电极技术在人工视觉的研究进展

摘要：电极技术是人造视网膜的核心技术，本文通过分析电极技术在人工视觉的专利技术发展脉络，为相关企业和科研单位提供研究方向。

关键词：人工视觉  电极  专利

一、引言

人造视网膜电极的具体设计要求：

（1）电极密度大，同时避免发生耦合;

（2）阻抗不能太大，防止产生过多热量;

（3）生物相容性，不会对人体组织造成伤害;

（4）柔韧性，起到较好的电刺激效果;

（5）稳定性，能够长时间地在人体内工作，不易被腐蚀或者降解;

（6）体积和重量应尽可能的小，以符合植入式器件的要求。

人造视网膜电极技术主要包括电极设计和表面修饰技术两大方面。

二、电极设计专利布局概况

最早的电极设计专利申请出现在1977年，直到1999年专利申请量增长十分缓慢。从2000年开始，电极设计的专利申请量开始迅速增长，到2007年达到高峰。此后，电极设计专利申请量经过1年调整后开始稳步上升，并且于2014年达到顶峰。未来一段时间，电极设计专利申请量还将继续稳步上升。

根据分析总结出电极设计需要解决的20个技术问题以及所采用的10个技术手段20个技术问题包括：避免过度刺激、避免误刺激、保证刺激的持续性、实现刺激的仿生效果、减小电极体积、减小植入电极对人眼组织损伤、降低电极能耗、降低电极产生的热量、降低制造成本、降低界面阻抗、提高使用者的空间感觉、提高生物相容性、实现使用者颜色识别、提高刺激準确性、提高分辨率、提高植入电极密封性、提高有效刺激强度、保证电极与视网膜形状匹配、扩大使用者感知视野宽度以及减少植入过程的困难程度。10个技术手段涉及：材料、衬底、电极阵列触点、刺激方案、电路连接结构、封装、电极植入固定方法、刺激电流的诱导方法、植入方法和制造工艺。

电极技术中最受企业重视的两个技术问题为提高刺激准确性和保证电极与视网膜形状匹配，其申请量分别为59项占（占23.51%）和54项（占21.51%），紧随其后的依次为申请量26项（占23.51%）的提高有效刺激强度和申请量21项（占23.51%）的提高分辨率。

在技术手段方面，企业最优先考虑通过改进电刺激方案提高植入电极的相关性能，其涉及的专利申请达到74项（占29.48%），其次更愿意对电极阵列触点的形状及分布进行改进，共申请了50项专利（占19.92%），紧随其后的依次为衬底、制造工艺和封装。

技术问题1——提高分辨率

通过专利文献中记载的技术信息可知，对电极阵列触点的改进主要涉及对电极阵列触点形状和分布方式两方面的优化。

US2003/0187491A1提供一种人工视网膜电极阵列布置方式，在视网膜中心凹处的电极触点尺寸最小，其它电极触电围绕该尺寸最小触点布置，并且距离越远尺寸越大，其中，距离该中心凹处越远，电极触点间距也逐渐变大。通过这种变尺寸变间距电极阵列布置方式，在不改变电极整体尺寸的情况下，分区域地提高电极阵列密度，提高了分辨率。

技术问题2——提高刺激准确性

人工视网膜系统中的提高刺激准确性问题，主要解决如何通过电流刺激最接近真实地还原图像采集装置采集到的现实图像。

US2012/0277826A1涉及一种人工视网膜系统的电刺激方法，电极阵列产生一系列时刺激信号，该短时刺激信号时长均小于0.5毫秒，并且以不同的频率匹配用于感光的神经节细胞的波峰频率范围，从而提高刺激准确性。

技术问题3——颜色识别

目前人造视网膜技术通过刺激手段仅能实现基本的黑白图像轮廓识别，无法很好地识别多种颜色，如何让使用者更好地识别颜色是人工视网膜技术要解决的重要问题。通过分析发现，仅有2项专利文献记载了实现颜色识别的相关技术方案，均是通过改进电刺激方案实现的。

US9205257B1提供了一种诱导视觉假体颜色感知的方法，其在物体上测试刺激模式，确定哪种刺激模式包括颜色，储存刺激的图案和色彩的关系，并使用存储的关系来确定用于以后的刺激模式，从而实现颜色识别。

三、电极表面修饰技术专利布局概况

电极表面修饰技术相关专利申请量不大，从申请趋势上看，申请量最大的几个年份也只有4项。

电极表面修饰需要解决的5类技术问题以及相应采用的6类技术手段。5类技术问题包括：降低刺激界面阻抗、提高电极和组织的粘附力、提高生物相容性、起到治疗效果以及其他技术问题。6类技术手段涉及：采用激光照射的方式进行修饰、电极表面沉积复合材料涂层、电极表面沉积金属材料涂层、电极表面沉积医用材料涂层、电极表面沉积有机涂层以及其他修饰方法。

技术问题1 ——提高生物相容性

美国专利US20110159069A1公开一种医用植入装置，包括一种器件衬底，其具有一表面;硅烷衍生物涂膜共价结合到表面上;以及生物活性剂的共价键合到硅烷衍生物涂膜。该表面可包括至少一个氧化位点其中所述至少一种硅烷衍生物共价结合到至少一个氧化位点。该表面还包括多个氧化位点，其中多个硅烷衍生物部分共价键合到氧化位点和多种生物活性剂分子共价连接到硅烷衍生物部分从而形成表面一层硅烷衍生物结构部分以共价键键合到生物剂分子。

技术问题2——降低刺激界面阻抗

神经电极是连接神经细胞和外部设备的关键部件，它能够刺激组织和记录神经细胞外电位，恢复受损的视神经功能，理想的神经电极应尽可能地保证小尺寸和低界面阻抗，但是减小电极尺寸往往会导致界面阻抗增加，进而影响电信号的质量，削弱电极性能。因此，研究如何有效地提高电极性能显得尤为重要。

美国专利US20160258070A1公开一种神经电极的表面改性方法，该方法包括：形成神经电极阵列;同时电极沉积，该神经电极阵列的表面上，第一和第二具有不同溶解度的金属纳米颗粒具有相对于蚀刻液。和使用该蚀刻溶液选择性蚀刻的金属纳米颗粒，从而形成多孔结构，其包括该神经电极第一的表面上的金属纳米颗粒阵列。该神经电极阵列的表面改性为具有孔隙度，可使神经电极阵列的表面面积每单位面积的增加，可以降低热噪声通过降低阻抗，并能保证神经信号的有效测量的灵敏度。

技术问题3——提高电极和组织的粘附力

欧洲专利EP2714190公开一种用于可植入医疗装置的电极，包括：多个导电元件，包括金刚石材料，金刚石材料是掺入氮的金刚石材料; 和至少一个电绝缘元件，其覆盖每个导电元件的至少一部分并且包括金刚石材料。这种可植入阵列提供能够刺激视网膜神经组织的机械稳健的生物相容性和气密性密封。

四、总结

本文根据专利文献记载的信息给出人造视网膜相关电极技术的重要技术问题和典型技术手段。

电极设计中，最受企业重视的三个技术问题为提高分辨率、提高刺激准确性和颜色识别，企业最优先考虑通过改进电刺激方案提高植入电极的相关性能，其次更愿意对电极阵列触点的形状及分布进行改进。

电极表面修饰技术中，企业重视的三个技术问题为提高生物相容性、降低刺激界面阻抗以及提高电极和组织的粘附力，并将电极表面沉积金属材料涂层，以及电极表面沉积有机涂层作为最优先考虑的技术手段。

参考文献

[1]与生物医学植入器件中的神经电刺激过程相关的电化学研究，周道民等，电化学，第17卷第3期，2011年8月.

作者简介

李澍歆，（1983.2-），男，河北泊头人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心福建分中心协作四部计量工程室副主任，助理研究员，硕士学历，研究方向：专审查。