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電子眼 - Heterogeneous Integration

電子眼

出自Heterogeneous Integration

目錄

什麼是電子眼

如圖一所示電子眼是一種將外界的光訊息藉由微型攝影機、影像處理、光電訊號轉換變成電訊號後,在經由無線電的方式傳到安裝在眼睛裡的訊號接受器,再將接受到的訊號處理之後,再以適當的電流刺激殘餘的視網膜神經細胞,讓視網膜細胞引發視覺。這種新新技術最適合運用在後天失明者,而且像這種無法醫治的眼睛若想要醫治的話,往往都必須要做活體移植的手術,像這樣一命賠一命的方法,在等待到適合自己的眼睛,往往都必須要碰運氣等上很久的時間,不過現在有電子眼這樣的技術,就能夠讓患者能夠不必再排隊等待有合適的眼睛,就能馬上動手術馬上重見光明了。

圖片:Eye1.png

圖一 電子眼系統架構圖

http://blog.udn.com/eurekaphy/1011829

電子眼的原理與設計

電子眼是藉由光電極通過視網膜神經組織進行刺激,使視網膜神經細胞經接受誘導而發生反應,恢復對光產生反應、對圖片、運動中的物體能產生感覺。而電子眼是將視網膜晶片植入病人眼球底部,透過視網膜晶片上的電極陣列藉由光電轉換器將外界所吸收的光訊息轉變成電流,將電流傳遞到電極中,電極便開始對視網膜神經細胞進行刺激,視網膜細胞則可以將視覺訊號傳送到神經元,再由視神經繼續傳送到大腦產生影像。

圖片:Eye2.png

而視網膜晶片可分成三個部份,光敏區、光電二極體區以及金屬電極區,藉由光敏區吸收外界光線,將光線通過光電二極體區轉變成電流,再將電流傳遞到視網膜神經組織,透過刺激晶片附近的視網膜細胞,將視覺訊號傳遞到視皮層,使患者能分辨光線的黑暗,讓病患恢復到功能性視覺。目前電子眼模式可分為視網膜下、視網膜表面、視皮層移植電子眼,其差別在於植入病人視網膜的位置。

人工電子眼發展與應用

目前人工電子眼的開發是透過醫學、生物、微機電、材料等科學的跨科技合作,友就是所謂的視網膜晶片,是將一個直徑僅3mm的晶片植入病人的視網膜,希望能讓全盲的病人重見光明。目前視網膜晶片技術可分為:網膜下移植與網膜上移植兩類。

什麼是網膜下移植

網膜上移植技術就是類似相機的小型視野偵測器,這個偵測器可以裝載在眼睛外部(例如放在眼鏡上)或眼睛內部的人工水晶體上,它將視覺訊號透過掛在病人腰間的訊號處理器處理之後,以無線傳輸的方式傳送到移植在網膜前端的晶片上,晶片上的電極陣列會將訊號直接送到神經節細胞的神經元,再由視神經繼續傳送到大腦的視皮質形成影像。

什麼是網膜上移植

網膜下移植技術是發展一個直徑2-3mm、厚度約50-100μm大小的晶片,晶片上配備數百至數千個對光敏感的微型光二極體,這些微型光二極體是由金或氮化鈦(TiN)作成的微電極以陣列方式排列而成,影像所投射過來的光會經由微型光二極體上的微電極轉換為很微小的電流,這微小的電流將投射在視網膜的神經元(neurons)上,之後視網膜內不同的細胞會繼續將訊號傳達給視神經,視神經再將訊號傳達到視皮質。

電子眼的模式

目前網膜下移植又分成三種模式:

1. John Hopkins-NCSU 模式:

John-Hopkins-NCSU電子眼就是很典型的電子眼,原理如圖二所示藉由攝影機、影像處理、光電訊號轉換技術將外界的光訊息變成電訊號,在經過無線電傳入眼睛內的編譯器,在經過編譯器編譯過後,並送出適當型式及大小的電流刺激殘留的視網膜神經細胞引發視覺。

圖片:Eye3.png

圖二 John-Hopkins-NCSU 電子眼架構

http://www.shs.edu.tw/works/essay/2009/03/2009031913361233.pdf


2. MIT-Harvard

MIT-Harvard電子眼是使用電腦晶片技術所設計電子介面。如圖三所示這項電子眼包含波長820nm固定方向的雷射微小電源和輸出振幅可調節雷射光束的微型的攝影機。攝影機內的信號處理晶片會轉換視覺資訊成為雷射光束載送的電子數碼。

MIT-Harvard電子眼是將電源及攝影機都鑲嵌在太陽眼鏡上,電極板部分也是由一個光極板和一個產生刺激訊號的微矽晶片,兩者如三明治一樣夾著一個薄且有彈性的胺帶狀物的,帶狀物的另一端設有刺激視網膜之電極。雷射光束照射在光極板時不但產生電源同時啟動刺激晶片,刺激晶片再指引帶狀物另一端貼合在視網膜上的電極產生電流。此植入器係貼合在視網膜前端,因此可啟動神經節細胞產生視覺信號傳送至視神經及視覺皮質。

圖片:Eye4.png

圖三 MIT-Harvard 電子眼架構

http://www.batol.net/upload/article/20041221163623-092.doc


3. Dobelle模式

Dobelle模式是讓患者配戴一副像太陽眼鏡的東西如圖四所示,其中安裝有一微型攝影機,微型電腦和刺激物安放在一個特殊皮袋中或佩戴在腰帶上。整套裝置固定在並且埋植在顱骨中的微小植入器上,再將植入器使的兩個電極與負責視力的大腦皮層相連。如圖五所示。 圖片:Eye5.png

圖四 Dobell模式電子眼實際圖

http://mems.es.ncku.edu.tw/file/scence/final20070305.doc

圖片:Eye6.png

圖五 Dobel模式電子眼原理圖

http://mems.es.ncku.edu.tw/file/scence/final20070305.doc

不過目前比較遺憾的是,人工電子眼現階段還不能夠幫助先天性失明或童年時因視力受損而失明的人,因為這些患者負責視力的大腦皮層發育不夠,也還沒看過許多事物,也不認識,所以看到也大概不知道是什麼東西。如果是在成年後失去視力的人,因為他們能夠記得他們下失明前所看過的東西,也知道看東西的感覺,所以借助人工電子眼來輔助觀看東西並且瞭解自己周圍的事物,相對的就會比較得心應手些。

參考文獻

視網膜晶片---Artificial Silicon Retina

《展望春季》未來不是夢-視網膜晶片及仿生科技大突破

台灣研發視網膜晶片有成,可望助視障者重見光明

高性能矽視網膜感測器及具學習能力之細胞非線性網路晶片系統設計研究

科技始於人性----感測器創造人類的第七感

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