Università degli Studi di Napoli Federico II

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1 Università degli Studi di Napoli Federico II Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Collegio di Scienze Dipartimento di Fisica Ettore Pancini Laurea triennale in Ottica e Optometria Regola di Scheimpflug in Optometria Relatore Prof. Paolo Russo Candidata Giulia Campana Matr. M44/155 Anno Accademico 2016/2017

2 A Mamma, Papà, Angela e Fabio.

3 Quando la determinazione cambia, tutto inizia a muoversi nella direzione che desiderate. Nell istante in cui decidete di vincere, ogni nervo e fibra del vostro essere si orienteranno verso quella realizzazione. D altra parte se pensate non funzionerà mai, proprio in quel momento ogni cellula del vostro essere si indebolirà, smettendo di lottare, e tutto volgerà verso il fallimento. Daisaku Ikeda I

4 Indice Introduzione Capitolo 1. La regola di Scheimpflug ed applicazioni in optometria La regola e la sua origine Applicazione della regola nelle misure biometriche e biomeccaniche Applicazione della regola nella gestione del glaucoma Applicazione della regola nella diagnosi del cheratocono Capitolo 2. Strumenti basati sul principio di Scheimpflug Caratteristiche dei dispositivi Tomografia corneale Conclusioni Bibliografia Ringraziamenti...32 II

5 1. Introduzione In questo elaborato viene descritto il principio di Scheimpflug e le sue applicazioni in campo optometrico. Nel primo capitolo focalizzerò l attenzione sulle origini del principio e sul suo aspetto teorico, e analizzerò le sue funzionalità e le sue applicazioni nelle misure biomeccaniche, nella gestione del glaucoma e nella diagnosi del cheratocono, patologie diffuse, che vanno diagnosticate e curate tempestivamente per evitare gravi conseguenze. Dall aspetto teorico passerò all aspetto strumentale, sottolineando l importanza di dispositivi basati sul principio di Scheimpflug per la misura della curvatura corneale e altre misure anatomiche del segmento anteriore, capaci di effettuare tomografia corneale, topografia corneale, pachimetria e tonometria, illustrandone le caratteristiche e l'efficacia nella misura dei parametri corneali e nella valutazione della pressione intraoculare. 1

6 Capitolo 1: La regola di Scheimpflug ed applicazioni in optometria 1.1 La regola e la sua origine Il principio di Scheimpflug è una regola geometrica che descrive l'orientamento del piano di messa a fuoco di un sistema ottico quando il piano dell'obiettivo è inclinato rispetto al piano di immagine. È comunemente applicato in fotografia, per la correzione di distorsioni di prospettiva. È anche il principio utilizzato nella pachimetria corneale e nella topografia corneale, per valutare il segmento anteriore dell occhio [1]. Il principio prende il nome dal capitano dell'esercito austriaco Theodor Scheimpflug ( ) (Fig. 1(D)), che lo ha utilizzato per elaborare un metodo per correggere la distorsione di prospettiva nelle fotografie aeree. In realtà non è stato lui a scoprire questa legge, ma è stata a lui attribuita perché l ha sostenuta con forza e l ha studiata in maniera approfondita [2]. Colui che l ha scoperta tutt oggi è ignoto; certo è che gli studi di Theodor Scheimpflug sono nati dai brevetti di Jules Carpentier di Parigi per il suo ingranditore. Carpentier nel suo brevetto del 1901 afferma che i negativi fotografici degli edifici alti soffrono generalmente di una distorsione delle linee verticali che convergono verso l alto. Questa distorsione può essere corretta con l utilizzo di un dispositivo in grado di inclinare contemporaneamente il piano della lente e quello dell immagine. Prima di riuscire nel suo intento, Scheimpflug ha seguito, all istituto tecnico di Vienna, corsi di fotochimica, fotogrammetria, matematica, meccanica, astronomia ottica, meteorologia, geografia, geometria, fisica e disegno; ciò che lo spinse ad approfondire studi riguardo la regola che oggi porta il suo nome sono state la passione per la fotografia e l intenzione di scoprire metodi pratici e strumenti opportuni per creare mappe basate sulle fotografie aeree. A sostenerlo e ad aiutarlo nelle sue ricerche sono stati il suo insegnante di fotogrammetria, 2

7 Eduard Dolezal, e il suo insegnante di geometria, E. Mayer. La Fig. 1(A) rappresenta la figura principale contenuta nel brevetto britannico di Scheimpflug del 1904 e illustra il sistema ottico di una lente [3]. A. B. C. D. Fig. 1: (A) Figura dal brevetto britannico di Theodor Scheimpflug, 1901: Sistema ottico di una lente [3]. (B) Zona di messa a fuoco dell immagine di un oggetto planare con piano oggetto non parallelo al piano immagine [1]. (C) Obiettivo basculante ( (D) Photo of T. Scheimpflug in

8 In Fig. 1(A), A rappresenta il piano oggetto, F I il piano focale anteriore della lente, h I il primo punto nodale della lente, h II il secondo punto nodale, F II il piano focale posteriore, e B il piano della pellicola. g 1 e g 2 rappresentano rispettivamente la prima e la seconda linea cardine, M I e M II rappresentano le linee di divisione per descrivere il comportamento di una lente spessa. Oltre agli approfondimenti teorici, Scheimpflug si dedicava ad esperimenti pratici: all epoca non esistevano aerei e le mongolfiere erano troppo costose, così, per riuscire nel suo intento, costruiva grandi aquiloni dotati di fotocamere panoramiche che effettuavano delle registrazioni sovrapposte. Dunque la regola è principalmente utilizzata in fotografia, con l uso di obiettivi basculanti (per mettere a fuoco più oggetti posti su un piano) (Fig. 1(C)) e nella fotografia architettonica, in cui un intera facciata obliqua deve essere messa a fuoco e ciò richiede una fotocamera le cui lenti possono essere inclinate. Oggi la regola è utilizzata anche in optometria, per la costruzione di strumenti che permettono di valutare la superficie anteriore e posteriore della cornea. In fotografia, il piano della lente, il piano dell'immagine (pellicola) di una fotocamera e il piano di messa a fuoco sono solitamente paralleli tra loro. Se un oggetto planare (come il lato di un edificio) non è parallelo al piano d'immagine, l immagine sarà messa a fuoco solo lungo la linea in cui interseca il piano di messa a fuoco, come illustrato nella Fig. 1(B) [1]. Un oggetto planare non parallelo al piano dell'immagine, può essere completamente a fuoco quando i prolungamenti del piano di immagine e del piano della lente, si intersecano in un punto attraverso il quale passa anche il piano di messa a fuoco, (come illustrato in Fig. 2). 4

9 A. B. Fig. 2(A). Punto di intersezione dei prolungamenti dei tre piani principali di una fotocamera [1]. (B) La regola di Scheimpflug in fotografia (da: J. Erdkamp, "Theodor Scheimpflug: the life and work of the man who gave us that rule", Photographica World, 3, 29-38, 2013). Bisogna regolare i piani in modo che il piano di messa a fuoco coincida con il piano dell oggetto ed è possibile farlo in due modi: o ruotando il piano dell'obiettivo o ruotando il piano dell'immagine. Ruotando l'obiettivo non viene alterata la prospettiva lineare, ma è necessaria una lente con un grande diametro del campo di vista (image circle) per evitare la vignettatura; ruotando il piano dell'immagine, si altera la prospettiva (ad esempio i lati di un edificio convergono), ma funziona con una lente con un campo di immagine più piccolo. La rotazione dell'obiettivo o della parte posteriore di un asse orizzontale è comunemente chiamata tilt e la rotazione su un asse verticale è comunemente chiamata swing. Il concetto deriva da semplici considerazioni geometriche e dall'applicazione della formula delle lenti sottili Gaussiane. In una rappresentazione bidimensionale, il piano dell'oggetto inclinato al piano dell'obiettivo è una linea descritta da:. 5

10 Per convenzione ottica, le distanze dell'oggetto e dell'immagine sono positive per immagini reali, in modo che la distanza dell'oggetto u aumenta a sinistra del piano dell'obiettivo; l'asse verticale utilizza la normale convenzione cartesiana, con valori sopra l'asse ottico positivi e quelli inferiori all'asse ottico negativi. La relazione tra la distanza dell'oggetto u, la distanza di immagine v e la lunghezza focale f delle lenti è data dall'equazione della lente sottile [1] : Quindi e sostituendo, L'ingrandimento m è il rapporto tra l'altezza dell'immagine yv e l'altezza dell'oggetto yu: Yu e yv sono di segno opposto, quindi l'ingrandimento è negativo. Dai triangoli analoghi di Fig. 3, l'ingrandimento riguarda anche le distanze dell'immagine e dell'oggetto, in modo che e quindi: 6

11 . Fig. 3: Piano dell'oggetto inclinato rispetto al piano dell'obiettivo. OP: piano oggetto; LP: piano della lente; IP: piano immagine; yv: altezza dell immagine; yu: altezza dell oggetto; u: distanza tra piano oggetto e piano lente; v: distanza tra piano lente e piano immagine [1]. L angolo tra piano di messa a fuoco e piano immagine ψ è tale che 7

12 Fig. 4 : Angolo tra piano di messa a fuoco (PoF) e piano immagine [1]. Dalla equazione della lente sottile: Sostituisco e ottengo: oppure: 8

13 Il rapporto tra gli angoli ψ e θ può essere espresso in termini di ingrandimento m dell oggetto sull asse ottico della lente. Dalla regola della cerniera (che descrive come ruota il piano di messa a fuoco), osservando la Fig. 4 si ha: quindi la distanza d è la lunghezza focale dell'obiettivo f. Il punto G è all'intersezione del piano focale anteriore dell'obiettivo con una linea parallela al piano dell'immagine. La distanza J dipende solo dall'inclinazione dell'obiettivo e dalla lunghezza focale dell'obiettivo e non è influenzata da cambiamenti di messa a fuoco. Quindi la distanza dall'intersezione di Scheimpflug a S varia in base alla modifica della messa a fuoco. Il piano di messa a fuoco ruota intorno all'asse G mentre il fuoco è regolato. Chiamiamo la distanza tra il punto di intersezione dei piani della fotocamera e il centro ottico della lente e la lunghezza focale dell obiettivo (Fig. 5) [3]; l inclinazione della lente rispetto al piano immagine sarà:. 9

14 Fig. 5: Inclinazione della lente rispetto al piano immagine [3]. 1.2 Applicazione della regola nelle misure biometriche e biomeccaniche Gli strumenti con tecnologia di visualizzazione corneale Scheimpflug permettono di misurare i parametri statici del segmento anteriore dell occhio nella pratica oculistica. In particolare esiste il dispositivo Corvis ST (Oculus, Germany), illustrato in Fig. 6, che è un tonometro senza contatto e pachimetro che utilizza un impulso d aria ad alta intensità per le misure biomeccaniche, dotato di una telecamera Scheimpflug ad alta velocità per valutare i cambiamenti di forma della cornea e analizzare le deformazioni causate dall alta intensità del soffio d aria. Corvis ST è uno strumento disponibile dal 2012, in grado di catturare 140 fotogrammi in circa 30 ms; in queste 140 immagini istantanee scattate durante il processo di deformazione, il software identifica il contorno anteriore e posteriore della cornea e 10

15 calcola dati specifici: le lunghezze assiali, i raggi di curvatura corneale, il volume corneale, le aberrazioni delle superfici della cornea, la profondità e il volume della camera anteriore, tutti parametri detti biometrici ; inoltre controlla la velocità della cornea durante la prima e la seconda fase, la distanza dei due apici corneali, quindi la distanza di picco, la lunghezza della corda in mm, e il valore del raggio di curvatura maggiore, oltre che i parametri biomeccanici quali spessore corneale e pressione intraoculare (IOP). E utilizzato per eseguire misure biomeccaniche della cornea nella diagnosi di glaucoma, del cheratocono, in chirurgia refrattiva e permette di distinguere cornee normali e patologiche (cheratocono, occhio secco ). Fig. 6: Il dispositivo Corvis ST, tonometro da tavolo a getto d aria (Oculus, Germany) [4]. 11

16 Tabella 1: Caratteristiche tecniche del Corvis ST (Oculus, Germany) [5]. Campo di misura Distanza di misura Velocità Punti di misurazione Fonte di luce Frequenza 6-60 mmhg 11 mm immagini per sec 576 per immagine ( per esame) LED blu (470 nm UV free) Hz Dimensioni (L x P x A) 270 x 520 x mm Peso 14 kg (30,8 libbre) Recenti studi [6] si sono concentrati sul rapporto tra i parametri specifici determinati dal Corvis ST e dati anatomici e biometrici del segmento anteriore ottenute da immagini Scheimpflug; gli esami sono stati effettuati presso il dipartimento di oftalmologia all università di Debrecen in Ungheria, su occhi sani di 43 volontari, 16 maschi e 27 femmine, con segmento anteriore e posteriore esaminati alla lampada a fessura. Per tutti gli occhi sono state catturate 3 immagini grazie all utilizzo del Corvis ST. Durante la registrazione i pazienti erano seduti con il mento sulla mentoniera e con la fronte contro il dispositivo. La IOP media era 15.37±0.97 mmhg. I dati ottenuti hanno dimostrato che esiste una correlazione significativa tra i dati cheratometrici e i parametri Corvis ST; i parametri Corvis ST sono influenzati da alcuni dati anatomici del segmento anteriore e può avere un ruolo parziale valutare questi parametri in occhi con segmento anteriore alterato. 12

17 1.3 Applicazione della regola nella gestione del glaucoma Il glaucoma è una malattia oculare dovuta generalmente a un aumento della pressione all interno dell occhio. La pressione intraoculare aumenta a causa dell ostruzione del canale attraverso il quale passa l umor acqueo per raggiungere la camera anteriore, nei pressi dell angolo irido-corneale. Ne consegue il danneggiamento del bulbo oculare a livello della testa del nervo ottico. I dispositivi basati sulla regola di Scheimpflug permettono di misurare la pressione intraoculare con un metodo senza contatto, quindi confortevole per il paziente. Il tonometro senza contatto Corvis ST rappresenta uno di questi strumenti; fornisce un metodo per valutare la risposta biomeccanica della cornea a un soffio d aria. Esso è dotato di una fotocamera Scheimpflug in grado di registrare 4330 fotogrammi al secondo. La cornea viene leggermente schiacciata dal getto e il tempo necessario ad applanare la cornea in funzione della forza del getto d aria fornisce i valori della IOP, che vengono mostrati su uno schermo digitale. Il soffio d aria è fornito con una pressione fissa sulla superficie corneale consentendo l acquisizione di 140 immagini in circa 31 ms. La risposta corneale al soffio d aria è inizialmente caratterizzata da un cambiamento conformazionale della curvatura corneale (Fig. 7), che si deforma fino a un punto di massima concavità e infine torna alla sua forma originale. Per la rilevazione della IOP lo strumento identifica tre parametri: 1) velocità di applanazione, 2) tempo di massima concavità, 3) distanza di picco [7]. Il valore della IOP rilevato tramite qualsiasi strumento esistente può essere influenzato dallo spessore corneale; infatti, nelle persone con cornea sottile si rileva una pressione oculare minore di quella reale e, viceversa, la pressione 13

18 appare superiore rispetto a quella reale negli individui con cornea spessa; per questo motivo può essere utile misurare la relazione tra spessore corneale e IOP. Il Corvis ST, come altri dispositivi Scheimpflug, permette anche di misurare lo spessore corneale. La pachimetria viene eseguita grazie ad una fotocamera Scheimpflug rotante che fornisce la ricostruzione dell immagine del segmento anteriore e posteriore della cornea in 3d, utile anche per la valutazione dell angolo irido-corneale che, se ostruito, provoca aumento della IOP e di conseguenza determina glaucoma. Quindi, con un unico strumento, è possibile valutare i tre parametri fondamentali per la rilevazione del glaucoma: la IOP, lo spessore corneale centrale (CCT) e l'angolo irido-corneale. E' dunque possibile studiare le varie proprietà biomeccaniche corneali con il vantaggio di un metodo senza contatto, comodo per il paziente, semplice per l operatore e ideale in situazioni in cui l esame risulti difficile per i pazienti che non tollerano la tonometria convenzionale (ovvero il classico metodo di misurazione della IOP a contatto in cui si esercita una pressione sulla cornea e si misura la resistenza del bulbo), o che hanno difficoltà nel posizionamento richiesto. Lo svantaggio è che non tutti gli strumenti forniscono gli stessi risultati, dunque sarebbe opportuno confrontare i dati ottenuti da vari dispositivi per accertarsi di avere ottenuto i giusti parametri. Fig. 7: Immagine catturata da un dispositivo Scheimpfluf della deformazione della cornea dovuta al getto del soffio d aria prodotto dal tonometro [6]. 14

19 1.4 Applicazione della regola nella diagnosi del cheratocono Il cheratocono è una patologia oculare in cui la cornea protrude in avanti e assume una forma conica. La topografia corneale è la tecnica sperimentale non invasiva per analizzare qualitativamente e quantitativamente la morfologia della cornea [8], che è responsabile di circa il 70% della capacità refrattiva dell'occhio; per questo motivo questo esame è di fondamentale importanza per una corretta valutazione dei difetti visivi dell'occhio oltre che della salute della cornea; è un esame di screening indicato in particolar modo a chi è affetto da cheratocono (di cui permette di valutare la gravità) e per i pazienti che devono essere sottoposti a chirurgia refrattiva o che hanno già affrontato un intervento con il laser. E' anche utile per studiare gli effetti delle lenti a contatto sulla cornea e per costruire lenti a contatto su misura. Si tratta di un esame non invasivo, senza contatto con il paziente e che non richiede l'uso di colliri. Durante l esame, il paziente è posto in una posizione comoda che consenta l'immobilità della cornea. Il topografo, dotato di un sistema di movimento controllato, è posto con il proiettore della mira luminosa e la fotocamera puntati verso la cornea. La topografia si ottiene per riflessione del disco di Placido (Fig. 8A), ovvero di un disco costituito da una serie di anelli concentrici bianchi e neri che, riflessi dalla superficie corneale anteriore (Fig. 8B), evidenziano deformazioni corneali o astigmatismi elevati [9]. L'immagine viene acquisita e passata ad un computer, poi viene confrontata con quella ottenuta da una cornea di forma standard. Il programma individua le differenze e riporta la forma della particolare cornea sotto analisi. Tramite l identificazione dei bordi degli anelli, ogni topografo utilizza un algoritmo di ricostruzione della curvatura corneale. I vari software hanno modi differenti di rappresentare la cornea del soggetto in esame. Solitamente, dati di altezza e pendenza derivati dalla curvatura 15

20 radiale della superficie corneale sono rappresentati da una serie di mappe cromatiche che seguono una scala di colori sviluppato dalla University of Louisiana [8]: le parti più piatte sono rappresentate con colori freddi mentre le parti più curve sono rappresentate con colori caldi (Fig. 8C). Fig. 8: (A) Dischi di Placido [10]. (B) Riflessione dei dischi di Placido sulla superficie corneale [11]. (C) Mappa cromatica della topografia corneale [12]: I colori freddi corrispondono alle curve piatte e valori di elevazione sotto la sfera di riferimento (blu o viola colori). I colori lievi corrispondono a valori medi di curvatura ed elevazione pari alla sfera di riferimento (verde o colori giallo). I colori caldi corrispondono a valori elevati di curvatura ed elevazione sopra la sfera di riferimento. Le Topografie corneali attuali si basano su una di queste tecnologie [8]: 1) sistemi basati sulla riflessione della luce sulla cornea (in cui gli anelli o dischi Placido con dimensioni e spaziatura note si riflettono sulla superficie anteriore della cornea. L immagine viene inizialmente catturata da una macchina fotografica digitale e poi elaborata da un computer); 2) sistemi basati sulla riflessione asimmetrica della luce multicolore LED (basati sullo stesso principio ottico di specchi convessi, ma in questo caso gli emettitori sono LED multicolore); 3) sistemi basati sulla proiezione di una luce fessura 16

21 sulla cornea (Fig. 9), in due varianti, ovvero con fotografia standard o basata sul principio di Scheimpflug, di seguito le differenze: - Nel sistema basato sul principio della fotografia standard o normale il piano della lente della telecamera si trova in parallelo con il piano dell'immagine (Fig. 10). Ciò significa che soltanto una piccola regione è focalizzata (i prolungamenti immaginari dei piani del film, della lente e del piano focale sono paralleli). Fig. 9: Proiezione della luce fessura sulla cornea [8]. Fig. 10: Sistema ottico a piani paralleli [8]. 17

22 - Nei sistemi basati sul principio di Scheimpflug, invece, il piano della lente della macchina fotografica è inclinato rispetto all'immagine. I prolungamenti immaginari dei piani del film, della lente e del piano di messa a fuoco non sono paralleli e si intersecano in un unico punto, quindi la regione a fuoco viene estesa e la nitidezza dell'immagine viene migliorata (Fig. 11). Fig. 11: Sistema ottico a piani non paralleli. I prolungamenti dei tre piani principali si intersecano in un punto (intersezione di Scheimpflug) per ottenere la completa messa a fuoco dell oggetto [8]. 18

23 Capitolo 2: Strumenti basati sul principio di Scheimpflug 2.1 Caratteristiche dei dispositivi I principali sistemi commerciali basati su questo principio sono Pentacam (OCULUS Optikgeräte GmbH, Germany), Galilei (Ziemer Ophthalmic Systems AG, Svizzera), Orbscan (Bausch & Lomb Incorporated, USA) e Sirius (CSO, Italia) [8], che offrono misure della curvatura corneale e altre misure anatomiche del segmento anteriore, e possono semplificare l identificazione di opacità del cristallino, e quindi della cataratta. Le immagini Scheimpflug sono utili per valutare anche l inclinazione della IOL o il decentramento dopo l intervento di cataratta. - Il Pentacam (Fig. 12): introdotto nel 2002, è dotato di due fotocamere, una rotante che cattura l immagine Scheimpflug ed una frontale utilizzata per valutare l apertura pupillare e per avere una ricostruzione tridimensionale della cornea. Tramite le immagini ottenute si può stimare la profondità della camera anteriore, il volume della camera anteriore e l angolo irido-corneale. L osservazione diretta dell angolo però non è possibile a causa della riflessione interna totale. Sistemi Scheimpflug, come il Pentacam, possono anche essere in grado di migliorare la valutazione della cataratta [7]. Tale dispositivo, infatti, può misurare la densitometria della lente con metriche specifiche che includono media densità e massima densità. Sulla base di queste misurazioni, lo strumento può essere equipaggiato con un software che assegna un grado della sclerosi nucleare su una scala 1-5 (Staging Pentacam nucleare o PNS). Inoltre, i parametri densitometrici del Pentacam sono stati correlati positivamente con aberrazioni di ordine superiore (HOA) ottenuti dall analisi del 19

24 fronte d'onda. Una considerazione di HOA può consentire ai medici di capire meglio il motivo per cui i pazienti con relativamente buona acuità visiva possono lamentare scarsa qualità della visione. Fig. 12: Il tomografo corneale Pentacam (Oculus, Germany) [13]. Tabella 2: Caratteristiche tecniche del Pentacam [14]. Fonte Luminosa Velocità blue LEDs (475 nm UV-free) 50 immagini in 2 secondi Dimensioni (HxWxD) 535x 280x 360mm Peso Curvatura 9 kg 3 38mm \ 9 99D Precisione ± 0.2D Riproducibilità ± 0.2D Distanza di lavoro 80 mm 20

25 - Il Galilei (Ziemer Ophthalmic Systems AG, Port, Switzerland) (Fig. 13): Diverso da altri dispositivi di topografia e tomografia che allineano i dati all'apice della cornea, è brevettato per correggere i movimenti degli occhi. Grazie al riallineamento delle mappe allinea tutti i dati sull'asse visivo. Questo assicura un allineamento coerente quando si confronta una serie di misure consecutive nel tempo. [7] Fig. 13: Il tomografo corneale Galilei (Ziemer Ophthalmic Systems AG, Switzerland) [15]. Tabella 3: Caratteristiche tecniche del Galilei [16] Numero di anelli 20 Velocità di misurazione 60 immagini in 1 secondo Numero di punti misurati Fino a Illuminazione Scheimpflug Illuminazione Placido Copertura della mappa visualizzata Blue LED (UV-free) 470 nm NIR (near-infrared) LED 750 nm max. 10 mm 21

26 - L'Orbscan (Bausch & Lomb Inc., USA), introdotto in commercio nel 1995, è stato il primo dispositivo commerciale che ha permesso di esaminare la superficie corneale posteriore, in modo non invasivo e veloce (Fig. 14). Questo sistema fornisce diverse mappe della superficie corneale anteriore e posteriore, ed anche dati pachimetrici. Proietta 40 travi a taglio (20 nasali e 20 temporali) del segmento anteriore ad un angolo di 45 dall asse della telecamera [7]. Affinchè cornea, iride e lente siano a fuoco, il piano d immagine della telecamera è inclinato per soddisfare la condizione di Scheimpflug. Fig. 14: Orbscan, topografo corneale (Bausch & Lomb Inc., USA) [17]. Tabella 4: Caratteristiche tecniche dell Orbscan [18] Numero di anelli 40 Sistema di scansione a fessura Numero di punti misurati Il sistema di monitoraggio - 20 R, 20 L: 40 scansioni - 0,7 secondi - angolo di 45 gradi 9600 punti totali misura l'occhio in movimento 22

27 - Il SIRIUS (CSO srl, Scandicci, Italia) (Fig. 15): è un avanzato sistema disponibile per l esame del segmento anteriore dell occhio. E uno strumento prodotto in Italia, di elevata precisione, dotato di una telecamera rotante 3D (Scheimpflug camera) e di un disco di Placido, fornisce una completa analisi dell intera cornea e del segmento anteriore e risulta indispensabile per la diagnosi e per la valutazione pre e post operatoria ai fini della chirurgia refrattiva e della cataratta [19]. La ricostruzione delle immagini di Scheimpflug è in grado di fornire dati accurati di altimetria e di spessore, ma è insufficiente per il calcolo di curvature e poteri con una accuratezza elevata; d altro canto, la tecnologia a riflessione può dare solo informazioni parziali, non essendo in grado di misurare la superficie posteriore e misurando la superficie anteriore con una copertura limitata. Il Sirius supera tali limitazioni unendo i dati forniti dai dischi di Placido a quelli derivati dalle immagini Scheimpflug. E dotato di un sistema di acquisizione guidato estremamente veloce, è in grado di calcolare la curvatura tangenziale e assiale delle superfici corneali, il potere frontale anteriore, il potere frontale posteriore e il potere equivalente dell intera cornea. Sirius fornisce mappe altimetriche con diverse superfici di riferimento, mappa di spessore corneale e di profondità della camera anteriore, modulo per l applicazione di lenti a contatto e modulo per il calcolo della lente intraoculare (IOL); esegue l analisi del fronte d onda corneale e della qualità della visione. E possibile mostrare contemporaneamente fino a sei mappe organizzate in un sommario standard o in tre sommari personalizzabili. Indici come quelli di Sommario, i K-readings, gli indici di analisi refrattiva, o quelli di forma sono disponibili per una rapida interpretazione o per un confronto nel tempo tra esami. Grazie alla combinazione di diverse rappresentazioni 23

28 morfologiche e attraverso specifici indici con specifici intervalli normativi questo sommario aiuta nella diagnosi del cheratocono anche in stadi molto avanzati. L analisi aberrometrica offre una overview completa delle aberrazioni corneali.; un modulo di pupillografia completamente integrato con la topografia consente la misura della dimensione e del decentramento pupillare in luce controllata scotopica (0.04 lux), mesopica (4 lux), fotopica (50 lux) e dinamica. E disponibile un modulo di autofit per la ricerca e la simulazione di lenti rigide in un database contenente la maggior parte dei costruttori italiani ed internazionali. Con questo strumento è possibile registrare un filmato dalla telecamera centrale e misurare il gap temporale fra due fotogrammi, utile nella misura del tempo di rottura del film lacrimale. Fig. 15: Il tomografo\topografo corneale Sirius (CSO, Italia) [19]. 24

29 Tabella 5: Caratteristiche tecniche del Sirius [19]. Distanza di lavoro 80mm Numero di anelli 22 Numero di punti misurati Numero di punti analizzati oltre per la superficie anteriore e per quella posteriore Diametro area di cornea coperta Campo di diottrie misurate Accuratezza e precisione da 0,4 fino a 12 mm di diametro da 1 a 100 D ±0.25 D Alimentazione elettrica dello strumento mediante alimentatore esterno L'utilizzo di tecnologie topografiche corneali precedentemente descritte comporta la generazione di errori durante il processo di acquisizione dei dati, e si possono distinguere errori [8]: - intrinseci: derivati dalle apparecchiature stesse, ciò deve essere tenuto in considerazione nel trattamento e nell'analisi dei dati. Dunque, i dispositivi presentano limitazioni derivanti dagli errori di misura e digitalizzazione. - estrinseci: derivati da come l esaminatore gestisce il topografo, soprattutto durante l'avvicinamento e l'allineamento del sistema con l'occhio del paziente esaminato. Inoltre, si possono produrre errori estrinseci dovuti alla qualità del film lacrimale, oppure, alterazioni della trasparenza della cornea dovuta alla presenza di cicatrici corneali o leucomi, che possono compromettere la trasparenza della cornea, con conseguente ottenimento di mappe pachimetriche erronee; un altro errore estrinseco può essere dovuto alla collaborazione inadeguata del paziente; è necessaria una buona apertura palpebrale durante l'esame e inoltre, 25

30 l'esaminatore dovrebbe evitare la possibile riduzione del campo visivo causata dalle ciglia del paziente. I dispositivi attuali incorporano nuove tecnologie che forniscono un indice per valutare quantitativamente la qualità di ogni misurazione basata sugli errori estrinseci sopra descritti. Il processo di misurazione richiede ripetizioni in quei casi in cui i dati non soddisfano un criterio minimo di affidabilità standardizzata, o quando non è possibile eseguire una corretta interpretazione dei dati per una diagnosi corretta. I topografi attuali prevedono, tra le altre, le seguenti mappe [8]: Mappe cheratometriche di curvatura, che forniscono informazioni sulla curvatura in ogni punto della superficie corneale; Mappe di elevazione, ottenute confrontando la ricostruzione della superficie anteriore o posteriore corneale alla superficie più idonea; Mappe di spessore, che forniscono informazioni del punto di minimo spessore e la sua posizione al centro della cornea. 2.2 Tomografia corneale Tra gli esami che vengono effettuati con questi strumenti, la tomografia corneale è un esame non invasivo che analizza alcune caratteristiche ottiche della cornea, misura curvatura ed elevazione delle superfici corneali, spessore corneale, profondità della camera anteriore e angolo irido-corneale [20]. Si tratta dunque di un esame che viene utilizzato per studiare le anomalie della cornea e del segmento anteriore; permette di verificare se il paziente è idoneo alla chirurgia oculistica e di diagnosticare precocemente forme di ectasia corneale e di cheratocono sospetto; confrontando dati raccolti in più esami successivi è possibile studiare l evoluzione delle patologie; permette di effettuare l analisi preliminare e il follow-up postoperatorio di numerose procedure di correzione chirurgica dei difetti visivi, come gli interventi che utilizzano il laser ad eccimeri, gli 26

31 interventi per l impianto di lenti fachiche da camera anteriore, o di anelli intrastromali; inoltre misura densità dell opacità del cristallino ed effettua il calcolo del potere della lente intraoculare nella chirurgia della cataratta. La tomografia con lampada di Scheimpflug consente di visualizzare, oltre che l elevazione e la curvatura della superficie anteriore, anche di quella posteriore della cornea, e fornisce una mappa tridimensionale, punto per punto, degli spessori corneali, sia centrali che periferici. Inoltre, con questo tipo di tomografia, le mappe altimetriche (Fig. 16A), ovvero di curvatura e di elevazione, non sono soggette alle irregolarità del film lacrimale, che, nella topografia per riflessione, spesso sono cause di risultati falsificati. E un esame privo di rischi, adatto a pazienti di qualsiasi età, anche ai bambini, purché siano in grado di collaborare ed è indicato in tutti i pazienti prossimi ad un intervento. Prima di una tomografia corneale è necessario astenersi all uso di lenti a contatto per evitare modifiche della curvatura corneale che potrebbero falsare i risultati. In caso di scarso film lacrimale, e quindi di occhio secco, si possono utilizzare lacrime artificiali prima di sottoporsi all esame. Durante l esame, il paziente, seduto su di uno sgabello con fronte e mento appoggiati ad apposite strutture (Fig. 16B), deve fissare per pochi secondi una sorgente luminosa; nel frattempo una telecamera esegue una serie di scansioni luminose della cornea e un computer elabora le informazioni ricevute. 27

32 Fig. 16: (A) Tomografia corneale con rappresentazione delle mappe di curvatura ed altimetriche in paziente normale. [21]. (B) Posizionamento richiesto per l esame [22]. 28

33 Conclusioni In questa tesi ho esposto le mie conoscenze riguardo la regola di Scheimpflug, una regola geometrica che nasce in fotografia per la correzione di distorsioni delle immagini in prospettiva e per ottenere la completa messa a fuoco di oggetti non paralleli al piano dell obiettivo. Tale regola viene oggi utilizzata anche per la costruzione di strumenti utilizzati in optometria, per la valutazione del segmento anteriore e posteriore della cornea. L'applicazione della regola di Scheimpflug, associata ad opportune tecnologie, permette di ottenere una ricostruzione tridimensionale della cornea per la misura dei parametri corneali, per poter valutare l angolo irido-corneale e per misurare la pressione intraoculare, quindi utile nella gestione del glaucoma, nella diagnosi del cheratocono, nella valutazione della cataratta e in tutte le misure biometriche e biomeccaniche della cornea. Ho inizialmente riportato l origine della regola e la sua illustrazione teorica, e ho descritto i vari domini in cui viene applicata e le misurazioni che oggi ci consente di eseguire. Infine ho descritto gli strumenti su essa basati, specificandone la utilità, le differenze e le caratteristiche, e soffermandomi nella definizione della loro funzione principale, ovvero della tomografia corneale. In conclusione, nell'affrontare questo argomento di tesi ho avuto modo di osservare come la piena comprensione dei principi ottici, anche quelli forse meno noti come nel caso della regola di Scheimpflug, sia essenziale al fine di un corretto e consapevole utilizzo di strumentazione optometrica avanzata. 29

34 Bibliografia [1] (accesso effettuato il 22/05/2017). [2] J. Erdkamp, translated by John Marriage. Theodor Sceimpflug, the life and work of the man who gave us that rule, Photographica World 2012/13. Website: (accesso effettuato il 22/05/2017). [3] H. M. Merklinger, Scheimpflug's patent. Photo Techniques, Nov/Dec Website: (accesso effettuato il 22/5/2017). [4] (accesso effettuato il 24/05/2017). [5] (accesso effettuato il 22/05/2017) [6] G. Nemeth et al., Corneal biomechanical data and biometric parameters measured with Scheimpflug-based devices on normal corneas. Int J Ophthalmol, Vol 10, Website: (accesso effettuato il 22/5/2017). [7] A. T. Nguyen, T. Liu, and J. Liu, Applications of Scheimpflug imaging in glaucoma management: current and potential applications. J. Ophthalmol., Vol. 2016, (2016). Website: (accesso effettuato il 22/5/2017). [8] F. Cavas-Martinez et al. Corneal topography in keratoconus: state of the art. Eye & Vision, Vol. 3:5 (2016). DOI /s Website: (accesso effettuato il 22/5/2017). [9] (accesso effettuato il 24/05/2017). [10] (accesso effettuato il 24/05/2017). [11] (accesso effettuato il 24/05/2017). [12] (accesso effettuato il 24/05/2017). [13] (accesso effettuato il 24/05/2017). (accesso effettuato il 4/06/2017). 30

35 [14] df (accesso effettuato il 24/05/2017). [15] (accesso effettuato il 24/05/2017). [16] ormation.pdf (accesso effettuato il 24/05/2017). [17] (accesso effettuato il 24/05/2017). [18] (accesso effettuato il 24/05/2017). [19] (accesso effettuato il 22/05/2017). [20] (accesso effettuato il 22/05/2017). [21] TOMOGRAFIA_DEL_SEGMENTO_ANTERIORE-DETTAGLI (accesso effettuato il 22/05/2017). [22] (accesso effettuato il 22/05/2017). 31

36 7. RINGRAZIAMENTI Mi è capitato più volte di pensare che non sarei mai riuscita a raggiungere questo traguardo, e invece eccomi qui, felice più che mai, a prendermi un altra soddisfazione, forse la più grande. Vorrei ringraziare in primis le persone che mi hanno aiutata nella stesura della tesi e durante il mio percorso universitario, a partire dal professore Paolo Russo, una persona che stimo tantissimo, che mi ha dato la possibilità di approfondire l argomento di questa tesi che ho trovato davvero interessante e ho affrontato con grande entusiasmo e con un pizzico di ansia. Grazie prof, per la disponibilità, per la pazienza, per i consigli, per le ramanzine, per aver creduto in me, per aver cucito alla perfezione il mio abito da sposa. Ringrazio Angela e Alfonso, che mi hanno regalato lo strumento fondamentale per le mie ricerche e per la stesura della tesi: il pc. Vi voglio bene. Ringrazio mia cugina Laura, che mi ha dato una grossa mano nelle traduzioni, una persona che ammiro tanto, sempre gentile, disponibile, determinata, sorridente e bella! Ringrazio Nico e Rosaria, che hanno agevolato il mio percorso universitario ospitandomi durante i periodi di tirocinio e trattandomi davvero come una figlia. Ringrazio Maria Cannavale, perché è stato soprattutto grazie a lei che ho scelto di intraprendere questo percorso. Ringrazio Carol, Giuliana e Rosa, compagne di studi, con le quali ho condiviso momenti di panico e di sclero seguiti da momenti di gioia e soddisfazione per ogni esame che abbiamo affrontato. Ringrazio più di tutti i miei genitori, che mi hanno dato la possibilità di proseguire gli studi, che hanno creduto in me, che mi hanno sempre fatto sentire forte il loro amore, e soprattutto, mi hanno donato l amore dei miei fratelli, Angela e Fabio. Siete il cuore del mio cuore, vi amo! Vorrei ringraziare anche tutti i miei cugini e i miei amici che hanno arricchito la mia vita e mi hanno sempre dimostrato il loro affetto. In particolare, il mio fratellì Alessandro, per i preziosi consigli e per la piacevole compagnia durante gli interminabili viaggi verso l università. Giovanni e Leopoldo, perché anche dopo il liceo abbiamo continuato a studiare insieme, ci siamo sempre fatti forza a vicenda, e abbiamo goduto reciprocamente delle nostre vittorie. Antonio, l amico Briatz, sempre presente, sempre affettuoso, sempre sincero, sempre vi raggiungo. Il mio lupo Lucio, che solo guardandomi in un attimo riesce a capire cosa penso, cosa mi turba o mi rende felice. Susy e dondino, per i momenti di svago, per le risate, per l affetto che nel tempo non affievolisce mai. Tutti loro sono la famiglia che ho scelto, persone che ammiro, che amo, che mi fanno sentire sempre 32

37 protetta, insieme siamo cresciuti e ci stiamo realizzando come abbiamo sempre sognato. Siete preziosi, quando voi siete felici io lo sono di più. Mio cugino Antonio, che è sempre stato il mio esempio di forza! Giadina, in questi mesi di permanenza a Napoli è stata la mia ombra, mia ha coccolata, supportata e sopportata e mi ha resa il suo bradipo preferito. Candida, Enzo e i gemelli, perché mi fanno sempre sentire forte il loro affetto sincero. A chi ha incrociato il mio cammino, lasciandomi qualcosa di sé e prendendo un po' di me. Grazie di cuore a tutti, davvero. 33