Berechnung yon Lokalisation und Dimension der reellen Pupille bei Keratokonus mittels Raytracing von Hornhauttopographiedaten

Zusammenfassung

Hintergrund Für chirurgische Eingriffe ist eine exakte Zentrierung an der Pupille oder der optischen Achse für die optimale visuelle Rehabilitation unabdingbar. Ziel der Studie war es, für chirurgische Therapiemaßnahmen die reelle Pupillenstruktur aus der optisch durch Aberrationen der Hornhauttopographie verlagerten virtuellen Pupille mittels Raytracing-Technik zurückzurechnen.

Patienten und Methoden 88 Patienten (46 beginnender Keratokonus, 42 fortgeschrittenes Stadium) sowie eine Kontrollgruppe bestehend aus 40 Normalprobanden wurden in die Studie einbezogen. Aus den topographischen Brechungsdaten eines kommerziell erhältlichen Topographiesystems (TMS-1) wurden durch eine lokale Approximation Höhendaten der Vorderfläche berechnet und mittels Subdivisionsverfahren für konvexe Flächen modelliert. Für die Hornhautrückfläche wurde die im Augenmodell von Navarro beschriebene asphärische Fläche mit einer zentralen Krümmung von 6,5 mm zugrunde gelegt. Am virtuellen Pupillensaum, so wie er vom Topographiesystem erfaßt wurde, wurden achsenparallele Strahlen unter Berücksichtigung des Snellen-Gesetzes an beiden Hornhautflächen in die Vorderkammer gebrochen und die Intersektion mit der Pupillenebene als reelle Pupille definiert. Neben der Verlagerung nach Betrag und Richtung wurde der Größenquotient aus virtueller und reeller Pupille für alle 3 Gruppen berechnet und mit der zentralen Brechkraft korreliert.

Ergebnisse Der Durchmesser der virtuellen Pupille lag in der Gruppe mit fortgeschrittenem Keratokonus 35%, in der Gruppe mit beginnendem Keratokonus 19% und in der Gruppe der Normalprobanden 11% über dem Durchmesser der reellen Pupille. Während die optische Verlagerung der virtuellen Pupille in der Gruppe der Normalprobanden mit 0,06 mm vernachlässigbar erschien, wurde in der Gruppe mit beginnendem Keratokonus eine systematische Verlagerung der virtuellen Pupille von durchschnittlich 0,49 mm in Richtung der beiden unteren Quadranten und in der Gruppe mit fortgeschrittenem Keratokonus eine Dezentrierung um durchschnittlich 1,24 mm vorwiegend nach temporal unten gemessen. In keiner Gruppe korrelierte die zentrale Brechkraft mit der optischen Verlagerung der Pupille.

Schlußfolgerung Durch die optischen Verzerrungen ist die Pupille bei Keratokonus mit der Ausprägung der Erkrankung zunehmend optisch in Richtung der Kegelspitze verlagert und im Durchmesser vergrößert. Das Raytracing-Verfahren erlaubt eine Berechnung der reellen Pupillenstruktur aus dem virtuellen Abbild, wenn die Topographie beider breehenden Flächen bekannt ist. Die Kenntnis über die Lage der reellen Pupille kann Einflufß auf die Zentrierung refraktiver Eingriffe oder bei der perforierenden Keratoplastik haben.

Summary

Background It is crucial to center surgical procedures for optical indications on the pupil or the optical axis of the eye. In keratoconus the pupil appears to be dislocated due to optical aberrations of corneal topography. The purpose of this study was to evaluate the real pupil structure from the virtual image using exact raytracing techniques.

Patients and methods Eighty-eight patients with keratoconus (46 with mild and 42 with severe clinical signs) and a control group of 40 normal subjects were included in this study. Topographic height data were calculated from refraction data of a commercially available topographer (TMS-1) using a local approximation algorithm and a convex surface was modelled using a subdivision scheme. For the posterior corneal surface we postulated an aspherical surface with a central radius of curvature of 6.5 mm using Navarro's model eye. At the virtual pupil outline a bundle of parallel rays were intersected with the anterior and posterior corneal surface and refracted into the anterior chamber. The intersections of these rays with the pupil plane was defined as the real pupil outline. We assessed the amount and direction of pupil dislocation, the ratio between the virtual and real pupil size for each group and correlated these parameters with the central corneal power.

Results The size of the virtual pupil exceeded the reference value of the real pupil in the normal group by 11%, in the group with mild keratoconus by 19% and in the group with severe keratoconus by 35%. The center of the virtual pupil was decentered 0.06 mm in the normal group, 0.49 in the group with mild keratoconus and 1.24 mm in the group with severe keratoconus. Whereas the direction of decentration was randomly in the normal group, we measured a preferred decentration to the inferior quadrants in mild keratoconus and a systematic decentration to the temporal inferior quadrant in severe keratoconus. Correlation of the optical dislocation did not correlate with central corneal power in any group.

Conclusions In keratoconic eyes the pupil outline is distorted and dislocated due to optical aberrations of the cornea. Exact raytracing technique allows the calculation of the real pupil outline from the virtual image and the topographic height of both corneal surfaces. Knowledge about the real pupil position may have an impact on adequate centration of keratorefractive surgery and penetrating keratoplasty.

Schlüsselwörter

Hornhauttopographie - Keratokonus - Pupillenlokalisation - exaktes Raytracing

Key words

Corneal topography - keratoeonus - pupil localization - exact raytracing