В настоящее время проблема создания устройств, реально помогающих людям без глаз самостоятельно ориентироваться в окружающей среде, далека от окончательного решения. Об этом, в частности, свидетельствует наличие у слепых тростей, а на улицах — светофоров, оборудованных звуковыми сигналами.
Причина такого положения дел лежит не в нехватке технических средств, способных анализировать обстановку в квартире или на улице, а в отсутствии эффективного способа передавать эту информацию пользователю. Устройства для анализа окружающей обстановки разработаны и применяются достаточно давно и успешно. Примером может служить блок управления роботом-пылесосом или автопилот для автомобиля. В то же время попытки использовать элементы таких устройств для «электронного зрения» оказываются безуспешными, независимо от того, получает ли слепой звуковой сигнал, тактильное воздействие на кожу или слизистую оболочку или даже фосфен с вживленного в кору головного мозга электрода.
Дело в том, что для передачи информации слепым может быть использован факт сохранения части зрительного анализатора при потере обоих глазных яблок. В качестве примера можно привести аналогию протезирования при потере ног на оставшуюся небольшую культю бедра и гипотетические попытки обучить людей без ног перемещаться с помощью рук и дополнительных устройств. Даже если при потере глазных яблок гибнет первый нейрон зрительного пути, участок зрительного нерва, расположенный рядом, то ядра третьей пары черепных нервов — nervus oculomotorius остаются неповрежденными, имеют связь с корой головного мозга и через соответствующие нервы могут осуществлять произвольное и непроизвольное движение глазной культи или имплантата в мышечной воронке и примыкающего к нему глазного протеза (рис. 1).
Рис. 1. Повреждение части зрительного анализатора при потере глазных яблок.
Утраченные при потере глазных яблок элементы зрительного анализатора обозначены красными крестиками, а сохраненные — зелеными стрелками.
Хотя автору не удалось найти в литературе сведений о том, какую именно часть зрительной информации кора головного мозга получает от ядер глазодвигательных нервов, значимость этого факта не вызывает сомнений. Уже давно установлено, что искусственно обездвиженный здоровый глаз как бы «слепнет» и зрение возвращается к нему только после возобновления движения [1]. Известно, что человек может слегка повернуть глазной протез в ту или иную сторону произвольно или непроизвольно, реагируя на какой-либо сигнал. Указанная возможность широко используется для достижения максимального косметического эффекта в практике как нашей, так и большинства других лабораторий глазного протезирования.
Требования к устройству, которое позволило бы человеку, лишившемуся глаз, обходиться без посторонней помощи, также известны достаточно давно. В существовавшей в СССР с 50-х годов прошлого века инструкции для определения инвалидности по зрению необходимость в посторонней помощи (1-я группа инвалидности) возникает, если человек имеет поле зрения лучшего глаза менее 10° и остроту зрения 0,03 и ниже [2]. При всех оговорках, указанные значения можно интерполировать как задание для проектирования устройств для слепых. В приведенном ниже расчете разрабатываемого нами устройства, которое можно называть «бионический глазной протез», показано, что в идеальном варианте, т.е. при хорошем состоянии иннервации слизистой оболочки глазничной полости и подвижности протеза, можно приблизиться в пространстве к указанным ориентирам остроты и поля зрения.
Целью разработки является возможность использовать и постепенно тренировать сохранившуюся часть зрительного анализатора посредством регистрации активности глазодвигательных мышц для ориентирования в пространстве при отсутствии глазных яблок.
Материал и методы
Разработанное устройство (патент Республики Беларусь №22998 от 27.03.20) состоит из следующих элементов: 1) видеокамера на очковой оправе и блок анализа информации (компьютер с передающими устройствами); 2) глазной протез, в который запаяны микросхемы и источник питания (рис. 2).
Рис. 2. Устройство бионического глазного протеза.
Электроды для передачи информации выводятся с одной из микросхем на заднюю поверхность протеза и контактируют со слизистой оболочкой глазничной полости. Большой «заземляющий» электрод, который никак не ощущается пациентом, выводится на переднюю поверхность протеза и контактирует со слизистой оболочкой верхнего или нижнего века (см. рис. 2). Важнейшим элементом протеза является микросхема, выполняющая функции гироскопа и акселерометра, что позволяет регистрировать движения протеза с достаточно высокой скоростью.
Беспроводная двусторонняя связь между протезом и размещенным на оправе блоком управления может осуществляться по протоколам NFC или BlueTooth. В настоящее время мы отдаем предпочтение BlueTooth.
Принцип работы устройства. На первоначальном этапе мы ограничиваемся только анализом яркости фона и отдельных полей окружающей среды. Видеокамера имеет поле обзора 80—120°, из которых в каждый момент времени активным является только участок в 10°, находящийся в постоянном движении (рис. 3).
Рис. 3. Схема изображения поля зрения видеокамеры.
1 — общее поле зрения видеокамеры; 2 — активный участок поля зрения видеокамеры; 3 — центр активного участка поля зрения; 4 — часть активного участка поля зрения, существенно отличающаяся по яркости. Она регистрируется устройством как объект и вызывает импульсы на одном из электродов протеза; 5 — возможная траектория перемещения центра активного участка поля зрения, которая соответствует повороту оптической оси устройства.
При появлении объекта, существенно отличающегося по яркости от фона в ту или иную сторону (темнее или светлее фона), через соответствующий электрод на определенную часть слизистой оболочки, находящейся под протезом, подается краткосрочный электрический импульс. Этот импульс вполне отчетливо ощущается пользователем как слабый укол и дает ему возможность определить, в каком направлении возник свет или тень. Если пользователь переведет зрительную ось видеокамеры в сторону этого объекта, то повторный импульс будет передан в центре протеза.
Результаты и обсуждение
Чувствительность слизистой оболочки глазничной полости (нижний абсолютный порог чувствительности [3]) определена нами в пределах 10—90 мкА (0,01—0,1 мА), что соответствует данным литературы [3]. То обстоятельство, что чувствительность слизистой оболочки глазничной полости и слизистой оболочки кончика языка примерно одинаковы, позволило нам изучать оптимальные режимы работы устройства на себе.
Оптимальный размер электрода составляет 1 мм2, а минимальное расстояние между ними, когда они воспринимаются по отдельности, составляет 4—5 мм. Соответственно на задней поверхности протеза можно разместить от 4 до 8 электродов.
Минимальное время подачи электрического импульса составляет 300 мс, а расстояние между импульсами (скважность) — 400 мс. При меньшем времени человек перестает воспринимать импульсы по отдельности и воспринимает их как постоянное «шипение»
Таким образом, продолжительность всего цикла будет составлять 700 мс.
Изменения «направления взгляда» бионического протеза. Имеющееся в устройстве программное обеспечение позволяет в режиме реального времени перемещать в любом направлении активную часть поля зрения видеокамеры, что может быть сравнено с изменением направления взора у человека.
Согласно данным литературы [1, 4], различают следующие виды движения глаз:
1. Скачок (саккада) — произвольное или непроизвольное движение глаз при перемене объекта фиксации или отслеживании подвижных объектов — около 20° за 0,01—0,02 с.
2. Непроизвольные движения глаз при фиксации взора на одном неподвижном объекте, когда испытуемый полагает, что его глаза неподвижны. Они включают три разных вида движений, из которых важнейшим является дрейф — плавное движение глаз со скоростью около 5 угловых минут в секунду (рис. 4, а).
Рис. 4. Сравнение траектории движения взора (дрейф) у человека и аналогичного движения зрительной оси устройства.
а — траектория движения зрительной оси здорового человеческого глаза при рассматривании неподвижных объектов (дрейф) по [1]; б — задаваемая устройству траектория движения центра активной части поля зрения видеокамеры.
По аналогии с движением человеческого глаза в нашем устройстве также имеются два вида изменения «направления взора» видеокамеры, что достигается перемещением активного участка поля зрения (см. рис. 3).
Движение, аналогичное вышеописанному скачку человеческого глаза, происходит при изменении положения протеза произвольно по желанию пользователя или непроизвольно при появлении каких-либо раздражителей. Подвижность любого качественно изготовленного глазного протеза может достигать 20°, что примерно соответствует повороту живого глаза во время скачка. Регистрация этих движений и отображение их через соответствующие импульсы на электродах дают возможность пользователю определить направление, а в отдельных случаях и размеры соседних с ним объектов.
Программное обеспечение устройства позволяет создавать относительно медленное изменение направления взора видеокамеры, аналогичное вышеописанному дрейфу в период неподвижности взора видеокамеры (отсутствия скачков; рис. 4, б). Данный вид движения генерируется автоматически и возникает независимо от наличия внешних раздражителей или желания пользователя. Подобное движение может обеспечить увеличение разрешающей способности устройства примерно в 2—3 раза.
В лабораторных устройствах мы получили возможность для слепого регистрировать, например, направление источника света, светлого окна или темной двери в комнате либо проезжающего мимо автомобиля.
Предварительная оценка возможной эффективности устройства. При наличии угла обзора (активной части поля зрения) видеокамеры в 10° и использовании на каждом протезе 8 активных электродов (в сумме 16) получается матрица из электродов 4×4. Соответственно угловое расстояние между электродами составит 2,5°, или 150 угловых минут, что соответствует остроте зрения 0,0066. Использование «дрейфа» взора видеокамеры позволит увеличить разрешающую способность устройства до 0,01—0,018.
Возможность использования описываемых устройств для реабилитации лиц, потерявших оба глазных яблока, изменяет требования к проведению операции энуклеации [5]. Сохранение максимально хорошей иннервации слизистой оболочки даст возможность увеличить число работающих на протезе электродов и, соответственно, улучшить разрешающую способность устройства. Необходимо максимально аккуратное проведение энуклеации для уменьшения рубцевания и, возможно, проведение микрохирургических операций по восстановлению иннервации и кровоснабжения слизистой оболочки глазничной полости. Необходимо также изучение влияния размеров и материала имплантата на состояние слизистой оболочки [6].
В нашем устройстве микросхема, фиксирующая направление, величину и скорость поворота глазного протеза, размещаются в самом глазном протезе, что утяжеляет его, а стремление сделать его максимально тонким препятствует размещению в нем антенны для бесконтактного получения электропитания и вынуждает использовать аккумуляторы.
Заключение
Представленное устройство, создающее возможность локации для слепых с отсутствием глазных яблок, основанное на формировании обратной связи между видеокамерой и миорефлексом культи после энуклеации, позволяет улучшить их качество жизни. После проведения всех предусмотренных испытаний и регистрации устройства в установленном порядке возможно его использование по назначению.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.