视觉假体的技术和社会经济挑战

288工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn研究医疗器械-前景工程2015，1（3）：288-291DOI 10.15302/J-ENG-2015080视觉假体：技术和社会经济挑战John B. 特洛伊摘要视觉假体目前正进入临床市场。这种假体最初针对的是因色素性视网膜炎（RP）而失明的患者。然而，在今年7月下旬，首次有患者为了治疗干性年龄相关性黄斑变性而接受了视网膜植入手术。视网膜植入物是攻击光感受器但保留大部分剩余视网膜神经元的疾病的合适解决方案。对于导致视网膜输出丧失的眼部疾病，需要与视觉系统中更多中心结构连接的植入物。正在开发的中央视觉假体的标准部位是视觉皮层。这个观点讨论了视觉假体所面临的技术和社会经济挑战。关键词神经假体，视力，眼病，修复-功能康复1 视觉假体开发1.1 年初旨在恢复盲人视力的技术可以追溯到20世纪60年代末，当时G。S. Brindley和W. S.英国剑桥大学的勒温测试了1例52岁女性盲人的视觉皮层假体。布林德雷和卢因试图通过电刺激大脑皮层的一部分来创造视觉感觉，这一部分是视力正常的人所知道的代表视觉信息的部分。当时，人们知道人脑的枕叶是视觉信号的高级处理中心，并且知道对视觉系统的这一部分进行电刺激可以唤起称为光幻视的视觉感觉;也就是说，对视野内的光点的感知。人们还知道，失明多年后也会诱发这种Phos-phenes。第一个视觉假体获得的结果是如此令人鼓舞，以至于Brindley和Lewin在他们论文的结论部分预测，对他们原型的改进应该”但阅读打印或手写，也许速度可比那些习惯于有视力的人。1.2 消长自这一开创性的努力以来，视觉假体领域在几十年中经历了兴衰，因此，它的历史可以作为一个案例研究，说明医疗技术的发展是多么具有挑战性。布林德利和勒温未能兑现他们在结论部分做出的大胆预测，这对该领域的热情产生了抑制作用，我们应该从中吸取教训。医疗技术的开发者需要在热情地推销产品以获得将其推向市场所需的资金支持和避免夸大其可能的短期影响的破坏性影响之间踩出一条细线。人们需要善于界定现实的里程碑，同时描绘更大的重大长期影响。投资界适应技术发展的进程。患者群体渴望治疗，因此更容易接受夸大的说法，并且在结果低于预期时更不宽容。在将近半个世纪后的今天，布林德利和勒温所预言的视觉能力将很快由视觉假体所提供似乎还很遥远。目前的视觉假体远不能提供所提出的视觉性能水平，并且Brindley和Lewin未认识到的许多技术挑战仍有待解决。1.3 最近的事态发展在最近取得一些重大成功之后，我们目前对视觉假体的兴趣正在上升。由美国Second Sight和德国Retinal Implant AG开发的视网膜植入物现已成为临床产品。最初针对因视网膜色素变性（RP）而失明的患者，2015年7月，视网膜植入物首次用于患有干性年龄相关性黄斑变性（AMD）的患者：80岁的Ray西北大学生物医学工程系，埃文斯顿，IL 60208-3107，美国电子邮件：j-troy@northwestern.edu接收日期：2015年8月2日;接收日期：2015年8月27日;接受日期：2015年9月6日作者（S）2015出版社：Engineering Sciences Press这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）289www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程医疗仪器-透视研究英国曼彻斯特皇家眼科医院的弗林说。RP和AMD都是通过光感受器的丧失导致失明的眼部疾病。前一种疾病的发病率显著低于AMD，并且影响年轻患者群体。因此，将RP患者作为视网膜植入物的初始接受者是很有意义的，让AMD患者跟随。当然，对于投资者来说，将技术应用于AMD患者群体的潜力是诱人的，因为这一群体已经很大，并且随着发达国家人口的老龄化，在未来几十年肯定会显着增长。事实上，将新技术应用于AMD患者的潜力可能至关重要。开发与中枢神经系统接口的技术的成本是巨大的，商业前景，而不具有将其用于大量患者群体的前景。2 视网膜和视皮层假体视网膜假体先于与视觉皮层或视觉系统其他区域连接的视觉假体进入临床有许多原因。今天，任何被认为是视觉假体候选人的人都必须是双眼失明，并且必须希望单眼视力得到部分恢复。部分恢复可以通过单个视网膜植入物来完成，而视觉皮层假体可能需要两个植入物，每个半球一个，因为左视觉场在右视觉皮层中表示，而右视觉场在左视觉皮层中表示。视网膜植入物的另一个优点是整个视野暴露在视网膜表面上。对于视觉皮层假体，很大一部分视野并不在大脑表面上，而是埋在脑沟（大脑皮层的内折）中，使其更难进入进行电刺激。视网膜植入物的第三个优点是这些植入物比皮质植入物更能抵抗组织排斥。当植入物损伤血管时，不良组织反应更大。视网膜有两种血液供应：脉络膜和视网膜循环。这两种视网膜假体-视网膜下植入物，它位于退化的光感受器曾经居住的地方，以及视网膜前植入物，它位于视网膜的内界膜附近-不与血管接触。相比之下，采用穿透电极的视觉皮层假体会侵入丰富的毛细血管床和为大脑皮层供血的较大血管。因此，皮质植入物更容易产生显著的不良组织反应。影响视觉假体的许多技术挑战与影响许多其他大脑植入物的技术挑战相同：例如，如何通过植入和电刺激最小化对组织和电极的损伤;如何保护电子器件免受大脑电解质环境的影响;如何更好地匹配植入物的机械性能（通常是刚性的）与大脑的机械性能（通常是柔性的）;如何向植入物传输电力和信号;如何以确保植入物不干扰营养物质向脑细胞的流动;如何在刺激期间最小化组织的加热;等等。还有一些专门针对视觉假体的挑战。实现Brindley和Lewin的目标，即创造一种视觉假体，使患者能够以与正常人相当的速度阅读，这将需要比目前视网膜假体中可用的电极多得多的电极。事实上，实现这一目标可能需要开发由新材料制成的电极，而这种电极尚未获得监管部门的批准。许多研究者已经研究了具有优于标准铂电极的电荷转移能力的材料，并且随着电极尖端尺寸减小以实现更高电极密度的目标，这些材料中的一种或多种可能是必不可少的。就获得良好阅读能力的目标而言，优势从视网膜假体转移到视觉皮层假体。相对于周边视觉，中央视觉的表现在视觉皮层中被放大，这一事实意味着通过合理的电极间距可以获得良好的敏锐度。对于视网膜植入物来说，刺激中央视网膜的任务是艰巨的。视网膜神经节细胞-输出细胞-紧密堆积，并从中央凹移位。很难想象这些重要的中央视觉驱动因素，对于物体的细节观察和阅读至关重要，如何能够有效地由视网膜假体驱动。视觉皮层假体还有另一个重要的优点：它们为那些因视网膜神经节细胞丧失而失明的人提供了恢复视力的解决方案-例如在眼睛丧失或青光眼疾病的情况下会发生的情况，青光眼是世界上无法治愈的失明的主要原因，也是Brindley和Lewin患者失明的原因。然而，技术上的挑战可能不是视觉假体发展的主要障碍。有许多社会和经济因素可能阻碍成功，也要谨慎地考虑它们。2.1 经济考虑视觉假体的经济性引起了人们对医疗服务分配的关注。在开发周期中，为视觉假体的成本定价可能还为时过早，但人们可以想象，对于耳蜗和脑深部刺激（DBS）植入物的实施提出的同样的担忧也将适用。这两种技术在世界人口中的应用分布不均匀，在很大程度上反映了医疗保健的不均匀分布。欧洲、北美、发达的亚洲和大洋洲是早期的受益者。像中国这样的快速发展中国家也从中受益，通常首先是从捐赠单位中受益，并期望随之而来的是商业市场。在发达国家，也存在交付不平等的现象。在一项针对美国50多万名帕金森病医疗保险受益人的研究中290工程第1卷·第3期·2015年9www.engineering.org.cn①东部肿瘤协作组③研究医疗仪器-前景比非洲裔美国人或亚洲患者更有可能接受这些治疗。还有成本效益问题。共同植入物和DBS植入物都是研究的主题，旨在评价这些治疗与成本相关的受益。对视力、听力的恢复或运动能力的改善给予货币价值显然不是没有争议的，但如果我们要评估大脑植入技术的有效性，这是必要的。旨在评价DBS植入物治疗帕金森病的有效性的研究已经证明了患者生活质量的改善。不幸的是，据我所知，没有经济学家参与对结果的评估，因此人们必须质疑经济价值被确定的严谨性。另一个问题是，目前有许多衡量生活质量的标准。世界卫生组织（WHO）有WHO生活质量-BREF（WHOQOL-BREF），美国疾病控制中心有健康相关生活质量（HRQOL），美国HealthyPeople.gov有HRQoL。还有针对特定医疗亚组制定的各种措施纽约心脏协会量表和卒中特异性生活质量（SS-QOL）测量。对于听觉表现，有格拉斯哥贝内菲特量表。因此，总而言之，目前还没有公认的衡量标准可用于评估视觉假体将为患者提供多少益处，并且迄今为止还没有经济上合理的方法来确定该益处的货币价值，从而可以评估治疗成本。2.2 社会考虑影响医疗技术的另一个有点令人惊讶的挑战来自该技术旨在帮助的患者群体。听力受损群体反对人工耳蜗植入，担心这项技术会分裂他们的社区。听力受损的人因为残疾而聚集在一起。手语和唇读是一种成熟的技能，可以轻松地进行沟通、建立联系和形成社区。如果社区的参与者被移除，并被介绍给更广泛的听力人群，那么那些担心被遗弃的人可能会抵制预示着这种变化的技术，这是很自然的。如果一项技术是革命性的，是破坏性的，这是有代价的。会有赢家和输家，并不总是很容易预测谁将把自己视为哪一组。在这种情况下，还应注意科学界的抵制。没有人比那些在该领域或与之密切相关的领域工作的人更能清楚地说明一项新技术的弱点。对许多视觉神经学家来说，视觉假体似乎过于天真简单。布林德利和卢因在制造视觉皮质假体时，就已经知道，用于代表中央视觉区域的皮质组织数量，比用于代表周边视觉区域的皮质组织数量多得多。当时，我们对信息的代表性的理解最近，未来的诺贝尔奖获得者大卫·胡贝尔和托尔斯滕·威茨的工作大大推进了视觉皮层细胞水平的信息。这些知识没有被纳入假肢设计，大概是因为当时它似乎是不必要的细节。今天，我们对视觉信息如何在大脑皮层中表现的理解要复杂得多;它涉及许多不同的皮层区域，大量不同的细胞类型，以及皮层区域之间以及皮层和皮层下区域之间的许多循环连接。现代视觉皮层假体的设计者虽然生产的设备比布林德利和勒温的设备更复杂，但他们几乎没有寻求接受我们现有的知识基础，而且可能是正确的。尽管研究人员对其工作原理的理解很差，尽管其开发过程中对我们对其影响的神经通路的理解应用很少，但帕金森病的DBS植入物已经取得了成功。然而，这种方法将从神经科学界的成员那里获得相当大的阻力，他们自然认为他们的发现应该被接受并纳入恢复视力的技术中。技术开发人员面临的挑战是解释为什么我们目前的知识库大多处于当前技术所具有的详细程度没有申请。还应考虑到知识是不断发展的。我们今天对视觉皮层的理解比20世纪60年代布林德利和勒温发明视觉假体时要丰富得多。虽然我们的理解在五年后会更好，但盲人患者有权期望我们现在就开发出能改善他们生活的技术，即使这些技术并不完美。今天的神经科学可能有助于恢复视力在2115年会更好，但它不应该抑制今天技术的发展3 脑可塑性与视觉康复无论开发出什么样的视觉假体，众所周知，为了最大限度地发挥其作用，必须进行基于个体患者的康复训练。当布林德利和卢因开发他们的视觉假体时，人们普遍认为成年人的大脑具有最小的可塑性。然而，随着时间的推移，我们对视觉皮层和大脑可塑性的理解发生了重大变化，成人大脑的可塑性已经得到了很好的确立。例如，中风的康复就是建立在这一原则之上的。回想起来，很难想象成年人大脑的变化能力会受到质疑;例如，虽然成年人学习外语比儿童更难，但这是可能的。然而，当我们考虑到学习可能有多么困难时，不应忘记成人和儿童之间的这种差异对于成年后的视觉假体接受者来说，学习如何理解假体提供的贫乏信号，与完整和功能正常的视觉系统提供的信号相比。在视觉假体领域工作的许多团体已经对训练协议进行了大量的思考。这是一个重要的组成部分-医疗仪器-透视研究291www.engineering.org.cn第1卷·第3期·2015年9月工程这项技术的发展是研究人员容易忽视的。4 总结发言总而言之，在经历了一系列虚假的黎明之后，我们可能终于迎来了视觉假体时代的真正黎明。许多挑战仍然存在，必须加以解决，以确保目前的局势不是又一个虚假的黎明。虽然工程界仍然专注于解决技术问题，但我们应该保持警惕，确保患者群体的期望不会提高到不切实际的水平。此外，开发人员考虑成功之路也很重要，这需要考虑最初的目标患者人群以及技术带来的经济效益。制定出一组经济学家认为有效的合理的结果衡量标准将是有益的第一步。许多人还注意到，随着医疗技术的发展，ogy考虑必须采取哪些步骤才能获得监管机构的批准永远不会太早。认为像美国食品和药物管理局（FDA）这样的监管机构的存在是为了阻碍医疗技术的进步是错误的。他们的角色是为人民服务，而这个角色有两个组成部分：保护人口，并尽快为患者提供治疗。在设计过程的早期与FDA或其他司法管辖区的同等机构进行磋商将是谨慎的，因为这些机构可以就如何最好地证明新技术的有效性和安全性向开发人员提供建议。确认本文由卡塔尔国家研究基金（卡塔尔基金会成员）的国家优先研究计划（NPRP）（NPRP 5-457-2-181）完成。此处所作的声明完全由作者负责。