Lens-based technologies to study accommodation and refraction
Authors:   , Otero Molins Carles 
Published: September 2023

A visual stimulus can be presented in free space or through lens-based systems. Interestingly, it has been reported many times in the past that some subjects have poorer accommodative responses when optically stimulated, with no aparent reason. However, this limitation has not precluded the use of lens-based systems in ophthalmic devices, virtual reality displays or research setups, probably because it is outweighed by some advantages such as the computer-control of the focal plane of the stimuli. Under this general context, the objective of this thesis is to apply lens-based technologies (from computer-controlled electró-optical lenses to Badal Systems) to study accommodation and refraction.
The methodology of this thesis is structured in 6 studies. The first three studies investigate the response of the accommodative system when optically-stimulated with a Badal optometer. The remaining 3 studies take advantage of electro-optical varifocal systems to investigate new methodologies related to the automated subjective refraction and the accommodative facility test. Concretely, the fourth study is a clinical validation of a new automated refraction algorithm and is the only study thatworks specifically on eye¿s refraction. The fifth and sixth studies use an electro-optical liquid lens to present a repeated step-like stimulus at different accommodative distances. The fifth study validates a new accommodative facility test that integrates both the far and near accommodative facility testwith random changes of accommodative stimulus and, the sixth study explores how the predictability of a stimulus affects the accommodation dynamics.
The results of the first three studies show that previously reported differences in accommodative response when using lens-based methods compared to free space viewing may be explained by the effect of other factors such as the refractive error or field of view rather than the method to stimulate accommodation. It is also shown that the most accurate accommodative responses are obtained for fields between 8º and 10º which suggests that there may be an optimum peripheral retinal image size for accommodation stimulation. Also, it is shown that the only factor that in isolation significantly affects the accuracy of the accommodative responses is the type of refractive error. And finally, it is also shown that the accuracy of the accommodation response generally improves with a 2-dimensional stimulus with apparent depth cues and simulated out-of-focus blur in a relatively large field of view. Even though these conditions may not be adequate for all individuals, they can be used to improve the overall visual comfort in those virtual reality systems that use a varifocal optical system to change the focal plane of a 2-dimensional surface or visual simulators.
The results of the study 4 show the first implementation of a potential novel method of performing non1cycloplegic subjective refraction in adults without clinician suport. Although this method has some limitations thatwarrant further research and it should be tested in a wider population in terms of age4 refraction and different ocular conditions4 it is precise and more accurate than objective refraction methods and it has the potential to be incorporated in novel lens1based technologies to improve primary eye care services in developing countries.
And finally, the last two studies showed also the first implementation of a new accommodative facility test that integrates both the far and near accommodative facility testwith random changes of accommodative stimulus. This new methodology is a faster test than performing both the near and far accommodative tests and it provides more information than conventional accommodative facility tests. Additionally these two studies showed that the prediction operator does not exist in accommodation and the unpredictability of the stimulus does not affect the accommodation dynamics.
Un estímul visual es pot presentar a l'espai lliure o a través de sistemes basats en lents. Curiosament, en el passat s'ha reportat moltes vegades que alguns subjectes acomoden de forma més pobre quan aquesta és estimulada per mitjans òptics. Tanmateix, aquesta limitació no ha impedit l'ús de sistemes basats en lents en dispositius oftàlmics, sistemes de realitat virtual o muntatges òptics de recerca, probablement perquè es compensen les limitacions amb alguns avantatges com el control per ordinador del pla focal del estímul. En aquest context general, l'objectiu d'aquesta tesi és aplicar tecnologies basades en lents (des de lents electró-òptiques controlades per ordinador fins a sistemes Badal) per estudiar l'acomodació i refracció. La metodologia d'aquesta tesi està estructurada en 6 estudis. Els primers tres estudis investiguen la resposta del sistema acomodatiu quan està estimulat òpticament amb un optòmetre Badal. Els 3 estudis restants aprofiten els sistemes varifocals electró-òptics per investigar noves metodologies relacionades amb la refracció subjectiva automàtica i la prova de flexibilitat acomodativa. Concretament, el quart estudi és una validació clínica d'un nou algorisme de refracció automatitzat i és l'únic estudi que treballa específicament en la refracció ocular. Els estudis cinquè i sisè utilitzen una lent òptica electró-òptica per presentar un estímul repetit a diferents distàncies acomodatives. El cinquè estudi valida una nova prova híbrida acomodativa que integra la prova de flexibilitat acomodativa llunyana i propera amb canvis aleatoris d'estímul acomodatiu i, el sisè estudi explora com la predictibilitat d'un estímul afecta la dinàmica acomodativa. Els resultats dels tres primers estudis mostren que les diferències reportades anteriorment en la resposta acomodativa quan s'utilitzen mètodes basats en lents en comparació amb la visualització d'estímuls en l'espai lliure es pot explicar per l'efecte de factors com l'error refractiu o el camp de visió més que en el mètode d'estimulació d'acomodació. També es demostra que l'acomodació és més precisa per a camps visuals entre 8 i 10º, el que suggereix que hi pot haver una mida d'imatge retiniana òptima per a l'estimulació de l'acomodació. A més, es demostra que l'únic factor que afecta aïlladament l'exactitud de la resposta acomodativa és el tipus d'error refractiu. També, es demostra que la precisió de la resposta acomodativa generalment millora amb un estímul bidimensional amb pistes de profunditat perifèriques i desenfoc simulat per a un camp de visió relativament gran. Aquestes condicions es poden utilitzar per millorar el confort visual en aquells sistemes de realitat virtual o simuladors visuals que utilitzen un sistema òptic varifocal per canviar el pla focal d'una superfície bidimensional. Els resultats de l'estudi 4 mostren la primera implementació d'un nou mètode potencial per a la realització de refracció subjectiva no cicloplègica en adults sense suport clínic. Encara que aquest mètode requereix encara una investigació addicional en una població més àmplia en termes d'edat, refracció i condicions oculars diferents, és més precís que els mètodes de refracció objectius i té el potencial d'incorporar-se a noves tecnologies basades en lents per millorar els serveis d'atenció primària en països en vies de desenvolupament. Finalment, els dos últims estudis mostren la primera implementació d'una nova prova de flexibilitat acomodativa que integra tant la prova llunyana i propera, amb canvis aleatoris d'estímul acomodatiu. Aquesta nova metodologia és una prova més ràpida que l'execució de les proves d'acomodació pròxima i llunyana i proporciona més informació que les proves de flexibilitat acomodativa per separat. Addicionalment, aquests dos estudis mostren que la capacitat predictiva en l'acomodació es insignificant i que la imprevisibilitat de l'estímul no afecta la dinàmica acomodativa