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人工視覺系統可幫助失明人士「重見光明」

  我們之所以能看見東西,是因為眼睛將光信息聚焦在視網膜上,視網膜將光學信息轉變成神經電訊號,透過視神經傳送到大腦視覺區域,使我們看清東西(圖1)。对雙目失明的患者来说,生活就是无边的黑暗,給他們帶來巨大的身心挫折,視力健康的人很難體驗到其中一二。就正如小斌斌,由於遭遇不幸,失去雙眼,小小年紀就陷入黑暗之中,十分之可惜。那麼將來小斌斌是否只能接受失明的現實呢?人生總是存在希望,如今現代先進的科學研究給失明人士带来了驱散黑暗的曙光,醫生和科學家們都正不遺餘力地研究如何能讓全失明人士能重新獲得光明。

  有學者尝试通過生物科學技術,使得感受光线的光感受细胞重新生长,或是通過基因工程重建其功能。而另一方面,醫生和科學家們另闢蹊徑,致力於研究人工視覺系統(ArtificialVision),希望可以藉助先進的科技,儘量去幫助這些身處黑暗的失明人士。人工視覺系統依靠先進的電子電腦影像技术对抗失明,他们并不寻求修复眼睛的生物功能,而是通过使用特別設計的電子視覺假體或者是電子導盲儀來幫助失明人士重新獲得「看見」世界的機會。

  要注意的是,由於嬰兒出生後需要一段時間進行視覺發育,以建立大腦的視覺功能,若是剛一出生便因先天眼疾而致不可逆的失明,則多無法透過使用人工視覺系統重見光明,但若發育至3-6歲,大腦的視覺功能已建立完全,此時若遭遇不幸失明,即使失去視網膜和視神經,仍有機會透過這些先進的科技設備刺激大腦的視覺區域,獲得重見光明的機會。而本期文章內容將深入瞭解人工視覺系統的發展過程及最新進展。

視覺傳遞路徑

圖1:視覺傳遞路徑:視網膜將感受到的光信號轉換為電信號,通過視神經傳送到大腦皮層的視覺區域,從而產生視覺。

  人工視覺系統的發展

  人工視覺系統的研究最早始於上世紀50年代,1956年,美國科學家Tassiker發現在視網膜下植入光敏硒電池,可產生光感。60~70年代,科學家通過一系列實驗觀察到視覺系統能被外界電刺激激活。到80~90年代,科學家開始進行人工視覺刺激器的研究。目前,人工視覺刺激器主要包括視網膜刺激器、大腦視皮層刺激器和視神經刺激器。視皮層刺激器是應用電極直接刺激枕葉皮層,可有光感的產生,但無法形成圖像。視神經刺激器則是利用外置相機收集圖像,將其轉變為數字信號,經芯片的處理,傳遞到視神經周圍的微電極,刺激視神經產生信號。而視網膜刺激器是在視網膜下或視網膜表面植入不同微電極,微電極序列能把視覺信息轉換成電子脈衝以刺激相鄰的神經節細胞,神經節細胞通過視神經把信息傳人大腦,使患者能感知到圖像。如今已有實驗表明,視網膜前或膜下芯片植入方法可以達到一定視力效果,然而,距離正式在臨床中使用尚需完善,對視網膜局部刺激是否可產生對整個圖像的感知,植入患者眼內是否能產生有用視力,對周邊視力是否有影響,電子芯片的改造及刺激參數的大小等問題還在不斷探索中。

  高端人工視覺系統:電子視覺假體

  最新的人工視覺系統研究--電子視覺假體(圖2),適用於那些喪失視網膜光信號傳輸能力的人。電子視覺假體,即電子眼,是先以安裝於眼鏡上的微型相機取得影像,然後再將該影像經由體外裝置轉換成電流訊號後,以無線方式傳送到植入頭部的電極及晶片,刺激大腦視覺區域,令我們看見東西。它由安裝在眼鏡上的一個超小型電視攝像機和一個超聲遠距傳感器組成,傳感器通過電線和一台便攜式微型電腦相連接,微型電腦使用先進的計算機成像技術,對圖像和信號進行處理,然後電腦再啟動另一台微型電腦,由後者把電子脈衝信號發射至一排內置於大腦視覺皮層表面的電極上。接受電子信號刺激後,每個電極會產生一至四個相隔緊密的光幻視,如此,失明人士便可重獲光明。現時這一研究正在初步臨床實驗階段,有成功接受手術的失明人士,在失明數十年之後,重獲了部分的視力,雖然視力質素有限,但他可以不用任何輔助器械穿過房間,找到門和在停車場附近開車一段時間,躲開垃圾箱和他遇到的各種障礙物。儘管這一方法需要進行手術在腦內放置這些裝置,存在感染及其他的風險,但確是醫學和科學領域的一項重大突破,目前醫生和科學家正在積極研究,預計5-10年內會有更顯著的成果。

電子視覺假體(電子眼)

圖2:電子視覺假體(電子眼)通過直接刺激大腦的視覺區域,令失明人士有「重見光明」的機會。

  低端人工視覺系統:電子導盲儀

  除電子視覺假體外,電子導盲儀亦可以幫助失明人士重獲對影像的感知。現時市面有兩種電子導盲儀:舌頭導盲儀和前額導盲儀。電子導盲儀的使用無需施行手術在眼內或者大腦內植入電子裝置,同時亦能給予失明人士對影像的感知。

  舌頭導盲儀(圖3)則通過一個安裝在眼鏡上微型攝像機,把圖像傳遞到一個手動控制器上,控制器把圖像轉變電子脉衝,變成低像素的黑白灰畫面,此時"再造畫面"通過電極感應器的電脈衝刺激舌頭,再根據影像黑白兩色而決定脈衝的強度,白色會有強烈的脈衝,黑色則沒有脈衝訊號,並由感應器上的電極傳到腦部,構成一幅低像素黑白兩色二維圖像。脈衝訊號的強弱通過神經傳遞至大腦,大腦的"視覺區域"會幫助還原畫面中影像的輪廓,這樣失明人士就可以通過舌頭感覺到不同的電脈衝刺激,令失明人士重新"看"到一些東西。

舌頭導盲儀

圖3:舌頭導盲儀

  舌頭導盲儀的工作原理:

  1.微型攝像機安裝在太陽鏡上,把圖像傳遞到一個手動控制器上

  2.數據處理器把光學訊號轉化為電子訊號,再轉化成電脈衝訊號

  3.「再造畫面」通過電極感應器的電脈衝來刺激舌頭

  4.盲人感覺到不同的電脈衝刺激,傳遞給大腦

  5.大腦重組畫面,使盲人「看」到東西

  前額導盲儀(圖4)利用小型攝像頭拍攝前方信息,拍攝到的影像被自動送到微型電腦裡,微型電腦先將送來的影像的輪廓線條數據化,然後把數據化的輪廓線條轉換為電子脈衝信號,被轉換成電子信號的輪廓線條,將從使用者前額部位裝載的數百個電極處輸出。使用者通過前額的觸覺去感知這些輸出電氣信號進而感知物體的輪廓線條,同使用手指觸摸點字閱讀一樣,使用者可以通過前額感知電子信號所傳達的物體的位置、動作、形狀來想像前面的空間裡的具體情況。

  

前額導盲儀

圖4:前額導盲儀(1)的工作原理與舌頭導盲儀類似,影像會被數據處理器(3)轉換為電脉衝通過電極感應器(2)來刺激前額,令失明人士感受到「看」到東西。

  儘管這些裝置目前還處於早期階段,所形成的影像還相當粗糙,然而通过这些装置,雙目失明的人士能够"看到"各种物体的线条及輪廓形状,脑海里能够呈现出在什么地方放有哪些东西,起碼能夠比較放心的向前走,因此这些装置使他們可以有機會重新认识世界,以及令生活方式出現重大转变。

  結語

  近年人工視覺系統的研究獲得不少值得肯定的突破性進展,由此可見,人工視覺系統的實現並不會是遙不可及的將來。現有的電子視覺假體以及電子導盲儀都可以給失明人士提供重獲影像感知的機會,而隨著醫學和科學的不斷發展,相信在可預見的未來,人工視覺系統有機會給小斌斌和其他失明人士帶來一個更鮮活而明亮的世界。