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醫學論文

視網膜假體的研究現況

來源:職稱閣分類:醫學論文 時間:2019-08-26 11:03熱度:

  經過生物技術、材料科學的發展及對視功能和視網膜神經科學的研究,目前主要有兩種視網膜假體用于臨床,分別是 Argus® II 和 alpha-IMS。 視網膜假體主要通過獲取圖像、圖像轉化、內層視網膜產生激動的途徑來部分重建外層視網膜的功能,使視覺信息通過視神經傳遞到視皮質,達到視覺重建的目的。

視網膜假體的研究現況

  【關鍵詞】 視網膜假體; 仿生眼; 電刺激; 人工視覺

  長期以來人們期望利用電子或人工制造的視網膜來治療失明。 經過生物技術、材料科學的發展及對視功能和視網膜神經科學的研究,已終于變成了現實,第一批接受治療者主要是外層視網膜變性的患者。 ArgusII 是第一種獲得批準的應用于因視網膜色素變性( retinitis pigmentosa,RP) 致盲患者的假體視網膜( 仿生眼), 2011 年獲得歐盟合格評定一手段。 本文主要探討目前仿生眼系統的研究現況,主要針對目前臨床應用較多的 Argus®II 和 Al-pha-IMS 系統。

  一、仿生眼的工作機制

  RP 和外層視網膜營養不良的發病過程中,外層視網膜[如光感受器和視網膜色素上皮( retinal pigment epithelium, RPE)層]會發生不可逆變性,而同時內層視網膜(如雙極細胞、視網膜神經節細胞)和視路的下游區保存完整。 所以仿生眼旨在重建外層視網膜的功能,這需要:

  (1) 從外界獲取視覺圖像的病,受累個體發生漸進性視力喪失(0.5%無光感,25%雙眼視力≤0.1), 術前應用相干光斷層掃描功能;

  (2) 將獲得的圖像轉化成有意義的神經信號;

  (3)殘留的內層視網膜產生神經沖動,從這里視

  (一)獲取圖像目前的仿生眼獲得連續的視覺信號主要通過兩種方法。 第一種方法應用攝像機來獲取外界的視覺圖像, 再通過計算機算法轉化成電子信號, 如Argus®II仿生眼。 第二種方法應用了一種更自然的方法來獲取圖像,這種方法通過受試者自身的光學系統(角膜和晶狀體) 將視覺圖像收集到一個光電二極管中,如 Alpha-IMS 植入體。

  (二)圖像轉化

  1.外部圖像獲取系統:當一個外部攝像機被用來獲取圖像,圖像的處理就發生在外部。 攝像機所獲取的視覺空間信息被轉化成電子信號形式,這種電子信號可激活電極刺激殘留的內層視網膜。 Ar-gus®II 植入體就是通過一部便攜計算機,即視覺處理單元(visual processing unit ,VPU),不斷產生實時視覺圖像的方式實現。 其他的研究外部圖像系統的團隊研發的設備分別是 IRIS 植入體和 Epi-Ret 3 植入體外部系統的一項優勢是圖像的處理在植入體的外部進行,這有利于視覺空間信號的編碼。

  最近 Ni-renberg 和 Pandarinath[ 8] 的實驗通過觀察小鼠的視覺行為,發現了可以用視網膜的神經沖動編碼驅動刺激器,建立了一個包含神經傳導信號的視覺假體系統。 該研究表明,通過結合 9800 個神經節細胞的光刺激反應編碼,可大大提高視覺假體系統的效果,遠遠超出了僅僅通過提高刺激器的分辨率就可以實現的能力。 在從視頻圖像向可認知的視覺形式轉化的編碼和翻譯過程中獲得了突破,利用神經傳導信號編碼和高分辨率刺激相結合的效果,能夠使視覺假體表現出較為正常的圖像。 這種編碼將在Argus®II下一代的產品中獲得應用[ 9] 。

  2.內部圖像獲取系統:該系統為利用受試者自身光學系統獲得圖像,將一個光電原件植入到眼底后極部,在此接受到原本指向視網膜的外界入射光。以微光敏二極管陣列( micro-photodiode array, MP-DA)構成的光電原件將電磁光波轉化成電流,進一步激活殘留的內層視網膜。 首先應用這種技術是視網膜下的人造硅視網膜 ( artificialsilicone retina ,ASR) [10] 。 但是 MPDA 在轉化光能方面的效率比自然的光感受器低,它只能產生極低(10 -9 A) 的電流,但內層視網膜神經元卻需要最低閾值較高(10 -6 A)是:通過一個額外電源將 MPDA 產生的電流放大,同時保留電流相應的視網膜皮層映射。 這種內部圖像獲取系統可將內層視網膜的直接刺激實時傳導到視覺中樞的視網膜定域位置。 圖像的處理在殘留的視網膜神經網絡中進行。

  (三)內層視網膜產生沖動

  1.微電刺激:通過 MPDA 激活神經元上的電壓門控離子通道從而形成對神經末梢的刺激,是目前所有仿生眼形成對視網膜刺激的基本機制。 在一般的人類視網膜中,雙極細胞和水平細胞中的信號以逐級傳遞細胞內電信號形式傳導。 在視網膜神經節細胞,這些電信號變成動作電位擴散到視神經[11] 。只有視網膜神經節細胞和無長突細胞能產生動作電位

  MPDA 通常被置于三個不同的位置:

  (1) 視網膜表面,粘在視網膜上,如 Argus®II 和 Epi-Ret 3 系統。

  (2) 視網膜下(如 RPE 層和神經視網膜層間),如 Alpha-IMS 系統。

  (3) 脈絡膜上( 如鞏膜和脈絡膜之間)。 無論放置在哪里,共同的目的是觸發視網膜神經節細胞的動作電位,進而傳導到視覺中樞的相應位置。 視網膜表面和脈絡膜上的安置方法都是主要通過對視網膜神經節細胞的刺激達到目的,而視網膜下安置方法可通過刺激雙極細胞并同時刺激神經節細胞達到相同的目的。 是否這種先發生于雙極細胞的激動促進了圖像的處理,從而促進了視覺中樞的圖像形成過程尚不清楚[13] 。除了植入體的安放位置外,另一個問題是仿生眼所能達到的分辨率。 人眼的視網膜含有約 1.2 億個視桿細胞,6 百萬個視錐細胞和 150 萬個神經節細胞。 在周邊視網膜,可以發現數百個視桿細胞與一個雙極細胞相連,而在黃斑中心區,視桿細胞和神經節細胞的比例可以達到 1 1。 這種 1 1 的比例不太可能在視網膜設備上實現,因為隨著單個微電極直徑的縮小,為了達到相同的閾上刺激,電荷的密度會以指數形式增長,這增加了對組織的損傷。 微電極陣列的大小同樣限制了它的功能,因為較大的總體刺激區域可以給患者提供更大的潛在視野,同時也會導致更高的總體電荷,這會對電荷的發生區域造成損傷。

  目前的仿生眼中,Argus®II 微電極陣列包含 60 個直徑 200 μm 的環形微電極。每個微電極覆蓋的區域相當于數百個光感受器。 Alpha-IMS 視網膜下

  μm ×50 μm 的區域相匹配[14] 。 在黃斑中心區單個電極所產生的刺激可使該區域中大量的神經節細胞產生沖動,因為該區域中視錐細胞和神經節細胞的比例可達到 1 1,從而使分辨率達到了折中的效果。目前的各種仿生眼所能達到的視覺分辨率因放置區域的不同而有所不同,放置位置越靠近黃斑中心區,分辨率越高。

  2.刺激視網膜的其他方法: 斯坦福大學的Wang 等[15] 設計了一種光電系統,其整合了視網膜下的硅 MPDA,類似于 ASR 或 Alpha-IMS 系統,通過紅外脈沖形成 MPDA 有指向的刺激,來激動內層視網膜。 這種裝置可克服微電極體積或電荷密度造成的限制。 該裝置也提供了利用更先進算法處理視覺影像的可能性。刺激內層視網膜的第三種方法還停留在實驗階段,即通過超聲波刺激神經節細胞[16] 。

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文章名稱:視網膜假體的研究現況

文章地址:http://www.592mir.com/yxlw/13567.html

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