電極技術(shù)在人工視覺的研究進(jìn)展

摘要：電極技術(shù)是人造視網(wǎng)膜的核心技術(shù)，本文通過分析電極技術(shù)在人工視覺的專利技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，為相關(guān)企業(yè)和科研單位提供研究方向。

關(guān)鍵詞：人工視覺? 電極? 專利

一、引言

人造視網(wǎng)膜電極的具體設(shè)計(jì)要求：

（1）電極密度大，同時(shí)避免發(fā)生耦合;

（2）阻抗不能太大，防止產(chǎn)生過多熱量;

（3）生物相容性，不會對人體組織造成傷害;

（4）柔韌性，起到較好的電刺激效果;

（5）穩(wěn)定性，能夠長時(shí)間地在人體內(nèi)工作，不易被腐蝕或者降解;

（6）體積和重量應(yīng)盡可能的小，以符合植入式器件的要求。

人造視網(wǎng)膜電極技術(shù)主要包括電極設(shè)計(jì)和表面修飾技術(shù)兩大方面。

二、電極設(shè)計(jì)專利布局概況

最早的電極設(shè)計(jì)專利申請出現(xiàn)在1977年，直到1999年專利申請量增長十分緩慢。從2000年開始，電極設(shè)計(jì)的專利申請量開始迅速增長，到2007年達(dá)到高峰。此后，電極設(shè)計(jì)專利申請量經(jīng)過1年調(diào)整后開始穩(wěn)步上升，并且于2014年達(dá)到頂峰。未來一段時(shí)間，電極設(shè)計(jì)專利申請量還將繼續(xù)穩(wěn)步上升。

根據(jù)分析總結(jié)出電極設(shè)計(jì)需要解決的20個(gè)技術(shù)問題以及所采用的10個(gè)技術(shù)手段20個(gè)技術(shù)問題包括：避免過度刺激、避免誤刺激、保證刺激的持續(xù)性、實(shí)現(xiàn)刺激的仿生效果、減小電極體積、減小植入電極對人眼組織損傷、降低電極能耗、降低電極產(chǎn)生的熱量、降低制造成本、降低界面阻抗、提高使用者的空間感覺、提高生物相容性、實(shí)現(xiàn)使用者顏色識別、提高刺激準(zhǔn)確性、提高分辨率、提高植入電極密封性、提高有效刺激強(qiáng)度、保證電極與視網(wǎng)膜形狀匹配、擴(kuò)大使用者感知視野寬度以及減少植入過程的困難程度。10個(gè)技術(shù)手段涉及：材料、襯底、電極陣列觸點(diǎn)、刺激方案、電路連接結(jié)構(gòu)、封裝、電極植入固定方法、刺激電流的誘導(dǎo)方法、植入方法和制造工藝。

電極技術(shù)中最受企業(yè)重視的兩個(gè)技術(shù)問題為提高刺激準(zhǔn)確性和保證電極與視網(wǎng)膜形狀匹配，其申請量分別為59項(xiàng)占（占23.51%）和54項(xiàng)（占21.51%），緊隨其后的依次為申請量26項(xiàng)（占23.51%）的提高有效刺激強(qiáng)度和申請量21項(xiàng)（占23.51%）的提高分辨率。

在技術(shù)手段方面，企業(yè)最優(yōu)先考慮通過改進(jìn)電刺激方案提高植入電極的相關(guān)性能，其涉及的專利申請達(dá)到74項(xiàng)（占29.48%），其次更愿意對電極陣列觸點(diǎn)的形狀及分布進(jìn)行改進(jìn)，共申請了50項(xiàng)專利（占19.92%），緊隨其后的依次為襯底、制造工藝和封裝。

技術(shù)問題1——提高分辨率

通過專利文獻(xiàn)中記載的技術(shù)信息可知，對電極陣列觸點(diǎn)的改進(jìn)主要涉及對電極陣列觸點(diǎn)形狀和分布方式兩方面的優(yōu)化。

US2003/0187491A1提供一種人工視網(wǎng)膜電極陣列布置方式，在視網(wǎng)膜中心凹處的電極觸點(diǎn)尺寸最小，其它電極觸電圍繞該尺寸最小觸點(diǎn)布置，并且距離越遠(yuǎn)尺寸越大，其中，距離該中心凹處越遠(yuǎn)，電極觸點(diǎn)間距也逐漸變大。通過這種變尺寸變間距電極陣列布置方式，在不改變電極整體尺寸的情況下，分區(qū)域地提高電極陣列密度，提高了分辨率。

技術(shù)問題2——提高刺激準(zhǔn)確性

人工視網(wǎng)膜系統(tǒng)中的提高刺激準(zhǔn)確性問題，主要解決如何通過電流刺激最接近真實(shí)地還原圖像采集裝置采集到的現(xiàn)實(shí)圖像。

US2012/0277826A1涉及一種人工視網(wǎng)膜系統(tǒng)的電刺激方法，電極陣列產(chǎn)生一系列時(shí)刺激信號，該短時(shí)刺激信號時(shí)長均小于0.5毫秒，并且以不同的頻率匹配用于感光的神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的波峰頻率范圍，從而提高刺激準(zhǔn)確性。

技術(shù)問題3——顏色識別

目前人造視網(wǎng)膜技術(shù)通過刺激手段僅能實(shí)現(xiàn)基本的黑白圖像輪廓識別，無法很好地識別多種顏色，如何讓使用者更好地識別顏色是人工視網(wǎng)膜技術(shù)要解決的重要問題。通過分析發(fā)現(xiàn)，僅有2項(xiàng)專利文獻(xiàn)記載了實(shí)現(xiàn)顏色識別的相關(guān)技術(shù)方案，均是通過改進(jìn)電刺激方案實(shí)現(xiàn)的。

US9205257B1提供了一種誘導(dǎo)視覺假體顏色感知的方法，其在物體上測試刺激模式，確定哪種刺激模式包括顏色，儲存刺激的圖案和色彩的關(guān)系，并使用存儲的關(guān)系來確定用于以后的刺激模式，從而實(shí)現(xiàn)顏色識別。

三、電極表面修飾技術(shù)專利布局概況

電極表面修飾技術(shù)相關(guān)專利申請量不大，從申請趨勢上看，申請量最大的幾個(gè)年份也只有4項(xiàng)。

電極表面修飾需要解決的5類技術(shù)問題以及相應(yīng)采用的6類技術(shù)手段。5類技術(shù)問題包括：降低刺激界面阻抗、提高電極和組織的粘附力、提高生物相容性、起到治療效果以及其他技術(shù)問題。6類技術(shù)手段涉及：采用激光照射的方式進(jìn)行修飾、電極表面沉積復(fù)合材料涂層、電極表面沉積金屬材料涂層、電極表面沉積醫(yī)用材料涂層、電極表面沉積有機(jī)涂層以及其他修飾方法。

技術(shù)問題1 ——提高生物相容性

美國專利US20110159069A1公開一種醫(yī)用植入裝置，包括一種器件襯底，其具有一表面;硅烷衍生物涂膜共價(jià)結(jié)合到表面上;以及生物活性劑的共價(jià)鍵合到硅烷衍生物涂膜。該表面可包括至少一個(gè)氧化位點(diǎn)其中所述至少一種硅烷衍生物共價(jià)結(jié)合到至少一個(gè)氧化位點(diǎn)。該表面還包括多個(gè)氧化位點(diǎn)，其中多個(gè)硅烷衍生物部分共價(jià)鍵合到氧化位點(diǎn)和多種生物活性劑分子共價(jià)連接到硅烷衍生物部分從而形成表面一層硅烷衍生物結(jié)構(gòu)部分以共價(jià)鍵鍵合到生物劑分子。

技術(shù)問題2——降低刺激界面阻抗

神經(jīng)電極是連接神經(jīng)細(xì)胞和外部設(shè)備的關(guān)鍵部件，它能夠刺激組織和記錄神經(jīng)細(xì)胞外電位，恢復(fù)受損的視神經(jīng)功能，理想的神經(jīng)電極應(yīng)盡可能地保證小尺寸和低界面阻抗，但是減小電極尺寸往往會導(dǎo)致界面阻抗增加，進(jìn)而影響電信號的質(zhì)量，削弱電極性能。因此，研究如何有效地提高電極性能顯得尤為重要。

美國專利US20160258070A1公開一種神經(jīng)電極的表面改性方法，該方法包括：形成神經(jīng)電極陣列;同時(shí)電極沉積，該神經(jīng)電極陣列的表面上，第一和第二具有不同溶解度的金屬納米顆粒具有相對于蝕刻液。和使用該蝕刻溶液選擇性蝕刻的金屬納米顆粒，從而形成多孔結(jié)構(gòu)，其包括該神經(jīng)電極第一的表面上的金屬納米顆粒陣列。該神經(jīng)電極陣列的表面改性為具有孔隙度，可使神經(jīng)電極陣列的表面面積每單位面積的增加，可以降低熱噪聲通過降低阻抗，并能保證神經(jīng)信號的有效測量的靈敏度。

技術(shù)問題3——提高電極和組織的粘附力

歐洲專利EP2714190公開一種用于可植入醫(yī)療裝置的電極，包括：多個(gè)導(dǎo)電元件，包括金剛石材料，金剛石材料是摻入氮的金剛石材料; 和至少一個(gè)電絕緣元件，其覆蓋每個(gè)導(dǎo)電元件的至少一部分并且包括金剛石材料。這種可植入陣列提供能夠刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)組織的機(jī)械穩(wěn)健的生物相容性和氣密性密封。

四、總結(jié)

本文根據(jù)專利文獻(xiàn)記載的信息給出人造視網(wǎng)膜相關(guān)電極技術(shù)的重要技術(shù)問題和典型技術(shù)手段。

電極設(shè)計(jì)中，最受企業(yè)重視的三個(gè)技術(shù)問題為提高分辨率、提高刺激準(zhǔn)確性和顏色識別，企業(yè)最優(yōu)先考慮通過改進(jìn)電刺激方案提高植入電極的相關(guān)性能，其次更愿意對電極陣列觸點(diǎn)的形狀及分布進(jìn)行改進(jìn)。

電極表面修飾技術(shù)中，企業(yè)重視的三個(gè)技術(shù)問題為提高生物相容性、降低刺激界面阻抗以及提高電極和組織的粘附力，并將電極表面沉積金屬材料涂層，以及電極表面沉積有機(jī)涂層作為最優(yōu)先考慮的技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)

[1]與生物醫(yī)學(xué)植入器件中的神經(jīng)電刺激過程相關(guān)的電化學(xué)研究，周道民等，電化學(xué)，第17卷第3期，2011年8月.

作者簡介

李澍歆，（1983.2-），男，河北泊頭人，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心福建分中心協(xié)作四部計(jì)量工程室副主任，助理研究員，碩士學(xué)歷，研究方向：專審查。