ABERROMETRÍA: CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y APLICACIONES CLÍNICAS

Susana Marcos

Doctora en Física por la Universidad de Salamanca. Llevó a cabo su investigación predoctoral en el Instituto de Óptica del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) de Madrid.

Resumen
El presente artículo trata el concepto, la medida y las aplicaciones de las
aberraciones de onda. La óptica ocular no es perfecta. Además de las aberraciones
convencionales de bajo orden (como el desenfoque o el astigmatismo) otras
aberraciones de alto orden degradan las imágenes retinianas. Los aberrómetros
suelen medir la desviación de los rayos en el plano retiniano en función de la posición
de la pupila, es decir, la derivada local de la aberración de onda. El artículo comenta
la tecnología más moderna para medir las aberraciones del ojo (córnea y
cristalino), tanto monocromáticas como policromáticas. Los aberrómetros
descritos incluyen el sensor de frente de ondas de Hartmann-Shack, el Laser Ray
Tracing, el Refractómetro de Resolución Espacial o las aberraciones corneales. Esta
tecnología ha sido utilizada para mejorar nuestro conocimiento sobre diversos
mecanismos visuales, condiciones oculares y métodos de corrección. Las
aplicaciones incluyen la acomodación, la miopía, la edad, el queratocono, la cirugía
refractiva, la cirugía de cataratas y las lentes de contacto.
Palabras clave: Aberraciones oculares, acomodación, edad, miopía, cirugía
refractiva, lentes intraoculares y lentes de contacto.
Introducción
El presente artículo presenta algunas de las últimas investigaciones en
aberrometría realizadas en el Laboratorio de Óptica Visual y Biofotónica del
Instituto de Óptica ''Daza de Valdés'', Consejo Superior de Investigaciones
Científicas (CSIC). El CSIC es la institución de investigación multidisciplinar más
grande a nivel nacional, con más de cien institutos de investigación. Refundada en
1939 y basada en la Junta para la Ampliación de Estudios e Investigaciones
Científicas, y fundada en 1907 siendo el Premio Nobel Santiago Ramón y Cajal su
primer presidente. El Instituto de Óptica ''Daza de Valdés'' es uno de los institutos
más antiguos, siendo la investigación en visión uno de los pilares fundamentales
desde su fundación. El trabajo pionero de Aguilar, Otero y Durán en la década de los
40 y 50 sobre el efecto Stiles-Crawford y la miopía nocturna, entre otros tópicos,
fue seguido de trabajos muy reconocidos en la década de los 80 y 90 sobre óptica
fisiológica (calidad de la imagen retiniana de doble paso, modelos de ojo
esquemático, trazado de rayos...) realizados por Santamaría, Bescós, Artal o
Navarro. El Instituto debe su nombre a Benito Daza de Valdés, autor del primer libro
sobre Óptica escrito en español en 1623, titulado “Tratado sobre los anteojos''.
Dicho autor proporcionó una amplia información sobre el uso de las lentes para
mejorar la visión, la corrección óptica de la miopía, la hipermetropía, la presbicia
y la afaquia o el uso de gafas de sol. También participó en la idea del implante de
lentes en la cirugía de cataratas. Muchos de los temas de interés de Daza de Valdés
siguen siendo tópicos actuales de la investigación básica y clínica, y son áreas de
investigación cubiertas por nuestro grupo. Nuestro trabajo se basa en la
experiencia acumulada en el instituto, en la nueva tecnología punta y en la
cooperación y el apoyo de nuestros colaboradores del Instituto de Investigación
Ocular de Schepens. Trabajamos según el procedimiento multidisciplinar de
Schepens con el objetivo de avanzar en investigación ocular y de conseguir una
aplicación directa en la práctica clínica. Por esta razón, nuestras colaboraciones
clínicas con el Instituto de Oftalmobiología (Universidad de Valladolid) y la Fundación
Jiménez Díaz (Madrid) son de extremada importancia.
Factores que contribuyen a la degradación de la imagen retiniana
El ojo es un instrumento óptico que proyecta escenas del mundo visual en la
retina. Se sabe desde hace mucho tiempo que el ojo no es un sistema óptico perfecto,
en particular en aquellos casos de pupilas de gran tamaño. Las anomalías
refractivas (desenfoque o astigmatismo) son frecuentes en el ojo.
En los países occidentales, la miopía afecta al 30% de la población, aunque su prevalencia es mucho más alta (más del 80%) en ciertas
sociedades asiáticas25. Pero el ojo también sufre de otras
imperfecciones ópticas (denominadas aberraciones de alto
orden) que no suelen ser medidas en la clínica ni pueden ser
corregidas mediante métodos convencionales. Al igual que
el desenfoque, las aberraciones ópticas emborronan la
imagen retiniana, reduciendo el contraste de la imagen y
limitando el rango de frecuencias espaciales disponibles
para posteriores estadios del proceso visual. La
contribución de las aberraciones a la degradación óptica
suele ser menor que la del desenfoque o el astigmatismo. El
efecto de emborronamiento de las aberraciones se hace
más notable en casos de pupilas de gran tamaño. En los
casos de diámetros pupilares pequeños, los efectos de
difracción, asociados al limitado tamaño de apertura,
predominan sobre las aberraciones.
Además de la difracción y de las aberraciones, la
dispersion también contribuye a la degradación de la
calidad de la imagen retiniana. La dispersion tiene lugar en
la córnea29 y, especialmente, en el cristalino74. Aunque la
dispersión suele ser pequeña en ojos jóvenes y normales,
se sabe que aumenta con la edad (debido a los cambios
producidos en el cristalino68) y tras la cirugía refractiva
PRK55.
La aberración de onda ocular
Los diseñadores de instrumentos suelen utilizar la
óptica geométrica para evaluar la calidad óptica de un
sistema de imágenes, utilizando para ello el camino óptico
de un grupo de rayos paralelos entrantes en el sistema. En
un sistema óptico perfecto los rayos que entran a través
de diferentes puntos de la pupila alcanzan el mismo punto
del plano de la imagen (la retina en el caso del ojo). Las
imperfecciones de la óptica producen el alejamiento de los
rayos de la localización ideal. Estas desviaciones angulares
se denominan aberraciones transversales13,42. La forma
más común de representación de las aberraciones de un
sistema óptico es la aberración de onda, definida como el
alejamiento de la aberración de onda de su forma de onda
ideal. El frente de onda es normal a las trayectorias de los
rayos. La diferencia entre el frente de onda aberrado y el
frente de onda esférico ideal se denomina aberración de
onda. La aberración de onda se mide en el plano de la pupila
y se representa como un mapa “topográfico”. Para un
sistema óptico perfecto, la aberración de onda es plana a
lo largo de la pupila. La forma más típica de describir la
aberración de onda es en términos de una expansión
polinomial de Zernike41-42,72. Los coeficientes de Zernike
representan el peso de cada polinomio simple en la
aberración de onda. Los términos de bajo orden
corresponden a los errores refractivos convencionales:
los términos de primer orden representan el prisma y los
términos de segundo orden representan el desenfoque y el
astigmatismo. Los términos de alto orden incluyen otras
aberraciones monocromáticas bien conocidas: es decir, la
aberración esférica (debida a cambios de enfoque con el
tamaño pupilar) o el coma (una aberración de tercer orden
no rotacionalmente simétrica). El error cuadrático medio
del frente de onda (RMS) puede ser estimado a partir de la
aberración de onda, y se utiliza como una forma de medida
de la calidad óptica total. Las ópticas de Fourier permiten la estimación directa del PSF y de la MTF a partir de la
aberración de onda24. La fase de la función pupilar es
proporcional a la aberración de onda. La PSF es el módulo al
cuadrado de la Transformada de Fourier de la Función
Pupilar, y la MTF es el módulo inverso de la Transormada de
Fourier del PSF. Debe destacarse que, al contrario de lo que
ocurre con la MTF estimada a partir de las medidas de doble
paso, la MTF obtenida de la aberración de onda no contiene
los efectos de la dispersión. Sin embargo, mientras la MTF
puede obtenerse fácilmente a partir de la aberración de onda
(para cualquier tamaño pupilar y, de forma computerizada,
para cualquier enfoque), la aberración de onda o incluso la
PSF no puede estimarse directamente a partir de la MTF de
doble paso.
Medida de las aberraciones monocromáticas con
aberrómetros
La mayor parte de los aberrómetros actuales miden la
aberración transversal en función de la posición pupilar. Las
aberraciones transversales son proporcionales a la derivada
local (pendiente) de la aberración de onda, por lo tanto, la
aberración de onda puede obtenerse fácilmente a partir de la
aberración transversal. La aberración transversal puede
medirse durante la entrada del haz en el ojo (aberrometría
de entrada) o durante la emergencia del frente de ondas el
ojo (aberrometría de salida). La figura 1 muestra los
principios básicos de estos dos tipos de aberrómetros, así
como imágenes de los bancos ópticos. Describiremos
brevemente los aberrómetros utilizados en los estudios
experimentales descritos en las siguientes secciones: el
sensor de frente de ondas de Shack-Hartmann (S-H), un
aberrómetro de salida, y dos aberrómetros de entrada, el
Laser Ray Tracing (LRT), y el Refractómetro de Resolución
Espacial (SRR). En el SH36 se forma una imagen en la retina
de un haz estrecho procedente de una fuente puntual de luz.
La onda reflejada atraviesa un dispositivo de microlentes
que enfoca múltiples puntos (uno por cada microlente) en una
cámara CCD. Cada microlente muestrea una pequeña parte
del frente de onda correspondiente a una determinada
localización pupilar. Para un sistema óptico perfecto, estos
puntos se formarán en el punto focal de cada microlente. Las
aberraciones producirán inclinaciones locales del frente de
ondas y, por lo tanto, los puntos se desviarán de los puntos
focales. La aberración del rayo transversal asociada a cada
microlente puede determinarse a partir de la desviación del
centroide de su imagen correspondiente con respecto a la
posición ideal. En el LRT50,57 la pupila se muestrea de forma
secuencial, a medida que un haz láser es escaneado a través
de la pupila dilatada y proyecta un punto sobre la retina. Un
CCD colocado en el plano conjugado de la retina captura las
imágenes aéreas en función de la pupila de entrada. Debido al
efecto de las aberraciones los rayos entrantes en el ojo a
través de puntos excéntricos se desvían del rayo central. La
aberración transversal local se considera como la distancia
angular existente entre el centroide de cada una de las
imágenes aéreas y el centroide de la imagen correspondiente
a una pupila de entrada centrada. En resumen, la aberración
de onda se estima a partir de un grupo de aberraciones
transversales locales. El SRR14,30,57,75 es también una
técnica secuencial, y también mide las aberraciones en el
primer paso. El principio es similar al del LRT. En lugar de capturar la imagen reflejada por la retina en una cámara
CCD, el sujeto alinea las imágenes de un punto observado a
través de una pupila centrada con puntos observados a
través de pupilas excéntricas. Estas tres técnicas han sido
ampliamente utilizadas en el laboratorio con el objetivo de
entender las propiedades ópticas del ojo normal, así como en
aplicaciones clínicas. Se ha demostrado que, para sujetos
normales, las tres técnicas proporcionan resultados
similares. La mayoría de los sistemas de imagen recientes
utilizan iluminación infrarroja, mientras que para muchas
aplicaciones se requieren los datos aberrométricos con luz
visible. Se ha demostrado experimentalmente que, en
general, las medidas en IR (780 nm) y en luz verde (543 nm)
son equivalentes37 siempre que la aberración cromática
longitudinal ocular (ver próxima sección) se tenga en cuenta.
Además, los datos aberrométricos no se ven afectados por
la polarización del haz50,63.
Los métodos descritos miden las aberraciones de todo el
sistema óptico del ojo. La topografía corneal convencional
puede ser utilizada para medir las aberraciones de la córnea
de forma independiente3,10-11,27. Mediante un trazado de
rayos virtual sobre los mapas de elevación corneal
(obtenidos mediante topografía corneal con disco de plácido)
puede medirse la aberración transversal de la superficie
corneal anterior. A partir de estos datos se puede obtener la
aberración de onda corneal tal y como se ha descrito
anteriormente.

Aberraciones cromáticas

Las técnicas aberrométricas descritas anteriormente

Estas variaciones en las aberraciones de alto orden equivalen a
las bien conocidas variaciones en los errores refractivos. La
figura 3 muestra ejemplos de las aberracionesde onda de un -Fuentes de aberraciones en el ojo:
La córnea y el cristalino son los componentes
refractivos más importantes del ojo, y las
aberraciones de los componentes individuales
contribuirán a la calidad final de la imagen. Se ha
demostrado que, al menos en los ojos jóvenes, una
proporción de las aberraciones corneales se
compensa a través de las aberraciones del cristalino.
Una compensación parcial del astigmatismo corneal
mediante el cristalino ya se conocía en la literatura
optométrica clínica (regla de Javal)35. Además, el
hecho de que la aberración esférica de la córnea sea
generalmente positiva mientras que la aberración
esférica del cristalino tienda a ser negativa se
conoce desde hace tiempo56. De forma interesante, la
compensación parcial de las aberraciones
asimétricas, como el coma, también parece ocurrir,
al menos en ojos jóvenes miopes7. Varios modelos
han intentado explicar las interacciones de las
aberraciones corneales e internas. Sin embargo, las
inclinaciones y los descentramientos simples de los
componentes oculares no son suficientes para
explicar la compleja estructura del patrón de
aberración de onda total.

-Cambios producidos con la acomodación:
El hecho de que la calidad de la imagen retiniana varía con
la acomodación ha sido demostrado en estudios de doble
paso49 o aberrométricos8,31. He et al.31 publicaron las con estímulos de acomodación que variaban desde 0D
(infinito) hasta 6 D, utilizando el SRR. Como ya se había
publicado anteriormente en la literatura, el lag de
acomodación aumenta con la demanda de acomodación.
Tal y como se muestra en la figura 4 A, se obtuvo una
calidad óptica óptima (excluyendo desenfoque y
astigmatismo) con aproximadamente 2 D, mientras
que la RMS aumentó alrededor de 1 μ m de media para
6 D de acomodación. Los cambios más sistemáticos se
encontraron en el término de aberración esférica
(disminuyendo en todos los sujetos, y cambiando de
positivo a negativo en varios sujetos) y en las
aberraciones de alto orden. Estos cambios están
relacionados con los cambios producidos en la forma
del cristalino durante el proceso de acomodación. Hofer
et al.32 midieron los cambios dinámicos de las
aberraciones de alto orden durante el proceso de
acomodación (de 0 D a 2 D), y encontraron cambios
temporales incluso con la paralización de la
acomodación mediante fármacos tópicos.
-Cambios producidos por la edad:
Las MTF de doble paso muestran un declive de la
transferencia de contraste para todas las frecuencias
espaciales en sujetos mayores4. Parte de la
degradación es debida a un aumento de la dispersión
intraocular con la edad73. Sin embargo, las medidas
aberrométricas revelan que parte de la disminución de
la calidad de la imagen retiniana con la edad es debida
a un aumento de las aberraciones oculares53. McLellan
et al.53 demostró (en un grupo de 38 sujetos, con
edades comprendidas entre los 23 y 65 años) que las
aberraciones de tercer orden aumentan con la edad (de
0.7 μ m a 1 μ m, para una pupila de 7.3 mm de media).
Los resultados de este estudio se muestran en la figura
4 B. Aunque no se encontraron cambios significativos
en los términos de tercer orden, la correlación
encontrada entre la aberración esférica y los términos
de quinto orden y superiores con la edad fue
estadísticamente significativa. Artal et al.7 midieron
las aberraciones corneales y totales en un grupo de 17
sujetos (de 20 a 70 años de edad), demostrando que
parte del aumento de las aberraciones ópticas con la
edad era debido a la desaparición de la compensación de
la aberración corneal con las aberraciones internas,
frecuente en sujetos jóvenes6. Este resultado no es
sorprendente para la aberración esférica, ya que las
medidas ex vivo han demostrado que la aberración
esférica del cristalino varía hacia valores positivos
con la edad23. La razón por la cual esto también ocurre
para los términos asimétricos es todavía desconocida.
-Relación con el error refractivo:
Varios estudios transversales han medido las
aberraciones de alto orden en función del error
refractivo miópico, demostrando todos ellos una
tendencia a una peor calidad óptica en miopes altos20.
Marcos et al.45,47 publicaron los resultados obtenidos
en 53 ojos (ver figura 4 C), demostando un aumento
estadísticamente significativo de la RMS de tercer
orden y superior con la miopía (desde 0.3 μm para - 0.25 D, hasta 1 μm para 12 D, de media, para una pupila
de 6.5 mm). Las aberraciones corneales e internas
también aumentaban con la miopía, pero en menores
porcentajes. La aberración esférica total no variaba
significativamente con la miopía. Las aberraciones
esféricas corneales aumentaron hacia valores más
positivos en miopías más elevadas (asociada a un
aumento de la asfericidad corneal), pero tendía a ser
compensada por la aberración esférica interna, que
aumentaba hacia valores más negativos para miopías
más elevadas. La principal causa del aumento de la
degradación óptica con la miopía resultó ser el coma y
las aberraciones de alto orden. También encontramos
diferencias biométricas y ópticas entre los ojos
hipermétropes y miopes. Un estudio que comparaba dos
grupos de ojos hipermétropes y miopes (empatados en
edad y en error refractivo absoluto) demostró una
mayor cantidad de asfericidad corneal y de aberración
esférica corneal en el grupo hipermétrope (Fig.5),
además de longitudes axiales más largas. El equilibrio
corneal/interno parecía estar comprometido en el grupo
hipermétrope para edades tempranas38.
-Cambios producidos con la excentricidad:
La calidad de la imagen monocromática en función del
ángulo visual también ha sido estudiado mediante la
técnica de doble paso33,59 y mediante aberrometría26,60.
Los estudios de doble paso muestran una disminución de
la calidad de la imagen retiniana con la excentricidad. La
mayor degradación se encontró para ángulos visuales de
más de 20 grados. En los 20 grados centrales del campo
el porcentaje de Strehl disminuye sólo desde 0.14 hasta
0.9 (media de 4 sujetos), sugiriendo que el ojo sigue un
diseño lenticular de ángulo amplio (calidad no óptima en
el eje, es decir, en la línea de visión, pero una calidad de
imagen constante a lo largo de un amplio campo de
visión). El astigmatismo y el coma aumentan con la
excentricidad retiniana. Una vez corregidos los
desenfoques periféricos y astigmáticos, las
aberraciones de alto orden no aumentan dramáticamente
fuera del eje. Navarro et al. describieron los aumentos medios de las RMS de tercer orden y superior (para una
pupila de 6.5 mm) desde 0.45 micra en la fóvea hasta 1.1
micra a 40 grados60.
Aberraciones ópticas del ojo patológico y
quirúrgico
Las secciones anteriores se refieren a la calidad de la
imagen retiniana en ojos normales. Las técnicas de medida
de la calidad de la imagen retiniana y de las aberraciones
descritas anteriormente han sido aplicadas clínicamente.
Han demostrado ser valiosas herramientas de diagnóstico y
evaluación.
-Aberraciones ópticas en el queratocono:
La distorsión progresiva de la córnea en el
queratocono da lugar a una topografía corneal
anómala y a una disminución de la función visual en
aquellos pacientes con queratocono. Al menos en los
estadios tempranos y moderados de la enfermedad,
la mayor parte de los cambios ocurren en la
superficie anterior de la córnea (es decir, el patrón
de aberración total es prácticamente idéntico al
patrón de aberración corneal. Los cambios
posteriores sufridos en la superficie corneal
posterior pueden producirse en estadios más
avanzados) 17. El astigmatismo suele ser alto en
estos pacientes. Además, el coma (nomalmente en la
dirección vertical) es mucho mayor que en sujetos
normales11,66 (3.7 veces mayor de media, en el
estudio de Barbero et al.11). La figura 6 muestra un
ejemplo de la aberración corneal y total en un ojo con
queratocono. La gran similitud entre los dos patrones
indica que la degradación óptica se produce
principalmente en la superficie anterior de la córnea.
-Cambios en la aberración óptica tras cirugía
refractiva:
La cirugía refractiva se ha convertido en una
alternativa común para la correción de los errores
refractivos. Los primeros estudios basados en
topografía corneal demostraron que, aunque el
desenfoque y el astigmatismo se solían corregir de
forma existosa, la cirugía refractiva (QR, PRK y
Lasik) aumentaba.

Los cambios producidos en las aberraciones corneales y
totales con la cirugía Lasik para hipermetropías también han
sido estudiados en nuestro laboratorio39. Hemos encontrado
un aumento simétrico de las aberraciones de alto orden tras
la aplicación de dicho procedimiento. La figura 7A muestra
un ejemplo de las aberaciones totales y corneales (tercer
orden y superior) en un paciente antes y después de
someterse a cirugía Lasik para miopía, y su correspondiente
RMS. Mientras que la aberración esférica varía hacia
valores más positivos tras cirugía Lasik para miopía, la
variación que se produce tras cirugía Lasik para
hipermetropía es hacia valores más negativos. Para la
misma cantidad absoluta de corrección, el aumento absoluto
de la aberración esférica corneal es mayor con la cirugía
Lasik para hipermetropía. La figura 9 compara la aberración
inducida (total y corneal) tras cirugía Lasik para miopía e
hipermetropía respectivamente.
-Aberraciones ópticas y cirugía de cataratas:
En todos los procedimientos de cirugía de cataratas, el
cristalino natural es sustituido por una lente intraocular
(LIO) artificial. Los fabricantes de LIO suelen evaluar la
calidad óptica de estas lentes mediante la medida de la
MTF y de la resolución in vitro. Las primeras medidas de
la calidad óptica de pacientes con LIO implantadas se
realizó utilizando un técnica de doble paso5,28. Las MTF
postquirúrgicas resultaron ser menores que las MTF de
ojos jóvenes, y la función óptica no era peor con lentes multifocales que con lentes monofocales.
Recientemente, se han medido por primera vez las
aberraciones de las LIO in vivo12. Se midieron las
aberraciones corneales y totales utilizando un
videoqueratoscopio y un Laser Ray Tracing
respectivamente. Las aberraciones de las LIO fueron
estimadas como las aberraciones corneales totales
negativas.
La figura 10 muestra las aberraciones esféricas
totales, corneales e internas en pacientes antes y
después de cirugía de cataratas. Resultados obtenidos
del estudio de Barbero et al12. Aunque la dispersión se
elimina con la extracción de la catarata y su
sustitución con una LIO, las aberraciones no se
reducen. Las aberraciones corneales tienden a
aumentar con la cirugía.

Hemos encontrado que los pacientes con implantes
de LIO asféricas presentan una aberración interna
negativa y una aberración esférica
significativamente menor que los pacientes con una
LIO esférica, resultando en una mejor calidad
óptica enfocada (no se encontraron diferencias
significativas cuando se tuvo en cuenta el
astigmatismo) 52. Como inconveniente, la
profundidad de campo (ambos referidos a criterios
relativos y absolutos) se encontró disminuida en
los pacientes con LIO asféricas.
-Aberraciones ópticas y lentes de contacto:
La medida de las aberraciones corneales y totales con
y sin lentes de contacto en usuarios de lentes de
medidas aberrométricas realizadas en un grupo de ojos
grupo de sujetos jóvenes normales. Las aberraciones tienden a contacto permeables a los gases (RPG) revelaron que las
RPG pueden corregir cantidades significativas de
aberraciones21. Dicha corrección es particularmente
importante en ojos con grandes cantidades de
aberraciones corneales. Solamente un ojo del estudio
(con una compensación corneal/interna particularmente
buena) mostró una calidad óptica menor (para
aberraciones de alto orden) con la lente de contacto
puesta que a ojo desnudo. La comparación de las
aberraciones de la superficie anterior con y sin la lente
de contacto permite evaluar la flexión de la lente, es
decir, su conformidad con la córnea, la cual es material
dependiente. La comparación de las aberraciones
internas con y sin la lente de contacto permite evaluar la

Agradecimientos

El autor quiere agradecer las contribuciones científicas
de Sergio Barbero, Lourdes Llorente, Carlos Dorronsoro,
Daniel Cano, Esther Moreno-Barriuso, Jesús Merayo,
Ignacio Jiménez-Alfaro, Stephen A. Burns, James Mclellan,
y Ji C. He, así como la financiación recibida.

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