新的视网膜植入技术有望帮助恢复视力

为了改善视网膜植入技术，研究人员开发了一种新方法，该方法使用微秒脉冲，芯片上对电极以及可控的电极发射来形成电场，这可以帮助失去视力的人看到更多的东西。只是轻而模糊的形状。

亚利桑那大学和蒂宾根大学的研究人员在视网膜植入技术方面取得了突破，这不仅可以帮助视力丧失的人们看到不仅仅是明亮和模糊的形状。

UA电气与计算机工程和生物医学工程学系的副教授Wolfgang Fink正在研究视网膜的新植入物设计和电刺激方法，这些方法和方法将使视网膜植入物产生更清晰的图像。

芬克与德国蒂宾根大学理论原子与核物理名誉教授埃里希·施密德（Erich Schmid）共同进行了这项研究。Fink将在2013年11月6日至8日由医学工程与生物学学会组织的IEEE神经工程国际会议上，在圣地亚哥介绍研究小组的发现。

全球只有极少数的公司和研究机构正在开发视网膜植入物，这些植入物可刺激因常见的退行性疾病（如黄斑变性和色素性视网膜炎）而失明的人的视网膜细胞存活。植入物患者通常可以检测到光的存在，但是他们感觉到的图像分辨率很低。

芬克说：“当前的技术和方法远远落后于所能完成的工作。”芬克正在与亚利桑那州的技术发射局合作，为这项新技术申请专利，并将其许可给视网膜植入物开发商。

会议演讲“视网膜假体的同时刺激，顺序刺激以及单极刺激与多极刺激”和“视网膜假体对神经元和神经网络的电刺激”将反映团队的观点，即市场上的植入物无效，并且将会提出了获得更高分辨率图像的新方法，以便植入患者可以更详细地看到。

芬克说，目前可以实现的低视敏度使植入患者能够在黑色的计算机屏幕上辨认出白色条纹，或者在黑暗的房间中在黑色背景上区分杯子和盘子之类的白色物体。芬克说：“但是只有在事先告知患者要在杯子和盘子之间进行选择的情况下，”。

研究小组认为，利用其发现，可以实现恢复视力的水平，这是为了让植入物患者能够辨认出在空中飞翔的鸟儿。为了达到这一细节水平，该团队采用新颖的电刺激方法，使用了微秒脉冲，芯片上的反电极以及受控的电极发射来形成电场。

视网膜植入技术

视网膜植入物由一系列电极组成，这些电极被激活（通过进入眼睛的光或通过安装在眼睛外部的摄像头发出的信号）来产生电场，从而刺激视网膜细胞，这些细胞将信号发送到大脑。

为了获得更高的分辨率，一些公司正在开发具有密集电极的植入物，同时保持阵列的相同小尺寸。芬克说，然而，仅仅增加更多的电极并不能解决问题，他强调说，如果没有他和施密德提出的刺激方法，用数百甚至数千个电极可以实现的视觉效果不会好于使用数十个电极所实现的视觉效果。

芬克说：“刺激方法是改善视力的方法，而不是电极密度。”

刺激方法而不是电极密度是关键

芬克解释说，当前植入物的一个问题是，返回电极（或反电极）与电极阵列或芯片（通常位于患者头部内的某个地方）相距太远。这种配置不允许微调刺激仅在芯片上方数微米的视网膜细胞。

研究小组的解决方案是将芯片上的电极用作返回电极，以便可以更加集中电刺激。

一些电极被编程为短时发射-正是这些微秒的高压脉冲刺激了视网膜细胞-而其他电极被编程为发射更长的时间。研究小组发现，较长发射电极发射的电场可用于整形短脉冲发射电极发射的电场。

可视化芯片上的电极与它们刺激形成像素的视网膜细胞之间的一对一关系很容易，但却是错误的。电极不能发出像激光一样聚焦的电场-物理定律另有规定。实际上，每个电极单独发射时会发射一个半球形场，从而刺激其附近的所有视网膜细胞。当同时触发阵列上的所有电极时，由于物理原因，这些电场会聚在一起，但不会重叠。但是，可以通过以特定图案选择性地发射电极来控制电场的形状。

例如，电极的刺激场可以由相邻电极的场塑造为团队所称的“喷泉”，即聚焦的高电场，它直接向上推入视网膜的局部区域，然后像喷泉一样向下层叠到芯片上的返回电极。

芯片级场整形改善了视觉感知

与Fink和Schmid开发的技术不同，当前的视网膜植入物依赖更长的脉冲（通常以毫秒为单位）和单个远距离反电极。它们还缺少使场成形的触发顺序控制。

施密德说：“如果在杯盘实验中观察电极阵列，则整个阵列中只有少数电极在发射并刺激视网膜-所有其他电极都处于静止状态。”“这就是为什么目前的植入物看起来效果很好的原因。”

相反，施密德说，对于视网膜植入物来说，能够看到一只飞翔的鸟-一种横跨黑暗的蓝色和白色的小而深色的形状-是一项非常复杂的任务。这对杯子和盘子的情况是不利的：除了跟踪鸟的人以外，每个单独的电极都在射击。

“每个电极同时触发时，电场被迫进入非常细的，几乎平行的电场线。发生了太多的束缚，没有电流可以离开芯片。施密德说，您基本上是在扼杀从芯片发出的刺激。

在植入物产生的人工视觉中，那只鸟是由非发射电极代表的。但是，在这些电极上方没有电场会留下真空，相邻的电场很容易进入其中，从而掩盖了鸟类的图像。研究小组采用新颖的场成形和神经刺激方法，可以感知鸟类。

超越视网膜植入物

Fink和Schmid的研究涉及更广泛的背景，涉及神经刺激。

芬克说：“我们相信，同样的方法可以适用于所有形式的神经刺激。”“它可以应用于瘫痪，脑部深部刺激之类的事情。肯定有一些很酷的想法可以探索，超越了想象。”

芬克（Fink）是视觉与自主探索系统研究实验室的创始主任，也是爱德华（Edward）和玛丽亚·基恩吉恩（Maria Keonjian）捐赠主席的首任持有人。他在UA的电气和计算机工程，生物医学工程，系统和工业工程，航空航天和机械工程以及眼科学和视觉科学部门担任联合任命。

2012年，他被选为美国医学研究所和生物工程研究员学院为他的特别侧重于诊断和人工视觉系统的眼科和视觉科学领域的杰出贡献。

美国能源部和国家科学基金会资助了芬克对人工视觉的研究，他对DOE人工视网膜项目的研究贡献涉及开发实时图像处理系统，确定最有效的电刺激模式（已获得两项专利）迄今为止），并为具有视觉植入物的患者设计机器人替代产品。2009年，DOE人工视网膜项目获得了R＆D杂志的R＆D 100奖和编辑选择奖，成为当年100名获奖者中的前三名。

图像：亚利桑那大学