Albrecht v. Graefes Arch. ldin. exp. Ophthal. 201, 183-191 (1976)

Graefes Archiv

fur klinische und experimentelle

09hthalmologie 9 by Springer-Verlag 1976

Die Fernsehbildanalyse Ein MeSverfahren zur objektiven Perimetrie W. Jensen Universit~its Augenklinik Hamburg (Direktor: Prof. Dr. Dr. h.c. /4. Sautter) Abteilung fiir ophthalmologische Elektrophysiologie (Leiter: Prof. Dr. K.A. /4ellner) Martinistr. 52 -01 -, D-2000 Hamburg 20, Bundesrepublik Deutschland

A Description of a Method for Objective Perimetry Summary. An infrared-sensitive TV Camera has been fitted into a projection perimeter, which allows to control fixation independent of the particular background illumination. The consensual pupil light reflex, triggered by the test light of the perimeter, is measured and registered with a special TV processor designed for this purpose. The method was tested for its efficiency on four healthy volunteers. The course of sensory and pupillomotor thresholds were measured on the 135 ~ meridian of the visual field. Determinations were conducted in the photopic range of 10 asb background illumination with two test points of 2 7 ' a n d 7[ A difference of 10 dB was found between the sensory and pupillomotor thresholds.

Zusammenfassung. Beschreibung einer Methode zur objektiven Perimetrie. Eine infrarotsensible Fernsehkamera wurde in ein Projektionsperimeter eingebaut. Sic erm6glicht die Abbildung des Probandenauges auf dem Monitor bei gleichzeitiger Fixationskontrolle unabh/ingig yon der jeweiligen Umfeldleuchtdichte. Die speziell ffir das vorliegende Problem selbst entwickelte Fernsehbildanalyseeinrichtung registriert den konsensuellen Pupillenreflex, ausgelSst durch den Priifpunkt des Perimeters. Am Beispiel von vier gesunden Versuchspersonen wird die Methode auf ihre Brauchbarkeit hin gepr/ift. Der Verlauf der sensorischen und der pupillomotorischen Schwelle auf dem Meridian (13 5 ~ des Gesichtsfetdes wurde bestimmt. Untersucht wurde im photopischen Bereich bei einer Umfeldleuchtdichte yon 10 asb mit zwei Prfifpuuktdurchmessern, 27 'und 7 '. Der Verlauf der Profile im statischen Gesichtsfeld mit einem Prfifpunkt yon 7 'Durchmesser ist ann/ihernd parallel. Der Empfindlichkeitsunterschied zwischen Sensorik und Pupillomotorik betdigt etwa 10 dB.

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W. Jensen

Einleitung Der Begriff ,,Fernsehbildanalyse" stammt aus dem Wortschatz der Datentechnik. Durch die moderne Halbleitertechnologie k6nnen Fernsehkameras mit den dazugeh6rigen Datenprozessoren iiberall dort eingesetzt werden, wo das menschliche Auge durch objektire Megordnungen erg~inzt werden mug. In dem Bestreben, eine Methode zur objektiven Beurteilung der Pupille als Erfolgsorgan der Netzhaut zu gewinnen, wurden im Laufe der Zeit grundsitzlich drei Verfahren entwickelt. Das ~ilteste ist die direkte Beobachtung. Durch den Einsatz yon Fernrohren mit einer Strichplatte im Okular sind quantitative Messungen mit einer Genauigkeit yon ca. + 0,2 mm m6glich. Das ebenfalls in diese Reihe geh6rende entoptische Prinzip erreicht sogar eine Genauigkeit von+ 0,01 mm (Bouma, 1965). Nach der Entdeckung des Photopapiers wurden mit der Entwicklung der Kinematographie Registrieranordnungen gebaut, die unter Zuhilfenahme yon infrarotempfindlichem Aufnahmematerial PupiUenbewegungen auch im Dunkeln messen konnten. Das dritte Verfahren ist die elektrische bzw. elektronische Registriermethode. Vielfach angewandt und modifiziert wurde die Methode von Matthes (1941). Diese unkomplizierte Anordnung, die Fl~ichen/indemngen der Iris erfagt, hat jedoch den Nachteil, dag infolge des individuell unterschiedlichen Reflexionsverm6gens verschieden gef~irbter Irides keine absoluten und interindividuell vergleichbaren Aussagen zur Pupillenfliiche gemacht werden k6nnen (Mfiller-Jensen, 1975). Fiir die Anwendung der Pupillographie im Rahmen der Perimetrie, wo mit schwellennahen Reizen untersucht werden soil, erschienen die beschriebenen Methoden wenig geeignet. Es gait, eine Meganordnung zu linden, die a) geringste Pupillenbewegungen erfagt; b) Untersuchungen zul~igt, ohne die jeweilige Adaptation zu st6ren; c) eine fordaufende, direkte Beobachtung der Pupille wShrend der Untersuchung erm6glicht, um sich fiber die Fixation und den Wachheitsgrad des Untersuchten zu informieren. So kam es zur Entwicklung eines Fernsehbildanalyseger~ites, das in Verbindung mit einem Perimeter Pupillenlichtreflexuntersuchungen im schwellennahen Bereich zul~igt und damit eine objektive, pupillographische Gesichtsfeldbestimmung erm6glicht.

Die Bildanalyse Die Megkette der Fernsehbildanalyse baut sich folgendermagen auf." Als Megwertaufnehmer dient eine Fernsehkamera. lhr Kern ist das Vidikon, die Aufnahmer6hre, die an ihrer Vorderseite eine photoempfindliche Schicht, das Target, besitzt. Dieses wird durch einen elektromagnetisch abgelenkten Elektronenstrahl abgetastet und gibt entsprechend seinem Ladungszustand einen Photostrom ab, der der Helligkeit des aufgenommenen Bildes proportional ist. Dieses Signal ist das Videosignal. Es hat eine Amplitude yon 0,8 Vss. Das Target wird zeilenweise abgetastet. Das in der BRD gebr~tuchliche Bild setzt sich aus zwei Teilbildern ] 312,5 Zeilen mit einer Bildwechselfrequenz yon 50 Hz zusammen. Gesteuert werden die Zeilen- und Bildkippvorg~inge durch Steuerimpulse,

Die Fernsehbildanalyse

18 5

0,8 V

o,v

v

11,8 ~usec

64,0 ~usec

Abb. 1. Verlauf eines Videosignals. Darstellung einer Grautreppe, li. oben weil~

f Pd Abb. la. Verlauf des digitalisierten Videosignals der Iris. Die Irisstruktur wird durch Bildretuschierung we~, die Pupille tiefschwarz

den Zeilen- und Bildsynchronimpuls. Dieses Impulsgemisch heigt zusammen mit dem Videos~gnal ,,Bildaustastsignal", kurz BAS, und hat eine Amplitude von 1,2 Vss (Abb. 1). Dieses Signal wird einem Monitor zur Sichtkontrolle und einer Auswerteelektronik zugefiihrt (Abb. 2). Im ersten Schritt wird in der Impulsabtrennstufe das BAS in Videosignal und Zeilen- sowie Bildsynchronsignal zerlegt. Letzteres findet Verwendung ffir die Steuerung der Megvorgitnge. Das Videosignal mit der Bildinformation wird einem Analog-Digitalwandler (A/D) zugeleitet, welcher den Bildinhalt digitatisiert, d.h. aus jedem Bildpunkt, der einen beliebigen Grauwert annehmen kann, entsteht ein diskreter, numefischer Wert. In diesem Fall verarbeitet der Wandler eine Dateninformation von 4 Bit. Das sind 2 4 Graustufen, was jedoch nicht bedeutet, dag die Information auf 16 Werte beschriinkt ist. Dureh Melgbereichverschiebung kann jeder Zwischenwert ermittelt werden. Am Ende des Digitalwandlers steht eine Schnittstelle im I 2 4 8 BCD-Code zur Verfiigung. Von hier kann die Dateninformation einem Rechner tibermittelt werden. Diese Dateninformation wird in einem Digital-Analogwandler (D/A) in ein analoges Signal zurfickgewandelt

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W. Jensen

[ I

Kamera

Yi

I Impuls

Kontroll

- M.

-

abtrennung

J

[111

BCD

Schnittstelle

I!!1

I I MeBmonitor

Tot

j

! MeBwert

-

speicherung

! Abb. 2. Blockschaltbild der Fernsehbildanalyse

und gelangt an ein durch eine Steuerlogik stellbares Tor. Je nach Bedarf kann jede Zeile einzeln oder das ganze Bild im anschliegenden Kurzzeitmittelwertbildner aufgerechnet und einem Megspeicher fibergeben werden. Von hier ist das Ergebnis fiber einen Schreiber erh~iltlich oder kann fiber ein Oszilloskop simultan bewertet werden. Ein Megmonitor erm6glicht st~indige KontroUe des digitalen Bildes. Diese Megeinrichtung erlaubt folgende Messungen: a) die Kamera l~igt sich durch Objektive dem Versuch anpassen. In diesem Fall wurde eine VergrSgerung yon 1:9 auf dem Megmonitor eingestellt; b) jedes Bild kann in Form und zeitlichem Verlauf, hier tonischer und phasischer Pupillenverlauf, erfagt werden. Durch Bildretuschierung erscheinen Iris und Pupille in nur zwei Helligkeitswerten, weig und schwarz (Abb. 1 a);

Die Fernsehbildanalyse

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c) durch Verwendung eines triigheitslosen, infrarotsensiblen Siliziumdiodenvidikons ist die Pupillenanalyse ohne Beeintr~ichtigung des jeweiligen Adaptationszustandes, also auch im Dunkeln, m6glich. d) die Informationsverarbeitung erfolgt simultan (on line). Das Aufl6sungsverm6gen ist nach zwei Gesichtspunkten zu bewerten: dem zeitlichen Verlauf (Frequenz) und dem Ausmag einer Bewegung (Amplitude). Die Aufl6sung der Frequenz wird dutch die Bildfrequenz limitiert, die Grenze liegt bei 20 msec. Das entspricht 50 Einzelmessungen pro Sekunde. Fiir die Amplitudenmessung, den weitaus wichtigeren Teil beim Pupillenreflex, liegt die Grenze h6her. Sie wird durch die Korngr6ge des Vidikons bestimmt. Die geringste megbare Amplitudeniinderung liegt bei 10 btm (10 -6 m). Das endgiiltige Megsignal wird im Kurzzeitmittelwertbildner durch Impulsintegration gewonnen. Die Kurvenflgche unter dem Videosignal ergibt sich aus Ua -

I~2C2ff 1

uedt 2

(G]. 1)

Ua = Ausgangsspannung R" C = lntegrationszeitkonstante Ue = Eingangsspannung Scheinbar wird nach (GI.1) die Irisfl~che errechnet (Abb. la). Diese wird jedoch durch Bildretuschierung iiberhaupt nicht abgebildet. Die Pupillenfl~iche errechnet sich nach 625 F p : ~1 (--R~ 21C ) Ue dr2 (G1.2)

;f

Fp = Pupillenfl~iche Der Pupillendurchmesser ist Dp = 2 ~ / F

(G1.3)

Aus technischen Griinden tritt in der Verarbeitung des Videosignals eine Verz6gerung von konstant 200 msec auf. Bei der Bewertung der Latenzzeit ist dieser Faktor entsprechend zu beriicksichtigen.

U ntersuchung Die vorliegenden Gesichtsfelder entstanden am Tiibinger Perimeter nach Harms an vier gesunden Versuchspersonen im Alter yon 2 4 - 2 7 Jahren: statische Perimetrie des 135 ~ Meridians innerhalb des 30 ~ Gesichtsfeldes; Priifpunktdurchmesser 27 'und 7 ~ Darbietungszeit 0,2 sec; zur Fixationshilfe Projektion von vier Punkten in rautenf6rmiger Anordnung bei Priifung der Netzhautmitte oder Pro]ektion eines Punktes bei Priifung der Peripherie 10 '~b, Leuchtdichte 400 asb, Farbe rot). FOr die Bestimmung der sensorischen Schwelle gab der Proband die Wahrnehmung der Reizmarke durch Bet~itigung eines Summers an. Die pupillomotorische Schwelle

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W. Jensen

ash _j

-

'

-

32

/

/

/ 100

320

I000

0.2

sec

0,25 m m

Abb. 3. Verlauf des Pupillogramms bei verschiedenen Le uc ht di c ht e n Umfeld weif~, 10 asb TP w e ~ , 7' re. Auge, NH -- Oft 0 ~ Originalregistrierung Das erste Pupillogramm zeigt die Schwelle m i t einer I r i s k o n t r a k t i o n yon 0,05 m m

Die Fernsehbildanalyse

189

lX i

osb 03,2, 13,2 1032 100320 1000 0

30

I 0 20

Abb. 4. A.T. re. Auge

I 0 10

Io 0

I o 10

I o 20

I 0 30

Pup. q~5,3 -4,1 mm TP 7'

war als solche zu bewerten, wenn mehr als die Hiilfte aller Reize eine )~nderung der Pupillenfl~iche zur Folge hatten. Ein Pupillogramm im Schwellenbereich zeigt Abb. 3. Die Diagramme in Abb. 4 und 4a stelten den Verlauf der sensorischen (Kreise) und pupillomotorischen (Punkte) Schwellen im Profil der Netzhaut dar. Bei Perimetrie mit einem Testpunkt von 7 'q~ (Abb. 4a) laufen die Profile parallel. Der Empfindlichkeitsunterschied zwischen Sensorik und Pupillomotorik betr~gt 10 dB.

Diskussion Die Fernsehbildanalyse ist eine brauchbare Methode zum Studium der Pupillenbewegungen. Der technische und finanzielle Aufwand ist gerechtfertigt. Im Vergleich zu anderen Untersuchern (Alexandridis, 1971 ; Harms, 1972; Cibis, 1975) konnte aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Megger~ites die Prfifpunktgr6ge von 1~ auf 7 'Durchmesser verringert werden. Die Leuchtdichteunterschiede yon sensorischer und pupillomotorischer Schwelle betragen nur noch 10 dB. Damit wird die Forderung, das Streulicht in der Perimeterhalbkugel gering zu halten, erffillt (Harms et al., 1972). Ein zus~itzlicher Vorteil ergibt sich durch die M6glichkeit, das Auge des Probanden w/ihrend der Perimetrie stiindig zu kontrollieren. Dadurch wird die Fixation und Aufmerksamkeit sichergestellt.

N

190

W. Jensen

Ai asb

03,2 I -

3 , 2 --

I0-

32-

100-

320 -

1000 30

I 0 20

I 0 10

I 0 0

I 10

-~1

1 0

N O

0

20

30

Abb. 4a. A.T. Pup. q~ 5,3 -- 4,1 mm re. Auge TP 7'

Da n a c h der v o r l i e g e n d e n M e t h o d e d e r k o n s e n s u e l l e P u p i l l e n l i c h t r e f l e x g e m e s s e n wird, s c h e i d e t eine R e i h e v o n P e r s o n e n , die aus p a t h o l o g i s c h e n G r i i n d e n diesen Reflex n i c h t m e h r aufweisen, ffir diese U n t e r s u c h u n g aus. Die Ergebnisse zeigen, d a g rich d u r c h B e s t i m m u n g d e r p u p i l l o m o t o r i s c h e n Schwelle das Profil eines G e s i c h t s f e l d e s sicher a n f e r t i g e n l~gt. D a m i t v e r l i e r e n die o f t zweifelh a f t e n A u s s a g e n d e r P a t i e n t e n ~tn B e d e u t u n g ; m a n k a n n u n t e r U m s t ~ n d e n sogar a u f sie v e r z i c h t e n .

Literatur

Alexandridis, E. : Pupillographie. Theor. u. klin. Medizin Bd. 57, Heidelberg: Hiithig 1971 Bouma, H. : Receptive systems mediating certain light reactions of the pupil of the human eye. Zit. In: Alexandridis, Theor. u. klin. Med. Bd. 57, Heidelberg: Hiithig 1971 Castenholz, A.: Registrierung der Pupillenweite und Pupillenbewegung mit Hilfe der 1R-Photokymographie. In: Die norm. u. d. gest. Pupillenbeweg., Syrup. d. Dt. Ophth. Ges. 1972, 8 9 - 9 5 (1973) Cibis, W., Emilio, C., Aulhorn, E.: Pupillary hemiakinesia in suprageniculate lesions, Arcl~ Ophth. 93, 1 3 2 2 - 1 3 2 7 (1975) Dodt, E. : Threshold measurements and steady-state reactions of the pupillary light reflexes of some vertebrate eyes, Biokybernetik, Int. Symp. Leipzig 1969 III, 251--256 (1971)

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