經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統的製作方法
2023-05-29 12:16:41 1
專利名稱：經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及醫療設備技術領域，具體涉及一種視覺功能修復系統。
背景技術：
世界衛生組織報告顯示，世界範圍內有超過1.6億人視力受到不同程度的損 害，其中，大約4500萬人患盲症。臨床資料表明，視網膜變性疾病，如視網膜色素變性 (Rtinitis Pigmentosa, RP)(Age—Related macular Degeneration, AMD)等，是致盲的主要疾病。人們嘗試手術、藥物等多種方法幫助患者恢復視力，但目前各 種方法的效果均不理想。研究開發利用植入式神經電刺激技術重建視覺功能，正成為讓失 明或瀕臨失明的患者重新獲得部分視覺功能的重要努力方向。目前，基於植入式神經電刺激的視覺功能修復主要在視網膜、視神經傳導通路、視
覺皮層等三個層次展開。人工視網膜是廣泛開展的研究領域，國外起步較早，美國的南加州大學的Doheny 視網膜研究所、北卡羅來納州立大學、馬裡蘭州的Wilmer眼科研究所等進行比較深入的研 究，已經取得了實驗室樣本；美國FDA已經批准了 2個臨床試驗項目將人工視網膜應用於患 者，並取得了取得初步效果。國內開展人工視網膜研究的單位包括復旦大學、重慶大學、中 國科學院/上海微系統所、上海交通大學、北京大學、上海理工大學、首都醫科大學、中科院 半導體所等，中科院、重慶大學項目組已經研製出了原理性樣片。在視神經傳導通路方面，澳大利亞利用接觸型的螺旋袖套電極對視網膜炎患者的 視神經進行電刺激，並得到了光幻覺效應；國內，上海交通大學任秋實教授課題組提出使用 特定外形的插入式多電極陣列植入視神經，並以此作為耦合編碼電刺激與神經節細胞軸突 的神經接口。基於視皮層刺激的視覺功能修復的基本原理是將外界圖像信息轉換為電脈衝信 息，通過電極對視皮層的直接刺激，以修復視覺功能，它旁路了視網膜和視神經傳導通路。 最早的視皮層刺激可以追述到20世紀60-70年代，Brindley等發現基於視皮層表面的刺 激能引起受試者產生光幻視(Phosphene)；美國Utah大學成功研發了基於矽基底的高密度 視皮層微電極陣列，西班牙、澳大利亞的研究組也研製了視皮層表面微電極陣列，並開展了 動物實驗。綜合分析上述三種視覺假體修復技術，基於視網膜的視覺修復需要失明患者視網 膜具備30%以上的殘存功能；基於視神經的視覺修復同樣依賴於失明患者具有較好的視 網膜殘存功能，而且手術難度大；視皮層為視覺的最高級中樞，基於視皮層的視覺修復適用 於除皮層病變外的其他各種類型失明患者的視覺功能修復，但由於現有的研究都採用微電 極陣列直接刺激視皮層，存在手術感染、腦脊液漏等風險。
發明內容
有鑑於此，為了解決上述問題，針對現有基於視皮層的視覺修復技術中存在的不足，本發明提出一種經硬腦膜對視皮層進行電刺激的視覺功能修復系統，由於其植入體置 於硬腦膜上，手術中無須打開硬腦膜，能避免了手術感染、腦脊液漏等風險。本發明的目的是這樣實現的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，包括圖像採集模塊；圖像信息提取與壓縮編碼模塊，利用圖像採集模塊採集圖像信息，生成數字圖像， 通過壓縮編碼處理生成與圖像信息相對應的控制信號；電刺激信號發生模塊，根據圖像信息提取與壓縮編碼模塊輸出的控制信號，控制 微電極陣列輸出相應電刺激信號；以及微電極陣列，用於輸出電刺激信號。進一步，所述圖像信息提取與壓縮編碼模塊為DSP晶片；進一步，所述壓縮編碼處理包括對圖像信息進行空間解析度非均勻壓縮；進一步，所述壓縮編碼處理還包括對圖像信息進行由0至255均勻劃分的0、85、 170,255共四個灰度級的灰度壓縮；進一步，所述電刺激信號發生模塊為FPGA晶片及其外圍轉換電路；進一步，所述電刺激信號發生模塊為輸出多通道電刺激信號；進一步，所述FPGA晶片內部包括刺激脈衝發生模塊和多路選擇器，每一個通道對 應一個多路選擇器；進一步，所述微電極陣列刺激範圍為5mmX2. 5mm ；
進一步，所述微電極陣列中的微電極為凸點結構。本發明的有益效果是可通過微電極陣列刺激對應的視皮層區域，使患者產生光 幻視，進而恢復患者的視覺功能；手術中無須打開硬腦膜，能避免了手術感染、腦脊液漏等 風險，；在進一步的技術方案中，結合視皮層65%的區域對應著<5°的視網膜窩區這一特 性，進行空間解析度的非均勻壓縮，以及對圖形信息進行由0至255均勻劃分的0、85、170、 255共四個灰度級的灰度壓縮，將圖像劃分為八個或八個以上灰度級時，圖像細節保留過 多，幹擾主要信息的表達；當圖像為二值圖時，信息丟失較多；而劃分為0、85、170、255四個 灰度級時，既較好的還原了原圖信息，又減少了一些不必要的圖像細節；微電極陣列中的微 電極為凸點結構，可增大電極與組織間的接觸面積，降低接觸阻抗。
為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進 一步的詳細描述圖1示出了經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統的結構示意圖。
具體實施例方式以下將對本發明的優選實施例進行詳細的描述。參見圖1，經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，包括圖像採集模塊、圖像信息 提取與壓縮編碼模塊、電刺激信號發生模塊和微電極陣列。圖像採集模塊可採用ccd攝像裝置；圖像信息提取與壓縮編碼模塊採用DSP晶片， 利用圖像採集模塊採集圖像信息，生成數字圖像，並獲取圖像亮度、邊緣輪廓燈信息，通過壓縮編碼處理生成與圖像信息相對應的控制信號，壓縮編碼處理過程中包括對圖像信息進 行空間解析度非均勻壓縮以及行由0至255均勻劃分的0、85、170、255共四個灰度級的灰 度壓縮的步驟；電刺激信號發生模塊為FPGA晶片及其外圍轉換電路，電刺激信號發生模塊 輸出多通道電刺激脈衝信號，所述FPGA晶片內部包括刺激脈衝發生模塊和多路選擇器，每 一個通道對應一個多路選擇器，根據圖像信息提取與壓縮編碼模塊輸出的控制信號，控制 微電極陣列輸出相應電刺激脈衝信號；所述微電極陣列為利用FPC、IC等微加工工藝構建 高密度的微電極陣列，微電極陣列由刺激微電極陣列、外圍鍵合點微電極陣列和連接導線 組成，微電極為凸點結構，微電極陣列刺激範圍為5mmX2. 5mm。微電極陣列將電刺激信號發 生模塊輸出的電刺激脈衝信號經硬腦膜刺激視皮層，電刺激脈衝信號在電極陣列中的空間 分布與視皮層對圖像的響應模式相關。在使用時，將微電極陣列的刺激端植入硬腦膜上方，每一通道的信號經過連接線 引入到對應的刺激微電極，刺激硬腦膜下方對應的視皮層區域，使失明患者產生光幻視，進 而恢復患者的視覺功能。由於無需將微電極陣列植入視皮層，因此可將微電極陣列和圖像 信息編碼電路進行集成，提高系統的可靠性。以上所述僅為本發明的優選並不用於限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以 對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修 改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和 變型在內。
權利要求
經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於包括圖像採集模塊；圖像信息提取與壓縮編碼模塊，利用圖像採集模塊採集圖像信息，生成數字圖像，通過壓縮編碼處理生成與圖像信息相對應的控制信號；電刺激信號發生模塊，根據圖像信息提取與壓縮編碼模塊輸出的控制信號，控制微電極陣列輸出相應電刺激信號；以及微電極陣列，用於輸出電刺激信號。
2.如權利要求1所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所述圖 像信息提取與壓縮編碼模塊為DSP晶片。
3.如權利要求1或2所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所 述壓縮編碼處理包括對圖像信息進行空間解析度非均勻壓縮。
4.如權利要求3所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所述壓 縮編碼處理還包括對圖像信息進行由0至255均勻劃分的0、85、170、255共四個灰度級的 灰度壓縮。
5.如權利要求1所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所述電 刺激信號發生模塊為FPGA晶片及其外圍轉換電路。
6.如權利要求5所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所述電 刺激信號發生模塊為輸出多通道電刺激信號。
7.如權利要求6所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所述 FPGA晶片內部包括刺激脈衝發生模塊和多路選擇器，每一個通道對應一個多路選擇器。
8.如權利要求1所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所述微 電極陣列刺激範圍為5mmX2. 5mm。
9.如權利要求8所述的經硬腦膜外電刺激的視覺功能修復系統，其特徵在於所述微 電極陣列中的微電極為凸點結構。
全文摘要
本發明涉及醫療設備技術領域，具體涉及一種視覺功能修復系統，與現有的基於視皮層刺激的視覺修復系統不同，本發明提出一種經硬腦膜對視皮層進行電刺激的視覺功能修復系統，由於其植入體置於硬腦膜上，手術中無須打開硬腦膜，能避免了手術感染、腦脊液漏等風險，包括圖像採集模塊；圖像信息提取與壓縮編碼模塊，利用圖像採集模塊採集圖像信息，生成數字圖像，通過壓縮編碼處理生成與圖像信息相對應的控制信號；電刺激信號發生模塊，根據圖像信息提取與壓縮編碼模塊輸出的控制信號，控制微電極陣列輸出相應電刺激信號；以及微電極陣列，用於輸出電刺激信號。
文檔編號A61F9/00GK101879348SQ20101020346
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月18日 優先權日2010年6月18日
發明者侯文生, 姚軍平, 王星, 胡寧, 鄭小林, 陰正勤, 陳麗峰 申請人:中國人民解放軍第三軍醫大學第一附屬醫院