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植入式视网膜让盲人重见光明

2016年08月05日 来源:EETTaiwan

成立于2011年的Pixium Vision已经多次成功进行其IRIS I植入物(约有50个电极)的临床试验了;就在今年2月,该公司首次实现其视网膜植入物的改良版——配备150个电极的IRIS II。

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IRIS植入元件:电极位于软性电极箔片顶端,并由封装的ASIC进行控制。

IRIS其实只是贴附于视网膜外部的植入物部份,主要由软性电路上的微小电极组成,红外线光电探测器单元与小型ASIC负责为光电探测器接收的IR讯号进行多工并映射至相关的电极。接着,这些电讯号刺激神经节细胞后,其终端直接形成视神经纤维,传送感知讯号至大脑。

在配戴的部份是一个像护目镜的形状,配备基于事件的专用相机,处理配戴者面前的视觉资讯,并透过眼镜发送编码资讯至IRIS。内建的ASIC则透过2个感应线圈(其一位于护目镜的外壳)进行无线充电。

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PRIMA视网膜植入物的光电电池。

IRIS植入物是专为视网膜色素病变(RP)患者所开发的,这种遗传疾病影响约1/4000的人口,导致他们在40岁以前失明。进行这一植入手术的过程约需要2.5-3个小时,而在手术后约需要几周的时间恢复,接着就可以开始看到图案,可以训练大脑理解新的视力,看到大量简化的黑白风景。训练过程包括辨识形状、定位萤幕上的光块,有时则需要使用完整的软体重新映射讯号至电极,以因应视网膜较低度感应的区域。

“为什么只用了150个电极?”,我坦率地问Pixium Vision执行长Khalid Ishaque。Pixium Vision公司总部与研发中心就位于巴黎视觉研究所(Institut de la Vision)与Hopital Quinze-Vingts医院旁。

“电极并不至于成为限制因素,但要将所有的讯号从ASIC传送至如此狭窄的软性箔片上的电极是极其复杂的。不过,我们无法将这一箔片做得更大,因为这会使得手术更困难,患者眼睛中的缝隙越大,在缝合巩膜开口时的风险就更高,”事实上,ASIC和驱动线圈就位于眼球外面。

“我们已经透过ASIC设计来管理一千多个电极了,但要在软性箔片上进一步缩小线路仍是一大挑战”,他坦言道,“但我们可以在未来两、三年内加快脚步,让IRIS内含超过一千个电极。”

该公司预计在未来几个月,将可取得欧洲的CE标准以实现商业化上市。

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视觉重建的两种产品线:IRIS和PRIMA植入物。

如今,该公司透过从头载式ATIS感测器撷取相同的视觉输入,同时开发出PRIMA视网膜植入物——这种微型的无线光电电池模组化阵列可被植入于视网膜下方,而其电极则位于靠近眼睛的双极细胞。手术植入PRIMA的时间可能不到一个小时,风险也更低了,因为该植入物将内建于眼睛中,而且不需使用其他控制电路、电线或电缆。

PRIMA无需使用多工ASIC,Ishaque解释,这种光电电池接收来自头戴式眼镜的近红外线(NIR)光束作为输入,直接从其表面电极发送电讯号至视网膜的双极细胞。

“针对老年性黄斑部病变(AMD),这些细胞仍能发挥功能,”因此,Ishaque指出,“经由刺激这些细胞,让这种自然的讯号大多数都能保持与视神经的连结,应该就能让大脑更易于找到何者对应于视觉刺激,而且也不必进行太多的预处理或编码,同时也可以说是实现了更快的学习。”

AMD是一种相当普遍的病状,在欧洲和美国约有超过400万个病例,但病人通常年纪也较老,普遍都超过70岁。这就是为什么PRIMA能以低风险手术治疗,更有利地取代IRIS。PRIMA被设计成六边形的光电电池组(2或3个电池串联一个中心电极)。该公司并设计出不同尺寸的产品,从140μm到70μm都有。

“一个双极细胞的平均直径约10μm。相较于目前采用更大电极阵列刺激神经节细胞的方式,缩减PRIMA的尺寸以及更高的画密度结合局部退化,可望实现更好的刺激效果,让每一画素刺激更少的细胞。讯号的编码将会不同,预计也会利用更多的生理处理和网路调节。看不见的NIR光线将直接从感测器中‘取出’视觉资料,传送到覆盖这些模组化光电电池的视网膜中心,而大脑将会解读这些新的人工讯号,”Ishaque说。

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Pixium Vision的发展蓝图——实现更高的视觉灵敏度。

PRIMA技术最初是由史丹佛大学(Stanford University)医学院教授Daniel Palanker及其研究团队共同开发的,如今他们正致力于开发40μm的丛集。

如果经验证成功,PRIMA就能进军至一个更大的老年性黄斑部病变(AMD)市场,同时有望能够透过每一晶圆实现数千个植入物而提供一个更具吸引力的价格。Pixium Vision至今已发表一连串临床前安全性研究了,希望能在今年年底前展开首次人体可行性的研究,紧接着在2017年开始更大规模的重点试验。

“由于具有使用几千个电极的可能性,我们正致力于研究更高解析度的视觉灵敏度与脸部辨识度,”Ishaque评论道:“有鉴于AMD患者丧失其中心视力,我们的目标是为他们带来人工的中心视力”。

最终,PRIMA甚至可以完全取代IRIS。谈论到立体视觉,Ishaque认为这是一个自然发展的过程,“一旦技术稳定了,我们将为头戴式眼镜配备两个感测器,让双眼可同时进行处理。”

然而,这家新创公司并不想就此止步。

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传统相机的资料密集型讯框撷取(左),以及由ATIS感测器执行视觉动态的连续时间撷取(右)。

几种产品的视觉清晰度对比

“还有青光眼患者的视神经抑制视网膜讯号传送到大脑呢?神经病变或创伤性脑损伤呢?眼睛完全丧失的情况又该怎么办呢?”Ishaque问道。

“在我们的全球科学和医疗网路,不但有眼科医师也有神经外科医师与我们的眼睛和大脑连接——从光子到神经元。下一步将以视觉讯号直接刺激大脑中的视觉皮层表面。例如欧盟(EU)研究机构和美国国防部先进研究计划署(DARPA)都对这项研究十分感兴趣,”Ishaque说。

“有硬体和软体并不够,还必须了解人脑以及视觉皮层如何接收和处理讯号。目前我们正与法国视觉研究所、CEA和史丹佛大学等合作夥伴持续进行究,为视网膜到视觉皮层的视觉通路进行测定,确定哪种视觉讯号可刺激视觉皮层相关区域。最终,我们将从视觉感测器传送预处理的资料,以安全且有选择性的方式,直接传送到视觉皮层。”(编译:Susan Hong)




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