Бионика в Офтальмологии

Оглавление

1. Общее понятие бионики:

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

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

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

---

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

1.1. Введение:

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Бионический глаз:

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

---

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

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

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

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

2.1.1 Принцип работы бионического глаза:

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

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

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

---

2.1.2 Глаз как камера:

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

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

2.1.3 Основные фундаментальные технологии:

1. Ретинальные нанотрубки

Группа ученых из Китая (Shanghai Public Health Clinical Center) в 2018 году провела эксперимент на мышах, в ходе которого вместо не функционирующих фоторецепторов сетчатки предложила использовать нанотрубки. Преимущество этого проекта — маленький размер нанотрубок. Каждая из них может стимулировать только несколько клеток сетчатки.

2. Биопиксели

Группа ученых из Оксфорда стремится сделать протез максимально приближенным к естественной сетчатке. Биопиксели в проекте выполняют функцию, схожую с настоящими клетками. Они имеют оболочку из липидного слоя, в который встроены фоточувствительные белки. На них воздействуют кванты света и как в настоящих клетках изменяется электрический потенциал, возникает электрический сигнал.

3. Перовскитная искусственная сетчатка

Все предыдущие фундаментальные разработки направлены на стимулирование всех слоев живых клеток. При помощи технологии перовскитной искусственной сетчатки китайские ученые пытаются предоставить возможность не только получать световые ощущения, но и различать цвет за счет моделирования сигнала таким образом, чтобы он воспринимался мозгом как имеющий определенную цветность.

4. Фотогальваническая пленка Polyretina

В Polyretina используется маленькая пленка, покрытая слоем химического вещества, которое имеет свойство поглощать свет и конвертировать его в электрический сигнал. Пленка размещена на сферическом основании, чтобы можно было удобно разместить ее на глазном дне.

2.2 Виды бионических имплантов:

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

---

2.2.1 Эпиретинальные импланты

Argus II (Second Sight, США)

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

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

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

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

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

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

Стоимость:

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

Достоинства бионического глаза:

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

Недостатки устройства:

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

IRIS II (Pixium Vision, Франция)

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

---

Смотрите также файлы

• 1. Теоретикоправовые аспекты толкования правовых норм используемых Пленумом Верховного Суда Российской Федерации.doc

• Младший возраст.docx

• Словарь терминов по курсу Введение в профессию Социальная работа Альтруизм.docx

• Доклад на тему Гигиена.docx

• Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу Основания и фундаменты Студент Гр. С933 Кичан И. С. Проверил Пронкина Т. Н.doc