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Die
Erfindung betrifft generell Ausrichtungssysteme, die einem Bediener
die Positionierung eines ophthalmologischen Instruments relativ
zu einem Auge eines Patienten ermöglichen, und spezieller ein Ausrichtungssystem,
das für
den Einsatz in einem handgeführten
ophthalmologischen Instrument gut geeignet ist und das dem Bediener
als Hilfe zur Positionierung einen direkten Blick auf das Auge des
Patienten bietet.
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Von
Bedienern zum lokalisieren ophthalmologischer Instrumente relativ
zu einem Patientenauge verwendete Ausrichtungssysteme unterscheiden sich
in ihrer Komplexität.
Bei Instrumenten, bei denen die Messgenauigkeit von der Ausrichtung
abhängt,
z. B. bei berührungslosen
Tonometern, ist es üblich,
ein sichtbares Fixierzielbild entlang einer Messachse des Instrumentes
zu projizieren, um den Blick des Patienten zu führen, und weiterhin ist es üblich, ein opto-elektronisches
Positionsdetektierungssystem vorzusehen, das die Position des Instruments
relativ zum Auge ermitteln kann. Ist das ophthalmologische Gerät ein berührungsloses
Tonometer, das ein Austrittsrohr zum Richten eines Flüssigkeitsstoßes auf das
Auge aufweist, wird die X-Y-Ausrichtung typischerweise dadurch erreicht,
dass eine Achse des Austrittsrohrs so ausgerichtet wird, dass sie
den Hornhautscheitel schneidet und die Z-Ausrichtung wird erreicht durch eine
Positionierung des Flüssigkeitsaustrittsendes
des Austrittsrohrs auf einen vordefinierten Abstand vom Hornhautscheitel.
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Das
US-Patent 3,756,073 von
Lavallee et al. beschreibt ein berührungsloses Tonometer, das
ein Zielprojektionssystem aufweist, das ein Abbild eines Zieles
auf einer Ausrichtungsachse durch eine Objektivlinse auf die Bildebene
der Objektivlinse projiziert. Falls die Bildebene der Objektivlinse
mit dem Mittelpunkt der Krümmung
der Hornhaut des Patienten zusammenfällt, wird folglich eine virtuelle
Hornhaut oder ein Spiegelbild des Zieles von der Objektivlinse und
einer Teleskoplinse in die Ebene einer kreisförmigen Zielmarke auf der Ausrichtungsachse zurück abgebildet.
Ein entlang der Ausrichtungsachse durch ein Okular auf das Auge
sehender Bediener kann das zurückreflektierte
Zielabbild überlagert
auf der kreisförmigen
Zielmarke sehen und richtet das Instrument lateral und vertikal
(X-Y-Ausrichtung) aus, indem er das Zielabbild bezüglich der
kreisförmigen Zielmarken
zentriert. Bei diesem System ist die unter Beobachtung stehende
Oberfläche
der Hornhaut auf einen gewünschten
kleinen Bereich der gesamten Oberfläche der Hornhaut begrenzt.
Im '073-Patent wird
auch ein passives ”go/no
go” Ausrichtungsbestätigungssystem
beschrieben, das eine mit einem hinter einer sehr kleinen Lochöffnung positionierten Ausrichtungsdetektor
zusammenarbeitende infrarote Leuchtdiode aufweist, wobei der Detektor
ein Triggersignal bei erfolgter Ausrichtung generiert.
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Ein ähnliches
Ausrichtungssystem für
berührungslose
Tonometer ist in dem
US-Patent
4,944,303 von Katsuragi beschrieben. Hierbei werden jedoch die
abgebildeten Ausrichtungsmarkierungen und das Auge mit einer Kamera
erfasst, so dass Ausrichtungsmarkierungen und Auge gleichzeitig
auf dem entsprechenden Videobild zu sehen sind.
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Ein
fortgeschritteneres opto-elektronisches Ausrichtungssystem zur Verwendung
beim Positionieren eines ophthalmologischen Instruments relativ zu
einem Auge wird im
US-Patent
4,881,807 von Luce et al. beschrieben. Bei diesem System
und bei anderen Systemen nach dem Stand der Technik wird eine Triangulation
verwendet, um die dreidimensionale Position des Auges relativ zum
Instrument zu justieren. Beispielsweise offenbart das oben genannte
US-Patent Nr. 4,881,807 ein
System, bei dem zwei auf gegenüberliegenden
Seiten des Auges angeordnete Lichtquellen das Auge mit divergenten
Strahlen beleuchten und bei dem ein Paar eine zweidimensionale Anordnung
von lichtempfindlichen Pixeln aufweisenden CCD-Flächendetektoren
hinter dazugehörigen
kleinen Lochöffnungen
angebracht ist, um ein kleines Bündel
von der korrespondierenden Lichtquelle stammender, reflektierter
Strahlen aufzufangen. Indem die das stärkste Antwortspitzensignal
registrierenden Pixel identifiziert werden, wird eine lokale x-y-Position,
an der das Licht die CCD-Anordnung trifft, bestimmt. Die lokalen
x-y-Positionen, an denen jeweils Licht die CCD-Anordnungen trifft,
und Angaben, die die vordefinierte geometrische Anordnung der Systemkomponenten
beschreiben, werden als Eingangsgrößen für einen Mikroprozessor verwendet,
der daraufhin den für
eine Ausrichtung nötigen
Bewegungsumfang in globaler X-, Y- und Z-Richtung berechnet. Außerdem weist
das Gerät
einen Videobilddetektor auf, der ein Makroabbild des Auges in ein
CRT-Display einspeist,
wobei der Ausgang der Ausrichtungs-CCD-Elektronik mit der CRT-Display-Elektronik
verbunden ist, um Ausrichtungsleuchtpunktsymbole auf dem Video-Displaybild
anzuzeigen. Aus der
EP
1 125 544 A2 ist ein System zur Erfassung des Ausrichtungszustandes
eines ophtalmologischen Instrumentes gegenüber einem Auge unter Verwendung
von Vierzellenphotodetektoren bekannt.
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Bekannte
Ausrichtungssysteme, die aktiv den Status der X-, Y- und Z-Ausrichtung überwachen,
ermöglichen
dem Bediener nicht eine direkte Makrosicht des Auges entlang einer
Ausrichtungsachse oder einer optischen Hauptachse des Instruments
zum Zwecke der Ausrichtung. Faktisch beruhen viele Systeme nach
dem Stand der Technik auf dem Generieren und Anzeigen eines Videobildes
des Auges und der Einblendung von Ausrichtungsmarken in das angezeigte
Videobild für
Bewegungen zur Ausrichtung des Instruments. Dieses Verfahren benötigt eine
Instrumentierung, die die Größe, das
Gewicht und die Kosten des Instruments erhöhen, wobei Systeme entstehen,
die für
den Gebrauch in handgeführten
ophthalmologischen Geräten
nicht geeignet sind.
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Sogenannte „Headup-Displays” oder HUDs sind
im Bereich der Luftfahrt bekannt, um Flugparameter wiedergebende
Symbole und Marken in das Gesichtsfeld des Piloten zu projizieren,
während
der Pilot nach vorne durch die Windschutzscheibe sieht und nicht
nach unten auf die Instrumententafel. Diese Displaysysteme benötigen mehrere
optische Systeme, um die Vergrößerung und
die Fokusposition für einen
Benutzer, der ein entferntes Objekt auf einem nahen Display sieht,
zu modifizieren und sind nicht für
den Gebrauch in Verbindung mit der Ausrichtung eines ophthalmologischen
Instruments geeignet.
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In
der
EP 1 308 125 A2 (unveröffentlicht
am Anmeldetag dieser Anmeldung) ist ein Ausrichtungssystem für ein ophthalmologisches
Gerät beschrieben,
bei welchem ein „Headup-Display” zur Anzeige von
Ausrichtungsmarkierungen zusammen mit einem zu untersuchenden Patientenauges
in das Blickfeld eines Bedieners projiziert wird.
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Deswegen
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ausrichtungssystem
für ein
ophthalmologisches Instrument bereit zu stellen, das dem Bediener
entlang einer optischen Achse des Instruments einen direkten Blick
auf das Patienten auge ermöglicht
und geeignet ist, in ein handgeführtes
Gerät integriert
zu werden.
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Ein
Teilziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ausrichtungssystem
für ein
ophthalmologisches Instrument bereit zu stellen, das ein Anweisungsdisplaybild
aufweist, das mit dem direkt gesehenen realen Bild des Auges im
Blickfeld des Bedieners überlagert
wird, um Ausrichtungsmarken als Feedback für den Bediener während der
Ausrichtung in Echtzeit anzuzeigen.
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Ein
weiteres Teilziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ausrichtungssystem
für ein
ophthalmologisches Instrument bereit zu stellen, das dem Bediener
einen direkten Blick auf das Pa tientenauge entlang einer optischen
Achse des Instruments ermöglicht
und das ein Instruktionsdisplaybild dem Blickfeld des Bedieners überlagert,
während
dem Patienten ein Fixierungspunkt auf der optischen Achse gezeigt
wird.
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Es
ist ein weiteres Teilziel der vorliegenden Erfindung, ein Ausrichtungssystem
für ein
ophthalmologisches Instrument bereit zu stellen, das ein geringes
Gewicht aufweist und das zum Einbau in ein handgeführtes ophthalmologisches
Gerät wenige Komponenten
aufweist.
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Es
ist noch ein weiteres Teilziel der vorliegenden Erfindung, ein relativ
preiswert herzustellendes Ausrichtungssystem für ein ophthalmologisches Instrument
bereit zu stellen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weist
das Ausrichtungssystem außerdem
ein afokales Positionsermittlungssystem auf, um den X-Y-Z-Ausrichtungsstatus
des Instruments relativ zum Patientenauge zu bestimmen. Das Positionsermittlungssystem
weist eine erste und eine zweite Lichtquelle auf gegenüberliegenden
Seiten der zentralen optischen Achse des Instruments und korrespondierend
einen ersten und einen zweiten lichtempfindlichen Flächendetektor
auf, die so positioniert sind, dass sie Licht von einer dazugehörigen Lichtquelle
nach Reflektion an der Hornhaut empfangen. Die Detektoren geben
ein Informationssignal aus, das die lokale x-y-Position eines dabei
gebildeten Lichtpunktes angeben. In einer bevorzugten Ausführung sind
der erste und der zweite Detektor Vierzellendetektoren, die vier
Quadranten aufweisen und die Größe des Lichtpunktes
ist ungefähr
gleich der Größe eines
Quadranten, wobei die x-y-Position aufgrund der von den Quadranten
generierten vier Signalstärken
bestimmt werden kann. Sammellinsen hinter jeder Lichtquelle und
vor jedem Detektor minimieren die Divergenz des Lichtstrahls beim
Ausleuchten des Auges und beim Eintreffen am Detektor.
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Die
lokalen x-y-Daten jedes Detektors werden als Eingangsgrößen für eine Reihe
von während der
Kalibrierung des Instruments festgelegten und gespeicherten geometrischen
Beziehungen verwendet, um den globalen X-Y-Z-Ausrichtungsstatus
des Instruments relativ zum Auge anzugeben. Die geometrischen Beziehungen
sind mehrere Regressionsgleichungen für X, Y und Z, wobei die Regressionskoeffizienten
für jede
Gleichung bestimmt werden, indem lokale x-y-Daten von den Detektoren
für ein künstliches
Auge ausgelesen werden, das während der
Kalibrierung auf einer Mehrzahl von bekannten X-Y-Z-Positionen platziert
wird. Die Regressionskoeffizienten werden während der Kalibrierung gespeichert
und im normalen Betrieb des Instruments dazu verwendet, basierend
auf lokalen x-y-Daten der Detektoren schnell X-, Y- und Z-Koordinaten
zu berechnen, während
ein Bediener das Instrument relativ zu einem Patientenauge positioniert.
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Um
die X-Y-Z-Positionsdaten zu empfangen und um dem Bediener Instruktionsmarken
für die
Bewegung des Instruments für
das Ausrichten anzugeben, ist ein „Headup”-Display angeschlossen. In
einer üblichen
Ausführungsform
weist das Headup-Display eine polare Anordnung von Leuchtdioden
auf, die selektiv erleuchtet werden, um eine gewünschte X-Y-Bewegungsrichtung
anzuzeigen und es weist eine lineare Anordnung von Leuchtdioden auf,
die selektiv erleuchtet werden, um eine gewünschte Z-Bewegungsrichtung anzuzeigen. Unter Verwendung
eines Strahlenteilers, der es erlaubt, auch ein Makroabbild des
Patientenauges entlang der optischen Achse des Instruments zu übertragen, wird
dem Bediener ein Abbild des Headup-Displays in der optischen Achse
gezeigt, wobei die X-Y polare Anordnung ringsum des direkt gesehenen
Makrobildes des Auges angeordnet ist.
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Die
Art und Weise des Betriebs der vorliegenden Erfindung wird nun umfassender
in der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Zusammenhang
mit den beigefügten
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 ein
schematisches Diagramm der Optik eines ophthalmologischen Instruments
ist, das mit einem Ausrichtungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung
arbeitet;
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2 eine
Schnittansicht eines Teils des optischen Bereichs des in 1 gezeigten
ophthalmologischen Instruments ist;
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3 eine
schematische, perspektivische Ansicht ist, die die Anordnung von
Elementen eines Positionsdetektierungssystems zeigt, die einen Teil des
Ausrichtungssystems in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellen;
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4 eine
Detailzeichnung eines Vierzellendetektors des in 3 gezeigten
Positionsdetektierungssystems ist;
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5 ein
elektronisches Zeitdiagramm ist, das sich auf die Ausleuchtung und
die Abtastung des in 4 gezeigten Vierzellendetektors
bezieht;
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6 ein
elektronisches Blockdiagramm des in 1 gezeigten
ophthalmologischen Instruments ist;
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7 ein
Flussdiagramm von aufeinander folgenden Schritten zur Kalibrierung
des in 3 gezeigten Positionsdetektierungssystems ist;
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8 eine
vergrößerte Zeichnung
eines Headup-Displays ist, das zum Bereitstellen von Ausrichtungsinstruktionen
an einen Bediener für
die Ausrichtung des Instruments relativ zu einem zu testenden Auge
Teil des Ausrichtungssystems der vorliegenden Erfindung ist;
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9 ein
schematisches Diagramm der Optik eines Headup-Display-Systems in Übereinstimmung
mit einer gegenwärtig
bevorzugten Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist;
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10 eine
Aufsicht eines Teils eines optischen Bereichs eines ophthalmologischen
Instruments ist, das das schematisch in 9 gezeigte Headup-Display-System
enthält;
und
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11 ein
schematisches Diagramm der Optik eines Headup-Display-Systems in Übereinstimmung
mit einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, bei dem ein Instruktionsdisplay über einer
Augenlinse des Systems angebracht ist.
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In 1 ist
ein ein Ausrichtungssystem der vorliegenden Erfindung aufweisendes
ophthalmologisches Gerät
schematisch illustriert und durch das Bezugszeichen 10 identifiziert.
Das Instrument 10 ist als berührungsloses Tonometer dargestellt,
das zur Messung des intraokularen Drucks einen Flüssigkeitsstoß aus einem
Flüssigkeitsaustrittsrohr 12 abgibt,
um eine sichtbare Deformation der Hornhaut des Patienten zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch in anderen Typen ophthalmologischer
Instrumente implementiert werden, bei denen es nötig ist, den X-Y- oder den
X-Y-Z-Ausrichtungsstatus des Instruments relativ zu einem Auge sicher
zu stellen.
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Das
Instrument 10 umfasst eine optische Achse 14,
entlang derer das Austrittsrohr 12 ausgerichtet ist, ein
Frontstück 16,
das in der Nähe
des Vorderteils des Instruments zur Befestigung verschiedener, weiter
unten beschriebener optischer und opto-elektronischer Elemente des
Instruments angebracht ist, ein Fixierungspunkt-Projektionssystem 18, das
mit einem Strahlenteiler 20 zusammenwirkt, um dem Patienten
auf der optischen Achse 14 einen sichtbaren Fixierungspunkt
zu zeigen, ein Okular 22 und ein Makrolinse 23,
um einem Bediener O die Sicht auf das Auge E des Patienten durch
das Instrument auf der optischen Achse 14 zu ermöglichen,
ein Headup-Display 24 und einen mit einem Strahlenteiler 28 zusammenwirkenden
Spiegel 26, um dem Bediener auf der optischen Achse 14 ein
Abbild des Headup-Displays zu zeigen. Die Makrolinse 23 ist vorzugsweise
eine Doppel-Planarlinse, so dass der Bediener das Auge in einem
nicht-vergrößerten Zustand
sieht. Es ist jedoch möglich,
eine Makrolinse mit optischer Kraft zu verwenden, um andere gewünschte Sichtweisen
des Auges zu ermöglichen.
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2 zeigt
das Fixierungspunkt-Projektionssystem 18 detaillierter.
Eine LED 19 emittiert Licht, das ein einen lichtdurchlässig rot
gefärbten
zentralen Zielpunkt 25 aufweisendes, feinst matt geschliffenes Diffusorelement 21 passiert.
Das Licht vom Diffusorelement 21 passiert dann eine Kollimationslinse 27 bevor
der parallel gerichtete Zielstrahl von dem Strahlenteiler 20 so
reflektiert wird, daß er
der optischen Achse 14 folgt. Die Verwendung eines relativ dunklen
Zielpunkts gegenüber
einem hellen Hintergrundfeld wird bevorzugt, da das helle Hintergrundfeld
hilft, das Auge E des Patienten zu beleuchten, um die direkte Sicht
des Bedieners auf das Auge entlang der optischen Achse 14 zu
verbessern. Um die Ausleuchtung des Auges E zu verbessern, können zusätzliche
Lichtquellen (nicht gezeigt) verwendet werden, die am oder in der
Nähe des
Frontstücks 16 montiert
sind.
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Jetzt
wird das Hauptaugenmerk auf die Elemente gerichtet, die im oder
am Frontstück 16 montiert
sind. Wie zuvor erwähnt,
ist das Instrument 10 als berührungsloses Tonometer gezeichnet,
welches aus diesem Grund einen „Applanationsemitter” 30 zur
schrägen
Ausleuchtung des Auges während
des Austritts eines Flüssigkeitsstoßes und
einen, auf einer gegenüberliegenden
Seite des Auges angebrachten, „Applanationsdetektor” 32 aufweist,
um von der Hornhaut reflektiertes Licht zu empfangen und um ein
Spitzensignal in dem Moment zu registrieren, in dem die Oberfläche der
Hornhaut durch den Flüssigkeitsstoß abgeplattet
(„applaniert”) ist.
Diejenigen, die mit berührungslosen
Tonometern vertraut sind, werden bemerken, dass der Applanationsemitter 30 und
der Applanationsdetektor 32 Teile von bekannten Ausführungen
nach dem Stand der Technik sind zur Bestimmung der momentan auftretenden Applanation
basierend auf dem von der Oberfläche der
Hornhaut zurückgestrahlten
Licht.
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Elemente
eines Positionsdetektierungssystems, das Teil eines Ausrichtungssystems
entsprechend einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, sind auch im Frontstück 16 eingebaut.
Genauer, die schematische Zeichnung der 1 zeigt eine
Lichtquelle 40A auf einer Seite der optischen Achse 14 und
einen Detektor 42A auf einer gegenüberliegenden Seite der optischen
Achse 14, die zur Positionsbestimmung benutzt werden. In
der vorliegenden Anwendung trägt
das Frontstück 16 eine zweite
Lichtquelle 40B und einen zweiten Detektor 42B,
die in der Ansicht der 3 erscheinen. In der momentan
beschriebenen Ausführungsform
sind die Lichtquellen 40A und 40B genau unter
der horizontalen Ebene angeordnet, die die optische Achse 14 enthält, während die
Detektoren 42A und 42B knapp über der horizontalen Ebene
sind, die die optische Achse 14 enthält, wodurch in der horizontalen
Ebene Raum für
den Applanationsemitter 30 und den Applanationsdetektor 32 gelassen
wird. Die erste Lichtquelle 40A richtet einen ersten Lichtstrahl
entlang einer ersten Ausleuchtungsachse 41A zur Ausleuchtung
des Auges E und der Detektor 42A definiert eine erste Lichtdetektionsfläche zum
Empfang eines Abbildes der ersten Lichtquelle 40A, das
aus vom Auge reflektiertem Licht besteht. Licht, das sich auf der
ersten Ausleuchtungsachse 41A ausbreitet, passiert eine
Sammellinse 44A und fällt
schief auf die im wesentlichen sphärische Oberfläche der
Hornhaut, wobei es in Richtung des ersten Detektors 42A reflektiert
wird. Eine Sammellinse 46A vor dem ersten Detektor 42A parallelisiert
im wesentlichen den divergenten Strahl, der von der im wesentlichen
sphärischen
Oberfläche
der Hornhaut kommt, wobei von der durch den ersten Detektor 42A definierten
Lichtdetektionsfläche
ein Lichtpunkt empfangen wird. Im wesentlichen detektiert der erste
Detektor 42A eine scheinbare oder virtuelle Quelle hinter
der Hornhaut. Die zweite Lichtquelle 40B, die zweite Ausleuchtungsachse 41B,
die Kollektorlinsen 44B und 46B und der zweite
Detektor 42B bilden ein gleichartiges System und sind vorzugsweise
bezüglich
der senkrechten Ebene, die die optische Achse 14 enthält, gegenüberliegend
symmetrisch angeordnet. In einer bevorzugten Konstruktion sind die
Positionslichtquellen 40A und 40B und der Applanationsemitter 30 infrarote
lichtemittierende Dioden, so dass der Patient von ihnen nichts sieht
und sie sind auf einer einzelnen flexiblen Leiterplatte befestigt
oder ausgebildet, um die Montage des Instruments zu erleichtern. Ebenso
sind der erste und der zweite Detektor 42A und 42B zur
einfachen Montage vorzugsweise auf einer flexiblen Leiterplatte
befestigt.
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In
der Zeichnung der 3 ist eine dreidimensionale
(X-Y-Z) Ausrichtungslage
des durch den Ausgang des Flüssigkeitsaustrittsrohrs 12 dargestellten
Instruments und des durch den Hornhautscheitel V dargestellten Auges
gezeigt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Ausrichtung erreicht, wenn die optische Achse 14 den
Hornhautscheitel V schneidet und dazu normal ist und das Austrittsende des
Flüssigkeitsaustrittsrohrs 12 sich
in Z-Achsenrichtung auf einem vorbestimmten Arbeitsabstand (Abgabeabstand
D) befindet. Die Ausrichtung des ersten Detektors 42A und
die des zweiten Detektors 42B sind so gewählt, dass
der zentrale Strahl des jeweiligen von der Hornhaut reflektierten
Ausleuchtungsstrahls senkrecht zur Lichtdetektionsebene des entsprechenden
Detektors ist und im Wesentlichen in einem zentralen Punkt der Lichtdetektionsebene
auftrifft, falls x-y-z-Ausrichtung vorliegt.
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4 zeigt
eine Lichtdetektionsebene 48 des ersten Detektors 42A mit
dem Hinweis, dass die begleitende Beschreibung auch auf den zweiten
Detektor 42B zutrifft. Ein Abbild der Lichtquelle 40A erscheint
auf der Lichtdetektionsebene 48 als ein Lichtpunkt 50.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der erste Detektor 42A ein Vierzellendetektor, der vier
Quad ranten Q1, Q2, Q3 und Q4 aufweist, die jeweils ein Signal proportional
zu der von ihnen empfangenen Lichtstärke ausgeben. Die Größe jedes Quadranten
ist vorzugsweise in der Größenordnung von
ungefähr
1,3 mm × 1,3
mm mit einem Trennungsabstand zwischen benachbarten Quadranten von
ungefähr
0,1 mm. Für
eine aussagekräftige x-y-Auflösung sollte
die Größe des Lichtpunkts 50 in der
Größenordnung
der Größe eines
Quadranten liegen. Die Größe des Lichtpunkts 50 ändert sich
während
der Z-Achsen-Einstellung, da das Instrument 10 näher zum
Auge hin oder vom Auge weg bewegt wird. Außerdem erhöht sich die Zunahme der Größe des Lichtpunkts,
wenn das Instrument näher
an das Auge kommt. Deshalb ist es wünschenswert, das System für einen
Bereich von Z-Achsen-Positionen zu optimieren, die als Mitte den
vordefinierten Abgabeabstand D haben (z. B. +/– 2,00 mm), so dass die Änderung
der Lichtpunktgröße für Z-Achsen-Positionen
in diesem Bereich minimiert wird. Die Optimierung kann durchgeführt werden,
indem eine geeignete vordere Brennweite für die Kollektorlinsen 46A und 46B gewählt wird,
so dass das die Detektoren 42A und 42B treffende
Licht vom leicht konvergenten zum leicht divergenten Zustand übergeht,
wenn das Instrument durch den Bereich der Z-Achsenposition in Richtung Auge bewegt
wird, wobei das die Detektoren 42A und 42B treffende
Licht in etwa parallel gerichtet ist, wenn das Instrument sich in
einem vordefinierten Abgabeabstand D befindet. In der Praxis wurde
herausgefunden, dass der Abgabeabstand D gerade über die vordere Brennweite
der Kollektorlinsen 46A und 46B hinaus gehen sollte.
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Offensichtlich
geben die Signale der Quadranten Q1–Q4 des ersten Detektors 42A die
lokale zweidimensionale Position (x1, y1) des Zentrums des Abbilds
des Lichtpunktes 50 in der Lichtdetektionsebene 48 an
und die Signale der Quadranten Q1–Q4 des zweiten Detektors 42B geben
die lokale zweidimensionale Position (x2, y2) eines entsprechenden Lichtpunkts
an, der sich in der Lichtdetektionsebene des zweiten Detektors bildet.
Die lokale x-Position errechnet sich wie folgt durch Vergleich der
Signalstärken
jedes Quadranten: x = (Q3 + Q4 – Q1 – Q2)/(Q1
+ Q2 + Q3 + Q4).
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Entsprechend
errechnet sich die lokale y-Position wie folgt durch Vergleich der
Signalstärken
jedes Quadranten: y = (Q1 + Q4 – Q2 – Q3)/(Q1
+ Q2 + Q3 + Q4).
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Die
erste Lichtquelle 40A und die zweite Lichtquelle 40B werden
nacheinander erleuchtet und der erste Detektor 42A und
der zweite Detektor 42B werden nacheinander ausgelesen,
um Interferenzen zu vermeiden, um eine ausreichende Ausleuchtungshelligkeit
zu erreichen und um die Energieaufnahme zu reduzieren. 5 ist
ein Zeitablaufschema, das zeigt, dass eine Lichtquelle für die Dauer
von ungefähr
100 μs gepulst
angesteuert wird und dann abgetastet wird und danach die andere
Lichtquelle für
die selbe Zeit gepulst angesteuert wird und dann abgetastet wird.
Der Ablauf wird etwa alle 2 ms wiederholt.
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Unter
zusätzlicher
Bezugnahme auf 6 werden die analogen Signale
der Quadranten Q1–Q4 der
Detektoren 42A und 42B in einem Verstärker 52 und
anschließend
in eine Summen/Differenzenschaltung 54 eingespeist. Die
Summen/Differenzenschaltung 54 weist drei Ausgänge für jeden
Positionsdetektor 42A und 42B auf. Zwei der Ausgänge enthalten
die jeweiligen x- und
y-Werte der obigen Gleichungen und der dritte Ausgang enthält jeweils
den gemeinsamen Nenner der beiden Gleichungen. Die Ausgangssignale
werden von einem Multiplexer 56 multiplext und dienen als
analoge Eingangssignale für
einen Mikroprozessor 60, der eine Analog/Digital-Wandlung
der Signale verrichtet. Der Mikroprozessor 60 ist darauf
programmiert, die endgültigen Lichtpunktpositionen
(x1, y1) und (y1, y2) zu berechnen.
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Während das
vorliegende Ausführungsbeispiel
mit Vierzellendetektoren beschrieben wird, ist es auch möglich, andere
Detektortypen und Anordnungen für
den Zweck der vorliegenden Erfindung einzusetzen. Beispielsweise
ist am Markt eine Vielzahl von ”Position
sensitive devices” (PSDs)
erhältlich,
die lokale x-y-Informationssignale generieren können. Um den oben beschriebenen
Vierzellendetektor zu simulieren, können auch vier diskrete photosensitive
Detektoren in einer Quadrantenanordnung angeordnet werden.
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Der
globale X-Y-Z-Ausrichtungsstatus des ophthalmologischen Instruments 10 relativ
zum Auge wird dann berechnet, indem die Koordinaten x1 und y1 des
ersten Detektors 42A und die Koordinaten x2 und y2 des
zweiten Detektors 42B in eine Vielzahl von vordefinierten
geometrischen Beziehungen eingesetzt werden, die während der
Kalibrierung im Speicher 62 des Instruments gespeichert
wurden. Genauer gesagt können
die geometrischen Beziehungen, die die globalen Positionskoordinaten
X, Y und Z ergeben, wie folgt mit mehrfacher Regression bestimmt
werden: X = R1x1 + R2y1 +
R3x2 + R4y2 + R5, Y = R6x1 +
R7y1 + R8x2 + R9y2 + R10, und Z = R11x1 +
R12y1 + R13x2 + R14y2 + R15,wobei
die Regressionskoeffizienten R1–R15 während der
Kalibrierungsmessungen des Instruments mit einem künstlichen
Auge bestimmt werden.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das die Folgeschritte beim Kalibrieren des Positionsdetektierungssystems
der vorliegenden Erfindung zeigt. Erstens wird gemäß Schritt 70 ein
künstliches „Test”-Auge auf einer
zufälligen,
bekannten Position X, Y, Z relativ zum Instrument 10 platziert.
Anschließend
werden, wie dies durch die Schritte 72 und 74 angezeigt
wird, die lokalen Positionen (x1, y1) und (x2, y2) aus dem Positionsdetektierungssystem ausgelesen
und in einer Tabelle mit den korrespondierenden bekannten globalen
Koordinaten X, Y, Z gespeichert. Falls gemäß Abfrage 76 eine
ausreichende Anzahl an Datenpunkten gemessen wurde, wird in Schritt 78 eine mehrfache
Regression durchgeführt,
um die Regressionskoeffizienten R1–R15 zu bestimmen, die dann gemäß Schritt 80 im
Speicher gespeichert werden. Falls gemäß Abfrage 76 mehr
Datenpunkte benötigt werden,
springt der Prozess zu Schritt 70 zurück und wird wiederholt. Vorzugsweise
wird das Positionsdetektierungssystem kalibriert, indem eine große Anzahl
an zufälligen
Orten für
das künstliche
Auges verwendet wird, wodurch eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung
der Regressionskoeffizienten erreicht wird und schließlich eine
verbesserte Genauigkeit des berechneten X-Y-Z-Ortes des Patientenauges
gewährleistet
ist.
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Das
Positionssystem der vorliegenden Erfindung liefert vor allem deshalb
X-Y-Z Ausrichtungsstatusinformationen mit einer wesentlich höheren Wiederholungsrate
als Systeme nach dem Stand der Technik, da es die Notwendigkeit
des Auslesens einer CCD-Anordnung mit einer großen Anzahl an Pixeln obsolet
macht. Wie zuvor angemerkt, ist ein schnelleres System speziell
für die
Ausrichtung von handgeführten
Instrumenten nützlich,
die so betrieben werden können,
dass sie eine Messung vornehmen, sobald die X-Y-Z-Ausrichtung bestätigt ist.
Auf diese Weise reduziert das System die Zeitdifferenz zwischen
der Bestätigung
der Ausrichtung und der Messung, wäh rend der weitere relative
Bewegungen zwischen dem Instrument und dem Auge auftreten können. Außerdem kann
das Positionsdetektierungssystem der vorliegenden Erfindung periodisch
vom Herstellerpersonal kalibriert werden, um die Ausrichtungsgenauigkeit
sicherzustellen.
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8 zeigt
ein vergrößertes Abbild
des Headup-Displays 24 des Instruments 10 und
des Auges E, wie sie von einem Bediener, der durch das Okular 22 entlang
der optischen Achse 14 blickt, gesehen werden. Das Display 24 unterstützt den
Bediener beim Ausrichten des Instruments, indem ihm ein berechneter
X-Y-Z-Ausrichtungsstatus in einem Format gezeigt wird, das zu Bewegungen
instruiert, die für eine
Ausrichtung des Instruments nötig
sind. Um dem Bediener eine X-Y-Ausrichtungsanweisung zu erteilen,
weist das Headup-Display 24 eine polare Anordnung 82 von
Leuchtdioden 84 auf, die von einer lichtdurchlässigen,
Zeiger 88 aufweisenden Auflage 86 bedeckt werden.
Die LEDs 84 der polaren Anordnung 82 sind jeweils über eine
I2C-Leitung 61 und einen Seriell-zu-parallel-Konverter
(nicht gezeigt) mit dem Mikroprozessor 60 verbunden, wobei
die LEDs selektiv ausgeleuchtet werden, abhängig von dem X-Y-Ausrichtungsstatus
des Instruments relativ zum Auge. Im Einzelnen wird eine LED 84 ausgeleuchtet, die
einem geeigneten Richtungszeiger zugeordnet ist, der dem Bediener
die Bewegungsrichtung zur Ausrichtung der optischen Achse 14 auf
den Hornhautscheitel V anzeigt. Falls eine X-Y-Ausrichtung erreicht
ist, können
alle LEDs 84 der polaren Anordnung 82 konstant
oder gepulst ausgeleuchtet werden, um dem Bediener einen Fall von
X-Y-Ausrichtung anzuzeigen. Für
eine Ausrichtung in der Z-Achse weist das Headup-Display 24 außerdem eine
lineare Anordnung 90 von Leuchtdioden 92 auf,
die entsprechend zu korrespondierenden lichtdurchlässigen Rauten 94 in
der Auflage 86 positioniert sind. Die LEDs 92 der
linearen Anordnung 90 sind jeweils über die I2C-Leitung 61 und
einen Seriell-zu-parallel-Konverter (nicht gezeigt) mit dem Mikroprozessor 60 verbunden,
wobei die LEDs selektiv ausgeleuchtet werden, abhängig vom
Z-Ausrichtungsstatus des Instruments relativ zum Auge. Spezieller,
in einem nicht einschränkenden
Beispiel, haben die obere und die untere LED der linearen Anordnung 90 die
gleiche Farbe (d. h. rot), die mittlere LED ist von einer anderen
Farbe (d. h. grün)
und die LEDs zwischen der oberen LED und der mittleren LED und zwischen
der unteren LED und der mittleren LED sind alle in einer anderen
Farbe (d. h. gelb). Falls das Instrument zu nahe am Auge ist, blinken
beide roten LEDs als Warnsignal für den Bediener. Die unteren
roten und gelben LEDs zeigen an, dass das Instrument vom Auge weg
bewegt werden sollte, während
die oberen roten und gelben LEDs anzeigen, dass das Instrument zum
Auge hin bewegt werden sollte. Die grüne LED zeigt an, dass die Ausrichtung
auf der Z-Achse erreicht ist. Zur Zeit werden vorzugsweise die LEDs 84 und 92 auf
einer einzigen Leiterplatte montiert und es wird Fotofilm für die Überlage 86 verwendet,
die von der LED-Leiterplatte
durch einen Abstandhalter (nicht gezeigt) getrennt werden kann.
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Im
in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das eigentliche
Headup-Display 24 im Instrument auf einer Position abseits
der optischen Achse 14 angeordnet. Durch einen Spiegel 26,
einen Strahlenteiler 28 und eine Augenlinse 17 im
Okular 22 wird ein Abbild des Headup-Displays 24 dem
Bediener auf der optischen Achse 14 gezeigt. Die X-Y-polare
Anordnung 82 ist ringförmig
um ein Makrobild des Patientenauges angeordnet, wobei der Bediener
die Pupille und die umgebende Iris zusammen mit den überlagerten
Display-Instruktionsmarken sieht, die vom Headup-Display 24 angezeigt
werden. Beispielsweise wird der Bediener in 8 dahingehend instruiert,
das Instrument nach unten und nach links für eine X-Y-Ausrichtung und näher zum Auge für eine Z-Ausrichtung
zu be wegen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind das Headup-Display 24 und der Spiegel 26 so
positioniert, dass das Display konfokal mit dem Auge E ist, falls
das ophthalmologische Instrument 10 in einem Arbeitsabstand,
z. B. dem Abgabeabstand D, auf der optischen Achse 14 vom Auge
entfernt ist. Die Augenlinse 17 ist so gewählt, dass
das Display und das Auge im Unendlichen für den Blick durch ein entspanntes
Auge abgebildet werden. Beispielsweise wird in einem Instrument,
bei dem eine exakte X-, Y- und Z-Ausrichtung des Instruments relativ
zum Auge das Auge 250 mm entfernt von der Augenlinse 17 platziert,
vorzugsweise eine Augenlinse mit einer Stärke von +4 Dioptrien gewählt. Solche,
die mit dem Stand der Technik vertraut sind, werden bevorzugen,
dass der Bediener ein klar fokussiertes Bild des Displays 24 und
des Auges E in einheitlicher Vergrößerung sieht, falls das Instrument 10 so
positioniert ist, dass das beobachtete Auge E in einem Bereich von
Z-Achsen-Positionen ist, für
die das Positionsdetektierungssystem optimiert ist (z. B. Arbeitsabstand
D +/– 2,00
mm).
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9 ist
ein schematisches optisches Diagramm eines aktuell bevorzugten Headup-Displays gemäß der vorliegenden
Erfindung. In dem System von 9 zeigt
das Display 24 in Richtung einer Displayachse 33,
die mit der optischen Achse 14 einen Winkel θ einschließt, der
kleiner als 90° ist.
Vorzugsweise ist der Winkel θ kleiner
als 30° und
so nahe wie möglich
an 0°, ohne
dass das Display 24 die Sicht entlang der optischen Achse 14 stört. In einem
kommerziellen Ausführungsbeispiel
ist θ =
20°. Entsprechend
ist der Strahlenteiler 28 so orientiert, dass er in eine
Richtung zeigt, die den Winkel θ halbiert,
der durch die Displayachse 33 und die optische Achse 14 definiert
wird, wobei Licht, das auf der Displayachse 33 vom Display 24 kommt,
vom Strahlenteiler 28 reflektiert wird und zum Bediener
auf der optischen Achse 14 gelangt. Als nicht abschließendes Beispiel kann
der Strahlenteiler 28 als teilreflektierender Spiegel ausgebildet
sein. Die konfokale Beziehung zwischen dem Display 24 und
dem Auge E wird wie in 9 gezeigt aufrechterhalten,
wobei der Abstand A + B zum Auge gleich dem Abstand A + B' zum Display ist.
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10 zeigt
einen Aufbau der Baugruppe 100, an dem das Headup-Display 24 und
der Strahlenteiler 28 bei der Montage des Instruments 10 befestigt
werden. Das Headup-Display 24 ist am vertikalen Teil eines
Befestigungswinkels 102 befestigt, und der horizontale
Teil des Befestigungswinkels ist auf einer Blechblattform 104 mit
einem Paar Schrauben 106 befestigt, die durch entsprechende
Schlitze 108 in der Plattform 104 greifen. Die
Schlitze 108 sind in einer Richtung parallel zur Ebene
des Headup-Display 24 langgestreckt, um eine exakte Ausrichtung
des Displays relativ zum Strahlenteiler 28 zu gewährleisten,
da dies bei der Zentrierung eines reflektierten Abbildes der polaren
Anordnung 82 auf der optischen Achse 14 wichtig
ist. Die Plattform 104 ist am optischen Block 110 der
Baugruppe 100 befestigt.
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Dass
das in den 9 und 10 gezeigte Headup-Display-System überzeugende
Vorteile gegenüber
dem in den 1 und 2 gezeigten
System hat ist offensichtlich. Der Winkel, in dem die Displayachse 33 die
optische Achse 14 schneidet, liegt bei einem praktischen
Minimum, wodurch Platz gespart wird und das Problem von sekundären Oberflächenreflektionen
vom Strahlenteiler 28 reduziert wird, so dass spezielle
Beschichtungen oder ein teurer Pellicle-Strahlenteiler nicht benötigt wird.
Auch der Spiegel 26 ist aus dem System entfernt worden.
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11 zeigt
schematisch ein anderes mögliches
Headup-Display-System, das einen Bediener bei der Ausrichtung eines
ophthalmologischen Instruments 10 unterstützt. In
dem System der 11 weist das auf der optischen
Achse 14 positio nierte Headup-Display 24 eine
runde Öffnung 120 entsprechend
der inneren Fläche
der polaren Anordnung 82 auf, wobei die Augenlinse 17 so
von der Öffnung 120 aufgenommen
wird, dass das Display 24 die Augenlinse 17 umschließt. Der
Strahlenteiler 28 kann ein teilreflektierender Spiegel
sein, der orthogonal zur optischen Achse 14 ausgerichtet
ist, so dass das Auge E hindurch gesehen wird und das Display 24 reflektiert
gesehen wird.