全球眼疾种类与眼科市场的规模

眼球基本构造

眼睛是一个非常奥妙、复杂的器官，而眼 球是眼睛的主要部分，成年人眼球直径约24毫米，眼球绝大部分被头颅骨所包围并保护。眼球主要作用是折光、感光并形成视觉信号：外界光波通过眼球的角膜及晶状体的折射后，聚焦在眼底视网膜上，视网膜细胞受到光刺激后形成神经信号，并通过视神经将信号传输给大脑视觉中枢，从而形成视觉图像。

眼球由眼球壁及内容物两大部分组成，内容物当中的“晶状体”是十分重要的一环。晶状体是位于瞳孔后面的一片晶莹物，通过睫状体对晶状体的调节改变折光率，使得光线聚焦在视网膜兼斑上。根据眼科医生的估量，一般人晶状体的厚度，足够承受八次手术，说明这方面的医疗具开发潜力。

内容物的另一个重要组成部分是“玻璃体”，为一透明的胶状物，充满晶状体与视网膜之间的空隙；玻璃体为眼内成像提供了一个透明的空间，且周围组织有一定承压能力。而玻璃体呈球状，难以用人造物料替换，是眼科发展的痛点所在。

眼科市场规模

眼科学（Ophthalmology）是研究视觉器官疾病发生、发展及预防、诊断和治疗的医学科学。眼科疾病包括致盲类和非致盲类，其中最主要的病症包括屈光不正、干眼症、白内障、眼底血管疾病及青光眼等。

西方现代医学对眼科的研究自16世纪开始，17世纪认识屈光成像，18世纪完成白内障摘除手术，至19世纪眼科成为独立学科，20世纪后进入快速发展时期。

根据相关数据，目前全球眼科市场规模超过500亿美元；中国眼科市场总体规模已由2015年的约1000亿发展到2019年的约1700亿元人民币，当中包括三大范畴：眼科用药、眼科器械及眼科医疗，眼科医疗占比一半以上，也是升幅最多的板块。

眼科疾病分非致盲及致盲两大类。非致盲的主要是屈光不正，即近视为主的眼疾，全球有26亿患者，中国占6亿，治疗方法主要是屈光矫正，一般的框架眼镜、OK镜等，或药物治疗，如低浓度硫酸阿托品，但国内尚未获批，而屈光手术亦越见流行。

至于致盲类，最普遍的是白内障，全球有5.5亿患者，中国占1.7亿。统计显示，60岁以上人士有一半机会患上白内障，70岁的机率增至7至8成，到80岁接近百分百长者罹患。其他致盲眼疾则包括：眼底血管疾病、青光症，中国患者约有0.7亿。

主要眼科疾病与治疗市场

屈光不正眼疾

以近视为主的屈光不正眼疾，除了最普及的方法――框架眼镜及角膜接触镜去矫正外，通过激光等形式对眼角膜进行切削，从而改变角膜的屈光度之“角膜屈光手术”，亦越来越普及，目前以半飞秒和全飞秒为主，半飞秒手术费为1.2至1.5万元人民币一双眼，以及全飞秒手术，约2至2.5万元人民币一双眼。

另一项手术名为“眼内屈光手术”，手术不会破坏角膜组织完整性，是通过增加或置换人工晶状体，治疗屈光不正。手法有二，其一是PIOL（有晶状体人工晶状体植入术），过程无需摘除原有晶状体，只在角膜和晶状体之间植入人工屈光介质，费用约3至4万元人民币；其二是RLE（屈光性晶状体置换术），直接摘除自然晶状体，再植入人工晶状体，收费约1至6万元人民币，差距取决于人工晶体类型。

整体而言，如按6亿近视人口，0.3%至0.6%渗透率，平均每台手术1.2万-1.8万元人民币估算，屈光不正手术市场空间达300至500亿元人民币。

白内障

治疗白内障唯一有效的手段是人工晶状体植入手术，已行之有效，技术发展已非常成熟，手术在数秒内完成，主要通过手术植入人工晶状体，以取代已变浑浊的天然晶状体。

手术有两类型，第一是白内障囊内摘除手术，切口较大，可完整摘除晶状体；另一种是白内障超声乳化手术，切口较微小，将晶状体通过超声波乳化后再取出，近年开始以飞秒激光辅助，代替手术刀，更精准可靠。

手术费方面，因手术类型及人工晶状体不同，差异会较大，一般普通手术配及晶状体，每台手术约5000元人民币左右；如采用微切口乳化手术，选择进口多焦点晶状体，手术费提升至2至3万元人民币。

如按每年白内障手术400万台，平均每台手术8000元人民币估算，白内障手术的市场空间达300至500亿元人民币。

纳米仿生人眼──从科幻到现实

人类征服世界的灵感

我从小喜欢科幻小说和电影，当中不少情节成为我科研的灵感来源，推动我长期在仿生科学的领域摸索。

仿生科学是一门既古老又新兴的学问。根据前人的经验，仿生学是模仿生物的特殊本领的一门科学。仿生学通过了解生物的结构和功能原理，来研制新的机械和新技术，或解决机械技术的难题。

仿生学最大的贡献，是推动人类获得征服世界的灵感。以飞行器为例，唐朝的人类看到雄姿万丈的老鹰展翅飞翔，引发人类幻想一飞冲天的动机，堪称中国古代工程师墨子，因老鹰触发飞的梦想，创造了第一只风筝；至15世纪历史上著名发明家达芬奇，其手稿记下了飞行器的雏型；真正实现人类飞行，待1905年，莱特兄弟首次完成了历代发明家的梦想，成功启动了载人飞机。由此，飞机发展特飞猛进，现在中国商飞 C919已经稳步发展，中国隐形战机J20亦蓄势待发。

飞天梦是千年以来，人类的共同梦想，正是仿生学让我们插上了翅膀。

仿生光电器件的灵感来源

自然界昆虫的眼睛，也是我的灵感来源。唐代诗人杜甫诗句：“留连戏蝶时时舞， 自在娇莺恰恰啼。”及韩偓诗句：“碧玉眼睛云母翅， 轻于粉蝶瘦于蜂。”二人对蝴蝶翅膀及蜻蜓眼睛的描述，都是仿生光电器件的灵感来源。蝴蝶的色彩来自于翅膀上的微纳结构，而蜻蜓有超级灵敏的复眼，两者启迪我我研发仿生眼的方向。最近疫症肆虐，伟大的医学人士长期戴上口罩，依然可靠一双灵动的眼睛展现专业精神，因为人类的单眼结构精巧，功能强大，如词人晏几道云：“一寸秋波，千斛明珠觉未多。”

微结构及昆虫复眼的启示

蝴蝶翅膀的微结构，折射出斑斓的色彩，我们创造各种人工微纳结构，如仿生蝶翼的螺旋或多层微纳结构，使我们有了调控颜色的能力；而昆虫的复眼有许多小眼构成，视场角可达180度以上，蜻蜓的超微复眼，每一个凹位就是一个征透镜，成千上万个透镜结合在一个半球体上，形成360全面视觉，象素随焦距远近改变，从而启发仿生复眼照相机的出现。

科幻电影中的机器人之眼

由于我是科幻迷，众多科幻电影中的“眼睛”都令我着迷，引发灵感。许多科幻电影中的机器人都有各种各样的“机器眼”，如Wall-E 、变型金钢等，双眼其实是摄像头，是机器人的成像设备；有些科幻电影则实现了仿生眼，最经典的莫如《终结者》（The Terminator）的眼睛，电影中的类人机器人，他的机器眼需要更像人眼，电影中出现的仿生眼图像传感器和摄像头，为类人机器人和未来的生化人提供了发展蓝图，而仿生眼如何更像人眼，并能超越人眼单眼结构精巧，就是最大的挑战，因为眼睛的球状视网膜结构难以加工，天然的球状，需求极度精巧人的技术。

人类依靠五感──视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉是我们的五个重要感官 • 视觉为最主要感官，人类接受外来信息，约83%都是来自视觉，失去视觉如同失去八成的感官，严重影响个人生活。究竟仿生眼除了用于未来的机器人，是否可以帮助人们重见光明？

全球患视觉障碍者甚众，根据2015年的统计，全球约2.53亿人被不同程度的视障问题所困，在中国，视障人口比率达5.56%，高于世界平均3.46%，假体视网膜市场需求巨大，市场预计在2012至2022年度，需求逾6亿美元。

美国Second Sight视觉恢复技术：视网膜前电极

恢复人类视力的商业选择有限，美国Second Sight是其中之一。这世界上第一个商业人造视网膜的制造商。随着年龄增长或疾病，如癌症、糖尿病、青光眼等，令视网膜色素变性，严重削弱视力。Second Sight产品ArgusII，通过电刺激视网膜，以诱导视障者的视觉感知，配合安装在眼镜上的摄像头获取图像，图像会被传送至一个微型处理器，将图像转换成一组指令，发送至视网膜附近的植入晶片（3.5 毫米 × 5.7 毫米，像素200微米）中，一组电极同时被植入了眼睛周围的视网膜细胞，细胞能够将视觉信息，借由视神经传递至大脑，在患者的视野中产生光的模式。现时约有二百万病人接受过视网膜前电极治疗，手术费用高达一百万元（人民币）。

德国Alpha IMS技术: 视网膜后芯片

德国Alpha IMS视网膜下无线微芯片，面积大小为3ｘ3平方毫米，像素达1500，特色是把芯片植入在视网膜后面，微芯片上附有1500个感光器，负责接收讯号，经过电脉冲传送至大脑神经，处理数据信号后，可产生约1500像素的黑白影像。而晶片所需能源，主要来自于隐藏安装在耳后的无线供电设备，通过小孔连接至晶片。可惜研究耗费高昂，暂因经费问题而无以为继。

科普人眼的盲点问题

纵然困难重重，世界各国的科研人才仍致力研发仿生眼，祈盼为失明人士重见光明。有趣的是，在研发的过程中，我们发现人类的灵魂之窗，构造虽然精巧细致，却有一缺憾。眼球内的视神经纤维，生长在视网膜前表面，人眼感光细胞所收集到的讯号，会先聚集在视网膜的一点，再从视网膜前方往后传送到大脑，因而在人的视觉上形成盲点。仿生眼能否突破缺憾，成就比人眼更厉害的、无盲点的视觉？我们再次从大自然获得灵感。章鱼是头足动物，在深海黑暗的环境中生活，视觉需求比生存在陆地的人类高，牠的视网膜是正装的光电检测器，视神经纤维生长在视网膜后面，正避免了盲点问题。

章鱼的眼睛，启发我们采用纳米线感光器，直接被连系至视障患者眼球后的神经线。与电化眼不同，但在人造视网膜上，由于每个散布在上面的感光器，都可独立透过其后方连接的液态金属线将讯号传送至大脑，无需经过视网膜的某一点，因而消除了盲点的问题。

来自视网膜结构的启发

章鱼为我们解答了盲点的问题，我们再探究如何建构精密的视网膜。眼球中的视网膜，当中的视杆和视锥细胞，三维形状密堆积式阵列，而光敏半导体纳米线，也可以制成三维密堆积阵列。那如何制备三维纳米线阵列？材料是个中关键。

在现存的材料中，我们发现具有蜂窝孔洞结构的多孔氧化铝模板（Aluminum Oxide Membrane），实质上就是自组装方法形成的微纳多孔结构；纳米孔道的几何尺寸精确，而且可调节，结构的周期也可以精确控制，加上氧化铝本身有优越的稳定性，电绝缘性，透明度高，氧化铝是一种完美的纳米光电基底材料。此外，膜的出色柔韧性，使制造柔性设备成为可能。

制仿生眼的三大挑战

一般而言，纳米线阵列可以用于制备平面图像传感器，若要制成仿生眼，有三大 挑战：

• 如何制备球面纳米线阵列视网膜？

• 如何在球面视网膜上实现电极接触？

• 如何与其他元件整合成球形器件？

面对以上挑战，我们率先从平面到曲面进行变革，由于锁定了铝为材料，经多重测试，善用金属铝的柔性，可压铸成各种形状的组件，移走了仿生眼的第一道门槛。至于如何在仿生视网膜实现电极接触，研究最终得出的结果令人震奋，通过 电化学阳极化，可以在半球形铝上均匀地形成多孔氧化铝，以半球状多孔氧化铝模板，来组装半球状纳米线阵列，成功形成仿生视网膜。元件整合方面，其液态金属纤维的PDMS（聚二甲基硅氧烷，是一种多功能聚合物）插座，则是在3D打印的组件上浇筑而成。

电化学仿生眼的运作原理并不复杂，类似于染料敏化太阳能电池，碘离子的氧化还原过程造成电流的过程。然而，球状元件及整合的三大挑战，团队足足花了近四年时间去克服，这一种新颖的微电极阵列组装策略，在半导体纳米线阵列的背面生长金属纳米线电极垂直阵列，然后在磁场辅助下，把镍金属微针插进纳米线阵列，形成单个像素只包含三根纳米线的像素点阵列，并组成一个尺寸仅为2mm×2mm的具有图像识别功能的超小型图像传感器。

仿生眼的超越人眼视力

至于仿生眼的表现是否比人眼更出色？由于仿生视网膜是建基于单根垂直纳米线的器件，而聚焦离子束可以制备基于单根纳米线的光电检测器。使用金属微探针阵列，大大提高了人工视网膜背接触电极的密度，磁场组装的微探针间距最小可达20微米，令纳米线光电检测器的密度高于人眼10倍左右，比鹰眼还高，仿生视网膜具每平方公分容纳约 4.6 亿个奈米大小的传感器，也可称得上是史上最小纳米线图像传感器。据估计，人类视网膜内含约 1,000 万个细胞，这意味着视觉的拟真度，仿生眼比人眼更出色。

另一方面，器件还具有很大的挖掘潜力。比如通常人眼只能看到400纳米到700纳米波长的可见光波段，而我们的器件已经可以响应到800纳米的波长。纳米线十分灵敏，波长甚至超过人眼的波长范围，可对 800纳米波长（介于可见光与红外辐射之间）的光线产生反应，表示器件有在黑暗中看到东西，这是人眼完全无法办到。

仿生眼未来的应用前景

恢复视力

现行的仿生眼技术，即前文提及美国的视网膜前电极，以及德国的视网膜后芯片，两者都是从植入视网膜入手，最值得深入研究的是：植入视网膜前还是视网膜后？我倾向植入视网膜后，因为后方距离视感神经较近，易于传送信号，图象可达更高象素，影象更清晰。此外，我们研发的材料密度高、可弯曲，紧贴球状眼球，突破了二维平面的痛点，未来可应用的潜力更大。

至于对全盲、视网膜脱落或眼球严重受损的病人，则需要更换整个眼球，仿生眼是一个整体的视觉配置，不是单靠植入视网膜可解决。全眼球替换，是脑机结合的工具，由金属电子或纳电子阵列吸收讯号，再引渡至脑后勺的视觉神经中枢，产生刺激而展现图象；我们向眼科医生讨论过可行性，医生认为大脑是可塑性很强的器官，可通过学习、适应去接受讯号去产生图象，然而图象清晰与否、与真实是否相符，则不得而知了。

全眼球替换所需的元件，所有都要安装于脑袋内，成为一个脑机光电结构，手术繁复，必须更详细的研究测试。事实上，现有科学家进行大脑电极植入的研究，比如大脑上的电极阵列，帮助恢复语言能力，或帮助病人识别字母，需要大面积覆盖脑内神经，这些前沿的研究，仍需长时间开发，才可达到应用水平。

超广角光电传感器

在商业应用上，曲面图像传感器是业界的兵家必争之地。例如Sony积极开发曲面图像传感器，唯弯曲度上限至5、6度，弧度再高，立即出现皱起来的问题，我们以金属铝的柔性突破平面至三维的限制，对传感器的发展起关键的作用。

至于超广角摄像头的应用层面，甚为广泛，现时我们仿生眼的镜头视觉，维度已达101度，比一般手机40维度镜头逾两倍半；即使手机外挂广角镜，也不过扩阔至50至60度，作为手机镜头配置，有极大潜力。超广角镜头更可应用在无人机、保安监控摄录上，达全角度光学感知，功能大幅提升。

最近，中国发射“天问一号”探测器，是我国首次火星探测任务，预计在明年2月抵达火星轨道，并择机着陆及展开科学探测任务。其巡视器，即火星车也装上机器眼，假如机器眼采用了超广角摄像头，毋须经常转动，均可摄取全方位的火星景象，身为科幻及航天迷，我十分期待超广角光电传感器可以贡献中国的火星探索工程。

国家级实验室

目前，我们的实验室团队有来自中国内地、香港及印度等地的成员，合作机构包括中国科学院、荷兰原子和分子物理学研究所( Institute for Atomic and Molecular Physic, MOLF)、加州大学柏克莱分校(UC Berkeley)、麻省理工学院 (MIT)等。此外，自2018年开始，港科大先进显示与光电子技术实验室正式命名为国家重点实验室，由有“OLED之父”美誉的美国国家工程院院士邓青云领导，进行关于显示技术的研究，前沿及应用研究并重。

总结而言，光电器件的仿生学可以大大开拓我们的器件设计思路，仿生学需要兼顾科学、工程和美学，是三者结合的成果；而基于仿生眼及仿生视网膜技术的光电传感器，可推而广之，应用至不同范畴。

问：仿生眼是通过光电效应刺激人工眼所产生的电信号传递信息，有别于正常人体的视觉神经信号电流， 你对脑机接口的方法有何看法？

答：我非生物学家或神经科学家，我只能以我粗浅的理解回答。人类的五感，都是通过细胞去感知。当细胞受到外来刺激，细胞膜打开，开出不同的通道，让不同的离子穿过，当带电的离子穿过时，细胞电位便会变化，发生电位差性，从某个神经细胞传给下一个神经细，一直传送到大脑去处理，从而感知声音、影象等，我们的研究采用光电效应去刺激细胞，令细胞电位改变，以此代替生物性信号。

问：请问仿生眼研究最大的技术挑战是什么？

答：第一是如何制造球面纳米线阵列，从平面变革至可弯曲状，没有前人成功例子，团队花了极长时间研究，可幸最终都克服了；第二是材料，由于要植入眼球内，甚至整个人造眼球，必须对人体无害，也不能轻易分解，材料选择上须顾及安全，逐一测试；第三，我们对大脑的认识依然非常粗浅，脑内海量的神经、体系如何运作，如何传送及理解形象，连脑科医生都在不断探索中，这给仿生眼的研发带来巨大挑战。

问：仿生眼何时会真正应用？

答：我们计划5年进行动物测试，成功后再进行人体测试，再需5年时间完成，当中仍有许多变数，我们会向现行两家技术提供者借镜，跟眼科医生合作研究；

我认为约10年后，应该会看到关于这些仿生眼更实际的应用出现。

问：请问在漫长的研究过程中，教授感到受孤独吗？

答：不会，或许因为我本身十分喜欢交朋结友，仿生学包含工程、光电、人机交互、纳米技术、生命科技以至美学，我因而出席不同的科研主题的会议、研讨会等，结识各方面的专家，交流意见；此外，研究团员的博士生来自不同的顶尖学府，年轻有活力，每有新意念，大家都会聊天分享，激发新灵感，有团队的互相支持，研究的路并不孤单。