Topographie d’élévation et analyse du segment antérieur par balayage d’une fente lumineuse (Orbscan)
Cours d'Ophtalmologie
Introduction
:
L’oeil est une succession de milieux transparents avec deux
structures convergentes (la cornée et le cristallin) qui focalisent les
rayons lumineux sur la rétine.
L’étape optique de la vision peut, par
simplification, être considérée comme une succession de réfractions
à travers un ensemble de dioptres sphériques centrés.
Optiquement,
la cornée est constituée de trois dioptres : air-film lacrymal, film
lacrymal-cornée et cornée-humeur aqueuse.
Les lois de la réfraction
donnent, pour un dioptre sphérique, une relation entre la puissance,
les indices de réfraction des deux milieux et le rayon de courbure.
Compte tenu de la différence des indices de réfraction entre
l’air et le film lacrymal, le dioptre air-film lacrymal joue un rôle
réfractif prépondérant avec une puissance de l’ordre de + 44 D.
La
puissance des deux autres dioptres est plus faible (+ 5 D pour
l’interface film lacrymal-cornée et - 6 D pour l’interface cornéehumeur
aqueuse), car les indices de réfraction des milieux respectifs
sont plus proches.
La puissance totale de la cornée est d’environ +
43 D, ce qui représente environ les deux tiers du pouvoir réfractif de
l’oeil. Plus que toute autre structure de l’oeil, la géométrie de la
cornée a de grandes conséquences optiques, comme l’illustrent la
pathologie et la chirurgie du segment antérieur.
Jusqu’à présent, les
techniques usuelles d’examens n’exploraient que la face antérieure
de la cornée, et plus exactement l’interface film lacrymal, air.
L’essor de la chirurgie réfractive a favorisé le développement de nouvelles
techniques d’exploration de la cornée utilisant d’autres principes que
le disque de Placido.
Limites de la vidéokératoscopie
:
La kératométrie et la vidéokératoscopie utilisent la propriété de
réflexion de la face antérieure de la cornée qui se comporte comme
un miroir convexe grâce au film lacrymal.
Ainsi, la taille d’une image reflétée varie selon la courbure de la cornée.
En projetant des
mires de taille connue, il est possible d’évaluer le rayon de courbure
de la face antérieure de la cornée.
L’application de la formule des
dioptres sphériques permet de convertir les rayons de courbure (en
millimètres) en puissance (en dioptries).
Afin de prendre en
compte la puissance de la face postérieure de la cornée qui n’est pas
mesurée, ce n’est pas l’indice de réfraction du film lacrymal qui est
utilisé mais un indice de réfraction standard ou « kératométrique »
(1,3 375).
Cette simplification est possible en raison de l’existence
d’une proportionnalité entre le rayon de courbure antérieur et le
rayon de courbure postérieur (du moins chez les cornées
« normales »).
À partir de deux mires projetées dans la région paracentrale, la kératométrie mesure le rayon de courbure, puis en
déduit indirectement la puissance centrale en postulant que la
cornée a une forme sphérocylindrique et symétrique.
L’intégration de l’ordinateur à la kératoscopie a rendu possible
l’analyse de milliers de points cornéens, réalisant une véritable
cartographie de la face antérieure de la cornée.
Le principe de la vidéokératoscopie repose sur la numérisation de l’image cornéenne
d’un disque de Placido modifié, constitué de plusieurs anneaux
lumineux concentriques légèrement décalés en forme de cône.
L’analyse de la distance entre les anneaux permet en chaque point
la mesure de la pente (variation du rayon de courbure).
La vidéokératoscopie a constitué un progrès par rapport à la
kératométrie en augmentant la surface étudiée et en permettant
l’analyse de formes complexes (asphérique et asymétrique) éloignées
du modèle sphérocylindrique.
De plus, la mesure est possible même
pour les valeurs extrêmes (chirurgie de la myopie, kératocône).
Cependant, la vidéokératoscopie présente des limites évidentes.
Le point central n’est pas directement analysé car la mire la plus
interne n’est pas ponctuelle mais est un anneau.
La vidéokératoscopie ne mesure que la pente ou le rayon de courbure
et non l’élévation (du moins avec les méthodes two-step).
Outre une
dépendance par rapport à l’axe de l’appareil, la vidéokératoscopie
présente plusieurs autres biais de mesure et approximations liées à
des hypothèses sur la forme de la cornée.
À partir de la mesure
de la pente ou du rayon de courbure, différents algorithmes de la vidéokératoscopie reconstruisent la surface selon une certaine
modélisation de la cornée.
Si la vidéokératoscopie permet
d’analyser des surfaces complexes, la reproductibilité et l’exactitude
des mesures sont d’autant meilleures que l’on se rapproche d’une
surface sphérique et que l’on est proche de l’axe visuel.
En définitive, les mesures fournies par la vidéokératoscopie ne sont
pas réellement anatomiques, ce qui nécessiterait de connaître les
coordonnées spatiales (x, y, z) de chaque point de la surface et en
particulier l’élévation (z).
L’image des mires réfléchie est
bidirectionnelle, autrement dit, une même image peut correspondre
à plusieurs points différents de l’espace.
De plus, l’analyse de
la vidéokératoscopie se limite à l’interface air-film lacrymal en
ignorant la face postérieure de la cornée.
Appareil et principes techniques
:
A - DESCRIPTION DE L’APPAREIL :
La deuxième version de l’Orbscan (Orbscany II) associe au
dispositif de balayage d’une fente lumineuse, un système de Placido
qui était absent sur la version initiale (Orbscany I).
La tête
d’acquisition de l’appareil s’articule autour d’une caméra CCD et
comporte un disque de Placido et quatre projecteurs. Le
disque de Placido est constitué par une section de tore concave à
grand axe horizontal.
Au centre du disque de Placido sont situées
une caméra CCD et une mire de fixation clignotante.
Le disque de Placido est percé latéralement par quatre projecteurs (deux à droite
et deux à gauche).
De chaque côté, l’un des projecteurs assure le
balayage de la fente lumineuse tandis que l’autre projette une mire
ponctuelle.
La tête d’acquisition est reliée à une unité informatique
centrale permettant l’intégration et l’interprétation des données par
différents logiciels, une unité de stockage (fixe et éventuellement
amovible), des sorties imprimante et Internet.
L’Orbscan initialement développé par Orbtek (Salt Lake City, Utah)
est actuellement commercialisé par Bausch et Lomb.
B - PRINCIPES :
1- Fente
:
Une fine fente lumineuse verticale effectue un double balayage du
segment antérieur de l’oeil (cornée, surface iridocristallinienne
antérieure).
Le balayage n’est pas continu mais est constitué
par deux séries de 20 fentes lumineuses qui sont projetées de façon
séquentielle selon un angle de 45° à droite puis à gauche.
L’angulation des projecteurs des fentes ne permet pas à chaque projecteur un balayage de la totalité de la cornée.
Dans la zone des
5 mm centraux, un double balayage de la fente est effectué, ce qui
permet une confrontation des données. Les régions latérales ne sont
balayées que par l’un des deux projecteurs.
Le projecteur utilise le
principe de Scheimpflug permettant une focalisation simultanément
de la fente sur la cornée, l’iris et le cristallin.
La diffusion locale et
omnidirectionnelle de la lumière de la fente permet la visualisation
des bords des différentes surfaces (analogie avec la lampe à fente).
La détection des contours des différentes surfaces oculaires est
assurée par un système de filtrage numérique.
Sur chaque fente,
240 points sont analysés, soit un total de 9 600 points pour la face
antérieure de la cornée.
La distance moyenne entre chaque point
analysé est de 250 μm environ. Les valeurs entre les points mesurés
sont estimées par interpolation.
Les coordonnées des différentes
surfaces oculaires sont mesurées directement par triangulation entre
le projecteur, les surfaces oculaires et la caméra réceptrice
(application du théorème de Pythagore).
Par ailleurs,
l’Orbscan dispose d’un système de ray tracing capable de simuler le
trajet des rayons lumineux.
Les différentes surfaces oculaires sont
reconstruites à partir des données obtenues par la triangulation et le
ray tracing.
La durée de chaque balayage est de 0,7 seconde et la
durée totale de l’acquisition de l’examen (fente et Placido) est de
2 secondes environ.
Un système d’asservissement (eye tracker) limite
les conséquences des inévitables microsaccades oculaires.
2- Disque de Placido :
Les anneaux lumineux du disque de Placido se reflètent sur le film
lacrymal.
La technique n’est pas différente de celle utilisée
par les vidéokératoscopes classiques et a été récemment expliquée
dans un article précédent.
Le principe consiste à capter et
numériser l’image virtuelle des mires (images de Purkinje) des
anneaux. L’analyse des images des anneaux (largeur et distance
entre les anneaux) permet de reconstruire la surface cornéenne à
partir de deux algorithmes (axial et tangentiel).
La pente et le rayon
de courbure sont mesurés en 4 000 points de la surface, puis une
conversion en puissance est effectuée.
La durée de l’acquisition de
l’image Placido est inférieure à 0,1 seconde.
C - ACQUISITION DE L’EXAMEN :
La technique doit être parfaite car un examen défectueux peut
entraîner de fausses images pathologiques.
Les mesures doivent être
effectuées dans une obscurité presque totale afin d’éviter
l’interférence d’autres rayons lumineux.
La tête peut être fixée pour
limiter les mouvements.
Du fait de la durée de l’examen, il est
souhaitable que le patient effectue un clignement palpébral juste
avant l’acquisition de l’examen.
En effet, la qualité des images des
mires de Placido dépend de la régularité du film lacrymal.
Un film
lacrymal irrégulier ou un ménisque de larme inférieur génèrent des
artefacts.
Le centrage et l’immobilisation de l’oeil sont assurés par la
fixation fovéolaire (mire lumineuse clignotante).
La focalisation et le
centrage de la tête de l’appareil par rapport à l’oeil sont effectués de
façon manuelle par affrontement de mires lumineuses.
Avant d’enregistrer un examen, il est nécessaire de vérifier sa qualité.
Un dispositif automatique alerte l’examinateur et propose
d’effectuer une nouvelle acquisition quand l’examen n’est pas fiable.
Il peut s’agir de mouvements excessifs dépassant les possibilités de
l’eye tracking ou d’une détection insuffisante des fentes ou des mires
de Placido.
Il est souhaitable que l’examinateur vérifie lui-même la
qualité de l’examen.
Un examen défectueux peut se traduire par des
valeurs aberrantes (cylindre, puissance, pachymétrie…) et par des
cartes de surface réduite, en particulier au niveau postérieur.
Comme la détection du bord postérieur de la fente est plus difficile
que la détection du bord antérieur, la surface des cartes postérieures
est toujours inférieure à celle des cartes antérieures.
Une qualité
défectueuse retentit préférentiellement sur les données de la face
postérieure de la cornée, et par conséquent sur la carte de pachymétrie.
Il peut s’agir d’une épaisseur minimale aberrante dans
sa valeur (inférieure à 450 μm) ou dans sa localisation (périphérie).
Une différence de pachymétrie centrale supérieure à 10 μm entre les
deux yeux d’un patient sans antécédent ophtalmologique est
suspecte et invite à refaire les examens.
D’une manière générale,
devant une image pathologique, il est souhaitable de refaire
l’examen, surtout si l’anomalie n’est pas corrélée à la clinique.
Il est
possible de contrôler la qualité de tout examen, y compris d’un
examen ancien, en vérifiant sur l’image de l’oeil l’affrontement des
mires et éventuellement la qualité des images des mires du disque
de Placido et des fentes, si ces données ont été enregistrées.
L’Orbscan est plus difficile à réaliser et est plus pénible pour le
patient qu’une vidéokératoscopie, du fait de la durée de l’examen et
de la variation importante de la luminosité lors du balayage de la
fente.
Chez certains patients, la réalisation d’un examen de bonne
qualité est impossible, en particulier en cas de cornée très irrégulière
(greffe de cornée, kératocône évolué).
Après vérification de la qualité, l’examen peut être enregistré.
Par
défaut, toutes les données numériques sans aucune image sont
conservées dans le disque dur.
À partir de ces données numériques,
qui occupent un volume moyen de 300 kilo-octets, toutes les
possibilités (cartes, indices…) actuellement disponibles sur la
dernière version sont utilisables.
Il est possible de conserver, en plus
des données numériques primaires, l’image des mires de Placido et
les images des fentes.
La conservation de toutes les images nécessite
un volume de 7 méga-octets de mémoire et n’a pas actuellement
d’application supplémentaire.
Pour certains examens
particulièrement intéressants, il peut cependant être utile de
conserver, dans un but de recherche, la totalité des données, qui
pourraient être analysées ultérieurement par d’autres logiciels.
Résultats des mesures
:
A - DONNÉES PRIMAIRES :
Les données numériques primaires utilisées par l’Orbscan sont les
coordonnées spatiales (abscisse [x], ordonnée [y] et élévation [z])
mesurées par la fente, et les pentes ou les rayons de courbure
calculés à l’aide du disque de Placido des différents points analysés.
La complémentarité entre les données fournies par la fente et celles
fournies par le disque de Placido permet une reconstruction de la
face antérieure de la cornée en s’affranchissant de certaines
hypothèses. Les données numériques primaires sont exploitées
par plusieurs programmes qui établissent les différentes cartes et indices.
B - EXPRESSION DES RÉSULTATS :
1- Cartes colorimétriques
:
Les résultats de l’Orbscan sont visualisés selon trois modalités.
Les cartes colorimétriques (mode topographical) sont les plus
employées, car elles permettent une visualisation rapide des
caractéristiques de la surface étudiée.
Bien sûr, la représentation
plane d’une surface en trois dimensions induit d’inévitables
distorsions, principalement en périphérie.
La représentation 3D
(mode 3D) n’a pas de réelle utilité clinique par rapport aux cartes,
mais peut avoir un intérêt pédagogique (explication au patient).
Enfin, le mode profile fournit une coupe de la cornée ou du segment
antérieur de l’oeil selon le méridien désiré.
L’Orbscan utilise, pour les différentes cartes, un codage
colorimétrique similaire à celui employé en vidéokératoscopie.
D’une manière générale, les couleurs chaudes (rouge et orange)
représentent ce qui est antérieur, proche, bombé, fin ou focalisé.
Au
contraire, ce qui est postérieur, éloigné, plat, épais ou diffus, est
représenté par les couleurs froides (bleu, violet).
Le vert est utilisé
pour les valeurs moyennes.
Le nombre de couleurs utilisables pour le codage est limité par la
capacité de discrimination de l’oeil de l’observateur.
Un nombre de
couleurs important rend l’examen rapidement ininterprétable.
Comme en vidéokératoscopie, différentes échelles sont disponibles.
L’échelle absolue (absolute step scale), qui est le réglage par défaut,
permet une interprétation rapide et favorise l’apprentissage car
chaque couleur correspond à une valeur numérique fixe.
Les valeurs extrêmes de l’échelle absolue sont 25,5 D et 57,5 D pour les
puissances de la face antérieure, de - 0,08 et + 0,08 mm pour
l’élévation.
Cette échelle permet d’étudier la plupart des situations
cliniques.
L’échelle absolue permet les comparaisons entre des
examens successifs ou entre des cornées différentes.
L’échelle
automatisée ou normalisée (automatic scale) est ajustée sur les
puissances extrêmes de la surface étudiée.
Cette répartition de
l’ensemble des couleurs entre les valeurs extrêmes permet d’obtenir
la meilleure résolution graphique et une meilleure visualisation des
détails.
L’association couleur-valeur numérique varie pour chaque
examen, d’où une interprétation plus délicate.
De même, la
comparaison entre des examens différents est plus difficile car
l’intervalle et le pas de l’échelle ne sont pas identiques.
L’échelle
simplifiée (normal band scale), utilisant un faible nombre de couleur
et un large pas pour les valeurs situées au milieu de l’échelle permet
d’attribuer la couleur verte à toutes les valeurs moyennes
habituellement rencontrées sur des cornées « normales ».
Il
est possible de fixer les bornes des valeurs que l’on considère
normales.
Les régions de la carte s’écartant des valeurs habituelles
sont représentées par les couleurs rouge ou bleue.
Cette échelle
favorise une analyse rapide en accentuant les anomalies et en
gommant les irrégularités mineures.
Enfin, il est possible de choisir
une échelle personnalisée (custom scale) en fixant la valeur minimale
et la valeur maximale de l’échelle.
Cette échelle peut être utile pour
visualiser des anomalies extrêmes (kératocône majeur, cornea plana).
Par défaut, le pas de l’échelle est de 1 D pour les puissances
antérieures, - 0,1 D pour les puissances postérieures, de 0,005 mm
pour l’élévation et de 0,02 mm pour la pachymétrie, ce qui
correspond pour chaque carte à l’utilisation de 35 couleurs.
Il est
possible de modifier le nombre de couleurs (17 ou 70) et le pas des
différentes échelles.
L’aspect de la carte dépend du pas de l’échelle
et du nombre de couleurs utilisées.
L’interprétation des
cartes doit tenir compte de l’échelle utilisée.
Un pas étroit peut
mettre en évidence des détails sans réelle signification.
Au contraire,
le choix d’un pas large gomme artificiellement certaines
caractéristiques.
L’expression des résultats d’une vidéokératoscopie est relativement
simple par rapport à l’Orbscan.
Le choix de l’observateur se limite à
l’échelle (absolue, standardisée), à l’unité (puissance ou rayon de
courbure) et à l’algorithme de reconstruction (axial, tangentiel ou
réfractif).
Le nombre de cartes et d’indices divers fournis par
l’Orbscan est beaucoup plus important qu’en vidéokératoscopie.
L’analyse ne se limite pas à la surface antérieure de la cornée mais
concerne toute la chambre antérieure de l’oeil. Les informations
obtenues par l’Orbscan sont de nature optique ou géométrique
(élévation, distance, surface, volume…) et permettent une
modélisation du segment antérieur de l’oeil.
La complexité de
l’interprétation de l’Orbscan tient également au fait que les cartes
d’élévation sont construites par rapport à une surface de référence
définie arbitrairement, et non pas, comme c’est le cas pour les cartes
de la vidéokératoscopie, à partir des valeurs absolues.
Il existe donc
une multiplicité de représentations possibles de l’élévation.
La
comparaison entre deux zones de couleur différente à partir de la
seule interprétation des couleurs est difficile.
De nombreux
paramètres interviennent dans la définition de la surface de
référence.
Pour la détermination des cartes de courbure et
de puissance, quatre algorithmes différents (axial, tangentiel,
réfractif et non méridional) sont disponibles sur l’Orbscan.
Le calcul
des puissances d’un dioptre nécessite l’utilisation des indices de réfraction adéquats.
L’Orbscan utilise les valeurs des indices de
réfraction dont le réglage par défaut est le suivant : 1,000 pour l’air ;
1,336 pour le film lacrymal et l’humeur aqueuse ; 1,376 pour la
cornée ; 1,420 pour le cristallin ; 1,337 pour le vitré.
L’utilisation de
l’indice kératométrique standard (1,3 375) est également possible.
L’aspect des cartes varie selon le centre choisi.
Le centre des cartes
de l’Orbscan n’est pas le même centre que celui utilisé pour les
cartes des vidéokératoscopes.
Les vidéokératoscopies sont centrées
sur la ligne du regard (du centre de la pupille d’entrée au point
objet, c’est-à-dire à la mire de fixation).
Les cartes de l’Orbscan sont
centrées sur l’apex cornéen ou vertex, c’est-à-dire le point cornéen le
plus antérieur sur la carte d’élévation de la face antérieure.
Il est
possible de faire figurer sur la carte d’autres points remarquables
comme le point d’épaisseur minimal (pac min), les points
d’intersection entre la surface étudiée et différents axes comme l’axe
visuel, l’axe pupillaire, l’axe de fixation, l’axe de l’appareil (caméra).
En pratique, ces différents points sont généralement proches
ou confondus sauf en cas de cornées très irrégulières (kératocône,
greffe de cornée…).
Il est possible de choisir comme centre un autre
point que l’apex en sélectionnant l’un des points précédents (fixation, pachymetry, pupil).
Enfin, n’importe quel point peut être
défini comme centre à l’aide du curseur (cursor) ou de ses
cordonnées spatiales (input).
2- Cartes issues des données du disque de Placido :
L’Orbscan peut fournir des cartes de courbure de la face antérieure
de la cornée similaires à celles obtenues avec n’importe quel
vidéokératoscope.
Pour reconstruire la face antérieure de la cornée,
l’algorithme peut fonctionner en mode non-arc step, c’est-à-dire
n’utiliser aucune des données de l’élévation comme pour la
vidéokératoscopie.
Seuls sont utilisés la pente et le rayon de
courbure de la face antérieure de la cornée, calculés par réflexion
des mires du disque de Placido, comme pour la vidéokératoscopie
classique.
À partir de ces données, les algorithmes axial et
tangentiel reconstruisent la face antérieure de la cornée à partir
d’hypothèses différentes sur la forme de la cornée.
* Cartes de courbure axiale et tangentielle
:
En chaque point de la surface, les algorithmes axial et tangentiel
mesurent chacun un rayon de courbure, selon une direction radiaire
dans un plan méridional contenant le point étudié et l’axe de
référence de l’appareil.
L’algorithme axial repose
sur une modélisation sphérique de la cornée, ce qui implique que
l’origine du rayon de courbure se projette nécessairement sur l’axe
de référence.
L’algorithme tangentiel suppose une forme
asphérique, c’est-à-dire que l’origine du rayon de courbure peut ne
pas se situer sur l’axe de référence.
Le rayon tangentiel mesure le
rayon de courbure instantané (rayon du cercle osculateur en un
point selon un méridien donné).
Les rayons de courbure axial et
tangentiel sont identiques au niveau de l’axe de référence et dans le
cas d’une surface parfaitement sphérique.
L’algorithme axial a l’avantage d’être très reproductible et de donner
une mesure fiable de l’astigmatisme.
L’algorithme tangentiel est
très sensible aux variations locales de courbure, d’où son intérêt
pour le dépistage des kératocônes et en contactologie.
Très sensible au bruit de fond, l’algorithme tangentiel est moins
reproductible et moins fiable que l’algorithme axial pour la mesure
de l’astigmatisme.
La représentation des résultats peut se faire par des cartes en rayon
de courbure (en millimètres) rarement utilisées en dehors de la
contactologie.
L’application de la formule des dioptres sphériques
permet de convertir les rayons de courbure (mm) en puissance (D) à
partir des indices de réfraction :
Puissance (D) = n - 1/rayon de courbure (mm) ; 1 étant l’indice de
l’air.
Cette relation est établie à partir des lois de la réfraction de Descartes
(n1 · sin1 = n2 · sin2) et de l’approximation des petits angles (loi de
Kepler) qui permet de confondre les angles, leur sinus et leur
tangente quand les rayons incidents et réfractés sont peu inclinés,
c’est-à-dire proches de l’axe géométrique (hypothèse para-axiale).
Les résultats des examens vidéokératoscopiques sont le plus souvent
représentés par des cartes colorées de puissance (en dioptries) qui
sont en réalité des cartes de courbure.
En effet, la correspondance
entre courbure et puissance n’est acceptable qu’au niveau central.
La formule qui permet la conversion du rayon de courbure en
puissance n’est plus valable quand on s’écarte trop de l’axe du
dioptre.
L’Orbscan propose quatre indices de réfraction pour la conversion
des rayons de courbure en puissance : keratometric, anterior, posterior,
total.
L’indice keratometric est l’indice standard qui permet de
retrouver les valeurs habituelles de puissance ou d’astigmatisme des
kératomètres et des vidéokératoscopes.
L’indice anterior utilise les
indices de réfraction physiologiques de l’air et de la cornée.
L’indice posterior utilise les indices de réfraction physiologiques de la cornée
et de l’humeur aqueuse.
L’indice total prend en compte la totalité de
la cornée.
Le changement d’indice n’affecte pas l’aspect de la carte
mais uniquement les valeurs numériques.
Son seul intérêt est de
permettre d’évaluer séparément la contribution de chaque dioptre à la puissance ou à l’astigmatisme mesurée par la méthode axiale ou
tangentielle.
Bien entendu, la mesure n’a concerné que la face
antérieure de la cornée.
3- Cartes issues du balayage optique de la fente
:
* Carte en puissance réfractive
:
La puissance réfractive est calculée par application des lois de la
réfraction de Snellen.
Contrairement aux puissances axiale et
tangentielle, la puissance réfractive traduit réellement les propriétés
réfractives de la face antérieure de la cornée.
Cette amélioration de
l’évaluation de la puissance se fait au détriment de l’évaluation de
la fonction forme.
La puissance réfractive tient compte, en
particulier, de l’aberration de sphéricité.
Cette aberration
géométrique se traduit par une augmentation de la puissance
réfractive en périphérie d’une sphère.
À la différence de la
puissance réfractive, la puissance axiale, et plus encore la puissance
tangentielle, diminuent du centre vers la périphérie, du moins pour
les asphéricités courantes.
L’aspect des cartes en puissance
réfractive est donc généralement différent de celui des cartes en
puissance axiale ou tangentielle, avec souvent une direction
orthogonale du « sablier ».
Au centre, cependant, les
puissances réfractive, axiale et tangentielle sont identiques.
La
puissance réfractive est la seule puissance qui évalue la contribution
de la cornée à la qualité de l’image.
Il n’existe pas actuellement sur
l’Orbscan, comme sur certains vidéokératoscopes, une carte de
distorsion optique ou une estimation de l’acuité visuelle potentielle
évaluant les qualités optiques de la cornée.
La variation de la puissance réfractive totale (total optical power) des
4 mm centraux serait la mieux corrélée à la variation réfractive
induite par le laser in situ kératomileusis (lasik).
* Cartes d’élévation
:
L’originalité et l’intérêt de l’Orbscan résident dans sa capacité à
mesurer directement les coordonnées spatiales (abscisse [x],
ordonnée [y], élévation [z]) des points des surfaces antérieure et
postérieure de la cornée.
La mesure de l’élévation étant directe, sans
hypothèse préalable sur la forme de la cornée, les cartes d’élévation pourraient mieux refléter l’anatomie de la cornée que les cartes de
courbure données par la vidéokératoscopie.
Les variations locales d’élévation de la surface cornéenne sont très
faibles (de l’ordre de quelques micromètres ou dizaine de
micromètres) par rapport aux valeurs mêmes de l’élévation.
En effet,
la différence d’élévation entre l’apex et la périphérie de la cornée est
de quelques millimètres, c’est-à-dire 100 fois plus importante que la
valeur à mesurer.
Il n’est donc pas possible de représenter les
variations de l’élévation à partir des valeurs absolues de l’élévation
données par rapport à un plan de référence.
Une surface de
référence qui se rapproche aussi fidèlement que possible de la forme
de la cornée doit être utilisée pour mettre en évidence une différence
d’élévation aussi faible.
La surface de référence choisie est généralement la sphère, en raison
de sa simplicité et de sa forme qui est proche de celle de la cornée.
La sphère de référence choisie (best fit sphere) est celle qui minimise
la somme des carrés des différences d’élévation par rapport à la
surface cornéenne étudiée (méthode des moindres carrés).
Pour
chaque cornée, deux sphères de référence sont choisies : une pour la
face antérieure et une pour la face postérieure.
Par défaut, la surface
de référence est la sphère déterminée sur un diamètre cornéen de
10 mm (full corneal fit) avec un positionnement libre de la sphère de
référence par rapport à la cornée (floating).
Il est possible de
modifier les paramètres qui influencent le choix de la sphère de
référence.
La zone de la cornée dans laquelle se fait le choix de la
sphère de référence peut être modifiée (0-7 mm : center zone fit,
7-10 mm : peripheral zone fit) ou être imposée par l’examinateur
(custom fit).
Il est possible d’imposer à la sphère de référence
des contraintes géométriques concernant l’axe et l’apex.
Le mode axial impose à la sphère de référence d’avoir le même axe
que celui de la cornée.
Dans le mode pinned, les surfaces de la sphère
de référence et de la cornée sont communes au niveau de l’axe visuel
de la cornée.
Le mode apex impose à la sphère de référence à la fois
les contraintes du mode axial et du mode pinned.
L’axe utilisé pour
calculer la différence d’élévation doit également être défini.
L’axe
choisi peut être celui de la caméra (instrument) ou l’axe
perpendiculaire à la surface au niveau du point central (surface
normal).
Enfin, il est possible de choisir une surface de référence non
sphérique utile pour explorer des anomalies extrêmes (kératocône).
La surface de référence n’entre pas en jeu pour la mesure de
l’élévation, mais uniquement pour établir les cartes d’élévations.
Les
couleurs chaudes représentent ce qui est au-dessus de la sphère de
référence.
Au contraire, les couleurs froides sont utilisées pour
représenter ce qui est en dessous de la sphère.
Le vert représente ce
qui est situé au niveau de la sphère.
Sur les cartes
d’élévation, les couleurs de différentes zones ne doivent pas
s’interpréter les unes par rapport aux autres car elles indiquent
uniquement la situation relative par rapport à la sphère de référence
et non pas l’élévation absolue.
Un changement de surface de référence modifie profondément
l’aspect des cartes d’élévation.
Pour interpréter une carte
d’élévation, il est nécessaire de connaître les paramètres qui ont servi
à déterminer la sphère de référence.
Le choix d’une zone cornéenne
centrale (0 à 5 mm) pour déterminer la sphère de référence favorise
la visualisation de la toricité (astigmatisme) de la cornée.
Au
contraire, le choix d’une zone étendue (0 à 10 mm) pour établir la
sphère de référence permet de mieux visualiser la géométrie de
l’ensemble de la cornée comme l’asphéricité.
La comparaison de plusieurs cartes d’élévation (préopératoire et
postopératoire par exemple) rend indispensable l’utilisation de la
même sphère de référence pour tous les examens.
Ceci peut être fait
automatiquement lors de l’utilisation des cartes différentielles.
* Cartes de puissance moyenne (mean power)
:
Si les cartes d’élévation reflètent bien les caractéristiques
morphologiques de la cornée telles que la toricité et l’asphéricité, les
propriétés optiques de la cornée, comme l’astigmatisme, sont mal
visualisés.
Il est assez difficile mathématiquement d’obtenir une
carte de courbure à partir des données de l’élévation.
Ainsi, alors que la courbure instantanée (algorithme tangentiel) est
obtenue par simple dérivation à partir des données de la pente
fournies par la vidéokératoscopie, deux dérivations successives sont
nécessaires pour transformer les données de l’élévation en données
de courbure.
Les algorithmes classiques de la vidéokératoscopie (axial et
tangentiel) ne mesurent le rayon de courbure que dans une seule
direction.
Le rayon de courbure qui est mesuré en chaque point de
la surface a une direction radiaire et est situé dans un plan
méridional contenant le point de la surface et l’axe du vidéokératoscope.
Le calcul des puissances axiale et tangentielle
dépend de l’axe du kératoscope, et ces deux puissances sont donc
sensibles au décentrement.
Ces puissances peuvent être erronées
devant des cornées très irrégulières (kératocônes, greffe de cornée),
où l’axe visuel peut être assez éloigné de l’apex.
Chaque point d’une surface courbe est contenu dans une infinité de
plans perpendiculaires à la surface, et peut donc être défini par
autant de courbes et de rayons de courbure (et donc de puissances).
Les valeurs de ces rayons de courbure contenus dans
deux plans perpendiculaires sont liées entre elles (loi de Euler).
Chaque point d’une surface courbe continue possède deux
courbures principales (maximale et minimale) situées dans des plans
orthogonaux.
À partir des deux courbures principales est définie
la courbure moyenne (moyenne arithmétique des deux courbures
principales) et la courbure gaussienne (moyenne géométrique, c’està-
dire la racine carrée du produit des deux courbures principales).
L’Orbscan possède un algorithme qui mesure, à partir des données
de l’élévation, la courbure dans de multiples plans, et en particulier
dans des plans différents du plan méridional.
Le principal avantage
de cet algorithme non méridional par rapport aux autres algorithmes
est sa capacité à prendre en compte des informations multidirectionnelles sur la forme qui sont totalement ignorées par
les algorithmes classiques de la vidéokératoscopie.
La carte mean
power de l’Orbscan est établie à partir de la moyenne arithmétique
des deux puissances principales.
Elle représente en chaque point la
puissance moyenne et donc la sphère moyenne.
L’intérêt de cet
algorithme est d’éviter certains biais de mesure de la vidéokératoscopie classique et en particulier la dépendance par
rapport à l’axe du vidéokératoscope.
La puissance moyenne
(mean power) reflète uniquement les propriétés intrinsèques locales
de la cornée, indépendamment de la position de l’oeil par rapport à
l’axe de l’appareil.
La puissance moyenne est peu sensible au
décentrement et fournit une représentation plus proche de la réalité,
surtout en cas de cornée très irrégulière (kératocône et greffe de
cornée).
Les cartes de l’algorithme non méridional (puissance gaussienne)
retrouvent une localisation et un aspect des kératocônes plus
proches de la réalité que ne le laissent penser les cartes des
algorithmes tangentiel et surtout axial.
D’une manière générale,
les cartes de puissance moyenne (mean power) présentent de grandes
similitudes avec les cartes d’élévation, alors qu’elles sont fort
différentes des cartes en puissance axiale et tangentielle.
Les figures
centrales, qui sont à la base de la classification vidéokératoscopique
de Bogan, ne sont pas retrouvées sur les cartes de puissance
moyenne et semblent être des artefacts.
La mesure de puissance moyenne de l’Orbscan concerne la face
antérieure et la face postérieure.
Pour la mesure de la face antérieure,
il existe deux options.
L’option anterior utilise les index de réfraction
physiologique du dioptre cornéen antérieur, et donne donc la
puissance réelle de la face antérieure de la cornée, alors que l’option
keratometric utilise l’indice kératométrique standard.
L’option thickness calcule la contribution réfractive due à l’épaisseur non nulle
de la cornée (en général de l’ordre de 0,1 D).
Enfin, l’option total
évalue la puissance totale de la cornée.
* Cartes d’astigmatisme
:
Pour chaque point étudié, l’algorithme non méridional calcule la
puissance maximale et la puissance minimale, non seulement de la
face antérieure, mais également de la face postérieure.
La différence
des deux puissances principales (maximale et minimale) permet,
pour chaque point, un calcul du cylindre.
À la différence
des autres méthodes de mesure, l’algorithme non méridional de
l’Orbscan ne fournit pas une mesure unique de l’astigmatisme, mais une véritable carte de l’astigmatisme (astigmatic power map) antérieur
et postérieur.
Pour la carte de l’astigmatisme antérieur, deux indices
de réfraction sont utilisables (keratometric, anterior).
La carte de
l’astigmatisme postérieur (posterior) utilise les indices de réfraction
physiologique du dioptre cornéen postérieur.
De nouvelles
représentations de l’astigmatisme sont disponibles sur les cartes.
Il est possible de visualiser en différents points de la carte
les deux méridiens principaux (mode min-max).
Le mode vectors
décompose la carte en un champ vectoriel. Pour chaque vecteur, la
direction indique la direction du méridien principal et la longueur
la valeur du cylindre.
* Carte d’irrégularité
:
Les cartes d’irrégularité (irregularity) sont établies à partir du calcul
de la dispersion (écart type) des mesures de la puissance moyenne
et du cylindre moyen, calculé à partir des deux puissances
principales par l’algorithme non méridional.
L’irrégularité locale qui
n’a pas encore été validée cliniquement serait bien corrélée à la
diminution de sensibilité aux contrastes.
* Carte de pachymétrie
:
Les mesures obtenues par le balayage optique de la fente permettent
une reconstruction géométrique des surfaces antérieure et
postérieure de la cornée.
Une carte de l’épaisseur de la cornée est
établie à partir de l’utilisation des coordonnées spatiales des deux
surfaces de la cornée.
Il ne s’agit pas d’une simple soustraction des
coordonnées des deux surfaces cornéennes, car la direction de la
mesure varie en chaque point pour être perpendiculaire à la surface
cornéenne antérieure.
La mesure de la pachymétrie par l’Orbscan
repose sur certaines hypothèses.
L’indice de réfraction de la cornée
est supposé homogène et constant, quelle que soit la cornée.
De plus,
la face antérieure de la cornée ne doit pas trop s’écarter de la
géométrie habituelle.
La mesure de l’élévation de la face postérieure
est calculée à partir des rayons lumineux de la fente qui ont traversé
le dioptre cornéen antérieur.
La géométrie de la face antérieure de la
cornée influence donc le trajet de ces rayons et un algorithme doit
prendre en compte cette déviation.
Une modification de la géométrie
de la face antérieure (chirurgie réfractive cornéenne, kératocône…)
ou de l’indice de réfraction (variation de l’hydratation, oedème…)
modifie la déviation, et est susceptible de retentir sur la mesure de
l’élévation de la face postérieure, et donc sur la pachymétrie.
Malgré
de nombreux avantages, cette méthode optique de pachymétrie
présente certaines limites.
La fiabilité de la mesure diminue en cas
de diminution de la transparence cornéenne, et quand on s’éloigne
des conditions physiologiques (lasik).
* Carte de profondeur de la chambre antérieure
:
La carte de profondeur de la chambre antérieure est calculée
directement par l’utilisation des coordonnées de la face postérieure
de la cornée et de la face antérieure de l’iris ou du cristallin.
Il est
possible de prendre en compte ou non dans la mesure de la
profondeur de la chambre antérieure, l’épaisseur de la cornée
(epithelium ou endothelium).
La direction utilisée pour la mesure peut
être celle de l’axe visuel (axial depth).
Le mode normal depth a
l’avantage de donner une mesure indépendante de l’orientation de
l’axe, mais l’interprétation est plus difficile car la direction de la
mesure est variable.
Pour chaque point de la surface, la direction
choisie est alors celle du faisceau réfracté provenant d’un faisceau
incident orthogonal à la surface antérieure de la cornée.
4- Utilisation de plusieurs examens
:
Il est possible pour un même patient de comparer deux examens
différents (préopératoire et postopératoire par exemple).
Les deux
examens sont représentés avec la même échelle, et dans le cas des
cartes d’élévation, une même surface de référence peut être utilisée.
La soustraction des deux examens permet la création d’une carte
différentielle qui favorise la visualisation des différences.
Il
est possible, en sélectionnant plusieurs examens d’un même patient,
de créer un nouvel examen « moyen » (mode average).
5- Données numériques
:
Les résultats de l’Orbscan peuvent être également exprimés de façon
quantitative par une carte numérique rarement utilisée.
Les
différentes cartes de l’Orbscan apportent une grande quantité
d’informations.
La valeur de certains points particuliers ou la
moyenne de certaines régions particulières et des indices permettent
de résumer les principales caractéristiques de la cornée
(astigmatisme, pachymétrie, irrégularité, asphéricité…).
Enfin, en
positionnant le curseur, il est possible de connaître la valeur exacte
d’une grandeur de n’importe quel point de la carte.
Enfin, l’Orbscan
fournit de nombreux et divers paramètres concernant les propriétés
morphologiques (élévation, pachymétrie, données biométriques…)
ou optiques de la cornée ou de la chambre antérieure de l’oeil, dont
beaucoup appartiennent encore au domaine de la recherche.
6- Carte « Quad Map »
:
L’option Quad Map s’affiche par défaut après acquisition ou
ouverture d’un examen.
Cette option fournit quatre cartes avec les
principales valeurs numériques qui résument les caractéristiques de
l’oeil.
Les quatre cartes sont l’élévation antérieure,
l’élévation postérieure, la pachymétrie, ainsi qu’une carte de
courbure, similaire aux cartes obtenues avec la vidéokératoscopie.
La carte de courbure permet l’apprentissage de l’interprétation des
cartes d’élévation et favorise la transition entre la vidéokératoscopie
et l’Orbscan.
Il est possible de modifier la sélection initiale en
choisissant d’autres cartes.
Pour chaque carte, l’échelle et son pas
sont indiqués.
Pour les cartes d’élévation, le rayon de courbure des
deux sphères de référence (best fit sphere) et la puissance
correspondante sont donnés.
Une kératométrie simulée (sim K), avec la valeur du cylindre, les
puissances et les axes des deux méridiens principaux, est calculée à partir des données du Placido et des données de la fente.
Les
caractéristiques de la face antérieure de la cornée, calculées par
l’algorithme non méridional à partir des données acquises par le
balayage de la fente, sont indiquées.
Les moyennes de la puissance
moyenne (mean power), du cylindre (astig power), de l’irrégularité
(irreg) et des axes des méridiens principaux (steep axis et flat axis),
ainsi que leurs écarts types respectifs sont calculés dans les aires des
3 et 5 mm centraux.
Les autres données présentes par défaut sont le diamètre cornéen
moyen (white-to-white), le diamètre pupillaire moyen, la valeur du
point d’épaisseur minimale (thinnest) avec ses coordonnées (x, y), la
profondeur centrale de la chambre antérieure (anterior chamber depth)
calculée depuis l’épithélium (ACD epi), l’angle Kappa et les
coordonnées de son intersection avec la surface cornéenne
antérieure.