Miopía y aberraciones monocromáticas en adultos jóvenes

Miopía y aberraciones monocromáticas en adultos jóvenes

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ARTÍCULOS
CIENTÍFICOS
Miopía y aberraciones monocromáticas
en adultos jóvenes
Juan M. Bueno1, Jennifer J. Hunter2a, Melanie C. W. Campbell2b
e ha estudiado la relación entre las aberraciones oculares monocromáticas y la miopía presente en un grupo de 30 jóvenes
adultos que llevaban su corrección en gafa con equivalentes esféricos entre 0 y –8.75 D. Las medidas se realizaron en
condiciones de baja iluminación, antes y después de dilatar la pupila (5 y 7 mm respectivamente). Los resultados muestran
que las aberraciones de alto orden (no corregibles con métodos convencionales) aumentan significativamente en función de la
miopía para la pupila de 5 mm. Sin embargo este aumento está dominado por los altos miopes. La correlación entre la aberración
esférica y la ametropía es significativo para el caso de pupilas dilatadas. Además, la extensión de la imagen retiniana aumenta con
el error refractivo. Todos estos cambios dan muestra de las posibles diferencias entre la óptica ocular de ojos emétropes y miopes.
S
INTRODUCCIÓN
La miopía afecta a una gran parte de
la población y en términos muy
generales se puede entender como
un desequilibrio entre la potencia
del ojo y su longitud axial. Se han
publicado numerosos experimentos
con animales donde se ha intentado
mostrar la relación entre el desarrollo del error refractivo, el cambio en
la longitud axial y la imagen retiniana
(véanse referencias generales 1-3).
Éstos experimentos han utilizado
diferentes técnicas, tales como la
deprivación, la oclusión, la opacificación corneal o la colocación de una
lente negativa delante del ojo4-11. Los
estudios tratan de explicar tanto la
naturaleza como el desarrollo de la
miopía en humanos y en animales,
sin embargo los mecanismos que
entran en juego no se comprenden
completamente a día de hoy.
Aunque la miopía se ha asociado
principalmente a cambios en el
tamaño del globo ocular, diferentes
experimentos han mostrado sin
embargo que ojos emétropes y miopes son también diferentes desde el
punto de vista óptico. En particular,
los estudios que relacionan la miopía y las aberraciones del ojo humano afirman que éstas tienden a
aumentar en función de la miopía,
pero solamente para pupilas grandes12. Se ha sugerido que las aberraciones de orden 4 difieren entre
20 marzo 413
ojos emétropes y miopes13. Otros
autores han obtenido también una
correlación entre la ametropía y el
nivel de aberraciones14-16 y que los
ojos emétropes presentan mejor calidad de imagen que los miopes bien
corregidos17. Otros experimentos
encontraron que salvo la aberración
esférica, el resto de aberraciones
aumentan de forma significativa en
sujetos miopes jóvenes18,19. En el
caso de niños y jóvenes adultos, se
han encontrado que las aberraciones
de orden 2, 3 y 4 eran mayores en
ojos miopes, aunque las de orden 3
no aumentaban significativamente20.
Un estudio reciente en ojos miopes e
hipermétropes de jóvenes adultos ha
mostrado que las aberraciones de
orden 3 son significativamente más
altas en ojos hipermétropes y que no
hay una relación evidente entre el
proceso de emetropización y las aberraciones oculares21.
Por el contrario, otros experimentos
con un número elevado de sujetos (y
un rango amplio de refracciones) no
encontraron una correlación significativa entre la ametropía y las aberraciones22-24. Un estudio adicional
ha mostrado que aunque las aberraciones oculares aumentan con la
edad, no hay indicios de que éstas
tengan alguna correlación con el
esférico equivalente25. Algunas
medidas han mostrado una reducción de la agudeza visual con el
aumento del error refractivo
miópico12,26. Sin embargo, un estudio
anterior no encontró variaciones en
la función de sensibilidad al contraste entre ojos emétropes y miopes27.
Por otra parte, las aberraciones oculares podrían proporcionar una pista
para la determinación del signo del
desenfoque28 lo cual sería determinante en el proceso de emetropización. Recientemente se ha mostrado
que los ojos emétropes experimentan pérdidas iguales en sensibilidad
al contraste y agudeza visual cuando
se inducen desenfoques en ambas
direcciones (positivos y negativos).
Por el contrario los miopes muestran
pérdidas significativamente mayores
con desenfoque positivos que con
negativos. Esto se atribuye a que la
aberración esférica en ojos miopes
es mayor que la de ojos emétropes
(aunque en media la diferencia no es
significativa)29,30. También se sabe
que la tolerancia al desenfoque es
mayor en ojos con mayor cantidad
de aberraciones31.
Puesto que por una parte las aberraciones oculares en miopes podrían
ser mayores que en emétropes y por
otra existe un deterioro de la imagen
retiniana con la edad25,32,33, el objetivo
del presente trabajo ha sido estudiar
la relación entre las aberraciones
oculares y la cantidad de miopía en
sujetos jóvenes corregidos con sus
propias gafas. Además se han analizado las posibles diferencias en la
calidad de imagen retiniana entre
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ojos emétropes y miopes cuando se inducen desenfoques
positivos y negativos.
Tropicamida (1.0 %) combinada con Fenilefrina (2.5%) para
la dilatación pupilar y la paralización de la acomodación.
MÉTODOS
Durante todo el experimento
las condiciones de iluminación
1. Sujetos
fueron de 1 lux. Los tamaños
La medidas se realizaron en el
de pupila utilizados para el
ojo derecho de 30 sujetos
análisis de la imágenes de HS
jóvenes normales con edades
fueron 5 y 7 mm para antes y
entre 19 y 32 años (edad
después de la dilatación, resmedia 21, desviación estándar
pectivamente.
±2). Ninguno de los ojos preEn un ojo libre de aberraciones
sentó síntoma alguno de pato(limitado por difracción) el haz
logía ocular y la agudeza visual Figura 1. Aberrómetro Hartmann-Shack utilizado en el presente trabajo. AP1 y AP2, que emerge de éste y llega a
decimal con corrección fue 1.0 pupilas artificiales; LS1-LS3, láminas separadoras; L1 y L2, lentes convergentes; las microlentes es plano, con
o superior. El equivalente esfé- ML, matriz de microlentes; T1 y T2, test de alineamiento; CP, cámara de vídeo para lo cual sobre la CCD aparece
rico (EE) de cada ojo se calcu- el control de la posición y tamaño de la pupila; CCD-HS, cámara CCD para el un patrón regular de spots
ló como la esfera más la mitad registro de las imágenes de HS.
(Figura 2a). La posición de
del cilindro y para los ojos estudichos spots sirve de referendiados se situaron entre 0 y -8.75 D conjugados. Una mentonera monta- cia para las medias experimentales.
(media -3.0±2.5 D). El astigmatismo da sobre un conjunto de posiciona- Sin embargo, en un ojo real con abese eligió ser menor de 1.5 D y en 5 de dores XYZ permite la estabilización rraciones el frente de onda que
los 30 ojos utilizados fue menor de - de la cabeza del sujeto durante las emerge del ojo está distorsionado y
0.125 D. La ametropía de cada ojo medidas.
al pasar las microlentes los spots se
fue medida subjetivamente y cada Para cada sujeto se registraron imá- desplazan con respecto a la referensujeto portaba sus propias gafas.
genes de HS (32 ms de tiempo de cia (Figura 2b). Para cada imagen de
Para mostrar las posibles diferencias exposición) antes y después de la HS la posición de cada spot se comque existen en función de la miopía midriasis farmacológica. Se utilizó putó calculando su centroide. La
presente, en algunos de los resultaposición de cada centroide con resdos que se muestran a continuación
pecto al centroide de referencia sirve
se han hecho tres grupos de 10 sujepara inferir la pendiente local del
tos atendiendo a su EE. Dichos grufrente de onda. Con estos datos se
pos corresponden respectivamente
calcula la aberración de onda (AO)
a ojos con niveles de miopía baja
ocular (para pupila natural y dilatada)
(entre 0 y – 1.75 D), media (entre
expresada como una expansión en
–1.75 y –5 D) y alta (mayor de –5D).
polinomios de Zernike hasta 7º
orden. Una explicación extensa y
2. Sistema experimental y procedidetallada de la obtención del frente
miento
de onda a partir de las imágenes de
Se utilizó un aberrómetro HartmannHS se puede encontrar en la refeShack (HS) no comercial descrito en
rencia 35. El parámetro RMS (del
detalle previamente16,34. El sistema
inglés, root-mean-square) calculado
fue modificado para utilizarse a un
a partir de los coeficientes de Zernientorno clínico con sujetos no expeke se utilizó como medida de la calirimentados. Un esquema del sistema
dad óptica (a mayor RMS menor
se muestra en la Figura 1. De forma
calidad óptica). A partir de la aberrabreve: un haz colimado de 1 mm de
ción de onda también se puede caldiámetro (procedente de un láser
cular la PSF (del inglés point spread
He-Ne de 633 nm) entra en el ojo y
function), es decir la imagen de un
forma una fuente puntual. En el camiobjeto puntual sobre la retina afectano de salida, una matriz de microlenda por la correspondiente AO. A
tes muestrea el haz procedente de
efectos estadísticos, a lo largo de
dicha fuente y lo focaliza en el CCD
este trabajo se considerará que la
de una cámara. El plano de la pupila
correlación entre dos magnitudes es
Figura 2. Imágenes de HS: patrón de referencia
del ojo y el de las microlentes están
significativa si p<0.05.
(a) e imagen real (b).
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ARTÍCULOS
CIENTÍFICOS
En la literatura científica relacionada con la Óptica, la
Visión y la Optometría el término “aberraciones de alto
orden” se atribuye a los coeficientes de los términos de
orden 3 y superiores. Es decir,
dichas aberraciones excluyen
el desenfoque y el astigmatismo (términos de orden 2,
corregibles por métodos convencionales como las gafas o
las lentes de contacto), además de los tilts (orden 1) y el Figura 3. RMS (en micras) para una pupila de 5 mm en función del equivalente
esférico para los términos de Zernike de orden 3 y superiores.
término pistón (orden 0).
Esto indica que los términos de
segundo orden (desenfoque y
astigmatismo) tienen un peso
importante en la AO de los ojos
miopes corregidos. Finalmente
en la Figura 7 se muestran las
PSF medias correspondientes
a los tres niveles de miopía. Se
puede apreciar cómo la extensión de la PSF aumenta con el
grado de miopía, lo que indica
que la calidad de imagen retiniana empeora.
2. Pupila dilatada (7 mm)
Para todo el rango de miopía
Zernike correspondientes a la
de
los
sujetos estudiados y una pupiRESULTADOS
aberración esférica de orden 4
la
de
7
mm, la Figura 8 presenta los
( ) y al coma horizontal de orden 3 ( )
resultados
de RMS para los coefi1. Pupila natural (5 mm)
se muestran en la Figura 5. En este
La Figura 3 muestra los valores de grupo de ojos y para este tamaño de cientes de Zernike correspondientes
RMS para los coeficientes de Zerni- pupila, no hay una relación significa- a órdenes 2 y superiores. El aumento
ke correspondientes a las aberracio- tiva entre la aberración esférica y el de RMS está en el límite de ser estanes de alto orden en función del EE EE (R=0.15 p=0.42).
aumenta dísticamente significativo según el
(en valor absoluto). Cada símbolo significativamente con el EE (R=0.40 criterio utilizado en este trabajo
corresponde a un sujeto diferente y p=0.03), pero la correlación no exis- (R=0.35, p=0.06). Si restringimos el
la línea representa el mejor ajuste te si se excluyen los ojos con miopí- rango a EEs entre 0 y 5 D, la correlineal a los datos presentados. El as altas (R=0.31, p=0.15). Para este lación es aún menor (R=0.14,
aumento del RMS con el EE fue sig- tamaño de pupila ningún otro término p=0.51). Además, a diferencia de lo
nificativo (R=0.44, p=0.02). Esta individual de Zernike mostró una encontrado para pupilas de 5 mm,
los valores de RMS para aberraciocorrelación desaparece cuando se correlación significativa con el EE.
nes de orden 3 y superiores no están
eliminan de la gráfica los altos miopes (miopías mayores de -5 D). En la Figura 6 se han representado correlacionados con el grado de mioCuando los términos de 2º orden se las contribuciones medias de las pía presente (R=0.15, p=0.44).
incluyen, tampoco existe correlación aberraciones para los tres niveles Considerando las aberraciones de
diferentes de miopía descritos en el orden 3 y 4 separadamente, la rela(R=0.08, p=0.68).
En la Figura 4 se presenta la relación sección anterior. Como podría espe- ción entre el correspondiente RMS y
entre el EE y el RMS para los térmi- rarse, la contribución de los términos el EE no es estadísticamente signifinos de orden 3 y 4. Mientras que las de orden 2 es mayor que la de los cativo (R=0.11, p=0.56 y R=0.24,
aberraciones de orden 3 (cuadra- órdenes 3 y 4 en los tres grupos. p=0.20 respectivamente) como
representa la Figura 9.
dos) aumentan significativaAunque la cantidad de aberramente con la miopía (R=0.50,
ción esférica, ( ), aumenta de
p=0.005), los términos de 4º
forma significativa con la ameorden (triángulos) no muestropía (R=0.40, p=0.03), esta
tran cambios significativos
dependencia
desaparece
(R=0.05, p=0.79). Además,
cuando se reduce el rango de
cuando se incluyen solamente
miopía hasta –5 D (R=0.18,
los ojos emétropes y moderap=0.47). Por otra parte, el coedamente miopes, la correlaficiente del término de Zernike
ción para los términos de
( ) no está correlacionado
orden 3 desaparece (R=0.20,
con la miopía (R=0.13, p=0.51
p=0.40). Esto indica que la
para todo el grupo de sujetos
dependencia entre esos térmiinvolucrados en el estudio).
nos y el EE está dominada por
Estos resultados se muestran
altos miopes.
Figura 4. RMS para los términos de orden 3 (cuadrados) y 4 (triángulos) en
en la Figura 10. Otros dos térLos coeficientes indivifunción del equivalente esférico para una pupila de 5 mm. La línea corresponde
minos de orden 4 (
y
)
duales de los términos de
al ajuste lineal de los primeros.
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Figura 5. Valores correspondientes a los coeficientes de aberración esférica (
, triángulos) y coma horizontal de orden 3 (
, cuadrados). La línea
representa el ajuste lineal de los términos del coma.
disminuyen de forma significativa con
el aumento de miopía para este
tamaño de pupila (R=0.39, p=0.03 y
R=0.42, p=0.02 respectivamente).
Las contribuciones medias de las
aberraciones de órdenes 2, 3 y 4
para los tres grupos de miopía antes
descritos y una pupila de 7 mm se
muestran en la Figura 11. Para los
tres grupos, los términos de orden 2
son dominantes y para este tamaño
de pupila aumentan de forma significativa con el EE (R=0.36, p=0.05).
Para poder hacer una comparación
más directa entre los resultados
obtenidos con los dos tamaños de
pupila, la Tabla 1 resume los valores
de los parámetros estadísticos R y p
de las figuras anteriores. También se
han incluido las pendientes (a) y la
ordenada en el origen (yo) de los diferentes ajustes lineales presentados.
DISCUSIÓN
Figura 6. Datos medios de las aberraciones de orden 2, 3 y 4 (barras rojas,
amarillas y verdes respectivamente) para tres grupos diferentes de miopía. Cada
grupo incluye 10 sujetos. Las barras indican la desviación estándar.
Figura 7. PSFs medias para los tres grupos de miopía y pupila de 5 mm. No se han incluido los términos de
orden 2. Cada imagen subtiende 56 minutos de arco.
Figura 8. RMS (en micras) para una pupila de 7 mm, en función del equivalente
esférico para los términos de Zernike de orden 2 y superiores.
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El aberrómetro de HS es una técnica
objetiva que permite la medida rápida y cómoda de las AO oculares.
Aunque hay diversos factores que
afectan a las prestaciones de este
dispositivo35, éste proporciona medidas fiables, repetitivas y consistentes
con otras técnicas36-39. En este trabajo hemos medido y analizado las AO
oculares en 30 ojos de sujetos jóvenes adultos corregidos con sus propias gafas. Se utilizaron dos condiciones experimentales: pupila natural
(5 mm) y pupila dilatada farmacológicamente (7 mm). Los resultados
sugieren diferencias en las aberraciones monocromáticas en función
del grado de miopía, aunque los ojos
con miopías altas dominan este comportamiento.
Para pupila natural, el RMS de las
aberraciones de 2º orden y superiores no cambian significativamente
con el nivel de miopía. Sin embargo,
la correlación entre el RMS de las
aberraciones de alto orden y el EE es
estadísticamente
significativa,
habiéndose obtenido un aumento de
0.18 mm en un rango de 9 D. Este
comportamiento desaparece cuando
reducimos el rango a los ojos con
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Tabla 1. Cuadro resumen de las pendientes (a), la ordenada en el origen (yo) y los parámetros estadísticos del ajuste lineal (R y p). Los primeros se muestran solamente en
los casos en los que el valor del parámetro p fue 0.06 o menor.
5 mm
7 mm
a
yo
R
3 rd a n d h i g h e r
0. 02 0
0. 31 5
3 rd
0. 02 1
0. 21 8
nd
2 and h ighe r
4 th
0. 04 4
miopía baja y moderada. Para una
pupila de 7 mm, el coeficiente
correspondiente a la aberración
esférica, , aumenta con la miopía de
forma significativa. Con esta pupila los
términos de alto orden no muestran
cambios con el EE. Aunque la dilatación de 5 a 7 mm da lugar a un aumento en media del RMS de 3.3 micras
(desviación estándar=1.3) para los términos de orden 2 y superiores, este
aumento no es significativo (R=0.33,
p=0.07).
Los resultados de la relación entre la
miopía y las AO oculares para los mismos sujetos antes y después de la dilatación muestran el efecto de esta última. Como se podría esperar, para los
tres grupos de miopía las aberraciones
aumentan cuando la pupila incrementa
su tamaño.
Aunque cada sujeto llevaba su propia
corrección, las aberraciones de orden
2 resultaron ser no nulas y contribuir
de forma considerable a la AO total.
Diferentes autores han descrito previamente este hecho22,40,41. Las razones,
entre otras, para esto podrían ser: (1)
las diferencias entre la refracción objetiva y subjectiva42, (2) la apodización de
la pupila durante la refracción subjetiva43, (3) la aberración cromática longitudinal y (4) las diferencias entre el
plano de la reflexión retiniana para las
imágenes de HS y el plano de los
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p
a
yo
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0. 40
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0. 03
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conos usado para la visión. Se sabe
que las cantidades de esfera y cilindro
necesarias para una visión subjetiva
correcta son diferentes de las requeridas para minimizar el RMS42. Mientras
que las métricas con origen en el plano
de la retina (por ejemplo la razón de
Strehl o el volumen bajo la MTF) predicen mejor la refracción subjetiva, la
varianza de la AO no lo hace, especialmente en el caso de ojos muy aberrados. En este sentido, las aberraciones
de alto orden juegan un papel esencial
en la determinación de la mejor refracción subjetiva.
Nuestros resultados son coherentes
con la literatura previa y muestran la
necesidad de medidas objetivas, el
control de la edad en la muestra de
sujetos utilizada y el análisis cuidadoso
del efecto de la corrección en gafa.
Los rayos que pasan a través de las
lentes de prueba o las gafas pueden
modelarse dentro de la óptica paraxial
y los efectos de las aberraciones de
alto orden se asumen que son pequeños44. Sin embargo, aparte de las aberraciones intrínsecas de las lentes, el
efecto de la vergencia y del aumento
son factores que pueden afectar a los
resultados finales. Las aberraciones
correspondientes a haces de luz procedentes (por ejemplo) del punto
remoto de un observador miope (foco
imagen de la lente compensadora de
0. 29 1
R
p
la ametropía) difieren de las que asociadas a un haz con vergencia nula.
Por su parte, el cambio de tamaño de
la pupila de entrada del ojo debido a la
presencia de las gafas también produce un cambio en la proyección y muestreo de la matriz de microlentes sobre
dicha pupila. Si este factor no se tienen en cuenta las aberraciones oculares podrían sobreestimarse o subestimarse dependiendo del tipo de
ametropía presente (y corregida con la
gafa). En particular, en un ojo con una
corrección en gafa de –9 D la reducción en el tamaño de la pupila de entrada es de un 12% y las aberraciones se
sobrestiman en un 20%45. En este trabajo, las aberraciones se midieron para
pupilas fijas resultado de la imagen de
la pupila del ojo a través de la gafa. En
las medidas realizadas por Paquin y
colaboradores16 no se tuvo esto en
cuenta, lo cual puede ser un artefacto
que dar lugar a una sobreestimación
en la relación aberraciones-miopía,
como afirma Charman en su reciente
artículo de revisión46.
El hecho de que las aberraciones de
alto orden tiendan a mostrar cambios
relacionados con la ametropía (como
se muestra el presente trabajo) es consistente con la hipótesis de que las
aberraciones indican un cambio en la
óptica del ojo miope y un papel potencial en el desarrollo de la miopía. Estas
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Figura 9. RMS para los términos de orden 3 (cuadrados) y 4 (triángulos) en
función del equivalente esférico para una pupila de 7 mm.
Figura 10. Aberración esférica (
, triángulos) y coma horizontal de orden 3
(
, cuadrados) para una pupila de 7 mm. La línea representa el ajuste lineal
de los datos correspondientes a los coeficientes de aberración esférica.
Figura 11. Resultados medios de las aberraciones de orden 2, 3 y 4 orden
(barras rojas, amarillas y verdes respectivamente) para los tres grupos diferentes
de miopía: 0<miopía baja≤1.75 D, 1.75<miopía media≤5 D, miopía alta>5 D.
aberraciones contribuirán al deterioro
de la imagen retiniana y a la disminución del contraste en ésta. En particular, el emborronamiento causado por el
desenfoque, además de degradar la
imagen, influye sobre la percepción
visual, la acomodación y el crecimiento
del globo ocular8,31,47-50. La caracterización de la PSF en función del desenfoque es importante para comprender
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tanto el mecanismo acomodativo
como el crecimiento del globo ocular
(y el desarrollo del error refractivo).
Varios estudios han indicado que las
aberraciones podrían proporcionar
una señal a la dirección del desenfoque y ser un elemento clave en el proceso de emetropización15,28,50. Existe
una asimetría en la PSF según la
dirección del foco y además estas
diferencias dependen de si los ojos
son emétropes o miopes50. Concretamente, se ha comprobado que la
habilidad para distinguir la dirección
del desenfoque varía entre individuos,
pero que en general depende de la
magnitud de las aberraciones monocromáticas oculares presentes28. Así,
tanto el exceso de aberraciones como
la corrección de éstas podrían reducir
este efecto.
En 1980, Green y colaboradores postularon la relación entre el tamaño del
ojo, la agudeza visual y la profundidad
de foco51. El máximo emborronamiento tolerado por un ojo estaba relacionado con la resolución del sistema
visual. El concepto de tolerancia al
emborronamiento debido al desenfoque podría generalizarse como tolerancia a las aberraciones. Si un ojo
miope sufre de emborronamiento debido al desenfoque, se podría esperar
una tolerancia mayor a las aberraciones sin efectos adversos sobre la agudeza visual. Esto sugiere que un
aumento de las aberraciones podría
ser resultado del desarrollo de la miopía. Sin embargo, también es posible
que cambios en las aberraciones sean
el desencadenante de una ruptura del
proceso de emetropización y que el
ojo fuese entonces más vulnerable al
desarrollo de un error refractivo. Si
este fuera el caso, habría maneras de
modificar el emborronamiento de la
imagen retiniana para frenar o incluso
paralizar el desarrollo del error refractivo. En cualquier caso los resultados
que aquí se han presentado proporcionan datos experimentales para ayudarnos a entender un poco más la calidad
óptica del ojo miope. En este sentido,
el análisis de los cambios intrínsecos
en la PSF, el uso de nuevas métricas
para cuantificar la calidad de imagen
retiniana y la exploración de las relaciones temporales entre el desarrollo de
la miopía y cambios en las aberraciones son piezas claves en largo camino
que llevará al entendimiento del proceso de emetropización52-54.
Agradecimientos
Los autores quieren expresar su
agradecimiento a H. Hamam y M. P.
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Paquin por su ayuda en la parte
experimental, a D. King por su contribución en el análisis de los datos
y a P. Simonet por las ideas y sugerencias. También queremos dar las
gracias a todos los sujetos que des-
interesadamente han participado
en este estudio.
Datos de los autores
1. Profesor Titular de Universidad, Diplomatura en Óptica y Optometría, Universidad
de Murcia, 2. School of Optometry and
Department of Physics, University of Waterloo, Waterloo, ON, Canadá.
(a) Becaria predoctoral.
(b) Catedrática de Óptica, Fellow de la
Optical Society of America
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