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视觉假体--盲人复明的新希望
以原发性老年黄斑变性与视网膜色素变性为代表的神经性视网膜疾病目前仍然没有有效的手术或药物方法进行治疗。视觉假体是通过对视觉通路的某个位点施加电刺激来取代受损、病变的神经元，从而在一定程度上恢复盲人的功能性视觉的一种前沿技术。世界各国有多个研究小组正在采用不同的技术路线进行视觉假体研发，目前处于不同研发阶段。本文中，我们介绍国外各个研究小组和中国C-sight小组的新视觉假体研发进展，并对视觉假体的商业化进程作简要介绍。
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外部电场作用下的视神经纤维兴奋性的仿真研究
基于刺入式电极的视神经视觉假体,为盲人的视觉修复提供了新的可能性.为了对该视神经假体的电刺激策略和微电极设计提供理论支持,基于真实的电极结构,在COMSOL软件中建立刺入式微电极的外部电场仿真模型,并将其与利用NEURNO软件实现的神经纤维双层电缆模型结合,系统地研究电极与视神经纤维的相对位置、电刺激脉冲宽度以及电极几何结构的改变对视神经纤维兴奋阈值的影响.不同电极位置、刺激脉宽刺激下阈值变化规律的仿真结果,与以往报道的动物实验和仿真实验结果相符,证明了所建模型的有效性.根据仿真结果,对刺入式视神经假体中刺激脉宽的选择和电极几何结构的设计,建议如下:窄脉宽刺激有利于降低能量消耗;电极锥度的设计要在满足电极力学特性及易于植入视神经的基础上,尽可能地减小,以降低纤维兴奋的阈值;电极的暴露面积越小,纤维兴奋所需的电流阈值越低,但电荷密度阈值越高;较低的电流阈值有利于减少能量消耗,但过高的电荷密度阈值却容易造成组织损伤,因此电极暴露面积的设计需要在耗能与安全性之间进行综合考虑.电极绝缘层厚度的改变对视神经纤维的兴奋阈值没有明显的影响,但从电极插入的难易考虑,应尽可能减小绝缘层厚度.以上结果对人体其他部位神经纤维的电刺激同样具有参考价值.
关键词： 视觉假体 微电极的电场仿真模型 视神经纤维 双层电缆多室模型 刺激阈值 -
视觉功能修复方法
视网膜修复的研究与应用,将帮助因视网膜病变导致失明的盲人重见光明.对当今视觉修复的主要方法,如药物疗法、玻璃体视网膜手术、器官克隆(治疗性克隆)、细胞培养(组织工程)和人工视觉等进行了介绍和比较.在这些解决方案中,人工视觉假体是当今热门的研究课胚之一,对不同的视觉假体方案进行介绍和比较.后介绍刺入式多电极阵列的视神经假体的研究新进展.
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仿真假体视觉下眼手协调任务研究
目的:本文在现实场景中开展基于仿真假体视觉下积木摆放任务研究.方法:实验设计三种维度模型共八种积木结构,并要求被试者在24×24、32×32、48×48等三种分辨率下完成任务,被试者通过头戴式显示器对摆放成型积木结构进行观察,并用面前散落积木进行对照摆放,记录积木摆放时间及分数.结果:分辨率为48×48时的摆放时间短且被试者差异较小,一维模型摆放时间用时较短,三种分辨率和三种维度模型用时的变化均具有显著性差异.得分情况中,高分辨率和低维度得分较高.三维结构三块数缺失扣分多,一维结构二准确性摆放扣分多.结论:本研究结果可帮助视觉假体佩戴者在康复训练中提高其在假体视觉配合下手的精细动作的协调性.
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视觉假体的新研究及临床试验进展
介绍国内外主要视觉假体研究小组对视皮层、视神经、视网膜三种视觉假体的功能特点及其动物实验和临床试验的研究进展,并对视觉假体研究在柔性电极等新兴材料的选用、动物模型建立的统一化、植入假体后患者视力功能的恢复训练以及面临的新问题进行讨论.
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视网膜假体的研究进展
目前视网膜假体是所有视觉假体中研究成熟、广泛的一种,其研究目标是帮助失明患者恢复有用视力,尤其针对因视网膜色素变性和年龄相关性黄斑变性等致视力丧失者.依电刺激部位不同,视网膜假体分为视网膜上假体和视网膜下假体.前者通过玻璃体手术将微电极植入并固定于视网膜上;后者通过巩膜途径或玻璃体途径将微电极置于视网膜神经上皮层和视网膜色素上皮层之间.近年来对视网膜上假体的阵列电极、刺激电流等进行了改进;对视网膜下假体的芯片、供能方式等做了改进.有望为不可逆盲者提供帮助.
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视神经假体的研究进展
人工视觉的研究是指用人工的方法在视路的不同部位植入不同的视觉假体,以帮助失明患者获得部分有用视力.其中视神经假体有其独特的优越性,尤其对视网膜不复存在的患者提供了重见光明的可能.视神经假体以视神经的解剖特点为生理学基础,利用电流替代光使患者产生视觉感受的原理,通过外部装置获取图像后将其处理成可以被大脑识别的电信号,并向内部装置传送,与人体神经系统进行通信.视神经假体突破了视网膜假体植入方法的局限,可直接刺激视神经,适合于视网膜的内、外层和神经节细胞层均受到损伤的患者,但同时也存在一些局限性.
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Oozeer视神经纤维膜动力学特性的仿真
目的 对Oozeer视神经纤维的膜特性进行仿真,研究不同离子通道在动作电位产生过程中的作用.方法 利用Matlab编程和欧拉数值计算法对Oozeer视神经模型的膜动力学特性进行仿真;相平面图法分析脉冲电流对膜电位的相图和有无A型电流存在的dV/dt对V的相图.结果 相图分析表明,动作电位的上升阶段主要是因为传统的快速钠离子流,而A型电流在复极化阶段起主要作用,持续钠离子流和慢速钾离子流的影响较小.A型电流存在时产生延迟的动作电位,且缩短动作电位的持续时间,膜电位升高到尖峰阈值时,膜电位的上升减缓.结论 不同离子电流在动作电位形成过程中起不同作用,A型电流使视神经纤维膜动作电位复极化,对超极化后电位起主要作用.
关键词： Oozeer视神经模型 电压钳 相平面图法 视觉假体 -
视觉假体电刺激电流波形的改进研究
目的 提出一种设计视觉假体电刺激电流波形的新方法,以减少电极上的峰值电压.方法 电极-组织界面等效为RC电路模型；线性下降波形后加入零阶保持器来获得规则采样的零阶保持波形,借助传递函数在Simulink下仿真新设计的电流波形和恒定电流刺激波形在RC模型上引起的电压变化.结果 改进后的刺激相波形包括给定数目的一些等时间分段常数段.使用改进的五段阶梯电流波形可使电极峰值电压减少大约12％.结论 Simulink仿真结果说明,使用分段的阶梯电流波形可以减少峰值电压,本研究将会给未来设计改进电流波形提供一定的指导意义.
关键词： 视觉假体 神经刺激 电极-组织界面 零阶保持器 Simulink仿真 -
具有柔韧性衬底的视网膜微电极阵列的设计
目的:针对视觉假体关键部件视网膜微电极阵列的结构特点和植入要求,设计并制作表层视网膜微电极阵列,并对微电极阵列特性进行测试.方法:以parylene作为柔性衬底材料,Pt为电极阵列材料,设计并制作单层电极及引线分布的视网膜植入微电极阵列,并用三电极测试系统对制作完成的微电极阵列进行电特性测试.结果:对微电极阵列的形态和电化学特性测试结果表明,制作的微电极阵列在外观形态和电学特性上符合设计和视网膜植入的要求.结论:该微电极阵列可以为进一步的动物体电生理实验提供性能可靠的视网膜微电极阵列.
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视觉假体系统组成及关键技术
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.研究者们已经对视觉形成的生理机制有着较为深入的了解,且视觉电刺激假体的出现已经在恢复功能视觉的道路上迈出了重要的一步,但假体系统的设计仍然不成熟,制约着假体的临床应用.假体系统的设计受到研究者们的广泛重视.从假体的系统组成(图像获取和处理装置、能量供给和数据传输装置、刺激电极)和假体的关键技术(微电子技术、封装)两大方面介绍了其新的研究进展.
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基于MEMS技术的高密度视网膜假体微电极阵列的研制
提出了一种基于MEMS技术设计和制作应用于视网膜假体的柔性神经微电极阵列的工艺流程，引入离子束刻蚀的工艺大幅度减小了导线和线间的宽度，在单层聚合物上制作了高密度的微电极阵列（120通道，10×12阵列）。对实际制得的微电极阵列测试表明，其在1 kHz频率的电脉冲刺激下阻抗均值为16 kΩ±2 kΩ，相位差均值为-85o±3o，达到了预期设计目标。
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基于数字信号处理器DM642的视觉假体图像处理系统
提出了一种基于数字信号处理器(DSP )平台的视觉假体图像处理系统和相应的图像处理算法,并对处理的实时性进行了评估.实验结果表明,该平台能满足视觉假体中实时图像处理、编码的要求.
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视觉假体中基于E类功率放大电路的无线能量与数据传输
介绍了一种基于E类功率放大电路的无线传输装置,通过电磁耦合的方式,为人工视觉假体的体内装置传输能量与数据.该装置采用调制深度为25%、载波频率为10 MHz的幅移键控调制,通过一对耦合线圈同时传输能量与数据,减小了装置的体积,提高了可植入性.实验表明,该装置能同时为16通道微刺激器提供足够的能量,同时不归零码的传输速率可达到2Mbps.
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基于Camshift算法的眼动跟踪系统的实现
介绍了的眼动跟踪系统分为硬件检测、数据提取和综合分析三个步骤.其算法基础为基于Camshift目标跟踪算法的改进算法,加入了眼动跟踪计算模块,以VC++6.0为开发语言实现.该系统在基于假体视觉的模拟光幻视点定位实验中可有效地进行眼动跟踪.
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视觉假体中无线能量和数据传输的设计及优化
提高视觉假体的空间分辨率是增强假体植入者视觉感受的直接有效的方法。然而随着假体装置可植入电极数目的增加，假体装置的功耗也大幅增长。针对这种发展趋势，视觉假体需要实现大功率、高效率的无线能量传输和高速率的数据传输。该文回顾了视觉假体无线传输研究的现状和面临的挑战，分析了其工作原理和设计要求，进而针对其特点分别介绍了能量传输和数据传输的设计方法。
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仿真假体视觉下的行动能力研究进展
主要对基于假体视觉的行动能力影响因素和心理物理学方面的研究进行了综述.
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视觉假体的发展与面临的挑战
主要介绍了视觉假体的发展国内外的研究现状以及目前所面临的问题.
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基于 Parylene -C 微金电极作为柔性视网膜电极的设计及特性测试
针对视觉假体关键部件视网膜微电极阵列的结构特点和植入要求，我们设计制作了基于 Parylene-C 柔性直径为200μm 的圆形视网膜金电极，用于视网膜表层刺激微电极，用三电极测试系统对微电极阵列进行体外电化学阻抗谱测试和眼内植入的柔韧性测试。结果表明，本研究采用的微电极，在降低成本、简化工艺的基础上，无论柔韧性还是电学特性均符合视网膜植入的要求，可用作动物实验的视网膜植入电极。
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脉络膜上腔视觉假体刺激参数的选择
目的 探讨脉络膜上腔电刺激参数优化的组合方式,指导实际应用中脉络膜上腔视觉假体刺激方案的选择.方法 将带有不同尺寸刺激点(50μm、150 μm、350μm、500μm)的薄膜电极植入白兔脉络膜上腔,进行跨视网膜电刺激,于动物的视觉皮层硬脑膜外记录电诱发电位(electrical evoked potential,EEP).实验中采用的刺激脉冲波形为先负后正或先正后负的双相脉冲,脉冲宽度分别为0.25 ms、0.50 ms、0.75 ms和1.00 ms,刺激频率为1 Hz、2 Hz和4 Hz.结果 实验中无论采用哪种尺寸的电极进行刺激,整体上诱发EEP所需的阈电流均随着脉冲宽度的增加而减小,随着刺激频率的增加而增加.当刺激频率从1 Hz增加到4 Hz时,阈电流增加的幅度在短脉冲宽度(0.25 ms)刺激时为77％(500 μm电极)和170％(150μm电极);在长脉冲宽度(1.0 ms)刺激时,增加的幅度较低,约为38％(500 μm电极)和131％ (150 μm电极).与此同时先负后正的刺激脉冲所需的阈电流总是低于先正后负的刺激脉冲所需的阈电流.结论 由于采用大尺寸的电极伴以长脉冲宽度刺激时,诱发EEP所需的阈电流强度随刺激频率增加的幅度较小,此外先负后正的刺激脉冲所需的阈电流也相对较低,因此这些都将成为脉络膜上腔视觉假体未来应用中优先选择的刺激方案.
