Что такое бионический глаз

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:

Источник

Протезирование сетчатки глаза

Наиболее актуальными и очень важными проблемами современной офтальмологии являются слабовидение и слепота. Статистика ВОЗ указывает, что на сегодняшний момент более 36 млн. человек в мире полностью слепы. Но, благодаря инновационным технологиям, применяемым в микрохирургии глаза и достижениям науки (микро- и наноэлектроника и фотоника), слепые пациенты получили возможность вновь обрести зрение. Это становится реальностью после имплантации новых зрительных протезов, которые представляют собой оптоэлектронные устройства, берущие на себя функции зрительного анализатора.

Об устройствах

Обычно протезы сетчатки включают три основных компонента: фотоэлектрический преобразователь для считывания зрительной сцены; электронику (внешнюю, внутреннюю), которая обрабатывает полученную информацию; электроды, стимулирующие нервные окончания (сетчатки, зрительного нерва, коры головного мозга) посредством электрических импульсов для появления у слепого зрительных ощущений. Существует несколько подходов к имплантации подобных устройств, которые подразделяются в соответствии с локализацией стимулирующих электродов: эпиретинальный, субретинальный, периневральный, супрахороидальный, кортикальный, таламический.

Современные модели имплантатов

В настоящее время эта технология воплощена в эпиретинальном имплантате Argus II. В 2013 году он был одобрен FDA как перспективное доступное по стоимости устройство. Система Argus была признана коммерчески успешной, что стимулировало серьезный интерес ученых к технологиям и устройствам по возвращению зрения.

Коммерческий успех разработанных протезов заставил специалистов заниматься разработкой и совершенствованием зрительных протезов с новой энергией и вложением средств.

Достижения современной электроники и тесное сотрудничество врачей, физиков, нейрофизиологов, инженеров, математиков, программистов и огромного числа смежных специалистов позволяют офтальмологам возвращать возможность видеть окружающий мир, казалось бы, в самых безнадежных случаях.

Источник

Бионический глаз — мифы и реальность

Можете ли вы представить себе, что чувствует человек, который не видит или почти не видит окружающий мир? Такое состояние называется слепотой – невозможностью воспринимать зрительные стимулы из-за патологических нарушений в самом глазу, в зрительных нервах или в мозге. В 1972 году Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) приняла следующее определение: человек считается слепым, если острота центрального зрения в условиях максимальной коррекции не превышает 3/60. При таком зрении человек в условиях дневного освещения с максимальной коррекцией оптики неспособен сосчитать пальцы с расстояния в 3 метра.

Так вот для таких случаев была предложена идея электрической стимуляции сетчатки или зрительной коры, создание протеза, который по механизму действия имитирует настоящие процессы передачи электрических сигналов.

Вариантов электронных имплантов несколько, каждый год появляются новые идеи, но термин и сам «Бионический глаз» (Bionic Eye) разработан Дэниелом Паланкером, сотрудником Стэнфордского университета и его научной группой «Биомедицинской физики и офтальмологических технологий».

Имплантация модели бионического глаза Argus II (кстати, единственной модели, имеющей ЕС марку, но не сертифицированной в России) была выполнена в России в июле 2017 года одному пациенту. И со всех источников телевещания мы услышали – теперь человек сможет увидеть мир как раньше. Сотни людей просят поставить бионический глаз, а некоторые вдобавок просят «вживить» чипы для суперзрения.

Так что же мы на сегодняшний день имеем и может ли стать явью мечта увидеть мир после того, как потерял зрение?

БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ СЕТЧАТКИ

Бионическими называют протезы и имплантируемые элементы частей организма человека, которые подобны по внешнему виду и функциям на настоящие органы или конечности. На сегодняшний день людям успешно помогают в полноценной жизни бионические руки, ноги, сердца, а также органы слуха. Цель создания электронного глаза — помочь слабовидящим с проблемами сетчатки или зрительного нерва. Имплантируемые вместо поврежденной сетчатки устройства должны заменить миллионы клеток фоторецепторов глаза, пусть не на все 100%.
Технология для глаз похожа на ту, которая используется в слуховых протезах, помогающим глухим людям слышать. Благодаря ей пациенты имеют меньше шансов потерять остаточное зрение, а утратившие зрение — видеть свет и иметь хоть какую-то способность ориентироваться в пространстве самостоятельно.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Общий принцип действия электронного глаза следующий: в специальные очки встраивается миниатюрная камера, с нее информация об изображении передается в девайс, который преобразует картинку в электронный сигнал и отсылает его на специальный передатчик, который в свою очередь посылает электронный сигнал на имплантированный в глаз или в мозг приёмник, или информация передается через крошечный проводок на электроды, присоединенные к сетчатке глаза, они стимулируют оставшиеся нервы сетчатки, посылая электрические импульсы в головной мозг через оптические нервы. Устройство призвано компенсировать утраченные зрительные ощущения при полной или неполной потере зрения.

Главные условия успешной работы системы:

МИКРОХИРУРГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

Это обширнейшие операции. Если описать, например, имплантацию субретинального (расположенного под сетчаткой) бионического глаза – нужно полностью сетчатку поднять, потом сделать обширную ретинэктомию (обрезать часть сетчатки), потом под сетчатку установить этот чип, затем сетчатку пришить ретинальными гвоздями, приклеить сетчатку лазеркоагуляцией и залить силиконовым маслом. Силиконовая тампонада необходима, иначе моментально появится ПВР (пролиферативная витреоретинопатия) и возникнет отслойка. Да, еще и хрусталика собственного не должно быть или он должен быть предварительно заменен на искусственную линзу.

Для операции нужны особые инструменты с щадящими силиконовыми наконечниками. Это совершенно непростая операция, кроме того еще нужен оро-фациальный хирург или ЛОР – они через кожу выводят электроды наружу. И получается такое устройство – чип внутри глаза, а в руках такой приборчик величиной с мобильный телефон, которым ты можешь изменять интенсивность сигнала, он соединяется с подкожными электродами. Одного офтальмолога-хирурга при операции недостаточно – нужна помощь других дисциплин, операция длится долгих 6 часов.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

МЕДИЦИНСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

1. Результаты довольно скромные – после операции таких людей нельзя назвать зрячими, они видят на уровне 0,05 максимум, т.е. могут видеть контуры и определять направление движения тени, цветов вообще не различают, предметы могут различаться только те, которые помнятся из прежней «зрячей» жизни, например: «ага – это, наверное, банан, так как что-то полукруглое». Видят, что что-то на них движется, могут догадаться, что это человек, но лицо его не различают.

2. При каких заболеваниях может быть полезен бионический глаз?
Первые пациенты – это пациенты с пигментным ретинитом (retinitis pigmentoza) – заболеванием с первичным исчезновением фоторецепторов и вторичной атрофией зрительного нерва. В России таких пациентов 20-30 тысяч человек, в Германии – всего несколько тысяч.

Следующими на очереди стоят пациенты с географической атрофической макулярной дегенерацией. Это чрезвычайно распространенная возрастная патология глаза.
Третьими будут, больные глаукомой. Глаукомой пока не занимались, так как атрофия зрительного нерва в этом случае первичная, поэтому способ передачи должен быть другой – в обход зрительного нерва.

Диабет – это самая сложно решаемая проблема. Один из методов лечения диабетических изменений на сетчатке – лазеркоагуляция по всей поверхности. После такой процедуры технически невозможно поднять сетчатку из-за лазеркоагулятов — это получается «решето». А если не сделано лазером – ситуация не лучше: обычно глаз настолько поврежден, что имплантация в этом случае бесполезна.

3. К сожалению, нынешний прототип бионического глаза не позволяет людям видеть окружающий мир так, как видим его мы. Их цель — перемещаться самостоятельно без посторонней помощи. До массового использования этой технологии еще далеко, однако ученые подарят надежду людям, потерявшим зрение.

ТЕКУЩИЕ ПРОЕКТЫ «БИОНИЧЕСКИХ ГЛАЗ»

В последние несколько десятков лет ученые разных стран работают над идеями бионических электронных глаз. С каждым разом технологии совершенствуются, однако на рынок для массового использования свое изделие еще никто не представил.

1. Argus retinal prosthesis

Ретинальный протез Argus – это американский проект, довольно хорошо коммерциализированный. В первой модели разрабатывался командой исследователей в начале 1990-х годов: пакистанского происхождения офтальмологом Марком Хамейуном, Евгеном Дейаном, инженером Ховардом Филлипсом, биоинженером Вентай Лью и Робертом Гринбергом. Первая модель, выпущенная в конце 1990-х, компанией Second Sight имела всего 16 электродов.

«Полевые испытания» первой версии бионической сетчатки были проведены Марком Хамейуном шести пациентам с потерей зрения в результате заболевания retinitis pigmentosa в промежутке с 2002 по 2004 год. Retinitis pigmentosa — неизлечимая болезнь, при которой человек теряет зрение. Наблюдается примерно в одном случае на каждые три с половиной тысячи человек.

Вид внешнего блока Argus II

Пациенты, которым был вживлен бионический глаз, показали способность не только различать свет и движение, но и определять предметы размером с кружку для чая или даже ножа.
Устройство для испытаний было усовершенствовано — вместо шестнадцати светочувствительных электродов в него было вмонтировано шестьдесят электродов и названо Argus II. В 2007 году начато мультицентровое исследование в 10 центрах 4-х стран США и Европы – всего 30 пациентов. В 2012 году Argus II получил разрешение для коммерческого использования в Европе, годом позже в 2013 году – в США. В России разрешения нет.

По сей день эти исследования субсидируются государственными фондами, в США их три — National Eye Institute, Department of Energy, and National Science Foundation, а также рядом исследовательских лабораторий.

Так выглядит чип на поверхности сетчатки

2. Microsystem-based visual prosthesis (MIVP)

Модель протеза спроектирована Клодом Вераартом (Claude Veraart) в университете Лувена в виде спиральной манжеты электродов вокруг зрительного нерва в задней части глаза. Она коннектится со стимулятором, имплантированным в небольшую ямку в черепе. Стимулятор получает сигналы от внешней камеры, которые переводятся в электрические сигналы, стимулирующие непосредственно зрительный нерв.

3. Implantable miniature telescope

На самом деле это устройство нельзя назвать «протезом сетчатки», поскольку этот телескоп имплантируется в заднюю камеру глаза и работает как лупа, увеличивающая ретинальное изображение в 2.2 или 2.7 раз, что позволяет уменьшить влияние на зрение скотом (слепых зон) в центральной части поля зрения. Имплантируется только в один глаз, поскольку наличие телескопа ухудшает периферическое зрение. Второй глаз работает для периферии. Имплантируется через довольно большой разрез роговицы.

Кстати, похожий принцип используется в добавочных интраокулярных линзах Шариотта. У меня самый большой опыт имплантации этих линз в России и результатами пациенты довольны. В этом случае вначале предварительно проводится факоэмульсификация катаракты. Хотя это, конечно, не 100% бионический глаз.

Подробнее об этом в предыдущих постах:

Телескопическая система для задней камеры глаза

4. Tübingen MPDA Project Alpha IMS

В 1995 году в Университетской глазной клинике Тюбингена началась разработка субретинальных протезов сетчатки. Под сетчатку укладывался чип с микрофотодиодами, который воспринимал свет и трансформировал в электрические сигналы, стимулирующие ганглионарные клетки наподобие естественного процесса в фоторецепторах неповрежденной сетчатки.

Конечно, фоторецепторы во много крат чувствительнее искусственных фотодиодов, поэтому они требовали специального усиления.

Первые эксперименты на микросвинках и кроликах были начаты в 2000 году, и только в 2009 году импланты были вживлены 11 пациентам в рамках клинического пилотного исследования. Первые результаты были обнадеживающими – большинство пациентов смогли отличать день от ночи, некоторые даже могли распознавать предметы – чашку, ложку, следить за перемещением крупных предметов. Кстати, дальнейшая участь этих пациентов была печальна – всем участникам эксперимента, даже тем, кто что-то увидел, согласно подписанному соглашению были удалены «бионические глаза» и они вернулись в исходное состояние.

На сегодняшний день Alpha IMS, производства Retina Implant AG Germany имеет 1500 электродов, размер 3×3 мм, толщиной 70 микрон. После установки под сетчатку это позволяет почти всем пациентам получить некоторую степень восстановления светоощущения.

Технически эту сложную операцию в Германии делают только в трех центрах: в Аахене, в Тюбингене и Лейпциге. В итоге это делают хирурги так называемой Кельнской школы, ученики профессора витреоретинального хирурга Хайнеманна, к сожалению, довольно рано скончавшегося от лейкемии, но все его ученики стали руководителями кафедр в Тюбингене, Лейпциге и в Аахене.

Эта группа ученых обменивается опытом, ведет совместные научные разработки, у этих хирургов (в Аахене – профессор Вальтер (это его фамилия), в Тюбингене – профессор Барц-Шмиц) самый большой опыт работы с бионическими глазами, потому как в этом случае 7-8-10 имплантаций считается большим опытом.

Alpha IMS на глазном дне

5. Harvard/MIT Retinal Implant

Джозеф Риццо и Джон Уайетт из Массачусета начали исследовать возможность создания протеза сетчатки в 1989 году, и провели испытания стимуляции на слепых добровольцах в период между 1998 и 2000 годами. На сегодняшний день это идея устройства минимально инвазивного беспроводного субретинального нейростимулятора, состоящего из массы электродов, который помещается под сетчатку в субретинальном пространстве и получает сигналы изображения от камеры, установленной на паре очков. Чип-стимулятор декодирует данные изображения из камеры и стимулирует соответственно ганглиозные клетки сетчатки. Протез второго поколения собирает данные и передает их имплантату через радиочастотные поля из катушки передатчиков, установленных на очках. Вторичная катушка приемника зашита вокруг радужки.

Модель MIT Retinal Implant

6. Artificial silicon retina (ASR)

5000 микроскопических солнечных элементов под названием «микрофотодиоды», каждый из которых имеет свой собственный стимулирующий электрод.

7. Photovoltaic retinal prosthesis

Даниэль Palanker и его группа в Стэнфордском университете разработали фотоэлектрическую систему, она же и есть «бионический глаз». Система включает в себя субретинальной фотодиод и инфракрасную проекционную систему изображения, установленную на видеоочки.

Информация с видеокамеры обрабатывается в девайсе и отображается в импульсном инфракрасном (850-915 нм) видеоизображении. ИК-изображение проецируется на сетчатку через естественную оптику глаза и активирует фотодиоды в субретинальном имплантате, которые преобразуют свет в импульсный бифазный электрический ток в каждом пикселе.

Интенсивность сигнала может быть дополнительно увеличена с помощью увеличения общего напряжения, обеспечиваемого радиочастотным приводом имплантируемого источника питания.

Схожесть между электродами и нейронными клетками, необходимая для стимуляции высокого разрешения, может быть достигнута с использованием эффекта миграции сетчатки.

8. Bionic Vision Australia

Австралийская команда во главе с профессором Энтони Буркиттом разрабатывает два протеза сетчатки.

Устройство Wide-View сочетает в себе новые технологии с материалами, которые были успешно использованы для других клинических имплантатов. Этот подход включает в себя микрочип с 98 стимулирующими электродами и направлен на повышение мобильности пациентов, чтобы помочь им безопасно перемещаться в своей среде. Этот имплантат будет помещен в супрахориоидальное пространство. Первые тесты пациентов с этим устройством начаты в 2013 году.

Bionic Vision Australia — это микрочип-имплантат с 1024 электродами. Этот имплантат помещается в супрахориоидальное пространство. Каждый прототип состоит из камеры, прикрепленной к паре очков, которая посылает сигнал на имплантированный микрочип, где преобразуется в электрические импульсы для стимуляции оставшихся здоровых нейронов сетчатки. Затем эта информация передается зрительному нерву и центрам обработки зрения головного мозга.

Австралийский исследовательский совет присудил Bionic Vision Australia грант в размере 42 миллионов долларов США в декабре 2009 года, и консорциум был официально запущен в марте 2010 года. Bionic Vision Australia объединяет многопрофильную команду, многие из которых имеют большой опыт разработки медицинских устройств, таких как «бионическое ухо».

Модель Bionic Vision Australia

Благодаря исследователям из Института бионики (Мельбурн, Австралия) и компании evok3d, трудящихся над «бионическим глазом», люди, страдающие пигментной дистрофией сетчатки и возрастной молекулярной дегенерацией, в перспективе смогут восстановить зрение. Для проведения процедур восстановления необходимы оставшиеся у пациента ганглионарные клетки, здоровый зрительный нерв и здоровая зрительная зона коры головного мозга. В этом случае у человека есть возможность вновь обрести зрение.

Для изготовления прототипа глаза, а также формы для его отливки, ученые из Института бионики обратились за помощью к специалистам компании evok3d, специализирующейся на 3D-услугах и для печати «искусственного глаза» использовали 3D-принтер ProJet 1200.

Понадобилось всего четыре часа, чтобы напечатать прототип на ProJet 1200, до появления 3D-печати на его изготовление тратили недели или даже месяцы. Вот так 3D-печать ускорила научно-исследовательский и производственный процесс.

Бионическая зрительная система включает в себя камеру, передающую радиосигналы микрочипу, расположенному в задней части глаза. Эти сигналы превращаются в электрические импульсы, стимулирующие клетки в сетчатке и зрительный нерв. Потом они передаются в зрительные зоны коры мозга и преобразуются в изображение, которое видит пациент.

9. Dobelle Eye

Аналогично по функции устройству Гарвард/МИТ (6), кроме стимуляторной микросхемы, которая имплантируется прямо в мозг в первичную зрительную кору, а не на сетчатку глаза. Первые впечатления от имплантата были неплохие. Еще в стадии развития, после смерти Добеля, было решено превратить этот проект из коммерческого в проект, финансируемый государством.

10. Intracortical visual prosthesis

Лаборатория нейронных протезов из Иллинойского технологического института в Чикаго, разрабатывает визуальный протез, используя внутрикорковые электроды. В принципе, аналогично системе Добеля, применение внутрикорковых электродов позволяет значительно увеличить пространственное разрешение в сигналах стимуляции (больше электродов на единицу площади). Кроме того, разрабатывается система беспроводной телеметрии для устранения необходимости в транскраниальных (внутричерепных) проводах. Электроды, покрытые слоем активированной пленки оксида иридия (AIROF), будут имплантированы в зрительной коре, расположенной в затылочной доле мозга. Наружный блок будет захватывать картинку, обрабатывать ее и генерировать инструкции, которые затем будут передаваться в имплантированные модули по телеметрическому линку. Схема декодирует инструкции и стимулирует электроды, в свою очередь стимулируя зрительную кору. Группа разрабатывает датчики внешней системы захвата и обработки изображений для сопровождения специализированных имплантируемых модулей, встроенных в систему. В настоящее время проводятся исследования на животных и психофизические исследования человека для проверки целесообразности имплантации добровольцам.

Чип на фоне монеты

Сейчас все в стадии пусть не первичной, но такой вторичной разработки, что о массовой эксплуатации и решении всех проблем вообще пока речи не идет. Слишком мало людей прооперировано и никак нельзя говорить о массовом производстве. В настоящее время все это еще стадия разработки.

Первые работы начались более 20 лет назад. В 2000-2001 году что-то начало получаться на мышах. В настоящее время мы получили первые результаты на людях. То есть вот такая скорость.

Пока будет что-то серьезное, еще двадцать лет может пройти. Мы находимся на очень-очень ранней стадии, на которой есть первый положительный эффект – распознавание контуров, света, и не у всех – пока не могут предсказать кому это поможет, а кому нет.
Хирургов, которые занимаются этими экспериментами – по пальцам пересчитать.

Имплантировать один протез – это только с рекламной целью. Этими работами должны заниматься люди, у которых есть возможность делать 100-200 операций в год в рамках одной проектной группы, чтобы появилась критическая масса. Тогда появится понимание в каких случаях можно ожидать эффекта. Такие программы должны субсидироваться бюджетом или специализированными фондами.

Хотя еще нет совершенной модели, все существующие требует доработки, ученые полагают, что в будущем электронный глаз может заменить функцию клеток сетчатки и помочь людям обрести хоть малейшую способность видеть с такими заболеваниями, как пигментный ретинит, дегенерация желтого пятна, старческая слепота и глаукома.

Если у вас есть свои идеи, как еще можно с помощью технологий вернуть зрение людям (пусть пока еще и труднореализуемыми способами) – предлагаем их обсудить ниже.

А история с бионическими контактными линзами, потенциале редактирования генома, о том, как можно слышать цвета посредством кое-чего, вживленного в мозг – в следующих постах.

Источник