Dispositivo de metrología óptica para la evaluación cromática de lentes intraoculares

Anabel Martínez-Espert₁, Vicente Ferrando₂, Francisco M. Muñoz-Pérez_2,3, Diego Montagud-Martínez_1,2, Juan A. Monsoriu₂ y Walter D. Furlan_1
1Departamento de Óptica y Optometría y Ciencias de la Visión
₂Centro de Tecnologías Físicas, Universitat Politècnica de València
₃Institut Universitari de Ciència dels Materials (ICMUV), Universitat de València

1. Introducción

La implantación de una lente intraocular (LIO) en sustitución del cristalino opacificado es el tratamiento estándar para las cataratas, y se está convirtiendo en una alternativa cada vez más frecuente para el tratamiento de la presbicia. En el mercado existen múltiples diseños de LIOs, que se pueden clasificar según la cantidad de focos que producen y el principio óptico empleado en su diseño [1-3]. Las LIO monofocales, que han sido históricamente las más utilizadas, están diseñadas para proporcionar una buena visión a distancias lejanas, por lo que requiere que los pacientes usen gafas para ver objetos a distancias intermedias y cercanas. Sin embargo, a menudo, los pacientes buscan la independencia de ayudas ópticas, para disfrutar de una buena visión a diferentes distancias. Esta demanda ha llevado al aumento en la implantación de lentes intraoculares multifocales (LIOM), que están diseñadas para proporcionar múltiples focos y así mejorar la visión a diferentes distancias. 

La calidad óptica de las LIOM está regulada por la norma ISO 11979-2, 2014 [4]. Según esta norma, los estudios de rendimiento óptico deben realizarse in vitro en banco óptico con luz monocromática (λ = 546 nm). Esta evaluación incluye la medición de la función de dispersión del punto (PSF) y función de transferencia de modulación (MTF), que son esenciales para determinar la calidad de imagen que una lente puede proporcionar. No obstante, el análisis del rendimiento óptico con luz policromática es cada vez más relevante para entender su comportamiento en condiciones más cercanas a la vida real [5–8]. 

En este trabajo presentamos un sistema de banco óptico para estudiar la calidad óptica de las LIOs, capturando y analizando las imágenes en tiempo real, utilizando diversas condiciones de iluminación y diferentes objetos de prueba. Este enfoque integral proporciona una comprensión más completa del rendimiento de las LIOM bajo condiciones de uso real, ayudando a mejorar los diseños futuros y a satisfacer mejor las expectativas de los pacientes. Además, con estos estudios se pueden identificar deficiencias en los diseños actuales, contribuyendo al desarrollo de LIO que ofrezcan una mejor calidad de vida para los pacientes post-cirugía de cataratas. 

2. Dispositivo experimental y métricas 

La Figura 1 ilustra el esquema del dispositivo experimental o banco óptico utilizado para la caracterización cromática de las lentes intraoculares (LIO). Este sistema permite el registro automático de la función de dispersión del punto (PSF), generada por un ojo artificial, al utilizar como objeto un estenopeico de 15 µm. Este estenopeico se desplaza axialmente para generar diferentes vergencias del objeto (véase la Fig. 1). 

El modelo de ojo se compone de una córnea artificial, que en este caso es un doblete acromático Melles Griot LAO34 (Modelo ISO 1), y una cubeta de cuarzo que contiene suero fisiológico, en la cual se inserta la LIO bajo estudio. Las imágenes producidas por el modelo de ojo son capturadas mediante una cámara CMOS (EO-5012C; Edmund Optics, Barrington, NJ, EE.UU.) acoplada a un objetivo de microscopio de magnificación 5x (Obj). 

El objeto es iluminado por un haz colimado proveniente de un LED blanco (SI) (Thorlabs MCWHL5), filtrado a distintas longitudes de onda (FC). Los filtros utilizados tienen un ancho de banda de 10 nm, centrados en 450 nm, 550 nm y 650 nm (Thorlabs FB450-10; FB550-10; FB650-10).  Debido a que la córnea del ojo artificial se sitúa en el plano focal imagen de la lente Badal LB (f_B = 160 mm), el ángulo subtendido por el objeto de prueba permanece constante para todas las vergencias [9]. 

Para aislar el rendimiento óptico policromático de las LIO de la aberración cromática residual generada por los elementos ópticos del banco, el sistema es calibrado midiendo la aberración cromática longitudinal residual sin la LIO, y este valor se resta de las curvas experimentales obtenidas. En el plano focal imagen de la lente Badal se coloca un diafragma (D), que actúa como la pupila del ojo artificial. La imagen de este plano se proyecta sobre la cara anterior de la LIO a evaluar mediante un sistema 4f compuesto por las lentes L₁ (f₁ = 100 mm) y L₂ (f₂ = 100 mm). 

Este sistema experimental permite evaluar las propiedades de enfoque de una LIO, variando el diámetro pupilar y utilizando diferentes filtros cromáticos. Los movimientos de la etapa de traslación y la captura de imágenes son controlados a través de un programa desarrollado en LabView. 

Las imágenes de las PSF registradas por la cámara se procesan para calcular las MTF en un rango de frecuencias espaciales y vergencias definido, siguiendo la Ec.1. 

En términos generales, se selecciona un rango de frecuencias espaciales de 0 a 50 lp/mm (pares de líneas por milímetro). El rango de vergencias se ajusta según la adición nominal de la LIO multifocal (LIOM). De esta manera, es posible generar un mapa bidimensional de los valores de la Función de Transferencia de Modulación (MTF) en función de la vergencia (MTF 2D), para distintos grados de desenfoque con respecto a la vergencia cero. Este proceso de medición se puede realizar para diferentes longitudes de onda, utilizando los filtros cromáticos, lo que permite obtener el valor de la aberración cromática longitudinal (LCA) de las LIO. 

Adicionalmente al estenopeico, es posible utilizar diferentes objetos con el fin de estudiar la LIO bajo diferentes métricas. Así, utilizando el test USAF de resolución como objeto se puede realizar un estudio inicial del comportamiento de la lente en formación de imágenes para diferentes frecuencias espaciales. O bien, utilizando redes binarias de amplitud de diferentes frecuencias para calcular el contraste relativo de imágenes producidas por el sistema a diferentes vergencias (MTF axiales). 

3. Resultados 

En la Figura 2 se muestra el mapa de MTF 2D obtenido para la LIO trifocal FineVision POD F (PhysIOL, Bélgica) de 13 D (Dioptrías) de potencia. En este caso, la lente se ha evaluado con luz monocromática de λ = 550 nm y para dos diámetros de pupila, 3,0 mm y 4,5 mm.

Realizando un corte horizontal de la MTF 2D es posible obtener la TF–MTF para una frecuencia dada. La Figura 3(a) muestra la TF–MTF a 50 lp/mm de la LIOM estudiada para 3,0 mm y 4,5 mm de diámetro, obtenidas a partir de un perfil de las figuras 2 (a y b). Por otro lado, el área bajo la curva de la MTF (MTFa) a través de foco también se puede obtener calculando la integral de los valores de MTF para cada vergencia (ver Figura 3(b)). Esta última métrica resulta ser muy útil, ya que permite predecir el valor de agudeza Visual obtenido tras la implantación de la LIOM, con los valores de MTFa medidos in vitro [10–12]. 

Como se puede observar en las Figuras 2 y 3, la LIOM estudiada, presenta un rendimiento óptico característico de una lente trifocal. La lente muestra un foco centrado en 0,00 D, un segundo foco en ≈ 1,75  D  y  un  tercero centrado en 3,50 D, para visión lejana, intermedia y  cercana, respectivamente. Además, esta lente, al estar apodizada es pupilo-dependiente, tal y como se observa en los resultados mostrados en la Figura 3. 

En la Figura 4 se muestran los resultados obtenidos realizando un estudio policromático de la MTFa obtenida individualmente para las longitudes de onda verde (λ = 550 nm), azul (λ = 450 nm) y roja (λ = 650 nm), así como para luz policromática, para una pupila de 3.00 mm. Es posible observar que el comportamiento para cada longitud de onda presenta claras diferencias. Para el caso donde λ = 450 nm, esta presenta un valor mayor para el foco de cerca en comparación al obtenido para el de visión intermedia y visión de lejos. Para λ = 650 nm el comportamiento es similar al obtenido para una λ = 550 nm, sin embargo, el valor de MTFa es menor. A partir de estas curvas, es posible obtener el valor de la LCA, que se obtuvo a partir de las curvas de MTFa como la diferencia entre los planos focales de la luz monocromática azul (450 nm) y rojo (650 nm). Para el caso que se muestra en la Figura 4, es posible observar que los valores para los focos de visión de lejos, intermedia y cercana son 0,2 D, -0,1 D y -1,1 D, respectivamente. 

4. Conclusiones

Se ha presentado un banco de metrología óptica basado en la norma ISO 11979-2 2014, que permite la caracterización de LIOM con luz policromática. Este dispositivo de medición permite obtener una serie de métricas de rendimiento óptico a partir del registro de la PSF axial. Esta evaluación se lleva a cabo utilizando diferentes filtros cromáticos y variando el diámetro de la pupila del sistema. A partir de estas imágenes, es posible obtener un mapa MTF 2D, así como otras métricas de calidad óptica. El sistema experimental representa una alternativa funcional y viable para la obtención de métricas de rendimiento óptico, de forma más rápida y cercana a las condiciones de iluminación de la vida real. Las métricas obtenidas presentan información relevante de gran interés, tanto para la industria, al ser una herramienta fundamental para el control de calidad en la fabricación, como para los profesionales de la visión, ya que les permite elegir la LIO más idónea, teniendo en cuenta las características y demandas visuales de los pacientes.

Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (PID2022-142407NB-I00); y la Generalitat Valenciana (CIPROM/2022/30). A. M.-E. agradece el apoyo financiero de la Universitat de València (programa Atracció de Talent 2021). D.M.-M. agradece también la beca Margarita Salas del Ministerio de Universidades, España, financiada por la Unión Europea-Next Generation EU. 

Referencias 

1. R. Rampat & D. Gatinel. Multifocal and extended depth-of-focus intraocular lenses in 2020.  Ophthalmology 2020, 128: e164–e185, 2020. 

2. L. C. Salerno, M. C. Tiveron& J. L. Alió. Multifocal intraocular lenses: Types, outcomes, complications and how to solve them. Taiwan J. Ophthalmol., 7:179–184, 2017. 

3. J. Zvorniˇanin & E. Zvorničanin.  Premium intraocular lenses: The past, present and future.  J. Curr. Ophthalmol., 30:287–296, 2018. 

4. International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland. ISO 11979-2; International Standard, Ophthalmic Implants-Intraocular Lenses-part 2: Optical Properties and Test Methods., 2014. 

5. M.S. Millán & F. Vega. Through-focus energy efficiency and longitudinal chromatic aberration of three presbyopia- correcting intraocular lenses. Translational Vision Science and Technology, 9(12), 2020. 

6. Y. Lee, G. Łabuz, H.-S. Son, T.M. Yildirim, R. Khoramnia & G. H. Auffarth. Assessment of the image quality of extended depth-of-focus intraocular lens models in polychromatic light. Journal of Cataract Refractive Surgery, 46(1), 2020. 

7. D. Montagud-Martínez, V. Ferrando, A. Martínez-Espert, S. Garcia-Delpech, J. A. Monsoriu, & W. D. Furlan.      In vitro chromatic performance of three presbyopia-correcting intraocular lenses with different optical designs. Journal of Clinical Medicine, 11(5), 2022. 

8. S. García, L. Salvá, S. García-Delpech, A. Martínez-Espert, V. Ferrando & D. Montagud-Martínez. Polychromatic assessment of a refractive segmented edof intraocular lens. Journal of Clinical Medicine, 11(6), 2022. 

9. A. Calatayud, L. Remón, J. Martos, W. D. Furlan & J. A. Monsoriu. Imaging quality of multifocal intraocular lenses: Automated assessment setup. Ophthalmic Physiol. Opt., 33:420–426, 2013. 

10. J. Armengol, N.Garzón, F.Vega, I. Altemir & M.S. Millán. Equivalence of two optical quality metrics to predict the visual acuity of multifocal pseudophakic patients. Biomedical Optics Express, 11(5), 2020. 

11. J. Fernández, M. Rodríguez-Vallejo, J. Martínez, N. Burguera, & D. P. Piñero. Prediction of visual acuity and contrast sensitivity from optical simulations with multifocal intraocular lenses. Journal of Refractive Surgery, 35(12), 2019. 

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