IRIS其實只是貼附於視網膜外部的植入物部份,主要由軟性電路上的微小電極組成,紅外線光電探測器單元與小型ASIC負責為光電探測器接收的IR訊號進行多工並映射至相關的電極。接著,這些電訊號刺激神經節細胞後,其終端直接形成視神經纖維,傳送感知訊號至大腦。

在配戴的部份是一個像護目鏡的形狀,配備基於事件的專用相機,處理配戴者面前的視覺資訊,並透過眼鏡發送編碼資訊至IRIS。內建的ASIC則透過2個感應線圈(其一位於護目鏡的外殼)進行無線充電。

20160803 Vision NT31P1 IRIS植入元件:電極位於軟性電極箔片頂端,並由封裝的ASIC進行控制

IRIS植入物是專為視網膜色素病變(RP)患者所開發的,這種遺傳疾病影響約1/4000的人口,導致他們在40歲以前失明。進行這一植入手術的過程約需要2.5-3個小時,而在手術後約需要幾週的時間恢復,接著就可以開始看到圖案,可以訓練大腦理解新的視力,看到大量簡化的黑白風景。訓練過程包括辨識形狀、定位螢幕上的光塊,有時則需要使用完整的軟體重新映射訊號至電極,以因應視網膜較低度感應的區域。

「為什麼只用了150個電極?」,我坦率地問Pixium Vision執行長Khalid Ishaque。Pixium Vision公司總部與研發中心就位於巴黎視覺研究所(Institut de la Vision)與Hopital Quinze-Vingts醫院旁。

「電極並不至於成為限制因素,但要將所有的訊號從ASIC傳送至如此狹窄的軟性箔片上的電極是極其複雜的。不過,我們無法將這一箔片做得更大,因為這會使得手術更困難,患者眼睛中的縫隙越大,在縫合鞏膜開口時的風險就更高,」事實上,ASIC和驅動線圈就位於眼球外面。

「我們已經透過ASIC設計來管理一千多個電極了,但要在軟性箔片上進一步縮小線路仍是一大挑戰」,他坦言道,「但我們可以在未來兩、三年內加快腳步,讓IRIS內含超過一千個電極。」

該公司預計在未來幾個月,將可取得歐洲的CE標準以實現商業化上市。

如今,該公司透過從頭載式ATIS感測器擷取相同的視覺輸入,同時開發出PRIMA視網膜植入物——這種微型的無線光電電池模組化陣列可被植入於視網膜下方,而其電極則位於靠近眼睛的雙極細胞。手術植入PRIMA的時間可能不到一個小時,風險也更低了,因為該植入物將內建於眼睛中,而且不需使用其他控制電路、電線或電纜。

20160803 Vision NT31P2 PRIMA視網膜植入物的光電電池

PRIMA無需使用多工ASIC,Ishaque解釋,這種光電電池接收來自頭戴式眼鏡的近紅外線(NIR)光束作為輸入,直接從其表面電極發送電訊號至視網膜的雙極細胞。

「針對老年性黃斑部病變(AMD),這些細胞仍能發揮功能,」因此,Ishaque指出,「經由刺激這些細胞,讓這種自然的訊號大多數都能保持與視神經的連結,應該就能讓大腦更易於找到何者對應於視覺刺激,而且也不必進行太多的預處理或編碼,同時也可以說是實現了更快的學習。」

AMD是一種相當普遍的病狀,在歐洲和美國約有超過400萬個病例,但病人通常年紀也較老,普遍都超過70歲。這就是為什麼PRIMA能以低風險手術治療,更有利地取代IRIS。PRIMA被設計成六邊形的光電電池組(2或3個電池串聯一個中心電極)。該公司並設計出不同尺寸的產品,從140μm到70μm都有。

「一個雙極細胞的平均直徑約10μm。相較於目前採用更大電極陣列刺激神經節細胞的方式,縮減PRIMA的尺寸以及更高的畫密度結合局部退化,可望實現更好的刺激效果,讓每一畫素刺激更少的細胞。訊號的編碼將會不同,預計也會利用更多的生理處理和網路調節。看不見的NIR光線將直接從感測器中‘取出’視覺資料,傳送到覆蓋這些模組化光電電池的視網膜中心,而大腦將會解讀這些新的人工訊號,」Ishaque說。

20160803 Vision NT31P3 視覺重建的兩種產品線:IRIS和PRIMA植入物

PRIMA技術最初是由史丹佛大學(Stanford University)醫學院教授Daniel Palanker及其研究團隊共同開發的,如今他們正致力於開發40μm的叢集。

如果經驗證成功,PRIMA就能進軍至一個更大的老年性黃斑部病變(AMD)市場,同時有望能夠透過每一晶圓實現數千個植入物而提供一個更具吸引力的價格。Pixium Vision至今已發表一連串臨床前安全性研究了,希望能在今年年底前展開首次人體可行性的研究,緊接著在2017年開始更大規模的重點試驗。

「由於具有使用幾千個電極的可能性,我們正致力於研究更高解析度的視覺靈敏度與臉部辨識度,」Ishaque評論道:「有鑑於AMD患者喪失其中心視力,我們的目標是為他們帶來人工的中心視力」。

20160803 Vision NT31P4 Pixium Vision的發展藍圖——實現更高的視覺靈敏度

最終,PRIMA甚至可以完全取代IRIS。談論到立體視覺,Ishaque認為這是一個自然發展的過程,「一旦技術穩定了,我們將為頭戴式眼鏡配備兩個感測器,讓雙眼可同時進行處理。」

然而,這家新創公司並不想就此止步。

幾種產品的視覺清晰度對比

「還有青光眼患者的視神經抑制視網膜訊號傳送到大腦呢?神經病變或創傷性腦損傷呢?眼睛完全喪失的情況又該怎麼辦呢?」Ishaque問道。

「在我們的全球科學和醫療網路,不但有眼科醫師也有神經外科醫師與我們的眼睛和大腦連接——從光子到神經元。下一步將以視覺訊號直接刺激大腦中的視覺皮層表面。例如歐盟(EU)研究機構和美國國防部先進研究計劃署(DARPA)都對這項研究十分感興趣,」Ishaque說。

「有硬體和軟體並不夠,還必須了解人腦以及視覺皮層如何接收和處理訊號。目前我們正與法國視覺研究所、CEA和史丹佛大學等合作夥伴持續進行究,為視網膜到視覺皮層的視覺通路進行測定,確定哪種視覺訊號可刺激視覺皮層相關區域。最終,我們將從視覺感測器傳送預處理的資料,以安全且有選擇性的方式,直接傳送到視覺皮層。」。

20160803 Vision NT31P5 傳統相機的資料密集型訊框擷取(左),以及由ATIS感測器執行視覺動態的連續時間擷取(右)

編譯:Susan Hong

(參考原文:Vision Restoration: Startup Develops Implantable Pixels,by Julien Happich)