Automatisiertes Messsystem zur Quantifizierung und Charakterisierung des menschlichen Tränenfilms in-vivo

Automated diagnosis tool for quantification and characterization of the human tear-film in-vivo

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-20079
  • Hintergrund und Ziele: Der menschliche Tränenfilm stellt ein komplexes, dreischichtiges biochemisches System dar. Die Hauptaufgaben der Lipid-, wässrigen und Muzinschicht bestehen in der Versorgung der Kornea mit Nährstoffen und Sauerstoff, sowie der Glättung der kornealen Epithelschicht. Dadurch wird eine optisch glatte Fläche gewährleistet. Bei geöffnetem Lid verändert sich der Tränenfilm dynamisch, bis es zum Lidschlag kommt und sich der Tränenfilm erneut als geschlossener Film ausbildet. Wird dieses System gestört und aus dem Gleichgewicht gebracht kommt es zu Symptomen wie verschwommenem Sehen oder Reizung des Auges. Tritt eine Störung dauerhaft auf und bleibt unbehandelt,Hintergrund und Ziele: Der menschliche Tränenfilm stellt ein komplexes, dreischichtiges biochemisches System dar. Die Hauptaufgaben der Lipid-, wässrigen und Muzinschicht bestehen in der Versorgung der Kornea mit Nährstoffen und Sauerstoff, sowie der Glättung der kornealen Epithelschicht. Dadurch wird eine optisch glatte Fläche gewährleistet. Bei geöffnetem Lid verändert sich der Tränenfilm dynamisch, bis es zum Lidschlag kommt und sich der Tränenfilm erneut als geschlossener Film ausbildet. Wird dieses System gestört und aus dem Gleichgewicht gebracht kommt es zu Symptomen wie verschwommenem Sehen oder Reizung des Auges. Tritt eine Störung dauerhaft auf und bleibt unbehandelt, kann dies bis zur Schädigung der Kornea führen. Allgemein wird dieser pathologische Zustand als „Trockenes Auge“ oder „Dry Eye Syndrom“ bezeichnet. Die Feststellung der exakten Ursache bedarf in der klinischen Routine einer Differenzialdiagnose. Bei den teilweise invasiven Untersuchungen kommt es zu systematischen Messfehlern und einer von der subjektiven Einschätzung des Arztes abhängigen Bewertung des tatsächlichen Zustands. Weiterhin ist die Funktionsweise des Tränenfilms – insbesondere die simultane Untersuchung des Zusammenwirkens der verschiedenen Schichten während einer Lidöffnungsphase – noch nicht wissenschaftlich untersucht worden. Ziel dieser Arbeit war es, einen Sensor zu entwickeln, mit dem eine umfassende, nicht-invasive Untersuchung des Tränenfilms möglich sein sollte, um eine objektive Diagnose zu unterstützen. In diesem Zusammenhang wurde auch ein Modellauge zum Nachweis der Funktion entwickelt und realisiert. Mit dem Modell sollte eine realistische Tränenfilmsimulation erfolgen. Methoden: Der entwickelte Sensor besteht aus zwei Kameras mit unterschiedlicher Fokusebene und einem Projektionskopf zur Erzeugung eines Placidomusters. Das Muster wird an der quasi-sphärischen Grenzfläche Luft - Tränenfilm reflektiert. Verändert sich der Tränenfilm im Zeitverlauf, ist dies in den Bildern der ersten Kamera, welche das projizierte Muster aufnimmt, sichtbar. Die zweite Kamera fokussiert auf den Tränenfilm selbst und nimmt dabei zeitgleich die Bewegung der Lipidschicht auf. Die Funktionsweise des Musterprojektors sowie der Auslegung der Beleuchtungsansteuerung wird detailliert beschrieben. Die exakte Berechnung der Position des reflektierten Musterbilds im Bezug auf den Tränenfilm wird durchgeführt, um das benötigte Linsensystem für die Kameras auszulegen zu können. Das Modellauge bildet die optisch-relevanten Eigenschaften der drei Tränenfilmschichten nach. Die Basis bildet eine beschichtete Metallkugel innerhalb eines Beckens, welches mit einer wässrigen Lösung gefüllt werden kann. Mit Hilfe eines integrierten Heizers und über das Mischungsverhältnis der Lösung kann gezielt das zeitliche Verhalten des künstlichen Tränenfilms beeinflusst werden. Die Auslegung des Modellauges wird detailliert beschrieben. Ergebnisse und Beobachtungen: Mit dem Sensor werden Messungen an einem Probanden durchgeführt. Es werden exemplarisch Bilder beider Kameras gezeigt. Der zeitliche Verlauf von Lidöffnung bis hin zu einem Tränenfilmaufriss ist in den Bildern der ersten Kamera zu sehen. Aufrisse sind deutlich anhand der Veränderung des Placidomusters zu erkennen. In den Bildern der zweiten Kamera zeigt sich die Lipidschicht in Form von wellenförmigen Schwaden, die sich direkt nach Lidöffnung bis zum endgültigen Stillstand in Richtung Oberlid bewegen. Die Aufrisszeit der künstlichen Tränenflüssigkeit am Modellauge in Abhängigkeit der Lösungszusammensetzung wird dargestellt. Exemplarische Bildsequenzen des Sensors zeigen bei Einsatz des Heizers zeitlich forciertes Aufrissverhalten und sich bewegende Lipidpartikel. Schlussfolgerung: Aus den Bildern der Kameras können verschiedene Parameter ermittelt werden, die Aufschluss über den Zustand des Tränenfilms geben. Der Sensor unterstützt dadurch den Augenarzt bei der Diagnose des Trockenen Auges. Nach Implementierung einer Analysesoftware kann eine automatische, objektive Auswertung und Klassifizierung erfolgen. Mit dem Modellauge lassen sich der Tränenfilm und dessen Verhalten, sowohl eines gesunden als auch pathologischen Tränenfilms, simulieren. Das Modell kann z.B. auch zur Erforschung des Benetzungsverhaltens von Kontaktlinsen Verwendung finden.show moreshow less
  • Background and purpose: The human tear-film is a complex biochemical system of three layers: the lipid layer, aqueous layer and mucin layer. Their major function is supply of nutrition and oxygen to the cornea as well as to reduce roughness of the corneal epithelium. This provides an optically smooth surface. In the time span between two blinks – when the lids are kept open - irregularities occur in the structure of the tear-film until it is recreated with the next blink. Problems with this cycle or tear-film stability may cause blurred vision, strained eyes and inflammation. A permanent unstable, pathologic tear-film can lead to serious impairment, e.g. irreparable damage of the cornea ifBackground and purpose: The human tear-film is a complex biochemical system of three layers: the lipid layer, aqueous layer and mucin layer. Their major function is supply of nutrition and oxygen to the cornea as well as to reduce roughness of the corneal epithelium. This provides an optically smooth surface. In the time span between two blinks – when the lids are kept open - irregularities occur in the structure of the tear-film until it is recreated with the next blink. Problems with this cycle or tear-film stability may cause blurred vision, strained eyes and inflammation. A permanent unstable, pathologic tear-film can lead to serious impairment, e.g. irreparable damage of the cornea if left without medication. Normally a pathologic tear-film condition is called “dry eye syndrome” irrespective of the trigger factor. In clinical practice the diagnosis of the exact cause for dry-eye-syndrome requires various examination methods and differential diagnosis. Many measurement techniques are invasive which cause systematic measurement errors and the results are depending on the examiner’s subjective rating. The functionality of the human corneal tear-film - particularly the interaction of the three different layers between two blinks – has not been a subject to scientific investigations up to the present. The purpose of this work was to develop a sensor for comprehensive, non-invasive examination of the corneal tear-film. This sensor should assist the ophthalmologist in objective diagnosis of dry eye syndrome. For proof of concept a model eye replicating the physiologic tear-film behavior was designed and built. Methods: The novel sensor for tear-film analysis consists of two cameras each focusing on a different plane of the anterior human eye. The first camera images the projection of a Placido disc which is reflected off the virtually spherical air / tear-film interface. Temporal changes in the tear-film structure lead to distortions in the reflected Placido images and are detected by the first camera. The second camera simultaneously provides an image of the lipid layer movement and therefore directly targets the thin tear film. The principle of the pattern projection and the illumination controller design are described in detail. The exact calculation method for determining the Placido image position is introduced. The image position is calculated with reference to the tear-film position for designing the optical paths for the cameras. The model eye replicates all the relevant optical properties of the three tear-film layers. A coated metal sphere provides the basic geometry for the model eye and an aqueous solution can be injected into a reservoir that surrounds the metal sphere. An integrated heater and the mixture ratio of the aqueous solution allowed predictable manipulation of the artificial tear-film’s temporal behavior. The model eye design is presented in detail. Results: Measurements were performed on a human subject and exemplary images of both cameras are presented. Starting after blinking an image sequence of the first camera shows the temporal tear-film behavior. At the end of the image sequence distortions in the Placido grid clearly indicate tear-film break-ups. The lipid layer is visible as bright, wavelike hazes in the images of the second camera. Directly after blinking the hazes move into the direction of the upper lid until they completely stop moving. The tear-film break-up time of the model eye is plotted against the mixture ratio of the aqueous solution. Exemplary image sequences show the artificial lipid particles’ movement and the temperature dependence. The use of the heater leads to a decrease in the break-up time and an increase in the break-up area growth rate. Conclusions: Several parameters can be extracted from the images of both cameras indicating the tear-film condition. After implementation of automated image analysis, this measurement setup can be considered to be an objective diagnosis tool. Therefore, the analysis sensor may be suitable for clinical practice and may support the ophthalmologist in diagnosing dry eye syndrome. Using the model eye, the physiologic properties and time course behavior of pathologic and healthy tear films can be replicated. Furthermore, this model eye is considered to be suitable for investigations of wettability characteristics e.g. of contact lenses.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan Arnold
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-20079
Advisor:Achim Langenbucher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2010
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Medizinische Fakultät
Date of final exam:2010/09/06
Release Date:2010/09/17
Tag:Lipidschicht; Modellauge; Videokeratoskopie; wässrige Schicht
aqueous layer; lipid layer; model eye; videokeratoscopy
SWD-Keyword:Tränenflüssigkeit; Keratokonjunktivitis sicca; Berührungsloser Sensor; Diagnose
Institutes:Medizinische Fakultät / Medizinische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
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