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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur objektiven Bestimmung der Eigenschaften von
Augengewebe im lebendigen Organismus und insbesondere ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Abbildung und Analyse des Korneagewebes
im lebendigen Organismus in einer objektiven und quantitativen Weise
für diagnostische
und therapeutische Zwecke.
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2. Der Stand der Technik
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In
vielen diagnostischen und therapeutischen Anwendungen gibt es eine
große
Notwendigkeit, objektiv die optische Dichte, Form und Größe von verschiedenartigem
Augengewebe, wie der Augenlinse und der Kornea quantitativ zu bestimmen.
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Hinsichtlich
der Korneallinse ist es wohlbekannt, daß das Vorhandensein einer Korneatrübung an
bestimmten Stellen auf der Kornea bei bestimmten Einzelpersonen
die Sehschärfe
und Funktion des Auges beeinträchtigt.
Es ist außerdem
bekannt, daß die
optische Dichte der Korneatrübung
mit dem Betrag der Lichtdiffusion (d. h. Streuung) in Beziehung steht,
die durch eine zunehmende Größe und Koagulation
von Proteinmolekülen
in der Kornea verursacht wird. Gegenwärtige Beschreibungen der Korneatrübung des
Stands der Technik bestehen im allgemeinen aus einer morphologischen
Aussage. Solche morphologischen Beschreibungen beruhen hauptsächlich auf
der potentiellen Sehschärfe
des Patienten, die unter Verwendung eines Schärfebereichs geschätzt wird.
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Es
ist eine Anzahl von Techniken in den letzten Jahren entwickelt worden,
um eine erwünschte Refraktionskorrekturoperati an
im menschlichen Auge durch Laserformen des optisch verwendeten Abschnitts
der Kornea zu erzielen. Beispiele solcher Techniken des Stands der
Technik werden in den
US-Patentdokumenten
Nr. 4,718,418 ;
4,732,148 ;
4,773,414 ;
4,729,372 ;
4,669,466 ;
4,473,330 ;
4,856,513 und
4,994,058 offenbart. Während einige dieser
US-Patentdokumente unterschiedliche Vorrichtungsformen verwenden,
offenbaren sie jeweils im wesentlichen dasselbe Verfahren zum photoablativen
Laserformen der Kornea.
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Im
allgemeinen umfaßt
der präoperative Schritt
des Verfahrens das Entfernen der Epithelschicht vom zentralen anterioren
Bereich der Kornea. Dann wird zur gleichmäßigen Photoablation durch die
Bowman-Membran und selektiven Durchdringung des Stromas ein Ultraviolettlaserstrahl
mit einem kontrollierten Querschnittsdurchmesser auf den epithelfreien
Bereich gerichtet, wobei nur im Stromagewebe ein neues heilendes
Profil mit vorgegebenen Eigenschaften erzielt wird. Danach werden
postoperative Prozeduren durchgeführt, die günstig sind, um effizient das
Epithelneuwachstum über
die chirurgisch geformte Region zu glätten. Da es gegenwärtig nicht
unüblich
ist, daß sich
ein bestimmter Betrag einer Kornea-„Trübung” oder Lichtstreuung aus der Laserformprozedur
ergibt, der bei unterschiedlichen Patienten mehr oder weniger merklich
ist, wird außerdem
typischerweise eine postoperative Behandlung dieser Funktionsstörung durchgeführt, wobei
eine Vielfalt von typischerweise angewendeten Medikamenten verwendet
wird.
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Vor
der Durchführung
der oben beschriebenen Korneaformprozedur ist es wichtig, Daten
zu erfassen, die für
die Dicke und Topographie der Kornea eines bestimmten abnormalen
Auges repräsentativ sind.
Solche Daten müssen
in der Form eines leicht interpretierbaren Kontextes vorliegen,
gegenüber dem
die Tiefe und Oberflächenverteilung
des chirurgischen Einschnitts in die anteriore Oberfläche der abnormalen
Kornea bestimmt werden kann, um eine erwünschte refraktive Korrektur
im Auge des Patienten zu erzielen. Zusätzlich ist es für medizinische
und gesetzliche Dokumentationszwecke wichtig, daß der ophthalmologi sche Chirurg
objektiv das präzise
Ausmaß der
Korneatrübung,
das im Auge des Patienten vorhanden ist, vor und nach dem Laserformen
der Kornea bestimmt und aufzeichnet.
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Das
US-Patent Nr. 4,669,466 offenbart
ein CAD/CAM-System zur Verwendung bei der Erfassung von topographischen
und Dickedaten der Kornea, die durch den ophthalmologischen Chirurgen bei
der Bestimmung des neuen Krümmungsprofil verwendet
werden können,
das im Stroma gebildet werden soll, um ein erwünschtes Maß einer optischen Korrektur
im Auge des Patienten zu erzielen. Die Anlage, die gegenwärtig zur
Erfassung von topographischen Korneadaten verwendet wird, umfaßt einen
optischen Augenabtaster oder ein Photokeratometer mit einer Einrichtung
zur Erzeugung digitalisierter topographischer Daten. Exemplarisch
für diese
Anlage ist das PFS-1000-Photokeratoskop, das von der japanischen
Firma Sun Contact Lens Co., Ltd., mit US-Niederlassungen in Palo
Alto, Kalifornien kommerziell erhältlich ist. Das Sun-Photokeratoskop
weist die Fähigkeit
auf, die Kornea schnell in einer solchen Weise abzutasten, daß die gesamte
Topographie der Außenfläche der
Kornea von Perikornealring zu Perikornealring bestimmt wird. Feine
Unterschiede der Krümmung
der äußeren Kornea
oder inneren optischen Zone werden präzise und deutlich definiert.
Das Photokeratoskop ist mit einem Photoanalysator erhältlich,
der die Fähigkeit
aufweist, die Daten von Tausenden einzelnen Punkte auf der bestimmten
Kornea zu digitalisieren und eine digitalisierte Ausgabe zu erzeugen,
aus der eine Sichtanzeige erzeugbar ist, um das Querschnittsprofil
der anterioren Oberflächenkrümmung für alle Querschnitte
zu zeigen, die die Mittelachse des Auges umfassen.
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Eine
Anlage, die gegenwärtig
zur Erfassung von Korneadickedaten verwendet wird, umfaßt ein Pachymeter,
um mehrere Bestimmungen der präzisen
Dicke der Kornea innerhalb tausendstel eines Millimeters an mehreren
Stellen auf der Oberfläche der
Kornea vorzunehmen. Unter Verwendung einer Ultraschallmessung werden
gemessene Dickedaten, die mit Ortskoordinatendaten korreliert sind,
als digitalisierte Ausgabe bereitgestellt. Die Pa chymetermessungen
können
manuell auf einer individuellen punktweisen Grundlage durchgeführt werden,
wobei eine kommerziell erhältliche
Handmeßwandlersonde,
die flexibel mit einer Stromversorgung und Anzeigeeinrichtung verbunden
ist, zum Beispiel das Myopach-Ultraschallpachymeter, das von Myocure,
Inc., Los Angeles, Kalifornien erhältlich ist, oder das „Villasenor"-Ultraschallpachymeter verwendet wird,
das von Cilco, Inc. Huntington, W. Virginia erhältlich ist. Bei der Verwendung
einer solchen Vorrichtung ermöglicht
es ein Fixierungsziel dem nicht untersuchten Auge des Patienten,
eine Mittelachsestabilität
für sein
untersuchtes Auge aufrechtzuerhalten, wenn die Sonde auf der Korneaoberfläche irgendwo
zwischen der optischen Mittelachse und dem Umfang angeordnet wird.
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Verschiedene
Patente, die eine Vorrichtung zur Messung des Augengewebes beschreiben,
werden in den folgenden
US-Patenten
Nr. 5,684,562 ;
5,634,249 ;
5,673,109 ;
5,624,436 ;
5,620,437 ;
5,470,329 ;
5,596,377 ;
5,562,656 ;
5,507,799 ;
5,549,599 ;
5,488,443 ;
5,139,022 ;
5,404,884 ;
5,800,424 ;
5,784,146 ;
5,817,088 ;
5,726,735 und
5,706,072 beschrieben.
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Während die
oben beschriebene Anlage die Fähigkeit
zur Erfassung von topographischen und Dickedaten der Kornea aufweist,
ist die Beschaffenheit dieser Daten überschlägig, da sie auf der Grundlage einer
festen Anzahl von Messungen erzeugt worden sind, die an Punkten
längs der
Oberfläche
der Kornea vorgenommen wurden, und dann mathematische Abschätzungstechniken
angewendet wurden.
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Folglich
gibt es einen großen
Bedarf nach einem Verfahren und einer Vorrichtung, die imstande ist,
objektive Messungen der Korneatrübung
zu erzeugen und die dreidimensionale Geometrie der Kornea und die
damit verbundenen Strukturen in einer Weise zu bestimmen, die frei
von den Mängeln
und Nachteilen ist, die mit dem Stand der Technik verbunden sind.
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Folglich
wäre es
wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abbildung und Analyse von
Korneagewebe im lebendi gen Organismus in einer objektiven quantitativen
Weise bereitzustellen.
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Es
wäre außerdem wünschenswert,
ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung bereitzustellen,
aus der Querschnittsbilder des Korneagewebes über eine große Schärfentiefe
gebildet werden können,
die sich weit über
die Dicke der Kornea und der Augenlinse erstreckt.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung bereitzustellen,
aus der genaue Querschnittsbilder des Korneagewebes mit korrekten
räumlichen
Beziehungen zwischen Augenstrukturen gebildet werden können.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präzisen Messung der physikalischen
Abmessungen der Kornea und ihrer korrekten räumlichen Beziehung im Auge
bereitzustellen.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung von Querschnittsbildern
des Korneagewebes bereitzustellen, die eine präzise Lokalisierung von Zonen
mit einer erhöhten
optischen Dichte wie einer Korneatrübung ermöglichen.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
ein lasergestütztes
Korneagewebeanalysesystem bereitzustellen, in dem Querschnittsdigitalbilder
der Kornea, der Augenlinse und der umgebenden Augenstrukturen gebildet
werden können
und aus dem das präzise Maß und der
Ort der optischen Dichte der Kornea unter Verwendung einer digitalen
Bildanalyse objektiv bestimmt werden können.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
ein solches Korneagewebeanalysesystem bereitzustellen, in dem die
Leuchtdichte und Querschnittsabmessung der Laserbeleuchtung, die
verwendet wird, um die Linse sichtbar zu machen und Querschnittskorneabilder
zu bilden, von Bild zu Bild und von Photountersuchungssitzung zu
Photountersuchungssitzung im wesentlichen gleichmäßig konstant
gehalten werden kann.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
ein solches Korneagewebeanalysesystem bereitzustellen, das ein Mikroskop
und einen Bildde tektor aufweist, das eine Laserbeleuchtung zum Sichtbarmachen
und Bilden perfekt fokussierter Querschnittsbilder durch das gesamte äußere Gewebe
einschließlich
der Kornea und der Augenlinse verwendet.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
ein lasergestütztes
Korneagewebeanalysesystem bereitzustellen, in dem ein dreidimensionales
Modell der Kornea und ihrer umgebenden Augenstrukturen im Auge unter
Verwendung von Querschnittsdigitalbildern erzeugt werden kann, die
von diesen Strukturen gebildet werden.
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Es
wäre ferner
wünschenswert,
eine Vorrichtung zur deutlichen Abbildung von Augendetails des Auges
wie Mouches volantes und dergleichen bereitzustellen.
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US-A-5 861 939 offenbart
eine Vorrichtung gemäß des Oberbegriffs
des Anspruchs 1. Sie offenbart insbesondere eine in der Hand gehaltene
Einheit, die es ermöglicht,
den Augenhintergrund eines undilatierten Auges zu betrachten. Die
Einheit enthält eine
lineare Anordnung von Punktquellen von Licht, z. B. Laserlicht,
die hintereinander betrieben werden. Eine Zylinderlinse wandelt
das Licht aus jeder Punktquelle in eine Linie von Licht um. Das
Licht wird aus der Einheit in das Auge reflektiert. Das reflektierte Licht,
das durch die Einheit empfangen wird, wird an eine CCD-Kamera geliefert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung wird in den beigefügten Ansprüchen definiert.
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Gemäß eines
der umfassenderen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden ein
Verfahren und eine damit verbundene Vorrichtung für eine Abbildung
des Korneagewebes im lebendigen Organismus bereitgestellt. Im allgemeinen
weist das Verfahren das Bereitstellen eines Laserstrahls auf, der
eine im wesentlichen planare Gestaltung aufweist. Der planare Laserstrahl
wird durch einen Querschnittsabschnitt des Korneagewebes gerichtet,
um den Querschnittsabschnitt zu beleuchten und zu bewirken, daß der Laserstrahl
durch Moleküle
im Korneagewebe gestreut wird. Dann wird mindestens ein Anteil des
gestreuten Laserlichts erfaßt, um
ein Querschnittsbild des Korneagewebes zu bilden. Im allgemeinen
weist der planar gestaltete Laserstrahl eine spaltförmige Querschnittsabmessung
auf, die im wesentlichen dieselbe Breitenabmessung über die Schärfentiefe
aufweist, in der sich die größte Tiefenabmessung
des Auges erstreckt. Diese einzigartigen Eigenschaften des Beleuchtungsstrahls
ermöglichen
die Bildung von deutlichen, scharf eingestellten Bildern, die in
einer Bilderfassungsebene erfaßt
werden. Das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung
kann zur objektiven Messung der optischen Dichte des Augengewebes
sowie zu einer präzisen
Messung der physikalischen Abmessung der Augenstrukturen und ihrer
korrekten räumlichen Beziehungen
im Auge verwendet werden. Im Fall der Kornea kann das Verfahren
und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung genutzt werden, um
scharf eingestellte Querschnittsbilder zu erzeugen, aus denen die
optische Dichte des Gewebes, das die Kornea bildet, präzise gemessen
und folglich das präzise Maß und der
Ort der Korneatrübung
darin bestimmt werden können.
Im Fall der Augenlinse kann das Verfahren und die Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung genutzt werden, um scharf eingestellte bzw.
fokussierte Querschnittsbilder zu erzeugen, aus denen die optische
Dichte des Gewebes einschließlich
der Linse präzise
gemessen und folglich das präzise Maß und der
Ort des Katarakts darin bestimmt werden können. In der dargestellten
Ausführungsform wird
die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in der Form eines Augengewebeanalysesystems
verwirklicht, das imstande ist, mehrere Querschnittsbilder des Korneagewebes
zu bilden, wobei jedes Bild an einer anderen Lichtstreuungsebene
festgelegt ist, die im Korneagewebe definiert ist. Vorzugsweise weist
das Korneagewebeanalysesystem eine Beleuchtungsstrahlrichteinrichtung
auf, um den planaren Laserstrahl unter einem ausgewählten Einfallswinkel
bezüglich
des Korneagewebes in das Augengewebe zu richten, so daß für jeden
ausgewählten
Einfallswinkel das Laserlicht hauptsächlich in einer anderen Lichtstreuungsebene
im Korneagewebe gestreut wird. Das System weist außerdem eine
Erfassungs einheit zur Erfassung eines Anteils des gestreuten Laserlichts
aus jeder anderen Lichtstreuungsebene auf. Auf der Grundlage der
mehreren erfaßten
Querschnittsbilder kann ein dreidimensionales Bild oder Modell des
Korneagewebes rekonstruiert und anschließend längs erwünschter Betrachtungsrichtungen
angezeigt werden. Aus dem dreidimensionalen Bildmodell der Kornea
kann die physikalische Dicke der Kornea an jedem Punkt längs der Oberfläche der
Kornea genau bestimmt werden. Außerdem kann aus dem dreidimensionalen
Bildmodell der Kornea ihre Topographie (d. h. Oberflächeneigenschaften)
genau bestimmt werden. Die Korneadicke und topographischen Daten
(d. h. die Korneakrümmung),
die aus dem dreidimensionalen Bildmodell der Kornea erhalten werden,
können
dann durch den ophthalmologischen Chirurgen bei der Planung des
präzisen
Krümmungsprofils
verwendet werden, das photoablativ im Stromagewebe eines bestimmten
Patienten geformt werden muß,
um ein erwünschtes
Maß einer
optischen Korrektur in seinem Auge zu erzielen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Für ein weitergehendes
Verständnis
der Ziele der vorliegenden Erfindung soll die detaillierte Beschreibung
der dargestellten Ausführungsform
in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen vorgenommen werden.
Es zeigen:
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1A eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bilderzeugung, die
die Beleuchtung eines Querschnittsabschnitts einer Augenlinse mit
einem im wesentlichen planaren Laserstrahl mit im wesentlichen gleichmäßiger Leuchtdichte
und die Erfassung des gestreuten Laserlichts aus dem Querschnittsabschnitt
zeigt, um an der Bilderfassungsebene ein Bild davon zu bilden;
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1B eine
schematische Darstellung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung,
das den Weg der Laserbeleuchtung und der Lichtstreuung und Erfassung
längs der
Z-Y-Ebene des Bezugskoordinatensystems
der 1A betrachtet darstellt;
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2 eine
schematische Darstellung eines binokularen Mikroskopie- und Streubilderfassungs- und
Analysesystems;
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3A eine
schematische Darstellung eines detaillierten Streubilds eines Querschnittsabschnitts des
Auges, das in 1B gezeigt wird, das längs der Linie
2A-2A aufgenommen
ist, das für
den zentralen Abschnitt der Kornea und der Augenlinse repräsentativ
ist;
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3B eine
schematische Darstellung eines erfaßten Streubilds eines Querschnittsabschnitts
des Auges, das in 1B gezeigt wird, das längs der
Linie 2B-2B aufgenommen ist, das für einen Randabschnitt der Kornea
und der Augenlinse repräsentativ
ist;
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4 eine
schematische Darstellung eines erfaßten Streubilds, das gemäß des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung gebildet wird, die die verschiedenen
Augenstrukturen im Bild und die Verwendung einer digitalen Bildverarbeitung
darstellt, um das Profil der Leuchtdichte (d. h. optischen Dichte) längs einer
ausgewählten
Analyselinie bereitzustellen;
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5 eine
schematische Darstellung eines Augengewebeanalysesystems, das ein
binokulares Mikroskop- und Streubilderfassungs- und Analyseteilsystem
aufweist, das imstande ist, mehrere Querschnittsbilder des Augengewebes
zu bilden, die unter unterschiedlichen Winkeln des Beleuchtungseinfalls aufgenommen
werden, und diese Querschnittsbilder zu rekonstruieren, um ein dreidimensionales
Bild der Kornea, der Augenlinse und der umgebenden Augenstrukturen
zu bilden;
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5A eine
schematische Darstellung der Vorrichtung der
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5,
längs der
X-Z-Ebene des Bezugskoordinatensystems der 5 betrachtet;
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6 eine
schematische Darstellung eines Augengewebeanalysesystems, das ein
binokulares Mikroskop- und Streubilderfassungs- und Analyseteilsystem
aufweist, das imstande ist, mehrere Querschnittsbilder der Kornea
und der Augenlinse zu bilden, die unter unterschiedlichen Winkeln
des Beleuchtungseinfalls aufgenommen sind, und diese Querschnittsbilder
zu rekonstruieren, um ein dreidimensionales Bild der Kornea und
der Augenlinse zu bilden;
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7A eine
rückwärtige perspektivische
Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem optionalen Pistolengriff;
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7B eine
idealisierte Ansicht mit teilweise aufgelösten Einzelteilen der Vorrichtung;
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7C eine
idealisierte Vorderansicht der Vorrichtung der Erfindung, die eine
Reihe von Leuchten zeigt;
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7D eine
idealisierte Draufsicht des Inneren einer anderen Vorrichtung, die
kein Teil der Erfindung ist.
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8 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Verwendung mit der
Laserspaltlampe zum Bereitstellen einer verbesserten Auflösung;
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9A/B, 10A/B und 11A/B
Photographien von Augenbildern, die unter Verwendung einer Rückbeleuchtung
(d. h. Hintergrundbeleuchtung) und einer Laserspaltlampe (Spaltlaserstrahl)
aufgenommen sind; und
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12A/B Photographien von Augenbildern, die unter
Verwendung der Rückbeleuchtung aufgenommen
sind.
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Detaillierte Beschreibung der dargestellten
Ausführungsformen
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Insbesondere
auf die 1A und 13 bezugnehmend,
wird zuerst das erfindungsgemäße Verfahren
zur Abbildung von Augengewebe im lebendigen Organismus beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Laserstrahl
verwendet, um das Augengewebe zu beleuchten, so daß das Laserlicht,
das durch die Moleküle
gestreut wird, die das Gewebe umfaßt, auf einer Bilderfassungsebene
erfaßt
werden kann, die unter einem vorgewählten Streuwinkel angeordnet
ist.
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Ein
wesentliches Merkmal des Beleuchtungslaserstrahls der vorliegenden
Erfindung ist, daß er
eine im wesentlichen planare Gestaltung und eine im wesentlichen
gleichmäßige Leuchtdichte über jeden
spaltförmigen
Querschnitt aufweist. Es ist festgestellt worden, daß es durch
die Verwendung eines im wesentlichen planaren Laserstrahls mit einer
im wesentlichen gleichmäßigen Leuchtdichte über jeden spaltförmigen Querschnitt,
wobei die Breite jedes spaltförmigen
Querschnitts längs
des planaren Laserstrahls im wesentlichen konstant ist, möglich ist, das
Augengewebe im Auge mit einer Flußdichte zu beleuchten, die
längs der
Schärfentiefe
nicht divergiert, innerhalb derer sich die größte Tiefenabmessung des Auges
erstreckt. Folglich wird Licht, das irgendwo längs der Ausbreitungsrichtung
des planaren Laserstrahls vom Augengewebe gestreut wird, deutliche,
scharf eingestellte Bilder liefern, die auf der Bilderfassungsebene
erfaßt
werden. Die Erzeugung eines im wesentlichen planaren Laserstrahls
gemäß der Prinzipien
der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung eines kommerziell
erhältlichen
Zoomlaserdioden-Linienprojektorsystems erzielt werden, wie dem Modell
V-SLM-S2Z von Newport
Corporation, Mountain Valley, Kalifornien. Im allgemeinen weist
das Zoomlaserdioden-Linienprojektorsystem 1 einen Linienprojektorkopf 2 und
eine Stromversorgung 3 auf. Der Linienprojektorkopf 2 enthält einen 1,5-Milliwattlaser
und elektronischen Schaltungskomplex zur Regelung der optischen
Leistungsabgabe und zum Schutz der Laserdiode gegen transiente Netzüberspannungen
und elektromagnetische Störungen.
Zusätzlich
dazu, daß er
einen Eingang zur Modulation der Laserabgabe aufweist, weist der
Linienprojektorkopf 2 außerdem eine Strahlformungsoptik
auf, um die optische Verteilung in einer planaren Gestaltung zu
strukturieren. Es werden außerdem mechanische
Bewegungen zur leichten Einstellung der Linse für eine planare Strahlgeometrie
bereitgestellt. Es ist außerdem
eine Fokus- bzw.
Brennpunktregelung vorgesehen, um es einem Anwender zu ermöglichen,
die Linienbreite bei jedem erwünschten Abstand
einzustellen. Es sind Linienbreiten, die so schmal wie 0,004 Inch
sind, durch eine Einstellung der Brennpunktregelung erzielbar, wohingegen
die Linienlänge
durch Steuerung der Strahldivergenz einstellbar ist. Wie in den 1A und 1B dargestellt,
wird eine Abbildung im lebendigen Organismus erzielt, indem der
im wesentlichen planare Laserstrahl 4 unter einem vorgewählten Einfallswinkel durch
einen Querschnittsabschnitt des Augengewebes 6 gerichtet
wird. Im Beispiel, das 1A gezeigt wird, weist das Augengewebe
die Augenlinse auf, wohingegen in 1B das
Augengewebe die Kornea 7, die anteriore Linsenrinde 8,
die Augenlinse 9 und die posteriore Linsenrinde 10 aufweist.
Wie dargestellt, wird der einfallende planare Laserstrahl 4 längs einer
Einfallslinie 50 gerichtet, um einen Querschnittsabschnitt
(d. h. Lichtstreuungsebene) 5 des Augengewebes zu beleuchten,
wodurch bewirkt wird, daß der
planare Laserstrahl 4 durch Moleküle in dieser Lichtstreuungsebene
gestreut wird. Dann wird unter einem gewissen vorgewählten Streuwinkel mindestens
ein Anteil des gestreuten Laserlichts 11 an einer Bilderfassungsebene 12 erfaßt, um ein Querschnittsbild
des beleuchtenden Augengewebes zu bilden. Wie nachstehend in näheren Einzelheiten beschrieben
wird, kann die Erfassung des Querschnittsstreubilds an der Bilderfassungsebene 12 unter
Verwendung einer aus einer Anzahl von Bilderfassungstechniken erzielt
werden. Um das Auge bezüglich
des planaren Beleuchtungsstrahls 4 und der Bilderfassungsebene 12 verhältnismäßig feststehend zu
halten, sollte der Kopf des Patienten durch eine (nicht gezeigte)
herkömmliche
Kinn- und Stirnauflage festgemacht werden. In der festgemachten
Position liegt der Patient dem planaren Laserstrahl gegenüber, der
unter etwa 45 Grad zur Bilderfassungsachse orientiert ist, die sich
senkrecht aus der Bilderfassungsebene erstreckt. Wie in 2 gezeigt,
wird das gestreute Licht vorzugsweise durch die Optik eines binokularen
Mikroskopsystems 13 fokussiert, so daß der Anwender das Querschnittsbild
sichtbar machen kann, das unter der Beleuchtung des planaren Laserstrahls 4 gebildet
wird. Wie dargestellt, ist außerdem ein
Strahlteiler 14 längs
eine Lichtwegs im binokularen Mikroskopsystem 13 vorgesehen.
Die Funktion des Strahlteilers 14 ist es, den Strahl des
gestreuten Lichts 11 aus dem Querschnittsab schnitt der
Kornea und der Augenlinse zu teilen und den erzeugten Lichtstrahl 15 auf
einen photoelektronischen Bilddetektor 16 zu richten, um
ein digitalisiertes Querschnittsbild zu bilden. Insbesondere wird
der Streulichtstrahl 15 durch die Optik 16A fokussiert,
um das Querschnittsbild auf der Bilderfassungsebene des Bilddetektors 16 zu
bilden. Vorzugsweise ist der Bilddetektor 16 eine Videokamera
mit einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD), die eine Anordnung von
auf Licht ansprechende Einheiten aufweist, und wird in Verbindung
mit einem Laser 2 verwendet, der eine planare Laserstrahlabgabe
erzeugt, die eine Wellenlänge
aufweist, die vorzugsweise im Bereich von 600 bis 650 Nanometern
liegt. Mit dieser Anordnung kann ein digitalisiertes Querschnittsbild
des Augengewebes erzeugt werden, indem die Empfindlichkeit der CCD-Kamera über diesen
Bereich von Wellenlängen
ausgenutzt wird. Außerdem
kann beim empfohlenen Leistungspegel von zum Beispiel 1,5 Milliwatt
die Retina fortgesetzt dem planaren Laserstrahl ohne Gefahr einer
thermischen Verletzung ausgesetzt werden. In einer solchen Ausführungsform
besteht das digitalisierte Querschnittsbild aus mehreren Pixeln,
wobei jedes Pixel einen Intensitätswert
aufweist. Die Intensität
jedes Pixels, und daher auch die optische Dichte des Augengewebes,
das durch die Pixelwerte repräsentiert
wird, die die das Bild in sich einschließt, kann auf eine herkömmliche Weise
unter Verwendung einer Grauskala von 0–255 mit großer Genauigkeit
quantisiert werden. Um die optische Dichte des Augengewebes, wie
der Augenlinse, über
bestimmte interessierende Zonen zu messen, wird die Videoausgabe
des CCD-Bilddetektors 16 an einen herkömmlichen Bildverarbeitungscomputer 17 geliefert,
der mit einer umfangreichen Bildverarbeitungssoftware programmiert
ist, die zur Ausführung
einer Vielfalt von Funktionen imstande ist, die zum Beispiel eine
Bildanalyse, eine Bildmessung und Bildverarbeitung umfaßt. Eine
solche Software ist kommerziell von Media Cybernetics, Silver Springs,
Maryland, unter dem Handelsnamen ImageProTM erhältlich.
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Der
Bildverarbeitungscomputer 17 weist außerdem eine Videoanzeigevorrichtung 18 zur
Sichtanzeige der Bilder auf, die auf der Bilderfassungsebene der
CCD-Kamera 16 erfaßt
werden. Ein Beispiel verschiedener Typen einer Bildanalyse, die
typischerweise an den Querschnittsbildern durchgeführt werden,
wird in 4 dargestellt. Wie in 4 gezeigt,
wird ein digitalisiertes Bild 21 auf der Videoanzeigevorrichtung 18 (beachte 2)
angezeigt. Es wird eine Analyselinie 20 ausgewählt, die
sich in diesem bestimmten Beispiel durch das gesamte Querschnittsbild 21 der
Kornea, die anteriore Linsenrinde, den Linsenkern und die posteriore
Linsenrinde der Augenlinse erstreckt. Dann kann unter Verwendung der
Bildanalysefunktion der ImageProTM-Software das
Leuchtdichteprofil längs
der ausgewählten
Analyselinie bestimmt und angezeigt werden. Aus dem Leuchtdichteprofil
können
leicht strukturelle Übergänge und
die relative optische Dichte im Augengewebe festgestellt werden.
Indem in ausgewählten
interessierenden Bereichen 22 im digitalisierten Querschnittsbild 21 eine
histographische Analyse durchgeführt
wird, ist es möglich,
die optische Dichte bestimmter Abschnitte der Kornea des Patienten
und folglich das präzise
Maß und
die Stelle einer Korneatrübung
zu bestimmen. Insbesondere kann mit einer Pixelgrauskala von 0–255 die
optische Dichte im Augengewebe mit demselben Genauigkeitsmaß quantifiziert
werden. Zusammen mit der konstanten Leuchtdichte über jeden
spaltförmigen
Querschnitt des planaren Laserbeleuchtungsstrahls 4 und
der konstanten Empfindlichkeit des photoelektronischen Bilddetektors 16 (2)
können
ohne eine Variation der Messung der optischen Dichte konsistente
Querschnittsbilder des Augengewebes in einer wiederholten Weise
erzeugt und gespeichert werden. Auf diese Weise können zum
Beispiel Querschnittsbilder einer Kornea eines Patienten erzeugt,
hinsichtlich des Orts im Auge geeignet indiziert und danach gespeichert werden.
Zu einem späteren
Datum, nach zum Beispiel einer Belastung mit Korneatrübungsfaktoren oder
einer geeigneten medikamentösen
Therapie der Korneatrübung,
können
zusätzliche
Querschnittsbilder an derselben Stelle in der Kornea erzeugt werden.
Da die Bilderzeugungsbedingungen der vorliegenden Erfindung während unterschiedlicher
Bilderzeugungsbedingungen im wesentlichen konstant gehalten werden
können,
können
aussagekräftige
Vergleiche zwischen diesen Bildern gemacht werden, um den Fortschritt
der Korneatrübung
zu bestimmen. Außerdem
können
infolge der Konstanz der Bilderzeugungsbedingungen und der im wesentlichen
nicht divergierenden Flußdichte
längs der
Breitenabmessung des planaren Beleuchtungsstrahls Bilder der Kornea
längs einer
Anzahl paralleler Querschnitte gebildet, gespeichert und verglichen
werden, um den Ort und das Maß der
Korneatrübung
in der Kornea zu bestimmen. Bei der Ausführung von Bildmeßfunktionen
der Image-ProTM-Software am erfaßten Querschnittsbild können die
Abstände
zwischen den Bereichen und den Perimetern verschiedener Augenstrukturen
in einer herkömmlichen
Weise unter Verwendung geometrischer Techniken präzise berechnet
werden. Für
eine Erläuterung
solcher Messungen siehe bitte Systems of Ophthalmology, B. 5, Ophthalmic
Optics and Refraction, S. 109, von Duke Elder, veröffentlicht
durch CV Mosby, St. Louis, 1970; und Clinical Visual Optics, S.
331, von Gennett und Rubbett, veröffentlicht durch Buttersworth,
London, 1984. Solche Messungen können
am nützlichsten
sein, wenn ein Patient passend mit einer intrakapsulären Intraokularlinse
versehen wird, die ohne die Notwendigkeit elastischer Haptiken gut
in den Kapselsack paßt.
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Mit
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es folglich möglich, die
Spezifikationen einer Augenlinse eines Patienten präzise zu
bestimmen, d. h. äußere und
posteriore Krümmung
und Durchmesser, wodurch die Verwendung einer neuen Klasse von haptiklosen
Intraokularlinsen ermöglicht
wird.
-
Um
ein dreidimensionales Sichtmodell vom Augengewebe wie der Kornea
zu erzeugen, kann eines der Augengewebeanalysesysteme verwendet werden,
die in den 5 und 6 gezeigt
werden. Im allgemeinen erzeugt jedes System einen planaren Laserstrahl 4 für den Zweck,
in einer sequentiellen Weise mehrere parallele Querschnitte des
Augengewebes zu beleuchten. Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform,
wird die Lichtstreuung 11 aus jedem Querschnitt sequentiell
auf der Bilddetektorebene erfaßt,
woraufhin das erfaßte
Bild gespeichert oder auf andere Weise aufgezeichnet wird. Danach werden
die mehreren Querschnittsbilder in einem herkömmlichen Computergraphiksystem
rekonstruiert, das dreidimensionale Modellierungsfähigkeiten aufweist.
Es können
dann zweidimensionale Ansichten des rekonstruierten Modells längs erwünschter Betrachtungsrichtungen
untersucht werden, die durch das Computergraphiksystem bereitgestellt werden.
In 5 weist ein Augengewebeanalysesystem 30 eine
Plattform 31 auf, die eingerichtet ist, sich längs eines
Paars voneinander in einem Abstand angeordneter Schienen 32A und 32B zu
bewegen, die relativ zu einem (nicht gezeigten) Basisabschnitt feststehend
sind. Vorzugsweise wird der Basisabschnitt eine Höhe aufweisen,
die ausreichend ist, es dem Anwender zu ermöglichen, das Auge durch das
binokulare Mikroskopsystem 13 zu betrachten, das über der
Plattform 31 durch einen ersten Halteständer 33 angebracht
ist. Es ist ein Schrittmotor und ein geeigneter Getriebemechanismus 33A vorgesehen,
um eine sequentielle Bewegung der Plattform 31 relativ
zu den Schienen 32A und 32B und dem feststehenden
Basisabschnitt zu bewirken. Wie in 5 dargestellt,
sind die Quelle 1 des planaren Laserstrahls und des binokularen
Mikroskopsystems 13 der 2 durch
den ersten bzw. einen zweiten Halteständer 33 und 34 fest
an der Plattform 31 angeordnet. Vorzugsweise sind diese
Halteständer
einstellbar, so daß die
optischen Achsen der Laserstrahlquelle 1 und des Mikroskopsystems 13 so
eingestellt werden können,
daß sie
im wesentlichen in denselben optischen Ebenen liegen. Außerdem sind
in dieser Ausführungsform
jede ausgewählte
Einfallslinie des planaren Beleuchtungsstrahls und der Streuwinkel
der Bilderfassungsebene unter einem Winkel von etwa 45 Grad fixiert.
Wie in 2 weist das Mikroskopsystem 13 der 5 und 5A außerdem einen
Strahlteiler 14 zur Bildung eines Lichtstreuungsstrahls
auf, der auf den photoelektronischen Bilddetektor 16 gerichtet
ist. Wie in den 5 und 5A dargestellt,
wird die Ausgabe des Bilddetektors 16 an ein herkömmliches
3-D-Computergraphiksystem 35 geliefert, das einen Videomonitor 18 aufweist,
wie vorstehend beschrieben. Es ist außerdem eine Ablaufsteuereinrichtung 36 vorgesehen,
um die Bewegungen der Plattform 31 bezüglich der feststehenden Basis
synchron zu steuern sowie die erfaßten Bilder vom Bilddetektor 16 zum
3-D-Computergraphiksystem 35 zu übertragen. Am Anfang eines
Bilderfassungsprozesses wird die Plattform 31 so angeordnet, daß der Beleuchtungsstrahl 4 durch
eine Einfallslinie 50A geht, die koplanar mit einem äußersten
Abschnitt der Augenlinse 9 ist. Während des ersten Bilderfassungszyklus
wird der planare Laserstrahl 4 aus der Quelle 1 längs Einfallslinie 50A,
die im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Auges ist,
in das Augengewebe gerichtet. Längs
dieser Einfallslinie beleuchtet der planare Laserstrahl 4 Moleküle, die
längs einer
Lichtstreuungsebene koplanar mit dem planaren Laserstrahl liegen
und das Laserlicht streuen. Während
er unter der Steuerung der synchronen Steuereinrichtung 36 steht,
erfaßt
der Bilddetektor 16 einen Anteil des gestreuten Laserlichts, der
durch die Optik des Bilddetektors 16 fokussiert wird, um
das Streubild zu bilden. Das Streubild wird durch den Bilddetektor 16 erfaßt, der
unter einem Streuwinkel angeordnet ist, der bezüglich der ausgewählten Einfallslinie
fixiert ist, längs
derer sich der planare Laserstrahl 4 ausbreitet. Das erfaßte Streubild
wird dann zur Speicherung zum 3-D-Computergraphiksystem 35 übertragen.
Die Synchronsteuereinrichtung 36 bewegt dann die Plattform 31 um
einen sehr kleinen lateralen Schritt bezüglich des Auges in die Richtung
des Bezugspfeils 37. Diese laterale Verschiebung ermöglicht es,
daß der
planare Laserstrahl 4 noch einmal in das Augengewebe gerichtet
wird, jedoch dieses Mal längs
einer Einfallslinie 50B und innerhalb einer Lichtstreuungsebene,
die versetzt, jedoch parallel zur vorhergehenden Einfallslinie 50A und
der entsprechenden Lichtstreuungsebene ist. Das erfaßte Querschnittsbild
längs der
Einfallslinie 50B wird dann vom Bilddetektor 19 zur
Speicherung zum 3-D-Computergraphiksystem 35 übertragen.
Der oben beschriebene Prozeß der
schrittweisen Bewegung der Plattform 31, um den Einfallslinie
sequentiell von der vorhergehenden Einfallslinie zu versetzen und
um das erfaßte
Bild synchron zu erfassen, zu übertragen
und zu speichern, wird einige Male unter der Steuerung der Synchronsteuereinrichtung 36 wiederholt,
bis eine ausreichende Anzahl von parallelen Querschnittsbildern
erfaßt
worden ist. Danach werden diese Bilder verwendet, um ein oder mehrere
rekonstruierte dreidimensionale Bilder der untersuchten Augenstruktur
zu berechnen. Solche 3-D-Bildrekonstruktionen können unter Verwendung herkömmlicher
Programmiertechniken erzeugt, dann im Speicher des Computergraphiksystems 35 gespeichert
und anschließend
längs erwünschter
oder ausgewählter
Betrachtungsrichtungen angezeigt werden. Die Arbeitsweise des Augengewebeanalysesystems 40 (siehe 6)
ist in vieler Hinsicht ähnlich
zu dem System 30, das in den 5 und 5A dargestellt
wird. Zum Beispiel sind die Laserquelle 1 und das Mikroskopsystem 13 in
einer Weise, die oben im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform
beschrieben wird, fest an einer Plattform 41 angeordnet.
Es gibt jedoch mehrere Unterschiede. Die Plattform 41 ist
bezüglich
des Auges des Patienten feststehend. Um den planaren Laserstrahl 4 bezüglich des
Auges des Patienten lateral zu verschieben, ist außerdem eine
Glasplatte 42 mit einer vorgegebenen Dicke an einem Halterahmen 43 angeordnet.
Der Halterahmen 43 wird wiederum durch einen Ständer 44 gehalten,
der bezüglich
der Plattform 41 durch einen Schrittmotor 45 drehbar
ist, der unter Steuerung einer Synchronsteuereinrichtung 46 betrieben
wird. Wenn der Schrittmotor 45 durch die Synchronsteuereinrichtung 46 betrieben
wird, wird die Glasplatte 42 um einen vorgewählten Betrag
gedreht, wodurch eine erwünschte
schrittweise laterale Verschiebung des planaren Laserstrahls längs einer ausgewählten Einfallslinie,
vorzugsweise parallel zur optischen Achse des untersuchten Auges
bewirkt wird. Am Anfang des Bilderfassungsprozesses ist die Brechungsplatte 42 vorzugsweise
im wesentlichen senkrecht zum planaren Beleuchtungsstrahl 4 angeordnet.
Während
des ersten Bilderfassungszyklus bleibt die Brechungsplatte 42 in
ihrer ursprünglichen oder
anfänglichen
Position, und der äußerste Querschnitt
des Augengewebes wird beleuchtet und das Streubild durch den Bilddetektor 16 erfaßt. Nachdem das
erste erfaßte
Bild unter Steuerung der Synchronsteuereinrichtung 46 an
das 3-D-Computergraphiksystem 35 synchron übertragen
worden ist, wird die Brechungsplatte 42 um einen kleinen
Winkelschritt gedreht, um die Einfallslinie des planaren Beleuchtungsstrahls 4 leicht
von der vorher ausgewählten Einfallslinie
zu verschieben. Es wird folglich ein Querschnitt des Augengewebes
parallel zu seinem ersten Querschnitt (d. h. der Lichtstreuungsebene)
beleuchtet, und das gestreute Licht wird durch den Bilddetektor 16 erfaßt, woraufhin
dieses zweite Querschnittsbild zur Speicherung zum 3-D-Computergraphiksystem 35 übertragen
wird. Der obige Bilderfassungszyklus wird unter der Steuerung der
Synchronsteuereinrichtung 46 einige Male wiederholt, bis
eine Anzahl von Bildern zur 3-D-Bildrekonstruktion der Kornea eines
bestimmten Patienten erfaßt
worden sind, wie oben erläutert.
Indem Bildmeßfunktionen
an den Daten durchgeführt
werden, die in der 3-D-Bildrekonstruktion
(d. h. Modell) der Kornea dargestellt werden, können mehrere wichtige Arten
von Daten präzise
erhalten werden. Zum Beispiel kann die Dicke der Kornea an jedem
Punkt auf deren Oberflächen berechnet
und als digitalisierte Datenausgabe bereitgestellt werden, die mit
einem Punkt auf deren Oberfläche
korreliert ist. Außerdem
können
topographische Daten hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften der Kornea
des Patienten (d. h. Korneakrümmung)
vor einer Laseroperation präzise
berechnet und als Datenausgabe in einem geeigneten Format bereitgestellt
werden. Solche Korneadickedaten und topographischen Daten können dann
durch den ophthalmologischen Chirurgen bei der Bestimmung des neuen
Oberflächenprofils
verwendet werden, das im Stromagewebe der Kornea eines bestimmten
Patienten geformt werden soll, um ein erwünschtes Maß einer optischen Korrektur
in seinem Auge zu erzielen. Details hinsichtlich der Berechnung
solcher Arten von Daten aus 3-D-Bildrekonstruktionen der Kornea können in
der Veröffentlichung
mit dem Titel „Computerized
Surface Reconstruction For Corneal Topography And Pachymetry Using
Digitized Slit-Lamp Video Images",
von J. H. Hoffman u. a. Arvo Abstract Paper Nr. 1512–69 (1992)
gefunden werden. In den dargestellten Ausführungsformen werden die photoelektronische
Bilderfassungsvorrichtung und digitale Bildverarbeitungstechniken
bei der Ausführung
der vorliegenden Erfindung genutzt. Jedoch können auch photographische Bildaufzeichnungstechniken
und optische Dichtemeßtechniken
für photographische Bilder
verwendet werden, um die vorliegende Erfindung mit zu erwartenden
guten Ergebnissen auszuführen.
-
-
Eine
Verbesserung des Vorhergehenden ist eine integrierte Einheit, die
in der Hand gehalten wird. Die Plattform und die zugehörige mechanische
Bewegung der Vorrichtungen der Lichtquelle oder des Filters, wie
oben beschrieben, bietet eine sperrige und unhandliche Vorrichtung
zur Verwendung in der Praxis. Gemäß dieser Verbesserung daran
weist die integrierte, in der Hand gehalten Einheit 701,
die in 7A gezeigt wird, eine „Kamera
auf einem Chip" oder
CCD, einen Laser, eine zugehörige
Optik und eine Einrichtung auf, um dem Patienten ein sich bewegendes
Ziel zu repräsentieren.
Die Aufzeichnungsvorrichtung in der in der Hand gehaltenen Einheit
weist einen CCD- (ladungsgekoppelte Vorrichtung) Chip auf einer
Schaltplatte mit einer integrierten Optik auf; Hersteller geeigneter
CCD-Vorrichtungen umfassen
Photobit (Pasadena, CA), Vision Ltd. (Edinburgh, Schottland) und
Hewlett-Packard. Es wird ein Laser aus einer temporalen Richtung
zur nasalen Seite des Auges gerichtet; dies vermeidet eine Behinderung
des Laserstrahls durch die Nase des Patienten und Schatten, die
bei Patienten mit tiefliegenden Augen durch die Augenbrauen geworfen werden.
Das vom Auge reflektierte Licht wird durch die die CCD-Kamera längs der
Achse des Auges aufgenommen. Während
die CCD-Kamera längs
der Achse angeordnet ist, ist der Laser vorzugsweise so ange ordnet,
daß er
das Auge unter 45° zur
temporalen Seite der Achse der Augenhöhle beleuchtet.
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7B zeigt
eine idealisierte Ansicht mit teilweise aufgelösten Einzelteilen des Inneren
einer solchen in der Hand gehaltenen Vorrichtung. Es wird ein Laser 703 auf
ein Auge eines Patienten 705 gerichtet. Das vom Auge reflektierte
Laserlicht wird auf einer Videokamera 707 (mit einer zugehörigen Optik und
Elektronik) aufgezeichnet, die eine CCD sein kann. Das Gehäuse 709 weist
einen oder mehrere Anschlüsse 711 zum
Anschließen
von Strom von außen
an die Vorrichtung und zum Anschließen des Ausgangssignals aus
der Videokamera an eine (nicht gezeigte) Anzeigevorrichtung auf.
Die Videokamera kann ein Signal an eine Anzeigevorrichtung wie einen Monitor
(VDT) und/oder einen Computer ausgeben, auf dem das digitale (oder
digitalisierte) Videokameraausgangssignal gespeichert wird, oder
die Kamera kann aus einer Linse und einer zugehörigen Faseroptik (wie eine
Faseroptikvorrichtung, die intern durch einen Katheter verwendet
wird) bestehen, das auf einem Monitor angezeigt oder auf einem Videorekorder (z.
B. VCR) aufgezeichnet wird. Wenn, wie gezeigt der reflektierte Strahl 713 als
koaxial mit der Achse des Auges angesehen wird, dann verläuft der
einfallende Strahl 715 unter 45° davon, und es wird mittels einer
reflektierenden Vorrichtung 717, wie einem Spiegel vereinfacht,
daß er
aus dieser Richtung kommt; es werden Mikrospiegel (die z. B. auf
Chips geätzt
sind) in der Literatur beschrieben, und solche sind hierin als reflektierende
Vorrichtung nützlich.
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Im
Gegensatz zu den größeren Modellen,
die oben beschrieben werden, ist die vorliegende Verbesserung zur
Verwendung in der Praxis bestimmt und ist daher sehr viel kleiner.
Folglich müssen
andere Verfahren zur Abtastung des Lasers über das erwünschte Sichtfeld betrachtet
werden. Ein Verfahren wird in 7C gezeigt,
einer idealisierten Vorderansicht der Vorrichtung, in der ein Fenster 719 zum Durchlaß des Laserstrahls
gezeigt wird. „Über" dem Fenster ist
eine Reihe von Leuchten 721 angeordnet, die aus lichtemittierenden
Dioden (LEDs) bestehen können.
Wenn die Vorrichtung korrekt angeordnet ist, wird der Patient angewiesen,
die Reihe von LEDs zu betrachten; es wird ein wohlbekannter (und
nicht gezeigter) elektronischer Schaltungskomplex verwendet, um
die Leuchten in einer verhältnismäßig langsamen
Abfolge aufleuchten zu lassen; der Patient wird angewiesen, der
Abfolge zu folgen, wenn jeweils eine LED aufleuchtet. Folglich wird
bewirkt, daß sich das
Auge des Patienten lateral bewegt, und daher wird das Auge effektiv
durch den Laserstrahl abgetastet.
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Wie
oben angegeben, wird der Laser vorzugsweise von der temporalen Seite
gerichtet, um erwartete Probleme mit Schatten und Behinderungen zu
minimieren. Wie in 7B gezeigt, ist die Vorrichtung
zur Untersuchung des rechten Auges eines Patienten angeordnet. Bei
der Untersuchung des linken Auges, während die Vorrichtung in derselben
Orientierung gehalten wird, wie gezeigt, würde die Nase eine Behinderung
verursachen. In einer Ausführungsform
wird die Vorrichtung einfach umgedreht, um die Achse der Augenhöhle gedreht,
so daß sich der
Laser auf der anderen Seite der Videokamera befindet (d. h. von
der rechten temporalen Seite aus im Vergleich zu 7B).
In einer anderen Ausführungsform,
wie in 7A gezeigt, kann die Vorrichtung drehbar
durch einen Griff gehalten werden. Zum Beispiel ist ein Pistolengriff 723 durch
einen Arm 725 an einem Zylinder 727 angebracht,
der durch eine Flanschanordnung 729 drehbar am Gehäuse angebracht ist.
Der Zylinder ist vorzugsweise ein Kanal für Leitungen 731, durch
die die Videoausgabe und der Stromeingang die Vorrichtung verlassen
und in sie eintreten. Wie durch die gepunktete Linie gezeigt, wird
die Vorrichtung um den Zylinder gedreht (der eine Achse definiert,
die im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Auges ist),
um von einem Auge zum anderen zu wechseln.
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Anstelle
von LEDs ist es ein anderes Verfahren zur Abtastung des Laserstrahls über das
Auge des Patienten (das kein Teil der vorliegenden Erfindung ist,
jedoch zur Erläuterung
präsentiert
wird), den Strahl elektrooptisch zu beeinflussen.
-
7D zeigt
eine idealisierte Draufsicht des Inneren der Vorrichtung, ähnlich zu
der perspektivischen Ansicht, die in
73 gezeigt
wird. Hier versorgen die Stromversorgungsleitungen
731 den
Laser
703, die Kamera
707 und eine Abtastvorrichtung
733.
Die Abtastvorrichtung kann ein piezoelektrischer Kristall sein,
der seinen Brechungsindex als Funktion der Spannungsdifferenz an
seinen Außenseiten ändert; folglich
werden die Stromversorgungsleitungen benötigt, und der bei
733 angezeigte
Kasten benötigt
die zugehörige
Elektronik. Noch ein anderes Verfahren zur Abtastung des Laserstrahls
ist die Verwendung eines Prismas, wie durch das
US-Patent Nr. 5,227,910 offenbart
(dessen Offenbarung hierin durch Verweis aufgenommen ist). Noch ein
anderes Verfahren zur Abtastung des Lasers ist es, solche Verfahren
zu verwenden, wie sie in Handlaserabtastbarcodelesegeräten verwendet
werden; zum Beispiel ein rotierender Spiegel, wie im
US-Patent Nr. 5,146,463 beschrieben,
für diese
Erfindung muß sich
der Spiegel langsamer als in einem Barcodeabtastlesegeräte drehen.
-
Eine
zusätzliche
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung (beachte 9)
ermöglicht
die Verwendung des Verfahrens und einer Vorrichtung zum Bereitstellen
einer verbesserten Auflösung.
Mit einer größeren Auflösung können die
folgenden Funktionen ausgeführt
werden:
- (1) Erfassung von Zellen, die im Kammerwasser in
der anterioren Kammer des Auges schwimmen, was bei der objektiven
Diagnose und der Bewertung des Entzündungszustands des Auges wie der
Iris nützlich
ist. Es ist bekannt, ein Instrument zu verwenden, das durch den
Handelsnamen „Flare
Meter" bezeichnet
wird, das die Lichtstreuung in der anterioren Kammer mißt. Das
Vorhandensein von Entzündungszellen
und Proteinen im Kammerwasser bewirkt, daß Licht gestreut wird. Die
Verwendung des Laserspalts ermöglicht
vielmehr die Sichtbarmachung von Zellen, als nur eine Zunahme der
Lichtstreuung bereitzustellen;
- (2) Erfassung von Kollagenfasern und Zellen im Glaskörpergel
des Auges. Die gegenwärtige
Ausführung
der Laserspaltlampe weist einen Winkel von 45 Grad zwischen der
Achse der Ebene des Laserlichts und der Achse der Kamera auf. Wenn der
Winkel reduziert würde,
so daß der
Strahl in die Pupille passen und die Auflösung des Detektors erhöht würde, dann
würden
die Merkmale des Glaskörpergels
mit der Laserspaltlampe sichtbar werden; und
- (3) außerdem
ist das vorliegende Instrument hinsichtlich einer wirklichen dreidimensionalen
Abbildung so konzipiert, daß es
eine Kamera aufweist, die verwendet wird, um aufeinanderfolgende
Bilder aufzunehmen, die dann montiert werden, um eine dreidimensionale
Darstellung des anterioren Segments des Auges zu erzeugen.
-
Es
sollte beachtet werden, daß die
vorliegende Computeranlage eine Kamera aufweist, die imstande ist,
aufeinanderfolgende Bilder aufzunehmen, die dann neu montiert werden,
um eine dreidimensionale Darstellung des anterioren Segments des
Auges zu erzeugen. Eine kürzlich
entwickelte Computeranlage ermöglicht
die gleichzeitige Aufnahme gepaarter Bilder aus zwei Kameras (Detektoren).
Die Verwendung von zwei Kameras ermöglicht dann eine dreidimensionale
Abbildung in Echtzeit.
-
Es
ist möglich,
zwei Durchgänge
für jedes Auge
innerhalb von Sekunden hintereinander durchzuführen. Die rechten und linken
Laser würden
dann einzeln abtasten, und die Bilder würden unabhängig voneinander aufgenommen
und analysiert. Folglich könnten
die Bilddaten dann sofort vorbereitet werden, um die Genauigkeit
zu prüfen.
-
Die
Gültigkeitsprüfung ist
besonders wichtig, da die Daten verwendet werden können, um
die Menge des Korneagewebes zu kontrollieren, das durch LASIK entfernt
wird.
-
Bezugnehmend
auf 8 wird ein zusätzlicher
Strahl parallel oder leicht konvergent zur Sichtachse des Abbildungssystems
gerichtet. Zum Beispiel werden in einer Ausführung, die einen HeNe- oder
roten Diodenlaser verwendet, Trübungen
im Glaskör per,
in der Linse, der Kornea oder sogar in Kontaktlinsen durchleuchtet
und werden sichtbar. In Ausführung
zwei wird ein grüner
Strahl auf die Retina gerichtet. Dies ist darin ein entscheidender
Unterschied, daß die
rote Beleuchtung selektiv durch die Retina und Retinagefäße reflektiert
wird, was es fast unmöglich
macht, sie voneinander zu unterscheiden.
-
Mit
grünen
Wellenlängen
Gefäße werden
die Retinamerkmale hervorgehoben. Jedoch wird in Ausführung zwei
eine Linse irgendwo zwischen 60 und 100 Dioptrien verwendet, um
die Brechkraft des Auges aufzuheben. Dies ermöglicht eine direkte Sicht in das
Auge, und die Retinamerkmale können
beobachtet werden.
-
Dieser
Ansatz unterscheidet sich wesentlich von den Ophthalmoskopen mit
abtastendem Laser.
-
Zusammenfassend
weist bezugnehmend auf 8 die Vorrichtung für die Abbildung
des anterioren Augengewebes im lebendigen Organismus eines Patienten
eine Röhre
mit einer festgelegten Länge
auf, die so gehalten wird, daß sie
sich längs
der Sicht des Auges erstreckt.
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Die
Röhre enthält eine
Optik zum Fokussieren eines Bildes auf eine Kamera/Detektor-Vorrichtung,
die an ein Ende der Röhre
angrenzt. Die Röhre enthält eine
Optik, die Fachleuten wohlbekannt ist. Die Röhre weist in sich einen abgewinkelt
gehaltenen halbdurchlässigen
Spiegel quer zur Röhre
auf, wie gezeigt, der zwischen deren Enden angeordnet ist.
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Ein
Laserstrahl aus dem Laser wird durch die Linse auf das Auge und
zurück
vom Auge durch den halbdurchlässigen
Spiegel auf den Kamera/Detektor fokussiert.
-
Wie
beschrieben, ist diese Erfindung zur Abbildung von Gewebe im anterioren
Abschnitt des Auges geeignet. Ein solches Augengewebe umfaßt zum Beispiel
die Kornea, die anteriore Kammer des Auges (d. h. wo das Kammerwasser
enthalten ist), die Iris und die Augenlinse. Folglich ist diese
Vorrichtung unter anderen Analysen zur Prüfung von Patienten auf Katarakte
nützlich.
-
Einer
der Vorteile des vorliegenden Systems ist, daß es tragbar und einfach zu
verwenden ist, und mit einer geeigneten Software, wie oben erwähnt, schnell
für eine
genaue Diagnose zu verwenden ist. Nehmen wir zum Beispiel an, daß die Vorrichtung eine
Reihe von LEDs aufweist, die sequentiell erleuchtet werden, um den
Patienten zu veranlassen, sein Auge zu bewegen. Da eine CCD Bilder
mit einer sehr hohen Geschwindigkeit erfassen kann, kann dann, wenn
eines der Einzelbilder (Bilder), die durch die CCD erfaßt werden,
nicht mit den anderen ausgerichtet ist (was durch die Software bestimmt
wird), dieses Einzelbild aus der Verarbeitung ausgeschlossen werden.
-
Ein
anderer Vorteil des vorliegenden Systems ist, daß es eine sehr große Schärfentiefe
gibt. Eine typische Spaltlampenvorrichtung weist eine Schärfentiefe
von etwa 1 mm auf. Bei einer typischen Spaltlampe ist das, was sich
nicht in der Brennweite befindet, stark verzerrt. Mit der vorliegenden
Erfindung ist die Schärfentiefe
bedeutend weiter, wahrscheinlich in der Größenordnung von mehr als 1 Meter,
jedoch reicht die Schärfentiefe
für alle
praktischen Absichten und Zwecke aus, um das gesamte Auge von vorn
bis hinten abzubilden (das im allgemeinen eine Länge von etwa 22 mm aufweist).
Dies liefert einen weiteren bedeutenden Vorteil, daß die vorliegende
Vorrichtung eine so große
Schärfentiefe aufweist,
daß sogar
eine Abbildung des Auges eines Kinds oder eines Kleinkinds möglich ist
(wobei solche Patienten nicht dazu neigen, lange stillzuhalten), während eine
typische Spaltlampenvorrichtung einen Steuerknüppel aufweist, den der Anwender
andauernd einstellen muß,
um den Bereich scharf zu halten.
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Eine
andere Ausführungsform
dieser Erfindung beruht auf der Verwendung von verbesserten CCDs,
die eine bessere Auflösung
aufweisen; wie durch die Verbreitung von Digitalkameras und der Abnahme
ihrer Kosten zu erkennen ist, hat die CCD-Technik bedeutende Fortschritte
gegenüber dem
gemacht, wo sie sich nur vor wenigen Jahren befand. Ein Verfahren,
das gegenwärtig
zur Feststellung des Vorhandenseins einer intraokulären Entzündung verwendet
wird, ist eine Streuung von sichtbarem Licht oder „Aufleuchten" von einem Lichtstrahl, der
durch die anteriore Augenkammer geht. Der Betrag der Lichtstreuung
durch ein Spaltlampenmikroskop wird qualitativ (subjektiv) bewertet
oder durch die Bestimmung von Photonen pro Einheitszeit quantisiert
und als ein Maß des
intraokulären
Entzündungsgrads
verwendet. Die Lichtstreuung, die durch die Entzündung verursacht wird, kann
auf Entzündungszellen
und/oder Proteine im Kammerwasser zurückgeführt werden. Wenn die vorliegende
Erfindung und eine CCD mit höherer
Auflösung
verwendet wird, kann eine genauere Diagnose der „Entzündung" vorgenommen werden, indem die Erreger
sichtbar gemacht werden, die die Lichtstreuung verursachen. Das
heißt,
es kann eine CCD mit hoher Auflösung verwendet
werden, um durch Sichtbarmachung zwischen Zellen der Flüssigkeit
und Proteinen in der Flüssigkeit
zu unterscheiden. Mit einer solchen Unterscheidung ist die Diagnose
objektiver und kann auf den (die) Erreger gerichtet werden, die
die Entzündung
verursachen.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
können
Kollagenfasern und Zellen im Glaskörpergel des Auges abgebildet
werden. Frühere
Ausführungen
der Laserspaltlampe stellen einen Winkel von etwa 45° zwischen
der Ebene des Laserlichts und der Achse der Kamera bereit. Verbesserungen
der Hardware ermöglichen
es nun, daß der
Winkel bis zu dem Punkt reduziert werden kann, an dem eine verbesserte
CCD mit hoher Auflösung
verwendet werden kann, wobei ein Laserstrahl und die optische Achse der
Kamera beide in der Pupille verlaufen. In dieser Gestaltung können Merkmale
des Glaskörpers
(wie Kollagenfasern und Zellen) sichtbar gemacht werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung erwägt
eine dreidimensionale Abbildung in Echtzeit. Anstelle der einzelnen
Kamera, wie in den Figuren gezeigt, können zwei Kameras mit einem
bekannten Abstand und eine kommerziell erhältliche Software (analog zu
jener, die zur Zielverfolgung verwendet wird), verwendet werden,
um gleichzeitig Bilder von beiden Kameras zu erfassen und ein dreidimensionales
Bild zu synthetisieren. Eine integrierte Karte, die unter dem Namen
EureCard MULTI (durch Euresys S. A.) vertrieben wird, führt gleichzeitig
eine Bilderfassung von beiden Kameras aus. Die Verwendung einer
dreidimensionalen Abbildung in Echtzeit ist ein bedeutender Vorteil
für die
Durchführung
einer LASIK und einer anderen Operation. Noch eine Verbesserung
dieses Vorteils ist es, zwei getrennte Laser (z. B. einen aus 45° und den
anderen aus –45°) zu verwenden,
um das Auge abzutasten, da die Bilder gleichzeitig durch das Doppelkamerasystem
aufgenommen werden. Es kann ein Vergleich der beiden 3D-Bilder (eines
für jeden
Laser) verwendet werden, um die Genauigkeit der 3D-Bilder zu überprüfen. Da ferner
diese Bilder in Echtzeit erhalten werden, kann dieses vorliegende
System als ein stereoskopischer Zusatz zu LASIK und einer ähnlichen
Operation verwendet werden, wobei die Genauigkeit des Arztes beträchtlich
verbessert wird.
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Das
Vorhergehende ist unter Bezugnahme auf Laserlichtquellen beschrieben
worden. Im allgemeinen kann die Beleuchtungsquelle jede Lichtquelle mit
ausreichender Intensität
mit einer nutzbaren Wellenlänge
umfassen. Zum Beispiel können
sogenannte „Superlumineszenzdioden" oder analoge Diodenlichtquellen
in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Solche Superlumineszenzdioden
werden zum Beispiel im
US-Patent
Nr. 5,994,723 beschrieben (das auf den ersten Blick an
Omron Corp. übertragen
ist), das das Gebiet der Ophthalomologie einschließt, wie
im
US-Patent Nr. 5,719,673 beschrieben
(das auf den ersten Blick an die Carl Zeiss Jena GmbH übertragen
ist). Superlumineszenzdioden sind kommerziell aus einer Vielfalt
von Quellen erhältlich, einschließlich des
Internets (z. B. Superlum Ltd., Moskau, Rußland über http://www.superlum.ru,
erhältlich
in verschiedenen Spektralbändern
und Spektralwellenlängen).
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Die
Verwendung von rotem Licht (um 632 nm, im allgemeinen 600–650 nm)
wird aus drei wichtigen Gründen
bevorzugt. Erstens weisen die meisten CCDs ihre Spitzenempfindlichkeit
bei etwa dieser Wellenlänge
auf, und daher kann eine hochqualitative CCD-Abbildung mit dieser
Erfindung praktiziert werden. Zweitens liegt die Spitzenlichtstreuung
für optisches
Gewebe in dieser Wellenlängenordnung. Diese
ersten beiden Gründe
ermöglichen
es, daß niedrige
Lichtpegel verwendet werden, was außerdem zum Komfort des Patienten
beiträgt.
Schließlich wird
rotes Licht durch die Retina reflektiert, so daß Augenstrukturen mit einer „Rückbeleuchtung" (d. h. effektiv über eine
Hintergrundbeleuchtung) betrachtet werden können. Gleichwohl ist die Verwendung eines
grünen
Lichts ebenfalls geeignet, da Blutgefäße eine Beleuchtung mit grünem Licht
absorbieren und folglich damit sichtbar sein werden. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
kann sowohl grüne
als auch rote Lichtquellen aufweisen, die abhängig davon, welche Strukturen
abgebildet werden sollen, abwechselnd verwendet werden sollen, oder
die Quellen können
abwechselnd gepulst werden, um effektiv eine Beleuchtung mit beiden
Quellen gleichzeitig bereitzustellen.
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Wie
in den Figuren gezeigt, die nachstehend erläutert werden, stellt die vorliegende
Erfindung Bilder bereit, wodurch die Dicke verschiedener Augenstrukturen
sowie der spezifische Ort von Trübungen bestimmt
werden kann. Dies kann sowohl zur präoperativen als auch postoperativen
Bestimmung des Zustands (z. B. der Dicke) einer Struktur sehr wichtig sein.
Zum Beispiel ist eine Kataraktoperation die am weitesten verbreitete
durchgeführte,
durch die staatliche Krankenversicherung erstattete chirurgische Prozedur
in diesem Land, jedoch gibt es bei überhaupt keinem gegebenen Patienten
präoperativ
eine objektive Dokumentation des Vorhandenseins von Katarakten,
noch postoperativ ihrer Entfernung. Unter Verwendung der vorliegenden
Erfindung kann sowohl präoperativ
als auch postoperativ der Katarakt abgebildet werden, und das Bild
gespeichert und/oder auf einem Ausdruck gedruckt werden. Eine solche
Dokumentation würde
den Betrug der staatlichen Krankenversicherung bei dieser Prozedur
beträchtlich
reduzieren, wenn eine solche Dokumentation erforderlich wäre, bevor
die Prozedur gestattet oder erstattet wird.
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Wie
in den 9A und 9B gezeigt,
ermöglicht
diese Erfindung dem Arzt, Fehler in Kontaktlinsen zu sehen und abzubil den,
wenn sie getragen werden. Wie in 9A gezeigt,
ist ein Fehler in einer Kontaktlinse innerhalb der Grenzen der Pupille
ersichtlich, und folglich ist es wahrscheinlich, daß er das
Sehvermögen
des Patienten beeinflußt. 9B zeigt
etwas, was anscheinend eine Riefe oder Falte in oder auf der Oberfläche einer
weichen Kontaktlinse ist und erneut innerhalb der Grenzen der Pupille liegt,
was folglich das Sehvermögen
des Patienten beeinflußt.
Die Bilder der 9A und 9B wurden unter
Verwendung einer Kombination einer Laserspaltlampe und einer Rückbeleuchtung
erhalten, wie oben beschrieben.
-
Die 10A und 10B erfassen
Korneafehler und Epithelfehler in verschiedenen Tiefen. Die untere
Figur (10B) zeigt einen Fleck von Epithelunregelmäßigkeiten
auf der Kornea. Der Laserspaltstrahl erscheint gekrümmt, wenn
er die Kornea schneidet, und als eine unterbrochene gerade Linie, wo
er die Iris trifft. Es kann in der oberen Figur (10A) erkannt werden, daß Strukturen unterschiedlicher
Tiefen mit der Kombination einer Laserspaltlampe und Rückbeleuchtung
betrachtet werden können.
Zum Beispiel scheint die Reflexion von der Kornea als die angezeigte
gekrümmte
Linie, der Rand der Pupille und der Rand der Intraokularlinse sind
sichtbar, wie es die Glaskörperfläche und
die Iris sind; die Rückbeleuchtung
durch die Kornea offenbart Falten.
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Die 11A und 11B zeigen
Rindenkatarakte, Linsentrübungen,
die mit einer Kombination der Laserspaltlampe und Rückbeleuchtung
beobachtet werden. Die obere Ansicht (11A)
zeigt Trübungen
der Kornea durch die Spaltlampe, die als Trübungen (heller Bereich) erscheinen,
wohingegen die Rückbeleuchtung
speichenförmige
Trübungen
offenbart. Man beachte, daß jene,
die mit der Spaltlampe betrachtet werden, auf der Oberfläche hell
erscheinen, da sie das Licht reflektieren/streuen (d. h. sie lassen
das Licht nicht durch), wohingegen jene, die über die Rückbeleuchtung beobachtet werden,
dunkel erscheinen (d. h. Licht, das von der Kornea zurück durch
die Kornea reflektiert wird, wird durch die Trübungen blockiert). Entsprechend
der un teren Ansicht (11B) erscheint eine anteriore
Rindentrübung
dunkel, da sie das Licht verdeckt, das von der Retina reflektiert
wird.
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Schließlich stellen
die 12A und 12B Glaskörpertrübungen dar,
die durch Rückbeleuchtung
beobachtbar sind. In der oberen Ansicht (12A)
sind Kristalle einer asteroiden Hyalose mittels der Rückbeleuchtung
zu sehen. Diese kristallinen Körper
verdecken die Sicht des Patienten und sind in diesem Bild deutlich
zu sehen. In der unteren Ansicht (12B)
ist freies Blut in der Glaskörperhöhle als
ein schlecht definierter dunkler Bereich hinter der Linse sichtbar.
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Ein
zentrales Merkmal der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung, wie
in den 9–12 zu sehen
ist, ist, daß es
ein Reflexionsminimum von der Kornea gibt. Versuche, Augenstrukturen
mit herkömmlichen
Instrumenten, wie einer Retinakamera rückwärts zu beleuchten, führen zu
einem hellen zentralen Reflex. In vielen dieser Beispielbilder werden der
Laserspalt und die rückbeleuchteten
Bilder gleichzeitig betrachtet. Diese gleichzeitige Beleuchtung
ermöglicht
eine Schätzung
der Tiefe der Trübung
sowie ihrer zweidimensionalen Koordinaten.
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Während sich
die bestimmten Ausführungsformen,
die oben gezeigt und beschrieben werden, in vielen Anwendungen in
der ophthalmischen Technik als nützlich
erwiesen haben, werden weitere Modifikationen der vorliegenden Erfindung,
die hierin offenbart wird, Fachleuten der Technik einfallen, die
die vorliegende Erfindung betrifft.