人工视觉假体研究综述_视皮层_视神经束_感觉替代假体的研究现状

人工视觉假体研究综述(Ⅱ)3———视皮层、视神经束、感觉替代假体的研究现状
石　萍　邱意弘　朱贻盛　综述　童善保Δ　审校
(上海交通大学生物医学工程系,上海200240)
摘要　视皮层、视神经束、感觉替代假体可以弥补由于视网膜功能和结构完全丧失而造成的视力缺失。

各种视觉假体有着不同的机制和适用条件。

本文从技术角度出发,全面地综述了以上各种视觉假体的国内外最新研究状况,为国内视觉假体研究人员提供国内外最新发展动态。

关键词　视皮层假体　视神经假体　感觉替代
中图分类号　R318118 文献标识码　A 文章编号　100125515(2008)0420945205
R evie w of Visual Prosthesis(Ⅱ)———Cortical visual prosthesis,optic nerve prosthesis and vision substitution devices
Shi Ping　Q iu Yihong　Zhu Yisheng　Tong Shanbao
(Depart ment of Biomedical Engi neeri ng,S hanghai Jiaotong U niversity,S hanghai200240,Chi na)
Abstract　Cortical visual prosthesis,optic nerve visual prosthesis and vision substitution devices are alternative ways for repairing the visual impairment in case of optic nerve injury,retina lose or blindness without fully developed central vi2 sual system.This article is a state2of2art review of the principles,technical details and the limitations of different types of prostheses beyond the retinal prosthesis.
K ey w ords　Cortical visual prosthesis Optic nerve visual prosthesis Vision substitution
1　引　言
视皮层视觉假体(Cortical visual prosthesis)和视神经束视觉假体(Optic nerve visual prosthesis)由于开发困难较大,远不如视网膜刺激器发展快。

但对于视网膜变性疾病、视网膜内部细胞(如神经节细胞)的损伤、眼球的缺失、视神经疾病等引起的视力缺失可以通过视觉皮层刺激或视神经刺激达到恢复视觉的目的。

另外在目前医疗条件和技术水平有限的情况下,开发感觉(触觉、听觉)替代的电子辅助设备也成为一个热点。

2　视皮层视觉假体
2.1　原理
绝大多数视觉障碍是由于视网膜的损伤所导致
3973一级子课题“视网膜视觉信号处理机制及仿生模型的研究”资助项目(2005CB724303)
Δ通讯作者。

E2mail:stong@
的,而视觉皮层功能并未受到影响。

因此直接刺激视觉皮层来产生视觉感知是可能的。

视皮层视觉假体透过颅骨把电极植入脑部的视皮层,视像信息从病人眼镜上的摄像机通过导线传入。

视觉皮层刺激主要有两种方法:(1)皮层刺激,即使用“贴在”皮层表面的表面电极;(2)皮下刺激,将针状电极插入皮层下刺激皮下神经细胞。

鉴于针状电极的诸多优点,研究者们使用较多的是这种针状电极。

2.2　目前研究现状
Utah大学的研究者们[1～4]研究设计的U EA电极阵列,成10×10正方形排布,长度为115mm的100个针状电极排列在厚012mm、面积为12196 mm2的金属薄片上。

连接基座的直径为80～100μm,逐渐变细,尖端直径仅4～6μm。

每个电极在基座相距014mm,针尖用铂金制成。

尽管针状电极具有较大的阻抗,但需要的刺激电流较小(约119 mA)[2]。

Normann等[1]认为视皮层视觉假体中刺激电极的设计与盲人的视觉恢复有着很大的关系。

电极阵列底座薄片如果太薄,在插入皮层的过程中
第25卷　第4期2008年　8月
生物医学工程学杂志
Journal of Biomedical E ngineering
V ol.25　N o.4
August　2008
底座容易断裂;如果过厚,则手术固定好的电极容易受力移动。

Schmidt等[2]的实验中将具有38个针状电极的阵列植入,刺激皮层产生“光幻觉”,患者能描述颜色,并且光斑的方位与眼球的转动相关。

但目前还不清楚电极阵列按一定的图形样式施加刺激是否能够让盲人有图形样的“光幻觉”[1]。

另外,电流强度与光感强度、刺激模式与实际物体的映射关系等一系列问题有待解决,也是使盲人视皮层视觉假体移植成功获得视觉的的关键问题[1]。

相对于前几种假体移植手术来说,视皮层视觉假体移植手术的安全性和可靠性更加重要。

由于大脑是一个黏弹性的组织,手术时,如果电极阵列进入皮层组织的速度较快,脑皮层组织不会因为变形而发生皮层出血和皮下水肿现象。

Normann等[1]用一个高速冲击腔将电极固定在猫脑皮层。

这种装置能够使大脑皮层组织在手术中受到的挤压最小,由于电极植入产生的“皮层窝”(dimpling)最小,电极被完全插入。

Rousche和Normann[3]的实验中,以813m/s的速度将有100个电极的阵列插入到猫的脑皮层中115 mm处获得最佳的效果。

Rousche等[4]指出,鼠的实验中,使用U EA100×100电极阵列,在一些手术中出现的皮层出血会自动愈合。

为防止脑部其它组织受到损伤,电极针尖插入脑皮层的深度不能超过115mm。

考虑到生物和电学方面的稳定性,应该设法减少皮层和电极间的相对移动。

Maynard等[5]在15只猫的手术中,电极和脑头盖之间加入一个厚12μm使用聚四氟乙烯(Teflon)制成的固定装置,结果发现12只Teflon的位置没有发生改变。

虽然在人身上的实验探索很早以前就已经开始[6],由于一系列包括安全性在内的问题,目前在人身上的实验还较少。

美国N IH的实验中[2],对一例由于青光眼而失明22年的42岁女性患者实施脑皮层假体移植手术数周后,出现了“光幻觉”减弱、刺激参数调整困难、电极移位、电极破损等问题。

除了采用微电极植入皮层刺激的方式外,目前在视觉皮层的刺激研究上,经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)[7]作为一种无痛,非侵入式的方法可以使大部分(94%)视力正常的受试者和部分盲人(54%)产生“光幻觉”,同时也可以用来确定患者具有功能的视觉皮层,对于选择合适的假体移植者提供了帮助。

但皮层假体作为一种能用于临床的视觉假体还有待时日。

2.3　优缺点和使用范围
采用表面电极进行视觉皮层刺激,手术程序较复杂,且有感染的风险;空间分辨率有限;由于刺激需要较大的电压,需要考虑芯片的供能装置。

高频率的刺激电流脉冲会引起病人疼痛和发生局部皮层癫痫的危险[8]。

针状电极阵列相对于表面电极来说,体积小,最大的好处是阻抗大,所需的刺激电流小,比表面电极更加安全,可以通过机械装置[1,9]准确植入皮层。

由于正常的视觉是通过眼、视神经传导到大脑视皮层的,有关视觉信息在视路中经过的一系列光学、化学、生物电方面的信息前处理步骤还有待进一步研究。

皮层刺激越过了这一系列的前处理过程,但如何通过直接的电极刺激产生有效视觉信息是一个难点[8]。

作为一种侵入式的假体,皮层刺激的安全性和刺激参数的稳定性都十分重要。

神经假体必须植入神经系统当中并保持长时间的功能完好性,这需要假体系统具有高度的生物相容性,能够抵抗来自体液、蛋白质、巨噬细胞或新陈代谢而引起的腐蚀。

还要考虑由于持久的电荷灌注和植入引起的神经损伤,以及有效的刺激参数。

综合以上多方面因素,视皮层假体的电极结构、材料以及手术方案成为视皮层视觉假体植入中应当考虑的重要因素[1]。

3　视神经束视觉假体
3.1　原理
视网膜的信息输出通过神经节细胞的轴突送出。

约为100万个神经节细胞集中在直径约2mm 的视束,一个神经节细胞综合了多个感光细胞传来的信息。

也就是说我们从外界接收到的所有视觉信息都要通过视束传递给视觉皮层。

以目前的技术而言,视网膜假体和视皮层假体的电刺激不可能覆盖整个视觉区域。

在视觉通路中,视觉空间全部映射在视神经束的一个相对小的区域,使得通过刺激神经束对整个视觉区域的刺激成为可能。

一般通过外部的摄像系统获取环境信息并无线传输给数据处理芯片,芯片将图像数据转换成对应的刺激模式,通过导线传输给植于颅内视神经束上的刺激电极。

通过刺激神经束的方法达到产生“视幻觉”的效果。

3.2　目前研究现状
目前视神经束假体主要是利用螺旋状排列的电极阵列刺激视神经束外侧,这项技术起初是用来刺激周围神经系统的(如坐骨神经)[10,11]。

1998年, Veraart等[12]在一例视网膜色素变性的盲人视神经周围套上一个具有四个正交电极的圈套,结果发现不同的电刺激可以在大部分视野中产生“光幻觉”,
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生物医学工程学杂志 第25卷
“光幻觉”呈点状或长方形,且有颜色。

此后,他们通过调整刺激参数来得到确定的“光幻觉”图样[13]。

Veraart小组[14]在2003年的研究中,分别通过开环刺激和闭环刺激测试同一盲人,研究其对位置和简单而有意义的图案的识别。

Delbeke等[15]也报道对视交叉前的视神经进行刺激,可以测到电冲动反应。

3.3　优缺点和使用范围
视神经束视觉假体的实际应用还存在一定的困难。

首先,视觉和视神经的对应关系还不是很明了[16];其次,为达到一定的空间分辨率,实施选择性刺激需要较多的刺激电极[14],而视神经束的尺寸限制了电极的数目,因此即使对受试者进行长期的训练后,空间分辨率仍然有限[17],因此刺激电极的设计和开发显得尤为重要;再者,圈套电极可能对刺激的视神经产生挤压,使神经局部血流阻塞,最终导致神经组织的损害[18]。

此外,有比较大的手术风险, (视神经束视觉假体移植需要实施开颅手术,容易引起感染)。

视神经刺激需要具有完整视神经节细胞的患者[12],如视网膜色素变性患者。

但神经束刺激的模式与“光幻觉”的产生的位置、大小和形状的对应关系还不是很清楚。

大脑皮质对视神经的刺激可能有重塑的过程,但这种人工眼要产生具有应用意义的人工视觉,尚存在很多的问题需要解决。

4　视皮层和视神经束视觉假体系统设计
系统一般包括三个部分,即植入体内的电极和刺激器,体外的图像采集系统以及图像处理识别,序列产生的软件部分。

由于视网膜空间结构的复杂性,使用者通过刺激获得的图样和刺激模式并不总是存在几何上的匹配关系;且电源提供给刺激器的能量有限,选择合适的刺激方式/参数显得尤为重要。

目前使用较多的Utah电极[1,5]多是以等边排列的,共有25或100个微电极的阵列。

Schmidt 等[2]的脑皮层实验中,刺激使受试者产生不同灰度级别的视觉感觉,但连续的刺激使神经细胞产生了适应性,使得灰度级别的数目减少。

他们还观察到暗淡的“光幻觉”会被明亮的“光幻觉”遮蔽。

“光幻觉”的大小、光亮度与刺激参数有紧密的关系[19];另外,视觉假体要考虑图像处理和数据传输问题。

Liu 等[20]使用小型CMOS摄像机和大规模集成电路芯片进行图像采集和处理,且设计成一种双频带传输系统,使用不同的频率传输数据和能量,满足了有效的能量传输并保证一定的数据传输率。

Veraart 等[14]的视神经假体使用的能量和数据传输频率都为12MHz。

皮层假体和视神经视觉假体的研究表明,硅、二氧化硅、玻璃材料制成的假体具有高度、长期的生物相容性[5,9],但容易引起急性或慢性炎症,影响神经组织和电极表面;还会引起电极附近的神经胶质纤维增生,影响电极对皮层的刺激记录[9]。

5　感觉替代的视觉假体
5.1　原理
目前的医疗条件和医学水平不足以使盲人恢复视力,那么,感觉替代的手段无论从技术上还是风险上都是一种可行的方案。

目前的感觉替代假体包括基于触觉的视觉感知和基于听觉的视觉感知。

通过训练,盲人的手指尖两点感觉的阈值明显低于明眼人。

盲人可以通过皮肤进行精细分辨,触觉讯号通常直接映射到视觉皮层。

另外,盲人更习惯于用听觉来分辨周围环境,因此,将复杂的环境信息转化为有意义的声音成为感觉替代中研究的热点。

5.2　目前研究现状
目前主要有两大类:触觉替代方案和通过语音提示方案。

(1)触觉替代方案,是通过刺激人体的某个触觉器官来描述视觉信息。

目前有如下几种产品或方案。

①TVSS(Tactile vision substitution system):即触、视觉替代系统,将环境信息转化为触觉图,通过手指[21]或舌[22]来感知。

主要包括图像获取系统、数据分析系统和触觉刺激器三部分。

信息用刺激电流的不同参数来表示,使用者在触觉刺激器上获得物体的轮廓信息。

由于舌头的高度敏感性和唾液的良好导电性,比起手指触觉感知辅助系统,所需要的刺激电压和刺激电流都更小。

在智能眼镜系统(In2 telligent glasses system,IGS)[21]中,使用的是一种振动式触觉面板。

Wisconsin大学Bach2y2Rita的研究小组[22]已对这种触觉感知系统有较深入的研究和开发。

②Guidecane[23]:又称作引导手杖,是另一种触觉辅助提示方案,形状与盲杖相似,用超声波检测障碍物方位和距离,盲人过手柄的震动装置感知信息。

但此系统没有明确的反馈信息。

③The People Sensor[24]:便携式感知器,用热电传感装置和超声波传感器区分路面上有生命(人)和无生命障碍物并检测距离。

通过触觉振动装置被使用者感知。

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第4期 石　萍等。

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(2)通过语音提示方案:目前已经有产品出现。

①vOICe系统,是为盲人设计的“图像2声音”转换辅助设备。

vOICe系统包括一副带有摄像机的眼镜、一台便携式电脑和一个立体声耳机。

整套系统将摄像机拍摄的即时图像通过微型电脑转换成声音信号,再通过立体声耳机传到佩带者的耳朵里。

电脑将处理后的灰度图像逐列扫描,将每个像素点的信息映射到声音参数[25]。

例如,将图像的高度对应于声波的频率,像素的大小对应于声波的幅度。

但此系统的缺点是转化成的声音信息缺乏明显的规律,学习者需要通过长时间反复的学习才能识别声音信号中所包含的图像信息。

②Navbelt系统[26],由图像转化成的声音信号具有指导盲人避开障碍物并引导盲人“沿墙行走”的功能。

系统包括一个腰带(带有120度视角的双排超声波传感装置)、一副耳机、一个微型计算机。

两种可供选择的模式:a.声音向导模式(Acoustic guid2 ance mode)帮助盲人避开障碍物并接近目标。

将障碍物的信息(如大小、远近、传感装置所确定的方位)映射为声波信息。

b.声音图像模式(Acoustic image mode)将障碍物的“有、无”“方位”转化成立体声,使盲人能够在脑中形成“音景”图像。

当然,需要对使用者进行长期的训练。

③Tyflos系统[27],Bourbakis开发的这个轻便、可穿戴的的装置名叫Tyflos,在希腊语中是盲人的意思。

Tyflos照相机捕捉周围环境的图像,便携式计算机将在三维空间再现动作检测、形体描绘、外观识别和目标移动。

Tyflos系统操作是识别照相机“看见”的图像并把它转换为音频信息,这样人就能通过连接背包与耳朵的小电线听见声音。

除了将图像转化成声波外,还具有交互功能。

使用者可以提问,通过系统强大的数据库和语音合成系统,向使用者提供环境更加详细的描述。

(3)优缺点和使用范围:触觉感知系统只需要较少的刺激阵列就可以获得具有一定分辨率的图像轮廓信息。

但仍然存在许多不足之处,如:电刺激会给使用者带来疼痛。

触觉感知信息的速度较慢。

电子辅助系统能使用户准确获得信息,但大多数电子辅助系统比较昂贵,特别是具有导航功能的装置。

另外,这些装置能够提供给使用者的信息有限,并且系统所检测的目标距离范围有限。

大多数装置需要在使用前对使用者进行专门的训练。

电子导航系统还需要在颜色识别、温度识别、光线感知上做进一步研究。

对于利用感觉(即触觉或听觉)替代的视觉假体,除了图像采集和处理部分外,还涉及到触觉/听觉的编码部分,和前电刺激视觉假体相比,没有体内植入部分,因此没有手术风险,也不用考虑电极的生物兼容性问题,但是由于不是重建视觉,因此在训练病人方面完全不同。

6　总　结
虽然视皮层刺激、视神经束刺激等电刺激方案以及其它感觉替代视觉的方案都取得了引人瞩目的成果,但仍有许多问题需要解决。

如:电刺激方案中如何使植入物保持长期的稳定性和生物相容性;与神经组织相关的电极、芯片的结构设计,刺激参数的选择及刺激的安全阈值;视神经束分别与视网膜和视觉皮层的对应关系;手术的安全问题等。

鉴于刺激视神经束比刺激视网膜和视皮层可能获得更广阔的视野范围,目前,国内已有科学家致力于如何设计合适的电极(如针状电极)和适宜的刺激方案刺激视神经束以减少手术风险并获得最佳的视觉感知,并已经得到了国家重大基础研究“973”项目资助。

对于感觉替代的电子导航系统,考虑到绝大多数盲人的生活现状,开发性价比高的产品对于盲人来说具有重要的意义。

人工视觉的实现需要包括生物学、工程学、信息学、计算机科学、微电子学、材料学、医学,甚至心理学在内的多领域的科学家们共同努力。

目前的人工视觉假体研究已经取得了相当大的进展,为今后的发展和研究打下了基础。

相信在不久的将来,盲人重见光明不再是梦想。

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第4期 石　萍等。

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