Техника - молодёжи 2000-02, страница 54

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА В

МЕДИЦИНЕ

1

иллионы полностью слепых людей с необратимыми изменениями в сетчатке глаза и зрительном нерве, или имеющих только остаточное зрение, мечтают о возможности восстановить его хотя бы частично, увидеть окружающий мир и наслаждаться этим Божьим даром! И их число, к сожалению, растет из года в год» поскольку современные условия жизни — сложная экологическая обстановка, невиданные темпы компьютеризации и информатизации общества — предъявляют новые, повышенные требования к нашему зрению. Особенно это сказывается на детях и подростках, стимулируя рост и прогрессирование ряда тяжелых глазных заболеваний, приводящих к необратимым повреждениям структур сетчатки глаза и зрительного нерва (пигментные дегенерации сетчатки, атрофия центральной области глазного дна, глаукома и некоторые другие). Подобные, очень серьезные, повреждения нервных структур внутри глаза могут стать, также, и следствием общих заболеваний организма — гипертонии, атеросклероза, диабета...

За последние годы произошел серьезный прорыв в деле борьбы со слепотой — впервые удалось осуществить имплантацию особого микроэлектронного устройства (чипа с фотодиодами) внутрь глаза, что открывает принципиально новые возможности замены погибших светочувствительных элементов сетчатки глаза (фоторецепторов) нейропро-тезом и восстановления утраченного зрения. Такая работа выполнена недавно группой специалистов в Германии; с другой стороны, исследования в этом же направлении были осуществлены и у нас.

Такой электронный чип вживляется в сетчатку глаза, перед ее пигментарным слоем. Фотодиоды вырабатывают электрический ток, больший в более освещенной точке, возбуждающий соответствующие нервные волокна. Послеоперационные исследования (на кроликах) показали биосовместимость имплантанта с тканями глаза.

Функциональные свойства глаза прослеживались по электроретинограмме (биоэлектрическому ответу сетчатки—ретины — на освещение), проявлявшейся в зоне имплантанта даже под действием инфракрасного излучения — благодаря чувствительности фотодиодов и к этой области спектра.

В специальной, особо интересной серии опытов, уже на изолированной сетчатке глаза цыпленка, немецкие исследователи вообще разрушали слой фоторецепторов глаза, заменив его фотодиодным диском. Получившийся «сэндвич» из сетчатки и диска оказался работоспособным, подтвердив возможность замены поврежденных или утраченных участков сетчатки.

Но насколько равноценна замена биологических фоторецепторов полупроводниковыми устройствами? Ответ на этот вопрос дали наши исследования, проводившиеся в Лаборатории зрительной рецепции Академии наук Армении (Ереван), а позднее — в Центре зрительной профилактики и спортивного зрения при Всероссийском НИИ физической культуры и спорта (Москва). В совместных с физиками исследованиях на изолированных сетчатках глаза животных и человека было впервые установлено, что живые биологические фоторецепторы проявляют фотополупровод-

системой, которая будет превращать изображение в «электрический образ», воспринимаемый... кожей человека. Современные достижения микроэлектроники, в частности — использование мат- ' риц ПЗС (приборы с зарядовой связью), позволяют говорить уже о компактных аппаратах, ненамного больше слуховых.

И пусть не вызывает сомнений «информационная пропускная способность» человеческой кожи — мы и сами не знаем, насколько чувствительна наша внешняя оболочка! Оказалось, например, что передаваемый на нее электрический образ изображения может быть не просто черно-белым, *

По немецкой технологии микрофотодиоды (1) помещаются ВНУТРЬ сетчатки

(2), между слоями биполярных клеток

(3) и пигментными (4). На рисунке также обозначены: 5 — слой ганглиозных клеток; 6 — ретина; 7 — глазное яблоко; 8 — хрусталик; 9 — свет.

Принципиальная схема устройства электрокожного зрения. Изображение объекта (1) через объектив (2) попадает на оптико-электрическую матрицу (3), в которой преобразуется в электрические сигналы. Они передаются на микроэлектроды (4), возбуждающие участки кожи (5) пропорционально засветке соответствующих элементов матрицы.

но и с серыми тонами: кожа различает 4 уровня электрического раздражения (естественно, абсолютно безопасного).

И, опять-таки, видеодатчик такой системы может реагировать не только на видимый свет, но и на ИК или УФ-диапазон. Более того, на «электрокожное видение» можно вывести, например, сигналы радио- или ультразвукового локатора. Тогда, уже без всяких операций (но, конечно, при определенной тренировке), любой человек сможет поспорить с прославленными экстрасенсами, например — с Розой Кулешовой, о которой неоднократно писала «ТМ»! ■

Прежде всего, необходимо указать, что электронные нейропротезы давно и успешно применяются в другой сенсорной сфере — слухе. Кохлеар-ные (cokhlea — улитка, т.е. введенные в слуховой орган внутреннего уха) имплантанты обеспечивают восстановление—в определенных пределах— слуха у человека. Применение такого метода для органов зрения гораздо сложнее: в сетчатке глаза обработка зрительной информации происходит во многих миллионах рецепторов и нейронов, трансформирующих свет в нервные импульсы, передающиеся далее по волокнам зрительного нерва в соответствующие центры коры головного мозга. Все предыдущие попытки вызвать у слепых появление световых ощущений (фосфенов) путем непосредственной электрической стимуляции коры головного мозга с хронически вживленными единичными электродами или во время нейрохирургических операций не давали ощутимых результатов — требовались гораздо более тонкие методики, адекватные микроуровню зрительных процессов. И только возможности современной электроники позволили обеспечить необходимые исследования и практические разработки.

Большая группа немецких специалистов во главе с профессором Эбергардом Цреннером, руководителем глазной клиники университета г. Тю-бингера, включающая офтальмологов, анатомов, физиологов, инженеров из Штутгартского института физической электроники, сумела создать и вживить в глаза кроликов и крыс специальный диск диаметром 3 мм, содержащий 7600 микрофотодиодов (толщиной 50 мкм каждый). На нем же смонтированы микроэлектроды для стимуляции рети-новых клеток (т.е. фоторецепторов сетчатки).

никовые свойства и обнаруживают фотопроводимость. То есть, несмотря на глубокое различие между твердотельными техническими полупроводниками и жидкостными, по существу, биоструктурами, элеюрофизически они идентичны. Об этих результатах мы сообщили еще в 1997 г. на международных конференциях в Монпелье (Франция) и Варшаве (Польша).

Итак, сделаны новые, важнейшие шаги на пути борьбы со слепотой. Правда, пока успешные эксперименты проведены на животных, но острота проблемы говорит за то, что и первых результатов восстановления зрения у слепых и слабовидящих людей ждать недолго.

Весьма вероятно, что такие операции будут делаться и абсолютно здоровым людям. Ведь наши, биологические, фоторецепторы не воспринимают, например, инфракрасное (тепловое) излучение. Введение в сетчатку матриц фотодиодов с чувствительностью в требуемых диапазонах существенно расширит природные возможности человека, который сможет видеть в абсолютной темноте или обнаруживать неощущаемые пока, но смертельно опасные излучения.

А что делать, если глаза повреждены более глубоко, или имплантация невозможна по медицинским причинам? Еще в начале 70-х мной была подана заявка на изобретение «Фотоэлектрическое устройство, заменяющее зрение для слепых» (зарегистрирована за № 1768223/31-16 от 27 марта 1972 г.). Тогда она осталась неутвержденной, да и технический уровень позволил бы в то время создать предлагаемое устройство размером с... кресло. Но прошли годы.

Сегодня мы работаем над оптикоэлектронной

Грант ДЕМИРЧОГЛЯН, профессор, член-корреспондент РАЕН,

член Европейской ассоциации зрения и офтальмологии

СКОРАЯ

ТЕХНИКА-МОЛ ОД ЕЖИ 2 2 0 0 0

52