Устройство для получения зрительной информации абсолютно слепыми людьми с отсутствием или атрофией одного или обоих глаз .

Изобретение относится к медицине а именно (A61F 2/14 –искусственный глаз) , приспособлениям для вождения слепых (A61F 9/00) и способу изготовления глазных протезов из органических пластических материалов (B29D 11/02)

Исходные условия для работы устройства

1 Существовавшая многие десятилетия в СССР инструкция о определении групп инвалидности несмотря на все оговорки имела определённые основания иначе бы она не продержалась так долго. Согласно этой инструкции человек нуждается в посторонней помощи если его острота зрения не более 0,03 или поле зрения меньше 10 градусов в диаметре. При больших величинах остроты и поля зрения признавалось, что человек с расстройством зрения может обходиться без посторонней помощи. Соответственно ,для устройств осуществляющих обработку информации и передачу этой информации пользователю будет достаточно хотя бы таких значений разрешающей способности и вышеуказанного угла обзора (поля зрения) чтобы избавить слепых от необходимости в посторонней помощи

2 Давно проведенные исследования показали, что абсолютно здоровый с нормальным зрением глаз будучи искусственно обездвижен становится слепым и остаётся таковым до возобновления его движения . Соответственно , наличие движения (изменения направления ) поля зрения устройств для помощи слепым является необходимым для их работы.

3 Мы предлагаем возврат к анализу яркости окружающих слепого объектов в видимой части спектра как основному источнику информации об окружающей обстановке (в настоящее время предпочтение отдаётся ультразвуковой эхолокации) . Как дополнительный источник информации может быть использован лазерный дальномер для обнаружения ступенек (тротуарных бордюров) в качестве дополнения к предлагаемому устройству.

4 Каждый из специалистов по глазному протезированию использовал в практической работе сохранность части зрительного анализатора а именно ядер глазодвигательных нервов ,самих нервов и глазодвигательных мышц для достижения максимального косметического эффекта –движения глазного протеза. Мы предлагаем регистрировать движение глазного протеза (или , возможно, глазничного имплантата) для управления предлагаемым устройством.

5 Современное состояние элементной базы в микроэлектронике позволяет разместить непосредственно в глазном протезе подходящий чип, антенну и (при необходимости) источник питания. При этом цена необходимых элементов не превышает 20 долларов, что делает предлагаемое устройство доступным по цене.

Современные устройства для облегчения ориентации слепых включают ультразвуковые локаторы и разрабатываемые в экспериментальном порядке приборы с вживлением электродов в затылочную долю коры головного мозга. В обоих указанных способах нерешённой является проблема передачи информации пользователям этих устройств. В частности , использование звуковых сигналов подаваемых с ультразвуковых локаторов затрудняет слепым возможность восприятия реальных звуков из окружающей их среды а вживление электродов в головной мозг представляется достаточно сложной нейрохирургической операцией.

Одним из альтернативных способов передачи информации слепым является использование тактильной чувствительности кожи или слизистых оболочек при механическим воздействии на них или воздействии пороговыми электрическими импульсами. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому нами является способ передачи информации об окружающей среде путём подачи электрических импульсов на кожу живота или на слизистую оболочку полости рта под язык. Кроме очевидной нефизиологичности указанных способов в них не используется такой важный для зрительного восприятия фактор как движения головы слепого и сохраняющаяся после удаления глазного яблока активность глазодвигательных мышц ,осуществлявших движение глазного протеза (аналогично движению глаз при их наличии) .

Нами предлагается устройство передающее слепому пользователю информацию об окружающей его обстановке путём передачи надпороговых электрических импульсов с глазного протеза на слизистую оболочку глазничной полости. При этом, в режиме реального времени производится регистрация движения вышеуказанного глазного протеза и соответствующее ему изменение поля обзора видеокамеры (аналогично изменению направления взгляда зрячего человека)

Устройство состоит из двух индивидуально изготавливаемых в условиях лаборатории глазного протезирования блоков и носимого персонального компьютера

Блок № 1 представляет собой солнцезащитные очки с полным (100 процентов) затенением стёкол на котором размещены

1. веб-камера (крепится на дужке очков),

2. Транспондер( устройство связи и подачи сигнала на активные протезы ) фиксируемое к оправе очков

3. рамочная антенна встроена в очковую оправу и таким образом, формируется индуктивная связь для электропитания протеза и передачи данных.  

4. набор фотоэлементов на задней поверхности одного из стёкол для регистрации движения глазного протеза по отражённому от него блику

5. в источник узкого пучка света на одной очковой линзе (может использоваться отверстие в центре очковой линзы)

Блок № 2- пластмассовый глазной протез в который устанавливается следующее оборудование

1 рамочная антенна

2 контроллер ,который формирует заданные уровни сигнала на электродах. Примечание4

3 При необходимости (понижении чувствительности слизистой на культе глаза вследствие рубцевания) миниатюрный источник питания. Примечание 6

4 электроды от контроллера, выходящие на заднюю поверхность протеза

3 Устройство обработки данных 

Микро-ПК нужен для проведения анализа входящих данных в реальном времени. Подходит любой компактный одноплатный ПК достаточной вычислительной мощности. Например, Raspberry Pi.  

Принцип работы

Зрительная информация собирается и анализируется с центрального участка пространства 10 градусов в диаметре видеокамерой расположенной в блоке 1.

Информация с камеры поступает в персональный компьютер , где преобразуется по принципу on-off в индивидуальном для пользователей порядке в зависимости от изменения яркости того или иного объекта по отношению к средней яркости обозреваемого поля.

См. примечание2

В зависимости от расположения в пространстве объектов производится подача импульса на тот или другой электрод на задней поверхности глазного протеза. Сила тока подаваемая на электроды определяется индивидуально и равна минимальной силе тока которая может ощущаться пользователем устройства. Согласно литературным данным и собственным наблюдениям ,полученным в процессе работы лаборатории глазного протезирования она может составлять от5 до 100 микроампер.

В процессе изменения обстановки вокруг пользователя , как визуальной ,которая отображается вышеуказанными электрическими импульсами так и звуковой (естественные звуки окружающей среды, на которые слепой обращает внимание) возникает активность глазодвигательных мышц которая приводит к повороту культи и «надетого» на неё глазного протеза (блок2). См.примечание5

В соответствии с изменением положения глазного протеза за счёт программного обеспечения осуществляется соответствующее изменения поля обзора устройства и возникает новая «картинка» создаваемая электрическими импульсами

Расчёт возможной ценности устройства для слепого пользователя.

Полноценной (100 процентной) остротой зрения признаётся способность различать раздельно две точки, если угловое расстояние между ними равно одной угловой минуте (1/60 градуса ) Согласно давно существующим официальным документам (Инструкции по определению группы инвалидности) человек признаётся практически слепым и нуждающимся в посторонней помощи (первая группа инвалидности) при снижении остроты зрения до 0,03 (три процента) и сужении поля зрения до 10 градусов в диаметре(радиус 5 градусов). При больших значениях указанных величин признаётся ,что человек хотя и не может работать в обычных условиях но в посторонней помощи не нуждается. Возможности устройства в перспективе позволяют достичь приблизительно такой разрешающей способности ,которая позволит абсолютно слепому (со зрением ноль или полным отсутствием глаз )обходиться без посторонней помощи по крайней мере в бытовых условиях.

Идеальный вариант

Внутренний размер составляет для среднего глазного протеза около 20 -25 мм. Согласно (,,,,) минимальная площадь электрода который может вызвать ощущение на слизистой составляет 1 мм кв.(диаметр 0,6 мм). Для удобства монтажа изделия используются электроды диаметром 1 мм с промежутками между ними 1,5 мм. Таким образом можно задействовать до 80 электродов (приблизительно по 9 в горизонтальной и вертикальной оси). При установлении для видеокамеры «поля зрения» в 10 градусов (600 угловых минут) соседние точки будут находиться на расстоянии 66,7 угловых минут . Соответственно «острота зрения» получается равной 1 / 66,7 угловых минут что соответствует остроте зрения 0,01499 ( полтора процента, верхняя строчка ШБ в таблице для проверки зрения с расстояния 0,7 метра)

Указанная величина получается при использовании для передачи зрительной информации одного протеза

При использовании для обозрения того же поля зрения в 10 градусов двух протезов (правого и левого) можно вдвое увеличить число задействованных электродов получить «остроту зрения» 0,03 ,что приближается к границе между второй и первой группой инвалидности по зрению, определяющей нуждаемость в постороннем уходе.

Вариант с использованием имеющейся элементной базы и существующих возможностях стандартной лаборатории глазного протезирования

Используется 8 электродов. Для получения ощутимого для пользователя результата предпочтительно задействовать два протеза (правый и левый).

Размер протеза и размер электродов тот- же что в предыдущем варианте. Для отображения «поля зрения» в 10 градусов можно задействовать с двух протезов в сумме 16 электродов (приблизительно по 4 в горизонтальной и вертикальной оси).

Острота зрения получается равной 1 / 150 угловых минут или 0,67 процента (в среднем). Указанную величину можно поднять за счёт рационального расположения электродов – сверху их не располагать вообще а переместить в центр (смотри рисунок )

Для дальнейшего увеличения статичной «остроты зрения» можно использовать чипы с большим числом электродов но увеличения реальной ценности устройства для пользователя будет достигаться главным образом виртуального «движение глаз» и поворота головы

Дополнительные полезные для пользователя возможности

В состав блока №1 возможно

1 Сугубо за счёт усовершенствования программного обеспечения с использованием той же видеокамеры включение ридера (устройства для чтения ) с звуковым отображением читаемых текстов.

2 На оправе возможно размещение направленного вперёд и вниз лазерного или ультразвукового дальномера обеспечивающего индикацию и оповещение коротким звуковым сигналом ступеньки иди бордюра на тротуаре.

В настоящее время разработка устройства в общем завершена но для его испытаний и запуска в производство требуется приложить значительные усилия в связи с чем мы ищем партнёров для завершения данного проекта.

Примечания

(примечание2)

(Первоначальный порядок подачи информации в транспондер – onn (наличие сигнала) при освещённости поля на порядок больше или меньше чем средняя освещённость в окружающем пространстве. В дальнейшем выбираются режимы ,которые дадут с точки зрения пользователя ему наибольший эффект в ориентировании и комфорт. Важной в психологическом плане для слепых и особенно «внезапноослепших» (например от травм обоих глаз) является возможность отличать «день от ночи» поэтому один из режимов должен показывать яркость фона ,хотя это и не поможет в ориентировании слепого в пространстве.

Примечание3

При качественно проведенной операции удаления глаза с подсадкой имплантата подвижность глазного протеза составляет до 15 -20 градусов, соответственно за счёт ПО изменяется зона обзора устройства до примерно 30-40 градусов в диаметре при .

Примечание 4

 К чипу контроллера протеза предъявляются следующие основные требования: 

А Возможность работы в роли пассивной RFID/NFC метки, т.е. без внешнего питания 

Б Наличие дополнительных управляемых выводов (GPIO) 

В Компактный размер, минимальный объем сопутствующих компонентов 

• Корпус 4х4х1 мм 

• Поддержка стандарта ISO 15693 для радиометок средней дальности (до 1м)

• До 8 управляемых  выводов GPIO 

По сути, протез является RFID-меткой с расширенными функциями, работает на основе стандартной технологии RFID/NFC (ISO 18000). 

Примечание5

Регистрация  движения глазного протеза производится  путём регистрации отражённого пучка света описанного в 1963 году для  исследования движения глаз у людей[4]. В один из глазных протезов  в центре на месте  «зрачка» размещается плоское зеркало диаметром 5 мм.

Центр полностью непрозрачной  очковой линзы утолщают до 5 мм и  проделывается отверстие  диаметром 3 мм напротив  расположения зеркала или применяется  подаваемый по стекловолоконному проводнику лазерный луч слабой мощности. Вокруг  источника светового пучка, с внутренней стороны очковой по кругу  размещают фоторезисторы. При движении протеза отражённый пучок света  регистрируется одним из фоторезисторов  и далее обрабатывается с помощью программного обеспечения.

Вторым возможным способом регистрации движения глазного протеза является использование трехкоординатного высокочувствительного акселерометра (при необходимости с гироскопом ), что позволяет через регистрацию ускорения, совпадающую с осью чувствительности задать ориентацию глазного протеза в пространстве и через транспондер передать информацию на ридер (компьютер). В этом случае отпадает надобность в фоторезисторах и источнике узкого луча света. Компоненты блока 1 можно разместить не на солнцезащитных очках, а на более эстетичной очковой оправе.

   Кроме того для  работы данного устройства можно применять регистрацию движения не только глазного протеза но и вживлённого глазничного имплантата. В этом случае в имплантат  должна быть запаяна ориентированная спереди назад  магнитная полоса (например, из магнитной резины). Недостатком данного способа является необходимость проведения повторной офтальмохирургической  операции по  установке такого имплантата практически всем потенциальным пользователям устройства.