让盲人重见光明，电子视网膜植入芯片结构与应用

随着不断有研究结果表明电子视网膜植入芯片可以改善病人的视力，电子视网膜植入芯片也因此越来越受关注。

目前约有30个研究小组正在对电子视网膜植入芯片进行研究。位于德国罗伊特林根的Retina Implant AG公司已经进行一次成功的临床实验研究，结果表明，视网膜下刺激技术能让原本失明的患者辨认出字母表上的图案和字母。此次研究让人更加坚信，电子视网膜植入芯片可以让盲人重见光明。

遗传性视网膜病变（视网膜色素病变）会导致感光细胞逐渐丧失功能，并且在很多数情况会导致病人完全失明。在美国有超过10万视网膜色素病变患者，估计全世界约有300万不同程度的视网膜色素病变患者。虽然目前正在研制新药，但尚没有能治愈这种疾病的良方。然而，在这些患者中，大多数人可能在不久后就可以通过一款植入式摄像头芯片将视力恢复到一定程度。

在正常的眼睛中，入射光线通过视网膜的透明组织射入，并落在眼睛底部的12亿杆细胞和600万锥细胞上。入射光线经过多级处理后被转换成电子信号。这些信号经过位于视网膜下面的双极细胞、水平细胞和无长突细胞层进行初步处理，然后传送给神经节细胞。神经节细胞的轴突与视觉神经进行通信，将在这之前获取到的信息传送给大脑的视觉皮层（如，视觉中心）。

视网膜下植入芯片

患有视网膜色素病变的患者即使在失明后，其大部分视网膜仍然能正常工作。尽管正常用来将光线转换成神经信号的杆细胞和锥细胞已经发生病变,但用来将信息进行预处理后送往大脑的大部分视网膜神经组织仍然是完好的。换句话说，视觉器官仍然能工作，只是没有了信号输入（感光细胞不能工作）。基于这一理念，Tübingen大学眼科诊所（University Eye Clinic）的Eberhart Zrenner与该大学的自然科学和医药学院合作开发了一款视网膜下植入芯片。

该大学所研发的植入芯片，用由脉冲激发的光敏电子刺激替代自然光线刺激，使病人能产生光感(人工触发的光现象)。由于电子刺激常常涉及很多细胞，因此病人不能很清晰地看清楚物体，但还是能够定位光源和找准物体所在位置。

                   用视网膜下芯片替代病变的感光细胞

植入芯片位于视网膜下（如，视网膜的后面）。从解剖学的角度来看，它正好替代了病变的感光细胞（见图1）。从信号处理的角度来看，这占有一个非常重要的优势，植入芯片的视网膜下刺激充分利用了从视网膜到视觉神经的全部神经回路。在接近光亮的时候，电子信号被触发，刺激强度与入射光线的强度一致。光学图像被准确地用一种电子刺激模式所取代。

视网膜植入物体由一块尺寸为3 × 3 mm、厚为 70-µm的芯片组成。芯片上分布有1500个像素单元，每个像素单元由一个光敏二极管、一个对数差分放大器和一个50 × 50-µm的铱电极组成，铱电极用于引导电子刺激信号到视网膜。IMS协助参与了该电路的开发。因为用到了0.8-µm CMOS技术，所以该芯片是一款纯粹的模拟芯片，其功耗极低（最大为10mW），来自芯片电源的被传送到视网膜的热量保持在0.5K以下。微芯片被放置在一块薄且极柔软的聚酰亚胺电路板上，该电路板使用黄金线路来传送功率和控制信号(见图2)。极精细的聚酰亚胺带线被连接到一根薄的缠绕电线上，微芯片就是由这根电线供电的。这根有弹性的电线穿过眼眶到颞骨，然后从这里延伸到耳朵后面的某一点，再从这连接到一个带陶瓷外壳的感应电源。通过附着在皮肤上的次级线圈感接收电能。两个线圈中的永久磁铁可以确保其紧密接触。

聚酰亚胺载板上的CMOS摄像芯片通过一根硅电线连接到无线电源接收器。

所有组件必须生物兼容不为人体所排斥，并且必须具有长期稳定性。这是一个技术大难题，除了要使用和组合新材料，还另有其它要求。由于与视网膜周围组织接触，组件必须采用严格密封的保护层。必须对它们进行大量测试，证明该设备能够抵抗人体内的腐蚀性环境。至关重要的一点是，电压的存在会大大地加速腐蚀过程。材料的选择和其加工工艺至关重要。

最重要的是，电极和其在芯片上的触点起着决定性的作用。可用电极的表面必须尽可能小，但同时又要能提供尽可能大的表面，用来确保与视网膜进行良好接触。出于这一原因，电极必须采用不规则形铱来生产，这类材料允许传送更多电荷。

当脉冲持续时间约1微秒，每像素的电荷量约在2–5nC的时候，能得到最理想的视觉感知。这相当于一个高达2V的电压。刺激频率通常为5到7 Hz，因为若是提高频率会导致视网膜过度刺激。病人会觉得有点眼花。

临床研究和结果

在蒂宾根大学眼科诊所进行的临床初步研究期间，对11位患者首次进行了长达四个月的视网膜植入芯片测试。德国蒂宾根大学眼科诊所与德国里根斯堡大学眼科诊所进行合作，对这项新型外科手术的开发给予了高度重视。手术涉及创建一个穿过眼睛外部巩膜的小型入孔。在切除玻璃体之后，视网膜自其下层支撑层往上抬升，这样可以将安装有芯片的柔软薄膜推进到视网膜下，接近视网膜黄斑。这一点的神经细胞密度是最大的，并且有望形成最有效的刺激。接下来是精确定位，穿过巩膜的小窗口再次被关闭，从而将薄膜牢靠地附着在眼睛的球体上，这样芯片就有一个稳定的位置，而不会受到眼球转动所产生的张力的影响。