DE102009043749A1

DE102009043749A1 - Verfahren zur Erzeugung hochqualitativer Aufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte

Info

Publication number: DE102009043749A1
Application number: DE200910043749
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Mohr; Frank Teige
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Beobachtung, Dokumentation und/oder Diagnose eines Auges, durch Auswertung farbiger, hochaufgelöster Aufnahmen. Bei dem Verfahren wird das Auge mit infrarotem und monochromem Licht definierter Wellenlängen beleuchtet, das von Teilen des Auges reflektierte Licht von mindestens einem Schwarz-Weiß-Sensor aufgenommen und an eine Steuereinheit weitergeleitet. Hierbei werden mindestens zwei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierten Wellenlänge gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommene Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet, aus den bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bildern aller Bildpaare von der Steuereinheit eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren ermittelt und danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare pixelgenau zu einem Gesamtbild kombiniert. Das vorgeschlagene Verfahren ist zur Beobachtung, Dokumentation und/oder Diagnose eines Auges vorgesehen und kann sowohl in Systemen zur Aufnahme der Augenstrukturen, als auch in Systemen, die auf dem Prinzip der optischen Kohärenz und/oder der konfokalen Abbildung basieren, angewendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beobachtung, Dokumentation und/oder Diagnose eines Auges und insbesondere der Retina. Die Diagnose erfolgt hierbei durch Auswertung farbiger, hochaufgelöster Aufnahmen der Retina bzw. der vorderen Augenabschnitte.
Nach dem bekannten Stand der Technik werden derartige Aufnahmen der Augenstrukturen beispielsweise mit Spaltlampen, Funduskameras oder Laser-Scanning-Ophthalmoskopen realisiert. Zur Erzeugung von Farbaufnahmen werden hierbei in der Regel hochauflösende CCD-Farbsensoren bei einer breitbandigen, weißen Beleuchtung, beispielsweise durch Xenon-Blitzlampen verwendet.
CCD-Sensoren (charge-coupled device) sind lichtempfindlich geben ein zur eingestrahlten Lichtmenge proportionales Signal aus. Sie bestehen meistens aus einer Matrix mit lichtempfindlichen Fotodioden, die Pixel genannt werden. Je größer die Fläche der Pixel, desto höher ist deren Lichtempfindlichkeit und der Dynamikumfang des CCD-Sensors, aber desto kleiner ist bei gleicher Sensorgröße deren Bildauflösung. Die lichtempfindlichen Elemente der meisten CCD-Sensoren sind für den gesamten Bereich des sichtbaren Lichts und das nahe Infrarotlicht empfindlich und liefern ohne zusätzliche Maßnahmen nur Grauwerte.
Damit CCD-Sensoren ein der eingestrahlten Lichtmenge proportionales und wellenlängenabhängiges Signal liefern können, verfügen diese über eine entsprechende Anordnung von Filterelementen vor den einzelnen Pixeln. Nach dem Stand der Technik haben sich beispielsweise sogenannte Bayer-Muster durchgesetzt, die aus einer symmetrischen Anordnung eines roten, eines blauen sowie zweier grüner optischer Filter bestehen.
Weiterhin werden auch CMOS-Sensoren zur Erzeugung von Fundusaufnahmen eingesetzt. CMOS-Sensoren sind zwar allem preiswerter, jedoch nicht so lichtempfindlich wie CCD-Sensoren und weisen zumeist deutliche Inhomogenitäten in der Empfindlichkeit der Pixel auf.
Die optischen Filter sind typischerweise nur für ca. 10 bis 20% des vom Fundus oder den von den vorderen Augenabschnitten reflektierten, weißen Lichtes transparent. Die Erzeugung hochaufgelöster Farbaufnahmen der Retina bzw. der vorderen Augenabschnitte wird durch die geringen Signalpegel extrem erschwert.
Zusätzlich wird die Auflösung des Farbsensors durch das Bayer-Muster reduziert, da für die RGB-Information der Farbaufnahme 4 Pixel des Bayer-Musters zu einem Farbpixel zusammengefasst werden. Die bei ophthalmologischen Anwendungen typische Bildauflösung eines Sensors von 5 bis 8 Millionen Pixel reduziert sich somit für einen Farbsensor mit Bayer-Muster auf effektiv 1,25 bis 2 Millionen Pixel.
Diese Verringerung der Auflösung der Farbsensoren erschwert zusätzlich die Erzeugung hochaufgelöster Farbaufnahmen der Retina bzw. der vorderen Augenabschnitte und somit auch eine exakte Diagnose.
Eine Erhöhung der Auflösung ist nach dem Stand der Technik beispielsweise durch Interpolationsverfahren möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Erhöhung der Anzahl der durch Zusammenfassung von 4 Pixel des Bayer-Musters entstandenen Farbpixel nur theoretisch zu einer höheren Auflösungen führt, da in der Praxis keine deutliche Steigerung der Auflösung zu verzeichnen war.
Eine andere Art der Steigerung der Auflösung von Farbsensoren wäre durch die Verwendung von Sensoren mit sehr hohen Pixelzahlen im Bereich von 10 bis 15 Millionen Pixeln zu sehen. Da die Beobachtungspupille im Auge mit einem Durchmesser von typisch 1,2 bis 1,5 mm die Auflösung durch Beugung begrenzt, macht auch dies bei ophthalmologischen Anwendungen wenig Sinn.
Wird bei ophthalmologischen Anwendungen beispielsweise ein Sensor mit einer Detektorfläche von etwa 10 × 10 mm verwendet, ergibt sich bei einer grob geschätzten Abbildung von 1:1 eine beugungsbegrenzte Abbildung von etwa 5 μm auf der Sensorfläche, so dass Auflösungen größer 2000×2000 Pixel keinen Sinn machen, zumal mit kleiner werdenden Pixelabmessungen die Empfindlichkeit deutlich abnimmt.
Nach dem Stand der Technik sind Systeme und Verfahren zur Dokumentation eines Auges mit einer verbesserten Empfindlichkeit bekannt. Dafür nutzen derartige Systeme eine schmalbandige Strahlungsquelle in Verbindung mit einem hoch empfindlichen Schwarz-Weiß-Sensor, dessen Bildauflösung im Bereich von 1,5 bis 5 Millionen Pixeln pro Aufnahme liegt. Mit diesem System werden nacheinander drei monochrome Aufnahmen des Fundus bzw. der vorderen Augenabschnitte, bei denen jeweils ein (rotes, blaues bzw. grünes) Farbfilter vor den Sensor geschwenkt wird. Diese drei monochromatischen Einzelbilder lassen sich zu einem Gesamt-Farbbild kombinieren.
Ein wesentlicher Nachteil eines solchen sequentiellen Verfahrens besteht darin, dass die monochromatischen Aufnahmen durch einen Algorithmus zu einem Farbbild zusammengeführt bzw. überlagert werden. Nach bekanntem Stand der Technik werden dazu Merkmale extrahiert, die übereinstimmend in allen Aufnahmen vorhanden sind. Dies erfordert eine rechenintensive Bildnachbearbeitung die z. T. fehleranfällig ist, da oftmals die Merkmale nicht exakt reproduzierbar vorhanden sind. Darunter leidet sowohl die Auflösung als auch die Bildqualität.
Ein weiterer Nachteil eines solchen Verfahrens besteht in der relativ langen Aufnahmezeit einer solchen Sequenz von drei monochromen Aufnahmen.
Für die Filterung der Strahlung der Blitzlampe kommen in der Regel Farbfilter zum Einsatz, die motorisch bewegt werden, wobei die Filterbewegung etwa 25 bis 50 ms dauert. Das Auslesen eines Bildes aus dem elektronischen Sensor dauert je nach Auflösung etwa 20 bis 70 ms. Somit sind für die Aufnahmen einer kompletten RGB-Sequenz mit Filterwechsel und der Umschaltung aus dem IR-Vorschaumodus in den Dokumentationsmodus bei einer Auflösung von 5 Millionen Pixeln etwa 400 ms zu veranschlagen. Da sich die Iris bei starken optischen Reizen bereits nach etwa 120 bis 180 ms schließt, sind Aufnahme-Sequenzen mit einem Zeitrahmen von ca. 400 ms damit nur in mydriatischen Anwendung möglich. Dies stellt einen wesentlichen Nachteil dar. Zu diesem Zeitrahmen von ca. 400 ms kommt noch die für die rechenintensive Bildnachbearbeitung und Kombination der drei monochromen Bilder erforderliche Zeit, die je nach Bildinhalt zusätzlich zwischen mehreren Sekunden bis hin zu Minuten beträgt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zur Erzeugung hochaufgelöster Farb-Bildes der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte zur Verfügung zu stellen, die in ihrer Auflösung nur durch die Augenpupille beugungsbegrenzt sind, Auflösungen von mindestens 15 Millionen Pixeln aufweisen, geringe Strahlungsbelastungen am Patientenauge erzeugen und keine rechenintensive Nachbearbeitungen erfordern.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung hochqualitativer Aufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte wird das Auge mit infrarotem und monochromem Licht definierter Wellenlängen beleuchtet, das von Teilen des Auges reflektierte, infrarote und monochrome Licht von mindestens einem Sensor aufgenommen und zur Weiterverarbeitung, Auswertung, Darstellung und Speicherung an eine Steuereinheit weitergeleitet. Hierbei werden mindestens zwei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet, aus den bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren ermittelt und danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare pixelgenau zu einem Gesamtbild kombiniert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung ist zur Beobachtung, Dokumentation und/oder Diagnose eines Auges vorgesehen, wobei die Diagnose durch Auswertung farbiger, hochaufgelöster Aufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte erfolgt.
Prinzipiell kann das vorgeschlagene Verfahren auch mit ophthalmologischen Systemen durchgeführt werden, die auf dem Prinzip der optischen Kohärenz und/oder der konfokalen Abbildung basieren, so dass während der Aufnahme eines IR-Bildes gleichzeitig das Abscannen von Teilbereichen des Auges erfolgt. Auch hier kann die Kombination der gescannten Teilbereiche zu einer Gesamtaufnahme erfolgen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben.
Bei dem Verfahren zur Erzeugung hochqualitativer Aufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte wird das Auge mit infrarotem und monochromem Licht definierter Wellenlängen beleuchtet, das von Teilen des Auges reflektierte, infrarote und monochrome Licht von mindestens einem Sensor aufgenommen und zur Weiterverarbeitung, Auswertung, Darstellung und Speicherung an eine Steuereinheit weitergeleitet. Erfindungsgemäß werden hierbei mindestens zwei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet, aus den bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren ermittelt und danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare pixelgenau zu einem Gesamtbild kombiniert.
Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Bildpaare gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander erzeugt, wobei ein Bildpaar aus einer ersten Aufnahme bei infraroter und einer zweiten Aufnahme bei definierter, monochromer Beleuchtung besteht. Dabei wird die definierte, monochrome Beleuchtung für die zweite Aufnahme durch die jeweilige ophthalmologische Anwendung definiert. Die erste Aufnahme des Bildpaares bei infraroter Beleuchtung wird als Referenzbild und die zweite Aufnahme als zugehöriges Applikationsbild bezeichnet.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden drei Bildpaare, bei infraroter und monochromer Beleuchtung mit jeweils einer der Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen. Aus den bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bildern aller drei Bildpaare wird von der Steuereinheit eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren ermittelt. Im Anschluss daran werden die bei monochromer Beleuchtung mit den Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” aufgenommenen Bilder aller drei Bildpaare pixelgenau zu einem Gesamtfarbbild zu kombinieren.
Zur Erzeugung hochqualitativer Farbaufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte ist es erfindungsgemäß erforderlich drei Bildpaare gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander bei infraroter und monochromer Beleuchtung mit jeweils einer der Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” aufzunehmen. Nach Ermittlung möglicher Pixelverschiebungen lassen sich die drei, bei monochromer Beleuchtung mit den Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” aufgenommenen Bilder pixelgenau zu einem Gesamtfarbbild kombinieren.
Erfindungswesentlich ist weiterhin, dass das Auge zur Gewährleistung kurzer Belichtungszeiten mit infrarotem und monochromem Licht definierter Wellenlängen und hoher Strahldichte beleuchtet wird, wobei die Lichtintensitäten vorzugsweise separat variierbar sind.
Die separate Variierbarkeit der Lichtintensitäten der einzelnen Spektren hat den Vorteil, dass die Aufnahmen der Referenzbild (bei infraroter Beleuchtung) stets mit konstanter optischer Energie aufgenommen, jedoch die optische Energie für die Applikationsbilder (bei monochromer Beleuchtung) an die jeweilige ophthalmologische Anwendung angepasst werden können. Weiterhin ist eine automatische Belichtung für die Referenz- und/oder Applikationsbilder nur mit getrennt einstellbarer Lichtintensitäten möglich.
Nur durch hohe Strahldichten bei der Beleuchtung des Auges können für die Aufnahmen Belichtungszeiten von nur wenigen Millisekunden erreicht und dadurch Bewegungsartefakte in den Aufnahmen verhindert werden. Für einen CCD-Sensor mit einer Größe von 5 Millionen Pixeln sollten beispielsweise Belichtungszeiten von maximal 5 ms erreicht werden. Für CMOS-Sensoren sind etwas längere Belichtungszeiten, von etwa bis zu 10 ms erforderlich.
Während die Belichtungszeit für Aufnahmen bei infraroter Beleuchtung im Bereich von maximal 10 ms liegt, beträgt die Belichtungszeit für die Aufnahmen bei monochromer Beleuchtung in Abhängigkeit von der ophthalmologischen Anwendung sowie der gewählten Lichtintensität nur etwa 100 μs bis 4 ms.
Damit zwischen den Aufnahmen eines Bildpaares keine Pixel-Verschiebungen oder Bewegungsartefakte auftreten ist zu gewährleisten, dass die Pause zwischen den Aufnahmen bei infraroter und monochromer Beleuchtung maximal 5 ms beträgt.
Die Erzeugung einer hochqualitativen Aufnahme der Retina, mit der Aufnahme dreier Bildpaare, der Ermittlung der Pixelverschiebung und der pixelgenauen Kombination der monochromen Bilder zu einem Gesamtfarbbild dauert somit maximal 2 Sekunden. Das kombinierte Gesamtfarbbild kann hierbei zur Beobachtung, Dokumentation und/oder Diagnose auf einem Monitor dargestellt werden.
Für die Erzeugung der Referenzaufnahmen wird bevorzugt eine Hochleistungs-LED oder ein Laser verwendet, dessen elektronische Ansteuerung einfach und preiswert ist. Für die Erzeugung der Applikationsbilder wird bevorzugt eine Xenon-Blitzlampe verwendet. Für spezielle Einsatzbereiche können jedoch auch Strahlungsquellen auf Basis von LEDs und/oder Lasern, deren Spektren im Gegensatz zu denen einer Xenon-Blitzlampe auf enge Spektralbereiche der Farben infrarot, rot, grün, blau eingeschränkt sind, verwendet werden.
Im Hinblick auf die Aufnahme der Bildpaare sind folgende zwei technischen Umsetzungen zu unterscheiden.
In einer ersten Ausgestaltung erfolgt die gleichzeitige Aufnahme von Bildpaaren bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierten Wellenlänge mittels zweier Schwarz-Weiß-Sensoren. Dies hat den Vorteil, dass die Bildpaare schneller aufgenommen werden können. Außerdem sind einfache und kostengünstige Sensoren verwendbar, da immer nur ein Bild zu verarbeiten ist.
Im Gegensatz dazu wird zur unmittelbar hintereinander folgenden Aufnahme von Bildpaaren bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen nur ein CCD-Sensor verwendet, der vorzugsweise nach dem „pipelined”-Prinzip arbeitet.
Der hierbei bevorzugt verwendete CCD-Sensor arbeitet nach dem sogenannten „pipelined”-Prinzip, nach dem dieser mehrere Bilder in sehr kurzem zeitlichem Abstand aufnehmen kann. Prinzipiell kann man jedoch auch zwei separate Sensoren verwenden. Der zeitliche Abstand zwischen den Aufnahmen darf dabei nur wenige Millisekunden betragen, damit bei einer Augenbewegung kein örtlicher Versatz von Fundusstrukturen in dem Bildpaar entsteht. Ein vorhandener, geringer Versatz muss dabei kleiner als der Pixelabstand des Sensors sein.
Die Aufnahme der Bilder eines Bildpaares in sehr kurzem zeitlichem Abstand hat den Vorteil, dass keine Überlagerung der emittierten Spektren erfolgen kann. In Folge von Fluoreszenz oder Autofluoreszenz kann es beispielsweise bei ICG-Aufnahmen zur Überlagerung des emittierten Spektrums mit dem Spektrum des infraroten Beleuchtungslichtes kommen.
Nach Aufnahme mindestens zweier Bildpaare bei infraroter und monochromer Beleuchtung werden in einem zweiten Verfahrensschritt die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit dazu benutzt, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln. Dies erfolgt indem die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare einer einfachen Autokorrelation unterzogen werden.
Die Korrelation der Bildpaare zueinander erfolgt auf der Basis der Referenzaufnahmen, die bei allen Bildpaaren den gleichen Bildinhalt aufweisen. Bei erfolgten Augenbewegungen zwischen den Aufnahmen der einzelnen Bildpaare ist der Bildinhalt der Referenzaufnahmen um einen bestimmten Pixelabstand verschoben.
Die Verschiebungen der Referenzaufnahmen der einzelnen Bildpaare werden durch Vergleich mit der vorherigen Referenzaufnahme ermittelt und können identisch auf die Folge von Applikationsbildern übertragen werden. Die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare können danach pixelgenau zu einem Gesamtbild kombiniert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Positionierzustand bezüglich des zu beleuchtenden Auges kontrolliert und als Kriterium für die Auslösung der Bildaufnahme benutzt.
Die Kontrolle des Positionierzustandes erfolgt hierbei vorzugsweise ebenfalls in der Referenzaufnahme. Dazu werden nach dem bekannten Stand der Technik beispielsweise zwei zusätzliche Lichtquellen in Form von LEDs verwendet, deren auf dem Auge entstehenden Lichtreflexe dazu benutzt werden den Positionierzustand zu beurteilen.
Wird dabei die aktuelle Referenzaufnahme in Echtzeit hinsichtlich der Abbildungsschärfe und -position der Lichtreflexe ausgewertet, lässt sich die Aufnahme eines jeden Bildpaares nur dann auslösen, wenn die Positionierung korrekt eingestellt ist. Eine in Echtzeit ausgeführte Auswertung der aktuellen Referenzaufnahme hinsichtlich Bildkontrast oder Homogenität können ebenfalls als Kriterium für die Auslösung der Aufnahme eines jeden Bildpaares verwenden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare nicht nur dazu benutzt eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, sondern werden ebenfalls pixelgenau zu einem Gesamtbild kombiniert. Durch Korrelation und Überlagerung kann dem Anwender eine hochwertige Referenzaufnahme (bei infraroter Beleuchtung) zu Diagnosezwecken zur Verfügung gestellt werden.
Die Qualität der zu erzeugenden Aufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte kann dadurch weiter verbessert werden, dass vor der Ermittlung möglicher Pixelverschiebungen und der anschließenden Kombination zu einem Gesamtbild die bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bilder eines Bildpaares miteinander verglichen werden, um lokale, wellenlängenabhängige Abbildungsfehler zu lokalisieren und zu korrigieren.
Dieser Vergleich bringt zwar eine geringfügig verlängerte Auswertezeit mit sich, kann jedoch die Qualität des korrelierten Gesamtbildes weiter steigern. Hierzu erfolgt in einer nachgelagerten Korrelation eine verfeinerte, lokale Überlagerung von Teilbereichen der Aufnahmen. Vor allem bei Farbaufnahmen kommt es beispielsweise durch chromatische Querfehler der abbildenden Optik zu geringfügigen, lokalen, individuellen Verzerrungen in den einzelnen Applikationsbildern. Durch lokale Merkmalsextraktion oder das Angleichen von Helligkeitsübergängen lässt sich die Bildqualität durch eine lokale Korrektur bis hin in den Sub-Pixel-Bereich verbessern.
In einer ersten ophthalmologischen Anwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung hochqualitativer Aufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte in einer Funduskamera angewendet.
Hierbei werden drei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung mit jeweils einer der Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet, die die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller drei Bildpaare dazu benutzt, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit den Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” aufgenommenen Bilder aller drei Bildpaare pixelgenau zu einer hochwertigen Color-Fundusaufnahme zu kombinieren.
Für die Aufnahme der Applikationsbilder wird monochromatisches Licht in drei Wellenlängen stets in Kombination mit infrarotem Licht zur Aufnahme der Referenzbilder kurz nacheinander emittiert. Hierbei wird bevorzugt in der Reihenfolge „Rot”, „Grün” und „Blau” vorgegangen, was der geringsten Reizung des Patientenauges entspricht.
Da die Aufnahmen der einzelnen Bildpaare unmittelbar hintereinander erfolgen, wird dafür ein hochempfindlicher CCD-Sensor verwendet, der vorzugsweise im Pipeline-Modus arbeitet und eine Auflösung von 5 Millionen Pixeln aufweist.
Durch die Kombination der drei monochromen Applikationsbilder ergibt sich für die korrelierte, Color-Fundusaufnahme damit eine Auflösung von 5 Millionen Pixeln. Die Aufnahmen der drei Bildpaare, inklusive pixelgenauen Kombination zu einer Color-Fundusaufnahme und Anzeige auf einem Monitor dauert dann beispielsweise maximal zwei Sekunden.
Bevorzugt wird die jeweilig monochrome Beleuchtung mit Hilfe einer Xenon-Blitzlampe und mechanisch schwenkbaren Filterelementen erzeugt. Für eine einfache Color-Funduskamera können aber auch Strahlungsquellen auf der Basis von LEDs und/oder Lasern verwendet werden.
In einer zweiten ophthalmologischen Anwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren In Systemen angewendet, die auf dem Prinzip der optischen Kohärenz und/oder konfokalen Abbildung basieren.
Hierbei werden bei monochromer Beleuchtung mit definierter Wellenlängen mindestens zwei Bildsequenzen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander mit einem Bild bei infraroter Beleuchtung aufgenommen und an die Steuereinheit weitergeleitet. Die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit werden auch hier dazu benutzt, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildsequenzen zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildsequenzen pixelgenau zu einer Gesamtsequenz zu kombinieren.
Vorzugsweise wird jeweils eine Bildsequenz bei monochromer Beleuchtung mit einer der Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander mit einem Bild bei infraroter Beleuchtung aufgenommen und pixelgenau zu einer Gesamtfarbsequenz kombiniert.
Bei den aufzunehmenden Bildsequenzen handelt es sich vorzugsweise um Bilder von Tiefenscans.
Während des infrarote Referenzbild aufgenommen wird bzw. unmittelbar danach erfolgt gleichzeitig das Abscannen von Teilbereichen der Retina oder anderer Abschnitte des Auges. Mit dieser ophthalmologischen Anwendung lassen sich eine Vielzahl von Kombination aus infrarotem Referenzbild und Applikationsbilder in Form eines Scans erzeugen.
So ist es zum einen möglich das gesamte Auge schrittweise abzuscannen und durch Überlagerung und/oder Aneinanderreihung der gescannten Teilbereiche eine Gesamtaufnahme auf Basis der korrelierten Applikationsbilder zu erzeugen. Von dem vorgeschlagenen Verfahren werden dabei keine besonderen Anforderungen an die Schnelligkeit der verwendeten Scaneinheit vorausgesetzt.
Es ist aber auch denkbar, dass der Anwender ein erzeugtes, hochwertiges monochromatisches oder auch Color-Bild des gesamten Auges bewertet und nur sehr kleine, ophthalmologisch auffällige Bereiche des Auges mit der Scaneinheit detailliert untersucht.
Ebenfalls ist vorstellbar, dass nacheinander gleiche Bereiche des Auges jedoch in unterschiedlichen Tiefen gescannt werden. Die Korrelation auf Basis der infraroten Referenzbilder ergibt dann einen hochaufgelösten A-Scan des gesamten Auges.
Weiterhin kann man das Auge oder auch Teilbereiche des Auges nacheinander mit unterschiedlichen Anregungswellenlängen scannen; bevorzugt bei einer ophthalmologischen Anwendung auf Basis der konfokalen Abbildung. Durch die Kombination zu einem Gesamtbild erhält man ein spektral breitbandiges Ergebnisbild.
In einer dritten ophthalmologischen Anwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, um aus den Applikationsbildern der Bildpaare Summen- und/oder Differenzbilder zu erzeugen, die der Extraktion von Konzentrationen von Substanzen am Auge dienen.
Hierbei werden mindestens zwei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet. Die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare werden auch hier von der Steuereinheit dazu benutzt, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach aus den bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bildern mindestens zweier Bildpaare pixelgenaue Summen- und/oder Differenzbilder zu ermitteln.
Die Ermittlung pixelgenauer Summen- und/oder Differenzbilder basiert hierbei auf dem Prinzip des sogenannten „Spectral Unmixing”.
Durch Anregung mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen emittieren die Substanzen am Auge Spektren mit unterschiedlichen Intensitäten. Durch Summen- und/oder Differenzbildung kann man nun die Konzentration der gewünschten Substanz ermitteln.
In einer vierten ophthalmologischen Anwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, um das Signal-Rausch-Verhältnis des pixelgenau kombinierten Gesamtbildes deutlich verbessert.
Hierbei werden mehr als drei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet. Die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare werden erfindungsgemäß von der Steuereinheit dazu benutzt, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare pixelgenau zu einem rauscharmen Gesamtbild zu kombinieren.
Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich das Signal-Rausch-Verhältnis dadurch verbessern lässt, dass Aufnahmen mit identischem Bildinhalt exakt überlagert werden.
Werden nach dem vorgeschlagenen Verfahren beispielsweise auf Basis der infraroten Referenzbilder 15 Applikationsbilder exakt und pixelgenau überlagert, so ist eine Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses um den Faktor 4 erreichbar.
In einer fünften ophthalmologischen Anwendung wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, um die Folge von Bildpaaren zur Diagnose von dynamischen Vorgängen zu verwenden.
Hierbei werden in definierten zeitlichen Abständen, mehrere bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet. Die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare werden von der Steuereinheit auch hier dazu benutzt, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln. Danach werden aus den bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bildern aller Bildpaare pixelgenau lokale Veränderungen extrahiert.
Aus den in zeitlich exakten Abstand aufgenommen Applikationsbildern lassen sich lokale Veränderungen sehr einfach detektieren und bewerten.
So lässt sich beispielsweise der zeitliche Fluss von injizierten Kontrastmitteln, wie Natrium-Fluoreszein oder Indocyaningrün sehr gut verfolgen. Vorzugsweise werden die lokalen Veränderungen in der Folge von Applikationsbildern mit Falschfarben kodiert. Dadurch kann die Diagnose deutlich verbessert und beschleunigt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Lösung zur Erzeugung hochaufgelöster Farb-Bildes der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte zur Verfügung gestellt, die in ihrer Auflösung nur durch die Augenpupille beugungsbegrenzt wird. Das vorgeschlagene Verfahren erzeugt nur äußerst geringe Strahlungsbelastungen am Patientenauge und erfordert keine rechenintensiven Nachbearbeitungen.
Durch die Ermittlung möglicher Pixelverschiebung in den bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare ist eine einfache, schnelle und pixelgenau Kombination der bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare zu einem Gesamtbild möglich.
Obwohl die erfindungsgemäße Lösung insbesondere zur Beobachtung, Dokumentation und/oder Diagnose eines Auges vorgesehen ist, kann das vorgeschlagene Verfahren auch mit ophthalmologischen Systemen durchgeführt werden, die auf dem Prinzip der optischen Kohärenz und/oder der konfokalen Abbildung basieren.

Claims

Verfahren zur Erzeugung hochqualitativer Aufnahmen der Retina, Teilen der Retina oder auch der vorderen Augenabschnitte, bei dem das Auge mit infrarotem und monochromem Licht definierter Wellenlängen beleuchtet, das von Teilen des Auges reflektierte, infrarote und monochrome Licht von mindestens einem Schwarz-Weiß-Sensor aufgenommen und zur Weiterverarbeitung, Auswertung, Darstellung und Speicherung an eine Steuereinheit weitergeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet werden, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare pixelgenau zu einem Gesamtbild zu kombinieren.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass drei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung mit jeweils einer der Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet werden, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller drei Bildpaare von der Steuereinheit dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit den Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” aufgenommenen Bilder aller drei Bildpaare pixelgenau zu einem Gesamtfarbbild zu kombinieren.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass das Auge zur Gewährleistung kurzer Belichtungszeiten mit infrarotem und monochromem Licht definierter Wellenlängen und hoher Strahldichte beleuchtet wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Auge mit in seiner Intensität variierbarem infrarotem und monochromem Licht definierter Wellenlängen beleuchtet wird.
Verfahren nach mindestens einem der der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass zur gleichzeitigen Aufnahme von Bildpaaren bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen zwei Schwarz-Weiß-Sensoren Verwendung finden.
Verfahren nach mindestens einem der der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass zur unmittelbar hintereinander folgenden Aufnahme von Bildpaaren bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen ein CCD-Sensor Verwendung findet.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass der zur unmittelbar hintereinander folgenden Aufnahme von Bildpaaren bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen verwendete CCD-Sensor nach dem „pipelined”-Prinzip arbeitet.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren durch Autokorrelation der bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Positionierzustand bezüglich des zu beleuchtenden Auges kontrolliert und als Kriterium für die Auslösung der Bildaufnahme benutzt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Bildkontrast und/oder die Homogenität des bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bildes als Kriterium für die Auslösung der Bildaufnahme benutzt werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare nicht nur dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, sondern ebenfalls pixelgenau zu einem Gesamtbild kombiniert werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass vor der Ermittlung möglicher Pixelverschiebungen und der anschließenden Kombination zu einem Gesamtbild die bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bilder eines Bildpaares verglichen werden, um lokale, wellenlängenabhängige Abbildungsfehler zu lokalisieren und zu korrigieren.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei monochromer Beleuchtung mit definierter Wellenlängen mindestens zwei Bildsequenzen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander mit einem Bild bei infraroter Beleuchtung aufgenommen und an die Steuereinheit weitergeleitet werden, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildsequenzen zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildsequenzen pixelgenau zu einer Gesamtsequenz zu kombinieren.
Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass bei monochromer Beleuchtung mit einer der Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” jeweils eine Bildsequenz gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander mit einem Bild bei infraroter Beleuchtung aufgenommen und an die Steuereinheit weitergeleitet werden, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller drei Bildsequenzen von der Steuereinheit dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildsequenzen zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit den Wellenlängen „Rot”, „Grün” und „Blau” aufgenommenen Bilder aller drei Bildsequenzen pixelgenau zu einer Gesamtfarbsequenz zu kombinieren.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 13 und 14, gekennzeichnet dadurch, dass bei monochromer Beleuchtung Bildsequenzen in Form von Tiefenscans aufgenommenen werden.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens zwei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet werden, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach aus den bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bildern mindestens zweier Bildpaare pixelgenaue Summen- und/oder Differenzbilder zu ermitteln.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass mehr als drei, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet werden, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach die bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare pixelgenau zu einem rauscharmen Gesamtbild zu kombinieren.
Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet dadurch, dass für die pixel-genaue Kombination zu einem rauscharmen Gesamtbild mindestens 15 Bildpaare bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere, in definierten zeitlichen Abständen, bei infraroter und monochromer Beleuchtung einer definierter Wellenlängen gleichzeitig bzw. unmittelbar hintereinander aufgenommen Bildpaare an die Steuereinheit weitergeleitet werden, dass die bei infraroter Beleuchtung aufgenommenen Bilder aller Bildpaare von der Steuereinheit dazu benutzt werden, eine mögliche Pixelverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildpaaren zu ermitteln, um danach aus den bei monochromer Beleuchtung mit definierten Wellenlängen aufgenommenen Bilder aller Bildpaare pixelgenau lokale Veränderungen zu extrahieren.