Modeling the effects of eye shape in peripheral refraction and myopia progression

PhD Thesis in Sciences - Specialty in Physics
Myopia affects approximately 25% of the World population, being a public health concern due to the socioeconomic impact and to the risk of vision loss related to other co-morbidities. If current trends continue, half the world’s population (almost 5 billion) will be short-sighted in just over three decades, with one-fifth of those expected to have a significantly increased risk of blindness. Clinical evidence from animal models and human clinical trials seems to indicate that the peripheral refraction pattern plays an important role in the regulation of eye growth. Lower progression rates have been reported over the last years in myopic children wearing orthokeratology (ortho-k) or special design contact lenses, when compared with those wearing traditional ophthalmic lenses. To date, the only justification for this effect seems to lie in the significant myopization effect induced by these alternative forms of correction beyond the foveal area, but despite the moderate results obtained researcher’s still lack knowledge of the exact mechanism behind this effect and why does it work better in some subjects than others. In this thesis a frame work was developed to model the possible impact of the eye’s posterior shape and the optical changes produced by ortho-k in myopia progression. Optical modeling and biometric eye length measures were used to calculate the retinal contour in 55 myopic subjects, with an accuracy of tenths of a micron. The results show that there is large inter-subject variability in the shape of the posterior pole, even among subjects with similar refractive errors. An exhaustive characterization of the ortho-k cornea was also conducted to analyze the main morphological, topographical and optical changes induced by these treatments and their possible implications in the peripheral refractive error and accommodative response. The results suggest that the reported effects in the retention of eye growth, supposedly due to the peripheral myopization produced by ortho-k treatments, might be dependent on pupil size. Optical quality analysis revealed that although the increase in positive spherical aberration is the main cause of the loss of retinal image quality in the unaccommodated eye after ortho-k, it also seems to have a positive effect, as it extends the depth of field of the eye and may contribute to a better image quality in subjects with accommodative lag during high contrast near vision tasks.
A actual prevalência mundial da Miopia (25%) é já considerada um problema de saúde pública devido ao impacto sócio-económico e ao risco de perda de visão relacionada com outras co-morbidades. Se as tendências actuais se mantiverem, metade da população mundial (quase 5 mil milhões) será míope daqui a pouco mais de três décadas, e cerca de um quinto deverá ter um aumento significativo do risco de cegueira. Evidências clínicas baseadas em modelos animais e ensaios clínicos com pacientes humanos parecem indicar que o padrão da refracção periférica desempenha um papel importante na regulação do crescimento axial do olho. Níveis mais baixos de progressão têm sido reportados ao longo dos últimos anos em grupos de crianças míopes corrigidas com ortoqueratologia (orto-k) ou lentes de contacto com geometrias especiais, em comparação grupos de controle compensados com lentes oftálmicas tradicionais. Até à data, a única justificação plausível para estes resultados parece residir no efeito miopização periférica induzido por essas formas alternativas de correção para além da área foveal, mas apesar dos resultados moderados obtidos ainda falta conhecimento do exacto mecanismo por trás deste efeito e porque o efeito é maior em alguns indivíduos que em outros. Nesta tese foi desenvolvido um quadro de trabalho com o objectivo de modelizar o possível impacto da forma do polo posterior do olho e a das alterações estruturais induzidas pela ortoqueratologia na progressão da miopia. O contorno da retina de 55 indivíduos míopes foi calculado com recurso a modelização óptica e medidas biométricas do comprimento do olho, com uma precisão de décimos de micras. Os resultados demonstram que existe uma grande variabilidade inter-individual na forma do pólo posterior do olho, mesmo entre indivíduos com erros refractivos semelhantes. Foi também realizada uma caracterização exaustiva da córnea pós orto-k, com o objectivo de analisar as principais alterações morfológicas, topográficas e ópticas induzidas por estes tratamentos e as suas possíveis implicações no erro refractivo periférico, assim na resposta acomodativa. Os resultados sugerem que os relatos de uma menor taxa de progressão da miopia em olhos tratados com ortok, supostamente devido à miopização periférica produzida por estes tratamentos, pode ser dependente do tamanho da pupila. A análise da qualidade óptica revelou que, embora o aumento da aberração esférica positiva após orto-k seja a principal causa da diminuição da qualidade da imagem retiniana no olho desacomodado, também aparenta ter um efeito positivo na extensão da profundidade de campo, o que poderá contribui para um aumento da qualidade da imagem retiniana em indivíduos com atraso acomodativo durante tarefas de alto contraste em visão próxima.