DE69420427T2

DE69420427T2 - Abtast-opthalmoskop

Info

Publication number: DE69420427T2
Application number: DE69420427T
Authority: DE
Inventors: Douglas Crombie Anderson; Robert Henderson; Roger Albert Lucas
Original assignee: Optos PLC
Current assignee: Optos PLC
Priority date: 1993-11-09
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2014-11-10
Also published as: JPH09509337A; EP0730428A1; DE69420427D1; US5815242A; WO1995013012A2; AU8148594A; WO1995013012A3; ES2138177T3; ATE183910T1; EP0730428B1; GB9323065D0; DK0730428T3; JP3490088B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Scanning-Ophthalmoskop zum Scannen der Augennetzhaut.
Der Bedarf an einem Weitwinkel-Ophthalmoskop zum Abbilden der Retina ist darauf zurückzuführen, daß die gängigen Funduskameras zwar qualitativ hochwertige farbige Bilder auf Film liefern können, jedoch in ihrem Bildfeld der Dingebene auf einen Bereich von maximal 60 Grad von dem Pupillenpunkt aus beschränkt sind. Tatsächlich erreichen viele Hersteller nicht einmal ein Bildfeld von 60 Grad. Scanning-Laser-Ophthalmoskope erzeugen derzeit in reellen einfarbigen oder synthetischen (nicht reellen) Farbbildern ein Bildfeld von 40 Grad. Die Auflösung der gescannten Bilder auf Laserbasis kann um zwei oder drei Größenordnungen geringer sein als die Bilder auf Filmbasis, Scanning- Laser-Ophthalmoskope bieten jedoch den Vorteil, daß sie dynamische Bilder liefern, die auf herkömmlichen Fernsehbildschirmen wiedergegeben werden können. Diese Bilder können auf herkömmlichen Videobändern aufgezeichnet werden.
Das Bildfeld kann sowohl bei Filmkameras als auch bei Scanning-Laser-Ophthalmoskopen künstlich vergrößert werden, indem die Kamera um ein spezifisches Rotationszentrum gedreht wird, das zwischen der Rückseite der Hornhaut und der Vorderseite der Linse liegt, der sogenannte "Pupillenpunkt". Allerdings ist ein Instrument, das ohne eine mechanische Bewegung vollständige Weitwinkelbilder mit einem einzigen Scan liefern kann, von großem Vorteil, da es dem Kliniker effizientere diagnostische Informationen liefert. Die hohe Auflösung des Scanning-Laser-Ophthalmoskops erleichtert die Interpretation von kleinsten Details, und die Farbbilder, die mit einem solchen Instrument erzeugt werden, sind bei der klinischen Diagnosefindung, speziell bei bestimmten Krankheiten wie Retinopathia diabetica proliferans, hilfreich.
Die Optik des menschlichen Auges ist insofern begrenzt, daß die Auflösung eines einfallenden Laserstrahls auf der Retina durch Beugung auf ungefähr 10 mm Durchmesser beschränkt ist. Dies wird durch die Hornhaut, die Linse, den Glaskörper und das Kammerwasser auf dem optischen Weg im Auge bewirkt. Aus diesem Grund kann kein Bild eine höhere Auflösung als diese liefern, egal wie das Bild erzeugt wird.
Es ist das Ziel dieser Erfindung, echte Farbbilder mit einer hohen Auflösung mit einem einzigen Scan zu erzeugen.
Farbbilderzeugung mittels Instrumenten auf Scanning- Laser-Basis ist von vielen Seiten vorgeschlagen worden, aber keine davon umfaßt ein Weitwinkelbildfeld an der Retina, ist in Farbe und hat eine akzeptable Auflösung. Um dies zu erreichen, muß die spezielle Struktur des optischen Systems des Auges genauer untersucht werden, als dies bis heute getan wurde.

BISHERIGER STAND DER TECHNIK

Es sind auf diesem Gebiet bereits drei allgemeine Arten von Scanning-Laser-Ophthalmoskopen bekannt, die im klinischen Bereich verwendet werden. Diese drei Arten unterscheiden sich grundlegend in ihrer Funktions- und Anwendungsweise.
Diese drei Arten können durch die Namen der Hersteller unterschieden werden:
(1) Rodenstock
(2) Zeiss
(3) Heidelburg
Die Funktionsweise der drei Arten kann wie folgt zusammengefaßt werden:

Rodenstock.

Dieses System scannt die Augennetzhaut mit Hilfe eines schrägen sphärischen Spiegels. X- und Y-Scans werden mittels eines Hochgeschwindigkeitsdrehpolygons und eines oszillierenden Galvanometerspiegels erzeugt. Laserstrahlen mit Wellenlängen, die Argon-Ion (488 nm), Helium-Neon (566 nm) und Infrarot (790 nm) entsprechen, werden durch manuell verstellbare Fokussiersysteme fokussiert, um ein bestmögliches Bild zu liefern. Das Scanning-System erzeugt mit Hilfe eines elektronischen Detektorsystems Pixelbilddaten synchron mit den Scanning-Spiegeln, um Daten mit Videoausgabegeschwindigkeit zu erzeugen. Das Signal wird elektronisch (nicht über einen Bildspeicher) verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen, das auf einem normalen Fernsehbildschirm wiedergegeben werden kann. Das System kann daher dynamische Bilder in Echtzeit erzeugen.
Das System hat den Nachteil, daß derzeit nur einfarbige Bilder erhältlich sind und die maximale Auflösung ungefähr 400.000 Pixel beträgt. Das Bildfeld ist bei dieser Auflösung ebenfalls auf maximal etwa 32 Grad begrenzt. Das Spiegelsystem hat bekannterweise Aberrationen, aber auf den Instrumenten werden keine Korrekturen vorgenommen, obwohl manche Kreuzscanfehler für die Korrektur mittels Toroidlinsen in späteren Patenten vorgemerkt wurden.

Heidelburg

Der Heidelburg Scanning-Laser-Tomograph ist ein Scanningverfahren auf Laserbasis, das speziell für die Untersuchung der Sehnervenpapille eingesetzt wird. Die Maschine wird im klinischen Bereich zur Diagnose und zur Feststellung des Krankheitsverlaufs von Glaukomen verwendet.
Das Instrument liefert Laserlicht durch einen Lichtleiter zu den X- und Y-Scanningeinheiten, die akustooptische Hochgeschwindigkeitsdeflektoren sind. Das Scanfeld ist auf etwa 5 Grad begrenzt mit Zentrum in der Papille, und der Scanwinkel wird durch die Pupille des Auges begrenzt, da das Zentrum der Scanrotation außerhalb des Auges und nicht im Pupillenpunkt liegt. Das Instrument kann keine Weitwinkelbilder der Retina mit einem einzigen Scan erzeugen.
Das Instrument erzeugt eine Farbdarstellung der Topographie der Papille. Die Farben repräsentieren jedoch nicht Gewebefarben, sondern unterschiedliche Höhen, und stellen daher ein synthetisches Bild dar und geben nicht die wirklichen Farben wieder. Eine ebene Fläche wird daher nur als eine einfarbige Ebene abgebildet.
Das Instrument kann daher keine echten Retinabilder erzeugen und auch keine Weitwinkelbilder der Retina in repräsentativen Gewebefarben liefern. Die Hauptfunktion dieses Instruments ist die Erzeugung topographischer Abbildungen der Retina.

Zeiss

Das Zeiss-System ist eine Mischbauweise der Rodenstock- und Heidelburginstrumente. Ein sphärischer Spiegel wird verwendet, um den Scanwinkel des Instruments unter Verwendung des Pupillenpunktes zu vergrößern, und die X- und Y-Scans werden jeweils mittels eines Rotationspolygons und galvanometrisch angetriebener Spiegel vorgenommen. Das Zeiss-Gerät verwendet Lichtleitfasern zur Weiterleitung von einfallendem Laserlicht und Rohrleitungen, um das zurückgesandte Licht mit der Verarbeitungseinheit des Hauptinstruments zu verbinden. Das Zeiss-Gerät verfügt nur über einen handgesteuerten Ausgleich der Optik des Patienten und verwendet wie die Geräte von Rodenstock und Heidelburg ein konfokales Bilderzeugungssystem, um unerwünschte Daten von den erwünschten Daten des zurückgesandten Signals zu trennen. Durch die Verwendung eines konfokalen Erkennungssystems wird die Qualität der erhaltenen Daten verbessert, indem falsche Information verworfen wird.
Konfokale Bilderzeugung wird in vielen Bereichen der Mikroskopie eingesetzt und wird bei allen oben beschriebenen Instrumenten verwendet.
Ein Apparat mit den Eigenschaften, die in dem beschreibenden Teil von Anspruch 1 beschrieben werden, wird in WO-A-90/00026 offenbart. In diesem Dokument wird das Problem der Trapezverzeichnung behandelt, das bei der Untersuchung des Augenhintergrunds in einer bekannten Weise auftritt. US-A-4755044 beschreibt ein System zur Erzeugung und Betrachtung eines einzelnen vergrößerten Abbilds eines ausgewählten Bereichs eines Auges. EP-A-0412667 offenbart ein Ophthalmoskop, bei dem ein separates System zum Beleuchten des Muskelgewebes und ein Fotodetektor zur Verarbeitung verwendet werden, um Licht, das von einem Augenfundus reflektiert wird, zu erfassen. EP-A-0223356 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung eines konjugierten Abbilds der Pupille eines Auges an einem Punkt, an dem ein Detektor positioniert werden kann.
Das Ziel dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines Scanning-Laser-Ophthalmoskops zum Weitwinkelscannen der Retina des Auges.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren, mit dem der beschriebene Apparat arbeitet, und beinhaltet Verfahrensschritte, um jede Funktion des Apparats auszuführen.
Die hier vorgestellte Ausführung beschreibt die Realisierung eines Ophthalmoskops zum Weitwinkelscannen der Retina, das Farbbilder erzeugen kann und mit dem die Schwachstellen gegenwärtiger Modelle von Scanning- Laser-Ophthalmoskopen verbessert oder beseitigt werden sollen. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, einen Blick auf die Realisierung eines Modells zu werfen, das nicht nur hinsichtlich elektro-optischer wie mechanischer Gesichtspunkte neuartig ist, sondern sich außerdem mit der Frage der grundlegenden Beschränkungen und Bildverarbeitungseigenschaften des Auges an den Bildfeldrändern beschäftigt. Keines der gängigen Scanning-Laser-Ophthalmoskope kann Bilder an den Bildfeldrändern erzeugen, da die bestehenden Ausführungen generell Bilder an der Zentralachse des Auges erzeugen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Scanning- Ophthalmoskop zum Scannen der Augennetzhaut bereitgestellt, das eine Laserlichtquelle und einen asphärischen Spiegel auf dem Weg des Lichts von der Lichtquelle weg beinhaltet, wobei das Licht von dem asphärischen Spiegel auf die Augennetzhaut reflektiert wird, und wie in Anspruch 1 dargestellt.
Der asphärische Spiegel ist vorzugsweise ellipsoidisch.
Das Ophthalmoskop beinhaltet eine Vorrichtung zur Erzeugung eines zweidimensionalen Scans.
Die Vorrichtung zur Erzeugung eines zweidimensionalen Scans kann einen Rotationsmechanismus und einen Oszillationsmechanismus beinhalten.
Der Rotationsmechanismus ist vorzugsweise ein Reflektorscanner mit Rotationspolygon und der Oszillationsmechanismus ein Galvanometerscanner.
Die Vorrichtungen zur Erzeugung eines zweidimensionalen Scans arbeiten mit einem nichtdurchlässigen Scanning- Kompensator, um einen virtuellen Punkt bereitzustellen, der mit einem Fokus des ellipsoidischen Spiegels zusammentrifft.
Der nichtdurchlässige Scanning-Kompensator kann ein Scanningprisma sein. Als Alternative kann er eine Anordnung aus einem außeraxialen asphärischen Spiegel und einem Galvanometer oder einem Rotationspolygon sein.
Der Reflektorscanner mit Rotationspolygon kann vor dem Galvanometerscanner in dem Weg des einfallenden Strahls von der Lichtquelle positioniert werden.
Der ellipsoidische Spiegel ist vorzugsweise so ausgerichtet, daß der Sagittalschnitt kürzer ist als der Tangentialschnitt, d. h. der Sagittalschnittpunkt liegt vor dem Tangentialschnittpunkt.
Das Ophthalmoskop beinhaltet vorzugsweise einen Aktivkontrollmechanismus, um den Astigmatismusausgleich während eines Retinascandurchgangs zu verändern. Der Astigmatismusausgleich kann in Übereinstimmung mit den Daten, die ein Rückstrahl nach dem Einfallen auf die Retina liefert, verändert werden.
Vorzugsweise sind Ausgleichsvorrichtungen in der Form eines Systems von Optiken mit kurzer Brennweite vorhanden, wobei die Ausgleichsvorrichtungen bezüglich des Aktivkontrollmechanismus eingestellt werden.
Die Ausgleichsvorrichtungen sind vorzugsweise so angeordnet, daß sie auf die einfallenden Strahlen und die Rückstrahlen wirken.
Das Ophthalmoskop beinhaltet vorzugsweise einen Brennweitenausgleich, der während eines Retinascans aktiv ist, wobei der Brennweitenausgleich verzerrte Retinaoberflächen und/oder die Brechkraft des Auges ausgleicht.
Die Laserlichtquelle ist vorzugsweise ein Halbleiterdiodenlaser.
Es ist vorzugsweise eine Vielzahl von Laserlichtquellen vorhanden.
Der ellipsoidische Spiegel ist vorzugsweise entweder ein Oberflächenspiegel oder ein kombinierter reflektierend-brechender Spiegel.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Scannen der Augennetzhaut bereitgestellt, wobei Laserlicht über einen asphärischen Spiegel auf eine Retina gelenkt wird, und wie in Anspruch 6 beschrieben.
Vorzugsweise sind Vorrichtungen vorhanden, um einen Flächenscan der Retina zu erzeugen.
Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine optische Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Scanning-Laser-Ophthalmoskops ist, die den Einfallweg von der Laserlichtquelle zum Auge und vom Auge zu dem Detektorelement zeigt und die ebenfalls Elemente zum Positionieren des Auges beschreibt;
Fig. 2 eine Teilzeichnung des Scanning-Ophthalmoskops in Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine vereinfachte Teilzeichnung des Scanning- Ophthalmoskops in Fig. 1 ist;
Fig. 4 ein Diagramm ist, das eine mögliche Scanerweiterung am Galvanometerscanner bei einem erfindungsgemäßen Scanning-Ophthalmoskop zeigt;
Fig. 5 ein Diagramm ist, das eine Ausgleichsvorrichtung für Neigungsfehler des Galvanometers bei einem erfindungsgemäßen Scanning-Ophthalmoskop zeigt.
Mit Bezug auf die Zeichnungen wird eine Ausführung des Scanning-Laser-Ophthalmoskops 2 beschrieben. Ein Scanning-Ophthalmoskop 2 wird zur Erzeugung von Bildern der Rückseite des menschlichen Auges und im besonderen der Retina verwendet, wobei ein Verfahren verwendet wird, bei dem mehrere Laserstrahlen mit Hilfe von optischen Systemen gescannt werden, wobei Scanner, Spiegel und optische Komponenten eingesetzt werden, um digitalisierte (Pixel-) Bilder zu erzeugen, die mittels handelsüblichen Computersystemen wiedergegeben und gespeichert werden können. Die Erfindungen und Verbesserungen dieser Ausführung betreffen Verbesserungen in Bezug auf die Scanning- und Bilderzeugungstechnologie, um optische Fehler und Aberrationen sowohl beim Auge als auch beim Apparat auszugleichen. Es werden wesentliche Verbesserungen für patentierte Scanningverfahren zur Erzeugung präziser Pixelbilder mit adäquater Auflösung und Kontrastierung (Fig. 2 und 3) sowie die Verwendung von dynamischen Systemen (mit aktivem Feedback) zum Ausgleich von sphärischer Brennweite und Restastigmatismus beschrieben. Ein Verfahren zum Ausgleichen von Fehlern bei den Scannern wird dargestellt (Fig. 4) sowie ein Verfahren zur Vergrößerung des Abtastwinkels des Strahls durch optische Hilfsmittel (Fig. 5) anstelle von mechanischen.
Es wird ein Verfahren zur Erzeugung digitaler Farbbilder beschrieben, und die grundlegende Erfindung sowie Verbesserungen gegenüber bisherigen Scanning- Laser-Ophthalmoskopen hinsichtlich großer Feldwinkel (Weitwinkelbildfeld an der Retina) in Bezug auf die Bildauflösung werden dargestellt.
Ein Infrarotkamerasystem zur Bedienerführung wird beschrieben, das keinerlei negative Auswirkungen auf den Patienten hat, und das außerdem die Verwendung von Infrarotbilderzeugung zum Positionieren des Ophthalmoskops mit einer weiteren Funktion zum Erkennen der Augenbewegung beinhaltet. Die Verwendung von Infrarotlicht beeinträchtigt die Pupillenreaktion des Auges nicht.
Es wird ein Patientenerfassungsystem vorgestellt. Dadurch wird die Positionierung des Auges für den Patienten erleichtert und dem Spezialisten die Möglichkeit gegeben, den Bereich des Auges des Patienten vorherzusagen, der die bildgebende Funktion hat. Diese Funktion ist vor allem bei der Bestimmung von Augenfehlern bei jungen Patienten nützlich.
Kohärentes Laserlicht mit ausgewählten Wellenlängen wird an einer ersten 4, zweiten 6 und dritten 8 Laserquelle erzeugt und von dort aus durch einen ersten 12 und zweiten 14 dichroitischen Strahlteiler in einen gemeinsamen einfallenden Strahl 16 gelenkt. Die kohärenten Laserquellen 4, 6, 8 sind so ausgewählt, daß der einfallende Strahl 16, der am zweiten dichroitischen Strahlteiler 14 austritt, im wesentlichen ein schwaches "weißes" Licht erzeugt. Eine Vorrichtung zum Erreichen eines Farbgleichgewichts der Laser von den Laserquellen 4, 6, 8 für eine optimale Bilderzeugung wird durch erste 18, zweite 20 und dritte 22 Leistungssteuerungsfilter gebildet. Ein dritter dichroitischer Strahlteiler 24 hat zwei Funktionen. Durch die erste Funktion wird ein Teil der Energie des einfallenden Lichts in einen Leistungsmonitor 26 abgespaltet, bei dem ein Fotodetektor mit passenden Filtern verwendet wird, um die einzelnen Laser von den Laserquellen 4, 6, 8 zu überwachen. Die Ausgabedaten dieses Detektors werden elektronisch überwacht, sodaß ein sicherer Betrieb gewährleistet ist und im Falle einer Fehlfunktion der Apparat mittels eines elektrisch betriebenen Sicherheitsstoppschalters 28 abgeschaltet wird.
Die zweite Funktion des dritten dichroitischen Strahlteilers 24 bewirkt, daß die Energie, die vom Auge durch die Scanner reflektiert wird, geteilt wird und zu einer fokussierenden Linse 30, einer konfokalen Öffnung 32 (mit veränderbarem Öffnungsdurchmesser und veränderbarem Abstand vom Detektor) und einer Vielzahl von Filtern und Detektoren 34 geschickt wird, um simultan elektronische Ausgangssignale für die reflektierten Farbsignalhöhen zu erzeugen.
Als Alternative kann ein einzelner Detektor verwendet werden und die einzelnen Farben können nacheinander anstatt gleichzeitig gescannt werden, wodurch die Bilddatenerfassung verlangsamt wird.
Die parallel gerichteten Strahlen gelangen zu einem ersten 36 und einem zweiten 38 dynamischen Ausgleichselement. Das erste dynamische Ausgleichselement 36 kontrolliert den außeraxialen Astigmatismus des Auges, und das zweite dynamische Ausgleichselement 38 kontrolliert während des Retinascans die Brennweite.
Diese dynamischen Ausgleichselemente 36, 38 sind strahlformende Linsensysteme aus Optiken mit kurzer Brennweite, die mittels Piezoaktuatoren kontrolliert werden, durch die schnelle Ausgleichsantriebsbewegungen in die optischen Systeme eingebracht werden können. Der Ausgleich für die Korrektursysteme für Brennweite und Astigmatismus kann bei den einzelnen Patienten individuell vorgenommen werden. Die dynamische Regelung wird durch Feedback hinsichtlich der Punktgröße der Retina durchgeführt, die an einer defokussierten Position des reflektierten Bildpunkts, der durch einen vierten dichroitischen Strahlteiler 40 und einen Datendetektor 42 abgelesen wird, gemessen wird.
Der einfallende Strahl 16 wird dann zu einem durchlässigen Scanningprisma 44 geleitet, das die Aufgabe hat, Kreuzscanfehler am Scan- oder Pupillenpunkt des Auges zu eliminieren. Durch das Scanningprisma 44 wird der einfallende Strahl 16 seitlich verlagert, bevor der Strahl auf die Reflexionsfläche eines Galvanometerscanners 46 gelenkt wird. Durch die Verwendung dieses Scanningprismas 44 wird bewirkt, daß der einfallende Strahl 16 auf der Oberfläche des Rotationspolygons 48 als virtuelle Punktquelle erscheint. Der Galvanometerscanner 46 bewirkt eine vertikale Scanbewegung des einfallenden Strahls 16. Die Geschwindigkeit dieses Galvanometers 46 bestimmt die Bildfrequenz.
Von diesem Scanner 46 aus wird der einfallende Strahl 16 auf einen Reflektorscanner mit Rotationspolygon 48 gelenkt, der eine horizontale Scanbewegung des einfallenden Strahls 16 bewirkt. Die Positionen des Galvanometerscanners 46 und des Polygon-Scanners 48 bezüglich einander im Weg des einfallenden Strahls 16 sind vertauscht gegenüber den Positionen, wie sie im bisherigen Stand der Technik beschrieben werden. Aufgrund dieser Anordnung kann der Reflektorscanner mit Rotationspolygon 48 einen zweidimensionalen Winkelscan von einer scheinbaren oder virtuellen Punktquelle aus liefern.
Eine Ausführungsform kann so aussehen, daß die Positionen des Galvanometerscanners 46 und des Polygonscanners 48 bezüglich einander vertauscht sind.
Eine alternative Anordnung für das durchlässige Scanningprisma 44 ist möglich. Ein Galvanometer oder ein Rotationspolygon können in Verbindung mit einem außeraxialen asphärischen Reflexionsspiegel oder in einer ähnlichen Form verwendet werden, bei der der gescannte, abgewinkelte einfallende Strahl oder Eingangsstrahl vom Spiegel reflektiert wird, so daß alle Strahlen, die vom Spiegel reflektiert werden, für jeden Winkel des Eingangsstrahls vom Scanningpunkt aus parallel verlaufen. Eine solche Spiegelform könnte ein außeraxiales Paraboloid sein. Diese Ausführungsform würde die Basis eines nichtdurchlässigen Scanningsystems mit virtueller Punktquelle für einen eindimensionalen Scanner liefern. Für einen zweidimensionalen Scanner könnten andere asphärische Formen zum Scannen verwendet werden. Wenn ein Scanningprisma ersetzt wird, müssen sowohl ein Spiegel als auch ein Scanninggalvanometer oder ein Rotationsprisma hinzugefügt werden, zusätzlich zu dem Galvanometer und Rotationspolygon für den zweidimensionalen Scan des Scanning-Laser- Ophthalmoskops.
Der einfallende Strahl 16 wird dann auf einen asphärischen Spiegel 50 gelenkt, der verwendet wird, um den Scanningstrahl zu formen und zum Pupillenpunkt des Auges 52 des Patienten zu lenken. Der einfallende Strahl tritt durch die Pupille in das Auge 52 ein.
Der reflektierte Strahl, der einen 5-10 Mal größeren Durchmesser als der einfallende Strahl 16 haben kann, wird anfangs den gleichen optischen Weg entlang zurück gelenkt, den der einfallende Strahl 16 nimmt. Dieser reflektierte Strahl wird von dem asphärischen oder ellipsoidischen Spiegel 50 gesammelt und über den Rotationspolygon-Detektorscanner 48 und den Galvanometerscanner 46 zum Scanningprisma 44 gelenkt. In dieser Richtung bewirkt das Scanningprisma 44 einen Ausgleich für die seitliche Verschiebung des reflektierten Strahls, bevor der reflektierte Strahl die dynamischen Fokusausgleichselemente 36, 38 erreicht. Dieser Ausgleich leitet den Rückstrahl um und gewährleistet, daß der Rückstrahl mit dem einfallenden Strahl 16 an dem dritten dichroitischen Strahlteiler 24 zusammenfällt und dadurch das Datensignal des reflektierten Strahls optimiert wird, bevor es vom Bilddatendetektor 22 an der konfokalen Öffnung 32 registriert wird, dann gescannt, zur Herstellung eines Retinabildes verwendet und schließlich in Datenmatrizen zur Weiterverarbeitung gespeichert wird.
In diesem Kontext ist die konfokale Öffnung 32 konfokal mit der zu untersuchenden Retinaebene und ist dafür gedacht, falsche Daten, die von der Retina erhalten werden, zu eliminieren, indem sie lediglich das gerade betrachtete gescannte Bildelement zur Bilderzeugung zuläßt und so der Kontrast der angrenzenden Bildelemente verbessert wird.
Für den Einsatz kann der Laser daher jede Laserlichtquelle sein, die passende Frequenzen aussendet. Bei Beleuchtung mit einer einzigen Laserwellenlänge werden einfarbige Bilder erzeugt. Die Erzeugung von Farbbildern kann jedoch synthetisch durch Scannen erfolgen, indem mehrere Laserstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen verwendet werden, die das sichtbare Spektrum abdecken, und Wellenlängen verwendet werden, die ungefähr den drei Primärfarben des Lichts, Rot, Grün und Blau, entsprechen. Die spezifischen Wellenlängen in den roten, grünen und blauen Banden 566 mm, 633 mm und 488 mm ergeben Bilder mit Mischfarben. Die niedrige Durchschnittsleuchtleistung, die für den Laserscan der Retina eines Patienten erforderlich ist, bedeutet, daß Laserwellenlängen in den sichtbaren Bereichen akzeptabel sind, ohne dem Patienten unnötige Unannehmlichkeiten zu bereiten, auch wenn keine lokale Mydriasis (Pupillenerweiterung) vorgenommen wird, und in einem Strahl aus "weißem Licht" für einen schnellen Scannen zusammengefaßt werden können.
(Kohärentes) Laserlicht kann auf mehrere Arten erzeugt werden. Es können Gaslaser verwendet werden, die ohne weitere optische Korrekturen gute, parallel gerichtete Lichtstrahlen mit kleinem Durchmesser erzeugen.
Halbleiterdiodenlaser können in verschiedenen Ausführungen verwendet werden, entweder mit direkter Lichterzeugung oder unter Verwendung von "Pump"- Techniken, um höhere Oberwellen zu erzeugen, die mit passender Filterung das sichtbare Spektrum abdecken können (450 nm - 800 nm). Die Laserenergie kann direkt von den Gaslasern erzeugt werden, von Halbleiterdioden durch Strahlformoptiken, die den natürlichen Astigmatismus der Laserdioden ausgleichen, oder durch faseroptische Erzeugungssysteme mit eingebauten parallel gerichteten faseroptischen Elementen, mittels derer die Laserdioden nach Wunsch vom Scanningkopf entfernt positioniert werden können.
Augenspezialisten sind daran gewöhnt, allgemeine Dysfunktionen der Retina durch Farben zu diagnostizieren, und es ist das Ziel dieses neuen Laserophthalmoskops zum Scannen der Retina, ein Instrument zu bieten, das ohne umfangreiche spezielle Einschulung bei der Bildanalyse verwendet werden kann.
Es wird vorgeschlagen, daß dieses Ophthalmoskop Halbleiterdiodenlaservorrichtungen zum Scannen des einfallenden Strahls verwendet. Ein Vorteil von Halbleiterdiodenlasern ist, daß sie den Austrittsstrahl sehr schnell modulieren können, und diese hohe Modulationsgeschwindigkeit des Austrittsstrahls verleiht dieser Ausführung einen weiteren Vorteil gegenüber dem bisherigen Stand der Technik. Bei bekannten Erfindungen ist es erforderlich, daß der Raster, den dieser Scanningstrahl erzeugt, separat durch einen Strahldeflektor oder -modulator moduliert wird, da Gaslaser nicht durch Ein- und Ausschalten moduliert werden können. Dieser separate Optomodulator könnte eine Strahldistorsion verursachen, und daher kann es nur eine Verbesserung sein, wenn er aus der Vorrichtung entfernt wird. Durch die Halbleiterdiodenlaser wird eine Modifikation der Rasterscans ermöglicht, um Zielbilder für die Patienten zu erzeugen. Mittels geeigneter Software kann die Position des Zielbildes über das Retinabild gelagert werden und dadurch das Auge bei schwierigen Patienten leichter ruhig gehalten werden. Kleine Kinder können etwa mit einfachen Zeichentrickbildern fasziniert werden.
Ein grundlegender Bestandteil der vorgeschlagenen Ausführung ist ein ellipsoidischer Spiegel. Bei derzeit erhältlichen Ophthalmoskopen mit eingebauten Spiegeln wird spezifiziert, daß diese Spiegel sphärisch sind, und gleichzeitig zugegeben, daß bei der Verwendung sphärischer Spiegel Aberrationen inhärent sind. Diese Spiegel werden in diesem Kontext als Retro- Scanningspiegel bezeichnet.
Bei einem Verfahren, das bei der Verbesserung des Bildfeldes von Scanning-Laser-Ophthalmoskopen in Betracht kommt, wird der Retro-Scanningspiegel vergrößert.
Im vorliegenden Fall wird der Scanningspiegel speziell asphärisch gewählt, um die Länge des optischen Wegs zu optimieren und zu gewährleisten, daß der Scanningspiegel einen Ausgleich des gescannten Strahls über seine Fläche hinweg ermöglicht, der mit dem Ausgleich übereinstimmt, der nötig ist, um den natürlichen Astigmatismus des Auges bei weiteren Bildwinkeln zu akkommodieren.
Der ellipsoidische Spiegel hat zwei Fokusse. Der Scan des einfallenden Strahls wird durch den einen Fokus auf den Spiegel geleitet, und der Spiegel lenkt mit Hilfe des zweiten Fokus den gescannten Beleuchtungsstrahl innerhalb des Auges, so daß die Retina von dem Scanningstrahl in zwei Dimensionen abgedeckt werden kann. Da jedoch das Auge ungefähr sphärisch ist und der Pupillenpunkt (oder Fokus) des asphärischen Spiegels sich innerhalb der optischen Struktur des Auges befindet, ist es notwendig, ein neuartiges Verfahren zum Ausgleichen der astigmatischen Strahldistorsionen während des Retinascannens festzulegen.
Die Astigmatismuskorrektur jedes Scanningstrahls im Pupillenpunkt hat eine Veränderung der optischen Leistung entlang differentieller Achsen zur Folge, während der Scan von der Zentralachse des Auges zur Peripherie der Retina fortschreitet. Gängige Laser- Scanning-Ophthalmoskope beschäftigen sich nicht mit diesem Problem. Derzeit liegt das maximale verfügbare Bildfeld bei etwa 38º vom Pupillenpunkt aus gesehen.
Um die Retinaperipherie mittels gängiger Scanning- Laser-Ophthalmoskope zu untersuchen, muß die Scanachse des Spiegels bezüglich der Zentralachse des Auges gedreht werden. Der Nachteil dabei ist, daß mit steigender Rotation der Scanachse ein Teil des Bildfeldes des Instruments aufgrund von Astigmatismus und/oder Defokus defokussiert und das erzeugte Bild weniger aufschlußreich wird. Zusätzlich stellt das Instrument nur die Scandaten der Bildansicht für einen bestimmten Zeitpunkt dar, und es besteht keine Möglichkeit, mit diesem System Ansichten zu speichern und ein zusammengesetztes Bild darzustellen.
Der nächste Schritt besteht also darin, Mechanismen hinzuzufügen, um den Fokus während dem Scannen einzustellen, um in "einem Scanningdurchgang" digitale Weitwinkeldaten zu erhalten. Dies könnte als aktiver Ausgleichsmechanismus bezeichnet werden und dadurch müssen der Astigmatismus und die Fokusveränderung an allen Punkten des gescannten Bildes ausgeglichen werden. Um diese Bildveränderungen auszugleichen, soll ein Fokussierteleskop verwendet werden, das durch piezoelektrische Elemente angetrieben wird. Durch die piezoelektrischen Elemente, die mit einer Geschwindigkeit arbeiten, die hoch genug ist, um dies innerhalb eines Scandurchgangs zu ermöglichen, wird das Bild mittels Rückkopplung über einen geschlossenen Regelkreis vom Bilddatendetektor und der zugehörigen Elektronik optimiert.
Wenn für das Strahl-Scanning ein Spiegelsystem mit Rotationspolygon verwendet wird, wandert der Scanpunkt seitlich über die Facetten des rotierenden Spiegels. Diese Bewegung des Scanpunkts, die dadurch verursacht wird, daß das Rotationszentrum kein Punkt im Rotationszentrum der Vorderseite des Spiegels ist, hat einen Datenverlust beim Rückstrahl zur Folge.
Der Durchmesser des Rückstrahls ist 5-10 Mal so groß wie der des einfallenden Strahls. Wenn dies nicht ausgeglichen wird, können dadurch etwa 80% des Rückstrahls verloren gehen, da der Rückstrahl die Polygonscanningspiegel überfüllen kann und dadurch Daten verloren gehen können, wenn die Kanten der Spiegelfacetten den Strahl schneiden.
Durch die Verwendung von ellipsoidischen Spiegeln (entweder Oberflächenspiegeln oder Mangin-Spiegeln) in Ophthalmoskopen werden Fehler eingebracht. Diese Fehler sind vor allem Tangential- und Sagittalfehler, also Astigmatismus. Wenn der ellipsoidische Spiegel so ausgerichtet ist, daß sein sagittaler Brennpunkt vor seinem tangentialen Brennpunkt liegt, so bedeutet dies, daß seine sagittale Brennweite kürzer ist als seine tangentiale Brennweite. Ein Auge erzeugt seinen außeraxialen Astigmatismus aus einer Kombination von Fehlern bezüglich der Tangential- und Sagittalbrennweite, wobei die Tangentialbrennweite kürzer ist als die Sagittalbrennweite. Wenn daher diese Fehler gegenläufig eingesetzt werden, kann ein verringerter Gesamtastigmatismus in einem Bilderzeugungssystem erreicht werden.
Da jedoch die Ausgleichsfaktoren für den Astigmatismus an verschiedenen Punkten des Retinascandurchgangs oft unterschiedlich sind, ist es notwendig, ein aktives geschlossenes Regelungssystem einzubauen, wodurch das Ziel verfolgt wird, das gemessene Datensignal des Rückstrahls kontinuierlich zu optimieren.
Der Mechanismus zum Ausgleichen des Astigmatismus besteht aus einer Anordnung von Optiken mit sehr kurzer Brennweite, die vor dem Scannen des einfallenden Strahls im Lichtweg des einfallenden Strahls installiert werden. Diese Linsenanordnung zur Strahlformung bewirkt die Fokussierung des einfallenden Strahls, so daß der erleuchtete Punkt auf der Retina optimiert wird und dadurch die Bildauflösung gesteuert wird, was über computergesteuerte, kleine, relative Bewegungen der piezoangetriebenen Optiken in der Anordnung erfolgt. Der Strahl wird daher durch Computerüberwachung der Linsenanordnung optimiert, bei der Ausgleiche ähnlich schnell vorgenommen werden können wie bei der Regelung durch ein Teleskop mit aktiver Brennweiteneinstellung. Auf dem Rückweg werden die selben Ausgleichsfaktoren auf den Rückstrahl mit den Meßdaten einwirken, bevor er vom Bilddatendetektor registriert wird. In dieser Richtung wird der Rückstrahl durch die Anordnung an der konfokalen Öffnung fokussiert und dadurch der Kontrast des registrierten Endbildes festgelegt.
Die Bilddatendetektoren, die fotoelektrisch sind, erzeugen Bildpunkte eines Retinabildes mit Weitwinkelbildfeld und hoher Auflösung. Die Bildpunkte bilden die Daten und werden in einer Bildfangschaltung bei maximaler Auflösung des Scanners 54 gespeichert, und der Monitor 56, der zum Datendisplay verwendet wird, wird die enthaltenen Daten nicht auf die Daten, die den Bildrahmen erzeugen, begrenzen. Der Monitor wird dazu verwendet, mit hoher Auflösungseinstellung durch das Gesamtbild zu "fahren". Eine weitere Verfeinerung ist die Verwendung von fraktalen Komprimierungstechniken, um die Daten zu komprimieren und analog zu der "Zoom"-Linse ein vollständiges Bild mit einer niedrigeren Auflösung zu erzeugen.
Wenn die Daten einmal abgebildet sind, werden sie in Arrays auf einer Festplatte oder optischen Platte zur weiteren Verarbeitung gespeichert.
Dynamische Sphärische Fokussierung und Ausgleichen des Restastigmatismus.
Heim gesunden Auge haben alle ophthalmischen Scanning- Laser-Systeme einen statischen Brennpunkt, wenn der Brennpunkt erst einmal für den einfallenden Strahl und den Rückstrahl festgelegt worden ist. Dies ist ausreichend für die Bildfelder der betreffenden Instrumente (bis 32 Grad), für weitere Winkel jedoch (bis zu 120 Grad vom Pupillenpunkt), besonders wenn die Retina durch Netzhautablösung oder Löcher in der Netzhaut verzerrt ist, ist dies speziell am Rand der Retina unzureichend. Dadurch ergibt sich das Problem, daß das optische System des Auges, d. h. die Hornhaut und im besonderen die Linse, keine einheitliche Struktur darstellt, wie dies in den vereinfachten Darstellungen des Auges von Gullstrand et al. vermittelt wird. Die Augenlinse hat bekannterweise eine Gradientenstruktur und weist daher innerhalb ihrer Struktur unterschiedliche optische Leistungen auf. Diese Veränderung in der Struktur der Linse, besonders in Kombination mit verschiedenen nicht-mydriatischen (nicht erweiterten) Pupillen (deren Durchmesser als Aperturblende wirkt), hat beträchtliche Auswirkungen auf die Aberrationen, die an den äußersten Punkten des Bildfeldes beim einfallenden und Rückstrahl erzeugt werden. Es gibt daher einen Bereich für einen aktiven Ausgleich der sphärischen Brennweite bei verzerrter Retinaoberfläche, und wenn die lichtbrechende Eigenschaft des Auges des Patienten erst einmal gescannt und optimiert worden ist, besteht die Möglichkeit, einen aktiven (dynamischen) Ausgleich für Fehler der sphärischen Brennweite in einem Algorithmus einsetzen und zur Verbesserung des Retinaabbilds des Patienten zu verwenden.
Das Scanning-Laser-Ophthalmoskop wird hier eingebaut in eine Auflagevorrichtung vorgestellt, wobei der Patient seinen Kopf (und somit sein Auge) in die richtige Position für das Scannen auflegt. Dies hat zur Folge, daß der Arzt die Position der Scanning-Laserstrahlen in der Pupille des Auges des Patienten nicht direkt sehen kann. Daher wird ein System zur Positionierung des Auges des Patienten vorgeschlagen, bei dem eine Infrarotbereichsbeleuchtung verwendet wird. Ein Infrarotbereichsbeleuchter 58 wird durch einen Leistungsisolator und Reduktionsfilter 60 sowie einen fünften 62 und sechsten 64 dichroitischen Strahlteiler gelenkt, um die Vorderseite des Auges zu beleuchten. Das erhaltene Bild wird durch dichroitische Filter 64, 62 zu einem Infrarotbandpaßfilter 66 geschickt, das Bild wird von einer kleinen ladungsgekoppelten Kamera 68 aufgenommen und auf einem kleinen Videomonitor wiedergegeben. Der einfallende Strahl von dem Scannersystem kann leicht betrachtet werden, und der einfallende Strahl kann von der jeweiligen Bedienungsperson auf die Pupillenebene 52 des Patienten gerichtet werden.
Das System des "Scannens mit einem Virtuellen Punkt" stellt einen Spezialfall des allgemeinen Vorgangs des "Scannens mit einem Anpeilbaren Punkt" dar, wobei zwei Scanningprismas orthogonal eingesetzt werden und die Geschwindigkeit des einen Prismas synchron oder unterschiedlich bezüglich der Rotation des Rotationspolygons ist und das andere Scanningprisma synchron oder unterschiedlich bezüglich des Galvanometerspiegels ist. Dadurch wird ein sogenannter "anpeilbarer Scanpunkt" innerhalb der Pupillenebene des Patienten, d. h. am Pupillenpunkt erzeugt. Dieser anpeilbare Scanpunkt kann auch innerhalb der Pupillenebene wandern. Das Scannen mit einem Virtuellen Punkt ist ein Spezialfall, bei dem nur ein einziges Scanningprisma zusammen mit dem Galvanometerantrieb verwendet wird und wobei der Strahlwinkelscan innerhalb der Pupillenebene scheinbar von einer Quelle, dem virtuellen Punkt, kommt.
Der Pupillenpunkt ist ein willkürlicher Punkt im Linsensystem des Auges, durch den alle Scanstrahlen hindurchgeschickt werden sollten, um die Weitwinkelbildfähigkeit des Instruments zu optimieren.
Mit Hilfe von Scannen mit virtuellem Punkt soll dies gewährleistet werden.

Claims

1. Ein Scanning-Laser-Ophthalmoskop (2) zum Scannen der Augennetzhaut bestehend aus:

einer Laserlichtquelle (4, 6, 8);

einem ersten Scanningsystem (46);

einem zweiten Scanningsystem (48); und

einem asphärischen Spiegel (50);

wobei die Laserlichtquelle (4, 6, 8) und das erste (46) und zweite (48) Scanningsystem derart adaptiert sind, daß sie gemeinsam einen zweidimensionalen Laserlichtscan von einer scheinbaren Punktlichtquelle aus bereitstellen können;

dadurch gekennzeichnet, daß:

besagter asphärischer Spiegel (50) zwei Brennpunkte hat;

der asphärische Spiegel (50) adaptiert ist, um den zweidimensionalen Laserlichtscan von der Punktlichtquelle in das Auge zu leiten; und

das Ophthalmoskop (2) adaptiert ist, um die scheinbare Punktlichtquelle an einem ersten Brennpunkt des asphärischen Spiegels (50) bereitzustellen und ein Auge an einem zweiten Brennpunkt des Spiegels (50) zu akkommodieren.

2. Scanning-Ophthalmoskop (2) gemäß Anspruch 1, wobei der asphärische Spiegel (50) ein ellipsoidischer Spiegel ist.

3. Scanning-Ophthalmoskop (2) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, das einen Scanning-Kompensator (44) beinhaltet, wobei dieser Scanning-Kompensator den Lichtaustritt von dem ersten Scanningsystem mit dem zweiten Scanningsystem koppelt, so daß der zweidimensionale Laserlichtscan von der scheinbaren Punktlichtquelle ausgeht.

4. Scanning-Ophthalmoskop (2) gemäß Anspruch 3, wobei der Scanning-Kompensator (44) ein Scanning-Prisma ist.

5. Scanning-Ophthalmoskop (2) gemäß Anspruch 3, wobei der Scanning-Kompensator (44) eine Anordnung eines außeraxialen asphärischen Spiegels und eines Galvanometers oder rotierenden Polygons darstellt.

6. Eine Methode zum Scannen der Augennetzhaut mittels eines zweidimensionalen Laserlichtscans von einer scheinbaren Punktlichtquelle aus, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Schritte beinhaltet:

Bereitstellen des zweidimensionalen Laserlichtscans von einer scheinbaren Punktlichtquelle an einem ersten Brennpunkt eines asphärischen Spiegels;

Positionieren der Pupille des Auges an einem zweiten Brennpunkt des asphärischen Spiegels, und;

Übertragen des zweidimensionalen Laserlichtscans mit Hilfe des asphärischen Spiegels von der scheinbaren Punktlichtquelle an einen Punkt in der Pupille des Auges.