Látás és pótlása

Érzékszervek Az érzékszervek a környezetből érkező ingerek felvétele, elektromos impulzusokká alakítva az agyba továbbítják. Egysejtű vagy bonyolult többféle szövetből álló szerv. Részei:  érzékhám (érzék- vagy receptorsejtek)  támasztó funkciójú. Az érzékszervekben az inger hatására keletkező ingerület a központi idegrendszerbe vezetődik végső feldolgozása, az érzet kialakulása itt történik. Az egész anatómiai és működési egységet analizátornak nevezzük.

Az ember érzékszervei:  szem  bőr  fül  orr  nyelv.

Látás Fotopigment: fotonok hatására többletenergiára tesz szert, ami konformáció változást okoz, jelátviteli út aktiválódik, fehérjeszerkezet megváltozása, gének aktivitása megváltozik Már egysejtűek is rendelkeznek fotopigmenttel (fényviszonyok rögzítése) Többsejtűek:  Fotoreceptorsejtek: fotopigmentek, fotonok érzékelése, ingerületi jel átadása. Típusai: Mikrobolyhokban tagolt részben (rovarok) Csilló eredetű részben (gerincesek)  Fotonoknak a receptorsejtekig való útján optikai elemek, melyek áttetszőek, és a fotonokat a receptorsejthez terelik (látószervek)

Látás Fény érzékelése Szinek érzékelése Mozgás érzékelése

Retina csoportosítása A retina típusát a fotoreceptorsejtek fényhez viszonyított orientációja határozza meg: az inverz típusnál a receptorsejtek (narancssárga nyilak) a fény beesési irányának (sárga nyilak) hátat fordítanak (B), míg az everztípusnál azzal „szembe néznek” (C)

Emberi szem Külső réteg 1. Ínhártya (Sclera) (választja el a szemet a többi szövettől ) 2. Szaruhártya (Cornea) Középső réteg 1. Sugártest 2. Szivárványhártya (Írisz) 3. Érhártya (Choroidea) (biztosítja az oxigén- és tápanyag- ellátást, valamint a salakanyagok elszállítását, barna pigmentjei megakadályozzák a fényszóródást) 4. Lencsefüggesztő rostok (zona ciliaris) (távolságalkamazkodás) Belső réteg Ideghártya (Retina) Folyadékok Lencse Fovea Vakfolt Az emberi szem kb. 2.5 cm átmérőjű, csaknem gömbölyű szerv, belsejében kb 2,7 kPa (20 mmHg) túlnyomás uralkodik

Biofizikája A fény mielőtt eléri a retinát, áthalad a szem különböző optikai elemein. A képalkotás folyamatát a fizikai és geometriai optika törvényszerűségei határozzák meg (pl. törési törvények). A pupilla a belépő rés, amelyen át a fény a szembe jut. Átmérője a fényviszonyoktól függően változik, szabályozza a beáramló fény mennyiségét. Erős fénynél beszűkül, kevés fénynél kitágul: a két szélső állapothoz tartozó intenzitások aránya ~1:16. A szem optikai rendszere: szaruhártya – csarnokvíz – lencse – üvegtest. A szemlencse görbülete – így fókusztávolsága – a tárgytávolságtól függően változtatható, hogy éles kép keletkezzen a retinán.

Szem törőereje Az egészséges szem teljes törőereje dioptria!

Akkomodáció: távolsági alkalmazkodás a sugártest és a rugalmas lencse között húzódó lencsefüggesztő rostokkal

Fotoreceptor sejtek A szem fotoreceptor sejtjei a csapok és a pálcikák, melyek az ideghártyában (retina) foglalnak helyet

Csapok és pálcikák Csapok: a nappali és színes látás (pigment: 3, fotopszin fehérje), érzékenységük 1…105 lux, szám:~6,5 millió. Pálcikák: a szürkületi látás (pigment: rodopszin, opszin fehérje), érzékenység: 10 –9 …10 lux, szám:~120 millió 14 nagyságrend dinamika

Színlátás

A látás ingerülete A pálcikák: 1-2 foton kiváltja, de látásérzetet csak ~25 pálcika együttes ingerlése okoz (konvergencia = térbeli összegzés + időbeli integrálás). A csapok: ingerküszöbe nagyobb, rövidebb ideig integrálnak, konvergenciájuk kisebb – ennek megfelelően felbontóképességük nagyobb. A receptorsejtek olyan rövidek, hogy nincs szükség akciós potenciálra a sejten belüli jeltovábbításhoz. A retinára eső fény által elindított fotokémiai folyamat következtében a látóidegen keresztül ingerületi hullám jut az agyba – ott látásérzetet kiváltva.

Látás biofizikája Csapok, pálcikák Ganglion sejtek Látóideg Látókéreg

Látás biofizikája Látóideg kereszteződés: retina mediális részéből származó rostok kereszteződnek, laterális részből eredők azonos oldali pályán maradnak látóköteg Látóköteg oldalsó térdestestbe (geniculatus magból) fut, amely az elsődleges látókéreg bemenete Magasabb rendű látókérgek (V2-V5) komplex hierarchikus rendszert alkotnak és még nem eléggé ismertek ahhoz, hogy a látás helyettesítésében használják

Hibák Közellátás: a fókuszpont a retina előtt Távollátás: a fókuszpont a retina mögött Kromatikus aberráció (longitudinális vagy transzverzális színhiba): a leképezett képnek színes szegélye van Szférikus aberráció: elmosódó szegélyek (optikai tengelyek más pontjára kerül az éleskép) Asztigmatizmus vagy asztigmia: nem pontszerű leképezés (vízszintes és függőleges sugarak találkozása máshol van

Javítás Különböző optikai elemek segítségével:  Szemüvegek  Kontaklencsék  Műtéti beavatkozások (VEM) Bocskai Zoltán

Látásromlás 37 millió ember teljesen vak 128 millió látás károsult Általuk használt eszközök: 1. Fehér bot 2. Kutya Évek óta léteznek fejlettebb elektronikai eszközök, ezek nem terjedtek még el széleskörűen

Vakság fő okai AMD: időskori makula degeneráció, fotoreceptorok fokozatos elveszítése RP(festékes recehártya- gyulladás):Örökletes szembetegség, amely idővel látótér-beszűkülést, majd teljes vakságot okoz

Fejlett látóprotézisek három fő csoportja  Szenzoros helyettesítés: ultrahang vagy kamera segítségével történik a környezet feltérképezése, az ebből adódó eredményeket átkonvertálják hangra vagy tapintható kijelzőre  Retina erősítése: a retina funkcióit érzékelőkkel pótolják, melyek elektromos jelekkel stimulálják a retinát. Ezek a jelek konvertálódnak idegi impulzusokká és a látóidegen keresztül eljutnak az agyba  Digitális kamera képe alapján közvetlenül az agyat stimulálják (behatolnak a látóidegbe vagy elektródákat helyeznek a látókéregre)

Éjszakai látás Cél: szem frekvencia tartományának szélesítése, élesség növelés Éjjel látó szemüveg: erősíti a környező UV, látható vagy infrafényt, majd újra kijelzi a látható spektrális tartományban. A képet fotokatódokra képezik le: fény elnyelésének hatására, elektronok válnak ki a felületből

Hőkamera Hőkamera: kriogenikusan hűtött fényérzékeny elemek tömbjei az infrasugárzás során keletkező hő fotonokat közvetlenül elektromos árammá alakítja Különböző betegségek pl. rákok, légúti szindrómák diagnosztizálásában is használják

Szonár alapú rendszerek Működési elv: rövid ultrahang impulzus kibocsátás transzduktorral, majd annak visszaverődését vizsgálja. Típusai: piezoelektromos, elektrosztatikus

Kivitelezési példák Kézben tartós ultrahang alapú protézis Távolsággal arányos vibráció Távolságot diszkrét szintekre osztva 8 különböző hangtónus jelzi

Kivitelezési példák Fejlettebb verziók Mindkét fülbe hangjelzés, így irányról is információt ad

Kivitelezési példák NavBelt

Kivitelezési példák GuideCane Joystickkal irányítható szervokormány Láb magasságnál érzékeli az akdályokat

Ultrahang alapú rendszerek hátrányai Legtöbb eszköznél végig kell pásztázni az akadályt a kiterjedésének észleléséhez Ez sok idő, fáradtság Csak a lábmagasságig terjedő akadályokat nem érzékelik (pl. lépcső) Hang alapú visszacsatolás gátolja, csökkenti a környezetből származó hangi információ befogadását (autó)

Szenzoros helyettesítés Hang alapú visszajelzés

Szenzoros helyettesítés Hang alapú visszajelzés Kivitelezése: szemüvegbe épített kamera + fülhallgató + notebook óra gyakorlás

Tapintás alapú szenzoros helyettesítés Működési elv szerint:  Elektromos elven működő: tapintás érzést elektromos árammal éri el adott pontban  Mechanikus elven működő: bőr mechanikus rezgetése Hz között Kiterjedés szerint:  1D (pl. NavBelt, de hangalapú)  2D

Tapintáshoz alkalmas testrészek Ujjbegyek: a legérzékenyebbek (60-szor érzékenyebbek mint a has) Hát: nagy felület Ajak, nyelv: érzékeny, alacsony statikusterhelés igény

Mechanikus tapintó kijelző Technikák: kis tűk mozgása, hőmérséklet, sűrített levegő Aktuátorok: SMA, vezérelhető folyadék, pneumatikus szelepek, motorok, PZT anyagok, szolenoid tekercs

Elektromos tapintó kijelző Elektródákkal közvetlenül az idegrostokat stimulálják Állandó felületi nyomás igény (izzadás nagy hátrány) Érzékenység és fájdalom küszöb miatt, viszonylag szűk működési tartomány

Elektromos tapintó kijelző Nyelv használata elterjedt, nem akadályoz beszédet és más érzékszervet (pl. hallás) Prototípus 3x3 cm-es 25x25 pixeles felbontás

Látó neuroprotézis Első kísérlet és foszfén (fényes folt) leírása 1755-ben 1970-es években 35 különálló foszfén 1-10 mA árammal, amely különlegesen magas és veszélyes Fejlődési tendencia: invazív agykérget használó idegsebészet helyett kevésbé invazív retinás megoldások Ok: sebészeti szempontból könnyebben elérhető, retina képalkotása, szerkezete ismertebb, minta a látókérgek bonyolult hierarchikus, visszacsatolásokkal teli kapcsolata

Neuroprotézis elemei Kamera (gyakran ennek háza a szemüveg) leképezés CCD detektorra vagy fotodióda tömbre Processzor: kép és jel feldolgozás Akkumulátor, videojel, (elterjedt a rádiófrekvenciás) Elektron stimulátor, gerjesztő Elektróda tömb (oxidált iridium, hatékony és biokompatibilis)

Elektróda tömbök elhelyezése Retina felett/alatt Látókéreg Látóideg körül

Megvalósítási kísérletek

Roska Tamás- Celluláris neurális hálózatok Újfajta számítógép konstrukció – CNN Univerzális számítógép  Előny gyorsabb számítási teljesítmény, kisebb hely igény 1988-CNN elmélet az CNN univerzális számítógépek alapja  Hagyományos számítógéphez is kapcsolható chipek  Analóg, ugyanakkor logikai műveleteket is végez  Cellák párhuzamosan működnek, hozzájuk fényérzékelő is csatolható

Roska Tamás - Bionikus szem Cellák fotoszenzort tartalmaznak Másodpercenként több 1000 kép készítése és azonnali műveletek elvégzése Bionikus fül kifejlesztése is hasonló

Összefoglalás Szenzoros helyettesítés: évek óta piacon lévő eszközök, korlátolt  Hallás  Tapintás Neuroprotézis: kutatási terület prototípusok, több megvalósítási probléma