DE102014210786A1

DE102014210786A1 - Topographiemodul für ophthalmologische Geräte mit entfernungsunabhängiger Keratometrie-Messeinrichtung und Verfahren zu dessen Anwendung

Info

Publication number: DE102014210786A1
Application number: DE102014210786.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Reich; Rico Fuchs
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-17
Also published as: WO2015185682A3; WO2015185682A2; US20170188821A1; US10213103B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für ophthalmologische Geräte, durch welches die ophthalmologischen Geräte dann in der Lage sind, neben keratometrischen auch topographische Messungen am Auge realisieren zu können. Das vorgeschlagene Topographiemodul verfügt ist vorgesehen für ophthalmologische Geräte mit eine entfernungsunabhängige Keratometrie-Messeinrichtung. Erfindungsgemäß ist das der Erzeugung leuchtender Muster dienende Topographiemodul fest oder beweglich im Strahlengang zwischen dem ophthalmologischen Gerät und dem Auge angeordnet. Die vorhandene Steuereinheit ist in der Lage das Topographiemodul für die Erzeugung von Leuchtmustern entsprechend zu steuern. Ferner ist die vorhandene Auswerteeinheit geeignet, die von der Detektionseinheit aufgenommenen und übertragenen Reflexbilder eines Auges sowohl keratometrisch als auch topographisch auszuwerten. Mit der vorliegenden Lösung wird es möglich, dass ophthalmologische Geräte, die über eine entfernungsunabhängiger Keratometrie-Messeinrichtung verfügen, zusätzlich topographische Messungen am Auge realisieren können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Modul für ophthalmologische Geräte, die zur entfernungsunabhängigen Keratometrie-Messung vorgesehen sind. Durch dieses Modul sind die ophthalmologischen Geräte dann in der Lage, neben keratometrischen auch topographische Messungen am Auge realisieren zu können.
Während unter Keratometrie die Vermessung der Krümmung der Hornhaut (oder Kornea) zu verstehen ist, betrifft die Topografie die dreidimensionale Vermessung geometrischer Oberflächen, in unserem Fall der Hornhaut eines Auges.
Die Messung von Hornhautkrümmung erfolgt üblicherweise dadurch, dass die Kornea strukturiert beleuchtet und die von der Kornea reflektierten Lichtstrahlen detektiert werden. Nach dem Stand der Technik sind dazu zwei unterschiedliche optische Lösungsansätze bekannt.
Beim ersten, eher traditionellen Lösungsansatz wird mit Strukturen, wie beispielsweise einzelnen Leuchtstrukturen oder Placido-Ringsystemen, die Kornea beleuchtet und die entstehenden Bilder mit konventionellen optischen Abbildungssystemen betrachtet. Aufgrund der Art der Beleuchtung ist es für eine exakte Auswertung der Reflexionsbilder zwingend erforderlich den Abstand zwischen Auge bzw. Kornea und Messgerät zu bestimmen. Im Folgenden wird auf entsprechende Anordnungen kurz eingegangen.
Bei den seit langem bekannten und überwiegend in sogenannten Keratometern oder Keratographen eingesetzten Verfahren werden einzelne Leuchtstrukturen oder Placido-Ringe durch den Tränenfilm vor der Hornhaut abgebildet und die reflektierten Signale mit einer Abbildungsoptik beobachtet oder mit einer Kamera aufgenommen und ausgewertet. In Abhängigkeit der Kurvatur der Hornhaut ist das reflektierte und von der Kamera detektierte Muster in seiner Größe skaliert. Um aus diesen Reflexionssignalen eine Bestimmung der Kurvatur zu erhalten, muss die Größe der reflektierten Muster mit einer bekannten Form verglichen werden, die üblicherweise mit einer Kugel mit einem Radius von 7,8 mm resultiert. Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der Schrift US 4,685,140 A beschrieben.
Die bei Topographen zur Anwendung kommenden Placido-Scheiben zur Erzeugung konzentrischer Ringe müssen dabei nicht zwangsläufig eine plane Scheibe sein. Derartige plane Placido-Scheiben sind zwar im Stand der Technik hinreichend bekannt und beispielsweise in US 5,110,200 A und US 5,194,882 A beschrieben, verbreiteter sind allerdings trichterförmige ( US 5,684,562 A , US 6,116,738 A ) oder auch sphärisch gewölbte ( US 5,864,383 A ) Placido-Scheiben.
In den Schriften US 6,575,573 B2 und US 6,692,126 B1 werden Lösungen zu Ophthalmometern (auch Keratometern) beschrieben, die durch Spaltbeleuchtungseinheiten ergänzt sind. Während die Abbildung von Placido-Ring-Systemen zur Messung der Oberflächenkrümmung der Hornhaut des Auges vorgesehen ist, werden mit der Spalt-Beleuchtungseinheit Schnittbilder des Auges erzeugt, aus denen die Dicke der Hornhaut des Auges bestimmt werden kann. Im Ergebnis dieser Kombination kann ein Hornhaut-Dicken-Profil ermittelt werden.
Ein Nachteil derartiger Lösungen ist darin zu sehen, dass die Genauigkeit der Messung stark von den Winkelverhältnissen und damit vom Messabstand abhängig ist. Zur Bestimmung bzw. zur Kontrolle des korrekten Messabstandes werden verschiedenste Methoden verwendet. So kann die Messung beispielsweise automatisch ausgelöst werden, wenn der richtige Arbeitsabstand erreicht ist. Dies kann zum einen durch eine Korrektur des fehlerhaften Abstandes vor einer jeden Messung erfolgen, indem mit Hilfe von Lichtschranken, Kontakten oder zusätzlichen Messsystemen der Abstand bzw. die Position bestimmt und gegebenenfalls korrigiert wird.
Beispielhaft sind hierzu die Schriften US 6,048,065 A und US 6,070,981 A genannt. Die darin beschriebenen Lösungen stellen Topographen dar, die auf einer Placidoscheibe basieren. Zur Kontrolle des korrekten Messabstandes verfügen beide Lösungen über eine Punktlichtquelle, mit deren Licht die Hornhaut beleuchtet, von dieser reflektiert und auf eine CCD-Kamera als Punktbild abgebildet wird. Die Position des Punktbildes innerhalb des Auffangbereiches gibt Auskunft über die Entfernung zwischen Placidoscheibe und Auge. Zur exakten Positionierung wird die Placidoscheibe verschoben, bis der Abstand optimiert ist. Erst dann wird mit der Messung begonnen.
Der entfernungsabhängige Ansatz ermöglicht die Projektion einer Vielzahl von Punkten, Kreisen oder anderen geeigneten Mustern mit geringem technischem Aufwand. Zwar wird dadurch eine detaillierte Bestimmung der Topographie der Kornea wesentlich vereinfacht, allerdings wirkt sich hierbei nachteilig aus, dass ein relativ aufwendiges Messsystem zur Bestimmung des Abstandes zum Auge erforderlich ist.
Es existieren Lösungsansätze, die zur Vermessung der Hornhaut etablierten-Keratometer mit einer Topographiemesseinrichtung kombinieren. Dazu werden beispielsweise auf der Placido-Scheibe zusätzlich zu der vorhandenen Ringstruktur 6 Leuchtpunkte integriert. Nachteilig wirkt sich bei derartigen Lösungen allerdings aus, dass die Projektion der 6 Punkte nicht in Form von parallelen Strahlen, d. h. entfernungsunabhängig erfolgt und deshalb eine zusätzliche Entfernungsmesseinrichtung erforderlich ist.
So ist aus der EP 2 583 620 A2 ein ophthalmologisches Gerät in Form eines 2-Zonen-Keratometers bekannt, mit dem durch einen Aufsatz zusätzliche Topographiemessungen durchgeführt werden können. Der Aufsatz hat dabei die Form einer (trichterförmigen) Placidoscheibe. Da die Projektion der Messpunkte hierbei ebenfalls nicht entfernungsunabhängig erfolgt, ist die Implementierung eines Entfernungsmesssystems erforderlich.
Bei dem zweiten Lösungsansatz werden die Strukturen aus dem Unendlichen auf die Kornea projiziert, also in Form von parallelen Strahlen, und das von der Kornea reflektierte Bild mit einer telezentrischen optischen Anordnung beobachtet. Aufgrund der Projektion paralleler Strahlenbündel ist dieser Lösungsansatz entfernungsunabhängig, so dass sich hierbei die Bestimmung des Abstandes zwischen Auge und Messgerät erübrigt.
Hierzu existiert ein in WO2000/33729 A2 beschriebener Lösungsansatz, bei dem 6 punktförmige Strukturen mit Hilfe von 6 separaten Linsen aus dem Unendlichen auf die Kornea projiziert werden.
Die US 4,660,946 A beschreibt eine Lösung zur Formvermessung der Kornea, die auf einer scheibenförmigen Fresnel-Zylinderlinse basiert. Zur Projektion der Ringstruktur auf das Auge wird jeder Ring der Fresnel-Zylinderlinse einzeln, ringförmig mittels Ring-Zylinderlinsen beleuchtet. Durch die scheibenförmige Struktur wird zum einen die Anzahl der realisierbaren Ringe begrenzt und zum anderen lässt sich mit zunehmender Anzahl der Ringe diese Art der Beleuchtung nur noch schwer realisieren.
Eine weitere Lösung wird in der WO 2012/160049 A1 beschrieben. Hierbei wird ein als gefresneltes Axicon ausgeführtes Element im Strahlengang angeordnet und von einer Beleuchtungseinheit vollflächig mit ebenen Wellen beleuchtet. Dabei verfügt das gefresnelte Axicon außer im Bereich der telezentrischen, entfernungsunabhängigen Bilderfassung über ringförmige Strukturen unterschiedlicher Radien. Diese Lösung ermöglicht zwar, eine Vielzahl von parallelen Strahlen mit unterschiedlichen Einfallsrichtungen zu erzeugen, allerdings werden dadurch sowohl an dessen Fertigung als auch die Justierung sehr hohe Anforderungen an Genauigkeit und Präzision gestellt. Zudem beansprucht diese Lösung viel freien Raum, was einer Integration in multifunktionale ophthalmologische Geräte entgegensteht.
In Auswertung der nach dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist festzustellen, dass für die Vermessung der Hornhaut insbesondere im Zusammenhang mit der Berechnung einer Intraokularlinse (IOL) der entfernungsunabhängige Ansatz deutliche Vorteile besitzt. Allerdings werden durch den Prinzip bedingten, hohen technischen Aufwand für die Projektion nur bis zu 6 einzelne Punkte detektiert. Dadurch wird eine Detektion der Abweichungen der Korneaoberfläche von einer ellipsoiden Form verhindert, was sich nachteilig auf die Genauigkeit einer optimalen IOL-Auswahl auswirken kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein ophthalmologisches Gerät zur entfernungsunabhängigen Keratometrie-Messung dahingehend zu verbessern bzw. zu erweitern, dass auch topographische Messungen am Auge realisiert werden können. Insbesondere soll eine Lösung entwickelt werden, die die Vorteile der Lösungen des Standes der Technik auf möglichst einfache Weise kombiniert und dabei einen geringen technischen Aufwand erfordert. Weiterhin ist es wünschenswert, wenn die zu entwickelnde Lösung auch für bereits vorhandene ophthalmologische Geräte, insbesondere 6-Punkt-Kera-tometer, geeignet wäre.
Diese Aufgabe wird durch das Topographiemodul für ophthalmologische Geräte, die über eine entfernungsunabhängige Keratometrie-Messeinrichtung mit Detektionsstrahlengang und den dafür erforderlichen Einheiten für Beleuchtung, Detektion sowie Steuerung und Auswertung verfügen, dadurch gelöst, dass das Topographiemodul der Erzeugung leuchtender Muster dient und fest oder beweglich im Strahlengang zwischen dem ophthalmologischen Gerät und dem Auge angeordnet ist, dass das Topographiemodul die Keratometrie-Strahlung transmittiert und über Vorrichtungen verfügt, die ein Anordnen an definierter Position im Strahlengang gewährleisten, dass die vorhandene Steuereinheit in der Lage ist, das Topographiemodul für die Erzeugung von Leuchtmustern entsprechend zu steuern und dass die vorhandene Auswerteeinheit geeignet ist, die von der Detektionseinheit aufgenommenen und übertragenen Reflexbilder eines Auges sowohl keratometrisch als auch topographisch auszuwerten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur keratometrischen und topographischen Vermessung der Hornhaut eines Auges unter Verwendung eines Topographiemoduls für ophthalmologische Geräte, bei dem zur keratometrischen Vermessung das Auge entfernungsunabhängig beleuchtet und detektiert wird und bei dem das Topographiemodul in einem ersten Schritt im Strahlengang positioniert und in den Steuer- und Auswertealgorithmus eingebunden wird, wird diese Aufgabe durch folgende Verfahrensschritte gelöst:

b) Aufnehmen eines zweiten Bildes, bei dem das Fixierlicht und die Beleuchtung für die keratometrische Messung eingeschalten sind,
c) Aufnehmen eines dritten Bildes, bei dem das Fixierlicht und die Beleuchtung für die topographische Messung eingeschalten sind und
e) Auswerten der aufgenommenen Bilder und Ausgeben der Ergebnisse.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Mit der vorliegenden Lösung wird es möglich, dass ophthalmologische Geräte, die über eine entfernungsunabhängiger Keratometrie-Messeinrichtung verfügen, zusätzlich topographische Messungen am Auge realisieren können. Die Lösung vereint somit die Vorteile keratometrischer und topographischer Messungen am Auge bei einem geringen technischen Aufwand. Die vorliegende Erfindung ist sowohl als alternatives Zusatzmodul und bei entsprechender Anpassung auch als Nachrüstmodul für bereits in Verwendung befindliche ophthalmologische Geräte geeignet. Insbesondere eignet sich die vorgeschlagene Lösung für die Verwendung in entfernungsunabhängigen 6-Punkt-Keratometern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
1: scheibenförmige, plane Topographiemodule im Querschnitt,
2: die Frontansichten zweier Topographiemodule,
3: ein Topographiemodul mit erweitertem Messbereich im Querschnitt,
4: den prinzipiellen Aufbau eines 6-Punkt-Keratometers mit Topographiemodul,
5: eine Funktion zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des ermittelten Radius vom realen Abstand zwischen Auge und Messgerät und
6: die schematische Darstellung dreier Varianten einer skalierten Topographie.
Das vorgeschlagene Topographiemodul ist vorgesehen für ophthalmologische Geräte, die über eine entfernungsunabhängige Keratometrie-Messeinrichtung mit Detektionsstrahlengang und den dafür erforderlichen Einheiten für Beleuchtung, Detektion sowie Steuerung und Auswertung verfügen.
Erfindungsgemäß ist das der Erzeugung leuchtender Muster dienende Topographiemodul fest oder beweglich im Strahlengang zwischen dem ophthalmologischen Gerät und dem Auge angeordnet, wozu es über Vorrichtungen verfügt, die ein Anordnen an definierter Position im Strahlengang gewährleisten. Dabei ist die vorhandene Steuereinheit in der Lage das Topographiemodul für die Erzeugung von Leuchtmustern entsprechend zu steuern. Ferner ist die vorhandene Auswerteeinheit geeignet, die von der Detektionseinheit aufgenommenen und übertragenen Reflexbilder eines Auges sowohl keratometrisch als auch topographisch auszuwerten.
Das Topographiemodul weist eine scheibenförmige, plane, teilweise konische oder ähnliche Form auf.
Obwohl für das Topographiemodul zumindest in dessen Zentrum eine plane Form bevorzugt wird, kann es nach außen hin andere Geometrien, wie beispielsweise eine konische oder eine ähnliche Form aufweisen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist das Topographiemodul transparent und besteht aus Glas oder besonders bevorzugt aus Kunststoff.
Erfindungsgemäß verfügt das Topographiemodul zur Erzeugung der für Topographiemessungen erforderlichen Leuchtmuster über lokal streuende oder reflektierende Inhomogenitäten in seinem Volumen oder über Strukturen in oder auf seiner Oberfläche oder über eine selbstleuchtende opto-elektronische Beschichtung. Als Leuchtmuster zur Topographiemessung kommen üblicher Weise wohl bekannte Muster, wie Ringe, Gitter, Punkte, Balken o. ä. zur Anwendung. Vorzugsweise kann die Stärke der Streustrukturen derart variiert werden, dass die erzeugten Muster eine gleichmäßige Helligkeit bzw. Ausleuchtung aufweisen.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist zur Beleuchtung der lokal streuenden Inhomogenitäten in seinem Volumen oder der Strukturen an seiner Oberfläche eine Beleuchtungseinheit so am Topographiemodul angeordnet, dass das Licht seitlich in dessen Umfangsfläche(n) eingekoppelt wird.
Das über die Umfangsfläche(n) eingekoppelte Licht wird durch Totalreflexion über den gesamten Scheibenquerschnitt geführt und an den Inhomogenitäten bzw. Strukturen in Richtung des Auges gestreut bzw. ausgekoppelt.
Hierzu zeigt die 1 scheibenförmige, plane Topographiemodule im Querschnitt. Während das Topographiemodul TM auf der linken Seite lokal streuende Inhomogenitäten SS_in im Inneren des Scheibenvolumens aufweist, verfügt das auf der rechten Seite abgebildete Topographiemodul TM über Strukturen an seiner Oberfläche SS_out. Zur Beleuchtung der inneren oder äußeren, streuenden Strukturen SS_in oder SS_out sind am Topographiemodul TM eine Anzahl von n Topographiebeleuchtungen TB_n angeordnet, die in ihrer Gesamtheit die Beleuchtungseinheit darstellen. Das Licht der Topographiebeleuchtungen TB_n wird in die Stirnfläche des Topographiemoduls TM eingekoppelt. Im zentralen Bereich um die optische Achse OA weist das Topographiemodul TM vorzugsweise keine streuenden Strukturen aus, da dieser Bereich den telezentrischen Detektionsstrahlengang DS_tz bildet.
Wie aus der 2 ersichtlich wird, besteht die Beleuchtungseinheit aus mehreren, über den Umfang verteilten Beleuchtungselementen, vorzugsweise in Form von Leuchtdioden. Dabei muss das Topographiemodul nicht zwangsläufig eine rotationssymmetrische Form aufweisen.
Weiterhin sind die lokal streuenden Inhomogenitäten in seinem Volumen oder die Strukturen an seiner Oberfläche so angeordnet, dass sowohl die Strahlen der Keratometerbeleuchtung als auch der telezentrische Detektionsstrahlengang nicht oder nur sehr geringfügig beeinflusst werden.
Hierzu zeigt die 2 die Frontansichten zweier Topographiemodule TM mit über den Umfang verteilten Topographiebeleuchtungen TB_n. Der zentrale Bereich der Topographiemodule TM ist als Öffnung ausgeführt oder weist zumindest keine streuenden Strukturen auf. Dadurch wird gewährleistet, dass der telezentrische Detektionsstrahlengang DS_tz von den lokal streuenden Inhomogenitäten SS_in nicht beeinflusst wird. Beispielhaft sind hier Strukturen gezeigt, die Leuchtmuster in Form eines Ringsystems ähnlich einer Placido-Scheibe erzeugen. Die Beeinflussung der Strahlengänge für die Keratometerbeleuchtung KB_n kann auf unterschiedliche Weise verhindert werden.
Die Fläche des Topographiemodules TM in der oberen Abbildung ist dazu von innen nach außen so aufgeteilt, dass nach dem telezentrischen Detektionsstrahlengang DS_tz ein erster Bereich folgt, der lokal streuende Inhomogenitäten SS_in zur Erzeugung der Leuchtmuster für die Topographiemessung enthält, einem zweiten Bereich der für die Keratometerbeleuchtung KB_n vorgesehen ist und einem dritten Bereich, der wiederum lokal streuende Inhomogenitäten SS_in zur Erzeugung der Leuchtmuster für die Topographiemessung enthält.
Im Gegensatz dazu werden bei dem Topographiemodul TM in der unteren Abbildung die lokal streuenden Inhomogenitäten SS_in an den Stellen der Strahlengänge für die Keratometerbeleuchtung KB_n einfach unterbrochen. Dies kann insbesondere bei steigender Dichte der Inhomogenitäten SS_in erforderlich werden.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung verfügt das Topographiemodul über eine opto-elektronische Beschichtung mit der die für die Topographiemessungen erforderlichen Leuchtmuster erzeugt werden. Bevorzugt kommen dabei transparente OLED-Folien als Beschichtung zur Anwendung.
Durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung ist die OLED-Folie in der Lage selbstleuchtende Muster darzustellen, so dass keine zusätzliche Beleuchtungseinheit erforderlich ist. Dabei lassen sich in Abhängigkeit von der Art und Weise der Ansteuerung beliebige, statische und dynamische Leuchtmuster darstellen, die hinsichtlich Farbe und Kontrast variierbar sind.
So lässt sich beispielsweise Abstand und Ausdehnung der Leuchtstrukturen variabel einstellen. Jede mögliche Musterstruktur kann damit erzeugt werden: ringförmig, punktförmig, netzförmig oder auch kombiniert. Bevorzugt kann das Leuchtmuster an die Anatomie sowie die zu optimierende Oberflächenfunktion angepasst werden. Aber auch eine zeitliche Anpassung der Strukturform während der Messung ist somit möglich. Auf diese Weise kann die Beleuchtungsstruktur optimal an die individuelle Anatomie des zu messendes Auges angepasst werden. Dies ist insbesondere bei Patienten wichtig, deren Kornea infolge von Operationen oder Unfällen Narben aufweisen, die zu starken Verzerrungen der auf das Auge projizierten Muster führen.
Denn bei der Vermessung von Reflexmustern zur Bestimmung der Topographie eines Auges ist es wichtig, dass zu jedem Messpunkt eindeutig die jeweilige Beleuchtungsquelle zugeordnet werden kann. Dies ist insbesondere bei deformierten, pathologischen Anatomien schwierig, da es zum Überlappen oder berholen der Bildpunkte kommen kann. In diesem Zusammenhang bieten OLED-Folien weiterhin den Vorteil, dass Leuchtstrukturen erzeugbar sind, deren Farbe, Kontrast oder auch Sequenz variiert werden können. Dadurch können die Messpunkte auch bei starken Verzerrungen eindeutig den betreffenden Beleuchtungsquellen zugeordnet werden.
Bei der Verwendung derartiger OLED-Folien bietet sich zudem die Möglichkeit, dass mit dem Topographiemodul neben den für die Topographiemessungen erforderlichen Leuchtmustern zusätzliche Leuchtpunkte zur Fixierung dargestellt werden können.
Ein weiterer Vorteil ist in der Flexibilität der OLED-Folien zu sehen. Dadurch wird es möglich, auch nicht-ebene Geometrien zu verwirklichen, um den Bauraum eines ophthalmologischen Gerätes optimal auszunutzen.
Eine mögliche Quelle für Störsignale beim beschriebenen Aufbau ist Streulicht, das von der Topographiescheibe zum Gerät hin abgestrahlt wird. Dieses Licht beleuchtet die Geräteoberfläche und reduziert somit den Kontrast zwischen den Streustrukturen und dem Hintergrund im Bild.
Gemäß eines zusätzlichen Ausgestaltungsaspektes kann der Einfluss dieser Streustrahlung auf verschiedene Art und Weise vermindert werden:

– das hinter dem Topographiemodul befindliche Gerätegehäuse besitzt eine dunkle und/oder matte Oberfläche,
– die Streustruktur befindet sich nicht unmittelbar vor dem Gehäuse und
– das Topographiemodul verfügt über entsprechende Beschichtungen und/oder Abdeckungen.

Dabei werden die Bereiche der Strahlengänge der Keratometerbeleuchtung als auch der telezentrische Detektionsstrahlengang von der Beschichtung ausgenommen. Dort befinden sich im ophthalmologischen Gerät ohnehin optische Öffnungen, die kein Licht zurückstreuen können.
Bei Verwendung unterschiedlicher Wellenlängen für die Keratometer- und Topographiebeleuchtungen sind die Beschichtungen zur Reduzierung des Streulichteinflusses entsprechend anzupassen.
Die 3 zeigt ein Topographiemodul mit erweitertem Messbereich im Querschnitt. Auch hier weist das Topographiemodul TM lokal streuende Inhomogenitäten SS_in im Inneren des Scheibenvolumens auf, zu deren Beleuchtung am Topographiemodul TM eine Anzahl von n Topographiebeleuchtungen TB_n angeordnet sind, die in ihrer Gesamtheit die Beleuchtungseinheit darstellen.
Der zentrale Bereich des Topographiemoduls TM, der hierbei eine planparallele Form aufweist, beinhaltet sowohl den telezentrischen Detektionsstrahlengang DS_tz als auch den Bereich für die Keratometrie-Strahlen. Dadurch kann eine Verzerrung der Keratometrie-Strahlen bei der Transmission vermieden oder zumindest minimiert werden. Durch den sich in der Peripherie anschließenden konischen Bereich kann ein größerer Messbereich auf der Kornea abgedeckt werden.
Die 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines 6-Punkt-Keratometers mit dem erfindungsgemäßen Topographiemodul.
Das 6-Punkt-Keratometer K besteht hierbei aus dem telezentrischen Detektionsstrahlengang DS_tz, mit einer Abbildungsoptik AO, einer Telezentrieblende B_T und einem Bildsensor BS, sowie den Strahlengängen KS_n für die Keratometerbeleuchtung KB_n mit einer Lochblende B_Ln und einer Plan-Konvex-Linse L_PKn. Zwischen dem Auge A und dem 6-Punkt-Keratometer K ist das Topographiemodul TM mit lokal streuenden Inhomogenitäten SS_in und der Topographiebeleuchtung TB_n vorzugsweise unmittelbar vor dem 6-Punkt-Keratometer K angeordnet.
Der 4 ist zu entnehmen, dass das Topographiemodul TM weder im Bereich des telezentrischen Detektionsstrahlenganges DS_tz, noch im Bereich der Strahlengänge KS_n für die Keratometerbeleuchtung KB_n über lokal streuende Inhomogenitäten SS_in verfügt, die diese beeinflussen könnten.
Bevorzugt werden die Beleuchtungen KB_n und TB_n so ausgeführt, dass die Emission im nahen infraroten Spektralbereich erfolgt, um die Fixierung der Blickrichtung des Patienten nicht zu stören.
Da die Keratometrie-Struktur aus dem Unendlichen auf das Auge projiziert wird, wird sie bei der Abbildung auf den Kamerachip im Allgemeinen eine geringfügig andere Fokusebene aufweisen als die Topographiestruktur. Dies wird durch die spiegelnde Abbildung an der Korneaoberfläche (bzw. am Tränenfilm) verursacht. Diese Differenz kann kompensiert werden, wenn die beiden Emissionswellenlängen sich definiert von einander unterscheiden. In diesem Fall verschieben sich die Fokusebenen durch die chromatischen Abbildungsfehler der Abbildungsoptik gegeneinander, und über eine entsprechende Abstimmung zwischen den beiden Beleuchtungswellenlängen und der Abbildungsoptik kann das gewünschte Ergebnis erzielt werden.
Besonders bevorzugt werden daher die Emissionswellenlängen derart gewählt, dass bei optimalem Messabstand sowohl die Keratometer- als auch die Topographiestrukturen scharf auf dem Kamera-Sensor abgebildet werden.
Einer weiteren Ausgestaltung entsprechend ist das Topographiemodul als nicht transparente Ausführung gestaltet, wobei es dafür zwei Varianten gibt.
Soll das nicht transparente Topographiemodul ständig im Strahlengang verbleiben, so sind für die Keratometerbeleuchtung, eine gegebenenfalls vorhandene Spaltbeleuchtung und den Detektionsstrahlengang entsprechende Öffnungen vorzusehen. Allerdings wird dadurch die Datendichte reduziert.
Diese Öffnungen sind nicht erforderlich, wenn das nicht transparente Topographiemodul sequentiell, d. h. nur für die Topographiemessung in den Strahlengang eingebracht wird. Dies ist beispielsweise durch eine Vorklapp- oder Schiebemechanik möglich. Dies hat jedoch zur Folge, dass die sequentiell erfolgenden Messungen wesentlich mehr Zeit in Anspruch nehmen.
Bei dieser Variante ist es sogar denkbar, dass das Topographiemodul mechanisch vollständig getrennt und beispielsweise mittels Magneten am ophthalmologischen Gerät befestigt werden kann. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass eine präzise reproduzierbare Positionierung des Topographiemoduls in der Messstellung erforderlich ist, die durch entsprechende Anschlag- oder Einrastvorrichtungen zu gewährleisten ist.
Ausführungsformen für derartige, nicht transparente Zusatzmodule sind dem Fachmann aus diversen kommerziellen Geräten und Patentanmeldungen hinlänglich bekannt, so dass diese hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt sind.
Für eine exakte Bestimmung der Topographie der Kornea eines Auges mittels einzelner Leuchtstrukturen oder Placido-Ringsystemen ist aufgrund der Art der Beleuchtung zwingend erforderlich, den Abstand zwischen Auge bzw. Kornea und Messgerät zu kennen bzw. bestimmen.
Hierzu zeigt die 5 den Einfluss des realen Abstandes zwischen Auge und Messgerät für den ermittelten Radius auf Basis eines Kugelmodelles. Der korrekte Radius R_Kugel von 8,35mm wird nur bei einem Messabstand D_m zwischen Auge und Messgerät von 70mm ermittelt. Bei einer Abweichung des Messabstandes D_m von lediglich 0,5mm weicht der ermittelte Radius R_Kugel bereits um mehr als 0,06mm vom korrekten Radius R_Kugel ab.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann auf eine Bestimmung des realen Abstandes zwischen Auge und Messgerät verzichtet werden, da bei der Auswertung der topographischen Daten die ermittelten keratometrischen Daten berücksichtigt werden und der Abstand dabei indirekt ermittelt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur keratometrischen und topographischen Vermessung der Hornhaut eines Auges unter Verwendung eines Topographiemoduls für ophthalmologische Geräte, bei dem zur keratometrischen Vermessung das Auge entfernungsunabhängig beleuchtet und detektiert wird und bei dem das Topographiemodul in einem ersten Schritt im Strahlengang positioniert und in den Steuer- und Auswertealgorithmus eingebunden wird, ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

Die keratometrische und topographische Vermessung der Hornhaut eines Auges kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren durch folgende Verfahrensschritte noch verbessert werden:

a) Aufnehmen eines ersten Bildes, bei dem nur das Fixierlicht eingeschalten ist und
d) Aufnehmen eines vierten Bildes, bei dem das Fixierlicht und eine infrarote Beleuchtung eingeschalten sind.

Im Verfahrensschritt a) werden aus der Umgebung auf die Kornea unter Messbedingungen, d. h. bei Ausrichtung des Auges auf das Fixierlicht, treffende Reflexe aufgenommen, um diese bei der Auswertung aus den Aufnahmen eliminieren zu können. Im Gegensatz dazu hilft die im Verfahrensschritt d) gemachte Aufnahme, den Rand der Iris von den ringförmigen Strukturen der Keratometerbeleuchtung unterscheiden zu können.
Der Messablauf für Keratometrie und Topographie erfolgt bevorzugt derart, dass mehrere Aufnahmezyklen mit dieser festen Reihenfolge durchlaufen werden. In diesem Fall sind die Keratometrie- und Topographiemessungen als zeitgleich anzusehen, und somit wird vermieden, dass mögliche Augenbewegungen bei der Konsistenzberechnung zwischen den Messdaten berücksichtigt werden müssen.
Zur Beschleunigung des Verfahrens können die Verfahrensschritte b) und c) gleichzeitig ausgeführt werden.
Erfindungsgemäß werden die Verfahrensschritte a) bis d) mehrfach wiederholt, um eine bestmögliche Konsistenz zwischen den topographischen Daten und den keratometrischen Daten zu detektieren und diese als Ergebnis auszugeben. Dabei werden zur Bestimmung der bestmöglichen Konsistenz die Krümmungsradien in den keratometrischen Messpunkten mit den anhand der topographischen Daten ermittelten Krümmungsradien an diesen Messpunkten verglichen und gegebenenfalls variiert.
Dabei erfolgt der Vergleich bzw. eine erforderliche Variation anhand der in den Verfahrensschritten a) bis c) aufgenommenen Bilder folgender Maßen.
Aus dem im Verfahrensschritt b) aufgenommenen (keratometrischen) Bild wird der Krümmungsradius R_K der Kornea absolut genau bestimmt. Aus dem im Verfahrensschritt c) aufgenommenen Bild kann zwar die Topographie der Kornea bestimmt werden, deren simulierter Krümmungsradius R_T ist aber unter Umständen nicht korrekt, da der Abstand zwischen Kornea und Messgerät unbekannt ist.
Nun werden die Krümmungsradien R_K und R_T verglichen. Sind beide Krümmungsradien gleich bzw. liegt die Abweichung innerhalb einer akzeptablen Toleranz, so können die Ergebnisse im Verfahrensschritt e) ausgegeben werden. Anderenfalls werden bei der Auswertung der Topographiedaten diese so lange variiert, bis die Krümmungsradien R_K und R_T gleich sind bzw. deren Abweichung innerhalb einer akzeptablen Toleranz liegen.
Hierzu zeigt die 6 eine schematische Darstellung dreier Varianten einer variierten Topographie T₁, T₂ und T₃ mit deren Krümmungsradien R_T1, R_T2 und R_T3 sowie den aus der keratometrischen Abbildung auf der Basis eines Kugelmodelles M_K ermittelten Krümmungsradius R_K. Der 6 kann entnommen werden, dass dem Krümmungsradius R_K am ehesten die variierte Topographie T₂ mit dem Krümmungsradius R_T2 entspricht.
Die Variation erfolgt hierbei derart, dass aus der im Verfahrensschritt c) gemachten Aufnahme die Topographie für verschiedene (jedoch nicht bekannte) Abstände zwischen Kornea und Messgerät bestimmt wird.
Als Ausgangswert kann beispielsweise der Arbeitsabstand, für die Streustrukturen bei einem Normalauge mit maximaler Schärfe auf den Bildsensor abgebildet werden, gewählt werden.
Die Variation kann beispielsweise erfolgen, indem die Topographie direkt in den Punkten der Keratometermessung oder auch eine vorher an die Topographie gefittete Funktion entsprechend skaliert wird. Dies kann sowohl mit Radiendaten als auch mit Gradientendaten erfolgen.
Die Auswertung der bei keratometrischer Beleuchtung aufgenommenen Bilder gemäß dem Verfahrensschritt e) kann hierbei auf einem Kugelmodell oder einem torischen Modell basieren.
Prinzipiell ist es auch möglich das vorgeschlagene Topographiemodul für ophthalmologische Geräte zu verwenden, die zusätzlich über eine Entfernungsmessung oder Entfernungseinstellung verfügen. Hier könnte die Auswertung der Topographiedaten ohne direkten Bezug zu den Keratometrie-Daten erfolgen.
Auch hier wird jedoch die bestmögliche Konsistenz zwischen den topographischen Daten und den keratometrischen Daten detektiert und diese als Ergebnis ausgegeben. Die zwangsläufig vorhandene Entfernungsmesseinrichtung wird dazu verwendet, mögliche Fehlmessungen anzuzeigen. Falls die Abweichungen zwischen den beiden Messverfahren eine festgelegte Toleranz überschreiten, wird eine Warnmeldung ausgegeben. Die Messung ist dann zu wiederholen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung zur Verfügung gestellt, die es ermöglicht, dass ophthalmologische Geräte, die über eine entfernungsunabhängige Keratometrie-Messeinrichtung verfügen, zusätzlich topographische Messungen am Auge realisieren können und zwar, ohne dass dafür der Abstand zwischen Kornea und Messgerät bekannt sein oder ermittelt werden muss.
Die Lösung vereint somit die Vorteile keratometrischer und topographischer Messungen am Auge bei einem geringen technischen Aufwand. Die vorliegende Erfindung ist sowohl als alternatives Zusatzmodul und bei entsprechender Anpassung auch als Nachrüstmodul für bereits in Verwendung befindliche ophthalmologische Geräte geeignet. Insbesondere eignet sich die vorgeschlagene Lösung für die Verwendung in entfernungsunabhängigen 6-Punkt-Keratometern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4685140 A [0005]
US 5110200 A [0006]
US 5194882 A [0006]
US 5684562 A [0006]
US 6116738 A [0006]
US 5864383 A [0006]
US 6575573 B2 [0007]
US 6692126 B1 [0007]
US 6048065 A [0009]
US 6070981 A [0009]
EP 2583620 A2 [0012]
WO 2000/33729 A2 [0014]
US 4660946 A [0015]
WO 2012/160049 A1 [0016]

Claims

Topographiemodul für ophthalmologische Geräte, die über eine entfernungsunabhängige Keratometrie-Messeinrichtung mit Detektionsstrahlengang und den dafür erforderlichen Einheiten für Beleuchtung, Detektion sowie Steuerung und Auswertung verfügen, dadurch gekennzeichnet, dass das Topographiemodul der Erzeugung leuchtender Muster dient und fest oder beweglich im Strahlengang zwischen dem ophthalmologischen Gerät und dem Auge angeordnet ist, dass das Topographiemodul die Keratometrie-Strahlung transmittiert und über Vorrichtungen verfügt, die ein Anordnen an definierter Position im Strahlengang gewährleisten, dass die vorhandene Steuereinheit in der Lage ist, das Topographiemodul für die Erzeugung von Leuchtmustern entsprechend zu steuern und dass die vorhandene Auswerteeinheit geeignet ist, die von der Detektionseinheit aufgenommenen und übertragenen Reflexbilder eines Auges sowohl keratometrisch als auch topographisch auszuwerten.
Topographiemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektionsstrahlengang der entfernungsunabhängigen Keratometrie-Messeinrichtung telezentrisch ausgeführt ist.
Topographiemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Topographiemodul eine scheibenförmige, plane, konische oder ähnliche Form aufweist.
Topographiemodul nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Topographiemodul transparent ist und zur Erzeugung der für Topographiemessungen erforderlichen Leuchtmuster über lokal Licht auskoppende Inhomogenitäten in seinem Volumen oder über Strukturen an seiner Oberfläche oder über eine opto-elektronische Beschichtung verfügt.
Topographiemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Leuchtmuster zur Topographiemessung Ringe, Gitter, Punkte, Balken o. ä. zur Anwendung kommen.
Topographiemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung der lokal Licht auskoppelnden Inhomogenitäten in seinem Volumen oder der Strukturen in oder auf seiner Oberfläche eine Beleuchtungseinheit so angeordnet ist, dass das Licht seitlich in die Umfangsfläche(n) des Topographiemoduls eingekoppelt wird.
Topographiemodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit aus mehreren, über den Umfang verteilten Beleuchtungselementen besteht.
Topographiemodul nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lokal streuenden Inhomogenitäten in seinem Volumen oder die Strukturen in oder auf seiner Oberfläche so angeordnet sind, dass sowohl die Strahlen der Keratometerbeleuchtung als auch der telezentrische Detektionsstrahlengang nicht beeinflusst werden.
Topographiemodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als opto-elektronische Beschichtung zur Erzeugung der für Topographiemessungen erforderlichen Leuchtmuster eine Schicht in Form einer OLED-Folie zur Anwendung kommt.
Topographiemodul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die OLED-Folie in der Lage ist, durch entsprechende Ansteuerung der Steuereinheit selbstleuchtende Leuchtmuster darzustellen, so dass keine Beleuchtungseinheit erforderlich ist.
Topographiemodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit der OLED-Folie in Abhängigkeit von deren Ansteuerung beliebige dynamische Leuchtmuster dargestellt werden können, die hinsichtlich Farbe und Kontrast variierbar sind.
Topographiemodul nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit der OLED-Folie in Abhängigkeit von deren Ansteuerung neben den für die Topographiemessungen erforderlichen Leuchtmustern zusätzliche Leuchtpunkte zur Fixierung dargestellt werden können.
Topographiemodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Topographiemodul zur Reduzierung des Streulichteinflusses über entsprechende Beschichtungen und/oder Abdeckungen verfügt.
Verfahren zur keratometrischen und topographischen Vermessung der Hornhaut eines Auges unter Verwendung eines Topographiemoduls für ophthalmologische Geräte, bei dem zur keratometrischen Vermessung das Auge entfernungsunabhängig beleuchtet und detektiert wird und bei dem das Topographiemodul in einem ersten Schritt im Strahlengang positioniert und in den Steuer- und Auswertealgorithmus eingebunden wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: b) Aufnehmen eines zweiten Bildes, bei dem das Fixierlicht und die Beleuchtung für die keratometrische Messung eingeschalten sind, c) Aufnehmen eines dritten Bildes, bei dem das Fixierlicht und die Beleuchtung für die topographische Messung eingeschalten sind und e) Auswerten der aufgenommenen Bilder und Ausgeben der Ergebnisse.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch zwei weitere Verfahrensschritte: a) Aufnehmen eines ersten Bildes, bei dem nur das Fixierlicht eingeschalten ist, d) Aufnehmen eines vierten Bildes, bei dem das Fixierlicht und eine infrarote Beleuchtung eingeschalten sind.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Verfahrensschritte b) und c) gleichzeitig ausgeführt werden können.
Verfahren nach den Ansprüchen 14 und 15, gekennzeichnet dadurch, dass die Verfahrensschritte a) bis d) mehrfach wiederholt werden, um eine bestmögliche Konsistenz zwischen den topographischen Daten und den keratometrischen Daten zu detektieren und diese als Ergebnis auszugeben.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass zur Bestimmung der bestmöglichen Konsistenz die Krümmungsradien in den keratometrischen Messpunkten mit den anhand der topographischen Daten ermittelten Krümmungsradien an diesen Messpunkten verglichen und die topographischen Daten gegebenenfalls variiert werden.
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet dadurch, dass zur Variation der im Verfahrensschritt c) gemachten Aufnahme(n) die Topographie für verschiedene Abstände zwischen Kornea und Messgerät bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Auswertung der bei keratometrischer Beleuchtung aufgenommenen Bilder im Verfahrensschritt e) auf einem Kugelmodell basiert.
Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Auswertung der bei topographischer Beleuchtung aufgenommenen Bilder im Verfahrensschritt e) auf einem torischen Modell basiert.