Occhi bionici: elettronica per la vista con il sistema MARC

Oggigiorno, l’elettronica è presente in ogni strumento che utilizziamo quotidianamente, migliorando la nostra, già piena, esperienza d’utilizzo. Questa stessa elettronica può portare enormi benefici a chi purtroppo, non gode di un pieno approccio alla quotidianità, come nel caso di un non vedente. Il sistema MARC (Multiple Unit Artificial Retina Chipset), ancora in fase di studio presso le università della North Carolina e il Wilmer Eye Institute Johns Hopkins University, si prefigge proprio questo obiettivo. Vengono studiate delle protesi che ripristinino la visione di pazienti con fotorecettori danneggiati, degenerazioni oculari legate all’età, e altre patologie. La visione che è possibile raggiungere con questi sistemi non è ancora avanzatissima (si parla di visione in scala di grigi a 4bit, con una risoluzione di circa 10 pixel x 10 pixel); sono stati eseguiti test su vari soggetti, che dimostrano come sia possibile “allenare” il cervello ad usare il MARC, a riconoscere dettagli e contorni (come barba e denti in un volto, occhi chiusi o aperti) già con 16 livelli di grigio e a 10x10. Inoltre, dalla protesi iniziale che utilizzava circa 2400 elettrodi per stimolare adeguatamente i nervi, si è già teorizzato un sistema che ne utilizzi solo 6. E’ quindi un primo passo ingegneristico e chirurgico verso una notevole e migliore realtà per chi ha deficit visivi.

La protesi

In una retina sana, i fotorecettori rilevano la luce, convertendola in segnali neurali. Questi fotorecettori si dividono in coni – più sensibili alla luce diurna, e bastoncelli – più sensibili al buio. Una volta convertita la luce in segnale elettrico, questo viene “processato” da cellule bipolari e cellule gangliari, e tramite queste ultime, inviato lungo la superficie della retina, verso il nervo ottico. Sono molteplici i tipi di protesi studiati, ma quella in oggetto in questo articolo è la protesi epiretinale. Questa protesi viene usata nel caso in cui dei fotorecettori siano danneggiati, e si collega direttamente alle cellule gangliari, saltando di fatto sia la parte di conversione che quella di elaborazione effettuata dal bulbo oculare. L’impiantazione del chip e dei suoi collegamenti non è la più semplice fra le protesi in corso di studio, ma è compatibile con le tecniche chirurgiche moderne. Il sistema prevede dunque l’uso di una parte esterna al bulbo che codifica l’immagine e invia il segnale in RF, e una parte interna che lo decodifica e crea gli stimoli necessari.

Sistema MARC

Si avrà quindi, nella parte esterna, una videocamera che genera segnali; questi vengono poi elaborati e processati da un DSP, per avere un flusso di dati; questo flusso viene codificato in PWM, e successivamente modulato in ASK; viene dunque mandato ad un amplificatore di potenza in classe E, per essere inviato tramite radiofrequenza al chip impiantato internamente. Qui il chip recupera l’alimentazione, il clock e dati dal segnale in ingresso, grazie ad un demodulatore ed un rivelatore di inviluppo. Ricevuti i dati, provvede infine ad una corretta stimolazione degli elettrodi.

Sistema completo

Videocamera e DSP

Allo stato attuale, la stimolazione neurale visiva possibile è limitata alla scala di grigi: sono in corso degli studi che mirano a stimolare correttamente l’occhio affinché percepisca i colori. Benché la vista umana consideri “filmato” una sequenza di immagini già a 30fps, si è visto che bypassando la parte di elaborazione cellulare, è necessario inviare immagini ad almeno 60fps per evitare flicker visivo. Questo ed altri criteri, hanno portato alla scelta di una videocamera CMOS con risoluzione (352x280), che ha il pregio di essere integrabile, e di moderati consumi, per la frequenza di utilizzo considerata. Il segnale che produce la videocamera però, non è compatibile con quello necessario alla stimolazione neurale; segue dunque un DSP che sottocampiona l’immagine alla risoluzione desiderata (10x10), e la converte in scala di grigi. A queste operazioni, sarà poi possibile aggiungere post-elaborazioni come ritagli, zooming, miglioramento di contrasto e quant’altro sia necessario.

PWM encoding e ASK modulator

Quali sono i motivi della modulazione? Il flusso di dati in uscita al DSP non è molto veloce, si parla di grandezze di circa 10 – 100 kbit/s; questo porterebbe a dover usare antenne consistenti. Inoltre, dato che non è possibile integrare una batteria per il chip interno (per ovvie ragioni di spazio e durata non illimitata), è necessario fornire l’alimentazione direttamente dal segnale in ingresso; questo rende di fatto impossibile [...]

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