چشم مصنوعی و پکیج امنیتی نابینایان

نابینایی یکی از بیماری هایی است که پس از امـراضـی چـون سـرطـان و ایـدز مـردم بـیـشترین واهمه را از آن دارند. نابینایی عبارتند از: کاهش بینایی به حدی که مانع از اشتغال فرد با اتکای به خویش  شود، یا فرد را  وابسته به دیگران یا وسایل کمکی کند.در حال حاضر بیش از ۱۸۰ میلیون نفر مبتلا به اختلالات بینائی در جهان زندگی می‌کنند که از آن میان ۴۵ میلیون نفر نابینای مطلق و ۱۳۵ میلیون نفر نیمه نابینا هستند و بیش از نود درصــد آن هــا در کـشـورهـای در حـال تـوسـعـه زندگی می کنند.  در هر پنج ثانیه یک نفر به تعداد نابینایان جهان افزوده می شود و در هر دقیقه یک کـــودک نـــابـیـنـــا مـــی شـــود. نــابـیـنــایــی درجــات گوناگونی دارد. برخی هرگز نور را نمی بینند؛ بعضـی دیگـر فقـط مـی تـوانند نور را از تاریکی تـشـخـیـص دهنـد؛ عـده ای هـم از دیـد نـاچیـزی برخوردارند و فقط درصد اندکی از نابینایان کور مــادرزاد هـسـتـنــد، ســازمــان بـهــداشـت جـهـانـی جمعیت نابینایان سراسر دنیا را بین چهل تا چهل و پنج میلیون نفر تخمین می زند و بنا به گزارش مرکز پژوهش های مجلس، جمعیت معلولان ایران را ۶۳۱/۸۷۵/۲ نفر برآورد کرد و افزود از این تـعـداد  ۳۴۰/۴۰۸نفـر (۱۴ درصـد) نـابینـا هستنـد. امروزه برای نابینایان در سر تا سر جهان وسایل تـوانـبـخـشـی و کـمـک بـیـنـایـی زیاد و گوناگونی طراحی ساخته شده است که آن ها نیز بتوانند مـانـنـد افـراد جـامـعـه خـود بـه صـورت عادی به زنـدگـی و فـعـالیت های روز مره خود مشغول باشند ولی متاسفانه هیچ یک ازاین وسایل و تجهیزات توانبخشی نمی تواند کمکی شایان و بی خطر ، با کمترین درصد خطا را به افراد روشندل برساند،در این زمان است که می توان به قدرت کمک  بهرمندی وتوانمندی ماشین به انسان در تمامی سطوح پی برد که استفاده از این فناوری را می توان سایبورگ معرفی کرد، که ماشین ها را نسبت به نیاز در هر زمینه می‌توان انتخاب کرد (الکترونیک- نانو- مکانیک- نرم افزارهاو…) که در این مقاله به بررسی چگونگی ادغام سنسورهای بینایی الکترونیکی (دوربین، سنسور مادون قرمز، سنسورهای فاصله یاب صوتی، لیزرها)   مدارات الکترونیکی و خروجی آن ها به صورت ویبره ،آلارم و صوت در قالب هشدار به فرد استفاده کننده و ارتباط آنلاین  بین خروجی سیستم ذکر شده و سیستم  عصبی بینایی در مغز، اشاره می‌شود .

سایبورگ ها
اصطلاح سایبورگ  Cyborg به موجودی اطلاق می شود که علاوه بر اعضای طبیعی بدن، دارای ارگان هایی با عملکرد مصنوعی هم باشد. زمانی این اصطلاح، اختصاصا در داستان های علمی- تخیلی مورد استفاده قرار می گرفت، اما این روزها دیگر <سایبورگ> یک اصطلاح انتزاعی نیست.  پیوند انسان و ماشین یکی از موضوعات بسیار مهم جهان  است، حال این عضو مصنوعی می خواهد تراشه های پیوند شده در مغز باشد، یا لنزهای چشمی.
راب اسپنس Rob Spence  مستند ساز ۳۷ ساله مقیم کانادا  در ۹ سالگی به دنبال یک حادثه، بینایی چشم راست او به شدت آسیب دید.   پزشکان مجبور شدند که چشم راستش را تخیله کنند. از آن زمان به بعد او از یک چشم بند برای پوشاندن، کاسه چشم خالی استفاده می کرد  تا اینکه سرانجام تصمیم گرفت، یک پروتز نصب کند، اما نه یک پروتز معمولی!  هنگامی  که قرار شد، پروتزی برایش کار گذاشته شود، ایده ای به ذهنش رسید، او به دوربین موبایل خود نگاه کرد و با خود فکر کرد که چقدر خوب است دوربینی به همین کوچکی به جای چشم آسیب دیده اش می داشت. راب اسپنس، سرمایه زیادی برای عملی کردن ایده نداشت،  اما افراد زیادی پس از مطلع شدن از این ایده،  به او کمک کردند. مهندسانی داوطلب شدند که به صورت پاره وقت روی این پروژه کار کنند. نقش <استیو مانSteve Mann  >،استاد دانشگاه MIT، که سال ها روی پروژه کامپیوترهای قابل پوشیدن کار کرده بود، در این میان، برجسته بود. یک مهندس تجربی ماهواره به نام <کوستاس گراماتیس> هم در راه رسیدن به این هدف بسیار کمک کرد. شرکت  OmniVision، شرکتی که در ساخت دوربین های کوچک برای موبایل، لپ تاپ و آندوسکوپ ها تخصص دارد، دوربینی را به او هدیه کرد و سرانجام ایده او عملی شد. او حالا پروتزی دارد که مجهز به یک دوربین کوچک است، این دوربین با حرکت ماهیچه های چشمش، به طور طبیعی حرکت می کند و دقیقا مناظری را که او در حال دیدن آن ها است، ثبت می کند. دوربینی که اکنون راب اسپنس بر روی پروتز خود دارد، گرچه بینایی را به او بازنمی گرداند، اما در عوض می تواند با انتقال بی سیم تصاویری که او در حال دیدنشان است،را ضبط وذخیره سازی کند که این کار بی نظیر است. اسپنس،  امیدوار است که چشم جدیدش در ساختن فیلم های مستند به او بسیار کمک کند، این ابتکار و اختراع آنقدر جالب بود که مجله تایم پروژه  Eyeborgرا به عنوان یکی از ۵۰ اختـراع بـرتـر سال ۲۰۰۹ برگزید و اما جد کالوین ۵۵ ساله، مدیر پروژه های IT مقیم انگلستان، مدتی پیش، بعد از یک تصادف با موتورسیکلت روده ها و ناحیه مقعد او  آسیـب دیـد.  جـراحـان مجبـور شـدند، کولوستومی برای او کار بگذارند، یعنی روده بزرگش را طی عملی به جدار شکمش متصل کنند، تا مدفوع به جای مقعد از جدار شکم خارج شود. بعد از مدتی جراحان بیمارستان سلطنتی لندن طی عمل پیچیده ای موفق شدند   ناحیه مقعد او را بازسازی کنند. آن ها برای این کار از عضلات بالای زانوی استفاده کردند و این عضلات را دور اسفنکتر خروجی روده بزرگ او قرار دادند. برای کنترل دفع هم الکترودی را به اعصاب این ماهیچه های پیوند شده وصل کردند. اما نکته جالب این است که، کنترل این الکترودها با یک کنترل از راه دور کوچک صورت می گیرد که آقای کالوین همیشه در جیبش قرار می دهد. کالوین کار پزشکان جراحش را در حکم یک معجزه می داند که او را از رنج و عذاب زیاد نجات داده است. او که قبلا مجبور بود همیشه یک کیسه کولوستومی با خود داشته باشد، حالا عملا زندگی اش تغییر کرده است و اعتماد به نفس از دست داده اش را بازیافته است.

فناوری سایبورگ در ایران
تاکنون برای درمان بیماری پارکینسون و گروه بیماری های مرتبط با آن از روش کاشت الکترود در هسته های عمقی مغز استفاده می شد اما با توجه به نتایج مطلوبی که به دست آمده است، از این پس این روش درمانی برای بهبود بیماران وسواسی که به دارو پاسخ مناسب نداده اند نیز به کار می رود. کاشت الکترود در هسته های مغزی (جراحی )DBS نخستین بار در ایران در بیمارستان حضرت رسول اکرم(ص) در سال ۸۴ با کمک جراحان خارجی بر یک بیمار مبتلا به پارکینسون صورت گرفت و از آن پس جراحان   ایرانی بیش از ۶۰ بار این عمل را برای درمان بیماران مبتلا به پارکینسون و دیستونی با موفقیت انجام دادند. بیماری پارکینسون بیماری مغزی است که فرد در پی تخریب برخی سلول های مغزی دچار اختلالات حرکتی می شود؛ بیماری دیستونی نیز بیماری سیستم عصبی است که با سفتی غیرطبیعی عضلات (اسپاسم) و تغییر وضع تنه، دست و پا، برگشت سر و گردن به عقب و پیچش دست و پا همراه است. دکتر شهیدی با اشاره به این که عمل جراحی کاشت الکترود در مغز در سه مرحله مجزا در سه روز صورت می‌گیرد  گفت: <معمولا این عمل را برای افرادی در نظر می گیرند که کمتر از ۵۰ سال سن دارند و کمتر مبتلا به اختلالات قلبی عروقی یا کلیوی هستند. به بیمارانی که با این روش درمان می شوند یارانه ای برابر با ۵۵% هزینه جراحی تعلق می گیرد. >دکتر شهیدی با تاکید بر اهمیت تشخیص زودهنگام بیماری و کاشت الکترود گفت:< برخلاف باور پیشین که روش DBS به عنوان آخرین راه درمان تلقی می شد،  دیرکرد در استفاده از این روش تـوصیه نمی‌شود.>همچنین دکتر منصور پرورش، عضو هیات علمی گروه جراحی دانشگاه علوم پزشکی ایران گفت:<  در این روش در هسته های عمقی مغز در ناحیه ساب تالاموس (زیر تالاموس)، الکترودهایی گذاشته می شود که به ژنراتوری کوچک که زیر پوست سینه فرد قرار می گیرد  متصلند و از طریق ژنراتور، پیام های الکتریکی به مغز فرد می فرستند و به این ترتیب اختلالات حرکتی و گفتاری فرد را کنترل می‌کنند، تا جایی که می تواند به عنوان یک فرد عادی در جامعه ظاهر شود. >جراحی DBS در دنیا از سال ۱۹۹۳ آغــاز شــد و بیمـارستـان حضـرت رسـول اکرم‌(ص) ایران تنها مرکز در خاورمیانه است که این روش درمانی را به کار می برد.

چگونگی پیاده سازی این فناوری
ساختمان چشم و مکانیسم تشکیل تصویر
 
ســاخـتـمــان چـشـم شـبـیـه یـک کـره اسـت کـه مهمترین اجزای آن عبارت است از: قرنیه، عنبیه، مــردمــک، عـدسـی، زجـاجیـه، شبکیـه و عصـب بینایی ، قرنیه قسمت شفاف جلوی کره چشم است که از پشت آن ساختمان های داخلی تر کره چشم مثل عنبیه و مردمک دیده می شود. مقدار انــحــنـــای قـــرنــیـــه بـــا روش هـــای لـیــزر (PRK)، لـیـزیـک(LASIK)، لازک (LASEK) و جـراحـی بـا تیغه الماس  (RK) قابل تغییر است و از این طریق شمـاره چشـم فـرد اصـلاح مـی شـود. همچنیـن استفاده از لنز تماسی (لنز تماسی) کمک می کند که انحنای قرنیه فرد موقتا به اندازه مطلوب برسد و دیـد فـرد اصـلاح شـود.‌ عـنـبـیه قسمت رنگی چشم است که ‌در پشت قرنیه قرار داشته و به رنـگ هـای مـخـتـلـف مانند آبی، سبز، قهوه‌ای، عـسلی و غیره است. خصوصیات و ساختمان عنبیه هر فرد مانند اثر انگشت وی منحصر به فرد است به طوری که در سیستم های امنیتی پیشرفته از عنبیه به عنوان وسیله ای برای شناسایی افراد استفاده می شود .‌ در وسط عنبیه سوراخی به نام مردمک وجود دارد که مقدار نور وارد شده به چشم را تنظیم می کند. وقتی چشم در محیط پر نور قرار می گیرد مردمک تنگ می شود تا مقدار نـور کمتـری وارد چشـم شود. به همین ترتیب وقـتـی چشـم در محیـط کـم نـور قـرار مـی گیـرد مردمک گشاد می شود تا نور بیشتری وارد چشم شـود. زجـاجـیه مایع ژله مانند شفافی است که داخـل کـره چـشـم را پـر مـی کـند و به آن شکل می‌دهد. عدسی یک ساختمان شفاف در پشت عنبیه است که در متمرکز کردن دقیق پرتوهای نـور بـر روی شـبـکـیـه بـه قـرنـیـه کـمـک می کند. ضخامت عدسی چشم در شرایط مختلف تغییر می کند و بسته به آن که شیء مورد نظر در چه فاصله ای از فرد قرار داشته باشد، ضخامت آن کم و زیاد می شود. شبکیه که صفحه ای حساس به نور است از سلول های استوانه ای و مخروطی شکل تشکیل شده که حساسیت آن ها در تمام سـطـح شـبـکـیـه یـکـسـان نـیـسـت. حـسـاس ترین قسمت شبکیه به نور، لکه زرد چشم است که محل تلاقی محور اصلی سیستم چشم با شبکیه است. در واقع وقتی ما به یک جسم با دقت نگاه می کنیم، می خواهیم تصویر جسم را بر روی لکه زرد بـیـنــدازیـم. قـطـر سـلـول هـای مـخـروطـی و استوانه ای در حدود ۵/۴ میکرون است. هر کدام از این سلول ها به منزله یک فتودیود  است. وقتی نور بر روی این سلول ها می افتد، آن ها را تبدیل به الکتریسیته تولید شده روی سلول های چشم، به مغز منتقل می شود و بینایی شکل می گیرد.

پروتزهای بینایی
استفاده از پروتزهای بینایی یکی از روش های متـداول بـرای درمـان نـابینایی است. پروتزهای بینایی که به آن ها چشم بیونیک (Bionic Eye) هم گفته می شود، به دو دسته عمده تقسیم می شوند: ۱) پروتزهای شبکیه ۲)  پروتز عصب بینایی . از چشـم بیـونیک به عنوان معجزه هزاره سوم یاد مـی‌کننـد زیـرا ایـن دستـاورد جـدیـد بـه نـابینایان امکـان دیـدن مـی دهـد، ایـن پروتزها در ابتدا به منظور کمک به افراد نابینا برای حرکت مستقل آن هـــا طـــراحـــی شـــد، امـــا در مـــراحـــل بـعــدی دانشمندان تلاش دارند تا امکان خواندن را هم برای نابینایان فراهم آورند.

پروتزهای شبکیه
این پروتزها مخصوص آن دسته از بیمارانی است که عصب بینایی آن ها آسیب ندیده است. مشکل این بیماران غالبا در ناحیه شبکیه چشم است. البته باید این نکته را هم در نظر داشت که در این حالت سلول های شبکیه کارایی خود را به طور کامل از دست نمـی‌دهنـد. ایـن بیمـاری ممکـن اسـت بـه خـاطر آسیب رسیدن به سلول های شبکیه (Retinitis Pigmentosa) یـــــا بـــــه دلــیـــــل نـــــارســــایــــی هــــای نــــاشــــی از افــــزایــــش ســــن (Age related muscular degeneration) رخ دهد. امروزه دارویی برای درمان این گونه بیماری ها وجود ندارد و این مساله اهمیت شبکیه مصنوعی و پروتزهای شبکیه را به خوبی روشن می‌سازد.  امروزه پروتزهای شبکیه ای، تصاویری شامل نقاط سیاه و سفید همانند آنچه در تابلوی اعلانات ورزشگاه ها می بینیم به وجود می آورند. اساس کار این پروتزها امکان تحریک مصنوعی سیستم عصبی است. می توان از یک الکترودی که از آن جریان می گذرد در نزدیکی سلول عصبی استفاده کرد. جریان عبوری از الکترود موجب به وجود آمدن پتانسیل الکتریکی در سطح غشا می شود و  به این صورت این پتانسیل عمل در سرتاسر سیستم عصبی منتشر می شود. پروتزهای شبکیه دارای دو بخش عمده در خارج از چشم بیمار و درون آن هستند  در بخش خارجی یک دوربین وجود دارد که بر روی شیشه عینک بیمار نصب می شود. این دوربین تصاویر اطراف را دریافت کرده و آن‌ها را بصورت سیگنال های الکتریکی درمی آورد و سپس آن ها را به یک ریزپردازنده طراحی شده برای پردازش تصویر انتقال می هد. ارتباط دوربین و ریزپردازنده از طریق سیم است. تصاویر پس از پردازش در ریزپردازنده، توسط آنتنی که بـر روی عینـک تعبیـه شـده، بـه تـراشه ای که بر روی شبکیه کار گذاشته شده ارسال می‌شوند. سیگنال های فوق توسط امواج الکترومغناطیسی منتقل می شوند که در حال حاضر برای ارتباط داخل و خارج ضروری به نظر می رسند. آنتن های درون چشم این امواج را دریافت کرده و آن‌ها را به جریان الکتریکی تبدیل می کنند. این جریان از طریق سیم به تراشه منتقل می شود و همان طور که گفته شد، باعث ایجاد تحریک عصبی و پتانسیل عمل می شود. عملکرد این پروتز و اجزای آن در  شکل های  ۲و۳ نشان داده شده است.

پروتز عصب بینایی
این دسته از پروتزها مخصوص بیمارانی است که عصب بینایی آن ها به دلیل بیماری یا عوامل فیزیکی، آسیب دیده و کارایی خود را از دست داده است. در این حالت حتی اگر سلول های شبکیه نیز سالم باشند، بیمار قادر به دیدن نخواهد بود. در چنین بیمارانی، تحریکات الکتریکی از راه عصب بینایی به مغز می رسد ولی چون ارتباطی بین مغز و شبکیه وجود ندارد، لازم است این ارتباط به طور غیرمستقیم پدید آید تا قشر بینایی مغز تحریک شود. ساختار پروتز عصب بینایی تا حد زیادی شبیه پروتزهای شبکیه است، با این تفاوت که کار در اینجا مشکل تر به نظر می رسد، زیرا سلول های واقع در قشر مغز حساس تر بوده و کوچکترین اشتباهی ممکن است آسیب غیر قابل بازگشتی به مغز برسد. به علاوه ساختار مغز و قشر بینایی هنوز به درستی شناخته نشده است. در این پروتز ابتدا تصاویر توسط یک دوربین دیجیتال دریافت می شود. سپس این سیگنال ها به صورت مستقیم وارد یک پردازشگر می شوند. سیگنال های پردازش شده وارد بخش میکروپروسسوری شده و از آن جا به صورت جریان های الکتریکی توسط سیم وارد آرایه الکترودهای کاشته شده در مغز می شود و سلول های عصبی را تحریک می کند. بر خلاف پروتز شبکیه، در قسمت هایی از این پروتز از سیم برای ایجاد ارتباط استفاده می‌‌شود. احتمال بروز عفونت در این پروتز از پروتز شبکیه بیشتر است. در عکس زیر، نمونه واقعی (تصویر بالا) و تصویر دیده شده با پروتز عصب بینایی (تصویر پایین) قابل مشاهده است. اگر این پروتز در اوایل دوران نابینایی که سلول های مغزی هنوز کارایی خود را از دست نداده اند مورد استفاده قرار گیرد، کارایی بیشتری خواهد داشت. این پروتز در افرادی که به طور مادرزادی نابینا هستند، کارایی لازم را ندارد زیرا سلول های قشر بینایی آن ها فاقد هرگونه پیشینه ای از فرایند دیدن هستند. پس از کارگذاشتن این پروتز، بیماران نیاز به طی کردن دوره های آموزشی دارند که گاهی تا ۱۰ سال نیز به طول می‌انجامد. با افزایش تعداد الکترودهای کاشته شده، رزولوشن (وضوح) تصویر بهبود می یابد تا جایی که شخص قادر به تفکیک چهره های مختلف خواهد بود. برای این مـنـظــور بـه ۶۰۰ تـا ۱۰۰۰ الکتـرود نیـاز اسـت. دانشمنـدان امیـدوارنـد بـا افـزایـش تعـداد الـکـتـرودهـا، اسـتـفـاده از مـیکروکامپیوترهای قدرتمندتر و الگوریتم های پیشرفته تر پـردازش تـصویر، به پیشرفت های چشمگیری در این علم نوپا دست یابند.  مرحله پـیـاده‌سازی و اجرا این فناوری بسیار سخت و دشوار است به این صورت که فقط مـتـخـصـصـان چـنـدیـن رشـته با هم و یک بیمارستان کاملا مجهز این امکان را فراهم می‌سازد، متخصصان چندین رشته از جمله الکترونیک، مخابرات ، بیوالکتریک ، نانو، متخصص مغز و اعصاب و… نقش اصلی و اساسی را در این فناوری بر عهده دارند، پیچیدگی اجرا این فناوری در زمان هماهنگ کردن سیگنال الکترونیکی با سیگنال های مغز  است، که با پیوند و کاشت الکترود های مخصوص در نقاطی از مغز که مشخص شده صورت می گیرد، وظیفه این الکترود ها، دریافت و تطبیق داده و سیگنال های الکترونیکی ارسال شده از ماشین‌ها و انتقال آن بــه قـسـمــت پــردازش گــر مغـز اسـت کـه بسیـار حساس است و پس از انجام این کار می توان هر حسی را که نیاز است و به هر مقدار لازم آن را تحریک کرد، که به طور مثال می‌توان حس لذت را تـحـریـک کـرد، یـا بـا اسـتـفـاده از ایـن فـناوری می‌توان بینایی نسبی را به فرد نابینا باز گرداند.

نتیجه گیری
در صورت پیشرفت این فناوری و استفاده از آن در کشور می توان مشکلاتی مانند نابینایی، نـاشنوایی، عدم تکلم نارسایی های قلبی، عدم تـحـرک و کـنـتـرل تـعادل و…. را بهبود بخشید. دستگاه طراحی شده برای توانبخشی به پکیج امنیتی  نابینایان نام گرفته و از ادغام سنسورهای فــاصـلــه یــاب لـیـزری و صـوتـی و یـک دوربـیـن تصویر‌برداری در سایز کوچک (دوربین هایی مانند وب کم های موبایل و لب تاپ) که بر روی یک عینک مخصوص تعبیه شده  تشکیل شده است. فرکانس کاری سنسور‌های اولتراسونیک ۴۰ کیلـو هـرتـز انتخـاب شده تا با سیگنال های کاری در ارتباط با شخص استفاده‌کننده مانند hands  free، بی سیم   یا سیگنال های موبایل و… تداخل نداشته باشد سنسورها به صورت مورب در دو جهت با  زاویه‌های ۴۵ و ۹۰ درجه در پشت عـیـنـــک نـصـــب شـــده کـــه بـــه صـــورت کـــامـــلا هـوشمندانه (استفاده از هوش مصنوعی) و بی سـیـم، آنـلاین اطلاعاتی از قبیل انواع موانع در زاویــه دیــد(بــالا تـنــه) و انــواع مــوانــع بــه شـکـل برآمدگی یا فرو رفتگی در سطح زمین را قبل از رسیـدن یـا بـرخـورد فـرد نـابینا با آن موانع را به صورت آلارم صوتی و ویبره هشدار می دهد( مسافت موانع و زمان هشدار دستگاه نسبت به عکس العمل شخص استفاده کننده قابل تنظیم اسـت) و از بـرخـورد و بـروز حـادثـه جلوگیری مــــی‌کــنـــد، وظـیـفـــه دوربـیـنـــی کـــه بـــه صـــورت نامحسوس در مرکز عینک تعبیه شده انعکاس اطلاعاتی مانند تشخیص چهره‌های افراد از قبل معرفی شده به سیستم (مانند خانواده)، تشخیص مـقــدار و نــوع اسـکـنـاس در دسـت فـرد، اعـلام شــرایــط خـطــر مـاننـد آتـش سـوزی و … اسـت. دسـتـگاه فوق الذکر با نام پکیج امنیتی نابینایان ثبت شد و در سمینار تخصصی توانبخشی در نـابـیـنـایـی کـه در دانـشـکـده تـوانـبخشی دانشگاه شهید بهشتی تهران برگزار شد، توسط مدیر خانه نور ایران رونمایی شد و تاییدیه های لازمه را از وزارت بهداشت و درمان(از نظر نبود چنین دستگاهی) ،مرکز پژوهشکده مهندسی وعلوم پزشکی جانبازان نابینا ، مرکز بررسی بر وسایل توانبخشی نابینایان خانه نور ایران دریافت کرده است.