UNIWERSYTET ŚLĄSKI WYDZIAŁ INFORMATYKI I NAUKI O MATERIAŁACH INSTYTUT INFORMATYKI ZAKŁAD KOMPUTEROWYCH SYSTEMÓW BIOMEDYCZNYCH

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

z przedmiotu:

Implanty i sztuczne narządy

Ćw. 3. Temat: Sztuczne oko

___________________________________________________________________

Wydział Informatyki i Nauki o Materiałach

Kierunek: Inżynieria Biomedyczna

Opracował: Piotr Duda

Zatwierdził: prof. Zygmunt Wróbel

Sosnowiec

Wstęp teoretyczny

1. Narząd wzroku człowieka

Zasada dziania oka

Oko ludzkie działa zgodnie z zasadami optyki geometrycznej. Wiązka światła wpada do oka przez źrenicę, biegnie poprzez rogówkę, Wiązka promieni świetlnych jakie zostały odbite od przedmiotów wpadają do oka przez źrenicę, następnie przechodzą przez rogówkę przednią komorę oka, przechodzi przez soczewkę, która odpowiednio załamuje promienie świetlne, przechodzi dalej przez ciało szkliste i dociera na powierzchnię siatkówki na której powstaje obraz odwrócony. Siatkówka dzięki barwnikom pręcików i czopkom przetwarza impulsy świetlne na odpowiednie sygnały nerwowe, które poprzez nerw wzrokowy wędrują do mózgu i wywołują wrażenia wzrokowe. Obraz który widzimy nie powstaje w oku, tylko w mózgu. Mózg przetwarza sygnały dostarczone mu przez oko za pomocą nerwu wzrokowego, a następnie na podstawie tych sygnałów tworzy obraz.

Rys. 1. Zasada działania oka.

Rys.2. Oko

1. Wady wzroku

Wada wzroku - to niezdolność oka do tworzenia prawidłowo zogniskowanego obrazu na plamce żółtej lub centralnej części siatkówki. Najczęściej spotykana jest krótkowzroczność i nadwzroczność.

• Krótkowzroczność jest najpospolitszą wadą refrakcyjną oka. Uszkodzenie to objawia się tym, że oko skupiające promienie świetlne, koncentruje je przed siatkówką. W konsekwencji obraz na siatkówce jest rozmazany, a widzenie nieostre. Do korekcji wzroku krótkowidza używa się okularów korekcyjnych lub soczewek kontaktowych (soczewki rozpraszające dwuwklęsłe). Ich moc optyczną oznacza się w dioptriach ze znakiem minus.

• Nadwzroczność (dalekowzroczność) obok krótkowzroczności najczęściej występująca wada refrakcyjna oka. Jest skutkiem niewystarczających rozmiarów przednio - tylnych oka lub niedostateczną siłą łamiącą układu optycznego oka (soczewka jest zbyt płaska). Do korekcji wzroku dalekowidza używa się okularów korekcyjnych lub szkieł kontaktowych (soczewki skupiające). Ich moc optyczną oznacza się w dioptriach ze znakiem plus.

• Achromatopsja (ślepota barw) choroba, objawiające się całkowitą lub częściową niemożliwością postrzegania barw. Powodem tego schorzenia jest posiadanie bardzo małej lub zerowej liczby czopków, odpowiedzialnych za widzenie kolorów oraz ostrości postrzegania. Jest to choroba genetyczna aczkolwiek może też występować jako rezultat uszkodzeń czy przebytych innych chorób oczu.

• Astygmatyzm nieprawidłowość widzenia powodowana zaburzoną sferycznością oka. Astygmatyzm występuje gdy oko posiada większą szerokość niż wysokość. Wtedy to rogówka i soczewka zamiast akumulować światło w okrągłym obszarze siatkówki, tworzą rozmyty obraz w jednym z kierunków.

• Daltonizm wada charakteryzuje się upośledzeniem widzenia kolorów. Nierozróżniane są jednocześnie barwy czerwona i zielona, ale także mogą być nierozróżniane inne barwy. Daltonizm występuje przede wszystkim u mężczyzn.

• Oczopląs wada objawiająca się niekontrolowanymi, mimowolnymi, oscylacjami gałek ocznych.

• Zez schorzenie objawiające się osłabieniem mięśni ocznych. W konsekwencji zmienia się kąt patrzenia jednego oka względem drugiego. Skutkiem zeza jest zakłócone widzenie stereoskopowe. Zeza można korygować za pomocą okularów i ćwiczeń. Przeprowadzane są również zabiegi chirurgiczne korygujące zeza.

1. Sztuczne oko

Ślepota jest jedną z najbardziej przerażającą konsekwencją choroby narządu wzroku. Jedną z możliwości przywracania wzroku osobom całkowicie niewidomym staje się optoelektroniczna proteza siatkówki. W wyniku chorób pręciki i czopki niszczeją, co prowadzi do utraty wzroku. Zastosowanie implantu siatkówki jest możliwe ponieważ głębiej położone komórki, które przekazują pobudzenia z fotoreceptorów do mózgu są zazwyczaj w niewielkim stopniu zniszczone.

Prowadzone prace nad niewielkimi implantami o liczbie elektrod nie przekraczającej 60 dostarczyły zachęcających rezultatów wśród pacjentów z uszkodzoną siatkówka. Jednak do takich czynności jak czytanie, pisanie lub rozpoznawanie twarzy wymagana jest znacznie większa liczba elektrod, sięgająca tysięcy, gdyż zwiększenie ich liczby spowoduję polepszenie rozdzielczości obrazu.

Rozwój protez o wysokiej rozdzielczości obrazu jest wyzwaniem nie tylko inżynieryjnym ale także biologicznym. Najpoważniejsze problemy to przekazanie informacji o tysiącach pikseli w krótkim czasie, tak by powstający „film” był płynny. Innymi problemami jest umiejscowienie elektrod w bliskim sąsiedztwie komórek, przetworzenie sygnału, który kompensowałby częściową utratę siatkówkowej sieci neuronowej i wiele innych.

Strumień danych z kamery wideo jest przetwarzany przez kieszonkowy PC a obrazy wynikowe są wyświetlane na ciekłokrystalicznym mikrowyświetlaczu, podobnym do okularów wideo (video goggles). LCD jest oświetlane przez impulsy światła podczerwonego (~900nm), trwające 0,5 ms, wprowadzając obrazy poprzez układ optyczny oka do siatkówki. Obrazy promieniowania podczerwonego są przechwytywane przez wszczepiony implant. Każdy piksel przetwarza impulsy świetlne w impulsy prądu elektrycznego, które wprowadzają informacje świetlne do chorej siatkówki. Implant ma w przybliżeniu 3mm średnicy, dając 10 stopniowe pole widzenia. Zasada działania przedstawiona jest na rysunku poniżej :

Rys. 3. Zasada działania sztucznego oka.

Optyczne podejście do dostarczania informacji pozwala na ciągłą aktywacje tysięcy pikseli w implancie, i pozostawia naturalne połączenie pomiędzy ruchem oka i percepcji obrazów. Od kiedy fotowoltaiczne piksele w implancie działają niezależnie, nie jest potrzebne fizyczne łącznie ich między sobą. Dzięki temu poszczególne segmenty tablicy pikseli mogą być umieszczane w oku oddzielnie, znacznie ułatwiając operację chirurgiczną.

Obecne implanty siatkówki nie pozwalają jeszcze osobom niewidomym czytać i rozpoznawać twarze, jednak umożliwiają częściowe odzyskanie wzroku. Mała kamera wideo zamontowana na parze okularów przesyła obraz do elektrod, które są bezpośrednio połączone z nerwem wzrokowym. Pacjenci noszą małe urządzenie, przypięte w pasie, które umożliwia zasilanie kamery i przetwarzanie obrazu. Dostępne implanty umożliwiają widzenie podstawowych obrazów o wielkości 10x6 pikseli. 

Każdy z elementów narządu wzroku może ulec uszkodzeniu. O ile przezroczystą soczewkę i chroniącą ją rogówkę stosunkowo łatwo zastąpić protezą o tyle zastąpienie zniszczonej przez procesy degeneracyjne siatkówki napotyka ogromne trudności techniczne.

Sztuczną soczewkę wprowadził do praktyki klinicznej w 1952 r.

Brytyjczyk, Harold Ridley.

Typ:

twarde (polymetacrylate)

miękkie ( hydrogels)

Rys. 4. Sztuczna soczewka.

1. Protezy wzroku

Protezy narządu wzroku:

Protezy gałki ocznej Protezy wzroku

Protezy gałki ocznej :

Zwykle jeżeli z powodu bólu lub ślepoty konieczne jest usunięcie oka, wykonuje się to w znieczuleniu ogólnym. Można usunąć całkowicie gałkę oczną (enukleacja) lub też główną jej zawartość z pozostawieniem twardówki, czyli białej, zewnętrznej warstwy gałki ocznej. Jest to wypatroszenie oczodołu, czyli ewisceracja.

Wszczep oczodołowy, który jest kulą wykonaną z plastiku lub korala, umieszczany jest w przestrzeni, w której prawidłowo powinna znajdować się gałka oczna lub wewnątrz twardówki. Następnie wszczep pokrywa się spojówką, cienką, przezroczystą błoną, która pokrywa twardówkę.

Mięśnie oczne zostają przymocowane do wszczepu oczodołowego, dlatego też może on poruszać się razem ze sztucznym okiem, gdy porusza się oko zdrowe. Niektórzy pacjenci z koralowymi wszczepami oczodołowymi mają w nich otwory do wkręcenia protezy ocznej kilka miesięcy po usunięciu oka. W otwór w implancie i na tylnej powierzchni sztucznego oka wkłada się zatyczkę po to, by wszczep oczodołowy i leżące powyżej sztuczne oko mogły się poruszać razem dokładnie wtedy, gdy porusza się zdrowe oko.

Ponieważ wokół protezy oczodołowej znajdują się mięśnie i leży ona pod spojówką, a czasami w obrębie twardówki, nie może być wyjmowana. Sztuczna gałka oczna znajduje się ponad wszczepem oczodołowym i spojówką i jest utrzymywana w tej pozycji przez wewnętrzną powierzchnię powiek. Powinna być ona wyjmowana do czyszczenia co najmniej raz w miesiącu lub częściej, jeżeli jest brudna.

Protezy wzroku :

• Implant wewnątrzgałkowy

Wszczep wewnątrz oczny ma mieć zastosowanie przede wszystkim w tych przypadkach gdy zmętnienie lub zniszczenie rogówki ma taki charakter że nie jest możliwe odtworzenie jej funkcji drogą przeszczepiania rogówki dawcy. Układ składa się z miniaturowej kamery zamontowanej w oprawce okularów wyposażonej w specjalny układ elektroniczny przeprowadzający obróbkę obrazu oraz mikro nadajnik wysyłający sygnał niosący informacje o obrazie rejestrowanym przez kamery w postaci promieniowania podczerwonego. Drugim elementem jest implant przeznaczony do umieszczenia w miejsce soczewki oka. Zawiera on detektor sygnału podczerwonego, układ elektroniczny i matryce mikroskopijnych diod świecących wyświetlających obraz wprost na siatkówkę oka. Urządzenie jest uzupełnione o układ do przekazywania energii potrzebne do zasilania implantu drogą fal elektromagnetycznych.

• Implanty siatkówkowe

Jeszcze do niedawna wydawało się że siatkówka jest tak skomplikowanym organem że nie będzie można go zastąpić. Jednak gdy uszkodzeniu uległo tylko część drogi wzrokowej, a pozostałe jej elementy działają prawidłowo tak jak to ma miejsce w chorobach degeneracyjnych siatkówki, można próbować zastąpić uszkodzony fragment układem elektronicznym. Chodzi tu o układy subretinalne, które maja zastąpić receptory siatkówki, albo o implanty epiretinalne, przekazujące bodźce bezpośrednio do komórek zwojowych i dwubiegunowych siatkówki.

• Implant subretinalny

Jest to niewielka płytka średnicy ok. 2mm i grubości 25μm zawierająca 3500 elementów światłoczułych przekazujących informacje do pozostałych warstw komórek nerwowych siatkówki. Obraz siatkówkowy powstały na dnie oka jest odbierany przez matryce fotodetektorów umieszczoną na powierzchni implantu, a następnie przetworzoną przez układ elektroniczny i następnie zamieniony na impulsy elektryczne, które poprzez elektrody znajdujące się na drugiej powierzchni implantu przekazywane są do komórek dwubiegunowych siatkówki i dalej nerwami wzrokowymi do mózgu.

• Implant epiretinalny

Mechanizm jego dziania polega na zastąpieniu układu optycznego oka miniaturową kamerą, której obraz jest przetwarzany na impulsy elektryczne dostarczane bezpośrednio do neuronów wzrokowych. Implant epiretinealny jest układem elektronicznym umieszczanym bezpośrednio na powierzchni siatkówki. Jego dolna część dotykająca komórek zwojowych i dwubiegunowych to matryca mikroskopijnych elektrod. Impulsy elektryczne z tych elektrod, są wychwytywane bezpośrednio przez neurony siatkówki i przekazywane nerwami wzrokowymi do mózgu tak, jakby pochodziły z czopków i pręcików zdrowej siatkówki.

• Microsystem-based Visual Prosthesis (MIVIP)

Zaprojektowana przez Claude`a Veraarta elektroda w kształcie spiralnego mankietu umiejscowiona jest dookoła nerwu wzrokowego. Podłączona jest do stymulatora elektrycznego wszczepionego w małe zagłębienie w czaszce.

• Implantable Miniature Telescope

Jest stosowany w końcowym stadium degeneracji plamki żółtej. Ten typ urządzenia jest wszczepiany w komorę tylną oka i ma za zadanie powiększenie (około 3x) rozmiaru obrazu padającego na siatkówkę oka. Ma to na celu pokonanie centralnie umieszczonego w polu widzenia mroczka.

• Artificial Silicon Retina (ASR)

Bracia Alan i Vincent Chow stworzyli mikroukład zawierający 3500 fotokomórek, które wykrywają światło i zamieniają je na impulsy elektryczne, które pobudzają zdrowe komórki siatkówki. ASR nie wymaga żadnych urządzeń zewnętrznych.

• Alan Chow i Vincent Chow

Dr Alan Chow, oftalmolog z Chicago, wszczepił sześciu niewidomym pierwsze sztuczne siatkówki. Po 21 miesiącach jeden z nich zobaczył zamazaną twarz żony, drugi potrafi odczytać litery alfabetu, a pozostali są w stanie zarejestrować światło.

• Optoelectronic Retinal Prosthesis

Daniel Palanker z Uniwersytetu Stanford stworzył układ optoelektroniczny który zawiera fotodiody umieszczone pod siatkówką oraz projektor podczerwieni znajdujący się na specjalnych okularach.

• The Virtual Retinal Display (VRD)

Oparty na laserze układ rzucający obraz bezpośrednio na siatkówkę oka. Przydatny w poprawianiu wzroku u chorych na zaćmę lub u pacjentów z uszkodzoną rogówką.

Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem sztucznego oka. W tym celu wykorzystamy kamerę internetową, która w ćwiczeniu zastąpi sztuczne oko. Wyposażenie stanowiska stanowisko komputerowe z dostępem do programu obsługującego kamerę internetową; stelaż z kamerą internetową; obrazki do badań; Przebieg ćwiczenia uruchomienie komputer i włączenie program WORLD CAM; przeprowadzenie pomiarów; zapisanie wyników pomiarów w tabeli pomiarowej; sporządzenie wniosków i charakterystyk (wykresów);

II. Przebieg ćwiczenia

1. Uruchom program WORLDCAM znajdujący się w C:\\worldcam.

2. Aby zobaczyć obraz z kamery naciśnij przycisk Pokaz obraz.

3. Klikamy przycisk Obraz.

4. Klikamy przycisk Ustawienia, aby zmienić rozdzielczość pokazywanego obrazu.

W zakładce Efekty zaznaczamy:

• zapis w odcieniach szarości;

• zmień rozmiar;

• w okienkach szerokość i wysokość wpisujemy wartości z tabeli pomiarowej*

Tak powinna wyglądać zakładka Ustawienia:

5. Klikamy Pogląd aby zobaczyć obraz w nowym rozmiarze.

6. Klikamy Zapisz, żeby zapisać dany obraz.

Plik znajduje się pod adresem C: \Program Files\GemsNet\WorldCam IU

Obraz należy zapisać po to, aby w przypadku małych rozmiarów obrazu móc go powiększyć przy pomocy przeglądarki fotografii systemu Windows.

III. Jak wykonać zadanie?

1. W zakładce Ustawienia wpisać rozdzielczość 1 x 1.

2. Ustawić kamerę na stelażu w odległości .

3. Zrobić i zapisać zdjęcie.

4. Sprawdzić czy da się rozpoznać obraz.

5. Wpisać TAK, NIE lub MOŻE do tabeli pomiarowej.

6. Ustawić kamerę na stelażu w odległości .

7. Wykonać podpunkty od 3 do 5.

8. Ustawić kamerę na stelażu w odległości .

9. Wykonać podpunkty od 3 do 5.

10. 10. Po zakończeniu pomiarów wykonać wykres.

W wyżej wymieniony sposób wykonujemy pomiary dla kolejnych rozdzielczości zamieszczonych w tabeli pomiarowej.

* Tabela pomiarowa

POMIAR	ROZDZIELCZOŚĆ	ODL. 90 cm	ODL. 50cm	ODL. 20 cm
1	1 x 1
2	2 x 2
3	6 x 6
4	8 x 8
5	10 x 6
6	12 x 12
7	14 x 14
8	16 x 16
9	18 x 18
10	20 x 18
11	30 x 30
12	40 x 40
13	55 x 55
14	80 x 80

IV. Jak wykonać wykres:

Wykres wykonujemy ręcznie.

1. Poniżej znajduje się przykładowe wypełnienie tabeli:

POMIAR	ROZDZIELCZOŚĆ	ODL. 90 cm	ODL. 50cm	ODL. 20 cm
1	1 x 1	NIE	NIE	NIE
2	2 x 2	NIE	NIE	NIE
3	6 x 6	NIE	NIE	NIE
4	8 x 8	NIE	NIE	NIE
5	10 x 6	NIE	NIE	NIE
6	12 x 12	NIE	NIE	NIE
7	14 x 14	NIE	NIE	MOŻE
8	16 x 16	NIE	NIE	MOŻE
9	18 x 18	NIE	NIE	MOŻE
10	20 x 18	NIE	MOŻE	TAK
11	30 x 30	NIE	MOŻE	TAK
12	40 x 40	NIE	TAK	TAK
13	55 x 55	TAK	TAK	TAK
14	80 x 80	TAK	TAK	TAK

Wartości: TAK, MOŻE lub NIE zamieniamy odpowiednio na:

TAK = 1 MOŻE = 0.5 NIE = 0

POMIAR	ROZDZIELCZOŚĆ	ODL. 90 cm	ODL. 50cm	ODL. 20 cm
1	1 x 1	0	0	0
2	2 x 2	0	0	0
3	6 x 6	0	0	0
4	8 x 8	0	0	0
5	10 x 6	0	0	0
6	12 x 12	0	0	0
7	14 x 14	0	0	0,5
8	16 x 16	0	0	0,5
9	18 x 18	0	0	0,5
10	20 x 18	0	0,5	1
11	30 x 30	0	0,5	1
12	40 x 40	0	1	1
13	55 x 55	1	1	1
14	80 x 80	1	1	1

1. Zaznaczamy kolumny rozdzielczość oraz odległość 90, 50, 20 i tworzymy wykres:

IV. Wnioski : należy sporządzić wykresy i wnioski z ćwiczenia dla trzech różnych obiektów gabarytów obrazka, które mogą zostać powieszone na haczyku.