Das Konzept „Optische Qualität“ – ein neues Paradigma in

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Das Konzept „Optische Qualität“ –
ein neues Paradigma in der Augenheilkunde
J. Bühren, T. Kohnen
Zusammenfassung
Bei der Bewertung von refraktiv-chirurgischen Verfahren erwies sich der Hochkontrastvisus als alleiniger Parameter häufig als unzureichend, da er den für die Patientenzufriedenheit so wichtigen subjektiven Seheindruck oft nur unzureichend widerspiegeln
vermochte. So ergab sich mit dem Konzept der „Optischen Qualität“ ein neues Paradigma
in der Augenheilkunde. Ein bei der Evaluation der optischen Qualität auftretendes Problem
ist die Tatsache, dass sich „optische Qualität“ nicht direkt messen lässt. Es ist daher eine
Definition über messbare Surrogatparameter (Operationalisierung) notwendig.
Die optische Qualität wird von Faktoren auf mehreren Ebenen beeinflusst: Die Ebene
„Anatomie“ stellt die Eingangsebene dar. Sie beeinflusst direkt die optischen Eigenschaften
des Auges, die sich wiederum auf die Funktion des Auges auswirken. Auf der letzten Ebene
steht der subjektive Seheindruck des Patienten. Jeder der einzelnen Ebenen wird durch
messbare Parameter repräsentiert (Anatomie: z. B. Hornhauttopografie, Hornhautre­flexion;
Optik: z. B. Wellenfrontfehler; Funktion: z. B. Visus, Kontrast- und Blendempfindlichkeit;
Wahrnehmung: z. B. Fragebogenwerte für Symptomintensität und Zufriedenheit). Wir stellen nachfolgend die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Ebenen und ihre Bedeutung
für die refraktiv-chirurgische Praxis dar.
Einleitung
Erfahrungen aus der refraktiven Chirurgie haben gezeigt, dass die im klinischen
Gebrauch übliche Bestimmung der Hochkontrastsehschärfe (Visus) nicht immer zur
umfassenden Bewertung des Ergebnisses eines refraktiv-chirurgischen Eingriffes
ausreichend ist. Diese Erkenntnis hat im klinischen Bereich zu einer näheren Aus­
einandersetzung mit den Prinzipen der Physiologischen Optik geführt. Genauso wie
bei der Vorbereitung und Durchführung eines Eingriffes bedarf es auch zur Bewertung der Ergebnisse im klinischen Alltag und für wissenschaftliche Zwecke eines
Instrumentariums. Nur so ist in der eigenen Praxis eine Qualitätskontrolle und im
Rahmen der Entwicklung die Einführung neuer und die Verbesserung bestehender
Techniken möglich. Zur Beschreibung der unterschiedlichen Teilaspekte der visuellen
Funktion hat sich die Bezeichnung „Optische Qualität“ eingebürgert. Dies trägt dem
im Bereich der refraktiven Chirurgie wichtigen subjektiven Aspekten Rechnung.
Ein bei der Evaluation der optischen Qualität auftretendes Problem ist die Tat­
sache, dass sich optische Qualität nicht direkt messen lässt. Es ist von daher eine
Operationalisierung, also die Definition über messbare Surrogatparameter, notwendig. Am Anfang stehen die anatomischen Eigenschaften des Auges, die die optischen
Eigenschaften (retinale Bildqualität) bedingen (Abb. 1). Die retinale Bildqualität be-
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einflusst ihrerseits die Funktion, also zum Beispiel das Auflösungsvermögen und die
Erkennung von Kontrastunterschieden. Am Ende steht die subjektive Wahrnehmung
und Bewertung eines Seheindruckes. Auf jeder der einzelnen Ebenen kann man
indirekt die Größe optische Qualität bestimmen [1].
Auflösung (Visus)
Stimulus
(Objekt)
oder
oder
Bild
Kontrastempfindlichkeit
Anatomie
optische
Eigenschaften
Funktion
Wahrnehmung
Abb. 1: Hypothetische Sequenz zur operationalen Definition von optischer Qualität (nach [1])
Anatomie
Besondere Bedeutung kommt der Ebene „Anatomie“ als Eingangsebene zu. Die
Form des Auges bestimmt in entscheidendem Maße seine Funktion. Alle Veränderungen durch chirurgische Eingriffe finden auf der anatomischen Ebene statt; daher
kann eine Verbesserung der optischen Qualität auch nur über die Modifikation von
Operationstechniken stattfinden.
Die Hornhautkurvatur und Achslänge bestimmen den Brechwert des Auges und
etwaige weitere Abbildungsfehler (Aberra­tionen höherer Ordnung). Neben der
Horn­hautkrümmung können auch Tränenfilmaufrisse beim trockenen Auge und
Epithel­unregelmäßigkeiten (z. B. nach PRK) zu spezifischen Abbildungsfehlern
führen [2]. Die jugendliche Linse besitzt einen Astigmatismus und eine negative
sphärische Aberration, die den Astigmatismus und die positive sphärische Aber­
ration der Hornhaut kompensieren. Veränderungen im Gradienten des Brechungsindex der Linse können bei sehr frühen Kataraktformen ohne klinisch signifikante
Trübung zu störenden Abbildungsfehlern führen [3]. Die Pupille regelt als Aperturblende nicht nur die Lichtmenge, sondern bestimmt auch die Güte der retinalen
Abbildung. Vorhandene Aberrationen wirken sich stärker bei größeren Pupillendurchmessern aus. Die Aberrationswirkung wird allerdings gemindert, da Licht, das
durch die Pupillenmitte ins Auge eintritt, eine größere Reizwirksamkeit als durch
die periphere Pupille eintretendes Licht besitzt (Stiles-Crawford-Effekt). Der Stiles-
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Crawford-Effekt ist allerdings nur beim Sehen mit den Zapfen wirksam. Bei sehr
kleinen Pupillendurchmessern von < 2 mm gewinnt die Beugung (Lichtablenkung
an Blenden) an Bedeutung.
Die Lichtstreuung ist das dritte für die Abbildungsqualität des Auges bedeutsame
optische Phänomen. Hierunter versteht man die Ablenkung von gerichtetem Licht
an kleinen Teilchen oder Inhomogenitäten im optischen Medium. Im Auge werden
Streueigenschaften durch die Transparenz der Hornhautbestandteile (Epithelzellen,
Keratozyten und Proteine der extrazellulären Matrix), der Linse und des Glaskörpers
bestimmt. Trübungen der Hornhaut (z. B. Epithelstippungen oder Stroma­narben)
und der Linse können die physiologische, im Alter zunehmende Lichtstreuung erheblich überschreiten. Für die Einschätzung der Streueigenschaften der optischen
Medien sei darauf hingewiesen, dass morphologische Untersuchungsverfahren wie
Spaltlampenmikroskopie, Konfokalmikroskopie und optische Kohärenztomografie
(OCT) zwar Hinweise auf Art und Ausdehnung von Medien­trübungen geben können, allerdings nur das rückwärtige Streulicht, das vom Auge weg zum Betrachter
gerichtet ist, erfassen.
Optische Eigenschaften
Um die Auswirkungen der Anatomie (Form) auf die Funktion genau beschreiben
zu können, ist es notwendig, die unmittelbaren Abbildungseigenschaften des Auges
zu analysieren. Hierbei spielt die Wellenfrontanalyse eine herausragende Rolle. Sie
erlaubt die objektive Vermessung der optischen Eigenschaften des Auges inklusive
der Quantifizierung des „irregulären Astigmatismus“ [4]; das Auge wird quasi als
optisches Instrument angesehen. Unter der Wellenfront wird die Fläche, die Lichtwellen in einem Punkt gleicher Phase verbindet, verstanden. Da sie senkrecht zum
jeweiligen Lichtstrahl steht, bildet ihre Form die gesamten Brechungseigenschaften
eines optischen Systems ab. Eine stark vom beugungslimitierten Ideal abweichende
Optik spiegelt sich in einer stark deformierten (aberrierten) Wellenfront wider.
Die Hornhautkurvatur und Achslänge bestimmen den Brechwert (Refraktion).
Zur Beschreibung der Abbildungsfehler (Aberrationen) dienen meistens die von
Zernike formulierten Kreispolynome. Diese Funktionen ermöglichen die Rekonstruk­
tion und Beschreibung eines Wellenfrontfehlers durch mathematische Annäherung
an die gemessenen Rohdaten und die Zerlegung in einzelne (Form-)Bestandteile
(Zernike-Dekomposition). Wie alle Polynome bauen die einzelnen Funktionen aufeinander auf. Da es unendlich viele Zernike-Polynome gibt, kann, ähnlich wie bei der
Fournier-Analyse, ein Wellenfrontfehler umso genauer angenähert bzw. beschrieben
werden, je höher die Zahl der verwendeten Polynome ist. Aus den einzelnen Poly­
nomen wird eine Summenfunktion gebildet, wobei jedes Polynom in der Funktion
durch einen Koeffizienten vertreten ist. Je höher dieser Koeffizient ist, umso stärker
ist der Formanteil des repräsentierten Polynoms. Einige Zernike-Polynome entsprechen der Wellenfrontdeformation bekannter Abbildungsfehler wie prismatischer
Fehler (Tip, Tilt), sphärische Fehlsichtigkeit (Defokus), Astigmatismus, Coma und
sphärische Aberration. Andere Zernike-Polynome wie Trefoil, Tetrafoil, Pentafoil,
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m-foil leiten sich vom Astigmatismus ab und beschreiben das drei-, vier-, fünf- oder
m-schenklige Äquivalent des bekannten zweischenkligen Astigmatismus.
Die Aberrationen der 1. und 2. Zernike-Ordnung sind mit Brillengläsern korrigierbar und werden in der Praxis häufig als Aberrationen niederer Ordnung (lower-order
aberrations, LOA) bezeichnet. Analog werden Abbildungsfehler wie Coma und sphärische Aberration, die durch Zernike-Polynome der 3. und höherer Ordnungen repräsentiert werden, Aberrationen höherer Ordnung (higher-order aberrations, HOA)
genannt.
Die Wellenfrontanalyse ermöglicht sowohl eine reproduzierbare Quantifikation
als auch einen qualitativen Vergleich der Abbildungsqualität verschiedener Augen.
Bei der Evaluation der optischen Qualität in der refraktiven Chirurgie hat die Wellenfrontanalyse einen wichtigen Platz eingenommen. In zahlreichen Studien werden der
Wellenfrontfehler oder abgeleitete Kennzahlen (z. B. Strehl-Verhältnis, VSOTF [5])
als Gütekriterium herangezogen, da sich hierdurch eine objektive, auf die optischen
Eigenschaften des Auges beschränkte Vergleichsmöglichkeit bietet. Insbesondere
erlaubt die Wellenfrontanalyse die bislang nur schwierig greifbare Objektivierung
störender subjektiver optischer Symptome wie Halos oder Geisterbilder nach refraktiver Chirurgie [6].
Funktion
Zur Funktionsprüfung stehen verschiedene psychophysische Testverfahren (Prüfung von Visus, Kontrastempfindlichkeit, Streuung, Farbempfindung und Gesichtsfeld) zur Verfügung. Im Vergleich zu aberrometrischen Messungen unterliegen die
Ergebnisse von Funktionsprüfungen deutlich komplexeren Einflüssen. Von pathologischen Prozessen der Netzhaut und des Sehnerven einmal abgesehen, werden
die Ergebnisse von Funktionsprüfungen durch die Reizverarbeitung auf retinaler
und kortikaler Ebene und durch interindividuell unterschiedliche Fähigkeiten wie
Mustererkennung, intellektuelle Fähigkeiten, Konzentration, Ermüdung sowie zahlreiche andere Variablen beeinflusst.
Der gebräuchlichste ophthalmologische Funktionstest ist die Visusprüfung. ­Unter
Visus (Sehschärfe) wird das örtliche Auflösungsvermögen (mimum separabile), also
die Fähigkeit, zwei Punkte als getrennt voneinander wahrzunehmen, verstanden.
Im deutschen Sprachraum ist dies der Kehrwert des Winkels in Bogenminuten. In
wissenschaftlichen Publikationen und im Rahmen internationaler Harmonisierung
beginnt sich die Angabe von Visuswerten als dekadischer Logarithmus des kleinsten
wahrgenommenen Winkels (logMAR, logarithm of the minimum angle of resolution)
durchzusetzen. Einer der Vorteile dieser Skala ist eine logarithmische Stufung, das
heißt, ein dezimaler Schritt auf der LogMAR-Skala zeigt immer gleiche Größenverhältnisse der Sehzeichen an. Dies ist bei der klinisch üblichen Dezimalskala nicht der
Fall. Die Sehschärfe wird einerseits von den im vorangegangenen Abschnitt genannten Faktoren Aberrationen, Streuung und Beugung beeinflusst, unterliegt aber auch
den Mechanismen der neuralen Bildverarbeitung. Die theoretisch maximal mögliche
Sehschärfe ist durch die Abstände des Fotorezeptorenmosaiks limitiert und liegt zwi-
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schen 2,0 und 2,5. Im klinischen Gebrauch wird unter Visus meistens der unter photo­
pischen Bedingungen mit in der Ferne dargebotenen Sehzeichen hohen Kontrastes
ermittelte Schwellenwert verstanden. Der so ermittelte Schwellenwert repräsentiert
allerdings nur einen kleinen Ausschnitt aus der Gesamtheit der Sehaufgaben.
Im Alltag herrschen oft andere Bedingungen wie niedrigere Leuchtdichte, niedriger Kontrast, Gegenlicht oder eine andere Objektentfernung. Es nimmt daher nicht
wunder, wenn der Visuswert nicht als alleiniger Parameter zur Bewertung der visuellen Funktion oder der optischen Qualität geeignet ist. Für spezielle Fragestellungen
sind daher Visusprüfungen mit Optotypen niedrigen Kontrastes (z. B. mit 25 % oder
10 %) oder mit variabler Leuchtdichte zur Prüfung unter mesopischen Bedingungen
notwendig.
Eine eigene Gruppe stellen die Nahvisustests dar. Da im Alltag das Lesen die
häufigste Nahtätigkeit ist, sind viele dieser Tests als Lesetafeln ausgeführt. Dies hat
zur Folge, dass die durch diese Tests gestellte Aufgabe eine komplexere ist als die
bei Fernvisustests übliche einfache Zeichenerkennung. In Abhängigkeit von der verwendeten Prüftafel variiert auch die gemessene Größe. Diese kann zum Beispiel
als Sehschärfe, als Lesegeschwindigkeit und als kritische Schriftgröße angegeben
werden [7].
Neben dem Visus als örtliches Auflösungsvermögen des visuellen Systems spielt
die Kontrastempfindlichkeit für die Sehfunktion eine wichtige Rolle. Die Kontrastempfindlichkeit ist die Fähigkeit des visuellen Systems, Leuchtdichteunterschiede
wahrzunehmen [8]. Während bei der Visusprüfung Sehzeichen unterschiedlicher
Größe, aber desselben Kontrastes zum Einsatz kommen, werden bei der Ermittlung
der Kontrastempfindlichkeit Sehzeichen gleicher Größe, aber unterschiedlichen Kontrastes verwendet. Der Kontrast wird für kleine Objekte vor einfarbigem Hintergrund
im Allgemeinen nach der Weber-Formel (1) definiert, wobei Li die Leuchtdichte des
Optotypen und Lu die Umgebungsleuchtdichte bezeichnet.
(1)
Die Kontrastempfindlichkeit wird als Kehrwert des gerade noch wahrgenommenen Kontrastes (Kontrastschwelle) angegeben. Wird ein Kontrast von 1 % noch erkannt, beträgt die Kontrastempfindlichkeit 100 oder in logarithmierter Form 2 logCS
(entsprechend 10²). Trägt man die Kontrastempfindlichkeit als Funktion der Objekt­größe auf, erhält man eine glockenförmige Kurve, die Kontrastempfindlichkeitsfunktion (conrast sensitivity function, CSF; Abb. 2). Der Punkt, an dem die Kontrastempfindlichkeitsfunktion die Abszisse schneidet, entspricht dem Visus (kleinstes noch
erkanntes Objekt bei maximalem Kontrast). Der individuelle Verlauf der Kontrastempfindlichkeitsfunktion ist eine Resultierende aus der Modulationsübertragungsfunktion (optische Komponente) und der neuralen Kontrastempfindlichkeitsfunktion
(nCSF). Letztere gibt die Kontrastempfindlichkeit des neuralen bildverarbeitenden
Systems an [9]. Neben den individuellen optischen Eigenschaften des Auges und
der individuellen nCSF ist die Kontrastempfindlichkeit von der retinalen Beleuch-
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Kontrastempfindlichkeit (logCS)
3.0
2.4
3
1.8
1.2
2
0.6
1
0
0.1
1
10
100
Ortsfrequenz (Perioden/°)
Abb. 2: Zusammenhang zwischen Kontrastempfindlichkeitsfunktion (CSF) und verschiedenen Funktionsprüfungen. (1) Hochkontrastvisus, (2) Niedrigkontrastvisus, (3) Kontrastempfindlichkeitsprüfung
tungsstärke abhängig. Unter photopischen Bedingungen bewirken sowohl eine enge
Pupille als auch eine hohe neurale Kontrastempfindlichkeit ein Maximum an optischer Qualität. Bei mittleren Beleuchtungsstärken kommt besonders der Einfluss
von Aberrationen zum Tragen, während unter niedrig-mesopischen Bedingungen
die neurale Kontrastempfindlichkeit den limitierenden Faktor darstellt [10]. Es sei an
dieser Stelle auch angemerkt, dass Aberrationen höherer Ordnung vorwiegend den
Niedrigkontrastvisus beeinträchtigen [11, 12]. Hieraus ergibt sich für die Praxis die
Notwendigkeit einer Testung sowohl im Hoch- als auch im Niedrigkontrastbereich.
Das psychophysische Korrelat der intraokularen Lichtstreuung ist die Blendempfindlichkeit. Hierunter versteht man die Verminderung der Kontrastempfindlichkeit
in Gegenwart einer Blendlichtquelle. Eine weitere – grundlegendere – Methode zur
psychophysischen Bestimmung des intraokularen Streulichtes stellt die Kompensationsmethode nach van den Berg dar [13]. Die Maßzahl hierzu wird als Streulicht­
parameter (s) bezeichnet.
Subjektive Wahrnehmung
Ein wesentliches Kriterium für den Erfolg refraktiv-chirurgischen Eingriffe ist die
Zufriedenheit der Patienten. Diese ist von multiplen Faktoren wie der Erwartungshaltung, der Lebensweise und den individuellen Sehanforderungen des Patienten, der
Funktion, dem Auftreten von Symptomen, kurz von der individuellen Wahrnehmung
abhängig. Das Objektbild auf der Netzhaut wird auf vielfältige Art und Weise gefiltert
und verarbeitet. Dies führt bei derselben Optik bei unterschiedlichen Personen zu
unterschiedlichen Wahrnehmungen. In einem eindrucksvollen Experiment konnten
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Artal und Mitarbeiter zeigen, dass das menschliche visuelle System einer Adaptation
an vorhandene Aberrationen unterliegt [14]. Mittels eines Adaptive-Optik-Simulators
wurde ein Seheindruck simuliert, bei dem die aktuellen Wellenfrontaberrationen des
Probanden rotiert wurden. Obwohl bei Rotation die retinale Bildqualität unverändert war, gaben die Probanden einen verschwommeneren Seheindruck im Vergleich
zur gewohnten Wellenfront an. In der Praxis ist die Adaptation an leichte residuale
Myopie nach refraktiver Chirurgie beschrieben [15]. Diese Adaptation findet über
einen Zeitraum von mehreren Monaten statt. Daher sollte eine endgültige Aussage
über die subjektive optische Qualität erst nach diesem Zeitraum getroffen werden.
In den letzten Jahren richtet sich das Augenmerk weiterer Untersuchungen auf die
Bedeutung von Persönlichkeitsmerkmalen auf die Patientenzufriedenheit nach refraktiv-chirurgischen Eingriffen. So konnte eine depressive Stimmungslage mit einer
geringeren Zufriedenheit in Verbindung gebracht werden [16].
In Zukunft werden weitere Studien notwendig sein, um Zusammenhänge zwischen den einzelnen Ebenen herzustellen und auf diese Weise die Effizienz neuer
OP-Verfahren bewerten zu können.
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