Download Nuevas tecnologías de óptica adaptativa: simulador visual

Artículo científico
Nuevas tecnologías de óptica
adaptativa: simulador visual
› Cari Pérez-Vives
Grupo de Investigación en Optometría, Universidad de Valencia.
› Lurdes Belda Salmerón
› Santiago García Lázaro
O.C. 9.971
› David Madrid-Costa
O.C. 15.096
› Teresa Ferrer-Blasco
La óptica adaptativa tuvo un rápido desarrollo con el fin de corregir las aberraciones de los sistemas ópticos. El
ojo, como sistema óptico, presenta aberraciones que degradan la visión. Por lo tanto, dentro del ámbito de la
óptica visual, la óptica adaptativa tiene múltiples aplicaciones. Una de las nuevas aplicaciones de la óptica visual
dentro de este ámbito es la de simular la visión. Estos nuevos sistemas permiten simular patrones de aberración
para poder entender mejor el proceso de la visión. Además, permiten a los pacientes experimentar cuál será su
calidad visual antes de, por ejemplo, someterse a un procedimiento quirúrgico.
INTRODUCCIÓN
a calidad de un sistema óptico se ve limitada por la presencia de aberraciones, inducidas por la luz al atravesar
un medio no homogéneo. Cuando la
luz atraviesa un medio de estas características, su frente de onda se ve deformado y la imagen que se obtiene presenta aberraciones. A mediados del siglo pasado, Babcock1 propuso
la óptica adaptativa para solucionar el problema de la
degradación de las imágenes producida por la atmósfera que se obtenían de las estrellas, introduciendo la
idea de la óptica adaptativa como elemento para medir y corregir simultáneamente las aberraciones causadas por una atmósfera turbulenta.
L
› nº 469
Debido a las múltiples aplicaciones de esta técnica,
los sistemas de óptica adaptativa tuvieron un gran
desarrollo, extendiéndose hasta el campo de la biomedicina, principalmente en el ámbito de la óptica
visual. El ojo humano como sistema óptico presenta
aberraciones que degradan la imagen que se forma
en la retina y, por tanto, la visión, de modo que una
de las principales aplicaciones de la óptica adaptativa
es la corrección de las aberraciones del ojo, con el
fin de mejorar la calidad visual de los pacientes. Pero
la óptica adaptativa no se limita únicamente a la corrección de las aberraciones, sino que tiene múltiples
aplicaciones dentro de este ámbito.
Cabe destacar, por ejemplo, su uso para incrementar
la resolución de las imágenes registradas in vivo de la
ÓPTICA
OFTÁLMICA
importante en la degradación de la calidad de la imagen retiniana.
Figura 1. Imágenes de conos (izquierda) y vasos (derecha) tomadas
en tiempo real mediante la cámara de óptica adaptativa rtx1
(Imagine Eyes).
retina2, ampliando en gran medida la información que puede obtenerse de esta.
Hay que considerar que las imágenes de
fondo de ojo se registran a través de los
medios oculares, afectados por las aberraciones. Por ello, las imágenes que se
consiguen de manera estándar no son
óptimas. El uso de la óptica adaptativa
para corregir estas aberraciones permite obtener imágenes de alta calidad y,
con ello, registrar imágenes de alta resolución de la retina (Figura 1). Esto
ofrece la posibilidad de realizar un examen rutinario de células individuales
de la retina, proporcionando una visión
microscópica que antes únicamente podía obtenerse de tejido extraído. La habilidad para ver estas estructuras in vivo
proporciona la oportunidad de supervisar de forma no invasiva la función retiniana, la progresión de una enfermedad
que afecta a la retina y la eficacia de las
terapias para enfermedades a una escala microscópica.
Mediante nuevos sistemas de óptica
adaptativa, como los simuladores visuales, podemos producir patrones de
aberración de onda controlados en el
ojo, lo que permite realizar nuevos experimentos para comprender mejor el
proceso de la visión. Existen varios autores3-8 que han hecho uso de la óptica
adaptativa para simular patrones de
aberración con el fin de entender mejor
el proceso de la visión, analizando cómo
afecta cada una de las aberraciones a la
calidad de la imagen retiniana y cómo
la interacción entre ellas puede aumentar o disminuir la función visual.
ABERRACIONES ÓPTICAS
MONOCROMÁTICAS
El ojo humano, como sistema óptico
formador de imágenes, presenta aberraciones y estas juegan un papel muy
Las aberraciones monocromáticas varían de individuo a individuo, ya que
dependen de múltiples factores y condiciones, tales como el tamaño pupilar9,
la edad del sujeto10, la acomodación11 o
el estado refractivo12,13. Estas han sido
estudiadas por diversos autores en grandes poblaciones para poder averiguar
los patrones básicos de las aberraciones
en ojos normales9,14-17. Además de las
aberraciones de bajo orden, desenfoque
y astigmatismo, las aberraciones de alto
orden que más afectan a los ojos normales son la aberración esférica, el coma y
el trefoil18. Más allá de las aberraciones
monocromáticas, en iluminación con
luz blanca normal, las aberraciones cromáticas también juegan un papel importante, desarrollándose nuevas lentes
que permiten su corrección para mejorar la visión del paciente19.
La contribución relativa de las aberraciones del ojo de los principales componentes oculares (córnea y cristalino)
contribuye de forma diferente a la calidad global de la imagen retiniana. La
córnea y el cristalino presentan una cantidad de aberraciones similares, pero de
signo opuesto, compensándose parcialmente unas con otras en ojos normales
jóvenes, obteniendo así una mejor calidad de la imagen retiniana13,20. Cabe
decir que esta compensación se va perdiendo con el envejecimiento y que este
comportamiento podría no estar presente en todos los ojos jóvenes, dependiendo de la cantidad de aberraciones o
del error refractivo13,21.
Determinar la localización de las aberraciones en el ojo tiene importantes
implicaciones para la corrección de las
aberraciones mediante óptica adaptativa y también para procedimientos clínicos actuales, como la cirugía refractiva
guiada por frente de onda (personalizada) y el implante de lentes intraoculares
para cirugía de cataratas.
SIMULADOR VISUAL
La calidad de la imagen retiniana está
limitada por las aberraciones de los
medios oculares, la difracción y la dispersión intraocular. Los métodos conAbril 2012 ›
Artículo científico
Científico
Nuevas tecnologías de óptica adaptativa: simulador visual
vencionales de corrección de un error
refractivo, tales como las lentes oftálmicas, las lentes de contacto y la cirugía refractiva corneal o intraocular estándar, proporcionan una mejora en la
imagen retiniana por la corrección del
desenfoque (esfera) y/o del astigmatismo
(cilindro). Sin embargo, la calidad de la
imagen puede ser significativamente mejorada corrigiendo las aberraciones de
alto orden haciendo uso de sistemas de
óptica adaptativa.
El simulador visual de óptica adaptativa
CRX1 (Imagine Eyes, France), dispositivo
que utiliza el Grupo de Investigación en
Optometría (GIO), se utiliza para medir,
corregir y manipular las aberraciones ópticas del ojo. Consta de tres componentes
principales acoplados en un único equipo
(Figura 2):
- Un sensor de frente de onda HartmannShack22, el cual mide las aberraciones totales del ojo.
- Un espejo deformable, que adopta distintas formas a su posición plana inicial,
corrigiendo así las aberraciones y/o generando patrones de aberraciones determinados (Figura 3).
- Un equipo de control que convierte la
señal de salida del sensor de frente de
onda en comandos de voltaje que se envían al corrector del frente de onda con el
fin de corregir las aberraciones.
De manera adicional, el simulador posee
un microdisplay con el fin de presentar diferentes optotipos al paciente y, así, conocer
cuál es la visión que alcanza en tiempo real
tras corregir sus aberraciones o generar
otras nuevas que puedan ser beneficiosas
para su visión. De este modo, el simulador
visual permite, en tiempo real, realizar medidas del frente de onda ocular, corregir el
frente de onda personalizado, generar un
frente de onda definido por el examinador,
evaluar la función visual mediante el test
de optotipos a través de las aberraciones
definidas por el examinador y evaluar el
frente de onda con la acomodación, entre
otras muchas posibilidades.
Figura 2. Sistema de simulación visual utilizado en el laboratorio del GIO
(Universidad de Valencia).
- Incrementar la resolución de las imágenes en la observación de la retina.
- Mejorar la visión mediante la corrección de las aberraciones del ojo.
- Simular la visión con el fin de predecirla de manera no invasiva.
Los sistemas de óptica adaptativa, como
el simulador visual, proporcionan de
manera directa la posibilidad de evaluar
el impacto visual de los distintos tipos
de aberraciones y permitir que los pacientes puedan experimentar cuál será
su posible visión antes de ser sometidos
a una cirugía refractiva corneal o intraocular o la que tendrían con una lente de
contacto sin necesidad de adaptarla. Por
ejemplo, con respecto a la cirugía guiada
APLICACIONES EN LA VISIÓN
Principales aplicaciones de la óptica
adaptativa dentro de nuestro campo:
› nº 469
Figura 3. Diagrama del simulador visual CRX1 mientras se corrige/genera el
frente de onda estático.
ÓPTICA
OFTÁLMICA
plo el queratocono, son puntos clave
de aplicación de esta nueva tecnología
en pacientes. La reducción de tiempos
en estudios clínicos es una realidad mediante este sistema, con el fin de minimizar las intervenciones reales en pacientes que no produzcan a priori una
buena calidad visual. De manera adicional hemos de considerar, tal y como
hemos comentado anteriormente, que
este tipo de sistemas permite conocer
más en profundidad cuáles son algunos
de los mecanismos neuronales de la visión, considerando que la parte óptica
de la visión está controlada mediante
este sistema.
Figura 4. Imagen superior: medida de las aberraciones oculares y de la
agudeza visual de un paciente con queratocono mediante el aberrómetro del
simulador visual. Imagen inferior: corrección de las aberraciones y medida de
la agudeza en tiempo real mediante el espejo deformable del simulador visual.
RMS: Root-Mean-Square, AV: Agudeza Visual.
por frente de onda, se ha demostrado23,24
que induce menos aberraciones que los
tratamientos convencionales, mejorando
así la calidad visual del paciente, además
de ofrecer mayor seguridad y eficacia
para los retratamientos25. Pero también
tiene una serie de inconvenientes26, de
modo que muchos de ellos podrán evitarse al utilizar sistemas de óptica adaptativa, como el simulador visual.
Pueden considerarse también diseños
experimentales de algoritmos de ablación para láser, diseños de lentes intraoculares o de contacto antes de crear los
prototipos a implantar o adaptar con
el fin de evaluar la calidad visual que
pueden proporcionar diferentes técnicas quirúrgicas o no quirúrgicas para la
corrección de errores refractivos.
El simulador visual permite realizar la
medida de aberraciones y su corrección en tiempo real sin necesidad de
disponer de los prototipos o de haber
realizado la técnica quirúrgica. Con
ello puede analizarse la visión que puede proporcionar un tipo de solución u
otra de manera real en el paciente, analizando las ventajas visuales que posee
la solución considerada y minimizando
riesgos y tiempos de evaluación tras el
tratamiento seleccionado. La aplicación a soluciones para la corrección de
errores refractivos, así como de diferentes soluciones para la corrección de la
presbicia o el tratamiento de ojos con
óptica distorsionada, como por ejem-
Para poder entender mejor estos conceptos exponemos un caso clínico de
un paciente diagnosticado con queratocono. En la Figura 4 podemos observar en la imagen superior un paciente
con queratocono en el que se mide su
patrón de aberraciones con el aberrómetro del simulador visual, siendo este
elevado. Presenta una agudeza visual
disminuida (0.7 decimal Snellen) y una
visión muy distorsionada. En la imagen
inferior se muestra el mismo ojo, pero
con las aberraciones corregidas mediante el sistema de espejo deformable
del simulador visual. Se observa que
este paciente puede llegar a tener una
agudeza visual mucho más elevada (1.0
decimal Snellen) con una buena calidad visual al corregirle las aberraciones. De modo que, mediante este experimento, sabemos de antemano que si
corregimos la óptica distorsionada que
presenta debida al queratocono, bien
con el implante de segmentos intraestromales o bien con una adaptación de
lentes de contacto, el paciente podrá
mejorar su visión hasta conseguir una
agudeza visual mucho mejor.
A continuación, y considerando la información que hemos obtenido previamente, en la Figura 5 se muestra, en
la parte superior, el resultado tras una
adaptación de lente de contacto rígida
permeable al gas y, en la parte inferior,
el resultado tras el implante de segmentos intraestromales. En ambos casos, el
paciente mejora su agudeza visual al reducirse sus aberraciones tal y como predicen los resultados obtenidos con el simulador visual antes de la intervención
quirúrgica y de la adaptación. Hay que
Abril 2012 ›
Artículo Científico
Nuevas tecnologías de óptica adaptativa: simulador visual
considerar la diferencia existente entre
el resultado esperado y el conseguido en
cada solución utilizada. Por ejemplo, las
flexiones, rotaciones y traslaciones en la
lente de contacto así como la lágrima
existente entre la lente y la córnea, y el
cambio en la biomecánica de la córnea
al insertar los segmentos así como su localización y posicionamiento.
Estamos frente a una tecnología que
puede aplicarse ya de una manera
práctica y realista con el fin de obtener
mejores procedimientos que aumenten
la calidad visual de los pacientes. En
los próximos años es de esperar un aumento de estas aplicaciones que hemos
indicado.
Figura 5. Imagen superior: resultados de aberraciones y de agudeza visual tras
la corrección mediante una lente de contacto permeable a los gases (LCGP).
Imagen inferior: resultados de aberraciones y de agudeza visual tras el implante
de segmentos intraestromales.
Referencias
1. Babcock HW. The possibility of compensating astronomical seeing. Pub Astr Soc Pac.
1953;65:229-236.
2. Liang J, Williams DR, Miller D. Supernormal vision and high-resolution retinal imaging
through adaptive optics. J Opt Soc Am A.
1997;14:2884-2892
3. Applegate RA, Marsack JD, Ramos R,
Sarver EJ. Interaction between aberrations to
improve or reduce visual performance. J Cataract Refract Surg. 2003;29:1487-1495.
4. Artal P, Chen L, Fernandez EJ, Singer B,
Manzanera S, Williams DR. Neural compensation for the eye’s optical aberrations. J Vis.
2004;4:281-287.
5. Rocha KM, Vabre L, Harms F, Chateau
N, Krueger RR. Effects of Zernike wavefront
aberrations on visual acuity measured using
electromagnetic adaptive optics technology. J
Refract Surg. 2007;23:953-959.
6. Rocha KM, Vabre L, Chateau N, Krueger
RR. Expanding depth of focus by modifying
higher-order aberrations induced by an adaptive optics visual simulator. J Cataract Refract
Surg.2009;35:1885-1892.
7. Rouger H, Benard Y, Gatinel D, Legras R.
Visual tasks dependence of the neural compensation for the keratoconic Eye’s optical
aberrations. J Optom. 2010;3:60-65.
8. Rouger H, Benard Y, Legras R. Effect of
monochromatic induced aberrations on visual
performance measured by adaptive optics technology. J Refract Surg. 2010b;26:578-587.
9. Liang, J. Williams DR. Aberrations and retinal image quality of the normal human eye. J
Opt Soc Am A. 1997;14:2873- 2883.
› nº 469
10. Guirao A, Gonzalez C, Redondo M, Geraghty E, Norrby S, Artal P. Average optical
performance of the human eye as a function
of age in a normal population. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 1999; 40: 203-213.
11. López-Gil N, Fernández-Sánchez V, Legras R, Montés-Micó R, Lara F. Nguyen-Khoa
JL. Accommodation-related changes in monochromatic aberrations of the human eye as
a function of age. Invest Ophthalmol Vis Sci.
2008;49:1736-1743.
12. Paquin MP, Hamam H, Simonet P. Objective measurement of optical aberrations in
myopic eyes. Optom Vis Sci. 2002;79:285291.
13. He JC, Gwiazda J, Thorn F, Held R. Wavefront aberrations in the anterior corneal
surface and the whole eye. J Opt Soc Am A.
2003;20:1155-1163.
14. Howland HC, Howland B. A subjective
method for the measurement of monochromatic aberrations of the eye. J Opt Soc Am A.
1977;67:1508-1518.
15. Porter J, Guirao A, Cox IG, Williams DR.
Monochromatic aberrations of the human
eye in a large population. J Opt Soc Am A.
2001;18:1793-1803.
16. Thibos LN, Hong X, Bradley A, Cheng
X. Statistical variation of aberration structure
and image quality in a normal population of
healthy eyes. J Opt Soc Am A. 2002;19:23292348.
17. Castejón-Mochón JF, López Gil N, Benito
A, Artal, P. Ocular wavefront aberrations statistics in a normal young population. Vis Res.
2002;42:1611-1617.
18. Fernández-Sánchez V, Ponce ME, Lara
F, Montés-Micó R, Castejón-Mochón JF, López-Gil N. Effect of 3rd-order aberrations
on human vision. J Cataract Refract Surg.
2008;34:1339-1344.
19. López-Gil N, Montés-Micó R. New intraocular lens for achromatizing the human eye. J
Cataract Refract Surg. 2007;33:1296-1302.
20. Artal P, Guirao A, Berrio E, Williams DR.
Compensation of corneal aberrations by the internal optics in the human eye. J Vis. 2001;1:18.
21. Salmon TO, Thibos LN. Videokeratoscope–line-of-sight misalignment and its effect on
measurements of corneal and internal ocular
aberrations. J Opt Soc Am A. 2002;19:657669.
22. Cerviño A, Hosking SL, Montés-Micó R,
Bates K. Clinical ocular wavefront analyzers. J
Refract Surg. 2007;23:603-616.
23. Kaiserman I, Hazarbassanov R, Varssano D, Girnbaum A. Contrast sensitivity after
wavefron-guided LASIK. Ophthalmology.
2004;111:454-457.
24. D’Arcy F, Kirwan C, Qasem Q, O’keefe M.
Prospective contralateral eye study to compare conventional and wavefron-guided laser in
situ keratomileusis. Acta Ophtalmol. 2010.
25. Alió JL, Montés-Micó R. Wavefrontguided versus standard LASIK enhancement
for residual refractive errors. Opthalmology.
2006;113:191-197.
26. Netto MV, Dupps W, Wilson SE. Wavefront-guided ablation. Evidence for efficacy compared to traditional ablation. Am J
Ophthalmol. 2006;141:360-368.