Британские хирурги провели операцию, о которой человечество еще несколько лет назад могло лишь мечтать или читать в фантастических романах. Офтальмологи вернули зрение двум пациентам. Они вживили в сетчатку так называемый бионический глаз.
Это небольшое устройство напоминает видеокамеру. Объектив расположен на специальных очках, а изображение передается через зрительный нерв прямо в мозг. С точки зрения видящего человека качество картинки пока оставляет желать лучшего. Но для тех, кто потерял зрение - это настоящее спасение.
Корреспондент НТВ Евгений Ксензенко разбирался в тонкостях электронного глаза
:
Солнечные очки Линды Мурфут это не защита от света, а возможность увидеть его. Со стороны кажется, что обычная пара идет на прогулку, а на самом деле Линда - одна из первых людей, которых фантасты полвека назад называли киборгами.
Линда Мурфут: "Я могу вместе с внуком забросить мяч в корзину. Я могу увидеть, как танцует моя внучка на сцене. Я могу различать предметы".
Линда видит с помощью бионического глаза. В ее очки встроена маленькая видеокамера. Она фиксирует изображение, а потом преобразует его в электронные сигналы, которые в свою очередь беспроводным путем попадают в чип, вживленный в сетчатку глаза.
Он расшифровывает импульсы и с помощью решетки из электродов передает информацию в мозг через оптический нерв. Это естественный процесс. За исключением результата - качества картинки. Оно зависит от числа электродов.
Можно попытаться представить, что видит Линда, когда надевает очки с видеокамерой. 16 электродов позволяют совсем немного. А вот взгляд с помощью 60 электродов - это что-то. Так сейчас видят в мире всего 15 человек. В будущем - четкое изображение, но в черно-белом варианте. Хотя после таких результатов до цветного мира явно один шаг.
Первый же шаг сделали в американской лаборатории профессора Марка Хамейуна. Он не сомневается, что в будущем вместо 60 светочувствительных электродов можно будет использовать тысячи.
Марк Хамейун, профессор офтальмологии: "Мы называем это искусственным зрением. Оно отличается от того, что мы с вами видим. Мозг должен привыкнуть к нему. Это как наблюдать за развитием ребенка. Сначала он ползает и только потом ходит и бегает".
Даже скептически настроенные ученые подтверждают, что бионический глаз способен заменить настоящий.
Джон Маршалл, профессор офтальмологии: "Я абсолютно поддерживаю эту технологию. Но должен добавить, что она не будет доступна немедленно. Еще много работы нужно сделать, чтобы отладить систему с пользой для зрения".
Российские специалисты считают, что эта технология не может быть массовой. Ведь такая операция стоит дорого - от 30 тысяч долларов.
Христо Тахчиди, генеральный директор межотраслевого научно-технического комплекса "Микрохирургия глаза" им. С. Н. Фeдорова: "Можно сделать какую-то супервещь, которую может один специалист в мире делать. Это никому неинтересно с точки зрения применения. То есть ее нужно упростить, довести до такого уровня, когда это может выполнять человек средних способностей - хирург, врач, биолог".
Британские и американские ученые обещают, что через три года Линде не нужно будет носить очки. В лабораториях разрабатывают видеокамеру размером меньше горошины. С ее помощью можно будет различать даже лица людей. Если опыт пройдет успешно, то солнцезащитные очки можно будет надевать только по назначению.
Немного истории
Бионический глаз по своей сути похож на слуховой аппарат - устройство восстанавливает утраченную функцию организма, в данном случае - зрение. Вживленные электроды стимулируют сетчатку глаза, которая передает изображение на глазной нерв. Сама «картинка» формируется видеокамерами, смонтированными на очках. Изображения, захваченные камерой, передаются в чип, который генерирует импульсы, воспринимаемые мозгом как образы. Один из приборов был разработан в 2005 году профессором Гислин Данейли из университета Джонсона Хопкинса, Балтимор.
*
Профессор офтальмологии Марк Хамейун из Института Глаза в Университете Южной Калифорнии (США) предполагает, что к 2009 году глазной протез можно будет увидеть на потребительском рынке по цене в районе пятнадцати тысяч фунтов стерлингов.
Первая версия разработанного его группой протеза сетчатки глаза уже проходила так называемые "полевые" испытания в 2007 году, в ходе эксперимента Бионическая сетчатка вживлена шести пациентам с потерей зрения в результате заболевания retinitis pigmentosa. Retinitis pigmentosa - неизлечимая болезнь, при которой человек теряет зрение (наблюдается примерно в одном случае на каждые три с половиной тысячи человек). Пациенты, которым был вживлен бионический глаз показали способность не только различать свет и движение, но и определять предметы размером с кружку для чая или даже ножа. К некоторым из них вернулась способность читать крупные буквы.
*
В 2008 году сделано также изобретение исследователей Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT), которые заявляют, что их разработка уже через несколько лет "сможет вернуть частично потерянное зрение людям, страдающим от дегенеративной глазной болезни."
Ученым удалось создать биоэлектронный имплантант размером не больше карандашного ластика, который они поместят за сетчатку на заднюю часть глазного яблока - изображение будет передаваться в мозг "через коннекторы не толще людского волоса." Разработка уже проходит проверку Управления по контролю за продуктами и лекарствами США, и исследователи планируют уже этим летом испытать технологию на животных.
Однако, это изобретение не сможет помочь слепым с рождения или людям, страдающим глаукомой - процедура разрешена только тем, у кого остались неповрежденные клетки зрительного нерва.
БГ высокого разрешения: теория
Создавая внутриглазные электронные имплантаты, большинство авторов совершает ошибку: отказывается от "остатка" зрения, которое ещё есть, и пробует заменить его камерой. Но интересная картина нарисуется, если создать биоэлектронный гибрид.
Дэниел Паланкер (Daniel Palanker) из Стэнфордского университета (Stanford University) и его научная группа "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий" (Group of BioMedical Physics and Ophthalmic Technologies) разработали оригинальный протез сетчатки высокого разрешения или "Бионический глаз" (Bionic Eye), обладающий целым рядом преимуществ перед предыдущими проектами лечения слепоты с помощью электронных имплантатов.
Возрастная деградация сетчатки, при которой умирает значительное количество светочувствительных клеток, и такое заболевание, как пигментоз - ответственны за слепоту (или близкое к "нулю" зрение) миллионов людей во всём мире.
Множество научных групп и лабораторий экспериментируют с имплантатами сетчатки. Поскольку при указанных дефектах сами нервные клетки (в основном) остаются в порядке, можно направлять в них слабые электрические импульсы с некой схемы - решётки из электродов, размещённой прямо в сетчатке.
Соответственно, импульсы эти должны отражать картинку, которую снимает миниатюрная видеокамера, закреплённая на голове.
Блестящий замысел. Если бы не ряд "но". Во-первых, размещение большого числа электродов на маленькой площади - это препятствие биологического плана. Схема просто перегревает глаз.
Кроме того, даже имплантировав решётку в толщу сетчатки, нельзя добиться слишком близкого соприкосновения электродов и её глубинных клеток, лежащих непосредственно под умершими фоторецепторами.
И получается, что как только инженеры сближают электроды между собой (то есть увеличивают разрешение микросхемы), каждый из них начинает действовать сразу на ряд ближайших клеток - а должен, в идеале, - только на одну, иначе смысл в высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.
Разрез под микроскопом: клетки сетчатки крысы мигрируют через крошечное отверстие имплантата (фото с сайта stanford.edu).
Чтобы это препятствие обойти, нужно "привязать" по одному электроду на одну, от силы — две клетки. Но для плотности пикселей, геометрически соответствующей остроте зрения 20/400 (это почти невидящий человек, порог "юридической слепоты", как пишут авторы работы, а в наших единицах — это зрение 0,05) клетки должны располагаться не дальше 30 микрон от электродов.
А для остроты 20/80 (0,25) это расстояние не должно превышать 7 микронов. При такой остроте зрения, кстати, уже можно пользоваться компьютером, передвигаться по городу, распознавать лица и вообще - вести самостоятельную жизнь.
Нажимать же на имплантат при внедрении (чтобы плотнее прижать электроды к слою клеток) нельзя - велик риск травмы сетчатки.
А ведь расстояние между каждым из электродов и его "подшефной" клеткой - далеко не всё. Для такой остроты зрения (20/80) нужно иметь плотность пикселей в 2,5 тысячи на квадратный миллиметр.
Потому никому до сих пор не удавалось создать устройство с числом электродов (читай - транслируемых пикселей) больше нескольких штук, десятков, ну, может быть — сотни. А нужно их иметь - многие тысячи.
Тут сделаем ещё один мини-экскурс в биологию. Глаз имеет примерно 100 миллионов фоторецепторов (это как камера на 100 мегапикселей). Однако в составе зрительного нерва в мозг идёт всего 1 миллион раздельных каналов. Информация пропадает?
Нет, оказывается, в самой сетчатке уже происходит предварительная обработка, некое суммирование информации. Сама сетчатка - это ведь не только слой фоторецепторов, но слой нервной сети.
Теперь, если возвращаться к имплантатам с электродами, необходимо сказать - есть несколько подходов к размещению такого имплантата в глазу. Он может занимать различные слои по глубине.
Можно обойтись меньшим числом электродов (только тогда необходимо имитировать суммированные сигналы нервной сети сетчатки), а если возбуждать нервные клетки, лежащие ближе к фоторецепторам - можно хорошо воспроизводить систему зрения, только плотность пикселей в имплантате должна быть высокой.
Чтобы разрешить это противоречие, авторы нового проекта провели ряд опытов на крысах. И обнаружили новый биологический эффект. Учёные внедряли в сетчатки животных полимерные пластинки с маленькими отверстиями - диаметром 15-40 микрон.
И вот через считанные часы клетки сетчатки сами начали передвигаться в отверстия, в течение всего нескольких дней заполняя полости под ними. Аналогично клетки вели себя и по отношению к пластине, которую покрывали стройные ряды длинных выступов-башенок. Клетки быстро заполняли промежутки между этими выступами.
В новом проекте клетки сетчатки заманиваются в полости имплантата. На его поверхности и в отверстиях создаётся система стимулирующих электродов (иллюстрация с сайта stanford.edu).
"Если гора не идёт к Магомету, то Магомет идёт к горе, — сказал Паланкер. — Мы не можем поместить электроды близко к клеткам. Но мы фактически приглашаем клетки прибыть в область электродов, и они делают это с удовольствием и очень быстро".
Таким образом, в проекте нового имплантата удалось добиться той самой плотности 2,5 тысячи электродов на квадратный миллиметр с соблюдением дистанции между каждым электродом и его личной клеткой - до 7 микрон. Электроды разместили в этих полостях и, соответственно - на выступах.
Будет ли рабочий проект иметь отверстия в пластине или наоборот - "башенки" - пока неясно. В случае отверстий можно добиться едва ли не поштучного соединения электродов и клеток, но зато в случае выступов - у клеток лучше снабжение питательными веществами. Выбор будет сделан позже.
Но это - далеко не все отличия проекта от конкурирующих работ. Если помните, другие авторы предлагали транслировать на электроды сигнал прямо с камеры на лбу. А в этом есть сильный подвох.
Аналогично работает схема с выступами (иллюстрация с сайта stanford.edu)
Дело в мельчайших непроизвольных движениях глаз, сканирующих пространство даже тогда, когда нам кажется, что мы неподвижно смотрим в одну точку.
Если напрямую связывать камеру на лбу с имплантатом в сетчатке, это свойство зрения пропадает, что очень негативно сказывается на восприятии. А ещё - при такой схеме - зрение полностью зависит от числа электродов в имплантате. А что можно увидеть, скажем, в ста пикселях?
Паланкер предложил иную схему. Камера на лбу тут также имеется, но она направляет сигнал в носимый микрокомпьютер (размером с бумажник), который переводит видимое изображение в набор коротких импульсов инфракрасного светодиодно-жидкокристаллического дисплея, с числом точек в несколько тысяч.
Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, расположенного перед глазами, проходит через хрусталик и попадает на фоточувствительные диоды имплантата в сетчатке глаза. Те усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной батареи, имплантированной в радужку.
Эти инфракрасные лучи человек не видит. А вот результат воздействия электрических импульсов на клетки сетчатки - воспринимает как изображение.
При этом сам имплантат имеет размер в половину рисового зерна (3 миллиметра) и покрывает 10 градусов поля зрения - его центр.
Бионический глаз Паланкера (иллюстрация с сайта stanford.edu).
И мелкие быстрые движения глаз сохраняют свою важность - ведь человек сам смотрит как на пейзаж (напрямую), так и на то электронное изображение (пусть инфракрасное).
Положение этого изображения на сетчатке (и внедрённой решётке электродов, соответственно) меняется вместе с движением глазного яблока. Таким образом, электронный прибор максимально использует оставшиеся естественные способности глаза по обработке зрительной информации.
Можете ли вы представить себе, что чувствует человек, который не видит или почти не видит окружающий мир? Такое состояние называется слепотой – невозможностью воспринимать зрительные стимулы из-за патологических нарушений в самом глазу, в зрительных нервах или в мозге . В 1972 году Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) приняла следующее определение: человек считается слепым, если острота центрального зрения в условиях максимальной коррекции не превышает 3/60. При таком зрении человек в условиях дневного освещения с максимальной коррекцией оптики неспособен сосчитать пальцы с расстояния в 3 метра.
Так вот для таких случаев была предложена идея электрической стимуляции сетчатки или зрительной коры, создание протеза, который по механизму действия имитирует настоящие процессы передачи электрических сигналов.
Вариантов электронных имплантов несколько, каждый год появляются новые идеи, но термин и сам «Бионический глаз» (Bionic Eye) разработан Дэниелом Паланкером, сотрудником Стэнфордского университета и его научной группой «Биомедицинской физики и офтальмологических технологий».
Имплантация модели бионического глаза Argus II (кстати, единственной модели, имеющей ЕС марку, но не сертифицированной в России) была выполнена в России в июле 2017 года одному пациенту. И со всех источников телевещания мы услышали – теперь человек сможет увидеть мир как раньше. Сотни людей просят поставить бионический глаз, а некоторые вдобавок просят «вживить» чипы для суперзрения.
Так что же мы на сегодняшний день имеем и может ли стать явью мечта увидеть мир после того, как потерял зрение?
БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ СЕТЧАТКИ
Бионическими называют протезы и имплантируемые элементы частей организма человека, которые подобны по внешнему виду и функциям на настоящие органы или конечности. На сегодняшний день людям успешно помогают в полноценной жизни бионические руки, ноги, сердца, а также органы слуха. Цель создания электронного глаза - помочь слабовидящим с проблемами сетчатки или зрительного нерва. Имплантируемые вместо поврежденной сетчатки устройства должны заменить миллионы клеток фоторецепторов глаза, пусть не на все 100%.
Технология для глаз похожа на ту, которая используется в слуховых протезах, помогающим глухим людям слышать. Благодаря ей пациенты имеют меньше шансов потерять остаточное зрение, а утратившие зрение - видеть свет и иметь хоть какую-то способность ориентироваться в пространстве самостоятельно.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Общий принцип действия электронного глаза следующий: в специальные очки встраивается миниатюрная камера, с нее информация об изображении передается в девайс, который преобразует картинку в электронный сигнал и отсылает его на специальный передатчик, который в свою очередь посылает электронный сигнал на имплантированный в глаз или в мозг приёмник, или информация передается через крошечный проводок на электроды, присоединенные к сетчатке глаза, они стимулируют оставшиеся нервы сетчатки, посылая электрические импульсы в головной мозг через оптические нервы. Устройство призвано компенсировать утраченные зрительные ощущения при полной или неполной потере зрения.
Главные условия успешной работы системы:
МИКРОХИРУРГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
Это обширнейшие операции. Если описать, например, имплантацию субретинального (расположенного под сетчаткой) бионического глаза – нужно полностью сетчатку поднять, потом сделать обширную ретинэктомию (обрезать часть сетчатки), потом под сетчатку установить этот чип, затем сетчатку пришить ретинальными гвоздями, приклеить сетчатку лазеркоагуляцией и залить силиконовым маслом. Силиконовая тампонада необходима, иначе моментально появится ПВР (пролиферативная витреоретинопатия) и возникнет отслойка. Да, еще и хрусталика собственного не должно быть или он должен быть предварительно заменен на искусственную линзу.
Для операции нужны особые инструменты с щадящими силиконовыми наконечниками. Это совершенно непростая операция, кроме того еще нужен оро-фациальный хирург или ЛОР – они через кожу выводят электроды наружу. И получается такое устройство – чип внутри глаза, а в руках такой приборчик величиной с мобильный телефон, которым ты можешь изменять интенсивность сигнала, он соединяется с подкожными электродами. Одного офтальмолога-хирурга при операции недостаточно – нужна помощь других дисциплин, операция длится долгих 6 часов.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
- Во-первых, это дорого. Только прибор стоит порядка 150 тыс. долларов, то есть почти 8,5 миллионов рублей. А все лечение одного такого пациента может достигать 10 миллионов рублей. Речь идет о модели Argus II. На сегодняшний день в некоторых странах, например, в Германии эта операция оплачивается за счет страховок.
- Фирмы, занимающиеся разработкой и производством, во всем мире живут на государственных дотациях, на грантах. Это здорово - такие вещи должны поддерживаться, иначе никакого развития не будет.
- Сертификата в России нет ни на какое из нижеперечисленных устройств.
МЕДИЦИНСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ
1. Результаты довольно скромные – после операции таких людей нельзя назвать зрячими, они видят на уровне 0,05 максимум, т.е. могут видеть контуры и определять направление движения тени, цветов вообще не различают, предметы могут различаться только те, которые помнятся из прежней «зрячей» жизни, например: «ага – это, наверное, банан, так как что-то полукруглое». Видят, что что-то на них движется, могут догадаться, что это человек, но лицо его не различают.
2. При каких заболеваниях может быть полезен бионический глаз?
Первые пациенты – это пациенты с пигментным ретинитом (retinitis pigmentoza) – заболеванием с первичным исчезновением фоторецепторов и вторичной атрофией зрительного нерва. В России таких пациентов 20-30 тысяч человек, в Германии – всего несколько тысяч.
Следующими на очереди стоят пациенты с географической атрофической макулярной дегенерацией. Это чрезвычайно распространенная возрастная патология глаза.
Третьими будут, больные глаукомой. Глаукомой пока не занимались, так как атрофия зрительного нерва в этом случае первичная, поэтому способ передачи должен быть другой – в обход зрительного нерва.
Диабет – это самая сложно решаемая проблема. Один из методов лечения диабетических изменений на сетчатке – лазеркоагуляция по всей поверхности. После такой процедуры технически невозможно поднять сетчатку из-за лазеркоагулятов - это получается «решето». А если не сделано лазером – ситуация не лучше: обычно глаз настолько поврежден, что имплантация в этом случае бесполезна.
3. К сожалению, нынешний прототип бионического глаза не позволяет людям видеть окружающий мир так, как видим его мы. Их цель - перемещаться самостоятельно без посторонней помощи. До массового использования этой технологии еще далеко, однако ученые подарят надежду людям, потерявшим зрение.
ТЕКУЩИЕ ПРОЕКТЫ «БИОНИЧЕСКИХ ГЛАЗ»
В последние несколько десятков лет ученые разных стран работают над идеями бионических электронных глаз. С каждым разом технологии совершенствуются, однако на рынок для массового использования свое изделие еще никто не представил.
1. Argus retinal prosthesis
Ретинальный протез Argus – это американский проект, довольно хорошо коммерциализированный. В первой модели разрабатывался командой исследователей в начале 1990-х годов: пакистанского происхождения офтальмологом Марком Хамейуном (Mark Humayun, кстати, профессор Секундо с ним знаком по Johns Hopkins University – в то время он был резидентом 2-го года, Вальтер - студентом), Евгеном Дейаном, инженером Ховардом Филлипсом, биоинженером Вентай Лью и Робертом Гринбергом. Первая модель, выпущенная в конце 1990-х, компанией Second Sight имела всего 16 электродов.
«Полевые испытания» первой версии бионической сетчатки были проведены Марком Хамейуном шести пациентам с потерей зрения в результате заболевания retinitis pigmentosa в промежутке с 2002 по 2004 год. Retinitis pigmentosa - неизлечимая болезнь, при которой человек теряет зрение. Наблюдается примерно в одном случае на каждые три с половиной тысячи человек.
Пациенты, которым был вживлен бионический глаз, показали способность не только различать свет и движение, но и определять предметы размером с кружку для чая или даже ножа.
Устройство для испытаний было усовершенствовано - вместо шестнадцати светочувствительных электродов в него было вмонтировано шестьдесят электродов и названо Argus II. В 2007 году начато мультицентровое исследование в 10 центрах 4-х стран США и Европы – всего 30 пациентов. В 2012 году Argus II получил разрешение для коммерческого использования в Европе, годом позже в 2013 году – в США. В России разрешения нет.
По сей день эти исследования субсидируются государственными фондами, в США их три - National Eye Institute, Department of Energy, and National Science Foundation, а также рядом исследовательских лабораторий.
Так выглядит чип на поверхности сетчатки
2. Microsystem-based visual prosthesis (MIVP)
Модель протеза спроектирована Клодом Вераартом (Claude Veraart) в университете Лувена в виде спиральной манжеты электродов вокруг зрительного нерва в задней части глаза. Она коннектится со стимулятором, имплантированным в небольшую ямку в черепе. Стимулятор получает сигналы от внешней камеры, которые переводятся в электрические сигналы, стимулирующие непосредственно зрительный нерв.
Схема MIVP
3. Implantable miniature telescope
На самом деле это устройство нельзя назвать «протезом сетчатки», поскольку этот телескоп имплантируется в заднюю камеру глаза и работает как лупа, увеличивающая ретинальное изображение в 2.2 или 2.7 раз, что позволяет уменьшить влияние на зрение скотом (слепых зон) в центральной части поля зрения. Имплантируется только в один глаз, поскольку наличие телескопа ухудшает периферическое зрение. Второй глаз работает для периферии. Имплантируется через довольно большой разрез роговицы.
Кстати, похожий принцип используется в добавочных интраокулярных линзах Шариотта. У меня самый большой опыт имплантации этих линз в России и результатами пациенты довольны. В этом случае вначале предварительно проводится факоэмульсификация катаракты. Хотя это, конечно, не 100% бионический глаз.
Подробнее об этом в предыдущих постах:
- Имплантируем искусственный хрусталик (вам это понадобится лет после 60)
Телескопическая система для задней камеры глаза
4. Tübingen MPDA Project Alpha IMS
В 1995 году в Университетской глазной клинике Тюбингена началась разработка субретинальных протезов сетчатки. Под сетчатку укладывался чип с микрофотодиодами, который воспринимал свет и трансформировал в электрические сигналы, стимулирующие ганглионарные клетки наподобие естественного процесса в фоторецепторах неповрежденной сетчатки.
Конечно, фоторецепторы во много крат чувствительнее искусственных фотодиодов, поэтому они требовали специального усиления.
Первые эксперименты на микросвинках и кроликах были начаты в 2000 году, и только в 2009 году импланты были вживлены 11 пациентам в рамках клинического пилотного исследования. Первые результаты были обнадеживающими – большинство пациентов смогли отличать день от ночи, некоторые даже могли распознавать предметы – чашку, ложку, следить за перемещением крупных предметов. Кстати, дальнейшая участь этих пациентов была печальна – всем участникам эксперимента, даже тем, кто что-то увидел, согласно подписанному соглашению были удалены «бионические глаза» и они вернулись в исходное состояние.
На сегодняшний день Alpha IMS, производства Retina Implant AG Germany имеет 1500 электродов, размер 3×3 мм, толщиной 70 микрон. После установки под сетчатку это позволяет почти всем пациентам получить некоторую степень восстановления светоощущения.
Технически эту сложную операцию в Германии делают только в трех центрах: в Аахене, в Тюбингене и Лейпциге. В итоге это делают хирурги так называемой Кельнской школы, ученики профессора витреоретинального хирурга Хайнеманна, к сожалению, довольно рано скончавшегося от лейкемии, но все его ученики стали руководителями кафедр в Тюбингене, Лейпциге и в Аахене.
Эта группа ученых обменивается опытом, ведет совместные научные разработки, у этих хирургов (в Аахене – профессор Вальтер (это его фамилия), в Тюбингене – профессор Барц-Шмиц) самый большой опыт работы с бионическими глазами, потому как в этом случае 7-8-10 имплантаций считается большим опытом.
Alpha IMS на глазном дне
5. Harvard/MIT Retinal Implant
Джозеф Риццо и Джон Уайетт из Массачусета начали исследовать возможность создания протеза сетчатки в 1989 году, и провели испытания стимуляции на слепых добровольцах в период между 1998 и 2000 годами. На сегодняшний день это идея устройства минимально инвазивного беспроводного субретинального нейростимулятора, состоящего из массы электродов, который помещается под сетчатку в субретинальном пространстве и получает сигналы изображения от камеры, установленной на паре очков. Чип-стимулятор декодирует данные изображения из камеры и стимулирует соответственно ганглиозные клетки сетчатки. Протез второго поколения собирает данные и передает их имплантату через радиочастотные поля из катушки передатчиков, установленных на очках. Вторичная катушка приемника зашита вокруг радужки.
Модель MIT Retinal Implant
6. Artificial silicon retina (ASR)
Братьями Аланом Чоу и Винсентом Чоу был разработан микрочип, содержащий 3500 фотодиодов, которые обнаруживают свет и преобразуют его в электрические импульсы, стимулирующие здоровые ганглионарные клетки сетчатки. «Искусственная силиконовая сетчатка» не требует использования внешних устройств. Микрочип ASR - это кремниевый чип диаметром 2 мм (та же концепция, что и в компьютерных чипах), 25 микрон толщиной, содержащий ~5000 микроскопических солнечных элементов под названием «микрофотодиоды», каждый из которых имеет свой собственный стимулирующий электрод.
7. Photovoltaic retinal prosthesis
Даниэль Palanker и его группа в Стэнфордском университете разработали фотоэлектрическую систему, она же и есть «бионический глаз». Система включает в себя субретинальной фотодиод и инфракрасную проекционную систему изображения, установленную на видеоочки.
Информация с видеокамеры обрабатывается в девайсе и отображается в импульсном инфракрасном (850-915 нм) видеоизображении. ИК-изображение проецируется на сетчатку через естественную оптику глаза и активирует фотодиоды в субретинальном имплантате, которые преобразуют свет в импульсный бифазный электрический ток в каждом пикселе.
Интенсивность сигнала может быть дополнительно увеличена с помощью увеличения общего напряжения, обеспечиваемого радиочастотным приводом имплантируемого источника питания.
Схожесть между электродами и нейронными клетками, необходимая для стимуляции высокого разрешения, может быть достигнута с использованием эффекта миграции сетчатки.
Модель Паланкера
8. Bionic Vision Australia
Австралийская команда во главе с профессором Энтони Буркиттом разрабатывает два протеза сетчатки.
Устройство Wide-View сочетает в себе новые технологии с материалами, которые были успешно использованы для других клинических имплантатов. Этот подход включает в себя микрочип с 98 стимулирующими электродами и направлен на повышение мобильности пациентов, чтобы помочь им безопасно перемещаться в своей среде. Этот имплантат будет помещен в супрахориоидальное пространство. Первые тесты пациентов с этим устройством начаты в 2013 году.
Bionic Vision Australia - это микрочип-имплантат с 1024 электродами. Этот имплантат помещается в супрахориоидальное пространство. Каждый прототип состоит из камеры, прикрепленной к паре очков, которая посылает сигнал на имплантированный микрочип, где преобразуется в электрические импульсы для стимуляции оставшихся здоровых нейронов сетчатки. Затем эта информация передается зрительному нерву и центрам обработки зрения головного мозга .
Австралийский исследовательский совет присудил Bionic Vision Australia грант в размере 42 миллионов долларов США в декабре 2009 года, и консорциум был официально запущен в марте 2010 года. Bionic Vision Australia объединяет многопрофильную команду, многие из которых имеют большой опыт разработки медицинских устройств, таких как «бионическое ухо».
Модель Bionic Vision Australia
Благодаря исследователям из Института бионики (Мельбурн, Австралия) и компании evok3d, трудящихся над «бионическим глазом», люди, страдающие пигментной дистрофией сетчатки и возрастной молекулярной дегенерацией, в перспективе смогут восстановить зрение. Для проведения процедур восстановления необходимы оставшиеся у пациента ганглионарные клетки, здоровый зрительный нерв и здоровая зрительная зона коры головного мозга . В этом случае у человека есть возможность вновь обрести зрение.
Для изготовления прототипа глаза, а также формы для его отливки, ученые из Института бионики обратились за помощью к специалистам компании evok3d, специализирующейся на 3D-услугах и для печати «искусственного глаза» использовали 3D-принтер ProJet 1200.
Понадобилось всего четыре часа, чтобы напечатать прототип на ProJet 1200, до появления 3D-печати на его изготовление тратили недели или даже месяцы. Вот так 3D-печать ускорила научно-исследовательский и производственный процесс.
Бионическая зрительная система включает в себя камеру, передающую радиосигналы микрочипу, расположенному в задней части глаза. Эти сигналы превращаются в электрические импульсы, стимулирующие клетки в сетчатке и зрительный нерв. Потом они передаются в зрительные зоны коры мозга и преобразуются в изображение, которое видит пациент.
9. Dobelle Eye
Аналогично по функции устройству Гарвард/МИТ (6), кроме стимуляторной микросхемы, которая имплантируется прямо в мозг в первичную зрительную кору, а не на сетчатку глаза. Первые впечатления от имплантата были неплохие. Еще в стадии развития, после смерти Добеля, было решено превратить этот проект из коммерческого в проект, финансируемый государством.
Схема Dobelle Eye
10. Intracortical visual prosthesis
Лаборатория нейронных протезов из Иллинойского технологического института в Чикаго, разрабатывает визуальный протез, используя внутрикорковые электроды. В принципе, аналогично системе Добеля, применение внутрикорковых электродов позволяет значительно увеличить пространственное разрешение в сигналах стимуляции (больше электродов на единицу площади). Кроме того, разрабатывается система беспроводной телеметрии для устранения необходимости в транскраниальных (внутричерепных) проводах. Электроды, покрытые слоем активированной пленки оксида иридия (AIROF), будут имплантированы в зрительной коре, расположенной в затылочной доле мозга . Наружный блок будет захватывать картинку, обрабатывать ее и генерировать инструкции, которые затем будут передаваться в имплантированные модули по телеметрическому линку. Схема декодирует инструкции и стимулирует электроды, в свою очередь стимулируя зрительную кору. Группа разрабатывает датчики внешней системы захвата и обработки изображений для сопровождения специализированных имплантируемых модулей, встроенных в систему. В настоящее время проводятся исследования на животных и психофизические исследования человека для проверки целесообразности имплантации добровольцам.
Чип на фоне монеты
ИТОГ
Сейчас все в стадии пусть не первичной, но такой вторичной разработки, что о массовой эксплуатации и решении всех проблем вообще пока речи не идет. Слишком мало людей прооперировано и никак нельзя говорить о массовом производстве. В настоящее время все это еще стадия разработки.
Первые работы начались более 20 лет назад. В 2000-2001 году что-то начало получаться на мышах. В настоящее время мы получили первые результаты на людях. То есть вот такая скорость.
Пока будет что-то серьезное, еще двадцать лет может пройти. Мы находимся на очень-очень ранней стадии, на которой есть первый положительный эффект – распознавание контуров, света, и не у всех – пока не могут предсказать кому это поможет, а кому нет.
Хирургов, которые занимаются этими экспериментами – по пальцам пересчитать.
Имплантировать один протез – это только с рекламной целью. Этими работами должны заниматься люди, у которых есть возможность делать 100-200 операций в год в рамках одной проектной группы, чтобы появилась критическая масса. Тогда появится понимание в каких случаях можно ожидать эффекта. Такие программы должны субсидироваться бюджетом или специализированными фондами.
Хотя еще нет совершенной модели, все существующие требует доработки, ученые полагают, что в будущем электронный глаз может заменить функцию клеток сетчатки и помочь людям обрести хоть малейшую способность видеть с такими заболеваниями, как пигментный ретинит, дегенерация желтого пятна, старческая слепота и глаукома.
Если у вас есть свои идеи, как еще можно с помощью технологий вернуть зрение людям (пусть пока еще и труднореализуемыми способами) – предлагаем их обсудить ниже.
А история с бионическими контактными линзами, потенциале редактирования генома, о том, как можно слышать цвета посредством кое-чего, вживленного в мозг – в следующих постах.
Московские хирурги впервые в России провели уникальную операцию — вживление бионического глаза. Их пациентом стал 59-летний житель Челябинска. Протез, который установили врачи, американского производства, однако со временем должны и появиться и российские аналоги. Как современные технологии позволяют человеку в буквальном смысле стать киборгом?
Он не различает цветов, не может разглядеть многочисленные детали, доступные глазу здорового человека. Александр Ульянов из Челябинска видит мир размыто и исключительно черно-белым, но и это для него счастье: последние двадцать лет он был полностью слеп. Сложнейшая шестичасовая операция по установке ретинальных имплантов осуществлялась на базе Научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА. Александр Ульянов — особенный пациент, первый подобный в России и 41-й в мире, кому был установлен бионический глаз.
За послеоперационным периодом пристально следят не только лучшие офтальмологи, но и лично министр здравоохранения России. Бионическое направление Вероника Скворцова называет одним из самых перспективных в отечественной медицине. Электрические импульсы в установленный Григорию Ульянову чип стали пускать лишь неделю назад, но пациент уже показывает отличные результаты. Теперь самое главное - реабилитация.
"Здесь есть два момента. Мозг как мощнейший биологический компьютер имеет, во-первых, воспоминания исходного видения. У Григория Александровича, нашего первого пациента, ему сейчас 59 лет, зрение ушло около 20 лет назад. Ему уже было более 35 лет, зрительные образы в мозге хранятся, и есть возможность с помощью специальных реабилитационных технологий повышения пластичности мозга соединить получаемую сейчас информацию так, как она получается, с теми зрительными образами, которые хранятся в корковых полях ", — поясняет Вероника Скворцова.
Имплант "Аргус 2" - второе поколение подобных устройств. Первые давали четкость изображения в два раза меньше. Опыт по вживлению и наблюдению в послеоперационном периоде крайне важен для российской медицины. В скором времени российское здравоохранение сможет предложить отечественные аналоги зарубежным разработкам.
"Феноменальный результат. За последние два года очень много у нас появилось 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", — продолжила Вероника Скворцова.
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 состоится уже этой осенью.
› Бионический глаз - уже не фантастика
Искусственное зрение
Бионический глаз - специальное устройство, позволяющее слепым людям различать визуальные объекты и этим компенсировать отсутствие зрения. Принцип работы бионического глаза построен на имплантации протеза сетчатки в поврежденный глаз. Сохранившиеся в сетчатке неповрежденные нейроны дополняются искусственными фоторецепторами.
Слепота может наступить по многим причинам. У людей преклонного возраста может развиться деградация сетчатки глаза с атрофией рецепторов. Если палочки и колбочки перестают реагируют на свет, пациент уже не видит. Однако нервные клетки сетчатке глаза сохраняют работоспособность. Это дает шансы восстановления зрения.
Скотома (в переводе с греческого "темнота") - частая причина потери зрения. Это пятно, возникшее вследствие глаукомы или поражения зрительного нерва, локализованное в поле зрения глаза. Скотомы ослабляют или нарушают зрение.
Как действует бионический глаз
Важная часть бионического глаза - полимерная матрица с фотодиодами. Она фиксирует слабые электрические импульсы и транслирует их нервным клеткам. Сигналы, преобразованные в электрическую форму, воздействуют на сохранившиеся в сетчатке нейроны. Альтернативой полимерной матрице могут быть особые очки, видеокамера, инфракрасный датчик. Они способны восстановить функцию центрального и периферийного зрения.
Видеокамера, встроенная в очки записывает картинку в аналоговой форме. Данные передаются процессору, преобразующему сигнал и отсылающего его ресиверу и фотосенсору, вживленному в сетчатую оболочку глаза пациента. Электрические импульсы передаются через оптический нерв в мозг человека.
Особенности восприятия визуального изображения
Конструктивные особенности бионического глаза постоянно совершенствовались. В ранних моделях картинка передавалась с видеокамеры в глаз пациента. Сигнал фиксировался фотодатчиком и с матрицы площадью в сто пикселов поступал по нервным клеткам в мозг. Однако глазное яблоко и камера работали несинхроно.
В другом варианте видеоинформация поступала в портативный компьютер, преобразующий видимое изображение в массив из нескольких тысяч инфракрасных импульсов. Они, отражаясь от стекла очков, попадали в хрусталик глаза и падали на фотосенсоры в глазной сетчатке. Хотя человек не различает ИК-лучи, их воздействие идентично получению самого изображения. Возможно формирование и восприятие пространства, находящегося перед пациентом с бионическими глазами, благодаря сложению картинки от фоторецепторов глаза и наложения картинки от камеры на центральную область глаза.
Из истории использования бионического глаза
Линда Морфут из Калифорнии перенесла пигментный ретинит в возрасте 21 год. Через 29 лет женщина почти ослепла, лишь левый глаз немного реагировал на свет. Это был 2004 год. Врачи предложили Линде испытать бионический глаз с материцей из 16 электродов. После установки датчика Линда стала различать контуры объектов. Она распознавала здания, сооружения, городскую инфраструктуру, людей и освещение города.
Позже бионический глаз имплантировался после потери зрения пациентам в возрасте 50+. Питеру Лейну в глаз вживили контроллеры, передающие мозгу сигналы от особых очков. Лейн и еще 32 добровольца потеряли зрение в результате дистрофии сетчатки еще в юности. Лейн стал различать контуры предметов в комнате и распознавать графические символы. На момент операции Лейну исполнился 51 год. Другие операции также оказались удачными.
10 лет исследователи были оптимистичны по поводу бионического глаза. Предполагалось, что к 2009 году бионический глаз с матрицей 2,5-ой тысяч пикселей будет продаваться по 15 000 фунтов, однако прогноз не сбылся.
Сегодняшний этап развития технологии бионического глаза
Каждый год мощности биомедицинских технологий возрастают. Сегодня стандартом системы искусственного зрения собираются принять матрицу со сторонами по 500 фотоэлементов. В сравнении с первой матрицей 16х16 разница поразительна. Однако обычный человеческий глаз имеет 7 миллионов колбочек и еще 120 миллионов палочек. Матрицам еще есть, куда двигаться.
Систему бионического глаза Argus II разработала и создала фирма Second Sight (США). Ее испытали 130 пациентов с пигментным ретинитом. Argus II состоит из имплантата сетчатки и мини-видеокамеры, встроенной в очки. Камера фиксирует изображение и передает информацию процессору. Данные получает по беспроводной связи имплантат. Он стимулирует сохранившиеся клетки сетчатки электродами и отправляет информацию зрительному нерву.
Пользователи Argus II различают вертикальные и горизонтальные линии через неделю применения системы. Сегодня стоимость бионического глаза Argus II - 150 000 фунтов стерлингов. Разработчики не останавливают работу, балансируя за счёт различных грантов. Конечно даже совершенные модели искусственного глаза еще слабы, но это важные вехи борьбы со слепотой.
Бионический глаз
Бионический глаз (_en. Bionic Eye) - протез сетчатки глаза высокого разрешения, разработанный Дэниелом Паланкером (_en. Daniel Palanker), сотрудником Стэнфордского университета (Stanford University) и его научной группой "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий" (Group of BioMedical Physics and Ophthalmic Technologies).
Они разработали протез сетчатки глаза высокого разрешения или "Бионический глаз" (Bionic Eye) [] , обладающий целым рядом преимуществ перед предыдущими проектами лечения слепоты с помощью электронных имплантантов.
В Японии также создана искусственная сетчатка глаза на основе патента США, которая в перспективе поможет вернуть зрение ослепшим пациентам. Как стало известно, технология разработана специалистами корпорации «Сэйко-Эпсон» и базирующегося в Киото Университета Рюкоку. [http://www.medlinks.ru/article.php?sid=30236 ]
Искусственная сетчатка представляет собой фотосенсор, содержащий тончайшую алюминиевую матрицу с полупроводниковыми элементами из кремния . Для лучшего проведения базовых испытаний, она размещена на прямоугольной стеклянной табличке размером 1 см. Для последующих испытаний на животных, в частности, морских угрях, ее предполагается установить на гибких жидкокристаллических панелях.
По принципу действия искусственная сетчатка иммитирует настоящую: при попадании лучей света в полупроводниках образуется электрическое напряжение, которое в качестве зрительного сигнала должно передаваться в мозг и восприниматься в виде изображения.
Разрешение светочувствительной матрицы в составляет 100 пикселей, но после уменьшения размеров чипа, оно может быть увеличено до двух тысяч графических элементов. По утверждению специалистов, если такой чип имплантировать полностью незрячему человеку, он сможет с близкого расстояния различать крупные предметы - такие, например, как дверь или стол.
Из заявления американских ученых к 2009 году глазной протез можно будет увидеть на потребительском рынке. Об этом сообщил профессор офтальмологии Марк Хамейун из Института Глаза в Университете Южной Калифорнии (США). [http://www.membrana.ru/print.html?1132336800 ]
Первая версия протеза сетчатки глаза уже проходит так называемые «полевые» испытания. Бионическая сетчатка вживлена шести пациентам с потерей зрения в результате заболевания retinitis pigmentosa. Retinitis pigmentosa - неизлечимая болезнь, при которой человек теряет зрение. Наблюдается примерно в одном случае на каждые три с половиной тысячи человек.
Пациенты, которым был вживлен бионический глаз, показали способность не только различать свет и движение, но и определять предметы размером с кружку для чая или даже ножа. К некоторым из них вернулась способность читать крупные буквы.
Устройство для испытаний усовершенствовано. Вместо шестнадцати светочувствительных электродов в него вмонтировано шестьдесят.
В настоящее время в США уже разработан и испытывается на животных протез сетчатки глаза с более 2,5 тыс. пикселей. [http://www.membrana.ru/print.html?1132336800 ]
Электронный имплантант
ей более 2,5 тыс. и расстоянием между ними в 7 мкм. Это позволило в десятки раз повысить разрешающую способность сетчатки глаза. Старый протез на базе сплошной конструкции с выступающими катодами в количестве не более 100 штук не позволял увеличивать количество фотодиодов (пикселей) из-за нагрева, что не желательно для нервных окончаний сетчатки глаза. [http://www.membrana.ru/articles/health/2005/04/07/205000.html ]
Дырчатая конструкция после имплантации позволила нервным клеткам сетчатки автоматически перетекать с верхней и нижней поверхносей фотодатчика через полости и соединяться, а также уменьшить нагрев пикселей и увеличить их количество. [http://www.membrana.ru/print.html?1132336800 ]
См. также
* Оптические системы
* Оптические биоинженерные технологии
* Датчик
* Фотосенсор
Примечания
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Бионический глаз" в других словарях:
У этого термина существуют и другие значения, см. Слепота (значения). Слепота … Википедия
Технологии создания оптических систем с использованием имеющихся в природе принципов биологических оптических систем.В ходе эволюции природой создано не менее 10 систем зрения, которые образованы в зависимости от условий обитания живых существ.… … Википедия
- (имплантаты) класс изделий медицинского назначения, используемые для вживления в организм либо в роли протезов (заменителей отсутствующих органов человека), либо в качестве идентификатора (например, чип с информацией о домашнем животном,… … Википедия
Импланты (имплантаты) класс изделий медицинского назначения, используемые для вживления в организм либо в роли протезов (заменителей отсутствующих органов человека), либо в качестве идентификатора (например, чип с информацией о домашнем животном … Википедия
Импланты (имплантаты) класс изделий медицинского назначения, используемые для вживления в организм либо в роли протезов (заменителей отсутствующих органов человека), либо в качестве идентификатора (например, чип с информацией о домашнем животном … Википедия
Bionic Woman Жанр драма … Википедия
