Mesura de la qualitat òptica ocular amb l’obtenció de la PSF de l’ull a partir d’imatges sobreexposades de doble pas

En aquest treball s’ha estudiat la possibilitat d’obtenir imatges de doble pas a partir de la combinació de dues imatges independents, una de les quals és capturada amb una exposició correcta i l’altra sobreexposada. Per fer-ho s’han fet mesures a un ull artificial i a tres ulls humans sans amb un sistema de doble pas experimental amb una càmera d’alta sensibilitat refrigerada. Per avaluar diferents graus de difusió intraocular també s’han fet mesures interposant dos filtres difusors davant dels ulls. A partir de les imatges obtingudes de manera convencional i aplicant dues modalitats de tractament d’imatge lleugerament diferents per combinar les imatges sobreexposades s’ha quantificat la difusió intraocular amb els paràmetres OSI (Objective Scatter Index) i FSI (Frequency Scatter Index) proposats a la bibliografia. S’han comparat els resultats i s’ha analitzat si hi ha diferències significatives entre els resultats obtinguts amb cadascun dels tres mètodes utilitzats mitjançant una anàlisi estadística tipus t de Student. Els resultats demostren que és possible reconstruir les imatges de doble pas a partir d’una imatge sobreexposada i d’una altra amb una exposició correcta. A més, per obtenir uns bons valors d’OSI i FSI cal fer un tractament individualitzat per a cada imatge en funció del número de píxels saturats

Development of new methodologies for the clinical, objective and automated evaluation of visual function based on the analysis of ocular movements : application in visual health

Healthy visual function not only relies on good visual acuity. Other systems such as accommodation or binocular vision need to be effective. Binocular vision is the ability of the visual system to coordinate and integrate the information received separately from the two eyes into a single binocular percept. Anomalies in the binocular vision system lead to dysfunctions which are often associated with symptoms like asthenopia, diplopia, or ocular strain. The most prevalent non-strabismic binocular dysfunction is convergence insufficiency. The tests typically used to evaluate binocular vision and diagnose binocular dysfunctions essentially consist in eliciting eye movements and asking the patients to report when they perceive diplopia or single vision. In a conventional optometric clinical setting, they are generally run subjectively, as their results depend on the answers of the patients or on the examiner’s criteria. However, there exist instruments to determine the gaze position and measure ocular movements objectively, i.e. eye-trackers. These instruments are used as research tools in a wide range of applications (neuroscience, psychology, marketing, computer science, ophthalmology, etc.). Eye tracking systems are seldom used in optometric clinical practice, although it seems reasonable to think that the evaluation of binocular vision could better rely on eye tracking systems rather than subjective observations. In this context, the main objective of this thesis is to develop new methodologies for the clinical, objective and automated evaluation of visual function based on the analysis of ocular movements. This thesis is divided in 4 studies. In the first study, new methods for an eye tracking system based on multiple corneal reflections are proposed. The other 3 studies aim to analyze ocular movements in clinically interesting situations for the objective and automated evaluation of binocular vision. The results of the first study showed that the light sources configurations that produced the reflections in the lower region of the cornea showed higher accuracy. Vertical accuracy was slightly better with a higher number of corneal reflections. However, the proposed normalization methods improved vertical accuracy and counteracted the tendency for increasing accuracy with the number of glints. As a result, if the light sources are optimally positioned to avoid the interference of the eyelids and the normalization methods are applied, there is no need for more than two light sources. In the second study, an automated and objective method to measure phoria was proposed. It was significantly more repeatable than two other conventional clinical methods. However, the phoria results of the three tests were not interchangeable. This study brings to light several advantages of using eye-trackers in optometric clinical settings. The third study analyzes the characteristics of saccadic movements that occur during the near point of convergence test. The results showed that saccadic amplitude increased and rate decrease at closer viewing distances. These changes might be explained by the more rapid change of vergence demand and the greater angular size of the fixation target at near than at far. In general, saccades contributed to correct vergence errors and fixation position errors of the dominant eye. Finally, the fourth study focuses on the effects of the stimulus’ predictability on the latency and response time of vergence step movements. The results confirmed that vergence movements to predictable stimulus had shorter latency and response time than when the stimulus was random. Latency of convergence and divergence movements was influenced by the direction of the phoria. Other factors such as attention or voluntary effort might also affect vergence responses. All these effects might influence the final result of the vergence facility test, although further research is needed to specify the impact on the clinical test.Una bona funció visual no és sinònim exclusivament de bona agudesa visual. Cal que altres sistemes com l’acomodatiu o la visió binocular siguin eficaços. La visió binocular és la capacitat del sistema visual per coordinar i integrar la informació que reben els dos ulls en una única percepció. Anomalies en el sistema de visió binocular poden donar lloc a disfuncions associades a símptomes com astenopia, o visió doble. La disfunció no estràbica de la visió binocular més prevalent és la insuficiència de convergència. Els tests que normalment es fan per avaluar la visió binocular es basen en estimular moviments oculars i demanar als pacients que indiquin quan veuen doble i quan fusionen. A la pràctica clínica convencional, aquests tests solen ser subjectius. No obstant, hi ha instruments que serveixen per determinar objectivament la posició de mirada i mesurar els moviments oculars: els eye-trackers o instruments de seguiment de mirada. Aquests instruments s’utilitzen en recerca en moltes disciplines (neurociència, psicologia, marketing, oftalmologia, etc.). Tot i que una aplicació directa dels eye-trackers podria ser en l’avaluació de la visió binocular, els sistemes de seguiment de mirada gairebé no s’utilitzen en la pràctica clínica optomètrica. En aquest context, l’objectiu principal d’aquesta tesi és desenvolupar noves metodologies per a l’avaluació clínica, objectiva i automatitzada de la funció visual basades en l’anàlisi dels moviments oculars. La tesi està estructurada en 4 estudis. En el primer, es proposen nous mètodes per a un eye-tracker basat en múltiples reflexos corneals. Els altres 3 estudis tenen com a objectiu analitzar els moviments oculars en situacions d’interès clínic per avaluar objectiva i automàticament la visió binocular. Els resultats del primer estudi demostren que les configuracions d’il·luminació dels eye-trackers que formen les reflexions corneals a la zona inferior de la còrnia són més precises. La precisió vertical és lleugerament millor amb més fonts de llum. Tot i això, els mètodes de normalització proposats milloren considerablement la precisió vertical i contraresten la tendència de més precisió amb més fonts de llum. D’aquesta manera, si les fonts de llum no interfereixen amb les parpelles i s’apliquen els mètodes de normalització, no cal que els eye-trackers tinguin més de dues fonts de llum. En el segon estudi s’ha proposat un mètode automàtic i objectiu per mesurar la fòria. Aquest mètode és significativament més repetitiu que dos altres mètodes clínics. Tot i això, els resultats amb els tres mètodes no són intercanviables. Aquest estudi posa de manifest avantatges que podrien tenir els eye-trackers a la pràctica clínica optomètrica. En el tercer estudi s’analitzen les característiques dels moviments sacàdics que es produeixen durant la prova del punt proper de convergència. Els resultats demostren que l’amplitud dels sacàdics augmenta i la freqüència disminueix a mesura que s’escurça la distància. Aquests canvis poden ser deguts a que la demanda de vergència canvia més ràpid a distàncies properes que llunyanes, i a l’increment de la mida angular de l’objecte de fixació. En general, els sacàdics contribueixen a corregir els errors de vergència i els errors de fixació de l’ull dominant. Finalment, el quart estudi se centra en els efectes de la predictibilitat de l’estímul en la latència i temps de resposta dels salts de vergència. Els resultats confirmen que els moviments de vergència tenen una latència i temps de resposta més curts quan l’estímul es predictible que quan és aleatori. La latència dels moviments de convergència i divergència està influenciada per la direcció de la fòria. Altres factors com el grau d’atenció o d’esforç voluntari pot ser que afectin els moviments de vergència. Tots aquests efectes probablement influencien en el resultat final de la prova de la instal·lació de vergència, encara que es necessiten més investigacions per especificar l'impacte en la prova clínica

Development of new methodologies for the clinical, objective and automated evaluation of visual function based on the analysis of ocular movements : application in visual health

Premi Extraordinari de Doctorat, promoció 2018-2019. Àmbit de CiènciesHealthy visual function not only relies on good visual acuity. Other systems such as accommodation or binocular vision need to be effective. Binocular vision is the ability of the visual system to coordinate and integrate the information received separately from the two eyes into a single binocular percept. Anomalies in the binocular vision system lead to dysfunctions which are often associated with symptoms like asthenopia, diplopia, or ocular strain. The most prevalent non-strabismic binocular dysfunction is convergence insufficiency. The tests typically used to evaluate binocular vision and diagnose binocular dysfunctions essentially consist in eliciting eye movements and asking the patients to report when they perceive diplopia or single vision. In a conventional optometric clinical setting, they are generally run subjectively, as their results depend on the answers of the patients or on the examiner’s criteria. However, there exist instruments to determine the gaze position and measure ocular movements objectively, i.e. eye-trackers. These instruments are used as research tools in a wide range of applications (neuroscience, psychology, marketing, computer science, ophthalmology, etc.). Eye tracking systems are seldom used in optometric clinical practice, although it seems reasonable to think that the evaluation of binocular vision could better rely on eye tracking systems rather than subjective observations. In this context, the main objective of this thesis is to develop new methodologies for the clinical, objective and automated evaluation of visual function based on the analysis of ocular movements. This thesis is divided in 4 studies. In the first study, new methods for an eye tracking system based on multiple corneal reflections are proposed. The other 3 studies aim to analyze ocular movements in clinically interesting situations for the objective and automated evaluation of binocular vision. The results of the first study showed that the light sources configurations that produced the reflections in the lower region of the cornea showed higher accuracy. Vertical accuracy was slightly better with a higher number of corneal reflections. However, the proposed normalization methods improved vertical accuracy and counteracted the tendency for increasing accuracy with the number of glints. As a result, if the light sources are optimally positioned to avoid the interference of the eyelids and the normalization methods are applied, there is no need for more than two light sources. In the second study, an automated and objective method to measure phoria was proposed. It was significantly more repeatable than two other conventional clinical methods. However, the phoria results of the three tests were not interchangeable. This study brings to light several advantages of using eye-trackers in optometric clinical settings. The third study analyzes the characteristics of saccadic movements that occur during the near point of convergence test. The results showed that saccadic amplitude increased and rate decrease at closer viewing distances. These changes might be explained by the more rapid change of vergence demand and the greater angular size of the fixation target at near than at far. In general, saccades contributed to correct vergence errors and fixation position errors of the dominant eye. Finally, the fourth study focuses on the effects of the stimulus’ predictability on the latency and response time of vergence step movements. The results confirmed that vergence movements to predictable stimulus had shorter latency and response time than when the stimulus was random. Latency of convergence and divergence movements was influenced by the direction of the phoria. Other factors such as attention or voluntary effort might also affect vergence responses. All these effects might influence the final result of the vergence facility test, although further research is needed to specify the impact on the clinical test.Una bona funció visual no és sinònim exclusivament de bona agudesa visual. Cal que altres sistemes com l’acomodatiu o la visió binocular siguin eficaços. La visió binocular és la capacitat del sistema visual per coordinar i integrar la informació que reben els dos ulls en una única percepció. Anomalies en el sistema de visió binocular poden donar lloc a disfuncions associades a símptomes com astenopia, o visió doble. La disfunció no estràbica de la visió binocular més prevalent és la insuficiència de convergència. Els tests que normalment es fan per avaluar la visió binocular es basen en estimular moviments oculars i demanar als pacients que indiquin quan veuen doble i quan fusionen. A la pràctica clínica convencional, aquests tests solen ser subjectius. No obstant, hi ha instruments que serveixen per determinar objectivament la posició de mirada i mesurar els moviments oculars: els eye-trackers o instruments de seguiment de mirada. Aquests instruments s’utilitzen en recerca en moltes disciplines (neurociència, psicologia, marketing, oftalmologia, etc.). Tot i que una aplicació directa dels eye-trackers podria ser en l’avaluació de la visió binocular, els sistemes de seguiment de mirada gairebé no s’utilitzen en la pràctica clínica optomètrica. En aquest context, l’objectiu principal d’aquesta tesi és desenvolupar noves metodologies per a l’avaluació clínica, objectiva i automatitzada de la funció visual basades en l’anàlisi dels moviments oculars. La tesi està estructurada en 4 estudis. En el primer, es proposen nous mètodes per a un eye-tracker basat en múltiples reflexos corneals. Els altres 3 estudis tenen com a objectiu analitzar els moviments oculars en situacions d’interès clínic per avaluar objectiva i automàticament la visió binocular. Els resultats del primer estudi demostren que les configuracions d’il·luminació dels eye-trackers que formen les reflexions corneals a la zona inferior de la còrnia són més precises. La precisió vertical és lleugerament millor amb més fonts de llum. Tot i això, els mètodes de normalització proposats milloren considerablement la precisió vertical i contraresten la tendència de més precisió amb més fonts de llum. D’aquesta manera, si les fonts de llum no interfereixen amb les parpelles i s’apliquen els mètodes de normalització, no cal que els eye-trackers tinguin més de dues fonts de llum. En el segon estudi s’ha proposat un mètode automàtic i objectiu per mesurar la fòria. Aquest mètode és significativament més repetitiu que dos altres mètodes clínics. Tot i això, els resultats amb els tres mètodes no són intercanviables. Aquest estudi posa de manifest avantatges que podrien tenir els eye-trackers a la pràctica clínica optomètrica. En el tercer estudi s’analitzen les característiques dels moviments sacàdics que es produeixen durant la prova del punt proper de convergència. Els resultats demostren que l’amplitud dels sacàdics augmenta i la freqüència disminueix a mesura que s’escurça la distància. Aquests canvis poden ser deguts a que la demanda de vergència canvia més ràpid a distàncies properes que llunyanes, i a l’increment de la mida angular de l’objecte de fixació. En general, els sacàdics contribueixen a corregir els errors de vergència i els errors de fixació de l’ull dominant. Finalment, el quart estudi se centra en els efectes de la predictibilitat de l’estímul en la latència i temps de resposta dels salts de vergència. Els resultats confirmen que els moviments de vergència tenen una latència i temps de resposta més curts quan l’estímul es predictible que quan és aleatori. La latència dels moviments de convergència i divergència està influenciada per la direcció de la fòria. Altres factors com el grau d’atenció o d’esforç voluntari pot ser que afectin els moviments de vergència. Tots aquests efectes probablement influencien en el resultat final de la prova de la instal·lació de vergència, encara que es necessiten més investigacions per especificar l'impacte en la prova clínica.Award-winningPostprint (published version

Robust eye tracking based on multiple corneal reflections for clinical applications

Postprint (published version

An automated and objective cover test to measure heterophoria

Postprint (published version

Influence of power and the time of application of fogging lenses on accommodation

Fogging is a non-invasive technique based on the use of positive spherical power lenses to relax accommodation during refraction that is commonly used as an alternative to cycloplegic drugs. Although the mechanism of the fogging technique has been described, some aspects of its methodology remain unclear. The main purpose of this work was to determine which lens power and time of application are more suitable for achieving a successful relaxation of accommodation by analyzing the changes in accommodation when fogging lenses of different powers were placed in front of the participants’ eye for a certain timespan. The results of this analysis showed, in general, that low-power lenses and timespans of less than half a minute provided the highest relaxation of accommodation. However, high inter-subject variability was found in the two variables (power and time).Universitat Politècnica de Catalunya (FPI-UPC Grant); Banco Santander (FPI-UPC Grant); Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI/10.13039/501100011033, PID2020-112527RB-I00).Peer ReviewedPostprint (published version

Reflectance evaluation of eye fundus structures with a visible and near-infrared multispectral camera

We examined the spectral reflectance of fundus structures in the visible and near-infrared (400–1300 nm) range for contributing to the medical diagnosis of fundus diseases. Spectral images of healthy eye fundus and other ocular diseases were acquired using a novel multispectral fundus camera. Reflectance metrics were computed based on contrast to analyze the spectral features. Significant differences were observed among the structures in healthy and diseased eye fundus. Specifically, near-infrared analysis allows imaging of deeper layers, such as the choroid, which, to date, has not been retrieved using traditional color fundus cameras. Pathological structures, which were hardly observable in color fundus images owing to metamerism, were also revealed by the developed multispectral fundus camera."Funding: H2020Marie Skłodowska-Curie Actions (801342, Tecniospring INDUSTRY); Agència per a la Competitivitat de l’Empresa (801342, Tecniospring INDUSTRY); Generalitat de Catalunya (801342, Tecniospring INDUSTRY); Ministerio de Ciencia e Innovación- Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI/10.13039/501100011033, PID2020112527RB-I00)"Peer ReviewedPostprint (published version

Eye movements in patients with post-COVID condition

Eye movement control is impaired in some neurological conditions, but the impact of COVID-19 on eye movements remains unknown. This study aims to investigate differences in oculomotor function and pupil response in individuals who suffer post-COVID-19 condition (PCC) with cognitive deficits. Saccades, smooth pursuit, fixation, vergence and pupillary response were recorded using an eye tracker. Eye movements and pupil response parameters were computed. Data from 16 controls, 38 COVID mild (home recovery) and 19 COVID severe (hospital admission) participants were analyzed. Saccadic latencies were shorter in controls (183¿±¿54 ms) than in COVID mild (236¿±¿83 ms) and COVID severe (227¿±¿42 ms) participants (p¿=¿0.017). Fixation stability was poorer in COVID mild participants (Bivariate Contour Ellipse Area of 0.80¿±¿1.61°2 vs 0.36¿±¿0.65 °2 for controls, p¿=¿0.019), while percentage of pupil area reduction/enlargement was reduced in COVID severe participants (39.7¿±¿12.7%/31.6¿±¿12.7% compared to 51.7¿±¿22.0%/49.1¿±¿20.7% in controls, p¿<¿0.015). The characteristics of oculomotor alterations found in PCC may be useful to understand different pathophysiologic mechanisms.Project PID2020-112527RB-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033; La Marató de TV3 Foundation (202111-30-31-32).Peer ReviewedPostprint (published version

Identification of genetic variants associated with Huntington's disease progression: a genome-wide association study

Background Huntington's disease is caused by a CAG repeat expansion in the huntingtin gene, HTT. Age at onset has been used as a quantitative phenotype in genetic analysis looking for Huntington's disease modifiers, but is hard to define and not always available. Therefore, we aimed to generate a novel measure of disease progression and to identify genetic markers associated with this progression measure. Methods We generated a progression score on the basis of principal component analysis of prospectively acquired longitudinal changes in motor, cognitive, and imaging measures in the 218 indivduals in the TRACK-HD cohort of Huntington's disease gene mutation carriers (data collected 2008–11). We generated a parallel progression score using data from 1773 previously genotyped participants from the European Huntington's Disease Network REGISTRY study of Huntington's disease mutation carriers (data collected 2003–13). We did a genome-wide association analyses in terms of progression for 216 TRACK-HD participants and 1773 REGISTRY participants, then a meta-analysis of these results was undertaken. Findings Longitudinal motor, cognitive, and imaging scores were correlated with each other in TRACK-HD participants, justifying use of a single, cross-domain measure of disease progression in both studies. The TRACK-HD and REGISTRY progression measures were correlated with each other (r=0·674), and with age at onset (TRACK-HD, r=0·315; REGISTRY, r=0·234). The meta-analysis of progression in TRACK-HD and REGISTRY gave a genome-wide significant signal (p=1·12 × 10−10) on chromosome 5 spanning three genes: MSH3, DHFR, and MTRNR2L2. The genes in this locus were associated with progression in TRACK-HD (MSH3 p=2·94 × 10−8 DHFR p=8·37 × 10−7 MTRNR2L2 p=2·15 × 10−9) and to a lesser extent in REGISTRY (MSH3 p=9·36 × 10−4 DHFR p=8·45 × 10−4 MTRNR2L2 p=1·20 × 10−3). The lead single nucleotide polymorphism (SNP) in TRACK-HD (rs557874766) was genome-wide significant in the meta-analysis (p=1·58 × 10−8), and encodes an aminoacid change (Pro67Ala) in MSH3. In TRACK-HD, each copy of the minor allele at this SNP was associated with a 0·4 units per year (95% CI 0·16–0·66) reduction in the rate of change of the Unified Huntington's Disease Rating Scale (UHDRS) Total Motor Score, and a reduction of 0·12 units per year (95% CI 0·06–0·18) in the rate of change of UHDRS Total Functional Capacity score. These associations remained significant after adjusting for age of onset. Interpretation The multidomain progression measure in TRACK-HD was associated with a functional variant that was genome-wide significant in our meta-analysis. The association in only 216 participants implies that the progression measure is a sensitive reflection of disease burden, that the effect size at this locus is large, or both. Knockout of Msh3 reduces somatic expansion in Huntington's disease mouse models, suggesting this mechanism as an area for future therapeutic investigation

COVID-19 symptoms at hospital admission vary with age and sex: results from the ISARIC prospective multinational observational study

Background: The ISARIC prospective multinational observational study is the largest cohort of hospitalized patients with COVID-19. We present relationships of age, sex, and nationality to presenting symptoms. Methods: International, prospective observational study of 60 109 hospitalized symptomatic patients with laboratory-confirmed COVID-19 recruited from 43 countries between 30 January and 3 August 2020. Logistic regression was performed to evaluate relationships of age and sex to published COVID-19 case definitions and the most commonly reported symptoms. Results: ‘Typical’ symptoms of fever (69%), cough (68%) and shortness of breath (66%) were the most commonly reported. 92% of patients experienced at least one of these. Prevalence of typical symptoms was greatest in 30- to 60-year-olds (respectively 80, 79, 69%; at least one 95%). They were reported less frequently in children (≤ 18 years: 69, 48, 23; 85%), older adults (≥ 70 years: 61, 62, 65; 90%), and women (66, 66, 64; 90%; vs. men 71, 70, 67; 93%, each P &lt; 0.001). The most common atypical presentations under 60 years of age were nausea and vomiting and abdominal pain, and over 60 years was confusion. Regression models showed significant differences in symptoms with sex, age and country. Interpretation: This international collaboration has allowed us to report reliable symptom data from the largest cohort of patients admitted to hospital with COVID-19. Adults over 60 and children admitted to hospital with COVID-19 are less likely to present with typical symptoms. Nausea and vomiting are common atypical presentations under 30 years. Confusion is a frequent atypical presentation of COVID-19 in adults over 60 years. Women are less likely to experience typical symptoms than men