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Proyecto LCBGFO o lentes de contacto blandos guiados con frente de onda

El Instituto de Visión Óptica (VOI) del Colegio de Optometría de la Universidad de Houston (UHCO) se encuentra actualmente en el desarrollo de una nueva tecnología de lente de contacto para personas con altas aberraciones del sistema óptico del ojo.

El grupo de estudio actualmente en el UHCO se compone de personas que padecen queratocono. Los lentes de contacto que se están desarrollándose conocen como lentes de contacto blandos guiados con frente de onda o LCBGFO y comparten muchas características con los lentes de contacto blandos (LCB) convencionales que se encuentran disponibles de la clínica. Lo más importante, tanto los LCBGFO como los LCB, tienen como meta corregir el error óptico del ojo para mejorar la calidad de la imagen que se forma en la retina. Sin embargo, los LCBGFO difieren de los LCB en un aspecto importante: le permiten al investigador alcanzar a corregir un mayor rango de defectos ópticos que con os LCB. Esta capacidad adicional permite a los investigadores personalizar los lentes a las necesidades particulares de cada paciente, una cualidad importante cuando se trata a la enfermedad progresiva y variable como es el queratocono. Como primer paso para describir esta investigación, se describe el problema clínico comúnmente encontrado en el queratocono. Después se describe la tecnología relevante que esta investigación brinda para tratar el problema y concluye con un resumen del estado actual de esta investigación.

¿Por qué las gafas los LCB no siempre funcionan en los pacientes con queratocono? Cuando un paciente acude con un optometrista o un oftalmólogo para que le den su graduación óptica para corregir su visión, frecuentemente se le realiza un proceso llamado refracción. Esta técnica implica que el paciente tome una decisión (cual es mejor: uno o dos) de con cual lente ve con mayor claridad al ser examinado con una serie de lentes por el médico. Las respuestas que proporciona el paciente sirven de guía al doctor identificar la graduación óptica. Esta graduación está diseñada para compensar dos tipos de errores refractivos: errores de defocus (miopia e hipermetropia) y errores astigmáticos (errores esfero cilíndricos). Pero, ¿que pasa cuando los errores ópticos no son predominantemente de defocus o astigmatismo? ¿Funcionaría esta técnica? en muchos casos, las personas con queratocono no alcanzan una visión excelente con gafas o LCB. La imagen retiniana simulada de una cartilla de prueba para un paciente con queratocono se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Simulación de la imagen retiniana de la cartilla de prueba de una persona con queratocono con una corrección perfecta de defocus y astigmatismo. Como puede verse, la agudeza permanece borrosa debido a la presencia de defectos que no son esfero cilíndricos.

Esta falta de calidad de imagen y el resultante desempeño visual ocurre porque los cambios en la forma corneal que acompañan al queratocono inducen errores refractivos (o aberraciones) que las gafas y los LCB no están diseñados para corregir. En otras palabras, el queratocono induce errores ópticos además del defocus y el astigmatismo. Por eso, aunque el defocus y el astigmatismo sean adecuadamente corregidos en un ojo con queratocono, las “otras aberraciones” permanecen sin corregirse y pueden provocar visión borrosa.

Qué son estas “otras aberraciones”: Para poder entender cuantitativamente estas otras aberraciones es importante adoptar un idioma para poder discutirlas. El uso de los polinomios de Zernicke se ha extendido dentro de la comunidad oftalmológica y es el estándar aceptado para describir la aberración ocular (ANSI Z 80.28). Su utilidad puede notarse en el hecho de que los polinomios de Zernicke no solo describen el defocus y el astigmatismo, sino que también describen estas “otras aberraciones”. Para fines de esta discusión, es suficiente saber algunos conceptos fundamentales relacionados a los polinomios de Zernicke. Como se ve en la figura 2, los polinomios de Zernicke se usan para definir la aberración sobre la pupila.

Figura 2: Los polinomios de Zernicke se usan comúnmente para describir la aberración sobre la pupila (agujero negro) del ojo. En esta figura, la pupila del ojo se identifica como un círculo Amarillo por dentro del iris (la parte de color) del ojo. El hecho de que la pupila sea redonda le da a los mapas aberro métricos de frente de onda su característica forma redonda.

Los términos aberró métricos se agrupan a grandes rasgos en aberraciones de bajo y alto orden. Las aberraciones de bajo orden incluyen los errores de defocus y astigmatismo, mientras que las “otras aberraciones” descritas arriba se clasifican como aberraciones de alto orden. Cuantificar las aberraciones oculares con los polinomios de Zernicke nos permite hablar de una sola aberración (por ejemplo defocus), un grupo de aberraciones (aberraciones de bajo o alto orden), una gran gama de aberraciones (se han medido 66 diferentes términos de Zernicke en un mismo ojo) o aberraciones con diferente tamaño pupilar (se reportan los datos de aberraciones con pupilas de 5 y 6 mm). La figura 3 es un ejemplo de como los polinomios de Zernicke se usan para reportar un error óptico. Aquí se presentan los primeros 15 términos de Zernicke medidos a un paciente con queratocono.

Figura 3: Una tabla reportando el grupo de términos de Zernicke medidos a un ojo con queratocono. Aquí el campo N es un identificador único para el reporte de los términos individuales de Zernicke. El término 4 reporta la aberración de bajo orden defocus. Los términos 6-14 reportan el grupo de términos de aberraciones de alto orden. El campo “Coeff (microns)” reporta la cantidad de la aberración en particular que se encuentra presente en el ojo usando como unidad de medida las micras.

¿Cómo se cuantifican clínicamente las aberraciones de alto orden? El desarrollo de los LCBGFO es en gran medida posible debido a una tecnología relativamente nueva que permite la cuantificación rápida y objetiva de los defectos ópticos del ojo. Esta tecnología se conoce como “Detección de Frente de Onda.” La detección con frente de onda se utiliza actualmente de manera terapéutica en las plataformas de cirugía refractiva más sofisticadas. Sin embargo, el censor de frente de onda está adquiriendo relevancia clínica como instrumento diagnóstico para evaluar ojos que sufren elevados niveles de distorsión, como en el queratocono. La Figura 4 muestra un aparato de frente de onda en un escenario clínico. Existen varios tipos de censores de frente de onda con una misma clase de censor llamado de Shack-Hartmann (SHS). El censor de frente de onda recolecta información del desempeño óptico del ojo que puede ser utilizado para calcular las cantidades de cada término de Zernicke que se encuentren presentes (Figura 3). Los datos de aberración ambiente pueden desplegarse de manera gráfica (Figura 5 abajo).

Figura 4: Un censor de frente de onda Shack-Hartmann en un escenario clínico. Un censor de frente de onda es capaz de cuantificar las propiedades ópticas del ojo de forma rápida y objetiva. Para recolectar los datos de este instrumento, el paciente coloca su cabeza en el descansa frente y mentonera (A). El operador alinea el ojo a estudiar al cabezal (B). Después de adquirir la imagen, se procesa la información guardada en a computadora (C) se despliega en la pantalla (D).

¿Qué tipo de aberraciones se encuentran presentes en el queratocono? Todos los ojos, incluidos los normales, tienen cierto nivel de aberraciones de bajo ato orden. Cada ojo tiene una cantidad única de estas aberraciones de bajo y alto orden. Dependiendo de la gravedad de la enfermedad, los ojos con queratocono pueden acompañarse de elevados niveles de aberraciones tanto de bajo como de alto orden. Los datos de aberración mostrados en la Figura 3 pueden ser combinados matemáticamente y representados gráficamente como se muestra en Figura 5 abajo. La Figura 5 muestra dos mapas a color que describen las aberraciones de alto orden medidas en un ojo normal (Figura 5A) y en un ojo con queratocono (Figura 5B). Una gran parte del mapa en la Figura 5A es verde, lo cual representa un frente de onda relativamente plano. Sin embargo, el mapa en la Figura 5B muestra una mayor variación en color. La variación significa la presencia de aberraciones de alto orden en este paciente con queratocono que son mucho mayores a las que se encuentran en un ojo normal (Figura 5B). La forma circular del mapa denota los límites de la medición, que está definido por la pupila. La meta de un LCBGFO es corregir estas aberraciones ópticas.

Figura 5: Un mapa aberró métrico de frente de onda de las “otras aberraciones” o aberraciones de alto orden de dos ojos. La Figura 5A reporta los datos de un ojo normal y la Figura 5B reporta los datos de un ojo con queratocono. El ojo con queratocono muestra elevados niveles de aberraciones de alto orden (vistas como un aumento en los niveles de rojo y azul en el mapa) comparados con el ojo normal de la figura 5A. Note que la forma circular del mapa denota los límites de la medición, que están definidos por la pupila.

¿Cómo es que los datos de frente de onda se usan para diseñar un LCBGFO? Los coeficientes de los polinomios de Zernicke, que se obtienen de las mediciones recolectados por el censor de frente de onda, se pueden usar para realizar una graduación óptica para el ojo. Sin embargo, a diferencia de la graduación obtenida por el proceso de refracción ya descrito, la graduación de Zernicke es más completa, proporcionando ambos tipos de aberraciones, de bajo y alto orden. En el caso del queratocono, la capacidad de medir aberraciones de alto orden permite que el censor de frente de onda cuantifique de forma más completa y precisa una representación del desempeño óptico del ojo. Esto brinda al investigador y al diseñador de lentes de contacto una descripción mas completa de las propiedades ópticas del ojo. Es precisamente esta información la que se requiere para definir una corrección óptima para el queratocono y es esta información la que se usa en el desarrollo de los LCBGFO.

La Figura 6 muestra una caricatura simplificada de un frente de onda saliendo del ojo como lo haría durante la medición del censor de frente de onda. La luz se dispersa de un punto de origen en la retina (punto rojo) y viaja de regreso a través y fuera del ojo. Si el ojo fuera un sistema óptico perfecto las puntas de los rayos de luz (flechas) formarían una línea recta, como se muestra con la línea verde. Sin embargo, una aberración lleva a la distorsión del frente de onda, como se ve en las líneas rojas y azules. En esta figura, la porción roja del frente de onda está por delante de la porción azul. La meta de los LCBGFO es tener todas las porciones del frente de onda alineados para que ninguna porción quede desfasada hacia atrás o adelante. Esto se muestra en la Figura 6b. Una representación tridimensional de los mapas de frente de onda, definidos sobre la pupila, se muestran en la Figura 7 abajo.

Figure 6: Figura 6: Demostración esquemática del concepto de un LCBGFO. Este dibujo muestra como el censor de frente de onda cuantifica la aberración del ojo. La luz se dispersa de un punto de origen en la retina (punto rojo) y viaja de regreso a través y fuera del ojo. El LCBGFO se diseña para corregir tanto las aberraciones de bajo como las de alto orden. Aquí, la Figura 6A muestra un ojo con queratocono padeciendo a aberración ocular. La porción roja del frente de onda está por delante de la porción azul. La Figura 6B muestra la corrección del ojo con un LCBGFO. A diferencia del LCB convencional, este LCBGFO se diseña para corregir aberraciones tanto de bajo como de alto orden que se presentan en el ojo.

Figura 7: Se muestra el concepto de LCBGFO. La Figura 7a muestra el error de frente de onda de un ojo con queratocono. La Figura 7B muestra como la compensación del frente de onda se incorpora al LCBGFO, formando una sola corrección para las aberraciones mostradas en la Figura 7A. Note que donde el frente de onda es rojo, la corrección es azul y viceversa. La Figura 7A fue capturada en un ojo real y la figura 7B es la medida de un LCBGFO real. La Figura 7C muestra el desempeño resultante en el ojo que fue reducir las aberraciones de alto orden.

¿Cuál es el proceso para diseñar un LCBGFO? El proceso para diseñar un LCBGFO se muestra en la Figura 8. Difiere del algoritmo típico de un lente de contacto porque el resultado es un lente hecho a las necesidades únicas de cada paciente: un LCBGFO. El algoritmo también permite a los investigadores del VOI realizar nuevas preguntas de investigación con respecto a los LCBGFO.

Figura 8: Forma general del algoritmo utilizado para el diseño, fabricación y evaluación del LCBGFO en el Instituto de Óptica Visual del Colegio de Optometría de la Universidad de Houston. Este algoritmo apoya el estudio del diseño de los LCBGFO para personas con queratocono.

Resumiendo: La detección de frente de onda es una tecnología emocionante que permite a clínicos e investigadores la mejor comprensión del desempeño óptico del ojo. A diferencia de la refracción, la detección de frente de onda permite medir un gran rango de errores refractivos y no solamente defocus y astigmatismo. Esto es importante en enfermedades oculares en donde las aberraciones de alto orden tienen un papel importante en la visión. El lenguaje de las aberraciones de frente de onda permite una forma de describir aberraciones tanto de bajo como de alto orden. Aun cuando los censores de frente de onda no se encuentran universalmente disponibles en la clínica, su número se ha incrementado y continuará la tendencia conforme los clínicos y científicos encuentren mayor utilidad a la información que se obtenga de ellos. Esta utilidad podría ser para detectar la enfermedad y su progresión, evaluar la corrección de los lentes convencionales, entender mejor la visión de los pacientes y personalizar la corrección óptica de acuerdo con las necesidades individuales de cada persona.

La descripción de arriba se enfoca a esta última aplicación que actualmente se encuentra en investigación en el VOI. Hasta la fecha, los investigadores han sido capaces de diseñar, fabricar y evaluar estos lentes en la práctica clínica. Sin embargo, todavía hay retos que limitan su efectividad. En primer lugar, estos lentes son muy sensibles al movimiento y un movimiento significativo reduce el desempeño visual. Algunas veces, un movimiento extremo hace que el desempeño llegue al punto de que el lente INDUCE nuevas aberraciones en lugar de corregirlas. En este caso, la corrección es inútil. Otro reto que existe es la naturaleza altamente personalizada del lente, haciendo que el proceso sea tardado y costoso. Se están investigando métodos para reducir la complejidad del diseño y fabricación de estos lentes para volverlos más exitosos. Esto último es visto como un método para darle relevancia clínica a estos lentes.

Estos lentes todavía se encuentran en fase experimental y no están disponibles a la venta. El VOI y otros grupos de investigadores creen que tienen un futuro prometedor para propocionar al clínico un método adicional para tratar defectos ópticos en ojos muy aberrados.

Por favor dirija sus preguntas con respecto a este trabajo a:

Jason D. Marsack, Ph.D.
Research Assistant Professor
505 J Davis Armistead Bldg.
University of Houston, College of Optometry
Houston TX 77204 USA