WO2002045578A1 - Method and device for determining the topology of biological tissue - Google Patents

Method and device for determining the topology of biological tissue Download PDF

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WO2002045578A1
WO2002045578A1 PCT/EP2001/014501 EP0114501W WO0245578A1 WO 2002045578 A1 WO2002045578 A1 WO 2002045578A1 EP 0114501 W EP0114501 W EP 0114501W WO 0245578 A1 WO0245578 A1 WO 0245578A1
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WO
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radiation
tissue
pattern
layer
excitation
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Application number
PCT/EP2001/014501
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German (de)
French (fr)
Inventor
Stephan SCHRÜNDER
Original Assignee
Bioshape Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Bioshape Ag filed Critical Bioshape Ag
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B3/00Apparatus for testing the eyes; Instruments for examining the eyes
    • A61B3/10Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
    • A61B3/107Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for determining the shape or measuring the curvature of the cornea

Definitions

  • the invention relates to methods and devices for determining the topology of biological tissue.
  • the patients get a good one day (with the so-called laser in situ keratomileusis procedure, abbreviated LASIK) or 1-2 weeks (with the so-called photorefractive keratectomy procedure, abbreviated PRK) Eyesight without a visual aid. Since only a few ten micrometers of the cornea have to be removed, for example by means of a laser, an exact measurement of the surface is essential. This is currently being determined using optical methods before and several days after the ametropia correction.
  • LASIK laser in situ keratomileusis procedure
  • PRK photorefractive keratectomy procedure
  • a known method for measuring the cornea surface is the so-called slit-scan method, in which a light beam of visible light in the form of a straight, narrow slit is successively (scanned) projected onto adjacent areas of the cornea until the entire corneal section of interest is scanned.
  • the light beam is divided into a reflected and a broken beam on the surface of the cornea.
  • the latter penetrates the surface and is scattered in volume at internal scattering centers, ie omnidirectional.
  • the clearest signals come from scattering centers near the surface of the cornea. It is therefore possible to calculate surface points independently of one another using the known so-called direct triangulation method.
  • This method has the advantage that there is almost no scattering on the tear film in front of the cornea, so that the signals originating from the scattering centers are not influenced by the tear film.
  • the disadvantage of this known method is the long measuring time, which is due to the scanning process. Spontaneous eye movements during this time make the measurement unusable.
  • the intensity of the slit to be directed onto the cornea must be relatively high, since the intensity of the scattered, predominantly blue light is comparatively low. Therefore, this known method is not relatively uncomfortable for the patient.
  • a long-known and predominantly used method for measuring the shape of the cornea uses so-called keratometers, in which concentric rings, the so-called placido rings, are projected onto the tear film in front of the cornea and the reflected signals are detected and evaluated with a camera ,
  • a disc with circular, concentric slots is arranged between the eye and the lighting device, in the center of which a camera is placed. Due to the curvature of the cornea, the reflected ring pattern detected by the camera is distorted. In order to obtain a determination of the curvature from these reflection signals, the distortions of the rings have to be compared with a known shape, which is usually chosen as a sphere with a radius of 7.8 mm.
  • a crosshair is first placed in the center of the cornea, in order to then usually project 20 rings onto the surface of the eye. Then 180 meridians are placed at 1 "intervals around the manually determined center of the cornea. Computer software then tries to determine the leading and trailing flanks of the reflected circles so that two intersection points per ring are obtained per meridian 7,200 data points (180 meridians x 20 rings x 2 intersection points), from which the curvature of the cornea can then be calculated.
  • the disadvantage of this known method is that due to the camera being placed in the center of the ring arrangement on an area with a diameter of At least 1.5 mm in the center of the cornea, no data can be recorded, which would be particularly important.
  • the manual placement of the crosshairs in the center of the cornea is susceptible to individual errors, since it is precisely in this area of the central cornea due to the arrangement the camera cannot be reliably checked
  • the assumption of an ideal spherical surface of the skin of the skin also harbors sources of danger, since deviations from this standard eye that are more common than usual are not uncommon.
  • the total number of 7,200 data points is also relatively small, especially since the distance between the data points increases with the distance from the center of the cornea decreases so that an inadequate determination of the surface is possible, particularly at the marginal areas of the cornea.
  • deviations from the assumed slope of the ideal spherical surface along each measured meridian are determined using the placido method, so that the height of the cornea at each of these measuring points must be calculated in a further step from these slope points.
  • the so-called Fourier profilometry method is also known, in which two identical sine wave patterns are projected onto the surface of the eye.
  • filtered blue light is used for projection, which allows a liquid added to the tear film to fluoresce.
  • the wave pattern of the fluorescent light is then recorded by a CCD camera and the phase shift is calculated using a two-dimensional Fourier transformation analysis, which is directly related to the homology topology.
  • a disadvantage of this known method is that the data cannot be more precise than the thickness of the tear film (approx. 50-200 ⁇ m), which also varies depending on the time of day.
  • strip projection method is also known, which is mainly used in industry to measure surfaces of metals and other materials.
  • This known method has the advantage that it can be carried out quickly and without contact, since only a single exposure is necessary.
  • a suitable stripe pattern which can be generated, for example, interferometrically or by imaging a suitable structure, is projected onto the surface to be measured and the light diffusely scattered from the surface is subsequently detected. If this method is used to measure an eye cornea, the detected stripe pattern is distorted due to the elevations of the cornea. A further distortion arises in that the detection camera is not in the beam path of the radiation pattern, but at an angle to the projection or radiation direction is arranged. By means of Fourier transformations, which can now be carried out very quickly with modern computers, the surface shapes can be determined from the distorted stripe patterns.
  • phase measurement errors can occur in this known method if the contrast of the detected stripe pattern is relatively weak.
  • either the object to be measured is vaporized with a contrast-increasing, highly scattering layer or a fluorescent dye is applied in front of the surface to be measured.
  • a contrast-increasing, highly scattering layer or a fluorescent dye is applied in front of the surface to be measured.
  • Applied-Optics 34, 3644 ff. 1995 it has been proposed to add such a fluorescent dye to the tear film so that after irradiation of the tear film with blue light, it emits green light due to the fluorescence excitation, which can then be detected and evaluated.
  • a similar method is described in US Pat. No. 5,406,342, in which two partial patterns are projected from different directions onto a tear film enriched with fluorescent dye, in order to subsequently record two emitted fields in succession with a camera. Due to the projection from different directions, the direct reflection of the radiation beam can be eliminated.
  • the described methods for determining the corneal topology are only used if there is a tear film in front of the cornea. If the cornea measurement is carried out indirectly by measuring the surface course of the tear film, measurement errors occur, however, in that the thickness of the tear film fluctuates temporally and locally. Furthermore, an added fluorescent medium is distributed over the entire tear film thickness, so that the measuring accuracy cannot be higher than the film thickness, ie up to 200 ⁇ m.
  • the epithelial layer of the cornea is always present when using the known methods described, but it is necessarily the outermost layer of the cornea during laser ablation be removed. If a fluorescent fluid were used with the epithelial layer removed, the fluid would penetrate the cornea and cause it to swell, thereby also reducing the depth resolution.
  • a thin, diffusely reflecting cover is applied to the cornea and a radiation pattern is projected onto the cover.
  • No. 5,507,740 describes, for example, a method in which the pattern projected onto the cover consists of concentric circles and the distortions of the pattern due to the corneal elevations are examined.
  • No. 5,116,115 likewise describes the projection of a structured pattern of visible light onto a layer covering the cornea, the phase of this light pattern being modulated.
  • a computer calculates the phase of each reflecting point of the layer from the backscattered radiation, from which the relative height can then be deduced.
  • this object is achieved by a method for determining the surface shape of biological tissue, in which the tissue is irradiated with an irradiation pattern generated with the aid of excitation radiation, the excitation radiation containing light of the wavelength ranges of the ultraviolet and / or infrared part of the spectrum, and in which the scattered radiation pattern emitted by the irradiated tissue regions at least in the wavelength ranges of the ultraviolet and / or infrared part of the spectrum is detected and evaluated to calculate the surface shape of the biological tissue.
  • the object is achieved by a method for determining the surface shape of biological tissue, in which a layer adapting to the surface of the tissue is applied to the tissue, the layer is irradiated with an irradiation pattern generated with the aid of excitation radiation, and that of radiation patterns emitted in the irradiated layer regions are detected and evaluated to calculate the surface shape of the tissue, the layer containing molecules which are excited by the irradiation with the radiation pattern to emit a fluorescence pattern consisting of fluorescent radiation, which pattern is detected and used to calculate the surface shape of the layer and thus that of the tissue is evaluated.
  • the advantages of the invention according to its first aspect are, in particular, that radiation with wavelength ranges is used which - depending on the type of tissue examined - can have an extremely small penetration depth. Characteristic cellular components of the tissue are responsible for the low penetration depth, which lead to an increased scattering of the light. Thus, especially from the outermost tissue backscattered light layers the tissue, which is recorded by a camera that is sensitive in the wavelength range of the scattered light - essentially the same range as that of the excitation radiation. A scattered light pattern can thus be detected, which essentially originates from the tissue areas that determine the surface shape. The light emitted by the tissue surface is scattered statistically in all directions, while the additional light that occurs directly reflected on the tissue surface is subject to the Snellius law of refraction.
  • the method according to the invention does not make use of a frequency shift due to a wavelength difference between the excitation radiation on the one hand and the fluorescence radiation on the other. Rather, the scattered radiation pattern that is not shifted in wavelength with respect to the excitation radiation or the excitation radiation is detected.
  • areas located on the body surface and internal body sections can be measured topologically.
  • a preferred embodiment of the invention provides for a fluorescence pattern to be detected in addition to the scattered radiation pattern.
  • the method according to the invention is accordingly combined with the method described in DE 198 37 932.3 mentioned above.
  • the wavelength for excitation of the fluorescence radiation is, for example, in the ultraviolet wavelength range
  • the same excitation radiation and the same radiation pattern can be used to generate the fluorescence pattern.
  • the biological tissue itself can advantageously be excited to emit fluorescent radiation.
  • care must be taken that the intensity and in particular the wavelength of the excitation radiation is chosen such that its depth of penetration into the tissue is small and only the outermost weaving areas are stimulated to fluorescence.
  • the thickness of these tissue areas is, for example, 2 to 3 ⁇ m.
  • Measurement errors are minimal with this procedure, since there is no mixing of the fluorescent material with an upstream liquid - as is the case, for example, in the case of a tear film in front of the cornea.
  • the tissue also does not swell due to the non-existent liquid film which penetrates into the tissue.
  • a layer in front of the biological tissue enriched with a substance that can be excited by fluorescence can be used.
  • the layer is preferably such that it does not or hardly penetrates the tissue. In this case the scattered light pattern would originate from the tissue and the fluorescence pattern from the upstream layer.
  • the wavelength of the excitation radiation is therefore advantageously less than 400 nm (UV light) or greater than 1.5 ⁇ m (IR light).
  • UV light is particularly scattered on different components of cells and therefore does not penetrate the tissue beyond the first layers of tissue.
  • IR light is mainly scattered from the water molecules contained in all biological tissues. Since this is also contained in the top fabric layers, relatively intense IR light is emitted especially by these scattered weaving stories. Backscattered light from deeper tissue layers usually does not have sufficient intensity.
  • the direct reflection reflected on the surface of the tissue also reaches the detection unit and overlaps an area of the measuring field in which the scattered pattern can then no longer be distinguished from the direct reflection.
  • linearly polarized light is preferably used to illuminate the tissue areas to be irradiated.
  • a polarizer is preferably positioned in the beam path of the excitation radiation and an analyzer oriented perpendicular to the polarizer in the beam path of the radiation to be detected.
  • the polarization of the reflected radiation is retained during the reflection. Accordingly, only the scattered radiation and not the reflected radiation can pass the analyzer and reach the detector. This increases the contrast of the detected pattern and the accuracy of the evaluation.
  • the advantages of the invention according to its second aspect lie in particular in the fact that the surface to be measured is covered with an externally applied layer which lies against it and which reproduces the surface shape as precisely as possible.
  • the contour of the artificially applied layer then essentially corresponds to the contour of the tissue surface. According to the invention, therefore, no additives are added to the tear film, but the layer is applied as a whole.
  • the layer can be formed from an initially liquid substance or a solid layer, for example in the form of a flexible and possibly elastic mat - for example made of Teflon.
  • the layer does not have to cover the fabric throughout, but can also be designed, for example, as a mesh with fine meshes.
  • tissues that are external to the body and tissues that lie in the body can be considered as tissues, which can be achieved, for example, by means of invasive surgery. Since the layer contains molecules that can be excited by fluorescence, they can be illuminated to emit fluorescent molecules. stimulate the rescent light. Suitable filters can be placed in the beam path of the fluorescent light, with which the wavelengths of the excitation radiation are suppressed, so that only fluorescent light is received and not the direct reflection of the excitation radiation and, if this is not desired, scattered radiation. With this procedure, a high measuring accuracy can be obtained.
  • the layer thickness is preferably at most 10 ⁇ m.
  • the layer thickness is advantageously in the range of 1-3 ⁇ m, but can also be selected to be even smaller, for example if the layer consists of only one molecular layer.
  • the layer thickness should not be chosen too large because of the otherwise poorer depth resolution.
  • the layer can advantageously be dripped onto the previously largely liquid-free tissue surface and then lies evenly against the surface (a liquid layer that is still present would be between the tissue and the layer after application of the layer and falsify the measurements). In this way, an almost identical layer thickness can be achieved over the entire tissue surface.
  • the layer thickness can also be set very small. The penetration depth of the excitation radiation no longer depends on the optical surface properties of the biological tissue, but only on those of the layer. If this is chosen so that the penetration depth is very small, the depth resolution is very good and is in the range of a few micrometers.
  • the layer according to the invention is used, for example, for measuring the top layer of the skin, use with the epithelial layer removed is also possible if the layer is applied in liquid form. It is possible that liquid molecules actually penetrate tissue areas; the excitation radiation can, however, in this Case, for example, be chosen so that the absorption takes place essentially only in the layer itself.
  • the aforementioned constellations do not occur from the outset.
  • a particularly thin but still tightly fitting layer of molecules can be achieved if the layer has electrostatically repelling molecules, so that a single to little layer is formed on the surface of the tissue.
  • the charge of the electrostatically repelling molecules is advantageously chosen such that they themselves adhere electrostatically to the tissue surface.
  • layer molecules with a positive charge are selected if the tissue surface has essentially negatively charged molecules. In this way, the formation of many molecular layers on top of each other can be suppressed, which could represent a source of errors for the measurements due to non-ideal superimpositions.
  • the layer regions emitting the fluorescent radiation are preferably irradiated with an excitation radiation which has components in the ultraviolet wavelength range.
  • the excitation radiation is preferably in the wavelength range from 150 nm to 400 nm.
  • the excitation radiation is 193 nm, while in the case of a frequency-quintupled Nd: YAG laser, for example, the excitation radiation has a wavelength of 213 nm. Wavelengths shorter than 150 nm can currently only be generated with sufficient energy and with great technical effort. In addition, the fluorescence radiation they generate is currently only insufficiently detectable using conventional technology.
  • wavelengths more than 400 nm - depending on the material of the covering layer - have a penetration depth that is too great, so that the fluorescence radiation would also come from deeper layer layers or even from the tissue underneath and the depth resolution would thus be restricted.
  • the scatter radiation emanating from these regions is measured and used to calculate the surface shape of the tissue .
  • This can either be done by measuring with the same detection device, or an additional detection device is used solely for the scattered radiation.
  • at least one filter is advantageously arranged in front of each detection device, which filter is opaque to the radiation - scattered radiation or fluorescent radiation not to be detected by this detection device, but is permeable to the radiation to be detected - fluorescent radiation or scattered radiation.
  • surfaces of biological tissues - be they external or internal body surfaces - can generally be measured, for example surface changes due to skin or other diseases or structural features to be used for individual identification, such as finger surfaces. In some cases, it may be necessary to remove interfering objects, such as hair, that are present in the light path.
  • a CCD camera or a CMOS camera is advantageously used to detect the radiation pattern - both the scattered radiation pattern and the fluorescence pattern, regardless of whether this originates from the biological tissue itself (self-fluorescence) or from a fluorescent layer applied thereon. Both allow one spatially resolved detection in the range of 5 to 10 ⁇ m with several 100,000 data points. While a CMOS camera has a lower sensitivity to light and a higher noise by a power of 10, its price is currently significantly lower than that of a CCD camera. However, both types of camera meet the requirements for an excellent topology determination. If a UV radiation source is used to generate the excitation radiation and the scattered radiation is detected, an ultraviolet sensitive camera must be used.
  • the detection camera must (also) operate in a longer-wave range due to the difference in wavelength to the excitation radiation.
  • the detection of the direct reflection from the surface to be measured can be suppressed by placing a staining or polarization filter between the tissue and the detection device.
  • the scattered and / or fluorescent radiation emitted by the biological tissue or by the layer is detected at an angle different from the direction of irradiation, which is, for example, 45 °.
  • the distortion ensures that the pattern appears more curved in the perspective than when viewed from the front, so that a more precise resolution with regard to the curvature course can be obtained.
  • the above-mentioned distortion effect can, however, also lead to the fact that lines in areas facing away from the detection device undesirably flow into one another and can therefore no longer be resolved precisely.
  • at least one further detection device can advantageously be used, which precisely measures the part of the pattern to be detected that the other detection device no longer precisely can dissolve enough.
  • a mirror positioned in front of the biological tissue can be used, which mirror reflects the radiation to be detected from the side of the biological tissue remote from the detection device. With this arrangement, the spatial fields are recorded one after the other and used together for evaluation.
  • the biological tissue or the layer is irradiated from at least two directions in order to achieve adequate illumination.
  • a cornea that is almost spherically symmetrical, it is advisable to implement a symmetrical structure of the two radiation sources with respect to the cornea.
  • the two projection or radiation directions enclose the same angles with a normal extending between them, which runs through the center of the visible corneal surface and on which, for example, a detection device is arranged.
  • multiple detection devices or multiple mirrors or other light deflection devices can also be provided.
  • the radiation pattern for projection onto the biological tissue or onto the layer preferably consists of parallel strips with a sinusoidal, cosineus 2 or rectangular intensity curve.
  • a resolution of a few micrometers can be achieved if, for example, a stripe width and a stripe spacing of 100 ⁇ m are selected.
  • a hole pattern or a ring pattern similar to the placido rings can be used.
  • a moire pattern consisting of two line patterns or also a grid can be used, the intersections of which can be found in the radiation pattern are evaluated.
  • any suitable geometric pattern can be used to create the radiation pattern on the biological tissue or layer.
  • a wide variety of devices can be used to generate the geometric radiation pattern.
  • a mask with parallel slits or regularly arranged holes is used.
  • structurally modified substrates such as glasses, can also be used, in which, for example, areas of strong scattering or absorption alternate with unprepared areas of high transmission.
  • microlenses on a transparent glass substrate stripe patterns as well as other radiation and thus scattering or fluorescent patterns can also be obtained.
  • the microlenses have that The advantage that, in contrast to a mask, almost all of the excitation radiation can fall on the biological tissue or the layer. In addition, there is a greater depth of field when using microlenses.
  • a more precise sinusoidal intensity curve of the light and dark stripes is also available in a stripe pattern compared to a mask.
  • Alternative exemplary embodiments for generating the radiation pattern include interference methods after, for example, expanding the beam from a monochromatic coherent laser by means of a beam splitter or generating an interference pattern on the tissue by means of two mutually coordinated radiation sources. Many closely spaced micromirrors that reflect the excitation radiation to the tissue can also be used. A combination of the above-mentioned possibilities of generating the radiation pattern is also possible.
  • the surface shape of the fabric is preferably calculated by an evaluation unit, ie a computer, and the result of the calculation can be used to control a laser.
  • the laser can be the same as the laser used to determine the surface shape. In this way, a compact and inexpensive device for surface correction can advantageously be realized.
  • a measuring laser can be mounted on an existing surgical laser or arranged in a defined manner in its vicinity in order to enable inexpensive retrofitting of this surgical laser. This eliminates the need to purchase an entire new system. If the biological tissue is the cornea of an eye, the control can be used to adjust the radiation duration and the intensity of the surgical laser in order to achieve the desired target thickness of the cornea by removing corneal layers.
  • the surface shape is preferably determined before and during and possibly after the operation. If the topology of a cornea is to be measured, it must be taken into account that the eye moves spontaneously and independently of the will. On the one hand, lasers with very short pulse durations on the order of milliseconds, microseconds and nanoseconds can be used to circumvent these difficulties. As an alternative or in addition, so-called eye trackers can be used, by means of which longer exposure times can also be achieved. Such a device collects information about typical movements of the eye in order to use this information to track the excitation radiation to the corneal areas to be irradiated. Alternatively, the radiation or the detection can be stopped if the position of the eye changes.
  • the position of the eye is determined with an eye tracker before each irradiation or after each detection and is taken into account when evaluating the scatter and / or fluorescence pattern.
  • An eye tracker can be used in accordance with both aspects of the invention - for the invention in accordance with the second aspect in particular when a transparent layer is used which does not hinder the observation of eye movements.
  • the method and the device according to the first aspect of the invention can also be used when there is no tear film and no epithelial layer. This makes it possible to determine the current tissue shape as often as required during an operation in order to carry out the next operation step on the basis of these results. This control option during the operation minimizes the errors and enables gradual, careful removal of corneal layers in order to correct the ametropia precisely. The surgeon no longer needs nomograms specially made for certain patient groups. If one and the same laser is used both for the application and for the measurement, there is a switch back and forth between the operation mode and the measurement mode during the operation in order to control or regulate the removal based on the measurement results.
  • the method and the device according to the second aspect of the invention also allow the fluorescent excitable layer to be applied during an operation. In this case, the layer applied, for example, between the operation steps can be evaporated by increasing the incident radiation intensity and the operation can be continued.
  • the height - and not the slope - of the tissue surface can be measured directly.
  • only a single recording of the scattered radiation and / or fluorescence pattern is necessary.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a device for projecting an irradiation pattern onto a cornea and for detecting the scattered radiation and possibly a fluorescence pattern generated according to the first aspect of the invention, the radiation source being used both for topology determination and for corneal ablation (one-piece system) ;
  • FIG. 2 shows a simplified schematic illustration essentially corresponding to the basic structure according to FIG. 1, but the radiation source for topology determination and the radiation source for corneal ablation are different; and 3 shows a detail from FIG. 1, but with a layer applied to the cornea.
  • an irradiation pattern 26 is generated from parallel strips and falls on a curved tissue 8a, in the illustrated embodiment the cornea 8a of a human eye 8b.
  • Part of the scattered light 14a emanating from the cornea 8a is detected with a camera 12 which is placed in front of the cornea 8a at an angle ⁇ with respect to the direction of irradiation. Due to the surface curvature of the cornea 8a and the direction of observation rotated with respect to the direction of irradiation, the camera 12 records an image 27 of a stripe pattern 27a corresponding to the curved cornea 8a to be observed on a monitor 28.
  • the radiation source 1 generates an excitation radiation 2, preferably UV radiation or IR radiation.
  • An optional first lens system 3 (indicated by a schematically illustrated converging lens) forms a parallel and homogeneous beam from this radiation, which then passes through means 4 for generating an irradiation pattern.
  • these means 4 are formed by a slit diaphragm or mask 4 set up perpendicular to the beam path with, for example, parallel strip-shaped openings with a width and a respective distance of 100 ⁇ m.
  • the excitation radiation 2, of which only the center beam is shown in FIG.
  • the excitation radiation 2 is structured transversely to the radiation direction in the form of an irradiation pattern 26, which is deflected in the further beam path on a mirror 5 and by means of of a second lens system 6 (indicated by a schematically illustrated collecting lens) after passing through a first aperture diaphragm 7 on the surface of a biological tissue 8a (see reference number 26 assigned to the corneal surface).
  • the tissue 8a in the selected embodiment is the cornea 8a of a human patient who is placed on the patient bed 13. For the sake of simplicity, only the patient's eye 8b is shown.
  • the excitation radiation 2 passing through the mask 4 is selected with regard to intensity and wavelength such that it penetrates only a few micrometers into the cornea 8a. This is the case if their wavelength is in the UV or IR range; the function of the cornea 8a is transparent in the visible region. Accordingly, the excitation radiation 2 is scattered essentially in all directions on the surface of the cornea 8a or in the tissue areas lying nearby, that is, scattered radiation 14a is produced in the form of a scattered radiation pattern 27a corresponding to the radiation pattern 26 and distorted by the curvature of the cornea the angle ⁇ is imaged on the sensor 11 of a detection device 12 with the aid of a third lens system 9 after passing through a second aperture diaphragm 10.
  • the detection device 12 is, for example, a CCD or CMOS camera 12, which may be intensified by an image intensifier (not shown). In contrast to, for example, the slit-scan method, a single exposure with the detection device 12 is sufficient to obtain all the required information about the surface shape the cornea 8a.
  • the detection device 12 - with the interposition of an analog-digital converter (not shown) when the detection device 12 outputs analog signals - is connected via a connecting line 29 to an evaluation unit 30, preferably formed by a computer, which uses evaluation programs to determine the topology of the cornea 8a calculated.
  • the excitation radiation 2 at a suitable wavelength (for example UV light) and intensity, also excites the cornea 8a to emit fluorescent radiation 14b in the irradiated areas, while the non-irradiated areas of the cornea 8a cannot emit fluorescent radiation 14b.
  • a fluorescence pattern 27b thus arises in addition to the scattered radiation pattern 27a.
  • the scattered radiation 14a and the fluorescent radiation 14b are recorded by the same detection device 12. Because of the different wavelengths of the two radiations 14a, 14b - the fluorescent radiation 14b is longer-wave compared to the scattered radiation 14a - it is advantageous that two different detection devices that are sensitive to the respective radiation or can only be reached for a narrow wavelength range by appropriate filters 12 are used.
  • the wavelength of the scattered radiation 14a essentially corresponds to that of the excitation radiation 2
  • the wavelength of the fluorescent radiation 14b - as mentioned - is shifted into a longer-wave range.
  • the main maxima of the fluorescent radiation 14b emanating from the irradiated tissue areas of the cornea 8a are approximately 300 nm and 450 nm, which can be detected without great effort - such as by means of the CCD, Camera 12 - are accessible.
  • a reciprocal measurement of the cornea 8a and its operation by ablation on the tear-film-free eye 8b is possible, the same radiation source 1, usually a UV laser, being used for both purposes.
  • This mutual process is preferably carried out automatically with the aid of a control device 32 connected downstream of the computer 30 via a data line 31 and which is connected to the laser 1 via a data line 33.
  • a control device 32 connected downstream of the computer 30 via a data line 31 and which is connected to the laser 1 via a data line 33.
  • a removed epithelial layer grows back within a few days after an operation.
  • the epithelial layer has been folded away from the beam path of the excitation radiation with a part of the stroma underneath, it can be brought back into
  • At least one intensity attenuator 15 (shown in dash-dot lines in FIG. 1) in the beam path of the excitation radiation 2 - that is, between the radiation source - is preferably used to protect the cornea 8a during the measurement phase 1 and the cornea 8a - which is removed from the beam path again during the operation phases.
  • the insertion and removal of the intensity attenuator 15 in the beam path is preferably carried out under computer control (corresponding control not shown).
  • a laser beam with a relatively small diameter of, for example, 2 mm is used in order to remove the cornea 8a - in contrast to large-area radiation - in only small areas in each case.
  • the laser beam is scanned over the cornea 8a.
  • the at least one beam expander is removed again from the beam path of the excitation radiation 2.
  • the radiation source 1 is placed on the surgical laser or is otherwise suitably arranged in a defined position relative to it.
  • existing surgical lasers can continue to be used.
  • the radiation pattern 26 is projected onto the cornea 8a at an angle ⁇ with respect to the normal N by means of the radiation source 1 and the pattern of the scattered radiation 14a and that of the fluorescent radiation 14b is detected at an angle ⁇ with respect to the normal N with a detection device 12.
  • the surgical laser 101 is arranged on the normal N.
  • the means for generating the radiation pattern, mirrors, converging lenses, diaphragms, beam expanders and intensity attenuators are not shown for the sake of simplicity.
  • the signals from the detection device 12 may be digitized by means of an AD converter 35 (if the detection device 12 is not already supplying digital signals) and forwarded to the computer 30, which performs the topology calculation using, for example, Fourier algorithms.
  • the calculation results are then forwarded to the control / regulating unit 32 and there a decision is made as to whether and how, if necessary, a new measurement of the corneal topology is carried out by means of the radiation source 1 or the surgical laser 101 issues a command for emitting a pulse of certain energy and / or a certain pulse duration receives in order to remove a defined layer thickness of the cornea 8a.
  • the results of the determination of the cornea shape can be used immediately in a subsequent operation step in order to control or regulate the corneal ablation by means of the corresponding radiation source 1, 101.
  • the result of the previous operative can immediately be seen Steps are checked and the next step in the operation is coordinated accordingly.
  • two detection devices 12 are arranged opposite one another in front of the cornea 8a, the radiation source 1 being in the angular range between the two Detection devices 12 is arranged.
  • the fluorescence pattern is detected on two sides in order to obtain a higher resolution, in particular in the case of a curved tissue surface.
  • the tissue 8a can be irradiated from two directions.
  • a beam splitter splits the excitation radiation 2 from a radiation source 1 and directs it onto the tissue 8a with the aid of one or more light deflection devices, such as mirrors.
  • several radiation sources 1 are used.
  • digital subtraction of the images taken before and during the irradiation of the radiation pattern 26 can further increase the contrast and thus the precision of the method.
  • FIG. 3 shows a layer 40 applied to the cornea 8a.
  • This layer contains molecules that fluoresce when irradiated with preferably UV radiation.
  • the above statements apply correspondingly to the scatter radiation emanating directly from the tissue according to FIGS. 1 and 2.
  • the fluorescent radiation is provided with the same reference number 14b as the intrinsic fluorescent radiation 14b of the cornea 8a according to FIGS. 1 and 2.
  • the scattered radiation 14a measured by the layer 40 here too, the same reference number 14a is used for the respective scattered radiation 14a in FIGS. 1 to 3).
  • a layer 40 applied to the cornea 8a before an operation (after removal or folding away of the epithelial layer) or during an interruption in the operation can be vaporized again using laser beams after the topology measurement and at the beginning of the next operation step, be it by increasing the intensity of the measurement and operation laser 1 (in the case of a one-part system according to FIG. 1) or by the measuring laser 1 or the operation laser 101 (in the case of a two-part system according to FIG. 2).

Abstract

The invention relates to a method for determining the surface shape of biological tissue, characterized by irradiating the tissue (8a) with an irradiation pattern (26) produced by an excitation radiation (2). Said excitation radiation (2) comprises light of the wavelength ranges of the ultraviolet and/or infrared part of the spectrum. The scattered radiation pattern (27a) emitted by the irradiated tissue zones is detected at least in the wavelength ranges of the ultraviolet and/or infrared part of the spectrum and is evaluated to calculate the surface shape of the biological tissue (8a). The invention further relates to a method according to which a layer that contains molecules that can be induced to fluoresce and that adapts itself to the surface of the tissue is applied to the tissue (8a) and the layer (40) is irradiated with an irradiation pattern (26) produced by an excitation radiation (2). The fluorescence pattern emitted by the irradiated layer ranges (8a) is detected and evaluated to calculate the surface shape of the tissue (8a). The invention further relates to corresponding devices.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur Topoloqieermittlung von biologischem Gewebe Methods and devices for determining the topology of biological tissue
Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Topologieermittlung von biologischem Gewebe.The invention relates to methods and devices for determining the topology of biological tissue.
Um beispielsweise zu exakten medizinischen Diagnosen zu gelangen, Operationen präzise durchführen zu können oder auch zur Anfertigung von körperangepaßten Kleidungsstücken, ist es notwendig, die Oberflächenform des betreffenden biologischen Gewebes genau zu kennen. Es sind hierzu optische Verfahren bekannt, bei denen beispielsweise sichtbares Licht auf Hautbereiche des menschlichen Körpers - wie die weibliche Brust oder Fußbereiche - gerichtet, die gestreute Strahlung detektiert und zur Berechnung der Topometrie der entsprechenden Formen ausgewertet wird. Auf diese Weise können beispielsweise diesen Körperteilen entsprechend angepaßte Kleidungsstücke hergestellt werden.In order, for example, to arrive at exact medical diagnoses, to be able to carry out operations precisely, or also to make clothing that is tailored to the body, it is necessary to know exactly the surface shape of the biological tissue in question. For this purpose, optical methods are known in which, for example, visible light is directed onto skin areas of the human body - such as the female breast or foot areas -, the scattered radiation is detected and evaluated to calculate the topometry of the corresponding shapes. In this way it is possible, for example, to produce items of clothing which are appropriately adapted to these parts of the body.
Bei der Oberflächenvermessung der Hornhaut des menschlichen Auges werden andere bekannte Vefahren eingesetzt, da die Hornhaut transparent ist und sichtbares Licht nicht in nennenswertem Maße rückstreuen würde. Mit ihrer Brechkraft von über 40 Dioptrien ist die Hornhaut ein maßgeblicher Faktor für die Brechung des in das Auge einfallenden Lichtes. Die Brechkraft der Hornhaut hängt hierbei vorrangig von der Form der Hornhautoberfläche und insbesondere ihrer Kurvatur ab. In letzter Zeit sind Verfahren entwickelt worden, bei denen mittels eines Lasers Gewebe der Hornhaut abgetragen wird (sog. Laserablation), um Fehlsichtigkeiten durch Änderungen der Brechkraft der Hornhaut zu korrigieren. Der Eingriff erfolgt zumeist ambulant. Die Patienten erlangen je nach Verfahren bereits nach einem Tag (bei dem sog. Laser-in-situ-keratomileusis-Verfahren, abgekürzt LASIK) bzw. 1-2 Wochen (bei dem sog. photorefractive-keratectomy- Verfahren, abgekürzt PRK) ein gutes Sehvermögen ohne Sehhilfe. Da - beispielsweise mittels eines Lasers - nur wenige zehn Mikrometer der Hornhaut abgetragen werden müssen, ist eine exakte Vermessung der Oberfläche unabdingbar. Diese wird derzeit vor und mehrere Tage nach der Fehlsichtigkeitskorrektur mit Hilfe optischer Verfahren ermittelt.Other known methods are used for the surface measurement of the cornea of the human eye, since the cornea is transparent and visible light would not backscatter to any appreciable extent. With its refractive power of over 40 diopters, the cornea is a key factor in refraction of the light that enters the eye. The refractive power of the cornea depends primarily on the shape of the surface of the cornea and especially its curvature. Recently, methods have been developed in which tissue from the cornea is removed by means of a laser (so-called laser ablation) in order to prevent ametropia by changing the Correct corneal refractive power. The intervention is usually done on an outpatient basis. Depending on the procedure, the patients get a good one day (with the so-called laser in situ keratomileusis procedure, abbreviated LASIK) or 1-2 weeks (with the so-called photorefractive keratectomy procedure, abbreviated PRK) Eyesight without a visual aid. Since only a few ten micrometers of the cornea have to be removed, for example by means of a laser, an exact measurement of the surface is essential. This is currently being determined using optical methods before and several days after the ametropia correction.
Ein bekanntes Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberfläche ist das sogenannte Slit-Scan-Verfahren, bei dem ein Lichtstrahl sichtbaren Lichtes in Form eines geraden schmalen Schlitzes nacheinander (abtastend) auf jeweils benachbarte Bereiche der Hornhaut projiziert wird, bis der gesamte interessierende Hornhautabschnitt abgetastet ist. Der Lichtstrahl teilt sich an der Hornhautoberfläche in einen reflektierten und einen gebrochenen Strahl auf. Der letztere durchdringt die Oberfläche und wird an internen Streuzentren volumengestreut, d.h. omnidirektional. Die deutlichsten Signale rühren von Streuzentren nahe der Hornhautoberfläche her. Daher ist es möglich, Oberflächenpunkte unabhängig voneinander mittels dem bekannten sog. direkten Triangulationsverfahren zu berechnen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß nahezu keine Streuung am Tränenfilm vor der Hornhaut auftritt, so daß die von den Streuzentren herrührenden Signale nicht durch den Tränenfilm beeinflußt werden. Der Nachteil bei diesem bekannten Verfahren besteht in der langen Meßzeit, die durch den Abtastprozess bedingt ist. Spontane Augenbewegungen während dieser Zeit führen zur Unbrauchbar- keit der Messung. Zudem muß die Intensität des auf die Hornhaut zu richtenden Schlitzes relativ hoch sein, da die Intensität des gestreuten, überwiegend blauen Lichtes vergleichsweise niedrig ist. Daher ist dieses bekannte Verfahren für den Patienten nicht relativ unangenehm. Ein schon lange bekanntes und überwiegend eingesetztes Verfahren zur Vermessung der Hornhautoberflächenform verwendet sogenannte Kerato- meter, bei denen konzentrischen Ringe, die sogenannten Placido-Ringe, auf den Tränenfilm vor der Hornhaut projiziert werden und die reflektierten Si- gnale mit einer Kamera detektiert und ausgewertet werden. Hierzu wird zwischen dem Auge und der Beleuchtungseinrichtung eine Scheibe mit kreisförmigen, zueinander konzentrischen Schlitzen angeordnet, in deren Zentrum eine Kamera plaziert ist. Aufgrund der Kurvatur der Hornhaut ist das von der Kamera detektierte reflektierte Ringmuster verzerrt. Um aus diesen Reflexionssignalen eine Bestimmung der Kurvatur zu erhalten, müssen die Verzerrungen der Ringe mit einer bekannten Form verglichen werden, die üblicherweise als eine Kugel mit einem Radius von 7,8 mm gewählt ist. Am Beginn der Vermessung wird zunächst ein Fadenkreuz in das Zentrum der Hornhaut plaziert, um dann meist 20 Ringe auf die Augenoberfläche zu pro- jizieren. Anschließend werden 180 Meridiane im 1 "-Abstand um den manuell festgelegten Mittelpunkt der Hornhaut gelegt. Eine Computersoftware versucht dann, die Vorder- und Hinterflanke der reflektierten Kreise zu ermitteln, so daß zwei Schnittpunkte pro Ring pro Meridian erhalten werden. Somit ergeben sich insgesamt ungefähr 7.200 Datenpunkte (180 Meridiane x 20 Rin- ge x 2 Schnittpunkte), aus denen dann die Krümmung der Hornhaut berechnet werden kann. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß aufgrund der Aufstellung der Kamera im Mittelpunkt der Ringanordnung auf einer Fläche mit einem Durchmesser von mindestens 1,5 mm im Zentrum der Hornhaut keine Daten aufgenommen werden können, wobei gerade solche Daten besonders wichtig wären. Desweiteren ist die manuelle Plazierung des Fadenkreuzes im Zentrum der Hornhaut anfällig für individuelle Fehler, da gerade in diesem Bereich der zentralen Hornhaut aufgrund der Anordnung der Kamera eine verläßliche Kontrolle nicht möglich ist. Auch birgt die Annahme einer idealen kugelförmigen Homhautoberfläche Gefahrenquellen, da stärker als übliche Abweichungen von diesem Standardauge nicht selten sind. Auch ist die Gesamtzahl von 7.200 Datenpunkten relativ gering, zumal der Abstand der Datenpunkte mit zunehmender Entfernung vom Mittelpunkt der Hornhaut abnimmt, so daß gerade an den Randbereichen der Hornhaut eine nur mangelhafte Oberflächenermittlung möglich ist. Nicht zuletzt werden mittels des Placido-Verfahrens lediglich Abweichungen von der angenommenen Steigung der idealen Kugeloberfläche entlang jedes gemessenen Meridians ermittelt, so daß aus diesen Steig ungspunkten die Höhe der Hornhaut an jedem dieser Meßpunkte in einem weiteren Schritt ausgerechnet werden muß.A known method for measuring the cornea surface is the so-called slit-scan method, in which a light beam of visible light in the form of a straight, narrow slit is successively (scanned) projected onto adjacent areas of the cornea until the entire corneal section of interest is scanned. The light beam is divided into a reflected and a broken beam on the surface of the cornea. The latter penetrates the surface and is scattered in volume at internal scattering centers, ie omnidirectional. The clearest signals come from scattering centers near the surface of the cornea. It is therefore possible to calculate surface points independently of one another using the known so-called direct triangulation method. This method has the advantage that there is almost no scattering on the tear film in front of the cornea, so that the signals originating from the scattering centers are not influenced by the tear film. The disadvantage of this known method is the long measuring time, which is due to the scanning process. Spontaneous eye movements during this time make the measurement unusable. In addition, the intensity of the slit to be directed onto the cornea must be relatively high, since the intensity of the scattered, predominantly blue light is comparatively low. Therefore, this known method is not relatively uncomfortable for the patient. A long-known and predominantly used method for measuring the shape of the cornea uses so-called keratometers, in which concentric rings, the so-called placido rings, are projected onto the tear film in front of the cornea and the reflected signals are detected and evaluated with a camera , For this purpose, a disc with circular, concentric slots is arranged between the eye and the lighting device, in the center of which a camera is placed. Due to the curvature of the cornea, the reflected ring pattern detected by the camera is distorted. In order to obtain a determination of the curvature from these reflection signals, the distortions of the rings have to be compared with a known shape, which is usually chosen as a sphere with a radius of 7.8 mm. At the start of the measurement, a crosshair is first placed in the center of the cornea, in order to then usually project 20 rings onto the surface of the eye. Then 180 meridians are placed at 1 "intervals around the manually determined center of the cornea. Computer software then tries to determine the leading and trailing flanks of the reflected circles so that two intersection points per ring are obtained per meridian 7,200 data points (180 meridians x 20 rings x 2 intersection points), from which the curvature of the cornea can then be calculated.The disadvantage of this known method is that due to the camera being placed in the center of the ring arrangement on an area with a diameter of At least 1.5 mm in the center of the cornea, no data can be recorded, which would be particularly important. Furthermore, the manual placement of the crosshairs in the center of the cornea is susceptible to individual errors, since it is precisely in this area of the central cornea due to the arrangement the camera cannot be reliably checked The assumption of an ideal spherical surface of the skin of the skin also harbors sources of danger, since deviations from this standard eye that are more common than usual are not uncommon. The total number of 7,200 data points is also relatively small, especially since the distance between the data points increases with the distance from the center of the cornea decreases so that an inadequate determination of the surface is possible, particularly at the marginal areas of the cornea. Last but not least, deviations from the assumed slope of the ideal spherical surface along each measured meridian are determined using the placido method, so that the height of the cornea at each of these measuring points must be calculated in a further step from these slope points.
Weiterhin ist das sogenannte Fourier-Profilometrie-Verfahren bekannt, bei dem zwei identische Sinuswellenmuster auf die Oberfläche des Auges proji- ziert werden. Hierbei wird gefiltertes blaues Licht zur Projektion benutzt, welches eine dem Tränenfilm hinzugefügte Flüssigkeit fluoreszieren läßt. Das Wellenmuster des Fluoreszenzlichts wird anschließend von einer CCD- Kamera aufgenommen und mittels einer zweidimensionalen Fourier- Transformations-Analyse die Phasenverschiebung errechnet, die direkt mit der Homhauttopologie in Beziehung steht. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, daß die Daten nicht genauer als die Dicke des Tränenfilms sein können (ca. 50 - 200 μm), die zudem je nach Tageszeit verschieden ist.The so-called Fourier profilometry method is also known, in which two identical sine wave patterns are projected onto the surface of the eye. Here, filtered blue light is used for projection, which allows a liquid added to the tear film to fluoresce. The wave pattern of the fluorescent light is then recorded by a CCD camera and the phase shift is calculated using a two-dimensional Fourier transformation analysis, which is directly related to the homology topology. A disadvantage of this known method is that the data cannot be more precise than the thickness of the tear film (approx. 50-200 μm), which also varies depending on the time of day.
Es ist weiterhin das sogenannte Streifen-Projektions-Verfahren bekannt, welches überwiegend in der Industrie eingesetzt wird, um Oberflächen von Metallen und anderen Materialien zu vermessen. Dieses bekannte Verfahren hat den Vorteil, daß es berührungslos und schnell durchgeführt werden kann, da nur eine einzige Aufnahme notwendig ist. Bei diesem Verfahren wird ein geeignetes Streifenmuster, welches beispielsweise interferometrisch oder durch die Abbildung einer geeigneten Struktur erzeugt werden kann, auf die zu vermessende Oberfläche projiziert und anschließend das von der Oberfläche diffus gestreute Licht detektiert. Wird dieses Verfahren zur Vermessung einer Augenhornhaut eingesetzt, ist das detektierte Streifenmuster aufgrund der Erhebungen der Hornhaut verzerrt. Eine weitere Verzerrung entsteht dadurch, daß die Detektionskamera nicht im Strahlengang des Bestrahlungsmusters liegt, sondern winklig zur Projektions- bzw. Bestrahlungs- richtung angeordnet ist. Mittels Fourier-Transformationen, die mittlerweile mit modernen Rechnern innerhalb kürzester Zeit ausgeführt werden können, lassen sich aus den verzerrten Streifenmustern die Oberflächenformen bestimmen.The so-called strip projection method is also known, which is mainly used in industry to measure surfaces of metals and other materials. This known method has the advantage that it can be carried out quickly and without contact, since only a single exposure is necessary. In this method, a suitable stripe pattern, which can be generated, for example, interferometrically or by imaging a suitable structure, is projected onto the surface to be measured and the light diffusely scattered from the surface is subsequently detected. If this method is used to measure an eye cornea, the detected stripe pattern is distorted due to the elevations of the cornea. A further distortion arises in that the detection camera is not in the beam path of the radiation pattern, but at an angle to the projection or radiation direction is arranged. By means of Fourier transformations, which can now be carried out very quickly with modern computers, the surface shapes can be determined from the distorted stripe patterns.
Allerdings können bei diesem bekannten Verfahren Phasenmeßfehler auftreten, wenn der Kontrast des detektierten Streifenmusters verhältnismäßig schwach ist. Um dies zu umgehen, wird bei bekannten Modifikationen des beschriebenen Verfahrens entweder das zu vermessende Objekt mit einer kontrasterhöhenden, stark streuenden Schicht bedampft oder ein Fluoreszenz-Farbstoff vor die zu vermessende Oberfläche aufgebracht. In Applied- Optics 34, 3644 ff., 1995 ist vorgeschlagen worden, einen solchen Fluoreszenz-Farbstoff zum Tränenfilm hinzugeben, damit nach Bestrahlung des Tränenfilms mit blauem Licht dieser aufgrund der Fluoreszenzanregung grü- nes Licht emittiert, welches dann detektiert und ausgewertet werden kann. Ein ähnliches Verfahren ist in der US 5,406,342 beschrieben, bei dem zwei Teilmuster aus verschiedenen Richtungen auf einen mit Fluoreszenz- Farbstoff angereicherten Tränenfilm projiziert werden, um anschließend nacheinander zwei emittierte Halbbilder mit einer Kamera aufzunehmen. Aufgrund der Projektion aus verschiedenen Richtungen kann der direkte Reflex des Bestrahlungsbündels herausgerechnet werden.However, phase measurement errors can occur in this known method if the contrast of the detected stripe pattern is relatively weak. In order to avoid this, in known modifications of the method described, either the object to be measured is vaporized with a contrast-increasing, highly scattering layer or a fluorescent dye is applied in front of the surface to be measured. In Applied-Optics 34, 3644 ff., 1995 it has been proposed to add such a fluorescent dye to the tear film so that after irradiation of the tear film with blue light, it emits green light due to the fluorescence excitation, which can then be detected and evaluated. A similar method is described in US Pat. No. 5,406,342, in which two partial patterns are projected from different directions onto a tear film enriched with fluorescent dye, in order to subsequently record two emitted fields in succession with a camera. Due to the projection from different directions, the direct reflection of the radiation beam can be eliminated.
Die beschriebenen Verfahren zur Bestimmung der Hornhauttopologie werden nur bei vor der Hornhaut vorhandenem Tränenfilm eingesetzt. Wenn die Hornhautvermessung indirekt über Messung des Flächenverlaufes des Tränenfilmes vorgenommen wird, treten jedoch Meßfehler dadurch auf, daß die Dicke des Tränenfilms zeitlich und lokal schwankt. Weiterhin verteilt sich ein zugesetztes fluoreszierendes Medium über die gesamte Tränenfilmdicke, so daß die Meßgenauigkeit nicht höher als die Filmdicke, d.h. bis zu 200 μm, sein kann. Ebenfalls ist die Epithelschicht der Hornhaut bei der Anwendung der beschriebenen bekannten Verfahren stets vorhanden, die jedoch zwangsläufig als äußerste Schicht der Hornhaut bei der Laserabtragung entfernt werden. Wenn eine fluoreszierende Flüssigkeit bei entfernter Epithelschicht eingesetzt werden würde, würde die Flüssigkeit in die Hornhaut eindringen und diese aufquillen lassen und dadurch zudem die Tiefenauflösung vermindern.The described methods for determining the corneal topology are only used if there is a tear film in front of the cornea. If the cornea measurement is carried out indirectly by measuring the surface course of the tear film, measurement errors occur, however, in that the thickness of the tear film fluctuates temporally and locally. Furthermore, an added fluorescent medium is distributed over the entire tear film thickness, so that the measuring accuracy cannot be higher than the film thickness, ie up to 200 μm. Likewise, the epithelial layer of the cornea is always present when using the known methods described, but it is necessarily the outermost layer of the cornea during laser ablation be removed. If a fluorescent fluid were used with the epithelial layer removed, the fluid would penetrate the cornea and cause it to swell, thereby also reducing the depth resolution.
Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen eine dünne, diffus reflektierende Abdeckung auf die Hornhaut aufgebracht und ein Bestrahlungsmuster auf die Abdeckung projiziert wird. Die US 5,507,740 beschreibt beispielsweise ein Verfahren, bei dem das auf die Abdeckung projizierte Muster aus konzentrischen Kreisen besteht und die Verzerrungen des Musters aufgrund der Hornhauterhebungen untersucht werden. Die US 5,116,115 beschreibt ebenfalls die Projektion eines strukturierten Musters sichtbaren Lichts auf eine die Hornhaut abdeckende Schicht, wobei die Phase dieses Lichtmusters moduliert wird. Ein Computer berechnet aus der rückgestreuten Strah- lung die Phase jedes reflektierenden Punktes der Schicht, aus der dann auf dessen relative Höhe geschlossen werden kann.Methods are also known in which a thin, diffusely reflecting cover is applied to the cornea and a radiation pattern is projected onto the cover. No. 5,507,740 describes, for example, a method in which the pattern projected onto the cover consists of concentric circles and the distortions of the pattern due to the corneal elevations are examined. No. 5,116,115 likewise describes the projection of a structured pattern of visible light onto a layer covering the cornea, the phase of this light pattern being modulated. A computer calculates the phase of each reflecting point of the layer from the backscattered radiation, from which the relative height can then be deduced.
Aus der DE 198 37 932.2 ist bekannt, ein Gewebe direkt mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung erzeugten Bestrahlungsmuster zu bestrahlen, so daß die bestrahlten Gewebebereiche zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung bestehenden Fluoreszenzmusters angeregt werden, welches detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes ausgewertet wird.From DE 198 37 932.2 it is known to irradiate a tissue directly with an irradiation pattern generated with the aid of an excitation radiation, so that the irradiated tissue areas are excited to emit a fluorescence pattern consisting of fluorescent radiation, which is detected and evaluated to calculate the surface shape of the tissue.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren bzw. Vorrichtungen der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei denen sich die To- pologie eines biologischen Gewebes und speziell einer Hornhaut auf einfache Weise und dennoch sehr präzise ermitteln läßt und die Ergebnisse ggf. bei der operativen Behandlung verwendet werden können.It is an object of the present invention to provide methods or devices of the type mentioned at the outset in which the topology of a biological tissue and especially a cornea can be determined in a simple and yet very precise manner and the results, if applicable, in the surgical treatment can be used.
Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe gelöst, bei dem das Gewebe mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung erzeugten Bestrahlungsmuster bestrahlt wird, wobei die Anregungsstrahlung Licht der Wellenlängenbereiche des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums enthält, und bei dem das von den bestrahlten Gewebebereichen emittierte Streustrahlungsmuster zumindest in Wellenlängenbereichen des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des biologischen Gewebes ausgewertet wird.In a first aspect of the invention, this object is achieved by a method for determining the surface shape of biological tissue, in which the tissue is irradiated with an irradiation pattern generated with the aid of excitation radiation, the excitation radiation containing light of the wavelength ranges of the ultraviolet and / or infrared part of the spectrum, and in which the scattered radiation pattern emitted by the irradiated tissue regions at least in the wavelength ranges of the ultraviolet and / or infrared part of the spectrum is detected and evaluated to calculate the surface shape of the biological tissue.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, bei dem eine sich der Oberfläche des Gewebes anpassende Schicht auf das Gewebe aufgebracht, die Schicht mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung erzeugten Bestrahlungsmuster bestrahlt und das von den bestrahlten Schichtbereichen emittierte Strahlungsmuster detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes ausgewertet wird, wobei die Schicht Moleküle enthält, die durch die Bestrahlung mit dem Bestrahlungsmuster zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung bestehenden Fluoreszenzmusters angeregt werden, welches detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform der Schicht und somit derjenigen des Gewebes ausgewertet wird.In a second aspect of the invention, the object is achieved by a method for determining the surface shape of biological tissue, in which a layer adapting to the surface of the tissue is applied to the tissue, the layer is irradiated with an irradiation pattern generated with the aid of excitation radiation, and that of radiation patterns emitted in the irradiated layer regions are detected and evaluated to calculate the surface shape of the tissue, the layer containing molecules which are excited by the irradiation with the radiation pattern to emit a fluorescence pattern consisting of fluorescent radiation, which pattern is detected and used to calculate the surface shape of the layer and thus that of the tissue is evaluated.
Die Aufgabe wird weiterhin bezüglich der Vorrichtungen einerseits gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 29 (korrespondierend zur Erfindung gemäß ihrem ersten Aspekt) und andererseits durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 30 (korrespondierend zur Erfindung gemäß ihrem zweiten Aspekt).With regard to the devices, the object is further achieved on the one hand by the features of independent claim 29 (corresponding to the invention according to its first aspect) and on the other hand by the features of independent claim 30 (corresponding to the invention according to its second aspect).
Die Vorteile der Erfindung gemäß ihrem ersten Aspekt bestehen insbesondere darin, daß Strahlung mit Wellenlängenbereichen verwendet wird, die - je nach untersuchter Gewebeart - eine extrem geringe Eindringtiefe aufweisen kann. Für die niedrige Eindringtiefe sind charakteristische zelluläre Bestandteile des Gewebes verantwortlich, welche zu einer vermehrten Streuung des Lichts führen. Somit verläßt vor allem aus der äußersten Gewebe- schicht rückgestreutes Licht das Gewebe, welches von einer im Wellenlängenbereich des Streulichts - im wesentlichen derselbe Bereich wie derjenige der Anregungsstrahlung - empfindlichen Kamera aufgenommen wird. Es kann somit ein Streulichtmuster detektiert werden, das im wesentlichen aus den die Oberflächenform bestimmenden Gewebebereichen stammt. Das von der Gewebeoberfläche emittierte Licht wird hierbei statistisch in alle Richtungen gestreut, während das zusätzlich auftretende, direkt an der Gewebeoberfläche reflektierte Licht dem Brechungsgesetz nach Snellius unterliegt.The advantages of the invention according to its first aspect are, in particular, that radiation with wavelength ranges is used which - depending on the type of tissue examined - can have an extremely small penetration depth. Characteristic cellular components of the tissue are responsible for the low penetration depth, which lead to an increased scattering of the light. Thus, especially from the outermost tissue backscattered light layers the tissue, which is recorded by a camera that is sensitive in the wavelength range of the scattered light - essentially the same range as that of the excitation radiation. A scattered light pattern can thus be detected, which essentially originates from the tissue areas that determine the surface shape. The light emitted by the tissue surface is scattered statistically in all directions, while the additional light that occurs directly reflected on the tissue surface is subject to the Snellius law of refraction.
Im Gegensatz zu dem in der DE 198 37 932.3 beschriebenen Verfahren wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht von einer Frequenzverschiebung aufgrund eines Wellenlängenunterschiedes zwischen der Anregungsstrahlung einerseits und der Fluoreszenzstrahlung andererseits Gebrauch gemacht. Vielmehr wird das nicht gegenüber der oder den Anregungsstrah- lung wellenlängenverschobene Streustrahlungsmuster detektiert.In contrast to the method described in DE 198 37 932.3, the method according to the invention does not make use of a frequency shift due to a wavelength difference between the excitation radiation on the one hand and the fluorescence radiation on the other. Rather, the scattered radiation pattern that is not shifted in wavelength with respect to the excitation radiation or the excitation radiation is detected.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich an der Köperoberfläche befindliche Bereiche als auch innenliegende Körperabschnitte topolo- gisch vermessen.By means of the method according to the invention, areas located on the body surface and internal body sections can be measured topologically.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß zusätzlich zu dem Streustrahlungsmuster ein Fluoreszenzmuster detektiert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren wird demnach mit dem in der oben genannten DE 198 37 932.3 beschriebenen Verfahren kombiniert. Wenn die Wellenlän- ge zur Anregung der Fluoreszenzstrahlung beispielsweise im ultravioletten Wellenlängenbereich liegt, kann dieselbe Anregungsstrahlung und dasselbe Bestrahlungsmuster zur Erzeugung des Fluoreszenzmusters verwendet werden. Bei diesem zusätzlichen Verfahrensschritt kann vorteilhafterweise das biologische Gewebe selbst zur Emission von fluoreszierender Strahlung angeregt werden. Auch hierbei ist darauf zu achten, daß die Intensität und insbesondere die Wellenlänge der Anregungsstrahlung derart gewählt ist, daß ihre Eindringtiefe in das Gewebe gering ist und nur die äußersten Ge- webebereiche zur Fluoreszenz angeregt werden. Die Dicke dieser Gewebebereiche liegt beispielsweise bei 2 bis 3 μm. Meßverfälschungen sind bei dieser Vorgehensweise minimal, da keine Durchmischung der fluoreszierenden Materie mit einer vorgelagerten Flüssigkeit - wie beispielsweise im Falle eines Tränenfilms vor der Hornhaut - auftritt. Auch quillt das Gewebe wegen des nicht vorhandenen und in das Gewebe eindringenden Flüssigkeitsfilmes nicht auf.A preferred embodiment of the invention provides for a fluorescence pattern to be detected in addition to the scattered radiation pattern. The method according to the invention is accordingly combined with the method described in DE 198 37 932.3 mentioned above. If the wavelength for excitation of the fluorescence radiation is, for example, in the ultraviolet wavelength range, the same excitation radiation and the same radiation pattern can be used to generate the fluorescence pattern. In this additional method step, the biological tissue itself can advantageously be excited to emit fluorescent radiation. Here too, care must be taken that the intensity and in particular the wavelength of the excitation radiation is chosen such that its depth of penetration into the tissue is small and only the outermost weaving areas are stimulated to fluorescence. The thickness of these tissue areas is, for example, 2 to 3 μm. Measurement errors are minimal with this procedure, since there is no mixing of the fluorescent material with an upstream liquid - as is the case, for example, in the case of a tear film in front of the cornea. The tissue also does not swell due to the non-existent liquid film which penetrates into the tissue.
Gleichfalls ist es möglich, mit mindestens zwei Wellenlängen bzw. Wellen- längenbereichen das Gewebe zu bestrahlen, wobei die eine Wellenlänge bzw. der eine Wellenlängenbereich das Streustrahlungsmuster und die andere Wellenlänge bzw. der andere Wellenlängenbereich das Fluoreszenzmuster hervorruft.It is also possible to irradiate the tissue with at least two wavelengths or wavelength ranges, one wavelength or the one wavelength range causing the scattered radiation pattern and the other wavelength or the other wavelength range causing the fluorescence pattern.
Wenn die entsprechenden Meßungenauigkeiten in Kauf genommen werden (können), kann alternativ zur Eigenfluoreszenz des Gewebes eine mit einer zur Fluoreszenz anregbaren Substanz angereicherte Schicht vor dem biologischen Gewebe verwendet werden. Die Schicht ist dabei bevorzugt dergestalt, daß sie nicht oder kaum in das Gewebe eindringt. In diesem Fall würde das Streulichtmuster von dem Gewebe und das Fluoreszenzmuster von der vorgelagerten Schicht herrühren.If the corresponding measurement inaccuracies can (be) accepted, as an alternative to the intrinsic fluorescence of the tissue, a layer in front of the biological tissue enriched with a substance that can be excited by fluorescence can be used. The layer is preferably such that it does not or hardly penetrates the tissue. In this case the scattered light pattern would originate from the tissue and the fluorescence pattern from the upstream layer.
Maßgeblich für die niedrige Eindringtiefe der Anregungsstrahlung bei der Streuung ist der Absorptions-Koeffizient sowie der Streu-Koeffizient. Für die Vermessung von Gewebeoberflächen ist daher die Wellenlänge der Anregungsstrahlung vorteilhafterweise kleiner als 400 nm (UV-Licht) oder größer 1,5 μm (IR-Licht). UV-Licht wird insbesondere an unterschiedlichen Bestandteilen von Zellen stark gestreut und dringt somit nicht über die ersten Gewebeschichten hinaus in das Gewebe ein. IR-Licht wird hingegen über- wiegend an den in allen biologischen Geweben enthaltenen Wassermolekülen gestreut. Da dieses ebenfalls in den obersten Gewebeschichten enthalten ist, wird relativ intensitätsstarkes IR-Licht insbesondere von diesen Ge- webeschichten rückgestreut. Rückgestreutes Licht aus tieferen Gewebeschichten weist meist keine hinreichende Intensität auf.The absorption coefficient and the scattering coefficient are decisive for the low penetration depth of the excitation radiation during scattering. For the measurement of tissue surfaces, the wavelength of the excitation radiation is therefore advantageously less than 400 nm (UV light) or greater than 1.5 μm (IR light). UV light is particularly scattered on different components of cells and therefore does not penetrate the tissue beyond the first layers of tissue. IR light, on the other hand, is mainly scattered from the water molecules contained in all biological tissues. Since this is also contained in the top fabric layers, relatively intense IR light is emitted especially by these scattered weaving stories. Backscattered light from deeper tissue layers usually does not have sufficient intensity.
Neben dem Streulicht gelangt auch der an der Oberfläche des Gewebes re- flektierte direkte Reflex in die Detektionseinheit und überlagert einen Bereich des Meßfeldes, in dem das gestreute Muster dann nicht mehr von dem direkten Reflex unterschieden werden kann. Um dieses zu verhindern, wird vorzugsweise linear polarisiertes Licht zur Beleuchtung der zu bestrahlenden Gewebebereiche verwendet. Hierzu wird vorzugsweise ein Polarisator in den Strahlengang der Anregungsstrahlung und ein senkrecht zum Polarisator orientierter Analysator in den Strahlengang der zu detektierenden Strahlung positioniert. Bei der Reflexion bleibt die Polarisation der reflektierten Strahlung im Gegensatz zur Streustrahlung erhalten. Demnach kann lediglich die gestreute Strahlung und nicht die reflektierte Strahlung den Analysator pas- sieren und zum Detektor gelangen. Hierdurch wird der Kontrast des detek- tierten Musters und die Genauigkeit der Auswertung erhöht.In addition to the scattered light, the direct reflection reflected on the surface of the tissue also reaches the detection unit and overlaps an area of the measuring field in which the scattered pattern can then no longer be distinguished from the direct reflection. To prevent this, linearly polarized light is preferably used to illuminate the tissue areas to be irradiated. For this purpose, a polarizer is preferably positioned in the beam path of the excitation radiation and an analyzer oriented perpendicular to the polarizer in the beam path of the radiation to be detected. In contrast to the scattered radiation, the polarization of the reflected radiation is retained during the reflection. Accordingly, only the scattered radiation and not the reflected radiation can pass the analyzer and reach the detector. This increases the contrast of the detected pattern and the accuracy of the evaluation.
Die Vorteile der Erfindung gemäß ihrem zweiten Aspekt liegen insbesondere darin, daß die zu vermessende Oberfläche mit einer extern aufgebrachten, sich an diese anliegende Schicht belegt wird, welche die Oberflächenform möglichst exakt abbildet. Die Kontur der künstlich aufgebrachten Schicht entspricht dann im wesentlichen der Kontur der Gewebeoberfläche. Gemäß der Erfindung werden demnach kein Zusatzstoffe dem Tränenfilm zugegeben, sondern die Schicht als Ganzes aufgetragen. Die Schicht kann hierbei von einer anfänglich flüssigen Substanz oder einer festen Schicht, beispielsweise in Form einer flexiblen und ggf. elastischen Matte - beispielsweise aus Teflon -, gebildet sein. Die Schicht muß nicht durchgängig das Gewebe bedecken, sondern kann auch beispielsweise als Netz mit feinen Maschen ausgebildet sein. Als Gewebe kommen sowohl körperäußere als auch im Körper liegende Gewebe in Frage, die z.B. mittels invasiver Chirurgie erreicht werden können. Da die Schicht zur Fluoreszenz anregbare Moleküle beigesetzt sind, lassen sich diese durch Beleuchtung zur Emission von Fluo- reszenzlicht anregen. Im Strahlengang des Fluoreszenzlichtes können geeignete Filter plaziert werden, mit denen die Wellenlängen der Anregungsstrahlung unterdrückt werden, so daß nur Fluoreszenzlicht empfangen wird und nicht der direkte Reflex der Anregungsstrahlung sowie - wenn dies un- erwünscht ist - Streustrahlung. Mittels dieser Vorgehensweise kann eine hohe Meßgenauigkeit erhalten werden.The advantages of the invention according to its second aspect lie in particular in the fact that the surface to be measured is covered with an externally applied layer which lies against it and which reproduces the surface shape as precisely as possible. The contour of the artificially applied layer then essentially corresponds to the contour of the tissue surface. According to the invention, therefore, no additives are added to the tear film, but the layer is applied as a whole. The layer can be formed from an initially liquid substance or a solid layer, for example in the form of a flexible and possibly elastic mat - for example made of Teflon. The layer does not have to cover the fabric throughout, but can also be designed, for example, as a mesh with fine meshes. Both tissues that are external to the body and tissues that lie in the body can be considered as tissues, which can be achieved, for example, by means of invasive surgery. Since the layer contains molecules that can be excited by fluorescence, they can be illuminated to emit fluorescent molecules. stimulate the rescent light. Suitable filters can be placed in the beam path of the fluorescent light, with which the wavelengths of the excitation radiation are suppressed, so that only fluorescent light is received and not the direct reflection of the excitation radiation and, if this is not desired, scattered radiation. With this procedure, a high measuring accuracy can be obtained.
Die Schichtdicke beträgt bevorzugt maximal 10 μm. Vorteilhafterweise liegt die Schichtdicke im Bereich von 1-3 μm, kann aber auch noch kleiner ge- wählt werden, beispielsweise wenn die Schicht nur aus einer Moleküllage besteht. Die Schichtdicke sollte wegen ansonsten schlechterer Tiefenauflösung nicht zu groß gewählt werden.The layer thickness is preferably at most 10 μm. The layer thickness is advantageously in the range of 1-3 μm, but can also be selected to be even smaller, for example if the layer consists of only one molecular layer. The layer thickness should not be chosen too large because of the otherwise poorer depth resolution.
Die Schicht kann vorteilhafterweise auf die bevorzugt vorher weitgehend flüssigkeitsfreie Gewebeoberfläche aufgetropft werden und legt sich dann weitgehend gleichmäßig an diese an (eine noch vorhandene Flüssigkeitsschicht würde sich nach Aufbringung der Schicht zwischen diesem und dem Gewebe befinden und die Messungen verfälschen). Hierdurch läßt sich eine nahezu gleiche Schichtdicke über die gesamte Gewebeoberfläche erreichen. Auch kann die Schichtdicke sehr klein eingestellt werden. Die Eindringtiefe der Anregungsstrahlung hängt dabei nicht mehr von den optischen Oberflächeneigenschaften des biologischen Gewebes ab, sondern nur noch von denen der Schicht. Wird diese so gewählt, daß die Eindringtiefe sehr gering ist, ist die Tiefenauflösung sehr gut und liegt im Bereich von wenigen Mikro- metern.The layer can advantageously be dripped onto the previously largely liquid-free tissue surface and then lies evenly against the surface (a liquid layer that is still present would be between the tissue and the layer after application of the layer and falsify the measurements). In this way, an almost identical layer thickness can be achieved over the entire tissue surface. The layer thickness can also be set very small. The penetration depth of the excitation radiation no longer depends on the optical surface properties of the biological tissue, but only on those of the layer. If this is chosen so that the penetration depth is very small, the depth resolution is very good and is in the range of a few micrometers.
Wenn die erfindungsgemäße Schicht beispielsweise für die Vermessung der Homhauttopologie eingesetzt wird, ist eine Verwendung bei entfernter Epithelschicht auch dann möglich, wenn die Schicht in flüssiger Form aufgetra- gen wird. Zwar ist es möglich, daß Flüssigkeitsmoleküle tatsächlich in Gewebebereiche eindringen; die Anregungsstrahlung kann jedoch in diesem Fall beispielsweise so gewählt werden, daß die Absorption im wesentlichen lediglich in der Schicht selbst erfolgt.If the layer according to the invention is used, for example, for measuring the top layer of the skin, use with the epithelial layer removed is also possible if the layer is applied in liquid form. It is possible that liquid molecules actually penetrate tissue areas; the excitation radiation can, however, in this Case, for example, be chosen so that the absorption takes place essentially only in the layer itself.
Wenn die Schicht erhärtet oder von Anfang an fest ausgebildet ist, treten vorgenannte Konstellationen von vomeherein nicht auf.If the layer hardens or is solid from the start, the aforementioned constellations do not occur from the outset.
Eine besonders dünne und dennoch sich eng an die Gewebeoberfläche anliegende Molekülschicht läßt sich erreichen, wenn die Schicht einander elektrostatisch abstoßende Moleküle aufweist, so daß eine ein- bis weniglagige Schicht auf der Gewebeoberfläche entsteht. Vorteilhafterweise wird die Ladung der sich elektrostatisch abstoßenden Moleküle derart gewählt, daß diese selbst elektrostatisch an der Gewebeoberfläche haften. Beispielsweise werden Schichtmoleküle mit positiver Ladung gewählt, wenn die Gewebeoberfläche im wesentlichen negativ geladene Moleküle aufweist. Auf diese Weise läßt sich die Bildung von vielen Molekülschichten übereinander unterdrücken, die aufgrund nicht idealer Übereinanderlagerungen eine Fehlerquelle für die Messungen darstellen könnten.A particularly thin but still tightly fitting layer of molecules can be achieved if the layer has electrostatically repelling molecules, so that a single to little layer is formed on the surface of the tissue. The charge of the electrostatically repelling molecules is advantageously chosen such that they themselves adhere electrostatically to the tissue surface. For example, layer molecules with a positive charge are selected if the tissue surface has essentially negatively charged molecules. In this way, the formation of many molecular layers on top of each other can be suppressed, which could represent a source of errors for the measurements due to non-ideal superimpositions.
Ein ähnlicher Effekt läßt sich dadurch erreichen, wenn die Moleküle der Schicht polar ausgebildet sind.A similar effect can be achieved if the molecules of the layer are polar.
Die die Fluoreszenzstrahlung emittierenden Schichtbereiche werden bevorzugt mit einer Anregungsstrahlung bestrahlt, welche Anteile im ultravioletten Wellenlängenbereich aufweist. Vorzugsweise liegt die Anregungsstrahlung im Wellenlängenbereich von 150 nm bis zu 400 nm. Bei Verwendung beispielsweise eines ArF-Lasers liegt die Anregungsstrahlung bei 193 nm, während bei einem z.B. Frequenz-verfünffachten Nd:YAG-Laser die Anregungsstrahlung eine Wellenlänge von 213 nm aufweist. Kürzere Wellenlängen als 150 nm lassen sich derzeit nur mit hohem technischen Aufwand mit hinrei- chender Energie erzeugen. Zudem ist die von ihnen erzeugte Fluoreszenzstrahlung mittels konventioneller Technik momentan nur unzureichend de- tektierbar. Auf der anderen Wellenlängenseite könnten Wellenlängen mit mehr als 400 nm - je nach Material der bedeckenden Schicht - eine zu große Eindringtiefe aufweisen, so daß die Fluoreszenzstrahlung auch von tieferen Schichtlagen oder sogar vom darunter liegenden Gewebe stammen würde und die Tiefenauflösung somit eingeschränkt wäre.The layer regions emitting the fluorescent radiation are preferably irradiated with an excitation radiation which has components in the ultraviolet wavelength range. The excitation radiation is preferably in the wavelength range from 150 nm to 400 nm. When using, for example, an ArF laser, the excitation radiation is 193 nm, while in the case of a frequency-quintupled Nd: YAG laser, for example, the excitation radiation has a wavelength of 213 nm. Wavelengths shorter than 150 nm can currently only be generated with sufficient energy and with great technical effort. In addition, the fluorescence radiation they generate is currently only insufficiently detectable using conventional technology. On the other side of the wavelength could be wavelengths more than 400 nm - depending on the material of the covering layer - have a penetration depth that is too great, so that the fluorescence radiation would also come from deeper layer layers or even from the tissue underneath and the depth resolution would thus be restricted.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß nicht nur die von den bestrahlten Schichtbereichen emittierte Fluoreszenzstrahlung detektiert und ausgewertet wird, sondern daß zusätzlich - oder auch alternativ - die von diesen Bereichen ausgehende Streustrahlung ge- messen und zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes herangezogen wird. Dies kann entweder durch Messung mit derselben Detektions- vorrichtung geschehen, oder es wird eine zusätzliche Detektionsvorrichtung allein für die Streustrahlung verwendet. Bei Verwendung von zwei Detekti- onsvorrichtungen wird vorteilhafterweise vor jeder Detektionsvorrichtung mindestens ein Filter angeordnet, das für die von dieser Detektionsvorrichtung nicht zu detektierende Strahlung - Streustrahlung bzw. Fluoreszenzstrahlung - undurchlässig, hingegen für die zu detektierende Strahlung - Fluoreszenzstrahlung bzw. Streustrahlung - durchlässig ist.In an alternative embodiment of the invention, it is provided that not only the fluorescent radiation emitted by the irradiated layer regions is detected and evaluated, but also - or alternatively - that the scatter radiation emanating from these regions is measured and used to calculate the surface shape of the tissue , This can either be done by measuring with the same detection device, or an additional detection device is used solely for the scattered radiation. When using two detection devices, at least one filter is advantageously arranged in front of each detection device, which filter is opaque to the radiation - scattered radiation or fluorescent radiation not to be detected by this detection device, but is permeable to the radiation to be detected - fluorescent radiation or scattered radiation.
Mit den vorgestellten Verfahren lassen sich allgemein Oberflächen von biologischen Geweben - seien es äußere oder innere Körperoberflächen - vermessen, beispielsweise Oberflächenveränderungen aufgrund von Hautoder sonstigen Krankheiten oder zur individuellen Identifikation heranzuziehende Strukturmerkmale, wie beispielsweise Fingeroberflächen. In einigen Fällen kann es notwendig sein, im Lichtweg vorhandene störende Objekte, wie beispielsweise Haare, zu entfernen.With the methods presented, surfaces of biological tissues - be they external or internal body surfaces - can generally be measured, for example surface changes due to skin or other diseases or structural features to be used for individual identification, such as finger surfaces. In some cases, it may be necessary to remove interfering objects, such as hair, that are present in the light path.
Zur Detektion des Bestrahlungsmusters - sowohl des Streustrahlungsmusters als auch des Fluoreszenzmusters, unabhängig davon, ob dieses von dem biologischen Gewebe selbst (Eigenfluoreszenz) oder einer auf diesem aufgebrachten fluoreszierenden Schicht stammt - wird vorteilhafterweise eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera verwendet. Beide erlauben eine ortsaufgelöste Detektion im Bereich von 5 bis 10 μm mit mehreren 100.000 Datenpunkten. Während eine CMOS-Kamera eine um eine 10er-Potenz geringere Lichtempfindlichkeit sowie ein höheres Rauschen aufweist, liegt ihr Preis momentan deutlich niedriger als derjenige einer CCD-Kamera. Beide Kameratypen genügen jedoch den Voraussetzungen für eine exzellente To- pologiebestimmung. Wird zur Erzeugung der Anregungsstrahlung eine UV- Strahlungsquelle eingesetzt und die Streustrahlung detektiert, ist eine im ultravioletten empfindliche Kamera zu verwenden. Ist hingegen alternativ oder zusätzlich eine Fluoreszenzstrahlung zu vermessen, muß die Detektionska- mera aufgrund des Wellenlängenunterschiedes zu der Anregungsstrahlung (auch) in einem längerwelligen Bereich arbeiten. Die Detektion des direkten Reflexes von der zu vermessenden Oberfläche kann unterdrückt werden, indem ein Färb- oder Polarisationsfilter zwischen dem Gewebe und der Detektionsvorrichtung plaziert wird.A CCD camera or a CMOS camera is advantageously used to detect the radiation pattern - both the scattered radiation pattern and the fluorescence pattern, regardless of whether this originates from the biological tissue itself (self-fluorescence) or from a fluorescent layer applied thereon. Both allow one spatially resolved detection in the range of 5 to 10 μm with several 100,000 data points. While a CMOS camera has a lower sensitivity to light and a higher noise by a power of 10, its price is currently significantly lower than that of a CCD camera. However, both types of camera meet the requirements for an excellent topology determination. If a UV radiation source is used to generate the excitation radiation and the scattered radiation is detected, an ultraviolet sensitive camera must be used. On the other hand, if, alternatively or additionally, fluorescence radiation is to be measured, the detection camera must (also) operate in a longer-wave range due to the difference in wavelength to the excitation radiation. The detection of the direct reflection from the surface to be measured can be suppressed by placing a staining or polarization filter between the tissue and the detection device.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die vom biologischen Gewebe bzw. von der Schicht emittierte Streu- und/oder Fluoreszenzstrahlung unter einem von der Bestrahlungsrichtung verschiedenen Winkel detektiert, der beispielsweise 45° beträgt. Hierdurch ist es möglich, die Kur- vatur der Gewebeoberfläche bzw. der Schicht aufgrund der perspektivischen Verzerrung des Streustrahlungs- bzw. Fluoreszenzmusters präziser zu vermessen. Die Verzerrung sorgt nämlich dafür, daß das Muster in der Perspektive gekrümmter als unter Frontalbetrachtung erscheint, so daß eine genauere Auflösung hinsichtlich des Krümmungsverlaufes erhalten werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, the scattered and / or fluorescent radiation emitted by the biological tissue or by the layer is detected at an angle different from the direction of irradiation, which is, for example, 45 °. This makes it possible to measure the curvature of the tissue surface or the layer more precisely due to the perspective distortion of the scattered radiation or fluorescence pattern. The distortion ensures that the pattern appears more curved in the perspective than when viewed from the front, so that a more precise resolution with regard to the curvature course can be obtained.
Der erwähnte Verzerrungseffekt kann jedoch auch dahin führen, daß Linien in von der Detektionsvorrichtung abgewandten Bereichen unerwünschtermaßen ineinanderfließen und daher nicht mehr präzise auflösbar sind. In einem solcher Fall kann vorteilhafterweise mindestens eine weitere Detektionsvorrichtung verwendet werden, die gerade den Teil des zu detektieren- den Musters mißt, den die andere Detektionsvorrichtung nicht mehr präzise genug auflösen kann. Alternativ zu einer zweiten Detektionsvorrichtung kann ein vor dem biologischen Gewebe positionierter Spiegel eingesetzt werden, der die zu detektierende Strahlung von der der Detektionsvorrichtung entfernten Seite des biologischen Gewebes zu eben dieser spiegelt. Bei dieser Anordnung werden die räumlichen Halbbilder nacheinander aufgenommen und gemeinsam zur Auswertung herangezogen.The above-mentioned distortion effect can, however, also lead to the fact that lines in areas facing away from the detection device undesirably flow into one another and can therefore no longer be resolved precisely. In such a case, at least one further detection device can advantageously be used, which precisely measures the part of the pattern to be detected that the other detection device no longer precisely can dissolve enough. As an alternative to a second detection device, a mirror positioned in front of the biological tissue can be used, which mirror reflects the radiation to be detected from the side of the biological tissue remote from the detection device. With this arrangement, the spatial fields are recorded one after the other and used together for evaluation.
Bei beträchtlich gekrümmten, zu vermessenden Oberflächen ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß das biologische Gewebe bzw. die Schicht aus mindestens zwei Richtungen bestrahlt wird, um eine hinreichende Ausleuchtung zu erreichen. Bei einer Hornhaut, die nahezu kugelsymmetrisch aufgebaut ist, bietet es sich an, einen symmetrischen Aufbau der beiden Strahlungsquellen bezüglich der Hornhaut zu realisieren. Dies bedeutet, daß die beiden Projektions- bzw. Bestrahlungsrichtungen die gleichen Winkel mit einer zwischen ihnen verlaufenden Normalen einschließen, die durch den Mittelpunkt der sichtbaren Hornhautoberfläche verläuft und auf der beispielsweise eine Detektionsvorrichtung angeordnet ist. Neben mehreren Strahlungsquellen können auch mehrere Detektionsvorrichtungen bzw. mehrere Spiegel oder andere Lichtumlenkeinrichtungen vorgesehen sein.In the case of considerably curved surfaces to be measured, it is advantageously provided that the biological tissue or the layer is irradiated from at least two directions in order to achieve adequate illumination. With a cornea that is almost spherically symmetrical, it is advisable to implement a symmetrical structure of the two radiation sources with respect to the cornea. This means that the two projection or radiation directions enclose the same angles with a normal extending between them, which runs through the center of the visible corneal surface and on which, for example, a detection device is arranged. In addition to multiple radiation sources, multiple detection devices or multiple mirrors or other light deflection devices can also be provided.
Als Bestrahlungsquelle können beispielsweise Excimer-Laser, wie ArF-Laser (λ = 193 nm), KrF-Laser (λ = 248 nm), XeCI-Laser (λ = 308 nm), XeF-Laser (λ = 351 nm) sowie Stickstoff-Laser (λ = 337 nm) sowie frequenzveπtiel- fachte Festkörper-Laser, wie beispielsweise ein frequenzverdreifachter, - vervierfachter oder -verfünffachter Nd:YAG-Laser mit λ = 355 nm, 266 nm bzw. 213 nm oder durch derartige Festkörper-Laser gepulste Farbstoff-Laser verwendet werden. Es sollte darauf geachtet werden, daß die Intensität der Streu- und/oder Fluoreszenzstrahlung möglichst hoch ist (ohne daß Schädigungen des Gewebes oder der Schicht durch die Anregungsstrahlung auf- treten), da dann die Anforderungen an die Detektionsvorrichtung(en) niedriger sind. Als kostengünstige Alternative zu einem Laser können auch Blitzlampen mit beispielsweise Xenon- oder Deuterium-haltigen Gasgemischen verwendet werden, deren Wellenlängenbereiche mittels Filter auf den gewünschten Be- reich begrenzbar sind. Um eine gleich hohe Empfindlichkeit wie bei der Verwendung von Lasern zu erhalten, müssen aufgrund der oft niedrigeren Intensität der Blitzlampen empfindlichere Detektionsvorrichtungen eingesetzt werden.Excimer lasers such as ArF lasers (λ = 193 nm), KrF lasers (λ = 248 nm), XeCI lasers (λ = 308 nm), XeF lasers (λ = 351 nm) and nitrogen can be used as the radiation source -Laser (λ = 337 nm) and frequency-multiplied solid-state lasers, such as, for example, a frequency tripled, quadrupled or quadrupled Nd: YAG laser with λ = 355 nm, 266 nm or 213 nm or pulsed by such solid-state lasers Dye lasers can be used. Care should be taken to ensure that the intensity of the scattered and / or fluorescent radiation is as high as possible (without the tissue or the layer being damaged by the excitation radiation) since the requirements on the detection device (s) are then lower. As a cost-effective alternative to a laser, flash lamps with gas mixtures containing xenon or deuterium, for example, whose wavelength ranges can be limited to the desired range by means of filters, can also be used. In order to obtain the same high sensitivity as when using lasers, more sensitive detection devices must be used due to the often lower intensity of the flash lamps.
Das Bestrahlungsmuster zur Projektion auf das biologische Gewebe bzw. auf die Schicht besteht vorzugsweise aus parallelen Streifen mit sinus-, ko- sinus2- oder rechteckförmigem Intensitätsverlauf. Unter Verwendung geeigneter Rechenalgorithmen ist eine Auflösung von wenigen Mikrometern zu erreichen, wenn beispielsweise eine Streifenbreite und ein Streifenabstand von 100 μm gewählt wird. Alternativ zu einem solchen Streifenprojektionsverfahren kann ein Lochmuster oder ein Ringmuster ähnlich der Placido- Ringe verwendet werden. Ebenso kommt ein aus zwei Linienmustern bestehendes Moire-Muster oder auch ein Raster in Frage, dessen im Bestrahlungsmuster wiederzufindende Schnittpunkte ausgewertet werden. Allgemein kann jedes geeignete geometrische Muster zur Erzeugung des Bestrahlungsmusters auf dem biologischen Gewebe oder der Schicht verwendet werden.The radiation pattern for projection onto the biological tissue or onto the layer preferably consists of parallel strips with a sinusoidal, cosineus 2 or rectangular intensity curve. Using suitable computing algorithms, a resolution of a few micrometers can be achieved if, for example, a stripe width and a stripe spacing of 100 μm are selected. As an alternative to such a stripe projection method, a hole pattern or a ring pattern similar to the placido rings can be used. Likewise, a moire pattern consisting of two line patterns or also a grid can be used, the intersections of which can be found in the radiation pattern are evaluated. In general, any suitable geometric pattern can be used to create the radiation pattern on the biological tissue or layer.
Um das geometrische Bestrahlungsmuster zu erzeugen, können verschie- denste Vorrichtungen eingesetzt werden. Beispielsweise wird eine Maske mit parallelen Schlitzen oder regelmäßig angeordneten Löchern verwendet. Auch sind bereichsweise strukturell veränderte Substrate, wie beispielsweise Gläser, einsetzbar, bei denen sich z.B. Bereiche starker Streuung oder Absorption mit unpräparierten Bereichen hoher Transmission abwechseln. Mit- tels kommerziell erhältlicher Mikrolinsen auf einem transparenten Glassubstrat lassen sich ebenfalls Streifenmuster sowie andere Bestrahlungs- und damit Streu- bzw. Fluoreszenzmuster erhalten. Die Mikrolinsen haben den Vorteil, daß im Gegensatz zu einer Maske nahezu die gesamte Anregungsstrahlung auf das biologische Gewebe bzw. die Schicht fallen kann. Zusätzlich ist eine höhere Tiefenschärfe bei Verwendung von Mikrolinsen gegeben. Auch ist ein genauerer sinusförmiger Intensitätsverlauf der hellen und dunk- len Streifen in einem Streifenmuster gegenüber einer Maske erhältlich. Alternative Ausführungsbeispiele zur Erzeugung des Bestrahlungsmusters umfassen Interferenzmethoden nach beispielsweise Aufweitung des Strahles von einem monochromatischen kohärenten Laser mittels eines Strahlteilers oder die Erzeugung eines Interferenzmusters auf dem Gewebe mittels zwei- er aufeinander abgestimmter Strahlungsquellen. Auch sind viele eng zusammenstehende Mikrospiegel einsetzbar, die die Anregungsstrahlung zum Gewebe reflektieren. Eine Kombination von den oben genannten Erzeugungsmöglichkeiten des Bestrahlungsmusters ist ebenfalls möglich.A wide variety of devices can be used to generate the geometric radiation pattern. For example, a mask with parallel slits or regularly arranged holes is used. In some areas, structurally modified substrates, such as glasses, can also be used, in which, for example, areas of strong scattering or absorption alternate with unprepared areas of high transmission. Using commercially available microlenses on a transparent glass substrate, stripe patterns as well as other radiation and thus scattering or fluorescent patterns can also be obtained. The microlenses have that The advantage that, in contrast to a mask, almost all of the excitation radiation can fall on the biological tissue or the layer. In addition, there is a greater depth of field when using microlenses. A more precise sinusoidal intensity curve of the light and dark stripes is also available in a stripe pattern compared to a mask. Alternative exemplary embodiments for generating the radiation pattern include interference methods after, for example, expanding the beam from a monochromatic coherent laser by means of a beam splitter or generating an interference pattern on the tissue by means of two mutually coordinated radiation sources. Many closely spaced micromirrors that reflect the excitation radiation to the tissue can also be used. A combination of the above-mentioned possibilities of generating the radiation pattern is also possible.
Die Oberflächenform des Gewebes wird bevorzugt von einer Auswerteeinheit, d.h. einem Computer, berechnet, wobei das Rechenergebnis zur Steuerung eines Lasers herangezogen werden kann. Der Laser kann hierbei derselbe sein, wie der zur Bestimmung der Oberflächenform verwendete Laser. Auf diese Weise läßt sich vorteilhafterweise eine kompakte und kostengün- stige Vorrichtung zur Oberflächenkorrektur realisieren. Alternativ kann ein Meßlaser auf einem bestehenden Operationslaser montiert werden oder definiert in dessen Nähe angeordnet, um eine preisgünstige Nachrüstung dieses Operationslasers zu ermöglichen. Die Anschaffung eines gesamten neuen Systems erübrigt sich damit. Handelt es sich bei dem biologischen Gewebe um die Hornhaut eines Auges, kann die Steuerung zur Einstellung der Bestrahlungsdauer und der Intensität des Operationslasers verwendet werden, um durch Abtragung von Hornhautschichten zur gewünschten Zieldicke der Hornhaut zu gelangen. Um eine kontrollierte Abtragung des biologischen Gewebes zu erreichen, wird bevorzugt die Oberflächenform vor und während sowie ggf. nach der Operation bestimmt. Soll die Topologie einer Hornhaut vermessen werden, ist zu berücksichtigen, daß das Auge sich spontan und willensunabhängig bewegt. Einerseits können zur Umgehung dieser Schwierigkeiten Laser mit sehr kurzen Pulsdauern in der Größenordnung von Milli-, Mikro- sowie Nanosekunden eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können sogenannte Eye-Tracker verwendet werden, mittels derer auch längere Bestrahlungszeiten realisiert werden können. Eine derartige Vorrichtung sammelt Informationen über typische Bewegungsabläufe des Auges, um anhand dieser Informationen die Anregungsstrahlung den zu bestrahlenden Hornhautbereichen nachzuführen. Alternativ kann bei Änderung der Lage des Auges die Bestrahlung bzw. die Detektion gestoppt werden. Alternativ oder zusätzlich wird mit einem Eye- Tracker vor jeder Bestrahlung bzw. nach jeder Detektion die Lage des Auges bestimmt und bei der Auswertung des Streu- und/oder Fluoreszenzmusters berücksichtigt. Ein Eye-Tracker kann gemäß beider Erfindungsaspekte ver- wendet werden - für die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt insbesondere dann, wenn eine transparente Schicht eingesetzt wird, der die Beobachtung der Augenbewegungen nicht behindert.The surface shape of the fabric is preferably calculated by an evaluation unit, ie a computer, and the result of the calculation can be used to control a laser. The laser can be the same as the laser used to determine the surface shape. In this way, a compact and inexpensive device for surface correction can advantageously be realized. Alternatively, a measuring laser can be mounted on an existing surgical laser or arranged in a defined manner in its vicinity in order to enable inexpensive retrofitting of this surgical laser. This eliminates the need to purchase an entire new system. If the biological tissue is the cornea of an eye, the control can be used to adjust the radiation duration and the intensity of the surgical laser in order to achieve the desired target thickness of the cornea by removing corneal layers. In order to achieve a controlled removal of the biological tissue, the surface shape is preferably determined before and during and possibly after the operation. If the topology of a cornea is to be measured, it must be taken into account that the eye moves spontaneously and independently of the will. On the one hand, lasers with very short pulse durations on the order of milliseconds, microseconds and nanoseconds can be used to circumvent these difficulties. As an alternative or in addition, so-called eye trackers can be used, by means of which longer exposure times can also be achieved. Such a device collects information about typical movements of the eye in order to use this information to track the excitation radiation to the corneal areas to be irradiated. Alternatively, the radiation or the detection can be stopped if the position of the eye changes. As an alternative or in addition, the position of the eye is determined with an eye tracker before each irradiation or after each detection and is taken into account when evaluating the scatter and / or fluorescence pattern. An eye tracker can be used in accordance with both aspects of the invention - for the invention in accordance with the second aspect in particular when a transparent layer is used which does not hinder the observation of eye movements.
Das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist im Falle einer Hornhaut-Topologiebestimmung auch dann einzusetzen, wenn kein Tränenfilm und keine Epithelschicht vorhanden ist. Hierdurch ist es möglich, auch während einer Operation beliebig oft die momentane Gewebeform zu bestimmen, um anhand dieser Ergebnisse den nächsten Operationsschritt durchzuführen. Diese Kontrollmöglichkeit während der Operati- on minimiert die Fehler und ermöglicht ein stufenweises vorsichtiges Abtragen von Hornhautschichten, um präzise die Fehlsichtigkeit zu korrigieren. Eigens für bestimmte Patientengruppen angefertigte Nomogramme werden vom Operateur nicht mehr benötigt. Wird ein und derselbe Laser sowohl für die Applikation als auch für die Vermessung verwendet, wird während der Operation zwischen dem Operationsmodus und dem Meßmodus hin- und hergeschaltet, um die Abtragung anhand der Meßergebnisse zu steuern bzw. zu regeln. Auch das Verfahren bzw. die Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung erlaubt eine Applikation der zur Fluoreszenz anregbaren Schicht während einer Operation. Hierbei kann die beispielsweise zwischen den Operationsschritten aufgetragene Schicht durch Erhöhung der auftreffenden Strahlungsintensität verdampft und die Operation fortgesetzt werden.In the case of a corneal topology determination, the method and the device according to the first aspect of the invention can also be used when there is no tear film and no epithelial layer. This makes it possible to determine the current tissue shape as often as required during an operation in order to carry out the next operation step on the basis of these results. This control option during the operation minimizes the errors and enables gradual, careful removal of corneal layers in order to correct the ametropia precisely. The surgeon no longer needs nomograms specially made for certain patient groups. If one and the same laser is used both for the application and for the measurement, there is a switch back and forth between the operation mode and the measurement mode during the operation in order to control or regulate the removal based on the measurement results. The method and the device according to the second aspect of the invention also allow the fluorescent excitable layer to be applied during an operation. In this case, the layer applied, for example, between the operation steps can be evaporated by increasing the incident radiation intensity and the operation can be continued.
Besonders vorteilhaft ist gemäß Erfindung, daß zum einen direkt die Höhe - und nicht die Steigung - der Gewebeobefläche gemessen werden kann. Zum anderen ist lediglich eine einzige Aufnahme des Streustrahlungs- und/oder Fluoreszenzsmusters notwendig.It is particularly advantageous according to the invention that on the one hand the height - and not the slope - of the tissue surface can be measured directly. On the other hand, only a single recording of the scattered radiation and / or fluorescence pattern is necessary.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are characterized by the features of the subclaims.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
Figur 1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Projektion eines Bestrahlungsmusters auf eine Hornhaut und zur Detektion des erzeugten Streustrahlungs- und ggf. eines Fluoreszenzmusters gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei die Strahlungsquelle sowohl zur Topologiebestimmung als auch zur Horn- hautabtragung dient (einteiliges System);1 shows a schematic structure of a device for projecting an irradiation pattern onto a cornea and for detecting the scattered radiation and possibly a fluorescence pattern generated according to the first aspect of the invention, the radiation source being used both for topology determination and for corneal ablation (one-piece system) ;
Figur 2 eine vereinfachte schematische Darstellung im wesentlichen dem Grundaufbau gemäß der Fig. 1 entsprechend, wobei jedoch die Strahlungsquelle zur Topologiebestimmung und die Strahlungs- quelle zur Hornhautabtragung verschieden sind; und Figur 3 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 , jedoch mit einer auf die Hornhaut aufgebrachten Schicht.FIG. 2 shows a simplified schematic illustration essentially corresponding to the basic structure according to FIG. 1, but the radiation source for topology determination and the radiation source for corneal ablation are different; and 3 shows a detail from FIG. 1, but with a layer applied to the cornea.
Anhand der Fig. 1 wird zunächst die Funktionsweise der Erfindung gemäß ihrem ersten Aspekt zusammenfassend vorgestellt. Aus einer Anregungsstrahlung 2 von einer Strahlungsquelle 1 wird ein Bestrahlungsmuster 26 aus parallelen Streifen erzeugt und fällt auf ein gekrümmtes Gewebe 8a, im dargestellten Ausführungsbeispiel die Hornhaut 8a eines menschlichen Auges 8b. Ein Teil des von der Hornhaut 8a ausgehenden Streulichts 14a wird mit einer Kamera 12 detektiert, die unter einem Winkel α gegenüber der Bestrahlungsrichtung vor der Hornhaut 8a plaziert ist. Aufgrund der Oberflächenkrümmung der Hornhaut 8a und der gegenüber der Bestrahlungsrichtung gedrehten Beobachtungsrichtung nimmt die Kamera 12 ein auf einem Monitor 28 zu beobachtendes Bild 27 eines der gewölbten Hornhaut 8a ent- sprechend gekrümmten Streifenmusters 27a auf.The mode of operation of the invention according to its first aspect is first summarized on the basis of FIG. 1. From an excitation radiation 2 from a radiation source 1, an irradiation pattern 26 is generated from parallel strips and falls on a curved tissue 8a, in the illustrated embodiment the cornea 8a of a human eye 8b. Part of the scattered light 14a emanating from the cornea 8a is detected with a camera 12 which is placed in front of the cornea 8a at an angle α with respect to the direction of irradiation. Due to the surface curvature of the cornea 8a and the direction of observation rotated with respect to the direction of irradiation, the camera 12 records an image 27 of a stripe pattern 27a corresponding to the curved cornea 8a to be observed on a monitor 28.
Im einzelnen erzeugt gemäß der Fig. 1 die Strahlungsquelle 1 eine Anregungsstrahlung 2, vorzugsweise eine UV-Strahlung oder eine IR-Strahlung. Ein optionales erstes Linsensystem 3 (angedeutet durch eine schematisch dargestellte Sammellinse) formt aus dieser Strahlung einen parallelen und homogenen Strahl, welcher anschließend Mittel 4 zum Erzeugen eines Bestrahlungsmusters durchläuft. Diese Mittel 4 sind in der dargestellten Ausführungsform von einer senkrecht zum Strahlengang aufgestellten Schlitzblende bzw. Maske 4 mit beispielsweise parallelen streifenförmigen Öffnungen mit einer Breite und einem jeweiligen Abstand von 100 μm gebildet. Die Anregungsstrahlung 2, von der in Fig. 1 lediglich der Mittelpunktsstrahl als durchgezogene Linie mit Andeutung der Strahlungsrichtung sowie die Einhüllenden bzw. die Randstrahlen als gestrichelte Linien dargestellt sind, wird an dieser Maske 4 teilweise zurückgehalten und teilweise - durch die Öffnungen - durchgelassen. Auf diese Weise wird die Anregungsstrahlung 2 quer zur Strahlungsrichtung in Form eines Bestrahlungsmusters 26 strukturiert, welches im weiteren Strahlverlauf an einem Spiegel 5 umgelenkt und mittels eines zweiten Linsensystems 6 (angedeutet durch eine schematisch dargestellte Sammellinse) nach Durchlaufen einer ersten Aperturblende 7 auf die Oberfläche eines biologischen Gewebes 8a abgebildet wird (s. der Hornhautoberfläche zugeordnetes Bezugszeichen 26). Das Gewebe 8a in dem gewählten Ausführungsbeispiel ist die Augenhornhaut 8a eines menschlichen Patienten, der auf der Patienten liege 13 plaziert ist. Der Einfachheit halber ist nur das Auge 8b des Patienten dargestellt.1, the radiation source 1 generates an excitation radiation 2, preferably UV radiation or IR radiation. An optional first lens system 3 (indicated by a schematically illustrated converging lens) forms a parallel and homogeneous beam from this radiation, which then passes through means 4 for generating an irradiation pattern. In the embodiment shown, these means 4 are formed by a slit diaphragm or mask 4 set up perpendicular to the beam path with, for example, parallel strip-shaped openings with a width and a respective distance of 100 μm. The excitation radiation 2, of which only the center beam is shown in FIG. 1 as a solid line with an indication of the direction of radiation, and the envelopes or the marginal rays as dashed lines, is partially retained on this mask 4 and partially - let through - through the openings. In this way, the excitation radiation 2 is structured transversely to the radiation direction in the form of an irradiation pattern 26, which is deflected in the further beam path on a mirror 5 and by means of of a second lens system 6 (indicated by a schematically illustrated collecting lens) after passing through a first aperture diaphragm 7 on the surface of a biological tissue 8a (see reference number 26 assigned to the corneal surface). The tissue 8a in the selected embodiment is the cornea 8a of a human patient who is placed on the patient bed 13. For the sake of simplicity, only the patient's eye 8b is shown.
Die die Maske 4 passierende Anregungsstrahlung 2 ist hinsichtlich Intensität und Wellenlänge so gewählt, daß sie maximal nur wenige Mikrometer in die Hornhaut 8a eindringt. Dies ist dann der Fall, wenn ihre Wellenlänge im UV- oder im IR-Bereich liegt; im sichtbaren Bereich ist die Hornhaut 8a ihrer Funktion nach transparent. Die Anregungsstrahlung 2 wird demnach im wesentlichen an der Oberfläche der Hornhaut 8a oder in den nahe darunter lie- genden Gewebebereichen in alle Richtungen gestreut, d.h. es entsteht eine Streustrahlung 14a in Form eines dem Bestrahlungsmuster 26 entsprechenden, durch die Hornhautkrümmung verzerrten Streustrahlungsmusters 27a, welches unter dem Winkel α mit Hilfe eines dritten Linsensystems 9 nach Durchlaufen einer zweiten Aperturblende 10 auf den Sensor 11 einer Detek- tionsvorrichtung 12 abgebildet wird. Die Detektionsvorrichtung 12 ist beispielsweise eine ggf. durch einen Bildverstärker (nicht dargestellt) intensivierte CCD- oder CMOS-Kamera 12. Im Gegensatz beispielsweise zum Slit- Scan-Verfahren genügt eine einzige Aufnahme mit der Detektionsvorrichtung 12, um die gesamte benötigte Information über die Oberflächenform der Hornhaut 8a zu erhalten. Hierzu ist die Detektionsvorrichtung 12 - unter Zwischenschaltung eines nicht dargestellten Analog-Digital-Konverters, wenn die Detektionsvorrichtung 12 analoge Signale ausgibt - über eine Verbindungsleitung 29 mit einer vorzugsweise von einem Computer gebildeten Auswerteeinheit 30 verbunden, die mit Hilfe von Auswerteprogrammen die Topologie der Hornhaut 8a berechnet. Die Anregungsstrahlung 2 regt bei geeigneter Wellenlänge (bspw. UV-Licht) und Intensität die Hornhaut 8a ebenfalls zur Emission von Fluoreszenzstrahlung 14b in den bestrahlten Bereichen an, während die nicht bestrahlten Bereiche der Hornhaut 8a keine Fluoreszenzstrahlung 14b emittieren kön- nen. Es entsteht somit neben dem Streustrahlungsmuster 27a ein Fluoreszenzmuster 27b. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Streustrahlung 14a und die Fluoreszenzstrahlung 14b von derselben Detektionsvorrichtung 12 aufgenommen. Wegen der unterschiedlichen Wellenlängen der beiden Strahlungen 14a, 14b - die Fluoreszenzstrahlung 14b ist ge- genüber der Streustrahlung 14a langwelliger - ist es von Vorteil, daß zwei unterschiedliche, für die jeweilige Strahlung empfindliche oder durch entsprechende Filter nur für einen engen Wellenlängenbereich erreichbare De- tektionsvorrichtungen 12 eingesetzt werden.The excitation radiation 2 passing through the mask 4 is selected with regard to intensity and wavelength such that it penetrates only a few micrometers into the cornea 8a. This is the case if their wavelength is in the UV or IR range; the function of the cornea 8a is transparent in the visible region. Accordingly, the excitation radiation 2 is scattered essentially in all directions on the surface of the cornea 8a or in the tissue areas lying nearby, that is, scattered radiation 14a is produced in the form of a scattered radiation pattern 27a corresponding to the radiation pattern 26 and distorted by the curvature of the cornea the angle α is imaged on the sensor 11 of a detection device 12 with the aid of a third lens system 9 after passing through a second aperture diaphragm 10. The detection device 12 is, for example, a CCD or CMOS camera 12, which may be intensified by an image intensifier (not shown). In contrast to, for example, the slit-scan method, a single exposure with the detection device 12 is sufficient to obtain all the required information about the surface shape the cornea 8a. For this purpose, the detection device 12 - with the interposition of an analog-digital converter (not shown) when the detection device 12 outputs analog signals - is connected via a connecting line 29 to an evaluation unit 30, preferably formed by a computer, which uses evaluation programs to determine the topology of the cornea 8a calculated. The excitation radiation 2, at a suitable wavelength (for example UV light) and intensity, also excites the cornea 8a to emit fluorescent radiation 14b in the irradiated areas, while the non-irradiated areas of the cornea 8a cannot emit fluorescent radiation 14b. A fluorescence pattern 27b thus arises in addition to the scattered radiation pattern 27a. In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the scattered radiation 14a and the fluorescent radiation 14b are recorded by the same detection device 12. Because of the different wavelengths of the two radiations 14a, 14b - the fluorescent radiation 14b is longer-wave compared to the scattered radiation 14a - it is advantageous that two different detection devices that are sensitive to the respective radiation or can only be reached for a narrow wavelength range by appropriate filters 12 are used.
Während die Wellenlänge der Streustrahlung 14a im wesentlichen derjenigen der Anregungsstrahlung 2 entspricht, ist die Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung 14b - wie erwähnt - in einen längerwelligen Bereich verschoben. Bei Verwendung eines ArF-Lasers als Strahlungsquelle 1 (λ = 193 nm) liegen die Hauptmaxima der von den bestrahlten Gewebebereichen der Hornhaut 8a ausgehenden Fluoreszenzstrahlung 14b ungefähr bei 300 nm und 450 nm, die einer Detektion ohne größeren Aufwand - wie beispielsweise mittels der CCD-Kamera 12 - zugänglich sind.While the wavelength of the scattered radiation 14a essentially corresponds to that of the excitation radiation 2, the wavelength of the fluorescent radiation 14b - as mentioned - is shifted into a longer-wave range. When using an ArF laser as radiation source 1 (λ = 193 nm), the main maxima of the fluorescent radiation 14b emanating from the irradiated tissue areas of the cornea 8a are approximately 300 nm and 450 nm, which can be detected without great effort - such as by means of the CCD, Camera 12 - are accessible.
Mit der Vorrichtung gemäß der Fig. 1 ist eine wechselseitige Vermessung der Hornhaut 8a und deren Operation durch Abtragung am tränenfilmfreien Auge 8b möglich, wobei dieselbe Strahlungsquelle 1 , üblicherweise ein UV- Laser, zu beiden Zwecken eingesetzt wird. Vorzugsweise wird dieser wechselseitige Vorgang automatisch mit Hilfe einer dem Computer 30 über eine Datenleitung 31 nachgeschalteten Steuer-/Regelvorrichtung 32 durchgeführt, der mit dem Laser 1 über eine Datenleitung 33 verbunden ist. Während der Messung ist weder ein Tränenfilm noch eine Epithelschicht vor der Hornhaut 8a vorhanden und die freiliegenden obersten Schichten der Hornhaut 8a werden in den mit dem Bestrahlungsmuster 26 bestrahlten Bereichen direkt zur Emission von Streustrahlung 14a und ggf. von Fluoreszenzstrahlung 14b mit Hilfe der Anregungsstrahlung 2 angeregt. Eine entfernte Epithelschicht wächst innerhalb von wenigen Tagen nach einer Operation wieder nach. Wurde alternativ die Epithelschicht nach entsprechendem Einritzen mit einem Teil des darunter liegenden Stroma aus dem Strahlengang der Anregungsstrahlung weggeklappt, so kann diese nach der Operation wieder in die ursprüngliche Position gebracht werden.With the device according to FIG. 1, a reciprocal measurement of the cornea 8a and its operation by ablation on the tear-film-free eye 8b is possible, the same radiation source 1, usually a UV laser, being used for both purposes. This mutual process is preferably carried out automatically with the aid of a control device 32 connected downstream of the computer 30 via a data line 31 and which is connected to the laser 1 via a data line 33. During the measurement, there is neither a tear film nor an epithelial layer in front of the cornea 8a and the exposed top layers of the cornea 8a are directly excited in the areas irradiated with the radiation pattern 26 to emit scattered radiation 14a and possibly fluorescent radiation 14b with the aid of the excitation radiation 2. A removed epithelial layer grows back within a few days after an operation. Alternatively, if the epithelial layer has been folded away from the beam path of the excitation radiation with a part of the stroma underneath, it can be brought back into the original position after the operation.
Wird ein einziger Laser sowohl zur erfindungsgemäßen Vermessung als auch zur - großflächigen - Abtragung verwendet, wird zur Schonung der Hornhaut 8a während der Meßphase vorzugsweise mindestens ein Intensitätsabschwächer 15 (in Fig. 1 strichpunktiert dargestellt) in den Strahlengang der Anregungsstrahlung 2 - also zwischen der Strahlungsquelle 1 und der Hornhaut 8a - eingefügt, der während der Operationsphasen wieder aus dem Strahlengang entfernt wird. Das Einfügen und das Entfernen des Intensitätsabschwächers 15 in den Strahlengang wird vorzugsweise computergesteuert durchgeführt (entsprechende Steuerung nicht dargestellt).If a single laser is used both for the measurement according to the invention and for - large-area - ablation, at least one intensity attenuator 15 (shown in dash-dot lines in FIG. 1) in the beam path of the excitation radiation 2 - that is, between the radiation source - is preferably used to protect the cornea 8a during the measurement phase 1 and the cornea 8a - which is removed from the beam path again during the operation phases. The insertion and removal of the intensity attenuator 15 in the beam path is preferably carried out under computer control (corresponding control not shown).
Bei einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform wird ein Laserstrahl mit einem relativ kleinen Durchmesser von beispielsweise 2 mm verwendet, um die Hornhaut 8a - im Gegensatz zu einer großflächigen Bestrahlung - in jeweils nur kleinen Bereichen abzutragen. Hierbei wird der Laserstrahl scannend über die Hornhaut 8a geführt. Während der Vermessung der Horn- hautoberfläche bietet es sich daher an, den Laserstrahl zur Erzeugung des gegenüber dem Operationsstrahl großflächigeren Bestrahlungsmusters 26 mit mindestens einem Strahlaufweiter (nicht dargestellt) aufzuweiten, welcher zwischen die Strahlungsquelle 1 und die Hornhaut 8a in den Strahlengang eingebracht wird. Während der Operationsphasen wird der mindestens eine Strahlaufweiter wieder aus dem Strahlengang der Anregungsstrahlung 2 entfernt. Alternativ zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der kombinierten Strahlungsquelle sowohl für Vermessung als auch für Operation wird die Strahlungsquelle 1 auf den Operationslaser aufgesetzt oder sonstig geeignet in definierter Position zu diesem angeordnet. Auf diese Weise sind bei- spielsweise vorhandene Operationslaser weiter zu verwenden. In Fig. 2 ist vereinfacht eine solche Anordnung dargestellt. Das Bestrahlungsmuster 26 wird unter einem Winkel α gegenüber der Normalen N mittels der Bestrahlungsquelle 1 auf die Hornhaut 8a projiziert und das Muster der Streustrahlung 14a und dasjenige der Fluoreszenzstrahlung 14b unter einem Winkel ß gegenüber der Normalen N mit einer Detektionsvorrichtung 12 detektiert. Auf der Normalen N ist der Operationslaser 101 angeordnet. Die Mittel zur Erzeugung des Bestrahlungsmusters, Spiegel, Sammelllinsen, Blenden, Strahlaufweiter und Intensitätsabschwächer sind der Einfachheit halber nicht eingezeichnet. Die Signale der Detektionsvorrichtung 12 werden ggf. mittels eines AD-Wandlers 35 digitalisiert (wenn nicht schon die Detektionsvorrichtung 12 digitale Signale liefert) und zum Computer 30 weitergeleitet, der die Topologie-Berechnung anhand von beispielsweise Fourier-Algorithmen durchführt. Die Berechnungsergebnisse werden dann an die Steuer- /Regeleinheit 32 weitergeleitet und dort entschieden, ob und wie ggf. eine erneute Messung der Hornhauttopologie mittels der Strahlungsquelle 1 vorgenommen wird oder der Operationslaser 101 einen Befehl für die Ausstrahlung eines Pulses bestimmter Energie und/oder bestimmter Pulsdauer erhält, um eine definierte Schichtdicke der Hornhaut 8a abzutragen.In a further embodiment, not shown, a laser beam with a relatively small diameter of, for example, 2 mm is used in order to remove the cornea 8a - in contrast to large-area radiation - in only small areas in each case. The laser beam is scanned over the cornea 8a. During the measurement of the corneal surface, it is therefore advisable to expand the laser beam to generate the radiation pattern 26, which is larger than the surgical beam, with at least one beam expander (not shown), which is introduced into the beam path between the radiation source 1 and the cornea 8a. During the operation phases, the at least one beam expander is removed again from the beam path of the excitation radiation 2. As an alternative to the embodiment of the combined radiation source shown in FIG. 1, both for measurement and for surgery, the radiation source 1 is placed on the surgical laser or is otherwise suitably arranged in a defined position relative to it. In this way, for example, existing surgical lasers can continue to be used. Such an arrangement is shown in simplified form in FIG. The radiation pattern 26 is projected onto the cornea 8a at an angle α with respect to the normal N by means of the radiation source 1 and the pattern of the scattered radiation 14a and that of the fluorescent radiation 14b is detected at an angle β with respect to the normal N with a detection device 12. The surgical laser 101 is arranged on the normal N. The means for generating the radiation pattern, mirrors, converging lenses, diaphragms, beam expanders and intensity attenuators are not shown for the sake of simplicity. The signals from the detection device 12 may be digitized by means of an AD converter 35 (if the detection device 12 is not already supplying digital signals) and forwarded to the computer 30, which performs the topology calculation using, for example, Fourier algorithms. The calculation results are then forwarded to the control / regulating unit 32 and there a decision is made as to whether and how, if necessary, a new measurement of the corneal topology is carried out by means of the radiation source 1 or the surgical laser 101 issues a command for emitting a pulse of certain energy and / or a certain pulse duration receives in order to remove a defined layer thickness of the cornea 8a.
Bei dem kombinierten System der Fig. 1 und dem zweigeteilten System der Fig. 2 können die Ergebnisse der Bestimmung der Hornhautform sofort in einem anschließenden Operationsschritt verwendet werden, um die Hornhäutabtragung mittels der entsprechenden Strahlungsquelle 1, 101 zu steuern bzw. zu regeln. Während einer Vermessungsphase zwischen zwei Ope- rationsschritten kann sofort das Resultat des vorangehenden operativen Schritts kontrolliert und der nächste Operationsschritt darauf abgestimmt werden.In the combined system of FIG. 1 and the two-part system of FIG. 2, the results of the determination of the cornea shape can be used immediately in a subsequent operation step in order to control or regulate the corneal ablation by means of the corresponding radiation source 1, 101. During a measurement phase between two operational steps, the result of the previous operative can immediately be seen Steps are checked and the next step in the operation is coordinated accordingly.
In einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform, bei der das Meß- und ggf. das Operationsprinzip prinzipiell dasselbe wie in den Fig. 1 bis 2 ist, sind zwei Detektionsvorrichtungen 12 sich gegenüberliegend vor der Hornhaut 8a angeordnet, wobei die Strahlungsquelle 1 im Winkelbereich zwischen den beiden Detektionsvorrichtungen 12 angeordnet ist. Das Fluoreszenzmuster wird hierbei zwei Seiten detektiert, um insbesondere bei einer gekrümmten Gewebeoberfläche eine höhere Auflösung zu erhalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Gewebe 8a aus zwei Richtungen bestrahlt werden. Beispielsweise spaltet ein Strahlteiler die Anregungsstrahlung 2 von einer Strahlungsquelle 1 auf und lenkt sie mit Hilfe einer oder mehrerer Lichtumlenkeinrichtungen - wie beispielsweise Spiegel - auf das Gewebe 8a. Alter- nativ werden mehrere Strahlungsquellen 1 verwendet.In a further embodiment, not shown, in which the measuring and possibly the operating principle is basically the same as in FIGS. 1 to 2, two detection devices 12 are arranged opposite one another in front of the cornea 8a, the radiation source 1 being in the angular range between the two Detection devices 12 is arranged. The fluorescence pattern is detected on two sides in order to obtain a higher resolution, in particular in the case of a curved tissue surface. Alternatively or additionally, the tissue 8a can be irradiated from two directions. For example, a beam splitter splits the excitation radiation 2 from a radiation source 1 and directs it onto the tissue 8a with the aid of one or more light deflection devices, such as mirrors. Alternatively, several radiation sources 1 are used.
Gegebenenfalls kann eine digitale Subtraktion der vor und während der Einstrahlung des Bestrahlungsmusters 26 aufgenommenen Bilder den Kontrast und damit die Präzision des Verfahrens noch steigern.If necessary, digital subtraction of the images taken before and during the irradiation of the radiation pattern 26 can further increase the contrast and thus the precision of the method.
In Fig. 3 ist eine auf die Hornhaut 8a aufgebrachte Schicht 40 dargestellt. Diese Schicht enthält Moleküle, die bei Bestrahlung mit vorzugsweise UV- Strahlung fluoreszieren. Gemessen wird wie in den Fig. 1 und 2 die von der Gewebeoberfläche - in dem dargestellten Fall der Oberfläche der Hornhaut 8a - ausgehende, gemäß dem Bestrahlungsmuster 26 strukturierte Strahlung, die hier insbesondere aus der Fluoreszenzstrahlung 14b besteht. Bis auf diesen Unterschied gelten obige Ausführungen zu der direkt von dem Gewebe ausgehenden Streustrahlung gemäß der Fig. 1 und 2 entsprechend. Deshalb wird auch in der Fig. 3 die Fluoreszenzstrahlung mit demselben Be- zugszeichen 14b versehen wie die Eigenfluoreszenzstrahlung 14b der Hornhaut 8a gemäß der Fig. 1 und 2. Zusätzlich - oder auch alternativ - zu der Fluoreszenzstrahlung 14b von der Schicht 40 kann die Streustrahlung 14a von der Schicht 40 gemessen werden (auch hier wird dasselbe Bezugszeichen 14a für die jeweilige Streustrahlung 14a in den Fig. 1 bis 3 verwendet).FIG. 3 shows a layer 40 applied to the cornea 8a. This layer contains molecules that fluoresce when irradiated with preferably UV radiation. Measured as in FIGS. 1 and 2, the radiation emanating from the tissue surface - in the illustrated case the surface of the cornea 8a - structured according to the radiation pattern 26, which here consists in particular of the fluorescent radiation 14b. Except for this difference, the above statements apply correspondingly to the scatter radiation emanating directly from the tissue according to FIGS. 1 and 2. 3, the fluorescent radiation is provided with the same reference number 14b as the intrinsic fluorescent radiation 14b of the cornea 8a according to FIGS. 1 and 2. In addition - or alternatively - to the fluorescent radiation 14b from the layer 40, the scattered radiation 14a measured by the layer 40 (here too, the same reference number 14a is used for the respective scattered radiation 14a in FIGS. 1 to 3).
Eine vor einer Operation (nach Entfernung bzw. Wegklappen der Epithel- schicht) bzw. während einer Operationsunterbrechung auf die Hornhaut 8a aufgebrachte Schicht 40 kann nach der Topologiemessung und zu Beginn des nächsten Operationsschrittes mittels Laserstrahlen wieder verdampft werden, sei es durch Intensitätserhöhung des Meß- und Operationslasers 1 (im Falle eines einteiligen Systems gemäß der Fig. 1) bzw. durch den Meß- laser 1 oder den Operationslaser 101 (im Falle eines zweiteiligen Systems gemäß der Fig. 2).A layer 40 applied to the cornea 8a before an operation (after removal or folding away of the epithelial layer) or during an interruption in the operation can be vaporized again using laser beams after the topology measurement and at the beginning of the next operation step, be it by increasing the intensity of the measurement and operation laser 1 (in the case of a one-part system according to FIG. 1) or by the measuring laser 1 or the operation laser 101 (in the case of a two-part system according to FIG. 2).
Während die oben aufgeführten Ausführungsbeispiele jeweils hinsichtlich der Vermessung der Oberflächenform einer Augenhornhaut erläutert wurden, sind die erfindungsgemäßen Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ohne Einschränkung ebenfalls geeignet, in entsprechender Weise an anderen biologischen Geweben eingesetzt zu werden. Hierbei spielt es keine Rolle, ob diese Gewebe an der Körperoberfläche oder im Körperinneren lokalisiert sind. While the exemplary embodiments listed above were each explained with regard to the measurement of the surface shape of an eye cornea, the methods according to the invention and the devices according to the invention are likewise suitable without restriction for being used in a corresponding manner on other biological tissues. It does not matter whether these tissues are located on the body surface or inside the body.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Ge- webe, bei dem das Gewebe (8a) mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung (2) erzeugten Bestrahlungsmuster (26) bestrahlt wird, wobei die Anregungsstrahlung (2) Licht der Wellenlängenbereiche des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums enthält, und bei dem das von den bestrahlten Gewebebereichen emittierte Streustrah- lungsmuster (27a) zumindest in Wellenlängenbereichen des ultravioletten und/oder infraroten Teils des Spektrums detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des biologischen Gewebes (8a) ausgewertet wird.1. Method for determining the surface shape of biological tissue, in which the tissue (8a) is irradiated with an irradiation pattern (26) generated with the aid of excitation radiation (2), the excitation radiation (2) being light of the wavelength ranges of the ultraviolet and / or contains an infrared part of the spectrum, and in which the scattered radiation pattern (27a) emitted by the irradiated tissue areas is detected at least in the wavelength ranges of the ultraviolet and / or infrared part of the spectrum and evaluated to calculate the surface shape of the biological tissue (8a).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Streustrahlungsmuster (27a) ein Fluoreszenzmuster (27b) detektiert wird, welches von den bestrahlten Gewebebereiche (8a) nach Anregung mit dem Bestrahlungsmuster (26) emittiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in addition to the scattered radiation pattern (27a) a fluorescence pattern (27b) is detected, which is emitted by the irradiated tissue areas (8a) after excitation with the radiation pattern (26).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Anregungsstrahlung (2) unterhalb 400 nm und/oder oberhalb 1.5 μm gewählt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the wavelength of the excitation radiation (2) is chosen below 400 nm and / or above 1.5 microns.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polarisator in den Strahlengang der4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a polarizer in the beam path of the
Anregungsstrahlung (2) und ein senkrecht zum Polarisator orientierter Analysator in den Strahlengang der zu detektierenden Strahlung (14a) positioniert wird, so daß die gestreute Strahlung (14a), nicht aber die reflektierte Strahlung den Analysator passieren kann. Excitation radiation (2) and an analyzer oriented perpendicular to the polarizer is positioned in the beam path of the radiation (14a) to be detected, so that the scattered radiation (14a) but not the reflected radiation can pass through the analyzer.
5. . Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, bei dem eine sich der Oberfläche des Gewebes anpassende Schicht auf das Gewebe (8a) aufgebracht wird, die Schicht (40) mit einem mit Hilfe einer Anregungsstrahlung (2) erzeugten Bestrahlungsmuster (26) bestrahlt und das von den bestrahlten Schichtbereichen (8a) emittierte Strahlungsmuster detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) ausgewertet wird, wobei die Schicht (40) Moleküle enthält, die durch die Bestrahlung mit dem Be- strahlungsmuster (26) zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung5 .. Method for determining the surface shape of biological tissue, in which a layer adapting to the surface of the tissue is applied to the tissue (8a), the layer (40) is irradiated with an radiation pattern (26) generated with the aid of excitation radiation (2) and the Radiation patterns emitted by the irradiated layer regions (8a) are detected and evaluated to calculate the surface shape of the tissue (8a), the layer (40) containing molecules which are emitted by the irradiation with the radiation pattern (26) to emit fluorescent radiation
(14b) bestehenden Fluoreszenzmusters (27b) angeregt werden, welches detektiert und zur Berechnung der Oberflächenform der Schicht (40) und somit derjenigen des Gewebes (8a) ausgewertet wird.(14b) existing fluorescence pattern (27b) are excited, which is detected and evaluated to calculate the surface shape of the layer (40) and thus that of the tissue (8a).
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Schicht (40) auf die Gewebeoberfläche aufgetropft wird und sich weitgehend gleichmäßig an die Gewebeoberfläche anlegt.6. The method according to claim 5, characterized in that the layer (40) is dripped onto the tissue surface and lies largely evenly against the tissue surface.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke nicht größer als 10 μm ist.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the layer thickness is not greater than 10 microns.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus ein- oder weniglagigen Molekülschichten besteht.8. The method according to at least one of claims 5 to 7, characterized in that the layer consists of single-layer or few-layer molecular layers.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (40) einander elektrostatisch abstoßende Moleküle aufweist, die aufgrund ihrer Ladung an der Gewebeoberfläche haften.9. The method according to at least one of claims 5 to 8, characterized in that the layer (40) has electrostatically repelling molecules which adhere to the tissue surface due to their charge.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die die Fluoreszenzstrahlung (14b) emittierenden Schichtbereiche im wesentlichen mit einer im ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich liegenden Anregungsstrahlung (2) angeregt werden.10. The method according to at least one of claims 5 to 9, characterized in that the fluorescent radiation (14b) emitting Layer areas are excited essentially with an excitation radiation (2) lying in the ultraviolet (UV) wavelength range.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsstrahlung (2) im Wellenlängenbereich von 150 nm bis 400 nm gewählt wird.11. The method according to at least one of claims 5 to 10, characterized in that the excitation radiation (2) is selected in the wavelength range from 150 nm to 400 nm.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den bestrahlten Schichtbereichen und einer Detektionsvorrichtung (12) zur Detektion des emittierten Strahlungsmusters ein Filter positioniert wird, der zumindest teilweise für die Anregungsstrahlung undurchlässig ist.12. The method according to at least one of claims 5 to 11, characterized in that a filter is positioned between the irradiated layer regions and a detection device (12) for detecting the emitted radiation pattern, which filter is at least partially opaque to the excitation radiation.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der emittierten Fluoreszenzstrahlung (14b) emittierte Streustrahlung (14a) von bestrahlten Schichtbereichen detektiert und ausgewertet wird.13. The method according to at least one of claims 5 to 12, characterized in that in addition to the emitted fluorescent radiation (14b) emitted scattered radiation (14a) from irradiated layer regions is detected and evaluated.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Operation des biologischen Gewebes (8a) eine zur Fluoreszenz anregbare Schicht (40) wiederholt auf das biologische Gewebe (8a) aufgetragen und mittels eines Lasers vor dem nächsten Operationsschritt wieder verdampft wird.14. The method according to at least one of claims 5 to 13, characterized in that during an operation of the biological tissue (8a) a layer (40) which can be excited to fluoresce is repeatedly applied to the biological tissue (8a) and by means of a laser before the next operation step is evaporated again.
15. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vermessende Gewebe (8a) die Hornhaut (8a) eines Auges (8b) ist oder andere Gewebebereiche eines menschlichen oder tierischen Körpers umfaßt.15. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the tissue to be measured (8a) is the cornea (8a) of an eye (8b) or comprises other tissue areas of a human or animal body.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Oberflächenform der Hornhaut (8a) der Tränenfilm auf der Hornhaut (8a) entfernt wird. 16. The method according to claim 15, characterized in that before the determination of the surface shape of the cornea (8a) the tear film on the cornea (8a) is removed.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestimmung der Oberflächenform der Hornhaut (8a) die Epithelschicht der Hornhaut (8a) zumindest vorübergehend aus dem Strahlengang der Anregungsstrahlung (2) entfernt wird.17. The method according to claim 15 or 16, characterized in that before the determination of the surface shape of the cornea (8a), the epithelial layer of the cornea (8a) is at least temporarily removed from the beam path of the excitation radiation (2).
18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streu- und/oder Fluoreszenzstrahlung (14a, 14b) mit mindestens einer Detektionsvorrichtung (12), vor- zugsweise einer CCD-Kamera (12) oder einer CMOS-Kamera, detektiert18. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the scattered and / or fluorescent radiation (14a, 14b) with at least one detection device (12), preferably a CCD camera (12) or a CMOS camera, detected
19. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streu- und/oder Fluoreszenzstrah- lung (14a, 14b) unter einem von der Bestrahlungsrichtung verschiedenen Winkel (α) detektiert wird.19. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the scattered and / or fluorescent radiation (14a, 14b) is detected at an angle (α) different from the direction of irradiation.
20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das biologische Gewebe (8a) oder die Schicht (40) aus mindestens zwei Richtungen mit der Anregungsstrahlung (2) bestrahlt wird.20. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the biological tissue (8a) or the layer (40) is irradiated from at least two directions with the excitation radiation (2).
21. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streu- und/oder Fluoreszenzstrah- lung (14a, 14b) zumindest teilweise von einer Lichtumlenkvorrichtung zu einer Detektionsvorrichtung (12) umgeleitet und dort detektiert wird.21. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the scattered and / or fluorescent radiation (14a, 14b) is at least partially redirected from a light deflecting device to a detection device (12) and detected there.
22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 und 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eye-Tracker Informationen über typische Bewegungsabläufe des Auges (8b) aufzeichnet, um anhand dieser Informationen die Anregungsstrahlung (2) dem Auge (8b) zur Realisierung langer Bestrahlungszeiten nachzuführen oder bei Ände- rung der Lage des Auges (8b) die Bestrahlung oder die Detektion zu stoppen.22. The method according to at least one of claims 1 to 4 and 15 to 21, characterized in that an eye tracker records information about typical movements of the eye (8b) in order to use this information to excite the radiation (2) to the eye (8b) Realization of long irradiation times or in the event of changes tion of the eye (8b) to stop the radiation or the detection.
23. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsstrahlung (2) mit einer als23. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the excitation radiation (2) with an as
Laser (1) oder Blitzlampe ausgebildeten Strahlungsquelle (1) erzeugt wird.Laser (1) or flash lamp trained radiation source (1) is generated.
24. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestrahlungsmuster (26) ein Muster aus parallelen Streifen, ein rechtwinkliges Gitter, ein Lochmuster, ein Muster aus mehreren konzentrischen Kreislinien mit radial vom Zentrum ausgehenden und mit gleichem Winkelabstand angeordneten Linien oder ein aus zwei Linienmustern bestehendes Moire-Muster ge- wählt wird.24. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that as the radiation pattern (26) a pattern of parallel strips, a right-angled grating, a hole pattern, a pattern of several concentric circular lines with radially starting from the center and arranged at the same angular distance or a moire pattern consisting of two line patterns is selected.
25. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenform des Gewebes (8a) von einer Auswerteeinheit (30) berechnet wird, die mittels der berech- neten Oberflächenform einen Laser (1) steuert.25. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the surface shape of the fabric (8a) is calculated by an evaluation unit (30) which controls a laser (1) by means of the calculated surface shape.
26. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Oberflächenform vor, während und/oder nach einer Operation an dem zu vermessen- den Gewebebereich (8a) vorgenommen wird.26. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the determination of the surface shape is carried out before, during and / or after an operation on the tissue area (8a) to be measured.
27. Verfahren zur Unterstützung eines operativen Eingriffs an einem biologischen Gewebe, dadurch gekennzeichnet, daß das Ergebnis der Auswertung des nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprü- ehe durchgeführten Verfahrens in die aktuelle operative Behandlung des biologischen Gewebes (8a), insbesondere in die aktuelle refrakti- ve Operation einer Hornhaut (8a) eines Auges (8b), regelnd und/steuernd einbezogen wird.27. Method for supporting an operative intervention on a biological tissue, characterized in that the result of the evaluation of the method carried out according to at least one of the preceding claims before the current operative treatment of the biological tissue (8a), in particular into the current refractory ve surgery of a cornea (8a) of an eye (8b), regulating and / or controlling is included.
28. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anregung der Emission von28. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the excitation of the emission of
Streustrahlung (14a) und/oder Fluoreszenzstrahlung (14b) verwendeteScattered radiation (14a) and / or fluorescent radiation (14b) used
Strahlungsquelle (1) auch zur operativen Behandlung des GewebesRadiation source (1) also for the surgical treatment of the tissue
(8a) eingesetzt wird.(8a) is used.
29. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Strahlungsquellen (1) zur Anregung der Emission von Streustrahlung (14a) und/oder Fluoreszenzstrahlung (14b) einerseits und zur operativen Behandlung des Gewebes (8a) andererseits eingesetzt werden.29. The method according to at least one of claims 1 to 27, characterized in that different radiation sources (1) for excitation of the emission of scattered radiation (14a) and / or fluorescent radiation (14b) on the one hand and for the operative treatment of the tissue (8a) on the other hand are used ,
30. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 und 15 bis 29, mit mindestens einer Strahlungsquelle (1) zum Erzeugen einer Anregungsstrahlung (2), deren Wellenlängen im wesentlichen im ultravioletten und/oder infraroten Teil des Spektrums liegen, Mitteln (4) zum Erzeugen eines Bestrahlungsmusters aus der Anregungsstrahlung (2) auf dem Gewebe (8a), mindestens einer Detektionsvorrichtung (12) zum Detektieren des von dem Gewebe (8a) emittierten Streustrahlungsmusters (27a), und einer Auswerteeinheit (30) zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) aus diesem Streustrahlungsmuster (27a).30. Device for determining the surface shape of biological tissue, in particular for performing the method according to at least one of claims 1 to 4 and 15 to 29, with at least one radiation source (1) for generating an excitation radiation (2), the wavelengths of which are essentially ultraviolet and / or infrared part of the spectrum, means (4) for generating an irradiation pattern from the excitation radiation (2) on the tissue (8a), at least one detection device (12) for detecting the scattered radiation pattern (27a) emitted by the tissue (8a) , and an evaluation unit (30) for calculating the surface shape of the fabric (8a) from this scattered radiation pattern (27a).
31. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenform von biologischem Gewebe, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach minde- stens einem der Ansprüche 5 bis 29, mit mindestens einer Strahlungsquelle (1) zum Erzeugen einer Anregungsstrahlung (2), Mitteln (4) zum Erzeugen eines Bestrahlungsmusters (26) aus der Anre- gungsstrahlung (2) auf einer auf dem Gewebe (8a) aufgebrachten und sich dem Gewebe (8a) anpassenden Schicht (40), so daß die bestrahlten Schichtbereiche zur Emission eines aus Fluoreszenzstrahlung (14b) bestehenden Fluoreszenzmusters (27b) angeregt werden, mindestens einer Detektionsvorrichtung (12) zum Detektieren des31. Device for determining the surface shape of biological tissue, in particular for carrying out the method according to at least one of claims 5 to 29, with at least one radiation source (1) for generating excitation radiation (2), means (4) for generating an irradiation pattern (26) from the radiation (2) on a layer (40) applied to the tissue (8a) and adapting to the tissue (8a) so that the irradiated layer regions are excited to emit a fluorescence pattern (27b) consisting of fluorescent radiation (14b), at least one detection device (12) for detecting the
Fluoreszenzmusters (27b), und einer Auswerteeinheit (30) zur Berechnung der Oberflächenform des Gewebes (8a) aus dem detektier- ten Fluoreszenzmuster (27b).Fluorescence pattern (27b), and an evaluation unit (30) for calculating the surface shape of the tissue (8a) from the detected fluorescence pattern (27b).
32. Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Detektionsvorrichtungen (12) vorgesehen sind, so daß sowohl Streustrahiung (14a) als auch Fluoreszenzstrahlung (14b) von den bestrahlten Gewebe- (8a) und/oder Schichtbereichen (40) detektierbar sind.32. Device according to claim 30 or 31, characterized in that one or more detection devices (12) are provided so that both scatter radiation (14a) and fluorescent radiation (14b) from the irradiated tissue (8a) and / or layer areas (40 ) are detectable.
33. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet daß die mindestens eine Detektionsvorrichtung (12) eine CCD-Kamera (12) und/oder eine CMOS-Kamera umfaßt.33. Device according to at least one of claims 30 to 32, characterized in that the at least one detection device (12) comprises a CCD camera (12) and / or a CMOS camera.
34. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) als Laser (1), vorzugsweise als frequenzvervielfachter Festkörperlaser, Excimerlaser, Gaslaser oder frequenzven/ielfachter Farbstofflaser, oder als Blitzlampe, vorzugsweise mit einem Xenon- oder einem Deuterium-Gasgemisch gefüllt, ausgebildet ist.34. Device according to at least one of claims 30 to 33, characterized in that the radiation source (1) as a laser (1), preferably as a frequency-multiplied solid-state laser, excimer laser, gas laser or frequency / ielfacher dye laser, or as a flash lamp, preferably with a xenon or filled with a deuterium gas mixture.
35. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 34, gekennzeichnet durch mindestens eine weitere Strahlungsquelle (1) und/oder mindestens eine Einrichtung zur Aufteilung der Anregungs- Strahlung (2), um das biologische Gewebe (8a) aus mindestens zwei35. Device according to at least one of claims 30 to 34, characterized by at least one further radiation source (1) and / or at least one device for splitting the excitation radiation (2) around the biological tissue (8a) from at least two
Richtungen mit der Anregungsstrahlung (2) zu bestrahlen. Irradiate directions with the excitation radiation (2).
36. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 35, gekennzeichnet durch mindestens eine Lichtumlenkeinrichtung zur Um- lenkung von Fluoreszenzstrahlung (14b) zu einer Detektionsvorrichtung (12).36. Device according to at least one of claims 30 to 35, characterized by at least one light deflecting device for deflecting fluorescent radiation (14b) to a detection device (12).
37. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (4) zum Erzeugen des Bestrahlungsmusters (26) eine Maske (4) mit Öffnungen in Form von parallelen Schlitzen oder regelmäßig angeordneten Löchern und/oder ein struk- turiertes Glas mit die Anregungsstrahlung (2) absorbierenden und/oder streuenden sowie für die Anregungsstrahlung (2) transparenten Bereichen und/oder eine vorzugsweise regelmäßige Anordnung von quer zum Strahlengang der Anregungsstrahlung (2) angeordneten diffraktiven optischen Elementen, vorzugsweise Mikrolinsen, und/oder Mittel zum Erzeugen eines Interferenzmusters auf dem biologischen37. Device according to at least one of claims 30 to 36, characterized in that the means (4) for generating the radiation pattern (26) a mask (4) with openings in the form of parallel slots or regularly arranged holes and / or a structured turized glass with areas that absorb and / or scatter the excitation radiation (2) and areas that are transparent to the excitation radiation (2) and / or a preferably regular arrangement of diffractive optical elements, preferably microlenses, and / or means arranged transversely to the beam path of the excitation radiation (2) to create an interference pattern on the biological
Gewebe (8a) und/oder mindestens ein Feld aus Mikrospiegeln umfassen.Include tissue (8a) and / or at least one field of micromirrors.
38. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 37, ge kennzeichnet durch einen Eye-Tracker zum Ermitteln von Informationen über typische Augenbewegungen, um anhand dieser Informationen die Anregungsstrahlung (2) dem Auge (8b) zur Realisierung langer Bestrahlungszeiten nachzuführen oder bei Änderung der Lage des Auges die Bestrahlung oder die Detektion zu stoppen.38. Device according to at least one of claims 30 to 37, characterized by an eye tracker for ascertaining information about typical eye movements in order to use this information to track the excitation radiation (2) to the eye (8b) in order to realize long irradiation times or when the Position of the eye to stop radiation or detection.
39. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß ein Computer (30) vorgesehen ist, der die Oberflächenform des Gewebes (8a) ermittelt, die zur Steuerung eines Lasers (1; 101) herangezogen wird.39. Device according to at least one of claims 30 to 38, characterized in that a computer (30) is provided which determines the surface shape of the fabric (8a), which is used to control a laser (1; 101).
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Computer (30) gesteuerte Laser (1) und die zur Anregung des Streustrahlung- und/oder Fluoreszenzmusters (27a, 27b) des biologischen Gewebes (8a) oder der auf dem Gewebe (8a) liegenden Schicht (30) verwendete Strahlungsquelle (1) übereinstimmen.40. Apparatus according to claim 39, characterized in that the laser (1) controlled by the computer (30) and which excite the Scattered radiation and / or fluorescence patterns (27a, 27b) of the biological tissue (8a) or the radiation source (1) used on the tissue (8a) layer (30) match.
41. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 40, dadurch gekennzeichnet daß die Strahlungsquelle (1) hinsichtlich Intensität, Pulsdauer, Wiederholrate und Wellenlänge der Anregungsstrahlung (2) zur operativen Behandlung des biologischen Gewebes (8a), wie beispielsweise der bereichsweisen Abtragung einer Hornhaut (8a), ausgebildet ist.41. Device according to at least one of claims 30 to 40, characterized in that the radiation source (1) with respect to intensity, pulse duration, repetition rate and wavelength of the excitation radiation (2) for the operative treatment of the biological tissue (8a), such as the area-wise removal of a cornea (8a).
42. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 30 bis 41 , gekennzeichnet durch einen Intensitätsabschwächer (15) oder einen Strahlaufweiter zwischen der mindestens einen Strahlungsquelle (1) und dem biologischen Gewebe (8a) zum Einführen und Herausnehmen aus dem Strahlengang der Anregungsstrahlung (2). 42. Device according to at least one of claims 30 to 41, characterized by an intensity attenuator (15) or a beam expander between the at least one radiation source (1) and the biological tissue (8a) for insertion and removal from the beam path of the excitation radiation (2).
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