ראייה מלאכותית

היסטוריה

הרעיון נוסה לראשונה על ידי לירוי בשנת 1755, לשחזר ראייה פונקציונלית בעיוור באמצעות גירוי חשמלי עם אלקטרודות מסביב לראש. על פי הדיווחים, החולה ראה הבזקי אור והשמיע זעקות כאב.
בשנת 1929 גילה פורסטר, נוירולוג ונוירוכירורג גרמני, כי על ידי גירוי חשמלי של האונה העורפית, מושא הניסוי שלו תיאר זרחות.
בשנת 1933, שני מדענים גרמנים נוספים בשם קראוס ושהם, ערכו ניסוי על חולה המופוניה   באמצעות גירוי חשמלי של האונה העורפית. החולה דיווח על זרחות. מצאו כי גם אחרי שנים של אי-שימוש בקלט החזותי - קליפת המוח הראייתית אינה מאבדת את היכולת התפקודית שלה.
בשנת 1956, אוסטרלי בשם גורהם טאסיקר (Graham Tassicker), הוציא פטנט של מכשיר תותב אלקטרוני, שתיאר כיצד תא סלניום רגיש הביא זרחות אם ממוקם מאחורי רשתית של חולה עיוור.
בשנות השישים והשבעים, בריינדלי ודובל היו חלוצים בתחום הראייה המלאכותית על ידי השתלת אלקטרודות לקליפת הראייה והוכיחו כי הם הצליחו לגרום לזרחות עקבית. 
בשנת 1974, אומסטו (Uematsu) חקר את ההיתכנות של תותבת חזותית והצליח לעורר זרחות שהייתה חלקה מרפרפת וחלקה יציבה בעמידה. הזרחות שעורר הובדלה מרקע לבן פשוט לתבניות מלבניות מורכבות.
התפתחות נוספת בתחום הייתה מוגבלת עד 1990 כאשר ההתקדמות בביו-חומרים, microfabrication, אלקטרוניקה וניתוח הרשתית הובילו למפל של התפתחויות בתחום הראייה המלאכותית: לא רק בפיתוח הרשתית המלאכותית, אלא גם במזעור של מכשירי גירוי קליפת המוח.
בשנות ה-2000 יותר מ-20 קבוצות חוקרים ברחבי העולם מעורבות בפיתוח שתלים עיניים אך רק שתיים מהן קיבלו אישור להשתלה בבני אדם: Argus II ו- Alpha IMS. המוצרים עדיין אינם מחזירים ראייה לתפוקה תקינה, עם זאת משפרת את ראייתם ותפקודם של האנשים החולים.

רשתית מלאכותית

ישנם שלושה סוגים של תותבות רשתית המסווגים על פי בסיס מיקומם: epiretinal ,subretinal או suprachoroidal.

אופן הפעולה

כל התותבות החזותיות הכוללות מכשירי רשתית מלאכותית צריכות לבצע כמה פעולות בסיסיות. ראשית הן חייבות לזהות וללכוד את התמונה "מבוססת האור". לאחר מכן תמונה זו צריכה להפוך לגירוי חשמלי. התמרה זו נעשית על ידי מכשיר עיבוד חזותי או בצורת תא פוטואלקטרי. במקרה של תא פוטואלקטרי הגירוי יכול להיות מוגבר באופן משני על מנת ליצור גירוי גדול יותר ולעבור לתאי הרשתית הנותרים הסמוכים.
הצלחת ההשתלה תלויה במסלול החזותי הבא: האות חייב לעורר תגובה פעילה בתאי הגנגליון. תאי הגנגליון מפעילים באמצעות האקסונים שלהם אזורים בקליפת המוח ודרך עצב הראייה גורמים לזרחות. מסיבה זו, הניסויים הקליניים הראשונים של תותבת רשתית היה מוגבל למחלות תורשתיות כמו רטיניטיס פיגמנטוזה.

שתלי epiretinal

שתלי Epiretinal יושבים במשטח הפנימי של הרשתית, מגרים ישירות את תאי הגנגליון ועוקפים את כל שכבות הרשתית האחרות. שתלים כאלו מורכבים ממערך אלקטרודות פלטינה סיליקון על גבי שכבת הרשתית הפנימית. המערך מתייצב באמצעות מיקרו נעצים, יחד עם הלחץ מכני הקל הניתן על ידי הזגוגית. שתל כזה דורש מצלמת וידאו חיצונית לרכוש תמונות. המצלמה קולטת ומעבדת תמונות מהסביבה, ומקשרת את המידע למערך האלקטרודות של השתל באמצעות טלמטריה. מערכת כזו דורשת אספקת חשמל רציפה, והיא מקבלת זאת באמצעות סלילי השראה בתדר רדיו או לייזרי אינפרא-אדום. הסלילים מחוברים לסקלרה, והם יוצרים פולסים חשמליים שמגרים את הרשתית הפגועה עם השתל.
המצלמה מחוברת למשקפי המטופל. עיבוד התמונה כרוכה בהפחתת הרזולוציה של התמונה והמרת התמונה לדפוס מרחב ובזמן של גירוי כדי להפעיל את התאים המתאימים ברשתית. שבב העיבוד צריך לזהות תנועה, פרטים, ניגודיות ועוד. מערכת השתל צריכה להיות מסוגלת לעבד תמונות בזמן אמת על מנת למנוע עיכוב מורגש בין קלט המצלמה וגירוי הרשתית. עיכוב כזה יכול לגרום לבלבול של תפיסה חזותית.

שתלי subretinal

שתלי subretinal יושבים על החלק החיצוני של הרשתית, בין שכבת קולטני האור (פוטורצפטורים) ואפיתל הפיגמנט ברשתית. מיקום השתל מוגבל מכנית על ידי המרחק הזה. גירוי הרשתית הוא ישיר משום שאופן הפעולה של שתלים אלו מסתמך על העיבוד הרגיל של שכבות הרשתית והמסלול החזותי.
שתלים אלו מורכבים מפרוסות סיליקון דקות המכילות מיקרו פוטו-דיודות שממירות מיד את האור הנקלט לתוך תאי הרשתית הבסיסיים באמצעות מערכים של מיקרו אלקטרודות שעשויות מזהב או מטיטניום. הדפוס של הפוטו-דיודות מופעל על ידי אור, לכן השיטה מכוונת להפעלת תאי הרשתית הביפולריים (retinal bipolar cells) ותאי הגנגליון ומשם למוח - לתפיסה חזותית של תמונת האירוע המקורית. שתלים אלו אינם דורשים חומרה חיצוניים מעבר למערך הפוטו-דיודות המושתלות. עם זאת, חלק משתלי ה-subretinal דורשים כוח ממעגל חיצוני על מנת לשפר את אות התמונה.

שתלי suprachoroidal

שתלי suprachoroidal יושבים בין הלובן העין לדמית העין. שתלים מסוג זה מיועדים לטיפול בחולי גלאוקומה. השתל בנוי ממערך אלקטרודות על מצע סיליקון דק ומקובע באמצעות אלקטרודות פלטינה. שתלים אלו פועלים כמו שתלי הרשתית האחרים, הם מסתמכים על המסלול החזותי ובתאי העצב אשר עדיין מתפקדים.

תותבים קורטיקליים

סוגים מסוימים של שתלים בקליפת המוח יכולים באופן חלקי לשחזר את חוש הראייה ישירות על ידי גירוי קליפת המוח החזותית (קליפת הראייה).
שיטה זו עוקפת נוירונים רבים של המסלול החזותי שנפגע, לכן יכולה לספק פתרון לא רק לחולים במחלות העיניים אלא גם לעיוורים. בשיטה זו משתילים את השתל, יחד עם אלקטרודות, לאזור קליפת המוח החזותית. אזור זה מגורה חשמלית באופן ישיר. כיוון שגירוי ישיר של החלק הזה של המוח אינו מספק תמונות שלמות לחולים (ישנם אזורים אחרים במוח שגם כן עובדים ומעבדים ראייה), יש צורך ביחידה חיצונית לקליטת האות ועיבודו. מערכת תותבת חזותית בקליפת המוח תהיה מורכבת ממצלמת וידאו ממוזערת בזוג משקפיים, מקודד עיבוד אותות כמו רשתית ומערכים של מיקרו-אלקטרודות המושתלים בקליפת המוח החזותית.
הגישה של תותבים קורטיקליים טומנת בחובה סיכוני תחלואה ותמותה עקב נוכחות השתל. המרחק הפיזי בין האלקטרודות לקליפת המוח מחייב שימוש בזרם חזק יותר, שיוצר נזק גם לרקמה שכנה. ההבנה של תהליכי הראייה (כמו צבע, עומק או תנועה) מוגבלת מאוד, לכן ניסיונות רבים לפיתוח שתל בגישה הקורטיקלית לא צלחו ולא הרבה חוקרים המשיכו את הפיתוח בכיוון זה.