Lens-based technologies to study accommodation and refraction

A visual stimulus can be presented in free space or through lens-based systems. Interestingly, it has been reported many times in the past that some subjects have poorer accommodative responses when optically stimulated, with no aparent reason. However, this limitation has not precluded the use of lens-based systems in ophthalmic devices, virtual reality displays or research setups, probably because it is outweighed by some advantages such as the computer-control of the focal plane of the stimuli. Under this general context, the objective of this thesis is to apply lens-based technologies (from computer-controlled electró-optical lenses to Badal Systems) to study accommodation and refraction. The methodology of this thesis is structured in 6 studies. The first three studies investigate the response of the accommodative system when optically-stimulated with a Badal optometer. The remaining 3 studies take advantage of electro-optical varifocal systems to investigate new methodologies related to the automated subjective refraction and the accommodative facility test. Concretely, the fourth study is a clinical validation of a new automated refraction algorithm and is the only study thatworks specifically on eye¿s refraction. The fifth and sixth studies use an electro-optical liquid lens to present a repeated step-like stimulus at different accommodative distances. The fifth study validates a new accommodative facility test that integrates both the far and near accommodative facility testwith random changes of accommodative stimulus and, the sixth study explores how the predictability of a stimulus affects the accommodation dynamics. The results of the first three studies show that previously reported differences in accommodative response when using lens-based methods compared to free space viewing may be explained by the effect of other factors such as the refractive error or field of view rather than the method to stimulate accommodation. It is also shown that the most accurate accommodative responses are obtained for fields between 8º and 10º which suggests that there may be an optimum peripheral retinal image size for accommodation stimulation. Also, it is shown that the only factor that in isolation significantly affects the accuracy of the accommodative responses is the type of refractive error. And finally, it is also shown that the accuracy of the accommodation response generally improves with a 2-dimensional stimulus with apparent depth cues and simulated out-of-focus blur in a relatively large field of view. Even though these conditions may not be adequate for all individuals, they can be used to improve the overall visual comfort in those virtual reality systems that use a varifocal optical system to change the focal plane of a 2-dimensional surface or visual simulators. The results of the study 4 show the first implementation of a potential novel method of performing non1cycloplegic subjective refraction in adults without clinician suport. Although this method has some limitations thatwarrant further research and it should be tested in a wider population in terms of age4 refraction and different ocular conditions4 it is precise and more accurate than objective refraction methods and it has the potential to be incorporated in novel lens1based technologies to improve primary eye care services in developing countries. And finally, the last two studies showed also the first implementation of a new accommodative facility test that integrates both the far and near accommodative facility testwith random changes of accommodative stimulus. This new methodology is a faster test than performing both the near and far accommodative tests and it provides more information than conventional accommodative facility tests. Additionally these two studies showed that the prediction operator does not exist in accommodation and the unpredictability of the stimulus does not affect the accommodation dynamics.Un estímul visual es pot presentar a l'espai lliure o a través de sistemes basats en lents. Curiosament, en el passat s'ha reportat moltes vegades que alguns subjectes acomoden de forma més pobre quan aquesta és estimulada per mitjans òptics. Tanmateix, aquesta limitació no ha impedit l'ús de sistemes basats en lents en dispositius oftàlmics, sistemes de realitat virtual o muntatges òptics de recerca, probablement perquè es compensen les limitacions amb alguns avantatges com el control per ordinador del pla focal del estímul. En aquest context general, l'objectiu d'aquesta tesi és aplicar tecnologies basades en lents (des de lents electró-òptiques controlades per ordinador fins a sistemes Badal) per estudiar l'acomodació i refracció. La metodologia d'aquesta tesi està estructurada en 6 estudis. Els primers tres estudis investiguen la resposta del sistema acomodatiu quan està estimulat òpticament amb un optòmetre Badal. Els 3 estudis restants aprofiten els sistemes varifocals electró-òptics per investigar noves metodologies relacionades amb la refracció subjectiva automàtica i la prova de flexibilitat acomodativa. Concretament, el quart estudi és una validació clínica d'un nou algorisme de refracció automatitzat i és l'únic estudi que treballa específicament en la refracció ocular. Els estudis cinquè i sisè utilitzen una lent òptica electró-òptica per presentar un estímul repetit a diferents distàncies acomodatives. El cinquè estudi valida una nova prova híbrida acomodativa que integra la prova de flexibilitat acomodativa llunyana i propera amb canvis aleatoris d'estímul acomodatiu i, el sisè estudi explora com la predictibilitat d'un estímul afecta la dinàmica acomodativa. Els resultats dels tres primers estudis mostren que les diferències reportades anteriorment en la resposta acomodativa quan s'utilitzen mètodes basats en lents en comparació amb la visualització d'estímuls en l'espai lliure es pot explicar per l'efecte de factors com l'error refractiu o el camp de visió més que en el mètode d'estimulació d'acomodació. També es demostra que l'acomodació és més precisa per a camps visuals entre 8 i 10º, el que suggereix que hi pot haver una mida d'imatge retiniana òptima per a l'estimulació de l'acomodació. A més, es demostra que l'únic factor que afecta aïlladament l'exactitud de la resposta acomodativa és el tipus d'error refractiu. També, es demostra que la precisió de la resposta acomodativa generalment millora amb un estímul bidimensional amb pistes de profunditat perifèriques i desenfoc simulat per a un camp de visió relativament gran. Aquestes condicions es poden utilitzar per millorar el confort visual en aquells sistemes de realitat virtual o simuladors visuals que utilitzen un sistema òptic varifocal per canviar el pla focal d'una superfície bidimensional. Els resultats de l'estudi 4 mostren la primera implementació d'un nou mètode potencial per a la realització de refracció subjectiva no cicloplègica en adults sense suport clínic. Encara que aquest mètode requereix encara una investigació addicional en una població més àmplia en termes d'edat, refracció i condicions oculars diferents, és més precís que els mètodes de refracció objectius i té el potencial d'incorporar-se a noves tecnologies basades en lents per millorar els serveis d'atenció primària en països en vies de desenvolupament. Finalment, els dos últims estudis mostren la primera implementació d'una nova prova de flexibilitat acomodativa que integra tant la prova llunyana i propera, amb canvis aleatoris d'estímul acomodatiu. Aquesta nova metodologia és una prova més ràpida que l'execució de les proves d'acomodació pròxima i llunyana i proporciona més informació que les proves de flexibilitat acomodativa per separat. Addicionalment, aquests dos estudis mostren que la capacitat predictiva en l'acomodació es insignificant i que la imprevisibilitat de l'estímul no afecta la dinàmica acomodativ

Repetibilitat de dos aberròmetres comercials

Fa molts anys que és coneguda la importància que juguen les aberracions òptiques en la visió de les persones, és per això que ja fa temps que s’intenten mesurar amb precisió. Aquest fet sempre ha suposat tot un repte pels científics donada la dificultat d’accés a l’espai imatge de l’ull (la retina). No obstant, gràcies als avenços tecnològics dels últims anys s’han aconseguit desenvolupar noves tècniques i nous instruments que han permès que la mesura d’aberracions pugui efectuar-se en la pràctica clínica. Entre les tècniques més utilitzades hi ha la de Hartmann-Shack. En aquest treball s’ha avaluat la repetibilitat intrasessió i intersessió de dos aberròmetres basats en la tècnica de Hartmann-Shack: el KR-1W (Topcon Corp., Tokyo, Japan) i l’AOVA (Voptica, S.L., Murcia, Spain). Per fer aquesta avaluació s’han realitzat mesures en una mostra de població sana de 31 subjectes i s’han utilitzat onze paràmetres per a la seva quantificació. Els onze paràmetres analitzats són: Coma eix Y Z(3,-1), Coma eix X Z(3,1), Trefoil Z(3,-3), Trefoil Z(3,3), Aberració esfèrica Z(4,0), Coma secundari Z(5,-1), Coma secundari Z(5,1), refracció objectiva (Esfera i Cilindre), RMSh (alt ordre) i RMSt (total). Per l’anàlisi estadístic de repetibilitat intrasessió i intersessió s’ha utilitzat el mètode proposat per Bland i Altman. A més, per al cas d’intrasessió s’han calculat els coeficients de repetibilitat (CORs). Per valorar la normalitat dels resultats s’ha utilitzat el test Kolmogorov-Smirnov. Si era possible un anàlisi paramètric s’ha utilitzat l’ANOVA, sinó el test Wilcoxon. També s’ha calculat el coeficient de correlació intraclasse (ICC) aplicat al conjunt de les 9 mesures. El resultats suggereixen que no hi ha diferències estadísticament significatives pel que fa a la repetibilitat intrasessió i intersessió en el dos aparells. Pel KR-1W, els CORs dels coeficients de Zernike estan compresos entre 0.01 i 0.05, els CORs de l’esfera i cilindre entre el 0.09 i 0.25, i els CORs de les RMS entre 0,02 i 012. Per l’AOVA, els CORs respectius estan compresos entre 0.05 i 0.18, 0.29 i 0.37, 0.16 i 0.21. El ICC promig obtingut pel KR-1W és de 0.957 i el ICC promig per l’AOVA de 0.811

Does the Badal optometer stimulate accommodation accurately?

Postprint (author's final draft

Random Changes of Accommodation Stimuli: An Automated Extension of the Flippers Accommodative Facility Test

Postprint (author's final draft

Effect of Experimental Conditions in the Accommodation Response in Myopia

SIGNIFICANCE The accommodative response is more affected by the type of refractive error than the method of stimulation, field of view (FOV), or stimulus depth. PURPOSE This study aims to analyze the effect of stimulation method, stimulus depth, and FOV on the accommodation response (AR) for emmetropes (EMM), late-onset myopes (LOM), and early-onset myopes (EOM). METHODS Monocular AR was measured in 26 young observers (n = 9 EMM, n = 8 LOM, n = 9 EOM) under 60 different viewing conditions that were the result of permuting the following factors: (1) stimulation method (free space or Badal lens viewing), (2) stimulus depth (flat or volumetric), (3) FOV (2.5, 4, 8, 10, and 30°), and (4) accommodative stimulus (AS: 0.17, 2.50, and 5.00 diopters [D]). RESULTS Mixed analysis of variance for 2.50 D of AS resulted in a significant effect of refractive group (F = 6.77, P < .01) and FOV (F = 1.26, P = .04). There was also a significant interaction between stimulus depth and FOV (F = 2.73, P = .03) and among stimulation method, FOV, and refractive group (F = 2.42, P = .02). For AS of 5.00 D, there was a significant effect of refractive group (F = 13.88, P < .01) and stimulation method (F = 5.16, P = .03). There was also a significant interaction of stimulation method, stimulus depth, and refractive group (F = 4.08, P = .03). When controlling for all interactions, LOM showed larger lags than EMM and EOM; the AR did not significantly change for fields of 8, 10, and 30°, and it did not significantly differ for different stimulation methods or stimulus depth. CONCLUSIONS Previously reported differences in AR when using lens-based methods compared with free space viewing may be explained by the effect of other factors such as the FOV or the depth of the stimulus. Targets with an FOV of 8 or 10° may be optimal for accurate ARs.Preprin

Stimulus Unpredictability in Time, Magnitude, and Direction on Accommodation

Postprint (author's final draft

Effect of apparent depth cues on accommodation in a Badal optometer

Background: The aim was to analyse the effect of peripheral depth cues on accommodation in Badal optometers. Methods: Monocular refractions at 0.17 and 5.00 D of accommodative stimulus were measured with the PowerRef II autorefractor (Plusoptix Inc., Atlanta, Georgia, USA). Subjects looked (randomly) at four different scenes, one real scene comprising familiar objects at different depth planes (Real) and three virtual scenes comprising different two-dimensional pictures seen through a Badal lens. The first image consisted of a photograph of the real scene taken in conditions that closely mimic a healthy standard human eye performance (out-of-focus [OoF] blur); the second image was the same photograph rendered with a depth of focus to infinity (OoF sharpness); and finally the third image consisted of a fixation target and a even white surrounding (White). In all cases the field of view was 25.0° and the fixation target was a Maltese cross subtending to two degrees. Results: Twenty-eight right eyes from healthy young subjects were measured. The achieved statistical power was 0.9. At 5.00 D of accommodative stimulus, the repeated measures analysis of variance was statistically significant (p¿<¿0.05) and the corresponding Bonferroni post hoc tests showed the following mean accommodative response differences and standard deviation (p-value) between the real and the virtual scenes: real-white¿=-0.66¿±¿0.92 D (p¿<¿0.01); real-OoF sharpness¿=¿-0.43¿±¿0.88 D (p¿=¿0.07); real-OoF blur¿=-0.25¿±¿0.93 D (p¿=¿0.89). Conclusions: A stimulus poor in depth cues inaccurately stimulates accommodation in Badal optometers; however, accommodation can be significantly improved in the same Badal optometer, when displaying a realistic image rich in peripheral depth cues, even though these peripheral cues (also referred to as retinal blur cues) are shown in the same plane as the fixation target. These results have important implications in stereoscopic virtual reality systems that fail to represent appropriately retinal blur.Preprin

Suitability of open-field autorefractors as pupillometers and instrument design effects

AIM: To determine the agreement and repeatability of the pupil measurement obtained with VIP-200 (Neuroptics), PowerRef II (Plusoptix), WAM-5500 (Grand Seiko) and study the effects of instrument design on pupillometry. METHODS: Forty patients were measured twice in low, mid and high mesopic. Repeatability was analyzed with the within-subject standard deviation (Sw) and paired t-tests. Agreement was studied with Bland-Altman plots and repeated measures ANOVA. Instrument design analysis consisted on measuring pupil size with PowerRef II simulating monocular and binocular conditions as well as with proximity cues and without proximity cues. RESULTS: The mean difference (standard deviation) between test-retest for low, mid and high mesopic conditions were, respectively: -0.09 (+/- 0.16), -0.05 (+/- 0.18) and -0.08 (+/- 0.23) mm for Neuroptics, -0.05 (+/- 0.17), -0.12 (+/- 0.23) and -0.17 (+/- 0.34) mm for WAM-5500, -0.04 (+/- 0.27), -0.13 (+/- 0.37) and -0.11 (+/- 0.28) mm for PowerRef II. Regarding agreement with Neuroptics, the mean difference for low, mid and high mesopic conditions were, respectively: -0.48 (+/- 0.35), -0.83 (+/- 0.52) and -0.38 (+/- 0.56) mm for WAM-5500, -0.28 (+/- 0.56),-0.70 (+/- 0.55) and -0.61 (+/- 0.54) mm for PowerRef II. The mean difference of binocular minus monocular pupil measurements was: -0.83 (+/- 0.87) mm; and with proximity cues minus without proximity cues was: -0.30 (+/- 0.77) mm. CONCLUSION: All the instruments show similar repeatability. In all illumination conditions, agreement of Neuroptics with WAM-5500 and PowerRef II is not good enough, which can be partially induced due to their open field design.Postprint (published version

Comparació d'un Analitzador Visual d'Òptica Adaptativa i un aberròmetre de Hartmann-Shack per measurar les aberracions oculars.

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] Measuring the ocular wavefront aberration function by means of the Hartmann-Shack technique is a common practice in visual optics. Nowadays several commercial devices provide this functionality; this is the reason why it is important that agreement between measurements of different devices exists. In this study a commercial Hartmann-Shack aberrometer (KR-1W, Topcon Corp., Japan) and an Adaptive Optics Vision Analyzer based on a Hartmann-Shack aberrometer (AOVA, Voptica S.L., Spain) have been compared. In order to carry out this study, the wavefront aberration function expressed as a Zernike Polynomials expansion up to the fifth order of 29 right eyes has been obtained. A statistical analysis has been carried out by comparing the individual Zernike coefficients and the radial Root Mean Square (RMSrad) from the second to the fifth order, the high order RMS (RMSHOA) and the total RMS (RMSTOT). The values of the Sphere (S) and Cylinder (C) in Diopters (D) have also been compared. A paired sample t-test, Pearson correlations as well as the Bland and Altman method have been used to assess the agreement between devices. The results showed in general a good agreement between devices when comparing most of the Zernike coefficients.[CASTELLÀ] Medir las aberraciones oculares mediante la técnica de Hartmann-Shack es una práctica habitual en Óptica Visual. Muchos instrumentos permiten esta funcionalidad hoy en día, por este motivo es importante que exista concordancia entre los distintos instrumentos. En este estudio un aberrómetro de Hartmann-Shack (KR-1W, Topcon Corp., Japón) y un Analizador Visual de Óptica Adaptativa basado en un aberrómetro de Hartmann-Shack (AOVA, Voptica S.L., España) han estado comparados. Para llevar a cabo este estudio, la función aberración de onda expresada mediante los Polinomios de Zernike hasta orden 5 de 29 ojos derechos se ha obtenido. El análisis estadístico se ha realizado comparando los coeficientes individuales de Zernike y las ‘Root Mean Square’ radiales (RMSrad) desde segundo hasta quinto orden, la RMS de alto orden (RMSHOA) y la RMS total (RMSTOT). Los valores de Esfera (S) y Cilindro (C) en dioptrías se han comparado también. El t-test para muestras aparejadas, las correlaciones de Pearson y el método de Bland y Altman se han utilizado para evaluar la concordancia entre instrumentos. Los resultados muestran en general una buena concordancia cuando se comparan la mayoría de los coeficientes de Zernike.[CATALÀ] Mesurar les aberracions dels ulls mitjançant la tècnica de Hartmann-Shack és una pràctica habitual en Òptica Visual. Molts instruments permeten aquesta funcionalitat avui en dia, per aquest motiu, és important que existeixi concordança entre els diferents instruments. En aquest estudi un aberròmetre de Hartmann-Shack (KR-1W, Topcon Corp., Japó) i un Analitzador Visual d’Òptica Adaptativa basat en un aberròmetre de Hartmann-Shack (AOVA, Voptica S.L., Espanya) han estat comparats. Per tal de dur a terme aquest estudi, la funció aberració d’ona expressada mitjançant els Polinomis de Zernike fins a ordre 5 de 29 ulls drets s’ha obtingut. L’anàlisi estadístic s’ha realitzant comparant els coeficients individuals de Zernike i les ‘Root Mean Square’ radials (RMSrad) des de segon fins a cinquè ordre, la RMS d’alt ordre (RMSHOA) i la RMS total (RMSTOT). Els valors d’Esfera (S) i Cilindre (C) en diòptries s’han comparat també. El t-test per a mostres aparellades, les correlacions de Pearson i el mètode de Bland i Altman s’ha utilitzat per avaluar la concordança entre instruments. Els resultats mostren en general una bona concordança quan es comparen la majoria dels coeficients de Zernike

Comparació d'un Analitzador Visual d'Òptica Adaptativa i un aberròmetre de Hartmann-Shack per measurar les aberracions oculars.

Treball final de màster oficial fet en col·laboració amb Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), Universitat de Barcelona (UB) i Institut de Ciències Fotòniques (ICFO)[ANGLÈS] Measuring the ocular wavefront aberration function by means of the Hartmann-Shack technique is a common practice in visual optics. Nowadays several commercial devices provide this functionality; this is the reason why it is important that agreement between measurements of different devices exists. In this study a commercial Hartmann-Shack aberrometer (KR-1W, Topcon Corp., Japan) and an Adaptive Optics Vision Analyzer based on a Hartmann-Shack aberrometer (AOVA, Voptica S.L., Spain) have been compared. In order to carry out this study, the wavefront aberration function expressed as a Zernike Polynomials expansion up to the fifth order of 29 right eyes has been obtained. A statistical analysis has been carried out by comparing the individual Zernike coefficients and the radial Root Mean Square (RMSrad) from the second to the fifth order, the high order RMS (RMSHOA) and the total RMS (RMSTOT). The values of the Sphere (S) and Cylinder (C) in Diopters (D) have also been compared. A paired sample t-test, Pearson correlations as well as the Bland and Altman method have been used to assess the agreement between devices. The results showed in general a good agreement between devices when comparing most of the Zernike coefficients.[CASTELLÀ] Medir las aberraciones oculares mediante la técnica de Hartmann-Shack es una práctica habitual en Óptica Visual. Muchos instrumentos permiten esta funcionalidad hoy en día, por este motivo es importante que exista concordancia entre los distintos instrumentos. En este estudio un aberrómetro de Hartmann-Shack (KR-1W, Topcon Corp., Japón) y un Analizador Visual de Óptica Adaptativa basado en un aberrómetro de Hartmann-Shack (AOVA, Voptica S.L., España) han estado comparados. Para llevar a cabo este estudio, la función aberración de onda expresada mediante los Polinomios de Zernike hasta orden 5 de 29 ojos derechos se ha obtenido. El análisis estadístico se ha realizado comparando los coeficientes individuales de Zernike y las ‘Root Mean Square’ radiales (RMSrad) desde segundo hasta quinto orden, la RMS de alto orden (RMSHOA) y la RMS total (RMSTOT). Los valores de Esfera (S) y Cilindro (C) en dioptrías se han comparado también. El t-test para muestras aparejadas, las correlaciones de Pearson y el método de Bland y Altman se han utilizado para evaluar la concordancia entre instrumentos. Los resultados muestran en general una buena concordancia cuando se comparan la mayoría de los coeficientes de Zernike.[CATALÀ] Mesurar les aberracions dels ulls mitjançant la tècnica de Hartmann-Shack és una pràctica habitual en Òptica Visual. Molts instruments permeten aquesta funcionalitat avui en dia, per aquest motiu, és important que existeixi concordança entre els diferents instruments. En aquest estudi un aberròmetre de Hartmann-Shack (KR-1W, Topcon Corp., Japó) i un Analitzador Visual d’Òptica Adaptativa basat en un aberròmetre de Hartmann-Shack (AOVA, Voptica S.L., Espanya) han estat comparats. Per tal de dur a terme aquest estudi, la funció aberració d’ona expressada mitjançant els Polinomis de Zernike fins a ordre 5 de 29 ulls drets s’ha obtingut. L’anàlisi estadístic s’ha realitzant comparant els coeficients individuals de Zernike i les ‘Root Mean Square’ radials (RMSrad) des de segon fins a cinquè ordre, la RMS d’alt ordre (RMSHOA) i la RMS total (RMSTOT). Els valors d’Esfera (S) i Cilindre (C) en diòptries s’han comparat també. El t-test per a mostres aparellades, les correlacions de Pearson i el mètode de Bland i Altman s’ha utilitzat per avaluar la concordança entre instruments. Els resultats mostren en general una bona concordança quan es comparen la majoria dels coeficients de Zernike