DE112006001217T5

DE112006001217T5 - Schnell reagierende Augennachführung

Info

Publication number: DE112006001217T5
Application number: DE112006001217T
Authority: DE
Inventors: Paul Van Saarloos
Original assignee: Customvis PLC
Current assignee: Customvis PLC
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2008-03-27
Also published as: US7922330B2; GB2441671A; GB0722288D0; WO2006119584A1; US20080204658A1

Abstract

Verfahren zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges, mit den folgenden Schritten:
– Richten eines einfallenden Lichtstrahls entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen Bereich dieser Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges einschließt;
– Erfassen mit mindestens einem Detektor, der eines oder mehrere Detektorsegmente aufweist, eines Rückstrahls, der Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt wurde, wobei der Rückstrahl entlang demselben optischen Pfad zurückkehrt und bei Strahlteilungsmitteln vom einfallenden Strahl getrennt wird, wobei das Detektorsegment/die Detektorsegmente einen ersten und einen zweiten Wert für Licht aufzeichnet/aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris in diesem beleuchteten Bereich gebeugt wird;
– wobei eine Bewegung dieses Hornhautgrenzsegments und daher des Auges eine Veränderung mindestens eines dieser Werte hervorruft.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Bestimmung der Position des Auges während ophthalmischer Eingriffe und ist besonders nützlich zum Fixieren und Nachführen der Augenposition während der ophthalmischen Chirurgie durch Laserablation, die meistens zu Zwecken der Brechungskorrektur ausgeführt wird.
Hintergrund der Erfindung
Die Brechungskorrektur durch Laserablation hat sich in einen auf höchste Weise auf den Patienten eingehenden Vorgang entwickelt, bei dem eine genaue topographische Aberrationsabbildung des Patientenauges erhalten wird, z.B. unter der Verwendung von Wellenfronttechniken, und zu einem hohen Grad der Abmessungsgenauigkeit ein Präzisionsablationsprofil vorbestimmt wird. Das Ablationsprofil wird durch Programmierung der Laserchirurgiemaschine durchgeführt, um eine Vielzahl aufeinanderfolgender Laserimpulse mit großer Präzision auf den behandelt werdenden Hornhautbereich anzuwenden. Die Impulse können einen kleineren gleichmäßigen Durchmesser haben, jedoch über gesteuerte Ablationsmuster geführt werden, oder einen größeren Durchmesser haben, jedoch auf variierende Querschnitte mit oder ohne Abtastung maskiert sein.
Welcher Ablationsvorgang auch angewendet wird, besteht die Notwendigkeit, dass eine Position des Auges von Anfang an mit großer Genauigkeit bekannt ist und dass während des Eingriffs jegliche Bewegungen des Auges beim Zielen mit den Laserimpulsen genau kompensiert werden. Es versteht sich, dass die Patienten während des Vorgangs wach sind und dass Bewegungen, die sowohl willkürliche als auch unwillkürliche Bewegungen des Auges sowie auch Kopfbewegungen sein können, vorkommen können: Jegliche dieser Bewegungen können vorkommen, selbst wenn, wie das üblicherweise der Fall ist, der Patient ständig auf ein Fixierziel blickt. Eine totale Immobilisierung des Auges wird nicht als praktisch umsetzbar gehalten.
Die herkömmliche Vorgehensweise bei der Augennachführung während der ophthalmischen Chirurgie durch Ablation bestand in einer Fokussierung auf die Pupille als ein Objekt, das in einem Bild oder aus Reflexionsmustern leicht erkennbar ist, und den Ort des Pupillenmittelpunkts zu bestimmen und nachzuführen. Beispiele dieser Vorgehensweise sind durch die US-Patente Nr. 5,345,281 und 5,980,513 und durch die internationale Patentveröffentlichung WO 00/27273 vorgegeben, die auch andere Referenzen zitiert, die sich des pupillenbasierten Verfahrens bedienen. Das US-Patent Nr. 5,980,513 beschreibt ein System, bei dem die Behandlungslaseroptik verwendet wird, um einen Infrarotsensorstrahl in mehreren Punkten auf die Pupillengrenze zu projizieren und den reflektierten Strahl aufzufangen.
Es ist allgemein bekannt, dass eine Pupille ihre Größe mit dem Umgebungslicht und anderen Einflüssen variiert, und dies wird durch eine künstliche Erweiterung oder durch Berücksichtigung in den Mustererkennungsalgorithmen gelöst. Was jedoch noch nicht so gut bekannt ist, ist, dass die geometrische oder mathematische Mitte der Pupille sich tatsächlich um bis zu 0,7 mm bewegt, während sich die Pupille erweitert und zusammenzieht. Diese Verschiebungen im Pupillenmittelpunkt sind zwar vielleicht bei herkömmlichen "großformatigen" Ablationen tolerierbar, sind jedoch in Hochpräzisionsablationen, die genau auf den Patienten eingestellt sind, inakzeptabel. Eine auf der Pupille basierte Augennachführung wird auch durch die Flüssigkeitsänderungen nachteilig beeinflusst, die der Pupille benachbart auftreten: Die benötigte trockenere Umgebung verringert die Klarheit der Pupillengrenze.
Der vorliegende Anmelder ist der Meinung, dass der bessere Referenzpunkt für das genaue Augennachführen der Hornhautrand, die Grenze zwischen der Iris und der Lederhaut, ist, weil der Hornhautrand bezüglich zur Linse der Hornhaut eine feste Beziehung und eine genaue Zirkularität beibehält, wobei die Hornhaut natürlich Gegenstand der Ablation ist. Bisher hat es eine Anzahl von Patenten gegeben, die eine auf dem Hornhautrand basierende Augennachführung oder Positionserfassung vorschlagen, einschließlich US-Patente Nr. 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 Nr. 2002/0013575 . Diese Anordnungen arbeiten typischerweise mit der Erfassung einer Intensitätsdifferenz zwischen dem Licht, das von der Lederhaut reflektiert wird, die natürlich weiß ist, und der Iris reflektiert wird, die farbig ist.
Es soll nicht geschlossen werden, dass der Anmelder, indem er Druckschriften durch ihre Nummer spezifisch angibt oder erörtert, vorgibt, dass diese Druckschriften Gegenstand des Allgemeinwissens sind.
Die US-Patente Nr. 5,865,832 , 5,966,197 und 6,702,809 offenbaren Augennachführsysteme, bei denen der Hornhautrand durch seitliche Lichtquellen statisch beleuchtet wird, und ein mondförmiges Bild der gesamten Hornhautgrenze auf ein Mehr-Element-Detektorsystem projiziert wird. Das System des US-Patents Nr. 5,966,197 verwendet Paare von Detektoren auf einem Paar senkrecht zueinander stehender Durchmesser, um durch räumliches Überwachen nach Schritten im detektierten Bild die beiden Hornhautrandpositionen auf jedem Durchmesser zu detektieren.
Das US-Patent Nr. 6,179,422 geht anders vor: Anstelle einer statischen Beleuchtung des gesamten Hornhautrands wird ein Beleuchtungslichtstrahl radial über ein Segment des Hornhautrands geführt, was unter der Verwendung derselben Abtastoptik wie für den Ablationsstrahl geschieht. Der gebeugte Strahl wird durch eine eigene Optik aufgefangen und auf einen Fotodetektor gerichtet, der einen Amplitudenschritt überwacht, der die Hornhautgrenze angibt.
Ein bei Augennachführsystemen bei der Brechungskorrekturchirurgie durch Laserablation entstehendes Problem besteht darin, den dynamischen Fähigkeiten des Ablationsprozesses hinsichtlich sowohl der Antwortzeiten als auch der räumlichen Genauigkeit Entsprechendes entgegenzusetzen. Impulsraten von 300 Hz werden inzwischen erreicht, für die eine Nachführantwortrate in der Größenordnung von 1 kHz wünschenswert ist. Höhere Antwortraten, z.B. Duzende von kHz, können in Zukunft wünschenswert sein.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren zum Bestimmen und/oder Nachführen der Position eines Auges vorzusehen, die zu den Antwortzeiten und der räumlichen Genauigkeit fähig sind, die für die moderne ophthalmische Laserablationschirurgie notwendig sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung sieht in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges vor, wobei das Verfahren aufweist:
Richten eines einfallenden Lichtstrahls entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen Bereich dieser Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges einschließt;
Erfassen mit mindestens einem Detektor, der eines oder mehrere Detektorsegmente aufweist, eines Rückstrahls, der Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt wurde, wobei der Rückstrahl entlang demselben optischen Pfad zurückkehrt und bei Strahlteilungsmitteln vom einfallenden Strahl getrennt wird, wobei das Detektorsegment/die Detektorsegmente einen ersten und einen zweiten Wert für Licht aufzeichnet/aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris in diesem beleuchteten Bereich gebeugt wird;
wobei eine Bewegung dieses Hornhautgrenzsegments und daher des Auges eine Veränderung mindestens eines dieser Werte hervorruft.
Die Erfindung sieht in ihrem ersten Aspekt auch eine Vorrichtung zum Überwachen der Position des Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges vor, wobei die Vorrichtung aufweist:
optische Mittel zum Richten eines einfallenden Lichtstrahl entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen Bereich der Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges enthält, und zum Richten eines Rückstrahls in umgekehrter Richtung entlang dem optischen Pfad, wobei der Rückstrahl Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt wurde;
Strahlteilmittel zum Trennen des Rückstrahls vom einfallenden Strahl; und
mindestens einen Detektor, der ein oder mehrere Detektorsegmente aufweist, zum Erfassen des Rückstrahls, wobei das Detektorsegment/die Detektorsegmente einen ersten und einen zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris in diesem beleuchteten Bereich gebeugt wurde;
wobei eine Bewegung des Hornhautrandsegments und daher des Auges eine Veränderung mindestens eines dieser Werte hervorruft.
In einer bevorzugten Anordnung hat der mindestens eine Detektor mehrere Detektorsegmente, die den ersten und den zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris gebeugt wurde, und die Detektorsegmente nach einer Veränderung eines Werts oder beider Werte überwacht werden. Alternativ dazu weist der mindestens eine Detektor ein einzelnes Detektorsegment auf, das sowohl den ersten als auch den zweiten Wert für Licht aufzeichnet, das durch die Lederhaut bzw. die Iris gebeugt wird, und wird das Detektorsegment hinsichtlich einer Änderung der Summe der Werte überwacht.
Typischerweise erstreckt sich das Horn hautrandsegment im Wesentlichen radial über den Hornhautrand.
Vorzugsweise werden der einfallende und der Rückstrahl über den Bereich und/oder das Hornhautrandsegment geführt.
Das Verfahren des ersten Aspekts der Erfindung kann in ein Verfahren zum Behandeln eines Auges durch Laserablation, z.B. zu Zwecken der Brechungskorrektur, integriert werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet wird, die Position des Auges zu bestimmen und/oder nachzuführen. Vorteilhafterweise wird die Ablation in Reaktion auf die nachgeführte Augenposition eingestellt oder modifiziert.
Die Vorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung bildet vorteilhafterweise einen Teil einer ophthalmischen Laserablationsvorrichtung, die Folgendes aufweist:
ein Mittel zum Anordnen eines Patienten in einer Position zum Durchführen eines Laserablationsvorgangs an einem Auge des Patienten;
ein Mittel zum Richten eines gesteuerten Laserstrahls auf das Auge zum Durchführen des Vorgangs;
eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges; und
eine Steuerungseinrichtung zum Steuern des Laserstrahls zum Durchführen des Vorgangs, wobei die Einrichtung auf den ersten und den zweiten Wert reagiert, der durch die Detektorsegmente aufgezeichnet wird.
In einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges vor, wobei die Vorrichtung aufweist.
ein Mittel zum Aufzeichnen eines aktuellen Bilds eines ersten Bereichs des Auges des Patienten, der den Hornhautrand des Auges überquert;
ein Mittel zum Analysieren des Bilds zum Erhalten einer ersten Anzeige des Orts des Hornhautrands im ersten Bereich in ersten Intervallen;
ein erstes optischen Mittel zum Richten eines einfallenden Strahls entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen zweiten Bereich der Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges einschließt, und zum Empfangen eines Rückstrahls, der Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt wurde;
mindestens einen Detektor zum Erfassen des Rückstrahls und zum Bestimmen einer zweiten Anzeige des Orts des Hornhautrands in dem zweiten Bereich der Oberfläche in zweiten Intervallen, die wesentlich kürzer als die ersten Intervalle sind;
ein Mittel, das auf die erste Anzeige reagiert, um die Position des Auges in den ersten oder größeren Intervallen exakt zu überwachen, und auf die zweite Anzeige reagiert, indem diese Position innerhalb der ersten oder größeren Intervalle aktualisiert wird.
Nach ihrem zweiten Aspekt sieht die Erfindung ferner ein Verfahren zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges vor, wobei das Verfahren aufweist:
Aufzeichnen eines aktuellen Bilds eines ersten Bereichs des Auges des Patienten, der den Hornhautrand des Auges überquert, und Analysieren des Bilds zum Erhalten einer ersten Anzeige des Orts des Hornhautrands in den ersten Bereichen in ersten Intervallen;
Richten eines einfallenden Strahls entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen zweiten Bereich der Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges enthält;
Erfassen eines Rückstrahls, der Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den zweiten Bereich der Oberfläche gebeugt wurde, und Bestimmen einer zweiten Anzeige des Orts des Hornhautrands in dem zweiten Bereich auf der Oberfläche in zweiten Intervallen, die wesentlich kürzer als die ersten Intervalle sind; und
Reagieren auf die erste Anzeige zum exakten Überwachen der Position des Auges in den ersten oder größeren Intervallen und auf die zweite Anzeige zum Aktualisieren dieser Position innerhalb der ersten oder größeren Intervalle.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es folgt eine weitere Beschreibung der Erfindung lediglich als Beispiel anhand der beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:
1 ein höchst schematische Darstellung bestimmter Komponenten einer ophthalmischen Laserablationsvorrichtung, die eine Festkörperlasermaschine enthält und so modifiziert und programmiert ist, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren ausführt; und
2 ein Strahlendiagramm, das ein Element des erfindungsgemäßen Konzeptes veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Eine geeignete Vorrichtung 10 (1) zum Durchführen der Laserablation an einem Patienten zur Bewirkung einer Brechungskorrektur weist einen Festkörperlaser 12 auf, der einen primären Laserstrahl 14 im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Die primäre Laserstrahl 14 wird durch optische Elemente, die als Spiegel 16, 17 dargestellt sind, entlang einer optischen Ausrichtung bzw. Achse 21 durch ein Modul 50 zur Erzeugung Harmonischer geführt, das eine Reihe nicht linearer optischer (NLO) Kristalle 20 umfasst, aus denen ein Mehr-Wellenlängen-Ausgangsstrahl 18 austritt. Der Strahl 18 umfasst den ursprünglichen Strahl 14 und mehrere Harmonische, die durch die Kristalle 20 erzeugt werden. Die gewünschte Harmonische 26 wird durch ein Prisma 30, eine dichroitische Spiegelanordnung oder ein anderes geeignetes Mittel herausgetrennt. Der Strahl 26 wird durch ein Strahllieferungs-Scannersystem 32 und weitere Optik 33 auf die Hornhaut 34 eines Auges 35 eines liegenden Patienten gerichtet, der auf einer (nicht gezeigten) Liege liegt, das einen Teil des Systems bildet.
Eine Steuerung 54, typischerweise ein Computersystem, steuert mindestens die Ausgangsstrahlparameter des Lasers 12, des Moduls 50 und der Elemente des Strahlliefersystems 32, um so ein auf dem Patienten eingerichtetes Ablationsprofil auf jedes Auge des Patienten anzuwenden. Ein geeignetes Mikroskop 80, das auf die Hornhaut fokussiert ist, ist vorgesehen, um es dem Chirurgen zu gestatten, den Vorgang zu betrachten und zu überwachen.
Ein besonders geeigneter Laser 12 ist ein Q-geschalteter Neodym:YAG-Laser, der einen Impulslaserstrahl 14 mit einem Durchmesser von 2–10 mm und einer Grundwellenlänge von 1064 nm erzeugt. Der Strahl 14 ist kollimiert, was stromabwärts zu einem kollimierten, harmonisch erzeugten Strahl führt. Eine Anzahl anderer Laserquellen sind geeignet, die bevorzugten Quellen sind jedoch Nd³ ⁺-dotierte Lasermedien, wie zum Beispiel Nd:YLF, Nd:Glas und Nd:YVO4.
Um sicherzustellen, dass das Ablationsprofil mit Präzision auf die Hornhautoberfläche geliefert wird, muss die Steuerung 54 mit hoher Präzision die Anfangsposition des Auges kennen und die Position des Auges während des Eingriffs nachführen: Jegliche erfasste Verschiebung der Hornhaut muss entweder zu einer Nachstellung des Ablationsprofils oder zu einem vorübergehenden Stopp der Ablation führen. Die Nachführung dient dem Zweck der Erfassung einer jeglichen Seitwärtsbewegung des Auges, ob auf Seiten des Patienten willkürlich oder unwillkürlich, die auch eine Bewegung mit einschließt, die aufgrund einer Bewegung des Kopfs entsteht.
Die Vorrichtung ist mit zwei getrennten Augennachführuntersystemen 100, 200 ausgerüstet, die auf der einen Seite eine Anzeige produzieren, die weniger genau, jedoch reaktionsschneller ist, bzw. auf der anderen Seite eine Anzeige produzieren, die langsam, jedoch genauer ist.
Das erste reagierende Untersystem 100, die schnell reagierende Augennachführung, besteht typischerweise, jedoch nicht wesentlich, aus einem Paar ähnlicher Untersysteme, jeweils eines für zwei im rechten Winkel aufeinander stehende Achsen in der Ebene des Auges. Hier wird vorgeschlagen, ein einziges Untersystem zu beschreiben, es wird jedoch betont, dass es typischerweise zwei davon geben wird. Jedes Untersystem 100 umfasst eine sekundäre Lichtquelle 101, ein konfokales optisches System 110 und einen Mehr-Segment-Detektor 120. Die Lichtquelle 101 ist in günstiger Weise eine ultrahelle weiße, gelbe, grüne oder blaue Leuchtdiode und gibt einen einfallenden Strahl 102 aus, der durch das optische System 110 entlang einem optischen Pfad 104 auf die Außenoberfläche des Auges gerichtet wird, um so einen Bereich 112 dieser Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment 114 des Hornhautrands des Auges enthält.
Das optische System 110 weist eine Fokussierungslinse 115 und einen Abtastspiegel 116 auf, der durch einen piezoelektrischen Aktuator 117 zum Führen des Strahls 102 über den interessierenden Augenbereich gesteuert wird. Ein Rückstrahl 122, der Licht des einfallenden Strahls 102, das durch den Oberflächenbereich 112 gebeugt wurde, enthält, wird entlang dem optischen Pfad 104 zu einem Auskoppelungsspiegel 125 zurückgeführt, der den Rückstrahl 122 vom einfallenden Strahl 102 trennt, um (über die Linse 115 und über die Optik, die durch den Spiegel 129 repräsentiert ist) auf den Detektor 120 gerichtet zu werden. In einer alternativen Anordnung kann das Element 125 ein Strahlteiler sein.
Wie im Strahldiagramm von 2 erläutert, lässt eine Hälfte jeweils der Linse 115 und des Abtastspiegels 116 jeweils die Hälfte des einfallenden Strahls 102 hindurch, während die andere Hälfte den Rückstrahl 122 zum Auskoppelungsspiegel 125 hindurch lässt (der die andere Hälfte des einfallenden Strahls 102 blockiert). Deshalb schließt hier eine Bezugnahme auf denselben optischen Pfad die gezeigte Anordnung mit ein, bei der der einfallende und der Rückstrahl die komplementären Hälften derselben optischen Komponenten durchqueren.
Der Detektor 120 ist ein geteilter Fotosensor, der zwei Detektorsegmente 120a, 120b aufweist, die bei einer optimalen neutralen Einstellung des Untersystems durch die Lederhaut bzw. die Iris im Bereich 112 gebeugtes Licht empfangen. Die Detektorsegmente 120a, 120b zeichnen einen ersten und einen zweiten Wert für durch die Lederhaut und die Iris im Bereich 112 gebeugtes Licht auf.
Eine geeignete Form für den Detektor 120 ist ein standardmäßig aufgeteilter Fotodiodendetektor oder ein anderer Detektor z.B. ein CCD-Detektor, der auf seiner Empfängerschnittstelle räumlich in Pixel aufgeteilt ist.
Es versteht sich, dass jegliche Bewegung oder Variation des Hornhautrands weg vom idealen Ort, d.h. wo der "abgebildete" Rand im Rückstrahl 122 auf die Grenze zwischen den Detektorsegmenten 120a, 120b trifft, zu einer erfassbaren Veränderung in den Ausgabewerten führt, die von den Detektorsegmenten 120a, 120b aufgezeichnet werden. Da eine Bewegung des Hornhautrands bzw. des Limbus eine Bewegung des Auges anzeigt, ist das Detektorausgangssignal in höchster und schnellster Weise empfindlich gegenüber jeglicher Bewegung des Auges.
Wenn sich das Bild des Hornhautrands zum Beispiel zur Iris hin bewegt, wird Licht von der Iris auf das Detektorsegment 120a verschoben. Das Effektivergebnis ist eine Verringerung in der Antwort vom Detektorsegment 120a. Eine ähnliche Erhöhung in der Antwort vom Detektorsegment 120b zeigt eine Bewegung in der anderen Richtung an. Unter der Annahme einer gleichmäßigen Intensität auf der Seite der Iris und auf der Seite der Lederhaut ist ein abrupter Übergang zwischen der Bewegung durch folgende Gleichung gegeben:
wobei du die Bewegung in der Richtung vom Detektorsegment 120a zum Detektorsegment 120b, L die Größe des Detektors und M die optische Vergrößerung des Bilds ist. V_A und V_B sind die Antwort von Detektorsegment 120a bzw. vom Detektorsegment 120b nach der Bewegung und V_A0 und V_B0 sind die Antwort vom Detektorsegment 120a bzw. vom Detektorsegment 120b vor der Bewegung.
Für beliebige vorgegebene L, M, V_A0 und V_B0 ist der Effektivfehler in du aufgrund des Rauschens in V_A und V_B der folgende:
wobei σ_v der effektive Rauschpegel in V_A und V_B ist. Gleichung (2) spezifiziert die erforderlichen Rauschpegel (einschließlich Quantisierungsrauschen aufgrund der Digitalisierung) in V_A und V_B zum Erzielen einer vorgegebenen Fehlerleistung in du.
Es soll nun die Situation betrachtet werden, in der das Bild zu der Extremposition bewegt hat, in der es nur über der Iris liegt. In diesem Fall ist V_A = V_B = V_B0 und ist du = –L/M. Beim anderen Extrem ist V_A = V_B = V_A0 und ist du = +L/M. Daraus folgt, dass die Maximalbewegung, die quantifiziert werden kann, die folgende ist:
Wenn die Bewegung größer als du_max ist, gibt das Vorzeichen von du immer noch die Richtung der Bewegung an.
Wenn der Hornhautrand in Zeitintervallen von T erneut zentriert wird, indem periodisch die Ausrichtungen der optischen Einrichtungen eingestellt werden, dann ist die Maximalgeschwindigkeit, die quantifiziert werden kann, die folgende:
In dem Fall, dass sich das Hornhautrandbild vollständig aus dem Detektorbereich heraus bewegt, haben beide Detektorsegmente dieselbe Antwort wie bei den beiden oben erwähnten Extremen. Die Bewegungsrichtung kann aus der Intensität der Antworten erschlossen werden. Wenn das Hornhautrandbild nicht genau auf die Detektoren fokussiert ist, haben beide Detektoren dieselbe Antwort.
Die Lichtquelle 101 ist gepulst, so dass sie von verschiedenen anderen Lichtquellen im Ablationssystem unterschieden werden kann. Die Lichtintensität, die von der Oberfläche des Patientenauges zurückgebeugt wird, wird unter der Verwendung eines rauscharmen Fotoverstärkers, eines Bandpassfilters und eines Amplitudendetektors erfasst.
Mindestens zwei aus einem Lichtquellen-Detektor-Paar bestehende Systeme sind erforderlich, um Augenbewegungen in zwei Dimensionen nachzuführen. Ideal sind diese dabei um 90° um den Hornhautrand herum versetzt positioniert.
Aufgrund der Kreisform des Hornhautrands wird eine Bewegung in einer Achse (dy) sich auch als eine kleine Bewegung in der darauf senkrecht stehenden Achse (dx) niederschlagen. Dies kann durch eine Kenntnis der Hornhautrandform korrigiert werden, die bei jedem Patienten festgestellt werden kann.
Typischerweise ist eine Regelschleife vorhanden, die von der Steuerung 54 betrieben wird, in der die Richtung des Strahls 102 eingestellt wird, bis der Hornhautrand am Detektor 120 erneut zentriert ist, was über den Abtastspiegel 116 des optischen Systems 110 erfolgt. Auf diese Weise können präzise Koordinaten für die geänderte Position des Auges schnell bestimmt werden. Die Steuerung 54 reagiert auch in entsprechender Weise in ihrem Betrieb der Ablationsvorrichtung 10, z.B. durch vorübergehendes Stoppen oder durch Nachstellen der Richtung des Strahls 26.
Durch diese doppelte Strategie eines konfokalen optischen Systems und eines Mehr-Segment-Detektors ist es möglich, Antwortzeiten von weniger als einer ms mit hoher Zuverlässigkeit und mehr als entsprechend für eine Ablationswiederholrate von 300 Hz zu erzielen. Jeglicher Verlust der Strahlintensität des gebeugten Lichtstrahls aufgrund der Optik eines konfokalen Aufbaus, insbesondere beim Auskoppelungsspiegel 125 relativ zu einem dedizierten Rückpfad ist nicht so groß, als dass sie den Vorteil des Ausschlusses von Unsicherheiten zunichte machen würde, die aus relativen Variationen zwischen zwei unterschiedlichen optischen Pfaden entstehen. Es ist ersichtlich, dass die Position des Laserpunktes auf dem Auge durch den Abtastspiegel 116 herumbewegt werden kann, ohne dass der Detektor 120 aus seiner Ausrichtung abgelenkt wird.
Zum Erzielen einer hohen Positionspräzision sowie einer schnellen Antwortzeit wird das Augennachführuntersystem 100 durch das Augennachführuntersystem 200 ergänzt und durch dieses regelmäßig kalibriert bzw. nachgestellt.
Das Untersystem 200 weist eine digitale Miniaturvideokamera 210 auf, die zum Aufzeichnen eines vollständigen Bilds oder eines ausreichenden Bilds des Auges angeordnet ist, so dass der ganze Hornhautrand und die benachbarte Lederhaut aufgezeichnet werden kann, und zwar in vorbestimmten Intervallen z.B. in der Größenordnung von ms. Diese Kamera wird durch die Hauptsteuerung 54 der Vorrichtung aktiviert und liefert an diese ihre digital aufgezeichneten Bilder.
Die Steuerung 54 verwendet entsprechende Bildanalyseverfahren, von denen eine Anzahl auf dem Gebiet der Augennachführung bekannt sind, um eine genaue primäre Anzeige der Hornhautrandposition und daher auch der Augenposition in regelmäßigen, relativ längeren Intervallen zu liefern. Diese primäre Augenpositionsanzeige wird dann in einer relativ viel schnelleren Antwortrate, d.h. bei Intervallen innerhalb der oben genannten relativ längeren Intervalle und viel kürzer als diese, durch die Augenposition, die durch das Untersystem 100 erhalten wird, aktualisiert, und wird daher sowohl anfänglich als auch in einer laufenden Nachstellung auch dazu verwendet, die Einfallzone des Strahls 102 zu bestimmen.
In einer alternativen Verwendung kann das Untersystem 100 passiv eingesetzt werden: Wenn eine Augenbewegung von ihm erfasst wird, wird die Ablation vorübergehend gestoppt, bis das Untersystem 200 eine genaue neue Position liefert, auf die dann die erneute Ablation basiert.
Zusammenfassung
Es ist eine Vorrichtung (10) zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges vorgesehen. Die Vorrichtung weist optische Mittel (110) zum Richten eines einfallenden Lichtstrahls (102) entlang einem optischen Pfad (104) auf die Außenoberfläche des Auges (35) auf, um so einen Bereich der Oberfläche zu beleuchten, die ein Segment des Hornhautrands des Auges enthält, sowie zum Richten eines Rückstrahls (122) zurück entlang dem optischen Pfad (104), wobei der Rückstrahl (122) Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt ist; Strahlteilmittel (125) zum Trennen des Rückstrahls (122) aus dem einfallenden Strahl (102). Die Vorrichtung weist auch mindestens einen Detektor (120) auf, der eines oder mehrere Detektorsegmente (120a, 120b) aufweist, zum Erfassen des Rückstrahls (122), wobei das Detektorsegment bzw. die Detektorsegmente (120a, 120b) einen ersten und einen zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris in dem beleuchteten Bereich gebeugt wurde. Eine Bewegung des Hornhautrandsegments und daher des Auges (35) ruft eine Veränderung in mindestens dem ersten oder dem zweiten Wert hervor, wodurch es möglich wird, eine derartige Bewegung des Auges (35) zu überwachen. Außerdem ist ein der Vorrichtung entsprechendes Verfahren offenbart.

Claims

Verfahren zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges, mit den folgenden Schritten: – Richten eines einfallenden Lichtstrahls entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen Bereich dieser Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges einschließt; – Erfassen mit mindestens einem Detektor, der eines oder mehrere Detektorsegmente aufweist, eines Rückstrahls, der Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt wurde, wobei der Rückstrahl entlang demselben optischen Pfad zurückkehrt und bei Strahlteilungsmitteln vom einfallenden Strahl getrennt wird, wobei das Detektorsegment/die Detektorsegmente einen ersten und einen zweiten Wert für Licht aufzeichnet/aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris in diesem beleuchteten Bereich gebeugt wird; – wobei eine Bewegung dieses Hornhautgrenzsegments und daher des Auges eine Veränderung mindestens eines dieser Werte hervorruft.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Detektor mehrere Detektorsegmente aufweist, welche den ersten und den zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris gebeugt wurde, und die Detektorsegmente hinsichtlich einer Veränderung eines der Werte oder beider Werte überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Detektor ein einzelnes Detektorsegment aufweist, das sowohl den ersten als auch den zweiten Wert für Licht aufzeichnet, das von der Lederhaut bzw. der Iris gebeugt wurde, und das Detektorsegment hinsichtlich einer Veränderung der Summe der Werte überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich das Hornhautrandsegment im Wesentlichen radial über den Hornhautrand hinweg erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der einfallende und der Rückstrahl über den Bereich und/oder das Hornhautrandsegment geführt werden.
Verfahren zum Behandeln eines Auges durch Laserablation, wobei das Verfahren ein Bestimmen und/oder ein Nachführen der Position des Auges durch Überwachen der Position des Auges gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 enthält.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ablation in Reaktion auf die nachgeführte Augenposition eingestellt oder modifiziert wird.
Verfahren zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: – optische Mittel zum Richten eines einfallenden Lichtstrahl entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen Bereich der Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges enthält, und zum Richten eines Rückstrahls in umgekehrter Richtung entlang dem optischen Pfad, wobei der Rückstrahl Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt wurde; – Strahlteilmittel zum Trennen des Rückstrahls vom einfallenden Strahl; und – mindestens einen Detektor, der ein oder mehrere Detektorsegmente aufweist, zum Erfassen des Rückstrahls, wobei das Detektorsegment/die Detektorsegmente einen ersten und einen zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris in diesem beleuchteten Bereich gebeugt wurde; – wobei eine Bewegung des Hornhautrandsegments und daher des Auges eine Veränderung mindestens eines dieser Werte hervorruft.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Detektor mehrere Detektorsegmente aufweist, welche den ersten und den zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris gebeugt wurde, und die Detektorsegmente hinsichtlich einer Veränderung eines der Werte oder beider Werte überwacht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Detektor ein einzelnes Detektorsegment aufweist, das sowohl den ersten als auch den zweiten Wert für Licht aufzeichnet, das von der Lederhaut bzw. der Iris gebeugt wurde, und das Detektorsegment hinsichtlich einer Veränderung der Summe der Werte überwacht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei sich das Hornhautrandsegment im Wesentlichen radial über den Hornhautrand hinweg erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der einfallende und der Rückstrahl über den Bereich und/oder das Hornhautrandsegment geführt werden.
Ophthalmische Laserablationsvorrichtung, aufweisend: – ein Mittel zum Anordnen eines Patienten in einer Position zum Durchführen eines Laserablationsvorgangs an einem Auge des Patienten; – ein Mittel zum Richten eines gesteuerten Laserstrahls auf das Auge zum Durchführen des Vorgangs; – eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges; und – eine Steuerungseinrichtung zum Steuern des Laserstrahls zum Durchführen des Vorgangs, wobei die Einrichtung auf den ersten und den zweiten Wert reagiert, der durch die Detektorsegmente aufgezeichnet wird.
Vorrichtung zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges, wobei die Vorrichtung aufweist: – ein Mittel zum Aufzeichnen eines aktuellen Bilds eines ersten Bereichs des Auges des Patienten, der den Hornhautrand des Auges überquert; – ein Mittel zum Analysieren des Bilds zum Erhalten einer ersten Anzeige des Orts des Hornhautrands im ersten Bereich in ersten Intervallen; – ein erstes optischen Mittel zum Richten eines einfallenden Strahls entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen zweiten Bereich der Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges einschließt, und zum Empfangen eines Rückstrahls, der Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den Oberflächenbereich gebeugt wurde; – mindestens einen Detektor zum Erfassen des Rückstrahls und zum Bestimmen einer zweiten Anzeige des Orts des Hornhautrands in dem zweiten Bereich der Oberfläche in zweiten Intervallen, die wesentlich kürzer als die ersten Intervalle sind; – ein Mittel, das auf die erste Anzeige reagiert, um die Position des Auges in den ersten oder größeren Intervallen exakt zu überwachen, und auf die zweite Anzeige reagiert, indem diese Position innerhalb der ersten oder größeren Intervalle aktualisiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Rückstrahl entlang dem optischen Pfad zurückkehrt und bei Strahlteilungsmitteln vom einfallenden Strahl geteilt wird, und wobei der mindestens eine Detektor eines oder mehrere Detektorsegmente aufweist, wobei das Detektorsegment bzw. die Detektorsegmente einen ersten und einen zweiten Wert für von der Lederhaut bzw. der Iris im beleuchteten Bereich gebeugtes Licht aufzeichnen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der mindestens eine Detektor mehrere Detektorsegmente aufweist, welche den ersten und den zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris gebeugt wurde, und die Detektorsegmente hinsichtlich einer Veränderung eines der Werte oder beider Werte überwacht werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der mindestens eine Detektor ein einzelnes Detektorsegment aufweist, das sowohl den ersten als auch den zweiten Wert für Licht aufzeichnet, das von der Lederhaut bzw. der Iris gebeugt wurde, und das Detektorsegment hinsichtlich einer Veränderung der Summe der Werte überwacht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei sich das Horn hautrandsegment im Wesentlichen radial über den Hornhautrand hinweg erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der einfallende und der Rückstrahl über den Bereich und/oder das Hornhautrandsegment geführt werden.
Verfahren zum Überwachen der Position eines Auges während einer Laserablationsbehandlung des Auges, wobei das Verfahren aufweist: – Aufzeichnen eines aktuellen Bilds eines ersten Bereichs des Auges des Patienten, der den Hornhautrand des Auges überquert; – Analysieren des Bilds zum Erhalten einer ersten Anzeige des Orts des Hornhautrands in den ersten Bereichen in ersten Intervallen; – Richten eines einfallenden Strahls entlang einem optischen Pfad auf die Außenoberfläche des Auges, um so einen zweiten Bereich der Oberfläche zu beleuchten, der ein Segment des Hornhautrands des Auges enthält; – Erfassen eines Rückstrahls, der Licht des einfallenden Strahls enthält, das durch den zweiten Bereich der Oberfläche gebeugt wurde, und Bestimmen einer zweiten Anzeige des Orts des Hornhautrands in dem zweiten Bereich auf der Oberfläche in zweiten Intervallen, die wesentlich kürzer als die ersten Intervalle sind; und Reagieren auf die erste Anzeige zum exakten Überwachen der Position des Auges in den ersten oder größeren Intervallen und auf die zweite Anzeige zum Aktualisieren dieser Position innerhalb der ersten oder größeren Intervalle.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Rückstrahl entlang dem optischen Pfad zurückkehrt und bei Strahlteilungsmitteln vom einfallenden Strahl geteilt wird, und wobei der mindestens eine Detektor eines oder mehrere Detektorsegmente aufweist, wobei das Detektorsegment bzw. die Detektorsegmente einen ersten und einen zweiten Wert für von der Lederhaut bzw. der Iris im beleuchteten Bereich gebeugtes Licht aufzeichnen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der mindestens eine Detektor mehrere Detektorsegmente aufweist, welche den ersten und den zweiten Wert für Licht aufzeichnen, das durch die Lederhaut bzw. die Iris gebeugt wurde, und die Detektorsegmente hinsichtlich einer Veränderung eines der Werte oder beider Werte überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der mindestens eine Detektor ein einzelnes Detektorsegment aufweist, das sowohl den ersten als auch den zweiten Wert für Licht aufzeichnet, das von der Lederhaut bzw. der Iris gebeugt wurde, und das Detektorsegment hinsichtlich einer Veränderung der Summe der Werte überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei sich das Hornhautrandsegment im Wesentlichen radial über den Hornhautrand hinweg erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei der einfallende und der Rückstrahl über den Bereich und/oder das Hornhautrandsegment geführt werden.
Verfahren zum Behandeln eines Auges durch Laserablation, wobei das Verfahren ein Bestimmen und/oder ein Nachführen der Position des Auges durch Überwachen der Position des Auges gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25 enthält.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Ablation in Reaktion auf die nachgeführte Augenposition eingestellt oder modifiziert wird.