面向视网膜神经节细胞刺激的光学供能数字视网膜假体架构可行性评估

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Feasibility Assessment of an Optically Powered Digital Retinal Prosthesis Architecture for Retinal Ganglion Cell Stimulation

　　本研究针对现有视网膜假体存在经皮电缆导致手术复杂、感染风险高及可靠性差等问题，提出了一种基于近红外光通过瞳孔同时传输能量与数据的新型数字视网膜假体架构。研究人员通过高效率多结光伏电池将光能转换为电能，驱动CMOS刺激器产生灵活的顺序刺激脉冲，并利用金刚石微电极阵列对退化大鼠视网膜进行钙成像实验验证。结果表明，在850 nm波长、4 mW/mm2的安全辐照度下，激光能量足以同时供能并成功诱发视网膜神经节细胞（RGCs）响应，且最高可实现每秒35,000次脉冲的刺激频率。该研究为开发无需电缆、具备高重复频率复杂刺激模式的无线视网膜假体提供了重要技术支撑。

　　

全球约有2.5亿人因视网膜退化性疾病面临中度至重度视力损伤，而现有临床视网膜假体（如ARGUS II和Alpha IMS）虽能通过电刺激残留神经元产生视觉感知，却依赖穿透眼球的经皮电缆供电，不仅手术复杂，还存在感染风险与设备寿命短的隐患。为解决这一难题，研究人员提出了一种颠覆性的无线供能方案：利用近红外光透过瞳孔同时传输能量与数据，驱动植入式数字刺激器实现高精度神经调控。这项发表于《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》的研究，通过集成光学、电子学与神经工程学技术，为下一代视网膜假体的设计开辟了新路径。

研究团队采用多学科交叉技术方法，核心包括：1）基于垂直外延异质结构的高效多结光伏电池（光电转换效率59.4%），将850 nm近红外光转换为电能；2）采用65 nm CMOS工艺设计的刺激器ASIC（Application-Specific Integrated Circuit），支持288通道电极驱动与可编程时序刺激；3）利用化学气相沉积（CVD）制备的硼掺杂超纳米金刚石（UNCD）微电极阵列，兼具高电荷注入容量与生物相容性；4）通过钙荧光成像技术（Oregon Green 488 BAPTA-1染料）在退化大鼠模型（RCS-p+大鼠）中定量评估视网膜神经节细胞（RGCs）的电诱发响应。

植入体架构设计

该系统通过近红外激光（850 nm）以曼彻斯特编码传输数据至光电二极管，同时由光伏电池为ASIC供电。刺激器采用动态电流复制架构确保电荷平衡双相脉冲，避免电极界面电解损伤。此外，集成模数转换器（ADC）可实时监测电极阻抗，并通过2.4 GHz射频发射器回传数据至外部设备。

能量预算与安全性验证

在安全辐照度限值（4.06 mW/mm²）下，针对3×3 mm²光伏电池的理论最大输入功率为36.5 mW。实验测得激光经眼内介质吸收（损耗约20%）后，光伏电池实际输出功率为13.1 mW，足以支持ASIC待机功耗（3.5 mW）及刺激脉冲需求。通过配置15 μF储能电容，系统可在眨眼导致的瞬时断电中维持脉冲完整性。

RGCs响应验证

在退化大鼠视网膜模型中，研究人员通过钙成像技术绘制了单电极刺激下RGCs的空间阈值分布图。结果显示，100 μs短脉冲可激活更局部的神经元群体，而500 μs长脉冲则因轴突束间接刺激导致响应范围扩散。

阈值分析表明，短脉冲（100 μs）虽需更高瞬时电流，但总能量需求低于长脉冲，更适合序列化刺激策略。在平均刺激阈值下，系统最高可实现35,000 pulses/s的阵列级脉冲分配率，相当于每电极128 Hz的刷新率，优于临床设备（如Argus II的3–60 Hz）。

讨论与意义

本研究首次验证了数字红外供能架构在视网膜神经节细胞刺激中的可行性。相较于传统光电二极管阵列的并行刺激策略，该方案通过序列化脉冲分配实现了能量集中利用，更适用于RGCs偏好短脉冲、高电流的生理特性。此外，金刚石电极的一体化封装有望提升长期植入可靠性。然而，未来仍需解决电极-视网膜距离优化（当前实验采用亚视网膜放置）、小尺寸电极集成（现为120 μm）以及眼动追踪下的光束对齐等挑战。该技术为开发闭路式、细胞级分辨率的视网膜假体奠定了坚实基础，推动视觉修复向精准神经编码复现迈进。