DE102020002733A1

DE102020002733A1 - Bestimmung der statischen und torsionalen Komponente der Augenposition bei Augenoperationen mithilfe des Pupil-Center-Shifts (PCS)

Info

Publication number: DE102020002733A1
Application number: DE102020002733.4A
Authority: DE
Inventors: Saso Spasovski; Friedrich J. Baartz
Original assignee: CHRONOS VISION GmbH
Current assignee: CHRONOS VISION GmbH
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2021-11-11

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der torsionalen Bewegung eines menschlichen Auges, umfassend die Schritte: Erfassen je eines Bildes des menschlichen Auges an mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten; Bestimmen des jeweiligen Pupillenmittelpunkts und des jeweiligen Limbusmittelpunkts, und Ermitteln des jeweiligen Verbindungsvektors zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt aus jedem Bild; wobei aus den jeweils ermittelten Verbindungsvektoren zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt eine torsionale Komponente einer Augenbewegung zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt wird. Eine Vorrichtung zur Bestimmung der torsionalen Bewegung eines menschlichen Auges und eine Bildverarbeitungseinheit sind zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der torsionalen Bewegung eines menschlichen Auges.
Die Position des Auges wird durch drei Muskelpaare bestimmt, die eine Rotation des Augapfels um die horizontale, vertikale und torsionale Achse beschreiben. Bei der torsionalen Bewegung rotiert das Auge um die Blickachse. Diese torsionale Komponente zu bestimmen ist bildverarbeitungstechnisch komplex und es existiert eine Vielzahl von Ansätzen, die versuchen, diese Drehbewegung zu erfassen.
Im Bereich der Medizintechnik sowie der neurologischen Diagnostik ist die Bestimmung der torsionalen Position des menschlichen Auges von Bedeutung. In der Medizintechnik muss zum Beispiel für die Einsetzung torischer Intraokularlinsen eine Verdrehung des Auges genau bekannt sein, um die exakte Ausrichtung der Linse relativ zum Auge sicherzustellen. Aber auch bei einer Laserbehandlung des Auges oder deren Vorbereitung führt die Kenntnis und Berücksichtigung der torsionalen Komponente der Augenposition zu einem genaueren Ergebnis. Weitere mögliche Anwendungsgebiete sind die Erforschung von Hirnfunktionen oder die Untersuchung der Wirkung von Bildern bzw. allgemein visuellen Reizen auf den Menschen, zum Beispiel im Bereich der Werbung und Kommunikation.
Dabei ist zu beachten, dass sich die torsionale Komponente in relativ kurzer Zeit ändern kann, so dass eine aktuelle Information über die Torsionslage des Auges sehr wichtig ist.
Ein Lösungsansatz zur Ermittlung der Augentorsion besteht in der Iriserkennung oder Iris Recognition. Hierbei geht es darum, die menschliche Iris genau wie einen Fingerabdruck zu nutzen, um Personen eindeutig zu identifizieren. Die menschliche Iris, auch Regenbogenhaut genannt, zeigt sehr individuelle Muster, die, ähnlich wie ein Fingerabdruck, eindeutig einer Person zugeordnet werden können. Weitere individuelle Muster - wie z.B. Blutgefäße - können sich auf der Sklera befinden.
In der Druckschrift WO02/071316A1 wird ein Iris Recognition Verfahren beschrieben, das den Zweck hat, ein aufgrund einer von der Kameraachse abweichenden Blickrichtung verdrehtes Irisbild zu korrigieren. Dabei wird ein Bild aufgenommen und es werden die inneren und äußeren Grenzen der Iris mit einem Kantendetektor bzw. Canny Edge Detektor identifiziert. Dann werden Irismuster nur in vorab definierten Abständen zum inneren Randbereich einbezogen. Anschließend wird das Irisbild in Polarkoordinaten umgewandelt.
Die Druckschrift KR1020030051963 A zeigt ein Verfahren zur Erkennung einer Irisrotation in einem Iris Recognition System. Damit soll die Vergleichszeit eines Iriscodes bei der Iriserkennung reduziert werden. Zu diesem Zweck wird mit dem Iris Recognition System mit einer Kamera ein Bild eines Auges aufgenommen. Aus dem Bild wird ein Gradient der Iris detektiert. Das Bild wird entsprechend dem Gradienten rotiert und der Gradient wird korrigiert. Nach dem beschriebenen Verfahren wird ein Iriscode der gradient-korrigierten Iris erzeugt und in einem Iris Algorithmus registriert.
In Druckschrift US 9,675,245 B2 wird beschrieben, dass die Bestimmung der Augentorsion durch den Vergleich korrespondierender Bildbereiche in aufeinander folgenden Bildern identifiziert wird, indem für korrespondierende Merkmale in verschiedenen Bildern eines Auges je ein Histogramm der Gradientenrichtungen verglichen wird. Aus der relativen Verschiebung der Histogramme kann auf die Augentorsion zwischen den Bildern geschlossen werden und aus der Verschiebung der Richtungsachse auf den Torsionswinkel geschlossen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem die torsionale Komponente der Augenbewegung sowohl statisch, kurz vor einer Augenoperation, als auch dynamisch, also während der Augenoperation bestimmt werden kann.
Die Erfindung basiert auf der Idee, die Eigenschaft der Augenanatomie dahingehend zu nutzen, dass gewöhnlich die Pupillenmitte nicht mit der geometrischen Mitte des Limbus bzw. der Iris übereinstimmt, der Abstand sich sogar entsprechend einer anatomischen Reaktion z.B. aufgrund unterschiedlicher Beleuchtungsstärke, individuell ändert. Nach Bestimmung von Pupillen- bzw. und Limbusmittelpunkt läßt sich der Verbindungsvektor dieser Punkte bestimmen. Dadurch erhält man die torsionale Komponente der Augenbewegung zwischen 2 unterschiedlichen Zeitpunkten der jeweiligen Bilder. Für den Fall, das der Pupil Center Shift bei der Standardbeleuchtung nur gering ausfällt, kann man über unterschiedliche Helligkeitswerte der Beleuchtung einen Versatz von Limbus und Pupille induzieren.
In einem weiteren Schritt können, wenn notwendig im Sinne einer robusten Bildverarbeitung, zeitgleich zur Bestimmung des Verbindungsvektors zwischen Limbus- und Pupillenzentrum, ein oder mehrere, weitere Verbindungsvektoren bestimmt werden, die zwischen dem Limbuszentrum und einem oder mehreren, beliebigen, markanten Merkmalen auf dem Auge, wie z.B. als Irismerkmal, Blutgefäß, Bluterguss usw. sichtbar sind. Darüber hinaus kann es auch zweckmäßig sein, die Torsionsbestimmung ggf. ausschließlich nur aus den Richtungsvektoren dieser markanten Merkmale untereinander zu nutzen. Dies ist möglich, da der geometrische Zusammenhang des ursprünglichen Vektors mit den weiteren Vektoren inzwischen bekannt ist.
Dadurch, dass man nach der Bestimmung des Verbindungsvektors zwischen Pupillen- und Limbusmittelpunkt frei in der Wahl weiterer oder anderer Verbindungsvektoren ist, läßt sich durch geeignete Auswahl der Aufwand der nötigen Bildverarbeitungsprozedur reduzieren, was wiederum einen geringeren Rechenaufwand ermöglicht, der dann z.B. auch in einer kürzeren zeitlichen Latenz zwischen aufeinander folgenden Bildern führt. Damit erreicht man nahezu eine Echtzeitfähigkeit der Bildverarbeitungseinheit. Die zur Verfügungstellung solcher, äußerst zeitnaher und hochfrequenten Koordinaten kann bei Berücksichtigung im Gesamtsystem zu einer deutlichen Verbesserung des Operationsergebnisses für den Patienten führen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 02/071316 A1 [0006]
KR 1020030051963 A [0007]
US 9675245 B2 [0008]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der torsionalen Bewegung eines menschlichen Auges, umfassend die Schritte: Erfassen je eines Bildes des menschlichen Auges an mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten; Bestimmen des jeweiligen Pupillenmittelpunkts und des jeweiligen Limbusmittelpunkts, und Ermitteln des jeweiligen Verbindungsvektors zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt aus jedem Bild; wobei aus den jeweils ermittelten Verbindungsvektoren zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt eine torsionale Komponente einer Augenbewegung zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch unterschiedliche Helligkeitswerte der Beleuchtung des Auges ein Versatz von Limbus und Pupille induziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zeitgleich zur Bestimmung des Verbindungsvektors zwischen dem Limbusmittelpunkt und dem Pupillenmittelpunkt 3.1. ein oder mehrere weitere Verbindungsvektoren zwischen dem Limbusmittelpunkt und einem oder mehreren markanten Merkmalen auf dem Auge bestimmt werden, und/oder 3.2. Richtungsvektoren markanter Merkmale auf dem Auge untereinander bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ein oder mehreren markanten Merkmale aus der Gruppe Irismerkmal, Blutgefäß, Bluterguss gewählt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es kurz vor einer Augenoperation und/oder während einer Augenoperation durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Bestimmung der torsionalen Bewegung eines menschlichen Auges, umfassend eine Bilderfassungseinheit zum Erfassen je eines Bildes des menschlichen Auges an mindestens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten; eine Bildverarbeitungseinheit zur Bestimmung des jeweiligen Pupillenmittelpunkts und des jeweiligen Limbusmittelpunkts, und zur Ermittlung des jeweiligen Verbindungsvektors zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt aus jedem Bild; wobei die Bildverarbeitungseinheit derart gestaltet ist, dass sie aus den jeweils ermittelten Verbindungsvektoren zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt eine torsionale Komponente einer Augenbewegung zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgestaltet ist.
Bildverarbeitungseinheit zur Bestimmung der torsionalen Bewegung eines menschlichen Auges, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung der folgenden Schritte ausgebildet ist: Bestimmung des jeweiligen Pupillenmittelpunkts und des jeweiligen Limbusmittelpunkts und Ermittlung des jeweiligen Verbindungsvektors zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt aus mindestens zwei Bildern des menschlichen Auges, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden; und Bestimmung einer torsionale Komponente einer Augenbewegung zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten aus den jeweils ermittelten Verbindungsvektoren zwischen dem Pupillenmittelpunkt und dem Limbusmittelpunkt.
Bildverarbeitungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist und/oder zur Verwendung in einer Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 ausgebildet ist.