Я нашла очень интересную статью доктора Добелля (Dr. Dobelle) "Обеспечение искусственного зрения слепому посредством подключения
телекамеры к зрительной коре" (“Artificial Vision for the Blind by Connecting a Television Camera to the Visual Cortex”). Статья была опубликована в 2000 году, так что сразу отмечу, что многие характеристики описываемого зрительного имплантата могли усовершенствоваться с тех пор. Меня невероятно удивило то, что первые имплантаты в кору головного мозга с целью стимулирования зрительной зоны устанавливались еще в 70-х годах.
Доктор Добелль наряду с более чем
300 другими учеными, врачами, инженерами и хирургами, разработал кортикальный зрительный имплантат,
который в отличие от других типов имплантатов, обеспечивающих искусственное зрение (в частности, стимуляторов
сетчатки), применим практически во всех случаях, приведших к слепоте. В частности, наличие глазных яблок в данном случае не обязательно.
Исследовательская группа также
предоставила работающий от батарейки электронный интерфейс, который, заменяя
камеру, позволяет незрячему добровольцу получать изображение непосредственно с телевизора,
пользоваться компьютером, и иметь доступ к сети Интернет.
Искусственная система видения: компьютер
и пакет электроники, прикрепленный к поясу с выходным кабелем, ведущим к электродам,
вживленным в мозг.
Как сообщает автор статьи, толчком
для его исследований послужила основополагающая статья, опубликованная группой
Джайлса Бриндли (Giles Brindley) еще в 1968 году. Их
первые эксперименты по стимуляции коры мозга
человека были проведены в 1970-1972 годах на 37 зрячих добровольцах,
перенесших операции по удалению опухоли и других повреждений в затылочной доле
под местной анестезией. В 1972-1973 годах они затем стимулировали визуальную
кору трех слепых добровольцев, которым на несколько дней были временно имплантированы электродные
массивы. В их последующих экспериментах принимали участие четыре слепых
добровольца, которым с помощью подкожных соединительных пьедесталов были перманентно
установлены электродные массивы. Двум
добровольцам электроды были имплантированы в 1974 году. В одном случае массив
был удален, как и планировалось, через 3
месяца после операции, а во втором – по истечению 14 лет. Второй доброволец согласился продлить участие в
исследовании, но его имплантат был удален из-за инфекции, передаваемой через
кровь (инфекция не была вызвана имплантатом). Первые
пять добровольцев были прооперированы в Университете Западного Онтарио в
Лондоне, (Канада). Двум другим незрячим добровольцам, в том числе объекту данной
статьи, имплантаты были установлены в 1978 году в Колумбийско-пресвитерианском
медицинском центре в Нью-Йорке. Оба добровольца носили установленные имплантаты
более 20 лет, при этом никаких случаев инфицирования, либо других проблем не
возникло.
Волонтер и имплантат
Доктор Добелль в своей статье подробно описывает 62 летнего пациента,
который вследствие травмы потерял зрение на одном глазе в возрасте 22-х лет, и
полностью ослеп в возрасте 36 лет из-за второй травмы. Он беспрерывно был
трудоустроен, как до, так и после потери зрения, и работал администратором в
штате Нью-Йорк. Он вышел на пенсию в 1997 году
по истечению 32 лет трудового стажа. Электрод
был имплантирован в 1978 году, когда пациенту был 41 год. Имплантированный пьедестал и внутричерепная электродная матрица
использовались для экспериментального стимулирования зрительной коры
(медиальной поверхности правой затылочной доли) в течение 20 лет. Тем не менее,
пятое поколение внешнего пакета электроники и программное обеспечение - совершенно новые, и основаны на передовых
технологиях, которые лишь недавно стали доступными. Рентгенограмма имплантированной
в зрительную кору матрицы электродов показана на рисунке ниже.
Рентген электродной матрицы на
медиальной поверхности правой затылочной доли.
Первичная операция была произведена
в 1978 году и была выполнена под местной анестезией. Вероятно, процесс имплантации
у будущих пациентов сможет выполняться в амбулаторных условиях большинством
нейрохирургов.
Фосфены и их Карта в поле зрения
Разработанный доктором Добеллем зрительный
протез производит черно-белое изображение "фосфенов" зрительной коры,
аналогичных изображениям, проецируемым на лампочки стадионных табло.
При стимуляции, каждый электрод
производит 1-4 близко расположенных фосфенов. Каждый
фосфен в кластере воспринимает область диаметром карандаша, расположенном на
расстоянии вытянутой руки. Рабочая группа
доктора Добелля определила, что в таком случае фосфеновая карта пациента покрывает
площадь размерами ок. 20 см в высоту и 7,5 см в ширину.
Электронная начинка
Черно-белая телевизионная камера (292
х 512- пиксельная ПЗС-матрица) питается от батареи 9 В, и подключается
через канал с батарейным питанием к субноутбуку, расположенному в ремне. Камера
f 14.5, с 69° полем
зрения, имеет точечную диафрагму вместо линзы для сведения к минимуму размера и
веса устройства. Камера также имеет электронную "радужку" для
автоматического контроля экспозиции. Субноутбук
включает процессор 233 МГц, 32 Мб оперативной памяти и жесткий диск на 4 Гб. Он
также имеет ЖК-экран и клавиатуру. К ремню также крепится второй
микроконтроллер, и сопутствующая электроника для стимулирования мозга.
Этот генератор сигналов соединен через чрескожный пьедестал с электродами,
имплантированными в зрительной коре. Компьютер
вместе с пакетом электроники соразмерны словарю и весят около 4,5 кг, включая камеру,
кабели, и аккумуляторные батареи. Аккумуляторная
батарея для компьютера работает ок. 3-х часов,
батарея для остального пакета электроники – ок. 6 часов. Такая общая
конфигурация, в которой один компьютер взаимодействует с камерой, а второй -
контролирует стимулирующую электронику, использовался командой д-ра Добелля с
1969. Программное обеспечение включает в себя около 25 000 строк кода в
дополнение к операционной системе субноутбуков. Большая часть кода написана в
C++, в то время как некоторые – в C. Второй микроконтроллер программируется на
языке ассемблера.
С целью снижения затрат и легкости
в обслуживании, система искусственного зрения состоит из стандартных коммерческих
компонентов. Компьютер, стимулирующая электроника и программное обеспечение
являются внешними элементами, что позволяет модернизировать и ремонтировать
систему.
Характеристики системы
Система д-ра Добелля обеспечивает
слабое околоцентральное туннельное зрение. Картинка, которую видит пациент -
черно-белая с дефектом рассеянного поля (вызванного промежутками между фосфенами);
восприятие глубины отсутствует.
Пациент учится пользоваться системой в течение 1 однодневного сеанса.
Далее он продолжает практиковаться по 3-4 часа в день 2-3 дня в неделю. Благодаря сканированию пациент может распознавать 15-сантиметровый
квадрат "акробатика E" (см. рис. [а]) на расстоянии 1,5 м, буквы
Снеллена [b], проходить HOTV тест [c], распознавать кольца Ландольта [d] и картинки Ли [e] аналогичного размера. Эти психофизические тесты
приведены на рисунке ниже:
Пациент также может распознавать счет
пальцев. Вышеперечисленные тесты по определению остроты зрения (за исключением счета
пальцев), были проведены с использованием чистых черных символов на чистом
белом фоне при освещенности более чем 1000 лк. Доброволец может распознавать
буквы высотой ок. 5 см на расстоянии ок. 1,5 м, что соответствует остроте
зрения примерно 6/120 (в метрах).
Как это ни парадоксально, более
крупные символы немного сложнее распознаются этим волонтером, т.к. они выходят за
рамки его визуального "туннеля". Знаки, меньшие, чем 6/360 (в метрах) также достаточно
воспроизводимы.
Аналогичные результаты остроты
зрения были достигнуты при замене камеры на телевизор/ компьютер/Интернет
интерфейс, хотя сканирование выполняется медленнее.
Не смотря на то, что при стимуляции
зрительной коры у зрячих пациентов, у них зачастую воспроизводились цветные
фосфены, незрячие добровольцы видят только бесцветные фосфены. Вероятно, это связано
с ухудшением состояния клеток и / или синоптических соединений, необходимых для
цветового зрения. Таким образом, вероятно, цветовое искусственное зрение останется невозможным
у незрячих пациентов. Тем не менее, использование оптических фильтров может помочь различать
цвета. Вполне возможно, что хроматические ощущения смогут иметь место в случаях,
когда имплантат устанавливается вскоре после утраты зрения - до того как
нейронная сеть, ответственная за цветовое зрение, атрофируется.
Контрастность изображения полностью зависит от программного
обеспечения, регулируется экспериментальной командой в зависимости от
экспериментальной ситуации. Система также позволяет воспроизводить картинку в
виде черно-белого фотографического негатива. Это особенно полезно при распознавании
черных символов на белом фоне. Эти символы затем обрабатываются компьютером, и появляются
в виде матрицы белых фосфенов в темном поле зрения пациента. Карта фосфенов не соответствует центру поля зрения
пациента. Фосфены двигаются вместе с движением
глаз. Однако зафиксировать изображение пациент
может, направляя видеокамеру мышцами шеи (не глаз).
Распознавание контура
А) Изображение детского манекена
высотой 95 см и лыжной шапочки, расположенной случайным образом на стене.
B) То же изображение после распознавания
контура с помощью фильтров Цобеля и черно/ белого преобразования из негатива.
Незрячий волонтер может легко найти шапку и обнаружить розетки в стене. Точно
так же, дверные проемы проявляются в виде контура из белых фосфенов на черном
фоне. Изображение обрабатывается и передается пациенту со скоростью 8 кадров в секунду.
Ультразвуковой дальномер
При распознавании контура объекта,
незрячим пациентам особенно важно знать, как далеко расположена стена от
манекена.
Разместив электростатический датчик
на левой линзе очков пациента (сбоку от камеры и ниже лазерной указки), команда
Добелля начала исследовать возможность передачи пациенту дополнительной
информации, которая может быть визуализирована посредством модуляции яркости
изображения, частоты мигания и особенностью отдельных фосфенов.
В заключение следует заметить, что
ни один из семи незрячих добровольцев, участвующих в данном исследовании, не
испытывал эпилептических симптомов или других системных проблем, связанных с
имплантатом. Проанализировав клинический опыт, накопленный за последние 30 лет,
и имплантировав другие типы нейростимуляторов (для контроля дыхания, боли и
мочеполовой системы) тысячам пациентов в более чем 40 странах, команда Добелля
считает, что основным риском при установке устройства искусственного зрения
является возникновение инфекции, а это может потребовать удаления имплантата
наряду с антибактериальной терапией.
Все изображения за исключением первого взяты из статьи доктора Добелля Artificial Vision for the Blind by Connecting a Television Camera to the Visual Cortex
