DE10209646A1

DE10209646A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung des Augeninnendrucks

Info

Publication number: DE10209646A1
Application number: DE2002109646
Authority: DE
Inventors: Dieter Roemhild; Herbert Bartuch
Original assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2003-09-18

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die eine hohe Messgenauigkeit und Handhabungssicherheit sowie die Unabhängigkeit von individuellen Cornea-Parameterschwankungen ermöglichen. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass die applanierte Berührungsfläche zwischen Cornea und Flächensensor und die zur Cornea-Applanation erforderliche Kraft gleichzeitig sowohl während des Applanationsvorgangs als auch während der anschließenden De-Applanation bestimmt werden und aus dem Verhältnis Kraft/Fläche zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Applanation oder De-Applanation der Cornea unter Berücksichtigung der IMBERT-FICK-Beziehung der Augeninnendruck bestimmt wird und dass mindestens ein Kraftsensor und mindestens ein Flächensensor in einem monolithischen Mikrosystem integriert sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung des Augeninnendrucks durch Messung der applanierten Fläche der Cornea mit einem kapazitiven Flächensensor und die gleichzeitige Messung der Applanationskraft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung des Augeninnendrucks durch Messung der applanierten Fläche der Cornea mit einem kapazitiven Flächensensor und die gleichzeitige Messung der Applanationskraft.
Verfahren und Anordnungen zur Augeninnendruckmessung werden seit über 100 Jahren in der wissenschaftlichen Literatur und in Patentschriften beschrieben. Eine große Anzahl von Patentanmeldungen belegt den rasanten Entwicklungsprozess auf diesem Gebiet. Heute ist die Bestimmung des Intraokulardrucks (IOP) ein unverzichtbares Routineverfahren in der ambulanten und klinischen Augenheilkunde.
In DE 35 33 693 A1 und in [2] wird ein Applanationstonometer vorgestellt, welches die Messung der applanierten Fläche u. a. durch die entstehende Koppelkapazität zwischen der Cornea und dem applanierenden Flächensensor ermöglicht. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, dass der für die Kapazitätsmessung erforderliche Hochfrequenz-Stromkreis über den Körper des Patienten und eine weitere Stirnelektrode führt. Schwankungen des Kontaktwiderstands, äußere Störfrequenzen, interindividuelle Streuungen der elektrischen Leitfähigkeit des Patienten und Auswirkungen von Anästhetika beeinflussen die Kalibrierung und Reproduzierbarkeit dieser Absolutwertmessung negativ. Das ebenfalls zur Flächenbestimmung vorgeschlagene digitale Potentiallinienverfahren, bei dem die leitfähige Cornea eine mehr oder weniger große Zahl von Leiterbahnen kurzschließt, ist für genaue Flächenmessungen prinzipiell nicht geeignet.
Aus den Patentschriften US 4,987,898 und JP 10000183 sind Vorschläge bekannt, durch die Verwendung von mehreren Sensoren innerhalb der applanierten Fläche Rückschlüsse auf die Abweichung von der geforderten streng axialen Kraftwirkung zu ziehen. Nachteilig ist hierbei der Flächenbedarf für die Anordnung mehrerer Sensoren auf der im Durchmesser begrenzten Applanationselektrode sowie die diskontinuierliche Detektion von eventuellen nichtaxialen Kraftkomponenten während des Applanationsvorgangs:
Weitere im Zusammenhang mit der Erfindung relevante Schriften sind:
[1] Funktionelle Schichten, adhäsive und antiadhäsive Oberflächen 2. Wörlitzer Workshop, 12.10.2000, Dessau
[2] Draeger, Hechler, Levedag, Wirt; über die automatische Messung des Augeninnendruckes mit einem elektronischen Sensortonometer; Klin. Mbl. Augenheilk. 190 (1987)
[3] M. B. Shields, G. K. Krieglstein; Glaukom; Springer-Verlag 1993
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die eine hohe Messgenauigkeit und Handbabungssicherheit sowie die Unabhängigkeit von individuellen Cornea- Parameterschwankungen ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale und mit einer Vorrichtung, welche die in Anspruch 8 angegebenen Merkmale enthält, gelöst.
Mit der vorliegenden Erfindung wird zur Messung des Augeninnendrucks und weiterer diagnostisch relevanter Parameter des Auges ein schwerkraftunabhängiges integriertes Mikrosystem-Tonometer eingesetzt, welches die gleichzeitige Bestimmung der applanierten Fläche und der dazu erforderlichen Kraft sowohl während des Applanationsvorgangs als auch während der anschließenden De-Applanation ermöglicht. Unter "De-Applanation" wird im weiteren die Relaxation der Cornea bei kleiner werdender Applanationskraft F verstanden. Aus dem Verhältnis Kraft/Fläche kann damit zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Applanation oder De-Applanation der Cornea unter Berücksichtigung der in [3] beschriebenen IMBERT-FICK-Beziehung der entsprechende Augeninnendruck bestimmt werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die gleichzeitige und voneinander unabhängige Bestimmung der applanierten Fläche der Cornea und der dazu erforderlichen Applanationskraft F ohne weitere Kraftübertragungsmittel. Damit ist eine schwerkraftunabhängige, fehlerarme Bestimmung des Augeninnendrucks und weiterer diagnostisch relevanter Parameter des Auges möglich.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Messanordnung in Schnittdarstellung,
Fig. 2 die Draufsicht auf den Flächensensor und
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Streufeldkondensators als Ausschnitt aus dem Flächensensor gemäß Fig. 2.
Das erfindungsgemäße Tonometer besteht aus einem selbstnormierenden Flächensensor 2 und einem Kraftsensor 1, die simultan in einem mikrotechnischen Verfahren hergestellt und zu einem monolitische Mikrosystem integriert werden. Das in Fig. 1 dargestellte Mikrosystem ist in der Art eines Silizium- Kraftsensors nach dem Boss-Typ ausgeführt. Die schwerkraftunabhängige Kraftmessung erfolgt vorteilhaft durch Dehnungsmessstreifen für den Kraftsensor 1, die im Bereich der stärksten Membrankrümmung angeordnet sind oder übliche, dem Stand der Technik entsprechende Messprinzipien.
Fig. 2 erläutert den Aufbau des Flächensensors. Dieser besteht aus einer Anordnung von fünf Streufeldkondensatoren 3 . . . 7, welche mittig auf dem Hubkolben 11, der auch als Boss bezeichnet wird, angeordnet sind und die Berührungsfläche zwischen Cornea 15 und Flächensensor kapazitiv messen. Aus den relativen Kapazitätsanteilen der Streufeldkondensatorsegmente 4 bis 7 lassen sich u. a. Rückschlüsse auf eine nicht-konzentrische Applanation bzw. die verursachende Abweichung von der axiale Kraftwirkung ziehen.
Zur Vermeidung einer adhäsiven Benetzung der Streufeldkondensatoren durch den Tränenfilm der Cornea 15 wird die Berührungsfläche mit einer Antiadhäsivbeschichtung 8 versehen. An derartige Schichten mit extrem geringer Oberflächenenergie haftet die Tränenflüssigkeit nicht und führt demzufolge auch nicht zu Messfehlern. Antiadhäsive Beschichtungen stehen in unterschiedlicher Materialkomposition und Oberflächenenergie zur Verfügung [1].
Lage und Größe der Streufeldkondensatoren sind so bemessen, dass nach ausreichender Applanation die Begrenzung der applanierten Fläche durch die äußeren kreissegmentförmigen Streufeldkondensatoren (SFK) 4 bis 7 führt. Insbesondere ist die Einhaltung des GOLDMANN-Kriteriums [3] für den Durchmesser von 3,06 mm gesichert. Vorteilhaft werden alle Streufeldkondensatoren 3 . . . 7 des Mikrosystems identisch präpariert und gewährleisten dadurch vergleichbare elektronisch wirksame Parameter. Insbesondere sind Elektrodenbreite 12, Elektrodenabstand 13 und Isolatordicke 14 für alle Kondensatoranordnungen gleich. Vorteilhaft ist dabei, dass die Kraftsensoren 1 unempfindlich gegen Lichteinwirkung sind und ihre Anordnung unabhängig von der Kristallorientierung des Trägersubstrats 16 ist.
Durch die zusammenhängende Registrierung von Applanationskurve und Relaxationskurve wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht. Ferner lassen sich aus dem Vergleich beider Kurven weitere diagnostisch relevante Informationen gewinnen, insbesondere durch die Auswertung der extrapolierten Messkurven auf die Schnittpunkte mit der Kraft- bzw. Flächenachse und der Hysterese zwischen Applanation und Relaxation.
Eine orthogonale Anordnung von vier Kraftsensoren 1 auf dem Umfang der Biegemembran 17, deren elektronische Ausgangssignale untereinander ins Verhältnis gesetzt werden, gestattet die Erkennung und Signalisierung einer Hubkolbenverkippung beim Applanationsvorgang infolge nicht axialer Richtung der Applanationskraft F. Damit ist auch eine nachträgliche mathematische Korrektur der Messwerte anhand einer vektoriellen Kraftzerlegung möglich.
Von Vorteil ist es auch, die applanierende Fläche der Messeinrichtung mit einer Antiadhäsivbeschichtung zur Verhinderung der durch Kapillaradhäsion bewirkten Flächen- und Kraftfehler von berührenden Tonometern zu versehen.
Das Messverfahren für die Augendruckbestimmung mit der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglicht:

1. Die gleichzeitige Kraft- und Flächenmessung über dem Verformungsweg der Cornea bei Applanation und De-Applanation. Aus dem Verhältnis Kraft/Fläche kann damit zu jedem beliebigen Zeitpunkt während der Applanation oder Relaxation der Cornea unter Berücksichtigung der IMBERT-FICK-Beziehung der entsprechende Augeninnendruck bestimmt werden. Aus der Hysterese zwischen Applanation und Relaxation lassen sich weitere diagnostisch relevante Informationen, z. B. über die okuläre Pulsation, die Rigidität der Cornea und den Tränenfilm ableiten. [3]
2. Die Bestimmung der x-y-Kraftkomponenten zur Bestimmung und Korrektur nichtaxialer Kraftwirkung mittels vier orthogonal am Umfang der Biegemembran angeordneter Kraft-Sensoren 1.
3. Die exakte Vermessung auch unregelmäßiger Applanationsflächen durch einen integrierten, ratiometrisch messenden 5-Quadranten- Streufeld-Kondensator. Aus der Abweichung der applanierten Fläche von der Kreisform können unter Berücksichtigung der gemessenen Kraftkomponenten gemäß Punkt 2 Astigmatismus oder lokale Corneaveränderungen detektiert werden.
4. Das Abspeichern aller anfallenden Daten während der Applanation und Relaxation der Cornea in einem Transientenspeicher, Visualisierung des Messvorgangs, Kontrolle und gegebenenfalls Korrektur der Fehlereinflüsse und Auswertung der Daten als Protokoll.

Die Funktionsweise eines Streufeldkondensators ist in Fig. 3 dargestellt. Die erfindungsgemäße Flächenmessung mit dem Sensor 2 beruht auf der Fähigkeit eines Streufeldkondensators die Impedanz eines Stoffes, der vom Streufeld durchdrungen wird, zu detektieren. In der erfindungsgemäßen Anwendung zur Bestimmung der Cornea-Applanation bedeutet es, dass die Kapazität der Teilfläche eines planaren Streufeldkondensators, die von der applanierten Cornea berührt wird, wegen der im Vergleich zu Luft sehr viel niedrigeren Impedanz der Cornea und ihres Tränenfilms entsprechend ansteigt. Aus der relativen Änderung der gemessenen Kapazität ergibt sich dann die berührende Fläche.
Wie in Fig. 2 dargestellt, wird durch die Aufteilung des Flächensensors in eine konzentrische Teilfläche 3 und die segmentförmigen Teilflächen 4, 5, 6 und 7 eine ratiometrische Messung der applanierten Fläche ermöglicht, die unabhängig ist von der individuellen Streuung von elektronischen wirksamen Cornea-Parametern, wie z. B. Dielektrizitätskonstante, Leitfähigkeit, Dicke und Temperatur des Tränenfilms und dem Einfluss von Anästhetika.
Beim Messvorgang wird in der Startphase der Applanation die Teilfläche 3 mit zunehmender Applanationskraft F völlig von der Cornea bedeckt und erreicht damit ihre maximal mögliche Kapazität. Auf diesen Maximalwert werden erfindungsgemäß alle Teilkapazitäten der Teilfläche 4-7 beim weiter fortschreitenden Applanationsvorgang normiert.
Dieses ratiometrische Messprinzip, bei dem alle gemessenen Kapazitätsanteile auf die innere Teilkapazität 3 bezogen werden, die wiederum bei ausreichender Applanation völlig bedeckt und deren Fläche sehr genau durch das mikrotechnische Sensorlayout definiert ist, sichert die erforderliche Genauigkeit der Flächenmessung und die Unabhängigkeit von den oben genannten Individualstreuungen.
Die Kraftmessung wird zeitgleich mit der Flächenmessung durchgeführt. Zu diesem Zweck werden der 5-Quadranten-Streufeldkondensator und eine Si-Biegemembran zu einem Kraft-Flächen-Mikrosystem integriert. Der Aufbau des Mikrosystems entspricht dem eines Drucksensors nach dem Hubkolbenprinzip (Boss-Typ). Die Vorteile dieser Anordnung bestehen insbesondere in der vernachlässigbaren Schwerkraftabhängigkeit der Kraftmessung, dem Fehlen zusätzlicher fehlerbehafteter Kraftübertragungsglieder sowie in der kostengünstigen Fertigung durch mikrotechnische Batchprozesse. Die Detektion der wirksamen Kraft wird vorzugsweise mit Dehnungsmessstreifen im Bereich der stärksten Membrankrümmung vorgenommen. Durch die erfindungsgemäße orthogonale Anordnung von vier Dehnungsmessstreifen oder anderer geeigneter Kraftsensoren wird jede Verkippung des Hubkolbens (Boss) beim Applanationsvorgang infolge einer nichtaxialen Kraftwirkung sehr empfindlich detektiert und kann zur Überwachung der ordnungsgemäßen Handhabung des Tonometers oder zur nachträglichen mathematischen Korrektur der Messwerte genutzt werden.
Mit einer elektronischen Steuereinheit und einem üblichen Pulsfrequenzmesssystem kann eine einstellbare Synchronisierung der Messwerterfassung für den Intraokulardruck mit der Herzfrequenz vorgenommen werden. Damit wird die exakte zeitliche Zuordnung der gemessenen okulären Pulsation zum diastolischen bzw. systolischen Blutdruck ermöglicht. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Kraftsensor
2 Flächensensor
3 . . . 7 Streufeldkondensatorteilflächen
8 Antiadhäsionsbeschichtung
10 Cornea
11 Hubkolben
12 Elektrodenbreite
13 Elektrodenabstand
14 Isolatordicke
15 Cornea
16 Trägersubstrat
17 Biegemembran
F Applanationskraft

Claims

1. Verfahren zur Messung des Augeninnendrucks durch Messung der applanierten Fläche der Cornea (15) mit einem kapazitiven Flächensensor (2) und einem Kraftsensor (1), dadurch gekennzeichnet, dass die applanierte Berührungsfläche zwischen Cornea (15) und Flächensensor (2) und die zur Cornea- Applanation erforderlichen Kraft (F) gleichzeitig sowohl während des Applanationsvorgangs als auch während der anschließenden De-Applanation bestimmt werden und aus dem Verhältnis Kraft/Fläche zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Applanation oder De-Applanation der Cornea (15) unter Berücksichtigung der IMBERT-FICK-Beziehung der Augeninnendruck bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenmessung mit einem oder mehreren planaren Streufeldkondensatoren vorgenommen wird, mit dem bzw. denen unter Krafteinwirkung die Cornea applaniert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Applanationsfläche vorteilhaft durch eine ratiometrische Kapazitätsmessung von Streufeldkondensatorteilflächen bestimmt wird, wobei eine Normierung aller Kapazitätsmesswerte auf den Maximalwert einer beim Applanationsvorgang völlig bedeckten genau bekannten Streufeldkondensatorteilfläche erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich der gemessenen Kapazitätswerte Rückschlüsse auf Abweichung von der sphärischen Form oder der elastischen Eigenschaften der Cornea gezogen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Kapazitätsverhältnissen die Achsenparameter eines vorhandenen Astigmatismus bestimmt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer zusammenhängenden Registrierung von Applanationskurve und De-Applanationskurve sowie Auswertung extrapolierter Messkurven auf die Schnittpunkte mit der Kraft- bzw. Flächenachse und der Hysterese zwischen Applanation und Relaxation weitere diagnostisch relevante Informationen abgeleitet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisation der Applanationsdatenerfassung mit der Pulsfrequenz eines Probanden mit Hilfe eines elektrischen Signals, das von einem üblichen Pulsfrequenzmessgerät erzeugt wird, und durch eine einstellbare zeitliche Zuordnung des Synchronisationsimpulses von Systole bis Diastole die Reproduzierbarkeit der Augeninnendruckmessung erhöht wird und die okuläre Pulsation gemessen wird.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftsensor (1) und mindestens ein Flächensensor (2) in einem monolithischen Mikrosystem integriert sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystems als Kraftsensor (1) vom Hubkolben-Typ ausgelegt ist, gekennzeichnet weiterhin durch die konzentrische Anordnung eines oder mehrerer kapazitiver Flächensensoren auf der der Cornea (15) zugewandten Seite des Hubkolbens (11).

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolben (11) eine durch ein mikrotechnisches Design- und Ätzverfahren hergestellte massearme aber biegesteife Auslegung aufweist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Flächensensor (2) mikrotechnisch integrierte planare Streufeldkondensatoren (SFK) angeordnet sind.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächensensor (2) eine konzentrische Anordnung von vier kreissegmentförmigen planaren Streufeldkondensatoren (SFK) (4 . . . 7) enthält, die zentrisch um einen kreisförmigen SFK (3) angeordnet sind und alle SFK (3 . . . 7) an separate Außenanschlüsse des Mikrosystems kontaktiert sind.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass alle SFK (3. . .7) eines Mikrosystems identisch präpariert sind.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbreite (12) 1 . . . 4 µm und die Abstände zwischen den SFK (3 . . . 7) das 1- bis 5-fache des Elektrodenabstands (13) beträgt und das Verhältnis Elektrodenbreite (12) zu Elektrodenabstand (13) 4/3 ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass vier Kraftsensoren (1) in orthogonaler Anordnung auf dem Umfang einer Biegemembran (17) angeordnet sind.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die applanierende Fläche der Messeinrichtung mit einer Antiadhäsivbeschichtung (8) versehen ist.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Tonometer als miniaturisierte, handgeführte, batteriebetriebene Sonde mit drahtloser Übertragung der Messwerte an ein räumlich abgesetztes Auswertesystem ausgeführt ist.