Слепота, возникающая вследствие различных причин – серьезная медико-социальная проблема, одним из вариантов решения которой является протезирование зрения. Зрительные протезы бывают разных типов и конструктивных исполнений, однако имеют общий принцип, заключающийся в преобразовании изображения, получаемого с видеокамеры в паттерн для многоканальной электростимуляции нейронных структур зрительного анализатора: сетчатки, зрительного нерва, зрительной коры и т.д. Визуальная сцена, воспринимаемая пользователем зрительного протеза, существенно отличается от таковой, обеспечиваемой работой естественного зрительного анализатора у здорового человека и представляет собой паттерн фосфенов обладающий низким пространственным разрешением и не способный передавать информацию о цвете и глубине изображения [1]. Прототипирование систем бионического зрения является важным этапом в их разработке, способным оптимизировать данный процесс.

Целью данной работы явилась разработка программно-аппаратного комплекса для прототипирования зрительных нейропротезов.

Разработанный программно-аппаратный комплекс состоит из видеокамеры, IBM PC-совместимой ЭВМ с операционной системой семейства GNU/Linux и цифрового блока формирования паттерна стимуляции, выполненного на основе микроконтроллера ATmega2560. В процессе работы устройства видеопоток с камеры обрабатывается на компьютере посредством разработанной ранее программы «Video-Simplificator U» (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021660749 Российская Федерация) [2], и в виде серии массивов через последовательный порт передается в блок формирования паттерна стимуляции, программа которого (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021680407 Российская Федерация) [3] выполняет конвертацию полученных данных в паттерны стимуляции. На выход блока формирования паттерна стимуляции может быть подключен многоканальный электростимулятор для стимуляции структур зрительного анализатора экспериментальных животных для экспериментов in vivo либо культур нейронов в моделях in vitro. Так же полученные паттерны могут визуализироваться при помощи массива светодиодов, что позволяет выполнять симуляцию фосфенной картины, необходимую для отработки различных алгоритмов предварительной обработки изображения в зрительных протезах.



1. Niketeghad S, Pouratian N. Brain machine interfaces for vision restoration: the current state of cortical visual prosthetics. Neurotherapeutics. 2019;16(1): 134-143. https://doi.org/10.1007/s13311-018-0660-1

2. Кравченко С.В., Мясникова В.В., Сахнов С.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021660749 Российская Федерация. Video-Simplificator U: № 2021619832: заявл. 21.06.2021: опубл. 01.07.2021. EDN DRJXXB.

3. Кравченко С.В., Мясникова В.В., Сахнов С.Н. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2021680407 Российская Федерация. Программа управления блоком формирования паттерна стимуляции прототипа зрительного нейропротеза: № 2021669491: заявл. 30.11.2021: опубл. 09.12.2021. EDN ZPVVIR.

Blindness due to various causes is a serious medical and social problem. One of the solutions is vision prosthetics. There are different types and constructions of visual prostheses, but they have a common principle, which consists in converting an image received from a video camera into a pattern for multichannel electrical stimulation of the neural structures of the visual analyzer, like retina, optic nerve, visual cortex, etc. The visual scene perceived by the user of a visual prosthesis, has significant differences from biological vision of healthy person. Pattern of phosphenes has low spatial resolution and is not capable of transmitting information about the color and depth of the image [1]. Prototyping of bionic vision systems is an important step in their development, which can optimize this process.

The aim of this work is development of software-hardware complex for prototyping of visual neuroprostheses.

Designed system consists of video-camera, IBM PC-compatible laptop with GNU/Linux operating system and digital unit for stimulating pattern generation on ATmega2560 microcontroller. During operation of the device, the video stream from the camera is processed on a laptop by previously developed program “Video-Simplificator U” (Certificate of state registration of a computer program No. 2021660749 Russian Federation) [2], and in the form of a series of arrays via a serial port is transmitted to digital unit for stimulating pattern generation, the firmware of which (Certificate of state registration of the computer program No. 2021680407 Russian Federation) [3] converts the received data into stimulation patterns. An electrostimulation device is possible to be connected to unit for stimulating pattern generation for stimulation of the structures of the visual analyzer in animal’s in vivo experiments or neuron cultures for in vitro models. Also, generated patterns can be visualized by array of LEDs, which allows simulating a phosphenes pattern for testing various image pre-processing algorithms in visual prostheses.



1. Niketeghad S, Pouratian N. Brain machine interfaces for vision restoration: the current state of cortical visual prosthetics. Neurotherapeutics. 2019;16(1):134-143. https://doi.org/10.1007/s13311-018-0660-1

2. Kravchenko S.V., Myasnikova V.V., Sakhnov S.N. Video-Simplificator U. Certificate of state registration of a computer program No. 2021660749 Russian Federation. 2021. EDN DRJXXB.

3. Kravchenko S.V., Myasnikova V.V., Sakhnov S.N. Firmware for controlling the module which forming stimulation pattern in visual neuroprosthesis prototype. Certificate of state registration of a computer program No. 2021680407 Russian Federation. 2021. EDN ZPVVIR.