0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бионический глаз это что

Бионический глаз человека

Бионический глаз — искусственная зрительная система для восстановления потерянного зрения при некоторых формах слепоты.

Рис.1. Бионический глаз по технологии, когда видеокамера также находится на лбу, но видеосигналы передаются в микрокомпьютер размером с бумажник, который находится в кармане. Он переводит видимое изображение в набор коротких импульсов ИК (инфракрасного излучения) светодиодно-жидкокристаллического дисплея, с числом точек в несколько тысяч. Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, расположенного на «очках» перед глазами, проходит через хрусталик, и попадает на фотодиоды имплантата — фотосенсоры в сетчатке глаза и на «пара-центральную область» периферийного зрения [1] . Они усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной батареи, также имплантированной в радужку глаза.

В глазу с поврежденной сетчаткой, например, при скотоме, вживляют имплантат — протез сетчатки глаза, дополняя сетчатку c оставшимися в ней неповрежденными нейронами искусственными фоторецепторами (рис. 1, 2).

Проблема восстановления зрения при слепоте Править

У людей в пожилом возрасте иногда начинается возрастная деградация сетчатки глаза, при которой светочувствительные рецепторы (палочки, колбочки) начинают атрофироваться, то есть перестают реагировать на свет. Наступает полная слепота. При этом нервные клетки сетчатки глаза не погибают, что позволяет создавать системы для восстановления зрения.

Скотома — одна из основных причин слепоты Править

Рис.2 Применение бионического глаза при полной скотоме

Скотома, от греч. skotos — темнота — пятнообразный дефект, расположенный в поле зрения глаза, вызванный заболеванием сетчатки, болезнями зрительного нерва, глаукомой. Это участки сужают нормальное поле зрения, на них зрение существенно ослаблено, или отсутствует. Различают:

  • Абсолютная скотома (absolute scotomata) — участок, в котором зрение отсутствует.
  • Относительная скотома (relative scotoma) — участок, в котором зрение значительно снижено.

Предварительно проверить глаза на наличие скотомы можно самостоятельно, проведя исследование с помощью теста Амслера.

Бионический глаз может быть использован для компенсации потерянных зрительных ощущений:

  • Как искусственная зрительная система для восстановления не полностью потерянного зрения. В глаз с поврежденной сетчаткой вживляют имплантат — протез сетчатки глаза, дополняя саму сетчатку, c оставшимися в ней неповрежденными нейронами (рис. 1).
  • Как искусственная зрительная система для восстановления полностью потерянного зрения (рис. 2).

На рис. 2 показаны:

  1. Видеокамера, передающая оптическое изображение на видеопроцессор;
  2. Видеопроцессор, который преобразует и передаёт оптическое изображение в виде видеосигналов на передатчик (2) в очках;
  3. Путь пересылки электронного сигнала на приёмник-ресивер в глазу;
  4. Полученная информация через миниатюрный проводник передаётся на электроды фотосенсора (4), вживлённого в сетчатку;
  5. Электронные сигналы по зрительным нервам проходят в головной мозг человека.

Современные технологии восстановления зрения с помощью «бионического глаза» Править

В ряде случаев используют специальную полимерную пластинку-матрицу с фотодиодами, с которой можно снимать слабые электрические импульсы, передавая их в прилегающие живые нервные клетки. Аналоговые сигналы от созданного на искусственной сетчатке оптического изображения стимулируют сохранившиеся нейроны.

Изображение окружающего пространства может быть сформировано, например, при помощи видеокамеры, установленной на лбу, либо ИК-дисплея, специальных очков, и полимерного фотодатчика — фотосенсора с электродами и отверстиями. Такие системы обеспечивают привычное зрение, как периферийное, так и центральное.

При полной слепоте — в специальные очки встраивается миниатюрная видеокамера, которая работает таким образом:

  • (1) информация посылается на видеопроцессор который пациент носит на поясе.
  • (2) Процессор преобразует картинку в электронный сигнал и отсылает его на специальный передатчик, также встроенный в очки.
  • (3) Затем, этот передатчик посылает беспроводной сигнал на тончайший электронный приёмник-ресивер встроенный в глаз, и фотосенсор (электродная панель) который имплантирован в сетчатку пациента.

Электроды искусственных рецепторов (фотодатчиков) стимулируют оставшиеся действующие зрительные нервы сетчатки глаза, посылая электрические видеосигналы в мозг через зрительные нервы. [2]

Авторы удачных разработок бионического глаза Править

Дэниел Паланкер Править

Дэниел Паланкер, Адъюнкт — профессор,Отдел Офтальмологии, Школа Медицины и Hansen Экспериментальная Лаборатория Физики, Стэнфордский Университет

Дэниел Паланкер (Daniel Palanker) [3] из Стэнфордского университета (Stanford University) и его научная группа «Биомедицинской физики и офтальмологических технологий» (Group of BioMedical Physics and Ophthalmic Technologies) разработали протез сетчатки глаза высокого разрешения (имплантант в сетчатку глаза) называемый «Бионическим глазом» (Bionic Eye, рис. 1-3) [4] [5] .

Разработки группы Паланкера Править

  • Искусственный объект — Оптикоэлектронный протез сетчатки глаза,
  • Взаимодействие в ткани — механизмы и использование,
  • Электрические эффекты в области ионных каналов и клеточных мембран,
  • Интерфейс «Нерв-устройство»,
  • Взаимодействие лазерного излучения и живой ткани,
  • Микрохирургические технологии,
  • Минимально-повреждающие электрооптические, терапевтические технологии
  • Оптическое отображение и спектроскопия.

Устройство и работа бионического глаза Править

Устройство имплатата Править

Рис.3.Схема дырчатого имплатата.

Имплатат (рис. 3) — специальный фотодатчик со встроенными электродами, он реагируют на свет, создавая оптическое изображение. Свет от видеокамеры, проходящий через хрусталик глаза и фокусируемый на сетчатке с дополнительно вживленным имплатируемым в сетчатку глаза дырчатым полимерным фотодатчиком (в случае полной слепоты фотодатчик получает электронные импульсы изображения по тончайшим проводникам от специального вмонтированного в глаз приёмника-ресивера (3 на рис. 2).

Рис. 6. Схема трихроматизма с оппонентным отбором цвета с участием мозга из 6—7 млн колбочек (биолгических сигналов). В мозг человека идет около 1,2 млн нервных окончаний, по которым идут импульсы обработанных аналоговых сигналов от сформированного на сетчатке оптического изображения

Читать еще:  Как выглядит звезда сименса

В настоящее время испытывается дырчатая полимерная матрица — имплантант из специального органического материала с количеством фотодиодов 2,5 тысячи на квадратный мм (рис. 3).

Создание искусственной сетчатки глаза человека Править

Основные вехи и последние достижения Править

В 2004 году 64-летней устройство с матрицей на металлической основе и 16-ю электродами апробировали на Линде Морфут из Лонг-Бич (Калифорния). В 21 год ей поставили диагноз пигментный ретинит, а к 50 годам она практически полностью ослепла (левый глаз немного воспринимал свет). установили фотодатчик По ее словам:

«Когда мне дали очки, у меня было удивительное чувство, — вспоминает она. — Я могу играть в баскетбол с внуком, могу стоять посреди тротуара. Я могу найти дверь, чтобы выйти из комнаты, и видеть, как моя внучка танцует на сцене. Когда мы приехали в Нью-Йорк, я увидела статую Свободы, какая она большая. В Париже мы ночью поднялись на Эйфелеву башню, и я видела все огни города. Я почувствовала себя в большей степени причастной к окружающему миру». The Guardian [7]

Как утверждает профессор офтальмологии Марк Хамейун из Института Глаза в Университете Южной Калифорнии (США) к 2009 году глазной протез появится на потребительском рынке по цене около пятнадцати тысяч фунтов стерлингов. [8] .

При этом речь идет о протезах с фотодатчиками из полимерных материалов с дырчатой конструкцией с 2,5-ной тысячами пикселей на квадратный мм, с возможностью использования периферийного зрения [9] [10] .

Выводы Править

  • 1) Однако, когда протезы с фотодатчиками из полимерных материалов с дырчатой конструкцией с 2,5-ной тысячами пикселей на квадратный мм, с возможностью использования периферийного зрения[11][12] будут широко внедряться в практику, то это не значит, что зрение будет цветным.
  • 2) Цветное зрение станет возможным при создании АЦП для внедрённых выше указанных имплантатов.

Публикации в новостных агентствах Править

В 2004 году 64-летней Линде Морфут из Лонг-Бич (Калифорния) с диагнозом пигментный ретинит в возрасте 21 года, когда она практически полностью ослепла к 50 годам (Левый глаз ее немного воспринимает свет) установили фотодатчик с матрицей на основе 16-ти металлических электродов. Эта матрица имеет всего 4 строки по 4 электрода. Однако по ее словам:

«Когда мне дали очки, у меня было удивительное чувство, — вспоминает она. — Я могу играть в баскетбол с внуком, могу стоять посреди тротуара. Я могу найти дверь, чтобы выйти из комнаты, и видеть, как моя внучка танцует на сцене. Когда мы приехали в Нью-Йорк, я увидела статую Свободы, какая она большая. В Париже мы ночью поднялись на Эйфелеву башню, и я видела все огни города. Я почувствовала себя в большей степени причастной к окружающему миру». The Guardian [13]

Питер Лейн c бионическим глазом

Как утверждал профессор офтальмологии Марк Хамейун из Института Глаза в Университете Южной Калифорнии (США) к 2009 году глазной протез появится на потребительском рынке по цене около пятнадцати тысяч фунтов стерлингов, [14] однако этого до сих пор не произошло.

При этом речь шла о протезах с фотодатчиками из полупроводниковых материалов с конструкцией состоящей из 2,5-ой тысяч пикселей на квадратный мм, с возможностью использования периферийного зрения. [15]

  • В Великобритании «прозрел» полностью слепой человек. Пациенту в возрасте 76 лет по имени Рон, который ослеп 30 лет тому назад из-за наследственной болезни, удалось пересадить так называемый бионический глаз[16][17] .
  • 51-летнему Питеру Лэйну в Великобритании одному из первых в мире в декабре 2009 года имплантировали в глаз электронные фотодатчики, посылающие в мозг сигналы, собираемые специальными очками. Эта технология позволила англичанину впервые за 30 лет увидеть очертания объектов, например, дверь, шкаф, а также даже распознавать буквы [18] .

Бионический глаз: куда шагнули разработки ученых?

Благодаря непрерывной научной деятельности ведущих мировых ученых, специализирующихся в области разработок электронных систем и протезов, имитирующих настоящий процесс передачи электрических импульсов для воссоздания зрительной функции. В основе всех разработок, называемых бионическими глазами, лежит идея стимуляции тканей зрительной коры головного мозга или сетчатки при помощи электрических импульсов.

Принцип действия бионической системы напоминает работу слуховых аппаратов. На сегодняшний день бионический глаз позволяет человеку с полным отсутствием зрения получить возможность видеть силуэты объектов и ориентироваться в пространстве. Для абсолютного слепого человека, живущего в полной темноте, такая возможность является шансом улучшить жизнь и стать ближе к окружающему миру.

Разработки бионических глаз

Argus retinal prosthesis – разработка американских ученых. После имплантации системы пациенты могут видеть свет, силуэты крупных предметов, а также небольшие вещи, включая посуду или столовые приборы.

Bionic Vision Australia – разработка австралийских ученых, представленная в виде чипа, оснащенного 1024 специальными диодами. Дополнительно для работы системы требуются очки с камерой, которые предают полученный сигнал в чип, где данные преобразуются в электроимпульс, который воздействует на здоровые клетки сетчатки. Далее через зрительный нерв импульс пердается в кору головного мозга.

Читать еще:  Если нависшее веко портит качество жизни

Photovoltaic retinal prosthesis – система сочетает в себе фотодиод и проекционную систему для вывода изображения, которая выполнена в форме видеоочков. Дополнительно подключается специальный гаджет, который преобразует данные, полученные с камеры очков, в импульсное инфракрасное изображение. Дале изображение проецируется на сетчатке глаза и при помощи имплантата световые лучи преобразуются в электрические импульсы.

Artificial silicon retina (ASR) – разработка силиконовой сетчатки с микрочипом позволяет использовать имплантат без дополнительного внешнего устройства. Микроскопический чип содержит более 5 тысяч микрофотодиодов, к каждому из которых ведет отдельный электрод для стимуляции глазной функции.

Tübingen MPDA Project Alpha IMS – разработка представляет собой субретинальный протез сетчатки, который выполнен в виде чипа с микроскопическими фотодиодами для обеспечения восприятия глазом световых лучей. Чип помогает преобразовывать лучи света в электрические импульсы.

Implantable miniature telescope – имплантат, который устанавливается на задней камере глаза и выполняет функцию увеличительной лупы. Применяется для коррекции зрения на одном глазу, так как телескопическая система влияет на периферическое зрение.

Принцип действия бионического глаза

Общим для каждого из выше представленных изобретений является принцип действия устройства. Для получения изображения требуется камера, которая считывает информацию из внешнего мира и передает ее в специальный гаджет. Девайс преобразует сигнал в электроимпульс и отправляет его вначале в микрочип, имплантированный в глаз, а далее предается на сетчатку либо в кору головного мозга, где установлено приемное устройство, обеспечивающее конечное формирование зрительных ощущений человека.

Насколько изобретения ученых близки к реальности

На сегодняшний день операции по имплантации бионических глаз являются достаточно сложными и дорогостоящими. Как правило они финансируются из благотворительных фондов, государственных программ или за счет страхового полиса.

Ориентировочно стоимость имплантации протеза Argus II составляет более 150 тысяч $. Массовое производство и имплантация систем только в планах.

Сертификации в России на проведение подобных операций нет. Зафиксирован единичный случай экспериментальной имплантации Argus II россиянке в 2017 году.

После операции пациенты получают остроту зрения не более 0,05, что позволяет различать только контуры объектов, свет или ориентироваться в пространстве. Таким образом мечта вернуть слепым людям зрение таким, каким оно есть у здорового человека на сегодняшний день является невозможным.

Бионический глаз — что это такое, цена операции

Бионический глаз представляет собой особое устройство, которое помогает слепым пациентам в некоторой степени компенсировать их инвалидность. Принцип работы этого аппарата основан на имплантации искусственной сетчатки в поврежденное глазное яблоко, что позволяет активизировать работу сохранившихся нейрорецепторов.

Причинами слепоты могут стать различные заболевания и травмы. У пожилых людей нередко имеются дегенеративные изменения сетчатки, что сопровождается атрофией рецепторного аппарата. После того, как фоторецепторы (палочки и колбочки) полностью перестают реагировать на световое излучение, человек становится слепым. При этом нейроны сетчатки и оптического нерва сохраняют работоспособность. За счет этого врачи пытаются восстановить хотя бы некоторые элементы зрения.

Скотома также нередко является причиной отсутствия зрения. Это пятно возникает в результате поражения волокон зрительного нерва или повышенного внутриглазного давления. Скотомы располагаются в пределах поля зрения и значительно ослабляют его.

Как работает бионический глаз

Бионический глаз представлен полимерной матрицей, в которой имеются светодиоды. Она может фиксировать даже слабые электрические импульсы, а затем передавать их на нервные окончания. Сигналы, которые преобразуются в электрическую форму, активизируют сохранившиеся нейроны сетчатки и оптического нерва. Помимо полимерной матрицы, можно использовать альтернативные устройства (инфракрасный датчик, специальные очки или видеокамеру). Все эти аппараты могут активизировать работу центрального и периферического зрения.

Видеокамера, которая встраивается в очки, записывает картинку, а полученные данные отправляет в конвертор. Здесь сигнал преобразуется и попадает на фотосенсор, который вживлен в сетчатку глазного яблока. Отсюда электрические импульсы уже проникают в зрительные центры мозга человека через волокна оптического нерва.

Параметры восприятия изображения

Устройство бионического глаза за это время претерпело значительные изменения. Ранние модели аппарата транслировали картинку с видеокамеры сразу в глаз пациента. Для фиксации изображения применялся фотодатчик и матрица (100 пикселов). Далее информация по оптическому нерву поступала в мозг. Иногда ха счет несинхронной работы возникала несовместимость восприятия глаза и камеры.

В более современных моделях бионического глаза видеоинформация сначала поступала в портативный компьютер. Здесь оно преобразовывалось в инфракрасные импульсы (не менее нескольких тысяч). Отраженные от стекла очков, эти импульсы попадали через хрусталик глаза на фотосенсоры, расположенные в сетчатке. Воздействие инфракрасных лучей сходно с обычными лучами, что позволяет сформировать у пациента восприятие пространства.

История применения бионического глаза

У пациенты из Калифорнии был диагностирован пигментный ретинит в молодом возрасте. Через 30 лет после этого она ослепла на один глаз. второй глаз был способен в небольшой степени реагировать на свет. В 2004 году ей был установлен бионический глаз, состоящий из матрицы с 16 электродами. После этого пациентка получила возможность видеть крупные объекты, очертания людей, освещение. После этого бионический глаз стали имплантировать и другим людям старше 50 лет.

Читать еще:  Альбуцид при конъюнктивите у детей

В одном исследовании бионический глаз был вживлен 33 пациентам с дистрофией сетчатки. В результате они смогли различать контуры предметов в комнате, а некоторые стали определять графические символы. Однако радужным прогнозам десятилетней давности относительно перспектив бионического глаза не суждено было сбыться.

Современный этап развития бионического глаза

Биомедицинские технологии совершенствуются каждый год. В настоящее время стандартная матрица для бионического зрения содержит 500 фотоэлементов (в сравнении с 16 фотоэлементами в первых моделях). При этом информация передается в головной мозг через миллион нервных окончаний.

Известная системы бионического глаза Argus II (американского производителя Second Sight) состоит из импланта сетчатки и маленькой видеокамеры, которая встроена в очки. В камере есть фиксирующий элемент, передающий информацию на процессор. Далее по беспроводной сети информация поступает к импланту. Последний посредством электродов стимулирует активные клетки сетчатки и передает информацию на волокна оптического нерва.

Пациенты, которым был имплантирован Argus II, могут уверенно различать линии. Со временем качество зрения возрастало. Стоимость устройства составляет 150 тысяч фунтов стерлингов, но инженеры продолжают работу, направленную на усовершенствование бионического глаза.

Искусственный бионический глаз

Люди, потерявшие зрение, сегодня имеют возможность пользоваться протезами.

Устройства изготовлены из миниатюрных электродов, вживляемых в глаз, и сенсоров, воспринимающих изображение.

Иногда чувствительные элементы устанавливаются возле органов зрения, но обеспечивается контакт с нервными волокнами для хорошей передачи импульсов к мозгу.

Механизм работы

Бионический глаз изготовлен из полимерной матрицы, укомплектован фотодиодом. Чувствительный элемент улавливает малейшие электрические импульсы и передает их нервным клеткам. Сигналы превращаются в биоэлектрическую форму и взаимодействуют с нервными тканями в сетчатке.

Устройства, альтернативные полимерным матрицам:

  • инфракрасные сенсоры;
  • видеокамеры;
  • специальные очки.

Эти элементы возобновляют работу периферического и центрального зрения. Видеокамера записывает изображение и переносит цифровые данные в конвертер. Сигналы преобразуются и отправляются на фотосенсор, встроенный в сетчатку пациента. Потом биоэлектрические импульсы в сетчатке естественным путем переносятся в нервную систему.

Как видит человек с бионическим глазом

Люди с имплантатами видят предметы и даже различают цвета. Современные устройства позволяют определить до 8 разных оттенков. При электрической стимуляции человек видит небольшие пятна света. Через чувствительные волокна проходит несколько биоэлектрических импульсов. Возникает явление под названием фосфен. Человек воспринимает световые лучи без видимого света, естественным образом проходящего через глаз. Это напоминает цвета, которые способны различать люди, когда закрывают глаза.

Бионический глаз работает с фосфенами и отображает сцены из окружающего мира, поэтому бионическое зрение отличается от естественного. Перед глазами появляются мигающие пятна и фигуры, которые изучаются пациентами для интерпретации новой окружающей среды, похожей на мигающую мозаику.

Сегодня бионические глаза позволяют определять расположение объектов, различать человеческие силуэты и дверные проемы.

Argus II

Бионический глаз изготовлен в Соединенных Штатах. Более 130 пациентов сегодня пользуются с этим устройством . Модель изготавливается из 2-х элементов: имплантат и вживленная в очки миниатюрная видеокамера. Все детали окружающего мира улавливаются сенсорами и передаются на процессор. В очках установлено средство беспроводной связи. Имплантат активирует работу сетчатки с помощью вживленных электродов. Информация через них передается напрямую в нервные волокна.

Пациенты учатся различать горизонтальные и вертикальные линии спустя неделю после начала использования. Постепенно качество зрения улучшается. Стоимость изделия 150000 фунтов . Ученые продолжают проводить исследования, совершенствовать механизмы воспроизводства зрительной информации.

Предыдущая разработка называлась Аргус 1. Современное устройство отличается от него большим количеством ячеек в чипе. Новая система более чувствительна и позволяет передавать на нервные волокна в 2 раза больше данных.

Имплантат использует 60 электродов, чтобы стимулировать оставшиеся здоровые клетки сетчатки пациента. Информация отправляется в зрительный нерв, восстанавливается способность различать цвета, форму и движение.

Имплантация бионического глаза в России

Имплантация цифровой сетчатки, взаимодействующей с бионическим глазом, проведена в России в 2017 году. Пациент, утративший зрение из-за наследственной патологии, снова различает окружающие предметы.

Бионические имплантаты получили свое название из-за взаимодействия электронной техники и биологического организма . Такие операции часто проводятся с органами слуха. Изготавливаются имплантаты для ушей, электроды которых вставляются в улитку для взаимодействия со слуховым нервом.

Преобразователь находится за ушной раковиной, улавливает звуки из окружающего пространства и перерабатывает их в биоэлектрические импульсы. Сигнал влияет на слуховой нерв и передается в клетки мозга.

Научно-исследовательский центр в области офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова выбран производителем зрительных имплантатов для проведения первой в России операции . Руководитель этого центра заинтересовался бионическим глазом и предложил российским ученым ознакомиться с новой технологией. Специалисты получили возможность изучить работу зрительной системы под новым углом, провели основательную работу со зрительным анализатором.

Это один из действующих примеров восстановления связи с нервной системой через электронику. Впервые была восстановлена цепочка передачи импульсов, нарушенная заболеванием органов зрения. Главное направление в изучении вопроса протезирования – это повышение количества сенсоров на искусственной сетчатке для более подробного снабжения информацией нейронов.

Полезное видео

Больше информации про искусственный бионический глаз можно получить, посмотрев видеоролик.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector