Proteze za vid – čip u oku za slepe osobe
NADA ZA SLEPE
NAJNOVIJA DOSTIGNUĆA INFORMACIONIH TEHNOLOGIJA I MEDICINE, MOGLA BI UNETI, BAR, MALO SVETLA U VEČNU TAMU STOTINA HILJADA SLEPIH OSOBA!…
Pre 25 godina, u Njujorku je od rođenja slep čovek po imenu Džeri (pravi identitet je, po njegovoj želji, ostao skriven), prvi put „ugledao svet“ pomoću kamere na glavi, u dobro poznatom eksperimentu u „Institutu Dobele“.
Rođena je SLIKA SVETA…
Njegova „slika sveta“, bila je, zapravo, samo red promenljivih svetlosnih iskri, ali mu je, ipak, omogućila prvi vizuelan kontakt sa okolinom! Naš mozak ne prima obrise sastavljene iz iskričavih tačkica, takozvanih fosfena, kao stvaran objekt. Ali slep čovek za kog se u javnosti samo zna da je (tad) bio 68-godišnjak Džeri, ipak je pomoću fosfena prvi put u životu mogao da uoči obrise predmeta. Istraživači su za privremeno uspostavljanje „vida“ Džeriju usadili 68 elektroda u centar za vid na moždanoj kori. Svetlosne signale je obrađivao računar velik kao frižider. Metod „Instituta Dobele“, omogućivao je dobijanje sasvim pojednostavljene „tunelske slike“ dimenzija 5 x 20 cm na dosegu ruke. U „Institutu“ su, nedavno, razvili sistem s 512 elektroda – i on će bitno popraviti „sliku sveta“ slepih osoba koje ga budu koristile u eksperimentima…
Čip u oku
Naša sposobnost viđenja je rezultat procesa sličnog onom što se dešava u fotoaparatu u komesvetlost prolazi kroz više sočiva i fokusira se na film. U oku, svetlost prolazi kroz rožnjaču i prozirno sočivo – a ono je usmerava u fokus na mrežnjači (retini) koja je „prefinjena kao vlažna toaletna hartija“, kako je opisuje jedan od istraživača. U mrežnjači se nalaze fotoreceptori, tj., štapići osetljivi na svetlost i čepići osetljivi na boje. Područje koje prima pojedinosti slike i zatim ih, preko očnog živca, šalje u mozak, naziva se žuta mrlja (macula) i, upravo, ono je zaslužno za visoku diferencijaciju slika koje vidimo.
Žuta mrlja je sastavljena od više slojeva ćelija koje početnu „analognu“ svetlosnu energiju „prerađuju“ u „digitalne“ elektrohemijske impulse. Ozbiljne očne bolesti, kao što su degeneracija žute mrlje zbog starenja (AMD) i upala mrežnjače (retinitis pigmentosa, RP), uzrokuju gubljenje fotoreceptora. Posledica je slepilo preko sto miliona ljudi u svetu. Samo u SAD, na primer, zbog prve bolesti je oslepelo 300.000 i zbog druge 65.000 osoba…
Prvi je Džeri…
Ogled s Džerijem i neki drugi eksperimenti, uverili su istraživače, pre više od dve decenije, da je u osnovi moguće stimulisati očni živac pomoću elektroda na pločici veličine kreditne kartice i tim slepoj osobi omogućiti da uočava, bar, obrise u svojoj okolini. Brz razvoj poluprovodnika u poslednjih dvadeset(ak) godina, podstakao je opsežnija istraživanja radi pomoći slepim posredstvom mikroelektronike i računarstva. Pre desetak godina, stručni tim hirurga i inženjera Marka Hjumejana je na Univerzitetu „Džon Hopkins“ u SAD počela istraživanja u cilju razvoja „veštačke mrežnjače“ koja bi mogla da se usadi u oko slepe osobe i makar delimično joj vrati vid.
Sličnim istraživanjima se, približno jednako dugo, bave naučnici Državnog univerziteta Severne Karoline, pod vođstvom profesora elektrotehnike dr Ventaija Liua. Budući da su dva tima u istraživanjima – uprkos skromnim sredstvima – postigla zapažene rezultate, američki „Nacionalni institut za unapređivanje nauke“ je pre nekoliko godina preuzeo finansiranje daljih istraživanja…
Dodatak s fotoćelijama…
Dva tima su zajednički razvili retinalni čip, „mikroprocesor za mrežnjaču“, velik i tanak kao sloj u noktu kažiprsta. Čip je bilo lakše razviti nego pronaći pogodan način za njegovo povezivanje s mrežnjačom, utoliko pre što mora biti zaliven u staklo da suze ne bi prodrle u njegovu unutrašnjost i tako ga oštetile.
Od problema koje još treba rešiti, dr Ventai Liu izdvaja biološku kompatibilnost čipa s tkivom i razvoj minijaturnog i pouzdanog izvora energije. Istraživači s Univerziteta „Stanford“ razvijaju nove sintetične ćelijske membrane koje bi bez reakcija „lepile“ silicijumski čip sa živim ćelijama, čim bi se otklonio problem biokompatibilnosti. Profesor Liu to rešenje ocenjuje kao „elegantno“ i izražava nadu da će sistem delovati. Ekipe inženjera Hjumejana i doktora Liua su još u ranoj fazi rada zaključile da energiju za aktiviranje čipa treba projektovati u unutrašnjost oka istim putem kojim prolazi i svetlost.
Laser na naočarima (za sunce!)…
Zato su se odlučili na korišćenje laserskog zraka, kao i koncepciju dodatka s ugrađenim fotoćelijama (za prijem energije), pored elektroda koje su zadužene da signal prenose očnom živcu. Laser, naravno, treba smestiti ispred oka, najbolje na posebne (sunčane) naočare.
Ventai Liu je čip nazvao „komponentan čip veštačke mrežnjače“ (Artificial Retinal Component Chip, ARCC) i namenio ga osobama kojima je bolest uništila fotoreceptore mrežnjače, ali ne i očni živac i nervne spletove (ganglije). Membrana mrežnjače, naime, sadrži i ganglijske ćelije, koje „prevode“ poruke štapića i čepića i preko očnog živca ih upućuju do mozga. Naziv ARCC je kasnije promenjen u „višestruki skup čipova veštačke mrežnjače“ (Multi-unit Artificial Retina Chipset, MARC).
Tri generacije čipova…
Prva generacija MARC1, napravljena je kao „čip za opažanje svetlosti, obradu i stimulisanje“ (Photosensing, Processing, and Stimulating, PPS), veličine 2 x 2 mm, a načinjen je pomoću tehnologije CMOS od 2 mm, s rezolucijom slike od 5 x 5 tačaka (odnosno toliko elektroda).
Druga generacija MARC 2, projektovana je kao proteza mrežnjače sa 10 x 10 elektroda.
Treća generacija MARC3, imaće 25 x 25 elektroda, od kojih će svaka biti sposobna da stimuliše 4-bitne nijanse sive boje. Polje 5 x 5 elektroda, dovoljno je za identifikaciju pojedinačnog slova, a polje 250 x 250 već za čitanje časopisa…
„Slika“ od fosfena…
Dr liu i njegovi saradnici su pomoću CMOS tehnologije od 2 mm napravili stimulacioni čip odnosno videoprocesor koji obrađuje analogni video-signal iz minijaturnog monohromatskog CMOS senzora izvan čipa. Čip ima zadatak da analogni signal 4-bitno digitalizuje i memoriše u svojoj video memoriji (VRAM), a on se zatim koristi kao izvor podataka za stimulisanje mrežnjače preko bežične induktivne veze. Stimulacion čip za induktivan prijem energije i podataka, veličine je 6 x 6 mm. U ranijim eksperimentima, pacijent je pri aktiviranju elektroda postavljenih u njegovo dvodimenzionalno polje opažao male svetlosne mrlje koje su zajedno oblikovale „sliku“ u skladu s rasporedom aktivnih elektroda, slično oblikovanju slike na matričnom štampaču. Inženjeri s Univerziteta „Džon Hopkins“ nastoje da razviju izvor energije koji bi bio manji od akumulatora za slušne aparate (nosi se na pojasu i velik je kao džepni radio). Liuov tim radi na izvoru napajanja koji bi mogao da se ugradi u okvir naočara. Postojeći komplet koji obuhvata minijaturnu video kameru, laser smešten na naočarima, simulacionu elektroniku i prenosni računar na pojasu, težak je oko 3 kg.
Tim Ventaija Liua je izveo niz eksperimenata sa 15 slepih dobrovoljaca, od kojih je 13 oslepelo zbog bolesti retinitis pigmentoza, a dva zbog staračke degeneracije žute mrlje. Svakom pacijentu su pomoću lokalne anestezije u očnu šupljinu – na 0,5 mm od površine mrežnjače, postavili sondu za stimulaciju, ali tako da mrežnjaču ne dotakne. Zatim su preko elektroda slali impulse na 1 Hz i višim frekvencijama, a pacijenti su potom opisivali veličinu, oblik, boje i položaj onog što opažaju.
Frekvencija je postepeno povećavana, i od pacijenata je zahtevano da odrede tačku u kojoj dolazi do stapanja treperenja, odnosno do početka percepcije stabilne slike. Svih petnaest pacijenata je bilo u stanju da uoči fosfene (iskre) izazvane električnom stimulacijom. Svi osim jednog su uspeli da odrede položaj elektrode i prate pomeranje stimulansa duž mrežnjače. Prag stimulacije se postepeno menjao, u zavisnosti od udaljenosti elektrode od mrežnjače. Do stapanja treperenja je dolazilo pri 30 – 40 Hz…
Veštačka mrežnjača…
Većina dobrovoljaca, pominjala je da vidi bele i žute bleskove, dok su pojedini opažali crnu tačku obrubljenu belim i žutim prstenom. Sedamdesetogodišnji Herold Čerči, penzionisan konobar s retinis pigmentozom, koji je učestvovao u tim eksperimentima, raspoznavao je boje, vidove kretanja i svetlost, čak i „slovo H u svome imenu“, kako je objasnio.
Naučnici s Harvarda i MIT-a takođe sarađuju na rešenju s laserom ili radio-talasima kao medijem za prenos signala do mrežnjače.
U jednoj od svojih analiza, kao argument protiv varijante s laserskim prenosom energije, tim s „Harvarda“ navodi žmirkanje pacijenta, čim se ograničava priliv energije do čipa. U međuvremenu su se pojavila i druga rešenja među kojima posebnu pažnju privlači „veštačka silicijumsku mrežnjača“ (Artificial Silicon Retina, ASR) kompanije Optobionics iz Kalifornije, a nju već koristi deset pacijenata. ASR postupak su osmislila braća Alen i Vinsent Čou, osnivači Optobionicsa. Elektroinženjer Vinsent i oftalmolog-pedijatar Alen, došli su na ideju da između dva sloja mrežnjače, a ne na nju, usade minijaturnu i izuzetno tanku pločicu ASR, koju proizvode pod elektronskim mikroskopom…
Pločica ASR, prečnika 2 mm i debljine 25 “m
(mikrometara), sadrži približno 5.000 mikroskopskih sunčevih ćelija, to jest, mikrodioda koje se ponašaju kao prijemnici svetlosti (fotoreceptori). Ćelije pretvaraju svetlost u električne impulse i oni se zatim prenose do mozga. „Slika“ koju pacijenti vide, velika je 10 x 10 tačaka, ali braća Čou nameravaju da unaprede kvalitet svog rešenja. Njihov izum ima dve prednosti u odnosu na čipove za mrežnjaču: prefinjena pločica je posle usađivanja zaštićena i ne može da sklizne u očnu šupljinu, i nalazi se na mestu na kom može da primi najviše optičkih stimulacija. Tim se otklanja potreba za video-kamerom i specijalnim naočarima. Optobionics je dobio dozvolu američkog Ministarstva za ishranu i lekove da obavi deset eksperimentalnih, nekomercijalnih operacija. Braća Čou su sa saradnicima izveli prvu operaciju krajem juna 2000. godine, sledeće godine dve, a onda postepeno i ostalih sedam. Rezultati se još uvek prate i proučavaju, a u aprilu su braća Čou na osnovu dosadašnjih rezultata objavila opsežan naučni rad u časopisu „Archives of Ophthalmology“…
Oponašanje života…
Kod pacijenata je, navodi se u tom izveštaju, uočeno povećanje sposobnosti razaznavanja slova i obrisa, što im, na primer, omogućuje prepoznavanje broja osoba, pa, čak, i njihovo međusobno razlikovanje na osnovu nijansi boja i senki. Početno stanje posle operacije je još bolje, ali se posle šest meseci uglavnom stabilizuje na nešto nižem nivou, možda zbog slabljenja električnih karakteristika čipa. Kod nekih pacijenata, registrovana je pojava opažanja pomoću delova mrežnjače udaljenih od pločice, što verovatno ukazuje na izvesno aktiviranje optički „uspavanih“ ćelija. Zasad nisu uočeni nikakvi uzgredni efekti ugradnje ASR pločica – odbijanje, zapaljenje tkiva, erozija čipa ili njegovo odvajanje od mrežnjače.
U poslednje vreme je još nekoliko ustanova prionulo na istraživanja i ugradnju čipova za vid. Među njima su i dva tima s nemačkog instituta Fraunhofer, grupa istraživača iz instituta u Japanu i „Masačusetska ambulanta za oko i uvo“ s kojom sarađuju predstavnici „Medicinske škole Harvardskog univerziteta“ i Instituta „MIT“. S novim istraživačima i naučnim i tehnološkim dostignućima pristižu i dodatna materijalna sredstva koja su posebno važna u tako osetljivim i dugotrajnim istraživanjima.
Sve to povećava nadu miliona slepih u svetu da će dobiti mogućnost za, bar, delimičan povratak vida pomoću čipa ugrađenog u mrežnjaču, receptorske pločice usađene u nju ili nekog drugog mikroelektronskog sistema koji bi povezao biološka i inženjerska rešenja. Kako to objašnjava hirurg i inženjer Mark Hjumejan:
„Ovakvi projekti su timsko delo – brak biologije i inženjerstva“. Eksperimenti s protezama za mrežnjaču obuhvataju proučavanje reakcija ganglijskih ćelija na nadražaje i razvoj hirurških, metodoloških i tehnoloških postupaka za ugrađivanje proteza, pri čem poslednji znači izradu prototipova za eksperimente. Mada eksperimenti na ljudima i životinjama pokazuju da je uređaj u stanju da mozgu prosledi „vizuelan ulaz“, nema dokaza da je mozak u stanju da obradi informacije na način koji bi pomogao slepom pacijentu. Idealno bi bilo da dodatak mrežnjači sam, pomoću vlastitog mikroprocesora i algoritama, pre prenosa očnom živcu, obradi vizuelan ulaz postupkom koji to čini mrežnjača. Eksperimenti u tom smislu će svakako biti nastavljeni, zajedno s daljim razvojem manjeg izvora napajanja, ublažavanjem agresivnog oblika i karaktera dodatka, povećavanja biokompatibilnosti „proteze za vid“ i slično. Od uspeha eksperimenata, zavisiće kad će i u kolikoj meri epiretinalni čipovi zaista postati „vidna proteza“ namenjena hiljadama slepih pacijenata.
Napisao: Esad Jakupović
[Kompletan tekst iz časopisa Mikro: 9/2004, strana: 50]
Izvor: mikro.co.yu
Priredio: pf V. V. Mihić
oOOo