Objektive Streulichtmessung mit Shack-Hartmann-Wellenfrontaberrometern

Schramm, Stefan GND

Die vorliegende Arbeit thematisiert die Neuentwicklung eines Systems und Methode zur objektiven Streulichtmessung im menschlichen Auge. Die Grundlage bildet die Double-Pass Abbildung der Punktantwort (PSF) des optischen Systems, welche mit einem Shack-Hartmann-Sensor aufgenommen wird. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber Streulicht aus dem vorderen Augenabschnitt wurde zunächst ein kommerzielles Wellenfrontaberrometer durch Erweiterung einer funduskonjugierten Blende modifiziert. Zur Charakterisierung der Subaperturabbildungen der PSF wurde ein Algorithmus entwickelt, mit dem Form- und Intensitätsparameter der PSFs berechnet werden können. Neben neu entwickelten Parametern wurden auch Parameter der Literatur adaptiert. Der Funktionsnachweis der subaperturbasierten Streulichtmessmethode mit dem modifizierten Shack-Hartmann-Wellenfrontaberrometer wurde in zwei klinischen Studien erbracht. Zur Erweiterung des durch die Optik des Shack-Hartmann-Sensors limitierten Messbereichs wurde ein neues System entwickelt. Hierzu wurde eine variable Blende in Form eines reflektiven Displays in der Zwischenbildebene des Teleskopsystems eines neu entworfenen Wellenfrontaberrometers implementiert. Mit der Variation des Blendendurchmessers kann die PSF des Auges abgetastet werden. Die PSF wird über den Intensitätsverlauf der entsprechenden Shack-Hartmann Bildsequenz rekonstruiert und durch eine verallgemeinerte Form der Stiles-Holladay-Approximation parametrisiert. Dies erlaubt im Gegensatz zu den subaperturbasierten Streulichtparametern den direkten Vergleich mit Parametern etablierter Streulichtmesssysteme. Ein Funktionsnachweis dieser erweiterten Streulichtmessmethode konnte anhand einer Probandenstudie, bei der eine Streulichtsteigerung emuliert wurde, erbracht werden. Anhand einer weiteren Probandenstudie konnte gezeigt werden, dass die Streu- bzw. Reflexionseigenschaften des Fundus hoch individuell sind, wodurch eine gezielte Messung der Streuung des vorderen Augenabschnitts erschwert wird. Gründe für die unterschiedlichen Fundusreflexionen wurden anhand eines neu entwickelten numerischen Augenmodells in veränderten Absorptions- und Streuparametern des Retinalen Pigment Epithels gefunden. Mit der Entwicklung der erweiterten Streulichtmessung mit variabler Blende wurde eine Möglichkeit zur objektiven Bestimmung der beeinträchtigenden Faktoren auf das Sehen geschaffen. Mit der Nutzung des Shack-Hartmann-Wellenfrontaberrometers ist eine Systemintegration gelungen, mit der es möglich ist, sowohl Brechkraftfehler als auch Trübungen objektiv simultan zu quantifizieren.

The objective of this thesis was the development of a novel system and method for the objective scattered light measurement in the human eye based on the double-pass imaging of the point spread function (PSF) of the optical system, which is recorded with a Shack-Hartmann sensor. To increase the sensitivity to the scattered light from the anterior segment of the eye, a commercial wavefront aberrometer was modified by expanding a fundus-conjugated aperture. The shape and intensity parameters of the PSFs were calculated to characterize the subapertural images of the PSF using a new developed algorithm. For this purpose, parameters of the literature were adapted in addition to new parameters. The subaperture-based scattered light measurement method with the modified Shack-Hartmann wavefront aberrometer was proofed by performing two clinical studies. A new system was developed to expand the measuring range, which is limited by the optics of the Shack-Hartmann sensor. For this purpose, a reflective display as variable aperture was implemented in the intermediate image plane of the telescope system of a newly designed wavefront aberrometer. By variation of the aperture diameter, the PSF of the eye can be sampled. The PSF is reconstructed based on the intensity curve of the corresponding Shack-Hartmann image sequence and parameterized by a generalized form of the Stiles-Holladay approximation. This allows a direct comparison of parameters with established scattered light measuring systems. A proof of principle of the extended scattered light measuring method was provided on the basis of a subject study with increased emulated scattered light. Further investigations showed highly individual scattering and reflection characteristics of the fundus, which limits a reliable measurement of the scattering of the anterior segment of the eye. By using a newly developed numerical eye model, altered absorption and scattering parameters of the retinal pigment epithelium were identified as main causes of the different fundus reflections. With the development of the extended scattered light measurement method with a variable aperture, a contribution was made to the objective determination of the sight impairing factors. The use of the Shack-Hartmann wavefront aberrometer enables a system integration of an simultaneously objective quantification of refractive errors as well as opacities.

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Schramm, Stefan: Objektive Streulichtmessung mit Shack-Hartmann-Wellenfrontaberrometern. Ilmenau 2019.

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