DE60206005T2

DE60206005T2 - Vorrichtung zum Ausrichten eines ophthalmologischen Instruments

Info

Publication number: DE60206005T2
Application number: DE60206005T
Authority: DE
Inventors: Christopher J. Williamsville Percival; Douglas H. Corfu Hoover
Original assignee: Reichert Inc
Current assignee: Reichert Inc
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: DE60206005D1; US6669340B2; EP1308125B1; EP1308125A3; US20030086059A1; CN1433735A; EP1308125A2; CN1250155C; JP2003180634A; JP4034166B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Ausrichtungssysteme, mit denen der Operator ein ophthalmisches Instrument relativ zu einem Auge eines Patienten ausrichten kann, und genauer ein Ausrichtungssystem, das zur Anwendung in einem handgeführten ophthalmischen Instrument gut geeignet ist, und mit dem der Operator als Ausrichtungshilfe das Auge des Patienten direkt betrachten kann.
Ausrichtungssysteme zum Anlegen eines ophthalmischen Instruments durch einen Operator relativ zu einem Auge eines Patienten unterscheiden sich in ihrer Komplexität. Bei Instrumenten, bei denen die Ausrichtung entscheidend für die Messgenauigkeit ist, beispielsweise bei berührungslosen Tonometern, sind in der Regel Mittel zum Projizieren eines sichtbaren Fixierungszielbildes entlang einer Instrumentenmessachse bereitgestellt, um den Blick des Patienten zu lenken, sowie ein opto-elektronisches Positionsdetektionsmittel, um die Position des Instruments relativ zum Auge zu erfassen. Wenn es sich bei dem ophthalmischen Instrument um ein berührungsloses Tonometer handelt, das mit einer Austragsröhre ausgestattet ist, um eine Fluidgabe zum Auge zu lenken, wird die X-Y-Ausrichtung in der Regel dadurch erreicht, dass eine Achse der Austragsröhre so ausgerichtet wird, dass sie den Hornhautscheitel schneidet, und die Z-Ausrichtung dadurch, dass ein Fluidabgabeende der Austragsröhre in einem bestimmten Abstand von dem Hornhautscheitel angeordnet wird.
In der US-Patentschrift Nr. 3,756,073 an Lavallee et al wird ein berührungsloses Tonometer beschrieben, das mit einem Zielprojektionssystem ausgestattet ist, das ein Bild eines Ziels entlang einer Ausrichtungsachse durch eine Objektivlinse auf die Bildebene der Objektivlinse projiziert. Dadurch, wenn die Bildebene der Objektivlinse mit der Mitte der Krümmung der Hornhaut des Patienten zusammenfällt, wird von der Objektivlinse und einer Teleskoplinse in der Ebene eines Kreisfadenkreuzes auf der Ausrichtungsachse ein echtes oder ein gespiegeltes Hornhautbild des Ziels wiedergegeben. Ein Operator, der entlang der Ausrichtungsachse durch das Augenteil zum Auge sieht, sieht das zurück reflektierte Zielbild über das Kreisfadenkreuz gelegt und richtet das Instrument seitlich und senkrecht (X-Y-Ausrichtung) aus, indem er das Zielbild im Hinblick auf die Fadenkreuzmarkierungen zentriert. Bei diesem System ist die betrachtete Hornhautoberfläche auf einen gewünschten kleinen Teil der gesamten Hornhautoberfläche begrenzt. Die Patentschrift Nr. 3,756,073 beschreibt auch ein passives "geht/geht nicht"-Ausrichtungsbestätigungssystem, das eine Infrarotdiode umfasst, die mit einem Ausrichtungsdetektor zusammenwirkt, der hinter einer Linsenöffnung angeordnet ist, wobei der Detektor bei der Ausrichtung ein Auslösesignal erzeugt.
Ein ausgefeilteres opto-elektronisches Ausrichtungssystem zum Anlegen eines ophthalmischen Instruments relativ zu einem Auge wird in der US-Patentschrift Nr. 4,881,807 an Luce et al beschrieben. Bei diesem und anderen nach dem Stand der Technik bekannten Systemen wird die Triangulation zum Messen der dreidimensionalen Anordnung des Auges relativ zu dem Instrument verwendet. Beispielsweise wird in der genannten US-Patentschrift Nr. 4,881,807 ein System beschrieben, bei dem zwei Lichtquellen, die an gegenüberliegenden Seiten des Auges angeordnet sind, das Auge mit divergierenden Strahlen beleuchten, und ein Paar CCD-Bereichsdetektoren, die jeweils ein zweidimensionales Array lichtempfindlicher Pixel umfassen, hinter dazugehörenden Linsenöffnungen angeordnet, um ein kleines Bündel reflektierter Strahlen aus einer der entsprechenden Lichtquellen aufzunehmen. Eine lokale X-Y-Anordnung, bei der das Licht das CCD-Array trifft, wird durch Kennzeichnung der Pixel bestimmt, die das Peakresponse-Signal registrieren. Die lokalen X-Y-Anordnungen, bei denen Licht auf jedes CCD-Array trifft, und Spezifikationen, die die bestimmte geometrische Anordnung der Systemkomponenten beschreibt, werden als Eingaben im Mikroprozessor bereitgestellt, der dann das Maß der Bewegung in allen X-, Y- und Z-Richtungen berechnet, die erforderlich sind, um eine Ausrichtung zu erreichen. Ein Videobilddetektor ist ebenfalls bereitgestellt, um ein Makro-Image des Auges zum CRT-Display zu liefern, und der Ausgang der Ausrichtungs-CCD-Elektronik ist mit der CRT-Display-Elektronik verbunden, um Ausrichtungsbeleuchtungspunktsymbole auf dem Video-Displaybild bereitzustellen.
Mit diesen bekannten Ausrichtungssystemen kann der Operator das Auge nicht direkt entlang einer Ausrichtungsachse oder optischen Hauptachse des Instruments zum Ausrichten sehen. Viele nach dem Stand der Technik bekannte Systeme basieren auf dem Erzeugen und Zeigen eines Videobildes des Auges und Überlegen von Ausrichtungsinformationen auf das angezeigte Videobild, um das Instrument zu bewegen, um die Ausrichtung zu erreichen.
Dieser Ansatz erfordert technische Einrichtungen, die das Instrument größer, schwerer und teurer machen.
Die US-Patentschrift Nr. 4,944,303 beschreibt ein Ausrichtungssystem mit einem Display, das mit opto-elektronischen Positionsdetektionsmitteln verbunden ist, um den Operator zu unterstützen, stellt dem Operator aber keine Möglichkeit bereit, das Auge direkt zu betrachten. Dagegen ermöglicht die US-Patentschrift Nr. 4,995,393 desselben Eigentümers wie US-Patentschrift Nr. 4,944,303 das direkte Betrachten des Auges, enthält aber kein Display entsprechend der Positionssignale von dem bereitgestellten Positionsdetektionsmittel; diese Signale werden für andere Zwecke verwendet. Somit sind diese beiden Systeme im Hinblick auf leichtes Ausrichten in einer der X-, Y und Z-Richtungen im Nachteil.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Ausrichtungssystem für ein ophthalmisches Instrument bereitzustellen, mit dem der Operator das Auge des Patienten entlang einer optischen Achse des Instruments direkt betrachten kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ausrichtungssystem für ein ophthalmisches Instrument bereitzustellen, mit dem der Operator das Auge des Patienten entlang einer optischen Achse des Instruments direkt betrachten kann, während dem Patienten entlang einer optischen Achse gleichzeitig ein Fixierungsziel gezeigt wird.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ausrichtungssystem für ein ophthalmisches Instrument bereitzustellen, dass ein hinweisendes Anzeigebild enthält, das über das direkt gesehene reale Bild des Auges im Sichtfeld des Operators gelegt wird.
Wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Ausrichtungssystem für ein ophthalmisches Instrument bereitzustellen, das relativ preisgünstig in der Herstellung ist.
Über diese und andere Aufgaben hinaus umfasst ein ophthalmisches Instrument, das mit einer zentralen optischen Achse ausgestattet ist, die mit dem Hornhautscheitel des Patienten ausgerichtet werden soll, ein Augenteil entlang der optischen Achse, mit dem ein Operator das Auge des Patienten zum allgemeinen Ausrichten direkt betrachten kann, und Mittel, mit dem dem Patienten entlang derselben optischen Achse ein dunkles Fixierungsziel gezeigt werden kann, das von einem hellen Hintergrund umgeben ist, wobei der helle Hintergrund zum Beleuchten des Auges zum Betrachten durch den Operator dient.
Ein Ausrichtungssystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst weiter ein afokales Positionsdetektionssystem zum Bestimmen des X-, Y-, Z-Ausrichtungsstatus des Instruments relativ zum Auge des Patienten. Das Positionsdetektionssystem umfasst erste und zweite Lichtquellen an gegenüberliegenden Seiten der zentralen optischen Achse des Instruments und entsprechende erste und zweite lichtempfindliche Bereichsdetektoren, die so angeordnet sind, dass sie Licht von einer dazugehörenden Lichtquelle aufnehmen, nachdem es von der Hornhaut reflektiert wurde. Die Detektoren stellen Signalinformationen bereit, die Hinweise über die lokale X-Y-Position eines Beleuchtungspunktes zeigen, der darauf ausgebildet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten und dem zweiten Detektor um Vierzellendetektoren, die mit vier Quadranten ausgestattet sind, und die Beleuchtungspunktgröße entspricht etwa der Größe eines Quadranten, wobei die X-Y-Position auf der Grundlage der vier Signalebenen bestimmt werden kann, die von den Quadranten erzeugt werden. Sammellinsen hinter jeder Lichtquelle und vor jedem Detektor minimieren die Vergenz in dem Lichtstrahl, wenn er das Auge beleuchtet und bei einem Detektor eintrifft.
Die lokalen X-Y-Daten von jedem Detektor werden dann als Eingabe für eine Reihe gespeicherter geometrischer Beziehungen bereitgestellt, die während der Kalibrierung des Instruments bestimmt werden, um den X-Y-Z-Gesamtausrichtungsstatus des Instruments relativ zu dem Auge anzugeben. Bei den geometrischen Beziehungen handelt es sich um mehrere Regressionsgleichungen für X, Y und Z, wobei die Regressionskoeffizienten für jede Gleichung durch Lesen der lokalen X-Y-Daten von den Detektoren für ein künstliches Auge bestimmt werden, das beim Kalibrieren an mehreren bekannten X-Y-Z-Positionen angeordnet ist. Die Regressionskoeffizienten werden während des Kalibrierens gespeichert und im normalen Instrumentenbetrieb verwendet, um X, Y und Z-Koordinaten auf der Grundlage der lokalen X-Y- Daten von den Detektoren schnell zu berechnen, wenn der Operator das Instrument relativ zum Auge des Patienten positioniert.
Ein "Heads-Up"-Display wird vorzugsweise so angeschlossen, dass es X-Y-Z-Positionsdaten empfängt und dem Operator Instruktionen gibt, um das Instrument zum Erreichen einer Ausrichtung zu bewegen. In einer bekannten Ausführungsform umfasst das "Heads-Up"-Display ein polares Array von Leuchtdioden, die wahlweise eingeschaltet werden, um eine gewünschte Z-Bewegungsrichtung anzuzeigen. Ein Bild des "Heads-up"-Displays wird dem Operator entlang der optischen Instrumentenachse durch Verwenden eines Strahlspalters gezeigt, mit dem ein Makroimage des Auges des Patienten auch entlang der optischen Achse übertragen werden kann, wobei das polare X-Y-Array umfänglich um das direkt betrachtete Makroimage des Auges angeordnet ist.
Art und Weise der Funktion der vorliegenden Erfindung wird genauer in der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung anhand der beiliegenden Figuren beschrieben.
1 ist ein optisches Schema eines ophthalmischen Instruments mit einem der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Ausrichtungssystem.
2 ist eine Schnittansicht eines optischen Blockabschnitts des in 1 gezeigten ophthalmischen Instruments.
3 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Anordnung der Elemente eines Positionsdetektionssystems zeigt, das Teil des Ausrichtungssystems in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
4 ist eine Detailansicht eines Vierzellendetektors des in 2 gezeigten Positionsdetektionssystems.
5 ist ein elektronisches Zeitdiagramm für das Beleuchten und Abtasten des in 1 gezeigten Vierzellendetektors.
6 ist ein elektronisches Blockdiagramm des in 1 gezeigten ophthalmischen Instruments.
7 ist ein Flussdiagramm mit den zum Kalibrieren des in 2 gezeigten Positionsdetektionssystems durchzuführenden Schritten.
8 ist eine vergrößerte Ansicht eines "Heads-Up"-Displays, das Teil des Ausrichtungssystems einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Bereitstellen der Ausrichtungsbefehle an den Operator zum Ausrichten des Instruments relativ zu einem zu untersuchenden Auge ist.
In 1 ist ein ophthalmisches Instrument, das ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ausrichtungssystem enthält, schematisch gezeigt und mit der Bezugszahl 10 versehen. Das Instrument 10 ist als berührungsloses Tonometer gezeigt, mit dem eine Fluidgabe durch eine Fluidaustragsröhre 12 abgegeben wird, um zum Messen des Augeninnendrucks eine erkennbare Verformung der Hornhaut eines Patienten auszulösen. Die vorligende Erfindung kann jedoch auch in anderen ophthalmischen Instrumenten eingesetzt werden, wobei der X-Y- oder X-Y-Z-Ausrichtungsstatus des Instruments relativ zu einem Auge festgestellt werden muss.
Das Instrument 10 enthält eine optische Achse 14, entlang der eine Austragsröhre 12 ausgerichtet ist, ein Nasenstück 16, das nahe eines vorderen Abschnitts des Instruments befestigt ist, um verschiedene optische und optoelektronische Elemente des Instruments in der im folgenden beschriebenen Weise anzuordnen, ein Fixierungszielprojektionssystem 18, das mit einem Strahlspalter 20 zusammenwirkt, um dem Patienten entlang der optischen Achse 14 ein sichtbares Fixierungsziel zu zeigen, ein Augenstück 22 und eine Makrolinse 23, mit der der Operator O das Auge E des Patienten durch das Instrument entlang der optischen Achse 14 betrachten kann, ein "Heads-up"-Display 24 und einen Spiegel 26, der mit einem Strahlsplitter 28 zusammenwirkt, um dem Operator entlang der optischen Achse 14 ein Bild des "Heads-up"-Displays zu zeigen. Bei der Makrolinse 23 handelt es sich vorzugsweise um eine Planar-Planar-Linse, so dass der Operator das Auge im unvergrößerten Zustand sieht, jedoch kann eine Makrolinse mit einer optischen Leistung verwendet werden, um ein anderes gewünschtes Sichtfeld gegenüber dem Auge bereitzustellen.
2 zeigt ein bevorzugtes Fixierungszielprojektionssystem 18 genauer. Eine Leuchtdiode 19 gibt Licht ab, das durch ein fein geschliffenes Streuelement 21 mit einem zentralen Zielpunkt 25 läuft, das in lichtdurchlässigem Rot gefärbt ist. Das Licht von dem Streuelement 21 läuft dann durch einen Kollimator 27, bevor das kollimierte Ziellicht von dem Strahlspalter 20 reflektiert wird, um der optischen Achse 14 zu folgen. Die Verwendung eines relativ dunklen Zielpunktes gegen ein helles Hindergrundfeld ist bevorzugt, denn das helle Hintergrundlicht dient dazu, das Auge E des Patienten zu beleuchten, damit der Operator das Auge entlang der optischen Achse 14 direkt betrachten kann. Zusätzliche Lichtquellen (nicht gezeigt), die in oder nahe des Nasenstücks 16 angeordnet sind, können eingesetzt werden, um das Beleuchten des Auges E zu unterstützen.
Im Folgenden werden die Elemente beschrieben, die in oder an dem Nasenstück 16 angeordnet sind. Wie vorhergehend beschrieben, ist das Instrument 10 als berührungsloses Tonometer gezeigt und enthält deshalb einen Applanationsstrahler 30 zum schrägen Beleuchten des Auges während der Abgabe eines Fluidimpulses und einen Applanationsdetektor 32, der an einer entgegengesetzten Seite des Auges angeordnet ist, um Licht aufzunehmen, das von der Hornhaut reflektiert wird, und ein Spitzensignal in dem Augenblick wahrzunehmen, in dem die Hornhautoberfläche durch den Fluidimpuls abgeflacht (abgeplattet) ist. Im Umgang mit berührungslosen Tonometern vertrauten Personen ist klar, dass der Applanationsstrahler 30 und der Applanationsdetektor 32 Teile einer nach dem Stand der Technik bekannten Anordnung sind, um auf der Grundlage des von der Hornhautoberfläche reflektierten Lichts den Augenblick festzustellen, in dem die Abflachung eintritt.
In dem Nasenstück 16 befinden sich auch Elemente eines ein Positionsdetektionssystem bildenden Teils eines Ausrichtungssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Genauer gesagt, zeigt die schematische Darstellung in 1 eine Lichtquelle 40A auf einer Seite der optischen Achse 14 und einen Detektor 42A auf einer gegenüberliegenden Seite der optischen Achse 14, die zur Positionsdetektion verwendet wird. In der Praxis trägt das Nasenstück 16 eine zweite Lichtquelle 40B und einen zweiten Detektor 42B, der in 3 gezeigt ist. In der hier beschriebenen Ausführungsform befinden sich die Lichtquellen 40A und 40B genau unter der horizontalen Ebene, die die optische Achse 14 enthält, während Detektoren 42A und 42B genau über der horizontalen Ebene angeordnet sind, die die optische Achse 14 enthält, wodurch in der horizontalen Ebene Raum für den Applanationsstrahler 30 und den Applanationsdetektor 32 bleibt. Die erste Lichtquelle 40A lenkt einen ersten Lichtstrahl an einer ersten Beleuchtungsachse 41A entlang, um das Auge E zu beleuchten, und ein erster Detektor 42A bestimmt eine erste Lichtdetektionsfläche zum Aufnehmen eines Bildes von der ersten Lichtquelle 40A, die durch ein von dem Auge reflektiertes Licht ausgebildet wird. Das an der ersten Beleuchtungsachse 41A entlang laufende Licht läuft durch eine Sammellinse 44A und trifft schräg auf die allgemein sphärische Oberfläche der Hornhaut, wo es zum ersten Detektor 42A reflektiert wird. Eine Sammellinse 46A vor dem ersten Detektor 42A kollimiert im wesentlichen den divergenten Strahl, der von der allgemein sphärischen Oberfläche der Hornhaut kommt, wodurch ein Beleuchtungspunkt auf der lichterfassenden Fläche aufgenommen wird, die durch den ersten Detektor 42A bestimmt wird. Im wesentlichen erfasst der erste Detektor 42A eine scheinbare oder reale Quelle hinter der Hornhaut. Die zweite Lichtquelle 40B, die zweite Beleuchtungsachse 41B, die Sammellinsen 44B und 46B und der zweite Detektor 42B bilden ein ähnliches System und sind vorzugsweise in entgegengesetzter Symmetrie um die vertikale Ebene angeordnet, die die optische Achse 14 enthält. Bei einem bevorzugten Aufbau sind die Positionslichtquellen 40A und 40B und der Applanationsstrahler 30 Infrarotlicht abgebende Dioden, die für den Patienten unsichtbar sind, und auf einer einzelnen flexiblen Platine angeordnet oder ausgebildet, damit sich das Instrument leichter montieren lässt. Auf ähnliche Weise sind der erste und der zweite Detektor 42A, 42B als eine flexible Platine ausgeführt, um leichter montierbar zu sein.
In der Zeichnung in 3 sind das Instrument, das vom Ausgabeende der Fluidaustragsröhre 12 gezeigt ist, und das Auge, das mit dem Hornhautscheitel V gezeigt ist, in einer dreidimensionalen (X-Y-Z)-Ausrichtung gezeigt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Ausrichtung erreicht, in der die optische Achse 14 den Hornhautscheitel V schneidet und senkrecht dazu steht, und das Abgabeende der Fluidaustragsröhre 12 in einem bestimmten Austragsabstand D in Z-Achsenrichtung von dem Hornhautscheitel V entfernt ist. Die Ausrichtung des ersten Detektors 42A und die des zweiten Detektors 42B sind so gewählt, dass der zentrale Strahl des entsprechenden von der Hornhaut reflektieren Beleuchtungsstrahls senkrecht zu dem Lichtdetektionsfeld des dazugehörenden Detektors steht und im wesentlichen in einem zentralen Punkt des Lichtdetektionsbereichs eintrifft, wenn die X-Y-Z-Ausrichtung gegeben ist.
4 zeigt eine Lichtdetektionsfläche 48 des ersten Detektors 42A, wobei die beiliegende Beschreibung ebenso für den zweiten Detektor 42B gilt. Ein Bild der Lichtquelle 40A erscheint als ein Punkt 50 auf der Lichtdetektionsfläche 48. In der vorliegenden Ausführungsform ist der erste Detektor 42A ein Vierzellendetektor, der vier Quadranten Q1, Q2, Q3 und Q4 umfasst, die jeweils ein Signal proportional zu der optischen Beleuchtungskraft bereitstellen, die dadurch erhalten wird. Die Größe jedes Quadranten beträgt vorzugsweise 1,3 mm × 1,3 mm bei einem Trennungsabstand von etwa 0,1 mm zwischen den Kanten nebeneinanderliegender Quadranten. Die Größe des Beleuchtungspunkts 50 entspricht der Größe eines Quadranten für eine aussagefähige X-Y-Auflösung. Die Größe des Beleuchtungspunkts 50 verändert sich bei der Z-Achsenverstellung, während das Instrument 10 zum Auge hin oder von ihm weg bewegt wird. Weiter erhöht sich die Geschwindigkeit, mit der sich die Punktgröße verändert, wenn das Instrument dem Auge angenähert wird. Dadurch muss das System für einen Bereich von Z-Achsenpositionen mittig um den festgelegten Abgabeabstand D (d.h. +/– 2,00 mm) optimiert werden, so dass die Veränderung der Punktgröße bei den Z-Achsenpositionen über den Bereich minimiert wird. Die Optimierung kann durch Einstellen einer geeigneten Frontfokuslänge für die Sammellinsen 46A, 46B erfolgen, wodurch die lichtberührenden Detektoren 42A, 42B von leicht konvergent zu leicht divergent übergehen, während das Instrument durch den Bereich der Z-Achsenpositionen zum Auge bewegt wird, wobei die lichtberührenden Detektoren 42A, 42B nahezu abgeschirmt sind, wenn sich das Instrument in dem festgelegten Abschussabstand D befindet. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass der Abgabeabstand D genau unterhalb der Frontfokallänge der Sammellinsen 46A, 46B liegen sollte.
Die Signale von den Quadranten Q1 bis Q4 des ersten Detektors 42A zeigen die lokale zweidimensionale Anordnung (x₁, y₁) des Centroids des Punktbilds 50 in dem Lichtdetektionsbereich 48, und die Signale von den Quadranten Q1 bis Q4 des zweiten Detektors 42B zeigen die lokale zweidimensionale Anordnung (x₂, y₂) eines ähnlichen Punktes an, der auf dem Lichtdetektionsbereich des zweiten Detektors ausgebildet ist. Die lokale x- Position ergibt sich durch Vergleichen der Signalstärken von jedem Quadranten wie folgt: x = (Q3 + Q4 – Q1 – Q2)(Q1 + Q2 + Q3 + Q4).
Auf ähnliche Weise ergibt sich die lokale y-Position durch Vergleichen der Signalstärken jedes Quadranten wie folgt: y = (Q1 + Q4 – Q2 – Q3)/(Q1 + Q2 + Q3 + Q4)
Zur Vermeidung einer Interferenz, zum Bereitstellen einer ausreichenden Beleuchtungsstärke und zum Verringern der Stromaufnahme werden die erste Lichtquelle 40A und die zweite Lichtquelle 40B nacheinander eingeschaltet, und der erste Detektor 42A und der zweite Detektor 42B nacheinander abgetastet. 5 zeigt ein Zeitdiagramm, in dem eine Lichtquelle für die Dauer von etwa 100 μs angeregt und dann abgefragt wird und dann die andere Lichtquelle für dieselbe Dauer angeregt und abfragt wird. Der Zyklus wiederholt sich etwa alle 2 ms.
In 6 werden die analogen Signale von den Quadranten Q1 bis Q4 der Detektoren 42A, 42B zu den Verstärkern 52 geführt und dann in einen Summen/Differenz-Schaltkreis 54 gegeben. Der Summen/Differenzschaltkreis 54 stellt für jeden Positionsdetektor 42A, 42B drei Ausgaben bereit. Zwei der Ausgaben sind jeweils x- und y-Numeratoren der vorhergehenden Gleichungen, die dritte Ausgabe ist der Denominator, der beiden Gleichungen gemein ist. Die Ausgabesignale werden durch einen Multiplexor 56 verteilt und dann als Analogeingabe an einen Mikroprozessor 60 gegeben, der eine Eigen-Analog-Digital-Wandlung der Signale bereitstellt. Der Mikroprozessor 60 ist so programmiert, dass er die endgültigen Punktanordnungen (x₁, y₁) und (x₂, y₂) berechnet.
Während in der vorliegenden Ausführungsform Vierzellendetektoren verwendet werden, können erfindungsgemäß auch andere Detektoren und Anordnungen eingesetzt werden. Beispielsweise sind verschiedene "position sensitive devices" (PSD-Elemente) im Handel erhältlich, die lokale x-y-Signalinformationen bereitstellen. Es können auch vier einzelne lichtempfindliche Detektoren in einer Quadranten-Anordnung angeordnet werden, um den vorhergehend beschriebenen Vierzellendetektor nachzuahmen.
Der gesamte x-y-z-Ausrichtungsstatus des ophthalmischen Instruments 10 relativ zum Auge wird dann durch Eingabe der Koordinaten x₁, y₁ von dem ersten Detektor 42A und der Koordinaten x₂, y₂ von dem zweiten Detektor 42B an mehrere festgelegte geometrische Beziehungen berechnet, die beim Kalibrieren des Instruments 10 in dem Speicher 62 gespeichert wurden. Genauer gesagt, lassen sich die geometrischen Beziehungen, die die gemeinsamen Positionskoordinaten X, Y und Z ergeben, durch mehrere Regressionen wie folgt bestimmen: X = R1x1 + R2y1 + R3x2 + R4y2 + R5. Y = R5x1 + R7y1 + R8x2 + R9y2 + R10 und Z = R11x1 + R12y1 + R13x2 + R14y2 + R15,wobei die Regressionskoeffizienten R₁ bis R₁₅ bei den Instrumentenkalibrierungsmessungen mit dem künstlichen Auge ermittelt werden.
7 ist ein Flussdiagramm, das die zum Kalibrieren des der Erfindung zugrundeliegenden Positionsdetektionssystems erforderlichen Schritte zeigt. Schritt 70 besteht zunächst darin, ein künstliches "Test"-Auge an einer zufälligen, bekannten Position X, Y, Z relativ zum Instrument 10 anzuordnen. Dann zeigen die Schritte 72 und 74, dass die lokalen Punktpositionen (x₁, y₁) und (x₂, y₂) von dem Positionsdetektionssystem gelesen und in einer Tabelle mit den entsprechenden bekannten globalen Koordinaten X, Y, Z gespeichert werden. Wenn eine ausreichende Anzahl Datenpunkte gemäß der Abfrage 76 gemessen wurden, wird in Schritt 78 eine Mehrfachregression ausgeführt, um die Regressionskoeffizienten R₁ bis R₁₅ zu ermitteln, die dann, Schritt 80 folgend, gespeichert werden. Wenn in der Abfrage 76 mehr Daten erforderlich sind, geht der Prozess zu Schritt 70 zurück und wird wiederholt. Vorzugsweise wird das Positionsdetektionssystem mit einer Vielzahl zufälliger Anordnungen des künstlichen Auges durchgeführt, da dadurch eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung der Regressionskoeffizienten und schließlich eine höhere Genauigkeit in der berechneten X-, Y-, Z-Anordnung eines Auges des Patienten erhalten wird.
Primär weil das Positionsdetektionssystem der vorliegenden Erfindung auf das Scannen eines mit einer größeren Anzahl Pixeln versehenen CCD-Arrays verzichtet, stellt es X-Y-Z-Ausrichtungsstatusinformationen mit einer deutlich höheren Wiederholungsgeschwindigkeit bereit als Systeme nach dem Stand der Technik. Wie vorhergehend beschrieben, ist ein schnelleres System besonders sinnvoll zum Ausrichten handgeführter Instrumente, die zum Durchführen einer Messung betätigt werden, sobald die X-Y-Z-Ausrichtung bestätigt ist. Dadurch verringert das System die Verzögerungszeit zwischen dem Betätigen der Ausrichtung und der Messung, in der es zu einer weiteren relativen Bewegung zwischen dem Instrument und dem Auge kommen kann. Weiter kann das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Positionsdetektionssystem in zeitlichen Abständen von Beschäftigten des Herstellers kalibriert werden, um eine Ausrichtungsgenauigkeit zu gewährleisten.
8 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines "Heads-Up"-Displays 24 des Instruments 10 aus der Sicht des Operators, der durch das Augenstück 22 entlang der optischen Achse 14 sieht. Das Display 24 hilft dem Operator beim Ausrichten des Instruments, indem es den berechneten Y-Y-Z-Ausrichtungsstatus in einem Format zeigt, das dem Operator Anweisungen zur Bewegung des Instruments gibt, die erforderlich ist, um eine Ausrichtung zu erreichen. Das "Heads-up"-Display 24 umfasst ein polares Array 82 aus lichtabgebenden Dioden 84, die von einer Überlagerung 86 verdeckt sind, die mit lichtübertragenden Richtungshinweisen 88 ausgestattet ist, um dem Operator Instruktionen zur X-Y-Ausrichtung zu geben. Die Dioden 84 in dem polaren Array 82 sind über ein PC-Kabel 61 und einem Seriell-Parallel-Wandler (nicht gezeigt) jeweils mit dem Mikroprozessor 60 verbunden, so dass die Dioden einzeln entsprechend dem X-Y-Ausrichtungsstatus des Instruments relativ zum Auge eingeschaltet werden. Insbesondere eine Diode 84 wird entsprechend einem geeigneten Richtungshinweis beleuchtet, der dem Operator die Bewegungsrichtung anzeigt, in der das Instrument zur optischen Ausrichtungsachse 14 mit dem Hornhautscheitel V zu bewegen ist. Nach Erreichen der X-Y-Ausrichtung können alle Dioden 84 in dem polaren Array 82 durchgehend oder pulsierend eingeschaltet werden, um dem Operator einen X-Y-Ausrichtungszustand anzuzeigen. Das "Heads-up"-Display 24 umfasst weiter ein lineares Array 90 aus lichtabgebenden Dioden 92, die für die Z-Achsenausrichtung entsprechend den licht-übertragenden Rechtecken 94 in der Überlagerung 856 angeordnet sind. Die Dioden 92 in dem linearen Array 90 sind über ein PC-Kabel 61 und einen Seriell-Parallel-Wandler (nicht gezeigt) mit dem Mikroprozessor 60 verbunden, wodurch die Dioden einzeln entsprechend dem Z-Ausrichtungsstatus des Instruments relativ zum Auge erleuchtet sind. Genauer gesagt und als nicht begrenzendes Beispiel haben die oberen und unteren Dioden in dem linearen Array 90 dieselbe Farbe (d.h. rot), hat die mittlere Diode eine andere Farbe (d.h. grün) und die Dioden zwischen der oberen Diode und der mittleren Diode wiederum eine andere Farbe (d.h. gelb). Wenn das Instrument zu dicht am Auge ist, blinken beide roten Dioden, um den Operator zu warnen. Die unteren roten und gelben Dioden zeigen an, dass das Instrument vom Auge weg bewegt werden muss, während die oberen roten und gelben Dioden anzeigen, dass das Instrument zum Auge hinbewegt werden muss. Die grüne Diode zeigt an, dass die Z-Achsenausrichtung erreicht ist. Üblicherweise sind die Dioden 84 und 92 vorzugsweise auf einer einzigen Platine bereitgestellt, und es wird vorzugsweise ein Film zum Bilden der Überlagerung 86 verwendet, der von der Diodenplatine mit Hilfe eines Abstandhalters (nicht gezeigt) getrennt werden kann.
1 zeigt, dass das gezeigte "Heads-up"-Display 24 in dem Instrument von der optischen Achse 14 entfernt angeordnet ist. Ein Bild des "Heads-up"-Displays 24 wird dem Operator entlang der optischen Achse 14 mittels eines Spiegels 26 und eines Strahlspalters 28 gezeigt. Das polare X-Y-Array 82 ist umfänglich um ein Makrobild des Auges des Patienten durch eine Makrolinse 23 angeordnet, so dass der Operator die Pupille und die umgebende Iris zusammen mit den darüber gelegten Hinweisen der Anzeige sehen kann, die von dem "Heads-up"-Display 24 geliefert werden. Beispielsweise wird der Operator in 8 angewiesen, das untere Ende des Instruments für die X-Y-Ausrichtung nach links und für die Z-Ausrichtung näher zum Auge zu bewegen.

Claims

Ausrichtungssystem zum Ausrichten eines ophthalmischen Instruments (10) relativ zu einem Auge (E) eines Patienten, wobei das Ausrichtungssystem eine optische Achse (14), eine Meßachse, ein Mittel (18), das dafür ausgelegt ist, ein sichtbares Fixierungszielbild entlang der Meßachse zur Betrachtung durch den Patienten zu projizieren, und optoelektronische Positionsdetektionsmittel (40A bis 46B), die dafür ausgelegt sind, Signalinformationen hinsichtlich des Ausrichtungsstatus des ophthalmischen Instruments (10) relativ zu dem Auge (E) bereitzustellen, umfaßt, gekennzeichnet durch die optische Achse, die angeordnet ist, um zu gestatten, daß ein Operator (O) das Auge (E) und ein Display (24) direkt betrachtet, angeschlossen an die optoelektronischen Positionsdetektionsmittel (40A bis 46B), ausgelegt zum Anzeigen eines X-, Y- und Z-Ausrichtungsstatus in einem Instruktionsformat zum Führen des Operators (O) beim Erreichen einer Ausrichtung des ophthalmischen Instruments (10) relativ zu dem Auge (E) auf der Basis der Signalinformationen, wobei das System weiterhin ein Mittel (26, 28) umfaßt, das dafür ausgelegt ist, ein Bild des Displays (24) zu dem Operator (O) entlang der optischen Achse (14) zu projizieren, wodurch das Bild des Displays (24) mit einem realen Bild des Auges (E) überlagert ist.
System nach Anspruch 1, wobei die optische Achse (14) mit der Meßachse zusammenfällt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Fixierungszielbild von einem hellen Feld zur Beleuchtung des Auges (E) umgeben ist, um den Operator (O) bei dem direkten Betrachten des Auges (E) zu unterstützen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Display (24) ein polares Array (82) von Leuchtdioden (84) zur Bereitstellung einer X-Y-Ausrichtungsinstruktion enthält und das polare Array (82) das reale Bild des Auges (E} umgibt, wenn das Bild des Displays (24) mit dem realen Bild des Auges (E) überlagert ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mittel (18), das dafür ausgelegt ist, das sichtbare Fixierungszielbild zu projizieren, einen auf der optischen Achse (14) angeordneten ersten Strahlteiler (20) enthält und das Mittel (26, 28), das dafür ausgelegt ist, ein Bild des Displays zu projizieren, einen auf der optischen Achse (14) angeordneten zweiten Strahlteiler (28) enthält.
System nach Anspruch 5, wobei eine durch den ersten Strahlteiler (20) verursachte Strahlverschiebung durch eine von dem zweiten Strahlteiler (28) verursachte entgegengesetzte Strahlverschiebung für entlang der optischen Ache (14) übertragenes Licht kompensiert wird.
System nach Anspruch 1, wobei die optoelektronischen Positionsdetektionsmittel (40A bis 468) eine erste Lichtquelle (40A) zum Beleuchten des Auges (E) mit einem ersten Lichtstrahl entlang einer ersten Beleuchtungsachse (41A), eine zweite Lichtquelle (408) zum Beleuchten des Auges (E) mit einem zweiten Lichtstrahl entlang einer zweiten Beleuchtungsachse (41B), von der ersten Beleuchtungsachse (41A) verschieden, einen ersten Vierzellendetektor (42A), der einen ersten lichtdetektierenden Bereich zum Empfangen eines Bilds der ersten Lichtquelle (40A) definiert, und einen zweiten Vierzellendetektor (42B), der einen zweiten lichtdetektierenden Bereich zum Empfangen eines Bilds der zweiten Lichtquelle (40B) definiert, enthalten.
Ophthalmisches Instrument (10), um einem Operator (O) zu ermöglichen, einen Parameter eines Auges (E) eines Patienten zu messen, wobei das ophthalmische Instrument ein Ausrichtungssystem wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht umfaßt.
Instrument nach Anspruch 8, wobei das Instrument ein berührungsloses Tonometer ist, das folgendes umfaßt: eine Fluidaustragsröhre (12) mit einem Fluiddurchgang in axialer Ausrichtung mit der Meßachse zum Lenken eines Fluidimpulses entlang der Meßachse in Richtung auf das Auge (E), und das Fixierungszielbild durch den Fluiddurchgang der Fluidaustragsröhre (12) projiziert wird.