Light scatter in eye and its impact on vision

Abstract

Introduction. The vision is the most fundamental and the most complex sense in the evolution progress. Although, the complete process of the visual function has not been fully understood, there are several essential factors take part in the vision. The optics of the eye, the retina, and the visual cortex should be considered as a complete structure while evaluating the visual performance. The interaction between the light and the structures of the eye determine the quality of the retinal image which is the key factor for the visual performance.Two different interaction mechanisms of the light and the eye exists. The first mechanism is the optical interactions, which is detailed as optical properties of the eye and the second mechanism is detailed as the material properties of the eye. It is very important to understand and distinguish the difference between these two mechanisms. In order to have the good vision or in other words good retinal image quality, having the best refraction is as important as having transparent optics and clear optical way.Amount of the irregularities or defects induce straylight in the eye. Although, effects of intraocular scattering exist for ages and observed in the clinical practice, the knowledge and understanding of the intraocular scattering is not as good as the understanding of the refraction or aberrations. We believe that a complete analysis of visual performance will only be completed with analyzing the intraocular straylight. In this thesis, a novel optical device for measuring forward intraocular scattering with double pass method is developed and results are shown. The relevant chapters focus on several studies which worked on measuring, quantifying and understanding of the straylight phenomenon.MethodsThe proof of concept, repeatability, functionality of the device was tested with either in test or clinical conditions. The first study on the proof and concept and constancy evaluations were performed on an artificial eye and previously documented lenses. The straylight difference were evaluated of the artificial eye between different hard contact lenses which induce different amount of straylight. The second study was performed with an artificial eye for determining the effect of defocus on the measurements. The measurements were collected by changing the position of the retina which was corresponding inducing myopia or hyperopia. Additionally, the repeatability and the effect of axial alignment of the pupil camera was tested by taking consecutive measurements from the different axial positions from a healthy eye of a subject. In the third study, the scattering difference between healthy subjects and the effect of different diffusing filters which induce straylight were measured. Measurements with and without lenses and were evaluated.The final studies were performed under clinical conditions with healthy subjects and cataract patients. Optical and psychophysical measurements were performed as well as the LOCS III grading in these studies. Correlation between two methods of measuring intraocular scattering and LOCS III grading system were evaluated.Results Outcomes of these study showed the system is capable of detecting the amount straylight between different scatterers. The results also showed that the system is capable of detecting different amounts of straylight on human eyes and the system is immune for measuring patients with refractive error which is smaller than the 5D. The measurements of the optical and psychophysical measurements showed %80,3 and %84,4 (p<0,01) correlation. Furthermore, the psychophysical measurement and optical measurement showed 0,17 and 0,16 statistical significant difference (P<0,001). In addition, Bland-Altman analysis also confirmed that the bias was significant. The analysis of optical measurements between different groups of cataract gradings revealed significant differences between all groups (P<0,004).Conclusion Development of this novel device, which is described in this thesis, gives advancement for the clinical routine beyond the aberrations and reflections. Besides the subjective methods of grading cataract, this method gives fast, relevant, sensitive and significant information for the effects of the forward scattering. This device could be a step forward in the clinical routine and helps clinicians for the objective evolution of the material properties of the eye.

Εισαγωγή. Στη διαδικασία της εξέλιξης η όραση ίσως αποτελεί την πιο θεμελιώδη και ταυτόχρονα την πιο σύνθετη ανθρώπινη αίσθηση. Παρόλο που o συνολικός τρόπος λειτουργία της όρασης δεν έχει πλήρως κατανοηθεί, υπάρχουν κάποιοι σημαντικοί παράγοντες οι οποίοι συμβάλουν σε αυτή. Τα οπτικά του αφθαλμού, ο αμφιβληστροειδής ο οπτικός φλοιός και οι ανώτερες εγκεφαλικές λειτουργίες της όρασης θα πρέπει να αντιμετωπίζονται ως μια ενιαία δομή κατά την αξιολόγηση της όρασης. Η αλληλεπίδραση της φωτεινής ακτινοβολίας με τις δομές του οφθαλμού είναι που καθορίζει την ποιότητα του οπτικού ειδώλου στον αμφιβληστροειδή, και παίζει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση της όρασης.Υπάρχουν δυο διακριτοί μηχανισμοί αλληλεπίδρασης της φωτεινής ακτινοβολίας και του οφθαλμού. Ο πρώτος μηχανισμός είναι η οπτική αλληλεπίδραση και η οποία αναφέρετε ως οι οπτικές ιδιότητες του οφθαλμού, και ο δεύτερος είναι η αλληλεπίδραση του φωτός με το υλικό κατασκευής του οφθαλμού στο οποίο αναφερόμαστε σαν ιδιότητες του υλικού του οφθαλμού. Είναι σημαντική η κατανόηση της διαφορετικής συνισφοράς των δύο αυτών μηχανισμών στην όραση. Για την καλή απόδοση του οπτικού συστήματος ή αλλιώς η δημιουργεία ευκρινούς αμφιβληστροειδικού ειδώλου είναι εξίσου σημαντικό τόσο η βέλτιστη διάθλαση όσο και και η καλή διαφάνεια των οπτικών μέσων στη διαδρομή μέχρι τον αμφιβληστροειδή.Το πλύθος των ανωμαλιών ή ατελειών στη δομή του οφθαλμού είχουν ως αποτέλεσμα την επαγωγή σκέδασης στον οφθαλμό. Παρόλο που η ενδοφθάλμια σκέδαση παρατηρείται συστηματικά για αρκετά χρόνια κατά την κλινική εφαρμογή, η γνώση και η κατανόηση της ως προς την επίδραση της στην όραση δεν είναι τόσο καλή όσο η κατανόηση της διάθλασης και των εκτροπών. Επομένως η πλήρης μελέτη της όρασης θα είναι εφικτή με την κατανόηση της ενδοφθάλμιας σκέδασης. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι ανάπτυξη οπτικής συσκευής για την μέτρηση της εμπρόσθιας ενδοφθάλμιας σκέδασης με τη μέθοδο της διπλής διέλευσης, παράλληλα παρατίθενται και τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Τα επιμέρους κεφάλαια εστιάζουν σε διάφορες μελέτες για τη μέτρηση, την ποσοτικοποίηση και την κατανόηση του φαινομένου της σκέδασης.Μέθοδοι Η επιβεβαίωση της αρχής της έννοιας για την συσκευής, η επαναληψιμότητα, και η λειτουργία της έχουν εξεταστεί τόσο μέσω πειραματικών διατάξεων όσο και σε κλινικές συνθήκες. Τα πρώτα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με την χρήση τεχνητού οφθαλμού και συστήματος φακών των οποιων οι οπτικές ιδίοτητες είχαν οριστεί από προηγούμενες μελέτες. Η διαφορά στην σκέδαση για τον τεχνητό οφθαλμό αξιολογήθηκε από διαφορετικούς σκληρούς φακούς επαφής οι οποίοι εισήγαγαν διαφορετικό ποσό σκέδασης.Η δεύτερη μελέτη πραγματοποιήθηκε επίσης με τεχνητό οφθαλμό και σε αυτήν καθορίστηκε η επίδραση του διαθλαστικού σφάλματος στις μετρήσεις. Η συλλογή των μετρήσεων έγινε με την μετακίνηση του αμφιβληστροειδή αυξάνοντας την μυωπία ή την υπερμετρωπία. Επιπλέον έχει εξεταστεί η επαναληψιμότητα και η επίδραση της αξονικής ευθυγράμμισης της κόρης της κάμερας με διαδοχικές μετρήσεις από διαφορετικές αξονικές θέσεις υγιών οφθαλμών.Στην τρίτη μελέτη αξιολογήθηκε η διαφορά στην σκέδαση μεταξύ υγειών οφθαλμών και της επίδρασης που είχε στην όρασή τους, με την προσθήκη διαφορετικών φίλτρων διάχυσης τα οποία αύξαναν την σκέδαση. Η αξιολόγιση έγινε με χρήση φακών αλλά και χωρίς.Οι τελικές μελέτες πραγματοποιήθηκαν σε κλινικές συνθήκες με τη συμμετοχή υγιών οφθαλμών αλλά και καταρρακτικούς οφθαλμών. Σε αυτές τις μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί οπτικές και ψυχοφυσικές μετρήσεις καθώς επίσης και και η μέθοδος βαθμονόμησης LOCS |||. Επιπλέον έγινε αξιολόγηση της συσχέτισης μεταξύ των δυο μεθόδων μέτρησης της ενδοφθάλμιας σκέδασης και της μεθόδου βαθμονόμησης LOCS |||.Αποτελέσματα Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι το σύστημα που αναπτύχθηκε είναι ικανό να εντοπίζει την ποσότητα της σκέδασης μεταξύ διαφορετικών σκεδαστών. Επίσης έδειξαν την ικανότητά του να εντοπίζει και να ποσοτικοποιεί την σκέδαση στον ανθρώπινο οφθαλμό ενώ είναι οι μετρήσεις δεν επηρεάζονται από διαθλαστικά σφάλματα μικρότερα από 5D. Οι οπτικές και ψυχοφυσικές μετρήσεις από τις δύο κλινικές μελέτες έδειξαν συσχέτιση 80.3% και 84.4% (p < 0.01) αντίστοιχα. Επίσης οι ψυχοφυσικές και οι οπτικές μετρήσεις έδειξαν 0.17 και 0.16 στατιστικά σημαντική διαφορά (P < 0.001). Επιπλέον ανάλυση Bland-Altman επιβεβαίωσε ότι η απόκλιση ήταν στατιστικά σημαντική. Η ανάλυση των μετρήσεων μεταξύ των διαφορετικών ομάδων καταρρακτικών ασθενών έδειξαν στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ όλων των ομάδων (P < 0.004). Συμπεράσματα Η ανάπτυξη της καινοτόμου αυτής συσκευής, η οποία περιγράφεται στην παρούσα διατριβή, αποτελεί εξέλιξη για την κλινική εφαρμογή πέραν από τη εκτροπές και τις ανακλάσεις. Εκτός από τις υποκειμενικές μεθόδους βαθμονόμησης του καταρράκτη, η μέθοδος που περιγράφεται εδώ παρέχει γρήγορη, ευαίσθητη και σημαντική πληροφορία για την δράση της εμπροσθοσκέδασης. Η συσκευή αυτή θα μπορούσε να είναι το επόμενο βήμα στην κλινική εφαρμογή μια αντικειμενική μέθοδος μέτρησης των υλικών ιδιοτήτων του οφθαλμού.