Study of Peripheral Refraction and Visual Behavior in Myopia Prevention

Abstract

La prevalencia global de la miopía ha aumentado drásticamente, especialmente entre los jóvenes de Asia Oriental. En China, más del 50 % de los niños y adolescentes son miopes, con tasas que superan el 70 % en estudiantes universitarios. La alta miopía incrementa significativamente el riesgo de complicaciones visuales graves, lo que hace crucial la detección temprana y la intervención. Uno de los mecanismos propuestos en el desarrollo de la miopía es el desenfoque retiniano periférico. Sin embargo, esta teoría sigue en debate debido a resultados contradictorios en estudios clínicos, principalmente por la limitada resolución espacial de los datos de refracción periférica.

Para superar estas limitaciones, desarrollamos un sistema de mapeo bidimensional (2D) de refracción periférica basado en un sensor de frente de onda Hartmann-Shack. Aplicado en un estudio longitudinal de dos años con más de 200 niños, el sistema reveló que el desenfoque miópico relativo en la retina superior podría ser un biomarcador potencial del inicio de la miopía en niños emétropes. Sin embargo, el desenfoque hipermetrópico periférico pareció ser más una consecuencia que una causa de la progresión miópica.

También exploramos los efectos de las lentes de control de miopía—como DIMS, Stellest y MyoCare—en la acomodación dinámica utilizando un sistema de imagen de doble paso. Ninguna de las lentes alteró significativamente las respuestas de acomodación, incluso cuando se manipularon por separado la óptica central y periférica. Esto sugiere que la modificación del desenfoque periférico no cambia el comportamiento de acomodación en las lentes comerciales actuales para control de miopía. El sistema visual humano podría tener un umbral más alto para adaptarse a las señales de desenfoque en la periferia.

Aprovechando el sistema de doble paso, también analizamos el contraste de las imágenes retinianas producidas por estas lentes experimentales. Descubrimos que todas las lentes de control de miopía reducen el contraste de la imagen retiniana, especialmente Stellest, lo que sugiere que la reducción de contraste podría ser un mecanismo común que contribuye a la eficacia del tratamiento.

Además, desarrollamos un sistema portátil de seguimiento binocular integrado en gafas personalizadas para estimar la distancia de mirada en entornos reales basado en la convergencia binocular. Las validaciones mostraron alta precisión y repetibilidad en la estimación de la mirada central, ofreciendo una herramienta robusta para futuros estudios sobre el retraso acomodativo, el comportamiento visual, la evolución de la refracción periférica y el desarrollo de la miopía.

En conclusión, esta tesis presenta nuevos hallazgos sobre la dinámica espacial de la refracción periférica, su relación con la acomodación y el comportamiento de la mirada, y su papel en el desarrollo de la miopía. Nuestros resultados respaldan el uso de la refracción periférica de campo amplio y las métricas basadas en contraste como enfoques prometedores para la investigación y el control de la miopía.

The global prevalence of myopia has increased dramatically, particularly among East Asian youth. In China, over 50% of children and adolescents are myopic, with rates exceeding 70% among college students. High myopia significantly raises the risk of sight-threatening complications, making early detection and intervention critical. One proposed mechanism in myopia development is peripheral retinal defocus. However, the theory is still under debate as controversial results were found in clinical studies, primarily because of the limited spatial resolution of peripheral refraction data.

To overcome these limitations, we developed a two-dimensional (2D) peripheral refraction mapping system based on Hartmann-Shack wavefront sensor. Applied in a two-year longitudinal study of over 200 children, the system revealed that relative myopic defocus in the superior retina was a potential biomarker for myopia onset in emmetropic children. However, peripheral hyperopic defocus appeared more likely to result from, rather than cause, myopic progression.

We also explored the effects of myopia control lenses—including DIMS, Stellest, and MyoCare—on dynamic accommodation using a double-pass imaging system. None of the lenses significantly altered accommodation responses, even when central and peripheral optics were manipulated independently. This suggests that peripheral defocus modification does not change accommodation behavior in current commercialized myopia control lenses. Human vision system may possess a higher threshold for adapting defocus cue in the periphery.

By taking advantage of the double-pass system, we can also analysis the contrast of retinal images from those experimentally available lenses. We found that all myopia control lenses can reduce retinal image contrast, especially Stellest, suggesting that contrast reduction may be a common mechanism contributing to treatment efficacy.

Additionally, we developed a wearable binocular eye-tracking system embedded in custom spectacles to estimate real-world gaze distance based on binocular convergence. Validation showed high accuracy and repeatability in central gaze estimation, offering a robust tool for future studies on accommodative lag, visual behavior, peripheral refraction evolution, and myopia development.

In conclusion, this thesis presents new insights into the spatial dynamics of peripheral refraction, its relationship with accommodation and gaze behavior, and its role in myopia development. Our findings support the use of wide-field peripheral refraction and contrast-based metrics as promising directions for myopia research and control