自然的奥秘与仿生学
课程论文
《浅谈仿生眼及其在现代医学中的应用》
姓名：王振国
学号：201300110089
专业：化学类
年级：2013级
班级：化学1班浅谈仿生眼及其在现代医学中的应用
仿生眼简介
仿生眼，又称电子仿生眼（eyeclops bionic eye ）设备包括一副装有摄像头和信号传送器的眼镜、一个视频处理器、一个信号接收器和一个电极。

佩戴这种眼镜前，患者首先要接受眼部手术，将一个极薄的电子信号接收器和电极板植入视网膜上。

电子仿生眼是运用仿生学原理，模拟人眼的成像原理，帮助失明患者重新获得视觉能力的仿生科技产品。

仿生学原理
一、人眼成像仿生原理
人眼成像原理图如下，所取的距离为250米，则人眼成像见下图：
自然界各种物体在光线的照射下，不同颜色可以反射出明暗不同的光线，这些光线透过角膜、晶状体、玻璃体的折射，眼球中的角膜
和晶状体的共同作用，相当于一个“凸透镜”，在视网膜上形成倒立、缩小的实像，构成光刺激。

视网膜上的感光细胞（圆锥和杆状细胞）受光的刺激后，经过一系列的物理化学变化，转换成神经冲动，由视神经传入大脑层的视觉中枢，然后我们就能看见物体了,经过大脑皮层的综合分析，产生视觉，人就看清了正立的立体像。

人的眼睛是个复杂的成像系统，而人的大脑像CPU处理这些图像，让人能在视觉上感知到图像。

人眼成像最主要的是晶状体和视网膜。

晶状体调整眼睛的焦距是光束集中到富有视锥细胞和视柱细胞的视网膜上，在进行光电（生物电）变化，由视觉神经把信号传至大脑生成图像。

人类的目标就是能制造出能过可以和眼睛相媲美的视觉系统，这是机器智能化的关键部分。

二、电子眼就是一套摄像系统
要了解电子眼的工作原理，我们首先要对人的视觉机理有一个清晰的了解。

人的视觉过程可以分成三个环节：接收信息，外界的光线通过眼球的晶状体会聚在眼球后面的视网膜上成像；传递信息，视网膜把接收到的，通过与它连接的视神经把信息传递到大脑的侧膝体，再传递到大脑的视皮层；解读信息，大脑的视皮层将对接受到的各类信息加工整理、去伪存真，还要与原来储存的信息进行比较，最后得出结论。

神经科学家告诉我们，人的视网膜上有1.3亿个光感受细胞，而视网膜的信息输出要靠大约120万根神经纤维；在信息输出的过程中还需要进行信息处理和变换。

这是一个极其复杂而精致的过程。

“电子眼”的专业名字叫仿生眼（bionic eye）。

据国外资料报道，仿生眼的研究始于20世纪70年代，其原理是把摄像器获取的图像信息变成电信号，传送到埋在盲人颅骨下的视皮层上的电极，使盲人获得光感、闪光感和字母认知能力。

20多年来，仿生眼的研究已经取得了可喜的进步，英美科学家为几十名盲人安装了视网膜芯片仿生眼。

通常由于黄斑退行性病变或者色素视网膜炎，而导致这些患者眼球内的光感受器受到损害。

仿生眼的具体构造是在一副太阳镜上置配微型摄像器和信号发射器。

摄像器会将它检测到的有关的图像信息传送到微处理器（微处理器佩戴在盲人的腰带上），微处理器再把视频信号转换成电信号传送到眼镜架上的信号发射器上。

发射器则把无线信号发送到已植入眼球的接收装置，并刺激神经细胞，通过视神经传入大脑。

三、仿生眼的两个关键装置
在仿生眼的整套电子系统里，有两个最关键的装置：一是摄像器。

现在的电子摄像器通常用电荷耦合装置（CCD）或CMOS器件来获取图
像，前者在技术上比较成熟，在市场上有优势，但是CCD器件的动态范围不佳；后者是光二极管，它可以用对数方式压缩光电流（变成电压）。

二是植入视网膜里的芯片。

在20世纪末国外已经制成了神经形态视觉芯片，芯片的一面是光感受器，接收光信号，再把这块芯片集成在一片小硅片上。

硅片上安装了集成电路，可以进行大规模并行模拟计算，运算速度非常快，可以在一定程度上替代已经损坏的视网膜。

由于仿生眼只用数目很少的电极，科学家开始时只期望盲人装了它以后可以分辨明暗，但令人意外的是他们可以区分盘子、盆子，甚至可以看到运动的物体，能够避开障碍物。

仿生眼在现代医学的应用
实例
美国“阿格斯二代视网膜仿生系统”能够恢复失明患者识别事物的真实颜色
据国外媒体报道，经过科学家多年研究，美国首款仿生眼产品能让患者恢复视力，临床测试初期完全失明患者仅能看到黑白色物体，伴随着视力的逐渐恢复，部分患者表示能够看到周边事物的真实色彩。

美国加州第二视力医学产品公司研制的“阿格斯二代视网膜仿生系统”现已帮助60多位患者恢复了局部视力，其中一些患者表示恢复效果超出预期。

这个仿生眼系统是由60个电极植入视网膜，同时在眼球晶体上安装一个特殊的微型相机。

目前，它已获批在欧洲市场进行销售，美国食品药物管理局(FDA)不久也将批复，从而使它成为世界上首款广泛应用的仿生眼。

第二视力医学产品公司市场研发部副主管布莱恩-梅彻说：“这是美国最早研制的仿生眼，也是第一款世界范围销售的仿生眼。

”
这款仿生眼的受益者是色素性视网膜炎患者，这是一种罕见的遗传疾病，影响着美国10万多人的视力健康，病情严重者将出现视网膜感光体退化。

感光体细胞可以转换光线成为电化学脉冲，通过视神经传输到大脑组织转换成为图像形式。

梅彻介绍称，这款仿生眼的工作原理就是替代感光体的功能。

共有30位28-77岁之间的完全失明患者接受了临床测试，他们植入了仿生眼，一些患者术后视力恢复效果很好，能够阅读报纸的头条新闻，多数患者的视力以黑色和白色区分事物，但一些患者能够识别事物的真实色彩。

浅谈仿生眼及其在现代医学中的应用
仿生眼是由美国麻省理工学院制作的帮助视障人士增强视力的科技产品。

MIT的电子眼模型由一个具弹性的底座、一些用来接收电力与资讯的线圈、一个电极列、以及一个用来执行刺激任务的微型芯片组成。

2011年6月，据英国每日邮报报道，一种能成功恢复盲人部分视力的人造视网膜技术经过成功测试之后，现已得到官方批准应用。