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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Restfehlsichtigkeit
eines Patienten während
der subjektiven Refraktionsbestimmung mittels eines Phoropters und
einer Sehtafel sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Die
Refraktion des menschlichen Auges kann auf unterschiedliche Arten
gemessen werden. Prinzipiell ist zwischen zwei unterschiedlichen
Methoden zu unterscheiden:
- (a) bei der „objektiven" Methode wird die
Refraktion durch Analyse eines von der Netzhaut eines Auges des Patienten
reflektierten Lichtbündels
bestimmt. Sie kann auch bei Patienten – wie Kleinkindern oder Behinderten – genutzt
werden, die keine Auskunft über
ihr Sehvermögen
geben können.
- (b) bei der „subjektiven" Methode liefert
der Patient selbst die Rückmeldung über die
Güte der
Sehkraft. Hierzu schaut er durch einen Phoropter oder eine Testbrille
auf eine Sehtafel. Dabei werden unterschiedliche optische Korrekturen
für beide
Augen separat in die Blickrichtung des Patienten eingebracht. Er
entscheidet nun subjektiv durch Betrachtung der Optotypen auf der
Sehtafel, welche Korrektur das optimale Sehvermögen liefert.
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Es
ist bekannt geworden, die vorbeschriebenen Methoden dahingehend
zu kombinieren, um zunächst mittels
der objektiven Methode die Refraktion grob zu ermitteln, und anschließend mit
der subjektiven Methode die „Feinabstimmung" durchzuführen.
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Mit
den oben beschriebenen Methoden kann die Fehlsichtigkeit üblicherweise
in 0,25 dpt Schritten hinsichtlich Defokus und Astigmatismus korrigiert
werden. Es besteht allerdings keine Möglichkeit, höhere Ordnungen,
wie z.B. das Koma oder die sphärische
Aberration auszugleichen und damit zu vermessen. Solange die Refraktionsbestimmung über die
subjektive Methode erfolgt und damit die Korrektur einer Fehlsichtigkeit des
Patienten subjektiv festgelegt wird, ist eine gezielte, optimale
Fehlsichtigkeitskorrektur nicht möglich. Denn die subjektive
Wahrnehmung des Patienten basiert stets auf der ihm eigenen Art
zu sehen. Hier fließen
seine Erfahrungen beim Erkennen von Optotypen mit ein. Ein objektiver
Messwert für
die wirklich benötigte
Korrektur eines Sehfehlers ist hiermit nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
mit dem die Refraktion des menschlichen Auges präziser ermittelt und so die
Güte der
Korrektur einer Fehlsichtigkeit verbessert werden kann.
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Ferner
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine zur Durchführung des
Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.
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Diese
Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren
sowie durch die in Anspruch 6 wiedergegebene Vorrichtung gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird während
der subjektiven Refraktionsmessung mittels eines Phoropters und
einer Sehtafel, d.h. während
der Durchführung
der Fehlsichtigkeitsbestimmung nach der „subjektiven" Methode, auf der
Netzhaut eines Auges des Patienten ein Lichtfleck erzeugt. Das von
dem Lichtfleck emitierte Licht wird einem Wellenfrontsensor zugeführt. Die
Aberrationen des von dem Lichtfleck emitierten Lichts wird durch
Wellenfrontanalyse ermittelt.
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Bei
diesem Verfahren werden die „subjektive" und die „objektive" Methode also parallel
durchgeführt, wobei
im Gegensatz zu den bekannten Vorgehensweisen die objektive Methode
zur Ermittlung der Restfehlsichtigkeit bereits während der Fehlsichtigkeitsdiagnose
nach der üblichen
subjektiven Methode angewandt wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird der Lichtfleck auf der Netzhaut mittels einer
auf Seiten der Sehtafel des Phoropters angeordneten Lichtquelle
erzeugt. Für
den Patienten spürbar
erfolgt die Ermittlung der Restfehlsichtigkeit somit weiterhin nach
der subjektiven Methode, da er weiterhin lediglich durch den Phoropter
auf die Sehtafel schaut.
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Um
zu verhindern, dass bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
die subjektive, optische Wahrnehmung des Patienten beeinflusst wird,
wird der Lichtfleck vorzugsweise durch Licht im nicht sichtbaren
Wellenlängenbereich
erzeugt.
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Durchläuft das
von dem Lichtfleck auf der Netzhaut emitierte Licht ebenfalls den
Phoropter, bevor es dem Wellenfrontsensor zugeführt wird, so können bereits
vorhandene Phoropter, die nicht über
einen Ausgang verfügen,
der den gerade eingestellten optischen Korrekturwert liefert, unverändert Verwendung
finden. Desweiteren ist durch diese Maßnahme gewährleistet, dass lediglich geringe
Restfehlsichtigkeitswerte durch den Wellensensor erfasst und berechnet
werden müssen,
so dass dieser auf ein schmales Spektrum von Werten abgestimmt und
mit einer hohen Empfindlichkeit ausgestattet werden kann.
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Das
von dem Lichtfleck emitierte Licht wird – vom Patienten aus gesehen – vorzugsweise
hinter dem Phoropter aus der Blickrichtung des Patienten ausgekoppelt.
Aufgrund dieser Maßnahme
ist es möglich,
die Erfassung und Ermittlung der Restfehlsichtigkeit entfernt von
der Sehtafel durchzuführen.
Bereits vorhandene Sehtafeln können
somit unverändert
Verwendung finden.
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Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst eine Punktlichtquelle, einen Wellensensor sowie eine Einkopplung
des von der Punktlichtquelle emitierten und Auskopplung des von der
Netzhaut des Auges des Patienten reflektierten Strahls in bzw. aus
der Blickrichtung des Patienten. Eine derartige Vorrichtung braucht
vom Patienten aus gesehen lediglich hinter dem Phoropter in den
Strahlengang eingebracht werden, um das erfindungsgemäße Verfahren
durchführen
zu können.
Sämtliche
bereits vorhandenen Diagnosegeräte
wie Phoropter und Sehtafeln können
dann unverändert
weiter verwendet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher auch
für Nachrüstungszwecke
bereits bestehender Systeme geeignet.
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Die
Punktlichtquelle umfasst vorzugsweise eine Infrarotlichtquelle,
um die subjektive Refraktionsbestimmung nicht durch zusätzlichen
Lichteinfall in das Auge des Patienten im Sichtbaren zu beeinflussen.
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Die
Infrarotlichtquelle kann eine Laserquelle umfassen.
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Die
Einrichtung zur Einkopplung des von der Punktlichtquelle emitierten
und Auskopplung des von der Netzhaut des Auges des Patienten reflektiertem
Lichts umfasst in einer besonders konstruktiv einfachen und damit
bevorzugten Ausführungsform
einen Strahlteiler, der im Bereich des sichtbaren Lichts transparent
ist, im Infraroten jedoch als Spiegel wirkt.
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Der
Wellenfrontsensor umfasst vorzugsweise einen Kamerachip. In Betracht
kommt beispielsweise ein solcher, der nach dem CCD-Prinzip arbeitet.
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Da
bereits bestehende Systeme nicht auf eine Ergänzung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgelegt sind, ist es von Vorteil, wenn letztere möglichst
geringe Abmessungen aufweist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist daher der Punktlichtquelle lediglich eine optische Einrichtung
zur Erzeugung eines parallelen Lichtbündels, nicht aber einer Einrichtung
zur Vorkorrektur nachgeschaltet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
sollen nun anhand der Zeichnung näher dargestellt werden.
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Die
in der Zeichnung als ganzes mit R bezeichnete Vorrichtung ist derart
in den Strahlengang S eines Auges A eines Patienten eingestellt,
dass das von der Netzhaut N reflektierte Licht zunächst einen üblichen Phoropter
P und einen Strahlteiler 1 der Vorrichtung R durchläuft. Er
umfasst einen im Bereich des sichtbaren Lichts transparenten, im
Infraroten jedoch reflektierenden Spiegel, der in einem Winkel von
45 ° zur
optischen Achse O des Systems Auge A – Phoropter P – Sehtafel
T angeordnet ist.
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In
der optischen Achse Q der Vorrichtung R befindet sich ein aus zwei
zueinander verlagerbaren Sammellinsen 2,3 und
einer dazwischen befindlichen Blende 4 bestehendes optisches
System, das zur Erzeugung eines parallelen Lichtbündels L
im Infraroten dient.
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Zur
Erzeugung des Infrarotlichts ist vor dem optischen System eine Lichtquelle 5 und
ein dieser nachgeschalteter Polarisator 6 vorgesehen, von
dem das polarisierte Infrarotlicht einem Polarisationsstrahlteiler
zugeführt
wird. Letzterer ist derart konzipiert, dass er das von der Lichtquelle 5 stammende
Licht in Richtung der optischen Achse Q zum Strahlteiler 1 reflektiert.
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Ferner
umfasst die Vorrichtung R einen Polarisator 8, dessen Polarisationsrichtung
gegenüber
dem Polarisator 6 um 90 ° gedreht
ist.
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Das
den Polarisator 8 durchsetzende Licht trifft dann auf ein
Linsenarray, von dem es einem Kamerachip 10 zugeführt wird.
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Die
vorstehend prinzipiell beschriebene Vorrichtung dient der Durchführung des
folgenden Verfahrens:
Von der Lichtquelle 5 wird ein
Infrarot-Lichtstrahl mit einer ebenen Wellenfront erzeugt. Dieser
wird mittels des Polarisators 6 polarisiert und mittels
des Strahlteilers 7 in den Strahlengang entlang der optischen
Achse Q gebracht. Das polarisierte Infrarotlicht wird mittels der
teleskopartig angeordneten Linsen 2,3 und der
dazwischen befindlichen Blende 4 aufgeweitet und über den
Spiegel 1 der Netzhaut N des Auges A zugeführt. Es durchläuft hierbei
den Phoropter P.
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Das
von der Netzhaut N emittierte Infrarotlicht durchläuft dann
wiederum den Phoropter und wird mittels des Strahlteilers 1 über die
Linse 2, die Lochblende 4 und die Linse 3 dem
Strahlteiler 7 zugeführt.
Bei Durchgang durch das Auge wurde das Infrarotlicht derart polarisiert,
daß es
den Strahlteiler 7 und den Polarisator 8 teilweise
durchsetzt.
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Dabei
filtert der Polarisator 8 solches Licht heraus, das beispielsweise
durch Reflexionen an Linsen erzeugt wurde und nicht vom Augenhintergrund
stammt. Das den Polarisator 8 durchsetzende Licht durchdringt
ein Linsenarray 9 und wird schließlich von dem Kamerachip 10 erfasst.
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Während der
Durchführung
der „subjektiven" Methode, bei der
der Patient eine Sehtafel mit Optotypen beobachtet, trifft daher
Licht im Infraroten, das von dem Lichtfleck auf der Netzhaut N des
Auges A reflektiert wird, auf den Kamerachip 10, die durch
das Patientenauge geformt und von dem Phoropter vorkorrigiert wurde.
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Die
Wellenfrontanalyse erfolgt nun durch eine Darstellung der Wellenfront
in einer Art und Weise, die neben der eigentlichen Form gleichzeitig
Informationen über
Fehlsichtigkeit des Auges liefert, die in der Ophthalmologie direkt
verwendet werden kann. Sie basiert auf dem Zernike-Polynom, die
von F. Zernike in einer Arbeit über
die Phasenkontrastmethode zur Wellenfrontanalyse eingeführt wurden.
Diese Zernike-Polynome beschreiben die Wellenfronten klassischer
Aberrationen optischer Systeme mit je einem Polynom, sowie die höheren Ordnungen
davon.
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Das
Verfahren der Wellenfrontanalyse basiert auf einer Modifikation
des Hartmann's Screen-Test.
Die zu analysierende Wellenfront wird mit Hilfe eines Lochblendenarrays
in viele Abschnitte eingeteilt. Diese einzelnen Lichtquellen bilden
je ein Hauptmaximum auf einen Schirm ab, dessen Lage von der Form
der eingestrahlten Wellenfront abhängig ist.
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Die
lokale Verkippung der Wellenfront W(xi,yi) an einer Stelle (xi,yi)
ist über
die Beziehung:
direkt
mit der Verschiebung des Maximas Dxi korreliert, wobei a den Abstand
des Kamerachips zum Linsenarray darstellt.
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Die
Information über
die Wellenfront liegt somit in den Positionen der Maxima. Mit Hilfe
der Wellenfrontrekonstruktion, die ein in der Zeichnung nicht dargestellter
Computer durchführt,
lässt sich
diese Front ermitteln und in Form von Zernikepolynomen darstellen.
Dieses Verfahren unterliegt einem Messbereich, der im folgenden
dargestellt wird. Die Verschiebung der Maxima stellt immer eine
Mittelung über
eine Blende dar. Eine Wellenfront mit Unstetigkeitsstellen, die
auf Blendenränder
fallen, lässt
sich nicht als solche erkennen, da nur lokale Verkippungen wahrgenommen
werden. Der Messbereich eines solchen Wellenfrontsensors ist nicht
uneingeschränkt.
Er wird durch den Abstand des Schirms, den Durchmesser der Blenden
sowie den Abstand der Blenden zueinander bestimmt. Die benachbarten
Steigungen der Wellenfront dürfen
einen maximalen Winkelunterschied (mit Vorzeichenwechsel) nicht überschreiten,
da sonst die Fokuspunkte nicht mehr getrennt aufgelöst werden
können.
Im Falle der automatischen Schwerpunktsbestimmung der Hauptmaximapunkte,
die ohne ein Modell für
die Intensitätsverteilung
dieser auskommt, müssen
diese vollständig
voneinander getrennt sein. Durch die Vorkorrektur der Fehlsichtigkeit
mit Hilfe des Linsensystems des Phoropters kann davon ausgegangen werden,
dass der Wertebereich bei dieser Analyse nicht überschritten wird.
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Die
Rekonstruktion und Darstellung der Wellenfront aus den gemessenen
Verschiebungen Dxi und Dyi geschieht in drei Schritten: Zuerst wird
die Steigung der Wellenfront mit Hilfe von orthogonalen Polynomen
rekonstruiert, da sie über
die folgende Beziehung mit den einzelnen Fokuspunktabweichungen
direkt korreliert ist. Die Funktion W(x,y) stellt hierbei die Wellenfront
dar, a der Abstand Linsenarray und Kamerachip und der Laufparameter
i steht für
die einzelnen gemessenen Maxima.
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Danach
wird mittels Koeffizientenvergleich aus der gewonnenen Steigung
der Wellenfront die eigentliche Wellenfront ermittelt und in Taylorpolynomen
dargestellt. Um eine hohe Anschaulichkeit der Wellenfront zu erreichen,
wird diese nun in Zernikepolynomen entwickelt. Der erste Schritt,
die Rekonstruktion der Steigung, geschieht über ein Anpassungsverfahren,
das nach der Methode der kleinsten quadratischen Abweichung funktioniert.
Es wird eine Hilfswellenfront WH angesetzt,
die durch orthogonale Polynome Ln bis zur Ordnung M dargestellt
werden kann, Gleichung (3).
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Das
Quadrat der Abweichung S der Ableitung der Hilfswellenfront von
den gemessenen Verschiebungen dividiert durch die Brennweite, die
die Ableitung der gemessenen Wellenfront darstellt, lautet:
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Durch
Einsetzen der Gleichung (3) in (4) ergibt sich das Quadrat der Abweichung
zu:
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Zum
minimieren von S wird die Ableitung des Ausdrucks nach Dkj und Dlj
null gesetzt, das zu den Minimierungsbedingungen führt:
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Die
Gleichungen (6) lassen sich umformen zu:
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Für die orthogonalen
Polynome gilt zumindest über
einen diskreten Satz von Punkten innerhalb einer vorgegebenen Fläche, die
durch die Linsenverteilung gegeben ist:
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Wenn
die Beziehung (8) gilt, dann lässt
sich das Gleichungspaar (8) nach den Koeffizienten kn und ln auflösen. Damit
hat man die Ableitung der Wellenfront ermittelt.
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Im
zweiten Schritt wird nun wiederum eine Wellenfront, die diesmal
in Taylorpolynomen entwickelt wird, angenommen, um mit deren Ableitung
unter Zuhilfenahme der Methode des Koeffizientenvergleichs auf die
Wellenfront des gemessenen Lichtstrahls zu schließen. In
Gleichung (10) ist diese Wellenfront aufgeführt und in Gleichung (11) wird
dann der Vergleich der Ableitung durchgeführt.
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Somit
ist die Wellenfront ermittelt und darstellbar. Eine für diese
Anwendung bessere Darstellungsweise ist die Benutzung von Zernike-Polynomen. Diese
Darstellungsweise ist für
die Ophthalmologie sehr vorteilhaft. Die Umrechnung der Wellenfront
W(x,y) in die Form der Zernikedarstellung durch die Koeffizienten
zi und deren Polynome Zi geschieht nach der folgenden Formel:
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Die
Analyse der Wellenfront, die durch das Patientenauge geformt und
von dem Phoropter vorkorrigiert wurde, ergibt somit den erwünschten
Datensatz über
die mit Hilfe der subjektiven Methode nicht erfassten Restfehlsichtigkeit.
Ihre zahlenwertige Ermittlung erfolgt mit Hilfe eines mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verbundenen Rechners, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
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Hierzu
werden zunächst
die von dem Kamerachip erfassten Daten in den Arbeitsspeicher des
Rechners eingelesen. In einem ersten Auswerteschritt werden die
so aufgenommen Bilder in Bezug auf Helligkeit, Kontrast und eventuelle
Artefakte vorbereitet. Bei der daran anschließenden Bildanalyse geht es
darum, alle relevanten Parameter aus den Bilddaten zu extrahieren.
Von Interesse sind insbesondere die Schwerpunktskoordinaten und
die Form der einzelnen Fokuspunkte.
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Aus
den Informationen aus der Form und Lage der Fokuspunkte lassen sich
detaillierte Aussagen über die
Form der Wellenfront, die in direktem Zusammenhang zu der Aberration
steht, machen. Die Form der Wellenfront kann beispielsweise – wie erwähnt – mit den
in der Optik oft verwendeten Zernikepolynomen dargestellt werden.
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Die
Ergebnisse der Wellenfrontanalyse werden dem Anwender nun unter
Verwendung grafischer Darstellungsmethoden nahegebracht. Hierzu
gehören
Diagramme über
zeitliche Entwicklungen von interessanten Parametern wie Sphäre, Zylinder,
Zylinderwinkel, Augenposition, aber auch Ansichten von 3-D-Wellenfront- und
Brechkraftverteilung innerhalb des vermessenden Pupillenbereichs.
Diese bereits während
des Messverfahrens zugänglichen
Informationen ermöglichen
eine sofortige Beurteilung der Messungen.
