摘要：電極技術(shù)是人造視網(wǎng)膜的核心技術(shù)，本文通過分析電極技術(shù)在人工視覺的專利技術(shù)發(fā)展脈絡，為相關(guān)企業(yè)和科研單位提供研究方向。

關(guān)鍵詞：人工視覺? 電極? 專利

一、引言

人造視網(wǎng)膜電極的具體設(shè)計要求：

（1）電極密度大，同時避免發(fā)生耦合;

（2）阻抗不能太大，防止產(chǎn)生過多熱量;

（3）生物相容性，不會對人體組織造成傷害;

（4）柔韌性，起到較好的電刺激效果;

（5）穩(wěn)定性，能夠長時間地在人體內(nèi)工作，不易被腐蝕或者降解;

（6）體積和重量應盡可能的小，以符合植入式器件的要求。

人造視網(wǎng)膜電極技術(shù)主要包括電極設(shè)計和表面修飾技術(shù)兩大方面。

二、電極設(shè)計專利布局概況

最早的電極設(shè)計專利申請出現(xiàn)在1977年，直到1999年專利申請量增長十分緩慢。從2000年開始，電極設(shè)計的專利申請量開始迅速增長，到2007年達到高峰。此后，電極設(shè)計專利申請量經(jīng)過1年調(diào)整后開始穩(wěn)步上升，并且于2014年達到頂峰。未來一段時間，電極設(shè)計專利申請量還將繼續(xù)穩(wěn)步上升。

根據(jù)分析總結(jié)出電極設(shè)計需要解決的20個技術(shù)問題以及所采用的10個技術(shù)手段20個技術(shù)問題包括：避免過度刺激、避免誤刺激、保證刺激的持續(xù)性、實現(xiàn)刺激的仿生效果、減小電極體積、減小植入電極對人眼組織損傷、降低電極能耗、降低電極產(chǎn)生的熱量、降低制造成本、降低界面阻抗、提高使用者的空間感覺、提高生物相容性、實現(xiàn)使用者顏色識別、提高刺激準確性、提高分辨率、提高植入電極密封性、提高有效刺激強度、保證電極與視網(wǎng)膜形狀匹配、擴大使用者感知視野寬度以及減少植入過程的困難程度。10個技術(shù)手段涉及：材料、襯底、電極陣列觸點、刺激方案、電路連接結(jié)構(gòu)、封裝、電極植入固定方法、刺激電流的誘導方法、植入方法和制造工藝。

電極技術(shù)中最受企業(yè)重視的兩個技術(shù)問題為提高刺激準確性和保證電極與視網(wǎng)膜形狀匹配，其申請量分別為59項占（占23.51%）和54項（占21.51%），緊隨其后的依次為申請量26項（占23.51%）的提高有效刺激強度和申請量21項（占23.51%）的提高分辨率。

在技術(shù)手段方面，企業(yè)最優(yōu)先考慮通過改進電刺激方案提高植入電極的相關(guān)性能，其涉及的專利申請達到74項（占29.48%），其次更愿意對電極陣列觸點的形狀及分布進行改進，共申請了50項專利（占19.92%），緊隨其后的依次為襯底、制造工藝和封裝。

技術(shù)問題1——提高分辨率

通過專利文獻中記載的技術(shù)信息可知，對電極陣列觸點的改進主要涉及對電極陣列觸點形狀和分布方式兩方面的優(yōu)化。

US2003/0187491A1提供一種人工視網(wǎng)膜電極陣列布置方式，在視網(wǎng)膜中心凹處的電極觸點尺寸最小，其它電極觸電圍繞該尺寸最小觸點布置，并且距離越遠尺寸越大，其中，距離該中心凹處越遠，電極觸點間距也逐漸變大。通過這種變尺寸變間距電極陣列布置方式，在不改變電極整體尺寸的情況下，分區(qū)域地提高電極陣列密度，提高了分辨率。

技術(shù)問題2——提高刺激準確性

人工視網(wǎng)膜系統(tǒng)中的提高刺激準確性問題，主要解決如何通過電流刺激最接近真實地還原圖像采集裝置采集到的現(xiàn)實圖像。

US2012/0277826A1涉及一種人工視網(wǎng)膜系統(tǒng)的電刺激方法，電極陣列產(chǎn)生一系列時刺激信號，該短時刺激信號時長均小于0.5毫秒，并且以不同的頻率匹配用于感光的神經(jīng)節(jié)細胞的波峰頻率范圍，從而提高刺激準確性。

技術(shù)問題3——顏色識別

目前人造視網(wǎng)膜技術(shù)通過刺激手段僅能實現(xiàn)基本的黑白圖像輪廓識別，無法很好地識別多種顏色，如何讓使用者更好地識別顏色是人工視網(wǎng)膜技術(shù)要解決的重要問題。通過分析發(fā)現(xiàn)，僅有2項專利文獻記載了實現(xiàn)顏色識別的相關(guān)技術(shù)方案，均是通過改進電刺激方案實現(xiàn)的。

US9205257B1提供了一種誘導視覺假體顏色感知的方法，其在物體上測試刺激模式，確定哪種刺激模式包括顏色，儲存刺激的圖案和色彩的關(guān)系，并使用存儲的關(guān)系來確定用于以后的刺激模式，從而實現(xiàn)顏色識別。

三、電極表面修飾技術(shù)專利布局概況

電極表面修飾技術(shù)相關(guān)專利申請量不大，從申請趨勢上看，申請量最大的幾個年份也只有4項。

電極表面修飾需要解決的5類技術(shù)問題以及相應采用的6類技術(shù)手段。5類技術(shù)問題包括：降低刺激界面阻抗、提高電極和組織的粘附力、提高生物相容性、起到治療效果以及其他技術(shù)問題。6類技術(shù)手段涉及：采用激光照射的方式進行修飾、電極表面沉積復合材料涂層、電極表面沉積金屬材料涂層、電極表面沉積醫(yī)用材料涂層、電極表面沉積有機涂層以及其他修飾方法。

技術(shù)問題1 ——提高生物相容性

美國專利US20110159069A1公開一種醫(yī)用植入裝置，包括一種器件襯底，其具有一表面;硅烷衍生物涂膜共價結(jié)合到表面上;以及生物活性劑的共價鍵合到硅烷衍生物涂膜。該表面可包括至少一個氧化位點其中所述至少一種硅烷衍生物共價結(jié)合到至少一個氧化位點。該表面還包括多個氧化位點，其中多個硅烷衍生物部分共價鍵合到氧化位點和多種生物活性劑分子共價連接到硅烷衍生物部分從而形成表面一層硅烷衍生物結(jié)構(gòu)部分以共價鍵鍵合到生物劑分子。

技術(shù)問題2——降低刺激界面阻抗

神經(jīng)電極是連接神經(jīng)細胞和外部設(shè)備的關(guān)鍵部件，它能夠刺激組織和記錄神經(jīng)細胞外電位，恢復受損的視神經(jīng)功能，理想的神經(jīng)電極應盡可能地保證小尺寸和低界面阻抗，但是減小電極尺寸往往會導致界面阻抗增加，進而影響電信號的質(zhì)量，削弱電極性能。因此，研究如何有效地提高電極性能顯得尤為重要。

美國專利US20160258070A1公開一種神經(jīng)電極的表面改性方法，該方法包括：形成神經(jīng)電極陣列;同時電極沉積，該神經(jīng)電極陣列的表面上，第一和第二具有不同溶解度的金屬納米顆粒具有相對于蝕刻液。和使用該蝕刻溶液選擇性蝕刻的金屬納米顆粒，從而形成多孔結(jié)構(gòu)，其包括該神經(jīng)電極第一的表面上的金屬納米顆粒陣列。該神經(jīng)電極陣列的表面改性為具有孔隙度，可使神經(jīng)電極陣列的表面面積每單位面積的增加，可以降低熱噪聲通過降低阻抗，并能保證神經(jīng)信號的有效測量的靈敏度。

技術(shù)問題3——提高電極和組織的粘附力

歐洲專利EP2714190公開一種用于可植入醫(yī)療裝置的電極，包括：多個導電元件，包括金剛石材料，金剛石材料是摻入氮的金剛石材料; 和至少一個電絕緣元件，其覆蓋每個導電元件的至少一部分并且包括金剛石材料。這種可植入陣列提供能夠刺激視網(wǎng)膜神經(jīng)組織的機械穩(wěn)健的生物相容性和氣密性密封。

四、總結(jié)

本文根據(jù)專利文獻記載的信息給出人造視網(wǎng)膜相關(guān)電極技術(shù)的重要技術(shù)問題和典型技術(shù)手段。

電極設(shè)計中，最受企業(yè)重視的三個技術(shù)問題為提高分辨率、提高刺激準確性和顏色識別，企業(yè)最優(yōu)先考慮通過改進電刺激方案提高植入電極的相關(guān)性能，其次更愿意對電極陣列觸點的形狀及分布進行改進。

電極表面修飾技術(shù)中，企業(yè)重視的三個技術(shù)問題為提高生物相容性、降低刺激界面阻抗以及提高電極和組織的粘附力，并將電極表面沉積金屬材料涂層，以及電極表面沉積有機涂層作為最優(yōu)先考慮的技術(shù)手段。

參考文獻

[1]與生物醫(yī)學植入器件中的神經(jīng)電刺激過程相關(guān)的電化學研究，周道民等，電化學，第17卷第3期，2011年8月.

作者簡介

李澍歆，（1983.2-），男，河北泊頭人，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心福建分中心協(xié)作四部計量工程室副主任，助理研究員，碩士學歷，研究方向：專審查。