Устройство и работа бионического глаза
Имплантат (рис. 3) — специальный фотодатчик со встроенными электродами, он реагируют на свет, создавая оптическое изображение. Свет от видеокамеры, проходящий через хрусталик глаза и фокусируемый на сетчатке с дополнительно вживленным имплатируемым в сетчатку глаза дырчатым полимерным фотодатчиком (в случае полной слепоты фотодатчик получает электронные импульсы изображения по тончайшим проводникам от специального вмонтированного в глаз приёмника-ресивера (3 на рис. 2).
В настоящее время испытывается дырчатая полимерная матрица — имплантант из специального органического материала с количеством фотодиодов 2,5 тысячи на квадратный мм (рис. 3). Для сравнения: здоровый глаз содержит на сетчатке глаза около 6—7 млн колбочек и 110—125 млн палочек — светочувствительных элементов, что эквивалентно 100 мегапикселям для матрицы цифрового фотоаппарата. Но в мозг человека идет около 1,2 млн нервных окончаний, по которым идут импульсы выделенных основных биосигналов RGB от сформированного на сетчатке оптического изображения не в цвете (см. рис.6). При этом лучи предметных точек изображений, сфокусированные на фокальную поверхность сетчатки глаза — на колбочки и палочки центральной и периферийной зоны сетчатки в виде видимых лучей в виде сигналов перерабатываются в самой сетчатке глаза (рецепторный уровень) во внешних долях мембран с участием фоторецепторов ipRGC, головного мозга, разновидностями фотопигментов опсина. Происходит оппонетный отбор (см. рис.6), выделение основных спектральных лучей — биосигналов (см. Биохимия зрительного восприятия света), равных энергии длин электромагнитных волн предметных точек RGB не в цвете (см. Трихроматизм и принцип оппонентности цветного зрения), которые передаются по зрительным нервам в мозг (нейронный уровень). Для сравнения рассмотрим работу фотосенсоров цифровых фотоаппаратов, где сфокусированные аналоговые сигналы (фотоны) изначально попадают на пиксели фотоматриц и накапливаются в виде электронов, с зарядом, равным энергии падающей длины волны также не в цвете. Аналогичный имплантат может вернуть глазу 100 % зрение (острота зрения 1:1, или относительное значение 20:20). Сравним: в случае 20:400 = 0,05 наступает «юридическая» слепота. Это означает, что при зрении = 0,05 расстояние клеток от электродов не более 30 мкм.
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.
Чтобы это препятствие обойти, нужно «привязать» по одному электроду на одну, от силы — две клетки.
Для остроты в 0,25 это расстояние не должно превышать 7 мкм. Откуда получаемая плотность фотодиодов составляет 2,5 тысяч пикселей на 1 кв.мм. При такой плотности имеет место сжатие и слияние нервных клеток, что отрицательно сказывается на работе имплантированных матриц. Задача решается, если использовать работу матриц по всей глубине сетчатки глаза, или обеспечить работу электродов на минимальном расстоянии от нервных клеток. Применение конструкции на базе полимерных матриц с отверстиями 15-40 мкм (рис. 2), имплантируемых в сетчатку, показало, что за короткое время нервные клетки сами проникают в отверстия с двух сторон и объединяются, а также заполняют пространство между выступами электродов, близко подходя к электродам. Это позволило использовать такой фотосенсор в опытных работах.
Этот фотодатчик в настоящее время используется при опытах на крысах и свиньях.
Восприятие изображения[править]
Существовавший ранее метод использовал передачу изображения с видеокамеры напрямую в глаз. При этом спроецированное изображение воспринималось блоком фотодатчиков, и сигнал со ста его пикселей передавался через нервные клетки в мозг. Однако то, что «видит» видеокамера, вызывало у человека ощущение несовпадения с тем, что происходит при естественном движении яблока глаз глазного яблока.
- По другой технологии видеокамера также находится на лбу (рис. 1), но видеосигналы передаются в микрокомпьютер размером с бумажник, который находится в кармане. Он переводит видимое изображение в набор коротких не видимых импульсов инфракрасного излучения светодиодно-жидкокристаллического дисплея, с числом точек в несколько тысяч. Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, расположенного на «очках» перед глазами, проходит через хрусталик, и попадает на фотодиоды имплантата — фотосенсоры в сетчатке глаза. Они усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной батареи, также имплантированной в радужку глаза.
Хотя инфракрасные лучи человек не видит, но он воспринимает результат воздействия электрических импульсов на клетки сетчатки (жёлтого пятна), как изображение. Сам фотодатчик имеет размер 3 мм и покрывает 10 % поля зрения в центре сетчатки. Согласно рис. 4 это немного более области «parazentral»[1] (8 % поля зрения в центре сетчатки или это «почти периферийное», иногда называемое «пара-Центральное» видение, которое существует рядом с центром взгляда — центральной ямкой.). Суть этого изобретения состоит в том, что благодаря очкам с полупрозрачным (дихроидным зеркалом у человека сохраняется естественное восприятие сцены, расположенной перед ним, при помощи визуального объединения изображения, созданного еще живыми фоторецепторами глаза в области периферийного зрения, с наложенным на центральную область глаза изображением от видеокамеры.
Небольшие быстрые движения глаз или БДГ (Фаза быстрого сна, БДГ-фаза, REM-фаза (от БДГ — «быстрые движения глаз», англ. REM — rapid eye movement) — фаза сна, характеризующаяся повышенной активностью головного мозга.), которые также очень важные для полноценного зрительного восприятия, и при этом сохраняют свою функциональность. Человек сам смотрит как на объект, и в то же время получает дополнительное электронное инфракрасное изображение. Положение этого изображения на сетчатке и внедрённой решётке электродов меняется вместе с движением головы, а имплантант работает в условиях максимального использования оставшегося периферийного зрения.
- По технологии (рис. 2):
- 1) Видеокамера на очках записывает картинку и посылает информацию на видеопроцессор, который человек носит на поясе.
- 2) Процессор преобразует картинку в электронный сигнал и посылает его на специальный передатчик в очках.
- 3) Электронный сигнал затем посылается на приёмник-ресивер в глазу человека.
- 4) Эта информация посылается через крошечный проводок на электроды фотосенсора (протеза), присоединенные к сетчатке глаза. Электрические импульсы проходят через оптический нерв в мозг человека[2].
Как известно, фотосенсор (фотодатчик) создан и во многом копирует биологический фоторецептор (фотодатчик} сетчатку, которые работают по принципу восприятия спектральных лучей света блоками пикселей или блоками колбочек с внешними долями мембран и представляют мозаику ячеек (фотосенсор) и мозаику блоков колбочек RGB.
Как видим, что такие схемы восприятия спектральных лучей в биологии и цифровой фотографии аналогичны, и практика лечения слепоты используют принципы биофизических процессов восприятия спектральных лучей (на принципе трихроматизма). Важно подчеркнуть, что данный имплантант пока содержит около 2500 пикселей и равен по размеру пшеничного зерна. То есть он внедряется в зону сетчатки, в центре жёлтого пятна, где нет палочек. (Уже здесь ещё раз практически, в результате восстановления зрения слепого человека видим, что трихроматизм (цветное зрение) (cм. Теория трёхкомпонентного цветного зрения) верна.
Внедрённый первый протез в сетчатку глаза с 2500 пикселями, выдаёт сигналы, полученные с видеосистемы на фотосенсор, несущего пиксели, которые воспринимают спектральные лучи как любая видеокамера в цвете — RGB.
Однако, 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 сетчатки (например, колбочки) — а должен, в идеале, — только на одну, иначе смысл в высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.
Но как известно и фотосенсор с пикселями, и сетчатка глаза с фоторецепторами, своими внешними долями мембран на начальном рецепторном этапе восприятия спектральных лучей в виде фотонов (с энергией длин электромагнитных волн) формируют цветные сигналы не в цвете[3], (см. Рецепторный и нейронный уровень восприятия света). Фотосенсоры цветного видео эти сигналы накапливают в пикселях как конденсаторы с количеством электронов, соответствующей энергии захваченной длины волны, потом, преобразователь АЦП переводит первичное не цветное изображение в цветное. В сетчатке — на рецепторном уровне, где внедрён фотосенсор происходит та же картина (в здоровой сетчатке вместо пикселей работают при цветном зрении колбочки, которые своими внешними мембранами воспринимают падающие спектральные лучи на рецепторном уровне также не в цвете. И пиксели, и колбочки изначально получают информацию о длине волны в виде её энергии не в цвете). Пока же на первой стадии стадии лечения слепоты удалось внедрить протез с 2500 пикселей, который приняла сетчатка и первое, что получено, это проводимые цветные не обработанные сигналы, которые поступают в мозг не как из мембран, то есть без участия фотопигментов, без оппонентного отбора, без учёта ретиномоторной реакции, без участия работы третьего фоторецептора ipRGC и т. д. (Колбочки и палочки атрофированы). В мозгу же в результате создаётся оптическое не цветное изображение в результате попадания в мозг сигналов от имплантанта — фотосенсора без системы АЦП, которые не могут преобразоваться в цветные в силу указанных выше причин. Человек видит серые контуры предметов, человек видит свет. Это не значит, что описанные устройства не несут никакой информации о цвете. Думаю в скором будущем человек будет видеть и цветное изображение. (Слово за применеие нанотехнологии, систем преобразования сигнала от фотосенсора в сигнал, который посылает здоровая колбочка).
См. также[править]
- Визуальный протез
- Бионическая контактная линза
- Зрение
- Зрение человека
- Периферийное зрение
- Глаз
- Офтальмология
- Биохимия зрительного восприятия света
- Биофизика цветного зрения
- Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза
- Основные цвета.