Design of an open-view binocular sensor for the study of accommodation = Desarrollo de un sensor binocular en visión abierta para el estudio de la acomodación

Abstract

Objetivos: Los objetivos de esta tesis son: 1. Desarrollo y calibración de un sensor binocular de Hartmann-Shack (H-S) infrarrojo (1050nm) que permita realizar medidas desapercibidas de acomodación en visión abierta con un seguimiento de pupila en tiempo real (25 Hz). 2. Validación del instrumento en condiciones experimentales: Medidas de acomodación, convergencia, del tamaño pupilar y de las aberraciones monocromáticas en ambos ojos. 3. Estudio de la dinámica temporal de la respuesta acomodativa (acomodación, vergencia y tamaño pupilar) para una tarea de acomodación de lejos a cerca. 4. Estudio de la acomodación y refracción en baja luminancia. 5. Estudio de la respuesta de acomodación en luz policromática. Metodología: El diseño en doble-nivel del sensor emplea un ancho espejo dicroico, transparente para el visible y situado a 45º de la horizontal, lo que refleja la luz infrarroja al sensor y preserva una visión natural. Se ha incorporado un brazo de calibración para caracterizar el sensor. Se ha comprobado que el sistema proporciona medidas de refracción para rotación del ojo hasta 12.5º. Se ha observado comportamientos lineales de acomodación, convergencia, tamaño de pupila en ambos ojos y una buena correlación entre los cambios relativos de acomodación y de convergencia lo que valida el uso de nuestro instrumento en visión abierta. Resultados: En visión binocular las respuestas de acomodación, convergencia y tamaño pupilar fueron más rápidas que en visión monocular. Se ha observado que la convergencia se realiza de manera muy rápida y eficaz y la rotación de los ojos se desencadena de forma simultánea y sincronizada en binocular. En visión monocular, la acomodación y la convergencia fueron más lentas y presentaron mayor variabilidad entre sujetos. En estas condiciones, el ojo ocluido realiza un primer movimiento en dirección temporal lo que correspondería a un movimiento sacádico, para posteriormente converger de forma relativamente lenta y, sincronizada con la acomodación gracias a la interacción acomodación-convergencia. La dinámica temporal de los reflejos de acomodación ha mostrado una gran similitud entre ojos en visión binocular. Se ha observado en promedio un desplazamiento miópico del equivalente esférico en visión binocular y monocular en baja luminancia y con una gran variabilidad entre sujetos, incluyendo casos con cambio miópico, otros estables y comportamiento hipermetrópico de menor amplitud en visión binocular. Se ha calculado que la aberración esférica solo puede tener un leve impacto en este comportamiento. Se ha mostrado que el cambio acomodativo en baja luminancia está altamente relacionado con la posición tónica de acomodación, y también altamente correlacionado entre ambos ojos. Sin embargo, se ha mostrado que el estado de reposo de la convergencia está solo moderadamente correlacionado con la acomodación tónica. Se ha medido que la refracción presenta un comportamiento consistente con la acomodación en función de la longitud de onda del estímulo y con discrepancias para el azul. Para estímulos verdes y blancos, se ha observado un comportamiento muy similar tanto para lejos como para cerca. Se ha observado un aumento estadísticamente significativo de los tiempos de acomodación con el aumento del gap de refracción pero no se ha observado para la velocidad media y máxima de acomodación. La amplitud de miosis era estable sin cambios significativos con la longitud de onda. Tampoco se ha medido cambios significativos de convergencia correlacionado con el gap de refracción o el color. Conclusión: 1. Se ha desarrollado un sensor binocular infrarrojo para medir la repuesta de acomodación y las aberraciones de ambos ojos. 2. El instrumento ha demostrado buenas capacidades permitiendo medidas de la respuesta acomodativa para rotación del ojo hasta 12.5º en convergencia monocular. 3. La dinámica temporal de los reflejos de acomodación ha mostrado una gran similitud entre ojos y una respuesta más rápida en binocular que en monocular. 4. En visión monocular, se ha observado inicialmente un movimiento rápido de tipo sacádico del ojo seguidor. Luego el enlace de acomodación-convergencia produce convergencia de forma sincronizada con la acomodación. 5. Se ha medido un desplazamiento miópico de acomodación en baja luminancia con alta variabilidad entre sujetos. 6. El cambio de acomodación está altamente correlacionado con la acomodación tónica y entre ambos ojos lo que explicaría la similitud del fenómeno de miopía nocturna entre ojos. 7. La convergencia y la acomodación a oscuras o tónicas están solo moderadamente correlacionada sospechando una disociación de dichos procesos en oscuridad total. 8. La refracción medida en el espectro visible ha mostrado cambios consistentes con la acomodación para contrarrestar el efecto de la aberración cromática longitudinal. 9. Los tiempos de acomodación han mostrado un aumento lineal con el aumento del gap de refracción lo que sugiere una relación con la longitud de onda de los estímulos. No obstante, no se ha observado tendencia para la velocidad media y pico de acomodación.

Goals: Goals of this thesis are: 1. Development and calibration of a Hartmann-Shack binocular sensor (H-S) using infrared radiation (1050nm) to allow unobtrusive measurements of accommodation in open-vision with a real-time pupil tracker (25 Hz). 2. Validation of the instrument under experimental conditions: Measurement of accommodation, convergence, pupil size and monochromatic aberrations in both eyes. 3. Study of the temporal dynamics of accommodation responses (accommodation, vergence and pupil size) for a far-to-near accommodation task. 4. Study of accommodation and refraction in low luminance. 5. Study of the accommodation response in polychromatic light. Methods: The dual-level design of the sensor employs a large dichroic mirror, transparent to the visible and 45º-tilted from horizontal reflecting IR light to the sensor and preserving a natural vision. A calibration arm has been implemented to characterize the sensor. The system has shown to provide accurate accommodation measurements for rotation of eyes until 12.5 °. Linear behavior of accommodation, convergence and pupil size in both eyes was observed with good correlation between relative changes of accommodation and convergence, which validates the use of the instrument in open-view field. Results: In binocular vision accommodation, convergence and pupil size responses were faster than in monocular. It was observed that convergence is performed fast and the rotation of eyes is triggered simultaneously and synchronized in binocular. In monocular vision, accommodation and convergence were slower and had greater intersubject variability. In these conditions, the occluded eye provides a first movement in temporal direction which corresponds to a saccadic movement. Then, eye converges relatively slowly and synchronized with the accommodation thanks to the cross-linked couple accommodation-convergence. The temporal dynamics of accommodation reflexes have shown a great similarity between eyes in binocular vision. A myopic shift of the spherical equivalent was observed in binocular and monocular vision at low luminance with high intersubject variability, including cases with large myopic shifts and other with slight hypermetropic shifts. All cases have shown smaller amplitude in binocular vision. It was calculated that the spherical aberration play a minor role on night myopia. It was found that accommodation changes at low luminance are highly correlated to the tonic position of accommodation or dark focus, and also highly correlated between eyes. However, the resting state of convergence or dark convergence is only moderately correlated with dark focus. Refraction has shown a consistent behavior with accommodation changes as a function of stimulus wavelength with some discrepancies at short wavelength. For green and white stimuli, a similar behavior of accommodation was observed for both far and near steady states. A statistically significant increase of accommodation times was observed with increasing refractive step but no clear trend was observed for mean and peak velocity of accommodation. No significant changes of miosis and convergence amplitude were observed with the changes of refraction step. Conclusion: 1. An infrared binocular sensor was developed to measure accommodation responses and aberrations of both eyes. 2. The instrument has demonstrated good capabilities allowing measurements of accommodation responses for rotation of eyes until 12.5º. 3. The temporal dynamics of accommodation responses showed a great similarity between eyes and a faster response in binocular compared to monocular cases. 4. In monocular vision, an initial saccadic movement of the fellow eye was observed. Then, the cross-linked accommodation-convergence produces convergence synchronized with accommodation. 5. A myopic shift of accommodation at low luminance was observed with high intersubject variability. 6. Accommodation changes were highly correlated with the tonic accommodation and also between eyes, which could explain the similarity of the phenomenon of night myopia between eyes. 7. Tonic convergence and tonic accommodation were only moderately correlated, suspecting a dissociation of such processes in the darkness. 8. Refraction measured in the visible spectrum has shown consistent changes with accommodation to counterbalance the effect of longitudinal chromatic aberration. 9. The accommodation times have shown a linear increase with increasing refraction step which suggests a relation with the wavelength of the stimuli. No clear trend was observed for mean and peak velocity of accommodation.