POLARIZACIÓN Y CALIDAD DE IMAGEN RETINIANA EN SUJETOS JÓVENES

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

1.4.2. Polarización en las estructuras oculares

El    ojo    presenta    propiedades    de    polarización    tales    como birrefringencia, despolarización o dicroísmo. Sin embargo, es la birrefringencia la que más afectará al cambio del estado de polarización de la luz que entra en el ojo. A continuación se revisa de forma breve cuáles son las  propiedades de polarización de las estructuras oculares y cómo éstas afectan al estado de polarización de la luz incidente.

Córnea

En la córnea, el estroma está formado por capas de fibras de colágeno que presentan

un determinado ángulo respecto a las fibras de capas adyacentes. Un conjunto de fibras paralelas  inmersas  en  un  medio  de  menor  índice  actúa  como  un  cristal  uniáxico  con birrefringencia positiva con el eje óptico en la dirección de las fibras [Bour, 1991]. En el caso de la córnea, el índice de las fibras es 1.47, frente a  1.354 de la sustancia fundamental que las rodea  [Maurice, 1969].
En 1987, se mostró que la cornea actúa como un cristal biáxico, con el eje principal (eje rápido) perpendicular a la cornea y el eje lento en dirección nasal inferior, [van Blokland & Verhelst, 1987]. Más tarde se comprobó que la cornea en su parte central se comporta como un  retardador lineal fijo con el eje lento en dirección nasal inferior [Bueno, 2000; Knighton & Huang, 2002]. En las zonas excéntricas, se comporta como un cristal uniáxico inclinado con el eje óptico perpendicular a la superficie [Bueno & Vargas-Martín, 2002]. Para que tales comportamientos sean compatibles ha de cumplirse que la cornea se comporte como un cristal biáxico con dos ejes lentos, uno paralelo al plano corneal que afectaría a la parte central y otro perpendicular que afectaría a la periferia y en incidencias de ángulos grandes.

Cristalino

El retardo que introduce en la luz el cristalino es mucho menor que en la cornea [Bour, 1991].  Las  primeras  medidas  en  vivo  se  realizaron  en  1991  por  Brink  [Brink,  1991] calculando los parámetros de birrefringencia corneal para 2 estados acomodativos (0 y 5 D) concluyendo que en el cristalino  la birrefringencia intrínseca y de forma (debida a que el espesor de fibras de la capsula es mayor que la longitud de onda visible) se cancelaban entre sí, ya que no se veía afectada por la acomodación y que por tanto el retardo total introducido por el cristalino es mínimo. En 2003, Bueno y Campbell comprobaron que el retardo que introduce el  cristalino es significativamente menor que el de la cornea y que además la contribución  del  dicroísmo  es   pequeña  [Bueno  &  Campbell,  2003].  La  propiedad  de polarización más relevante es la despolarización (scattering), que en edades avanzadas puede llegar al 35 %.

Retina

Las propiedades de polarización más importante de la retina es la birrefringencia. En

particular, la capa de fibras del nervio óptico exhibe birrefringencia a causa de su estructura [Dreher et al., 1992], formando una disposición radial entorno a papila óptica. Las fibras del nervio óptico pueden considerarse como una capa de cilindros paralelos perpendiculares a la superficie retiniana.

Esta disposición hace que se comporte como un cristal uniáxico, con el eje óptico paralelo  a  los  cilindros  y  perpendicular  a  la  luz  incidente,  de  manera  que  el  índice  de refracción puede ser mínimo para la componente del campo eléctrico que es perpendicular a las fibras del nervio óptico y máximo para la componente paralela.
La disposición de las fibras del nervio óptico es similar a la disposición de las fibras de la cornea, solo  que el tamaño de las fibrillas corneales es menor que la longitud de onda incidente (permitiendo  su  transparencia)  mientras  que  las  fibras  del  nervio  óptico  son mayores. [Hogan et al., 1971] hay varios estudios in vivo de la birrefringencia retiniana [van Blokland, 1985] y [Dreher et al., 1992]

La birrefringencia en la capa de fibras que rodean la cabeza del nervio óptico se usa en el diagnóstico  clínico del glaucoma [Weinreb et al., 1990; Drehel et al., 1992; Reiter & Drehel, 1998], pues la pérdida de birrefringencia (retardo) está directamente relacionado con la reducción del espesor de las fibras nerviosas (pérdida de axones). La birrefringencia en la zona de la mácula se usa en la medida de estrabismos [Hunter et al., 2003].

1.4.3. Reflexión Retiniana

Los primeros investigadores en polarización ocular pensaban que al introducir luz polarizada, ésta sufría despolarización. No obstante, lo que ocurría es que confundieron la luz elípticamente polarizada con luz despolarizada. [Van Blokland, 1985]. Estudios más recientes han mostrado que parte de la polarización se   mantiene, y que la orientación de la elipse de polarización de la luz de salida luz puede verse modificado por  la birrefringencia. Usando elipsometría  de  matrices  de  Mueller,  van  Blokland  y  van  Norren  encontraron  que  la conservación de la polarización en fóvea disminuía según aumentaba la longitud de onda y que la polarización de la luz se preservaba aproximadamente en un 90 %. [van Norren & van Blokland, 1986].
La luz que llega al fondo de ojo sufre reflexión en la membrana limitante interna (primera capa de la retina), mientras que la luz que llega a las restantes capas sufre scattering. Cuando se produce el esparcimiento, la luz que se refleja hacia atrás sufre despolarización, sin embargo la luz que ha sido reflejada  en la primera capa retiniana mantiene el estado de polarización, pudiendo mejorarse la calidad de imagen retiniana restando la imagen obtenida con  luz  polarizada  de  la  obtenida  con  luz  despolarizada  [Burns  et  al.,  2003].  En  los fotorreceptores, parte de la luz se absorbe y el resto se propaga hasta el epitelio pigmentario donde se produce absorción a través de la melanina. Esta absorción impide que la   luz se refleje en las capas posteriores. Aunque se produzca fuerte absorción cierta cantidad de luz se transmite hasta la coroides.
La retina presenta una interacción con la luz polarizada distinta a la córnea o el cristalino. La  diferencia estriba en su estructura en capas diferenciadas. Por una parte la membrana  limitante  interna  (como  ya  se  ha  dicho)  se  comporta  como  una  superficie reflectante manteniendo el grado de polarización de la luz incidente. El epitelio pigmentario  y la  membrana  de  Bruch  exhiben  cierto  grado  de  birrefringencia  induciendo  un  retardo aleatorio entre las componentes del campo eléctrico. Aunque existe diferencia entre  estas capas  ya  que  el  epitelio  pigmentario  mantiene  el  grado  de  polarización  incidente  y  la membrana de Bruch despolariza de la luz. La capa que contiene las fibras de Henle también presenta birrefringencia, al igual que la capa de fibras nerviosas.  [Morgan et al., 1998; Pircher et al., 2004].
La despolarización está relacionada con    el scattering y se produce cuando la luz encuentra  variaciones  en  el  índice  de  refracción.  En  el  proceso  visual  el  scattering  es importante puesto que reduce el contraste de las imágenes que se forman sobre la retina. Sin embargo para la observación del  fondo ocular afectan por igual tanto el scattering en el sentido de propagación de la luz (forward  scattering) como la que se produce en sentido contrario (backward scattering). Las causas de dispersión en el ojo humano en cuanto a la luz retrodispersada son: opacidades en la cornea, cristalino o humor vítreo,  [Hemenger, 1992], retina [Pircher et al., 2004], coroides y  esclera [Delori & Pfildsen, 1989; Elsner et al., 1992]

1.4.4. Direccionalidad de la reflexión retiniana

Si la luz incidente es coherente, la polarización de la luz reflejada será la resultante de la polarización de las aportaciones de los elementos que producen scattering [Born & Wolf,
1980]. En la reflexión especular, la polarización de la luz reflejada no se modifica, mientras que  en  una   reflexión  más  compleja  en  las  estructuras  birrefringentes  y  dicroicas,  la polarización resultante seguramente sea no lineal y dependa del ángulo.
Parte de la luz que incide sobre el epitelio pigmentario de la retina vuelve a los segmentos externos de los fotorreceptores y puede ser considerada como guiada o reflexión especular [van Blokland & van Norren, 1986] el resto de la luz difundida en retina pero que no vuelve a los fotorreptores  puede ser considerada no guiada o reflexión difusa.

En 1995 se desarrolló    un sistema objetivo para medir la alineación de los conos midiendo la distribución de luz que volvía de la retina correspondiente a diferentes posiciones de una fuente puntual pequeña en el plano de la pupila tal que la distribución se ve afectada por la orientación de la luz a lo largo de los fotorreceptores [Burns et al, 1995]. Entendiendo por  reflexión  difusa  aquella  en  la  que  la  luz  incide  sobre  una  superficie  en  la  que  sus partículas están orientadas de forma aleatoria y por tanto las reflexiones se  distribuyen de forma aleatoria; y por reflexión especular aquella que se produce cuando la luz incide sobre una superficie regular.

En la siguiente figura se presenta una adaptación de un modelo de reflexión retiniana de van Blokland y van Norren (1986), revisada por A. Roorda en 1996 [Roorda, 1996].  La figura muestra la luz incidente en la retina y dispersada por varias estructuras. Cada ruta de reflexión de la luz está marcada con una letra (A-G). Las letras con asterisco presentan las reflexiones del modelo original [van Blokland & van Norren, 1986]. Esta adaptación tiene en cuenta la reflexión especular y la luz que llega más allá del epitelio pigmentario. Se muestra la membrana limitante interna (MLI), un fotorreceptor y el epitelio pigmentario de  la  retina (EPR). Veamos el significado de cada letra:
A) Reflexión especular en la MLI. Esta componente es importante para ojos jóvenes aunque disminuye con la edad, no afecta al blanqueo de fotorreceptores.
B) La luz llega hasta el fotorreceptor, se refleja en el EPR y vuelve a salir del fotorreceptor. Se trata de una  reflexión direccional que aumenta con el blanqueo de fotorreceptores. El blanqueo del pigmento, sin embargo, no afecta cuando la luz que refleja es infrarroja o próxima al infrarrojo.
C) La luz entra en el fotorreceptor, atraviesa el EPR, se dispersa y vuelve de nuevo al fotorreceptor.   Ésta   es   una   componente   direccional   que   puede   ser   afectada   por   el blanqueamiento, pero fundamentalmente es una ruta para el acceso a las capas profundas de la retina en las longitudes de onda roja e infrarroja.
D)  La  luz  entra  al  fotorreceptor  y  se  dispersa  fuera,  el  blanqueamiento  afecta  a  esta componente sólo a la incidencia.
E) La luz no entra en el fotorreceptor en el camino de incidencia ni en la dispersión y es por tanto reflexión difusa.
F)  La  luz  entra  en  el  fotorreceptor,  atraviesa  el  EPR  pero  no  vuelve  a  entrar  en  el fotorreceptor.  Es   una  reflexión  difusa  que  puede  verse  afectada  por  el  blanqueo  de fotorreceptores, excepto para luz roja e infrarroja.
G) La luz no entra en el fotorreceptor ni en el camino de entrada ni en la dispersión y por tanto el blanqueamiento del fotorreceptor no le afecta.

1. 5. Motivación, objetivos y estructura del trabajo

El desarrollo de métodos no invasivos para el estudio del globo ocular en vivo a través de la Óptica permite la detección precoz de determinadas patologías de los medios oculares o del fondo de ojo antes de que  el paciente comience a presentar síntomas. En este sentido, existe instrumentación comercial de aplicación en el ámbito clínico con el fin de obtener y analizar imágenes de retina, como es el caso de los oftalmoscopios. Aunque el ojo humano no pueda  distinguir  diferentes  estados  de  polarización,  introduce  cambios  en  el  estado  de polarización de la luz incidente debido fundamentalmente a las propiedades de birrefringencia [van Blokland, 1985; Bueno, 2000] y scattering (o despolarización [Bueno, 2001; Bueno et al., 2009]). A día de hoy la birrefringencia de la capa de fibras nerviosas que rodean la cabeza del nervio óptico se usa para la detección precoz de glaucoma  [Huang, 2006]. Por tanto, cabe pensar que todo sistema basado en registrar imágenes de la retina puede verse afectado por la polarización.
El  presente  trabajo  tiene  un  objetivo  fundamental:  el  estudio  del  efecto  de  la polarización en el camino de registro (o de salida) de un imágenes de DP sobre la calidad de imagen retiniana en sujetos jóvenes. Para ello se han analizado imágenes de DP registradas con diferentes estados de polarización de salida utilizando diferentes parámetros de calidad óptica calculados directamente sobre las imágenes.
Para ello se ha implementado un polarímetro de imagen en DP en el cual el estado de polarización de  la luz que incide sobre el ojo es fijo (lineal) y la salida variable. En un conjunto de sujetos jóvenes se han registrado imágenes de doble paso para varios estados de polarización  de  salida  independientes  y  se   analizado  su  calidad  mediante  diferentes parámetros de calidad
La presente memoria está estructurada en cuatro capítulos que se describen de forma somera a continuación.


-El Capítulo 1 que aquí acaba tiene un carácter introductorio donde se presenta un repaso de las estructuras oculares. También se ha incluido una revisión bibliográfica sobre el sistema de DP y cuáles son los factores que influyen en la calidad de imagen retiniana. Finalmente se han descrito las propiedades de polarización ocular y el fenómeno de la reflexión retiniana.


-El Capítulo 2 presenta los métodos empleados en este estudio. Se describe en detalle el polarímetro de  imagen en DP desarrollado para este trabajo y la obtención de los estados independientes de polarización de salida y el procedimiento experimental seguido. Finalmente se describen de los parámetros utilizados para la evaluación de la calidad de imagen retiniana.

-El Capítulo 3 muestra los resultados obtenidos, teniendo como base el cálculo de todos los parámetros de calidad de imagen retiniana descritos en el capítulo anterior.


-En el Capítulo 4 se resumen las principales conclusiones del trabajo.


-En el Apéndice se muestran datos adicionales sobre los parámetros de calidad óptica y los estudios estadísticos correspondientes a cada parámetro.

 

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