一种将视觉信息直接输入到大脑视皮层的装置及方法与流程

本发明涉及人工视觉技术领域，具体为一种可编程的阵列化电学装置及一种基于该装置的方法，用以向大脑视皮层直接输入视觉信息。

背景技术：

根据世界卫生组织的数据，全世界有3900万名盲人，指的是先天或后天视觉有障碍的失明人群。视觉障碍甚至缺失严重影响了患者的生活质量，特别是对于那些后天性失明的患者。为了改善盲人的生活质量，目前已经开发有大量的人工视觉装置，主要可分为两类：一类是试图恢复视觉功能的技术，比如视网膜假体；另一类是视觉替代设备，将视觉信息通过其他方式如触觉或者听觉传递给患者。盲杖和盲文就是出现比较早和目前使用比较流行的用触觉感知外界的视觉替代设备，近十几年来，逐渐发展出能够转化更多外界信息的新型人工视觉替代系统。

第一类人工视觉装置，即视网膜假体，其分辨率较低，远低于1000。第二类视觉替代设备则更多的是在舌头、背部或者腰部进行触觉刺激，已达到输入外界视觉信息的目的，但是这会严重影响患者的语言功能和一些如弯腰等基本日常功能，且这类信息是间接信息，会增加信息识别时间，延长患者的反应时间，影响反应速度。

技术实现要素：

为了克服现有人工视觉技术的上述不足，本发明提供一种将视觉信息直接输入到大脑视皮层的装置及方法，可让失明患者直接“看”到外界信息，形成真正的视觉。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种将视觉信息直接输入到大脑视皮层的装置，包括：

一图像识别装置，位于人体外，该图像识别装置包括一摄像头、一编码信号发生器，该摄像头用于摄取外界图像信息，该编码信号发生器用于将摄取到的图像信息编码成相应的电刺激阵列形式的视觉信息；

一柔性器件，植入到颅骨内视皮层脑膜上，该柔性器件上设置有能将所述视觉信息转化成电刺激阵列形式的电极阵列，根据所述视觉信息引起相应的电极群产生电信号，产生电刺激阵列，刺激相应神经元编码的兴奋，形成视觉。

进一步地，所述图像识别装置与所述柔性器件通过有线或无线的方式连接，若采用无线的方式连接，则所述图像识别装置包括将所述视觉信息处理成无线信号并发出的一无线信号处理，所述柔性器件包括用于接收该无线信号的一无线信号接收器。

进一步地，所述柔性器件与视皮层形状吻合，一方面使柔性器件能与视皮层很好地贴附在一起，另一方面能尽可能地覆盖更大范围的视皮层区，提高成像的真实度。

进一步地，所述柔性器件通过3d打印技术制造。

进一步地，所述柔性器件上电极阵列像素点范围为：1×1～100×100。

进一步地，所述柔性器件上电极阵列的刺激频率为：0.01～1000hz。

一种将视觉信息直接输入到大脑视皮层的方法，包括以下步骤：

通过位于人体外的一图像识别装置识别外界图像信息，将该图像信息编码成相应的电刺激阵列形式的视觉信息，将该视觉信息发送给位于颅骨内视皮层脑膜上的一柔性器件；

所述柔性器件通过其电极阵列根据所述视觉信息，引起相应的电极群产生电信号，产生成电刺激阵列，刺激相应神经元编码的兴奋，形成视觉。

进一步地，所述图像信息包括轮廓、灰度、颜色。

进一步地，所述电信号包括信号有或无、信号强度、信号频率。

进一步地，通过编辑所述柔性器件上的电极阵列产生的电刺激的强度或频率，使视觉区产生灰度或者彩色的感觉。

本发明基于视觉信息在视皮层以二维编码的形式存在，将外界的视觉信息以电刺激阵列的方法直接输入到视皮层，利用电压或电流刺激视皮层神经元使其产生兴奋，形成真正的视觉，达到人工视觉的效果。

与现有的其他人工视觉技术相比，本发明中所述的柔性器件可与视皮层完美贴合，形成的视觉图像的轮廓和保真性更好。此外，本发明可以使患者产生真实的视觉体验，无需通过触觉转化，给患者预留足够多的反应时间。

附图说明

图1是传统人工视觉信息输入装置与实施例中本发明装置的植入部位对比示意图。

图2是实施例中本发明装置的个性化紧贴脑膜3d柔性电极阵列示意图。

图3是实施例中本发明装置的整体构造及位置示意图。

图4a～4c是电极阵列在视觉皮层对应神经元阵列区直接输入视觉信息二维码的示意图；

其中，图4a是电极阵列局部示意图，显示一个平面矩形激发图形，激发电极单元用黑色表示，未激发电极用白色表示；图4b是激发电极覆盖视皮层对应神经元二维胞体网络位置示意图；图4c是被激发电极电磁脉冲刺激而激活兴奋地神经元胞体(标为黑色)示意图。

图5a～5b是电极阵列二维图像形成视觉皮层对应兴奋神经元二维网络图示意图；

其中，图5a是人工视觉信息压缩图案示意；图5b是经过反复训练在视觉脑皮层形成的强链接兴奋神经元胞体图案示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本实施例公开一种将视觉信息直接输入到大脑视皮层的装置，包括柔性器件和图像识别装置，以二者无线连接的方式为例，其中图像识别装置包括一摄像头、一编码信号发生器和一无线信号处理器，各元件的位置与传统的人工视觉信息输入装置有很大不同，传统的人工视觉信息输入装置位于人眼处，而本发明根据每个人的视皮层结构个性化定制好个性化的柔性器件后，将其植入到视皮层脑膜外，与脑膜紧密贴合，完成器件植入准备，而图像识别装置位于脑外，其中无线信号处理器可贴于脑后，如图1～图3所示。

通过外设的图像识别装置识别目标图像，并将每一帧图像信息(主要是轮廓、灰度、颜色等)转化为阵列电极相应的电信号形式(有或无、信号强度、信号频率等)传送给柔性器件上的电极阵列。每一帧图像会产生特定的电刺激阵列，施加到视皮层脑膜的相应位置，刺激其下方的神经元兴奋，从而生成图像。

例如，需要将一个矩形框的图像输入给患者形成图像。当图像识别装置将矩形的图像转化为相应的电刺激阵列后，柔性器件上相应的电极会收到编码信号发生器传来的信号指令，产生电脉冲信号，如图4a所示，其中，黑色电极是接收到命令的电极，其他白色电极是未接收到命令的电极。柔性器件上相应的电极发出电脉冲信号后会激发其下方一至多个神经元(由电极下方神经元的密度决定)，使其兴奋，产生视觉影像，如图4b～4c所示，其中图4b是激发电极覆盖视皮层对应神经元二维胞体网络位置示意图，图4c是被激发电极电磁脉冲刺激而激活兴奋地神经元胞体(标为黑色)示意图。

经过一段时间的反复训练，大脑会获得影像与意义的对应关系，真正达到人工视觉的目的，如图5a～5b所示，其中，图5a是人工视觉信息压缩图案示意，图5b是经过反复训练在视觉脑皮层形成的强链接兴奋神经元胞体图案示意图。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

技术特征：

技术总结
本发明公开一种将视觉信息直接输入到大脑视皮层的装置，包括：一图像识别装置，位于人体外，该图像识别装置包括一摄像头、一编码信号发生器，该摄像头用于摄取外界图像信息，该编码信号发生器用于将摄取到的图像信息编码成相应的电刺激阵列形式的视觉信息；一柔性器件，植入到颅骨内视皮层脑膜上，该柔性器件上设置有能将所述视觉信息转化成电刺激阵列形式的电极阵列，根据所述视觉信息引起相应的电极群产生电信号，产生电刺激阵列，刺激相应神经元编码的兴奋，形成视觉。本发明还公开一种将视觉信息直接输入到大脑视皮层的方法。

技术研发人员：许胜勇;徐晶晶;葛松;戴如君
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：2018.10.31
技术公布日：2019.04.16