可穿戴设备Argus或成为盲人的特护 让盲人感知世界

可穿戴设备Argus或成为盲人的特护 让盲人感知世界 的图片 热戴网

这款可穿戴设备名为Argus,它可以帮助盲人以非常低的分辨率看清楚事物的边界。它是长达20年的研究和临床试验的结晶,8年前这款设备还在测试时连 线杂志第一次报道了它。现在,美国FDA终于批准了这款设备的小范围使用,很快Argus就将在一些特定的医疗中心开卖。(Argus:阿格斯,古代希腊神话里面的一位巨人,长着有一百只眼睛,因此可以观察到所有方向的事物与动;后世以此来比喻机警的守卫,机灵的护卫。)

  Argus并不能成为盲人的新眼睛,病人戴上它并不能像普通人一样看见东西,他们看见的是黑白的边缘和一些对比点,大脑可以通过训练来使用这些数据做为视觉向导。它提供的视觉数据足够让病人重获一些生活独立性,让他们可以安全地过马路,或是在一个不熟悉的房间里行动。
  能够使用这一设备的人群是那种曾经有视觉的盲人,通过这款设备提供的视觉信息结合用户记忆中的图片,用户才能做出一些视觉上的判断。
  Argus的实现用到了一系列的硬件,其中的的核心部件为植入进用户视网膜的一组60个微型电极。用户同时还会戴上一副太阳镜,这副太阳镜 配有摄像头和德州仪器的数字信号处理器。其中的芯片把摄像头捕捉的光线转换成脑电活动信号,这些信号无线传输到眼睛里的接收器,接收器连接着微型电极。而 这些微电极,其实就是微型玻璃针,会刺激视网膜中的神经细胞,然后这些细胞会把信号传到相应的大脑部分处理成视觉信息。
  使用这款设备需要要健康的视觉神经,因此神经已损坏的病人就无法使用。
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  这款设备也使用了很多消费电子产品中的元件,例如上面的微型摄像头就和手机上的差不多,而设备中使用的DSP数字信号处理器芯片在消费级别的电子产品中也很常见,例如Moto X中的8X芯片就包含有2个DSP芯片。
  尽管在医学领域这是一项前沿的成就,但它使用的芯片却有10年之老,这是因为和消费电子产品接受FCC的检测不同,医疗产品要在FDA通过的话需要很长时间,而且一旦更换了其中部件,就需要再走一遍程序。
  研发这款产品的公司Second Sight正在考虑把Argus的芯片换成ARM处理器或是一款新的DSP芯片用来进行图像处理,不过想要进行这种更换可能需要数年的时间。
  为了加快研发速度,公司开始转向软件方面。Second Sight正在开发一个叫Acuboost的软件平台,这一平台可以让之前生产的Argus模型的软件升级像电脑系统升级一样容易。这对Argus来说很重要,因为它需要在病人的眼中植入设备,而植入这个设备需要动大手术,因而硬件层面的更新会非常缓慢,软件的更新对新用户和已经植入设备的老用户都会有很大帮助。
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  该公司还在开发算法以提高Arugs的分辨率、图像对焦和变焦。他们最新的软件可以进行自动亮度调整和颜色识别。
  想要让用户看到颜色并不容易,色彩信号需要转换成不同模式的脑电信号,还需要为不同的用户做好相应的优化。
  与此同时,研究者仍然在继续努力探索人工视力机制如何向大脑转述它收集的信息。

迪恩·劳埃德(Dean Lloyd)二十多岁就逐渐开始丧失视力了,那还是1960年代早期,他当时正在学医。医生诊断他患上了乌谢尔综合征(Usher Syndrome),说他会在几个月内失明、失聪,痴呆症也将随之而来。  “我的情况不妙。”劳埃德笑着回忆起这段往事。结果,劳埃德得了另外一种病。他患有先天性色素视网膜炎,这种疾病会逐渐吞噬他的视网膜,特别是感光细胞。一旦这些细胞死去,眼睛就无法传递和解码外界的光线,导致失明。

劳埃德的病症恶化得很缓慢。虽然他夜间视力不佳,但起初并没有其他视力障碍。他转到斯坦福做起了生物化学研究,然后又当了软件工程师。当他的视 力恶化到看电脑屏幕上的代码都很困难时——他说,视力受损的程序员当年可没有助手——他决定试试法学院。在两个阅读机的帮助下,劳埃德通过了考试,并在 1982年开始了法律生涯。那时,他的视力已经非常有限。

1989年,他终于彻底失明。

“17年来,我的世界一片漆黑。”他说,“直到2007年,我有了Argus。”

Argus是希腊神话里百眼巨人的名字,他可以看到所有方向的事物。这其实是一款可穿戴电脑,能帮助盲人以极低的分辨率看到各种边界。我们大约 8年前第一次报道了这种设备,它当时还在测试。现在,它终于获得美国FDA的认证,可以在美国用在与劳埃德状况类似的病人身上。这款设备很快就将在几家医 疗中心销售,包括加州大学旧金山分校。

Argus并非真正意义上的“盲人的眼睛”——病人无法像正常人一样看东西。不过,他们可以看到黑白边界和对比点,通过训练,便可利用这些人工 数据来进行视觉引导。这种方式可以提供足够的视觉信息,帮助病人实现一定程度的独立,使之安全地穿过街道,或者在陌生的房间里走动。

“你必须重新学习看东西,但使用这种设备的人以前都曾看见过东西。”劳埃德说,“当你经历过这些不幸后,你的脑海里依然保留着之前看到的各种东西的图像。所以,你可以自己创造图像,与记忆进行匹配。很多人在思考这种设备时并没有想到这一点。”

  工作原理

这款设备通过一系列硬件实现了这一功能。Argus的核心是由60个微型电极组成的网格,需要植入病人的视网膜内。病人还要戴一副太阳镜,里面配有一个视频摄像头和一个德州仪器的 DSP(数字信号处理器)。芯片将摄像头捕捉到的光转变成脑电活动信号,然后将信号无线传输到与电极网格相连的接收器。这些电极其实就是微型玻璃针,可以 模拟视网膜的神经细胞,然后将信号传输到负责处理视觉信息的大脑区域。通过这一刺激,便可让人感受到视觉。由于视神经必须完好,所以如果神经受到破坏,或 是因为其他原因失明,便无法使用这种设备。

这种设备大约经过了20年的研究和临床实验,而且在很大程度上受益于消费电子行业的创新。例如,Argus的出品方加州Second Sight公司的罗伯特·格林伯格(Robert Greenberg)博士表示,这款产品使用的微型摄像头与手机摄像头很相似。摄像头捕捉到的图像之后会由DSP芯片处理,这种元件同样在消费电子产品中 十分常见。

尽管Argus是医疗行业中首款同类产品,但它所使用的零部件却算不上尖端。DSP芯片使用至今已经10年。要让FDA批准一款医疗设备需要经 过漫长而繁琐的程序,而且只会批准具体的设备。所以,哪怕有一点改动,FDA都需要重新评估。医疗领域不是消费市场,新设备不可能在几个月内开发出原型产 品并推向市场。目前,Second Sight正考虑将Argus升级为ARM处理器,或是新的DSP芯片,但这种改动有可能需要经过数年的测试与审批。

“由于需要展开大量测试,所以我们使用的计算机技术并不是最新的尖端技术。”格林伯格说。

为了加速开发流程,Second Sight将把注意力转向软件。该公司正在开发名为Acuboost的软件平台,这样便可向升级电脑操作系统一样升级之前生产的Argus产品。这一点十 分重要,因为Argus是一款植入设备,需要对眼部进行很有破坏的外科手术才能完成安装,所以不可能像换手机、平板电脑或增强现实眼镜的电子元件那样更换 它的电极。因此,软件升级对新老病人都有好处。

  改进方向

该公司目前正在开发各种算法来提升分辨率、图像聚焦和缩放能力。他们最新的软件还能自动进行光线调节,甚至识别颜色。

Second Sight的科学家目前已经可以在实验室中,通过向植入视网膜的每个电极发送不同的刺激信号来感知多种颜色。当Argus的摄像头捕捉到红色或绿色时,便 可通过脑电活动的不同形态进行编码,然后发送到病人眼内的电极上,从而创造出色彩。团队正在通过测试了解调整频率或每个刺激之间的延迟是否对产生彩色“视 觉”有影响。由于每个病人都各不相同,所以他们还必须优化算法,以判断每个人的色表——也就是哪种刺激可以让具体的病人看到哪种颜色。

这一新的研究方向来自已经佩戴Argus的病人提供的反馈,他们有的报告说看到了颜色。由于这些病人体内探测颜色的细胞已经死去,所以Second Sight的科学家原本没有预料到这种情况。

“这才引发了我们的调查。”南加州大学的马克·胡莫云(Mark Humayun)博士说,这位眼科医师兼生物医学工程师正是Argus的发明人。这些新的颜色识别算法目前还不完善,但Argus团队希望能够尽快推出。

与此同时,研究人员还在继续研究,以期了解人工视觉机制如何将其搜集的信息传送给大脑。

“很困难,”胡莫云说,“这并不是我们看东西的常规方式,但功能却一样。”(鼎宏)

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