Übung » Basiskenntnistest - Physik

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Optik in der Medizin

 

1.     Einleitung

2.     Das menschliche Auge

3.     Fehlerkorrektur

4.     Kontrollfragen

 

1. Einleitung

Für Diagnose und Untersuchungen werden einige verschiedene optische Geräte verwendet. So misst zum Beispiel das Pulsoxymeter die Lichtabsorption im Gewebe und kann so auf dessen Sauerstoffgehalt rückschließen und sogar den Puls erfassen. Ein weiteres Gerät, das hier angeführt werden soll, ist das Lichtmikroskop.

Abb. 1: Strahlengang eines Lichtmikroskops

Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Microscope-letters.svg

Das Bild zeigt ein Durchlicht-Mikroskop. Das bedeutet, dass das Licht von unten die Probe durchleuchtet und durch Objektiv (B) und Okular (A) vergrößert ins Auge geworfen wird. Dies funktioniert natürlich nur bei durchsichtigen Proben. Bei einem Auflicht-Mikroskop leuchtet das Licht von oben auf die Probe, wird von dieser reflektiert und fällt dann von dort in das Objektiv.

2. Das menschliche Auge

Abb. 2: Strahlengang im menschlichen Auge

Quelle: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Reiz%C3%BCbermittlung_festner.jpg

Das menschliche Auge besteht aus physikalischer Sicht im Wesentlichen aus der Hornhaut, der Linse, dem Glaskörper und der Netzhaut. Die Hornhaut zusammen mit der Linse bildet eine Sammellinse, wobei der Hornhaut mit Abstand die größere Brechkraft zukommt. Aus diesem Grund kann man auch die Fehlsichtigkeit durch Entfernen von Hornhaut mittels eines Lasers beheben. Die Linse hinter der Hornhaut macht im Großen und Ganzen nur noch die Feinjustierung. Sie ist an Muskeln aufgehängt, wobei die Linse dicker wird, wenn sich die Muskeln zusammen ziehen (die Muskeln gehen um die Linse herum, und greifen an der gegenüberliegenden Seite an). Dadurch ändert sich die Krümmung der Linse, damit deren Brechkraft und dadurch kann das Auge unterschiedlich weit entfernte Gegenstände scharf auf die Netzhaut werfen. Das nennt man Akkommodation (= Anpassung). Die Iris mit der Pupille als Öffnung wirkt wie eine Blende. Damit kann die Intensität des einfallenden Lichtes gesteuert werden. In der Netzhaut befinden sich die lichtempfindlichen Zellen - etwa 120 Millionen hell-dunkel-empfindlichen Stäbchen und etwa 6 Millionen farbempfindliche Zapfen. Je heller es ist, desto kleiner wird die Öffung gemacht, um die Sinneszellen vor einer Reizüberflutung zu schützen.

Fällt Licht von einem Gegenstand ins Auge, so werden die Lichtstrahlen an der Hornhaut und der Linse gebrochen, gehen durch den Glaskörper durch und treffen dann (hoffentlich) fokussiert auf die Netzhaut, wo sie von den Stäbchen und Zapfen registriert werden. Das Bild ist verkleinert und verkehrt. Passt die Lichtbrechung der Hornhaut nicht mit dem Abstand der Netzhaut überein, so hat man eine Fehlsichtigkeit. Ist die Brechkraft der Hornhaut zu stark, so ist deren Brennpunkt und damit das fokussierte Bild zu weit vor der Netzhaut. Der Fehler wird dadurch behoben, dass das Licht vor dem Auge bewusst mit einer Streulinse gestreut wird, um so das scharfe Bild weiter nach hinten zu verschieben. Man spricht von Kurzsichtigkeit. Ist die Brechkraft hingegen zu schwach, also der Brennpunkt und damit das fokussierte Bild zu weit hinten, so muss man das Bild schon mit einer Brille vorbrechen. Dies machen Sammellinsen, man spricht von Weitsichtigkeit. Mit zunehmendem Alter eines Menschen nimmt die Elastizität der Linse ab, zugleich wird die Linsenschale immer dicker. Dadurch kann sich das Auge immer weniger auf die Gegebenheiten anpassen, die Akkommodation wird immer schlechter und dies kann zur Altersweitsichtigkeit führen.

3. Fehlerkorrektur

Die Abbildung auf die Netzhaut weist einige Fehler auf: So befinden sich am Austrittspunkt des Sehnervs keine lichtempfindlichen Zellen. An diesem Fleck ist man völlig blind, daher heißt er der Blinde Fleck. Die Blutgefäße, die die Netzhaut mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgen, befinden sich vor (!) den Lichtrezeptoren. Eigentlich müssten wir diese Blutgefäße laufend in unserem Gesichtsfeld sehen. Allerdings werden sie, der Blinde Fleck und weitere kleine Fehler vom Gehirn nachträglich heraus gerechnet und korrigiert. Darüberhinaus schätzt das Gehirn aus den unterschiedlichen Winkeln zwischen den ins Auge treffenden Lichtstrahlen und weiteren Parametern die Entfernung zum Objekt ab. Diese Auswertung und simultane Korrektur von über 125 MegaPixel in Echtzeit ist wahrlich eine unglaubliche Leistung der Natur - ganz ungeachtet dessen, dass man auch noch "versteht" was man sieht, was für Computer und Roboter die noch weitaus schwierigere Disziplin ist.


Kontrollfragen:


1

Das Objektiv eines Mikroskops erzeugt ein Zwischenbild (siehe Abbildung oben). Dabei gilt

1) Das Zwischenbild steht am Kopf
2) Das Zwischenbild ist aufrecht
3) Das Zwischenbild ist vergrößert
4) Das Zwischenbild ist verkleinert
5) Das Zwischenbild wird nach Passieren weiterer Linsen umgedreht ins Auge geworfen
 
2

Welche Aussagen über das menschliche Auge stimmen?

1) Die Zapfen sind für das Farb-Sehen verantwortlich
2) Die Pupille steuert wie viel Licht ins Auge fällt
3) Am Blinden Fleck sind wir vollkommen blind
4) Die Hornhaut wirkt wie eine Zerstreuungslinse
5) Bei der Altersweitsichtigkeit funktioniert die Akkommodation nicht mehr so gut