C. Azzolini, P. Chelazzi CAPITOLO Ottica e vizi di refrazione 5 OTTICA L ottica è il capitolo della fisica che descrive il comportamento e le proprietà della luce nonché l interazione della luce con la materia. L ottica studia il comportamento delle radiazioni con frequenze nell ambito del visibile, dell infrarosso e dell ultravioletto. Sebbene nell elettromagnetismo classico la luce sia descritta come un onda, l avvento della meccanica quantistica agli inizi del ventesimo secolo ha permesso di capire come la luce possieda anche proprietà tipiche delle particelle; per questo nella fisica moderna la luce viene descritta come composta da quanti del campo elettromagnetico chiamati fotoni. La luce Il termine luce si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall occhio umano, cioè capace di stimolare i fotorecettori retinici (coni e bastoncelli), consentendo la visione di tutto ciò che ci circonda. La porzione visibile dello spettro elettromagnetico ha una lunghezza d onda compresa tra 400 e 700 nm. I limiti dello spettro visibile per l occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente e possono raggiungere i 380 nm, avvicinandosi agli ultravioletti, e i 730 nm, avvicinandosi agli infrarossi. Le frequenze immediatamente al di fuori dello spettro visibile percepibili dall occhio umano sono quelle dell ultravioletto (UV) e dell infrarosso (IR). Entrambe le frequenze non possono essere viste dagli esseri umani, anche se la radiazione infrarossa è percepita dai recettori della cute come calore, mentre una sovraesposizione alla radiazione ultravioletta viene percepita come scottatura. La luce visibile è quindi una porzione dello spettro elettromagnetico caratterizzata da una lunghezza d onda e da una frequenza che obbediscono alla seguente relazione: { /f}, dove è la lunghezza d onda, è la velocità nel mezzo considerato, f è la frequenza della radiazione. La luce si propaga a una velocità finita, il cui valore viene arrotondato a 300.000 km/sec. Numerose sono state le teorie formulate nel corso del tempo per spiegare il fenomeno luminoso e i suoi comportamenti. l Teoria corpuscolare: formulata da Newton nel diciassettesimo secolo, considerava la luce come un insieme di piccole particelle di materia (corpuscoli) emesse in tutte le direzioni. Oltre che essere matematicamente molto semplice, questa teoria spiegava facilmente alcune caratteristiche della propagazione della luce, come la riflessione e la refrazione. l Teoria ondulatoria: formulata da Huygens nel 1678, considerava la luce come un onda che si propaga in un mezzo, l etere, presente in tutto l universo e formato da microscopiche particelle elastiche. La teoria ondulatoria della luce permetteva di spiegare molti altri fenomeni oltre alla riflessione e alla refrazione, come per esempio la birifrangenza nei cristalli di calcite, la diffrazione e l interferenza. l l Teoria elettromagnetica: proposta da Maxwell alla fine del diciannovesimo secolo, dopo la constatazione della coincidenza tra velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche e velocità della luce nel vuoto. La luce non è altro che un fenomeno di natura elettromagnetica, ossia le onde di lunghezza tra 400 e 700 nm sono percepite come luce dal nostro occhio. Gli studi di Maxwell hanno permesso di unificare i fenomeni elettrici, magnetici e ottici. Teoria quantistica: Planck, nel 1900, riuscì a interpretare il dualismo onda-particella sviluppando la teoria quantistica, secondo la quale la luce è costituita da un insieme di piccole particelle energetiche non divisibili, chiamate quanti o fotoni, che si propagano come onde elettromagnetiche. Nel 1905 Einstein sviluppò la teoria della relatività, rendendo superflua l ipotesi dell esistenza dell etere proposta da Huygens. La risoluzione del problema della luce come particella o come onda si definì pochi anni dopo con lo sviluppo della meccanica quantistica, che spiegò come la luce si comporti sia da particella sia da onda elettromagnetica.
54 Sezione I Generalità Le differenti lunghezze d onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal violetto delle lunghezze d onda più brevi al rosso delle lunghezze d onda più ampie. A ogni lunghezza d onda è associabile un colore, ma non a tutti i colori si può associare una lunghezza d onda. Quei colori a cui non sono associate lunghezze d onda sono generati dal meccanismo di funzionamento del nostro apparato visivo. Se due diverse onde monocromatiche sollecitano contemporaneamente la retina, il cervello interpreta questa sollecitazione come un nuovo colore, determinato dalla somma dei due originari. Riflessione e refrazione Quando la luce si diffonde su un oggetto può essere riflessa da questo, può attraversarlo o può essere assorbita. Gli oggetti che sono attraversati dalla luce sono detti trasparenti (per esempio, aria, vetro), quelli che lasciano passare la luce in maniera scarsa sono detti traslucidi (per esempio, vetro smerigliato), quelli che non lasciano passare la luce sono detti opachi. La visibilità degli oggetti dipende dalla riflessione o dall assorbimento della luce sulle loro superfici. La luce, attraversando un mezzo trasparente e omogeneo, si propaga in maniera rettilinea sotto forma di raggi (un insieme di raggi forma un fascio di luce). I raggi del fascio possono essere paralleli, divergenti o convergenti. Quando la sorgente luminosa è vicina, i raggi che giungono alla superficie corneale sono divergenti, mentre se la sorgente è lontana i raggi arrivano parallelamente (si considerano paralleli i raggi provenienti da distanze maggiori di 6 m). Il punto in cui i raggi convergenti o divergenti si incontrano è detto fuoco. Quando un fascio di raggi luminosi incontra la superficie di un oggetto si possono verificare due fenomeni (Figura 5.1). l Riflessione: i raggi non attraversano l oggetto, ma vengono riflessi (caso dei corpi opachi). l Refrazione: i raggi attraversano l oggetto subendo una deviazione (caso dei corpi trasparenti). RIFLESSIONE Quando l energia radiante incide su una superficie piana che separa due mezzi, la somma delle quantità di energia rispettivamente assorbita, riflessa e trasmessa, per la legge di conservazione dell energia, è uguale alla quantità di energia incidente. La riflessione di onde elettromagnetiche è regolata da due leggi fondamentali (leggi di Fresnel): l Il raggio incidente, il raggio riflesso e la normale alla superficie giacciono sullo stesso piano. l L angolo di incidenza e quello di riflessione sono uguali. (Ciò avviene perché le due onde viaggiano con la stessa velocità nello stesso mezzo). REFRAZIONE La refrazione è la deviazione subita da un fascio di raggi luminosi quando questo passa da un mezzo fisico a un altro con differente velocità di propagazione. Comunemente il P θ 1 O θ 2 θ 3 S Interfaccia Q FIGURA 5.1 Un raggio di luce incidente PO colpisce al punto O l interfaccia tra due mezzi con indici di refrazione e. Parte del raggio viene riflessa come raggio OQ e parte viene refratta seguendo la traiettoria OS. Gli angoli che l onda incidente, riflessa e refratta formano con la normale all interfaccia sono, rispettivamente, 1, 2 e 3.
Capitolo 5 Ottica e vizi di refrazione 55 fenomeno si osserva quando un fascio di raggi luminosi passa da un mezzo a un altro dotato di una diversa densità ottica. Il rapporto tra la velocità della luce nell aria e la sua velocità in un mezzo trasparente prende il nome di indice di refrazione del mezzo, secondo la seguente formula: velocit à nell aria Indice di refrazione n = velocit à nel mezzo Il comune vetro da occhiali ha un indice di refrazione di 1,5 (Tabella 5.1): ciò significa che, passando dall aria al vetro, la velocità della luce viene ridotta di circa un terzo. Più l indice di refrazione è alto, più il mezzo è denso e maggiore è il rallentamento subito dalla luce. Un raggio di luce subisce solo un rallentamento quando passa da un mezzo trasparente a un altro con decorso perpendicolare alla superficie di separazione dei due mezzi. Se invece il raggio attraversa i mezzi formando un angolo con la perpendicolare alla superficie di separazione dei due mezzi (angolo di incidenza), risulta deviato, cioè refratto, e forma con la perpendicolare un angolo di refrazione che è diverso da quello di incidenza (si veda la Figura 5.1). La refrazione è regolata da tre leggi fondamentali. l Il raggio incidente, il raggio refratto e la normale alla superficie giacciono sullo stesso piano. l Il raggio refratto si avvicina alla normale se passa in un mezzo più denso; viceversa, se ne allontana se passa in un mezzo meno denso. Tabella 5.1 Indice di refrazione di alcuni comuni materiali Materiale Aria 1 Acqua 1,33 Vetro 1,5-1,9 n l Il rapporto tra il seno dell angolo di incidenza e il seno dell angolo di refrazione è uguale al rapporto tra l indice di refrazione del secondo mezzo, attraversato dal raggio refratto, e l indice di refrazione del primo mezzo, attraversato dal raggio incidente (legge della refrazione di Snell): sen sen 1 3 n = n Se il primo mezzo è costituito dall aria (n 1), il rapporto tra i seni dell angolo di incidenza e di refrazione è uguale all indice di refrazione del secondo mezzo. Il percorso di un raggio luminoso resta sempre lo stesso, quale che sia la direzione in cui la luce si muova (simmetria della legge di Snell). Refrazione della luce attraverso i prismi I prismi sono mezzi trasparenti delimitati da due superfici piane, ma non parallele, che si intersecano a formare un angolo rifrangente. Le superfici si intersecano all apice, la parte opposta è la base. Un prisma ha le seguenti proprietà. l Un fascio di raggi luminosi che attraversa un prisma subisce una deviazione verso la sua base in maniera direttamente proporzionale all angolo rifrangente, generando un fenomeno di spostamento apparente di un oggetto verso l apice del prisma (Figura 5.2). l Un fascio di luce bianca che attraversa un prisma viene suddiviso, per il fenomeno della dispersione, nei colori base che lo compongono. I raggi luminosi a maggiore lunghezza d onda (infrarosso) sono deviati verso la base in misura minore dei raggi con minore lunghezza d onda (blu-violetto) (Figura 5.3). I prismi a superficie piana sono utilizzati a scopo diagnostico, mentre quelli a superficie curva sono impiegati a scopo terapeutico (come le lenti prismatiche per la correzione 2 1 N O A N r e O i I FIGURA 5.2 Deviazione della luce attraverso un prisma. Osservando i raggi di luce dal punto I questi sembrano provenire dal punto O I, generando un fenomeno di spostamento apparente dei raggi luminosi verso l apice del prisma A. (i: raggio incidente; r: raggio refratto; e: raggio emergente; N: normale; A: apice del prisma; O: oggetto reale; O I : oggetto apparente; l: occhio).
56 Sezione I Generalità FIGURA 5.3 Dispersione della luce che attraversa un prisma. della diplopia). L unità di misura della lente prismatica è la diottria prismatica, cioè la capacità di spostare di 1 cm un raggio luminoso posto alla distanza di 1 m. Diottro Un diottro è un sistema ottico costituito da due mezzi omogenei, trasparenti e con diverso indice di refrazione; se la superficie di separazione tra i due mezzi è una porzione di sfera, il diottro si dice sferico, se invece è piana, il diottro si dice piano. Dato un sistema ottico, la conoscenza di pochi punti, detti punti principali, permette di costruire l immagine di un qualsiasi oggetto. Per il diottro sferico sono da considerare: l Vertice (V). l Raggio di curvatura (r). l Centro di curvatura (C): ogni raggio proveniente dall infinito non viene deviato attraversando la calotta sferica se passa per C. l Fuoco principale: è il punto immagine in cui convergono i raggi paralleli all asse principale o i loro prolungamenti provenienti da un oggetto posto all infinito. l Fuoco secondario: è il punto oggetto posto a una distanza finita dal vertice V la cui immagine viene a formarsi all infinito. l Distanze focali: sono quella tra il fuoco principale F e il vertice V e quella tra il fuoco secondario e il vertice V. l Coppia dei punti coniugati: è costituita dal punto oggetto e dal punto immagine. l Asse principale: linea passante per i punti V-C-F. Se si assume che la luce provenga da sinistra rispetto al vertice V un diottro si presenterà convesso quando il centro di curvatura C è a destra di V, concavo quando C è a sinistra di V. Un diottro è convergente o divergente a seconda degli indici di refrazione dei mezzi attraversati. Sarà convesso convergente se il mezzo con indice di refrazione minore è il primo a essere attraversato, mentre sarà convesso divergente se il mezzo con indice di refrazione minore è il secondo a essere attraversato. È esattamente l opposto per i diottri concavi. Nel diottri convergenti il fuoco è reale perché formato dalla convergenza dei raggi stessi, mentre in quelli divergenti il fuoco è virtuale perché formato dai prolungamenti dei raggi. In tutti i casi sia che si tratti di fuoco reale che virtuale ci si riferisce al fuoco principale (Figura 5.4). Vergenza e diottria La vergenza esprime la misura dell inverso della distanza che separa una sezione di un fascio di raggi luminosi dal loro fuoco. Più vicino è il fuoco, maggiore è la vergenza e viceversa. Quando invece i raggi sono paralleli, cioè provenienti dall infinito, la vergenza si dice nulla. La vergenza è detta positiva se i raggi sono convergenti, negativa quando i raggi sono divergenti. L unità di misura della vergenza è la diottria (D) che esprime l inverso della distanza focale (f) espressa in metri: D = 1 f Se ne ricava che l inverso della potenza del diottro è la distanza focale espressa in metri: f = 1 D Se ne può quindi dedurre che quanto più elevato è il potere diottrico di un sistema, tanto più ridotta è la distanza focale e viceversa. Per esempio, se D 5 si avrà che f { 1 5} 20 cm, mentre se D 2, f { 1 2} 50 cm.
Capitolo 5 Ottica e vizi di refrazione 57 Convesso convergente r Concavo convergente r V C F C V F < > Convesso divergente r Concavo divergente r F V C F C V > < FIGURA 5.4 Principali diottri (per la spiegazione si veda il testo). L occhio come sistema ottico Elementi fondamentali del sistema ottico dell occhio sono: l indice di refrazione dei mezzi, pari a 1,33 per l umore acqueo e il corpo vitreo; la lunghezza media dell occhio, che varia tra 23 e 24 mm; la distanza tra la superficie anteriore della cornea e la superficie anteriore del cristallino (3,5 mm); la distanza tra la superficie posteriore del cristallino e la retina (17 mm). Il punto nodale dell occhio è situato sulla superficie posteriore del cristallino a 17 mm dalla retina; è assimilabile al centro ottico di una lente sferica e i raggi luminosi che vi passano non subiscono, quindi, alcuna deviazione. L occhio è formato da una successione di diottri costituiti dalle sue superfici e dai suoi mezzi rifrangenti. l 1 diottro: aria-superficie anteriore corneale; convesso, convergente, con raggio di curvatura di 8 mm. l 2 diottro: superficie posteriore corneale-umore acqueo; convesso e neutro perché i due mezzi hanno uguale indice di refrazione, con raggio di curvatura di 7 mm. l 3 diottro: umore acqueo-superficie anteriore del cristallino; convesso e convergente, con raggio di curvatura di 10 mm. l 4 diottro: superficie posteriore del cristallino-corpo vitreo; concavo e convergente, con raggio di curvatura di 6 mm. I diottri oculari effettivi sono quindi tre, in quanto il 2 diottro è neutro. Nel soggetto normale il potere diottrico oculare è pari a circa 60 D, di cui 40-45 corneali e 15-20 del cristallino. Il potere diottrico totale oculare determina la convergenza dei raggi paralleli provenienti da una distanza superiore ai 6 m in un fuoco situato sulla retina a circa 23-24 mm dall apice corneale (lunghezza assiale). L occhio umano non è un sistema ottico perfetto e, come tale, presenta difetti fisiologici rappresentati da vari tipi di aberrazioni ottiche, cioè deformazioni della forma o del colore dell immagine. l Aberrazione di sfericità: i raggi di un fascio luminoso che attraversano l occhio non convergono tutti in un unico punto, ma quelli periferici sono maggiormente refratti. Questa aberrazione rende imprecisi e sfumati i bordi delle immagini. l Aberrazione cromatica: i raggi luminosi a minore lunghezza d onda (violetti) subiscono una refrazione maggiore dei raggi a maggiore lunghezza d onda (rossi). Nell occhio emmetrope il fuoco dei raggi violetti si forma quindi davanti alla retina, mentre quello dei raggi rossi si forma dietro alla retina. Questa aberrazione altera poco la visione, poiché l occhio privilegia comunque la convergenza sulla retina delle lunghezze d onda intermedie (giallo-verde), a cui è più sensibile. l Astigmatismo per incidenza obliqua: i raggi provenienti da un punto situato eccentricamente all asse ottico generano un fuoco che non è più costituito da un punto, ma da due linee focali. La forma parabolica della superficie anteriore del cristallino contribuisce a correggere questo difetto.
58 Sezione I Generalità Accomodazione Nell occhio emmetrope i raggi divergenti provenienti dall infinito formano il loro fuoco sulla retina, mentre quelli provenienti da un oggetto vicino formano il loro fuoco dietro alla retina. In quest ultimo caso, per mettere a fuoco sulla retina l immagine degli oggetti vicini, interviene l accomodazione. Il meccanismo dell accomodazione si basa sulla contrazione del muscolo ciliare con conseguente diminuzione della tensione delle fibre zonulari inserite sulla capsula del cristallino. Quest ultimo modifica il suo raggio di curvatura da 10 a 6 mm, aumentando il suo potere diottrico e permettendo di creare sulla retina immagini a fuoco di oggetti posti a distanza diversa dal punto remoto. L accomodazione è regolata dall azione antagonista del parasimpatico per la messa a fuoco per vicino e dal simpatico per la messa a fuoco per lontano. Il riflesso accomodativo è scatenato da precisi stimoli quali lo sfuocamento delle immagini retiniche, la percezione della vicinanza dell oggetto e la convergenza dei bulbi oculari nella visione per vicino. Esiste inoltre il riflesso accomodazione-convergenza-miosi regolato dal III nervo cranico: oltre all accomodazione, la convergenza permette all immagine di un punto di focalizzarsi sulla fovea di entrambi gli occhi, mentre la miosi aumenta la profondità di campo. Durante l accomodazione si verificano molti fenomeni: aumento della curvatura del cristallino, aumento del potere diottrico refrattivo, avvicinamento della superficie anteriore del cristallino alla cornea, aumento dello spessore del cristallino e suo spostamento inferiore. Il punto remoto è il punto più lontano in cui l occhio, in condizioni di riposo accomodativo, riesce a percepire distintamente un oggetto. Il punto prossimo è il punto più vicino in cui l occhio, in condizioni di massimo sforzo accomodativo, può vedere distintamente un oggetto. L estensione accomodativa è l intervallo tra punto prossimo e punto remoto, mentre l ampiezza accomodativa, misurata in diottrie, è la differenza tra il potere refrattivo dell occhio a riposo e quello dell occhio nel massimo sforzo accomodativo. Con l età si ha una diminuzione dell ampiezza accomodativa con progressivo allontanamento del punto prossimo (si veda Presbiopia). Lenti Le lenti sono elementi ottici che consentono di modificare il percorso dei raggi luminosi al fine di focalizzarli correttamente sulla retina. Esistono tre gruppi principali di lenti: sferiche, cilindriche e prismatiche (Figura 5.5). l Lenti sferiche: sono delimitate da superfici sferiche convesse o concave o da una superficie sferica e da una piana. Vengono classificate in: convergenti: dette anche positive o convesse, fanno confluire tutti i raggi in un punto detto fuoco ; sono più spesse al centro che alla periferia e possono essere biconvesse, piano-convesse o concavo-convesse. Lente sferica convergente Lente sferica divergente Lente cilindrica Lente prismatica FIGURA 5.5 Principali gruppi di lenti. divergenti: dette anche negative o concave, fanno divergere i raggi che le attraversano come se questi provenissero da un punto virtuale detto fuoco ; sono più spesse in periferia che al centro e possono essere biconcave, piano-concave o concavo-convesse. l Lenti cilindriche: sono caratterizzate da una faccia piana, mentre l altra è una superficie convessa o concava. La superficie curva di queste lenti, a differenza di quella delle lenti sferiche, ha una curvatura variabile che è massima in corrispondenza della sezione trasversale del cilindro, assente in corrispondenza della sezione longitudinale e variabile in modo progressivo nelle sezioni intermedie. Queste lenti hanno la proprietà di far sì che un oggetto puntiforme non formi un immagine puntiforme, ma lineare. l Lenti prismatiche: sono costituite da due superfici piane o curve (a seconda che la lente sia usata a scopo diagnostico o terapeutico), che si incontrano in un apice e in una base. L indicazione principale di queste lenti è la correzione della diplopia.
Capitolo 5 Ottica e vizi di refrazione 59 Le lenti non sono sistemi ottici perfetti e possono quindi presentare, così come l occhio, difetti detti aberrazioni, di cui le principali sono quella sferica e quella cromatica. L aberrazione sferica è un difetto che produce la formazione di un immagine distorta quando vengono utilizzate lenti sferiche; le porzioni periferiche di queste lenti hanno, infatti, un potere refrattivo maggiore di quelle centrali e i raggi saranno, pertanto, maggiormente refratti in periferia, causando deformazioni dell immagine. L aberrazione cromatica è un difetto nella formazione dell immagine dovuta al differente indice di refrazione delle diverse lunghezze d onda che compongono la luce che attraversa la lente; si formano quindi immagini che presentano ai bordi aloni colorati. Non esiste aberrazione cromatica nel caso di un raggio di luce monocromatico. Lenti a contatto Le lenti a contatto sono dispositivi medici a forma di piccola calotta trasparente che vengono applicati sulla superficie oculare per correggere i difetti di refrazione. Presentano molti vantaggi, ma possono non essere tollerate soprattutto perché causano ipossia corneale. Per questo motivo occorre considerare i coefficienti di permeabilità e di trasmissibilità all ossigeno della lente, che sono influenzati dal materiale e dallo spessore della lente stessa. Le lenti a contatto possono essere rigide (polimeri vetrosi) o morbide (polimeri gommosi), con differenti indicazioni all uso: l Lenti a contatto rigide: vengono costruite sia con un materiale non permeabile all ossigeno sia con materiali permeabili. Le lenti non gas-permeabili sono costituite da PMMA (polimetilmetacrilato), materiale stabile, duro, con elevata qualità ottica, non modificabile da enzimi organici e ben tollerato dai tessuti; non assorbe acqua e lega scarsamente le sostanze contenute nel film lacrimale. Quelle gas-permeabili o semi-rigide possono essere costituite da CAB (acetobutirrato di cellulosa), che aumenta la flessibilità del polimero ma che richiede un aumentato spessore della lente, il che comporta una riduzione della trasmissibilità all ossigeno. Per ovviare a questo problema al CAB è stato aggiunto un copolimero di silossano. Le lenti gas-permeabili di ultima generazione utilizzano fluoroacrilati che consentono una riduzione del coefficiente di attrito fra palpebra e lente aumentando il comfort, diminuendo la formazione di depositi proteici e permettendo di ridurre lo spessore della lente. l Lenti a contatto morbide: vengono prodotte utilizzando polimeri con caratteristiche fisiche di morbidezza e sono distinte principalmente in non idrofile e idrofile. Quelle non idrofile sono costituite da silicone, mentre quelle idrofile sono formate da polimeri legati a quantità variabili di acqua. Il livello di idratazione influenza, aumentandola, la trasmissibilità all ossigeno, che resta comunque modesta a causa dello spessore della lente. Le lenti morbide di ultima generazione a media-alta idratazione (disposable o usa-e-getta ) hanno un ridotto spessore e quindi una migliore trasmissibilità all ossigeno. VIZI DI REFRAZIONE O AMETROPIE Viene definito emmetrope l occhio in cui i raggi provenienti da una distanza infinita vanno distintamente a fuoco sulla fovea in condizioni di riposo accomodativo. Nell ametropia, invece, il fuoco cade su un piano anteriore o posteriore rispetto a quello retinico e sulla retina ogni punto oggetto non forma un punto immagine, ma un cerchio di diffusione. Le ametropie possono essere sferiche o astigmatiche. Nelle ametropie sferiche, rappresentate dalla miopia e dall ipermetropia, l immagine di un punto oggetto forma un punto immagine, ma il fuoco non coincide con il piano retinico (Figura 5.6). Nelle ametropie astigmatiche, rappresentate da un alterazione di curvatura della superficie corneale, l immagine di un punto oggetto non forma mai un punto immagine, ma due linee focali perpendicolari tra loro (Figura 5.7). Miopia Emmetropia Ipermetropia FIGURA 5.6 Rappresentazione schematica di un bulbo oculare miope, emmetrope e ipermetrope.
60 Sezione I Generalità Astigmatismo secondo regola Astigmatismo contro regola Miopico semplice Ipermetropico semplice Miopico composto Ipermetropico composto Misto FIGURA 5.7 Differenti tipi di astigmatismo. Si definisce anisometropia la condizione in cui i due occhi hanno una refrazione diversa, come un occhio emmetrope e l altro ametrope, oppure il tipo o il grado di ametropia sono diversi nei due occhi. Quando l ametropia supera le 3 D si possono sviluppare complicanze quali l ambliopia ( occhio pigro ), ossia la riduzione più o meno marcata della capacità visiva di un occhio o, più raramente, di entrambi. Per riconoscere e trattare le diverse ametropie, così come la presbiopia, è necessario sottoporsi a visite oculistiche periodiche nel corso della vita. Nei neonati l oculista può riscontrare precocemente eventuali malattie congenite, mentre attorno ai 3 anni si devono escludere difetti visivi che, se non riconosciuti, possono portare allo sviluppo di ambliopie anche gravi. Visite oculistiche prima dell inizio della scuola, in età adolescenziale e in previsione dell esame della patente devono essere eseguite per verificare l andamento dei vizi di refrazione, ove presenti. Miopia La miopia è il vizio refrattivo più diffuso, coinvolgendo il 30-35% della popolazione mondiale. Nel miope, in condizioni di riposo accomodativo, i raggi luminosi paralleli provenienti dall infinito vanno a fuoco in un punto davanti alla retina. La conseguenza è che il punto remoto, cioè il punto più lontano dell occhio a cui vi è una visione nitida senza l utilizzo di accomodazione, è posto a una distanza finita, anziché all infinito come nell occhio emmetrope. L eziologia appare multifattoriale e ancora controversa, tuttavia studi scientifici hanno dimostrato l influenza di fattori ereditari e ambientali (familiarità ed eccessivo utilizzo della vista per vicino). L entità della miopia si misura in diottrie. Una miopia fino a 3,00 D viene considerata miopia lieve, da 3,00 a 6,00 D media, maggiore di 6,00 D elevata. La distanza massima a cui un soggetto riesce a vedere nitidamente è inversamente proporzionale al grado di miopia. Esistono vari tipi di miopia: assile, refrattiva, transitoria e congenita. La miopia assile deriva da un aumento di lunghezza dell asse antero-posteriore dell occhio. È la forma più frequente, esordisce in età scolare, progredisce alla pubertà e si arresta in genere dopo i 20 anni. I pazienti affetti da miopia assile sono soliti raggiungere un ottima acuità visiva con lenti correttive. È invece meno frequente la forma di miopia progressiva o maligna in cui l allungamento dell asse antero-posteriore bulbare può continuare per tutta la vita con valori anche superiori alle 20 diottrie. In queste forme progressive si osservano, inoltre, alterazioni a carico del vitreo, della coroide e della retina. Questi pazienti presentano un visus molto variabile e spesso molto ridotto.
Capitolo 5 Ottica e vizi di refrazione 61 Miopia Lente sferica divergente Ipermetropia Lente sferica convergente Astigmatismo Lente cilindrica FIGURA 5.8 Correzione delle differenti ametropie. La miopia refrattiva comprende le forme dovute all aumento dell indice di refrazione del cristallino (cataratta nucleare), all aumento della curvatura della cornea o del cristallino (cheratocono, sferofachia) o allo spostamento anteriore del cristallino. Le miopie transitorie sono secondarie a variazioni temporanee degli indici di refrazione o della curvatura delle superfici. Possono essere secondarie alla somministrazione di farmaci (quali cortisonici, acido acetilsalicilico, sulfamidici o acetazolamide), a iperglicemia o a traumi del bulbo oculare. Le miopie congenite, già presenti alla nascita e di entità molto variabile, possono essere associate ad alterazioni del fondo oculare, a nistagmo e ad ambliopia. Spesso è difficile porre la diagnosi differenziale tra una miopia congenita e una acquisita. Nel miope la visione per vicino è conservata ed è necessaria un accomodazione inferiore rispetto a un soggetto normale. Nella miopia lieve non corretta possono comparire disturbi astenopeici legati alla dissociazione tra accomodazione e convergenza perché il miope, nella visione da vicino, deve convergere senza accomodare. Per un soggetto con miopia non corretta l unica possibilità di migliorare la visione per lontano è quella di aumentare la profondità di campo socchiudendo le palpebre. La correzione della miopia prevede l utilizzo di lenti divergenti (o negative) che riportano il piano immagine sulla retina (Figura 5.8). Le lenti possono essere montate su occhiali o posizionate a contatto sulla superficie corneale. Queste ultime sono indicate soprattutto nelle miopie elevate per evitare il fenomeno del rimpicciolimento delle immagini retiniche dovuto agli occhiali. La correzione della miopia può anche essere effettuata con tecniche chirurgiche, come riportato nel Capitolo 24 (Chirurgia refrattiva). Ipermetropia L ipermetropia è un vizio refrattivo in cui, in condizioni di riposo accomodativo, i raggi luminosi paralleli provenienti dall infinito convergono su un fuoco situato dietro alla retina. Di conseguenza si formano cerchi di diffusione sulla retina e le immagini risultano sfuocate e sempre più piccole che nell emmetrope.
62 Sezione I Generalità Colpisce circa il 20% della popolazione mondiale e si può classificare come lieve se il difetto non supera 1,5 D, media fino a 4 D ed elevata oltre le 4 D. Esistono vari tipi di ipermetropia: assile, refrattiva, transitoria e congenita. L ipermetropia assile deriva da una riduzione di lunghezza dell asse antero-posteriore dell occhio. Il bulbo oculare, fisiologicamente ipermetrope di 2-3 D alla nascita, non si accresce completamente in lunghezza rimanendo, di conseguenza, ipermetrope. Altre cause di ipermetropia assile sono rappresentate da processi patologici che spostano meccanicamente in avanti la fovea, come per esempio i tumori retrobulbari o i sollevamenti del neuroepitelio retinico o l edema maculare. L ipermetropia refrattiva è secondaria a modificazioni dell indice di refrazione dei diottri oculari (per esempio, in soggetti di età avanzata, a causa di alterazioni morfologiche della corticale del cristallino), ad alterazione del raggio di curvatura corneale (cheratopatie) o a un alterato rapporto anatomico tra i mezzi diottrici (dovuto, per esempio, a lussazione o ad afachia post-traumatica o chirurgica). L ipermetropia transitoria è causata da variazioni temporanee degli indici di refrazione o della curvatura delle superfici oculari, come in caso di brusche variazioni della glicemia, in seguito a somministrazioni di farmaci o per traumi bulbari. L ipermetropia congenita è dovuta a un appianamento corneale (cornea plana), allo spostamento posteriore del cristallino (ectopia lentis) o alla sua assenza (afachia congenita). Il soggetto con ipermetropia non corretta, a differenza del miope, vede male sia per lontano sia per vicino. Nei casi lievi, sfruttando però la propria capacità accomodativa, cioè incrementando il potere diottrico del cristallino, il fuoco principale può essere riportato sul piano retinico. L ipermetropia lieve non provoca disturbi, ma se supera una certa entità causa un affaticamento visivo dovuto allo sforzo accomodativo necessario per leggere o lavorare da vicino. Nei casi più gravi l ipermetropia si accompagna ai classici disturbi astenopeici quali dolenzia oculare, cefalea frontale e, a volte, congiuntiviti croniche o blefariti. L eccessiva accomodazione può anche portare a insufficienza del muscolo ciliare con transitori annebbiamenti visivi. L ipermetrope può compensare, entro certi limiti, la sua ametropia e tale compensazione dipende dal grado di accomodazione disponibile che, massima in età giovanile, diminuisce con il passare degli anni. L ipermetropia si può correggere con lenti convergenti (o positive) (si veda la Figura 5.8), che vanno prescritte quando l errore di refrazione causa riduzione del visus, astenopia accomodativa o anomalie dell equilibrio muscolare. Come per la miopia, anche l ipermetropia può essere corretta con occhiali o con lenti a contatto. La correzione dell ipermetropia può anche essere effettuata con tecniche chirurgiche, come descritto nel Capitolo 24. Astigmatismo L astigmatismo è un ametropia in cui vi è un differente potere refrattivo dei meridiani corneali principali che sono perpendicolari tra loro. Ciò perché le superfici refrattive oculari non possiedono una morfologia sferica ma torica, ovvero hanno diverso raggio di curvatura. Nell occhio astigmatico un punto oggetto non dà luogo a un punto immagine sulla retina, ma a un immagine complessa, detta conoide di Sturm, delimitata da due linee focali perpendicolari tra loro e separate da un intervallo focale. Un certo grado di astigmatismo corneale è fisiologico (mediamente 0,50 D); esso è dovuto alla pressione palpebrale che genera un lieve appiattimento del profilo corneale ed è compensato dall astigmatismo intraoculare fisiologico del cristallino. Le cause dell astigmatismo possono essere imputabili alla cornea o al cristallino. L astigmatismo corneale si distingue in regolare, dovuto alla conformazione della cornea con differenti valori di curvatura in corrispondenza dei suoi due meridiani principali ortogonali, e irregolare, secondario in genere a processi cicatriziali (post-traumatici o post-flogistici) o degenerativi (cheratocono) in cui non si possono distinguere i meridiani principali. L astigmatismo del cristallino, meno frequente, è causato da una non perfetta sfericità delle sue superfici. Può anche essere secondario a sublussazione o a ectopia del cristallino, congenite o acquisite, oppure a cataratta o a diabete scompensato che alterino l indice di refrazione del cristallino nei suoi differenti settori. A seconda dell orientamento del meridiano corneale più curvo, l astigmatismo viene classificato in: l Astigmatismo secondo regola, nel quale il meridiano più curvo è quello verticale. l Astigmatismo contro regola, nel quale il meridiano più curvo è quello orizzontale. Si distingono, inoltre, differenti tipi di astigmatismo a seconda delle posizioni delle linee focali rispetto alla retina (si veda la Figura 5.7): l Semplice, se una delle linee focali cade sulla retina, mentre l altra può essere situata rispettivamente davanti alla retina, nell astigmatismo miopico semplice, o dietro alla retina, nell astigmatismo ipermetropico semplice. l Composto, se nessuna delle due linee focali cade sulla retina; se sono entrambe davanti alla retina si ha l astigmatismo miopico composto, se sono dietro si ha l astigmatismo ipermetropico composto. l Misto, se una linea focale cade davanti alla retina e l altra dietro la retina. Il grado di astigmatismo si esprime in diottrie. Viene definito lieve un astigmatismo fino a 1 D, medio da 1 a 3 D ed elevato se superiore alle 3 D. Gli astigmatismi di grado lieve possono essere asintomatici oppure produrre solo una modesta diminuzione del visus. Quelli di grado medio-elevato, invece, oltre a causare difficoltà visive provocano disturbi astenopeici, come affaticabilità visiva, cefalea, bruciore e lacrimazione eccessiva, dovuti al continuo cambio di messa a fuoco (accomodazione) nel tentativo di ottenere sulla retina un immagine il più nitida possibile. In questi casi si manifesta tipicamente l asso-
Capitolo 5 Ottica e vizi di refrazione 63 a b FIGURA 5.9 (a) Presbiopia: un oggetto vicino non viene messo a fuoco sulla retina. (b) Presbiopia corretta con lente convergente positiva. ciazione astigmatismo-iperemia congiuntivale-blefarite. Astigmatismi superiori alle 3 D presenti sin dalla prima infanzia possono produrre, se non corretti, un ambliopia astigmatica determinata dallo sfuocamento permanente delle immagini retiniche che impedisce il normale sviluppo funzionale delle vie nervose afferenti dall occhio al cervello. Per questo motivo, in un bambino l astigmatismo deve essere corretto precocemente e totalmente al fine di evitare l insorgenza dell ambliopia che, una volta instauratasi, può essere irreversibile. L astigmatismo regolare può essere corretto con lenti cilindriche positive o negative (occhiali o lenti a contatto), associate all occorrenza a lenti sferiche, con lo scopo di riportare le due linee focali in un singolo punto focale (si veda la Figura 5.8). L astigmatismo irregolare, invece, non può essere adeguatamente corretto con occhiali, ma possono invece essere efficaci lenti a contatto rigide gas-permeabili che sostituiscono la superficie irregolare della cornea con la loro superficie sferica. Può essere utile la chirurgia refrattiva, come discusso nel Capitolo 24. Presbiopia La presbiopia è un disturbo visivo di tipo dinamico dovuto alla progressiva perdita del potere di accomodazione. L occhio umano, infatti, con il passare degli anni va incontro a una fisiologica riduzione dell ampiezza accomodativa dovuta sia a una diminuzione della plasticità del cristallino, che perde acqua nella sua porzione centrale, sia a modificazioni del muscolo ciliare. Nel corso della vita si assiste, quindi, a un progressivo allontanamento del punto prossimo che a 10 anni è a 7 cm dall apice corneale, a 40 anni a 30 cm, a 60 anni a 1 m. Quando il punto prossimo si allontana oltre i 33 cm, che è la distanza ottimale per la visione da vicino, ha inizio la presbiopia (Figura 5.9a). L epoca e le modalità di comparsa dei disturbi causati dalla presbiopia variano da soggetto a soggetto in rapporto alle differenti condizioni refrattive. Nell emmetrope la presbiopia compare intorno ai 42-45 anni. Il soggetto incontra difficoltà a leggere e compensa aumentando la distanza di lettura. Il disturbo è più evidente alla sera, quando la luce è attenuata, e può accompagnarsi a bruciore e arrossamento degli occhi, mentre è minore al mattino quando il muscolo ciliare è meno affaticato ed è presente un illuminazione più intensa che, attraverso la miosi, fa aumentare la profondità di campo. La presbiopia peggiora con l età e raggiunge il suo massimo a circa 60 anni, quando la capacità accomodativa si è completamente esaurita. Negli ipermetropi la presbiopia si manifesta più precocemente, mentre nei miopi compare più tardivamente o non si manifesta affatto. Anche la miosi senile può consentire di evitare la correzione della presbiopia, poiché una pupilla ristretta fa aumentare la profondità di campo. Ogni apparente miglioramento della presbiopia deve fare sospettare, tuttavia, la comparsa di una miopizzazione dovuta a una cataratta nucleare incipiente. Nella presbiopia i raggi divergenti provenienti dagli oggetti ravvicinati vengono corretti con lenti convergenti (Figura 5.9b). Prima di prescrivere le lenti per la presbiopia occorre correggere l eventuale ametropia preesistente; alle lenti necessarie per la correzione del difetto refrattivo di base viene algebricamente addizionata la lente per la presbiopia. Le diottrie addizionali utilizzabili per la presbiopia variano a seconda dell età: si inizia con circa 1 D intorno ai 45 anni e si aumenta in modo graduale fino a raggiungere le 2,5-3 D a 60 anni. Esistono tre tipi di lenti per correggere la presbiopia: le monofocali per i soggetti emmetropi, le bifocali e quelle multifocali per i soggetti ametropi. Per la correzione della presbiopia può, inoltre, essere utile la chirurgia refrattiva, come discusso nel Capitolo 24.