DE69310303T2

DE69310303T2 - Gerät zur topografischen Bestimmung anatomischer Oberflächen, insbesondere der Kornea

Info

Publication number: DE69310303T2
Application number: DE69310303T
Authority: DE
Inventors: Renzo Mattioli
Original assignee: Optikon Oftalmologia SpA
Current assignee: Optikon Oftalmologia SpA
Priority date: 1992-09-23
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1997-11-06
Anticipated expiration: 2013-09-21
Also published as: EP0589857B1; ITRM920688A1; US5526073A; EP0589857A1; DE69310303D1; ES2104114T3; IT1258488B; ITRM920688A0; HK1005845A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Gerät zur topographischen Analyse anatomischer Oberflächen und insbesondere auf ein Gerät dieser Gattung, das es ermöglicht, die dreidimensionale Form von teilreflektierenden anatomischen Oberflächen räumlich ausfindig zu machen. Das beschriebene Gerät kann besonders, aber nicht ausschließlich, zur topographischen Analyse der Kornea eines menschlichen Auges verwendet werden.
Die Messung der Form und Krümmung des menschlichen Auges (korneale Topographie, Keratometrie) ist eine Technik, die energisch fortentwickelt wird beim Bewältigen der Erfordernisse der jüngsten Refraktionschirurgiemethoden sowie auch im Hinblick auf die Auswahl oder Herstellung kundenspezifischer Kontaktlinsen und für die Diagnose bestimmter Pathologien (wie etwa Keratokonus, Traumas oder postoperative Komplikationen usw.). Die Hintergründe solcher Methoden sind ziemlich alt. Im Jahre 1619 verglich Pater Christopher Schneider hierzu das auf dem Auge reflektierte Bild eines Fensters mit dem gleichen reflektierten Bild auf Kugeln verschiedener Durchmesser.
Nach Studien von Jesse Ramsden (1796) und Helmholtz offenbarten im Jahre 1881 Javal und Schiötz ein Keratometer (bzw. Ophtalmometer), dessen Verwendung noch heute weit verbreitet ist und das die Messung der durchschnittlichen Krümmung der Kornea erlaubt, auf der Grundlage des reflektierten Bildes einer geeigneten Referenzmusterlinie, projiziert auf das Auge, entsprechend verschiedenen Meridianachsen.
In der Zwischenzeit, im Jahre 1880, beschrieb Antonio Placido erstmalig die Verwendung einer Scheibe mit konzentrischen weißen Ringen auf einem schwarzen Hintergrund, die heute noch als Placido-Scheibe bekannt ist. Die reflektierten Bilder werden durch eine im Zentrum der Scheibe angeordnete Lochblende beobachtet, und die Formen der Kreise und deren gegenseitige Abstände ermöglichen es, eine qualitative, aber für eine erfahrene Person signifikante Analyse der Korneakrümmung in allen Bereichen vorzunehmen, die bei Sehtätigkeiten involviert sind.
Ein alternativer Weg, der hauptsächlich bei chirurgischen Operationen angewandt wird, sieht einen "disponiblen" Zylinder vor, der auf das Auge zu setzen ist und abwechselnde schwarze und weiße zylindrische Referenzmusterlinien oder sogenannte "Visierteile" hat, die innen im Zylinder gebildet sind und deren Höhenabmessungen vom Auge her in geeigneter Weise zunehmen (z.B. wie von Dr.William F. Maloney angewiesen).
Später sind der Placido-Scheibe verschiedene Beleuchtungssysteme (z.B. wie in den US-Patenten Nr. 3 248 162, Nr. 4 772 115 und Nr. 5 018 850) und eine photographische Kamera zum Aufzeichnen der Messungen (z.B. in den US-Patenten Nr. 3 598 478 und Nr. 3 797 921) hinzugefügt worden. Die so erhaltenen Bilder können auch von einer Fernsehkamera aufgenommen und von einem Computer verarbeitet werden (z.B. LSU Corneal Topography System and Photokeratoscope Nidek PKS-1000).
Ein darauffolgender Schritt sah die Anordnung der Fernsehkamera direkt hinter den Referenzmusterlinien vor. Bei einer speziellen Variante behalten die Referenzmusterlinien eine Form ähnlich derjenigen, wie sie sie in einer Placido-Scheibe haben (rückbeleuchtete Scheibe oder Kuppel). Bei anderen Varianten (wie z.B. in den US-Patenten Nr. 3 598 478 und Nr. 4 863 260) ist die Form der Beleuchtungseinrichtung so, daß sie in den Augenbrauenbogen hineinreichen kann.
Ein Vorteil dieser zweiten Methode ist natürlich, daß sie zu einem kompakteren Gerät führt, das die meisten externen Referenzmusterlinien aus einem wesentlich größeren Winkel und mit weniger Schatten (Augenbrauen, Nase, usw.) projizieren kann. Die Schwäche dieser Methode ist jedoch, daß selbst der kleinste Fehler in der Position des Auges während der Durchführung der Messung einen merklichen Fehler verursacht, wenn die resultierenden Daten analysiert werden. Wenn z.B. das Auge um 2 mm dichter herangeführt wird, dann ergibt sich ein Fehler entsprechend einer Änderung von 43 auf 42 Dioptrien, während bei der Topographie eine Genauigkeit von 1/4 Dioptrien erforderlich ist.
Die Technik, wie sie im US-Patent Nr. 4 863 260 (und im US- Patent Nr. 5 018 850) beschrieben ist, verwendet z.B. zwei sich überschneidende Laser, und dies macht den Meßvorgang extrem empfindlich und abhängig von der Hand des Benutzers, ohne daß auch nur die Möglichkeit besteht, die Genauigkeit zu erfahren, mit welcher die Messung durchgeführt worden ist (im Hinblick auf die Tatsache, daß die Laser ausgeschaltet werden, wenn das Bild aufgenommen wird.
Die allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gerät zur topographischen Analyse insbesondere für die Kornea zu schaffen, bei welchem alle Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind, insbesondere was die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Messungen und auch die Unabhängigkeit und die Überempfindlichkeit der involvierten manuellen Operationen angeht.
Eine spezielle Aufgabe ist daher die Schaffung eines Gerätes, welches so ausgelegt ist, daß es das Bild eines Auges nur dann aufnimmt und verarbeitet, wenn das Auge gewiß in einer Referenzposition ist, wodurch eine größere Genauigkeit als die übliche erzielt wird.
Insgesamt betrachtet erfüllt das in den Patentansprüchen definierte erfindungsgemäße Gerät alle Anforderungen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und konstruktiver Einfachheit, was es für eine sehr große Anzahl von Optikern und Ophtalmologen verfügbar macht.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor, worin die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zum Zwecke der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung offenbart wird.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 teils schematisch und teils in Schnittdarstellung die Zusammenstellung des Gerätes und seiner Hilfssysteme;
Fig. 2 einen Axialschnitt durch den im Gerät eingebauten Körper zum Fassen der Referenzmusterlinien;
Fig. 3 eine Vorderansicht;
Fig. 4 ein Blockschaltbild des elektronischen Teils zum Erfassen des Scheitelpunktes der Kornea.
Eine allgemeine Ansicht des Gerätes ist in Fig. 1 gezeigt. Es weist ein Kopfteil 10 mit einem Körper 11 auf, der als Tragelement für die Referenzmusterlinien oder Visierteile dient und am Kopfteil mittels eines geeigneten Anpassungsgliedes 12 festgehalten wird, das die Linse 12a und eine TV-Kamera 13 enthält. Die TV-Kamera ist funktionell mit einem Computer 14 verbunden, der eine Baugruppe (Karte) zur Bildaufnahme (Akquisition) enthält, die mit einem analogen Monitor 15 verbunden ist, und über ein am Rand 34 des Körpers 11 angeordnetes photoelektrisches Paar 17, 18 besteht Verbindung mit einer Einrichtung 16 zum Erfassen der Position des Scheitelpunktes der Kornea.
Was die Einzelheiten dieser Bestandteile angeht, besteht der Körper 11, der als Tragelement für die Referenzmusterlinien dient, aus einem transparenten Material (z.B. PERSPEX ), worin ein konisches axiales Durchgangsloch gebohrt ist. Auf der Innenwand des Konus sind kegelstumpfförmige, abwechselnd opake und transparente Bereiche gezeichnet, mittels eines Anstrich-(Beschichtungs-) oder eines Drehvorgangs oder mittels Punkt- und Metallabscheidungsverfahren, vorausgesetzt, daß eine solche Operation mit einer Genauigkeit von etwa 1/100 mm durchgeführt wird.
Die geometrischen Erfordernisse für solche kegelstumpfförmigen kreisrunden Bereiche sehen vor, daß die abwechselnd Weiß- Schwarz und Schwarz-Weiß-Ränder der reflektierten Bilder, wie sie von der TV-Kamera 13 (z.B. in einer Entfernung von 100 mm vom Kornea-Scheitelpunkt) auf einer Kugel von 7,85 mm Durchmesser (durchschnittliche Scheitelpunktkrümmung eines menschlichen Auges) gesehen werden, die z.B. in einem Abstand von 2 mm vom letzten kreisrunden Bereich angeordnet ist, konzentrisch sein und gleichen Abstand voneinander haben müssen. Dieses Merkmal ist ausersehen, um eine qualitative Kompatibilität mit dem reflektierten Bild einer Placido- Scheibe oder eines Photokeratoskops zu erhalten.
Die konische Anordnung der Referenzmusterlinien oder Visierteile, die als Zwischending zwischen einer zylindrischen und einer idealen kugelförmigen Anordnung betrachtet werden kann, stellt sicher das die Äquidistanz zwischen den kreisrunden Bereichen auch bei Kugeln respektiert wird, die einen ziemlich anderen Durchmesser haben.
An der Basis des Konus sind an diametral gegenüberliegenden Positionen zwei Bezugspunkt-Löcher vorgesehen, um die Montage eines photoelektrischen Paars an diesen Stellen zu ermöglichen. Dieses photoelektrische Paar ist vorzugsweise auf einer horizontalen Linie angeordnet, die rechtwinklich zur Achse des Kegels verläuft, so daß es von den Augenbrauen oder von den Augenlidern nicht merklich verdeckt werden kann, wenn das Gerät näher ans Auge bewegt wird, egal ob ans rechte oder ans linke Auge.
Das oben erwähnte photoelektrische Paar enthält einen Photosender 17, bestehend aus einer Leuchtdiode (LED) oder aus einer Infrarot-Emissionsdiode (IRED) oder aus einer Lampe oder einer optischen Faser, und einen Photoempfänger 18, der z.B. eine Photodiode oder ein Phototransistor ist. In der Fig. 4 ist eine IRED-Diode nur zur Veranschaulichung dargestellt, in Anbetracht der Tatsache, daß derartige Emissionsdioden auch mit Durchmessern von weniger als 1 mm verfügbar sind, auch wenn die Linse enthalten ist, und eine nicht-sichtbare Frequenz emittieren, die leicht von der TV-Kamera filterbar ist, und angesichts der Tatsache, daß derartige Dioden während der photographischen Aufnahme ausgeschaltet werden können.
Es gibt ferner Photodioden und Phototransistoren, welche die gleichen Abmessungen und die gleiche Form wie IRED-Dioden haben. Die Wahl zwischen Photodioden und Phototransistoren wird hauptsächlich durch Überlegungen hinsichtlich der Empfindlichkeit und der Geschwindigkeit bestimmt. Deswegen versteht sich, daß, obwohl die Beschreibung auf eine Photodiode oder eine IRED abgestellt ist, dies in keiner Weise in einschränkendem Sinne aufzufassen ist.
Vom Standpunkt der Arbeitsweise und unter Bezugnahme auf Fig. 1 sei hervorgehoben, daß der von der IRED-Diode 17 emittierte und von der Photodiode 18 empfangene Lichtstrahl Querabmessungen hat, die von Null verschieden sind, und daß er von dem in Meßposition befindlichen Auge abgefangen wird.
Das Muster abwechselnder kreisförmiger Bereiche wird durch Lichtquelle 19 rückseitig beleuchtet unter Ausnutzung der Transparenz des Körpers 11.
Ferner ist im axialen Schaft 20 des Körpers 11 ein schräges Loch 21 vorgesehen, welches in das axiale Loch 23 mündet, und in diesem Loch 21 sitzt eine Leuchtdiode 22, die mit einem halbdurchlässigen Spiegel oder mit einem Prisma zusammenwirkt, um einen Referenzmusterpunkt vorzusehen, auf den der Patient blicken soll.
Anhand der Fig. 4 sei eine elektronische Schaltung zum Erfassen der Position des Scheitelpunktes der Kornea in der Mitte des Weges zwischen der IRED-Diode 17 und der Photodiode 18 beschrieben.
Die IRED-Diode wird durch einen Impulsgenerator 35 periodisch mit hoher Frequenz eingeschaltet, mit einem geeigneten Ein/Aus-Verhältnis (Tastverhältnis) von z.B. 1/10.
Der Ausgang der Photodiode oder des Phototransistors 18 ist mit zwei elektronischen Schaltern 24, 25 verbunden, die vom Impulsgenerator 35 gesteuert werden, und zwar der erste (24) direkt und der andere (25) über einen Inverter 26. Auf diese Weise werden die besagten elektronischen Schalter 24 und 25 abwechselnd und jeweils exklusiv leitend. Die Ausgänge der beiden elektronischen Schalter sind über zwei Abfrage- und Halteschaltungen 27a, 27b mit dem invertierenden bzw. dem nicht-invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 28 gekoppelt. Auf diese Weise mißt der Differenzverstärker 28 die Differenz zwischen dem Signal, das von der Photodiode 18 bei vorhandener Emission aus der IRED-Diode 17 empfangen wird, und dem Signal, das von der Photodiode 18 beim Fehlen einer Emission aus der IRED-Diode 17 empfangen wird. Dies bedeutet als Tatsache, daß jede auf Hintergrundrauschen zurückzuführende Komponente aus dem Ausgangssignal ausgeschlossen wird.
Mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 28 ist ein Tiefpaßfilter 29 verbunden, und dieses Filter ist seinerseits mit den invertierenden Eingängen von vier Vergleicherschaltungen 30, 31, 32, 33 verbunden, deren nicht-invertierende Eingänge an die Verbindungspunkte von Kaskadenwiderständen RV1, R2, R3, R4, RV5 einer Widerstandsleiter angeschlossen sind, von denen die Widerstände RV1 und RV5 variabel sein können.
Aus der in Fig. 4 nebenstehenden Wahrheitstabelle läßt sich entnehmen; daß es gemäß den Ausgangssignalen der oben genannten vier Vergleicherschaltungen 30, 31, 32, 33 möglich ist, fünf Positionen für den Kornea-Scheitelpunkt zu definieren und daß durch geeignete Wahl der fünf Widerstände RV1, R2, R3, R4, RV5 eine so genaue Position des Auges erzielt werden kann wie gewünscht (im allgemeinen eine Genauigkeit von ±0,1 mm) und daß es möglich ist, die Operation zu bestätigen und daher die Aufnahme nur dann zu aktivieren, wenn der Scheitelpunkt der Kornea im voreingestellten Bereich placiert ist. Speziell läßt sich beobachten, daß im Falle A der Kornea-Scheitelpunkt jenseits des Nutzbereichs liegt; im Falle B liegt der Kornea- Scheitelpunkt innerhalb des Nutzbereichs, aber jenseits von dessen Mittelpunkt; im Falle C liegt der Kornea-Scheitelpunkt genau auf dem Mittelpunkt des Nutzbereichs; im Falle D liegt der Kornea-Scheitelpunkt innerhalb des Nutzbereichs, aber vor dessen Mittelpunkt, und im Falle E ist den Kornea-Scheitelpunkt noch nicht in den Nutzbereich eingetreten.

Claims

1. Gerät zur topographischen Bestimmung anatomischer Oberflächen, insbesondere der Kornea, enthaltend:

* eine mit einem Computer (14) wirkend verbundene TV-Kamera (13), der mit einer elektronischen Karte versehen ist, die eine mit einem Video-Monitor (15) verbundene Bilder- Aufnahmeschaltung enthält;

* eine Keratoskopkegelanordnung (11), bestehend aus einem transparenten, rückseitig beleuchteten kegelförmigen Körper mit einem axialen Durchgang (23), der mit einer Reihe von aufeinanderfolgenden weißen und schwarzen Visierteilen ausgekleidet ist;

* ein Anpassungsglied (12), enthaltend die Linse (12a) der Kamera zur geeigneten Anpassung der Kegelanordnung an die Kamera, und

* Ausrichtmittel zum Ausrichten der zu bestimmenden Oberfläche bezüglich des axialen Durchgangs des kegelförmigen Körpers,

dadurch gekennzeichnet, daß

* das Ausrichtmittel folgendes enthält:

** Photodetektormittel (17, 18), die am Außenrand (34) des vorgenannten axialen Durchgangs (23) angeordnet und der zu bestimmenden Oberfläche zugewandt sind, so daß die Photodetektormittel ein Signal liefern, das den Abstand des Oberflächen-Scheitelpunktes vom Photodetektormittel anzeigt, und

** einen elektronischen Schaltkreis (16), der sich zwischen dem vorgenannten Photodetektor (17, 18) und dem vorgenannten Computer (14) befindet, um aus dem Signal des Photodetektormittels ein Rückmeldesignal zu erzeugen, wenn der Scheitelmunkt der zu bestimmenden Oberfläche sich in einem gewünschten Abstand innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet, wodurch die Bedienungsperson gewarnt wird und/oder der Betrieb der Kamera zur Aufnahme von Bildern der vorgenannten Visierteile aufgrund deren Reflexion eingeleitet wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Durchgang (23), der in dem vorgenannten transparenten Körper (11) vorgesehen ist und die vorgenannten Visierteile enthält, kegelförmig, insbesondere kegelstumpfförmig, ausgebildet ist.

3. Gerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem vorgenannten axialen kegelförmigen Durchgang des vorgenannten transparenten Körpers vorgesehenen Visierteile kreisförmige, wechselweise transparente und opake Abschnitte enthalten, die durch Anstreichen oder Drehen oder durch Lack- oder Metallabscheidungsverfahren gebildet sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgenannten kreisförmigen Abschnitte geometrische Anforderungen erfüllen, gemäß denen die wechselweisen Weiß-Schwarz- und Schwarz-Weiß-Übergänge der reflektierter Bilder, wie sie von der vorgenannten TV-Kamera (13) auf einer, einen der normalen Krümmung der zu bestimmenden Oberfläche entsprechenden Durchmesser aufweisenden Kugel gesehen werden, zueinander konzentrisch und gleich beabstandet sind.

5. Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgenannte Photodetektormittel (17, 18) einen Photosender (17) und einen Photoempfänger (18) enthält, die in zwei diametral gegenüberliegenden Sitzen angeordnet sind, welche am Rand (34) des kegelförmigen Durchgangs des vorgenannten transparenten Körpers vorgesehen sind.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgenannte Photosender (17) unter einer lichtausstrahlenden Diode (LED), einer infrarotausstrahlenden Diode (IRED), einer Lampe, einer optischen Faser ausgewählt ist.

7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgenannte Photoempfänger unter einer Photodiode und einem Phototransistor ausgewählt ist.

8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgenannte transparente Körper einen zylinderförmigen Basischaft (20) aufweist, in dem eine radial geneigte Zielpunkt-Bohrung (21) vorgesehen ist, die im vorgenannten axialen Durchgang (23) des vorgenannten transparenten Körpers (11) mündet und in der eine lichtausstrahlende Diode (22) so angeordnet ist, daß sie mit einem halbdurchlässigen Spiegel oder Prisma zusammenwirkt, um als ein Bezugspunkt zu wirken, der vom Patienten beobachtet werden soll.

9. Gerät nach den Ansprüchen 1 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgenannte elektronische Schaltkreis zur Ermittlung des Scheitelpunktes der zu bestimmenden Oberfläche einen Impulserzeuger (35), dessen Ausgang den vorgenannten Photosender (17) steuert, sowie zwei elektronische Schalter (24, 25), von denen der erste (24) den Ausgang des vorgenannten Photoempfängers empfängt und unmittelbar durch den vorgenannten Impulserzeuger (35) gesteuert ist und der zweite (25) ebenfalls den Ausgang des Photoempfängers empfängt und auch durch den Impulserzeuger (35) über eine Inverterschaltung (26) gesteuert wird, so daß die vorgenannten Schalter abwechselnd in einer wechselseitig exklusiven Sequenz geschlossen werden, und zwei Abfrage- und Halteschaltkreise (27a, 27b), deren Eingänge mit den Ausgängen der vorgenannten elektronischen Schalter und deren Ausgänge mit den Eingängen eines Differenzverstärkers (28) verbunden sind sind, enthält, wobei der Ausgang des genannten Differenzverstärkers über ein Tiefpaßfilter (29) mit den invertierenden Eingängen einer Reihe von Komparatorkreisen (30, 31, 32, 33) verbunden ist, deren nicht-invertierende Eingänge variabel durch eine Leiter von einstellbaren oder festen Widerständen (RV1, R2, R3, R4, RV5) vorgespannt werden.