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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Bestimmung
der Position des Auges während
ophthalmischer Eingriffe und ist besonders nützlich für die Fixierung und Nachverfolgung
der Augenposition während
der ophthalmischen Chirurgie durch Laserablation, die üblicherweise
zu Zwecken der Brechungskorrektur durchgeführt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Brechungskorrektur durch Laserablation hat sich zu einem höchst auf
den einzelnen Patienten angepassten Eingriff entwickelt, bei dem,
zum Beispiel unter Einsatz von Wellenfrontverfahren, eine exakte
topographische Abbildung des Patientenauges beschafft wird und im
Voraus ein präzises
Ablationsprofil zu einem hohen Grad der Abmessungsgenauigkeit bestimmt
wird. Das Ablationsprofil wird hergestellt, indem der chirurgische
Ablationslaser dazu programmiert wird, eine Vielzahl aufeinander folgender
Laserimpulse mit großer
Präzision
auf den behandelt werdenden Bereich der Hornhaut anzuwenden. Die
Impulse können
einen kleineren gleichmäßigen Querschnitt
haben, werden jedoch über
gesteuerte Ablationsmuster abgetastet, oder können einen größeren Querschnitt
haben, werden dann jedoch auf verschiedene Querschnitte mit oder
ohne Abtastung maskiert.
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Was
für ein
Ablationsvorgang auch immer gewählt
wird, es besteht ein Bedarf danach, dass am Anfang die Position
des Auges mit großer
Präzision bekannt
ist und dass während
des Eingriffs Bewegungen des Auges beim Zielen der Laserimpulse präzise ausgeglichen
werden. Es ist zu beachten, dass die Patienten während des Eingriffs wach sind und
dass Bewegungen, die vorkommen können,
sowohl willkürliche
als auch unwillkürliche
Bewegungen des Auges, sowie auch Kopfbewegungen sein können. Alle
diese Bewegungen können
vorkommen, auch wenn der Patient, wie das üblich ist, seinen Blick stetig
auf ein Fixierziel gerichtet hat. Eine vollständige Immobilisierung des Auges
wird als nicht praktikabel angesehen.
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Die
herkömmliche
Vorgehensweise bei der Nachführung
von Bewegungen in der ophthalmischen Chirurgie durch Ablation bestand
darin, auf die Pupille zu fokussieren, da es sich bei ihr um einen leicht
in einem Bild aus Reflexionmustern zu erfassenden Gegenstand handelt,
und den Standort der Mitte der Pupille nachzuführen. Beispiele dieser Vorgehensweise
sind in den US-Patenten mit den Nummern 5,345,281 und 5,980,513
und durch die internationale Veröffentlichung
WO 00/27273 vorgesehen, die auch andere Druckschriften zitiert,
die mit einem auf der Pupille basierenden Verfahren arbeiten. Das US-Patent
Nr. 5,980,513 beschreibt ein System, bei dem die Behandlungs-Laseroptik
dazu verwendet wird, einen Infrarot-Sensorstrahl in einer Vielzahl
von Punkten auf den Rand der Pupille zu projizieren und den reflektierten
Strahl wieder aufzufangen.
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Es
ist wohl bekannt, dass die Größe der Pupille
in Abhängigkeit
vom Umgebungslicht und anderen Einflüssen variiert, und dieses Problem
wird durch künstliche
Erweiterung oder durch einen Spielraum im Mustererkennungsalgorithmus
gelöst.
Was jedoch nicht so gut bekannt ist, ist die Tatsache, dass sich
der geometrische bzw. mathematische Mittelpunkt der Pupille um bis
zu 0,7 mm bewegt, während sich
die Pupille erweitert und zusammenzieht. Diese Verschiebungen des
Mittelpunkts der Pupille können bei
herkömmlichen "großflächigen" Ablationen noch hingenommen
werden, sind jedoch bei hochpräzisen auf
den Patienten abgestimmten Ablationen vollständig inakzeptabel.
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Die
vorliegenden Erfindung berücksichtigt, dass
der bessere Referenzpunkt für
eine präzise Nachverfolgung
von Augenbewegungen der Limbus, d.h. die Grenze zwischen der Iris
und den Sklerabereichen (Lederhautbereichen), ist, weil der Limbus
in einem festen Verhältnis
und eine sehr gute Zirkularität
bezüglich
der Linse der Hornhaut bleibt, welche natürlich Gegenstand der Ablation
ist. Es gibt bisher eine Anzahl von Patenten, die eine auf dem Limbus basierende
Nachverfolgung von Augenbewegungen oder – positionen vorschlagen, so
zum Beispiel die US-Patente 5,865,832, 5,966,197, 6,095,648, 6,179,422,
6,299,307, 6,604,825 und 6,702,809, sowie die US-Patentveröffentlichung 2002/0013575. Bei
diesen Anordnungen wird typischerweise eine Intensitätsdifferenz
zwischen Licht, das von der Sklera reflektiert wird, die natürlich weiß ist, und
von Licht, das von der Iris reflektiert wird, die farbig ist, erfasst.
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Es
soll nicht der Eindruck entstehen, dass durch eine Erwähnung oder
Erörterung
hier spezifisch mit ihrer Nummer identifizierter Dokumente der Anmelden
der Meinung ist, dass diese Druckschriften zum Allgemeinwissen gehören.
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Die
US-Patente 5,865,832, 5,966,197 und 6,702,809 offenbaren Systeme
zur Nachverfolgung von Augenbewegungen, bei denen der Limbus durch seitliche
Lichtquellen statisch beleuchtet und ein kugelzweieckförmiges Bild
des gesamten Limbus auf ein Mehrelement-Detektorsystem projiziert
wird. Das System des US-Patents 5,966,197 verwendet Paare von Detektoren
auf einem Paar zueinander senkrechter Durchmesser zum Erfassen der
beiden Limbus-Positionen auf jedem Durchmesser durch räumliches Überwachen,
ob Schritte auf dem erfassten Bild vorkommen.
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Das
US-Patent 6,179,422 hat eine andere Herangehensweise: Anstelle einer
statische Beleuchtung des ganzen Limbus wird unter der Verwendung
derselben Abtastoptik wie für
den Ablationsstrahl ein Beleuchtungsstrahl radial über ein
Segment des Limbus geführt.
Der gestreute Strahl wird durch eine eigene Optik aufgefangen und
auf einen Photodetektor gerichtet, der überwacht, ob ein die Limbusgrenze
anzeigender Amplitudenschritt auftritt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, verbesserte Verfahren zum Bestimmen
und/oder Nachverfolgen der Position eines Auges, insbesondere vor
und während
der ophthalmischen Laserablationschirurgie vorzusehen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wurde
verstanden, dass die Suche, die Erfassung bzw. der Vergleich des "Weißen" im Gegensatz zu
der farbigen Iris, die Grundlage einiger der oben genannten Druckschriften,
eine Anzahl von Schwierigkeiten bietet. Erstens müsste bei
der Suche nach dem Weißen
dieses unter allen Beleuchtungsbedingungen klar gegenüber den anderen
Farben definiert sein, d.h. die Intensität des "Weißen" wäre von den
Beleuchtungsbedingungen abhängig,
und eine einfache Suche nach dem "Weißen" wird nicht allen
Bedingungen gerecht. Zweitens haben die meisten Patienten unter
Chirurgiebedingungen eine große
Menge Rot auf der Sklera (manche schlimmer als andere), was eine
Suche, eine Erfassung bzw. einen Vergleich mit "Weiß" noch schwieriger
macht. Außerdem
haben viele Augen eine Iris heller Farbe (z.B. Hellblau), und oft
befinden sich viele Blutgefäße im Limbus-Bereich.
In diesen Situationen ist das durchschnittliche Helligkeitsniveau
auf jeder Seite des Limbus sehr ähnlich,
was eine automatische Detektion des Limbus über diese Vorgehensweise unmöglich oder
sehr schwierig macht.
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Das
wesentliche Konzept der Erfindung ist nach einem Aspekt die Verwendung
des Farbkontrasts zwischen der Iris und der Sklera zum Erfassen der
Position des Limbus durch Messen des Weißegrads über die Grenze hinweg. Nach
einem anderen Aspekt verwendet die Erfindung das verstärkte Vorhandensein
von Blutgefäßen in der
Sklera zum Erfassen der Position des Limbus durch Messen des Grads
der Röte über die
Grenze hinweg.
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Die
Erfindung sieht nach einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen
und/oder Nachverfolgen der Position eines Auges mit den folgenden Schritten
vor:
- – Verwenden
mindestens zweiter Wellenlängenkomponenten
eines Mehr-Wellenlängen-Bilds
einer Zone, welche sich über
den Limbus eines Auges hinweg erstreckt, zum Erhalten eines Weißeprofils
und/oder Röteprofils über die
Zone hinweg; und
- – Identifizieren
mindestens einer vorbestimmten Referenzposition, welche die Position
des Auges anzeigt, aus dem Profil.
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Die
Zone, welche sich über
den Limbus hinweg erstreckt, kann eine lineare Zone oder ein größerer Bereich
sein. Außerdem
kann das Bild der Zone ein Teil eines größeren Bilds, zum Beispiel des
gesamten Limbus, sein.
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In
einer Ausführungsform
wird das Profil durch Analysieren der relativen Intensitäten der
beiden Wellenlängenkomponenten über die
Zone hinweg erhalten.
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Typischerweise
erstreckt sich die Zone im Wesentlichen radial über den Limbus hinweg.
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Die
mindestens eine vorbestimmte Referenzposition wird günstigerweise
als der Mittelpunkt eines Segments der Zone identifiziert, in der
das Weißeprofil
und/oder Röteprofil
die größte Steigung
hat.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise ein Aufzeichnen des Mehr-Wellenlängen-Bilds.
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Die
beiden Wellenlängenkomponenten
sind vorzugsweise im sichtbaren Lichtbereich des elektromagnetischen
Spektrums.
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Vorzugsweise
ist das Bild ein digital aufgenommenes Bild, z.B. ein digital aufgezeichnetes
Videobild oder ein vergleichbares Bild der Zone. Das Verfahren verwendet
vorteilhafterweise mindestens zwei der drei Wellenlängenkomponenten,
die z.B. in einem RGB-Farbvideosystem (RGB = rot, grün, blau) gemischt
werden, um die Farben des Bilds zu charakterisieren.
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In
einer Ausführungsform
enthält
das Bild den ganzen oder im Wesentlichen den ganzen Limbus.
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Das
Verfahren enthält
vorzugsweise ein Lokalisieren der Position des Mittelpunkts des
Auges durch das Bestimmen von Datenpunkten, welche viele der Referenzpositionen
an beabstandeten Intervallen um den Limbus herum umfassen, und dann
ein Analysieren dieser Datenpunkte zum Lokalisieren des Mittelpunkts
des Limbus und dadurch zum Charakterisieren der Position des Auges.
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Das
Verfahren gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise in ein Verfahren zum Behandeln
eines Auges durch Laserablation integriert, z.B. zu Zwecken einer
Brechungskorrektur, wobei das Verfahren der Erfindung dazu verwendet wird,
die Position des Auges zum Zweck des korrekten Positionierens eines
jeden Laserimpulses zu bestimmen und/oder dessen Bewegungen nachzuverfolgen.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt sieht die Erfindung eine ophthalmische Laserablationsvorrichtung vor,
die folgendes aufweist:
- – ein Mittel zum Liefern eines
gepulsten Laserstrahls zum Durchführen eines Laserablationseingriffs
an einem Auge eines Patienten;
- – ein
Mittel, das zum Betrachten und Aufzeichnen eines digitalen Mehr-Wellenlängenkomponentenbilds
mindestens einer Zone des Auges des Patienten, welche sich über den
Limbus des Auges hinweg erstreckt, positionierbar ist; und
- – ein
Analysemittel, das zum Empfangen des digitalen Bilds angeschlossen
und dazu programmiert ist, die Schritte des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung durchzuführen
und dadurch die Position des Auges zu bestimmen und/oder dessen
Bewegungen nachzuverfolgen.
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Die
Zone, die sich über
den Limbus hinweg erstreckt, kann eine lineare Zone oder ein größerer Bereich
sein. Außerdem
kann das Bild der Zone ein Teil eines größeren Bilds, z.B. des ganzen
Limbus, sein.
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Vorzugsweise
ist das Mittel, das zum Betrachten und Aufzeichnen eines digitalen
Mehr-Wellenlängenkomponentenbilds
mindestens einer Zone des Auges positionierbar ist, so angeordnet,
dass sich der Bereich im Wesentlichen radial über den Limbus hinweg erstreckt.
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Die
Vorrichtung gemäß dem zweiten
Aspekt der Erfindung kann auch dazu programmiert sein, jeden der
optionalen Schritte des Verfahrens des ersten Aspekts der Erfindung
auszuführen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
folgt eine eingehendere Beschreibung der Erfindung lediglich als
Beispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:
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1 eine
höchst
schematisierte Darstellung der bestimmten Komponenten einer ophthalmischen
Laserablationsvorrichtung, die eine Festkörperlasermaschine enthält und modifiziert
und programmiert ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen;
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2 eine
schematische Vorderansicht des Auges, bei dem die hauptsächlichen
sichtbaren physiologischen Teile gezeigt sind, und mit einem überlagerten
Netz, das bei der bevorzugten Umsetzung der Erfindung dazu verwendet
wird, in Vorbereitung auf eine Laserablationsbehandlung der Kornea
des Auges den Mittelpunkt der Kornea zu finden.
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3 eine
Kurvendarstellung eines repräsentativen
Weißeprofils über eine
Limbusgrenze hinweg; und
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4 ein
Diagramm, das Kurvenanpassungen zirkulärer oder polynomialer Funktionen
veranschaulicht, um die Position der linken, der rechen, der oberen
und deren unteren Grenze genau zu bestimmen.
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Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
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Eine
geeignete Vorrichtung 10 (1) zum Durchführen einer
Laserablation an einem Patienten für eine Brechungskorrektur enthält ein Festkörperlasersystem 12,
das einen primären
Laserstrahl 14 einer gewünschten Wellenlänge abgibt,
die zur Laserablation geeignet ist. Der Strahl 14 wird
von einem Strahllieferungssystem 20 und einer weiteren
Optik 33 auf die Kornea 34 des Auges 35 eines
liegenden Patienten gerichtet, der auf einem (nicht gezeigten) Bett
liegt, das einen Teil des Systems bildet.
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Die
Steuerung 54, typischerweise ein Computersystem, steuert
mindestens die Ausgangsstrahlparameter des Lasersystems 12 sowie
die Elemente des Strahllieferungssystems 70, um so auf
jedes Auge des Patienten ein auf dieses Auge abgestimmtes Ablationsprofil
anzuwenden. Ein geeignetes Mikroskop 80, das auf die Kornea
fokussiert ist, ist vorgesehen, um es dem Chirurgen zu ermöglichen,
den Eingriff zu überprüfen und
zu überwachen.
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Bei
dem Lasersystem 12 kann es sich um einen Excimer-Laser
oder einen Festkörperlaser,
wie zum Beispiel einen Nd:YAG oder Nd:YLF-Laser handeln.
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Um
sicherzustellen, dass das Ablationsprofil mit hoher Präzision auf
die Hornhautoberfläche
angewendet wird, muss die Steuerung 54 mit hoher Präzision Kenntnis
von der Anfangsposition des Auges haben und muss die Position des
Auges während
des Eingriffs nachvollziehen; jede erfasste Verschiebung der Kornea
muss sich entweder in einer Einstellung des Ablationsprofils oder
einem Stoppen der Ablation niederschlagen. Die Nachführung geschieht
zum Zweck der Erfassung jeder Seitwärtsbewegung des Auges, ob es
sich dabei um eine willkürliche
oder unwillkürliche
Bewegung auf Seiten des Patienten handelt, und schließt Bewegungen
mit ein, die von einer Bewegung des Kopfs herrühren, damit jeder Laserimpuls
an die korrekte Position geschossen wird.
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Die
Vorrichtung ist demnach mit einem Augenbewegungs-Nachverfolgungs-Untersystem 200 ausgerüstet. Das
Untersystem 200 weist eine digital Miniatur-Videokamera 210 auf,
die zum Aufzeichnen eines Vollfarbbilds einer Zone des Auges vorgesehen ist,
die groß genug
ist, dass sie den gesamten Limbus und die benachbarte Sklera in
vorbestimmten Intervallen, z.B. in der Größenordnung von Mikrosekunden,
zeigt. Diese Kamera wird von der Hauptsteuerung 54 der
Vorrichtung aktiviert und liefert ihre aufgezeichneten digitalen
Bilder an diese. Idealerweise sieht die digitale Videokamera das
Auge kolinear mit der Sicht des Mikroskops und der Blickrichtung
des Patienten.
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Unter
Bezugnahme auf 2 wird die Anfangsposition des
Auges durch die Steuerung 54 festgestellt, wozu wie folgt
Bildanalyseverfahren eingesetzt werden. Für jedes digital aufgezeichnete
Bild des Auges wird die Position des Limbus 60 (durch noch
zu beschreibende Mittel) auf jedem Arm 42 eines Gitters 40 aus
acht radialen Armen, die in Intervallen von 45° angeordnet sind und durch vier
sich kreuzende Linien 44 gebildet werden, bestimmt. Jeder
Arm ist länger
als ein standardmäßiger Limbus-Radius,
und die Position des Limbus auf jedem Arm, wenn sie denn gefunden
wird, stellt einen entsprechenden "Rand" der überwachten
Zone dar.
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Ein
Wert wird für
die Position dieser Ränder entlang
der Arme vergeben:
je besser der Radius den entsprechenden
Ränder
mit dem Limbus-Radius übereinstimmt,
desto höher
ist der Wert. Wenn das Gitter mit dem Mittelpunkt des Auges konzentrisch
ist, dann ist zu erwarten, dass die Kanten entlang aller Arme auf
dem Limbus-Radius zu liegen kommen, und der resultierende Wert ist dann
entsprechend hoch.
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Es
werden Werte an Gitterpositionen über das gesamte Bild hinweg
vergeben, und die Position des Mittelpunkts des Auges wird als Gittermittelpunkt bestimmt,
wo der höchste
Wert erzielt wird. Der Mittelpunkt wird als ein entscheidender Referenzpunkt zum
Einleiten und Steuern des vom Strahl 14 angewendeten Ablationsprofils
verwendet.
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Die
tatsächlichen
Positionen der Limbus-Übergänge bzw. "Ränder" werden wie folgt bestimmt. In jedem
von einem Arm 42 des sich über den Limbus erstreckenden
Gitters 40 bestimmten Bereich werden die relativen Intensitäten der
primären
Wellenlängenkomponenten
des Vollfarbbilds bestimmt. In einem typischen digitalen Bildgebungssystem
sind das die RGB-Komponenten
(rot, grün
und blau). Wenn die Intensitäten
gleich sind, dann ist dieser Teil des Bilds weiß und zeigt in diesem Fall
die Sklera 62 an (2), während ein
hohe Intensität
einer oder zwei der Komponenten im Verhältnis zu der/den anderen die
farbige Zone der Iris 64 anzeigt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
aus dieser Analyse der Wellenlängenkomponentenintensität ein Weißeprofil über eine
lineare radiale Zone zu erstellen. Ein Beispiel eines derartigen
Weißeprofils 70 entlang
einer sich über
den Limbus hinweg erstreckenden radialen Linie ist in 3 gezeigt.
Die Steuerung 54 ist dazu programmiert, den Limbus-"Rand" als den Mittelpunkt 73 der
Zone 72 mit der größten Steigung
in der Weißeprofilkurve 70 zu
wählen.
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In 3 ist
die Iris links und die Sklera rechts. Die größere Unregelmäßigkeit
des Weißeprofils
für die
Sklera rührt
daher, dass sich in der Sklera mehr Blutgefäße befinden. Dies spiegelt
das höhere Niveau
des Vorhandenseins von Blutgefäßen in der Sklera
als in der Iris wider. Angesichts dieses Unterschieds kann die Position
des Limbus aus dem Weißeprofil
aus der Analyse des Bilds hinsichtlich der Röte bestimmt werden: Das Röteprofil
zeigt in ähnlicher
Weise einen deutlichen Übergang
zwischen der Iris und der Sklera.
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Auf
die Nachverfolgung von Augenbewegungen während eines Ablationseingriffs
werden andere Analysekriterien angewendet. Die Bewegungsnachverfolgung
geschieht zum Zweck der Erfassung von Seitwärtsbewegungen des Auges, ob
sie willkürlich oder
unwillkürlich
von Seiten des Patienten erfolgen, und enthalten auch Bewegungen,
die von Kopfbewegungen herrühren.
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Unter
Bezugnahme auf 4 wird dasselbe Gitter 40 aus
den Armen 42 verwendet, um die Augenbewegungen nachzuverfolgen.
Es werden nun jedoch die Ränder
für Arme
in vier Quadranten zum Bestimmen von Parabeln der besten Anpassung
für vier
Ränder
des Limbus verwendet. Mindestens drei Punkte sind in jedem Quadranten
für eine
Parabel nötig.
Dies führt
zu vier Wendepunkten am oberen, unteren, linken und rechten Rand
des Limbus, wie in 4 gezeigt. Ein Algorithmus wird
ebenfalls verwendet, um Punkte auszuschließen, von denen festgestellt
wird, dass sie sich außerhalb
eines akzeptablen Bereichs befinden.
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Die
resultierenden Parabeln und Wendepunkte werden dazu verwendet zu
bestimmen, ob eine Augenbewegung nachverfolgt wurde, da die resultierenden
Parabeln und Wendpunkte innerhalb bestimmter Grenzen liegen sollten.
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Wenn
die Ergebnisse akzeptabel sind, wird aus ihnen der Augenmittelpunkt
bestimmt, and die Augenpositionsdaten werden auf den Ablationssteuerungsalgorithmus
angewendet. Wenn die Daten nicht akzeptabel sind und es nicht scheint,
dass die Augenbewegung nachverfolgt wird, dann wird dies ebenfalls
mitgeteilt, wodurch dann typischerweise die Ablation gestoppt wird.
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Bei
einer alternativen Vorgehensweise kann die Steuerung nach der Anfangseinstellung
eine Bewegungsnachverfolgung vornehmen, indem ein am besten passender
Kreis aus der Anfangsstellung des Auges verwendet wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Verfahren
zum Bestimmen und/oder Nachverfolgen der Position eines Auges, mit
den folgenden Schritten: Verwenden mindestens zweier Wellenlängenkomponenten
einer Mehr-Wellenlängen-Abbildung
einer Zone, welche sich über
den Limbus des Auges hinweg erstreckt, um ein Weißeprofil und/oder
eine Röteprofil über die
Zone hinweg zu erhalten; und Identifizieren mindestens einer vorbestimmten
Referenzposition, welche die Position des Auges anzeigt, aus dem
Profil. Das Gerät
zum Ausführen
des Verfahrens wurde hier auch offengelegt.