DE102009030504B4

DE102009030504B4 - Augenchirurgie-Mikroskopiesystem

Info

Publication number: DE102009030504B4
Application number: DE102009030504.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schuhrke Thomas; Günter Meckes; Stefan Gräber; Keith Thornton
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2009-06-24
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: DE102009030504A1

Abstract

Augenchirurgie-Mikroskopiesystem (1) mit einer Abbildungsoptik (11,14,27) für das Erzeugen des Bildes (40) einer Objektebene (15); und mit einem das Bild (40) der Objektebene erfassenden elektronischen Bildsensor (22), der mit einer Rechnereinheit (5) für das Berechnen der Lage des Zentrums (52) einer Kreisstruktur (44) eines mit wenigstens einer Markierung versehenen Patientenauges (16) verbunden ist, wobei die Rechnereinheit (5) die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) mittels Bildverarbeitung durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation ermittelt, die Vergleichsobjekte (132, 134, 136) umfasst, die in der Rechnereinheit (5) über das Bild (130) der Objektebene (15) gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsobjekte als Ringfilter (80) mit einem inneren Filterring (84) und einem äußeren Filterring (86) ausgebildet sind, wobei das Vorzeichen der Filterfunktion

F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)

der Ringfilter (80) im inneren Filterring (84) und im äußeren Filterring (86) verschieden ist, wobei die Rechnereinheit (5) die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) aus den Werten der durch Faltung des Bilds (98) der Objektebene (15) und der Filterfunktion der Ringfilter (80) ermittelten Filterantworten bestimmt, und wobei die Rechnereinheit (5) die Lage der wenigstens einen außerhalb des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) angeordneten Markierung (46, 48) des Patientenauges (16) durch Korrelieren mit einer Markierungs-Vergleichsinformation ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Augenchirurgie-Mikroskopiesystem mit einer Abbildungsoptik für das Erzeugen des Bildes einer Objektebene und mit einem das Bild der Objektebene erfassenden elektronischen Bildsensor, der mit einer Rechnereinheit für das Berechnen der Lage des Zentrums einer Kreisstruktur eines Patientenauges verbunden ist; wobei die Rechnereinheit die Lage des Zentrums der Kreisstruktur mittels Bildverarbeitung durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation ermittelt, die Vergleichsobjekte umfasst, die in der Rechnereinheit über das Bild der Objektebene gelegt werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Lage eines eine Kreisstruktur aufweisenden Patientenauges, bei dem ein Bild des Patientenauges mittels eines elektronischen Bildsensors erfasst wird, und bei dem die Lage des Zentrums der Kreisstruktur des Limbus mittels Bildverarbeitung in einer Rechnereinheit durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation ermittelt wird, wobei die Vergleichsinformation in Vergleichsobjekten besteht, die in der Rechnereinheit über das Bild der Objektebene gelegt werden, sowie ein Computerprogramm für eine Rechnereinheit in einem Augenchirurgiesystem zur Durchführung des Verfahrens.
Für die Kataraktoperation ist ein Augenchirurgie-Mikroskopiesystem erforderlich. Das Augenchirugie-Mikroskopiesystem wird hier zur vergrößernden Visualisierung des Operationsbereichs eingesetzt. Bei der Kataraktoperation wird die natürliche, körpereigene Linse eines Patientenauges, in der sich ein Katarakt entwickelt hat, durch eine künstliche Linse, eine sogenannte Intraokularlinse ersetzt. Über eine Inzision durch die Skelera oder Cornea wird innerhalb des Innenrands der Iris eine Öffnung in den Kapselsack präpariert. Die natürliche Linse wird dann durch diese Öffnung mit einem Ultraschall-Instrument zertrümmert und anschließend entfernt. Nach dem Entfernen der natürlichen Linse wird durch die Öffnung im Kapselsack des Patientenauges die Intraokularlinse eingebracht.
Aus der US 7 261 415 B2 sind ein derartiges Augenchirurgie-Mikroskopiesystem, ein derartiges Verfahren und ein derartiges Computerprogramm bekannt. Dort ist ein Lasersystem für Corneaablation beschrieben, das eine Kamera mit Bildsensor enthält, mittels der digitale Bilder eines Patientenauges erfasst werden können. Für das Erfassen der Position des Patientenauges werden Sektoren der Iris im Bild des Patientenauges mit Sektoren der Iris in einem Referenzbild verglichen.
Die DE 10 2004 055 683 B4 offenbart ein Ophthalmo-Operationsmikroskop, das einen Mustergenerator enthält. Mit dem Mustergenerator kann dem Beobachtungsbild im Operationsmikroskop ein Markierungsmuster überlagert werden, das als Orientierungshilfe bei chirurgischen Eingriffen an einem Patientenauge dient, z. B. bei der sogenannten Kataraktoperation. Der Mustergenerator ist mit einer Einrichtung für das Bestimmen der Pupillenposition des Patientenauges verbunden, die einen Bildsensor mit Rechnereinheit aufweist.
Die WO 2009/080789 A1 , die nachveröffentlicht ist, beschreibt ein Verfahren für das Ermitteln der Lage von charakteristischen Augenbestandteilen. Hier wird ein digitales Bild eines Ausschnitts eines Auges mit einer Kamera aufgenommen und anhand dieses Bildes die Position von Bestandteilen des Auges abgeleitet. Das aufgenommene Bild ist dabei mehrfarbig, wobei für die Bildverarbeitung allein der rote Farbauszug des digitalen Bildes zugrunde gelegt wird.
In der Augenchirurgie werden Intraokularlinsen mit sphärischer, asphärischer, multifokaler und auch mit torischer Geometrie eingesetzt.
Bei torischen Intraokularlinsen ist es für den Ausgleich der Sehfehler von Patienten erforderlich, dass die Achse des Torus der Intraokularlinse bei der Kataraktoperation im Patientenauge definiert ausgerichtet wird.
Es ist bekannt, hierzu vor dem Eingriff am Patientenauge am Rand des Limbus mit patientenverträglicher Tinktur in der Regel zwei einander gegenüberliegende punktförmige Markierungen anzubringen. Diese Markierungen dienen dem Operateur als Referenz. Während der Operation wird dann ein Videobild des Patientenauges generiert, auf dem diese Markierungen sichtbar sind. Nach dem Einführen der torischen Intraokularlinse in das Patientenauge wird die torische Intraokularlinse unter Verwendung einer auf dem Bildschirm geführten Schablone ausgerichtet. Diese Schablone wird von einer Hilfsperson entsprechend der auf dem Videobild des Patientenauges sichtbaren Markierungen vor dem Bildschirm nachführt.
Weiter ist es bekannt, neben dem Anbringen von Referenzmarkierungen am Patientenauge zusätzlich am Patientenauge auch eine Markierung für die Zielposition der torischen Intraokularlinse zu präparieren. Dies macht allerdings einen zusätzlichen Markierungsvorgang erforderlich.
Das Bild des Objektbereichs, welches sich einem Operateur bei einer Kataraktoperation darstellt, ist nicht stationär: Einerseits kann sich das Patientenauge trotz einer lokalen Anästhesie während einer Operation verlagern. Andererseits lassen sich mechanische Schwingungen von Augenchirugie-Mikroskopiesystemen, die in der Regel mit einer verstellbaren Stativeinrichtung über dem Kopf des operierten Patienten gehalten werden, nicht völlig unterbinden. Diese Schwingungen machen sich bei der Abbildung eines Objektbereichs vor allem bei höheren Vergrößerungen störend bemerkbar. Insbesondere erschwert ein stark bewegtes Bild des Objektbereichs ein Ausrichten einer torischen Intraokularlinse unter Verwendung einer vor einem Videobildschirm geführten Schablone.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Augenchirurgie-Mikroskopiesystem bereitzustellen, das einem Operateur im Operationsbetrieb die automatisierte Anzeige der Lage und Orientierung für eine torische Intraokularlinse in einem mit einer Referenzmarkierung versehenen Patientenauge ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Augenchirurgie-Mikroskopiesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie ein Verfahren zur Ermittlung der Lage eines eine Kreisstruktur aufweisenden Patientenauges mit den Merkmalen des Anspruchs 23 und ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 25 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einem erfindungsgemäßen Augenchirurgie-Mikroskopiesystem ist die Rechnereinheit für das Berechnen der Lage eines außerhalb des Zentrums der Kreisstruktur mit wenigstens einer Markierung versehenen Patientenauges ausgelegt, wobeidie Rechnereinheit die Lage der wenigstens einen Markierung im Bezug auf das berechnete Zentrum mittels Bildverarbeitung durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation ermittelt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei der Abbildung eines Patientenauges auf einen Bildsensor der Limbus oder der Pupillenrand des Auges ringförmige Übergangsobjekte von Dichteübergängen darstellen, die insbesondere durch Vergleich mit einem als Ringfilter ausgebildeten Vergleichsobjekt sehr präzise lokalisiert werden können. Weiter liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Positionsmarkierungen an einem Patientenauge, die im Vorfeld einer Kataraktoperation auf oder in unmittelbarer Nähe des Limbuskreises angebracht werden, um dem Operateur eine Referenzachse des Patientenauges zu visualisieren, Übergangsobjekte von Dichteübergängen sind, die durch Vergleich mit einem Markierungs-Vergleichsobjekt, durch Auswerten einer Bildhelligkeit und / oder durch Auswerten von Bildfarben sehr präzise lokalisiert werden können. Dabei zeigt sich, dass die Lokalisation der Übergangsobjekte durch Operationsinstrumente, die kurzzeitig am Patientenauge bewegt werden, nicht oder nur unerheblich verfälscht werden.
Um die Lage des Zentrums der Kreisstruktur zu ermittelt, korreliert die Rechnereinheit das Bild des Patientenauges mittels Bildverarbeitung mit einer Vergleichsinformation: Die Rechnereinheit berechnet dazu eine Größe, die ein Maß für den Grad der Übereinstimmung des Bildes des Patientenauges und der Vergleichsinformation ist. Die Vergleichsinformation besteht in Vergleichsobjekten, die in der Rechnereinheit über das Bild der Objektebene gelegt werden. Vorzugsweise sind die Vergleichsobjekte Ringfilter mit einem inneren Filterring und einem äußeren Filterring. Dabei ist das Vorzeichen der Filterfunktion $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)$
des Ringfilters im inneren Filterring und im äußeren Filterring verschieden.
Umfangreiche Versuche haben gezeigt, dass bei einem Abstand des inneren Filterrings vom äußere Filterring, welcher der Abmessung von zwei, drei oder vier lichtempfindlichen Pixeln des elektronischen Bildsensors entspricht, die Lage des Limbus eines Patientenauges besonders schnell und zuverlässig erfasst werden kann.
Die Rechnereinheit bestimmt die Lage des Zentrums der Kreisstruktur durch Faltung des Bilds der Objektebene und der Ringfilter.
Von Vorteil ist es, eine Schnittstelle für das Eingeben der Vergleichsinformation für das Bestimmen der Lage des Zentrums der Kreisstruktur vorzusehen. Dann ist ein schnelles individuelles Einstellen der Vergleichsinformation für ein Patientenauge möglich.
Auch für das Bestimmen der Lage der wenigstens einen Markierung im Patientenauge korreliert die Rechnereinheit das Bild des Patientenauges mittels Bildverarbeitung mit einer Vergleichsinformation: Wie beim Ermitteln der Lage des Zentrums der Kreisstruktur des Patientenauges berechnet die Rechnereinheit dazu eine Größe, die ein Maß für den Grad der Übereinstimmung des Bildes des Patientenauges und der Vergleichsinformation ist.
Als Vergleichsinformation für das Bestimmen der Lage der wenigstens einen Markierung im Patientenauge eignet sich ebenfalls ein Vergleichsobjekt, dessen Geometrie an die Geometrie der Markierung angepasst ist. Als Vergleichsinformation kann aber auch die Farbe eines zweidimensionalen Filters oder eine Farbe der wenigstens einen Markierung herangezogen werden.
Als Vergleichsobjekt eignet sich insbesondere ein Bereich eines erfassten Bilds des Patientenauges. Besonders zuverlässig und schnell kann die Lage der wenigstens einen Markierung erfasst werden, indem dieser Bereich einer eine bekannte Eigenschaft der wenigstens einen Markierung des Patientenauges verstärkenden, insbesondere eine Farbe der Markierung verstärkenden Farbtransformation F(R,G,B) unterzogen wird.
Vorteilhaft ist es, bei dem Augenchirurgie-Mikroskopiesystem auch diese Vergleichsinformation zur Eingabe vorzusehen.
Um eine Echtzeitdarstellung von Bildern des Patientenauges zu ermöglichen, ist eine Bildverarbeitung in möglichst kurzer Rechenzeit erforderlich. Für das Verkürzen von Rechenzeit wird daher das Zentrum der Kreisstruktur und / oder die Winkellage der wenigstens einen Markierung nach einem entsprechenden Initialisierungs-Berechnungsschritt mittels der Rechnereinheit verfolgt, d.h. getrackt.
Günstig ist es auch hier, eine Schnittstelle für das Eingeben eines Trackingbereichs vorzusehen. Damit hat eine Bedienperson Einfluss auf die Größe des Datensatzes, den die Rechnereinheit der Bildverarbeitung zugrunde legt.
Bei dem Augenchirurgie-Mikroskopiesystem ist vorzugsweise ein Display vorgesehen, wobei das Display dem erfassten Bild der Objektebene wenigstens eine durch das von der Rechnereinheit berechnete Zentrum der Kreisstruktur und durch die Lage der wenigstens einen Markierung definierte Anzeige für die Zielposition einer torischen Intraokularlinse und / oder eine Anzeige für die Lage und Orientierung eines Patientenauges überlagert. Als Anzeige eignet sich insbesondere eine Achse und / oder ein Pfeil und / oder eine Kreuzmarkierung.
Günstigerweise ist eine Schnittstelle für die Eingabe einer Intraokularlinsen-Zielposition und / oder ein Datenspeicher für das Abspeichern einer Intraokularlinsen-Zielposition vorgesehen. Bevorzugt steuert die Rechnereinheit mit der Information der ermittelten Lage der Kreisstruktur ebenfalls Mittel für eine bewegungskompensierte Visualisierung des Patientenauges. Optional kann auch vorgesehen sein, dass die Rechnereinheit mit der Information der ermittelten Lage der wenigstens einen Markierung Mittel für eine bewegungskompensierte Visualisierung des Patientenauges steuert.
Damit kann einem Operateur im Operationsbetrieb ein Patientenauge so visualisiert werden, dass störende Zitterbewegungen, die von Bewegungen des Patientenauges oder von unerwünschten Bewegungen des Augenchirurgie-Mikroskopiesystems herrühren, im Beobachtungsbild nicht auftreten.
Indem für die Visualisierung des mittels des Bildsensors erfassten Bildes der Objektebene ein mit der Rechnereinheit verbundenes Display vorgesehen ist und die Rechnereinheit das erfasste Bild der Objektebene in ein Display-Koordinatensystem transformiert, in welchem die Koordinaten des Zentrums der Kreisstruktur des Patientenauges zeitlich invariant sind, kann das Bild des Patientenauges translatorisch unbewegt visualisiert werden.
Die Rechnereinheit kann das erfasste Bild der Objektebene auch in ein Display-Koordinatensystem transformieren, in welchem die Orientierung des angezeigten Patientenauges zeitlich invariant ist. Dann kann das Bild des Patientenauges an einem Display rotatorisch unbewegt visualisiert werden.
Die Bewegungskompensierte Anzeige von Bildern ermöglicht insbesondere, dass Ausschnitte von Bildern eines Patientenauges mit hoher Vergrößerung angezeigt und von einer Beobachtungsperson auch untersucht werden können, da kein Bildzittern auftritt.
Von Vorteil ist es, bei dem Augenchirurgie-Mikroskopiesystem für die Visualisierung des Patientenauges ein Operationsmikroskop vorzusehen und die Mittel für eine bewegungskompensierte Visualisierung des Patientenauges einen entsprechend der Verlagerung des Bilds der Objektebene am Bildsensor als angesteuerter Antrieb für eine bewegbare Mikroskopiesystem-Baugruppe auszubilden. Die Mikroskopiesystem-Baugruppe kann beispielsweise als eine das Mikroskopiesystem-Hauptobjektiv translatorisch bewegende XY-Kupplung ausgebildet sein. Insbesondere kann das Augenchirurgie-Mikroskopiesystem ein Operationsmikroskop mit einem an einem Stativ aufgenommenen Operationsmikroskop-Grundkörper umfassen, wobei die XY-Kupplung zwischen einem Stativarm und dem Operationsmikroskop-Grundkörper vorgesehen ist.
Es ist günstig, eine Filterstufe zur zeitlichen Mittelung der berechneten Position und / oder Orientierung vorzusehen, damit das Operationsmikroskop nicht ruckartig und nicht mit schnellen Bewegungen verlagert wird.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Ermittlung der Lage eines eine Kreisstruktur aufweisenden Patientenauges, bei dem die Lage des Zentrums der Kreisstruktur mittels Bildverarbeitung durch Korrelation mit einer ersten Vergleichsinformation ermittelt wird. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Orientierung eines eine Kreisstruktur aufweisenden Patientenauges, das außerhalb des Zentrums der Kreisstruktur mit einer Markierung versehen ist, bei dem die Lage der Markierung durch Korrelation mit einer zweiten Vergleichsinformation ermittelt wird. Aufgrund der ermittelten Lage des Zentrums der Kreisstruktur und der ermittelten Lage der Markierung kann dann ein zu dem Patientenauge ortsfestes Koordinatensystem mit einem zu dem Augenchirurgie-Mikroskopiesystem ortsfesten Koordinatensystem referenziert werden.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Durchführung dieser Verfahren.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Augenchirurgie-Mikroskopiesystem, bei dem die Lage und Orientierung eines eine Kreisstruktur aufweisenden Patientenauges ermittelt werden, das außerhalb des Zentrums der Kreisstruktur mit einer Markierung versehen ist, indem die Lage des Zentrums der Kreisstruktur mittels Bildverarbeitung durch Korrelation mit einer ersten Vergleichsinformation berechnet wird, dann die Lage der Markierung durch Korrelation mit einer zweiten Vergleichsinformation bestimmt wird, und dann aufgrund der ermittelten Lage des Zentrums der Kreisstruktur und der ermittelten Lage der Markierung ein zu dem Patientenauge ortsfestes Koordinatensystem mit einem zu dem Augenchirurgie-Mikroskopiesystem ortsfesten Koordinatensystem referenziert wird.
Zur bewegungskompensierten Visualisierung eines eine Kreisstruktur aufweisenden Patientenauges mit dem Augenchirurgie-Mikroskopiesystem wird die Lage des Zentrums der Kreisstruktur mittels Bildverarbeitung durch Korrelation mit einer ersten Vergleichsinformation fortlaufend ermittelt, eine Verschiebung der Lage des Zentrums der Kreisstruktur erfasst, und dann das Bild an einer Visualisierungsanzeige gegenläufig zur erfassten Verschiebung verlagert.
Für die bewegungskompensierte Visualisierung kann insbesondere auch die Lage der Markierung mittels Bildverarbeitung durch Korrelation mit einer zweiten Vergleichsinformation erfasst werden und dann das Bild an einer Visualisierungsanzeige gegenläufig zur erfassten Verschiebung verlagert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeichnung in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Augenchirurgie-Mikroskopiesystem mit einer Videokamera und einem Videobildschirm;
2 eine torische Intraokularlinse mit Positionsmarkierungen;
3 das Bild eines an dem Videobildschirm des Augenchirurgiesystems angezeigten Patientenauges mit einer als Ringfilter ausgebildeten Vergleichsstruktur;
4 eine grafische Darstellung der Filterantwort mit Höhenlinien für eine Vielzahl von über das Bild eines Patientenauges gelegten Ringfiltern;
5 eine Grafische Darstellung der Abhängigkeit einer maximalen Filterantwort und einem Ringfilterradius;
6 das Bild eines an dem Videobildschirm des Augenchirurgiesystems angezeigten Patientenauges, in dem ein kreisförmiger Bildausschnitt definiert ist;
7 den kreisförmigen Bildausschnitt aus 6 in einem transformierten Koordinatensystem;
8 einen Ausschnitt aus 7 in einem transformierten Koordinatensystem;
9 das Bild eines an dem Videobildschirm des Augenchirurgiesystems angezeigten Patientenauges mit mehreren als Ringfilter ausgebildeten Vergleichsstrukturen;
10 das Bild eines an dem Videobildschirm des Augenchirurgie-Mikroskopiesystems angezeigten Patientenauges mit einem Kreiswinkelsegment;
11 zwei Anzeigen am Videobildschirm des Augenchirurgie-Mikroskopiesystems; und
12 eine Anzeige am Videobildschirm des Augenchirurgie-Mikroskopiesystems mit einer vergrößerten Bilddarstellung.

Das Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 in 1 umfasst ein Operationsmikroskop 3 mit einer Rechnereinheit 5. Das Operationsmikroskop 3 hat einen Operationsmikroskop-Grundkörper 29. Es ist mit einer XY-Verstelleinrichtung 7 am Arm 9 eines nicht weiter dargestellten Stativs aufgenommen. Eine geeignete XY-Verstelleinrichtung ist beispielsweise in der DE 198 56 696 A1 beschrieben. Das Operationsmikroskop 3 ermöglicht einer Beobachtungsperson, mit einem binokularen Beobachtungsstrahlengang 11 durch einen Binokulareinblick 12 und eine Abbildungsoption mit einem Mikroskop-Hauptobjektiv 14 in einer Objektebene 15 ein Patientenauge 16 mit Vergrößerung zu betrachten. Das Operationsmikroskop 3 hat eine Einrichtung zur Dateneinspiegelung mit einem Display 18 und einem Strahlenteiler 20. Weiter ist in das Operationsmikroskop 3 eine Videokamera 23 integriert, die einen CCD-Baustein als Bildsensor 22 aufweist. Der CCD-Baustein hat lichtempfindliche Pixel, deren Kantenlänge etwa 0,03mm beträgt. Dem Bildsensor 22 wird das Objektbild über einen Strahlenteiler 24 im Beobachtungsstrahlengang 11 und über eine Abbildungslinse 27 zugeführt. Die Videokamera 23 ist eine PAL-Farbkamera. Sie stellt RGB-Bildinformation mit einem roten Farbkanal (R), mit einem grünen Farbkanal (G) und mit einem blauen (B) Farbkanal bereit.
Das Operationsmikroskop 3 hat ein motorisch einstellbares Vergrößerungssystem 26. Zur Steuerung des Operationsmikroskops 3 ist in dem Augenchirurgie-System die Rechnereinheit 5 vorgesehen. Die Rechnereinheit 5 erfasst mit dem Bildsensor 22 der Videokamera 23 aufgenommene Bilddaten, um sie mit einem Computerprogramm weiter zu verarbeiten. Die Rechnereinheit 5 hat eine Eingabeschnittstelle 28 in Form einer Tastatur und umfasst einen Bildschirm 30, der als Ausgabeschnittstelle dient. Der Rechnereinheit 5 ist ein Datenspeicher 32 zugeordnet.
Die XY-Verstelleinrichtung 7 hat einen motorischen Antrieb 31. Dieser Antrieb 31 ist über eine Steuerleitung mit der Rechnereinheit 5 verbunden. Mittels der XY-Verstelleinrichtung 7 kann das Operationsmikroskop 3 entsprechend den Richtungen 33,35 über dem Patientenauge 16 parallel zur Objektebene 15 translatorisch bewegt werden. Für das Steuern das Antriebs 31 ist der Rechnereinheit 5 eine Filterstufe 37 zugeordnet.
Die Rechnereinheit 5 ist mit einem externen Videobildschirm 34 verbunden. Damit können von der Rechnereinheit 5 verarbeitete Bilddaten sowohl an dem externen Videobildschirm 34 als auch in der Einrichtung zur Dateneinspiegelung mit dem Display 18 Operationsmikroskop 3 zur Anzeige gebracht werden.
Der Videobildschirm 34 zeigt das Bild 40 des mit dem Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 visualisierten Patientenauges 16. Das Patientenauge 16 hat eine erste Kreisstruktur 42 in Form der Pupille. Eine zweite Kreisstruktur 44 wird bei dem Patientenauge durch den Limbus gebildet. Als Limbus wird der Übergang zwischen Lederhaut und Hornhaut im Patientenauge bezeichnet. Die Pupille und der Limbus haben ein Zentrum 52, das sich im Bereich der Linse des Patientenauges 16 befindet. Am Rand des Limbus ist das Patientenauge mit einer Markierung 46 und mit einer Markierung 48 versehen. Diese Markierungen 46,48 sind mittels patientenverträglicher Tinktur in das Patientenauge 16 eingebracht. Als Tinktur für die Markierungen eignet sich z.B. nichtinvasive Tinte, die aus einer Mixtur aus schwarzem Kohlenstoff und einem schnell trocknenden Bindemittel wie z.B. Polysaccharid- oder Polyvinylalkohol besteht. Die Tinktur kann aber auch in blauer Farbe gehalten sein. Solche Markierungen werden vor einer Kataraktoperation in einem Patientenauge mit einem Pinsel, einem Stift oder einer Düse angebracht, um ein zu dem Patientenauge 16 ortsfestes Koordinationssystem 2 festzulegen. Das Koordinatensystem 2 ist durch das Zentrum 52 von Pupille bzw. Limbus des Patientenauges 16 und die Markierungen 46,48 definiert.
Aus der mittels des Bildsensors 22 erfassten Bildinformation berechnet die Rechnereinheit 5 die Lage des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 des Limbus sowie die Lage der Markierungen 46,48 in einem zum Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 ortsfesten Koordinatensystem 4.
Damit können das zum Patientenauge 16 ortsfeste Koordinationssystem 2 und das zum Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 ortsfeste Koordinatensystem 4 referenziert werden.
Zu den Markierungen 46,48 berechnet die Rechnereinheit 5 eine Verbindungslinie 50, die an den Videobildschirm 34 zur Anzeige gebracht wird. Diese Verbindungslinie 50 markiert eine im System des Patientenauges 16 ortsfeste Referenzachse. Die Verbindungslinie 50 und das Zentrum 52 von Limbus bzw. Pupille legen ein zum Patientenauge 16 ortsfestes Koordinationssystem 2 fest.
Die Rechnereinheit 5 referenziert das zum Patientenauge 16 ortsfeste Koordinationssystem 2 und das Koordinationssystem 4, welches zum Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 ortsfest ist. In dem zum Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 ortsfesten Koordinatensystem 4 berechnet die Rechnereinheit 5 dann aus Patientendaten eine Zielachse 54. Diese Zielachse kann über die Rechnereinheit 5 wahlweise an dem Display 18 der Einrichtung zur Dateneinspielung und an dem Videobildschirm 34 zur Anzeige gebracht werden. An dieser Zielachse 54 kann ein Operateur eine bei einer Kataraktoperation in das Patientenauge 16 eingesetzte torische Intraokularlinse ausrichten.
Bei den Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 aus 1 ist eine Visualisierung des Patientenauges 16 mit der passenden Zielachse 54 für ein Patientenauge am Videobildschirm 34 in Echtzeit vorgesehen. D.h., die Parameter für den Verlauf der Zielachse 54 müssen in Echtzeit ermittelt werden. Hierzu trackt die Rechnereinheit 5 das Zentrum der Kreisstruktur des Limbus und die Winkellage der Markierungen 46,48, nachdem eine Anfangsposition und eine Anfangsorientierung für das Patientenauge 16 bestimmt wurde.
Die 2 zeigt eine torische Intraokularlinse 60. Die Intraokularlinse 60 hat einen Linsenkörper 62 mit einer Torusgeometrie und umfasst Halteabschnitte 64,66, die den Linsenkörper 62 tragen. An den Halteabschnitten 64,66 gibt es Markierungen 70,72. Diese Markierungen 70,72 ragen bis in den Linsenkörper 62. Die Markierungen 70,72 ermöglichen es einem Operateur, bei der Kataraktoperation eine solche Linse an der mittels des Videobildschirms 34 angezeigten Zielachse 54 auszurichten.
Die Lage des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 des Limbus und die Lage der Markierungen 46,48 des Patientenauges 16 wird in der Rechnereinheit 5 durch Bildverarbeitung der mittels des Bildsensors 22 erfassten Bildinformation bestimmt. Dazu berechnet die Rechnereinheit 5 in einem ersten Initialisierungs-Berechnungsschritt die Lage des Zentrums 52 der Kreisstruktur des Limbus des Patientenauges 16.
Der erste Initialisierungs-Berechnungsschritt ist detailliert auf S. 8, Z. 15 bis S. 10, Z. 20 der internationalen Patentanmeldung mit Az. PCT/ EP/2008/068103 anhand von 1 bis 5 beschrieben. Der Gegenstand dieser Patentanmeldung wird deshalb hiermit vollumfänglich in diese Anmeldung mit einbezogen.
In einem zweiten Initialisierungs-Berechnungsschritt wird mit der Rechnereinheit 5 die Winkellage der Markierungen 46,48 um das Zentrum 52 ermittelt.
Nach dem ersten und dem zweiten Initialisierungs-Berechnungsschritt wird dann die Lage des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 des Limbus und die Winkellage der Markierungen 46,48 im Bezug auf das Zentrum 52 zur Verkürzung der Rechenzeit in einem Tracking-Modus berechnet.
Ein Verfahren zum Tracken, d.h. Verfolgen des Zentums 52 der Kreisstruktur 44 des Limbus ist detailliert auf S. 9, Z. 21 - S. 14, Z. 29 der internationalen Patentanmeldung mit Az. PCT/ EP/2008/068104 anhand von 1 bis 5 beschrieben. Auch der Gegenstand dieser internationalen Patentanmeldung wird deshalb hiermit vollumfänglich in diese Anmeldung mit einbezogen.
In dem Tracking-Modus werden das Zentrum 52 der Kreisstruktur 44 des Limbus und die Winkellage der Markierungen 46,48 entsprechend der Bewegung des Patientenauges 16 getrackt.
Ein mit dem Bildsensor 22 erfasstes Bild 78 des Patientenauges ist in 3 gezeigt. In dem ersten Initialisierungs-Berechnungsschritt wird das Bild 78 des Patientenauges durch Filtern mit einer Vielzahl von Vergleichsobjekten mit einer Vergleichsinformation korreliert. Die Vergleichsobjekte sind Vergleichsstruktur-Filter, die im Rahmen einer Bildverarbeitung durch die Rechnereinheit 5 über das Bild 78 gelegt werden.
Ein als Ringfilter ausgebildetes Vergleichsstruktur-Filter 80 ist in 3 zu sehen. Das Ringfilter 80 hat ein Ringfilterzentrum 82 und weist einen inneren Filterring 84 und einen äußeren Filterring 86 auf. Der innere Filterring 84 ist in einem radialen Abstand r_I in dem Ringfilterzentrum 82 in einem Ort (x_z,y_z) angeordnet. Der äußere Filterring 86 ist zentrisch zum inneren Filterring 84 angeordnet und befindet sich in einem radialen Abstand r_A vom Filterzentrum 82.
Die Filterfunktion $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)$
des Ringfilters 80 ist durch den Ort (x_z,y_z) des Ringfilterzentrums und den Filterradius $r : = \frac{1}{2} {r_{A} + r_{I}}$
charakterisiert.
Für die Filterfunktion $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)$
des Ringfilters 80 gilt: $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y) = {\begin{matrix} + c f \ddot{u} r B i l d e p u n k t e i m a \ddot{u} ß e r e n F i l t e r r i n g 86 \\ - c f \ddot{u} r B i l d e p u n k t e i m i n n e r e n F i l t e r r i n g 84 \end{matrix}$
Die Breite des inneren Filterrings 84 und des äußeren Filterrings 86 entspricht der Abmessung eines lichtsensitiven Pixels auf dem Bildsensor 22. Der Abstand des inneren Filterrings 84 von dem äußeren Filterring 86 entspricht der Abmessung von zwei lichtsensitiven Pixeln auf dem Bildsensor, d.h. etwa 0,06mm. Dieser Abstand kann aber auch dem Durchmesser von 3 oder 4 lichtsensitiven Pixeln auf dem Bildsensor 22, also 0,09mm oder auch 0,12mm entsprechen. Umfangreiche Versuche haben gezeigt, dass mit dieser Geometrie der Filterringe 84, 86 der Limbus eines Patientenauges, dessen Durchmesser im Durchschnitt etwa 12mm beträgt, besonders zuverlässig aufgefunden werden kann.
Die Filterfunktion $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)$
ist dabei so normiert, dass das Filtern einer grauen Fläche mit einer Helligkeitsverteilung I_g(x,y) = g, d.h. das Falten der Filterfunktion mit dieser Helligkeitsverteilung die Filterantwort $A {F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y), I_{g} (x, y)}$
ergibt, wobei gilt: $A {F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y), I_{g} (x, y)} = \int \int d x' d y' F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x - x', y - y') I_{g} (x', y') = 0$
In 4 ist die Filterantwort $A {F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)}$
für einen konstanten Ringfilterradius r und für eine Vielzahl von Positionen (x_z,y_z) des Ringfilterzentrums zu dem in 3 gezeigten Bild eines Patientenauges als Höhenlinienprofil 90 aufgetragen.
Die Filterantwort $A {F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)}$
ist ein Maß für den Grad der Übereinstimmung des Bildes des Patientenauges und der Vergleichsinformation in Form des als Ringfilter ausgebildeten Vergleichsstruktur-Filters.
Für die in 3 gezeigte Position des Filters, bei dem sich das Ringfilterzentrum (x_z,y_z) im Zentrum der Kreisstruktur 44 des Limbus des Patientenauges mit dem Ort(x_z,y_z) befindet, hat die Filterantwort $A {F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)}$
ein Maximum M_A(r). In 4 ist das Maximum M_A(r) mit dem Bezugszeichen 91 kenntlich gemacht. Der Betrag dieses Maximums M_A(r) ist davon abhängig, in wie weit der Radius der Kreisstruktur 44 des Limbus im Radius r des Ringfilters entspricht.
In 5 ist die Abhängigkeit eines Maximums 91 aus 4 vom Radius r des Ringfilters als Kurve 95 aufgetragen. Wenn der Radius r der über das Bild 78 des Patientenauges gelegten Ringfilter dem Radius r_L der Kreisstruktur 44 des Limbus entspricht, ist der Wert M_A(r_L) des Maximums M_A(r) der Filterantwort $A {F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)}$
bei Bezugszeichen 97 maximal.
Die Rechnereinheit 5 wählt für das Bild 78 eines Patientenauges aus einer Vielzahl von Ringfilterfunktionen jene Ringfilterfunktion aus, für welche der Betrag der Filterantwort am größten ist: Aus dem Ort (x_z,y_z) des Ringfilterzentrums für dies Filterfunktion und dem Radius r des Ringfilters ergibt sich dann die Lage des Zentrums 52 der kreisförmigen Struktur des Limbus und der Radius dieser Struktur.
Für das Bestimmen der Lage des Zentrums der Kreisstruktur 44 des Limbus des Patientenauges korreliert also die Rechnereinheit 5 das mittels des Bildsensors 22 erfasste Bild des Objektbereichs mit ringförmigen Vergleichsobjekten unterschiedlicher Größe. Dies ist detailliert auf S. 3, Z. 12 bis S. 4, Z. 14 und S. 5, Z. 9 bis S. 9, Z. 15 der internationalen Patentanmeldung mit Az. PCT/ EP2008/068104 und auch in der internationalen Patentanmeldung mit Az. PCT/ EP2008/068103 beschrieben.
Die Korrelation erfolgt durch Berechnen einer geeigneten Korrelationsfunktion, vorzugsweise unter Variation des Ortes, so dass die Korrelationsfunktion eine Funktion der Ortsvariablen ist. Dabei werden die Werte der Bildpunkte des Bildes mit den Werten der Bildpunkte des Vergleichsobjekts verrechnet, während das Vergleichsobjekt über das Bild bewegt wird. Der Wert der Korrelationsfunktion ist ein Maß für die Übereinstimmung von Bild und Vergleichsobjekt. Bei der maximalen Übereinstimmung von Bild und Vergleichsobjekt, d.h. wenn das charakteristische Merkmal des Vergleichsobjekts und das gesuchte charakteristische Merkmal im Bild übereinander liegen, ist der Wert der Korrelationsfunktion maximal.
Die Lage des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 und der Radius der Kreisstruktur 44 wird so als Lage und Radius jenes ringförmigen Vergleichsobjekts bestimmt, für das der Wert der betreffenden Korrelationsfunktion maximal ist.
Die 6 zeigt das mittels des Bildsensors 22 des Augenchirurgie-Mikroskopiesystems 1 erfasste Bild 98 des Patientenauges 16 zu dem in dem ersten Initialisierungs-Berechnungsschritt der Radius der Kreisstruktur 44 des Limbus und die Position des Zentrums 52 der Kreisstruktur berechnet wurde.
Um die Lage der Markierungen 46,48 des Patientenauges zu bestimmen, wird über die Eingabeschnittstelle 28 des Rechners 5 ein um das Zentrum 52 gelegter kreisringförmiger Bildausschnitt 100 mit einem Innenradius r₁ und einem Außenradius r₂ festgelegt, in dem sich die Markierungen 46,48 befinden. Alternativ hierzu kann auch ein auf den berechneten Radius r_L des Limbus abgestimmter Bildausschnitt definiert werden, der auf Erfahrungswerten basiert und der in dem Datenspeicher 32 der Rechnereinheit 5 abgelegt ist.
Wenn der kreisringförmige Bildausschnitt 100 festgelegt wurde, transformiert die Rechnereinheit 5 die Bildpunkte 102 in diesem Bildausschnitt 100 in ein zweidimensionales Polarkoordinatensystem 110, das in 7 gezeigt ist.
Nach dem Umrechnen der Bildpunkte in dieses Koordinatensystem wird hier die Winkellage φ₄₆, φ₄₈ der Markierungen 46',48' durch Filtern mit einer auf die Farbe der Markierungen abgestimmten zweidimensionalen Filter 111 unter Schwellwertbildung und gegebenenfalls einer Flächenschwerpunktbestimmung ermittelt. Hier wird die Lage der Markierungen 46',48' durch Berechnen der Filterantwort für das Filter 111, d.h. durch Korrelation mit der Farbe des zweidimensionalen Filters als Vergleichsinformation bestimmt.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Lage der Markierungen 46',48' unter Variation des Ortes ähnlich wie bei dem Bestimmen der Lage des Zentrums des Limbus mit einer Vielzahl von Vergleichsobjekten 114 im Bildausschnitt 100 zu korrelieren. Hier besteht die Vergleichsinformation in der Lage und Geometrie der Vergleichsobjekte.
Eine weitere Alternative für das Bestimmen der Winkellage des Vergleichsobjekts besteht in einem Segmentieren das dem Bild des kreisringförmigen Bildausschnitts 86 in 6 entsprechenden Rechtecks 92 in 7 in eine Vielzahl von Teilsegmenten 116. Dann kann mittels der Rechnereinheit 5 z.B. über das Kriterium der Farbe von Bildpunkten die Winkellage der Markierungen 46',48' bestimmt werden. Hier wird die Lage der Markierungen 46',48' durch Korrelation mit der Farbe der Markierungen als Vergleichsinformation ermittelt.
Es sei bemerkt, dass die Lokalisierung der Markierungen 46, 48 im Patientenauge 16 auch halbautomatisch erfolgen kann. Es ist z.B. möglich, dass die Bedienperson über die Eingabeschnittstelle 28 der Rechnereinheit 5 zwei Positionen auf dem Videobildschirm 34 markiert, in dessen Nähe dann anschließend über die Rechnereinheit nach den entsprechenden Markierungen 46,48 gesucht wird.
Alternativ hierzu ist es möglich, dass eine Bedienperson eine automatisch aufgefundene Position für die Markierungen 46,48 über eine Eingabe an der Eingabeschnittstelle 28 der Rechnereinheit 5 nachkorrigiert.
Schließlich kann auch eine manuelle Lokalisierung der Markierungen 46,48 am Patientenauge 16 realisiert werden: Hierzu ist bei dem Augenchirugiesystem 1 in 1 vorgesehen, dass eine Bedienperson über die Eingabeschnittstelle 28 der Rechnereinheit 5 zwei an dem Videobildschirm 34 angezeigte Markierungenselemente 118, 120 so verschieben kann, dass sie mit der Position der Markierungselemente 46,48 zur Deckung gebracht werden können.
Außerdem ist es grundsätzlich auch möglich, für das Lokalisieren einer Referenzachse des Patientenauges auch nur eine der üblicherweise vorgesehenen zwei Markierungen 46,48 auszuwerten. In diesem Fall wird die Referenzachse durch das Zentrum 52 des Limbuskreises und die Position dieser einzelnen Markierung definiert. Es sei bemerkt, dass dies jedoch nur dann sinnvoll ist, wenn die durch zwei Markierungen präoperativ am Patientenauge festgelegte Referenzachse näherungsweise durch das Zentrum des Limbuskreises verläuft.
Die Information über die Winkellage der Markierungen 46,48 in dem in 6 gezeigten Bild des Patientenauges am Limbuskreis wird dann erhalten, indem mittels der Rechnereinheit 5 eine Rücktransformation der Polarkoordinaten auf die Kreisstruktur 44 des Limbus vorgenommen wird.
Für das Bestimmen der radialen Lage der Markierungen 46,48 in dem in 6 gezeigten Bild 98 des Patientenauges an der kreisförmigen Struktur 44 des Limbus ist es günstig, zu jeder Markierung 46',48' in 7 einen z. B. rechteckförmigen Bildausschnitt 121 zu wählen und diesen in ein in 8 gezeigtes modifiziertes Koordinatensystem 122 zu transformieren. Dort sind im Bezug auf das Koordinatensystem 110 in 7 die x- und y-Achse vertauscht.
Die Information bezüglich der radialen Lage der Markierungen 46,48 kann dann mittels der Rechnereinheit 5 über das Koordinatensystem mit Rechenverfahren ermittelt werden, die den anhand von 6 erläuterten Verfahren für das Bestimmen der Winkellage der Markierungen entsprechen.
Wenn die Lage des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 des Limbus des Patientenauges und auch die radiale Lage der Markierungen 46,48 bestimmt ist, ermittelt die Rechnereinheit 5 das zum Patientenauge 16 ortsfeste Koordinatensystem 2. Anschließend wird das Koordinatensystem 2 zu dem Koordinatensystem 4 des Augenchirurgie-Mikroskopiesystems 1 referenziert.
Um die Position des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 des Limbus des Patientennauges zu tracken, wird, was in 9 gezeigt ist, jedes Bild 130 aus einer mittels des Bildsensors 22 erfassten Bildsequenz des Patientenauges 16 oder ausgewählte Einzelbilder aus einer Bildsequenz wiederum mit einer Vielzahl von als Ringfilter ausgebildeten Vergleichsstrukturen 132, 134, 136, ... gefaltet. Als Filterradius r der Ringfilter-Vergleichsstukturen 132, 134, 136 ... wird dabei der in dem ersten Initialisierungsschritt ermittelte Radius r_L der Kreisstruktur 44 des Limbus gewählt. Die Vergleichsstrukturen liegen in einem durch einen Bildausschnitt 140 festgelegten Trackingbereich. Der Trackingbereich 140 ist ein Kreis, dessen Zentrum dem im ersten Initialisierungs-Berechnungsschritt aufgefundenen Zentrum der Kreisstruktur 44 des Limbus entspricht. Der Radius des Kreises kann über die Schnittstelle 28 der Rechnereinheit 5 eingegeben werden. Von Vorteil ist allerdings, an der Schnittstelle der Rechnereinheit auch die Eingabe beliebiger Geometrien von Trackingbereichen vorzusehen.
Aus den entsprechenden Filterantworten $A {F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)}$
wird dann durch Vergleich der berechneten Werte jene Filterantwort ermittelt, die das Maximum bildet. Dieses Maximum entspricht dann, wie anhand von 4 erläutert, demjenigen Ringfilter, dessen Zentrum über dem Zentrum des Limbus der Kreisstruktur 44 des Patientenauges liegt.
Für das Tracken der Winkelposition des Patientenauges 16 wird wie folgt vorgegangen: Nach dem Berechnen der Lage der Markierungen 46,48 im Rahmen des zweiten Initialisierungs-Berechnungsschritts werden Markierungs-Trackingbereiche festgelegt und als Vergleichsobjekte in Form von Referenzbereichen abgespeichert.
Es ist auch hier günstig, für das Festlegen der Trackingbereiche die Möglichkeit der Eingabe über die Schnittstelle 28 der Rechnereinheit 5 vorzusehen.
Die 10 zeigt das Bild 150 eines Patientenauges mit einem Markierungs-Trackingbereich 152 und einem Markierungs-Trackingbereich 154. In diesen Markierungs-Trackingbereichen 152, 154 liegen entsprechenden Markierungen 46, 48. Dem Festlegen der Markierungs-Trackingbereiche 152, 154 liegt die Annahme zugrunde, dass die Winkellagen φ₄₆, φ₄₈ der Markierungen 46,48 einen bestimmten Winkelbereich nicht verlassen, wenn sich das Patientenauge bewegt.
Aus den fortlaufend erfassten Bildern des Patientenauges werden dann ausgewählte Bildabschnitte ausgeschnitten. Diese ausgewählten Bildabschnitte entsprechen dann den im zweiten Initialisierungs-Berechnungsschritt festgelegten Referenzbereichen, allerdings verschoben um die mit dem Positions-Tracking erfasste Translation des Patientenauges.
Die ausgewählten Bildabschnitte werden dann in solche Graustufenbilder umgewandelt, die bekannte Eigenschaften der Markierungen 46,48 gezielt verstärken:

Wenn die Markierungen 46, 48 des Patientenauges in blauer Farbe gehalten sind, ist es besonders günstig, den Grünkanal des von der Videokamera 23 bereitgestellten RGB-Farbbildes des Patientenauges auszuwerten. Alternativ ist es möglich, für das RGB-Bild die Farbtransformation F(R,G,B) := B/G+B/R vorzusehen.

Die im zweiten Initialisierungs-Berechnungsschritt berechneten und abgespeicherten Referenzbereichen 156, 158 werden derselben Transformation unterzogen.
Anschließend werden die ausgewählten Bildabschnitte mit den entsprechenden Referenzbereichen korreliert. Im Ergebnis der Berechnung wird dann die Position eines Maximums bestimmt. Eine Rotation gegenüber der ursprünglichen Achslage ergibt sich dann z.B. aus einer Abweichung der Lage des Maximums von der Mitte in Links-Richtung, welche in den ausgeschnittenen Bildbereichen der Winkelkoordinate entspricht.
Für die erwähnten Berechnungsschritte ist es günstig, für die Bilder des Patientenauges eine Koordinatentransformation vorzusehen, die bewirkt, dass die Markierungs-Trackingbereiche 152, 154 eine Rechteckform haben.
Für den Fall, dass bei einem Patientenauge während der Kataraktoperation keine oder nur wenige rotatorische Bewegungen auftreten, ist es nicht unbedingt erforderlich, die Winkelachse des Patientenauges zu tracken. Hier ist es dann ausreichend, die Referenzachse einmalig zu lokalisieren und anschließend mit einer konstanten Winkellage, verschoben um die beim Positionstracking detektierte Translation des Auges anzuzeigen.
Es ist möglich, statt eines Bereichs je Markierung auch mehrere, eventuell überlappende Bereiche als Trackingbereiche vorzusehen. Auf diese Weise ist es möglich, rotatorische Bewegungen des Auges über einen weiten Winkelbereich zu tracken.
Bei dem Augenchirurgie-System 1 aus 1 ist die Winkellage der Markierungen des Patientenauges mit einer durch das Zentrum des Limbus verlaufenden Referenzachse visualisiert. Da in der Rechnereinheit 5 mit dem Bestimmen der Lage der Markierungen die Information über die Position des Limbus und die Information über die Winkellage des Patientenauges in einem bezüglich des Augenchirurgie-Systems ortsfesten Koordinatensystem vorliegt, kann an dem Videobildschirm 34 über die Zielachse 54 das Ausrichten einer torischen Intraokularlinse 60 im Patientenauge visualisiert werden.
Die Zielposition der torischen Intraokularlinse 60 im Patientenauge, d. h. der Verlauf der Zielachse 54 muss in der Regel präoperativ festgelegt werden, und zwar in Bezug auf eine mit Markierungen 46,48 definierte Referenzachse.
Für das Eingeben des Verlaufs der Zielachse ist bei der Rechnereinheit 5 die Eingabeschnittstelle 28 vorgesehen. Es ist aber auch möglich, für den Verlauf der Zielachse an einem Patientenauge einen im Datenspeicher 32 für die Rechnereinheit 5 abgelegten Datensatz mit Patientendaten zuzugreifen.
Da die Referenzachse üblicherweise so markiert wird, dass die breiten Markierungen 46,48 und die Mitte der Kreisstruktur 44 des Limbuskreises näherungsweise auf einer Linie liegen, ist es nicht unbedingt erforderlich, die Lage der Markierungen in radialer Richtung zu bestimmen. Es genügt im Regelfall, als Position in radialer Richtung näherungsweise die auf den Limbuskreis projizierte Winkellage zu verwenden.
Schließlich sei bemerkt, dass es für die Anzeige der Zielposition einer torischen Intraokularlinse in einem Patientenauge auch Pfeile, Kreuzmarkierungen oder auch mit Kreisen kombinierte Markierungen vorgesehen werden können.
Das in 1 gezeigte Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 kann in einem Bewegungskompensationsmodus betrieben werden. In diesem Bewegungskompensationsmodus berechnet die Rechnereinheit 5 aus der erfassten Referenzierungsinformation bezüglich des zu dem Patientenauge 16 ortsfesten Koordinatensystem 2 und bezüglich des Koordinatensystems 4, das zu dem Augenchirurgiesystem 1 ortsfest ist, eine entsprechende Verschiebung der Anzeige am Videobildschirm 34. Die Rechnereinheit 5 transformiert dazu das erfasste Bild 40 der Objektebene 15 in ein Display-Koordinatensystem 6, in welchem die Koordinaten des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 des Patientenauges 16 zeitlich invariant sind. Damit kann das Zentrum 52 der kreisförmigen Struktur 44 des Limbus des Patientenauges 16 immer in der Mitte des Videobildschirms 34 angezeigt werden.
In 11 sind zwei entsprechende Anzeigen 160, 170 des Videobildes für unterschiedliche Lagen des Patientenauges 16 am Videobildschirm 34 des Augenchirurgie-Mikroskopiesystems 1 abgebildet.
Es kann hier eine Bewegungskompensation nur aufgrund einer Verlagerung des Zentrums 52 des Limbus des Patientenauges 16 oder auch eine kompensation für rotatorische Bewegungen des Auges erfolgen, welche sich aufgrund der Markierungen 46, 48 erfassen lässt.
Das Betreiben des Augenchirugie-Mikroskopiesystems 1 im Modus für Bewegungskompensation ermöglicht, wie in 12 gezeigt, insbesondere die Anzeige stark vergrößerter Ausschnitte 180 von Echtzeit-Bildern des Patientenauges 16, die nicht zittern. Hierfür ist es von Vorteil, wenn jedes mit der Videokamera 23 im Operationsmikroskop 3 erfasste Bild einer entsprechenden Bildverarbeitung in der Rechnereinheit 5 unterzogen wird. Bei Einsatz des PAL-Videostandards macht dies allerdings eine Bildverarbeitung in Zeitintervallen von 40ms erforderlich. Wenn lediglich Ausschnitte aus einer Videobildsequenz eine Bildverarbeitung unterzogen werden, etwa nur jedes zweite oder auch nur jedes vierte Bild einer entsprechenden Bildsequenz, so wird in Kauf genommen, dass die Anzeige am Videobildschirm 34 ruckelig erscheint.
Alternativ oder zusätzlich kann das Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 in 1 auch in einem Bewegungskompensationsmodus betrieben werden, in dem die Relativbewegung des zum Patientenauge ortsfesten Koordinatensystems 2 und das zum Augenchirurgiesystem 1 ortsfeste Koordinatensystem 4 durch Ansteuern des motorischen Antriebs 31 der XY-Kupplung ausgeglichen werden kann. Da hochfrequente Verstellbewegungen von einer Bedienperson störend wahrgenommen werden, ist bei der Rechnereinheit 5 die Filterstufe 37 vorgesehen, um entsprechend hochfrequente Relativbewegungen auszufiltern.
Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft ein Augenchirurgie-Mikroskopiesystem 1 mit einer Abbildungsoptik 14,11 für das Erzeugen des Bildes einer Objektebene 15 und mit einem das Bild der Objektebene 15 erfassenden elektronischen Bildsensor 22, der mit einer Rechnereinheit 5 für das Berechnen der Lage des Zentrums einer Kreisstruktur 44 eines Patientenauges 16 verbunden ist. Die Rechnereinheit 5 ist für das Berechnen der Lage eines außerhalb des Zentrums 52 der Kreisstruktur 44 mit wenigstens einer Markierung 46,48 versehenen Patientenauges 16 ausgelegt. Sie ermittelt die Lage der wenigstens einen Markierung 46,48 im Bezug auf das berechnete Zentrum 52 mittels Bildverarbeitung durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation.

Claims

Augenchirurgie-Mikroskopiesystem (1) mit einer Abbildungsoptik (11,14,27) für das Erzeugen des Bildes (40) einer Objektebene (15); und mit einem das Bild (40) der Objektebene erfassenden elektronischen Bildsensor (22), der mit einer Rechnereinheit (5) für das Berechnen der Lage des Zentrums (52) einer Kreisstruktur (44) eines mit wenigstens einer Markierung versehenen Patientenauges (16) verbunden ist, wobei die Rechnereinheit (5) die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) mittels Bildverarbeitung durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation ermittelt, die Vergleichsobjekte (132, 134, 136) umfasst, die in der Rechnereinheit (5) über das Bild (130) der Objektebene (15) gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsobjekte als Ringfilter (80) mit einem inneren Filterring (84) und einem äußeren Filterring (86) ausgebildet sind, wobei das Vorzeichen der Filterfunktion $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)$
der Ringfilter (80) im inneren Filterring (84) und im äußeren Filterring (86) verschieden ist, wobei die Rechnereinheit (5) die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) aus den Werten der durch Faltung des Bilds (98) der Objektebene (15) und der Filterfunktion der Ringfilter (80) ermittelten Filterantworten bestimmt, und wobei die Rechnereinheit (5) die Lage der wenigstens einen außerhalb des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) angeordneten Markierung (46, 48) des Patientenauges (16) durch Korrelieren mit einer Markierungs-Vergleichsinformation ermittelt.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Filterring (84) und der äußere Filterring (86) einen der Abmessung von zwei, drei oder vier lichtempfindlichen Pixeln des elektronischen Bildsensors (22) entsprechenden Abstand haben.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (28) für das Eingeben der Vergleichsinformation für das Bestimmen der Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) vorgesehen ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungs-Vergleichsinformation für das Bestimmen der Lage der wenigstens einen Markierung (46, 48) ein Vergleichsobjekt (114) ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergleichsobjekt ein Bereich (156,158) eines erfassten Bilds des Patientenauges (16) vorgesehen ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (156,158) einer eine bekannte Eigenschaft der wenigstens einen Markierung (46,48) des Patientenauges verstärkenden, insbesondere eine Farbe der Markierung (46,48) verstärkenden Farbtransformation F(R, G, B) unterzogen ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsinformation die Farbe eines zweidimensionalen Filters (111) ist und / oder eine Farbe der wenigstens einen Markierung (46, 48) ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (28) für das Eingeben der Vergleichsinformation für das Bestimmen der Lage der wenigstens einen Markierung (46,48) vorgesehen ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (5) für das Verkürzen von Rechenzeit das Zentrum (52) der Kreisstruktur (44) und / oder die Winkellage der wenigstens einen Markierung (46,48) trackt.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (28) für das Eingeben eines Trackingbereichs (140, 152, 154) vorgesehen ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Display (18,34) vorgesehen ist und das Display (18,34) dem erfassten Bild (40) der Objektebene (15) wenigstens eine durch das von der Rechnereinheit (5) berechnete Zentrum (52) der Kreisstruktur (44) und durch die Lage der wenigstens einen Markierung (46,48) definierte Anzeige (54) für die Zielposition einer torischen Intraokularlinse (60) und / oder eine Anzeige (50) für die Lage und Orientierung eines Patientenauges (16) überlagert.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige eine Achse (50,54) und /oder ein Pfeil und / oder eine Kreuzmarkierung ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle (28) für die Eingabe einer Intraokularlinsen-Zielposition und / oder ein Datenspeicher (32) für das Abspeichern einer Intraokularlinsen-Zielposition vorgesehen ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem (1) mit einer Abbildungsoptik (11,14,27) für das Erzeugen des Bildes (40) einer Objektebene (15), und mit einem das Bild (40) der Objektebene erfassenden elektronischen Bildsensor (22), der mit einer Rechnereinheit (5) für das Berechnen der Lage des Zentrums (52) einer Kreisstruktur (44) eines Patientenauges (16) verbunden ist, wobei die Rechnereinheit (5) die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) mittels Bildverarbeitung durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation ermittelt, die Vergleichsobjekte (132, 134, 136) umfasst, die in der Rechnereinheit (5) über das Bild (130) der Objektebene (15) gelegt werden, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsobjekte als Ringfilter (80) mit einem inneren Filterring (84) und einem äußeren Filterring (86) ausgebildet sind, wobei das Vorzeichen der Filterfunktion $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)$
der Ringfilter (80) im inneren Filterring (84) und im äußeren Filterring (86) verschieden ist, wobei die Rechnereinheit (5) die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) aus den Werten der durch Faltung des Bilds (98) der Objektebene (15) und der Filterfunktion der Ringfilter (80) ermittelten Filterantworten bestimmt, wobei die Rechnereinheit (5) mit der Information der ermittelten Lage der Kreisstruktur (44) Mittel (31,34) für eine bewegungskompensierte Visualisierung des Patientenauges (16) steuert.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (5) mit der Information einer ermittelten Lage einer Markierung (46,48) des Patientenauges (16) Mittel (31,34) für eine bewegungskompensierte Visualisierung des Patientenauges (16) steuert.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass für die Visualisierung des mittels des Bildsensors (22) erfassten Bildes der Objektebene (15) ein mit der Rechnereinheit (5) verbundenes Display (18,34) vorgesehen ist, wobei die Rechnereinheit (5) das erfasste Bild (40) der Objektebene (15) in ein Display-Koordinatensystem (6) transformiert, in welchem die Koordinaten des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) des Patientenauges (16) zeitlich invariant sind, um so das Bild (40) des Patientenauges (16) translatorisch unbewegt erscheinen zu lassen.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (5) das erfasste Bild (40) der Objektebene (15) in ein Display-Koordinatensystem (6) transformiert, in welchem die Orientierung des Patientenauges (16) zeitlich invariant ist, um so das Bild (40) des Patientenauges (16) rotatorisch unbewegt erscheinen zu lassen.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Display Ausschnitte (180) des Bilds der Objektebene mit Vergrößerung visualisiert.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für die Visualisierung des Patientenauges (16) ein Operationsmikroskop (3) vorgesehen ist und die Mittel für eine bewegungskompensierte Visualisierung des Patientenauges (16) einen entsprechend der Verlagerung des Bilds der Objektebene (15) am Bildsensor (22) angesteuerten Antrieb (31) für eine bewegbare Mikroskopiesystem-Baugruppe (7) umfassen.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroskopiesystem-Baugruppe eine das Mikroskopiesystem-Hauptobjektiv (14) translatorisch bewegende XY-Kupplung (7) ist.
Augenchirurgie-Mikroskopiesystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Augenchirurgie-Mikroskopiesystem ein Operationsmikroskop (3) mit einem an einem Stativ (9) aufgenommenen Operationsmikroskop-Grundkörper umfasst, wobei die XY-Kupplung (7) zwischen einem Stativarm (9) und dem Operationsmikroskop-Grundkörper (29) vorgesehen ist.
Augenchirurgiesystem nach Anspruch 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Filterstufe (37) zur zeitlichen Mittelung der berechneten Position und / oder Orientierung vorgesehen ist.
Verfahren zur Ermittlung der Lage eines eine Kreisstruktur (44) aufweisenden Patientenauges (16), bei dem ein Bild des Patientenauges mittels eines elektronischen Bildsensors (22) erfasst wird, und bei dem die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) des Limbus mittels Bildverarbeitung in einer Rechnereinheit (5) durch Korrelieren mit einer Vergleichsinformation ermittelt wird, wobei die Vergleichsinformation in Vergleichsobjekten (132, 134, 136) besteht, die in der Rechnereinheit (5) über das Bild (130) der Objektebene (15) gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsobjekte als Ringfilter (80) mit einem inneren Filterring (84) und einem äußeren Filterring (86) ausgebildet sind, wobei das Vorzeichen der Filterfunktion $F_{r, (x_{z}, y_{z})} (x, y)$
der Ringfilter (80) im inneren Filterring (84) und im äußeren Filterring (86) verschieden ist, und wobei die Rechnereinheit (5) die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) aus den Werten der durch Faltung des Bilds (98) der Objektebene (15) und der Filterfunktion der Ringfilter (80) ermittelten Filterantworten bestimmt, und wobei die Rechnereinheit (5) die Lage einer außerhalb des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) angeordneten Markierung (46, 48) des Patientenauges (16) durch Korrelieren mit einer Markierungs-Vergleichsinformation ermittelt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) mittels Bildverarbeitung durch Korrelation mit einer ersten Vergleichsinformation fortlaufend ermittelt wird; dass die Lage der Markierung (46,48) mittels Bildverarbeitung durch Korrelation mit einer zweiten Vergleichsinformation fortlaufend ermittelt wird; dass eine Verschiebung der Lage des Zentrums (52) der Kreisstruktur (44) und einer Verlagerung der Markierung (46,48) erfasst wird; und dass das Bild (40) des Patientenauges an einer Visualisierungsanzeige (34) zu der erfassten Verlagerung des Patientenauges gegenläufig verlagert wird.
Computerprogramm für eine Rechnereinheit (5) in einem Augenchirurgiesystem (1) zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 23 oder Anspruch 24.