L’Occhio Bionico

Viviamo una vita piena di colori e immagini che vediamo quotidianamente, una vita senza vista è buia e triste. Non è come aiutare semplicemente un cieco ad attraversare la strada, dobbiamo fare qualcosa di più per queste persone disabili. Poiché attualmente abbiamo a disposizione un immenso e avanzato mondo tecnologico, nulla è impossibile per gli esseri umani. Se gli scienziati e ricercatori generano idee, allora sono gli ingegneri che danno vita a quelle idee. Oggi, abbiamo tutti gli strumenti a portata di mano per realizzare ciò che sembra impossibile: un occhio bionico per ridare la vista. Questo articolo è una panoramica sulla visione artificiale mediante l’occhio bionico di cui descriveremo lo stato dell’arte delle attuali applicazioni.

Introduzione - L’occhio umano

Per meglio comprendere la funzione di un occhio bionico, riteniamo fondamentale descrivere sinteticamente l’anatomia dell’occhio umano e la sua funzione. L'occhio è un organo sensoriale importante e tra i più complessi di cui siamo dotati noi esseri umani. Ci aiuta nella visualizzazione degli oggetti e anche nella percezione della luce, del colore e della profondità. Questi organi di senso sono molto simili alle macchine fotografiche e ci aiutano a vedere gli oggetti quando sono investiti dalla luce proveniente dall'esterno. Detto questo, è piuttosto interessante comprendere la struttura e il funzionamento dell'occhio umano. Ora, daremo uno sguardo all’occhio umano attraverso l’analisi della sua struttura e delle funzioni. La Figura 1 illustra uno schema dell’occhio umano.

Figura 1: L’occhio umano

Un occhio umano ha un diametro di circa 2,3 cm ed è quasi di forma sferica riempita di fluido. È composto dalle seguenti principali parti:

Sclera: è il rivestimento esterno dell’occhio, uno strato protettivo di colore bianco e resistente.
Cornea: la parte anteriore trasparente della sclera attraverso cui la luce entra nell'occhio.
Iride: un tessuto muscolare scuro con una struttura ad anello posta dietro la cornea. Il colore dell'iride indica in realtà il colore degli occhi. L'iride contribuisce anche a regolare l'esposizione dell’occhio alla luce.
Pupilla: è una piccola apertura nell'iride. La sua dimensione è controllata con l'aiuto dell'iride. La funzione della pupilla è di controllare la quantità di luce che entra nell'occhio.
Cristallino: dietro la pupilla c'è una lente, una struttura trasparente chiamata cristallino. Attraverso l'azione dei muscoli ciliari, il cristallino cambia forma per focalizzare la luce sulla retina. Diventa più sottile per mettere a fuoco oggetti distanti, mentre diventa più spesso per mettere a fuoco oggetti vicini.
Retina: è uno strato sensibile alla luce costituito da numerose cellule nervose. Converte le immagini in impulsi elettrici. Questi impulsi elettrici vengono poi trasmessi al cervello attraverso i nervi ottici.
Nervo ottico: il nervo ottico è costituito da due tipi di cellule nervose: coni e bastoncelli.

Coni: i coni sono le cellule nervose più sensibili alla luce intensa. Aiutano nella visione centrale ed a colori dettagliata
Bastoncelli: i bastoncelli sono le cellule del nervo ottico che sono più sensibili alla luce fioca. Aiutano nella visione periferica

Nella giunzione del nervo ottico e della retina non ci sono cellule nervose sensoriali. Quindi, in quel punto non è possibile alcuna visione ed è noto come punto cieco. Un occhio è composto anche da sei muscoli, ovvero comprende il retto mediale, il retto laterale, il retto superiore, il retto inferiore, l'obliquo inferiore e l'obliquo superiore. La funzione di base di questi muscoli è fornire diverse tensioni e coppie che controllano ulteriormente il movimento dell'occhio.

Funzione dell'occhio umano

L’occhio di un essere umano è come una macchina fotografica. Proprio come questo dispositivo elettronico, anche l’occhio umano mette a fuoco e lascia entrare la luce per produrre immagini. Quindi, in sostanza, i raggi luminosi che vengono deviati da oggetti distanti giungono sulla retina dopo aver attraversato vari mezzi come la cornea, l'umor acqueo, il cristallino e l'umor vitreo. Il concetto è che, mentre i raggi luminosi si propagano attraverso i vari mezzi, sono sottoposti alla proprietà della rifrazione della luce. In breve, la rifrazione non è altro che il cambiamento di direzione dei raggi di luce mentre passano tra mezzi diversi, come schematizzato nell’immagine di Figura 2 in cui viene mostrato il percorso dei raggi di luce dall’occhio fino al cervello.

Figura 2: Percorsi dei raggi di luce dall’occhio al cervello

I diversi indici di rifrazione dei vari elementi dell’occhio sono ciò che forma un'immagine alla fine del percorso dei raggi luminosi che infine vengono ricevuti e focalizzati sulla retina. La retina contiene cellule nervose fotorecettrici (o fotosensori) chiamate bastoncelli e coni che sostanzialmente rilevano l'intensità e la frequenza della luce ricevuta. Inoltre, milioni di queste cellule elaborano l'immagine che si forma e trasmettono il segnale (gli impulsi nervosi) al cervello attraverso il nervo ottico. L'immagine formata è solitamente invertita, ma il cervello corregge questo fenomeno. Questo processo è simile a quello di una lente convessa.

Quando un raggio di luce riflesso da un oggetto raggiunge i nostri occhi, i segnali vengono inviati al cervello, che a sua volta decodifica il segnale per ottimizzare l'aspetto, la posizione e i movimenti dell'oggetto che stiamo vedendo. L'intero processo viene eseguito solo grazie alla presenza della luce, senza luce non esiste il mondo visibile, il che significa che non siamo in grado di vedere nulla. Nel mondo attuale, circa 40 milioni di persone soffrono di cecità e circa 140 milioni di persone soffrono di ipovisione. L'obiettivo di ripristinare il segnale visivo a chi soffre di malattie degli occhi come la retinite pigmentosa, maculopatia, glaucoma ed altre malattie degenerative della vista invalidanti, può essere realizzato con il cosiddetto “Occhio Bionico”: una videocamera è integrata in un paio di occhiali che catturano ed elabora le immagini; il segnale contenente le immagini viene inviato in modalità wireless ad un piccolo processore che converte le immagini in segnali elettronici che vengono a loro volta trasmessi ad un impianto di elettrodi retinici che invia un segnale visivo bioelettrico al cervello per un'ulteriore elaborazione finale. In questo modo, anche i ciechi possono riacquistare la vista, seppur non perfetta. Ma, come vedremo più avanti, ci sono anche altri metodi per realizzare un occhio bionico.

L'occhio bionico è un occhio artificiale che fornisce riprese visive al cervello. Gli occhi bionici sono costituiti da dispositivi elettronici dotati di sensori di immagine, microprocessori, ricevitori e trasmettitori a radiofrequenza e impianti di chip retinali. La tecnologia dell’occhio bionico aiuta i non vedenti a riacquistare la vista. Un esempio di occhio bionico consiste in un chip microcomputer che viene impiantato nella parte posteriore dell'occhio della persona ipovedente e collegato ad una mini videocamera integrata negli occhiali che devono essere indossati. Quindi, un'immagine catturata dalla videocamera viene focalizzata sul chip che la converte in un segnale elettronico che il cervello può interpretare. Con questo sistema le immagini prodotte dall'occhio Bionic non sono ancora perfette ma possono essere abbastanza chiare da poter essere riconosciute. In questo modo, l’impianto bypassa le cellule danneggiate della retina consentendo il passaggio delle informazioni video verso le restanti cellule sane.

Funzionamento dell'occhio bionico

Il dispositivo è costituito da numerosi micro fotodiodi posizionati nella parte posteriore della retina. Il segnale elettrico inviato al cervello è ottenuto da questi array di celle fotosensibili in miniatura che convertono la luce normale in un segnale elettrico. La Figura 3 illustra schematicamente il sistema di occhio bionico descritto.

Figura 3: Occhio bionico

L'occhio bionico funziona in modo simile all'occhio umano in quanto ottiene immagini dalla videocamera che una persona cieca può indossare; la videocamera è infatti di piccole dimensioni e può essere facilmente integrata in un paio di comuni occhiali. In futuro, potremo inserirla nella struttura dell'occhio artificiale. Quindi, l'immagine viene ulteriormente inviata ad un piccolo chipset elettronico (microprocessore). Il compito del microprocessore è convertire i dati dell'immagine in segnale elettronico e trasmetterli ulteriormente via radio al ricevitore che invia a sua volta i segnali attraverso un cavo molto piccolo ad un pannello di elettrodi impiantato dai chirurghi sulla parete posteriore dell'occhio, la retina. Il pannello degli elettrodi genera impulsi che viaggiano attraverso il nervo ottico fino al cervello, il nervo ottico di una persona cieca a volte viene danneggiato, quindi vengono utilizzati alcuni dispositivi che sono in grado di bypassare il nervo ottico, cosicché il segnale può raggiungere il cervello. Quando il segnale raggiunge il cervello, il cervello inizia a decodificare il segnale ed è in grado di identificare un soggetto o un oggetto.

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