Proteze vizuale bazate pe stimularea electrică a nervului optic

INTRODUCERE

Din păcate, există între 30 şi 50 milioane de cazuri de orbire în lumea întreagă şi un număr şi mai mare de persoane cu vederea afectată. Deşi deteriorarea retinei poate fi cauzată de leziuni (precum privitul în soare), degradarea treptată a maculei odată cu vârstă şi retinita pigmentară (RP) sunt principalele cauze ale orbirii. Prin urmare protezele vizuale bazate pe stimularea electrică a nervului optic oferă o viziune promiţătoare pentru nevăzători.

În prezent, sunt în curs de dezvoltare trei tipuri de principale de proteze vizuale: stimularea cortexului vizual folosind implanturi corticale, dispozitive retiniene implantate în subretina sau epiretina şi stimularea nervului optic. O serie de cercetători din principalele ţări dezvoltate au întreprins diferite acţiuni de cercetare în acest domeniu. Una stfel de exemplu este proiectul C-Sight care are ca scop dezvoltarea unui nou tip de proteză vizuală implantabila a cărei funcţionare se bazează pe stimularea nervului optic cu o matrice de microelectrozi penetranţi. Astfel, se obţine un grad relativ ridicat de rezoluţie spaţială şi temporală utilizând curenţi de stimulare de intensitate scăzută.

Grupul de cercetători implicaţi în proiect a investigat un dispozitiv alcătuit dintr-o microcameră implantabila, un procesor de informaţii portabil, un neurostimulator cu mai multe canale şi o serie de electrozi de stimulare. Realizând experimente pe şoareci aceştia au demonstrat faptul că prin stimularea electrică directă a nervului optic folosind un electrod penetrant poate fi excitat cortexul vizual, iar stimuli cu parametri diferiţi provoacă răspunsuri corticale distincte. De asemenea, s-a observat faptul că stimulând diferite zone ale nervului optic se obţin distribuţii de intensitate a activităţii cortexului vizual foarte diferite.

PRINCIPIU DE FUNCŢIONARE

În prima etapă, imaginile sunt capturate de o microcameră încapsulata într-un material biocompatibil şi implantată în camera anterioară a ochiului care se alimentează de la o celulă solară circulară fixată în fata irisului. Apoi, cu ajutorul unor algoritmi speciali de procesare a imaginii, implementaţi pe un procesor de informaţii, sunt extrase şi prelucrate caracteristicile cheie ale imaginilor. Informaţiile vizuale prelucrate sunt codificate în semnale specifice de stimulare spaţio-temporală ce vor fi transmise stimulatorului neuronal. Stimulatorul este integrat împreună cu procesorul într-un microcip care se alimentează de la o baterie reîncărcabilă prin unde de radiofrecvenţa. În final, impulsurile electrice sunt livrate direct de la stimulator la nivelul nervului optic printr-o matrice de microelectrozi, după care potenţialele de acţiune generate vor fi transportate la cortexul vizual, rezultând astfel o percepţie vizuală.

COMPONENTE

SISTEMUL DE CAPTARE A IMAGINII

Senzorul unei camere de supraveghere este componenta care preia informaţia luminoasă focalizată de obiectivul camerei şi o transformă în impulsuri electrice. În prezent există în lume două tipuri de dispozitive de achiziţie de imagine: senzorul CCD (charge coupled device) şi senzorul CMOS (complementary metal oxide semiconductor). Deşi camerele CCD prezintă un nivel mai scăzut de noise (zgomot), şi o sensibilitate luminoasă mai mare, CMOS-urile sunt mult mai potrivite pentru o proteză vizuală deorece prezintă o serie de caracteristici esenţială în această aplicaţie: cosum mult mai redus de energie (cam de 100 de ori mai mic), semnalul generat de senzorul CMOS este digital deci nu are nevoie de dispozitive ADC, pot fi integrate pe un microcip. În cadrul proiectului C-Sight a fost ales că fotosenzor al sistemului de achiziţie a imaginii un OV6650FS deoarece este cea mai mică cameră CMOS de pe piaţă, prezintă un consum relativ mic de energie, iar rezoluţia CIF (common intermediate format) a unei astfel de camere este suficientă pentru o proteză vizuală.

Fig.1 Prezentarea schematică a unei proteze vizuale bazată pe stimularea electrică a nervului optic

SISTEMUL DE PROCESARE A IMAGINII

Operaţia de procesare în timp real a imaginilor captate în cadrul unei proteze vizuale presupune aplicarea unor diferiţi algoritmi de prelucrare a imaginii (detecţia muchiilor, îmbunătăţirea imaginilor rezultate, micşorarea imaginii etc) lucru care face necesară utilizarea unei CPU de o performanata corespunzătoare pentru a putea fi satisfăcute nevoile impuse de complexitatea calculelor. Astfel, s-a utilizat un procesor digital de semnal (DSP) sub formă de cip de tipul TMS320DM642 în acest scop. Totuşi, datorită nivelului actual al tehnologiei, informaţiile capturate de cameră video nu pot fi livrate în toată complexitatea lor la creier folosind un număr limitat de electrozi de stimulare. Astfel că, se face necesară realizarea unei operaţii de extragere a informaţiilor primare: rezoluţie, tonuri de gri, contrast, margini, acestea fiind singurele care vor putea fi livrate prin interfaţa electrod-nerv.

Operaţia de procesare a imaginilor presupune, în viziunea celor de la C-Sight, parcurgerea a 3 etape: reducerea imaginii, extragerea informaţiilor primare şi rectificarea rezultatului.

Imaginile capturate de cameră video conţin circa 288x288 pixeli, însă înainte de a rula prelucrarea imaginii pe platforma DSP aceasta este micşorata până la 96x96 pixeli. Extragerea informaţiilor include detecţia marginilor şi selecţia prag în vederea binarizarii imaginii (rezultatul operaţiei de binarizare fiind o imagine care conţine doar două nivele de gri: alb şi negru). Rectificarea rezultatului presupune o serie de operaţii binare morfologice: dilatarea, eroziunea, scheletizarea. Se realizează două procese de dilatare pentru a îmbunătăţi imaginea, apoi se execută un proces de eroziunea care se axează pe efectul deprimant al noise-ului (zgomotului) şi conturului fals. Scheletizarea e foarte utilă la prelucrarea imaginilor în cuvinta. În final, imaginea rezultată conţine 32x32 pixeli sau mai puţin.