Topographiegestützte Korrektur von Oberflächenirregularitäten der Hornhaut mit dem Excimerlaser

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