چشم مصنوعی چگونه کار میکند؟

بازگشت بینایی با شبکیه مصنوعی چشم

در اطراف ما آدم هایی هستند که به دلیلی (از یک تصادف ساده گرفته تا اصابت ترکش یک خمپاره) چشمان شان را از دست داده اند. شاید چند سال پیش، این افراد ناچار بودند که با این نازیبایی در چهره شان کنار بیایند؛ ولی دنیای پزشکی امروز می تواند این زیبایی از دست رفته را به چشم ها بازگرداند. چشم مصنوعی، پدیده ای است که با پیشرفت هایی که در چشم پزشکی صورت گرفته، می تواند زیبایی را به چهره ها بازگرداند.

پروتزهای دیداری یا “چشم بیونیک” وعدۀ ایجاد دید مصنوعی برای افراد مبتلا به نقص بینایی که قبلا می دیدند، داده است.

دید مصنوعی:افراد با چشم مصنوعی چگونه می بینند؟

این دستگاه ها شامل میکروالکترودها است که با جراحی در داخل یا کنار چشم در امتداد عصب اپتیک (که ایمپالس ها را از چشم به مغز منتقل می کند) یا مغز قرار می گیرند.

میکروالکترودها بخش هایی از سیستم بینایی را که همچنان دارای عملکرد اند در فردی که دید خود را از دست داده است، تحریک می کنند. آن ها این کار را با پالس های الکتریکی کوچک مشابه آنچه در گوش بیونیک یا ایمپلنت حلزون گوش استفاده می شود، انجام می دهند.

تحریک الکتریکی نورون های باقی مانده باعث می شود فرد لکه های کوچک نور را که فسفن (phosphene) نامیده می شوند، ببیند. فسفن پدیده ای است که در آن تجربۀ دیدن نور بدون ورود نور به چشم صورت می گیرد؛ مانند مشاهدۀ رنگ زمانی که چشم خود را می بندیم.

این فسفن ها در افراد با چشم بیونیک (مصنوعی) برای طراحی صحنۀ دیداری استفاده می شود. بنابراین، دید حاصل از چشم مصنوعی، دید طبیعی نیست؛ مجموعه ای از لکه های نور و اشکال که فرد برای تفسیر محیط اطراف خود استفاده می کند.

در حال حاضر، بینایی حاصل از چشم مصنوعی بسیار اساسی و پایه ای است و می توان برای کارهایی مانند شناسایی مکان شی، تشخیص شخص ویا پیدا کردن راه استفاده شود. محققان امیدوارند دستگاه چشم مصنوعی در آینده، دید با رزولوشن های (دقت) بالا فراهم کنند.

چشم بیونیک (مصنوعی) چگونه کار می کند؟

چشم مصنوعی تصویر را از دوربین ویدئویی (تصویر پایین سمت چپ) به حالت کنتراست بالا (تصویر میانی) تبدیل می کند که بخشی از آن برای پردازش بیشتر انتخاب می شود. سایۀ آبی رنگ در تصویر، مربوط به کاهش میدان دید در چشم مصنوعی نمونه است.

سپس، پردازندۀ ویدئوی خارجی این تصویر با کنتراست بالا را به پارامترهای تحریک الکتریکی تبدیل می کند که به الکترودهای جای گذاری شده در چشم منتقل می شوند. استفاده کنندۀ چشم مصنوعی تصویر تاری را که شامل لکه های نور است (تصویر سمت راست)، دریافت می کند.

استفاده کنندگان چشم مصنوعی در حقیقت چه می بینند؟

ما از تجربه های بیماران خود می دانیم که فعالیت های الکترودها مانند لکه های درخشان به جای درک های ثابت و یکنواخت دیده می شوند. بنابراین، جهان مجموعه ای از لکه های نور است که برای تشکیل شکل پایه مانند طول و عرض کنار هم مرتب شده اند و موقعیت تقریبی شی را در مقابل دوربین نشان می دهد. گفتۀ استفاده کنندگان دیگر این چنین بود:

مانند نگاه به آسمان شب جایی که میلیون ها نور براق وجود دارد که شبیه بی نظمی کاملی هستند.

استفاده کنندگان برای تفسیر تصاویر دوربین به این نورهای نامنظم نیاز دارند. میدان دید (گسترۀ جهان قابل مشاهده) کوچک است -حدود 30 درجه- بنابراین، استفاده کنندگان نیاز به حافظۀ خوبی برای قرار دادن کل تصاویر کنار همدیگر دارند.

استفاده از چشم مصنوعی

ارتقاء پردازش تصاویر و ویدئوی خارجی می تواند اینجا کمک کننده باشد.

به عنوان مثال، دوربین های سنجش از راه دور موانعی مانند سطل زباله کنار پیاده رو را مشخص تر نشان می دهد ویا دوربین های حرارتی اشکال انسانی را برجسته می کند. در حال حاضر، بهترین نتایج به شدت به شغل و توان بخشی بیمار بستگی دارد.

چه کسی از چشم مصنوعی استفاده می کند؟

نوع چشم مصنوعی که ممکن است گزینه ای برای بیمار باشد، به علت از دست دادن بینایی بستگی دارد. چشم مصنوعی شبکیه ای در داخل کرۀ چشم قرار می گیرد و فقط برای افرادی مناسب است که بینایی خود را به دلیل بیماری های خاص از دست داده باشند،

مانند نوع ارثی دژنره شدن شبکیه که با نام رتینیتیس پیگمنتوسا (از بین رفتن تدریجی شبکیه) شناخته می شود و دژنره شدن ماکولا که مرتبط با سن است.

تا به امروز، فقط مبتلایان بیماری دژنراتیو شبکیه توانسته اند چشم مصنوعی را دریافت کنند. سه چشم بیونیک شبکیه ای برای فروش تجاری تایید شده اند:Argus II در ایالات متحدۀ آمریکا، Alpha-AMS در آلمان و IRIS V2 در فرانسه توسعه یافته اند.

ما در سال 2012 تا 2014 با استفاده از دستگاهی جدید در ملبورن استرالیا کارآزمایی بالینی را با سه نفر انجام دادیم. این دستگاه ممکن است عمل جراحی ایمن تری نسبت به جای گذاری چشم مصنوعی در پشت چشم به جای داخل چشم باشد.

قبل عمل جراحی، بیماران ملبورنی قادر به دیدن حرکت دست در جلوی صورت خود نبودند. با ایمپلنت چشم مصنوعی توانستند مکان اشیا را تعیین کنند. این ها نشان می دهند ایمپلنت، اطلاعات دیداری مفیدی را از دنیای واقعی ارائه می دهد.

ما در حال آماده شدن برای آزمایش نسل دوم ایمپلنت در سال آینده هستیم. این ها همه ایمپلنت شبکیه ای هستند که فقط برای افراد مبتلا به رتینیتیس پیگمنتوسا (retinitis pigmentosa) استفاده می شود.

ایمپلنت شبکیه شامل میکروالکترودها در چشم است. دوربین ویدئویی شیشه ای خارجی تصاویری را که قرار است به وسیلۀ محرک قابل نصب (در تصویر بالای گوش قرار دارد) به میکروالکترودها منتقل شوند، ضبط می کند.

ایمپلنت هایی که بر روی عصب اپتیک (بینایی) ویا مستقیما در مغز قرار می گیرند، می توانند مزایایی را برای افرادی که دارای طیف گسترده ای از حالات مانند تروما و گلوکوما هستند، فراهم کنند. دستگاه های برای این شرایط خاص در مرحلۀ تحقیق هستند و انتظار می رود در آیندۀ نزدیک وارد کارآزمایی های بالینی انسانی شوند.

کیفیت دید ایمپلنت های شبکیه ای به شدت به سالمی چشم باقی ماندۀ بیمار و توانایی تفسیر فسفن های ایجاد شده بستگی دارد. هدف الکترودهای جای گذاری شده، برگرداندن و تکرار عملکرد سلول های حساس به نور از دست رفته (فوتورسپتورها) است. اما باید نورون های باقی ماندۀ زنده وجود داشته باشند تا الکترودها با آن ها ارتباط برقرار کنند.

یکی دیگر از عوامل پیچیده این است که انواع زیادی از نورون ها در شبکیه وجود دارند، اما الکترودها برای انتخاب نوع خاصی از آن ها بسیار بزرگ هستند. به همین دلیل، چشم مصنوعی نمی تواند عمل حس رنگ ها را انجام دهد. در واقع، دید مصنوعی بسیار متفاوت از دید طبیعی است و زیاد طول می کشد تا مورد استفاده قرار گیرد.

آیا کیفیت تصویر می تواند بهبود یابد؟

در حال حاضر، چندین روش برای بهبود کیفیت تصویر وجود دارد. یکی از این روش ها افزایش تعداد میکروالکترودهای جای گذاری شده و کوچک تر کردن آن هاست تا بتوانند نورون های انتخابی را برای پیکسل های مستقل و رزولوشن بیشتر مورد هدف قرار دهند.

مواد جدیدی در زمینۀ نانوتکنولوژی وجود دارد که ممکن می سازد تا الکترودها به اندازۀ کافی کوچک باشند و بتوان رزولوشن های بالایی تولید کرد.

روش دیگر بهبود الگوی تحریک الکتریکی برای بهتر کردن دقت تحریک برای فعال شدن دستۀ کوچکی از نورون هاست. همچنین می توانیم به طور مصنوعی با ایجاد الکترودهای مجازی در محل جریان الکتریکی بین دو الکترود یا بیشتر، رزولوشن را افزایش داد.

این روش جدید تحریک می تواند ثبات را بهبود بخشد، تاری را کاهش دهد و حدالامکان کنترل ابتدایی رنگ ها را فراهم کند.

در نهایت، محققان به دنبال درک و تقلید برنامه ای عصبی هستند که شبکیه با استفاده از آن با مغز ارتباط برقرار می کند. اگر الگوی شلیکی فوتورسپتورها تکرار شود، پیام درستی به مغز منتقل شده و نتیجۀ دید به طور چشمگیری طبیعی تر می شود.

با ترکیب این تکنیک ها، سطح بینایی به دست آمده به بیماران امکان می دهد تا به طور مستقل اطراف خود را بدون استفاده از سگ راهنما ویا عصا ردیابی کنند. امکان این وجود دارد که بتوانیم همۀ اشیا حتی احساسات موجود در چهرۀ افراد را تشخیص دهیم.

اینکه در نهایت کدام روش شدنی و امکان پذیر است، تنها زمان مشخص خواهد کرد. آنچه مشخص می باشد این است که با گذر زمان چشم مصنوعی بهتر خواهد شد.