Tom van den Berg fysicus; NIN/KNAW Amsterdam t.j.vandenberg@nin.knaw.nl

www.ioi.knaw.nl/ost, www.glare.eu

Strooilicht in het Oog

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 2

• Immediate blinding

• Differences between individuals of more than 10x found, depending on ocular condition

• Recovery time follows the primary effect

• Fatigue effects

• Shock/disorientation effects

Functie-effecten van verblinding

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 3

Everybody experiences a spreading of light around bright light sources.It deteriorates vision, because contrast is lost.

To what extent?

The seeming luminosity of the light spreading.

The problem

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 4

Verblinding ≡ Strooilicht(according to international standards as set by the CIE)

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 5

Commission Internationale d’Eclairage(CIE): Disability Glare ≡ Straylight

retinal straylight is caused by scattering of light in the optically imperfect optical components of the eye

Primary straylight contributors:

• normal eye• cornea• lens• sclera / iris• fundus

• increased in• cataract• corneal problems• refractive surgery• vitreous turbidity

4 straylight sources in the healthy eye

Point Spread Function (PSF)

stray light

no stray light

θ (deg)

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 6

Strooilicht kan worden gemeten met behulp van psychofysische technieken

It is characterized by the straylight parameter susually log(s) is given

typical values e.g.young normal eye log(s) = 0.87 (s = 7)

first signs of cataract log(s) = 1.5 (s = 30)(difference by a factor of 4 in straylight)

Point Spread Function (PSF)

stray light

no stray light

θ (deg)

Level = s

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 7

Hoe beinvloedt strooilicht het zien?

gesimuleerde beelden voor vroege lens-troebeling

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 8

4 x increased straylight

Intraocular light scatter increases retinal adaptation,which desensitizes the retina => GLARE

Older healthy eye, log(s)=1.0 Eye with (early) cataract, log(s)=1.6

Straylight effectsBlinding at night

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 9

Glare/Straylight effectsGlare is not restricted to twilight conditions

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 10

Glare/Straylight effectsContrast loss by retinal straylightThe signs in the NORI elevator

Normal 67y, log(s)=1.3 Early cataract, log(s)=1.6straylight difference of a factor of 2

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 11

Non-traffic related effectsAgainst-the-light face recognition

Young normal First signs of cataract,log(s)=1.4

Glare/Straylight effects

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 12

Kwantitatieve effecten

N.B. in geval van retinale aandoeningen vormtstrooilicht een dubbele handicap,

dit in tegenstelling tot de situatie bijgezichtsscherpteverlies door (lens)troebeling

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 13

5724001.8mild/medium

2371651.4preclinical

58400.8Young healthy79high beams

21141.8mild/medium

95.81.4preclinical

31.40.8Young healthy2.8DRL (daytime running light)

3.41.71.8mild/medium

20.71.4preclinical

1.20.170.8Young healthy0.34low beams

Contrast loss (factor)

Straylight luminanceIn cd/m2

Straylight parameter10log(s)

Eye condition(cataract stadium/cornea problem/vitreous opacity)

Illuminanceon the eyeIn luxOncoming

lights

The amount of contrast loss in typical traffic glare situations

Kwantitatief Strooilicht Effect

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 14

Populatie-waardes voor strooilicht

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 15

Glare/Straylight and healthy agingStraylight increases on average with age in healthy eyes (Visual

Acuity ≥ 1.0), but is highly individual dependent

Log

stra

ylig

ht p

aram

eter

Lo

g(s) .

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 16

0

0.5

1

1.5

2

2.5

20 30 40 50 60 70 80 90age

log(

s)

Data from the 2003-2004

GLARE study among 2422

European drivers

Frequently> 4x

increasedstraylight levels are

found.

Straylight among European drivers

danger zone for driving (at night) ?

straylight increase >4xcompared toyoung eye

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 17

danger zone for driving (at night)

straylight increase >4xcompared toyoung eye

OS

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Visual Acuity (logMar)

Sta

rylig

ht V

alue

(log

(s))

O

Visual acuity< 0.5

(<10/20)logMar>0.3

Data from the 2003-2004

GLARE study among 2422

European drivers

Frequently> 4x

increasedstraylight levels are

found.

Straylight compared to visual acuity. Often (early cataract) problems are missed by visual acuity

good 1.6 1.0 0.5 badDecimal visual acuity

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 18

Hoe meten we het (functionele) strooilicht?

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 19

behoefte aan een praktisch meetinstrument voor strooilicht / verblindingsgevoeligheid

- Occupational testing. Pilots, driver licensing- FDA: standard as defined by driving simulation

- First complaints in early cataract development. Earlycataract surgery

- Refractive surgery effects on clarity of the cornea(functional effect of haze)

- Evaluation of corneal transplant procedures- Corneal dystrophies ect.- Contact lens induced changes

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 20

Direct compensation method

Stimulus ring(straylight source)

Test field

Assessment method for Glare/Straylight

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 21

Direct compensation methodfor retinal straylight assessment

Ring on: straylight on fovea (fixed)

Ring off: compensation light on fovea (variable)

L

t

L

t

On

Off

0 s

Direct Compensation

modulation in test field

Ret

inal

mod

ulat

ion No compensation

0 s

Direct Compensation

modulation in test field

Ret

inal

mod

ulat

ion No compensation

Stimulus ring(straylight source)

Test field withcounterphase

modulation

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 22

Compensation Comparison approach for clinical use

- Subject’s responses allow for estimation of psychometric curve for the comparison- Position of 50% point of psychometric curve gives straylight value

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

compensation light

retin

al m

odul

atio

n

modulation right

modulation lef t

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

compensation light

aver

age

scor

e

Compensation comparison

a

b

50%

Direct compensation

Subject’s task:Which test field flickers most?

Subject’s answer:Field with compensation: 1Field without compensation: 0

Two half fields, one with compensation flicker of different strengths

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 23

Oculus C-Quant

• Functional assessment

• Fixed set of stimulus presentations, 1.5 min. test duration

• Data suitable for analysis with robust statistical techniques, such as Maximum Likelihood estimators

• Data allow estimation of measurement reliability

Based on the Compensation Comparison method

Van den Berg et al. ARVO 2005Patent owned by Royal Academy

characteristics

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 24

normalpopulationvalues ± 2 s.d.

0.07 log units = typical measurement s.d.

0.3 log units

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 25

. .

0.3 log units = factor of 2 normalpopulationvalues ± 2 s.d.

Standard error for an individual measurement(0.07 log units = population average s.d.)

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 26

. .

0.3 log units = factor of 2normalpopulationvalues ± 2 s.d.

Standard error for an individual measurement(0.07 log units = population average s.d.)

log(s)=1.47 safe criterion value(0.6 log units increase = factor of 4)

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 27

Klinische voorbeelden

Relatieve onafhankelijkheid gezichtsscherpte en strooilicht

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 28

glasvochttroebelingpreop visus 0.4++strooilicht meer dan10-voudig verhoogd

. .

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 29

vitrectomiepostop visus 0.8strooilicht binnennormale grenzen

. .

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 30

Fuchs dystrofievisus 0.7strooilicht6x verhoogd

. .

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 31

na PKP vanwege Fuchsstrooilicht bijna normaal

. .

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 32

. .

Cataract preopvisus 0.7Straylight 8x increased

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 33

. .

Cataract postopvisus 0.9Straylight low age-normal

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 34

. .

pseudofaakbeperkte YAG openingOD visus 0.4++strooilicht >10x verhoogd

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 35

. .

litteken na ulcusOD visus 0.8+strooilicht sterk verhoogd

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 36

. .

onbegrepen klachtenOD visus 1.25strooilicht hoog normaal

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 37

. .

onbegrepen klachtenOS visus 1.25strooilicht net verhoogd

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 38

. .

ontevreden LASIK patientvisus 1.0Strooilicht 2.5x verhoogd

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 39

Resumé

•verblinding = (retinaal) strooilicht•wordt veroorzaakt door optische imperfecties •kan betrouwbaar worden gemeten•ook voor de praktische routine•is van belang voor functie uitoefening•is onafhankelijk van de gezichtsscherpte

Dank U

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 40

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

10 30 50 70 90

Age (years)

log

stra

ylig

ht p

aram

eter

OD phakic OD pseudo ref. norm + 2sd -2 sd

In pseudophakia straylight values often below that of the non-cataract age-peers Straylight lens

exchange?

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 41

0.4

0.7

1

1.3

1.6

1.9

2.2

2.5

10 20 30 40 50 60 70 80 90

age

log(

s)

mono ODmono OSdiffractive ODdiffractive OSage normalage normal +2SDage normal -2SD

Straylight values in pseudophakics compared to age-control values

Data from Dr R. Nuijts

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 42

Oculus C-Quant results on 17 subjects

• Repeatable (measurements #1 and #3 compared to #2; y = x line)

• Accurate (dashed line expected value with the BPM2 light scattering filter)

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

log(s) measurement #2

log(

s) m

easu

rem

ent #

1/#3

/#4

measurement #1measurement #3#4 with BPM2x=y#4 expected

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 43

danger zone for driving (at night)

straylight increase >4xcompared toyoung eye

OS

0

0.5

1

1.5

2

2.5

-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Visual Acuity (logMar)

Sta

rylig

ht V

alue

(log

(s))

O

Visual acuity< 0.5

(<10/20)logMar>0.3

Data from the 2003-2004

GLARE study among 2422

European drivers

Frequently> 4x

increasedstraylight levels are

found.

Straylight compared to visual acuity. Often (early cataract) problems are missed by visual acuity

good 1.6 1.0 0.5 badDecimal visual acuity

Oog en Werk, 6 Oktober 2006 TJTP van den Berg 44

********Healthy 80 year VA>0.8

********** (!)Pseudophakic 80 year

*****Vitreous turbidity (VA>0.7)One caseFish eye VA = 0.4

********Cornea dystrophy or edema (VA > 0.4)

*******keratoconus (CL problem)*******LASIK (high myopia….)

*********Early cataract (VA > 0.4)

********Healthy 65 year VA>0.8******Young normal

2.432x

2.116x

1.88x

1.54x

1.22x

0.91x

Log(s)Straylight increase

Rough indications of straylight values in different patient groups

Key: ***** = as a rule; ****= often; ***=regularly; **=occasionally; *=rare