DE4434013C2 - Anordnung zur Messung der Drucktoleranz des menschlichen Sehnervenkopfes - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung handelt es sich um eine augenärztlich-diagnostische An­ ordnung, mit der die Sauerstoffsättigung an der Eintrittsstelle des Sehnerven ins Auge in Abhängigkeit vom Augeninnendruck gemessen werden kann.

Stand der Technik

Die Diagnostik des chronisch erhöhten Augeninnendrucks (chronisches Of­ fenwinkelglaukom) besteht heute im wesentlichen in der Messung des bereits eingetretenen Schadens. Hierzu werden verschiedene Geräte eingesetzt mit de­ nen entweder der bereits eingetretene Gesichtsfeldausfall oder die Form und Farbe des Sehnervenkopfes oder elektrophysiologisch der Funktionsausfall der betreffenden Nervenzellen bestimmt werden. Obwohl man aus Tierexperimen­ ten sowie aus histologischen Untersuchungen der Augen am Glaukom erkrankter Verstorbener annehmen kann, daß der Mechanismus der Erkrankung in einer druckabhängigen Versorgungsstörung der betreffenden Zellen im Bereich des Sehnervenkopfes besteht, gibt es bis heute kein brauchbares Verfahren, mit dem die Versorgung dieser Zellen, vor allem in Abhängigkeit vom gerade bestehen­ den Augeninnendruck, beim lebenden Menschen bestimmt werden kann. Wäre ein solches Verfahren verfügbar, so ließe sich vor allem ermitteln, ob der Druck des betreffenden Patienten für ihn noch erträglich oder bereits zu hoch ist. Die Messung des Augendrucks allein ist leider nur ein sehr grobes Maß für die Erwartung eines zukünftigen Glaukomschadens, da sich gezeigt hat, daß nicht wenige Patienten bereits bei relativ niedrigen Augendrucken einen Glaukom­ schaden entwickeln, andere dagegen bei sehr viel höheren Druckwerten über viele Jahre keinen nachweisbaren Schaden erfahren.

Versuche, druckabhängige, physiologische Meßgrößen für die Glaukomdia­ gnostik zu verwenden, haben bisher keinen entscheidenden Fortschritt er­ bracht. Bei der Ableitung visuell evozierter cortikaler Potentiale, wie etwa aus DE 40 30 001 A1 bekannt, besteht das Problem darin, daß die Signale hauptsäch­ lich durch die Sinneszellen des zentralen Teils der Netzhaut erzeugt werden. Diese werden aber beim Glaukom als letzte geschädigt. Auch der Abflußwider­ stand des Kammerwassers bzw. dessen Druckabhängigkeit, wie in DE 35 11 938 beschrieben, liefert keine bessere prognostische Aussage über eine zu erwar­ tende Schädigung von Nervenzellen als der Druck selbst. Eine Messung von Durchblutungsparametern der Netzhaut, beispielsweise der Sauerstoffsättigung des Hämoglobins, wie aus DELORI, Francois C: Noninvasive technique for oxi­ metry of blood in retinal vessels. Appl. Optics, 27,6, 1113-1125 (1988) oder aus US 5318022 bekannt, liefert ebenfalls keinen Hinweis auf einen zu erwartenden Glaukomschaden.

Dies gilt auch dann, wenn technische Unzulänglichkeiten des Verfahrens (Störung durch Augenbewegungen des Patienten) mittels Blitzbeleuchtung und /oder Differenzmessungen, wie etwa aus DE 38 39 272 A1 bekannt, kompensiert wer­ den.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung verfügbar zu machen, mit der ein Maß für die Blutversorgung am Sehnervenkopf sowohl in Abhängigkeit von der genauen Lokalisation (im Bereich des Sehnervenkopf­ es) als auch vom Augeninnendruck gewonnen werden kann, wobei der Patient durch die Untersuchung objektiv nicht gefährdet und subjektiv nur wenig be­ lastet wird.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend Patentanspruch 1 gelöst. Eine elektronische Kamera nimmt kurz nacheinander mindestens zwei mono­ chromatische Bilder des Augenhintergrundes in verschiedenen Wellenlängen im Bereich des Sehnervenkopfes auf. Bei einer dieser Wellenlängen (z. B. 569nm) ist die Extinktion des sauerstoffbeladenen Blutfarbstoffes Hämoglobin gleich der des nicht sauerstoffbeladenen ("isobestische Wellenlänge"), in einer ande­ ren Wellenlänge (z. B. 558nm auch als "Meßwellenlänge" bezeichnet) sind die Extinktionen stark verschieden. Die Helligkeit im Differenzbild dieser beiden Bilder ist also ein Maß für die Sauerstoffsättigung des Blutes im beobachteten Bereich. Aufgrund einer Reihe von Störeinflüssen kann sie allerdings nicht als absoluter Meßwert verwendet werden. Erhöht man nun schrittweise den Augen­ innendruck und wiederholt bei jeder Druckstufe die genannten Bildaufnahmen, so erhält man für jeden einzelnen Ort eine Meßkurve mit dem Augeninnendruck als Abszisse und einer zur Sauerstoffsättigung monoton (je nach Vorzeichen der Differenzbildung der Bilder) steigenden oder fallenden Meßgröße. Die Steigung dieser Kurve kann für jeden Bildpunkt graphisch wieder als Helligkeit darge­ stellt werden, so daß sich insgesamt ein "Gradientenbild" ergibt, das direkt anschaulich im Sinn einer ortsabhängig unterschiedlichen "Drucktoleranz" des Sehnervenkopfes interpretiert werden kann.

Bevorzugte Ausführung und Ausführungsalternativen

Der Augenhintergrund im Bereich des Sehnervenkopfes wird (vorzugsweise bei weitgestellter Pupille) mit Hilfe einer sogenannten Funduskamera ausge­ leuchtet und optisch auf die lichtempfindliche Fläche einer elektronischen Ka­ mera, beispielsweise eines CCD, abgebildet. Funduskamera und elektronische Kamera sind kommerziell verfügbar. Allerdings muß bei der elektronischen Ka­ mera dafür gesorgt werden, daß die nachgeschaltete Verstärkerkette gleichspan­ nungsgekoppelt ist, damit absolute Helligkeiten als Meßwerte bestimmt werden können.

Der sich aus der Gleichspannungskopplung fast unvermeidlich ergebende Offset muß entweder am Verstärkerausgang oder später von den aufgenom­ menen Bildern subtrahiert werden. Die Ausgangssignale der elektronischen Kamera bzw. des zugehörigen Verstärkers werden über einen Analog-Digital- Konverter in einen Computer eingegeben und dort weiter verarbeitet.

Die Ausleuchtung des Augenhintergrundes erfolgt bevorzugt mittels einer Blitzlampe, beispielsweise einer Xenon-Hochdruckröhre, damit sich auch bei Augenbewegungen immer scharfe Bilder ergeben. Das Licht dieser Blitzlampe wird durch jeweils eines von mindestens zwei schmalbandigen Filtern mit ent­ weder einer isobestischen oder einer Meßwellenlänge geführt, bevor es auf den Augenhintergrund trifft. Die genannten Filter werden beispielsweise als Inter­ ferenzfilter ausgeführt. Sie werden mit Hilfe eines elektromotorischen Antriebs, der beispielsweise als Linearantrieb ausgeführt sein kann, alternierend in den Beleuchtungsstrahlengang gefahren. In einer anderen Ausführung der Erfindung sind die Filter auf einem runden Träger (Filterrad) montiert, so daß sie durch eine Drehbewegung, die beispielsweise von einem Schrittmotor bewirkt wird, in ihre Position gefahren werden. In einer weiteren Ausführung wird ein Filterrad, das die Filter trägt, mit einem Elektromotor mit annähernd konstanter Winkel­ geschwindigkeit rotiert, wobei jeweils beim Durchgang eines Filters durch den Beleuchtungsstrahlengang ein Blitz von der Blitzlampe ausgelöst und so ein Bild aufgenommen wird. Die Positionsbestimmung des Filterrades und damit die Auslösung der Blitzlampe kann beispielsweise optisch, etwa mittels einer Lichtschranke, oder magnetisch, etwa mittels eines Hallsensors, erfolgen. Das Auslesen des Bildes in der elektronischen Kamera wird jeweils mit einer festen Zeitverzögerung nach dem Blitz gestartet.

In einer anderen Ausführung der Erfindung wird ein variables Interferenzfil­ ter (Fabry-Perot-Filter, beispielsweise mit Piezoantrieb) jeweils auf die genann­ ten Wellenlängen eingestellt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird bei mehreren isobestischen sowie bei mehreren Meßwellenlängen jeweils ein Bild aufgenommen. Faßt man jeweils die Bilder bei den isobestischen Wellenlängen sowie die bei den Meßwel­ lenlängen durch Aufaddieren zusammen, so werden dadurch Artefakte weitge­ hend eliminiert, die sich durch spektrale Unterschiede in der Ausleuchtung oder in der Transparenz der optischen Medien des Auges ergeben. Die genannten Ar­ tefakte können dadurch noch besser unterdrückt werden daß man die bei den verschiedenen Wellenlängen aufgenommenen Bilder vor dem Aufaddieren mit unterschiedlichen Gewichtsfaktoren multipliziert, die die Abweichung des spek­ tralen Verlaufs von einer Konstanten gerade kompensieren. Letztere (d. h. die globale spektrale Reflexion des Sehnervenkopfes gefaltet mit dem Ausleuch­ tungsspektrum der Blitzlampe und dem Transmissionsspektrum der optischen Komponenten sowie der spektralen Sensitivität der Kamera) muß dann einmal separat gemessen werden.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird anstelle einer Blitzröhre und nachgeschalteten Filtern entweder ein verstimmbarer Laser oder mehrere Einzellaserquellen bei den genannten Wellenlängen verwendet.

Die Meßgenauigkeit, insbesondere das Signal/Rauschverhältnis, kann da­ durch weiter gesteigert werden, daß für jede Wellenlänge bei einer Druckstufe mehrere Bilder aufgenommen und über diese gemittelt wird.

Der Augendruck wird beispielsweise mit Hilfe der aus P 4417300 bekannten Einrichtung schrittweise erhöht. Bei jeder eingestellten Druckstufe wird eine Bildsequenz in der beschriebenen Weise aufgenommen.

Alle aufgenommenen Bilder müssen bezüglich Augenbewegungen, die bei nicht anästhesiertem Auge unvermeidlich sind, korrigiert werden. Dies erfolgt nach der Aufnahme beispielsweise mit Hilfe bekannter Kreuzkorellationsver­ fahren. die entweder als separate elektronische Bauteile kommerziell verfügbar sind, oder die innerhalb der Software des genannten Computers implementiert sind.

Nach der Aufnahme der Bilder und der Korrektur von Augenbewegungen werden Differenzbilder aus den Bildern bei den isobestischen und den Meßwel­ lenlängen berechnet. Die Helligkeit dieser Differenzbilder ist ein Maß für die Sauerstoffsättigung des Blutes. Allerdings läßt sich daraus die Sauerstoffsätti­ gung in Prozent nicht direkt bestimmen, da die gemessenen Bildhelligkeiten durch zahlreiche Artefakte, vor allein durch Reflektionen des Lichtes an Kapil­ laroberflächen, an Membranen und an roten Blutkörperchen beeinflußt werden. Diese Störeffekte unterscheiden sich jedoch fast nicht für die isobestischen und die Meßwellenlängen. Eine Änderung der Sauerstoffsättigung wird daher die Helligkeit in den Differenzbildern immer in der erwarteten Richtung (je nach Vorzeichen) verschieben, so daß sich eine (im mathematischen Sinn) streng mo­ notone Abhängigkeit zwischen beiden Größen ergibt. Als Maß für die Druck­ abhängigkeit der Sauerstoffversorgung an einem Ort (Bildpunkt) kann daher beispielsweise die Steigung der Kurve verwendet werden, deren Abszisse der Augeninnendruck und deren Ordinate die Helligkeit im genannten Differenzbild ist. Ein anderes Maß für die Druckabhängigkeit ist statt der Steigung beispiels­ weise die Differenz zwischen Minimum und Maximum der genannten Kurve. Im letzteren Fall genügt dann auch die Messung bei nur zwei Druckniveaus.

Claims (10)

1. Anordnung zur Bestimmung der Drucktoleranz des Sehnervenkopfes im menschlichen Auge, mit

• - einem steuerbaren Druckerzeuger, der mechanischen Druck auf das Auge ausübt, so daß der Augendruck, ausgehend von seinem ur­ sprünglichen Wert, schrittweise in Stufen erhöht wird,
• - einem Beleuchtungsstrahlengang mit einer Beleuchtungseinrichtung, die den der Augenhintergrund im Bereich des Sehnervenkopfes al­ ternierend mit Licht von mindestens einer solchen Wellenlänge aus­ leuchtet, bei der die Extinktion des sauerstoffbeladenen Hämoglo­ bins gleich der des nicht sauerstoffbeladenen Hämoglobins ist (im folgenden "isobestische Wellenlänge" genannt) und mit Licht von mindestens einer solchen Wellenlänge, bei der sich die Extinktion von sauerstoffbeladenem und nicht sauerstoffbeladenem Hämoglo­ bin stark voneinander unterscheiden (im folgenden "Meßwellenlänge" genannt).
• - einem Auswertungsstrahlengang mit einer elektronischen Kamera, auf deren lichtempfindliche Fläche der Augenhintergrund abgebildet wird
• - einer Steuereinrichtung, die den Ablauf der Messung so steuert, daß bei jeder Druckstufe mindestens ein Bild bei mindestens einer iso­ bestischen sind bei mindestens einer Meßwellenlänge aufgenommen wird, und
• - einer Auswerteeinrichtung, die bei jeder Druckstufe für jeden Bild­ punkt Differenzen der Helligkeitswerte der isobestischen und der Meßwellenlängen bildet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Maß für die Drucktoleranz für jeden Bildpunkt die lokale mittlere oder ma­ ximale Steigung der Kurve verwendet wird, in der als Abszisse der Au­ gendruck und als Ordinate die Differenz zwischen der Helligkeit bei einer isobestischen und einer Meßwellenlänge berechnet worden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Maß für die Drucktoleranz für jeden Punkt die Differenz zwischen Ordinaten­ maximum und -Minimum der Kurve verwendet wird, in der als Abszisse der Augendruck und als Ordinate die Differenz zwischen der Helligkeit bei einer isobestischen und einer Meßwellenlänge berechnet worden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Be­ leuchtungseinrichtung eine Blitzlampe enthält so daß die aufgenommenen Bilder auch bei Augenbewegungen scharf sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Be­ leuchtungseinrichtung enthält:

• - eine Lichtquelle für weißes Licht,
• - schmalbandige Interferenzfilter für die isobestischen Wellenlängen und für die Meßwellenlängen aus dem weißen Licht,
• - mindestens einen Schieber oder mindestens ein Filterrad auf dem die Interferenzfilter angebracht sind und
• - einen elektromotorischen Antrieb für die Schieber oder Filterräder, um die Filter wahlweise in den Strahlengang einzubringen.

6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Be­ leuchtungseinrichtung eine Lichtquelle für weißes Licht enthält sowie ein einziges, schmalbandiges Filter zur Erzeugung von Licht in den isobesti­ schen und den Meßwellenlängen aus dem weißen Licht, wobei die Durch­ laßwellenlänge des Filters dektrisch verstellbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Be­ leuchtungseinrichtung aus einer oder mehreren Laserquellen zur Erzeu­ gung des Lichtes in den isobestischen und den Meßwellenlängen besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Aus­ werteeinrichtung eine elektronische Korrektureinrichtung vorgeschaltet ist, die die durch Augenbewegungen verursachten Bildverschiebungen mißt und korrigiert.

9. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Steuer­ einrichtung den Ablauf der Messung so steuert, daß zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses jeweils mehrere Bilder bei jeder isobestischen und jeder Meßwellenlänge und bei jeder Druckstufe aufgenommen und vor der weiteren Auswertung aufaddiert werden.

10. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Com­ puterdisplay vorhanden ist, auf dem das errechnete Maß für die Druckto­ leranz in Helligkeits- oder Falschfarbendarstellung als Funktion des Ortes dargestellt wird.