Зрение является основным источником информации о мире — это широко известно. Однако, с каждым годом нагрузка на глаза человека возрастает, и очки больше не являются символом ученого, уставшего от чтения, а стали распространенным явлением среди людей, проводящих много времени перед компьютерными и мобильными устройствами. Сегодня мы рассмотрим технологии, предназначенные для людей с нарушениями зрения или для слепых.
Впрочем, стоит начать с исторической справки. Идея «увеличительного стекла для зрения» известна человечеству на протяжении многих тысячелетий: в трудах Плиния Старшего можно найти упоминание изумрудной линзы, которой император Нерон наблюдал за гладиаторскими боями. Однако из-за трудностей в изготовлении, подобные линзы на протяжении столетий оставались либо забавой для состоятельных людей, либо редким и дорогостоящим инструментом, доступным немногим. При этом, их обычно использовали для астрономических, а не медицинских целей.
Как же справлялись с повседневными задачами люди с нарушениями зрения? Ответ прост: за счет других органов чувств, таких как осязание и слух. Несмотря на свою архаичность, эти методы до сих пор применяются, поскольку они отличаются простотой и доступностью. Безусловно, тифлотехника (специальные устройства для людей с нарушениями зрения) шагнула далеко вперед, и сегодня доступна не только тактильная трость для ориентации. Для слабовидящих и незрячих разрабатываются разнообразные индикаторы, которые с помощью звука или вибрации информируют о происходящем вокруг. Голосовые термометры, умные устройства с микрофонами… Даже шрифт Брайля — это, по сути, тифлотехнология.
В XIII веке в средневековой Европе начали распространяться лупы, а вслед за ними и очки. Это явление историки объясняют переводом на латынь арабского трактата по оптике, написанного математиком и астрономом Альхазеном. В своей работе он описывал, как сферический сегмент стекла влияет на увеличение изображения, и называл его «камень чтения». Примерно в тот же период англичанин Роберт Гроссетест в трактате De iride («В тексте «О радуге» говорится об использовании оптических приборов для разглядывания мельчайших букв, расположенных на большом расстоянии».
Как устроено наше зрение? Глаз представляет собой сложную систему, которая преобразует световые импульсы. Роговица, являясь прозрачным внешним слоем, выполняет две задачи: она преломляет световые потоки, направляя их внутрь глаза, и защищает глаз от внешних воздействий. Сразу под роговицей находится сосудистая оболочка, богатая капиллярами, которые обеспечивают доставку кислорода и питательных веществ к тканям глаза. Она также участвует в регулировании чувствительности к свету, сужая или расширяя кровеносные сосуды.
Сетчатка, являясь внутренней светочувствительной оболочкой глаза, содержит два типа рецепторов: палочки, которые отвечают за зрение в условиях низкой освещенности, и колбочки, обеспечивающие цветовосприятие и четкость изображения. Преобразованный светом в нейронные импульсы сигнал передается по зрительному нерву, состоящему из более чем миллиона нервных волокон. Этот нерв служит проводником сигналов от сетчатки к зрительным центрам головного мозга, где происходит их обработка и формируется визуальное восприятие. Повреждение зрительного нерва может спровоцировать необратимую потерю зрения.
Уникальный рисунок радужной оболочки и зрачок, способный динамически изменять размер, регулируют количество света, попадающего в глаз: при ярком свете зрачок сужается, а в условиях недостаточной освещенности — расширяется. Хрусталик, благодаря своей гибкости, изменяет кривизну для фокусировки на объектах, находящихся на разном расстоянии (аккомодация). Стекловидное тело, представляющее собой гелеобразную массу, заполняет пространство между хрусталиком и сетчаткой, поддерживая форму глаза и участвуя в преломлении света.
Любое отклонение в работе компонентов этой сложной системы может негативно сказаться на зрении. Неправильная форма глазного яблока вызывает близорукость или дальнозоркость, помутнение хрусталика приводит к снижению четкости зрения, а отслойка сетчатки, если не оказана своевременная помощь, может привести к необратимой потере зрения вследствие нарушения питания светочувствительных клеток. Заболевания зрительного нерва, например, вызванные его сдавлением из-за повышенного внутриглазного давления, также могут привести к слепоте.
«У слабовидящих людей наблюдается потеря способности к восприятию мелких деталей, вызванная различными причинами. Качество изображения ухудшается: контуры размываются, возникают искажения, возможно выпадение участков поля зрения. Самым простым решением этой проблемы является использование лупы. Встречаются классические лупы, напоминающие те, что используют детективы в фильмах, и многие до сих пор предпочитают их. Существует и более изящный вариант — линзы Френеля. Это плоская пластина с концентрическими кругами, имеющими различную преломляющую силу, что позволяет имитировать работу обычной лупы, несмотря на плоскую форму. У таких линз есть недостатки, в частности, появление цветовых искажений по краям из-за преломления света. Однако это не является существенной проблемой для тех, кому необходимо просто читать. Некоторые люди носят их в кошельках для удобства, — пояснил корреспонденту «Научной России» руководитель медицинских проектов АНО «Сенсор-Тех», врач-офтальмолог, кандидат медицинских наук Андрей Михайлович Демчинский.
Андрей Михайлович Демчинский – российский офтальмолог, кандидат медицинских наук и руководитель медицинских проектов в АНО «Лаборатория «Сенсор-Тех»». Он отвечает за разработку передовых технологий для людей с сенсорными нарушениями, в частности, проект нейроимпланта ELVIS V, предназначенного для восстановления зрения у слепых (старт клинических испытаний намечен на 2026 год). Образование получил в Астраханской государственной медицинской академии в 2011 году, далее прошла интернатура и ординатура в МНТК «Микрохирургия глаза», а в 2017 году защитил кандидатскую диссертацию. В том же году он принимал участие в проведении первых в России операций по имплантации бионических систем Argus II).
В современном контексте логичным продолжением развития этой технологии представляются цифровые увеличительные устройства. Независиимо от их внешнего вида и размеров, они функционируют по единому принципу: наличие камеры, этап обработки изображения и дисплей для его отображения. Отличие от обычной лупы заключается в возможности регулировки степени увеличения, цветопередачи, контрастности и других параметров, которые могут быть полезны людям с ослабленным зрением. Крупные электронные лупы, позволяющие увеличивать большие фрагменты текста, часто встречаются в библиотеках. Однако, в настоящее время роль «электронных луп» все чаще выполняют смартфоны с установленным специальным программным обеспечением. Например, некоммерческая компания «Сенсор-Тех» есть бесплатные приложения для телефонов, которые автоматически определяют и сообщают пользователю номинал купюр или форму и назначение предметов, попавших в объектив камеры.
«Далее мы используем цифровое увеличительное стекло, которое крепится на голове. Для наглядности приведем самый простой пример VR-очки, которые интегрируются со шлемом и оснащены двумя дисплеями. Перед этими дисплеями установлены увеличительные линзы, обеспечивающие приблизительно десять диоптрий, возможно, немного больше, и изображение проецируется на экраны для каждого глаза отдельно. Пользователь может настраивать изображение, изменяя степень приближения для рассмотрения удаленных объектов, например, проезжающих автобусов, и регулируя контрастность. Подобная функциональность не является принципиально новой, поскольку мы постоянно применяем ее, корректируя яркость экрана телефона. Еще одно преимущество таких очков заключается в ограничении попадания света. Некоторые люди испытывают повышенную светочувствительность и им сложно переносить яркий свет, поэтому они могут настроить очки в соответствии со своими предпочтениями», — отметил А.М. Демчинский.
По сути, «носимые» цифровые лупы не сильно отличаются от более простых аналогов? Это не совсем так. Помимо удобства, они обладают еще одной важной особенностью: возможность настройки алгоритмов для смещения части изображения в другую область. В каких случаях это необходимо? Существуют заболевания, при которых человек теряет центральное зрение. Вне зависимости от того, куда он смотрит, в центре остается черное или серое пятно. Использование центрального зрения становится невозможным, хотя человек устроен таким образом, что именно оно отвечает за восприятие деталей. Именно центральное зрение позволяет нам читать. Поэтому люди с подобными нарушениями вынуждены приспосабливаться и смотреть парацентрально, то есть в область рядом с центром — слева или справа, в зависимости от привычки. Таким образом, в цифровых очках можно перенести фрагмент изображения из центра в ту зону, к которой человек привык обращаться.
Все рассмотренные нами технологии разрабатываются и могут быть применимы для людей с нарушениями зрения. Однако, что доступно тем, кто полностью потерял зрение или родился незрячим? История технологий для слепых не насчитывает многих столетий, и ее этапы можно отследить лишь по нескольким прошедшим десятилетиям, поскольку восстановление зрения у людей, не имеющих его, — значительно более сложная задача, чем увеличение изображения для слабовидящих. Конкретные подходы будут варьироваться в зависимости от того, как, когда и по какой причине человек утратил зрение.
Первый подход заключается в применении разнообразных стимулирующих устройств в сочетании с элементами генной терапии для восстановления зрения. Эта многообещающая область, известная как оптогенетика, основана на предположении, что после лечения клетки, ранее не способные преобразовывать свет в электрический сигнал, приобретут светочувствительность. Для этого в глаз вводят генно-инженерный вирус, который связывается с целевыми клетками и интегрирует в их мембрану белок, реагирующий на свет определенной длины волны. После чего сигнал естественным образом передается от глаза к головному мозгу. Однако у этого и аналогичных методов присутствует существенный недостаток: для их эффективности у пациента должны сохраняться функциональные структуры, ответственные за передачу сигналов, в частности, необходим рабочий зрительный нерв, и не должно быть отслоений сетчатки.
Некоторые из этих проблем потенциально разрешимы с помощью имплантов, выполняющих функцию искусственных глаз. Например, в американской системе Argus II устанавливалась на сетчатку и позволяла передавать в мозг пациента простенькое изображение с нескольких десятков электродов. Это все еще было настоящим прорывом — слепой человек получал возможность вновь видеть. В России такую систему устанавливали двум пациентам в 2017 г., однако большого развития технология не получила, а операции не стали постоянной практикой. В первую очередь из-за дороговизны, но есть и иная причина — бионические глаза были полезны для ограниченного круга пациентов. И, как показало время, есть более многообещающее направление подобных устройств, которые могут даровать зрение куда большему числу людей, — нейроинтерфейсы.
«Нейроимплант вводят в мозг, в область зрительной коры, чтобы стимулировать нейроны и генерировать зрительные ощущения. Изображение, получаемое от внешних датчиков, обрабатывается сложным алгоритмом на основе искусственного интеллекта для распознавания объектов. Затем управляющий сигнал передается по беспроводной связи на небольшое устройство, имплантируемое в мозг посредством нейрохирургического вмешательства. В настоящее время разработка этой технологии находится на этапе доклинических испытаний на обезьянах. Клинические испытания запланированы на 2026 год. Подобных решений пока нет на рынке ни в одной стране, хотя существуют исследовательские группы, работающие в этом направлении, включая команду Илона Маска, которая анонсировала свои разработки.
ELVIS V — российская разработка, являющаяся одной из первых в мире, объединяет камеры и мозг, обходя зрительный аппарат. Это открывает возможности для помощи людям, не имеющим глаз, хотя устройство предназначено для тех, кто ранее обладал зрением (не для людей, рожденных слепыми). Подобными технологиями занимаются как минимум пять исследовательских групп по всему миру. Система включает в себя имплантируемый микрочип с электродами, который крепится к черепу и стимулирует мозг слабыми токами, взаимодействуя со зрительной корой, а также внешние компоненты: обруч с камерами, блок обработки данных, расположенный на поясе, и беспроводной передатчик. Камеры фиксируют изображение, которое обрабатывается с помощью ИИ-алгоритмов и преобразуется в сигналы для стимуляции мозга, вызывая зрительные ощущения в виде фосфенов (вспышек света), что позволяет ориентироваться в окружающей среде и определять крупные объекты.
Несмотря на то, что эти технологии и области развития пока не получили широкого распространения, они уже не кажутся нереальными. Необходим определенный период для тестирования и подтверждения эффективности как генной инженерии, так и нейрохирургических подходов. В настоящее время это дорогостоящие методы, которые изначально будут доступны ограниченному числу людей. Однако со временем технологии будут совершенствоваться, упрощаться, становиться более доступными и распространенными, подобно тому, как это произошло с очками, которые сегодня являются привычными.
Поддержку в подготовке данного материала оказало Министерство науки и высшего образования РФ