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Measuring corneal topography using wavefront analysis technique [Elektronische Ressource] / presented by Nina Korablinova

138 pages
DISSERTATIONsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byNina Korablinovaborn in Kaliningrad, RussiathOral examination: 28 January, 2004MEASURING CORNEAL TOPOGRAPHYUSING WAVEFRONT ANALYSIS TECHNIQUEReferees: Prof. Dr. Josef BilleProf. Dr. Wolfgang SchlegelAbstractRefractive surgery has emphasized the need of accurate and precise methods formeasuringthepowerofthehumancornea. Availabletechniquesformeasuringcornealtopography include keratometry, videokeratoscopy, and scanning slit imaging.A new type of instrument, a corneal topographer based on a Hartmann-Shackwavefront sensor for measuring corneal elevation over a spherical surface, is presentedin this thesis.The performed tests of the topography system showed a high accuracy and repro-ducibilityofthemeasurementsonsphericalaswellasontorictestsamplesurfacesthatapproximate the curvature of the central human cornea. A comparison between thedata obtained by the topographer and those provided by a videokeratoscope showedthat the topographer is as precise as standard instruments used in clinical praxis.The measurements on human corneas demonstrated the importance of a Z-trackermodule for the correct placement of the corneal surface.
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DISSERTATION
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Nina Korablinova
born in Kaliningrad, Russia
thOral examination: 28 January, 2004MEASURING CORNEAL TOPOGRAPHY
USING WAVEFRONT ANALYSIS TECHNIQUE
Referees: Prof. Dr. Josef Bille
Prof. Dr. Wolfgang SchlegelAbstract
Refractive surgery has emphasized the need of accurate and precise methods for
measuringthepowerofthehumancornea. Availabletechniquesformeasuringcorneal
topography include keratometry, videokeratoscopy, and scanning slit imaging.
A new type of instrument, a corneal topographer based on a Hartmann-Shack
wavefront sensor for measuring corneal elevation over a spherical surface, is presented
in this thesis.
The performed tests of the topography system showed a high accuracy and repro-
ducibilityofthemeasurementsonsphericalaswellasontorictestsamplesurfacesthat
approximate the curvature of the central human cornea. A comparison between the
data obtained by the topographer and those provided by a videokeratoscope showed
that the topographer is as precise as standard instruments used in clinical praxis.
The measurements on human corneas demonstrated the importance of a Z-tracker
module for the correct placement of the corneal surface. To enhance the accuracy
of the topography system, a better tracking of the corneal position is necessary to
compensate for the rapid eye movements during the examination that strongly affect
the measurements. Additionally, more clinical studies are necessary to test the to-
pographer on human cornea and to give an evidence for the clinical acceptance of the
instrument.
Zusammenfassung
DierefraktiveChirurgiegabeinenAnstoßfur? dieEntwicklungderpr azisenMetho-
den zur Bestimmung der Brechkraft der menschlichen Hornhaut. Die vorhandenen
Techniken umfassen solche Methoden wie Keratometrie, Videokeratometrie und Slit-
Imaging Photographie.
In dieser Arbeit ist ein auf einem Hartmann-Shack Wellenfrontsensor basieren-
der Hornhauttopograph pr asentiert, der die Hornhauterhebung ub? er eine sph arische
Fl ache bestimmt.
DieTestmessungenanProbek orpern, dieahnlic? heoptischeEigenschaftenbesitzen
wiediemenschlicheHornhaut, zeigteneinehoheGenauigkeitundReproduzierbarkeit
des Hornhauttopographen. Ein Vergleich der Messdaten mit denen, die mit einem
Videokeratoskop gewonnen wurden, zeigte eine gute Pr azision des Hornhauttopogra-
phen in der Bestimmung der sph arischen als auch asph arischen Oberfl achenform der
Probek orper.
DieTestmessungenanmenschlicherHornhautveranschaulichtendieNotwendigkeit
eines Z-Trackers fur? eine genaue Positionierung der Hornhautoberfl ache. Um die
Genauigkeit des Hornhauttopographen fur? die Messung an der menschlichen Horn-
haut noch weiter zu erh ohen, ist jedoch eine bessere als die benutzte Technik zur
?Uberwachungder Hornhautposition n otig. Diese muß inder Lage sein, rascheAugen-
bewegungen zu kompensieren, die die Messung mit dem Hornhauttopographen erhe-
blich st oren. Weitere umfangreiche klinische Erprobungen desographen
am menschlichen Auge sind erforderlich, um seine m ogliche Anwendung in der Oph-
thalmologie zu beurteilen.Contens
1 INTRODUCTION 1
2 THE HUMAN EYE 3
2.1 Anatomy of the Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Shape and Dimensions of the Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Eye Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.4 Optics of the Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5 Cornea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.5.1 Corneal Anatomy and Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.5.2 Topographical Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.6 Eye Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6.1 Emmetropia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.2 Myopia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.3 Hyperopia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.6.4 Astigmatism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.7 Correction of Refractive Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.8 Corneal Disorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.8.1 Keratoconus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.8.2 Diplopia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 CORNEAL TOPOGRAPHY 23
3.1 Historical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Methods for Measuring Corneal Topography . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 Basic Principle for Measuring Corneal Topography . . . . . . . . 26
3.2.2 Keratometer (Ophthalmometer) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.3 Videokeratoscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2.4 Raster photogrammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2.5 Slit Scanning Photography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.6 Moir´e Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.7 Laser Holography Interferometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.8 Wavefront Analysis with Hartmann-Shack Wavefront Sensor . . . 36
3.3 Displaying Corneal Topography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
i3.3.1 Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.2 Statistical Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 Basic Corneal Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5 Clinical Application of Corneal Topography . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 WAVEFRONT ANALYSIS 51
4.1 Hartmann-Shack Wavefront Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 Wavefront Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Wavefront Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.1 Seidel Polynomials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3.2 Taylor P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.3 Zernike Polynomials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5 HARTMANN-SHACK CORNEAL TOPOGRAPHER 63
5.1 Optical Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.2 Experimental Optical Setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3 Z-Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.3.1 Ray Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.4 Requirements on the Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.5 Evaluation Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.5.1 Method for Spots Finding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.5.2 Least Squares Method for Wavefront Reconstruction . . . . . . . 70
5.5.3 Wavefront Presentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.5.4 Evaluation Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.6 Calculation of Corneal Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6.1 Corneal Defocus and Astigmatism . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6.2 Statistical Indices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.6.3 Optical Quality of the Corneal Surface . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.7 Software Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.7.1 Software description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 TESTS AND MEASUREMENTS 87
6.1 Tests of Software Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Axial Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.3 Test Measurements on the Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3.1 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.2 Reproducibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.3 Measurements of Astigmatism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.4 Reproducibility of the Zernike Coefficients . . . . . . . . . . . . . 96
6.3.5 Comparison with Videokeratoscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4 Measurements on the Human Cornea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.4.1 Reproducibility of the Zernike Coefficients . . . . . . . . . . . . . 102
ii7 CONCLUSION AND OUTLOOK 105
A SOFTWARE DESCRIPTION 109
A.1 User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.1.1 Main Menu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.1.2 Tool Bars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.1.3 Keyboard Shortcuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
A.1.4 Panels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
A.2 Getting Started . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.2.1 Example 1 - Do a New Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 117
A.2.2 2 - Open an Existing Image . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.2.3 Example 3 - Analyze an Image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
A.2.4 4 - Set a Reference. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Bibliography 121
iiiiv

Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
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