Study of the optical effect of cataracts and its correction using wavefront shaping

Resumen

Las cataratas son una patología caracterizada por la opacificación del cristalino, la cual incrementa la cantidad de aberraciones oculares y dispersión (o scattering) intraocular. En consecuencia, las cataratas vuelven borrosas y reducen el contraste de las imágenes en la retina. La solución actual a esta patología es la cirugía, donde el cristalino afectado es extraído y reemplazado por una lente intraocular. Sin embargo, los requerimientos para practicar de forma segura este procedimiento no permiten cubrir su demanda, ubicando las cataratas como la primera causa de ceguera reversible en el mundo. Por lo tanto, resulta necesaria una alternativa no invasiva (basada únicamente en métodos ópticos). La búsqueda de tal alternativa es un reto abierto pues, aunque la óptica adaptativa ha demostrado ser una herramienta efectiva para la medición y manipulación de las aberraciones presentes en el ojo, la alta cantidad de aberraciones y scattering en los ojos cataratosos limita el desempeño de estos sistemas. En la última década, la técnica de manipulación del frente de onda (WS, del inglés Wavefront Shaping) ha sido aplicada para la formación de imágenes a través de medios turbios. En esta tesis, la técnica WS es propuesta para corregir los efectos de las cataratas de forma no invasiva. Así, el objetivo general es evaluar el desempeño de la técnica para esta aplicación particular en un banco óptico, evitando la influencia de los fenómenos oculares dinámicos que son inherentes a una implementación in-vivo. Inicialmente, se desarrolló un modelo de frentes de onda oculares para reproducir la función de punto esparcido (PSF, del inglés Point Spread Function) para un observador estándar con diferentes cantidades de scattering intraocular, mediante la suma ponderada de perturbaciones de fase con bajas y altas frecuencias espaciales. El modelo permitió reproducir los siguientes fenómenos ópticos oculares y compararlos con mediciones experimentales y clínicas previamente publicadas: la dependencia del scattering intraocular con la longitud de onda, el efecto del envejecimiento sobre las aberraciones de alto orden y la razón de Strehl, y la apariencia de la corona ciliar. Los frentes de onda oculares fueron reproducidos en una pantalla de cristal líquido sobre silicio (LCoS, del inglés Liquid Crystal on Silicon) como modulador espacial de luz para generar experimentalmente las cantidades de scattering intraocular. El LCoS fue incorporado a un simulador visual para evaluar los efectos del scattering intraocular en la agudeza visual y la sensibilidad al contraste, tanto en fóvea como dos excentricidades del campo visual nasal. Las relaciones entre cantidades inducidas de scattering y tales cantidades psicofísicas fueron establecidas. Además, a partir de esos resultados, se explicaron los modestos beneficios de las cirugías de cataratas en pacientes con degeneración macular. Un instrumento fue desarrollado para evaluar el desempeño de la técnica WS en la corrección de las cataratas simuladas. Los efectos de tres niveles de catarata fueron generados y corregidos simultáneamente usando un dispositivo LCoS, simulando un paso simple por el medio ocular. La calidad de la corrección fue valorada objetiva y subjetivamente a través de las siguientes métricas: el parámetro de mejoramiento de la PSF, la razón visual de Strehl, los coeficientes de correlación entre imágenes extendidas con iluminación espacialmente incoherente y la agudeza visual. Según los resultados, el principal efecto de la técnica WS es el desemborronamiento de las imágenes. Sin embargo, cálculos numéricos adicionales revelaron que el scattering no fue reducido, lo que disminuiría el contraste de las imágenes vistas a través del corrector. Se propuso una estrategia para superar esta limitación de la técnica. El instrumento desarrollado fue ligeramente modificado para evaluar el desempeño de la técnica WS simulando un doble paso a través del medio ocular cataratoso. Los resultados muestran que, si bien la PSF coherente fue optimizada luego del doble paso, esta corrección no beneficiaría de manera suficiente la calidad visual. Finalmente, algunas recomendaciones son dadas con el fin de aumentar el beneficio de la técnica WS en una futura implementación in-vivo.