Evaluación de la calidad óptica de lentes intraoculares en presencia de aberraciones

Abstract

(English) An intraocular lens (IOL) is an implant that is used in cataract surgery to replace the clouded natural lens (cataract) and restore the loss of transparency. Currently, there is a wide variety of designs, brands, and models of IOLs available on the market, which can be classified, according to the number of foci and physical principle of each design, into monofocal,multifocal, and extended range of vision (ERV). This thesis focuses on the evaluation of the optical quality of IOLs and the methods employed to determine it using an eye model as an image-forming system on an optical bench. Optical characterisation of an IOL on an optical bench allows its performance to be measured, before implantation, in conditions close to those required by visual function. This analysis is conducted under controlled conditions of variables such as pupillary size or spherical aberration (SA), which provides good repeatability to the tests. This approach enables objective comparisons between different IOL designs and models, as well as facilitating personalised selection, in accordance with the patient's requirements. For this purpose, an optical device previously designed by the research group has been employed, which adheres to the recommendations set forth in the ISO 11979-2:2014 standard. Meanwhile, the construction, characterisation and commissioning of a new experimental setup, which incorporates a model eye closer to the human eye, has been carried out. This configuration comprises units that permit the control of the optical input information of the test object and the light beam, an adaptive optics (AO) system, and a matrix sensor with a spectral sensitivity close to that of the standard observer in photopic vision. The characterisation of the subsystems and specific components of the assemblies has enabled the determination of their working conditions, with the knowledge and control of their performance. Once the IOL had been placed in the eye model, its optical quality was analysed using objective metrics under a variety of working conditions. Particular attention was paid to image quality and the effects of multifocality and aberrations on its degradation. The potential formation of halos has also been assessed, given the clinical significance of dysphotopic effects. The incorporation of the AO system has enabled the simulation of corneal astigmatism (including IOL rotation errors once implanted) and corneas with different degrees of SA, reproducing practical and realistic cases of clinical interest (forexample, corneas undergoing refractive surgery prior to IOL implantation). The research findings provide the values achieved by the lenses under study – 16 IOL models of different des ign and provided by five manufacturers – in a s et of optical quality metrics, as well as their evolution from distance vision to near vision. By means of characterisation, it has been possible to estimate the average postoperative visual acuity values over the full range of vision and to predict the depth of field (with visual acuity 0.2 logMAR or better), thus enabling a comparison with clinical results obtained using defocus curves. Information derived from both optical and clinical methodologies constitutes a valuable contribution to the field of cataract surgery with IOL implantation. This information can be used for a variety of purposes, including the selection of lenses, the design of new products, their manufacture, and quality control. Furthermore, these advances reaffirm the importance of considering the individual characteristics of each patient when selecting the most appropriate IOL.

(Català) La lent intraocular (LIO) és un implant que es fa servir en cirurgia refractiva per substituir cristal ·lí opacificat (cataracta) i corregir la pèrdua de transparència. Actualment, hi ha una gran varietat de dissenys, marques i models de LIOs al mercat, que es poden classificar, segons el nombre de focus i principi físic de cada disseny, en monofocals, multifocals i amb rang de visió estès (ERV). Aquesta tesi se centra en l'avaluació de la qualitat òptica de les LIOs i els mètodes que utilitzen per determinar-la un model d'ull com a sistema formador d'imatges en banc òptic. La caracterització òptica d'una LIO en banc òptic permet mesurar-ne el rendiment en condicions properes a les requerides per la funció visual abans de ser implantada. Aquesta anàlisi es realitza amb control de variables com la mida pupil ·lar o l'aberració esfèrica (SA), la qual cosa proporciona bona repetibilitat als exàmens. D'aquesta manera, és possible establir comparacions objectives entre els diferents dissenys i models de LIOs, així com facilitar-ne la selecció personalitzada, en funció de les necessitats del pacient. A aquest efecte, s'ha fet servir un dispositiu òptic, dissenyat pel grup de recerca amb anterioritat, que segueix les recomanacions de la norma ISO 11979-2:2014. Paral ·lelament, s'ha dut a terme la construcció, la caracterització i la posada en marxa d'un nou muntatge experimental amb un model d'ull més proper a l'ull humà. Aquest muntatge inclou unitats que permeten controlar l'entrada d'informaci ó òptica del test objecte i del feix de llum, un sistema d'òptica adaptativa (AO) i un sensor matricial amb una sensibilitat espectral propera a l'observador patr ó en visió fotòpica. La caracterització dels subsistemes i components específics dels muntatges ha permès fixar les condicions de treball per al seu ús, amb coneixement i control de les prestacions. Un cop situada la LIO al model d'ull, la seva qualitat òptica ha estat analitzada mitjançant mètriques objectives sota condicions de treball variables, parant especial atenci ó a la qualitat de la imatge i els efectes de degradació produïts per dues causes principals: la multifocalitat i les aberracions. També s'ha avaluat la possible formació d’halos , ates a la importància clínica dels efectes disfotòpics. La incorporació del sistema AO ha permès simular la presència d'astigmatisme corneal (incloent-hi errors de rotació de la LIO una vegada implantada), i també còrnies amb diferent grau de SA que reprodueixin casos pràctics i realistes d'interès clínic (per exemple, còrnies sotmeses a cirurgia refractiva prèviament a la implantació de LIO). La investigació realitzada aporta els valors aconseguits per les lents estudiades – 16 models de diferent dis s eny i cinc fabricants – en un conjunt de mètriques de qualitat òptica, així com la seva evolució des de la visió de lluny fins a la visió de prop. La caracterització ha permès estimar valors promig d'agudesa visual postoperatòria en el rang complet de visió i predir la profunditat de camp (amb agudesa visual 0.2 logMAR o millor), possibilitant la comparaci ó amb els resultats clínics obtinguts mitjançant corbes de desenfocament. La informació obtinguda mitjançant ambdues metodologies, òptica i clínica, és una aportació valuosa al camp de la cirurgia de cataracta amb implant de lent intraocular, que comprèn des de l'elecció de la lent fins al disseny de nous productes, la seva fabricació i control. A més, aquests avenços reforcen la importància d'atendre les característiques individuals de cada pacient a l'hora de seleccionar la LIO adequada.

(Español) Las lentes intraoculares (LIOs) permiten sustituir cristalino opacificado (catarata), recuperando la transparencia del sistema visual. Actualmente, hay una gran variedad de diseños, marcas y modelos de LIOs en el mercado, que se pueden clasificar según el número de focos y principio físico de cada diseño, en monofocales, multifocales y con rango de visión extendido (ERV). Esta tesis se centra en la evaluación de la calidad óptica de las LIOs y en los métodos que utilizan para determinarla en un modelo de ojo como sistema formador de imágenes en banco óptico. La caracterización óptica de una LIO en banco óptico permite medir su rendimiento en condiciones próximas a las requeridas por la función visual antes de ser implantada. Este análisis se realiza en condiciones controladas de variables como el tamaño pupilar o la aberración esférica (SA), lo que proporciona buena repetitividad a los exámenes. De esta forma, es posible establecer comparaciones objetivas entre los diferentes diseños y modelos de LIOs, así como facilitar la selección personalizada, en función de las necesidades del paciente. Con este fin, se ha usado un dispositivo óptico, diseñado por el grupo de investigación con anterioridad, que sigue las recomendaciones de la norma ISO 11979-2:2014. Paralelamente, se ha llevado a cabo la construcción, caracterización y puesta en marcha de un nuevo montaje experimental con un modelo de ojo más próximo al ojo humano. Este montaje incluye unidades que permiten el control de la entrada de informaci ón óptica del test objeto y del haz de luz, un sistema de óptica adaptativa (AO) y un sensor matricial con una sensibilidad espectral cercana a la del observador patrón en visión fotópica. La caracterización de los subsistemas y componentes específicos de los montajes ha permitido fijar las condiciones de trabajo para su uso, con conocimiento y control de sus prestaciones. Una vez situada la LIO en el modelo de ojo, su calidad óptica ha sido analizada mediante métricas objetivas bajo condiciones de trabajo variables, prestando especial atención a la calidad de la imagen y los efectos de degradación producidos por dos causas principales: la multifocalidad y las aberraciones. Tambi én se ha evaluado la posible formación de halos, dada la importancia clínica de los efectos disfotópicos. La incorporación del sistema AO ha permitido simular la presencia de astigmatismo corneal (incluyendo errores de rotación de la LIO una vez implantada), y también córneas con diferente grado de SA que reproduzcan casos prácticos y realistas de interés clínico (por ejemplo, córneas sometidas a cirugía refractiva previamente a la implantación de LIO). La investigación realizada aporta los valores alcanzados por las lentes estudiadas en un conjunto de métricas de calidad óptica, así como su evolución desde la visión de lejos hasta la visión de cerca. La caracterización ha permitido estimar valores promedio de agudeza visual postoperatoria en el rango completo de visi ón y predecir la profundidad de campo (agudeza visual 0.2 logMAR o mejor), posibilitando la comparaci ón con los resultados clínicos obtenidos mediante curvas de desenfoque. La información obtenida por ambas metodologías, óptica y clínica, es una valiosa aportación al campo de la cirugía de catarata con implante de lente intraocular, que comprende desde la elección de la lente hasta el diseño de nuevos productos, su fabricación y control. Además, estos avances refuerzan la importancia de atender a las características individuales de cada paciente a la hora de seleccionar la LIO adecuada.