Zusammenfassung
Hintergrund Eine unsymmetrische oder irreguläre Hornhautoberfläche verzerrt die Abbildungsqualität
des Auges in einer Weise, wie sie durch sphärozylindrische Gläser nicht vollständig
ausgeglichen werden kann. Die zu erwartende bestkorrigierte Sehschärfe ist somit deutlich
reduziert und eine Kontaktlinsenanpassung häufig unbefriedigend. Ziel dieser Studie
war, die Abweichung der tatsächlichen Oberflächenbeschaffenheit von einer nahezu beliebigen
Zieloberfläche aus den Topographierohdaten mit mathematischen Mitteln abzuleiten,
um anschließend das Differenzhöhenprofil mit einer automatischen zweiachsigen computergestützten
Laserstrahlsteuerung abtragen zu können.
Methoden Mit den Rohhöhendaten des Hornhauttopographiesystems (TMS-1, Tomey, Erlangen) wurde
in einem klinisch relevanten Areal von 8 mm im Durchmesser eine Zernikezerlegung radialer
Ordnung n = 16 durchgeführt. Über die Gewichtung der einzelnen Koeffizienten wurde
eine nahezu beliebige Zieloberfläche sowie das Differenzhöhenprofil zu den Rohhöhendaten
berechnet. Nach einer Lineartransformation vom vorgegebenen polaren Raster in ein
kartesisches Raster wurde über die Abtragskennlinie des Lasers für die intendierte
Abtragung der Differenzhöhe die Verweildauer für jeden Rasterpunkt bestimmt. In einem
zweiten Schritt wurde mittels automatischer Strahlführung für einen modifizierten
Excimerlaser (Excimer-Laser MEL60, Aesculap-Meditec, Jena) die Abtragung der Differenzhöhe
simuliert. Für die Zernike-Zerlegung der Horn-hauttopographiehöhendaten sowie die
zeitgeregelte An-steuerung der Rasterpunkte wurde jeweils ein Programmpaket in der
höheren Programmiersprache C (Borland C++ 3.1, Borland Inc., München) entwickelt.
Ergebnisse Für die Definition der Zieloberfläche kann alternativ ein Set an Zernikekoeffizienten
ausgewählt werden oder diejenige sphärische oder sphärozylindrische Fläche als proportionale
Überlagerung parabolischer Zerniketerme berechnet werden, welche die Rohhöhendaten
des Topographiesystems in einem benutzerdefinierten Bereich bestmöglich approximiert.
In ursprünglich „relativ flachen” Arealen indiziert das Differenzhöhenprofil eine
zur Peripherie hin zunehmende Ablationstiefe, um die Krümmung in radiale Richtung
zu erhöhen (Anstellung). Das Mechanikmodul der automatischen Laserstrahlsteuerung
mit zwei linearen entkoppelten Schrittmotorachsen erreicht eine Auflösung von 9 µm
in der Fokusebene bei einer Reproduzierbarkeit von 5 µm. Das Programmmodul, steuert
den Laserstrahl im Ablations areal mäanderförmig unter Berücksichtigung der vorab
berechneten Verweildauer über die Hornhautoberfläche. Die mittlere Überlappung der
1 mm-Laserpunkte im Raster beträgt hierbei 70%. Aufgrund des Strahldurchmessers von
1 mm entsteht eine an das Ablationsareal anschließende Übergangszone von 0,5 mm.
Schlußfolgerung Die Zernike-Zerlegung von Topographiehöhendaten bietet die Möglichkeit, Unregelmäßigkeiten
der Hornhautoberfläche zu lokalisieren und zu quantifizieren sowie die Höhendifferenzdaten
direkt in ein Abtragsprofil umzusetzen. Mit der automatischen Strahlführungseinheit
erfolgt anschließend eine gezielte Abtragung von oberflächigen Hornhautunregelmäßigkeiten.
Summary
Background A retinal image performance distorted by an asymmetric or irregular corneal surface
cannot be compensated for with spherocylindric glasses completely. The best-corrected
visual acuity is markedly decreased and contact lens fitting often impossible. The
purpose of this study was to calculate the differential height between corneal topography
raw data and any regular surface with mathematical methods in order to to ablate the
differential height with a computer-controlled laser beam, thereafter.
Methods A Zernike decomposition of radial degree n=16 was realized within a clinically relevant
central corneal area of 8 mm in diameter based on corneal topography raw height data
of a commercially available topographer (TMS-1, Tomey, Erlangen). Any target surface
could be defined by varying weighting of the Zernike coefficients. The calculated
differential height ablation between the raw data and the target surface given in
a polar grid was transformed to a Cartesian grid to evaluate the sleeping time at
each grid position considering the characteristic ablation curve for the intended
ablation of the height difference. Subsequently, differential height ablation was
simulated using an automated laser beam control for a modified excimer laser (MEL60,
Aesculap-Meditec, Jena). We developed software tools for Zernike decomposition of
corneal topography raw height data and time-regulated automatic laser beam control
of the grid positions in the higher programming language C (Borland C++ 3.1, Borland
Inc., München).
Results Definition of a target surface can be realized alternatively by selecting a set of
Zernike coefficients or defining a spherical or spherocylindrical surface by superposition
of parabolic terms in a fixed proportion creating a best-fit target surface to the
raw data. In orginally „relatively flat” areas, the differential height profile indicates
a „relatively deep” ablation resulting in relative steepening towards the periphery
of the ablation zone. The resolution of the mechanical unit of the laser beam control
consisting of two linear stepping motors is 9 µm in the focal plane with a reproducibility
of 5 µm. The software unit is guiding the laser beam in a meandering fashion within
the ablation area considering the calculated sleeping time for each grid position.
Mean overlap of the 1 mm laser spots is 70%. The laser beam diameter of 1 mm effects
a peripheral transition zone of 0.5 mm.
Conclusions Zernike decomposition of corneal topography height data is an efficient tool for
localizing and quantifying superficial irregularities and for directly calculating
an ablation profile from created differential height data. With an automatical laser
beam control a well-defined laser ablation of superficial corneal irregularities is
possible, subsequently.
Schlüsselwörter
Irregulärer Astigmatismus - Hornhauttopographie - Zernike-Zerlegung - Automatische
Strahlführung - Excimer Laser - Photorefraktive Keratektomie - PRK
Key words
Irregular astigmatism - corneal topography - Zernike decomposition - automatic laser
beam control - excimer laser - photorefraktive keratectomy - PRK
