Bionické oko je umelý zrakový systém. Očné protézy: typy, aplikačné vlastnosti a pravidlá starostlivosti

Bytie periférne oddelenie vizuálny analyzátor; obsahuje fotoreceptorové bunky, ktoré zabezpečujú vnímanie a premenu elektromagnetického žiarenia viditeľnej časti spektra na elektrické impulzy a tiež ich zabezpečuje primárne spracovanie. Anatomicky je sietnica tenká membrána priliehajúca po celej svojej dĺžke k vnútri Komu sklovité telo, a zvonku - do choroidu očnej gule. Má dve časti nerovnakej veľkosti: vizuálna časť je najväčšia a siaha až k ciliárne telo a predná časť - ktorá neobsahuje fotosenzitívne bunky - slepá časť, v ktorej sa rozlišujú ciliárne a dúhovkové časti sietnice, respektíve časti cievovky. Vizuálna časť sietnica má heterogénnu vrstvenú štruktúru, prístupnú štúdiu len na mikroskopickej úrovni a skladá sa z 10 vrstiev, ktoré sa nachádzajú hlboko do očnej buľvy: pigment, neuroepitel, vonkajšia obmedzujúca membrána, vonkajšia zrnitá vrstva, vonkajšia vrstva plexu, vnútorná zrnitá vrstva, vnútorná vrstva plexu , multipolárne nervové bunky, vrstva vlákien optický nerv, vnútorná obmedzujúca membrána.

Sietnica u dospelého človeka má veľkosť 22 mm a pokrýva asi 72 % plochy vnútorný povrch očná buľva. Fotografia sietnice je znázornená na obrázku 1. Pigmentová vrstva sietnice (najkrajšia) je tesnejšie spojená s cievovkou ako so zvyškom sietnice. V strede sietnice zadný povrch Nachádza sa optický disk, ktorý sa niekedy nazýva „slepá škvrna“ kvôli absencii fotoreceptorov v tejto časti. Vyzerá ako vyvýšená, bledá, oválna oblasť s veľkosťou asi 3 mm². Tu je zrakový nerv vytvorený z axónov nervových buniek sietnice. V centrálnej časti disku je priehlbina, cez ktorú prechádzajú cievy, ktoré sa podieľajú na prívode krvi do sietnice.

Bočne od optického disku, približne 3 mm, je škvrna (macula), v strede ktorej je priehlbina, centrálna fovea (fovea), ktorá je oblasťou sietnice najcitlivejšou na svetlo a je zodpovedný za jasné centrálne videnie. Táto oblasť sietnice (fovea) obsahuje iba kužele. Ľudia a iné primáty majú v každom oku jednu foveu, na rozdiel od niektorých druhov vtákov, ako sú jastraby, ktoré majú dve, a psy a mačky, ktoré majú namiesto fovey v centrálnej časti sietnice pruh, tzv. optický prúžok. Centrálnu časť sietnice predstavuje fovea a oblasť v polomere 6 mm od nej, za ňou nasleduje periférna časť, kde pri postupe dopredu počet tyčiniek a čapíkov klesá. Vnútorná škrupina končí zúbkovaným okrajom, ktorý nemá žiadne fotosenzitívne prvky. Po celej dĺžke je hrúbka sietnice nerovnomerná a v jej najhrubšej časti, na okraji terča zrakového nervu, nie je väčšia ako 0,5 mm; minimálna hrúbka je pozorovaná v oblasti macula fossa.

2) Mikroskopická štruktúra sietnice

Sietnica má tri radiálne usporiadané vrstvy nervových buniek a dve vrstvy synapsií. Ako vedľajší produkt evolúcie ležia gangliové neuróny hlboko v sietnici, zatiaľ čo fotosenzitívne bunky (tyčinkové a čapíkove bunky) sú najvzdialenejšie od stredu, čiže sietnica je takzvaný obrátený orgán. Vďaka tejto polohe svetlo pred dopadom na fotocitlivé prvky spôsobí fyziologický proces fototransdukcia musí preniknúť do všetkých vrstiev sietnice. Nemôže však prejsť cez epitel alebo cievovku, ktoré sú nepriehľadné. Pri pohľade na modré svetlo môžu byť leukocyty prechádzajúce cez kapiláry umiestnené pred fotoreceptormi vnímané ako malé, jasné pohyblivé bodky. Tento jav známy ako entopický fenomén modré pole(alebo fenomén Shearer). Okrem fotoreceptorových a gangliových neurónov sietnica obsahuje aj bipolárne nervové bunky, ktoré sa nachádzajú medzi prvou a druhou, vytvárajú medzi nimi kontakty, ako aj horizontálne a amakrinné bunky, ktoré vytvárajú horizontálne spojenia v sietnici. Medzi vrstvou gangliových buniek a vrstvou tyčiniek a čapíkov sú dve vrstvy plexusov nervových vlákien s mnohými synaptickými kontaktmi. Ide o vonkajšiu plexiformnú (plexiformnú) vrstvu a vnútornú plexiformnú vrstvu. V prvom sa vytvárajú kontakty medzi tyčinkami a čapíkmi cez vertikálne orientované bipolárne bunky, v druhom sa signál prepína z bipolárnych na gangliové neuróny, ako aj do amakrinných buniek vo vertikálnom a horizontálnom smere.

Vonkajšia jadrová vrstva sietnice teda obsahuje telá fotosenzorických buniek, vnútorná jadrová vrstva obsahuje telá bipolárnych, horizontálnych a amakrinných buniek a gangliová vrstva obsahuje gangliové bunky, ako aj malý počet vytesnených amakrinných buniek. Všetky vrstvy sietnice sú preniknuté radiálne gliové bunky Muller.

Vonkajšia obmedzujúca membrána je vytvorená zo synaptických komplexov umiestnených medzi fotoreceptorom a vrstvami vonkajších ganglií. Vrstva nervových vlákien je vytvorená z axónov gangliových buniek. Vnútorná limitujúca membrána je tvorená bazálnymi membránami Müllerových buniek, ako aj zakončeniami ich procesov. Axóny gangliových buniek zbavené Schwannových pošiev dosahujú vnútornú hranicu sietnice, otáčajú sa v pravom uhle a smerujú k miestu tvorby zrakového nervu. Každá ľudská sietnica obsahuje asi 6-7 miliónov čapíkov a 110-125 miliónov tyčiniek. Tieto svetlocitlivé bunky sú rozmiestnené nerovnomerne. Centrálna časť sietnice obsahuje viac čapíkov, periférna časť obsahuje viac tyčiniek. V centrálnej časti škvrny v oblasti fovey majú kužele minimálne rozmery a sú mozaikovo usporiadané vo forme kompaktných šesťuholníkových štruktúr.

Pozrime sa na štruktúru sietnice podrobnejšie. Pigmentová vrstva prilieha k cievnatke pozdĺž celého jej vnútorného povrchu epitelové bunky. Pred pigmentovou vrstvou, ktorá k nej prilieha, leží najvnútornejšia z očných membrán - sietnica alebo sietnice. Vykonáva hlavnú funkciu oka - vníma obraz vonkajšieho sveta tvorený optikou oka, premieňa ho na nervové vzrušenie a posiela ho do mozgu. Štruktúra sietnice je mimoriadne zložitá. Zvyčajne je v ňom desať vrstiev. Obrázok 2a ukazuje diagram priečneho rezu sietnicou a obrázok 2b zobrazuje zväčšený fragment sietnice označujúci relatívnu polohu hlavných typov buniek. Vo vonkajšej vrstve 1 , priamo priliehajúce k cievnatke, sú bunky natreté čiernym pigmentom. Potom prichádzajú na rad základné prvky zrakového vnímania 2 , zavolal vzhľad prúty a kužele. Vrstvy 3 – 5 zodpovedajú nervovým vláknam, ktoré sa spájajú s tyčinkami a čapíkmi. Za týmito vrstvami sú takzvané zrnité vrstvy, tiež spojené nervovými vláknami. Vrstva 8 - sú to gangliové bunky, z ktorých každá je spojená s nervovými vláknami umiestnenými vo vrstve 9 . Vrstva 10 – vnútorný obmedzujúci plášť. Každé nervové vlákno končí buď kužeľom alebo skupinou tyčiniek. Druhá vrstva, kde sa nachádzajú tyčinky a čapíky, slúži ako fotosenzitívna vrstva. Celkový počet V sietnici jedného oka je približne 140 miliónov tyčiniek a čapíkov, z toho asi 7 miliónov čapíkov.

Rozloženie tyčiniek a čapíkov na sietnici nie je rovnomerné. V mieste sietnice, ktorou prechádza zraková línia oka, sú len čapíky. Táto časť sietnice, trochu zapustená, s priemerom približne 0,4 mm, čo zodpovedá uhlu 1,2°, sa nazýva centrálna fovea - fovea centralis (lat.) - skrátene foveola alebo fovea. V centrálnej fovee sú len čapíky, ich počet tu dosahuje 4 - 5 000. Foveola sa nachádza v strede horizontálne umiestneného oválneho úseku sietnice s rozmermi od 1,4 do 2 mm (čo zodpovedá uhlovým rozmerom rovným 5 - 7 °), známy ako makulárna škvrna alebo macula (macula - latinsky „škvrna“), táto škvrna obsahuje pigment, ktorý jej dodáva príslušnú farbu a okrem čípkov sú tu aj tyčinky, ale počet čapíkov tu výrazne prevyšuje počet tyčiniek.

Makula (podľa novej klasifikácie - „škvrna sietnice“) a najmä jej vybranie, fovea, sú oblasťou najjasnejšieho videnia. Táto oblasť poskytuje vysokú zrakovú ostrosť: tu oddelené vlákno odchádza z každého kužeľa do zrakového nervu; v periférnej časti sietnice sa jedno optické vlákno spája s množstvom prvkov (kuželov a tyčiniek).

V sietnici je oblasť, ktorá je úplne bez tyčiniek a čapíkov, a preto je necitlivá na svetlo. Toto je miesto v sietnici, kde kmeň optického nervu do mozgu opúšťa oko. Táto okrúhla oblasť sietnice v spodnej časti oka s priemerom asi 1,5 mm sa nazýva optický disk. V súlade s tým môže byť v jeho zornom poli detekovaný mŕtvy bod.

2a) Kužele a tyčinky sa líšia svojimi funkciami: tyčinky sú fotocitlivejšie, ale nerozlišujú farby, čapíky rozlišujú farby, ale sú menej citlivé na svetlo. Farebné predmety pri slabom osvetlení, keď sa celý vizuálny proces vykonáva pomocou tyčiniek, sa líšia iba jasom, ale farba predmetov za týchto podmienok nie je cítiť. Tyčinky obsahujú špeciálnu látku, ktorá sa vplyvom svetla rozkladá – vizuálnu fialovú, čiže rodopsín. Kužele obsahujú vizuálny pigment nazývaný jodopsín. Rozklad vizuálneho purpuru a vizuálny pigment pod vplyvom svetla je fotochemická reakcia, v dôsledku ktorej sa v nervových vláknach objavuje rozdiel elektrického potenciálu. Svetelná stimulácia vo forme nervových impulzov sa prenáša z oka do mozgu, kde ju vnímame vo forme svetla.

2 b) V poslednej vrstve sietnice, priliehajúcej k cievnatke, sa nachádza čierny pigment vo forme jednotlivých zŕn. Existencia pigmentu má veľký význam na prispôsobenie oka na prácu pri rôznych úrovniach osvetlenia, ako aj na zníženie rozptylu svetla vo vnútri oka.

3) Umelé oko bolo vytvorené vo Veľkej Británii a implantované do ľudského tela. Pred operáciou bol úplne slepý, no už sa vie samostatne pohybovať a rozlišovať jednoduché predmety. Malá kovová platnička so 60 elektródami je umiestnená na sietnici v zadnej časti oka. Miniatúrna videokamera namontovaná na špeciálnych okuliaroch nasmeruje obraz na prevodník a prenáša signály na elektródy, ktoré sú zase spojené s optickým nervom, ktorý prenáša vizuálne informácie vo forme elektrických impulzov do mozgu. Pacienti musia mať na opasku malé zariadenie na napájanie fotoaparátu a spracovanie snímok. Systém sa neobnovuje prirodzené videnie, ale umožňuje vám vidieť, aj keď s veľmi nízkym rozlíšením. Celý systém teda obsahuje implantát a externý vysielač video signálu, ktorý je integrovaný do rámu okuliarov. Systém prevádza vizuálne obrazy na interpretovateľné stimulačné signály. Nervové bunky sú potom stimulované podľa bezdrôtovo prijatého signálu. Bunky sú stimulované pomocou špeciálnych trojrozmerných elektród umiestnených na sietnici oka a tvarovaných ako drobné nechty. V tomto prípade sú elektródy umiestnené, ako vyplýva z obrázku, pred sietnicou, to znamená, že sú v kontakte s vnútornou obmedzujúcou škrupinou sietnice, za ktorou sú umiestnené. nervové vlákna, nervové bunky sú priamo stimulované elektródou, signál je vyslaný do zrakového nervu a následne do mozgu.

Z tohto príkladu vyplýva, že elektródy môžu byť umiestnené pred sietnicou, dotýkajúc sa vnútornej obmedzujúcej škrupiny sietnice, za ktorou sa nachádzajú nervové vlákna. Ďalším možným teoretickým spôsobom implantácie elektródy, ale nezmyselne zložitejším, je jej umiestnenie vedľa vrstvy prvkov zrakového vnímania - kužeľov a tyčiniek (na vnútornej strane), pretože vedľa tejto vrstvy na vnútornej strane sú nervové vlákna ( vrstvy 3-5 na obr. .2a), ktoré môžu byť stimulované elektródou, prenášajú signál do zrakového nervu, ktorý prenáša vizuálnu informáciu vo forme elektrických impulzov do mozgu.

4) Makulárna degenerácia- ochorenie, pri ktorom je postihnutá sietnica oka a je narušené centrálne videnie. Makulárna degenerácia je založená na vaskulárnej patológii a ischémii (podvýžive) centrálnej zóny sietnice, ktorá je zodpovedná za centrálne videnie. Existujú dva typy makulárnej degenerácie – suchá a mokrá. Väčšina pacientov (asi 90 %) trpí suchou formou tohto ochorenia, pri ktorej sa vytvára a hromadí žltkastý povlak, ktorý následne postihuje škodlivé účinky na fotoreceptory v makule sietnice. Suchá makulárna degenerácia sa najskôr vyvinie iba v jednom oku. Oveľa nebezpečnejšia je mokrá AMD, pri ktorej za sietnicou začínajú rásť nové. cievy v smere makuly. Vlhká makulárna degenerácia postupuje oveľa rýchlejšie ako suchá makulárna degenerácia a takmer vždy sa vyskytuje u ľudí, ktorí už suchou makulárnou degeneráciou trpia.

Pigmentárna dystrofia odkazuje na periférne dystrofie sietnice a nosí dedičný charakter. Toto je najbežnejšie dedičné ochorenie sietnice. Pri tomto type dystrofie sú poškodené bunky sietnice. Najprv sú ovplyvnené tyčinky, postupne sa do procesu zapájajú kužele. Postihnuté sú obe oči. Prvou sťažnosťou pacientov je zhoršené videnie za šera ( nočná slepota). Pacienti sa zle orientujú v tme a kedy slabé osvetlenie. Následne sa zorné pole postupne zužuje. Choroba môže začať v detstva, ale niekedy sa prvé príznaky objavia až v druhej polovici života. Vo funduse už niekoľko rokov, po objavení sa sťažností, môže byť normálny obraz. Potom sa objavia pigmentové usadeniny tmavohnedá. Tieto usadeniny sa niekedy nazývajú „kostné telieska“. Postupne sa zvyšuje počet „kostných teliesok“, zväčšuje sa ich veľkosť, lézie sa spájajú a šíria sa cez sietnicu a približujú sa k stredu očného pozadia. Ako proces postupuje, zorné polia sa čoraz viac zužujú, videnie za šera zhoršuje. Cievy sa postupne zužujú, optický disk zbledne a dochádza k atrofii zrakového nervu. Môže sa vyvinúť katarakta a odlúčenie sietnice. Zrak postupne klesá a vo veku 40-60 rokov nastáva slepota.

Tapetoretinálne dystrofie(synonymum: taperetinálne degenerácie, taperetinálne abiotrofie) - dedičné ochorenia sietnice, spoločný znak ktorý je patologická zmena jeho pigmentový epitel. Tapetoretinálne dystrofie sú charakterizované progresívnym poklesom vizuálna funkcia až po slepotu. Pri tomto ochorení (tapetoretinálna degenerácia, taperetinálna abiotrofia) sú spravidla postihnuté obe oči. Prvým príznakom retinálnej dystrofie je zhoršené videnie v tme (hemeralopia), neskôr sa objavujú defekty zorného poľa, znižuje sa zraková ostrosť, mení sa očný fundus.

5) Význam umelého oka spočíva v tom, že informácie sa zisťujú pomocou miniatúrnej videokamery, potom sa obrázky posielajú do prevodníka a prenášajú na elektródy, ktoré sú zase spojené s optickým nervom, ktorý prenáša vizuálne informácie vo forme elektrické impulzy do mozgu. V zásade nie je potrebné umiestňovať elektródu špecificky do sietnice. Len toto je asi najviac pohodlný spôsob. Vo všeobecnosti je hlavná vec, že ​​elektróda je umiestnená vedľa zrakového nervu, pretože je to optický nerv, ktorý prenáša vizuálne informácie do mozgu. Elektródu môžete umiestniť kdekoľvek v blízkosti zrakového nervu, alebo ju môžete umiestniť aj do zrakového traktu, v mozgu, elektródu môžete umiestniť na laterálne genikulárne telo (hoci v tomto prípade sa k zraku dostane len polovica obrazu kôra, ak používate jednu elektródu, pretože v mozgu sú dve vonkajšie genikulárne telá, ale tento problém možno vyriešiť použitím dvoch elektród). Okrem toho je možné umiestniť elektródu na sluchový nerv(ale to sa nezaobíde bez chirurgického zásahu do mozgu).

6) a) Ak dôjde k poškodeniu zrakového nervu, zraková informácia nebude môcť byť plne a možno ani správne prenesená do mozgu. Poškodenie a choroby očných nervov sú však rôzne. Mnohé z nich vedú k čiastočná strata videnie (zhoršenie zraku). Dá sa teda predpokladať, že fungovanie umelého oka bude možné aspoň v minimálnej miere.

b) kedy úplná absencia oči, v prítomnosti zdravého zrakového nervu je možné plné fungovanie umelého oka. Dokonca aj v neprítomnosti oka môže byť elektróda umiestnená v blízkosti zrakového nervu, prenášajúceho signál do neho a potom je signál prenášaný do mozgu.

c) len na základe poznania miesta poškodenia zrakovej kôry možno predpovedať, aká bude strata zraku. Čo sa však nedá predvídať, je reakcia pacienta: on sám si túto stratu nemusí všimnúť. Stáva sa dokonca, že skutočnosť popiera úplná slepota, ku ktorému došlo po obojstrannej deštrukcii zrakových oblastí. V dôsledku toho sa zdá, že strata týchto oblastí znamená aj stratu vizuálnej pamäte. Táto neočakávaná skutočnosť ukazuje, že ešte celkom nerozumieme procesom videnia. V mozgu sú aj miesta, ktorých lokálne poškodenie môže človeka pripraviť o schopnosť rozoznávať predmety, rozlišovať farby, tváre atď. Tento stav sa nazýva duševná slepota (Seelenblindheit). Okrem toho môže takéto poškodenie viesť k strate jedného zo zrakových hemipolí alebo strate citlivosti v ktorejkoľvek časti tela. Vo všeobecnosti môžeme povedať, že v prípade poškodenia zrakovej kôry mozgu bude čiastočne možné fungovanie umelého oka. Všimnite si, že je to možné chirurgická intervencia do mozgu, čo vedie k úplná obnova fungovanie umelého oka.

Senzorické oblasti v mozgu nie sú navzájom priamo spojené v kôre, ale interagujú iba s asociačnými oblasťami. Dá sa predpokladať, že k presmerovaniu somatosenzorických informácií u nevidomých do zrakovej kôry a zrakových informácií u nepočujúcich do sluchovej kôry dochádza za účasti subkortikálnych štruktúr. Zdá sa, že takéto presmerovanie je ekonomické. Pri prenose informácií zo zmyslového orgánu do zmyslovej oblasti kôry sa signál niekoľkokrát prepne z jedného neurónu na druhý v subkortikálnych formáciách mozgu. Jeden z týchto prepínačov sa vyskytuje v talame ( talamus) diencephalon. Body prepínania nervových dráh z rôznych zmyslových orgánov tesne susedia (obr. 3, vľavo). Ak dôjde k poškodeniu niektorého zmyslového orgánu (alebo z neho vedúcej nervovej dráhy), je obsadený jeho spínací bod nervové dráhy iný zmyslový orgán. Preto sa zmyslové oblasti kôry, ktoré sú odrezané od bežných zdrojov informácií, zapájajú do práce tak, že do nich presmerujú iné informácie. Čo sa však potom stane so samotnými neurónmi senzorickej kôry, ktoré spracúvajú informácie, ktoré sú im cudzie?

Výskumníci z Massachusetts Institute of Technology v USA Jitendra Sharma, Alessandra Angelucci a Mriganka Sur vzali jednodňové fretky a dali im chirurgický zákrok: oba zrakové nervy boli spojené s talamokortikálnymi dráhami vedúcimi do sluchovej senzorickej kôry (obr. 3). Účelom experimentu bolo zistiť, či je sluchová kôra transformovaná štrukturálne a funkčne, keď sa do nej prenášajú vizuálne informácie. (Ešte raz si pripomeňme, že každý typ kôry sa vyznačuje špeciálnou architektúrou neurónov.) A v skutočnosti sa tak stalo: sluchová kôra sa morfologicky a funkčne podobala tej zrakovej!

7) Na výrobu stimulačných elektród by sa mali používať nanomateriály na báze kovu, predovšetkým neškodné pre ľudské telo. Môžu to byť elektródy na báze titánu, zlata, striebra alebo platiny. Ich hlavnými výhodami sú neškodnosť pre ľudský organizmus a miniatúrna veľkosť. Medzi ich nevýhody patrí ich cudzorodosť pre ľudské telo a v dôsledku toho možnosť odmietnutia pri ich zavedení do tela. Okrem toho sa kovy môžu v tele oxidovať na katióny, ktoré sú dokonale rozpustné v krvi a sú distribuované po celom ľudskom tele. A nakoniec, jeden z najdôležitejších problémov je spojený so zavádzaním nanomateriálov do tela. Je známe, že nanočastice sú tak malé, že môžu spontánne preniknúť do buniek, napríklad červených krviniek, neurónov, čo vedie k narušeniu ich fungovania a následne aj celého orgánu (alebo tkaniva).

8) Rozlíšenie v súčasnosti existujúcich vzoriek umelého oka je asi 256 pixelov. Je určená predovšetkým veľkosťou matice videokamery (pozri nižšie). Ľudské oko, ak porovnáme výsledný obraz s digitálnymi zariadeniami, vidí 100-megapixelový obraz, čo, prirodzene, v tejto fáze vývoja technológií nie je možné dosiahnuť.

9) Ľudské oko, ak výsledný obraz porovnáme s digitálnymi prístrojmi, vidí 100-megapixelový obraz, to je zrejme určitá hranica pre ľudský zrakový nerv, ktorý prenáša vizuálnu informáciu do mozgu vo forme elektrických impulzov. Prirodzene, v tejto fáze vývoja technológie nie je takéto rozlíšenie umelého oka dosiahnuteľné. Je zrejmé, že rozlíšenie umelého oka je určené rozlíšením matice videokamery, ktorá závisí od jej veľkosti. Veľkosť matice zasa ovplyvňuje veľkosť a hmotnosť samotnej videokamery (veľkosť optickej časti závisí lineárne od veľkosti matice).

Veľkosť matrice kamery ovplyvňuje množstvo digitálneho šumu prenášaného spolu s hlavným signálom do svetlocitlivých prvkov matrice. Fyzická veľkosť matice a veľkosť každého pixelu individuálne výrazne ovplyvňujú množstvo šumu. Viac fyzická veľkosť matrica kamery, čím väčšia je jej plocha a tým viac svetla sa do nej dostane, v dôsledku čoho bude užitočný signál z matrice silnejší a pomer signálu k šumu bude lepší. To vám umožní byť jasnejší, vysokokvalitný obraz s prírodnými farbami. Okrem toho, ako už bolo napísané vyššie, matrica fotoaparátu malá veľkosť(minimálna veľkosť matice je 3,4 mm x 4,5 mm) kvôli malému množstvu svetla, ktoré na ňu dopadá, má slabý užitočný signál, v dôsledku čoho musí byť silnejšie zosilnený a spolu s užitočným signálom aj šum zvyšuje, čo sa stáva zreteľnejším. Keďže fyzická veľkosť matrice priamo súvisí s množstvom svetla dopadajúceho na matricu, čím väčšia je matrica, tým lepšie budú fotografie pri slabom osvetlení. Avšak zväčšenie veľkosti matrice bude nevyhnutne znamenať zvýšenie veľkosti a nákladov na kameru. Matrica digitálnej videokamery má niekoľko dôležitých vlastností:

veľkosť matice úzko súvisí s jej citlivosťou. Čím väčšia je matica, tým citlivejšie prvky môžu byť na nej umiestnené, a teda tým vyššia je citlivosť.

citlivosť– schopnosť matrice vnímať predmety, keď rozdielne podmienky osvetlenie. Meria sa v luxoch a zvyčajne sa pohybuje od 0 do 15 luxov. Čím nižšia je hodnota citlivosti, tým menej svetla potrebuje videokamera na prevádzku. Napríklad s citlivosťou 0 lux môžete snímať takmer v úplnej tme.

počet pixelov(povolenie) - požadované množstvo pixelov závisí výlučne od televízneho systému - PAL alebo NTSC. Je známe, že maximálny počet pixelov potrebných na snímanie je približne 415 000. Ak videokamera podporuje viac vysoké rozlíšenie, to znamená, že zostávajúce pixely sa používajú na prevádzku elektronického stabilizátora obrazu.

Vzhľadom na všetky tieto parametre ovplyvňujúce rozlíšenie matice možno predpokladať, že Teoreticky dosiahnuteľné rozlíšenie umelého oka s matricou (napríklad CCD) s rozmermi aspoň 4 mm x 4 mm je asi 10 megapixelov. V súčasnosti sú už vytvorené videokamery s podobnými parametrami. Upozorňujeme, že videokamera s maticou CCD s vysokým rozlíšením nemusí nevyhnutne natáčať vysokokvalitné video. Snímač spracováva to, čo premieta objektív. Inštalácia veľkého CCD s malým priemerom šošovky je v princípe zbytočná. Ak je obraz získaný cez malú šošovku natiahnutý na veľkú matricu, nemožno sa vyhnúť optickému skresleniu.

10) Pri použití umelého oka môžu nastať problémy, po prvé, podobné problémom pri používaní bežnej videokamery:

Budete musieť vyčistiť šošovku kamkordéra a vzhľadom na jej veľkosť to nebude jednoduchá úloha. Navyše to osobe s umelým okom spôsobí veľké nepohodlie a nepohodlie.

Je známe, že optika pracuje v obmedzenom rozsahu teplôt, pri opustení tohto rozsahu dochádza k poruchám. Navyše, pri zmene teploty sa šošovka zahmlieva, čo opäť vedie k nepríjemnostiam (pozri bod 1)

Je známe, že videokamera zlyhá pri vystavení vysokej vlhkosti, rovnaké problémy môžu nastať pri použití umelého oka. Človek sa môže jednoducho dostať do dažďa a to povedie k poruche fotoaparátu. Prirodzene, človek s umelým okom bude mať problém osprchovať sa, umyť si tvár, nehovoriac o plávaní v bazéne. Tieto problémy sa samozrejme dajú vyriešiť vytvorením vodotesného puzdra na fotoaparát, čo si však vyžaduje samostatné štúdium berúc do úvahy veľkosť komory a pohodlie pre osobu.

Videokamera je navyše odolná voči nárazom.

Nemožnosť práce pri slabom osvetlení alebo v noci bez použitia špeciálneho vybavenia (aj keď jedno existuje veľká výhoda umelé oko pred prirodzeným: môžete použiť videokameru pracujúcu v infračervenej oblasti. Získate druh zariadenia na nočné videnie)

Pri chôdzi sa kamera trasie, čo povedie k zhoršeniu kvality obrazu. Tento problém možno vyriešiť použitím stabilizátorov obrazu, čo si však vyžaduje samostatnú štúdiu zohľadňujúcu veľkosť fotoaparátu a pohodlie človeka.

Po druhé, celý opísaný mechanizmus pôsobenia umelého oka, vrátane videokamery, musí mať batériu. A vyžaduje pravidelné dobíjanie. Je jasné, že tým vznikajú obmedzenia pri používaní a nepohodlie pre ľudí. Nakoniec môžu nastať problémy s ovládaním videokamery, pretože keď človek spí, musí byť kamera vypnutá. A je potrebné vytvoriť zariadenie, ktoré ľahko poslúchne človeka, napríklad sa vypne alebo zapne podľa jeho hlasu.

11) Výhody umelého oka v porovnaní s ľudským okom:

Môžete použiť infračervenú videokameru. Výsledkom bude akýsi prístroj nočného videnia.

Je možné zaznamenať informácie, ktoré osoba videla.

Videokameru môžete použiť na sledovanie filmov

Nevýhody umelého oka v porovnaní s ľudským okom:

nižšie rozlíšenie a tým nižšia kvalita obrazu

obmedzenia teplotného rozsahu, v ktorom oko funguje

nestabilita voči vlhkosti (bez použitia špeciálnych ochranných krytov)

nestabilita voči šoku

nedostatok „laterálneho videnia“

Bionické oko - čo to je? Presne táto otázka vzniká medzi ľuďmi, ktorí sa s týmto pojmom stretli ako prví. V tomto článku na to odpovieme podrobne. Tak poďme na to.

Definícia

Bionické oko je zariadenie, ktoré umožňuje nevidiacim rozlíšiť množstvo zrakových objektov a do určitej miery kompenzovať nedostatok zraku. Chirurgovia ho implantujú do poškodeného oka ako retinálnu protézu. Dopĺňajú tak neporušené neuróny zachované v sietnici umelými fotoreceptormi.

Princíp fungovania

Bionické oko pozostáva z polymérnej matrice vybavenej fotodiódami. Detekuje aj slabé elektrické impulzy a prenáša ich do nervových buniek. To znamená, že signály sa premieňajú na elektrickú formu a ovplyvňujú neuróny, ktoré sú zachované v sietnici. Polymérna matrica má alternatívy: infračervený senzor, videokameru, špeciálne okuliare. Uvedené prístroje dokážu obnoviť funkciu periférneho a centrálneho videnia.

Videokamera zabudovaná v okuliaroch zaznamená obraz a odošle ho do procesora prevodníka. A on zase prevádza signál a posiela ho do prijímača a fotosenzora, ktorý je implantovaný do sietnice oka pacienta. A až potom sa elektrické impulzy prenesú do mozgu pacienta cez optický nerv.

Špecifiká vnímania obrazu

Za roky výskumu prešlo bionické oko mnohými zmenami a vylepšeniami. V skorých modeloch sa obraz prenášal z videokamery priamo do oka pacienta. Signál bol zaznamenaný na matrici fotosenzora a prijatý cez nervové bunky do mozgu. Ale v tomto procese bola jedna nevýhoda - rozdiel vo vnímaní obrazu kamerou a očná buľva. To znamená, že nefungovali synchrónne.

Iný prístup bol nasledovný: najprv sa informácie o videu poslali do počítača, ktorý sa skonvertoval viditeľný obraz do infračervených impulzov. Odrážali sa od šošoviek okuliarov a zasiahli fotosenzory cez šošovku do sietnice. Prirodzene, pacient nevidí IR lúče. Ale ich účinok je podobný procesu získavania obrazu. Inými slovami, pred človekom s bionickými očami sa vytvára vnímateľný priestor. A stane sa to takto: obraz prijatý z aktívnych fotoreceptorov oka je superponovaný na obraz z kamery a premietnutý na sietnicu.

Nové štandardy

Z roka na rok biomedicínske technológie sa vyvíjajú míľovými krokmi. IN tento moment sa chystajú realizovať nový štandard pre systém umelého videnia. Ide o maticu, ktorej každá strana bude obsahovať 500 fotobuniek (pred 9 rokmi ich bolo len 16). Hoci, ak nakreslíme analógiu s ľudským okom, ktorý obsahuje 120 miliónov tyčiniek a 7 miliónov čapíkov, je potenciál pre ďalší rast jasný. Stojí za zmienku, že informácie sa prenášajú do mozgu prostredníctvom miliónov nervových zakončení a potom ich sietnica spracuje nezávisle.

Argus II

Toto bionické oko bolo navrhnuté a vyrobené v USA spoločnosťou Clairvoyance. Jeho možnosti využilo 130 pacientov s retinitis pigmentosa. Argus II sa skladá z dvoch častí: mini-videokamera zabudovaná v okuliaroch a implantátu. Všetky objekty v okolitom svete sú zaznamenávané na kameru a prenášané do implantátu cez procesor bezdrôtovo. Implantát pomocou elektród aktivuje existujúce bunky sietnice pacienta a posiela informácie priamo do zrakového nervu.

Používatelia bionického oka dokážu jasne rozlíšiť horizontálne a vertikálne čiary už za týždeň. V budúcnosti sa kvalita videnia prostredníctvom tohto zariadenia len zvyšuje. Argus II stojí 150 000 libier. Výskum však neustáva, pretože vývojári dostávajú rôzne peňažné granty. Prirodzene, umelé oči sú stále dosť nedokonalé. Vedci ale robia všetko pre to, aby zlepšili kvalitu prenášaného obrazu.

Bionické oko v Rusku

Prvým pacientom, ktorému bol u nás prístroj implantovaný, bol 59-ročný obyvateľ Čeľabinska Alexander Uljanov. Operácia trvala 6 hodín Vedecké a klinické centrum otorinolaryngológia FMBA. Najlepší oftalmológovia v krajine monitorovali rehabilitačné obdobie pacienta. Počas tejto doby boli na čip inštalovaný Uljanovom pravidelne posielané elektrické impulzy a bola monitorovaná reakcia. Alexander ukázal vynikajúce výsledky.

Samozrejme, nerozlišuje farby a nevníma početné dostupné predmety zdravé oko. Svet Uljanov vidí rozmazane a čiernobielo. Ale to mu stačí na to, aby bol absolútne šťastný. Koniec koncov, posledných 20 rokov bol tento muž vo všeobecnosti slepý. A teraz jeho život úplne zmenilo nainštalované bionické oko. Náklady na operáciu v Rusku sú 150 tisíc rubľov. No plus cena samotného oka, ktorá bola naznačená vyššie. Zatiaľ sa zariadenie vyrába iba v Amerike, ale časom by sa v Rusku mali objaviť analógy.

V našom dnešnom článku:

Nová technológia nazývané bionické povolené pacientom s retinitis pigmentosa obnoviť určitú časť ich zorného poľa. To umožnilo ľuďom rozlišovať predmety a dokonca čítať textové nadpisy, no stále sa nemôžu pokojne pohybovať po ulici.

Vedci z Kalifornskej univerzity pracujú na zlepšení tejto technológie, ktorá umožňuje špecifickým bunkám v sietnici premieňať svetlo na elektrickú aktivitu. Štúdia bola publikovaná v časopise Neuron.

Sietnica pozostáva z niekoľkých vrstiev buniek. Prvá vrstva obsahuje fotoreceptory, ktoré detegujú svetlo a premieňajú ho na elektrické signály. Retinitis pigmentosa má za následok zníženú funkciu týchto buniek.

Vo vývoji je niekoľko typov sietnicových protéz. Argus II je najznámejší z týchto zariadení. V Spojených štátoch bol schválený na liečbu retinitis pigmentosa v roku 2013. Pozostáva z kamery namontovanej na ráme okuliarov, ktorá prenáša rádiové signály do siete elektród implantovaných do sietnice. Elektródy stimulujú gangliové bunky sietnice a ukazujú osobe, čo kamera sníma.

„Je to obrovský úspech v liečbe a nová šanca pre pacientov s retinitis pigmentosa. Na druhej strane, bionické videnie má ešte ďaleko od prirodzeného,“ vysvetľuje profesor E.J. Chichilnisky

Súčasným technológiám chýba špecifickosť alebo vernosť. Hoci väčšina vizuálnych procesov prebieha v mozgu, časť z nich vykonávajú gangliové bunky sietnice, z ktorých je v každom oku 1 až 1,5 milióna buniek. Prirodzené videnie, ktoré nám umožňuje získať podrobnejšie informácie o tvare, farbe, hĺbke a pohybe, si vyžaduje aktiváciu určitých buniek sietnice v správny momentčas.

Vedci zamerali svoje úsilie na typ gangliových buniek sietnice nazývaných dáždnikové bunky. Tieto bunky sú veľmi dôležité pre detekciu pohybu, jeho smeru a rýchlosti vo vizuálnej scéne. Keď pohybujúci sa objekt prechádza vizuálnym priestorom, bunky vystrelia do vĺn cez sietnicu.

Vedci umiestnili 61-elektródovú sieť do oblastí sietnice a začali ju stimulovať prúdovými impulzmi. To im umožnilo rozlíšiť „dáždnikové“ bunky, ktoré majú rôzne reakcie, od iných gangliových buniek sietnice. Okrem toho vedci určili, koľko stimulácie je potrebné na aktiváciu každej bunky. Ďalej výskumníci zaznamenali pulzné odozvy pre jednoduchý posuvný obrázok - biely pruh prechádzajúci sivým pozadím. Nakoniec sa im podarilo reprodukovať rovnaké vlny aktivity, aké produkujú dáždnikové bunky počas pohyblivých obrázkov.

„Pred vývojom hotového zariadenia, ktoré by mohlo poskytnúť nevidomému človeku vysokokvalitné videnie, je potrebné veľa práce. Ak dokážeme prekonať množstvo technických prekážok, budeme schopní s nimi komunikovať nervový systém na nej materinský jazyk a obnoviť normálnu funkciu oka,“ dodal Chichilnisky.

Ľudské telo je veľmi zraniteľné. Až donedávna, ak došlo k poškodeniu niektorého orgánu, nebolo možné ho nahradiť a človek zostal zmrzačený, často dostával veľmi nepohodlné a zle funkčné protézy. Ale dnes vedci dosiahli významné výsledky v protetike ľudských orgánov. Zozbierali sme posledných 10 vedecký vývoj, čo umožní v blízkej budúcnosti výmenu poškodených častí karosérie.

Koža, ktorá pokrýva a chráni celé ľudské telo, je najľahšie poškodený orgán. Vedci zo Stanfordu vyvinuli superflexibilný, superpevný a supercitlivý materiál, ktorý by sa mohol stať základom budúcej syntetickej kože. Ľudia sa už predtým pokúšali vyvinúť syntetickú kožu, ale nový materiál má oveľa väčšiu zmyslovú citlivosť. Obsahuje organické tranzistory a vrstvu elastického materiálu, ktorý umožňuje natiahnutie bez poškodenia. A je samonapájací - koža obsahuje sériu elastických solárnych panelov.

2. Bijúce srdce vytvorené v Petriho miske

Vedci už dlho skúmali potenciál kmeňových buniek na rast srdca a nedávno dosiahli veľký prelom v tomto roku vytvorením srdca v Petriho miske, ktoré by mohlo biť samo. Do 20 dní nové srdce bije s frekvenciou 40 až 50 úderov za minútu. Je stále príliš slabé na to, aby skutočne pumpovalo krv, ale tkanivo ako toto má veľký potenciál.

3. Protetické ruky, ktoré cítia dotyk

Súčasné protetické ruky určite dokážu veci uchopiť, no chýba im jedna z najdôležitejších schopností skutočnej ľudskej ruky – hmat. Ľudia s protetikou nedokážu vycítiť, keď sú v kontakte s predmetom bez toho, aby sa naň priamo pozerali. Výskumná skupina z University of Chicago tento problém vyriešili vytvorením rúk, ktoré vysielajú elektrické signály do mozgu. Vedci robili experimenty s opicami a skúmali, ako ich mozog reaguje na dotyk.

Zatiaľ čo bionické nohy sú samozrejme veľkým prínosom pre ľudí po amputácii, majú veľkú nevýhodu - žiadne skutočné spojenie medzi nervami a telom. Minulý rok však obyvateľ Seattlu Zach Water dostal prvé končatiny na svete, ktoré sú ovládané silou myslenia, a to vďaka tomu, že prijímajú signály priamo z jeho mozgu. Na optimalizáciu týchto umelých nôh ich výrobná spoločnosť urobí ešte tenšími a ľahšími.

5. Miniatúrny ľudský mozog

Smrť mozgu je smrteľná. Možno jedného dňa bude človek schopný transplantovať nový mozog do lebky, no treba si uvedomiť, že nejde len o obyčajný orgán. Obsahuje všetky myšlienky a spomienky, takže myšlienka vytvorenia umelých mozgov sa môže zdať absurdná. To však nezastavilo vedcov, ktorí z kmeňových buniek vypestovali skutočnú. ľudský mozog v laboratóriu. Stále je však veľký ako hrášok a nedokáže myslieť.

Existuje už technológia, ktorá dokáže umelo obnoviť sluch, no vnútorné implantáty s viditeľnou časťou ucha nič nerobia. Obyčajné umelé uši vyzerali ako plastové hračky. Tento rok však výskumníci prišli s nová metóda, ktorá poskytuje možnosť vyrásť zo živých buniek flexibilným, realistickým ušiam. Tieto bunky sa odoberajú z potkanov a kráv a formujú sa do gélu. Tento gél sa potom použije na vytvorenie umelého ucha pomocou 3D tlačiarne za menej ako hodinu.

7. Nos, ktorý cíti chorobu

Výskumníci z University of Illinois sa rozhodli vytvoriť zariadenie, ktoré identifikuje chemických látokčuchom, ale neboli spokojní s citlivosťou ľudského nosa. Namiesto toho vytvorili umelý nos, ktorá využíva pach baktérií na identifikáciu a diagnostiku konkrétnych ochorení.

8. Umelý pankreas

Pankreas produkuje hormón inzulín, ktorý, ak nie je prítomný v tele, treba podávať manuálne. Diabetici si neustále kontrolujú hladinu cukru v krvi a v prípade potreby si potom podávajú inzulín. Umelý pankreas však dokáže do tela vstreknúť inzulín automaticky. Po celú dobu monitoruje a reguluje hladinu cukru v krvi.

Ľudia už dávno dokázali vrátiť sluch nepočujúcim, ale vrátiť zrak nevidomým je stále oveľa viac komplexná problematika. Keď ľudia stratia zrak, ich sietnica už neposiela signály z fotoreceptorov do mozgu. Aby sme vytvorili umelé oko, musíme najprv pochopiť, ako sietnica tieto signály spracováva, čo sa vedcom donedávna nepodarilo. Vedci z Weill Cornell Medical College to dokázali najmenej s myšami a opicami, čím sa vytvorí umelá sietnica, ktorej čipy premieňajú obrazy na elektronické signály.

10. Prsty a gigabajty informácií

Keď mal fínsky programátor Jerry Jalava v roku 2008 nehodu na motorke, prišiel o prst. Našiel sa motorkár nezvyčajné východisko zo situácie – vytvoril protetický prst, do ktorého možno zaznamenať dva gigabajty digitálnych informácií. Teraz môže nezvyčajnú protézu jednoducho vložiť do USB konektora. V budúcnosti plánuje Jalawa vylepšiť svoj vynález pridaním podpory pre bezdrôtovú komunikáciu. Chce tiež pridať viac pamäte.

IN V poslednej dobe vývojári sa obrátili tvárou v tvár ľuďom s postihnutí, ponuka .