Biofísica de los sentidos

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Biofísica de los sentidos
VISION. Las etapas del fenómeno visual
La visión comprende:
1. Refracción de la luz en los medios ópticos del ojo para formar una imagen sobre la retina.
2. Procesos fotoquímicos retinianos que transforman la energía lumínica en energía 
química, en impulsos nerviosos.
3. La integración e interpretación de la información a nivel cortical, lo que la transforma en 
sensaciones de color, forma, dimensión, movimiento y ubicación.
Ondas. Diferencias entre ondas mecánicas y electromagnéticas
La transmisión de energía entre dos puntos se realiza de dos maneras:
- Con transporte de materia.
- Sin transporte de materia.
Dos son los tipos de ondas:
- Las ondas mecánicas, necesitan un medio elástico para propagarondulatoriose.
- Las ondas electromagnéticas, se propagan en el vacío y llevan asociadas un campo 
eléctrico y un campo magnético que vibran en planos perpendiculares entre sí y 
perpendiculares a la dirección de la onda.
Las ondas pueden diferenciarse en:
- Transversales.
- Longitudinales.
Naturaleza cuántica de las radiaciones electromagnéticas
La teoría cuántica o de Planck postula que el elemento de base de las radiaciones 
electromagnéticas son los cuantos o fotones. Los fotones poseen dos movimientos: uno que 
realizan con velocidad uniforme en el sentido del desplazamiento y otro oscilatorio, 
transversal con respecto al primero.
El movimiento en el vacío, a 300.000 km/s. La composición de los dos movimientos da el 
clásico desplazamiento ondulatorio.
El tiempo necesario para que un fotón complete una oscilación, período (T). El espacio que 
habrá recorrido es la longitud de onda (λ) y la velocidad de la luz (c).
Velocidad = espacio/tiempo
 C= λ/T
Se llama frecuencia (f) a la inversa de T.
Las radiaciones electromagnéticas se diferencian por su longitud de onda.
La energía (Ev) transportada por cada fotón está dada por la relación:
 Ev= h.f
Luz. Espectro visible
Reciben el nombre de luz las radiaciones electromagnéticas detectables por el ojo humano, 
con longitudes de ondas entre 400 y 780 nm.
La longitud de onda de las radiaciones electromagnéticas suele expresarse en metros, en 
cm o en nm para el rango visible, que se extiende entonces entre los 400 y 780 nm. Fuera 
del espectro visible están emisión ultravioleta y la infrarroja.
Campo electromagnético
Asociado a la radiación aparece siempre un “campo electromagnético”, es decir que las 
cargas eléctricas o magnéticas situadas en las cercanías de una radiación electromagnética 
se verán sometidas a la acción de fuerzas de atracción o repulsión.
Luz monocromática. Luz blanca. Luz polarizada
La denominada luz blanca es una mezcla de las diferentes longitudes de onda del espectro 
visible. Los diferentes fotones que componen un haz luminoso no realizan su movimiento 
transversal en el mismo plano. Coexisten fotones oscilando en todos los planos intermedios 
entre los dos representados. Cuando los fotones oscilan en un solo plano hablamos de luz 
polarizada.
Luz coherente
Existe un desfasaje entre la posición de los diversos fotones. En un haz ordinario estas dos 
situaciones coexisten con todas las amplitudes intermedias. Cuando todos los fotones 
oscilan simultáneamente hablamos de luz coherente lo que es la base del rayo láser.
Fotometría y espectrometría
Consiste en la medida de la intensidad de una radiación. Si se asocia la determinación de la 
frecuencia o longitud de onda tendremos la espectrometría. El elemento de detección 
básico es la célula fotoeléctrica que genera una corriente cuya intensidad eléctrica es 
proporcional a la intensidad de la luz que recibe.
 Espectros de emisión y absorción
Cuando ciertos elementos son calentados por encima de una cierta temperatura o como 
resultado de reacciones atómicas complejas, puede emitir luz de una determinada longitud 
de onda.
Cunado un sustancia se interpone en el camino de un a radiación electromagnética, parte de
la intensidad de ésta. Es función de la estructura molecular de la sustancia interpuesta.
 Unidades fotométricas. Unidad de intensidad luminosa
Una radiación electromagnética está caracterizada, además de por la frecuencia de la 
radicación que la constituye, por su intensidad. La intensidad de un haz depende del número
de fotones que lo componen.
Se llama flujo luminoso a la energía transmitida a través de un ángulo con vértice en el 
punto de emisión. La unidad de flujo luminoso es el lumen y representa la energía asociada 
a un ángulo sólido de 1 esterorradián (sr) cuando la fuente tiene una intensidad de 1 candela
(cd).
 Ley de Lambert y Beer
Estudió las características de la disminución de la intensidad de la luz al atravesar un cuerpo
transparente. Cuando un haz de luz atraviesa un volumen líquido su intensidad disminuye 
exponencialmente con el espesor atravesado.
Óptica: Es el estudio de los mecanismos de transmisión de la luz.
Óptica geométrica. Reflexión. Refracción
La luz se propaga en línea recta en el vacío a 300.000 km/s.
El ojo posee un sistema de lentes, un sistema de apertura variable y una retina. El sistema de 
lentes se compone de cuatro interfaces:
- Entre el aire y la superficie anterior de la córnea.
- Entre la superficie posterior de la córnea y el humor acuoso.
- Entre el humor acuoso y la superficie anterior del cristalino.
- Entre la superficie posterior del cristalino y el humor vítreo.
Cuando un haz de luz pasa de un medio homogéneo a otro se refleja parcial o totalmente. El 
rayo incidente y el rayo reflejado se hallan en un mismo plano. El rayo que se propaga al 
segundo medio se denomina rayo refractado. El cociente entre el seno del ángulo de incidencia 
y el seno del ángulo de refracción es una constante para cada par de medios, llamada índice de
refracción.
Lentes
Los rayos de la luz que atraviesan el centro de la lente inciden sobre ella de forma exactamente 
perpendicular a su superficie y, por tanto, la atraviesan sin ser refractados. A medida que se 
alejan del centro, los rayos de luz inciden sobre una superficie cada vez más inclinada.
Los rayos más externos se inclinan cada vez más hacia el centro, convergencia. La mirad de la
angulación se produce cuando los rayos penetran en la lente y la otra mitad al salir por la otra 
cara.
- Las lentes cóncavas divergen los rayos de luz.
- Las lentes cilíndricas desvían los rayos de luz en un solo plano; comparación con las 
lentes esféricas.
Un medio transparente separado de otro por dos caras no paralelas constituye una lente. SI las 
superficies son cilíndricas hablamos de lentes cilíndricas.
Los elementos de una lente esférica delgada:
- Dos superficies esféricas.
- Un centro óptico.
- Un eje óptico.
- Dos focos.
 Una lente es positiva cuando al atravesarla los rayos se acercan al eje óptico. Esto 
ocurre en las lentes biconvexas y en las convexocóncavas cuando el radio de la 
curvatura de la segunda superficie es menor que el de la primera.
 Una lente es negativa cuando al atravesarla, los rayos se alejan del eje óptico. Esto 
ocurre en las lentes bicóncavas en las convexocóncavas cuando el radio de curvatura de
la segunda superficie es mayor que el de la primera.
 La distancia de una lente convergente a la que los rayos paralelos convergen en un 
punto focal común recibe el nombre de distancia focal de la lente.
Imágenes
 Formación de una imagen sobre la retina
De la misma forma que una lente de cristal enfoca una imagen sobre una hoja de papel, el 
sistema de lentes del ojo puede enfocar una imagen sobre la retina. La imagen del objeto 
aparece totalmente invertida. Sin embargo, la mente percibe los objetos en posición normal a 
pesar de su inversión en la retina, debido a que el cerebro está capacitado para considerar 
normal una imagen invertida.
Cuando la luz proveniente de un objeto atraviesa una lente se obtiene una imagen del mismo. 
Puede ser real, si es formada por los rayos que salen de la lente al encontrarsesobre un plano, 
o virtual, si es formada por la prolongación hacia atrás de los rayos que atraviesan una lente.
 Formación de imágenes en lentes delgadas positivas y esféricas
- Las lentes delgadas positivas forman imágenes reales o virtuales.
- Las lentes delgadas negativas solamente forman imágenes virtuales, derechas y 
menores.
 Formación de una imagen por una lente convexa
Los rayos de luz que atraviesan el centro de una lente convexa no se refractan en ninguna 
dirección, por lo que, los rayos de luz procedentes de cada una de las fuentes puntuales de luz 
llegan a un punto focal al otro lado de la lente que forma una línea recta con la fuente puntual y 
con el centro de la lente. Cualquier objeto situado delante de la lente constituye un mosaico de 
fuentes de luz puntuales.
Aplicaciones biomédicas. El ojo. Cadena óptica del ojo
El sistema óptico del ojo está constituido por diversos elementos:
- Lente cóncavoconvexa: la córnea y el humor acuoso.
- Diafragma: iris pupilar.
- Lente biconvexa: el cristalino.
- Lente cóncaviconvexa: el humor vítreo.
- Pantalla sensible: la retina.
Ajuste focal. Acomodación
Es el proceso mediante el cual el ojo se ajusta para hacer que la imagen se forme sobre la 
retina. Esto ocurre en el ojo relajado para todo objeto situado a una distancia mayor de 6m.
Cuando la distancia es menor, la imagen tiende a formarse detrás de la retina, por lo que no 
será nítida. Para lograr que la imagen siga formándose en la retina es necesario aumentar el 
poder dióptrico del sistema. Para lograr todo el proceso de acomodación, involucra:
1. Contracción de los músculos ciliares para aflojar la tensión de los ligamentos superiores del 
cristalino el que, librado a su elasticidad natural, tiende a adquirir forma esférica aumentando su
poder de convergencia.
2. Reducción del diámetro de la pupila, lo que al eliminar los rayos periféricos mejora la calidad 
de la imagen al evitar las aberraciones esférica y cromática.
3. Convergencia de los ejes de ambos ojos sobre el objeto por acción de los músculos 
extrínsecos del ojo.
El diámetro pupilar
La función del iris es incrementar la cantidad de luz que penetra en el ojo en la oscuridad y 
disminuirla cuando hay mucha luminosidad. La pupila del ojo humano puede disminuir su 
diámetro hasta aproximadamente 1.5 mm y aumentarlo hasta 8mm.
Errores de refracción
- Emetropía: Si los rayos de luz paralelos procedentes de objetos distantes se enfocan con
nitidez sobre la retina cuando el músculo ciliar está completamente relajado. Puede ver 
todos los objetos distantes con claridad estando el músculo ciliar relajado, para enfocar 
objetos a corta distancia el ojo necesita contraer su músculo ciliar para proporcionar el 
grado de acomodación adecuado.
- Hipermetropía: Un globo ocular demasiado corto, pero tiene un sistema de lentes poco 
potente. El sistema de lentes con el cristalino relajado no desvía los suficientes rayos de 
luz paralelos para enfocarlos cuando llegan a la retina. El músc.ciliar debe contraerse y 
aumentar la fuerza del cristalino.
Corrección: Se corrige aumentando el poder de refracción con una lente convexa delante
del ojo.
- Miopía: “Cortedad de vista”, cuando el músc.ciliar está completamente relajado, los rayos
de luz procedentes de objetos distantes se enfocan delante de la retina.
Corrección: Este poder de refracción excesivo puede neutralizarse colocando delante del
ojo una lente esférica cóncava que diverja los rayos.
- Astigmatismo: Consiste en un defecto de refracción del ojo según el cual uno de los 
planos de la imagen visual se enfoca a una distancia distinta de la del plano 
perpendicular.
Corrección: Consiste en encontrar mediante el sistema de “ensayo y error” una lente 
esférica que corrija el enfoque en uno de los dos planos de la lente astigmática. Se utiliza
una lente cilíndrica adicional para corregir el error en el plano restante.
Exploración funcional del ojo
 Medida de la agudeza visual
Es la capacidad de distinguir como separados a dos puntos cercanos. Para que esto ocurra las 
imágenes de estos dos puntos deben formarse sobre dos elementos retinianos separados por 
un tercero. En la zona central de la retina los conos están densamente agrupados y siendo el 
diámetro de un cono de 0.003nm, es la distancia que debe mediar entre dos puntos o imágenes
para que se interpreten como separados.
La medida de la agudeza visual se realiza mediante el uso de tablas de ensayo en las que se 
hallan dibujados letras o signos dispuestos en tamaños decrecientes.
 Campo visual
Es la parte del espacio en que se debe hallar un objeto para ser percibido por el ojo inmóvil.
El estudio del campo visual que se realiza comúnmente con un perímetro; este aparato consta 
de un arco metálico cuya abertura cubre un ángulo de 180°. Sobre el mismo se puede 
desplazar una fuente luminosa.