OBJETIVO: Desenvolver um método e um dispositivo para quantificar a visão em candela (cd). Os estudos de medida da visão são importantes para todas as ciências visuais. MÉTODOS: É um estudo teórico e experimental. Foram descritos os detalhes do método psicofísico e da calibração do dispositivo. Foram realizados testes preliminares em voluntários. RESULTADOS: É um teste psicofísico simples e com resultado expresso em unidades do sistema internacional de medidas. Com a descrição técnica será possível reproduzir o experimento em outros centros de pesquisa. CONCLUSÃO: Os resultados aferidos em intensidade luminosa (cd) são uma opção para estudo visual. Esses resultados possibilitarão extrapolar medidas para modelos matemáticos e para simular efeitos individuais com dados aberrométricos.

PURPOSE: To develop a method and a device for vision measurement in candela (cd). Vision measurement studies are important to all visual sciences. METHODS:It is a theoretical and experimental study. The details of psychophysical method and device calibration were described. Preliminary tests were performed on volunteers. RESULTS:It is a simple psychophysical test and results are expressed in International System of Units. With this technical description it will be possible to reproduce the experiment in others research centers. CONCLUSION: The results measured in luminous intensity (cd) are an option for visual studies. These results allow to extrapolate measurements for mathematical models and to simulate data for individual aberrometry effects.

OBJETIVOS: Aplicação da técnica de contraste cromático em exames de fundo de olho com oftalmoscópios indiretos. Apresentamos neste trabalho testes preliminares de um novo sistema de iluminação para oftalmoscópios indiretos, elaborado a partir de técnicas de composição cromática, denominado Sistema de Iluminação Cromático, que permite a composição de cores de luz situadas dentro do espectro visível. A finalidade deste sistema é permitir o uso da técnica de cromaticidade, já estudada em outras áreas da medicina como odontologia e dermatologia, na visualização de fundo de olho em exames de oftalmoscopia indireta. MÉTODOS: Para desenvolvimento deste trabalho foi adquirido um oftalmoscópio comercial comum e de uso geral. O equipamento teve seu sistema de iluminação original de fábrica, composto de uma fonte de luz branca alógena e filtros verde e azul, substituído pelo novo sistema de iluminação cromático implementado neste projeto. RESULTADOS: Foram realizados testes preliminares em um olho mecânico que simula as mesmas características de um olho humano biológico in vivo. Os resultados confirmam a possibilidade de obter-se luz em diferenciados comprimentos de ondas através do uso de fontes de luz independentes nas cores vermelho, verde e azul, para uso em instrumentação oftálmica. Embora exames in vivo com pacientes que possuam doenças de retina ainda estejam em fase de testes em nosso laboratório no IFSC-USP & UNIFESP, os resultados preliminares obtidos aqui demonstram que a técnica de contraste cromático para exames de fundo de olho pode futuramente representar um diferencial na qualidade dos exames de oftalmoscopia indireta. CONCLUSÃO: Foi apresentado neste trabalho o desenvolvimento de um sistema de iluminação totalmente inovador para aplicação em oftalmoscopia. Através dos diferentes contrastes e brilhos nas imagens de fundo de olho proporcionados pelas diferentes cores do sistema de iluminação cromático, acreditamos que em uma próxima etapa possamos verificar as vantagens e/ou desvantagem desta técnica no diagnóstico de diferentes patologias da retina.

PURPOSE: Chromatic contrast is a technique used in some areas of medicine to provide better visualization of biological tissues. Based on principles of color composition, a new illumination system was constructed using colored emitting diodes to reproduce the spectral range of visible light. This technique was devised to be used in indirect ophthalmoscopes to improve the visualization of the posterior segment of the eye. METHODS: The original illumination system of a general purpose indirect ophthalmoscope was substituted by a system of color-emitting diodes. RESULTS: Using an electronic interface it was possible to control the intensity of the color lights and therefore generate different wavelengths in the visible spectrum of the light. Preliminary tests undertaken in a mechanical model of the human eye generated very clear and homogenous colors. However in vivo examinations with patients were performed in our laboratory at the IFSC-USP and UNIFESP, and obtained the preliminary results show the possibilities of the chromatic contrast technique, and may represent in the future a differential in the analyses of the posterior segment of the eye. CONCLUSION: The use of color-emitting diodes to reproduce the spectral range of the visible light in indirect ophthalmoscopes seems to be a promising technological advance in the fundoscopy of the eye. This is an innovation that can yield better quality examinations with indirect ophthalmoscopes.

OBJETIVOS: A possibilidade de prever e entender quais propriedades biomecânicas da córnea podem ser responsáveis pelo progresso ou estabilização do ceratocone pode ser uma importante ferramenta clínica e cirúrgica para o oftalmologista. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo em elementos finitos da córnea, o qual prevê o surgimento de deformações semelhantes ao ceratocone e sua evolução baseado em propriedades biomecânicas do tecido corneano. MÉTODOS: As propriedades biomecânicas da córnea foram modeladas segundo dados disponíveis na literatura para olhos esquemáticos. Softwares comerciais foram usados para simular propriedades de superfície e material quando a córnea foi submetida a diferentes parâmetros locais de elasticidade. RESULTADOS: As simulações conduzidas aqui mostraram que, dependendo do formato inicial da córnea, mudanças nas propriedades locais do material para diferentes pressões intraoculares, induzem uma protuberância localizada e um aumento significativo de curvatura quando comparado ao restante da córnea. CONCLUSÕES: A técnica apresentada aqui permite o estudo mais preciso e quantitativo da natureza biomecânica do ceratocone. O modelo implementado demonstrou que mudanças locais de propriedades biomecânicas relacionais à elasticidade para uma mesma pressão intraocular, estão intrinsecamente relacionados ao surgimento e evolução de deformações que podem ter relação direta com o ceratocone.

PURPOSE: The ability to predict and understand which biomechanical properties of the cornea are responsible for the stability or progression of keratoconus may be an important clinical and surgical tool for the eye-care professional. We have developed a finite element model of the cornea, that tries to predicts keratoconus-like behavior and its evolution based on material properties of the corneal tissue. METHODS: Corneal material properties were modeled using bibliographic data and corneal topography was based on literature values from a schematic eye model. Commercial software was used to simulate mechanical and surface properties when the cornea was subject to different local parameters, such as elasticity. RESULTS: The simulation has shown that, depending on the corneal initial surface shape, changes in local material properties and also different intraocular pressures values induce a localized protuberance and increase in curvature when compared to the remaining portion of the cornea. CONCLUSIONS: This technique provides a quantitative and accurate approach to the problem of understanding the biomechanical nature of keratoconus. The implemented model has shown that changes in local material properties of the cornea and intraocular pressure are intrinsically related to keratoconus pathology and its shape/curvature.

OBJETIVO: Desenvolver simulação computadorizada de ablação para produzir lentes de contato personalizadas a fim de corrigir aberrações de alta ordem. MÉTODOS: Usando dados reais de um paciente com ceratocone, mensurados em um aberrômetro ("wavefront") com sensor Hartmann-Shack, foram determinados as espessuras de lentes de contato que compensam essas aberrações assim como os números de pulsos necessários para fazer ablação as lentes especificamente para este paciente. RESULTADOS: Os mapas de correção são apresentados e os números dos pulsos foram calculados, usando feixes com a largura de 0,5 mm e profundidade de ablação de 0,3 µm. CONCLUSÕES: Os resultados simulados foram promissores, mas ainda precisam ser aprimorados para que o sistema de ablação "real" possa alcançar a precisão desejada.

PURPOSE: To develop a computer simulation for customized soft contact lenses in order to correct aberrations of higher order. METHODS: Using real data from a patient diagnosed with keratoconus, which were measured using a Hartmann-Shack wavefront sensor, the thickness of the contact lenses that compensate these aberrations as well the numbers of pulses required to ablate the lenses were specifically determined for the patient. RESULTS: The maps of correction are presented and the numbers of pulses are calculated, using a 0.5 mm beam width and a 0.3 µm ablation depth. CONCLUSIONS: The results shown here are promising, but they should be improved so that the ablation in actual physical systems can reach the desired accuracy.

OBJETIVOS: Desenvolver um sistema digital, com capacidade de induzir acomodação, para medida do diâmetro e formato da pupila para dez diferentes níveis de iluminação (LUX), variando do nível mesópico ao fotópico. MÉTODOS: Um sistema óptico para conjugar imagens da pupila iluminada por LED infravermelho e branco foi projetado e montado usando um capacete típico de oftalmoscópio e uma máscara típica de mergulhador como suporte e uma câmera CCD de alta resolução e sensibilidade. Algoritmos usando princípios de processamento de imagens foram implementados para leitura do arquivo de vídeo e a detecção automática do centro geométrico e diâmetro da pupila para cada quadro. RESULTADOS: Apresentamos dados preliminares deste sistema para um paciente voluntário. Os dados sobre posição horizontal (x), vertical (y) do centro geométrico e do diâmetro da pupila foram exportados para arquivos texto que podem ser impressos usando um programa convencional de planilha (Excel). O processo de acomodação é garantido por uma mira virtual (LED branco) localizada a 6 metros do olho do paciente e o nível de iluminação é precisamente controlado por uma placa eletrônica que alimenta o LED central que tem sua potência controlada pelo "software". CONCLUSÕES: Com o instrumento desenvolvido dados precisos da posição e tamanhos da pupila podem então ser obtidos estereoscopicamente (para ambas as pupilas e ao mesmo tempo) para qualquer paciente. Acreditamos que tal instrumento possa ser útil em algumas práticas oftálmicas onde as características geométricas da pupila sejam importantes.

PURPOSE: We developed a digital system with accommodation capacities for measurement of the diameter and shape of the in vivo pupil for 10 different levels of illumination intensity, varying from mesopic to photopic. METHODS: An optical system for conjugating images from an infrared and white light illuminated pupil was designed and mounted using an ophthalmoscope helmet and a typical diving mask as support for a high-resolution and sensitivity CCD. Using an IBM compatible computer sequences of video in AVI format were digitized for several seconds at a mean rate of 30 Hz. Algorithms using principles of image processing were implemented for detection of the pupil edges. RESULTS: We present preliminary results of this system for a voluntary patient. Data for the horizontal (x) and vertical (y) central position and for the diameter of the pupil were then exported to files that could be read by typical spread sheet programs (Excel). CONCLUSIONS: In this manner, precise data can be obtained stereoscopically (for both pupils at the same time) for any patient, given that the accommodation process is guaranteed by using a white LED virtual mire located 6 meters from the patient's eye. An electronic board precisely controls the level of illumination. We believe here developed instrument may be useful in certain ophthalmic practices where precise pupil geometric data are needed.

OBJETIVOS: Nosso principal objetivo neste trabalho foi de desenvolver e comparar duas técnicas diferentes para classificação de superfícies corneanas. Uma rede neural artificial alimentada adiante e análise descriminante foram as técnicas de classificação comparadas neste trabalho. MÉTODOS: As entradas para ambos os métodos de classificação foram os primeiros 15 coeficientes de Zernike para 80 córneas mensuradas anteriormente em um topógrafo Eyesys instalado no Departamento de Oftalmologia da Escola Paulista de Medicina - UNIFESP. A rede neural tem 5 saídas que foram associados aos cinco casos típicos contidos na base de dados: ceratocone, astigmatismo a favor da regra, astigmatismo contra a regra, formato "regular" ou "normal" e pós-PRK. RESULTADOS: Os resultados de ambos os métodos foram estatisticamente analisados em termos de precisão. Os resultados gerais para ambos os métodos de redes neurais e análise discriminante foram 94% e 84,8%, respectivamente. CONCLUSÃO: Embora tenha-se utilizado uma base de dados relativamente pequena, os resultados obtidos aqui indicam que os polinômios de Zernike podem ser um parâmetro de entrada para classificação de diferentes formatos de córnea, tanto para uso com redes neurais ou análise discriminante.

PURPOSE: The main goal of this study was to develop and compare two different techniques for classification of specific types of corneal shapes when Zernike coefficients are used as inputs. A feed-forward artificial Neural Network (NN) and discriminant analysis (DA) techniques were used. METHODS: The inputs both for the NN and DA were the first 15 standard Zernike coefficients for 80 previously classified corneal elevation data files from an Eyesys System 2000 Videokeratograph (VK), installed at the Departamento de Oftalmologia of the Escola Paulista de Medicina, São Paulo. The NN had 5 output neurons which were associated with 5 typical corneal shapes: keratoconus, with-the-rule astigmatism, against-the-rule astigmatism, "regular" or "normal" shape and post-PRK. RESULTS: The NN and DA responses were statistically analyzed in terms of precision ([true positive+true negative]/total number of cases). Mean overall results for all cases for the NN and DA techniques were, respectively, 94% and 84.8%. CONCLUSION: Although we used a relatively small database, results obtained in the present study indicate that Zernike polynomials as descriptors of corneal shape may be a reliable parameter as input data for diagnostic automation of VK maps, using either NN or DA.

A medida da visão é a base para o estudo e a padronização das ciências visuais. A medida da acuidade visual tem grande importância tanto para a pesquisa como para a prática clínica. Esta revisão bibliográfica (1) revê os conceitos fundamentais para compreender o sentido visual e as unidades de medida; (2) apresenta os limites fundamentais ao desempenho visual e os princípios das medidas da aberração ocular; e (3) discute métodos para medir e classificar a visão com novas tecnologias.

Vision measurement is the basis for the study and standardization of visual sciences. Measurement of visual acuity has great value for research and for clinical practice. This paper (1) reviews the fundamental concepts to understand visual sense and the measuring units; (2) presents the fundamental limits to visual performance and the principles of aberration measurement of the eye; and (3) discusses methods for measuring and classifying vision with new technologies.

O objetivo principal deste trabalho foi o desenvolvimento e a implementação de um algoritmo para simulação de cirurgias foto-refrativas. Sabe-se que os atuais " flying-spot" lasers para cirurgia refrativa disponíveis no mercado ainda contêm limitações na correção de algumas aberrações de ordem alta. No entanto, há muito pouca informação quantitativa sobre os erros envolvidos em função da complexidade das aberrações. Aplicando-se superfícies objetivo descritas por uma série de coeficientes de Zernike e o conceito matemático de convolução, várias ablações personalizadas foram simuladas para várias aberrações, desde baixa ordem (esfero-cilíndricas) até aberrações de décima ordem (como coma, aberração esférica, entre outras). Os resultados mostram que o perfil de ablação de cada pulso do laser assim como seu diâmetro são fatores críticos quando o objetivo é corrigir aberrações de alta ordem. Além disso, outras conclusões foram possíveis, como por exemplo a de que nem todas as aberrações de alta ordem induzem aos mesmos erros na ablação. Também foi possível verificar que a correção de aberrações de alta ordem nos termos radiais (como aberração esférica) é bem mais difícil do que naqueles termos contendo alta frequência angular (como trefoil).

PURPOSE: To develop and implement an algorithm for simulation of photorefractive surgery. It is well known that many flying-spot lasers in the market have limitations in correcting higher order aberrations, but there is little quantitative information about errors related to aberration complexity. METHODS: By applying known surfaces described by Zernike polynomials of different orders it was possible to simulate several target surfaces that may well resemble in vivo cases of refractive surgery candidates. An algorithm that uses the mathematical concept of convolution was implemented and several simulated surfaces were tested, ranging from low order aberrations (sphere-cylinder) to 10th order aberrations, (high orders of coma, spherical aberration, trefoil, etc). RESULTS: the results show that the laser profile and diameter are critical factors when considering the correction of higher order aberrations. CONCLUSIONS: Not all aberrations of the same high order induce the same amount of error - spherical aberrations are shown to be far more difficult to correct than higher order aberrations related to angular frequency.

Current ophthalmic technology allows the manipulation of eye components, such as anterior cornea and lens, of the human eye with a considerable precision and customization. This technology opens up the possibility of exploiting some characteristics of the eye in order to improve the methods of correcting optical aberrations. Moreover, product development and research for the eye-care professional has reached very high standards, since there is nowadays software available to design and simulate practically any mechanical or optical characteristic of the product, even before it is thrown into production line. Although quite similar in the general form, different human eye models simulate the image formation by considering different property combinations in the constitutive elements of the eye structure (such as refraction index and surface curvatures), producing retinal images that resemble very closely those of the biological eye. Using optical design software, we have implemented a simulation of 5 well-known schematic eyes available in the literature. These models were the Helmholtz-Laurance, Gullstrand, Emsley, Greivenkamp and Liou & Brennan. The optical performance of these different models was compared using different quantitative optical quality parameters. The model of Liou and Brennan, contains features of the biological eye that were not considered in previous models, as the distribution of a gradient refraction index and a decentered pupil. Furthermore, it has great reliability since it takes into account the mean value of empirical measurements of the in vivo eye in order to define size and parameters such as anterior and posterior curvature of cornea, lens, axial length, etc. Comparisons between the MTF (Modulation Transfer Function), spot diagrams and ray fan showed the difference in image quality between eye models, and the Strehl Ratio was also used as a parameter of comparison. A careful comparison between the different models showed that the first four schematic eyes have better optical quality than what is expected for the general and healthy emmetropic in vivo eye. Liou and Brennan schematic eye is the one that most closely resembles the in vivo biological eye. Therefore, in applications, such as research or product development for customized vision correction, which must consider optical properties intrinsic to the biological eye, we recommend this latter model; for applications that do not require refraction-limited performance, most of the other models should be a good approximation.

OBJETIVO: Lentes de contato gelatinosas com curvas-base esféricas têm sido usadas há anos. O cálculo do poder refrativo de lentes deste tipo é fácil, bastando utilizarmos a equação do fabricante de lentes para lentes espessas. No entanto, para projetos de lentes de contato personalizadas, não há ainda métodos confiáveis para medida das aberrações ópticas de ordem mais alta. Esse trabalho foi desenvolvido no laboratório do Centro de Ciências da Visão (Center for Visual Science) da Universidade de Rochester, Nova York, com aparelho óptico que permite realizar medidas precisas de aberrações de ordem baixa e alta de lentes de contato gelatinosas personalizadas. Este é um passo essencial na verificação e obtenção de lentes de contato personalizadas de qualidade, e o instrumento desenvolvido na Universidade de Rochester permite verificar a qualidade de fabricação destas lentes. MÉTODOS: Um aparelho óptico de bancada foi montado em laboratório. Este aparelho consiste de uma célula úmida onde as lentes de contato são depositadas. Consiste também de uma série de lentes e espelhos e um sensor de frente-de-onda de Hartmann-Shack. As lentes de contato personalizadas utilizadas neste projeto foram fabricadas pela empresa Bausch & Lomb. Das dezenas de lentes de contato mensuradas no aparelho, restringimos aqui a apresentar os resultados de uma lente personalizada para ceratocone. RESULTADOS: O erro quadrático médio (EQM) do instrumento foi de 0,04 micrômetro, sendo que o EQM das aberrações induzidas na lente está entre 4 e 6 micrômetros, ou seja, a precisão do aparelho está em torno de 1%. Este valor é mais do que suficiente para medidas precisas destes tipos de lentes de contato, algo até então inviável utilizando-se os sensores ou aparelhos convencionais de aberrometria. CONCLUSÃO: Com o instrumento desenvolvido neste trabalho foi possível realizar medidas precisas de aberrações de alta ordem. Esta tecnologia é importante para o desenvolvimento de novos métodos para correção de aberrações de pacientes que normalmente não podem passar por cirurgia refrativa e ao mesmo tempo estão insatisfeitos com os óculos de grau convencionais. Entre estes pacientes, podemos citar aqueles portadores de ceratocone ou que tenham sido submetidos ao transplante de córnea.

PURPOSE: Soft contact lenses with spherical base curves have been used for many years. The computation of the refractive powers of these lenses is easy, requiring only that one uses the lens maker equation for thick lenses. Nevertheless, for customized contact lenses, there is yet no reliable method for measuring the higher order optical aberrations. In this study we have developed in the Center for Visual Sciences of the University of Rochester an optical apparatus that allows for precise measurement of low and high order aberrations of customized soft contact lenses. METHODS: An optical apparatus was mounted on a conventional optical bench. This apparatus consists of a wet cell where the contact lenses are placed, a series of relay lenses, mirrors, beam splitters, and a Hartmann-Shack sensor. Bausch & Lomb manufactured the lenses used in this study. RESULTS: The root mean square error (RMSE) of the instrument was 0.04 microns. Given that the RMSE of the customized lens is between 4 and 6 microns, i.e., the precision of the instrument is approximately 1%. This precision is more than sufficient for the type of measurements necessary for manufacturing customized contact lenses. CONCLUSION: The instrument developed is extremely precise for measuring high order aberrations - up to the 10th order Zernike polynomials, that is, up to the 66th term. This technology is important for the development of new methods of optical corrections for patients that usually do not adapt to normal sphere-cylinder spectacles or that cannot undergo refractive surgery, such as those which have keratoconus, for example.

OBJETIVO: Sensores de aberrações ópticas de simetria cartesiana são aceitos pela maioria da comunidade científica como um padrão (como o sensor de Hartmann-Shack (HS)) nos ramos da óptica e da oftalmologia. Neste trabalho foram desenvolvidos e testados três tipos de sensores com simetrias e/ou configurações diferentes e foram feitas comparações entre o sensor de Castro (SC) e o sensor HS na sua forma cilíndrica e cartesiana. MÉTODOS: Todos os sensores foram projetados e desenvolvidos em nosso laboratório no Instituto de Física de São Carlos - USP. O primeiro sensor é um sensor HS convencional, ou seja, no formato cartesiano; o segundo é um sensor HS cilíndrico e o terceiro é o SC. Para cada sensor foram realizados tanto cálculos teóricos como medidas práticas em um olho mecânico. O olho mecânico foi ajustado com 10 diferentes tipos de aberrações de desfocalização, de -5D a +5D, em passos de 1D. RESULTADOS: A precisão dos sensores foi analisada utilizando-se dois diferentes métodos: primeiramente um método totalmente teórico, gerando aberrações com diferentes coeficientes de Zernike e verificando qual a precisão de cada sensor ao calcular estes parâmetros a partir apenas das derivadas nas direções cartesianas e cilíndricas; segundo, foram realizadas medidas em um olho mecânico calibrado com estas mesmas aberrações. O resultados para o sensor HS cilíndrico, cartesiano e SC foram, respectivamente: erro quadrático médio para valores esfero-cilíndricos quando comparados com o auto-refrator para os três sensores foram 0,18D, 0,22D e 0,35D para esfera, 0,14D, 0,24D e 0,17D para cilindro, 34,36°, 35,16° e 26,36° para eixo; o erro quadrático médio para valores esfero-cilíndricos quando comparados a valores teóricos para os três sensores foram 0,11D, 0,29D e 0,46D para esfera, 0,15D, 0,28D e 0,17D para cilindro, 19,71°, 25,56° e 18,56° para eixo. CONCLUSÃO: Nossa conclusão principal é que os três tipos de sensores forneceram resultados semelhantes, no entanto há algumas diferenças. Os SC e HS de simetria cilíndrica permitem encontrar o eixo óptico com muito mais facilidade.

PURPOSE: There is a general acceptance among the scientific community of Cartesian symmetry wavefront sensors (such as the Hartmann-Shack (HS) sensor) as a standard in the field of optics and vision science. In this study it is shown that sensors of different symmetries and/or configurations should also be tested and analyzed in order to quantify and compare their effectiveness when applied to visual optics. Three types of wave-aberration sensors were developed and tested here. Each sensor has a very different configuration and/or symmetry (dodecagonal (DOD), cylindrical (CYL) and conventional Hartmann-Shack (HS)). METHODS: All sensors were designed and developed in the Physics Department of the Universidade de São Paulo - São Carlos. Each sensor was mounted on a laboratory optical bench used in a previous study. A commercial mechanical eye was used as control. This mechanical eye has a rotating mechanism that allows the retinal plane to be positioned at different axial distances. Ten different defocus aberrations were generated: 5 cases of myopia from -1D to -5D and 5 cases of hyperopia, from +1D to +5D, in steps of 1D following the scale printed on the mechanical eye. For each wavefront sensor a specific image-processing and fitting algorithm was implemented. For all three cases, the wavefront information was fit using the first 36 VSIA standard Zernike polynomials. Results for the mechanical eye were also compared to the absolute Zernike surface generated from coefficients associated with the theoretical sphere-cylinder aberration value. RESULTS: Precision was analyzed using two different methods: first, a theoretical approach was used by generating synthetic Zernike coefficients from the known sphere-cylinder aberrations, simply by applying sphere-cylinder equations in the backward direction. Then comparisons were made of these coefficients with the ones obtained in practice. Results for DOD, HS and CYL sensors were, respectively, as follows: mean of root mean square (RMSE) for all aberrations, when theoretical Zernike coefficients were used as control, was 0.22, 0.66 and 0.26 microns; RMSE of sphere-cylinder values when compared to autorefractor measurements was 0.18D, 0.22D and 0.35D for sphere, 0.14D, 0.24D and 0.17D for cylinder, 34.36°, 35.16° and 26.36° for axis; RMSE of sphere-cylinder values when theoretical values were used as control was 0.11D, 0.29D and 0.46D for sphere, 0.15D, 0.28D and 0.17D for cylinder, 19.71°, 25.56° and 18.56° for axis. CONCLUSION: The main conclusion is that the symmetry of an optical sensor is not an important consideration when measuring typical eye aberrations such as defocus (myopic and hyperopic), but there are differences. In this sense, the polar symmetry sensors render results that are equivalent to the traditional Cartesian Hartmann-Shack sensor, but furnish an easier method for determining the optical center.

OBJETIVOS: A videoceratografia é tecnologia que vem sendo utilizada para análise da superfície da córnea desde meados dos anos 80. O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de diferentes técnicas para a detecção de bordas em imagens de Plácido e a comparação dos resultados obtidos em cada algoritmo, visando as conseqüências para o cálculo da curvatura axial. Métodos: Foram capturadas imagens de Plácido de 4 diferentes superfícies esféricas utilizando o equipamento Eyesys system 2000. Cada imagem foi salva no formato bitmap em disco rígido de um computador pessoal IBM PC. Seis algoritmos de processamento de imagem foram desenvolvidos utilizando técnicas documentadas na literatura. Os métodos considerados foram: (1) Derivada numérica de primeira ordem, (2) Derivada de Fourier de primeira ordem, (3) Derivada de Fourier de segunda ordem, (4) Filtro de Marr-Hildreth, (5) Filtro de Canny e (6) Laplaciano morfológico (morfologia matemática). Cada um dos algoritmos foi testado e analisado para imagens de Plácido. Resultados: As distâncias radiais do centro das imagens de Plácido às bordas obtidas por cada algoritmo foram comparadas com uma simulação computacional do sistema VK. A média do desvio padrão em pixels/milímetros/dioptria para todas as esferas para os métodos (1)-(6), respectivamente, foi: (1) 33,1695/0,7961/0,79, (2) 32,79/0,7870/0,7724, (3) 60,7150/1,4572/1,4192, (4)18,97/0,4553/0,4572, (5) 46,33/1,1119/1,0917, (6) 20,55/0,4932/0,48. Conclusão: Pesquisadores e oftalmologistas devem ficar atentos na escolha de equipamentos de videoceratografia e também quando comparar medidas de equipamentos diferentes, uma vez que podem ocorrer diferenças relacionadas ao método de processamento de imagens utilizado pelo fabricante. Demonstramos neste trabalho que o método de Marr-Hildreth é mais preciso que o método de Fourier ou métodos como derivada numérica.

PURPOSE: Videokeratography (VK) has been a widespread technology for corneal surface analysis since the mid-80s. The objective of this study was to develop different techniques for Plácido image edge detection and compare the results of each algorithm in terms of the consequences for axial curvature computations. METHODS: Plácido images from an Eyesys system 2000 were captured for 4 different spherical surfaces.Each image was saved in bitmap format at the hard disk of an IBM computer. Six different image-processing algorithms were developed using different techniques well-documented in the literature. The six methods were as follows: (1) First order numerical derivative, (2) First and (3) Second order Fourier derivative, (4) the Marr-Hildreth filter, (5) Canny's Method, (6) Mathematical morphology. Each algorithm was tested on each of the Plácido images. RESULTS: Edge radial distance from center of Plácido image was compared for each algorithm and a computer simulation of the videokeratography system. Mean deviation in terms of pixels/millimeters/dioptric power for all spheres for methods (1)-(6) were, respectively: (1) 33.1695/0.7961/0.79, (2) 32.79/0.7870/0.7724, (3) 60.7150/1.4572/1.4192, (4)18.97/0.4553/0.4572, (5) 46.33/1.1119/1.0917, (6) 20.55/0.4932/0.48. CONCLUSION: Researchers and clinical ophthalmologists should be more careful when choosing commercial videokeratographs and also when comparing measurements of different instruments, given that there may be differences associated with the image processing technique. We have shown here that the Marr/Hildreth (method (4)) image processing method is more precise than other methods such as Fourier or first order numerical methods.

OBJETIVOS: Um dos instrumentos mais utilizados atualmente para o diagnóstico da córnea humana é o videoceratógrafo (VC). Os resultados do VC são impressos na tela do computador na forma de gráficos codificados por cor cujas linhas de contorno delimitam regiões de mesma curvatura. No entanto não há análise criteriosa na literatura dos benefícios de se utilizar diferentes métodos de visualização para estes mapas. MÉTODOS: Instrumento desenvolvido em nosso laboratório para topografia da córnea foi utilizado nos estudos e para coleta de dados in vivo. A córnea com ceratocone de paciente voluntário foi utilizada como fonte de dados de entrada para todos os métodos de visualização implementados. RESULTADOS: Vários tipos de mapas de visualização foram gerados. Os vários métodos de visualização foram comparados e constatou-se que para cada anomalia existem métodos que salientam os problemas e métodos que "escondem" estes mesmos defeitos. DISCUSSÃO: Os aspectos relacionados à visualização científica da córnea têm sido de pouca exploração tanto no Brasil quanto na literatura estrangeira. No entanto, com os resultados apresentados neste primeiro trabalho, acreditamos que seja de fundamental importância aumentar não somente o escopo destes estudos, mas também estendê-lo para outros instrumentos médicos. CONCLUSÃO: Os resultados obtidos neste trabalho evidenciam a importância de se fazer a escolha correta do método de visualização científica para este tipo de instrumento.

PURPOSE: The videokeratoscope is one of the most widely used instruments for the diagnosis of the human cornea. Results are usually plotted in the form of color-coded maps where each color is associated with a specific range of curvatures or elevations. Nevertheless there has been no thorough study in the literature demonstrating the advantages or disadvantages of different visualization techniques applied to the videokeratoscope. METHODS: A videokeratograph developed in our laboratory was used to collect in vivo data. The cornea of a patient with keratoconus was used as input data for all implemented visualization methods. RESULTS: The various methods of visualization were compared between each other for the same cornea and it was observed that for each method the corneal anomalies appear differently. DISCUSSION: The aspects related to the scientific visualization of the cornea have been a subject of very little attention both by the Brazilian and international community. Nevertheless, with the results presented in this first study, we believe it is not only important to extend the scope of these studies but also to apply these techniques to other medical areas. CONCLUSION: A simple choice of the visualization method can make the difference between a simple and correct diagnosis and a completely dramatic error in an apparently simple case. Therefore, the results obtained in this study make clear the importance of making the correct choice of the scientific visualization method for this kind of medical instrument.

Neste projeto estamos desenvolvendo instrumento para medidas das aberrações de frente de onda do olho humano usando um sensor Hartmann-Shack. Uma fonte de luz laser é direcionada ao olho e sua reflexão difusa na retina gera frente de onda aproximadamente esférica dentro do olho. Esta frente de onda atravessa os diferentes componentes do olho (humor vítreo, lente, humor aquoso e córnea) trazendo informações sobre as aberrações ópticas causadas por estes componentes. No meio externo ao olho existe sistema óptico formado por uma matriz de microlentes e uma câmera CCD. A frente de onda incide nesta matriz e forma um padrão aproximadamente matricial de "spots" no plano do CCD. Algoritmos de processamento de imagens são utilizados para detectar os centróides de cada "spot" e esta informação é utilizada para deduzir a forma da frente de onda usando métodos de aproximação por mínimos quadrados e polinômios de Zernike. Descrevemos aqui detalhes da primeira fase deste projeto, em que foi realizada a construção da primeira geração de instrumentos protótipos e testes preliminares em olho artificial, calibrado com diferentes ametropias, i. e., miopia, hipermetropia e astigmatismo.

In this project we are developing an instrument for measuring the wave-front aberrations of the human eye using the Hartmann-Shack sensor. A laser source is directed towards the eye and its diffuse reflection at the retina generates an approximately spherical wave-front inside the eye. This wave-front travels through the different components of the eye (vitreous humor, lens, aqueous humor, and cornea) and then leaves the eye carrying information about the aberrations caused by these components. Outside the eye there is an optical system composed of an array of microlenses and a CCD camera. The wave-front hits the microlens array and forms a pattern of spots at the CCD plane. Image processing algorithms detect the center of mass of each spot and this information is used to calculate the exact wave-front surface using least squares approximation by Zernike polynomials. We describe here the details of the first phase of this project, i. e., the construction of the first generation of prototype instruments and preliminary results for an artificial eye calibrated with different ametropias, i. e., myopia, hyperopia and astigmatism.

The human eye, as our biological vision instrument, contains intrinsic optical defects, referred to as optical aberrations or ametropia. The immediate consequence of such aberrations is poor quality of images formed at the retina. With the advent of more precise pulsed lasers for eye surgery, the development of instrumentation to determine precisely the higher order aberrations of the eye became a crucial chalange. Current instruments available commercially (refractometers) measure only the lower optical aberrations of the eye, i. e., myopia, hyperopia and astigmatism. In the present work we have developed a high resolution refractometer based on the Hartmann-Shack (HS) wave-front sensor. The HS sensor was originally developed for aberration measurements in general optical systems, and is of wide-spread usage in adaptive optics applications such as astronomical telescopes. Preliminary results for a mechanical eye are presented here and the RMSE in dioptric power (D) and cylinder axis (in degrees) were as follows: 0.04D for sphere and cylinder and 4(0) for axis. It is known that refractometers have typical errors of 0.12D diopters for sphere and cylinder and 5(0) for axis. These preliminary results indicate that the HS sensor may be applied successfully on in vivo eyes and that, in the near future, this technology may be available in most eye hospitals and clinics throughout the world, therefore bringing benefits to the general population.