机械义眼已成现实？

　　通过视觉获取图像信息是人类学习和生活的重要功能，失明则会显著降低其生活质量. 因视网膜色素变性、青光眼和黄斑变性等疾病而造成后天失明者，以及由意外事故、战争等造成眼部创伤者，有可能通过人工视觉辅助系统的帮助恢复部分视觉、或者完成复杂的生活任务。一些盲症患者视觉通路的神经传导剩余部分依然有功能，因此可以借助电极阵列刺激视神经向大脑传递视觉信息，也可在大脑视觉皮层贴敷电极阵列的方法输入视觉信息。此外，还能借助体外装置，如通过人工智能将视觉转换成语音指令、触觉阵列编码等，帮助盲症患者获得环境信息。

植入式视觉辅助系统

　　植入式人工视觉辅助系统，又称"视觉假体"，主要分为两类。一类在视网膜区域植入，另一类在视觉层植入【1】。图1a是植入部位示意图。视网膜区域，又可细分为视网膜、脉络膜和巩膜三层（图1b）。在眼球内的人工视觉辅助植入器件，依据植入位置，主要有视网膜前、视网膜下和脉络膜上三类。一般来说，眼球内的人工视觉辅助植入器件适用于因视网膜色素变性、年龄相关性黄斑变性等视网膜变性疾病引起的感光细胞损伤，最终导致失明的患者。

图1 人工视觉辅助系统途径及眼球视网膜示意图

　　通常视网膜前植入装置将外部图像压缩后的电信号阵列与植入视网膜内顶部的电极阵列连接起来。电极阵列放置在视网膜神经纤维层的内表面上，在视网膜表面与形成视网膜输出通路的视网膜神经节细胞接触，在离目标视网膜神经节细胞最近的位置提供直接电脉冲刺激，通过视神经的神经节细胞轴突传到大脑，被植入者便可以体验到发光点阵列黑白图案【2】。目前较为成熟的视网膜前植入物有Argus II、IRIS II、Epi-ret 3等。

图2 Argus II 植入物示意图[2]

　　在视网膜下植入装置中，数千个装有微电极的光敏二极管被组装在一个非常薄的板上，放置在视网膜色素上皮和视网膜外层之间的视网膜下空间。投射在视网膜上的光在光电二极管中产生电流，经由微电极刺激视网膜感觉神经元。已见诸报道的视网膜下植入物包括Alpha-IMS、PRIMA等【3-4】。

图3 IMS装置示意图【3】

　　巩膜和脉络膜之间放置人工视觉假体，一个关键优点是电极不接触神经视网膜，因此大大降低了视网膜损伤的风险【5】。植入物完全不需要进入玻璃体腔，没有角膜切开、人工晶状体摘除、玻璃体切除和视网膜手术的必要性。其缺点是，相比视网膜前和视网膜下的植入器件，脉络膜上植入物的位置离神经节细胞比较远，这导致需要更高的电刺激阈值、增加功耗、损失空间分辨率。

　　上述视网膜假体无法应用于青光眼和视神经病变（视网膜神经节细胞和轴突受损）相关的视力丧失患者。研究发现，视神经、外侧膝状体核和视皮层可以作为任何原因导致完全性视力丧失的刺激目标。视皮层视觉假体是透过颅骨把电极植入视皮层。视觉皮层总体上是按照大细胞的背侧和小细胞的腹侧皮层的两个视觉信息流（stream）向前额叶方向投射：背侧（顶叶）和腹侧（颞叶-）皮层区域的视觉信息流对形状、颜色、运动和深度信息在猴V1和V2区内的分离处理【6】。视皮质假体主要有ORION、ICVP、CORTIVIS和Gennaris等。

非植入式视觉辅助系统

　　在过去的十年里，许多先进的手持、可穿戴和嵌入式辅助设备已经被开发出来，这些设备通过使用超声波系统、GPS、摄像头、红外、激光和移动电话技术，在已知或未知的室内或室外环境中提供丰富的环境信息、避障、物体识别和导航，从而帮助视障人士和盲人，但是功能全面的设备仍然是个难以实现的目标【7】。有Russell Pathsounder和Mowat研制的传感器【8】，它们在旅行者的直接路径中起到障碍物探测器的作用；NavBelt是一个可穿戴的、计算机化的、装备声纳的系统，使盲人用户能够安全地通过未知的、障碍物杂乱的环境； Ultracane装置则将长拐杖与超声波传感器结合在一起；德国康斯坦茨大学开发了基于微软Kinect的低成本移动导航设备；"舌上触觉"视觉辅助设备，称为"Brain Port"，帮助盲人用舌平面部位的电刺激感觉"辨识"外界物体【9】；感觉替代设备Eye Music，是通过音乐音符的听觉体验传递视觉信息；麻省理工学院研发了手指形状的帮助盲人在旅途中阅读印刷文本的阅读器【10】；同时，西班牙阿利坎特大学为视障人士和盲人开发了3D障碍探测智能手机【11】。（详情请点击阅读原文）

新器件、新系统的构想

　　除了上述视网膜区域植入器件、脑皮层植入器件和体外辅助系统，另外一种思路是将功能特殊的纳米颗粒或者分子试剂直接注射、转移到视网膜，作用于视杆、视锥细胞层，来弥补或者增强使用者对外界光学信号的视觉反应。

　　一种成功的人工视觉辅助器件和系统，需要满足几个基本条件：安装风险低、视觉效果好或者指令可靠、使用寿命长、维护与修理方便。若要广泛推广使用，其成本也需比较小。北京大学电子学院系许胜勇课题组提出了几项新器件、新系统的构想。

"眼中眼"装置

　　这是一种植入眼球内的人造眼装置，可以使视网膜部分受损的视觉障碍者获得丰富的彩色视觉。简单讲，是在眼球安放一个发光屏幕和一个柔性成像镜片，用屏幕上的发光图像取代外界天然光学图像，并成像投射到视网膜选定区域（图4）。

图4 "眼中眼"装置的天然视觉工作模式（a）和人工视觉工作模式（b）

视网膜或者视皮层无源光电转换电极阵列器件

　　在视网膜区域或者视觉皮层植入无源光电转换电极阵列器件，将能够直接将包含图像信息的点阵光源刺激直接转化成局域电脉冲、激发电极附近的神经元，形成视觉响应。

图5 (a)视觉皮层示意图；(b)紧贴脑膜3D柔性光电转换电极阵列示意图； (c)外界智能光源通过透明颅骨引发3D柔性光电转换电极阵列产生电刺激的示意图。

触觉头盔视觉信息指令系统

　　相对于直接提供视觉的植入式器件与系统，利用震动装置形成头皮触觉的头盔，输入触觉编码来提供佩戴者有关周围环境的信息和行动指令，是一种低成本、无风险的有效人工视觉辅助装置。

图6 (a)触觉头盔的功能分区示意图；(b)触觉头盔佩戴使用的示意图； (c)触觉头盔的内部结构示意图。

　　研制植入安全、佩戴舒适、功能可靠的多种人工视觉辅助系统，是帮助后天失盲、失明者和视极弱患者的有效途径。现代芯片技术、生物医学工程技术、材料科学和人工智能领域的快速发展，为开发功能多样、使用领域广泛、成本低廉的人工视觉辅助系统带来了巨大希望。实际上，在不同的应用场景里，多种系统可以并行、同时使用。比如，智能盲人语音眼镜与触觉头盔合用，能大大增加盲人使用者全方位了解外界环境和路况的能力。

　　而人造视网膜、人造视皮层电极阵列、"眼中眼"等器件，还可以突破生物极限，拓宽神经科学、脑机接口技术、人机融合等研究领域，为眼科和生物电子器械等产业带来革命性转变。结合人工智能技术，新型人工视觉辅助期间与系统将为提升全球数亿视觉障碍人群的生活质量做出实质贡献。

　　参考文献：

　　[1] Margalit E, Maia M, Weiland J D, et al. Retinal prosthesis for the blind. Surv Ophthalmol, 2002, 47(4): 335-356

　　[2] Yanai D, Weiland J D, Mahadevappa M, et al. Visual performance using a retinal prosthesis in three subjects with retinitis pigmentosa. Am J Ophthalmol, 2007, 143(5): 820-827

　　[3] Lorach H, Goetz G, Smith R, et al. Photovoltaic restoration of sight with high visual acuity. Nat Med, 2015, 21(5): 476-U254

　　[4] Deterre M, Lemoine D, Simon E, et al. In vitro reliability testing and in vivo lifespan estimation of wireless pixium vision PRIMA photovoltaic subretinal prostheses suggest prolonged durability and functionality in clinical practice. J Neural Eng, 2020, 17(3):035005

　　[5] Wong Y T, Chen S C, Seo J M, et al. Focal activation of the feline retina via a suprachoroidal electrode array. Vision Res, 2009, 49(8): 825-833

　　[6] 寿天德. 视觉信息处理的脑机制(第 2 版). 安徽:中国科学技术大学出版社, 2010

　　[7] Bhowmick A, Hazarika S M. An insight into assistive technology for the visually impaired and blind people: state-of-the-art and future trends. Journal on Multimodal User Interfaces, 2017, 11(2): 149-172

　　[8] Brabyn J A. New developments in mobility and orientation aids for the blind. IEEE Trans Biomed Eng, 1982, 29(4): 285-289

　　[9 Nau A, Hertle R W, Yang D. Effect of tongue stimulation on nystagmus eye movements in blind patients. Brain Struc Funct, 2012, 217(3): 761-765

　　[10] Liu Z, Luo Y, Cordero J, et al. Finger-eye: A wearable text reading assistive system for the blind and visually impaired. 2016 IEEE International Conference on Real-time Computing and Robotics (RCAR), Angkor Wat, Cambodia, 2016, 123-128

　　[11] Saez J M, Escolano F, Lozano M A. Aerial obstacle detection with 3-D mobile devices. IEEE J Biomed Health Inform, 2015, 19(1): 74-80

　　作者简介：

　　林衍旎：北京大学物理电子专业博士研究生。目前主要从事人工视觉系统及视神经系统的信息传递研究。

（作者：林衍旎）

（本文来源于公众号： 生物化学与生物物理进展）