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Los conceptos de aberraciones ópticas se repiten continuamente en los últimos años, no sólo en los tradicionales ambientes de la Óptica académica, sino en numerosos foros oftalmológicos. Han saltado de los laboratorios de investigación a estar presentes en muchos aspectos aplicados y clínicos. La cirugía refractiva guiada a partir de medidas de aberración, los conceptos de «super-visión» o las lentes intraoculares que «controlan» aberraciones, son familiares para muchos oftalmólogos. En este artículo de revisión se describen de forma accesible, sin utilizar formalismo matemático, los conceptos ópticos sobre aberraciones, cómo son las aberraciones en el ojo, y en especial en el ojo de edad avanzada. Finalmente se muestra la manera en la que un mejor conocimiento de la óptica del ojo se ha utilizado para diseñar nuevos tipos de lentes intraoculares que compensan en parte las aberraciones, mejorando potencialmente la visión.

El ojo no es un sistema óptico perfecto. Es un sistema aberrado que produce imágenes en la retina que no son tan nítidas («perfectas») como podrían llegar a ser. Este emborronamiento de las imágenes impone el primer límite físico a la visión. Las llamadas aberraciones de bajo orden: el desenfoque y el astigmatismo son conocidas en la práctica clínica como errores refractivos esférico y cilíndrico, y se corrigen de forma rutinaria. La presencia en el ojo de otras aberraciones, llamadas de alto orden, es algo bien conocido para los investigadores desde al menos la segunda mitad del siglo XIX. Sin embargo, las ideas sobre aberraciones estuvieron restringidas a los laboratorios de investigación hasta casi el final del siglo XX. La mayor parte de los métodos de medida de aberraciones eran tediosos, requerían mucho tiempo de experimentación y la colaboración del sujeto. Todo esto ha cambiado de forma radical en los últimos años, fundamentalmente debido al desarrollo de nuevos métodos de medida de aberraciones más precisos y fáciles de usar. En muchos casos, son aparatos con la apariencia externa y la simplicidad de uso de un auto-refractómetro. La evolución de estos métodos se ha producido de forma casi simultánea al enorme desarrollo de diversos aspectos de la cirugía refractiva y al desarrollo de nuevas generaciones de elementos correctores en óptica oftálmica.

La aberración de onda es una función que caracteriza las propiedades de formación de imagen en cualquier sistema óptico, incluido el del ojo humano. Un concepto previo que debemos introducir es el de frente de onda: es la superficie de camino óptico constante para un punto objeto. Este concepto se entiende de forma más simple con ejemplos, y notando que los rayos luminosos son siempre perpendiculares al frente de onda. En la figura 1 (los rayos en azul son perpendiculares a los frentes de onda que se representan como líneas en rojo) presenta un sistema perfecto, libre de toda aberración, que tiene un frente de onda esférico y forma imágenes perfectas en la retina. Cada rayo focaliza en el mismo punto del plano imagen independientemente de la posición a la que entra en la pupila. La imagen de un punto en este caso, solo estará deteriorada por el efecto de la difracción, debido a la naturaleza ondulatoria de la luz. Esta imagen se llama «mancha» de Airy y solo depende del tamaño de la pupila. Sin embargo, cuando el sistema óptico presenta aberraciones, cada rayo intersecta el plano imagen en un punto distinto, dependiendo de la altura de entrada en la pupila. El frente de onda ya no es una esfera, y la imagen en la retina es una mancha más emborronada, más extensa y asimétrica. Las imágenes que un sistema produce de un punto se denominan distribución de intensidades en la imagen de un punto, y son referidas a menudo con su notación en ingles (PSF-point-spread function).

 
Fig. 1: Ejemplos de frentes de onda (en rojo) y rayos (en azul) y de funciones de expansión del punto (PSF) para un sistema perfecto, sin aberraciones (arriba) y un sistema aberrado (abajo).

La aberración de onda se define como la diferencia entre los frentes de ondas perfectos (esféricos) y los frentes de ondas reales para cada punto en la pupila del ojo (fig. 2). Se suele representar como un mapa bi-dimensional de niveles de gris (como en la figura) o de colores, en los que cada nivel de gris o de color representa la cantidad de aberración de onda expresada, bien en micrómetros o en número de longitudes de onda.

 
Fig. 2: La aberración de onda es la diferencia entre el frente de onda real (línea continua roja) y el frente de onda perfecto esférico (línea discontinua roja) para cada punto en la pupila. El mapa a la derecha muestra un ejemplo de aberración de onda.

La aberración de onda puede ser en cada caso una complicada función de dos dimensiones. Para conocerla de manera completa se requiere saber su valor en cada uno de los infinitos puntos de la pupila. Es posible, sin embargo, utilizar herramientas matemáticas y descomponer la aberración de onda en una suma de términos polinómicos, que se corresponden con los denominados modos puros de aberración. Los términos de orden más bajo corresponden al desenfoque y astigmatismo. Los siguientes términos de orden más alto son las aberraciones de alto orden: coma, aberración esférica, astigmatismo triangular, etc. De esta manera, para conocer la aberración, ya no es necesario saber su valor en cada punto de la pupila, sino los valores de los coeficientes de los términos de la expansión polinómica. Una forma conveniente, y ahora muy utilizada, para descomponer la aberración de onda es en función de los llamados polinomios de Zernike. La figura 3 presenta un ejemplo de descomposición de una aberración de onda en polinomios de Zernike.

 
Fig. 3: Ejemplo de descomposición de una aberración de onda en polinomios de Zernike.

A partir de la aberración de onda de un ojo, se calcula la función de extensión del punto (PSF) y la función de transferencia (MTF), que es el equivalente óptico de la función de sensibilidad al contraste (CSF). La figura 4 presenta esquemáticamente la relación entre estas funciones. Es también posible simular el aspecto de las imágenes en la retina para cualquier objeto a partir de los datos de aberración. Así podemos, por ejemplo, reproducir la imagen en la retina de una carta de letras y, por lo tanto, predecir los parámetros clínicos corrientes, tales la agudeza visual. La figura 5 muestra un ejemplo de este procedimiento.

 
Fig. 4: A partir de la aberración de onda se obtiene la PSF y la MTF. Esta última función está relacionada con la función de sensibilidad al contraste (CSF).

 
Fig. 5: Diagrama esquemático de la formación de imagen en la retina. Se obtiene la PSF a partir de la aberración de onda. Mediante la operación matemática de la convolución del objeto original con la PSF, se forma la imagen en la retina (derecha). En el caso de una carta de letras, es posible estimar la agudeza visual a partir de la última línea legible.

Existen numerosas técnicas, tanto objetivas como subjetivas, para medir las aberraciones oculares. El método de alineamiento «vernier» (Smirnov, 1961), el aberroscopio (Howland & Howland, 1977), la técnica del cuchillo de Foucault o los cálculos a partir de imágenes retinianas de doble paso (Artal et al., 1988). Sin embargo, el método más utilizado actualmente está basado en el denominado sensor de frente de onda de Hartmann-Shack (Liang et al., 1994; Prieto et al., 2000). Dicho método se emplea en muchos laboratorios de investigación del mundo entero y es también el más utilizado en los aberrómetros disponibles comercialmente. Consiste en una matriz de micro-lentes, que está conjugada ópticamente con la pupila del ojo, y una cámara colocada en el plano focal de las micro-lentes. La figura 6 muestra un esquema de su funcionamiento. Si un frente de onda plano llega al sensor, la cámara registra una distribución perfectamente regular de puntos, mientras que si se trata de un frente de onda deformado (es decir, con aberraciones), la distribución de los puntos será irregular. Matemáticamente, el desplazamiento de cada punto es directamente proporcional a la derivada del frente de onda sobre cada micro-lente. La aberración de onda se calcula a partir de las imágenes de los puntos.

 
Fig. 6: Representación esquemática del principio del sensor de frente de onda de Hartmann-Shack (consultar el texto para más amplia información).

Por otro lado, las aberraciones producidas por la superficie anterior de la córnea se pueden calcular a partir de su forma, medida con topógrafos corneales (Guirao & Artal, 2000). Conocer las aberraciones corneales y oculares (totales) en un mismo ojo, nos permite estimar de una forma muy precisa la contribución relativa de la córnea y el cristalino a las aberraciones del ojo. Mediante una simple resta se obtienen las aberraciones de los medios internos (la cara posterior de la córnea y el cristalino) tal como muestra el esquema de la figura 7.

 
Fig. 7: La aberración de onda de los medios ópticos internos (cara posterior de la córnea y cristalino) se obtiene como la diferencia de las aberraciones del ojo completo menos las de la córnea.

Las aberraciones oculares dependen de múltiples factores y condiciones. Varían de un individuo a otro, en función del tamaño de la pupila (Artal & Navarro, 1993), de la acomodación (Artal et al., 2002), de la excentricidad en la retina (Guirao & Artal, 1999), del estado de refracción, y de la edad del sujeto, (Artal et al., 1993, Guirao et al., 1999; Artal et al., 2002), asunto éste que será tratado en detalle más adelante. Como un ejemplo, la figura 8 muestra el efecto del tamaño de la pupila en las aberraciones y cómo éstas afectan la calidad de las imágenes en la retina para pupilas de 3 y 7 mm de diámetro.

 
Fig. 8: Ejemplo del efecto del tamaño de la pupila en las aberraciones y en las imágenes retinianas.

Investigaciones recientes indican que, para sujetos normales, el valor cuadrático medio de las aberraciones de alto orden (RMS) es de unos 0,25 micrómetros para una pupila de 5 mm de diámetro. Para formarse una idea aproximada e intuitiva de la importancia relativa de las aberraciones de alto orden en ojos normales, cabe recalcar que en un sistema que únicamente tenga desenfoque, ese valor de aberraciones (0,25 micrómetros) equivaldría aproximadamente a 0,25 dioptrías. Sin embargo, existen casos en los cuales las aberraciones de alto orden son más importantes que en ojos jóvenes normales. En especial aquellos ojos que padecen diversas anomalías de la córnea, como el queratocono, o tras un transplante de la córnea. Ciertos ojos aquejados de aberraciones anormalmente altas presentan entre dos y diez veces más aberraciones que los ojos normales. Considerando la interpretación precedente sobre la magnitud de la aberración en términos del desenfoque, es evidente que para pupilas de tamaño pequeño y mediano, mientras que el efecto de las aberraciones sobre la visión es bastante limitado para sujetos normales, puede resultar muy importante en otros casos.

Un resultado relevante y con importancia en aplicaciones en Oftalmología, obtenido en nuestro laboratorio (Artal et al., 2001) se refiere a la contribución, o localización, de las aberraciones de la córnea y el cristalino en ojos jóvenes. Comparando las aberraciones del ojo completo y de la córnea, tal y como se ha descrito en la sección anterior, se observó que en sujetos jóvenes normales, las aberraciones del ojo eran menores que las aberraciones producidas por la córnea. Esto indica que en esos ojos el cristalino compensa, al menos en parte, las aberraciones corneales, para producir una mejor imagen en la retina. La figura 9 muestra un ejemplo de esta situación: los mapas de aberración y PSFs para la córnea, los medios internos y el ojo completo. Lo que ocurre es que el cristalino, que de forma aislada es aberrado, juega un papel positivo ya que el signo de su aberración es tal que compensan parte de las de córnea. Esta característica de la óptica de los ojos jóvenes ha servido para inspirar el diseño de nuevas lentes intraoculares que siguen de alguna forma el ejemplo del cristalino joven.

 
Fig. 9: Aberraciones y PSFs de la córnea, medios internos y ojo completo en un ojo joven (ver más explicación texto).

Las aberraciones en ojos normales se incrementan de forma aproximadamente lineal con la edad. La figura 10 presenta las imágenes retinianas de doble paso para ojos distribuidos en tres grupos de edad: jóvenes, adultos y edad avanzada (Guirao et al., 1999). En el grupo de edad avanzada la imagen es más extensa debido al incremento de las aberraciones. El estudio combinado de las aberraciones de la córnea y del ojo ha permitido entender mejor las razones que explican esta degradación de la óptica ocular con la edad (Artal et al., 2002). La figura 11 muestra la magnitud de las aberraciones (expresado como el RMS) del ojo (símbolos cuadrados rosas) y de la córnea (símbolos circulares azules) en función de la edad de los sujetos (Artal et al., 2002). Mientras que las aberraciones de la córnea aumentan con la edad muy levemente (Guirao et al., 2000), las del ojo completo lo hacen de forma más acentuada. Pero lo más relevante es que mientras que en los ojos jóvenes las aberraciones de la córnea son normalmente mayores que las del ojo, en los sujetos de edad avanzada, ocurre lo contrario: las aberraciones del ojo son mayores que las de la córnea aisladas. Esto implica que mientras que en el ojo joven el cristalino compensa parte de las aberraciones de la córnea, en el ojo envejecido ocurre justamente lo opuesto. El diferente acoplamiento entre las aberraciones del ojo y de la córnea explica porqué la calidad óptica del ojo se deteriora con la edad. La figura 12 muestra un ejemplo de aberraciones y sus PSFs para la córnea, los medios internos y el ojo completo en un ojo de edad avanzada. A diferencia del caso de ojo joven (figura 9), el cristalino envejecido no solo no compensa las aberraciones de la córnea sino que le añade.

 
Fig. 10: Imágenes de doble paso medias obtenidas en tres grupos de ojos normales de diferentes rangos de edad. Las imágenes más extensas, debidas a una mayor cantidad de aberración, corresponden a los sujetos de edad avanzada.

 
Fig. 11: RMS de las aberraciones del ojo y de la córnea en función de la edad del sujeto (ver el texto para más detalles).

 
Fig. 12: Aberraciones y PSFs de la córnea, medios internos y ojo completo en un ojo de edad avanzada (ver más explicación texto).

Estudios realizados en nuestro laboratorio mostraron que, en promedio, la calidad de imagen retiniana en pacientes implantados con lentes intraoculares (LIO) monofocales convencionales era similar, o ligeramente peor, que en ojos normales de la misma edad, y en general significativamente peor que en ojos normales jóvenes (Artal et al., 1995). La figura 13 muestra las MTFs medias para tres poblaciones: normales jóvenes (línea negra), normales de edad avanzada (línea verde) y pacientes implantados con LIO monofocal (línea de puntos rojos). Esto indica que a pesar de la buena calidad óptica de las LIO estándar, las aberraciones de los ojos pseudofáquicos son mayores que en los ojos con su cristalino natural. Una posible explicación de esta aparente paradoja, podría ser que la cirugía aumente de forma notoria las aberraciones de la córnea. Sin embargo, esto no parece ser el caso, menos aun en cirugías de cataratas con pequeñas incisiones. Tampoco parece plausible que descentramientos de la LIO implantada, normalmente pequeños, puedan explicar este aumento de aberraciones. Nosotros hemos propuesto una solución alternativa a esta paradoja (Guirao et al., 2002): el sustituto ideal del cristalino no es una LIO con la mejor calidad posible medida de forma aislada, sino que será una LIO que sea diseñada para compensar, al menos en parte, las aberraciones de la córnea. La figura 14 muestra esta idea de forma esquemática.

 
Fig. 13: MTFs medias para un grupo de ojos jóvenes, otro de edad avanzada y un grupo de sujetos implantados con LIO monofocal.

 
Fig. 14: Representación esquemática del efecto de una LIO sin aberraciones (arriba), que produce un ojo con las mismas aberraciones que tiene la córnea y con una LIO adaptada a las aberraciones corneales (abajo) que idealmente produce un ojo libre de aberraciones (ver el texto para más detalle).

De acuerdo con estos resultados, un diseño de LIO mejorado deberá tener un perfil de aberración que compense las aberraciones de la córnea para maximizar la calidad de la imagen retiniana y eventualmente producir una mejor calidad de visión. La solución ideal sería una LIO personalizada a las aberraciones corneales del paciente. Un primer paso en esta dirección son las LIO que compensan, no todas las aberraciones, sino solo la aberración esférica de la córnea. Este tipo de LIOs de alguna forma «copian» las propiedades ópticas del cristalino en ojos jóvenes, de forma que pacientes en la cirugía de cataras puedan beneficiarse de un ojo pseudofáquico con menos aberraciones que finalmente conlleve una mejor calidad de visión.

Los resultados presentados en esta revisión han sido obtenidos durante los últimos años en el Laboratorio de Óptica de la Universidad de Murcia. En estos años la financiación principal del laboratorio para realizar estas investigaciones ha sido proporcionada por Pharmacia Ophthamology en Groningen (Holanda) y por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (España). Varios miembros del Laboratorio de Óptica jugaron un papel relevante en estos trabajo, en especial Antonio Guirao, Esther Berrio, Antonio Benito y Manuel Redondo. Patricia Piers y Sverker Norrby del centro de investigación de Pharmacia estuvieron siguiendo de cerca estos trabajos durante los años.