ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.02.2024
Просмотров: 57
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Интракортикальный зрительный протез (WFMA)
Американские ученые разработали технологию многоканальной внутрикортикальной стимуляции с помощью беспроводных массивов металлических микроэлектродов и создали беспроводную плавающую микроэлектродную решетку (WFMA).
Система протеза состоит из группы миниатюрных беспроводных имплантируемых решеток-стимуляторов, которые могут передавать информацию об изображении, снятом на встроенную в очки видеокамеру, непосредственно в мозг человека.
Каждая решетка получает питание и цифровые команды по беспроводной связи, так что никакие провода или разъемы не пересекают кожу головы.
Посылая команды в WFMA, изображения с камеры передаются непосредственно в мозг, создавая грубое предметное визуальное восприятие изображения. Хотя восприятие не будет похоже на нормальное зрение, с его помощью человек может вести самостоятельную деятельность. Система ICVP получила одобрение FDA для проведения клинических испытаний.
Кортикальный протез NESTOR
Голландские ученые также разработали схожую технологию системы протезирования. Принцип функционирования протеза такой же, как в проектах выше. Камера отправляет сигнал на имплант, который состоит из тысяч электродов и смарт-чипа. С помощью процессора зрительное восприятие можно контролировать и регулировать.
«Хотя полное восстановление зрения пока кажется невозможным, кортикальные системы создают по-настоящему значимые визуальные восприятия, при помощи которых слепые люди могут распознавать, локализировать и брать предметы, а также ориентироваться в незнакомой среде.
Результат — в существенном повышении уровня жизни слепых и слабовидящих. Такие вспомогательные устройства уже позволили тысячам глухих пациентов слышать звуки и приобретать языковые способности, и такая же надежда существует в области визуальной реабилитации», — обнадежил Андрей Демчинский.
2.3 Ограничения:
Конечная цель изобретения - охватить максимальное количество людей, поэтому все дело в стоимости бионического глаза, которая составляет примерно 30 000 долларов, когда многие люди не могут его заказать. Стоимость является основным фактором бионического глаза; будем надеяться, что стоимость снизится, и в ближайшие годы они станут более распространенными в медицинском мире.
Бионический глаз подходит не для всех слепых людей (например, при глаукоме); в основном он предназначен для людей с повреждением сетчатки из-за РП ... и т.д. Процент восстановления зрения недостаточно высок. К сожалению, видение, предлагаемое бионическим глазом, недостаточно четкое, чтобы получатели могли полагаться на него при навигации по миру, поскольку они генерируют размытые изображения и слишком медлительны, чтобы уловить быстрые движения.
В целом, зрение по-прежнему не соответствует естественному человеческому глазу. Исследователи надеются, что потенциальные бионические глазные имплантаты смогут обеспечить зрение с более высоким разрешением, но это сопряжено с присущими ему проблемами. Система Argus позволяет получателям указывать на разницу между формами, движением и светом.
Таким образом, мы познакомились с понятием бионика в офтальмологии, стоит ответить на довольно интересный вопрос: как же людям пришло в голову использовать технологии, в области зрения, ведь это довольно опасный процесс, предлагаю ознакомиться с историей создания бионических глазных протезов.
3. История создания:
Немецкий психолог Иоганн Пуркинье в 1823 году заинтересовался вопросами зрения и галлюцинаций, а также возможностью искусственной стимуляции зрительных образов. Принято считать, что именно он впервые описал зрительные вспышки — фосфены, которые он получил при проведении простого опыта c аккумулятором, пропуская через голову электрический ток и описывая свой визуальный опыт.
Спустя 130 лет, в 1956 году, австралийский ученый Дж. И. Тассикер запатентовал первый ретинальный имплант, который не давал какого-то полезного зрения, но показал, что можно искусственно вызывать зрительные сигналы.
Ретинальный имплант (имплант сетчатки) «вводит» визуальную информацию в сетчатку, электрически стимулируя выжившие нейроны сетчатки. Пока вызванные зрительные восприятия имели довольно низкое разрешение, но достаточное для распознавания простых объектов.
Но глазное протезирование долго тормозилось из-за технологических ограничений. Прошло очень много времени, прежде чем появились какие-то реальные разработки, которые смогли дать «полезное зрение», то есть зрение, которым человек мог бы воспользоваться. В 2019 году в мире насчитывалось около 50 активных проектов, фокусирующихся на протезировании зрения.
3.1 Люди участвующие в создании и развитии глазных протезов за рубежом:
3.1.2. Дэниел Паланкер
Дэниел Паланкер из Стэнфордского университета и его научная группа "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий" разработали протез сетчатки глаза высокого разрешения (имплантант в сетчатку глаза) называемый «Бионическим глазом».
Разработки группы Паланкера:
-
Искусственный объект — Оптикоэлектронный протез сетчатки глаза, -
Взаимодействие в ткани — механизмы и использование, -
Электрические эффекты в области ионных каналов и клеточных мембран, -
Интерфейс «Нерв-устройство», -
Взаимодействие лазерного излучения и живой ткани, -
Микрохирургические технологии, -
Минимально-повреждающие электрооптические, терапевтические технологии -
Оптическое отображение и спектроскопия.
3.1.3. Дэвид Гамм
Дэвид Гамм - директор Глазного Исследовательского института при Университете Висконсин офтальмолог, всемирно известный специалист по выращиванию сетчатки из стволовых клеток человека. Искусственная сетчатка глаза человека заменит бионический глаз и восстановит нормальное цветное зрение у людей, потерявших зрение или находятся в состоянии деградации сетчатки зрительной системы.
3.1.4. Дж. И. Тассикер
Первый ретинальный имплант (имплант сетчатки) был запатентован австралийским ученым Дж. И. Тассикер в 1956 году. И хотя он не давал какогото полезного зрения, но показал, что можно искусственно вызывать зрительные сигналы. Глазное протезирование долго тормозилось из-за технологических ограничений.
Прошло очень много времени, прежде чем появились какие-то реальные разработки, которые смогли дать «полезное зрение», то есть зрение, которым человек мог бы воспользоваться.
3.2. Развитие бионики в офтальмологии за рубежом в наши дни:
3.2.1 Разработка бионической сетчатки на основе гидрогелевых биопикселей:
До настоящего времени в разработке протезных ретинальных систем исследователи использовали только твердые ригидные материалы. В своем новом исследовании Vanessa Restrepo-Schild с соавт. продемонстрировали возможность применения гибких биологических синтетических конструкций, имитирующих ткани человеческого тела и обладающих высокой адаптивностью, что может стать новой эволюционной ступенью в развитии бионических имплантов.
Команда исследователей разработала двуслойную синтетическую сетчатку, которая точно имитирует работу фоторецепторов. Бионическая сетчатка состоит из гидрогелевых кубов (биопикселей), выполняющих роль каркаса для массива липидных капель и среды для переноса ионов (рис.). Каждая капля сопряжена с гидрогелем посредством билипидного слоя, в который интегрированы белки бактериородопсины, и работает подобно пикселям фотокамеры, поглощая фотоны и реагируя на них.
Из освещенных капель протоны перекачиваются в гидрогель, генерируя при этом электрический ток, который далее аппаратно усиливается, стимулирует нейроны сетчатки и в совокупности формирует изображение в градациях серого. Клеточная культура создается из натуральных биоразлагаемых материалов и не содержит инородных для человеческого организма частиц или живых микроорганизмов
, за счет чего имплант менее агрессивен, чем механическое устройство, что снижает риск развития воспаления, рубцевания или просто механического разрушения ткани сетчатой оболочки глаза.
На данный момент разработка прошла испытания только в лабораторных условиях, и исследователи надеются, что в ближайшее время работа продолжится на животных моделях. Кроме того, разработчики планируют расширить функциональные возможности своей бионической сетчатки, добавив возможность имитации цветового зрения.
3.2.2. Ученые создали искусственный электрохимический глаз, способный различать буквы. Почему это важно?
В научной фантастике часто встречаются роботы с глазами, которые устроены так же, как человеческий глаз, или бионические протезы, которые позволяют восстановить зрение людям с врожденной или приобретенной слепотой.
В реальной жизни реализовать эту концепцию до сих пор не удавалось. Ученые предприняли множество попыток по разработке таких устройств, но изготовление сферической формы человеческого глаза — особенно полусферической сетчатки — является огромной проблемой, которая серьезно ограничивает функцию искусственных и бионических глаз.
Человеческий глаз работает следующим образом: свет, падающий на него, проходит через систему линз и попадает на рецепторы в сетчатке, которые преобразуют его в нейронные сигналы, они затем передаются в мозг.
Сохранение сферической формы крайне важно при создании искусственного глаза: она обладает широким углом обзора в 150–160 градусов и лучшей способностью к фокусировке, чем иные формы.
Кроме того, человеческий глаз с его полусферической сетчаткой имеет более оригинальную оптическую компоновку, чем, скажем, сенсоры плоских изображений в камерах: форма купола сетчатки естественным образом уменьшает распространение света, прошедшего через линзу, заостряя фокус.
3.2.2.1. Что именно создали ученые?
В основе искусственного электрохимического глаза лежит массив фотопреобразователей из перовскита, материала, который используется при производстве солнечных батарей. В устройстве он играет роль сетчатки, полусфера которой изготовлена из пористого оксида алюминия. Фотодатчики из перовскита формировались непосредственно внутри этих пор.
Тонкие гибкие провода, изготовленные из жидкого металла (эвтектического галлий-индийского сплава), запечатанные в мягкие резиновые трубки, передают сигналы от фотодатчиков нанопроволоки на внешние схемы для обработки сигналов. Эти провода имитируют нервные волокна, которые соединяют человеческий глаз с мозгом.
Искусственная сетчатка удерживается на месте креплением из силиконового полимера — это позволяет обеспечить правильное выравнивание между проводами и нанопроволокой.
Объектив в сочетании с искусственной радужкой расположен на передней части устройства, как и в человеческом глазе. Сетчатка сзади объединяется с полусферической оболочкой спереди, образуя сферическую камеру, аналог «глазного яблока».
Камера внутри глаза заполнена ионной жидкостью, которая имитирует стекловидное тело — гель, который заполняет пространство между линзой и сетчаткой в человеческом глазу. Общее структурное сходство между искусственным глазом и человеческим устройству придает широкое поле зрения — около 100°. Это сопоставимо примерно с 130° вертикального поля зрения статического человеческого глаза.
3.2.2.2. В чем важность работы?
В первую очередь в эффективности работы искусственного глаза.
Например, искусственная сетчатка может обнаруживать большой диапазон интенсивности света, от 0,3 микроватт до 50 милливатт на квадратный сантиметр.
При самой низкой измеренной интенсивности каждая нанопроволока в искусственной сетчатке обнаруживает в среднем 86 фотонов в секунду, что соответствует чувствительности фоторецепторов в сетчатке человека.
Кроме того, когда массив нанопроволок стимулируется регулярными, быстрыми импульсами света, он может генерировать ток в ответ на импульс всего за 19,2 миллисекунд, а затем тратит всего 23,9 миллисекунды для восстановления.
Время отклика и восстановления являются важными параметрами, поскольку в конечном итоге они определяют, насколько быстро искусственный глаз может реагировать на световой сигнал. Для сравнения, время реакции и восстановления фоторецепторов в сетчатке человека колеблется от 40 до 150 миллисекунд.
То есть искусственный глаз реагирует на изменение освещения быстрее.
Возможно, самым впечатляющим является относительно высокое разрешение изображения, полученного с помощью искусственной сетчатки — около 100 пикселей. Хотя у человеческого глаза около 100 рецепторов, их плотность ниже, чем в искусственном глазе (4,6 × 10 в 8 степени кв. см и 10 в 7 степени кв. см соответственно).
3.2.2.3. Что уже умеет глаз и для чего будет использоваться?
В ходе испытаний искусственный глаз смог распознать буквы I, У, А и Е, а также некоторые символы. В будущем технология может быть использована как при создании гуманоидных роботов, так и для разработки улучшенных протезов зрения. Однако до этого исследователям еще предстоит много работы.