Fenómenos asociados a la difusión de la luz en visión e imágenes de la retina

Resumen

Resumen Cuando la luz viaja a través del ojo para formar la imagen retiniana se ve afectada por los medios ópticos de forma que el objeto y la imagen nunca pueden ser idénticos. La luz se dispersa según una función, característica de cada sistema óptico, la función de dispersión de punto (PSF) que depende básicamente de tres fenómenos: la difracción, las aberraciones y el scattering, cada uno afectando la PSF de un modo distinto. La difracción, aunque en realidad es un fenómeno general que describe el cambio de dirección de la luz cuando encuentra un obstáculo físico, en la óptica fisiológica se refiere a la difracción de la luz en la pupila. Las aberraciones, por otro lado, describen cualquier desviación del sistema óptico perfecto, o cualquier desviación de la aproximación paraxial. En las últimas dos décadas, las aberraciones oculares de bajo y alto orden se han medido de manera efectiva y se han corregido con éxito utilizando la óptica adaptativa. Tanto la difracción como las aberraciones, afectan principalmente a la parte central de la PSF, que está relacionada con las características de alta frecuencia, o los detalles de la imagen. La difracción y las aberraciones degradan la imagen de la retina que afecta la agudeza visual y la sensibilidad al contraste. El scattering se refiere a la dispersión de la luz debido a las estructuras de aproximadamente 10 micrómetros o menos, y afecta no solo a la zona central, pero a la zona periférica de la PSF también. Por lo tanto, contrariamente a la difracción y las aberraciones, los efectos de la dispersión en la imagen afectan igual a las frecuencias más bajas, y se percibe como una pérdida de contraste que depende en gran medida del rango dinámico de la imagen, o de la presencia de fuentes de resplandor (¿glare sources¿). El scattering aumenta con la edad y especialmente en los pacientes con cataratas y puede conducir a una pérdida severa de contraste. La PSF afecta de la misma manera a la visión y a la formación de imágenes del fondo del ojo, a pesar de que la retina y los procesos que tienen lugar en nivel neural puedan compensar parcialmente los errores de la visión. El objetivo de esta tesis es estudiar el efecto del scattering en la visión y en la obtención de imágenes de la retina. El primer paso fue construir un modelo teórico del fondo de ojo y simular, usando técnicas Monte Carlo, la difusión de la luz en el fondo del ojo con diferentes longitudes de onda, y su dependencia con la pigmentación. Se demostró que existe una fuerte dependencia de la difusión en el fondo del ojo con la longitud de onda, con una reflectancia aproximadamente 10 veces más alta en longitudes de onda más largas. Además, se observó una dependencia de la difusión del fondo de ojo en los cambios con la pigmentación, únicamente para las longitudes de onda más largas, mientras que las longitudes de onda medianas no se vieron afectados. Además, la difusión en el fondo se comparó con el scattering producido en la óptica del ojo y el rango espacial de cada fenómeno. El estudio mostró que para longitudes de onda intermedias la difusión es dominante hasta aproximadamente 2 grados de ángulo visual, mientras que para las longitudes de onda más largas pueden dominar hasta los 4 grados. Se investigó el efecto de la difusión del fondo de ojo en la visión. En primer lugar, usando una técnica óptica, se cuantificó la luz difundida en el fondo del ojo para diferentes condiciones espaciales en verde (550 nm) y rojo (650 nm) midiendo la reflectancia del fondo de ojo para 6 sujetos agrupados según su pigmentación. Se encontró un aumento significativo en la reflectancia en los sujetos con más pigmentación para las longitudes de onda más largas, en línea con las simulaciones y estudios anteriores. En segundo lugar, se construyó un sistema psicofísico, basado en el método de Heterochromatic Flicker Photometry (HFP), para medir la sensibilidad en verde y rojo para dos condiciones espaciales distintas. Las medidas ópticas se compararon con las medidas psicofísicas donde se observó un aumento de la sensibilidad con la reflectancia del fondo de ojo, consistentes en todos los sujetos. Dado que la reflectancia del fondo de ojo depende de la pigmentación, los individuos de pigmentación baja muestran una sensibilidad al color rojo mayor. En la otra parte de la tesis, se estudió el scattering en los medios oculares, centrando en el efecto de la dispersión en la imagen del fondo. Para este propósito, un sistema óptico se construyó, basado en el principio de doble paso, capaz de adquirir imágenes del fondo ocular a diferentes longitudes de onda y tamaños de campo. El método completo se probó y validó primero en una configuración en paso simple, donde el scattering se introdujo por medio de filtros. La reconstrucción de la PSF completa se realizó en 7 sujetos utilizando el método de integración óptica suponiendo una PSF basada en la CIE glare function. Se registraron imágenes del fondo a diferentes longitudes de onda y la imagen original se reconstruyó aplicando un método de ¿enhancing¿ de contraste usando con la PSF reconstruida. Se demostró que la compensación de scattering puede mejorar significativamente el contraste de la imagen. El nivel de mejora depende no sólo de la cantidad de scattering para la longitud de onda específica, sino también del rango dinámico de la imagen del fondo. Se encontró una mejora de alrededor del 10 % para la configuración específica. El método de compensación de scattering se aplicó en el caso de la medida de la densidad óptica del pigmento macular (MPOD) usando imágenes retinianas. Según este método se tomaron dos imágenes de fondo de ojo, una a la longitud de onda donde el pigmento macular no absorbe y otra a una longitud de onda en el que muestra su pico de absorción y se extrajo la MPOD usando una fórmula matemática. El cálculo se hizo antes y después de aplicar el algoritmo de compensación de scattering para 6 sujetos y se midió una subestimación media de la MPOD de aproximadamente un 10 %. Por último, para probar los resultados con un método ya conocido de MPOD se construyó un sistema adicional psicofísico, basado en el método de HFP, que está afectado únicamente a un pequeño grado de scattering. Se observó una buena correlación entre los dos métodos que aumenta cuando el scattering se compensa. Summary When light travels through the eye to form the retinal image, it is affected by the optical media in a number of ways, such that the object and image space can never be identical. The light is spread according to a function, characteristic of the system, called the Point Spread Function (PSF) and it depends on three main phenomena: diffraction, aberrations and scattering, each one of them with different effects. Diffraction, although in reality a very general effect describing essentially the redirection of the light when meeting an obstacle, in physiological optics usually refers to diffraction at the pupil. %This simplifies the description of the phenomenon, making it possible to approximate its effect with a simple formula. Aberrations, on the other hand, is a more general term describing any deviation from the perfect model, or any deviation from the paraxial approximation. In the last two decades, low and high order ocular aberrations have been successfully measured and corrected using adaptive optics. Both diffraction and aberrations affect mainly the central part of the PSF, that is related to the high frequency features, or the details of the image. Diffraction and aberrations degrade the retinal image affecting visual acuity and contrast sensitivity. Scattering refers to the spreading of the light due to structures of about 10 microns or less, and it is not restricted to the central part of the PSF but affects its wide-angle parts as well. Therefore, contrary to diffraction and aberrations, scattering also affects low frequencies and it is perceived as a loss of contrast which depends heavily on the dynamic range of the image, or the presence of glare sources. Scattering increases with age and especially in cataract patients and can lead to a severe contrast loss. The PSF affects in exactly the same way, both vision and fundus imaging, although the retina and the processes taking place at a neural level can partially compensate the errors for vision. The purpose of this thesis is to study the effect of scattering in vision and in fundus imaging. The first step was to build a theoretical fundus model and quantify light diffusion in the fundus at different wavelengths and its dependence on the melanin pigmentation, simulating realistic pigmentation values found in a normal population. It was shown that there is a strong dependence of fundus diffusion on wavelength, with even 10 times higher reflectance or more at longer wavelengths. Moreover, a dependence of fundus diffusion was observed on changes in melanin pigmentation but only for longer wavelengths, whereas medium wavelengths were unaffected. Additionally, fundus diffusion was compared to scattering in the optical media and the spatial dominance of each phenomenon was studied. The study showed that for medium wavelengths diffusion is dominant to up to about 2 degrees of visual angle, whereas for longer wavelengths the domain of dominance increases to 4 degrees. The effect of fundus diffusion in vision was investigated. Firstly, using an optical technique, diffused light in the fundus was quantified for different spatial conditions at green (550nm) and red (650nm) through the measurement of fundus reflectance for 6 subjects grouped according to their melanin pigmentation. There was a significant increase in reflectance at light pigmentation subjects for longer wavelengths, which was in line with previous simulations and studies. Secondly, a psychophysical setup based on the Heterochromatic Flicker Photometry (HFP) method was built and the green to red color sensitivity for two different spatial conditions was measured. The measurements of the optical system were then compared to the psychophysical ones where an increase in sensitivity with fundus reflectance was observed, consistent in all subjects. Consequently, since fundus reflectance depended on pigmentation, light pigmentation individuals have an increased red to green color sensitivity. In the other part of the thesis, the focus was shifted towards the study of scattering in the ocular media, with the center of attention being the effect of scattering in fundus imaging. For this purpose, an optical setup was built based on the double-pass principle, capable of acquiring fundus images at various wavelengths and field sizes. The complete method was first tested and validated in a single-pass setup where scattering was introduced by a scatter filter. The reconstruction of the wide angle PSF was done for 7 subjects using the method of optical integration assuming a PSF based on the CIE glare function. Fundus images at different wavelengths were acquired for the subjects and the original intensity map of the image was reconstructed by applying a custom contrast enhancement method using the reconstructed PSF. It was shown that this scattering compensation technique can significantly improve the contrast of the image. The improvement depended not only on the amount of scatter for the specific wavelength but also on the dynamic range of the fundus. An improvement of about 10% was found for the specific setup. The scattering compensation method was applied in the case of the Macular Pigment Optical Density (MPOD) measurement using reflectometry. In this method two fundus images were taken, one at wavelength where macular pigment does not absorb and another at a wavelength where it shows its peak absorption and the MPOD was extracted using the pixel intensities of the two images. The calculation was done both before and after applying the scattering compensation algorithm for 6 subjects and an average MPOD underestimation of about 10% was observed. Finally, in order to test the results against a proven MPOD measurement, a psychophysical setup was built, based on the HFP method, which is affected only to a small degree by scattering. A very good correlation between the two methods was observed and the agreement increased when scattering was compensated.