DE3714896A1 - Okulartopologie-einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Messung der Topographie einer Hornhaut, und insbesondere mit einem Verfahren, bei dem topographische Informationen dadurch erhalten werden, daß die Bildposi­ tion eines Zielobjekts bewegt wird, das auf die Hornhaut ge­ richtet wird, und daß die scharf eingestellten Teile des Bildes detektiert werden, wenn diese sich in seiner Position bewegt.

Zur Vorbereitung einer Hornhautchirurgie, die üblicherweise zur Korrektur des Sehvermögens angewandt wird, ist es für den Chirurgen erforderlich, sehr genaue Informationen über die Form und Dicke der Hornhaut über ihre Fläche hinweg zu haben. Bisher war es üblich, die Kontur und die Dicke der Hornhaut optisch oder mittels Ultraschall zu messen, wobei die Hornhaut an einer Anzahl von bestimmten Punkten auf ihrer Oberfläche untersucht wurde. Die Problematik dieses Vorschla­ ges ist darin zu sehen, daß unerwünschte Schwankungen bei den gemessenen Parametern zwischen den Meßstellen auftreten kön­ nen, da die Hornhaut häufig ziemlich unregelmäßig in Form und Dicke ist. Folglich ist es möglich, daß die Hornzaut vom Chirurgen infolge von zu tiefen oder unzulänglichen Schnitt­ tiefen vorgenommenen Einschnitte beschädigt werden kann. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß die Hornhaut sich während der Untersuchung bewegen kann und es ist daher schwierig, die verschiedenen Stellen in Wechselbe­ ziehung zu setzen, an denen die Messungen in Folge vorgenommen wurden.

Es ist daher erwünscht, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Kontur und die Dicke der Hornhaut auf einer im wesent­ lichen kontinuierlichen Basis und auf solche Weise gemessen werden können, daß die Augenbewegung während des Meßvor­ gangs wenig oder gar keinen Einfluß hat.

Die Erfindung schafft zur Lösung dieser vorstehend genannten Probleme ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen auf die Hornhaut ein Zielbild projiziert wird, das auf einer Bildebene (oder im allgemeinen einer Bildfläche mit bekannter Krümmung) mit einem sehr geringen Schärfentiefenbereich fokus­ siert wird. Die Reflexion des Zielbildes von der Hornhaut wird mit Hilfe einer Autokolliminations-Videokamera beobachtet, deren Empfindlichkeit so eingestellt ist, daß nur jene Teile des Zielbildes aufgenommen werden, die scharf eingestellt sind.

Da die Bildebene bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Richtung auf die Hornhaut bewegt wird, erscheint ein Punktbild in der Mitte der Blende, wenn die Bildebene erstmals das Epithel der Hornhaut kontaktiert. Da die Bildebene weiter in Richtung auf das Auge bewegt wird, tritt ein allmählich sich nach außen bewegender Ring aus Punktbildern an der Blende auf. Falls die Bildebene das Endothel der Hornhaut erreicht, er­ scheint an der Blende ein neues Punktbild und es erscheint ein zweiter Satz von sich nach außen bildenden Punktbildern bei einer weiteren Bildung der Bildebene.

Durch Korrelation der Position der Bildebene mit dem Abstand der Punktbilder von der Mitte der Blende kann auf einer konti­ nuierlichen Basis eine mathematische Beziehung hergestellt werden, die exakt die Konturen sowohl vom Epithel als auch vom Endothel der Hornhaut sowie die Dicke der Hornhaut selbst beschreibt. Es ist noch zu erwähnen, daß bei dieser Verfahrens­ weise eine Bewegung der Hornhaut zu einer gleichzeitigen Ver­ schiebung aller Punktbilder in Richtung der Bewegung führt. Diese gleichzeitige Verschiebung kann auf einfache Weise mit Hilfe von an sich bekannten elektronischen Software/Hard­ ware-Techniken kompensiert werden.

Zusätzlich zu der Messung der Kontur und der Dicke der Korona kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um eine dreidimensionale Darstellung der vorderen Kammer des Auges dadurch zu bekommen, daß man kontinuierlich die Brennebene des Zielbildes bewegt, bis es die Iris erreicht.

Die Erfindung bezweckt daher ein optisches Verfahren anzugeben, das kontinuierlich die Topographie einer Hornhaut gleichzeitig über die gesamte Fläche hinweg mißt.

Ferner bezweckt die Erfindung das vorangehende Ergebnis dadurch zu erreichen, daß die Reflexionen eines Zielbildes verfolgt werden, wenn die Bildebene des Zielbildes sich über die Horn­ haut bewegt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevor­ zugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines üblichen Zielobjekts, das bei der bevorzugten Ausbil­ dungsform nach der Erfindung Verwendung finden kann,

Fig. 3a eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach der Erfindung in einer Position, in der die Trennebene zuerst das Epithel der Horn­ haut kontaktiert,

Fig. 3b eine schematische Ansicht eines Punktbildes, das auf dem Bildschirm zu sehen ist, wenn die Brennebene sich in der in Fig. 3a ge­ zeigten Position befindet,

Fig. 4a eine Ansicht zur Verdeutlichung der Verschie­ bung des Bildes, wenn sich die Brennebene auf das Innere des Auges bewegt,

Fig. 4b eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung der Verschiebung der Kreispunktbilder, wenn sich die Bildebene zwischen den Positionen nach Fig. 4a bewegt,

Fig. 5a eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung der Reflexion von dem Endothel, wenn die Mitte der Brennebene die innere Oberfläche der Horn­ haut erreicht hat,

Fig. 5b eine schematische Ansicht eines Punktbildes auf dem Bildschirm, wenn die Brennebene sich in der in Fig. 5a gezeigten Position befindet, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur rechnerischen Darstellung der Hornhaut und der vorderen Kam­ mer, wenn ein vollständiger Satz von Meßergeb­ nissen erfaßt wurde.

Fig. 1 zeigt ein optisches System 10, das ein Fokussierobjektiv 12, einen Strahlteiler 13 und eine Video-Kamera 14 enthält, die mit einem entsprechenden Objektiv 15 ausgerüstet ist. Ein Bild eines Zielobjekts 16, das mittels eines Illuminators 17 illuminiert ist, wird auf das Auge 19 durch die Kollima­ tionsoptik 21, den Strahlteiler 13 und das Fokussierobjektiv 12 projiziert. Das Fokussierobjektiv 12 erzeugt ein scharf ein­ gestelltes Bild des Zielobjektes 16 in der Bildebene 18. Die Elemente des optischen Systems 10 werden nach Maßgabe von an sich bekannten optischen Gesetzen derart gewählt, daß die Bildebene 18 einen sehr geringen Schärfentiefenbereich hat. Als Folge hiervon ist das Bild des Zielobjekts 16 in der Bildebene 18 scharf und es wird aber sehr unscharf selbst bei einem kleinen Abstand vor und hinter der Bildebene 18.

Reflexionen des Zielbildes von dem Auge 19 gehen durch das Fokussierobjektiv 12 und den Strahlenteiler 13 zu dem Objektiv 15 der Video-Kamera 14. Somit sieht die Kamera 14 die Reflexion des Zielobjekts 16 im Auge 19.

Bei der bevorzugten Ausbildungsform nach der Erfindung ist das Fokussierobjektiv 12 in einer horizontalen Richtung in Fig. 1 in Richtung auf das Auge 19 zu und von diesem weg mit Hilfe eines Schrittmotors 25 bewegbar. Die Position des Motors 15 wird digital mit Hilfe einer üblichen Einrichtung zu einem Positionssignal 47 kodiert, das zu dem Rechner 45 zu dem nach­ stehend beschriebenen Zweck übertragen wird. Alternativ kann das Fokussierobjektiv 12 fix sein und das Zielobjekt 16 kann bewegbar sein.

In jedem Fall ist bei der Position der Bildebene 18 in Fig. 1 die Reflexion des Zielobjekts 16 durch das Auge unscharf. Nach der Erfindung ist der Video-Ausgang der Kamera 14 elektronisch mit Hilfe einer üblichen Schnittschaltung 23 beschnitten, so daß nur jene Teile des reflektierten Zielbildes, die scharf eingestellt sind (und die daher die höchste Intensität haben) zu der Schnittstellenschaltung 23 übertragen werden. Folglich erhält man in der Position der Bildebene 18 in Fig. 1 keinen Video-Ausgang von der Schnittstellenschaltung 23.

Wenn durch die Betätigung des Motors 25 die Bildebene 18 in Richtung auf das Auge 19 in Fig. 1 bewegt wird, kann die Bildebene 18 eventuell das Auge 19 berühren und wenigstens ein Teil des Zielobjekts 16 wird scharf eingestellt reflek­ tiert. Diese Reflexion wird von der Kamera 14 aufgenommen, geht durch die Schnittstellenschaltung 23 und liegt als ein Bild über einen üblichen Bildumsetzer 27 in Form eines Bild­ ausganges am Rechner 45 zum Zwecke der Abbildung der Kontur an.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann das Zielobjekt 16 vorzugs­ weise aus Linien 24 bestehen, die sich strahlenförmig in alle Richtungen von einem Mittelpunkt 26 ausbreiten. Jedoch konnen auch andere Zielobjektformen verwendet werden, um ver­ schiedene Algorithmen zu verwirklichen, die zur Interpreta­ tion der sich bewegenden Punktbilder benutzt werden können, die nachstehend näher beschrieben werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3a und 3b ist zu erkennen, daß, wenn die Vorrichtung nach der Erfindung vor der gekrümmten Fläche einer Hornhaut sich befindet und in Richtung auf das Innere des Auges bewegt wird, die Bildebene 18 zuerst das Epithel 26 der Hornhaut 28 an einem Mittelpunkt 30 kontaktiert. Infolge der Krümmung des Epithels 26 sind alle Teile des Ziel­ bildes, abgesehen von dem von dem Punkt 30 reflektierten Teil nicht scharf eingestellt und sie werden daher mit der Schnitt­ stellenschaltung 23 ausgekoppelt. Als Folge hiervon kann mit Hilfe des Rechners 45 und mit Hilfe des Monitors 22 ein Bild gesehen werden, das in Fig. 3b dargestellt ist, wenn die Vorrichtung in der in Fig. 3a gezeigten Position ist. Der Punkt 32, der auf dem Monitor 22 in dieser Position zu sehen ist, ist eine Darstellung der Mitte 26 des Zielobjekts 16.

Da sich die Bildebene 18 in Richtung auf das Innere des Auges bewegt, tritt der Punkt 30 aus dem Scharfeinstellungs­ bereich aus und ein Ring aus Stellen einschließlich der Punkte 34 und 36 kommt zur Scharfeinstellung. Am Ausgang der Schnittstellenschaltung 23 wird dies zu einem Ring aus Punkten umgeformt, die Teile der Linien 24 des Zielobjekts darstellen. Die Position der Punkte in dem Ring einschließ­ lich der Punkte 34 und 36 ist eine Anzeige der Position des Epithels 26, wenn die Bildebene sich in der äußersten rechten Position in Fig. 4a befindet. Wenn die Hornhaut nicht sphä­ risch ist (wie im Falle von Astigmatismus), sind die Orts­ linien der Punkte oval anstelle von kreisförmig.

Wenn sich die Bildebene 18 zu der äußersten linken Position in Fig. 4a bewegt, kommen die Punkte 34 und 36 außerhalb des Schärfebereichs und die Punkte 38, 40 werden scharf einge­ stellt. Das Punktbild 43, das nun am Rechner 45 anliegt und auf dem Monitor 22 erzeugt wird, ist wiederum ein Kreis aus Punkten, aber weiter außerhalb von der Mitte des Schirms wie im Vergleich zu dem vorangehend genannten Fall.

Wenn die Bildebene 18 weiter nach links bewegt wird, wird sie eventuell auf das Endothel auftreffen, wie dies in Fig. 5a gezeigt ist. Diese zweite Reflexion tritt auf, wenn wie in Fig. 5b gezeigt ist, ein zweiter zentraler Punkt 44 in der Mitte des noch existierenden Punktringes von den Punkten 46, 48 vor­ handen ist. Eine weitergehende Bewegung der Bildebene 18 nach links wird dann einen weiteren Ring aus Punkten erzeugen, die sich strahlenförmig von dem Zentralpunkt 44 nach außen aus­ breiten, wenn der zentrale Punkt 44 verschwindet.

Die Position der Punkte bei der digitalisierten Punktbildab­ tastung mit Hilfe des Rechners 45 kann mit Hilfe des Rechners 45 auf übliche Weise analysiert werden und sie kann zu der Eingabeposition 47 mit der Position der Bildebene 18 in Wechsel­ beziehung gesetzt werden, durch die diese erzeugt werden, um einen Eingang für einen üblichen Graphikgenerator 49 (Fig. 1) zu haben. Wenn man die Koordinaten der Punkte in dem Punktbild 43 und in Bezug auf die Position der Bildebene 18 kennt, können der Rechner 45 und der Graphikgenerator 49 die Bild­ daten von aufeinanderfolgenden Bildebenenpositionen in einer dreidimensionalen oder einer Schnittdarstellung der Hornhaut 28 in einem Format angeben, das für die Verwendung durch den Schirm geeignet ist. Der Ausgang des Rechners 45 kann beispiels­ weise verwendet werden, um eine Darstellung, wie jene, die in Fig. 6 gezeigt ist, auf einem Drucker 51 für irgendeine be­ liebige Schnittebene herzustellen, die einer der Linien 24 des Zielobjekts 16 entspricht. Bei einer solchen Darstellung stellen die durchgezogenen Linien 50, 52 die Hornhaut und 54 die Iris dar und hierbei kann es sich um aktuelle Meßwerte handeln, während die gebrochenen Linien 56, 58 und 60 aus den gemessenen Linien 50, 52 und 54 extrapoliert sind.

Die Augenbewegung während der Abbildung der Hornhaut stört die Genauigkeit der Messungen bei der Vorrichtung nach der Erfindung nicht. Während die progressive Verschiebung der Bild­ ebene 18 bewirkt, daß die Koordinaten der Bildpunkte, ausgehend von einem Mittelpunkt radial nach außen größer werden, bewirkt die Augenbewegung, daß alle Punktkoordinaten sich in derselben Richtung bewegen. Dies wird von dem Rechner 45 schnell erkannt und es werden daher alle Punktverschiebungen ignoriert, die auf die Augenbewegung zurückzuführen sind.

Nach der Erfindung werden Topologie-Informationen der Hornhaut in der vorderen Kammer eines Auges optisch dadurch erfaßt, daß auf das Auge ein Zielbild projiziert wird, das in einer beweglichen flachen Ebene scharf eingestellt wird. Da sich die Ebene durch das Auge bewegt, ist die Reflexion des Ziel­ objekts zuerst in der Mitte scharf eingestellt und dann an zu­ nehmend radial weiter außen liegenden Stellen. Die Reflexion wird detektiert und entsprechend ausgeblendet, um alle Bild­ teile auszusondern, die nicht scharf eingestellt sind. Wenn die Bildebene sich durch das Auge bewegt, zeichnet die ausge­ koppelte Reflexion die Topologie des Auges nach. Diese Infor­ mationen können einem Rechner zugeleitet werden, der genutzt werden kann, um entsprechende topologische Anzeigen zu er­ mitteln. Solche Berechnungen lassen sich leicht so ausführen, daß sie gegenüber einer Augenbewegung während des Meßvor­ ganges unempfindlich sind.

Claims (12)

1. Okulartopologie-Einrichtung, gekennzeich­ net durch:

• a) die optische Einrichtung (10) zum Projizieren eines Zielbildes (16) auf ein Auge (19), das in einer Bild­ ebene (18) in einem geringen Schärfentiefenbereich scharf eingestellt wird, wobei die Bildfläche (18) in Richtung auf das Auge (19) zu und von diesem weg bewegbar ist,
• b) eine Positionssensoreinrichtung (25) zum Erzeugen eines Signales, das die Position der Bildfläche (18) dar­ stellt,
• c) eine Kameraeinrichtung (14) zum Detektieren der Reflexionen des Zielbildes (16) durch die reflektierenden Flächen des Auges (19), wenn die Bildfläche (18) durch das Auge (19) bewegt wird,
• d) eine Auskopplungseinrichtung (23) zum Streichen jener Bildteile der Zielbildreflexionen, die nicht scharf eingestellt sind, und
• e) eine Ermittlungseinrichtung (45), die mit der Positionssensoreinrichtung (25) und der Auskopplungseinrich­ tung (23) verbunden ist und die Koordinaten der nicht ge­ strichenen Bildteile bezüglich eines Bezugspunktes in Relation zu den sukzessiven Positionen der Bildfläche (18) zu spei­ chern und hiervon Informationen abzuleiten, die die Topologie des Auges (19) darstellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch:

• f) eine Bewegungswähleinrichtung, die mit der Ermitt­ lungseinrichtung (45) verbunden ist, zum Verschieben des Be­ zugspunktes, um die Augenbewegung zu kompensieren, wenn alle nicht gestrichenen Bildteile sich in dieselbe Richtung bewegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Zielbild (16) aus Linien (24) besteht, die sich strahlenförmig von einem Mittelpunkt (26) nach außen ausbreiten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt (26) der Bezugspunkt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner gekennzeichnet durch:

• g) eine Anzeigeeinrichtung (22), die mit der Ermittlungs­ einrichtung (25) verbunden ist, um eine Darstellung der Topo­ logie des Auges (19) anzuzeigen, die mit Hilfe der Ermittlungs­ einrichtung (45) aus den Koordinaten und den Bildflächen­ positionen ermittelt wurde.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung eine tomographische Darstellung ist.

7. Okulartopologie-Vorrichtung, gekennzeichnet durch:

• a) eine optische Einrichtung (10), die in Richtung auf ein Auge (19) ein Zielbild (16) projiziert, das in einer flachen Ebene (18) scharf eingestellt ist, wobei die Ebene in Richtung auf das Auge (19) zu und von diesem weg beweg­ bar ist,
• b) eine Positionsensoreinrichtung (25) zum Erzeugen eines Signales, das die Position der Ebene (18) darstellt,
• c) eine Kameraeinrichtung (14) zum Detektieren der Reflexionen des Zielbildes (16) durch die reflektierenden Flächen des Auges (19), wenn sich die Ebene (18) durch das Auge (19) bewegt,
• d) eine Auskopplungseinrichtung (23) zum Modifizieren jener Bildteile, die nicht scharf eingestellt sind, und
• e) eine Anzeigeeinrichtung (22) zum Anzeigen der Ziel­ bildreflexionen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Modifikation eine Streichung ist und daß die Anzeigeeinrichtung (22) nur die nicht gestrichenen Teile der Zielbildreflexionen anzeigt.

9. Verfahren zum optischen Bestimmen der Topologie eines Auges, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Projizieren eines Zielbildes auf das Auge, das auf einer Bildebene scharf eingestellt ist,
• b) relatives Bewegen der Bildfläche und des Auges, so daß die Bildfläche wenigstens durch einen Teil des Auges bewegt wird,
• c) Detektieren der Reflexion des Zielbildes durch das Auge, und
• d) Erzeugen einer Darstellung der Ortspunkte der scharf eingestellten Teile der Reflexion des Zielbildes bezüglich eines Bezugspunktes für eine Mehrzahl von rela­ tiven Positionen der Bildfläche und des Auges.

10. Verfahren nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• e) Überwachen der Bewegungsrichtungen der scharf ein­ gestellten Teile, wenn die Bildfläche und das Auge relativ zueinander bewegt werden, und
• f) Ignorieren jeglicher Bewegung der scharf einge­ stellten Teile zum Zwecke der Erzeugung der Darstellung, wenn sich alle scharf eingestellten Teile in dieselbe Richtung bewegen.

11. Verfahren nach Anspruch 9, ferner gekennzeichnet durch folgenden Schritt:

• g) Verwendung der Darstellung, um topologische Daten für das Auge herzustellen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die topologischen Daten eine tomographische Darstellung des Auges sind.