讓盲人重見(jiàn)光明，電子視網(wǎng)膜植入芯片結構與應用
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隨著(zhù)不斷有研究結果表明電子視網(wǎng)膜植入芯片可以改善病人的視力，電子視網(wǎng)膜植入芯片也因此越來(lái)越受關(guān)注。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/199676.htm目前約有30個(gè)研究小組正在對電子視網(wǎng)膜植入芯片進(jìn)行研究。位于德國羅伊特林根的Retina Implant AG公司已經(jīng)進(jìn)行一次成功的臨床實(shí)驗研究，結果表明，視網(wǎng)膜下刺激技術(shù)能讓原本失明的患者辨認出字母表上的圖案和字母。此次研究讓人更加堅信，電子視網(wǎng)膜植入芯片可以讓盲人重見(jiàn)光明。
遺傳性視網(wǎng)膜病變（視網(wǎng)膜色素病變）會(huì )導致感光細胞逐漸喪失功能，并且在很多數情況會(huì )導致病人完全失明。在美國有超過(guò)10萬(wàn)視網(wǎng)膜色素病變患者，估計全世界約有300萬(wàn)不同程度的視網(wǎng)膜色素病變患者。雖然目前正在研制新藥，但尚沒(méi)有能治愈這種疾病的良方。然而，在這些患者中，大多數人可能在不久后就可以通過(guò)一款植入式攝像頭芯片將視力恢復到一定程度。
在正常的眼睛中，入射光線(xiàn)通過(guò)視網(wǎng)膜的透明組織射入，并落在眼睛底部的12億桿細胞和600萬(wàn)錐細胞上。入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)多級處理后被轉換成電子信號。這些信號經(jīng)過(guò)位于視網(wǎng)膜下面的雙極細胞、水平細胞和無(wú)長(cháng)突細胞層進(jìn)行初步處理，然后傳送給神經(jīng)節細胞。神經(jīng)節細胞的軸突與視覺(jué)神經(jīng)進(jìn)行通信，將在這之前獲取到的信息傳送給大腦的視覺(jué)皮層（如，視覺(jué)中心）。
視網(wǎng)膜下植入芯片
患有視網(wǎng)膜色素病變的患者即使在失明后，其大部分視網(wǎng)膜仍然能正常工作。盡管正常用來(lái)將光線(xiàn)轉換成神經(jīng)信號的桿細胞和錐細胞已經(jīng)發(fā)生病變,但用來(lái)將信息進(jìn)行預處理后送往大腦的大部分視網(wǎng)膜神經(jīng)組織仍然是完好的。換句話(huà)說(shuō)，視覺(jué)器官仍然能工作，只是沒(méi)有了信號輸入（感光細胞不能工作）?；谶@一理念，Tübingen大學(xué)眼科診所（University Eye Clinic）的Eberhart Zrenner與該大學(xué)的自然科學(xué)和醫藥學(xué)院合作開(kāi)發(fā)了一款視網(wǎng)膜下植入芯片。
該大學(xué)所研發(fā)的植入芯片，用由脈沖激發(fā)的光敏電子刺激替代自然光線(xiàn)刺激，使病人能產(chǎn)生光感(人工觸發(fā)的光現象)。由于電子刺激常常涉及很多細胞，因此病人不能很清晰地看清楚物體，但還是能夠定位光源和找準物體所在位置。
用視網(wǎng)膜下芯片替代病變的感光細胞
植入芯片位于視網(wǎng)膜下（如，視網(wǎng)膜的后面）。從解剖學(xué)的角度來(lái)看，它正好替代了病變的感光細胞（見(jiàn)圖1）。從信號處理的角度來(lái)看，這占有一個(gè)非常重要的優(yōu)勢，植入芯片的視網(wǎng)膜下刺激充分利用了從視網(wǎng)膜到視覺(jué)神經(jīng)的全部神經(jīng)回路。在接近光亮的時(shí)候，電子信號被觸發(fā)，刺激強度與入射光線(xiàn)的強度一致。光學(xué)圖像被準確地用一種電子刺激模式所取代。
視網(wǎng)膜植入物體由一塊尺寸為3 × 3 mm、厚為 70-µm的芯片組成。芯片上分布有1500個(gè)像素單元，每個(gè)像素單元由一個(gè)光敏二極管、一個(gè)對數差分放大器和一個(gè)50 × 50-µm的銥電極組成，銥電極用于引導電子刺激信號到視網(wǎng)膜。IMS協(xié)助參與了該電路的開(kāi)發(fā)。因為用到了0.8-µm CMOS技術(shù)，所以該芯片是一款純粹的模擬芯片，其功耗極低（最大為10mW），來(lái)自芯片電源的被傳送到視網(wǎng)膜的熱量保持在0.5K以下。微芯片被放置在一塊薄且極柔軟的聚酰亞胺電路板上，該電路板使用黃金線(xiàn)路來(lái)傳送功率和控制信號(見(jiàn)圖2)。極精細的聚酰亞胺帶線(xiàn)被連接到一根薄的纏繞電線(xiàn)上，微芯片就是由這根電線(xiàn)供電的。這根有彈性的電線(xiàn)穿過(guò)眼眶到顳骨，然后從這里延伸到耳朵后面的某一點(diǎn)，再從這連接到一個(gè)帶陶瓷外殼的感應電源。通過(guò)附著(zhù)在皮膚上的次級線(xiàn)圈感接收電能。兩個(gè)線(xiàn)圈中的永久磁鐵可以確保其緊密接觸。
聚酰亞胺載板上的CMOS攝像芯片通過(guò)一根硅電線(xiàn)連接到無(wú)線(xiàn)電源接收器。
所有組件必須生物兼容不為人體所排斥，并且必須具有長(cháng)期穩定性。這是一個(gè)技術(shù)大難題，除了要使用和組合新材料，還另有其它要求。由于與視網(wǎng)膜周?chē)M織接觸，組件必須采用嚴格密封的保護層。必須對它們進(jìn)行大量測試，證明該設備能夠抵抗人體內的腐蝕性環(huán)境。至關(guān)重要的一點(diǎn)是，電壓的存在會(huì )大大地加速腐蝕過(guò)程。材料的選擇和其加工工藝至關(guān)重要。
最重要的是，電極和其在芯片上的觸點(diǎn)起著(zhù)決定性的作用?？捎秒姌O的表面必須盡可能小，但同時(shí)又要能提供盡可能大的表面，用來(lái)確保與視網(wǎng)膜進(jìn)行良好接觸。出于這一原因，電極必須采用不規則形銥來(lái)生產(chǎn)，這類(lèi)材料允許傳送更多電荷。
當脈沖持續時(shí)間約1微秒，每像素的電荷量約在2–5nC的時(shí)候，能得到最理想的視覺(jué)感知。這相當于一個(gè)高達2V的電壓。刺激頻率通常為5到7 Hz，因為若是提高頻率會(huì )導致視網(wǎng)膜過(guò)度刺激。病人會(huì )覺(jué)得有點(diǎn)眼花。
臨床研究和結果
在蒂賓根大學(xué)眼科診所進(jìn)行的臨床初步研究期間，對11位患者首次進(jìn)行了長(cháng)達四個(gè)月的視網(wǎng)膜植入芯片測試。德國蒂賓根大學(xué)眼科診所與德國里根斯堡大學(xué)眼科診所進(jìn)行合作，對這項新型外科手術(shù)的開(kāi)發(fā)給予了高度重視。手術(shù)涉及創(chuàng )建一個(gè)穿過(guò)眼睛外部鞏膜的小型入孔。在切除玻璃體之后，視網(wǎng)膜自其下層支撐層往上抬升，這樣可以將安裝有芯片的柔軟薄膜推進(jìn)到視網(wǎng)膜下，接近視網(wǎng)膜黃斑。這一點(diǎn)的神經(jīng)細胞密度是最大的，并且有望形成最有效的刺激。接下來(lái)是精確定位，穿過(guò)鞏膜的小窗口再次被關(guān)閉，從而將薄膜牢靠地附著(zhù)在眼睛的球體上，這樣芯片就有一個(gè)穩定的位置，而不會(huì )受到眼球轉動(dòng)所產(chǎn)生的張力的影響。
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