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

Бионический глаз искусственная зрительная система

Бионический глаз – искусственная зрительная система

Бионический глаз — что это? Именно такой вопрос возникает у людей, которые впервые столкнулись с этим термином. В приведенной статье мы подробно на него ответим. Итак, приступим.

Определение

Бионический глаз – это устройство, позволяющее слепым различать ряд визуальных объектов и компенсировать в определённом объёме отсутствие зрения. Хирурги имплантируют его в повреждённый глаз в качестве протеза сетчатки. Тем самым они дополняют искусственными фоторецепторами сохранившиеся в сетчатке неповреждённые нейроны.

Принцип действия

Бионический глаз состоит из полимерной матрицы, снабжённой фотодиодами. Она фиксирует даже слабые электрические импульсы и транслирует их нервным клеткам. То есть сигналы преобразуются в электрическую форму и воздействуют на нейроны, которые сохранились в сетчатке. У полимерной матрицы есть альтернативы: инфракрасный датчик, видеокамера, особые очки. Перечисленные устройства могут восстановить функцию периферийного и центрального зрения.

Встроенная в очки видеокамера записывает картинку и отправляет её в процессор-конвертор. А тот, в свою очередь, преобразует сигнал и отсылает его ресиверу и фотосенсору, который вживлён в сетчатку глаза больного. И только потом электрические импульсы передаются в мозг пациента через оптический нерв.

Специфика восприятия изображения

За годы исследований бионический глаз претерпел множество изменений и доработок. В ранних моделях картинка передавалась с видеокамеры сразу в глаз пациента. Сигнал фиксировался на матрице фотодатчика и поступал по нервным клеткам в мозг. Но в этом процессе был один недостаток – разность в восприятии изображения камерой и глазным яблоком. То есть они работали не синхронно.

Другой подход состоял в следующем: вначале видеоинформация отправлялась в компьютер, который преобразовывал видимое изображение в инфракрасные импульсы. Они отражались от стёкол очков и попадали через хрусталик в глазную сетчатку на фотосенсоры. Естественно, пациент не может видеть ИК-лучи. Но их воздействие аналогично процессу получения изображения. Иными словами, перед человеком с бионическими глазами формируется доступное для восприятия пространство. А происходит это так: картинка, полученная от действующих фоторецепторов глаза, накладывается на изображение от камеры и проецируется на сетчатку.

Новые стандарты

С каждым годом биомедицинские технологии развиваются семимильными шагами. В данный момент собираются внедрять новый стандарт для системы искусственного зрения. Это матрица, каждая сторона которой будет содержать по 500 фотоэлементов (9 лет назад их было всего 16). Хотя, если провести аналогию с человеческим глазом, содержащим 120 млн палочек и 7 млн колбочек, то становится понятен потенциал дальнейшего роста. Стоит отметить, что информация передаётся в головной мозг через миллионы нервных окончаний, а потом их уже самостоятельно обрабатывает сетчатка.

Argus II

Этот бионический глаз был разработан и сделан в США компанией «Ясновидение». 130 пациентов с заболеванием пигментный ретинит воспользовались его возможностями. Argus II состоит из двух частей: встроенной в очки мини-видеокамеры и имплантата. Все объекты окружающего мира фиксируются на камеру и передаются в имплантат через процессор по беспроводной связи. Ну а имплантат с помощью электродов активирует имеющиеся у больного клетки сетчатки, отправляя информацию прямиком в зрительный нерв.

Пользователи бионического глаза уже через неделю чётко различают горизонтальные и вертикальные линии. В дальнейшем качество зрения через это устройство только возрастает. Argus II стоит 150 тысяч фунтов стерлингов. Однако исследования не прекращаются, так как разработчики получают различные денежные гранты. Естественно, искусственные глаза ещё довольно несовершенны. Но учёные делают всё, чтобы качество передаваемой картинки улучшилось.

Бионический глаз в России

Первым пациентом, которому в нашей стране вживили устройство, стал 59-летний челябинец Александр Ульянов. Операция шла на протяжении 6 часов в Научно-клиническом центре оториноларингологии ФМБА. За периодом реабилитации пациента следили лучшие офтальмологи страны. На протяжении этого времени в установленный Ульянову чип регулярно пускали электрические импульсы и отслеживали реакцию. Александр показывал отличные результаты.

Конечно, он не различает цветов и не воспринимает многочисленные объекты, доступные здоровому глазу. Окружающий мир Ульянов видит размыто и в чёрно-белом цвете. Но и этого ему достаточно для абсолютного счастья. Ведь последние 20 лет мужчина вообще был слепым. А сейчас его жизнь полностью изменил установленный бионический глаз. Стоимость операции в России составляет 150 тыс. рублей. Ну и плюс цена самого глаза, которая была указана выше. Пока устройство выпускают только в Америке, но со временем в России должны появиться аналоги.

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.

Читать еще:  Альбуцид при конъюнктивите у детей

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.

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.

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.

Читать еще:  Виды кровоизлияния в глаз

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 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

Читать еще:  Как убрать круги под глазами в домашних условиях

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

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] .
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector