Dispositivo y método para la medida de las aberraciones oculares basado en un sensor de curvatura.

Sensor de curvatura aplicado al ojo para determinar las aberraciones oculares. El instrumento utiliza como núcleo un sistema oftalmoscópico de doble paso que permite registrar sobre una cámara CCD de forma consecutiva o simultánea dos imágenes en planos ligeramente desplazados con respecto al plano pupilar. A partir de estas dos imágenes, se obtiene una imagen que corresponde al contraste entre ambas como la diferencia de intensidades dividido por la suma de intensidades punto a punto. De esta imagen de contraste se calcula la función aberración de onda

Dispositivo y método para la medida de las aberraciones oculares basado en un sensor de curvatura.

Campo de la invención

La invención que aquí se describe se encuadra dentro del campo de la Óptica Visual, la Oftalmología y la Optometría. En este campo las aplicaciones mas importantes van orientadas a estudios sobre el envejecimiento del sistema visual, la detección precoz y mejora de diagnostico de patologías y el seguimiento de pacientes sometidos a cirugía refractiva o lentes de contacto.

Antecedentes de la invención

La imagen retiniana del ojo humano puede deteriorarse debido a tres causas: la difracción, las aberraciones y la difusión (scattering) intraocular. La difracción es una propiedad de las ondas electromagnéticas que constituyen la luz y en consecuencia va a estar presente siempre en la imagen retiniana. Su efecto depende del tamaño de la pupila del ojo, siendo únicamente considerable para pupilas pequeñas (del orden de 2 mm o inferiores) que prácticamente no se dan nunca en condiciones habituales de visión. La presencia de aberraciones y scattering en ojos de sujetos jóvenes con condiciones visuales normales es baja, pero aumenta considerablemente con la edad, la presencia de patologías oculares y las intervenciones de cirugía refractiva (I. IJspeert, J.K., de Waard, P.W., van der Berg, T.J., de Jong, P.T. (1990). The intraocular straylight function in 129 healthy volunteers: dependence on angle, age and pigmentation. Vision Research, 30(5), 699-707, Brunette, I., Bueno, J.M., Parent, M., Hamam, H., Simonet, P. (2003). Monochromatic aberrations as a function of age, from childhood to advanced age. Invesigative Ophthalmology & Visual Science, 44, 5438-5446). En particular el scattering intraocular aumenta de manera muy notoria sobre los valores normales si ocurren pérdidas de transparencia de los medios oculares, como por ejemplo las que tienen lugar en el cristalino con el desarrollo de las cataratas.

La contribución conjunta de las aberraciones ópticas y el scattering intraocular afecta a la calidad de la imagen retiniana. La técnica del doble paso (J. Santamaría, P. Artal, J. Bescos, "Determination of the point-spread function of human eyes using a hybrid optical-digital method", J. Opt. Soc. Am. A, 4, 1109-1114 (1987)) basada en la proyección de un haz de luz colimado en la retina del paciente, y el registro directo de la luz reflejada en ésta, tras el doble paso de la luz por los medios oculares permite obtener la medida objetiva de la contribución de las aberraciones y el scattering a la calidad óptica ocular (F. Diaz-Douton, A. Benito, J. Pujol, M. Arjona, J.L. Guell, P. Artal, "Comparison of the retinal image quality obtained with a Hartmann-Shack sensor and a double-pass instrument", Inv. Ophthal. Vis. Sci., (aceptado)).

El conocimiento de la existencia de aberraciones oculares se remonta a mediados del siglo XIX. Las aberraciones de bajo orden (desenfoque y astigmatismo) pueden medirse utilizando técnicas objetivas o subjetivas y pueden corregirse utilizando lentes convencionales, lentes de contacto o intervenciones de cirugía refractiva. Su impacto en la calidad visual tras su corrección es por lo tanto muy bajo.

Para la medida de las aberraciones de medio y alto orden (coma, esférica...) se han desarrollado diferentes métodos subjetivos y objetivos. Los primeros presentan los inconvenientes típicos de este tipo de métodos, como son el requerimiento de la participación activa y prolongada del observador, su complejidad y tediosidad además que pueden estar influenciados por otros factores no inherentes a la calidad óptica del ojo. Un intento de medida subjetiva de las aberraciones oculares fue el llamado aberroscopio subjetivo (H.C. Howland, B. Howland, "A subjective method for the measurement of monochromatic aberrationsof the eye", J. Opt. Soc. Am. A, 67, 1508-1518 (1977). El sujeto percibe la imagen de una malla colocada entre dos lentes cilíndicas de pm 5 D con ejes cruzados a 45°, dibujando la malla percibida. Las distorsiones de ésta eran analizadas, llegando a estimar los coeficientes de hasta el cuarto orden del desarrollo de Taylor. Presentaba todos los inconvenientes de un método subjetivo, y en consecuencia estos métodos no son los más adecuados para su uso en un entorno clínico en que se requiere rapidez y precisión.

En los últimos años se han desarrollado diversos sistemas objetivos para la determinación de las aberraciones oculares. Los más comúnmente utilizados son los basados en el sensor de Hartmann-Shack (J. Liang, B. Grimm, S. Goelz and J.F. Bille, "Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor", J. Opt. Soc. Am. A. 11, 1949-1957 (1994), P.M. Prieto, F. Vargas-Martin, S. Golez and P. Artal, "Analysis of the performance of the Hartmann-Shack sensor in the human eye", J. Opt. Soc. Am. A. 17, 1388-1398 (2000)) o en el trazado de rayos (ray-tracing) (R. Navarro, M. A. Losada, "Aberrations and relative efficiency of light pencils in the living human eye", J. Opt. Soc. Am. A. 11, 1949-1957 (1997)). Ambos se basan en una medida directa de la pendiente local del frente de ondas, realizando un muestreo en diferentes posiciones de la pupila. En el caso del sensor de Hartmann-Shack el muestreo se realiza simultáneamente para todos los puntos de la pupila, con una estructura fija determinada por la geometría y tamaño del array de microlentes utilizado, mientras que en el caso del ray tracing el muestreo es secuencial pudiendo cambiar el numero de puntos de la pupila que van a testearse. Con todos estos datos se puede recuperar la forma del frente de ondas, mediante un ajuste no lineal a un desarrollo en polinomios, utilizándose de manera mayoritaria, la base de polinomios de Zernike (D. Malacara, Optical Shop Testing (2ª ed.), John Wiley & Sons Inc., New York (1992).

En la actualidad existen diversos instrumentos basados en estas técnicas que son utilizados clínicamente. Sin embargo estas técnicas presentan importantes limitaciones. Una primera limitación, reside en el hecho de que el orden de aberración que puede ser alcanzado en la reconstrucción del frente de onda depende del número de microlentes o el número de puntos que abarque la pupila del sujeto. En general, es necesario un número de muestreos considerablemente más alto que el de polinomios de Zernike que se desee evaluar, para garantizar que los algoritmos de ajuste funcionen correctamente. Por lo tanto, para conseguir una estimación lo más fiel posible, es necesario que el tamaño de microlente sea muy reducido o la densidad de puntos de muestreo sobre la pupila sea muy alta. Con la tecnología actual, es factible alcanzar orden 6 o 7 de Zernike, siendo estimaciones de orden superior no muy fiables.

Otra limitación la constituye el reducido rango dinámico para cada una de las aberraciones. Como ejemplo, en el caso del sensor de Hartmann-Shack, la máxima aberración detectable viene determinada por aquella en la que la imagen correspondiente a una microlente se forma en la zona en la que se espera la imagen de una microlente vecina (fenómeno comúnmente referido como cross-talk). Dicho límite depende tanto del tamaño como de la distancia focal de las microlentes, de forma tal que si se requiere un alto grado de sensibilidad, como es el caso de las medidas en ojo humano, no es posible medir una aberración de magnitud muy alta.

En los últimos años también se han desarrollado técnicas para la corrección dinámica en tiempo real de las aberraciones oculares utilizando sistemas de óptica adaptativa. La idea consiste en medir mediante uno de los sensores descritos anteriormente las aberraciones del ojo y corregirlas mediante la utilización por ejemplo de un espejo deformable. Hasta el momento se han obtenido importantes resultados en medidas de laboratorio. (E.J. Fernández, I. Iglesias, P. Artal, "Closed-loop adaptive optics in the human eye", Opt. Lett., 26, 746-748 (2001), N. Doble, G.Y. Yoon, L. Chen, P. Bierden, B. Singer, S. Oliver, D.R. Williams, "Use of a microelectromechanical mirror for adaptive optics in the human eye", Opt. Lett, 27, 1537-1539 (2002), E.J. Fernández, P. Artal, "Membrane deformable mirror for adaptive optics: performance limits in visual optics", Opt. Express, 11, 1056-1069 (2003)).

En este contexto es sin duda ventajoso proponer un nuevo dispositivo y método para la medida de las aberraciones oculares basado en un sensor de curvatura, que sea fácilmente adaptable a instrumentación de tipo clínico y que permita superar las principales limitaciones de los sistemas existentes hasta el momento. En...

1. Dispositivo de medida de las aberraciones oculares determinando la función aberración de onda caracterizado porque comprende:

Primeros medios para generar la imagen de un punto de luz en la retina;

Una unidad analizadora de la luz reflejada en la retina que comprende:

Primeros medios de registro (9) para registrar una imagen de entrada para cada uno de los dos planos ligeramente desplazados.

2. Dispositivo de medida de las aberraciones oculares determinando la función aberración de onda caracterizado porque comprende:

Primeros medios para generar la imagen de un punto de luz en la retina;

Una unidad analizadora de la luz reflejada en la retina que comprende:

Primeros medios de registro (9) para registrar una imagen de entrada para cada uno de los dos planos ligeramente desplazados.

3. El dispositivo de la reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque

Los medios para generar la imagen de un punto de luz en la retina comprenden:

4. El dispositivo de la reivindicación 3, caracterizado porque el sistema desdoblador de la luz (19) contiene todos los elementos ópticos necesarios para situar dos haces a la salida y con una diferencia de camino óptico.

5. El dispositivo de la reivindicación 3, caracterizado porque el sistema desdoblador (19) contiene:

6. El dispositivo de la reivindicación 3, caracterizado porque el sistema desdoblador contiene:

7. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 4, 5, 6 caracterizado porque los medios de registro (6) comprenden detectores de imagen para registrar una imagen de un plano ligeramente desplazado respecto al plano pupilar del ojo.

8. El dispositivo de la reivindicación 7 caracterizado porque además comprende una pluralidad de separadores de haz (4, 5, 7, 16) y una pluralidad de espejos (4, 6, 12, 13, 14, 15).

9. El dispositivo de la reivindicació 7 caracterizado porque además comprendede cuatro separadores de haz (4, 5, 7, 16) y seis espejos (4, 6, 12, 13, 14, 15).

10. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 3-9 caracterizado porque además comprende primeros medios de enfoque que comprenden una primera lente fija (17) y una segunda lente móvil (18) para conjugar un plano de interés del sistema óptico a medir con el plano de registro de la imagen.

11. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 3-10 caracterizado porque además comprende segundos medios de enfoque (25) configurados para permitir una corrección de foco variando la distancia entre la primera lente (17) y la segunda lente (18) de forma manual y de forma automática.

12. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 3-11 caracterizado porque comprende un sistema para visualizar la pupila del sujeto compuesto por un sistema de iluminación (22) y un sistema de registro constituido por un detector de imagen (20).

13. Un método para determinar la función aberración de onda mediante el dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1-12.