Искусственный глаз. Искусственное зрение

Являющаяся периферическим отделом зрительного анализатора; содержит фоторецепторные клетки, обеспечивающие восприятие и преобразование электромагнитного излучения видимой части спектра в электрические импульсы, а также обеспечивает их первичную обработку. Анатомически сетчатка представляет собой тонкую оболочку, прилежащую на всём своём протяжении с внутренней стороны к стекловидному телу, а с наружной - к сосудистой оболочке глазного яблока. В ней выделяют две неодинаковые по размерам части: зрительную часть - наибольшую, простирающуюся до самого ресничного тела, и переднюю - не содержащую фоточувствительных клеток - слепую часть, в которой выделяют в свою очередь ресничную и радужковую части сетчатки, соответственно частям сосудистой оболочки. Зрительная часть сетчатки имеет неоднородное слоистое строение, доступное для изучения лишь на микроскопическом уровне и состоит из 10-ти следующих вглубь глазного яблока слоёв: пигментного, нейроэпителиального, наружной пограничной мембраны, наружного зернистого слоя, наружного сплетениевидного слоя, внутреннего зернистого слоя, внутреннего сплетениевидного слоя, мультиполярных нервных клеток, слоя волокон зрительного нерва, внутренней пограничной мембраны.

Сетчатка глаза у взрослого человека имеет размер 22 мм и покрывает около 72 % площади внутренней поверхности глазного яблока. Фотография сетчатки представлена на рисунке 1. Пигментный слой сетчатки (самый наружный) с сосудистой оболочкой глаза связан более тесно, чем с остальной частью сетчатки. В центре сетчатки на задней поверхности находится диск зрительного нерва, который иногда из-за отсутствия в этой части фоторецепторов называют «слепым пятном». Он выглядит как возвышающаяся бледная овальной формы зона около 3 мм². Здесь из аксонов нервных клеток сетчатки происходит формирование зрительного нерва. В центральной части диска имеется углубление, через которое проходят сосуды, участвующие в кровоснабжении сетчатки.

Латеральнее диска зрительного нерва, приблизительно в 3 мм, располагается пятно (macula), в центре которого имеется углубление, центральная ямка (fovea), являющееся наиболее чувствительным к свету участком сетчатки и отвечающее за ясное центральное зрение. В этой области сетчатки (fovea) находятся только колбочки. Человек и другие приматы имеют одну центральную ямку в каждом глазу в противоположность некоторым видам птиц, таким как ястребы, у которых их две, а также собакам и кошкам, у которых вместо ямки в центральной части сетчатки обнаруживается полоса, так называемая зрительная полоска. Центральная часть сетчатки представлена ямкой и областью в радиусе 6 мм от неё, далее следует периферическая часть, где по мере движения вперед число палочек и колбочек уменьшается. Заканчивается внутренняя оболочка зубчатым краем, у которого фоточувствительные элементы отсутствуют. На своём протяжении толщина сетчатки неодинакова и составляет в самой толстой своей части, у края диска зрительного нерва, не более 0,5 мм; минимальная толщина наблюдается в области ямки жёлтого пятна.

2) Микроскопическое строение сетчатки

В сетчатке имеются три радиально расположенных слоя нервных клеток и два слоя синапсов. Как побочный продукт эволюции ганглионарные нейроны залегают в самой глубине сетчатки, в то время как фоточувствительные клетки (палочковые и колбочковые) наиболее удалены от центра, то есть сетчатка глаза является так называемым инвертированным органом. Вследствие такого положения свет прежде чем упасть на светочувствительные элементы и вызвать физиологический процесс фототрансдукции должен проникнуть через все слои сетчатки. Однако он не может пройти через эпителий или хориоидею, которые являются непрозрачными. Проходящие через расположенные перед фоторецепторами капилляры лейкоциты при взгляде на синий свет могут восприниматься как мелкие светлые движущиеся точки. Данное явление известно как энтопический феномен синего поля (или феномен Ширера). Кроме фоторецепторных и ганглионарных нейронов в сетчатке присутствуют и биполярные нервные клетки, которые, располагаясь между первыми и вторыми, осуществляют между ними контакты, а также горизонтальные и амакриновые клетки, осуществляющие горизонтальные связи в сетчатке. Между слоем ганглионарных клеток и слоем палочек и колбочек находятся два слоя сплетений нервных волокон со множеством синаптических контактов. Это наружный плексиформный (сплетеневидный) слой и внутренний плексиформный слой. В первом осуществляются контакты между палочками и колбочками посредством вертикально ориентированных биполярных клеток, во втором - сигнал переключается с биполярных на ганглионарные нейрноны, а также на амакриновые клетки в вертикальном и горизонтальном направлении.

Таким образом, наружный нуклеарный слой сетчатки содержит тела фотосенсорных клеток, внутренний нуклеарный слой содержит тела биполярных, горизонтальных и амакриновых клеток, а ганглионарный слой содержит ганглионарный клетки, а также небольшое количество перемещённых амакриновых клеток. Все слои сетчатки пронизаны радиальными глиальными клетками Мюллера.

Наружная пограничная мембрана образована из синаптических комплексов, расположенных между фоторецепторным и наружным ганглионарным слоями. Слой нервных волокон образован из аксонов ганглионарных клеток. Внутренняя пограничная мембрана образована из базальных мембран мюллеровских клеток, а также окончаний их отростков. Лишённые шванновских оболочек аксоны ганглионарных клеток, достигая внутренней границы сетчатки, поворачивают под прямым углом и направляются к месту формирования зрительного нерва. Каждая сетчатка у человека содержит около 6-7 млн колбочек и 110-125 млн палочек. Эти светочувствительные клетки распределены неравномерно. Центральная часть сетчатки содержит больше колбочек, периферическая содержит больше палочек. В центральной части пятна в области ямки колбочки имеют минимальные размеры и мозаично упорядочены в виде компактных шестиграных структур.

Рассмотрим строение сетчатки более подробно. К сосудистой оболочке по всей ее внутренней поверхности прилегает пигментный слой эпителиальных клеток. Перед пигментным слоем, примыкая к нему, лежит самая внутренняя из оболочек глаза – сетчатая оболочка, или ретина. Она выполняет основную функцию глаза – воспринимает формируемое оптикой глаза изображение внешнего мира, преобразует его в нервное возбуждение и направляет в мозг. Строение сетчатки чрезвычайно сложно. Обычно в ней насчитывают десять слоев. На рисунке 2a дана схема поперечного разреза через сетчатку глаза, а на рисунке 2б – увеличенный фрагмент сетчатки с указанием относительного расположения основных типов клеток. Во внешнем слое 1 , непосредственно примыкающим к сосудистой оболочке, расположены клетки, окрашенные черным пигментом. Затем идут основные элементы зрительного восприятия 2 , называемые по внешнему виду палочками и колбочками. Слои 3 – 5 соответствуют нервным волокнам, подходящим к палочкам и колбочкам. За этими слоями расположены так называемые зернистые слои, также связанные нервными волокнами. Слой 8 – это ганглиозные клетки, каждая из которых соединена с нервными волокнами, расположенными в слое 9 . Слой 10 – внутренняя ограничивающая оболочка. Каждое нервное волокно заканчивается либо колбочкой, либо группой палочек. Светочувствительным слоем служит второй, где находятся палочки и колбочки. Общее число палочек и колбочек в сетчатке одного глаза достигает примерно 140 млн., из них около 7 млн. колбочек.

Распределение палочек и колбочек по сетчатке не равномерно. В месте сетчатки, через которое проходит зрительная линия глаза, расположены одни колбочки. Этот участок сетчатки, несколько углубленный, диаметром примерно 0,4 мм, что соответствует углу 1,2°, называется центральной ямкой – fovea centralis (лат.) – сокращенно, фовеола или фовеа. В центральной ямке находятся только колбочки, их число здесь достигает 4 – 5 тыс. Фовеола располагается в середине горизонтально расположенного овального участка сетчатки размером от 1,4 до 2 мм (что соответствует угловым размерам, равным 5 – 7°), известного под названием желтого пятна или macula (macula – по лат. «пятно»), В этом пятне содержится придающий ему соответствующую окраску пигмент, а помимо колбочек встречаются уже и палочки, однако число колбочек здесь значительно превышает число палочек.

Желтое пятно (по новой классификации – «пятно сетчатки») и особенно его углубление – фовеа, являются областью наиболее ясного видения. Эта область обеспечивает высокую остроту зрения: здесь от каждой колбочки к зрительному нерву отходит отдельное волокно; в периферической же части сетчатки одно зрительное волокно соединяется с рядом элементов (колбочек и палочек).

В сетчатке есть участок, совсем лишенный палочек и колбочек и поэтому нечувствительный к свету. Это место сетчатки, где ствол зрительного нерва, идущий к мозгу, выходит из глаза. Этот круглый участок сетчатки на дне глаза, диаметром около 1,5 мм, называют диском зрительного нерва. Соответственно ему в поле зрения можно обнаружить слепое пятно.

2a) Колбочки и палочки различаются по своим функциям: палочки более светочувствительны, но не различают цветов, колбочки различают цвета, но менее чувствительны к свету. Цветные объекты при слабом освещении, когда весь зрительный процесс осуществляется палочками, отличаются только яркостью, цвет же объектов в этих условиях не ощущается. В палочках имеется особое вещество, разлагающееся под действием света, – зрительный пурпур, или родопсин. В колбочках существует зрительный пигмент, называемый иодопсином. Разложение зрительного пурпура и зрительного пигмента под действием света представляет собой фотохимическую реакцию, в результате которой в нервных волокнах появляется электрическая разность потенциалов. Световое раздражение в виде нервных импульсов передается от глаза в мозг, где и воспринимается нами в виде света.

2 б) В последнем слое сетчатки, прилегающем к сосудистой оболочке, в виде отдельных зерен находится черный пигмент. Существование пигмента имеет большое значение для приспособления глаза к работе при различных уровнях освещенности, а также для уменьшения рассеяния света внутри глаза.

3) В Великобритании создали искусственный глаз и вживили его в тело человека. До операции он был полностью слеп, но теперь может самостоятельно передвигаться и различать простые предметы. На сетчатку в задней части глаза устанавливается крошечная металлическая пластина с 60-ю электродами. Миниатюрная видеокамера, установленная на специальных очках, направляет образы на преобразователь, передает сигналы на электроды, которые, в свою очередь, связаны со зрительным нервом, передающим зрительную информацию в виде электрических импульсов в головной мозг. Пациентам приходится носить на поясе небольшой прибор для питания камеры и обработки образов. Система не воссоздает естественное зрение, но позволяет видеть, хотя и с очень низким разрешением. Таким образом, вся система включает в себя имплантат и внешний передатчик видеосигнала, интегрируемый в оправу очков. Система преобразует зрительные образы в поддающиеся толкованию сигналы стимуляции. Затем нервные клетки стимулируются в соответствии с полученным беспроводным путем сигналом. Клетки стимулируются при помощи особых трехмерных электродов, расположенных на сетчатке глаза и имеющих форму крохотных гвоздиков. В этом случае электроды располагаются, как следует из рисунка, перед сетчаткой, то есть контактируют с внутренней ограничивающей оболочкой сетчатки, за которой расположены нервные волокна, нервные клетки непосредственно стимулируются электродом, сигнал подается на зрительный нерв, а затем в мозг.

Из этого примера следует, что электроды могут помещаться перед сетчаткой, контактируя с внутренней ограничивающей оболочкой сетчатки, за которой расположены нервные волокна. Другим возможным теоретическим способом вживления электрода, но более неоправданно сложным, является его помещение рядом со слоем элементов зрительного восприятия - колбочек и палочек (с внутренней стороны), потому что рядом с этим слоем с внутренней стороны расположены нервные волокна (слои 3-5 на рис.2а), которые могут стимулироваться электродом, предавать сигнал на зрительный нерв, передающий зрительную информацию в виде электрических импульсов в головной мозг.

4) Макулодистрофия - болезнь, при которой поражается сетчатка глаза и нарушается центральное зрение . В основе макулодистрофии лежит патология сосудов и ишемия (нарушение питания) центральной зоны сетчатки, ответственной за центральное зрение. Макулодистрофия бывает двух типов - сухая и влажная. Большинство больных (около 90 %) страдают сухой формой этого заболевания, при которой образуется и накапливается желтоватый налет, впоследствии оказывающий пагубное воздействие на фоторецепторы в желтом пятне сетчатки. Сухая макулодистрофия развивается сначала только на одном глазу. Намного опаснее влажная ВМД, при которой за сетчаткой начинают расти новые кровеносные сосуды в направлении желтого пятна. Влажная макулодистрофия прогрессирует значительно быстрее, чем сухая, и практически всегда проявляется у тех людей, которые уже страдают сухой макулодистрофией.

Пигментная дистрофия относится к периферическим дистрофиям сетчатки и носит наследственный характер. Это наиболее часто встречающееся из наследственных заболеваний сетчатки. При этом виде дистрофий происходит поражение клеток сетчатки. Вначале страдают палочки, затем постепенно в процесс вовлекаются колбочки. Поражаются оба глаза. Первой жалобой пациентов бывает нарушение сумеречного зрения (куриная слепота). Больные плохо ориентируются в сумерках и при плохом освещении. В дальнейшем постепенно сужаются поля зрения. Болезнь может начаться в детском возрасте, но иногда первые признаки возникают только во второй половине жизни. На глазном дне несколько лет, после появления жалоб может быть нормальная картина. Потом появляются пигментные отложения темно-коричневого цвета. Эти отложения иногда называют «костные тельца». Постепенно количество «костных телец» увеличивается, увеличиваются их размеры, очаги сливаются и распространяются по сетчатке и приближаются к центру глазного дна. По мере прогрессирования процесса поля зрения все более сужаются, сумеречное зрение ухудшается. Постепенно сужаются сосуды, диск зрительного нерва становится бледным, возникает атрофия зрительного нерва. Может развиться катаракта , отслойка сетчатки. Зрение постепенно падает и к 40-60 годам наступает слепота.

Тапеторетинальные дистрофии (синоним: тапеторетинальные дегенерации, тапеторетинальные абиотрофии) - наследственные заболевания сетчатки, общим признаком которых является патологическое изменение ее пигментного эпителия. Тапеторетинальные дистрофии характеризуются прогрессирующим снижением зрительной функции вплоть до слепоты. При этом заболевании (тапеторетинальной дегенерации, тапеторетинальной абиотрофии) как правило, поражаются оба глаза. Первый симптом дистрофии сетчатки - понижение зрения в темноте (гемералопия), позже появляются дефекты поля зрения, снижается острота зрения, изменяется глазное дно.

5) Смысл искусственного глаза состоит в том, что информация детектируется с помощью миниатюрной видеокамеры, затем образы направляются на преобразователь, передаются на электроды, которые, в свою очередь, связаны со зрительным нервом, передающим зрительную информацию в виде электрических импульсов в головной мозг. В принципе, необязательно помещать электрод именно в сетчатку. Просто это самый, пожалуй, удобный способ. А вообще главное, чтобы электрод был помещен рядом со зрительным нервом, поскольку именно зрительный нерв передает зрительную информацию в головной мозг. Можно поместить электрод в любом месте у зрительного нерва, а можно и в зрительный тракт, в головной мозг, можно поместить электрод у наружного коленчатого тела (правда в этом случае в зрительную кору будет попадать только половина изображения, если использовать один электрод, т.к. в головном мозге два наружных коленчатых тела, но эту проблему можно решить, используя два электрода). Кроме того, возможно поместить электрод у слухового нерва (но это не возможно сделать без операционного вмешательства в головной мозг).

6) а) В случае повреждения зрительного нерва зрительная информация не сможет полноценно, а может быть, и правильно передаваться в головной мозг. Однако повреждения и болезни зрительных нервов бывают разнообразные. Многие из них приводят к частичной потере зрения (ухудшению зрения). Поэтому можно предположить, что функционирование искусственного глаза хотя бы в минимальной степени будет возможно.

б) при полном отсутствии глаза при наличии здорового зрительного нерва возможно полноценное функционирование искусственного глаза. Даже при отсутствии глаза электрод может помещаться рядом со зрительным нервом, предавая на него сигнал, а затем сигнал передается в головной мозг.

в) только зная место повреждения зрительной коры, можно предсказать, какова будет потеря зрения. Но чего предсказать нельзя, так это реакции пациента: сам он этой потери может и не замечать. Бывает даже, что он отрицает факт полной слепоты, наступившей вслед за двусторонним разрушением зрительных областей. В итоге создается впечатление, что утрата этих областей означает также и утрату зрительной памяти. Этот неожиданный факт показывает, что процессов зрения мы еще по-настоящему не понимаем. В мозгу есть и такие места, локальное повреждение которых может лишить человека способности к узнаванию предметов, различению цветов, лиц и т. п. Это состояние называется психической слепотой (Seelenblindheit). Кроме того, подобные повреждения могут приводить к утрате одного из зрительных полуполей или к потере чувствительности какой-либо части тела. В общем случае можно сказать, что в случае повреждения зрительной коры мозга функционирование искусственного глаза будет частично возможно. Отметим, что возможно операционного вмешательство в головной мозг, приводящее к полному восстановлению функционирования искусственного глаза.

Сенсорные зоны в головном мозге не связаны в коре напрямую друг с другом, а взаимодействуют лишь с ассоциативными областями. Можно предположить, что переадресация соматосенсорной информации у слепых в зрительную кору и зрительной информации у глухих - в слуховую происходит с участием подкорковых структур. Такая переадресация представляется экономичной. При передаче информации от сенсорного органа в сенсорную область коры сигнал несколько раз переключается с одного нейрона на другой в подкорковых образованиях мозга. Одно из таких переключений происходит в таламусе (зрительном бугре) промежуточного мозга. Пункты же переключения нервных путей от разных сенсорных органов близко соседствуют (рис. 3, слева). При повреждении какого-либо сенсорного органа (или идущего от него нервного пути) его пункт переключения оккупируют нервные пути другого сенсорного органа. Поэтому сенсорные области коры, оказавшиеся отрезанными от обычных источников информации, вовлекаются в работу за счёт переадресации им иной информации. Но что происходит тогда с самими нейронами сенсорной коры, обрабатывающими чужую для них информацию?

Исследователи из Массачусетсского технологического института в США Джитендра Шарма, Алессандра Ангелуччи и Мриганка Сур брали хорьков в возрасте одного дня и делали зверькам хирургическую операцию: подсаживали оба зрительных нерва к таламокортикальным путям, ведущим в слуховую сенсорную кору (рис. 3). Целью эксперимента было выяснить, преобразуется ли слуховая кора структурно и функционально при передаче ей зрительной информации. (Напомним ещё раз, что для каждого типа коры характерна особая архитектура нейронов.) И в самом деле, это произошло: слуховая кора морфологически и функционально стала похожа на зрительную!

7) Для изготовления стимулирующих электродов должны применяться наноматериалы на основе металлов, в первую очередь, безвредные для организма человека. Это могут быть электроды на основе титана, золота, серебра, платины. Основными преимуществами их является безвредность для организма человека и миниатюрность. К недостаткам их можно отнести их чужеродность по отношению к телу человека, и как следствие, возможность возникновения отторжения при их внедрении в организм. Кроме того, металлы могут окисляться в организме до катионов, которые прекрасно растворимы в крови и разносятся по организму человека. И наконец, одна из самых главных проблем связанна с введением в организм наноматериала. Известно, что наночастицы имеют настолько малый размер, что могут самопроизвольно проникать к клетки, например, эритроциты, нейроны, приводя к нарушению их функционирования, и, следовательно, всего органа (или ткани).

8) Разрешающая способность существующих в настоящее время образцов искусственного глаза составляет порядка 256 пикселей. Она определяется, прежде всего, размером матрицы видеокамеры (см. ниже). Глаз человека, если сравнивать получаемое изображение с цифровыми устройствами, видит 100-мегапикселную картинку, что, естественно, на данном этапе развития технологии не достижимо.

9) Глаз человека, если сравнивать получаемое изображение с цифровыми устройствами, видит 100-мегапикселную картинку, это есть, видимо, некий предел для зрительного нерва человека, который предает зрительную информацию в головной мозг в виде электрических импульсов. Естественно, на данном этапе развития технологии такое разрешение искусственного глаза не достижимо. Понятно, что разрешение искусственного глаза определяется разрешением матрицы видеокамеры, которое зависит от ее размера. Размер матрицы, в свою очередь, влияет на размер и вес самой видеокамеры (размер оптической части линейно зависит от размера матрицы).

Размер матрицы фотокамеры влияет на количество цифрового шума, передаваемого вместе с основным сигналом на светочувствительные элементы матрицы. Физический размер матрицы и размер каждого пикселя в отдельности значительно влияют на количество шумов. Чем больше физический размер матрицы фотокамеры, тем больше ее площадь и тем больше света на нее попадает, в результате чего полезный сигнал матрицы будет сильнее и соотношение сигнал / шум будет лучше. Это позволяет получать более яркую, качественную картинку с естественными цветами. Кроме того, как уже было написано выше, матрица фотокамеры маленького размера (минимальный размер матрицы составляет 3,4 мм х 4,5 мм) из-за небольшого количества, попадающего на нее света, имеет слабый полезный сигнал, в результате его приходиться сильнее усиливать, а вместе с полезным сигналом усиливаются и шумы, которые становятся более заметными. Поскольку физический размер матрицы напрямую связан с количеством попадающего на матрицу света, то чем матрица больше, тем качественней будут фотографии в условиях плохой освещенности. Однако увеличение размера матрицы неминуемо повлечет за собой увеличение размеров и стоимости фотоаппарата. Матрица цифровой видеокамеры обладает несколькими важными характеристиками:

размер матрицы тесно связан с ее чувствительностью. Чем крупнее матрица, тем больше чувствительных элементов может быть на ней расположено, соответственно выше чувствительность.

чувствительность – способность матрицы воспринимать объекты при различных условиях освещения. Измеряется в люксах и обычно находится в диапазоне от 0 до 15 люкс. Чем меньше значение чувствительности, тем меньше видеокамере требуется света для работы. Так, например, при чувствительности 0 люкс вы можете вести съемку практически в полной темноте.

количество пикселей (разрешение) – необходимое количество пикселей зависит исключительно от системы телевидения – PAL или NTSC. Известно, что максимальное требуемое для съемки количество пикселей – около 415 000. Если видеокамера поддерживает более высокое разрешение, это значит, что остальные пиксели используются для работы электронного стабилизатора изображения.

Ввиду всех этих параметров, влияющих на разрешение матрицы, можно предположить, что теоретически достижимая разрешающая способность искусственного глаза с матрицей (например, ССD) размером не меньше 4 мм х 4 мм составляет порядка 10 мегапикселей. В настоящее время уже созданы видеокамеры с подобными параметрами. Отметим, что видеокамера с большим разрешением CCD-матрицы не обязательно будет снимать высококлассное видео. Матрица обрабатывает то, что проецирует объектив. Установка большой CCD при малом диаметре объектива, в принципе, бессмысленна. Если полученное через маленький объектив изображение растянуть на большую матрицу, не избежать оптических искажений.

10) При эксплуатации искусственного глаза могут возникнуть, во-первых, проблемы, которые сродни проблемам при эксплуатации обычной видеокамеры:

Необходимо будет очищать объектив (линзу) видеокамеры, и это будет непростой задачей, учитывая ее размер. Кроме того, это создаст большие неудобства и дискомфорт человеку с искусственным глазом.

Известно, что оптика работает в ограниченном интервале температур, при выходе из этого интервала случаются сбои. Кроме того, при перепаде температур происходит запотевание линзы, что опять приводит к неудобствам (см. пункт 1)

Известно, что видеокамера выходит из строя при повышенной влажности, такие же проблемы могут возникнуть и при эксплуатации искусственного глаза. Человек может банально попасть под дождь, и это приведет к выходу из строя камеры. Естественно, что человек с искусственным глазом будет иметь затруднения при приеме душа, умывании, не говоря уже о плавании в бассейне. Эти проблемы, конечно, разрешимы путем создания водонепроницаемого футляра для камеры, но это требует отдельного исследования с учетом размеров камеры и удобства для человека.

Кроме того, видеокамера отличается ударонестойкостью.

Невозожность работы при плохом освещении или ночью без использовании спецоборудования (правда, здесь есть одно большое преимущество искусственного глаза перед естественным: можно использовать видеокамеру, работающую в ИК-области. Получится своеобразный прибор ночного видения)

При ходьбе человека происходит встряска камеры, что приведет к ухудшению изображения. Эту проблему можно решить, применяя стабилизаторы изображения, но это требует отдельного исследования с учетом размеров камеры и удобства для человека.

Во-вторых, весь описанный механизм действия исскуственного глаза, в том числе и видеокамера, должны иметь элемент питания. А он требует периодической подзарядки. Понятно, что это создает ограничения при использовании и неудобства человеку. Наконец, могут возникать проблемы управления видеокамерой, ведь когда человек спит, камера должна быть выключена. И необходимо создать такое устройство, которое будет легко подчиняться человеку, например, выключаться или включаться по его голосу.

11) Преимущества искусственного глаза по сравнению с глазом человека:

Можно использовать видеокамеру, работающую в ИК-области. Получится своеобразный прибор ночного видения.

Возможна запись информации, которую человек увидел.

Возможно использование видеокамеры для просмотра фильмов

Недостатки искусственного глаза по сравнению с глазом человека:

более низкая разрешающая способность, а следовательно, качество изображения

ограничения по температурному интервалу, в котором работает глаз

неустойчивость к воздействию влаги (без использования специальных защитных чехлов)

неустойчивость к встряске

отсутствие “бокового зрения”

В нашей сегодняшней статье:

Новая технология под названием бионическое позволила больным с пигментным ретинитом восстановить некоторую часть их полей зрения. Это дало возможность людям различать предметы и даже читать заголовки текста, но спокойно передвигаться по улице они пока не могут.

Ученые из университета в Калифорнии работают над улучшением данной технологии, позволяющей специфическим клеткам сетчатки преобразовывать свет в электрическую активность. Исследование было опубликовано в журнале Neuron.

Сетчатка состоит из нескольких слоев клеток. Первый слой содержит фоторецепторы, которые обнаруживают свет и преобразуют его в электрические сигналы. Пигментный ретинит приводит к снижению функции этих клеток.

Несколько видов протезов сетчатки находятся на стадии разработки. Argus II - является наиболее известным из этих устройств. В Соединенных Штатах он был одобрен для лечения пигментного ретинита в 2013 году. Он состоит из камеры, установленной на оправе очков, которая передает радиосигналы к сети электродов, имплантированных в сетчатку. Электроды стимулируют ганглиозные клетки сетчатки и показывает человеку то, что снимает камера.

«Это грандиозный успех в лечении и новый шанс для больных с пигментным ретинитом. С другой стороны, бионическое зрение все еще далеко от естественного», - объясняет профессор E.J. Chichilnisky

Современным технологиям не хватает специфики или точности воспроизведения. Хотя большая часть визуальной обработки происходит в мозге, некоторая часть её осуществляется с помощью ганглиозных клеток сетчатки, а их от 1 до 1,5 млн клеток в каждом глазе. Природное зрение, позволяющее получать более подробную информацию о форме, цвете, глубине и движении требует активации определённых клеток сетчатки в нужный момент времени.

Ученые сосредоточили свои усилия на типе ганглиозных клеток сетчатки под названием «зонт» - клетки. Эти клетки очень важны для обнаружения движения, его направления и скорости в визуальной сцене. Когда движущийся объект проходит через визуальное пространство, клетки активируют в волны через сетчатку.

Исследователи помещали в участки сетчатки 61-электроднуюе сеть и начали стимулировать её с помощью импульсов тока. Это позволило им отличать «зонт» клетки, которые имеют различные ответы, от других ганглиозных клеток сетчатки. Кроме того, ученые определили, какое количество стимуляции необходимо для активации каждой ячейки. Далее исследователи записали ответы импульсов для простого скользящего изображения - это белая полоса, проходящая на сером фоне. Наконец, они смогли воспроизводить такие же волны активности, какие производят «зонт» клетки при движущих изображениях.

«Требуется очень много работы перед разработкой готового устройства, которое смогло бы обеспечить слепого человека зрением высокого качества. Если мы сможем справиться с многочисленными техническими препятствиями, тогда мы сможем общаться с нервной системой на её родном языке и восстановить нормальную функцию глаза»,-добавил Chichilnisky.

На основании исторических документов есть данные, что глазные протезы начали создаваться еще в Древнем Египте. Мумиям их делали из золота, покрывая эмалированным рисунком. Первый глазной протез появился в XVIII веке и по внешнему виду мало отличался от современного.

Создание видящего глазного протеза

Первый искусственный глаз, позволяющий воспринимать свет, был создан в Японии. Не просто стеклянный протез, а целая система полупроводниковых элементов, тончайшая матрица, которая проецирует картинку на искусственную сетчатку, и передает импульсы в мозг.

Все восприятие окружающего мира человек получает через мозг, куда поступают импульсы с изображением через На искусственную сетчатку попадает свет, создавая электрическое напряжение, в мозг поступает сигнал и формируется цветной и объемный зрительный образ.

Создание видящего находится в процессе разработки. Совершенствуется и увеличивается мощность сигнала, и соответственно уменьшается величина чипа. Но и на данной стадии разработки получены результаты, которые позволяют незрячему человеку различить объемные предметы на близком расстоянии.

Глазной протез

Человек, лишившийся органа зрения, испытывает не только физическую, но и психологическую травму. Поэтому так важно правильно провести протезирование.

Современная медицина предлагает два вида искусственных и пластмассовые. Протезы используются в случае полной потери глазного яблока, или его субатрофии (значительного уменьшения в размерах), когда ставится очень тонкий пластмассовый протез, который еще называют коронкой.

Протезы изготавливаются из стекла и пластмассы. Несмотря на то что стеклянные изделия тяжелее и менее практичны из-за хрупкости материала, они обладают одним немаловажным достоинством, - выглядят живее. При увлажнении их слезой, появляется естественный блеск. Пластмассовые протезы более практичны. Они не бьются, легче и в полости практически не ощущаются. Но при длительном использовании и неаккуратном обращении пластмасса покрывается царапинами, и ее поверхность становится матовой. Для поддержания протеза в хорошем состоянии можно воспользоваться искусственной слезой - каплями для глаз.

Протезы могут быть стандартными и подбираются офтальмологом либо изготавливаются по индивидуальному заказу, когда художник воспроизводит точную копию здорового глаза.

Уход за конъюнктивальной полостью и протезом

После удачного протезирования необходимо придерживаться определенных правил по уходу за протезом и его полостью.

В первое время после операции давление, которое оказывает искусственный глаз на конъюнктиву, вызывает боль и раздражение. Но, несмотря на это, его следует носить постоянно, чтобы полость хорошо сформировалась.

Извлекать его из полости рекомендуется только для того, чтобы промыть и освободить слизистую от скопившегося отделяемого, во избежание присоединения воспаления. Пока полость не сформировалась, процедуру лучше проводить два раза в день.

После извлечения протеза конъюнктиву следует промыть кипяченой водой, и освободить от отделяемого. Затем закапать в конъюнктивальную полость глазные капли: 2% раствор борной кислоты или 0,25% раствор левомицетина.

Протез также промывается кипяченой водой. После чего его можно промыть 0,05% раствором хлоргексидина водного.

Как извлекать и вставлять протез?

Извлекать протез из полости необходимо сидя за столом, покрытым мягким материалом, чтобы он не разбился и не поцарапался. Осторожно оттянув нижнее веко, поддеть искусственный глаз стеклянной палочкой и вытащить его из полости.

Вставлять протез следует так, чтобы выемка на нем соответствовала внутреннему углу верхнего века. В первую очередь протез вводится под верхнее веко, потом за нижнее.

Искусственная слеза

Во время использования пластмассового протеза конъюнктивальную полость необходимо периодически увлажнять, поскольку происходит плохое смачивание, и слизистая пересыхает, что приводит к неприятным ощущениям, резям и ощущению песка.

Для этой цели лучше всего подойдут капли для глаз: искусственная слеза. Этот препарат применяется для увлажнения оболочек глаза и представляет собой вязку прозрачную жидкость.

Препарат оказывает защитное, смягчающее и увлажняющее действие. Во время случайного попадания в протезированную полость микрочастиц мусора, трение протеза о слизистую увеличивается и вызывает неприятные ощущения. Используя искусственную слезу для глаз, можно избежать этих неприятностей.

Интраокулярные линзы (ИОЛ)

Травмы, которые приводят к потере органа зрения, могут повлечь за собой и другие осложнения. При повреждении хрусталика его приходится удалять. Если состояние глаза позволяет, после лечения имплантируют ИОЛ.

При замене поврежденного на искусственный хрусталик глаза, цена его будет зависеть от вида линзы и производителя. Разбег ценовой политики составляет от 15 000 до 84 000 рублей.

Применение новейших технологий с использованием искусственной линзы и глазного протеза позволит людям, лишившимся зрения, вновь ощутить радость жизни и заняться любимым делом. Берегите свои глаза и будьте здоровы.

Изобретение относится к медицине, а именно к созданию искусственного глаза человека для оптического восприятия изображения людьми, потерявшими зрение в результате травмы, но сохранившими зрительный нерв неповрежденным. Искусственный глаз содержит герметично соединенные искусственные роговицу, хрусталик и сетчатку. Сетчатка представляет собой матрицу светочувствительных элементов, находящуюся в фокальной плоскости хрусталика и состоящую, например, из приборов с зарядовой связью (ПЗС) на основе МДП-структур. Матрица светочувствительных элементов электрически соединена с устройством считывания и преобразователем, которые подсоединены к источнику питания и являются одновременно рецепторным узлом, куда подается информация с преобразователя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области медицины, а именно к созданию искусственного глаза человека для восприятия оптического изображения людьми, потерявшими зрение в результате травмы, но сохранившими зрительный нерв неповрежденным. Известно устройство для восприятия изображения слепым человеком, содержащее рецепторный узел, соединенный через преобразовательный блок с электромагнитной катушкой с вибратором, причем оно имеет блок оптических преобразований, а рецепторный узел выполнен в виде фотодатчика, жестко связанного с вибратором, при этом фотодатчик оптически связан с блоком оптических преобразований и размещен в его фокальной плоскости /1/. Недостатком этого устройства является то, что слепой человек не видит оптическое изображение, а воспринимает его, прикасаясь пальцем к колеблющейся поверхности вибратора, не всегда адекватно, т.к. тактильная чувствительность пальцев может меняться во времени в зависимости от физиологического и психологического состояния человека. Кроме того, не определено расположение пальцев относительно поверхности вибратора. Сила прикосновения пальцами к поверхности вибратора также может меняться. Известен зрительный протез общего пользования для совершенно слепых, основанный на преобразовании оптического изображения в звуковое, в котором оптическое изображение, действуя на фотоэлемент, возбуждает в телефоне разные по высоте и сложности звуки, после зеркала развертки изображения между объективом и фотоэлементом расположены равномерно вращаемый электродвигателем прозрачный диск-модулятор с нанесенными на нем оптическими фонограммами, выполненными на фотоэмульсии в виде концентрических дорожек синусоидальных тонов разной частоты, и неподвижная планка со щелью, ширина которой изменяется от центра диска к его краю в зависимости от длины нанесенных на диске синусоидальных тонов и равна длине периода соответствующей синусоиды в каждом его месте /2/. Недостатком этого устройства также является то, что человек не видит оптическое изображение, а лишь воспринимает органами слуха преобразованное устройством в звуки оптическое изображение, также полученное устройством. Прототипом является устройство для восприятия и опознания зрительных образов слепым человеком, содержащее приемную телевизионную систему, электронный блок, блок питания, блок регулирования яркости и контрастности, систему для наблюдения изображения на экране кинескопа, соединительные разъемы и кабели, кроме того, устройство снабжено ячеистой маской, системой датчиков, усилителей, рецепторным узлом, генератором частот, причем ячеистая маска с системой датчиков размещена на экране кинескопа и электрически связана через блок усилителей с рецепторным узлом, установленным на теле человека, выполненным в гибком корпусе и соединенным с генератором частот для воспроизведения изображения любой цветовой гаммы, помимо этого, рецепторный узел снабжен диэлектрическими иглами и элементами крепления и фиксации, диэлектрические иглы рецепторного узла снабжены магнитопроводящим и стаканами для взаимодействия с электромагнитными катушками, одно основание рецепторного узла выполнено заостренным, а другое - тупым, рецепторный узел взаимодействует с телом слепого человека через регулирующие прокладки /3/. Недостатком данного устройства является низкая эффективность восприятия и опознания зрительных образов слепым человеком, длительность процесса опознания зрительных образов, сложность конструкции, вероятность потери рецепторного узла при порче элементов крепления. Кроме того, человек должен обладать хорошей экстроцептивной чувствительностью и различать прикосновение к коже колющих предметов на расстоянии с шагом до одного миллиметра один от другого. Цель изобретения - создание искусственного глаза для оптического восприятия изображения людьми, потерявшими зрение в результате травмы, но сохранившими зрительный нерв неповрежденным. Технический результат изобретения достигается тем, что в зрительном протезе - искусственном глазе - происходит преобразование световых импульсов в электрические сигналы, поступающие в зрительный нерв. Поставленная цель достигается тем, что в искусственном глазе, содержащем приемную телевизионную систему, рецепторный узел, электронный блок и блок питания, приемная система представляет собой искусственный глаз, содержащий искусственные роговицу, хрусталик и сетчатку, представляющую собой матрицу светочувствительных элементов, находящуюся в фокальной плоскости хрусталика и состоящую, например, из приборов с зарядовой связью (ПЗС) на основе МДП-структур и электрически соединенную с электронным блоком, представляющим собой устройство считывания и преобразования, подсоединенное к источнику питания, а рецепторным узлом является ПЗС-матрица. Кроме того, источник питания может быть расположен в матрице светочувствительных элементов или под мочкой уха и быть соединенным с устройством считывания и преобразователем с помощью подкожно расположенных проводников. На чертеже представлено схематическое устройство искусственного глаза человека. Оптическая часть искусственного глаза состоит из роговицы 1 и хрусталика 2. В фокальной плоскости хрусталика 2 расположена искусственная сетчатка 3, которая представляет собой матрицу светочувствительных элементов, выполненную, например, из приборов с зарядовой связью (ПЗС) на основе МДП-структур. Принцип действия этих приборов, основанный на переносе носителей заряда, позволяет осуществлять известными способами преобразование, хранение и переработку информации, представленной плотностью заряда /4, 5/. Электронный блок 4 состоит из устройства 5 считывания и преобразователя 6. МДП-структуры микропроводниками подсоединяются к устройству 5 считывания информации, поступившей на светочувствительный слой искусственной сетчатки 3. Далее эта информация поступает в преобразователь 6, назначение которого преобразовывать информацию в сигналы, которые наиболее приближены к естественным сигналам, поступающим в зрительный нерв от живой сетчатки. Источник питания 7 обеспечивает работу устройства 4 считывания и преобразователя 6. Источник питания может располагаться как автономно, например, под мочкой уха и быть соединенным с блоком считывания и преобразователем с помощью подкожно расположенных проводников, так и в самой матрице-сетчатке в виде вырабатывающих электрический ток фотоэлементов. Глаз - один из основных органов чувств человека, он выполняет функцию получения и переработки информации об условиях внешней среды. По существу глаз представляет собой измерительное устройство для анализа внешних физических стимулов, а также для оценки эффективности действий, произведенных организмом, т. е. выполняет роль обратной информационной связи организма со средой. Рецепторами в данном случае являются нервные окончания, которые действуют как преобразователь энергии раздражителя в энергию нервного ответа. Нервное волокно может находиться в возбужденном состоянии, когда есть потенциал действия (ПД), и невозбужденном - ПД отсутствует. Таким образом, в нервной системе имеется дискретная двоичная система кодирования информации. Как показывают эксперименты, информация в нервной системе кодируется не последовательностью ПД, как в цифровых машинах, а частотой появления ПД, которая пропорциональна логарифму величины действующего раздражителя /6/. С учетом сказанного, в предлагаемом устройстве, искусственном глазе, считывание и преобразование поступающей извне информации осуществляется на принципах дискретной обработки сигналов. Устройство работает следующим образом. Световые лучи проходят через искусственные роговицу 1 и хрусталик 2 и создают изображение на искусственной сетчатке 3. Кванты света вызывают появление на светочувствительной матрице-сетчатке 3, состоящей из ПЗС на основе МДП-структур, электрических зарядов, величина которых зависит от освещенности. Эти электрические заряды преобразуются в электрические импульсы в устройстве считывания 5, а затем поступают в преобразователь 6, в котором информация преобразуется в сигналы, наиболее приближенные к естественным. Связь со зрительным нервом осуществляется проводниками, оканчивающимися электродами в виде, например, кольцеобразных зажимов, подсоединенных к зрительным нервам. Дальше информация передается в зрительные отделы головного мозга. Современные достижения микроэлектроники, нейрофизиологии, биотехнологии, а также способность мозга к адаптации говорят в пользу того, что предложенный искусственный глаз поможет адекватно сформировать зрительный образ в соответствии с информацией, поступающей в искусственный глаз на его искусственную сетчатку - светочувствительную матрицу. Источники информации 1. Авт. св. СССР 955920, МКИ A 61 F 9/08 - аналог. 2. Авт. св. СССР 151060, G 09 B 21/00, A 61 F 9/08 - аналог. 3. Пат. РФ 2057504, МПК А 61 F 9/08 - прототип. 4. Ефремов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника. Учебное пособие для вузов.//М., Высшая школа, 1987, с.141-147. 5. Наука и жизнь, 1980, 7, с.30-32. 6. Губанов Н. И., Утепбергенов А.А. Медицинская биофизика.// М., Медицина, 1978, с.283-286.

Формула изобретения

1. Искусственный глаз, содержащий приемную систему, рецепторный узел, электронный блок и блок питания, отличающийся тем, что приемная система представляет собой искусственный глаз, содержащий искусственные роговицу, хрусталик и сетчатку, представляющую собой матрицу светочувствительных элементов, находящуюся в фокальной плоскости хрусталика, состоящую, например, из приборов с зарядовой связью (ПЗС) на основе МДП-структур и электрически соединенную с электронным блоком, представляющим собой устройство считывания и преобразования, подключенное к источнику питания, а рецепторным узлом является ПЗС-матрица. 2. Искусственный глаз, по п.1, отличающийся тем, что источник питания расположен в матрице светочувствительных элементов. 3. Искусственный глаз, по п.1, отличающийся тем, что источник питания расположен под мочкой уха и соединен с устройством считывания и преобразования с помощью подкожно расположенных проводников.

Установка протеза глаза – единственный способ возвращения пациентов, к нормальной жизни. Степень эффективности протезирования зависит от правильности подбора изделия – чем выше степень его соответствия естественному глазу человека, тем лучше пройдет реабилитация. Изделия медицинского назначения могут быть стандартными или индивидуальными, особое внимание в клинической практике уделяется вопросам их безопасности. Качественные протезы обязательно идут с сертификатами соответствия, которые вы можете запрашивать у продавца на момент совершения покупки.

Когда необходимо протезирование

Глазные протезы решают не только эстетические и психологические проблемы пациента . Если человек, утративший глаз, не будет носить его заменитель, со временем конъюнктивальная полость станет меньше, а ресницы начнут загибаться вовнутрь, доставляя немало неудобств и становясь главной причиной развития .

Протезирование глаза решает важные эстетические, физиологические и психологические задачи.

Особенно важную роль протезирование играет у детей – нахождение в конъюнктивальной полости заменителя глаза стимулирует процессы роста костей орбиты. Если протезирование не проводится, кости растут медленно, и развивается асимметрия лица. Когда это необходимо, врачи перед протезированием проводят пластику век, коррекцию полости конъюнктивы, создают опорно-двигательную культю, проводят , эвисцерацию либо эвисцероэнуклеацию с имплантацией.

Как правило, протезирование назначается в случае частичного или полного удаления глазного яблока из-за таких заболеваний:

Виды

С учетом используемой технологии производства глазные конструкции делятся на индивидуальные и стандартные. Все изделия изготавливаются в специализированных лабораториях вручную – попытки автоматизировать процессы их производства предпринимались, но нужного результата не дали.

Все изделия для протезирования изготавливаются строго вручную.

Стандартные изделия являются универсальными, и особенности глазной полости конкретного пациента не учитывают. Индивидуальные изготавливаются под заказ с учетом особенностей строения конъюнктивальной полости конкретного пациента, цветовых, рельефных характеристик склеры и радужки здорового глаза.

По размерам протезы бывают:

По стороне ношения:

• левые;
• правые.

По форме:

• эллипс;

В ходе классификации изделий берутся во внимание и такие характеристики как посадка радужки, цвета склеры и радужки, материал изготовления. Пластмассовые сегодня пользуются большим спросом, чем стеклянные, поскольку они являются более долговечными, безопасными, не бьются. Также выделяются тонкостенные изделия, применяемые во время формирования полости глаза и для косметической маскировки дефекта глаз с бельмом, толстостенные, двустенные – они используются при полном отсутствии собственного глазного яблока.

На детские и взрослые протезы не делятся – подбор изделий осуществляется по размеру.

Уход за протезом

Перед выполнением операций по введению и извлечению глазного протеза тщательно вымойте руки, подготовьте глазные капли, салфетки, присоску. Обязательно сядьте за стол, покрытый мягкой тканью, а перед собой поставьте зеркало.

Извлечение протеза

Порядок извлечения протеза выглядит следующим образом:

Как установить

Как самостоятельно ввести протез? Действуйте по следующей схеме:

Как чистить

Протез глаза моют в теплой воде с мылом – спирт использовать нельзя. Послеоперационное изделие разрешается не вынимать. Обязательно строго соблюдайте правила личной гигиены, глаза во время умывания держите закрытыми.

Если протез длительное время находится в полости глаза, он начинает раздражать конъюнктиву.

Как часто требуется чистка

Стандартно чистка производится один раз в две недели. Подробности уточняйте у врача.

Чистка глазного протеза

Условия замены и хранение

Взрослые пациенты носят протез в течение 8-10 месяцев, а затем заменяют его на новый. Делать это нужно обязательно, поскольку поверхность изделия в результате постоянного ношения становится шершавой, на ней появляются борозды и мелкие раковины, травмирующие слизистую глаза.

Необходимые атрибуты для хранения протеза

Плановая замена пластмассовых изделий осуществляется один раз в два года, стеклянных ежегодно.

Носить протез нужно постоянно. Если вы снимаете его на ночь, то не кладите в воду или дезинфицирующий раствор – вымойте с теплой водой и мылом, положите на ткань.

Видео

Выводы

Глазное протезирование позволяет пациенту, утратившему глаз, вернуться к нормальной жизни. И во взрослом, и в детском возрасте ношение протезов является обязательным. Плановая замена производится 1-2 раза в год (стеклянные изделия нужно менять чаще).

Хирурги-офтальмологи прибегают к протезированию только в запущенных случаях, когда никакая другая не способна восстановить глазное яблоко. До тех пор могут применяться различные офтальмологические методики по сохранению глаза, даже с учетом потери его главной функции.