Die Dokumentation ophthalmologischer Befunde mittels Smartphone-Fotografie kann in der ambulanten Patientenversorgung Diagnosen sichern und Verlaufsbeurteilungen ermöglichen. Die korneale Endothelzellfotografie (EZF) mittels Smartphone an der Spaltlampe ist sowohl für Smartphone als auch Untersucher*in komplex. Smartphone-Modelle unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Fähigkeit, schnell und sicher Aufnahmen des Hornhautendothels anzufertigen.
Ziel der Arbeit
In dieser Arbeit werden verschiedene Smartphone-Modelle hinsichtlich ihrer Einsatzfähigkeit für die korneale EZF vorgestellt und Erfolgsfaktoren für gute Smartphone-Aufnahmen beschrieben.
Material und Methoden
In einer Querschnittstudie wurde eine Auswahl von 16 verschiedenen Smartphone-Modellen bezüglich des Einsatzes in der kornealen EZF miteinander verglichen. Die Smartphones wurden mittels eines verstellbaren Adapters am Okular der Spaltlampe befestigt. Es wurde getestet, ob innerhalb von 3 min qualitativ hochwertige EZF von gesunden Probanden mit der Standard-Foto-App des jeweiligen Smartphones gelang. Zusätzlich wurde die subjektive Schwierigkeit der Erstellung der Aufnahme erfasst. Faktoren, die zu einer erfolgreichen EZF beitragen, wurden in einer Abbildung zusammengefasst.
Ergebnisse und Diskussion
Es zeigten sich deutliche Unterschiede bei der EZF hinsichtlich Durchführbarkeit und Qualität der generierten Aufnahmen. Nicht jedes Smartphone eignet sich gleich gut für die EZF.
Hinweise
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Die Dokumentation ophthalmologischer Befunde mittels Smartphone gewinnt zunehmend an Bedeutung. Unterschiedliche Anwendungsbereiche sowohl im vorderen als auch im hinteren Augenabschnitt wurden beschrieben, wie beispielsweise die Dokumentation und Gradeinteilung allergischer Konjunktivitiden und nukleären Katarakten, die korneale Endothelzellfotografie (EZF), Kammerwinkelvideografie, Beurteilung von Filterkissen nach filtrierender Chirurgie, Verlaufsbeurteilung suspekter Lidläsionen und Fundusaufnahmen [3, 8‐10, 12, 15‐17].
Die EZF ist wichtiger Bestandteil der ophthalmologischen Diagnostik und Verlaufsbeurteilung z. B. nach Keratoplastik. Seit Einführung der „Descemet membrane endothelial keratoplasty“ (DMEK) nimmt die Zahl der durchgeführten Keratoplastiken stetig zu, sodass mit über ca. 9000 Keratoplastiken pro Jahr in Deutschland Verlaufskontrollen auch in der ambulanten Routineversorgung zunehmend häufig notwendig sind [14]. Eine Verlaufsbeurteilung in diesem Setting ist jedoch schwierig. Neben Faktoren wie beispielsweise Visus und Hornhautdicke stellt auch die Endothelzelldichte einen Bewertungsparameter für die Endothelfunktion dar [2]. Für die Darstellung und Vermessung der Endothelzellen (EZ) sind spezialisierte Spekularmikroskope verfügbar, deren Preis jedoch den eines Smartphones deutlich übersteigt [6]. Außerhalb spezialisierter Zentren stellt sich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit einer Investition in ein Spekularmikroskop. Um dennoch Veränderungen des Hornhautendothels dokumentieren zu können, bietet die EZF mittels Smartphone möglicherweise eine Alternative. Toslak et al. beschrieben als Erste eine Technik zur Darstellung der EZ mittels Smartphone unter Einstellung des zweiten Purkinje-Bildes und Verwendung eines iPhone 6 [15]. Neuere Studien zur EZF verwendeten ein OnePlus 7 Pro und ein iPhone 7 Plus [5, 11]. Die in den genannten Studien verwendeten Smartphones unterscheiden sich hinsichtlich der Hard- und Software. Des Weiteren kamen unterschiedliche Aufnahmetechniken zum Einsatz. Toslak et al. erstellten die Aufnahmen mithilfe einer nicht vorinstallierten Kamera-App [15]. Angaben zur Dauer der Generierung der EZF wurden nicht genannt. Fliotsos et al. nahmen ein 4K-Video von den EZ mit 30 Bildern pro Sekunde mit einer durchschnittlichen Länge von ca. 2 min und 40 s auf und durchsuchten anschließend das Video Bild für Bild, um das Bild mit der besten Aufnahmequalität zu finden [5]. Mantena et al. berichteten von einer Dauer von 2–4 min für EZF von beiden Augen mittels der Standard-Kamera-App [11].
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In dieser Studie untersuchen wir, welche handelsüblichen Smartphone-Modelle sich ohne weitere Soft- und Hardwaremodifikationen für die EZF eignen.
Methoden
Rekrutierung
Alle ärztlichen Mitarbeiter*innen der Klinik für Augenheilkunde des Universitätsklinikums Freiburg wurden gefragt, ob sie ihr Smartphone-Modell mitteilen und es für die EZF zur Verfügung stellen würden.
Durchführung
Das jeweilige Smartphone wurde in einen kommerziell erhältlichen Spaltlampenadapter (oDocs Slit Lamp & Surgical Microscope Adapter, Waverley, Dunedin, New Zealand) gemäß den Vorgaben des Herstellers eingespannt. Anschließend wurde der Adapter mit Smartphone je nach Position der Hauptkamera des Smartphones an das rechte oder linke Okular der Spaltlampe (BQ 900, Haag-Streit, Köniz, Schweiz) montiert. Das Objektiv wurde zentriert und plan zur Okularebene in einem Abstand, der zur vollen Ausleuchtung des abgebildeten Bereichs führte, vor dem Okular befestigt. Nach Positionierung des Objektivs wurde der/die Proband*in an der Spaltlampe positioniert. Der/die Proband*in wurde gebeten, geradeaus ein Objekt zu fixieren und möglichst bewegungsarm in der Position zu verbleiben. Die Spaltlampe wurde auf einen Beleuchtungswinkel von ca. 45° eingestellt, die Lichtspalthöhe auf 1 mm reduziert und die Lichtspaltbreite so variiert, bis sich auf dem Smartphone-Display die kornealen EZ im zweiten Purkinje-Bild zeigten (Abb. 1). Für die Aufnahmen wurde die Standard-Kamera-App des jeweiligen Smartphones im Automatikmodus verwendet. Die Möglichkeit der meisten Kamera-Apps, durch Berührung des Displays die Beleuchtung und den Fokus einzustellen, wurde für die EZF genutzt. Sobald sich ein scharfes Bild zeigte, wurde die Aufnahme durch vorsichtiges Berühren des Displays ausgelöst. Die erzeugten Aufnahmen wurden nachträglich zugeschnitten, jedoch nicht weiter bearbeitet. Alle Aufnahmen wurden jeweils von einem in dieser Technik geübten Untersucher durchgeführt. Sofern das gleiche Smartphone-Modell von mehreren Kolleg*innen zur Verfügung gestellt wurde, wurde jeweils nur ein Gerät für die EZF getestet.
Abb. 1
Endothelzellfotografie des iPhone 13 mit grün markierten Zellzentren
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Auswertung
In dieser Untersuchung galt die EZF als möglich, wenn unter oben genannten Bedingungen innerhalb von 3 min eine EZF gelang. Als Erfolgskriterium mussten in den Aufnahmen mehrere nebeneinanderliegende EZ klar voneinander abgrenzbar sein. Bei erfolgreicher EZF wurde vom Untersucher ein subjektiver Gesamtschweregrad der Aufnahme in den Kategorien leicht/schwer angegeben. Die technischen Daten der Smartphones wurden den Herstellerangaben entnommen.
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Ergebnisse
Per E‑Mail wurden alle 57 ärztlichen Mitarbeiter*innen angeschrieben und um Mitteilung ihres Smartphone-Modells gebeten. Wir erhielten Rückmeldung von 35 (61 %) der angeschriebenen Mitarbeiter*innen. Unter den 35 Rückmeldungen befanden sich 24 unterschiedliche Smartphone-Modelle. Von den 24 unterschiedlichen Smartphone-Modellen konnten 16 bezüglich der Anwendung in der EZF getestet werden.
Von den 16 getesteten Smartphones gelang bei 7 Modellen innerhalb der Zeitvorgabe von 3 min eine EZF. Alle 16 Teilnehmer hatten eine klare Hornhaut und gesunde EZ.
Technische Daten
Die getesteten Smartphones waren von insgesamt 5 unterschiedlichen Herstellern (Tab. 1). Das älteste getestete Smartphone erschien im September 2016 (iPhone 7), das neueste getestete Smartphone erschien im September 2021 (iPhone 13). Das älteste Smartphone, mit dem die EZF gelang, war das Galaxy A3, welches im Januar 2017 erschien.
Tab. 1
Getestete Smartphone-Modelle im Vergleich
Modell
Hersteller
Firmensitz
Erscheinungsdatum
Auflösung Hauptkamera MP
Anzahl Kameras Rückseite
Auflösung Bildschirm Pixel
Auflösung Bildschirm ppi
OIS
EIS
Sensor Diagonale (mm)
Blende
Pixelgröße (µm)
Betriebssystem
Endothel darstellbar
Leicht/schwer
iPhone 7
Apple
Cupertino, CA, USA
09.2016
12
1
1334 × 750
326
Ja
NA
5
1,8
1,1
IOS
Nein
NA
OnePlus 3T
One Plus
Shenzhen, China
11.2016
16
1
1920 × 1080
401
Ja
Ja
6
2
1,1
Android
Nein
NA
Galaxy A3
Samsung
Suwon, Südkorea
01.2017
13
1
720×1280
312
Nein
Nein
5
1,9
1,1
Android
Ja
Schwer
iPhone 8
Apple
Cupertino, CA, USA
09.2017
12
1
1334 × 750
326
Ja
Ja
5,5
1,8
1,2
IOS
Nein
NA
Galaxy S9+
Samsung
Suwon, Südkorea
02.2018
12
1
2960×1440
531
Ja
Ja
6,4
1,5
1,4
Android
Ja
Schwer
Galaxy S10
Samsung
Suwon, Südkorea
03.2019
12
3
3030×1440
551
Ja
Ja
6,4
1,5
1,4
Android
Ja
Leicht
Galaxy S10e
Samsung
Suwon, Südkorea
03.2019
12
2
2280×1080
435
Ja
Ja
6,4
1,5
1,4
Android
Ja
Leicht
P30 Pro
Huawei
Shenzhen, China
03.2019
40
3
2340 × 1080
398
Ja
Ja
9,1
1,8
1,0
Android
Nein
NA
Pixel 3a
Google
Mountain View, CA, USA
05.2019
12
1
2220 × 1080
441
Ja
Ja
6,4
1,8
1,4
Android
Nein
NA
iPhone 11
Apple
Cupertino, CA, USA
09.2019
12
2
1792×828
326
Ja
Ja
6,2
1,8
1,4
IOS
Ja
Schwer
11 Pro max
Apple
Cupertino, CA, USA
09.2019
12
3
2688 × 1242
458
Ja
Ja
6,2
1,8
1,4
IOS
Nein
NA
iPhone 12 mini
Apple
Cupertino, CA, USA
11.2020
12
2
2340 × 1080
476
Ja
Ja
6,2
1,6
1,4
IOS
Nein
NA
iPhone 12 Pro Max
Apple
Cupertino, CA, USA
11.2020
12
3
2778 × 1242
458
Ja
Ja
8,5
1,6
1,7
IOS
Nein
NA
Galaxy S21
Samsung
Suwon, Südkorea
01.2021
12
3
2400 × 1080
424
Ja
Ja
9,1
1,8
1,8
Android
Nein
NA
OnePlus 9
One Plus
Shenzhen, China
03.2021
48
2
2400×1080
402
Ja
Ja
8,9
1,8
1,6
Android
Ja
Leicht
iPhone 13
Apple
Cupertino, CA, USA
09.2021
12
2
2532×1170
460
Ja
Ja
8,5
1,6
1,7
IOS
Ja
Leicht
Die Auflösung der Smartphone-Kameras lag zwischen 12 und 48 Megapixeln (MP), wobei die Mehrheit (n = 12, 75 %) eine Auflösung von 12 MP aufwies. Nur 2 der 7 Smartphones (29 %), mit denen sich die EZ darstellen ließen, besaßen eine Auflösung über 12 MP (1 × 13 MP und 1 × 48 MP). Die Bildschirmauflösung betrug zwischen 720 × 1280 Pixel (312 „pixel per inch“ [ppi]) und 3030 × 1440 Pixel (551 ppi). Sowohl mit dem Smartphone mit der geringsten als auch mit der höchsten Bildschirmauflösung war die EZF möglich.
Bis auf ein Smartphone (Galaxy A3) besitzen alle getesteten Smartphones eine optische Bildstabilisierung (OIS). Das gleiche Smartphone (Galaxy A3) weist als einziges auch keine elektronische Bildstabilisierung (EIS) auf. Für das iPhone 7 liegen keine Angaben bezüglich der EIS vor. Auch mit dem Galaxy A3 war die EZF trotz fehlender OIS und EIS möglich.
Die Sensorgröße reichte von 5,0 mm Sensordiagonale bis 9,1 mm. Die EZF war mit Sensordiagonalen unterschiedlicher Größe (5,0 mm bis 8,9 mm) möglich. Die Blende reichte von Größe 2,0 bis 1,5. Die Pixelgröße lag zwischen 1,0 und 1,8 µm. Die EZF war mit Blenden von 1,9 bis 1,5 möglich. Sieben der getesteten Smartphones (44 %) liefen unter dem Betriebssystem iOS (Apple), 9 (56 %) unter Android (Google). Zwei von 7 Smartphones, mit denen die EZF möglich war, liefen unter iOS (29 %) und 5 unter Android (71 %). Bei 4 von 7 Smartphones (58 %) wurde die Schwierigkeit der EZF mit leicht und bei 3 von 7 (42 %) mit schwer eingestuft.
Hürden und Erfolgsfaktoren bei der Anwendung
Belichtung
Die richtige Belichtungseinstellung ist Voraussetzung für die EZF. Nur bei der richtigen Belichtung ist der Kontrast zwischen EZ und Zellgrenzen ausreichend, um sichtbar zu werden. Es lassen sich grob 3 Helligkeitszonen bei der EZF unterscheiden: 1. ein relativ großer, dunkler Bereich, der um den kleinen durch die Spaltlampe beleuchteten Bereich der Hornhaut zu sehen ist, 2. ein heller Streifen, das erste Purkinje-Bild, das durch die Reflexion des Spaltlampenlichts auf der Hornhautoberfläche entsteht, 3. ein Streifen mittlerer Lichtintensität, das zweite Purkinje-Bild, das durch die Reflexion des Spaltlampenlichts auf den EZ entsteht und auf dem die EZ zu sehen sind. Die Schwierigkeit bei der Wahl der richtigen Belichtung besteht darin, dass die EZ im Bereich der mittleren Lichtintensität zu sehen sind. Die Belichtungsautomatik der Kameras tendiert jedoch häufig dazu, entweder die dunklen Bereiche hell darzustellen, sodass die EZ überbelichtet erscheinen und nicht voneinander abgegrenzt werden können, oder die hellsten Bereiche innerhalb des Dynamikbereichs darzustellen, sodass, die EZ zu dunkel erscheinen (vgl. Abb. 1 und 2). Bei den meisten Aufnahmen muss daher die Belichtung manuell angepasst werden. Dies gelingt zwischen den unterschiedlichen Smartphone-Modellen jedoch nicht gleich gut. Das Misslingen der richtigen Belichtungseinstellung war einer der häufigsten Gründe, weshalb keine EZF gelang.
Abb. 2
Endothelzellfotografie unterschiedlicher Smartphone-Modelle. a Galaxy A3, b iPhone 11, c OnePlus 9, d Galaxy S10, e Galaxy S9+, f iPhone 13. (Herstellerangaben siehe Tab. 1)
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Fokus
Die Spaltlampe ist so konstruiert, dass der Untersucher ins Unendliche fokussiert, um eine scharfe Abbildung zu erhalten [7]. Daher muss der Fokus der Smartphone-Kamera ebenfalls auf unendlich eingestellt sein. Einige Kamera-Apps verfügen über einen Profimodus, der eine manuelle Einstellung des Fokus zulässt. Der Vergleichbarkeit wegen wurde in dieser Studie jedoch die Standardkameraeinstellung gewählt. Hierbei zeigte sich, dass der Autofokus einiger Kameras nicht zuverlässig auf die EZ einstellt. Als zusätzliche Schwierigkeit tritt hinzu, dass die EZ anhand der Darstellung auf dem Display mit der Spaltlampe fokussiert werden müssen. Zeigen sich keine scharfen EZ auf dem Display, kann dies entweder daran liegen, dass die Fokusebene der Spaltlampe nicht auf Höhe der EZ liegt oder am falsch eingestellten Fokus der Kamera. Unzuverlässige Autofokussierung erschwert so die EZF.
Bildverarbeitung
Bei einzelnen Smartphones zeigte sich kein flüssiges Live-Bild der Kamera auf dem Bildschirm. Durch eine Zeitverzögerung zwischen Aufnahme und Darstellung des Bildes auf dem Display oder einer ruckeligen Darstellung ist es schwierig, die häufig nur kurzen Momente einer scharfen EZ-Darstellung zu erwischen. Probleme bei der Darstellung lassen sich möglicherweise durch Unterschiede hinsichtlich Grafikkarten und Prozessoren erklären.
Mehrere Kameras
Einige der getesteten Smartphones verfügen über mehrere Kameras. Smartphones mit mehr als einer Kamera haben meist eine Hauptkamera und eine weitere Weitwinkel- und/oder Telekamera. Bei manchen Smartphones lässt sich die eingesetzte Kamera auswählen, bei anderen Smartphones wechselt das Smartphone beim Zoomen automatisch von der einen zur anderen Kamera. Je nach Bauweise und Anordnung der Kameras kann bereits die Montage des Smartphones am Spaltlampenadapter schwierig sein. Es kann jeweils nur eine Kamera vor dem Okular befestigt werden. Ein spontanes Wechseln der verwendeten Kamera bei der Aufnahme ist daher nicht möglich. Prinzipiell waren Smartphones mit maximal 2 Kameras den Smartphones mit 3 Kameras überlegen bei der EZF.
Diskussion
Mehrere Smartphones bieten die Möglichkeit in Kombination mit einer Spaltlampe Aufnahmen von kornealen EZ zu erstellen. Erste Ansätze, die EZF automatisiert auszuwerten und beispielsweise die Endothelzelldichte zu berechnen, wurden bereits beschrieben [1, 11, 13]. Für eine weiterführende Analyse ist jedoch eine qualitativ hochwertige Darstellung der EZ Voraussetzung. In unserem Vergleich gelang mit 7 von 16 Smartphones (44 %) eine Aufnahme in zufriedenstellender Qualität innerhalb von 3 min.
Prinzipiell ist eine Auflösung von 12 MP für die EZF ausreichend. Bildschirmgröße und -auflösung entscheiden nicht grundsätzlich, ob die EZF möglich ist. Für leicht presbyope Untersucher*innen kann ein großer Bildschirm jedoch unter Umständen hilfreich sein. Die meisten getesteten Smartphones verfügen sowohl über eine optische als auch eine elektronische Bildstabilisierung. Die Qualität der Bildstabilisierung variiert zwischen den Modellen. Genaue technische Details hierzu sind jedoch nicht öffentlich zugänglich und können daher nur sehr eingeschränkt miteinander verglichen werden. Sensordiagonale, Blende und Pixelgröße bestimmen, wie viel Licht von der Kamera eingefangen werden kann. Neben neuerer Hard- und Software fällt bei den iPhones eine Entwicklung zu größeren Sensoren und größeren Pixeldurchmessern bei gleichbleibender Auflösung auf. Dies kann möglicherweise als Hinweis darauf gewertet werden, dass sich eine bessere Lichtausbeute positiv auf die EZF auswirkt. Jedoch lässt sich keiner der untersuchten technischen Parameter als einziges prospektives Differenzierungskriterium für die EZF nutzen, weshalb keine Aussagen über nicht getestete Smartphones getroffen werden können. Auch kann nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden, dass die Smartphones mit negativem Testergebnis nicht mit einer anderen App oder einem anderen Setting zumindest eingeschränkt zur EZF geeignet sind. Alternativ zur direkten Fotografie wurde auch eine EZF mittels Videofunktion beschrieben [5]. Hierbei kann bei erneutem Abspielen der Videosequenz an der Stelle mit dem besten Bild gestoppt und ein Screenshot davon angefertigt werden. Diese Methode erhöht die Wahrscheinlichkeit, kurze Momente, in denen die EZ scharf abgebildet sind, einzufangen. Allerdings besteht ein unter Umständen großer zeitlicher Aufwand, die mit hoher Bildrate aufgenommene Sequenz Bild für Bild auszuwerten.
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Grundvoraussetzung für die EZF mittels Smartphone ist eine präzise und sichere Befestigung des Smartphones am Okular der Spaltlampe. Daher nimmt der Spaltlampenadapter eine wichtige Funktion ein. Da sich die Abmessungen und die Position der Kamera der verschiedenen Smartphones unterscheiden, entschieden wir uns dazu, einen kommerziell erhältlichen verstellbaren Spaltlampenadapter zu erwerben (oDocs Slit Lamp & Surgical Microscope Adapter, Waverley, Dunedin, New Zealand). Alle getesteten Smartphones ließen sich mittels dieses Adapters am Okular der Spaltlampe befestigen. Die Bedienung war unkompliziert, die Metallkonstruktion robust. Der Adapter kostet 200,00 Neuseeland Dollar, was ca. 120,00 € entspricht.
Die wichtigsten Schritte für eine erfolgreiche EZF mittels Smartphone sind in Abb. 3 aufgeführt.
Abb. 3
Anleitung für die erfolgreiche Endothelzellfotografie
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Über die Beurteilung der Morphologie hinaus besteht potenziell die Möglichkeit, die erstellten Aufnahmen hinsichtlich der Endothelzellzahl und -dichte auszuwerten. Neben einer manuellen Auswertung kann dies auch mittels neuronaler Netzwerke erfolgen [4]. Für die Bestimmung der Endothelzelldichte sind jedoch zunächst weitere Kalibrierungsschritte und Vergleichsmessungen erforderlich.
Die American Academy of Ophthalmology hat Hinweise und Tipps zur Smartphone-Fundoskopie zusammengestellt [18]. Viele der dort genannten Hinweise können auch auf die Smartphone-EZF übertragen werden.
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Wir konnten in dieser Untersuchung zeigen, dass sich verschiedene Smartphone-Modelle für die EZF eignen. Unsere Untersuchungsergebnisse können eine Orientierung bei der Auswahl eines geeigneten Smartphones bieten. Neben Smartphone und Smartphone-Adapter spielen die richtige Vorgehensweise und Erfahrung in der Untersuchungsmethode eine zentrale Rolle bei der Smartphone-EZF. Aufgrund der wachsenden Zahl verfügbarer Smartphone-Apps sind in Zukunft möglicherweise auch weiterführende automatisierte Auswertungen der EZF möglich.
Fazit für die Praxis
Die EZF mittels Smartphones ist mit vielen, aber nicht allen Smartphones möglich.
Anhand der technischen Daten lässt sich keine sichere Aussage darüber treffen, ob sich ein Smartphone für die EZF eignet.
Wir präsentieren eine unvollständige Auswahl von Smartphones, die sich für die EZF eignen.
Das hier beschriebene Vorgehen bietet eine Basis, auf der die Smartphone-EZF erlernt werden kann.
Die Smartphone-EZF kann das diagnostische Spektrum in der ambulanten Routineversorgung erweitern.
Einhaltung ethischer Richtlinien
Interessenkonflikt
K. Wacker entwickelte V‑FUCHS, der durch Mayo Clinic lizenziert an Aerie Pharmaceuticals, Inc., Iris Medicine, Trefoil, Inc. und Santen Inc. lizenziert ist. K. Wacker entwickelte das Prädiktionstool für Hornhautödem, das durch die Universität Freiburg an Oculus Optikgeräte GmbH lizenziert ist. C.J. Wiedenmann, D. Böhringer und T. Reinhard geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Für diesen Beitrag wurden von den Autor/-innen keine Studien an Menschen oder Tieren durchgeführt. Für die aufgeführten Studien gelten die jeweils dort angegebenen ethischen Richtlinien.
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