Improving strategies on toric intraocular lens power calculation

This Thesis won and was supported by a research grant from the Portuguese Ophthalmological Society (Sociedade Portuguesa de Oftalmologia). The oral communication “Comparison of the astigmatic prediction error of a new toric intraocular lens calculator with other calculation methodologies”, presented at the ASCRS/ASOA Annual Symposium in 2018, won the “Best Paper of the Session (Cataract) award”. The study “Comparison of Methodologies Using Estimated or Measured Values of Total Corneal Astigmatism for Toric Intraocular Lens Power Calculation”, published in the Journal of Refractive Surgery, was awarded the “Best publication of the year” award by the Portuguese Refractive Surgery Society (Grupo de Cirurgia Implanto-Refrativa de Portugal – CIRP).Cataract surgery is the most frequent surgical procedure in developed countries. In recent years, while having increasingly high success and patient satisfaction rates, a steady fusion of cataract and refractive surgery occurred. Nevertheless, one of the factors limiting visual acuity and spectacle independence after cataract surgery is astigmatism. Corneal astigmatism over 1.25 diopters (D) is present in up to 29% of patients submitted to cataract surgery. Intraocular lens (IOL) power calculation is primarily based on formulas derived from normative ocular biometric parameters. Therefore, knowledge of these parameters is essential. In the Portuguese population, there was no published data on the ocular biometric parameters or their associations, so we described the mean ocular biometric parameters and the prevalence of corneal astigmatism in cataract surgery candidates in Portugal. We found that the mean axial length, anterior chamber depth, and mean keratometry values were closer to those published for the United States population than most series in different European Caucasian populations, with and the disparities representing potential differences of 1 D or more in both refractive error and IOL power evaluation. Corneal astigmatism was higher than that in most published series, which may affect the type of IOL to be implanted. Among the various techniques for correcting astigmatism during cataract surgery, toric IOLs are the most effective and predictable. When calculating the cylindrical power of these lenses, there are, however, multiple sources of error. Preoperatively, precise evaluation of the astigmatism to be corrected is mandatory. In such a way, there is an ongoing debate on which instrument is most accurate for evaluating total corneal astigmatism (TCA). Accounting the limited precision, several promising technologies were recently developed, such as color-light emitting diode (LED) topography. This technology is commercially available in the Cassini (i-Optics, The Hague, the Netherlands) topographer, which uses ray tracing algorithms to provide a complete analysis of the cornea. To contribute to the scientific knowledge on this new topographer, we have studied which method evaluates corneal astigmatism with higher precision by comparing color-LED topography with two other established astigmatism measurement methods (a slit-scanning topographer and an automated keratometer). We investigated the comparability and repeatability of these three methods. In a first study, it was shown that the evaluation of corneal astigmatism by color-LED topography was more precise than the other technologies. A subsequent study demonstrated that all measurement techniques show comparable keratometry and astigmatism axis values. However, the wide data spread found suggests these devices should not be used interchangeably. Besides the limited precision in the preoperative evaluation of astigmatism, other limitations exist in the power calculation of toric IOLs. One of these limitations is the assumption, by most toric IOL calculators, of a fixed ratio between the cylindrical power at the IOL and corneal planes. This results in undercorrections in long and overcorrections in short eyes. Moreover, although scientific literature is scarce on the subject, the cylindrical power of the IOL at the corneal plane also depends on the IOL’s spherical power, due to the different vergence of the light rays. Also, knowledge and consideration of total corneal astigmatism is mandatory for precise toric IOL calculation. To overcome these known limitations, several new calculation strategies were recently developed. To investigate the most precise of the novel calculation methods, we have calculated the prediction error for each of them in a group of patients submitted to cataract surgery with toric IOL implantation and investigated whether it would be better to directly evaluate total corneal astigmatism or use the current nomograms that estimate its value. Overall, the Barrett toric calculator and the Abulafia-Koch formula yielded the lowest astigmatic prediction errors. Findings from the consecutive study demonstrated that, at present, directly measuring the posterior corneal surface is not superior to predicting its power with theoretical models. We suggest that the clinical results of toric IOL implantation may be improved by using Barrett toric calculator and the Abulafia-Koch. Another source of error in cataract surgery with toric IOL implantation is arising from the surgically induced astigmatism (SIA), which must considered for toric IOL calculation. SIA depends on numerous factors related to the individual, the incision, and the type of surgery. How these factors interplay to determine SIA had not been studied. To improve knowledge of SIA, using the same clear cornea incision (CCI) size, we compared its value after phacoemulsification with femtosecond laser and manually-created CCIs and investigated the influence of individual factors and incision characteristics on SIA. It was found that femtosecond laser-created CCIs resulted in more reproducible wound architecture and lower SIA values, although the difference in SIA did not reach statistical significance and the dispersion of SIA magnitudes was high. Association of SIA with specific individual features remains highly variable. Thus, for toric IOL calculation, a mean value should be considered. In summary, we demonstrated that the prevalence of corneal astigmatism in the Portuguese population is high. To evaluate preoperative total corneal astigmatism, color-LED topography is a precise new technology. We showed the most precise of the recently developed toric IOL calculators are the Barrett toric calculator and the Abulafia-Koch formula. Also, that estimating the total corneal astigmatism with mathematical models revealed to be superior to measuring it directly with Scheimpflug-based tomography. Thus, this should be, at present, the preferred calculation method for toric IOLs. While we contributed to improve knowledge of SIA with a large series in a prospective randomized clinical study, its predictability is still low for both manual and femtosecond laser assisted cataract surgery. In conclusion, correctly evaluating preoperative total corneal astigmatism, using the most precise toric IOL calculator and precisely predicting SIA will ultimately improve the clinical results of cataract surgery with toric IOLs. Future research topics to further refine calculation of these IOLs are suggested.A cirurgia de catarata é o procedimento cirúrgico mais frequente em países desenvolvidos. Recentemente, e em paralelo com a maior satisfação dos doentes e uma elevada taxa de sucesso, verificou-se uma transformação da cirurgia de catarata num procedimento refrativo. No entanto, um dos fatores que limita a acuidade visual e independência de óculos após esta cirurgia é o astigmatismo. Cerca de 29% dos doentes submetidos a cirurgia de catarata têm astigmatismo corneano superior a 1.25 dioptrias (D). O cálculo da potência de lentes intraoculares (LIOs) é baseado em fórmulas derivadas de parâmetros biométricos oculares normativos. Assim, o conhecimento destes parâmetros é de extrema importância. Entre a população portuguesa, não existiam dados publicados relativos aos parâmetros biométricos oculares ou suas associações. Desta forma, descrevemos os parâmetros biométricos oculares e a prevalência de astigmatismo corneano em candidatos a cirurgia de catarata em Portugal. O comprimento axial médio, a profundidade da câmara anterior e a queratometria média encontrados foram mais aproximados dos publicados na população dos Estados Unidos da América do que nas diferentes séries de caucasianas Europeias, sendo que as disparidades observadas podem representar diferenças superiores a 1 D na avaliação do erro refrativo ou na potência da LIO a implantar. O astigmatismo corneano foi também mais elevado do que na maioria das restantes séries publicadas, o que tem óbvias implicações no tipo de LIO a implantar. Entre as diversas técnicas para a correção do astigmatismo durante a cirurgia de catarata, as LIOs tóricas são a mais eficaz e previsível. No cálculo da potência cilíndrica destas lentes, existem, no entanto, diversas fontes de erro. No estudo pré-operatório, uma avaliação precisa do astigmatismo a ser corrigido é imperativa. É controverso qual o tomógrafo mais preciso para a medição do astigmatismo corneano total (ACT). Considerando a precisão limitada nesta avaliação, foram recentemente desenvolvidas novas tecnologias, tais como, a topografia de díodos de emissão de luz colorida (LEDs). Esta tecnologia está disponível comercialmente no tomógrafo Cassini (i-Optics, The Hague, Holanda), que utiliza algoritmos de traçado de raios para medir o ACT. Sendo uma tecnologia recente, a sua precisão e validação clínica devem ser investigadas. De forma a aprofundar o conhecimento científico sobre este tomógrafo, investigámos qual o método mais preciso de avaliação do astigmatismo corneano, comparando a topografia de LEDs coloridos com dois outros métodos – um tomógrafo de avaliação em fenda e um queratómetro automático. Avaliámos ainda a comparabilidade e repetibilidade destes métodos. O primeiro estudo mostrou que a avaliação do astigmatismo corneano por topografia de LEDs coloridos é a mais precisa entre as tecnologias estudadas. O segundo estudo demonstrou que todas as técnicas apresentam valores de queratometria e eixo de astigmatismo comparáveis entre si. No entanto, a grande dispersão de valores encontrada sugere que elas não devem ser usadas de forma intercambiável. Para além da precisão limitada na avaliação pré-operatória do astigmatismo, existem outras limitações no cálculo da potência de LIOs tóricas. A primeira é utilização, por grande parte dos calculadores de LIOs tóricas, de um ratio fixo entre a potência cilíndrica nos planos da LIO e da córnea, o que gera hipocorreções em olhos longos e hipercorreções em olhos curtos. Além disso, e apesar da pouca literatura científica alusiva a este tópico, a potência cilíndrica da LIO no plano da córnea depende também da sua potência esférica, devido à diferente vergência dos raios de luz. É ainda imperativo considerar o ACT no cálculo da LIO. De forma a ultrapassar as limitações enumeradas, foram desenvolvidas novas estratégias de cálculo, incluindo nomogramas e novos calculadores, que tomam em consideração a posição efetiva da lente e/ou o ACT. Para investigar qual o mais preciso dos novos métodos de cálculo, investigámos o erro de predição no astigmatismo residual de cada um deles em doentes previamente submetidos a cirurgia de catarata com implante de LIO tórica. Comparámos ainda estratégias que estimam o ACT com medições reais do seu valor. O calculador tórico de Barrett e a fórmula Abulafia-Koch foram os métodos com maior previsibilidade. Os resultados do estudo consecutivo demonstraram que, atualmente, a medição direta da superfície posterior da córnea não é mais precisa do que a predição do ACT com modelos matemáticos. Sugerimos, desta forma, que os resultados clínicos de implante de LIOs tóricas podem ser melhorados recorrendo ao calculador de Barrett ou à fórmula Abulafia-Koch. A estimativa do astigmatismo induzido cirurgicamente (AIC) é outra fonte de erro a considerar no cálculo de LIOs tóricas. O AIC depende de diversos fatores relacionados com o indivíduo, a incisão cirúrgica e o tipo de cirurgia. Como estes fatores interagem para determinar o AIC não tinha sido estudado anteriormente. De forma a contribuir para um maior conhecimento sobre o AIC, comparámos o seu valor após cirurgia de facoemulsificação com incisões em córnea clara (ICC) realizadas com laser de femtosegundo ou manualmente e investigámos a influência de fatores individuais e características de incisão no AIC. Concluímos que as ICC criadas recorrendo ao laser de femtosegundo resultaram numa arquitetura mais reprodutível em e valores de AIC mais baixos, apesar da diferença nestes não ter sido estatisticamente significativa e se ter verificado uma grande dispersão de valores em ambos os grupos. Assim sendo, para o cálculo da LIO tórica, deverá ser considerado um AIC médio. Em suma, demonstrámos que a prevalência de astigmatismo corneano na população portuguesa é elevada. Para a avaliação do ACT pré-operatório, a topografia de LEDs coloridos é nova uma tecnologia com elevada precisão. Comprovámos que, entre os novos calculadores de lentes tóricas, os mais precisos são o calculador de Barrett e a fórmula de Abulafia-Koch. Ficou também provado a estimativa do ACT utilizando modelos matemáticos é mais precisa que a sua medição direta com câmaras de Scheimpflug. Apesar da nossa contribuição, com um estudo prospetivo aleatorizado, para o enriquecimento do conhecimento sobre o AIC, a sua previsibilidade na cirurgia de catarata é ainda baixa, quer em cirurgia manual, quer assistida por laser femtosegundo. Em conclusão, a correta avaliação pré-operatória do ACT, a escolha do calculador de lentes tóricas mais preciso e uma melhor estimativa do AIC melhoram os resultados clínicos da cirurgia de catarata com implante de lentes tóricas. São apontados tópicos futuros de investigação com vista a tornar ainda mais preciso o cálculo destas LIOs