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Eyetracker: Pupillenverfolgung in 6D - Bildverarbeitung

Bildverarbeitung
Pupillenverfolgung in 6D

Bildverarbeitung | Eyetracker von Precitec Optronik ermöglichen die 6D-Blickverfolgung für lasergestützte Augenkorrekturen. Für das ultraschnelle optische Tracking des Auges wurde eine kompakte Highspeed-Kamera entwickelt, die pro Sekunde über 1300 Bilder aufnehmen kann.

Gabriel Palzer, Jeannette Reichelt Precitec Optronik, Neu-Isenburg

Die ersten Entwicklungsarbeiten am Eyetracker der Precitec Optronik GmbH, einem heute unverzichtbaren Systembestandteil in den Behandlungssystemen für die Fehlsichtigkeit mittels Laser, erfolgten bereits in den frühen 90er Jahren des vergangenen Jahrhunderts. Bis dahin oblag die Kontrolle der Augenposition während der lasergestützten Korrektur der Fehlsichtigkeit dem behandelnden Facharzt. Aufgrund der nicht willkürlich steuerbaren und daher nicht vorhersagbaren Blickbewegungen des Patienten während der Behandlung konnte ein zufriedenstellendes Untersuchungsergebnis nicht immer garantiert werden.
Der erste Schritt zur Automatisierung der Blickverfolgung war der passive Eyetracker des Unternehmens aus Neu-Isenburg. Mit dieser Entwicklung war es möglich, die Augenposition während der Behandlung zu erfassen, um den gewebeabtragenden Laserstrahl bei einer zu großen Abweichung der Augenposition zu unterbrechen. Eine PAL Schwarz-Weiß-Kamera erfasste dabei die Position des Auges.
Weiterentwicklungen führten zum aktiven Eyetracking. Hierbei wird der Laserstrahl kontinuierlich der Augenbewegung nachgeführt, er wird von einem Spiegel-scanner abgelenkt. Während man anfangs mit nur wenigen Pulsen und großem Laserspot eine gesamte Ebene der durchsichtigen Hornhaut abtrug, erlaubten weiterentwickelte Behandlungsmethoden einen präziseren Einsatz des Laserstrahls, dessen Behandlungsfläche dazu sehr viel kleiner gehalten werden konnte. So ermöglicht das „Flying Spot“-Verfahren, das einen sehr viel feineren Laserstrahl und daher eine sehr viel größere Anzahl von Pulsen ( 10 000) erfordert, eine nahezu beliebige Korrektur der Hornhaut.
Fehlsichtigkeit beheben, die mit Brillen nicht behandelbar ist
Mit diesem Verfahren ist eine lasergestützte Behandlung des irregulären Astigmatismus durchführbar. Diese komplexe Fehlsichtigkeit infolge einer unregelmäßigen Hornhautverkrümmung ist nicht mit einer Brille korrigierbar; in ihrem Fall werden die von einem betrachteten Objekt ausgehenden Lichtstrahlen nicht in einem Punkt auf der Netzhautebene gebündelt, sondern auf einer größeren Fläche abgebildet. Betroffene nehmen einen Punkt als verschwommene Linie wahr.
Wegen der größeren Anzahl von Pulsen mussten die lasergestützten Behandlungsverfahren insgesamt sehr viel schneller werden, um die Behandlungszeit nicht auszuweiten. Daher wurden die Spiegelscanner durch Hochgeschwindigkeits-Galvanometerscanner ersetzt, die aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit und Beschleunigung in der Lage sind, den behandelnden Laserstrahl der Augenbewegung nachzuführen.
Highspeed-Kamera erfasst 1300 Bilder pro Sekunde
Das Leistungskriterium eines Eyetrackers ist – nicht zuletzt wegen des immer differenzierteren Einsatzes des Laserstrahls auf immer kleineren Flächen – die korrekte und zeitnahe Erfassung ( 2 ms) der Augenbewegung während der Behandlung. Während man sich zunächst noch mit wenigen Hertz Bildwiederholungsrate zufrieden geben musste, kann mittlerweile die Augenbewegung durch den Eyetracker mehr als 1000 Mal in der Sekunde erfasst werden, was die Qualität der Behandlung wesentlich erhöht.
Anfangs konnte man die Pupille lediglich in zwei Dimensionen verfolgen. Eine weitere Dimension kam später hinzu, indem das Bild der Pupille aus der vorangehenden Diagnose verglichen wurde, um eine zwischenzeitliche Augendrehung um die Sehachse zu berücksichtigen (statische Cyclotorsion).
Zu den wegweisenden Weiterentwicklungen bei Eyetrackersystemen zählt die dynamische Cyclotorsion. So bezeichnet man die Funktion, bei der die Drehbewegung des Auges kontinuierlich während der Behandlung gemessen wird. Je schneller hierbei die Messungen erfolgen, desto genauer kann der Laser nachgestellt werden. Für das ultraschnelle optische 2D-Tracking des Auges entwickelte man daher eine eigene kompakte Highspeed-Kamera, die über 1300 Bilder pro Sekunde aufnehmen kann.
Aktueller Entwicklungsstand bei den Spezialisten von Precitec Optronik: Die Pupille lässt sich heute in sechs Dimensionen verfolgen. Erst mit diesen sechs Dimensionen ist es möglich, sowohl die Position als auch die Lage des Auges genau zu beschreiben. Dazu erfasst das Bildverarbeitungssystem mit Hilfe der Highspeed-Kamera alle horizontalen und vertikalen Augenverschiebungen, alle Drehbewegungen (inklusive des Rollens beziehungsweise Kippens) sowie die Auf- und Abbewegungen (axiale Verschiebung). Ferner bedarf es hierzu einer Streifenprojektion. Ein im Eyetrackersystem vorhandener kleiner Projektor wirft ein Streifenmuster auf das Auge, mit dessen Hilfe die Software die Lageparameter und damit die exakte Orientierung des Auges berechnen kann.
Mehrere führende Hersteller von Systemen für lasergestützte Augenkorrekturen werden künftig ihre Augenverfolgungssysteme von Precitec Optronik beziehen. ■
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