配置10498根电极的人造视网膜!不用眼睛,靠光信号给盲人“视觉” | Nature子刊

大数据文摘作品

作者:Mickey

对于全球 4000 多万盲人来说,重见光明曾经是一个遥不可及的梦想。通过植入物刺激视觉产生,是科学家最具挑战的工作之一,而最近的几项相关研究突破下,“人造视觉”正从科幻中呼之欲出。

最新进展来自洛桑联邦理工学院(EPFL)神经工程学(LNE),该研究团队开发了一种配备了10,498个电极的视网膜植入物,可以将微型摄像头捕获的图像转化为光信号,进而形成“视觉”。

研究团队负责人Diego Ghezzi说:“我们的系统旨在通过使用电极刺激其视网膜细胞,为盲人提供一种人造视觉。”

该研究发表在最新的《自然》杂志子刊 Communication Materail上。

用光点给“大脑”发信号,绕过眼睛重新识别世界

自2015年以来,Diego Ghezzi一直和他的团队致力于开发一种视网膜植入物,该植入物可与配备摄像头的智能眼镜和微型计算机一起使用。

简单来说,该系统拥有一个嵌入在智能眼镜中的摄像头,可以在佩戴者的视野中捕获图像,并将数据发送到位于其中一个眼镜头中的微型计算机。计算机将信号传输到视网膜植入物中的1万多个电极,每个电极都可产生一个光点,进而产生类似“光信号”的图像简化版本

实验装置的示意图,以测量电压散布,上图显示了光电转换机理。

然而,佩戴者看到的不是真实的外部世界,而是与我们的系统类似的东西, 佩戴者必须学会识别这些光点排列组合代表的形状和物体。

Ghezzi说。“就像看着夜空中的星星一样,佩戴者需要学会识别特定的星座。”、

即便如此,对于恢复与外界的视觉沟通,这也是一个巨大的进展。

视网膜植入物可以为盲人提供人工视觉

10,498个电极产生光点“像素”,提供更高“分辨率”的世界

对于眼部受损的失明患者来说,视觉假体可以通过在视觉系统中的神经元保存的电刺激提供人工视觉。多年研究中,已经有若干人工植入物致力于解决这一问题,包括视网膜,视神经和皮质植入物。

通过电极植入物刺激大脑产生人工视觉感知的想法并不新鲜,最早可以追溯到 20 世纪 70 年代。然而,业内一直存在一些难以攻克的问题,让相关系统无法大规模普及。

要解释其原因,文摘菌先要科普一下目前业内普遍使用的用于测量视觉有效性的两个参数:分辨率和视野

先说分辨率,毋庸置疑,能否看清楚或者说辨别出外界物体,是“人工视觉”长期以来努力攻克的难题。

正如上文所说,人工视觉是通过不同的”光点“信号轮廓,获取视觉信息,光点太少可以识别的外界信息有限,光点太多又很考验植入物的大小和精准度。

之前的植入系统一次只能生成少量的人工 “像素”,受试者也因此难以形成可以感知的有效信号。

为了让有效光信号尽可能可识别,Ghezzi团队开发的视网膜植入物包含10,498个电极,每个电极都可产生一个光点。

“我们不确定这是太多电极还是不足。我们必须找到正确的数字,以使复制的图像不会太难辨认。点必须相隔足够远,以使患者能够区分彼此靠近的两个点,但是必须有足够的点以提供足够的图像分辨率。” Ghezzi说。

具有10,498个光伏像素的高密度POLYRETINA假体的图片

工程师还必须确保每个电极都能可靠地产生光点。Ghezzi解释说:“我们想确保两个电极不会刺激视网膜的同一部分。因此,我们进行了电生理测试,涉及记录视网膜神经节细胞的活性。结果证实,每个电极确实确实激活了视网膜的不同部分。”

“下一步是检查10,498个光点是否提供了足够好的分辨率—这就是虚拟现实程序的用武之地。就定义而言,再使用任何方法都不会给患者带来任何真正的好处。” Ghezzi说。

视觉范围最高可达43°,极大提升佩戴者生活质量

另一个人工视觉植入物的面临的重要问题是,视野范围问题,简单来说就是,患者佩戴的摄像机能够捕获多大范围内的外部世界信息号。

近些年来,“人造视觉”相关的医疗技术领域已经取得了令人难以置信的成就,但是目前市面上的视网膜植入物,可提供的视角范围依旧受限。已获批且植入最多的产品Argus®II最多可提供20°的视角,但20度的视野其实很难确认障碍物。特别是在移动的开放空间中,佩戴者很难独立安全行进和日常生活。

因此据相关调研,大多数已经进行了植入的患者在手术后的第一年到第三年都停止使用植入物。此外,三分之一的前视网膜假体使用者宣称,该装置对三年后的生活质量有中性影响。

令人振奋的是,Ghezzi团队的最新植入物POLYRETINA是一种宽视野的高密度前视网膜假体,一旦结合到弯曲的柔性支撑件上,活动区域就会稍微拉伸到13.4 mm,将佩戴者的视野角扩大到43°,基本可以支持正常活动。

光伏前视网膜视野

Ghezzi团队以恒定的分辨率但不同的视场角进行了测试。“我们从5度开始,然后一直扩展到45度。我们发现饱和点为35度-物体在该点以上仍保持稳定。” Ghezzi说。所有这些实验表明,该系统的容量无需进一步提高,并且已经为临床试验做好了准备。但是该团队将需要等待人体试验批准,因此也需要更长的时间,才能将其技术植入实际患者中。

目前,唯一的问题是该系统尚未在人体上进行过测试。“由于获得医疗批准需要很长时间,因此我们尚未被授权将我们的设备植入人类患者体内。但是我们提出了一种虚拟测试流程,这是一种变通方法。” Ghezzi说。更具体地说,工程师开发了一个虚拟现实程序,该程序可以模拟患者在植入物中会看到的图像。

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