Automatic Cataract Detection Using the Convolutional Neural Network and Digital Camera Images

Background: The cataract is the most prevalent cause of blindness worldwide and is responsible for more than 51 % of blindness cases. As the treatment process is becoming smart and the burden of ophthalmologists is reducing, many existing systems have adopted machine-learning-based cataract classification methods with manual extraction of data features. However, the manual extraction of retinal features is generally time-consuming and exhausting and requires skilled ophthalmologists. Material and Methods: Convolutional neural network (CNN) is a highly common automatic feature extraction model which, compared to machine learning approaches, requires much larger datasets to avoid overfitting issues. This article designs a deep convolutional network for automatic cataract recognition in healthy eyes. The algorithm consists of four convolution layers and a fully connected layer for hierarchical feature learning and training. Results: The proposed approach was tested on collected images and indicated an 90.88 % accuracy on testing data. The keras model provides a function that evaluates the model, which is equal to the value of 84.14 %, the model can be further developed and improved to be applied for the automatic recognition and treatment of ocular diseases. Conclusion: This study presented a deep learning algorithm for the automatic recognition of healthy eyes from cataractous ones. The results suggest that the proposed scheme outperforms other conventional methods and can be regarded as a reference for other retinal disorders

Radiation-Induced Cerebro-Ophthalmic Effectsin Humans

: Exposure to ionizing radiation (IR) could affect the human brain and eyes leading to both cognitive and visual impairments. The aim of this paper was to review and analyze the current literature, and to comment on the ensuing findings in the light of our personal contributions in this field. The review was carried out according to the PRISMA guidelines by searching PubMed, Scopus, Embase, PsycINFO and Google Scholar English papers published from January 2000 to January 2020. The results showed that prenatally or childhood-exposed individuals are a particular target group with a higher risk for possible radiation effects and neurodegenerative diseases. In adulthood and medical/interventional radiologists, the most frequent IR-induced ophthalmic effects include cataracts, glaucoma, optic neuropathy, retinopathy and angiopathy, sometimes associated with specific neurocognitive deficits. According to available information that eye alterations may induce or may be associated with brain dysfunctions and vice versa, we propose to label this relationship “eye-brain axis”, as well as to deepen the diagnosis of eye pathologies as early and easily obtainable markers of possible low dose IR-induced brain damage

Holographic and hybrid spectacle lenses

Die vorliegende Arbeit behandelt das Design und die Analyse von neuartigen hologra- phischen und holographisch-refraktiven Brillengläsern. Ziel ist es hierbei, das Potential von Hologrammen, wie die Möglichkeit komplizierte optische Funktionen in einer dün- nen Schicht zu realisieren oder die Möglichkeit die Dispersion von refraktiven Linsen zu kompensieren, für verbesserte Designs von Brillengläsern zu nutzen. Eine besondere Schwierigkeit an dieser Aufgabenstellung besteht darin, die Eigenschaften von Hologram- men wie hohe Winkel- und Wellenlängenabhängigkeit der Beugungseffizienz und starke Dispersion so zu kontrollieren, dass sie für das Design von Brillengläsern vorteilhaft oder zumindest nicht nachteilig sind. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, Konzepte aus dem Design herkömmlicher Brillengläser, wie die gleichzeitige Optimierung für verschie- dene Blickrichtungen des Auges, auf Hologramme anzuwenden und diese entsprechend anzupassen. Zu diesem Zweck wurde eine Designmethode neuentwickelt, die es ermög- licht entsprechend für den Einsatz in Brillengläsern geeignete Hologramme zu entwer- fen und zu analysieren. Diese Methode ist geeignet um sowohl holographische als auch holographisch-refraktive Brillengläser zu entwerfen und zu optimieren. Die Brillengläser können dabei einfache Einstärkengläser oder Gleitsichtgläser sein. Das Verständnis dieser Arbeit erfordert Vorkenntnisse aus den Bereichen Holographie und dem Design von Brillengläsern. Da dies eine in der Literatur so bisher noch nicht vorgekommene Kombination ist, werden die Historie und der Stand der Technik von so- wohl Holographie als auch vom Design von Brillengläsern in der Einleitung dieser Arbeit beschrieben. Kapitel II greift die in der Einleitung als Überblick beschriebenen Konzepte auf und erläutert die für das Verständnis der neu entwickelten Designmethode benötig- ten Methodiken und theoretische Hintergründe im Detail. Besonders wichtig ist hierbei, wie im Design von Brillengläsern mit den verschiedenen Blickrichtungen des Auges um- gegangen wird und die Beschreibung von Volumenhologrammen und ihrer Beugungsef- fizienz. Die neu entwickelte Designmethode wird in Kapitel III beschrieben. Nach einer Abschätzung, wie groß die benötigten Winkel- und Wellenlängen für die Beugungseffizi- enz der Hologramme sind, wird mittels der Fourier Modal Methode ein Parameterbereich aus Gitterperiode, Gitterdicke und Modulationsstärke des Brechungsindex identifiziert, in dem die Anforderungen an die Beugungseffizienz der Hologramme erfüllt sind. Ein fes- ter Parameterbereich für die Gitterperiode wirkt sich auf die möglichen Ablenkwinkel zwischen einfallendem und gebeugten Strahl der ersten Beugungsordnung aus und er- laubt es nicht Ablenkwinkel von 0◦ einzustellen. Daher ist es in diesem Fall nicht möglich, dass Licht der ersten Beugungsordnung gerade durch die Linsenmitte eines Brillenglases mit einem Hologramm geht. Diese Limitation wird in der Designmethode dadurch um- gangen, dass ein Tandem aus zwei Hologrammen genutzt wird, deren Dispersion und Ablenkwinkel sich teilweise oder vollständig kompensieren können. Dies ermöglicht ei- ne gerade Durchsicht durch die Linsenmitte sowie eine reduzierte Dispersion des Holo- grammtandems. Die Dispersion des Hologrammtandems kann weiterhin mit der Disper- sion einer refraktiven Linse in einem holographisch-refraktiven Brillenglas kompensiert werden. Um von diesen Erkenntnissen bezüglich Beugungseffizienz und Dispersion zu einem holographischen Brillenglasdesign zu kommen, ist es notwendig, die lokale Varia- tion der Hologramm Parameter, wie der Gitterperiode und der Neigung des Gittervektors im Volumen, zu kontrollieren und für jede Blickrichtung des Auges anzupassen. Im Kapi- tel III wird daher auch detailliert beschrieben, wie eine geschickte Implementierung der Hologramm Parameter in einer Optikdesignsoftware und vorher berechnete Initialwerte der fraglichen Parameter genutzt werden können, um die Leistung von holographischen und holographisch-refraktiven Brillengläsern gezielt zu optimieren. Dabei wird auch be- schrieben, wie komplizierte optische Funktionen wie etwa die einer Gleitsichtbrille mit Hologrammen nachgebildet werden können. Die mit Hilfe der neu entwickelten Designmethode gewonnenen Designs für hologra- phische oder holographisch-refraktive Brillengläser werden in Kapitel IV präsentiert und diskutiert. Für holographisch-refraktive Einstärkengläser wird dabei gezeigt, dass es mög- lich ist, den bei hohen Brechkräften störenden Farbfehler durch die Kompensation von Dispersion deutlich zu reduzieren und dabei auch die Randdicke der Gläser zu redu- zieren. Außerdem ist es teilweise möglich, die durch Asphären mögliche Korrektur der Brechkraft und des Astigmatismus mittels Hologrammen zu ersetzen. Für Gleitsichtglä- ser wird gezeigt, dass es für Additionsbrechkräfte von bis zu zwei Dioptrien möglich ist, die optische Funktion von refraktiven Gleitsichtgläsern mit holographischen Gleitsicht- gläsern nachzubilden. Zum Abschluss wird noch über die Ergebnisse dieser Arbeit hinaus diskutiert, wie die hier vorgestellten Konzepte im Bereich Augmented Reality (AR) oder speziellen Brillen zur Prävention von Myopie genutzt werden können

Using interior point solvers for optimizing progressive lens models with spherical coordinates

Research Report UPC-DEIO DR 2019Designing progressive lenses is a complex problem that has beenpreviously solved by formulating an optimization model based on Cartesiancoordinates. In this work a new progressive lens model using spherical co-ordinates is presented, and interior point solvers are used to solve this newoptimization model. Although this results in a highly nonlinear, nonconvex,continuous optimization problem, the new spherical coordinates model exhibitsbetter convexity properties compared to previous ones based on Cartesian co-ordinates. The real-world instances considered gave rise to nonlinear optimiza-tion problems of about 900 variables and 15000 constraints. Each constraintcorresponds to a point of the grid used to define the lens surface. The numberof variables depends on the precision of a B-spline basis used for the repre-sentation of the surface, and the number of constraints depends on the shapeand quality of the design. We present results of progressive lenses obtainedusing the AMPL modeling language and the nonlinear interior point solversIPOPT, LOQO and KNITRO. Computational results are reported, as wellas some examples of real-world progressive lenses calculated using this newmodel. Progressive lenses obtained are competitive in terms of quality withthose resulting from previous models that are used in commercial glasses.Peer ReviewedPreprin

Diffuser-based computational imaging funduscope

Poor access to eye care is a major global challenge that could be ameliorated by low-cost, portable, and easy-to-use diagnostic technologies. Diffuser-based imaging has the potential to enable inexpensive, compact optical systems that can reconstruct a focused image of an object over a range of defocus errors. Here, we present a diffuser-based computational funduscope that reconstructs important clinical features of a model eye. Compared to existing diffuser-imager architectures, our system features an infinite-conjugate design by relaying the ocular lens onto the diffuser. This offers shift-invariance across a wide field-of-view (FOV) and an invariant magnification across an extended depth range. Experimentally, we demonstrate fundus image reconstruction over a 33° FOV and robustness to 4D refractive error using a constant point-spread-function. Combined with diffuser-based wavefront sensing, this technology could enable combined ocular aberrometry and funduscopic screening through a single diffuser sensor.Published versio

Optimization methods for the design of progressive lenses

This work is the result of an Industrial Doctorate developed through a partnership agreement between the Universitat Politècnica de Catalunya and the company Horizons Optical. This thesis solves the complex design of progressive lenses for eyeglasses, which is a real problem in the industry. The lens is the transparent part of the eye behind the pupil that helps humans to see clearly by focusing light onto the retina. Over time, the lens loses some of its elasticity and therefore can no longer accommodate clearly for near vision. This phenomenon is called presbyopia and explains why people need reading glasses as they become older. Progressive lenses correct presbyopia and have a complex design: they have an upper region for far vision, a low region for near vision (reading), and a corridor that connects these areas which allows clearly vision at an intermediate distance, for example, when looking at a computer screen. The surface of the progressive lens designed in this thesis is the surface that is farthest from the eye, thus the power in the near region is bigger than the power in the far region. In geometrical terms, power and astigmatism are calculated using the principal curvatures of the lens surface. When the power changes vertically, unwanted lateral astigmatism (aberrations) appear as a result of the Minkwitz theorem. The focus of this thesis is the use of optimization methods in order to design progressive lenses minimizing the lateral aberrations (astigmatism) and providing the power required in each zone. This thesis presents two different models for computing progressive lens. Both models are highly nonlinear, nonconvex and continuous and were solved using the AMPL modeling language and the interior point solvers IPOPT, LOQO and KNITRO. Both models have approximately 900 variables (the coefficients of a third-degree B-spline basis). The first model has about 7000 constraints, while the second model has about 15000 constraints. Each constraint corresponds to a property of power or astigmatism at a point on the grid that defines the lens surface. The first model uses Cartesian coordinates and is an improved version of a previous model by the same author, published in a master's thesis. The CPU time in the master thesis was between 10 and 33 minutes, and in this thesis it has been reduced to less than 3 minutes using the same machine and the LOQO solver. In this thesis, all of the proposed instances converged using the LOQO solver and the Cartesian coordinate model, which was not the case in the master's thesis. However, with other solvers some of the instances did not converge using the Cartesian coordinate model of this thesis. The second model uses spherical coordinates and exhibits better convexity properties than the previous one based on Cartesian coordinates. All of the problem instances converged using all the proposed solvers, and the quality of the solution was improved. CPU time for spherical coordinates increased in relation to the Cartesian coordinate model, due to large calculations involved, but the number of iterations needed to converge decreased considerably (for example, from a maximum of 192 iterations using the Cartesian coordinate model to a maximum of 84 iterations using the spherical coordinate model and the same LOQO solver). These models resulted in two publications. The first one is a patent for an invention that uses the Cartesian coordinate model and orients the astigmatism gradient, which is useful when personalizing progressive lenses for real users. The second publication is a scientific article published in Optimization and Engineering that proposes the spherical coordinate model.Aquest document és el resultat d'un Doctorat Industrial desenvolupat a través d'un acord entre la Universitat Politècnica de Catalunya i l'empresa Horizons Optical. Aquesta tesi resol el disseny complex de les lents progressives per ulleres, que és un problema real de la indústria. El cristal·lí és la part transparent de l'ull, situada darrera la pupil·la, que ens permet veure-hi nítidament enfocant la llum a la retina. Amb el pas del temps, el cristal·lí perd la seva elasticitat i disminueix la seva capacitat d'acomodació a la visió de prop. Aquest fenomen s'anomena presbícia i explica per què necessitem ulleres quan ens fem grans. Les lents progressives corregeixen la presbícia i tenen un disseny complex: la zona superior s'utilitza per a la visió de lluny, la zona inferior per a la visió de prop (lectura) i el corredor que connecta aquestes dues zones permet una visió nítida per a distàncies intermèdies, per exemple per a mirar la pantalla d'un ordinador. La superfície de la lent progressiva dissenyada en aquesta tesi és la superfície més distant de l'ull, és a dir, la potència de la zona de prop és més gran que la potència de la zona de lluny. En termes geomètrics, la potència i l'astigmatisme es calculen utilitzant les curvatures principals de la superfície de la lent. En augmentar la potència verticalment, apareixen aberracions laterals en forma d'astigmatisme com a conseqüència del teorema de Minkwitz. L'objectiu d'aquesta tesi és utilitzar mètodes d'optimització per a dissenyar lents progressives minimitzant les aberracions laterals (astigmatisme) i proporcionant la potència demanada per a cada zona de la lent. Aquesta tesi presenta dos models diferents per a calcular lents progressives. Tots dos models són altament no lineals, no convexos i continus i han estat resolts utilitzant el llenguatge de modelització AMPL i els solvers de punt interior IPOPT, LOQO i KNITRO. Tots dos models tenen aproximadament 900 variables (les variables són els coeficients d'una base de B-splines de grau tres). El primer model té unes 7000 restriccions, mentre que el segon model té unes 15000 restriccions. Cada restricció correspon a una propietat de potència o astigmatisme d'un punt de la malla que defineix la superfície de la lent. El primer model utilitza coordenades cartesianes i és una versió millorada d'un model previ de la mateixa autora, publicat en un treball final de màster. El temps de CPU en el treball final de màster era entre 10 i 33 minuts, i en aquesta tesi s'ha reduït a menys de 3 minuts utilitzant el mateix ordinador i el solver LOQO. En aquesta tesi, totes les instàncies han convergit utilitzant el solver LOQO i el model amb coordenades cartesianes, la qual cosa no passava en el treball final de màster. Tanmateix, en aquesta tesi algunes de les instàncies no han convergit utilitzant el model amb coordenades cartesianes i altres solvers. El segon model utilitza coordenades esfèriques i presenta millor convexitat que l'anterior model de coordenades cartesianes. Totes les instàncies han convergit utilitzant qualsevol dels solvers, i la qualitat de la solució ha millorat. El temps de CPU utilitzant coordenades esfèriques ha estat superior que el temps del model de coordenades cartesianes, a causa dels llargs càlculs, tot i que el nombre d'iteracions ha disminuït considerablement (per exemple, d'un màxim de 192 iteracions utilitzant coordenades cartesianes a un màxim de 84 iteracions utilitzant coordenades esfèriques i el mateix solver LOQO). Aquests dos models han tingut com a resultat dues publicacions. La primera és la patent d'invenció que utilitza coordenades cartesianes i orienta el gradient d'astigmatisme, la qual cosa és útil a l'hora de personalitzar les lents progressives per als usuaris finals. La segona publicació és un article científic publicat a la revista Optimization and Engineering, que presenta el model amb coordenades esfèriques.Postprint (published version

Presbyopia:Effectiveness of correction strategies

Presbyopia is a global problem affecting over a billion people worldwide. The prevalence of unmanaged presbyopia is as high as 50% of those over 50 years of age in developing world populations due to a lack of awareness and accessibility to affordable treatment, and is even as high as 34% in developed countries. Definitions of presbyopia are inconsistent and varied, so we propose a redefinition that states “presbyopia occurs when the physiologically normal age-related reduction in the eye's focusing range reaches a point, when optimally corrected for distance vision, that the clarity of vision at near is insufficient to satisfy an individual's requirements”. Presbyopia is inevitable if one lives long enough, but intrinsic and extrinsic risk factors including cigarette smoking, pregnancy history, hyperopic or astigmatic refractive error, ultraviolet radiation, female sex (although accommodation is similar to males), hotter climates and some medical conditions such as diabetes can accelerate the onset of presbyopic symptoms. Whilst clinicians can ameliorate the symptoms of presbyopia with near vision spectacle correction, bifocal and progressive spectacle lenses, monovision, translating or multifocal contact lenses, monovision, extended depth of focus, multifocal (refractive, diffractive and asymmetric designs) or ‘accommodating’ intraocular lenses, corneal inlays, scleral expansion, laser refractive surgery (corneal monovision, corneal shrinkage, corneal multifocal profiles and lenticular softening), pharmacologic agents, and electro-stimulation of the ciliary muscle, none fully overcome presbyopia in all patients. While the restoration of natural accommodation or an equivalent remains elusive, guidance is gives on presbyopic correction evaluation techniques