Прозрение. Современные технологии для слабовидящих и незрячих

Большую часть информации о мире мы получаем благодаря зрению — это общеизвестный факт. При этом год от года человечество все больше и больше нагружает свои глаза, очки перестали быть атрибутом ученого, потерявшего остроту зрения за чтением, а стали нормой для огромного числа людей, проводящих перед экранами компьютеров и смартфонов часы напролет. Но сегодня речь пойдет о том, что находится за пределами обыкновенных увеличительных стекол и «обыденных» нарушений зрения. Мы поговорим о технологиях для слабовидящих или слепых.

Начать, впрочем, все же лучше с истории. Концепция «увеличительного стекла для зрения» знакома людям уже несколько тысячелетий: в работах Плиния Старшего есть упоминание линзы из изумруда, с помощью которой за гладиаторскими боями следил император Нерон. Но из-за сложности создания подобных линз они многие столетия так и оставались или игрушкой для богачей, или же редким и очень ценным инструментом, к которому доступ был у немногих. И то назначение подобных линз было обыкновенно астрономическим, а не медицинским.

Как же в таком случае справлялись с ежедневными задачами слабовидящие и слепые? Ответ очевиден — за счет других органов чувств, осязания и слуха. Как бы архаичны ни были эти методы, они сохранились и по сей день, поскольку очень просты по своей сути и дешевы в реализации. Хотя нужно отдать должное тифлотехнике (так называются такие устройства) — сегодня мы зашли куда дальше обычной тактильной трости для ориентации. Для слабовидящих и незрячих создают разнообразные индикаторы, которые звуком или вибрацией сообщают о событиях вокруг. Термометры с голосом, умные устройства с микрофонами… Даже знаменитый шрифт Брайля — фактически тифлотехнология.

В XIII в. в средневековой Европе постепенно стали получать распространение лупы, а за ними и очки. Историки связывают это с переводом на латынь арабского трактата об оптике за авторством математика и астронома Альхазена. В своей монографии он описывал влияние сферического сегмента стекла на увеличение предмета и называл его «камень чтения». Примерно в то же время англичанин Роберт Гроссетест в трактате De iride («О радуге») упоминает использование оптики при «чтении наименьших букв на невероятном расстоянии».

Как работает наше зрение? Глаз — это сложная система, преобразующая световые импульсы. Роговица, выступая прозрачным внешним слоем, выполняет двойную функцию: преломляет световые потоки, направляя их внутрь глаза, и служит барьером от внешних повреждений. Под ней расположена сосудистая оболочка, густо снабженная капиллярами, которые доставляют кислород и питательные вещества к глазным структурам. Кроме того, она участвует в адаптации к уровню освещенности, сужая или расширяя кровеносные сети.

Сетчатка, внутренняя светочувствительная оболочка, содержит два типа рецепторов: палочки, обеспечивающие зрение в условиях слабого света, и колбочки, ответственные за цветовосприятие и детализацию изображения. После преобразования света в нейронные импульсы информация передается по зрительному нерву — пучку из более чем миллиона нервных волокон. Этот нерв выступает проводником сигналов от сетчатки к зрительным центрам мозга, где происходят их обработка и формирование визуальной картинки. Повреждение зрительного нерва может привести к необратимой потере зрения.

Радужная оболочка, имеющая уникальный рисунок у каждого человека, и зрачок динамически регулируют интенсивность светового потока: при ярком освещении зрачок сужается, в темноте — расширяется. Хрусталик, обладающий гибкостью, меняет кривизну для фокусировки на объектах разной удаленности (аккомодация). Пространство между хрусталиком и сетчаткой заполнено стекловидным телом — гелеобразной субстанцией, поддерживающей сферическую форму глаза и участвующей в светопреломлении.

Нарушение нормального функционирования любого из элементов этой сложной системы может привести к проблемам со зрением. Неверная кривизна глазного яблока приводит к близорукости или дальнозоркости, помутнение хрусталика вызывает «затуманенность» зрения, отслойка сетчатки без экстренного лечения приводит к необратимой слепоте из-за нарушения питания фоторецепторов. К слепоте приводят и заболевания зрительного нерва, вызванные, например, его сдавливанием из-за повышенного внутриглазного давления.

«Особенность слабовидящих людей заключается в том, что по той или иной причине у них теряется возможность мелкой детализации. Что-то размывается, что-то искажается, выпадает кусок поля зрения и т.д. То есть у нас теряется качество картинки. Лупа выступает самым простым вариантом решения проблемы. Бывают классические лупы, как у детективов в фильмах, и многие ими до сих пор пользуются. Есть вариант более изящный — линзы Френеля. Это плоская пластинка с нарезанными концентрическими кругами с разной преломляющей силой, которые имитируют работу обыкновенной лупы, хотя это плоская линза. У нее есть свои минусы, в частности, появление цветности на краях линзы из-за преломления света. Но для людей, которым просто нужно что-то почитать, это не проблема. Некоторые носят их в кошельках из удобства», — рассказал корреспонденту «Научной России» руководитель медицинских проектов АНО «Сенсор-Тех», врач-офтальмолог, кандидат медицинских наук Андрей Михайлович Демчинский.

Естественным следующим шагом в развитии этой технологии в современном понимании можно назвать цифровые увеличительные устройства. Как бы они ни выглядели и какими бы габаритами ни обладали, суть у них одна и та же: есть камера устройства, есть некая стадия обработки и, наконец, экран, на который выводится изображение. Принципиальное отличие от обыкновенной лупы у таких устройств в том, что они позволяют настраивать степень приближения картинки, ее цветность, контрастность и иные параметры, которые могут быть необходимы человеку с ослабленным зрением. Во многих библиотеках можно найти крупные электронные лупы, которые позволяют приближать сразу большие куски текста для нужд чтеца. А чаще всего в роли «электронных луп» сейчас выступают смартфоны, на которые можно скачать специальное программное обеспечение. Так, например, у некоммерческой компании «Сенсор-Тех» есть бесплатные приложения для телефонов, которые автоматически определяют и сообщают пользователю номинал купюр или форму и назначение предметов, попавших в объектив камеры.

«Следующий шаг — мы берем цифровое увеличительное стекло и надеваем его на голову. Самый простой пример для понимания — это VR-очки, когда есть шлем, а в нем есть два дисплея. Перед этими дисплеями, в свою очередь, стоят увеличительные линзы, примерно по десять диоптрий, может, чуть больше, и ты смотришь на эти экраны левым и правым глазом отдельно. Теперь можно настраивать картинку: изменять степень приближения, чтобы посмотреть, что там вдалеке, какой автобус едет, изменять контрастность. В этом нет чего-то новаторского, мы это постоянно делаем, меняя яркость телефона. Другой плюс таких очков заключается в том, что они ограничивают поступление света. Есть люди, у которых высокая светобоязнь, тяжело, когда яркий свет, и они просто настраивают очки так, как им удобно», — добавил А.М. Демчинский.

Получается, что функционально такие «носимые» цифровые лупы мало чем отличаются от своих «коллег» попроще? Не совсем. Помимо удобства, в них есть еще одна полезная функция: возможность настроить такие алгоритмы, которые позволяли бы смещать часть изображения в другое место. Зачем это нужно? Бывают заболевания, при которых человек физически теряет центр зрения. Куда ни посмотри, а у тебя в центре черное или серое пятно. Пользоваться центральным зрением становится невозможно, а ведь человек устроен так, что именно центральное зрение отвечает за детали. Именно при помощи центрального зрения мы читаем. В итоге люди с подобными нарушениями приспосабливаются смотреть парацентрально, то есть рядом с центром — левым участком, правым, кто как привык. Так вот, в цифровых очках можно взять фрагмент изображения из центра и переместить в ту зону, которую человек привык видеть.

Все технологии, которые мы успели обсудить, разрабатываются и могут быть полезны для слабовидящих людей. Но что же делать тем, кто полностью потерял зрение или с самого рождения был незрячим? История развития технологий для слепых не уходит вглубь веков, и проследить ее этапы можно по нескольким прошедшим десятилетиям, поскольку вернуть зрение незрячим — задача куда более сложная, чем увеличение картинки для слабовидящих. И конкретные методы будут различаться в зависимости от того, как, когда и из-за чего человек потерял зрение.

Первый путь — использование разнообразных стимулирующих аппаратов с элементами генной терапии для того, чтобы «вылечить» незрячий глаз. Это перспективное направление называется оптогенетикой и предполагает, что после терапии клетки, которые никогда не участвовали в трансформации света в электрический сигнал, обретут чувствительность к свету. Посредством уколов в глаза человека заселяется генный конструкт-вирус, который прикрепляется к нужным клеткам и интегрирует в их мембрану фоточувствительный белок, реагирующий на свет определенной длины волны. А дальше сигнал уже естественным образом отправляется от глаза в мозг. Но у этого и подобных методов есть один значительный недостаток: у пациента все еще должны быть функциональные органы, отвечающие за передачу таких сигналов, необходим рабочий зрительный нерв, не должно быть отслоений сетчатки.

Часть этих проблем можно было бы решить имплантами, которые заменяли бы собой глаза. Так, американская система 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 ставится в мозг на зрительную кору для того, чтобы стимулировать нейроны и вызывать зрительные ощущения. Картинка берется с внешних датчиков, потом обрабатывается хитрым образом посредством искусственного интеллекта для определения объектов, и управляющий сигнал по беспроводной связи идет на маленькое устройство, которое устанавливается в мозг в результате нейрохирургической операции. Сейчас по этой технологии мы находимся на этапе доклинического тестирования на обезьянах. В 2026 г. планируются уже клинические испытания. В мире такого нет на рынке нигде, хотя и есть команды, которые этим занимаются, в том числе Илон Маск анонсировал движение в этом направлении», — отметил А.М. Демчинский.

ELVIS V — российская и при этом одна из первых в мире технологий, соединяющих камеры с мозгом, минуя глаза. Это позволяет помочь даже тем, у кого отсутствуют глазные яблоки, хотя есть и ограничение: устройство предназначено для людей, имевших зрительный опыт (не слепых от рождения). Над аналогичными решениями работают как минимум пять команд в мире. Система состоит из имплантируемой части — микрочипа с электродами, стимулирующими мозг слабыми токами, который крепится к черепу и взаимодействует со зрительной корой, и внешней части — обруча с камерами, блока обработки данных на поясе и беспроводного передатчика. Камеры захватывают изображение, которое обрабатывается ИИ-алгоритмами и преобразуется в сигналы для мозга, создавая зрительные ощущения в виде фосфенов (вспышек света), что позволяет ориентироваться в пространстве и распознавать крупные объекты.

Хотя все эти технологии и направления пока еще не применяются широко, они перестали быть идеями из категории научной фантастики. Требуется время для проверки и обеспечения как генных, так и нейрохирургических методов. Это все еще дорогие способы, которые поначалу будут доступны не всем. Но мало-помалу технологии будут развиваться, становиться проще, доступнее и распространеннее, точно так же, как и обыкновенные и привычные для нас теперь очки.

Материал подготовлен при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Источник изображения на главной и на странице: Freepik