Принцип действия
Бионический глаз состоит из полимерной матрицы, снабжённой фотодиодами. Она фиксирует даже слабые электрические импульсы и транслирует их нервным клеткам. То есть сигналы преобразуются в электрическую форму и воздействуют на нейроны, которые сохранились в сетчатке. У полимерной матрицы есть альтернативы: инфракрасный датчик, видеокамера, особые очки. Перечисленные устройства могут восстановить функцию периферийного и центрального зрения.
Встроенная в очки видеокамера записывает картинку и отправляет её в процессор-конвертор. А тот, в свою очередь, преобразует сигнал и отсылает его ресиверу и фотосенсору, который вживлён в сетчатку глаза больного. И только потом электрические импульсы передаются в мозг пациента через оптический нерв.
Бионический глаз и великая тайна зрения
Автор:
Резник Ирина
7 минут
В России впервые прошла операция по имплантации бионической сетчатки, и скоро потерявший 25 лет назад зрение человек сможет снова увидеть мир. Хотя и не так, как здоровые люди. Возглавлявший хирургическую бригаду директор НИЦ офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова, созданного на базе ФНИЦ оториноларингологии ФМБА, профессор Христо Тахчиди рассказал «Медновостям», как работает бионический глаз, когда он станет доступен тысячам других пациентов, в чем важность этого эксперимента для науки, и что нужно для успеха любого научно-клинического проекта.
Христо Тахчиди. Фото: Ирина Резник
Христо Периклович, прошла неделя после операции, можно уже делать какие-то выводы?
— Пока еще рано.Сейчас вся электроника отключена, идет классический послеоперационный период: закрываются и рубцуются раны, адаптируются ткани, налаживается глазной тонус, циркуляция внутриглазной жидкости.А мы следим за этими процессами, успокаиваем глаз, приводя его к норме, и дожидаемся окончания биологического ответа на имплантацию посторонних материалов. Все эти материалы небиологические (то есть, об иммунологической реакции на чужеродный белок речь не идет), они практически полностью инертны и принимаются человеческим организмом.
Что это вообще такое — бионический глаз?
— Это электронная система, призванная выполнять функцию глаза.Она позволяет установить связь с мозгом через электронику и воссоздать, таким образом нарушенную заболеванием сетчатки естественную цепочку. Внешняя часть конструкции — это очки с антенной и микрокамерой, которая захватывает изображение и передает его в преобразователь, который крепится у человека сбоку на ремне. Здесь картинка трансформируется в электрические микроимпульсы, которые дальше поступают уже на сетчатку и стимулируют ее оставшиеся функциональные нейроны, после чего изображение поступает в мозг.
Внутренняя часть — собственно сам бионический глаз — также состоит из нескольких элементов. Один из них — электронный чип с 60 электродами — имплантируется внутрь глаза, а другие — крепятся к глазному яблоку на его поверхности. Но и их мы тоже погрузили немного глубже, чтобы они не мешали и не было видны. Мы впервые работали с электроникой, приходилось проверять ее на каждом этапе операции, в ходе которой имплантат мог повредиться. Запускаться электроника будет спустя две недели после операции, где-то после 19 июля. К этому времени глазные ткани должны будут естественным образом восстановиться. И тогда уже будем смотреть, отвечает ли сетчатка на электрический стимул, и есть ли связь с мозгом.
А что увидит ваш пациент?
— Эти системы дают возможность видеть абстрактное черно-белое изображение в виде определенных конфигураций световых фигур. Этонапоминает пиксельную картинку, пока, правда, с очень слабым разрешением. Но это дает человеку социальную реабилитацию, ему будет значительно легче ориентироваться в пространстве. Пройдя обучение по специальной программе, он будет знать, что означают поступающие к нему на сетчатку, а затем в мозг световые фигуры — дверь, окно или тарелку. Со временем аппарат конечно, будет совершенствоваться и давать картину, более близкую к той, что передает естественное зрение.
Такая конструкция может помочь любому ослепшему человеку? Каковы вообще критерии, по которым отбираются пациенты?
— Критерии достаточно специфичные. Во-первых, у пациента обязательно должен быть пигментный ретинит (дегенерация сетчатки). Это такое классическое заболевание, которое поражает периферию сетчатки, постепенно сужая поле зрения, пока, в конечном итоге, это окошко не закрывается совсем. Это заболевание с определенной наследственной компонентой, которое развивается по своему биологическому сценарию, который, к сожалению, пока нами не управляем, хотя уже и найден ответственный за его развитие ген. Процесс идет десятилетия, поражаются, преимущественно, мальчики, которые слепнут в 30-35 лет.
Но, хотя у человека отсутствует предметное зрение, это не абсолютная слепота, когда вообще нет ощущения света. И эта грань — второе условие для имплантации, у человека должно сохраняться светоощущение с неправильной проекцией. То есть, он не видит, откуда идет свет, но понятия света и тьмы для него существуют. Помимо этого, есть требования к общему состоянию здоровью, учитываются хронические заболевания того же глаза.
Нашему пациенту 59 лет, и он не видит уже более 25 лет. Он из Челябинска, в молодости успел получить профессию, работал фрезеровщиком. На сегодняшний день у него также серьезно снижен слух (до сих пор среди тех, кому имплантировался бионический глаз, не было слабослышащих пациентов), и общаться ему помогает слуховой аппарат. Он оптимист, настроенный на успех, и это очень помогает в нашем общем деле.
Бионический глаз Argus II. Фото: Second Sight
Каким требованиям должна отвечать клиника, способная провести имплантацию?
— Их очень много. Клиника должна иметь самое современное оборудование и высококвалифицированных специалистов, владеющих самыми передовыми технологиями, только тогда вообще рассматривается вопрос участия в программе. Проводится годовое тестирование по оценке аппаратуры, оборудования, расходников. Обучаются и тестируются специалисты, и через какое-то время единицам дают добро. Наш Центр, созданный в 2015 году на базе Федерального научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА России, прошел этот отбор.
Он нужен еще и потому, что сейчас мы находимся в самом начале работы в этом направлении. Проект проходит стадию клинической апробации.Небольшой мировой опыт насчитывает около 300 подобных операций, проведенных за десять лет существования технологии. А если говорить об этой, более совершенной модели — бионическом имплантате «Аргус-II» — то всего несколько десятков операций. Поэтому следует полностью исключить человеческий фактор и быть уверенным, что тестируется исключительно сама система — как она работает, что в ней позитивного или негативного, что следует улучшать, какой должна быть следующая модификация.
Кому принадлежит авторство методики?
— Инженерная часть — дело разработчика системы. Это американская — один из крупных производителей кохлеарных слуховых имплантатов. Концептуально здесь идея та же — кохлеарные имплантаты по конструкции похожи на эту систему. Электроды вводятся во внутреннее ухо для контакта со слуховым нервом, который раздражают поступающие из преобразователя микроэлектрические импульсы. Когда опыт работы с кохлеарными имплантатами показал их эффективность, у компании появилась идея сделать подобное в офтальмологии. Но с сетчаткой, конечно, работать на несколько порядков сложнее, чем со слуховым нервом — это совершенно разные системы.
Что касается хирургии, то офтальмологическая технология была разработана нашими зарубежными коллегами, которые стали в этом деле первопроходцами. Мы сейчас включились в этот научно-клинический процесс, используя эту технологию, отмечаем какие-то нюансы, которые можно изменить, сделать, на наш взгляд, лучше. Человеческая мысль всегда ищет ответ на вопрос: как добиться максимальной эффективности, и сделать это технически более просто. Сейчас мы собрали эту конструкцию, и уже стало понятно, что, если ее сделать в два раза меньше, она будет легче имплантироваться, будет удобней манипулировать с ней.
Если же смотреть на эту историю с научной точки зрения, то сделан маленький шаг на пути к познанию того, каким образом функционирует наша зрительная система. Сегодня мы чуть больше знаем глаз, меньше — сетчатку, еще меньше — зрительный нерв, проводящие пути работы коркового анализатора. Существуют, конечно, определенные гипотезы, но как это происходит на самом деле, еще предстоит расшифровать. Связь между мозгом пациента, которому имплантирована бионическая сетчатка и картинкой будет происходить через электронную систему, которая создана человеком, понимающим, как она работает. И, благодаря этому, появляется элемент кода для расшифровки великой тайны природы под названием зрение.
Вы уже начали готовиться к следующей такой операции? Она вообще планируется?
— Да, планируется на осень.
И такие операции можно будет поставить на поток? Сколько вообще россиян нуждаются в имплантации бионической сетчатки?
— Заболеваемость такой патологией примерно один человек на 4-5 тысяч. То есть, около 40-50 тысяч на всю Россию. И, значит, в ближайшие годы в подобной операции будет нуждаться несколько тысяч человек. Сама система «Argus II» стоит около 10 миллионов рублей, и сейчас ее оплату взяли на себя несколько благотворительных фондов. («Со-единение», «Искусство, наука и спорт»). Но в принципе, все возможно, если поставить такую задачу. В свое время была поставлена задача — внедрить микрохирургические технологии и обеспечить население имплантацией искусственного хрусталика.
И поначалу это тоже представлялось фантастикой.
— В марте 1986 года была создана такая правительственная программа МНТК «Микрохирургии глаза», возглавил которую академик Святослав Николаевич Федоров. Я был в этом проекте с первого дня. А одним из крестных отцов этой программы стал премьер-министр Николай Иванович Рыжков, благодаря его содействию в течение трех лет мы построили 12 центров по всей стране. Строительство каждой клиники обошлось в 9-10 миллионов тех рублей, и еще около 1,5 миллионов валюты пошло на оборудование — вот цена вопроса. Для Советского Союза это были вообще копейки. Они сейчас благополучно функционируют и обеспечивают потребности всей страны и, более того — еще и обучили этой технологии остальных врачей. И уже в 2010 году Минздрав рапортовал о том, что больше 95% операций в стране выполняются микрохирургическими методами. То есть, задача, которую нам в свое время поставило правительство Союза, была полностью выполнена.
То есть, за 20-25 лет проблема была решена в национальном масштабе.
— Да, причем решена так, что мы вышли на самый высокий уровень в мировой офтальмологии. К нам начали приезжать пациенты из развитых стран. В мою бытность генеральным директором МНТК «МГ» мы оперировали до пяти тысяч иностранцев — немцев, итальянцев, жителей богатых стран Персидского залива. А в 2009 году мы отпраздновали пятимиллионную операцию. Система ежегодно обследовала миллион пациентов. И это был не предел, в отдельных филиалах, где были отработаны отношения с региональными органами здравоохранения, своевременно направлявшими сюда больных, показатели были вдвое больше.
Что для этого было нужно? Люди. Прежде всего, лидер, способный собрать вокруг себя таких же энтузиастов, молодых заряженных ребят, немного денег и очень много желания. А главное было — не мешать, проекту развиваться.Мы смогли понять все плюсы и минусы существовавших в мире технологий, усовершенствовать их и за счет этого вывести отечественную офтальмологию на мировой уровень.
Так что, у меня есть богатый практический опыт внедрения в советскую и российскую офтальмологию технологий, которых ранее просто не существовало, а также опыт постоянного усовершенствования внедренных методик. И это стало еще одним серьезным конкурентным преимуществом, которое повлияло на выбор нашей клиники НИЦ офтальмологии РНИМУ для проведения первой имплантации бионического глаза.
Специфика восприятия изображения
За годы исследований бионический глаз претерпел множество изменений и доработок. В ранних моделях картинка передавалась с видеокамеры сразу в глаз пациента. Сигнал фиксировался на матрице фотодатчика и поступал по нервным клеткам в мозг. Но в этом процессе был один недостаток – разность в восприятии изображения камерой и глазным яблоком. То есть они работали не синхронно.
Другой подход состоял в следующем: вначале видеоинформация отправлялась в компьютер, который преобразовывал видимое изображение в инфракрасные импульсы. Они отражались от стёкол очков и попадали через хрусталик в глазную сетчатку на фотосенсоры. Естественно, пациент не может видеть ИК-лучи. Но их воздействие аналогично процессу получения изображения. Иными словами, перед человеком с бионическими глазами формируется доступное для восприятия пространство. А происходит это так: картинка, полученная от действующих фоторецепторов глаза, накладывается на изображение от камеры и проецируется на сетчатку.
Создан протез сетчатки глаза, не требующий источника питания
Группа ученых под руководством Джеймса Лаудина (James Loudin) из Стэнфордского университета (США) разработала новый тип электронной сетчатки глаза, пригодной для получения изображения высокой четкости и не требующей внешнего источника питания — основного препятствия на пути развития подобных технологий.
«Наше изобретение работает примерно так же, как солнечные батареи на крыше дома, преобразуя свет в электрические импульсы. Однако в нашем случае электричество питает не «холодильник», а направляется в сетчатку в качестве сигнала», — пояснил один из участников группы Дэниел Паланкер (Daniel Palanker).
Искусственная сетчатка глаза Лаудина и его коллег представляет собой набор из множества микроскопических единичных кремниевых пластинок, объединяющих в себе светочувствительный элемент, генератор электричества, а также некоторые другие элементы. Для работы этой сетчатки необходимы специальные очки со встроенной видеокамерой и карманный компьютер, обрабатывающий изображение.
Данное устройство работает следующим образом: камера в очках непрерывно преобразует свет в порции электронных импульсов. Каждый «кадр» обрабатывается на компьютере, делится на две половинки — для правого и левого глаза и передается в инфракрасные излучатели на обратной стороне линз очков. Очки испускают короткие импульсы инфракрасного излучения, которое активирует фотодатчики на сетчатке глаза и заставляет их передавать электрические импульсы, кодирующие картинку, в оптические нейроны.
«Современные имплантаты очень громоздкие, и операции по вставке всех необходимых компонентов в глаз невероятно сложны. В нашем случае хирург должен сделать лишь один небольшой надрез на сетчатке и погрузить под нее фоточувствительный компонент устройства», — продолжил Паланкер.
Инфракрасное прозрение
По словам ученых, использование инфракрасного света для передачи информации обладает двумя ключевыми преимуществами. Во-первых, он позволяет наращивать мощность импульса до очень высоких значений, не вызывая боль в живых клетках сетчатки, так как светочувствительные клетки не реагируют на инфракрасное излучение. Во-вторых, высокая мощность излучения улучшает четкость изображения в тех случаях, когда нейроны под сетчаткой сильно повреждены или слабо реагируют на электрические импульсы.
Ученые проверили работу своего изобретения на сетчатках глаза и нервной ткани, взятых у зрячих и у слепых крыс. В этом эксперименте они прикрепляли фотоэлементы к небольшим кусочкам сетчатки, подключали электроды к прилегающим к ней нейронам и следили, начинают ли они испускать импульсы при облучении видимым и инфракрасным светом.
Как утверждают Лаудин и его коллеги, проверка электронной сетчатки завершилась удачно — нейроны, подключенные к кусочкам сетчатки и зрячих, и слепых крыс, реагировали на облучение фотоэлементов инфракрасным излучением.
В дальнейшем, исследователи планируют продолжить опыты на живых грызунах, а в перспективе они попытаются вернуть зрение нескольким добровольцам после получения соответствующих разрешений и увеличения финансирования.
Новые стандарты
С каждым годом биомедицинские технологии развиваются семимильными шагами. В данный момент собираются внедрять новый стандарт для системы искусственного зрения. Это матрица, каждая сторона которой будет содержать по 500 фотоэлементов (9 лет назад их было всего 16). Хотя, если провести аналогию с человеческим глазом, содержащим 120 млн палочек и 7 млн колбочек, то становится понятен потенциал дальнейшего роста. Стоит отметить, что информация передаётся в головной мозг через миллионы нервных окончаний, а потом их уже самостоятельно обрабатывает сетчатка.
Виды операций
Их выделяют, опираясь на части глазного яблока, которые пересаживают. Поэтому существует такая классификация трансплантаций:
Для замены используют как донорскую, так и искусственную роговицу.
- Пересадка роговицы. Эта операция является простой, поскольку трансплантируются поверхностные структуры, без проникновения в глубокие слои органа.
- Имплантация сетчатки глаза. Это более сложный вариант оперативного вмешательства. Нервные клетки — палочки и колбочки, способны разрушаться при малейшем механическом или химическом воздействии.
- Замена хрусталика. Эта естественная линза не имеет антигенных факторов, на которые бы отреагировала иммунная система человека. Поэтому новый хрусталик хорошо приживается.
- Трансплантация биопротеза. В качестве последнего выступает искусственный глаз, представляющий собой скопление электродов, вместо сетчатки имплантируемых в глазное дно. От них к специальным очкам отходят преобразователи сигнала.
- Пересадка имитатора. Под ним подразумевается искусственное глазное яблоко, которое не выполняет зрительных функций, а только замещает удаленный орган в эстетических целях.
- Замена радужки. Она выполняется при аниридии — полном поражении или отсутствии радужной оболочки.
Argus II
Этот бионический глаз был разработан и сделан в США . 130 пациентов с заболеванием пигментный ретинит воспользовались его возможностями. Argus II состоит из двух частей: встроенной в очки мини-видеокамеры и имплантата. Все объекты окружающего мира фиксируются на камеру и передаются в имплантат через процессор по беспроводной связи. Ну а имплантат с помощью электродов активирует имеющиеся у больного клетки сетчатки, отправляя информацию прямиком в зрительный нерв.
Пользователи бионического глаза уже через неделю чётко различают горизонтальные и вертикальные линии. В дальнейшем качество зрения через это устройство только возрастает. Argus II стоит 150 тысяч фунтов стерлингов. Однако исследования не прекращаются, так как разработчики получают различные денежные гранты. Естественно, искусственные глаза ещё довольно несовершенны. Но учёные делают всё, чтобы качество передаваемой картинки улучшилось.
Глаз терминатора: к искусственному хрусталику прибавилась искусственная сетчатка
: 30.12.2019
С годами наш организм не молодеет, включая органы зрения. Одна из самых частых причин слепоты у людей старше 55 лет – возрастная макулодистрофия, необратимое заболевание сетчатки, от которой сегодня в мире страдают десятки миллионов людей. Сегодня ученые исследуют эффективность терапии этой патологии с помощью нового протеза – искусственной сетчатки
Если у вас перед глазами все время маячит мутное пятно, затрудняющее узнавание лиц и мешающее чтению, а линии, которые должны быть прямыми, неожиданно искажаются, – высок шанс, что речь идет о начальной стадии возрастной макулодистрофии
(ВМД), при которой повреждается центральная область сетчатки (
макулы
, или
желтого пятна
).
В макуле преимущественно располагаются светочувствительные нейроны (колбочки
), отвечающие за цветное и центральное зрение. Именно эта область глаза, обрабатывая большую часть поступающей зрительной информации, обеспечивает нам хорошее зрение, необходимое для сложной деятельности, такой как чтение или вождение автомобиля.
Для лечения этого прогрессирующего заболевания используются современные фармпрепараты (например, «Луцентис»), которые вводятся непосредственно в стекловидное тело глаза. А не так давно появилась технологическая новинка – искусственная сетчатка
, которая имплантируется непосредственно в макулу. Она представляет собой устройство из крошечных электродов, которые проводят электрическую стимуляцию еще сохранившихся клеток сетчатки и посылают сигнал в мозг.
В результате мозгу приходится обрабатывать сигналы как от искусственного имплантата, так и от собственных нейронов сетчатки, в первую очередь периферической
, где расположен другой тип фоторецепторных нейронов –
палочки
, обеспечивающие периферическое и ночное зрение. Известно, что слуховая кора успешно интегрирует информацию от слуховых имплантатов и «родного» слухового органа. Но как справляется с этой задачей зрительная кора?
Исследователи из США и Израиля имплантировали в мозг крыс с протезом сетчатки электроды, с помощью которых они выборочно стимулировали естественное или «искусственное» зрение в разных сочетаниях. Оказалось, что мозг вполне корректно объединяет сигналы, полученные из разных источников, сохраняя необходимый уровень обработки информации. Результаты этой работы не только подтвердили целесообразность нового вида терапии ВМД, но и будут полезны для разработок интерфейсов мозг-компьютер.
Фото: https://www.pxfuel.com и https://www.flickr.com
: 30.12.2019
Бионический глаз в России
Первым пациентом, которому в нашей стране вживили устройство, стал 59-летний челябинец Александр Ульянов. Операция шла на протяжении 6 часов в Научно-клиническом центре оториноларингологии ФМБА. За периодом реабилитации пациента следили лучшие офтальмологи страны. На протяжении этого времени в установленный Ульянову чип регулярно пускали электрические импульсы и отслеживали реакцию. Александр показывал отличные результаты.
Конечно, он не различает цветов и не воспринимает многочисленные объекты, доступные здоровому глазу. Окружающий мир Ульянов видит размыто и в чёрно-белом цвете. Но и этого ему достаточно для абсолютного счастья. Ведь последние 20 лет мужчина вообще был слепым. А сейчас его жизнь полностью изменил установленный бионический глаз. Стоимость операции в России составляет 150 тыс. рублей. Ну и плюс цена самого глаза, которая была указана выше. Пока устройство выпускают только в Америке, но со временем в России должны появиться аналоги.
Как видит человек с бионическим глазом
Люди с имплантатами видят предметы и даже различают цвета. Современные устройства позволяют определить до 8 разных оттенков. При электрической стимуляции человек видит небольшие пятна света. Через чувствительные волокна проходит несколько биоэлектрических импульсов. Возникает явление под названием фосфен. Человек воспринимает световые лучи без видимого света, естественным образом проходящего через глаз. Это напоминает цвета, которые способны различать люди, когда закрывают глаза.
Бионический глаз работает с фосфенами и отображает сцены из окружающего мира, поэтому бионическое зрение отличается от естественного. Перед глазами появляются мигающие пятна и фигуры, которые изучаются пациентами для интерпретации новой окружающей среды, похожей на мигающую мозаику.
Сегодня бионические глаза позволяют определять расположение объектов, различать человеческие силуэты и дверные проемы.
Установка искусственного глаза
Имплантация глазного яблока производится в офтальмологических клиниках, оснащенных специализированным оборудованием. Оперативные вмешательства включают микрохирургическое удаление пораженных структур собственного органа зрения и пересадку биологических или искусственных имплантатов. Операции производятся под местной или общей анестезией. Они включают несколько этапов, которые требуется выполнять последовательно и скрупулезно, чтобы избежать осложнений. В послеоперационный период пациенту проводится иммуносупрессивная терапия с целью уменьшения реакции отторжения. Реабилитационный период занимает от нескольких месяцев до года.
Производители имплантатов
Имплант делают индивидуально для каждого пациента.
Искусственные глазные яблоки и отдельные их структуры изготавливаются индивидуально для каждого пациента с учетом его пожеланий и характеристик орбиты. За границей существует множество частных компаний, производящих подобные имплантаты. В России же, к примеру, иридо-хрусталиковая радужка изготавливается индивидуально, после внесения определенной суммы в качестве предоплаты за работу. Передовыми производителями протезов, имитирующих зрительные функции, являются Израиль и Швеция. А бионические глаза изготовляют Франция, Германия и Соединенные Штаты Америки.
