"Oko okiem wyobraźni" "Interdyscyplinarny projekt konstrukcji protezy oka" ANDRZEJ BARGIEŁA1, YUYING YAN2, TOMAS MAUL3, YAN GAO4 1Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Wydział Fizyki, Matematyki i Informatyki, Instytut Informatyki, Zakład Inteligencji Obliczeniowej, ul. Warszawska 24 31-155 Kraków 2University of Nottingham, Faculty of Engineering Fluids and Thermal Engineering Research Group 3University of Nottingham Malaysia Campus, Faculty of Science School of Computer Science 44University of Nottingham, Faculty of Engineering Nottingham Geospatial Institute e-mail: andrzej.bargiela@gmail.com Symulacja komputerowa elektrod protezy oka zweryfikowana mikroskopem siły atomowej

Opis popularnonaukowy projektu

W pewnej norweskiej legendzie przez świat wędrują trzy leśne trolle. Wędrówka z pewnością przysparza im wielu niewygód, ponieważ mają jedno wspólne oko. Dysponuje nim ten z trolli, który idzie przodem, jednak w razie zmiany przewodnika, lub z jakiejkolwiek innej przyczyny, jedyne oko przekazywane jest temu, który najbardziej go potrzebuje.
Lubujący się w skandynawskiej mitologii uwielbiają grozę towarzyszącą wymienianiu się narządem wzroku. Nie próbują dociekać, czy oko idealnie pasuje do każdego trollego oczodołu, ani czy każdy z użytkowników tej samej gałki widzi za jej pomocą równie wyraźnie. Jednak naukowcy wiedzą, że implanty oczu nie są już tylko fantazją. Pierwsze elektroniczne urządzenia uzupełniające niedobory widzenia zaczynają już ułatwiać życie pacjentom tracącym wzrok, wymagają one jednak udoskonalenia. Stopień skomplikowania naturalnego narządu wzroku nie ułatwia tego zadania. Różnorodność komórek receptorowych zapewniających ostrość widzenia oraz odróżnianie barw wydaje się niemożliwa do odwzorowania w jakimkolwiek ludzkim tworze, podobnie jak odtworzenie ich wzajemnych połączeń oraz komunikacji z mózgiem. Tymczasem w wielu ośrodkach na całym świecie toczą się badania, których celem jest doskonalenie skonstruowanych już protez narządów wzroku tak, aby w jak największym stopniu zastępowały brakujący lub niefunkcjonujący organ. Zespoły naukowców dążą do tego, aby umożliwić pacjentowi nie tylko odróżnianie światła od ciemności i samodzielność w podstawowych czynnościach. Celem badaczy i pragnieniem pacjentów jest też powrót do takich wizualnych zainteresowań jak lektura czy fotografia.
Testy na sztucznym ludzkim oku utrudnia brak możliwości wkładania i wyjmowania urządzenia, tak jak potrafią to leśne trolle. Do wielokrotnych prób specjaliści z trzech dziedzin: medycyny, informatyki i inżynierii materiałowej stosują więc symulację komputerową. Z jej pomocą może się udać zwiększyć rozdzielczość obrazu, który dociera do mózgu. Dopóki nierealnym jest zmniejszyć elektrody do rozmiarów komórek wzrokowych, efekt ten można spróbować uzyskać poprzez pokrycie ich nanocząstkami, zwiększając w ten sposób ich powierzchnię.
Sztuczne oko nie jest już tylko wytworem wyobraźni. Niebawem ze świata nordyckich legend do realnego świata przejdą też coraz doskonalsze właściwości protezy narządy wzroku.

Streszczenie naukowe

Symulacja komputerowa zyskała w ostatnich latach status jednego z najbardziej wszechstronnych narzędzi badawczych w szczególności tam gdzie wielokrotna powtórka eksperymentu jest zbyt inwazyjna lub wręcz niemożliwa. Jednym z takich przypadków jest konstrukcja protezy oka. Symulacja komputerowa jest tutaj wykorzystana do zaprojektowania materiałów które oferują największe szanse na integrację implantu z biologiczną tkanką. Projekt zainicjowany przez Prof. Bargiełę koncentrował się na zwiększeniu rozdzielczości wizji zapewnionej przez sztuczne oko. Miniaturyzacja elektrod wszczepianych do oka jest krytycznym wymaganiem do zapewnienia dużej rozdzielczości wizji ale równocześnie prowadzi ona do zwiększonej impedancji połączeń z biologiczną tkanką. Zaproponowane rozwiązanie tego problemu to zwiększenie efektywnej powierzchni elektrod bez zwiększania ich rozmiarów. Nanotechnologia stwarza takie możliwości. W tym projekcie przeprowadzona została symulacja komputerowa oraz eksperymentalna weryfikacja pokrywania elektrod nano-cząstkami. Dwie metody zostały opracowane technologicznie: natrysk proszkowy w próżni oraz pokrycie koloidalne z próżniowym odparowaniem. Weryfikacja eksperymentalna została przeprowadzona wykorzystując Mikroskop Siły Atomowej który pozwolił na wizualizację nierówności powierzchni elektrod spowodowanej przez pojedyncze nano-czastki, czyli nierówności 100-krotnie mniejsze niż dług ość fal widocznego światła. Projekt ten zmienił kilka NIEMOŻLIWOSCI w MOŻLIWE. Niemożliwa weryfikacja biologiczna właściwości elektrod stała się możliwa poprzez symulację komputerową. Niemożliwa do zobaczenia nano-powierzchnia stała się możliwa do odczucia przez "dotyk" Mikroskopu Siły Atomowej. Jest więc nadzieja że niemożliwe dotąd przywrócenie wzroku osobom niewidomym stanie się możliwe przez interdyscyplinarny wysiłek Nauk Medycznych, Inżynierii Materiałowej oraz Informatyki. Prof Bargieła był Prezydentem European Council for Modelling and Simulation; 2002-2004, 2004-2006 and 2010-2012.

Komitet Organizacyjny

Współpraca

Sponsorzy

Patronat medialny