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Pupille

Pupille : généralités

La pupille irienne

La pupille de l’iris est le diaphragme optique de l’œil. Cette ouverture central et de pourtour circulaire délimite un disque au travers duquel s’effectue le trajet des rayons lumineux réfractés par la cornée à destination de la rétine. La pupille apparait comme un disque noir, de diamètre variable, globalement concentrique à la cornée. Les variations du diamètre de la pupille irienne expliquent que la pupille joue le rôle d’un diaphragme optique naturel, permettant de contrôler le flux de lumière incident et affectant les propriétés optiques de l’oeil (variations de la qualité de l’image rétinienne).

pupille iris

La pupille est l’orifice qui perfore l’iris en son centre. Chez l’homme, son pourtour est circulaire. Le diamètre de la pupille varie entre 2 et 8 mm environ, en fonction de divers facteurs (intensité lumineuse, émotions, etc.).

La couleur de l’iris varie selon les individus et donne la « couleur » des yeux. Les iris non faiblement pigmentés sont bleus, les iris fortement pigmentés sont marrons. Les iris moyennement pigmentés apparaissent gris ou vert. Rappelons que la couleur « bleue » n’est pas liée à un mécanisme d’absorption sélective des radiations colorées, mais à la diffraction sélective des courtes longueurs d’onde (perçues comme bleues) par le tissu irien (ce mécanisme explique également la couleur bleue du ciel).

La taille de la pupille irienne est sous l’influence de deux muscles dont les effets sont opposés (muscles antagonistes) : le sphincter pupillaire, et le dilatateur pupillaire. Le sphincter pupillaire est un muscle lisse annulaire situé autour du bord de la pupille irienne. Il est innervé par des fibres émanant du 3e nerf crânien (nerf oculo-moteur) : ces fibres font relais dans le ganglion ciliaire.

Le dilatateur pupillaire est constitué par des fibres radiaires qui s’étendent du bord pupillaire au corps ciliaire. Il est innervé par des rameaux du nerf sympathique, qui font relais dans le ganglion cervical supérieur. La contraction de ce muscle provoque la dilatation pupillaire.

Le pourtour de la pupille vu de face est globalement circulaire : certaines affections peuvent modifier cet aspect. La persistance d’un accolement entre l’iris et le cristallin (synéchie) entraîne par exemple une déformation de la forme de la pupille. Il existe diverses formes de pupille dans le monde animal (voir pupilles animales), aussi la forme circulaire de celle de l’oeil humain d’est pas universelle !

De nombreuses affections neuro ophtalmologiques induisent une anomalie de la constriction et/ou de la dilatation de la pupille. Cette page concerne surtout les aspects fonctionnels importants à connaître en optique physiologique, et chirurgie réfractive.

Pupille d’entrée, pupille de sortie

La pupille est généralement observée au travers de la cornée ; elle correspond à la pupille d’entrée, qui est l’image formée par la cornée de la pupille « anatomique » . Cette image est plus antérieure et légèrement magnifiée (environ 13%) – voir calcul du diamètre de la pupille d’entrée par la formule de vergence. La pupille de sortie correspond à l’image de la pupille anatomique vue à travers le cristallin (magnification : environ 3%).

Durant l’accommodation, la pupille irienne subit un léger déplacement antérieur, sous l’effet du bombement du cristallin : environ 0.4 mm.

La pupille irienne d’entrée est utile à la définition de l’axe pupillaire: il relie le centre de la pupille avec un point situé à la surface de la cornée, et pour lequel le plan tangent à la cornée et passant par ce point est perpendiculaire à cet axe. L’axe pupillaire peut être identifié en faisant fixer au sujet une source lumineuse ponctuelle, jusqu’à ce que l’image du reflet de celle-ci apparaisse située au centre de la pupille. La ligne reliant la source au centre de la pupille définit alors l’axe pupillaire.

Position de la pupille

L’absence de centrage sur l’axe optique de l’œil est l’une des particularités des pupilles humaines. En moyenne, le décalage de la pupille vis-à-vis de l’axe optique est de 0.5 mm. Le cercle limbique, ou le vertex cornéen sont des repères pratiques pour repérer le centre de la pupille irienne. Le centre de la pupille est situé en temporal du vertex pour la grande majorité des yeux humains (autrement dit, le vertex se projette dans la portion nasale de la pupille).  La position du centre pupillaire peut varier en fonction de la taille et des mouvements de la pupille ; l’amplitude de ces mouvements peut atteindre quelques centaines de microns. La pupillométrie dynamique permet de repérer les mouvements de la pupille, qui sont enregistrés vis-à-vis d’une référence fixe ( : limbe scléro cornéen, ou vertex cornéen).

Examen de pupillométrie : le vertex est par convention le centre du repère cartésien dans lequel est localisé le centre de la pupille. L’éclairage variable permet de faire varier le diamètre de la pupille (photopique : fort éclairement, mésopique : faible éclairement). Le centre de la pupille se déplace vis-à-vis du vertex lors des mouvements pupillaires: on parle de shift pupillaire.

Examen de pupillométrie : le vertex est par convention le centre du repère cartésien dans lequel est localisé le centre de la pupille. L’éclairage variable (lumière visible) permet de faire varier le diamètre de la pupille (photopique : fort éclairement, mésopique : faible éclairement). Le centre de la pupille se déplace vis-à-vis du vertex lors des mouvements pupillaires: on parle de shift pupillaire. Le système d’éclairage et de camera infra rouge permet de continuer à éclairer et filmer la pupille sans en modifier le diamètre.

 

Taille de la pupille

Le diamètre de la pupille varie entre 2 mm (constriction maximale : myosis) et 8 mm (dilatation maximale : mydriase). Ceci correspond à une modification de la surface pupillaire d’un facteur 16.

Le diamètre de la pupille est sous l’influence de divers facteurs :

-Le degré d’illumination

Ce facteur est certainement celui qui détermine le plus la taille du disque pupillaire. Pour une même illumination (luminance de la scène observée), le diamètre pupillaire varie significativement d’un sujet à  l’autre. Quand la luminance augmente, le diamètre pupillaire se réduit, sous l’effet d’un mécanisme réflexe qui fait intervenir les cones et les batonnets de la rétine. Il existe une latence de l’ordre de 0.2 à 0.5 secondes avant que le diamètre de la pupille ne se réduise sous l’effet de l’illumination. Si la luminance diminue, l’augmentation du diamètre pupillaire s’effectue plus lentement que sa constriction.

Quand on éclaire la pupille d’un œil, la constriction réflexe directe intéresse également la pupille de l’autre œil : on parle de réflexe pupillaire consensuel.

L’étude du diamètre de la pupille (pupillométrie) dans l’obscurité est fonction des conditions de luminosité :

-scotopique quand seuls les bâtonnets sont actifs (il n’y a pas assez de lumière pour activer les cônes) : cette vision est de fait en niveaux de gris (pas de sensation colorée) et peut être caractérisée par un seuil d’éclairement inférieur à 0.05 lux

-mésopique : l’éclairement est compris entre  0.05 et 50 lux, ce qui permet une activité mixte des cônes et bâtonnets.

Les mesures peuvent être effectuées par différents instruments. Le pupillomètre de Colvard est un instrument destiné à mesurer le diamètre de la pupille grâce à un système de visualisation directe et d’un repère gradué en millimètre. Les mesures accomplies par les aberromètres et/ou topographe (OPDscan, Topolyzer Vario) semblent plus précises et reproductibles. Elles sont bien entendues affectées par les conditions d’éclairage utilisées dans la pièce où les mesures sont effectuées.

Les valeurs moyennes rapportées pour le diamètre pupillaire en condition de faible éclairage sont généralement comprises entre de 4.7 et 5 mm en conditions mésopiques et 5.8 à 7mm en condition scotopique: il est difficile d’établir des valeurs « standards », car les mesures sont influencées par la technique de pupillométrie utilisée, ainsi que les conditions d’éclairement lors des mesures.

-Accommodation et vision binoculaire

L’accommodation de l’œil pour voir nettement une cible rapprochée induit une constriction pupillaire réflexe ; cette réduction du diamètre pupillaire favorise la vision de près (augmentation de la profondeur de champ).

-Age

Le diamètre pupillaire tend à diminuer avec l’âge, ainsi que la réactivité pupillaire (Kadlhekova 1958 p227). Si la pupille peut se dilater jusqu’à 8 mm chez les adolescents ou jeunes adultes, elle peine à franchir le diamètre de 5 mm chez les sujets octogénaires. La réduction permanente du diamètre pupillaire à 1.5 ou 2 mm observée chez certains sujets âgés est appelée « myosis sénile ».

-Molécules pharmacologiques

Les produits qui produisent une dilatation de la pupille sont appelés « mydriatiques ». Ils peuvent agir en stimulant le système sympathique, ou en bloquant le système para sympathique. La dilatation de la pupille est nécessaire pour examiner le fond d’œil et la périphérie de la rétine. Elle est également requise pour certaines interventions chirurgicales dont la cataracte.  Ces agents entraînent également un blocage de l’accommodation ; on utilise cette propriété pour effectuer une mesure de la réfraction dite « sous cycloplégiques », qui est importante dans certaines circonstances cliniques (examen de la réfraction de l’enfant, bilan avant chirurgie réfractive). L’atropine bloque les récepteurs à l’acétylcholine, et induit une dilatation (mydriase) de la pupille.

A l’inverse, certains agents peuvent induire une contraction de la pupilles et sont appelés « myotiques »( ex : pilocarpine).

-Facteurs psychologiques et émotionnels

La joie, la surprise, la peur ou la douleur ont pour effet de dilater la pupille. Les visages de femmes sont jugés plus attirants quand leurs pupilles sont dilatées (Bull and Shead, Pupil dilation, sex of stimulus, and age and sex of observer. Perceptual and Motor Skills, 1979,49(1); 27-30). Le calcul mental et la concentration provoquent une dilatation pupillaire (Hess and Polt, Pupil size as related to interest value of visual stimuli. Science, 1960;132(3423):349-350)

 

effet du diamètre pupillaire sur la perception d'un visage

Ces visages sont parfaitement symétriques (retouche informatique). Le quel parait le plus attirant? Si vous êtes plus sensible au charme du portrait de droite, c’est probablement grâce à l’effet produit par la dilatation apparente des pupilles du modèle. En effet, le portrait de gauche est pourtant plus souriant, et ses traits légèrement plus fins…

 

Effets du diamètre pupillaire.

L’homme et les primates possèdent une pupille circulaire de diamètre variable. Il existe des formes de pupilles différentes dans le règnes animal: ovales, en fente, voire de forme plus complexe.

Pour obtenir une qualité optique optimale, le diamètre pupillaire de l’œil doit être compris entre 2 et 3 mm. En deçà  la qualité de l’image rétinienne risque de subir une dégradation liée à la diffraction. Au-delà, l’effet des aberrations de haut degré peut également réduire la qualité de vision.

Quand l’œil est atteint d’une amétropie (ex : myopie), la taille de la pupille influence également grandement la netteté des images perçues. Une myopie faible (ex : -0.50 D) affecte plus l’acuité visuelle quand le diamètre de la pupille augmente : ceci est principalement lié à l’augmentation de l’étalement de la tache de défocalisation dans le plan de la rétine.

La réduction du diamètre pupillaire augmente la profondeur de champ, car il diminue le diamètre de la tache floue rétinienne des cibles situées de part et d’autres du plan focal (et donc défocalisées). Les pupilles animales peuvent être asymétriques, c’est à dire plus étroites dans certaines directions que d’autres. La vision est favorisée dans les directions perpendiculaires à l’axe le plus étroit de la pupille.

Réponse pupillaire à la luminosité

Contrairement à une idée répandue, les variations du diamètre de la pupille ne permettent pas d’assurer un flux lumineux d’intensité constante vers la rétine. En effet, les variations de la surface pupillaire (surface collectrice) ne permettent que de faire varier d’un facteur 16 le flux lumineux (pour une variation de rayon de 2 à 8 mm, puisque la surface est proportionnelle au carré du rayon). A titre de comparaison, les variations de luminance auxquelles est exposé l’oeil humain varient dans une proportion de 100000, du clair de lune (0,01 cd/m2) à une journée ensoleillée (1000 cd/m2). Bien entendu, la luminosité ambiante exerce un effet sur le diamètre de la pupille, mais certains travaux suggèrent que les variations du diamètre de la pupille sont essentiellement destinées à optimiser l’acuité visuelle en fonction de l’acuité visuelle.

Pupille et chirurgie réfractive

Le rôle de la pupille vis-à-vis du risque de symptômes visuels indésirables (halos, glare, etc.) est controversé.

Lors de l’essor des techniques de photoablation au laser excimer (PKR) contemporain de l’abandon de la technique de kératotomie radiaire, certaines publications semblaient accréditer qu’une discordance entre le diamètre de la zone optique programmée et celui de la pupille pouvait résulter en la survenue de phénomènes visuels indésirables. A cette époque (début des années 90), les zones optiques étaient munies d’un diamètre souvent inférieur à 5 mm. Avec les progrès accomplis dans les systèmes de délivrance des lasers, les zones optiques programmées ont été élargies, et un travail a été accompli dans l’amélioration du design des zones de transition.

La nécessité de programmer une zone optique au moins aussi large que la pupille mesurée en conditions mésopiques (la zone optique est celle où la cornée est sculptée pour corriger le défaut optique de l’œil) est un a priori logique, pour éviter qu’une partie trop importante de la lumière incidente  et collectée par la pupille ne soit réfractée par une zone où la courbure serait inadaptée (raccord avec la zone non traitée, voir zone non traitée elle-même).

pupille zone optique schéma

Le diamètre de la pupille et celui de la zone optique doivent être de dimensions comparables: si la pupille est plus large que le diamètre de la zone optique, il existe théoriquement un risque accru de halos ou autres phénomène visuel parasite et indésirable. La courbure de la cornée augmente rapidement entre la périphérie de la zone optique et la zone non traitée après chirurgie de la myopie: cette augmentation de courbure induit une augmentation de la puissance locale (vergence) et peut aboutir à l’apparition de symptômes visuels gênants quand la pupille se dilate.

 

Toutefois, il existe certains effets qui pondèrent ce concept, comme l’effet de Stiles-Crawford.

 

Effet de Stiles-Crawford

Ce phénomène repose sur un modèle optique physiologique pour lequel  les photorécepteurs rétiniens agissent individuellement comme de petites « fibres optiques » : ce modèle est fondé sur l’aspect des segment externe des photorécepteurs, dont la longueur peut atteindre quelque dizaines de microns. La probabilité de capturer des photons incident est plus élevée si leur angle d’incidence est plus faible (et maximale si les photons ont un trajet parallèle à l’axe des photorécepteurs). Au-delà d’un certain angle d’incidence, la probabilité de capture s’amenuise. Ainsi, les rayons lumineux (qui matérialisent le trajet des photons) sont plus efficaces quand ils sont réfractés par le centre de la zone optique que par la périphérie de celle-ci. Il a été cependant démontré que les bâtonnets sont extrêmement sensibles à la lumière (un bâtonnet peut réagir la stimulation d’un quantum d’énergie élémentaire soit un seul photon !). Néanmoins, le phénomène de Stiles Crawford a été vérifié expérimentalement (Baron WS, Munnerlyn C. Predicting visual performance following excimer photorefractive keratectomy. Refract Corneal Surg, 1992;8:355-362), et modélisé comme un « filtre d’apodisation », pondérant favorablement les rayons réfractés au centre de la pupille vis-à-vis de ceux réfractés par sa périphérie

 

Données de la littérature médicale

Une méta analyse (analyse exhaustive de tous les articles scientifiques publiés sur un même sujet au cours d’une période donnée) est parue récemment (Myung D, Schallhorn S, Manche EE. Pupil Size and LASIK: A Review. J Refract Surg. 2013 1;29(11):734-41). Elle établit qu’entre 2002 et 2013, 12 publications ont établi clairement qu’un large diamètre de pupille en conditions mésopiques ou photopiques n’était pas un facteur de risque pour la survenue de halos. Une étude a comparé les yeux opérés pour une zone optique programmée supérieure à leur diamètre pupillaire mésopique à ceux qui avaient une zone inférieure (a priori plus à risque) ; il n’a pas été mis en évidence de différence entre ces groupes (Villa et al. Night vision disturbances after successful LASIK surgery. Br J Ophthalmol, 2007;91:1031-1037). Le degré de correction effectué était en revanche un facteur prédictif de halos.  De même, la réalisation d’un LASIK avec utilisation  du laser femtoseconde et d’un traitement laser personnalisé réduit le risque de halos vis-à-vis du LASIK avec microkératome et traitement conventionnel (Schallhorn SC et al. Comparison of night driving performance after wavefront guided and conventional LASIK for moderate myopia. Ophthalmology, 2009;116:702-703).

Une seule étude a trouvé un lien entre diamètre pupillaire et risque de halos : la zone optique utilisée pour la correction des patients inclus dans cette étude était de 5.5 ou 6 mm (Hegelsen A et al. Pupil size and night vision disturbances after LASIK for myopia. Acta Ophthalmol Scand, 2004;82:454-460). Une autre étude a montré que les symptômes visuels indésirables après LASIK pouvaient être réduits par l’instillation d’acéclidine (agent myoptique, qui réduit le diamètre de la pupille en moyenne de 2.5 mm) (Randazzo et al. Pharmacological management of night vision disturbances after refractive surgery: results of a randomized clinical trial. J Cataract Refract Surg, 2005;31:1764-1772). Ceci n’est pas surprenant (réduction des aberrations optiques de haut degré), et montre uniquement que la réduction du diamètre de la pupille peut être utile pour réduire la perception de halos ou autres phénomènes visuels indésirables (mais pas qu’un large diamètre pupillaire expose plus à ces phénomènes).

 

En conclusion, il apparait qu’avec les techniques de photoablation utilisées pour le LASIK moderne, et des zones optiques supérieures ou égales à 6 mm, il n’y a pas de corrélation entre le risque de halos et le diamètre de la pupille en conditions mésopiques. En revanche, d’autres facteurs sont probablement à incriminer : la qualité du centrage,  de l’interface,  la réduction ou le maintien d’un taux d’aberrations optiques de haut degré physiologique.

 

 

 

 

 

 

 

2 réponses à “Pupille”

  1. Soso dit :

    Très intéressant ! Mais alors dans quels cas doit on choisir chez un myope une ZO de 7 mm ? Puisque a priori pas de correlation entre diametre pupillaire et halos ?

  2. Dr Damien Gatinel dit :

    Le choix de la zone optique est le plus souvent proche de 6.5 mm par défaut avec les laser excimers modernes. L’élargissement à 7 mm de la zone optique peut être indiquée dans certains cas (grandes pupilles, cornées épaisses etc.). Avec les lasers modernes (ex EC500), le risque de halos après correction de la myopie est assez faible en général.

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