Artículo científico

Topografía corneal mediante discos de Plácido. Estrategias de optimización de la estimación topográfica › Francisco Javier Vivó Sánchez O.C. 15.362

DOO, Máster en Optometría y Ciencias de la Visión

› José Luis Garrido Tundidor

DOO, Máster en Optometría y Ciencias de la Visión

O.C. 16.310

Los topógrafos corneales basados en la reflexión de los discos de Plácido generan distintos mapas topográficos a partir de la imagen reflejada en la superficie anterior corneal. La precisión de estos dispositivos puede verse afectada por distintos factores, que obedecen tanto al proceso matemático empleado como a ciertas variables fisiológicas. En este trabajo se ha realizado una revisión de los distintos agentes que pueden afectar a la precisión y exactitud de las estimaciones topográficas proporcionadas por estos dispositivos, así como de distintas estrategias que posibilitan su optimización.

Palabras clave Topografía corneal, estimación topográfica, detección de bordes, interferencias.

Introducción a topografía corneal ha contribuido a la mejor comprensión y evaluación de las características topográficas de la córnea. La selección de pacientes candidatos a cirugía refractiva1,2, la detección y seguimiento de ectasias corneales1,3,4, el seguimiento de los pacientes que se han sometido a cirugía refractiva3,5 y ortoqueratología3, la simulación virtual de lentes de contacto3 o la evaluación de la película lagrimal6-9 figuran como algunas de sus aplicaciones, que facilitan a día de hoy la labor clínica del óptico-optometrista.

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Los topógrafos corneales basados en la reflexión de los discos de Plácido reconstruyen la topografía corneal a partir del análisis de la imagen reflejada sobre la cara anterior de la córnea dando lugar a distintos mapas topográficos. La habilidad para reproducir la topografía corneal de este tipo de instrumentos está condicionada por el método utilizado para procesar matemáticamente la imagen reflejada, así como otros factores propios del instrumento, como pueden ser la distancia de trabajo y el alineamiento axial10. También se han de considerar elementos propios de la anatomía ocular que pueden afectar a la adquisición de la imagen, la cual será ana-

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lizada posteriormente, y que tendrán un impacto en el resultado final de la estimación topográfica. Algunas de estas variables fisiológicas responden a déficits de la película lagrimal, reflejos de la nariz o las pestañas o presencia de mucina11. El presente trabajo tiene por objetivo revisar los distintos factores que afectan a la precisión y exactitud de los mapas topográficos proporcionados por estos dispositivos, así como conocer distintas estrategias que contribuyen a la optimación de la estimación topográfica. La exactitud hace referencia al grado de concordancia entre el resultado obtenido y el valor de referencia, y el concepto precisión obedece al grado de concordancia entre resultados obtenidos en distintos ensayos y condiciones estipuladas12. Conocer aquellos factores que suceden en situaciones de captura no ideales y que afectan a la fiabilidad de estos instrumentos permite tener una mayor capacidad de análisis en el reconocimiento e interpretación de patrones topográficos obtenidos en condiciones de medida no deseables.

Caracterización matemática de superficies mediante topografía corneal En el caso de los topógrafos basados en los discos de Plácido, diferentes algoritmos relacionan la forma de la córnea, determinando la posición donde se encuentran los puntos de transición entre anillos continuos (blancos y negros) de las imágenes de los discos reflejados sobre las superficies que se evalúan13,14. Algunos de estos algoritmos generan los distintos mapas topográficos a través del procesamiento de imágenes con técnicas de detección de bordes. Estos métodos de detección de bordes responden a principios de segmentación de imágenes, que se caracterizan por la división de la imagen en sus partes constituyentes hasta un nivel de subdivisión en el que se aíslan las regiones u objetos de interés15. Las técnicas de detección de bordes se basan en propiedades de discontinuidad, en las que la imagen es dividida en función de los cambios bruscos de niveles de grises. De modo general, los pasos fundamentales en la detección de bordes son:

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› Realizar un suavizado de la imagen para reducir el ruido. La suavización de la imagen evita que se sobre-detecten los bordes. › Detectar posibles candidatos a ser puntos de borde. › Seleccionar, de entre los candidatos, aquellos puntos que pertenecen realmente al borde. Así, por ejemplo, algunos equipos utilizan en la reconstrucción de imágenes estas técnicas de detección de bordes. A través de un filtro digital y métodos de convolución, se encuentra una función matemática en la que sus máximos y mínimos relativos representan la posición más probable de los bordes. El topógrafo, a partir del análisis de las distintas intensidades de luz (escalas de grises) formadas por un gran número de píxeles, identifica la posición de cada uno de los bordes de los anillos reflejados con el píxel que más probablemente representa un cambio de negro a blanco16. La imprecisión de algunos topógrafos basados en los discos de Plácido en la medición de ciertas superficies puede ser atribuible a las aplicaciones de estas técnicas de detección de bordes17. Carvalho y Bruno18 constataron que en la evaluación del radio de curvatura de una superficie determinada se producen variaciones en la precisión de distintos algoritmos basados en técnicas de segmentación y detección de bordes para el procesamiento de las imágenes de Plácido. Recientemente, Florindo et al.19 han comparado la precisión de un nuevo algoritmo basado en técnicas de segmentación respecto a otros utilizados tradicionalmente en la detección de bordes. Sus resultados reflejan que el algoritmo de MumfordShah presenta mejores prestaciones en la determinación del radio de curvatura de distintas esferas de calibración como consecuencia de su elevada exactitud en la discriminación de los puntos de transición entre los distintos anillos reflejados. Además, con la aplicación de este algoritmo se consigue una elevada precisión en la eliminación del ruido que puede aparecer en la señal de origen. El rendimiento de los distintos algoritmos utilizados en estos dispositivos también es consecuencia del diseño de la suMarzo 2011

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perficie evaluada17, 20. Se ha comprobado que los topógrafos corneales pueden presentar más problemas cuando definen superficies inertes asféricas, oblatas o irregulares en lugar de superficies esféricas21. Asimismo Tang et al.17, al evaluar la precisión y exactitud de tres topógrafos, constataron que los peores resultados se obtuvieron en la caracterización de superficies con diseños bicurvos. Estos diseños intentan simular aquellas córneas que han sido sometidas a procesos ablativos de cirugía refractiva o condiciones patológicas como el queratocono. Precisamente, de los resultados obtenidos en distintas experiencias científicas se desprende que uno de los principales retos de los topógrafos reside en la caracterización de córneas con queratocono, ya que las estimaciones topográficas en este tipo de superficies parecen ofrecer menos repetibilidad y fiabilidad22-24.

Factores relacionados con las condiciones de medida La precisión en la estimación topográfica proporcionada por los topógrafos también se puede ver afectada por la dinámica natural del ojo y las características de la superficie corneal anterior. De este modo, es de esperar que su precisión con superficies inertes sea superior a la que encontramos trabajando con ojos reales25. Así, por ejemplo, el no alineamiento axial puede afectar a la exactitud de los mapas topográficos, de modo que se pueden producir errores significativos si existe un descentramiento del ápex corneal en el momento de realizar la medida26. La magnitud del error puede verse afectada por la distancia de trabajo de los diferentes equipos, ya que las distancias de trabajo más pequeñas pueden incrementar el error. Por este motivo, los diferentes instrumentos disponen de mecanismos para asegurar el alineamiento y, así, evitar errores significativos y obtener un alto grado de exactitud y precisión21. Los cambios en la posición de la cabeza y la inestabilidad de la fijación son otra posible fuente de error27, así como los problemas de medición debidos a las sombras producidas por la nariz y las pestañas del paciente25. Cuando el paciente nº 457

Figura 1. Influencia de los párpados en la evaluación topográfica. Se observan las diferencias de curvatura (de 7.55 mm a 8.00 mm) analizada por el topógrafo de un mismo punto de la córnea según sea el posicionamiento de los párpados.

tenga dificultades para fijar un punto de fijación o controlar sus movimientos oculares, como es el caso del nistagmus, puede ser más efectivo el uso de la topografía de alta velocidad28. La fijación excéntrica puede dar como resultado patrones topográficos asimétricos. Además, pueden presentarse patrones topográficos de pseudoqueratocono en algunos pacientes con córneas normales debidos a la desviación de fijación25. Los pacientes con una fijación normal estabilizan la mirada a través de la acción de diferentes movimientos oculares, entre los que se encuentran los microsacádicos (movimientos involuntarios que suceden durante la fijación, de baja frecuencia y amplitud de 5´ de arco), drifts (micromovimientos de fijación de naturaleza involuntaria con una velocidad de 0,1º/seg) y tremor (minúsculos movimientos de temblor o fijación que aparecen durante las fijaciones, de frecuencia alta y amplitud media de 30’’ de arco). Estos movimientos pueden incrementarse en pacientes con baja agudeza visual. Se han propuesto algunos métodos para minimizar el efecto de estas microfluctuaciones oculares y, por tanto, incrementar la precisión de la topografía. Estas técnicas se basan en la realización de múltiples medidas para un mismo sujeto con el fin de co-

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pendientes los mapas de elevación en la evaluación de córneas sanas y afectadas de queratocono, y la acomodación fue inducida por distintos estímulos acomodativos. A pesar de no encontrar diferencias de elevación significativas, observaron rotaciones en los mapas topográficos de casi 4 grados como consecuencia de ciclotorsiones que se producen durante la acomodación.

Figura 2. Comparativa de la imagen CCD (Charged Couple Device) y mapa de curvatura de un mismo ojo entre una topografía tomada con una película lagrimal estable (imagen superior) y otra tomada una vez que la película lagrimal deja de ser estable (imagen inferior). Señalamos las discontinuidades (interferencias) que aparecen en la imagen inferior.

nocer y minimizar el efecto prismático y cilíndrico inducido por las cicloversiones oculares que puedan producirse25. Sin embargo, los movimientos longitudinales del ojo que pueden producirse durante la captura topográfica no parecen afectar a la curvatura corneal29, 30. Estos movimientos tienen como resultado pequeñas variaciones en la distancia entre el ápex corneal y el instrumento, y parecen estar relacionados con el sistema cardiopulmonar30-32. También se ha evaluado el efecto producido por la presión intraocular (PIO) y la acomodación en la superficie corneal. En un experimento “in vitro”, Hjortdal33 estudió la manera en que la PIO impacta sobre la curvatura corneal. Sus resultados reflejaron un aumento de la curvatura corneal hacia la periferia al aumentar la PIO. Sin embargo, los cambios sólo fueron significativos en áreas periféricas. En el estudio del efecto que puede producir la acomodación, los resultados obtenidos en diferentes experiencias científicas no son coincidentes. Yasuda y Yamaguchi34 estimaron el efecto producido por la contracción del músculo ciliar inducida farmacológicamente con pilocarpina, observando una disminución en la curvatura corneal. Buehren et al.35 consideraron como variables de-

Asimismo, las topografías corneales obtenidas a través de las imágenes de Plácido pueden dar errores cuando las córneas presentan cambios topográficos repentinos que pueden aparecer cuando existen cicatrices, úlceras o suturas o tras cirugía refractiva. Este hecho se debe a que bajo estas circunstancias las imágenes de los anillos reflejados tienden a fusionarse unos con otros y pueden ser difíciles de distinguir36. La imprecisión del instrumento también puede verse incrementada según sean la lágrima y la acción de los párpados. En el estudio de la variable que constituye la acción de los párpados, se ha examinado la magnitud de los cambios topográficos corneales inducidos por los párpados tras realizar tareas de lectura. Así se han comprobado cambios dióptricos en la superficie corneal inmediatamente después de realizar este tipo de tareas, siendo su efecto acumulativo, ya que aumentan con el tiempo de lectura. Asimismo, la localización física de estos cambios se correlaciona con la posición adoptada por los párpados durante la lectura37. El efecto que puede producir la acción de los párpados en la topografía corneal se ilustra en la Figura 1, donde una apertura palpebral reducida o la tensión palpebral pueden inducir un encurvamiento en las zonas próximas al borde palpebral superior. Respecto a la película lagrimal, esta varía inmediatamente después del parpadeo. A continuación exhibe un periodo de estabilidad y, finalmente, se rompe si el ojo permanece abierto durante un cierto tiempo. La estabilidad y las propiedades de la lágrima tras el parpadeo afectan al patrón de aberraciones de la cara externa de córnea y, por tanto, pueden inMarzo 2011

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fluir en el resultado final de la topografía corneal, ya que los discos de Plácido se reflejan en la superficie lagrimal. Esta influencia será mayor en aquellos casos en que el paciente presenta ojo seco27. Para conseguir que el factor de la lágrima sea menos determinante en el momento de captar la topografía corneal se han desarrollado técnicas de alta velocidad. Esta técnica proporciona información de los cambios dinámicos de la topografía corneal y del comportamiento de la película lagrimal. De esta forma se puede evaluar la estabilidad lagrimal antes y después del parpadeo, así como entender cómo la posición de los párpados puede alterar la forma de la córnea. Mediante las técnicas dinámicas de alta velocidad se puede conocer el comportamiento de la película lagrimal después del parpadeo natural, sin necesidad de que este sea forzado28. Diferentes estudios han evaluado los cambios que se producen en la lágrima durante un cierto tiempo después del parpadeo (forzando el no parpadeo). Los resultados obtenidos reflejan que para pacientes normales la topografía en la zona central corneal (4 mm centrales) es relativamente estable entre parpadeo y parpadeo, y que las variaciones más significativas se encuentran en las zonas periféricas superior e inferior (8 mm), áreas que se encuentran más condicionadas por la presión de los párpados25. Zhu et al.30 han observado que, después de parpadear y durante medio segundo, los mapas de elevación topográficos experimentan un incremento significativo en la parte superior y una disminución en la región inferior, exhibiendo una topografía relativamente estable pasados 2 o 3 segundos del parpadeo. Sugieren que en la práctica clínica las mediciones con topógrafo se realicen entre 1 y 4 segundos después de parpadear para evitar las posibles variaciones debidas a la estabilización de la película lagrimal. Otros autores recomiendan realizar la medida de forma sistematizada pasados 5 segundos del parpadeo38, 39. En la imagen superior de la Figura 2 observamos la correcta reflexión de los discos de Plácido sobre una córnea regular y con una distribución uniforme nº 457

de la película lagrimal. En la imagen inferior de la misma figura, se aprecia el efecto de la inestabilidad de la película lagrimal para la misma superficie observando interferencias en el patrón de reflexión. Estas interferencias motivan a su vez diferencias en el mapa de curvatura debidas a la discontinuidad de los anillos reflejados. Existen otros métodos, como el Tear Stability Analysis System (TSAS), que utilizan el topógrafo como método objetivo y no invasivo para valorar la estabilidad de la lágrima8. Recientemente se han propuesto distintos algoritmos basados en técnicas de imagen para gestionar las interferencias que pueden aparecer en la imagen captada por estos dispositivos. Estos patrones de interferencia obedecen a déficits de lágrima artificial, reflejos de pestañas y presencia de mucina, afectando al patrón de anillos reflejados en la superficie anterior corneal analizado para generar los distintos mapas topográficos. La Figura 3 muestra un patrón de interferencias por presencia de mucus y reflejo de pestañas que afecta a los anillos reflejados del segmento superior. Con la aplicación de estos algoritmos se persigue identificar de manera objetiva aquellas áreas de interferencia para no tenerlas en cuenta en la estimación topográfica o intentar reducirlas, siendo el objetivo final disponer de estimaciones más certeras. Alonso-Caneiro et al.11 han propuesto un algoritmo basado en técnicas de segmentación para detectar las zonas de interferencia y eliminarlas del análisis topográfico. Tras dividir la imagen en blocs con un tamaño determinado de píxeles (suficiente para contener un trozo de anillo reflejado), se aplica un filtro de Gabor para establecer si cada uno de los blocs presenta una orientación específica. Cuando el trozo de anillo reflejado contenido en un bloc está afectado por interferencias, su orientación es inespecífica y, por tanto, la respuesta tras aplicar el filtro de Gabor es mínima. Finalmente, a partir de un valor umbral se segmenta la imagen, identificando los blocs que responden a áreas de interferencia.

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Conclusiones

Figura 3. Interferencia producida por presencia de mucus. Se observa la alteración de la reflexión de los discos de Plácido. También se observa cómo el reflejo de las pestañas puede afectar a la imagen CCD captada por el topógrafo corneal.

La principal limitación observada con esta técnica es la disminución del área de análisis. En respuesta a este inconveniente, Alkhaldi et al.40 han diseñado otro algoritmo basado en técnicas adaptativas y operadores morfológicos, que permite mejorar el rango operacional de los topógrafos y la estimación topográfica. Los filtros adaptativos trabajan de manera selectiva. Así, permiten reducir el ruido de la imagen y suavizar las variaciones de niveles de gris que pueden existir en las zonas delimitadas entre los bordes que forman los anillos reflejados. Sin embargo, su actuación es mínima en las áreas locales de borde. Esta circunstancia preserva los bordes que delimitan cada uno de los anillos reflejados que permiten generar los distintos mapas topográficos. Adicionalmente, se están aplicando técnicas de procesamiento de imágenes en topografía para evaluar la calidad de la película lagrimal de manera no invasiva. Así, por ejemplo, a través del algoritmo de Marr-Hildreth basado en técnicas de detección de bordes, se ha evaluado el tiempo de ruptura lagrimal a partir del recuento de interrupciones que aparecen en los anillos reflejados de la imagen tratada6. También se ha estimado la película lagrimal a partir de la evaluación de la orientación de los anillos que aparece en el patrón reflejado7. Finalmente, otros algoritmos permiten, a través de técnicas de segmentación, discriminar las interferencias debidas a un déficit lagrimal de las que responden a otras interferencias, como son las producidas por el reflejo de las pestañas41.

La topografía corneal nos proporciona mayor información preliminar del paciente, nos permite hacer un mejor estudio de cada caso y supone una mejora en el seguimiento de la adaptación de lentes de contacto. Se trata de una prueba imprescindible cuando hablamos de adaptaciones de lentes de contacto en casos especiales, como córneas irregulares o tratamientos de ortoqueratología. Hemos de destacar también la función diagnóstica del topógrafo, ya que podemos detectar ciertas patologías y anomalías corneales que con las pruebas convencionales podrían pasar desapercibidas. Por otro lado, y como hemos visto en el desarrollo del artículo, la topografía corneal no está exenta de limitaciones. Por este motivo, hemos de considerar qué elementos propios de la anatomía ocular pueden influir en el resultado final de la topografía corneal. Las condiciones de la lágrima, ciertas irregularidades corneales y las opacidades corneales pueden dificultar la reflexión de los discos de Plácido y, por tanto, pueden distorsionar el resultado topográfico. Es precisamente la no constancia de algunas características fisiológicas (estabilidad de la lágrima, micromovimientos oculares, no alineamiento axial), sumada a las posibles limitaciones que puedan presentar la captura y tratamiento matemático de la información de cada instrumento, la que hace que la repetibilidad de las diferentes medidas pueda verse afectada. En la práctica clínica diaria el profesional deberá considerar los efectos de las limitaciones de estos equipos, teniendo en cuenta que se pueden presentar diferencias en los mapas topográficos de las diferentes medidas tomadas con un mismo equipo y para un mismo paciente. Además, conocer estas limitaciones permite que el profesional en determinadas situaciones pueda evitar algunos de estos efectos asociados a condiciones de captura no ideales y, así, poder hacer una evaluación más satisfactoria. En todo caso, el estudio de los factores que influyen en la fiabilidad de estos instrumentos ayuda al desarrollo de nuevas actualizaciones en los diferentes equipos disponibles en el mercado con el fin de mejorar su grado de exactitud y precisión. Marzo 2011

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