Aberraciones del ojo

El ojo , como cualquier otro sistema óptico, sufre una serie de aberraciones ópticas específicas . La calidad óptica del ojo está limitada por las aberraciones ópticas, la difracción y la dispersión . ^{[1] La corrección de} los errores de refracción esferocilíndricos ha sido posible durante casi dos siglos después del desarrollo de métodos de Airy para medir y corregir el astigmatismo ocular. Solo recientemente ^{[ ¿cuándo? ]} se ha vuelto posible medir las aberraciones del ojo y con el advenimiento de la cirugía refractiva podría ser posible corregir ciertos tipos de astigmatismo irregular.

La aparición de molestias visuales como halos , deslumbramiento y diplopía monocular después de la cirugía refractiva corneal se ha correlacionado durante mucho tiempo con la inducción de aberraciones ópticas. Varios mecanismos pueden explicar el aumento en la cantidad de aberraciones de orden superior con los procedimientos refractivos con láser excimer convencional: un cambio en la forma de la córnea hacia el achatamiento o prolatamiento (después de las ablaciones miópicas e hipermétropes respectivamente), un tamaño insuficiente de la zona óptica y un centrado imperfecto. Estos efectos adversos son particularmente notables cuando la pupila es grande. ^[2]

Un frente de onda es una superficie sobre la que una perturbación óptica tiene una fase constante. Los rayos y los frentes de onda son dos métodos de propagación de la luz que se complementan entre sí. Los frentes de onda son siempre normales (perpendiculares) a los rayos.

Para que la luz converja en un punto perfecto, el frente de onda que emerge del sistema óptico debe ser una esfera perfecta centrada en el punto de la imagen. La distancia en micrómetros entre el frente de onda real y el frente de onda ideal es la aberración del frente de onda, que es el método estándar para mostrar las aberraciones del ojo. Por lo tanto, las aberraciones del ojo son la diferencia entre dos superficies: el frente de onda ideal y el real.

En la población normal, las aberraciones dominantes son los errores de enfoque esferocilíndricos de segundo orden, que se denominan errores de refracción . Las aberraciones de orden superior son un componente relativamente pequeño, que comprende aproximadamente el 10% de las aberraciones totales del ojo. ^[3] Las aberraciones de orden superior aumentan con la edad y existe simetría especular entre el ojo derecho y el izquierdo. ^[4]

Varios estudios han demostrado que la aberración de la córnea se compensa con la aberración del cristalino. La aberración esférica de la córnea suele ser positiva, mientras que el cristalino joven presenta una aberración esférica negativa. Además, existen pruebas sólidas de que se compensan las aberraciones entre la córnea y la óptica intraocular en casos de astigmatismo (horizontal/vertical) y coma horizontal. El equilibrio de las aberraciones corneales e internas es un ejemplo típico de la creación de dos sistemas ópticos acoplados. ^[5]

La respuesta acomodativa del ojo produce cambios en la forma del cristalino y afecta sustancialmente el patrón de aberración del frente de onda. La mayoría de los ojos muestran una aberración esférica positiva cuando no están acomodados, con una tendencia hacia la aberración esférica negativa en la acomodación. ^[1]

Las aberraciones de bajo orden incluyen la miopía (desenfoque positivo), la hipermetropía (desenfoque negativo) y el astigmatismo regular . Otras aberraciones de bajo orden son aberraciones no significativas visualmente conocidas como aberraciones de primer orden, como los prismas y las aberraciones de orden cero (pistón). Las aberraciones de bajo orden representan aproximadamente el 90% de la aberración de onda total en el ojo. ^{[5] [6]}

Existen numerosas aberraciones de orden superior, de las cuales sólo la aberración esférica , la de coma y la de trébol son de interés clínico.

La aberración esférica es un término que se utiliza clínicamente para referirse a las aberraciones esféricas de cuarto orden. Este término no debe confundirse con los polinomios esféricos de Zernike, que son simplemente polinomios de Zernike con un grado acimutal de cero; de hecho, se puede describir matemáticamente el desenfoque, una aberración de orden inferior (segundo) como una aberración esférica de segundo orden. Sin embargo, en este contexto clínico, la aberración esférica se refiere a las aberraciones esféricas de cuarto orden. La aberración esférica es la causa de la miopía nocturna y suele aumentar después de la cirugía LASIK miópica y la ablación de superficie. Produce halos alrededor de las imágenes puntuales. La aberración esférica exacerba la miopía en condiciones de poca luz (miopía nocturna). En condiciones más brillantes, la pupila se contrae, bloqueando los rayos más periféricos y minimizando el efecto de la aberración esférica. A medida que la pupila se agranda, entran más rayos periféricos en el ojo y el foco se desplaza hacia delante, lo que hace que el paciente sea ligeramente más miope en condiciones de poca luz. El efecto de la aberración esférica (una aberración de cuarto orden) aumenta como la cuarta potencia del diámetro de la pupila. Duplicar el diámetro de la pupila aumenta el componente de aberración esférica en un factor de 16. ^[7] Por lo tanto, un pequeño cambio en el tamaño de la pupila puede causar un cambio significativo en la aberración esférica. Esta posibilidad debe considerarse en pacientes que tienen visión fluctuante a pesar de tener córneas bien curadas después de una cirugía queratorrefractiva.

El coma (una aberración de tercer orden) es común en pacientes con injertos corneales descentrados , queratocono y ablaciones láser descentradas.

El trébol (una aberración de tercer orden) produce menos degradación en la calidad de la imagen en comparación con el coma de magnitud RMS similar. ^[6]

En general, se ha informado que el aumento de la aberración de onda total con el tamaño de la pupila aumenta aproximadamente hasta la segunda potencia del radio de la pupila. Esto se debe a que la mayor parte de la aberración de onda se debe a aberraciones de segundo orden, que tienen una dependencia del cuadrado del radio. ^[5]

Se han descrito muchas técnicas para medir las aberraciones oculares. La técnica más común es la aberrometría de Shack-Hartmann. Otros métodos incluyen los sistemas de Tscherning, el trazado de rayos y los métodos de skiascopia. ^{[2] [8]}

Las comparaciones cuantitativas entre diferentes ojos y condiciones se realizan generalmente utilizando el valor cuadrático medio ( RMS ). Para medir el RMS de cada tipo de aberración, es necesario elevar al cuadrado la diferencia entre la aberración y el valor medio y promediarlo en toda el área de la pupila. Diferentes tipos de aberraciones pueden tener el mismo valor cuadrático medio en toda la pupila, pero tienen diferentes efectos en la visión; por lo tanto, el error cuadrático medio no está relacionado con el rendimiento visual. La mayoría de los ojos tienen valores cuadráticos medio totales inferiores a 0,3 μm. ^[6]

El método más común para clasificar las formas de los mapas de aberraciones es considerar cada mapa como la suma de formas fundamentales o funciones base. Un conjunto popular de funciones base son los polinomios de Zernike . ^[2] Cada aberración puede tener un valor positivo o negativo e induce alteraciones predecibles en la calidad de la imagen. ^[9] Debido a que no hay límite para la cantidad de términos que pueden usarse en los polinomios de Zernike, los científicos de la visión usan los primeros 15 polinomios, basándose en el hecho de que son suficientes para obtener una descripción altamente precisa de las aberraciones más comunes que se encuentran en el ojo humano. ^[10] Entre estos, los coeficientes de Zernike más importantes que afectan la calidad visual son el coma, la aberración esférica y el trébol. ^[6]

Los polinomios de Zernike se expresan generalmente en términos de coordenadas polares (ρ,θ), donde ρ es la coordenada radial y θ es el ángulo. La ventaja de expresar las aberraciones en términos de estos polinomios incluye el hecho de que los polinomios son independientes entre sí. Para cada polinomio, el valor medio de la aberración a través de la pupila es cero y el valor del coeficiente da el error RMS para esa aberración particular (es decir, los coeficientes muestran la contribución relativa de cada modo de Zernike al error total del frente de onda en el ojo). ^[4] Sin embargo, estos polinomios tienen la desventaja de que sus coeficientes solo son válidos para el diámetro de pupila particular para el que están determinados.

En cada polinomio de Zernike , el subíndice n es el orden de aberración ; todos los polinomios de Zernike en los que n=3 se denominan aberraciones de tercer orden y todos los polinomios con n=4, aberraciones de cuarto orden, etc., y suelen denominarse astigmatismo secundario y no deben causar confusión. El superíndice m se denomina frecuencia angular y denota el número de veces que se repite el patrón de frente de onda. ^[4]$Estilo de visualización Z_{n}^{m}}$$Estilo de visualización Z_{4}^{2}}$$Estilo de visualización Z_{4}^{-2}}$

Lista de modos Zernike y sus nombres comunes: ^[11]

Término de Zernike	Nombre
$Estilo de visualización Z_{0}^{0}}$	Pistón
$Estilo de visualización Z_{1}^{1}}$,$Estilo de visualización Z_{1}^{-1}}$	Inclinación (Prisma)
$Estilo de visualización Z_{2}^{0}}$	Desenfoque
$Estilo de visualización Z_{2}^{2}}$,$Estilo de visualización Z_{2}^{-2}}$	Astigmatismo
$Estilo de visualización Z_{4}^{2}}$,$Estilo de visualización Z_{4}^{-2}}$	Astigmatismo secundario
$Estilo de visualización Z_{4}^{0}}$	Aberración esférica
$Estilo de visualización Z_{3}^{1}}$,$Estilo de visualización Z_{3}^{-1}}$	Coma
$Estilo de visualización Z_{3}^{3}}$,$Estilo de visualización Z_{3}^{-3}}$	Trébol
$Estilo de visualización Z_{4}^{4}}$,$Estilo de visualización Z_{4}^{-4}}$	Cuadrifolio

Las aberraciones de bajo orden (hipermetropía, miopía y astigmatismo regular) se pueden corregir con anteojos , lentes de contacto blandas y cirugía refractiva . Ni los anteojos ni las lentes de contacto blandas ni la cirugía queratorrefractiva de rutina corrigen adecuadamente las aberraciones de alto orden. Las aberraciones de alto orden significativas generalmente requieren una lente de contacto rígida permeable al gas para una rehabilitación visual óptima. ^[6]

Los tratamientos láser refractivos corneales guiados por frente de onda personalizados están diseñados para reducir las aberraciones existentes y ayudar a prevenir la creación de nuevas aberraciones. ^[6] El mapa del frente de onda del ojo se puede transferir a un sistema Lasik y permitir que el cirujano trate la aberración. Se requiere una alineación perfecta del tratamiento y la pupila en la que se mide el frente de onda, lo que generalmente se logra mediante la detección de las características del iris. Para el tratamiento se necesita un sistema de seguimiento ocular eficiente y un láser de tamaño de punto pequeño. La personalización de la ablación por frente de onda aumenta la profundidad de la ablación porque se debe extirpar tejido corneal adicional para compensar las aberraciones de alto orden. ^[2] Los resultados reales con LASIK guiado por frente de onda mostraron que no solo no puede eliminar la HOA, sino que también aumentan las aberraciones ópticas. Sin embargo, la cantidad de aumento de las aberraciones es menor que con el Lasik convencional. ^[12] Las aberraciones ópticas corneales después de la queratectomía fotorrefractiva con una zona de ablación más grande y una zona de transición son menos pronunciadas y más fisiológicas que las asociadas con las ablaciones de primera generación (5 mm) sin zona de transición. ^[13] Una próxima revisión sistemática buscará comparar la seguridad y la eficacia de la cirugía refractiva con láser excimer de frente de onda con la cirugía refractiva con láser excimer convencional, y medirá las diferencias en las aberraciones residuales de orden superior entre los dos procedimientos. ^[14]

Las lentes intraoculares asféricas (LIO) se han utilizado clínicamente para compensar las aberraciones esféricas corneales positivas. Aunque las LIO asféricas pueden proporcionar una mejor sensibilidad al contraste, es dudoso que tengan un efecto beneficioso sobre la agudeza visual a distancia. Las LIO convencionales (no asféricas) proporcionan una mejor profundidad de foco y una mejor visión de cerca. La razón de la mejora de la profundidad de foco en las lentes convencionales está relacionada con la aberración esférica residual. La pequeña mejora en la profundidad de foco con las LIO convencionales mejora la visión de cerca sin corrección y contribuye a la capacidad de lectura. ^[15]

Las lentes personalizadas de frente de onda se pueden utilizar en anteojos. Con base en el mapa de frente de onda del ojo y mediante el uso de láser, se le da forma a una lente para compensar las aberraciones del ojo y luego se coloca en los anteojos. El láser ultravioleta puede alterar el índice de refracción de los materiales de las lentes tipo cortina, como el polímero epoxi, punto por punto para generar el perfil de refracción deseado. ^[1]

En teoría, las lentes de contacto personalizadas con frente de onda pueden corregir la atrofia horizontal. La rotación y el descentrado reducen la previsibilidad de este método. ^[1]

• Aberraciones ópticas
• Frente de onda
• Polinomios de Zernike