Ochiul Bionic [PDF]

Zitiervorschau

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREȘTI FACULTATEA DE INGINERIE MEDICALĂ

Proiect realizat de: Șerban Adriana Stroe Ștefania Leau Sorina

Introducere. Ce este bionica? Scopul acestui proiect este de a prezenta o altă latură a cercetării în domeniul ingineriei medicale, ramură ce are nevoie de cât mai mulți specialiști pentru dezvoltarea ei rapidă și sigură. Am decis alegerea acestei teme, deoarece ne-a atras atenția numărul mare de oameni ce suferă de orbire parțială sau totală: 285 milioane. Viața acestora poate fi îmbunătățită cu o singură operație, având in spate sute de ore de muncă ale inginerilor și medicilor. Bionica reprezintă știința ce studiază sistemele biologice pentru a obține cunoștințe utile ființei umane. Este un câmp de cercetare și aplicație interdisciplinar care se ocupă de studierea de soluții tehnice "găsite" de natură prin evoluție și aplicarea acestora în tehnică și tehnologie umană inovatoare. Cuvântul bionică a fost inventat de Jack E. Steele în 1958, avându-şi originea în cuvântul grec βίον, bíon, care înseamnă „unitate de viaţă”, cu sufixul -ic care înseamnă „asemănător cu”, rezultând expresia semantică „asemănător cu viaţa”. Unele dicţionare spun că termenul s-a format din combinarea cuvintelor biologie + electronică. În domeniul medicinei, bionica se referă la înlocuirea sau îmbunătățirea unor organe sau părți ale corpului cu versiunile lor mecanice. Spre deosebire de proteze, părțile bionice imită efectiv funcționalitatea părții originare. Proteza bionică, adesea numită și ochi bionic, este un dispozitiv vizual experimental destinat restabilirii funcției vizuale a celor ce suferă de orbire parțială sau totală.

Ochiul uman Ochiul este un organ a cărui principală funcție este cea de a detecta lumina. Se compune dintr-un sistem sensibil la schimbările de lumină, capabil să le transforme în impulsuri nervoase. Ochii nu fac altceva decât să detecteze obiectele din jur care sunt luminate sau obscure. Prin ochi primim cele mai multe informații despre lumea exterioară. După calculele unui cercetător, 80% din amintirile pe care le păstrăm sunt înregistrate prin vedere. Ochiul are rolul de a ne furniza informații – sub forma unor imagini colorate – despre adâncimea, distanța și mișcarea obiectelor. Mișcându-l în sus, în jos si în lateral, vedem cea mai mare parte a mediului care ne înconjoară. Dacă ne uităm la un aparat de fotografiat, vom putea înțelege mai bine cum funcționează ochiul nostru. Porțiunea anterioară a ochiului funcționează ca o lentilă optică, la fel ca lentila de sticlă a aparatului foto. Lentila optică este un corp cu una sau doua suprafețe curbe formate dintr-un material transparent. Lumina pătrunsă printr-un asemenea corp se refractă. Porțiunea întunecată din centrul ochiului, pupila, reglează cantitatea de lumină primită. Când lumina este slabă, pupila va fi mai mare, dacă se micșorează, va lăsa o cantitate redusă de lumină, la fel ca în cazul diafragmei din spatele lentilei aparatului de fotografiat. Stratul din profunzimea globului ocular, retina, corespunde filmului fotografic. Lumina pătrunde prin partea din față a ochiului printr-o membrană transparentă numită cornee, înconjurată de o zonă numită albul ochiului sau sclerotică. În spatele corneei se găsește irisul, un disc colorat (acesta are un caracter unic pentru fiecare individ). Între cornee și iris există un lichid numit umoare apoasă. Irisul este perforat în centru de un orificiu de culoare neagră, denumit pupilă. Pentru ca ochiul să nu fie deteriorat, atunci când lumina este foarte puternică, pupila se contractă (și prin urmare, se micșorează); iar în caz contrar, atunci când este întuneric, pupila se mărește. În continuare, lumina traversează cristalinul, acesta având funcția de lentilă biconvexă, apoi umoarea sticloasă, în final imaginea fiind proiectată pe o membrană numită retină. Pleoapele și genele au rolul de protecție a ochilor. O membrană subțire transparentă, denumită conjunctivă, căptușește interiorul pleoapelor și o parte din sclerotică.

Alcătuirea ochiului 1. Camera posterioară 2. Umoarea apoasă 3. Mușchiul ciliar 4. Zonulul lui Zinn 5. Canalul lui Schlemm 6. Pupilă 7. Camera anterioară 8. Cornee 9. Iris 10. Cristalin cortical 11. Nucleul cristalinian 12. Corpi ciliari 13. Conjunctivă 14. Mușchi oblic inferior 15. Mușchi drept inferior 16. Mușchi drept median 17. Vene și artere retiniene 18. Papilă optică 19. Dura mater 20. Arteră retiniană centrală 21. Venă retiniană centrală 22. Nerv optic 23. Vena verticoasă 24. Conjunctivă

Fig.1 25. Maculă 26. Fovee 27. Sclerotică 28. Coroidă 29. Mușchi drept superior 30. Retină

Formarea imaginii În cazul ochiului emetrop (vederea normală), imaginea se formează pe retină. Pentru ca razele de lumină să se poată focaliza, acestea trebuie să se refracte. Cantitatea de refracție depinde în mod direct de distanța de la care este văzut obiectul. Un obiect situat la o distanță mai mare necesită mai puțină refracție decât unul situat la o distanță mai mică. Cel mai mare procentaj din procesul de refracție are loc în cornee, restul refracției necesare având loc în cristalin. Lumina trece prin mediile transparente (cornee, umoare apoasă, umoare sticloasă) și cristalin si formează o imagine răsturnată pe retină. Pe retină, celulele specializate transformă imaginea în impulsuri nervoase. Acestea ajung prin nervul optic până la regiunea posterioară a creierului. Acesta din urmă interpretează semnalele printr-un mecanism complex care implică milioane de neuroni.

Razele de lumină suferă la nivelul ochiului o refracție triplă: 1. razele de lumină își schimbă direcția; 2. o refracție are loc la nivelul corneei și câte una pe fiecare față a cristalinului; 3. imaginea se formează pe retină, pe pata galbenă și este reală, mai mică și răsturnată. Retina

Corneea

Punct focal LUMINA

Iris Cristalin

Fig.2

Lumina trece prin ochi

Imaginea ajunge la creier

Obiectul real

Nervul optic

Imaginea răsturnată pe retină

Fig.3

Defecte de vedere Orice deviere de la starea emetropă (vederea normală) reprezintă un defect de vedere. Cele mai des întâlnite defecte de vedere ale ochiului uman sunt:

 Miopia este cel mai des întâlnit defect de vedere, aceasta putând avea un caracter patologic (apare la naștere). Miopia ia loc atunci când globul ocular al ochiului miop este mai mare decât cel al ochiului normal, imaginea formându-se în fața retinei. Aceasta este corectată cu ajutorul lentilelor divergente.

Cristalin Imaginea se formează în fața retinei

Corneea

LUMINA

Ochiul normal

Retina Fig.4

 Hipermetropia este de asemenea un defect patologic, aceasta însă luând loc mai rar decât miopia. Globul ocular al ochiului hipermetrop este mai mic decât cel al ochiului normal, în consecință imaginea formându-se în spatele retinei. Hipermetropia este corectata cu ajutorul lentilelor convergente.

Cristalin Lumina se formează în spatele retinei

Corneea

LUMINA

Ochiul normal

Retina

Fig.5

 Prezbitismul este un defect de vedere care apare de obicei la bătrânețe, acesta comportându-se în același mod precum hipermetropia, acesta fiind cauzat de atrofierea elasticității cristalinului. Prezbitismul este tratat cu ajutorul unei lentile convergente.

Ochi prezbiopic

Ochi normal

Fig.6

 Astigmatismul reprezintă o condiție vizuală frecventă, în care simptomul principal este vederea neclară, atât la distanță cât și la apropiere. Acesta este cauzat de o curbură neregulată a corneei (lentila din partea anterioara a ochiului).

Cristalinul Corneea deformată

Lumina se focalizează în fața retinei

LUMINA

Ochiul normal

Retina

Fig.7

Ochiul bionic

Ochiul bionic, botezat Argus II, este un dispozitiv creat de compania americană Second Sight Medical Products, și combină biologia cu electronica, acesta fiind primul ochi artificial din lume. Această proteză va necesita realizarea unui implant retinal, precum și purtarea de către pacient a unor ochelari de soare ce vor avea o camera video atașată. Autorul descoperirii este cercetătorul Mark Humayun, profesor de oftalmologie și inginerie biomedicală la Doheny Eye Institute, din Los Angeles, California. Ochiul bionic îndeplinește mult mai multe obiective decât proteza oculară. Acestea nu trebuie confundate. Astfel, protezele oculare, numite “ochi de sticlă” sau “ochi artificial” înlocuiesc structura fizică și înfățișarea ochiului care trebuie înlăturat ca urmare a unei traume, a unei desfigurări sau a unei boli. Pe de altă parte, ochiul bionic lucrează în interiorul structurii oculare existente sau în creier. Sunt destinate obținerii funcțiilor vizuale, opuse celor fizice și cosmetice. Cercetătorii din acest domeniu au un scop comun: să dezvolte tehnologia pentru persoanele care și-au pierdut vederea, așa cum implanturile cohleare au devenit foarte bune pentru cei care și-au pierdut auzul. Diferența dintre implanturile cohleare și ochiul bionic este că cel din urmă se află la începutul dezvoltării sale, spre deosebire de celălalt care este mult mai dezvoltat din toate punctele de vedere. Ochiul bionic Argus II va putea reda vederea persoanelor care au orbit din cauza unor boli degenerative ale retinei. 3% dintre persoanele cu vârste de peste 55 de ani suferă de degenerare maculară, o afecțiune ce se caracterizează prin afectarea vederii centrale. De asemenea retinita pigmentară, o boală degenerativă care afectează receptorii de lumină de la nivelul retinei, afectează în jur de 1,5 milioane de persoane. Ambele afecțiuni distrug fotoreceptorii, celulele situate în spatele retinei care recepționează semnalele luminoase și le transferă creierului sub forma impulsurilor nervoase, urmând ca aceste impulsuri sa fie interpretate ca imagini. În acest context, sistemul Argus II ține locul fotoreceptorilor.

Implantul retinal nu se folosește de ochi pentru a putea vedea, ci apeleaza la o camera video. În primă instanță, pacienții nu vor putea percepe imagini clar conturate, ci doar pete de lumina și forme, pe care vor învăța apoi să le decodifice. Imaginea pe care pacienții o vor distinge va fi neclară inițial, deoarece va avea echivalentul a 60 de pixeli, în comparație cu o retină sănătoasă, care oferă creierului câteva milioane de pixeli. Implantul pe care sistemul Argus II îl presupune va permite un câmp de vedere de 20 de grade. Procesorul video pe care îl conține Argus II va permite ajustarea contrastului în funcție de preferințele pacientului.

Din ce este alcătuit sistemul retinal Argus II?  o cameră digitală care este pusă într-o pereche de ochelari; aceasta captează imaginile în timp real și le trimite către un microcip;  un microcip de procesare video care este introdus într-o unitate portabilă; procesează imaginile în pulsuri electrice reprezentând urme de lumină și de întuneric și trimite pulsurile unui radiotransmițător din ochelari;  un radiotransmițător care transmite wireless unui receptor poziționat deasupra urechii sau sub ochi;  un receptor radio care trimite pulsuri spre implantul de retină;  un implant de retină cu o zonă cu 60 de electrozi pe un cip, măsurând 1mm pe 1mm.

Fig.8

Cum funcționează? Perechea de ochelari cu o cameră video încorporată va recepționa imagini în timp real și le va transmite unui microcip, un microcip care poate fi ținut în mână sau prins de haine și are ca funcție procesarea imaginilor video. Acesta transformă imaginile în impulsuri electrice și le trimite unui radio emițător situat în ochelari, radio emițătorul va transmite wireless impulsurile electrice unui receptor implantat deasupra urechii sau sub ochi, un receptor radio care trimite impulsurile electrice către retină prin intermediul unui cablu de grosimea firului de păr, o matrice de electrozi (60) implantați în retina purtătorului, care va primi impulsurile electrice trimise de receptorul radio; de la electrozi mesajul va pleca prin nervul optic către zona corticală responsabilă cu văzul. In cazul unui ochi sănătos, fotoreceptorii de pe retină transformă lumina în impulsuri neuronale care sunt trimise la creier prin nervul optic, iar cel din urmă le interpretează ca imagini. Însă atunci când fotoreceptorii nu mai funcționează corespunzător, aparatul optic devine inutil. Sistemul Argus II suplinește acești fotoreceptori. Matricea de electrozi implantată pacientului reacționează asemenea fotoreceptorilor retinieni. Semnalele electrice generate de electrozi sunt transmise prin intermediul acelorași căi pe care le folosesc și ochii sănătoși: nervii optici. Creierul interpretează semnalele primite, de exemplu: “Ceea ce vezi este un copac”. Este nevoie de antrenament pentru ca pacienții să perceapă într-adevăr un copac. Pentru început, aceștia vor observa doar porțiuni luminoase și întunecate, dar după un timp vor învăța să înțeleagă ceea ce le transmite creierul, potrivit Discovery Fit & Health.

Fig.9

A fost folosit pentru a reda vederea a sute de oameni ce suferă de retinită pigmentară - o boală ce afectează unul din 5000 de oameni (această boală numită și retinopatia pigmentară afectează retina și duce la pierderea progresivă a vederii periferice și dificultăți ale vederii nocturne), dar a fost testat și pentru oamenii cu o condiție mai comună, numită degenerescență maculară legată de vârstă (deteriorarea maculei - o zonă a retinei care ne permite să vedem clar detaliile fine și să îndeplinim activități ca cititul și șofatul). Când macula nu funcționează corect, vederea centrală poate fi afectată de încețoșare, pete negre sau distorsiuni.

Fig.10

Deși sistemul Argus II poate ajuta oamenii să discerne lumina, mișcarea și formele, nu poate reda vederea în totalitate, așa cum speră unele persoane. Acest lucru se întâmplă deoarece implantul curent are 60 de electrozi. Pentru a avea o vedere normală ar fi nevoie de 1 milion de electrozi. Cu toate acestea, câțiva dintre utilizatorii pot citi cărți al căror scris este mare și să traverseze strada singuri. Companiile au de gând să introducă mai mulți electrozi în modelele viitoare. O altă limitare a acestui model este faptul că nu permite utilizatorilor să perceapă culorile. Și este scump - costurile asociate cu aparatul și cu procedura pot ajunge la 150,000 de dolari și nu pot fi acoperite de asigurarea medicală.

Primul implant bionic Mediciii chirurgi din Manchester au efectuat primul implant bionic pe un pacient cu cea mai comună cauză de orbire din ziua de astăzi. Ray Flinn, de 80 de ani, suferă de degenerescență maculară care a dus la pierderea totală a vederii centrale. El utilizează un implant de retină și spune că a fost încântat de acesta și speră ca în timp să își îmbunătățească vederea astfel încât să se poată ajuta singur cu treburile casnice ca și grădinăritul și cumpărăturile. Operația a avut loc la spitalul Royal Eye și este prima operație făcută pe un pacient cu degenerescență maculară care afectează cel puțin o jumătate de milion de oameni din UK, putându-se extinde. Acesta a spus că nu mai putea să scrie PIN-ul cardului când mergea la cumpărături sau la bancă și deși era un grădinar bun, nu mai avea cum să rupă buruienile dintre florile sale. Chiar și când se uita la televizor, trebuia să stea foarte aproape pentru a putea vedea ceva. Operația a durat 4 ore și a fost condusă de către Paulo Stanga, consultant oftalmologic și chirurg la spitalul Royal Eye. Domnul doctor a spus că operația a fost un succes iar progresul lui Ray Flinn este într-adevăr remarcabil deoarece vede conturul oamenilor și obiectele destul de bine. După părerea acestuia, ar putea începe o nouă eră pentru pacienții cu această boală. Implantul nu poate oferi o vedere foarte detaliată, dar studiile anterioare au arătat că poate ajuta pacienții să detecteze urmele distincte ca și ramele ușilor și formele. Profesorul Stanga a specificat faptul că în timp, domnul Flinn va învăța cum să interpreteze imaginile formate cu ajutorul implantului, mai eficient. Alți 4 pacienți vor primi acest implant la spitalul Rayal Eye, ca parte a unui studio clinic.

Cum va fi îmbunătățit implantul retinian în viitor? Prima versiune a protezei oculare Argus conținea doar 16 electrozi implantați, iar aceasta se află încă în perioada de testare clinică. Se așteaptă că varianta actuală a sistemului să ofere o rezoluție mai bună a imaginii, dat fiind numărul mult mai mare de electrozi implantați. Introducerea acestui produs pe piață este o realizare importanta in opinia lui Eberhart Zrenner, directorul Institutului de Cercetare Oftalmologică din cadrul Universității Tubingen (Germania) și fondatorul companiei Retinal Implant AG. În cadrul companiei sale, Zrenner lucrează în acest moment la un dispozitiv ce va conține peste 1,500 de electrozi și care va captura imagini utilizând fotodiode sensibile la lumină incluse în cipul care va fi implantat în ochi. În felul acesta se va elimina camera video externă, potrivit Technology Review. Nici compania Second Sight Medical Products nu intenționează să oprească cercetarea în acest punct. Producătorii promit că implantul va fi îmbunătățit. Ceea ce diferențiază Argus II de celelalte produse similare este capacitatea de a rezista unei implantări pe termen lung. Ochiul bionic este o invenție deosebit de importantă întrucât vederea este un simt de care nu putem duce lipsă. Cu toate acestea, există oameni care au învățat să trăiască în întuneric, a căror viață a devenit brusc foarte grea și complicată deoarece trebuie să depindă de alte persoane, cei mai mulți dintre ei nemaiavând nicio speranță. Aici apar oamenii de știință, care zi de zi lucrează pentru noi, pentru a putea duce o viață cât de cât normală, deoarece la nivel mondial, un procent destul de mare din populație prezintă diverse maladii care le pot schimba viața definitiv. Prin urmare, scopul acestui referat este de a ne aminti că lumea are nevoie de noi ca ingineri medicali, pentru ca ea este în continuă schimbare, cazul prezentat de noi fiind doar unul dintre multiplele care pot revoluționa medicina atâta timp cât există oameni pregătiți care se ocupă de acest aspect, cu dedicație și putere de muncă.

Bibliografie  https://ro.wikipedia.org/wiki/Ochi  https://en.wikipedia.org/wiki/Visual_prosthesis  https://sciencelandatl.files.wordpress.com/2012/10/puc5a3in-desprebionicc483.ppt  http://www.bbc.com/news/health-33571412  http://health.howstuffworks.com/medicine/modern-technology/bionic-eye.htm  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3926652/figure/F2/  http://lowvisioneyeglasses.com/new-treatments/argus-ii.html  http://www.gafasyvision.com/globo-ocular/  http://www.sfatulmedicului.ro/bolile-ochiului  http://www.descopera.ro/mari-intrebari/14666951-din-ce-este-facut-ochiul  http://elearning.masterprof.ro/lectiile/biologie/lectie_09/vicii_de_refractie.htm l  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3926652/  http://www.nova.org.au/people-medicine/bionic-eye  http://www.bionicsinstitute.org/publications/Documents/FactSheet_BionicEye. pdf  http://medlive.hotnews.ro/anul-in-care-orbii-au-inceput-sa-vada-cumfunctioneaza-ochiul-bionic.html  http://www.theverge.com/2013/2/21/4012480/alpha-ims-retinal-prosthesisrestores-vision-for-eight-blind-people