Чипы вместо глаз. Наши учёные вернули зрение слепому слесарю. Ожидание одобрения технологии. Экономические аспекты протезирования

Московские хирурги впервые в России провели уникальную операцию — вживление бионического глаза. Их пациентом стал 59-летний житель Челябинска. Протез, который установили врачи, американского производства, однако со временем должны и появиться и российские аналоги. Как современные технологии позволяют человеку в буквальном смысле стать киборгом?

Он не различает цветов, не может разглядеть многочисленные детали, доступные глазу здорового человека. Александр Ульянов из Челябинска видит мир размыто и исключительно черно-белым, но и это для него счастье: последние двадцать лет он был полностью слеп. Сложнейшая шестичасовая операция по установке ретинальных имплантов осуществлялась на базе Научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА. Александр Ульянов — особенный пациент, первый подобный в России и 41-й в мире, кому был установлен бионический глаз.

За послеоперационным периодом пристально следят не только лучшие офтальмологи, но и лично министр здравоохранения России. Бионическое направление Вероника Скворцова называет одним из самых перспективных в отечественной медицине. Электрические импульсы в установленный Григорию Ульянову чип стали пускать лишь неделю назад, но пациент уже показывает отличные результаты. Теперь самое главное - реабилитация.

"Здесь есть два момента. Мозг как мощнейший биологический компьютер имеет, во-первых, воспоминания исходного видения. У Григория Александровича, нашего первого пациента, ему сейчас 59 лет, зрение ушло около 20 лет назад. Ему уже было более 35 лет, зрительные образы в мозге хранятся, и есть возможность с помощью специальных реабилитационных технологий повышения пластичности мозга соединить получаемую сейчас информацию так, как она получается, с теми зрительными образами, которые хранятся в корковых полях ", — поясняет Вероника Скворцова.

Имплант "Аргус 2" - второе поколение подобных устройств. Первые давали четкость изображения в два раза меньше. Опыт по вживлению и наблюдению в послеоперационном периоде крайне важен для российской медицины. В скором времени российское здравоохранение сможет предложить отечественные аналоги зарубежным разработкам.

"Феноменальный результат. За последние два года очень много у нас появилось собственных медицинских приборов из разных полей — медицины, биомедицины, — которые столь же эффективны, как наши ракеты, коллайдеры, которые работают в Германии на наших компонентах. И мы ожидаем прорыва в ближайшие годы", — продолжила Вероника Скворцова.

Теперь первостепенная задача российских медиков — усовершенствовать процесс реабилитации подобных пациентов. А в долгосрочных планах - создание профильных центров, оказывающих весь спектр высокотехнологичной помощи слепоглухим людям, в том числе, бесплатные операции по бионическому протезированию. Вторая в России операция по вживлению бионического глаза состоится уже этой осенью.

Можете ли вы представить себе, что чувствует человек, который не видит или почти не видит окружающий мир? Такое состояние называется слепотой – невозможностью воспринимать зрительные стимулы из-за патологических нарушений в самом глазу, в зрительных нервах или в мозге . В 1972 году Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) приняла следующее определение: человек считается слепым, если острота центрального зрения в условиях максимальной коррекции не превышает 3/60. При таком зрении человек в условиях дневного освещения с максимальной коррекцией оптики неспособен сосчитать пальцы с расстояния в 3 метра.

Так вот для таких случаев была предложена идея электрической стимуляции сетчатки или зрительной коры, создание протеза, который по механизму действия имитирует настоящие процессы передачи электрических сигналов.

Вариантов электронных имплантов несколько, каждый год появляются новые идеи, но термин и сам «Бионический глаз» (Bionic Eye) разработан Дэниелом Паланкером, сотрудником Стэнфордского университета и его научной группой «Биомедицинской физики и офтальмологических технологий».

Имплантация модели бионического глаза Argus II (кстати, единственной модели, имеющей ЕС марку, но не сертифицированной в России) была выполнена в России в июле 2017 года одному пациенту. И со всех источников телевещания мы услышали – теперь человек сможет увидеть мир как раньше. Сотни людей просят поставить бионический глаз, а некоторые вдобавок просят «вживить» чипы для суперзрения.

Так что же мы на сегодняшний день имеем и может ли стать явью мечта увидеть мир после того, как потерял зрение?

БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ СЕТЧАТКИ

Бионическими называют протезы и имплантируемые элементы частей организма человека, которые подобны по внешнему виду и функциям на настоящие органы или конечности. На сегодняшний день людям успешно помогают в полноценной жизни бионические руки, ноги, сердца, а также органы слуха. Цель создания электронного глаза - помочь слабовидящим с проблемами сетчатки или зрительного нерва. Имплантируемые вместо поврежденной сетчатки устройства должны заменить миллионы клеток фоторецепторов глаза, пусть не на все 100%.
Технология для глаз похожа на ту, которая используется в слуховых протезах, помогающим глухим людям слышать. Благодаря ей пациенты имеют меньше шансов потерять остаточное зрение, а утратившие зрение - видеть свет и иметь хоть какую-то способность ориентироваться в пространстве самостоятельно.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Общий принцип действия электронного глаза следующий: в специальные очки встраивается миниатюрная камера, с нее информация об изображении передается в девайс, который преобразует картинку в электронный сигнал и отсылает его на специальный передатчик, который в свою очередь посылает электронный сигнал на имплантированный в глаз или в мозг приёмник, или информация передается через крошечный проводок на электроды, присоединенные к сетчатке глаза, они стимулируют оставшиеся нервы сетчатки, посылая электрические импульсы в головной мозг через оптические нервы. Устройство призвано компенсировать утраченные зрительные ощущения при полной или неполной потере зрения.

Главные условия успешной работы системы:

МИКРОХИРУРГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

Это обширнейшие операции. Если описать, например, имплантацию субретинального (расположенного под сетчаткой) бионического глаза – нужно полностью сетчатку поднять, потом сделать обширную ретинэктомию (обрезать часть сетчатки), потом под сетчатку установить этот чип, затем сетчатку пришить ретинальными гвоздями, приклеить сетчатку лазеркоагуляцией и залить силиконовым маслом. Силиконовая тампонада необходима, иначе моментально появится ПВР (пролиферативная витреоретинопатия) и возникнет отслойка. Да, еще и хрусталика собственного не должно быть или он должен быть предварительно заменен на искусственную линзу.

Для операции нужны особые инструменты с щадящими силиконовыми наконечниками. Это совершенно непростая операция, кроме того еще нужен оро-фациальный хирург или ЛОР – они через кожу выводят электроды наружу. И получается такое устройство – чип внутри глаза, а в руках такой приборчик величиной с мобильный телефон, которым ты можешь изменять интенсивность сигнала, он соединяется с подкожными электродами. Одного офтальмолога-хирурга при операции недостаточно – нужна помощь других дисциплин, операция длится долгих 6 часов.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

1. Во-первых, это дорого. Только прибор стоит порядка 150 тыс. долларов, то есть почти 8,5 миллионов рублей. А все лечение одного такого пациента может достигать 10 миллионов рублей. Речь идет о модели Argus II. На сегодняшний день в некоторых странах, например, в Германии эта операция оплачивается за счет страховок.
2. Фирмы, занимающиеся разработкой и производством, во всем мире живут на государственных дотациях, на грантах. Это здорово - такие вещи должны поддерживаться, иначе никакого развития не будет.
3. Сертификата в России нет ни на какое из нижеперечисленных устройств.

МЕДИЦИНСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОТЕЗИРОВАНИЯ

1. Результаты довольно скромные – после операции таких людей нельзя назвать зрячими, они видят на уровне 0,05 максимум, т.е. могут видеть контуры и определять направление движения тени, цветов вообще не различают, предметы могут различаться только те, которые помнятся из прежней «зрячей» жизни, например: «ага – это, наверное, банан, так как что-то полукруглое». Видят, что что-то на них движется, могут догадаться, что это человек, но лицо его не различают.

2. При каких заболеваниях может быть полезен бионический глаз?
Первые пациенты – это пациенты с пигментным ретинитом (retinitis pigmentoza) – заболеванием с первичным исчезновением фоторецепторов и вторичной атрофией зрительного нерва. В России таких пациентов 20-30 тысяч человек, в Германии – всего несколько тысяч.

Следующими на очереди стоят пациенты с географической атрофической макулярной дегенерацией. Это чрезвычайно распространенная возрастная патология глаза.
Третьими будут, больные глаукомой. Глаукомой пока не занимались, так как атрофия зрительного нерва в этом случае первичная, поэтому способ передачи должен быть другой – в обход зрительного нерва.

Диабет – это самая сложно решаемая проблема. Один из методов лечения диабетических изменений на сетчатке – лазеркоагуляция по всей поверхности. После такой процедуры технически невозможно поднять сетчатку из-за лазеркоагулятов - это получается «решето». А если не сделано лазером – ситуация не лучше: обычно глаз настолько поврежден, что имплантация в этом случае бесполезна.

3. К сожалению, нынешний прототип бионического глаза не позволяет людям видеть окружающий мир так, как видим его мы. Их цель - перемещаться самостоятельно без посторонней помощи. До массового использования этой технологии еще далеко, однако ученые подарят надежду людям, потерявшим зрение.

ТЕКУЩИЕ ПРОЕКТЫ «БИОНИЧЕСКИХ ГЛАЗ»

В последние несколько десятков лет ученые разных стран работают над идеями бионических электронных глаз. С каждым разом технологии совершенствуются, однако на рынок для массового использования свое изделие еще никто не представил.

1. Argus retinal prosthesis

Ретинальный протез Argus – это американский проект, довольно хорошо коммерциализированный. В первой модели разрабатывался командой исследователей в начале 1990-х годов: пакистанского происхождения офтальмологом Марком Хамейуном (Mark Humayun, кстати, профессор Секундо с ним знаком по Johns Hopkins University – в то время он был резидентом 2-го года, Вальтер - студентом), Евгеном Дейаном, инженером Ховардом Филлипсом, биоинженером Вентай Лью и Робертом Гринбергом. Первая модель, выпущенная в конце 1990-х, компанией Second Sight имела всего 16 электродов.

«Полевые испытания» первой версии бионической сетчатки были проведены Марком Хамейуном шести пациентам с потерей зрения в результате заболевания retinitis pigmentosa в промежутке с 2002 по 2004 год. Retinitis pigmentosa - неизлечимая болезнь, при которой человек теряет зрение. Наблюдается примерно в одном случае на каждые три с половиной тысячи человек.

Пациенты, которым был вживлен бионический глаз, показали способность не только различать свет и движение, но и определять предметы размером с кружку для чая или даже ножа.
Устройство для испытаний было усовершенствовано - вместо шестнадцати светочувствительных электродов в него было вмонтировано шестьдесят электродов и названо Argus II. В 2007 году начато мультицентровое исследование в 10 центрах 4-х стран США и Европы – всего 30 пациентов. В 2012 году Argus II получил разрешение для коммерческого использования в Европе, годом позже в 2013 году – в США. В России разрешения нет.

По сей день эти исследования субсидируются государственными фондами, в США их три - National Eye Institute, Department of Energy, and National Science Foundation, а также рядом исследовательских лабораторий.

Так выглядит чип на поверхности сетчатки

2. Microsystem-based visual prosthesis (MIVP)

Модель протеза спроектирована Клодом Вераартом (Claude Veraart) в университете Лувена в виде спиральной манжеты электродов вокруг зрительного нерва в задней части глаза. Она коннектится со стимулятором, имплантированным в небольшую ямку в черепе. Стимулятор получает сигналы от внешней камеры, которые переводятся в электрические сигналы, стимулирующие непосредственно зрительный нерв.

Схема MIVP

3. Implantable miniature telescope

На самом деле это устройство нельзя назвать «протезом сетчатки», поскольку этот телескоп имплантируется в заднюю камеру глаза и работает как лупа, увеличивающая ретинальное изображение в 2.2 или 2.7 раз, что позволяет уменьшить влияние на зрение скотом (слепых зон) в центральной части поля зрения. Имплантируется только в один глаз, поскольку наличие телескопа ухудшает периферическое зрение. Второй глаз работает для периферии. Имплантируется через довольно большой разрез роговицы.

Кстати, похожий принцип используется в добавочных интраокулярных линзах Шариотта. У меня самый большой опыт имплантации этих линз в России и результатами пациенты довольны. В этом случае вначале предварительно проводится факоэмульсификация катаракты. Хотя это, конечно, не 100% бионический глаз.

Подробнее об этом в предыдущих постах:

• Имплантируем искусственный хрусталик (вам это понадобится лет после 60)

Телескопическая система для задней камеры глаза

4. Tübingen MPDA Project Alpha IMS

В 1995 году в Университетской глазной клинике Тюбингена началась разработка субретинальных протезов сетчатки. Под сетчатку укладывался чип с микрофотодиодами, который воспринимал свет и трансформировал в электрические сигналы, стимулирующие ганглионарные клетки наподобие естественного процесса в фоторецепторах неповрежденной сетчатки.

Конечно, фоторецепторы во много крат чувствительнее искусственных фотодиодов, поэтому они требовали специального усиления.

Первые эксперименты на микросвинках и кроликах были начаты в 2000 году, и только в 2009 году импланты были вживлены 11 пациентам в рамках клинического пилотного исследования. Первые результаты были обнадеживающими – большинство пациентов смогли отличать день от ночи, некоторые даже могли распознавать предметы – чашку, ложку, следить за перемещением крупных предметов. Кстати, дальнейшая участь этих пациентов была печальна – всем участникам эксперимента, даже тем, кто что-то увидел, согласно подписанному соглашению были удалены «бионические глаза» и они вернулись в исходное состояние.

На сегодняшний день Alpha IMS, производства Retina Implant AG Germany имеет 1500 электродов, размер 3×3 мм, толщиной 70 микрон. После установки под сетчатку это позволяет почти всем пациентам получить некоторую степень восстановления светоощущения.

Технически эту сложную операцию в Германии делают только в трех центрах: в Аахене, в Тюбингене и Лейпциге. В итоге это делают хирурги так называемой Кельнской школы, ученики профессора витреоретинального хирурга Хайнеманна, к сожалению, довольно рано скончавшегося от лейкемии, но все его ученики стали руководителями кафедр в Тюбингене, Лейпциге и в Аахене.

Эта группа ученых обменивается опытом, ведет совместные научные разработки, у этих хирургов (в Аахене – профессор Вальтер (это его фамилия), в Тюбингене – профессор Барц-Шмиц) самый большой опыт работы с бионическими глазами, потому как в этом случае 7-8-10 имплантаций считается большим опытом.

Alpha IMS на глазном дне

5. Harvard/MIT Retinal Implant

Джозеф Риццо и Джон Уайетт из Массачусета начали исследовать возможность создания протеза сетчатки в 1989 году, и провели испытания стимуляции на слепых добровольцах в период между 1998 и 2000 годами. На сегодняшний день это идея устройства минимально инвазивного беспроводного субретинального нейростимулятора, состоящего из массы электродов, который помещается под сетчатку в субретинальном пространстве и получает сигналы изображения от камеры, установленной на паре очков. Чип-стимулятор декодирует данные изображения из камеры и стимулирует соответственно ганглиозные клетки сетчатки. Протез второго поколения собирает данные и передает их имплантату через радиочастотные поля из катушки передатчиков, установленных на очках. Вторичная катушка приемника зашита вокруг радужки.

Модель MIT Retinal Implant

6. Artificial silicon retina (ASR)

Братьями Аланом Чоу и Винсентом Чоу был разработан микрочип, содержащий 3500 фотодиодов, которые обнаруживают свет и преобразуют его в электрические импульсы, стимулирующие здоровые ганглионарные клетки сетчатки. «Искусственная силиконовая сетчатка» не требует использования внешних устройств. Микрочип ASR - это кремниевый чип диаметром 2 мм (та же концепция, что и в компьютерных чипах), 25 микрон толщиной, содержащий ~5000 микроскопических солнечных элементов под названием «микрофотодиоды», каждый из которых имеет свой собственный стимулирующий электрод.

7. Photovoltaic retinal prosthesis

Даниэль Palanker и его группа в Стэнфордском университете разработали фотоэлектрическую систему, она же и есть «бионический глаз». Система включает в себя субретинальной фотодиод и инфракрасную проекционную систему изображения, установленную на видеоочки.

Информация с видеокамеры обрабатывается в девайсе и отображается в импульсном инфракрасном (850-915 нм) видеоизображении. ИК-изображение проецируется на сетчатку через естественную оптику глаза и активирует фотодиоды в субретинальном имплантате, которые преобразуют свет в импульсный бифазный электрический ток в каждом пикселе.

Интенсивность сигнала может быть дополнительно увеличена с помощью увеличения общего напряжения, обеспечиваемого радиочастотным приводом имплантируемого источника питания.

Схожесть между электродами и нейронными клетками, необходимая для стимуляции высокого разрешения, может быть достигнута с использованием эффекта миграции сетчатки.

Модель Паланкера

8. Bionic Vision Australia

Австралийская команда во главе с профессором Энтони Буркиттом разрабатывает два протеза сетчатки.

Устройство Wide-View сочетает в себе новые технологии с материалами, которые были успешно использованы для других клинических имплантатов. Этот подход включает в себя микрочип с 98 стимулирующими электродами и направлен на повышение мобильности пациентов, чтобы помочь им безопасно перемещаться в своей среде. Этот имплантат будет помещен в супрахориоидальное пространство. Первые тесты пациентов с этим устройством начаты в 2013 году.

Bionic Vision Australia - это микрочип-имплантат с 1024 электродами. Этот имплантат помещается в супрахориоидальное пространство. Каждый прототип состоит из камеры, прикрепленной к паре очков, которая посылает сигнал на имплантированный микрочип, где преобразуется в электрические импульсы для стимуляции оставшихся здоровых нейронов сетчатки. Затем эта информация передается зрительному нерву и центрам обработки зрения головного мозга .

Австралийский исследовательский совет присудил Bionic Vision Australia грант в размере 42 миллионов долларов США в декабре 2009 года, и консорциум был официально запущен в марте 2010 года. Bionic Vision Australia объединяет многопрофильную команду, многие из которых имеют большой опыт разработки медицинских устройств, таких как «бионическое ухо».

Модель Bionic Vision Australia

Благодаря исследователям из Института бионики (Мельбурн, Австралия) и компании evok3d, трудящихся над «бионическим глазом», люди, страдающие пигментной дистрофией сетчатки и возрастной молекулярной дегенерацией, в перспективе смогут восстановить зрение. Для проведения процедур восстановления необходимы оставшиеся у пациента ганглионарные клетки, здоровый зрительный нерв и здоровая зрительная зона коры головного мозга . В этом случае у человека есть возможность вновь обрести зрение.

Для изготовления прототипа глаза, а также формы для его отливки, ученые из Института бионики обратились за помощью к специалистам компании evok3d, специализирующейся на 3D-услугах и для печати «искусственного глаза» использовали 3D-принтер ProJet 1200.

Понадобилось всего четыре часа, чтобы напечатать прототип на ProJet 1200, до появления 3D-печати на его изготовление тратили недели или даже месяцы. Вот так 3D-печать ускорила научно-исследовательский и производственный процесс.

Бионическая зрительная система включает в себя камеру, передающую радиосигналы микрочипу, расположенному в задней части глаза. Эти сигналы превращаются в электрические импульсы, стимулирующие клетки в сетчатке и зрительный нерв. Потом они передаются в зрительные зоны коры мозга и преобразуются в изображение, которое видит пациент.

9. Dobelle Eye

Аналогично по функции устройству Гарвард/МИТ (6), кроме стимуляторной микросхемы, которая имплантируется прямо в мозг в первичную зрительную кору, а не на сетчатку глаза. Первые впечатления от имплантата были неплохие. Еще в стадии развития, после смерти Добеля, было решено превратить этот проект из коммерческого в проект, финансируемый государством.

Схема Dobelle Eye

10. Intracortical visual prosthesis

Лаборатория нейронных протезов из Иллинойского технологического института в Чикаго, разрабатывает визуальный протез, используя внутрикорковые электроды. В принципе, аналогично системе Добеля, применение внутрикорковых электродов позволяет значительно увеличить пространственное разрешение в сигналах стимуляции (больше электродов на единицу площади). Кроме того, разрабатывается система беспроводной телеметрии для устранения необходимости в транскраниальных (внутричерепных) проводах. Электроды, покрытые слоем активированной пленки оксида иридия (AIROF), будут имплантированы в зрительной коре, расположенной в затылочной доле мозга . Наружный блок будет захватывать картинку, обрабатывать ее и генерировать инструкции, которые затем будут передаваться в имплантированные модули по телеметрическому линку. Схема декодирует инструкции и стимулирует электроды, в свою очередь стимулируя зрительную кору. Группа разрабатывает датчики внешней системы захвата и обработки изображений для сопровождения специализированных имплантируемых модулей, встроенных в систему. В настоящее время проводятся исследования на животных и психофизические исследования человека для проверки целесообразности имплантации добровольцам.

Чип на фоне монеты

ИТОГ

Сейчас все в стадии пусть не первичной, но такой вторичной разработки, что о массовой эксплуатации и решении всех проблем вообще пока речи не идет. Слишком мало людей прооперировано и никак нельзя говорить о массовом производстве. В настоящее время все это еще стадия разработки.

Первые работы начались более 20 лет назад. В 2000-2001 году что-то начало получаться на мышах. В настоящее время мы получили первые результаты на людях. То есть вот такая скорость.

Пока будет что-то серьезное, еще двадцать лет может пройти. Мы находимся на очень-очень ранней стадии, на которой есть первый положительный эффект – распознавание контуров, света, и не у всех – пока не могут предсказать кому это поможет, а кому нет.
Хирургов, которые занимаются этими экспериментами – по пальцам пересчитать.

Имплантировать один протез – это только с рекламной целью. Этими работами должны заниматься люди, у которых есть возможность делать 100-200 операций в год в рамках одной проектной группы, чтобы появилась критическая масса. Тогда появится понимание в каких случаях можно ожидать эффекта. Такие программы должны субсидироваться бюджетом или специализированными фондами.

Хотя еще нет совершенной модели, все существующие требует доработки, ученые полагают, что в будущем электронный глаз может заменить функцию клеток сетчатки и помочь людям обрести хоть малейшую способность видеть с такими заболеваниями, как пигментный ретинит, дегенерация желтого пятна, старческая слепота и глаукома.

Если у вас есть свои идеи, как еще можно с помощью технологий вернуть зрение людям (пусть пока еще и труднореализуемыми способами) – предлагаем их обсудить ниже.

А история с бионическими контактными линзами, потенциале редактирования генома, о том, как можно слышать цвета посредством кое-чего, вживленного в мозг – в следующих постах.

Устройство Argus, частично возвращающее слепым людям зрение, одобрено для клинического использования. Сложная история данного изобретения демонстрирует существующие проблемы с процедурой внедрения высокотехнологичных медицинских новинок.

Изобретение представляет собой темные очки, похожие на солнцезащитные, в которые интегрирована видеокамера и интерфейс, соединяющий процессор с 60 электродами, имплантированными в сетчатку глаза. Argus работает по тому же принципу, что и настоящий глаз: превращает изображение в набор электрических импульсов, которые стимулируют нервные клетки сетчатки.

Таким образом, сигналы попадают в мозг и обрабатываются в обычном порядке, то есть превращаются в картинку. К сожалению, данная технология не является панацеей при лечении слепоты, ведь для ее работы необходим здоровый зрительный нерв. Тем не менее, при повреждении глазного яблока или других нарушениях, не затрагивающих нервные окончания, Argus может подарить многим людям зрение. Устройство пока несовершенно - в будущем наверняка удастся имплантировать намного больше электродов, что повысить разрешающую способность синтетического зрения.

Для использования Argus требуется сложная инвазивная операция, в ходе которой в сетчатку глаза пациента имплантируют 60 крошечных электродов, в основном представляющих собой сверхтонкие стеклянные иглы. Помимо этого пациенту нужно носить специальные очки с процессором и видеокамерой производства Texas Instruments. Процессор преобразует изображение в паттерны электрической активности, которые по беспроводному каналу транслируются на приемник, подключенный к сетке электродов внутри глаза. Затем электроды стимулируют нервные клетки сетчатки, и сигналы идут в ту часть мозга, что обрабатывает визуальную информацию.

Надо отметить, что зрение через очки Argus отличается от обычного зрения здорового человека. С помощью очков человек видит лишь края предметов, их очертания в серых тонах, но с различной контрастностью. Описать такую картинку сложно, приблизительно это выглядит следующим образом: взгляните на свою комнату, например в сторону окна, а теперь закройте глаза - воспоминания-«отпечаток» и будут похожи на то, что видит слепой человек с очками Argus. На первый взгляд это очень скудная и малоинформативная картинка. Конечно, она и не позволяет, например, читать книги или различать мелкие детали, но благодаря Argus появляется возможность безопасно перейти улицу, передвигаться в незнакомой комнате и т.п. Также, в настоящее время идут эксперименты по приданию системе Argus способности воспринимать цвета. Для этого в лаборатории процессор очков «учат» создавать электрические паттерны красного и зеленого цветов. После завершения модификации софта, пациенты получат возможность отличать два важных цвета, которые кроме всего прочего означают запрет или разрешение, например на светофоре.

Устройства, подобные Argus, нужны очень многим слепым людям. Но тот же Argus впервые был представлен публике 10 лет назад и лишь сейчас одобрен Управлением по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами США. Именно в этом и заключается проблема: сегодня микрочипы Argus, изготовленные 10 лет назад, устарели, но просто заменить их в запрещает законодательство - ведь сертифицированы только старые микрочипы. Разработчики пока сосредоточились на программном обеспечении, но это не решение проблемы. Судя по всему, для широкого внедрения высокотехнологичных имплантатов, необходимы изменения в процедурах сертификации и клинических испытаний, иначе медтехника будет на поколение отставать от переднего края научно-технического прогресса.

Замена утраченных частей тела электронными имплантатами вышла за пределы научной фантастики. Одно из таких решений – бионический глаз.

Актуальность проблемы нарушения зрения

По последним данным ВОЗ, около 285 млн. человек во всем мире страдают от нарушения зрения. Из них 39 млн. – полностью слепые. Причины полного или частичного нарушения зрения разнообразны – от глазных заболеваний до генетических дефектов, травм и действия отравляющих веществ. Проблемы со зрением являются одной из распространенных причин инвалидности. Вместе с тем, 80% случаев нарушения зрения можно предотвратить или вылечить. Бионический глаз – один из современных высокотехнологичных методов восстановления потерянного зрения при некоторых формах слепоты.

Что такое бионические протезы?

Современные наука и медицина позволяют создавать протезы, которые по внешнему виду и функциям похожи на настоящие органы или конечности. Такие протезы и имплантаты называют бионическими. Определенные успехи в этой области достигнуты при разработке бионических рук и ног, искусственных сердца, уха и сетчатки глаза.

Бионический глаз представляет собой искусственную зрительную систему для восстановления потерянного зрения. Это уникальная возможность вернуть зрение даже слепым людям, у которых сохранены здоровые клетчатки сетчатки и действует естественный путь передачи данных от сетчатки к мозгу. Такие имплантаты предназначены, прежде всего, для пациентов, которые ослепли из-за дегенеративных заболеваний сетчатки.

В пожилом возрасте может развиваться возрастная дегенерация сетчатки. При этом светочувствительные рецепторы глаза начинают атрофироваться – перестают реагировать на свет, и человек слепнет. Вместе с тем, нервные клетки сетчатки не погибают. Благодаря этому можно создать искусственную систему для восстановления зрения.

Одной из ведущих причин слепоты является скотома. Это пятнообразный дефект, который расположен в поле зрения глаза. Скотома вызвана болезнями сетчатки или зрительного нерва, глаукомой.

Вопросы читателей

18 October 2013, 17:25 Добрый день, подскажите пожалуйста, моей бабушке поставили диагноз глауком, положили в больницу на 10дней, покололи уколы в глаза и выписали, но к сожалению, у бабушки продолжнается боль, это нормально, оно потом отпустит или нужно что то делать?? Заранее спасибо за ответ.

Как работает бионический имплантат глаза?

Эта система позволяет компенсировать потерянные зрительные ощущения при полной или неполной потере зрения. Для этого в глаз с поврежденной сетчаткой вживляется имплантат – протез сетчатки, который дополняет саму сетчатку с оставшимися в ней неповрежденными нервными клетками.

В ряде случаев используется полимерная пластинка-матрица с фотодиодами. С нее снимаются электрически импульсы, которые передаются в соседние рабочие нервные клетки. Аналоговые сигналы от оптического изображения на искусственной сетчатке, стимулируют сохранившиеся клетки.

Окружающее изображение формируется при помощи видеокамеры, расположенной на лбу, ИК-дисплея, специальных очков и полимерного фотосенсора с электродами и отверстиями.

При полной слепоте одним из ключевых компонентов системы являются специальные очки со встроенной камерой. Информация с камеры поступает на видеопроцессор, который пациент носит на поясе. Процессор преобразует изображение в сигнал и посылает его на передатчик, встроенный в очки. Затем этот передатчик по беспроводной сети отправляет сигнал на электронный ресивер, встроенный в глаз и электроды фотосенсора, вживленного в сетчатку. Электроды фотосенсора стимулируют функционирующие зрительные нервы сетчатки. Электронные сигналы по зрительным нервам поступают в головной мозг пациента.

Успехи в применении

В августе 2008 года проведена первая операция по пересадке бионического имплантата глаза под названием Argus II, разработанного компанией «Second Sight», США. В рамках испытаний пациентом стал 76-летний англичанин, который из-за наследственной болезни был слеп последние 30 лет. После операции мужчина начал видеть проблески света и, по его словам, научился отличать белые и серые носки от черных.

В декабре 2009 года одним из участников испытаний новой технологии стал 51-летний житель Великобритании Питер Лэйн. Ему в глаз имплантировали электронные фотодатчики, которые посылают в мозг сигналы, собираемые очками. Благодаря этому мужчина впервые за 30 лет смог различить очертания объектов, распознавать буквы.

В 2012 году ученые из Bionic Vision Australia впервые имплантировали прототип электронного бионического глаза женщине с неизлечимым заболеванием – наследственной пигментной дистрофией сетчатки. Эта система оснащена 24 электродами и кабелем, который соединяет его с приемным устройством, расположенным за ухом. Главный недостаток этого прототипа − возможность передавать только черно-белое изображение.

Улучшенный имплантат Argus II уже доступен к использованию в Европе. Операция по его установке длится 4 часа, ее стоимость составляет около 115 тыс. долларов. Имплантат оснащен 60 электродами, что позволяет различать грубые формы предметов и крупные буквы, а также следить за перемещением объекта.

Компания Retina Nano выпустила систему под названием Bio-Retina. Операция по имплантации длиться около 30 минут и выполняется под местной анестезией. Датчик оснащен 576 электродами и позволяет мозгу воспринимать уровни серого.

Усовершенствование бионических имплантатов глаз продолжается. Увеличение количества электродов позволит повысить разрешение, а усовершенствование датчиков – получить цветное зрение.

Бионический глаз Argus II. Фото: Second Sight

В России впервые прошла операция по имплантации бионической сетчатки, и скоро потерявший 25 лет назад зрение человек сможет снова увидеть мир. Хотя и не так, как здоровые люди. Возглавлявший хирургическую бригаду директор НИЦ офтальмологии ФГБОУ ВО РНИМУ имени Н.И. Пирогова, созданного на базе ФНИЦ оториноларингологии ФМБА, профессор Христо Тахчиди рассказал «Медновостям», как работает бионический глаз, когда он станет доступен тысячам других пациентов, в чем важность этого эксперимента для науки, и что нужно для успеха любого научно-клинического проекта.

Христо Тахчиди. Фото: Ирина Резник

Христо Периклович, прошла неделя после операции, можно уже делать какие-то выводы?

— Пока еще рано.Сейчас вся электроника отключена, идет классический послеоперационный период: закрываются и рубцуются раны, адаптируются ткани, налаживается глазной тонус, циркуляция внутриглазной жидкости.А мы следим за этими процессами, успокаиваем глаз, приводя его к норме, и дожидаемся окончания биологического ответа на имплантацию посторонних материалов. Все эти материалы небиологические (то есть, об иммунологической реакции на чужеродный белок речь не идет), они практически полностью инертны и принимаются человеческим организмом.

Что это вообще такое — бионический глаз?

— Это электронная система, призванная выполнять функцию глаза.Она позволяет установить связь с мозгом через электронику и воссоздать, таким образом нарушенную заболеванием сетчатки естественную цепочку. Внешняя часть конструкции — это очки с антенной и микрокамерой, которая захватывает изображение и передает его в преобразователь, который крепится у человека сбоку на ремне. Здесь картинка трансформируется в электрические микроимпульсы, которые дальше поступают уже на сетчатку и стимулируют ее оставшиеся функциональные нейроны, после чего изображение поступает в мозг.

Внутренняя часть — собственно сам бионический глаз — также состоит из нескольких элементов. Один из них — электронный чип с 60 электродами — имплантируется внутрь глаза, а другие — крепятся к глазному яблоку на его поверхности. Но и их мы тоже погрузили немного глубже, чтобы они не мешали и не было видны. Мы впервые работали с электроникой, приходилось проверять ее на каждом этапе операции, в ходе которой имплантат мог повредиться. Запускаться электроника будет спустя две недели после операции, где-то после 19 июля. К этому времени глазные ткани должны будут естественным образом восстановиться. И тогда уже будем смотреть, отвечает ли сетчатка на электрический стимул, и есть ли связь с мозгом.

А что увидит ваш пациент?

— Эти системы дают возможность видеть абстрактное черно-белое изображение в виде определенных конфигураций световых фигур. Этонапоминает пиксельную картинку, пока, правда, с очень слабым разрешением. Но это дает человеку социальную реабилитацию, ему будет значительно легче ориентироваться в пространстве. Пройдя обучение по специальной программе, он будет знать, что означают поступающие к нему на сетчатку, а затем в мозг световые фигуры — дверь, окно или тарелку. Со временем аппарат конечно, будет совершенствоваться и давать картину, более близкую к той, что передает естественное зрение.

Такая конструкция может помочь любому ослепшему человеку? Каковы вообще критерии, по которым отбираются пациенты?

— Критерии достаточно специфичные. Во-первых, у пациента обязательно должен быть пигментный ретинит (дегенерация сетчатки). Это такое классическое заболевание, которое поражает периферию сетчатки, постепенно сужая поле зрения, пока, в конечном итоге, это окошко не закрывается совсем. Это заболевание с определенной наследственной компонентой, которое развивается по своему биологическому сценарию, который, к сожалению, пока нами не управляем, хотя уже и найден ответственный за его развитие ген. Процесс идет десятилетия, поражаются, преимущественно, мальчики, которые слепнут в 30-35 лет.

Но, хотя у человека отсутствует предметное зрение, это не абсолютная слепота, когда вообще нет ощущения света. И эта грань — второе условие для имплантации, у человека должно сохраняться светоощущение с неправильной проекцией. То есть, он не видит, откуда идет свет, но понятия света и тьмы для него существуют. Помимо этого, есть требования к общему состоянию здоровью, учитываются хронические заболевания того же глаза.

Нашему пациенту 59 лет, и он не видит уже более 25 лет. Он из Челябинска, в молодости успел получить профессию, работал фрезеровщиком. На сегодняшний день у него также серьезно снижен слух (до сих пор среди тех, кому имплантировался бионический глаз, не было слабослышащих пациентов), и общаться ему помогает слуховой аппарат. Он оптимист, настроенный на успех, и это очень помогает в нашем общем деле.

Бионический глаз Argus II. Фото: Second Sight

Каким требованиям должна отвечать клиника, способная провести имплантацию?

— Их очень много. Клиника должна иметь самое современное оборудование и высококвалифицированных специалистов, владеющих самыми передовыми технологиями, только тогда вообще рассматривается вопрос участия в программе. Проводится годовое тестирование по оценке аппаратуры, оборудования, расходников. Обучаются и тестируются специалисты, и через какое-то время единицам дают добро. Наш Центр, созданный в 2015 году на базе Федерального научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА России, прошел этот отбор.

Он нужен еще и потому, что сейчас мы находимся в самом начале работы в этом направлении. Проект проходит стадию клинической апробации.Небольшой мировой опыт насчитывает около 300 подобных операций, проведенных за десять лет существования технологии. А если говорить об этой, более совершенной модели — бионическом имплантате «Аргус-II» — то всего несколько десятков операций. Поэтому следует полностью исключить человеческий фактор и быть уверенным, что тестируется исключительно сама система — как она работает, что в ней позитивного или негативного, что следует улучшать, какой должна быть следующая модификация.

— Инженерная часть — дело разработчика системы. Это американская фирма «Second Sight» — один из крупных производителей кохлеарных слуховых имплантатов. Концептуально здесь идея та же — кохлеарные имплантаты по конструкции похожи на эту систему. Электроды вводятся во внутреннее ухо для контакта со слуховым нервом, который раздражают поступающие из преобразователя микроэлектрические импульсы. Когда опыт работы с кохлеарными имплантатами показал их эффективность, у компании появилась идея сделать подобное в офтальмологии. Но с сетчаткой, конечно, работать на несколько порядков сложнее, чем со слуховым нервом — это совершенно разные системы.

Что касается хирургии, то офтальмологическая технология была разработана нашими зарубежными коллегами, которые стали в этом деле первопроходцами. Мы сейчас включились в этот научно-клинический процесс, используя эту технологию, отмечаем какие-то нюансы, которые можно изменить, сделать, на наш взгляд, лучше. Человеческая мысль всегда ищет ответ на вопрос: как добиться максимальной эффективности, и сделать это технически более просто. Сейчас мы собрали эту конструкцию, и уже стало понятно, что, если ее сделать в два раза меньше, она будет легче имплантироваться, будет удобней манипулировать с ней.

Если же смотреть на эту историю с научной точки зрения, то сделан маленький шаг на пути к познанию того, каким образом функционирует наша зрительная система. Сегодня мы чуть больше знаем глаз, меньше — сетчатку, еще меньше — зрительный нерв, проводящие пути работы коркового анализатора. Существуют, конечно, определенные гипотезы, но как это происходит на самом деле, еще предстоит расшифровать. Связь между мозгом пациента, которому имплантирована бионическая сетчатка и картинкой будет происходить через электронную систему, которая создана человеком, понимающим, как она работает. И, благодаря этому, появляется элемент кода для расшифровки великой тайны природы под названием зрение.

Вы уже начали готовиться к следующей такой операции? Она вообще планируется?

— Да, планируется на осень.

И такие операции можно будет поставить на поток? Сколько вообще россиян нуждаются в имплантации бионической сетчатки?

— Заболеваемость такой патологией примерно один человек на 4-5 тысяч. То есть, около 40-50 тысяч на всю Россию. И, значит, в ближайшие годы в подобной операции будет нуждаться несколько тысяч человек. Сама система «Argus II» стоит около 10 миллионов рублей, и сейчас ее оплату взяли на себя несколько благотворительных фондов. («Со-единение», «Искусство, наука и спорт»). Но в принципе, все возможно, если поставить такую задачу. В свое время была поставлена задача — внедрить микрохирургические технологии и обеспечить население имплантацией искусственного хрусталика.

И поначалу это тоже представлялось фантастикой.

— В марте 1986 года была создана такая правительственная программа МНТК «Микрохирургии глаза», возглавил которую академик Святослав Николаевич Федоров. Я был в этом проекте с первого дня. А одним из крестных отцов этой программы стал премьер-министр Николай Иванович Рыжков, благодаря его содействию в течение трех лет мы построили 12 центров по всей стране. Строительство каждой клиники обошлось в 9-10 миллионов тех рублей, и еще около 1,5 миллионов валюты пошло на оборудование — вот цена вопроса. Для Советского Союза это были вообще копейки. Они сейчас благополучно функционируют и обеспечивают потребности всей страны и, более того — еще и обучили этой технологии остальных врачей. И уже в 2010 году Минздрав рапортовал о том, что больше 95% операций в стране выполняются микрохирургическими методами. То есть, задача, которую нам в свое время поставило правительство Союза, была полностью выполнена.

То есть, за 20-25 лет проблема была решена в национальном масштабе.

— Да, причем решена так, что мы вышли на самый высокий уровень в мировой офтальмологии. К нам начали приезжать пациенты из развитых стран. В мою бытность генеральным директором МНТК «МГ» мы оперировали до пяти тысяч иностранцев — немцев, итальянцев, жителей богатых стран Персидского залива. А в 2009 году мы отпраздновали пятимиллионную операцию. Система ежегодно обследовала миллион пациентов. И это был не предел, в отдельных филиалах, где были отработаны отношения с региональными органами здравоохранения, своевременно направлявшими сюда больных, показатели были вдвое больше.

Что для этого было нужно? Люди. Прежде всего, лидер, способный собрать вокруг себя таких же энтузиастов, молодых заряженных ребят, немного денег и очень много желания. А главное было — не мешать, проекту развиваться.Мы смогли понять все плюсы и минусы существовавших в мире технологий, усовершенствовать их и за счет этого вывести отечественную офтальмологию на мировой уровень.

Так что, у меня есть богатый практический опыт внедрения в советскую и российскую офтальмологию технологий, которых ранее просто не существовало, а также опыт постоянного усовершенствования внедренных методик. И это стало еще одним серьезным конкурентным преимуществом, которое повлияло на выбор нашей клиники НИЦ офтальмологии РНИМУ для проведения первой имплантации бионического глаза.