Entwurf und Realisierung eines Selbsttonometers zur kontaktlosen Augeninnendruckmessung als direkt gekoppeltes Sensor-Aktor-System

Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf und die Realisierung eines vollautomatischen Selbsttonometers, mit dem Betroffene ihren Augeninnendruck mehrfach am Tag selbst bestimmen können. Nach einer ausführlichen Analyse des Stands der Technik und der Forschung zur Augeninnendruckmessung (Tonometrie) wird das Verfahren der Luft-Applanations-Tonometrie ausgewählt. Dieses bietet den großen Vorteil, dass zur Durchführung der Messung keine Anästhesie oder Schutzmaßnahmen zur Desinfektion notwendig sind. Nachteilig im Stand der Technik ist jedoch eine hohe Streuung der Messwerte von bis zu 20 %. Daher erfolgt zunächst eine umfassende Betrachtung der Einflüsse auf die Messunsicherheit. Die Biegesteifigkeit der Hornhaut in Abhängigkeit ihrer anatomisch individuellen Dicke besitzt den mit Abstand größten Einfluss auf die Messunsicherheit. Es wird gezeigt, dass nichtlineare Effekte wie die Massenbeschleunigung oder eine messbedingte Druckerhöhung vernachlässigt werden kann. Für eine Verifizierung der Abschätzungen werden die mechanische Modellierung mit einem FEM-Modell und insbesondere die Auswahl der relevanten mechanischen Parameter ausführlich diskutiert. Für die Durchführung der Tonometrie muss die Position des Auges detektiert und eine definierte Messposition angefahren werden. Anschließend wird ein Druckluftstrahl mit definierter Charakteristik erzeugt und auf die Hornhaut des Auges gelenkt. Aus dem Verformungsverhalten, der Applanation, lässt sich der Augeninnendruck bestimmen. Für die Konzeption und den Entwurf des erforderlichen Sensorsystems werden eine Vielzahl von Möglichkeiten diskutiert. Ein neuartiges, direkt gekoppeltes Sensor-Aktor-System zur Erfassung der Position und maximalen Applanation des Auges wird vorgestellt. Im Vergleich zum Stand der Technik wird eine deutlich reduzierte Anzahl an Bauteilen verwendet. Zur Kalibration des Sensorsystems wird ein Messplatz entworfen. Die Erzeugung des instationären, turbulenten Druckluftstrahls wird mit einem Kolbensystem realisiert und empirisch optimiert. Ein System zur messtechnischen Charakterisierung des Luftstrahls wird vorgestellt. Für Funktionstests des Tonometers wird ein neuartiger Ansatz einer technischen Nachbildung des Auges in Form eines Augenphantoms untersucht. Anstelle der üblichen Silikonkalotten repräsentiert eine Folie die Hornhaut des Auges. Die Validierung zeigt, dass das Verformungsverhalten der Folie nicht ausreichend reproduzierbar erfolgt, so dass Silikonkalotten vorzuziehen sind. Zur Validierung des realisierten Labormusters des ersten, handgehaltenen Selbst-Luft-Applanationstonometers werden an insgesamt 40 Augen ärztlich betreute Probandenmessungen durchgeführt, die gleichzeitig zur Kalibration des Geräts dienen. Die Auswertung der Ergebnisse zeigt eine gegenüber dem Stand der Technik um 4 % reduzierte Messunsicherheit und bestätigt den gewählten Ansatz