DE19852331A1 - Verfahren und Vorrichtung zur simultanen Bestimmung von Oberflächentopometrie und Biometrie des Auges mit Hilfe der modifizierten Placidoring-Videotopographie und der optischen Kohärenz-Tomographie - Google Patents

Abstract

Aus der Verknüpfung beider Verfahren ergibt sich daraus eine neue diagnostisch und therapeutische Erfindungshöhe, die bislang in der diagnostischen und therapeutisch orientierten Ophthalmo-Chirurgie unerreicht ist.

Description

Stand der Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächentopometrie eines reflektierenden Körpers, vorzugsweise der menschlichen Hornhaut und die gleichzeitige Gewinnung von biometrischen Daten aus der gesamten Tiefe des Auges, mit seinen tiefer liegende brechende Strukturen wie Hornhautrückfläche, Linsenvorderfläche und Linsenrückfläche sowie der Auftreffpunkt der eingehenden Lichtstrahlen (Netzhaut).

Ein Verfahren zur Bestimmung der Krümmungseigenschaften der Hornhaut durch punktweises Vermessen (Videokeratometrie oder Videotopographie) ist bekannt und unter anderen von den Anmeldern patentiert.

Die Videokeratometrie, typischerweise ermittelt durch Projizieren eines konzentrischen Ringmusters nach dem Placido-Prinzip und Rückspiegelung oder Reflektion desselben am Tränenfilm der Hornhaut, wird dabei durch eine Kamera aufgenommen. Aus der Lage und relativen Beziehung der ringmusterbildenden Projektionspunkte wird auf die Hornhauttopographie der Oberfläche rückgeschlossen.

Verfahren dieser Art bedürfen zur Aufnahme des gespiegelten Placidosystems einer konzentrisch und koaxial angebrachten Videokamera im Projektionskopf, deren Vorhandensein es verhindert, daß ein ca. 0,5 mm großer zentraler Hornhautbereich durch diese Messung mit erfasst wird. Andererseits wird die zentrale optische Zone der Hornhaut, welche den größten Anteil am Brechungssystem Auge hat, gerade durch den zentralen Hornhautanteil, - typischerweise der Durchtrittspunkt der visuellen Achse -, charakteristiert. Eine besondere Gewichtung erhält diese zentrale, ring- oder signaturfreie Zone durch den Stiles-Crowford Effekt, der die zentrale Hornhaut gegenüber der Peripherie übergewichtet.

Eine weiteres typisches Element der konventionellen Videotopographie, welche erhebliche Einschränkungen über die Weiterentwicklung der Refraktions- und Implantationschirurgie beinhaltet, ist das Fehlen von Informationen von der Hornhautrückfläche, sowie von den tieferen Abschnitten des brechenden Systems.

Die Geometrie der Grenzflächen, die Tiefe der vorderen Augenkammer, Grenzflächeneigenschaften und Topographie der Linse, Dichteverteilungen und Streukörperanordnungen in der Linse, sowie die Tiefe der hinteren Augenkammer definiert durch den Abstand zwischen Linsenrückfläche und Netzhaut sind für die gesamte rechnerische Erfassung des Brechungssystems Auge am individuellen Patienten unerlässliche Voraussetzung zur Erhöhung der Präzision von refraktiven Maßnahmen an der Hornhaut oder implantationschirurgischen Eingriffen an der Linse.

Andererseits ist mit der optischen Kohärenz-Tomographie ebenfalls durch die Antragstellern ein Verfahren entwickelt worden, das in bislang unerreichter Weise Schichtbilder durch das gesamte Auge erstellen kann und dabei neben den biometrischen Größen, wie oben beschrieben, auch Informationen aus der Schichtdicke der einzelnen brechungsrelevanten Anteile des Augenapparates, nämlich der Linse und der Hornhaut, gewinnen kann.

Ein Nachteil des kurzkohärenten OCT-Verfahrens ist, im Hinblick auf die Erfassung der Gesamttopographie der Hornhaut, der hohe Zeitbedarf, sowie die Bewegungsartefakte des niemals völlig ruhig zu stellenden Auges in vivo und in situ. Seine Leistungsfähigkeit nimmt im Hinblick auf die Erhebung topographischer Daten vom Zentrum zur Peripherie der Hornhaut ab.

Die Placido-Ringprojektion hat den Vorteil, im Millisekunden-Bereich ein punktweises Vermessen der Hornhautoberfläche (typischerweise mehr als 10 000 Messpunkte) zu ermöglichen, mit dem Nachteil des Fehlens von Informationen aus tieferen Augenabschnitten. Letzteres kann die optische Kohärenztomographie liefern, dabei können zusätzlich Streubildanalysen aus den Organanteilen des Auges gewonnen werden. Speziell der topographisch sonst nicht abgedeckten zentralen Anteil könnte topometrisch und topographisch erfasst werden.

Aus der Verknüpfung der beiden Verfahren und weiteren speziellen Maßnahmen ergibt sich eine neue Erfindungshöhe mit einer völlig neuen Qualität der Hornhauttopographie und Biometrie die zu erheblichen Konsequenzen für die diagnostische und therapeutische Ophthalmologie führen muß.

Technische Beschreibung

Das System besteht prinzipiell aus zwei Komponenten, die miteinander verknüpft werden müssen. Die erste besteht aus einem Konus mit beliebigen Öffnungswinkel. Die Konuswand besteht aus mehreren abwechselnden leuchtenden und nicht leuchtenden Ringen (Prinzip nach Placido, Placidokonus). Die leuchtenden Ringen können sowohl monochromatisch als auch monochromatisch mit geometrischen Kodierungen und auch mehrfarbig kodiert sein. Dieser leuchtende Körper wird nun an einer spiegelnden Oberfläche z. B. Hornhautoberfläche gespiegelt. Das Spiegelbild wird über eine Linse auf eine Videokamera (CCD-Sensor) abgebildet. Das Bild der Oberfläche mit dem Spiegelbild der Konusringe wird dann einem Rechner zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Dies alles ist noch das Prinzip der Videotopographie nach Placido.

Dieses Gerät soll nun kombiniert werden mit der optischen Kohärenz Tomographie (OCT). Dazu wird in den Placidokonus an beliebiger Stelle eine Öffnung eingebracht, durch die der Laserstrahl des OCTs geführt werden kann. Im Inneren des Placidokonus wird ein kleiner Umlenkspiegel befestigt, der den Laserstrahl des OCT parallel oder unter bekannten Winkel zur Achse Objekt-Videokamera umleitet. Dieser Umlenkspiegel kann sowohl zentral als auch außerhalb des Zentrum des Placidokonus angebracht werden. Anstelle des Umlenkspiegels kommen auch andere strahllenkende Objekte (z. B. Prismen usw.) in Betracht.

Das OCT selbst besteht aus Laserdiode (SLD), einem Prismenteiler, der den Laserstrahl auf zwei Referenzspiegel verteilt, einem Photodetektor, der Laufzeit und Phasenverschiebung und Intensitätsverhalten des Laserlichtes detektieren kann. Umlenkspiegel und fokussierende Optiken (Strahlbündelung zur Grenzflächendetektion) werden so positioniert, daß der Strahldurchmesser minimal am Durchtrittspunkt des Laserstrahl durch den Placidokonus ist (minimaler Informationsverlust für Placidomessung). Der Fokuspunkt des OCT Lasers nach dem letzten Umlenkspiegel definiert den Messpunkt (Messebene) des OCTs. Um nun die einzelnen Grenzflächen z. B. am Auge (Hornhaut Vorder- und Rückfläche, Linsen Vorder- und Rückfläche, Augenhintergrund) zu erfassen, muß der Fokuspunkt entlang der optischen Achse durch das Auge bewegt werden. Dies geschieht mit dem rotierenden Weglängenmodulator am Referenzspiegel 1 (Abb. 1). Durch die Drehung des Modulators wird der Fokuspunkt des Laserstrahls z. B. durch das Auge von Hornhautforderfläche bis zum Augenhintergrund geführt. Dabei tritt an jeder optischen Grenzfläche bedingt durch den reflektierten Anteil des Laserstrahls ein Signalmaximum am Photodetektor auf. Durch eine Winkelkodierung des Weglängenmodulators kann jedem Reflektionspunkt ein Längenmaß zugeordnet werden. Dies bedeutet, daß man eine Distanzinformation innerhalb des Auges entlang der optischen Achse zwischen jeder optischen Grenzfläche erhält. Diese Daten können z. B. zur Gesamtbiometrie des Auges herangezogen werden. Biometrie bedeutet: Kennt man den Krümmungsradius der Hornhautoberfläche (Videotopographie nach Placido) und die Längeninformationen des Auges kann z. B. eine individuelle, hochpräzise Berechnung einer künstlichen Linse (grauer Star) durchgeführt werden.

Modifiziert man den Aufbau entsprechend Abb. 2, kann in jeder gewünschten Ebene ein Flächenscan durchgeführt werden. Dazu wird der Weglängenmodulator entsprechend der gewünschten Zielebene zum Stillstand gebracht und der vorletzte Umlenkspiegel derart modifiziert, daß dieser nun in x-y-Richtung definiert scannen kann. Dadurch kann z. B. der zentrale Anteil der Hornhaut, der dem Placido-Topometer aufgrund der zentralen Anordnung der Kamera entgeht, hochpräzise vermessen werden. Weiterhin können durch definierten Vorschub der Messebene (Drehung des Weglängenmodulatores) beliebig viele nah aufeinanderfolgende Ebenen vermessen werden, die dann in der Gesamtheit eine dreidimensionale Information eines Messvolumens beinhaltet (z. B. Vermessung eines zentralen Volumens der Hornhaut). Diese kann eine zusätzlich Information über strukturelle Veränderungen im optischen System (Streuung, Absorption, Reflexion usw.) liefern. Eine solche diagnostische Aussage gibt es bisher noch nicht.

Die vorab beschriebenen Messungen können sowohl innerhalb einer Aufnahmesequenz als auch sequentiell ablaufen. Auch jede beliebige Kombination der einzelnen Messungen innerhalb definierbarer Zeitintervalle sind vorstellbar.

Beide Messvorgänge müssen über eine entsprechende Software koordiniert werden, die sowohl die Aufnahmenabfolge als auch die Auswahl der benötigten Informationen je nach Fragestellung steuert. So sind zu bereits bestehenden Softwarepunkten der Videotopographie nach Placido weiter Punkte zu erstellen z. B. Berechnung von künstlichen Linsen (IOL- Berechnung) oder auch Strukturanalysen eines Zielgebietes. Entsprechend der Fragestellung, die der Bediener aus dem Menu auswählt, muß das Programm die entsprechenden Messungen aussuchen und nach notwendiger Reihenfolge ablaufen lassen. Die gewonnen Messergebnisse müssen dann ausgewertet werden und dem Bediener dargestellt werden. Dies kann z. B. durch farbkodierte Karten für dir Radien oder Höhenwerten von künstlichen Linsen erfolgen und/oder auch als Computerdatei für weiterführende Produktionslinien. Auch morphologische Strukturinformationen können z. B. als farbkodierte Karte den Bediener dargebracht werden.

Erfindung

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgestellt, welche folgende Eigenschaften besitzt:

Bedeutung der Erfindung

Aus der Verknüpfung dieser Verfahren ergibt sich eine qualitativ neuartig und quantitativ bislang nicht zugängliche Beschreibung des Auges in diagnostischer und therapeutischer Absicht:

In Kombination mit von den Anmeldern ebenfalls entwickelten Verfahren zur Bestimmung der absoluten Koordinaten im freien Raum (Europäisches Patent 95 937 759.9, Deutsches Patent 19 516 309.5) und damit die Möglichkeit einer schnellen Berechnung der Strahlverfolgung (Ray Tracing) wäre so erstmalsdie Möglichkeit gegeben, nicht nur die optischen Grenzflächen, sondern auch die optische Qualität der Medien (einer Normalbevölkerung oder am nicht krankhaft veränderten individuellen Auge) messtechnisch objektivierend zu bestimmen.

Der Quantifizierung der physiologischer- und pathologischer Weise vorkommenden Streukörper und ihrer Zunahme als Funktion des Alters oder bei krankhaften Prozessen, ihre Protokollierung im individuellen longitutionalen Krankheitsverlauf, kommt dabei besondere Bedeutung zu.

Mit Hilfe von Ray-Tracing-Programmen kann dann in vivo und in situ, nach Gewinnen der Daten nach dem erfindungsgemäßen Vorgehen, das Gesamtbrechungssystem einschließlich von Medientrübungen, Narbenbildungen der Wundheilungsverläufen erstmals quantifiziert werden.

Von besonderer praktischer Bedeutung ist dies für die Bestimmung der optischen Aberrationen der Hornhaut und ihr Auftreten, z. B. bei Hornhautnarbenbildungen, einer nicht seltenen Komplikation hornhautchirurgischer Eingriffe.

Aus rechtsmedizinisch-forensischer Sicht wie auch aus diagnostischer Sicht, besteht ein dringlicher Bedarf innerhalb der Schichtdicke des Organs Hornhaut solche Streukörperinformation schichtweise zu gewinnen und diese in ein Ray-Tracing-Verfahren einzugeben.

Am Beispiel der Hornhaut kann damit ein objektives Maß für die Hazebildung und Wundheilung vorgenommen werden ohne auf die physikalisch vereinfachende Vorwärtslichtstreuung (Forward-light-Scattering) zurückgreifen zu müssen.

Ebenso wie das Verfahren zur Objektivierung und messtechnischen Erfassung von Streukörpern in der Hornhaut verwendet wird, ist es insbesondere auch an der Linse anwendbar. Im Rahmen des Grauen Stars, einer Massenerkrankung, die mit zunehmender Verschiebung der Alterspyramide nahezu 100% der Bevölkerung erfassen kann, wäre damit ein objektiver Ansatz zur Ermittlung der Hornhauttrübung möglich. Unter Kenntnis der übrigen Eigenschaften des gesamten optischen Brechungssystems, also auch der Linsenvorder- und Rückfläche und der Hornhautvorder- und Rückfläche, sowie der Tiefe der vorderen Augenkammer, läßt sich daraus der objektiv zu erwartende Visus an der Netzhaut ermitteln.

Aus der Korrelation der errechneten mit der klinisch beobachteten Sehschärfe, läßt sich dann eine objektive Gradierung der Hornhauttrübungen und Linsentrübungen erstellen.

Alleine die Gewinnung objektiver Kriterien für die Stadieneinteilung von Trübungsphänomenen in vivo und in situ hat einen hohen Innovationswert mit erheblichen Auswirkungen für Diagnose und Therapie von hochendemischen Augenerkrankungen.

Für die automatisierte Laserchirurgie ergibt sich durch die Kombination beider Verfahren eine bislang nicht erreichte lückenlose topometrisch/topographische Darstellung der Hornhaut von äußerst peripher bis zum Durchtrittspunkt der visuellen Achse durch die Hornhaut. Hieraus wiederum resultiert die Möglichkeit den vollständigen Datensatz (ev. mit seiner Verknüpfung mit Ray-Tracing-Programmen) dazu zu benutzen, das individuell optimale Ablationsmuster für die Hornhautvorderfläche mit photoablativen Lasern einzubringen. Die so gewonnenen Daten lassen sich - nach dem Verfahren Topolink - eben wegen ihrer Vollständigkeit über den gesamten Hornhautquerschnitt - dazu benutzen, den Ablationsvorgang vom manuellem Geschick des Operateurs zu lösen und ihn als Datensatz für den automatisierten Gewebeabtrag im Laser selbst bereitzustellen.

Irregulärer Astigmatismus, irreguläre Narbenbildungen, der Einfluß oberflächlicher oder tiefer Hornhautnarben ließe sich damit für ein individuell errechnetes Ablationsoptimum bereitstellen, um das visuelle Ergebnis zu optimieren. Alternative Strategien könnten simuliert werden.

Für den Bereich der Biometrie stellt das Verfahren ebenfalls eine qualitativ entscheidende Verbesserung dar. Herkömmliche, ultraschallbasierte Biometrien, welche vor Catarakt- Operation und dem Einsetzen von Kunstlinsen durchgeführt werden, arbeiten mit gravierenden Simplifikationen, die im Effekt am individuell optimalen Sehergebnis vorbeiführen. Weil die Hornhautrückfläche nicht quantitativ erfassbar ist, die Krümmung der Linse und mögliche, auch minimale Dezentrierungen und Luxationen möglicherweise nicht erkannt werden, kann das Sehergebnis nicht optimiert werden, weil die zu implantierende Linse ungenau berechnet wird. Die sozio-ökonomischen Folgen davon sind erheblich. In nahezu 80% aller Fälle von Linsenimplantation nach Cataract-Operation wird das theoretisch mögliche Visusmaximum nicht erreicht, sodaß zusätzlich kostenintensiv und auf Dauer Brillenkorrekturen erforderlich sind.

Liegt die Fehlberechnung zwischen RA/LA bei < 3 dpt., so können zusätzliche Probleme der Anisometropie auftreten.

Unter Einschluß der Oberflächentopometrie und der Schichtbilder aus dem kurzkohärenten OCT ist auch hier ein Datensatz vorhanden, der es erlaubt, das optimale Implantat am individuellen Fall vorher zu errechnen und bereit zu stellen.

Aus der Hornhaut- und Linsentopometrie, sowie der Gesamttopometrie des Auges ergeben sich zwei neue Möglichkeiten, sowie die Berechnung einer individuell gefertigten Intraokularlinse. Auf diese Weise ließen sich erstmals den Einzelpatienten visusoptimierende Brechungsverhältnisse, sowohl für die Kontaktlinsenversorgung als auch für die Versorgung mit Intraokularlinsenherstellern.

Damit können die Grenzen der bisherigen Kontaktlinsenversorgungs- wie auch der Versorgung mit intraokularen Linsenimplantaten tiefgreifend verändert werden. Nicht zuletzt liegt dem auch ein für das Gesundheitssystem insgesamt kostenminimierender Ansatz zu Grunde, in dem die bislang noch über 70% der Fälle erforderliche Versorgung mit zusätzlicher Korrekturhilfen, wie Brille, vermeidbar wird.

Claims (8)

1. Ein Verfahren zur Bestimmung der parazentralen mittelperipheren und peripheren Hornhautkrümmung durch Aufprojizieren eines Placido-Ringsystems auf die Hornhaut, Reflexion und Spiegelung im Tränenfilm und Wiederauffangen des Bildes nach dem Prinzip der Videotopographie.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß im zentralen, placidoringfreien Hornhautareal ein kurzkohärentes Mess-System eingespiegelt und koaxial auf die Hornhaut und die tieferen Augenabschnitte gerichtet wird. (Fig. 1).

3. Verfahren und Anspruch nach 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion des OCT-Signals statisch oder dynamisch erfolgen kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3 dadurch gekennzeichnet, daß durch Z-Achsenvortrieb und einen daraus resultierenden Schichtbildsatz Grenzflächeninformationen erstellt werden.

5. Verfahren und Vorrichtung nach 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß alle gemessenen Abstände durch die optischen Grenzflächen (Hornhautvorderfläche/Hornhautrückfläche; Hornhautrückfläche, Linsenvorderfläche, Linsenvorderfläche/Linsenrückfläche; Linsenrückfläche, Netzhaut; erfasst und als biometrische Charakteristika des individuellen zu messenden Auges gespeichert werden.

6. Verfahren und Vorrichtung nach den vorgenannten Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, daß durch das OCT innerhalb der Schichtdicke der Organe Hornhaut, Linse, Netzhaut in der Größenordnung der Eindringtiefe der Strahlung Informationen zu optischen Dichten und Streugrößen ermittelt werden. Insbesondere auch dadurch, daß eine Ablenkung des eingeblendeten OCT-Strahls durch x/y-Scanner erfolgt und dabei 3-D ähnliche Auflösungen entstehen.

7. Das Verfahren und die Vorrichtung nach den oben genannten Ansprüchen sind dadurch gekennzeichnet, daß neben den oberflächentopographischen Informationen der optischen Grenzflächen des brechenden Apparates im Auge bis zur Netzhaut, entlang der Z-Achse Schichtbilder entstehen, die multiplen Auswerte-Algorithmen zugeführt werden. Diese Informationen werden verknüpft mit dem aus der Placido-Ringprojektion resultierenden, hochauflösenden Messvorgang der mittleren und peripheren Hornhaut.

8. Für folgende Messbereiche soll das System passen:

• 1. 8.1 Flächenerfassung: Hornhautvorderfläche, Hornhautdicke, Hornhautrückfläche, Vorderkammertiefe, Linsenvorderfläche, Linsenschichtdicke, Linsenrückfläche.
• 2. 8.2 Punktförmige Erfassung: Netzhautebene.