Retinal image simulations and objective refraction from aberrometic data : fundamental stuies and applications

Abstract

En el presente trabajo se desarrolló en el entorno Mathworks MATLAB® un programa para llevar a cabo análisis de imágenes retinianas de objetos extensos. El software llamado IRIS (Indiana Retinal Image Simulator) usa los coeficientes de Zernike introducidos manualmente o provenientes de varios modelos de aberrómetros comerciales (Imagine Eyes irx3 and HASO, Wavefront Sciences COAS, Nidek OPD-Scan III). Las capacidades del programa incluyen modificación, re-escalado, generación y propagación de aberraciones de frente de onda, cálculo de parámetros oftalmológicos de refracción, barridos “through-Zernike”, computación de funciones de esparcimiento de punto PSF, simulaciones de imágenes retinianas y su evaluación mediante varias métricas. En su raíz, el programa está diseñado para simular visión en color y los modelos numéricos implementados en el programa han sido expandidas desde el régimen monocromático al policromático. El programa se aplicó a dos estudios aplicados y uno fundamental. El primer estudio, “Efecto de la aberración cromática longitudinal (LCA) en la acomodación y la profundidad del campo” compara valores subjetivos de profundidad del campo (DOFi) medidos experimentalmente para 0, 2 y 4D de demanda acomodativa bajo diferentes colores (rojo, verde, azul y luz blanca) con valores objetivos, simulados numéricamente. Los valores experimentales se obtuvieron utilizando un sistema de óptica adaptativa que incluía un espejo deformable, sensor de frente de onda y un sistema Badal. Los valores objetivos se obtuvieron a partir de las medidas de las aberraciones utilizando el programa IRIS para cada valor de demanda acomodativa. Se llevó a cabo una serie de análisis policromáticos tipo “through-focus” utilizando la métrica de calidad de imagen VSX (Razón de Strehl Visual calculada en el dominio espacial) para estimar la DOFi para cada color. La principal conclusion del estudio indica que aunque la LCA causa un desplazamiento lateral de la curva de respuesta acomodativa monocromática, la respuesta acomodativa apenas cambia con la longitud de onda y es similar a la respuesta en luz blanca. Esto indica que la LCA tiene un efecto despreciable sobre el retraso (“lag”) acomodativo. El segundo estudio, “MTR - Una nueva métrica de refracción objetiva”, presenta una nueva formula de refracción objetiva basada en el ajuste de una esfera al frente de onda ocular. La distancia óptima del ajuste en función del radio pupilar se obtiene empíricamente de una base de datos de 308 ojos y se valida mediante una base de datos independiente de 200 ojos. Se deriva una nueva formula generalizada que incluye, como casos especiales, las tradicionales formulas de métricas de refracción minRMS y Paraxial. Para grandes radios pupilares (r=3.75mm) la nueva métrica predice el equivalente esférico con el menor error (0.05D vs 0.3D minRMS, y 0.1D paraxial). La métrica facilita a los profesionales de la visión la posibilidad de obtener un valor preciso de equivalente esférico sin reescalar ni reajustar los coeficientes de Zernike. Tiene el potencial de predecir la completa refracción esfero-cilíndrica para un radio pupilar correspondiente a unas condiciones determinadas de iluminación. En el estudio final, “Simulaciones through-focus de la lente intraocular multifocal Mplus”, el programa IRIS se utilizó para analizar aberraciones de frente de onda en ojos implantados con LIOs. Las aberraciones se midieron con aberrómetro tipo Shack-Hartmann - Imagine Eyes irx3. Las curvas objetivas through-focus se obtuvieron numéricamente cambiando el coeficiente de Zernike de desenfoque en el rango de -4.0D hasta +2.5D con un paso de 0.5D, y estimando la calidad de imagen con varias métricas en cada paso. Las métricas usadas fueron la Razón de Strehl (SR), Razón de Strehl Visual calculada en el dominio espacial (VSX), la concentración de la luz en un área (LiB) y la agudeza visual simulada VAs. La última ha sido desarrollada específicamente para el presente estudio. Las curvas objetivas through-focus se compararon con curvas subjetivas de desenfoque y se estimó el valor de la adición de la LIO implantada. El valor medio obtenido para todos los 7 sujetos (14 ojos) fue de 2.5D para cada una de las métricas, lo que corresponde exactamente a las especificaciones del fabricante de la LIO. In the present work a computer program for simulating and analysing retinal images of extended objects was developed using the Mathworks MATLAB®. The software, called IRIS (Indiana Retinal Image Simulator) works with wavefront aberrations expressed as Zernike coefficients, which can be input manually, or imported from several supported commercial aberrometers (Imagine Eyes irx3 and HASO, Wavefront Sciences COAS, Nidek OPD-Scan III). The capabilities of the program include: manipulating, rescaling, generating and propagating wavefront aberrations, calculating ophthalmic coefficients of refraction, performing through-Zernike analyses, computing point-spread functions and retinal image simulations, evaluating simulated retinal image quality using different metrics, and others. At its core, the software was designed to simulate color vision, and so many numerical models existing in literature have been expanded from the monochromatic into the polychromatic regime. The program was used to carry out one fundamental, and two applied studies. The first study, “The effect of longitudinal chromatic aberration on accommodation and depth-of-field” compares subjective, experimental values of depth-of-field obtained for 0D, 2D and 4D of accommodative demand and different (red, green, blue and b&w) color conditions with simulated, objective values. The experimental values were obtained using an adaptive-optics system which included a deformable mirror, wavefront sensor and Badal system. The objective values were obtained using the IRIS software from ocular wavefront aberrations for each accommodative demand. A series of polychromatic through-focus analyses was performed using the VSX (Visual Strehl Ratio in space domain) metric to estimate the depth-of-field for each color channel. The study concludes that apart from a dioptric shift generated by the LCA, the monochromatic accommodation response changes very little with wavelength and it is similar to the white response. This indicates that chromatic aberration has only a minor effect on the lag of accommodation. In the second study, “MTR – A Novel Objective Refraction Metric”, a new objective refraction formula based on fitting a sphere to the ocular wavefront is developed and presented. The optimal sphere fitting distance is obtained empirically from a dataset of 308 eyes as a function of objective refraction pupil radius, and validated using an independent dataset of 200 eyes. A new, generalized formula is presented, from which the traditional minRMS and paraxial metrics of refraction can be obtained. For large pupil radii (r = 3.75mm), the new metric predicts the spherical equivalent with the least error (0.05D vs 0.3D for minRMS, and 0.1D for paraxial). The proposed metric allows clinicians to obtain an accurate clinical spherical equivalent value without rescaling/refitting of the wavefront coefficients. It has the potential to be developed into a metric which will be able to predict full sphero-cylindrical refraction for desired illumination conditions and corresponding pupil size. In the final study, “Through-focus simulations of Mplus® refractive, multi-focal IOLs”, the IRIS software used to analyse wavefront aberrations of eyes with implanted IOLs. The aberrations had been measured using the Imagine Eyes irx3 Shack-Hartmann-type aberrometer. The objective through-focus curves are obtained by changing the defocus Zernike coefficient within a dioptric span from -4.0D to +2.5D by an increment corresponding to 0.5D, and computing image-quality metrics at each step. The metrics included the Strehl Ratio SR, Visual Strehl Ratio in space domain VSX, light in the bucket LiB, and simulated visual acuity VAs – the latter of which was specifically developed for the purpose of the study. The objective through-focus curves were compared to the subjective defocus curves, and the value of addition of the implanted IOL was estimated. The mean inter-subject value of estimated addition (7 subjects, 14 eyes) was 2.5D for each of the metrics, which exactly corresponds to the manufacturer's specifications. The characteristic, double maximum shape of the defocus curves was obtained with the through-focus curves for 80% of the subject/metric combinations.