讓盲人重見光明，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越受關(guān)注。

目前約有30個研究小組正在對電子視網(wǎng)膜植入芯片進行研究。位于德國羅伊特林根的Retina Implant AG公司已經(jīng)進行一次成功的臨床實驗研究，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光明。

遺傳性視網(wǎng)膜病變（視網(wǎng)膜色素病變）會導(dǎo)致感光細胞逐漸喪失功能，并且在很多數(shù)情況會導(dǎo)致病人完全失明。在美國有超過10萬視網(wǎng)膜色素病變患者，估計全世界約有300萬不同程度的視網(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600萬錐細胞上。入射光線經(jīng)過多級處理后被轉(zhuǎn)換成電子信號。這些信號經(jīng)過位于視網(wǎng)膜下面的雙極細胞、水平細胞和無長突細胞層進行初步處理，然后傳送給神經(jīng)節(jié)細胞。神經(jīng)節(jié)細胞的軸突與視覺神經(jīng)進行通信，將在這之前獲取到的信息傳送給大腦的視覺皮層（如，視覺中心）。

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。盡管正常用來將光線轉(zhuǎn)換成神經(jīng)信號的桿細胞和錐細胞已經(jīng)發(fā)生病變,但用來將信息進行預(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，視覺器官仍然能工作，只是沒有了信號輸入（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(yī)藥學(xué)院合作開發(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)的角度來看，它正好替代了病變的感光細胞（見圖1）。從信號處理的角度來看，這占有一個非常重要的優(yōu)勢，植入芯片的視網(wǎng)膜下刺激充分利用了從視網(wǎng)膜到視覺神經(jīng)的全部神經(jīng)回路。在接近光亮的時候，電子信號被觸發(fā)，刺激強度與入射光線的強度一致。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個像素單元，每個像素單元由一個光敏二極管、一個對數(shù)差分放大器和一個50 × 50-µm的銥電極組成，銥電極用于引導(dǎo)電子刺激信號到視網(wǎng)膜。IMS協(xié)助參與了該電路的開發(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傳送功率和控制信號(見圖2)。極精細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眼眶到顳骨，然后從這里延伸到耳朵后面的某一點，再從這連接到一個帶陶瓷外殼的感應(yīng)電源。通過附著在皮膚上的次級線圈感接收電能。兩個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攝像芯片通過一根硅電線連接到無線電源接收器。

所有組件必須生物兼容不為人體所排斥，并且必須具有長期穩(wěn)定性。這是一個技術(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，組件必須采用嚴格密封的保護層。必須對它們進行大量測試，證明該設(shè)備能夠抵抗人體內(nèi)的腐蝕性環(huán)境。至關(guān)重要的一點是，電壓的存在會大大地加速腐蝕過程。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起著決定性的作用?？捎秒姌O的表面必須盡可能小，但同時又要能提供盡可能大的表面，用來確保與視網(wǎng)膜進行良好接觸。出于這一原因，電極必須采用不規(guī)則形銥來生產(chǎn)，這類材料允許傳送更多電荷。

當(dāng)脈沖持續(xù)時間約1微秒，每像素的電荷量約在2–5nC的時候，能得到最理想的視覺感知。這相當(dāng)于一個高達2V的電壓。刺激頻率通常為5到7 Hz，因為若是提高頻率會導(dǎo)致視網(wǎng)膜過度刺激。病人會覺得有點眼花。

臨床研究和結(jié)果

在蒂賓根大學(xué)眼科診所進行的臨床初步研究期間，對11位患者首次進行了長達四個月的視網(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)眼科診所進行合作，對這項新型外科手術(shù)的開發(fā)給予了高度重視。手術(shù)涉及創(chuàng)建一個穿過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到視網(wǎng)膜下，接近視網(wǎng)膜黃斑。這一點的神經(jīng)細胞密度是最大的，并且有望形成最有效的刺激。接下來是精確定位，穿過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，這樣芯片就有一個穩(wěn)定的位置，而不會受到眼球轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的張力的影響。