CC BY
25
МАТЕМАТИКА, ИНФОРМАТИКА И ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 004.9
Афанасьев Г.И., к.т.н. доцент кафедры «Системы обработки информации и управления» Московский государственный технический университет
имени. Н.Э. Баумана Россия, г. Москва Цитульский А. М.
студент
факультет "Информатика и системы управления " Московский государственный технический университет
имени. Н.Э. Баумана Россия, г. Москва
ПОДХОДЫ И МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ГЛАЗА Аннотация. В данной статье искусственный глаз рассмотрен как бионический имплант и как протез. Бионический имплант позволяет частично восстановить зрительную функцию, а протез предназначен для сохранения анатомии глаза. В статье даны основные определения, описаны функциональные и технические характеристики искусственного глаза. Проведено сравнение российских и американских разработок в создании искусственного глаза.
Чтобы проиллюстрировать актуальность исследования и разработки искусственного глаза, приведем несколько цифр: по данным Всемирной организации здравоохранения, во всем мире насчитывается около 39 миллионов слепых и 246 миллионов слабовидящих.
Ключевые слова: органы, зрение, протез, искусственный глаз, имплант.
Afanasyev G.I., Ph.D.
Assistant Professor, Department of Automatic Information Processing
and Control Systems Bauman Moscow State Technical University
Russia, Moscow
Tsitulsky A.M. student
Faculty of Computer Science and Control Systems Bauman Moscow State Technical University
Russia, Moscow
APPROACHES AND METHODS OF CREATING AN ARTIFICIAL EYE
Abstract-м In this article, the artificial eye is considered as a bionic implant and as a prosthesis. Bionic implant allows partial restoration of visual function, and the prosthesis is designed to preserve the anatomy of the eye. The article gives basic definitions, describes the functional and technical characteristics of an artificial eye. A comparison of Russian and American developments in the creation of an artificial eye is made.
To illustrate the relevance of research and development of an artificial eye, we give a few figures: according to the World Health Organization, there are around 39 million blind and 246 million visually impaired worldwide.
Keywords: organs, vision, prosthesis, artificial eye, implant.
1. Введение
Глаз (лат. Oculus) — периферический орган восприятия световых раздражений [1].
Зрение (лат. visio, visus) — функция органа зрения и визуального анализатора, заключающаяся в восприятии и преобразовании энергии света, излученного или отраженного различными объектами, и получении информации об окружающем мире [1].
Строение человеческого глаза напоминает фотоаппарат. В роли объектива выступают роговица, хрусталик и зрачок, которые преломляют лучи света и фокусируют их на сетчатке глаза. Хрусталик может менять свою кривизну и работает как автофокус у фотоаппарата - моментально настраивает хорошее зрение на близь или даль. Сетчатка, словно фотопленка, снимает изображение и отправляет его в виде сигналов в головной мозг, где происходит его анализ.
Сложное строение глазного яблока делает его очень чувствительным к различным повреждениям, нарушениям обмена веществ и заболеваниям. Различные заболевания и нарушения органов зрения являются предпосылками для разработки искусственного глаза.
Искусственные органы — технические устройства, предназначенные для временной или постоянной замены функции того или иного внутреннего органа человека [1]. Возможность создания искусственных органов связана как с прогрессом биологии и медицины, так и с успехами физики, химии, математики, а также технических наук.
Протезы (греч. prosthesis присоединение, добавление) — устройства, предназначенные для возмещения или восполнения косметических и функциональных дефектов различных органов и частей тела человеческого организма, возникших в результате травмы, заболевания или порока развития [1].
2. Описание
Создание искусственных органов объясняется тем, что пересадка донорских органов не может полностью решить проблему замены нездоровых жизненно важных органов человека, так как их намного меньше
числа больных, которым требуется пересадка. Искусственные органы не всегда в полном объеме выполняют функцию аналогичного здорового органа, особенно когда этот орган имеет ряд сложных функций.
Искусственный глаз — аналог глаза не имеющий способности к выполнению зрительной функции. Искусственный глаз применяется при протезировании что бы сохранить физическое строение глазницы и век для предотвращения их деформации, восстановления внешнего облика лица [5].
Искусственный глаз это имитация здорового глаза, он не может быть полностью подобен здоровому, но все же в современном мире ведутся разработки направленные на улучшение и модернизацию искусственного глаза. Здоровый глаз в отличии от искусственного может в зависимости от освещения менять расцветку и диаметр зрачка.
В 2015 году англичанину Рэю Флинну в возрасте восемьдесят лет был вживлен бионический имплант, который должен был частично восстановить зрительную функцию. Операция по установке импланта была проведена в Манчестере в Royal Eye Surgery Clinic [2].
Бионичекий имплантат — техническое устройство, которое по внешнему виду и функциям похоже на настоящие органы [1].
Наука не стоит на месте, поэтому искусственному глазу можно дать другое определение.
Искусственный глаз - бионический имплантат, который получает изображение с небольшой камеры, встроенной в специальные очки. В искусственном глазе происходит преобразование световых сигналов в электрические, которые поступают в зрительный нерв.
3. Функциональные возможности
Итак, можно выделить два типа искусственного глаза и соответственно функции, которые присуще этим типам.
Искусственный глаз (глазной протез) — аналог глаза, не обладающий зрительной функцией, предназначен для [1]:
- косметических целей, а именно при необходимости замены отсутствующего глазного яблока в случае атрофии глаза. Для косметических целей используются специальные протезы, которые представляют собой муляж глаза и век — эктопротезы. Главная цель эктопротезов заключается в замещении век и глазного яблока, а иногда и костных элементов глазницы.
- диагностических целей, применяется для определения состояния глазного яблока, а так же давления внутри глаза.
- лечебных целей, используется при различных хирургических операциях на веках и глазах.
- защитных целей, в случае применения ионизирующего излучения, защищает ткани глаза от вредного воздействия.
Искусственный глаз (бионический имплантат) — аналог биологического глаза, способный нести зрительную функцию по частичному восстановлению зрительной функции.
4. Технологии
Искусственный глаз - бионический имплантат, который получает изображение с видеокамеры, встроенной в специальные очки.
Визуальную информацию фиксирует миниатюрная камера, установленная на очках, которые носит пациент. Зрительные образы преобразуются в электрические импульсы и передаются на массив электродов, которые прикреплёны к сетчатке. Электроды стимулируют сохранившиеся клетки сетчатки, посылающие информацию в мозг.
В ряде случаев используется полимерная пластинка-матрица с фотодиодами. С нее снимаются электрические сигналы, которые передаются в соседние рабочие нервные клетки. Аналоговые сигналы от оптического изображения на искусственной сетчатке, стимулируют сохранившиеся клетки.
При полной слепоте одним из ключевых компонентов системы являются специальные очки со встроенной видеокамерой. Информация с камеры поступает на графический процессор, который пациент носит на поясе. Процессор преобразует образ в сигнал и посылает его на передатчик, встроенный в очках. Затем этот передатчик по беспроводной сети отправляет сигнал на электроды фотосенсора, вживленные в сетчатку. Электроды фотосенсора стимулируют функционирующие зрительные нервы сетчатки. Электронные сигналы по зрительным нервам поступают в головной мозг пациента.
Искусственный глаз (глазной протез) — аналог глаза, неспособный нести зрительную функцию.
Косметические, диагностические глазные протезы изготавливают из особых сортов прозрачного стекла, а также из пластмассы. Защитные протезы изготавливают из просвинцованного стекла или из свинца в виде пластины, изогнутой в соответствии с кривизной передней поверхности глазного яблока. Эктопротез обычно изготавливают из стекла, веки — из пластмассы [1].
5. Применение
В 2008 году была проведена первая операция по пересадке искусственного глаза (бионического имплантата) под названием Argus II, разработанного Американской компанией «Second Sight». В рамках научных исследований пациентом стал 76-летний британец, который из-за болезни глаз был слеп последние 30 лет. После операции пациент начал видеть проблески света и немного различать цвета [2].
В 2009 году испытателем новой технологии стал житель Великобритании Питер Лэйн. Ему в глаз имплантировали электронные фотодатчики, которые посылают в мозг электрические сигналы, собираемые очками. После операции мужчина мог различать очертания предметов, а так же распознавать буквы [3].
В 2012 году ученые из австралийской организации Bionic Vision
Australia впервые имплантировали прототип электронного бионического глаза женщине с неизлечимым заболеванием сетчатки. Эта система использовала 24 электрода и кабель, который соединял VPU с приемным устройством, которое находилось за ухом. Основной недостаток бионического глаза заключался в возможности передавать только черно-белое изображение [3].
Модернизированный имплантат Argus II уже используется в Европе. Операция по установке имплантата проходит около 4-ех часов, ее стоимость составляет около 120 тыс. долларов. Имплантат оснащен 60 электродами, что позволяет различать форму предметов, крупные буквы, а также следить за перемещением объекта [3].
Компания Retina Nano выпустила продукт под названием Bio-Retina. С помощью Bio-Rerina операция по имплантации длиться около получаса и выполняется под местной анестезией. Датчик оснащен более 500 электродами и позволяет мозгу воспринимать градацию серого [3].
6. Сравнение
Разработки в сфере искусственного глаза есть не только в США и Европе, но так же и в России.
Во время подготовки данной статьи был обнаружен патент № 2213539 российских ученых Журавлевой А.Ю. и Журавлева Ю. Ф., опубликованный в 2003 году [4].
Изобретение относится к области медицины, а именно к созданию искусственного глаза человека для восприятия оптического изображения людьми, потерявшими зрение в результате травмы, но сохранившими зрительный нерв неповрежденным.
Цель изобретения - создание искусственного глаза для оптического восприятия изображения людьми, потерявшими зрение в результате травмы, но сохранившими зрительный нерв неповрежденным.
Технический результат изобретения достигается тем, что в зрительном протезе - искусственном глазе - происходит преобразование световых импульсов в электрические сигналы, поступающие в зрительный нерв.
Поставленная цель достигается тем, что в искусственном глазе, содержащем приемную телевизионную систему, рецепторный узел, электронный блок и блок питания, приемная система представляет собой искусственный глаз, содержащий искусственные роговицу, хрусталик и сетчатку, представляющую собой матрицу светочувствительных элементов, находящуюся в фокальной плоскости хрусталика и состоящую, например, из приборов с зарядовой связью (ПЗС) на основе МДП-структур и электрически соединенную с электронным блоком, представляющим собой устройство считывания и преобразования, подсоединенное к источнику питания, а рецепторным узлом является ПЗС-матрица [4].
7. Заключение
В заключение хотелось бы отметить, что заявка на патент Журавлевой
и Журавлева была подана в 2000 году, а первая версия протеза, Argus I, была разработана в 2002 году. У наших ученых была возможность создать искусственный глаз раньше или в одно время с США.
В целом можно сказать, что искусственный глаз лишь частично возвращает зрительную функцию. Однако ученые всего мира работают над созданием полноценной замены глаза человека, пытаясь создать биомеханическое устройство. Также есть попытки вырастить этот орган из эмбриональных стволовых клеток или пересадить донорский.
Использованные источники
1.Большая медицинская энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: Шр://бмэ.орг (дата обращения 15.03.2017).
2.Новостной портал [Электронный ресурс] URL: http://22century.ru (дата обращения 15.03.2017).
3.Новостной портал [Электронный ресурс] URL: http://vesti.ru (дата обращения 15.03.2017).
4.Патентный поиск [Электронный ресурс] URL: http://findpatent.ru (дата обращения 15.03.2017).
5.Портал о здоровье [Электронный ресурс] URL: http://ru.likar.info (дата обращения 15.03.2017).
УДК 004.627
Афанасьев Г.И., к.тн.
доцент кафедры «Системы обработки информации и управления»
Московский государственный технический университет имени. Н.Э. Баумана
Россия, г. Москва Кайнов П.И. студент
факультет "Информатика и системы управления " Московский государственный технический университет
имени. Н.Э. Баумана Россия, г. Москва СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НАИБОЛЕЕ ПОПУЛЯРНЫХ ФОРМАТОВ ВИДЕОФАЙЛОВ Аннотация: В данной статье приведен результат аналитического исследования различия форматов тех видеофайлов, которые наиболее популярны у обычных пользователей. Определенно, то что каждый формат имеет свои достоинства и недостатки, связанные с используемым кодеком и контейнером, и используется в конкретных ситуациях.
Ключевые слова: кодек, медиаконтейнер, компрессия, формат, видеофайл, потоковое видео, битрейт, B-кадры
