Analysis of new methodologies for the measurement of optometric parameters in natural vision conditions

Objetivos El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo y testeo de nuevos test para la medida de parámetros optométricos bajo condiciones de visión natural. Estos test serán basados en paradigmas y procedimientos existentes que se utilizan en entornos clínicos y de investigación pero introduciendo nuevas aproximaciones en la metodología combinando procedimientos objetivos y subjetivos. La visión natural se refiere a la situación estándar, visión binocular sin restricciones artificiales o asimetrías. Como objetivo secundario nos hemos propuesto la moderación en el coste de los test desarrollados y del equipo necesario. Desarrollos de alta tecnología son comunes en el contexto de la investigación, pero esos prototipos, y dispositivos comerciales, no son siempre adecuados para entornos clínicos debido a su elevado coste. Para alcanzar estos objetivos, cuatro experimentos con sus propias metodologías y resultados son descritos en los capítulos 2 a 5. En el primer experimento analizamos la fijación bajo visión binocular, lo cual es un requisito para la visión natural. En el segundo experimento nos centramos en implementar una técnica low-cost para aumentar la resolución en luminancia de los monitores de 8 bits para poder medir la discriminación de estímulos supraumbral. El tercer experimento extiende el paradigma clásico de medida de sensibilidad al contraste para medir la sensibilidad en visón periférica bajo visión binocular. El cuarto y último experimento se centra en las fluctuaciones de la pupila y como afectan al diámetro pupilar variaciones en la iluminación, vergencia del estímulo y binocularidad. Experimento 1. Medida de la disparidad de fijación bajo condiciones de visión natural Los movimientos fijacionales (microsacádicos, movimientos de deriva, trémores y torsiones) son un conjunto de movimientos que se producen aún cuando intentamos fijar un estímulo y mantener el ojo quieto. En visión binocular, estos movimientos impedirán que los ejes visuales se crucen siempre en el mismo punto del espacio, haciendo que el ángulo de convergencia no sea constante. La diferencia angular entre el punto del espacio que se intenta fijar y los ejes visuales mientras se mantiene la estereopsis, por la existencia de las áreas de Panum, se llama disparidad de fijación (FD). El test de FD se basa en la hiperagudeza Vernier en visión dicóptica. La tarea del observador es alinear los segmentos, entonces la FD será cero y el posible desalineamiento permitirá calcular el valor de la FD. La FD es positiva cuando los ejes se cruzan por delante del punto de fijación. En función del método de medida se estará midiendo la FD objetiva (definición clásica de FD) o la subjetiva (cantidad de disparidad que no se puede compensar de forma sensorial por el sistema visual). Metodología Se determina la posición de los ejes visuales mediante el Web Cam Eye-Tracker que se ha desarrollado (hardware y software) para esta tesis (más información en el Anexo II). Mientras el sujeto fija un punto que se muestra en una pantalla posicionada 1 metro enfrente de la mentonera. Se utilizaron dos estímulos, punto negro sobre fondo blanco y punto blanco sobre fondo negro. Quince sujetos participaron en el estudio, todos adultos jóvenes. Se midió la posición de los ojos durante 45 segundos, previamente cada sujeto se adaptó a la luminancia del laboratorio durante 15 minutos. Resultados Punto negro sobre fondo blanco La distribución de las medidas no fue normal (según el test de Lilliefors con nivel de significación del 5%). La mediana promedio fue de -4.68 minutos de arco con un rango intercuartílico de 14.75 minutos de arco. Respecto a la evolución de la FD con el tiempo se encontraron diferentes patrones, tendencia positiva o negativa y tendencia convergente o divergente. La tendencia global de la medida se determinó mediante un modelo de regresión lineal, el valor de la pendiente determina la tendencia. Para analizar la convergencia/divergencia de los valores se ajusta una recta a los valores máximos de la medida y otra a los mínimos. Nueve sujetos presentaron tendencia negativa y 6 positiva mientras que 13 presentaron tendencia convergente y 2 divergente. Punto blanco sobre fondo negro Excepto para el sujeto 12, la distribución de las medidas no fue normal (según el test de Lilliefors con nivel de significación del 5%). La mediana promedio fue de -7.22 minutos de arco con un rango intercuartílico de 15.13 minutos de arco. En este caso, 8 sujetos presentaron una tendencia negativa y 7 positiva, mientras que 9 presentaron tendencia convergente y 6 divergente. Comparación entre ambos test Debido a la no distribución normal de los resultados se usó el test de Kruskal Wallis para comparar ambos grupos de medidas. El p-valor fue de 0.6632, rechazando que existan diferencias estadísticamente significativas entre ambos diseños del test. Conclusión Pese a existir otros estudios de la FD basados en métodos objetivos no hemos encontrado ninguno que analice la variación de la FD con el tiempo. Tampoco hemos encontrado información sobre la influencia de la polaridad del estímulo sobre la FD, muy probablemente porque los métodos subjetivos, que son los más utilizados, se basan en visón dicóptica limitando bastante las posibles variaciones del estímulo. Así y todo, los descriptores estadísticos son compatibles con los resultados obtenidos con otros métodos objetivos y a la vez notablemente Experimento 2. Medida de la sensibilidad supraumbral con pantallas de 8 bits La función de sensibilidad al contraste (CSF) no es un descriptor ideal de la calidad visual. Su principal desventaja es que intenta describir el sistema por su capacidad en el límite de sensibilidad, pero en las imágenes naturales los contrastes son, en su gran mayoría, supraumbral. Esto significa que en general el sistema visual pasa más tiempo en entornos en los que debe detectar cambios en el contraste más que en detectar frecuencias espaciales con contrastes muy bajos. Existe evidencia sobre que la función de discriminación del contraste (CDF) no sigue estrictamente la ley de Weber. Para frecuencias pedestal bajas (menores al 3%) la forma de la CDF es de bañera, para contrastes superiores al 3% se ajusta bien a una ecuación exponencial en el que el valor del exponente determina la pendiente de la recta cuando se representa en ejes logarítmicos. La ley de Weber requiere un valor de dicho exponente cercano a la unidad. Metodología Se desarrolló un test de dos alternativas de elección forzada (2AFC) para determinar el umbral de discriminación a los siguientes contrastes pedestal: 0.3, 0.5 y 0.7 (según la definición de contaste de Michelson) para las siguientes frecuencias espaciales: 2, 4, 8 y 16 ciclos por grado con una luminancia media de 60 cd/m2. Las redes sinusoidales se presentaron dentro de ventanas cuadradas de 13.5 cm de lado (512 píxeles). El test consiste en dos ventanas en las que se muestran dos redes sinusoidales de la misma frecuencia espacial pero con diferentes contrastes, una con el contraste pedestal y la otra con mayor contraste. El orden en el que aparecían se aleatoriza. El orden de medida de las 4 frecuencias y los 3 pedestales también se aleatorizó. Se implementó un método de escalera modificado de forma que tras tres aciertos consecutivos se reducía el contraste un paso y tras un error se aumentaba. El test termina cuando se han producido cinco escalones y el valor de sensibilidad se determina a partir de la media de los cuatro últimos escalones. Se reclutó a 52 voluntarios, todos adultos jóvenes. Los criterios de exclusión fueron un error refractivo esférico mayor a 3 dioptrías, más de 0.75 dioptrías de astigmatismo y más de 1 dioptría de anisometropía. Las medidas se tomaron en visión natural. La pantalla de ordenador se situó a 1.12 metros delante del sujeto. Para incrementar la resolución en luminancia del monitor se implementó una técnica de bit-stealing para generar niveles intermedios de pseudogris. Se generaron 6 niveles intermedios entre cada pareja de gris puro, pasando a disponer de 1532 valores de luminancia posibles en lugar de los 256 valores normales de los sistemas de 8 bits. Esto es necesario puesto que la mínima diferencia de contaste que pueden generar los sistemas de 8 bits es bastante superior a la sensibilidad del sistema visual humano normal. Resultados Excepto para 2 y 8 ciclos por grado, pedestal de contraste 0.3 el resto de combinaciones no muestran una distribución normal según el test de Lilliefors. Los umbrales incrementales aumentan entre los contrastes pedestales 0.3 y 0.5 pero disminuyen entre 0.5 y 0.7. La mediana de los valores para las frecuencias espaciales en orden creciente fue: contraste pedestal 0.3 (2.55, 2.34, 2.59 y 5.68), contraste pedestal 0.5 (2.93, 3.91, 3.41 y 10.46) y contrastes pedestal 0.7 (1.51, 1.56, 3.46 y 6.87). El incremento del umbral en función de la frecuencia espacial coincide con los datos que se encuentran en la literatura. En cambio, la disminución del umbral para el pedestal 0.7 es un dato nuevo puesto que a excepción de Kingdom el resto de investigadores midieron hasta un contraste pedestal de 0.5 asumiendo que para valores mayores el sistema visual humano seguiría el modelo exponencial. Kingdom midió los umbrales de contraste incremental para 0.9 y obtuvo caídas como las que se observan en nuestros datos. Si ajustamos el modelo exponencial de Legge a los resultados obtenidos para los pedestales 0.3 y 0.5 se obtienen los siguientes exponentes, ordenados para frecuencias espaciales en orden creciente: 0.488, 0.794, 0.818 y 1.846. Los exponentes para 2, 4 y 8 ciclos por grado coinciden con resultados previos de otros investigadores, en cambio, para 16 ciclos por grado no existe información con la que comparar. Hay que destacar que la desviación es elevada e implica algunos exponentes negativos, esto lo atribuimos a que los sujetos no estaban acostumbrados a los experimentos psicofísicos y tal vez no mantuvieron criterios constantes o no prestaron la atención suficiente. Conclusiones Pese a la obtención de valores negativos para el exponente del modelo, que como se ha razonado lo atribuimos a errores en las respuestas por parte de los sujetos, los valores medios se ajustan a los valores que aparecen en la literatura. De esta forma se confirma que el test implementado proporciona valores fiables siempre que el sujeto responda correctamente. Esto también nos lleva a pensar en la modificación del algoritmo para detectar inconsistencias en las respuestas. Otra conclusión importante es que se puede confiar en el bit-stealing como método para incrementar la resolución en luminancia de equipamiento de 8 bits siempre que la combinación de pantalla y tarjeta gráfica esté bien caracterizada. Por último, nuestros resultados ponen en duda la validez del modelo exponencial de Legge más allá de contrastes pedestal de 0.5, efecto que ya se había apreciado por Kingdom para el contraste pedestal 0.9. Experimento 3. Sensibilidad al contraste periférica bajo visión binocular en condiciones naturales La CSF ha sido estudiada con detalle para la visión central, el número de estudios al respecto es muy elevado. En cambio, la visión central pese a ser necesaria no es considerada suficiente por sujetos con problemas en la retina periférica para mostrarse completamente satisfechos con su visión o su nivel de funcionalidad. El elevado nivel de detalle de la visión central es adecuado para tareas como la lectura y el reconocimiento de caras, pero no es óptimo para otras tareas más básicas como caminar evitando posibles obstáculos. En cambio, el número de estudios sobre la sensibilidad al contraste en visión periférica es bastante reducido, y de los existentes las metodologías son diferentes dificultando comparaciones detalladas. Generalmente se usa como estímulo parches de Gabbor (red sinusoidal envuelta por una Gaussiana) ya que permiten la exploración de diferentes sectores de la retina mediante el uso de puntos de fijación externos al estímulo. De esta forma se corrobora que los diferentes hemimeridianos de la retina presentan diferente sensibilidad, dato que coincide con las diferencias en la distribución de células ganglionares. Esta estrategia no permite la medida en condiciones de visión binocular natural. En este estudio proponemos un diseño en forma de anillo con los bordes suavizados por una Gaussiana para medir dos regiones alrededor de la fóvea. Para poder comparar también se mide la sensibilidad al contraste de la visión central mediante un estímulo de Gabbor. Finalmente se compara la influencia del estímulo de fijación sobre la sensibilidad. Metodología Siguiendo la estructuración de las áreas de la retina propuesta por Polyak se definen tres conjuntos de radios con la condición de que la superficie, del círculo para la visión foveal y de las coronas circulares para las dos zonas periféricas, sea constante. El diámetro máximo, limitado por el tamaño subtendido por el monitor a la distancia de visionado (0.5 m) fue de 30 grados. Por tanto, definiendo una corona circular periférica de radio exterior 15 grados e interior de 14 grados el diámetro del estímulo de Gabbor para la zona foveal es de 5.61 grados. Finalmente, la zona perifoveal se situó en un punto intermedio entre las otras dos de forma que su radio interior fue de 8.33 grados y el radio exterior de 10 grados. Las frecuencias espaciales exploradas fueron: 0.5, 1, 2, 4, 6 y 8 ciclos por grado. La luminancia media de la red se fijó en 40 cd/m2. Para este nivel de luminancia, con la técnica de bit-stealing implementada en el experimento anterior se generó un paso mínimo de contraste de 0.000495. El resto de la imagen se rellenó con un nivel de gris que proporcionase la luminancia media. El estímulo de fijación fue una cruz blanca de 36 píxeles (1.123 grados) de anchura y 3 píxeles de grosor (0.094 grados), posicionado en el centro del estímulo. Se compararon los espectros del test con y sin cruz no encontrándose diferencias signficativas de forma cualitativa. Se generaron los siguientes sets de estímulos: región foveal, región foveal con cruz, región perifoveal, región perifoveal con cruz y región periférica con cruz. También se generaron dos imágenes referencia, ambas con el nivel de gris con la luminancia media, una de ellas con el estímulo de fijación en la misma posición que en la imagen test. El test consiste en primero la aparición de la imagen test durante 0.5 segundos, seguida de la imagen referencia durante otros 0.5 segundos de forma que no hubiese un parpadeo claro más allá de la aparición y desaparición de la red sinusoidal. La tarea del sujeto era mantener la mirada en el estímulo de fijación, o en el centro de la pantalla para los sets sin cruz de fijación e indicar mediante el teclado si detectaba la red o no. Se implementó un método de escalera modificado de tal forma que tras tres respuestas afirmativas se disminuía el contraste de la red en un paso y tras una respuesta negativa se incrementaba un paso. Tras 15 segundos sin respuesta se considera que el sujeto no detecta la red y por tanto la respuesta es negativa. El test termina tras cinco escalones y el valor de la sensibilidad se calcula promediando los últimos cuatro escalones. Las medidas se tomaron en total oscuridad, excepto la iluminación generada por el monitor. Antes de tomar las medidas cada sujeto se adaptó a las condiciones de iluminación durante 15 minutos. El orden de presentación de frecuencias y excentricidades se aleatorizó y se tomaron tres medidas para cada combinación. Esto alargó la toma de medidas a una semana para cada sujeto con el objetivo de obtener respuestas lo más fiables posible. Para este estudio los criterios de inclusión fueron más estrictos que para el experimento anterior. Era imprescindible que los sujetos estuviesen familiarizados en la realización de experimentos psicofísicos, una VA unidad o mejor y prácticamente emétropes jóvenes que pudiesen mantener el esfuerzo acomodativo que requería el test. Cuatro adultos jóvenes, tres hombres y una mujer participaron en el estudio. Resultados Efecto del estímulo de fijación En visión foveal la sensibilidad es menor para frecuencias inferiores a 6 ciclos por grado cuando el estímulo de fijación está presente. En visión perifoveal se produce el mismo efecto para frecuencias espaciales inferiores a 4 ciclos por grado. Para uno de los sujetos se repitió la medida de dos frecuencias especiales analizando los movimientos oculares mediante el High Speed VET (Annex III). Definiendo un tamaño de ventana temporal de 2 segundos se determinó la desviación de las posiciones del centro pupilar durante toda la medida y se representaron los resultados mediante gráficos de cajas y bigotes (boxplots). El resultado fue que para 1 ciclo por grado las desviaciones durante la medida presentan menos dispersión cuando la cruz de fijación está presente en el estímulo para ambas condiciones, en cambio para 6 ciclos por grado dichas desviaciones no varían tanto en función de la presencia del estímulo de fijación. Sensibilidad periférica Los datos obtenidos en el subexperimento previo sugieren comparar la sensibilidad de las tres zonas retinianas con el estímulo de fijación presente. El resultado promedio de los cuatro sujetos muestra una serie de características destacables. Primero la sensibilidad general se reduce al aumentar la excentricidad del estímulo. Segundo, esta reducción no es igual para todas las frecuencias y cambia la forma de la curva, pasando de una forma pasabanda a una forma pasabaja. Tercero el máximo de sensibilidad se desplaza hacia las frecuencias más bajas al aumentar la excentricidad. Conclusiones Estos resultados son consistentes con los que aparecen en la literatura. El efecto de la cruz de fijación en la sensibilidad es destacable y se debe tener en cuenta. Los datos de eye tracking sugieren que el estímulo de fijación restringe los movimientos oculares, y podría ser esta la causa de la disminución de la sensibilidad. El estímulo en forma de corona circular es apto para la medida de la sensibilidad al contraste en la periferia de la zona foveal. Experimento 4. Medida objetiva de las variaciones del tamaño pupilar en el tiempo bajo diferentes condiciones de visión La pupila regula la cantidad de luz que llega a la pupila. Los músculos que controlan la pupila nunca se mantienen quietos, esto produce una serie de contracciones y dilataciones que reciben diferentes nombres, siendo el más popular hippus pupilar. Existen diferentes mecanismos que pueden afectar al tamaño pupilar. En este experimento se pretende medir las variaciones de pupila al modificar tres parámetros: iluminación, proximidad del estímulo y binocularidad. Metodología Para testear la influencia de los tres parámetros citados se definieron ocho situaciones: Fotópica binocular de lejos, fotópica binocular de cerca, fotópica monocular de lejos, fotópica monocular de cerca, mesópica binocular de lejos, mesópica binocular de cerca, mesópica monocular de lejos y mesópica monocular de cerca. El estímulo de fijación fue una cruz negra inscrita en un círculo. Para las dos distancias de presentación del estímulo (6 m y 0.5 m) el ángulo subtendido fue el mismo. Las dos iluminaciones fueron fotópica (100 lux) y mesópica (0.3 lux). Se midió en binocular y monocular. El orden de estas condiciones fue aleatorizado. Se dejó un tiempo de adaptación de 15 minutos al cambiar las condiciones de iluminación y/o de binocularidad. Mediante el High Speed VET se midió el diámetro de la pupila durante 45 segundos a una velocidad de captura de 250 fotogramas por segundo, por tanto se tomaron 11250 medidas para cada una de las ocho combinaciones. Siete adultos jóvenes participaron en el estudio. Los criterios de inclusión fueron error refractivo esférico menor a 3 dioptrías y menos de 1 dioptría de astigmatismo y una VA unidad o mejor con la compensación habitual. Pupilas simétricas y circulares. Aquellos sujetos que necesitasen compensación llevaron sus lentes de contacto habituales. Resultados Se analizó la distribución de los resultados para cada medida con el test de Lilliefors, en todos los casos el p-valor fue inferior a 0.0001. Al comparar las diferentes condiciones para cada sujeto mediante el test de Kruskal Wallis se obtuvieron diferencias estadísticamente significativas para todas las condiciones de todos los sujetos excepto para el sujeto 5 en las que la variación del diámetro pupilar en condiciones fotópicas monoculares de lejos y cerca no fueron diferentes. Comparando para cada sujeto entre diferentes condiciones y promediando se obtuvo que la diferencia media al cambiar de nivel de iluminación fue de 2.50 ± 0.20 mm, al cambiar la proximidad del estímulo la variación del diámetro pupilar fue de 0.34 ± 0.15 mm y al cambiar las condiciones de binocularidad la variación fue de 0.71 ± 0.28 mm. Se repitió las medidas con el estímulo a 0.5 esta vez con una lente diaria desechable con un incremento de potencia de 2 dioptrías respecto a la refracción de lejos de cada ojo con el objetivo de relajar la acomodación. Estos datos se compararon con los obtenido en visión de lejos y la variación promedia en el diámetro fue de -0.07 ± 0.12 mm. La variación debida a la iluminación se ajusta a los resultados y modelos presentes en la literatura. La variación debida a la proximidad del estímulo también coincide con datos de otros investigadores. Respecto a la binocularidad existen pocos estudios en los que se hace hincapié en las diferencias que induce, nuestros resultados t