Seminar - Medicinska fizika

Comments

Transcription

Seminar - Medicinska fizika
Oko
(Seminar pri predmetu Medicinska fizika)
Avtorji: Mitja Centrih, Nika Košir, Tina Vodopivec, Matija Kastelic
Mentor: Matija Milanič
maj 2010
1
Uvod
Oko je parni organ vida, ki človeku omogoča vizualno (tudi globinsko) zaznavanje okolice. Zbira
svetlobo in s pomočjo fotokemičnih procesov spreminja svetlobo v živčni dražljaj, ki je tako na
voljo inerpretaciji vidnega centra v možganih. Vid predstavlja večino človeške zaznave okolja,
kar postavlja oko na najpomembnejše mesto med senzoričnimi organi.
Specializacija v medicini, ki se posveča diagnostiki in zdravljenju očesnih bolezni, se imenuje
oftalmologija. Obstajajo še ostale stroke povezane z zdravljenjem očesa ali korekciji vida: (i) optometrija se ukvarja s strukturo in vizualnimi sposobnostmi očesa, (ii) ortoptika proučuje in
zdravi motnje koordinacije in gibanja očesa, (iii) optika razvija in izdeluje leče za korekcijo vida.
2
Anatomija in fiziologija očesa
Oko se nahaja v očnici, s kostmi omejeni, naprej odprti lobanjski votlini. Pri odprtih vekah
vidimo le sprednje dele očesa kot so roženica, šarenica z zenico in del beločnice. Zadnji deli očesa
so obdani z maščevjem in očesnimi mišicami ter ležijo skupaj z živci in žilami v očnici. Premer
očesa, ki ima obliko krogle, je okoli 23 mm. Oko je sestavljeno iz treh očesnih ovojnic: zunanja
daje očesu obliko in oporo, srednja skrbi za prehrano očesa, notranja pa sprejema in zaznava
slike (slika 1).
Zunanjo očesno ovojnico tvorita beločnica in roženica. Beločnica objema skoraj celo zrklo, je
neprozorna in predstvalja neke vrste očesni skelet. Na beločnico je pripetih šest mišic, ki skrbijo
za usmerjanje očesa v center pozornosti. Spredaj prehaja beločnica v roženico, ki je prozorna,
brez žil in polna živčnih končičev, da se lahko oko pri najmanjšem dotiku takoj zapre (roženični
refleks). Roženica ostane prozorna le, če je vlažna, za kar skrbijo solze in samodejno utripanje
vek.
Srednja očesna ovojnica se imenuje žilnica in je razdeljena na tri dele: šarenico, ciliarnik
in žilnico v ožjem pomenu. Šarenica je sprednji, vidni del žilnice. Po njej določamo barvo
očesa. V sredini šarenice je odprtina imenovana zenica. S pomočjo šareničnih mišic se oži in
širi ter tako določa količino svetlobe, ki prihaja v oko. Optično deluje podobno kot zaslonka pri
fotoaparatu. Srednji del žilnice se imenuje ciliarnik (tudi ciliarno telo), čigar naloga je izločanje
prekatne vodice in uravnavanje akomodacije. Sestavljen je iz ciliarnih nastavkov, ki izločajo
prekatno vodico, in iz ciliarne mišice, ki uravnava debelino očesne leče (akomodacija). Žilnica
v ožjem pomenu prekriva zadnji dve tretjini beločnice in s pomočjo spleta žil oskrbuje zunanje
dele mrežnice.
1
Slika 1: prerez skozi zrklo
Takoj za šarenico se nahaja leča. Njena naloga je zbiranje in fokusiranje svetlobe, ki pada
skoznjo na zadnjo notranjo steno očesa. Vpeta je v ciliarnik in je rahlo fleksibilna, da lahko
spreminja obliko in s tem spreminja goriščno razdaljo. Za lečo se nahaja steklovinski prostor, ki
zapolnjuje prozorna žolčasta steklovina.
2.1
Mrežnica
Mrežnica je notranja očesna ovojnica, sestavljena iz slepega dela, ki pokriva z notranje strani
šarenico in ciliarnik ter iz optičnega dela, ki z notranje strani pokriva žilnico. Ta del zaznava
svetlobo in je sestavljen iz desetih slojev. Med njimi je najvažnejši sloj čutilnih celic ali sloj
nevroepitelnih celic, ki leži v gobljih delih mrežnice in s pomočjo fotokemijskih procesov tvorijo
živčne signale (slika 2). V mrežnici imamo dve vrsti čutilnih celic: paličice in čepke. Paličice
zaznavajo svetlobo in temo. Sposobnost prilagajanja na svetlobo in temo imenujemo adaptacija.
Čepki pa so odgovorni za centralno vidno ostrino in vid.
Čutilne celice so preko ganglijskih celic povezane z živčnimi niti, te pa se iz cele mrežnice
zberejo v papili očesnega živca (slepa pega). Po izstopu iz očesa pa tvorijo živčne niti očesni
živec. Področje najostrejšega vida na mrežnici se imenuje rumena pega, v njenem centru je fovea
centralis, ki leži v vidni osi. V mrežnici se nahajajo tudi fotoobčultjive ganglijske celice, ki
ne tvorijo slike, ampak uravnavajo velikost zenice, regulirajo hormon melatonin in prilagajajo
biološki ritem.
Živčni dražljaj potuje od čutilnih celic po obeh očesnih živcih, ki se sredi lobanje križata, v
primarne in sekundarne vidne centre v možganih. Temu pravimo vidna pot.
2.1.1
Fotokemijski procesi
Za razumevanje nastanka živčnega signala tako iz paličic kot iz čepkov si moramo najprej malo
bolj podrobno pogledati njuno sestavo. Glavni funkcionalni deli (slika 3a) paličic in čepkov so
• zunanji segment, (foto-občutljivi del – paličice vsebujejo rodopsin, čepki pa enega od treh
barvnih pigmentov)
2
Slika 2: plasti mrežnice
• notranji segment,
• jedro in
• sinaptično telesce.
Zunanji segment tako čepkov kot paličic je v celoti sestavljen iz membranskih ploščic, ki
vsebujejo fotoobčutljive sestavljene proteine (rodopsin - paličice oz barvni pigmenti - čepki), ki
ob prisotnosti svetlobe razpadejo in vzburijo sinapso. Od zdaj naprej se bomo omejili na razlago
delovanja rodopsina, foto občutljivost barvnih pigmentov v čepkih deluje podobno.
Rodopsin je sestavljen iz beljakovine skotopsina in karotenoidnega pigmenta retinala. Gre
za posebno vrsto retinala, ki se imenuje 11-cis-retinal. Cis oblika retinala je zelo pomembna, saj
lahko le-ta s skotopsinom tvori rodopsin. Kadar rodopsin absorbira svetlobo, se začne v trenutku
razgrajevati. Vzrok je fotoaktivacija elektronov v retinalnem delu rodopsina, kar povzroči prehod
cis-oblike retinala v vse-trans obliko. Zaradi prostorske razporeditve reaktivnih mest vse–trans
oblika ne ustreza več reaktivnim mestom na skotopsinu in zato se začneta ločevati s pomočjo
različnih umesnih stopenj (slika 4). Tik preden se rodopsin dokončno loči od skotopsina, nastane
metarodopsin II, imenovan tudi aktiviran rodopsin, vzpodbuja električne spremembe v paličicah,
ki nato v obliki akcijskega potenciala vidnega živca posredujejo sliko v centralni živčni sistem.
Kadar so paličice vzdražene, se poveča negativnost membranskega potenciala. To je stanje
hiperpolarizacije, kar pomeni, da je negativnost znotraj membrane paličic večja kot normalno.
Tekom razgradnje rodopsina se zmanjšuje prevodnost membrane zunanjega segmenta paličic za
natrijeve ione (slika 3b). Notranji segment stalno izloča natrij iz notranjosti paličic in pri tem
ustvarja negativni potencial znotraj cele celice. Membrana zunanjega segmenta paličic, kjer
so nameščene fotoreceptorske ploščice, pa je zelo prepustna za natrijeve ione. Zaradi tega se
pozitivno nabiti natrijevi ioni vedno znova vračajo v paličice in tako nevtralizirajo velik del
elektronegativnosti v notranjosti celotne celice.
Kadar je rodopsin v zunanjem segmentu paličic izpostavljen svetlobi, se začne razgrajevati in
to zmanjšuje prevodnost zunanjega segmenta za natrij v notranjost paličnic, kljub temu, da se
natrijevi ioni dalje izločajo skozi membrano notranjega segmenta. Zaradi tega takrat več ionov
3
(a) shematski prikaz glavnih delov paličic in
čepkov
(b) prikaz potovanja natrija
Slika 3: k razlagi čepka in paličic
Slika 4: prikaz razpada rodopsina skozi umesne stopnje in potem njegova vnovična sinteza s
pomočjo encima izomeraza in vitamina A
natrija izhaja iz paličic kot pa se vrača. Natrijevi ioni so pozitivni in njihova izguba iz notranjosti
paličic poveča negativnost z notranje strani membrane. Večja kot je količina svetlobne energije,
ki vpliva na paličice, večja elektronegativnost nastaja. Membranski potencial se približa vred-
4
nosti od -70 do -80 mV, kar je blizu ravnotežnemu potencialu za kalijeve ione skozi membrano.
[5] Natrijevi ioni so dražljaj za depolarizacijo, zato se celica po odprtju natrijevih kanalov depolarizira, medtem ko so kalijevi ioni dražljaj za hiperpolarizacijo. Kalijevi ioni prevladujejo v
notranjosti paličice in njihov tok v notranjost je nemoten tudi, ko so natrijevi kanali zaprti.
3
Fizika očesa
V fizikalnem smislu so pomembni deli očesa roženica (cornea), šarenica, (iris), leča (lens) in
mrežnica (retina). Šarenica deluje kot zaslonka in regulira količino svetlobe, ki vstopa v oko.
Mrežnica pokriva notranjo plast zrkla in je na svetlobo občutljivi del očesa. Roženica in leča
sta odgovorni za ostrenje slike, roženica je del očesa, kjer svetloba vstopa v oko, leča pa leži za
šarenico in je iz elastične snovi in zato s pomočjo ciliarne mišice spreminja krivinski radij in z
njim goriščno razdaljo.
3.1
Reducirani model očesa
Kot ime modela pove gre za čim bolj poenostavljen model očesa, kjer privzamemo, da je namesto
različnih lomnih količnikov rožrenice, prekatne vodice, leče in steklovine oko sestavljeno iz enega
homogenega materiala z povprečnim lomnim količnikom n=1.33, lomni količnik zraka je nz=1.
Privzamemo tudi da je krivinski radij optične površine v očesu konstanten in je R = 5.55 mm,
Slika 5: Model reduciranega očesa
povprečna dolžina očesa pa je 22 mm, to je podobno, kot da bi imeli lečo, ki je dosti debelejša
od njenega lastnega gorišča. Konstrukcijo slike kaže slika 5B , kjer so P-predmet, N-središče
polmera in S-slika predmeta na mrežnici. Razmerje med razdaljama predmeta(s) in slike (s‘) je:
nzrak
noko
nzrak − noko
+
=
s
s‘
R
in goriščne dolžine za tako oko so
fspredaj =
fzadaj =
noko ∗ R
noko − nzrak
nzrak ∗ R
noko − nzrak
5
Za podan polmer roženice dobimo rezultat
fspredaj ≈ 26 mm
fzadaj ≈ 20 mm
Kar približno odgovarja dimenzijam očesa. Vendar bi s takšnim očesom lahko gledali ostro sliko
samo na določeni razdalji in nebi mogli gledati stvari na različnih razdaljah.
3.2
Akomodacija očesa
Za razlago akomodacije oziroma prilagoditve očesa za gledanje na različnih oddaljenosti predmetov od oči, pa reducirani model očesa ne zadostuje več. V poštev moramo namreč vzeti tudi
lečo in njene elastične lastnosti posebej. Spreminjanje goriščne razdalje leče omogoča krčenje
stranskih mišic, ki s tem spreminjajo ukrivljenost leče. Tu moramo upoštevati tudi, da lomni
količniki niso več enaki za celotno oko temmveč je za roženico nrozenica ≈ 1.376 , za prekatno
vodico (tekočina v aqueous humor) in steklovino nsteklovina ≈ 1.336 in za lečo nleca ≈ 1.413. Na
ta način lahko oko tretiramo kot sistem dveh leč in formula, ki velja za goriščno razdaljo je:
1
frozenica
+
1
fleca
=
1
foko
oziroma
Doko = Drozenica + Dleca
kjer je D dioptrija oziroma lomnost leče, in je inverz goriščne razdalje. Upoštevati še moramo
razdaljo med lečama l:
Doko = Droz + Dleca −
l
= Droz + Dleca − l ∗ Droz ∗ Dleca
froz ∗ fleca
V tej enačbi so vse dioptrije za oko odvisne od dioptrije leče, medtem ko sta Droz in l
konstanti. Ker je leča v očesu po obliki bikonveksna, za njeno dioptrijo velja naslednja enačba:
Dleca =
1
fleca
=(
nleca
nsteklovina
− 1) ∗ (
1
Rzunaj
−
1
Rznotraj
)
Kjer sta Rzunaj krivinski radij zunanjega dela leče in Rznotraj krivinski radij notranjega dela leče.
Tipične vrednosti za oba radija so:
Rzun = 5.3 mm (akomodacija za blizu) do 10 mm (akomodacija za daleč)
Rnot = −5.3 mm (akomodacija za blizu) do −6 mm (akomodacija za daleč)
Kar pomeni dioptrijo leče (Dlece ) od 20 (za na blizu) do 16 (za na daleč) oziroma goriščno
razdaljo Flece med 50.4 mm in 71.3 mm.
To znese skupno dioptrijo očesa Doko od 48 do 53 (od daljne do bližnje akomodacije) oziroma
skupne goriščne razdaljefoko med 20 mm in 21 mm.
Če hočemo ugotoviti na koliko blizu teoretično lahko človeško oko še izostri sliko, uporabimo
formulo:
1
1
+ = Doko
s s‘
in dobimo za podatke Doko ≈ 53 in s‘ ≈ 2.5 cm rezultat s ≈ 8 cm, kar je sicer možno le pri
majhnih otrocih, načeloma pa je za povprečnega človeka najmanjša razdalja pri kateri še izostri
sliko približno 20 cm.
6
Slika 6: primerjava med akomodacijo za gledanje na daleč in akomodacijo leče za gledanje na
blizu.
4
Pogoste bolezni oči
Če lahko oko razdelimo na del, ki skrbi za ostrino slike, del ki zajema sliko (mrežnica) in del,
ki skrbi za prenos podatkov do možgan (vidni živec), lahko tudi bolezni oziroma motnje vida
razdelimo v ekvivalentne skupine. Tukaj bo opisanih nekaj značilnih motenj oziroma bolezni, ki
imajo korenine v delu za ostrenje slike.
4.1
Motnje refrakcije
Motnje refrakcije so najpogostejše in načalema najlažje odpravljive motnje vida. Poznamo tri
vrste motenj in sicer kratkovidnost oziroma myopia, daljnovidnost ali hypermetropia in astigmatizem
Za te motnje vida so krive napake na mrežnici ali leči ali pa nepravilna dolžina zrkla.
Pri kratkovidnosti je moč lomljenja žarkov prevelika za dolžino zrkla, oziroma je dolžina zrkla
prevelika za moč lomljenja žarkov, zato nastane pri oddaljenih predmetih slika pred mrežnico
nekje v steklovini. Človek vidi ostro le predmete, ki so bližje od določene razdalje do očesa.
Pri daljnovidnosti je ravno obratno moč lomljenja žarkov premajhna oziroma je dolžina zrkla
prekratka in posledično nastane slika za mrežnico. V tem primeru vidi človek ostro sliko le od
določene razdalje dlje. Poznamo dve vrsti daljnovidnosti – prirojena, ki je pogosto majhna in jo
lahko oko v večini primerov kompenzira in starostna, ki je posledica zaradi starosti zmanjšane
prožnosti leče in z tem slabše sposobnosti akomodacije.
Pri astigmatizmu pa gre za kompleksnejšo napako saj je posledica nepravilne oblike ali
roženice ali leče. Zaradi te nepravilnosti se žarki lomijo drugače v različnih smereh in imamo
posledično več gorišč v očesu, kjer so nekatera pred mrežnico nekatera na mrežnici in nekatera
za mrežnico. Na sliki 7 je nazorno prikazano kako izgleda astigmatigmatična napaka na zrcalu
teleskopa, kjer je na čisto levi strani prikazana zvezda na zrcalu brez napake in na naslednjih
treh od enega skrajnega fokusa do drugega skrajnega fokusa.
4.2
Motnje na roženici
Poleg prej omenjenih motenj uklona se na roženici lahko pojavijo tudi anomalije, ki povzročajo
slabovidnost. Če ne upoštevamo raznih posledic fizičnih poškodb lahko roženica postane motna
zaradi kakšnih dednih bolezni ali pa tako virusnih kot bakterijskih vnetji. Motnost zenice je
lahko tako kratkotrajna kot trajna.
7
Slika 7: Astigmatična napaka na teleskopskem zrcalu
Zelo pogosta pa je tudi vrsta napake pri zenični ukrivljenosti imenovana keratokonus. Za to
bolezen je značilno počasno tanjšanje roženice česar posledica je tudi vedno bolj stožčasta oblika
roženice. Zaradi nepravilne oblike je tudi slika čedalje bolj motna in nekontrastna.
4.3
Motnje na leči
Poleg napak na leči ki so posledica raznih travm je najpogostejša motnja na očesu katarakta
oziroma siva mrena. Poznamo pridobljene in prirojene (cataracta congenita) oblike katarakt.
Prirojena katarakta je lahko dedna ali pa je posledica različnih bolezni v nosečnosti. Pridobljena
katarakta pa je večinoma starostna (cataracta senilis) ali pa je posledica kake sistemske bolezni
(diabetes).
5
5.1
Korekcije in zdravljenje vida
Pripomočki
Poznamo več različnih pripomočkov, ki jih uporabljamo za korekcijo dioptrije, zaščito naših oči
oz. nadomestek za izgubljeno oko.
Korektivna očala
Očala sestavljajo okvir ter vanj vstavljene leče. Poznamo več različnih leč, ki nam omogočajo
korekturo vida. Za kratkovidnost uporabljamo razpršilne leče, zbiralne za daljnovidnost in cilindrične za astigmatizem, oz. lečo z več lastnostmi za kombinirane napake.
Dokler smo le kratkovidni oz. daljnovidni uporabljamo navadne leče, ko pa potrebujemo
dvojna očala (ena za na blizu in ena za na daleč), jih lahko nadomestimo z enimi bifokalnimi
očali. Lastnost le-teh je ta, da imajo zgoraj center za gledanje na daleč in spodaj center za
gledanje na blizu. Obstajajo tudi multifokalna očala, ta imajo še en center za gledanje na srednje
razdalje, kot je recimo računalniški monitor. Progresivna očala so posebna vrsta multifokalnih
leč, kjer ni vidne meje med različnimi centri gledanja. Skozi vsa multifokalna očala se moramo
naučiti gledati.
Zaščitna očala
Očal ne uporabljamo le za korekturo vida, ampak tudi za zaščito pred različnimi nevarnostmi, ki
nam grozijo. Najbolj poznana so sončna očala, ki naše oko varujejo pred UV žarki. Pri njihovem
8
Slika 8: Zbiralna leča, razpršilna leča ter cilindrična leča
nakupu je potrebno biti še posebej pozoren na kvaliteto leč, saj nam leče s slabo ali celo brez
UV zaščite naredijo več škode kot koristi. Sončna očala imajo lahko tudi polarizirano lečo, ki ne
prepušča horizontalno usmerjene svetlobe do naših oči in s tem izniči bleščanje snega, morja,...
Zaščitna očala so tudi laboratorijska očala in druga očala, ki onemogočajo prahu, kemikalijam
in ostalim nevarnim snovem dostop do našega očesa
Kontaktne leče
Kontaktne leče so leče, ki jih vstavimo v oko. Poznamo tako tiste z enim centrom za gledanje,
kot bifokalne, navadne in cilindrične leče. Za nošenje so najbolj prijetne mehke leče, obstajajo
pa tudi poltrde in trde leče. Med sabo se različne leče ločijo tudi po času nošenja, saj nekatere
menjamo vsak dan, nekatere so uporabne 14 dni, en mesec, eno leto. Večino leč vsak večer damo
iz oči in si jih ponovno vstavimo zjutraj, med tem ko imamo nekatere lahko določeno obdobje v
očesu 24 ur na dan, in si jih šele po preteku tistega obdobja zamenjamo.
Zdravju so najbolj prijazne dnevne leče, saj so najbolj prepustne za zrak. Njihova slabost je
zelo visoka cena. Leče, ki jih lahko uporabljamo določeno obdobje brez da jih damo ven iz oči
so očem najbolj neprijazne, saj oko ne dobi dovolj kisika. Zaradi pomanjkanja kisika se lahko na
očesu pojavi več žilic, kar lahko vodi tudi do okvare vida.
Očesna proteza
Očesno protezo uporabljamo takrat, ko izgubimo eno oko. Je zgolj estetske narave, z njo ne
moremo gledati. Obstajata dve vrsti očesnih protez, steklene in plastične. Steklena je bolj
gladka, lažje se omoči, ni alergičnih reakcij, med tem ko je plastična bolj hrapava, zato se težje
omoči, lahko pride do alergičnih reakcij na material. Je pa plastična proteza prijetnejša za
nošenje pozimi, ko je mraz, saj je toplejša. Steklo je tudi krhko, plastična proteza pa ne.
5.2
Operativa
Laserska korekcija dioptrije
Primerna je za paciente z vsemi vrstami dioptrije, s sicer zdravim očesom. Na roženici je tanka
plast epitelnih celic, ki jo je potrebno odstraniti. Različne metode laserske korekcije dioptrije
se med sabo razlikujejo predvsem po načinu odstranitve epitelnih celic. Lahko jih mehansko
odstranimo s ščetkami, ali pa zarežemo v roženico in ustvarimo roženični reženj, ki ga odmaknemo
s površine roženice. Z laserjem preoblikujemo obliko roženice, po končanem delovanju laserja pa
reženj vrnemo na staro mesto.
9
Vstavitev znotraj očesne fakične leče
To metodo korekcije dioptrije uporabljamo, ko pacienti niso primerni za lasersko operacijo (visoka
dioptrija, tanka roženica). V oko vstavimo znotrajočesno lečo, naravno lečo pa pustimo nedotaknjeno. Prednost posega je ta, da lahko lečo enostavno vzamemo iz očesa in s tem povrnemo
prvotno stanje očesa.
Prihodnost?
Očesni živec je zelo kompleksen in ob poškodbi očesa za zdaj še ne moremo uspešno povezati
proteze z živcem tako, da bi videli kot da bi imeli lastno oko. Veliko truda je usmerjenega v
ta problem. Najbolj uspešni na tem področju so Avstralci. Njihov model umetnega očesa je še
v razvojni fazi. Sestavljeno je iz kamere na očalih, procesne enote, ki jo bolnik nosi v žepu in
brezžičnega čipa, vsavljenega v očesu. Elektrode čipa stimulirajo vidni živec in tako povrnejo oz.
izboljšajo vid. Primerno je za bolnike, ki imajo motnje vidnega živca. To oko bi lahko prišlo v
splošno uporabo že leta 2013 in s tem bistveno pripomoglo h boljšemu življenju veliko ljudi, ki
jim današnji postopki ne morejo pomagati.
Literatura
[1] GRAČNER Bojan, Oftalmologija. Univerza v Mariboru, Visoka zdravstvena šola, 2003.
[2] GUYTON Arthur C., Textbook of Medical Physiology. University of Mississippi Medical Center, Jackson, Mississippi, 11th edidtion, 2005.
[3] Wikipedia, Human eye. http://en.wikipedia.org/wiki/Human_eye, maj 2010.
[4] KUNNAMO Ilkka, Na dokazih temelječe medicinske smernice. Zavod za razvoj družinske
medicine, 2006.
[5] FAJMUT Aleš, DOBOVIŠEK Andrej, BRUMEN Milan, Eksperimentalne vaje pri predmetu
biofizika. Univerza v Mariboru, Medicinska fakulteta, 2008.
[6] Vid d.o.o., Medicinski center Vid. http://www.vid.si, maj 2010.
10

Similar documents