Нужно ли нам супер-зрение? Аберрации глаза

Авторы: Аветисов Сергей Эдуардович – директор НИИ глазных болезней, член-корреспондент РАМН
Другие публикации этого автора
Шелудченко Вячеслав Михайлович – доктор медицинских наук, профессор, заведующий отделом Государственного Учреждения НИИ глазных болезней РАМН
Другие публикации этого автора
01.09.2012 13:48

Клиническая физиология глаза. Москва, 2006 г. Сс. 488-501.

Автор изображения: Anatoly Chexav.

Автор изображения: Anatoly Chexav.

Понятие об аберрациях. Аберрации как несовершенство глаза

Термин «аберрация» происходит от латинских слов: «aberrare, aberration» - уклоняться, уклонение. В оптике под аберрациями понимают погрешности изображения, обусловленные отклонением светового луча в реальной оптической системе от его направления в идеальной оптической системе.

В физиологической оптике аберрации – любое угловое отклонение узкого параллельного (коллимированного) пучка света от точки идеального пересечения с сетчаткой в центре фовеолы при его прохождении через оптическую систему глаза.

Различают аберрации хроматические и монохроматические. Среди монохроматических выделяют аберрации высшего и низшего порядков. К аберрациям низшего порядка относят аметропии (дефокус) и астигматизм. Аберрации высшего порядка представлены сферической аберрацией, комой, астигматизмом косых пучков, кривизной поля, дистрофией, нерегулярными аберрациями.

Карта оптических отклонений реальных световых лучей от идеальных в проекции зрачка называется волновым фронтом. Оптическая система с минимальным количеством аберраций имеет плоский, или сферический, волновой фронт. В реальной физиологической оптической системе всегда есть отклонения от плоского волнового фронта.


Рис. 1

В настоящее время для описания аберраций волнового фронта используют серии полиномов математического формализма Цернике (F.Zernike) (1934). Согласно этим представлениям призматический наклон описывают полиномами 1-го порядка (Z1), дефокус и астигматизм – 2-го (Z2), кому относят к 3-му (Z3),а сферическую аберрацию к 4-му порядку (Z4).


Рис. 2

Существующие системы для измерения и анализа аберраций волнового фронта обычно имеют точность 6-7-го порядка по F.Zernike. Оптическая система считается хорошей, если среднеквадратичное отклонение волнового фронта, обозначаемое как RMS (англ. – root mean square), меньше 1/14 длинны волны или равно 0.038 мкм. Данный критерий называют критериям Марешаля.

Идеально исправленная по всем аберрациям оптическая система не может дать точного изображения предмета! Точка никогда не изображается точкой. Причина связана с волновой природой света, создающей дифракционные явления. Точечный источник света изображается на сетчатке не в виде одной точки, а виде более светлого пятна, окруженного рядом концентрических менее светлых колец убывающей яркости (диск Эйри).

Качество зрительного восприятия зависит от разрешающей способности сетчатки, дифракции света в области зрачка и свойств оптических сред глаз. Одной из особенностей человеческого глаза является наличие глубины фокусной области, в пределах которой может не происходить изменения качества изображения [Сергиенко Н.,М.,1972]. Зрительное восприятие регулируется не только физиологической оптикой, но и корковыми структурами центральной нервной системы. Улучшая оптику глаза путем снижения аберрации, можно повысить зрительное разрешение от обычного уровня к более высокому.

Классификация и виды аберраций

Различают хроматическую, дифракционную и монохроматическую аберрации.

Хроматическая аберрация – искажение изображения, связанное с тем, что лучи видимого света, имея разную длину волны и падая на линзу параллельным пучком, преломляясь, фокусируются не в одной точке. Коротковолновые лучи (сине-зеленые) фокусируются дальше от сетчатки, чем длинноволновые (красные). Это явление называется хроматизмом положения. В результате изображение размывается, и края его окрашиваются. Если фокус синих лучей совместить с сетчаткой, изображение точки будет окружено красным ореолом, и наоборот. Очертания воспринимаемых предметов могут окрашиваться при гиперметропии – красным, при миопии – синим цветом. Практическое значение хроматических аберраций более заметно при проведении дуохромного теста для уточнения оптической установки глаза при аметропии. В условиях освещения белым светом человек не различает цветные каемки вокруг наблюдаемых предметов. Это объясняется наложением цветных ореолов один на другой и малыми угловыми размерами цветных каемок. Хроматические аберрации не оказывают существенного влияния на центральное зрение.

Дифракционная аберрация связана с нарушением прямолинейности, отклонением, световой волны при ее распространении мимо резких краев непрозрачных или прозрачных структур, формирующих отверстия. Такой структурой в глазу является зрачок. В результате дифракции света на границе зрачка, где согласно законам геометрической оптики должен быть четкий переход от тени к свету, возникает ряд светлых и темных дифракционных колец, проецируемых на сетчатку. С уменьшением диаметра зрачка диаметр дифракционного круга светорассеянья увеличивается. Но при этом сферическая аберрация уменьшается.

Сферическая аберрация характеризует состояние, при котором есть различие в преломлении светового луча между центром сферической оптической поверхности и ее периферией. В основе сферической аберрации лежит кривизна роговицы и хрусталика. Влияние сферической аберрации на качество изображения зависит от величины зрачка. При малых размерах зрачка от 2 до 4 мм сферическая аберрация минимальна, но резко возрастает при расширении зрачка. Если преломление лучей через периферическую часть зрачка сильнее, чем через центральную, то сферическая аберрация называется положительной (например, при неизмененной роговице). При обратном положении возникает отрицательная сферическая аберрация (например, при уплощении центра роговицы после лазерной фотоабляции). Сферическая аберрация носит индивидуальный характер. Поверхность хрусталика носит индивидуальный характер. Поверхность хрусталика может частично компенсировать сферическую аберрацию роговицы.

Астигматизм – это аберрация наклонных пучков (аберрация больших углов наклона). Возникает из-за асферичности преломляющих поверхностей глаза. Если на оптическую систему направлен узкий пучок лучей, находящийся на значительном расстоянии от оптической оси, то он сфокусируется в виде двух взаимно перпендикулярных отрезков на определенном расстоянии друг от друга, образуя при этом изображение в виде хорошо известного коноида Штурма (эллипс, за ним кружок, и снова эллипс). Такое состояние равносильно прямому падению лучей на торическую поверхность. Астигматизм снижает зрительное разрешение.

Частным случаем астигматизма глаза является физиологический астигматизм. Под ним понимают такой астигматизм глаза, при котором сохранена нормальная острота зрения. Он обусловлен несколькими факторами: асферичностью преломляющих поверхностей, астигматизмом наклонных лучей, децентрированием преломляющих поверхностей и различиями в оптической плотности преломляющих сред [Смирнов М.С.,1961].

Кома – это аберрация, возникающая при несовпадении центров изображений светящихся точек, расположенных вне оси оптической системы (аберрация малых углов наклона оптических пучков). Наложение изображений принимает вид несимметричного пятна, напоминающего запятую. Одной из причин комы является отсутствие соосности между оптическими центрами роговицы, хрусталика и фовеолы. К усилению комы может приводить децентрирование новых оптических зон при различных способах хирургической коррекции аметропий.

Кривизна поля изображения обусловлена тем, что изображение плоского предмета получается резким не в плоскости, как это должно быть в идеальной оптической системе, а на искривленной поверхности. Она представляет собой срединную поверхность между обеими астигматическими, которые возникают вследствие отображения каждой точки отрезка двумя изображениями, лежащими в сагиттальной и меридиональной плоскостях.

Дисторсия является аберрацией, при которой нарушается геометрическое подобие между объектом и его изображением. При дисторсии линейное увеличение разных частей изображения различно в пределах всего поля, так как разноудаленные от оптической оси точки предмета изображаются с разным увеличением. Прямоугольное изображение может перейти в «бочкообразное» (отрицательная дисторсия) или «подушкообразное» (положительная дисторсия). Такой же эффект могут создавать астигматические очковые линзы, сжимающие ли растягивающие предметы в одном направлении.

Клиническая роль аберрации и аберрометрии

Выраженность аберраций зависит от многих факторов, к которым относят размер зрачка, возраст пациента, рефракцию, аккомодацию. Аберрации непостоянны и меняются во времени с частотой около 2 Гц. Характер аберраций может изменить даже направление взгляда человека, что необходимо при рассматривании предметов. Эффект Стайлса-Кроурфорда, при котором световой пучок в центральной зоне зрачка более яркий, чем в его периферической части, частично смягчает аберрации.

В нормальных глазах среднее значение аберраций высшего порядка при диаметре зрачка 5мм составляет 0.25 мкм (или λ/2), что адекватно 0.25 дптр дефокусировки. При возрастании уровня аберраций их значения могут превышать нормальные в 2-10 раз.

Анализ аберраций 130 эмметропических глаз при диаметре зрачка 5мм показал доминирование комы в 69 % ,сферической аберрации – в 16 % случаев. При увеличении диаметра зрачка до 8 мм, доля комы уменьшалась до 44 %, а доля сферической аберрации увеличивалась до 38 % от общего числа аберраций высшего порядка. Аберрации 5 и 6 порядков практически оставались без изменений.

При изучении аберраций высшего порядка у 114 пациентов в возрасте от 20 до 69 лет с амметропией не более 2.0 дптр было показано, что их количество в глазу очень индивидуально и в 95 % случаев среднее квадратичное отклонение волнового фронта (RMS) составляет 0.334 мкм. Аберрации, как правило, зеркально симметричны в правом и левом глазах. Внутренние оптические среды обладают компенсирующим влиянием по отношению к роговице за счет аберраций Z4. Это компенсирующее влияние уменьшается с возрастом.

На сегодняшний день знания об аберрациях нашли наибольшее практическое применение в оптической коррекции зрения и при визуальных методах исследования глазного дна.

Широко применяемая лазерная фотоабляция роговицы в различных ее вариантах при хирургической коррекции аметропий дает возможность получения высокого зрительного разрешения, но при этом увеличивает аберрации высшего порядка, проявляющиеся при диаметре зрачка 5 мм и более. Так, при проведении лазерного кератомилеза in situ возрастает сферическая аберрация, проявляющаяся глэр-эффектом, а при фоторефракционной кератэктомии возможно усиление комы, которая лежит в основе монокулярной диплопии. Использование кератофотоабляции на основе волнового фронта позволяет улучшить качество зрительного восприятия.

Применение интраокулярных линз при афакии усиливает сферическую аберрацию. Разработаны и применяются в клинике интраокулярные линзы с отрицательной сферической аберрацией, которая частично компенсирует положительную сферическую аберрацию роговицы для получения более качественного изображения на сетчатке глаза.

При практическом применении оптических средств и хирургических методов существуют факторы, которые ограничивают возможности зрительного разрешения. Например, любые динамические изменения параметров аккомодации или зрачка приведут к искажениям на сетчатке за счет остаточных аберраций. Статистическая коррекция аберраций не способна сделать глаз свободным от нежелательного их влияния. Только динамическая коррекция, основанная на принципах адаптивной оптики, используемая при визуализации глазного дна, лишена недостатков. Устранение монохроматических аберраций тут же приводит к доминированию хроматических. А устранить эффект светорассеяния невозможно даже при устранении аберраций.

Достижение суперзрения при полной коррекции аберрации глаза вряд ли возможно и целесообразно! Во-первых, аберрации сами по себе динамичны. Во-вторых, существуют нейрорецепторные ограничения зрительного разрешения, обусловленные расположением фоторецепторов сетчатки на расстоянии, равном 0.5 угл. мин, что обеспечивает зрительное разрешение, равное 1.8-2.0. Дальнейшее повышение зрительного разрешения может вызвать зрительные иллюзии.

Положительная роль аберраций высокого порядка заключается в том, что они увеличивают глубину фокусной области. Если устранить эти аберрации, сохранив только аметропию, то произойдет контрастная инверсия воспринимаемых изображений – белое и черное поменяются местами. В данной ситуации аберрации являются механизмом коррекции качества изображения. Отсутствие аберраций, создающих малый уровень дефокусировки, частично устранило бы стимул к аккомодации, нарушив ее работу и снизив точность аккомодирования.

Коментарии

Загрузка...

 
 
Офтальмологические события
 
Facebook