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Fachgebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur mehrstufigen Augenregistrierung.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Verfolgung und Registrierung einer Augenposition wird bekanntermaßen bei verschiedenen Anwendungen in der Augenchirurgie und -diagnostik eingesetzt. Die Mehrzahl der Lösungen bieten allerdings nur Teilergebnisse, in dem Sinne, dass sie lediglich innerhalb desselben Geräts oder innerhalb einer bestimmten Kombination von Geräten anwendbar sind. Die gegenwärtigen Augenbehandlungsprozeduren sind komplexe Vorgänge, die eine Vielzahl Werkzeuge in unterschiedlichen Zusammenhängen beinhalten, welche eine signifikante Auswirkung auf das Augenaussehen haben. Einige dieser Auswirkungen verbieten sogar die Anwendung gegenwärtiger Registrierungstechniken. Es stellt eine bedeutsame Herausforderung dar, die verschiedenen Messungen in vereinheitlichter Weise in Beziehung setzen zu können.
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Derzeit gibt es vielfältige neue Operationstechniken, die ein vollständig fixiertes Auge gegenüber dem Behandlungsgerät verlangen, z. B. einem Femtosekundenlaser für korneale Prozeduren, Mikrowellenverformungsgeräten für korneale Behandlungen oder einem Femtosekundenlaser für die Kataraktchirurgie. Alle diese Operationstechniken haben die Tatsache gemeinsam, dass die Behandlungszone örtlich auf einen Saugring am Auge bezogen ist. Im Koordinatensystem des Saugrings kann das Auge mit automatischen Mitteln behandelt werden, die eine Behandlungspositioniergenauigkeit erzielen, welche erheblich besser als jede manuelle ist.
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Dies bedeutet, dass mit Verwendung eines Saugring-Koordinatensystems das Auge mit einer räumlichen Genauigkeit behandelt werden kann, die erheblich besser als die mechanische Genauigkeit eines Operateurs ist.
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Im Diagnose-Behandlungsvorgang insgesamt kann aber das Aufsetzen des Saugrings auf das Auge bedeutend größere Fehler hervorrufen als die Reduktion des Fehlers, die eine automatisierte Behandlung erzielen kann, weil:
- a) das Aufsetzen des Rings nicht präzise steuerbar ist: die Prozedur erfolgt manuell durch den Operateur und ist so durch generelle menschliche mechanische Fähigkeiten beschränkt. Während des Ansaugvorgangs rutscht der Saugring leicht auf der Cornea, bis er relativ zum Auge fixiert ist, was stets zu Fehlern gegenüber der gewünschten Position führt.
- b) das eigentliche Aufsetzen des Rings schwierig zu messen ist: Das Auge wird durch den unnatürlichen Druck verformt, was sich auf die Fähigkeit zur Messung der Augenbiometrie (z. B. der kornealen Form) auswirkt, nachdem der Saugring aufgesetzt ist. Natürliche Kennzeichen des Auges (z. B. Sklera-Merkmale, Limbusrand) werden von der Werkzeugmechanik (z. B. Saugring) verdeckt. Eine manuelle visuelle Ausrichtung des Rings durch den Arzt ist deshalb schwer zu erzielen.
- c) die manuelle Messung und Justierung der Behandlungszone Zeit braucht: Die Zeit zum Aufsetzen des Saugrings und die Zeit zur manuellen Justierung der Behandlungszone kann länger sein als die Behandlungszeit selbst. Belastungen und eine Dehydrierung des Patientenauges können die physikalischen und mechanischen Annahmen für die (Laser-)Behandlung stören.
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Die hohe Genauigkeit der Behandlungsgeräte der neuen Generation ist folglich ein instabiles Versprechen aufgrund der Fehler und Ungewissheiten, die wie vorstehend erläutert in Verbindung mit dem Aufsetzen des Saugrings hervorgerufen werden.
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Der Nachweis der klinischen Ergebnisverbesserung bei diesen Geräten neuer Generation hängt von einer verlässlichen Basis zur Dokumentation und Analyse der Operation mit postoperativen Ergebnissen ab.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche diese negativen Effekte der durch den Saugring hervorgerufenen Fehler verringern können.
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Abriss der Erfindung
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Durchführung einer Augenregistrierung vorgesehen umfassend:
Erhalten eines ersten, als Anfangsreferenz dienenden Augenbilds mittels eines ersten, diagnostischen Geräts und Festlegen eines Referenzkoordinatensystems;
Erhalten eines zweiten Augenbilds mittels eines Operationsgeräts, wobei das zweite Augenbild in einer präoperativen Phase erhalten wird, bevor die Operation beginnt;
Durchführen einer ersten Registrierung zwischen dem ersten Augenbild und dem zweiten Augenbild, um ein erstes Registrierungsergebnis zu erhalten;
Erhalten eines dritten Augenbilds mittels des Operationsgeräts, wobei das dritte Augenbild nach Beginn der Operation erhalten wird;
Durchführung einer zweiten Registrierung zwischen dem zweiten Augenbild und dem dritten Augenbild, um ein zweites Registrierungsergebnis zu erhalten;
Kombinieren des ersten und des zweiten Registrierungsergebnisses, um ein kombiniertes Registrierungsergebnis zu erhalten und dadurch eine Registrierung zwischen dem mittels des diagnostischen Geräts erhaltenen, als Anfangsreferenz dienenden Augenbild und dem mittels des Operationsgeräts nach Beginn der Operation erhaltenen dritten Augenbild zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform werden das mittels des diagnostischen Geräts aufgenommene erste Augenbild und das mittels des Operationsgeräts aufgenommene dritte Augenbild unter signifikant unterschiedlichen Augenbedingungen aufgenommen, welche eine direkte Registrierung zwischen dem ersten Augenbild und dem zweiten Bild negativ beeinträchtigen können.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Durchführung einer Augenregistrierung vorgesehen, umfassend:
Erhalten eines ersten, als Anfangsreferenz dienenden Augenbilds mittels eines ersten, diagnostischen Geräts und Festlegen eines Referenzkoordinatensystems;
Erhalten eines zweiten Augenbilds mittels eines Operationsgeräts, wobei das zweite Augenbild in einer präoperativen Phase vor Beginn der Operation erhalten wird;
Durchführen einer ersten Registrierung zwischen dem ersten Augenbild und dem zweiten Augenbild, um ein erstes Registrierungsergebnis zu erhalten;
Erhalten eines dritten Augenbilds mittels des Operationsgeräts, wobei das dritte Augenbild nach Abschluss der Operation erhalten wird;
Durchführen einer zweiten Registrierung zwischen dem zweiten Augenbild und dem dritten Augenbild, um ein zweites Registrierungsergebnis zu erhalten;
Kombinieren des ersten und des zweiten Registrierungsergebnisses, um ein kombiniertes Registrierungsergebnis zu erhalten und dadurch eine Registrierung zwischen dem mittels des diagnostischen Geräts erhaltenen, als Anfangsreferenz dienenden Augenbild und dem mittels des Operationsgeräts nach Abschluss der Operation erhaltenen dritten Augenbild zu erhalten.
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Indem mehrere Registrierungsschritte vorgesehen werden, die dann kombiniert werden, kann man die große Differenz zwischen dem ersten und dem dritten Bild überwinden, welche eine direkte Registrierung zwischen diesen beiden Bildern schwierig macht.
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Gemäß einer Ausführungsform werden das mittels des diagnostischen Geräts aufgenommene erste Augenbild und das mittels des Operationsgeräts aufgenommene dritte Augenbild unter signifikant unterschiedlichen Augenbedingungen aufgenommen, welche eine direkte Registrierung zwischen dem ersten Augenbild und dem dritten Bild negativ beeinträchtigen können.
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Die unterschiedlichen Augenbedingungen können durch den kombinierten mehrstufigen Registrierungsprozess überwunden werden.
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Zu diesem Zweck wird ein Zwischen-Registrierungsschritt unter Verwendung des zweiten Bilds durchgeführt, das unter Augenbedingungen aufgenommen wird, welche sich weniger signifikant von den Augenbedingungen, unter denen das erste Bild aufgenommen wurde, unterscheiden als die Augenbedingungen, unter denen das dritte Bild aufgenommen wurde. Auf diese Weise wird die Registrierung möglich und präziser, nämlich durch Einfügung eines Zwischen-Registrierungsschritts, der leichter ausgeführt werden kann als eine direkte Registrierung zwischen dem ersten und dem dritten Bild, da die Unterschiede in den Augenbedingungen zwischen dem ersten und dem zweiten beziehungsweise zwischen dem zweiten und dem dritten Bild weniger signifikant sind als die Unterschiede in den Augenbedingungen zwischen dem ersten und dem dritten Bild.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die unterschiedlichen Augenbedingungen:
das Auge hat kein Werkzeug oder Objekt, welches das Auge vollständig oder teilweise verschließt, wenn das erste Bild aufgenommen wird, und das Auge hat ein Werkzeug, welches das Auge vollständig oder teilweise verschließt, wenn das dritte Bild aufgenommen wird; oder
auf das Auge ist kein Saugring aufgesetzt, wenn das erste Bild aufgenommen wird,
auf das Auge ist kein Saugring aufgesetzt, wenn das zweite Bild aufgenommen wird, und
auf das Auge ist ein Saugring aufgesetzt, wenn das dritte Bild aufgenommen wird.
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Dies ist ein Beispiel für signifikant unterschiedliche Augenbedingungen, die eine direkte Registrierung schwierig machen würden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die unterschiedlichen Augenbedingungen:
das Auge zeigt keine Einflüsse der chirurgischen Behandlungsprozedur auf das Patientenauge, wenn das erste Bild aufgenommen wird, und das Auge zeigt keine Einflüsse der chirurgischen Behandlungsprozedur auf das Patientenauge, wenn das zweite Bild aufgenommen wird, und das Auge zeigt Einflüsse der chirurgischen Behandlungsprozedur auf das Patientenauge, wenn das dritte Bild aufgenommen wird.
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Dies ist ein weiteres Beispiel für signifikant unterschiedliche Augenbedingungen, die eine direkte Registrierung schwierig machen würden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Einflüsse der Behandlungsprozedur auf das Patientenauge eines oder mehrere der folgenden: Blutungen; Verformungen des Augapfels vom Saugring; Ablationsblasen unterhalb oder in der Cornea, die die Iris überdecken; Farbänderungen der Cornea oder Iris aufgrund von Behandlungseinwirkungen; ein Werkzeug oder Objekt, welches das Auge vollständig oder teilweise verschließt.
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Dies sind weitere Beispiele für signifikant geänderte Augenbedingungen, die eine direkte Registrierung zwischen dem ersten und dritten Bild schwierig machen würden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner:
Durchführung einer Registrierung von einem mittels des Operationsgeräts aufgenommenen postoperativen Bild zu einem mittels eines diagnostischen Geräts aufgenommenen postoperativen Diagnosebild; und/oder
Durchführung einer Registrierung von dem Diagnosereferenzbild zu einem oder mehreren postoperativen Diagnosebildern.
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Dies verbessert den Registrierungsumfang über mehrere Phasen ophthalmischer Behandlung/Diagnose weiter.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Registrierungsschritte durch Identifizieren eines oder mehrerer Augenmerkmale in den zwei zu registrierenden Augenbildern durchgeführt, um hierdurch die Koordinatenbeziehung zwischen den zwei Bildern zu ermitteln, wobei die Augenmerkmale, welche für die verschiedenen Registrierungsschritte verwendet werden, nach Maßgabe der unterschiedlichen Modalitäten bei den verschiedenen Registrierungsschritten geeignet ausgewählt werden.
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Die Auswahl geeigneter Merkmale abhängig vom Kontext des einzelnen Registrierungsschritts passt das Verfahren an die speziellen Bedingungen eines gegebenen Szenarios an und verbessert dessen Leistungsfähigkeit.
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Gemäß einer Ausführungsform wird der erste Registrierungsschritt zwischen zwei Bildern durchgeführt, die mittels zweier unterschiedlicher Geräte aufgenommen werden, möglicherweise bei unterschiedlichen Betriebsmodalitäten des Instrumentariums (etwa einer unterschiedlichen Beleuchtungswellenlänge, einer anderen Kamera, einem anderem Mikroskop usw.), wobei aber das Auge sich im selben oder im wesentlich selben Zustand befindet. Mit anderen Worten ist der Augenzustand noch nicht von der Operation oder den vorbereitenden Schritten für die Operation beeinflusst, wie etwa dem Aufsetzen eines Saugrings, das den Augenzustand signifikant in einer Weise verändern könnte, welche die Schwierigkeit der Registrierung erhöhen würde. Auf der anderen Seite wird der zweite Registrierungsschritt zwischen zwei Bildern durchgeführt, die vom selben Gerät unter denselben oder im wesentlichen denselben Betriebsmodalitäten des Instrumentariums aufgenommen werden (etwa derselben Beleuchtungswellenlänge, derselben Kamera, demselben Mikroskop usw.), aber bei Augenbedingungen, die signifikant unterschiedlich sind aufgrund der Wirkung der Operation oder der vorbereitenden Aktionen der Operation, so dass die unterschiedlichen Augenbedingungen die Schwierigkeit der Registrierung erhöhen. Auf diese Weise ist die individuelle Schwierigkeit des ersten und des zweiten Registrierungsschritts kleiner als die direkte Registrierung vom ersten zum dritten Bild. Die Genauigkeit des ersten und des zweiten Registrierungsschritts kann daher erhöht werden, weswegen durch Kombination des ersten und des zweiten Registrierungsschritts zu einem kombinierten Registrierungsschritt die Gesamtgenauigkeit der Registrierung erhöht werden kann im Vergleich zu einer direkten Registrierung zwischen dem ersten und dem dritten Bild.
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Gemäß einer Ausführungsform gibt es zwei Änderungen vom ersten zum dritten Bild, die beide die Schwierigkeit einer direkten Registrierung zwischen dem ersten und dem dritten Bild erhöhen, nämlich eine erste Änderung vom ersten Bild zum zweiten Bild, die durch den Wechsel von dem das erste Bild aufnehmenden Diagnosegerät zu dem das zweite Bild aufnehmenden Operationsgerät bedingt ist, und eine zweite Änderung von dem zweiten Bild zum dritten Bild, die durch die Änderung des Augenzustands aufgrund des Beginns der Operation bedingt ist, wobei zur Vermeidung einer direkten Registrierung vom ersten zum dritten Bild, der es an Genauigkeit mangeln könnte aufgrund der akkumulierten Wirkungen der ersten und der zweiten Änderung, eine erste Registrierung zwischen dem ersten und dem zweiten Bild und eine zweite Registrierung zwischen dem zweiten und dem dritten Bild durchgeführt werden und zu einer kombinierten Registrierung kombiniert werden, um eine Registrierung zwischen dem ersten und dem dritten Bild zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Merkmale, welche zur Registrierung des mittels des diagnostischen Geräts aufgenommenen anfänglichen Diagnosebilds und des mittels des Operationsgeräts aufgenommenen präoperativen Bilds verwendet werden, Limbus- und Sklera-Merkmale;
die Merkmale, welche zur Registrierung des mittels des Operationsgeräts aufgenommenen präoperativen Bilds und des mittels des Operationsgeräts aufgenommenen intraoperativen Bilds verwendet werden, sind Iris- und/oder Pupillenmerkmale;
die Merkmale, welche zur Registrierung des mittels des Operationsgeräts aufgenommenen präoperativen Bilds und des mittels des Operationsgeräts aufgenommenen postoperativen Bilds verwendet werden, sind ein oder mehrere von Iris-, Pupillen-, Limbus- oder Sklera-Merkmalen.
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Dies sind Beispiele geeigneter Merkmale, welche abhängig vom gegebenen Szenario gewählt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Durchführung einer Augenregistrierung:
ein Modul zum Erhalten eines ersten, als Anfangsreferenz dienenden Augenbilds mittels eines ersten, diagnostischen Geräts und zum Definieren eines Referenzkoordinatensystems;
ein Modul zum Erhalten eines zweiten Augenbilds mittels eines Operationsgeräts, wobei das zweite Augenbild in einer präoperativen Phase vor Beginn der Operation erhalten wird;
ein Modul zur Durchführung einer ersten Registrierung zwischen dem ersten Augenbild und dem zweiten Augenbild, um ein erstes Registrierungsergebnis zu erhalten;
ein Modul zum Erhalten eines dritten Augenbilds mittels des Operationsgeräts, wobei das dritte Augenbild nach Beginn der Operation erhalten wird;
ein Modul zum Durchführen einer zweiten Registrierung zwischen dem zweiten Augenbild und dem dritten Augenbild, um ein zweites Registrierungsergebnis zu erhalten;
ein Modul zum Kombinieren des ersten und des zweiten Registrierungsergebnisses, um ein kombiniertes Registrierungsergebnis zu erhalten und dadurch eine Registrierung zwischen dem mittels des diagnostischen Geräts erhaltenen, als Anfangsreferenz dienenden Augenbild und dem mittels des Operationsgeräts nach Beginn der Operation erhaltenen dritten Augenbild zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst eine Vorrichtung zur Durchführung einer Augenregistrierung:
ein Modul zum Erhalten eines ersten, als Anfangsreferenz dienenden Augenbilds mittels eines ersten, diagnostischen Geräts und zum Definieren eines Referenzkoordinatensystems;
ein Modul zum Erhalten eines zweiten Augenbilds mittels eines Operationsgeräts, wobei das zweite Augenbild in einer präoperativen Phase vor Beginn der Operation erhalten wird;
ein Modul zum Durchführen einer ersten Registrierung zwischen dem ersten Augenbild und dem zweiten Augenbild, um ein erstes Registrierungsergebnis zu erhalten;
ein Modul zum Erhalten eines dritten Augenbilds mittels des Operationsgeräts, wobei das dritte Augenbild nach Abschluss der Operation erhalten wird;
ein Modul zum Durchführen einer zweiten Registrierung zwischen dem zweiten Augenbild und dem dritten Augenbild, um ein zweites Registrierungsergebnis zu erhalten;
ein Modul zum Kombinieren des ersten und des zweiten Registrierungsergebnisses, um ein kombiniertes Registrierungsergebnis zu erhalten und dadurch eine Registrierung zwischen dem mittels des diagnostischen Geräts erhaltenen, als Anfangsreferenz dienenden Augenbild und dem mittels des Operationsgeräts nach Abschluss der Operation erhaltenen dritten Augenbild zu erhalten.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Modul zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches dann, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, es dem Computer ermöglicht, ein Verfahren nach einer der Ausführungsformen der Erfindung auszuführen.
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Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt schematisch ein System dar, welches einen Registrierungsvorgang implementiert, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 stellt schematisch einen mehrstufigen Registrierungsvorgang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
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3 stellt schematisch die Augenmerkmale dar, die bei einem mehrstufigen Registrierungsvorgang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Die Fehler und Ungewissheiten, die von einem auf ein Auge aufgesetzten Saugring hervorgerufen werden, können reduziert werden, wenn ein Lösungsansatz bereitgestellt wird, der das fehlende Glied vom Diagnosekoordinatensystem zum intraoperativen Koordinatensystem ausfüllen kann. Ausführungsformen der Erfindung liefern einen Lösungsansatz, um diese Lücke in einer später im Einzelnen erläuterten Weise zu füllen.
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Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann sie genutzt werden zur Ermittlung eines konsistenten Augenkoordinatensystems sowie der Position verschiedener Merkmale innerhalb des Augenkoordinatensystems während vielfacher Phasen augendiagnostischer/augenbearbeitender Vorgänge (zusammenfassend Augenbehandlung genannt). Dies betrifft die Diagnosephase, die präoperative Phase, die intraoperative Phase und die postoperative Phase.
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Das Augenkoordinatensystem sowie bestimmte Augenmerkmale (Limbusring, Pupille, Iris, Skleragefäße, Markierungen) können aus unterschiedlichen Abbildungsmodalitäten zu verschiedenen Zeitpunkten und über sich ändernde Augenbedingungen in Zusammenwirkung mit verschiedenen Werkzeugen (z. B. Saugring) und Prozeduren ermittelt werden, welche den Abbildungsinhalt signifikant beeinflussen. Der Augenregistrierungsvorgang gemäß einer Ausführungsform ist in eine Mehrzahl einzelner Registrierungsschritte aufgeteilt, von denen jeder zu einem Registrierungsergebnis führt, wobei sodann die mehreren Registrierungsergebnisse zu einem kombinierten Registrierungsergebnis zusammengefasst werden, welches eine höhere Genauigkeit besorgt und die Schwierigkeiten des Stands der Technik überwindet.
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Ausführungsformen der Erfindung können daher ein Verfahren bereitstellen, welches dazu fähig ist, das Auge über verschiedene Phasen der Bearbeitung und Diagnose hinweg zu registrieren, und zwar durch Kombination mehrerer Stufen der Registrierung, um sicherzustellen:
- 1. eine genaue torische (rotationsmäßige) Ausrichtung von Bearbeitungsgebieten und -punkten
- 2. eine genaue Zentrierung von Bearbeitungsgebieten und -punkten
- 3. eine Verifizierung beabsichtigter und tatsächlicher Bearbeitungsgebiete und -punkte
- 4. räumlich konsistente Messungen postoperativer Diagnostik gegen präoperative Diagnostik (z. B. Bestimmung von Implantaten, Schnitten, Bearbeitungen relativ zur Diagnostik)
- 5. Korrelation von postoperativen räumlichen Variationen einer beabsichtigten Bearbeitung mit dem visuellen Patientenergebnis
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Um diese vorteilhaften Effekte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu erzielen, wird von den folgenden Merkmalen Gebrauch gemacht:
- • Durchführung einer Mehrschritt-Registrierung, welche mehrere Registrierungsergebnisse von Augenbildern kombiniert, die zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Lösungsansatz ferner:
- • Die Verwendung einer verbundenen Kette von Abbildungsgeräten, welche Daten über geeignete Schnittstellen austauschen können (z. B. ein Gerät zur kornealen Diagnostik, das mit einer Verarbeitungseinheit verknüpft ist, die Bilder einer Mikroskopkamera analysiert)
- • Durchführung einer Multimerkmal-Registrierung unter Verwendung einer kontextsensitiven Merkmalsextraktion und -registrierung abhängig von der Modalität des Bilds und der Augenbedingungen (z. B. Augenabdeckung, Verformungen, Blutungen)
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Diese Lösungsansätze können zusammengefasst werden und es kann auf sie verwiesen werden in der folgenden detaillierten Erläuterung von Ausführungsformen als ”Mehrstufen-Registrierung”, weil die Registrierung für verschiedene Kombinationen von Phasen der Augenbehandlungsprozedur durchgeführt wird und diese unterschiedlichen Registrierungsschritte (oder -stufen) sodann kombiniert werden, um eine umfassendere Registrierung mit höherer Genauigkeit zu erzielen.
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Um die Bedeutung dieses Lösungsansatzes in etwas stärkerer Detailtiefe zu erläutern, wird noch einmal Bezug genommen auf den Ansatz zur Registrierung beim Stand der Technik. Im Stand der Technik wird die Komplexität der Augenregistrierung hauptsächlich durch die Differenz in den Abbildungsmodalitäten zwischen diagnostischen und/oder operativen Abbildungsgeräten hervorgerufen (z. B. unterschiedliche Lichtwellenlänge, Gesichtsfeld, Kameraauflösung, Kameraort, Integrationszeit). Der Unterschied in den Augenbedingungen (z. B. Verformung, Blutungen und Verschlüsse durch Werkzeuge) wird bei gegenwärtigen Implementierungen der Registrierung typischerweise vernachlässigt, weil der Arzt durch den Prozess gezwungen ist, ähnliche Augenbedingungen sicherzustellen.
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Wie aber oben erläutert, gibt es Vorgänge, die über alle Schritte hinweg ein konsistentes und präzise ermitteltes Koordinatensystem verlangen, aber keine ähnlichen Augenbedingungen über diese Schritte gewährleisten. Das Registrierungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann mit unterschiedlichen Bildmodalitäten und ähnlichen Augenbedingungen ebenso wie mit ähnlichen Bildmodalitäten und unterschiedlichen Augenbedingungen umgehen. Zusammen mit wiederholt angewendeten Registrierungsschritten wird dies zu einem wirksamen ”Vollprozess-Koordinatensystem”-Gerät.
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Eine verbundene Kette von Abbildungsgeräten, die Daten über Schnittstellen austauschen können, ist die Plattform zur Anwendung dieser Erfindung gemäß einer Ausführungsform, die nun in Verbindung mit 1 beschrieben wird. Das erste bei dem Prozess beteiligte Gerät ist ein Diagnosegerät, das neben Messungen ein als Anfangsreferenz dienendes Bild des Patientenauges liefert, welches als Ursprung des Koordinatensystems für den gesamten folgenden Prozess dient.
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Die in 1 gezeigte Verarbeitungseinheit (die ein beliebiger, geeignet programmierter Standardcomputer sein kann) empfängt das Anfangsreferenz-Bild und ist mit dem Abbildungssystem des Operationsmikroskops im Operationsraum verbunden.
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Die Referenzbildinformation wird von einer Verarbeitungseinheit importiert und für nachfolgende Registrierungsschritte gespeichert. Das diagnostische (anfängliche) Referenzbild wird zur Registrierung des Live-Operationsbilds direkt auf das Referenzkoordinatensystem oder – gemäß einer Ausführungsform der Erfindung – indirekt über ein bereits registriertes Referenzbild aus dem Operationsbildstrom verwendet. Die direkte Registrierung ist in 1 anhand des Live-Stroms dargestellt, der der Verarbeitungseinheit zugeführt wird, in welcher er von einem Verfolgungsmodul verarbeitet wird, welches ihn mit dem Anfangsreferenz-Bild zur Registrierung/Verfolgung vergleicht.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Registrierung jedoch nicht direkt durchgeführt, sondern über einen Zwischenschritt unter Verwendung eines bereits registrierten Bilds aus dem Operationsbildstrom. Zu diesem Zweck wird zunächst ein Bild des Operationsbildstroms genommen, welches aufgenommen wird, bevor die Operation tatsächlich beginnt, d. h. in der präoperativen Phase. Der Begriff ”präoperativ” bezieht sich hier auf die Tatsache, dass die Effekte der Operation, welche die Registrierung negativ beeinflussen könnten, z. B. die Verformung oder teilweise Abdeckung des Auges aufgrund des Aufsetzens eines Saugrings, das Bluten aufgrund von Einschnitten usw., noch nicht eingetreten sind. Das Augenbild wird mittels des Operationsgeräts aufgenommen, aber in dem Zustand, der der eigentlichen Operation und auch den vorbereitenden Tätigkeiten für die Operation wie etwa dem Aufsetzen eines Saugrings vorhergeht.
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In solch einem präoperativen Zustand ist das Augenbild ”näher” hinsichtlich seiner Eigenschaft bei dem mittels des diagnostischen Geräts aufgenommenen Anfangsreferenz-Bild, um das anfängliche Referenzkoordinatensystem zu bestimmen. Es ist daher leichter und genauer, eine Registrierung zwischen dem Anfangsreferenz-Bild und dem präoperativen Bild durchzuführen als zwischen dem Anfangsreferenz-Bild und dem intraoperativen Bild.
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Die Registrierung zwischen dem Anfangsreferenz-Bild und dem präoperativen Bild führt dann zu einem ersten Registrierungsergebnis, welches aus einer koordinatenmäßigen Beziehung (oder lateralen oder rotationsmäßigen ”Verschiebung”) zwischen dem Anfangsreferenzkoordinatensystem in dem Anfangsreferenz-Bild und dem Koordinatensystem (oder dem Ort des Auges) in dem präoperativen Bild besteht.
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In einem nächsten Schritt wird sodann eine zweite Registrierung zwischen dem präoperativen Bild und einem ”intraoperativen Bild” ausgeführt, welches mittels des Operationsgeräts während der Operation und speziell in einem Zustand aufgenommen wird, welcher das Augenbild beeinflusst, z. B. aufgrund des Aufsetzens eines Saugrings, der Verformung des Auges, des Blutens des Auges aufgrund von Einschnitten usw. Da aber die ”Modalitäten”, was die Geräteanordnung bedeutet (Kamera, Mikroskop, Beleuchtungswellenlänge usw.), für das präoperative und das intraoperative Bild identisch sind, ist es leichter, eine Registrierung zwischen dem präoperativen Bild und dem intraoperativen Bild durchzuführen als zwischen dem intraoperativen Bild und dem anfänglichen (diagnostischen) Referenzbild, welches mittels eines vollständig verschiedenen Geräts unter verschiedenen Bedingungen, wie etwa einer anderen Beleuchtungswellenlänge, einer anderen Kamera usw., aufgenommen worden sein kann.
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Die zweite Registrierung führt dann zu einem zweiten Registrierungsergebnis, welches aus einer Koordinatenbeziehung (oder lateralen oder rotationsmäßigen ”Verschiebung”) zwischen dem Referenzkoordinatensystem im präoperativen Bild und dem Koordinatensystem (oder dem Ort des Auges) in dem intraoperativen Bild besteht.
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Das erste und das zweite Registrierungsergebnis können dann kombiniert werden, um ein kombiniertes Registrierungsergebnis zu erhalten (welches einfach durch bloße Vektoraddition der Verschiebungsvektoren der beiden Registrierungsschritte erhalten werden kann), und das kombinierte Registrierungsergebnis ergibt dann effektiv eine Registrierung zwischen einem anfänglichen, diagnostischen Referenzbild und einem intraoperativen Bild. Dieser Lösungsansatz kann dann dazu verwendet werden, die ”Zweischritt-” oder ”Mehrstufen-”Registrierung auch für die weiteren intraoperativen Live-Bilder durchzuführen, wobei auf diese Weise eine wirksamere Verfolgung basierend auf dem anfänglichen, diagnostischen Bild und dem intraoperativen Live-Strom erzielt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform können die registrierten Live-Operationsbilder für eine spätere, postoperative Folgeanalyse des klinischen Prozessergebnisses exportiert werden.
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Wie bei der vorstehenden Ausführungsform erläutert, kombiniert die Mehrschritt- oder Mehrstufen-Registrierung mehrere Registrierungsergebnisse von Augenbildern, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt wurden, um Transformationsänderungen über vollständige Diagnose- und Operationsprozesse zu liefern.
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2 stellt weitere Ausführungsformen mit drei unterschiedlichen Typen von Registrierung dar, welche eine Koordinatensystemreferenz zu jedem Zeitpunkt bei der Operation ermöglichen.
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Die 1LR (Registrierung erster Stufe) zeigt die Registrierung von dem mittels des diagnostischen Geräts aufgenommenen Diagnosebild zu dem präoperativen Mikroskopbild. Es gibt einige Modalitätsänderungen vom Diagnosegerät zum Operationsmikroskop, die berücksichtigt werden müssen (z. B. Unterschiede in der Wellenlänge können durch Konzentration auf wellenlängenunabhängige Signale berücksichtigt werden, Unterschiede in der Optik können durch Kalibrierung beider Geräte berücksichtigt werden). Typischerweise aber sind die Augenbedingungen ähnlich, mit Ausnahme der Einführung eines Spekulums, um die Augenlider offen zu halten, und der Aufweitung oder Verengung der Pupille unter Verwendung von Pharmaka auf der Operationsseite. Die 1LR liefert das geräteübergreifende Registrierungsergebnis, d. h. die Registrierung vom Diagnosegerät zum Operationsgerät.
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Die 2LR (Registrierung zweiter Stufe) zeigt die Registrierung am selben Gerät – dem Operationsmikroskop – vom präoperativen Mikroskopbild zum intraoperativen Mikroskopbild. Eine direkte Registrierung vom intraoperativen Mikroskopbild zu dem Referenz-Diagnosebild würde wahrscheinlich fehlschlagen oder wäre ungenau aufgrund der signifikanten Abdeckung und Verformung von Augenmerkmalen durch den Saugring: Modalität (z. B. Änderung der Wellenlänge, Kamera usw.) und Augenbedingungen (Aufsetzen eines Saugrings) sind in Kombination schlicht zu unterschiedlich. Allerdings ist eine Registrierung des intraoperativen Bilds zum präoperativen Mikroskopbild aufgrund der Ähnlichkeit der Bildmodalitäten (z. B. gleiche Wellenlänge) und der Augenmerkmale (z. B. gleiche Pupillengröße, gleiche Irisform) möglich. Mit Kombination von 2LR und 1LR kann ein kombiniertes Registrierungsergebnis erhalten und dadurch die Verbindung vom intraoperativen Koordinatensystem zum diagnostischen Referenzbild-Koordinatensystem hergestellt werden.
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Die 3LR (Registrierung dritter Stufe) zeigt die Registrierung am selben Gerät – dem Operationsmikroskop – vom präoperativen Mikroskopbild zum postoperativen Mikroskopbild. Eine direkte Registrierung vom intraoperativen Mikroskopbild zum Referenz-Diagnosebild ist schwierig und ungenau aufgrund der Einflüsse, welche die Bearbeitungsprozedur auf das Patientenauge hat (z. B. Blutungen, Verformungen des Augapfels vom Saugring, Ablationsblasen unter oder in der Kornea, die die Iris überdecken). Eine Registrierung des präoperativen Mikroskopbilds ist jedoch möglich aufgrund der Ähnlichkeit der Bildmodalitäten (z. B. gleiche Lichtwellenlänge) und Augenmerkmale (z. B. gleiche Pupillengröße, gleiche Irisform). Mit Kombination der beiden Registrierungsergebnisse 3LR und 1LR kann die Verbindung zum Koordinatensystem des Referenz-Diagnosebilds hergestellt werden.
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Über die in 2 gezeigten Registrierungsstufen hinaus ist die Registrierung von postoperativen Mikroskopbildern zu einem postoperativen Diagnosebild und/oder vom präoperativen Referenz-Diagnosebild zu einem oder mehreren postoperativen Diagnosebildern durch einfaches Hinzufügen eines weiteren Registrierungsschritts zur kombinierten Registrierung möglich.
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Die spezielle Kette von Registrierungsschritten, die von dem System durchgeführt werden müssen, um die gewünschte Koordinatensystemabbildung zu erzielen, kann entweder a priori definiert oder vom System automatisch gewählt werden auf Basis des Wissens um die Leistungsfähigkeit jedes Registrierungsschritts. Beispielsweise kann bei einem bestimmten, aus einem bekannten Schritt des Operationsprozesses genommenen Bildpaar das System über eine Sequenz von Registrierungsalgorithmustypen (z. B. Iris-Iris-Registrierung, Sklera-Sklera-Registrierung) iterieren, um das Registrierungsergebnis mit der qualitativ höchsten Verlässlichkeit bei dem speziellen Bildpaar zu ermitteln. Die Sequenz von Registrierungsalgorithmustypen kann im System abhängig vom Wissen über den einzelnen Operationsschritt vordefiniert sein.
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Gemäß einer Ausführungsform extrahiert die mehrstufige Registrierung von Diagnose- oder Operationsbildern kontextabhängig unterschiedliche Typen von Augenmerkmalen, um robuste und zuverlässige Registrierungsergebnisse über sich ändernde Abbildungsmodalitäten und Augenbedingungen zu erreichen. Dies bedeutet, dass abhängig vom aktuellen Registrierungsschritt (z. B. 1LR, 2LR, 3LR) und den Modalitäten, die beim jeweiligen Schritt Anwendung finden, die geeignetsten Merkmale ausgewählt und für die Registrierungsprozedur verwendet werden. 3 veranschaulicht dies, indem sie unterschiedliche Beispiele der Mehrmerkmal-Registrierung bei Augenbildern zeigt. Die in 3 gezeigten Registrierungsschritte sind 1LR (oben), 2LR (Mitte) und 3LR (unten). Die Merkmale, die für die Registrierung berücksichtigt werden, sind in 3 gestrichelt.
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Die Bildpaare in 3 für 1LR (oben) zeigen die Merkmalsextraktion gemäß einer Ausführungsform von einem Diagnosegerät zu einem Mikroskopbild. In dem gegebenen Beispiel wurde das Diagnosebild mit weißem oder grünem Licht aufgenommen, während das Mikroskopbild mit weißem Licht aufgenommen wurde. Typischerweise wird das Patientenauge beim Diagnosebild nicht mit Pharmaka manipuliert, um eine kleine oder große Pupille zu zeigen, noch werden die Augenlider festgeklemmt. Während der Operation wird das Auge typischerweise mittels eines Spekulums offen gehalten und die Pupille auf ihr Maximum aufgeweitet. Zur Registrierung des Koordinatensystems in diesem Fall von der Modalität und den Bedingungen der Diagnose zur Operation sind die bevorzugten verlässlichen Merkmale Limbus- und Skleramerkmale (Blutgefäße). Auf diese Weise ist auch die Projektion der Diagnose-Pupille in das Operationsbild möglich (Kompensation einer Verschiebung des Pupillenzentrums), weil der Diagnose-Pupillenort relativ zum Limbus aus dem Diagnosebild bekannt ist, der Limbus im Operationsbild bekannt ist und die Zyklotorsion zwischen dem Diagnose- und dem Operationsbild bekannt ist.
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Die Bildpaare in 3 für 2LR zeigen die Merkmalsextraktion von einem präoperativen Mikroskopbild auf ein intraoperatives Mikroskop-Augenbild, hier abgedeckt mit einem Saugring. Die Saugringmechanik verdeckt typischerweise Teile des Limbus und den größten Teil des Skleragebiets. Glücklicherweise sind der Pupillendurchmesser und die Pupillenposition aufgrund von Augenpharmaka zwischen den beiden Bildern fest. Daher können Iris- und Pupillenmerkmale von einem präoperativen Mikroskopbild und dem intraoperativen Mikroskopbild benutzt werden, um die laterale und torsionale Position der zwei Bilder vollständig zu registrieren.
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Indem 1LR und 2LR kombiniert werden, kann die Verbindung zwischen dem Diagnose-Referenzbild und dem intraoperativen Mikroskopbild zuverlässig hergestellt werden. Bezugnehmend auf das Saugringbeispiel schafft diese Methode sämtliche Ausrichtungsinformation (z. B. Verschiebung des Pupillenzentrums, mesopische Pupille, Astigmatismus) automatisch von der diagnostischen Analyse zur Intra-Saugring-Phase herbei.
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Die Bildpaare in 3 für 3LR zeigen die Merkmalsextraktion von einem präoperativen Mikroskopbild auf ein postoperatives Mikroskopbild. Aufgrund der identischen Bildmodalität und des von ”Werkzeug gesäuberten” Auges verhindern die Bearbeitungsauswirkungen (z. B. Blutung, Flecken, Verformungen) nicht die Registrierung unter Verwendung aller Augenmerkmale.
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Die vorstehenden Beispiele zeigen, dass eine Kombination gesonderter Registrierungsschritte und vorzugsweise auch die Anwendung kontextabhängig unterschiedlicher Augenmerkmale für die Registrierung es ermöglicht, mit den Hindernissen umzugehen, die durch Unterschiede in den Bildmodalitäten und den Augenbedingungen über den Diagnose- und Operationsprozess bedingt sind.
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Man kann daher sagen, dass gemäß einer Ausführungsform ein Lösungsansatz bereitgestellt wird, welcher eine Registrierung zwischen zwei Situationen (einer ersten Situation und einer zweiten Situation) ermöglicht, bei denen ein derart signifikanter Unterschied der Augenbedingungen und/oder des benutzten Geräts (der benutzten Geräte) oder dessen Modalität (wie etwa Wellenlänge oder Optik) besteht, dass eine direkte Registrierung zwischen dem Auge in diesen beiden Situationen nicht durchgeführt werden kann oder zumindest sehr schwierig und fehleranfällig ist. Um eine solche Registrierung zwischen diesen zwei signifikant unterschiedlichen Situationen zu ermöglichen, ist gemäß einer Ausführungsform ein ”Zwischenregistrierungsschritt” (z. B. der Schritt 1LR) vorgesehen, bei dem es eine gewisse Änderung des Geräts oder seiner Modalität (etwa eine Frequenzänderung oder eine Änderung der Optik) geben kann, z. B. aufgrund des Wechsels von einem Gerät (Diagnosegerät) zu einem anderen (dem Operationsgerät), und/oder einer Änderung des Augenzustands (z. B. Einführung eines Spekulums), wobei aber die Zwischensituation so gewählt ist, dass diese Änderung der Modalität und/oder des Augenzustands weniger signifikant ist, als sie es ist für den Wechsel von der ersten zur zweiten Situation, bei dem eine direkte Registrierung nicht möglich ist. Sodann wird ein zweiter Registrierungsschritt zwischen der Zwischensituation und der zweiten Situation durchgeführt, bei dem die Änderung des Geräts und/oder seiner Modalität und/oder des Augenzustands ebenfalls weniger signifikant ist (im Hinblick auf die Bedeutung für das Leistungsvermögen oder die Genauigkeit der Registrierung), als sie es ist für den Wechsel von der ersten zur zweiten Situation. Durch Kombination der Zwischenregistrierung und der zweiten Registrierung kann man dann die Registrierung zwischen der ersten und der zweiten Situation erhalten.
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Wie zuvor bei den Ausführungsformen beschrieben, kann die erste Situation eine Situation sein, in der ein Diagnosegerät benutzt wird, die zweite Situation kann eine intraoperative Situation sein, in der ein Operationsgerät benutzt wird und der Augenzustand sich signifikant z. B. aufgrund des Aufsetzens eines Saugrings geändert hat, und die Zwischensituation kann der präoperative Zustand des Auges vor dem Aufsetzen des Saugrings sein, jedoch in einer Situation, wo das Operationsgerät benutzt wird, mit anderen Worten eine Situation, wo die Operation selbst noch nicht begonnen hat und die vorbereitende Arbeit, die den Augenzustand signifikant verändern kann, wie z. B. das Aufsetzen eines Saugrings, ebenfalls noch nicht ausgeführt wurde.
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Der spezielle Satz von Merkmalen, die zur Durchführung jedes Registrierungsschritt ausgewählt werden, um die gewünschte Koordinatensystemabbildung zu erzielen, kann entweder a priori festgelegt sein oder vom System automatisch auf Grundlage des kontextabhängigen Wissens um die Leistungsfähigkeit jedes Merkmals ausgewählt werden.
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Die vorstehend erläuterten Ausführungsformen ergeben etliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, beispielsweise:
- – Gegenwärtige Lösungsansätze zur Augenregistrierung gehen mit Modalitätsänderungen der Abbildungsgeräte um, sie können aber nicht mit Intragerät-Änderungen des Augenzustands umgehen, wie etwa dem Aufsetzen eines Saugrings.
- – Die Verwendung mehrerer Registrierungsschritte, vorzugsweise in Verbindung mit einer kontextabhängigen Bestimmung geeigneter Augenmerkmale, die zur Registrierung verwendet werden, erhöht die Gesamtgenauigkeit und die Robustheit von Diagnostik zu Operation, von Operation zu Diagnostik, von präoperativer Diagnostik zu postoperativer Diagnostik und von postoperativer Diagnostik zu präoperativer Diagnostik.
- – Die automatische Bestimmung einer optimalen Abfolge von Registrierungsschritten und kontextabhängigen Augenmerkmalen gewährleistet einen optimalen Kompromiss zwischen Robustheit und Genauigkeit insgesamt. Die optimale Abfolge kann z. B. bestimmt werden, indem man die Erfolgswahrscheinlichkeit (Robustheit) und Genauigkeit kennt, die für ein Paar von Bildern erwartet werden können. Beispielsweise kann basierend auf vorherigen klinischen Daten festgestellt werden, dass die Erfolgswahrscheinlichkeit der Registrierung eines ersten Bilds zu einem zweiten Bild XY%, ist die Erfolgswahrscheinlichkeit der Registrierung des zweiten Bilds zu einem dritten YZ% ist und die Erfolgswahrscheinlichkeit der Registrierung des ersten Bilds zum dritten XZ% ist. Das System kann dann ermitteln, ob XY%·YZ% > XZ% ist, d. h. ob es angeraten ist, die Kombination der beiden Registrierungsschritte in Betracht zu ziehen oder den direkten Registrierungsschritt. In gleicher Weise kann durch Vergleich der bekannten Erfolgswahrscheinlichkeit unterschiedlicher Augenmerkmale im Kontext (d. h. Wahrscheinlichkeit einer Iris-Registrierung gegenüber einer Sklera-Registrierung zwischen einem Diagnose- und einem intraoperativen Bild) der Algorithmus über die geeignetsten Merkmale entscheiden, die beim jeweiligen Schritt zu verwenden sind. Die Entscheidung kann auch rechentechnische Überlegungen in Betracht ziehen, d. h. wie schnell jedes der Merkmale registriert wird.
- – Der Ersatz der manuellen Werkzeugpositionierung (z. B. Saugring) spart substantiell Operationsbehandlungszeit für den Patienten und den Operateur.
- – Eine postoperative Folgediagnostik, die stets mit Bezug auf dasselbe (!) Koordinatensystem durchgeführt wird, welches zu Beginn des Prozesses festgelegt wurde, verbessert die postoperative Analyse von Augenoperationen von Behandlungen mit Lasern und/oder Implantaten.
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Der Durchschnittsfachmann versteht, dass die verstehend beschriebenen Ausführungsformen mittels Hardware, Software oder einer Kombination von Hardware und Software implementiert werden können. Die im Zusammenhang mit Ausführungsformen der Erfindung beschriebenen Module und Funktionen können vollständig oder teilweise durch Mikroprozessoren oder Computer implementiert werden, die geeignet programmiert sind, so dass sie in Übereinstimmung mit den in Verbindung mit Ausführungsformen der Erfindung erläuterten Methoden agieren. Dies kann die Verbindung solcher Computer oder Mikroprozessoren mit geeigneten Schnittstellen und/oder Mess- und/oder Behandlungsgeräten beinhalten, wie sie auf dem Gebiet der Augendiagnostik und -behandlung benutzt werden, wie es vom Fachmann ohne weiteres verstanden wird.
