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Vorrichtung zur Messung der Länge eines Objekts

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Unter der Bezeichnung optische Kohärenztomografie (in englischer Sprache „Optical Coherence Tomography“, üblicherweise abgekürzt durch OCT), wird ein bildgebendes Verfahren verstanden.

Mit diesem Verfahren können zwei- und dreidimensionale Bilder aus lichtstreuenden Strukturen gewonnen werden. Bei diesem Verfahren wird üblicherweise Licht mit einer gewissen Bandbreite in einem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen geteilt. Der erste Teilstrahl fällt auf die zu untersuchende Probe bzw. das Objekt, der zweite Teilstrahl durchläuft eine Referenzstrecke.

Das von der Probe bzw. dem Objekt reflektierte Licht interferiert mit dem Referenzstrahl. Durch Signale aus der Interferenz lässt sich die Probe tiefenaufgelöst, also in der Tiefe der optischen Achse des ersten Teilstrahls, durch sogenannte A-Scans untersuchen. Zusätzlich ist es möglich, die Probe auch noch flächig bzw. lateral mit dem ersten Teilstrahl abzutasten, um OCT-Bilder zu erhalten.

Vor diesem Hintergrund ist aus der WO 2012/104 097 A1 ein Verfahren für die Aufnahme von Schnittbildern bekannt, bei dem eine Weglängenschalteinheit verwendet wird. Die Weglängenschalteinheit verändert die Weglänge eines Probenstrahls und/ oder eines Referenzstrahls eines Interferometers, so dass Tiefenschnittbilder in unterschiedlichen Tiefen einer Probe erzeugt werden können. Die Veränderung der Weglänge erfolgt durch Umlenken von Strahlengängen auf unterschiedliche geometrische Wege.

Um die Augenlänge, das heißt die Länge von der Kornea (Hornhaut) bis zur Retina (Netzhaut) mit voller OCT-Auflösung, also mit einer Auflösung von weniger als 10 pm, messen zu können, ist derzeit eine entsprechend große Messtiefe von ca. 40 - 45 mm notwendig. Hierbei wird die volle Tiefe mit voller Auflösung gemessen. Ein anderer Ansatz kann darin bestehen, die Auflösung, das heißt die OCT-Bandbreite, zu reduzieren.

Bei Verwendung der vollen OCT-Bandbreite bzw. Auflösung treten sehr hohe Datenraten auf, die nicht, oder nur schwer zu behandeln bzw. verarbeiten sind. Der technische Aufwand und die damit verbundenen Kosten sind entsprechend hoch. Eine Reduzierung der Auflösung hätte allerdings den Nachteil, dass die Qualität der Messergebnisse leidet, und die Bildqualität wahrnehmbar zurückgeht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die eigentlich miteinander konkurrierenden Ziele hohe Auflösung bzw. Bildqualität und Erzeugung möglichst geringer Datenraten bei der Messung von Längen von Objekten möglichst zu vereinbaren. Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 .

Erfindungsgemäß wird durch mindestens eine Weglängenschalteinheit eine optische Weglänge zeitlich alternierend von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert verbracht, um im Wesentlichen nur zwei Strukturen zu erfassen, die zur Messung der Länge eines Objekts, beispielsweise eines menschlichen Auges, notwendig sind.

Zunächst ist erkannt worden, dass die eingangs genannten Ansätze dahingehend nachteilig sind, dass bei der Vermessung eines menschlichen Auges große Teile akquirierter Datensätze den relativ uninteressanten Bereich des Glaskörpers mit abdecken würden, der in der Regel keine Informationen bietet, die für die Augenlängenmessung von Belang sind.

Vor diesem Hintergrund ist weiter erkannt worden, dass die Lehre der WO 2012/104 097 A1 einer Erweiterung bedarf, um den relativ uninteressanten Bereich des Glaskörpers quasi auszublenden. Die in der genannten Schrift beschriebene Weglängenschalteinheit wird erfindungsgemäß so verwendet, dass alternierend zwischen einer Bildgebung des kornealen Bereichs und des retinalen Bereichs hin- und hergeschaltet wird. Die intrinsische Bildtiefe des OCT-Systems kann dabei wesentlich kleiner sein als die Länge des Auges.

Mit dieser Erfindung ist es erstmalig möglich, mit einer sehr hohen Präzision von ca. 10 pm die Augenlänge zu vermessen, wobei gleichzeitig die Messgeschwindigkeit, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und die Bildqualität optimiert sind, und wobei gleichzeitig die Datenraten so gering sind, wie sie bei einer OCT mit vergleichsweiser geringer Bildtiefe (ca. 10 mm) erforderlich wären. Die Weglängenschalteinheit könnte den ersten Wert der optischen Weglänge nach einem definierten Zeitintervall auf den zweiten Wert verbringen und darauf nach Ablauf des Zeitintervalls oder eines weiteren Zeitintervalls den zweiten Wert wieder auf den ersten Wert verbringen. Hierdurch ist eine automatisierte Weglängenvariation möglich, die reproduzierbare Messungen erlaubt.

Die Weglängenschalteinheit könnte die alternierende Änderung der Werte über einen vorgebbaren Zeitraum wiederholen, bevorzugt periodisch mit einer definierten Frequenz, durchführen. Durch die Vorgabe des Zeitraums als Messzeitraum und/ oder die Vorgabe der Frequenz ist das Signal-zu-Rausch- Verhältnis variabel einstellbar und optimierbar.

Vor diesem Hintergrund könnte die Frequenz im Bereich 1 bis 1000 Hz liegen. In diesem Frequenzbereich treten Datenraten auf, die problemlos verarbeitbar sind.

Die Differenz zwischen den optischen Weglängen beim ersten Wert und beim zweiten Wert könnte in Abhängigkeit von der zu messenden Länge des untersuchten Objekts variabel einstellbar sein, wobei die zu erwartende Länge als externer Parameter in die Auswerteeinheit oder in eine Steuereinheit eingebbar ist. Hierdurch ist eine Kalibrierung der Vorrichtung möglich.

Durch die Auswerteinheit könnten aus den erfassten und verarbeiteten Signalen Strukturen des Objekts ermittelbar sein, die jeweils während der Einstellung des ersten Werts und des zweiten Werts detektierbar sind, wobei der räumliche Abstand dieser Strukturen voneinander als Länge des Objekts durch die Auswerteeinheit ermittelbar und ausgebbar ist. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise bei einem menschlichen Auge als Strukturen die Hornhaut und die Netzhaut zu erfassen und deren Abstand zu verwenden, um die Länge des Auges zu ermitteln. Der Weglängenoffset zwischen den beiden Pfaden oder Weglängen ist bevorzugt so gewählt, dass alle relevanten Augenlängen abgedeckt werden. Der Offset wird bei der Inbetriebnahme der Vorrichtung präzise kalibriert. Durch schnelles Alternieren zwischen beiden Positionen und der anschließenden Detektion von Kornea- und Retinaposition in den OCT-Signalen kann bei bekanntem Offset auf die Gesamtaugenlänge geschlossen werden.

Es könnte ein verstellbares Teleskop vorgesehen sein, um eine zu erfassende Struktur im Fokus zu halten. So kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) im Bereich der Struktur verbessert werden. Konkret könnte die Abbildung in zwei Abbildungspfaden durch individuelle Optiken so angepasst sein, dass die korneale Abbildung einen Fokus im Bereich der Kornea hat. Die retinale Abbildung ist so gestaltet, dass es einen Fokus im Bereich der Retina gibt. Dadurch ist ein optimales Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) in beiden Bereichen gewährleistet. Zur weiteren Optimierung des SNR könnte ein verstellbares Fokusteleskop verwendet werden, welches eine mögliche Fehlsichtigkeit des Auges kompensiert, um die Retina immer im Fokus zu halten.

Die Auswerteeinheit könnte die konjugiert komplexe Ebene eines Signals von der reellen Ebene des Signals differenzieren. Hierdurch können Datenraten reduziert werden. Zur Reduktion der Datenraten könnte insbesondere, aber nicht ausschließlich, im Bereich des retinalen Scans - ähnlich zur Full-Range- OCT - die konjugiert komplexe (CC) Ebene des Signals von der reellen Ebene des Signals differenziert werden.

Vor diesem Hintergrund könnte mit der Auswerteeinheit jeweils eine numerische Phasenkorrektur ausführbar sein, um die Ebene zu ermitteln, in welcher ein Signal einer zu erfassenden Struktur des Objekts liegt. Über eine numerische Phasenkorrektur könnte ermittelt werden, in welcher dieser Ebenen, komplexe oder reelle, und damit in welchem echten Abstand zum Referenzarm, das Signal der Retina liegt. Dies ist möglich, indem für jede Messung jeweils eine reelle sowie eine komplex konjugierte Phasenkorrektur angewendet wird und beide Signale miteinander verglichen werden. Dadurch kann die hermitesche Symmetrie für FD-OCT gebrochen werden, durch die es erschwert wird, eindeutige optische Längen zwischen zwei Bildbereichen zu ermitteln.

Es könnte ein dispersives Element, bevorzugt eine lichtleitende Faser, im Referenzarm oder Probenarm angeordnet sein. Bei hinreichend starker eingebrachter Dispersion im OCT-Interferometer oder -Aufbau kommt es zu einer starken Amplitudendifferenz nach Fouriertransformation der Signale, da Signale, die nicht aus der zu einem Phasenvektor passenden Ebene stammen, stark verzerrt werden. Sollte das Interferometer selbst kaum dispersive Eigenschaften zeigen, können optische Elemente mit dispersiven Eigenschaften eingefügt werden, so dass dieser Effekt hinreichend groß wird. Dies kann etwa durch ein Stück Faser im Referenzarm oder Probenarm mit dispersiven Eigenschaften geschehen.

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der Länge eines Auges, könnte eine Vorrichtung der hier beschriebenen Art verwendet werden, wobei mindestens eine Weglängenschalteinheit eine optische Weglänge zeitlich alternierend von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert verbringt, um beim ersten Wert Licht in den Bereich der Hornhaut (Kornea) zu verbringen oder zu fokussieren, und beim zweiten Wert Licht in den Bereich der Netzhaut (Retina) zu verbringen oder zu fokussieren. Hierdurch kann die Länge eines Auges zuverlässig ermittelt werden. Vor diesem Hintergrund könnte beim ersten Wert die örtliche Position der Hornhaut erfasst werden und beim zweiten Wert könnte die örtliche Position der Netzhaut erfasst werden, wobei die Länge des Auges durch den Abstand der Positionen voneinander ermittelt wird.

Durch Auswerten einer Vielzahl oder einer Reihe von Messungen der Positionen von Hornhaut und Netzhaut könnte die Bewegung des Auges während der Messungen erfasst werden, wobei die Ergebnisse dieser Auswertung genutzt werden, um Fehler bei der Erfassung der Hornhaut und der Netzhaut zu korrigieren. Hierdurch können Bewegungen des Auges kompensiert werden, um die Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Länge des Auges zu erhöhen.

Die Netzhaut oder ihr zugeordnetes Signal könnten sich entweder in einer reellen Ebene oder einem reellen Bildteil eines OCT-Bildes oder in einer komplex konjugierten Ebene oder einem komplex konjugierten Bildteil eines OCT-Bildes befinden, wobei zur Bestimmung der Länge des Auges entweder die Bewegungstrajektorien von Hornhaut und Netzhaut ausgewertet werden oder wobei eine Phasenanalyse der Signale von Hornhaut und Netzhaut durchgeführt wird.

Bilder der Hornhaut und der Netzhaut könnten dargestellt und/ oder auf einem Monitor in Echtzeit dargestellt werden. So kann eine Person die Bilder bewerten und auswerten.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann alle hier beschriebenen Verfahrensschritte einzeln oder in Kombination ausführen.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann bei der Augenlängenmessung, Achslängenmessung, Biometrie und Funduslängenmessung verwendet werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung mit einer Weglängenschalteinheit,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Bildgebung im kornealen Bereich und im retinalen Bereich, und

Fig. 3 diverse Linsenkonfigurationen zur Fokussierung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 mit einem Interferometer. Die Vorrichtung 1 weist eine Lichtquelle 2 und einen Strahlteiler 3 auf, der das von der Lichtquelle 2 kommende Licht in einen Probenstrahl auf einem Probenarm 4 und einen Referenzstrahl auf einem Referenzarm 5 aufspaltet.

Von einer Probe 6, nämlich einem Auge, wird als rücklaufendes Licht 4a ein rücklaufender Probenstrahl zurückgeworfen und interferiert mit einem von einem Spiegel 7 reflektierten rücklaufenden Referenzstrahl als rücklaufendem Licht 5a.

Eine Auswerteeinheit 8 wertet die Signale der interferierenden Strahlen bzw. Lichter 4a, 5a aus und erstellt aus den Signalen Tiefenschnittbilder.

Zur Erzeugung der Tiefenschnittbilder wird der Probenstrahl durch eine Ablenkeinheit 9 auf verschiedene laterale Positionen auf der Probe 6 gelenkt. Diese Positionen definieren den Messbereich 6a.

Eine optische Einheit 10 kann den Probenstrahl falls erforderlich in eine bestimmte Tiefe der Probe 6 fokussieren. Das Tiefenschnittbild wird in der Tiefe 11 der Probe 6 aufgenommen. Die Tiefe 11 kann unabhängig von der Position bzw. Bewegung des Spiegels 7 und vom Abstand 12 der Vorrichtung 1 zur Probe 6 durch eine Weglängenschalteinheit 13a und/ oder 13b festgelegt werden, die im Strahlengang des Probenarms 4 und/ oder des Referenzarms 5 angeordnet ist.

Insoweit zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Länge des Objekts 6 unter Durchführung einer optischen Kohärenztomografie, umfassend ein Interferometer mit einer Lichtquelle 2, einem Probenarm 4 und einem Referenzarm 5, wobei das von der Lichtquelle 2 ausgesandte Licht durch einen Strahlteiler 3 aufteilbar ist, so dass erstes Licht 4a auf dem Probenarm 4 in Auslauf- und Rücklaufrichtung und zweites Licht 5a auf dem Referenzarm 5 in Auslauf- und Rücklaufrichtung führbar ist, wobei das erste und das zweite rücklaufende Licht 4a, 5a zur Interferenz bringbar sind.

Die Auswerteeinheit 8 ist zum Erfassen und Verarbeiten von Signalen des interferierenden ersten und zweiten Lichts 4a, 5a angeordnet, wobei eine Weglängenschalteinheit 13a, 13b im Strahlengang des Probenarms 4 und/ oder im Strahlengang des Referenzarms 5 angeordnet ist, welche die optische Weglänge des die Weglängenschalteinheit 13a, 13b jeweils durchlaufenden Lichts 4a, 5a verändert.

Mindestens eine der Weglängenschalteinheiten 13a, 13b verbringt eine optische Weglänge zeitlich alternierend von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert.

Mindestens eine der Weglängenschalteinheiten 13a, 13b verbringt den ersten

Wert nach einem definierten Zeitintervall auf den zweiten Wert und darauf nach Ablauf des Zeitintervalls oder eines weiteren Zeitintervalls den zweiten Wert wieder auf den ersten Wert.

Die Weglängenschalteinheit 13a, 13b führt die alternierende Änderung der Werte über einen vorgebbaren Zeitraum, bevorzugt periodisch mit einer definierten Frequenz, durch. Die Frequenz liegt im Bereich 1 bis 1000 Hz.

Die Differenz zwischen den optischen Weglängen beim ersten Wert und beim zweiten Wert ist in Abhängigkeit von der zu messenden Länge des untersuchten Objekts 6 variabel einstellbar, wobei die zu erwartende Länge als externer Parameter in die Auswerteeinheit 8 oder in eine Steuereinheit 8a eingebbar ist.

Durch die Auswerteinheit 8 sind aus den erfassten und verarbeiteten Signalen Strukturen des Objekts ermittelbar, die jeweils während der Einstellung des ersten Werts und des zweiten Werts detektierbar sind.

Der räumliche Abstand dieser Strukturen voneinander ist als Länge des Objekts 6 durch die Auswerteeinheit 8 ermittelbar und ausgebbar.

Als optische Einheit 10 ist ein verstellbares Teleskop vorgesehen, um eine zu erfassende Struktur im Fokus zu halten.

Die Auswerteeinheit 8 differenziert die konjugiert komplexe Ebene eines Signals von der reellen Ebene des Signals. Mit der Auswerteeinheit 8 ist jeweils eine numerische Phasenkorrektur ausführbar, um die Ebene zu ermitteln, in welcher ein Signal einer zu erfassenden Struktur des Objekts 6 liegt. Es könnte ein dispersives Element, bevorzugt eine lichtleitende Faser, im Referenzarm 5 oder Probenarm 4 angeordnet sein. Dies ist hier jedoch nicht dargestellt.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Verfahren zur Bestimmung der Länge eines Auges, bei welchem eine Vorrichtung 1 der zuvor beschriebenen Art verwendet wird, wobei mindestens eine Weglängenschalteinheit 13a, 13b eine optische Weglänge zeitlich alternierend von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert verbringt, um beim ersten Wert Licht in den Bereich der Hornhaut (Kornea) 14 zu verbringen oder zu fokussieren, und beim zweiten Wert Licht in den Bereich der Netzhaut (Retina) 15 zu verbringen oder zu fokussieren.

In Fig. 2 zeigt die linke Spalte schematisch die Einstellung erster Werte zur Erfassung des Bereichs der Hornhaut 14 und die rechte Spalte die Einstellung zweiter Werte zur Erfassung des Bereichs der Netzhaut 15. Der Pfeil stellt den Unterschied der optischen Weglängen bei den jeweiligen Werten, also den Weglängenoffset, dar.

Beim ersten Wert wird die örtliche Position der Hornhaut 14 erfasst und beim zweiten Wert wird die örtliche Position der Netzhaut 15 erfasst, wobei die Länge des Auges durch den Abstand der Positionen voneinander ermittelt wird.

Durch Auswerten einer Vielzahl oder einer Reihe von Messungen der Positionen von Hornhaut 14 und Netzhaut 15 kann die Bewegung des Auges während der Messungen erfasst werden und die Ergebnisse dieser Auswertung können genutzt werden, um Fehler bei der Erfassung der Hornhaut 14 und der Netzhaut 15 zu korrigieren.

Die Netzhaut 15 oder ihr zugeordnetes Signal könnte sich entweder in einer reellen Ebene oder einem reellen Bildteil eines OCT-Bildes oder in einer komplex konjugierten Ebene oder einem komplex konjugierten Bildteil eines OCT-Bildes befinden, wobei zur Bestimmung der Länge des Auges entweder die Bewegungstrajektorien von Hornhaut 14 und Netzhaut 15 ausgewertet werden oder wobei eine Phasenanalyse der Signale von Hornhaut 14 und Netzhaut 15 durchgeführt wird.

Bilder der Hornhaut und der Netzhaut werden auf einem Monitor 16 in Echtzeit dargestellt.

Konkret wird die Augenlängenmessung mit der Vorrichtung 1 wie folgt durchgeführt:

Es werden durch mindestens eine Weglängenschalteinheit 13a, 13b zwei optische Wege realisiert.

Der erste optische Weg, repräsentiert durch den ersten Wert, hat eine optische Weglänge, die kurz vor der Hornhaut (Kornea) 14 des Patienten weglängengleich mit dem Referenzarm 5 ist („DC Position“). Sie wird durch geeignete Linsen dergestalt realisiert, dass sich der Fokus im Bereich der Hornhaut (Kornea) 14 befindet.

Der zweite optische Weg, repräsentiert durch den zweiten Wert, hat eine solche Weglänge, dass die DC-Position im Bereich der Netzhaut (Retina) 15 eines typisch langen Auges ist.

In Fig. 2 ist der OCT-Bildgebungsbereich durch die Kästen gekennzeichnet, die mittlere Trennlinie, die teilweise gestrichelt dargestellt ist, entspricht der DC- Position, das Minuszeichen kennzeichnet die konjugiert komplexe Ebene, das Pluszeichen die reelle Ebene. Die oberen Kästen zeigen die Verhältnisse bei einem Standardauge, die mittleren bei einem kurzen Auge und die unteren bei einem langen Auge.

Der durch den Doppelpfeil dargestellte Offset ist der, insbesondere mechanisch, durch den Aufbau der Weglängenschalteinheit 13a, 13b vorgegebene Unterschied der Weglängen der beiden Strahlengänge.

Um den Einfluss von Bewegungen des Patienten auf das Messergebnis zu minimieren, ist eine schnelle Umschaltung und eine alternierende Messung der Positionen von Kornea 14 und Retina 15 nötig.

Mithilfe der Weglängenschalteinheit 13a, 13b ist dies im Millisekunden-Bereich möglich. Idealerweise wird eine ganze Serie von alternierenden Positionen gemessen. Aus dieser Serie kann auf die Bewegungstrajektorie des Auges / Messinstruments geschlossen werden, um einen eventuellen Restfehler zu korrigieren.

Bei der hier beschriebenen Verwendung der Vorrichtung 1 ist es möglich, dass die Retina 15 sich entweder im konjugiert komplexen oder im reellen Bildteil befindet.

Eine Zuordnung, und damit die korrekte Bestimmung der Augenlänge, kann auf zwei Weisen geschehen.

Entweder durch Überprüfen der Bewegungstrajektorien zwischen Kornea 14 und Retina 15, wobei diese gleichsinnig sind, wenn die Retina 15 ebenfalls im reellen Bildteil ist, und gegensinnig, wenn diese im konjugiert komplexen ist, oder auf Basis einer Phasenanalyse der Signale. Zur weiteren Optimierung der Signalausbeute an der Retina 15 kann mithilfe eines Fokusteleskops ein optimaler Fokus auf der Retina 15 für verschiedene Augenlängen realisiert werden.

Hierfür kann eine Linsenkonfiguration realisiert werden, die einen konstanten Füllungsgrad der Pupille erreicht, so dass immer mit maximaler numerischer Apertur für die verschiedenen Augenlängen gearbeitet wird, um das SNR noch weiter zu optimieren. Naturgemäß erreicht man auf diese Weise höhere SNRs bei kürzeren Augen.

Fig. 3 zeigt beispielhaft solche Linsenkonfigurationen.

Bezugszeichenliste:

1 Vorrichtung

2 Lichtquelle

3 Strahlteiler

4 Probenarm

4a aus- und rücklaufendes Licht

5 Referenzarm

5a aus- und rücklaufendes Licht

6 Probe (Auge)

6a Messbereich

7 Spiegel

8 Auswerteeinheit

8a Steuereinheit

9 Ablenkeinheit

10 optische Einheit

11 Tiefe

12 Abstand der Vorrichtung 1 zur Probe 6

13a, 13b Weglängenschalteinheit

14 Hornhaut oder Kornea

15 Netzhaut oder Retina

16 Monitor