Nuevas tecnologías de óptica adaptativa: simulador visual

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1 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 David Madrid-Costa O.C 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 aberracio- L nes, 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, Babcock 1 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. 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

2 Ó P T I C A O F T Á L M I C A 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). retina 2, 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 autores 3-8 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 pupilar 9, la edad del sujeto 10, la acomodación 11 o el estado refractivo 12,13. Estas han sido estudiadas por diversos autores en grandes poblaciones para poder averiguar los patrones básicos de las aberraciones en ojos normales 9, 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 trefoil 18. 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 paciente 19. 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 retiniana 13,20. 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 refractivo 13,21. 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 con- Abril 2012

3 Nuevas tecnologías de óptica adaptativa: simulador visual Artículo Científico científico 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): 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. - Un sensor de frente de onda Hartmann- Shack 22, 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. APLICACIONES EN LA VISIÓN Principales aplicaciones de la óptica adaptativa dentro de nuestro campo: - 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 Figura 3. Diagrama del simulador visual CRX1 mientras se corrige/genera el frente de onda estático.

4 Ó P T I C A O F T Á L M I C A 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 ejemplo 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 demostrado 23,24 que induce menos aberraciones que los tratamientos convencionales, mejorando así la calidad visual del paciente, además de ofrecer mayor seguridad y eficacia para los retratamientos 25. Pero también tiene una serie de inconvenientes 26, 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. 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

5 Nuevas tecnologías de óptica adaptativa: simulador visual Artículo Científico 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: Liang J, Williams DR, Miller D. Supernormal vision and high-resolution retinal imaging through adaptive optics. J Opt Soc Am A. 1997;14: Applegate RA, Marsack JD, Ramos R, Sarver EJ. Interaction between aberrations to improve or reduce visual performance. J Cataract Refract Surg. 2003;29: Artal P, Chen L, Fernandez EJ, Singer B, Manzanera S, Williams DR. Neural compensation for the eye s optical aberrations. J Vis. 2004;4: 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: 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: 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: Rouger H, Benard Y, Legras R. Effect of monochromatic induced aberrations on visual performance measured by adaptive optics technology. J Refract Surg. 2010b;26: Liang, J. Williams DR. Aberrations and retinal image quality of the normal human eye. J Opt Soc Am A. 1997;14: 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: 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: Paquin MP, Hamam H, Simonet P. Objective measurement of optical aberrations in myopic eyes. Optom Vis Sci. 2002;79: 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: Howland HC, Howland B. A subjective method for the measurement of monochromatic aberrations of the eye. J Opt Soc Am A. 1977;67: 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: 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: Castejón-Mochón JF, López Gil N, Benito A, Artal, P. Ocular wavefront aberrations statistics in a normal young population. Vis Res. 2002;42: 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: López-Gil N, Montés-Micó R. New intraocular lens for achromatizing the human eye. J Cataract Refract Surg. 2007;33: Artal P, Guirao A, Berrio E, Williams DR. Compensation of corneal aberrations by the internal optics in the human eye. J Vis. 2001;1: 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: Cerviño A, Hosking SL, Montés-Micó R, Bates K. Clinical ocular wavefront analyzers. J Refract Surg. 2007;23: Kaiserman I, Hazarbassanov R, Varssano D, Girnbaum A. Contrast sensitivity after wavefron-guided LASIK. Ophthalmology. 2004;111: 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 Alió JL, Montés-Micó R. Wavefrontguided versus standard LASIK enhancement for residual refractive errors. Opthalmology. 2006;113: Netto MV, Dupps W, Wilson SE. Wavefront-guided ablation. Evidence for efficacy compared to traditional ablation. Am J Ophthalmol. 2006;141: