История:
Ферстер был первым, кто обнаружил, что электрическую стимуляцию затылочной коры головного мозга можно использовать для создания визуальных восприятий, фосфенов. Первое применение имплантируемого стимулятора для восстановления зрения было разработано докторами Бриндли и Левином в 1968 году. Этот эксперимент продемонстрировал жизнеспособность создания визуальных восприятий с использованием прямой электрической стимуляции, и это послужило толчком к разработке нескольких других имплантируемых устройств для стимуляции зрительного тракта, включая имплантаты сетчатки. Устройства для стимуляции сетчатки, в частности, стали предметом исследований, поскольку примерно половина всех случаев слепоты вызвана повреждением сетчатки. Разработка имплантатов сетчатки также была частично мотивирована продвижением и успехом кохлеарных имплантатов, которые продемонстрировали, что люди могут восстановить значительную сенсорную функцию при ограниченном вводе.
Имплантат сетчатки Argus II, производимый компанией Second Sight Medical Products, получил одобрение рынка в США в феврале 2013 года и в Европе в феврале 2011 года, став первым одобренным имплантатом.
Устройство может помочь взрослым с РП, которые потеряли способность воспринимать формы и движения, быть более мобильными и выполнять повседневные действия. Эпиретинальное устройство известно как имплантат сетчатки и первоначально было разработано в Германии Retina Implant AG. Он прошел многоцентровое клиническое испытание в Европе и в 2013 году был удостоен знака CE, что делает его первым беспроводным эпиретинальным электронным устройством, получившим одобрение.
Кандидаты:
Оптимальными кандидатами на имплантацию сетчатки являются заболевания сетчатки, такие как пигментный ретинит или возрастная макулярная дегенерация. Эти заболевания вызывают слепоту, поражая фоторецепторные клетки во внешнем слое сетчатки, оставляя при этом внутренний и средний слои сетчатки неповрежденными. Как минимум, у пациента должен быть неповрежденный слой ганглиозных клеток, чтобы быть кандидатом на имплантацию сетчатки. Это можно оценить неинвазивно с помощью оптической когерентной томографии (ОКТ). Другие факторы, включая степень остаточного зрения, общее состояние здоровья и приверженность семьи реабилитации, также учитываются при определении кандидатов на имплантацию сетчатки. У субъектов с возрастной макулярной дегенерацией, у которых может сохраняться периферическое зрение, имплантация сетчатки может привести к гибридной форме зрения. В этом случае имплантат дополнял бы оставшееся периферическое зрение информацией о центральном зрении.
Типы:
Существует два основных типа имплантантов сетчатки по расположению. Эпиретинальные имплантаты размещаются на внутренней поверхности сетчатки, в то время как субретинальные имплантаты размещаются между наружным слоем сетчатки и пигментным эпителием сетчатки.
Эпиретинальные имплантаты.
Принципы проектирования.
Эпиретинальные имплантаты размещаются поверх поверхности сетчатки, над слоем нервных волокон, непосредственно стимулируя ганглиозные клетки и минуя все остальные слои сетчатки. Массив электродов закрепляется на сетчатке с помощью микроштексов, которые проникают в склеру. Как правило, внешняя видеокамера на очках получает изображения и передает обработанную видеоинформацию на стимулирующие электроды посредством беспроводной телеметрии. Также требуется внешний передатчик для подачи питания на имплантат с помощью радиочастотных индукционных катушек или инфракрасных лазеров. Обработка изображений в режиме реального времени включает уменьшение разрешения, повышение контрастности, обнаружение краев изображения и преобразование его в пространственно-временную схему стимуляции, подаваемой на электродную матрицу на сетчатке. Большая часть электроники может быть встроена в соответствующие внешние компоненты, что позволяет уменьшить размер имплантата и упростить модернизацию без дополнительной операции. Внешняя электроника обеспечивает полный контроль над обработкой изображений для каждого пациента.
Преимущества.
Эпиретинальные имплантаты непосредственно стимулируют ганглиозные клетки сетчатки, тем самым минуя все остальные слои сетчатки. Следовательно, в принципе, эпиретинальные имплантаты могут обеспечивать людям визуальное восприятие, даже если все остальные слои сетчатки повреждены.
Недостатки.
Поскольку порог стимуляции слоя нервных волокон аналогичен порогу стимуляции ганглиозных клеток сетчатки, аксоны, проходящие под эпиретинальными электродами, стимулируются, создавая дугообразные ощущения и тем самым искажая ретинотопическую карту. До сих пор ни один из эпиретинальных имплантатов не имел светочувствительных пикселей, и, следовательно, они полагаются на внешнюю камеру для захвата визуальной информации. Таким образом, в отличие от естественного зрения, движения глаз не смещают передаваемое изображение на сетчатке, что создает восприятие движущегося объекта, когда человек с таким имплантатом меняет направление взгляда. Поэтому пациентов с такими имплантатами просят не двигать глазами, а скорее сканировать поле зрения головой. Кроме того, кодирование визуальной информации на уровне ганглиозных клеток требует очень сложных методов обработки изображений, чтобы учитывать различные типы ганглиозных клеток сетчатки, кодирующих различные особенности изображения.
Клиническое исследование.
Первый эпиретинальный имплантат, устройство ARGUS, включал в себя кремниево-платиновую матрицу с 16 электродами. Первая фаза клинических испытаний ARGUS началась в 2002 году с имплантации устройства шести участникам. Все пациенты сообщили о повышении восприятия света и дискретных фосфенов, при этом зрительная функция некоторых пациентов значительно улучшилась с течением времени. Разрабатываются будущие версии устройства ARGUS со все более плотными электродными решетками, обеспечивающими улучшенное пространственное разрешение. Самое последнее устройство ARGUS II содержит 60 электродов, а устройство на 200 электродов разрабатывается офтальмологами и инженерами Глазного института Американского университета. Устройство ARGUS II получило маркетинговое одобрение в феврале 2011 года (знак CE, демонстрирующий безопасность и производительность) и доступно в Германии, Франции, Италии и Великобритании. Промежуточные результаты долгосрочных испытаний на 30 пациентах были опубликованы в журнале "Офтальмология" в 2012 году. Argus II получил одобрение от FDA США 14 апреля 2013 года Одобрение FDA. Другое эпиретинальное устройство, обучающий имплантат сетчатки, было разработано компанией IIP technologies GmbH и начало проходить клинические испытания. Было разработано третье эпиретинальное устройство, EPI-RET, которое прошло клинические испытания у шести пациентов. Устройство EPI-RET содержит 25 электродов и требует замены хрусталика на чип-приемник. Все испытуемые продемонстрировали способность различать различные пространственные и временные паттерны стимуляции.
Субретинальные имплантаты.
Принципы проектирования.
Субретинальные имплантаты располагаются на внешней поверхности сетчатки, между фоторецепторным слоем и пигментным эпителием сетчатки, непосредственно стимулируя клетки сетчатки и полагаясь на нормальную обработку внутренних и средних слоев сетчатки. Закрепить субретинальный имплантат на месте относительно просто, поскольку имплантат механически ограничен минимальным расстоянием между наружной сетчаткой и пигментным эпителием сетчатки. Субретинальный имплантат состоит из кремниевой пластины, содержащей светочувствительные микрофотодиоды, которые генерируют сигналы непосредственно из поступающего света. Падающий свет, проходя через сетчатку, генерирует токи внутри микрофотодиодов, которые непосредственно вводят результирующий ток в нижележащие клетки сетчатки через массивы микроэлектродов. Таким образом, структура микрофотодиодов, активируемых падающим светом, стимулирует структуру биполярных, горизонтальных, амакринных и ганглиозных клеток, что приводит к визуальному восприятию, репрезентирующему исходное падающее изображение.
В принципе, для субретинальных имплантатов не требуется никакого внешнего оборудования, кроме матрицы имплантированных микрофотодиодов. Однако некоторые субретинальные имплантаты требуют питания от внешних схем для усиления сигнала изображения.
Преимущества.
Субретинальный имплантат имеет преимущество перед эпиретинальным имплантатом отчасти из-за его более простой конструкции. Сбор, обработка и стимуляция света осуществляются микрофотодиодами, установленными на одном чипе, в отличие от внешней камеры, обрабатывающего чипа и имплантированной электродной матрицы, связанной с эпиретинальным имплантатом. Субретинальное размещение также более простое, поскольку оно размещает стимулирующую матрицу непосредственно рядом с поврежденными фоторецепторами. Полагаясь на функцию оставшихся слоев сетчатки, субретинальные имплантаты обеспечивают нормальную внутреннюю обработку сетчатки, включая усиление, что приводит к общему снижению порога зрительного отклика. Кроме того, субретинальные имплантаты позволяют субъектам использовать обычные движения глаз для перемещения взгляда. Ретинотопическая стимуляция с помощью субретинальных имплантатов по своей сути более точна, поскольку рисунок падающего света на микрофотодиодах является прямым отражением желаемого изображения. Субретинальные имплантаты требуют минимальной фиксации, поскольку субретинальное пространство механически ограничено, а пигментный эпителий сетчатки создает отрицательное давление внутри субретинального пространства.
Недостатки.
Основным недостатком субретинальных имплантатов является отсутствие достаточного падающего света, позволяющего микрофотодиодам генерировать достаточный ток. Таким образом, субретинальные имплантаты часто включают внешний источник питания для усиления эффекта падающего света. Компактность субретинального пространства накладывает значительные ограничения на размер имплантата. Непосредственная близость между имплантатом и сетчаткой также увеличивает вероятность термического повреждения сетчатки от тепла, выделяемого имплантатом. Субретинальные имплантаты требуют неповрежденных внутреннего и среднего слоев сетчатки и, следовательно, не полезны при заболеваниях сетчатки, выходящих за пределы внешнего фоторецепторного слоя. Кроме того, потеря фоторецепторов может привести к образованию мембраны на границе поврежденных фоторецепторов, что может препятствовать стимуляции и повышать порог стимуляции.
Клинические исследования.
Optobionics была первой компанией, разработавшей субретинальный имплантат и оценившей его конструкцию в ходе клинических испытаний. В первоначальных отчетах указывалось, что процедура имплантации была безопасной, и все испытуемые сообщили о некотором восприятии света и незначительном улучшении зрительных функций. Текущая версия этого устройства была имплантирована 10 пациентам, каждый из которых сообщил об улучшении восприятия визуальных деталей, включая контрастность, форму и движение. Компания Retina Implant AG в Германии также разработала субретинальный имплантат, который прошел клинические испытания у девяти пациентов. Испытание было приостановлено из-за неоднократных неудач. Устройство Retina Implant AG содержит 1500 микрофотодиодов, обеспечивающих повышенное пространственное разрешение, но требует внешнего источника питания. Retina implant AG опубликовала результаты исследования Alpha IMS за 12 месяцев в феврале 2013 года, показывающие, что у шести из девяти пациентов произошел сбой устройства в течение девяти месяцев после имплантации Proceedings of the royal society B, и что пять из восьми испытуемых сообщили о различных визуальных восприятиях, опосредованных имплантатами в повседневной жизни. У одного было повреждение зрительного нерва, и он не воспринимал стимуляцию. Бостонский проект по субретинальной имплантации также разработал несколько вариантов функционального субретинального имплантата и сосредоточился на краткосрочном анализе функции имплантата. Результаты всех клинических испытаний на сегодняшний день указывают на то, что пациенты, получающие субретинальные имплантаты, сообщают о восприятии фосфенов, при этом некоторые приобретают способность выполнять основные визуальные задачи, такие как распознавание формы и обнаружение движения.
Пространственное разрешение:
Качество зрения, ожидаемое от имплантата сетчатки, в значительной степени зависит от максимального пространственного разрешения имплантата. Современные прототипы имплантантов сетчатки способны обеспечивать пиксельные изображения с низким разрешением.
"Современные" имплантаты сетчатки включают в себя 60-100 каналов, достаточных для базовых задач различения объектов и распознавания. Однако при моделировании результирующих пикселизированных изображений предполагается, что все электроды на имплантате соприкасаются с желаемой ячейкой сетчатки; в действительности ожидаемое пространственное разрешение ниже, поскольку несколько электродов могут функционировать не оптимально. Тесты производительности чтения показали, что 60-канального имплантата достаточно для восстановления некоторой способности к чтению, но только со значительно увеличенным текстом. Аналогичные эксперименты, оценивающие способность навигации по помещению с помощью пикселизированных изображений, показали, что опытным испытуемым достаточно 60 каналов, в то время как наивным испытуемым требуется 256 каналов. Таким образом, этот эксперимент не только продемонстрировал функциональность, обеспечиваемую визуальной обратной связью с низким разрешением, но и способность испытуемых адаптироваться и совершенствоваться с течением времени. Однако эти эксперименты основаны просто на моделировании зрения с низким разрешением у нормальных субъектов, а не на клиническом тестировании имплантированных субъектов. Количество электродов, необходимых для чтения или навигации по комнате, может отличаться у имплантированных субъектов, и необходимо провести дальнейшее тестирование в этой клинической популяции, чтобы определить требуемое пространственное разрешение для конкретных зрительных задач.
Результаты моделирования показывают, что потребуется 600-1000 электродов, чтобы субъекты могли выполнять широкий спектр задач, включая чтение, распознавание лиц и навигацию по помещениям. Таким образом, доступное пространственное разрешение имплантантов сетчатки должно увеличиться в 10 раз, оставаясь при этом достаточно маленьким для имплантации, чтобы восстановить достаточную зрительную функцию для выполнения этих задач. Стоит отметить, что стимуляция высокой плотности не равнозначна высокой остроте зрения (разрешению), что требует множества факторов как в аппаратном обеспечении (электроды и покрытия), так и в программном обеспечении (стратегии стимуляции, основанные на результатах операции).
Текущее состояние и будущие разработки:
Клинические отчеты на сегодняшний день демонстрируют смешанный успех, при этом все пациенты сообщают по крайней мере о некотором ощущении света от электродов, и меньшая часть приобретает более детальные зрительные функции, такие как распознавание структуры светлых и темных областей. Клинические отчеты указывают на то, что даже с низким разрешением имплантаты сетчатки потенциально полезны для обеспечения грубого зрения людям, которые в противном случае не имели бы никаких зрительных ощущений. Однако клинические испытания у имплантированных субъектов несколько ограничены, и большинство экспериментов по моделированию с пространственным разрешением проводились в нормальных контрольных группах. Остается неясным, достаточен ли низкий уровень зрения, обеспечиваемый современными имплантатами сетчатки, для того, чтобы сбалансировать риски, связанные с хирургической процедурой, особенно для субъектов с сохранным периферическим зрением. В будущих исследованиях необходимо рассмотреть несколько других аспектов имплантации сетчатки, включая долгосрочную стабильность имплантатов и возможность пластичности нейронов сетчатки в ответ на длительную стимуляцию.
22 июля 2015 года Манчестерский королевский лазарет и профессор Пауло Станга объявили о первой успешной имплантации Argus II от Second Sight пациентам с тяжелой возрастной макулярной дегенерацией. Эти результаты очень впечатляют, поскольку кажется, что пациенты объединяют остаточное зрение и искусственное зрение. Это потенциально открывает возможности для использования имплантантов сетчатки миллионам пациентов с ВМД.
