Novel system for measuring the scattering of the cornea and the lens
Authors:   , Santos Vives Pau 
Published: September 2023

Spatial vision features play a key role in human vision quality, which in turn depends on the retinal image quality and posterior neural processing. The retinal image is affected by three optical phenomena: diffraction, aberrations and scattering.
Traditionally, visual impairment due to scattering has been evaluated using clinical psychophysical tests such as contrast sensitivity charts although specialized instruments to account for this are now commercially available such as the C-Quant (Oculus Optikgeräte GmbH, Germany). There are also methods that deal with the assessment of backscattered light such as the slit lamp and Scheimpflug cameras. However, this light never reaches the retina, and thus, it does not affect vision. Recently, robust techniques to measure the global intraocular scattering by means of forward scattering in an objective way have also been proposed. They are mainly based on the double-pass technique (HD Analyzer, Visiometrics S.L., Spain) and the reconstruction of the wide angle point spread function of the eye (Sigma, University of Murcia, Spain). Nevertheless, there is not yet any objective technique capable of measuring the intraocular scattering and determining from which part of the eye it is coming from, i. e., the cornea, anterior chamber, lens and vitreous.
In this thesis we developed a novel technique based on the contrast of the third (P3) and the fourth (P4) Purkinje images for the objective and independent assessment of scattering caused by different parts of the eye. The hypothesis is that the P3 contrast is affected by the corneal scattering while the P4 contrast is additionally influenced by the light scattered in the lens.
The technique was firstly validated using an experimental system in artificial eyes with different controlled levels of corneal and lens scattering. Results revealed that P3 and P4 contrasts decreased as the corneal scattering increased, and that the P4 contrast decreased as the lens scattering increased while the P3 contrast remained constant. The system was also used to assess corneal and lens scattering in a small group of subjects (13).
A clinical prototype was also developed and a study was conducted to validate the proposed technique in a clinical environment including 46 eyes with cataracts and 11 eyes with corneal disorders. An additional study with healthy eyes wearing scatter-customized CLs was also carried out. P3 and P4 contrasts given by our system were compared with the scattering measured in terms of densitometry obtained with the Pentacam Scheimpflug camera, the OSI (Objective Scatter Index) from the HD Analyzer, and the Log(S) from the C-Quant. The results revealed that the technique was suitable to account for corneal and lens scattering separately but that, unexpectedly, some cataracts influenced the P3 contrast to some extent. In these cases, a Ghost Purkinje Image (GPI) appeared between the P3 and P4 images probably due to hypereflective lens areas with different refractive indexes. To overcome this limitation, a compensation of the P3 contrast was applied based on the maximum intensity of the GPI. It was shown that the new contrast, P3’, provided information about the corneal scattering independently of the lens scattering, while the P4 contrast had information about the lens and corneal scattering altogether.
In summary, agreement between parameters demonstrated the ability of our novel method to assess scattering in patients with different levels of corneal and lens scattering.
Les propietats de la visió espacial tenen un paper clau en la qualitat de la visió humana, que alhora depèn de la qualitat de la imatge retinal i del processament neural posterior. La imatge de la retina es veu afectada per tres fenòmens òptics: difracció, aberracions i difusió. Tradicionalment, l`afectació que la difusió te en la visió ha estat avaluada mitjançant proves psicofísiques, com ara test de sensibilitat al contrast, tot i que actualment també existeixen instruments comercials especialitzats, com per exemple el C-Quant (Oculus Optikgeräte GmbH, Alemanya). També hi ha mètodes que avaluen la llum retrodifosa, com el biomicroscopi i les càmeres de Scheimpflug. No obstant, aquesta llum mai arriba a la retina i, per tant, no afecta la visió. Recentment, s'han proposat tècniques més robustes i objectives per mesurar la difusió intraocular cap endavant que arriba a la retina. Es basen principalment en la tècnica de doble pass (HD Analyzer, Visiometrics S.L., Espanya) i variacions de la mateixa que permeten quantificar la llum difosa a angles més grans (Sigma, Universitat de Múrcia, Espanya). Tot i això, encara no hi ha cap tècnica objectiva capaç de mesurar la difusió intraocular i determinar de quina part de l'ull prové, és a dir, la còrnia, humor aquós, cristal·lí o vitri. En aquesta tesi s'ha desenvolupat una tècnica basada en el contrast de la tercera (P3) i la quarta (P4) imatges de Purkinje per a l'avaluació objectiva i independent de la difusió causada en diferents parts de l'ull. La hipòtesi és que el contrast de P3 es veu afectat per la difusió corneal mentre que el contrast de P4 també està influenciat per la llum difosa en el cristal·lí. En primer lloc, la tècnica es va validar mitjançant un sistema experimental en ulls artificials amb diferents nivells controlats de difusió a la còrnia i al cristal·lí. Els resultats van mostrar que els contrastos de P3 i P4 disminueixen a mesura que augmenta la difusió corneal, i que el contrast de P4 disminueix quan la difusió del cristal·lí augmenta mentre que el contrast de P3 es manté constant. El sistema també es va utilitzar per avaluar la difusió de la còrnia i del cristal·lí en 13 voluntaris. Per validar la tècnica proposada, també es va desenvolupar un prototip clínic i es va realitzar un estudi en un entorn clínic amb 46 ulls amb cataractes i 11 ulls amb alteracions a la còrnia. A més, es va dur a terme un altre estudi amb ulls sans amb lents de contacte difusores. Els contrastos de P3 i P4 del nostre sistema es van comparar amb la difusió mesurada en termes de densitometria obtinguda amb la càmera Scheimpflug Pentacam; l'OSI (Objective Scatter Index) del HD Analyzer i el Log(S) del C-Quant. Els resultats han mostrat que la tècnica és útil per determinar la difusió de la còrnia i del cristal·lí per separat però que algunes cataractes poden afectar el contrast de P3. En aquests casos, es va comprovar que apareix una imatge de Purkinje fantasma (GPI) addicional entre les imatges P3 i P4, probablement a causa de zones hiperreflectives del cristal·lí amb diferents índexs de refracció. Per superar aquesta limitació es va aplicar una compensació del contrast de P3 en funció de la intensitat màxima de la GPI. Es va demostrar que el nou contrast, P3', proporciona informació exclusiva de la difusió corneal, independentment de la difusió del cristal·lí, mentre que el contrast de P4 conté informació de la difusió del cristal·lí i de la còrnia. En resum, la concordança entre paràmetres demostra la capacitat del nou mètode per avaluar la difusió en pacients amb diferents nivells de difusió a la còrnia i al cristal·lí.