БУМАЖНЫй НОМЕР
![]() |
01.12.2001
Дмитрий Томилов
Под
искусственным глазом инженеры-микроэлектронщики подразумевают нечто совсем иное,
чем нефункциональную стекляшку. Совместно с офтальмологами и неврологами они
разрабатывают протезы, способные хотя бы отчасти восстановить утраченное зрение.
С помощью компьютерных технологий компенсируются дефекты, которые невозможно
устранить микрохирургией или другими широко применяющимися медицинскими
методами. Основой искусственных зрительных систем становятся миниатюрные
видеокамеры и микропроцессоры.
Использование процессоров для реанимации нарушенных зрительных функций стало
возможным совсем недавно, с появлением современных технологий изготовления
кремниевых микрочипов и микроэлектродных матриц. Однако сама идея электронного
протезирования насчитывает десятки лет, и возникла она после многочисленных
экспериментов по электростимуляции головного мозга. Еще в 1920-е гг.
исследовались реакции зрительной области коры мозга на импульсы, передаваемые
через электроды. Позднее были проведены аналогичные эксперименты по стимуляции
зрительного нерва и нейронов сетчатки. В целом опыты in vivo на животных и людях
позволили сделать один принципиальный вывод: внешнее раздражение через введенные
в глазное яблоко или внутрь черепа электроды вызывает зрительные ощущения
разного характера. Конкретно в ответ на электрические сигналы было зафиксировано
возникновение фосфенов (элементарных зрительных ощущений), которые
воспринимаются как световые точки разного цвета и яркости. Их
положение
в зрительном поле, как удалось продемонстрировать, соответствует позиции
электрода. Имея в виду это обстоятельство, ученые начали работать над тем, чтобы
сделать реакции адекватными, т. е. превратить возникающие примитивные образы в
нечто хотя бы отдаленно напоминающее картину реальности.
Уже более тридцати лет испытания опытных образцов искусственных аналогов глаза проводятся в американском Институте Добеля (Dobelle), известном своими нейростимуляторами для контроля дыхания и снятия болей. Первая компьютерная зрительная система, разработанная его специалистами, внешне представляла собой тысячекилограммовый шкаф шириной три метра и высотой полтора. Понятно, что такой агрегат, к тому же медленно «соображающий», использовался исключительно в исследовательских целях. Последний по времени создания прототип, анонсированный в январе прошлого года, весит 3 килограмма и работает в 500 раз быстрее. Протез состоит из размещенной на очках миниатюрной камеры и ультразвукового датчика, помогающего определить расстояние до объекта. Видео- и аудиосигналы передаются на портативный компьютер, который помещается в сумку на поясе. Используя сложные алгоритмы, процессор очищает входящую информацию от шумов, упрощает ее и транслирует сгенерированные импульсы матрице из 68 плоских платиновых электродов, расположенных на поверхности затылочной доли головного мозга. Каждый электрод при его стимуляции вызывает появление от одного до четырех близко расположенных элементарных образов-фосфенов.
Небольшой размер матрицы позволяет обеспечить только так называемое
«туннельное» зрение. Иначе говоря, воспринимается лишь маленький фрагмент
зрительного поля. На расстоянии вытянутой руки размер видимого окна составляет
около 20x7,5 сантиметров. Однако обладая даже столь ограниченными возможностями,
протез способен
существенно
облегчить жизнь людям, потерявшим зрение. Зимой прошлого года его имплантировали
абсолютно слепому 62-летнему пациенту, которого можно назвать ветераном
клинических испытаний, проводящихся в институте. С 1978 г. он опробовал на себе
шесть различных систем. Последнюю модификацию уже с уверенностью можно назвать
удачной: протез позволяет читать буквы высотой пять сантиметров на расстоянии в
полтора метра, а также ориентироваться в незнакомых местах, в том числе в метро.
Кроме того, заменив камеру на специально разработанную электронику, можно
напрямую подключиться к телевизору или компьютеру.
Расширить «туннель в мир» и добиться большей разрешающей способности планируется с помощью новых электродных матриц. Учитывая результаты анатомических исследований, ученые считают, что имеет смысл имплантировать две пластины, в сумме содержащие свыше пятисот электродов. Кроме того, для совершенствования системы искусственного зрения некоторые ученые предлагают вместо стимуляции поверхности воздействовать и на более глубокие участки мозга, а также имплантировать вместе с электродами и «логические» компоненты протеза. Однако в отношении внутричерепной имплантации процессоров у неврологов существуют некоторые опасения, касающиеся вопросов безопасности и биологической совместимости. Прояснить ситуацию могут только долгосрочные наблюдения.
Помимо полных аналогов глаза, подключаемых непосредственно к мозгу,
разрабатываются системы, заменяющие собой только один из слоев сетчатки, а
именно фоторецепторы - известные по школьному курсу анатомии палочки и колбочки.
Эти
протезы адресуются пациентам, страдающим от дегенеративных заболеваний, которые
разрушают светочувствительные клетки, но не затрагивают нейроны более глубоких
слоев и зрительный нерв. Сохранившие функциональность части глаза задействуются
для передачи импульсов, поступающих от имплантируемых микроэлектронных
устройств.
Общая идея реализуется в двух конструктивных схемах. Первый подход к созданию протезов фоторецепторов предложил американский офтальмолог Алан Чоу, один из основателей компании Optobionics. Итогом работы, занявшей почти десять лет, стал микрочип, получивший название «искусственная кремниевая сетчатка». Микрофотодиодная матрица диаметром 2 мм и толщиной 0,025 мм состоит из 3 500 ячеек и подключенных к ним электродов. Устройство не имеет внешнего источника питания: чип работает исключительно на солнечной энергии. Имплантированный под сетчатку, он реагирует на входящий свет и стимулирует здоровые нервные клетки. Однако у этого метода есть существенные недостатки: чувствительность ячеек оказывается недостаточной, на порядки уступая чувствительности палочек и колбочек; интенсивность передаваемых импульсов также оставляет желать большего. Ученые понемногу склоняются к мысли, что при существующей конструкции чипа без внешнего источника питания не обойтись.
Другой подход демонстрируют специалисты Университета Джона Хопкинса, которые
в тесном контакте с группой инженеров из Университета Северной Каролины
спроектировали устройство, заменяющее фоторецепторы и располагающееся поверх
сетчатки. Многокомпонентный протез действует по принципу разделения функций.
Миниатюрная видеокамера фиксирует картинку и передает ее на внешний,
вмонтированный в очки, микропроцессор, который в свою очередь связан с чипом на
сетчатке. Вся система последовательно преобразовывает сигнал, генерирует
электрические импульсы и транслирует их здоровым нервным
клеткам.
По той же схеме работает устройство, к созданию которого приложили руку гарвардские ученые и специалисты Массачусетского технологического института. В 1989 г. был запущен их совместный проект Retinal Implant Project, в ходе которого создан прототип протеза, состоящего из видеокамеры, лазера и двух разнофункциональных процессоров размером 2x2 мм, заключенных внутрь кремниевой капсулы. Панелька солнечных батарей обеспечивает имплантант энергией, поступающей от лазерного луча, а также обрабатывает сигнал от камеры посредством того же лазера. Второй - «логический» - чип предназначен для раскодировки полученных импульсов и их передачи электродной матрице.
Помимо проектирования электронных систем специалисты, работающие над зрительными протезами, заняты подготовкой эффективных хирургических методов имплантации. Сейчас проводятся только единичные операции, а некоторые модели и вовсе находятся на стадии лабораторных испытаний. Однако ученые заявляют, что уже лет через десять можно рассчитывать на появление серийных образцов. К тому времени, вероятно, улучшатся и функциональные характеристики протезов, от разрешающей способности до энергопотребления. Хотя когда удастся приблизиться к созданию системы с идеальными параметрами, никто не загадывает. Пока природный глаз остается для человека лучшим оптическим устройством.