DE3918629A1

DE3918629A1 - Verfahren zur beruehrungslosen ermittlung des augeninnendrucks

Info

Publication number: DE3918629A1
Application number: DE19893918629
Authority: DE
Inventors: Juergen Spahn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-06-07
Filing date: 1989-06-07
Publication date: 1990-12-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentan spruchs 1 zur berührungslosen Bestimmung viskoelastischer, optischer, thermi scher und geometrischer Parameter am lebenden Organismus. Insbesondere ist es geeignet, den Augeninnendruck (AID), z.B. am Menschen, zu ermitteln.

In der ophthalmologischen Praxis gehört die Messung des AID neben der Visus- Bestimmung zu der am häufigsten durchgeführten Untersuchung. Wegen der mit einer schädlichen Drucksteigerung (= Glaukom) verbundenen Folgerisiken, neben Gesichtsfeldausfällen und lokaler Netzhautablösung besteht die Gefahr der völligen Erblindung, sollte etwa ab dem 40. Lebensjahr der AID regelmäßig kontrolliert und im Fall eines beginnenden Glaukoms dauernd überwacht wer den. Das gilt gleichermaßen für die Diagnose der mit zunehmender Häufigkeit auftretenden Hypertonie im Kindesalter.

Die bisher eingesetzten Verfahren (Tonometer) basieren ausnahmslos auf einer mechanischen Deformation des Auges. Zum Stand der Technik dieser Tonometer und zu medizinischen Aspekten wird auf das Standardwerk von Leydhecker (1), sowie auf Arbeiten von Autoren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (2, 3) hingewiesen. Neben Betäubungsmitteln sind bei einigen Meßmethoden, z.B. dem als ophthalmologischer Standard geltenden Tonometer nach Goldmann, zusätzlich Kontrastmittel erforderlich. Beide stellen sie eine erhebliche Infek tionsquelle dar. Das seit 1982 zugelassene Luftpulstonometer (etwas irreführend auch als "non-contact"-Tonometer bezeichnet) erfordert zwar weder Betäubung noch Kontrastmittelfärbung, führt aber zu physikalischer Kontamination und Mikroschädigungen der Hornhaut durch aus der Umgebungsluft mitgerissene Staubpartikel. Die ärztliche Erfahrung zeigt darüber hinaus, daß die Begleitum stände der AID-Messung und die Schmerzerwartung regelmäßig eine starke psychische Belastung des Patienten darstellen und zu Abwehrreaktionen führen. Insbesondere bei Kindern sind erforderliche periodische Kontrollmessungen oft unmöglich. Für die Praxis wäre daher ein Verfahren, das vollständig berüh rungslos und damit kontaminations- und schmerzfrei arbeitet, von großer Be deutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige berührungslose Messung des AID zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 auf der Basis des photoakustischen/photothermischen Effekts gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in abhängigen Patentansprüchen sowie auch in der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf Zeichnungen näher erläutert.

Der photoakustische/photothermische Effekt (im folgenden abkürzend als PA- Effekt bezeichnet) wurde bisher überwiegend auf die Untersuchung nicht organischer Proben angewendet. Zu den Grundlagen des Effekts und zum Stand der Technik, dem auch die einzelnen Komponenten einer den Patentansprüchen genügenden Meßeinrichtung entsprechen, wird auf die Monographie von Rosen cwaig (4), sowie auf mehrere Arbeiten zur Pulstechnik bzw. zu unterschied lichen Detektionsmöglichkeiten (5, 6, 7) hingewiesen. Eine Anwendung auf die Untersuchung lebender Materie ist dagegen prinzipiellen Einschränkungen unterworfen (8). Diese sind einmal die hohe Wärmekapazität c_p der überwiegend aus Wasser bestehenden organischen Proben, zum anderen die Beschränkung der Einstrahlungsleistung I_o durch enge Schädigungsgrenzen. Wegen der Pro portionalität des Signals zu I_o und c_p ^-1 wird das Signal/Rausch-Verhältnis damit stark begrenzt. Darüber hinaus zeigt das PA-Signal keine explizite Ab hängigkeit vom hydrostatischen Druck in einer fluiden Probe, so daß die An wendung zur Bestimmung des AIP (oder anderer Augenparameter in vivo) zunächst nicht möglich erscheint. Entsprechend liegen bis heute nur PA-Mes sungen an isolierten Teilen des Auges in vitro vor. Für die von Wolbarsht (9) geäußerte Vermutung einer Anwendbarkeit des PA-Effekts auf die Untersuchung von Veränderungen in lebenden Augen fehlt auch nach acht Jahren noch jede experimentelle Bestätigung.

Umfangreiche Messungen haben überraschenderweise gezeigt, daß das PA-Signal implizit vom Druck im Inneren des Auges abhängig ist und dies auch unter experimentellen "worst case"-Bedingungen nachgewiesen werden kann (Fig. 1). Die geänderte elastische Spannung, unter der sich die Augenhülle bei variieren dem AID befindet, beeinflußt die Ausbreitung von Schallwellen (bzw. -pulsen).

Diese werden ihrerseits durch den geänderten Wärmeinhalt der Probe nach modulierter Bestrahlung und Absorption angeregt.

Im Verfahren nach Anspruch 1 wird das Auge mit modulierter Strahlung aus dem mittleren bis fernen Infrarot beleuchtet. In diesem Wellenlängenbereich liegen die Absorption der vorderen Augenmedien und damit auch die Signal amplitude um etwa fünf Zehnerpotenzen über den Werten des sichtbaren Spek tralbereichs (Fig. 2). Da gleichzeitig die Schädigungsgrenze für die Einstrahlung um drei Zehnerpotenzen steigt, werden im Gegensatz zur Situation in Fig. 1 Messungen unter in vivo Bedingungen möglich.

Zur berührungslosen Detektion der Änderungen eignen sich vor allem die Wärmeabstrahlung (infrarotempfindlicher Photodetektor), sowie thermisch in duzierte Brechungsindexschwankungen ("Laserbeam Deflection"). Beide Varianten sind schnell genug, um auch die Reaktion des Auges auf Einzelpulsanregung nachzeichnen zu können.

Die Weiterverarbeitung des vom Detektor gelieferten, zeitlich veränderlichen elektrischen Signals, erfolgt mit Hilfe von Meßgeräten zur Analyse auch kurz zeitiger Kurvenverläufe (Transientenrekorder, Boxcar-Averager). Die interes sierende AID-Abhängigkeit erhält man aus dem Verlauf des Modulationsfre quenzspektrums, das seinerseits durch Fourier-Transformation der Impulsantwort des Auges berechnet werden kann.

Die Einschränkung des Wellenlängenbereichs der Bestrahlung gemäß Anspruch 2 liegt in der Eigenschaft der PA begründet, Information über die untersuchte Probe in Abhängigkeit von der Eindringtiefe der Wärme- bzw. Schallwellen zu liefern. Die gleichzeitige Einstrahlung mehrerer Wellenlängen führt bei unter schiedlicher Absorption verschiedener Probenteile dazu, daß sich die zu jeder Wellenlänge gehörigen Signalanteile in nur schwer kontrollierbarer Weise über lagern. Die Rekonstruktion des gesuchten Parameters (AID) ist dadurch in un günstigen Fällen nicht mehr möglich.

Die Forderung nach Einschränkung der Einstrahlwellenlänge läßt sich in ein facher Weise durch die Verwendung eines Lasers erfüllen. Der derzeitige Stand der technischen Entwicklung stellt eine Vielzahl von Laserlichtquellen im Bereich des mittleren bis fernen Infrarot zur Verfügung. Diese können zumeist auch die besonderen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Betriebssicherheit und Lebensdauer erfüllen, die beim Einsatz in der medizinischen Praxis erforderlich sind.

Die in Anspruch 4 formulierten Detektionsverfahren ermöglichen eine berüh rungslose Messung des Augeninnendrucks. Wegen des höheren apparativen Aufwandes und der großen Anforderungen an die relative Positionierung von Meßobjekt (Auge) und einem die Brechungsindexänderungen abtastenden zweiten Laserstrahl, ist diese zweite Methode für den klinischen Einsatz weniger geeig net. Bei der ersten Methode wird ein in der Regel gekühlter Photodetektor eingesetzt. Zur Vermeidung von Problemen mit diffus oder gerichtet reflektier ter Strahlung der Beleuchtungsquelle, sollte der Empfindlichkeitsbereich des Detektors das Wellenlängenintervall der Einstrahlung nicht umfassen. Diese Forderung läßt sich bei eng begrenzter oder gar monochromatischer Einstrah lung in besonders einfacher Weise erfüllen.

Aus Gründen der Verkürzung von Meßzeiten, wie sie im Fall von Untersuchun gen am Menschen von besonderer Bedeutung sind, kommt die in der Photoakus tik übliche stationäre Lock-In-Technik nicht in Betracht. Die Analyse der Impulsantwort des Auges auf die vorangegangene modulierte Bestrahlung kann mit den in Anspruch 5 angeführten Meßgeräten erfolgen. Mit der Kombination Transientenrekorder und nachgeschalteter Rechner für Mittelung über mehrere Pulse ergeben sich dabei die größten Zeitvorteile. Das gesuchte Modulationsfre quenzspektrum läßt sich aus der Impulsantwort mit Fourier-Techniken rekon struieren. Die oben angesprochenen Messungen (Fig. 1) haben gezeigt, daß die Krümmung der Kurve des Modulationsfrequenzspektrums ein geeignetes Maß für den Augeninnendruck ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung sowie die weitere Ausgestaltung der Erfindung werden an Hand eines Ausführungsbeispiels (Fig. 3) näher erläutert. Der Einsatz eines CO₂- Waveguide-Lasers hat als zusätzliche Vorteile sehr geringe Kosten bei kleiner Bauform und hoher Leistung. Zur Verringerung akustischer Einstreuungen, die bei einem mechanischen Zerhacker als Strahlungsmodulator nur schwer vermeid lich sind, ist die Verwendung eines akustooptischen Modulators vorzuziehen.

Eine Möglichkeit für die Wahl der Bestrahlungsbedingungen ist der Einsatz eines kontinuierlichen Lasers mit 5 Watt Ausgangsleistung, der mit einer Wiederholrate von 25 Hz und einer Breite der Einzelpulse von 0.5 Millisekunden moduliert wird. Bei aufgeweiteter Bestrahlung der gesamten Hornhautvorder fläche (ca. 0.8 cm²) liegen dann sowohl die Pulsenergiedichte (ca. 3 mJ/cm²) als auch die zeitlich gemittelte Leistungsdichte (ca. 78 mW/cm²) deutlich unterhalb der für die Wellenlänge von 10.6 Mikrometer zulässigen Schädigungs grenzen.

Die vom Auge ausgehende Wärmestrahlung wird von einem Strahlungsdetektor mit geeigneter Fokussierungsoptik aufgefangen. Durch Verwendung eines Saphir-Fensters als Eintrittsöffnung des Detektors, läßt sich der Empfindlich keitsbereich auf knapp über 5 Mikrometer begrenzen.

Die elektronische Weiterverarbeitung und Rechnerauswertung entsprechen den oben genannten Anforderungen.

Erläuterungen zu Fig. 1

Die Daten wurden an enukleierten Augen von Rindern und Schweinen gewonnen. Die Bestrahlung erfolgte mit einem HeNe-Laser (632.8 nm) bei ca. 28 mW/cm² Leistungsdichte, also deutlich oberhalb der Schädigungs grenze. Trotz des aufgrund der geringen Absorption schlechten Signal- Rausch-Verhältnisses ist der Zusammenhang zwischen dem Innendruck P_io und dem zugehörigen photoakustischen Meßwert P_PA bereits näherungs weise linear (Regressionsgerade).

Erläuterungen zu Fig. 2

Ausschnitt aus dem Absorptionsspektrum destillierten Wassers, das die Verhältnisse in den vorderen Augenmedien befriedigend beschreibt.

Literatur

(1) Leydhecker W.:
Glaukom. Ein Handbuch.
2. Auflage, Springer, Berlin/1973/

(2) Dräger J., Jessen K.:
Erfahrungen mit neuen Tonometern und Überlegungen zur Stan dardisierung.
in: Glaukomsymposium Würzburg 1974 (Ed.: Leydhecker W.), p.183, Encke, Stuttgart/1976/

(3) Jessen K., Hoffmann F.:
Gegenwärtiger Stand der Standardisierung von Luftimpulstonometern und ihre Prüfung. Als Beispiel: Das Non-Contact-Tonometer II.
Klinische Monatsblätter für Augenheilkunde 183 241/1983/

(4) Rosencwaig A.:
Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy
Wiley, New York/1980/

(5) Patel C.K.N., Tam A.C.:
Pulsed optoacoustic spectroscopy of condensed matter.
Reviews of Modern Physics 53 517/1981/

(6) Tam A.C.:
Applications of photoacoustic sensing techniques.
Reviews of Modern Physics 58 517/1986/

(7) Tam A.C., Sullivan B.:
Remote sensing applications of pulsed photothermal radiometry
Applied Physics Letters 43 333/1983/

(8) Busse G.:
Habilitationsschrift

(9) Wolbarsht M.L.:
A proposal to localize intraocular melanoma by photoacoustical
spectroscopy.

Soviet Journal of Quantum Electronics 11 1623/1981/

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des Augeninnendrucks, bei dem

- das Auge mit modulierter infraroter Strahlung beleuchtet,
- die Reaktion des Auges mit Hilfe eines Detektors in ein zeitlich veränderliches Meßsignal umgesetzt und
- dieses Meßsignal elektronisch weiterverarbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß infrarote Strah lung eines eng begrenzten Wellenlängenbereichs verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Laser licht zur Beleuchtung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion des Auges in Form der thermischen Abstrahlung oder ther misch induzierter Brechungsindexänderungen gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal mit einem Transientenrekorder oder einem Boxcar-Averager weiterverarbeitet wird.