An accessible approach for corneal topography

Abstract

Corneal topography consists of measuring the corneal shape, which is a key factor for visual acuity. The exam is used, for instance, in keratoconus detection, personalized contact lens fitting, in pre- and post-procedures associated with refractive surgery and corneal transplants. This thesis presents an accessible, inexpensive and portable approach to perform corneal topographies. The results obtained with our prototype show a mean difference of about 0.02 millimeters, equivalent to 0.5% of the mean corneal radius, when compared to topographies acquired with a commercial device. Our approach is based on Placido’s disks, a set of concentric disks that are placed in front of the patient’s eye and reflected on the cornea. Observing the deformation of the projected pattern, one can identify some refractive conditions (e.g., astigmatism, keratoconus) and estimate the patient’s corneal topography. We have built a clip-on device to be used with a cell phone to emit the patterns, which are then captured by the cell phone camera. We use a software pipeline to enhance the images, segment the patterns, associate the emitted pattern with the captured one to sample the signal, and finally estimate the corneal surface. The estimated shape is then decomposed using Zernike polynomials in components with specific optical meanings. We have evaluated the results obtained with our prototype in three ways: visual inspection of keratoscopies, keratoconus detection, and comparison with the results produced by a commercial corneal topographer. According to such analysis, our device can be used for screening of individuals with keratoconus, and to obtain corneal topographies with 0.02-millimeter differences with respect to the results obtained with a commercial corneal topographer.

Topografias da córnea consistem em medir a forma da córnea, que é um fator chave para a acuidade visual. O exame é usado, por exemplo, na detecção de ceratocone, ajuste personalizado de lentes de contato, e pre e pós procedimentos associados com cirurgias refrativas e transplante de córnea. Esta dissertação apresenta, uma abordagem acessível e portátil para realizar topografias da córnea. Os resultados obtidos com o nosso protótipo mostram uma diferença média por volta de 0.02 milimetros, equivalente a 0.5% do raio médio da córnea, quando comparadas com topografias adquiridas com um topografo comercial. Nossa abordagem é baseada no disco de Plácido, a um conjunto de círculos concêntricos que são colocados na frente do olho do paciente e refletidos na córnea. Observando a deformação do padrão projetado, podemos identificar algumas condições refrativas (e.g. astigmatismo, ceratocone) e estimar a topografia da córnea do paciente. Nós construimos um dispositivo para ser utilizado com um celular para emitir os padrões, estes são então capturados pela câmera do celular. Nós usamos um sequência de procedimentos para melhor as imagens, segmentar os padrões, associar o padrão capturado com o emitido para amostrar o sinal, e finalmente estimar a superfície da córnea. A forma estimada é então decomposta, usando-se os polinômios de Zernike, em componentes com significado ótico específico. Nós avaliamos os resultados obtidos com o nosso protótipo de três maneiras: inspeção visual de ceratoscopias, detecção de ceratocone, e comparação com os resultados produzidos por um topográfo de córnea comercial. De acordo com essa análise, nosso dispositivo pode ser utilizado para o exame de indivíduos com ceratocone, e obter topografias com 0.02 milimetros de diferença em relação aos resultados obtidos com um topógrafo comercial.