DR. ZAIRUL ARIFIN, SpA, DAFK

BIO--OPTIKA
BIO
DR. ZAIRUL ARIFIN, SpA,
DAFK
DEPARTEMEN FISIKA
KEDOKTERAN
FK
FK--USU
MEDAN
FISIKA PENGLIHATAN DAN MATA
I.
Cahaya di bidang medis
1.1.Sumber dan sifat cahaya
Sumber cahaya : alami (matahari), buatan
Sifat cahaya :
1.Kecepatan cahaya berubah melalui beda medium
2.Cahaya bisa sebagai gelombang maupun partikel
3.Bila diserap energi umumnya sebagai panas
4.Bila foton diabsorbsi, keluar energi, fluoresensi
5.Pantulan cahaya: difus (kasar), spekular (halus)
1.2. Mengukur dan unit cahaya
Cahaya: ultra violet
violet tampak,
infra merah
merah tergantung panjang gelombang,
satuannya nanometer.
nanometer.
UV 100100-400 nm, tampak 400
400--700 nm, IR 700700-10
1000
00 nm
Cahaya tampak diukur dg unit fotometrik.
Bagaimana cahaya dilihat rata2 mata manusia:
Kuantitas cahaya ke permukaan:iluminansi,
Intensitas sumber cahaya : luminans,
Radiasi cahaya diukur dengan unit radiometrik
Pada radiometri:
radiometri:
Kuantitas cahaya ke permukaan : Irradians,
Intensitas sumber cahaya : radians
1.3.Aplikasi cahaya tampak di medis
Senter dan kaca pembesar
pembesar kelainan kulit, mata
(ophthalmoscope), telinga (otoscope) dll
Endoscope untuk melihat didalam tubuh
tubuh
cystoscope, proctoscope, bronchoscope dll
Transillumination transmisi cahaya melalui
jaringan tubuh
tubuhbayi : hydrocephalus,
pneumothorax, sinus,
sinus,mammae, testes dll
phototherapy pada bayi icterus, dengan sinar biru,
biru,
lebih kurang 450 nm
2. FISIKA MATA DAN PENGLIHATAN
2.1.Pembentukan
2.1.
Pembentukan bayangan di mata
Indra penglihatan :
1.Mata : memfokuskan bayangan ke retina
2.Sistem syaraf : menyalurkan informasi ke otak
3.Korteks penglihatan
Salah satu tak berfungsi,
berfungsi, gangguan penglihatan/buta
Persamaan mata dgn TV berwarna sirkuit tertutup :
-Lensa kamera TV ~ kornea dan lensa mata
-kabel sinyal ~ saraf optikus
-monitor ~ korteks penglihatan
Kornea bekerja seperti lensa yang biasa dimana
sinar cahaya menembus permukaan dan merobah
indeks refraksi yang menyebabkan sinar terang
untuk bengkok menuju ke permukaan yang
normal.Prinsip ini dinamakan sebagai hukum fisika
dan dikenali sebagai Snell’s Law.Bentuk kornea
menentukan derajat fokusnya.Permukaan kornea
dibentuk oleh lapisan permukaan sel
epitel.membran basal(Bowman’s Layer),lapisan
stroma yang tebal yang terdiri dari helaian kollagen
dan satu lapisan sel yang tunggal yang terdiri dari
sel
sel--sel endotel.Helaian kolagen pada stroma kornea
terdiri dari kirakira-kira setengah dari panjang
gelombang cahaya yang berada jelas secara optik
dengan memancarkan dan bukan menyebarkan
cahaya.Sedangkan lapisan permukaan sel epitel
memantulkan lekukan permukaan dari stroma
kornea yang dibawahnya.
Beda mata dengan kamera :
-Mata mengamati pada sudut sangat besar
-Berkedip : pelumas built
built--in bagi kornea, komunikasi
-Pemfokusan otomatis cepat, 1dtk : 20 cm sampai ~
-Efektif menerima intensitas cahaya sangat lebar, siang
terik sampai malam gulita, 10 milyar : 1
-Sistem penyesuaian bukaan lensanya otomatis, iris
-Sistem pengendali tekanannya otomatis,
1,6 kPa = 12 mmHg
mmHg mempertahankan bentuk bola
mata
-Terletak di wadah pelindung tulang, bersandar pada
bantalan lemak, peredam goncangan keras
-Bayangan terbalik di retina, otak mengoreksinya
-Otak memadu bayangan kedua mata
mata
3 dimensi
-Otot mata : mata bergerak fleksibel sampai mutar
mata menggunakan sistem lensa konveks untuk
menghasilkan bayangan nyata diretina(kornea,lensa)
Pusat bayangan jatuh di bagian sensitif retina, fovea
Pembukaan iris mengatur cahaya yang masuk, pupil
Kornea membelokkan ⅔ cahaya, selebihnya, lensa
Cahaya melewati lapisan : udara, kornea,aqueous
humor, lensa depan,inti, belakang, vitreous humor
Tiap lapisan membiaskan cahaya sampai ke retina
Akomodasi, mengatur jarak fokus agar jarak
bayangan = jarak lensalensa-retina
retina
tetap jelas di retina
2.2.Sistem
2.2.
Sistem optik mata
Refractive power : 1 D(Dioptri) : 1 / jarak fokus (m)
Daya pada mata tak berakomodasi 59 D, refraksi terbesar
oleh kornea sampai 46 D, lensa 18 D
Amplitudo akomodasi, selisih penglihatan jauh dan
penglihatan dekat, anak : 29 DD-18 D=11 D, pada orang
tua bisa mendekati nol
Kedalaman fokus, bila 2 titik sumber cahaya diamati
dengan pupil yang kecil, bayangan di retina tak banyak
berubah dengan range yang besar dari posisi bayangan,
kedalaman fokus besar,sebaliknya bila pupil besar,
kedalaman fokus kecil, bisa kabur,
Pupil konstriksi pada cahaya terang dan objek dekat
2.3.Elemen pemfokus mata
Kornea, ⅔ pemfokusan mata, terfiksasi, besar refraksi
tergantung kelengkungannya dan kecepatan cahaya di
lensa dibandingkan dengan benda sekitar (n relatif)
Dalam air, kornea kehilangan daya pemfokusan, karena n
nya mirip; seperti ikan di luar air
air penyelam pakai
topeng untuk pertahankan udara
Kornea terlal
terlalu melengkung
melengkung penglihatan dekat,
Kornea kurang melengkung
melengkung penglihatan jauh
Kelengkungan tak merata
merata astigmatisme
Tergores, sembuh sendiri, radiasi UV,neutron, sinar X kornea dapat keruh
keruh
menghambat masuknya sinar
Myopia
-MYOPIA
Satu kondisi dimana kornea terletak sangat
dalam.
Cahaya difokus di depan retina menyebabkan
penglihatan menjadi kabur.
Hypermetropia
-HIPERMETROPI
Suatu kondisi dimana terjadi karena kesalahan refraktif
dan kornea sangat mendatar
Menyebabkan penglihatan kabur dari jarak dekat karena
cahaya difokus di belakang retina dan bukan tepat di
retina.
Hampir semua pemfokusan di permukaan depan karena
permukaan belakang n nya hampir sama dengan
aqueous humor
Lensa, belakang lebih lengkung, bisa berubah, daya
kelengkungan rendah dari lensa, kerena dikelilingi
cairan yang n nya hampir sama. N efektif 1,07, berber- lapis
lapis-lapis,beda--beda n nya
lapis,beda
Otot, memfokus bayangan agar lensa gepeng atau bulat,
untuk lihat jauh atau dekat
Orang tua hilang kemampuan akomodasi, titik dekat
menjauh (presbyopia), titik jauh bila mendekat
(myopia).
Ikan memfokus dengan majumaju-mundur lensa ~ kamera
2.4.Elemen lain pada mata
Pupil, lubang ditengah iris, hitam karena semua cahaya
masuk diserap dalam mata, cahaya biasa Ø 4 mm,
variasi 33-8 mm
Perlu 300 detik iris membuka penuh dan 5 detik iris
menutup secepat mungkin
Cahaya sangat terang, iris mengurangi defek lensa
Aqueous humor, salurkan gizi ke kornea dan lensa,
mempertahankan tekanan internal mata
Vitreous humor, mirip jel, pertahankan bentuk mata
Sklera, penutup seluruh mata kecuali kornea, putih, kedap
cahaya, dilindungi selubung konjungtiva
2.5. Retina
Retina--detektor cahaya pada mata
Peka cahaya, mengubah bayangan cahaya
cahayaimpuls
listrik saraf (tranduser)
(tranduser)ke otak
Analogi dengan bagian peka cahaya kamera TV
Penyerapan foton cahaya oleh fotoreseptor memicu
sinyal listrik ke otak – suatu potensial aksi
Energi foton 3 eV,potensial aksi energinya jutaan kali
Foton harus > energi minimum untuk hasilkan reaksi
Retina menutupi separuh belakang bola mat
mata, penglihatan
sebagian besar terbatas di makula lutea (bintik kuning),
penglihatan tajam di bagian kecil bintik kuning, di fovea
sentralis,Ø 0,3 mm
Bayangan di retina sangat kecil, persamaan untuk
ukuran bayangan, dengan ratio panjang sisi segitiga
sebangun
Bila O ukuran benda, I ukuran bayangan, P jarak
benda, Q jarak bayangan biasanya 0,02 m, maka :
O / P = I / Q I = (Q/P)O
Reseptor cahaya di retina : kerucut dan batang
Kerucut, ± 6,5 juta tiap mata,untuk penglihatan siang
Fotopik, terutama di fovea sentralis, tiap kerucut di
Fovea punya sambungan tersendiri di otak, sensitivisensitivitas maksimum pada 550 nm di regio kuningkuning-hijau,
Sesuai dgn spektrum maksimum matahari di bumi
Batang, penglihatan malam, skotopik, dan
penglihatan perifer, 120 juta tiap mata. Kepadatan
maksimum di sudut 200, sensitif cahaya birubiru-hijau
510 nm, lebih pendek dari cahaya optimum kerucut
Batang dan kerucut sama sensitif untuk sinar
merah :
650
650--700 nm
3.1 Ambang Penglihatan
Minimum foton yang menghasilkan sensasi penglipenglihatan dalam 60 % kali perlu ditentukan :
1.Warna optimum pada uji sorot
2.Lokasi paling sensitif di mata
3.Diameter terbaik yang digunakan dalam uji sorot
4.Lama waktu terbaik yang digunakan untuk uji sorot
Jawabannya :
1.Batang paling sensitif pada 510 nm
2.Batang terbanyak disekitar 200 sumbu penglihatan
3.Daya deteksi tak tergantung diameter senter
4.Waktu sorotan 0,1 dtk lama penyinaran tak pengapengaruhi daya deteksi, diatasnya perlu lebih banyak cahaya
Hasilnya 90 foton masuk mata pada kondisi optimum
cahaya terlihat dalam 60% waktu. Hanya 10 foton
yang benarbenar-benar diserap batang. Cahaya tersebar di
>350 batang,diperlukan
batang,diperlukan 2 foton untuk menimbulkan
sinyal visual.senter dengan batere baru keluarkan
10¹0 foton / detik
1 foton tak dapat dilihat terutama karena electrical noise . Tiap
batang mengirim noise tiap 5 menit, ada 120 juta tiap
mata
mata
hampir 3 milyar pulsa/jm
Kerucut lebih besar lagi. Dari 90 foton ke mata, 10 ke
Fotoreseptor, 3% dipantulkan kornea, 50% diserap
10% diserap batang, binatang ada pemantul lagi
RADIASI ULTRA VIOLET (UV)
Bagian dari spektrum elektromagnetik yang terletak antara
panjang gelombang 200 nm – 400 nm
Efek biologis dan kimia :
-Mata, acute photokeratitis, api las, 288 nm
-Erythermal region 280
280--320 nm, 290290-295 nm efek
maksimal
maksimal
efek karsinogenik pada kulit
-Germicidal band 220
220--280 nm,265 nm efek maksimal
-250 nm dan 280 nm ada beberapa efek erythermal
-Ozone region 170
170--220 nm
Sumber radiasi : cahaya matahari, api las,lampu
buatan , plasma torch (alat operasi dari metal panas)
Kontrol dan Proteksi UV :
1.Sun screens, kimia PABA, ZnO, TiO2, bedak
2.Baju/pakaian, flanel, poplin
3.Bahan transparan untuk mata dan kulit :
-Kaca jendela > 2 mm untuk UV < 300 nm
-Plexiglass, UV 253,7 nm
-Flintglass, untuk semua panjang gelombang
-Norviolglass/polaroid UV filter
filter
cahaya las
4.Refleksi dari radiasi UV :
-Kaca,metal yang dipolis, permukaan keramik,
permukkaan yang dicat dapat berbahaya
ZnO, refleksi hanya 3% UV, white lead 60%
RADIASI INFRA RED (IR)
700
700--10
10⁴⁴ nm, Near IR, batasnya 1400 nm
Far IR, > 1400 nm
Asal : panas di alam, obor plasma, lampu quartzquartzhalogen, kaca panas putih, membuat kaca,
pemanas IR
Efek Biologis :
-Mata : Near IR
IR sampai retina, tembus kulit pada
keadaan tertentu, katarak di penutup lensa, pada
peniup gelas : merusak retina
Far IR
IRefek termis pada kornea
Kriteria Pemaparan IR :
-Dasar : merancang perlindungan timbulnya katarak
-Kontrol : gelas penutup denganvNeopynium, dapat
mencegah near IR
RADIASI MCROMCRO-WAVE (M
(M--W)
Spektrum dari 10⁵
10⁵ nm, dinyatakan dengan frekuensi
MW / Radar : 3030-3.10
3.10⁶⁶ MHz
Radio Frekuensi :
-TV,VeryHighFrequency(VHF) 54
54--88MHz,17488MHz,174-216MHz
Ultra High Frequency (UHF) : 470470-890 MHz
- Radio FM:88
FM:88--100MHz, Short Wave(SW): 1,8
1,8--30 MHz
-Radio Band : 0,55
0,55--1,6 MHz
Radiasi Medan Elektromagnit oleh antena :
-Far Field = Fraunhover Region = Radiation Field
-Near Field =Fresnel Region = Induction Field
Sumber MM-W :
-Terutama paparan M
M--W occupational : Radar, pemancar
TV, FM, fasilitas transmisi
-Yang lain : magnetisme, pemanas induksi, pemanas
listrik, video terminal, MM-W oven, diathermi
Sumber Paparan RF diatas 1 mW / cm² :
-Medis:diathermi, electrosurgical devices 0,5
0,5--2,4MHz
-Industri : pemanas dialektrik, 33--70MHz, plastic heat
Sealer, 1313-40 MHz, RF pipe welder
-Komunikasi & Radar : didepan antena, bengkel dgn
tester,menara pemancar,mobil pemancar komunikasi
Efek Biologis Radiasi MM-W :
-Frek. > 10 GHz : diabsorbsi komplit oleh lapisan luar
kulit efek panas pada kulit
1-10GHz:penetrasi kulit,mencapai lapisan lemak
< 1 GHz : penetrasi ke otot, bertambah dalam
dengan menurunnya frekuensi
100
100--300MHz:penetrasi dalam,panas keseluruh tubuh
Efek Thermal :
-Pada terapi diatermi Power Density 100 mW/cm²
-Hati
Hati--hati mata dan testis
Irradiasi < 100 mW/cm2 dalam beberapa menit pada
10 MHzMHz-100GHz efek termal yang berbahaya
Efek Non Thermal :
-Kekeruhan lensa didapati pada pekerja M
M--W
-Takada efek nontermal padaP.Density<100 mW/cm²
BUTA WARNA
-Cone merah ((-):tak dapat membedakan secara tepat
warna hijau – kuning – orange - merah
-Cone hijau ((--) :tak dapat membedakan secara tepat
warna seperti diatas
-Cone hijau & merah ((--) : tak dapat membedakan warna
antara