一種高密度微電極陣列的外層型人造視網膜前端系統設計的製作方法

2023-04-26 16:35:41

專利名稱：一種高密度微電極陣列的外層型人造視網膜前端系統設計的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學工程技術領域的一種高密度微電極陣列的外層型人造視網
膜前端系統的設計方法，具體涉及一種面向高密度微電極陣列的外層型人造視網膜系統提 供視覺信息剌激電流脈衝的前端系統裝置的設計方法。
背景技術：
人造視網膜技術的應用對象是因視網膜疾病，如視網膜色素變性(Retinitis Pigmentosa :RP)或年齡相關性黃斑病變(Age-related Macular Degeneration :AMD)而喪 失視覺的失明人士。依據微電極陣列在視網膜中植入位置的不同，其系統解決方案可分為 兩種Sub-retinal型(安放於視網膜內的)和Epi-retinal型(安放於視網膜表面的)。無 論對於哪一種系統方案，人造視網膜系統都分為眼內和眼外系統兩大部分，其主要原理如 下體外系統獲取圖像信息，並將之轉換成適合視網膜神經系統的剌激模式；將剌激模式 和眼內系統所需能量採用無線方式傳輸給眼內系統，眼內剌激器電路將剌激模式轉化成剌 激脈衝電流，用以剌激植入在視網膜上的微電極陣列，從而剌激視網膜神經，產生光幻視。
人造視覺技術文獻檢索研究發現，國內目前尚無完整人造視覺系統實現解決 方案專利，而國外則有一篇針對整個人造視覺系統提出的實現方法的專利，其專利號為 EP1702647A1，發布日期為2006年9月20日，名為"Visual Prothesis"("人造視覺")。 該發明專利中，人造視覺系統主要由感知外部圖像系統，無線傳輸電路和視網膜組織的剌 激電路組成，其中感知外部圖像系統實現圖像數據到剌激信息向量(stimulus pattern)的 轉換，無線傳輸電路實現剌激信息向量從眼外到眼內的無線傳輸，視網膜組織的剌激電路 則實現剌激信息向量到剌激電流脈衝的轉換。另外，該專利中聲明其眼內元件的供能直接 從接收到的圖像信號中提取。分析該專利技術，我們發現該專利雖然描述了一個人造視覺 系統所需的各項功能組成，但沒有針對高密度微電極陣列的人造視網膜系統提出具體的系 統設計方案。與低密度微電極陣列的人造視網膜系統相比，高密度微電極陣列的人造視網 膜系統設計主要需要注意以下關鍵問題(l)在有限的微電極陣列下，利用圖像處理技術 儘可能增加圖像的有效信息，從而為視覺障礙者提供較好的圖像感知信息；(2)隨著電極 數目增多，需要從眼外傳輸到眼內的數據量也隨之增加，當採用一條鏈路進行數據和能量 傳輸時，難以同時實現既保證較大的數據帶寬，也具有較高的能量傳輸效率；(3)高密度微 電極陣列的剌激器的電路面積問題；(4)眼內植入裝置的生物因素問題，如生物適應性，生 物安全性等。以上問題，目前皆沒有具體技術解決方案。

發明內容
本專利提供了一種為高密度微電極陣列的外層型人造視網膜系統提供剌激電流 脈衝的前端系統裝置的設計方法，本發明針對上述需要注意的問題，分別研究和設計了圖 像處理，無線傳輸以及植入式微剌激器三大模塊。在圖像處理模塊中，提出了採用計算圖像 ROI(Regionof interest)的策略和算法實現了高精度圖像到低精度圖像的有效映射，從而
4為視網膜障礙者提供有效的視覺信息；在無線傳輸模塊中，採用兩條鏈路分別進行數據和
能量的無線傳輸，使得在傳輸高數據量的情況下，能夠達到較高的無線能量傳輸效率；在植
入式微剌激器模塊中，採用驅動單元復用方法有效地減小微剌激器的面積，並採用高輸出
阻抗的輸出驅動電路和電荷平衡方案為微剌激器提供了較高的生物適應性和生物安全性。
上述設計方法和相應的系統裝置為高密度微電極陣列外層型人造視網膜技術的實用化提
供了有效的技術解決方案。 本發明是通過以下技術方案實現的 本發明所涉及的高密度微電極陣列的人造視網膜前端系統，主要包括五個部分 圖像獲取模塊，圖像處理模塊，編碼模塊，數據和能量無線傳輸模塊，產生剌激電流脈衝的 微剌激器模塊。這五個模塊依次連接，其中 所述的圖像獲取模塊是一個CCD (charge coupled device)攝像頭，它將圖像信息 轉化成數字圖像模式。 所述的圖像處理模塊，接收圖像獲取模塊產生的高精度數字圖像，採用先進的圖 像去噪、ROI區域提取(將圖像中人眼感興趣或重要的區域提取出來)、圖像增強、灰度化、 灰度級簡化和圖像尺度變換(以匹配植入微電極陣列的尺寸大小)等一系列圖像處理算 法將原始圖像轉化成能夠提供較多有用視覺圖像信息的低精度圖像，並輸出給後端編碼模 塊。其中，ROI區域提取算法，具體為聯合顯著圖(saliency m即SM)和視覺注意力圖 (vision attention m即VA)提取原始圖像中的ROI區域。其中，SM易於確定圖像中顯著 值最高的點，但是不易得到連續的受關注區域，因此不利於圖像受關注區域的理解；VA則 擅長於將不同顏色但位置相近的區域聚集在一起，能夠檢測出較為連續的受關注區域，其 不足在於不易區別一些不受關注的區域。SM和VA方法的有效結合則可以提取出連續的受 關注區域。本發明提出首先利用SM算法得到圖像中每個點的顯著值，並找到顯著值較大的 像素點，再利用VA算法確定幾個連續的受關注的區域，再將兩者得到的圖像相與，獲得顯 著值大且連續的受關注區域。 所述的編碼模塊實現獲得的低精度圖像到剌激信息向量的格式轉換，並在剌激信 息向量的基礎上添加同步幀頭和奇偶校驗碼，作為無線傳輸模塊輸入的剌激數據。所述的 剌激信息向量包括剌激幅度信息，剌激地址信息和剌激時間信息，其中剌激幅度信息是對 圖像處理模塊輸出的灰度圖像中每個像素點的亮度信息的二進位編碼，它決定了微剌激器 解碼後產生的剌激電流脈衝的幅度，剌激地址信息是對每個像素點的位置信息的編碼，它 決定了剌激電極的地址，剌激時間信息是對剌激脈衝寬度，脈衝間隔信息的編碼，可手動設 置。同步幀頭可設置為數位連續的l，為了避免同步幀頭與有效數據的混淆，需要在有效數 據中間插入0。奇(偶)校驗中，計算一幀數據中有效剌激數據的比特1的個數，當個數為 奇數時，添一位O(l);反之添一位l(O)。 所述的數據和能量無線傳輸模塊實現剌激數據從眼外到眼內的無線傳輸，並為眼 內植入裝置提供能量。無線傳輸模塊由數據無線傳輸鏈路和能量無線傳輸鏈路構成。其 中，數據無線傳輸鏈路實現剌激數據的無線傳輸，主要完成剌激數據的調製，發送，接收，解 調功能，為後端微剌激器模塊提供剌激數據。對於高密度微電極陣列人造視網膜系統，剌激 數據的數據量較大，本發明採用能夠提供更高數據帶寬的FSK調製方法。數據的發送與接 收則通過一對近距離耦合的電感線圈實現，即兩個電感線圈與各自的調諧電容構成互感
5諧振電路，調節調諧電容或電感值，使得互感諧振電路發送端和接收端的諧振頻率點位於 兩個FSK調製載波頻率之間，使得調製數據在兩個不同載波頻率上都能夠實現傳輸。接收 到的調製數據輸出給FSK解調電路，恢復出剌激數據。FSK解調電路的實現方法是通過測 量調製波形正弦載波的周期長度，並與設定閾值比較，判定所測為長周期或短周期，從而判 斷調製前的信號是0還是1，再提取調製信號中的同步時鐘信號，根據同步時鐘信號恢復出 調製前的數位訊號。此外，本發明所述的能量無線傳輸鏈路則實現能量的無線傳輸，主要完 成直流能量到交流能量的轉換，交流能量的發送和接收以及直流能量的恢復等功能，為整 個植入裝置的工作提供直流電源電壓。直流能量由眼外裝置提供(電池等供電設備)，以保 證眼外裝置的可移動性。直流能量到交流能量的轉化由一個時鐘產生電路和一個E類功率 放大器實現。時鐘產生電路產生的時鐘信號用於控制E類功放的開關管，E類功放在時鐘 信號的控制下，將直流電源能量轉換成交流能量，並通過一對近距離耦合的電感線圈實現 無線傳輸。E類功率放大器具有較高的能量利用率，可實現能量傳輸鏈路的較高的能量傳輸 效率。兩個電感線圈中，一個是E類功放的元件，另一個在接收端與一個調諧電容構成諧振 電路，其諧振頻率等於交流能量的頻率，從而實現能量最大幅度的接收。接收到的交流能量 通過整流和穩壓電路，實現直流轉換，為整個植入裝置提供穩定的直流工作電源電壓。本發 明中，整流電路採用傳統的橋式整流電路，可以充分利用整個周期的電能；穩壓電路採用線 性低壓差穩壓結構，包括啟動電路，帶隙基準源產生電路，誤差放大器和傳輸元件三部分， 其中採用PMOS管作為傳遞元件，具備較小的靜態電流和較低的壓差，帶隙基準源產生電路 能夠提供精度和溫度係數較好的基準源，誤差放大器採用簡單的差分放大器，結構簡單，低 功耗，佔地面積小。為了減少採用兩條鏈路實現無線數據和能量的傳輸帶來的體積增大的 問題(特別是在植入端)，本發明中，植入端的兩個電感線圈採用了一個線圈垂直纏繞在另 一個線圈上的方式， 一方面可減小線圈在眼內佔用的體積，另一方面其垂直纏繞方式也保 證了數據和能量鏈路之間的幹擾儘可能減小。 所述的微剌激器模塊實現剌激數據到雙階段剌激電流脈衝的轉換，產生的剌激電 流脈衝用於剌激植入視網膜中的微電極陣列，從而剌激與微電極陣列接觸的視網膜神經， 產生視覺效果。微剌激器模塊主要完成剌激信息向量的解碼和剌激電流產生的功能，即將 剌激信息向量中的剌激地址，剌激幅度以及剌激時間信息分別解碼，輸出給輸出驅動單元， 產生指定脈衝寬度，脈衝間隔及脈衝強度的雙階段剌激電流，對剌激地址指向的微電極產 生剌激。微剌激器模塊主要包括數字控制電路，存儲單元，同步檢測電路，奇偶校驗電路，數 字模擬轉換電路(DAC)，雙階段時序產生電路，地址解碼電路和輸出驅動電路。其中，所述 的數字控制電路主要實現整個微剌激器工作狀態的控制，剌激器的工作狀態可以分為同步 檢測，奇偶校驗，存儲和產生剌激，這四個狀態之間的轉換則通過一個狀態機實現它將無 線傳輸模塊解調恢復出的剌激數據進行同步檢測，當檢測到同步幀頭時，判定接下來接收 的數據將為有用的剌激信息向量，開始進入奇偶校驗狀態，否則繼續處於同步檢測狀態。奇 偶校驗用於判斷在無線傳輸過程中，傳輸的數據是否產生了錯誤，如果奇偶校驗沒有發現 錯誤，則進入存儲狀態，將從剌激數據中提取出來的剌激信息向量存儲在微剌激器中的存 儲單元中，否則返回同步檢測狀態，放棄該錯誤幀數據，進行下一正確幀數據的接收。根據 發送端定義的幀格式，從存儲的剌激信息向量中分別提取出剌激幅度，剌激地址和剌激時 間信息，並分別傳送給DAC電路，地址解碼電路和雙階段時序產生電路，再通過輸出驅動電
6路產生雙階段剌激電流脈衝，對微電極陣列產生剌激。此外，所述的存儲單元用於存儲接收 到的正確的剌激信息向量，主要分為地址存儲單元，幅度存儲單元和時間信息存儲單元，分 別用於存儲剌激地址信息，剌激幅度信息和剌激時間信息。所述的同步檢測電路和奇偶校 驗電路分別用於檢測幀數據中的同步幀頭和判斷傳輸數據的正確性。同步幀頭的檢測使得 發送接收端的時序保持一致，從而保證了正確地進行發送和接收。按照發送端設置的同步 幀頭，當檢測到指定位數的連續1時，判定開始接收有用數據。根據發送端設置的奇(偶) 校驗方法，當接收到一幀數據後，計算一幀數據中有效剌激數據比特1的個數，與校驗位比 較，判斷接收數據正確與否。所述的DAC電路則用於將存儲在幅度存儲單元中的剌激幅度 信息轉化成對應幅度的電流脈衝，產生的電流脈衝輸出給輸出驅動電路。所述的雙階段時 序產生電路根據存儲在時間信息存儲單元中的剌激時間信息產生指定的脈衝寬度控制時 序，脈衝間隔控制時序，作為輸出驅動電路的控制時序，具體可通過一個內部計數器實現。 所述的地址解碼電路用於將存儲在地址存儲單元中的剌激地址信息轉化成電極選通控制 信號，對相應的電極輸出剌激脈衝電流。對於高密度電極陣列，如果採用一個輸出驅動電路 驅動一個電極，植入裝置的面積將會非常大，所以這種一對一剌激不適用於高密度微電極 人造視網膜系統。採用輸出驅動電路復用的方法可以解決這一問題，即一個輸出驅動電路 通過一個多路選擇器與幾個電極開關相連，並將剌激地址信息分為高位地址和低位地址兩 個部分，高位地址用於選擇一個輸出驅動單元，也就是一個多路選擇器，低位地址用於選擇 與多路選擇器相連的多個電極中的一個，有效減少了輸出驅動電路和DAC電路的數目，從 而減小了植入式微剌激器模塊的面積。所述的輸出驅動電路在雙階段時序產生電路產生的 控制時序作用下，根據DAC電路轉換的電流脈衝幅度，產生指定幅度，脈衝寬度，脈衝間隔 的雙階段剌激電流脈衝，輸出給多路選擇器，由地址信息判定雙階段剌激電流作用的電極。 在輸出驅動電路中採用寬擺幅的共源共柵電路可以提高微剌激器的輸出阻抗，從而適應多 變的生物環境，提高其生物適應性。為了避免各種電路失配引起的電荷積累，採用了電荷平 衡機制，即採用三相控制時鐘分別控制陰極剌激，陽極剌激和平衡階段，使得在每次剌激完 成後將輸出節點接地放電，從而有效避免了電荷積累效應對人眼造成的傷害，提高了植入 式微剌激器模塊的生物安全性。 本發明利用ROI算法提取圖像中感興趣的區域後再進行一般的圖像處理，增加了 低精度圖像可提供的信息量，為視覺障礙者提供了更好的圖像質量；並採用獨立的數據和 能量無線傳輸鏈路實現剌激數據和能量從眼外到眼內的傳輸，實現了高密度微電極陣列人 造視網膜系統的高數據量和高能量效率的傳輸；在植入微剌激器中採用驅動單元復用的方 法，減小了微剌激器的面積，同時引入高輸出阻抗電路設計方法和電荷平衡方案，提高了植 入裝置的生物適應性和生物安全性。


圖1是本發明中外層型人造視網膜系統的結構框圖 圖2是本發明中人造視網膜系統圖像處理算法的流程圖 圖3是本發明中人造視網膜系統數據和能量無線傳輸模塊的結構框圖 圖4是本發明中FSK解調電路的結構框圖 圖5是本發明中人造視網膜系統微剌激器模塊的結構框圖
圖6是本發明中微剌激器模塊中數字控制電路的控制流程圖
圖7是本發明中微剌激器模塊中驅動單元復用的原理圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例做詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下 述的實施例。 如圖1所示，首先通過圖像獲取模塊獲取外部圖像信息，得到的圖像信息經過圖 像ROI提取和一些圖像處理並編碼後，輸出給數據和能量無線傳輸模塊進行調製，然後同 能量一起無線傳輸至眼內；微剌激器模塊將接收到的剌激數據轉化成雙階段剌激電流脈 衝，輸出給微電極陣列產生剌激。 如圖1所示的圖像獲取模塊，由於CCD攝像頭具有靈敏度高，抗震動，體積小等優 點，本發明中的圖像獲取模塊採用了 CCD攝像頭。該攝像頭解析度為720*576，支持多種格 式數據輸出YUV/YcbCr(4:2:2)和RGB (4:2:2)，其圖像採集速率為每秒25幀，具備±30° 的視角，使得可以涵蓋了人眼的中心視野(±10° )，因此滿足了人造視網膜圖像採集的需 求。 如圖1所示的圖像處理模塊採用的是合眾達公司的基於TMS320匿642數位訊號處 理晶片開發板SEED-VPM642，它的主處理器TMS320DM642，主頻600MHz，具備較強的運算能 力，可以滿足人造視網膜系統視頻圖像實時處理的需要；VPM642還具備豐富的存儲資源和 視頻接口 ，有4MX 64位的SDAM， 4MX 8位的flash, 512 X 8位的EEPROM和4路視頻輸入(標 準PAL或NTSC制模擬視頻輸入)和1路視頻輸出(標準PAL或NTSC制模擬視頻輸出)，為 各種圖像採集設備的接入提供了便利。 如圖2所示的人造視網膜圖像處理算法的流程圖中，CCD攝像頭將採集的圖像信 號視頻輸入圖像信息處理系統，進行基於Salience m即和Vision attention m即的ROI 提取算法，其具體步驟為先提取原始RGB彩色圖像中歸一化的r， g， b， y值，並計算其顏色 相對特徵(rg_bycolor opponent feature)和強度特徵(intensity feature)，然後採用高 斯金字塔算法求得其顏色特徵圖(color feature m即)和強度特徵圖(intensity feature map);將得到的color feature map禾口 intensity feature map經過歸一化處理後得到兩 者的顯著圖(conspicuity m即)，最後按照一定的加權係數對兩個conspicuity m即求和得 到最終的Saliency m即。得到的saliency m即表徵了每個像素點顯著值，根據顯著值計算 出最受關注的像素點，作為ROI的參考點。然後進行Vision attention處理提取相對連續 的受關注區域，並將Saliency m即算法找到的區域與Vision attention m即找到的區域 相與，得到一個連續且最受關注的區域，即原始圖像中的感興趣區域(ROI)。得到了ROI之 後，對ROI區域的圖像進行灰度化處理，得到其灰度圖，然後採用基於直方圖均勻的對比度 增強算法，使得ROI區域的圖像特徵更加明顯；為了進一步降低圖像解析度減少後端需要 傳輸的數據量，本發明對增強後的灰度ROI圖像進行灰度級簡化，得到32個灰度級別(可 用5bit表示)；然後將得到的簡化灰度圖進行尺寸重新定義，以匹配32*32的微電極陣列 數目。 如圖1所述的編碼模塊完成圖像數據到剌激數據的轉換。對於32*32微電極陣列
8的人造視網膜系統，32*32圖像的每個像素點的亮度信息採用5bit剌激幅度碼表示，每個 像素點的位置信息則由10bit的剌激地址碼表示，這一幀圖像在後端產生剌激的時間信息 則由10bit的剌激時間編碼表示，包括脈衝寬度，脈衝間隔的編碼，這三個部分構成了一幀 圖像的剌激信息向量。在每一幀剌激信息向量的前端加入連續的lObit "l"，作為同步幀 頭，同時在後面的剌激信息向量的比特流中每隔9bit插入一個0，以便於與同步幀頭區分。 最後計算剌激信息向量和同步幀頭中"1"的位數，在剌激信息向量的末端加入奇偶校驗位 構成了後端無線傳輸的輸入剌激數據。 如圖3所示，人造視網膜系統的無線傳輸模塊由數據傳輸鏈路和能量傳輸鏈路 構成，實現數據和能量從眼外到眼內的無線傳輸。數據傳輸鏈路完成數據的調製，發送， 接收和解調等功能。對於32*32微電極陣列的人造視網膜系統，其傳輸的數據量約為 32X32X25f/sX (Sbit+10bit+10bit+10bit) 1Mbps。對於這個高密度的人造視網膜系 統，由於其數據率較大，我們採用高數據帶寬的FSK調製方式，在解調上，採用全數字的FSK 解調方法，解決了電容依賴問題，具體解調方法如圖4所示比較器將接收到的FSK正弦調 制載波信號轉化成方波調製信號CKin，作為周期測量的輸入信號；Ftb作為計數器的時鐘信 號，為了能夠正確地區分兩個載波的頻率f。和^ (f。 = 2fn f。載波代表數位訊號0， ^載波 代表數位訊號1) ， Ftb的時鐘頻率設計為f。 > Ftb/2n > ^ (其中n為計數器的位數)。在 Ftb時鐘下，計數器開始對CKin各個周期進行計數，當對長周期的調製載波進行計數時，計數 器會記滿，從而產生一個高電平進位信號MSB ;當對短周期的調製載波進行計數時，計數器 不會記滿，從而MSB始終為低電平。在數字模塊中，以Ckin和MSB作為輸入信號，當MSB為 高時，即Ckin出現長周期時，每遇到一個Ckin的低跳變沿則跳變一次；當MSB為低時，即 Ckin出現短周期時，每隔一個Ckin的低跳變沿則跳變一次，這樣就得到了均勻的時鐘輸出 信號Clock_out ;在Clock_out時鐘下，當MSB為高時，則判斷輸出數據Data_out為1，反 之，則判斷輸出數據Data_0ut為0。 如圖3所示，能量傳輸鏈路主要完成能量的調製，能量的傳輸和能量的恢復等功 能。能量的調製即直流電源電壓到交流電壓的轉換通過E類功率放大器和一個時鐘產生電 路實現。時鐘產生電路產生時鐘的頻率就是需要轉換的交流電壓的頻率。E類功率放大器 由於其具備非常高的能量轉換效率，因此適合於人造視網膜系統的無線傳輸模塊，使得能 夠充分利用眼外提供的有限的能量(電池供電)。E類功率放大器的開關管受到時鐘的控 制，使得開關管的兩端電壓和流經的電流時鐘保持180°的相差，從而使得損耗在開關管上 的能量接近0。交流能量的發送是通過E類功率放大器中的電感線圈輸出的，該電感線圏與 接收端的電感線圈構成了能量無線傳輸鏈路。 在我們設計的系統中，攝像頭按裝在人體佩戴的太陽鏡上，因此數據和能量無線 傳輸距離為5mm lOmm，所以數據和能量的傳輸可分別由一對近距離耦合的電感線圈完 成，具體可通過兩對互感諧振電路實現， 一對用於傳輸數據，另一對用於傳輸能量。對於數 據傳輸鏈路。由於32*32的人造視網膜系統的傳輸數據率約為1Mbps，我們選擇FSK調製的 載波頻率為5MHz和lOMHz，根據諧振電路的頻率響應特性的帶通特性，傳輸數據的諧振電 路可調諧在8MHz左右的諧振頻率，使得5MHz的調製載波和lOMHz的調製載波儘可能同等 程度通過諧振電路傳播，從而使得兩者在接收端的幅度儘可能一致。對於能量傳輸鏈路，由 於本發明中採用了獨立的傳輸鏈路對能量進行傳輸，所以其傳輸的載波頻率可以不同於數據鏈路，我們選擇500KHz左右，並調節諧振電路的電路參數，使其在500KHz左右諧振，以保 證較高的能量傳輸效率。 如圖3所示，接收端接收到數據和能量後，分別進行數據恢復和能量恢復。數據鏈 路接收端對接收到的調製數據進行解調恢復出剌激數據。能量鏈路接收端對接收到的交流 能量進行整流和穩壓得到需要的直流電源電壓。在本發明中，植入部分的工作電壓分為兩 種，數字控制部分的工作電壓為5V，輸出驅動電路的電源電壓為士12V，以保證較寬的有效 工作電壓範圍。 如圖5所示的微剌激器模塊由數字控制電路，存儲單元，同步檢測電路，奇偶校驗 電路，數字模擬轉換電路(DAC)，雙階段時序產生電路，地址解碼電路和輸出驅動電路構成， 主要實現剌激數據到剌激電流脈衝的轉換的功能，這一功能的實現是在數字控制電路的控 制下，通過一個狀態機使得微剌激器在四個狀態間切換實現的，具體流程如圖6所示將無
線傳輸模塊解調恢復出的剌激數據進行同步檢測，當檢測到同步幀頭時，判定接下來接收 的數據將為有用的剌激信息向量，開始進入奇偶校驗狀態，否則繼續處於同步檢測狀態。如 果奇偶校驗沒有發現錯誤，則進入存儲狀態，將剌激信息向量存儲在微剌激器中的存儲單 元中，否則返回同步檢測狀態，放棄該錯誤幀數據，等待下一幀數據。存儲完成後，開始進 入剌激狀態，即將存儲在存儲單元中的剌激幅度，剌激地址和剌激時間信息分別傳送給DAC 電路，地址解碼電路和雙階段時序產生電路，分別產生幅度，地址和控制時序，再通過輸出 驅動電路產生雙階段剌激電流脈衝，從而實現對微電極陣列的剌激。 所述的同步檢測電路和奇偶校驗電路分別用於檢測幀數據中的同步幀頭和判斷 接收的數據是否正確，使得發送接收端達到時序同步。在接收端接收到剌激數據比特流時， 檢測是否出現連續的10bit "l"，以此判斷是否開始接收數據，與發送端時序同步。當檢測 到同步幀頭後，將後面接收到的剌激數據存在緩存中，計算所有比特1的位數，並與奇偶校 驗位比較，以此判斷接收到的剌激數據是否正確。 所述的DAC電路用於將5bit的剌激幅度信息轉化成對應幅度的電流脈衝，作為輸 出驅動電路的輸入。所述的雙階段時序產生電路是通過一個內部計數器產生三相控制時 序，其中兩個控制時序作為產生雙階段剌激電流脈衝的控制時序，控制雙階段剌激脈衝的 陽極階段脈衝寬度，陰極階段脈衝寬度和陰極陽極間的間隔階段寬度；另一個控制時序則 作為電荷平衡控制時序，即每次雙階段剌激完成後，將電極接地以平衡剌激過程中積累的 電荷。 所述的地址解碼電路用於將存儲在地址存儲單元中的剌激地址信息轉化成電極 選通控制信號，對相應的電極輸出剌激脈衝電流。對於本發明中的32*32微電極陣列，為了 減小植入電路的面積，採用了輸出驅動電路復用的方法，即一個輸出驅動電路可以驅動多 個電極，具體可通過一個多路選擇器實現，如圖7所示，用一個8選1的多路選擇器與8個 電極開關連接，一共有128個多路選擇器。為了選中一個電極，將10bit的剌激地址信息 分為7bit高位地址和3bit低位地址兩個部分，其中高位地址用於選擇一個輸出驅動單元 (或多路選擇器)，3bit低位地址用於選擇與多路選擇器相連的8個電極中的一個，從而實 現了 128個驅動單元對1024個電極的驅動，有效減少了植入式微剌激器模塊的面積。
所述的輸出驅動電路利用DAC電路提供的電流脈衝和雙階段時序產生電路提供 的雙階段控制時序產生一個對應脈衝寬度，脈衝間隔以及脈衝幅度的雙階段剌激電流脈衝，驅動地址解碼電路產生的電極選通控制信號選擇的電極。在輸出驅動電路中採用寬擺 幅的共源共柵結構可以提高微剌激器的輸出阻抗，同時利用雙階段時序產生電路產生的三 相控制時鐘進行電荷平衡，除去在剌激過程中積累的電荷，避免對人眼造成傷害。
權利要求
一種高密度微電極陣列的外層型人造視網膜前端系統的設計方法，包括圖像獲取模塊，圖像處理模塊，編碼模塊，無線傳輸模塊和微刺激器模塊，這五個模塊依次連接，其特徵在於1)所述圖像獲取模塊是一個CCD攝像頭，它具有以15幀/秒以上速率採集視頻圖像的功能，輸出為數字視頻圖像信息。2)所述圖像處理模塊由一個數位訊號處理平臺構成，它將圖像獲取模塊輸出的數字視頻圖像信息經過一系列圖像處理算法，如感興趣區域(ROI)提取，灰度化，圖像增強，尺寸重新定義等，轉化成能夠提供感興趣圖像信息的低精度圖像。3)所述編碼模塊依據圖像處理模塊輸出的低精度圖像信息，將每幀圖像中各個像素點的亮度和地址信息按照一定格式編碼成刺激幅度碼和刺激地址碼，並對每一幀圖像添加刺激時間碼，同步幀頭和奇偶校驗碼，構成二進位編碼的刺激信息向量，作為後端無線傳輸模塊的調製數據。4)所述無線傳輸模塊由數據無線傳輸鏈路和能量無線傳輸鏈路構成，其中數據無線傳輸鏈路對刺激信息向量進行調製，發送，接收，解調等處理，實現刺激信息向量從眼外到眼內的無線傳輸，而無線能量傳輸鏈路則將眼外直流能量經過直流轉交流，交流能量發送和接收以及直流能量的恢復等處理，為整個植入裝置的工作提供直流電源電壓。5)所述微刺激器模塊通過一個有限狀態機實現刺激電流脈衝產生的功能，具體是在數字控制電路的控制下，將存儲在內部存儲器中的刺激信息向量經過同步檢測和奇偶校驗後，提取其中的刺激幅度碼，刺激地址碼和刺激時間碼分別傳送給數字模擬轉換電路(DAC)，地址解碼電路和雙階段時序產生電路，產生刺激幅度，刺激地址和刺激脈衝寬度控制時序和刺激脈衝間隔控制時序，並通過輸出驅動電路對指定電極產生指定脈衝幅度和寬度的雙階段時序刺激。
2. 根據權利要求1中2)的圖像處理模塊，其特徵為，融合顯著圖(saliency m即SM) 算法和視覺注意力圖(vision attention m即VA)算法，以提取既包含圖像顯著像素點信 息又包含連續受關注區域信息的的感興趣區域(ROI)為目標，並在此基礎上，實現由高精 度圖像向低精度圖像的有效轉換。
3. 根據權利要求1中3)所述的編碼模塊，其特徵是，以圖像處理模塊輸出的灰度圖像 為目標信息，將每幀圖像的剌激時間信息和每個像素點的亮度信息，地址信息進行二進位 編碼，具體包括10位同步幀頭、1位奇偶校驗碼、5位剌激幅度碼、10位剌激時間碼、剌激地 址碼位數由剌激電極的數目決定。
4. 根據權利要求1中4)所述的無線傳輸模塊，其特徵是，採用兩對電磁耦合線圈構成 兩組互感諧振電路分別實現數據和能量的無線傳輸，所述的數據無線傳輸鏈路，在發送端， 以剌激信息向量數據為調製信號，採用可提供更高數據帶寬的FSK調製，在接收端採用全 數字FSK解調。數據無線傳輸鏈路的諧振頻率居於FSK兩個載波頻率之間。所述的能量無 線傳輸鏈路，採用一個時鐘產生電路和一個E類功率放大器實現直流能量到交流能量的轉 化，即時鐘產生電路產生的時鐘信號控制E類功放的開關管，使得E類功放的開關管兩端電 壓和流經的電流相位差始終為180° ，能量無線傳輸鏈路的諧振頻率等於交流能量的頻率。
5. 根據權利要求1中5)所述的微剌激器模塊，其特徵是，在所述的數字控制電路控制 下，實現在同步檢測，奇偶校驗，存儲和產生剌激四個工作狀態間的順序切換。
6. 根據權利要求1中5)所述的微剌激器模塊，其特徵是，所述的雙階段時序產生電路 是通過一個內部計數器將存儲在時間信息存儲單元中的剌激時間信息轉化成脈衝寬度控 制時序，脈衝間隔控制時序，不需要通過外部發送控制指令。
7. 根據權利要求1中5)所述的微剌激器模塊，其特徵是，在輸出驅動電路中採用驅動 單元復用的方法，減小植入微剌激器模塊的面積，即一個輸出驅動電路通過一個多路選擇 器與幾個電極開關相連。與之相對應的，所述的地址解碼電路將剌激地址信息分為高位地 址和低位地址兩個部分，高位地址用於選擇一個多路選擇器，低位地址用於選擇與多路選 擇器相連的多個電極中的一個。
8. 根據權利要求1中5)所述的微剌激器模塊，其特徵是，所述的輸出驅動電路，採用寬 擺幅共源共柵電路以提高微剌激器的輸出阻抗；同時採用三相控制時鐘的電荷平衡機制， 分別控制陰極剌激，陽極剌激和平衡階段，使得在每次剌激完成後將輸出節點接地放電，有 效避免了電荷積累效應對人眼造成的傷害，提高了植入式微剌激器模塊的生物安全性。
全文摘要
一種高密度外層型人造視網膜系統的實現方法，屬於生物工程領域。本發明方法如下採用CCD圖像傳感器獲取眼外視頻圖像，對圖像進行預處理，並聯合顯著圖和視覺注意力圖實現圖像感興趣區域(ROI)的提取，實現從高精度圖像向低精度圖像的有效映射。ROI圖像經過編碼和調製後，通過一對耦合線圈實現數據的無線傳輸，同時採用另一對線圈實現能量的無線傳輸，有效解決了無線傳輸單元高傳輸數據量和高傳輸能量效率的矛盾。在接收端，調製數據解調解碼後，微刺激器採用驅動單元復用方法有效減小了面積，並採用寬擺幅共源共柵電路設計和電荷平衡機制，分別提高了其生物適應性和安全性。射頻能量經過整流穩壓為所有植入設備提供能量。
文檔編號A61F9/08GK101791259SQ20101004262
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月7日 優先權日2010年1月7日
發明者鄒月嫻, 鄭亞莉 申請人:北京大學深圳研究生院