配置10498根電極的人造視網膜!不用眼睛,靠光電訊號為視障人士提供「視覺」

配置10498根電極的人造視網膜!不用眼睛,靠光電訊號為視障人士提供「視覺」

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對於全球 4000 多萬視障人士來說,重見光明曾經是一個遙不可及的夢想。透過植入物刺激視覺產生,是科學家最具挑戰的工作之一,而最近的幾項相關研究相繼有了突破,「人造視覺」正從科幻中呼之欲出。

最新進展來自洛桑聯邦理工學院(EPFL)神經工程學(LNE),該研究團隊開發了一種配備了10,498個電極的視網膜植入物,可以將微型鏡頭捕獲的圖像轉化為光訊號,進而形成「視覺」。

研究團隊負責人Diego Ghezzi說:「我們的系統旨在透過使用電極刺激其視網膜細胞,為視障人士提供一種人造視覺。」

該研究發表在最新的《自然》雜誌子刊 Communication Materail上。

用光點發訊號給「大腦」,繞過眼睛重新辨識世界

自2015年以來,Diego Ghezzi一直和他的團隊致力於開發一種視網膜植入物,該植入物可與配備鏡頭的智慧型眼鏡和微型電腦一起使用。

簡單來說,該系統擁有一個嵌入在智慧型眼鏡中的鏡頭,可以在佩戴者的視野中捕獲圖像,並將數據發送到位於其中一個眼鏡頭中的微型電腦。電腦將訊號傳輸到視網膜植入物中的1萬多個電極,每個電極都可產生一個光點,進而產生類似「光訊號」的圖像簡化版本。

實驗裝置的示意圖,以測量電壓散佈,上圖顯示了光電轉換機理。

然而,佩戴者看到的不是真實的外部世界,而是與我們的系統類似的東西,佩戴者必須學會辨識這些光點排列組合代表的形狀和物體。

Ghezzi說。「就像看著夜空中的星星一樣,佩戴者需要學會辨識特定的星座。」、

即便如此,對於恢復與外界的視覺溝通,這也是一個巨大的進展。

10,498個電極產生光點「像素」,提供更高「解析度」的世界

對於眼部受損的失明患者來說,視覺假體可以透過在視覺系統中的神經元保存的電刺激提供人工視覺。多年研究中,已經有若干人工植入物致力於解決這一問題,包括視網膜,視神經和皮質植入物。

透過電極植入物刺激大腦產生人工視覺感知的想法並不新鮮,最早可以追溯到 20 世紀 70 年代。然而,業內一直存在一些難以攻克的問題,讓相關係統無法大規模普及。

要解釋其原因,先要科普一下目前業內普遍使用的用於測量視覺有效性的兩個參數:「解析度」和「視野」。

先說解析度,毋庸置疑,能否看清楚或者說辨別出外界物體,是「人工視覺」長期以來努力攻克的難題。

正如上文所說,人工視覺是透過不同的「光點」訊號輪廓,獲取視覺訊息,光點太少可以辨識的外界訊息有限,光點太多又很考驗植入物的大小和精準度。

之前的植入系統一次只能產生少量的人工 「像素」,受試者也因此難以形成可以感知的有效訊號。

為了讓有效光訊號盡可能可辨識,Ghezzi團隊開發的視網膜植入物包含10,498個電極,每個電極都可產生一個光點。

「我們不確定這是太多電極還是不足。我們必須找到正確的數字,以使複製的圖像不會太難辨認。點必須相隔足夠遠,以使患者能夠區分彼此靠近的兩個點,但是必須有足夠的點以提供足夠的圖像解析度。」 Ghezzi說。

具有10,498個光伏像素的高密度POLYRETINA假體的圖片工程師還必須確保每個電極都能可靠地產生光點。Ghezzi解釋說:「我們想確保兩個電極不會刺激視網膜的同一部分。因此,我們進行了電生理測試,涉及記錄視網膜神經節細胞的活性。結果證實,每個電極確實確實誘發了視網膜的不同部分。」

「下一步是檢查10,498個光點是否提供了足夠好的解析度—這就是虛擬實境程式的用武之地。就定義而言,再使用任何方法都不會給患者帶來任何真正的好處。」 Ghezzi說。

視覺範圍最高可達43°,極大提升佩戴者生活品質

另一個人工視覺植入物的面臨的重要問題是,視野範圍問題,簡單來說就是,患者佩戴的鏡頭能夠捕獲多大範圍內的外部世界訊息。

近些年來,「人造視覺」相關的醫療技術領域已經取得了令人難以置信的成就,但是目前市面上的視網膜植入物,可提供的視角範圍依舊受限。已獲批且植入最多的產品Argus®II最多可提供20°的視角,但20度的視野其實很難確認障礙物。特別是在移動的開放空間中,佩戴者很難獨立安全行進和日常生活。

因此據相關調研,大多數已經進行了植入的患者在手術後的第一年到第三年都停止使用植入物。此外,三分之一的前視網膜假體使用者宣稱,該裝置對三年後的生活品質有中性影響。

令人振奮的是,Ghezzi團隊的最新植入物POLYRETINA是一種寬視野的高密度前視網膜假體,一旦結合到彎曲的柔性支撐件上,活動區域就會稍微拉伸到13.4 mm,將佩戴者的視野角擴大到43°,基本可以支持正常活動。

光伏前視網膜視野

Ghezzi團隊以恆定的解析度但不同的視場角進行了測試。「我們從5度開始,然後一直擴展到45度。我們發現飽和點為35度-物體在該點以上仍保持穩定。」 Ghezzi說。所有這些實驗表明,該系統的容量無需進一步提高,並且已經為臨床試驗做好了準備。但是該團隊將需要等待人體試驗批准,因此也需要更長的時間,才能將其技術植入實際患者中。

目前,唯一的問題是該系統尚未在人體上進行過測試。「由於獲得醫療批准需要很長時間,因此我們尚未被授權將我們的設備植入人類患者體內。但是我們提出了一種虛擬測試流程,這是一種變通方法。」 Ghezzi說。更具體地說,工程師開發了一個虛擬實境程式,該程式可以模擬患者在植入物中會看到的圖像。

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