Biyonik Göz Teknolojisi

Mühendislik görme, teknoloji Nur Buyukyaprak 17 Ağustos 2021 0 Yorumlar

Biyonik Göz Teknolojisi

Günümüz teknolojisi geçmişe oranla ivmeli bir şekilde ilerlemeye devam ediyor ve organik kayıplarımızı önemli bir ölçüde telafi etmemize yardımcı oluyor. Eskiden uzuv kaybı yaşamış veya kas – sinir hasarı görmüş bireyler gündelik yaşamlarını idame ettirmede zorlanıyordu; ancak bu durum günümüz protez teknolojisiyle büyük ölçüde değişmeye başladı. Günümüzdeki protezler hem günlük basit görevlerini gerçekleştirmemize yardımcı oluyor hem de nörostimülasyona izin veriyor. Bu duruma protez kollardaki haptik geri bildirim örnek olarak verilebilir [1]. Daha ayrıntılı bilgiye ulaşmak isterseniz Biyonik Uzuvlara Genel Bir Bakış adlı yazımda bu konuya değindim. Bu içerikte ise görme yetisini kaybetmiş hastaların bu yetisini geri kazandırılmasında kullanılan biyonik göz‘den (Visual prosthesis) bahsedeceğim.

İçindekiler Tablosu

Görme Olayı Nasıl Gerçekleşir ?

İnsan görme sistemi , merkezi sinir sistemindeki en karmaşık sistemlerden birisidir. Bu sistem gözleri, görme sinirlerini görsel korteksi ve ilişkili beyin bölümlerini içerir.

Basitçe Görme olayını özetlersek:

Göze gelen ışık ilk olarak korneadan geçer.
Işık korneadan, pupilaya ve göz merceğine geçer .
Kornea ve göz merceği birlikte ışığı kırarak kırılan ışığın retina üzerine odaklanmasını sağlar.
Işık retinaya geldiğinde fotoreseptör adı verilen özel hücreler (koni ve çubuk hücreleri) ışığı elektrik sinyallerine dönüştürür.
Fotoreseptörlerden gelen bu elektrik sinyalleri retinadan optik sinir yoluyla beyne gider ve beyin sinyalleri gördüğümüz görüntülere dönüştürür.

Görme Kaybı Nedir?

Görme kaybı körlük anlamına gelmektedir. Görme kaybı, doğumdan gelen kusurlardan, genetik ya da doğuştan retina bozukluğundan veya sonradan gelişen sebeplerden (gözün mikrop kapması ya da göz tansiyonun yükselmesi vs. ) kaynaklanabilir .

BİYONİK GÖZ NEDİR ?

Görme sisteminde büyük tahribatının olduğu durumlarda görü yetisinin geri kazanılması mümkün değildir; ancak körlüğün retinada bulunan fotoreseptörlerdeki bir soruna bağlı olduğu durumlarda veya nöral bağlantıların ve fotoreseptörlerin sağlam olduğu; ancak körlüğün olduğu bazı durumlarda nöronal elektrik simülasyonu kurmak için görsel protezi (Görsel protez terimi, görsel sistemin herhangi bir bölümünün elektriksel uyarımı yoluyla bir bireyde görsel algıları ortaya çıkarabilen herhangi bir cihazı ifade eder. ) veya diğer adıyla biyonik göz olarak adlandırılan bir cihaz kullanma imkanımzı vardır Bu sayede yapay görme oluşturulabilir [2, 3].

Görsel Protez Teknolojisinde Geçmişten Günümüze

Görsel protezin geçmişi , Dr. Charles Le Roy’un, 1775 yılında görme engelli bir bireyin kafasının etrafından elektrik akımı geçirerek onda ışık hissi yaratması ile başlar . 1929’ da ise Alman beyin cerrahı Foerster elektriksel uyarımın kortekse uygulanması ile ışık noktasının yani fosfeninin algılanmasının sağlayabileceğini gösterdi.

Brindley, ilk implantı ile görsel korteksi uyarıyor

İki yüz yıl önce, bu ve bunun gibi deneyler aşamalı olarak elektrot-doku arayüzündeki görsel protezler gibi çeşitli programlanabilir, kronik olarak kararlı biyoelektronik implantların ortaya çıkmasında birer basamak oldu [4] ve bu ilerleyiş sonucunda görsel protezin ilk prototipini 1960’larda Prof. G.S. Brindley tasarlandı. Brindley görme engelli bir hastanın görsel korteksine 80 elektrotlu bir cihaz implantasyonu gerçekleştirdi . Görü yetisini geri kazandırmak adına tasarladığı bu cihazda herhangi bir olumsuz sonucun oluşmasını engellemek adına elektriksel stimülasyon’dan yararlandı. Elektrik stimülasyonu kısaca (e-stim), cilt üzerinden hafif elektrik uyarımı göndermek için bir cihazın kullanılmasıdır. O zamandan beri intrakortikal elektrik stimülasyonuna daha fazla odaklanıldı [5]. Biyonik göz teknoloijsinin geliştirilmesindeki önemli problemlerden ikisi, stimülasyon ile nöronal yapının birçok küçük alanının uyarılmasıyla oluşturulan görüntülerin kalitesinin arttırılması ve mikroelektronik implanlatların mekanik ve elektriksel biyouyumluluğun sağlanmasıdır. Günümüzdeki yapay görsel protezleri insanların günlük yaşam aktivitelerini gerçekleştirmesi için gereken asgari piksel sayısına dayalı bir yapay görü sağlamayı hedefliyor [6].

GÖRSEL PROTEZLER VE ÇEŞİTLERİ

Görsel protezler genel olarak retinal olmayan ve retinal yaklaşımlar olarak ikiye ayrılır. Retinal olmayan yaklaşımlar kortikal ve optik sinir protezlerini içerir [7]. Retinal yaklaşımlar, optik sinirin en azından bir kısmının sağlam kaldığı göz patolojileri üzerinden çözüm bulmayı hedeflerken, optik sinirin neredeyse tamamen hasar gördüğü ve/veya gözün kendisinin şekil değiştirdiği veya dejenere olduğu durumlarda retinal olmayan bir yaklaşımın garanti edilmesi gerekir. Retinal protez retina yüzeyine, subretinal boşluğa veya suprakoroidal boşluğa yerleştirilebilir [8].

Retinal Olmayan Yaklaşımlar:

Kortikal Protez

Kortikal protez

1970 yılında Prof. G. Brindley ve Dr. William Dobelle görsel protezlerin geliştirilmesindeki çalışmalara öncülük etti. Oksipital korteksi, implante elektrotlarla elektriksel olarak uyararak fosfenlerin ve desenli algıların uyandırılabileceğini gösterdiler. Her iki araştırmacı da oksipital loba subdural olarak 50’den fazla elektrot içeren diziler yerleştirdi, böylece görsel korteksin önünde görsel yolu hasar görmüş bireylere görü yetisini geri verme olasılığının kanıtını sağlanmış oldu [9]; ancak görsel korteksin büyük bir kısmı, kortikal yüzey elektrotlarına uzakta bulunup erişilemediğinden ve iç nöronlara ulaşmak için uyarım sağlanması gerektiğinden, düşük akımlı yüksek kaliteli sistemler yoluyla yüzey uyarımının eksikliklerini giderme umuduyla intrakortikal stimülasyon tanıtıldı.

Sistem hakkında

Kortikal protez genel olarak iki kısımdan oluşmaktadır :

Tüm işlemlerin gerçekleştiği insan vücudunun dışına yerleştirilmiş bir birincil bir sistem[7]
Görsel kortekse implante edilmiş olan elektrot dizisini etkinleştirmek için insan kafasının içine yerleştirilen ikincil sistem [10]

İkincil sisteme daha detaylı bakacak olursak:

İntrakortikal nöroprotez için entegre edilen mikroelektrot stimülatörünü kablo olmadan tamamen implante edebilmek için flip-chip teknolojisi kullanılır. Bu teknoloji, enfeksiyon riskinin azalmasında ve protezin sağlamlığı artmasında katkıda bulunur. Bu çip Tespit edilemeyecek kadar küçüktür ve pil ihtiyacını ortadan kaldıracak doğrudan taşıyıcıdan elde edilebilen düşük güç tüketimine sahiptir [11].

***Utah Elektrot Dizisi görsel kortekste birçok nöronu uyarmak için kullanılabilecek böyle bir nüfuz eden mikroelektrot dizisinin bir örneğidir .***

Optik Sinir Protezi

Optik sinir, cerrahi olarak ulaşılabilen küçük bir alan olduğu ve bir implant için uygun konum sunduğu için görsel protezin uygulanması için potansiyel bir bölgedir. Bu bölgenin bu kadar cazip olmasının sebebi ise optik sinir, retina ganglion hücreleri (RGC’ler) adı verilen retina çıktı hücrelerinden gelen sinir lifi demetinden oluşur. Bu demet gözden çıkar ve beyindeki sinir hücrelerine bağlanır.

İki çeşit implementasyon seçeneği bulunur:

Bir film alt tabakasına gömülü ve elektrot dizisine sahip olan görme protezi, dışarıdan optik sinirlerin etrafına sarılabilir
Tel elektrotlu bir tip uyarıcı optik sinir başı kullanılabilir.

Optik sinirin doğrudan uyarılması, görü yetisini geri kazanmaya yönelik diğer yöntemlere göre çeşitli potansiyel avantajlara sahiptir.

Hassas olan göz içine veya kafatası içerisine cerrahi operasyon gerektirmez.
Görsel uyarana duyarlı bileşen, (ör. video cihazı) gövdenin dışına yerleştirilebilir, böylece harici bir güç kaynağının kullanımı sağlanır.

Dezavantajı ise :

Optik sinir stimülasyonu şimdiye kadar yalnızca düşük çözünürlük ve düşük görünür parlaklık ile gösterilmiştir, algıları uyandırmak için yüksek stimülasyon gerektirir .
Normal işleyen bir optik sinirin gerekli olmasıdır. Bu sebeple, bu yöntem glokom gibi hastalıklarda kullanımı sınırlıdır
Dış tellerden enfeksiyon kapma riski vardır [12].
Optik sinir yaklaşımı kısmen potansiyel olarak basit bir cerrahi implantasyon nedeniyle çekici olsa da, yine de aktif bir sinir gerektirir [13].

Retinal Protez

Retina, ışık uyaranını elektrik sinyallerine dönüştüren nöronlardır. Retinal protez, retinayı elektrotlarla uyarır. Ayrıca, retinal protez yapay retina olarak da bilinir .

Retinal protezlerin avantajları:

Fotoreseptörlere daha yakın olması
Görsel bilginin doğal işlenmesi için daha fazla fırsata sahip olması
Görsel bilgiyi kodlamak için kameraya gerek yokur.Bu işlevi optik sinir sağlar [14].

Ancak

Pratikte, cihazın kapsüllenmesi, implantların sabitlenmesi, güç kaybı ve yeterli akım üretilmesi ile ilgili sorunlar yaşanmıştır [15].
Bir retinal protezin çalışması için fonksiyonel retinal ganglion hücrelerinin bir popülasyonu olmalıdır ve bu nedenle bu sistemler çok ileri retinal dejenerasyonları tedavi edilmesinde tercih edilmez [16].

Günümüzde geliştirilen başlıca üç tür retinal implant bulunmaktadır: Epiretinal , Subretinal ve Suprakoroidal Transretinal Stimülasyon (STS) .

Epiretinal Protez

Epiretinal implantlar çalışma şemasında kameradaki alıcılar sayesinde görsel bilgi alınır ve daha sonra bu görsel bilgiyi, kalan canlı retinal nöronlarını uyarmak için elektriksel stimülasyon modellerine dönüştürür.

Epiretinal protezler, vitreus jeli ve iç sınırlayıcı membran arasında retinanın yüzeyine yerleştirilmiş bir dizi elektrot içerir. İmplantlar, vücudun dışına yerleştirilmiş bir gözlüğe takılan bir kamera yardımıyla (göze giren ışık yapay fotoreseptörleri uyaracak güçte değil) elektrik sinyallerini alır.

Böyle bir cihazda kamera, ışık sinyallerini kamera içindeki bir mikroçipe iletir. Bu mikroçip sinyali deşifre eder ve onu kablosuz (wireless) olarak epiretinal implanttaki bir mikroçipe iletir ve bu mikroçip retinal ganglion hücrelerini uyarır [17]. Bu uyarımlar retinadaki sağlam hücreler tarafından optik sinir yoluyla beyne ulaştırılır [18].

Özetlemek gerekirse :

Çok elektrotlu bir dizi retinanın yüzeyine implante edilir ve elektrotlar retinayı üst taraftan uyarır. Genellikle retinanın yüzeyine implant bir iğne ile sabitlenir ve retina ganglion hücrelerini uyarmak için bir kameradan bilgi iletir .
Retinaya yakınlığı, düşük bir stimülasyon eşiğine izin verir ve bu da daha küçük bir boyuta izin verirken, vitröz kavite sıvıları ile temas, cihazın ısıyı dağıtmasına yardımcı olur[19].
Kamera gözün dışında veya doğal merceğinde bulunur.
Sistem tipik olarak, daha doğal göz-kafa kombinasyonunu değil, kamerayı yönlendirmek için kullanıcıdan kafa hareketini gerektirir.
Elektronik aksamın giyilebilir kısmı, ameliyat gerektirmeden ileri teknoloji yükseltmelerine izin verir [20].

Epiretinal implantlara Argus II, Epi-Ret 3 ve Intelligent Medical Implantları örnek verilebilir.

Subretinal Protez

Retina altına bir elektrot dizisi implante edilir. Amaç hasarlı fotoreseptör hücrelerini fotodiyotlarla değiştirmektir. Bunu sağlamak için görüntüleme sensörü ile elektrot dizisi bütünleştirilir. Elektrot dizisini sabitlemek için göz içi basıncı kullanılır ve mekanik bir sabitleme aracına ihtiyaç duyulmaz. Bu cihazın konumu sayesinde doğal göz hareketlerinden faydalanmak mümkündür.

Fotoreseptör hücrelerinin fotodiyotlarla değiştirilmesi amacıyla tasarlanmış bu protez oldukça dejenere olmuş retinalarda bile nöral aktivitenin protez elektrikle uyarılabilmesi subretnial protezleri diğer protezlerden ayırır [21].

Bu protezin dezavantajı , elektroniği yerleştirmek için sınırlı subretinal boşluğun yanı sıra retinanın elektroniğe yakınlığını içerir, bu da nöronlarda termal yaralanma riskini artırır. [22]

Bu protez için yapılan önemli klinik çalışmalardan birisi Boston Retinal Implant Projesidir. Bu projenin mantığına göz atacak olursak:

Özel olarak tasarlanmış camlarda, görüntülerin yakalanması için kullanılan minyatür bir kamera bulunur. Görüntü, bir görüntü işleme birimi tarafından analiz edilir ve uygun uyaran bilgisi ve gücü, bir iletim bobini yoluyla gönderilir. İkincil bir alıcı bobin (gözün irisinin etrafına dikilir) iletilen kablosuz bilgiyi yakalar [23].
İletilen bilgi bir dizi elektronik bileşen aracılığıyla gözün arkasında oluşturulan bir skleral kanat aracılığıyla subretinal boşluğa yerleştirilen uyarıcı elektrot dizisine iletilir.[24]
Gözün ve implant cihazının kesit görünümü. Yalnızca elektrot dizisinin skleraya girdiğine ve implant bileşenlerinin büyük kısmının gözün dışında olduğuna dikkat edin. [25]

Suprakoroidal transretinal stimülasyon (STS)

Epiretinal ve subretinal implantlarda görülen sorunları azaltmak için Japon bilim insanlarının NIDEK isimli biyomedikal şirket ile birlikte geliştirmekte olduğu son alternatif yaklaşımlardan birisi ise Suprakoroidal transretinal stimülasyondur (STS) .

Bu protez koroid ve sklera arasına veya sklera ve hedef retinal ganglion hücreleri üzerine implante edilebilen bir elektrot dizisine sahiptir ve retina nöronlarını uyarır. Elektrotlar retinadan biraz uzak olduğu için görüntünün çözünürlüğü epiretinal ve subretinal implantlara göre daha düşüktür [26]. Ayrıca bu protezde epiretinal proteze benzer bir harici kamera kullanılır.

Avantajları :

İmplantın diğer yöntemlere göre gözün daha dayanıklı bir kısmına uygulanabilmesi
Elektrotlar retinaya temas etmediği için cerrahi işlemler güvenlidir.
Protez, retina ve sklera cebinde stabil bir şekilde sabitlenir bu yüzden ameliyatlar daha az komplikedir. [27]

Haptik Görü

Çevredeki nesneler ile fiziksel etkileşim sonucunda nesne hakkında nesnenin yüzeyinin nasıl bir his oluşturduğu veya ağırlığının ne kadar olduğu gibi birçok bilgiyi o nesne ile temas sonucunda bilebiliriz.

1980’li yıllarda robot-nesne etkileşimi ve bu nesnelerin fiziksel özellikleriyle ile ilgili çalışmalar yapılmaya başlandı. Dokunsal keşifte belki de en önemli ilerlemelerden birisi ise nesneleri bir insan gibi kavrayabilmesi ve taşıyabilmesi için üretilen robot ellerdi . Bu eller sayesinde robotun kavrama tekniği ile gerçek dünyadaki bir cismin hem geometrik hem de fiziksel özelliklerinin modellenmesi için dokunsal keşif alanında ilk temassız görüntü tabanlı otomatik yaklaşım üretildi [28]. Günümüzde ise, bu yaklaşımdan yola çıkılarak görme engelli bireylerin dokunma hissi ile çevresini algılaması ve keşfetmesi yani bireylerin dokunarak görmesi için dokunsal arayüz çalışmaları üzerine odaklanılıyor.

İLGİLİSİNE : Bu konuyu araştırırken karşıma gelen ve dikkatimi çeken bazı projelerden birisi ise görme engelli bireylerin büyük nesneler etrafında gezinmesine yardımcı olmak amacıyla bir baret üzerine yerleştirilen titreşimli motorlar ve sensör sistemi aracılığıyla geliştirilen Ultrasonik Haptik Görü projesi . Bir diğeri ise görme engelli bireyler için akıllı telefon tabanlı haptik görü değiştirme projesi (Bunlara dair kaynaklara kaynakça ve ileri okumalarda yer verdim.)