Часть 2. Сколько мегабит/с можно пропустить через зрительный нерв и какое разрешение у сетчатки? Немного теории

Предыдущая публикация, посвященная технологиям лазерной коррекции зрения была встречена с интересом, которого я, если честно, даже не ожидал. Именно поэтому я решил продолжить статью в виде целого цикла, в рамках которого мы рассмотрим подробнее технологии лежащие в основе лазерной офтальмохирургии. Если вы ожидали увидеть непосредственно сами лазеры в этой статье — я вас немного разочарую. Я долго пытался обойти биологическую тематику, но в итоге понял, что не смогу рассказать о лазерной коррекции зрения, не раскрыв основы строения и функционирования нашего зрения.

Я постараюсь рассмотреть человеческое зрение через призму IT. Если кому-то не слишком интересно читать часть, посвященную биологическим аспектам зрения — ничего страшного. Просто пропустите разделы, начиная с оптической системы глаза, и сразу переходите к традиционному конкурсу от наших девушек. Однако, я все же рекомендовал бы ознакомиться с этим материалом, чтобы лучше понять следующую статью, в которой мы будем рассматривать LASIK, Femto-LASIK, ReLEx SMILE и другие методы лазерной офтальмохирургии.

Есть настроение разобраться, что именно говорят эти непонятные люди в белых халатах, задумчиво глядя на результаты вашего обследования? Вы хотите узнать немного нового об уникальном природном даре — зрении? Тогда добро пожаловать под habracut. Как обычно — много иллюстраций и трафика (≈5 MB).

Оглавление:
Зрение и IT

• Небольшое вступление
• Сетчатка и мегабиты
• Сравним с фотоаппаратом?

Оптическая система глаза

• Роговица
• Передняя и задние камеры
• Радужка и зрачок
• Хрусталик
• Стекловидное тело

Почему мы плохо видим? Рефракционные нарушения

• Близорукость
• Спазм аккомодации
• Астигматизм
• Дальнозоркость
• Пресбиопия

Бонусы

• Мини-интервью с лазерным хирургом
• Очередной конкурс от наших девушек

Вместо вступления


Глаз — сложнейший оптический инструмент, созданный природой. Человек во многом был всего лишь подражателем, создавая свои творения. Оптика проделала огромный путь как наука от опытов Ньютона с призмой до разработки уникальных лазеров, приборов ночного видения и других интереснейших вещей. Однако взглянем поближе на то, что во многом вдохновляло человечество на исследования и стало прообразом многих современных вещей. Человеческий глаз.

Сетчатка и зрительный нерв
Любой прибор способный регистрировать свет как правило имеет тот или иной вариант светочувствительной матрицы. Его биологическим аналогом является сетчатая оболочка глаза.


Нормализованные графики чувствительности человеческих клеток-колбочек различных видов (К, С, Д) и клеток-палочек (П) к различным частям спектра. Ось длин волны на данном графике логарифмическая.



Электронная микрофотография сетчатки. Палочки имеют серый цвет, а колбочки фиолетовый. На иллюстрации видно явное преобладание монохроматических палочек над колбочками

Например, сетчатка человеческого глаза имеет приблизительно 7-8 млн колбочек, отвечающих за цветное зрение, и около 120 млн палочек (черно-белое зрение). Не совсем будет корректно приравнивать колбочку/палочку к пикселю, но, по грубым оценкам, их количество приблизительно соответствует 250 мегапикселям для панорамы с обоих глаз. После возбуждения светочувствительных клеток сетчатки, сигнал нужно передать в наш биологический CPU/GPU. Эту функцию с успехом выполняет зрительный нерв. Узким местом, в которое упирается максимальная частота «кадров», передаваемая органом зрения, является — латентность нервных синапсов (участок связи между нейронами, где импульс передается путем выброса и захвата химических веществ). По разным оценкам это примерно 100-150 Гц, что является пределом скорости передачи изображения в зрительную кору головного мозга. Количество нервных волокон в зрительном нерве составляет примерно 1 200 000. Если принять, что одно волокно за такт может передать 1 бит информации, то суммарная пропускная способность зрительного нерва примерно равна 1.2*10⁶*150 бит=180 мегабит/с. Солидный поток. Нашему мозгу приходится обрабатывать суммарный поток в 360 мегабит/с только от зрительного анализатора. А ведь есть еще слух, обоняние, осязание, температурные и болевые рецепторы, чувство равновесия, проприоцептивное чувство (ощущение собственного тела в пространстве). Вся эта нагрузка, не считая кучи других функций, укладывается всего лишь в 25 Вт TDP.

Здесь, кстати, кроется ряд вопросов, лежащих в поле биоинформатики. Например, не совсем понятно, как ≈125*10⁶ клеток-рецепторов могут передавать информацию в ≈1.2*10⁶ проводящих нейронов. То есть еще до передачи в мозг происходит некая фильтрация и предобработка зрительной информации. Кстати, отсюда следует, что за «такт» сетчатка не в состоянии передать более 1.2 мегапикселя. Другое дело, что в результате обработки серии таких «снимков» в мозгу формируется куда более отчетливая картина происходящего. Еще одним интересным свойством человеческого зрения является тот факт, что мы всегда видим прошлое. Задержка в проведении нервного импульса до центров обработки составляет по разным оценкам примерно 150-180 мс. Именно поэтому, кстати, в профессиональном спорте считается преждевременным стартом рывок спортсмена в промежуток от 0 до 100 мс. Считается, что человек не мог из-за физиологических ограничений успеть отреагировать так быстро. Надо сказать, что эти величины могут меняться в определенных пределах в зависимости от стресса, психоэмоционального состояния, уровня нейромедиаторов, но в целом картина достаточно стабильна.

Сравним с фотоаппаратом?


Светочувствительность может варироваться в широчайших пределах — от нормального зрения при освещенности в 25000 люкс (яркий полдень) до регистрации отдельных фотонов в кромешной темноте при максимальной адаптации. Динамический диапазон глаза также поражает на фоне традиционных фотоаппаратов — примерно 24 f-ступени! Для сравнения, максимальный динамический диапазон среди фотоматериалов имеет черно-белая пленка — около 10 f-ступеней. Цветная пленка имеет диапазон около 7, а средняя матрица современного фотоаппарата от 4 до 6. Таким образом, динамический диапазон глаза превышает средний фотоаппарат в 2^(24-6)=262 144 раза.

Стоит заметить, что для такой адаптации требуется время. Скорость привыкания больше при переходе в светлое помещение — всего несколько секунд. При переходе в темноту это время удлиняется до нескольких минут. Связано это в первую очерель с необходимостью синтеза разрушенного родопсина, зрительного белка, который непосредственно отвечает за возникновение зрительного возбуждения. Световой поток регулируется также как и в фотоаппаратах — дифрагмой. Эту функцию выполняет радужка, отверстие в которой и называют зрачком. Зная, что фокусное расстояние глаза равно примерно 22 мм, можно посчитать диафрагменное число для зрачка: для максимально расширенного зрачка 8мм — 22/8=2.75, для максимально узкого — 22/1.1=20.

По сути, наши глаза — широкоугольный объектив со свойственными ему искажениями на периферии. Однако при реконструкции трехмерной картинки в мозгу это компенсируется. Также мы не замечаем слепое пятно, несмотря на его вполне ощутимые угловые размеры (около 1.3º).

Оптическая система глаза
Для правильной фокусировки лучей нам важны не только размеры и форма элементов, но и их коэффициент светопреломления. Нужно понимать, что каждый светопроводящий элемент имеет свои, четко определенные коэффициенты. Кстати, именно это объясняет почему мы, в отличие от рыб, так плохо видим под водой — наши глаза эволюционировали как орган для обеспечения ясного зрения на суше. Все это происходит потому, что оптическая сила линзы зависит от показателя преломления среды.





Стеклянная линза значительно теряет в способности фокусировать свет при переносе в среду с другим IOR

Глаз представляет собой тонко сбалансированную оптическую систему. Малейшие изменения в соотношении ее элементов приводят к нарушению финального изображения на сетчатке. Представьте на секунду, что вы взяли и выставили в ручном режиме произвольный фокус на объективе фотоаппарата. Согласитесь, что хороший и четкий снимок подобным образом вы не получите. Рассмотрим поподробнее какой путь преодолевает свет на пути к сетчатке.
Оптическая система глаза. Указаны основные размеры и коэффициенты преломления сред



Роговица


Роговица при щелевой офтальмоскопии
Роговица с большим увеличением



Первый элемент встречающий натиск не слишком дружелюбной окружающей среды — роговица. Роговица относится к наружной оболочке глаза и выполняет защитную и светопреломляющую функцию. Именно эта оболочка глаза сталкивается с постоянным негативным воздействием пыли, соринок, солнечного света и многих других факторов. Эпителий роговицы постоянно обновляется, обеспечивая ее целостность и защитные свойства. Интересно, что роговица не имеет кровеносных сосудов в своей оптической части — это нарушило бы прозрачность. Питание и газообмен этих участков осуществляется путем диффузии за счет слезной жидкости снаружи и водянистой влаги передней камеры изнутри.

Передняя и задняя камеры


На фотографии видна передняя камера глаза, расположенная сразу под роговицей и заполненная особой жидкостью — водянистой влагой. Задняя камера располагается позади радужки и зрачка.

Радужка и зрачок


Каждый человек — обладатель уникального по своей красоте и палитре рисунка радужки. Для IT-специалиста радужка в первую очередь является важным элементом для биометрической идентификации. Для врача — это очень важный элемент, который подобно диафрагме регулирует поток поступающего света. Отверстие в радужной оболочке и называют зрачком. Немногие догадываются, что радужка имеет достаточно выраженный трехмерный рельеф, который можно проявить на снимках с правильно поставленным светом. Часто используются поляризационные фильтры для подавления бликов от роговицы.

Кстати, многие никогда не задумывались о том, что зависимость глубины резкости изображения и диаметра диафрагмы распространяется и на зрачок. В темноте глубина резкости резко снижается, так как увеличивается диафрагма-зрачок.
Больше красивых фотографий радужки.








Хрусталик


Хрусталик это уникальная биологическая линза, имеющая ряд крайне важных свойств. Одно из наиболее важных — способность к изменению своей кривизны под воздействием цилиарной мышцы. Этот процесс называется аккомодация и позволяет фокусироваться как на отдаленных, так и на очень близких предметах. Аккомодационные возможности оптической системы глаза молодого человека составляют ~14 диоптрий, с возрастом постепенно уменьшаются и к 60—65 годам практически утрачиваются. Кстати, именно благодаря хрусталику оптическая система глаза столь компактна по сравнению со, скажем, зеркальными фотоаппаратами.
Отблеск передней поверхности хрусталика при щелевой микроскопии



Стекловидное тело


Вопреки распространенному мнению, что глаз заполнен жидкостью, которая может вытечь при малейшем проколе, основной объем глаза занимает стекловидное тело. Эта субстанция скорее напоминает вязкий гель, чьи механические свойства определяет преимущественно гиалуроновая кислота. Основная функция стекловидного тела — поддержание стабильной формы глаза, придание ему необходимой упругости. Также стекловидное тело проводит через себя и преломляет свет.

Рефракционные нарушения
Все вышеперечисленные элементы относятся к рефракционной системе глаза. Именно поэтому, любые нарушения, связанные с ними называют рефракционными. Этот тип патологии интересен тем, что мы имеем возможность восстанавливать правильный ход лучей, воздействуя не на тот элемент, который был причиной заболевания. Например, использование очков как дополнительной линзы, корректирует близорукость, причиной которой стало увеличение центральной оптической оси глаза. Рассмотрим далее основные проблемы связанные со светопреломлением.
Хабражитель ansaril3 предложил добавить в статью физическое обоснование таких нарушений. К сожалению, мое медицинское образование не позволяет мне понять до конца смысл подобных вещей, но я оставлю ссылку для тех, кому интересно.
Полиномы Цернике и волновые аберрации:


Близорукость (миопия)
Бич многих специалистов в области IT. Перед тем как рассказывать о причинах данного заболевания, хочу ненадолго обратиться к искусству. Philip Barlow — талантливый южноафриканский художник, который смог в своих работах отразить мир глазами близорукого человека.


Еще немного работ этого автора








Причиной близорукости является увеличение размеров глазного яблока вдоль своей оптической оси:


Это заболевание чаще всего наиболее ярко проявляется в подростковом возрасте, в период резкого роста организма. Существуют наблюдения, которые связывают чрезмерное растяжение глаза с генетическими нарушениями в синтезе коллагена. Коллаген — структурный белок, имеющий важное значение в формировании соединительной ткани. При его чрезмерной эластичности и происходит непропорциональный рост глазного яблока. На этапе роста, для остановки дальнейшего роста близорукости могут применять склеро- и коллагенопластику. Суть этих методов заключается у увеличении прочности наружной оболочки глаза — склеры — за счет имплантации специального материала. Лечение данной патологии заключается в неоперативных методах (очки, контактные линзы) и оперативных (различные виды лазерной коррекции зрения).



Мы имеем возможность коррекции подобной проблемы по технологии Femto-LASIK, в ближайшие недели мы также сможем работать по технологии ReLEx SMILE. В работе используются последние поколения офтальмохирургических лазеров:
Для Femto-LASIK это Amaris 750S от компании Schwind (эксимерный лазер для самой коррекции) и VisuMax от Zeiss (фемто-лазер для выкраивания лоскута)
Для ReLEx SMILE это только VisuMax (технология подразумевает выполнения всех манипуляций только на нем, о чем подробнее в следующей статье)

Спазм аккомодации
Нужно различать истинную близорукость и так называемый спазм аккомодации, он же ложная близорукость. Я думаю, что в силу профессии, многие из нас проводят огромное количество времени, непрерывно глядя в монитор. Как мы уже говорили ранее, за аккомодацию отвечает цилиарная мышца, которая деформирует хрусталик необходимым образом. При постоянном зрительном напряжении, когда фокус зрения длительное время находится вблизи, эта мышца испытывает спазм и не может расслабиться. В результате глаз теряет способность нормально сфокусироваться на предметах вдали, но связано это с временными явлениями в плане аккомодации, а не с изменением формы глаза. В такой ситуации назначают специальные препараты которые вызывают временный паралич цилиарной мышцы, помогая ей расслабиться (тропикамид, атропин и другие). Нелишней будет зрительная гимнастика и соблюдение гигиены труда (освещенность рабочего места, перерывы и пр.)

Астигматизм


Эта патология часто сочетается с другими. Ее причиной является асимметричность кривизны роговицы или хрусталика. Следствием является разное лучепреломление относительно разных осей. В итоге человек может четко видеть, например, горизонтальные линии, а вертикальные будут размыты.
Немного дополнительной информации об астигматизме

Вид тестовой миры глазами человека, страдающего астигматизмом


Тестовая мира в исходном виде.



Лечение — применение специальных цилиндрических линз в очках или лазерная коррекция зрения, в процессе которой будет скорректирована и эта патология.

Дальнозоркость (гиперметропия)


Состояние обратное близорукости. Оптическая ось глаза короче, чем должны быть, в результате чего изображение фокусируется за сетчаткой.
Это заболевание часто путают с пресбиопией(возрастная дальнозоркость)
Лечение офтальмохирургическими лазерами практически аналогично с лечением близорукости.

Пресбиопия (возрастная дальнозоркость)
Особенность данного рефракционного нарушения в том, что человек с возрастом утрачивает способность к аккомодации. Хрусталик становится более жестким, цилиарной мышце все сложнее его деформировать. В итоге развивается то, что иногда в шутку называют «синдромом коротких рук» (Это у меня не зрение плохое, а руки короткие!). Хрусталик фиксируется в положении «фокус на бесконечность» и теряет способность к аккомодации на близкие предметы. В качестве лечения человек заменяет естественный механизм на ношение очков, когда необходимо рассмотреть что-то вблизи. Понятно, что речь о точной динамической калибровке оптической силы не идет. Существуют сложные варианты прогрессивных линз, ряд других методов, но это в любом случае не полноценная замена природного механизма.

Практика лазерной офтальмохирургии
Для того, чтобы немного подробнее раскрыть возможности хирургических лазеров для коррекции зрения, я попросил написать о них пару слов одного из наших офтальмохирургов, к.м.н., Бойко Александра Александровича. Я боюсь, что у него не будет времени отвечать от своего имени на Хабре ввиду его постоянной загруженности работой, но, по моей просьбе, он выкроил несколько минут, чтобы поделиться своими впечатлениями здесь:

Я всегда говорил, что врач прекращает быть профессионалом в тот миг, когда он перестает учиться чему-то новому. Ни для кого из вас не секрет, что медицина не стоит на месте, и каждый год появляются новые методики, позволяющие проводить более полноценное и качественное лечение. Когда я выбирал свою профессию врача-офтальмолога, мне было даже трудно себе представить себе те технологии, с которыми мне придется работать в дальнейшем. Я понял, что будущее уже наступило, когда проходил обучение в 2013 году по работе с нашими новыми офтальмологическими лазерами.
Это обучение по работе с фемтосекундным лазером Zeiss VisuMax в г. Йена в Германии и эксимерным лазером SCHWIND Amaris 500Е в г.Ашахенбург. С огромным удовольствием вспоминаю эти несколько недель непрерывной учебы, профессиональных преподавателей, которые рассказывали нам обо всех нюансах работы с этим поистине замечательным оборудованием.
Эргономика этих лазеров действительно продумана настолько, что машина становится естественным продолжением рук и мыслей хирурга, позволяя быстро и точно выполнять лечебные манипуляции. Эксимерный лазер Amaris позволяет выполнять коррекцию зрения в более широких рамках и с еще большей точностью, чем его предшественники. Коррекция близорукости до -15 диоптрий, дальнозоркости до +8D, а также сложных случаев астигматизма до ± 7 диоптрий цилиндрического компонента. А фемто-лазер VisuMax дает возможность выкраивать лоскут со сложной трехмерной структурой, которая рассчитывается индивидуально для каждого пациента. Это дало нам возможность расширить показания для операции у людей с достаточно тонкой роговицей.
Совместно с нашим коллегой, Иваном, мы постараемся подготовить в следующей статье максимально полный и подробный обзор все тех методик и методов, благодаря которым мы имеем замечательную возможность возвращать людям ясный взгляд на мир.

В статье использовались материалы:

• www.cambridgeincolour.com
• heck-aitomix.livejournal.com/67763.html с потрясающими снимками щелевой офтальмоскопии
• Удивительные фотографии радужки от Сурена Манвеляна
• Учебники по нормальной физиологии человека, офтальмологии.

Отдельное спасибо людям которые помогали в правке статьи и вносили свои ценные замечания:

1. коллеге Sunchea, который помог привести материал в читаемую форму и дал много ценных советов
2. Антону Хоренко из Братиславы за ценную редактуру
3. vvzvlad
4. ansaril3
5. DIHALT
6. И всем остальным, кто помогал в подготовке материала

Очередной конкурс от наших девушек

Таня-дизайнер работает над задачей))

Наша женская половина коллектива учла пожелания по поводу усложнения заданий и придумала кое-что новое)) На этот раз в процесс включилось больше людей, особенно когда речь зашла о призах. Итак, в качестве приза для первых 10 человек, которые решат этот квест сертификат на полную экскурсию по клинике, с посещением серверной, непосредственным осмотром лазерных установок (в нерабочее время, конечно) и полным комплексом диагностики зрения для победителя. Надеюсь вам понравится. Я понимаю, что многие живут в других городах и не смогут приехать, но вы сможете подарить кому-нибудь сертификат (только нам сообщите) или посетить нас, если вдруг будете в наших краях (Краснодар, Ессентуки, Пермь).


Небольшой опрос
Возникла идея провести небольшой вебинар, в котором будут участвовать наш технический директор и один из лазерных хирургов. На нем все желающие смогут задать интересующие вопросы, которые остались нераскрытыми в цикле статей. Соответственно хочется узнать у хабрасообщества мнение по этому поводу. Также было бы уточнить какую платформу (бесплатную) лучше и удобнее для большинства использовать для проведения вебинара. Будет ли интересен вебинар с техническим директором и офтальмохирургом для хабрасообщества?

Будет, нужно организовывать

Нет, мне это особо не интересно

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста. Проголосовало 1010 человек. Воздержалось 447 человек.

Источник: habrahabr.ru/post/207990/