讓盲人重見(jiàn)光明，電子視網(wǎng)膜植入芯片結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

隨著不斷有研究結(jié)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。

目前約有30個(gè)研究小組正在對(duì)電子視網(wǎng)膜植入芯片進(jìn)行研究。位于德國(guó)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(yàn)研究，結(jié)果表明，視網(wǎng)膜下刺激技術(shù)能讓原本失明的患者辨認(rèn)出字母表上的圖案和字母。此次研究讓人更加堅(jiān)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(dǎo)致感光細(xì)胞逐漸喪失功能，并且在很多數(shù)情況會(huì)導(dǎo)致病人完全失明。在美國(guó)有超過(guò)10萬(wàn)視網(wǎng)膜色素病變患者，估計(jì)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(shù)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(fù)到一定程度。

在正常的眼睛中，入射光線通過(guò)視網(wǎng)膜的透明組織射入，并落在眼睛底部的12億桿細(xì)胞和600萬(wàn)錐細(xì)胞上。入射光線經(jīng)過(guò)多級(jí)處理后被轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)位于視網(wǎng)膜下面的雙極細(xì)胞、水平細(xì)胞和無(wú)長(zhǎng)突細(xì)胞層進(jìn)行初步處理，然后傳送給神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。神經(jīng)節(jié)細(xì)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)將光線轉(zhuǎn)換成神經(jīng)信號(hào)的桿細(xì)胞和錐細(xì)胞已經(jīng)發(fā)生病變,但用來(lái)將信息進(jìn)行預(yù)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。換句話說(shuō)，視覺(jué)器官仍然能工作，只是沒(méi)有了信號(hào)輸入（感光細(xì)胞不能工作）。基于這一理念，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(yī)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刺激，使病人能產(chǎn)生光感(人工觸發(fā)的光現(xiàn)象)。由于電子刺激常常涉及很多細(xì)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(zhǔn)物體所在位置。

用視網(wǎng)膜下芯片替代病變的感光細(xì)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(xì)胞（見(jiàn)圖1）。從信號(hào)處理的角度來(lái)看，這占有一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)，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(hào)被觸發(fā)，刺激強(qiáng)度與入射光線的強(qiáng)度一致。光學(xué)圖像被準(zhǔn)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(duì)數(shù)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(dǎo)電子刺激信號(hào)到視網(wǎng)膜。IMS協(xié)助參與了該電路的開(kāi)發(fā)。因?yàn)橛玫搅?.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路來(lái)傳送功率和控制信號(hào)(見(jiàn)圖2)。極精細(xì)的聚酰亞胺帶線被連接到一根薄的纏繞電線上，微芯片就是由這根電線供電的。這根有彈性的電線穿過(guò)眼眶到顳骨，然后從這里延伸到耳朵后面的某一點(diǎn)，再?gòu)倪@連接到一個(gè)帶陶瓷外殼的感應(yīng)電源。通過(guò)附著在皮膚上的次級(jí)線圈感接收電能。兩個(gè)線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)一根硅電線連接到無(wú)線電源接收器。

所有組件必須生物兼容不為人體所排斥，并且必須具有長(zhǎng)期穩(wěn)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)膜周圍組織接觸，組件必須采用嚴(yán)格密封的保護(hù)層。必須對(duì)它們進(jìn)行大量測(cè)試，證明該設(shè)備能夠抵抗人體內(nèi)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)起著決定性的作用。可用電極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(guī)則形銥來(lái)生產(chǎn)，這類材料允許傳送更多電荷。

當(dāng)脈沖持續(xù)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(dāng)于一個(gè)高達(dá)2V的電壓。刺激頻率通常為5到7 Hz，因?yàn)槿羰翘岣哳l率會(huì)導(dǎo)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(jié)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(duì)11位患者首次進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)四個(gè)月的視網(wǎng)膜植入芯片測(cè)試。德國(guó)蒂賓根大學(xué)眼科診所與德國(guó)里根斯堡大學(xué)眼科診所進(jìn)行合作，對(duì)這項(xiàng)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(xì)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在眼睛的球體上，這樣芯片就有一個(gè)穩(wěn)定的位置，而不會(huì)受到眼球轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的張力的影響。