Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Veränderungsprofils
für die refraktive Augenchirurgie und zum Erzeugen von Steuerdaten zum Steuern
eines Lasersystems, dessen emittierte Strahlung den chirurgischen Eingriff bewirkt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Steuerprogramms gemäß
dem mit Laserstrahlung ein ophthalmologischer Eingriff durchgeführt wird.
Stand der Technik
Es ist Stand der Technik, chirurgische Eingriffe zur Korrektur von
Fehlsichtigkeiten oder sonstige therapeutische Behandlungen (z. B. Schnitte für
Keratoplastiken) mit Laserstrahlung durchzuführen, die mit Teilen des Auges
in Wechselwirkung tritt, um optische Eigenschaften des Auges in gewünschter
Weise zu ändern. Prominentes Beispiel einer Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung
und Auge ist die Neuformung der Kornea (Hornhaut) durch Ablation (Abtragung von
Gewebe). Der derzeitige Stand der Technik setzt hierzu die bekannte LASIK-Technik
ein. Die Erfindung betrifft insbesondere diese LASIK-Technik, aber auch darüber
hinausgehend allgemein ophthalmologische Eingriffe mit Laserstrahlung (z. B: an
der Augenlinse). Als Laserstrahlungssysteme kommen insbesondere UV-Strahlquellen
(z. B. Excimerlaser), IR-Strahlungsquellen (z. B. Erbium: YAG Laser), und auch ultrakurze
Laserpulse (Titan: Saphir, Cr:LiSAF, Nd:YLF) in Betracht.
Es ist auch Stand der Technik durch einen chirurgischen Eingriff eine
künstliche Augenlinse (intraokular Linsen) in das Auge zu implantieren um eine
optische Korrektur am Auge durchzuführen. Bestimmte intraokulare Linsentypen
sind nach der Implantation durch Lichteinwirkung (z. B. durch UV-Licht) in ihrer
Form und optischen Wirkung veränderbar. Auch ist bekannt, dass Materialien,
welche hohen Lichtintensitäten (z. B. durch ultrakurze Laserpulse) ausgesetzt
werden, ihre Lichtbrechungs-Eigenschaften (z. B. Brechungsindex) verändern
können.
Im Stand der Technik erfolgt auf Basis von klinischen Daten (z. B.
Daten hinsichtlich einer Fehlsichtigkeit) und passenden theoretischen Modellen (Augenmodellen)
eine Berechnung der zu erzielenden Formänderungen an bestimmten optischen Strukturen
des Auges, z. B. der Hornhaut. Aus der Differenz zwischen der präoperativen
Form und der theoretischen postoperativen Form der zu bearbeitenden Augenstruktur
lassen sich dann die erforderlichen sogenannten Behandlungsprofile oder Veränderungsprofile
ableiten, gemäß denen die Laserstrahlung räumlich und zeitlich gesteuert
wird. Dies alles ist dem Fachmann geläufig. Beispielsweise ergibt eine präoperative
Hornhautkrümmung abzüglich der gewünschten postoperativen Hornhautkrümmung
ein nach Form und Inhalt definiertes Volumen an Hornhautgewebe, das abzutragen ist,
um die gewünschte Formänderung der Hornhaut zur Erzielung der angestrebten
optischen Veränderung des Gesamtsystems ”Auge” zu erreichen.
Wird gepulste Laserstrahlung im sogenannten Spot-Scanning-Verfahren
eingesetzt, d. h. werden einzelne Laserpulse, die auf einen im Vergleich zur Kornea
kleinen Durchmesser fokussiert sind, sukzessive über die Kornea geführt,
dann ist es auch Stand der Technik, unter Zugrundelegung von Annahmen über
den von jedem einzelnen Laserschuss bewirkten Gewebeabtrag ein vollständiges
Steuerprogramm für die Laserpulse in Raum und Zeit zu erstellen, also insbesondere
eine Liste von einzelnen x, y, z-Positionen für die Laserpulse abzuleiten,
gemäß der dann z. B. die Ablation auf der Hornhautoberfläche oder
auch die Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Augengewebe im Gewebe selbst
durchgeführt wird. Letzteres wird zur Zeit bekanntlich mit ultra-kurzen Laserpulsen
durchgeführt.
Es ist im Stand der Technik auch bekannt, bestimmte Faktoren, die
das Ergebnis des chirurgischen Eingriffes beeinflussen, bei der Liste von einzelnen
Laserpulsen zu berücksichtigen. Solche Einflussfaktoren sind z. B. die Wundheilung,
biomechanische Änderungen durch den Eingriff selbst, oder auch Glättungseffekte
durch das Gewebe oder den Tränenfilm.
Solche Einflussfaktoren werden in aller Regel empirisch aufgrund klinischer
Daten erfasst und mittels geeigneter Bewertungsfunktionen berücksichtigt, z.
B. der Point-Spread Function, Modulation Transfer Function etc. Die Berücksichtigung
und quantitative Berechnung solcher Einflussfaktoren ist dem Fachmann ebenfalls
hinreichend bekannt.
Im Stand der Technik werden in der Regel die Positionen der einzelnen
Laserpulse in Bezug auf eine zu bestimmende Referenzachse berechnet, wobei häufig
als Referenzachse die Sichtlinie (”Line of Sight”) gewählt wird.
Diese Referenzachse wird dann auch für die Steuerung des Lasersystems zugrundegelegt.
Bekanntlich werden geeignete Strahlformungs- und Führungselemente eingesetzt,
um die einzelnen Laserpulse zu formen und räumlich zu positionieren. Die Positionierung
erfolgt dreidimensional, wobei sich x, y, z-Koordinaten eingebürgert haben,
derart, dass die x, y-Ebene etwa senkrecht zur Sichtlinie steht und die z-Dimension
zumindest annähernd parallel dazu verläuft. Die z-Koordinate ist somit
abhängig von der Fokussierung des Laserstrahls.
Es ist im Stand der Technik bereits bekannt (WO
01/85075 A1), bei der Bestimmung von Ablationsprofilen zur Lasersteuerung
Reflexionsverluste beim Laserabtrag, die durch unterschiedliche
Auftreffwinkel auf die Kornea bedingt sind, zu berücksichtigen. Auch ist aus
diesem Stand der Technik bekannt, unterschiedliche Ablationswirkungen der Laserstrahlpulse
aufgrund unterschiedlicher Strahlungsenergiedichten (Fluenz), die durch die unterschiedlichen
Auftreffwinkel zwischen Strahlung und Korneaoberfläche bedingt sind, zu berücksichtigen.
Ebenfalls bekannt ist es, postoperative Wundheilungsprozesse zu berücksichtigen.
Diese bekannten Techniken sind aber insofern verbesserungsfähig,
als sie in aller Regel nicht patientenspezifisch sind, sondern durch Mittelung postoperativer
klinischer Ergebnisse bei einer grossen Anzahl von Patienten statistisch gewonnen
werden.
Es ist Stand der Technik, die refraktive Chirurgie wellenfrontgeführt
durchzuführen. Damit wird zwar eine deutliche Verbesserung der Behandlungsergebnisse
auch bei Sehfehlern höherer Ordnung erreicht, jedoch ist der Stand der Technik
insbesondere insofern verbesserungsfähig, als bei der Profilberechnung Annahmen
und Vereinfachungen zugrunde gelegt werden, die einer erhöhten Präzision
der Laserwechselwirkung entgegenstehen.
Aus der Druckschrift WO 02/07660
A2 ist es bekannt, eine verbesserte Vorhersage von Behandlungsergebnissen
bei der refraktiven Augenchirurgie mittels Laser durch Berücksichtigung von
präoperativen und postoperativen Messungen am Auge zu erzielen. Hierbei werden
auch die technischen Parameter des einzusetzenden Lasersystems berücksichtigt.
Aus der Druckschrift DE 100
14 480 A1 ist die iterative Berechnung eines Ablationsprofils für
die Hornhaut durch Strahlrückverfolgung bekannt. Des Weiteren ist in dieser
Druckschrift auch eine Simulation des Behandlungsablaufs vor der Durchführung
des Eingriffs erwähnt, um die Eignung eines Patienten für die beabsichtigte
Behandlung zu bewerten.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Erzeugen Steuerdaten
eines Lasersystems bereitzustellen, mit denen verbesserte ophthalmologische Behandlungsergebnisse
erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen
1, 4, 8 und 12 angegebenen Verfahren gelöst. Die Unteransprüche geben
vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Verfahren an.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Figuren näher beschrieben. Es zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines
ophthalmologischen Lasersystems einschließlich einer Computersteuerung dafür;
2 ein schematisches Blockdiagramm einer
Computersteuerung gemäß 1 mit weiteren Einzelheiten;
3 bis 5
schematische Blockdarstellungen einzelner Berechnungsmodule zur Verwendung in einer
Computersteuerung gemäß den 1 und
2;
7 ein Blockschaltbild für ein Verfahren
zum Erzeugen eines Steuerprogramms gemäß dem ein ophthalmologischer Eingriff
z. B. an der Kornea oder einer Augenlinse durchgeführt wird;
8 schematisch die Bestimmung eines individualisierten
Augenmodells und ein inverses Ray-Tracing zur Bestimmung der idealen Hornhautvorderfläche;
9 die Gewinnung eines Basis-Ablationsprofils
(Veränderungsprofils) für die Iteration; und
10 schematisch die Anpassung der Fluenz
für jeden Puls bei einer sich verändernden Hornhautfläche während
der Simulation.
1 zeigt ein Blockschaltbild des Lasersystems
einschließlich seiner Computersteuerung und insbesondere die bei der Steuerung
des Lasersystems berücksichtigten Randbedingungen. Der Block „Lasersystem
für Augenchirurgie” beinhaltet das Computer-Steuerprogramm. Darüber
sind die im Programm berücksichtigten Randbedingungen aufgeführt, die
sich auf den Patienten und sein Auge beziehen.
„Biometrische Größen” sind z. B. die individuelle
Augenlänge und die Hornhautform. Der Stand der Technik berücksichtigt
in der Regel bei Zugrundelegung eines Augenmodells nur einen Mittelwert der Augenlänge.
Dass kann insbesondere zu Fehlern bei der Auswertung der Wellenfrontaberration führen,
da die Abbildungsverschiebungen auf der Netzhaut von der Augenlänge abhängen.
Eine biometrische Größe ist insbesondere auch die Hornhauttopographie.
Ein weiterer Einflussfaktor, der durch das zu behandelnde Auge bestimmt
ist, sind die biophysikalischen Größen, also insbesondere der Wassergehalt
des Gewebes, der die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Gewebe beeinflusst.
Dieser Wassergehalt des Gewebes kann sich auch während der Operation ändern.
Im Betracht kommt also eine Messung vor der Operation und eine Eingabe in das System
und eine Messung während der Operation („on-line”) sowie deren
Berücksichtigung.
Unter „optische Größen” sind
insbesondere der Pupillendurchmesser des Auges und der Brechungsindex zu verstehen
sowie am Patientenauge gemessene Wellenfrontfehler.
Hinzu kommen als Randbedingungen die Messbedingungen bei der Diagnostik,
also z. B. bei der Durchführung der Hornhauttopographie oder Wellenfrontmessung.
Dabei muss eine bestimmte Referenzachse zugrundegelegt werden (z. B. die „line-of-sight”)
und diese Zentrierung der Daten sollte für das gesamte weitere Verfahren zugrundegelegt
oder zumindest berücksichtigt werden.
Hinzu kommen Einflussfaktoren (Randbedingungen), die durch den Patienten
bedingt sind, wie z. B. demographische Daten (Alter) und klinische Daten, z. B.
die anzunehmende Wundheilungsreaktion des individuellen Patienten, die je nach Gesamtkonstitution
des Patienten unterschiedlich ausfallen kann. Ein weiterer Einflussfaktor kann durch
den behandelnden Arzt gegeben sein, der aufgrund von Erfahrungswerten bestimmte
Behandlungsziele und chirurgische Techniken bevorzugt.
Weitere über eine Schnittstelle in das Programm eingebbare Randbedingungen,
können sein: ein beabsichtigter minimaler Wellenfrontfehler (bei Einsatz der
bekannten Messung der Wellenfrontaberration), eine gewünschte maximale Tiefenschärfe
für das postoperative Auge, insbesondere bei Korrektur einer Alterssichtigkeit,
oder auch gewünschte unterschiedliche optische Zonen auf der Hornhaut oder
in der Augenlinse.
All diese Daten werden über eine Schnittstelle (in
1 durch das Ende der Pfeile angedeutet) in das Rechnersystem
eingegeben, dessen Computerprogramm ausgelegt ist, ein Veränderungsprofil für
die refraktive Augenchirurgie zu bestimmen und sodann ein Lasersystem mit zugehörigen
Strahlformungs- und Führungsmitteln entsprechend zu steuern. Dies ist im entsprechend
gekennzeichneten Block der 1 und näher in
2 ausgeführt.
Danach enthält das Rechnerprogramm einen Veränderungsprofilgenerator,
der in den Figuren als „Behandlungsprofilgenerator” bezeichnet ist.
Dieser Generator erzeugt aufgrund der vorstehend genannten eingegebenen Daten und
Messdaten ein Veränderungsprofil, also eine Darstellung des anzustrebenden
Ziels der Behandlung, d. h. z. B. ein Ablationsprofil für die Veränderung
der Form der Hornhaut.
Weiterhin enthält das Programm einen Generator zum Generieren
von Steuerdaten auf Basis des genannten Veränderungsprofils zum Steuern der
Laserstrahlung. All dies ist noch „theoretische Rechnung”, die konkrete
Steuerung des Lasers erfolgt später (vgl. weiter unten). Dieser Generator ermittelt
also insbesondere die x, y, z-Positionen für die gepulste Laserstrahlung, d.
h. die oben erläuterte Liste in Raum und Zeit für die sequentielle Anwendung
der einzelnen Laserpulse.
Weiterhin weist das Programm einen Simulator zum Simulieren eines
Behandlungsergebnisses mit den zuvor gewonnenen Steuerdaten unter Zugrundelegung
des genannten Veränderungsprofils auf. Der Rechner simuliert also eine Behandlung,
ohne dass diese zunächst tatsächlich durchgeführt wird. Bei dieser
Simulation können bevorzugt alle oben genannten Einflussfaktoren und Randbedingungen
aufgrund empirischer Daten, die beschreiben, wie sich diese Einflussfaktoren und
Randbedingungen typischerweise auswirken, berücksichtigt werden.
Dies ergibt ein Behandlungsergebnis, welches dann in einen Bewerter
eingegeben wird. Der Bewerter beurteilt, ob die simulierte Behandlung bestimmte,
vorgegebene Bewertungskriterien erfüllt, also wieweit das Behandlungsziel erreicht
wird. Dieser Bewerter steht in einer Iterationsschleife, die zum Behandlungsprofilgenerator
zurückführt. Diese Iteration hat insbesondere den Vorteil, dass die zu
berücksichtigenden Einflussfaktoren und Randbedingungen in einem sehr komplexen
Wechselwirkungsverhältnis stehen (sie können „interagieren”).
So kann der Laser beispielsweise die Hornhautdicke so stark reduzieren, dass es
durch den Augeninnendruck zu einer Veränderung der Hornhautwölbung kommt,
wodurch der Krümmungsradius der Hornhaut stark geändert werden kann. Dies
kann nun in dem iterativen Prozess, wie beschrieben, dadurch berücksichtig
werden, dass beim zweiten Berechnungsdurchgang die Ablation leicht erhöht wird,
um die anschließende druckbedingte Auswölbung zu kompensieren. Es kann
sich dabei ergeben, dass aufgrund der nun erfolgten stärkeren Ablation die
Auswölbung noch höher ausfällt, was wiederum in der nächsten
Iterationsschleife zu berücksichtigen ist. Solche gegenläufigen Prozesse
können durch diese iterative Simulation zu einem optimierten Ergebnis geführt
werden.
Wenn schließlich der Bewerter das aufgrund dieser Iterationsschleifen
gewonnene Behandlungsergebnis unter Anwendung vorgegebener Kriterien als hinreichend
bewertet, kann das iterative Verfahren beendet werden und es werden die im Generator
erzeugten Steuerdaten zum Steuern der Laserstrahlung an das Steuerungssystem für
den Laser übergeben, also z. B. insbesondere die x, y, z-Positionen für
die Laserpulse und weiter Steuerdaten hinsichtlich insbesondere der Strahlformung,
der Energie etc.
Damit werden dann der Laser selbst und die Mittel zur Strahlformung,
Strahlführung und Strahlpositionierung, die alle als solches dem Fachmann gut
bekannt sind, angesteuert.
Das System ermöglicht gemäß
2 dann noch eine online-Berücksichtigung der momentanen
Energie und/oder Energiedichte, Fehler hinsichtlich der Strahlpositionierung (insbesondere
Abweichungen beim Eye-Tracking) und auch eine Berücksichtigung der Umweltbedingungen,
deren momentane Größen direkt in den Generator rückgeführt werden
können, um während der Behandlung unter Berücksichtigung dieser Parameter
die Steuerdaten für den Laser anzupassen. Eine Berücksichtigung dieser
Abweichungen von den Ausgangsdaten erfolgt aber erst, falls in der Iterationsschleife
momentan festgestellt wird, dass die gewünschten Bewertungskriterien nicht
mehr erfüllt sind – erst in einem solchen Fall wird im Generator eine
neue Liste von Laserpositionen in x, y, z erstellt.
Die 3–5
beschreiben im einzelnen Berechnungsmodule hinsichtlich ihrer Eingangs- und Ausgangsdaten.
So beschreibt 3 den Generator für
das Veränderungsprofil, welches, wie gesagt, bei diesen Ausführungsbeispielen
spezieller als Behandlungsprofil bezeichnet ist. In den einzelnen Blöcken sind
die Einflussgrößen, Randbedingungen, und die angestrebten optischen Ergebnisse
am Patientenauge aufgeführt. Diese werden gemäß den Verarbeitungsschritten
verrechnet. Der erste Block beschreibt die Gewinnung des dreidimensionalen Augenmodells,
welches sich aus dem numerischen Input, also den oben aufgeführten, über
die Schnittstellen eingegebenen Daten ergibt. Der nächste Block beschreibt
eine besondere optische Anpassung des Augenmodells. Als wichtigste Ausgangsdaten
sind die Abbildungseigenschaften des Auges aufgrund der Wellenfront-Messungen sowie
die geometrische Form der Kornea Vorderfläche bekannt. Aufgrund von nicht verfügbaren
weiteren Informationen über das individuelle Patientenauge kommt es aber, wenn
das Augenmodell nur mit den vorstehend als bekannt vorausgesetzten Informationen
gewonnen wird, zu Abweichungen in den Abbildungseigenschaften zwischen dem Augenmodell
und dem realen Auge. Zur Verbesserung des Augenmodells werden nun durch sogenannte
Strahl-Rückverfolgungsverfahren („inverse Ray-Tracing”) im Augenmodell
noch nicht bekannte optische Elemente so variiert, dass es zu einer bestmöglichen
Übereinstimmung zwischen den Abbildungseigenschaften des gemessenen Auges und
des Augenmodells kommt. Hieraus ergibt sich ein optimales Augenmodell. Schließlich
zeigen die weiteren Blöcke in 3 die Gewinnung
der Daten für die Lasersteuerung.
4 zeigt Einzelheiten des Generators zum
Generieren von Laser-Steuerdaten, also insbesondere der Laserpositionen in x, y,
z-Koordinaten. Es sind die eingegebenen Daten (Inputdaten) und die Verarbeitungsschritte
in 4 gekennzeichnet.
5 zeigt Einzelheiten des Simulators zum
Simulieren eines Behandlungsergebnisses. In den oberen Blöcken sind wieder
die Eingangsdaten aufgeführt und darunter die Verarbeitungsschritte, und unten
die ausgegebenen Daten (Outputdaten). 6 zeigt die besondere
Berücksichtigung der oben erläuterten Randbedingungen und Einschlussfaktoren.
Die einzelnen Verarbeitungsschritte sind aufgeführt und die daraus sich ergebenen
Ausgangsdaten (Outputdaten).
7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem zweit Iterationsschleifen eingesetzt werden (entsprechend
den Ansprüchen 4 und 8). Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung
gemäß 7 ist eine Iterationsschleife vorgeschaltet,
mit der zunächst eine anzustrebende ideale Hornhautvorderfläche bestimmt
wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel entspricht die im Algorithmus nachfolgende
zweite Iterationsschleife weitgehend der Iterationsschleife gemäß den
1 und 2. Auch mit dem
Algorithmus gemäß 7 wird eine deutliche Verbesserung
der Korrekturgenauigkeit bei der Behandlung unter Berücksichtigung von Wellenfront-Aberrationen
höherer Ordnung erreicht. Es ist auch eine Behandlung von Hornhautirregularitäten,
wie beispielsweise der sogenannten Central Islands oder auch von Vernarbungen ermöglicht.
Die Dateneingabeschnittstellen, über die die oben erläuterten Daten in
das Programm eingegeben werden, sind hinsichtlich der Übertragung von Messdaten
von externen Messgeräten (z. B. dem Topographiemessgerät) direkt angeschlossen.
Eine Bauweise in Modulen ermöglicht die ständige Verbesserung, Verfeinerung
und Nachrüstung bestehender Anlagen um weitere Module mit zusätzlicher
Berücksichtigung weiterer Einflussfaktoren und Randbedingungen.
Der Algorithmus gemäß 7 wird
wie folgt erläutert:
Zunächst wird ein individualisiertes Augenmodell erstellt, zu dem oben bereits
einiges ausgeführt ist. Insbesondere werden also die individuelle Augenlänge
des Patienten und z. B. die Vorderkammertiefe berücksichtigt. Sodann erfolgt
über eine inverse Strahlen-Rückverfolgung (Inverses Ray-Tracing) eine
Berechnung der idealen, anzustrebenden Hornhautvorderfläche. Dieses inverse
Rückverfolgen von Strahlen durch ein Modellauge macht sich den Umstand zunutze,
dass der ideale Bildpunkt des optischen Systems „Auge” bekannt ist.
Es handelt sich um einen beugungsbegrenzten Fokuspunkt in der Netzhautebene. Davon
ausgehend wird, unter Berücksichtigung der Linsenaberrationen und der Biometriedaten
auf die zugehörige Hornhautvorderfläche zurückgeschlossen, die den
genannten idealen Fokuspunkt zu erzeugen vermag. Auf diese Weise wird eine ideale
Hornhautvorderfläche gewonnen, wobei die dargestellte Iterationsschleife solange
durchlaufen wird, bis ausgehend von dem individualisierten Augenmodell
die anzustrebende ideale Hornhautvorderfläche unter Einhaltung vorgegebener
Toleranzbedingungen erreicht ist. Ist diese ideale Hornhautvorderfläche erreicht,
können gegebenenfalls noch optische Zonen eingegeben werden, wenn die Hornhautvorderfläche
in z. B. zwei oder mehr optische Zonen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften
aufgeteilt werden soll.
Mit der so erhaltenen idealen Hornhautvorderfläche wird dann
das Ausgangs-Veränderungsprofil in der oben beschriebenen Weise bestimmt, welches
in 7 als „Basisablationsprofil” bezeichnet
ist, weil es bei diesem Ausführungsbeispiel um die Ablation an der Vorderfläche
der Hornhaut geht. Mit diesem Basis-Ablationsprofil wird dann das eigentliche Ablationsprofil
berechnet, also die Differenz zwischen der gegebenen Hornhautvorderfläche und
der anzustrebenden Hornhautvorderfläche, d. h. das nach Form und Inhalt bestimmte
Volumen von abzutragendem Hornhautgewebe.
Damit wird dann in dem oben bereits erläuterten Generator die
Schussliste für die Laserpulse bzgl. insbesondere ihrer x, y, z-Positionen
berechnet, dies ist in 7 mit dem Block „Schusslistenberechnung”
dargestellt.
Sodann erfolgt die oben bereits beschriebene Simulation, die in
7 mit „Ablationssimulation” bezeichnet
ist. Der Simulator simuliert also im Rechner ein Behandlungsergebnis aufgrund der
zuvor bestimmten Daten und Bedingungen. An dieser Stelle ist, in Erweiterung der
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, eine Simulation von Glättungseffekten
und einer Re-Epithelisation möglich, wozu gegebenenfalls Patientendaten eingegeben
werden, die empirische Erfahrungswerte hinsichtlich einer postoperativen Glättung
und Wundheilung betreffen.
Weiterhin kann nachfolgend eine Simulation der Formänderung durch
Biomechanik erfolgen, also beispielsweise die oben bereits angesprochene Änderung
der Hornhautwölbung durch intraokularen Druck (IOP).
Anschließend kann dann die oben bereits erläuterte Bewertung
erfolgen, die in 7 durch die Frage „Differenz
von idealer zu simulierter Oberfläche” dargestellt ist. Das Bewertungsergebnis
stellt also einen Vergleich der simulierten Hornhautform mit der Referenzhornhautform
unter Anwendung vorgegebener Toleranzkriterien dar. Ist die vorgesehene Genauigkeit
noch nicht erreicht, erfolgt ein weiterer Durchgang durch die Iterationsschleife
mit einer erneuten Berechnung des Ablationsprofils unter Zugrundelegung anderer
Daten. Ist hingegen die gewünschte Genauigkeit erreicht, werden die gewonnen
Steuerdaten an die Lasersystemsteuerung (1,
2) übergeben.
Nachfolgend werden Einzelheiten der oben beschriebenen Programmmodule
erläutert.
Hinsichtlich des genannten individualisierten Augenmodells und der
Bestimmung der idealen Hornhautvorderfläche zur Ermittlung des Veränderungsprofils
gilt folgendes:
8 zeigt schematisch den Aufbau des individualisierten
Augenmodells und ein inverses sogenanntes Ray-Tracing zur Bestimmung der idealen
Hornhautvorderfläche. Die folgenden Größen werden am Patientenauge
gemessen (8, links): Hornhauttopographie, Wellenfrontaberrationen,
Scheimpflugaufnahmen, Hornhautdicke (L1), Vorderkammertiefe (L2), Linsenposition
(L3), Linsendicke (L4), Augenlänge (L5), Netzhautkrümmung (R).
Bei der Implementierung dieser Daten in das Augenmodell wird insbesondere
wie folgt vorgegangen:
- – Modellierung der Linsengrundform basierend auf:
Variante A: Linsendickenmessung und Annahmen bezüglich der Grundkrümmungen
(Asphärizitätskonstanten, zentrale Krümmungsradien). Oder
Variante B: Scheimpflugaufnahmen;
- – Errechung der Linsenirregularitäten aus der Differenz von Topographie-
und Abberationsdaten;
- – Treffen weiterer Annahmen: Refraktive Indizes der Medien, Form der
Hornhautrückfläche (Asphärizitätskonstante, zentraler Krümmungsradius).
Nach der Festlegung der Anzahl zur verfolgender Strahlen und des Startpunktes
(Variante A) oder der Startpunkte (Variante B) auf der Netzhaut, wird das Ray-Tracing
gestartet. Es beinhaltet die sequentielle Berechnung der Lichtbrechung an der Linsenhinterfläche,
an der Linsenvorderfläche und an der Hornhautrückfläche gemäß
dem Brechungsgesetz (Snellius). Anschließend folgt die Rekonstruktion der idealen
Hornhautvorderfläche. Durch das sogenannte Anfitten einer Ableitungsfunktion
an die Gesamtheit der Normal-Ebenen des/der verfolgten Strahlenbündel(s) nach
Brechung an der Hornhautrückfläche kann die von der unbekannten Hornhautvorderfläche
erzeugte idealen Wellenfront im Hinblick auf den idealen Fokuspunkt (Variante A)
oder den Fokusbereich (Variante B) bestimmt werden. Dies ist in 8,
rechts, schematisch dargestellt. Bei der Variante B erfolgt eine gewichtete Mittelung
der auf verschiedene Lichteintrittswinkel optimierten Wellenfronten. Von der idealen
Wellenfront kann dann auf die Hornhautoberfläche geschlossen werden.
Diese Hornhautoberfläche wird dann soweit axial verschoben, bis
sie die präoperative Hornhautvorderfläche an deren Rückseite über
der optischen Zone tangiert. Die Rekonstruktion der idealen Vorderfläche erfolgt
dabei iterativ, da die genauen Durchtrittspunkte der Strahlen mit der neuen Fläche
zunächst nicht bekannt sind und nur schrittweise angenähert werden können.
Das im oben beschriebenen Iterationsverfahren zunächst zugrundegelegte
Veränderungsprofil, welches auch als Basis-Ablationsprofil bei Anwendung der
Erfindung auf zum Beispiel LASIK bezeichnet werden kann, wird wie folgt gewonnen.
Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf 9.
9 zeigt die Gewinnung des Basis-Ablationsprofils (Veränderungsprofil)
für die Iteration. Es errechnet sich aus der Differenz zwischen der präoperativ
gemessenen Hornhauttopographie und der berechneten idealen Hornhautvorderfläche.
Das Basis-Ablationsprofil dient als Ausgangspunkt für den iterativen
Prozess, bei dem das Ablationsprofil durch Berücksichtigung der diversen Einflussfaktoren
(siehe oben) optimiert wird. Im Unterschied zu einem herkömmlichen, aus der
Wellenfront-Aberration berechneten Ablationsprofil beinhaltet das hier genannte
Basis-Ablationsprofil bereits eine Kompensation des sogenannten Mehrlinsen-Effektes
(beschrieben von F. Manns et al.; Journal of Cateract and Refractive Surgery, 2002;
28: 766–774). Dieser Effekt wird bereits beim inversen Ray-Tracing berücksichtigt.
Zum Simulator:
Es erfolgt eine rechnerische Simulation des Scanning-Spot-Abtrags. Dieser wird numerisch
simuliert. Dafür werden sowohl die zu bearbeitende Topographie-Fläche
als auch das jeweilige Spot-Profil mit demselben Rasterungsintervall diskretisiert.
Um die oben genannten verschiedenen Einflusseffekte (zum Beispiel Abhängigkeit
der Abtragstiefe von der Hornhautkrümmung, Reflexionsverluste an der Hornhaut
aufgrund unterschiedlicher Einfallswinkel; unterschiedliche Ablationswirkungen aufgrund
unterschiedlichen Wassergehalts etc.) berücksichtigen, wird das Spot-Profil
für jeden einzelnen Laserpuls der (simulierten) Behandlung in Abhängigkeit
von der Spot-Position (die beiden vorstehend zuerst genannten Einflussfaktoren sind
ortsabhängig in der x-y-Ebene) und der Zeit (die Abhängigkeit vom Wassergehalt
ist zeitabhängig) aus dem Fluenzprofil der Laserstrahlung bestimmt.
Die Simulation des Behandlungsergebnisses kann zum Beispiel unter
Annahme eines ablatierenden Lasers (z. B. ArF-Laser) aber auch durch Veränderungen
im Gewebe selbst mit ultra-kurzen, hochfokussierten Laserpulsen erfolgen (sogenannte
Plasma-Ablation oder Photodisruption). Es lassen sich aber auch Veränderungen
in den optischen Eigenschaften (z. B. Brechungsindex) oder Materialverschiebungen
in künstlichen Augenlinsen (z. B. durch Kapillareffekte) simulieren.
Während dieses simulierten Abtragsprozesses bzw. Veränderungsprozesses
verändert sich die Hornhautvorderfläche bei jeder Iterationsschleife und
somit ändern sich die Flächensteigungen ständig. Dies berücksichtigt
der Simulationsalgorithmus. Die Teilfluenzen der diskretisierten Laserpulse werden
bei der Simulation der als Beispiel genannten Einflussfaktoren (Abhängigkeit
der Abtragstiefe von der Hornhautkrümmung und Reflexionsverluste an der Hornhaut
aufgrund der Einfallswinkel) individuell, je nach Schussposition ständig neu
berechnet und an die sich ständig verändernde Oberfläche angepasst.
Dies ist in 10 schematisch dargestellt, welche schematisch
zeigt, wie die Berechnung der Fluenz für jeden Puls der sich verändernden
Hornhautfläche angepasst wird. 10 zeigt auch die
diskretisierten Mikro-Oberflächen, in Bezug auf die die Teilfluenzen gebildet
werden.
Die Simulation von Wundheilungs- und Glättungsmechanismen erfolgt
im wesentlichen empirisch und kann durch Anwendung eines sogenannten Butterworth-Low-Pass-Filters
1. Ordnung auf die zu ablatierende Oberfläche erfolgen (vgl. D. Huang et al.
in Am. J. Ophtalmol.; 2003, 135 (3): 267–78).
Werden bei der Simulation biomechanische Veränderungen der Hornhaut
berücksichtigt (also zum Beispiel die Berücksichtigung des IOP –
Intraokularer Druck), dann wird ein FE-Modell (Finite Elemente) erstellt. Im Iterationsverfahren
kann dann unter Berücksichtigung der ortsabhängigen Hornhautdickenänderungen
und bei Annahme eines konstanten Augeninnendruckes die endgültige Hornhautoberfläche
nach der Behandlung approximiert werden. Dabei wird der intraokulare Druck des Patienten
gemessen. Es können dabei auch andere patientenspezifische Größen
berücksichtigt werden, zum Beispiel Gewebefestigkeit oder dergleichen.
Bei der Simulation erfolgt der Vergleich der so errechneten post-operativen
Oberfläche mit der idealen Oberfläche, vgl. die Bewertungsstufe. Aufgrund
dieses Vergleiches kann dann das Basis-Ablationsprofil (allgemein: Veränderungsprofil)
entsprechend korrigiert werden. Fiel der Abtrag zum Beispiel beim gerade beendeten
Iterationsschritt aufgrund der genannten Bewertung zu gering aus, so wird das Ablationsprofil
an den jeweiligen Stellen erhöht. Die Iteration wird solange durchgeführt,
bis die gewünschte Genauigkeit erreicht ist.