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VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR ANZEIGE VON AUGENBEWEGUNGEN - Dokument DE69529681T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69529681T2 18.12.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 0789531
Titel VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR ANZEIGE VON AUGENBEWEGUNGEN
Anmelder Alcon, Inc., Hünenberg, CH
Erfinder FREY, Rudolph W., Orlando, US;
McWHIRTER, John E., Orlando, US;
ZEPKIN, Neil, Casselberry, US;
DOWNES, George R., Orlando, US
Vertreter Müller-Boré & Partner, Patentanwälte, European Patent Attorneys, 81671 München
DE-Aktenzeichen 69529681
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.04.1995
EP-Aktenzeichen 959169624
WO-Anmeldetag 18.04.1995
PCT-Aktenzeichen PCT/US95/04524
WO-Veröffentlichungsnummer 0095028879
WO-Veröffentlichungsdatum 02.11.1995
EP-Offenlegungsdatum 20.08.1997
EP date of grant 19.02.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.12.2003
IPC-Hauptklasse A61B 3/113

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Augenlaserchirurgie und spezieller auf ein Verfahren und ein System zum Abtasten bzw. Überwachen der Augenbewegung zur Verwendung in der Augenwahrnehmung, Diagnose und chirurgischen Verfahren.

Hintergrund der Erfindung

Augenwahrnehmung, Diagnose und/oder chirurgische Prozeduren umfassen eine Vielzahl von Einrichtungen, wie frequenzmultiplizierte Infrarotlaser, Feststofflaser, Radiofrequenzenergiequellen und Ultraschallsysteme, um nur einige zu nennen. In jedem dieser Systeme/Verfahren ist die Kenntnis und/oder Steuerung bzw. Regelung der Augenposition und -bewegung kritisch.

Beispielsweise ist eine photorefraktiven Keratektomie (PRK) ein Verfahren zur Laserkorrektur von Fokussierungsfehlern bzw. -defekten des Auges durch eine Modifikation der Hornhautkrümmung. PRK ist unterschiedlich von der Verwendung von auf Laser basierenden Vorrichtungen für traditionellere augenchirurgische Zwecke, wie Gewebeschnitte oder thermische Koagulation. PRK wird allgemein durch eine Verwendung eines Excimerlaserstrahls mit 193 nm Wellenlänge durchgeführt, welcher Hornhautgewebe in einem Photozersetzungsverfahren abträgt. Die meiste klinische Arbeit zu diesem Zweck wurde mit einem Laser durchgeführt, der bei einem Fluenzniveau von 120-195 mJ/cm² und einer Pulswiederholungsrate von etwa 5-10 Hz arbeitet. Dieses Verfahren wurde als "Hornhautbildhauerei bzw. Hornhautformen" bezeichnet.

Bevor ein Formen bzw. Bearbeiten der Hornhaut stattfindet, wird das Epithel oder die Außenschicht der Hornhaut mechanisch entfernt, um die Bowman-Membran an der vorderen Oberfläche des Stroma bzw. Bindegewebes freizulegen. Zu diesem Zeitpunkt kann die Laserabtragung an der Bowman-Schichte beginnen. Ein Excimerlaserstrahl ist für dieses Verfahren bevorzugt. Der Strahl kann variabel während dem Abtragen maskiert werden, um Hornhautgewebe zu verschiedenen Tiefen, sofern notwendig, für ein Rekonturieren des vorderen Stromas abzutragen. Danach wächst das Epithel rasch wieder und bildet neuerlich eine Oberfläche des konturierten Bereichs, was in einer optisch korrekten (oder nahezu korrekten) Hornhaut resultiert. In einigen Fällen ist eine Oberflächenfalte der Hornhaut weggefaltet und die freigelegte Oberfläche des Hornhautstromas wird auf die gewünschte Oberflächenform abgeflacht bzw. abgetragen, wobei die Oberflächenklappe dann wieder platziert wird.

Phototherapeutische Keratektomie (PTK) ist ein Verfahren, das eine Ausrüstung, die funktionell ident mit der Einrichtung, die für PRK erforderlich ist, umfaßt. Das PTK-Verfahren unterscheidet sich von PRK dahingehend, daß statt einem Neukonturieren oder -formen der Hornhaut PTK den Excimerlaser verwendet, um pathologische, oberflächliche Hornhautdystrophien zu behandeln, welche andernfalls Hornhauttransplantationen erfordern würden.

In beiden dieser Verfahren können chirurgische Fehler aufgrund von Augenpositionsfehlern, umfassend sowohl anfängliche Zentrierungsfehler zwischen dem Auge und dem chirurgischen Laser und/oder eine nachfolgende Bewegung, welche durch unwillkürliche (sakkadenartige) Augenbewegung, Kopfbewegung oder Bewegung von chirurgischer Einrichtung verursacht wird, das Brechungsergebnis der Chirurgie verschlechtern bzw. beeinträchtigen. Die Bewegung oder der Positionsfehler ist kritisch, da die Effektivität des Behandlungslasers von seiner Zentrierung auf die theoretische Sehachse des Patienten abhängt, welche, praktisch gesprochen, etwa das Zentrum der Pupille des Patienten ist. Jedoch ist diese Sehachse schwierig zu bestimmen, teilweise aufgrund einer Restaugenbewegung und einer unwillkürlichen Augenbewegung, die als sakkadische Augenbewegungen bekannt ist. Eine sakkadische Augenbewegung ist eine Hochgeschwindigkeitsbewegung (d. h. von sehr kurzer Dauer, 10-20 Millisekunden und typischerweise bis zu 1º Augendrehung), die inhärent im menschlichen Sehen enthalten ist, und wird verwendet, um dynamische Szenenbilder der Retina zur Verfügung zu stellen. Eine sakkadische Augenbewegung variiert, während sie sehr klein in der Amplitude ist, stark von Patient zu Patient aufgrund von psychologischen Effekten, Körperchemie, Chirurgischen Lichtbedingungen usw.

Ein Versuch bzw. Zugang, die Augenpositionsfehler zu beheben bzw. handzuhaben, ist es, ihn zu eliminieren zu versuchen, indem eine Greifvorrichtung oder ein Saugring verwendet wird, um physikalisch das Patientenauge während der Chirurgie stabil zu halten. Jedoch kann die intrusive Art dieses Saugrings die Augenform stören bzw. verändern, wodurch die chirurgische Präzision beeinflußt wird. Weiters wird, da der Saugring typischerweise durch den Chirurgen gehalten wird, die niedrigere Frequenz, jedoch größere Amplitude der Handbewegung des Chirurgen ein Faktor bei der chirurgischen Präzision.

Ein weiterer Zugang bzw. Versuch, den Augenpositionsfehler handzuhaben, ist, diese Augenposition nicht intrusiv abzutasten. Eine Abtasttechnik/ein System, die (das) aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist die Folgeeinrichtung der 1. und 4. Purkinje-Reflexion. Die 1. und 4. Purkinje-Reflexionen beziehen sich auf Bilder basierend auf dem 1. Purkinje-Bild, welches die Glitzerreflexion der vorderen Oberfläche der Hornhaut ist, und dem 4. Purkinje-Bild, welches eine Reflexion von der Rückseite der Augenlinse ist. Diese(s) Technik/System wird verwendet, um die X-Y Position des Auges zu verfolgen. Für bestimmte Hornhaut bildende, chirurgische Prozeduren wird jedoch die 1. Purkinje-Oberfläche abgeflacht, wodurch diese(s) Technik/System für das Hornhautbilden bzw. -formen nicht effizient wird.

DE 2450095 offenbart ein Positionssensorsystem, das eine sich hin und her bewegende und/oder gleitende Lichtquelle besitzt, welche ein Bündel von Strahlen auf die Pupille oder den Irisbereich eines Auges projiziert. Die individuell reflektierten Intensitäten, die durch lichtempfindliche Sensoren gemessen sind, bilden eine Messung des Winkels einer Abweichung zwischen der Sehrichtung und der Lichtquelle aus.

Zusammenfassung der Erfindung

Dementsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und System zum Abtasten bzw. Erfassen einer Augenposition und -bewegung zur Verfügung zu stellen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und System zum Abtasten bzw. Ermitteln der Augenposition und -bewegung in einer nicht intrusiven Weise zur Verfügung zu stellen.

Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zum Abtasten einer sakkadischen Augenbewegung zur Verfügung zu stellen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zum Abtasten einer Augenposition und -bewegung als ein Werkzeug in der Augenlaserchirurgie zur Verfügung zu stellen, um Hornhaut skulpturierende bzw. aufbauende bzw. formende Verfahren zu umfassen.

Noch ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein System zum Abtasten einer Augenposition und -bewegung zur Verfügung zu stellen, welches chirurgisch augensicher ist.

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend in der Beschreibung und in den Zeichnungen noch deutlicher werden.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Abtasten einer Augenbewegungen, wie es nachfolgend in Anspruch 1 beansprucht ist, zur Verfügung gestellt. Eine Lichtquelle generiert bzw. erzeugt einen modulierten Lichtstrahl in dem Wellenlängenbereich des nahen Infrarot von 900 nm. Eine optische Zufuhranordnung wandelt jedes Lasermodulationsintervall in eine Mehrzahl von Lichtpunkten um. Die Lichtpunkte werden derart fokussiert, daß sie auf eine entsprechende Vielzahl von Positionen einfallen, die an einer Grenze angeordnet sind, deren Bewegung mit derjenigen Augenbewegung zusammenfällt. Der Grenzbereich bzw. die Grenze kann durch zwei visuell benachbarte bzw. aneinander anschließende Oberflächen, die unterschiedliche Reflexionskoeffizienten besitzen, definiert werden. Die Grenze kann eine natürlich auftretende Grenze sein (z. B. die Iris/Pupillengrenze oder die Iris/Skleragrenze) oder eine künstlich ausgebildete Grenze (z. B. ein Tintenring, der auf dem Auge gezeichnet, gedruckt oder angeordnet ist, oder eine Reflexion erhöhende Markierung, die an dem Auge festgelegt ist). Energie wird von jeder der Positionen reflektiert, die an der Grenzfläche angeordnet sind, die die Lichtpunkte erhalten. Eine optische Empfangsanordnung detektiert die reflektierte Energie von jeder der Positionen. Änderungen in der reflektierten Energie an einer oder mehreren der Positionen ist für die Augenbewegung hinweisend bzw. anzeigend.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist eine Draufsicht auf ein Auge, die vier Lichtpunkte, die an der Grenzlinie bzw. Grenze von Iris/Pupille des Auges angeordnet sind, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 1B ist eine Draufsicht auf ein Auge, die vier Lichtpunkte zeigt, die an der Grenzlinie zwischen Iris/Sklera des Auges positioniert sind;

Fig. 1C ist eine Draufsicht auf ein Auge, die einen Tintenring, der an der Grenzlinie zwischen Iris/Sklera festgelegt ist, sowie vier Lichtpunkte zeigt, die an der Grenzlinie von Tintenring/Sklera positioniert sind;

Fig. 1D ist eine Draufsicht auf eine Auge, die einen doppelten Tintenring, der an der Sklera des Auges festgelegt ist, sowie vier Lichtpunkte zeigt, die an der Grenzlinie zwischen dem inneren und äußeren Tintenring des doppelten Tintenrings positioniert sind;

Fig. 1E ist eine Draufsicht auf ein Auge mit einer eine Reflexion erhöhenden Heftung, die darauf festgelegt ist, und die vier Lichtpunkte zeigt, die an der Grenzlinie zwischen dem Auge und der Heftung angeordnet sind;

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausbildung eines Augenbewegungsabtastungssystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der Faseroptik-Bündelanordnung in Fig. 2;

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ausbildung einer optischen Anordnung zum Fokussieren von Optiken in dem Zufuhrbereich der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 ist ein Blockdiagramm einer repräsentativen multiplexierenden Spitzenschaltung, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Indem nun auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1A -1E Bezug genommen wird, sind Draufsichten auf ein menschliches Auge gezeigt, das allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Von dieser planaren Perspektive beinhaltet das Auge 10 drei visuell benachbarte bzw. aneinander anschließende Oberflächen, nämlich eine Sklera oder "das Weiße des Auges" 11, eine Iris 12 und eine Pupille 13. Jede aus Sklera 11, Iris 12 und Pupille 13 weist seinen eigenen Reflexionskoeffizienten auf.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf der bevorzugten Verwendung von vier Lichtpunkten, die durch Kreise 21, 22, 23 und 24 bezeichnet sind. Die Punkte 21 und 23 sind auf einer Achse 25 positioniert, während die Punkte 22 und 24 auf einer Achse 26 positioniert sind, wie dies gezeigt ist. Die Achsen 25 und 26 sind orthogonal zueinander. Die Punkte 21, 22, 23 und 24 sind fokussiert, um entweder auf die Iris/Pupilleng-Grenzlinie 14, wie dies in Fig. 1A gezeigt ist, oder die Iris/Sklerag-Genzlinie 15, wie dies in Fig. 1B gezeigt ist, einzufallen und gleichmäßig darauf beabstandet zu sein. Zusätzlich können von Menschen gemachte Grenzlinien bzw. Grenzen verwendet werden. Beispielsweise kann, wie dies in Fig. 1C gezeigt ist, ein Farb- bzw. Tintenring 16 auf der Iris/Sklera-Grenzlinie 15 angeordnet werden, um eine Tintenring/Sklera-Grenzlinie 17 auszubilden, welche die Grenze 15 ersetzt oder in bezug auf den Reflexionsunterschied mit der Sklera 11 verstärkt. Eine Tinte, die üblicherweise für ein Markieren von Augenverfahren verwendet wird, ist eine Enzian-violett gefärbte Tinte, die unter dem Handelsnamen "Visitec" erhältlich ist. Wie dies in Fig. 1D gezeigt ist, kann ein doppelter Tintenring 18, der einen inneren Tintenring 18a mit einem ersten Reflexionskoeffizienten und einen äußeren Tintenring 18b mit einem zweiten Reflexionskoeffizienten aufweist, auf der Sklera 11 angeordnet werden. Die Punkte 21, 22, 23 und 24 werden dann auf orthogonalen Achsen 25 und 26 an der Grenzlinie 18c zwischen den Tintenringen 18a und 18b platziert. Eine weitere Alternative ist in Fig. 1E gezeigt, wo eine eine kreisförmige Reflexion erhöhende Heftung 19 auf einem bestimmten Bereich des Auges 10 festgelegt wird (z. B. Sklera 11) und Punkte 21, 22, 23 und 24 auf orthogonalen Achsen 25 und 26, die sich im Zentrum der Heftung 19 kreuzen, positioniert werden.

In jedem dieser Fälle sind die Operationsprinzipien dieselben. Die vier Punkte 21, 22, 23 und 24 haben gleiche Energie und sind gleichmäßig um und auf der kreisförmigen Grenzlinie von Interesse angeordnet. Diese Anordnung stellt eine zweiaxiale Bewegungsabtastung bzw. -erfassung in der folgenden Weise zur Verfügung. Jeder Lichtpunkt 21, 22, 23 und 24 verursacht ein bestimmtes Ausmaß an Reflexion an seiner Position auf der entsprechenden Grenzlinie. Da sich die entsprechende Grenzlinie in Übereinstimmung mit der Augenbewegung bewegt, ändert sich das Ausmaß einer Reflexion von den Lichtpunkten 21, 22, 23 und 24 in Übereinstimmung mit der Augenbewegung. Indem die vier Punkte gleichmäßig um die kreisförmige Grenzliniengeometrie beabstandet sind, wird eine horizontale oder vertikale Augenbewegung durch Veränderungen in dem Reflexionsausmaß von benachbarten Paaren von Punkten detektiert. Beispielsweise wird eine horizontale Augenbewegung durch Vergleichen der kombinierten Reflexion von Lichtpunkten 21 und 24 mit der kombinierten Reflexion von Lichtpunkten 22 und 23 beobachtet bzw. überwacht. In einer ähnlichen Art wird eine vertikale Augenbewegung durch Vergleichen der kombinierten Reflexion von Lichtpunkten 21 und 22 mit der kombinierten Reflexion von Lichtpunkten 23 und 24 überwacht.

Während der oben beschriebene Zugang derselbe für alle in Fig. 1A-1E gezeigten Fälle ist, wird sich der Rest dieser Beschreibung auf die Ausbildung von Fig. 1A fokussieren, die die Iris/Pupillen-Grenzlinie 14 verwendet. Eine Verwendung der Iris/Pupillen-Grenzlinie 14 ist bevorzugt, da sie natürlich auftritt und da sie den größten Kontrast in den Reflexionscharakteristika darstellt. Dies deshalb, da die Pupille 13 Licht direkt entlang seines Einfallswegs rückreflektiert, während die Iris 12 Licht diffus zurück reflektiert. Es ist festzuhalten, daß die Sklera 11 und der Tintenring 16 auch Licht diffus reflektieren, wobei die Sklera 11 stärker als die Iris 12 oder der Tintenring 16 reflektiert. Dementsprechend werden Sklera 11 und Iris 12 in Kombination verwendet (d. h. Iris/Sklera-Grenzlinie 15) und der Tintenring 16 kann verwendet werden, um die Iris/Sklera- Grenzlinie 15 zu ersetzen oder zu verstärken.

Im Hinblick auf die Tatsache, daß die vorliegende Erfindung bei augenchirurgischen Verfahren zu verwenden ist, müssen die Wellenlänge und die Leistung der Lichtspots bzw. -punkte 21, 22, 23 und 24 in Betracht gezogen bzw. berücksichtigt werden. Die Lichtpunkte sollten vorzugsweise außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen, um nicht die Sicht eines Chirurgen auf das Auge, das einem chirurgischen Verfahren unterzogen wird, zu behindern bzw. zu beeinflussen. Weiters müssen die Lichtpunkte "augensicher" sein, um den Sicherheitserfordernissen des American National Standards (ANSI) zu genügen. Obwohl eine Vielzahl von Lichtwellenlängen die obigen Erfordernisse erfüllt, liegen beispielhafter Weise die Lichtpunkte 21, 22, 23 und 24 in dem Wellenlängenbereich des nahen Infrarot mit 900 nm. Licht in diesem Bereich erfüllt die oben angeführten Kriterien und wird weiters durch eine leicht erhältliche, ökonomisch vertretbare Lichtquelle produziert. Eine derartige Lichtquelle ist ein GaAs 905 nm Laser mit einer Hochpulswiederholungsrate, der bei 4 kFz arbeitet, welcher einen von ANSI definierten, augensicheren Puls von 10 nJ in einem 50 ns Puls produziert.

Die Größe der Punkte 21, 22, 23 und 24 variiert in Übereinstimmung mit der interessierenden Grenzlinie. Beispielsweise liegt die Punktgröße zur Verwendung mit der Iris/Pupille-Grenze 14 in der Größenordnung von 1 mm, während die Punktgröße zur Verwendung mit Iris/Sklera-Grenzlinie 15 in der Größenordnung von 2 mm liegt. Es ist jedoch zu verstehen, daß die Größe der Punkte nicht festgelegt ist und sich tatsächlich mit Änderungen betreffend Patienten und Hintergrundbeleuchtung ändern kann.

Ein System gemäß einer bevorzugten Ausbildung, das allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichnet ist, zum Durchführen des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun mit Hilfe des Blockdiagramms, das in Fig. 2 gezeigt ist, beschrieben. Das System 100 kann in einen Zufuhr- bzw. Ausgabebereich und einen Empfangsbereich unterteilt werden. Im wesentlichen projiziert der Ausgabebereich Lichtpunkte 21, 22, 23 und 24 auf ein Auge 10, wie dies oben beschrieben ist, während der empfangende Bereich Reflexionen, die durch die Lichtpunkte 21, 22, 23 und 24 verursacht sind, beobachtet bzw. überwacht.

Der Zufuhrbereich umfaßt einen gepulsten 905 nm Diodenlaser 102, der Licht durch eine optische Faser 104 zu, einer optischen Faseranordnung 105 überträgt, welche jeden Puls vom Laser 102 in vorzugsweise vier gleiche Energiepulse aufteilt und verzögert. Eine Anordnung 105 umfaßt einen optischen ein-in-vier Strahlteiler 106, der vier Pulse gleicher Energie in optische Fasern 108, 110, 112, 114 ausgibt. Derartige optische Strahlteiler sind kommerziell erhältlich (z. B. Modell HLS2X4, hergestellt von Canstar und Modell MMSC-0404-0850-A-H-1, hergestellt von E-Tek Dynamics). Um einen einzigen Prozessor zum Verarbeiten der durch jeden Puls, der durch die Fasern 108, 110, 112 und 114 übertragen ist, bewirkten Reflexionen zu verwenden, wird jeder Puls gleichmäßig durch eine entsprechende faseroptische Verzögerungsleitung (oder einen optischen Modulator) 109, 111, 113 und 115 gemultiplext. Beispielsweise bewirkt eine Verzögerungsleitung 109 eine Verzögerung von Null, d. h. DELAY = Ox, worin x das Delayincrement bzw. der Verzögerungsschritt ist; eine Verzögerungsleitung 111 bewirkt eine Verzögerung von x, d. h. DELAY = 1x; usw.

Die Pulswiederholungsfrequenz und der Verzögerungsschritt x werden so gewählt, daß die Datenrate des Systems 100 größer als die Geschwindigkeit der interessierenden Bewegung ist. In bezug auf die sakkerdische Augenbewegung muß die Datengeschwindigkeit bzw. -rate des Systems 100 in der Größenordnung von wenigstens mehreren hundert Hertz liegen. Beispielsweise wird eine Systemdatenrate von 4 kHz durch 1) Auswählen eines kleinen, jedoch ausreichenden Werts für x erreicht, um einen Prozessor 160 zum Handhaben der Daten (z. B. 160 Nanosekunden) zu veranlassen, und 2) Auswählen der Zeit zwischen Pulsen von dem Laser 102, daß sie 250 Mikrosekunden beträgt (d. h. Laser 102 wird bei einer Rate von 4 kHz gepulst).

Die vier Pulse gleicher Energie verlassen die Anordnung 105 über die optischen Fasern 116, 118, 120 und 122, welche als ein faseroptisches Bündel 123 konfiguriert sind. Das Bündel 123 ordnet die optischen Fasern 116, 118, 120 und 122 in einer Weise an, die ein Quadrat (gepunktete Linie) mit dem Zentrum von jeder Faser an der Ecke desselben bildet, wie dies in der Querschnittsansicht von Fig. 3 gezeigt ist. Der Klarheit halber wurden verschiedene, gut bekannte, strukturelle Merkmale des Bündels 123 (z. B. Plattierung auf den Fasern, Abstandhalter, Isolation usw.) weggelassen. Das Licht von der Anordnung 105 wird durch eine optische Polarisierungseinrichtung 124 geleitet, welche die vertikale Komponente des Lichts schwächt bzw. dämpft und horizontal polarisierte Lichtstrahlen, wie dies durch einen Pfeil 126 angedeutet ist, ausgibt. Horizontal polarisierte Lichtstrahlen 126 gelangen zu Fokussierungsoptiken 130, wo ein Abstand zwischen Strahlen 126 basierend auf der interessierenden Grenzlinie ist. Zusätzlich kann eine Zoomfähigkeit vorgesehen sein, um eine Einstellung der Größe des Musters, das durch die Punkte 21, 22, 23 und 24 ausgebildet ist, zu ermöglichen. Diese Fähigkeit erlaubt es dem System 100, sich an verschiedene Patienten, Grenzlinien usw. anzupassen.

Während eine Vielzahl von optischen Anordnungen für die Fokussierungsoptik 130 möglich ist, ist eine derartige Anordnung in beispielhafter Weise in Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 wird das faseroptische Bündel 123 bei der Arbeitsdistanz eines Mikroskopobjektivs 1302 positioniert. Die numerische Apertur des Mikroskopobjektivs 1302 ist ausgewählt, um gleich der numerischen Apertur der Fasern 116, 118, 120 und 122 zu sein. Das Mikroskopobjektiv 1302 vergrößert und sammelt bzw. kollimiert das einfallende Licht. Eine Zoomlinse 1304 stellt einen zusätzlichen Vergrößerungsfaktor für eine weitere Einstellbarkeit zur Verfügung. Die Sammellinse 1306 hat eine Fokuslänge bzw. Brennweite, die gleich ihrem Abstand von dem Bild der Zoomlinse 1304 ist, so daß ihre Ausgabe gesammelt bzw. gebündelt ist. Die Brennweite der Bildlinse 1308 ist der Abstand zu dem Auge, so daß die Abbildungs- bzw. Bildlinse 1308 das Licht als vier scharfe Punkte auf die Hornhautoberfläche des Auges fokussiert.

Indem neuerlich auf Fig. 2 Bezug genommen wird, erhält ein den polarisierenden Strahl aufteilender Würfel 140 horizontal polarisierte Lichtstrahlen 126 von den Fokussieroptiken 130. Einen Polarisationsstrahl teilende Würfel sind in der Technik gut bekannt. In beispielhafter Weise ist der Würfel 140 ein Modell 10FC16PB.5, hergestellt von Newport-Klinger. Der Würfel 140 ist so konfiguriert, um nur horizontale Polarisation durchzulassen und vertikale Polarisation zu reflektieren. Dementsprechend leitet der Würfel 140 nur horizontal polarisierte Lichtstrahlen 126, wie dies durch einen Pfeil 142 angedeutet ist. Derart ist es nur horizontal polarisiertes Licht, welches auf das Auge 10 als Punkte 21, 22, 23 und 24 einfällt. Nach bzw. bei der Reflexion von dem Auge wird die Lichtenergie depolarisiert (d. h. sie hat sowohl horizontale als auch vertikale Polarisationskomponenten) wie dies durch sich kreuzende Pfeile 150 angedeutet ist. Die vertikale Komponente des reflektierten Lichts wird dann, wie dies durch einen Pfeil 152 angedeutet ist, gerichtet/reflektiert. So dient der Würfel 140, um die durchgelassene Lichtenergie von der reflektierten Lichtenergie für eine genaue Messung zu trennen.

Der vertikal polarisierte Teil der Reflexion von den Punkten 21, 22, 23 und 24 wird durch eine Fokussierlinse 154 geleitet, um auf einem Infrarotdetektor 156 abgebildet zu werden. Der Detektor 156 leitet sein Signal zu einer multiplexierenden Peakdetektionsschaltung 158, welche im wesentlichen eine Peakproben- bzw. -abtast- und Halteschaltung ist, wobei eine Vielzahl davon in der Technik gut bekannt ist. Die Schaltung 158 ist konfiguriert, um den Detektor 156 in Übereinstimmung mit der Pulswiederholungsfrequenz des Lasers 102 und der Verzögerung x abzutasten (und den Spitzenwert davon zu halten). Beispielsweise sammelt, wenn die Pulswiederholungsfrequenz des Lasers 102 4 kHz ist, bildet die Schaltung 158 Reflexionen von den Punkten 21, 22, 23 und 24 alle 250 Mikrosekunden.

In beispielhafter Weise ist der Infrarotdetektor 156 ein Lawinen-Photodiodenmodell C30916E, hergestellt von EG&G. Eine repräsentative Zeit-multiplexierende Peakschaltung 158 ist in größerem Detail in dem Blockdiagramm von Fig. 5 gezeigt. Die Detektorsignalausgabe von Detektor 156 wird den vier Peak- und Halteschaltungen 1581, 1582, 1583 und 1584 eingegeben. Für einen gegebenen, übertragenen bzw. durchgelassenen Laserpuls wird die Detektorausgabe aus vier Pulsen bestehen, die in der Zeit durch die mit den optischen Verzögerungsleitungen 109, 111, 113 und 115, die in Fig. 2 gezeigt sind, assoziierten Verzögerungen getrennt sind. Diese vier zeitlich getrennten Pulse werden den Peak- und Halteschaltungen 1581, 1582, 1583 und 1584 zugeleitet. Eine Eingabe ermöglichende Signale werden auch den Peak- und Halteschaltungen synchron mit dem Laserfeuerbefehl zugeführt. Das Einschaltsignal für jede Peak- und Halteschaltung wird durch Verzögerungsschaltungen 1585, 1586, 1587 und 1588 verzögert. Die Verzögerungen werden festgelegt, um den Verzögerungen der Verzögerungsleitungen 109, 111, 113 und 115 zu entsprechen, um es jedem der vier Pulse zu ermöglichen, den Peak- und Halteschaltungen eingegeben zu werden. Beispielsweise bewirkt die Verzögerungsschaltung 1585 eine Zeitverzögerung von Null entsprechend der Verzögerungsleitung 109, Verzögerungsschaltung 1586 bewirkt eine Zeitverzögerung von x entsprechend der Verzögerungsleitung 111, usw. So wird die reflektierte Energie, die einer Gruppe von vier Punkten zugeordnet ist, gesammelt, wenn das Detektorsignal durch alle vier Peak- und Halteschaltungen 1581, 1582, 1583 und 1584 erhalten ist. An diesem Punkt liest der Ausgangs- bzw. Ausgabemultiplexer 1589 den in jeder Peak- und Halteschaltung gehaltenen Wert aus und gibt sie nacheinander in den Prozessor 160 ein.

Die mit der reflektierten Energie für jede Gruppe von vier Punkten assoziierten Werte (d. h. jedem Puls des Lasers 102), die zu einem Prozessor 160 geleitet wurden, werden verwendet, um die horizontalen und vertikalen Komponenten einer Augenbewegung zu bestimmen. Beispielsweise sollen R&sub2;&sub1;, R&sub2;&sub2;, R&sub2;&sub3; und R&sub2;&sub4; die detektierte Größe einer Reflexion jeweils von einer Gruppe von Punkten 21, 22, 23 und 24 darstellen. Es wird eine quantitative Größe einer horizontalen Bewegung direkt aus der normalisierten Beziehung

bestimmt, während eine quantitative Menge einer vertikalen Bewegung direkt aus der normalisierten Beziehung

bestimmt wird. Es ist festzuhalten, daß ein Normalisieren (d. h. Dividieren durch R&sub2;&sub1; + R&sub2;&sub2; + R&sub2;&sub3; + R&sub2;&sub4;) die Effekte von Änderungen in der Signalstärke reduziert.

Sobald sie verarbeitet sind, können die Reflexionsdifferentiale, die eine Augenbewegung (oder das Fehlen derselben) anzeigen, in einer Vielzahl von Arten verwendet werden. Beispielsweise kann eine übermäßige Größe einer Augenbewegung verwendet werden, um einen Alarm 170 (Fig. 2) auszulösen. Zusätzlich kann das Reflektionsdifferential als eine Feedbacksteuerung bzw. -regelung für ein Verfolgen von Servos 172 verwendet werden, die verwendet werden, um einen Abtragungslaser zu positionieren. Noch weiters können die Reflexionsdifferentiale auf einer Anzeige 174 für die Zwecke einer Überwachung oder eines Lehrens angezeigt werden.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind zahlreich. Eine Augenbewegung wird in Übereinstimmung mit einem nicht intrusiven Verfahren und einer Vorrichtung abgetastet. Die vorliegende Erfindung wird eine große Anwendung bzw. Brauchbarkeit in einer Vielzahl von ophtalmischen, chirurgischen Verfahren finden, ohne irgendwelche nachteiligen Effekte auf das Auge oder eine Unterbrechung der Sicht des Chirurgen. Weiters werden Datengeschwindigkeiten bzw. -raten, die erforderlich sind, um die sakkerdischen Augenbewegungen abzutasten, leicht und ökonomisch erhalten.

Obwohl die Erfindung in bezug auf eine spezifische Ausbildung derselben beschrieben wurde, gibt es zahlreiche Variationen und Modifikationen, welche dem Fachmann im Lichte der obigen Lehren leicht offensichtlich sein werden. Es ist daher zu verstehen, daß innerhalb des Rahmens der beiliegenden Ansprüche die Erfindung auch anders, als dies spezifisch beschrieben wurde, ausgeführt werden kann.


Anspruch[de]

1. Augenbewegungs-Anzeige- bzw. Sensorsystem (100) umfassend:

eine einzelne bzw. einzige Lichtquelle (102) zum Erzeugen eines gepulsten Lichtstrahls;

eine optische Ausgabe- bzw. Zufuhranordnung (105, 124, 130, 140) beinhaltend:

einen optischen Strahlteiler (106) zum Umwandeln bzw. Konvertieren des gepulsten Lichtstrahls in eine Vielzahl von getrennten Lichtstrahlen (21, 22, 23, 24), welche von gleicher Energie sind;

Verzögerungsmittel bzw. -einrichtungen (109, 111, 113, 115) zum Einbringen einer individuellen Zeitverzögerung in jeden der Vielzahl von getrennten Lichtstrahlen; und

Fokussieroptiken (130) zum Fokussieren von jedem der Vielzahl der getrennten Lichtstrahlen, welche durch die Verzögerungsmittel hindurchtreten, um eine entsprechende Vielzahl von Lichtpunkten bzw. -spots zu bilden;

worin die optische Zufuhranordnung angeordnet ist, um die Vielzahl von getrennten Lichtpunkten auf eine entsprechende Vielzahl von Positionen zu richten, weiche auf einer Oberfläche eines Auges angeordnet sind, wobei die Oberfläche Lichtenergie von der Vielzahl von Punkten reflektiert, wobei sich die Menge der Energie mit einer Bewegung des Auges ändert; und

eine einzelne bzw. einzige optische Detektoranordnung (156) zum Detektieren der Lichtenergie von jedem der Vielzahl von Punkten, welche von der Oberfläche reflektiert werden, worin einzelne bzw. individuelle Änderungen in der reflektierten Energie von der Vielzahl von getrennten Punkten für die Position des Auges repräsentativ sind.

2. System nach Anspruch 1, worin die Verzögerungsmittel faseroptische Verzögerungsleitungen (109, 111, 113, 115) umfassen.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiters umfassend Mittel bzw. Einrichtungen (124) zum Polarisieren von jedem der Vielzahl von Pulsen gleicher Energie, welche durch die Verzögerungsmittel hindurchtreten, in horizontal polarisierte Komponenten, wobei die Fokussieroptiken (130) einen Polarisations- Strahlteilerwürfel (140) zum Übertragen nur der horizontal polarisierten komponenten von jedem der Vielzahl von Pulsen gleicher Energie beinhalten, welche durch die Verzögerungsmittel hindurchtreten, um die Vielzahl von Lichtpunkten auszubilden.

4. System nach Anspruch 3, worin die reflektierte Energie von jeder der Vielzahl von Positionen vertikal und horizontal polarisiert ist, wobei die optische Aufnahme- bzw. Empfangsanordnung umfaßt:

den Polarisations-Strahlteilerwürfel (140) zum Richten bzw. Leiten der reflektierten Energie, welche vertikal polarisiert ist, getrennt von der reflektierten Energie, welche horizontal polarisiert ist; und

die optische Empfangsanordnung (156) mit einem einzigen Detektor, welche die reflektierte Energie mißt, welche vertikal polarisiert ist.

5. System nach Anspruch 4, worin jeder der Vielzahl von Lichtpunkten eine Wellenlänge von ungefähr 900 Nanometern aufweist und worin die optische Empfangsanordnung mit einem einzigen Detektor einen Infrarotdetektor beinhaltet.

6. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der optische Strahlteiler (146) ein eins-zu-vier optischer Strahlteiler ist, so daß die Vielzahl von getrennten Lichtpunkten vier Lichtpunkte umfaßt.

7. System nach Anspruch 6, worin die Vielzahl von Positionen sich auf einer kreisförmigen Grenze befindet und die optische Zufuhranordnung Mittel bzw. Einrichtungen zum Beabstanden der vier Lichtpunkte ungefähr gleichmäßig um die kreisförmige Grenze beinhaltet.

8. System nach Anspruch 7, weiters umfassend einen Prozessor (160) zum Verarbeiten der reflektierten Energie von benachbarten Paaren von den vier Lichtquellen, um eine Augenbewegung in jeder von zwei orthogonalen Achsen zu detektieren, welche sich in einem Mittelpunkt der kreisförmigen Begrenzung kreuzen.

9. System nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die optische Zufuhranordnung Zoomptiken (1304) zum Einstellen der Größe eines Musters beinhalten, welsches durch Vielzahl von Lichtpunkten ausgebildet ist, welche auf die entsprechende Vielzahl von Positionen auftreffen.







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