabil die Ausrichtung des Patientenauges ist.
-
Dazu wird im einfachsten Fall der Reflex der Fixiermarke auf der Hornhaut des zu untersuchenden Auges genutzt. Dabei wird dieser, sogenannte „erste Purkinje-Reflex“ aufgezeichnet und hinsichtlich dessen Ausrichtung und/oder möglicher Bewegungen in Bezug auf die optische Achse des Gerätes sowie für weiter Interaktion zwischen Gerät und Patient analysiert.
-
Obwohl die Bewertung der Ausrichtung des untersuchten Auges in Bezug auf das Gerät das Hauptziel des Augenfixierungs-Systems ist, können von der, die Fixiermarke erzeugenden Lichtquelle durch Reflexion, Beugung und Brechung des Fixierlichtes weitere Informationen zu Besonderheiten von Teilen des zu untersuchenden Auges erzeugt werden.
-
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Geräten ist für das Fixierlicht lediglich die Auswertung des ersten Purkinje-Reflexes vorgesehen, um daraus Informationen bezüglich der Ausrichtung bzw. Fixation des zu untersuchenden Auges zu generieren.
-
Hierzu zeigt die das mit einer Intensitätstiefe/Farbtiefe von 8 Bit aufgenommene Bild eines nur von einem Fixierlicht beleuchteten Auges, wobei der helle Punkt den ersten Purkinje-Reflex von der Hornhaut des Auges darstellt.
-
Nachteilig wirkt sich bei diesen bekannten Geräten aus, dass ein Sammeln weiterer, vom Fixierlicht durch Reflexion, Beugung und Brechung erzeugten Informationen nicht vorgesehen ist.
-
Zudem werden diese Informationen durch andere Beleuchtungen, wie beispielsweise für einen Spalt, ein Placido-Ring-System, ein keratometrisches Punktmuster oder auch der Umgebung unterdrückt, und somit allgemein für die ophthalmologische Diagnose vernachlässigt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu entwickeln, bei der durch die Gewinnung zusätzlicher Informationen des zu untersuchenden Auges eine verbesserte Diagnose, sowie zur Planung und/oder Verlaufskontrolle einer Operation am Auge ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Diagnose, Planung und/oder Verlaufskontrolle einer Operation an einem Auge, welche unter anderem über ein optisches System zur Fixierung des Auges bezüglich der optischen Achse der Vorrichtung verfügt, bestehend aus einer Lichtquelle zur Projektion einer Fixiermarke in das Auge, einem Bildsensor zum Empfangen des von Hornhaut, Linse und Netzhaut des Auges reflektierten, gebeugten oder gestreuten Lichtes, sowie einer Steuereinheit, die ausgebildet ist, in den vom Bildsensor übermittelten Bildern Reflexe, sowie Beugungs- und Streulicht der Fixiermarke von Augenstrukturen zu detektieren, dadurch gelöst, dass eine Digitalkamera zur Aufnahme von HDR-Bildern des Auges vorhanden ist, dass die Digitalkamera ausgebildet ist, HDR-Bildern des Auges vorwiegend nur bei aktivierter Fixierbeleuchtung aufzunehmen und dass die Steuereinheit weiter ausgebildet ist, die aufgenommenen HDR-Bildern des Auges zu optimieren, auszuwerten und auf der Anzeigeeinheit darzustellen.
-
Unter „HDR-Bildern“ (high dynamic range - HDR), „Bilder mit hohem Dynamikumfang“ oder auch „Hochkontrastbilder“ sind verschiedene Techniken zur Aufnahme und Wiedergabe von Bildern mit großen Helligkeitsunterschieden ab etwa 1:1000 zu verstehen.
-
HDR-Bilder können von vielen Kameras direkt aufgenommen, aus Belichtungsreihen von Fotos mit normalem Dynamikumfang (low dynamic ränge - LDR) erzeugt oder als 3D-Computergrafiken direkt berechnet werden.
-
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen betreffen erfindungsgemäß die Digitalkamera, die über eine Intensitätstiefe/Farbtiefe von mehr als 8 Bit verfügt und als telezentrisches Bildgebungssystem ausgebildet ist.
-
Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend kann die erfindungsgemäße Vorrichtung als Nachrüsteinheit für ophthalmologische Geräte ausgebildet sein.
-
Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung als ein unabhängiges Ein-Funktions-Gerät zur Retro-Beleuchtungsanalyse für das Auge des Patienten zu gestalten.
-
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin dadurch gelöst, dass die von der Digitalkamera vorwiegend nur bei aktivierter Fixierbeleuchtung aufgenommenen HDR-Bilder des Auges von der Steuereinheit optimiert, ausgewertet und auf der Anzeigeeinheit dargestellt werden, wobei für die Optimierung und Auswertung der HDR-Bilder des Auges bekannte Bildbearbeitungs- und Bildoptimierungsverfahren zur Anwendung kommen.
-
Erfindungsgemäß erfolgt die Optimierung und Auswertung der HDR-Bilder des Auges anhand folgender Schritte:
- a) Entfernen des Bildrauschens,
- b) Optimierung der Intensitätsabbildung, um ein „mondähnliches“ Pupillenbild des Auges zu erhalten,
- c) Detektion des Pupillenrandes und Ermitteln des Durchmessers,
- d) Vergleich des Durchmessers mit einem erwarteten Wert,
- e) bei einem zu kleinen Durchmesser erfolgt eine Dilatation und eine erneute Durchführung der Schritte a) bis d),
- f) bei einem, mindestens dem erwarteten Wert entsprechenden Durchmesser erfolgt eine Detektion der Bildinhalte hinsichtlich von Auffälligkeiten.
-
Die vorgeschlagene technische Lösung ist für unterschiedliche ophthalmologische Geräte zur Diagnose, Planung und/oder Verlaufskontrolle von Operationen am Auge vorgesehen, welche unter anderem über ein optisches System zur Fixierung des Auges bezüglich der optischen Achse der Vorrichtung verfügen.
-
Prinzipiell ist die Lösung aber auch auf anderen technischen Gebieten einsetzbar, bei denen durch die Verwendung einer zur Aufnahme von HDR-Bildern geeigneten Digitalkamera zusätzliche Informationen des abzubildenden Objekts generiert und entsprechend ausgewertet werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen die Abbildungen Bilder, nur von einem Fixierlicht beleuchteter Augen, wobei der Ring im Inneren jeweils die laterale Position des ersten Purkinje-Reflexes angibt:
- : ein mit einer Intensitätstiefe/Farbtiefe von 8 Bit aufgenommenes Bild,
- : mit einer Intensitätstiefe/Farbtiefe von 12 Bit aufgenommene HDR-Bilder, mit linearer bzw. optimierter Intensitätsabbildung zur 8-Bit-Visualisierung,
- : HDR-Bilder von Augen mit kleiner Pupille,
- : HDR-Bilder von Augen mit einer Katarakt,
- : ein HDR-Bild eines Auges mit einer Katarakt, zur Festlegung der Richtung eines OCT-Scans,
- : HDR-Bilder von Augen mit einer sphärischen IOL
- : HDR-Bilder von Augen mit einer torischen IOL und
- : HDR-Bilder eines Auges mit einem im Tränenfilm bewegenden Partikel,
-
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Diagnose, Planung und/oder Verlaufskontrolle einer Operation an einem Auge, welche unter anderem über ein optisches System zur Fixierung des Auges bezüglich der optischen Achse der Vorrichtung verfügt, besteht aus einer Lichtquelle zur Projektion einer Fixiermarke in das Auge, einem Bildsensor zum Empfangen des von Hornhaut, Linse und Netzhaut des Auges reflektierten, gebeugten oder gestreuten Lichtes, sowie einer Steuereinheit, die ausgebildet ist, in den vom Bildsensor übermittelten Bildern Reflexe, sowie Beugungs- und Streulicht der Fixiermarke von Augenstrukturen zu detektieren.
-
Erfindungsgemäß ist eine Digitalkamera zur Aufnahme von HDR-Bildern des Auges vorhanden und ausgebildet HDR-Bilder des Auges vorwiegend nur bei aktivierter Fixierbeleuchtung aufzunehmen. Weiterhin ist die Steuereinheit ausgebildet, die aufgenommenen HDR-Bilder des Auges zu optimieren, auszuwerten und auf einer Anzeigeeinheit darzustellen.
-
Weiterhin ist die Steuereinheit ausgebildet, durch die Detektion der Fixiermarke in den vom Bildsensor übermittelten Bildern die Ausrichtung des Auges in Bezug auf die optische Achse der Vorrichtung zu kontrollieren und auf der Anzeigeeinheit darzustellen.
-
Dabei verfügt die Digitalkamera über eine Intensitätstiefe/Farbtiefe von mehr als 8 Bit, vorzugsweise 10 bis 14 Bit und besonders bevorzugt von 16 oder mehr Bit.
-
Bei Bits pro Pixel (bpp) handelt es sich um die Anzahl der Bits, mit der ein Pixel dargestellt wird. Die Anzahl ist abhängig von der Auflösung und ein Maß für die Intensitätstiefe/Farbtiefe.
-
So kann mit 8 Bit eine Intensitätstiefe mit 256 Intensitäten dargestellt werden. Im Vergleich dazu lassen sich mit einer Auflösung mit 16 Bit bereits eine Intensitätstiefe in High Intensität mit 65.536 Intensitäten und mit 24 Bit Auflösung eine Intensität mit 16,7 Millionen Intensitäten aufgezeichnet werden. Bei der genannte „True Color“-Darstellung mit 24 bpp stehen für jeden der RGB-Kanäle 8-Bit zur Verfügung.
-
Es gibt aber auch einige Darstellungstechniken, die mit höheren Farbauflösungen arbeiten. Bei diesen so genannten „Deep Color“-Darstellungen mit 30, 36 oder 48 bpp stehen für jeden der RGB-Kanäle 10, 12 oder 16 Bit zur Verfügung.
-
Bei einer Farbauflösung von 36 bpp handelt es sich beispielsweise um eine Erweiterung von 24 bpp, bei dem für jeden der RGB-Kanäle 8 Bit und zusätzlich 8 Bit für einen Alpha-Kanal zum Blending der Anzeige zur Verfügung stehen.
-
Zu diesen Darstellungstechniken gehört eine Variante der HD-Darstellung mit 1.080 Zeilen und ein 4K-Standard von D-Cinema. Eine weitere Erhöhung der Bits pro Pixel ist mit Alphablending möglich. Neue Technologien bieten mehr Möglichkeiten zur Anzeige von HDR-Bildern durch geeignete Intensitätsabbildungsmethoden.
-
Einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung entsprechend ist die HDR-Digitalkamera Bestandteil eines telezentrischen Bildgebungssystems.
-
Ein telezentrisches Bildgebungssystem ermöglicht es, das begrenzte Licht in der Nähe der Bildachse zu sammeln, und eine abstandsunabhängige Messung für die erforderlichen Augeninformationen, wie z. B. die Pupillengröße bereitzustellen.
-
Einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung entsprechend sind Vorrichtungen zum Schutz vor Umgebungslicht vorhanden.
-
Einer dritten, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung entsprechend kann die Vorrichtung als Nachrüsteinheit für ophthalmologische Geräte, oder als ein unabhängiges Ein-Funktions-Gerät zur Retro-Beleuchtungsanalyse für das Auge des Patienten ausgebildet sein.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Diagnose, Planung und/oder Verlaufskontrolle einer Operation an einem Auge wird von einer Lichtquelle eine Fixiermarke in das Auge projiziert, das von Hornhaut, Linse und Netzhaut des Auges reflektierte, gebeugte oder gestreute Licht der Fixiermarke auf einen Bildsensor abgebildet und von einer Steuereinheit in den vom Bildsensor übermittelten Bildern Reflexe, sowie Beugungs- und Streulicht der Fixiermarke von Augenstrukturen detektiert.
-
Erfindungsgemäß werden von einer Digitalkamera HDR-Bilder des Auges vorwiegend nur bei aktivierter Fixierbeleuchtung aufgenommenen und von der Steuereinheit optimiert, ausgewertet und auf der Anzeigeeinheit dargestellt.
-
Von der Steuereinheit wird weiterhin die Fixiermarke in den vom Bildsensor übermittelten Bildern detektiert und so die Ausrichtung des Auges in Bezug auf die optische Achse der Vorrichtung kontrolliert und auf einer Anzeigeeinheit darstellt.
-
Von der Digitalkamera werden dabei HDR-Bilder des Auges mit einer Intensitätstiefe/Farbtiefe von mehr als 8 Bit, vorzugsweise 10 bis 14 Bit und besonders bevorzugt 16 Bit oder mehr aufgenommen.
-
Einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens entsprechend werden die HDR-Bilder des Auges telezentrisch aufgenommen, um das begrenzte Licht in der Nähe der Bildachse zu sammeln.
-
Einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens entsprechend wird zur Aufnahme der Augenbilder das Umgebungslicht unterdrückt wird.
-
Die von einer Digitalkamera aufgenommenen HDR-Bilder des Auges von der Steuereinheit mittels bekannter Bildbearbeitungs- und Bildoptimierungsverfahren optimiert, ausgewertet und zur Anzeige gebracht.
-
Da HDR-Bilder auf üblichen Bildschirmen und Medien und/oder nur eingeschränkt direkt dargestellt werden können, müssen diese zur Darstellung im Helligkeitskontrast reduziert werden. Dieser Vorgang wird Dynamikkompression (tone mapping) genannt. Ungeachtet dieser Einschränkung können ausgehend von HDR-Bildern Über- und Unterbelichtungen vermieden, Bilddetails besser erhalten und weiterreichende Bildbearbeitungen vorgenommen werden. Derartige Anwendungen sind insbesondere auch in der Medizin von Vorteil.
-
Neuere Versionen einiger Bildbearbeitungsprogramme können HDR-Bilder direkt bearbeiten. Dies erlaubt es, Helligkeits-, Kontrast- und Farbänderungen vorzunehmen, ohne dass es zu Verlusten in Form von gesättigten Pixelwerten kommt.
-
HDR-Bilder mit einem höheren Dynamikbereich der Pixelintensität bietet die Möglichkeit, Pixelintensitäten auch mit anderen Methoden als nur der linearen Abbildung adaptiv auf 8-Bit-Bildschirmgeräte abzubilden.
-
Erfindungsgemäß erfolgt die Optimierung und Auswertung der HDR-Bilder des Auges anhand folgender Schritte erfolgt:
- a) Entfernen des Bildrauschens,
- b) Optimierung der Intensitätsabbildung, um ein „mondähnliches“ Pupillenbild des Auges zu erhalten,
- c) Detektion des Pupillenrandes und Ermitteln des Durchmessers,
- d) Vergleich des Durchmessers mit einem erwarteten Wert,
- e) bei einem zu kleinen Durchmesser erfolgt eine Dilatation und eine erneute Durchführung der Schritte a) bis d),
- f) bei einem, mindestens dem erwarteten Wert entsprechenden Durchmesser erfolgt eine Detektion der Bildinhalte hinsichtlich von Auffälligkeiten.
-
Gemäß den Verfahrensschritten a) und b) werden die aufgenommenen HDR-Bilder dadurch verbessert, dass das Bildrauschen entfernt und die Intensitätsabbildung optimiert wird, um ein „mondähnliches“ Pupillenbild des Auges zu erhalten.
-
Hierzu zeigt die die mit einer Intensitätstiefe/Farbtiefe von 12 Bit aufgenommenen HDR-Bilder, mit linearer bzw. optimierter Intensitätsabbildung zur 8-Bit-Visualisierung.
-
Die Abbildungen zeigen HDR-Bilder von Augen, die nur von einem Fixierlicht beleuchtet sind. Das linke HDR-Bild wurde hierbei mit linearer und das rechte HDR-Bild mit optimierter Intensitätsabbildung visualisiert.
-
Gemäß den Verfahrensschritten c) und d) werden die aufgenommenen HDR-Bilder dadurch bearbeitet und ausgewertet, dass der Pupillenrand detektiert, der Durchmesser ermittelt und mit einem erwarteten Wert, des Durchmessers verglichen wird.
-
Im nächsten Verfahrensschritt e) erfolgt bei einem zu kleinen Durchmesser eine Dilatation und eine erneute Durchführung der Schritte a) bis d),
-
Unter Dilatation (Bildverarbeitung) ist eine morphologische Basis-Operation in der digitalen Bildverarbeitung zu verstehen, bei der im Allgemeinen das ursprüngliche Bild mittels eines strukturierenden Elements „ausgedehnt“ oder „erweitert“ wird.
-
Hierzu zeigt die ein HDR-Bild eines Auges mit kleiner Pupille.
-
Gemäß dem letzten Verfahrensschritt f) werden die Bildinhalte in Form der Intensitätsverteilungen der aufgenommenen HDR-Bilder hinsichtlich von Auffälligkeiten detektiert, wenn ein mindestens dem erwarteten Wert entsprechender Durchmesser der Pupille vorliegt.
-
Einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens entsprechend werden die HDR-Bilder hinsichtlich vorhandener Dunkel- bzw. Schattenbereiche detektiert, die im Bereich der Augenlinse auf eine mögliche Katarakt-Erkrankung oder eine Trübung der hinteren Kapsel hinweisen.
-
Durch entsprechende Analyse ist optional die Einstufung des Kataraktgrades der Augenlinse möglich.
-
Hierzu zeigt die eine Anzahl HDR-Bilder von Augen mit einer Katarakt. Hierbei deuten die zu sehenden Dunkel- bzw. Schattenbereiche auf unterschiedliche Grade der Katarakt-Erkrankung hin.
-
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn die detektierten Auffälligkeiten insbesondere bei einer detektierten Katarakt-Erkrankung auch zu weiteren klinischen Untersuchungen des Auges führen können.
-
Insbesondere können detektierte Auffälligkeiten gemäß dem Schritt f) auch dazu führen, einen OCT-B-Scan gemäß den beobachteten Augeninformationen durchzuführen, um Kataraktfläche/-grad zu bestimmen und um weitere klinisch aussagekräftige OCT-Tiefeninformationen des untersuchten Auges zu erhalten.
-
Hierzu zeigt die ein HDR-Bild eines Auges mit einer Katarakt. Anhand der zu sehenden Dunkel- bzw. Schattenbereiche kann auf einfache Weise die bevorzugte Richtung für einen zusätzlichen OCT-Scan festgelegt werden.
-
Dadurch wird es beispielsweise ermöglicht den Bereich und/oder Grad des Katarakts genauer zu bestimmen und weitere klinisch bedeutsame OCT-Tiefeninformationen des untersuchten Auges zu erhalten.
-
Einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens entsprechend kann bei der Detektion von Auffälligkeiten in den HDR-Bildern auch der Rand einer IOL und/oder dessen vorhandene Marker ermittelt werden.
-
Optionales ist so ein Analysieren des IOL-Status nach der Operation basierend auf der beobachteten IOL-Grenze im HDR-Bild möglich.
-
Detektierte Auffälligkeiten gemäß dem Schritt f) können beispielsweise auch der 3. und 4. Purkinje-Reflex sein, wodurch sich die Verkippung und Zentrierung der IOL im Auge bestimmen lassen.
-
Weiterhin erlauben detektierte Auffälligkeiten gemäß dem Schritt f) beispielsweise auch die Größe und Qualität der Kapsulorhexis zu beurteilen.
-
zeigt hierzu HDR-Bilder von Augen mit einer sphärischen IOL.
-
Handelt es sich bei der implantierten IOL um eine torische IOL, so kann anhand der detektierten Marker nicht nur dessen Lage (Dezentrierung, Achsenausrichtung usw.), sondern auch dessen Orientierung ermittelt werden.
-
zeigt hierzu HDR-Bilder von Augen mit einer torischen IOL.
-
Einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens entsprechend können eine Reihe HDR-Bilder des Auges aufgenommen werden, um beispielsweise die Funktion des Tränenfilms kontrollieren zu können.
-
Die Analyse der aufgenommenen HDR-Bilder erfolgt dabei zeitabhängig, wobei insbesondere die Bewegung von Partikeln im Tränenfilm detektiert werden.
-
Hierzu zeugt die HDR-Bilder eines Auges mit einem im Tränenfilm bewegenden Partikel.
-
Aus den HDR-Bildern, die mit einer Frequenz von 1 Hz aufgenommen wurden, ist in der oberen Reihe ein sich nach oben und in der unteren Reihe ein sich nach unten bewegender dunkler Punkt zu erkennen.
-
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine Lösung zur Diagnose, sowie zur Planung und/oder Verlaufskontrolle einer Operation am Auge zur Verfügung gestellt, mit der die Gewinnung zusätzlicher Informationen des zu untersuchenden Auges eine verbesserte Anwendung ermöglicht wird.
-
Die vorgeschlagene technische Lösung ist für nicht nur für unterschiedliche ophthalmologische Geräte zur Diagnose, Planung und/oder Verlaufskontrolle von Operationen am Auge vorgesehen, sondern auch auf anderen technischen Gebieten einsetzbar, bei denen durch die Verwendung einer zur Aufnahme von HDR-Bildern geeigneten Digitalkamera zusätzliche Informationen des abzubildenden Objekts generiert und entsprechend ausgewertet werden.
-
Besonders vorteilhaft ist, dass die Vorrichtung als Nachrüsteinheit für diverse ophthalmologische oder auch andere Geräte ausgebildet sein kann.
-
Es ist aber auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung als ein unabhängiges Ein-Funktions-Gerät zur Retro-Beleuchtungsanalyse für das Auge des Patienten zu gestalten.
