原创 人工视网膜技术原理及应用

2011-3-25 10:00 4901 3 3 分类: 医疗电子

如果用数码相机来做类比,人眼的角膜和晶状体就相当于镜头,眼球后方的视网膜是感光器件,视神经等同于连接感光器件和存储卡之间的线路,而大脑后部的视觉皮层则是存储卡和后期处理软件。色素性视网膜炎或老年性黄斑变性这样的疾病会让视网膜失去功能,让这部相机无法感知任何图像;而美国的第二视觉(Second Sight)公司,正在尝试用电子器件替换失去功能的视网膜,帮助这些患者重新获得基本的视觉。

  这种技术,就是人工视网膜技术。它和人工耳蜗的原理类似—使用电流刺激依然完好的神经,让大脑能够接收到信号并认为感官依然在正常工作。在过去的20多年里,已经有数十万人通过人工耳蜗获得了听力,但是人工视网膜的进展却有些停滞不前。

  这是因为视觉系统复杂得多。我们所获取的信息中,有大约80%来自于视觉。人们至今也无法制造出性能堪比人眼的照相机,而感光细胞和视神经之间的精确对应关系也还是个谜。再考虑到技术的限制—人工视网膜芯片的大小一般只有数平方毫米,厚度只有不到100微米—想获得如人眼般精确的视觉,是相当困难的事情。

  虽然早在1924年,人们就已经发现使用电刺激作用于视觉皮层时会产生幻视觉,但是直到1967年,植入视觉皮层的人工视觉装置才被开发出来。但是,这种方式产生的视觉质量很差,对这一领域的研究也开始逐渐由视觉皮层植入转向视网膜植入。在过去的30年里,许多研究机构和厂商都投入到这一领域当中,研究思路也分成了两类:视网膜下植入和视网膜外植入技术。

  视网膜下植入技术是将芯片植入到视网膜神经感觉上皮和色素上皮之间的区域,代替光感细胞感受光照,直接利用视网膜本身的编码和解码机制来将电信号转化成视觉。它依然利用患者自身的“镜头”,就像是为数码相机换一块感光器件一样。这种技术需要外接供能单元,手术难度高,使用范围较小,但是不用外挂一部摄像机。视网膜下植入技术的主要研究者有芝加哥大学Alan Chow的研究小组和德国图宾根大学的Eberhart Zrenner小组等。图宾根大学已经开发出了这种设备的原型,它有1500个电极,用耳后的无线电源供电,而且该小组已经进行了十例植入试验。

  而视网膜外植入技术则是将电极阵列紧贴于视网膜外表面,用眼外传来的信号直接刺激神经细胞,相当于完全替换了镜头和感光器件。这一领域的主要研究者有德国波昂大学、美国霍普金斯大学、麻省理工学院和哈佛大学,以及南加州大学的多汉尼(Doheny)眼科研究所。第二视觉公司的人造视网膜技术,就是在多汉尼研究所的基础上开发的。

  1998年,Robert Greenberg博士和Sam Williams一起创建了第二视觉公司。Sam自己就是一位色素性视网膜炎的患者,对这一领域的公共研究丧失了信心,所以决定自己开发能投入商业化的人工视网膜设备。Sam于2009年去世,没有来得及等到自己目标实现的那天。但是他的遗产将会造福许多人。

  Argus是希腊神话中百眼巨人的名字。以它为名的人造视网膜系统由一个小摄像头、一部微型计算机和一些无线通讯工具组成。2002年,在南加州大学多汉尼眼科研究所一项发明的激励下,Argus I被开发出来,它有16个电极。在2002到2004年间,共进行了6例试验性的植入手术。这些患者拥有了简单的光感,能判断物体的移动,能从背景里分辨出物体。

  对于这类技术来说,拥有越多的电极,就能看到更多的点。现在的Argus II有了60个电极。从2006年至今,它已经让40名患者重新获得了基本的视力,其中一些人已经能够区分物体、形状,甚至阅读大字印刷的印刷品。虽然使用者需要经过一定程度的训练才会理解视野里的光点意味着什么,但是总比在漆黑的世界里摸索要好。

  Argus II不是治疗失明的方法,而只是治疗一些特定视网膜疾病的方法。据世界卫生署组织的统计,全球视障人口超过4500万,平均每5秒就有1人病情恶化,估计到2020年,视障人口将增加到7600万人;而随着人口老龄化趋势的发展,老年性黄斑变性患者的数量也会增加。Argus II能够做到的,只是帮助这些患者获得更好的生活质量。

  这种人工视网膜将会在伦敦、曼彻斯特、巴黎和日内瓦的医院开始首批试用,而一旦获得美国食品与药物管理局的许可,也会在美国出售。第二视觉公司希望在第一年里能够卖出100个植入设备,每个标价10万美金。“虽然这个价格看起来有点高,”Greenberg博士说,“但是,这其实与第一个人工耳蜗的价格差不多。”他希望Argus II能够被纳入政府的补助计划,这样价格将会变得更容易接受。

  目前,这家公司已经在美国申请了76项专利。现在他们已经准备好了Argus III的动物实验,新一代的人工视网膜将会拥有数百个电极。

  虽然现在的Argus只能让人们看到一些光点,但是它的前途将不可限量。刚推向市场的技术并不会是最终版,这些光点已经显现出了希望的光芒。

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