Messung der Hornhautdicke bei der Photo-Keratektomie mit einem in den Strahlengang des Excimer-Lasers integrierten Reflektometer

Zusammenfassung

Ziel der Studie Bei der photorefraktiven Keratektomie wird die Tiefe der gewünschten Hornhautabtragung nach der gewünschten Refraktionsänderung errechnet, kann jedoch bisher während der Abtragung nicht gemessen werden. Wir wollten untersuchen, ob durch eine Integration eines Reflektometers in den Strahlengang des Lasers eine Messung der tatsächlich erfolgten Dickenänderung der Kornea im Zentrum der Hornhaut möglich ist.

Material und Methoden Ein von uns entwickeltes Reflektometer, welches nach dem Prinzip der optical low-coherence Reflectometrie (OLCR) arbeitet und bereits als Zusatz zur Spaltlampe Messungen der Hornhautdicke ermöglicht, wurde in den Strahlengang des Excimer Lasers (Schwind Keratom) integriert. Zur Messung von experimentellen Photo-Ablationen kornealen Gewebes wurden frische Schweinsaugen unter dem Laser placiert, das Epithel mit dem Hockeymesser abgetragen, und die Hornhautdicke im Zentrum mit Ultraschall und der OLCR gemessen. Danach wurden bei je 8-10 Augen randomisiert entweder 27 (Gruppe 1), 82 (Gruppe 2) oder 163 µm (Gruppe 3) Abtragungen im PTK Modus des Gerätes mit einem Abtragungdurchmesser von 7,38 mm vorgenommen. Direkt nach der Abtragung wurde mit der OLCR am gleichen Punkt wie vor der Abtragung eine Pachymetrie bestehend aus 40 Einzelmessungen vorgenommen. Anschließend erfolgte an gleicher Stelle eine erneute Bestimmung der Hornhautdicke mit Ultraschall. Für die Schallgeschwindigkeit in der Hornhaut wurden in Analogie zur menschlichen Kornea 1640 m/sec angenommen und als refraktiver Index 1,376.

Ergebnisse Die Integration des Reflektometers in den Strahlengang des Lasers war über einen zusätzlichen Bildteiler am Anschluß der Videokamera möglich. Wegen einer Beeinträchtigung durch eine 800 nm Infrarot-Beleuchtung, die für das eye-tracking im Laser eingebaut ist, mußte eine SLD (superlumineszente Diode) mit einer Wellenlänge von 1310 nm adaptiert werden. Bedingt durch die recht große Länge des Strahlenganges in Luft, war eine Leistung von ca. 40 ?W auf der Kornea mit einer Signal/Noise ratio von über 80 dB erforderlich. Die Steuerung und Auswertung des Meßvorganges wurde derart eingerichtet, dass aus dem Datenfluß der quasi kontinuierlich eintreffenden Pachymetrie -Werte eine „Messung” durch Speicherung und Mittelwertbildung einer vorher festgelegten Zahl (20-40) von konsekutiven Einzelmessungen erfolgt. Die Abtragung war mit den o.g. Annahmen für Schallgeschwindigkeit bzw. refraktiven Index der Kornea sowohl bei den Messungen mit Ultraschall als auch mit OLCR in allen Gruppen etwas höher als erwartet (Gruppe 1: 50,3 (40-68) µm Ultraschall, 30,2 (27-38) µm mit OLCR; Gruppe 2: 101,1 (80-113) µm mit Ultraschall, 93,3 (76-109) µm mit OLCR; Gruppe 3:210,6 (190-227) µm mit Ultraschall, 188,4 (181-197) µm mit der OLCR. Bemerkenswert war die Streuung der erfolgten Abtragung innerhalb der Gruppen. Die Meßwerte mit Ultraschall lagen insgesamt signifikant höher und wiesen zusätzlich höhere Streuungen auf.

Diskussion Mit dem gezeigten System werden erstmalig durch die Optik des Excimer-Lasers hindurch sehr genaue Messungen der zentralen Hornhautdicke vor, während und nach der Abtragung vorgenommen. Da speziell bei kleineren Abtragungen relativ hohe Streuungen im Betrag des entfernten Gewebes festgestellt wurden, sollte die Präzision der Abtragung durch geeignete Maßnahmen weiter verbessert werden. Es erscheint uns daher sinnvoll, langfristig eine intelligentere Steuerung von Excimer-Lasern durch den kontinuierlichen Vergleich von geplanter mit tatsächlich erfolgter Abtragung vorzunehmen. Die OLCR mit dem von uns entwickelten System ist geeignet, den photoablativen Prozeß zu überwachen und mit einer entsprechenden Software in die Programmabläufe der Excimer-Steuerung einzugreifen. Der klinische Nutzen dieses Verfahrens könnte in einer Verbesserung der refraktiven Ergebnisse der Excimer-Chirurgie bestehen.

Summary

Purpose To integrate a newly developed OLCR instrument into the optical system of the excimer laser. The instrument is designed to perform corneal pachymetry before, during, and after corneal photoablation and thus allow for a precise and continous on-line measurement of the corneal photoablation process.

Methods The conditions required to integrate the OLCR instrument into the excimer laser optics were investigated. With a technical setting providing on-line data of corneal thickness, three groups of 8-10 corneae received central keratectomies of 27 (group 1), 82 (group 2) and 163 (group 3) µm calculated central depth and 7.38 mm diameter. All measurements were performed with OLCR and ultrasound.

Results The OLCR instrument was coupled into the optical system of the excimer laser and a useful signal obtained at SLD power levels of 40 µW incident on the cornea. Individual corneal thickness measurements were obtained before, during and after the photoablation procedure. In group 1, the ablation was 50.3 (40-68) µm measured with ultrasound and 30.2 (27-38) µm measured with OLCR. In group 2, the ablation was 101.1 (80-113) µm measured with ultrasound and 93.3 (76-109) µm measured with OLCR. In group 3, the ablation was 210.6 (190-227) µm measured with ultrasound and 188.4 (181-197) µm measured with OLCR. The precision (standard deviation) for measurements of individual corneas was 1-2 µm with OLCR and up to 12 mm in Ultrasound measurements.

Conclusion With this interferometric method, continuous, non-contact measurement of corneal thickness before, during and after excimer laser photoablation were performed. By establishing a feed-back control between the pachymetric measurements and the photoablation process, the precision of excimer ablation may possibly be further increased.

Schlüsselwörter

Excimer-Laser - photorefraktive Keratektomie - Reflektometrie - Interferometrie - optical low-coherence reflectometry - Pachymetrie

Key words

Excimer laser - photorefractive keratectomy - corneal pachymetry - optical low-coherence reflectometry - corneal photoablation