Methods to measure intraocular scattering and its impact in vision

Abstract

Objectives An optical system, like the human eye can be characterized by its Point Spread Function (PSF), a function that describes the angular distribution of light, deriving from a point source and propagated through this specific optical system. Thus, the main objective of the thesis was to establish novel methods for the acquisition of the PSF of optical systems and their components. Methods A new method was established for the estimation of the PSF eliminating the need of detectors with high dynamic range. Initially, this methodology was applied to characterize the scattering that Intraocular lenses, materials and biological tissues, produce. The same methodology was applied for in-vivo scattering measurements of the human eye. In parallel, a new method to evaluate the effect of scattering on human vision, was developed. Additionally, a more intuitive version of this method was included in an application run by low cost mobile devices. Finally, the know-how the experience and the modalities gained form the previously mentioned methods, was applied on a prototype compact device for the measurement of the macular pigment, present on the human retina. Results The initial results, obtained by the developed novel method, for commercially available diffusers for the generation of scattering, were in accordance with the density, provided by the manufacturer and by previous studies. Moreover, the same methodology was used for the characterization of Intraocular Lenses (IOL’s) by means of produced scattering. It was discovered that the differences in design and manufacturing process between mono- and multi-focal IOL’s may lead to higher levels of produced scattering. Additionally, it was confirmed that corneal edema may result to increased intraocular scattering. The previously described method was applied on a double pass optical design which was applied to measure in-vivo, human eyes. The effect of the wavelength on ocular scattering was revealed through measurements using different wavelengths. The same methodology, previously developed on an optical table, was consecutively fitted in a compact prototype device, making its use in clinical sites, possible. The results from a small scale clinical study compared it effectiveness, repeatability and reliability comparing the prototype with other state of the art methods and devices for the evaluation of intraocular scattering. Additionally, a new differential method for the evaluation of Contrast sensitivity (CS) was developed. A new metric was compared to the S parameter (a parameter for the intraocular scattering measurement) obtained by two other different devices. The macular pigment optical density of several subjects was measured and evaluated by a new device. These results were also compared to other large scale studies previously documented. Conclusions A new method for the reconstruction of the PSF up to wide angles, was established. This method allowed the evaluation of scattering of optical systems and its components. The same method was successfully applied for the optical characterization of IOL’s depending on their design and manufacturing process. Additionally, the relation between intraocular scattering and corneal edema was identified. The previously mentioned method was applied for the in-vivo measurement of human eyes. The correlation of intraocular scattering with the wavelength was also justified. The methodology was ported to a compact prototype device for the fast and precise measurement of ocular scattering applied on clinical sites. A new methodology for the measurement of the S parameter through the evaluation of CS was established. This differential method was implemented in a portable device (an iPad) whose advanced technological specifications made the evaluation of intraocular scattering possible, using low cost hardware. Finally, the methodology and the modalities applied for the measurement of intraocular scattering, were applied on another prototype device for the measurement of the macular pigment optical density. Objetivos Un sistema óptico, tal como el ojo humano, puede ser caracterizado a través de su función de punto esparcido (PSF; del inglés Point Spread Function). La PSF describe la redistribución angular de la energía proveniente de una fuente puntual y que se propagada a través de las componentes del sistema. Así, el objetivo inicial de esta tesis ha sido investigar y establecer nuevos métodos para una evaluación precisa de la PSF generada por sistemas ópticos y sus elementos Métodos. Ha sido establecido un método para estimar la PSF de cualquier sistema óptico, evitando el uso de detectores especializados con gran rango dinámico. Inicialmente, esta metodología fue aplicada para caracterizar la difusión de luz (se utiliza ampliamente el término inglés “scattering”) que provocan lentes, materiales y tejidos biológicos. Más adelante esta metodología fue aplicada al ojo humano in vivo. Paralelamente, se desarrolló un nuevo método para evaluar el efecto del scattering intraocular sobre la calidad de la visión. Una versión más intuitiva de este método fue incluida en una aplicación para uso en un dispositivo portátil de bajo coste. Finalmente, las experiencias y los conocimientos adquiridos en el desarrollo de los métodos descritos anteriormente fueron aplicados para el desarrollo de un sistema experimental compacto para evaluar la densidad de pigmento macular presente en la retina. Resultados. Los resultados obtenidos midiendo difusores comerciales para la producción de scattering, están en concordancia con la densidad indicada por el fabricante y con los valores absolutos reportados previamente. Posteriormente, este mismo montaje experimental fue usado para caracterizar la cantidad de luz difundida por lentes intraoculares (LIOs) monofocales y multifocales comercialmente disponibles. Se encontró una mayor generación de scattering en las lentes multifocales que en las lentes monofocales. Con esta metodología se confirmó también que el edema corneal produce un incremento del scattering intraocular. La metodología anteriormente descrita, ahora aplicada en un sistema de doble paso, reveló la posibilidad de realizar medidas en vivo del scattering intraocular de forma objetiva. El sistema experimental fue inicialmente probado en un ojo artificial y el scattering fue inducido usando filtros fotográficos. Posteriormente, se llevaron a cabo medidas en vivo, donde el efecto de las cataratas fue reproducido mediante el uso de lentes de contacto especialmente diseñadas. El scattering intraocular medido fue similar al reportado previamente en la literatura. Los resultados de un primer experimento permitieron comprender la dependencia del scattering intraocular con la longitud de onda de la iluminación. Posteriormente, fueron documentados la instrumentación y los algoritmos implementados en el desarrollo de un dispositivo compacto que podía usarse en medidas clínicas. Tras la validación experimental en banco óptico, un prototipo del dispositivo basado en el método de integración óptica fue desarrollado para la medida rápida de la cantidad de scattering en el ojo. Las medidas realizadas con este método se caracterizaron por su rapidez y fidelidad. Los resultados fueron comparados con otras métricas establecidas para la evaluación del scattering. Se estableció la medida diferencial de la sensibilidad al contraste (SC) mediante el uso de una fuente de deslumbramiento. Se evaluó una métrica para la valoración del scattering intraocular mediante la comparación de los valores del parámetro S (parámetro para medir scattering intraocular) medido con dos instrumentos. La densidad de pigmento macular correspondiente a varios sujetos fue medida con un nuevo aparato. Estos resultados fueron comparados con estudios reportados, sobre poblaciones de mayor tamaño, donde se emplearon otras metodologías. Conclusiones. Fue establecido un nuevo método para la reconstrucción de la PSF en un amplio rango angular, permitiendo evaluar el scattering presente en los sistemas ópticos y sus componentes. Este método se usó para estimar la cantidad de luz difundida por lentes intraoculares de diferentes diseños y procesos de fabricación. Se esclareció la relación entre el scattering generado y el nivel de hidratación del estroma corneal. El scattering se genera por la pérdida de la organización entre las fibras de colágeno por la ocupación del agua. El método para la reconstrucción de la PSF fue adaptado en un sistema de doble paso para la medida in vivo del scattering intraocular en el ojo humano. La dependencia del scattering con la longitud de onda de iluminación fue medida y explicada. Las metodologías y los conocimientos adquiridos en los estudios anteriores fueron aplicados en el desarrollo de un dispositivo para la medida rápida y precisa del scattering intraocular en un entorno clínico. Por otra parte, se desarrolló una nueva metodología para la estimación subjetiva del scattering intraocular a partir de la medida diferencial de la sensibilidad al contraste. La metodología diferencial se implementó en un dispositivo portátil y compacto (iPad), cuyas propiedades de iluminación fueron previamente caracterizadas. La aplicación desarrollada es intuitiva y accesible, posibilitando la evaluación rápida del scattering intraocular sin la necesidad de dispositivos costosos. Los resultados de un estudio piloto confirmaron la repetitividad de las mediciones subjetivas hechas con este desarrollo. Finalmente, la experiencia y conocimiento adquiridos sobre la estimación del scattering intraocular permitieron el desarrollo de un prototipo para la medida de la densidad óptica de pigmento macular.