Искусственное зрение. Обзор современных технологий и научных достижений

В.В. Нероев¹, Ю.С. Астахов², М.М. Лобанова^3,4, Д.Д. Ступин^4,5, Н.А. Верлов^4,6, М.Н. Рязанцев^4,7, О.В. Зайцева¹, А.А. Богданов⁴, В.Н. Васильев⁴, М.В. Дубина

1 ФГБУ «МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца» Минздрава РФ, г. Москва;
2 ФГБУ ВО «Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова» Минздрава РФ;
3 СПб ГБУЗ «Диагностический центр № 7» (глазной) для взрослого и детского населения, г. Санкт-Петербург;
4 ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики» Минобрнауки РФ;
5 ФГБУ ВОиН «Санкт-Петербургский национальный исследовательский академический университет РАН» Минобрнауки России;
6 ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова» Минобрнауки России, г. Гатчина;
7 ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет» Минобрнауки России

Слепота и слабовидение являются важными и актуальными проблемами современной медицины. По данным ВОЗ, на 2017 год в мире насчитывается 36 млн полностью слепых людей [1]. Однако, благодаря последним достижениям в области нейрофизиологии, микрохирургии глаза, а также интегральной микро- и наноэлектроники и фотоники, стало возможным восстанавливать зрение у слепых пациентов с помощью зрительных протезов — оптоэлектронных устройств, заменяющих функции зрительного анализатора. Данные разработки нашли применение при дегенеративных заболеваниях сетчатки, в частности, при пигментной абиотрофии сетчатки, хороидеремии, врожденном амаврозе Лебера, атрофической форме возрастной макулярной дегенерации и т.д. Настоящая работа посвящена систематизации медицинских, инженерных, физико-математических и информационных достижений, а также описанию основных проблем и перспектив в области создания искусственного зрения.

Примечания: Epi – эпиретинальный; Sub – субретинальный; Supra – супрахороидальный; ФД – фотодиоды; П – пиксели; Э – электроды; ПР – пигментный ретинит; ВМД – возрастная макулярная дегенерация; Х – хороидеремия; ПКД – палочко-колбочковая дистрофия; ВАЛ – врожденный амавроз Лебера.

Зрительные протезы, как правило, состоят из трех основных компонентов: фотоэлектрического преобразователя, который считывает зрительную сцену; внешней и внутренней электроники, предназначенных для обработки информации; массива электродов, который с помощью электрических импульсов стимулирует нервные клетки сетчатки, зрительного нерва либо коры головного мозга, вызывая тем самым появление зрительных ощущений у слепого человека [2]. В зависимости от места расположения массива стимулирующих электродов можно выделить следующие подходы к имплантации: эпиретинальный, субретинальный, супрахороидальный, периневральный, таламический и кортикальный.

Пионером в области искусственного зрения можно по праву считать W. Dobelle, который предложил для лечения слепоты стимулировать зрительную кору головного мозга при помощи имплантируемого массива электродов, подключенного к видеокамере. При включенном импланте пациент воспринимал зрительные ощущения в виде фосфенов и мог читать крупные буквы [3].

Принципиально другой способ восстановления утраченного зрения был продемонстрирован научной группой под руководством M. Humayun в США [4]. Авторами была предложена и успешно апробирована концепция прямой стимуляции сетчатки с помощью массива планарных микроэлектродов у пациентов с пигментным ретинитом. Наилучшим результатом была острота зрения 1,8 logMAR (0,016 в десятичных долях) [5]. Сегодня идея M. Humayun воплощена в коммерчески доступном эпиретинальном импланте Argus II, который в 2013 г. получил одобрение FDA. Успех системы Argus продемонстрировал перспективность протезирования сетчатки и во многом стимулировал широкий интерес ученых к проблеме восстановления утраченного зрения.

Другим коммерчески доступным зрительным протезом является субретинальный имплант Alpha IMS (AMS), разработанный E. Zrenner et al. [6]. Отличительная черта конструкции данного устройства заключается в использовании субретинального массива микрофотодиодов, имитирующих функции фоторецепторов. Таким образом, пациент может сканировать зрительную сцену привычным движением глаз, а не головы, как в системе Argus, где в качестве видеопреобразователя используется внешняя видеокамера, установленная на дужке очков. Максимальная острота зрения у пациентов с установленным имплантом Alpha IMS составила 1,43 logMAR (0,037 в десятичных долях, тест с кольцами Ландольта на расстоянии 60 см) [2]. Система Alpha IMS получила маркировку CE для коммерческого использования в странах Европы в 2013 г., а через три года была одобрена для коммерческого использования усовершенствованная версия импланта — Retina Implant AMS.

Еще одним коммерчески доступным на сегодняшний день зрительным протезом является эпиретинальный имплант Intelligent Medical Implant (IMI), разработанный научной группой под руководством G. Richard [7]. Отличительной чертой импланта IMI является использование при обработке зрительной сцены «симулятора сетчатки», который оптимизирует процесс стимуляции автоматически. Во время работы импланта пациенты способны различать простые формы, такие как вертикальные и горизонтальные полосы и фигура креста. Улучшенный вариант данного импланта — IRISTM — в 2016 г. получил маркировку CE для коммерческого использования.

На сегодняшний день уже более сотни научных групп занимаются разработкой и совершенствованием зрительных протезов (табл. 1) [2].

Подводя итог, можно сделать вывод о том, что восстановление утраченного зрения — давняя мечта человечества, волнующая разум ученых и сердца людей, — в ближайшем будущем близка к осуществлению. Несмотря на многие технические трудности, понятия «искусственное зрение», «искусственный глаз» и «искусственная сетчатка» уже не кажутся невероятными. Однако вопреки распространенному заблуждению, существующие в настоящее время зрительные импланты не заменяют сетчатку полностью, а лишь помогают ее работе, перекладывая функции фоторецепторов на плечи электроники. Таким образом, пациенту, ослепшему в результате ряда дегенеративных заболеваний сетчатки, после установки импланта не возвращается полноценное зрение, но появляется способность воспринимать окружающий мир в виде вспышек, искр и светящихся точек. Тем не менее современные зрительные импланты уже позволяют полностью слепым людям читать крупные буквы, стрелять из лука и даже играть в баскетбол [8]. Для будущих свершений на пути создания настоящего искусственного глаза человека необходима дальнейшая совместная работа врачей, инженеров, физиков, нейрофизиологов, математиков, программистов и многих других смежных специалистов.

Литература

1. Нарушения зрения и слепота. ВОЗ. Информационный бюллетень. 2017. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs282/ru/
2. Gabel V.P. (ed.). Artificial Vision: A Clinical Guide. Springer; 2016.
3. Dobelle W.H. Artificial vision for the blind by connecting a television camera to the visual cortex. ASAIO J. 2000; 46: 3-9.
4. Humayun M.S. et al. Visual percep-tion in a blind subject with a chronic microelectronic retinal prosthesis. Vision Research. 2003; 43 (24): 2573—2581.
5. Luo Y.H., da Cruz L. The Argus® II Retinal Prosthesis System. Progress in Retinal and Eye Research. 2016; 50: 89-107.
6. Zrenner E. et al. Subretinal electronic chips allow blind patients to read letters and combine them to words. Proc Biol Sci. 2011; 278 (1711): 1489—1497.
7. Hornig R., Zehnder T. et al. The IMI Retinal Implant System. In: Humayun M.S., Weiland J.D., Chader G., Greenbaum E.X., eds. Artificial Sight: Basic Research, Bio-medical Engineering, and Clinical Advances. Springer; 2007.

8. Silverman A. Healing the blind: perspectives of blind persons on methods to restore sight. Nanotechnology, the Brain, and the Future. Springer, Dordrecht; 2013: 159-166.

Сборник научных трудов «XI Российский общенациональный офтальмологический форум – 2018»