Instrumente und Geräte

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Em neues Laser-Scan-System für die FernsehOphthalmoskopie Erste klinische Erfahrungen auch in Verbindung mit der digitalen Bildverarbeitnng* E. Fabian', M. Mertz2, H. Hofmann', R. Wertheimer', C. Foos' Augenklinik und -poliklinik rechts der Isar der Technischen Universitat, Munchen (Direktor Prof. Dr. med. H.-J. Merté) 2Augenklinik der Med. Hochschule Hannover (Direktor: Prof. Dr. med. M. Mertz)

anderen Routinen der Bildverarbeitung oder der Bildanalyse zugefuhrt werden.

Für eigene Untersuchungen stand em ProWegen des im Prototyp des SLO noch kleitotyp eines Scanning-Laser-Ophthalmoskops der Firma Rodenstock zur Verfugung (Abb. 1). Dieser Prototyp war nen Bildwinkels von 16,50 sind besonders Papillenbefunde ausgerustet mit einem He-Ne-Laser. Die Aufnahmen er- gut dokumentierbar. Zur Darstellung der Abbildungsmogfolgten kontaktlos mit einem festen Beobachtungswinkel lichkeiten des SLO wurden zwei Aufnahmen des gleichen von 16,5 0(200 Bilddiagonale). Als Parameter konnten ver- Befundes einer Drusenpapille angefertigt. Bei der Aufnahstelit werden: Laserintensitt, konfokale Apertur, zentrale me mit offener konfokaler Aperturbiende gelangt sowohl Blende, und durch Nachverstarkung, die Helligkeit des direktes als auch gestreutes Licht vom Fundus in den Phodarzustellenden Bildes auf dem Videomonitor. Uber erste tomultiplier. Es entsteht eine Aufnahme, wie sie von der

Erfahrungen und Ergebnisse soil im Folgenden berichtet werden. Untersucht wurden besonders die Abbildungsmoglichkeiten, die Bildqualitat, die Akzeptanz durch den Patienten und — unter Einschrnkung auf die Bedingungen eines Prototyps — die Bedienbarkeit des Systems.

Ublichen Fundusphotographie her bekannt ist, allerdings mit einer grolleren Schärfentiefe. Sowohl das Netzhautniveau als auch die Spitze der Papillenprominenz werden mit guter Auflosung dargesteilt. Das Bud hat einen mittleren Kontrast bei einer hellen Ausleuchtung (Abb. ila).

Wird die konfokale Aperturbiende sehr Vorausgeschickt werden mull, dall alle hier gezeigten Aufnahmen auf einem Videoband gespeichert eng gesteilt — dabei mull zumeist die Belichtungsenergie des wurden. Danach konnen sie zur Beurteilung und Fotodo- Lasers erhoht werden — dann gelangt uberwiegend direkt kumentation abgespielt, auf dem Monitor dargesteilt und reflektiertes Licht vom Fundus in den Photomultiplier. Die von ihm abphotographiert werden. Bei euler soichen pho- an der Netzhautoberfläche befindlichen Strukturen wie tographischen Dokumentation von Videoaufnahmen Membranen, Nervenfasern und GefJ3e reflektieren am kommt es zu erheblichen Qualitatsverlusten, besonders starksten und kommen somit hauptsachlich zur Darstelwenn mit Stillstandprojektion vom Videomonitor abpho- lung. Im gezeigten Beispiel ist aullerdem eine Kontrastvertographiert wird. Da bei der Stillstandprojektion nur em starkung zu bemerken (Abb. llb). Fernseh-Ha/bbild dargestelit wird, entsteht em Fur eine andere Abbildungsmoglichkeit Auflosungs- und Kontrastverlust gegenuber der laufenden Videoaufnahme. Aullerdem kommt die zeilenweise Gene- kann im SLO die Aperturblende so geandert werden, dalI rierung des Fernsehbildes auf dem Photo zur Darstellung. der zentrale Strahlengang blockiert wird. Direkt reflektiertes Licht gelangt damit nicht zum Photomultiplier. Der

Verbessert wird die Photoqualitat, well vom laufenden Videoband oder sogar direkt whrend der Videoaufnahme photographiert werden kann. Die Qualitat der Photodokumentation lällt sich etwas steigern, wenn nach digitaler Bildspeicherung in einem Biidverarbeitungs-

system mit Hilfe eines sogenannten Hardcopy-Systems Polaroid- oder Kleinbildaufnahmen angefertigt werden (Abb. 10). Hier konnen sogar noch vor der Photodokumentation uber zuvor festgelegte Bildverarbeitungs-Routi-

nen Bildoptimierungen erfolgen, wie zum Beispiel eine

Bildgebung dient vorwiegend indirektes, von Geweben gestreutes Licht. Im gezeigten Beispiel fallen besonders die

refraktilen Drusenkorperchen auf, Arterien sind kaum noch zu sehen, die Venenwände werden nicht bzw. kaum dargestellt. Bildinformationen der tiefer liegenden Chorioidea sowie des stark lichtstreuenden Sehnervenkopfes werden hervorgehoben. Das Bild zeigt einen geringen Kontrast fur oberflachliche Strukturen mit noch weiter reduzierter Helligkeit (Abb. 1 lc).

Kontrast-verstarkung (Abb. lOa, b). Das in einem Bildverarbeitungssystem digital gespeicherte Bud kann aullerdem

Werden diese beiden unterschiedlichen Abbildungsmoglichkeiten z. B. für Fundusbereiche temporal

Kim. Mbi. Augenheilk. 197 (1990) 55—63

* aus redaktionellen Grunden geteilt, Fortsetzung aus Heft

1990 F. Enke Verlag Stuttgart

196/6/ 1990

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Ergebnisse

56 KIm. Mb!. Augenheilk. 197 (1990)

E. Fabian und Mitarb. 13 c

a

Abb. 13 Prominente Papille mit multiplen Drusen (s Abb,

zielen.

Mit Hilfe eines Bildverarbeitungs-Computers kann mit Programm-Routinen der Stereokorrelation und der dreidimensionalen Rekonstruktion auf dem Monitor am Standbild der 3-D-Eindruck vermittelt werden Ic). Die Rot-GrUn-Brille erlaubt dann die 3-D-Betrachtung.

b Abb. 10 Das in einem Bildverarbeitungs-System digital gespeicherte Bild (a) wurde noch weiter verarbeitet, um den Kontrast zu verstdrken Ib)

Abb. 11 Prominente Papille mit multiplen Drusen:

a SLO-Aufnahme mit offener, konfokaler Aperturblende, b mit enger, konfokaler Aperturblende, c mit Blockierung des zentralen Strahienganges

ha

lib

Abb. 12 Mittlere Fundusperipherie, aufgenommen mit enger Pupille 13 mm)

I. ,

flT)

13a

12

13b

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ill

a Aufnahme bei Buck nach rechts b Aufnahme bei Buck nach links Die Blickrichtung in beiden Aufnahmen difteriert nur sehr gering Beide Aufnahmen stellen direkt aufeinander folgende Fernseh-Halbbilder dar. Der Effekt der Parallaxenverschiebung ldIf,t sich nur im ,,on-Iine-Betrieb der Videoaufzeichnung er-

Em neues Laser-Scan-System für die Fernseh-Ophthalmoskopie

K/in. Mbl. Augenheilk. 197 (1990) 57

der Papille eingesetzt, so zeigen sich Ahnliche Befunde. Bei der Aufnahme mit Blockierung des zentralen Strahiengan-

Bei Aufnahmen der mittleren Fundusperipherie mit der zumeist eingesetzten offenen konfokalen

ges kommen die tiefer gelegenen Strukturen der Chorioidea zur Darstellung, anstelle der gesamten Vene wird nur noch der Blutvolumenanteil abgebildet, die Arterien werden kaum noch dargesteilt, die Papillengrenzen aber scheinen sich scharfer gegenUber dem Pigmentblatt abzuheben.

Aperturbiende des SLO stellen sich auch, besser als mit der

Em weiteres Phanomen, das sich allerdings nur bei der laufenden Videodarstellung am SLO beobachten Iäflt, ist eine Art Parallaxenverschiebung. Bei der Prominenz einer Drusenpapille zeigen sich, auch bei einer nur gering geanderten Blickrichtung, deutlich genderte Belichtungsverhaltnisse. Entsprechendes ist zu beobachten bei Papillenexkavationen. Bei der ,,on-Iine"-Betrachtung auf dem Fernsehmonitor entsteht durch diese Parallaxenverschiebung em dreidimensionaler Eindruck, der auf Emzeiphotographien vom Monitor nicht dargestelit werden kann (Abb. 13a, 13b, 14a, 14b). Mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung konnen jedoch direkt aufeinander folgende Einzelaufnahmen so manipuliert werden, dalI auf dem Monitor und auch auf der Photographie die Dreidimensionalität, wie sie von den Stereoaufnahmen her bekannt ist, dargestelit werden kann. Die Aufnahme mull a!-

lerdings durch eine Rot-grun-Brille betrachtet werden (Abb 13c, 14c). Zum guten 3-D-Effekt tragt auch die Tiefenschärfe im SLO bei. Anhand dieser Befunde, wie auch bei den scharf zur Darstellung kommenden schwebenden Glaskorperstrukturen zeigt sich die grolle Tiefenscharfe des SLO-Systems.

14 a

Wird der Arbeitsabstand des SLO zum zu untersuchenden Augenhintergrund vergrollert, so konnen Bereiche des vorderen Augenabschnittes und der Netzhaut sogar gleichzeitig scharf abgebildet werden (Abb. 15). Zusatzlich in den Strahiengang, zwischen Patientenauge und SLO, eingebrachte Lupen mit den Starken von + 14 bis + 90 dpt. ermoglichen die Darstellung von feinsten Befunden des vorderen Augenabschnittes. Am gUnstigsten in Bezug auf Vergrollerung, Abbildung und Ausleuchtung haben sich Lupen zwischen + 20 bis + 60 dpt. erwiesen (Abb. 16, 17, 18).

Liegen Trubungen der transparenten Medien vor, so zeigt das SLO-System die erwartet besseren Abbildungsqualitaten. Bei groflerem Arbeitsabstand konnen zunächst in einer getrubten Linse optische Lucken aufgesucht werden (Abb. 19a). Durch diese LUcken hindurch gelingen Aufnahmen mit gutem Kontrast und guter AuflOsung vom Fundus (Abb. 19b).

14 b

Bei der relativ geringen zeitlichen Auflösung der Fundusphotographie mit 1 his 3 Bildern pro Sekunde, sind schnell ablaufende Veranderungen nicht oder nur schwer dokumentierbar. Die Videotechnologie, wie sie auch vom SLO-System eingesetzt wird, erlaubt durch die hohe Bildfolge mit 25 Bildern pro Sekunde eine ausgezeichnete zeitliche AuflOsung. Die Bilder vom Makulaforamen wurden im Abstand von 20 msec (!) aufgenommen (Abb.

14 c Abb. 14 Massive glaukomatose Papillenexkavation a Aufnahme beim Buck nach rechts b Aufnahme beim Buck nach links o Aufnahme der beiden farhlich kodierten und ubereinandergelagerten Abildungen für die Darstellung des 3-DEindruckes

20a, b, c, d). Direkt mit euler Blickrichtungsanderung schwebt das kleine Operkulum im Foramenbereich der Tragheit entsprechend zur entgegengesetzten Richtung bzw. verändert seine Konfiguration. Dieser Befund konnte mit der Fundusphotographie nicht dokumentiert werden, bei einer grofleren Serie von Aufnahmen befand sich das

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Fundusphotographie, die tieferen Schichten der Chorioidea dar (Abb. 12). Der hier geringere Pigmentgehalt des retinalen Pigmentepithels erlaubt dem He-Ne-Laserstrahl em tieferes Eindringen in die Netzhautschichten.

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E. Fabian und Mitarb.

U1SISr

schärfe)

Abb. 17 Aufnahme des vorderen Augenabschnitts mit einer Lupe von + 28 dpt.

3t .,cr'

Abb. 16 Mit Hilfe von Lupen kann entsprechend der genutzten Dioptrienstarke der vordere Augenabschnitt vergrölfert dargestelit werden. Zusätzlich auftretende Reflexe stdren nur gering. Mit z.B. +14 dpt. kann der Lidbereich aufgenommen werden, Wimpern, Bugel der intraokularen Kunstlinse sowie Netzhautgefa6e werden gleichzeitig scharf abgebildet

a

Abb. 18 Aufnahme des vorderen Augenabschnitts mit einer Lupe von + 60 dpt. Mit guter Auflosung werden hintere Synechierungen dargestelit.

b

Abb. 19 Fundusaufnahme durch eine Linse mit mitteigradiger KerntrUbung und beginnender Speichenbildung. a. mit grdRerem Arbeitsabstand kdnnen zundchst in amer Katarakt optische Lücken aufgesucht werden b. durch diese Lücken hindurch können Aufnahmen von gutem Kontrast und guter Aufldsung angefertigt warden

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Abb. 15 Ubersichtsaufnahme der Augenregion (hohe Tiefen-

Em neues Laser-Scan-System für die Fernseh-Ophthaimoskopie

K/in. Mb!. A ugenhei/k. 197 (1990) 59

C

d

Abb. 20 Aufnahme von einem Makulaforamen mit

Abb. 23 Einzelne Phasen des Lidschlusses (Lupe mit + 60 dpt.). Die Zusammenstellung dieser Aufnahmen erfolgte in einem BildanalVse-Computer. Hier kann auch mit Hilfe eines frame-grabbers die Dynamik des Lidschlusses durch einen sohnellen Ablauf der Bilder demonstriert werden Heruntergeladen von: NYU. Urheberrechtlich geschützt.

Operkulum. a, C. Aufnahmen nach schneller Blickwendung nach rechts, b, d. Aufnahmen bei Blickwendung nach links

Abb. 21 Fundusphotographie (3Q0) desselben Makulaforamens Is. Abb. 24)

Abb. 24 Fluoreszenzangiographie der spdtvendsen Phase

Abb. 22 Aufnahme des inneren Lidwinkels (Lupe mit + 60 dpt,l mit Darstellung des oberen Tranenpünktchens

Abb. 25 Aufnahme des hinteren Augenpols mit Darstellung der KapillargroRe

60 Kim. Mb!. Augenheilk. 197 (1990)

der Untersuchungstechnik Ungeubte steliten sehr schnell Aufnahmen des Augenhintergrundes von guter Qualitat her, da durch die Videotechnik eine sofortige Korrelation zwischen Aufnahmeparameter und Bildqualita.t hergestellt werden kann. Dies ermoglichte es auch, während der Untersuchung durch Anderung der Aufnahmeparameter wie Kontrast und Helligkeit intessierende Befunde bzw. bestimmte Strukturen hervorzuheben und optimiert aufzunehmen.

Die hohe zeitliche Auflosung des SLO-Systems im Gegensatz zur Funduskamera ist von besonderem Nutzen bei der Fluoreszenzangiographie. Bei mitteiweiter Pupille und der ublichen Fluoreszeingabe konnen mit Hilfe des Argonlasers und des entsprechenden Sperrfilters Fluoreszenzangiographien durchgefUhrt werden (Abb. 24).

4—

Der Einsatz von verschiedenen Lasern erlaubt selektiv die Darstellung unterschiedlicher Strukturen. Aufnahmen des vorderen Augenabschnitts (Lupe mit + 28 dpt.) mit dem He-Ne-Laser zeigen eine bessere Darstellung der feinen hinteren Synechierungen des Irispigmentblattes. In Aufnahmen mit dem Argon-Laser werden die Bindehautgefal3e deutlicher hervorgehoben. Aufnahmen des hinteren Pols mit Darstellung der Kapillaren (Abb. 25) und der Nervenfaserschicht (Abb. 26) demonstrieren die hohe ortliche Auflosung des SLO-Systems. Abb. 26 Nervenfaserschicht

Anders als bei der Ublichen Fundusphotographie kann mit dem SLO-System die Mehrzahl der Patienten bei unbeeinfluBter Pupillenweite untersucht werden (Abb. 8—15, 20, 25—27).

Keine Fundusaufnahmen konnten durchgefuhrt werden bei Pupillendurchmessern unter 2,0—2,5 mm. Dadurch war es leider nicht moglich, die Papillendokumentation bei Glaukompatienten mit medikamentoser Miosis durchzufUhren. Beeindruckt waren alle Untersuchten von einer geringen bzw. nicht vorhandenen Belastigung durch den Untersuchungsvorgang. Dies vereinfachte auch Untersuchungen von lbngerer Dauer oder bei Kindern. Auch konnten die Untersuchten einfacher und schneller gefuhrt werden, Blickrichtungen in Extrempositionen einzunehmen. Fur eine Serie von 50 Patienten betrug die Untersu- Abb. 27 Fundus mit diabetischer Hintergrunds-Retinopathie chungszeit pro Auge zwischen 1 und 4 Minuten. Sogar in

Abb. 28 Schematische Darstellung der derzeitigen Fettdruck) und mdglicher zukunftiger (Normaldruck) Einsatzmaglichkeiten des SLOSystems. 1. Bildgebend als Ophthalmoskop bzw. als Biomikroskop des vorderen Augenabschnittes. 2. Perimetrie, Skotomerie. 3. Elektrophysiologische Untersuchungen. 4. Visusbestimmungen, 5. Flieltgeschwindigkeitsmessungen, 6. Laserkoagulation anhand von S LO-Netzhautaufnahmen

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Operkulum immer in einer Mittelposition (Abb. 21). Neben der hohen zeitlichen Auflosung zeigt sich in diesen beiden Aufnahmen die hohe Ortliche Auflosung. Sowohi das kleine Operkulum als auch die perifoveolaren GefäJ3e werden ahnlich gut wie in der Fundusphotographie dargesteilt. Bei der Darstellung des inneren Lidwinkels kommen ebenfalls die hohe ortliche Auflosung (Darstellung des Tränenpunktchens) (Abb. 23) sowie die hohe zeitliche Auflosung (Phasen des LidschluB-Ablaufs) (Abb. 22) zum Tragen.

E. Fabian und Mitarb.

Em neues Laser-Scan-System für die Fernseh-Ophthalmoskopie Als besonders interessant und informativ wurde es eingeschatzt, wahrend der Untersuchung des einen Auges, gleichzeitig Uber einen Spiegel mit dem anderen Auge auf dem Monitor die eigenen Fundusaufnahmen zu betrachten. Die selbständige Untersuchung des eigenen Augenhintergrundes war ebenfalls moglich.

Diskussion

Kim. Mb!. Augenheilk. 197 (1990) 61

der hell dargesteliten harten oder weichen Exsudate sein, ob jedoch Blutungen oder Pigmentveranderungen vorliegen, ist manchmal schwieriger beurteilbar (Abb. 27). Die Vorteile der eingesetzten Fernsehtechnologie sind bereits jetzt zumindest fur die Bildverarbeitung und -analyse sowie zur Ubertragung der Bildinformation für die Ausbildung von Studenten, die Weiterbildung

von Kollegen und die Aufklarung von Patienten gut

nutzbar Das Scanning-Laser-System bietet neuartige Untersuchungstechniken für den Augenarzt. Wird es Trotzdem ist eine Fortentwicklung des dereingesetzt als Ophthalmoskop, so können vom Augenhin- zeitigen Prototyps erforderlich und geplant. Für die Ophtergrund Videoaufnahmen mit sehr hoher zeitlicher Auflö- thalmoskopie mit dem SLO-System sind weitere Aspekte sung und von guter örtlicher Auflosung erstellt werden. zur Verbesserung der Abbildungsqualitat, der Abbildungs-

Sie sind besser als Videoaufnahmen der Netzhaut, die eigenschaft und der Dokumentationsmoglichkeit wUnmit einer konventionellen Funduskamera aufgenommen schenswert wie: wurden.

—

groBere, evtl. variable Blickwinkel (Mind. 30—40°),

Einbau von Lupen zur Aufnahme des vorderen AugenDie hohe zeitliche Auflosung (25 Bilder pro abschnitts, Sekunde) erlaubt die Dokumentation von schnell ablaufen- — Stereo-Einrichtung zur Biomorphometrie der Papille, den Vorgangen am Augenhintergrund wie: Pulsationsver- — bessere Befunddokumentation in Form der Hardcopy. halten von GefaBen, Blutumlaufgeschwindigkeiten in GeZusatzliche fafien, Bewegungen von abgelosten Netzhautanteilen und Abbildungseigenschaften durch Anderungen der Belichtung, durch Selektion beBewegungen von schwebenden Glaskorperpartikein.

Die ortliche Auflosung (Ca. 10 im bei 200 diagonalem Bildwinkel) ist derzeit bei kiaren optischen Medien nur wenig geringer als bei der Fundusphotographie (Abb. 20, 21). Die etwas geringere Auflosung kommt besonders dann zum Tragen, wenn die Videoaufnahme zur

Befunddokumentation für die Krankengeschichte vom Monitor abphotographiert wird. Die Videotechnologie ist fur die Darstellung auf dem Videomonitor als auch für das Abphotographieren yam Videomonitor der die örtliche Auflosung begrenzende Faktor. Dies ist zwar derzeitig noch em prinzipielles Problem, das sich aber durch die Fortschritte auf den Gebieten der Videotechnologie und der Digitalisierung von Bildern in Ca. 1—3 Jahren voraussichtlich besser lOsen läBt.

stimmter Wellenlangen und die Kombination verschiedener Wellenlangen fur die Farbdarstellung kOnnten dann das Scanning-Laser-Ophthalmoskop in Konkurrenz zur Funduskamera treten lassen.

Die endgultige Berechtigung, em vollig neuartiges Untersuchungssystem für den Ophthalmologen zu sein, konnte das Scanning-Laser-System durch die In-

korporation von zusatzlichen funktionellen Untersuchungsmoglichkeiten der Netzhaut für die klinische Routi-

ne erlangen wie: Visusprüfung, Skotometrie, Perimetrie und elektrophysiologische Untersuchungen wie VEP oder ERG(Mainsteret al. 1982, Timberiakeet al. 1982, Timberlake et al. 1986). Dazu ware es erforderlich, daB der Laser-

strahl entsprechend moduliert werden kOnnte (Abb. 28). Auch ware es denkbar, daB durch die Kombination eines Bei getrubten Medien zeigt das SLO-Sy- Scanning-Laser-Ophthalmoskops, einer therapeutischen stem wegen des Scan-Prinzips, wegen des hohen Kontra- Lasereinheit und eines Computersystems em anderes Varstes und wegen der geringen Storung durch Streulicht bes- gehen bei der Laserkoagulation moglich wird. sere Abbildungseigenschaften als die Funduskamera. Der Bei einer kleineren Bauweise könnte evendunne Laserstrahl, die geringe Lichtbelastung und die datuell zukunftig em SLO-System auf eine Untersuchungsdurch bedingte geringe Irritierung des Untersuchten, erlauben es, sowohl bei nicht erweiterter Pupille als auch bei einheit neben einer Spaitlampe plaziert werden. So konnte Kindern ohne besonderen Aufwand Aufnahmen der Netz- das Laser-Scanning-Ophthalmoskop fur den Ophthalmohaut anzufertigen. Inwieweit das SLO-System mit der zwar logen in der Diagnostik und Therapie für den hinteren Auhohen zeitlichen Auflosung aber der geringeren ortlichen genabschnitt eine ahnliche Bedeutung erlangen, wie sie die Auflosung für die Fluoreszenzangiographie von wesentli- Spaltiampe für den vorderen Augenabschnitt besitzt. chem Vorteil ist, wird an anderer Stelle im Vergleich mit Danksagung: Herrn Dr. rer. nat. T. Bos, Munder Video-Fluoreszenz-Angiographie erörtert werden.

Mit diesen Eigenschaften ermoglicht das SLO-System dem Ophthalmologen eine sehr einfache, schnell durchzufUhrende, den Patienten kaum belastende

chen sei fur die Durchsicht des Manuskripts und für kritische Hinweise gedankt.

Literatur

und zumindest monochromatisch ausreichend gute Bilddo-

kumentation des Augenhintergrundes. Diese SchwarzWeil3-Darstellung bedarf jedoch noch der Gewohnung und der Erfahrung für die Interpretation der SLO-Aufnahmen. Auch die Nutzung unterschiedlicher Laser für die Darstellung verschiedener Gewebe erfordert noch weitere Untersuchungen. Weniger schwierig dUrfte die Unterscheidung

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Manuskript erstmals eingereicht 20. 12. 1988, zur Publikation in der vorliegenden Form angenommen 21. 4. 1989.

Priv.-Doz. Dr. Dr. med. habil. Ekkehard Fabian Augenklinik und -poliklinik rechts der Isar der Technischen Universitgt, Munchen Ismaninger Stralle 22 8000 Munchen 22

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Briers, 3. D., A. F. Fercher: Retinal blood-flow visualisation by means

E. Fabian und Mitarb.