Laboratorio de Óptica
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Universidad de Murcia
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Investigación - Líneas de investigación

Resumen de actividades de investigación del LOUM - año 2008



El Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia (LO·UM) es uno de los grupos pioneros mundiales en la aplicación de la Óptica Adaptativa en el estudio del ojo y ha obtenido un número importante de resultados fundamentales sobre las características ópticas del ojo y de la retina. El grupo de investigación fue creado en 1994 con el objetivo de convertirse en referente mundial en sus áreas de actuación. En la actualidad es un grupo sólido y consolidado que consta de 17 miembros y está a punto de trasladarse a unas nuevas instalaciones en el edificio del Centro de Investigación en Óptica y Nanofísica de la Universidad de Murcia (CiOyN).

En las imágenes de la derecha se muestra una foto reciente de los miembros del grupo de investigación y del nuevo edificio.

En paralelo a los desarrollos en investigación fundamental, el grupo mantiene de manera permanente relación con empresas nacionales e internacionales de Óptica Oftálmica. En concreto, varios desarrollos instrumentales y productos de óptica oftálmica que se encuentran actualmente en el mercado se han generado en nuestro laboratorio. A continuación, describimos de forma sucinta algunas de las contribuciones que han tenido un mayor impacto en los campos de:

  • Óptica Visual
  • Óptica Adaptativa

y también hacemos una breve mención a algunos de los proyectos actualmente en desarrollo en nuestro laboratorio.

Óptica Visual

El desarrollo de nueva instrumentación para entender mejor las propiedades ópticas del ojo y de la retina ha sido uno de los principales objetivos del laboratorio. En los primeros años de su andadura se profundizó en el estudio de los sistemas de evaluación de la calidad de imagen y la medida de aberraciones, se desarrolló un sistema de doble-paso asimétrico para el registro de imágenes retinianas, mediante el que es posible estimar la imagen retiniana de un punto (PSF), y utilizando procedimientos de recuperación de fase calcular la aberración de onda [1-3]. En estos desarrollos está basado, en parte, el actual sistema de evaluación de la calidad óptica del ojo disponible comercialmente: OQAS, fabricado por la empresa Visiometrics SL (una empresa “spin-off” de la Universidad Politécnica de Cataluña, creada por el Prof. Jaume Pujol). Poco tiempo después, construimos uno de los primeros sensores de frente de onda de tipo Hartmann-Shack que estuvieron operativos [4], y que fue posteriormente modificado, en colaboración con el Prof. David Williams de la Universidad de Rochester, para operar, por vez primera, en tiempo en tiempo real a 25 Hz [5].


Ejemplo de compensación de aberraciones entre la córnea y el cristalino
En el conocimiento de las fuentes y localización de las aberraciones en el ojo, el LO·UM ha aportado algunos de los resultados más novedosos en la última década. Mediante la comparación de las aberraciones de la córnea (estimadas a partir de datos de elevación [6] y del ojo completo es posible separar las contribuciones de los principales componentes del ojo. Encontramos que el cristalino juega un papel activo en compensar en buena parte las aberraciones producidas por la primera superficie de la córnea [7,8]. Esta idea, que fue recibida con cierto escepticismo cuando la publicamos, está ahora completamente aceptada y se ha convertido en una de las líneas de trabajo de varios laboratorios en todo el mundo. La figura de la izquierda muestra un ejemplo de este fenómeno: las aberraciones de la córnea, cristalino y del ojo completo del ojo de uno de los autores (PA). Mas recientemente, hemos ido avanzando en la compresión de los mecanismos responsables de esta compensación [9], que creemos se debe a un proceso de tipo automático que es más significativo en los ojos con mayores ángulos, es decir en los ojos hipermétropes. Estos resultados han mostrado que el sistema óptico del ojo es extremadamente robusto.

La óptica del ojo cambia continuamente con la edad. Una de nuestras líneas de trabajo ha pretendido comprender de qué forma, y debido a qué cambios en el ojo, ocurren estas modificaciones. Descubrimos un empeoramiento significativo de la calidad de la imagen retiniana con la edad [10]. Mientras que la córnea se mantiene relativamente estable con la edad [11], la razón fundamental del empeoramiento es un progresivo cambio de aberraciones en el cristalino, que “rompe” el acople de aberraciones que encontramos en ojos jóvenes [12]. Este resultado de ciencia básica sirvió de base al el desarrollo de nuevas generaciones de lentes intraoculares con aberración esférica negativa [13], copiando en cierta manera la situación que ocurre en los ojos jóvenes. Este tipo de lentes (la lente TECNIS de AMO fue el primer ejemplo que nosotros ayudamos a desarrollar) son en la actualidad ampliamente aceptadas.

Las propiedades de polarización en el ojo y la retina y su efecto en las estimaciones de calidad de imagen se han estudiado en profundidad, desarrollándose varios instrumentos de tipo polarimétrico que pueden eventualmente servir como base de futuros instrumentos de tipo clínico [14-17] en diversos estudios.

Finalmente, se han atacado diversos aspectos más aplicados en relación con la óptica oftálmica. Como ejemplo, el trabajo desarrollado en colaboración con ESSILOR Internacional para el estudio de las propiedades ópticas de las lentes progresivas [18,19], ha sido usado en parte para el desarrollo de nuevas generaciones de lentes progresivas, recientemente sacadas al mercado: Varilux Physio.

Óptica Adaptativa



Al disponer de sistemas robustos para la medida de las aberraciones, resultaba natural intentar su corrección. Las técnicas de Óptica Adaptativa (OA), inicialmente desarrolladas en aplicaciones astronómicas, permiten mediante la corrección activa del frente de onda aumentar la resolución de telescopios que está limitada por la turbulencia atmosférica. El elevado coste de esta tecnología había impedido su uso en entornos diferentes al astronómico o militar. Nuestro laboratorio fue uno de los pioneros mundiales en intentar la corrección estática del frente de onda. Elegimos inicialmente un modulador espacial de cristal líquido mediante el cual obtuvimos resultados de corrección en el ojo real limitados por las características del corrector (número de elementos y su rango), pero mostramos las posibilidades de aplicación de sistemas diferentes a los espejos deformables [20].

Posteriormente, decidimos el uso como sistema corrector de un espejo deformable de tipo membrana. Este sistema presentaba un coste moderado (un orden de magnitud por debajo a los espejos usados en telescopios) y pensamos que podría ser adecuado para su aplicación en el ojo. Con él conseguimos la primera demostración de un sistema de corrección de aberraciones en tiempo real y bucle cerrado [21].

Este prototipo (imagen de la derecha) sirvió de base a diversas mejoras en los experimentos de OA de nuestro laboratorio. En particular, se diseñó una segunda generación de OA ocular que utilizaba dos sistemas correctores, el espejo deformable de membrana [22] y un modulador espacial de cristal líquido con resolución XGA [23]. Este sistema, que denominamos “simulador visual de OA”, se ha usado principalmente para realizar estudios sobre la relación entre la óptica del ojo, la acomodación y la calidad de visión [24-26]. Nuestro laboratorio ha mostrado las enormes posibilidades de la OA en estudios visuales. La imagen de abajo muestra una vista del sistema existente en 2005.

Foto del primer prototipo de óptica adaptativa funcionando en bucle cerrado y en tiempo real (ver referencia 21 para más detalles).

Simulador visual de óptica adaptativa con el modulador espacial en 2005.

Otra de las aplicaciones que se benefician de la corrección de aberraciones del ojo es la obtención de imágenes de la retina. Hace ya más de una década, Artal y Navarro [27] propusieron el uso de técnicas de alta resolución, previamente aplicadas en astronomía, al ojo humano. En 1997, obtuvimos imágenes de la retina con un sistema con altos aumentos, aunque sólo con corrección parcial de las aberraciones [20]. También aplicamos a imágenes extensas una técnica de de-convolución que proporcionó buenos resultados [28] y fue seguida posteriormente por varios laboratorios. En paralelo, pusimos a punto una modalidad diferente de formación de imágenes de la retina mediante barrido láser y exploramos otras opciones de de obtención de imágenes [29].

Las técnicas de OA en imágenes convencionales de alta resolución pueden proporcionar una muy alta resolución lateral en el plano del mejor foco. Sin embargo, la resolución axial es pobre. Una solución es utilizar técnicas tomográficas de baja coherencia óptica (OCT). En este campo venimos colaborando con el grupo de W. Drexler en la Universidad de Viena desde hace varios años. En el marco de este colaboración obtuvimos, por vez primera imágenes topográficas de la retina con OA [30].

Algunas líneas de investigación en desarrollo.



En la actualidad, el LO·UM mantiene diversos proyectos en marcha en sus líneas tradicionales de actuación. En un listado no exhaustivo, estamos construyendo una tercera generación del sistema de AO para el ojo, basado en nuevas mejoras y un espejo deformable Xinetics de 97 actuadores. El sistema, que ya está actualmente operativo tiene unas prestaciones muy superiores a las de los sistemas anteriores y permitirá realizar nuevos experimentos, tanto en visión espacial, como en la obtención de imágenes retinianas. La relación entre la calidad visual y la óptica del ojo está siendo objeto de varios estudios en este momento, y se encuentran en fase de planificación otros que nos permitirán entender mejor los límites a la visión: ópticos, retinianos o neuronales. Por ejemplo, ha despertado un enorme interés nuestros estudios de la óptica ocular llevados a cabo en sujetos jóvenes con excelente visión espacial, en los que no encintramos una significativa correlación entre las aberraciones y la agudeza visual.

Seguimos avanzando para completar la modelización personalizada de la óptica del ojo. Hemos puesto a punto un nuevo instrumento para medir en vivo el descentrado y tilt del cristalino y hemos desarrollado un modelo completo que predice con buena fiabilidad las aberraciones de un ojo dado. En los últimos años también estamos explorando las contribuciones de las aberraciones cromáticas y el impacto de su corrección en la visión. El papel de la difusión intraocular, su relación con las aberraciones y la calidad visual es también objeto de las investigaciones en marcha.

Diversos aspectos más aplicados también están en estudio: desde el desarrollo de lo que denominamos “cirugía virtual de la catarata”, una modelización de la óptica en ojos tras implantar lentes intraoculares, a los estudios de la óptica tras cirugía refractiva LASIK. En unas líneas ligeramente diferentes a las tradicionales, estamos comenzando investigaciones usando láseres de pulsos cortos, que actualmente disponemos, en la obtención de imágenes del ojo mediante técnicas de microscopías de varios fotones.

En resumen, el LO·UM desarrolla en la actualidad un intenso trabajo para seguir avanzado en el conocimiento del ojo, la retina y del sistema visual. Con este objetivo, desarrollamos nueva instrumentación y diseñamos nuevos sistemas de corrección visual, que proporcionen una mejor calidad de visión.

Agradecimientos:

Las actividades del LO·UM pueden realizarse gracias a la financiación de diferentes organismos y empresas a los que deseamos agradecer expresamente su generosidad: Ministerio de Educación y Ciencia (proyectos BFM2001-0391 y FIS2004-02153); Unión Europea (Proyecto “Sharp-Eye”); Advanced Medical Optics (AMO), Groningen, Holanda; CIBA Vision, Duluth, Estados Unidos; ESSILOR International, Francia; Visiometrics SL, Tarrasa. Además, el LO·UM ha tenido, y mantiene en la actualidad, relaciones de colaboración otros laboratorios e investigadores que han contribuido en alguno de nuestros resultados: grupos de la red de Óptica Visual Española, red “Sharp-eye” de la UE, J. Pujol (Tarrasa), M. Cagigal (Santander), D. Williams (Rochester), W. Drexler (Viena), D.G Green (Michigan), R. Blendowske (Darmstadt), F. Shaeffeel (Tubingen), S. Klyce (N. Orleans), T. Van den Berg (Amsterdam), D. Atchison (Brisbane), etc…

Antonio Guirao, Fernando Vargas y Juan Luís Aragón, antiguos miembros del laboratorio, contribuyeron de manera decisiva en algunas de estas investigaciones.

Referencias:

[1] P.Artal, I.Iglesias, N.Lopez and D.G.Green, "Double-pass measurements of the retinal image quality with unequal entrance and exit pupils sizes and the rebersibility of the eye´s optical system", J.Opt.Soc.Am.A. 12, 2358-2366 (1995).

[2] I.Iglesias, N.Lopez and P. Artal, "Reconstruction of the ocular PSF from a pair of double pass images by phase retrieval techniques", J.Opt.Soc.Am.A. 15, 326-339 (1998).

[3] I.Iglesias, E.Berrio and P.Artal, "Estimates of the ocular wave aberration from pairs of double pass retinal images". J.Opt.Soc.Am.A. 15, 2466-2476 (1998).

[4] P.M. Prieto, F. Vargas, S. Goelz and P.Artal, " Analysis of the performance of the Hartmann-Shack sensor in the human eye” J.Opt.Soc.Am.A. 1:1388-98 (2000).

[5] H. Hofer, P.Artal, B.Singer, J.L.Aragon, D. R. Williams, “Dinamics of the eye wave aberration”, J.Opt.Soc.Am.A.18, 497-506 (2001).

[6] A.Guirao and P.Artal. "Córneal wave-aberrations from videokeratography: accuracy and limiations of the procedure” J.Opt.Soc.Am.A. 17, 955-965 (2000).

[7] P.Artal and A.Guirao "Contribution of córneal and lns to the aberrations of the human eye". Opt.Lett. 23, 1713-1715 (1998).

[8] P. Artal, A. Guirao, E. Berrio, & D.R. Williams, “Compensation of corneal aberrations by the internal optics in the human eye”. Journal of Vision, 1(1), 1-8, (2001).

[9] P. Artal, A. Benito, J. Tabernero , "The human eye is an example of robust optical design", J. Vis. , 6 , 1–7 (2006).

[10] A.Guirao, C.Gonzalez, M.Redondo, E.Geraghty, S.Norrby and P.Artal. “Average optical performance of the human eye as afunction of age in a normal population”, Inv.Oph.Vis.Sci. 40, 203-213 (1999).

[11] A.Guirao and P.Artal. "Córneal wave-aberrations from videokeratography: accuracy and limiations of the procedure”. J.Opt.Soc.Am.A. 17, 955-965 (2000).

[12] P. Artal, E. Berrio , A. Guirao and P. Piers. "Contribution of the cornea and internal surfaces to the change of ocular aberrations with age" J. Opt. Soc. Am. A, 19 , 137-143 (2002).

[13] A. Guirao, M. Redondo, E. Geraghty, P. Piers, S. Norrby and P. Artal. “ Corneal optical aberrations and retinal image quality in patients in whom monofocal intraocular lenses were implanted" Arch Ophthalmol., 120,1143-51 (2002).

[14] J.Bueno and P.Artal. "Double-pass imaging polarimeter in the eye” Opt.Lett. 24, 64-66 (1999).

[15] J.Bueno and P.Artal "Polarization and retinal image quality estimates in the human eye”. J.Opt.Soc.Am.A. 18, 489- 496 (2001).

[16] J. Bueno, E. Berrio and P. Artal, “Aberro-polariscope for the human eye” Opt.Lett. 2, 1209-1211 (2003).

[17] J .Bueno, E.Berrio, P.Artal, "Corneal polarimetry after LASIK refractive surgery", J. Bio. Opt , 11 , (2006).

[18] E. A. Villegas, C. Gonzalez, B. Bourdoncle, T. Bonnin and P. Artal. “ Correlation between optical and psychophysical parameters as a function of defocus.” Optom. Vis Sci. 79(1):60-7. (2002).

[19] E. A. Villegas and P. Artal, "Spatially resolved wavefront aberrations of ophthalmic progessive-power lenses in normal viewing conditions" Optom. Vis. Sci., 80 , 106-114 (2003).

[20] F.Vargas, P.Prieto and P.Artal "Correction of the aberrations in the human eye with a liquid crystal spatial light modulator: limits to the performance" J.Opt.Soc.Am.A. 15, 2552-2562 (1998).

[21] E.Fernández, I.Iglesias, P.Artal "Closed loop adaptive optics in the human eye”.Opt.Lett.26, 746-748 (2001).

[22] E. Fernández and P. Artal, "Membrane deformable mirror for adaptive optics: performance limits in visual optics" Opt. Express, 11 , 1056-1069 (2003).

[23] P. M. Prieto, E. J. Fernández, S. Manzanera and P. Artal, "Adaptive optics with a programmable phase modulator: applications in the human eye" Opt. Express , 12 , 4059-4071 (2004).

[24] P. Artal, L. Chen, E. J. Fernández, B. Singer, S. Manzanera and D. R. Williams, "Neural adaptation for the eye's optical aberrations" J. Vis. , 4 , 281-287 (2004).

[25] E. J. Fernández and P. Artal, "Study on the effects of monochromatic aberrations in the accommodation response by using adaptive optics", J. Opt. Soc. Am. A , 22 , 1732-1738 (2005).

[26] P. A. Piers, E. J. Fernández, S. Manzanera, S. Norrby and P. Artal, "Adaptive optics simulation of intraocular lenses with modified spherical aberration" Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. , 45 , 4601-4610 (2004).

[27] P.Artal and R.Navarro. "High-resolution imaging of the living human fovea: measurement of the intercenter cone distance by speckle interferometry" Optics Letters, 14, 1098-1100 (1989).

[28] I.Iglesias & P.Artal "Deconvolution of retinal images from wave -front data”. Opt.Lett. 25,1804-1806 (2000).

[29] B. Vohnsen, I. Iglesias & P. Artal, "Directional Imaging of the Retinal Cone Mosaic" Opt. Lett. , 29 , 968-970 (2004).

[30] B. Hermann, E. J. Fernández, A. Unterhuber, H. Sattmann, A. F. Fercher, W. Drexler, P. M. Prieto and P. Artal, Opt. Lett. , 29 , 2142-2144 (2004).