ИСКУССТВЕННАЯ СЕТЧАТКА И БИОНИЧЕСКИЙ ГЛАЗ НА ЕЁ ОСНОВЕ Российский патент 2015 года по МПК A61F2/14 H01L31/42 

Группа изобретений относится к области бионики, а именно к технологиям создания зрительных устройств, формирующих нервные сигналы изображения, и может быть использована в офтальмохирургии, а также системах фото- и видеосъемки.

Широко известна проблема восстановления зрения в случае полного или частичного разрушения глаза и зрительного нерва. На данный момент существует несколько способов решения этой проблемы, однако многие из них применимы лишь при частичном разрушении - например, при отслоении сетчатки, катаракте или глаукоме. В случае полного разрушения глаза существует несколько вариантов его замены, однако все они имеют свои недостатки, такие как сложность установки, крупные габариты имплантата, дороговизна, неудобность в использовании и плохое качество зрительных сигналов.

Известен искусственный глаз, содержащий замкнутое полое глазное тело, состоящее из полиэтилена, передняя часть указанного тела имеет сферическую форму. В центре передней части тела расположен искусственный зрачок. Имплантированный глаз может вращаться и управляться при помощи мышц (CN 202086617 U, A61F 2/14, 28.12.2011).

Недостатком указанного глаза является то, что его имплантация не возвращает пациенту зрение.

Известен искусственный глаз, включающий элемент формирования зрительных изображений, совмещенный с пластичной средой с расположенным поверх нее кольцеобразным зажимом, и устройство, создающее через зажим давление на пластичную среду, посредством чего можно изменять фокусное расстояние и таким образом менять масштаб изображения на элементе формирования зрительных изображений (TWI 317276 В, A61F 2/14, 21.11.2009).

Недостатком данного глаза является то, что его носитель может страдать дальтонизмом или же вообще не различать цвета и воспринимать окружающее только в виде темных и светлых зон. Это связано с тем, что не задано конкретное расположение светофильтров в элементе формирования зрительных изображений.

Известно протезируемое зрительное устройство (Argus), представляющее собой корпус в виде очков со встроенными в него видеокамерой для захвата изображения, емкостным тактильным датчиком, блоком обработки видео, связанного с видеокамерой и выполненного с возможностью преобразования изображения в нервные импульсы и их передачи через здоровые клетки сетчатки в мозг. Сетчаточная система стимуляции настроена для возбуждения нервной ткани на основе импульсов, полученных через приемную катушку. В случае снятия протеза емкостной тактильный датчик не чувствует физического контакта, и блок обработки видео переходит в режим пониженного энергопотребления (US 2013110197 A1, A61F 9/08, 02.05.2013).

Недостатком описанного зрительного устройства является то, что его работа возможна только при наличии хотя бы некоторых здоровых участков сетчатки, то есть его нельзя использовать при полном разрушении глаза. Ввиду неспособности устройства передавать полноценные сигналы в зрительный мозг, отвечающие за нужную комбинацию красного, зеленого и синего цветов, как это делает настоящий глаз, зрительные образы воспринимаются пациентом в большей степени как свечения и темные пятна. Кроме того, зрительное протезируемое устройство является крупногабаритным и выполнено в форме очков, что создает пациенту неудобства.

Наиболее близким аналогом заявленного бионического глаза является искусственный глаз, содержащий приемную систему, рецепторный узел, электронный блок и блок питания, при этом приемная система представляет собой искусственный глаз, содержащий искусственные роговицу, хрусталик и сетчатку, представляющую собой матрицу светочувствительных элементов, находящуюся в фокальной плоскости хрусталика, состоящую, например, из приборов с зарядовой связью (ПЗС) на основе МДП-структур (металл-диэлектрик-полупроводник) и электрически соединенную с электронным блоком, представляющим собой устройства считывания и преобразования, подключенные к источнику питания, а рецепторным узлом является ПЗС-матрица (RU 2213539 С2, A61F 2/14, 10.10.2003).

Недостатком описанного искусственного глаза является его неспособность передавать в зрительный аппарат сигналы, отвечающие за нужную комбинацию красного, зеленого и синего цветов, что в основном зависит от расположения и величины цветовых фильтров. Такое явление приводит к тому, что зрительные образы воспринимаются носителем имплантата в большей степени как свечения и темные пятна. Наличие в области сетчатки электронных устройств, включая источник питания, в какой-то степени приводит к искажению исходного сигнала, снижению чувствительности, появлению шумов, а также увеличению габаритов имплантата.

Известна искусственная сетчатка, включающая слой поликремниевых фототранзисторов, сформованный на подложке и преобразующий падающий на нее свет в сигналы изображения, прозрачный слой тонкопленочных оксидных транзисторов, сформованный на слое фототранзисторов и обрабатывающий сигналы изображения, полученные от падающего на слой поликремниевых фототранзисторов света, а также стимулирующие электроды, сформованные на прозрачном слое тонкопленочных оксидных транзисторов и передающие сигналы изображения зрительному нерву (JP 2009273712 A, A61F 2/14, 26.11.2009).

Недостатком описанной сетчатки является длительная задержка изображения, обусловленная высокой инерционностью фототранзисторов.

Известен имплантат сетчатки, изготовленный на основе КМОП-матрицы (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) и содержащий массив фоточувствительных элементов, микроэлектродов и контур, соединяющий их между собой. Фоточувствительные элементы принимают входящий свет, а усилители считывания способствуют тому, что микроэлектроды стимулируют нервные клетки для восприятия изображения, получаемого от света, падающего на фотодатчики. Имплантат может быть изготовлен в виде гибкого материала, чтобы соответствовать форме человеческого глазного яблока и позволить микроэлектродам совместиться с нервными клетками для их стимуляции. Имплантат выполнен с возможностью работы в нормальном режиме и в режиме калибровки (WO 2012058477 А2, A61F 9/08, 03.05.2012).

Недостатком описанного имплантата сетчатки является наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодами объема электронных элементов, что создает дополнительный нагрев имплантата в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума. Кроме того, несмотря на возможность работы в режиме калибровки, из-за однородной структурой матрицы у пациента будет недостаточное либо периферийное зрение, либо он будет страдать близорукостью. Также возможны проблемы с цветоощущением, что зависит, в частности, от светофильтров и их расположения.

Известна искусственная сетчатка на органической основе, включающая подложку и сформованный на ней массив микроэлектродов, на который нанесена светочувствительная полимерная смесь, при воздействии света формирующая электрический сигнал (CN 103179928 A, A61F 2/14, 26.06.2013).

Поскольку при нанесении полимерного слоя практически невозможно точно задать необходимую его микроструктуру, для описанной искусственной сетчатки имеет место непредсказуемость цветопередачи, яркости, детализации и других зрительных характеристик.

Наиболее близким аналогом заявленной искусственной сетчатки является искусственная электронная сетчатка, включающая массив фотоэлектрических элементов (сенселей), каждый из которых содержит электронный светочувствительный элемент, микроэлектрод и электрический контур, в котором микроэлектрод расположен на электронном светочувствительном элементе и электрически соединен с ним, а сам электрический контур расположен по периметру электронного светочувствительного элемента. На светочувствительном элементе расположен электрически соединенный с ним слой электропроводящего светофильтра, причем упомянутый слой также электрически соединен с микроэлектродом. Подобная схема позволяет увеличить входную и выходную мощности сигналов матрицы (US 2013304155 A1, A61F 9/08, 14.11.2013).

Общий недостаток описанных выше искусственных сетчаток заключается в том, что вся их площадь покрыта одинаковой структурой со светочувствительными элементами одинакового размера. Это подразумевает однородное восприятие света, что влечет за собой передачу зрительному нерву сигналов с плохой детализацией изображения при свете и недостаточной видимости в темноте.

Задачей предложенной группы изобретений является разработка недорогой компактной искусственной сетчатки, способной генерировать изобразительные сигналы, подобные сигналам, производимым настоящей сетчаткой, а также разработка удобного в использовании бионического глаза, способного вернуть зрение в случае полного разрушения живого глаза.

Техническим результатом предложенной группы изобретений является исключение использования преобразователей (АЦП и ЦАП) и источника питания в работе сетчатки, улучшение ее цветопередачи и детализации, а также обеспечение параметров светочувствительности и цветочувствительности, близких к параметрам живой сетчатки, при сохранении высокой скорости передачи изобразительных сигналов. Техническим результатом также является уменьшение размера бионического глаза.

Технический результат достигается за счет того, что предложена искусственная сетчатка, представляющая собой матрицу сенселей, каждый из которых содержит светочувствительный элемент в виде фотодиода и электрод, при этом матрица сенселей представляет собой матрицу с мозаичными светофильтрами и включает в себя центральную и периферийную области, в центральной области матрицы расположены сенсели меньшего размера или сенсели меньшего размера с расположенными между ними сенселями большего размера при соотношении не более одного сенселя большего размера к шести сенселям меньшего размера, в периферийной области матрицы расположены сенсели большего размера или сенсели большего размера с расположенными между ними сенселями меньшего размера при соотношении не более одного сенселя меньшего размера к шести сенселям большего размера, на сенсели меньшего размера нанесены светофильтры красного, зеленого и синего цветов.

Для более точного копирования сигнала, производимого живой сетчаткой, желательно, чтобы на сенсели большего размера были нанесены светофильтры изумрудного цвета.

Для повышения глубины резкости (глубины резко изображаемого пространства или ГРИП) и обзора желательно, чтобы сенсели меньшего размера имели размер 0,0025-0,004 мм, а сенсели большего размера имели размер 0,006-0,008 мм.

Для наилучшей детализации и цветопередачи желательно, чтобы сенсели меньшего размера, расположенные в центральной области матрицы, были сгруппированы таким образом, чтобы шесть сенселей с нанесенными на них светофильтрами одного цвета были расположены в виде шестигранника.

Для повышения светочувствительности желательно, чтобы сенсели представляли собой p-i-n-фотодиоды и/или лавинные фотодиоды.

Электрод может быть выполнен из полимерного органического материала. Это обеспечит наилучшую биосовместимость имплантата.

Технический результат достигается также за счет того, что предложен бионический глаз, содержащий искусственное стекловидное тело из прозрачного геля и последовательно установленные в нем искусственные роговицу, радужку, представляющую собой фотохромную полимерную пленку или фотохромное стекло с отверстием в центре, хрусталик и сетчатку с электродами, расположенную в фокальной плоскости хрусталика.

Бионический глаз может дополнительно содержать искусственную склеру, представляющую собой гибкую прозрачную оболочку, в которую помещено стекловидное тело.

Для надежной фиксации друг относительно друга искусственная радужка может быть непосредственно соединена с искусственным хрусталиком.

На фиг. 1 и 2 изображены варианты расположения сенселей в центральной области матрицы.

На фиг. 3 изображен сенсель матрицы с pin-фотодиодом.

На фиг. 4 изображен сенсель матрицы с лавинным фотодиодом.

На фиг. 5 изображена схема бионического глаза.

На каждый сенсель матрицы нанесен светофильтр, пропускающий определенную часть спектра видимого излучения.

Светофильтры на фиг. 1 и 2 имеют следующие обозначения:

G - зеленый,

В - синий,

R - красный,

Е - изумрудный.

Цифрами на фиг. обозначены следующие элементы:

1 - светофильтр,

2 - просветляющее покрытие,

3 - изолирующая прослойка (например, из диоксида кремния),

4 - слой полупроводника p-типа (область дырочной проводимости),

5 - слой нелегированного полупроводника (i-область),

6 - слой полупроводника n-типа (область электронной проводимости)

7а, 7б - контакты электрода,

8 - слой полупроводника (p-)-типа (область дырочной проводимости с пониженной концентрацией),

9 - слой полупроводника (p+)-типа (область дырочной проводимости с повышенной концентрацией),

10 - микролинза,

11 - искусственная роговица,

12 - искусственная радужка,

13 - оптическая часть искусственного хрусталика,

14 - гаптическая часть искусственного хрусталика,

15 - стекловидное тело,

16 - искусственная склера,

17 - искусственная сетчатка,

18 - электроды.

Изначально сенсель светочувствительной матрицы является «черно-белым». Чтобы матрица давала цветное изображение, для этого существует несколько технических приемов, однако использование многих из них в искусственной сетчатке глаза приводит к ряду проблем.

Недостаток трехматричной системы, в которой поступающий свет, попадая на дихроидные призмы, делится на три основных цвета: красный, зеленый и синий и каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу, заключается в том, что при ее использовании ввиду ее больших размеров искусственный глаз невозможно поместить в глазницу, в связи с чем возникает необходимость использовать внешние устройства, такие как очки с камерой, например, в случае искусственных глаз серии Argus.

Недостаток матрицы с полноцветными светоэлектрическими элементами, в которой с каждого элемента получаются несколько цветовых координат, заключается в следующем. Живая сетчатка глаза содержит два типа светочувствительных клеток - палочки и колбочки. Палочки чувствительны в изумрудно-зеленой части спектра. Колбочки существуют трех типов: первый способен воспринимать свет в фиолетово-синей, второй - в зелено-желтой, третий -в желто-красной части спектра. Зрительный анализатор человека способен воспринимать сигналы каждой клетки по отдельности, но в случае использования матрицы с полноцветными светоэлектрическими элементами каждый элемент посредством электрода будет передавать совмещенный сигнал зрительному нерву. Это приведет к тому, что изображение станет восприниматься в большей степени как темные и светлые пятна, будет нарушено нормальное цветовосприятие и будет отсутствовать детализация.

Наряду с вышесказанным матрицы с мозаичными цветовыми фильтрами (светофильтрами), в которых на каждый сенсель со светочувствительным элементом в виде фотодиода нанесен светофильтр того или иного цвета, имеют ряд преимуществ. Их компактность позволит искусственному глазу полностью поместиться в глазницу.

Сигнал может передаваться нерву посредством электрода, входящего в состав каждого сенселя, отвечающего за один цвет, а не от группы сенселей. То есть использование матрицы с мозаичными светофильтрами позволит создать структуру искусственной сетчатки, близкую к структуре живой сетчатки.

Подобно тому, как в живой сетчатке каждая светочувствительная клетка генерирует сигнал в ходе фотохимического процесса (распада зрительных веществ), отвечающий за один цвет, в матрице с мозаичными фильтрами также каждый сенсель (элемент фотоматрицы) генерирует подобный сигнал за счет фотогальванического эффекта. При этом стоит отметить, что, согласно трехкомпонентной теории цветового зрения М. Ломоносова, в зрительном анализаторе допускается существование трех видов цветоощущающих компонентов, различно реагирующих на свет разной длины волны. Цветоощущающие компоненты 1-го типа сильнее всего возбуждаются длинными световыми волнами (красный цвет), слабее - средними (зеленый цвет) и еще слабее - короткими (синий цвет). Компоненты 2-го и 3-го типов наиболее сильно возбуждаются средними и короткими волнами соответственно. В связи с этим для того, чтобы обеспечить правильную цветопередачу в зрительный анализатор изображения, находящегося преимущественно прямо перед глазами, на сенсели центральной части сетчатки должны быть нанесены светофильтры красного, зеленого и синего цветов.

Для обеспечения высокой детализации изображения необходимо, чтобы в центре искусственной сетчатки располагались сенсели небольшого размера. В таком случае центральная часть сетчатки будет иметь малую светочувствительность. Это связано с тем, что чем больше сенсель и, соответственно, его воспринимающая свет площадь, тем больше его светочувствительность. Малые же сенсели обладают слабой чувствительностью к свету.

Чтобы обеспечить достаточную видимость в темноте, по краям матрицы должны находиться сенсели больших размеров, желательно, покрытые светофильтром изумрудного цвета. Несмотря на низкую детализацию и практически отсутствие в периферийной области матрицы цветочувствительности, подобное улучшение позволит носителю предложенной сетчатки рассматривать очертания предметов в темноте. Использование светофильтров для сенселей, расположенных по краям матрицы, изумрудного цвета предпочтительно для того, чтобы точнее копировать сигнал, передающийся зрительному нерву, поскольку именно к такому цвету восприимчивы периферийные светочувствительные клетки (палочки) в живой сетчатке и зрительный анализатор имеет цветоощущающий компонент (2-го типа), воспринимающий сигнал, отвечающий именно за зелено-изумрудный спектр.

Для наилучшей детализации и цветопередачи желательно, чтобы сенсели меньшего размера, расположенные в центральной области сетчатки, были сгруппированы таким образом, чтобы шесть сенселей с нанесенными на них светофильтрами одного цвета были расположены в виде шестигранника. В случае наличия в центральной области сенселей большего размера это возможно в двух вариантах, изображенных на фиг. 1 и 2. На фиг. 2 изображена более предпочтительная схема расположения светофильтров, поскольку она представляет собой более плотно упакованную структуру, обеспечивающую лучшую детализацию.

Описанные структуры являются подобием расположения светочувствительных клеток колбочек в центре живой сетчатки.

Эффект достижения высокой детализации и цветопередачи связан с тем, что зрительный анализатор человека с наибольшими точностью и скоростью обрабатывает сигналы именно таких структур, с которыми он "привык" работать на протяжении всего времени существования человека.

Возможно наличие сенселей большего размера в центре, а также сенселей меньшего размера с краю сетчатки. Это немного улучшит цветочувствительность в темноте и светочувствительность при свете, поскольку сигналы близнаходящихся разнородных сенселей в какой-то степени смешиваются из-за отсутствия полной изоляции между электродами при имплантации. Однако во избежание ухудшения детализации при свете и видимости в темноте в центре сетчатки должно быть не более одного сенселя большего размера к шести сенселям меньшего размера, а с краю - не более одного сенселя меньшего размера к шести сенселям большего размера.

Работа каждого сенселя предложенной сетчатки осуществляется в фотогальваническом режиме, то есть к фотодиоду не прикладывается внешнее напряжение, но он сам становится источником ЭДС (следовательно, никакие внешние источники питания не используются). При реализации данного режима сенсели с pin- (фиг. 3) и лавинными (фиг. 4) фотодиодами могут иметь следующую архитектуру.

Сенсель, содержащий pin-фотодиод, работающий в фотогальваническом режиме (фиг. 3), содержит последовательно соединенные светофильтр 1, просветляющее покрытие 2, слой полупроводника p-типа 4, слой нелегированного полупроводника 5, слой полупроводника n-типа 6. К слою полупроводника p-типа 4 подсоединены контакты 7а, которые электрически изолированы от слоя нелегированного полупроводника 5 при помощи изолирующей прослойки 3 (например, из диоксида кремния). К слою полупроводника n-типа 6 подсоединены контакты 7б. Контакты 7а и 7б составляют электрод 18, который подсоединяется к волокну глазного нерва. Сверху на светофильтр может быть нанесена микролинза 10.

Сенсель, содержащий лавинный фотодиод, работающий в фотогальваническом режиме (фиг. 4), содержит последовательно соединенные светофильтр 1, просветляющее покрытие 2, слой полупроводника n-типа 6, слой полупроводника p-типа 4, слой полупроводника (p-)-типа 8, слой полупроводника (p+)-типа 9. К слою полупроводника n-типа 6 подсоединены контакты 7б, которые электрически изолированы от слоя полупроводника (p-)-типа 5 при помощи изолирующей прослойки 3 (например, из диоксида кремния). К слою полупроводника (p+)-типа 9 подсоединены контакты 7а. Контакты 7а и 7б составляют электрод, который подсоединяется к волокну глазного нерва. Сверху на светофильтр может быть нанесена микролинза 10.

Сенсель с pin-фотодиодом в составе искусственной сетчатки работает следующим образом. Микролинза 10 (если есть) собирает практически весь падающий на нее свет в преломляющийся более узкий световой поток, который направлен на светофильтр 1. Светофильтр 1 отфильтровывает свет с определенной длиной волны (красный, синий, зеленый, изумрудный), после чего свет падает на просветляющее покрытие 2 (если есть), которое снижает потерю интенсивности света и устраняет его отражение. Далее фотоны света проникают в слои полупроводников p-типа 4 и i-типа 5. Большая толщина слоя i-типа 5 и небольшая толщина слоя p-типа обеспечивают высокую вероятность того, что поглощение входящих фотонов будет происходить слоем полупроводника i-типа, а не областями дырочной и электронной проводимости. Энергия поглощенных фотонов приводит к возникновению в нелегированном проводнике (i-область) носителей заряда. Как только слой нелегированного полупроводника 5 заполняется носителями заряда, в фотодиоде возникает диффузионный ток. Характеристики фототока меняются в зависимости от интенсивности падающего света. Таким образом формируется сигнал изображения, в дальнейшем посредством контактов 7а и 7б, составляющих электрод 18, передающийся зрительному нерву.

Собственным полупроводником (основным материалом полупроводника) могут служить такие соединения, как InSb, HgCdTe и PtSi, обладающие фотогальваническим свойством. Чтобы получить полупроводник n-типа (электронной проводимости), его необходимо легировать соединениями-донорами электрона. Чтобы получить полупроводник p-типа (дырочной проводимости), его необходимо легировать соединениями-акцепторами электрона. Подсоединение контактов 7а и 7б (электрода) к нервному волокну обеспечит передачу зрительному нерву сигнала, формируемого в объеме фотодиода и отвечающего за изображение. Сигналы сенселей с нанесенными на них светофильтрами зеленого, красного, синего и изумрудного (если есть) цветов обеспечивают передачу зрительному анализатору цветного изображения.

Работа сенселя с лавинным фотодиодом в составе искусственной сетчатки отличается тем, что после прохождения через просветляющее покрытие 2 фотоны света проникают в слои полупроводника n-типа 6, p-типа 4 и (p-)-типа 8. Большая толщина слоя (p-)-типа 8 и небольшая толщина слоев n-типа 6 и p-типа 4 обеспечивают высокую вероятность того, что поглощение входящих фотонов будет происходить слоем полупроводника (p-)-типа 8. После поглощения фотона в данном низколегированном слое образуются свободный электрон и свободная дырка. Когда носители заряда сталкиваются с нейтральными атомами кристаллической решетки, их кинетической энергии оказывается достаточно для создания дополнительных пар электрон - дырка. Эти вторичные заряды также ускоряются, создавая дополнительные пары электронов и дырок. Таким способом ток, созданный одним фотоном, умножается, обеспечивая возникновение лавинного пробоя.

На фиг. 3 и 4 приведены наилучшие исполнения сенселей, входящих в состав предложенной сетчатки, однако общеизвестно, что разные производители выпускают фотодиоды одного типа с различной архитектурой. Например, в некоторых фотодиодах может отсутствовать просветляющее покрытие, использоваться другой способ подвода контактов, может быть другая структура изолирующих слоев и слоев полупроводников.

Кроме того, помимо лавинного и pin-фотодиода сенсель предложенной матрицы может содержать фотодиоды с p(n+)-переходом, pi(n+)-переходом и также фотодиоды других типов, однако из-за ряда преимуществ наилучшее исполнение искусственной сетчатки будет обеспечиваться, если в состав ее сенселей будут входить pin- и/или лавинные фотодиоды.

Данные фотодиоды обладают высокой чувствительностью, при этом pin-фотодиоды также обладают высоким быстродействием.

Для наилучшего соответствия характеристик искусственного аналога характеристикам живой сетчатки, таких как глубина резкости и обзор, необходимо, чтобы сенсели меньшего размера были значительно меньше сенселей большего размера. В таком случае, принимая во внимание тот факт, что сетчатка расположена на задней стенке глаза в виде полусферы, расположенные по центру сенсели позволят рассматривать детали на большом расстоянии, а сенсели, расположенные по краям, Ввиду своей повышенной светочувствительности обеспечат хороший обзор.

В производимых в наше время матрицах сенсели имеют размер 0,0025-0,008 мм. Следовательно, предпочтительно, чтобы сенсели меньшего размера имели размер 0,0025-0,004 мм, а сенсели большего размера имели размер 0,006-0,008 мм. Использование матриц других типа и структуры приводит к необходимости введения в искусственный глаз электронных устройств, таких как устройство считывания (аналогово-цифровой преобразователь), цифроаналоговый преобразователь и усилитель, позволяющих формировать сигнал изображения, приемлемый для зрительного анализатора. Однако это создает ряд проблем. Во-первых, в таком случае возникает необходимость во введении в схему источника питания, что делает зрительный имплантат крупногабаритным и неудобным в использовании. Кроме того, в случае замыкания электрической схемы зрительному нерву пациента будут нанесены повреждения.

Во-вторых, при наличии нескольких устройств, преобразовании аналогового сигнала в цифровой с последующей его дешифрацией снижается чувствительность к цвету и интенсивности света, также появляется шум.

В результате исследований фотоэлектрического эффекта было установлено следующее. Во-первых, сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела. Во-вторых, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света. В-третьих, если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэлектрический эффект не наблюдается.

В живой сетчатке цветочувствительные рецепторы - колбочки содержат несколько пигментов с общим названием йодопсин. В зависимости от комбинации этих пигментов существует три вида колбочек, воспринимающих свет в фиолетово-синей, зелено-желтой и желто-красной областях спектра, при этом сигналы, подаваемые в нерв, имеют схожую структуру с сигналами, производимыми предложенной матрицей с мозаичными фильтрами (по амплитуде и частоте).

Разница же между ними может компенсироваться за счет того, что зрительный анализатор наряду с остальными частями зрительной системы имеет свойство адаптироваться к входящим сигналам (Большой психологический словарь. - М: Прайм-ЕВРОЗНАК. Под ред. Б.Г. Мещерякова, акад. В.П. Зинченко. 2003, статья "адаптация зрительная"), и, учитывая, что он, согласно трехкомпонентной теории цветового зрения М. Ломоносова, имеет три вида цветоощущающих компонентов, воспринимающих красный, синий и зелено-изумрудный цвета, можно сделать вывод, что спустя некоторое время после вживления имплантата сетчатки воспринимаемая картина будет соответствовать действительной, передаваемой сенселями с нанесенными на них красными, зелеными, синими и изумрудными светофильтрами. Кроме того, адаптация будет проходить быстрее в случае наличия в центральной области сетчатки сенселей меньшего размера в виде шестигранных структур - по аналогии с расположением колбочек в центральной части сетчатки.

Предложенный бионический глаз работает следующим образом (см. фиг. 5). Падающий свет последовательно проходит через искусственную роговицу 11, тонкую прослойку искусственного прозрачного стекловидного тела 15, искусственную радужку 12, вторую тонкую прослойку (если есть) прозрачного искусственного стекловидного тела 15, оптическую часть 13 искусственного хрусталика, зафиксированного при помощи его гаптической части 14, через основную массу искусственного прозрачного стекловидного тела 15 и, наконец, падает на искусственную сетчатку 17.

Искусственная роговица 11 представляет собой линзу, которая собирает вместе и фокусирует в нужном направлении разрозненные лучи светового потока. По аналогии с живой роговицей ее искусственный аналог должен иметь выпуклую форму и гладкую блестящую поверхность. Предложенный бионический глаз может содержать любую искусственную роговицу, известную из уровня техники, которая обладает вышеперечисленными свойствами.

После искусственной роговицы 11 свет, пройдя сквозь тонкую прослойку стекловидного тела 15, проходит сквозь искусственную радужку 12, изготовленную из фотохромной полимерной пленки или фотохромного стекла с отверстием в центре. Таким образом обеспечивается контроль светопотока, при этом использование фотохромных материалов придаст искусственной радужке 12 повышенную чувствительность к свету.

После искусственной радужки 12 свет, пройдя сквозь вторую тонкую прослойку (если есть) стекловидного тела 15, падает на оптическую часть 13 искусственного хрусталика, представляющего собой линзу, являющуюся второй (после роговицы) светопреломляющей средой глаза. В составе бионического глаза возможно использовать любой искусственный хрусталик из огромного множества, известного из уровня техники, но при этом особое внимание стоит уделить подбору оптимальной его формы для обеспечения возможности видеть предметы сфокусированными.

Далее свет проходит через искусственное прозрачное стекловидное тело 15, которое наряду с функциями живого стекловидного тела в глазу, таких как придание глазу правильной формы, преломление поступающего света на сетчатку глаза и обеспечение несжимаемости глаза, также исполняет функцию фиксатора для искусственных роговицы 11, радужки 12, хрусталика (13, 14) и сетчатки 17.

Общеизвестными являются факты, что стекловидное тело живого глаза представляет собой гелеобразное прозрачное вещество, заполняющее пространство между хрусталиком и сетчаткой в глазу, а передняя камера глаза заполнена прозрачной жидкостью, причем, обладая не сильно отличающимися оптическими свойствами, что и стекловидное тело, передняя камера отвечает за иммунную систему живого глаза. Поскольку предложенный глаз является бионическим и не имеет иммунной системы, необходимость в передней камере глаза отпадает. Вместо этого искусственные роговицу 11, радужку 12 и хрусталик (13, 14) можно поместить внутрь стекловидного тела 15, которое заполнит пространство по всему объему глаза и послужит фиксатором его элементов, обладая при этом, как отмечалось выше, не сильно отличающимися оптическими свойствами, как передняя камера глаза.

Стекловидное тело может находиться в искусственной склере 16, представляющей собой тонкую пластиковую оболочку, выполняющую опорную и защитную функции. Наличие указанной склеры не является обязательным, и необходимость в ней определяется свойствами стекловидного тела, состоящего из того или иного геля.

Искусственная радужка может быть непосредственно соединена с хрусталиком. Поскольку в случае сотрясения или травмы возможно изменение положения этих элементов друг относительно друга, это приведет к частичной потере видимости, однако описанное выше улучшение поможет надежно их зафиксировать.

Пройдя сквозь оптическую систему бионического глаза, свет падает на искусственную сетчатку 17, расположенную в фокальной плоскости хрусталика. Генерируемый сетчаткой фототок, формируемый по описанной ранее схеме после попадания на нее света, передается зрительному нерву через электроды 18, которые в зависимости от повреждений зрительных нерва и анализатора могут иметь различные длину и электрические характеристики, такие как электропроводность и температурный коэффициент удельного сопротивления.

Электроды могут иметь на конце кольцеобразные зажимы, соединяемые с нервными волокнами.

В случае поражения зрительного нерва по зрительным путям необходимо провести токоподвод к оставшейся части упомянутого нерва, например, используя электроды в виде микропроволоки с кольцеобразным зажимом на конце. При обширном поражении зрительного нерва крайне рекомендуется использовать электроды из биосовместимых полимерных органических материалов.

В конечном итоге, информация поступает в зрительный анализатор головного мозга.

Учитывая, что генерируемый искусственной сетчаткой, входящей в состав бионического глаза, фототок по своим характеристикам может в точности не соответствовать фототоку, формируемому в живой сетчатке за счет сложного фотохимического процесса, включающего реакции с такими зрительными пигментами, как родопсин, можно сделать вывод о том, что первое время у пациента будут возникать сложности со зрением. Вероятно, формируемое изображение поначалу будет состоять из темных и светлых пятен, яркость которых будет зависеть от силы фототока. Наряду с этим на основании описания предложенной искусственной сетчатки, приведенного выше, можно сделать вывод, что она имеет такую же структуру, как живая, и производит сигналы, отвечающие за синий, зеленый и красный цвета, по аналогии с живой, имея связь со зрительным нервом посредством множества электродов - по аналогии с тем, как живая сетчатка образует связь с нервом посредством множества аксонов ганглионарных клеток. Каждый сенсель, работая в фотогальваническом режиме, производит сигнал, близкий по силе тока к сигналу, создаваемому в светочувствительных клетках-палочках и колбочках, при этом сенсель реагирует на изменение интенсивности света с определенной длиной волны (зеленого, синего, красного, изумрудного) таким же образом.

Учитывая тот факт, что работа предложенного бионического глаза осуществляется практически в полной аналогии с работой живого глаза с единственным значимым отличием, заключающимся в процессе формирования фототока - за счет сложного фотохимического процесса в живой сетчатке и фотогальванического эффекта в искусственной, адаптация зрительного анализатора к новому глазу не должна быть затруднительной. Каждый цветоощущающий компонент анализатора станет приспосабливаться к соответствующему новому виду сигнала, отвечающего за тот или иной цвет и несколько отличающемуся от того, который производит живая светочувствительная клетка, но изменяющегося под воздействием света по тому же принципу. Таким образом, на основании вышеизложенного и того факта, что факторы, препятствующие работе предложенной искусственной сетчатки и бионического глаза на ее основе, отсутствуют, можно сделать вывод о работоспособности предложенных устройств с достижением всех аспектов технического результата.

Пример осуществления.

По технологии CCD была изготовлена светочувствительная матрица круглой формы диаметром 22 мм на гибкой кремниевой подложке со средней квантовой эффективностью QE_max 56%. В матрице была выделена центральная область диаметром 11 мм, на которую мозаично были нанесены шестигранные структуры сенселей размером 0,0035 мм, а также отдельные сенсели размером 0,007 мм при соотношении число сенселей размером 0, 007 мм/число сенселей размером 0,0035 мм = 1:7. На периферийную область были нанесены сенсели размером 0,007 мм, а также сенсели размером 0,0035 мм при соотношении число сенселей размером 0,0035 мм/число сенселей размером 0,007 мм = 1:7.

Сенсели размером 0,0035 мм были снабжены светофильтрами синего, красного и зеленого цвета и содержали PIN-фотодиоды, а сенсели размером 0,007 мм были снабжены светофильтрами изумрудного цвета и содержали лавинные фотодиоды.

При излучении полученной сетчатки потоком белого света интенсивностью 12-17 дБ в различных частях матрицы с помощью микроамперметра М2005 была замерена сила тока выходного импульса. В зависимости от участка сетчатки она находилась в интервале 30-50 мкА, что является пороговой величиной для восприятия зрительной системы человека.

Данный критерий подтверждает, что предложенная искусственная сетчатка обладает светочувствительностью, близкой к светочувствительности живого глаза. Учитывая это и то, что центральная область сетчатки содержит мозаично расположенные фильтры красного, зеленого и синего цветов, специалисту очевидно, что данная сетчатка также имеет высокую цветочувствительность.

Сетчатка характеризуется высокой детализацией и способна передавать зрительному нерву правильную комбинацию цветов. Кроме того, специалисту очевидно, что исключение использования в матрице фототранзисторов повышает скорость изобразительных сигналов.

Дальнейшие достижения микроэлектроники, нейрофизиологии и биотехнологии смогут обеспечить возможность восстановления и функций зрительного анализатора.

Ввиду простоты, малой себестоимости технологии производства наряду с высокими электрооптическими характеристиками, помимо офтальмохирургии, предложенная сетчатка и глаз на ее основе могут быть применимы в фото- и видеотехнике.

Группа изобретений относится к области медицины. Искусственная сетчатка представляет собой матрицу сенселей, каждый из которых содержит светочувствительный элемент в виде фотодиода и электрод. При этом матрица сенселей представляет собой матрицу с мозаичными светофильтрами и включает в себя центральную и периферийную области. В центральной области матрицы расположены сенсели меньшего размера или сенсели меньшего размера с расположенными между ними сенселями большего размера при соотношении не более одного сенселя большего размера к шести сенселям меньшего размера. В периферийной области матрицы расположены сенсели большего размера или сенсели большего размера с расположенными между ними сенселями меньшего размера при соотношении не более одного сенселя меньшего размера к шести сенселям большего размера. На сенсели меньшего размера нанесены светофильтры красного, зеленого и синего цветов. Бионический глаз содержит искусственное стекловидное тело из прозрачного геля и последовательно установленные в нем искусственные роговицу, радужку, представляющую собой фотохромную полимерную пленку или фотохромное стекло с отверстием в центре, хрусталик и сетчатку с электродами, расположенную в фокальной плоскости хрусталика. Применение данной группы изобретений позволит улучшить цветопередачу и детализацию, сохранит высокую скорость передачи изобразительных сигналов, а также позволит уменьшить размер бионического глаза. 2 н. и 7 з.п.ф-лы, 1 пр., 5 ил.

1. Искусственная сетчатка, представляющая собой матрицу сенселей, каждый из которых содержит светочувствительный элемент в виде фотодиода и электрод, отличающаяся тем, что матрица сенселей представляет собой матрицу с мозаичными светофильтрами и включает в себя центральную и периферийную области, в центральной области матрицы расположены сенсели меньшего размера или сенсели меньшего размера с расположенными между ними сенселями большего размера при соотношении не более одного сенселя большего размера к шести сенселям меньшего размера, в периферийной области матрицы расположены сенсели большего размера или сенсели большего размера с расположенными между ними сенселями меньшего размера при соотношении не более одного сенселя меньшего размера к шести сенселям большего размера, на сенсели меньшего размера нанесены светофильтры красного, зеленого и синего цветов,

2. Искусственная сетчатка по п. 1, отличающаяся тем, что на сенсели большего размера нанесены светофильтры изумрудного цвета.

3. Искусственная сетчатка по п. 1, отличающаяся тем, что сенсели меньшего размера имеют размер 0,0025-0,004 мм, а сенсели большего размера имеют размер 0,006-0,008 мм.

4. Искусственная сетчатка по п. 1, отличающаяся тем, что сенсели меньшего размера, расположенные в центральной области матрицы, сгруппированы таким образом, что шесть сенселей с нанесенными на них светофильтрами одного цвета расположены в виде шестигранника.

5. Искусственная сетчатка по п. 1, отличающаяся тем, что сенсели содержат pin-фотодиоды и/или лавинные фотодиоды.

6. Искусственная сетчатка по п. 1, отличающаяся тем, что электрод выполнен из полимерного органического материала.

7. Бионический глаз, содержащий искусственное стекловидное тело из прозрачного геля и последовательно установленные в нем искусственные роговицу, радужку, представляющую собой фотохромную полимерную пленку или фотохромное стекло с отверстием в центре, хрусталик и сетчатку с электродами, расположенную в фокальной плоскости хрусталика, причем искусственная сетчатка выполнена по любому из п.п. 1-6.

8. Бионический глаз по п. 7, отличающийся тем, что он дополнительно содержит искусственную склеру, представляющую собой гибкую прозрачную оболочку, в которую помещено стекловидное тело.

9. Бионический глаз по п. 7, отличающийся тем, что искусственная радужка непосредственно соединена с хрусталиком.