Sensibilidad al contraste: definición, canales psicofísicos, relación con la agudeza visual, factores y uso clínico

1. Definición

• El contraste es la diferencia relativa de luminancia entre zonas de un estímulo. Para redes sinusoidales se usa el contraste de Michelson: C = (Lmáx − Lmín)/(Lmáx + Lmín), entre 0 y 1. Para letras sobre fondo se usa el de Weber: C = (L_letra − L_fondo)/L_fondo.

• El umbral de contraste es el contraste mínimo con el que un estímulo se detecta (o se identifica, en las pruebas de letras) con una probabilidad fijada.

• La sensibilidad al contraste (SC) es el inverso del umbral: SC = 1/C_umbral. Se expresa como número o en unidades logarítmicas (log SC). Umbral del 1 % → SC = 100 → log SC = 2,00; umbral del 0,56 % → log SC = 2,25; umbral del 100 % → log SC = 0.

• La función de sensibilidad al contraste (FSC) representa la SC frente a la frecuencia espacial (ciclos por grado, c/grado) de redes sinusoidales. Describe la visión de objetos de todos los tamaños y contrastes, no solo del detalle fino de alto contraste que mide la agudeza visual.

• Forma de la FSC fotópica: pasabanda («U invertida»): máximo hacia 3-5 c/grado, caída en frecuencias bajas por la inhibición lateral de los campos receptivos y caída en frecuencias altas por la óptica (MTF del ojo) y el muestreo de los conos; corta el eje (contraste 100 %) en torno a 50-60 c/grado.

• La SC define la frontera entre lo visible y lo invisible; desde 1860 se sabe que el umbral de contraste ronda el 1 % para una gran variedad de estímulos.

Fuente: Pelli DG, Bex P, «Measuring contrast sensitivity», Vision Research 2013;90:10-14, https://doi.org/10.1016/j.visres.2013.04.015; Díez-Ajenjo MA, Capilla P, «Spatio-temporal contrast sensitivity in the cardinal directions of the colour space. A review», Journal of Optometry 2010;3:2-19, https://doi.org/10.3921/joptom.2010.2.

2. Teoría de canales psicofísicos

La teoría de canales sostiene que el sistema visual no analiza la imagen con un solo filtro, sino con varios mecanismos (canales) relativamente independientes, cada uno sensible a una banda limitada de frecuencias espaciales y de orientaciones. La FSC sería la envolvente de las sensibilidades de todos ellos.

2.1. Pruebas experimentales

• Análisis de Fourier de la visibilidad de redes (Campbell y Robson, 1968): el umbral de redes cuadradas, rectangulares o en diente de sierra depende solo de la amplitud de su componente fundamental; una red cuadrada no se distingue de una sinusoidal hasta que su tercer armónico (3f, con 1/3 de la amplitud) alcanza su propio umbral. Por tanto, f y 3f se detectan con mecanismos distintos e independientes.

• Adaptación selectiva (Blakemore y Campbell, 1969): tras mirar un rato una red de alto contraste, el umbral sube temporalmente hasta unas cinco veces, pero solo para frecuencias próximas a la de adaptación (ancho de banda de algo más de una octava a media amplitud) y para la misma orientación. Si hubiera un único canal, la pérdida afectaría a todas las frecuencias.

• Sumación subumbral: dos componentes de frecuencias muy separadas (por ejemplo f y 3f) se detectan prácticamente de forma independiente; dos componentes cercanas se suman.

• Enmascaramiento: una red enmascarante eleva el umbral sobre todo de las frecuencias y orientaciones próximas.

• Se modelan como un número reducido de canales con picos separados aproximadamente una octava; el ancho de banda de las células corticales en que se basan disminuye de unas 2,5 octavas en las frecuencias más bajas a 1 octava en las más altas. Su base fisiológica son las células de la corteza visual primaria (V1), selectivas a la orientación y a la frecuencia espacial.

2.2. Consecuencias

• La FSC no es la sensibilidad de un canal, sino la envolvente; un daño selectivo puede bajar la SC en una banda concreta.

• La percepción de la forma global depende de canales de frecuencias bajas y medias; el detalle fino, de los de frecuencias altas.

Fuente: Campbell FW, Robson JG, «Application of Fourier analysis to the visibility of gratings», Journal of Physiology 1968;197:551-566, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1968.sp008574; Blakemore C, Campbell FW, Journal of Physiology 1969;203:237-260, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1969.sp008862; Díez-Ajenjo MA, Capilla P, Journal of Optometry 2010;3:2-19, https://doi.org/10.3921/joptom.2010.2.

3. Relación con la agudeza visual

• La agudeza visual (AV) mide la resolución con contraste máximo: es el punto de corte de la FSC con el eje de frecuencias (la frecuencia más alta visible al 100 % de contraste). La FSC informa además de la sensibilidad en todas las frecuencias y contrastes.

• Equivalencia: AV decimal 1,0 (20/20; 0,0 logMAR; detalle de 1′) ↔ 30 c/grado; AV 0,5 ↔ 15 c/grado; AV 2,0 ↔ 60 c/grado. Frecuencia de corte ≈ 30 × AV decimal.

• Disociación: un paciente puede tener AV normal y SC reducida (catarata incipiente, glaucoma, neuritis óptica, esclerosis múltiple, retinopatía diabética, degeneración macular temprana, edema corneal, opacidades o halos tras cirugía refractiva, lentes intraoculares multifocales). Al revés, una ligera borrosidad reduce la AV y afecta poco a las frecuencias bajas.

• La SC predice mejor que la AV el rendimiento en tareas cotidianas: movilidad, reconocimiento de caras, conducción nocturna, lectura con baja iluminación, riesgo de caídas.

• Pruebas intermedias: la AV con optotipos de bajo contraste (por ejemplo al 10 % o al 2,5 %) evalúa el punto de la FSC en frecuencias altas con contraste reducido y es sensible a cambios que no altera la AV de alto contraste.

Fuente: Owsley C, «Contrast sensitivity», Ophthalmology Clinics of North America 2003;16:171-177, https://doi.org/10.1016/S0896-1549(03)00003-8.

4. Factores que la afectan

4.1. Factores del estímulo

• Frecuencia espacial: determina la forma pasabanda de la FSC.

• Luminancia media: al bajar la luminancia, la SC disminuye, el máximo se desplaza a frecuencias más bajas y la frecuencia de corte baja; en condiciones escotópicas la FSC se vuelve pasabaja. En las frecuencias bajas, por encima de cierta luminancia, el umbral de contraste no cambia con la luminancia (ley de Weber); en las frecuencias altas el umbral disminuye con la raíz cuadrada de la luminancia media (ley de De Vries-Rose), y la luminancia frontera entre ambas crece con el cuadrado de la frecuencia. Por eso cada prueba impresa especifica la luminancia a la que debe iluminarse.

• Frecuencia temporal y duración: la FSC espaciotemporal es pasabanda en el tiempo (máximo hacia 8-10 Hz con luminancia alta); las presentaciones muy breves reducen la SC.

• Orientación: la SC es algo menor para redes oblicuas que para horizontales y verticales (efecto oblicuo).

• Tamaño del campo y número de ciclos: la SC aumenta con el número de ciclos visibles hasta alcanzar un límite (sumación espacial).

• Excentricidad: al alejarse de la fóvea, la FSC se desplaza hacia frecuencias y sensibilidades menores.

• Visión binocular: la SC binocular es mayor que la monocular (sumación binocular, del orden de √2, unos 40 %).

4.2. Factores ópticos

• Desenfoque y astigmatismo: reducen sobre todo las frecuencias medias y altas.

• Aberraciones de alto orden (por ejemplo tras cirugía refractiva o en el queratocono): reducen la SC aunque la AV se mantenga.

• Difusión de la luz (scattering): catarata, edema u opacidades corneales, depósitos en lentes de contacto, opacificación capsular. Reduce el contraste de la imagen retiniana en todas las frecuencias, y más aún con deslumbramiento (velo de luminancia).

• Tamaño pupilar: las pupilas pequeñas aumentan la difracción y bajan la iluminación retiniana; las grandes aumentan las aberraciones.

• Lentes intraoculares multifocales: reparten la luz entre varios focos y reducen la SC respecto a las monofocales.

4.3. Factores neurales y del sujeto

• Edad: la SC disminuye con la edad, sobre todo en frecuencias medias y altas, por causas ópticas (miosis senil, aumento de la difusión del cristalino) y neurales. Con el test de Pelli-Robson la media monocular fue de 1,84 log SC en los grupos de 20 a 39 años y de 1,68 en mayores de 60.

• Enfermedad retiniana o del nervio óptico: glaucoma, neuritis óptica, esclerosis múltiple, DMAE, retinopatía diabética.

• Ambliopía: pérdida sobre todo en frecuencias medias y altas.

• Adaptación: una exposición prolongada a una red de alto contraste baja la SC en su banda (base de la teoría de canales).

• Atención, fatiga, aprendizaje y criterio de respuesta del observador; las pruebas de elección forzada reducen el efecto del criterio.

Fuente: Díez-Ajenjo MA, Capilla P, Journal of Optometry 2010;3:2-19, https://doi.org/10.3921/joptom.2010.2; Campbell FW, Kulikowski JJ, Levinson J, «The effect of orientation on the visual resolution of gratings», Journal of Physiology 1966;187:427-436, https://doi.org/10.1113/jphysiol.1966.sp008100; Campbell FW, Green DG, «Monocular versus binocular visual acuity», Nature 1965;208:191-192, https://doi.org/10.1038/208191a0; Mäntyjärvi M, Laitinen T, «Normal values for the Pelli-Robson contrast sensitivity test», Journal of Cataract and Refractive Surgery 2001;27:261-266, https://doi.org/10.1016/S0886-3350(00)00562-9; Haymes SA et al., Investigative Ophthalmology & Visual Science 2006;47:2739-2745, https://doi.org/10.1167/iovs.05-1419.

5. Uso clínico

5.1. Pruebas

• Pruebas de redes sinusoidales: obtienen la FSC en varias frecuencias con contraste decreciente. Las láminas VCTS y FACT presentan redes de 1,5, 3, 6, 12 y 18 c/grado y el paciente indica su orientación (inclinada a la izquierda, vertical o inclinada a la derecha); el CSV-1000 usa 3, 6, 12 y 18 c/grado y el paciente elige cuál de dos círculos contiene la red (elección forzada).

• Pruebas de letras:

• Pelli-Robson: letras grandes de tamaño constante y contraste decreciente, en grupos de tres (tripletes), dos por línea, ocho líneas (16 tripletes), con un descenso de 0,15 unidades log por triplete; se lee a 1 m; rango de 0,00 a 2,25 log SC. Evalúa la SC en frecuencias espaciales bajas-medias. Se puntúa el último triplete con al menos dos letras acertadas, o letra a letra: cada letra vale 0,15/3 = 0,05 log.

• Test de Mars: formato de bolsillo, letras de contraste decreciente en pasos de 0,04 log SC (de 0,04 a 1,92), visto a 50 cm. En sujetos normales de 22 a 77 años la media fue de 1,62 log SC (DE 0,06), con fiabilidad test-retest igual o mejor que el Pelli-Robson. Los valores normales no son intercambiables entre pruebas.

• Optotipos de bajo contraste (AV al 10 % y al 2,5 %).

• Pruebas informatizadas con métodos adaptativos y elección forzada (por ejemplo métodos bayesianos que estiman la FSC en pocos minutos).

• Pruebas con deslumbramiento (fuente de luz periférica) y medida de la luz difusa (straylight).

• Condiciones: mejor corrección refractiva, luminancia de la prueba controlada, distancia exacta, medida monocular y binocular, y comparación con normas propias de cada prueba y edad.

5.2. Aplicaciones

• Catarata: documenta la pérdida funcional (sobre todo con deslumbramiento) cuando la AV no la refleja y ayuda a valorar la indicación quirúrgica junto con la limitación funcional que refiere el paciente; las pruebas de sensibilidad al contraste y de deslumbramiento son complementarias de la AV.

• Cirugía refractiva y lentes intraoculares: valoración de la calidad visual (aberraciones, halos, LIO multifocales).

• Lentes de contacto: edema corneal, depósitos, comparación de diseños.

• Glaucoma y neuropatías ópticas: neuritis óptica y esclerosis múltiple (las cartas de bajo contraste son sensibles a la afectación con AV normal); la SC es menor en glaucoma y DMAE que en sujetos normales.

• Retina: DMAE, retinopatía diabética, distrofias.

• Ambliopía y neurooftalmología.

• Baja visión: la SC predice lectura, movilidad y reconocimiento de caras mejor que la AV y orienta la ayuda (iluminación, aumento del contraste, filtros, magnificación).

• Visión y tareas profesionales o conducción: sensibilidad al contraste y deslumbramiento en condiciones nocturnas.

Fuente: American Academy of Ophthalmology, «Cataract in the Adult Eye Preferred Practice Pattern», Ophthalmology 2022;129:P1-P126, https://doi.org/10.1016/j.ophtha.2021.10.006; Haymes SA et al., Investigative Ophthalmology & Visual Science 2006;47:2739-2745, https://doi.org/10.1167/iovs.05-1419.

Lo esencial para el examen

• SC = 1/umbral de contraste; umbral 1 % → log SC 2,00; Pelli-Robson llega a 2,25 log SC (umbral ≈ 0,56 %).

• Michelson (Lmáx − Lmín)/(Lmáx + Lmín) para redes; Weber para letras sobre fondo.

• FSC fotópica pasabanda: pico a 3-5 c/grado, corte a 50-60 c/grado; la caída en bajas se debe a la inhibición lateral y en altas a la óptica y al muestreo de conos.

• Teoría de canales: varios mecanismos independientes de banda limitada (picos separados ≈ 1 octava; ancho de 2,5 octavas en frecuencias bajas a 1 en altas) y selectivos a la orientación; la FSC es su envolvente.

• Campbell y Robson (1968): el umbral de una red cuadrada lo fija su fundamental; Blakemore y Campbell (1969): adaptación selectiva, umbral hasta 5 veces mayor, ancho de banda de algo más de una octava a media amplitud.

• La AV es el punto de corte de la FSC; AV 1,0 ↔ 30 c/grado.

• AV normal con SC reducida: catarata incipiente, glaucoma, neuritis óptica, esclerosis múltiple, diabetes, LIO multifocales, cirugía refractiva.

• Menos luminancia → menos SC y pico desplazado a frecuencias bajas; Weber en frecuencias bajas y De Vries-Rose (umbral ∝ 1/√L) en altas.

• Desenfoque afecta a frecuencias medias-altas; la difusión (catarata) a todas, y más con deslumbramiento.

• Efecto oblicuo; sumación binocular ≈ √2; la SC disminuye con la edad y la excentricidad.

• Pelli-Robson: tripletes, 0,15 log por triplete, 1 m, 0-2,25 log SC; normal ≈ 1,68-1,84 monocular según la edad.

• Mars: pasos de 0,04 log, 50 cm, normal ≈ 1,62 log SC; las normas no son intercambiables entre pruebas.

• VCTS/FACT: 1,5, 3, 6, 12 y 18 c/grado con respuesta de orientación; CSV-1000: 3, 6, 12 y 18 c/grado con elección entre dos círculos.

• Usos: catarata y decisión quirúrgica, cirugía refractiva y LIO, glaucoma, neuropatías ópticas, retina, baja visión, conducción.