Capitolo 1: Refrattometria e principi di esecuzione
1.4 Aberrometri: Sensori di fronti d’onda (Shack-Hartmann)
L’aberrometria è un esame che permette di verificare la presenza di eventuali alterazioni delle strutture oculari, in particolare dei mezzi diottrici (cornea, cristallino, umor acqueo, corpo vitreo) che possono determinare deviazioni o distorsioni dei raggi luminosi. Come è stato detto in precedenza, i difetti o vizi refrattivi sono da intendere come aberrazioni e precisamente quelle di Basso Ordine (LOA), ovvero quelle che riescono ad essere completamente corrette dall’uso di una lente oftalmica od a contatto. Quindi risulta coerente l’idea di utilizzare un aberrometro anche per a quantificare l’entità del difetto visivo. Di fatto nuovi strumenti, come Visionix (VX130) di Luneau Technology, utilizzato nel percorso di tesi, si basano proprio su questo principio di funzionamento.
L’aberrazione oculare generalmente riflette un’imperfezione nel percorso ottico dei fotoni che giungendo dall’esterno, si portano verso l’occhio. Questa imperfezione provoca una distorsione o alterazione della messa a fuoco delle immagini sulla retina.5 Le aberrazioni sono solitamente considerate simmetriche ma il sistema ottico oculare non lo è; infatti è comune trovarsi in caso di mezzi ottici non coassiali o inclinati oppure pupille decentrate: la presenza di tali imperfezioni complica la valutazione di esse.6 (Rossetti, Gheller 2003). Il principale problema nella valutazione delle aberrazioni oculari consiste nell’impossibilità di accedere allo spazio immagine dell’occhio stesso; infatti, le aberrazioni andrebbero misurate sul piano della pupilla d’uscita del sistema ottico.
Nel caso delle aberrazioni oculari, si considera la pupilla naturale come pupilla d’entrata del sistema ottico ma ciò non è sempre corretto. (Fig.6) Il tutto si spiega attraverso l’effetto Stiles-Crawford secondo il quale l’occhio umano è in possesso di una sensibilità direzionale dei fotorecettori per cui la luce che penetra nell’occhio, vicino al bordo della pupilla, produce una risposta del fotorecettore inferiore rispetto alla luce di uguale intensità che entra vicino al centro della pupilla. Le misurazioni indicano che il picco della sensibilità del fotorecettore non si verifica per la luce che penetra direttamente attraverso il centro della pupilla ma con un offset di circa 0,2-0,5 mm verso il lato nasale. Si può dedurre da ciò che non tutti i raggi che attraversano la pupilla avranno la stessa efficienza nella trasmissione della luce. L’effetto Stiles-Crawford dunque riduce, migliorando la visione, l’effetto delle aberrazioni che subiscono i raggi che passano più in periferia della pupilla.
5 Bruce, Adrian S.; Catania, Louis J. (2014) “Clinical Applications of Wavefront Refraction”. Optometry and Vision Science. (V.91 pp 1278,1286)
6 Rossetti A.; Gheller P. “Manuale di optometria e contattologia” pp.278, Zanichelli editore, 2003
Fig.6 Pupille d’entrata ed uscita occhio
Gli aberrometri vengono utilizzati nella valutazione di qualsiasi sistema ottico ed il tutto è facilitato in quanto si può avere accesso diretto alle immagini prodotte da questi; diversamente invece accade all’occhio umano per cui gli aberrometri lavorano in doppia trasmissione. Esistono essenzialmente due grandi famiglie di aberrometri: ingoing aberrometers che valutano le aberrazioni appena il raggio entra nell’occhio e gli outgoing aberrometers che esaminano il raggio dopo la riflessione retinica. L’aberrometro che verrà approfondito è del secondo tipo ed è l’aberrometro di Shack-Hartmann (o Shack-Hartmann-Shack). Per far sì che il fronte d’onda che contiene l’informazione sulle eventuali distorsioni del sistema visivo arrivi sull’aberrometro, è necessario un complesso sistema di funzionamento. La sorgente da cui proviene lo stimolo luminoso, di cui successivamente se ne apprezzerà il fronte d’onda, è di tipo laser e più comunemente si tratta di un He-Ne (632,8 nm). Il raggio laser emesso ha un diametro di circa 2mm; si pone un Filtro a Densità Neutrale per attenuarne l’intensità in uscita e successivamente un sistema telescopico (T1) che ha il compito di aumentare il diametro del fascio fino a circa 7mm in modo da interessare quasi tutta la superficie corneale. Il fascio così ampliato attraversa il primo Beam Splitter (M1), ovvero uno specchio semiriflettente, che permette di dividere in due la radiazione luminosa; successivamente il fascio trova una seconda coppia di lenti (T2) in cui una delle due è mobile e permette così di quantificare l’eventuale correzione dell’ametropia. Inoltre, in corrispondenza del primo Beam Splitter (M1) è posto un target di fissazione che permette di controllare l’accomodazione in modo che il piano del target risulti coniugato con il piano della retina. Nel fuoco del secondo sistema telescopico viene posto un altro Beam Splitter (M2) che risulta essere il più importante. Dopo questo, la radiazione giunge all’occhio, lo attraversa e subendo riflessione da parte della retina, ritorna verso l’apice corneale: è questo fronte d’onda a portare con sé la deformazione subita al passaggio dei vari mezzi diottrici. Per cui, sul cammino di ritorno, questa passa nuovamente per la seconda lente del sistema
telescopico (T2), che è coniugata con un’altra lente; successivamente viene prelevata dal secondo Beam Splitter (M2) che devia parte del fronte d’onda aberrato: tutto ciò serve per coniugare il successivo sensore Shack-Hartmann con la pupilla d’entrata dell’occhio in modo che il sensore e la pupilla risultino corrispondenti. (Fig.7)
Fig.7 Schema funzionamento Aberrometro Shack-Hartmann
Ciò che analizza il fronte d’onda proveniente dall’occhio è il sensore di Shack-Hartmann (1971). In realtà, già agli inizi del 1900 Hartmann introdusse il sensore di fronte d’onda: era inizialmente costituito da uno schermo opaco contenente una serie di fori ed un rivelatore posizionato dietro lo schermo. Il raggio entrante attraversa i fori e raggiunge il rivelatore. Le aberrazioni locali del raggio causano uno spostamento dei piccoli raggi uscenti sul rivelatore. Misurando le variazioni delle coordinate x e y, è possibile determinare l’inclinazione del fronte d’onda. Tuttavia, l’accuratezza della misura del sensore di Hartmann era molto bassa e la perdita di energia luminosa elevata.
Dunque questo tipo di sensore non era adatto a misurare le aberrazioni oculari. Per risolvere questo problema, R.Shack propose un sensore di Hartmann modificato, chiamato successivamente sensore di Shack-Hartmann nel 1971. Al fine di ottenere un punto più piccolo sul piano del rivelatore ed aumentare la precisione della misurazione dell’inclinazione del fronte d’onda, lo schermo opaco contenente dei fori usato in precedenza, viene sostituito da una matrice di microlenti. Tutte le microlenti facenti parte dell’array hanno lo stesso diametro e la stessa lunghezza focale. Quindi la
He-Ne
Filtro
T1
T2 M1
M3
M2
Occhio Array di
microlenti
luce riflessa dai mezzi oculari attraversa la matrice di microlenti e forma una corrispondente matrice di punti nel piano focale di esse. Proprio in questo piano focale è posta un sensore CCD (Charge-Coupled Device) che ha il compito di convertire, attraverso funzioni matematiche, le informazioni sulla deformazione del fronte d’onda in un output video.7
Generalmente, il fronte d’onda è espresso come una combinazione dei polinomi di Zernike. Questi nascono dall’esigenza di descrivere attraverso funzioni matematiche l’entità e la caratterizzazione delle aberrazioni. Si tratta di una sommatoria che al suo interno contiene le variazioni subite dal fronte d’onda a causa del passaggio attraverso sistemi ottici descritta da funzioni. Il fronte d’onda può essere cosi rappresentato:
dove 𝜑(𝑥, 𝑦) è il fronte d’onda alle specifiche coordinate x ed y;
𝑧𝑘(𝑥, 𝑦) è il k-esimo elemento dei polinomi di Zernike;
𝛼𝑘 è il k-esimo coefficiente dei polinomi di Zernike;
𝜑0 è l’elemento costante del fronte d’onda.
È bene mettere in chiaro che un sistema automatizzato per la refrazione, qualsiasi sia il principio di funzionamento alla base, dà un valore di refrazione oggettiva ma non la correzione finale; tale valore, di fatto, deve essere verificato soggettivamente e nel quadro dell’esame completo.8 (Rossetti, Gheller 2003). L’esame refrattometrico rileva i dati di una possibile ametropia in condizione monoculare e ciò resta comunque un risultato parziale da verificare in binocularità.
7 https://en.wikipedia.org/wiki/Shack–Hartmann_wavefront_sensor
8 Rossetti A.; Gheller P. “Manuale di optometria e contattologia” pp.279, Zanichelli editore, 2003
Capitolo 2
Visionix (VX130)
Lo strumento, utilizzato nel lavoro di tesi, sfrutta il principio dell’aberrometro e quindi attraverso la deformazione del fronte d’onda, permette di rilevare dati sull’errore visivo essendo questo assimilabile alla presenza di LOA, compensabili attraverso correzione oftalmica e/o a contatto. Nello specifico, si tratta del Visionix (VX130) di Luneau Technology che ha messo a punto questo tipo di tecnologia per effettuare non solo l’autorefrattometria ma numerosi tipi di analisi che si basano sull’uso dello stesso principio. Di fatto il Visionix (VX130) è uno strumento di refrazione e diagnostica che consente una approfondita analisi computerizzata del segmento anteriore. L’esame diagnostico completo consta di molteplici valutazioni:
Autorefrattometria
Cheratometria
Scheimplug camera
Pachimetro e mappa pachimetrica
Topografia corneale
Tonometro a soffio
Retroilluminazione
Pupillometro
Aberrometria
CL fitting
Per ciascuna delle analisi effettuate, il software di elaborazione riporta i risultati in un “Summary”
ovvero una schermata riassuntiva ed intuitiva che permette di avere un quadro completo del soggetto in analisi. (Fig.8)
Fig.8 Schermata Summary Visionix
In base all’analisi che si vuole approfondire, il sistema permette di rimandare da questa schermata ad altre che contengono maggiori informazioni sulla diagnostica effettuata.
2.1 Autorefrattometro e pupillometro
Come ampiamente descritto nel capitolo precedente, il Visionix permette di eseguire una refrattometria automatizzata con la tecnica del wavefront, apprezzando l’eventuale presenza di aberrazioni di basso ordine (LOA) quali Defocus Sferico ed Astigmatismo che causano il difetto visivo. Di seguito è riportato il riquadro contenente le informazioni date dallo strumento nel Summary (Fig.9).
Fig.9 Dati Refrazione Summary Visionix
Il Visionix (VX130) fornisce una valutazione puramente oggettiva degli ipotetici valori di sfera cilindro ed asse di entrambi gli occhi facendo però distinzione tra due condizioni di apertura pupillare. Infatti lo strumento è provvisto anche di pupillometro che consente di valutare l’ampiezza del diametro della pupilla in due particolari condizioni. Il primo valore si riferisce all’ampiezza pupillare in visione mesopica, ovvero con un medio livello di illuminazione in cui la visione è dovuta all’attività contemporanea di coni e bastoncelli della retina; l’intervallo in questione è compreso tra 0,001 cd/m2 e 3 cd/m2. Il secondo valore rappresenta il diametro della pupilla in condizioni di visione fotopica, cioè in condizioni di illuminazione diurna a carico solamente dell’attività dei coni;
l’intervallo di visione fotopica prevede valori di luminanza maggiori di 3 cd/m2. Ciò diventa importante da valutare nel caso in cui vi siano variazioni consistenti tra i valori della correzione sia in visione mesopica che fotopica in quanto, di norma, diminuendo il diametro pupillare, quindi in condizioni di leggera miosi, l’acuità visiva tende a migliorare. Inoltre è riportata l’immagine di una E di Snellen che rappresenta una simulazione della visione del soggetto con l’ametropia calcolata dallo strumento. Quindi la chiarezza della E indica la qualità della visione dell’occhio del soggetto sia in condizioni fotopiche che mesopiche. È importante sottolineare che la correzione suggerita dallo strumento valuta solamente la visione monoculare e totale dell’occhio considerato, senza tenere conto in alcun modo della binocularità, delle esigenze soggettive della persona (lavoro, tempo di applicazione), della presenza di eventuali deviazioni, latenti o manifeste, che oltretutto possono variare in presenza di una visione non bilanciata. Più avanti verrà approfondita ampiamente questa tematica.Il Visionix (VX130) rispetta, come ogni strumento di misura, dei campi di normale funzionamento (output range) ovvero degli intervalli entro i quali è possibile ritrovare il valore in uscita. Questi sono riportati nella seguente tabella comprendente il metodo di acquisizione, i tempi impiegati, l’area e il numero di punti di misurazione. (Fig.10)
Fig.10 Tabella Range Valori Refrattivi
2.2 Cheratometro e Topografo
La cheratometria è l’esame che prevede la misurazione dei raggi di curvatura esterni della cornea.
Tradizionalmente la misura viene effettuata con un opportuno cheratometro od oftalmometro che sfruttando il principio di riflessione di quattro mire sulla superficie corneale, riesce a ricavarne la curvatura nella sua area centrale, tenendo in considerazione un diametro di circa 3 o 4 mm.
Per valutare invece l’andamento di tutta la superficie corneale ci si avvale del topografo che piuttosto che le mire, sfrutta la riflessione di anelli concentrici similmente a quelli del disco di Placido. Ciò permette di avere un quadro piuttosto completo della superficie corneale e non solo della sua parte centrale. Attraverso alcuni algoritmi, i dati provenienti da questo tipo di esame vengono trasdotti in chiave bidimensionale caratterizzati da scale di colore. È possibile così la valutazione di molteplici aspetti in dipendenza dal tipo di mappa topografica che si sta analizzando.
Si nota anche che qualsiasi valore topografico ha la possibilità di essere espresso sia in diottrie che in millimetri. Di seguito è riportato il riquadro contenente le informazioni date dallo strumento nel Summary. (Fig.11)
Fig.11 Dati Topografici Summary Visionix
Riponendo l’attenzione sulla topografia, questo riquadro rimanda ad una schermata contenente le mappe topografiche elaborate per entrambi gli occhi. Le mappe che è possibile valutare sono:
Assiale o sagittale: misura la curvatura di ciascun punto della superficie corneale in direzione assiale rispetto al centro;
Tangenziale o istantanea: misura la curvatura di un determinato punto in direzione tangenziale rispetto gli altri punti; quindi il raggio di curvatura è locale e non c’è più il vincolo dell’assialità;
Refrattiva: tiene conto del valore diottrico di ciascun punto della cornea;
Altimetrica: rappresenta le zone corneali che si trovano al di sotto o al di sopra rispetto una sfera di riferimento;
Aberrometrica: permette di valutare la conformazione del fronte d’onda riflesso dalle strutture oculari.
Indipendentemente dal tipo di mappa, queste rappresentano la cornea attraverso una scala di colori, da quelli “freddi” ai “caldi” che individuano rispettivamente i punti più piatti e quindi con potere diottrico minore e punti più curvi, con potere diottrico maggiore. Viene inoltre indicato il valore KPI (indice di probabilità del cheratocono). I valori K posteriori in millimetri e diottrie sono molto simili a causa di una bassa differenza di indici di rifrazione. La differenza dell'indice di rifrazione dall'aria alla cornea è 0,3375 mentre la differenza dalla cornea anteriore a quella posteriore è 0,04. Così come per i valori refrattivi, anche per la topografica, il Visionix (VX130) rispetta i range di funzionamento di seguito riportati. (Fig.12)
Fig.12 Tabella Range Valori Topografici
2.3 Pachimetria e Scheimpflug camera
La pachimetria è un esame che permette di valutare lo spessore corneale; essa può essere effettuata attraverso diversi strumenti ma nel caso del Visionix (VX130) è usata la videocamera di Scheimpflug che permette di visualizzare non solo l’elevazione della superficie anteriore ma anche di quella posteriore della cornea. (Fig.13) Inoltre essa permette di ottenere una mappa tridimensionale, punto per punto, degli spessori. Si tratta quindi di un metodo innovativo che permette di avere non solo la pachimetria dell’area centrale ma anche delle zone periferiche.
Fig.13 Dati Corneali Summary Visionix
La Scheimpflug camera permette quindi l’acquisizione di più immagini in diversi meridiani dell’occhio consentendo una ricostruzione tridimensionale del segmento anteriore dal quale possono essere ricavati numerosi parametri come:
Curvatura della superficie corneale anteriore e posteriore
Spessore corneale
Profondità della camera anteriore
Ampiezza dell’angolo irido corneale
Questi parametri risultano essere fondamentali nel controllo di soggetti affetti da patologie quali glaucoma, in quanto permette di rilevare l’ampiezza dell’angolo irido-corneale; cheratocono, in quanto riesce a valutare lo spessore della cornea in tutti i punti, importante per monitorarne la progressione. Inoltre può aiutare nell’analisi preliminare ed il post-operatorio di numerose procedure di correzione chirurgica di difetti visivi.9 Le misurazioni dello spessore corneale incluse nella schermata Summary sono in riferimento solo al CCT (Central Corneal Thickness) ovvero lo spessore nella zona centrale e di TCT (Thin Corneal Thickness), indicato con Min, cioè il valore corneale più sottile; tuttavia, aprendo la schermata dedicata, è possibile avere valori anche di MPCT (Medium-Peripheral Corneal Thickness) ovvero lo spessore corneale medio periferico. Il Min (o TCT) è disponibile solo quando è stata effettuata una pachimetria a fenditura multipla. Oltre questi valori che sono considerati principali, il Visionix (VX130) fornisce la mappa contenente l’andamento dello spessore della cornea anteriore sempre (se è stata effettuata una pachimetria a fenditura multipla).
È possibile quindi avere accesso ai dati cheratometrici sia anteriori (K1, K2 e cilindri ed assi della cornea) grazie alla topografia, che posteriori (K1, K2 e cilindri ed assi della cornea) grazie alla Scheimpflug Camera. Inoltre lo strumento è dotato anche di Scheimpflug Multi-Slit che serve a scansionare la camera anteriore dall'alto verso il basso, offrendo una vista in sezione trasversale orizzontale della camera anteriore dell'occhio. L’insieme di queste analisi (pachimetria, angolo
9 J.Huang; X. Ding; G. Savini; (2013) “A comparison between Scheimpflug Imaging and Optical Coherence Tomography in Measuring Corneal Thickness” Ophtalology (V. 120 pp1951-1958)
corneale dell’iride e spessore corneale) sono racchiuse in un’unica analisi chiamata ACA (Anterior Chamber Analyses).
Anche in questo caso la Luneau Technology riferisce i parametri entro i quali avvengono le misure e sono di seguito riportati. (Fig.14)
Fig.14 Tabella Range Valori Pachimetria
2.4 Tonometria
La tonometria è l’esame che permette di quantificare il tono oculare ossia la pressione interna dell’occhio. Essa è misurata in millimetri di mercurio (mmHg).
Fig.15 Dati Tonometrici Summary Visionix
Esistono metodi più o meno invasivi per eseguire questo esame; il Visionix (VX130) dispone di un tonometro a soffio. Questo tipo di diagnostica consiste nella misurazione della IOP (Intra Ocular Pressure) tramite un getto d’aria: lo strumento vaporizza un impulso d’aria sull’occhio aperto del soggetto premendo leggermente la cornea, sulla quale poi viene riflesso un raggio di luce. A seconda
delle tempistiche rilevate dal Visionix (VX130), affinché il raggio di luce ritorni ad essere come quello riflesso dalla cornea in situazione normale ed in relazione alla forza del getto d’aria, si calcola il valore della IOP.10 Questa tecnica è considerata più sicura perché lo strumento non viene a contatto con l’occhio, a differenza di altre tipologie di tonometri che prevedono un, seppur minimo, contatto (tonometro ad applanazione, di Goldmann). È possibile così evitare lesioni od infezioni corneali.11 Dalla fig.15 è possibile notare che vi sono due valori in millimetri di mercurio (mmHg) riportati per ogni occhio: questo perché il primo valore, Tono, si riferisce alla pressione intra oculare effettivamente misurata; il secondo, IOPc, invece, tiene conto sia del valore misurato dal tonometro che i valori dello spessore corneale rivelati dal pachimetro e quindi viene detta tonometria regolata.
Questo tipo di correlazione è utile per evitare di creare falsi negativi nella valutazione della IOP stessa in quanto è un valore che si trova in stretta connessione con lo spessore della superficie corneale. Aprendo la schermata dedicata è possibile visualizzare i risultati dello screening del glaucoma che includono: i risultati del test tonometrico in mmHg, la media dei risultati del test tonometrico nonché l’ampiezza degli angoli irido-corneali e i risultati della profondità della camera anteriore. Di seguito è riportata la tabella con i range di riferimento per la tonometria. (Fig.16)
Fig.16 Tabella Range Valori Tonometro
2.5 Aberrometria
Come precedentemente descritto, le aberrazioni tramite il Viosionix (VX130) vengono valutate utilizzando il principio del WaveFront Error (WFE) e sono divise in tre sezioni a cui è possibile accedere dalla schermata principale:
Oculare
Corneale
Interno
10 https://visionfuture.it/tonometria-oculare/
11 https://it.wikipedia.org/wiki/Tonometria
Per ognuna di queste categorie vengono analizzate le aberrazioni prodotte dalle varie superfici.
Oculare: La scheda WF visualizza mappe del fronte d'onda delle aberrazioni oculari di uno o entrambi gli occhi. Da qui è possibile visualizzare opzioni che consentono di valutare i risultati per condizioni fotopiche e mesopiche (chiamate anche Day e Night), le mappe di entrambi gli occhi contemporaneamente o di ogni singolo occhio, isolare le aberrazioni di ordine inferiore (LOA) e superiore (HOA), modificare il passo e il valore centrale di una mappa e sovrapporre linee guida di vari tipi sulle mappe. I valori e le mappe delle aberrazioni possono essere visualizzati in modalità OPD (Optical Path Difference) o in modalità WFE (WaveFront Error). La differenza del percorso ottico (OPD) è definita come la differenza tra i fronti d'onda aberrati e quelli ideali non falsi. L'OPD è positivo se il fronte d'onda aberrato conduce il fronte d'onda non alterato ideale. Inoltre, se i fronti d'onda aberrati si curvano in più rispetto a un fronte d'onda non corretto, l'OPD è positivo. Pertanto, uno spostamento focale negativo introdurrà un'aberrazione positiva. L' Errore fronte d'onda (WFE) è definito come la differenza tra i fronti d'onda non falsi ideali e i fronti d'onda aberrati.
Essenzialmente, WFE rappresenta la correzione richiesta per ottenere una visione non corretta. Le aberrazioni di tipo oculare sono quelle dovute alla successione dei mezzi diottrici
Essenzialmente, WFE rappresenta la correzione richiesta per ottenere una visione non corretta. Le aberrazioni di tipo oculare sono quelle dovute alla successione dei mezzi diottrici