Oko (biofyzika)

Schéma lidského oka

Oko je smyslový orgán zraku, skládá se z světločivné vrstvy obsahující světlocitlivé buňky a optického systému, který usměrňuje paprsky tak, aby dopadaly na sítnici.

Oko má přibližně tvar koule o poloměru 12 mm.

Světlolomný systém oka

Podrobnější informace naleznete na stránce Světlolomný systém oka.

Světlo před svým dopadem na fotoreceptory prochází postupně následujícími částmi oka:

Rohovka – index lomu 1,377;
přední komora oční – vyplněná očním mokem o indexu lomu 1,336;
duhovka, resp. otvor v duhovce zvaný zornička;
zadní komora oční – mezi zadní plochou duhovky a ciliárním aparátem, n = 1,336;
čočka – n = 1,42, která může prostřednictvím ciliárního aparátu měnit zakřivení a tím i optickou mohutnost;
sklivec;
sítnice - člověk má tzv. inverzní typ sítnice, tedy fotoreceptory jsou až na straně odvrácené od čočky.

Optická mohutnost zdravého oka jako optické soustavy je pro předmět v nekonečnu, při akomodaci se zvětšuje.

Světlocitlivé buňky

Podrobnější informace naleznete na stránce Světlocitlivé buňky a jejich funkce.

Světlocitlivé buňky sítnice jsou buňky vytvářející nervovou stimulaci na základě absorpce fotonu přicházejícího na sítnici. Tyto buňky jsou dvojího typu: tyčinky a čípky.
Čípky jsou citlivé na světlo různé barvy, čili různé vlnové délky, různé intenzity a různé sytosti barev. Jsou prvními neurony sítnice. Zajišťují fotopické vidění, jsou zodpovědné za zrakovou ostrost. Nacházejí se v nejhojnějším počtu v centrální jamce (fovea centralis), což je malá jamka ve žluté skvrně. Směrem k periferii sítnice jejich hustota postupně klesá. Celkově nacházíme na sítnici 6 milionů čípků. Rozlišujeme 3 typy čípků, které je možné rozlišit pouze podle pigmentu v cytoplasmě, nikoliv podle tvaru buňky.
Tyčinky jsou světlocitlivé buňky reagující na nižší intenzitu osvětlení než čípky, ale nejsou schopny rozeznávat barvy. Zajišťují skotopické vidění.

Oblasti vidění

Fotopické (denní) vidění

Barevné vidění;
zajištěné hlavně čípky;
vnímaný jas >10² cd/m²;
rychlá adaptace na světlo (20–60 s);
maximální citlivost pro vlnovou délku 555 nm;
vnímané vlnové délky 400 až 750 nm.

Skotopické (noční) vidění

Vnímání pouze jasu (změny intenzity);
zajištěno pouze tyčinkami;
vnímaný jas 10^-3 cd/m²;
adaptace dvoufázová, plná adaptace po 40 až 60 minutách;
maximum pro vlnové délky se pohybuje okolo 500 nm.

Mezopické (soumračné) vidění

Jas mezi oběma předchozími hodnotami;
vidění zajišťují jak tyčinky, tak čípky;
spektrální citlivost oka se liší od spektrální citlivosti při fotopickém vidění.

Spektrální citlivost lidského oka

[ upravit vložený článek

]

Spektrální citlivost čípků

Lidské oko je schopno vnímat pouze malou část elektromagnetického záření. Při běžné intenzitě osvětlení je sítnice citlivá v oblasti záření o vlnové délce od 380 nm do 760 nm (oblast viditelného světla elektromagnetické spektra). Tato oblast se také kryje s jedním z pásem propustnosti zemské atmosféry. Dalším z důvodů, proč lidské oko nejvíc vnímá právě v této oblasti je fakt, že odpovídá maximu spektrálního vyzařování Slunce. Z grafu spektrální citlivosti lidského oka vidíme, že lidské oko je citlivé i na červené světlo vlnové délky např. 760 nm. Aby však byl dosažen zrakový vjem stejné intenzity jako pro záření světla o vlnové délce 550 nm, musí být světelný tok ze stejné plochy 10 000x větší.

Světlocitlivé buňky lidského oka

Stavba čípku

V lidské sítnici je asi 6 milionů čípků. Existují tři funkční typy, obsahující různé druhy fotopsinu. Každý z nich totiž má poněkud jiný jodopsin (specializace na zelenou, modrou a červenou barvu). Čípky potřebují ke své práci poměrně hodně velké osvětlení, ale na druhou stranu zajišťují preciznější vidění než tyčinky. ^[1]

Veličiny důležité k určení spektrální citlivosti oka

Jestliže z určitého zdroje vychází elektromagnetické záření, pak E(t)/S se nazývá zářivý tok Φe, jednotka − Watt (W). Výkon zářivé energie, zhodnocený podle velikosti světelného vjemu, který vyvolá se nazývá světelný tok Φ, jednotka − lumen (lm). Φ/Φe nazýváme světelnou účinností záření. Normalizovaná funkce světelné účinnosti pro různé vlnové délky se nazývá relativní světelnou účinností záření její 3 exempláře vidíme v grafu výše. Maximum světelné účinnosti je 680 lm/W. Jinak řečeno: monochromatické záření o vlnové délce 550 nm při výkonu 1 W je rovno světelnému toku 680 lm.

Biofyzikální procesy při videní

Absorpce světla a fotochemie – Fotony jsou absorbovány fotopigmenty (např. rodopsinem v tyčinkách), což spouští fototransdukci – kaskádu biochemických reakcí vedoucí ke změně membránového potenciálu. Kromě fotochemických změn probíhá i přenos energie fotonů na molekulární úrovni, což vede ke konformační změně molekuly 11-cis-retinalu na all-trans-retinal.

Elektrické vlastnosti sítnice – Fotoreceptory (tyčinky a čípky) generují receptorové potenciály po absorpci světla. Tyto změny membránového napětí jsou dále zpracovány bipolárními a gangliovými buňkami. Gangliové buňky přeměňují analogové signály na akční potenciály, které jsou přenášeny zrakovým nervem.

Spektrální citlivost – Tyčinky jsou citlivé na vlnové délky kolem 498 nm (ve tmě), zatímco čípky detekují různé části viditelného spektra:

S-čípky (modrá): ~420 nm
M-čípky (zelená): ~534 nm
L-čípky (červená): ~564 nm

Biofyzikální základem barevného vidění je trichromatická teorie, podle níž jsou barvy kombinací odpovědí různých čípků.

Adaptace oka na intenzitu světla

[ upravit vložený článek

]

Adaptací rozumíme schopnost zraku přizpůsobit se různým hladinám osvětlení.

Dopadá-li světelný tok na těleso, je jeho povrch osvětlen. Tuto vlastnost tělesa charakterizuje veličina osvětlenost. Hlavní jednotou osvětlenosti je lux (lx). Plocha o obsahu 1 m² má osvětlenost 1 lx, dopadá-li na ni rovnoměrně světelný tok 1 lumen. Zdravé lidské oko je schopno registrovat předmět, jehož osvětlenost je aspoň 2 nlx. Na tuto osvětlenost reagují pouze tyčinky, čípky až na větší. Osvětlenost předmětu za jasného slunného dne je asi 0,1 Mlx. Doporučená hodnota pro čtení je 100 lx, pro jemné mechanické operace a rýsování 200 lx, pro osvětlení chodeb 20 lx.

Citlivost sítnice

Citlivost sítnice je velmi vysoká, asi 10⁴ krát větší než citlivost fotografické emulze, není však všude stejná. Největší je v okolí průsečíku optické osy oka, kde leží tzv. žlutá skvrna. Je známo, že při přechodu ze světla do tmy lze rozeznávat jednotlivé předměty s dostatečnou citlivostí až po určité době (asi 10-20 min, max za 45 min). Za tuto dobu se oko adaptuje na tmu. Dříve jsou rozeznávány předměty, jejichž obraz vzniká v periferních oblastech sítnice. Při přechodu ze tmy do světla potřebuje oko rovněž určitou dobu na adaptaci, tato doba je však podstatně kratší. Po prudkém osvětlení jsou oči oslněny, ale díky rychlé reakci zornic se rychle přizpůsobují (mióza, mydriáza).

Funkce tyčinek a čípků

Čípky a tyčinky mají relativně nezávislé vlastnosti. Při velkých intenzitách zajišťují vidění čípky, při nízkých intenzitách se tyčinky stanou citlivějšími než čípky. Intenzitu světla ve viditelném spektru registrují čípky i tyčinky, ale barvy včetně intenzity červeného světla (kvůli větší vlnové delce 564 nm, zatím co rodopsín ma maximální citlivost na světlo v oblasti modrozeleného spektra 498 nm) dokážou registrovat pouze čípky.

Rozdíly v rychlosti adaptace oka na tmu po předchozím osvětlení vysvětluje funkce tyčinek. Tyčinky obsahují rodopsin-tzv. zrakový purpur, složený z proteinu opsinu a z retinalu, což je aldehyd vitamínu A. Působením světla se rodopsin rozkládá na tyto složky a mění svoji barvu na žlutou. Reakce je reverzibilní a velmi rychlá. Při příliš silném osvětlení se však retinal mění na retinol a jeho barva na bílou, tato reakce je reverzibilní pomalým procesem. Regenerace rodopsinu tedy může probíhat pomalou nebo rychlou cestou.

Hemeralopie (šeroslepost) je snížená adaptační schopnost. Může být dědičná nebo vzniknout např. při avitaminóze A. Nevytváří se dostatečné množství rodopsinu, což se projeví poruchou vidění za šera, šeroslepostí.

Interakce světla s okem

Difrakce a rozptyl světla

Při průchodu světla drobnými strukturami oka (např. vlákny čočky) dochází k difrakci, což omezuje maximální rozlišovací schopnost (difrakční limit).

Rozptyl světla uvnitř oka (např. na částicích v sklivci) způsobuje snížení kontrastní citlivosti.

Aberace optického systému oka

Sférická aberace: Vzniká kvůli rozdílnému lomu světla na periferních a centrálních částech čočky.

Chromatická aberace: Světlo různých vlnových délek je lámáno odlišně, což způsobuje barevné lemování na kontrastních hranách.

Interference a polarizace

Interference světla může hrát roli při pozorování velmi jemných struktur (např. vrstev v sítnici). Polarizace je zkoumána v biofyzikálních studiích oka, například při analýze průhlednosti rohovky.

Biofyzikální aspekty struktury oka

Refrakce světla (lom světla) – Světelné paprsky se lámou na rozhraní různých optických médií oka: rohovka (n = 1,376), komorová voda (n = 1,336), čočka (n = 1,406–1,411) a sklivec (n = 1,336). Rohovka zajišťuje přibližně 70 % celkové refrakční síly oka, zatímco čočka poskytuje zbylých 30 % a umožňuje akomodaci (změnu zakřivení pro zaostření).

Akomodace – Proces, při kterém ciliární svaly mění tvar čočky, aby bylo možné zaostřit na blízké nebo vzdálené objekty. Z hlediska biofyziky jde o změnu poloměru zakřivení povrchu čočky, což mění její optickou mohutnost. U mladého zdravého oka dosahuje optická mohutnost akomodované čočky až +20 dioptrií.

Oční modely – Oko lze biofyzikálně popsat jako optickou soustavu s centrací, zahrnující kombinaci spojek (rohovka, čočka) a vlivem průhledných struktur (komorová voda, sklivec).

Biomechanika oka

Nitrooční tlak – Oko udržuje nitrooční tlak (10–21 mmHg) díky rovnováze mezi produkcí a odtokem komorové vody. Tento tlak je důležitý pro udržení tvaru oka a optimální fungování optických struktur.

Elasticita čočky – Elasticita čočky umožňuje její akomodaci. S věkem se elasticita snižuje (presbyopie), což zhoršuje schopnost zaostření na blízké předměty.

Pohyb oka – Pohyby řízené šesti okohybnými svaly lze popsat biomechanickými modely zahrnujícími síly, točivý moment a kinematiku.

Difrakční limity a zraková ostrost – Maximální rozlišovací schopnost oka je dána difrakcí na zornici (~1 minuta oblouku).

Vady oka

Podrobnější informace naleznete na stránce Refrakční vady oka.

Refrakční vady oka jsou způsobeny špatnými vlastnostmi jeho lomivých ploch. Rovnoběžné paprsky vstupující do oka nejsou koncentrovány na sítnici. Neleží na ní tedy obrazové ohnisko optické soustavy oka. Tento jev nemusí být způsoben pouze nesprávným lomem světelných paprsků. Častěji jsou problémy způsobené osovými vadami oka – lomivá prostředí jsou v pořádku, ale oko má různou délku. Osové i refrakční vady se projevují stejně a mohou se i kombinovat.

Obecně platí, že větší refrakční vady způsobují menší vedlejší obtíže. Obraz je zamlžený, nebo rozmazaný a oko nedokáže tuto vadu korigovat. Jinak je tomu u menších refrakčních vad. Ty je oko schopno do určité míry vykompenzovat, toto úsilí vede k svalovému a nervovému vyčerpání. To má za následek únavu a slzení očí, bolesti hlavy a další projevy.

U oka bez refrakční vady se paprsky procházející optickou soustavou protínají v ohnisku na ploše sítnice, takové oko se nazývá emetropické. Velice často se setkáváme s okem ametropickým, kdy se paprsky na sítnici neprotínají.

Rozlišujeme vady sférické a asférické. Sférické vady se korigují sférickými čočkami, asférické potom asférickými, tzv. torickými, čočkami. Mezi sférické vady patří myopie (krátkozrakost) a hypermetropie (dalekozrakost). Nejčastější asférickou vadou je potom astigmatismus.

Myopie (krátkozrakost) je refrakční vada oka, při které je oko fyziologicky příliš dlouhé. To znamená, že paprsky světla se sbíhají před sítnicí. Tato vada se projevuje špatným viděním na dálku, ale na blízko člověk vidí dobře. Častěji postihuje děti a mladé dospělé. Korekce se většinou provádí pomocí rozptylných čoček (kontaktní čočky, nebo v brýlích), možná je i korekce chirurgická.

Hypermetropie (dalekozrakost) je refrakční vada oka, při které je oko fyziologicky příliš krátké. To znamená, že paprsky světla se sbíhají za sítnicí. Tato vada se projevuje špatným viděním na blízko, ale na dálku člověk vidí dobře. Korekce se většinou provádí pomocí spojných čoček (kontaktní čočky, nebo v brýlích), možná je i korekce chirurgická.

Astigmatismus je vada vznikající v důsledku nepravidelného zakřivení rohovky nebo čočky. To znamená, že světelné paprsky se na sítnici zaostřují nerovnoměrně. Rohovka má ve dvou na sebe kolmých osách rozdílné zakřivení. Projevuje se neostrým viděním na blízko i dálku, zkreslením obrazu, únavou očí a bolestmi. Korekce se většinou provádí pomocí torických čoček (kontaktní čočky, nebo v brýlích), možná je i korekce chirurgická.

Mezi oční defekty se řadí i presbyopie (vetchozrakost). V tomto případě se jedná o přirozený proces, při kterém s věkem dochází ke ztrátě pružnosti čočky oka. Tím se snižují akomodační schopnosti oka, což vede k obtížím při činnostech vyžadujících ostré vidění na krátkou vzdálenost, např. čtení. Jelikož se jedná o přirozený proces, nelze mu zcela zabránit. Existují ale faktory, kterými ho lze zpomalit – oční cvičení, zdravá strava či ochrana očí před UV zářením.

Korekce vad oka

Podrobnější informace naleznete na stránce Způsoby korekce refrakčních vad.

Vady oka lze korigovat čočkami (brýle, kontaktní čočky) nebo laserovou operací, cílem je navození emetropie. Na korekci myopie se používají rozptylky. Ideální optická mohutnost rozptylky je taková, aby pacient viděl ostře do nekonečna (v praxi 5–6 metrů). Na korekci hypermetropie se používají spojky, volí se taková optická mohutnost, aby pacient přečetl text ve vzdálenosti 25 cm. Astigmatismus se koriguje cylindrickými nebo torickými skly, v případě nepravidelného astigmatismu je korekce obtížná. U Presbyopie může pacient používat jednoohniskové brýle na více vzdáleností nebo bifokální (a multifokální) skla.

Odkazy

Související články

Zdroj

KUBATOVA, Senta. Biofot [online]. [cit. 2011-01-31]. <https://uloz.to/!CM6zAi6z/biofot-doc>.

SVOBODA, Emanuel a Karel BARTUŠKA, et al. Přehled středoškolské fyziky. 4. vydání. Praha : Prometheus, 2006. 531 s. ISBN 80-7196-307-0.

NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA, et al. Medicínská biofyzika. 1. vydání. Praha : Grada, 2005. 524 s. ISBN 80-247-1152-4.

PRAMACOM-HT, spol. s r. o. infrared.cz : Spektrální citlivost lidského oka [online]. [cit. 2012-12-28]. <http://www.infrared.cz/domains/infrared.cz/cz/>.

PROCHÁZKOVÁ, Simona. Korekce refrakčních vad [online]. Brno, 2006, dostupné také z <https://is.muni.cz/th/bn7cw/Bakalarka.doc?so=nx>.

Reference

↑ JUNQUEIRA, Luiz Carlos Uchôa a José CARNEIRO. Basic histology : text & atlas. 11. vydání. New York : McGraw-Hill, c2005. ISBN 0071440917.

Externí odkazy

Kymplová Jaroslava: Oko a oční vady. Multimediální podpora výuky klinických a zdravotnických oborů :: Portál 1. lékařské fakulty Karlovy Univerzity v Praze [online] 19.2.2008, poslední aktualizace 19.2.2008 [cit. 2011-12-22] Dostupný z WWW: <https://portal.lf1.cuni.cz/clanek-810-oko-a-ocni-vady>. ISSN 1803-6619

[1] JUNQUEIRA, Luiz Carlos Uchôa a José CARNEIRO. Basic histology : text & atlas. 11. vydání. New York : McGraw-Hill, c2005. ISBN 0071440917.

[1]