Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    ab5272a530cbcf4bdfc0f0a581a92d52

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Shutterstock

    Порядка 40 млн слепых людей во всем мире нуждаются в технологиях, которые могут вернуть способность видеть. Однако до сих пор не существует доступного способа протезирования зрения

    Мы привыкли ассоциировать зрение лишь с глазами. Однако помимо самих глазных яблок в процессе участвует зрительная кора головного мозга, которой мы фактически «видим», и нервные пути, которые соединяют глаза с мозгом. Практически на каждом этапе можно попытаться реализовать протезирование.

    Содержание

    История создания зрительного протеза

    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.

    Первые ретинальные импланты

    Пару лет назад на рынке было доступно три ретинальных импланта, которые прошли клинические испытания и были сертифицированы государственными регулирующими органами: европейским CE Mark и американским FDA.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Так выглядели первые ретинальные импланты ( DPG Media)

    Бионические импланты — это целая система внешних и внутренних устройств.

    IRIS II (Pixium Vision) и Argus II (Second Sight) имели внешние устройства (очки с видеокамерой и блок обработки видеосигнала).

    Слепой человек смотрит при помощи камеры, с нее картинка направляется в процессор, где изображение обрабатывается и распадается на 60 пикселей (для системы Argus II).

    Затем сигнал направляется через трансмиттер на электродную решетку, вживленную на сетчатке, и электрическим током стимулируются оставшиеся живые клетки.

    В немецком импланте Alfa АMS (Retina Implant) нет внешних устройств, и человек видит своим собственным глазом. Имплант на 1600 электродов вживляется под сетчатку. Свет через глаз попадает на светочувствительные элементы и происходит стимуляция током. Питается имплант от подкожного магнитного коннектора.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Субретинальный имплантат Alpha AMS компании Retina Implant AG ( ResearchGate)

    Все три ретинальных импланта больше не производятся, так как появилось новое поколение кортикальных протезов (для стимуляции коры головного мозга, а не сетчатки глаза). Однако хотя проектов по фундаментальным разработкам по улучшению ретинальных имплантов еще много, ни один из них не прошел клинические испытания:

    • Улучшенный имплант DRY AMD PRIMA компании Pixium с увеличением количества электродов для стимуляции большего количества клеток сетчатки проходит клинические испытания. Для участия в программе испытаний еще ищут пять кандидатов;
    • Retina Implant AG закрыли производство;
    • Second Sight проводят клинические испытания своего кортикального импланта, но в марте 2020 года компания уволила 80% сотрудников из эксплуатационно-производственного подразделения.

    Тренды ретинальных имплантов: основные фундаментальные технологии

    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.

    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.

    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.

    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.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Фотогальванический имплант Polyretina ( Nature Communications)

    • Субретинальное введение полупроводникового полимера
    • Итальянские ученые предлагают технологию введения полупроводникового полимерного раствора под сетчатку, при помощи которого свет фиксируется и трансформируется в электрические сигналы.

    Российский опыт ретинального протезирования

    В России в 2017 году при поддержке фондов «Со-единение» и «Искусство, Наука и Спорт» было приобретено и установлено два ретинальных импланта Argus II американской компании Second Sight.

    Это единственные операции по восстановлению зрения, которые были проведены в России за все время. Каждая операция вместе с реабилитацией стоила порядка 10 млн руб, а сама система имплантации для одного пациента — порядка $140 тыс.

    Все прошло успешно, и два полностью слепых жителя Челябинска — Григорий (не видел 20 лет) и Антонина (не видела 10 лет) — получили предметное зрение. Предметное зрение означает, что человек может видеть очертания предметов — дверь, окно, тарелку — без деталей.

    Читать и использовать смартфон они не могут. Оба пациента имели диагноз «пигментный ретинит» (куриная слепота).

    На момент 2019 года в мире установлено около 350 имплантов, произведенных компанией Second Sight. Около 50 тысяч россиян нуждаются в подобном протезе сетчатки.

    В России опытом в протезировании зрения может похвастаться лишь один проект — АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».

    «Трендом в фундаментальных разработках бионических протезов является стремление сделать их максимально безопасными, приближенными к биологическим тканям людей и с максимально возможным разрешением.

    Но настоящую революцию вызвали кортикальные импланты, и смысл в ретинальных имплантах пропал, так как они ставятся только при пигментном ретините и возрастной макулярной дегенерации при отсутствии ряда противопоказаний.

    Кортикальные же импланты значительно расширяют горизонт показаний и позволяют восстанавливать полезное зрение даже людям, вовсе лишенным глаз», — рассказал Андрей Демчинский, к.м.н., руководитель медицинских проектов АНО Лаборатория «Сенсор-Тех».

    Кортикальные системы имплантации

    Кортикальные протезы — это подгруппа визуальных нейропротезов, способных вызывать зрительные восприятия у слепых людей посредством прямой электрической стимуляции затылочной коры мозга, которая отвечает за распознавание изображений.

    Этот подход может быть единственным доступным лечением слепоты, вызванной глаукомой, терминальной стадией пигментного ретинита, атрофией зрительного нерва, травмой сетчатки, зрительных нервов и т.п.

    За последние пять лет ученые решили задачу создания такого внутрикортикального визуального нейропротеза, с помощью которого можно было бы восстановить ограниченное, но полезное зрение.

    В 1968 году Г
    С. Бридли и В
    С. Левин провели первую операцию по установке кортикальных имплантов.

    Первый имплант состоял из шапочки с коннекторами (устанавливали на череп под кожу) и отдельной дуги с электродами (устанавливали под череп), которые стимулировали кору головного мозга. Эксперимент был проведен на двух добровольцах для оценки возможности получения полезного зрения.

    Позднее импланты были извлечены. Технология кортикальных имплантов была заморожена по причине провоцирования приступов эпилепсии при стимуляции большего количества клеток мозга.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Первый кортикальный имплант ( The Journal Of Physiology)

    Кортикальный имплант Orion

    Спустя 45 лет американский лидер разработки ретинальных имплантов Second Sight создал кортикальную протезную систему ORION.

    В конце 2017 года Second Sight получили разрешение от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) на проведение клинических испытаний. До апреля 2018 года было установлено шесть устройств.

    По результатам испытаний оказалось, что все пациенты ощущали зрительные стимулы, a у трех пациентов результаты были схожи с ретинальным имплантом Argus II и дали полезное предметное зрение. Клинические испытания будут проходить до июня 2023 года.

    Обязательным условием установки импланта является наличие у пациента зрительного опыта, то есть он может использоваться только для людей со сформированной зрительной корой, которые родились зрячими и потеряли зрение.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Система кортикальной имплантации Orion компании Second Sight ( Prosthetic Body)

    Кортикальный нейропротез CORTIVIS

    Испанские ученые разработали кортикальный имплант под названием CORVITIS. Протез состоит из нескольких компонентов. Одна или две камеры обеспечивают получение изображения, которое затем обрабатывается биопроцессором, чтобы преобразовать визуальный образ в электрические сигналы.

    На втором этапе информация сводится в серию изображений и передается по радиочастотной связи на имплантированное устройство. Этот радиочастотный блок обеспечивает беспроводную передачу питания и данных во внутреннюю систему.

    Имплантированный электронный блок декодирует сигналы, определяет и контролирует форму напряжения и амплитуду формы волны, которая будет подаваться на соответствующие электроды. Клинические испытания на пяти пациентах завершатся в мае 2023 года.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Кортикальный имплант CORVITIS

    1. Интракортикальный зрительный протез (WFMA)
    2. 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.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Интракортикальный зрительный протез (WFMA) ( Chicago LightHouse)

    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.

    Бионический глаз: куда шагнули разработки ученых?

    Благодаря непрерывной научной деятельности ведущих мировых ученых, специализирующихся в области разработок электронных систем и протезов, имитирующих настоящий процесс передачи электрических импульсов для воссоздания зрительной функции. В основе всех разработок, называемых бионическими глазами, лежит идея стимуляции тканей зрительной коры головного мозга или сетчатки при помощи электрических импульсов.

    Принцип действия бионической системы напоминает работу слуховых аппаратов. На сегодняшний день бионический глаз позволяет человеку с полным отсутствием зрения получить возможность видеть силуэты объектов и ориентироваться в пространстве. Для абсолютного слепого человека, живущего в полной темноте, такая возможность является шансом улучшить жизнь и стать ближе к окружающему миру.

    Разработки бионических глаз

    Argus retinal prosthesis – разработка американских ученых. После имплантации системы пациенты могут видеть свет, силуэты крупных предметов, а также небольшие вещи, включая посуду или столовые приборы.

    Bionic Vision Australia – разработка австралийских ученых, представленная в виде чипа, оснащенного 1024 специальными диодами.

    Дополнительно для работы системы требуются очки с камерой, которые предают полученный сигнал в чип, где данные преобразуются в электроимпульс, который воздействует на здоровые клетки сетчатки.

    Далее через зрительный нерв импульс пердается в кору головного мозга.

    Photovoltaic retinal prosthesis – система сочетает в себе фотодиод и проекционную систему для вывода изображения, которая выполнена в форме видеоочков.

    Дополнительно подключается специальный гаджет, который преобразует данные, полученные с камеры очков, в импульсное инфракрасное изображение.

    Дале изображение проецируется на сетчатке глаза и при помощи имплантата световые лучи преобразуются в электрические импульсы.

    Artificial silicon retina (ASR) – разработка силиконовой сетчатки с микрочипом позволяет использовать имплантат без дополнительного внешнего устройства. Микроскопический чип содержит более 5 тысяч микрофотодиодов, к каждому из которых ведет отдельный электрод для стимуляции глазной функции.

    Tübingen MPDA Project Alpha IMS – разработка представляет собой субретинальный протез сетчатки, который выполнен в виде чипа с микроскопическими фотодиодами для обеспечения восприятия глазом световых лучей. Чип помогает преобразовывать лучи света в электрические импульсы.

    Implantable miniature telescope – имплантат, который устанавливается на задней камере глаза и выполняет функцию увеличительной лупы. Применяется для коррекции зрения на одном глазу, так как телескопическая система влияет на периферическое зрение.

    Принцип действия бионического глаза

    Общим для каждого из выше представленных изобретений является принцип действия устройства. Для получения изображения требуется камера, которая считывает информацию из внешнего мира и передает ее в специальный гаджет.

    Девайс преобразует сигнал в электроимпульс и отправляет его вначале в микрочип, имплантированный в глаз, а далее предается на сетчатку либо в кору головного мозга, где установлено приемное устройство, обеспечивающее конечное формирование зрительных ощущений человека.

    Насколько изобретения ученых близки к реальности

    На сегодняшний день операции по имплантации бионических глаз являются достаточно сложными и дорогостоящими. Как правило они финансируются из благотворительных фондов, государственных программ или за счет страхового полиса.

    Ориентировочно стоимость имплантации протеза Argus II составляет более 150 тысяч $. Массовое производство и имплантация систем только в планах.

    Сертификации в России на проведение подобных операций нет. Зафиксирован единичный случай экспериментальной имплантации Argus II россиянке в 2017 году.

    После операции пациенты получают остроту зрения не более 0,05, что позволяет различать только контуры объектов, свет или ориентироваться в пространстве. Таким образом мечта вернуть слепым людям зрение таким, каким оно есть у здорового человека на сегодняшний день является невозможным.

    Интересные статьи по теме:

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Контуры будущего: как современные технологии возвращают зрение абсолютно слепым

    ‘Когда я впервые увидел человека, подумал: ‘Как это так! Не может быть!’ Снимаю очки — ничего не видно. Надеваю — человек передо мной стоит’.

    58-летний Григорий Ульянов из Челябинска стал первым в России пациентом, которому имплантировали бионический глаз. Операцию ему сделали летом прошлого года.

    А в декабре в нашей стране была проведена вторая операция по имплантации уникального устройства — обладателем импланта стала землячка Григория Антонина Захарченко.

    Теперь, чтобы видеть, им достаточно надеть устройство в виде очков, а дальше запускается процесс передачи изображения в мозг.

    При создании устройства разработчики выбрали привычную форму очков, которая не привлекает внимание. Вся система состоит из внешних и внутренних элементов. Внешние устройства: микрокамера, которая находится в очках, и преобразователь размером с мобильный телефон, который крепится на поясе.

    ‘Преобразователь переводит визуальное изображение в цифровую информацию, которая возвращается к очкам, — рассказал врач-офтальмолог, который провел уникальную операцию, Христо Тахчиди. — На боковой дужке очков находится антенна, которая с помощью радиоволн передает информацию на глазное яблоко’.

    Операция по внедрению в глаз внутренних элементов шла шесть часов. Сложность состояла в том, что за это время врачам необходимо было провести по сути несколько операций: замена хрусталика и стекловидного тела, затем установка на глазном яблоке всей конструкции.

    ‘Условно говоря, это бандаж вокруг экватора глазного яблока, на который крепится микроантенна и микропреобразователь. Далее через микроразрез внутрь глаза имплантируется микрочип с микрокабелем.

    Микрочип имплантируется на сетчатку и фиксируется’, — продолжает Христо Тахчиди.

    Вторая сложность заключалась собственно в формате — ‘микро’. Одно неправильное движение грозит обернуться повреждением конструкции, а хрупкость деталей требует аккуратности и колоссального напряжения.

    ‘В микрокабеле — 60 микроскопических проводков, идущих к такому же количеству электродов микрочипа, если вы этот кабель два-три раза перегнете, какое-то волокно надорвется, если пережмете пинцетом, можно перекусить несколько волокон.

    Поэтому все манипуляции осуществляются с ограниченным количеством движений, а все инструменты обернуты в силиконовые трубочки’, — рассказывает врач.

    Впрочем, в Научно-исследовательском центре офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н
    И. Пирогова провели операции с лучшим показателем, какой только мог быть. ‘Очень хорошим результатом считается, если при такой операции потеряны пять электродов, — отметил Христо Тахчиди. — У нас в обоих случаях — ноль. Конструкция оказалась в целом состоянии’.

    Бионический глаз способен вернуть зрение людям с тяжелой формой наследственного заболевания — пигментный ретинит, при котором зрение уходит с возрастом постепенно.

    Первые проблемы со зрением Григорий Ульянов испытал в пять лет, ситуацию осложняло ухудшение слуха после перенесенного гриппа.

    ‘О проблемах со зрением молчал, никому ничего про это не говорил, — вспоминает Григорий в интервью ТАСС. — А мой плохой слух окружающие сами заметили. Из-за него учился не очень успешно’.

    В итоге из ближайшей к башкирскому селу Месягутово школы подростка отправили в Уфу, в школу-интернат для слабослышащих.

    Все начинается с философии, понимания мира, взаимоотношений людей, социума, явлений природы, их взаимоотношений с людьми. Это фундамент человеческих знаний, к которому нам необходимо возвращаться

    Христо Тахчиди

    врач-офтальмолог, директор Научно-исследовательского центра офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н
    И. Пирогова

    С возрастом зрение продолжало ухудшаться. Григорию пришлось уйти с Челябинского тракторного завода. ‘Спустя несколько лет зрение упало еще сильнее — без трости уже не мог ходить. А в 1996–1997 году я окончательно ослеп’, — рассказал Григорий.

    История 57-летней Антонины Захарченко удивительно похожа на судьбу Григория — обучение в сельской школе, затем переход в интернат для слабослышащих, получение инвалидности и увольнение из детского садика из-за ухудшения зрения. В 2004 году Антонина ослепла полностью.

    О том, что современные технологии возвращают зрение, женщина вместе с мужем узнала в интернете.

    ‘В прошлом году прочитали, что людям делают операции на глазах, восстанавливают зрение, — рассказала Антонина. — Стали интересоваться и нашли, что можно подать заявку в Фонд поддержки слепоглухих ‘Со-единение’. Нашу заявку приняли, мне предложили пройти обследование. Я согласилась. По итогам был ответ, что мне операцию делать можно’.

    Григорий о шансе снова начать видеть узнал от заместителя председателя Областной общественной организации слепоглухих ‘Эльвира’ Натальи Залевской. ‘Она об этом прочитала где-то в интернете. Я сначала не понял, о чем вообще идет речь, — есть очки, которые надеваешь и видишь окружающий мир в черно-белом варианте’, — вспоминает Григорий.

    Искусственный бионический глаз — зрительная система будущего

    Через несколько дней после операции Григорий Ульянов начал учиться пользоваться бионическим глазом

    © Федеральный научно-клинический центр оториноларинголоиии ФМБА России

    Антонина признается, что сомнений нужно ли проводить операцию не было. ‘Да, в то время мне еще было непонятно, что это такое, — рассказала она. — Но я совсем слепая, а хотелось бы видеть’.

    Спустя две недели после операции, когда воспаление спало и биологические процессы внутри глаза восстановились, врачи Научно-исследовательского центра офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н
    И. Пирогова впервые включили устройство, чтобы увидеть, как бионический глаз прижился у их пациентов.

    ‘Первым предметом, который увидел, был контур человека. Видел контуры людей, которых было очень много, — вспоминает Григорий. — Постепенно стал видеть стаканы, ложки и многие другие предметы. Привык к новому зрению за два-три месяца. До операции я практически ничего не видел. После нее — стал различать предметы’.

    ‘Это только начало’

    Сейчас имплантируемый в глаз модуль позволяет воспринимать мир только в черно-белом цвете в виде контуров. ‘Сам предмет выглядит как белое поле, а по краям у него все черное, — описывает Григорий. — Могу брать их в руки, к примеру, ручку, телефон… На улице вижу бордюры, ямы, контуры людей. Это намного лучше, чем не видеть вообще ничего’.

    ‘Первое, что увидела, были вспышки. Я подумала: ‘Наконец-то я хотя бы что-то вижу!’ — вспоминает первые впечатления от использования бионического глаза Антонина Захарова. — Сейчас я дома очки надеваю и хожу в них. Пока у меня получается различать стены, двери, и видно, если кто-то идет навстречу’.

    Пока что операции проводятся только при диагнозе пигментный ретинит и на определенной стадии заболевания — когда человек еще воспринимает свет, но уже не может определить его источник. Именно до такой стадии пигментный ретинит развился у Григория и Антонины.

    Однако специалисты уверены: в ближайшем будущем технологии позволят людям с физической инвалидностью — со слепотой и глухотой — воспринимать мир почти так же, как воспринимают его здоровые люди.

    Впрочем, бионический глаз, который имплантирован Григорию и Антонине, — это уже вторая модель ретинального импланта — Argus II c 60 электродами. Первая модель Argus I включала всего 30 электродов. Всего в мире проведено около 300 операций по имплантации бионического глаза.

    ‘Электроды — это как пиксели в компьютере, — популярно объясняет Христо Тахчиди. — Они отвечают за четкость изображения’. Григорий Ульянов стал 41-м пациентом в мире с системой Argus II, Антонина — 56-м. Уже сейчас специалисты трудятся над созданием новой модели Argus III, которая будет передавать изображение по 200 электродам.

    ‘Вспомните, каким был первый мобильный телефон или компьютер, — говорит Христо Периклович. — Однозначно, со временем устройство будет передавать цветное изображение.

    Сейчас мы ответили на самый главный вопрос — можно ли с помощью современной электроники передать зрительную информацию в мозг.

    Мы уже научились успешно это делать и хотим пойти дальше, сделать картинку цветной и четкой — максимально приближенной к привычным представлениям об окружающем мире. Это уже техническая задача ближайшего будущего’.

    Движение в направлении микромира

    Впрочем, в начале даже Христо Тахчиди, выдающийся офтальмолог страны, ученик и преемник известного глазного микрохирурга Святослава Федорова, не сразу воспринял идею о бионическом глазе серьезно, прочитав о нем несколько лет назад в журнале.

    ‘Изложение было непрофессиональным, неглубоким. Я посмотрел, и это не вызвало во мне какой-то уверенности, — вспоминает Христо Периклович. — Показалось, что это из разряда тех идей, которые вспыхивают и гаснут’.

    Второй раз с бионическим глазом профессор столкнулся в 2015 году, уже когда трудился директором Научно-исследовательского центра офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н
    И. Пирогова, руководителем научно-клинического отдела офтальмологии, когда получил приглашение от представителей компании-производителя бионического глаза Second Sight Medical на научную конференцию.

    Первое подобное устройство, призванное вернуть зрение невидящим, разрабатывалось в Германии в конце ХХ века. Однако до клинической части дело тогда не дошло. А примененный на практике протез сетчатки Argus был изобретен американцем Марком Хумаюном.

    ‘Съездив туда, пообщавшись с инженерами, которые создавали это устройство, я понял самую главную мысль: с помощью бионического глаза информация передается в мозг, и мозг эту искусственную информацию от микрокамеры воспринимает и реагирует на нее, — говорит врач. — Это самый главный вопрос в этой истории’.

    После этого на базе Научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА России, где располагается НИЦ офтальмологии РНИМУ им. Н
    И. Пирогова, и началась подготовка к уникальной операции.

    ‘За это время центр тестировали, приезжали в клинику, смотрели оборудование, — рассказывает профессор Тахчиди. — Это штучная операция, поэтому фирма дает добро только высококлассным клиникам.

    Сейчас в мире такие операции осуществляются в считанных клиниках и странах’.

    На самом деле хирургия — это от нашего незнания. Это специальность, которая должна постепенно съежиться

    Христо Тахчиди

    врач-офтальмолог, директор Научно-исследовательского центра офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ им. Н
    И. Пирогова

    Изучением самой недоступной области глаза — сетчатки — Христо Тахчиди занимается с 1980-х годов и является одним из первых и ведущих специалистов в области витреоретинальной хирургии.

    ‘Практически тысячу лет хирургия глаза развивалась только в переднем сегменте — то, что было доступно, и к чему можно подобраться, — говорит врач. — А вот проникнуть внутрь глаза, дойти до сетчатки и там манипулировать мы практически не умели до конца прошлого века’.

    Первые попытки дойти до сетчатки через небольшие разрезы глазного яблока относятся к 1960–1970 годам. Именно тогда начали делать первые шаги в освоении самой малоизученной области заднего сегмента глаза, появились элементы витреоретинальной хирургии.

    ‘Первые приборы, которые позволяют измельчать стекловидное тело и удалять его полностью, витреотомы, у нас были самодельные, — рассказывает Христо Тахчиди.

    — Конструировали их с инженерами разных оборонных заводов.

    А конец века ознаменовался тем, что в масштабах мировой офтальмологии мы могли однозначно сказать, что занимаемся задним сегментом глаза и можем делать в нем самые примитивные манипуляции’.

    С появлением микропроколов — 0,75 мм, 0,5 мм — появились и новые возможности в хирургии глаза. И Тахчиди стал одним из первых хирургов, кто масштабно стал использовать эти технологии.

    ‘Когда в 2010 году на европейском конгрессе витреоретинальных хирургов докладывали об операции, оказалось, что мы делаем больше 90% операций через прокол 0,5 мм, тогда как лучший показатель по Европе в среднем составлял 40%’, — говорит врач.

    А в 2010 году в России была проведена одна из первых операций в мире через прокол 0,3 мм.

    ‘Прокол 0,3 мм дает минимальный по травматичности доступ к внутреннему содержимому глаза и к сетчатке. Первыми мы ее и попробовали. Но на самом деле и 0,3 — это не предел’, — убежден профессор Тахчиди.

    По его прогнозам, следующее поколение уже будет жить в другой системе медицинской помощи.

    ‘На самом деле хирургия — это от нашего незнания, — уверен Христо Тахчиди. — Это специальность, которая должна постепенно съежиться.

    Например, чтобы зашить межпредсердную перегородку, еще недавно надо было вскрыть грудную клетку, остановить сердце, подключить искусственное кровообращение, вскрыть сердце, залатать дырочку размером в сантиметр или пол, зашить сердце, зашить грудную клетку.

    То есть огромное количество травм, чтобы зашить микроскопическую дырку. И месяцы реабилитации. Сейчас эта операция делается эндоваскулярно: через артерию с помощью зонда-манипулятора закрывают дефект межпредсердной перегородки, и через сутки человек свободен’.

    Уже сейчас в НИЦ офтальмологии РНИМУ им. Н
    И. Пирогова  почти все операции проводятся без швов и без разрезов. ‘Мы работаем через микропроколы, и мы их не зашиваем.

    Потому что организм умеет самостоятельно закрывать микродефекты за счет естественных механизмов. Таким образом, два элемента классической хирургии в офтальмологии уже отсутствуют — нет разреза и нет шва.

    А это уже не классическая хирургия’.

    Специалист уверен, что на самом деле все операции можно делать через микроскопические проколы, а будущее нынешней хирургии — в переходе к работе на клетках. ‘Мы должны уйти в зону естественной реконструкции организма.

    Мы должны работать так, как работает наш организм, который каждый день меняет тысячи клеток, и мы с вами этого не замечаем.

      Поэтому чем меньше хирург разрушает и чем целенаправленнее воздействуем на пул пораженных клеток, тем выше эффект, и сопутствующих проблем гораздо меньше.

    Базовым элементом медицины будущего Христо Тахчиди, как ни странно, называет философию. ‘90% врачей считают, что они лечат больного, то есть они заменяют организм. На самом деле наша миссия — помогать организму пациента бороться с болезнью.

    Если врач этого не понимает — это философская профессиональная драма. Мы вообще забыли философию. Все начинается с философии, понимания мира, взаимоотношений людей, социума, явлений природы, их взаимоотношений с людьми. Это фундамент человеческих знаний, к которому нам необходимо возвращаться.

    В медицине основа — это медицинская философия’.

    Дарья Бурлакова, Александр Чирков

    Бионический глаз — Спасение для слабовидящих

    Международная команда, возглавляемая учеными Гонконгского университета науки и технологии (HKUST), недавно разработала первый в мире искусственный 3D-глаз с возможностями, превосходящими существующие бионические глаза, а в некоторых случаях даже превосходящие возможности человеческих глаз, что позволяет улучшить зрение. Данная технология предназначена для разработки гуманоидных роботов и протезов для незрячих и слабовидящих людей.

    Ученые потратили десятилетия, пытаясь воспроизвести структуру и четкость биологического глаза, но зрение, обеспечиваемое существующими протезными глазами — в основном в виде очков, прикрепленных к внешним кабелям, — все еще характеризуется плохим разрешением из-за 2D-датчиков плоских изображений.

    Электрохимический глаз (EC-Eye), разработанный в HKUST, однако, не только впервые воспроизводит структуру естественного глаза, но может фактически предложить более острое зрение, чем человеческий глаз в будущем, с дополнительными функциями, такими как способность обнаружить инфракрасное излучение в темноте.

    Ключевой особенностью, позволяющей делать такие прорывы, является искусственная сетчатка, выполненная в 3D, — сделанная из массива нанопроволочных датчиков света, которые имитируют фоторецепторы в сетчатке человека.

    Разработанная профессором Фаном Жийонг и доктором Джу Лейлей из отдела электроники и вычислительной техники в HKUST, команда подключила датчики света с нанопроволоками к пучку жидкометаллических проводов, служащих нервами, сзади искусственной полусферической сетчатки во время эксперимента.

    Таким образом, они успешно воспроизвели передачу визуального сигнала, чтобы отразить то, что глаз видит на экране компьютера.

    В будущем эти датчики света с нанопроволоками могут быть напрямую подключены к нервам пациентов с нарушениями зрения.

    В отличие от человеческого глаза, где пучки волокон зрительного нерва (для передачи сигнала) должны проходить через сетчатку через поры — от передней стороны сетчатки к задней стороне (создавая тем самым слепое пятно в человеческом зрении) до достижения головного мозга, датчики света, которые теперь рассеиваются по всей созданной человеком сетчатке, могут каждый подавать сигналы через свой собственный жидкометаллический провод сзади, устраняя тем самым проблему слепых зон, поскольку им не нужно проходить через одно пятно.

    Кроме того, поскольку нанопроволоки имеют даже более высокую плотность, чем фоторецепторы в сетчатке человека, искусственная сетчатка может, таким образом, получать больше световых сигналов и потенциально достигать более высокого разрешения изображения, чем сетчатка человека, если обратные контакты с отдельными нанопроволоками будут выполнены в будущем. С применением различных материалов, используемых для повышения чувствительности датчиков и спектрального диапазона, искусственный глаз может также выполнять другие функции, такие как ночное видение.

    ‘Я всегда был большим поклонником научной фантастики, и я верю, что многие технологии, показанные в таких историях, как истории о межгалактических путешествиях, однажды станут реальностью.

    Однако, независимо от разрешения изображения, угла зрения или удобства для пользователя, нынешние бионические глаза все еще не соответствуют их естественному человеческому коллеге.

    Новая технология для решения этих проблем остро нужна, и это дает мне сильную мотивацию для запуска этого нетрадиционного проекта’, — поделился профессор Фан, чья команда провела девять лет, мечтая завершить текущее исследование с самого начала идеи.

    Команда сотрудничала с Калифорнийским университетом в Беркли по этому проекту, и их результаты были недавно опубликованы в журнале Nature .

    ‘На следующем этапе мы планируем дальнейшее повышение производительности, стабильности и биосовместимости нашего устройства. В области применения протезов мы рассчитываем на сотрудничество с экспертами в области медицинских исследований, которые обладают соответствующими знаниями в области оптометрии и глазных протезов’, — добавил профессор Фан.

    Принцип работы искусственного глаза включает электрохимический процесс, который принят от типа солнечного элемента. В принципе, каждый фотодатчик на искусственной сетчатке может служить наноразмерным солнечным элементом.

    С дальнейшей модификацией EC-Eye может представлять собой датчик изображения с автономным питанием, поэтому нет необходимости во внешнем источнике питания или схемах при использовании для глазного протеза, что будет намного более удобным для пользователя по сравнению с существующей технологией.

    Бионический глаз — что это такое, цена операции

    Бионический глаз представляет собой особое устройство, которое помогает слепым пациентам в некоторой степени компенсировать их инвалидность. Принцип работы этого аппарата основан на имплантации искусственной сетчатки в поврежденное глазное яблоко, что позволяет активизировать работу сохранившихся нейрорецепторов.

    Причинами слепоты могут стать различные заболевания и травмы. У пожилых людей нередко имеются дегенеративные изменения сетчатки, что сопровождается атрофией рецепторного аппарата.

    После того, как фоторецепторы (палочки и колбочки) полностью перестают реагировать на световое излучение, человек становится слепым. При этом нейроны сетчатки и оптического нерва сохраняют работоспособность.

    За счет этого врачи пытаются восстановить хотя бы некоторые элементы зрения.

    Как работает бионический глаз

    Бионический глаз представлен полимерной матрицей, в которой имеются светодиоды. Она может фиксировать даже слабые электрические импульсы, а затем передавать их на нервные окончания.

    Сигналы, которые преобразуются в электрическую форму, активизируют сохранившиеся нейроны сетчатки и оптического нерва. Помимо полимерной матрицы, можно использовать альтернативные устройства (инфракрасный датчик, специальные очки или видеокамеру).

    Все эти аппараты могут активизировать работу центрального и периферического зрения.

    Видеокамера, которая встраивается в очки, записывает картинку, а полученные данные отправляет в конвертор. Здесь сигнал преобразуется и попадает на фотосенсор, который вживлен в сетчатку глазного яблока. Отсюда электрические импульсы уже проникают в зрительные центры мозга человека через волокна оптического нерва.

    Параметры восприятия изображения

    Устройство бионического глаза за это время претерпело значительные изменения. Ранние модели аппарата транслировали картинку с видеокамеры сразу в глаз пациента. Для фиксации изображения применялся фотодатчик и матрица (100 пикселов). Далее информация по оптическому нерву поступала в мозг. Иногда ха счет несинхронной работы возникала несовместимость восприятия глаза и камеры.

    В более современных моделях бионического глаза видеоинформация сначала поступала в портативный компьютер. Здесь оно преобразовывалось в инфракрасные импульсы (не менее нескольких тысяч).

    Отраженные от стекла очков, эти импульсы попадали через хрусталик глаза на фотосенсоры, расположенные в сетчатке.

    Воздействие инфракрасных лучей сходно с обычными лучами, что позволяет сформировать у пациента восприятие пространства.

    Комменатрий нашего специалиста

    Операции в России — возможность и стоимость

    История применения бионического глаза

    У пациенты из Калифорнии был диагностирован пигментный ретинит в молодом возрасте. Через 30 лет после этого она ослепла на один глаз. второй глаз был способен в небольшой степени реагировать на свет.

    В 2004 году ей был установлен бионический глаз, состоящий из матрицы с 16 электродами. После этого пациентка получила возможность видеть крупные объекты, очертания людей, освещение.

    После этого бионический глаз стали имплантировать и другим людям старше 50 лет.

    В одном исследовании бионический глаз был вживлен 33 пациентам с дистрофией сетчатки. В результате они смогли различать контуры предметов в комнате, а некоторые стали определять графические символы. Однако радужным прогнозам десятилетней давности относительно перспектив бионического глаза не суждено было сбыться.

    Современный этап развития бионического глаза

    Биомедицинские технологии совершенствуются каждый год. В настоящее время стандартная матрица для бионического зрения содержит 500 фотоэлементов (в сравнении с 16 фотоэлементами в первых моделях). При этом информация передается в головной мозг через миллион нервных окончаний.

    Известная системы бионического глаза Argus II (американского производителя Second Sight) состоит из импланта сетчатки и маленькой видеокамеры, которая встроена в очки.

    В камере есть фиксирующий элемент, передающий информацию на процессор. Далее по беспроводной сети информация поступает к импланту.

    Последний посредством электродов стимулирует активные клетки сетчатки и передает информацию на волокна оптического нерва.

    Пациенты, которым был имплантирован Argus II, могут уверенно различать линии. Со временем качество зрения возрастало. Стоимость устройства составляет 150 тысяч фунтов стерлингов, но инженеры продолжают работу, направленную на усовершенствование бионического глаза.

    В России за всё время было имплантировано всего 2 устройства (в 2017 году), во всём мире — более 500.

    Цена операции

    Стоимость устройства Аргус 2 соствляет порядка 150 000 долларов. Дополнительно оплачивается операция по имплантации и обучение использованию устройства.

    Ученые создали бионический глаз, который работает почти как настоящий — Naked Science

    В будущем носимое устройство сможет работать от солнечных батарей, обеспечить зрение на порядок сильнее человеческого, а также наделить хозяина способностью видеть в темноте.

    Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий создали роботизированный глаз, строение которого повторяет строение настоящего глаза человека и который при этом действительно способен видеть. Статья об этом опубликована в журнале Nature.

    Команда исследователей, взяв за основу строение реального глаза, повторила ее, адаптировав к возможностям механики. Размер примерно равен настоящему — около двух сантиметров в диаметре.

    Внутри он заполнен жидким электролитом, сетчатка сделана с помощью нанопроводов, ну а искусственным хрусталиком сейчас мало кого можно удивить: с такими интраокулярными линзами ходят многие пожилые люди, прооперированные из-за помутнения собственного.

    В настоящем глазу свет, преломляясь в хрусталике, достигает фоторецепторов на сетчатке, а они преобразуют фотоны в сигналы, которые и передают по нервным путям в зрительные отделы мозга. Именно это один из ключевых камней преткновения для создания эффективно работающих искусственных глаз, которые могли бы помочь людям, потерявшим зрение.

    Мембрана искусственной «сетчатки», стоящая на месте склеры, сделана из оксида алюминия с крошечными сенсорами из перовскита — гибридного светочувствительного материала, который используется в солнечных элементах. Нанопровода, имитирующие зрительную кору головного мозга, передают визуальную информацию, собранную сенсорами, на компьютер, где они обрабатываются.

    Ученые протестировали способности бионического глаза. Он успешно различил буквы I, E и Y, не спутав их. На сегодня такой робоглаз способен создавать очень «грубые» изображения: если настоящий глаз дает картинку качеством порядка 120-140 мегапикселей, то искусственный — всего 100 пикселей.

    Пока разница составляет много порядков не в пользу искусственного, но важно, что сам принцип оказался рабочим. В будущем картинку можно будет «докрутить», а основная проблема пока лежит в области «стыковки» механического глаза и человеческого мозга, то есть соединения в зоне зрительного нерва.

    Работа над ней потребуется немалая, особенно если устройство нужно будет адаптировать к постоянному ношению. По мнению экспертов, это может занять до десяти лет.

    Кроме прочего, гаджет нуждается в источнике питания: предполагается, что его обеспечит солнечный свет. В целом ученые настроены оптимистично: такой глаз не просто способен быть «костылем» в отсутствие собственного.

    Авторы работы утверждают, что особенности конструкции дадут дополнительные возможности.

    Нанопроволоки настолько чувствительны, что могут превзойти оптический диапазон длин волн человеческого глаза, позволяя ему реагировать на длины порядка 800 нанометров — уровня порога между визуальным светом и излучением в инфракрасном диапазоне.

    Ученые поясняют, что это дает способность такому глазу различать предметы в темноте — в условиях, когда человеческий глаз на это уже не способен.

    Кроме того, исследователи утверждают, что бионическое око может реагировать на изменения света быстрее, чем человеческое, что позволяет ему приспособиться к изменяющимся условиям за меньшее время.

    Качество картинки со временем может на порядок превзойти качество, даваемое человеческим зрением.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *