Simuladores visuales de óptica adaptativa para estudiar el impacto de las aberraciones en la percepción

Abstract

Los cambios ópticos que la miopía produce en el ojo son bien conocidos, pero no ocurre así con la relación de estos con las características neuronales de la visión. Los simuladores visuales de óptica adaptativa (AOVS) permiten estudiar estos efectos. Los AOVS no pueden usarse en casos de alta miopía dada las limitaciones técnicas en la medida y corrección de desenfoque. En esta tesis, se describe el desarrollo de un AOVS con un rango más amplio de desenfoque, posibilitando la inclusión de pacientes con alta miopía. Para la modificación del desenfoque se utilizó una lente eléctricamente ajustable. Para corregir las HOA se usó un modulador espacial de cristal líquido sobre silicio (LCoS-SLM). La lente ajustable se situó en el plano conjugado antes de un sensor de Hartmann-Shack. Para asegurar condiciones puramente fotópicas para los tests visuales se utilizó un proyector de video digital. El control del diámetro de la pupila se llevó a cabo mediante un diafragma motorizado. En esta tesis, se proporciona una descripción detallada del desarrollo del AOVS, además de los procedimientos para la calibración de cada componente del sistema, y del sistema en conjunto. Se realizaron medidas en adultos jóvenes con alta miopía. La agudeza visual (VA) se comparó utilizando la refracción obtenida con el AOVS y la refracción proporcionada por los sujetos mediante procedimientos usuales. Los valores de VA cuando la refracción obtenida mediante AOVS era corregida eran mayores que cuando se corregía la refracción proporcionada. Las HOA mostraron valores similares en ojos miopes y emétropes. La VA con corrección total se obtuvo para ciertos sujetos, mostrando un incremento moderado. La separación del desenfoque del resto de aberraciones ha permitido el uso de máscaras de difracción de fase para el control de la aberración cromática longitudinal (LCA). Algunos de los efectos visuales de las modificaciones de LCA aún no se comprenden del todo. Dado que el valor de LCA es predecible, numerosos estudios han demostrado cómo corregirlo. Sin embargo, algunos de ellos han observado mejoras en la VA mientras que otros no las han encontrado. La VA para distintos desenfoques con la LCA corregida no ha sido estudiada aún. En este trabajo, la VA se evaluó bajo diferentes valores de LCA. La corrección de la LCA no aumento la VA, mientras que doblando su valor la AV disminuyó. Para comprender mejor estos resultados se realizaron simulaciones de trazado de rayos en un modelo cromático de ojo. Las simulaciones predicen bien el caso de LCA natural. En condiciones de LCA modificada, la correlación entre la VA prevista y obtenida decrece. Estos resultados sugieren fenómenos de adaptación neural. Se realizaron otros experimentos para tratar de entender mejor el mecanismo de compensación neural. La VA fue medida de manera continuada durante un período de tiempo (alto y bajo contraste) para los casos de LCA natural y corregida. El análisis de los datos muestra que en condiciones de alto contraste no hubo cambios temporales de la VA, siendo la VA menor para la LCA corregida. Para bajo contraste, la VA se incrementó con el tiempo en el caso de la LCA corregida, a pesar de la caída inicial en comparación con la LCA natural. Estos hallazgos sugieren que existe cierta adaptación neural a la LCA. El dispositivo desarrollado permite extender los beneficios de la óptica adaptativa a cualquier ojo, independiente de su refracción. Los experimentos realizados en condiciones de LCA modificada muestran la existencia de adaptación neural, lo cual tiene implicaciones en el diseño de dispositivos de ayuda óptica para el ojo.

ABSTRACT Prevalence of myopia has been steadily increasing worldwide. The optical effects of myopia have been intensively studied. However, the neural component of vision has been scarcely considered. Adaptive optics visual simulators (AOVS) allow to understand the effect of optical changes on vision, but most of them are not suitable to high myopes due to their limited measurement and modulation range. An AOVS with enhanced capabilities has been developed in this thesis. The system allowed to expand the application of adaptive optics to highly myopic patients. An electrically tunable lens was used for defocus manipulation, while a liquid-crystal-on-silicon spatial light modulator (LCoS-SLM) was used for high-order aberrations (HOA) correction. A tunable lens was placed in a conjugated plane before a Hartmann-Shack sensor, allowing pre-compensation of defocus. A digital video-projector was used as a stimulus generator providing photopic conditions for the visual testing. Pupil diameter control was implemented by a motorized diaphragm. A detailed description of the developed AOVS is provided in the thesis, followed by a description of calibration for individual components and the complete system itself. Proof-of-concept measurements were done in young adults with high myopia. The visual acuity (VA) was compared using refraction obtained with AOVS and manifest refraction provided by the subjects. VA values when correcting AOVS-obtained refraction was consistently higher than with correction of manifest refraction. HOA of high myopes were also analyzed, being similar to the values found in emmetropic eyes. VA was also obtained for some of the subjects with full wavefront correction, showing a moderate increase. Separation of defocus modulation from the rest of phase modulation has allowed to use diffractive phase masks for longitudinal chromatic aberration (LCA) control. Some aspects of the visual effect of modified LCA are not yet completely understood. As the LCA value is predictable, a number of studies have demonstrated its correction. Some of them found an improvement of VA, while the others did not find it. VA was evaluated through-focus under different modified LCA conditions. Correction of LCA did not provided an increase in through-focus VA, while doubling of the LCA further degraded it. Ray-tracing simulations of the studied LCA conditions coupled with a chromatic eye model was done to better understand the results. A semi-empirical equation predicted VA values from the optical quality parameters. Simulations predicted the behavior of VA in the natural LCA case, showcasing the feasibility of the method. In modified LCA conditions, the correlation between predicted and experimental VA values dropped. A more drastic drop was found in the doubled LCA case. These results suggest that neural and visual compensation phenomena can exist for the natural LCA case. For a deeper understanding of potential neural compensation mechanism for LCA of the eye, an additional experiment was done. VA was measured continuously for a period of time in low and high contrast for natural and corrected LCA. Analysis of the data showed that in the high contrast condition there was no evolution of VA through time, with VA being lower for corrected LCA. In low contrast, VA increased in corrected LCA case after some time, despite an initial drop compared to natural LCA. These findings suggest that some neural adaptation to LCA exists, affecting vision in modified LCA conditions. The instrument extends the benefits of adaptive optics for visual simulation to high myopes, allowing to evaluate their visual performance. Experiments done in modified LCA conditions showed an existence of neural adaptation to different LCA states, resulting in practical implications for the design of optical aids for the eye.