Бионический глаз человека

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
(перенаправлено с «Бионический глаз (версия Миг)»)
Перейти к: навигация, поиск
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.

Бионический глаз — искусственная зрительная система (версия Миг) для восстановления потерянного зрения при некоторых формах слепоты.

В глаз (версия Миг) с поврежденной сетчаткой, например, при скотоме, вживляют имплантантпротез 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]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Скотома
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:

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 имплантата[править]

Рис.3

Имплантат (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 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). Для сравнения: здоровый глаз содержит на сетчатке глаза около 6—7 млн. колбочек и 110—125 млн палочек — светочувствительных элементов, что эквивалентно 100 мегапикселям для матрицы цифрового фотоаппарата. Но в мозг человека идет около 1,2 млн. нервных окончаний, по которым идут импульсы выделенных основных биосигналов RGB от сформированного на сетчатке оптического изображения не в цвете (см. рис.6). При этом лучи предметных точек изображений, сфокусированные на фокальную поверхность сетчатки глаза — на колбочки и палочки центральной и периферийной зоны сетчатки в виде видимых лучей в виде сигналов перерабатываются в самой сетчатке глаза (рецепторный уровень) во внешних долях мембран с участием фоторецепторов ipRGC, головного мозга, разновидностями фотопигментов опсина. Происходит оппонетный отбор (см. рис.6), выделение основных спектральных лучей — биосигналов (см. Биохимия зрительного восприятия света), равных энергии длин электромагнитных волн предметных точек RGB не в цвете (см. Трихроматизм и принцип оппонентности цветного зрения), которые передаются по зрительным нервам в мозг (нейронный уровень). Для сравнения рассмотрим работу фотосенсоров цифровых фотоаппаратов, где сфокусированные аналоговые сигналы (фотоны) изначально попадают на пиксели фотоматриц и накапливаются в виде электронов, с зарядом, равным энергии падающей длины волны также не в цвете. Аналогичный имплантат может вернуть глазу 100% зрение (острота зрения 1:1, или относительное значение 20:20). Сравним: в случае 20:400 = 0,05 наступает «юридическая» слепота. Это означает, что при зрении = 0,05 расстояние клеток от электродов не более 30 мкм.

Разрез под микроскопом, когда клетки сетчатки глаза крысы мигрируют через крошечное отверстие имплантата. (Из сайта stanford.edu).

И получается, что как только инженеры сближают электроды между собой (то есть увеличивают разрешение микросхемы), каждый из них начинает действовать сразу на ряд ближайших клеток – а должен, в идеале, – только на одну, иначе смысл в высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.

Чтобы это препятствие обойти, нужно "привязать" по одному электроду на одну, от силы — две клетки.

Для остроты в 0,25 это расстояние не должно превышать 7 мкм. Откуда получаемая плотность фотодиодов составляет 2,5 тысяч пикселей на 1 кв.мм. При такой плотности имеет место сжатие и слияние нервных клеток, что отрицательно сказывается на работе имплантированных матриц. Задача решается, если использовать работу матриц по всей глубине сетчатки глаза, или обеспечить работу электродов на минимальном расстоянии от нервных клеток. Применение конструкции на базе полимерных матриц с отверстиями 15-40 мкм (рис. 2), имплантируемых в сетчатку, показало, что за короткое время нервные клетки сами проникают в отверстия с двух сторон и объединяются, а также заполняют пространство между выступами электродов, близко подходя к электродам. Это позволило использовать такой фотосенсор в опытных работах.

Этот фотодатчик в настоящее время используется при опытах на крысах и свиньях.

Восприятие изображения[править]

Icons-mini-icon 2main.png Основная статья: Периферийное зрение
Рис.4.Боковое зрение человеческого глаза.
Рис.5.Поле зрения человеческого глаза.

Существовавший ранее метод использовал передачу изображения с видеокамеры напрямую в глаз. При этом спроецированное изображение воспринималось блоком фотодатчиков, и сигнал со ста его пикселей передавался через нервные клетки в мозг. Однако то, что "видит" видеокамера, вызывало у человека ощущение несовпадения с тем, что происходит при естественном движении яблока глаз глазного яблока.

  • По другой технологии видеокамера также находится на лбу (рис. 1), но видеосигналы передаются в микрокомпьютер размером с бумажник, который находится в кармане. Он переводит видимое изображение в набор коротких не видимых импульсов 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. Они усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной батареи, также имплантированной в радужку глаза.

Хотя инфракрасные лучи человек не видит, но он воспринимает результат воздействия электрических импульсов на клетки сетчатки (жёлтого пятна), как изображение. Сам фотодатчик имеет размер 3 мм и покрывает 10% поля зрения в центре сетчатки. Согласно рис. 4 это немного более области "parazentral"[6] (8% поля зрения в центре сетчатки или это "почти периферийное", иногда называемое "пара-Центральное" видение, которое существует рядом с центром взгляда — центральной ямкой.). Суть этого изобретения состоит в том, что благодаря очкам с полупрозрачным (дихроидным зеркалом у человека сохраняется естественное восприятие сцены, расположенной перед ним, при помощи визуального объединения изображения, созданного еще живыми фоторецепторами глаза в области периферийного зрения, с наложенным на центральную область глаза изображением от видеокамеры.

Небольшие быстрые движения глаз или БДГ (Фаза быстрого сна, БДГ-фаза, REM-фаза (от БДГ — «быстрые движения глаз», англ. REM — rapid eye movement) — фаза сна, характеризующаяся повышенной активностью головного мозга.), которые также очень важные для полноценного зрительного восприятия, и при этом сохраняют свою функциональность. Человек сам смотрит как на объект, и в то же время получает дополнительное электронное инфракрасное изображение. Положение этого изображения на сетчатке и внедрённой решётке электродов меняется вместе с движением головы, а имплантант работает в условиях максимального использования оставшегося периферийного зрения.

  • По технологии (рис. 2):
  • 1) Видеокамера на очках записывает картинку и посылает информацию на видеопроцессор, который человек носит на поясе.
  • 2) Процессор преобразует картинку в электронный сигнал и посылает его на специальный передатчик в очках.
  • 3) Электронный сигнал затем посылается на приёмник-ресивер в глазу человека.
  • 4) Эта информация посылается через крошечный проводок на электроды фотосенсора (протеза), присоединенные к сетчатке глаза. Электрические импульсы проходят через оптический нерв в мозг человека[7].

Как известно, фотосенсор (фотодатчик) создан и во многом копирует биологический фоторецептор (фотодатчик} сетчатку, которые работают по принципу восприятия спектральных лучей света блоками пикселей или блоками колбочек с внешними долями мембран и представляют мозаику ячеек (фотосенсор) и мозаику блоков колбочек RGB.

Как видим, что такие схемы восприятия спектральных лучей в биологии и цифровой фотографии аналогичны, и практика лечения слепоты используют принципы биофизических процессов восприятия спектральных лучей (на принципе трихроматизма). Важно подчеркнуть, что данный имплантант пока содержит около 2500 пикселей и равен по размеру пшеничного зерна. Т.е. он внедряется в зону сетчатки, в центре жёлтого пятна, где нет палочек. (Уже здесь ещё раз практически, в результате восстановления зрения слепого человека видим, что трихроматизм (цветное зрение) (cм. Теория трёхкомпонентного цветного зрения) верна.

Внедрённый первый протез в сетчатку глаза с 2500 пикселями, выдаёт сигналы, полученные с видеосистемы на фотосенсор, несущего пиксели , которые воспринимают спектральные лучи как любая видеокамера в цвете — RGB.

Однако, даже имплантировав решётку в толщу сетчатки, нельзя добиться слишком близкого соприкосновения электродов и её глубинных клеток, лежащих непосредственно под умершими фоторецепторами.

И получается, что как только инженеры сближают электроды между собой (то есть увеличивают разрешение микросхемы), каждый из них начинает действовать сразу на ряд ближайших клеток сетчатки (например, колбочки) – а должен, в идеале, – только на одну, иначе смысл в высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.

Но как известно и фотосенсор с пикселями, и сетчатка глаза с фоторецепторами, своими внешними долями мембран на начальном рецепторном этапе восприятия спектральных лучей в виде фотонов (с энергией длин электромагнитных волн) формируют цветные сигналы не в цвете [8], (см. Рецепторный и нейронный уровень восприятия света). Фотосенсоры цветного видео эти сигналы накапливают в пикселях как конденсаторы с количеством электронов, соответствующей энергии захваченной длины волны, потом, преобразователь АЦП переводит первичное не цветное изображение в цветное. В сетчатке — на рецепторном уровне, где внедрён фотосенсор происходит та же картина (в здоровой сетчатке вместо пикселей работают при цветном зрении колбочки, которые своими внешними мембранами воспринимают падающие спектральные лучи на рецепторном уровне также не в цвете. И пиксели, и колбочки изначально получают информацию о длине волны в виде её энергии не в цвете). Пока же на первой стадии стадии лечения слепоты удалось внедрить протез с 2500 пикселей, который приняла сетчатка и первое, что получено, это проводимые цветные не обработанные сигналы, которые поступают в мозг не как из мембран, т.е. без участия фотопигментов, без оппонентного отбора, без учёта ретиномоторной реакции, без участия работы третьего фоторецептора ipRGC и т.д. (Колбочки и палочки атрофированы). В мозгу же в результате создаётся оптическое не цветное изображение в результате попадания в мозг сигналов от имплантанта — фотосенсора без системы АЦП, которые не могут преобразоваться в цветные в силу указанных выше причин. Человек видит серые контуры предметов, человек видит свет. Это не значит, что описанные устройства не несут никакой информации о цвете. Думаю в скором будущем человек будет видеть и цветное изображение. (Слово за применеие нанотехнологии, систем преобразования сигнала от фотосенсора в сигнал, который посылает здоровая колбочка).

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[9]

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.[10].

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[11][12].

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[13][14] 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[15]
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,[16] 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.[17]

  • 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 [18][19].
  • 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[20].

См. также[править]

Ссылки[править]

  • Бионический глаз - уже не теория, но практика.[1].

Ссылки[править]