WO2002065899A2 - Verfahren zur ermittlung von abständen am vorderen augenabschnitt - Google Patents

Verfahren zur ermittlung von abständen am vorderen augenabschnitt Download PDF

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WO2002065899A2
WO2002065899A2 PCT/EP2002/001675 EP0201675W WO02065899A2 WO 2002065899 A2 WO2002065899 A2 WO 2002065899A2 EP 0201675 W EP0201675 W EP 0201675W WO 02065899 A2 WO02065899 A2 WO 02065899A2
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Roland Barth
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Frank Behrendt
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    • A61B3/112—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions for measuring interpupillary distance or diameter of pupils for measuring diameter of pupils

Definitions

  • invasive measuring means in the form of mechanical calipers are known, which are introduced into the anterior chamber through a cut in the sclera (eg US 4319564).
  • So-called gonioscopes are also known, which are placed on the eye, project scales onto the iris and the iris diameter can be read by magnifying glasses (eg US 4398812).
  • Devices that measure the diameter of the pupil are so-called pupillometers (eg EP 0550673). However, these do not measure the diameter of the iris.
  • No devices are known for determining the point of passage of the visual axis through the cornea.
  • the output signals of such arrangements are used, for example, to control auto focus mechanisms in photo cameras (e.g. US 5291234) or are used in so-called eye trackers. These devices monitor eye and eye movements.
  • No devices are known for presetting the eye along the optical axis either; by repositioning the eye or scanning the measuring beam, attempts are made relatively untargeted to find the correct positioning of the eye along the optical axis by trial and error.
  • an arrangement and a method are known for the contactless determination of the axis length, corneal curvature and anterior chamber depth by means of a single device for calculating the optical effect of an introcular lens.
  • the eye is generally illuminated by visible or IR -LED-s, the reflex images of which are captured and displayed by means of the CCD camera.
  • a fixation light is provided so that the test person aligns the eye pupil in the direction of the optical axis, the reflection of the fixation light also being detected by the CCD camera.
  • the object of the invention is to provide a device and a method which allows a higher accuracy of the hor-wtw determination independently of the operator.
  • the object is described by the features of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims. Surprisingly, the invention also realizes a practical possibility
  • the fixation light is moved in steps of 1 °; quite a few unusable measurements may be required to reach the point where the interferometric measurement is successful.
  • Fig.1 The schematic sequence of the method according to the invention
  • Fig. 2 The algorithm for rough detection of the pupil
  • Fig. 3 A representation for gray value analysis / center point determination
  • Fig. 4 A representation of the edge analysis
  • Fig. 5 The schematic sequence of the edge analysis
  • Fig. 6 The detection and determination of the position of the fixation point
  • Fig. 7 The schematic sequence of the plausibility check
  • Fig. 8 The illumination / detection beam path
  • Fig. 9 An overview picture of the eye to be measured
  • Fig. 10 The enlarged view of the center in Fig. 9
  • Fig. 11 A white to white stencil based on Holladay-Godwin
  • the subject's eye 1 is illuminated according to FIG. 8 by preferably infrared light sources 2 arranged in a circle around the optical axis, as in WO 00/33729 (eg LED).
  • a light source 3 is faded in coaxially to the observation beam path via a beam splitter 4, which emits visible light (eg LED or laser diode), to which the subject fixes.
  • the image of the eye is transferred onto a via a telecentric imaging system 5
  • Image sensor 6 preferably a CCD camera, with a sensor (not shown)
  • Control and evaluation unit is connected, shown.
  • the camera is shown on a monitor (not shown) or LC display.
  • the operator can be convinced by the lighting 2 during the entire time of adjustment and measurement of the test person that the test person is correctly fixed - and thus the measurement result is unadulterated.
  • the imaging of the subject's eye with the relevant image sections is carried out telecentrically in order to minimize the influence of subject adjustment.
  • the BAS signal of the CCD camera is activated after the correct adjustment of the
  • the distances in the image are determined, from which the following magnitudes can be calculated using the imaging scale of the observation optics:
  • ellipses with their parameters semi-axes and focal points can also be determined.
  • the measured variables can be determined with a computational accuracy of ⁇ 0.01 mm.
  • the x and y coordinates of the Purkinje image of the fixation light give the point of penetration of the visual axis through the cornea, provided that the test person fixes correctly, which the operator can control during the measurement using the video-life image on the LC display.
  • Visual axis and opt. Axes can deviate from each other by up to 8 ° because the fovea can be 3 ° nasally to 8 ° temporarily offset. (Simplified schematic eye according to Gullstrand in Diepe's "refraction determination" Verlag Bode, Pfortzheim, 5th edition 1988).
  • the angle between the visual axis and the optical axis of the eye results from angular relationships, for example on the basis of the Gullstrand eye, into which the measured offset (distance) of the image of the fixation point from
  • Iris and / or pupil center enters.
  • Deviation between the two visual axes determined.
  • the fixation point of the present measuring system marks itself along the
  • the middle of the pupil (and or the middle of the iris) is determined.
  • Ax is a - distance from the fixation point to the center of the pupil (iris center) k - distance from the node (see literature Diepes) to the cornea minus R / 2 (approx
  • the patient's viewing direction can advantageously be preset by offering the patient a fixation light at the calculated angle ⁇ . This eliminates the need for a complex search procedure.
  • a digitized gray image recording is used as the input variable for the evaluation, on an image scale that allows the entire iris to be captured, with the ambient lighting switched on.
  • the objects pupil, iris and fixation point image are determined in the evaluation unit after noise suppression.
  • the parameters of the iris and pupil are returned as a circular model (radius, center) or as an ellipse model (main axes, center).
  • the fixation point i.e. the point of passage of the visual axis through the cornea
  • the fixation point is returned in its coordinates, i.e. the coordinates are available to the calling program.
  • Edge detection on the basis of gray value profiles in the original image leads to large variations in the determination of the edge locations, which can be attributed to noise superimposed on the image signal.
  • a 20x20 median filter is used for noise suppression.
  • a binarization process with subsequent search for related objects in the binary image is used to roughly determine the pupil position.
  • the binary object is assumed to be the pupil that exceeds a predetermined minimum size and is closest to the center of the image.
  • a binarization process with a constant threshold value is not suitable because of its dependence on the ambient brightness. Therefore, according to the above Process binary objects determined for a sequence of threshold values.
  • the "optimal" threshold value thr * is the value whose increment causes the slightest change in the selected binary object (i.e., position and size). The following sizes are determined from the binary object assigned to this threshold value as a rough estimate of the pupil position:
  • the edge is located in a certain larger circular ring which is arranged concentrically to the roughly detected pupil.
  • the following algorithm applies analogously to both the fine detection of the pupil and the iris edge.
  • the scanning is carried out by means of search beams (search directions) S from xo.yo, the search beam direction being successively changed by an angle ⁇ .
  • the rough search area SB on the search beam S results from the roughly determined model of iris and pupil.
  • the pupil edge K is determined over the entire circle, while the iris edge determination is carried out only in an angular range around the X axis (2 circle sectors) due to possible lid covering.
  • turning points are determined by suitable smoothing and numerical differentiation.
  • a number of methods are known for this (e.g. Savitzky A. and Golay, M.J.E. Analytical Chemistry, Vol. 36, pp. 1627-39, 1964), which can be efficiently implemented as one-dimensional linear filters.
  • a large number of turning points are found along the gray value profile.
  • the position (x, y) that meets the following conditions is determined as the edge location:
  • the parameters of the pupil and iris model to be adapted i.e. either a circle or an ellipse
  • regression This is done by minimizing the sum of quadratic errors
  • a two-stage regression method according to Fig. 5 is used to reduce the influence of outliers (i.e. incorrectly determined edge locations).
  • ⁇ FP s * thr * (s> 1.0) depending on thr * (threshold value that was used for the rough detection of the pupil).
  • the center point of the coherent binary object BF (gray scale values> ⁇ FP ) which is closest to the particular pupil center point PM and has a certain minimum area is determined as the fixing point.
  • Non-relevant binary objects e.g. reflex images of LED lighting
  • reflex images of LED lighting are identified based on their greater distance from the center of the pupil and are not taken into account.
  • a plausibility check according to FIG. 7 is carried out in order to prevent incorrectly detected elements from being found.
  • the queries contain previously known properties of the examined object, with which the determined results must coincide.

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Abständen am vorderen Augenabschnitt, vorzugsweise des Pupillen und/oder Irisdurchmessers, wobei mittels einer Bildaufnahmeeinheit und einer Anordnung zur Beleuchtung des Auges das Bild mindestens eines Teiles des Auges erfasst wird und digitalisiert wird und aus dem digitalen Bild über eine Intensitäts - Schwellenanalyse als Grobbestimmung eine Schwerpunktanalyse und Mittelpunktbestimmung, insbesondere für die Lage der Pupille, erfolgt und anhand der Grobbestimmung eine Feindetektion der Lage der Pupillenkanten und/oder Iriskanten durchgeführt wird und zusätzlich aus der Lage eines Fixierreflexes zum Pupillenmittelpunkt und/oder Irismittelpunkt der Winkel zwischen Sehachse und optischer Achse des Auges bestimmt werden kann.

Description

Verfahren zur Ermittlung von Abständen am vorderen Augenabschnitt
Für die IOL( Intraokularlinse) -Berechnungsformel "Holladay 2" ( "Intraocular Lens Power Calculations for the Refractive Surgeon", Jack T. Holladay, in: Operative Techniques in Cataract and Refractive Surgery, Vol. 1 , No 3 (September), 1998: pp 105-117) , mit welcher die Stärke einer in das menschliche Auge zu implantierenden Intraokularlinse (IOL) berechnet werden kann, sowie für die Auswahl spezieller IOL Typen (ICL u.a.) wird als ein Eingangsparameter der sogenannte "horizontale-white-to-white-Abstand" (hor- w-t-w) benötigt. Das ist der horizontale Durchmesser der Iris. Für die Hornhautchirurgie zur Beseitigung von Fehlsichtigkeiten des menschlichen Auges (PRK, LASIK) ist es für den Operateur auch von Interesse, an welchem Punkt die Sehachse des Patienten die Hornhaut durchstößt. Danach kann die Laserabtragung von diesem Punkt aus präziser erfolgen, als mit der bisherigen Annahme, welche vom geometrischen Mittelpunkt der Hornhaut ausgeht.
Für die interferometrische Längenmessung der Hornhautdicke, Vorderkammertiefe und Linsendicke am menschlichen Auge mittels PCI ist es notwendig, das Auge entlang seiner hypothetischen optischen Achse vor dem Meßgerät voreinzustellen, im Unterschied zur Achslängenmessung, bei welcher das Auge entlang der tatsächlichen Sehachse positioniert werden muß.
Zur Ermittlung des "hor-w-t-w" werden bisher Lineale bzw. Schablonen verwendet (Fig.11 und http://www.asico.eom/1576.htm). welche dem Patientenauge vorgehalten werden und damit der Durchmesser der Iris durch Peilen abgelesen wird. Dieses Verfahren ist störanfällig gegenüber Parallaxe beim Beobachten und die bisher verwendeten Schablonen haben eine Abstufung von 0,5 mm. Damit ist nur eine eingeschränkte Genauigkeit möglich. Eine andere bekannte Lösung sind Meßokulare, welche an Spaltlampengeräten als Zubehör zum Einsatz kommen (Gebrauchsanweisung Spaltlampe 30 SUM Druckschriften Nr: G 30-114-d (MA XI/79) Carl Zeiss D-7082 Oberkochen, Seite 38). Diese verhindern zwar Parallaxefehler, es muß aber an einer Skale der Durchmesserwert abgelesen werden.
Weiterhin sind invasive Meßmittel in Form von mechanischen Meßschiebern bekannt, welche durch einen Schnitt in der Sklera in die Vorderkammer eingeführt werden (z.B. US 4319564). Weiterhin sind sogenannte Gonioskope bekannt, welche auf das Auge aufgesetzt werden, Skalen auf die Iris projizieren und durch Lupen kann der Irisdurchmesser abgelesen werden (z.B. US 4398812). Vorrichtungen, welche den Durchmesser der Pupille messen sind sogenannte Pupillometer (z.B. EP 0550673). Diese messen aber nicht den Durchmesser der Iris.
Für die Bestimmung des Durchtrittspunktes der Sehachse durch die Hornhaut sind keine Vorrichtungen bekannt. In der Kameraindustrie werden lediglich Verfahren verwendet, welche die Blickrichtung eines menschlichen Auges detektieren; die Ausgangssignale solcher Anordnungen dienen zum Beispiel der Steuerung von Autofokusmechanismen in Fotokameras (z.B. US 5291234) bzw. sie werden in sogenannten Eyetrackem eingesetzt. Diese Geräte überwachen die Augen- bzw. Blickbewegungen.
Zur Voreinstellung des Auges entlang der optischen Achse sind ebenfalls keine Vorrichtungen bekannt; es wird durch Umfixieren des Auges bzw. Scannen des Meßstrahles relativ ungezielt versucht, die richtige Positionierung des Auges entlang der optischen Achse durch Probieren zu finden. Aus WO 00/33729 der Anmelderin ist eine Anordnung und ein Verfahren bekannt, um mittels eines einzigen Gerätes zur Berechnung der optischen Wirkung einer Introkularlinse berührungslos die Achslänge, Hornhautkrümmung und Vorderkammertiefe des Auges zu bestimmen. Das Auge wird über sichtbare oder IR -LED-s allgemein beleuchtet, wobei deren Reflexbilder mittels der CCD Kamera erfaßt und dargestellt werden. Weiterhin ist ein Fixierlicht vorgesehen, damit der Proband die Augenpupille in Richtung der optischen Achse ausrichtet, wobei der Reflex des Fixierlichtes ebenfalls von der CCD - Kamera erfaßt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welches bedienerunabhängig eine höhere Genauigkeit der hor-w-t-w Bestimmung zuläßt . Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche beschrieben. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Überraschend realisiert die Erfindung auch eine praktikable Möglichkeit den
Durchtrittspunkt der Sehachse durch die Hornhaut in Bezug auf den Mittelpunkt der Pupille und / oder Iris zu beschreiben und aus der Position dieses
Durchtrittspunktes und der geometrischen Mitte der Hornhaut eine präzisere
Voreinstellung eines interferometrischen Längenmeßgerätes entlang der optischen Achse des Auges vornehmen zu können.
Bisher war die Lage der Sehachse dem Gerätebediener unbekannt; deshalb wurde der Patient mit geeigneten Mitteln (Fixierlicht im Gerät oder außerhalb des Gerätes für das Partnerauge) aufgefordert, umzufixieren. Im Anschluß wurde ein Meßvorgang ausgelöst, der aber nur erfolgreich ist, wenn die
Messung entlang der optischen Achse erfolgte. Das bedeutet, daß erst im
Anschluß an den Meßvorgang klar wird, ob diese Achse getroffen wurde oder nicht.
In Schritten von 1 ° wird das Fixierlicht bewegt; es können recht viele unbrauchbare Meßvorgänge erforderlich werden, bis die Stelle erreicht wird, wo die interferometrische Messung erfolgreich ist.
Für die ophthalmologische Routine ist diese Vorgehensweise nicht akzeptabel.
Ausführungsbeispiel:
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig.1 : Den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig.2: Den Algorithmus zur Grobdetektion der Pupille
Fig.3: Eine Darstellung zur Grauwertanalyse / Mittelpunktsermittlung
Fig.4: Eine Darstellung der Kantenanalyse
Fig.5: Den schematischen Ablauf der Kantenanalyse
Fig.6: Die Detektion und Ermittlung der Lage des Fixierpunktes
Fig.7: Den schematischen Ablauf der Plausibilitätskontrolle
Fig.8: Den Beleuchtungs/Detektionsstrahlengang
Fig.9: Ein Überblicksbild des zu vermessenden Auges
Fig.10: Die vergrößerte Darstellung des Zentrums in Fig.9
Fig.11 : Eine Weiss zu Weiss Schablone nach Holladay-Godwin Das Probandenauge 1 wird gemäß Fig.8 durch vorzugsweise infrarot strahlende kreisförmig um die optische Achse angeordnete Lichtquellen 2, wie in WO 00/33729 (z.B. LED) beleuchtet. Im Beobachtungssystem wird koaxial zum Beobachtungsstrahlengang eine Lichtquelle 3 über einen Strahlteiler 4 eingeblendet, welche sichtbares Licht aussendet (z.B. LED oder Laserdiode), auf welche der Proband fixiert.
Das Bild des Auges wird über ein telezentrisches Abbildungssystem 5 auf einen
Bildsensor 6,vorzugsweise eine CCD - Kamera, der mit einer nicht dargestellten
Steuer-und Auswerteeinheit verbunden ist, abgebildet. Das Videosignal der
Kamera wird auf einem ( nicht dargestellten) Monitor oder LC Display dargestellt.
Der Bediener kann sich durch die Beleuchtung 2 während der gesamten Zeit der Einjustierung und der Vermessung des Probanden davon überzeugen, daß der Proband richtig fixiert - und somit das Meßergebnis unverfälscht ist.
Die Abbildung des Probandenauges mit den relevanten Bildausschnitten wird telezentrisch durchgeführt, um den Einfluß der Probandenjustierung zu minimieren.
Das BAS - Signal der CCD - Kamera wird nach der korrekten Einjustierung des
Patientenauges und nach Auslösung durch den Bediener mittels Frame
Grabber in den Speicher eines Rechners in die Auswerteeinheit übernommen.
In Fig.9 ist ein derartiges Bild schematisch dargestellt, mit Pupille 7,
Pupillendurchmmesser 9 sowie Iris 8 und Irisdurchmesser 10.
Fig.10 zeigt einen vergrößerten Abschnitt der Pupille mit Reflexpunkten 11 der
Beleuchtung , dem Bild des Fixierlichtes 12 , Irismittelpunkt 13 und
Pupillenmittelpunkt 14.
Mit Mitteln der Bildverarbeitung werden die Abstände im Bild ermittelt, aus denen über den Abbildungsmaßstab der Beobachtungsoptik folgende Größen berechnet werden können:
• der Durchmesser und der Mittelpunkt der Iris,
• der Durchmesser und der Mittelpunkt der Pupille,
• die x- und y-Koordinaten des Hornhautbildes des Fixierlichtes (1. Purkinjebild) in Bezug auf den Mittelpunkt der Iris und • die x- und y-Koordinaten des Hornhautbildes des Fixierlichtes ( 1. Purkinjebild) in Bezug auf den Mittelpunkt der Pupille
Da die realen Formen von Iris und Pupille des menschlichen Auges nicht notwendigerweise Kreise sein müssen, können in einer weiteren Ausführungsform auch Ellipsen mit ihren Parametern Halbachsen und Brennpunkte bestimmt werden.
Die Meßgrößen lassen sich bei geeigneter Wahl des Abbildungsmaßstabes der Abbildungsoptik 5 mit einer rechnerischen Genauigkeit von < ± 0,01 mm bestimmen.
Der Durchmesser der Iris ergibt den horizontalen white-to-white Abstand: white-to-white [in mm] = mS [in Pixeln] / Anzahl der Pixel pro mm
Die x-und y-Koordinaten des Purkinjebildes des Fixierlichtes ergeben den Durchstoßungspunkt der Sehachse durch die Hornhaut unter der Voraussetzung, daß der Proband richtig fixiert, was der Bediener anhand des Video-life-Bildes auf dem LC-Display während der Messung kontrollieren kann. Sehachse und opt. Achse können bis zu 8° voneinander abweichen, da die Fovea 3° nasal bis 8° temporal versetzt liegen kann. ( Vereinfachtes schematisches Auge nach Gullstrand in Diepes "Refraktionsbestimmung" Verlag Bode, Pfortzheim , 5. Auflage 1988).
Der Winkel zwischen der Sehachse und der optischen Achse des Auges ergibt sich aus Winkelbeziehungen beispielsweise anhand des Gullstrand- Auges, in welche die gemessene Ablage ( Abstand) des Bildes des Fixierpunktes vom
Iris- und/oder Pupillenmittelpunkt eingeht.
Vor der interferometrischen Vermessung der vorderen Augenmedien wird die
Abweichung beider Sehachsen zueinander bestimmt.
Der Fixierpunkt des vorliegenden Meßsystems markiert sich entlang der
Sehachse. Der Bertrag und die Richtung des Abstandes dieses Punktes zur
Pupillenmitte (und oder Irismitte) wird ermittelt. Durch einfache trigonometrische Formeln erhält man den gesuchten Winkel zwischen optischer Achse und Sehachse , beispielsweise zu α = arc tan (a / k) α - Winkel zwischen Seh- und opt. Achse a - Abstand Fixierpunkt zur Pupillenmitte (Irismitte) k - Abstand Knotenpunkt ( s. Literatur Diepes) zur Hornhaut minus R/2 (etwa
3,8 mm)
Entsprechend dieses Meßwertes kann vorteilhaft eine Voreinstellung der Blickrichtung des Patienten erfolgen, indem dem Patienten ein Fixierlicht unter dem errechneten Winkel α angeboten wird. Damit wird ein aufwendiges Suchverfahren überflüssig.
Verfahren zur Lagebestimmung von Pupille, Iris und Fixierpunkt
Ablaufplan ( Fig.1):
Als Eingabegröße der Auswertung wird eine digitalisierte Graubildaufnahme verwendet, in einem Abbildungsmaßstab, der eine Erfassung der gesamten Iris erlaubt, mit eingeschalteter Umfeldbeleuchtung.
In der Auswerteeinheit werden nach Rauschunterdrückung die Objekte Pupille, Iris und Fixierpunktbild bestimmt.
Vorteilhaft wird zunächst das Pupillenbild grob ermittelt und zur Irisdetektion herangezogen, da der Kontrast an der Iriskante in der Regel schwach ist und außerdem der Irisrand oben und unten durch Augenlider verdeckt sein kann, so daß keine kreisförmige sondern nur eine sektorförmige Erfassung möglich ist.
Bei erfolgreicher Abarbeitung werden die Parameter der Iris und der Pupille als Kreismodell (Radius, Mittelpunkt) oder als Ellipsenmodell (Hauptachsen, Mittelpunkt) zurückgegeben. Der Fixierpunkt (d.h. der Durchtrittspunkt der Sehachse durch die Kornea) wird in seinen Koordinaten zurückgegeben, d.h., die Koordinaten stehen dem aufrufenden Programm zur Verfügung.
Rauschunterdrückung
Eine Kantendetektion auf der Basis von Grauwertprofilen im Originalbild führt zu großen Streuungen bei der Bestimmung der Kantenorte, die auf ein dem Bildsignal überlagertes Rauschen zurückzuführen sind. Zur Rauschunterdrückung wird ein 20x20-Medianfilter eingesetzt.
Grobdetektion der Pupille- Fig.2/Fig.3
Zur groben Bestimmung der Pupillenlage wird ein Binarisierungsverfahren mit anschließender Suche nach zusammenhängenden Objekten im Binärbild verwendet.
In Fig.3 ist eine von der CCD Kamera erfaßte unregelmäßige
Grauwertverteilung g(x,y), ermittelt durch Schwellwertanalyse ( Schwellwert 1 ), in einem X/Y Koordinatensystem dargestellt. Von dieser Fläche wird über eine
Schwerpunktanalyse der theoretische Mittelpunkt xo.yo bestimmt und ein Kreismodell/ Ellipsenmodell mit einem Radius R ermittelt. (Das wird weiter unten erklärt.)
Als Binarisierung wird die pixelweise Grauwerttransformation nach
[\ wenn g(x,y) > thr , . ., b(x,y) = \ verstanden, wobei gilt: 0 sonst x horizontale Koordinate eines Pixels y vertikale Koordinate eines Pixels g(x,y) Grauwert des Pixels an der Stelle (x,y) thr nicht-negativer Schwellwert
Als Pupille wird dasjenige Binärobjekt angenommen, das eine vorgegebene Mindestgröße überschreitet und dem Bildmittelpunkt am nächsten liegt. Ein Binarisierungsverfahren mit konstantem Schwellwert ist - wegen seiner Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit - nicht geeignet. Daher werden nach o.g. Verfahren Binärobjekte für eine Folge von Schwellwerten bestimmt. Als „optimaler" Schwellwert thr* wird derjenige Wert angenommen, bei dessen Inkrementierung die geringste Veränderung beim ausgewählten Binärobjekt (d.h., Lage und Größe) stattfindet. Aus dem diesem Schwellwert zugeordneten Binärobjekt werden als Grobschätzung der Pupillenlage folgende Größen bestimmt:
x0 = (Summation über alle Pixel des Bildes)
Figure imgf000009_0001
∑g(χ,y) -y y0 = ∑g(χ,y) wobei
R == ^l—∑∑,gg((*x>,yy) . λ f l (x,y) Binärobjekt
8(χ>y = \ [ n U sonst
(xo, yo) Flächenschwerpunkt des Binärobjekts (Mittelpunktskoordinaten)
R (Fläche des Binärobjekts / πf2 (geschätzter Radius) . Feindetektion von Pupille und Iris- Fig.4
Die Kantenorte für Pupille und Iris (Kante = "Rand" des Kreises/der Ellipse) werden aus Grauwertprofilen (=Abtastungen der Grauwerte des mediangefilterten Bildes entlang Strecken) durch den Mittelpunkt der grob bestimmten Pupille ermittelt (siehe Abbildung ). Für die Iris wird zunächst angenommen, daß sich die Kante in einem bestimmten größeren, konzentrisch zur grob detektierten Pupille angeordneten Kreisring befindet. Der folgende Algorithmus gilt sinngemäß sowohl für die Feindetektion der Pupillen- als auch der Iriskante.
Die Abtastung erfolgt mittels Suchstrahlen ( Suchrichtungen) S von xo.yo aus, wobei die Suchstrahlrichung um einen Winkel α sukzessive geändert wird. Der grobe Suchbereich SB auf dem Suchstrahl S ergibt sich durch das bereits ermittelte grobe Modell von Iris und Pupille. Die Bestimmung der Pupillenkante K erfolgt über den gesamten Kreis, während die Iriskantenbestimmung wegen möglicher Lidabdeckung nur in einem Winkelbereich um die X-Achse erfolgt (2 Kreissektoren).
In diesen Profilen werden Wendepunkte durch eine geeignete Glättung und numerische Differentiation bestimmt. Hierzu ist eine Reihe von Verfahren (z.B. Savitzky A. and Golay, M.J.E. Analytical Chemistry, Vol. 36, S. 1627-39, 1964) bekannt, die sich als eindimensionale lineare Filter effizient implementieren lassen. Im allgemeinen wird eine Vielzahl von Wendepunkten entlang des Grauwertprofils gefunden. Als Kantenort wird unter diesen diejenige Position (x,y) ermittelt, die folgende Bedingungen erfüllt:
(a) (x,y) liegt in einem Kreisring um (xo,yo).(Grobposition der Pupille) mit einem inneren und äußeren Radius, der jeweils für die Pupillen- und Irisdetektion in Abhängigkeit von rO (Grobradius der Pupille) bestimmt werden kann
(b) Die Differenz zwischen den um (x,y) im Grauwertprofil liegenden Extremwerten wird betragsmäßig maximal unter allen Positionen, die (a) erfüllen. Damit stehen pro Grauwertprofil (d.h., pro Abtastwinkel α) maximal je zwei Kantenorte für die Iris- und die Pupillenmodellierung zur Verfügung. Zur Ausschaltung systematischer Störungen beispielsweise durch Abdeckung der Iris oder der Pupille bei verengter Lidspalte kann der verwendete Bereich von Abtastwinkeln eingeschränkt werden, d.h. otmin, iris < α < αmaX, ins für die Iriskantenbestimmung und analog αmjn, pUpiiie < α < αmax, Pupille für die Pupillenkantenbestimmung.
Anpassung des Pupillen- / Irismodells - Fig.5
Aus der Menge der im vorhergehenden Schritt bestimmten Kantenorte (xi.yi) können die Parameter des anzupassenden Pupillen- und Irismodells (also entweder Kreis oder Ellipse) durch Regression bestimmt werden. Dies geschieht durch die Minimierung der Summe quadratischer Fehler
∑ι (Xi-x(Xi,yi,p))2 + (yry(Xi,yi,p))2 → min (1 ) über die Menge möglicher Parametervektoren p (Kreis: Mittelpunktskoordinaten und Radius, Ellipse: Mittelpunktskoordinaten, Längen der Hauptachsen, Winkel der großen Hauptachse zur x-Achse). Für die Kreisanpassung ist eine Lösung von (1 ) unmittelbar und numerisch effizient mit dem Verfahren der Singulärwertzerlegung möglich. Für die Lösung des restringierten Quadratmittelproblems zur Ellipsenanpassung existiert ebenfalls eine Reihe von Standardansätzen (z.B. in Bookstein, F.L. Fitting conic sections to scattered data. Computer Graphics and Image Processing, Vol. 9, S. 56-71 , 1979 und Fitzgibbon, A.W. and Fisher, R.B. A buyer's guide to conic fitting. Proceedings of British Machine Vision Conference, Birmingham, 1995).
Zur Reduktion des Einflusses von Ausreißern (d.h., falsch bestimmten Kantenorten) wird ein zweistufiges Regressionsverfahren nach Fig.5 verwendet.
Außerdem können alternative Verfahren zur Selektion der Kantenorte, die zur Parameteranpassung verwendet werden sollen, genutzt werden, wie beispielsweise die Hough-Transformation für Kreismodelle.
Detektion des Fixierpunktes- Fig.6
Zur Detektion des Fixierpunktes erfolgt eine Binarisierung ( siehe oben) des ungefilterten Bildes der CCD Kamera mit einem von thr* (Schwellwert, der zur Grobdetektion der Pupille benutzt wurde) abhängigen Schwellwert ΘFP = s*thr* (s>1.0). Als Fixierpunkt wird der Mittelpunkt des dem bestimmten Pupillenmittelpunkt PM am nächsten liegenden zusammenhängenden Binärobjektes BF (Grauwerte > ΘFP) bestimmt, das eine bestimmte Mindestfläche aufweist .
Sonstige nicht relevante Binärobjekte (z.B. Reflexbilder der LED Beleuchtung) werden anhand ihrer größeren Entfernung vom Pupillenmittelpunkt identifiziert und bleiben unberücksichtigt.
n Plausibilitätskontrolle- Fig.7
Vor der Rückgabe der ermittelten Koordinaten an das aufrufende Programm wird eine Plausibilitätskontrolle nach Fig. 7 vorgenommen, um zu verhindern, daß eventuell unrichtig detektierte Elemente gefunden wurden. Die Abfragen beinhalten vorher bekannte Eigenschaften des untersuchten Objektes, mit welchen die ermittelten Ergebnisse in Koinzidenz stehen müssen.

Claims

Patentansprüche
1.
Verfahren zur Ermittlung von Abständen am vorderen Augenabschnitt, vorzugsweise des Pupillen und/ oder Irisdurchmessers, wobei mittels einer
Bildaufnahmeeinheit und einer Anordnung zur Beleuchtung des Auges das Bild mindestens eines Teiles des Auges erfaßt wird und digitalisiert wird und aus dem digitalen Bild über eine Intensitäts - Schwellenanalyse als
Grobbestimmung eine Schwerpunktanalyse und Mittelpunktbestimmung, insbesondere für die Lage der Pupille, erfolgt und anhand der
Grobbestimmung eine Feindetektion der Lage der Pupillenkanten und / oder
Iriskanten durchgeführt wird.
2.
Verfahren zur Ermittlung der Sehachse , wobei mittels eines Fixierlichtes der Durchstoßpunkt der Sehachse durch die Hornhaut ermittelt wird
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei zusätzlich aus der Lage eines Fixierreflexes der Durchstoßpunkt der Sehachse durch die Augenhornhaut in Bezug auf die Pupilleund/oder Iris ermittelt wird.
4.
Verfahren einem der Ansprüche 1-3, wobei aus der Lage eines Fixierreflexes zum Pupillenmittelpunkt und/ oder Irismittelpunkt der Winkel zwischen Sehachse und optischer Achse des Auges bestimmt wird
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei mittels des Winkels ein Gerät zur interferometrischen Vermessung der Teilabschnitte des menschlichen Auges entlang der optischen Achse dieses Auges voreingestellt wird.
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