Simulation methods to evaluate and optimize optical designs in order to improve the presbyopia correction

Resumen

El envejecimiento tiene dos grandes consecuencias en la visión, la presbicia y las cataratas. La presbicia es el resultado de la declinación natural, relacionada con la edad, de la capacidad para enfocar objetos cercanos. Existe una gran población présbita, en edades comprendidas entre los 45 y 65 años. Las cataratas se producen en personas mayores como resultado natural del proceso del envejecimiento, causando una pérdida de visión debido a la opacificación del cristalino. La cirugía de cataratas es la cirugía más habitual en oftalmología, pero también la intervención quirúrgica, no sólo ocular, más practicada a nivel mundial. Un 30% de la población mayor de 65 años presenta algún tipo de opacidad cristaliniana, siendo en algunos casos necesaria su extracción. Se estima que las cataratas que provocan una pérdida de visión afectan a unos 17 millones de individuos en todo el mundo. Durante los últimos años, el deseo de independizarse de las gafas ha aumentado entre estos pacientes con cataratas y presbicia, debido a múltiples factores, tales como el aumento de las demandas visuales en cerca, la estética o una mayor esperanza de vida, entre otros. Por ello, desde hace varios años, se han llevado a cabo diseños de lentes intraoculares multifocales o acomodativas, cuyo objetivo es reducir la dependencia de gafas tras la cirugía de cataratas o bien como una opción quirúrgica refractiva en aquellos pacientes présbitas. La presbicia se compensa de manera más común mediante el uso de lentes oftálmicas con adición bifocal o progresiva. Aunque esta opción sufre de inconvenientes ergonómicos y psicológicos, como la distorsión y restricción del campo visual, la inestabilidad binocular, la dificultad para conseguir visión precisa en una variedad de tareas cotidianas, la incompatibilidad con numerosos deportes y los cambios estéticos son a menudo mal aceptados por el usuario. Las lentes de contacto suelen estar mejor adaptadas a los estilos de vida modernos. Dado que normalmente siguen todos los movimientos oculares, no sufren de las desventajas antes mencionadas. Actualmente para la corrección de la presbicia mediante lentes de contacto se emplea la monovisión, donde un ojo es corregido para visión próxima y el otro para visión lejana, y la visión simultánea, donde ambas lentes siguen un diseño multifocal especial con objeto de incrementar la profundidad de foco del ojo. A pesar de los esfuerzos en el desarrollo de lentes de contacto multifocales para présbitas, actualmente en el mercado todavía encuentran una aceptación clínica limitada, siendo su tasa de éxito menor al 10%. Además de las lentes oftálmicas y las lentes de contacto, existen diferentes soluciones, como la cirugía refractiva corneal o la implantación de una lente intraocular de cámara anterior, también llamadas lentes fáquicas. La opción más común para corregir el error refractivo es mediante cirugía refractiva corneal, aunque actualmente, otras opciones como la implantación de una lente intraocular de cámara anterior se están haciendo más populares, ya que son una buena alternativa para aquellos pacientes que no son buenos candidatos a la cirugía refractiva corneal, debido a altos defectos refractivos o espesores corneales reducidos. Las ICLs (Implantable Collamer Lens, STAAR surgical, Nidau, Switzerland) son lentes intraoculares de cámara anterior, aprobadas por la FDA (en inglés, Food and Drugs Administration) para el tratamiento de la miopía. Se ha demostrado que las ICLs son efectivas para la corrección de la miopía, hipermetropía y astigmatismo. Además, varios estudios científicos han mostrado que este procedimiento quirúrgico es mejor que la cirugía refractiva corneal en aquellas medidas de seguridad, eficacia, predictibilidad y estabilidad, incluso en ojos con baja miopía. Estos resultados se deben, principalmente, a que la ablación requerida durante la cirugía refractiva corneal cambia la forma de la córnea, incrementando las aberraciones de alto orden, especialmente la aberración esférica. Por otro lado, la implantación de una ICL no requiere ablación quirúrgica del tejido corneal, dejando la córnea virgen. Por tanto, este procedimiento quirúrgico induce significativamente menos aberraciones de alto orden que la cirugía refractiva corneal. La implantación de una ICL puede inducir aberraciones de alto orden debido a las propiedades innatas de la propia lente y también debido al tipo de incisión durante el procedimiento quirúrgico. Uno de los principales inconvenientes de estas lentes es la formación de cataratas tras su implantación, algunos estudios de la FDA mostraron que la incidencia de la formación de una catarata secundaria en pacientes implantados con una ICL fue del 2.1% en el primer año y del 2.7% en el tercer año tras la cirugía. La causa de esta complicación puede ser por el contacto entre la ICL y el cristalino, o bien por una malnutrición localizada debida a la pobre circulación del humor acuoso. Para mejorar la circulación del humor acuso crearon un pequeño agujero en el centro de la ICL, de tal forma que no afectaba la calidad visual de los pacientes y era suficiente para mejorar la circulación del humor acuso de la cámara anterior al cristalino, previniendo así la formación de cataratas secundarias. El objetivo de este trabajo es caracterizar y evaluar en profundidad estas lentes intraoculares fáquicas, específicamente las ICLs, con el fin de encontrar la solución para que estas lentes corrijan la presbicia. Para llevar a cabo este proyector se utilizó un instrumento llamado NIMO (Lambda X, Belgium), el cual nos permite caracterizar las diferentes lentes mediante la medida de las aberraciones de las mismas; y un simulador visual basado en la óptica adaptativa (crx1, Imagine Eyes, Orsay, France), que nos permite medir, corregir y simular diferentes patrones de aberraciones. Los sistemas de óptica adaptativa permiten mejorar la calidad de un sistema óptico, limitado por la presencia de aberraciones inducidas por la luz al atravesar un medio no homogéneo, midiéndolas y corrigiéndolas simultáneamente. La óptica adaptativa tiene sus orígenes en la astronomía, la cual se propuso para solucionar el problema de la degradación de las imágenes producida por la atmósfera que se obtenían de las estrellas, introduciendo la idea de la óptica adaptativa como elemento para medir y corregir simultáneamente las aberraciones causadas por una atmósfera turbulenta. Debido a las múltiples aplicaciones de esta técnica, los sistemas de óptica adaptativa tuvieron un gran desarrollo, extendiéndose hasta el campo de la biomedicina, principalmente en el ámbito de la óptica visual. El ojo humano como sistema óptico presenta aberraciones que degradan la imagen que se forma en la retina y, por tanto, la visión, de modo que una de las principales aplicaciones de la óptica adaptativa es la corrección de las aberraciones del ojo, con el fin de mejorar la calidad visual de los pacientes. Pero la óptica adaptativa no se limita únicamente a la corrección de las aberraciones oculares, sino que tiene múltiples aplicaciones dentro de este ámbito. Cabe destacar, por ejemplo, su uso para incrementar la resolución de las imágenes registradas in vivo de la retina, ampliando en gran medida la información que puede obtenerse de ésta. Otra aplicación de la óptica adaptativa que más atañe a esta Tesis Doctoral es la simulación visual. El simulador visual de óptica adaptativa combina un aberrómetro para medir las aberraciones oculares y un sistema de espejos deformables para corregir y/o inducir patrones de aberraciones predefinidos. Al mismo tiempo, un estímulo visual se proyecta a través del sistema a una micro pantalla. De tal modo, que es posible evaluar la calidad visual de diferentes diseños de lentes intraoculares en diferentes posiciones o diferentes técnicas quirúrgicas mientras se combinan con diferentes perfiles corneales. Gracias a estas posibilidades, podemos analizar las diferencias en la calidad visual entre los diferentes diseños de lentes y/o técnicas quirúrgicas en un mismo paciente sin necesidad de realizar una cirugía. En el capítulo 2 se evalúa la calidad óptica y visual de lentes intraoculares fáquicas miópicas, específicamente las ICLs, para diferentes potencias refractivas (bajas, medias y altas) y diferentes condiciones de cirugía. Para ello, en primer lugar se miden las aberraciones del frente de onda de las lentes in vitro y, a continuación, se emplea un simulador de óptica adaptativa para simular la visión que se obtendría con las diferentes potencias de las ICLs miópicas, tanto para una incisión quirúrgica pequeña como grande. Los resultados de calidad óptica muestran que las ICLs miópicas presentan aberración esférica negativa, la cual aumenta con la potencia refractiva de la lente; encontrando diferencias significativas en la aberración esférica entre las potencias bajas-medias y las altas. El resto de aberraciones de onda evaluadas (coma, trefoil, tetrafoil y astigmatismo secundario) fueron mínimas. Tras las simulaciones no encontramos diferencias en las medidas de agudeza visual y sensibilidad al contraste entre las ICLs de baja y media potencia, pero pasaron a ser significativas para la ICL de mayor potencia evaluada. Sin embargo, estas pérdidas son compensadas por el efecto de magnificación, lo cual ocurre cuando un paciente miope se somete a la implantación de una ICL. Esto se puede atribuir a mover la corrección refractiva desde el plano de las gafas al ojo. Respecto al efecto de la incisión quirúrgica, encontramos significativamente mejores resultados para la incisión quirúrgica pequeña, ya que cuanto mayor es la incisión más aberraciones son inducidas. Estos resultados muestran que las ICLs proporcionan una buena calidad óptica y visual, siendo ésta mejor si la incisión quirúrgica es pequeña. Por lo tanto, ante un astigmatismo, los cirujanos deberían preferir implantar una lente tórica a través de una incisión quirúrgica pequeña, en vez de una lente esférica y una incisión quirúrgica mayor para corregir el astigmatismo. En el capítulo 3, teniendo en cuenta la alta popularidad de otras técnicas de cirugía refractiva corneales, como es el LASIK (en inglés, Laser in Situ Keratomileusis), se comparan ambos procedimientos para la corrección de la miopía. De nuevo, se hizo uso del simulador visual de óptica adaptativa con el fin de simular la visión tras la implantación de una ICL y tras un LASIK a partir de las aberraciones del frente de onda. Las ICLs mostraron mejores resultados de calidad óptica en ambas métricas analizadas. Respecto a la calidad visual, no se encontraron diferencias para niveles de miopía bajos. Sin embargo, para miopías medias-altas, el efecto de las aberraciones se hace aparente, encontrando diferencias significativas en los resultados de agudeza visual y sensibilidad al contraste entre ambos procedimientos. En cualquiera de los casos, tanto los resultados de calidad óptica como de calidad visual fueron mejores tras la implantación de la ICL. Esto es debido a que el LASIK induce más aberraciones de alto orden, debido a la ablación corneal, que tras la implantación de una ICL. Ambos procedimientos muestran buena calidad óptica y visual, aunque las ICLs proporcionan mejores resultados, especialmente para miopías medias-altas y pupilas grandes. En el capítulo 4 se mide y compara dos modelos de ICLs, las convencionales y aquellas que presentan un agujero central, además de analizar como varía el patrón de aberraciones ante descentramientos de la lente tras su implantación. Se miden ambos modelos de ICLs en tres situaciones: centradas y descentradas 0.3 mm y 0.6mm, mediante el instrumento NIMO. No se encontraron diferencias significativas en los coeficientes de zernike analizados entre los dos modelos de ICLs, en ninguna de las situaciones analizadas. En cuanto a los descentramientos se observó un aumento de la aberración coma, aunque esta no fue visible en las métricas utilizadas para evaluar la calidad óptica. De modo que los resultados mostraron excelentes y comparables resultados con ambos modelos de ICL evaluados, por lo tanto el agujero central que presentan las lentes no afecta a la calidad óptica de las mismas. Por otro lado, a pesar del incremento de la aberración coma con el descentramiento de las lentes, estos valores fueron clínicamente despreciables y se espera que no tengan ningún efecto en la función visual. Con el fin de corroborar estos resultados y observar las posibles diferencias al introducir estas lentes en un ojo, en el capítulo 5 se hace uso del simulador visual para simular y comparar la calidad visual de las ICLs convencionales y las ICLs con agujero a diferentes grados de descentramientos. No se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la función visual entre ambos modelos de lentes (con y sin agujero) para ninguna potencia dióptrica evaluada. Los descentramientos evaluados (0.3 y 0.6 mm) no afectaron de manera significativa a la agudeza visual ni a la sensibilidad al contraste, además el descentramiento afectó de la misma forma a ambos modelos de lente evaluados. Estos resultados afirman los resultados obtenidos en el capítulo anterior, el agujero central que presentan las ICLs, no afectan a la función visual tras su implantación. Por otro lado, este estudio también demuestra la alta tolerancia a los descentramientos de estas lentes, ya que con un desplazamiento horizontal de 0.6mm, la función visual no se vio afectada significativamente. Una vez caracterizadas y evaluadas las ICLs, para finalizar, el objetivo es encontrar un diseño de ICL que compense la presbicia. En el capítulo 6, se modifica la aberración esférica de las ICLs, haciéndola más negativa y positiva, con el fin de encontrar un valor de aberración esférica idóneo para que no disminuya la calidad visual de los pacientes y a su vez que aumente la profundidad de foco, siendo útil para aquellos pacientes pre-présbitas y présbitas jóvenes, los cuales aún presentan cierto grado de acomodación. Mediante el uso del simulador visual, se simulan las diferentes ICLs con diferentes cantidades de aberración esférica en pacientes jóvenes con la acomodación paralizada y se mide la función visual a diferentes vergencias. En todas las simulaciones se encontró que un aumento de aberración esférica, tanto positivo como negativo, disminuye la agudeza visual, aunque este decline de agudeza visual solo fue clínicamente significativo cuando el residual de aberración esférica fue negativo y con grandes diámetros pupilares. A su vez, también encontramos que un residual de aberración esférica, tanto positivo como negativo aumenta la profundidad de foco, aunque solo fue clínicamente significativo para altos valores residuales de aberración esférica. Estos resultados muestran que un residual de aberración esférica negativo disminuye mucho la agudeza visual. Sin embargo un cierto grado de aberración esférica positiva tras la implantación de una ICL mejora la profundidad de foco, ofreciendo aceptables valores de agudeza visual, proporcionando así una ICL para présbitas jóvenes. Finalmente, en el capítulo 7 se reúnen las conclusiones generales, acorde a lo expuesto en cada capítulo, así como las sugerencias para posibles estudios futuros. Entre estas sugerencias se podría destacar la posibilidad de testear los diferentes diseños de las ICLs para présbitas en pacientes présbitas jóvenes.