Economic eye length measurements for point of care diagnostics, implementing a custom-made balanced detector

Abstract

Cataract surgery is one of the most frequent surgical procedures performed worldwide. Optical biometry measurements are crucial for performing success- ful surgical removal of the eye lens, and its replacement with an artificial one. In developing countries, economic inaccessibility of biometric devices is one of the main obstacles for curing blindness caused by cataracts. Research has shown that electrically tuned vertical-cavity edge-emitting laser diodes (VCSEL) have sufficient coherence length and therefore the potential for performing low-cost eye length measurements. This study aims to determine whether more economic solutions can be used for VCSEL laser tuning and laser beam detection. A laser driver electronic module by Analog technologies was integrated into the optical setup. The maximum tuning range of a VCSEL was examined us- ing a spectrometer. In comparison with a commercial laser driver, a low-cost laser driver consumed less power while achieving the same VCSEL tuning range (spectral bandwidth) of 8.5 nm. Furthermore, a custom-made balanced detector circuit was designed and tested in-vivo on a healthy volunteer. The resulting axial length measurements have shown a discrepancy of 300 m between the custom balanced detector and the IOL Master 500. Although the results are promising, further measurements on various subjects need to be performed in order to determine the precision of the custom detector. In addition, it was brought into question whether a Raspberry Pi 3B+ micro- computer is suitable for performing simultaneous signal transmission and signal acquisition. The results have shown that the lack of acquisition stability as well as the insufficient acquisition speed make Raspberry Pi a non-fitting choice for the task.

Die Kataraktoperation ist heute eine der häufigsten Operationen weltweit. Dabei sind optische Biometriemessungen entscheidend für die erfolgreiche chirurgische Entfernung der Augenlinse und deren Ersatz durch eine künstliche Linse. In Entwicklungsländern ist die wirtschaftliche Unzugänglichkeit von biometrischen Geräten eines der Haupthindernisse für die Vermeidung der durch Katarakte verursachten Erblindung. Untersuchungen haben gezeigt, dass Oberflächenemitter (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) eine ausreichende Kohärenzlänge aufweisen und daher grundsätzlich die Möglichkeit bieten, kostengünstige Augenlängenmessungen durchzuführen. Ziel dieser Studie war es herauszufinden, ob kostengünstigere als die derzeitigen kommerziellen Lösungen für das VCSEL Laser-Tuning und die Laserstrahldetektion verwendet werden können. Ein Lasertreiber von Analog Technologies wurde in den optischen Aufbau integriert. Der maximale Durchstimmbereich des VCSELs wurde mit einem Spektrometer untersucht. Im Vergleich zu einem kommerziellen Lasertreiber verbraucht ein kostengünstiger Lasertreiber weniger Strom bei gleichem VCSEL Durchstimmbereich (spektrale Bandbreite) von 8.5 nm. Weiterhin wurde eine speziell angefertigte symmetrische Detektorschaltung entwickelt und in vivo an einem gesunden Freiwilligen getestet. Die durchgeführten axialen Augenlängenmessungen ergaben eine Abweichung von 300 m zwischen dem in dieser Arbeit entwickelten symmetrischen Detektor und einem kommerziellen IOL Master 500. Obwohl die Ergebnisse vielversprechend sind, müssen weitere Messungen durchgeführt werden, um die Spezifikationen des neuen Detektors zu bestimmen. Darüber hinaus wurde untersucht, ob ein Raspberry Pi 3B + Mikrocomputer zur gleichzeitigen Signalerfassung und Signalübertragung geeignet ist. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die mangelnde Stabilität sowie die unzureichende Geschwindigkeit den Raspberry Pi für diese Aufgabe ungeeignet erscheinen lassen.