دید مصنوعی: افراد با چشم مصنوعی چگونه می‌بینند؟

پروتزهای دیداری یا “چشم بیونیک” وعدۀ ایجاد دید مصنوعی برای افراد مبتلا به نقص بینایی که قبلا می‌دیدند، داده است. این دستگاه‌ها شامل میکروالکترودها است که با جراحی در داخل یا کنار چشم در امتداد عصب اپتیک (که ایمپالس‌ها را از چشم به مغز منتقل می‌کند) یا مغز قرار می‌گیرند. میکروالکترودها بخش‌هایی از سیستم بینایی را که همچنان دارای عملکرد اند در فردی که دید خود را از دست داده است، تحریک می‌کنند. آن‌ها این کار را با پالس‌های الکتریکی کوچک مشابه آنچه در گوش بیونیک یا ایمپلنت حلزون گوش استفاده می‌شود، انجام می‌دهند.

تحریک الکتریکی نورون‌های باقی مانده باعث می‌شود فرد لکه‌های کوچک نور را که فسفن (phosphene) نامیده می‌شوند، ببیند. فسفن پدیده‌ای است که در آن تجربۀ دیدن نور بدون ورود نور به چشم صورت می‌گیرد؛ مانند مشاهدۀ رنگ زمانی‌که چشم خود را می‌بندیم. این فسفن‌ها در افراد با چشم بیونیک (مصنوعی) برای طراحی صحنۀ دیداری استفاده می‌شود. بنابراین، دید حاصل از چشم مصنوعی، دید طبیعی نیست؛ مجموعه‌ای از لکه‌های نور و اشکال که فرد برای تفسیر محیط اطراف خود استفاده می‌کند.

در حال حاضر، بینایی حاصل از چشم مصنوعی بسیار اساسی و پایه‌ای است و می‌توان برای کارهایی مانند شناسایی مکان شی، تشخیص شخص ویا پیدا کردن راه استفاده شود. محققان امیدوارند دستگاه چشم‌ مصنوعی‌ در آینده، دید با رزولوشن‌های (دقت) بالا فراهم کنند.

مقالۀ مرتبط: چشم مصنوعی

چشم بیونیک (مصنوعی) چگونه کار می‌کند؟

چشم مصنوعی تصویر را از دوربین ویدئویی (تصویر پایین سمت چپ) به حالت کنتراست بالا (تصویر میانی) تبدیل می‌کند که بخشی از آن برای پردازش بیشتر انتخاب می‌شود. سایۀ آبی رنگ در تصویر، مربوط به کاهش میدان دید در چشم مصنوعی نمونه است. سپس، پردازندۀ ویدئوی خارجی این تصویر با کنتراست بالا را به پارامترهای تحریک الکتریکی تبدیل می‌کند که به الکترودهای جای گذاری شده در چشم منتقل می‌شوند. استفاده کنندۀ چشم مصنوعی تصویر تاری را که شامل لکه‌های نور است (تصویر سمت راست)، دریافت می‌کند.

استفاده کنندگان چشم مصنوعی در حقیقت چه می‌بینند؟

ما از تجربه‌های بیماران خود می‌دانیم که فعالیت‌های الکترودها مانند لکه‌های درخشان به جای درک‌های ثابت و یکنواخت دیده می‌شوند. بنابراین، جهان مجموعه‌ای از لکه‌های نور است که برای تشکیل شکل پایه مانند طول و عرض کنار هم مرتب شده‌اند و موقعیت تقریبی شی را در مقابل دوربین نشان می‌دهد. گفتۀ استفاده کنندگان دیگر این چنین بود:

مانند نگاه به آسمان شب جایی که میلیون‌ها نور براق وجود دارد که شبیه بی‌نظمی کاملی هستند.

استفاده کنندگان برای تفسیر تصاویر دوربین به این نورهای نامنظم نیاز دارند. میدان دید (گسترۀ جهان قابل مشاهده) کوچک است -حدود ۳۰ درجه- بنابراین، استفاده کنندگان نیاز به حافظۀ خوبی برای قرار دادن کل تصاویر کنار همدیگر دارند.
ارتقاء پردازش تصاویر و ویدئوی خارجی می‌تواند اینجا کمک کننده باشد. به عنوان مثال، دوربین‌های سنجش از راه دور موانعی مانند سطل زباله کنار پیاده‌رو را مشخص‌تر نشان می‌دهد ویا دوربین‌های حرارتی اشکال انسانی را برجسته می‌کند. در حال حاضر، بهترین نتایج به شدت به شغل و توان‌بخشی بیمار بستگی دارد.

چه کسی از چشم مصنوعی استفاده می‌کند؟

نوع چشم مصنوعی که ممکن است گزینه‌ای برای بیمار باشد، به علت از دست دادن بینایی بستگی دارد. چشم مصنوعی شبکیه‌ای در داخل کرۀ چشم قرار می‌گیرد و فقط برای افرادی مناسب است که بینایی خود را به دلیل بیماری‌های خاص از دست داده باشند، مانند نوع ارثی دژنره شدن شبکیه که با نام رتینیتیس پیگمنتوسا (از بین رفتن تدریجی شبکیه) شناخته می‌شود و دژنره شدن ماکولا که مرتبط با سن است.

تا به امروز، فقط مبتلایان بیماری دژنراتیو شبکیه توانسته‌اند چشم مصنوعی را دریافت کنند. سه چشم بیونیک شبکیه‌ای برای فروش تجاری تایید شده‌اند: Argus II در ایالات متحدۀ آمریکا، Alpha-AMS در آلمان و IRIS V2 در فرانسه توسعه یافته‌اند.

ما در سال ۲۰۱۲ تا ۲۰۱۴ با استفاده از دستگاهی جدید در ملبورن استرالیا کارآزمایی بالینی را با سه نفر انجام دادیم. این دستگاه ممکن است عمل جراحی ایمن‌تری نسبت به جای‌گذاری چشم مصنوعی در پشت چشم به جای داخل چشم باشد.
قبل عمل جراحی، بیماران ملبورنی قادر به دیدن حرکت دست در جلوی صورت خود نبودند. با ایمپلنت چشم مصنوعی توانستند مکان اشیا را تعیین کنند. این‌ها نشان می‌دهند ایمپلنت، اطلاعات دیداری مفیدی را از دنیای واقعی ارائه می‌دهد.
ما در حال آماده شدن برای آزمایش نسل دوم ایمپلنت در سال آینده هستیم. این‌ها همه ایمپلنت شبکیه‌ای هستند که فقط برای افراد مبتلا به رتینیتیس پیگمنتوسا (retinitis pigmentosa) استفاده می‌شود.

ایمپلنت‌هایی که بر روی عصب اپتیک (بینایی) ویا مستقیما در مغز قرار می‌گیرند، می‌توانند مزایایی را برای افرادی که دارای طیف گسترده‌ای از حالات مانند تروما و گلوکوما هستند، فراهم کنند. دستگاه‌های برای این شرایط خاص در مرحلۀ تحقیق هستند و انتظار می‌رود در آیندۀ نزدیک وارد کارآزمایی‌های بالینی انسانی شوند.

کیفیت دید ایمپلنت‌های شبکیه‌ای به شدت به سالمی چشم باقی ماندۀ بیمار و توانایی تفسیر فسفن‌های ایجاد شده بستگی دارد. هدف الکترودهای جای‌گذاری شده، برگرداندن و تکرار عملکرد سلول‌های حساس به نور از دست رفته (فوتورسپتورها) است. اما باید نورون‌های باقی ماندۀ زنده وجود داشته باشند تا الکترودها با آن‌ها ارتباط برقرار کنند.
یکی دیگر از عوامل پیچیده این است که انواع زیادی از نورون‌ها در شبکیه وجود دارند، اما الکترودها برای انتخاب نوع خاصی از آن‌ها بسیار بزرگ هستند. به همین دلیل، چشم مصنوعی نمی‌تواند عمل حس رنگ‌ها را انجام دهد. در واقع، دید مصنوعی بسیار متفاوت از دید طبیعی است و زیاد طول می‌کشد تا مورد استفاده قرار گیرد.

مقالۀ مرتبط: شبکیه مصنوعی: هدیه بینایی به میلیون‌ها نفر

آیا کیفیت تصویر می‌تواند بهبود یابد؟

در حال حاضر، چندین روش برای بهبود کیفیت تصویر وجود دارد. یکی از این روش‌ها افزایش تعداد میکروالکترودهای جای‌گذاری شده و کوچک‌تر کردن آن‌هاست تا بتوانند نورون‌های انتخابی را برای پیکسل‌های مستقل و رزولوشن بیشتر مورد هدف قرار دهند. مواد جدیدی در زمینۀ نانوتکنولوژی وجود دارد که ممکن می‌سازد تا الکترودها به اندازۀ کافی کوچک باشند و بتوان رزولوشن‌های بالایی تولید کرد.
روش دیگر بهبود الگوی تحریک الکتریکی برای بهتر کردن دقت تحریک برای فعال شدن دستۀ کوچکی از نورون‌هاست. همچنین می‌توانیم به‌طور مصنوعی با ایجاد الکترودهای مجازی در محل جریان الکتریکی بین دو الکترود یا بیشتر، رزولوشن را افزایش داد. این روش جدید تحریک می‌تواند ثبات را بهبود بخشد، تاری را کاهش دهد و حدالامکان کنترل ابتدایی رنگ‌ها را فراهم کند.

در نهایت، محققان به دنبال درک و تقلید برنامه‌ای عصبی هستند که شبکیه با استفاده از آن با مغز ارتباط برقرار می‌کند. اگر الگوی شلیکی فوتورسپتورها تکرار شود، پیام درستی به مغز منتقل شده و نتیجۀ دید به‌طور چشمگیری طبیعی‌تر می‌شود.

با ترکیب این تکنیک‌ها، سطح بینایی به دست آمده به بیماران امکان می‌دهد تا به‌طور مستقل اطراف خود را بدون استفاده از سگ راهنما ویا عصا ردیابی کنند. امکان این وجود دارد که بتوانیم همۀ اشیا حتی احساسات موجود در چهرۀ افراد را تشخیص دهیم. اینکه در نهایت کدام روش شدنی و امکان پذیر است، تنها زمان مشخص خواهد کرد. آنچه مشخص می‌باشد این است که با گذر زمان چشم مصنوعی بهتر خواهد شد.