Proteza wzroku - Visual prosthesis

Wizualny protezy , często określanych jako bionicznym oka jest eksperymentalnym sprzęcie optycznym celu przywrócenie widzenia funkcjonalnego u osób cierpiących z częściowej lub całkowitej utraty wzroku . Opracowano wiele urządzeń, zwykle wzorowanych na implancie ślimakowym lub bionicznych urządzeniach do ucha, rodzaju protez nerwowych używanych od połowy lat 80. XX wieku. Pomysł wykorzystania prądu elektrycznego (np. elektrycznej stymulacji siatkówki lub kory wzrokowej ) do zapewnienia wzroku sięga XVIII wieku, omówiony przez Benjamina Franklina , Tiberiusa Cavallo i Charlesa LeRoya.

Względy biologiczne

Możliwość nadania wzroku osobie niewidomej za pomocą bionicznego oka zależy od okoliczności związanych z utratą wzroku. W przypadku protez siatkówki, które są najczęściej opracowywanymi protezami wzroku (m.in. ze względu na łatwy dostęp do siatkówki), najlepsi są pacjenci z utratą wzroku spowodowaną degeneracją fotoreceptorów ( retinopatia barwnikowa , naczyniówki , zanik geograficzny, zwyrodnienie plamki żółtej). kandydat do leczenia. Kandydaci na wizualne implanty protetyczne uważają, że procedura jest najskuteczniejsza, jeśli nerw wzrokowy został rozwinięty przed początkiem ślepoty. Osobom urodzonym ze ślepotą może brakować w pełni rozwiniętego nerwu wzrokowego , który zazwyczaj rozwija się przed urodzeniem, chociaż neuroplastyczność umożliwia rozwój nerwu i wzroku po implantacji.

Rozważania technologiczne

Protetyka wzroku jest opracowywana jako potencjalnie cenna pomoc dla osób z degradacją wzroku . Tylko trzy wizualne urządzenia protetyczne otrzymały dopuszczenie do obrotu w UE. Argus II, opracowany wspólnie z University of Southern California (USC) Eye Institute i wyprodukowany przez Second Sight Medical Products Inc., był pierwszym urządzeniem, które otrzymało pozwolenie na dopuszczenie do obrotu (znak CE w Europie w 2011 r.). Większość innych wysiłków ma charakter dochodzeniowy; Alpha IMS firmy Retina Implant AG zdobył w lipcu 2013 r. znak CE i oznacza znaczną poprawę rozdzielczości. Nie jest jednak zatwierdzony przez FDA w USA.

Trwające projekty

Proteza siatkówki Argus

Mark Humayun, który dołączył do wydziału Keck School of Medicine Departamentu Okulistyki USC w 2001 roku; Eugene Dejuan, obecnie na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco ; inżynier Howard D. Phillips; inżynier bioelektronik Wentai Liu, obecnie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles ; a Robert Greenberg, obecnie pracujący w Second Sight, byli pierwotnymi wynalazcami aktywnej protezy siatkówkowej i wykazali dowód słuszności zasad w ostrych badaniach pacjentów na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa na początku lat 90-tych. Pod koniec lat 90. firma Second Sight została założona przez Greenberga wraz z przedsiębiorcą urządzeń medycznych Alfredem E. Mannem. Ich implant pierwszej generacji miał 16 elektrod i został wszczepiony sześciu pacjentom przez Humayuna z Uniwersytetu Południowej Kalifornii w latach 2002-2004. W 2007 roku firma rozpoczęła testy swojego 60-elektrodowego implantu drugiej generacji, nazwanego Argus II, w Stanach Zjednoczonych i Europie. W sumie w badaniach w 10 ośrodkach w czterech krajach wzięło udział 30 osób. Wiosną 2011 roku, na podstawie wyników badania klinicznego opublikowanego w 2012 roku, Argus II został dopuszczony do użytku komercyjnego w Europie, a firma Second Sight wprowadziła go na rynek jeszcze w tym samym roku. Argus II został zatwierdzony przez amerykańską FDA w dniu 14 lutego 2013 r. Trzy amerykańskie rządowe agencje finansujące (National Eye Institute, Department of Energy i National Science Foundation) wsparły prace w Second Sight, USC, UCSC, Caltech i innych laboratoria badawcze.

Proteza wzroku oparta na mikrosystemie (MIVP)

Zaprojektowana przez Claude'a Veraarta z Uniwersytetu w Louvain , jest to spiralna elektroda mankietowa wokół nerwu wzrokowego z tyłu oka. Jest on połączony ze stymulatorem wszczepionym w niewielkie zagłębienie w czaszce. Stymulator odbiera sygnały z zewnętrznej kamery, które są tłumaczone na sygnały elektryczne bezpośrednio stymulujące nerw wzrokowy.

Wszczepiany miniaturowy teleskop

Chociaż nie jest to naprawdę aktywna proteza, wszczepialny miniaturowy teleskop jest jednym z rodzajów implantów wizualnych, który odniósł pewien sukces w leczeniu schyłkowego zwyrodnienia plamki żółtego związanego z wiekiem . Tego typu urządzenie jest wszczepiane do oka „s tylnej komory i działa przez zwiększenie (około trzy razy) rozmiar obrazu, rzutowany na siatkówkę, w celu przezwyciężenia centralnie umieszczony scotoma lub martwego punktu.

Stworzony przez VisionCare Ophthalmic Technologies w połączeniu z programem leczenia CentraSight, teleskop ma wielkość ziarnka grochu i jest wszczepiany za tęczówką jednego oka. Obrazy są rzutowane na zdrowe obszary centralnej siatkówki, poza zdegenerowaną plamką żółtą , i są powiększane w celu zmniejszenia wpływu martwego punktu na widzenie centralne. Powiększenie 2,2x lub 2,7x umożliwia zobaczenie lub rozróżnienie obiektu widzenia centralnego, podczas gdy drugie oko jest używane do widzenia peryferyjnego, ponieważ oko z implantem będzie miało ograniczone widzenie peryferyjne jako efekt uboczny. W przeciwieństwie do teleskopu, który byłby ręczny, implant porusza się wraz z okiem, co jest główną zaletą. Pacjenci korzystający z urządzenia mogą jednak nadal potrzebować okularów do optymalnego widzenia i do pracy z bliska. Przed zabiegiem pacjenci powinni najpierw wypróbować teleskop ręczny, aby sprawdzić, czy skorzystają na powiększeniu obrazu. Jedną z głównych wad jest to, że nie można jej używać u pacjentów, którzy przeszli operację zaćmy, ponieważ soczewka wewnątrzgałkowa utrudniałaby wprowadzenie teleskopu. Do wstawienia wymaga również dużego nacięcia w rogówce .

Przegląd systematyczny Cochrane mający na celu ocenę skuteczności i bezpieczeństwa wszczepialnego miniaturowego teleskopu dla pacjentów z późnym lub zaawansowanym zwyrodnieniem plamki związanym z wiekiem, wykazał tylko jedno trwające badanie oceniające teleskop wewnątrzgałkowy OriLens, którego wyniki spodziewane są w 2020 roku.

Tybinga MPDA Projekt Alpha IMS

Zespół z południowych Niemiec kierowany przez Uniwersytecki Szpital Okulistyczny w Tybindze został utworzony w 1995 roku przez Eberharta Zrennera w celu opracowania protezy podsiatkówkowej. Chip znajduje się za siatkówką i wykorzystuje matryce mikrofotodiod (MPDA), które zbierają padające światło i przekształcają je w prąd elektryczny stymulujący komórki zwojowe siatkówki . Ponieważ naturalne fotoreceptory są znacznie bardziej wydajne niż fotodiody , światło widzialne nie jest wystarczająco silne, aby stymulować MPDA. Dlatego do wzmocnienia prądu stymulacji stosuje się zewnętrzny zasilacz. Niemiecki zespół rozpoczął eksperymenty in vivo w 2000 roku, kiedy mierzono wywołane potencjały korowe u mikroświnek i królików z Jukatanu. Po 14 miesiącach od implantacji zbadano implant i otaczającą go siatkówkę i nie stwierdzono zauważalnych zmian w integralności anatomicznej. Implanty z powodzeniem wytworzyły wywołane potencjały korowe u połowy badanych zwierząt. Progi zidentyfikowane w tym badaniu były podobne do tych wymaganych w stymulacji epiretinalnej. Późniejsze doniesienia z tej grupy dotyczą wyników pilotażowego badania klinicznego na 11 uczestnikach cierpiących na barwnikowe zwyrodnienie siatkówki . Niektórzy niewidomi potrafili czytać litery, rozpoznawać nieznane przedmioty, lokalizować talerz, kubek i sztućce. Stwierdzono, że dwoje pacjentów wykonuje mikrosakady podobne do tych u zdrowych uczestników grupy kontrolnej, a właściwości ruchów gałek ocznych zależały od bodźców, które oglądali pacjenci, co sugeruje, że ruchy gałek ocznych mogą być przydatnymi miarami oceny wzroku przywróconego przez implanty. Wieloośrodkowe badanie rozpoczęło się w 2010 roku, przy użyciu w pełni wszczepialnego urządzenia z 1500 elektrodami Alpha IMS (wyprodukowanego przez Retina Implant AG, Reutlingen, Niemcy), z udziałem 10 pacjentów; wstępne wyniki zostały zaprezentowane na ARVO 2011. Pierwsze implantacje w Wielkiej Brytanii miały miejsce w marcu 2012 i były prowadzone przez Roberta MacLarena z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Tima Jacksona w King's College Hospital w Londynie. David Wong wszczepił również urządzenie z Tybingi pacjentowi w Hongkongu .

W dniu 19 marca 2019 r. firma Retina Implant AG zaprzestała działalności, powołując się na nieprzyjazny dla innowacji klimat sztywnych europejskich przepisów i niezadowalające wyniki u pacjentów.

Implant siatkówki Harvard/MIT

Joseph Rizzo i John Wyatt z Massachusetts Eye and Ear Infirmary i MIT rozpoczęli badania wykonalności protezy siatkówki w 1989 roku i przeprowadzili szereg prób stymulacji epiretinalnej na ślepo u niewidomych ochotników w latach 1998-2000. stymulator podsiatkówkowy, układ elektrod, który jest umieszczony pod siatkówką w przestrzeni podsiatkówkowej i odbiera sygnały obrazu przesyłane z kamery zamontowanej na okularach. Chip stymulatorowy dekoduje informacje o obrazie przesyłane z kamery i odpowiednio stymuluje komórki zwojowe siatkówki. Ich proteza drugiej generacji zbiera dane i przesyła je do implantu za pomocą pól o częstotliwości radiowej z cewek nadajników zamontowanych na okularach. Wokół tęczówki przyszyta jest wtórna cewka odbiorcza.

Sztuczna siatkówka krzemowa (ASR)

Bracia Alan Chow i Vincent Chow opracowali mikroczip zawierający 3500 fotodiod, które wykrywają światło i przekształcają je w impulsy elektryczne, które stymulują zdrowe komórki zwojowe siatkówki . ASR nie wymaga żadnych zewnętrznie noszonych urządzeń.

Pierwotny Optobionics Corp. zaprzestał działalności, ale Chow nabył nazwę Optobionics, implanty ASR i planuje reorganizację nowej firmy pod tą samą nazwą. Mikrochip ASR to chip krzemowy o średnicy 2 mm (taka sama koncepcja jak chipy komputerowe) zawierający około 5000 mikroskopijnych ogniw słonecznych zwanych „mikrofotodiodami”, z których każde ma własną elektrodę stymulującą.

Fotowoltaiczna proteza siatkówki (PRIMA)

Daniel Palanker i jego grupa na Uniwersytecie Stanforda opracowali fotowoltaiczną protezę siatkówki, która zawiera podsiatkówkową matrycę fotodiod i system projekcji obrazu w podczerwieni zamontowany na goglach wideo. Obrazy rejestrowane przez kamerę wideo są przetwarzane w kieszonkowym komputerze PC i wyświetlane na goglach wideo przy użyciu pulsującego światła bliskiej podczerwieni (IR, 880–915 nm). Obrazy te są rzutowane na siatkówkę za pomocą naturalnej optyki oka, a fotodiody w implancie podsiatkówkowym przekształcają światło w impulsowy dwufazowy prąd elektryczny w każdym pikselu. Prąd elektryczny przepływający przez tkankę między elektrodą aktywną a elektrodą powrotną w każdym pikselu stymuluje pobliskie neurony wewnętrzne siatkówki, głównie komórki dwubiegunowe, które przekazują odpowiedzi pobudzające do komórek zwojowych siatkówki. Ta technologia jest komercjalizowana przez Pixium Vision ( PRIMA ) i jest oceniana w badaniu klinicznym (2018). Podążając za tym dowodem koncepcji, grupa Palanker koncentruje się teraz na opracowywaniu pikseli mniejszych niż 50 μm przy użyciu elektrod 3D i wykorzystaniu efektu migracji siatkówki do pustych przestrzeni w implancie podsiatkówkowym.

Technologie widzenia bionicznego (BVT)

Bionic Vision Technologies (BVT) to firma, która przejęła prawa do badań i komercjalizacji Bionic Vision Australia (BVA). BVA było konsorcjum kilku wiodących australijskich uniwersytetów i instytutów badawczych, a finansowane przez Australijską Radę ds. Badań od 2010 r., zaprzestało działalności 31 grudnia 2016 r. W skład konsorcjum weszli: Bionics Institute , UNSW Sydney , Data 61 CSRIO , Center dla Eye Research Australia (CERA) oraz The University of Melbourne . Było też znacznie więcej partnerów. Australijski rząd federalny przyznał firmie Bionic Vision Australia grant ARC w wysokości 42 milionów dolarów na opracowanie technologii widzenia bionicznego.

Podczas gdy konsorcjum BVA wciąż było razem, zespołem kierował profesor Anthony Burkitt, który opracowywał dwie protezy siatkówki. Jedno znane jako urządzenie The Wide-View, które łączyło nowatorskie technologie z materiałami, które z powodzeniem zastosowano w innych implantach klinicznych. Podejście to obejmowało mikrochip z 98 elektrodami stymulującymi i miało na celu zapewnienie pacjentom większej mobilności, aby pomóc im bezpiecznie poruszać się w ich otoczeniu. Implant ten zostałby umieszczony w przestrzeni nadnaczyniówkowej. Naukowcy spodziewali się, że pierwsze testy na pacjentach rozpoczną się z tym urządzeniem w 2013 roku, obecnie nie wiadomo, czy przeprowadzono pełne próby, ale co najmniej jednej kobiecie o imieniu Dianne Ashworth wszczepiono urządzenie i była w stanie odczytać litery i cyfry za jego pomocą. później napisała książkę zatytułowaną „Szpieguję moim Bionic Eye”, o swoim życiu, utracie wzroku i byciu pierwszą osobą, której wszczepiono urządzenie BVA, Bionic Eye.

Firma BVA równolegle opracowywała również urządzenie High-Acuity, w którym zastosowano szereg nowych technologii, aby połączyć mikrochip i implant z 1024 elektrodami. Urządzenie miało na celu zapewnienie funkcjonalnego widzenia centralnego, aby pomóc w takich zadaniach, jak rozpoznawanie twarzy i czytanie dużego druku. Ten implant o wysokiej ostrości byłby wszczepiany przez siatkówkę. Testy na pacjentach zaplanowano dla tego urządzenia w 2014 roku, po zakończeniu badań przedklinicznych, nie wiadomo, czy takie próby kiedykolwiek miały miejsce.

Jako pierwsi w badaniach mieli uczestniczyć pacjenci z barwnikowym zwyrodnieniem siatkówki , a następnie zwyrodnienie plamki żółtej związane z wiekiem. Każdy prototyp składał się z kamery przymocowanej do pary okularów, która wysyłała sygnał do wszczepionego mikroczipa, gdzie został on przekształcony w impulsy elektryczne w celu stymulacji pozostałych zdrowych neuronów w siatkówce. Informacje te były następnie przekazywane do nerwu wzrokowego i ośrodków przetwarzania wzroku w mózgu.

2 stycznia 2019 r. firma BVT opublikowała pozytywne wyniki serii prób na czterech Australijczykach przy użyciu nowej wersji urządzenia. Starsze wersje urządzenia zostały zaprojektowane tylko do tymczasowego użytkowania, ale nowy projekt pozwolił na ciągłe używanie technologii, a po raz pierwszy poza laboratorium, nawet na zabranie jej do domu. Więcej implantów ma być wprowadzonych przez cały 2019 rok.

Zgodnie z arkuszami informacyjnymi z marca 2019 r. na stronie internetowej BVT oczekują, że urządzenie uzyska akceptację rynkową za 3 do 5 lat.

Oko Dobelle

Podobny w działaniu do urządzenia Harvard/MIT, z wyjątkiem tego, że chip stymulatora znajduje się w pierwotnej korze wzrokowej , a nie na siatkówce. Wiele osób zostało wszczepionych z wysokim wskaźnikiem powodzenia i ograniczonymi negatywnymi skutkami. Jeszcze w fazie rozwojowej, po śmierci Dobelle, odrzucono sprzedaż oka dla zysku na rzecz przekazania go zespołowi badawczemu finansowanemu ze środków publicznych.

Wewnątrzkorowa proteza wzroku

Laboratorium Protetyki Neuronowej w Illinois Institute of Technology (IIT) w Chicago opracowuje protezę wizualną przy użyciu wewnątrzkorowych macierzy elektrod. Chociaż zasadniczo jest podobny do systemu Dobelle, zastosowanie elektrod wewnątrzkorowych pozwala na znacznie większą rozdzielczość przestrzenną sygnałów stymulacji (więcej elektrod na jednostkę powierzchni). Ponadto opracowywany jest bezprzewodowy system telemetrii, aby wyeliminować potrzebę stosowania przewodów przezczaszkowych. Macierze elektrod pokrytych aktywowaną warstwą tlenku irydu (AIROF) zostaną wszczepione do kory wzrokowej, zlokalizowanej na płacie potylicznym mózgu. Zewnętrzny sprzęt będzie przechwytywał obrazy, przetwarzał je i generował instrukcje, które następnie zostaną przesłane do wszczepionych obwodów za pośrednictwem łącza telemetrycznego. Obwód odszyfruje instrukcje i pobudzi elektrody, stymulując z kolei korę wzrokową. Grupa opracowuje nadający się do noszenia zewnętrzny system przechwytywania i przetwarzania obrazu, który będzie towarzyszył wszczepionym obwodom. Prowadzone są badania na zwierzętach i badania psychofizyczne na ludziach w celu sprawdzenia wykonalności implantu ludzkiego ochotnika.

Stephen Macknik i Susana Martinez-Conde z SUNY Downstate Medical Center opracowują również wewnątrzkorową protezę wizualną o nazwie OBServe. Planowany system będzie wykorzystywał matrycę LED, kamerę wideo, optogenetykę, transfekcję wirusów związanych z adenowirusami i śledzenie ruchu gałek ocznych. Komponenty są obecnie opracowywane i testowane na zwierzętach.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki