бионические глаза что это
Бионический глаз: куда шагнули разработки ученых?
Автор:
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.
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.
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.
Интересные статьи по теме:
Новый тип бионического искусственного глаза для использования в обычной лаборатории протезирования глаз
Мне неизвестно, занимался ли кто-нибудь из глазопротезистов электронным зрением или производством приборов для ориентирования слепых, но эта разработка ведётся уже несколько десятилетий. Предложены многочисленные варианты и модели устройств но особых успехов достигнуто не было. Об общественном признании неудачности всех этих попыток свидетельствует тот факт, что в последнее время увеличивается интерес не к средствам, облегчающим слепым адаптацию к общей среде, а тех устройств, которые приспосабливают некоторую часть окружающей среды к нуждам слепых людей, к числу которых можно отнести например светофоры со звуковым сигналом. Несмотря на значение этих усилий на сегодняшний день надо признать их малоперспективными в будущем, поскольку слепые все равно остаются помещёнными в своеобразное гетто.
В настоящее время нет непреодолимых сложностей с получением и обработкой данных об обстановке в бытовой среде или на улице. Существуют весьма совершенные программы для компьютерного анализа видеоизображения или сигналов с радаров. Нерешённой проблемой является способ доведения этой информации до слепого пользователя. Применяющийся до последнего времени способ передачи информации через звуковые сигналы является малопригодным из-за того что он мешает анализировать и оценивать естественные звуки из окружающей среды. Производились попытки передать зрительную информацию с помощью тактильной чувствительности кожи или слизистой оболочки полости рта. Делаются даже попытки имплантации электродов в кору головного мозга.
Предлагаемый метод
Теоретическим обоснованием для такой возможности являются несколько общеизвестных фактов.
Наиболее известными признаками этого являются наличие сновидений со зрительными образами и активность глазодвигательных мышц, которая может проявляться движением абсолютно слепых глаз или глазных протезов причём движением в «нужную» сторону. Это явление хорошо известно и используется как нами, глазными протезистами, так и экспертами по инвалидности. Старым приёмом разоблачения симуляции слепоты была просьба посмотреть на голос- слепой человек поворачивает на голос глаза а симулянт смотрит прямо.
Нами исследована чувствительность конъюнктивы к электрическим импульсам. На здоровом глазу она составляет 80-100 мка. у лиц носящих глазной протез имеется большая разница в результатах и она составляет от 100 до 300 мка и возможно более поскольку мы не исследовали чувствительность при большихвеличинах тока.
Учитывая вышесказанное мы можем предложить устройство для помощи слепым которое работоспособно уже сейчас и имеет большие возможности усовершенствования. Описываемое устройство состоит из двух блоков и портативного компьютера.
Устройство для помощи слепым
В одном из блоков размещается видеокамера, ридер, антенна, элемент питания. Все элементы можно смонтировать на очковой оправе или солнцезащитных очках. Связь с компьютером и источником питания для компьютера осуществляется через стандартные кабели. Данные с видеокамеры передаются на компьютер, где обрабатываются и передаются на ридер, который с помощью антенны связывается с вторым блоком. Связь между блоками осуществляется в двух направлениях по протоколу беспроводной связи NFC. Примером применения такой связи в других областях является использование бесконтактных платёжных карт.
Применяемый нами чип имеет 8 активных выводов, часть которых задействована под электроды выходящие на заднюю поверхность протеза.
Принцип работы устройства
Возможный пример – слепой человек находится в комнате, в которой имеется яркое окно и открытая дверь в тёмный коридор. При попадании в активную часть поля зрения устройства, как светлого окна, так и тёмной двери человек почувствует импульс и переведёт на него «взгляд» устройства.
Предварительные результаты
При наших внутренних испытаниях доказана возможность через протез различать направление движение руки у лица (справа налево или сверху вниз) и на этом, к сожалению, нам пришлось остановиться, поскольку для дальнейшего исследования необходимо провести полный цикл других тестов доказывающих безопасность устройства. В настоящее время документация к нему передана в наше Министерство здравоохранения для утверждения порядка испытаний.
Представляется, что проблема помощи абсолютно слепым людям в ближайшее время станет решаться не в нейрохирургических клиниках, а главным образом нашими коллегами в центрах глазного протезирования.
Завадский Станислав Лазаревич, директор уп «Контактные линзы плюс».
220040, Беларусь, г. Минск, ул. Некрасова д. 19
тел +375 17 202 00 80
Внимание!
Данная информация предназначена для специалистов в области офтальмологии и исключительно для ознакомления. Любое применение опубликованного материала возможно только после консультации со специалистом.
Цитирование материалов данного раздела сайта возможно только после письменного разрешения. Запрос можно послать на okoris@yandex.ru. При получении разрешения необходимо указать источника заимствования: имя автора и web-адреc страницы сайта www.okoris.ru.
© OKORIS УРАЛЬСКИЙ ЦЕНТР ГЛАЗНОГО ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
г. Челябинск, ул. 40 лет Октября, д. 15/1,1 этаж.
+7 (351) 776-12-26 okoris@yandex.ru
Мед. лицензия № ЛО-74-01-003927 от 19.01.2017
Бионические глаза и нейропротезы: как технологии возвращают зрение слепым
Мы привыкли ассоциировать зрение лишь с глазами. Однако помимо самих глазных яблок в процессе участвует зрительная кора головного мозга, которой мы фактически «видим», и нервные пути, которые соединяют глаза с мозгом. Практически на каждом этапе можно попытаться реализовать протезирование.
История создания зрительного протеза
Немецкий психолог Иоганн Пуркинье в 1823 году заинтересовался вопросами зрения и галлюцинаций, а также возможностью искусственной стимуляции зрительных образов. Принято считать, что именно он впервые описал зрительные вспышки — фосфены, которые он получил при проведении простого опыта c аккумулятором, пропуская через голову электрический ток и описывая свой визуальный опыт.
Спустя 130 лет, в 1956 году, австралийский ученый Дж. И. Тассикер запатентовал первый ретинальный имплант, который не давал какого-то полезного зрения, но показал, что можно искусственно вызывать зрительные сигналы.
Ретинальный имплант (имплант сетчатки) «вводит» визуальную информацию в сетчатку, электрически стимулируя выжившие нейроны сетчатки. Пока вызванные зрительные восприятия имели довольно низкое разрешение, но достаточное для распознавания простых объектов.
Но глазное протезирование долго тормозилось из-за технологических ограничений. Прошло очень много времени, прежде чем появились какие-то реальные разработки, которые смогли дать «полезное зрение», то есть зрение, которым человек мог бы воспользоваться. В 2019 году в мире насчитывалось около 50 активных проектов, фокусирующихся на протезировании зрения.
Первые ретинальные импланты
Пару лет назад на рынке было доступно три ретинальных импланта, которые прошли клинические испытания и были сертифицированы государственными регулирующими органами: европейским CE Mark и американским FDA.
Бионические импланты — это целая система внешних и внутренних устройств.
IRIS II (Pixium Vision) и Argus II (Second Sight) имели внешние устройства (очки с видеокамерой и блок обработки видеосигнала). Слепой человек смотрит при помощи камеры, с нее картинка направляется в процессор, где изображение обрабатывается и распадается на 60 пикселей (для системы Argus II). Затем сигнал направляется через трансмиттер на электродную решетку, вживленную на сетчатке, и электрическим током стимулируются оставшиеся живые клетки.
В немецком импланте Alfa АMS (Retina Implant) нет внешних устройств, и человек видит своим собственным глазом. Имплант на 1600 электродов вживляется под сетчатку. Свет через глаз попадает на светочувствительные элементы и происходит стимуляция током. Питается имплант от подкожного магнитного коннектора.
Все три ретинальных импланта больше не производятся, так как появилось новое поколение кортикальных протезов (для стимуляции коры головного мозга, а не сетчатки глаза). Однако хотя проектов по фундаментальным разработкам по улучшению ретинальных имплантов еще много, ни один из них не прошел клинические испытания:
Тренды ретинальных имплантов: основные фундаментальные технологии
Ретинальные нанотрубки
Группа ученых из Китая (Shanghai Public Health Clinical Center) в 2018 году провела эксперимент на мышах, в ходе которого вместо не функционирующих фоторецепторов сетчатки предложила использовать нанотрубки. Преимущество этого проекта — маленький размер нанотрубок. Каждая из них может стимулировать только несколько клеток сетчатки.
Биопиксели
Группа ученых из Оксфорда стремится сделать протез максимально приближенным к естественной сетчатке. Биопиксели в проекте выполняют функцию, схожую с настоящими клетками. Они имеют оболочку из липидного слоя, в который встроены фоточувствительные белки. На них воздействуют кванты света и как в настоящих клетках изменяется электрический потенциал, возникает электрический сигнал.
Перовскитная искусственная сетчатка
Все предыдущие фундаментальные разработки направлены на стимулирование всех слоев живых клеток. При помощи технологии перовскитной искусственной сетчатки китайские ученые пытаются предоставить возможность не только получать световые ощущения, но и различать цвет за счет моделирования сигнала таким образом, чтобы он воспринимался мозгом как имеющий определенную цветность.
Фотогальваническая пленка Polyretina
В Polyretina используется маленькая пленка, покрытая слоем химического вещества, которое имеет свойство поглощать свет и конвертировать его в электрический сигнал. Пленка размещена на сферическом основании, чтобы можно было удобно разместить ее на глазном дне.
Субретинальное введение полупроводникового полимера
Итальянские ученые предлагают технологию введения полупроводникового полимерного раствора под сетчатку, при помощи которого свет фиксируется и трансформируется в электрические сигналы.
Российский опыт ретинального протезирования
На момент 2019 года в мире установлено около 350 имплантов, произведенных компанией Second Sight. Около 50 тысяч россиян нуждаются в подобном протезе сетчатки.
В России опытом в протезировании зрения может похвастаться лишь один проект — АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».
«Трендом в фундаментальных разработках бионических протезов является стремление сделать их максимально безопасными, приближенными к биологическим тканям людей и с максимально возможным разрешением. Но настоящую революцию вызвали кортикальные импланты, и смысл в ретинальных имплантах пропал, так как они ставятся только при пигментном ретините и возрастной макулярной дегенерации при отсутствии ряда противопоказаний. Кортикальные же импланты значительно расширяют горизонт показаний и позволяют восстанавливать полезное зрение даже людям, вовсе лишенным глаз», — рассказал Андрей Демчинский, к.м.н., руководитель медицинских проектов АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».
Кортикальные системы имплантации
Кортикальные протезы — это подгруппа визуальных нейропротезов, способных вызывать зрительные восприятия у слепых людей посредством прямой электрической стимуляции затылочной коры мозга, которая отвечает за распознавание изображений. Этот подход может быть единственным доступным лечением слепоты, вызванной глаукомой, терминальной стадией пигментного ретинита, атрофией зрительного нерва, травмой сетчатки, зрительных нервов и т.п. За последние пять лет ученые решили задачу создания такого внутрикортикального визуального нейропротеза, с помощью которого можно было бы восстановить ограниченное, но полезное зрение.
В 1968 году Г.С. Бридли и В.С. Левин провели первую операцию по установке кортикальных имплантов. Первый имплант состоял из шапочки с коннекторами (устанавливали на череп под кожу) и отдельной дуги с электродами (устанавливали под череп), которые стимулировали кору головного мозга. Эксперимент был проведен на двух добровольцах для оценки возможности получения полезного зрения. Позднее импланты были извлечены. Технология кортикальных имплантов была заморожена по причине провоцирования приступов эпилепсии при стимуляции большего количества клеток мозга.
Кортикальный имплант Orion
Спустя 45 лет американский лидер разработки ретинальных имплантов Second Sight создал кортикальную протезную систему ORION. В конце 2017 года Second Sight получили разрешение от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) на проведение клинических испытаний. До апреля 2018 года было установлено шесть устройств. По результатам испытаний оказалось, что все пациенты ощущали зрительные стимулы, a у трех пациентов результаты были схожи с ретинальным имплантом Argus II и дали полезное предметное зрение. Клинические испытания будут проходить до июня 2023 года. Обязательным условием установки импланта является наличие у пациента зрительного опыта, то есть он может использоваться только для людей со сформированной зрительной корой, которые родились зрячими и потеряли зрение.
Кортикальный нейропротез CORTIVIS
Испанские ученые разработали кортикальный имплант под названием CORVITIS. Протез состоит из нескольких компонентов. Одна или две камеры обеспечивают получение изображения, которое затем обрабатывается биопроцессором, чтобы преобразовать визуальный образ в электрические сигналы. На втором этапе информация сводится в серию изображений и передается по радиочастотной связи на имплантированное устройство. Этот радиочастотный блок обеспечивает беспроводную передачу питания и данных во внутреннюю систему. Имплантированный электронный блок декодирует сигналы, определяет и контролирует форму напряжения и амплитуду формы волны, которая будет подаваться на соответствующие электроды. Клинические испытания на пяти пациентах завершатся в мае 2023 года.
Интракортикальный зрительный протез (WFMA)
Американские ученые разработали технологию многоканальной внутрикортикальной стимуляции с помощью беспроводных массивов металлических микроэлектродов и создали беспроводную плавающую микроэлектродную решетку (WFMA).
Система протеза состоит из группы миниатюрных беспроводных имплантируемых решеток-стимуляторов, которые могут передавать информацию об изображении, снятом на встроенную в очки видеокамеру, непосредственно в мозг человека. Каждая решетка получает питание и цифровые команды по беспроводной связи, так что никакие провода или разъемы не пересекают кожу головы. Посылая команды в WFMA, изображения с камеры передаются непосредственно в мозг, создавая грубое предметное визуальное восприятие изображения. Хотя восприятие не будет похоже на нормальное зрение, с его помощью человек может вести самостоятельную деятельность. Система ICVP получила одобрение FDA для проведения клинических испытаний.
Кортикальный протез NESTOR
Голландские ученые также разработали схожую технологию системы протезирования. Принцип функционирования протеза такой же, как в проектах выше. Камера отправляет сигнал на имплант, который состоит из тысяч электродов и смарт-чипа. С помощью процессора зрительное восприятие можно контролировать и регулировать.
«Хотя полное восстановление зрения пока кажется невозможным, кортикальные системы создают по-настоящему значимые визуальные восприятия, при помощи которых слепые люди могут распознавать, локализировать и брать предметы, а также ориентироваться в незнакомой среде. Результат — в существенном повышении уровня жизни слепых и слабовидящих. Такие вспомогательные устройства уже позволили тысячам глухих пациентов слышать звуки и приобретать языковые способности, и такая же надежда существует в области визуальной реабилитации», — обнадежил Андрей Демчинский.
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.
Комменатрий нашего специалиста
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.
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.
Цена операции
Стоимость устройства Аргус 2 соствляет порядка 150 000 долларов. Дополнительно оплачивается операция по имплантации и обучение использованию устройства.