DE4030002A1 - Verfahren und einrichtung zur vermessung und darstellung von unebenheiten auf der hornhaut - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung und Darstellung von Unebenheiten auf der Hornhaut eines Auges. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Hornhaut ist die kugelig gewölbte, durchsichtige Membran auf dem Augapfel, die seitlich in eine Lederhaut über­ geht. Die Hornhaut spiegelt die Außenwelt in Form eines kleinen Bildes wieder, wobei dieses wiedergespiegelte Bild durch Unregelmäßigkeiten der Wölbung, vor allem aber durch Verdickungen der Haut entstehen. Solche Verdickungen sind eine übermäßige Verhornung, die als Reaktion auf Druck oder Reibung oder ähnliches entsteht. Auch Verletzungen können zu solchen Ver­ hornungen führen. Um diese behandeln zu können, ist es nötig, sowohl ihre Lage wie vor allem auch ihre Abmessungen zu kennen. Dies ist mit herkömmlichen Verfahren und Geräten nicht möglich, vor allem nicht mit der notwendigen Genauigkeit.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine geeignete Einrichtung zur Vermessung der Hornhautoberfläche zu schaffen, mit denen die genaue Lage und Ausbildung von Unebenheiten auf der Hornhaut festgestellt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Auge über eine beleuchtete Reflexscheibe ein definiertes Bild erzeugt wird, daß das vom Auge reflektierte Bild über eine Videokamera aufgenommen und gleichzeitig mit einem Millimeter­ maßstab als Meßskala digitalisiert wird und daß diese Bilddaten einem Rechner zugeführt, ausgewertet und grafisch dreidimensional wiedergegeben werden.

Mit einem derartigen Verfahren können alle neuen und vor­ handenen Unebenheiten auf der Hornhaut ermittelt und lokalisiert werden, wobei es vor allem möglich ist, die genauen Ausmaße festzustellen. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, neue und bereits vorhandene Unebenheiten zu ermitteln, um beispielsweise die Notwendigkeit einer Behandlung besser beurteilen zu können. Durch die Digitalisierung des reflektierten Bildes und die gleichzeitige Digitalisierung eines Millimeter­ maßstabes ist aufgrund der Meßskala eine genaue Ermittlung und Festlegung der einzelnen Bilddaten und damit der Unebenheiten gegeben. Durch die grafische dreidimensionale Wiedergabe ist eine noch bessere Beurteilungsmöglichkeit für den behandelnden Arzt gegeben.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung ist vorgesehen, daß die Darstellung auf den Bildschirm mit 16 Falschfarben oder mit 16 Graustufen vorgenommen wird. Dabei wird automatisch die Helligkeitsverteilung des Images berechnet und die Abbildung der möglichen 256 Helligkeitswerte auf die angezeigten 16 Abstufungen so gewählt, daß diese 16 Stufen möglichst gut aus­ genützt werden. Die Bilddaten werden so angezeigt, daß das "aspect ratio" der Bilddatei berücksichtigt wird. Die resultierende Darstellung auf dem Grafikbildschirm hat eine Auflösung von 512 Pixel mal 342 Zeilen mal 16 Grau- oder Farbstufen. Für die Auswertung wird Images halbautomatisch zentriert, so daß über einen Operationseingriff in den Zentrier­ vorgang eine Korrektur ohne weiteres möglich ist, so daß den Besonderheiten von Keratogrammen genüge getan werden kann. So kann auch bei schweren Defekten noch eine einwandfreie Zentrierung vorgenommen werden. Dadurch ist es weiter möglich, die Unebenheiten genau zu ermitteln und festzulegen, wodurch eine anschließende Behandlung beispielsweise mit Wegschleifen der Unebenheiten vorgenommen werden kann.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Einrichtung mit einer Kinnstütze, wobei im Abstand zur Kinnstütze eine auf das Auge zentrierbare, beleuchtete Reflexscheibe angeordnet ist, die in mehreren Ebenen ausgebildete, beleuchtete Lichtleitringe und mittig einen Lichtdurchgang aufweist und daß auf der dem Auge gegenüberliegenden Seite der Reflexscheibe eine Videokamera positioniert ist, die mit einem Bildverarbeitungsrechner verbunden ist. Bei einer derartigen Einrichtung wird über die entsprechend beleuchtete Reflexscheibe ein genau definiertes Bild auf das Auge geworfen, das dann reflektiert und durch den Lichtdurchgang für die Videokamera erreichbar ist, die damit genau zentriert das entsprechende Bild aufnehmen und dem Bild­ verarbeitungsrechner zuleiten kann. Hier werden die Bilddaten entsprechend aufbereitet und dargestellt, so daß der Benutzer sie für die weitere Beurteilung bzw. weitere Behandlung sofort zur Verfügung hat. Durch die über den Bildverarbeitungsrechner ausgewerteten Bilddaten hat er ein einwandfreies und für die Beurteilung optimal geeignetes Bild entweder auf dem zuge­ ordneten Bildschirm oder ausgedruckt auf einem Papierblatt vor­ liegen.

Ein klares und genau definiertes Bild ist erfindungsgemäß dadurch erreichbar, daß drei Lichtleitringe unterschiedlichen Innendurchmessers vor der eigentlichen Reflexscheibe angeordnet sind, die in ihre Oberfläche eingravierte Rillen aufweist. Dadurch ergibt sich ein zu reflektierendes Bild, das bei der Auswertung eine genaue Ortung und Festlegung der Unebenheiten auf der Hornhaut ermöglicht. Durch die eingravierten Rillen und die Lichtleitringe wird eine direkte Einstrahlung auf das Auge vermieden, so daß sich ein besonders klares Bild auf der Hornhaut wiederspiegelt.

Zur genauen Vermessung ist es von Vorteil, wenn die Innen­ kanten der Lichtleitringe und die Rillen zum Mittelpunkt hin einen immer geringer werdenden Abstand aufweisen. Es ergibt sich so ein leicht identifizierbares und auswertbares Bild, daß über den Bildverarbeitungsrechner ausgewertet werden kann. Eine vorteilhafte Beleuchtung ergibt sich, wenn die Licht­ leitringe und die Reflexscheibe rückseitig eine Blendenscheibe aufweisen und in einem gemeinsamen Gehäuserahmen angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, klare und deutliche Ringe zu erzeugen, die dann auch auf der Hornhaut wiedergespiegelt werden. Durch den gemeinsamen Gehäuserahmen ist eine genaue Vorgabe der einzelnen auf der Hornhaut wiederzuspiegelnden Ringe erreicht.

Die gewünschten klaren Ringe, die dann auf der Hornhaut wiedergespiegelt werden, werden insbesondere dann genau definiert vorgegeben, wenn die Lichtleitringe und die Reflex­ scheibe aus Plexiglas hergestellt sind. Insbesondere sind die genauen Abmessungen und die entsprechende Lage der einzelnen Ringe immer gleich, so daß eine einwandfreie Indentifikation der Unebenheiten auf der Hornhaut möglich ist. Zur weiteren Optimierung ist dabei vorgesehen, daß die Reflexscheibe und die Lichtleitringe indirekt durch auf der der Videokamera zugeordneten Seite angeordnete Lampen beleuchtet sind. Das Auge selbst bleibt durch die Leuchten unbeeinflußt, da die Lampen lediglich ihr Licht über das Plexiglas weitergeben, so daß sich die weiter oben schon mehrfach erwähnten eindeutig definierten klaren Ringe auf der Reflexscheibe und damit auch später auf der Hornhaut des Auges ergeben bzw. dort wieder­ gespiegelt werden. Hierzu sind die Lampen der Außenkanten der Lichtleitringe und der Reflexscheibe zugeordnet, wobei ein Durchleuchten der Lampen sowieso durch die schon bereits erwähnte Blendenscheiben verhindert ist. Die Lampen sind damit um den Außenrand herum angeordnet und leuchten quasi durch die Reflexscheibe bzw. die Lichtleitringe hindurch und beleuchten damit wiederum die Innenkanten bzw. die in die Reflexscheibe eingravierten Ringe.

Um den Zentriervorgang zu erleichtern und auch eine sofortige Überwachung zu ermöglichen, ist der Videokamera ein Kontrollmonitor zugeordnet, der dem Grafikbildschirm mit Eingabetastatur des Bildverarbeitungsrechners entspricht. Damit ist auch ein Austausch beider Bildschirme möglich, was den apparativen Aufwand für die erfindungsgemäße Einrichtung reduziert. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Bildver­ arbeitungsrechner mit dem zugeordneten Grafikbildschirm nicht im gleichen Raum wie die Videokamera angeordnet ist.

Die Ergebnisse der vom Bildverarbeitungsrechner ermittelten mathematischen Daten können auf dem Drucker in Listenform dar­ gestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn dem Bildverarbeitungsrechner ein grafikfähiger Drucker nachge­ ordnet ist, so daß die verschiedensten Diagramme vorteilhaft bleibend dargestellt werden können, so daß auch bei Nachüber­ prüfungen oder bei kontinuierlichen Vorsorgeuntersuchungen der jeweilige vorherige Stand mit berücksichtigt werden kann, so daß die Entwicklung entsprechender Unebenheiten und Be­ schädigungen der Hornhaut optimal beurteilt werden können.

Die Auswertung kann wahlweise für 12, 24, 36, 45, 90 oder 180 Radien gerechnet werden. Zur Verbesserung der Signal­ zu-Rauschverhältnisses in den Eingangsdaten können verschiedene Filterfunktionen angewendet werden. Hierzu sieht die Erfindung vorteilhafterweise vor, daß der Bildverarbeitungsrechner ein Grundgerüst für nachträglich programmierte Filter aufweist. Durch dieses integrierte System ist es möglich, je nach Gegeben­ heiten im nachhinein Filter einzuprogrammieren, so daß je nach den Gegebenheiten optimale Werte ermittelt werden können.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein auf der Hornhaut reflektiertes Bild ähnlich dem Image eines auszuwertenden Fotos aufgenommen werden kann, wobei ein Millimetermaßstab als Meßskala ebenfalls digitalisiert wird. Die so ermittelten Bilddaten werden in den auswertenden Bildverarbeitungsrechner übertragen, als Bilddatei auf dem Massen­ speicher abgelegt und gleichzeitig auf dem Grafikbildschirm bzw. Kontrollmonitor angezeigt. Damit können auf der Hornhaut vorhandene Unebenheiten klar erkannt, lokalisiert und ver­ messen werden, so daß eine anschließende Behandlung beispiels­ weise durch Abschleifen genau und ohne Gefahren ablaufen kann. Vorteilhaft ist dabei, daß nicht nur die genaue Lage, sondern auch die genauen Abmessungen derartiger Unebenheiten ermittelt und in einer solchen Genauigkeit und Größe dargestellt werden können, daß für den behandelnden Arzt eine genaue Beurteilungs­ grundlage vorhanden ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung in der bevorzugte Ausführungsbeispiele mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dar­ gestellt sind. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Bild­ verarbeitungseinrichtung,

Fig. 2 die Reflexscheibe von der Vorderseite her gesehen,

Fig. 3 die Reflexscheibe in Seitenansicht mit Videokamera,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Grafikbild­ schirms und

Fig. 5 eine grafische Wiedergabe der ermittelten Bilddaten,

Fig. 6 kreisförmiges Diagramm.

Der Einfachheit halber ist in Fig. 1 die Bildverarbeitungs­ einrichtung (1) schematisch wiedergegeben. Auf der linken Seite ist die Kinnstütze (2) erkennbar, auf die der Patient zur Grobjustierung sein Kinn auflegen soll. Mit (3) ist das ange­ deutete Auge gekennzeichnet, das durch diese Grobjustierung bereits in einem vorgegebenen Abstand und etwa mittig zur Reflexscheibe (4) angeordnet ist.

Die Reflexscheibe (4) ist zusätzlich mit drei Lichtleit­ ringen (5, 6) ausgerüstet, die im Abstand zur Reflexscheibe (4) angeordnet sind, so daß sich mehrere Ebenen (7, 8, 9) ergeben. Hinter der Reflexscheibe (4) und auch hinter den einzelnen Lichtleitringen (5, 6) sind Blendenscheiben (10) angeordnet, die ein Durchtreten von Licht von der Rückseite der Reflexscheibe (4) her verhindert.

Mittig der Reflexscheibe (4) und der Blendenscheibe (10) ist ein Lichtdurchgang (11) vorgesehen, über daß die auf der rückwärtigen Seite (12) der Reflexscheibe (4) angeordnete Videokamera (17) das auf dem Auge (3) wiedergespiegelte Bild der einzelnen Lichtringe erfassen und auswerten kann.

Die einzelnen Ringe werden durch die Innenkanten (23) der einzelnen Lichtleitringe (5, 6) sowie durch die in die Oberfläche (15) der Reflexscheibe (4) eingravierten Rillen (13, 14) erzeugt und vorgegeben.

Der Videokamera (17) ist ein Kontrollmonitor (16) zuge­ ordnet, über den das von der Videokamera (17) aufgenommene Bild sofort dargestellt und damit vom Ausführenden überprüft werden kann.

Die von der Videokamera (17) ausgehenden Bilddaten werden auf den Bildverarbeitungsrechner (18) übertragen, wo sie ausgewertet, abgelegt und dann auch über den Grafikbildschirm (19) oder den Drucker (20) dargestellt werden. Bei dem Drucker (20) handelt es sich zweckmäßigerweise um einen grafikfähigen Drucker, so daß auch eine einwandfreie bleibende Auswertung der entsprechenden Bilddaten möglich ist.

Mit (21) ist der Mittelpunkt der Reflexscheibe (4) und auch der Blendenscheibe (10) bezeichnet, dem gegenüber genau zentriert das Auge (3) angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, durch die Blendenscheibe (10) und die Reflexscheibe (4) hindurch mit Hilfe der Videokamera (17) auf das Auge (3) zu schauen und daß dort wiedergespiegelte Bild der einzelnen Ringe aufzunehmen und entsprechend auszuwerten.

Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht der Reflexscheibe (4), wobei deutlich wird, wie die einzelnen von den Lichtleitringen (5, 6) und den Rillen (13, 14) gebildeten Ringe dargestellt sind. Die Lichtleitringe (5, 6) und die Reflexscheibe (4) sind in einem gemeinsamen Gehäuserahmen (22) untergebracht, so daß ihre Lage genau vorgegeben ist und auch genau eingehalten werden kann. Nur so ist eine definierte Vermessung der Hornhautober­ fläche möglich.

Bei Fig. 3 ist die Bildverarbeitungseinrichtung (1) bzw. der entsprechende Teil davon teilweise mit geöffnetem Gehäuse wiedergegeben. Dies gilt insbesondere auch für die Videokamera (17). Deutlich wird, daß der Kopf (33) der Videokamera (17) durch die Abdeckung (27) so abgedeckt ist, daß Fremdlicht die Aufnahme nicht beeinflussen kann.

Die die Lichtleitringe (5, 6) und die Reflexscheibe (4) beleuchtenden Lampen (24, 25) sind auf der Außenkante (26) angebracht, so daß ihre Leuchtkraft über die aus Plexiglas bestehenden Teile, d. h. die Reflexscheibe (4) und die Licht­ leitringe (5, 6) weitergeleitet werden. Auf diese Art und Weise können die aus Fig. 2 ersichtlichen klaren Ringe erzeugt und über die Videokamera (17) aufgenommen werden.

Die Videokamera (17) ist auf eine Halterung (29) positioniert, während sich die gesamte Apparatur gemäß Fig. 3 auf einer durchaus transportablen Halterung abstützt, so daß diese Einrichtung ohne weiteres transportiert werden kann. Eine solch vorteilhafte nicht stationäre Einrichtung eignet sich damit u. a. auch für den Einsatz in kleineren Praxen niedergelassener Ärzte.

Fig. 4 ist beigefügt, um zu verdeutlichen, daß mit Hilfe des dem Bildverarbeitungsrechner (18) zugeordneten Grafik­ bildschirms (9) sehr genaue Wiedergabebilder (31) erzeugt werden können, die damit auch eine vorteilhafte Darstellung ermöglichen. Über die Eingabetastatur (28) können vom Bediener beispielsweise im nachhinein programmierte Filter in das System integriert werden, um auf diese Weise eine Verbesserung des Signal-zu-Rauschverhältnisses zu verbessern.

Fig. 5 schließlich gibt eine grafische Darstellung (32) wieder. Anhand dieses Bildes soll lediglich verdeutlicht werden, daß es ohne weiteres möglich ist, mit Hilfe einer derartigen Bildverarbeitungseinrichtung auch extreme Situationen auszuwerten und wiederzugeben, die dann für den behandelnden Arzt eine optimale Beurteilung des jeweiligen Zustandes der Hornhaut ermöglichen.

Fig. 6 schließlich zeigt ein kreisförmiges Diagramm. Hier ist jedem Meßwert ein Flächenelement zugeordnet. Diese Fläche wird mit einem Helligkeitswert gefüllt, die der diesem Element zugeordneten berechneten Brechkraft entspricht. Möglich ist es auch, die Fläche entsprechend den Helligkeitswerten mit einer Farbe zu füllen. Hierfür stehen 7 Farben bzw. Graustufen zur Verfügung. Der Bildverarbeitungsrechner wählt die Abstufungen automatisch so, daß jeder Brechkraftbereich gleich breit ist.

Aus den berechneten Stützstellen wird die Abweichung der Corneaoberfläche von der Kugelgestalt in Form eines dimetrisch projezierten Netzdiagramms dargestellt. Die Größe dieses Diagramms ist auf 10×10 mm Fläche festgelegt. Der Netzlinien­ abstand ist auf 0,5 mm festgelegt, Stützstellen werden mit 0,25 mm Abstand berechnet. An den Stellen, an denen keine gültigen Daten existieren, wird die Höhe der Fläche zu 0 gesetzt. Für die Auflösung in vertikaler Richtung existieren zwei Versionen. Zum einen ist eine Darstellung mit 5 µm/Einheit bis etwa 750 µm möglich, zum anderen mit 1 µm/Einheit bis etwa 150 µm. Diese Ausführungen ergänzen die Darstellung nach Fig. 5.

Claims (12)

1. Verfahren zur Vermessung und Darstellung von Unebenheiten auf der Hornhaut eines Auges, dadurch gekennzeichnet, daß im Auge über eine beleuchtete Reflexscheibe ein definiertes Bild erzeugt wird, daß das vom Auge reflektierte Bild über eine Videokamera aufgenommen und gleichzeitig mit einem Millimetermaß­ stab als Meßskala digitalisiert wird und daß diese Bilddaten einem Rechner zugeführt, ausgewertet und grafisch dreidimensional wiedergegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung auf dem Bildschirm mit 16 Falschfarben oder mit 16 Graustufen vorgenommen wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand zur Kinnstütze (2) eine auf das Auge (3) zentrierbare, beleuchtete Reflexscheibe (4) angeordnet ist, die in mehreren Ebenen (7, 8, 9) ausgebildete, beleuchtete Lichtleitringe (5, 6) und mittig einen Lichtdurchgang (11) auf­ weist und daß auf der dem Auge (3) gegenüberliegenden Seite (12) der Reflexscheibe eine Videokamera (17) positioniert ist, die mit einem Bildverarbeitungsrechner (18) verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Lichtleitringe (5, 6) unterschiedlichen Innendurch­ messers vor der eigentlichen Reflexscheibe (4) angeordnet sind, die in ihre Oberfläche (15) eingravierte Rillen (13, 14) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkanten (23) der Lichtleitringe (5, 6) und die Rillen (13, 14) zum Mittelpunkt (21) hin einen immer geringer werdenden Abstand aufweisen.

6. Einrichtung nach Anspruch 3 bis Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitringe (5, 6) und die Reflexscheibe (4) rückseitig eine Blendenscheibe (10) aufweisen und in einem gemeinsamen Gehäuserahmen (22) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 3 bis Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitringe (5, 6) und die Reflexscheibe (4) aus Plexiglas hergestellt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexscheibe (4) und die Lichtleitringe (5, 6) indirekt durch auf der der Videokamera (17) zugeordneten Seite (12) angeordnete Lampen (24, 25) beleuchtet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampen (24, 25) den Außenkanten (26) der Lichtleitringe (5, 6) und der Reflexscheibe (4) zugeordnet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Videokamera (17) ein Kontrollmonitor (16) zugeordnet ist, der dem Grafikbildschirm (19) mit Eingabetastatur (28) des Bildverarbeitungsrechners (18) entspricht.

11. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bildverarbeitungsrechner (18) ein grafikfähiger Drucker (20) nachgeordnet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildverarbeitungsrechner (18) ein Grundgerüst für nachträglich programmierte Filter aufweist.