人工视觉假体研究综述(Ⅰ)——视网膜假体研究现状

人工视觉假体研究综述(Ⅰ)3———视网膜假体研究现状石　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　如何部分或完全恢复视觉功能是目前神经工程和组织工程领域研究的热门课题,采用神经接口和神经假体方案来部分恢复视觉功能是目前主要的手段。

视网膜刺激方案是国内外研究较多和较为成熟的刺激方案。

本文从技术角度出发,全面地综述了视网膜假体的机制、优缺点和国内外最新研究状况。

关键词　人工视觉假体　视网膜上视觉假体　视网膜下视觉假体　视皮层假体中图分类号　R318118 文献标识码　A 文章编号　100125515(2008)0320734204Revie w of Visual Pr ost hesis(Ⅰ)———Ret inal Pr ost hesisShi Ping　Q iu Yihong　Zhu Yisheng　Tong Shan ba o(Depart ment of Bi omedi cal Engi neerin g,S hanghai Ji aotong Universit y,S hanghai200240,Chi na) Abstra ct　Research on h ow to totally or par tially restore the vision has attracted more attention in the f ields of neural eng ineering and tissue engineering.Neural interface and v isual prosthesis off er alternative ways for partially repairing the visual impairment.The most widely used visual prosthetics are based on retinal stimulation.This article is a state2of2art review of the principles,technical details and the limitations of retinal prosthesis.Key w or ds　Retinal prost hes is E piretinal prosthesis Subretinal prosthesis Cor tical v isual prost hes is1　引　言视觉的产生过程是光线通过角膜、房水、虹膜的瞳孔调节进入眼球,然后光线通过具有不同折射率的晶状体和玻璃体到达视网膜,视网膜的光感受体将光能变成化学能,化学能由视神经转化成生物电信号通过视网膜的视神经节细胞,经视神经头、视神经、视交叉、视束、外侧膝状体、视放射到达视中枢,从而产生视觉。

视觉系统疾病大多发生在眼球部分,眼球包括视网膜、眼内腔和内容物以及前端的光学系统(角膜、房水、虹膜、瞳孔及晶状体)。

其中,视网膜是视觉形成的最重要部分,视网膜上视觉最敏锐的区域叫黄斑区(macula),其中央为中心凹(fovea),视网膜通过视杆细胞、视锥细胞和神经节细胞向大脑传输信息。

当视觉系统发生病变后,会造成不同程度的视觉障碍,常见的视觉功能障碍疾病有:白内障、青33一级子课题“视网膜视觉信号处理机制及仿生模型的研究”资助项目(5B33)Δ通讯作者。

2@j 光眼、黄斑病变、视网膜变性、糖尿病性视网膜病变、视网膜血管阻塞及视神经炎。

对于视网膜疾病造成的永久性眼部病变,药物治疗方案已无能为力,目前有很多研究人员在研究采用视觉假体的方案来协助恢复部分视觉功能。

不同的视觉假体适用于因不同视觉系统疾病而造成的视力缺失,如视网膜色素变性和老年性黄斑变性这类视网膜变性疾病可以使用视网膜或视神经刺激假体。

而对于视网膜内部细胞(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达到恢复部分视觉的目的。

由于人们对视网膜和视觉皮层的结构和功能已经有较为详尽的研究和了解,视网膜刺激器发展也较快。

2　视网膜上视觉假体(Epiret inal pr osthe2 sis)2.1　原理视网膜上视觉假体先用一个D摄像头获取图像信息代替正常眼睛获得视觉图像,然后通过一定的图像处理算法,将图像映射成电刺激信号再传第25卷　第3期2008年　6月 生物医学工程学杂志Journal of Biomedica l Engi neer ing V ol.25　No.3June　200897200C7240E m ail:s to ng s t CC到植于视网膜最外一层神经节细胞上的微电极阵列,从而激发视神经产生电脉冲信号传到大脑皮层。

有的视觉假体将数据、光信息通过“视网膜编码器”的装置处理,产生电脉冲,经无线传输,刺激神经节细胞[1,2]。

眼外部分及眼内装置固定于眼睛框架及人工晶状体上,外置电缆屏蔽,采集装置的导线通过〔眼〕直肌(rect us muscle)与电极相连[3～5]。

2.2　假体植入方案利用玻璃体切割的手术方式,用视网膜钉或电化学纤维胶将芯片固定于视网膜上。

Humayun小组[5]的手术中,电极阵列被置于视网膜的中央凹,视网膜钉穿过电极阵列固定于巩膜。

植入部位的周围可预先进行眼内光凝。

手术中,为了防止视网膜钉固定中出现的脉络膜出血,需要通过调节灌注液瓶的高度来提高眼内压[4]。

2.3　目前研究现状Hesse等[2]对猫实施视网膜上(前)视觉假体植入手术一周后,施加最小刺激电流为35μA,电流脉冲宽度为014ms的电刺激,检测到了大脑皮层的电活动。

他们的研究同时也显示了刺激电极和视网膜紧密接触的重要性,否则有可能检测不到大脑皮层的电活动;Weiland研究组[4]在对狗视网膜上层植入视觉假体获得了成功,并且假体有很好的生物相容性;G uven等[3]对狗进行的视网膜上视觉假体移植表明011m C/cm2的长期弱电流刺激(chronic elect rical sti mulation)对视网膜不会产生损伤。

Hu2 mayun等[5]首次对一例视网膜色素变性患者实施了视网膜上视觉假体移植手术,获得了一定的成功,大多数电极的刺激门限电荷量为0135mC/cm2,手术10周后,被试者对4×4的电极阵列中的每一个电极的电流刺激都有“光幻觉”(phosphene)。

大多数“光幻觉”都被描述成圆形亮点。

被试者还描述出了颜色的感觉(如黄色、白色、橘红色和蓝色)。

经过分析认为颜色的感觉与刺激频率有关。

被试者能分辨出电极中心位置间距最小为720μm的刺激。

被试者能分辨物体移动的方向和一些简单的形状。

不同形状的电极阵列所需的刺激电流是不一样的。

一般来说,片状接触式电极所需的刺激电流是针状电极所需的10倍以上[2]。

这也表明片状式电极与视网膜表面的接触不如针状电极那么有效。

这对如何设计合理的电极以减少电流刺激强度提出了新的要求。

　优缺点和使用范围由于直接刺激神经节细胞及其轴突,不需要视网膜感光的神经网络,即不需要完整的视网膜[6],视网膜上视觉假体需要将图像信息准确地转换为视觉信息,手术对刺激电极和视网膜的接触点的对接具有很高的要求,这也是手术的难点。

大量的神经节细胞与刺激电极阵列并不具有持久的空间上的一一对应关系。

由于接触点可能移动,导致除了远处的双极细胞和神经节细胞的轴突被刺激外,近处的神经节细胞的胞体也会受到刺激,从而引起刺激模式(pat tern)的混乱,那么被移植者可能不能准确地描述对刺激的反应[5],这种情况下,需要对电刺激方案加以纠正[6]。

CCD摄像头替代了丧失功能的眼睛的光学系统,因此白内障患者适合于实施此类手术[6]。

这种外置的信息采集装置更方便于外部控制。

此类手术对大多数视网膜色素变性患者的假体移植也具有很好的实验效果,因为即使患有视网膜色素变性多年,神经节细胞和视网膜内的其它细胞仍然具有功能。

但植入假体的固定很困难,而且可能有刺激细胞增生的危险[6]。

不过,总体来说,视网膜上视觉假体移植术已越来越趋于成熟。

3　视网膜下视觉假体(Subret inal pr osthesis) 3.1　原理假体置于色素上皮层与视网膜外丛层之间,刺激双极细胞。

芯片充当视网膜中光感受器的角色,光信号经外界传送到达芯片,在光电二极管中产生电流,即用光电转换的方式激活微电极,从而对双极细胞产生刺激[6]。

3.2　假体植入方案主要有两种手术方法———经巩膜植入(ab ex2 terno)和经玻璃体植入(ab i nterno)[7～9]。

实际操作中,研究人员更倾向于使用经巩膜经玻璃体植入(ab i nterna and t ransscleral i mplantation)[7,9]的手术方法,这种方法移植的假体使用时间长,并最大程度减少对视网膜的损伤。

3.3　目前研究现状主要由Chow和Zrenner[6,10]领导的研究小组研究开发。

在直径2～3mm,厚25～100μm的硅芯片上排列着数以千计的微光电二极管。

每一个微光电二极管都连有微电极。

Chow等[10]在兔的研究中,观察到视网膜下电刺激可产生皮层诱发电位及视觉诱发电位。

目前的研究主要集中在对刺激模式的研究[～]。

y等[3]6年对3例视网膜变性、例老年性黄斑变性及例先天失明者实施经巩膜植入移植实验,5人均有“光幻觉”;除先天537第3期 石　萍等。

　人工视觉假体研究综述(1)———视网膜假体研究现状 2.41012Huma un1199 11失明的患者外,其他4人均能描述出光斑的空间位置及光斑的大小及形状。

Humayun研究组[11]1999年对9例视网膜变性、1例老年性黄斑变性患者实施经巩膜植入视网膜下视觉假体,采用3×3、5×5阵列的电极,发现患者能初步辨认不同的形状,但对刺激阵列的分布局限于“水平”和“垂直”的描述,并对光反应有不同的颜色描述。

说明电极阵列的刺激能被组合成图像感知。

在多数学者的研究中[11～13],由于识别信息的不同(闪光、形状),能使患者产生较准确的视觉信息的电极阵列规模有不同的设计。

3.4　优缺点和使用范围这种方案利用了仍然具有部分功能的视网膜神经网络[6,7],用微光点二极管代替了受损伤的感光细胞。

不需要外置图像采集装置,眼球可活动自如,并对目标进行定位[6]。

人眼对外部信息是一个“镜像”反应,视网膜下视觉假体由于替代的是感光细胞(相当于“镜面”),那么刺激响应能更正确地被获取[6]。

视网膜下假体中的微光电二极管靠吸收外界自然光线的能量转换为电信号。

但由于一般入射光线不足以激活光电二极管,所以需要额外的光源放大系统提供足够的能量。