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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein in der Hand haltbares berührungsloses Tonometer zum Messen
des Augeninnendrucks (Anspruch 1) und eine Kombination aus einem
solchen Tonometer mit einem Halter, der das Tonometer bei Nichtbenutzung
aufnimmt (Anspruch 10).
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Stand der Technik
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Berührungslose
Augendruckmesser oder Tonometer sind Diagnosegeräte, die von Augenärzten und
medizinischem Personal weithin benutzt werden, um den Augeninnendruck
(Intraokulardruck oder IOP) zu messen, und zwar häufig für Routineuntersuchungen
von Patienten auf erhöhtem
IOP, wie er bei einem Glaukom auftritt. Berührungslose Tonometer arbeiten
typischerweise so, dass ein Fluidimpuls auf das Auge gerichtet und
die Verformung der Hornhaut beobachtet wird. Bei einem üblichen
Gerät nach
dem Stand der Technik komprimiert eine Fluidpumpe mit einem magnetgetriebenen
Kolben ein Fluid in einer Füllkammer
und ein mit dieser in Verbindung stehendes Fluidaustrittsrohr ist
auf das Auge des Patienten gerichtet und überträgt einen Fluidimpuls zum Auge, welcher
die Hornhaut aus ihrem normalen konvexen Zustand deformiert und
zwar über
einen als "Applanation" bekannten abgeflachten
Zustand in einen konkaven Zustand. Wenn der Fluidimpuls verschwindet,
dann kehrt die Hornhaut in ihren normalen konvexen Zustand zurück. Die
Deformierung wird durch opto-elektronische Mittel überwacht,
und eine Größe wie der
Druck in der Füllkammer
im Moment der Abflachung oder die Zeit zur Herbeiführung dieser Abflachung
wird gemessen und steht in Beziehung zum Augeninnendruck.
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Bisher
sind berührungslose
Tonometer hauptsächlich
unförmige
Tischgeräte
gewesen, die sich nicht leicht transportieren lassen. In der Praxis sitzt
der Patient an einem Ende des Gerätes, und sein Kopf wird mit
einem Stirnbügel
ruhig gehalten, während
der Arzt am gegenüberliegenden
Ende sitzt, um das Gerät
zum Auge auszurichten und den Test durchzuführen. Das Instrument, welches
präzise
miteinander ausgerichtete optische Komponenten enthält, bleibt
stationär
auf dem Tisch mit Ausnahme eines Testteils, welches sich zum Zwecke
der Ausrichtung gegenüber
dem Unterteil des Gerätes
bewegt.
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Der
Wunsch nach einem kleineren leichten Messgerät des Augeninnendrucks besteht
seit einiger Zeit, wie die Entwicklung von mit Berührung arbeitenden
Handtonometern zeigt. Beispiele hierfür finden sich in den
US-Patenten Nr. 4 192 317 ,
4 622 459 ,
4 747 296 und
5 174 292 . Weil ein Teil des Tonometers
die Hornhaut physisch berührt,
werden diese Geräte
allgemein als weniger angenehm für
den Patienten angesehen als die oben beschriebene berührungslose
Variante, hinzu kommt ein erhöhtes
Infektionsrisiko, weil Viren und Bakterien von einem Patienten zum
nächsten übertragen
werden können. Weiterhin
kann die Geschicklichkeit des Arztes beim Messen einen erheblichen
Einfluss auf das Messergebnis haben, so dass diese Geräte weniger
geeignet zur Benutzung durch einen Allgemeinmediziner sind.
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Im
US-Patent 4 724 843 ist
ein tragbares berührungsloses
Tonometer beschrieben, welches ein Traggehäuse
102 zur Aufnahme
einer Pumpe für
die Erzeugung eines Fluidimpulses und eine abnehmbare, in der Hand
haltbare Einheit
100 umfasst, die über eine eine Fluidleitung
umgebende flexible Verbindungs leitung
104 mit der Pumpe
verbunden ist. Hierbei ist nur ein Teil des Gerätes in der Hand zu halten, während der übrige Teil
groß und
schwer ist. Das im
US-Patent
4 724 843 beschriebene berührungslose Tonometer ist aufwendig
und teuer in der Herstellung.
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Weitere
Typen von Augentonometern sind bekannt aus
EP 1 121 895 A2 ,
US 4 817 620 A und
US 5 396 888 A .
Diese Augentonometer unterstützen den
Operateur jedoch nicht oder nur in unbefriedigender Weise bei der
Ausrichtung des Augentonometers relativ zu dem zu messenden Auge.
So erhält der
Operateur hierbei keine Rückmeldung über die Abweichung
zwischen der Ist-Position und der Soll-Position des Augentonometers,
was die Ausrichtung erschwert.
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Beschreibung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines in der Hand
zu haltenden berührungslosen
Tonometers mit einem schnellen Positionsdetektorsystem zur Erleichterung
der Ausrichtung des Tonometers beim Handbetrieb.
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Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, das
Tonometer zu halten und seine Stromquelle aufzuladen, wenn das Instrument
nicht benutzt wird.
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Diese
Aufgaben werden mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsarten
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In
Verfolgung dieser und anderer Aufgaben enthält ein berührungsloses Tonometer gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung ein Gehäuse
mit einem Griffteil, der eine aufladbare Gleichspannungsquelle enthält, und
einem oberen Kopfteil, der Ausrichtungs- und Druckmesssysteme des
Tonometers enthält.
Der Boden des Griffteils beschreibt eine gekrümmte Oberfläche, die verhindert, dass das Instrument
auf dem Handgriff alleine ruht, weil dies wegen des hohen Schwerpunkts
des Tonometers und weil im Kopfteil des Gehäuses die kritischen optischen
und opto-elektronischen Elemente enthalten sind, ein unsicherer
Zustand wäre.
In Kombination mit dem Tonometer ist ein Halter, der ein Batterieladegerät enthält, vorgesehen,
um das Tonometer zu halten und seine Stromquelle aufzuladen, wenn
das Instrument nicht benutzt wird.
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Ein
Benutzer muss das Tonometer von Hand gegenüber dem Auge des Patienten
positionieren und ausrichten. Um dabei zu helfen, verläuft eine
optische Achse durch den Kopfteil vom Patientenende, wo sich ein
Fluidaustrittsrohr befindet, zum Benutzerende, wo sich ein Okular
befindet, und der Benutzer kann unmittelbar auf das Auge schauen,
ohne eine Kamera oder dergleichen zu benutzen. Ebenfalls im Kopfteil
enthalten ist ein schnelles Fokusabweichungs-Positionsdetektorsystem,
um den X-Y-Z-Ausrichtungszustand des Tonometers gegenüber dem
Auge des Patienten zu bestimmen. Das Positionsdetektorsystem enthält eine
erste und zweite Lichtquelle auf gegenüberliegenden Seiten der optischen
Achse und entsprechend einem ersten und zweiten lichtempfindlichen
Bereichsdetektor in solcher Anordnung, dass er Licht von einer zugehörigen Lichtquelle
empfängt,
nachdem es von der Hornhaut reflektiert worden ist. Die Detektoren
liefern eine Signalinformation, welche die örtliche x-y-Position eines auf
ihr gebildeten Beleuchtungspunktes anzeigen. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
sind der erste und zweite Detektor Vier-Zellen- Detektoren (quad-cell detectors) mit
vier Quadranten, und die Beleuchtungspunktgröße beträgt etwa die Größe eines
Quadranten, wobei die x-y-Position aufgrund der von den Quadranten
erzeugten vier Signalwerte bestimmbar ist. Kollektorlinsen nach
jeder Lichtquelle und vor jedem Detektor minimieren Vergenz im Lichtstrahl,
wenn er das Auge beleuchtet und bei einem Detektor ankommt.
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Die örtlichen
x-y-Daten von jedem Detektor dienen dann als Eingangssignale für eine Reihe
gespeicherter geometrischer Beziehungen, die beim Kalibrieren des
Instrumentes bestimmt worden sind, um den X-Y-Z-Globalausrichtungszustand
des Tonometers gegenüber
dem Auge zu ergeben. Die geometrischen Beziehungen sind Mehrfach-Regressionsgleichungen
für X,
Y und Z, wobei die Regressionskoeffizienten für jede Gleichung durch Ablesen der örtlichen
x-y-Daten aus den Detektoren für
ein künstliches
Auge bestimmt werden, das bei der Kalibrierung in mehrere bekannte
X-Y-Z-Positionen gebracht wird. Die Regressionskoeffizienten werden gespeichert
und beim normalen Betrieb des Gerätes benutzt, um die X-Y-Z-Koordinaten
aufgrund der x-y-Daten von den Detektoren schnell zu bestimmen, wenn
ein Benutzer das Gerät
gegenüber
dem Auge des Patienten positioniert.
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Es
ist ein "Head-up"-Display angeschlossen, welches
die X-Y-Z-Positionsdaten
erhält
und dem Operateur Instruktionshinweise zur Bewegung des Instrumentes
gibt, damit er dies ausrichten kann. Das Head-up-Display enthält eine
Polaranordnung von Leuchtdioden, die selektiv aufleuchten, um die
gewünschte
X-Y-Bewegungsrichtung
anzuzeigen, sowie eine lineare Anordnung von Leuchtdioden, welche
selektiv aufleuchten, um die gewünschte
Z-Bewegungsrichtung anzuzeigen. Ein Bild des Head-up-Displays wird
dem Operateur zusammen mit der optischen Achse des Instruments mit
Hilfe eines Strahlteilers ange zeigt, der die Übertragung des unmittelbar
gesehenen Bildes des Auges des Patienten auch längs der optischen Achse ermöglicht,
wobei die X-Y-Polaranordnung kreisförmig um das unmittelbar gezeigte
Bild herum angeordnet ist.
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Die
Augendruckmessung wird durchgeführt, indem
ein Fluidimpuls zur Verformung der Hornhaut erzeugt wird, das Auftreten
der Hornhautabflachung beobachtet wird und der zum Fluidimpuls zur
Zeit der Abflachung gehörige
Füllkammerdruck
in Beziehung zum Augeninnendruck gesetzt wird. Das Tonometer enthält auch
einen Elektromagneten, der aktiviert wird, wenn das Positionsdetektorsystem
eine Ausrichtung bestätigt,
und einen vom Elektromagnet relativ zu einem Zylinder angetriebenen
Kolben zur Erzeugung des Fluiddrucks, welcher durch das Fluidaustrittsrohr
auf das Auge des Patienten gerichtet wird, sowie einen Drucksensor
zur Überwachung
des Fluidkammerdruckes und einen "Abflachungs"-Sender und "Abflachungs"-Detektor
auf gegenüberliegenden
Seiten der optischen Achse zur Beobachtung der Abflachung aufgrund
des von der Hornhaut reflektierten Lichtes.
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Das
Tonometer enthält
weiterhin einen Infrarot-Datenzuordnungstransceiver (IRDA) zur drahtlosen Übertragung
der Messdaten zu einem entfernten Computer.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Natur und Betriebsweise der Erfindung sei nun detaillierter in der
folgenden Beschreibung der Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines in der Hand haltbaren berührungslosen
Tonometers gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 einen
Seitenaufriss des in der Hand haltbaren berührungslosen Tonometers gemäß 1,
dargestellt in einem teilweise geschnitten Halter zur Aufnahme des
Tonometers im Ruhezustand;
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3 eine
Schemazeichnung der Optik des in der Hand zu haltenden berührungslosen
Tonometers nach 1;
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4 einen
Schnitt durch einen Optikblock-Teil des in der Hand zu haltenden
berührungslosen
Tonometers nach 1;
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5 eine
schematische perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung der
Anordnung der Elemente eines Positionsdetektorsystems des in der
Hand haltbaren berührungslosen
Tonometers nach 1;
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6 eine
Detailansicht eines Vier-Zellen-Detektors des Positionsdetektorsystems
nach 5;
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7 ein
Diagramm des elektronischen Timings bezüglich der Beleuchtung und Abfühlung des Vier-Zellen-Detektors nach 6;
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8 ein
Elektronikschaltbild des in der Hand haltbaren berührungslosen
Tonometers gemäß 1;
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9 ein
Flussdiagramm der Schritte, die beim Kalibrieren des Positionsdetektorsystems
nach 5 durchlaufen werden;
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10 eine
vergrößerte Ansicht
eines Head-up-Displays, das einen Teil des Ausrichtungssystems des
in der Hand haltbaren berührungslosen Tonometers
nach 1 bildet; und
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11 eine
schematische Darstellung eines Fluidpumpensystems des in der Hand
haltbaren berührungslosen
Tonometers nach 1.
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Beste Art(en) zur Ausführung der Erfindung und industrielle
Anwendbarkeit
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Generelle Ausführung
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1 zeigt
ein in der Hand haltbares berührungsloses
Tonometer 10 gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung. Das Tonometer 10 hat ein Gehäuse 12,
das sich durch einen länglichen
Griffteil 14 und einen mit dessen Oberseite verbundenen oberen
Kopfteil 16 auszeichnet. Das Gehäuse 12 ist aus zwei
allgemein symmetrischen Hälfte
gebildet, die längs
einer Vertikalebene zusammengefügt
sind. Der Griffteil 14 enthält einen ergonomisch geformten Handgriff 15.
Wie später
noch in weiteren Einzelheiten beschrieben wird, enthält der Kopfteil 16 ein
tonometrisches Messsystem, und der Griffteil 14 enthält eine
Stromquelle dafür.
Ebenso ist in 1 ein Okular 18 für den Operateur
an einem Ende des Kopfteils zu sehen, sowie ein zum Patienten gerichtetes
Frontfenster 20 am gegenüberliegenden Ende des Kopfteils 16 und
ein Flüssigkristalldisplay 21 mit überlagerten
Steuerdrucktasten 22, das nahe dem Okular 18 auf
den Operateur zu geneigt ist.
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2 zeigt
das Tonometer 10 in einem Halter 23 in aufrechter
Stellung gehalten. Hiermit ist gemeint, dass der Griffteil 14 sich
unterhalb des Kopfteils 16 befindet. Durch den Kopfteil 16 verläuft vom Okular 18 durch
das Frontfenster 20 eine optische Achse OA. In 2 kann
man sehen, dass eine Handgriffachse HA die optische Achse OA unter
einem schrägen
Winkel schneidet, wodurch das Tonometer 10 von einem Operateur
bequem gehalten und positioniert werden kann. Der Halter 23 hat
eine Basis 24, von der ein allgemein gebogenes Stützteil 26 nach
oben ragt, sowie einen am Stützteil 26 befestigten
Sattel 28 zur Aufnahme und Abstützung des Kopfteils 16 samt
der in ihm enthaltenen Komponenten. In der Basis 24 ist
eine Andockausnehmung 30 zur Aufnahme eines Bodenendes 17 des
Griffteils 14 vorgesehen. Das Bodenende 17 ist
absichtlich so geformt, dass es eine gekrümmte Oberfläche bildet, damit das Tonometer 10 nicht
allein frei stehen kann, und dies ist für einen Operateur unmittelbar
erkennbar. Weil der Kopfteil 16 des Tonometers 10 kritische optische
Komponenten der Druckmess- und Ausrichtungssysteme enthält, wie
noch erläutert
wird, ist es nicht erwünscht,
ein freistehendes Instrument mit so hohem Schwerpunkt zu haben,
was leicht umfallen und möglicherweise
beschädigt
werden kann.
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Stromversorgung
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Die
elektronischen Komponenten des Tonometers 10 werden von
einer innerhalb des Griffteils 14 untergebrachten Gleichspannungsstromquelle 32 mit
Strom versorgt. Eine geeignete Stromquelle 32 ist eine
aufladbare 3,7 Volt Lithiumionenbatterie, wie sie von der Firma
Panasonic unter der Teilenummer CGR18650H hergestellt wird. Die
Stromquelle 32 hat ein Paar Ladekontakte 34A, 34B,
welche durch entsprechende Öffnungen
im Bodenende 17 des Griffteils 14 ragen. Die Stromquelle 32 wird
beim Einsetzen und Lagern im Halter 32 aufgeladen. Zu diesem Zweck
enthält
die Halterbasis 24 ein Batterieladegerät 36 mit Ladekontakten 38A, 38B,
welche durch Öffnungen
in der Andockausnehmung 30 zur Kontaktgabe mit den Ladekontakten 34A, 34B der
Stromquelle 32 ragen. Ein geeignetes Batterieladegerät ist erhältlich von
Condor D.C. Power Supplies, Inc. Oxnard, Kalifornien unter der Teilenummer GSM7-12.
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Es
sei nun 8 der Zeichnungen betrachtet.
Die Stromquelle 32 ist an eine Batterieüberwachungsschaltung 40 angeschlossen,
welche den Ladezustand der Stromquelle 32 überwacht.
Mit dieser Haupt-Stromquelle 32 sind speziell abgestimmte Schaltungen
zur Stromzuführung
zu verschiedenen Systemen des Tonometers 10 verbunden.
Diese speziell abgestimmten Schaltungen umfassen eine Logikstromversorgungsschaltung 42,
eine LCD-Stromversorgungsschaltung 44,
eine Analogstromversorgungs schaltung 46 und eine Hochspannungsstromversorgungsschaltung 48.
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Ausrichtungssystem
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3 ist
eine schematische Darstellung des optischen Systems des berührungslosen
Hand-Tonometers 10, welches so arbeitet, dass es einen
Fluidimpuls durch ein mit der optischen Achse OA ausgerichtetes
Fluidaustrittsrohr 50 austreten lässt, um eine beobachtbare Verformung
der Hornhaut eines Patienten zum Zwecke der Messung des Augeninnendrucks
zu verursachen. Zur Vorbereitung der Messung ist es erforderlich,
dass ein Operateur 0 das Tonometer in drei Dimensionen
(X-Y-Z-Ausrichtung) zum
Auge E eines Patienten ausrichtet.
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Das
Tonometer 10 hat ein Vorderteil 52, das nahe am
Vorderabschnitt des Kopfteils 16 befestigt ist und der
Montage verschiedener optischer und opto-elektronischer Bauelemente
des Tonometers dient, wie unten beschrieben, ferner ein Fixierziel-Projektionssystem 54,
das mit einem Strahlteiler 56 zusammenarbeitet, um ein
sichtbares Fixierziel längs
der optischen Achse OA zum Patienten zu zeigen, weiterhin eine Okularlinse 58 und
eine Makrolinse 60, um es dem Operateur O zu erlauben,
das Auge E des Patienten durch das Instrument längs der optischen Achse OA
zu betrachten, ferner ein Head-up-Display 62 und einen mit einem
Strahlteiler 66 zuammenwirkenden Spiegel 64 zur
Projizierung eines Bildes des Head-up-Displays zum Operateur längs der
optischen Achse OA. Die Makrolinse 60 ist vorzugsweise
eine Planar-Planar-Linse, so dass der Operateur das Auge unvergrößert sieht,
jedoch ist es auch möglich,
eine brechende Makrolinse zu benutzen, um irgendein anderes gewünschtes
Gesichtsfeld und eine Vergrößerung bezüglich des
Auges zu bekommen.
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4 zeigt
eine Schnittansicht eines Optikblock-Teils des Tonometers 10,
der sich innerhalb des Kopfteils 16 des Gehäuses 12 befindet.
Ein Montagehalter 68 trägt
und positioniert das Head-up-Display 62, den Spiegel 64,
die Strahlteiler 66 und 56 und die Elemente des
Fixierziel-Projektionssystems 54. 4 zeigt
ein bevorzugtes Fixierziel-Projektionssystem 54 in größeren Einzelheiten.
Eine Leuchtdiode 70 emittiert Licht, welches durch ein
fein geschliffenes Diffusorelement 72 hindurchtritt, das
einen aufgemalten durchscheinend roten Zentralzielpunkt 74 hat.
Das Licht vom Diffusorelement 72 tritt dann durch eine
Kollimatorlinse 76, und das kollimierte Ziellicht wird
vom Strahlteiler 56 reflektiert, um der optischen Achse
OA zu folgen. Die Verwendung eines relativ dunklen Zielpunktes gegen
ein helles Hintergrundfeld ist vorzuziehen, weil das helle Hintergrundlicht
hilft, das Auge E des Patienten zu beleuchten, damit der Operateur
entlang der optischen Achse OA unmittelbar auf das Auge sehen kann.
In oder nahe dem Vorderteil 52 können zusätzliche (nicht dargestellte)
Lichtquellen benutzt werden, um zu helfen, das Auge E zu beleuchten.
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Die
Aufmerksamkeit sei nun auf die Elemente eines Positionsdetektorsystems
gerichtet, welches in oder am Vorderteil 52 montiert ist.
Speziell zeigt die Darstellung nach 3 eine Lichtquelle 78A auf
einer Seite der optischen Achse OA und einen Detektor 80A auf
deren gegenüberliegenden
Seite, die für
die Detektionserfassung benutzt werden. In der Praxis trägt das Vorderteil 52 eine
zweite Lichtquelle 78B und einen zweiten Detektor 80B,
wie in der Darstellung nach 5 zusehen
ist. Bei der momentan beschriebenen Ausführungsform liegen die Lichtquellen 78A und 78B unmittelbar
unterhalb der die optische Achse OA enthaltenden Horizontalebene,
während die
Detektoren 80A und 80B unmittelbar überhalb dieser
Horizontalebene liegen, so dass ein Raum in der Horizontalebene für Elemente
des nachfolgend beschriebenen "Abflachungs"-Detektorsystems verbleibt. Die erste
Lichtquelle 78A richtet einen ersten Lichtstrahl längs einer
ersten Beleuchtungsachse 79A zur Beleuchtung des Auges
E, und der erste Detektor 80A definiert einen ersten Lichtdetektorbereich zum
Empfang eines Bildes der ersten Lichtquelle 78A, der durch
von dem Auge reflektiertes Licht gebildet wird. Das längs der
ersten Beleuchtungsachse 79A wandernde Licht durchläuft eine
Kollektorlinse 82A und fällt schräg auf die allgemein sphärische Oberfläche der
Hornhaut, von wo es zum ersten Detektor 80A reflektiert
wird. Eine vor dem ersten Detektor 80A befindliche Kollektorlinse 84A kollimiert den
von der sphärischen
Oberfläche
der Hornhaut kommenden divergierenden Lichtstrahl im Wesentlichen,
wobei auf der vom ersten Detektor 80A definierten Lichtdetektorfläche ein
Beleuchtungspunkt empfangen wird. Im wesentlichen detektiert der
erste Detektor 80A eine scheinbare oder virtuelle Quelle hinter
der Hornhaut. Die zweite Lichtquelle 78B, die zweite Beleuchtungsachse 79B,
die Kollektorlinsen 82B und 84B und der zweite
Detektor 80B bilden ein ähnliches System und sind vorzugsweise
gegenüberliegend
symmetrisch zur die optische Achse OA enthaltenden Vertikalebene
angeordnet. Bei einer bevorzugten Konstruktion sind die Positionslichtquellen 78A und 78B infrarotemittierende
Leuchtdioden, die für
den Patienten unsichtbar sind, und sie sind auf einer einzigen flexiblen
Schaltungsplatine montiert oder ausgebildet, damit sich das Tonometer
leichter zusammenbauen lässt. Ähnlich werden
der erste und zweite Detektor 42A, 42B vorzugsweise
zur leichteren Montage von einer flexiblen Schaltungsplatine getragen.
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Bei
der Darstellung gemäß 5 sind
das durch das Austrittsende des Fluidaustrittsrohrs 50 dargestellte
Instrument und das durch den Hornhautscheitel V dargestellte Auge
in einen Zustand dreidimensionaler (X-Y-Z)-Ausrichtung gezeigt.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird die Ausrichtung erreicht, wenn die optische Achse OA den Hornhautscheitelpunkt
V schneidet und senkrecht zu ihm verläuft, und wenn das Austrittsende
des Fluidaustrittsrohres 50 in einer vorbestimmten Austrittsdistanz
D vom Hornhautscheitelpunkt in Z-Achsenrichtung
entfernt ist. Die Orientierung des ersten Detektors 80A und
diejenige des zweiten Detektors 80B wird so gewählt, dass
der Mittelstrahl des betreffenden Hornhautreflektionsbeleuchtungsstrahls
senkrecht zur Lichtdetektorfläche
des zugehörigen
Detektors verläuft
und im wesentlichen an einem zentralen Punkt des Lichtdetektorbereichs
auftritt, wenn X-Y-Z-Ausrichtung vorliegt.
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6 zeigt
eine Lichtdetektorfläche 86 des ersten
Detektors 80A, wobei zu sagen ist, dass die zugehörige Beschreibung
ebenso auf den zweiten Detektor 80B zutrifft. Ein Bild
der Lichtquelle 78A erscheint als ein Punkt 88 auf
der Lichtdetektorfläche 86.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
handelt es sich bei dem ersten Detektor 80A um einen Vier-Zellen-Detektor aus vier
Quadranten Q1, Q2, Q3 und Q4, die jeweils ein Signal liefern, das
proportional zu der von ihnen empfangenen optischen Beleuchtungsleistung
ist. Die Größe jedes
Quadranten liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1,3 × 1,3 mm
mit einem Trennungsabstand von etwa 0,1 mm zwischen benachbarten
Quadrantenkanten. Die Größe des Beleuchtungsflecks 88 sollte
für eine
vernünftige
x-y-Auflösung
in der Größe eines
Quadranten liegen. Die Größe des Beleuchtungsflecks 88 ändert sich
während
der Z-Achsenausrichtung, wenn das Tonometer 10 sich näher oder
weiter vom Auge entfernt befindet. Außerdem vergrößert sich
das Änderungsmaß der Punktgröße, wenn
das Instrument näher
an das Auge gebracht wird. Daher ist es erwünscht, das System für einen
Bereich von Z-Achsenpositionen
zu optimieren, der um die vorbestimmte Austrittsdistanz D (d. h.
+/–2,00
mm) liegt, so dass die Änderung der
Punktgröße für Z-Achsenpositionen über den
Bereich minimal wird. Die Optimierung kann ausgeführt werden
durch Wahl einer geeigneten vorderen Fokuslänge für die Kollektorlinsen 84A, 84B,
bei welcher das auf die Detektoren 80A und 80B auftreffende
Licht von einer leichten Konvergenz zu einer leichten Divergenz übergeht,
wenn das Instrument durch den Bereich von Z-Achsenpositionen zum
Auge bewegt wird, wobei das auf die Detektoren 80A, 80B auftreffende
Licht näherungsweise
kollimiert ist, wenn das Instrument eine vorbestimmte Austrittsdistanz
D hat. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass die Austrittsdistanz
D gerade jenseits der vorderen Fokuslänge der Kollektorlinsen 84A, 84B liegen
soll.
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Wie
verständlich
ist, geben die Signale von den Quadranten Q1 bis Q4 des ersten Detektors 80A die örtliche
zweidimensionale Stelle (x1, y1)
des Flächenschwerpunktes
des Fleckbildes 88 im Lichtdetektorbereich 86 an,
und die Signale von den Quadranten Q1 bis Q4 des zweiten Detektors 80B geben die örtliche
zweidimensionale Stelle (x2, y2)
eines ähnlichen
Punktes an, der vom Lichtdetektorbereich des zweiten Detektors gebildet
wird. Die örtliche x-Position
ist gegeben durch Vergleich der Signalstärken von jedem Quadranten nach
folgender Beziehung: x = (Q3 + Q4 – Q1 – Q2)/(Q1
+ Q2 + Q3 + Q4)
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Gleicherweise
wird die örtliche
y-Position durch Vergleichen der Signalstärken von jedem Quadranten nach
folgender Beziehung angegeben: y = (Q1 + Q4 – Q2 – Q3)/(Q1
+ Q2 + Q3 + Q4).
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Um
Interferenz zu vermeiden, eine genügende Beleuchtungsdichte zu
erhalten und den Leistungsverbrauch zu verringern, werden die erste Lichtquelle 40A und
die zweite Lichtquelle 40B sequentiell erleuchtet, und
der erste Detektor 42A und der zweite Detektor 42B werden
sequentiell abgefühlt. 7 zeigt
ein Zeitdiagramm, aus welchem ersichtlich ist, dass eine Lichtquelle
für eine
Dauer von etwa 100 μs
gepulst und dann abgetastet und dann die andere Lichtquelle für die gleiche
Dauer gepulst und abgetastet wird. Der Zyklus wird etwa alle 2 ms wiederholt.
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Es
sei nunmehr auch 8 betrachtet, wonach die Analogsignale
von den Quadranten Q1 bis Q4 der Detektoren 80A, 80B Verstärkern 90 und dann
dem Eingang einer Summen-/Differenzschaltung 92 zugeführt werden.
Letztere liefert drei Ausgangssignale für jeden Positionsdetektor 80A, 80B. Zwei
dieser Ausgangssignale sind jeweils die Zähler x bzw. y in den oben angegebenen
Gleichungen, und das dritte ist der Nenner, welcher beiden Gleichungen
gemeinsam ist. Die Ausgangssignale werden dann mit einem Multiplexer 94 multiplext
und dann als Analogeingangssignale an einen Mikroprozessor 96 gegeben,
der "onboard" eine Analog/Digital-Umwandlung
der Signale durchführt.
Der Mikroprozessor 96 ist so programmiert, dass er die
endgültigen Fleckstellen
(x1, y1) und (x2, y2) berechnet.
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Während das
Positionsdetektorsystem gemäß der Erfindung
hier unter Verwendung von Vier-Zellen-Detektoren beschrieben ist,
kann man statt dessen auch andere Detektortypen und Konfigurationen
für die
Zwecke der Erfindung nehmen. Beispielsweise ist eine Vielzahl von
positionsempfindlichen Elementen (PSDs) im Handel erhältlich und
kann die örtliche
x-y-Signalinformation
liefern. Man kann auch vier diskrete lichtempfindliche Detektoren
in einer Quadrantenkonfiguration anordnen, um den oben beschrieben
Vier-Zellen-Detektor nachzubilden.
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Der
globale X-Y-Z-Ausrichtungsstatus des Tonometers 1 zum Auge wird
dann berechnet durch Eingabe der Koordinaten x1,
y1 vom ersten Detektor 80A und
der Koordinaten x2, y2 vom
zweiten Detektor 80B für
eine Mehrzahl vorbestimmter geometrischer Beziehungen, die bei der
Kalibrierung des Tonometers 10 im programmierbaren Speicher 98 gespeichert
worden sind. Spezieller können
die geometrischen Beziehungen, welche die globale Position der Koordinaten
X, Y und Z angeben, durch mehrfache Regression in folgender Weise
bestimmt werden: X = R1x1 + R2y1 +
R3x2 + R4y2 + R5, Y = R6x1 +
R7y1 + R8x2 + R9y2 + R10, und Z = R11x1 +
R12y1 + R13x2 + R19y2 + R15,wobei
die Regressionskoeffizienten R1 bis R15 bei Instrumentenkalibrierungsmessungen
unter Verwendung eines künstlichen
Auges ermittelt worden sind.
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9 zeigt
ein Flussdiagramm der Schritte, welche beim Kalibrieren des Positionsdetektorsystems
gemäß der Erfindung
durchlaufen werden. Zunächst
wird gemäß Schritt 100 ein
künstliches "Test"-Auge in einer zufälligen bekannten
Position X, Y, Z zum Tonometer 10 positioniert. Dann werden
gemäß den Schritten 102 und 104 lokale
Fleckpositionen (x1, y1)
und (x2, y2) vom
Positionsdetektorsystem gelesen und in einer Tabelle mit entsprechenden
bekannten globalen Koordinaten X, Y, Z gespeichert. Ist gemäß Frage 106 eine
ausreichende Zahl von Datenpunkten gemessen worden, dann wird in
Schritt 108 eine mehrfache Regression durchgeführt, um
die Regressionskoeffizienten R1 bis R15 zu finden, die dann gemäß Schritt 110 in
einem Speicher abgelegt werden. Wenn gemäß Frage 106 mehr Datenpunkte benötigt werden,
dann kehrt das Verfahren zu Schritt 100 zurück und wird
wiederholt. Vorzugsweise wird das Positionsdetektorsystem unter
Verwendung einer großen
Anzahl von zufälligen
Positionen des künstlichen
Auges kalibriert, da dies eine größere Genauigkeit bei der Bestimmung
der Regressionskoeffizienten ergibt und letztlich eine verbesserte
Genauigkeit der berechneten Position X, Y, Z des Auges des Patienten
liefert.
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Das
oben beschriebene Positionsdetektorsystem wird bevorzugt, weil es
Statusinformation über
die X-Y-Z-Ausrichtung mit einer wesentlich höheren Wiederholungsrate als
Systeme nach dem Stand der Technik liefert, ein Vorteil, der speziell
nützlich
bei der Ausrichtung von in der Hand zu haltenden Geräten ist.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Positionsdetektorsystem
periodisch vom Herstellerpersonal kalibriert werden, um die Ausrichtungsgenauigkeit
zu gewährleisten.
Aus Gründen
des Stromverbrauchs ist das erfindungsgemäße Positionsdetektorsystem
so programmiert, dass es in zwei verschiedenen Moden arbeitet, abhängig davon,
ob es das Vorhandensein eines Auges innerhalb einer Nahbereichszone
oder eines Volumens unmittelbar vor dem Austrittsrohr 50 fühlt. Wenn
die gesamte optische Beleuchtungsleistung, welche von den Quadranten
Q1 bis Q4 der Detektoren 80A, 80B erfasst wird,
auf einem Pegel liegt, der das Vorhandensein eines Beleuchtungsflecks 80 auf
dem entsprechenden Detektor anzeigt, dann ist das Tonometer bezüglich des
Auges grob ausgerichtet, so dass die Detektoren von der Hornhaut
reflektiertes Licht empfangen, was andeutet, dass das Auge innerhalb
der Nahbereichszone ist, welche von der Orientierung und den Eigenschaften
der Positionsdetektorelemente definiert ist. In diesem Zustand arbeitet
das Positionsdetektorsystem in einem regulären Modus und liefert aktualisierte
Positionsinformation mit einer hohen Frequenz, beispielsweise alle
2 ms. Fallen die Signalpegel von den Detektoren 80A und 80B unter einen
Schwellwert, der angibt, dass sich kein Auge in der Nahbereichszone
befindet, dann wird das Positionsdetektorsystem in einen Energiesparmodus umgeschaltet,
in weichem Positionssignalinformation mit einer wesentlich niedrigeren
Frequenz, beispielsweise alle zwei Sekunden, aktualisiert wird.
Durch dieses Merkmal wird der Stromverbrauch zur Verlängerung
der Ladungserhaltung der Stromquelle 32 verringert.
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10 zeigt
die vergrößerte Ansicht
des Head-up-Displays 62 des Tonometers 10, wie
es einem Operateur erscheint, der durch das Okular 18 längs der
optischen Achse OA sieht. Das Display 22 hilft ihm bei
der Ausrichtung des Gerätes,
indem es die berechnete X-Y-Z-Ausrichtungs-Statusinformation in
einem Format zeigt, welches den Operateur bezüglich der Bewegung des Instrumentes,
das zur Erreichung der Ausrichtung erforderlich ist, informiert. Das
Head-up-Display 62 hat eine polare Anordnung 112 von
Leuchtdioden 114, die durch ein Overlay 116 maskiert
sind, das lichtdurchlässige
Richtungszeiger 118 aufweist, die dem Benutzer eine X-Y-Ausrichtungsanweisung
geben. Die LEDs 114 in der Polaranordnung 112 sind
jeweils mit dem Mikroprozessor 96 über eine I2C-Leitung 97 und
einen (nicht dargestellten) Serien/Parallel-Wandler verbunden, wobei die
LEDs selektiv in Abhängigkeit
von dem X-Y-Ausrichtungsstatus des Gerätes bezüglich des Auges aufleuchten.
Im einzelnen leuchtet die LED 114, die einem geeigneten
Richtungszeiger entspricht, auf, welcher den Operateur über die
Richtung informiert, in der das Gerät bewegt werden muss, um die
optische Achse OA mit dem Hornhautscheitel V auszurichten. Ist die
X-Y-Ausrichtung erreicht, dann können alle
LEDs 114 in der polaren Anordnung 112 kontinuierlich
oder pulsierend aufleuchten, um dem Operateur den X-Y-Ausrichtungszustand
mitzuteilen. Das Head-up-Display 62 enthält ferner
eine lineare Anordnung 120 von Leuchtdioden 122,
die so angeordnet sind, dass sie lichtdurchlässigen Rechtecken 124 im
Overlay 116 zum Zwecke der X-Achsenausrichtung entsprechen.
Die LEDs 122 in der linearen Anord nung 120 sind
jeweils mit dem Mikroprozessor 96 über die 12C-Leitung 97 und
einen (nicht gezeigten) Serien/Parallel-Wandler verbunden, wobei die LEDs in
Abhängigkeit
von Z-Ausrichtungszustand
des Geräts
gegenüber
dem Auge selektiv aufleuchten. Spezieller, jedoch als nicht einschränkendes
Beispiel, haben die oberen und unteren LEDs in der linearen Anordnung 120 dieselbe
Farbe (rot), die mittlere LED hat eine andere Farbe (grün), und
die LEDs zwischen der oberen LED und der mittleren LED und zwischen der
unteren LED und der mittleren LED haben noch eine andere Farbe (gelb).
Befindet sich das Gerät
zu dicht am Auge, dann blinken die roten LEDs als Warnung für den Operateur
auf. Die unteren roten und gelben LEDs zeigen an, dass das Gerät vom Auge weg
bewegt werden soll, während
die oberen roten und gelben LEDs anzeigen, dass das Gerät zum Auge
hin bewegt werden soll. Die grünen
LEDs zeigen an, dass die Z-Achsen-Ausrichtung erreicht ist. Derzeit
werden bevorzugt die LEDs 114 und 122 auf einer
einzigen Schaltungsplatine untergebracht, und für das Overlay 116 wird
ein fotografischer Film benutzt, der von der LED-Schaltungsplatine durch ein (nicht gezeigtes)
Abstandsstück
getrennt sein kann.
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Wie
in den 3 und 4 zu sehen ist, befindet sich
das Head-up-Display 32 im Gerät an einer Stelle außerhalb
der optischen Achse OA. Ein Bild des Head-up-Displays 62 wird
zum Operateur längs der
optischen Achse OA mit Hilfe des Spiegels 64 und des Strahlteilers 66 projiziert.
Die X-Y-Polaranordnung 112 ist
um das reale Bild des Auges des Patienten herum angeordnet, welches
durch die Makrolinse 60 übertragen wird, so dass der
Operateur die Pupille und umgebende Iris zusammen mit den überlagerten
Instruktions-Display-Hinweisen,
die vom Head-up-Display 62 geliefert werden, sehen kann. Beispielsweise
wird der Operateur in 10 angewiesen, das Instrument
tiefer und nach links für
die X-Y- Ausrichtung
und näher
zum Patientenauge für die
Z-Ausrichtung zu bewegen.
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Tonometer-Messsystem
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11 zeigt
ein Fluidpumpensystem des Tonometers 10 zur Erzeugung eines
Fluidimpulses für die
Deformierung der Hornhaut des Patienten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Fluidpumpensystem einen Kolben 126, der axial gegenüber einem
Zylinder 128 bewegbar ist, um das in einer dadurch gebildeten
inneren Druckkammer 130 befindliche Fluid zu komprimieren,
sowie eine im Vorderteil 52 gebildete innere Füllkammer 132,
ein Flussschlauch 134, der eine Fluidleitung von der Kompressionskammer 130 zur
Füllkammer 132 bildet,
ein Fluidaustrittsrohr 50, welches durch die Makrolinse 60 und
das Frontfenster 20 verläuft und von diesen getragen
wird, um Druckfluid von der Füllkammer 132 längs der
optischen Achse OA zum Hornhautscheitel V zu führen. Ein linearer Elektromagnet 136 ist
mit Kolben 126 verbunden, um diesem eine axial gerichtete
Bewegung gegenüber dem
Zylinder 128 zu verleihen. Der Elektromagnet 136 wird
von einer Magnettreiberschaltung 137 gespeist, die gemäß 8 mit
ihm und dem Mikroprozessor 96 verbunden ist.
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Innerhalb
der Füllkammer 32 befindet
sich ein druckempfindliches Element 138, beispielsweise ein
Druckwandler oder dergleichen, zur Erzeugung einer Signalinformation über den
Fluiddruck innerhalb der Füllkammer.
Das druckempfindliche Element 138 ist mit dem Mikroprozessor 96 verbunden, der
auf seiner Platine einen Analog/Digital-Wandler zur Umwandlung des
analogen Drucksignals in digitaler Form hat.
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Ein
Vibrationsdämpfungsmaterial
im Aufbau des Flussschlauches 134 verhindert die Übertragung von
Vibrationen vom Zylinder 128 zum Vorderteil 52. Vorzugsweise
besteht zumindest ein Teil des Flussschlauches 134 aus
einem Vibrationsdämpfungsmaterial,
wie etwa synthetischer Gummi, um die Vibrationsenergie zu vernichten,
ehe sie das Vorderteil 52 erreicht. Bei einer derzeit bevorzugten
Konstruktion besteht der gesamte Flussschlauch 134 aus
Polyurethan. Ferner ist mindestens ein Vibrationsdämpfungselement 140 zwischen
Zylinder 128 und Tragrahmen 142 vorgesehen, um
Vibrationsenergie zu vernichten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist
der Einfachheit halber ein Paar Vibrationsdämpfungselemente 140 als
Ringe aus einem Vibrationsdämpfungsmaterial
ausgebildet, welches rings um den Zylinder 128 an dessen
beiderseitigen axialen Enden angebracht ist. Geeignetes Vibrationsdämpfungsmaterial
zur Bildung der Dämpfungselemente 140 ist
synthetischer Gummi, beispielsweise Polyurethan, jedoch können auch
andere Vibrationsdämpfungsmaterialien
benutzt werden.
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Wenn
eine vom Positionsdetektorsystem gelieferte Signalinformation anzeigt,
dass X-Y-Z-Ausrichtung zum Auge des Patienten vorliegt, dann wird vom
Mikroprozessor 96 ein Startsignal an die Magnetansteuerschaltung 137 gegeben,
um den Magneten 136 automatisch zu erregen. Dadurch drückt der
Magnet 136 den Kolben 126 in eine Bewegung längs seines
Kompressionshubes, und durch das Fluidaustrittsrohr 50 wird
ein Fluidimpuls auf das Auge zu ausgestoßen. Wenn sich die Hornhaut
verformt, wird der Fluiddruck innerhalb der Füllkammer 132 vom Drucksensor 138 überwacht,
und die Form der Hornhautoberfläche
wird optische beobachtet, um den Moment zu bestimmen, wo die Abflachung
auftritt.
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Die
Anordnung zum optischen Feststellen der Abflachung ist am besten
in den 4 und 11 zu sehen. Ein Infrarotsender 144 ist
am Vorderteil 52 montiert und schräg auf den Hornhaut-Scheitelpunkt
V zu gerichtet, und ein auf der gegenüberliegenden Seite der optischen
Achse OA befindlicher fotoemp findlicher Detektor 146 weist
in schräger
Richtung entgegengesetzt symmetrisch zu derjenigen des Abflachungsemitters 144 auf
den Hornhaut-Scheitelpunkt V zu. Eine Kollektorlinse 148 und
eine Lochblende 150 befinden sich vor dem Abflachungsdetektor 146,
der in der Fokusebene der Kollektorlinse liegt. Wenn die Hornhaut
ihre normale konvexe Form hat, dann werden vom Emitter 144 parallel
auftreffende Strahlen von der gekrümmten Hornhautoberfläche auseinanderlaufend
reflektiert, und der Abflachungsdetektor 146 erzeugt ein
schwaches Detektorsignal. Da ein Teil der Hornhautoberfläche sich
bei der Abflachung einer flachen Fläche annähert, wird der auftreffende
Parallelstrahl von der flachen Oberfläche als Parallelstrahl in Richtung
auf die Kollektorlinse 148 reflektiert, welche den Strahl durch
die Lochblende 150 und auf die Oberfläche des Abflachungsdetektors 146 fokussiert.
Als Ergebnis registriert der Abflachungsdetektor 146 ein
Spitzendetektorsignal entsprechend der Abflachung. Wer mit berührungslosen
Tonometern vertraut ist, erkennt, dass diese Anordnung zur optischen
Feststellung einer Abflachung bereits im Stand der Technik bekannt ist.
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Die
Analogsignalinformation vom Drucksensor 138 und vom Abflachungsdetektor 146 wird
durch Filterschaltungen 152 bzw. 154 zu einem
Mikroprozessor 96 geführt,
der sie in digitale Form umwandelt. Der zur Zeit der Abflachung
festgestellte Vorkammerdruck wird dann in Beziehung zum Augeninnendruck gesetzt.
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Drahtloser Datenaustausch
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Die
von dem Tonometermesssystem gelieferten digitalen Augeninnendruckmessungsdaten werden über einen
IRDA-Transceiver 156 (8), der
sich im Kopfteil 16 des Gehäuses 12 unterhalb des
Vorderteils 52 befindet, zu einem entfernten Computer übergeladen.
Neben dem Transceiver 156 ist im Gehäuse 12 ein (nicht
gezeigtes) entsprechendes IRDA-Fenster vorgesehen, um Infrarotimpulse zu übertragen,
die vom Transceiver 156 erzeugt wurden bzw. auf ihn zu
gerichtet werden. Auf diese Weise ist ein drahtloser Datenaustausch
mit dem entfernten Computer möglich,
wobei der Operateur Messergebnisse zu einer Datenbank weiterleiten
kann, die im entfernten Computer für zukünftige Bezugnahme und Analyse
gespeichert ist.