Механизм работы
Бионический глаз изготовлен из полимерной матрицы, укомплектован фотодиодом. Чувствительный элемент улавливает малейшие электрические импульсы и передает их нервным клеткам. Сигналы превращаются в биоэлектрическую форму и взаимодействуют с нервными тканями в сетчатке.
Устройства, альтернативные полимерным матрицам:
- инфракрасные сенсоры;
- видеокамеры;
- специальные очки.
Эти элементы возобновляют работу периферического и центрального зрения. Видеокамера записывает изображение и переносит цифровые данные в конвертер. Сигналы преобразуются и отправляются на фотосенсор, встроенный в сетчатку пациента. Потом биоэлектрические импульсы в сетчатке естественным путем переносятся в нервную систему.
Как работает бионический глаз
Бионический глаз представлен полимерной матрицей, в которой имеются светодиоды. Она может фиксировать даже слабые электрические импульсы, а затем передавать их на нервные окончания. Сигналы, которые преобразуются в электрическую форму, активизируют сохранившиеся нейроны сетчатки и оптического нерва. Помимо полимерной матрицы, можно использовать альтернативные устройства (инфракрасный датчик, специальные очки или видеокамеру). Все эти аппараты могут активизировать работу центрального и периферического зрения.
Видеокамера, которая встраивается в очки, записывает картинку, а полученные данные отправляет в конвертор. Здесь сигнал преобразуется и попадает на фотосенсор, который вживлен в сетчатку глазного яблока. Отсюда электрические импульсы уже проникают в зрительные центры мозга человека через волокна оптического нерва.
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.
История применения бионического глаза
У пациенты из Калифорнии был диагностирован пигментный ретинит в молодом возрасте. Через 30 лет после этого она ослепла на один глаз. второй глаз был способен в небольшой степени реагировать на свет. В 2004 году ей был установлен бионический глаз, состоящий из матрицы с 16 электродами. После этого пациентка получила возможность видеть крупные объекты, очертания людей, освещение. После этого бионический глаз стали имплантировать и другим людям старше 50 лет.
В одном исследовании бионический глаз был вживлен 33 пациентам с дистрофией сетчатки. В результате они смогли различать контуры предметов в комнате, а некоторые стали определять графические символы. Однако радужным прогнозам десятилетней давности относительно перспектив бионического глаза не суждено было сбыться.
Argus II
Бионический глаз изготовлен в Соединенных Штатах. Более 130 пациентов сегодня пользуются с этим устройством. Модель изготавливается из 2-х элементов: имплантат и вживленная в очки миниатюрная видеокамера. Все детали окружающего мира улавливаются сенсорами и передаются на процессор. В очках установлено средство беспроводной связи. Имплантат активирует работу сетчатки с помощью вживленных электродов. Информация через них передается напрямую в нервные волокна.
Пациенты учатся различать горизонтальные и вертикальные линии спустя неделю после начала использования. Постепенно качество зрения улучшается. Стоимость изделия 150000 фунтов. Ученые продолжают проводить исследования, совершенствовать механизмы воспроизводства зрительной информации.
Предыдущая разработка называлась Аргус 1. Современное устройство отличается от него большим количеством ячеек в чипе. Новая система более чувствительна и позволяет передавать на нервные волокна в 2 раза больше данных.
Имплантат использует 60 электродов, чтобы стимулировать оставшиеся здоровые клетки сетчатки пациента. Информация отправляется в зрительный нерв, восстанавливается способность различать цвета, форму и движение.
Как работает искусственный глаз?
Как пишут авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature, искусственный глаз ElectroChemical EYE (EC-EYE) по своему размеру сопоставим с человеческим, а его диаметр немногим превышает пару сантиметров. Глаз также оснащен несколькими мини-датчиками, которые работают на подобие человеческой сетчатки. Это оказалось возможным благодаря созданию мембраны, полусфера которой изготовлена из пористого оксида алюминия. Искусственная сетчатка покрыта крошечными датчиками из светочувствительного минерала под названием перовскит.
Мембрана выполняет ту же функцию, что и сетчатка человеческого глаза, покрытая чувствительными к свету клетками. Расположена она на задней части устройства и принимает свет, который проходит через линзу на передней части искусственного органа. Чрезвычайно светочувствительные гибкие провода, изготовленные из жидкого металла, запечатаны в резиновые трубки и имитируют работу зрительной коры головного мозга, передавая визуальную информацию, собранную датчиками, компьютеру для обработки. Эти провода, толщиной от 20 до 100 микрометров имитируют нервные волокна, соединяющие человеческий глаз с мозгом.
Вам будет интересно: Кожа, разработанная для смартфонов и человекоподобных роботов, реагирует на прикосновения
В настоящий момент искусственный аналог глаза реагирует на изменения за 30-40 миллисекунд. Для сравнения – человеческий глаз реагирует на свет за 40-150 миллисекунд. Более того, электрохимический глаз видит мир в более высоком разрешении. Все потому, что на его мембране расположено 460 миллионов световых сенсоров на квадратный сантиметр. Внутри искусственного глаза находится ионная жидкость – аналог стекловидного тела – гелеподобное прозрачное вещество, которое заполняет пространство между хрусталиком и сетчаткой в глазу. В общем и целом новая разработка китайских ученых – самая точная на сегодняшний день искусственная копия человеческого глаза.
В заднюю часть искусственного яблока встроена синтетическая сетчатка с датчиками, которые измеряют свет, проходящий через линзу в передней части устройства. Провода, прикрепленные к задней стенке мембраны, передают сигналы от этих датчиков к внешним схемам для обработки, подобно тому, как нервные волокна соединяют глазное яблоко с мозгом.
Хотите всегда быть в курсе последних открытий из мира высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Google News, чтобы не пропустить ничего интересного!
Имплантация бионического глаза в России
Имплантация цифровой сетчатки, взаимодействующей с бионическим глазом, проведена в России в 2021 году. Пациент, утративший зрение из-за наследственной патологии, снова различает окружающие предметы.
Бионические имплантаты получили свое название из-за взаимодействия электронной техники и биологического организма. Такие операции часто проводятся с органами слуха. Изготавливаются имплантаты для ушей, электроды которых вставляются в улитку для взаимодействия со слуховым нервом.
Преобразователь находится за ушной раковиной, улавливает звуки из окружающего пространства и перерабатывает их в биоэлектрические импульсы. Сигнал влияет на слуховой нерв и передается в клетки мозга.
Научно-исследовательский центр в области офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова выбран производителем зрительных имплантатов для проведения первой в России операции. Руководитель этого центра заинтересовался бионическим глазом и предложил российским ученым ознакомиться с новой технологией. Специалисты получили возможность изучить работу зрительной системы под новым углом, провели основательную работу со зрительным анализатором.
Это один из действующих примеров восстановления связи с нервной системой через электронику. Впервые была восстановлена цепочка передачи импульсов, нарушенная заболеванием органов зрения. Главное направление в изучении вопроса протезирования – это повышение количества сенсоров на искусственной сетчатке для более подробного снабжения информацией нейронов.
Хочу увидеть дочь
Четверть века 59-летний житель Челябинска Григорий Ульянов передвигался исключительно с тростью для слепых. Причиной слепоты стал пигментный ретинит — тяжелое наследственное заболевание, приводящее к полной потере зрения. Главное, о чем мечтал этот человек все эти годы, — снова увидеть свою дочь.
Сейчас он уже различает очертания предметов. Ульянов — первый пациент в России, которому удалось вернуть зрение при помощи сложного электронного прибора — бионического глаза.
Как это происходит? Пациенту в глаз вживляют миниатюрный датчик, который выполняет роль пораженной сетчатки. Вмонтированная в специальные очки камера получает изображение и передает электронный сигнал в портативный компьютер. Там электрические импульсы «расшифровываются», и сигнал вновь отправляется на искусственную сетчатку уже в виде изображения.
Во всем мире выполнено более 250 таких операций. Стоимость их заоблачная: сложнейшее оборудование, самые высокие медицинские технологии. Только прибор стоит порядка 140 тыс. долларов, то есть почти 8,5 млн рублей. А все лечение одного такого пациента может достигать 10 млн. Благодаря усилиям нескольких благотворительных фондов удалось организовать проведение операции и найти необходимые средства.
«Мы уже три года проводим перепись слепоглухих жителей страны, в нашей базе собраны данные тысяч таких людей, — сообщила «РГ» представитель фонда «Со-единение» Наталья Соколова. — Исходя из перспектив лечения были отобраны 20 претендентов. Одним из них и стал Григорий Ульянов из Челябинска, имеющий наиболее благоприятные показания к проведению операции. Финансовую сторону его лечения взял на себя фонд «Искусство, наука и спорт».
Провести уникальную операцию было решено на базе Научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА России, где давно и успешно проводят операции по вживлению микроимплантов, возвращающих слух. Оперировала международная бригада хирургов, в Москву специально прилетел профессор Манчестерского университета Пауло Станга. Операция продолжалась долгих шесть часов. Для вживления тончайшей техники — миниатюрного электронного чипа в полость глаза — понадобились особые инструменты с щадящими силиконовыми наконечниками, рассказал руководивший операцией с российской стороны директор НИЦ офтальмологии Христо Тахчиди.
Сейчас после операции прошло уже более трех недель, и «окно молчания», когда врачи стараются не рассказывать подробности, завершено. Потому что ясно: реабилитация идет нормально, бионический глаз опробован, он работает успешно. Пациент различает очертания предметов. И это уже чудо, ведь за 25 лет слепоты мозг просто «забывает», как это — видеть изображения. Разрешение у прибора невысокое, только 60 пикселей, и картинка получается черно-белой и нечеткой. Но опыт других пациентов показывает: со временем зрение улучшается, и человек в состоянии ориентироваться в пространстве.
Бионическое направление — одно из самых перспективных в отечественной медицине, так прокомментировала результаты операции министр здравоохранения России Вероника Скворцова.
«Феноменальный результат, — констатировала министр. — За последние два года у нас появилось много собственных медицинских приборов из разных полей — медицины, биомедицины, — которые столь же эффективны, как наши ракеты, коллайдеры, которые работают в Германии на наших компонентах. И мы ожидаем прорыва в ближайшие годы».
По ее словам, теперь первостепенная задача российских медиков — усовершенствовать процесс реабилитации подобных пациентов. А в долгосрочных планах — создание профильных центров, оказывающих весь спектр высокотехнологичной помощи слепоглухим людям, в том числе бесплатные операции по бионическому протезированию. Вторая в России операция по вживлению бионического глаза запланирована на осень.
По словам руководителя фонда «Со-единение» Дмитрия Поликанова, в подобной помощи в России нуждаются сейчас 50 тыс. человек.
Справка «РГ»
За последние десять лет в мире было проведено уже больше 250 подобных операций. После установки импланта практически все пациенты могли воспринимать зрительные образы и определять местоположение объектов на мониторе. Половина пациентов определяли направление движения объектов, а у каждого четвертого острота зрения могла быть количественно измерена.
РГ/Антон Переплетчиков/Ксения Колесникова
