Download S2-FiS10

El Ojo Humano: Nuestra Ventana Hacia el Exterior
Lizbeth A. Castañeda Escobar
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Luis Enrique Erro # 1, Sta. Ma.
Tonantinzla, Pue, México.
Email: [email protected]
RESUMEN
De los cinco sentidos que posee el ser humano, el sentido de la vista es aquel que nos permite
relacionarnos y conocer el mundo que nos rodea por medio de imágenes detectadas por el ojo. El ojo humano
como un sistema óptico, es un sistema compuesto de lentes con diferentes potencias e inmersos en un medio
con diferentes índices de refracción. Una de las componentes del sistema posee la mayor potencia, la córnea,
sin embargo, la potencia del cristalino debe ser considerada para evaluar al sistema completo de una manera
correcta. El ojo puede ser emétrope o amétrope si posee errores o aberraciones como formador de imagen o
no. De las aberraciones más comunes que el ojo experimenta son miopía, hipermetropía, astigmatismo,
aberración esférica y presbicia. Existen diferentes técnicas para el estudio del ojo humano. En éste trabajo
daré una breve revisión del funcionamiento de las partes del ojo desde el punto de vista fisiológicas y
ópticas, así como algunas técnicas para su evaluación.
1. INTRODUCCIÓN.
Los primeros estudios sobre el ojo y su relación con el cerebro se remontan a los trabajos de Alcméon de
Trotona en el siglo VI A.C. Probablemente, Herófilo de Alejandría (300 A.C) fue quien describió por primera
vez la retina. A partir del Renacimiento surgen los grandes anatomistas y con ello el conocimiento del
sistema visual se profundiza. Con la aparición de los microscopios en el Barroco, la estructura del sistema
visual en general y del ojo en particular se va dando a conocer. En el estudio desde el punto de vista de la
Óptica, los trabajos más importantes fueron principalmente por Hermann Van Helmholtz (1821-1894)
reportados en su libro Handbuch der Physiologischen Optik , éstos trabajos culminaron con los estudios de
Gullstrand, que le valieron el premio Nobel en Fisiología y Medicina en 1911.
En la naturaleza podemos distinguir tres tipos de ojos:
1) Los que reúnen luz y forman imágenes por medio de un sistema de lente única.
2) Los que utilizan esencialmente una disposición de facetas múltiples de lentes diminutas (Que entran
en canales muy parecidos a las fibras ópticas actuales)
3) Y los que funcionan de la manera más simple, con un pequeño agujero sin lente como una cámara
obscura.
Los sistemas visuales de lentes que se encuentran en la primera clase mencionada, se han desarrollado
de manera simultanea en tres tipos de organismos, en moluscos tales como pulpos, algunas arañas y los
vertebrados incluyendo al hombre. Estos poseen ojos cada uno formando una imagen individual continua
real en una pantalla llamada retina. Los ojos compuestos de facetas múltiples se desarrollaron entre los
artrópodos, animales de cuerpos y miembros articulados, tales como los cangrejos y los insectos. Ellos
producen una imagen sensorial en forma de mosaico compuesta por numerosas contribuciones puntuales del
campos de visión, uno por cada uno de los segmentos diminutos del ojo. El ojo compuesto divide y digitaliza
la escena que esta observando, no forma la imagen en la retina si no la sintetiza eléctricamente por medio del
sistema nervioso, entre mas segmentado se encuentre el sistema, mejor será la resolución de la imagen.
2. El ojo humano
Fig.1. Ojo Humano
El ojo humano es un órgano casi esférico, aunque no existen dimensiones universales para el ojo, existen
valores estándar para el estudio del mismo, utilizando dimensiones promedio. Las dimensiones y constantes
ópticas se muestran en la Tabla 1. (1)
Longitud del Ojo total (Variación entre 21
a 26 mm)
Diámetro de la pupila
Longitud focal efectiva
Potencia total del ojo relajado
Potencia
del
Cristalino
relajado
(Variación entre 17 a 26 D)
Potencia de la córnea (Variación entre 3848 D)
Radio de curvatura de la Cornea
Índice de refracción del humor acuoso
Índice de refracción del cristalino (centro)
Índice de refracción del cristalino (orilla)
Indice de refracción del Vítreo
24.75 mm
5 a 6 mm
22.89mm
58.6 D
19 D
43 D
7.98mm
1.336
1.406
1.386
1.337
Tabla.1. Constantes Ópticas del Ojo promedio.
2.1. Anatomía.
El ojo esta sumergido dentro de una superficie dura llamada esclerótica, ésta es blanca y opaca. La
córnea es la primera lente del ojo y posee la mayor potencia del sistema completo con un valor de 43 de las 58
dioptrías que tiene el ojo, así el mayor caso de refracción cuando la luz entra la ojo es cuando atraviesa la
interfase aire-córnea. Una de las razones por las cuales no podemos ver bien dentro del agua, es el hecho que
el índice de refracción del agua (na=1.33) esta muy cerca del índice de la córnea (nc=1.376) y esto no permite
2
una refracción adecuada. Si existe algún cambio en la hidratación de la córnea, los objetos brillantes se verán
rodeados de un halo brillante. Las deformidades que pueda poseer la córnea dan lugar a la presencia del
astigmatismo. Una elongación del centro de la córnea recibe el nombre de keratócono. Estos tipos de errores
producidos por deformidades de la córnea son medidos por medio de un instrumento llamado Oftalmómetro o
keratómetro.
La luz que atraviesa la córnea llega a una cámara llena de un líquido viscoso llamado humor acuoso
el cuál tiene un índice de refracción de aproximadamente 1.336. Sumergido en el humor acuoso esta un
diafragma conocido como iris, éste controla la entrada de luz al ojo, y es el que da el color marrón, verde, o
gris del ojo. La pupila es la abertura circular en el centro del iris, cuando la intensidad de la luz aumenta el
iris se contrae, haciendo mas pequeña la pupila, para controlar la cantidad de luz que entra hacia la retina.
Además de ésta función, también esta ligado a la respuesta de enfocar y se contrae para aumentar la agudeza
de la imagen al observar objetos cercanos. El diámetro de la pupila con baja iluminación es de alrededor de 8
mm y cuando la iluminación es intensa se cierra hasta 2 mm
Figura 2. Esquema anatómico del ojo
Detrás del iris se encuentra en cristalino. El cristalino es una lente flexible cuya curvatura puede ser
modificada a voluntad para enfocar la imagen sobre la retina. A éste proceso de le llama acomodación. La
acomodación nos permite enfocar con claridad objetos a diferentes distancias. El cristalino está formado por
una masa de capas fibrosas rodeada por una membrana elástica, el núcleo del cristalino es más denso que la
corteza exterior, por lo tanto, posee un índice de refracción mayor. Puede perder su transparencia por un
daño directo, es decir una espina, una astilla, por la edad avanzada o por diabetes. Cuando el cristalino pierde
su transparencia hablamos de una catarata. Posee un índice de refracción de 1.406 en el núcleo interior hasta
aproximadamente 1.386 en la corteza menos densa.
Alrededor de los 40 años el cristalino comienza a endurecerse y por lo tanto el sistema de enfoque
empieza a ser deficiente hasta que queda enfocado a infinito.
Detrás del cristalino hay otra cámara llena de una substancia gelatinosa transparente llamada humor
vítreo, éste tiene un índice de refracción de 1.337.Algunas veces se encuentran pequeñas partículas de tejido
flotante en el humor vítreo, los cuales pueden observarse al ver el cielo azul o mientras se observa a través de
un instrumento.
La retina es la pantalla del ojo, es decir, donde se enfocan las imágenes. La capa más interna en la
retina ésta compuesta de células y fibras nerviosas, mientras que la parte externa, la más sensible a la luz, está
cubierta pos las células llamadas conos y bastoncillos, éstos son dos tipos de células fotorreceptoras.
Aproximadamente 125 millones de ellas están entremezcladas en forma no uniforme sobre la retina. Los
bastoncillos contienen rodopsina, la cuál es blanqueada por la luz, y las reacciones que se forman estimulan la
3
conducción nerviosa. El arreglo de bastoncillos es extremadamente sensible a las bajas intensidades de luz
donde los conos no son estimulados. La visión de los bastoncillos a bajos niveles de iluminación se llama
Visión escotópica. Los conos contienen yodopsina y son menos sensibles a luz que los bastoncillos. La visión
de los conos a altos niveles de iluminación es llamada Visión Fotópica. A niveles de iluminación intermedia,
intervienen tantos los conos como los bastoncillos en lo que se denomina Visión Mesóptica.
2.2. Errores de Refracción en el Ojo.
Los errores de refracción se presentan cuando el ojo no es capaz de enfocar la imagen sobre la retina.
Podemos definir un ojo emétrope cuando no tiene errores de refracción y amétrope cuando los tiene. Cuando
el ojo es amétrope los errores puede corregirse con el uso de anteojos o lentes de contacto sobre la córnea. Es
posible enumerar las ametropías más comunes como miopía, hipermetropía, astigmatismo y presbicia.
La miopía, hipermetropía y la presbicia son ametropías esféricas, ya que pueden corregirse con lentes
esféricas.
Existen varias razones por los cuales un ojo tenga miopía. Si el ojo es mas grande de lo normal en el
sentido antero posterior, es decir, que la distancia entre la córnea y la retina es mayor de lo normal, la imagen
no podrá ser enfocada en la retina, si no una distancia antes de ésta. Otra razón puede ser que la córnea y el
cristalino tengan una potencia mayor que la habitual, dando como resultado que enfoque a una distancia antes
de la retina.
En el caso de la hipermetropía, el ojo puede ser más pequeño de lo habitual, por lo tanto, enfoca la
imagen detrás de la retina, la otra posibilidad, es que la curvatura de la córnea sea más larga que lo habitual y
así los rayos se enfocan más lejos.
a) Ojo Emétrope
b) Ojo
Miope
c) Ojo
Hipermetrópe
Figura 3. Diferencias en la posición de enfoque
para un ojo emétrope, miope e hipermétrope.
2.3. Técnicas de Evaluación.
Existen diversas técnicas para evaluar las aberraciones que posee el ojo. Algunas de ellas solo evalúan los
errores de refracción por medio de técnicas tales como la retinoscopía, medición con láser ó por medio de un
optómetro automático. La retinoscopía es una técnica basada en una de las pruebas ópticas mas antiguas, pero
que en ella se basan las mas modernas técnicas, llamada la prueba de Foucault ó de la navaja. Tiene su origen
en las observaciones que Bowman en 1861, quién observo que si usaba un oftalmoscopio para observar al ojo
4
desde lejos , veía un reflejo en éste, el cuál se desplazaba al mover el instrumento. La dirección de
movimiento dependía de si el ojo era miope o hipermétrope.
La medición con láser, es un método aún poco explotado, sin embargo, es un método subjetivo muy
preciso. Se utiliza una pantalla difusora, se ilumina con un láser de gas, debido a las características del láser ,
la superficie iluminada dará la impresión de estar como granulada. Si el observador ó la pantalla se mueven
en forma lateral uno respecto del otro, el patrón granulado luminoso parecerá desplazarse lateralmente
respecto a la pantalla. Si el ojo es miope, el patrón se mueve en dirección opuesta a la pantalla y si es
hipermétrope, en la misma dirección.
Un optómetro automático mide el estado de refracción del ojo en forma objetiva, de manera rápida y
eficiente. Existen muchos diseños de éstos instrumentos, pero todos coinciden con el uso de aparatos
electrónicos, mecánicos y ópticos
Sin embargo existen otro tipo de pruebas que evalúan al ojo como un sistema óptico completo, donde no
solamente los errores de potencia son evaluados, si no también, aquellas aberraciones ó errores que todos los
sistemas ópticos formadores de imagen pueden experimentar, dependiendo de la calidad de imagen que
producen, siendo éstas aberración esférica, astigmatismo y coma. Para estudiar éstas aberraciones se utilizan
pruebas ópticas unidas a instrumentos utilizados en oftalmología como por ejemplo, los oftalmoscopios, la
cámara de fondo que basándose en su diseño clásico, puede construirse una cámara de fondo capaz de medir
las aberraciones del frente de onda emergente del ojo, que nos provee la información de las aberraciones de
alto y bajo orden que sufre el sistema óptico del ojo.
Figura 4. Diseño de una cámara de fondo que realiza la prueba
de Hartmann al ojo humano, encontrando así las aberraciones
del frente de onda emergente del ojo.
En los últimos años, la cirugía láser ha sido de gran uso para la corrección de errores refractivos en el ojo.
Con el tiempo ésta técnica se ha optimizado dando mejores resultados, sin embargo, aún hay ciertas
reacciones secundarias, las cuales dependen de la recuperación y cicatrización del paciente que hacían que la
eficiencia de la cirugía fuera un poco cuestionable. Por ejemplo, en algunas ocasiones puede existir después
de la cirugía, un aumento en las aberraciones de alto orden en el sistema óptico del ojo, creando la aparición
de “fantasmas” alrededor de la imagen en visión nocturna, sin embargo conforme la tecnología avanza éste
técnica va mejorando.
Otra técnica importante, es la colocación de una lente intraocular, que permite al incluirse en el sistema
óptico corregir aberraciones, éste método tiene la ventaja que con el aumento de edad y por consiguiente el
5
aumento de aberraciones , puede irse reemplazando la lente intraocular ,situación que no es posible ,cuando se
realiza una cirugía láser, donde la córnea es desvastada para corregir los errores que sufre en ese momento y
los cuales no suelen permanecer iguales con el tiempo y la edad.
Figura 5. Cirugía láser. Se muestra el desbaste
de la córnea.
3. CONCLUSIONES
El ojo humano es un sistema óptico muy eficiente, tiene características que se ha buscado copiar, en el
diseño óptico de sistemas construidos por el hombre, la capacidad del cristalino de modificar su curvatura
para observar objetos cercanos, es ahora imitado por la óptica adaptiva, utilizada para la construcción de
grandes telescopios. El trabajo que realiza el cerebro de procesar la imagen que llega a la retina es simulado
por las computadoras y programas diseñados para tal uso.
Una de las aplicaciones más utilizadas que fomentan el estudio del ojo, es el diagnóstico de
enfermedades como glaucoma, quistes, diabetes, las cuales pueden manifestarse con anomalías en el fondo
del ojo. El estudio del ojo humano sigue avanzado, mejorando los instrumentos que permiten su análisis y
compresión, dando con esto la capacidad de mejorar nuestra calidad de vida y entender cada vez más el
comportamiento del cuerpo humano.
4. REFERENCIAS
1) Daniel Malacara “Óptica Básica “, Fondo de Cultura Económica, Segunda Edición 2004.
2) Daniel Malacara, Zacarías Malacara, Handbook Of Optical Design “, Marcel Dekker, Second
Edition, 2004.
3) Hecht, “Optica”, Addison Wesley, Tercera Edición, 1998.
4) Rogelio Herreman, “De los Anteojos a la Cirugía Refractiva”, Fondo de Cultura Económica, Tercera
Edición, 2003.
6