DE69806625T2 - Vorrichtung zum beleuchten von mustern - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Ausführen ophthalmischer Behandlungen an einem Patientenauge.
• Eine Art von Vorrichtungen, die zur Ausführung einer ophthalmischen Behandlung an einem Patientenauge verwendet wird, ist ein Keratoskop, das Abbilder eines Patientenauges erzeugt. Im Gebrauch eines Keratoskops wird der Patient so positioniert, daß er in die Vorrichtung schaut, die dann genau in Bezug auf das Patientenauge längs einer Z-Achse (die als eine Linie definiert ist, die im wesentlichen aus der Mitte der Pupille in die Vorrichtung verläuft) und in senkrechten X- und Y-Achsen (die sich zur Seite und nach oben und unten in Bezug auf die Z- Achse erstrecken) positioniert werden muß. Ein Keratoskop projiziert beleuchtete konzentrische Ringe auf die Hornhaut, und das Erscheinen der Ringe in einem Abbild des Auges längs der Z- Achse wird zur Bestimmung der Topographie des Patientenauges benutzt. Sobald sie bestimmt ist, kann diese Information dazu verwendet werden, Kontaktlinsen korrekt am Patienten anzubringen, kann für die Hornhauttransplantationschirurgie, die Krankheitsermittlung und für mehrere andere medizinische Zwecke verwendet werden.
Übersicht über die Erfindung
• Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Beleuchten eines Teils eines Patientenauges, die in einem Gehäuse eine Lichtquelle und ein wenigstens teilweise lichtdurchlässiges Element enthält. Das Gehäuse hat eine im wesentlichen sanft gebogene Gestalt, eine innere Lichtstreufläche und eine Öffnung. Die Lichtquelle erzeugt Licht auf einem Teil der Lichtstreufläche innerhalb des Gehäuses, um die Lichtstreuquelle durch Streuung des Lichts zu beleuchten. Das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element ist innerhalb des Gehäuses so angeordnet, daß gestreutes Licht durch es selbst und durch die Öffnung hindurchgeht. Ein Muster aus lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Abschnitten des Elements kann sich vom Gehäuse erstrecken und kann Licht veranlassen, längs der Längserstreckung einer Seitenwand des Elements zur Beleuchtung zu laufen.
• Die vorliegende Erfindung gibt auch eine ophthalmische Vorrichtung an, die Instrumente zur Ausführung einer ophthalmischen Behandlung am Patientenauge und ein Gehäuse enthält, das eine im wesentlichen sanft gebogene Gestalt mit einer inneren Lichtstreufläche aufweist. Eine Öffnung ist nahe einem Patientenauge angeordnet, wenn der Patient auf die Instrumente aus gerichtet ist. Eine Lichtquelle liefert Licht zu einem Abschnitt der Lichtstreufläche innerhalb des Gehäuses, um die Lichtstreufläche zu beleuchten. Ein Element, das wenigstens teilweise lichtdurchlässig ist, ist innerhalb des Gehäuses so angeordnet, daß gestreutes Licht durch es und die Öffnung hindurchgeht.
• Ausführungsformen der Erfindung haben eine oder mehrere der folgenden Vorteile. Die ophthalmischen Instrumente werden automatisch und genau auf das Patientenauge längs der X-, Y- und Z-Achsen mit verminderter Notwendigkeit der Bedienung durch ausgebildetes Personal ausgerichtet. Die Abbilder werden für den einzelnen Patienten besser wiederholbar und für den Patienten von Prüfung zu Prüfung reproduzierbarer, da Fehler Dritter merklich vermindert sind. Die Abbilder werden in Echtzeit erzeugt, was zu weniger zeitaufwendigen Prüfungen und zu mehr Komfort für den Patienten führt. Die Vorrichtung ermöglicht es, daß sich der Patient selbst auf das Instrument für seine Bedürfnisse aufrichtet. Die Beleuchtungsvorrichtung liefert auch die Vorteile geringer Energie und Verteilung von Licht in gleichmäßiger Weise zur Erzeugung eines beleuchtenden Musters. Die Vorrichtung hat weiterhin auch Kostenvorteile durch die Beseitigung gewisser Merkmale.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine Darstellung einer ophthalmischen Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in Verwendung durch einen Patienten.
• Fig. 1A ist ein Diagramm von Komponenten eines optischen Kopfes der Vorrichtung von Fig. 1.
• Fig. 2 ist eine schematische vertikale Schnittansicht von Musterbeleuchtungskomponenten der Vorrichtung von Fig. 1.
• Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Endes eines Gehäuses der Musterbeleuchtungskomponenten von Fig. 2.
• Fig. 4A ist ein Diagramm, das das Fixierungs- und Ausrichtsystem der Vorrichtung von Fig. 1 zeigt.
• Fig. 4B bis 4E zeigen, was von einem Patienten während der Selbstausrichtung auf eine Positionierachse der Vorrichtung nach Fig. 1 gesehen wird.
• Fig. 5 ist ein Flußdiagramm des X-Y-Vollbild-Puffersteuersystems.
• Fig. 6 ist ein Flußdiagramm des Z-Achse-Steuersystems.
• Fig. 7 zeigt einen interessierenden Pixelbereich, der für die X-Y-Ausrichtung verwendet wird.
• Fig. 8 ist ein Erfassungsflußdiagramm mit den X-, Y- und Z-Achsenbedingungen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• In Fig. 1 ist ein automatisch ausrichtendes Keratoskop 10 in Verwendung durch einen Patienten 14 gezeigt. Das System enthält einen optischen Kopf 12, der auf einer Basis 13 zur automatischen Bewegung längs der Z-Achse 11 in Bezug auf das Auge 18 des Patienten 14 montiert ist. Eine Kinnstüzte 15 dient dazu, den Kopf des Patienten in Bezug auf die Basis 13 zu fixieren. Der optische Kopf 12 projiziert konzentrische Lichtringe 19 auf das Patientenauge und enthält eine Optik und eine Kamera (in Fig. 1 nicht dargestellt), um elektronische Abbilder des Auges zu erzeugen. Der optische Kopf 12 enthält auch eine innere Schaltungskarte 17, die eine Schaltung trägt, die den optischen Kopf 12 steuert, ermittelt, wann der optische Kopf 12 auf das Auge des Patienten ausgerichtet ist und dann ein Abbild des Auges aufnimmt und es zum Rechner 16 sendet.
• Fig. 1A zeigt die innere Komponenten des optischen Kopfes 12. Sie umfassen ein eiförmiges Gehäuse 20 (das dicht am Patientenauge 18 angeordnet ist und dazu verwendet wird. Lichtringe auf das Auge zu projizieren und die Position längs der Z-Achse zu erfassen), ein X-Y-Ausrichtsystem 200 (das den Patienten veranlaßt, das Auge 18 in Bezug auf die X- und Y-Achsen auszurichten) und einen ladungsgekoppelten (CCD-) Detektor 60 (der dazu verwendet wird, ein Abbild des Auges aufzunehmen und auch zusammen mit der Schaltung 17 zu bestimmen, wann der optische Kopf 12 und das Auge 18 in den X-, Y- und Z-Achsen richtig ausgerichtet sind). Die Funktionsabläufe der zahlreichen Komponenten werden ihrerseits erläutert, bevor der Gesamtbetrieb der Vorrichtung zum automatischen Veranlassen, daß ein Patient sich ausrichtet und ein Bild aufnimmt, erläutert wird.
Musterbeleuchtung
• Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nun die Verwendung des eiförmigen Gehäuses 20 zur Projektion konzentrischer Lichtringe auf das Patientenauge beschrieben. Das Gehäuse 20 enthält einen lichtdurchlässigen Kunststoffzylinder 26, der an seiner inneren Oberfläche einen photographischen Film 27 trägt, der lichtundurchlässige und lichtdurchlässige Ringe hat, wie im US- Patent Nr. 5 412 441 beschrieben. Innerhalb des Gehäuses 20 erzeugtes Licht durchläuft die lichtdurchlässigen Ringe am Zylinder 26, die so dimensioniert sind, daß eine Projektion konzentrischer Ringe auf das Auge bewirkt wird, wie es einschlägig bekannt und in den US-Patenten Nr. 4 772 115, 5 018 850 und 5 412 441 beschrieben ist. Entsprechende Ringe auf dem Film und projizierte Ringe auf dem Auge sind in Fig. 2 mit R&sub0;, R&sub1; und R&sub2; bezeichnet. Das Ende des Zylinders 26 ist mit einer lichtdurchlässigen Scheibe 45 verschlossen, die ebenfalls einen Film 27 mit lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Ringen hat, die beleuchtet werden, um die Ringe im Mittenabschnitt des auf das Auge 18 projizierten Ringmusters zu ergeben, wie unten in größerem Detail beschrieben wird. Die Scheibe 45 hat auch ein Loch 28, durch das das Patientenauge 18 vom CCD-Detektor 60 gesehen wird. Ein Rohr 50 erstreckt sich hinter dem Zylinder 26 zur hinteren Oberfläche des Gehäuses 20 und dient der Montage und Ausrichtung des Gehäuses 20 in Bezug auf die optischen Komponenten.
• Das Gehäuse 20 besteht aus zwei Teilen aus spritzgeformtem Kunststoff (z. B. ABS), die miteinander an einer vertikalen Naht in der Nähe von acht LEDs 32 verbunden sind, die in gleichmäßigen Abständen um den Umfang des Gehäuses 20 an der für eine LED in Fig. 2 gezeigten Position verteilt sind. LEDs passen vorteilhafterweise in Farbe, Intensität und physikalischer Form, sind zuverlässig und verlangen wenig Leistung. Sie haben jedoch eine geringe Leistungsabgabe und erzeugen Licht ungleichmäßiger Helligkeit. Die innere Oberfläche des Gehäuses 20 und die Außenfläche des Rohrs 50 haben Lichtstreueigenschaften, um Licht von den LEDs zu streuen, um das Licht gleichförmig und wirksam zu verteilen, bevor es durch den Zylinder 26 läuft, wodurch Bereiche hoher Intensität in den auf das Auge projizierten Ringen vermieden werden. Diese Oberflächen haben hohe Lichtstreueigenschaften mit nahezu keiner Lichtabsorption und können beispielsweise durch eine weiße, pulverförmige Substanz, wie beispielsweise Bariumsulfat, gebildet sein. Licht 39 von LEDs 32 trifft auf die innere Oberfläche 34 des Gehäuses 20 und streut in zahlreichen Richtungen bei jedem Auftreffen 38 auf die Oberfläche 34. Theoretisch wird jeder Punkt der Oberfläche 34 von Licht einer Lichtquelle 32 nach zahlreichen Reflexionen beleuchtet. Das Licht wird daher eingefangen und verläßt das Gehäuse 20 nur durch den Zylinder 26, was die Wirksamkeit der Verwendung des von den LEDs 32 erzeugten Lichts begünstigt.
• Die LEDs 32 sind hinter das Gehäuse 37 gerichtet, so daß das Licht nicht direkt durch den Zylinder 26 laufen kann, sondern zunächst durch die inneren Lichtstreuflächen gestreut werden muß. LEDs haben typischerweise eine Komponente, die mit etwa 90º seitwärts gerichtet ist, und ein innerer Ring aus weißem, lichtdurchlässigem Kunststoff 36 (z. B. aus Mylar) dient dazu, dieses Licht zu streuen und es daran zu hindern, direkt in den Zylinder 26 zu fallen, um Bereiche hoher Intensität in den auf das Auge 18 projizierten Ringen zu vermeiden.
• Der Großteil des Lichts, das zur Erzeugung von Ringen verwendet wird, läuft durch die Wand des Zylinders 26 innerhalb des Gehäuses 20. Außerdem wird Licht, das auf die Oberfläche 37 hinten am Zylinder 26 auftrifft, an der Winkelfläche 40 reflektiert und gelangt durch die Scheibe 35, um das Ringmuster für die zentralen Ringe zu beleuchten, die auf dem Film auf der Vorderseite der Scheibe 35 angeordnet sind. Das Licht, das auf die Hinterseite 41 (Fig. 2) außerhalb des Rohrs 50 fällt, wird ebenfalls durch innere Gesamtreflexion (in den Fig. 2 und 3 mit 43 bezeichnet) innerhalb der Seitenwand des Zylinders 26 zu einer Winkelfläche am Endabschnitt 47 (Fig. 3) des Zylinders 26 übertragen, wo das Licht reflektiert wird, um Ringe am Zylinder 26 außerhalb des Gehäuses 20 zu beleuchten. Ringe befinden sich am Endabschnitt 47, der sich vom Gehäuse 20 erstreckt, um einen Zwischenraum für das Gesicht des Patienten zu schaffen. Das Gehäuse 20 ist elliptisch (abweichend von einer für die Lichstreufläche ideal sphärischen Gestalt), mit kleinerer Abmessung nahe der Vorderseite, um ebenfalls für das Gesicht eines Patienten Platz zu schaffen.
• Eine Kombination verschiedener Lichtwellenlängen kann für die LEDs verwendet werden, um eine Vielzahl von Effekten hervorzubringen.
Z-Achsenpositionserfassung
• Bezug nehmend nun auf die Fig. 1A und 3 werden nun die Komponenten beschrieben, die dazu verwendet werden, die Position des optischen Kopfes 12 in Bezug auf das Auge 18 längs der Z- Achse 11 zu erfassen. Licht vom Emitter 112 (der von der in Fig. 1 gezeigten Schaltungskarte 17 getragen wird) wird durch eine optische Faser 113 von 1 mm Durchmesser übertragen, die an einer Gradientenindexlinse 114 endet. Die Linse 114 ist auf einem Prisma 106 montiert, das das Licht umrichtet und einen Lichtstrahl 110 von 1 mm senkrecht zur Z-Achse 11 an der Vorderseite des optischen Kopfes 12 umrichtet. Der Lichtstrahl 110 wird auf der gegenüberliegenden Seite der Z-Achse 11 von einem zweiten Prisma 106b empfangen, das das Licht um 90º zu einer linearen Faseroptikgruppe 102 umrichtet. Licht vom anderen Ende der Faseroptikgruppe 102 wird durch eine Abbildungsliste 104 auf spezielle horizontale Zeilen von Sensorelement des CCD-Detektors 60 gerichtet (insbesondere die fünften Zeilen von jedem der ungeraden und geraden Halbbilder, wie unten beschrieben). Die lineare Faseroptikgruppe 102 erstreckt sich vorzugsweise 3 mm und enthält 70 Mikrofasern. Der Strahl 110 ist vorzugsweise 1 mm breit und wird auf einen zentralen Abschnitt der linearen 3 mm-Gruppe aus den 70 Mikrofasern gerichtet. Wenn das Auge und der optische Kopf längs der Z-Achse 11 näher zueinander bewegt werden, beginnen Teile des auf die Fasern gerichteten Strahls am einen Ende der Gruppe, blockiert zu werden, und die lineare Gruppe aus Fasern wird somit ein Richtmaß, das die Position des Auges längs der Z-Achse mißt. Die Prismen 10a und 106b sind optisch aufeinander durch "Fenster" im Film 27 des Ringsmusters ausgerichtet, damit der Emitter 112 und der Empfänger 116 einander sehen. Dieses verwendet die Genauigkeit und Wiederholbarkeit, die dem photographischen Verfahren innewohnen, das zur Erzeugung des Ringsmusters beim Ausrichten der Prismen 106a und 106b verwendet wird.
• Die Montage des LED-Emitters 112 auf der Schaltungskarte 17 und die Abgabe von Licht in den Bereich, der von dem Faseroptikleiter 113 und dem Prisma 106a zu erfassen ist, spart Platz am Ende des optischen Kopfes nahe dem Patienten und hält den Emitter fern vom Patienten. Am Empfangsende geben die Fasern 102 und das Prisma 106b die erfaßten Lichtsignale von Interesse an den CCD-Detektor 60 ab und sparen in gleicherweise Platz im interessierenden Bereich nahe dem Patienten. Das andere Ende dieser Gruppe 102 wird direkt auf den CCD-Detektor 60 abgebildet, der zur Bilderfassung in einem Bereich des CCD 60 verwendet wird, der nicht für das Ringmusterabbild verwendet wird. Der optische Kopf 12 kann somit die Bilddaten analysieren, um zu ermitteln, ob eine ordnungsgemäße Ausrichtung in der Z-Achse vorliegt. Die Verwendung des CCD 60 zur Erfassung der Z-Position beseitigt die Notwendigkeit eines zusätzlichen Sensors und erzeugt ein wirkliches Abbild der Z-Position im Abbild des Auges, das aufgenommen und zum Rechner 16 der Vorrichtung übertragen wird.
• Der Strahl aus Infrarotlicht 110 durch den Zylinder 26 ist so angeordnet, daß der mittlere Abschnitt des Strahls 110 in einen vorbestimmten Bereich der linearen Faseroptikgruppe 102 auf der entgegengesetzten Seite des Zylinders 26 fokussiert wird. Der Mittelpunkt dieses Bereiches wird so angeordnet, daß er sich in der Mitte des Z-Achsenbereiches befindet, die als Kalibrierpunkt der Vorrichtung 12 vorgegeben ist, wo es akzeptabel ist, ein Bild von dem Patienten zu erfassen.
X-Y-Ausrichtung
• Unter Bezugnahme auf die Fig. 1A und 4A bis E werden nun die Komponenten des optischen Ausrichtsystems 200 erläutert, die dazu dienen, den Patienten zu veranlassen, das Auge 18 in den X- und Y-Achsen selbst auszurichten. Gemäß Fig. 1A enthält das optische Ausrichtsystem 200 eine Punktlichtquelle 32, die Licht durch eine Blende 210 richtet, das von einem Strahlteiler 72 aufgenommen werden kann. Das Licht läuft durch Linsen 213 längs der Z-Achse 11 und wird auf das Patientenauge 18 projiziert. Das optische Ausrichtsystem 200 enthält auch ein Ziel 212. Das in Fig. 4A gezeigte optische Diagramm enthält nicht den Strahlteiler 72, sondern zeigt die konvergierende Natur des verwendeten Festlegungsstrahls und sein Verhältnis zur Pupille. Gemäß Fig. 4A wird das Licht durch die Linse 213 fokussiert, um einen konvergenten Strahl auf der Hornhaut des Auges 214 zu erzeugen. Das Auge fokussiert den Strahl bei 222, um ein Ab bild 218 des Blendenlochs irgendwo zwischen der Linse 222 und der Netzhaut 220 des Auges 18 zu erzeugen, wobei der Ort von dem individuellen Sehvermögen der Person abhängt. Dieses erzeugt ein defokussiertes Abbild 216 der Blende auf der Netzhaut 220. Dieses erscheint dem Patienten als großer Lichtfleck, da die Linsenöffnung wirklich auf der Netzhaut 220 abgebildet wird.
• Die Größe des Blendenabbilds 216, das auf der Netzhaut 220 erzeugt wird, ist durch die Größe des Nadellochs 210 bestimmt, das in dem System 200 verwendet wird. Die Nadellochgröße wird durch einen Mittelwert des Pupillendurchmessers des Patienten für jedes Beleuchtungssystem bestimmt. In dem geschlossenen optischen System der vorliegenden Erfindung, bei dem die Beleuchtungscharakteristik gesteuert wird, ist sie so bestimmt, daß die durchschnittliche Pupillengröße etwa 3 mm ist. Für jedes gegebene geschlossene System kann jedoch die gewünschte Pupillengröße durch Test bestimmt werden, und die Nadellochgröße kann für jenes System eingestellt werden.
• Die Fig. 4B bis 4E zeigen, was von einem Patienten gesehen wird, der in den optischen Kopf 12 hineinschaut. Der Patient sieht das Ringmuster 250 (erzeugt von den Ringen auf der Scheibe 45) und einen hellen Lichtfleck 252, der von der Quelle 32 und dem Nadelloch 210 erzeugt wird. Diese Figuren zeigen die Wirkung der Bewegung des Patientenauges auf den Lichtfleck 252. Wenn sich die Pupille des Patienten leicht aus der Achse 11 bewegt, beginnt der Rand der Pupille, in den Strahl zu schneiden, wodurch ein Schatten 256 auf dem Lichtfleck 252 hervorgerufen wird, der auf die Netzhaut 220 fällt. Der Schatten 252 bewegt sich in der gleichen Richtung, wie der Patient. Wenn sich beispielsweise der Patient nach unten bewegt, beginnt sich die Oberseite des Lichtflecks 252 zu verschatten. Dieser Schatten 256 nimmt zu, wenn der Patient weiter seine Pupille in einer gegebenen Richtung bewegt, bis das Nadellochbild 218 schließlich verschwindet, weil es vollständig durch den Rand der Iris blockiert ist. Wie in den Zeichnungen gezeigt, erscheint dieser Schatten in jeder Richtung, in der sich der Patient bewegt. Die Fig. 4B bis 4D zeigen die Patientenbewegung, die nach oben, nach links und nach rechts bezüglich der Achse 11 verläuft. Fig. 4E zeigt eine Pupille, die auf die Achse 11 ausgerichtet ist.
• Um dem Patienten zu helfen, das Auge 214 richtig auf die Achse 11 ausgerichtet zu halten, ist dem System 200 das Ziel 212 hinzugefügt, um dem Patienten einen Fixpunkt zu bieten. Das Ziel 212 ist vorzugsweise auf der Oberfläche der Linse 213 angeordnet oder innerhalb der Brennweite der Linse 213, die sich in Fokus mit der Netzhaut 220 befindet. Das Ziel 212 kann nicht am Nadelloch 210 angeordnet werden, da sich dieses außerhalb des Fokus mit der Netzhaut 220 befindet. Das Ziel 212 bleibt unbewegt, wenn sich der Patient bewegt, und der Lichtfleck 252 verhält sich, als ob kein Ziel vorhanden wäre. Im wesentlichen dient das Ziel 212 als Richtobjekt für den Patienten. Der Patient versucht, das Ziel anzuvisieren, so wie ein Kreuz in der Mitte einer Zielscheibe, die von den Ringen 250 gebildet wird. Dieses ermöglicht es Patienten mit unterschiedlichsten Sehfähigkeiten, ein Objekt im System erfolgreich zu fixieren und sich daher mit der Lichtachse auszurichten. Weiterhin arbeitet dieses Visierverfahren über einen Sehrschärfebereich von +16 bis -16. Kurzsichtige Patienten fokussieren ein Ziel 212, das näher am Auge 214 liegt, während weitsichtige Patienten das Nadelloch 210 anvisieren, das eine sehr viel weitere Entfernung darstellt.
• Aus Sicht des Detektors 60 zeigt das Abbild des Fixierlichts im Auge 214 keinen Nachweis des Ziels 212 oder einen großen Lichtfleck 252. Das auf der Hornhaut erzeugte Abbild ist von vergleichbarer Größe wie bei ophthalmischen Systemen, die einen parallelgerichteten Fixierstrahl verwenden. Dieses tritt auf, weil der Lichtstrahl vorzugsweise nur leicht konvergent ist und daher parallelgerichteten Strahlen ähnlich ist, so daß er eine Bildgröße erzeugt, die nahezu identisch parallelgerichteten Systemen ist. Das Ziel 212 wird nicht irgendwo im Gesamtsystem, ausgenommen die Netzhaut 220 des Patienten, abgebildet.
• Der Fixierungsstrahl 203 wird von der Vorderseite der Hornhaut des Patienten reflektiert und erscheint als ein Punkt hoher Intensität in dem von dem CCD 60 gesehenen Abbild. Dieser Punkt erscheint innerhalb eines zentralen Bereiches des Abbildes, wenn das Auge in den X- und Y-Achsen richtig ausgerichtet ist. Der optische Kopf 12 kann somit die Bilddaten analysieren, um zu ermitteln, ob eine ordnungsgemäße Ausrichtung in den X- und Y-Achsen vorliegt.
Schaltung des optischen Kopfes
• Fig. 8 zeigt die X-Y-Z-Erfassungsschaltung 800, die dazu dient. Pixeldaten zu analysieren, die vom CCD-Detektor 60 empfangen werden, um zu ermitteln, ob der Z-Zustand und die X-Y-Zustände eingehalten worden sind. Der CCD-Detektor 60 erzeugt Abbilder des Auges mit einer Rate von 30 Bildrahmen pro Sekunde. Die Abbilder vom CCD-Detektor 60 enthalten auch eine kleine Anzahl horizontaler Zeilen mit Licht, das von der optischen Gruppe 102 projiziert wird und die Z-Position angibt. Die Abbilder enthalten auch eine Reflexion des Fixierstrahls von der Vorderseite der Hornhaut zur Verwendung bei der Bestimmung der X-Y-Ausrichtung.
• Die Pixeldaten werden seriell zur Schaltungskarte 17 gesandt, auf der Karte 17 digitalisiert und im Vollbildpuffer 205 gespeichert (Fig. 1). Jedes neue Vollbild, das von dem CCD-Detektor 60 geliefert wird, ersetzt das vorangehende Vollbild im Vollbildpuffer. Der CCD-Detektor 60 sendet die Abbilder in Halbbildern aus ungeradzahligen und geradzahligen Zeilen jeweils zeilenweise. Die digitalisierten Daten werden als ach parallele Bits über den Bus 814 angeboten. Die Erfas sungsflußschaltung 800 empfängt auch ein Horizontal-Synchronsignal 810, das eine neue horizontale Zeile Pixeldaten anzeigt, und ein Vertikal-Sychronsignal 812, das ein neues Halbbild anzeigt, und einen Pixeltakt 816. Ein Zeilenzähler 18 zählt H-Synchronimpulse und gibt ein Freigabesignal an der fünften Zeile aus, so daß ein Komparator 826 den Intensitätswert (0-255) für alle Pixel in der fünften Zeile der ungeradzahligen und geradzahligen Halbbilder mit einem Schwellenwert von 224 vergleicht. Ein Zähler 828 zählt das Auftreten von Werten in der fünften Zeile über dem Schwellenwert. Ein Zeilenzähler 820 zählt H-Synchronimpulse und gibt ein Freigabesignal von der Zeile 112 bis zur Zeile 127 zu einer UND-Schaltung 832 aus. Ein Pixelzähler 822 zählt Pixeltaktimpulse und gibt ein Freigabesignal an die UND-Schaltung 832 vom Pixel 336 bis zum Pixel 383 in jeder horizontalen Zeile aus. Die Ausgabe der Schaltung 832 ermöglicht es einem Komparator 834, die Intensitätswerte für die Pixel 336 bis 338 in den Zeilen 112 bis 127 mit einem Schwellenwert von 192 zu vergleichen. Ein Zähler 836 zählt das Auftreten von Werten in der fünften Zeile über dem Schwellenwert. Die Zeilenzähler 818 und 820 werden durch den V-Synchronimpuls 812 gelöscht, und der Pixelzähler 822 wird durch den H-Synchronimpuls 810 gelöscht.
Systembetrieb
• Nach dem Einschalten der Stromversorgung für das System sendet der Wirtsrechner 16 einen Befehl zum optischen Kopf 12, der signalisiert, daß das System zur Aufnahme eines Bildes bereit ist. Der Patient 14 setzt sein Gesicht auf die Kinnstütze 15, und die Vorrichtung erfaßt die Position des Patienten über einen Infrarot-Annäherungssensor (nicht dargestellt), der vorzugsweise das Gesicht des Patienten sieht, wenn es etwa 20 mm vor dem optischen Kopf 12 steht. Die Ringbeleuchtungs-LEDs 32, das Fixierlicht 232 und der Emitter 112 werden eingeschaltet. Nach einer kurzen Verzögerung von vorzugsweise einer Sekunde beginnt der Z-Achsen-Motor 185, den optischen Kopf 12 gegenüber der Basis 13 in Richtung auf den Patienten zu bewegen. Der Patient versucht, das Kreuzziel 212 etwa in der Mittel des Zielflecks zu halten, der durch die Ringe gebildet ist.
• Während sich der optische Kopf 12 in Richtung auf den Patienten bewegt und der Patient automatisch das Auge bewegt, um die Position des Ziels relativ zum Muster in der X-Y-Position zu halten, erzeugt der CCD-Detektor 60 Abbilder des Auges mit einer Rate von 30 Vollbildern pro Sekunde und überträgt das Abbild in einen Vollbildpuffer. Die Abbilder können auch eine kleine Anzahl horizontaler Zeilen mit Licht enthalten, das von der optischen Gruppe 102 projiziert wird und die Z-Position anzeigt, und eine Reflexion des Fixierstrahls 203 von der Vorderseite der Hornhaut. Wenn die Bilddaten zum Vollbildpuffer 205 übertragen werden, dann werden sie auch analysiert, um die X-, Y- und Z-Position zu erfassen, wie unten detaillierter unter Bezug nähme auf die Fig. 5 bis 8 beschrieben wird. Sobald die Z-Position ermittelt ist, wird der Z-Achsen-Motor 185 angewiesen, anzuhalten. Das Steuersystem prüft den Vollbildpufferzustand auf den interessierenden Zustand des X-Y-Bereichs im ersten Teilbild des Videosignals. Sobald die X- und Y-Bedingungen im ersten Halbbild des Videosignals erfüllt sind, prüft die Vorrichtung erneut die X-, Y- und Z-Bedingungen im zweiten Videovollbild. Wenn die Bedingungen erfüllt sind, beendet die Vorrichtung die Digitalisierung des Analogsignals vom CCD-Detektor 60, und die Vollbildpuffersteuerung wird angewiesen, das analysierte Vollbild einzufrieren und zum Wirtsrechner 16 zu übertragen. Die Vorrichtungslichter werden dann ausgeschaltet, und der Z- Achsen-Motor 185 führt den optischen Kopfabschnitt auf die Anfangsposition zurück. Die Vorrichtung wartet dann, daß der Wirtsrechner einen neuen Befehl zum Neustart des Zyklus sendet.
• In Fig. 5 ist das Vollbildpuffersteuersystem für die X-Y-Firmware 500 gezeigt. Das Befehlssignal wird zunächst vom Wirtsrechner empfangen (Schritt 502), und sobald die Signale empfangen sind, wird der Annäherungssensor eingeschaltet (Schritt 504). Als nächstes werden das Fixierlicht 232 und die LEDs 32 eingeschaltet (Schritt 506). Das Videosignal wird von der CCD-Kamera empfangen (Schritt 508) und auf die X-Y-Bedingungen analysiert, wie in größerem Detail unten in Verbindung mit den Fig. 7 und 8 beschrieben wird. Das Ende des ersten Halbbildes des Videovollbildes wird durch das Vertikal-Synchronsignal identifiziert und speichert, während das zweite Halbbild des Videovollbildes empfangen wird (Schritte 510 und 512); wenn ein "Aufnahmesignal" (das die X-Y-Z-Ausrichtung angibt) nicht empfangen wird, bevor das Vertikal- Synchronsignal das Ende des zweiten Halbbildes anzeigt, kehrt die Vorrichtung zum Schritt S08 zurück und empfängt das nächste Vollbild. Sobald das Aufnahmesignal empfangen wird, wird der Analog/Digital-Wandlerprozeß beendet (Schritt 514), und das aufgenommene Abbild wird zum Wirtsrechner gesandt (Schritt 516). Die Lichter der Vorrichtung werden dann abgeschaltet (Schritt 518), wodurch es der Vorrichtung ermöglicht wird, den Zyklus neu zu starten.
• In Fig. 6 ist der Steueralgorithmus 600 für den Z-Motor gezeigt. Sobald die Maschine eingeschaltet worden ist und die Bedingungen des Patientenannäherungssensor erfüllt worden sind, beginnt der optische Kopf 12 den Zyklus an seiner Anfangsposition (Schritt 602). Nach dem Einschalten des Fixierstrahls und der LEDs (Schritt 604) bewegt sich der optische Kopfabschnitt in Richtung auf den Patienten (Schritt 606). Die Bewegung des optischen Kopfabschnitts wird beendet, wenn der Grenzschalter (der anzeigt, daß der optische Kopf sich dem Gesicht des Patienten zu weit angenähert hat) schaltet oder die Z-Bedingung erfüllt ist (Schritt 608). Sobald die Z-Bedingung erfüllt ist, hält der Z-Achsen-Motor 185 seine Bewegung an (Schritt 610). Das Motorsteuersystem 600 prüft dann das Steuersystem für den X-Y-Vollbildpuffer von Fig. 5 (Schritt 612), um den Status der Videohalbbilder zu bestimmen. Im Schritt 614 wird ein Zustand geprüft, um einen Schutz dagegen zu bieten, daß ein unerwünschtes Bild getestet wird, beispielsweise wenn ein Patient blinzelt. Wenn der Test ergibt, daß der Patient geblinzelt hat oder daß das Licht von einem Abbild stammt, das nicht die zu prüfende Oberfläche ist, dann wiederholt das System automatisch die Einstellung durch Rückkehr zum Schritt 606. Sobald die X-Y- Z-Bedingung erfüllt ist, wird die Übertragung aufgenommen und der Zyklus neu gestartet.
• Die Z-Bedingung und X-Y-Bedingungen werden nun im Detail erläutert. Wenn der Patient die Pupille des Auges 18 auf die Mitte des Ringmusters ausgerichtet hält, bewegt sich der optische Kopf 103 längs der Z-Achse in Richtung auf den Patienten. Wenn das Instrument beginnt, sich der richtigen Z-Position anzunähern, um das Bild aufzunehmen, beginnt der Scheitel der Hornhaut des Patienten, sich zu verdunkeln oder das Infrarotsignal 110 dagegen zu sperren, daß es dem Empfänger 116 (Fig. 3) erreicht und auf den fünften Zeilen der ungeradzahligen und geradzahligen Halbbilder der Detektorelemente des CCD-Detektors 60 abgebildet wird. In den digitalen Intensitätswerten von acht Bit für jedes Pixel stellt 0 schwarz und 255 hellweiß dar. Wenn das Auge den Lichtweg zu den optischen Fasern blockiert, gehen die Pixelintensitätswerte in der Zeile im Detektor von einem hohen Wert zu einem niedrigen Wert über. Der Z-Positionsbereich ist für die Firmware und die Hardware als vier der Empfangsfasern zu beiden Seiten der Kalibrierposition definiert. D. h., die Vorrichtung 12 nimmt ein Abbild auf, das sich in der Nullposition, dem Kalibrierpunkt oder 280 um vor oder hinter dieser Position befindet. Ein Schwellenwert von 224 wird im Komparator 826 verwendet, um zu ermitteln, ob eine Faser durch das Patientenauge blockiert war, oder nicht, weil kein anderes Videosignal im interessierenden Bereich diesen Wert überschreitet und daher jedes Signal oberhalb dieses Pegels eine nicht blockierte Faser in der Faseroptikgruppe darstellt. Außerdem ist auch bekannt, welche Fasern in der Gruppe (uns somit welche Pixel in Zeile 5) sich in einem zulässigen Z-Positionsbereich befindet, wie zum Zeitpunkt der Kalibrierung des Instruments definiert. Diese Information wird dazu verwendet, der Firmware mitzuteilen, welche Pixel oberhalb des Schwellenwertes gezählt werden sollten, um die richtige Z-Position zu finden. Diese Analyse wird während der Digitalisierung des ersten Videohalbbildes ausgeführt. Da gewählt worden ist, die fünfte Zeile, in einem Videohalbbild gezählt, zu verwenden, wird es irrelevant, welches Halbbild das System zu Anfang wählt, um nach den Z-Bedingungen zu schauen. Das erste Halbbild, das die Z-Positionskriterien erfüllt, wird als das "erste" Halbbild bezeichnet. Wenn dieser Zustand im ersten Halbbild erfüllt ist, weil die Firmware den Z-Achsen-Motor an, anzuhalten.
• In Fig. 7 ist der interessierende Pixelbereich im Halbbild 700 der Videopixel gezeigt. Obgleich nur das erste Halbbild in Fig. 7 dargestellt ist, werden der gleiche interessierende Bereich und die gleiche Verfahrensweise im zweiten Halbbild verwendet. Nach der Ermittlung, daß die Z- Positionsbedingung erfüllt worden ist, wird der interessierende X- und Y-Bereich in gleicher Weise wie die Z-Position innerhalb des ersten Videohalbbildes geprüft. Der interessierende Bereich der X-Y-Position ist als das Rechteck 710 in der Mitte des digitalisierten Video im Puffer definiert, mit den Grenzen der horizontalen Zeile Nummer 112 und der horizontalen Zeile Nummer 127. Die vertikalen Ränder des Rechtecks 710 beginnen bei Pixel Nummer 336 längs der horizontalen Zeilen und enden an der Pixel Nummer 383 längs der horizontalen Zeilen. Der vom Komparator 338 verwendete Intensitätsschwellenwert ist auf 192 eingestellt, und die Firmware schaut nach größer als 3 Pixel aber weniger als 16 Pixel über den Schwellenwert. Dieser Bereich wurde bestimmt, weil die Reflexion des Fixierlichtsignals stets wenigstens 3 aber nicht mehr als 16 Pixel über 192 aufweist. Wenn somit mehr als 16 Pixel oberhalb dieses Pegels vorhanden sind, dann ist es ein Signal von einer anderen Lichtquelle, wie beispielsweise eines Abbildes, wenn ein Patient blinzelt. Die Pixelzählerfirmware prüft, daß die X-Y-Z-Bedingungen im ersten Halbbild erfüllt sind, und wiederholt dann die Prüfung im zweiten Videohalbbild.
• Andere Ausführungsformen der Erfindung liegen innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche. Das bedeutet, dieses Verfahren zur Analyse des Video in Echtzeit in extrem flexibel und kann dazu verwendet werden, jede gewünschte Bedingung zur Aufnahme eines Bildes und zum Steuern anderer Vorrichtungen zu definieren, wie beispielsweise Bewegungssteuerungen, Lichtbedingungen usw.. Das Beleuchtungsverfahren ist nicht speziell auf Hornhaut-Topographievorrichtungen eingerichtet und könnte auch bei jeder Vorrichtung verwendet werden, die eine gleichmäßige Beleuchtung einer Oberfläche erfordert. Außerdem können unterschiedliche Lichtfarben und andere Anzahlen von Lichtquellen verwendet werden, je nach spezieller Art der beabsichtigten Anwendungen.
• Dieses System einer Patientenausrichtung ist auf jedes ophthalmisches Instrument anwendbar, bei dem es erwünscht ist, daß sich ein Patient selbst ausrichtet.
• Die Gestalt des Gehäuses 20 kann von der beschriebenen Eiform abweichen, so lang sie sanft gebogene Oberflächen hat. Das bedeutet, der hintere Abschnitt könnte einer Kugelfläche eng angenähert sein.

Claims (16)

1. Vorrichtung zum Beleuchten eines Abschnitts des Körpers eines Patienten, die umfasst:

ein Gehäuse, das eine im Allgemeinen gleichmäßig gekrümmte Form, eine innere lichtstreuende Fläche und eine Öffnung aufweist,

eine Lichtquelle, die Licht auf einen Abschnitt der lichtstreuenden Fläche in dem Gehäuse richtet, um die lichtstreuende Fläche über Streuung des Lichts an der Fläche zu beleuchten, und

ein wenigstens teilweise lichtdurchlässiges Element, das in dem Gehäuse so angeordnet ist, dass gestreutes Licht durch selbiges und durch die Öffnung hindurchtritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element eine Struktur aus lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Abschnitten aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abschnitt das Auge eines Patienten ist und die lichtstreuende Fläche eiförmig ist, wobei der Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und die Öffnung auf das Auge des Patienten zu gerichtet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element röhrenförmig ist und ein offenes Ende an der Öffnung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element zylindrisch ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element einen sich ändernden Durchmesser aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Struktur eine Ringstruktur ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Struktur eine radiale Struktur ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element sich von dem Gehäuse aus erstreckt und eine Struktur aus lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Abschnitten aufweist, und wobei der Abschnitt, der sich von dem Gehäuse aus erstreckt, durch Licht beleuchtet wird, das sich über die Länge einer Seitenwand des wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Elementes ausbreitet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element eine Struktur aus lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Abschnitten aufweist, und wobei das wenigstens teilweise lichtdurchlässige Element eine Scheibe mit einer Struktur an einem Ende des wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Elementes aufweist, das sich in dem Gehäuse befindet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren mehrere Lichtquellen umfasst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, die des Weiteren einen Diffuser umfasst, der zwischen den Quellen und dem wenigstens teilweise lichtdurchlässigen Element angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine LED ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse an einem Abschnitt von der Öffnung entfernt im Allgemeinen kugelförmig ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei wenigstens zwei der Lichtquellen Licht unterschiedlicher Farbe haben.

16. Ophthalmische Vorrichtung, die umfasst:

Instrumentierung zum Ausführen einer ophthalmischen Behandlung am Auge eines Patienten,

ein Gehäuse, das eine im Allgemeinen gleichmäßig gekrümmte Form, eine innere lichtstreuende Fläche und eine Öffnung aufweist, die in der Nähe des Auges eines Patienten angeordnet ist, wenn der Patient auf die Instrumentierung ausgerichtet ist,

eine Lichtquelle, die Licht auf einen Abschnitt der lichtstreuenden Fläche in dem Gehäuse richtet, um die lichtstreuende Fläche über Streuung des Lichtes an der Fläche zu beleuchten, und

ein wenigstens teilweise lichtdurchlässiges Element, das in dem Gehäuse so angeordnet ist, dass gestreutes Licht durch selbiges und durch die Öffnung hindurchtritt.