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未來不是夢-視網膜晶片及仿生科技大突破

 
 
近年來,模仿生物功能的電子醫療系統進步神速,許多仿生系統可以植入人體,改善或恢復視覺、聽覺等,或治療許多目前尚無藥物可醫治的神經疾病。這些高階醫療系統及仿生科技相關的產業,可能是臺灣產業發展的下一個機會,也可能是台灣下一個兆元產業。
 
本演講首先介紹人工視網膜晶片的發展,由生物視網膜功能介紹,再說明人工視網膜原理以及人體試驗的結果,最後說明未來展望。在仿生科技發展方面,將介紹交大未來發展規劃及晶片系統國家型計畫的推動規劃。

一片薄薄的晶片,不僅可以讓失明的人重獲光明,也蘊含著臺灣下一波兆元產業的商機。

利用類比IC製造的人工視網膜晶片只是仿生科技的開端,在未來,除了人工眼、人工鼻、人工耳,甚至在人腦中植入晶片治療癲癇、阿茲海默症,都是生醫工程努力的方向。

由國科會與聯合報、公共電視、科學人雜誌、News98合辦,台灣大學物理系及天文物理研究所承辦的「2008展望春季系列演講:生命及其演化-是『天擇』還是『人擇』?」第五場「未來不是夢-視網膜晶片及仿生科技大突破」,由交通大學校長吳重雨主講,讓大家了解人工視網膜晶片的最新技術發展。

視覺功能 視網膜很關鍵

視網膜在人類視覺功能上扮演關鍵的角色,吳重雨表示,雖然視網膜沒有很多細胞,但是功能非常奇妙。在最底部是感光細胞,包括錐細胞與桿細胞;再上一層是水平細胞、雙極細胞、無軸突細胞,以及神經節細胞。

感光細胞會因接受到的光線不同而產生不同的電位,進而把光轉成電訊號,再傳給水平細胞、雙極細胞,以及無軸突細胞處理。水平細胞的功能在於將影像的邊緣位置平均模糊化,讓它變得平滑。雙極細胞可增強影像,無軸突細胞則是處理與運動有關的影像。

視覺語言 至今所知有限

上述訊號都是連續的類比訊號,到了神經節細胞,電荷造成電位改變,訊號轉成脈波的數位訊號,讓訊息不失真;最後送到大腦視覺皮層進行視覺處理。不同的神經節細胞會傳送不同的訊息,人在看東西的時候神經節細胞是很忙碌的,可能要送十幾個不同的影像到視覺皮層,包括移動的部分、凸顯邊緣的部分……,最後把所有影像疊在一起成像。

生物學家至今仍無法瞭解人在看到外在物體後,神經節細胞會傳送什麼樣的脈波到大腦,科學家對這種「視覺語言」至今所知仍相當有限。

視網膜疾病 可分為兩類

吳重雨指出,1983年時生物學家刺激兔子的神經節細胞產生脈波,發現兔子會產生視覺反應;科學家進一步思考,人的感光細胞壞死,造成失明,如果給他們一個脈波刺激,說不定可以讓盲人恢復視覺、看得到東西。於是,人工視網膜的研究就此展開。

吳重雨表示,人類的視網膜疾病大致可分為兩類:「老人黃斑退化」與「色素性視網膜炎」。歐美老人視覺退化有超過五成的原因是黃斑退化。老年黃斑退化症初期,患者所看到的影像中間會變得模糊,惡化後整個視覺會變成黑黑一團,而後逐漸失明。

色素性視網膜炎則與遺傳有關,好發於中年。患者的視野會愈縮愈小,最後完全失明;患者在年輕時也會有夜盲症產生。

第一代電子眼 解析度差

利用仿生技術製造的視網膜晶片,主要有「上視網膜植入」與「下視網膜植入」兩種有效的植入方法。與交大合作的美國加州大學聖克魯茲分校電機系教授劉文泰開發的第一代人工電子眼,是採用「上視網膜植入」的方式,將戴在受試者眼鏡上的攝影機影像轉成脈波,利用感應線圈將訊號傳達到神經節細胞,讓受試者看到影像。

第一代電子眼做16個電極,約等於16個像素的解析度,由於解析度不大,所以只能看到較大的東西。未來雙方合作的第二代電子眼,解析度可增加到64個像素。吳重雨說,若電子眼有64個像素,盲人即可辨認出手指,到了200個像素,則可依稀辨識人臉;若技術成熟到1000個以上像素,病患就能閱讀報紙。但因科學家對脈波如何會產生彩色,仍一無所知,所以人工視網膜只能呈現灰階的影像。

仿生研究 可治療青光眼

吳重雨表示,人工視網膜晶片只是一個開端,仿生研究還可以治療青光眼、弱視等;也可以將晶片植入腦中治療癲癇。

成功大學已經有教授在老鼠身上做實驗,發現如果在腦中加一些電荷刺激,就可抑制癲癇。如果未來在癲癇患者腦中植入感測器測量病人腦波,在預知癲癇快要發作時,透過晶片觸發脈波給予刺激,就可抑制癲癇。目前交通大學已形成跨校整合團隊,進行此項創新醫療元件研發。

吳重雨指出,台灣的工程技術很強,如果結合醫學、生物及生命科學,邁向生醫工程、健康照護領域,將會是下一波明星產業,產值有機會破兆;而這也同時是個能造福人類的產業,希望未來能夠有更多年輕的學者投入。

【2008-04-29/聯合報/C4版/2008展望春季系列】

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