CAPÍTULO II – A BIOFÍSICA DA VISÃO



Sumário

1 INTRODUÇÃO

2 FUNDAMENTOS FÍSICOS

3 PRINCIPAIS ESTRUTURAS DO OLHO HUMANO

4 MECANISMO DE FOTOTRANSMISSÃO E OS TRAJETOS NERVOSOS

5 PODER DE ACOMODAÇÃO E PODER DIOPTRICO DO OLHO HUMANO

6 DEFEITOS DA VISÃO





1 INTRODUÇÃO


Um dos mais importantes meios de interação do homem com o mundo se faz através do espectro da radiação luminosa – faixa compreendida entre a cor vermelha e a cor violeta. Esta interação só é possível a dois instrumentos altamente especializados, que tem o tamanho de uma bola de tênis de mesa, dispostas de forma mais ou menos simétrica ao plano sagital – plano que divide o corpo humano em lado direito e lado esquerdo. De modo que se consiga ter uma visão binocular, o que permite uma percepção tridimensional do mundo. Além disso, estes instrumentos têm sensores especializados na detecção das cores e na detecção da luminosidade. Consegue distinguir imagens se a seqüência estiver abaixo de 10 imagens por segundo. Também distingue dois pontos se a separação angular entre eles for superior a 1/60 graus, conhecido como ângulo de acuidade visual. Neste trabalho será tratado como o olho humano se ajusta para captar de forma nítida uma imagem ou de como se pode ajudá-lo a fazer tal função. Também será visto a maneira como a imagem é processada e transmitida ao cérebro.


2 FUNDAMENTOS FÍSICOS



REFRAÇÃO



Quando a luz propaga-se de um meio a outro, como mostra a Figura 2.1, dizemos que esta se refratou. Ao se refratar a luz não muda sua freqüência, mas muda sua velocidade, seu comprimento de onda e pode mudar sua direção. Na figura abaixo a luz se refratou do meio 1 para o meio 2. O meio 2 é mais refringente que o meio 1, pois possui maior índice de refração, tanto que a velocidade e o comprimento de onda neste meio são menores que no meio 1. Vale esclarecer que o índice de refração no vácuo, por definição é igual a 1,00 e no ar é aproximadamente igual a este valor (1,00029). O índice de refração é uma medida da capacidade que o meio possui de desviar a luz. De modo que quanto maior for este índice para um meio mais um raio de luz será desviado por ele. Por exemplo, a luz ao passar do ar para o olho atravessa por meios (córnea, os líquidos dentro do olho e o cristalino) cujo índice de refração é maior que o do ar, fazendo com que a luz seja bem desviada.



LENTES



Conceitos básicos



No olho temos um sistema de lentes formado principalmente pela córnea e pelo cristalino. Podemos conceituar uma lente - termo de origem latina, que significa lentilha devido ao seu formato – como um artefato capaz de desviar a trajetória dos raios luminosos. As lentes fabricadas pelo homem são feitas de material com índice de refração diferente do meio circundante. A seguir temos algumas definições quanto a natureza das imagens e a forma de obtê-las: A imagem formada pelas lentes pode ser real ou virtual. Ela é real quando produzida pelos cruzamentos dos raios emergentes da lente e é virtual quando produzidas pelos prolongamentos dos raios luminosos. Nas Figuras 2.(a) e 2.(c) as imagens são reais, já na Figura 2.(b) a imagem é virtual. Somente a imagem real pode ser projetada sobre um anteparo. Este é o caso das imagens formadas pelas lentes do olho sobre a retina que funciona como anteparo (tela). Uma imagem pode ser direta ou invertida. Ela é direta quando tem o mesmo sentido do objeto, e invertida quando tem sentido oposto ao do objeto. As imagens nas Figura 2.(a) e 2.(c) são invertidas e a Figura 2.(b) é direta. Na retina a imagem que se forma é invertida. A imagem na Figura 2.(a) sofreu uma ampliação. Na Figura 2.(b), uma redução e na Figura 2.(c) tem o mesmo tamanho em relação ao objeto. As imagens formadas na retina são sempre reduzidas. Os raios 1, 2 e 3 são os raios notáveis. Com dois destes raios quaisquer podemos obter graficamente a imagem de um ponto. Suas características são: Raio 1: Todo raio que passa paralelo ao eixo principal emerge passa pelo foco imagem; Raio 2: Todo raio que passa pelo centro óptico emerge sem sofrer desvio; Raio 3: Todo raio que passa pelo foco objeto emerge paralelo ao eixo principal.



Classificação



Podemos ter dois grupos de lentes como mostram as Figuras 2.3 e 2.4, as de bordos grossos e as de bordos finos. Como geralmente as lentes são colocadas em meios menos refringentes que o material que as constitui, as lentes de bordos finos acabam sendo convergentes e as lentes de bordos grossos sendo divergentes. As lentes convergentes são aquelas que, ao serem atravessadas por raios de luz, tendem a aproximá-los. Por outro lado, as lentes divergentes tendem a afastá-los.


Como vimos anteriormente as imagens formadas no olho têm as seguintes características: são reais, invertidas e reduzidas. Estas características sempre surgem com as lentes convergentes. Assim é de esperar que os meios que participam da formação da imagem no olho humano tenha um efeito mais convergente que divergente. No olho humano existem três meios que funcionam como lentes: a córnea, do tipo côncavo-convexa, portanto convergente; o humor aquoso do tipo convexo-côncava, portanto divergente e o cristalino do tipo biconvexa. Ou seja, temos, então, duas lentes convergentes e uma divergente constituindo um sistema de efeito global fortemente convergente conforme será mencionado a seguir.


Determinação analítica da imagem (equação das lentes delgadas)


Existe uma equação que relaciona a distância do objeto a lente (p), a distância da imagem a lente (p’) e a distância focal da lente (f), esta é a equação de Gauss. Assim,


.(2.1)

Poder de convergência das lentes



O poder de convergência (C) de uma lente é dado em dioptrias (Di) e definido como o inverso da distância focal, isto é:


.(2.2)

É muito comum se utilizar expressões do tipo ‘uma lente de 2 graus”, cujo significado nada mais é que uma lente de 2 dioptrias, ou, de forma abreviada, 2 di. Na Figura 2.5, temos duas situações que ajudam a entender este conceito. Nesta figura tem-se um raio convergindo sobre um ponto no eixo da lente. Em (a) a lente é mais esférica e em (b) é mais achatada, o que significa que a primeira tem menor distância focal que a outra. De modo que quanto menor for a distância focal maior será o poder de convergência da lente. Ou seja, a lente com maior poder de convergência desvia os raios para mais próximo de si. As situações da figura são semelhantes à do cristalino (uma das lentes do olho humano) para focalizar (projetar) uma imagem sobre a retina. Na Figura 2.5(a), apresenta a forma como fica o cristalino para visualizar objetos próximos e na Figura 2.5(b) o cristalino assume uma forma mais achatada para visualizar objetos distantes. Mais a frente veremos que este processo de mudar a curvatura do cristalino é chamado de poder de acomodação.


3 PRINCIPAIS ESTRUTURAS DO OLHO HUMANO




Na Figura 2.6, temos uma visão bastante conhecida do olho humano. Entretanto, o olho humano apresenta muito mais do que mostra esta bela imagem, fato que pode ser constatado pela Figura 2.7. Por exemplo, na parte anterior do olho encontramos a córnea, uma camada curva e transparente que funciona como lente, sendo responsável por dois terços da capacidade de focalização que o olho humano possui. Como existe uma grande diferença entre o índice de refração do ar (1,0002) e da córnea (1,3376) os raios luminosos são bastante desviados pela córnea. Já na água (índice de refração igual a 1,33) a córnea tem seu poder de focalização diminuído. Isto explica porque na água temos o nosso poder focalização diminuído, isto é, como os raios são poucos desviados é mais difícil de termos uma imagem bem focalizada.



Atrás da córnea existe um fluido chamado de humor aquoso. Esse fluido determina a pressão intra-ocular que em condições normais é menor que 22 mmHg (22 torr). Este fluido é produzido continuamente, cerca de 5 ml por dia, sendo o excesso eliminado pelo canal de Schlemm. Um problema de drenagem por este canal pode levar à cegueira, pois com o aumento da pressão intra-ocular a irrigação da retina é dificultada, o que leva à morte as células sensoriais. A esta patologia se dá o nome de glaucoma. Após o humor aquoso encontramos a íris de cor verde, azul, castanha ou cinza que funciona como diafragma, isto é, regula a quantidade de luz que penetra no olho. A abertura por onde passa a luz chama-se pupila (menina dos olhos). O diâmetro da pupila pode variar de 1,5mm a 8,0mm, sendo que são necessários cerca de 5 segundos para a pupila se contrair (miose) ao máximo e 300 segundos para se dilatar (midríase) ao máximo.

Tabela 2.1-Variação do diâmetro pupilar (Fonte: Garcia, 1997.). (Okuno et al., 1982).
MioseMidríase
Focalização de objeto muito próximoFocalização de objeto muito distante
Ambiente muito iluminadoAmbiente pouco iluminado
Sono: a miose se acentua com a profundidade do sonoDespertar (passageira)
Na agonia e algumas horas após a morte (12 a 24h)No momento da morte
Fadiga extenuanteFadiga ligeira, Cólicas, dores, orgasmo,Ruído, odor e sabor fortes

Logo, em seguida, encontramos o cristalino que é uma lente biconvexa responsável por praticamente um terço do poder de focalização da luz na retina. O cristalino é uma lente com raio de curvatura variável, graças aos músculos ciliares que estão situados no corpo ciliar, veja Figura 2.7. A esse processo de mudar a curvatura do cristalino chama-se de acomodação. A seguir veremos melhor como funciona este poderoso sistema biomecânico-óptico. Após a luz ter passado pelo cristalino ela encontra o humor vítreo, uma substância transparente que preenche todo o espaço entre o cristalino e a retina. Como o índice de refração do humor vítreo é pouco distinto do cristalino, a luz desvia muito pouco sua trajetória. A última parte é a retina onde ficam os fotoreceptores. A retina se apresenta como uma camada cor-de-rosa com espessura de aproximadamente 0,5 mm. Pela Figura 2.7 vemos que ela cobre quase toda a superfície interna do olho, é altamente vascularizada e contém uma rede de nervos. É nesta região que ocorre a conversão da imagem luminosa em impulsos elétricos, que são enviados pelo nervo óptico (NO) ao cérebro. A retina é muito sensível a ponto que um único fóton pode ser detectado. Entretanto, um fóton infravermelho não tem energia suficiente para iniciar uma reação fotoquímica e ser percebido pelo olho. Por outro lado um fóton de ultravioleta tem energia suficiente, mas é absorvido antes de chegar a retina. Deste modo. O olho humano tem uma banda de freqüências visíveis compreendidas entre 4,2x1014 e 7,5x1014 Hz, aproximadamente, com pequenas variações de um indivíduo para outro. Na retina há dois tipos de fotoreceptores: os cones e os bastonetes, conforme indicados nas Figuras 2.8 e 2.9. Em cada olho existe em torno de 6,5 milhões de cones que são bulbiformes e especializados na detecção da luz e da cor (visão fotópica). Numa região próxima ao NO encontramos a mácula lútea, onde fica uma depressão chamada de fóvea e contém uma densidade elevada de cones. As imagens formadas na fóvea têm grande acuidade, o que permite boa nitidez. Isto pode ser conseguido movendo–se o globo ocular até que se consiga a imagem nesta região com um diâmetro da ordem de 0,3 mm. Acredita-se que existam cones especializados nas cores primárias: vermelho, verde e azul. De modo que a cor azul é devido ao estímulo dos receptores sensíveis ao azul. Já a detecção do amarelo é necessário o estímulo dos cones sensíveis ao vermelho e ao verde, de maneira igual. Para detecção do laranja, por exemplo, também é necessário o estímulo dos cones sensíveis ao vermelho e ao verde porém, o vermelho com mais intensidade.



Existem pessoas que são chamadas de daltônicas. Estas podem ter ausência ou redução na sensibilidade de um, dois ou dos três tipos de cones. O caso mais comum de daltonismo é em virtude do cone sensível ao vermelho. Neste caso um objeto vermelho é visto como sendo preto, além de ter dificuldades em cores como no alaranjado, no magenta, isto é, nas cores intermediárias que necessitam deste cone em particular. Em casos menos comuns pode haver problemas com os cones sensíveis ao verde ou ao azul. O caso mais raro é aquele em que faltam os três tipos de cones, consequentemente a pessoa verá um mundo branco, cinza ou preto. Os bastonetes com sua forma reta e delgada são, em cada olho, cerca de 120 milhões. Estes são especializados em ambientes de baixa intensidade luminosa (visão escotópica), contudo não tem boa resolução, ou seja, não permite a definição de detalhes das imagens que detecta. Também são insensíveis às cores.



O local onde emerge o NO cria uma região que é chamada de disco óptico (DO) ou ponto cego, como mostra a Figura 2.10. Esta região é desprovida de qualquer tipo de fotoreceptores. Assim, uma imagem projetada nesta região não pode ser percebida. Com o auxílio da Figura 2.11, podemos comprovar este fato. Para isso feche o olho esquerdo, mantendo o olhar fixo no círculo. A um palmo do rosto, comece a aproximar lentamente a figura até o momento em que o X “desaparece”.



4 MECANISMO DE FOTOTRANSMISSÃO E OS TRAJETOS NERVOSOS



Depois que a radiação luminosa alcança os cones e bastonetes, esta atinge a camada das células pigmentares. Nesta camada é captado o todo-trans-retinal e transformado em 11-cis-retinal (vitamina A), para em seguida ser liberada para os fotosensores. O 11-cis-retinal será utilizado pelos bastonetes para combinar com a opsina e formar seu pigmento visual, chamado de rodopsina ou púrpura visual. Para os cones, seus fotopigmentos são chamados de iodopsinas. Como existem cones especializados em detectar a radiação da luz vermelha, outros para a radiação azul e outros para o verde, então deve existir um fotopigmento para cada uma dessas cores. A energia luminosa decompõe a rodopsina e as iodopsinas. No caso das rodopsinas, a decomposição produz o retinal, a opsina e os íons. A opsina assim obtida pode se recombinar com a vitamina A para produzir mais rodopsina. Vem daí a necessidade de se adquirir vitamina A através dos alimentos. O íons por sua vez são os responsáveis pelos impulsos elétricos que serão transmitidos às células nervosas e encaminhados ao cérebro. Haverá, então, a transmissão pelos neurotransmissores para o nervo óptico (NO). Na Figura 2.12, temos esquema que mostra o NO se dirigindo ao quiasma óptico (QO), daí passando para o trato óptico (TO) e pelo corpo geniculado lateral (CGL) até alcançar as radiações ópticas (RO). A parte final é reservada ao córtex estriado (CE) que está localizado no lobo occipital (LO). Na Figura 2.13, temos uma imagem em três dimensões do cérebro, onde estão localizados suas diversas partes responsáveis pela visão.



5 PODER DE ACOMODAÇÃO E PODER DIOPTRICO DO OLHO HUMANO



Para o olho humano este processo é estritamente importante, pois a distância do cristalino para a retina é constante (20mm). De modo que o sistema ótico tem que se adaptar para poder projetar uma imagem sobre a retina. Assim, com p’= constante, para um objeto a uma grande distância (p grande) do olho a distância focal (f) deve aumentar. Se o objeto estiver próximo (p pequeno) a distância focal deve diminuir. Como indicam as equações:


.(2.3)


Com os músculos ciliares contraídos, o cristalino está relaxado de forma que a lente se encontra mais curva e consequentemente tem uma menor distância focal, o que permite ver objetos a pequenas distâncias. Se os músculos ciliares estiverem relaxados, o cristalino estará achatado, menos curvo, e consequentemente terá uma maior distância focal, o que permite ver objetos a grandes distâncias.


PONTO PRÓXIMO



Ao aproximarmos um objeto do olho os músculos ciliares se comprimem até chegar a um máximo, a fim de permitir a projeção da imagem sobre a retina. A posição de um objeto, em relação ao olho, que produz máxima compressão dos músculos ciliares é chamada de ponto próximo (PP) e sua distância ao olho é a distância mínima de visão nítida, chamada de distância do ponto próximo, dPP. Ver Figura 2.16.



Para um olho normal (olho emétrope) de um adulto a distância do ponto próximo, dPP, é em torno de 25 cm. No caso de um objeto estar à distância inferior a esta a imagem não será nítida.


PONTO REMOTO



Ao afastarmos um objeto do olho os músculos ciliares se relaxam até chegar ao relaxamento máximo, a fim de permitir a projeção da imagem sobre a retina. A posição de máximo relaxamento dos músculos ciliares é chamada de ponto remoto (PR) e sua distância ao olho é a de máxima para se ter uma visão nítida. Ver Figura 2.17.



Para um olho normal (olho emétrope) a distância do ponto remoto, dPR, é infinita. Ou seja, seria possível ver com grande nitidez uma paisagem ainda que estivesse a grande distância, mas com o aumento da distância temos o problema da acuidade visual que limita a nitidez da visão pelo fato objetos se apresentarem pequenos. Outro problema é quanto a intensidade luminosa que diminui com o inverso do quadrado da distância, de modo que se uma distância dobrar a intensidade decai para um quarto.


ZONA DE ACOMODAÇÃO



É a região que vai do ponto próximo (PP) ao remoto (PR). Um objeto só pode ser visto nitidamente se estiver nesta zona. Ver Figura 2.18.


Aplicação 1 - O poder de acomodação de um olho é definido como a distância entre as convergências do ponto próximo e do ponto remoto. Para o olho humano emétrope este valor é de CPP – CPR=4 di. Este valor é obtido da seguinte forma: Sabendo que a distância do cristalino à retina é de 0,02 m e a distância do ponto próximo é de P=0,25 m, a convergência do ponto próximo CPP é:



A convergência do ponto remoto CPR é obtida fazendo a distância do objeto à lente como infinita,
isto é,   . Assim, , para p´= 0,02 m e , . Então,
. Utilizando estes dois resultados encontramos:
, conforme o anunciado. O poder dióptrico do olho humano
está compreendido entre 51 di e 64 di. Destes a interface ar-córnea contribui com 43 di e o cristalino com 13 di a 26 di. A interface córnea-humor aquoso atua como uma lente divergente com –5di. Os diversos meios refringentes do olho contribuem para que se forme uma imagem sobre a retina. Esta imagem é real, reduzida e invertida. Este exemplo foi retirado de Okuno et al., 1982.

Aplicação 2 - Para se obter a projeção de uma imagem na retina de um objeto distante, o olho adquire uma convergência de 51di. O cristalino, neste caso, mostra condições de baixo poder de convergência, 13 di. Assim, a convergência do olho vale


Para se obter uma imagem nítida de um objeto próximo a convergência do olho é de 64 di. Nestas condições o cristalino tem uma convergência alta de 26di. Assim, a convergência do olho vale



EIXO ÓPTICO E EIXO VISUAL


O eixo óptico do olho é definido como a linha que une os centros ópticos da córnea e do cristalino. Entretanto, este não é o eixo visual em relação ao qual as imagens são formadas. Pela Figura 2.19, vemos que o eixo visual está ligeiramente desviado do eixo óptico do olho. O eixo visual une a fóvea Centralis ao centro óptico do cristalino.



6 DEFEITOS DA VISÃO



Um olho normal (olho emétrope) é aquele capaz de projetar sobre a retina uma imagem nítida tanto para objetos próximos como para objetos distantes, conforme pode ser vista na Figura 2.20. Um olho que não obedeça a este critério é chamado de amétrope. Algumas causas de ametropia serão citadas aqui, como, por exemplo, as devidas: às aberrações esféricas e cromáticas, as dispersões e difrações e aos defeitos de forma do olho.



ABERRAÇÃO ESFÉRICA



Esta aberração se deve a defeitos de esfericidade, ocorrendo quando raios luminosos incidem afastados do eixo principal de lentes muito curvas. Esses raios convergem para focos distantes do foco que a lente apresenta aos raios que estão próximos ao eixo principal, conforme a Figura 2.21.



Esta aberração aumenta para a visão de um objeto próximo. Isto se deve ao fato das faces do cristalino estarem mais curvas. Entretanto, este efeito pode ser minimizado porque para objetos próximos o diâmetro pupilar diminui, ou seja, os raios mais afastados do eixo pupilar são impedidos de serem refratados.


ABERRAÇÃO CROMÁTICA



Esta aberração ocorre pelo fato das lentes apresentarem diferentes focos para raios de cores diferentes. Os raios de menor comprimento de onda são mais fortemente desviados que os de maior comprimento de onda, de forma que o foco para a luz azul acaba sendo menor que o foco para a luz vermelha, conforme vê-se pela Figura 2.21. No entanto, este efeito pode ser minimizado pelo fato do olho humano ser menos sensível as cores situadas no extremo do espectro visível, ou seja, as cores que mais contribuem com a aberração cromática – vermelho e o violeta – são as menos percebidas.



DISPERSÃO E DIFRAÇÃO DA LUZ NO OLHO



Os raios luminosos podem ser espalhados, em direções diversas, devido as imperfeições dos meios transparentes do olho. Além disso, as diversas bordas (pálpebras, cílios, íris, etc.) encontradas no olho permitem a difração da luz, o que produz padrões de interferência. O borramento de uma imagem produzido pelo espalhamento e pela difração por essas estruturas é pequeno e geralmente está abaixo do limiar de sensibilidade da retina.


DEFEITOS DA FORMA



Uma pessoa emétrope Algumas patologias estão associadas à geometria do globo ocular ou das lentes. Estas são:


Miopia



A miopia pode ocorrer por duas razões: ou o eixo ocular é muito comprido ou a córnea tem uma curvatura exagerado. Para um objeto colocado a uma distância grande a imagem recai antes da retina, como mostra a Figura 2.23(a). Em conseqüência, o olho míope tem dificuldade em ver objetos a grande distância. Em outras palavras, o ponto remoto (PR) não está no infinito e sim a uma distância finita (dPR). Pode-se corrigir miopia com uma lente divergente (Figura 2.23) ou cirurgicamente com a utilização de raio laser para adequar a curvatura da córnea. Assim, como o ponto remoto (PR) está a uma distância finita, o ponto próximo (PP), sofre uma diminuição da distância. Por esta razão o míope tem maior capacidade de focalizar objetos próximos do que o emétrope. Até mesmo o problema de vista cansada custa mais a atingir o míope na visão de objetos próximos.



Hipermetropia



Nessa patologia o eixo ocular é mais curto que o normal. Em conseqüência, o olho hipermétrope tem dificuldade em ver objetos próximos. Um objeto colocado a pequena distância tem sua imagem formada depois da retina, como mostra a Figura 2.26(a). Em outras palavras, o ponto próximo (PP) está mais afastado que o normal. Pode-se corrigir a hipermetropia com uma lente convergente.



Presbiopia



A presbiopia ou “vista cansada” ocorre devido à perda de flexibilidade dos músculos ciliares ou ao aumento da rigidez do cristalino, o que reduz o poder de acomodação. O presbíope tem seu ponto próximo mais afastados que o normal e ponto remoto a uma distância finita. A correção desta patologia é feita usando lentes bifocais. Ver Figura 2.29.



Astigmatismo



O astigmatismo ocorre devido as imperfeições de curvatura da córnea, ou, mais raramente, do cristalino. A correção é feita com lentes cilíndricas ou toroidais que apresentam convergência maior numa direção que em outra. Ver Figura 2.30.