Оптическая система и рефракция глаза │ Часть 1

Описание

↑ Оптическая система глаза

Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая состоит из

• роговицы,
• влаги передней камеры,
• хрусталика
• и стекловидного тела.
  

Преломляющая сила глаза зависит от величины радиусов кривизны передней поверхности роговицы, передней и задней поверхностей хрусталика, расстояний между ними и показателей преломления роговицы, хрусталика, водянистой влаги и стекловидного тела. Оптическую силу задней поверхности роговицы не учитывают, поскольку показатели преломления ткани роговицы и влаги передней камеры одинаковы (как известно, преломление лучей возможно лишь на границе сред с различными коэффициентами преломления).

Условно можно считать, что преломляющие поверхности глаза сферичны и их оптические оси совпадают, т. е. глаз является центрированной системой. В действительности же в оптической системе глаза имеется много погрешностей. Так, роговица сферична только в центральной зоне, показатель преломления наружных слоев хрусталика меньше, чем внутренних, степень преломления лучей в двух взаимно перпендикулярных плоскостях неодинакова. Кроме того, оптические характеристики в разных глазах существенно различаются, причем точно определить их нелегко. Все это затрудняет вычисление оптических констант глаза.

Для оценки преломляющей способности любой оптической системы используют условную единицу — диоптрию (сокращенно — дптр). За 1 дптр принята сила линзы с главным фокусным расстоянием в 1 м. Диоптрия (D) — величина, обратная фокусному расстоянию (F):

D = 1/F

Следовательно, линза с фокусным расстоянием 0,5 м обладает преломляющей силой 2,0 дптр, 2 м — 0,5 дптр и т. д. Преломляющую силу выпуклых (собирающих) линз обозначают знаком "плюс", вогнутых (рассеивающих) — знаком "минус”, а сами линзы называют соответственно положительными и отрицательными.

Существует простой прием, с помощью которого можно отличить положительную линзу от отрицательной. Для этого линзу нужно расположить на расстоянии нескольких сантиметров от глаза и передвигать ее, например, в горизонтальном направлении. При рассматривании какого-либо предмета через положительную линзу его изображение будет смещаться в сторону, противоположную движению линзы, а через отрицательную, наоборот, — в ту же сторону.

Для проведения расчетов, связанных с оптической системой глаза, предложены упрощенные схемы этой системы, основанные на средних величинах оптических констант, полученных при измерении большого количества глаз. На рис. 5.1





представлен схематический глаз, предложенный A. Gullstrand в 1909 г. Видно, что передняя и задняя главные плоскости пересекают оптическую ось глаза на расстоянии соответственно 1,47 и 1,75 мм от вершины роговицы. Условно можно считать, что эти плоскости расположены в одном месте — на расстоянии 1,6 мм от вершины роговицы.

Переднее и заднее фокусные расстояния, если их отсчитывать от и до главных плоскостей, равны соответственно 16,78 и 22,42 мм. Чаще, однако, определяют передневершинное и задневершинное фокусные расстояния, т. е. положение главных фокусов относительно вершины роговицы. Эти расстояния равны соответственно 15,31 и 24,17 мм.

Предложены и более простые схемы оптической системы глаза, в которых имеется только одна преломляющая поверхность — передняя поверхность роговицы и одна среда — усредненная внутриглазная среда. Такой глаз называют редуцированным.

Наиболее удачным является схематический редуцированный глаз, предложенный В. К. Вербицким в 1928 г. Его основные характеристики: главная плоскость касается вершины роговицы; радиус кривизны последней 6,82 мм; длина передне-задней оси 23,4 мм; радиус кривизны сетчатки 10,2 мм; показатель преломления внутриглазной среды 1,4; общая преломляющая сила 58,82 дптр.

Как и другим оптическим системам, глазу свойственны различные аберрации (от лат. aberratio — отклонение) — дефекты оптической системы глаза, приводящие к снижению качества изображения объекта на сетчатке. Вследствие сферической аберрации лучи, исходящие из точечного источника света, собираются не в точке, а в некоторой зоне на оптической оси глаза. В результате этого на сетчатке образуется круг светорассеяния. Глубина этой зоны для "нормального" человеческого глаза колеблется от 0,5 до 1,0 дптр.

В результате хроматической аберрации лучи коротковолновой части спектра (сине-зеленые) пересекаются в глазу на меньшем расстоянии от роговицы, чем лучи длинноволновой части спектра (красные). Интервал между фокусами этих лучей в глазу может достигать 1,0 дптр (рис. 5.2).





Практически во всех глазах имеется еще одна аберрация, обусловленная отсутствием идеальной сферичности преломляющих поверхностей роговицы и хрусталика. Асферичность роговицы, например, может быть устранена с помощью гипотетической пластинки, которая, будучи наложена на роговицу, превращает глаз в идеальную сферическую систему. Отсутствие же сферичности приводит к неравномерному распределению света на сетчатке: светящаяся точка образует на сетчатке сложное изображение, на котором могут выделяться участки максимальной освещенности. В последние годы активно изучается влияние указанной аберрации на максимальную остроту зрения даже в "нормальных” глазах с целью ее коррекции и достижения так называемого суперзрения (например, с помощью лазера).
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

↑ Физическая и клиническая рефракция глаза

Как отмечалось выше, в физике рефракцией оптической системы называют ее преломляющую силу, выраженную в диоптриях. Физическая рефракция глаза человека, по данным разных исследователей, варьирует от 51,8 до 71,3 дптр.

Однако для получения четкого изображения важна не только преломляющая сила оптической системы глаза сама по себе, но и ее способность фокусировать лучи на сетчатке. В связи с этим в офтальмологии используют понятие клиническая рефракция, под которой понимают соотношение между преломляющей силой и положением сетчатки или, что то же самое, между задним фокусным расстоянием оптической системы и длиной переднезадней оси глаза. Различают клиническую рефракцию двух видов — статическую и динамическую.

Статическая рефракция характеризует способ получения изображений на сетчатке в состоянии максимального расслабления аккомодации (подробнее эта функция, позволяющая менять преломляющую способность глаза, будет рассмотрена далее). Нетрудно заметить, что статическая рефракция — это условное понятие, отражающее лишь структурные особенности глаза как оптической камеры, формирующей изображение на сетчатке.

Для правильного решения многих вопросов, связанных со зрительной деятельностью в естественных условиях, необходимо иметь представление о функциональных особенностях оптической системы глаза. Судить о них позволяет динамическая рефракция, под которой понимают преломляющую силу оптической системы глаза относительно сетчатки при действующей аккомодации.

↑ Статическая рефракция глаза. Эмметропия и аметропии

Статическая рефракция определяется положением заднего главного фокуса оптической системы глаза относительно сетчатки. При соразмерной клинической рефракции, или эмметропии (от греч. emmetros — соразмерный, opsis — зрение), этот фокус совпадает с сетчаткой, при несоразмерных видах клинической рефракции, или аметропиях (от греч. ametros — несоразмерный), — не совпадает. При близорукости (миопии) лучи фокусируются впереди сетчатки, а при дальнозоркости (гиперметропии) — позади нее (рис. 5.3).





Теоретически несоразмерность клинической рефракции может быть обусловлена двумя основными причинами: несоответствием физической рефракции длине глаза и, наоборот, несоответствием длины глаза рефракции. В первом случае аметропию обозначают как рефракционную, во втором — как осевую. Аметропии высокой степени, как правило, обусловлены значительными отклонениями величины переднезадней оси от "нормальных" размеров в сторону увеличения (при миопии) или уменьшения (при гиперметропии).

В общем аметропии следует рассматривать как результат дискорреляции между оптическим и анатомическим компонентами глаза. В такой дискорреляции в первую очередь "повинна" длина оси глаза, которая более изменчива, чем его преломляющая сила. Исходя из этого, можно говорить, что чем рефракция глаза слабее, тем он короче, чем рефракция сильнее, тем глаз длиннее, т. е. гиперметропический глаз короткий, а миопический — длинный.

В клинической практике о степени аметропии судят по силе линзы, которая ее корригирует и искусственно превращает глаз в эмметропический. Вследствие этого миопическую рефракцию, которую следует исправлять с помощью рассеивающей линзы, обычно обозначают знаком "минус", а гиперметропическую — знаком “плюс". В физическом смысле при миопии имеется относительный избыток, а при гиперметропии — недостаток преломляющей силы глаза.

При аметропиях в условиях максимального расслабления аккомодации изображение на сетчатке объекта, находящегося в бесконечности, бывает нечетким: каждая деталь изображения образует на сетчатке не точку, а круг, называемый кругом светорассеяния.

В том случае, если оптическая система глаза не сферичная, то такую рефракцию называют астигматизмом (от греч. astigmatism: а — отрицательная приставка, stigma — точка). При астигматизме имеется сочетание различных рефракций или разных степеней одной рефракции. В этом случае различают два главных взаимно перпендикулярных сечения, или меридиана: в одном из них преломляющая сила наибольшая, в другом — наименьшая. Общий астигматизм складывается из роговичного и хрусталикового, хотя, как правило, основной причиной астигматизма является нарушение сферичности роговицы.

Астигматизм называют правильным, если в каждом из главных меридианов преломляющая сила остается практически постоянной, а переход рефракции от одного главного меридиана к другому происходит плавно и напоминает синусоиду, наиболее выступающие точки которой и соответствуют главным меридианам. Правильный астигматизм обычно бывает врожденным, а неправильный чаще всего является следствием каких-либо заболеваний роговицы и, реже, хрусталика. Следует отметить, что в клинической практике очень редко наблюдаются случаи полного отсутствия астигматизма. Как правило, при детальном исследовании "хорошовидящих" глаз (например, с помощью рефракто- и офтальмометрии, которые будут описаны ниже) выявляют правильный астигматизм в пределах 0,5—0,75 дптр, который практически не влияет на остроту зрения, поэтому его называют физиологическим.

В тех случаях, когда клиническая рефракция обоих главных меридианов одинакова, говорят о сложном астигматизме. При смешанном астигматизме один из меридианов имеет гиперметропическую рефракцию, другой — миопическую. При простом астигматизме рефракция одного из меридианов эмметропическая.

Ход лучей при астигматизме наиболее удачно описывается коноидом Штурма (рис. 5.4).





Форма фигуры светорассеяния зависит от места сечения коноида плоскостью, перпендикулярной оптической оси. В глазу такой "плоскостью" является сетчатка.

В зависимости от положения сетчатки относительно фокальных линий различают следующие виды астигматизма (рис. 5.5):

• сложный гиперметропический (НН) — оба главных меридиана имеют гиперметропическую рефракцию разной величины, сетчатка находится спереди от фокальных линий;
  
  
• простой гиперметропический (Н) — один из главных меридианов имеет эмметропическую рефракцию, другой — гиперметропическую, сетчатка совпадает с передней фокальной линией;
  
  
• смешанный (МН) — один из главных меридианов имеет гиперметропическую рефракцию, другой — миопическую, сетчатка расположена между фокальными линиями;
  
  
• простой миопический (М) — один из главных меридианов имеет эмметропическую рефракцию, другой — миопическую, сетчатка совпадает с задней фокальной линией;
  
  
• сложный миопический (ММ) — оба главных меридиана имеют миопическую рефракцию разной величины, сетчатка расположена позади фокальных линий.
  

Особенность зрения при астигматизме состоит в том, что в зависимости от рефракции и расположения главных меридианов пациент по-разному видит линии различной ориентации.

Главные меридианы астигматического глаза принято обозначать в соответствии с так называемой шкалой ТАБО — градусной полукруговой шкалой, отсчет по которой производят против часовой стрелки (аналогичную шкалу используют в специальных пробных оправах, предназначенных для проверки зрения и подбора очков).

В зависимости от положения главных меридианов различают три типа астигматизма глаза — прямой, обратный и с косыми осями. При прямом астигматизме направление меридиана, обладающего наибольшей преломляющей силой, ближе к вертикальному, а при обратном — к горизонтальному. Наконец, при астигматизме с косыми осями оба главных меридиана лежат в секторах, удаленных от указанных направлений.

О степени астигматизма судят по разности рефракции в двух главных меридианах. Принцип расчета степени астигматизма можно проиллюстрировать следующими примерами. Если главные меридианы имеют миопическую рефракцию, равную соответственно -4,0 и -1,0 дптр, то степень астигматизма составит —4,0 1,0 = 3,0 дптр. В том случае, когда главные меридианы имеют гиперметропическую рефракцию +3,0 и +0,5 дптр, степень астигматизма будет равна: +3,0 — +0,5 = 2,5 дптр. Наконец, при смешанном астигматизме и рефракции главных меридианов —3,5 и +1,0 дптр степень астигматизма будет равна: —3,5 — + 1,0 = 4,5 дптр.

Для сопоставления астигматизма со сферическими видами рефракции используют понятие "сферический эквивалент". Это средняя арифметическая рефракция двух главных меридианов астигматической системы. Так, в приведенных выше примерах данный показатель составит соответственно —2,5; +1,75 и —1,25 дптр.

↑ Формирование оптической системы глаза

Рассмотрение органа зрения различных животных в экологическом аспекте свидетельствует о приспособительном характере рефракции, т. е. о таком формировании глаза как оптической системы, которое обеспечивает данному виду животного оптимальную зрительную ориентировку в соответствии с особенностями его жизнедеятельности и среды обитания. По-видимому, не случайным, а исторически и экологически обусловленным является тот факт, что у человека отмечается преимущественно рефракция, близкая к эмметропии, наилучшим образом обеспечивающая отчетливое видение и далеко, и близко расположенных предметов в соответствии с многообразием его деятельности.

Наблюдающееся у большинства взрослых людей закономерное приближение рефракции к эмметропии находит выражение в высокой обратной корреляции между анатомическим и оптическим компонентами глаза: в процессе его роста проявляется тенденция к сочетанию более значительной преломляющей силы оптического аппарата с более короткой переднезадней осью и, наоборот, более низкой преломляющей силы с более длинной осью. Следовательно, рост глаза — это регулируемый процесс. Под ростом глаза следует понимать не простое увеличение его размеров, а направленное формирование глазного яблока как сложной оптической системы под влиянием условий внешней среды и наследственного фактора с его видовой и индивидуальной характеристикой.

Из двух компонентов — анатомического и оптического, сочетанием которых определяется рефракция глаза, значительно более "подвижным" является анатомический (в частности, величина переднезадней оси). Через него главным образом и реализуются регулирующие влияния организма на формирование рефракции глаза.

Установлено, что у новорожденных глаза, как правило, имеют слабую рефракцию. По мере развития детей происходит усиление рефракции: степень гиперметропии уменьшается, слабая гиперметропия переходит в эмметропию и даже в миопию, эмметропические глаза в части случаев становятся близорукими.

В первые 3 года жизни ребенка происходят интенсивный рост глаза, а также увеличение рефракции роговицы и длины переднезадней оси, которая к 5—7 годам достигает 22 мм, т. е. составляет примерно 95 % от размера глаза взрослого человека. Рост глазного яблока продолжается до 14— 15 лет. К этому возрасту длина оси глаза приближается к 23 мм, а преломляющая сила роговицы — к 43,0 дптр (табл. 5.1).





По мере роста глаза вариабельность его клинической рефракции уменьшается: она медленно усиливается, т. е. смещается в сторону эмметропии.

В первые годы жизни ребенка преобладающим видом рефракции является дальнозоркость. По мере увеличения возраста распространенность дальнозоркости уменьшается, а эмметропической рефракции и близорукости увеличивается. Частота близорукости особенно заметно повышается, начиная с 11 — 14 лет, достигая в возрасте 19—25 лет примерно 30 %. На долю дальнозоркости и эмметропии в этом возрасте приходится примерно 30 и 40 % соответственно.

Хотя количественные показатели распространенности отдельных видов рефракции глаз у детей, приводимые разными авторами, заметно варьируют, отмеченная выше общая закономерность изменения рефракции глаз по мере увеличения возраста сохраняется.

В настоящее время предпринимаются попытки установить средневозрастные нормы рефракции глаз у детей и использовать этот показатель для решения практических задач. Однако, как показывает анализ статистических данных, различия в величине рефракции у детей одного и того же возраста настолько значительные, что такие нормы могут быть лишь условными.

↑ Аккомодация. Динамическая рефракция глаза

В естественных условиях в соответствии с задачами зрительной деятельности постоянно изменяется преломляющая сила оптики глаза, т. е. действует не статическая, а динамическая рефракция глаза. В основе таких изменений рефракции лежит механизм аккомодации.

Динамическая рефракция и аккомодация глаза — это очень близкие, но не идентичные понятия: первое шире. Аккомодация представляет собой основной механизм динамической рефракции глаза. Упрощая, можно сказать, что бездействующая аккомодация плюс сетчатка — это статическая рефракция глаза, а действующая аккомодация плюс сетчатка — динамическая.

Аккомодация (от лат. accomodatio — приспособление) — приспособительная функция глаза, обеспечивающая возможность четкого различения предметов, расположенных на разных расстояниях от него.

Для объяснения механизма аккомодации предложены различные (порой взаимоисключающие) теории, каждая из которых предусматривает взаимодействие таких анатомических структур, как цилиарное тело, циннова связка и хрусталик. Наиболее признанной является теория Гельмгольца, суть которой сводится к следующему (рис. 5.6).





При зрении вдаль цилиарная мышца расслаблена, а циннова связка, соединяющая внутреннюю поверхность цилиарного тела и экваториальную зону хрусталика, находится в натянутом состоянии и таким образом не дает возможности хрусталику принять более выпуклую форму. В процессе аккомодации происходит сокращение циркулярных волокон цилиарной мышцы, круг суживается, в результате чего циннова связка расслабляется, а хрусталик благодаря своей эластичности принимает более выпуклую форму. При этом увеличивается преломляющая способность хрусталика, что в свою очередь обеспечивает возможность четкой фокусировки на сетчатке изображений предметов, расположенных на достаточно близком расстоянии от глаза. Таким образом, аккомодация является основой динамической, т. в. меняющейся, рефракции глаза.

Вегетативная иннервация аппарата аккомодации представляет собой сложный целостный процесс, в котором гармонично участвуют парасимпатический и симпатический отделы нервной системы и который нельзя сводить к простому антагонизму действия этих систем. Основную роль в сократительной деятельности цилиарной мышцы играет парасимпатическая система. Симпатическая система выполняет главным образом трофическую функцию и оказывает некоторое тормозящее действие па сократительную способность цилиарной мышцы. Однако это вовсе не означает, что симпатический отдел нервной системы управляет аккомодацией для дали, а парасимпатический — аккомодацией для близи. Такая концепция упрощает истинную картину и создает ложное представление о существовании двух относительно изолированных аппаратов аккомодации. Между тем аккомодация — это единый механизм оптической установки глаза к объектам, находящимся на разном расстоянии, в котором всегда участвуют, взаимодействуя, и парасимпатический, и симпатический отделы вегетативной нервной системы. Учитывая изложенное выше, целесообразно различать положительную и отрицательную аккомодацию, или соответственно аккомодацию для близи и для дали, рассматривая и первую, и вторую как активный физиологический процесс.

Динамическую рефракцию можно рассматривать как функциональную систему, работа которой основана на принципе саморегуляции и назначение которой — обеспечивать четкое фокусирование изображений на сетчатке, несмотря на изменение расстояния от глаза до фиксируемого объекта. Если при определенном расстоянии до предмета кривизна хрусталика окажется недостаточной для получения четкой проекции изображения на сетчатке, то информация об этом но каналам обратной связи поступит в центр иннервации аккомодации. Оттуда к цилиарной мышце и хрусталику будет направлен сигнал на изменение его преломляющей силы. В результате соответствующей коррекции изображение предмета в глазу совпадет с плоскостью сетчатки. Как только это произойдет, будет устранена необходимость в дальнейшем регулирующем воздействии па цилиарную мышцу. Под влиянием каких-либо возмущений может измениться ее тонус, в результате чего изображение на сетчатке расфокусируется, при этом возникает сигнал об ошибке, за которым вновь последует корректирующее воздействие па хрусталик. Динамическая рефракция может выступать в роли как следящей (при перемещении фиксируемого объекта в переднезаднем направлении), так и стабилизирующей (при фиксации неподвижного объекта) системы. Установлено, что порог ощущения нечеткости изображения на сетчатке, который вызывает регулирующее воздействие па цилиарную мышцу, составляет 0,2 дптр.

При максимальном расслаблении аккомодации динамическая рефракция совпадает со статической и глаз устанавливается к дальнейшей точке ясного зрения. По мере усиления динамической рефракции вследствие увеличения напряжения аккомодации точка ясного видения все больше приближается к глазу. При максимальном усилении динамической рефракции глаз оказывается установленным к ближайшей точке ясного зрения. Расстояние между дальнейшей и ближайшей точками ясного зрения определяет ширину, или область, аккомодации (это линейная величина). При эмметропии и гиперметропии указанная область очень широка: она простирается от ближайшей точки ясного зрения до бесконечности. Эмметроп смотрит вдаль без напряжения аккомодации. Для того чтобы ясно видеть в этом диапазоне расстояний, аккомодация гиперметропического глаза должна увеличиться на величину, равную степени аметропии, уже при рассматривании предмета, находящегося в бесконечности. При миопии область аккомодации занимает небольшой участок вблизи глаза. Чем выше степень миопии, тем ближе к глазу дальнейшая точка ясного зрения и тем уже область аккомодации. При этом миопическому глазу, преломляющая сила оптики которого и без того велика, аккомодация помочь не может.

При отсутствии стимула к аккомодации (в темноте или безориентирном пространстве) сохраняется некоторый тонус цилиарной мышцы, за счет которого глаз устанавливается к точке, занимающей промежуточное положение между дальнейшей и ближайшей точками ясного зрения. Положение этих точек можно выразить в диоптриях, если известно их расстояние от глаза.

От разности между максимальной динамической и статической рефракцией зависит объем абсолютной (монокулярной) аккомодации. Следовательно, этот показатель (выражается в диоптриях) отражает способность цилиарной мышцы к максимальному сокращению и расслаблению.

Объем относительной аккомодации характеризует возможный диапазон изменений напряжения цилиарной мышцы при бинокулярной фиксации объекта, расположенного на конечном от глаз расстоянии. Обычно это 33 см — среднее рабочее расстояние для близи. Различают отрицательную и положительную части объема относительной аккомодации. О них судят соответственно по максимальной плюсовой или максимальной минусовой линзе, при использовании которой еще сохраняется ясность видения текста на этом расстоянии. Отрицательная часть объема относительной аккомодации — ее израсходованная часть, положительная — неизрасходованная, это резерв, или запас, аккомодации.

Особое значение механизм аккомодации имеет у пациентов с гиперметропической рефракцией. Как отмечалось выше, несоразмерность этого вида аметропии обусловлена слабостью преломляющего аппарата из-за короткой оси глаза, вследствие чего задний главный фокус оптической системы такого глаза находится за сетчаткой (см. рис. 5.3). У лиц с гиперметропией аккомодация включена постоянно, т. е. при рассматривании как близко, так и далеко расположенных объектов. При этом общая величина гиперметропии складывается из скрытой (компенсированной напряжением аккомодации) и явной (требующей коррекции).

Продолжение в следующей статье: Оптическая система и рефракция глаза ? Часть 2

----

Статья из книги: Глазные болезни | Копаева В.Г.