Искусственное зрение

1. Зрение: нормальное и ненормальное

1.1 Анализаторы

Анализаторы – это системы чувствительных нервных образований, воспринимающих и анализирующих различные внешние и внутренние раздражения. Под влиянием изменений условий окружающей среды в организме человека формируется информация о необходимости изменения организации жизненных процессов с целью предотвращения повреждения и гибели организма. Связь человека с окружающей средой осуществляется с помощью анализаторов, которые воспринимают и передают информацию в кору больших полушарий головного мозга (Рис. 1).

Анализатор состоит из рецептора, ведущих нервных путей  и мозгового окончания.

Рисунок 1. Различные анализаторы человеческого организма.

У человека выделяют следующие  рецепторы:

• зрительный
• слуховой
• тактильный
• болевой
• температурный
• обонятельный
• вкусовой. [1]

1.2 Строение зрительного анализатора

Зрительный анализатор состоит  из глазного яблока, строение которого схематично представлено на рис. 2, проводящих путей и зрительной коры головного мозга.

 

 

 

 

Рисунок 2. Строение глазного яблока.

Вокруг глаза расположены  три пары глазодвигательных мышц. Одна пара поворачивает глаз влево  и вправо, другая - вверх и вниз, а третья вращает его относительно оптической оси. Сами глазодвигательные  мышцы управляются сигналами, поступающими из мозга. Эти три пары мышц служат исполнительными органами, обеспечивающими  автоматическое слежение, благодаря  чему глаз может легко сопровождать взором всякий движущийся вблизи и  вдали объект (рис. 3). 

 

 

 

 

Рисунок 3. Глазное яблоко и глазодвигательные мышцы

Глаз, глазное яблоко имеет  почти шаровидную форму примерно 2,5 см в диаметре. Он состоит из нескольких оболочек, из них три - основные:

склера - внешняя оболочка,

сосудистая оболочка - средняя,

сетчатка - внутренняя. 

Склера имеет белый  цвет с молочным отливом, кроме передней ее части, которая прозрачна и  называется роговицей. Через роговицу свет поступает в глаз. Сосудистая оболочка, средний слой, содержит кровеносные  сосуды, по которым кровь поступает  для питания глаза. Прямо под  роговицей сосудистая оболочка переходит  в радужную оболочку, которая и  определяет цвет глаз. В центре ее находится  зрачок. Функция этой оболочки - ограничивать поступление света в глаз при  его высокой яркости. Это достигается  сужением зрачка при высокой освещенности и расширением - при низкой. За радужной оболочкой расположен хрусталик, похожий  на двояковыпуклую линзу, который улавливает свет, когда он проходит через зрачок и фокусирует его на сетчатке. Вокруг хрусталика сосудистая оболочка образует ресничное тело, в котором заложена мышца, регулирующая кривизну хрусталика, что обеспечивает ясное и четкое видение разноудаленных предметов. Достигается это следующим образом (рис.4). 

Рисунок.4.  Схематическое представление механизма аккомодации:   слева - фокусировка вдаль;   справа - фокусировка на близкие предметы.

Хрусталик в глазу "подвешен" на тонких радиальных нитях, которые  охватывают его круговым поясом. Наружные концы этих нитей прикрепляются  к ресничной мышце. Когда эта  мышца расслаблена (в случае фокусировки  взора на удаленном предмете), то кольцо, образуемое ее телом, имеет  большой диаметр, нити, держащие хрусталик, натянуты, и его кривизна, а следовательно и преломляющая сила, минимальна. Когда же ресничная мышца напрягается (при рассматривании близко расположенного объекта), ее кольцо сужается, нити расслабляются, и хрусталик становится более выпуклым и, следовательно, более сильно преломляющим. Это свойство хрусталика менять свою преломляющую силу, а вместе с этим и фокусную точку всего глаза, называется аккомодацией.  
    Лучи света фокусируются оптической системой глаза на особом рецепторном (воспринимающем) аппарате - сетчатой оболочке. Сетчатка глаза - передний край мозга, исключительно сложное как по своей структуре, так и по функциям образование. Главным слоем сетчатки является тонкий слой светочувствительных клеток - фоторецепторов. Они бывают двух видов: отвечающие на слабый засвет (палочки) и отвечающие на сильный засвет (колбочки). Палочек насчитывается около 130 миллионов, и они расположены по всей сетчатке, кроме самого центра. Благодаря им обнаруживаются предметы на периферии поля зрения, в том числе при низкой освещенности. Колбочек насчитывается около 7 миллионов. Они расположены главным образом в центральной зоне сетчатки, в так называемом "желтом пятне". Сетчатка здесь максимально утончается, отсутствуют все слои, кроме слоя колбочек. "Желтым пятном" человек видит лучше всего: вся световая информация, попадающая на эту область сетчатки, передается наиболее полно и без искажений. В этой области возможно лишь дневное, цветное зрение, при помощи которого воспринимаются цвета окружающего нас мира.

От каждой светочувствительной  клетки отходит нервное волокно, соединяющее рецепторы с центральной  нервной системой. При этом каждую колбочку соединяет свое отдельное  волокно, тогда как точно такое  же волокно "обслуживает" целую  группу палочек.

Под воздействием световых лучей в фоторецепторах происходит фотохимическая реакция (распад зрительных пигментов), в результате которой выделяется энергия (электрический потенциал), несущая зрительную информацию. Эта энергия в виде нервного возбуждения передается в другие слои сетчатки - на клетки-биполяры, а затем на ганглиозные клетки. При этом, благодаря сложным соединениям этих клеток, происходит удаление случайных "помех" в изображении, усиливаются слабые контрасты, острее воспринимаются движущиеся предметы. Нервные волокна со всей сетчатки собираются в зрительный нерв в особой области сетчатки - "слепом пятне". Оно расположено в том месте, где зрительный нерв выходит из глаза, и все, что попадает на эту область, исчезает из поля зрения человека. Зрительные нервы правой и левой стороны перекрещиваются, причем у человека и высших обезьян перекрещиваются лишь половина волокон каждого зрительного нерва. В конечном счете вся зрительная информация в кодированном виде передается в виде импульсов по волокнам зрительного нерва в головной мозг, его высшую инстанцию - кору, где и происходит формирование зрительного образа (рис. 5). [2]

Рисунок 5.  Схема строения зрительного анализатора:   1 - сетчатка,    2 - неперекрещенные волокна зрительного нерва,    3 - перекрещенные волокна зрительного нерва,    4 - зрительный тракт,    5 - наружнее коленчатое тело,    6 - radiatio optici,    7 - lobus opticus,

 

 

1.3 Нарушения зрения

Окружающий нас мир  мы видим ясно, когда все отделы зрительного анализатора "работают" гармонично и без помех. Для того, чтобы изображение было резким, сетчатка, очевидно, должна находиться в заднем фокусе оптической системы глаза. Различные  нарушения преломления световых лучей в оптической системе глаза, приводящие к расфокусировке изображения  на сетчатке, называются аномалиями рефракции (аметропиями). К ним относятся  близорукость (миопия), дальнозоркость (гиперметропия), возрастная дальнозоркость (пресбиопия) и астигматизм (рис. 6). 

Рисунок 6.  Ход лучей при различных видах клинической рефракции глаза.  a - эметропия (норма);   b - миопия (близорукость);   c - гиперметропия (дальнозоркость);   d - астигматизм.

1.3.1 Близорукость.

Близорукость (миопия) - большей частью наследственно обусловленное заболевание, когда в период интенсивной зрительной нагрузки (учебы в школе, институте) вследствие слабости цилиарной мышцы, нарушения кровообращения в глазу происходит растяжение плотной оболочки глазного яблока (склеры) в передне-заднем направлении. Глаз вместо шаровидной приобретает форму эллипсоида. Вследствие такого удлинения продольной оси глаза изображения предметов фокусируется не на самой сетчатке, а перед ней, и человек стремится все приблизить к глазам, пользуется очками с рассеивающими ("минусовыми") линзами для уменьшения преломляющей силы хрусталика. Близорукость неприятна не тем, что требует ношения очков, а тем, что при прогрессировании заболевания возникают дистрофические очаги в оболочках глаза, приводящие к необратимой, некорригируемой очками потере зрения. Чтобы этого не допустить, нужно соединить опыт и знания врача-окулиста с настойчивостью и волей пациента в вопросах рационального распределения зрительной нагрузки, периодического самоконтроля за состоянием своих зрительных функций.

1.3.2 Дальнозоркость.

Дальнозоркость. В отличие от близорукости, это не приобретенное, а врожденное состояние - особенность строения глазного яблока: это либо короткий глаз, либо глаз со слабой оптикой. Лучи при этом состоянии собираются за сетчаткой. Для того, чтобы такой глаз хорошо видел, перед ним нужно поместить собирающие - "плюсовые" очки. Это состояние может долго "скрываться" и проявиться в 20-30 лет и более позднем возрасте; все зависит от резервов глаза и степени дальнозоркости.  
    Правильный режим зрительного труда и систематические тренировки зрения позволят значительно отодвинуть срок проявления дальнозоркости и пользования очками. Пресбиопия (возрастная дальнозоркость). С возрастом сила аккомодации постепенно падает, за счет уменьшения эластичности хрусталика и цилиарной мышцы. Наступает состояние, когда мышца уже неспособна к максимальному сокращению, а хрусталик, потеряв эластичность, не может принять максимально шаровидную форму - в результате человек теряет возможность различать мелкие, близко расположенные предметы, стремится отодвинуть книгу или газету от глаз (чтобы облегчить работу цилиарных мышц). Для коррекции этого состояния назначаются очки для близи с "плюсовыми" стеклами. При систематическом соблюдении режима зрительного труда, активном занятии тренировкой глаз можно значительно отодвинуть время пользования очками для близи на многие годы.

1.3.3 Астигматизм .

Астигматизм - особый вид оптического строения глаза. Явление это врожденного или, большей частью приобретенного характера. Обусловлен астигматизм чаще всего неправильностью кривизны роговицы; передняя поверхность ее при астигматизме представляет собой не поверхность шара, где все радиусы равны, а отрезок вращающегося эллипсоида, где каждый радиус имеет свою длину. Поэтому каждый меридиан имеет особое преломление, отличающееся от рядом лежащего меридиана. Признаки болезни могут быть связаны с понижением зрения как вдаль, так и вблизь, снижением зрительной работоспособности, быстрой утомляемостью и болезненными ощущениями при работе на близком расстоянии.

1.3.4 Катаракта.

Катаракта - это помутнение (потемнение) хрусталика, которое приводит к нарушению зрения (Рис. 7). Для того, чтобы понять, что такое катаракта, следует знать, что хрусталик - это прозрачная, овальная структура с 3 слоями: ядро, кора, капсула. Можно сравнить с персиком. Ядро, или центр хрусталика, - это косточка персика. Кора - это мякоть, окружающая косточку, а капсула (эластичная оболочка хрусталика) - кожица персика. Хрусталик поддерживается внутри глаза крошечными связками, которые прикрепляются к капсуле хрусталика.

Рисунок 7. Как видит человек при нормальном зрении и при катаракте.

Лечение катаракты преимущественно хирургическое (замена на искусственный хрусталик). В начальной стадии катаракты используются глазные капли, улучшающие обмен веществ в хрусталике.

1.3.5 Диабетическая ретинопатия.

Диабетическая ретинопатия - поражение сосудов сетчатки при любом типе сахарного диабета. В сетчатке происходит закупорка и повышение проницаемости капилляров (очаги кровоизлияний), разрастание новых сосудов вместо закупоренных. (Рис. 8)

Рисунок 8. Как видит человек при нормальном зрении и диабетической ретинопатии.

Сахарный диабет называют одной  из “болезней цивилизации”. Каждые 12-15 лет число больных сахарным диабетом в мире удваивается.

Лечение глазных осложнений диабета  также преимущественно хирургическое: лазерная коагуляция, удаление стекловидного тела.

1.3.6 Глаукома.

Глаукома - заболевание, характеризующееся повышением внутриглазного давления из-за нарушения оттока водянистой влаги из глаза. Оно нарушает кровообращение в зрительном нерве, что приводит к выпадению полей зрения. (Рис. 9) Изредка бывает глаукома с нормальным внутриглазным давлением. В этом случае давление держится на верхней границе нормы, но кровообращение в зрительном нерве резко ухудшено и его функции нарушаются. Лечение консервативное и хирургическое.

Рисунок 9. Как видит человек при нормальном зрении и при глакуоме.

 

 

1.3.7 Дегенерация желтого пятна.

Дегенерация желтого  пятна проявляется постепенным ухудшением состояния клеток в желтом пятне (область возле центра сетчатки), которое затрагивает центральное зрение. Болезнь поражает центральное зрение и делает невозможным чтение и выполнение операций, требующих четкого зрения. (Рис. 10) Это самая частая причина потери зрения у людей старше 60 лет (каждый третий в возрасте 75 лет).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 10. Как видит человек при нормальном зрении и при дегенерации желтого пятна.

Лечение консервативное (антиоксиданты, витамины С, Е, черника, каротиноиды) и хирургическое (лазерная коагуляция).

1.3.8 Пигментный ретинит.

Пигментный ретинит (пигментная дегенерация сетчатки) - группа наследственных заболеваний человека, характеризующаяся разрушением палочек (в первую очередь) и колбочек в сетчатке. (Рис. 11) Слово “ретинит” неправильное, так как воспаления в сетчатке нет. Есть дегенерация.

Рисунок 11. Как видит человек при нормальном зрении и при пигментном ретините.

Палочки находятся большей  частью на периферии сетчатки, поэтому  больше страдает периферическое зрение.

1.3.9 Синдром Чарлза Боннета.

Синдром Чарлза Боннета - термин, используемый для описания случаев, когда люди с нарушением зрения начинают видеть вещи, которых, как им известно, нет в реальности. Бывает различных видов, от простых линий до подробной картины людей или зданий. Причина синдрома в том, что мозг конструирует изображение, основываясь на получаемой от глаз информации. (Рис. 12) Если зрение плохое, мозг “придумывает” недостающие детали. Через 12-18 месяцев после появления зрительные галлюцинации обычно пропадают.

Рисунок 12. Как видит человек при нормальном зрении и при синдроме Чарлза Боннета.

Больные СЧБ осознают нереальность картины, в то время как психически больные люди придумают сложные объяснения и постараются убедить вас, что виденное ими является реальностью.

Впервые описан швейцарским философом  Чарлзом Боннетом в 1760 году, который  отмечал, что его почти полностью  слепой дедушка видел фигуры, птиц и зданий, которых не было. Синдром возникает у людей с серьезной потерей зрения, причем у тех, которые раньше нормально видели. Чаще возникает после периода ухудшения зрения.[3]

 

2.Искусственное зрение

2.1 Проект Bionic Vision Australia