Study of accommodation dynamics and defocus fluctuations in the human eye

Abstract

El proceso de la visión que finaliza con la sensación de ver algo, es decir, con la percepción de un estímulo visual, comienza con la formación de la imagen del mundo sobre la retina. Esto hace que, aunque pueden surgir múltiples complicaciones a distintos niveles que empeoren la calidad visual, la calidad de la imagen retiniana impone un primer límite físico a nuestra capacidad de distinguir detalles y extraer información de lo que vemos. El desenfoque es la causa más importante y a la vez más común de emborronamiento de la imagen en la retina. Esta borrosidad reduce la calidad de imagen, disminuyendo su resolución y contraste y haciendo que se pierdan detalles. La nitidez de la imagen depende de la interrelación entre la longitud axial del ojo, su potencia óptica y la distancia al objeto. Hasta que se vuelve rígido con la edad, el ojo es capaz de modificar la forma del cristalino para ajustar su potencia óptica, un proceso que se denomina acomodación. De esta forma el sistema visual puede enfocar sobre la retina las imágenes de objetos situados a distintas distancias. Aunque este proceso no es instantáneo, la acomodación es un mecanismo rápido y bastante preciso en la mayoría de los sujetos jóvenes, que da como resultado una visión clara del mundo tridimensional. Sin embargo, se ha sugerido que la aparición y/o progresión de la miopía podría estar relacionada con alteraciones en el proceso acomodativo que podrían alterar el proceso de emetropización.

Por otro lado, incluso cuando se mira fijamente un objeto a una distancia determinada, la potencia óptica del ojo fluctúa de forma más o menos aleatoria. No está claro si esta inestabilidad es un resultado no deseado de la incapacidad del ojo para mantener un enfoque constante o puede ser parte integrante del proceso de acomodación con un propósito concreto, por ejemplo, aumentando la velocidad de respuesta. Sea como fuere, considerando el fenómeno desde un punto de vista óptico, sería de esperar que la imagen retiniana sufriera algún tipo de degradación al verse sometida a una fluctuación de foco, perdiendo nitidez. En esas circunstancias, un tiempo de integración corto podría permitir que el sistema visual percibiera una secuencia instantáneas con distintos niveles de emborronamiento, y que empleara la más nítida para extraer información sobre el objeto, maximizando la calidad visual. En este contexto, esta tesis estudia los efectos de distintos tipos de variaciones de enfoque, tanto discretas como progresivas, con el objetivo de analizar cómo son manejados por el sistema visual. Para ello se llevaron a cabo dos experimentos separados empleando un sensor Hartmann-Shack (HS) de campo abierto, que mide tanto la refracción como las aberraciones de alto orden de ambos ojos en tiempo real. En primer lugar, se analizó la dinámica de la respuesta acomodativa en condiciones realistas de visión binocular, tanto en sujetos emétropes como miopes, cuando cambiaban su fijación abruptamente de un objeto lejano a otro cercano. Posteriormente, en un segundo experimento estudiamos el efecto sobre la sensibilidad al contraste de oscilaciones rápidas de desenfoque con diferentes amplitudes y frecuencias temporales, generadas con una lente sintonizable acoplada al sistema para este propósito.

En el primer experimento, se midió la dinámica en tiempo real de las tres componentes de la respuesta acomodativa binocular (acomodación, convergencia y miosis pupilar) en emétropes y sujetos con distintos grados de miopía. El mecanismo de acomodación no solo conlleva el cambio de potencia óptica del cristalino sino que además incluye una rotación coordinada de los globos oculares para hacer que las líneas de mirada converjan sobre el objeto observado y una reducción del tamaño (miosis) de las pupilas. Existe una extensa literatura sobre estos procesos y sus combinaciones, pero relativamente pocos estudios los miden simultáneamente en visión binocular. Hasta donde sabemos, este es el primer estudio de la dinámica combinada de las tres componentes de la respuesta acomodativa se mide de forma precisa, en tiempo real y en condiciones realistas de observación. Además, se realizaron medidas tanto en miopes como emétropes, con el objeto de analizar las posibles diferencias de comportamiento entre ellos.

En el estudio participaron 18 sujetos jóvenes, con un error refractivo promedio de -2.3 D en un rango de 0 D a -7.5 D, todos ellos con valores de cilindro por debajo de 2 D. Con su mejor corrección, que portaron durante las medidas en caso necesario, todos los sujetos alcanzaron una agudeza visual decimal por encima de la unidad y ninguno presentó antecedentes de enfermedades oculares o problemas visuales. Tanto el estímulo cercano, ubicado a 2.8 D, como el lejano, a 0.36 D, consistieron en cruces de Malta negras sobre un fondo blanco, con una anchura angular de 1.3° en ambos casos. Cada sujeto se sometió a 3 ciclos de 6 cambios de distancia de fijación (lejos-cerca-lejos-cerca-lejos-cerca). Para el análisis de datos se empleó un método de umbralización consistente determinar los instantes en los que se alcanza el 10% y se supera el 90% del rango de variación entre los estados inicial y final para cada variable estudiada. A partir de los datos experimentales se calcularon varios parámetros relacionados con el cambio de fijación de lejos a cerca, incluyendo las amplitudes de acomodación, convergencia y miosis pupilar, las duraciones de estos tres procesos y sus velocidades medias, el retraso acomodativo, el RMS total de las aberraciones de alto orden y la magnitud de la aberración esférica, y se analizaron los coeficientes de correlación de todas estas variables con el error refractivo y con la velocidad de acomodación.

El análisis de correlación de la refracción (en forma de equivalente esférico) con los parámetros dinámicos de la respuesta acomodativa sugiere que la miopía afecta levemente o se ve afectada por la acomodación. Se encontró una relación de proporcionalidad entre el retraso acomodativo y el error refractivo (R = -0.57, p = 0.01), así como una correlación apreciable entre la velocidad de constricción pupilar y la refracción del sujeto (R = -0.49, p = 0.04), en ambos casos con valores de p por debajo de 0.05. En otras palabras, la acomodación en los miopes parece tender a ser menos precisa y la contracción de su pupila a ser más lenta. Los coeficientes de correlación entre el equivalente esférico y el resto de parámetros relacionados con la respuesta acomodativa fueron en general pequeños, con valores de p muy por encima de 0.05. Por otro lado, se encontró una correlación sustancial, con valor de p bajo, entre la velocidad de acomodación y la velocidad de convergencia (R = 0.48, p = 0.04), una asociación que no hemos encontrado mencionada en la literatura previa. Y todavía más fuerte fue la correlación la velocidad de acomodación y la duración de la convergencia (R = 0.57, p = 0.01), lo que puede reflejar las diferencias entre las dinámicas de estos dos procesos. Además, parece haber una correlación entre la velocidad de acomodación y la amplitud de la miosis pupilar, ya que el valor de p fue inferior a 0.05 (R = 0.47, p = 0.049). En resumen, el análisis de correlación de la velocidad de acomodación sugiere que una acomodación lenta puede estar asociada a una convergencia lente y a una constricción pupilar más evidente. Para la segunda parte de esta tesis se construyó un sensor HS más rápido, con una frecuencia de actualización de 60 Hz, y con mayor sensibilidad a la luz infrarroja de 1050 nm de longitud de onda. Este sensor se empleó para caracterizar una lente sintonizable, no solo para la producción en modo estático de valores fijos de desenfoque sino también, por primera vez que sepamos, en modo dinámico para la generación de variaciones sinusoidales de desenfoque. Después de la calibración, la lente sintonizable se utilizó para provocar oscilaciones periódicas de desenfoque, de distintas amplitudes y frecuencias, a 5 jóvenes emétropes mientras realizaban una tarea de sensibilidad al contraste. Todos los sujetos alcanzaron agudeza visual unidad o mejor y carecían de antecedentes de problemas visuales. El estímulo visual fue un test de Gabor de 1º de diámetro angular y una frecuencia espacial de 12 c/grado, ubicado a 3 m de distancia del observador. Las franjas se inclinaron aleatoriamente 10º hacia la izquierda o la derecha de la vertical y se utilizó un protocolo de elección forzada de dos opciones para determinar el umbral de contraste para cada condición de oscilación. Las medidas se tomaron monocularmente con el ojo derecho. En total se estudiaron 24 casos de fluctuación sinusoidal de desenfoque presentados en orden aleatorio, correspondientes a las combinaciones de 3 frecuencias temporales (5, 15 y 25 Hz) y 8 valores de pico-valle de desenfoque entre un mínimo de 0,15 D y 3 D de máximo. No se ha encontrado literatura previa analizando el efecto de este tipo de fluctuaciones rápidas de desenfoque en la calidad visual.

Los resultados de este estudio indican que la calidad visual, cuantificada mediante el umbral de contraste, es resistente a las oscilaciones de desenfoque inducidas. Solo se encontró una reducción notable de la sensibilidad al contraste para las variaciones más grandes y rápidas (25 Hz, ± 1,5 D) consideradas. Este hecho se puede tomar como una indicación de que el ojo humano solo necesita que la imagen retiniana esté enfocada durante un periodo corto de tiempo para poder percibir claramente los estímulos visuales.

Como complemento a las medidas experimentales, en la última sección de esta tesis se desarrolló un modelo cuantitativo para predecir el deterioro en la calidad de imagen retiniana que puede producir una fluctuación periódica de desenfoque. Para las amplitudes y frecuencias de oscilación utilizadas en el experimento, se calculó la PSF promedio para varios tiempos de integración. A partir de ellas se evaluó la MTF compuesta para 12 c/grado y se comparó con la MTF limitada por difracción a dicha frecuencia, con el objeto de determinar la pérdida de modulación inducida por las variaciones de enfoque. La comparación entre los resultados experimentales y los datos simulados sugiere que el ojo puede estar integrando el emborronamiento causado por desenfoque en intervalos de 10 a 20 ms, y que una instantánea más o menos enfocada en una secuencia muy emborronada resulta suficiente para que el sistema visual extraiga información relevante para percibir el estímulo.

The quality of the retinal image is the first, physical limiting factor of visual quality. Defocus is the most common source of blur leading to retinal image quality loss. It depends on the interrelationship between the eye's axial length, optical power, and distance to the object. Until it is lost with age, the eye has the ability to modify its optical power (i.e., to accommodate) to produce focused retinal images. Although this process is not instantaneous, accommodation is a fast and fairly accurate mechanism in most young subjects, that results in a clear vision. However, it has been suggested that myopia onset and/or progression may be related to alterations in the accommodative process that could upset the emmetropization process.

On the other hand, even when steadily looking at an object at a fixed distance, the optical power of the eye fluctuates more or less randomly. It is unclear if this fluctuation is an undesired inability of the eye to keep a constant focus or may serve a purpose in the accommodative process. In any case, from an optical point of view, fast fluctuations of defocus would be expected to produce some kind of blurring in the retinal images. In those circumstances, a short integration time may allow the visual system to select the best focused position in the sequence to maximize visual quality.

In this context, this thesis studies the effects of changes in focus, both discrete and progressive, aiming to discern how the visual system copes with them. Two separate experiments were carried out with an open-view Hartmann-Shack sensor measuring refraction and high-order aberrations in real time. First, the dynamics of the accommodative response was analyzed in realistic binocular viewing conditions, both for emmetropic subjects and myopes, when the fixation abruptly changed from far to near. In a second experiment, we studied the effect on contrast sensitivity of fast oscillations of defocus with different magnitudes and temporal frequencies, generated with a tunable lens attached to the system.

During the accommodation mechanism, convergence of the eyeballs and miosis of the pupils accompany the change in optical power of the crystalline lens. There is extensive literature on these processes but relatively few studies simultaneously measuring all three of them in binocular vision. To the best of our knowledge, this is the first study of their combined dynamics in real time under realistic viewing conditions. Furthermore, it was performed in both myopic and emmetropic young individuals.

Eighteen young subjects participated in the first experiment, with an average refractive error of -2.3 D and a range from -7.5 D to 0 D. Cylinder was below 2 D in all cases. Excluding refractive errors, no subject had a history of visual problems and all of them reached 20/20 VA or better in both eyes. They were corrected during the measurements. The near stimulus, located at 2.8 D, and far target, at 0.36 D, were both black-on-white Maltese crosses with 1.3° width. Each subject underwent 3 cycles of 6 target switching (far-near-far-near-far-near). The data was analyzed with a threshold method consisting of calculating the initial and final states for each studied variable and considering the central 80% of the variation. Several far-to-near response parameters were calculated, including accommodation speed and amplitude, convergence speed and amplitude, pupil miosis speed, and amplitude, high-order aberration RMS, spherical aberration, lag of accommodation, and duration of accommodation, convergence, and pupil miosis. Correlation analysis between refractive error and accommodation speed and of these two variables with various far-to-near response parameters was performed.

The correlation analysis of refraction (spherical equivalent, SE) with accommodation dynamics parameters suggests that myopia mildly affects or is affected by accommodation. The lag of accommodation was found to be linked to refractive error (R = -0.57, p = 0.01). Moreover, the correlation between miosis speed and refractive error also had a p-value below 0.05 (R = -0.49, p = 0.04). In other words, myopes may tend to have less precise accommodation and slower pupil constriction. The correlation coefficients between SE and the rest of accommodation-related parameters were small, with p-values well above 0.05. A substantial, low-p-value correlation was found between accommodation speed and convergence speed (R = 0.48, p = 0.04). To the best of our knowledge, this finding has not been previously reported. Furthermore, the correlation was stronger between accommodation speed and convergence duration (R = 0.57, p = 0.01), which may reflect the differences in the dynamics of these two processes. In addition, there may be a correlation between accommodation speed and miosis amplitude since the p-value was below 0.05 (R = 0.47, p = 0.049). These analyses showed that slower accommodation might be a function of slow convergence and more evident pupil miosis.

For the second part of the thesis, a faster HS sensor with a refresh rate of 60 Hz and higher sensitivity to 1050 nm IR light was developed. This sensor was employed to characterize an optically tunable lens both in the typical static mode and, for the first time to our knowledge, in dynamic mode. After calibration, the tunable lens was used to apply defocus oscillations during contrast sensitivity measurements. Different amplitudes and frequencies were induced in 5 young emmetropes with 20/20 or better VA and no previous history of visual troubles. The visual stimulus was a 12 c/deg Gabor patch of 1º angular diameter located at 3 m. It was tilted 10 degrees left or right and a two-choice forced-choice protocol was used to determine the contrast threshold for each oscillation condition. The measurements were carried out in monocular mode, and the subjects viewed the stimulus through the tunable lens with their right eye. The sinusoidal waves induced included combinations of 3 temporal frequencies, 5, 15, and 25 Hz, and 8 peak-to-valley defocus values, ranging from 0.15 to 3 D, presented in fully random order. To the best of our knowledge, the effect of this kind of fast fluctuations of defocus on visual quality has not been previously studied.

Visual performance, in the form of contrast threshold, was found resilient to induced defocus oscillations. The data showed that only for fast, large variations (25 Hz, ± 1.5 D), there was a noticeable reduction in contrast sensitivity. This indicates that for the eye to clearly perceive visual stimuli, the retinal image only needs to be in focus for a short time. A quantitative model was developed for predicting the deterioration in retinal image quality due to periodic defocus fluctuations. For the amplitudes and frequencies of oscillation used in the experiment, the average PSF was calculated for several integration times and the loss in the ensuing MTF was computed. Comparison between experimental results and simulated data suggests that the eye may be integrating defocus blur at 10 to 20 ms intervals.