人們對外界信息的感知主要來源于視覺，除威脅生命的重大疾病外，對人感官影響最大的損害當屬視覺損傷。最新數據顯示，世界范圍內有2.85億視覺損傷的患者，其中低視力患者有2.46億[1]。在我國制定的殘疾人評價指標體系中發(fā)現，視覺損害居于主要地位，其中低視力人群達6 276萬，占視覺損傷總數的90%[2]。由此可見，低視力已成為目前全球范圍內一個嚴重的公共衛(wèi)生問題，并且隨著世界人口不斷老齡化，該問題日趨加重。本文將對助視器、人工視覺修復技術、經顱刺激及視覺生物反饋訓練三種主要的視障輔助技術在低視力康復中的應用進展進行綜述，以期在臨床工作中為低視力患者制定全面綜合的個性化視覺康復方案提供參考。

1 低視力定義

不同國家對低視力定義標準有所不同，根據2016版國際疾病分類：患者經過有效治療和(或)標準屈光矯正后仍存在的視功能損害，其較好眼的視力低于6/18，大于或等于3/60，或視野半徑小于20°，被定義為低視力[3]。患者因不同的眼部和神經性疾病，導致視覺功能嚴重受損，具體表現為：視力明顯下降，視野范圍縮小，閱讀速度減慢，空間感知能力降低，并伴有視野和視覺障礙中光暈出現，為其日?；顒?如閱讀及駕駛能力)及生活質量、心理健康帶來嚴重的影響，對家庭和社會造成嚴重的經濟損失，每年因低視力患者喪失勞動力所造成的全球經濟生產力損失達上千億美元[1]。

2 視障輔助技術研究

2.1 助視器

由于中心視力下降、視野縮小、空間感知能力降低等視覺功能障礙，導致患者出現閱讀速度明顯減慢、駕駛困難等問題，對于輕、中度視覺損害(視力＞6/60和或視野半徑＞5°)的低視力患者可通過使用助視器來提高閱讀速度和獲得安全駕駛的能力。目前主要的助視器分為光學助視器和電子助視器兩類。

2.1.1 光學助視器

通過增加圖像放大率、最大化人眼視覺閱讀能力的光學助視器是目前主要的閱讀輔助手段，可以明顯提高患者閱讀成功率[4]。技術不斷更新、功能不斷優(yōu)化的生物望遠鏡和接觸鏡式望遠鏡，在滿足患者閱讀書寫需求的基礎上，可以明顯擴大患者的視野范圍，提高患者感知環(huán)境的準確性、定向移動及駕駛的安全性，有效地拓展患者的獨立活動空間，成為大多數低視力患者的選擇[5]。以下將對生物望遠鏡和接觸鏡式望遠鏡新的主要功能及優(yōu)缺點進行簡述。

2.1.1.1 生物望遠鏡(bioptictelescope)

生物望遠鏡是將微型望遠鏡安裝在眼鏡鏡片頂部(視線上方10~15°，位于瞳孔上方)的一種光學助視器。與傳統(tǒng)望遠鏡相比，它不僅具有輕便、美觀的優(yōu)點，還可通過提高中央凹以外區(qū)域的有效圖像分辨率，放大場景中的物像，從而有利于患者觀察視線內較細微的物體(如街道標志或行人、人行橫道等)，提高患者在駕駛、運動等快速移動時，對周圍環(huán)境的判斷準確性[5]。近年來，有學者將開普勒望遠鏡技術融入到眼鏡鏡片，研發(fā)出的微型“鑲嵌式”望遠鏡，望遠鏡不僅克服了普通生物望遠鏡環(huán)狀暗點的限制，還具有視覺多路復用功能，明顯提高了患者駕駛的安全性。在美國的多個地區(qū)，佩戴開普勒“鑲嵌式”微型生物望遠鏡是視力低于20/70的患者有望獲得駕駛特權的唯一途徑[6-8]。

2.1.1.2 接觸鏡式望遠鏡系統(tǒng)(contact lens telescope,CLT)

最初人們通過傳統(tǒng)望遠鏡獲取更大的視野，隨著“隱形眼鏡”的迅速發(fā)展和廣泛應用，有研究者將凹面接觸鏡式鏡片(角膜/鞏膜接觸鏡)置入患者結膜囊，使其成為傳統(tǒng)望遠鏡的目鏡，將凸面的非球面透鏡作為物鏡，研發(fā)出接觸鏡式望遠鏡系統(tǒng)，為患者提供放大、遠視能力。該系統(tǒng)是利用接觸鏡結構內“硬”性聚合物中的兩個獨立光路獲得放大圖像的視覺組合，主要具有以下優(yōu)勢：一是創(chuàng)傷性小，視野大，不受環(huán)境限制，可達到眼內植入式微型望遠鏡同樣優(yōu)質的視覺質量；二是彌補了生物望遠鏡放大效應引起的像差和定向障礙缺陷，是具有駕駛需求的低視力患者更優(yōu)質的選擇[9-11]；三是特殊設計的反接觸式望遠鏡系統(tǒng)“擴張器”效應，進一步增加了患者的視野面積，成為單側無晶狀體眼、同側偏盲及向心性視野縮小患者(如視網膜色素變性)的最佳選擇[12]。

2.1.1.3 植入式微型望遠鏡(implantable miniaturized telescope,IMT)

IMT是目前眼內植入式晶體較為成熟的技術，常用于晚期年齡相關性黃斑變性患者，它是目前唯一通過美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批準，用于改善患者視力的眼內植入式晶體的醫(yī)療設備。IMT長4.4 mm，直徑3.6 mm，在空氣中的質量為115 mg，這種裝置的中心玻璃光學柱包含凸透鏡和凹透鏡的微鏡頭，基本原理源于伽利略望遠鏡[13-14]。IMT的植入需要聯(lián)合超聲乳化技術，因而角膜內皮細胞損傷是IMT的一個潛在風險；根據對完成IMT植入術患者4年的隨訪，217例患者中有4例需要角膜移植，角膜內皮細胞丟失率每年約3%[13,15]。除此之外，IMT的植入通常是單眼，它能改善單眼的中心視力，周邊視野需要另外一只眼睛來彌補，且雙眼的這種相互彌補還需要術后長期的訓練。因而術前須告知患者，術后需要患者較長的時間進行康復訓練，這也導致了IMT運用相對受限，但這項技術也為低視力患者提供更多的可能和生活的便利。

如前所述，生物望遠鏡和接觸鏡式望遠鏡系統(tǒng)均可擴大患者的視野，提升其感知環(huán)境、定向移動和安全駕駛的能力。相比之下，CLT更輕便、美觀，并且它的視覺質量、駕駛安全性明顯優(yōu)于生物望遠鏡。但由于其佩戴成本高昂，且需要考慮角結膜的安全性和患者的護理能力，佩戴前還需專門的培訓，這限制了它的應用，因此開普勒“鑲嵌式”微型生物望遠鏡成為目前應用最廣的光學助視器[7]。而因IMT對角膜內皮損傷有潛在的風險，屬于單眼植入，用于改善中心視野，周邊視野常需要另外一只眼睛輔助，目前常用于年齡相關性黃斑變性患者。

2.1.2 電子助視器(electronic visual aids)

電子助視器是將文本或圖像之類的視覺信息通過電子設備投影到屏幕上的一種視覺增強助視系統(tǒng)(electronic vision enhancement system,EVES)[16-17]。目前最新的電子助視器是基于計算機視覺系統(tǒng)(虛擬/增強現實)技術研發(fā)的自動增益控制型頭戴式視覺增強設備(head-mounted display,HMD)。該助視器配備了光學和數字變焦、頭戴式視頻顯示和圖像處理系統(tǒng)，采用模擬三維環(huán)境進行雙目顯示的虛擬現實備，通過對目標圖像進行精確分析和處理，替代用戶眼睛與其真實環(huán)境之間的直接路徑，從而使患者對視覺信息、視網膜圖像有“身臨其境”的感知效果。有學者將近眼顯示設備、視網膜投射系統(tǒng)、角度及線性運動傳感器等新技術融入HMD后，它不僅可為患者提供更優(yōu)質的圖像，還可根據患者的視覺需求定制實時數字處理圖像的個性化方案，如圖像對比度增強、圖像運動性補償及重塑等，從而呈現出更容易被患者辨別的真實環(huán)境，以補償患者在觀察條件變化時的特定視覺限制[18-21]。與光學助視器相比，HMD提供的圖像質量更優(yōu)，放大倍數更高，并可實現雙眼同時視，從而獲得更大的視野，在有效減少雙眼視網膜視差、提高眼球追蹤功能的同時，幫助嚴重視覺損傷患者克服因中心視力喪失、對比敏感度降低視野狹小導致夜視能力差、面部識別困難、流動性減少、跌倒風險增加等問題[22]。由于其價格昂貴，對患者的認知能力要求相對較高，適用于有近距離工作及其他特定需求的中重度視覺損傷的青壯年患者，如晚期青光眼或視網膜色素變性的患者。

在臨床上，根據患者的視覺需求，助視器可單獨使用或聯(lián)合其他的輔助設備使用，目前比較常用的輔助手段有：可明顯提高患者的閱讀能力的被稱為“專家閱讀器”(expert reader)的閱讀機(reading machine)[23]、針對低視力患者開發(fā)的手機APP[24]、可幫助患者駕駛時更好地定位和導航的具有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(global positioning system)功能的手持設備和“車道輔助”系統(tǒng)[25-26]。這些輔助手段的聯(lián)合應用，可大大提升助視器的功效。

2.2 人工視覺修復技術(artificial vision restoration technology)

在過去，無法使用助視器的重度視覺損傷(視力＜1/20和或視野半徑＜5°)的低視力患者，僅能依靠導盲犬、手杖等輔助手段進行相對有限的定向移動，患者獨立生活社會參與的能力明顯受限。近年來，隨著生物醫(yī)學工程技術的不斷發(fā)展和成熟，以及人類對視覺通路傳輸處理的生理病理學機制的進一步揭示與認知發(fā)現：大部分視覺障礙患者雖失去感光功能，但尚存?zhèn)鬟f和處理視覺電信號的能力[27]。這一研究發(fā)現打開了探索人工視覺的大門，使人工視覺修復技術有望為重度視覺損傷的“全盲”患者提供“看得見”的可能。該技術是基于人眼視覺模型的計算機視覺系統(tǒng)，它的研究基礎是利用視障患者視覺通路中各結構殘存細胞/連接網絡的可塑性、適應性以及人類感官系統(tǒng)交叉模式，來“還原”患者部分知覺能力[28-29]。通過獲取圖像、圖像轉化、產生視覺信號等人工手段來部分重建或替代視覺障礙患者的視覺功能，提高視障人士判斷相關周圍環(huán)境信息的準確性及場景理解能力，幫助他們安全移動[30]。人工視覺修復技術為視覺傳導通路(視網膜、視神經、視皮質)致盲疾病的療法帶來革命性的進展，目前主要的人工視覺修復技術包括視覺假體和視覺感官替代裝置兩類。

2.2.1 視覺假體(visual prostheses)

視覺通路的結構正常及功能完整是視覺形成的基礎。由于大部分視覺障礙患者雖失去感光功能，但尚存?zhèn)鬟f和處理視覺電信號的能力，視覺假體是由微陣列電極組成的人工視覺誘導設備，該設備可在患者視覺傳導通路上用電刺激神經元引導出光的感覺。在視覺傳導通路中的不同部位植入視覺假體，假體接收外界光信號后，轉換為生物電信號，刺激并激活相關部位的細胞及連接網絡，然后經視覺傳導通路將電信號傳入視覺損傷患者的大腦視中樞，以達到恢復部分視覺的目的。目前視覺假體的研究主要集中在兩種視網膜假體：人工視網膜和人工感受器。

2.2.1.1 人工視網膜

視網膜是視覺形成的初始部位。多種退行性、遺傳性視網膜病變嚴重地損害視力甚至致盲，如視網膜色素變性和年齡相關性黃斑變性，目前已有的藥物或手術方法均不能阻止其進展、惡化。因此，如何讓這部分患者形成視覺成為低視力康復研究的熱點。人工視網膜又稱為“仿生眼”，該技術利用在視網膜中充當光感受器角色的微光敏二極管陣列(micro-photodiode array,MPDA)接收外界光信號，激活視網膜內層尚有功能的雙極細胞、神經節(jié)細胞及其他神經細胞網絡結構，將視覺信息傳遞到視皮質，主要用于治療因光感受細胞損傷致盲的不可逆疾病，使外層視網膜疾病患者恢復有效視覺成為可能，例如視網膜色素變性和年齡相關性黃斑變性等[31-33]。視網膜假體的MPDA通常被置于三個不同的位置：1)視網膜表面，黏在視網膜上，如ArgusⅡ和Epi-Ret 3系統(tǒng)；2)視網膜下(如視網膜色素上皮層和神經視網膜層間)，如Alpha-IMS系統(tǒng)；3)脈絡膜上(如鞏膜和脈絡膜之間)。目前完成臨床試驗且上市的產品有美國的ArgusⅡ前視網膜假體系統(tǒng)[34]及德國的Alpha-IMS視網膜下植入系統(tǒng)[35]。ArgusⅡ系統(tǒng)已于2018年應用于臨床，該系統(tǒng)激活視覺通路的有效性已得到證實，患者的視覺辨認、靶向定位、運動識別和導航能力均有提高。由于ArgusⅡ人工視網膜系統(tǒng)的視野范圍較局限和圖像接收處理可能會有不同程度的延時，FDA建議ArgusⅡ人工視網膜系統(tǒng)可輔助拐杖或導盲犬進行導航[34-37]。

2.2.1.2 人工感受器

人工視網膜是利用MPDA在視網膜中充當光感受器角色，而人工光感受器是極其細小的納米單元，能直接把光刺激變?yōu)殡娦盘?，將它植入到大鼠受損的視網膜后可以與眼組織相互作用來模擬視覺。Tsai等[38]研發(fā)了一種鹵化物鈣鈦礦的人工光感受器，該感受器與人視網膜視錐、視桿細胞一致，能對紅、綠、藍三種顏色有特定的光反應，而且靈敏度高、反應速度快、性能優(yōu)良，可迅速將圖像和光轉換成視覺信號。omas等[39]給6例晚期視網膜色素變性患者植入一種稱為Alpha AM的人工光感受器視網膜植入物，該植入物可以模擬這些神經光感受器的光譜形狀和光敏功能，即模擬視桿狀細胞和所有三種視錐狀細胞的光譜響應，并能夠提供兼容的弱光靈敏度、短響應時間和大動態(tài)范圍，從而提高視覺質量，結果顯示:Alpha AM改善了其中5例的視覺，并在24個月的觀察中都能夠感知光的明暗和物體形狀物體，為人們提供基本的視覺元素，可以更容易地在環(huán)境中定位。

2.2.1.3 其他

當前關于視覺假體的研究和開發(fā)，除了視網膜假體外，還集中于視覺通路中的其他結構(視神經，外側膝狀體核和視皮層等)，這些視覺假體可以用于視網膜假體無法起作用的神經節(jié)細胞、軸突受損的視神經病變和視網膜內層病變等，但由于刺激電極在結構上精確定位很困難且并發(fā)癥較多，導致目前臨床應用相對較少[30]。具體的臨床及科研難題需要解決，如：如何保持植入物的長期穩(wěn)定性和生物相容性；如何定位病損部位、如何有效地減少手術并發(fā)癥、增加安全性；刺激電極、芯片的結構設計、刺激參數的選擇及刺激安全閾值應如何確定等[40]。

2.2.2 視覺感官替代設備(sensory substitution devices,SSDs)

視覺感官替代設備是人工視覺修復技術的另一重大突破，與視覺假體不同，它主要利用人類感官系統(tǒng)交叉模式，通過環(huán)境的多模式表示(聲音和觸覺)來“還原”患者部分視知覺能力。該技術屬于無創(chuàng)的人機界面，通過繞過喪失功能的視覺系統(tǒng)，將視覺信息轉換為聽覺或觸覺信息，從而刺激中樞神經系統(tǒng)，以到達部分恢復視覺的目的。研究表明[41]，使用SSDs將視覺轉換為聽覺或觸覺信息，通過環(huán)境的多模式表示(聲音和觸覺)進行視覺恢復的感官替代技術是幫助具有嚴重視覺損害的患者提高生活質量和社會參與度較為有效的方式。目前視覺感官替代技術的研發(fā)成果主要包括聽覺替代視覺設備、觸覺替代視覺設備、多感覺反饋的感覺替代系統(tǒng)。

2.2.2.1 聽覺替代視覺設備(audio sensory substitution devices)

人類的視覺-聽覺交叉模式可將定的視覺刺激與不同音調的聽覺刺激匹配，當視聽刺激重合時，初級視皮層中的神經元反應增強[30]。利用像素和頻率之間的關系，可通過人工視覺模型的采集處理把圖像信息轉化為聲音信息，使視覺刺激轉化為聽覺刺激，最后經耳朵傳入大腦多感覺皮質區(qū)以“重現”視覺圖像[42]。研究發(fā)現，聽覺輸入可調節(jié)小鼠早期視覺皮層中神經元的反應；經過聲音替代的視覺訓練，盲人的初級視皮層對聲音信號都有響應，大腦的相關區(qū)域得到增強[43-44]。Meijer設計的VOICE系統(tǒng)開創(chuàng)了聽覺視覺替代技術的研究，隨后出現的有三維立體聲引路系統(tǒng)、三維空間視覺障礙輔助系統(tǒng)、超聲人工視覺系統(tǒng)等[45]。

2.2.2.2 觸覺替代視覺設備(tactile sensory substitution devices)

觸覺替代視覺設備與聽覺替代的工作原理類似，即通過人工處理驅動相應電極刺激引起觸覺，使視覺信息通過觸覺通道在頭腦中重組、重現[28]。手杖是第一個觸覺替代視覺的有效工具[46]；Braille盲文是觸覺替代視覺技術的典型范例，成功實現了盲人的讀寫[48]；手和手指中高密度的機械感受器為觸覺反饋提供了良好的位置，由此研發(fā)了很多以手作為視覺輔助設備的可穿戴觸覺反饋系統(tǒng)。包括：將帶GPS的振動器連接到手指上，用于盲人導航；可探測外界物體距離的電刺激手套；通過皮膚顯示視覺信息的指尖觸覺顯示器等[47]。作為觸覺反饋的其他位置還包括角膜、舌頭、嘴唇、軀干、頭部和腳部等[48-49]。在選擇將觸覺反饋應用為視覺輔助的具體位置時，主要需權衡用戶舒適度和反饋信息密度之間的關系。在腰部或腳底上施加觸感可能是自然的位置，刺激高密度機械感受器區(qū)域(例如嘴和指尖)可以實現更高分辨率的反饋，可以更真實地傳達視覺信息。

2.2.2.3 多感覺反饋替代設備

盡管技術不斷更新，但單純的聽覺或觸覺替代設備只能解決患者所面臨的部分問題。而聽覺、觸覺、視覺相結合的“立體視覺之聲”設備(stereo vision based sensory substitution devices)超越了視覺感官替代的現有技術，該設備依靠復雜的計算機視覺技術和傳感器的融合，通過觸覺和聽覺提供連續(xù)的實時多感官環(huán)境反饋，是目前唯一涉及多感覺反饋的感覺替代設備。多項研究證實，該設備不僅可幫助患者檢測動態(tài)障礙物，還可提供豐富、自然視覺感的環(huán)境圖像，適用于有社交及特定工作需求的嚴重視覺損傷患者，如視神經萎縮或視網膜色素變性的患者等[30, 50-51]。

視覺感官替代設備為視覺損傷程度較重、自主生活能力嚴重受限患者的視覺康復開辟了新的領域，與視覺假體相比，它具有無創(chuàng)、安全可靠、加工成本低、推廣性強等優(yōu)點，具有較為樂觀的發(fā)展空間和臨床應用前景，相信在不遠的將來，隨著技術的進步和研究的深入，更多的患者將從中受益。

2.3 其他

近年來，有學者利用視覺中樞網絡可塑性的特點，通過神經感覺適應性物理刺激的技術來改變皮質視覺系統(tǒng)中大腦皮質興奮性，幫助因視網膜、視神經、視中樞等視覺通路疾病導致視覺功能嚴重受損的低視力患者恢復了部分視功能[53-54]。此類技術具有安全、無創(chuàng)、易操作、接受度高等優(yōu)點，常與其他視障輔助技術聯(lián)合使用。目前該方面的主要研究技術有經顱直流電刺激和視覺生物反饋訓練兩種。

2.3.1 經顱刺激

經顱直流電刺激是一種誘導皮質興奮性改變的技術，經刺激后大腦皮層可產生局灶性和短暫性變化，可調節(jié)腦網絡的可塑性。該技術主要用于皮質視覺系統(tǒng)病變導致視覺功能損害的患者。研究發(fā)現，該刺激是視網膜到枕葉皮層的整個視覺通路中神經元產生的局灶性、短暫性變化，可促使同側偏癱致視野缺損患者的視覺誘發(fā)電位(visual evoked potential)振幅顯著增加，恢復部分視功能[55-56]。

2.3.2 視覺生物反饋訓練

視覺生物反饋訓練又稱為“優(yōu)選視網膜注視”訓練，該訓練主要利用黃斑變性患者的大腦皮質可塑性和神經感覺適應來提高視功能[57]。通過訓練，患者重新選用一個黃斑以外的新的視網膜注視點(referred retinal locus)獲得偏心注視，激活黃斑以外的視網膜，從而提高視覺功能。多項研究證實，以微視野計為主導的視覺生物反饋訓練能有效激活視覺系統(tǒng)，通過訓練可明顯提高患者空間亮度對比敏感度、色覺閾值、視敏度、閱讀速度和固視穩(wěn)定性等[58-59]，該訓練主要應用于以中心暗點為特征的各類退行性疾病、黃斑變性患者視覺康復的治療。

3 展望

低視力康復的重點是通過為患者制定系統(tǒng)化、個性化的視覺康復方案來最大化利用患者殘余視力，改善其視功能，解決與低視力相關的功能限制，使患者的生活質量和社會心理健康得到全方位提升，從而提高他們日常生活的參與度和獨立性。

綜上所述，隨著生物醫(yī)學工程技術的蓬勃發(fā)展，視障輔助技術的不斷創(chuàng)新為低視力患者視覺康復提供了更多的選擇，特別是人工視覺修復技術的臨床應用給低視力康復的發(fā)展開啟了新的篇章，獲得了較好的視覺康復效果。然而，不管技術如何革新，目前依然沒有一種視障輔助技術能夠完全“還原”正常眼球的全部功能。加強對可致盲眼病生理病理學機制的研究，提高相關病變防治水平，減少患者視力喪失不僅是防盲治盲工作的重點，也是低視力康復有效實施的先決條件。目前，低視力康復發(fā)展面臨著臨床和科研的巨大挑戰(zhàn)，要研發(fā)出一種能有效改善視覺功能，同時能兼顧全面性、經濟實用性、便攜性、舒適性、實時性和長期操作性的視障輔助技術，這需要醫(yī)學、生物學、工程學、微電子學、計算機學等多學科的共同發(fā)展和相互合作。

利益沖突

所有作者均聲明不存在利益沖突

開放獲取聲明

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1、云南大學“雙一流”建設-兒童低視力防控創(chuàng)新團隊(CY2262C4106)

2、云南省衛(wèi)生高層次人才培養(yǎng)項目(領導人才)(L-2018018)

3、云南省眼部疾病臨床醫(yī)學研究中心開放課題(YXZX-16)

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網址: 視障輔助技術在低視力康復中的應用進展 http://m.gysdgmq.cn/newsview681828.html