7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

1/36

BIO-OPTIKA

DR. ZAIRUL ARIFIN, SpA,DAFK

DEPARTEMEN FISIKAKEDOKTERANFK-USU

MEDAN

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

2/36

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 panas4.Bila foton diabsorbsi, keluar energi, fluoresensi

5.Pantulan cahaya: difus (kasar), spekular (halus)

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

3/36

1.2. Mengukur dan unit cahaya

Cahaya: ultra violet tampak,infra merah tergantung panjang gelombang,

satuannya nanometer.

UV 100-400 nm, tampak 400-700 nm, IR 700-1000 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 radiometrikPada radiometri:

Kuantitas cahaya ke permukaan : Irradians,

Intensitas sumber cahaya : radians

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

4/36

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

5/36

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

6/36

1.3.Aplikasi cahaya tampak di medis

Senter dan kaca pembesar

kelainan kulit, mata(ophthalmoscope), telinga (otoscope)dll

Endoscopeuntuk melihat didalam tubuhcystoscope, proctoscope, bronchoscopedll

Transilluminationtransmisi cahaya melalui

jaringan tubuhbayi : hydrocephalus,pneumothorax, sinus,mammae, testesdll

phototherapypada bayi icterus, dengan sinar biru,

lebih kurang 450 nm

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

7/36

2. FISIKA MATA DAN PENGLIHATAN

2.1.Pembentukan bayangan di mata

Indra penglihatan :1.Mata : memfokuskan bayangan ke retina

2.Sistem syaraf : menyalurkan informasi ke otak

3.Korteks penglihatanSalah satu tak 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

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

8/36

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

9/36

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

10/36

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

11/36

Kornea bekerja seperti lensa yang biasa dimanasinar cahaya menembus permukaan dan merobahindeks refraksi yang menyebabkan sinar terang

untuk bengkok menuju ke permukaan yangnormal.Prinsip ini dinamakan sebagai hukum fisikadan dikenali sebagai Snells Law.Bentuk korneamenentukan derajat fokusnya.Permukaan korneadibentuk oleh lapisan permukaan selepitel.membran basal(Bowmans Layer),lapisanstroma yang tebal yang terdiri dari helaian kollagendan satu lapisan sel yang tunggal yang terdiri darisel-sel endotel.Helaian kolagen pada stroma kornea

terdiri dari kira-kira setengah dari panjanggelombang cahaya yang berada jelas secara optikdengan memancarkan dan bukan menyebarkancahaya.Sedangkan lapisan permukaan sel epitelmemantulkan lekukan permukaan dari stroma

kornea yang dibawahnya.

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

12/36

Beda mata dengan kamera :

-Mata mengamati pada sudut sangat besar

-Berkedip : pelumas built-inbagi kornea, komunikasi-Pemfokusan otomatis cepat, 1dtk : 20 cm sampai ~

-Efektif menerima intensitas cahaya sangat lebar, siangterik sampai malam gulita, 10 milyar : 1

-Sistem penyesuaian bukaan lensanya otomatis, iris

-Sistem pengendali tekanannya otomatis,

1,6 kPa = 12 mmHgmempertahankan bentuk bolamata

-Terletak di wadah pelindung tulang, bersandar pada

bantalan lemak, peredam goncangan keras

-Bayangan terbalik di retina, otak mengoreksinya

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

13/36

-Otak memadu bayangan kedua mata3 dimensi-Otot mata : mata bergerak fleksibel sampai mutar

mata menggunakan sistem lensa konveks untukmenghasilkan bayangan nyata diretina(kornea,lensa)

Pusat bayangan jatuh di bagian sensitif retina, fovea

Pembukaan irismengatur cahaya yang masuk,pupil

Kornea membelokkan cahaya, selebihnya, lensa

Cahaya melewati lapisan : udara, kornea,aqueous

humor, lensa depan,inti, belakang, vitreous humor

Tiap lapisan membiaskan cahaya sampai ke retinaAkomodasi, mengatur jarak fokus agar jarak

bayangan = jarak lensa-retina tetap jelas di retina

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

14/36

2.2.Sistem optik mata

Refractive power : 1 D(Dioptri) : 1 / jarak fokus (m)

Daya pada mata tak berakomodasi 59 D, refraksi terbesaroleh kornea sampai 46 D, lensa 18 D

Amplitudo akomodasi, selisih penglihatan jauh danpenglihatan dekat, anak : 29 D-18 D=11 D, pada orang

tua bisa mendekati nolKedalaman fokus, bila 2 titik sumber cahaya diamati

dengan pupil yang kecil, bayangan di retina tak banyakberubah 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

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

15/36

2.3.Elemen pemfokus mata

Kornea, pemfokusan mata, terfiksasi, besar refraksi

tergantung kelengkungannya dan kecepatan cahaya dilensa dibandingkan dengan benda sekitar (n relatif)

Dalam air, kornea kehilangan daya pemfokusan, karena nnya mirip; seperti ikan di luar air penyelam pakaitopeng untuk pertahankan udara

Kornea terlalu melengkung penglihatan dekat,Kornea kurang melengkung penglihatan jauhKelengkungan tak merata astigmatisme

Tergores, sembuh sendiri, radiasi UV,neutron, sinar Xkornea dapat keruhmenghambat masuknya sinar

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

16/36

Myopia

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

17/36

-MYOPIA

Satu kondisi dimana kornea terletak sangat

dalam.

Cahaya difokus di depan retina menyebabkanpenglihatan menjadi kabur.

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

18/36

Hypermetropia

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

19/36

-HIPERMETROPI

Suatu kondisi dimana terjadi karena kesalahan refraktifdan kornea sangat mendatar

Menyebabkan penglihatan kabur dari jarak dekat karena

cahaya difokus di belakang retina dan bukan tepat di

retina.

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

20/36

H i f k di k d k

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

21/36

Hampir semua pemfokusan di permukaan depan karena

permukaan belakang n nya hampir sama dengan

aqueous humor

Lensa, belakang lebih lengkung, bisa berubah, dayakelengkungan rendah dari lensa, kerena dikelilingi

cairan yang n nya hampir sama. N efektif 1,07, ber-lapis-

lapis,beda-beda n nya

Otot, memfokus bayangan agar lensa gepeng atau bulat,

untuk lihat jauh atau dekat

Orang tuahilang kemampuan akomodasi, titik dekat

menjauh (presbyopia), titik jauh bila mendekat(myopia).

Ikan memfokus dengan maju-mundur lensa ~ kamera

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

22/36

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

23/36

2.4.Elemen lain pada mata

Pupil, lubang ditengah iris, hitam karena semua cahaya

masuk diserap dalam mata, cahaya biasa 4 mm,variasi 3-8 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 mataSklera,penutup seluruh mata kecuali kornea, putih, kedap

cahaya, dilindungi selubung konjungtiva

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

24/36

2.5. Retina-detektor cahaya pada mata

Peka cahaya, mengubah bayangan cahayaimpulslistrik saraf (tranduser)

ke otak

Analogi dengan bagian peka cahaya kamera TV

Penyerapan foton cahaya oleh fotoreseptor memicu

sinyal listrik ke otaksuatu potensial aksiEnergi foton 3 eV,potensial aksi energinya jutaan kali

Foton harus > energi minimum untuk hasilkan reaksi

Retina menutupi separuh belakang bola mata, penglihatan

sebagian besar terbatas di makula lutea (bintik kuning),

penglihatan tajam di bagian kecil bintik kuning, di fovea

sentralis, 0,3 mm

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

25/36

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)OReseptor cahaya di retina : kerucutdan batangKerucut, 6,5 juta tiap mata,untuk penglihatan siang

Fotopik, terutama di fovea sentralis, tiap kerucut di

Fovea punya sambungan tersendiri di otak, sensitivi-tas maksimum pada 550 nm di regio kuning-hijau,

Sesuai dgn spektrum maksimum matahari di bumi

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

26/36

Batang,penglihatan malam, skotopik, dan

penglihatan perifer, 120 juta tiap mata. Kepadatanmaksimum di sudut 200, sensitif cahaya biru-hijau

510 nm, lebih pendek dari cahaya optimum kerucut

Batang dan kerucut sama sensitif untuk sinar

merah :

650-700 nm

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

27/36

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

28/36

3.1 Ambang Penglihatan

Minimum foton yang menghasilkan sensasi pengli-

hatan 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 penga-

ruhi daya deteksi, diatasnya perlu lebih banyak cahaya

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

29/36

Hasilnya 90 foton masuk mata pada kondisi optimum

cahaya terlihat dalam 60% waktu. Hanya 10 foton

yang benar-benar diserap batang. Cahaya tersebar di>350 batang,diperlukan 2 foton untuk menimbulkan

sinyal visual.senter dengan batere baru keluarkan

100 foton / detik

1 foton tak dapat dilihat terutama karena electrical noise .Tiap

batang mengirim noise tiap 5 menit, ada 120 juta tiap

matahampir 3 milyar pulsa/jmKerucut 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)

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

30/36

RADIASI ULTRA VIOLET (UV)

Bagian dari spektrum elektromagnetik yang terletak antara

panjang gelombang 200 nm400 nm

Efek biologis dan kimia :

-Mata, acute photokeratitis, api las, 288 nm

-Erythermal region 280-320 nm, 290-295 nm efek

maksimal efek karsinogenik pada kulit-Germicidal band 220-280 nm,265 nm efek maksimal

-250 nm dan 280 nm ada beberapa efek erythermal

-Ozone region 170-220 nmSumber radiasi : cahaya matahari, api las,lampu

buatan , plasma torch (alat operasi dari metal panas)

K ntr l d n Pr t k i UV

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

31/36

Kontrol dan Proteksi UV:

1.Sun screens, kimia PABA, ZnO, TiO2, bedak

2.Baju/pakaian, flanel, poplin3.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 filtercahaya las4.Refleksi dari radiasi UV :

-Kaca,metal yang dipolis, permukaan keramik,

permukkaan yang dicat dapat berbahayaZ O refleksi han a 3 UV white lead 60

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

32/36

RADIASI INFRA RED (IR)

700-10 nm, Near IR, batasnya 1400 nm

Far IR, > 1400 nmAsal : panas di alam, obor plasma, lampu quartz-

halogen, kaca panas putih, membuat kaca,

pemanas IREfek Biologis :

-Mata : Near IR sampai retina, tembus kulit padakeadaan tertentu, katarak di penutup lensa, padapeniup gelas : merusak retina

Far IRefek termis pada kornea

Kriteria Pemaparan IR :

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

33/36

Kriteria Pemaparan IR :

-Dasar : merancang perlindungan timbulnya katarak

-Kontrol : gelas penutup denganvNeopynium, dapat

mencegah near IR

RADIASI MCRO-WAVE (M-W)

Spektrum dari 10 nm, dinyatakan dengan frekuensi

MW / Radar : 30-3.10 MHzRadio Frekuensi :

-TV,VeryHighFrequency(VHF) 54-88MHz,174-216MHz

Ultra High Frequency (UHF) : 470-890 MHz- Radio FM:88-100MHz, Short Wave(SW): 1,8-30 MHz

-Radio Band : 0,55-1,6 MHz

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

34/36

Komunikasi & Radar : didepan antena bengkel dgn

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

35/36

-Komunikasi & Radar : didepan antena, bengkel dgn

tester,menara pemancar,mobil pemancar komunikasi

Efek Biologis Radiasi M-W :

-Frek. > 10 GHz : diabsorbsi komplit oleh lapisan luar

kulit efek panas pada kulit1-10GHz:penetrasi kulit,mencapai lapisan lemak

< 1 GHz : penetrasi ke otot, bertambah dalam

dengan menurunnya frekuensi

100-300MHz:penetrasi dalam,panas keseluruh tubuh

Efek Thermal :

-Pada terapi diatermi Power Density 100 mW/cm

-Hati-hati mata dan testis

Irradiasi < 100 mW/cm2 dalam beberapa menit pada

7/30/2019 K6 Biooptika.2009 2

36/36

Irradiasi < 100 mW/cm dalam beberapa menit pada

10 MHz-100GHz efek termal yang berbahayaEfek Non Thermal :

-Kekeruhan lensa didapati pada pekerja M-W

-Takada efek nontermal padaP.Density