WO2007025728A1 - Verfahren und messanordnung zur feststellung der position des augapfels, einschliesslich der verrollung - Google Patents

Verfahren und messanordnung zur feststellung der position des augapfels, einschliesslich der verrollung Download PDF

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WO2007025728A1
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reflection
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the position of the eyeball of a patient.
  • the invention also relates to a measuring arrangement for carrying out the method.
  • eye-trackers movements of the eyeball of a lying patient in the horizontal plane can be tracked.
  • Such systems are particularly required for the detection of the eye position in refractive, so the refractive power of the cornea changing laser surgery on the eye.
  • systems are known (see WO 00/27273) with which the displacements in the vertical axis, in particular in an x-y plane, can be detected. This information is used to adjust the deflection of the laser beam during treatment to the eye movements.
  • the laser beam is switched off with the aim of correctly placing the individual ablative laser pulses.
  • a disadvantage of known eye trackers is that, in principle, they are not the positions of the corneal surface can follow themselves.
  • the healthy cornea and the corneal surface ie the places where the laser energy is supposed to act, are transparent and can not be fixed visually without additional marking.
  • the pupil center or the circular limbus of the eyes are used as detectable "breakpoints.” As will be explained, parallax errors occur as soon as the eye is rolled.
  • a method for determining the position of the eyeball of a patient in which the following method steps are carried out: From at least one light source at an origin point located outside the eye, light beams are directed at the eye, those from several reflection zones, which focus on the eye the pupillary plane or one in the lie substantially parallel plane, are reflected; the light reflected in the pupil plane or in a plane substantially parallel thereto is picked up by photoreceptors and the respective distances between origin, reflection zone and photoreceptor are determined; a reference position of the pupillary plane is determined, which corresponds to a basic position of the eye position; upon adjustment of the eyeball and the pupillary plane, changes in the position of the pupil and changes in position of the pupillary plane are calculated on the basis of the reference position on the basis of the distance differences and thus the position of the eyeball is determined.
  • the distance is determined in each case by means of an interferometric distance measurement.
  • optically distinguishable reflection regions on the iris can serve as a reference for a position detection in a cyclotrotation of the pupillary plane.
  • a measurement can also take place along an array of reflection zones which is located on at least one imaginary traverse line around the center of the pupil.
  • the aforesaid reflection zones preferably lie on a plurality of polygons concentrically arranged with respect to the center of the pupil, wherein the radial distance of the polygons between them increases from the pupil center to the outside in order to achieve a higher density of measuring points centrally and thus a higher resolution.
  • the invention also relates to a measuring arrangement for carrying out the method, which is characterized by the following features:
  • At least one light source from which light beams are to be directed onto the eye, which are reflected by a plurality of reflection zones which lie on the pupillary plane or on a plane substantially parallel thereto,
  • Photoreceptors with which the reflected light is collected and the respective distance from the origin or points is determined, so that starting from a reference position of the pupillary plane based on the distance differences in adjustment of the eyeball and the pupillary plane changes in the position of the pupillary plane and the pupil and thus the position of the eyeball are detectable, lbar are.
  • Fig. 3 shows schematically the elements belonging to an embodiment of the invention; 4a to 4c arrangements of reflection zones in the region of the iris and the limbus;
  • 5a and 5b show an arrangement of a measuring matrix with numerous reflection points in the region of the eye.
  • a device for detecting the corneal position in connection with an operation place for operation on the cornea by means of a laser system is shown schematically.
  • an excimer laser 1 is used, which generates a laser beam 2 of appropriate wavelength and energy density which can be used for corneal surgery.
  • the laser beam 2 is steered by a mirror 3 controllably on the eye 4, especially on the cornea 40.
  • intermittent pulses a portion of the cornea 40 is removed, as indicated by dots.
  • the mirror 3 is transparent to infrared and visible light. If the patient's eye looks upwards, it can be observed through a microscope 6 (beam 6 ').
  • a system called “eye-tracker” or pupil-tracking system 30 is provided, starting from two infrared light sources 11, 12 which form an image of the pupil of the 4, which is guided through the mirror 3 and deflected by the mirror 10 so that it passes directly to a CCD camera 13, which is followed by a frame grabber 14 for digitizing the received image entered in a computer 15, which also controls the function of the laser 1.
  • the center of the pupil displaced in the x-y plane in each image sequence can be determined.
  • the x-y coordinates of the pupil center can be determined and fed to the laser 1 via a control circuit which carries out a readjustment.
  • a control circuit which carries out a readjustment.
  • FIG. 3 schematically shows a further monitoring device which is arranged above the eye 4.
  • E is an arrangement of several, for example four Rangefinders in the form of photodetectors 5.1, 5.2, 5.3, 5.4.
  • the photodetectors belong to interferometric measuring circuits, which are described below.
  • the position of the crest S of the cornea changes.
  • the changing point of impact of the laser beam 2 can follow this change to a certain extent. It is assumed that the value of the z-coordinate is not affected by this change.
  • the z-value of the corneal vertex changes.
  • the laser beam 2 here denoted by 2 ', which continues to orient itself at the x-y displacement of the pupil center point P to P ", for example to meet the corneal vertex, strikes the cornea laterally outside the vertex and thus not at the desired operating point.
  • the distances ai, a 2 , a 3 , a 4 are measured as distances to a pupillary plane at the eye in a measuring arrangement according to the invention of four photodetectors 5.1, 5.2, 5.3, 5.4.
  • the laser beam is split via a beam splitter in a measuring beam and a reference part and according to the principle of the Michel- son-interferometer in a photodetector is checked for interference. Using the interference values, it is possible to ascertain exactly a distance to a reflection zone on the eye up to the magnitude of the light wavelength.
  • a pupillary plane E On a pupillary plane E are several reflection zones 7.1, ... 7.4 corresponding to the number of photodetectors 5.1 ... 5.4.
  • the reflected light beam returning to the respective photodetector makes it possible to detect the exact distances a x ... A 4 . If, for example, the eye now tilts around the eye pivot point M by the angle ⁇ , so that, as shown in FIG. 3, a substantially new value triplet x, y, z is displayed for the pupil center, the pupillary plane E is also tilted, so that other values for ai ... a 4 result.
  • the ray belonging to ai falls into the pupil itself and thus gives a much higher value than the initial value, since a reflection of the ray takes place at the approximately 20 mm lower lying retina. This can be determined with certainty that the cornea is no longer in the range of the correct working position due to rolling and / or displacement of the eye.
  • the change is detected even when rolling.
  • the distance range is also entered into the computer 15 and processed there. If a certain value is exceeded, the laser beam 2 can be switched off.
  • the eyeball should thereby roll around a fictitious eye rotation point M, which is located approximately in the center of the eyeball.
  • the distance from the corneal vertex S to the pupillary plane center P is assumed to be 3.5 mm and the distance from the corneal vertex S to the eye pivot point M is 13.5 mm.
  • [SS '] is the distance from point S to point S'
  • [MP] is the distance from the point of rotation of the eye M to the center of the pupil P, etc.
  • the displacement of the cornea in the horizontal plane perpendicular to the sensor at the laser is greater by a factor of 1.35 than the displacement of the pupil center in the pillar plane, or, in the present example: at a displacement of 1 mm the center of the pupil is the displacement of the corneal vertex [SS '] 1,35 mm, corresponding to 2 mm displacement of the pupil center is the displacement of the corneal vertex [SS'] 2,70 mm.
  • the error in the horizontal displacement caused by the rolling angle ⁇ must therefore be corrected.
  • ⁇ 2.87 °
  • ⁇ 5.74 °
  • ⁇ 11.53 °
  • Modern commercial flying-spot excimer lasers operate with a laser beam diameter of 0.6 to 1 mm. Lasers with a smaller spot size are about to be launched on the market. An incorrect positioning of the laser spot by 0.7 mm can therefore lead to the wrong application of the entire laser energy.
  • the roll angle ⁇ can be determined if it is assumed that the measurement beams fall approximately parallel or parallel to the pupillary plane (see FIG. 5b). From the path length difference between two beams and their horizontal distance follows
  • the system shown in FIGS. 1 and 3 permits the determination that the pupillary plane has also made a roll in addition to a movement in the x or y direction.
  • the laser beam can then be guided accordingly, so that the pattern of individual laser pulses continues to be placed at the planned locations on the corneal surface and a parallax error is avoided. If a limit is exceeded, the laser beam is switched off.
  • the measuring method can also be varied so that not only three or four reflection zones are utilized as measuring points, but a much larger number. In FIG. 4a, for example, eight reflection zones 7.1... 7.8 are arranged distributed on the iris 22, which are distributed in a polygonal symmetrical manner about the pupil 23.
  • Reflection zones may also be arranged on the pupillary plane formed by the limbus 20, that is to say the boundary between the iris and sclera (dermis) (cf. FIG. 4 c). Also may be around the pupil center several, arranged in the form of polygonal reflection zone arrangements. In this case, the radial distance of the polygons can increase with each other, so that the highest zone density is close to the pupil.
  • the method can also be extended by an image acquisition unit.
  • optically distinguishable reflection areas on the iris are provided by a Scanner beam detected, which are supplied to the optical digitizing system. In a cyclototation of the eyeball this can be detected and equally the inclination of the pupillary plane to be followed. Accordingly, a correction of the operating laser beam 2 can take place.
  • FIGS. 5a and 5b A further variation of the measuring method will be explained with reference to FIGS. 5a and 5b.
  • a 9x11 array of measurement detectors measures the corresponding array of reflection zones 7 distributed over the corneal region 21, the iris 22, the pupil 23, and the sclera 24 of the eyeball. Assuming a neutral position of the eye, different distances result, which determine a spatial topography of the eye. This is also apparent from the side view of FIG. 5b. Since the distance to the retina (retina) measured by the pupil is substantially greater than the distance to the iris surrounding the pupil, it can also be determined with such a measurement result if the eye deviates from the zero position to such an extent that a displacement of the pupil must be accepted.
  • Such a matrix arrangement can also replace an optical comparison according to the arrangement of FIG. 1, whereby not only an xy-detection of the pupil center is detected, but also the cyclotrotation and the rolling can be determined by the evaluation of all possible measured values. This can in particular also be detected during an in vivo operation in humans and be used to track the treatment beam. If a limit value is exceeded, the laser beam can be switched off. Thus, errors in the diagnosis and therapy of the patient's eye can be avoided.
  • the obtained values can be used in corneal treatment with a LASER such.
  • Phototherapeutic keratectomy PTK
  • photorefractive keratectomy PRK
  • laser in situ keratomileusis LASIK
  • EPI-LASIK EPI-assisted subepithelial keratectomy
  • the method described can be used, for example, in the aberration determination of the eye and in corneal topography, in order to allow more accurate measurements. Furthermore, individualized contact lens adjustments can be made by a corneal topography determined in this way, which can compensate for regional irregularities of the cornea, for example following injuries, degeneration (especially keratoconus) or operations.

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Abstract

Verfahren und Messanordnung mit wenigstens einer Lichtquelle (11, 12) , von der aus Lichtstrahlen auf das Auge (4) zu richten sind, die von mehreren Ref lektionszonen, die auf der Pupillarebene oder einer dazu im Wesentlichen parallelen Ebene liegen, reflektiert werden und Photorezeptoren (5.1, 5.2, 5.3, 5.4) , mit denen das reflektierte Licht aufgefangen wird. Die jeweilige Entfernung von der Lichtquelle zu den Ref lektionszonen wird festgestellt, wobei ausgehend von einer Bezugsstellung der Pupillarebene anhand der Entfernungsdifferenzen bei Verstellung des Augapfels und der Pupillarebe ne Änderungen der Lage der Pupillarebene und der Pupille und damit die Lage des Augapfels feststellbar sind.

Description

Verfahren und Messanordnung zur Feststellung der Position des Augapfels, einschließlich der Verrollung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung der Position des Augapfels eines Patienten. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens .
Mit Hilfe von optoelektronischen Verfolgungssystemen, so genannten Eye-Trackern, können Bewegungen des Augapfels eines liegenden Patienten in der Horizontalebene verfolgt werden. Derartige Systeme sind insbesondere für die Erkennung der Augenposition bei refraktiven, also die Brechkraft der Hornhaut ändernden Laser-Operationen am Auge erforderlich. Es sind beispielsweise Systeme bekannt (vergleiche WO 00/27273) , mit denen die Verschiebungen in der Vertikalachse, insbesondere in einer x-y-Ebene, er- fasst werden können. Diese Informationen werden genutzt, um die Auslenkung des Laserstrahls bei der Behandlung an die Augenbewegungen anzupassen. Bei unerwünscht großen Abweichungen („Exkursionen") des Auges wird der Laserstrahl abgeschaltet. Das Ziel ist, dadurch die einzelnen ablativen Laserpulse korrekt zu platzieren.
Nachteilig bei bekannten Eye-Trackern ist, dass sie vom Prinzip her nicht die Positionen der Hornhautoberfläche selbst verfolgen können. Die gesunde Hornhaut und die Hornhautoberfläche, also die Orte, an denen die Laserenergie wirken soll, sind durchsichtig und ohne zusätzlich Markierung optisch nicht festlegbar. Um ohne zusätzlich Markierungen unterscheidbare und ausmachbare Orte im Auge zu finden, werden daher beispielsweise das Pupillenzentrum oder der kreisförmige Limbus der Augen als erkennbare „Haltepunkte" verwendet. Es kommt damit, wie noch erläutert werden wird, zu Parallaxenfehlern, sobald das Auge verrollt wird, das heißt, sobald die Pupillare- bene nicht mehr senkrecht zum Sensor des Eye-Trackers ausgerichtet ist. Es kann damit zu Fehlbehandlungen kommen, da die Wirkungslokation des Laserstrahls nicht mit der berechneten Lokation übereinstimmt. Außerdem trifft der Lichtstrahl nicht im berechneten Winkel auf die Hornhaut auf, wodurch sich die Energiedichte (fluence) am Wirkungsort ändert und damit der Gewebeabtrag am Wirkungsort anders als berechnet erfolgt.
Es stellt sich demnach die Aufgabe, die Bewegungen des Augapfels nicht nur parallel und senkrecht zur Pupillar- ebene zu erfassen, sondern auch Verrollungen des Auges, also die Neigung der Pupillarebene, relativ zum Behandlungslaser oder zu einer definierten Behandlungsebene zu berücksichtigen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Feststellung der Position des Augapfels eines Patienten, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: Von wenigstens einer Lichtquelle in einem außerhalb des Auges liegenden Ursprungspunkt werden Lichtstrahlen auf das Auge gerichtet, die von mehreren Reflekti- onszonen, die auf der Pupillarebene oder einer dazu im wesentlichen parallelen Ebene liegen, reflektiert werden; das in der Pupillarebene oder in einer dazu im wesentlichen parallelen Ebene reflektierte Licht wird von Photorezeptoren aufgefangen und es werden die jeweiligen Entfernungen zwischen Ursprungspunkt, Reflektions- zone und Photorezeptor festgestellt; es wird eine Bezugsstellung der Pupillarebene festgelegt, die einer Grundstellung der Augenposition entspricht ; bei Verstellung des Augapfels und der Pupillarebene werden ausgehend von der Bezugsstellung anhand der Entfernungsdifferenzen Lageänderungen der Pupille und Lageänderungen der Pupillarebene errechnet und damit die Lage des Augapfels festgestellt.
Vorzugsweise wird die Entfernung jeweils mittels einer interferometrischen Distanzmessung bestimmt.
Die Reflektionszonen sollen auf einem leicht auffindbaren und wiederholbar ansteuerbaren Bereich des Auges liegen. Hierzu eigenen sich insbesondere die Iris und/oder der Limbus, die im Wesentlichen auf der Pupillarebene liegen. Wenigstens ein Teil der Reflektionszonen kann auch auf einem Ring aus augenverträglichem Material liegen, der auf die Hornhaut gelegt wird.
Möglich ist auch, dass durch eine hohe Dichte von Reflek- tionszonen und Interpolieren der Messergebnisse an diesen Reflektionszonen die Entfernung diskreter Lagepunkte auf der Pupillarebene interpoliert wird.
Weiterhin können sich bei Anordnung einer Matrix von Reflektionszonen um die Pupille herum mit ausreichend hoher Messzonen-Dichte zwei deutlich unterschiedliche Entfernungswert-Gruppen ergeben, nämlich die Entfernungswerte bis zu den Reflektionspunkten, die zu der Matrix gehören, und Entfernungswerte, die durch Reflektionen an der Retina gewonnen wurden, die ca. 20 mm hinter der vorgenannten Pupille liegt, wobei letztere der Pupille zugeordnet werden und die Position und Aufweitung der Pupille hierdurch ermittelt wird.
Eine Anordnung von Reflektionszonen kann in wenigstens einem Polygonzug verteilt um die Pupillenmitte erfolgen. Darüber hinaus können die Reflektionszonen auf mehreren, um die Pupillenmitte konzentrischen Polygonzügen liegen, wobei der radiale Abstand der Polygonzüge untereinander sich von der Pupillenmitte nach außen vergrößern kann, um zentral eine höhere Dichte von Messwerten zu erhalten.
Sollen auch die Rotation um die Fixierlinie des Auges, das heißt um die Sehachse in Blickrichtung, erfasst werden, so können optisch unterscheidbare Reflektionsberei- che auf der Iris als Referenz für eine Lageerfassung bei einer Zyklorotation der Pupillarebene dienen.
Eine Messung kann auch entlang einer Anordnung von Re- flektionszonen erfolgen, die sich auf wenigstens einer gedachten Polygonzug-Linie um die Pupillenmitte befindet. Vorzugsweise liegen die vorgenannten Reflektionszonen auf mehreren, zur Pupillenmitte konzentrisch angeordneten Polygonzüge, wobei der radiale Abstand der Polygonzüge untereinander sich von der Pupillenmitte nach außen vergrößert, um zentral eine höhere Dichte von Messpunkten und damit eine höhere Auflösung zu erreichen. Die Erfindung betrifft auch eine Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
wenigstens eine Lichtquelle, von der aus Lichtstrahlen auf das Auge zu richten sind, die von mehreren Re- flektionszonen, die auf der Pupillarebene oder einer dazu im Wesentlichen parallelen Ebene liegen, reflektiert werden,
Photorezeptoren, mit denen das reflektierte Licht aufgefangen und die jeweilige Entfernung von dem oder den Ursprungspunkten festgestellt wird, so dass ausgehend von einer Bezugsstellung der Pupillarebene anhand der Entfernungsdifferenzen bei Verstellung des Augapfels und der Pupillarebene Änderungen der Lage der Pupillarebene und der Pupille und damit die Lage des Augapfels feststellbar sind, lbar sind.
Weitere Unteransprüche, die die Messanordnung und deren Verwendung betreffen, werden anhand der nachfolgenden Beschreibung erläutert .
Die Figuren der Zeichnung zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 schematisch einen Schaltkreis einer Eye-
Tracker-Messanordnung mit zusätzlicher Vorrichtung gemäß Erfindung;
Fig. 2 das menschliche Auge und seine möglichen Frei- heitsgrade der Bewegung;
Fig. 3 schematisch die zu einer Ausführungsform der Erfindung gehörenden Elemente; Fig. 4a bis 4c Anordnungen von Reflektionszonen im Bereich der Iris und des Limbus;
Fig. 5a und Fig. 5b eine Anordnung einer Messmatrix mit zahlreichen Reflektionspunkten im Bereich des Auges.
In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Feststellung der Hornhaut -Position im Zusammenhang mit einem Operationsplatz zur Operation an der Hornhaut mit Hilfe eines Laser-Systems dargestellt. Es wird gemäß Ausführungsbeispiel ein Excimer-Laser 1 verwendet, der einen für Hornhaut-Operationen verwendbaren Laserstrahl 2 entsprechender Wellenlänge und Energiedichte erzeugt. Der Laserstrahl 2 wird durch einen Spiegel 3 steuerbar auf das Auge 4, speziell auf die Hornhaut 40, gelenkt. Durch intermittierende Pulse wird ein Teil der Hornhaut 40 abgetragen, wie durch Punkte angedeutet ist.
Der Spiegel 3 ist durchsichtig für infrarotes und sichtbares Licht. Blickt das Auge des Patienten nach oben, kann es durch ein Mikroskop 6 beobachtet werden (Strahl 6') .
Um den willkürlichen und unwillkürlichen Bewegungen des Auges 4 und der Pupille folgen zu können, ist ein „Eye- Tracker" oder Pupillen-Verfolgungssystem 30 genanntes System vorgesehen. Hierbei wird ausgegangen von zwei Infrarot-Lichtquellen 11, 12, die ein Bild der Pupille des Auges 4 erzeugen, das durch den Spiegel 3 geführt und durch den Spiegel 10 abgelenkt wird, so dass es direkt zu einer CCD-Kamera 13 gelangt, der eine Bildfangschaltung (frame grabber) 14 zur Digitalisierung des empfangenen Bildes nachgeschaltet ist. Das digitalisierte Bild wird in einem Computer 15 eingegeben, der auch die Funktion des Lasers 1 steuert .
Durch Vergleich der Bilder der Pupille mit einem Ausgangswert, der einer Bezugsstellung entspricht, kann das jeweils sich in der x-y-Ebene verstellte Zentrum der Pupille bei jeder Bildsequenz festgestellt werden. Damit können die x-y-Koordinaten des Pupillenzentrums ermittelt und über einen Steuerungskreis, der eine Nachstellung vornimmt, dem Laser 1 zugeführt werden. Für die Nachstellung können auch optische Systeme, die hier nicht weiter dargestellt sind, eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt die Freiheitsgrade der Bewegungsmöglichkeiten eines Augapfels 400 im Raum durch entsprechende Pfeile. Die am Augapfel angreifenden Muskeln ermöglichen eine willensgesteuerte Rotationsbewegung um eine Achse eines gedachten Koordinatensystems (gepunktete Linien) mit dem Ursprung im Augendrehpunkt M. Diese Bewegung wird als Verrollung (Pfeil Px) bezeichnet. Auch kann das Auge um die Sehachse rotieren (Pfeil P2) . Diese Bewegung wird als Zyklorotation bezeichnet. Bei Augenoperationen kommen außerdem noch lineare und rotierende Bewegungen des Auges mitsamt des Kopfes in allen Richtungen des Raumes hinzu, welche - mathematisch vereinfacht - so betrachtet werden, als ob sie sich in einer Ebene vollziehen, wobei angenommen wird, dass diese Bewegung mit einem Eye-Tracker mit ausreichender Genauigkeit ebenso wie die Rotation um die Sehachse verfolgt werden können.
Figur 3 zeigt schematisch eine weitere Überwachungsvorrichtung, die über dem Auge 4 angeordnet ist. E handelt sich um eine Anordnung von mehreren, beispielsweise vier Entfernungsmessern in Form von Fotodetektoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4. Die Fotodetektoren gehören zu interferometrischen Messkreisen, die im Folgenden noch beschrieben werden.
Hierbei sei zur Verdeutlichung angenommen, dass sich im Ausgangszustand das Pupillenzentrum als Referenzpunkt im Kartesischen Koordinatensystem mit x- , y- , z-Achse gemäß Figur 3 im Koordinatenursprung x = y = z = 0 befindet. Bei geringer Abweichung, ausgehend von diesem Ursprung in x- oder y-Richtung, ändert sich die Position des Scheitels S der Hornhaut. Der sich damit auch ändernde Auf- treffpunkt des Laserstrahls 2 kann bis zu einem gewissen Grade dieser Veränderung folgen. Hierbei wird angenommen, dass der Wert der z-Koordinate zunächst bei dieser Änderung nicht beeinflusst ist .
Rollt dagegen das Auge, so ändert sich der z-Wert des Hornhaut-Scheitels . Der Laserstrahl 2, hier mit 2' bezeichnet, der sich weiterhin an der x-y-Verrückung des Pupillen-Mittelpunkts P zu P" orientiert um beispielsweise den Hornhautscheitel zu treffen, trifft die Hornhaut seitlich außerhalb des Scheitels und damit nicht an dem erwünschten Operationspunkt.
Um diese Fehlsteuerung auszuschließen, werden bei einer Messanordnung gemäß Erfindung von vier Fotodetektoren 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 die Entfernungen ai, a2, a3, a4 als Abstände zu einer Pupillarebene am Auge gemessen. Innerhalb des Gehäuses der Fotodetektoren befinden sich jeweils frequenzstabile Helium-Neon-Laser, deren Laserstrahl über einen Strahlteiler in einen Messstrahl und einen Referenzteil aufgeteilt wird und nach dem Prinzip des Michel- son-Interferometers in einem Fotodetektor auf Interferenz überprüft wird. Anhand der Interferenzwerte kann bis zur Größenordnung der Lichtwellenlänge genau eine Entfernung zu einer Reflektionszone am Auge festgestellt werden.
Auf einer Pupillarebene E liegen mehrere Reflektionszonen 7.1, ... 7.4 entsprechend der Anzahl von Fotodetektoren 5.1 ... 5.4. Der reflektierte Lichtstrahl, der zu dem jeweiligen Fotodetektor zurück gelangt, erlaubt es, die genauen Entfernungen ax ... a4 festzustellen. Kippt jetzt beispielsweise das Auge um den Winkel α um den Augendrehpunkt M, so dass sich gemäß Fig. 3 ein wesentlich neues Wertetripel x, y, z für das Pupillenzentrum ausstellt, so ist auch die Pupillarebene E verkippt, so dass sich andere Werte für ai ... a4 ergeben. Es kann sogar so sein, dass der zu ai gehörende Strahl in die Pupille selbst fällt und damit einen wesentlich höheren Wert ergibt als der Ausgangswert, da eine Reflektion des Strahls an der ca. 20 mm tiefer liegenden Retina erfolgt. Damit kann mit Sicherheit festgestellt werden, dass durch Verrollung und/oder Verschiebung des Auges die Hornhaut sich nicht mehr im Bereich der richtigen Arbeitsposition befindet.
Durch Feststellung der Entfernungen bei Verstellung des Augapfels und der Pupillarebene wird die Veränderung auch bei einem Verrollen festgestellt. Die Entfernungsweite wird ebenfalls in den Computer 15 eingegeben und dort verarbeitet. Bei Überschreitung eines bestimmten Wertes kann der Laserstrahl 2 abgeschaltet werden.
Als Beispiel seien der Parallaxenfehler und dessen Berücksichtigung für eine vereinfachte Modellrechnung dargestellt (vergl . Figur 3). Der Augapfel soll sich dabei um einen fiktiven Augendrehpunkt M, der sich etwa in der Mitte des Augapfels befindet, verrollen. Der Abstand vom Hornhautscheitel S zum Pupillarebenen-Mittelpunkt P sei mit 3 , 5 mm und der Abstand vom Hornhautscheitel S bis zum Augendrehpunkt M mit 13,5 mm angenommen.
Bei einer Verrollung oder Rotation des Augapfels um den Augendrehpunkt M um einen Winkel α folgt aus dem Strahlensatz :
[SS'] _ [MS]_ [13,5] = [1^5] 35 [PF] [MF] [13,5-3,5] [10]
Dabei bedeutet [SS'] die Entfernung von Punkt S zu Punkt S', [MP] die Entfernung vom Augendrehpunkt M zur Pupillenmitte P usw.
Bei einer Verrollung um den Augendrehpunkt M gemäß Beispiel ist die Verschiebung der Hornhaut in der Horizontalebene senkrecht zum Sensor am Laser um den Faktor 1,35 größer als die Verschiebung der Pupillenmitte in der Pu- pillarebene, oder, im vorliegenden Beispiel: Bei 1 mm Verschiebung der Pupillenmitte ist die Verschiebung des Hornhautscheitels [SS'] 1,35 mm, entsprechend bei 2 mm Verschiebung der Pupillenmitte ist die Verschiebung des Hornhautscheitels [SS'] 2,70 mm. Der durch den Verrol- lungswinkel α hervorgerufene Fehler in der Horizontalverschiebung muss demnach korrigiert werden. Aus
Gegenkathete s in α =
Hypotenuse folgt bei einem Abstand [MP] von 10 mm eine Verschiebung der Pupillenmitte von 0,5 mm ein Verrollungswinkel von α = 2,87°, bei 1 mm ein Verrollungswinkel von α = 5,74°, bei 2 mm ein Verrollungswinkel von α = 11,53°. Das bedeutet, dass bei einer Verrollung um 11,53° die Pupillenmitte um 2 mm in der Horizontalebene verschoben wird und der Laserspot um 0,7 mm falsch platziert wird. Moderne handelsübliche Flying-spot Excimer Laser arbeiten mit einem Laserstrahldurchmesser von 0,6 bis 1 mm. Laser mit geringerer Spotgröße stehen vor der Markteinführung. Eine Fehlpositionierung des Laserspots um 0,7 mm kann also dazu führen, dass die gesamte Laserenergie falsch appliziert wird.
Der Verrollungswinkel α kann bestimmt werden, wenn angenommen wird, dass die Messstrahlen annähernd parallel o- der parallel auf die Pupillarebene fallen (vergl . Figur 5b) . Aus der Weglängendifferenz zweier Strahlen und ihrem horizontalen Abstand ergibt sich aus
Weelängendifferenz tg α = — - — horizontaler Abst. der Winkel α .
Das in den Fig. 1 und 3 dargestellte System erlaubt die Feststellung, dass die Pupillarebene außer einer Bewegung in x- oder y-Richtung auch eine Verrollung vorgenommen hat . In einem begrenzten Bereich kann der Laserstrahl dann entsprechend geführt werden, so dass das Muster aus einzelnen Laserpulsen weiterhin an den geplanten Orten auf der Hornhautoberfläche platziert und ein Parallaxenfehler vermieden wird. Wird ein Grenzwert überschritten, so wird der Laserstrahl abgeschaltet . Das Messverfahren lässt sich jedoch auch dahingehend variieren, dass nicht nur drei oder vier Reflektionszonen als Messpunkte verwertet werden, sondern eine wesentlich größere Anzahl. In Fig. 4a sind beispielsweise acht Re- flektionszonen 7.1 ... 7.8 auf der Iris 22 verteilt angeordnet, die polygonal symmetrisch um die Pupille 23 verteilt sind.
Auch können Reflektionszonen an der durch den Limbus 20, also der Grenze zwischen Iris und Sklera (Lederhaut) gebildeten Pupillarebene angeordnet sein (vergleiche Fig. 4c) . Auch können um das Pupillenzentrum mehrere, in Form von Polygonzügen angeordnete Reflektionszonen-Anordnungen liegen. Dabei kann sich der radiale Abstand der Polygonzüge untereinander vergrößern, so dass die höchste Zonendichte nahe der Pupille besteht.
Es wurde allerdings festgestellt, dass so verteilte Re- flektionszonen auf der Oberfläche der Iris wie auch am Limbus nicht auf einer „mathematischen" Ebene liegen, sondern mit Varianzen quasi auf Höhen und Tiefen angeordnet sind. Insbesondere die Iris ist von Mensch zu Mensch unterschiedlich zerklüftet. Daher reicht eine Messung von nur wenigen Reflektionspunkten nicht aus. Es werden daher, wie Fig. 4b zeigt, die vier Reflektionsbereiche jeweils in ein Messtripel 26 von drei Punkten aufgelöst, deren Werte gemittelt werden.
Um die Drehung des Augapfels, also die Zyklorotation, gesehen vom Zentrum der Pupille, zu erfassen, kann das Verfahren auch durch eine Bilderfassungseinheit erweitert werden. Zusätzlich zu Entfernungen werden optisch unterscheidbare Reflektionsbereiche auf der Iris durch einen Scanner-Strahl erfasst, die dem optischen Digitalisie- rungssystem zugeführt werden. Bei einer Zyklorotation des Augapfels kann diese erfasst und gleichermaßen die Neigung der Pupillarebene verfolgt werden. Entsprechend kann eine Korrektur des operierenden Laserstrahls 2 erfolgen.
Eine weitere Variation des Messverfahrens wird anhand der Fig. 5a und 5b erläutert. Gemäß dargestelltem, nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiel misst eine 9 x 11 -Matrix von Messdetektoren die entsprechende Anordnung von Reflektionszonen 7, die sich über den Hornhaut- Bereich 21, die Iris 22, die Pupille 23 und die Sklera 24 des Augapfels verteilen. Geht man von einer Neutral - Stellung des Auges aus, ergeben sich verschiedene Entfernungen, die eine räumliche Topographie des Auges ermitteln lassen. Dies geht auch aus der Seitenansicht gemäß Fig. 5b hervor. Da die durch die Pupille gemessene Entfernung zur Netzhaut (Retina) wesentlich größer ist als die Entfernung bis zur Iris, die die Pupille umgibt, kann mit einem solchen Messergebnis auch festgestellt werden, wenn das Auge aus der Nulllage soweit abweicht, dass eine Verschiebung der Pupille angenommen werden muss. Aus dem Vergleich der Weglängendifferenzen von z.B. sich paarweise in Bezug auf die Pupillenmitte gegenüber liegenden Re- flektionszonen kann auf die Neigung der Pupillarachse, also auch auf Verrollen des Auges geschlossen werden, wie bereits beschrieben wurde.
Eine solche Matrix-Anordnung, verbunden mit einer optischen Unterscheidung bestimmter Irisbereiche, kann auch einen optischen Vergleich gemäß der Anordnung der Fig. 1 ersetzen, wobei nicht nur eine x-y-Erfassung der Pupillenmitte erfasst wird, sondern auch die Zyklorotation und das Verrollen durch die Auswertung aller möglichen Messwerte ermittelt werden können. Dies kann insbesondere auch während einer in-vivo-Operation bei Menschen erfasst und zum Nachführen des Behandlungsstrahls benutzt werden. Bei Überschreitung eines Grenzwertes kann der Laserstrahl abgeschaltet werden. Damit können Fehler bei der Diagnostik und Therapie des Patientenauges vermieden werden.
Beispielsweise können die gewonnenen Werte eingesetzt werden bei der Hornhautbehandlung mit einem LASER, wie z. B. bei der phototherapeutischen Keratektomie (PTK), der photorefraktiven Keratektomie (PRK) , der Laser-in-situ- Keratomileusis (LASIK) oder der EPI-LASIK oder der Laserassistierten subepithelialen Keratektomie (LASEK) .
Im Rahmen der präoperativen Diagnostik ist das beschriebene Verfahren beispielsweise bei der Aberrometriebestim- mung des Auges und bei der Hornhauttopographie einsetz- bar, um genauere Messungen zu ermöglichen. Desweiteren können durch eine so bestimmte Hornhauttopografie individualisierte Kontaktlinsenanpasssungen vorgenommen werden, die regionale Irregularitäten der Hornhaut beispielsweise nach Verletzungen, Degenerationen (besonders Keratokonus) oder Operationen ausgleichen können.

Claims

Patentansprüche :
1. Verfahren zur Feststellung der Position des Augapfels eines Patienten, dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens einer Lichtquelle in einem außerhalb des Auges liegenden Ursprungspunkt Lichtstrahlen auf das Auge gerichtet werden, die von mehreren Reflektionszonen, die auf der Pupillarebene oder einer dazu im wesentlichen parallelen Ebene des genannten Auges liegen, reflektiert werden, dass das in der Pupillarebene oder einer dazu im wesentlichen parallelen Ebene reflektierte Licht von Photorezeptoren aufgefangen und die jeweiligen Entfernungen zwischen Ursprungspunkt, Reflektions- zone und Photorezeptor festgestellt werden, dass eine Bezugsstellung der Pupillarebene festgelegt wird, die einer Grundstellung der Augenposition entspricht, wobei bei Verstellung des Augapfels und der Pupillarebene Änderungen der Entfernungen festgestellt werden, aus denen Lageänderungen der Pupillen und der Pupillarebene errechnet werden und damit die Lage des Augapfels festgestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung mittels einer interferometrischen Distanzmessung bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Reflektions- zonen auf der Iris liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Reflektions- zonen auf dem Limbus liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Reflektions- zonen auf einem Ring aus augenverträglichem Material liegt, der auf die Hornhaut gelegt ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine hohe Dichte von Reflektionszonen und Interpolieren der Messergebnisse an diesen Reflektionszonen die Entfernung diskreter Lagepunkte auf der Pupillarebene interpoliert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anordnung einer Matrix von Reflektionszonen um die Pupille herum sich zwei deutlich unterschiedliche Entfernungswert-Gruppen ergeben, nämlich die Entfernungswerte bis zu den Reflektionspunkten, die zu der Matrix gehören, und Entfernungswerte, die durch Reflektio- nen an der Retina gewonnen wurden, die ca. 20 mm hinter der vorgenannten Pupille liegt, wobei letztere der Pupille zugeordnet werden und die Position und Größe (Weite) der Pupille hierdurch ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung von Re- flektionszonen sich auf wenigstens einer gedachten Polygonzug-Linie um die Pupillenmitte befindet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Reflektionszonen auf mehreren, zur Pupillenmitte konzentrisch angeordneten Polygonzüge liegen, wobei der radiale Abstand der Polygonzüge untereinander sich von der Pupillenmitte nach außen vergrößert, um zentral eine höhere Dichte von Mess- punkten und damit eine höhere Auflösung zu erreichen.
10. Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens eine Lichtquelle, von der aus Lichtstrahlen auf das Auge zu richten sind, die von mehreren Reflektionszonen, die auf der Pupillarebene oder einer dazu im Wesentlichen parallelen Ebene liegen, reflektiert werden,
Photorezeptoren, mit denen das reflektierte Licht aufgefangen und die jeweilige Entfernung von dem oder den Ursprungspunkten festgestellt wird, so dass ausgehend von einer Bezugsstellung der Pupillarebene anhand der Entfernungsdifferenzen bei Verstellung des Augapfels und der Pupillarebene Änderungen der Lage der Pupillarebene und der Pupille und damit die Lage des Augapfels feststellbar sind.
11. Messanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Photorezeptoren Teil eines in- terferometrischen Messkreises sind.
12. Messanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine große Anzahl von Photorezeptoren in einer Matrix angeordnet sind, die von zahlreichen Reflektionszonen reflektiertes Licht empfangen und dass die Reflektionszonen sowohl den Bereich der Pupille, der Iris als auch die Sklera oder andere Augenbereiche umfassen.
13. Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Reflektionszonen in Form von reflektierenden Körpern oder Plättchen, die vorzugsweise untereinander in einer fixierten Anordnung, beispielsweise über einen Ring, verbunden sind, um die Cornea gelegt sind.
14. Verwendung einer Messanordnung nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Augenverstellung dazu genutzt ist, den auf der Hornhaut operierenden Laserstrahl - um den Parallaxenfehler korrigiert - nachzuführen.
15. Verwendung einer Messanordnung nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Photorezeptoren empfangenen Signale bei Überschreitung eines Grenzwertes der Augenverstellung über einen Signalschaltkreis ein Abschalten des operierenden Laserstrahls bewirken.
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