Искусственный глаз для человека: Ученые создали искусственный электрохимический глаз, способный различать буквы. Почему это важно?

Содержание

Бионические глаза и нейропротезы: как технологии возвращают зрение слепым

Порядка 40 млн слепых людей во всем мире нуждаются в технологиях, которые могут вернуть способность видеть. Однако до сих пор не существует доступного способа протезирования зрения

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.

  • Second Sight Medical Products, США

  • Pixium Vision, Франция

  • Retina Implant AG, Германия

Так выглядели первые ретинальные импланты

(Фото: DPG Media)

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.

Субретинальный имплантат Alpha AMS компании Retina Implant AG

(Фото: ResearchGate)

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:

  • Улучшенный имплант DRY AMD PRIMA компании Pixium с увеличением количества электродов для стимуляции большего количества клеток сетчатки проходит клинические испытания. Для участия в программе испытаний еще ищут пять кандидатов;

  • Retina Implant AG закрыли производство;

  • Second Sight проводят клинические испытания своего кортикального импланта, но в марте 2020 года компания уволила 80% сотрудников из эксплуатационно-производственного подразделения.

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.

Фотогальванический имплант Polyretina

(Фото: Nature Communications)

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

В России в 2017 году при поддержке фондов «Со-единение» и «Искусство, Наука и Спорт» было приобретено и установлено два ретинальных импланта Argus II американской компании Second Sight. Это единственные операции по восстановлению зрения, которые были проведены в России за все время. Каждая операция вместе с реабилитацией стоила порядка 10 млн руб, а сама система имплантации для одного пациента — порядка $140 тыс. Все прошло успешно, и два полностью слепых жителя Челябинска — Григорий (не видел 20 лет) и Антонина (не видела 10 лет) — получили предметное зрение. Предметное зрение означает, что человек может видеть очертания предметов — дверь, окно, тарелку — без деталей. Читать и использовать смартфон они не могут. Оба пациента имели диагноз «пигментный ретинит» (куриная слепота).

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.

Первый кортикальный имплант

(Фото: The Journal Of Physiology)

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.

Система кортикальной имплантации Orion компании Second Sight

(Фото: Prosthetic Body)

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.

Кортикальный имплант CORVITIS

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.

Интракортикальный зрительный протез (WFMA)

(Фото: Chicago LightHouse)

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.

Искусственный глаз: им невозможно видеть, но можно смотреть на мир веселее!

Т.И. Апросичева

Тамара Ивановна Апросичева, врач-офтальмолог, 36 лет занимается вопросами глазного протезирования, из них 20 лет заведовала Новосибирской лабораторией индивидуального глазного протезирования. Выйдя на пенсию, Тамара Ивановна продолжала работать консультантом. Человек не только компетентный, но и душевный, сердечный, открытый для всего нового…

Тамара Ивановна, позвольте начать нашу беседу с самого главного, самого важного вопроса: в чём, по Вашему мнению, состоит смысл глазного протезирования? Ради чего работаете Вы и Ваши коллеги?

Для большинства наших пациентов главным вопросом был и остаётся эстетический эффект протезирования. И мы вполне понимаем эту озабоченность, стараемся достичь хорошего косметического результата. Чтобы взгляд был естественным при любом положении глаз, и человек в полной мере сохранил свою привлекательность.

Он не должен выделяться из толпы. Это главное желание наших пациентов. Люди не должны чувствовать дискомфорт, испытывать какие-то сложности при социальных контактах на работе, в общественных местах и т.д. Мы стремимся к тому, чтобы окружающие не замечали, что перед ними человек с глазным протезом. В большинстве случаев это удаётся.

Не секрет, что для многих пациентов наиболее косметически «выигрышной» является ситуация, когда собеседники стоят или сидят напротив друг друга, смотрят «глаза в глаза». Но при взгляде в сторону протез, к сожалению, не может совершать всей амплитуды движений здорового глаза. В результате возникает эффект лёгкого косоглазия. Это может создавать психологический дискомфорт.

В некоторых случаях это можно сделать менее заметным, если при повороте головы на миг закрыть глаза. В дальнейшем, при регулярной и своевременной замене протезов эстетический эффект улучшается. Каждый новый протез изготавливается с упором на глазные мышцы, они тренируются, и со временем амплитуда движений протеза увеличивается.

Не менее важен медицинский аспект глазного протезирования. Протез защищает конъюнктивальную полость, сохраняет правильное положение век и ресниц, не дает полости сократиться.

Большинство наших пациентов не выискивают мелкие недостатки в протезах, а радуются тому, что протез даёт возможность начать новую жизнь, открывает новые жизненные перспективы. Они видят и чувствуют, что мы работаем ради их комфорта и благополучия.

В нашей работе важное значение имеет психологическая реабилитация пациентов.  Глазное протезирование – это, в первую очередь, повышение качества жизни. Вот и ответ на Ваш вопрос, ради чего мы работаем!

Значит, Ваши коллеги должны быть ещё и психологами?

Обязательно!

Юные пациенты Т.И. Апросичевой

Необходимо найти подход к пациенту любого возраста. Беседа с пациентом или родителями ребенка важна перед протезированием и особо важна перед первой примеркой глазного протеза. На консультации объясняю, как уменьшить неприятные ощущения при первой примерке. Использую ладонь, чтобы смоделировать процесс установки протеза. Его роль выполняет комочек бумаги.

Объясняю пациенту, чтобы легко поставить или убрать глазной протез, важно открыть глаза (раскрываем ладонь помещаем и вынимаем бумажный шарик).

Большой бумажный шарик в ладони пациента также позволяет смоделировать неприятные ощущения, если протез велик и не соответствует размеру конъюнктивальной полости.

Замена протеза не должна вызывать у пациента дискомфорта.

К маленькому пациенту необходим особый подход. Родителям рассказываю, чтобы протез хорошо «сидел» и ребёнок к нему привык, полезно моргать, поднимать и опускать веки.

Как объяснить это маленькому ребёнку? Ничего и не нужно объяснять. Всё может и должно проходить в игровой форме. Например, мама дует ребёнку на глазки, а он их начинает рефлекторно закрывать (игра «Ветерок»). Или мама закрывает глаза крепко-крепко. И малыш тоже закрывает глазки по примеру мамы.

Не могли бы Вы привести несколько примеров, показывающих специфику Вашей работы?

Юные пациенты Т.И. Апросичевой

Расскажу об особом виде глазного протезирования. Иногда возникает необходимость «воссоздать» лобную кость, нос, ухо, т.е. проводить экзопротезирование, и с 2001 года наша лаборатория стала производить эктопротезы. Это был огромный шаг вперёд! Да и сейчас этим видом глазного протезирования занимаются всего несколько российских центров. Эктопротезы существенно отличаются от обычных глазных протезов. В данном случае протез не вставляется в конъюнктивальную полость, а крепится непосредственно к лицу. Особенностью является то, что протезируется не только глаз, но и веки.

Это, в первую очередь, необходимо при тяжёлых травмах?

Да, они нужны для самых тяжёлых случаев, когда невозможно разместить протез в конъюнктивальной полости. В некоторых случаях он может быть «временным решением», например, при онкологических заболеваниях, когда планируется дальнейшая хирургическая реконструкция, при травмах, ожогах, врождённой деформации лицевого скелета. Есть такой диагноз в травматологии – травма центральной зоны лица. В этом случае экзопротез может быть единственным выходом!

В конце девяностых годов, когда такими протезами мы в Новосибирске ещё не занимались, ко мне обратилась пациентка. Ей было около пятидесяти лет. Женщина после удаления глаза в связи со злокачественной опухолью в течение многих лет ходила с повязкой на лице. Можете себе представить, что это значит в психологическом плане – ходить по улице с повязкой на лице?!

Лет сорок – пятьдесят назад таких людей можно было встретить.

В наше время чёрная или любого другого цвета повязка совершенно не уместна, во всяком случае, как долговременное решение. Я настоятельно посоветовала пациентке поехать в Москву, чтобы заказать индивидуальный эктопротез. Эти протезы всегда делаются индивидуально. Здесь не существует стандартного протезирования.

Потом она опять приходила ко мне, благодарила за то, что качество жизни у неё после установки эктопротеза существенно улучшилось. Она стала сама себе нравиться. Почувствовала себя привлекательной женщиной!

Сейчас мы в Новосибирске сами делаем такие протезы. Примерно через год эктопротезы начинают выцветать на солнце, поэтому их целесообразно заменить.

Экзопротезы

О ком ещё из пациентов Вы хотели бы рассказать?

С согласия родственников раскрою личные данные замечательного человека, которого уже нет с нами. И.Е. Шершнёв родился в 1920 году, в 1940 году был призван в ряды вооружённых сил. Разведчик, воевал на Ленинградском фронте. В 1943 году был тяжело ранен. Глаз удалили.

Мы познакомились в 1987 году. В дружеской компании. Я обратила внимание, что у героя-фронтовика нет одного глаза. Я предложила мужчине прийти в нашу лабораторию на приём. Он согласился.

Оказалось, что после потери глаза Иван Ефимович никогда не пользовался протезом. И даже повязку не носил. Осмотрела его глазную полость, хирургического вмешательства не потребовалось. Мы изготовили для ветерана индивидуальный протез. Он встал устойчиво, не вызывал никаких неудобств.

Иван Ефимович пользовался протезом с удовольствием, регулярно посещал нашу лабораторию. В 1998 году И.Е. Шершнёв ушёл из жизни.

… Рассматривая фотографии, его родные обратили внимание, что до протезирования он всегда фотографировался только в профиль, со стороны здорового глаза.

Человек стеснялся своей особенности?

Думаю, да. После протезирования он фотографировался, смотрел прямо в объектив фотоаппарата.

Вы спрашивали, почему он раньше не обратился к протезистам?

Этот вопрос я задаю только тогда, когда ответ на него важен для понимания психологического состояния пациента. В данном случае пациент не испытывал каких-то особых психологических проблем. Но мы смогли сделать его жизнь лучше и были этому очень рады. Иван Ефимович всю жизнь прожил на селе. Редко выезжал за пределы родной деревни. Вполне возможно, он просто не знал о возможностях глазного протезирования.

Расскажу ещё об одном случае позднего протезирования. К нам в лабораторию приехала мама с сыном, подростком 16 лет, сельские жители. У юноши микрофтальм. В этом случае целесообразно начать протезирование в первые месяцы жизни. Но в данном случае, вообще, ничего не было сделано до 16 лет!

Молодому человеку удалось помочь. При микрофтальме у человека имеется глазное яблоко. Но оно очень маленькое и не обладает зрительными функциями. К счастью, асимметрия лица при этом не так выражена как при анофтальме (врожденном отсутствии глазного яблока). Поэтому, когда мы провели юноше глазное протезирование, косметический эффект был хорошим.

Уделив время случаям несвоевременного начала протезирования, не могу не рассказать о пациентке, которая познакомилась с глазным протезированием в первые дни своей жизни. Девочка родилась с новообразованием в органе зрения. Это была большая опухоль, которую врачи удалили через четыре часа после рождения.

А потом начался процесс глазного протезирования. Он проходил от большего протеза к меньшему. Замена протезов шла не по возрастающей, как, например, у детей с микрофтальмом и анофтальмом, а по убывающей.

Юные пациенты Т.И. Апросичевой

Почему так получилось?

Новообразование растянуло конъюнктивальную полость девочки. После удаления ей потребовался большой протез. Существенно больше, чем размер здорового глаза ребёнка. Но потом ткани стали естественным образом сокращаться. Поэтому каждый следующий протез, который ставили девочке, был меньше предыдущего. Сейчас это взрослая девушка с нормальным симметричным лицом.

В сложных случаях грамотно проведенное протезирование позволяет получить достаточно хороший косметический результат.

Тамара Ивановна, не могли бы Вы подробнее рассказать о психологических советах, которые Вы даёте своим пациентам?

Сразу хочу сказать, что я не верю в какие-то «универсальные» советы, которые могут быть применимы для всех пациентов. Стараюсь говорить с людьми, понять их проблемы. Могу дать совет конкретному пациенту. С учётом его характера, психологического настроя. Но для другого человека этот совет уже будет не актуален.

Однажды молодой мужчина пожаловался мне, что люди часто обращают на него внимание в общественном транспорте, рассматривают его. Во всяком случае, ему так казалось. Я посоветовала ему улыбнуться человеку, который на него пристально смотрит, и подмигнуть ему одним глазом. Как правило, этого достаточно, чтобы «сеанс рассматривания» немедленно прекратился.

Если речь идёт о родителях с маленькими детьми, то целесообразно в общественном транспорте отвлекать внимание ребёнка, чтобы он не стал объектом пристального интереса пассажиров… Можно обратить внимание малыша на какой-то предмет за стеклом, на местность, по которой проезжает автобус или маршрутка.

Тамара Ивановна, как Вы пришли в глазное протезирование?

Я родом из Новосибирской области, и всю жизнь здесь прожила. Окончила медицинский институт, стала детским офтальмологом, работала в детской поликлинике. Потом в семье близкого мне человека произошла беда. У девочки обнаружили ретинобластому. В Москве, в Институте глазных болезней им. Гельмгольца ребёнку удалили глаз и провели протезирование.

Я тоже ездила с ней в Москву. И московский доктор, когда узнал, что я живу и работаю в Новосибирской области, рассказал, что в Новосибирске с 1964 года работает лаборатория индивидуального глазного протезирования. Это был 1984 год. С этого времени я работаю в лаборатории.

Как изменилась лаборатория за эти годы?

В то время штат состоял всего из трёх человек: офтальмолога-протезиста, мастера-стеклодува и медсестры. Мы изготавливали только стеклянные протезы. А сейчас производятся и стеклянные, и пластмассовые протезы, и эктопротезы, которые я уже упоминала.

Сейчас у нас трудятся четыре мастера-протезиста. Мы обслуживаем жителей города Новосибирска и Новосибирской области, остальные пациенты – из соседних регионов России и Северного Казахстана.

Что Вы считаете наибольшим достижением за эти годы?

Когда я начинала работать, у нас были большие очереди. Люди ожидали протезирования от нескольких месяцев до нескольких лет. Сейчас этой проблемы нет. Мы можем предложить качественную помощь всем пациентам. В течение нескольких дней человеку изготовят индивидуальный глазной протез, либо проводится подбор стандартных глазных протезов.

Тамара Ивановна, несколько десятилетий своей жизни Вы отдали глазному протезированию. Что бы Вы могли пожелать молодым коллегам?

Терпения, мудрости, умения устанавливать доверительные контакты с пациентами, верности профессии.

Бесед вел Илья Бруштейн

№2/2021 ПОЛЕ ЗРЕНИЯ

Новый искусственный глаз может превзойти человеческий

2383

Добавить в закладки

Высокотехнологичное устройство имеет поле зрения,
аналогичное реальному человеческому глазу, а скорость реакции,
большую по сравнению с человеческим, — пишет sciencenews.org со
ссылкой на Nature.

Это устройство, имитирующее структуру человеческого глаза,
примерно так же чувствительно к свету и имеет более быстрое время
реакции, чем настоящее глазное яблоко. Этот электронный окуляр
имеет потенциал для более острого зрения, чем человеческие глаза.

«В будущем мы сможем использовать это устройство для улучшения
протезов зрения и гуманоидной робототехники», — говорит инженер и
материаловед Чжийонг Фан из Гонконгского университета науки и
технологии.

Человеческий глаз обязан своим широким полем зрения и зрением
высокого разрешения куполообразной сетчатке — области в задней
части глазного яблока, покрытой детектирующими свет клетками. Фан
и его коллеги использовали изогнутую мембрану из оксида алюминия,
усеянную наноразмерными датчиками, изготовленными из
светочувствительного материала, называемого перовскитом, чтобы
имитировать эту архитектуру в своих синтетических глазных
яблоках. Провода, прикрепленные к искусственной сетчатке,
посылают показания с этих датчиков на внешние схемы для
обработки, так же как нервные волокна передают сигналы от
реального глазного яблока в мозг.

Искусственное глазное яблоко регистрирует изменения в освещении
быстрее, чем человеческие глаза — в течение примерно 30-40
миллисекунд, а не 40-150 миллисекунд. Устройство может видеть при
тусклом освещении, так же хорошо, как и человеческий глаз. Хотя
его поле зрения в 100 градусов не такое широкое, как у
человеческого глаза — 150 градусов, это лучше, чем 70 градусах у
обычных плоских датчиков видения.

Теоретически этот синтетический глаз может воспринимать
изображение гораздо более высокого разрешения, чем человеческий
глаз, потому что искусственная сетчатка содержит около 460
миллионов световых сенсоров на квадратный сантиметр. Настоящая
сетчатка имеет около 10 миллионов светочувствительных клеток на
квадратный сантиметр. Но это потребует отдельных показаний от
каждого датчика. В текущей конфигурации каждый провод,
подключенный к синтетической сетчатке, имеет толщину около одного
миллиметра — настолько большую, что он касается сразу нескольких
датчиков. Только 100 таких проводов проходят через сетчатку,
создавая изображения размером 100 пикселей.

Чтобы показать, что более тонкие провода могут быть подключены к
искусственному глазному яблоку для более высокого разрешения,
команда Фана использовала магнитное поле для прикрепления
небольшого количества металлических игл, каждая толщиной от 20 до
100 микрометров, к наносенсорам на синтетической сетчатке одна за
другой. «Это похоже на хирургическую операцию», — говорит Фан.

Нынешний метод создания отдельных сверхмалых пикселей
исследователями нецелесообразен, говорит Хонгруи Цзян —
инженер-электрик из Университета Висконсин-Мэдисон, чей
комментарий к исследованию появляется в том же выпуске Nature:
Для нескольких сотен нанопроводов это сработает, но как насчет
миллионов?» По его словам, инженерам понадобится гораздо более
эффективный способ изготовления огромных массивов крошечных
проводов на задней части искусственного глазного яблока, чтобы
оно было эффективнее человеческого.

[Фото: sciencenews.org]

Автор Подготовила Анна Юдина

зрение
искусственный глаз
протез
робототехника

Источник:
www.sciencenews.org

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Неандертальцы питались преимущественно мясом

19:55 / Палеонтология

Названы лучшие работы конкурса «Снимай науку!»

15:30 / Наука и общество

Школа международной научно-технической конференции MoNeTec-2022

14:30 / Образование

Российские ученые создали аппарат ИВЛ для спасения недоношенных младенцев

14:23 / Здравоохранение, Медицина, Новые технологии

ТК «Россия 1». Президент РАН Геннадий Красников ― об уходе из жизни академика Валерия Рубакова

14:20 / Астрофизика, Космология, Наука и общество, Физика

Академик Л.М. Зеленый об ушедшем из жизни физике В.А. Рубакове: «Он был нашим нравственным камертоном»

14:00 / Физика

Академик РАН Григорий Трубников: «Валерий Рубаков был для нас образцом выдающегося ученого и человека»

14:00 / Наука и общество, Физика

Член-корреспондент РАН Н. Н. Колачевский: академик В.А. Рубаков пользовался непререкаемым авторитетом

13:40 / Наука и общество, Физика

Ученые описали принцип созревания защитной оболочки вирусных частиц

13:30 / Биология

Президент РАН Г.Я. Красников об уходе из жизни академика В.А. Рубакова: «Выдающийся ученый и человек с открытой гражданской позицией»

12:50 / Наука и общество, Физика

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

что видят люди с бионическими глазами

Зрительные протезы, или «бионические глаза», обещают обеспечить искусственное зрение слабовидящим людям, которые раньше могли видеть. Устройства состоят из микроэлектродов, которые хирургическим путем помещают в один глаз или рядом с ним, вдоль зрительного нерва (который передает импульсы от глаза в мозг) или в головной мозг.

Микроэлектроды стимулируют части зрительной системы, все еще функционирующие у человека, потерявшего зрение. Они делают это, используя крошечные электрические импульсы, подобные тем, которые используются в бионическом ухе или кохлеарном импланте.

Электрическая стимуляция выживших нейронов приводит к тому, что человек воспринимает небольшие пятна света, называемые фосфенами. Фосфен — это феномен восприятия света без того, чтобы свет действительно попадал в глаз — подобно цветам, которые вы можете видеть, когда закрываете глаза.

Зрительный нерв передает импульсы в мозг от сетчатки в задней части глаза.
с сайта Shutterstock.com

Эти фосфены у человека с бионическим глазом можно использовать для составления карты визуальной сцены. Таким образом, зрение, обеспечиваемое бионическим глазом, не похоже на естественное зрение. Это серия мигающих пятен и форм, которые человек использует для интерпретации своего окружения в процессе обучения — что-то вроде мигающей мозаики.

В настоящее время зрение, обеспечиваемое бионическим глазом, очень простое и может использоваться для таких задач, как определение местоположения объекта, обнаружение человека или поиск дверного проема. Исследователи надеются, что будущие бионические глазные устройства обеспечат зрение с более высоким разрешением, но это сопряжено с определенными проблемами.

Как работает бионический глаз

Бионический глаз преобразует изображения с видеокамеры (левое изображение внизу) в высококонтрастное изображение (среднее изображение), часть которого выбирается для дальнейшей обработки. Это синее поле ниже, соответствующее уменьшенному полю зрения типичного бионического глаза.

Внешний видеопроцессор затем преобразует это высококонтрастное изображение в параметры электростимуляции, которые отправляются на имплантированные в глаз электроды. Реципиент бионического глаза воспринимает размытое изображение (справа на картинке), состоящее из вспышек света.

Слева — видеокамера; средний — высококонтрастное изображение; справа — дальнейшая обработка.
Автор предоставил

Что на самом деле видят реципиенты

Из опыта наших пациентов в Мельбурне мы знаем, что активность на электродах воспринимается как серия ярких вспышек, а не как постоянное восприятие. Таким образом, мир представляет собой вспыхивающие вспышки света, представляющие основную форму — например, высоту и ширину — и приблизительное положение объекта перед камерой. Другие получатели сказали, что это было примерно так:

смотрит в ночное небо, где миллионы мерцающих огней выглядят почти как хаос.

Получателям необходимо использовать эти нерегулярные вспышки для интерпретации изображения с камеры. Поле зрения (объем наблюдаемого мира) невелико — около 30 градусов в ширину или одна ладонь на расстоянии вытянутой руки — поэтому реципиенты должны иметь хорошую память, чтобы собрать целое изображение.

Здесь могут помочь улучшения внешней камеры и обработки видео. Например, камеры с дистанционным датчиком могут подсвечивать такие препятствия, как мусорный бак на тротуаре, а тепловизионные камеры могут выделять фигуры людей. В настоящее время наилучшие результаты в значительной степени зависят от участия пациента и реабилитации.

Кто получит бионический глаз?

Тип бионического глаза, который может быть вариантом для пациентов, зависит от причины потери зрения. Имплантаты бионического глаза помещаются в само глазное яблоко и подходят только для людей, которые потеряли зрение из-за определенных заболеваний, таких как наследственные типы дегенерации сетчатки, известные как пигментный ретинит, и возрастная дегенерация желтого пятна.



Читать далее:
Объяснитель: что такое возрастная дегенерация желтого пятна?

На сегодняшний день только люди с дегенеративными заболеваниями сетчатки могут получить бионический глаз. Три ретинальных бионических глаза были одобрены для коммерческой продажи: Argus II, разработанный в США, Alpha-AMS в Германии и IRIS V2 во Франции.

В период с 2012 по 2014 год мы провели клиническое испытание с участием трех человек с использованием нового устройства, разработанного в Мельбурне, Австралия. Это устройство может иметь более безопасный хирургический профиль, чем существующие бионические глаза, поскольку оно имплантируется в заднюю часть глаза, а не внутрь глаза.

До операции пациенты из Мельбурна не могли увидеть, как перед их лицом машет рука. С помощью имплантата бионического глаза они смогли находить объекты на столе и перемещаться между объектами на своем пути во время ходьбы, демонстрируя, что имплантат может предоставлять полезную визуальную информацию в реальном мире. Мы готовимся к испытанию имплантата второго поколения в следующем году. Все это имплантаты сетчатки, которые в основном использовались для людей с пигментным ретинитом.

Имплантат сетчатки состоит из микроэлектродов в глазу. Внешняя видеокамера, закрепленная на очках, фиксирует изображения, которые отправляются на микроэлектроды через имплантируемый стимулятор (показан здесь над ухом).
Институт бионики, предоставлен автором (без повторного использования)

Имплантаты, размещенные либо в зрительном нерве, либо непосредственно в головном мозге, могут принести пользу людям с более широким спектром состояний, таких как травма или глаукома. Устройства для этих конкретных условий все еще находятся на стадии исследований, но ожидается, что в ближайшем будущем они начнут клинические испытания на людях.



Читать далее:
Объяснитель: что такое глаукома, «подлый вор» зрения?

Качество зрения с имплантом сетчатки сильно зависит от остаточного здоровья глаз пациента и способности интерпретировать созданные фосфены. Имплантированные электроды призваны воспроизвести функцию отсутствующих светочувствительных клеток (фоторецепторов). Но должны быть жизнеспособные выжившие нейроны, с которыми могут взаимодействовать электроды.

Еще одним осложняющим фактором является то, что в сетчатке много типов нейронов, но электроды слишком велики, чтобы избирательно воздействовать на отдельные типы. По этой причине бионические глаза не могут воспроизвести чувство цвета. На самом деле искусственное зрение сильно отличается от обычного зрения, и к нему нужно долго привыкать.

Можно ли улучшить качество изображения?

В настоящее время существует несколько подходов к улучшению качества изображения. Один из них — увеличить количество имплантированных микроэлектродов и сделать их меньше, что позволит им нацеливаться на избирательные нейроны для получения более независимых «пикселей» и большего разрешения. Существуют более новые нанотехнологические материалы, которые могут позволить электродам быть достаточно маленькими для обеспечения высокого разрешения.

Другой метод заключается в уточнении паттернов электрической стимуляции, чтобы лучше сфокусировать стимуляцию для активации кластеров нейронов меньшего размера. Мы также можем искусственно увеличить разрешение, создав «виртуальные электроды», где электрический ток распределяется между двумя или более электродами. Эти новые методы стимуляции могут улучшить стабильность, уменьшить размытость и, возможно, даже обеспечить элементарный контроль над цветом.

В конечном счете, исследователи стремятся понять и имитировать нейронный код, который сетчатка использует для связи с мозгом. Если бы можно было воспроизвести паттерны активации фоторецепторов, правильное сообщение было бы передано в мозг. В результате зрение станет значительно более естественным.



Читать далее:
Некоторые люди не видят, но все же думают, что могут: вот как мозг контролирует наше зрение

Комбинируя эти методы, достигаемый уровень зрения может позволить пациентам самостоятельно перемещаться без использования собаки-поводыря или трости. Можно было бы распознавать повседневные предметы или даже эмоции на лицах близких. Какой подход в конечном итоге осуществим, покажет только время. Одно можно сказать наверняка: бионические глаза со временем станут лучше.

Технология Bionic Eye призвана помочь слепым видеть

  • Опубликовано

    Бернд Дебусманн-младший

    Деловой репортер

    Жили-были необычные австралийские овцы с исключительно острым зрением.

    Небольшое стадо провело три месяца в прошлом году с бионическими искусственными глазами, хирургически имплантированными за их сетчатками.

    Эти овцы участвовали в медицинских испытаниях, целью которых было помочь людям с некоторыми видами слепоты обрести зрение.

    Конкретная цель испытаний на овцах заключалась в том, чтобы выяснить, вызывает ли рассматриваемое устройство, Phoenix 99, какие-либо неблагоприятные физические реакции. Было сказано, что бионический глаз хорошо переносился животными. В результате в настоящее время подана заявка на начало испытаний на людях.

    Проект осуществляется группой исследователей из Университета Сиднея и Университета Нового Южного Уэльса.

    Phoenix 99 связан по беспроводной связи с небольшой камерой, прикрепленной к паре очков, она работает, стимулируя сетчатку глаза пользователя. Сетчатка — это слой светочувствительных клеток в задней части глаза, которые преобразуют свет в электрические сообщения, посылаемые в мозг через зрительный нерв и преобразуемые в то, что мы видим.

    Источник изображения, Getty Images

    Image caption,

    Крупный план крошечной системы «Феникс-99», которая, как ожидается, скоро начнет испытания на людях.

    Устройство «Феникс-99» способно обходить неисправные клетки сетчатки и «активировать» те, которые еще могут работать.

    «Неожиданных реакций со стороны ткани вокруг устройства не было, и мы ожидаем, что оно может оставаться на месте в течение многих лет», — говорит Сэмюэл Эггенбергер, инженер-биомедик из Школы биомедицинской инженерии Сиднейского университета.

    По данным Всемирной организации здравоохранения, по меньшей мере 2,2 миллиарда человек во всем мире страдают от той или иной формы нарушения зрения, от легкой степени до полной слепоты. ВОЗ заявляет, что финансовые последствия этого с точки зрения потери производительности составляют более 25 миллиардов долларов (19 миллиардов фунтов стерлингов) в год для мировой экономики.

    Использование бионических глазных систем для лечения слепоты — это отрасль, которая все еще находится в зачаточном состоянии, но, учитывая быстрое развитие технологий, согласно одному отчету, к 2028 году этот сектор будет стоить 426 миллионов долларов9. 0003

    «Достижения в области технологий изменили представление об офтальмологии, — говорит доктор Диана Хилал-Кампо, офтальмолог из Нью-Джерси. «Инновации не только сделали диагностику проще и точнее, но и изменили уход за пациентами в лучшую сторону».

    В качестве примера она указывает на бионический глаз, который уже был установлен более чем 350 людям по всему миру — Argus II от американской фирмы Second Sight.

    Источник изображения, Getty Images

    Подпись к изображению,

    Турецкая женщина Дилек Умран Озтюрк получила имплантат Argus II в 2015 году, и это позволило ей впервые увидеть световые формы людей и формы

    Он работает так же, как Phoenix 99, а первоначальная версия была впервые установлена ​​на пациенте еще в 2011 году.

    Second Sight сейчас продолжает работу над новым продуктом под названием Orion. Это мозговой имплантат, и компания заявляет, что ее цель — сделать Orion способным лечить почти все формы глубокой слепоты. Проект все еще находится на ранней клинической стадии.

    Другие системы бионического глаза включают устройство Prima, разработанное французской фирмой Pixium Vision; и Bionic Eye System другой австралийской команды, Bionic Vision Technologies.

    New Tech Economy — это серия книг, посвященных тому, как технологические инновации формируют новый развивающийся экономический ландшафт.

    Доктор Хилал-Кампо говорит, что одной из текущих проблем является высокая стоимость технологии, которая делает ее «доступной для очень немногих людей». Например, Argus II стоит около 150 000 долларов.

    Она добавляет, что, поскольку технология все еще находится в зачаточном состоянии, результаты еще далеко не идеальны. «Я не сомневаюсь, что эта технология изменила жизнь пациентов, которым посчастливилось установить эти имплантаты», — говорит доктор Хилал-Кампо. «Однако в настоящее время технология ограничена и позволяет воспринимать только свет и тени и, в некоторой степени, формы». 0003

    Источник изображения, Хилал Кампо

    Подпись к изображению,

    Доктор Хилал-Кампо говорит, что стоимость бионических глаз необходимо существенно снизить новые способы помочь восстановить зрение людям с потерей зрения».

    Бхавин Шах, окулист из Лондона, согласен с тем, что бионическим глазам еще предстоит пройти долгий путь. Он сравнивает их с цифровыми камерами, которые были впервые изобретены в 1975 году, а затем потребовались десятилетия, прежде чем они стали широко доступны.

    «Я считаю, что как только качество технологии достигнет подходящего стандарта и приблизится к зрению здорового глаза, эта технология станет гораздо более распространенной», — говорит он.

    «Тем не менее, в первую очередь существует сильное стремление лечить или предотвращать слепоту.»

    Технологии, которые обнаруживают и диагностируют нарушения зрения, объясняет он, скорее всего, окажут гораздо более широкое влияние в краткосрочной перспективе. «Сейчас существуют более совершенные, простые в использовании, более надежные и взаимосвязанные диагностические инструменты», — говорит г-н Шах.

    «Например, мы можем быстро сделать несколько сканов различных структур внутри глаза, изучить их в большем разрешении и быстро поделиться ими с коллегами. Искусственный интеллект также может принимать решения [по этому вопросу], в некоторых случаях быстрее и с большей надежностью, чем опытные клиницисты».

    Доктор Карен Скуайр, доцент и руководитель отдела обслуживания слабовидящих в Южном колледже оптометрии в Мемфисе, штат Теннесси, считает, что некоторые из наиболее важных усовершенствований в офтальмологических технологиях часто являются самыми незначительными.

    Источник изображения, Karen Squier

    Подпись к изображению,

    Доктор Карен Squier говорит, что мы часто забываем о больших достижениях в области смартфонов, которые помогли людям с ослабленным зрением

    Она указывает на такие вещи, как специальные возможности Apple iPhone. К ним относится функция озвучивания, с помощью которой пользователь может получать аудиоописания того, что происходит на экране — от процента заряда батареи до того, кто звонит, и в каком приложении находится ваш палец.

    Доктор Сквайр также выделяет приложение Microsoft Seeing AI, которое использует камеру смартфона для идентификации людей и объектов и их звукового описания. Он также может проверять штрих-коды, а затем сообщать вам, что это за предмет, или читать вслух почерк, например, письмо от внука.

    «Вероятно, это технология, которая больше всего волнует людей, потому что она делает много разных вещей и просто использует камеру и программное обеспечение, уже встроенное в телефон», — добавляет д-р Сквайер. людей, чтобы научиться пользоваться».

    Источник изображения, Getty Images

    Подпись к изображению,

    Многочисленные системы теперь позволяют смартфонам разговаривать со слепыми или слабовидящими пользователями. дружественная государственная политика и системы. Одним из примеров может быть использование технологии, которая может предупреждать пассажиров с нарушениями зрения о расписании автобусов и предупреждать их, когда автобус находится в пути, устраняя возможные проблемы на автобусной остановке.

    Это не означает, что доктор Сквайер не видит более сложных технологий, включая бионические глаза, которые окажут значительное влияние в будущем по мере развития технологий.

    «Я думаю, что даже бионические глаза движутся в правильном направлении», — говорит она. «Но мы должны будем видеть, как это идет».

    • Вспомогательные технологии
    • Зрение

    Искусственный глаз, вдохновленный человеческими глазами — Инновации — AskNature

    Инновации: Академия

    Искусственный глаз, вдохновленный человеческими глазами

    Гонконгский университет науки и технологии

    2020

    Изображение: Ларс Ниссен / Pixabay / CC BY — Creative Commons Attribution only

    Восприятие света (видимый спектр) из окружающей среды

    Живые системы постоянно получают сигналы из окружающей среды, которые помогают им выживать. Свет (в видимом спектре) может исходить от других живых систем (таких как светлячки) или от неживых источников (таких как солнце). Выживание часто зависит от ощущения и реагирования на проблемы, такие как условия низкой освещенности или свет, который каким-то образом изменился. Поскольку на карту поставлено основное выживание, живые системы должны превосходно справляться с этими проблемами. Хорошо известно явление, как вода искривляет свет. Аист, пытающийся поймать рыбу под водой, может компенсировать этот эффект изгиба, так что, когда он нападает на рыбу, у него есть хорошие шансы ее поймать.

    Подробнее об этой функции

    Восприятие света (невидимого спектра) из окружающей среды

    Живые системы взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой для получения информации. Иногда эта информация находится в электромагнитном спектре. Длины волн в электромагнитном спектре также называют невидимым спектром, потому что люди не могут обнаружить их невооруженным глазом. К ним относятся ультрафиолетовый (УФ) свет, инфракрасный (ИК) свет, радиоволны и другие длины волн. Обнаружение в этих спектрах требует стратегий, выходящих за рамки тех, которые используются для видимого света, поэтому многие живые системы, зависящие от этих сигналов, имеют для этого специальные органы. Например, у жуков, которые питаются сожженными деревьями, есть органы чувств, которые обнаруживают инфракрасное излучение, испускаемое пожарами, что позволяет им быстро определять местонахождение сгоревшего участка.

    Подробнее об этой функции

    Ощущение движения

    Восприятие движения важно для живой системы, чтобы чувствовать, где она находится по отношению к движущейся среде, что имеет решающее значение для поиска ресурсов или поиска пути. Это применимо независимо от того, находится ли в движении сама среда (например, движение воды, исходящее от ближайшей рыбы) или живая система движется в стационарной среде (например, птица, летящая по воздуху). Поскольку движение затухает с расстоянием и цена пропуска этих сигналов движения высока, живые системы должны быть весьма чувствительны к этим сигналам. Например, у быстролетающих больших коричневых летучих мышей есть микроскопические, жесткие, куполообразные волоски на перепонках крыльев, которые действуют как массив датчиков для отслеживания скорости полета и условий воздушного потока.

    Подробнее об этой функции

    Кодирование/декодирование

    Организмы постоянно получают новую информацию, обрабатывают ее и сохраняют эту информацию в виде воспоминаний. Сенсорная информация и стимулы, такие как звуки, запахи, время и пространственная организация, кодируются вместе с нашими воспоминаниями. Независимо от того, изучаем ли мы новый навык или повторяем задачу, которую мы делали раньше, мы можем легко вызывать и расшифровывать эту информацию, когда она нам нужна.

    Подробнее об этой функции

    Преобразование/преобразование сигналов

    Иногда сигнал, такой как звук или вибрация, достигает живой системы, и его необходимо преобразовать в другую, пригодную для использования форму. Это требует преобразования одного вида энергии в другой. Например, у организмов с глазами есть фоторецепторы в задней части глаз, которые преобразуют свет в электрические импульсы. Эти импульсы поступают в мозг и позволяют ему регистрировать цвет, форму и детали.

    Подробнее об этой функции

    Роботизированный глаз из Гонконгского университета науки и технологий имеет массив нанопроводов высокой плотности, который увеличивает количество информации, которую может уловить глаз.

    Преимущества
    • Повышенная эффективность
    • Повышенное разрешение

    .0185

    Цель 3: Хорошее здоровье и благополучие

The Challenge

Роботизированные глаза часто представляют собой плоские поверхности, что затрудняет воспроизведение возможностей человеческой сетчатки. Кроме того, роботизированные глаза обычно обрабатывают данные в последовательном порядке, задерживая общую передачу данных. Синтетические глаза также имеют меньшие поля зрения и более низкую четкость, что приводит к более низкому качеству визуальной информации.