DE2641004A1

DE2641004A1 - Vorrichtung und verfahren zur messung der hornhautkruemmung

Info

Publication number: DE2641004A1
Application number: DE19762641004
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Dr Achatz; Rasmus Dipl Phys Dr Beck; Werner Dr Med Bockelmann
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1976-09-11
Filing date: 1976-09-11
Publication date: 1978-03-16
Also published as: GB1563286A; US4159867A; FR2364018A1; DE2641004C2

Description

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CASCH/DOJ 10. September 1976

BATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt (Main)

s:s=: = =:s

Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Hornhautkrümmung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Messung der Hornhautkrümmung sowie eine Vorrichtung, die aus Trägern zur Aufnahme von Objektpunkten und einem dazu zentrierten Teleskop besteht.

Messungen des Krümmungsradius der vorderen Hornhautfläche geben Aufschluß über die Hornhautkrümmung und den Hornhautastigmatis-

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mus. Da der Astigmatismus bei der Refraktion des Auges bekannt sein muß, fanden Instrumente zur Messung der Krümmungsradien der vorderen Hornhautfläche, sogenannte Keratometer, im augenärztlichen Bereich Verwendung zur Brillenbestimmung. Seit Einführung der Hornhaut-Kontaktlinsen muß diese Messung routinemäßig eingesetzt werden, da für die exakte Anpassung einer Kontaktlinse auf die Hornhaut eine genaue Kenntnis der Hornhautkrümmung notwendig ist. Bei dieser Anpassung muß berücksichtigt werden, daß die Hornhautoberfläche kein einzelner Kugelabschnitt konstanter Krümmung ist, sondern daß sie zum Rand hin mehr oder weniger stark abgeflacht verläuft. Außerdem ist üblicherweise ein vorhandener Astigmatismus der vorderen Corneafläche zu beachten.

Instrumente für keratometrische Messungen sind bekannt. Dabei wird die Größe des Hornhautreflexbildes, sogenanntes I. Purkinje Bild, im Vergleich zu einem gegebenen Objekt ausgemessen. Bei älteren Geräten geschieht dies visuell durch Messen der Bildgröße in einem Okularmikrometer. Der Träger zur Aufnahme von Objektpunkten besteht bei diesen Vorrichtungen aus zwei schwenkbaren gekrümmten Armen, welche die Erzeugung von Bildpunkten auf nur eine Achse ermöglichen, erst nach Schwenkung des Gerätes auch auf einer anderen Achse.

Neue Entwicklungen umfassen Photokeratometer mit vier aufeinander senkrecht stehenden Armen, mit denen das auf der Horn-

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haut entworfene Bild photographiert und densitometrisch ausgewertet wird. Mit diesen Photokeratometern können zwar die notwendigen Werte aus einer einzigen Aufnahme gewonnen werden, sie haben jedoch den entscheidenden Nachteil, daß die Aufnahme an einer zentralen Sammelstelle, welche die erforderlichen Geräte, z.B. Densitometer, Computer, besitzt, ausgewertet werden muß. Aus diesem Grunde ist zwischen der eigentlichen Messung und dem Erhalt des Ergebnisses des öfteren ein unzumutbarer Zeitraum erforderlich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur automatischen Messung der Hornhautkrümmung zu entwickeln, wobei dem Augenarzt oder dem Optiker ermöglicht wird, die gewünschten Daten schnell und in möglichst praxisnaher Form zu messen.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Hornhautkrümmung einen Träger zur Aufnahme von Objektpunkten, welche in Form einer zusammenhängenden Fläche ausgebildet ist, und ein dazu zentriertes Teleskop aufweist, bei dem zwischen Okular und Objektiv eine Einrichtung zur Reflektion des in das Teleskop einfallenden Lichtes sowie ein zu dieser Einrichtung ausgerichteter Detektor vorgesehen sind. Diese Vorrichtung kann durch Verbinden des Detektors mit einem Mikrocomputer, einer Zwischenspeicherein-

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richtung sowie einer Ausgabeeinheit zur automatischen Messung der Hornhautkrümmung dienen.

Einige vorteilhafte Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den beigefügten Unteransprüchen 2 bis 7 geschildert. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in den Ansprüchen 8 bis 10 erläutert.

In den beigefügten Abbildungen zeigen in schematischer Vereinfachung

Figur 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie den mathematischen Zusammenhang für die Krümmungsmessung,

Figur 2 eine mögliche Anordnung der Objektpunkte 0·.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung aus einem Träger 1 zur Aufnahme von Objektpunkten 0., der vorzugsweise eine gekrümmte bzw. eine kardioidisch gekrümmte Fläche darstellt und einem dazu zentrierten Teleskop 2. Eine Kardioidfläche entsprechend R=r . (l+coscp ) ist bevorzugt, da dann die virtuelle Bildfläche hinter der Hornhaut eben ist. Die Objekte'bene 1 kann aber auch andere Krümmungen besitzen, was dann durch Korrekturen in der Auswertung berücksichtigt werden muß.

·· O *■*

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Das Material, aus dem die Objektfläche bzw. der Objektträger hergestellt wird, ist von der Art der verwendeten Lichtquelle zur Erzeugung der Objektpunkte abhängig.

Das zur Objektfläche 1 zentrierte Teleskop 2 weist zwischen dem Okular 3 und dem Objektiv 4 eine Einrichtung 5 auf, die im wesentlichen zur Reflektion des in das Teleskop einfallenden Lichtes dient. Diese Einrichtung kann ein Klappspiegel oder ein teillichtdurchlässiger Spiegel sein. Teillichtdurchlässige Spiegel sind bevorzugt, da sich damit für den Beobachter bessere Einstellungsmöglichkeiten bieten, ohne weitere Einrichtungen an dem Teleskop vorsehen zu müssen. Sie werden fest in dem Teleskop angebracht. Wird jedoch ein Klappspiegel verwendet, so muß die Vorrichtung an dem Teleskop eine Einrichtung aufweisen, mit der der Klappspiegel betätigt werden kann. Dies ist erforderlich, da zur Justierung des Teleskops vor der eigentlichen Messung durch den Beobachter der Klappspiegel aus dem Strahlengang herausgeklappt werden muß. Das Teleskop weist ferner einen, zu dem teillichtdurchlässigen Spiegel oder zu dem Klappspiegel ausgerichteten Detektor 6 auf, der seinerseits direkt oder unter Anwendung einer Zwischenspeicher-Einrichtung 6a mit einem Rechner 6b verbunden ist. Die Angabe der ermittelten Werte erfolgt über eine dem Rechner nachgeschaltete Ausgabeelektronik 6c.

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Bei dem Detektor 6, der zur Messung des Bildpunktabstandes h. von der optischen Achse dient, handelt es sich vorzugsweise um einen positionsempfindlichen Siliziumdetektor. Eine weitere Möglichkeit bietet sich in der Verwendung eines Vidiconrohres als Aufnahmeelement an. Als Detektoren, die ebenso verwendbar sind, können lineare Diodenarrays oder eine Diodenmatrix in Frage kommen. Die linearen Diodenarrays, die Diodenmatrix sowie das Vidicon können sämtliche Bildpunkte in paralleler Ansteuerung verarbeiten, während der Positionsdetektor die sequentielle Ansteuerung erfordert.

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden auf der gekrümmten Objektfläche 1 an unterschiedlichen Orten Lichtpunkte bzw. Objektpunkte O. erzeugt. Die Reflexe dieser in der Objektebene aufleuchtenden Punkte können als virtuelle Bilder B., als sogenannte I. Purkinje Bilder, beobachtet und ihre Positionen durch die Detektionsoptik bezüglich der optischen Achse vermessen werden.

Zur Zentrierung des Teleskops auf das Meßobjekt bzw. zur Justierung der erfindungsgemäßen Meßapparatur werden vorzugsweise auf der Objektebene 1 vier Lichtstriche bzw. Justierstriche 7 in Richtung der beiden Hauptachsen erzeugt, deren Purkinje-Bilder in ihrer Gesamtheit durch das Okular beobachtet, bei korrekter Einstellung auf zwei sich kreuzenden Geraden liegen.

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Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der Justierstriche ähnlich den zur Erzeugung der Objektpunkte O. vorgeschlagenen Möglichkeiten. Diese Justierstriche 7 sind in Figur 2 schematisch dargestellt. Die vorgeschlagene Art der Einstellung beinhaltet den Vorteil, daß sie durch Einsatz der Noniussehschärfe in der Einstellung der Hauptachse erheblich präziser gegenüber anderen Methoden ist. Anschließend werden die vier Justierstriche zum Verlöschen gebracht und der eigentliche Meßvorgang ausgelöst. Der Meßvorgang kann maximal während der Zeit zwischen zwei Lidschlägen durchgeführt werden.

Für die Erzeugung der Lichtpunkte 0. bzw. Lichtmarken auf der Objektebene 1, bieten sich verschiedene Möglichkeiten. Hierzu können rückseitig beleuchtete Blenden, Lichtleiteranordnungen (Glasfasern),Punktlichtquellen (z.B. Laserdioden) oder ein beweglicher Lichtpunkt (flying-spot), erzeugt durch Laserlicht und Ablenkeinheit, verwendet werden.

Eine weitestgehende Uberdeckung des Meßfeldes mit Lichtmarken erhält man durch Erzeugung der Lichtmarken mittels flying-spot. Hier kann der Lichtfleck O. durch geeignete Steuerung der Ablenkeinheit auf beliebigen Bahnen über die Objektebene 1 geführt werden. Erzeugung von Lichtmarken durch rückseitig beleuchtete Blenden und durch Punktlichtquellen (z.B. Laserdioden) gestatten sowohl die parallele als auch die sequentielle Ausleuchtung. Mit flying-spot-Ausleuchtung kann nur sequentiell gemessen werden.

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Wird auf der Objektebene ein Lichtpunkt O. erzeugt, so wird sein Reflex als virtuelles Bild B. auf der gestrichelten Bildebene BE beobachtet. Der Krümmungsradius der Hornhaut r., für diesen speziellen Objektpunkt und damit für den dazu korrespondierenden Hornhautabschnitt mit dem Krümmungsmittelpunkt M., ist dann durch die folgende Formel gegeben, z.B. für den Objektpunkt O.t

^rl ^{= 2d}l "Ti
1 1 h_t

Hierbei sind h. der Abstand des Objektpunktes O. und h.' der Abstand des Bildpunktes B. von der optischen Achse. Die Abstände d^ und h. sind aus den geometrischen Verhältnissen der Anordnung

annt. Die Messung von h ·
Krümmungsradius der Hornhaut.

bekannt. Die Messung von h · mittels Detektoren liefert somit den

Bei der Ableitung der obigen Formel wurde vernachlässigt, daß das virtuelle Bild etwas vor dem Fokus F. des von der Hornhaut gebildeten konvexen Spiegels liegt. Da die Entfernung ü* groß ist im Vergleich zum Abstand der virtuellen Bildebene von F.,ist diese Näherung gerechtfertigt.

Der Bildpunkt B. wird auf dem Detektor vergrößert abgebildet und somit die Position des sekundären Bildpunktes B₁ ¹ bestimmt. Dies erfolgt dadurch,daß das Meßsignal, welches im wesentlichen aus dem Verhältnis von Objekthöhe h. zur Bildhöhe h ' besteht, in einem Kleinrechner, der mit dem Detektor in Verbindung steht, nach

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Anbringung der nötigen Korrekturen in den Krümmungsradius r. umgerechnet wird. Die an sämtlichen Meßpunkten parallel oder sequentiell gemessenen Radien bieten somit in ihrer Gesamtheit die Krümmungsfläche der Hornhaut an.

Die Anwendung einer Teleskop-Optik ist aufgrund der für die spezielle Meßaufgabe benötigten geringen Tiefenschärfe der Abbildung erforderlich. Dadurch läßt sich erreichen, daß bei der Durchführung der Messung automatisch der korrekte Arbeitsabstand zwischen der Meßoptik und der Bildebene eingehalten wird, wenn die sekundären Bildpunkte B.· scharf auf der Empfängerfläche abgebildet sind.

Es wird für die Eintrittspupille des Teleskops, welche möglichst in die Ebene der Kardioide gelegt wird, ein möglichst geringer Durchmesser gefordert, damit einerseits achsennah erzeugte Objektpunkte O. von der abbildenden Optik nicht verdeckt werden, andererseits die öffnungswinkel des erfaßten Strahlbündels und damit die Fleckgröße des jeweiligen Hornhautabschnitts möglichst klein gehalten werden. Die Objektpunkte O. sollten einen möglichst großen Sehwinkelbereich (z.B. 3 <^<45 )abdecken.

Die Lagekoordinaten der Bildpunkte B. können direkt oder unter Verwendung einer Zwischenspeicher-Einrichtung einem Rechner zugeführt werden, der aus den Koordinaten die zu bestimmende Krümmung in den jeweilig beleuchteten Hornhautabschnitten berechnet .

809811/0349 " ¹⁰ "

Auf diese Weise wird dem Kontaktlinsenanpasser ermöglicht, durch entsprechende Mitteilungsprozeduren (nahezu real-time) optimale koaxiale Radien der zu vermessenden Hornhaut zu bestimmen oder auch bei Bedarf das gesamte Krümmungsprofil der vorderen Hornhautfläche zu ermitteln.

Die Objektpunkte O. in der Objektebene können im einfachsten Fall in Form eines Kreuzes angeordnet sein. In Figur 2 ist jedoch die speziell bei sequentieller Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung vorteilhafte Anordnung in Form einer mehrstrahligen archimedischen Spirale angegeben.

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Claims

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Pat entansprüche

( l.yVorrichtung zur Messung der Hornhautkrümmung bestehend aus Trägern zur Aufnahme von Objektpunkten und einem dazu zentrierten Teleskop, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zur Aufnahme von Objektpunkten (l) in Form einer zusammenhängenden Fläche ausgebildet ist und daß das Teleskop (2) zwischen dem Okular (3) und dem Objektiv (4) eine Einrichtung (5) zur Reflektion des in das Teleskop einfallenden Lichtes sowie einen zu dieser Einrichtung ausgerichteten Detektor (6) auf weist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zur Aufnahme von Objektpunkten (l) eine gekrümmte, vorzugsweise eine kardioidisch gekrümmte, zusammenhängende Fläche ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Reflektion des in das Teleskop (2) einfallenden

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Lichtes dienende Einrichtung (5) ein Klappspiegel oder ein teillichtdurchlässiger Speigel ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit dem Detektor (6) ein Mikrocomputer (6b) evtl. mit Zwischenspeichereinrichtung (6a) sowie eine Ausgabeeinheit (6c) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abstimmung der Größe der Fläche zur Aufnahme von Objektpunkten mit der Eintrittspupille des Teleskops ein Beobachtungswinkel von 3° bis 45° geschaffen wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (6) ein positionsempfindlicher Detektor ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Objektpunkte eine Laser-Lichtquelle und Ablenkeinheit vorgesehen ist.
8. Verfahren zur Messung der Hornhautkrümmung,dadurch gekennzeichnet , daß auf einem, in Form einer zusammenhängenden Fläche ausgebildeten Träger Objektpunkte erzeugt und deren Reflexe auf der Hornhautvorderfläche mittels einer Teleskopoptik und ortsempfindliche Detektoren bezüglich der optischen Achse gemessen werden.

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9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßapparatur durch Erzeugung von Lichtstrichen auf der Meßebene in Richtung der beiden Hauptachsen, deren Purkinje-Bilder in ihrer Gesamtheit durch das Okular beobachtet bei korrekter Einstellung insgesamt auf zwei sich kreuzenden Geraden liegen, justiert und anschließend die Lichtstriche zum Verlöschen gebracht und der eigentliche Meßvorgang ausgelöst wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Objektpunkte in Form einer mehrstrahligen archimedischen Spirale erzeugt werden.

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