COMPORTAMENTO ÓTICO DO OLHO HUMANO E SUAS AMETROPIAS

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1 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06 (01 e 02): 7-18, 2008 COMPORTAMENTO ÓTICO DO OLHO HUMANO E SUAS AMETROPIAS Erinaldo Costa Passos Universidade Estadual de Feira de Santana; Avenida Transnordestina, s/n, Novo Horizonte, Campus Universitário, , Feira de Santana, BA, Brasil A. V. Andrade-Neto e Thierry Lemaire Departamento de Física, Universidade Estadual de Feira de Santana; Avenida Transnordestina, s/n, Novo Horizonte, Campus Universitário, , Feira de Santana, BA, Brasil Nossos olhos constituem um sistema sensorial complexo que desempenha um papel fundamental na nossa interação com o mundo. Em termos físicos, o olho humano é um sistema ótico versátil que possui a capacidade de, em conexão com o cérebro, formar e processar imagens. Neste trabalho apresentamos uma descrição introdutória do olho humano e suas partes do ponto de vista do seu comportamento ótico. Também são descritos os principais defeitos de visão (ametropias) e a visão subnormal. I. INTRODUÇÃO A natureza da luz sempre foi uma questão fascinante para filósofos e cientistas ao longo do tempo. A propagação retilínea da luz já era conhecida na Grécia antiga, fato que, certamente, contribuiu para o desenvolvimento da teoria corpuscular da luz já que é mais difícil compreender sua propagação retilínea no contexto de uma teoria ondulatória. A teoria rival à corpuscular, a teoria ondulatória, teve no astrônomo holandês Christian Huygens um grande defensor desse modelo, o qual a partir do princípio conhecido como princípio de Huygens, foi capaz de explicar as leis da reflexão e da refração [1]. Uma demonstração inequívoca a favor da natureza ondulatória da luz foi dada por Thomas Young em Ele demonstrou que, em circunstâncias apropriadas, a luz apresenta interferência, que é um fenômeno tipicamente ondulatório. A interferência é observada quando uma 7

2 Erinaldo Costa Passos et alli CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 fonte puntiforme de luz ilumina um anteparo no qual cada ponto é atingido por caminhos diferentes. Observa-se no anteparo franjas escuras e brilhantes conhecidas como franjas de interferência. Não deixa de ser fascinante saber que luz mais luz pode originar escuridão. Na segunda metade do século XIX o escocês James Clerk Maxwell, em um trabalho teórico brilhante, reuniu todos os conhecimentos disponíveis sobre os fenômenos elétricos e magnéticos num conjunto de equações que são conhecidas como equações de Maxwell. A partir dessas equações ele foi capaz de deduzir a existência de ondas eletromagnéticas transversais que se propagavam no vácuo com a velocidade da luz o que o levou a concluir que a luz é uma onda eletromagnética. Em 1888 o alemão Heinrich Rudolf Hertz produziu e detectou ondas eletromagnéticas (ondas de rádio) confirmando experimentalmente o trabalho de Maxwell, na época já falecido. Desse modo, podemos afirmar que a luz visível é uma forma de onda eletromagnética 1 com comprimento de onda no intervalo entre 400 e 700 nm (1 nanometro (nm) corresponde a um bilionésimo do metro, i.e., 1nm = 1,0x10 9 m), intervalo no qual o olho humano é sensível a essa radiação. Contudo, quando as dimensões dos objetos envolvidos são muito maiores que o comprimento de onda da luz, a abordagem ondulatória pode ser substituída por outra na qual podemos imaginar que a luz se propaga como raios e, em meios homogêneos, estes raios percorrem uma linha reta. Esta abordagem é conhecida como ótica geométrica. A ótica geométrica é uma boa aproximação para o estudo de dispositivos óticos tais como espelhos, lentes e prismas e instrumentos como telescópios, microscópios e o olho humano. O objetivo do presente artigo é apresentar uma descrição dos elementos essenciais do olho humano e suas características óticas. Também são discutidos alguns defeitos da visão (ametropias) e a visão subnormal. 2. O olho humano O olho humano é um sistema sensorial complexo que desempenha funções de formação e processamento de imagem em conexão com o cérebro. Ele capta a energia luminosa refletida pelos objetos e a transforma em impulsos nervosos transmitidos ao cérebro, que serão convertidos na imagem do objeto observado. Em termos ópticos, o olho humano é um sistema óptico positivo (convergente) que refrata 1 Sabe-se hoje que essa afirmação não é totalmente verdadeira. A luz possui uma natureza dual (dualidade onda-partícula) cujos aspectos corpusculares e ondulatórios são, de alguma forma, reconciliados pela mecânica quântica. 8

3 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Comportamento ótico... a luz que penetra no olho pela pupila e converge para sua porção posterior, chamada retina, para formar uma imagem real invertida [2]. As principais partes que compõem o olho humano serão descritas a seguir. 2.1 Estrutura e funcionamento do globo ocular Quando uma pessoa olha para um objeto, raios de luz são refletidos do objeto na direção do olho. O conjunto de unidades que participam da formação da visão humana é chamado globo ocular. Os raios luminosos que penetram no sistema óptico do globo ocular sofrem um desvio e produzem uma imagem invertida do objeto na retina. Dessa região, a imagem é transportada na forma de impulsos elétricos ao cérebro, onde é interpretada na posição correta. O olho humano e suas partes serão descritas seguindo o caminho que a luz percorre até a retina [ver figura (1)]. Citaremos apenas as partes opticamente relevantes para a compreensão deste trabalho. Fig. 1: Representação esquemática do olho humano. Fonte: http : //en.wikipedia.org/wiki/keeling Curve A luz que penetra no olho percorre o meio óptico composto pela córnea, humor aquoso, a íris, o cristalino e o humor vítreo, antes de chegar à retina, onde é criada a imagem invertida do objeto observado. A córnea é uma película transparente localizada na região anterior do globo ocular. Sua 9

4 Erinaldo Costa Passos et alli CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 superfície curva é ligeiramente achatada, fato que reduz sua aberração esférica 2. Ela é a primeira interface que a luz atravessa e é responsável por dois terços do poder refrativo do olho. Em termos óticos, a córnea é uma lente convexo-côncava com raio de curvatura de 7,8 mm (face anterior) e 6,4 mm (face posterior) e índice de refração de 1,376. O humor aquoso é um líquido transparente localizado entre a córnea e o cristalino cujo índice de refração é 1,336. É esse fluido que controla a pressão intra-ocular a qual, em condições normais, não deve ser maior que 22 mmhg. A córnea e o humor aquoso equivalem a uma lente convergente convexo-côncava. A íris, a parte circular que dá a cor do olho, funciona como o diafragma de uma máquina fotográfica, controlando a quantidade de luz que penetra no olho. A cor do olho é determinada pela quantidade de melanina (proteína que determina a tonalidade da pele, dos olhos e dos cabelos) presente na íris. A quantidade dessa pigmentação é determinada pela herança genética da pessoa. Nos albinos, por exemplo, geralmente a produção de melanina é baixa e a íris tornase transparente, dificultando o controle da luz que incide no olho. Quando exposta a uma luminosidade alta, a abertura central da íris (denominada pupila) diminui, e ao contrário, quando exposta a pouca luminosidade, dilata-se, aumentando o tamanho da pupila. Assim, o diâmetro da pupila pode variar desde 2 mm (luz intensa) até 8 mm (em lugares escuros). Sua aparência é preta porque a quase totalidade da luz que penetra no olho é absorvida no seu interior. O controle da abertura ou fechamento da pupila é feito através de músculos antagônicos na íris que são controladas pelo cérebro a partir das informações que as células nervosas, localizadas no fundo do olho, fornecem sobre a quantidade de luz incidente[3]. Localizado atrás da íris encontra-se o cristalino que funciona como uma lente biconvexa ajustável, comprimida ou relaxada pelos músculos ciliares (variando assim seu raio de curvatura e, portanto, sua distância focal), que serve para focalizar o objeto sobre a retina, permitindo a formação de imagens de objetos que se encontram a diferentes distâncias. Desse modo, sua função é permitir a visualização nítida dos objetos em todas as distâncias, processo conhecido 2 Chamamos de aberrações os erros de formação de imagens que estão sempre presentes em sistema reais. Há dois tipos de aberrações: aberração esférica e aberração cromática. O primeiro caso é uma conseqüência do fato de que as distâncias focais dos raios luminosos que passam pelas extremidades da lente são menores que as distâncias focais dos raios próximos ao centro da lente (para raios de mesmo comprimento de onda). Por sua vez, a aberração cromática resulta do fato de que a refração da luz depende do seu comprimento de onda. Se a luz utilizada for branca, as diferentes cores que a compõem serão focalizadas em diferentes pontos. Para uma lente convergente, por exemplo, a distância focal é maior para a luz vermelha do que para a luz azul, daí o nome aberração cromática. 10

5 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Comportamento ótico... como acomodação. O humor vítreo, situado entre o cristalino e a retina, é um material gelatinoso transparente cujo índice de refração é 1,337 (quase igual ao da água). Ele tem a função de manter a coesão e a pressão do globo ocular. A retina é uma película fina, com espessura que varia de 0,1 a 0,5 mm, que reveste a maior parte posterior do globo ocular e é composta por células fotossensíveis que recebem o estimulo luminoso transformando-o em estímulo elétrico que é transmitido ao cérebro através do nervo óptico. Há uma pequena região na retina, denominada fóvea, onde a imagem é mais nítida e mais detalhada e, por essa razão, movemos o globo ocular para que a imagem do objeto seja formada nessa região. Há no olho humano dois tipos de células fotorreceptoras: os cones e os bastonetes. Os cones são os responsáveis pela percepção das cores e pelo detalhamento da imagem, sendo, porém, pouco sensíveis a raios luminosos de pouca intensidade. Por sua vez, os bastonetes, ausentes da fóvea, são extraordinariamente sensíveis, o que permite o seu funcionamento com níveis reduzidos de intensidade luminosa. Contudo, os bastonetes são incapazes de distinguir as cores e as imagens que geram são mal definidas. Feita a descrição acima, podemos, em resumo, dizer que o olho humano pode ser imaginado como um sistema óptico formado por uma dupla lente positiva: uma fixa (a córnea) e outra flexível (o cristalino), imersas em fluidos transparentes com índices de refração próximos ao da água, que forma uma imagem real invertida. Um olho que forma a imagem exatamente sobre a retina é denominado emétrope. Quando o olho possui alguma deformação ou dificuldade de focalização, a imagem é formada fora do plano da retina. Nesses casos, o olho é considerado míope ou hipermétrope. Vamos agora calcular o poder de refração do olho humano. Lembrando que o poder de refração de uma lente, i.e., a capacidade da lente de modificar o trajeto dos raios luminosos, é medido por uma grandeza chamada dioptria (o vulgo grau dos óculos), representada por D, que é definida como o inverso da distância focal da lente, dada em metros, podemos achar o poder dióptrico do olho humano. A córnea, o cristalino, o humor aquoso e o humor vítreo apresentam índices de refração e raios de curvaturas diferentes (ver tabela 1) que proporcionam ao olho um poder dióptrico de aproximadamente 60 D sendo que destes, 43 D provém da córnea. O cristalino contribui com um poder dióptrico, que dependendo do seu estado de acomodação, varia, em média, entre 17 D e 30 D, e que ao ser combinado com o poder dióptrico da córnea, dá ao olho capacidade para focalizar objetos situados a distâncias que vão de 25 cm ao infinito. 11

6 Erinaldo Costa Passos et alli CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Raio (mm) Espessura (mm) Índice de refração Córnea +7,8/+6,4 0,6 1,376 Humor Aquoso 3,0 1,336 Cristalino +10,1/-6,1 4,0 1,386-1,406 Humor Vítreo 16,9 1,337 Tab. I: Valores típicos dos raios de curvaturas, espessuras e índices de refração do olho humano. Estes valores variam para cada indivíduo e até mesmo para os dois olhos de um mesmo indivíduo Campo Visual O campo visual de um dos olhos de um indivíduo é a área passível de ser vista para a frente, para as laterais direita e esquerda, para cima e para baixo, quando este mantem o olho que está sendo examinado, imóvel em um ponto fixo, em uma linha reta horizontal paralela ao solo. No plano horizontal, conforme ilustrado na figura 2, o campo visual tem aproximadamente 165 o sendo que 105 o são relativos ao lado temporal 60 o relativos ao lado nasal, valores estes que variam entre indivíduos, pois depende da distância entre as pupilas, da extensão da retina e da obstrução provocada pelo nariz [4]. No plano vertical o campo visual apresenta ângulo médio de 140 o e assim como na direção horizontal apresenta uma região onde os campos do olho esquerdo e direito se sobrepõem. Nesta região de campo binocular a sensibilidade, a acuidade e a capacidade estereoscópica da visão são potencializadas. 2.3 Acuidade Visual Acuidade visual é uma medida do poder de resolução do olho humano, ou seja, a sua capacidade de diferenciar dois pontos muito próximos. Vários fatores especificam esta acuidade, em especial, a distância entre os fotos-receptores na retina e também da precisão da refração. Ela é determinada pela menor imagem retiniana percebida pelo indivíduo. Sua medida é dada pela relação entre o tamanho do menor objeto (optotipo) visualizado e a distância entre observador e objeto. Uma forma prática de se medir a acuidade visual é através da carta de Snellen, mostrada na figura 3. Esta carta contém letras que estão dispostas em linhas e cujo tamanho vai diminuindo. A tabela está a uma distância padrão da pessoa cuja acuidade vai ser medida. Cada linha é designada por um número que corresponde à distância na qual um olho normal pode ler todas as letras da fila. A acuidade é representada por dois números (por exemplo, 20/40 ). O primeiro 12

7 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Comportamento ótico... Fig. 2: Campo visual médio. Extraído de [4] número representa a distância de teste (medido em pés), no caso 20 pés (aproximadamente 6 m), entre a tabela e o paciente, e o segundo representa a fileira menor das letras que o olho do paciente pode ler. Segundo este método, um individuo tem acuidade visual normal ou 1 (ou 20/20 no jargão médico) quando situado a vinte pés (6 metros) de distância da carta de Snellen; 20/60 indica que o olho do paciente pode apenas ler letras suficientemente grandes numa distância de 20 pés, o que um olho normal pode ler numa distância de 60 pés (aproximadamente 18 m). 3 Erros de refração ou ametropias A córnea e o cristalino são, conforme vimos, as principais lentes que refratam a luz, isto é, direcionam os raios de luz à retina. Essa capta a imagem formada pelos raios e transmite-a até o cérebro, por meio do nervo óptico. Quando o globo ocular apresenta alguma dificuldade de focalização da imagem sobre a retina, as imagens formadas não são nítidas. Essa condição é definida como ametropia, ou erro de refração, que podem ser de quatro tipos: miopia, hipermetropia, astigmatismo e presbiopia. Na miopia os feixes de raios paralelos convergem num ponto na frente da retina. Isso se 13

8 Erinaldo Costa Passos et alli CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Fig. 3: Carta de Snellen. deve a um aumento do comprimento do globo ocular ou a potência excessiva do sistema de lentes oculares. A imagem de objetos distantes forma-se em frente à retina comprometendo a nitidez da imagem embora objetos próximos sejam vistos claramente. A miopia pode ser corrigida com lentes esféricas divergentes (negativa) a qual aumenta a divergência de um feixe de raios, permitindo a focalização da imagem sobre a retina, como mostra a figura 4. Fig. 4: Uso de lente divergente para correção do erro refrativo causado pela miopia. Extraído de [3]. Na hipermetropia também ocorre uma dificuldade de focalizar a imagem, mas contrariamente à miopia, a focalização se dá posteriormente à retina. Ela se deve a uma redução do comprimento do globo ocular ou devido a potência do sistema de lentes oculares ser menor. Também 14

9 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Comportamento ótico... ao contrário da miopia, o hipermetrope tem maior dificuldade em ver objetos próximos. Pode ser corrigida com lentes esféricas convergentes (positiva) que aumenta a convergência de um feixe de raios, permitindo que a imagem se forme sobre a retina, como podemos ver na figura 5. Fig. 5: Uso de lente convergente para corrigir o erro refrativo causado pela hipermetropia. Extraído de [3]. O astigmatismo é uma condição que decorre da diferença de curvatura da córnea ou cristalino nas direções horizontal e vertical. Disso resultam diferentes profundidades de foco que distorcem a visão, tanto de longe quanto de perto. Ele pode ocorrer associado à miopia ou à hipermetropia e pode ser corrigido com lentes cilíndricas. A figura 6 permite a realização de um teste simples para se verificar a existência de astigmatismo. Feche um dos olhos e olhe para a figura. Se algum dos pares de linhas se mostrarem mais escuro que os outros, você tem astigmatismo. Outro teste simples consiste em olhar para uma fonte de luz distante à noite (a lua, por exemplo). Se você enxergar uma forma alongada em alguma direção, ao invés de circular, você tem astigmatismo. A presbiopia, ou vista cansada, é uma condição inevitável que surge normalmente em indivíduos após os 40 anos de idade, em média, e decorre de uma perda progressiva da flexibilidade do cristalino. Ela provoca dificuldade para a visão de perto, vista cansada, e pode ser corrigida com lentes esféricas convergentes. Além desses problemas pode-se citar também o ceratocone, que pode ser considerado um tipo de astigmatismo mais grave. Na ocorrência do ceratocone, a córnea, que normalmente é 15

10 Erinaldo Costa Passos et alli CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Fig. 6: Figura para teste de astigmatismo. esférica, tem sua forma modificada progressivamente para uma forma cônica (figura 7), prejudicando a visão. Nessa situação o astigmatismo torna-se cada vez maior e mais difícil de fazer compensação com óculos o que pode dificultar a realização de tarefas simples como dirigir ou ler um texto. Nesses casos, faz-se necessário o uso de lentes rígidas (gás permeáveis), as quais possibilitam uma superfície de refração uniforme, para correção da visão. Adicionalmente, os portadores se queixam de fotofobia e visão distorcida. Afeta cinco indivíduos em cada grupo de pessoas, na faixa de idade que vai dos 15 aos 45 anos de idade. A hereditariedade é aceita como uma das causas mais prováveis, porém não é o fator definitivo. É mais freqüente em portadores de doenças como síndrome de Down, doenças cardíacas e pessoas alérgicas. 4. Visão subnormal. Uma pessoa é portadora de visão subnormal ou baixa visão quando existe um comprometimento do seu sistema visual mesmo após tratamento e/ou uso de correção ótica para erros refrativos comuns, como o uso de óculos e lentes de contato. A Organização Mundial de Saúde (OMS) define como visão subnormal quando a acuidade visual do indivíduo, corrigida no melhor olho, é menor do que 0,3 e maior ou igual a 0,05 (conforme vimos, 1 representa visão normal), ou se seu campo visual é menor do que 20 graus no melhor olho com a melhor correção óptica [5]. Nas crianças, as causas da visão subnormal em geral são congênitas (adquiridas durante a gestação) e é muito comum em pessoas albinas. Pode também ser provocada por doenças como diabetes, glaucoma e cataratas, dentre outras, que normalmente acomete pessoas idosas. 16

11 CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 Comportamento ótico... Fig. 7: Olho humano com ceratocone Fonte: A visão subnormal pode ser classificada em dois tipos: a que reduz a visão central (o tipo mais comum) e a que reduz a visão periférica. A visão central é a que nos permite ler e observar detalhes e cores com nitidez. Já a visão periférica nos permite perceber os objetos que estão fora do raio central da visão. 5 Conclusões Neste trabalho fizemos uma descrição introdutória do sistema visual humano, o qual atua como um instrumento ótico versátil que possui a capacidade de controlar a quantidade de luz que atinge a retina e transformar a energia luminosa em impulsos nervosos transmitidos ao cérebro que serão convertidos na imagem do objeto observado. O sentido da visão desempenha um papel fundamental no nosso conhecimento do mundo. Desse modo, qualquer comprometimento desse sentido pode ser um fator limitante na qualidade de vida do indivíduo. Por essa razão, se deu ênfase na descrição dos principais defeitos de visão (ametropias) e na descrição da visão subnormal. Essa escolha metodológica foi motivada principalmente pela condição visual de dois dos autores do presente trabalho. Um deles (E. C. P.) possui acuidade visual de 0,1 numa escala de 0 a 1, onde 1 representa visão normal. Isso o caracteriza como portador de visão subnormal. Outro autor (A. V. A.-N) possui ceratocone em um estágio em que não é possível fazer compensação com óculos, o que torna obrigatório o uso de lentes de contato. Esperamos que esse trabalho possa contribuir para que um maior número de pessoas entenda 17

12 Erinaldo Costa Passos et alli CADERNO DE FÍSICA DA UEFS 06, (01 e 02): 7-18, 2008 o funcionamento do olho humano e, ao mesmo tempo, possa auxiliar os professores, tanto no ensino médio e fundamental como na universidade, a perceberem possíveis ametropias em seus estudantes. REFERÊNCIAS [1] H. M. Nussenzveig, Curso de Física Básica 4 Editora Edgar Blucher, São Paulo (1998). [2] E. Hecht, Óptica, Segunda edição, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa (1998). [3] Ricardo Barthem, A Luz Coleção Temas Atuais da Física, Sociedade Brasileira de Física, São Paulo (2005). [4] J. B. Santos, Sensor de frente de onda para uso oftalmológico. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo (2004). [5] ] Maria Aparecida Onuki Hadadd, Habilitação e reabilitação visual de escolares com baixa visão: aspectos médicos-sociais, Tese de Doutorado, Faculdade de Medicina da USP (2006). SOBRE OS AUTORES - Erinaldo Costa Passos - Licenciando em Física pela UEFS. : herinalldo@yahoo.com.br Antônio Vieira de Andrade-Neto - Doutor em Física pela UNICAMP, é Professor Adjunto do Departamento de Física da UEFS. aneto@uefs.br Thierry Lemaire - Doutor em Física pela Université d Aix Marseille II, França, é Professor Titular do Departamento de Física da UEFS. tl lemaire@yahoo.com.br 18