Реферат по бионике. реферат. Бионический глаз

• Название: Бионический глаз
• Анкор: Реферат по бионике
• Дата: 05.04.2023
• Размер: 77.12 Kb.
• Имя файла: реферат.docx
• Тип: Документы; #1038000

Бионика в Офтальмологии

Оглавление

1. Общее понятие бионики: 3

1.1. Введение: 3

2. Бионический глаз: 4

2.1.1 Принцип работы бионического глаза: 4

2.1.2 Глаз как камера: 5

2.2 Виды бионических имплантов: 6

2.2.1 Эпиретинальные импланты 6

2.2.2 Субретинальный имплант: 9

2.2.3 Cупрахориоидальный имплантат: 10

2.2.3 Устройство, имплантируемое в мозг (кортикальный имплант) 11

2.3. Кортикальные протезы: 12

2.3 Ограничения: 14

3. История создания: 14

3.1 Люди участвующие в создании и развитии глазных протезов за рубежом: 15

3.1.2. Дэниел Паланкер 15

3.1.3. Дэвид Гамм 15

3.1.4. Дж. И. Тассикер 15

3.2. Развитие бионики в офтальмологии за рубежом в наши дни: 16

3.2.1 Разработка бионической сетчатки на основе гидрогелевых биопикселей: 16

3.2.2. Ученые создали искусственный электрохимический глаз, способный различать буквы. Почему это важно? 16

3.2.2.1. Что именно создали ученые? 17

3.2.2.2. В чем важность работы? 17

3.2.2.3. Что уже умеет глаз и для чего будет использоваться? 18

3.3. Люди участвующие в создании и развитии глазных протезов в России: 19

3.3.1. Андрей Демчинский, офтальмолог, руководитель медицинских проектов в АНО «Лаборатория "Сенсор-Тех", ведущий разделов в журнале "Новое в офтальмологии" 19

3.3.2. Христо Тахчиди 19

3.4. Развитие бионики в офтальмологии в России в наши дни: 20

3.4.1. Слова Ильи Чеха о Бионике в России: 20

4. Вывод: 20

5. Ссылки: 21

1. Общее понятие бионики:

Бионика - прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формах живого в природе и их промышленных аналогах. Бионика не является специализированной наукой.

Это межнаучная дисциплина, тема, тесно связанная с биологией. Ее можно сравнить с кибернетикой: бионику и кибернетику называют двумя сторонами одной медали. Обе дисциплины используют модели живых систем: бионика — для поиска новых идей для полезных искусственных машин и систем, кибернетика — для поиска объяснения поведения живых существ.

Бионика относится к потоку концепций от биологии к инженерии и наоборот. Следовательно, существуют две несколько разные точки зрения относительно значения этого слова.В медицине бионика означает замену или усовершенствование органов (или других частей тела) механическими версиями.

Бионические имплантаты отличаются от простых протезов тем, что очень точно имитируют исходную функцию или даже превосходят ее.

1.1. Введение:

В мире насчитывается около 40 миллионов слепых людей. И около половины этих людей лишились зрения в результате возрастной макулярной дегенерации (ВМД). ВМД и ретинальные дистрофии, такие как пигментная дистрофия сетчатки, приводят к потере фоторецепторного и пигментного слоя сетчатки.

Также такое заболевание как глаукома занимает около 13% всех патологий, приводящих к необратимой слепоте. В такой ситуации возвращение зрения является достаточно сложной задачей и требует совместного подхода как специалистов медицинского профиля, так и специалистов с техническим образованием.

Нейропротезирование – («протез» от франц. Prothèse «приставление; прибавление, присоединение») – дисциплина, лежащая на стыке нейробиологии и биомедицинской инженерии и занимающаяся разработкой нейронных протезов. Нейронные протезы являются устройствами, которые могут восстанавливать двигательные, сенсорные и когнитивные функции, которые могли быть утрачены в результате травмы или болезни.

Примером таких устройств может служить кохлеарный имплантат. Это устройство восстанавливает функции, выполняемые барабанной перепонкой и стремечком, за счет имитации частотного анализа в ушной улитке.

Микрофон, установленный снаружи, улавливает звуки и обрабатывает их; тогда обработанный сигнал передается на имплантированный блок, который через микроэлектродный массив стимулирует волокна слухового нерва в улитке.

Посредством замены или усиления утраченных чувств, эти устройства намерены улучшить качество жизни для людей с ограниченными возможностями.

Нейронные имплантаты проектируются настолько маленькими, насколько это возможно, чтобы минимизировать инвазивность, особенно в районах, окружающих мозг, глаза или ушные улитки. Эти имплантаты обычно имеют беспроводную связь со своими протезами.

Кроме того, питание легко получается через беспроводную передачу электричества через кожу. Ткань рядом с имплантатом очень чувствительна к увеличению температуры. Это означает, что потребляемая мощность должна быть минимальна, чтобы избежать повреждения ткани.

2. Бионический глаз:

Ретинальная протезная система или просто "бионический глаз" — это система искусственного зрения для людей, потерявших зрение в результате болезни, связанной с дегенерацией наружного слоя клеток сетчатки – фоторецепторов, клеток, которые будучи живыми трансформируют свет в понятный мозгу электрический сигнал.

Такие устройства имеют различные конструкции, но основной их рабочей частью являются матрицы микро-электродов, которые хирургическим путем помещаются в глаз, в области глазного нерва (который передает импульсы из глаза в мозг) или непосредственно в головной мозг.

Эти микро-электроды, в зависимости от вида протеза могут стимулировать либо все еще функционирующую часть сетчатки потерявшего зрение человека, либо зрительный нерв как проводящую структуру или воздействать непосредственно на визуальный отдел коры головного мозга. Стимуляция происходит за счет слабых электрических импульсов, примерно так же, как это происходит при применении кохлеарного имплантата.

Электростимуляция нейронов воспринимается человеком как появление небольших световых пятен, которые носят название «фосфены». Такие фосфены позволяют человеку с бионическим глазом получать видение сформированного устройством (с помощью камеры или без нее) окружающего пространства.

На самом деле пока бионический глаз не может обеспечивать нормальное зрение и далек от идеала, а "показывает" набор световых пятен и форм, подобных световой мозаике, которую человек после определенной тренировки может использовать для идентификации окружающей его среды. Но исследования продолжаются и качество таких устройств становится все лучше.

2.1.1 Принцип работы бионического глаза:

Устройство состоит из 3500 микрофотодиодов, которые установлены в задней части сетчатки. Электрический сигнал, который посылается в мозг, получается от этих миниатюрных солнечных элементов, поскольку они преобразуют обычный свет в электрический сигнал.

Бионический глаз работает аналогично человеческому глазу, поскольку он получает изображения с камеры, оснащенной стеклом, которое может носить слепой человек, камера небольшого размера, поскольку она помещается в стеклянную рамку или в будущем мы сможем встроить ее в структуру искусственного глаза. Затем изображение дополнительно отправляется на небольшой электронный набор микросхем (микропроцессор).

Работа микропроцессора заключается в преобразовании этих данных изображения в электронный сигнал и дальнейшей передаче его приемнику, который посылает сигналы по очень крошечному кабелю на электродную панель, имплантируемую врачами на задней стенке глаза, которая также называется сетчаткой. Электродная панель генерирует импульсы, которые проходят по зрительному нерву в мозг, зрительный нерв слепого человека является сом

2.1.2 Глаз как камера:

Существует большая степень согласованности между тем, как функционируют наши глаза, и тем, как меняется со временем соответствующая камера. Возможно – на наших глазах технологии получили дальнейшее развитие и послужили источником вдохновения для изобретения камеры.

Вот подробнее об этом: С точки зрения структуры глаз можно сравнить с камерой. Веки действуют как затвор, и в них есть вход – роговица; диафрагма для регулирования диафрагмы и, следовательно, количества попадающего света –радужная оболочка; линза для фокусировки изображения;

2.1.3 Основные фундаментальные технологии:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

2.2 Виды бионических имплантов:

По своей конструкции и методам функционирования глазные имплантаты делятся на эпиретинальные (на сетчатке), субретинальные (позади сетчатки), супрахориоидальные (выше сосудистой оболочки), интрасклеральные, на зрительном нерве, а также имплантируемые в мозг.

2.2.1 Эпиретинальные импланты

Argus II (Second Sight, США)

Система Argus, разработанная американской компанией Second Sight, является самым первым имплантируемым в глаз протезом, который стал применяться для частичного восстановления зрения у людей, страдающих тяжелой формой пигментного ретинита.

Кроме того, этот имплантат тестировался для применения у людей с более часто встречающимся заболеванием - возрастной макулярной дистрофией. Argus - эпиретинальная система, т.е. имплантат помещается поверх сетчатки.

Впервые это устройство было имплантировано человеку в 2006 году. Сегодня компания использует вторую версию этого протеза - Argus II, который уже имеет разрешение на использование от европейских (2011 г.) и американских (2013 г.) регуляторов отрасли здравоохранения.

Это устройство использует камеру, интегрированную в очки, и имплантат, располагающийся частично вокруг глаза и частично на поверхности сетчатки. Argus II пока что позволяет человеку видеть только тени и очертания фигур. При этом все, что видит камера, преобразуется в электрические сигналы, которые беспроводным образом транслируются в имплантат.

В свою очередь имплантированный чип стимулирует клетки сетчатки, заставляя их отправлять полученную информацию в оптический нерв и дальше для обработки в зрительную кору головного мозга.

Сама операция имплантации длится порядка пяти часов и через две недели пациент надевает очки, чтобы начать учиться использовать Argus II.

Стоимость:

Цена устройства - около $150 000, без учета стоимости операции и тренинга для обучения пользованию этой системой.

Достоинства бионического глаза:

• 
  Обеспечивает возможность ориентироваться в пространстве
  
• 
  Некоторые пользователи получают возможность читать большие буквы и самостоятельно передвигаться в городе.
  

Недостатки устройства:

• 
  В сущности, человек не получает нормального зрения и это связано с тем, что данная версия импланта имеет только 60 электродов, а для того, чтобы видеть хорошо, необходимы примерно 1 млн электродов
  
• 
  Не обеспечивает возможность различать цвета
  
• 
  Высокая стоимость
  
• 
  Относительно громоздкие очки
  

IRIS II (Pixium Vision, Франция)

Система бионического зрения IRIS II, предназначенная для людей, потерявших зрение вследствие пигментного ретинита, использует камеру, встроенную в специальные очки, и состоящий из 150 электродов эпиретинальный имплант, устанавливаемый на сетчатке. Технология разработана специально для людей, те же патологические изменения, что и при Argus II.

Принцип работы устройства основан на том, что изображение улавливается камерой, затем попадает в миниатюрный компьютер, подключенный к очкам проводом, где обрабатывается и по беспроводному каналу передается на имплантат.

Имплантат с помощью электродов стимулирует зрительный нерв, позволяя пользователю различать черный и белый цвет, а также около десяти оттенков серого цвета. Камера в очках имеет независимые пиксели, которые непрерывно распознают изменения в окружающей среде.

В сущности, система работает как матрица клеток-фоторецепторов, которые она заменяет, обеспечивая людей базовыми возможностями зрения, которого без этого устройства они не имели.

Так же, как и в случае с Argus II, по мере использования «зрение» будет постепенно приспосабливаться и через некоторое время человек научится распознать лица людей. Уверенность ученым дают испытания, проведенные на животных, в частности, зрение крыс удавалось восстанавливать до уровня 20/250, т.е. для людей это означает возможность читать текст, написанный крупными буквами, и различать лица.

Стоимость:

Нет данных.

Достоинства бионического глаза:

• 
  Более высокая разрешающая способность, чем у Argus II (в 2,5 раза)
  
• 
  Обеспечивает возможность человеку видеть свет и ориентироваться
  
• 
  После длительного использования позволяет различать лица и читать крупные буквы
  
• 
  Внешняя электроника также позволяет иметь полный контроль над обработкой изображений и даже адаптировать обработку для каждого пациента
  

Недостатки:

• 
  Относительная непродолжительность работы имплантата, что со временем требует его замены
  
• 
  Необходимость внешнего устройства, которое достаточно громоздкое
  
• 
  Проводная связь с управляющим блоком
  
• 
  Высокая стоимость операции и устройства
  
• 
  Не позволяет различать цвета
  
• 
  Сложная операция, связанная с риском для здоровья
  

PRIMA (Pixium Vision, Франция)

Новая система компании Pixium Vision предназначена для помощи людям, страдающим сухой формой возрастной макулярной дегенерации, при которой нарушается центральное зрение.

Как и IRIS, PRIMA работает в паре с очками, которые с помощью камеры снимает окружающую пользователя сцену, передает информацию на компьютер для обработки, который затем передает ее на сам имплантат с помощью инфракрасного излучения (к которому чувствительная электродная решетка).

С помощью этого же излучения осуществляется питание ретинального импланта. Этот электронный чип имеет размеры 2 х 2 миллиметра, толщину 30 мкм (а это в три раза тоньше человеческого волоса) и 378 электродов, т.е. в два раза больше, чем IRIS II.

Первая тестовая имплантацию этого устройства пациенту была проведена в конце 2017 года. Операция по имплантации устройства занимает 90 минут.

Стоимость:

Пока не определена.

Достоинства устройства:

• 
  Может использоваться для больных возрастной макулярной дистрофией
  
• 
  Имеет большую разрешающую способность, чем IRIS II и Argus II
  
• 
  Недостатки:
  
• 
  Проводная связь с управляющим блоком
  
• 
  Не позволяет различать цвета
  
• 
  Сложная операция, связанная с риском для здоровья
  
• 
  Необходимость внешнего устройства, которое относительно громоздкое
  

2.2.2 Субретинальный имплант:

Alpha IMS (Retina Implant AG, Германия) 

Субретинальные импланты располагаются между слоем фоторецепторов и ретинальным пигментным эпителием. Данные устройства стимулируют в первую очередь клетки сетчатки, находящиеся со стороны фоторецепторов, что, как полагают разработчики, должно формировать более естественный поток импульсов в головной мозг.

Именно такой имплантат разработала немецкая компания Retina Implant, который уже имеет официальное разрешение европейских регулирующих органов на его применение. Имплантат Alpha AMS предназначен для людей, страдающих от пигментного ретинита, и работает с оптическими сигналами, поступающими непосредственно на сетчатку, без применения внешней камеры.

Это обеспечивает свободное движение глаз пациента, в то время как, например, больному с Argus II для того, чтобы посмотреть в сторону, нужно повернуть туда голову. Причем окружающие могут даже не заметить, что перед ними человек с бионическим зрением. Правда, для питания устройства требуется вживлять под кожу головы систему, подобную той, что используется при кохлеарной имплантации.

Технология, использованная в устройстве, обеспечивает глаз самым большим количеством электродов по сравнению с аналогичными устройствами.  Имплантат представляет собой чип 3х3 мм, содержащий 1600 фотодиодов (пикселей) с фоточувствительным элементом и парным электродом.

При попадании света, фотодиод преобразует фотоны в электрический сигнал, который усиливается и воздействует на биполярные клетки сетчатки. Яркость и контрастность изображения регулируется самим пациентом с помощью пульта на батарейках, 

Alpha AMS, к сожалению, не может восстановить зрение у пациента (наш глаз имеет примерно 100 миллионов «фоторецепторов-пикселей»), но может несколько повысить способность слабовидящего человека ориентироваться в пространстве и различать крупные контрастные предметы.

Стоимость:

В настоящее время такие устройства имплантируются только в Германии и стоимость устройства обычно возмещается в рамках медицинской страховки. Других данных о стоимости нет.

Достоинства устройства:

• 
  Относительно высокая разрешающая способность
  
• 
  Для получения изображения устройство использует оптический аппарат глаза
  
• 
  Обеспечивается возможности узнавать лица людей, очертания фигур, распознавать различные объекты
  
• 
  Простота устройства по сравнению с эпиретинальными системами
  
• 
  Более простая фиксация имплантата из-за ограниченности субретинального пространства и давления на устройство, которое создает пигментный эпителий
  

Недостатки:

• 
  Необходимость внешнего питания, закрепляемого под кожей на голове.
  
• 
  Во время испытаний были зафиксированы отказы устройства, требующие повторной операции
  
• 
  Отсутствие цветового зрения
  
• 
  Ограничение по размеру вследствие небольшого объема субретинального пространства
  
• 
  Возможность повреждения сетчатки из-за выделения тепла имплантатом
  

2.2.3 Cупрахориоидальный имплантат:

Bionic Vision (Bionic Vision, Австралия)

Еще один вариант бионического импланта, разработанный в Австралии, помещается между склерой и хориоидеей (сосудистая оболочка). Такой супрахориоидальный имплант, по мнению разработчиков, обеспечивает большую стабильность устройства, чем субретинальный или эпиретинальный.

Он, также, обеспечивает большую безопасность для пациента, поскольку операция имплантации более простая и менее инвазивная. Процедура не затрагивает тканей сетчатки и не требует удаления стекловидного тела из глаза, что снижает вероятность осложнений после операций.

Данный ретинальный протез может принести пользу людям с на столько же сохранной системой передачи информации от сетчатки до мозга, сколько и при использовании предыдущих устройств.

Бионический глаз состоит из небольшой цифровой камеры, закрепленной на очках, внешнего процессора и имплантата (микрочип и стимулирующие электроды). Передача информации на имплантат осуществляется беспроводным способом. На сегодняшний день разработаны три версии устройства: прототип с 44 электродами, вариант с широким полем зрения и 98 электродами, и самый продвинутый с 256 электродами. Размер самого современного имплантата - 5 х 5 мм.

В дальнейшем разработчики планируют испытать версию с 1024 электродами, которая представляет собой матрицу из четырех 256-электродных чипов. Это должно позволить пользователю различать лица и читать.

Система использует "умную" обработку сигнала, прежде чем отправлять ее на имплант. Она не просто повышает контрастность, а кодирует объекты в зависимости от того, что находится рядом сними, что позволяет пользователю легче избегать столкновений.

Бионический глаз конвертирует изображение в высококонтрастное представление, часть которого проходит дополнительную обработку.

Процессор затем преобразует изображение в параметры электростимуляции, направляемые в электроды. Пациент при этом получает "замыленное" изображение, составленное из световых вспышек.

Область зрения при этом небольшая - не более 30°, поэтому пациенту надо иметь хорошую память, чтобы "собирать" полную картину своего окружения.

Стоимость:

Цена устройства и стоимость операции по его имплантации пока не определены.

Достоинства устройства:

• 
  Обеспечивается лучший контроль стимуляции зрительного нерва по сравнению с фотодиодным вариантом за счет предварительной обработки зрительного сигнала
  
• 
  Более безопасная операция имплантации, по сравнению с субретинальным или эпиретинальным методом
  
• 
  Позволяет людям ориентироваться в окружающем пространстве
  

Недостатки:

• 
  Невысокая разрешающая способность
  
• 
  Использование внешнего вычислительного блока, создающего неудобство при ношении
  
• 
  Отсутствие цветового зрения
  
• 
  Необходимость относительно длительной тренировки, чтобы научиться распознавать окружение
  

2.2.3 Устройство, имплантируемое в мозг (кортикальный имплант)

Orion I (Second Sight, США)

Система Orion I Visual Cortial Prosthesis представляет собой еще одно устройство компании Second Sight и несколько отличается от него по своему принципу работы - оно не использует оптический нерв и всю систему зрения, а напрямую стимулирует зрительную кору головного мозга. Это позволит видеть даже людям, которые потеряли всю функциональность своих глаз.

В остальном это устройство представляет собой модифицированную версию Argus II, т.е. состоит из очков с камерой, внешнего процессора и имплантируемого чипа. Принцип работы устройства заключается в преобразовании изображений, полученных при помощи миниатюрной камеры, закрепленной на очках пациента, в серию электрических импульсов, которые беспроводным образом транслируются в электроды, имплантированные на поверхности зрительной коры головного мозга.

Такая система потенциально может восстановить зрение у ослепших людей путем обхода поврежденных сетчатки и зрительного нерва, и прямой стимуляции зрительной области коры головного мозга. Клинические испытания Orion I начаты в феврале 2018 года.

По мнению разработчиков, новое устройство может предоставить пациенту примерно такой же уровень зрения, как Argus II, или, возможно, несколько меньше. Т.е. пользователь сможет отличать свет от темноты и распознавать очертания предметов, но не будет различать цвета.  

Стоимость:

Стоимость устройства не определена, поскольку оно находится на стадии тестирования.

Достоинства устройства:

• 
  Устройство может помочь людям, страдающим потерей зрения по разным причинам
  
• 
  Обеспечивает возможность человеку видеть свет и ориентироваться
  
• 
  Возможно будет дешевле, чем Argus, так как может применяться у большего числа пациентов
  

Недостатки:

• 
  Риск появлением судорог в результате манипуляции на мозге
  
• 
  Не обеспечивает возможность различать цвета
  
• 
  Использование внешнего вычислительного блока, создающего неудобство при ношении
  

2.3. Кортикальные протезы:



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.

2.3.1. Виды кортикальных систем имплатации:


Интракортикальный зрительный протез (WFMA)

Американские ученые разработали технологию многоканальной внутрикортикальной стимуляции с помощью беспроводных массивов металлических микроэлектродов и создали беспроводную плавающую микроэлектродную решетку (WFMA).

Система протеза состоит из группы миниатюрных беспроводных имплантируемых решеток-стимуляторов, которые могут передавать информацию об изображении, снятом на встроенную в очки видеокамеру, непосредственно в мозг человека.

Каждая решетка получает питание и цифровые команды по беспроводной связи, так что никакие провода или разъемы не пересекают кожу головы.

Посылая команды в WFMA, изображения с камеры передаются непосредственно в мозг, создавая грубое предметное визуальное восприятие изображения. Хотя восприятие не будет похоже на нормальное зрение, с его помощью человек может вести самостоятельную деятельность. Система ICVP получила одобрение FDA для проведения клинических испытаний.

Кортикальный протез NESTOR

Голландские ученые также разработали схожую технологию системы протезирования. Принцип функционирования протеза такой же, как в проектах выше. Камера отправляет сигнал на имплант, который состоит из тысяч электродов и смарт-чипа. С помощью процессора зрительное восприятие можно контролировать и регулировать.

«Хотя полное восстановление зрения пока кажется невозможным, кортикальные системы создают по-настоящему значимые визуальные восприятия, при помощи которых слепые люди могут распознавать, локализировать и брать предметы, а также ориентироваться в незнакомой среде.

Результат — в существенном повышении уровня жизни слепых и слабовидящих. Такие вспомогательные устройства уже позволили тысячам глухих пациентов слышать звуки и приобретать языковые способности, и такая же надежда существует в области визуальной реабилитации», — обнадежил Андрей Демчинский.

2.3 Ограничения:

Конечная цель изобретения - охватить максимальное количество людей, поэтому все дело в стоимости бионического глаза, которая составляет примерно 30 000 долларов, когда многие люди не могут его заказать. Стоимость является основным фактором бионического глаза; будем надеяться, что стоимость снизится, и в ближайшие годы они станут более распространенными в медицинском мире.

Бионический глаз подходит не для всех слепых людей (например, при глаукоме); в основном он предназначен для людей с повреждением сетчатки из-за РП ... и т.д. Процент восстановления зрения недостаточно высок. К сожалению, видение, предлагаемое бионическим глазом, недостаточно четкое, чтобы получатели могли полагаться на него при навигации по миру, поскольку они генерируют размытые изображения и слишком медлительны, чтобы уловить быстрые движения.

В целом, зрение по-прежнему не соответствует естественному человеческому глазу. Исследователи надеются, что потенциальные бионические глазные имплантаты смогут обеспечить зрение с более высоким разрешением, но это сопряжено с присущими ему проблемами. Система Argus позволяет получателям указывать на разницу между формами, движением и светом.

Таким образом, мы познакомились с понятием бионика в офтальмологии, стоит ответить на довольно интересный вопрос: как же людям пришло в голову использовать технологии, в области зрения, ведь это довольно опасный процесс, предлагаю ознакомиться с историей создания бионических глазных протезов.

3. История создания:

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.

3.1 Люди участвующие в создании и развитии глазных протезов за рубежом:

3.1.2. Дэниел Паланкер

Дэниел Паланкер  из Стэнфордского университета  и его научная группа "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий"  разработали протез сетчатки глаза высокого разрешения (имплантант в сетчатку глаза) называемый «Бионическим глазом».

Разработки группы Паланкера:

• 
  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.
  

3.1.3. Дэвид Гамм

Дэвид Гамм - директор Глазного Исследовательского института при Университете Висконсин офтальмолог, всемирно известный специалист по выращиванию сетчатки из стволовых клеток человека. Искусственная сетчатка глаза человека заменит бионический глаз и восстановит нормальное цветное зрение у людей, потерявших зрение или находятся в состоянии деградации сетчатки зрительной системы.

3.1.4. Дж. И. Тассикер

Первый ретинальный имплант (имплант сетчатки) был запатентован австралийским ученым Дж. И. Тассикер в 1956 году. И хотя он не давал какогото полезного зрения, но показал, что можно искусственно вызывать зрительные сигналы. 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.

3.2. Развитие бионики в офтальмологии за рубежом в наши дни:

3.2.1 Разработка бионической сетчатки на основе гидрогелевых биопикселей:

 До настоящего времени в разработке протезных ретинальных систем исследователи использовали только твердые ригидные материалы. В своем новом исследовании Vanessa Restrepo-Schild с соавт. продемонстрировали возможность применения гибких биологических синтетических конструкций, имитирующих ткани человеческого тела и обладающих высокой адаптивностью, что может стать новой эволюционной ступенью в развитии бионических имплантов.

Команда исследователей разработала двуслойную синтетическую сетчатку, которая точно имитирует работу фоторецепторов. Бионическая сетчатка состоит из гидрогелевых кубов (биопикселей), выполняющих роль каркаса для массива липидных капель и среды для переноса ионов (рис.). Каждая капля сопряжена с гидрогелем посредством билипидного слоя, в который интегрированы белки бактериородопсины, и работает подобно пикселям фотокамеры, поглощая фотоны и реагируя на них.

Из освещенных капель протоны перекачиваются в гидрогель, генерируя при этом электрический ток, который далее аппаратно усиливается, стимулирует нейроны сетчатки и в совокупности формирует изображение в градациях серого. Клеточная культура создается из натуральных биоразлагаемых материалов и не содержит инородных для человеческого организма частиц или живых микроорганизмов, за счет чего имплант менее агрессивен, чем механическое устройство, что снижает риск развития воспаления, рубцевания или просто механического разрушения ткани сетчатой оболочки глаза.

На данный момент разработка прошла испытания только в лабораторных условиях, и исследователи надеются, что в ближайшее время работа продолжится на животных моделях. Кроме того, разработчики планируют расширить функциональные возможности своей бионической сетчатки, добавив возможность имитации цветового зрения.

3.2.2. Ученые создали искусственный электрохимический глаз, способный различать буквы. Почему это важно?

В научной фантастике часто встречаются роботы с глазами, которые устроены так же, как человеческий глаз, или бионические протезы, которые позволяют восстановить зрение людям с врожденной или приобретенной слепотой.

В реальной жизни реализовать эту концепцию до сих пор не удавалось. Ученые предприняли множество попыток по разработке таких устройств, но изготовление сферической формы человеческого глаза — особенно полусферической сетчатки — является огромной проблемой, которая серьезно ограничивает функцию искусственных и бионических глаз.

Человеческий глаз работает следующим образом: свет, падающий на него, проходит через систему линз и попадает на рецепторы в сетчатке, которые преобразуют его в нейронные сигналы, они затем передаются в мозг.

Сохранение сферической формы крайне важно при создании искусственного глаза: она обладает широким углом обзора в 150–160 градусов и лучшей способностью к фокусировке, чем иные формы.

Кроме того, человеческий глаз с его полусферической сетчаткой имеет более оригинальную оптическую компоновку, чем, скажем, сенсоры плоских изображений в камерах: форма купола сетчатки естественным образом уменьшает распространение света, прошедшего через линзу, заостряя фокус.

3.2.2.1. Что именно создали ученые?

В основе искусственного электрохимического глаза лежит массив фотопреобразователей из перовскита, материала, который используется при производстве солнечных батарей. В устройстве он играет роль сетчатки, полусфера которой изготовлена из пористого оксида алюминия. Фотодатчики из перовскита формировались непосредственно внутри этих пор.

Тонкие гибкие провода, изготовленные из жидкого металла (эвтектического галлий-индийского сплава), запечатанные в мягкие резиновые трубки, передают сигналы от фотодатчиков нанопроволоки на внешние схемы для обработки сигналов. Эти провода имитируют нервные волокна, которые соединяют человеческий глаз с мозгом.

Искусственная сетчатка удерживается на месте креплением из силиконового полимера — это позволяет обеспечить правильное выравнивание между проводами и нанопроволокой.

Объектив в сочетании с искусственной радужкой расположен на передней части устройства, как и в человеческом глазе. Сетчатка сзади объединяется с полусферической оболочкой спереди, образуя сферическую камеру, аналог «глазного яблока».

Камера внутри глаза заполнена ионной жидкостью, которая имитирует стекловидное тело — гель, который заполняет пространство между линзой и сетчаткой в ​​человеческом глазу. Общее структурное сходство между искусственным глазом и человеческим устройству придает широкое поле зрения — около 100°. Это сопоставимо примерно с 130° вертикального поля зрения статического человеческого глаза.

3.2.2.2. В чем важность работы?

В первую очередь в эффективности работы искусственного глаза.

Например, искусственная сетчатка может обнаруживать большой диапазон интенсивности света, от 0,3 микроватт до 50 милливатт на квадратный сантиметр.

При самой низкой измеренной интенсивности каждая нанопроволока в искусственной сетчатке обнаруживает в среднем 86 фотонов в секунду, что соответствует чувствительности фоторецепторов в сетчатке человека.

Кроме того, когда массив нанопроволок стимулируется регулярными, быстрыми импульсами света, он может генерировать ток в ответ на импульс всего за 19,2 миллисекунд, а затем тратит всего 23,9 миллисекунды для восстановления.

Время отклика и восстановления являются важными параметрами, поскольку в конечном итоге они определяют, насколько быстро искусственный глаз может реагировать на световой сигнал. Для сравнения, время реакции и восстановления фоторецепторов в сетчатке человека колеблется от 40 до 150 миллисекунд.

То есть искусственный глаз реагирует на изменение освещения быстрее.

Возможно, самым впечатляющим является относительно высокое разрешение изображения, полученного с помощью искусственной сетчатки — около 100 пикселей. Хотя у человеческого глаза около 100 рецепторов, их плотность ниже, чем в искусственном глазе (4,6 × 10 в 8 степени кв. см и 10 в 7 степени кв. см соответственно).

3.2.2.3. Что уже умеет глаз и для чего будет использоваться?

В ходе испытаний искусственный глаз смог распознать буквы I, У, А и Е, а также некоторые символы. В будущем технология может быть использована как при создании гуманоидных роботов, так и для разработки улучшенных протезов зрения. Однако до этого исследователям еще предстоит много работы.

Во-первых, массив фотодатчиков в настоящее время составляет всего 10 × 10 пикселей с промежутками между пикселями примерно 200 мкм. Это означает, что область обнаружения света имеет ширину всего около 2 мм — намного меньше, чем в глазу человека.

Кроме того, процесс изготовления искусственного глаза включает в себя несколько дорогостоящих и низкопроизводительных этапов — например, травление сфокусированным ионным пучком, который используется для подготовки каждой поры к формированию нанопроволоки.

Во-вторых, чтобы улучшить разрешение и масштаб сетчатки, исследователям необходимо уменьшить размер жидкометаллических проводов. Пока существующие методы не позволяют сделать этого. В-третьих, необходимы дополнительные испытания для установления срока службы искусственной сетчатки.

Тем не менее, исследователи рассчитывают, что электрохимический искусственный глаз будет широко использоваться через 10 лет.

3.3. Люди участвующие в создании и развитии глазных протезов в России:

3.3.1. Андрей Демчинский, офтальмолог, руководитель медицинских проектов в АНО «Лаборатория "Сенсор-Тех", ведущий разделов в журнале "Новое в офтальмологии"

В 2017 году наша лаборатория совместно с Благотворительным фондом поддержки слепоглухих "Со-единение" и при поддержке Фонда "Искусство, наука и спорт" впервые в России установили "бионический глаз", как любят писать в СМИ (всего в России было проведено только 2 таких операции — прим. "Футуриста").

Вообще называть так Argus II некорректно, так как бионический имплантат внутри глаза не работает без внешних устройств: очков с камерой и видеопроцессора (коробочки на поясе). Камера получает картинку, в видеопроцессоре она усредняется до 60 точек (условно — пикселей), и по беспроводной связи изображение отправляется в электронный бандаж вокруг глаза.

От него отходит миниатюрный кабель до центральной зоны сетчатки, где располагается решетка с электродами. Их, как и "пикселей", 60.

3.3.2. Христо Тахчиди

Впрочем, в начале даже Христо Тахчиди, выдающийся офтальмолог страны, ученик и преемник известного глазного микрохирурга Святослава Федорова, не сразу воспринял идею о бионическом глазе серьезно, прочитав о нем несколько лет назад в журнале.

"Изложение было непрофессиональным, неглубоким. Я посмотрел, и это не вызвало во мне какой-то уверенности, — вспоминает Христо Периклович. — Показалось, что это из разряда тех идей, которые вспыхивают и гаснут".



Второй раз с бионическим глазом профессор столкнулся в 2015 году, уже когда трудился директором Научно-исследовательского центра офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н.И. Пирогова, руководителем научно-клинического отдела офтальмологии, когда получил приглашение от представителей компании-производителя бионического глаза Second Sight Medical на научную конференцию.

Первое подобное устройство, призванное вернуть зрение невидящим, разрабатывалось в Германии в конце ХХ века. Однако до клинической части дело тогда не дошло. А примененный на практике протез сетчатки Argus был изобретен американцем Марком Хумаюном.

"Съездив туда, пообщавшись с инженерами, которые создавали это устройство, я понял самую главную мысль: с помощью бионического глаза информация передается в мозг, и мозг эту искусственную информацию от микрокамеры воспринимает и реагирует на нее, — говорит врач. — Это самый главный вопрос в этой истории".

После этого на базе Научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА России, где располагается НИЦ офтальмологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова, и началась подготовка к уникальной операции. "За это время центр тестировали, приезжали в клинику, смотрели оборудование, — рассказывает профессор Тахчиди. — Это штучная операция, поэтому фирма дает добро только высококлассным клиникам. Сейчас в мире такие операции осуществляются в считанных клиниках и странах".

3.4. Развитие бионики в офтальмологии в России в наши дни:

3.4.1. Слова Ильи Чеха о Бионике в России:

В России бионика пока развита хуже, чем за рубежом. Серьезно сказывается недостаток финансирования и отсутствие рынка — никто вам не даст кредит на развитие бионического бизнеса. Пока активно работает только система грантов и венчурного инвестирования.

В научной сфере дела обстоят чуть лучше — есть команды, разрабатывающие инвазивные электроды, но на системном уровне это не поддерживается. Нужные институты у нас есть, но нет госзаказа на развитие бионики. Пока это история не про бизнес, хотя некоторые условия для него в России гораздо лучше — например, в стоимость рабочей силы значительно ниже, чем за рубежом, а разработать и вывести на рынок протез гораздо проще.

Нет сложной и дорогостоящей системы документации и сертификации. На патенты в России в принципе не обращают серьезного внимания.Нужные институты у нас есть, но нет госзаказа на развитие бионики. Пока это история не про бизнес, хотя некоторые условия для него в России гораздо лучше

Именно поэтому отдельные фокусные направления все же развиваются, и довольно быстро. По крайней мере, наше. Мы каждые несколько месяцев создаем новую модификацию протеза, к концу года выпустим детские высокофункциональные бионические протезы с индивидуальной подвижностью каждого пальца — для международного рынка вещь достаточно уникальная.

Направление активно подхватывают в мире, так как все понимают, что бионика — это будущее медицины. И нужно успеть занять нишу на этом рынке.

4. Вывод:

Визуальное нейропротезирование – перспективная технология, позволяющая слепым снова видеть. Различные уровни локализации нейропротеза позволяют использовать его при различных патологиях. Тем не менее визуальное нейропротезирование нуждается в дальнейшем изучении и совершенствовании устройств

5. Ссылки:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Бионика ру

https://wika.tutoronline.ru/biologiya-prirodovedenie/class/11/chto-nuzhno-znat-o-bionike--osnovnye-svedeniya ру

https://looktosee.ru/deseases/bionicheskie-implantaty ру

https://circuitdigest.com/article/bionic-eye анг

https://trends.rbc.ru/trends/industry/5f3550d79a7947722174e839 ру

https://www.researchgate.net/publication/350447675_Bionic_Eye_An_Iconic_Innovation анг

https://zd2000.ru/zabolevaniya/iskusstvennyj-bionicheskij-glaz-zritelnaya-sistema-budushhego.html ру

https://tass.ru/obschestvo/4904913 ру