POLARIZACIÓN Y CALIDAD DE IMAGEN RETINIANA EN SUJETOS JÓVENES

Francisco Javier Ávila Gómez (CV)
franciscojavier.avila@um.es

CAPÍTULO 1

Introducción

1.1. Estructura ocular

En este apartado se describen a grandes rasgos las principales estructuras oculares (Figura 1.1), procurando darle un enfoque “óptico” que facilite la comprensión de los conceptos y resultados que se exponen en esta memoria.

1.1.1. Córnea

La córnea es un menisco convexo-cóncavo que constituye el primer dioptrio ocular. Es una estructura fibrosa y avascular, con un poder de refracción de aproximado de 40 D y consta de 5 capas (epitelio, membrana de Bowman, estroma, membrana de Descemet y endotelio). El epitelio  tiene  un  espesor  medio  aproximado  de  53  μm  y  una  estructura  estratificada  y escamosa. La superficie más externa está formada por pliegues y microvellosidades que aumentan el contacto entre células epiteliales y la lágrima [Pfister, 1973]. La membrana de Bowman es una capa acelular de 10 μm de espesor medio compuesta de colágeno tipo I y III, que actúa como barrera física entre el epitelio y el estroma. Puesto que no tiene células, una lesión a este nivel produce una cicatriz que perturbará el paso de  luz. El estroma, con un espesor medio de unas 550 micras en la zona central, constituye el 90 % del espesor corneal. Está  constituido  por  una  matriz  extracelular  donde  se  hallan  las  células  estromales  o queratocitos.  Esta  matriz  extracelular  es  la  responsable  de  la  refracción  ocular  y  está compuesta por fibras de colágeno tipo I y V dispuestas tridimensionalmente para formar las lamelas (de 200 a 250)  dispuestas de forma paralela. Dentro de cada lamela las fibras de colágeno tienen la misma orientación.  [Freegard, 1997]. La membrana de Descemet es la membrana basal con espesor medio de 12 μm que separa el estroma del endotelio y tiene gran capacidad de  regeneración. Finalmente el endotelio es la capa mas interna de la cornea que está en contacto con el humor acuoso. Está constituido por una capa de células hexagonales formando un mosaico.

1.1.2. Cristalino

El cristalino es una lente biconvexa con una potencia de aproximadamente 22 D que varía en función  de  la  tensión  que  ejerzan  las  fibras  zonulares  sobre  su  ecuador.  El  interés  del cristalino en este estudio reside  en su tanto poder de acomodación como en los cambios fisiológicos que se producen con la edad, ambos factores influyentes en la calidad de imagen retiniana.

1.1.3. Retina

La retina, situada al fondo del globo ocular es la zona se produce el proceso visual. Tiene un carácter neurosensorial, es decir es una parte del sistema nervioso que recoge luz, la sintetiza en procesos fotoquímicos y la transmite en forma de impulso nervioso a la corteza visual. Está formada por 9 capas (Figura 1.2), de las cuales, la membrana limitante interna y la capa de fotorreceptores son esenciales para entender el modelo de reflexión retiniana del punto como se verá más adelante. Las zonas más importantes son la cabeza del nervio óptico (papila) y la macula. En la zona central de sitúa la fóvea, lugar de máxima agudeza visual del ojo. Sobre esta zona es donde se van a formar las imágenes retinianas que utilizaremos a lo largo de este trabajo.

1.2. Antecedentes del sistema oftalmoscópico de doble paso

El sistema oftalmoscópico de doble paso se ha usado durante las últimas décadas para estimar la calidad óptica del ojo humano [Artal et al., 1993; Artal et al., 1995b]. Esencialmente, este método emplea la luz reflejada en  la retina de una fuente puntual. El termino doble paso aparece por primera vez en 1955 en un trabajo titulado Doble traversée de l´oeil publicado por  Flamant  [Flamant,  1955].  El  diseño  original  usaba  una   lámpara  como  fuente  de iluminación (test lineal), una lamina semirreflejante para transmitir la luz en el primer paso y reflejarla en el segundo, dirigiéndola hacia a una placa fotográfica donde quedaba registrada la imagen.
Sin embargo, el término “imagen aérea” o de “doble paso” no fue introducida hasta

1962  por  Westheimer  y  Campbell  [Westheimer  &  Campbell,  1962],  en  cuyo  sistema experimental usaron un fotomultiplicador para el registro de imagen. En 1981 se sustituyó el test lineal por una fuente puntual y la lámpara por un láser He-Ne [Arnulf et al., 1981]. Seis años después se la videocámara tomó el relevo como sistema de registro [Santamaría et al.
1987], hasta que finalmente se sustituyó por una cámara CCD [Artal, et al., 1995b]. La Figura

1.3 presenta la primera imagen de doble paso obtenida con una fuente puntual. Por su parte la Figura 1.4  presenta una imagen retiniana de DP típica registrada con este sistema para un sujeto joven normal.

1.3 Calidad de la imagen retiniana de doble paso

La calidad de la imagen retiniana de doble paso puede verse afectada por diversos factores  tales  como  el  tamaño  de  la  pupila,  la  acomodación,  la  edad,  la  ametropía,  la polarización… También las patologías oculares y la cirugía (corneal, de cristalino y retiniana) pueden influir en ésta. En cualquier caso,  en  cualquier imagen de doble paso                                                                                                                  hay dos contribuciones fundamentales: las aberraciones y el scattering (término tomado directamente del inglés).
Las aberraciones afectan a la parte central de la imagen, pudiendo variar su forma y extensión. En general, cuanto más extensa sea la parte central, peor será la calidad de imagen. Las aberraciones modifican la forma del frente de onda (Figura 1.6). Así un frente de onda plano que llega a ojo, si éste fuera perfecto (limitado por difracción) se transformaría en un frente de onda esférico y la imagen sobre la retina sería un disco de Airy. Sin embargo esto no así, sino que el frente de onda plano se transforma en un frente de onda aberrado y la imagen sobre la retina es una “mancha”, tanto más grande cuanto más aberrada sea la óptica del ojo en cuestión. De forma muy genérica, se define la aberración de onda como la diferencia de camino óptico en el plano de la pupila de salida (del ojo) entre el frente onda ideal y el real.

En el ojo humano la principal fuente de aberraciones es la córnea [Artal et al., 2001] y cristalino  compensa  parcialmente  las  aberraciones  producidas  por  la  córnea  (en  sujetos jóvenes). La lágrima contribuye en mucha menor medida [Tutt et al., 2000]. El presente se centra en sujetos jóvenes y sanos. En  este tipo de sujetos, los estudios muestran que las aberraciones más frecuentes son desenfoque y astigmatismo [Bradley et al., 2001].
El instrumento de medida de aberración ocular más extendido es el sensor de frente de onda Hartmann-Shack. No entraremos en detalles sobre este instrumento, aunque debido a su importancia y como ejemplo cualitativo se ha optado por mostrar en la Figura 1.7 una imagen de Hartmann-Shack y la aberración de onda calculada a partir de ella.

Por su parte, el término scattering se ha tomado directamente del inglés y su origen se debe a multitud  de factores, tales como la reducción de la transparencia de los medios, cambios no homogéneos en el índice de refracción, etc. El efecto es que la luz al pasar por los diferentes medios oculares pierde su direccionalidad y se dispersa, originando un halo de luz difusa alrededor de la imagen retiniana. En la imagen de doble paso el scattering se localiza por tanto en la zona periférica (“colas”), de forma que cuanto mayor la cantidad de luz en las colas, peor será la calidad de la imagen.
En el ojo la principal fuente de scattering es debida a la pérdida de transparencia del cristalino (catarata). En un ojo joven y sano la relación la porción de luz que sufre scattering es de un 5%, de la que  más  de la mitad es responsable el cristalino [Miller & Benedeck,
1979]. En la córnea el scattering se debe a una pérdida de la transparencia corneal causado principalmente  por una ordenación anómala de las fibras de colágeno del estroma, aunque para una cornea normal la luz difundida por las fibras apenas alcanza el 2 % [Hart & Farrel,
1969]. Los humores y las alteraciones de la lágrima [Albarran et al., 1997] son factores menores.
Una  forma  objetiva  de  cuantificar  la  cantidad  de  scattering  es  separando  las contribuciones  de  scattering  y  aberración  de  la  imagen  aérea  usando  conjuntamente  un sistema de doble paso y un  aberrómetro Hartmann-Shack [Díaz-Doutón et al., 2006]. Otro más reciente utiliza el denominado Índice de  Scattering Objetivo (OSI), definido como la relación entre la cantidad de luz en las colas y la zona central de la imagen de doble paso.

1.3.1. Factores que limitan la calidad de la imagen retiniana

A continuación se muestra de forma somera uno a uno los factores que afectan a la calidad de imagen retiniana y que se citaron anteriormente.

Tamaño pupilar

Ametropía

Acomodación

El proceso acomodativo puede producir cambios en la aberración ocular [Kruger et al.,

1997]. Ya que el ojo cambia su óptica ocular con la acomodación, las aberraciones pueden cambiar  de  un  estado  acomodativo  a  otro,  afectando  por  tanto  a  la  calidad  de  imagen retiniana.  

Patologías oculares

Cirugía

La intervención quirúrgica para la eliminación de la catarata y la sustitución de esta por una lente intraocular trae asociados cambios en la calidad de la imagen retiniana pues desaparece la fuente principal de scattering.

1.4. Polarización ocular y reflexión retiniana

1.4.1. Imagen de doble paso y polarización

Actualmente se usan técnicas de diagnóstico en oftalmología basadas en la medida de los cambios  del  estado de polarización de la luz en la retina [Drehel et al, 1992]. Tales sistemas registran la imagen  que tras reflejarse en la retina es registrada para su estudio. Habitualmente la configuración que genera los estados de polarización de entrada y salida en el  sistema  oftalmoscópico  consiste  en  polarizadores  lineales  [Williams  et  al,  1994]  o cruzados. Para estudiar cómo afecta la polarización a las imágenes de doble  paso en un polarímetro, habrá que evaluar cómo afecta la polarización de entrada (para salida fija), cómo afecta la polarización de salida (para entrada fija) y cómo afecta la combinación de ambas. Se ha comprobado que el  estado de polarización incidente en el ojo no afecta a la calidad de imagen retiniana [Bueno & Artal, 1999; 2001; Bueno et al., 2006; Bueno & Pérez, 2010] lo que implica que el ojo no puede detectar diferentes estados de polarización (Figura 1.18). Sin embargo, las distintas combinaciones de los elementos que forman las unidades generadoras y de análisis de estados de polarización pueden afectar significativamente a las  imágenes de doble paso registradas [Bueno & Artal, 2001; Bueno et al., 2006]. Este efecto se comprobó en un número muy limitado de sujetos.

Para  el  estudio  del  efecto  de  la  polarización  en  las  imágenes  de  doble  paso, habitualmente se usa luz infrarroja o próxima a él, evitando así el blanqueo de fotorreceptores que pueden afectar al estado de polarización de la luz que emerge del ojo [van Blokland & van Norren, 1986]. Respecto a la relación entre la longitud de onda empleada y el estado de polarización, se ha probado que para un determinado estado de  polarización de entrada, la calidad de la imagen de doble paso es peor para luz infrarroja (780 nm) que para roja (633nm) o verde (532 nm) debido a una mayor cantidad de scattering registrado [Bueno & Pérez,2010].

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