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Quantité et qualité de vision : exploration

La qualité et la quantité de vision sont explorées par diverses « métriques ». Celles-ci correspondent à des mesures objectives ou subjectives, les mesures objectives se bornant à prédire la qualité de l’image rétinienne.

Acuité visuelle: généralités

Le lecteur débutant est invité à lire la page consacrée à ‘oeil et optique‘. Par ailleurs, une page plus spécialisée est consacrée à : l’acuité visuelle est ses rapports avec le pouvoir de résolution oculaire )
L’acuité visuelle exprime la capacité de l’œil à distinguer des détails d’une scène ou un motif visuel observé: plus ces détails sont « fins », et plus l’acuité visuelle est élevée.  L’acuité visuelle, souvent exprimée en dixièmes,  correspond au pouvoir séparateur de l’œil. En effet, distinguer des détails revient à les séparer, les voir comme des éléments distincts d’une scène. Il existe plusieurs tests d’acuité visuelle (de seuil, de détection, etc.). La mesure de l’acuité visuelle n’est qu’un des paramètres utilisés pour explorer la performance visuelle.

Cette page est essentiellement consacrée à des généralités concernant l’acuité visuelle définie en terme de pouvoir de résolution de l’œil, pour une cible à fort contraste (il existe d’autres types d’acuité visuelle comme l’acuité de détection, etc.). Quand on parle de « meilleure acuité visuelle corrigée », on suppose que l’œil est parfaitement corrigé pour un éventuel défaut optique (une myopie ou un astigmatisme provoquent une réduction de l’acuité visuelle). A l’inverse, l’acuité visuelle « non corrigée » (ou « sans correction ») correspond à l’acuité visuelle d’un œil sans correction optique. Il ne faut pas confondre dixièmes et dioptries. L’acuité visuelle peut être « monoculaire » (un seul œil, l’autre étant caché), ou « binoculaire » (deux yeux à la fois).

L’acuité visuelle s’exprime en France par un nombre de « dixièmes » ou une fraction : ex : 3/10 se dit « 3 dixièmes ». Il existe plusieurs types d’échelle, la plus courante étant appelée «échelle de Snellen». Elle est constituée de lettres (ou optotypes) de différentes tailles, de couleur noire sur fond blanc (le contraste est élevé). Plus les lettres (optotypes) sont petites, et plus les détails constitutifs de ces lettres sont difficiles à « séparer » par l’œil qui les observe. Il existe plusieurs types d’unité pour quantifié l’acuité visuelle (dixièmes, fractions, MAR, etc.), qui sont explicitées dans cette page et ses liens afférents.

Exemple d’échelle d’acuité visuelle (optotypes). L’échelle est en fraction numérique (à gauche) en unité log MAR (à droite)

Comme la distance d’observation influe sur l’acuité visuelle (si l’on s’approche de la cible observée, le grossissement des lettres rend plus facile leur identification car leur taille apparente grandit), il n’est pas judicieux de définir l’acuité comme une taille minimum de lettre discernée. Les « dixièmes » sont plutôt reliés à la notion d’angle apparent de l’optotype avec l’œil : cet angle permet de maintenir une proportionnalité entre la distance et la taille de l’optotype vu par l’œil.

Acuité visuelle : résolution maximale rétinienne théorique

Quelle est l’acuité visuelle théorique maximale (de séparation) de l’œil humain? Celle-ci dépend de facteurs biologiques et physiques.

Comme la définition d’une image dépend d’un nombre de pixels par unité de surface (et donc de la taille des pixels), la définition maximale (la finesse) de l’image rétinienne dépend du nombre d’éléments photosensibles par unité de surface  (densité de photorécepteurs rétiniens). Au centre de la fovéa (fovéola), la densité des photorécepteurs est maximale. Tous sont des cônes, jointifs et de pourtour hexagonal, dont la taille (diamètre) avoisine 2 à 2.5 microns, et la distance inter centre légèrement moindre, en raison de la nature hexagonale du pavage.

Rapportée à une longueur focale moyenne de l’œil humain (17 mm), cette taille de photorécepteurs permet d’échantillonner deux points qui sous-tendent un angle de 30 secondes d’arc (une demi minute d’arc, soit 1/(180x60x2= 0.00046) degré du rapporteur)… à condition que l’œil soit « optiquement parfait » (corrigé de tout défaut optique éventuel, limité alors par la seule diffraction). Dans ces conditions, chaque point forme une image distincte sur deux photorécepteurs non adjacents mais séparés d’un photorécepteur « non simulé ».

Certains facteurs physiques impliquent également une réduction de l’acuité visuelle maximale théorique. Si l’œil est théoriquement parfait, l’image d’un point sur la rétine ne peut toutefois être ponctuelle, et épouse la forme d’une tache focale appelée tache d’Airy (l’étalement de la lumière est provoqué par la diffraction au niveau des bords de la pupille). Le diamètre de cette tache est égal à 2.44x(longueur d’onde de la lumière)/Diamètre de la pupille.

Plus la pupille est large, plus le diamètre de la tache d’Airy est étroit. Pour un diamètre de pupille de 6 mm, le diamètre de la tache d’Airy est inférieur à 2 microns. Pour séparer deux points  sur la rétine, il faut que :

      1) Les taches focales d’Airy ne soient pas superposées

      2) Les images de ces taches d’Airy se projettent chacune sur un ou plusieurs cônes séparés d’un ou plusieurs cônes non stimulés

Quelles sont les conditions limites de ces deux pré-requis?

Critères de Rayleigh

1) Le critère de Rayleigh stipule que deux tâches d’Airy peuvent être considérées comme distinctes si elles sont séparées d’une distance au moins égale à leur rayon (soit 1.22x(longueur d’onde)/Diamètre de la pupille  – rayon angulaire exprimé en radian; l’obtention d’une valeur en micron (distance) nécessite l’utilisation de la distance focale de l’œil, soit 17 mm en moyenne). Dans les conditions propres au critère de Rayleigh, les taches d’Airy empiètent l’une sur l’autre, mais il est possible de distinguer deux « pics » d’intensité lumineuse.

Échantillonnage rétinien

Comme la définition d’une image dépend d’un nombre de pixels par unité de surface (et donc de la taille des pixels), la définition de l’image rétinienne dépend du nombre d’éléments photosensibles (photorécepteurs) rétinien. Au centre de la fovéa (fovéola), la densité des photorécepteurs est maximale. Tous sont des cônes, dont la taille avoisine un peu moins de 2 microns (pour les plus petits) à 2.5 microns en moyenne.

La fréquence d’échantillonnage de la mosaïque des cônes rétiniens est liée à la densité de ces cônes, qui est proche de 120 cônes par degré angle dans la fovéola (zone située au centre de la fovéa, où les cônes sont les plus fins). Le théorème de Nyquist prédit que le signal à échantillonner devra avoir une fréquence au plus égale à la moitié de la fréquence des cônes, soit 60 cycles par degré.

La résolution rétinienne théorique est proche de 30 secondes d’arc (soit 1/120e de degré). Elle est liée à la fois aux limites imposées par la diffraction (diamètre de la tache d’Airy) et la densité de photorécepteurs rétiniens. Cette densité est maximale au niveau de la fovéa, et pour les yeux les plus performants, on peut estimer que la distance minimale entre les centres de cônes simulés et séparés par un cône non simulé (pavage hexagonal) est au minimum de 2.5 microns. Deux points distincts auront des centres séparés d’une distance d’environ 2.5 microns : l’angle sous tendu dans ces conditions est proche de 0.5 minutes d’arc, et l’acuité visuelle correspondante égale à 20/10.

En pratique, l’œil humain présente parfois des densités de cônes plus faibles, ainsi que diverses « imperfections » (ex : aberrations optiques de haut degré), ce qui résulte en un pouvoir de séparation de l’œil (qui conditionne l’acuité visuelle maximale) des adultes souvent inférieur à 30 secondes d’arc, même quand on corrige l’œil avec les « meilleures lunettes ».

La réduction du diamètre pupillaire augmente la diffraction et donc le rayon de la tache d’Airy, mais réduit l’effet des aberrations optiques de haut degré;  les considérations théoriques énoncées précédemment sont ainsi modulées par divers facteurs. Ainsi, il a été choisi de fixer le pouvoir séparateur de l’œil à une minute d’arc pour définir l’acuité visuelle « normale ». Il faut comprendre ce seuil comme celui en deçà duquel on peut considérer que l’acuité visuelle est inférieure à la normale.

Optotypes et acuité visuelle

Par convention, on choisit une distance de 20 pieds (soit 6 mètres) pour servir de distance de référence afin de mesurer l’acuité visuelle.

Dans un angle d’une minute d’arc, on peut inscrire l’une des barres horizontales d’une lettre « E », à condition que celle-ci soit par exemple située à 6 mètres (20 pieds) de l’œil,et mesure 8 mm. La lettre E est constituée de 5 barres horizontales (3 noires, et deux blanches). La lettre s’inscrit donc dans un angle total de 5 mn d’arc. Chacune de ces barres peut être comprise comme l’élément d’un « cycle », et pour une acuité de 10/10, on pourrait inscrire 30 cycles dans un angle de 1 degré sous tendu par l’oeil (10/10 équivaut à résoudre une fréquence spatiale de 30 cycles par degré). La taille des optotypes est donc calculée en fonction de la distance où ils sont projetés (6 mètres) et l’angle sous lequel leurs détails doit être perçu.

Acuité visuelle, MAR, dixièmes et acuité Snellen

 Plus les lettres (optotypes) de l’échelle de mesure d’acuité sont petites, et plus les détails constitutifs de ces lettres sont difficiles à « séparer » par l’œil qui les observe. Comme la distance d’observation influe sur l’acuité visuelle (si l’on s’approche de la cible observée, le grandissement apparent des lettre rend plus facile leur identification car leur taille apparente grandit), il n’est pas judicieux de définir l’acuité comme une taille minimum de lettre discernée. Les « dixièmes » sont reliés à l’angle apparent de l’optotype avec l’œil : cet angle permet de maintenir une proportionnalité entre la distance et la taille de l’optotype vu par l’œil.

L’angle minimum de résolution acceptable pour un œil humain est de 1 minutes d’arc. Cet angle minimum de résolution est dénommé selon l’acronyme MAR (Minimum Angle of Resolution). L’acuité visuelle décimale est égale à l’inverse du MAR. Une acuité visuelle de 10/10 (angle minimum de résolution de 1 minute d’arc, soit 1/60e de degré) permet de « résoudre » une fréquence spatiale de 30 cycles par degré. En effet, dans ces conditions chaque élément constitutif du cycle (qui en comprend deux : un clair et un sombre) s’inscrit dans un angle de 1/(2×30)=1/60e de degré.

Dans les pays Anglo-saxons, l’acuité visuelle est exprimée comme un fraction dont le numérateur est fixe et égal à 20. Comment est calculé le dénominateur (200 pour une acuité de 20/200) ? Une acuité visuelle conforme à un angle de résolution minimal de 1 mn d’arc permet à une lettre dont les détails s’inscrivent dans cet angle et située à 6 m d’être identifiée. Si l’acuité visuelle est diminuée (par une myopie par exemple), l’angle de résolution minimal (MAR) augmente. Il faudra grossir la lettre pour qu’elle soit reconnue. Pour exprimer l’acuité visuelle correspondante, on assimile le dénominateur à la distance à laquelle cette lettre agrandie devrait être reculée jusqu’à être inscrite dans un angle de 5 mn d’arc. Par exemple, une acuité de 20/200 correspond à résoudre à 20 pieds (6 mètres) un « E » dont la taille est telle (26 mm) qu’il faut la reculer à 200 piers (60 mètres) pour l’inscrire dans un angle de 5 mn d’arc

 

Notation Snellen en fraction de l’acuité visuelle

Une acuité de 20/40 est meilleure qu’une acuité de 20/200, car elle permet de « voir » un E de 17 mm à une distance de 6 mètres (20 pieds), et il n’est besoin de reculer cette lettre qu’à 12 mètres (40 pieds) pour l’inscrire dans un angle de 5 mn d’arc.

Ces fractions peuvent être exprimées avec un autre numérateur (6 en mètres), ou converties en nos fameux « dixièmes ». 20/20 est ainsi égal à 10/10 (1 en notation décimale), 20/200 est égal à 1/10 (0.1 en notation décimale).

Telle est la signification de ces dixièmes d’acuité visuelle, qui sont l’expression décimale d’une fraction. La fraction est un rapport de distances, et cette fraction est la réciproque d’un angle minimal de résolution.

Il ne faut d’ailleurs jamais perdre de vue que l’acuité visuelle dépend de l’angle minimal de résolution (MAR). Cet angle de résolution minimale (Minimum Angle of Resolution) conditionne l’acuité visuelle. La réalisation de calculs de moyenne ou d’écart type portant sur des mesures d’acuité visuelle justifie l’utilisation d’une autre unité pour ces calculs statistiques: le log MAR.

 

2 réponses à “Quantité et qualité de vision : exploration”

  1. […] visuelle de loin va être réduite. Les dixièmes permettent justement de quantifier l’acuité visuelle en vision de loin  (ex : 10/10, 8/10, […]

  2. […] jours pour se régulariser. Ceci explique les fluctuations de la vision lors des premiers jours. L‘acuité visuelle non corrigée des patients opérés oscille généralement entre 8/10 et 10/10 au cinquième jour […]

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