Übung » HAM-Nat Physik

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Optik in der Medizin

 

1.     Einleitung

2.     Das menschliche Auge

3.     Fehlerkorrektur

4.     Kontrollfragen

 

1. Einleitung

Für Diagnosen 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 in Abb. 1 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 würde das Licht von oben auf die Probe leuchten, von dieser reflektiert werden und dann von dort in das Objektiv fallen.

2. Das menschliche Auge

Abb. 2: Akkommodation des menschlichen Auges. Links: Fernakkommodation - flache Linse mit wenig Brechkraft. Rechts: Nahakkommodation - breite Linse mit hoher Brechkraft.

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Akkommodation_(Auge)#/media/File:Focus_in_an_eye.svg

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 für die Nah- und Ferneinstellung. Sie ist durch Fasern an einem Muskel aufgehängt, wobei die Linse breiter wird, wenn die Muskeln kontrahieren und sich damit die Fasern entspannen können. Wie in Abb. 2 skizziert, ändert sich dadurch die Krümmung der Linse, damit deren Brechkraft und dadurch kann das Auge unterschiedlich weit entfernte Gegenstände scharf auf die Netzhaut werfen. Dies nennt man Akkommodation (= Anpassung). Die Iris mit der Pupille als Öffnung wirkt wie eine Blende, womit die Intensität des einfallenden Lichtes gesteuert werden kann. In der Netzhaut befinden sich die lichtempfindlichen Zellen - etwa 120 Millionen hell-dunkel-empfindliche Stäbchen und etwa 6 Millionen farbempfindliche Zapfen. Je heller es ist, desto kleiner wird die Öffnung gemacht, um die Sinneszellen vor einer Reizüberflutung zu schützen.

Abb. 3: Strahlengang im menschlichen Auge

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

In Abb. 3 ist der Strahlengang genauer betrachtet. Fällt Licht von einem Körper 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. Dazu sind Sammellinsen nutzbar, 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 es kann zur Altersweitsichtigkeit kommen.

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 Blinder 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. Darüber hinaus 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