Estudio comparativo de la calidad óptica de lentes intraoculares de diseño esférico y asférico en presencia de errores de inclinación

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1 Estudio comparativo de la calidad óptica de lentes intraoculares de diseño esférico y asférico en presencia de errores de inclinación Actualmente, las lentes intraoculares (LIOs) monofocales implantadas pueden ser de diseño esférico o asférico. Durante la cirugía de cataratas, es posible que la LIO quede con un cierto grado de inclinación lo que puede comprometer la calidad visual del paciente. El objetivo de este estudio es comparar en un modelo de ojo artificial (in-vitro), la calidad de las imágenes formadas por dos LIOs monofocales en presencia de errores de inclinación y también en función del tamaño pupilar. Las dos lentes están fabricadas con el mismo material pero tienen diferente diseño óptico: una es esférica y la otra asférica. La comparación entre ambas lentes nos ha permitido establecer qué diseño es más robusto frente a errores de inclinación y cual nos proporciona mejor calidad óptica en función del tamaño pupilar. PALABRAS CLAVE Lente intraocular; diseño esférico; diseño asférico; MTF; PSF; aberración esférica; test pinhole; test USAF; frecuencia espacial. Joaquim Fernández Rosés 1 Graduado en Óptica y Optometría, Coleg Fidel Vega 2 PhD en Ciencias Físicas Francisco Alba-Bueno 2 MSc. Coleg María S. Millán 2 PhD en Ciencias Físicas 1 Departamento de Biometría y Superficie Ocular Centro de Oftalmología Barraquer 2 Grupo de Óptica Aplicada y Procesado de Imagen (GOAPI) Facultat d Òptica i Optometria, Universitat Politècnica de Catalunya INTRODUCCIÓN A medida que envejecemos las proteínas que constituyen el cristalino empiezan a descomponerse y este se vuelve progresivamente más opaco formándose lo que se conoce como catarata. Actualmente, su tratamiento se realiza mediante la extracción del cristalino opacificado y su sustitución por una lente intraocular (LIO). Esta intervención quirúrgica permite mejorar la calidad visual del paciente, así como cambiar su estado refractivo. En el mercado, existe una gran variedad de diseños de LIOs siendo las lentes monofocales las más implantadas en el sistema público de salud. La geometría de las superficies de estas lentes pueden ser esféricas o asféricas. La

2 córnea humana promedio induce en el sistema óptico ocular una aberración esférica (AE) positiva de aproximadamente 0.3µm 6 (valor del coeficiente de Zernike para una pupila de aproximadamente 6 mm). Las LIOs con superficies esféricas tienen el inconveniente de que también inducen AE positiva, que se suma a la corneal deteriorando la calidad óptica del sistema completo. Por este motivo se han desarrollado las LIOs asféricas que presentan geometrías de superficie asféricas diseñadas para compensar, parcial o totalmente, la AE inducida por la córnea mejorando la calidad óptica del sistema ocular 1. Sin embargo, las ventajas de las LIOs asféricas se han cuestionado en presencia de descentramiento y/o inclinación una vez implantadas 2. Son diversos los factores que determinan las precisión final con la que se implanta una LIO. Entre otros podemos mencionar: la propia habilidad del cirujano, el diseño de la LIO, en particular la eficacia y fiabilidad del diseño de sus hápticos, su potencia, etcétera. De acuerdo con el estudio realizado por Eppig y colaboradores 3 el rango de valores para errores de inclinación de las LIOs tras la cirugía van de 0,20º a 8,17º con un valor medio (y desviación estándar) de 2,62±1,14º. El objetivo de este estudio es comparar en un modelo de ojo artificial (in-vitro), la calidad de las imágenes formadas por dos LIOs monofocales, una de diseño esférico y otra de diseño asférico, en presencia de errores de inclinación y en función del diámetro pupilar. MÉTODOS Las medidas experimentales se realizaron en un banco óptico del Grupo de Óptica Aplicada y Procesado de Imagen (GOAPI, Facultad de Óptica y Optometría de Terrassa). El diseño de este banco ha sido descrito con detalle previamente 4 y consiste en un dispositivo que cumple la norma ISO [EN ISO 1999] con la excepción de la córnea artificial. La norma ISO sugiere que la lente que hace la función de córnea artificial sea una lente libre de aberraciones. En nuestro caso, como el objetivo es comparar el rendimiento de LIOs esféricas y asféricas, se utilizó una córnea que induce en el Figura 1. Esquema del banco óptico utilizado para las medidas. sistema óptico una AE similar a la de la córnea humana promedio 4. Los elementos principales del banco óptico son tal y como se observan en la Figura 1. a) Un sistema de iluminación que consta de un LED verde, el test objeto y un colimador. El test objeto fue un test pinhole y un test de resolución USAF. b) Un modelo de ojo con pupila de entrada, una córnea artificial que, como hemos mencionado, induce una AE similar a la del ojo humano, y una cubeta transparente que contiene la LIO inmersa en solución salina. c) Finalmente, un sistema de captación de imagen que consiste en un microscopio de 10 aumentos junto con una cámara CCD de 8 bits para captar las imágenes que forma el ojo artificial con la LIO. Para el análisis de la calidad óptica se utilizó la Función de Transferencia de Modulación (MTF por sus siglas en inglés) obtenida a partir del análisis de la imagen formada por el modelo de ojo. Como objeto para estas medidas se utilizó el test pinhole. Esta función representa el contraste obtenido en la imagen para cada frecuencia espacial contenida en el objeto, tal como esquemáticamente se indica en la Figura 2. Las lentes utilizadas en este trabajo son la lente esférica SN60AT y la lente asférica SN- 60WF, dos modelos fabricados por el laboratorio Alcon-Novartis. Se trata de dos lentes

3 Figura 2. Concepto de MTF de un sistema óptico. Variación del contraste de una imagen (izquierda) en función de la frecuencia espacial del objeto (derecha). Figura 3. Comparación de las imágenes del pinhole, con pupila de 3 mm, para la LIO esférica (arriba), y para la LIO asférica (abajo), con diferentes grados de inclinación. monofocales que únicamente difieren en el diseño de sus superficies, siendo iguales en potencia dióptrica (+20D) y material (AcrySof). Las características principales de estas lentes se resumen en la tabla 1. Las medidas se realizaron obteniendo las imágenes del test pinhole con inclinaciones de las LIOs entre ±8º en intervalos de 1º. Además, estas medidas se realizaron con dos tamaños pupilares (de 3 mm y 4.5 mm) para ver como afectaba este parámetro en la calidad de las imágenes formadas. RESULTADOS En las Figuras 3 y 4 se muestran los resultados obtenidos al registrar las imágenes formadas por las LIOs esférica y asférica con pupilas de 3 y 4.5 mm respectivamente. Para que sean más fáciles de visualizar, las imágenes se representan en escala logarítmica y con un mapa de color. Como las lentes son simétricas, sólo se muestran las imágenes con inclinaciones negativas. En las Figuras 3 y 4 se puede observar que tanto para la LIO esférica como para la LIO asférica, la calidad de la imagen empeora significativamente cuanto mayor es el grado de inclinación de la LIO (que como se ha mencionado, representa la PSF del ojo modelo con la LIO). Para una pupila de 3mm (Figura 3), si se observa las imágenes con ambas lentes en condiciones ideales, perfectamente centradas y sin error de inclinación, se puede apreciar que la LIO asférica proporciona una imagen con mayor calidad que en el caso de la LIO esférica (esta tiene mayor halo alrededor del punto, por tanto una imagen con mayor aberración). En la LIO esférica se observa un cierto desenfoque ligado a la presencia de AE (la suma de la AE positiva de la cornea más la propia LIO). En ambas lentes, en máxima inclinación se observa claramente la aberración en coma. En el caso de las imágenes obtenidas con una pupila de 4.5 mm (Figura 4) hay que tener en cuenta que en estas condiciones la AE corneal es de mayor magnitud y por tanto más importante debe ser el poder compensar esta aberración para obtener imágenes de mejor calidad. De hecho con las LIOs sin inclinación

4 Tabla 1. Especificaciones técnicas de las LIOs utilizadas. Lente Índice de refracción Número de Abbe Diámetro Diseño Diámetro total Potencia SA A-Constante SN60AT 1, mm Esférico biconvexo asimétrico 13mm 20D Positiva 118,40 SN60WF 1, mm Asférico 13mm 20D -0.20μm 118,70 Figura 4. Comparación de las imágenes del pinhole, con pupila de 4,5mm, para la LIO esférica (arriba), y para la LIO asférica (abajo), con diferentes grados de inclinación. observamos que la LIO asférica nos proporciona una imagen de mayor calidad que la LIO esférica, por lo tanto es razonable concluir que la compensación parcial de la AE corneal por parte de la LIO asférica, ahora sí tiene un efecto positivo sobre la calidad de la imagen. A partir de las imágenes del pinhole se obtuvieron las MTFs, para diferentes frecuencias espaciales. Con el fin de mostrar estos resultados en una nomenclatura más próxima a la práctica clínica se ha convertido la frecuencia espacial en ciclos/mm a frecuencia en ciclos/grado (cpg) ya que de esta manera es posible relacionarlo con una escala de agudeza visual (AV). En nuestro modelo de ojo 29 ciclos/mm y 59 ciclos/mm corresponden a 15 y 30 ciclos/grado (AV decimales de 0,5 y 1.0). En las gráficas de la Figura 5 se muestran los valores de la MTF a las frecuencias indicadas arriba, que se obtiene con cada lente en función de la pupila y el valor de la inclinación. DISCUSION Una mayor MTF indica una calidad de imagen mejor y por tanto permite determinar de manera cuantitativa cuál de las dos LIOs (esférica o asférica) tiene mejor calidad óptica. Además, si la MTF varía poco en función del error de inclinación de La LIO se puede concluir que esa lente es robusta frente a este problema. En el caso de la lente esférica para ambas pupilas y considerando el rango total de inclinaciones estudiadas (±8º), se observa (Figura 5) que las MTFs de la LIO esférica tienden a variar menos en función de la inclinación que en el caso de la LIO asférica que presenta un máximo más marcado cuando no hay error de inclinación. Esto significa que la LIO esférica es más robusta. Sin embargo, considerando el rango promedio de inclinación más habitual (2.62±1.14º) encontrado por Eppig y colaboradores 3 nuestros resultados muestran que ambas lentes son de hecho bastante robustas, proporcionando la lente asférica una mejor calidad óptica (mayor MTF) especialmente con pupila grande de 4.5 mm. Por tanto, es probable que la ventaja en calidad óptica de la LIO asférica respecto a la esférica se manifieste en pacientes con pupilas grandes. Este resultado tiene sentido porque al aumentar la pupila, mayor es la aberración esférica del frente de ondas que incide sobre la LIO. Con la LIO asférica, hay una compensación de esta aberración y se mejora la calidad de la

5 La LIO de diseño esférico, pese a no tener tan buena calidad óptica en condiciones de centrado óptimo (especialmente para pupilas a partir de 4,5mm), es más robusta que la lente asférica en lo que a errores de inclinación se refiere ya que mantiene una calidad de imagen muy similar incluso en condiciones de máxima inclinación (8º). En cambio la LIO asférica cuando esta centrada y sin inclinación tiene una calidad superior, pero que se degrada rápidamente (es menos robusta). No obstante en el rango de inclinaciones encontrado en pacientes tras la cirugía ambas lentes presentan una robustez comparable. Estos resultados pueden ser un factor más a tener en cuenta por parte el cirujano a la hora de decidir el tipo (esférico o asférico) de la LIO a implantar. BIBLIOGRAFÍA 1. Holladay JT et al, A new intraocular lens design to reduce spherical aberration of pseudophakic eyes. J Refract Surg; 18: McKelvie J et al, The influence of tilt, decentration and pupil size on the higher-order aberration profile of aspheric intraocular lenses. Opthalmology; 118: Eppig T et al, Effect of decentration and tilt on the image quality of aspheric intraocular lens designs in a model eye. J Cataract Refract Surg; 35: Figura 5. MTFs a 15 cpg (AV de 0.5) y 30 cpg (AV de1.0) obtenidas para pupila de 3 mm y 4,5 mm para ambas LIOs. imagen, mientras que la LIO esférica introduce todavía más AE positiva, generando imágenes de menos calidad y menor MTF. La conclusión general de este estudio es que la LIO de diseño asférico tiene mejor calidad óptica que la LIO esférica cuando ambas están bien centradas y sin inclinación. Sin embargo esta mejor calidad es muy leve para pupilas menores o iguales a 3 mm. 4. Alba-Bueno F, Vega F, Millán MS, Design of a test bench for intraocular lens optical characterization. Journal of Physics: conference 274. IOP Publishing. 5. García E Análisis in-vitro de la eficiencia energética de las imágenes formadas por lentes intraoculares multifocales. Trabajo Final de Máster. Facultat d Òptica i Optometria de Terrassa, UPC. 6. Wang L, Wang R, Santaella M, Booth D, Koch J, Cataract Refractive Surg. Higher-order aberrations from the internal optics of the eye ; 31(8): Howes FW, Indications for lens surgery/indications for application of different lens surgery techniques. In: Yanoff M, Duker JS, eds. Ophthalmology. 3rd ed. St. Louis, Mo: Mosby Elsevier; 2008: chap 5.4.