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2023年7月 第38卷 第7期11
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视障辅助技术在低视力康复中的应用进展

The application of assistive technology for visual impairment in low vision rehabilitation

来源期刊: 眼科学报 | 2023年11月 第38卷 第11期 756-763 发布时间: 收稿时间:2024/3/13 16:17:45 阅读量:1454
作者:
关键词:
低视力视觉功能康复助视器视觉假体
low visionvisual functionrehabilitationvisual aidsvisual prostheses
DOI:
10.12419/2311280001
因不同的眼部和神经性疾病,导致视觉功能严重受损,为低视力患者日常活动(如阅读及驾驶)及生活质量、心理健康带来严重的影响。人们对外界信息的感知主要来源于视觉,除威胁生命的重大疾病外,对人感官影响最大的损害当属视觉损伤。且随着人口日益老龄化,该问题日趋加重,低视力已成为目前全球范围内一个严重的公共卫生问题。目前,低视力康复发展面临着临床和科研的巨大挑战,要研发出一种能有效改善视觉功能,同时能兼顾多种功能的视障辅助技术,这需要医学、生物学、工程学、微电子学、计算机学等多学科的共同发展和相互合作。低视力康复通过为患者提供适宜的视障辅助技术,最大化利用患者的残余视力及视觉功能,改善与低视力相关的功能限制,有效改善其独立性和整体生活质量,使其独立生活、工作并融入社会成为可能。该文对经典的助视器、人工视觉(视觉假体/视觉感官替代设备)、经颅刺激及视觉生物反馈训练等视障辅助技术在低视力康复中的应用进展进行综述。
Patients with low vision are severely impaired in visual function due to different ocular and neurological disorders,which have a serious impact on their daily activities (such as reading and driving), quality of life and mental health.People's perception of external information mainly comes from vision. Expect for the life-threatening major diseases,visual damage has the greatest impact on people's senses. With the ageing of the population, the problem is getting worse, and low vision has become a serious public health problem in the world. Currently the development of low vision rehabilitation is facing a huge challenge in clinical and scientific research, to develop a visual impairment assistance technology that can effectively improve visual function while balancing multiple functions. It requires the joint development and cooperation of multiple disciplines such as medicine, biology, engineering, microelectronics, and computer science. Low vision rehabilitation provides patients with appropriate visual impairment assistance technology,maximizing the use of residual vision and visual function of patients, improving the functional limitations associated with low vision, effectively improving their independence and overall quality of life, and makes it possible for them to live, work and integrate into the society independently. This article reviews the progress in the application on visual impaired assistive technologies such as classic visual aids, artificial vision (visual prostheses/visual sensory replacement devices), transcranial stimulation and visual biofeedback training in low vision rehabilitation.
人们对外界信息的感知主要来源于视觉,除威胁生命的重大疾病外,对人感官影响最大的损害当属视觉损伤。最新数据显示,世界范围内有2.85亿视觉损伤的患者,其中低视力患者有2.46亿[1]。在我国制定的残疾人评价指标体系中发现,视觉损害居于主要地位,其中低视力人群达6 276万,占视觉损伤总数的90%[2]。由此可见,低视力已成为目前全球范围内一个严重的公共卫生问题,并且随着世界人口不断老龄化,该问题日趋加重。本文将对助视器、人工视觉修复技术、经颅刺激及视觉生物反馈训练三种主要的视障辅助技术在低视力康复中的应用进展进行综述,以期在临床工作中为低视力患者制定全面综合的个性化视觉康复方案提供参考。

1 低视力定义

不同国家对低视力定义标准有所不同,根据2016版国际疾病分类:患者经过有效治疗和(或)标准屈光矫正后仍存在的视功能损害,其较好眼的视力低于6/18,大于或等于3/60,或视野半径小于20°,被定义为低视力[3]。患者因不同的眼部和神经性疾病,导致视觉功能严重受损,具体表现为:视力明显下降,视野范围缩小,阅读速度减慢,空间感知能力降低,并伴有视野和视觉障碍中光晕出现,为其日常活动(如阅读及驾驶能力)及生活质量、心理健康带来严重的影响,对家庭和社会造成严重的经济损失,每年因低视力患者丧失劳动力所造成的全球经济生产力损失达上千亿美元[1]

2 视障辅助技术研究

2.1 助视器

由于中心视力下降、视野缩小、空间感知能力降低等视觉功能障碍,导致患者出现阅读速度明显减慢、驾驶困难等问题,对于轻、中度视觉损害(视力>6/60和或视野半径>5°)的低视力患者可通过使用助视器来提高阅读速度和获得安全驾驶的能力。目前主要的助视器分为光学助视器和电子助视器两类。
2.1.1 光学助视器
通过增加图像放大率、最大化人眼视觉阅读能力的光学助视器是目前主要的阅读辅助手段,可以明显提高患者阅读成功率[4]。技术不断更新、功能不断优化的生物望远镜和接触镜式望远镜,在满足患者阅读书写需求的基础上,可以明显扩大患者的视野范围,提高患者感知环境的准确性、定向移动及驾驶的安全性,有效地拓展患者的独立活动空间,成为大多数低视力患者的选择[5]。以下将对生物望远镜和接触镜式望远镜新的主要功能及优缺点进行简述。
2.1.1.1 生物望远镜(bioptictelescope)
生物望远镜是将微型望远镜安装在眼镜镜片顶部(视线上方10~15°,位于瞳孔上方)的一种光学助视器。与传统望远镜相比,它不仅具有轻便、美观的优点,还可通过提高中央凹以外区域的有效图像分辨率,放大场景中的物像,从而有利于患者观察视线内较细微的物体(如街道标志或行人、人行横道等),提高患者在驾驶、运动等快速移动时,对周围环境的判断准确性[5]。近年来,有学者将开普勒望远镜技术融入到眼镜镜片,研发出的微型“镶嵌式”望远镜,望远镜不仅克服了普通生物望远镜环状暗点的限制,还具有视觉多路复用功能,明显提高了患者驾驶的安全性。在美国的多个地区,佩戴开普勒“镶嵌式”微型生物望远镜是视力低于20/70的患者有望获得驾驶特权的唯一途径[6-8]
2.1.1.2 接触镜式望远镜系统(contact lens telescope,CLT)
最初人们通过传统望远镜获取更大的视野,随着“隐形眼镜”的迅速发展和广泛应用,有研究者将凹面接触镜式镜片(角膜/巩膜接触镜)置入患者结膜囊,使其成为传统望远镜的目镜,将凸面的非球面透镜作为物镜,研发出接触镜式望远镜系统,为患者提供放大、远视能力。该系统是利用接触镜结构内“硬”性聚合物中的两个独立光路获得放大图像的视觉组合,主要具有以下优势:一是创伤性小,视野大,不受环境限制,可达到眼内植入式微型望远镜同样优质的视觉质量;二是弥补了生物望远镜放大效应引起的像差和定向障碍缺陷,是具有驾驶需求的低视力患者更优质的选择[9-11];三是特殊设计的反接触式望远镜系统“扩张器”效应,进一步增加了患者的视野面积,成为单侧无晶状体眼、同侧偏盲及向心性视野缩小患者(如视网膜色素变性)的最佳选择[12]
2.1.1.3 植入式微型望远镜(implantable miniaturized telescope,IMT)
IMT是目前眼内植入式晶体较为成熟的技术,常用于晚期年龄相关性黄斑变性患者,它是目前唯一通过美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)批准,用于改善患者视力的眼内植入式晶体的医疗设备。IMT长4.4 mm,直径3.6 mm,在空气中的质量为115 mg,这种装置的中心玻璃光学柱包含凸透镜和凹透镜的微镜头,基本原理源于伽利略望远镜[13-14]。IMT的植入需要联合超声乳化技术,因而角膜内皮细胞损伤是IMT的一个潜在风险;根据对完成IMT植入术患者4年的随访,217例患者中有4例需要角膜移植,角膜内皮细胞丢失率每年约3%[13,15]。除此之外,IMT的植入通常是单眼,它能改善单眼的中心视力,周边视野需要另外一只眼睛来弥补,且双眼的这种相互弥补还需要术后长期的训练。因而术前须告知患者,术后需要患者较长的时间进行康复训练,这也导致了IMT运用相对受限,但这项技术也为低视力患者提供更多的可能和生活的便利。
如前所述,生物望远镜和接触镜式望远镜系统均可扩大患者的视野,提升其感知环境、定向移动和安全驾驶的能力。相比之下,CLT更轻便、美观,并且它的视觉质量、驾驶安全性明显优于生物望远镜。但由于其佩戴成本高昂,且需要考虑角结膜的安全性和患者的护理能力,佩戴前还需专门的培训,这限制了它的应用,因此开普勒“镶嵌式”微型生物望远镜成为目前应用最广的光学助视器[7]。而因IMT对角膜内皮损伤有潜在的风险,属于单眼植入,用于改善中心视野,周边视野常需要另外一只眼睛辅助,目前常用于年龄相关性黄斑变性患者。
2.1.2 电子助视器(electronic visual aids)
电子助视器是将文本或图像之类的视觉信息通过电子设备投影到屏幕上的一种视觉增强助视系统(electronic vision enhancement system,EVES)[16-17]。目前最新的电子助视器是基于计算机视觉系统(虚拟/增强现实)技术研发的自动增益控制型头戴式视觉增强设备(head-mounted display,HMD)。该助视器配备了光学和数字变焦、头戴式视频显示和图像处理系统,采用模拟三维环境进行双目显示的虚拟现实备,通过对目标图像进行精确分析和处理,替代用户眼睛与其真实环境之间的直接路径,从而使患者对视觉信息、视网膜图像有“身临其境”的感知效果。有学者将近眼显示设备、视网膜投射系统、角度及线性运动传感器等新技术融入HMD后,它不仅可为患者提供更优质的图像,还可根据患者的视觉需求定制实时数字处理图像的个性化方案,如图像对比度增强、图像运动性补偿及重塑等,从而呈现出更容易被患者辨别的真实环境,以补偿患者在观察条件变化时的特定视觉限制[18-21]。与光学助视器相比,HMD提供的图像质量更优,放大倍数更高,并可实现双眼同时视,从而获得更大的视野,在有效减少双眼视网膜视差、提高眼球追踪功能的同时,帮助严重视觉损伤患者克服因中心视力丧失、对比敏感度降低视野狭小导致夜视能力差、面部识别困难、流动性减少、跌倒风险增加等问题[22]。由于其价格昂贵,对患者的认知能力要求相对较高,适用于有近距离工作及其他特定需求的中重度视觉损伤的青壮年患者,如晚期青光眼或视网膜色素变性的患者。
在临床上,根据患者的视觉需求,助视器可单独使用或联合其他的辅助设备使用,目前比较常用的辅助手段有:可明显提高患者的阅读能力的被称为“专家阅读器”(expert reader)的阅读机(reading machine)[23]、针对低视力患者开发的手机APP[24]、可帮助患者驾驶时更好地定位和导航的具有全球卫星定位系统(global positioning system)功能的手持设备和“车道辅助”系统[25-26]。这些辅助手段的联合应用,可大大提升助视器的功效。

2.2 人工视觉修复技术(artificial vision restoration technology)

在过去,无法使用助视器的重度视觉损伤(视力<1/20和或视野半径<5°)的低视力患者,仅能依靠导盲犬、手杖等辅助手段进行相对有限的定向移动,患者独立生活社会参与的能力明显受限。近年来,随着生物医学工程技术的不断发展和成熟,以及人类对视觉通路传输处理的生理病理学机制的进一步揭示与认知发现:大部分视觉障碍患者虽失去感光功能,但尚存传递和处理视觉电信号的能力[27]。这一研究发现打开了探索人工视觉的大门,使人工视觉修复技术有望为重度视觉损伤的“全盲”患者提供“看得见”的可能。该技术是基于人眼视觉模型的计算机视觉系统,它的研究基础是利用视障患者视觉通路中各结构残存细胞/连接网络的可塑性、适应性以及人类感官系统交叉模式,来“还原”患者部分知觉能力[28-29]。通过获取图像、图像转化、产生视觉信号等人工手段来部分重建或替代视觉障碍患者的视觉功能,提高视障人士判断相关周围环境信息的准确性及场景理解能力,帮助他们安全移动[30]。人工视觉修复技术为视觉传导通路(视网膜、视神经、视皮质)致盲疾病的疗法带来革命性的进展,目前主要的人工视觉修复技术包括视觉假体和视觉感官替代装置两类。
2.2.1 视觉假体(visual prostheses)
视觉通路的结构正常及功能完整是视觉形成的基础。由于大部分视觉障碍患者虽失去感光功能,但尚存传递和处理视觉电信号的能力,视觉假体是由微阵列电极组成的人工视觉诱导设备,该设备可在患者视觉传导通路上用电刺激神经元引导出光的感觉。在视觉传导通路中的不同部位植入视觉假体,假体接收外界光信号后,转换为生物电信号,刺激并激活相关部位的细胞及连接网络,然后经视觉传导通路将电信号传入视觉损伤患者的大脑视中枢,以达到恢复部分视觉的目的。目前视觉假体的研究主要集中在两种视网膜假体:人工视网膜和人工感受器。
2.2.1.1 人工视网膜
视网膜是视觉形成的初始部位。多种退行性、遗传性视网膜病变严重地损害视力甚至致盲,如视网膜色素变性和年龄相关性黄斑变性,目前已有的药物或手术方法均不能阻止其进展、恶化。因此,如何让这部分患者形成视觉成为低视力康复研究的热点。人工视网膜又称为“仿生眼”,该技术利用在视网膜中充当光感受器角色的微光敏二极管阵列(micro-photodiode array,MPDA)接收外界光信号,激活视网膜内层尚有功能的双极细胞、神经节细胞及其他神经细胞网络结构,将视觉信息传递到视皮质,主要用于治疗因光感受细胞损伤致盲的不可逆疾病,使外层视网膜疾病患者恢复有效视觉成为可能,例如视网膜色素变性和年龄相关性黄斑变性等[31-33]。视网膜假体的MPDA通常被置于三个不同的位置:1)视网膜表面,黏在视网膜上,如ArgusⅡ和Epi-Ret 3系统;2)视网膜下(如视网膜色素上皮层和神经视网膜层间),如Alpha-IMS系统;3)脉络膜上(如巩膜和脉络膜之间)。目前完成临床试验且上市的产品有美国的ArgusⅡ前视网膜假体系统[34]及德国的Alpha-IMS视网膜下植入系统[35]。ArgusⅡ系统已于2018年应用于临床,该系统激活视觉通路的有效性已得到证实,患者的视觉辨认、靶向定位、运动识别和导航能力均有提高。由于ArgusⅡ人工视网膜系统的视野范围较局限和图像接收处理可能会有不同程度的延时,FDA建议ArgusⅡ人工视网膜系统可辅助拐杖或导盲犬进行导航[34-37]
2.2.1.2 人工感受器
人工视网膜是利用MPDA在视网膜中充当光感受器角色,而人工光感受器是极其细小的纳米单元,能直接把光刺激变为电信号,将它植入到大鼠受损的视网膜后可以与眼组织相互作用来模拟视觉。Tsai等[38]研发了一种卤化物钙钛矿的人工光感受器,该感受器与人视网膜视锥、视杆细胞一致,能对红、绿、蓝三种颜色有特定的光反应,而且灵敏度高、反应速度快、性能优良,可迅速将图像和光转换成视觉信号。omas等[39]给6例晚期视网膜色素变性患者植入一种称为Alpha AM的人工光感受器视网膜植入物,该植入物可以模拟这些神经光感受器的光谱形状和光敏功能,即模拟视杆状细胞和所有三种视锥状细胞的光谱响应,并能够提供兼容的弱光灵敏度、短响应时间和大动态范围,从而提高视觉质量,结果显示:Alpha AM改善了其中5例的视觉,并在24个月的观察中都能够感知光的明暗和物体形状物体,为人们提供基本的视觉元素,可以更容易地在环境中定位。
2.2.1.3 其他
当前关于视觉假体的研究和开发,除了视网膜假体外,还集中于视觉通路中的其他结构(视神经,外侧膝状体核和视皮层等),这些视觉假体可以用于视网膜假体无法起作用的神经节细胞、轴突受损的视神经病变和视网膜内层病变等,但由于刺激电极在结构上精确定位很困难且并发症较多,导致目前临床应用相对较少[30]。具体的临床及科研难题需要解决,如:如何保持植入物的长期稳定性和生物相容性;如何定位病损部位、如何有效地减少手术并发症、增加安全性;刺激电极、芯片的结构设计、刺激参数的选择及刺激安全阈值应如何确定等[40]
2.2.2 视觉感官替代设备(sensory substitution devices,SSDs)
视觉感官替代设备是人工视觉修复技术的另一重大突破,与视觉假体不同,它主要利用人类感官系统交叉模式,通过环境的多模式表示(声音和触觉)来“还原”患者部分视知觉能力。该技术属于无创的人机界面,通过绕过丧失功能的视觉系统,将视觉信息转换为听觉或触觉信息,从而刺激中枢神经系统,以到达部分恢复视觉的目的。研究表明[41],使用SSDs将视觉转换为听觉或触觉信息,通过环境的多模式表示(声音和触觉)进行视觉恢复的感官替代技术是帮助具有严重视觉损害的患者提高生活质量和社会参与度较为有效的方式。目前视觉感官替代技术的研发成果主要包括听觉替代视觉设备、触觉替代视觉设备、多感觉反馈的感觉替代系统。
2.2.2.1 听觉替代视觉设备(audio sensory substitution devices)
人类的视觉-听觉交叉模式可将定的视觉刺激与不同音调的听觉刺激匹配,当视听刺激重合时,初级视皮层中的神经元反应增强[30]。利用像素和频率之间的关系,可通过人工视觉模型的采集处理把图像信息转化为声音信息,使视觉刺激转化为听觉刺激,最后经耳朵传入大脑多感觉皮质区以“重现”视觉图像[42]。研究发现,听觉输入可调节小鼠早期视觉皮层中神经元的反应;经过声音替代的视觉训练,盲人的初级视皮层对声音信号都有响应,大脑的相关区域得到增强[43-44]。Meijer设计的VOICE系统开创了听觉视觉替代技术的研究,随后出现的有三维立体声引路系统、三维空间视觉障碍辅助系统、超声人工视觉系统等[45]
2.2.2.2 触觉替代视觉设备(tactile sensory substitution devices)
触觉替代视觉设备与听觉替代的工作原理类似,即通过人工处理驱动相应电极刺激引起触觉,使视觉信息通过触觉通道在头脑中重组、重现[28]。手杖是第一个触觉替代视觉的有效工具[46];Braille盲文是触觉替代视觉技术的典型范例,成功实现了盲人的读写[48];手和手指中高密度的机械感受器为触觉反馈提供了良好的位置,由此研发了很多以手作为视觉辅助设备的可穿戴触觉反馈系统。包括:将带GPS的振动器连接到手指上,用于盲人导航;可探测外界物体距离的电刺激手套;通过皮肤显示视觉信息的指尖触觉显示器等[47]。作为触觉反馈的其他位置还包括角膜、舌头、嘴唇、躯干、头部和脚部等[48-49]。在选择将触觉反馈应用为视觉辅助的具体位置时,主要需权衡用户舒适度和反馈信息密度之间的关系。在腰部或脚底上施加触感可能是自然的位置,刺激高密度机械感受器区域(例如嘴和指尖)可以实现更高分辨率的反馈,可以更真实地传达视觉信息。
2.2.2.3 多感觉反馈替代设备
尽管技术不断更新,但单纯的听觉或触觉替代设备只能解决患者所面临的部分问题。而听觉、触觉、视觉相结合的“立体视觉之声”设备(stereo vision based sensory substitution devices)超越了视觉感官替代的现有技术,该设备依靠复杂的计算机视觉技术和传感器的融合,通过触觉和听觉提供连续的实时多感官环境反馈,是目前唯一涉及多感觉反馈的感觉替代设备。多项研究证实,该设备不仅可帮助患者检测动态障碍物,还可提供丰富、自然视觉感的环境图像,适用于有社交及特定工作需求的严重视觉损伤患者,如视神经萎缩或视网膜色素变性的患者等[30, 50-51]
视觉感官替代设备为视觉损伤程度较重、自主生活能力严重受限患者的视觉康复开辟了新的领域,与视觉假体相比,它具有无创、安全可靠、加工成本低、推广性强等优点,具有较为乐观的发展空间和临床应用前景,相信在不远的将来,随着技术的进步和研究的深入,更多的患者将从中受益。

2.3 其他

近年来,有学者利用视觉中枢网络可塑性的特点,通过神经感觉适应性物理刺激的技术来改变皮质视觉系统中大脑皮质兴奋性,帮助因视网膜、视神经、视中枢等视觉通路疾病导致视觉功能严重受损的低视力患者恢复了部分视功能[53-54]。此类技术具有安全、无创、易操作、接受度高等优点,常与其他视障辅助技术联合使用。目前该方面的主要研究技术有经颅直流电刺激和视觉生物反馈训练两种。
2.3.1 经颅刺激
经颅直流电刺激是一种诱导皮质兴奋性改变的技术,经刺激后大脑皮层可产生局灶性和短暂性变化,可调节脑网络的可塑性。该技术主要用于皮质视觉系统病变导致视觉功能损害的患者。研究发现,该刺激是视网膜到枕叶皮层的整个视觉通路中神经元产生的局灶性、短暂性变化,可促使同侧偏瘫致视野缺损患者的视觉诱发电位(visual evoked potential)振幅显著增加,恢复部分视功能[55-56]
2.3.2 视觉生物反馈训练
视觉生物反馈训练又称为“优选视网膜注视”训练,该训练主要利用黄斑变性患者的大脑皮质可塑性和神经感觉适应来提高视功能[57]。通过训练,患者重新选用一个黄斑以外的新的视网膜注视点(referred retinal locus)获得偏心注视,激活黄斑以外的视网膜,从而提高视觉功能。多项研究证实,以微视野计为主导的视觉生物反馈训练能有效激活视觉系统,通过训练可明显提高患者空间亮度对比敏感度、色觉阈值、视敏度、阅读速度和固视稳定性等[58-59],该训练主要应用于以中心暗点为特征的各类退行性疾病、黄斑变性患者视觉康复的治疗。

3 展望

低视力康复的重点是通过为患者制定系统化、个性化的视觉康复方案来最大化利用患者残余视力,改善其视功能,解决与低视力相关的功能限制,使患者的生活质量和社会心理健康得到全方位提升,从而提高他们日常生活的参与度和独立性。
综上所述,随着生物医学工程技术的蓬勃发展,视障辅助技术的不断创新为低视力患者视觉康复提供了更多的选择,特别是人工视觉修复技术的临床应用给低视力康复的发展开启了新的篇章,获得了较好的视觉康复效果。然而,不管技术如何革新,目前依然没有一种视障辅助技术能够完全“还原”正常眼球的全部功能。加强对可致盲眼病生理病理学机制的研究,提高相关病变防治水平,减少患者视力丧失不仅是防盲治盲工作的重点,也是低视力康复有效实施的先决条件。目前,低视力康复发展面临着临床和科研的巨大挑战,要研发出一种能有效改善视觉功能,同时能兼顾全面性、经济实用性、便携性、舒适性、实时性和长期操作性的视障辅助技术,这需要医学、生物学、工程学、微电子学、计算机学等多学科的共同发展和相互合作。

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突

开放获取声明

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1、云南大学“双一流”建设-儿童低视力防控创新团队(CY2262C4106)
2、云南省卫生高层次人才培养项目(领导人才)(L-2018018)
3、云南省眼部疾病临床医学研究中心开放课题(YXZX-16)
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