人工视觉系统助盲人“复明”(图)

(图1)

(图2)

▲(图3)

　　▲(图4)前额导盲仪(1)的工作原理与舌头导盲仪类似，影像会被数据处理器(3)转换为电脉冲通过电极感应器(2)来刺激前额。

　　新闻背景

　　山西6岁男童斌斌被挖去眼球，导致双目失明。而国际著名眼科专家、前香港中文大学眼科中心主任、深圳希玛林顺潮眼科医院院长林顺潮，表示愿意利用人工视觉系统，免费救助小斌斌帮助其重见光明。这些消息都引起了公众的广泛关注。

　　人工视觉系统，对于国内大多数读者来说都是十分陌生的。那么，它的工作原理是什么？有哪些具体手段？目前世界上的研究应用达到了什么水平？本报特约林顺潮先生撰写此文，对这些问题进行了一一解答。

　　我们之所以能看见东西，是因为眼睛将光信息聚焦在视网膜上，视网膜将光学信息转变成神经电讯号，透过视神经传送到大脑视觉区域，使我们看清东西(图1)。

　　对双目失明的患者来说，生活就是无边的黑暗，给他们带来巨大的身心挫折，视力健康的人很难体验到其中一二。就如小斌斌，由于遭遇不幸，失去双眼，小小年纪就陷入黑暗之中，十分之可惜。那么将来小斌斌是否只能接受失明的现实呢？

　　人生总是存在希望，如今现代先进的科学研究给失明人士带来了驱散黑暗的曙光，医生和科学家们都正不遗余力地研究如何能让全失明人士重新获得光明。

　　有学者尝试通过生物科学技术，使得感受光线的光感受细胞重新生长，或是通过基因工程重建其功能。而另一方面，医生和科学家们另辟蹊径，致力于研究人工视觉系统(Artificial Vision)，希望依靠先进的电子计算机影像技术对抗失明。他们并不寻求修复眼睛的生物功能，而是通过使用特别设计的电子视觉假体或者是电子导盲仪来帮助失明人士重新获得“看见”世界的机会。

　　需要注意的是，由于婴儿出生后需要一段时间进行视觉发育，以建立大脑的视觉功能，若是刚一出生便因先天眼疾而致不可逆的失明，则多无法透过使用人工视觉系统重见光明，但若发育至3-6岁，大脑的视觉功能已建立完全，此时若遭遇不幸失明，即使失去视网膜和视神经，仍有机会透过这些先进的科技设备刺激大脑的视觉区域，获得重见光明的机会。而本文将带领读者深入了解人工视觉系统的发展过程及最新进展。

　　人工视觉系统研究已近60年

　　视觉能被电刺激激活

　　人工视觉系统的研究最早始于上世纪50年代。1956年，美国科学家塔斯克(Tassiker)发现在视网膜下植入光敏硒电池，可产生光感。60年代至70年代，科学家通过一系列实验观察到视觉系统能被外界电刺激激活。到了80年代至90年代，科学家开始进行人工视觉刺激器的研究。

　　目前，人工视觉刺激器主要包括视网膜刺激器、大脑视皮层刺激器和视神经刺激器。

　　视皮层刺激器是应用电极直接刺激枕叶皮层，可有光感的产生，但无法形成图像。

　　视神经刺激器则是利用外置相机收集图像，将其转变为数字信号，经芯片的处理，传递到视神经周围的微电极，刺激视神经产生信号。

　　而视网膜刺激器是在视网膜下或视网膜表面植入不同微电极，微电极序列能把视觉信息转换成电子脉冲以刺激相邻的神经节细胞，神经节细胞通过视神经把信息传入大脑，使患者能感知到图像。如今已有实验表明，视网膜前或膜下芯片植入方法可以达到一定视力效果，然而，距离正式在临床中使用尚需完善，对视网膜局部刺激是否可产生对整个图像的感知，植入患者眼内是否能产生有用视力，对周边视力是否有影响，电子芯片的改造及刺激参数的大小等问题还在不断探索中。

　　高端人工视觉系统

　　电子视觉假体

　　最新的人工视觉系统研究——电子视觉假体(图2)，适用于那些丧失视网膜光信号传输能力的人。

　　电子视觉假体，即所谓的“电子眼”，是先以安装于眼镜上的微型相机取得影像，然后再将该影像经由体外装置转换成电流讯号后，以无线方式传送到植入头部的电极及芯片，刺激大脑视觉区域，令我们看见东西。

　　它由安装在眼镜上的一个超小型电视摄像机和一个超声远距传感器组成，传感器通过电线和一台便携式微型计算机相连接，微型计算机使用先进的计算机成像技术，对图像和信号进行处理，然后计算机再启动另一台微型计算机，由后者把电子脉冲信号发射至一排内置于大脑视觉皮层表面的电极上。接受电子信号刺激后，每个电极会产生1至4个相隔紧密的光幻视，如此，失明人士便可重获光明。

　　现时这一研究正在初步临床实验阶段，有成功接受手术的失明人士，在失明数十年之后，重获了部分的视力，虽然视力质素有限，但他可以不用任何辅助器械穿过房间，找到门和在停车场附近开车一段时间，躲开垃圾箱和他遇到的各种障碍物。尽管这一方法需要进行手术在脑内放置这些装置，存在感染及其他的风险，但确是医学和科学领域的一项重大突破，目前医生和科学家正在积极研究，预计5至10年内会有更显著的成果。

　　低端人工视觉系统

　　电子导盲仪

　　除电子视觉假体外，电子导盲仪亦可以帮助失明人士重获对影像的感知。现时市面有两种电子导盲仪：舌头导盲仪和前额导盲仪。电子导盲仪的使用无需施行手术在眼内或者大脑内植入电子装置，同时亦能给予失明人士对影像的感知。

　　舌头导盲仪(图3)通过一个安装在眼镜上的微型摄像机，把图像传递到一个手动控制器上，控制器把图像转变电子脉冲，变成低像素的黑白灰画面，此时“再造画面”通过电极感应器的电脉冲刺激舌头，再根据影像黑白两色而决定脉冲的强度，白色会有强烈的脉冲，黑色则没有脉冲讯号，并由感应器上的电极传到脑部，构成一幅低像素黑白两色二维图像。脉冲讯号的强弱通过神经传递至大脑，大脑的“视觉区域”会帮助还原画面中影像的轮廓，这样失明人士就可以通过舌头感觉到不同的电脉冲刺激，令失明人士重新“看”到一些东西。

　　前额导盲仪(图4)利用小型摄像头拍摄前方信息，拍摄到的影像被自动送到微型计算机里，微型计算机先将送来的影像的轮廓线条数据化，然后把数据化的轮廓线条转换为电子脉冲信号，被转换成电子信号的轮廓线条，将从使用者前额部位装载的数百个电极处输出。使用者通过前额的触觉去感知这些输出电子信号进而感知物体的轮廓线条，同使用手指触摸点字阅读一样，使用者可以通过前额感知电子信号所传达的物体的位置、动作、形状来想象前面的空间里的具体情况。

　　延伸阅读

　　人工视觉系统的实现不是遥不可及

　　尽管这些装置目前还处于早期阶段，所形成的影像还相当粗糙，然而通过这些装置，双目失明的人士能够“看到”各种物体的线条及轮廓形状，脑海里能够呈现出在什么地方放有哪些东西，起码能够比较放心地向前走，因此这些装置使他们可以有机会重新认识世界，以及令生活方式出现重大转变。

　　近年人工视觉系统的研究获得不少值得肯定的突破性进展，由此可见，人工视觉系统的实现并不会是遥不可及的将来。现有的电子视觉假体以及电子导盲仪，都可以给失明人士提供重获影像感知的机会，而随着医学和科学的不断发展，相信在可预见的未来，人工视觉系统有机会给小斌斌和其他失明人士带来一个更鲜活而明亮的世界。