科普园地

盲人看世界的“任意门”——人造视网膜

时间:2017-08-31  来源:文宣办 文本大小:【 |  | 】  【打印

  据世界卫生组织统计,截至2014年,全世界约有2.46亿人视力低下,4500万人目盲,中国共有6726.4万人视力低下,824.8万人目盲,占世界盲人总数的21%,早已超过诸如丹麦、芬兰、挪威等国家的人口数。如何通过科技的手段帮助盲人重见光明?人造视网膜技术的出现给这个问题的解决带来了希望。经过了多年的研究和实验,这项技术已经让一些盲人重新看见世界,视觉清晰度正一步步提高。通过这个设备,盲人能从黑暗的世界到达光明的世界。

△Kathy是盲者,用上这套设备后,她能看到眼前的条纹图案,左侧的电脑里显示的正是她实时看到的图案

△另一名盲者,戴上眼镜后,能够打篮球

  这个产品神奇,却又不是那么简单,奥秘就在背后的人造视网膜技术。先进院“新一代高分辨率人造视网膜关键技术研发团队”由被誉为“人造视网膜之父”的美国两院院士马克•霍默恩教授带队。以马克•霍默恩为共同创始人创办的第二视觉公司(Second Sight)早前已开发出60像素的人造视网膜产品,并已获得了美国食品药品监督管理局(FDA)和欧洲标准(CE mark)认证,在2004年有患者接受了第一例”人造视网膜”移植手术。

  人造视网膜由体内电子微系统和体外电子系统两部分组成。首先,患者眼球内部需植入IC芯片,用来接收信息和传导电信号。然后,盲人需要戴上一副眼镜,这实际上是一个体外接收系统。

△上图为体内电子微系统和体外电子系统的展示图

  眼镜上有个微型摄像头,能一边录制视频,同时对视频进行智能处理。视频经特殊处理后,通过无线传输,将能量和数据送到植入体的专用IC芯片,为植入式芯片供电并进行解码,再通过柔性电极阵列来传输电信号,刺激视网膜的神经细胞,进而传递到大脑中,让盲人感受到一个灰度的、马赛克的世界。也许你会想,为什么能看到的色彩如此单调?团队常务负责人、微纳系统与仿生医学中心主任吴天准研究员介绍,人工视网膜植入芯片的大小一般只有数平方毫米,厚度只有不到100微米,要想获得如人眼般精确的视觉,是相当困难的事情。在这么小的芯片情况下,只能看的到黑白灰三种颜色,就算是国外的技术也无法做到超过这三种颜色。

△在模拟测试中,通过这一套运用人造视网膜技术的设备,大白屏幕上出现的字能马上被清晰捕捉,左侧电视屏幕呈现的真是黑白灰色的患者能看到的信息

  技术突破点在于提高清晰度

  “现在的技术来说,国外的产品也只能看清楚物体的轮廓。到2020年,我们的产品能够使盲人患者带上后可以看见亮光,阅读大号的文字,识别障碍物和人脸。人脸的识别将从模糊的影子,发展至人脸轮廓,直到眼睛眉毛。” 吴天准研究员如是说。

  为什么要在视网膜上下功夫?

  视觉的产生依赖于三大组织器官:眼球(主要为视网膜)、视神经、视皮层。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。如果想恢复视觉,就必须研发出能替代这三种组织的假体,即视网膜假体、视神经假体和视皮层假体。那为什么不是其他两种组织,而是视网膜让人们看到了希望呢?

  这三类视觉假体刺激位点不同:视皮层假体是应用微电极直接刺激初级视皮层,可有光感的产生,但无法形成图像;视神经假体则是刺激神经束,不需要完好的视网膜结构,但分辨率低、手术难度大,也存在很大风险,目前尚处于基础研究阶段;而视网膜假体是在视网膜的特定位置植入微电极(或光电)阵列,把外加视频和图像信息转换成电子脉冲,刺激特定神经细胞,再通过神经通路传递到视皮层和大脑中枢。我们这里所说的人造视网膜,则是最后一种。

  先进院“新一代高分辨率人造视网膜关键技术研发团队”就是国内瞄准人造视网膜进行深入研究的核心力量之一。团队在马克•霍默恩教授带领下,汇集了来自美国、日本、中国香港等世界一流大学的海外归国博士,并成立先进院微纳系统与仿生医学中心,现已发展成为70多人的多学科融合大团队。

△团队合照

△马克•霍默恩教授带领团队开发国内首创的具有核心自主知识产权的高分辨率人工视网膜医疗器械

  吴天准研究员告诉记者,植入芯片后,患者的运动能力和阅读能力都有了非常显著的改善,但是仍然存在严重不足。基于此,先进院人造视网膜团队已经着手研发下一代高性能(126像素和1024像素)、低成本的高分辨率人造视网膜产品,让那些因色素性视网膜炎或老年性黄斑变性导致失明的盲人重见光明。

  吴天准研究员介绍道,人造视网膜技术是人工智能与生物智能的完美结合,具有很强的综合性和复杂性,需要机器视觉、IC设计、半导体工艺、纳米技术、神经科学、生物材料等十多个学科的科学家和工程师全力投入,密切配合,缺一不可。

  团队在三年内攻克了一系列核心技术,包括柔性电极、植入式IC、高密度封装、神经接口等,申请国内外专利100多项。2016年团队在国内首次完成了目前分辨率最高的126通道人工视网膜植入体的原型样机的组装和集成,开发了体外穿戴式电子原型系统,掌握了植入式高密度电极、植入式IC、植入式封装、无线传输等核心技术,并成功完成了126和1024通道电极的猪眼植入手术。团队计划近期成立新的高端医疗器械公司,预计在三年内拿到医疗器械注册证,并于2020年实现销售。这项技术对于中国在视网膜疾病治疗、医用生物材料、神经科学、脑机接口、植入式微系统等方面的前沿技术开发将有巨大的推动作用。