用于提高对比敏感度的人造视网膜系统的制作方法

本发明涉及一种与相关的人造视网膜相比具有提高的对比敏感度的人造视网膜系统。

背景技术：

视网膜是重要的神经组织，其将通过角膜和晶状体进入的外部图像转换成电信号并将电信号传送到大脑。视网膜的宽度大约是6.25cm²，并且在视网膜中存在大约1亿个视细胞。占据了视细胞层大部分的视杆细胞将图像转换成电信号，并且这些电信号进入视神经并且以大约480km/h的速度传送到大脑。大脑解读微弱的电信号，感知图像并确定物体。视网膜是每单位面积供血量最大的组织之一，并且需要顺利地去除作为化学作用的副产物而产生的废物。出于任何原因，当在视网膜血管或脉络膜血管中发生异常时，视网膜中就发生异常，从而引起各种疾病。

作为一种视网膜疾病的色素性视网膜炎(rp)是由分布在视网膜中的光感受器功能障碍引起的进行性视网膜退行性疾病，其特征在于视网膜光感受器和视网膜色素上皮为主要病变并且在双眼中均有发生。据报道，全球每5000人中有1个患rp。老年性黄斑变性(amd)是另一种类型的视网膜疾病，是三种主要致盲疾病中的一种，并且具有患病率由于人口快速老龄化而迅速上升的趋势。据报道与因rp疾病而视力低下的患者不同，amd患者更可能在较短的时间内视力恶化，并且amd患者因眼睛引起的实际生活受损和心理萎缩的程度大于其它疾病。

为了治疗盲人患者，尝试了各种治疗，例如，基因治疗、干细胞和药物治疗。同时，在很多情况下，大多数盲人患者的视网膜视细胞层通常已经受损，并很可能得不到及时的基因治疗或药物治疗。然而，在例如rp和amd的老年疾病中，因为只是作为视网膜外层的视细胞层受损，所以如果视细胞层的功能被替代，则有可能恢复视觉。因此，人造视网膜对视网膜的视细胞层进行电刺激以恢复盲人患者的视觉是有前景的新疗法。

参照图1，人造视网膜可以根据安装的位置划分成视网膜前膜和视网膜下膜型。视网膜前膜型位于视网膜的前方，视网膜下膜型位于视网膜后面的视细胞上。视网膜前膜型人造视网膜刺激视网膜细胞中的神经节细胞层，视网膜下膜型人造视网膜刺激后侧中的双极细胞层。视网膜前膜型的人造视网膜具有位于视网膜前方的神经细胞刺激器，因此不进行内视网膜中的神经细胞的中间信号处理。因此，视网膜前膜型人造视网膜单独配备有外部摄像头。外部摄像头内置在眼镜中，并且摄像头获取的图像信息通过感应线圈无线地到达眼内微电极阵列并直接刺激视网膜神经节细胞而不进行内视网膜中的神经细胞的中间信号处理。同时，电刺激的响应阈值根据患者而不同，并且所采用的电刺激的强度也根据视网膜细胞受损区域而不同。视网膜前膜型人造视网膜具有独立控制外部图像处理器中的电极的方法。因此，具有可以根据患者或受损区域自由改变电脉冲的强度的优点。

在现有技术中，可从美国第二视力(secondsight)公司买到的argusii产品中能够独立地控制64个电极，并且由电极产生的电刺激的强度也是可控的。然而，在视网膜前膜型人造视网膜的情况下，考虑到视网膜非常薄且脆弱，具有很难固定电极的缺点。此外，位于视网膜内的电极，可能暴露于玻璃体，并且因为它还被纤维组织所包围，所以存在电刺激不能被传送的可能。此外，还具有的缺点是，当电刺激被施加到视网膜的上侧时，因为视网膜神经纤维层被刺激而传播信号或同时刺激视网膜的多个层的细胞，因此难于提高空间分辨率。因为视网膜前膜型人造视网膜可以不在视网膜内进行信号处理，刺激电极网格的形状和患者实际感知到的形状可能不同，这相应地需要针对每个患者定制图像处理。因此，与视网膜下膜型的人造视网膜相比，还具有需要各种元件以及用于连接这些元件的信号传输单元的缺点。

在视网膜下膜型人造视网膜中，光电二极管阵列位于视网膜细胞层下方的感光细胞层上。视网膜下膜型人造视网膜被设计为简单替代光感受器的功能，并且双极细胞是主要的电刺激目标。为此，视网膜下膜型人造视网膜被设计为将用于感知光的光电二极管与用于刺激的电极集成，并且通过从光电二极管直接流到电极的电流刺激视网膜神经细胞。光电二极管阵列执行类似cmos图像传感器的功能。每个光电二极管单元中所产生的暗电流的大小根据光的强度而不同，并且该电流通过转换电路转换成两相电流脉冲以作为激活电位。视网膜下膜型人造视网膜的优点在于通过双极细胞和视网膜内层的信息处理来使用现有的视觉传输路径，由此实现感知物体的自然感觉。此外，插入眼球的微电极阵列允许人眼的移动，相较于需要用户将他或她的头部而不是眼睛转向物体的方向以便看见并感知物体的、内置于眼镜的具有紧凑摄像头的系统而言，可以说在生理和自然方面具有优势。此外，因为在至今为止制造的人造视网膜中，视网膜下膜型的刺激方法产生的像素数量最大，所以这意味着可以实现高分辨率。

在另一现有技术中，德国的视网膜植入公司(retinaimplant)成功商业化的alphaims模型具有1500个光电二极管阵列和与其匹配的两相电流生成阵列，但是据报道，根据临床试验，其实际分辨率低于63通道的视网膜前膜型人造视网膜的分辨率。当刺激视网膜前膜型人造视网膜时，摄像头捕获的图像通过图像处理转换成数字信号，并随后通过编码转换成串行数字信号并传送给人造视网膜。

目前手术中可用的上述两种产品仅仅将视细胞上的光转换成电信号以生成电流并且使用现有的活性视网膜结构将信号传送到视神经。然而，虽然rp或amd是一种主要视细胞层缺失然后丧失视力的疾病，在许多盲人患者的实际情况中，其次的变化是视网膜中的剩余神经传输层，例如，双极细胞、水平细胞等也缺失。在图2中，水平细胞不直接将视细胞中产生的电流刺激传送到视网膜神经节细胞的神经纤维层，而是用于控制传送过程中的电流强度来帮助更清楚地分辨物体的对比度，并用于增加大脑中物体的对比敏感度。对比敏感度之所以重要的原因是，其在从背景中更清楚地分辩和感知物体的形状(例如，诸如脸部形状的二维信息等，或包括阴影的三维立体形状)中起重要作用。即，存在生理回路，当激发神经细胞时，其将抑制性神经递质通过水平细胞传送到相邻神经细胞使得相邻神经细胞较少地活动，这被解释为清楚地感知边界的机制。这称为水平细胞的侧抑制。

参照图2，水平细胞在视网膜的切向平面中与视神经纤维并排延伸。视杆细胞和视锥细胞轴突处的末端是细长树突，细的细胞体位于内颗粒层中。

参照图3(a)，不接收周围的光的视锥细胞照常处于去极化状态，并分泌谷氨酸，谷氨酸通过off型双极细胞连续激发off型神经节细胞，使人感觉周围区域是暗的。在这个过程中，周围的去极化的视细胞激发区域中的水平细胞。激发的水平细胞接收相邻的光进一步超极化已经超极化的中心视细胞以抑制谷氨酸的分泌并通过on型双极细胞连续激发on型神经节细胞，使人感觉对应的中心区域是亮的。参照图3(b)，当光进入周围时，视细胞被超极化以抑制谷氨酸的分泌并通过连接的on型双极细胞连续激发on型神经节细胞，使人感觉对应的中心区域是亮的。在这个过程中，周围的超极化的视细胞不能激发周围的水平细胞，不接收相邻中心的光的视锥细胞照常处于去极化状态并对谷氨酸的分泌不造成影响。即，当通过连接的off型双极细胞连续激发off型神经节细胞时，人感觉中心区域是暗的。

当前，利用外部摄像头从人造视网膜系统收集视觉信息的视网膜前膜型人造视网膜产品能够通过利用摄像头图像分析程序来处理信息而独立调节刺激眼睛内侧的电流的强度，但是对于使用光电二极管简单地将输出电流施加到视细胞的视网膜下膜型人造视网膜等，不同对比度所产生的电流差不足够大以使患者具有对比敏感度。

引用文件列表

专利文献

(ptl1)韩国专利公开第10-2016-0045530号(2016.04.27)

(ptl2)韩国专利公开第10-1275215号(2013.06.17)

技术实现要素：

技术问题

本发明的目的是解决上述现有技术的问题。特别地，期望提供一种人造视网膜系统，其采集在视网膜下膜型人造视网膜中采用的光电二级管阵列刺激器所产生的刺激电流的大小，并将所采集的电流的大小与由相邻刺激器所产生的电流的大小(或其本身的阈值电压)进行比较并放大差异以增加对比敏感度。

技术方案

为了解决上述问题，提供了一种根据本发明实施例的用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，其可以包括：人造视网膜100，其安装在视网膜之下并包括多个光电二极管单元110；微计算机200，其将从光电二极管单元110中的每个光电二极管111输出的电信号的大小与至少一个参考值进行比较，并根据比较结果来控制以放大或衰减从每个光电二极管单元110输出的电信号，其中，可以利用由微计算机200控制的电信号来刺激与每个光电二极管单元110对应的视细胞。

在实施例中，优选地，光电二极管单元110包括：光电二极管111，其将从外部引入的光转化成电信号并输出该电信号；复制器112，其复制从光电二极管111输出的电信号；放大器113，其放大或衰减从复制器112输出的电信号；以及刺激电极115，其利用从放大器113输出的电信号刺激视细胞，其中，微计算机200可以调节放大器113的增益来控制以放大或衰减从光电二极管单元110输出的电信号。

在实施例中，优选地，光电二极管单元110中的每个还包括转换器114，其使从光电二极管单元110中的每个输出的电信号具有两相电信号的形式。

在实施例中，优选地，微计算机200存储与大于或等于至少一个参考值中的一个参考值且小于另一个参考值的值对应的增益值，并且当至少一个参考值的数量是n时，增益值的数量是n+1。

在实施例中，优选地，微计算机200包括跨阻抗放大器210，其将复制器112复制的电信号转换成电压信号；比较器220，其将跨阻抗放大器210转换的电压的大小和阈值进行比较；控制器230，其根据比较器220的比较结果控制放大器113；以及存储器240，其存储由控制器230确定的放大器113的增益值。

在实施例中，优选地，用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，还包括接收用户命令的用户输入单元500，以及根据该用户命令运行微计算机200的外部计算机600。

在实施例中，优选地，微计算机200还包括通信单元250，其与外部计算机600进行无线通信。

此外，提供了一种根据本发明的用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，其可以包括：人造视网膜100，其安装在视网膜之下并包括多个光电二极管单元110；微计算机200，其将从光电二极管单元110中的每个的光电二极管111a输出的电信号的大小和从与光电二极管111a相邻的另一个光电二极管111b输出的电信号的大小进行比较，并根据比较结果来控制以放大或衰减从光电二极管单元110的每个输出的电信号，其中，可以利用由微计算机200控制的电信号来刺激与光电二极管单元110中的每个对应的视细胞。

在实施例中，优选地，微计算机200根据比较结果来控制与光电二极管单元110的刺激电极115a和115b连接的开关s1和s2，从而控制以放大或衰减从光电二极管单元110中的每个输出的电信号。

在实施例中，优选地，微计算机200使与输出较大电信号的光电二极管111b连接的开关s2闭合并且使与输出较小电信号的光电二极管111a连接的开关s1断开。

此外，提供了一种根据本发明的用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，其可以包括：人造视网膜100，其安装在视网膜之下并包括多个光电二极管单元110；微计算机200，其将从光电二极管单元110中的每个的光电二极管111输出的电信号的大小与至少一个参考值进行比较，并且根据比较结果控制使得通过电流生成器260输出电流，其中，可以利用由微计算机200控制的电流来刺激与光电二极管单元110中的每个对应的视细胞。

技术效果

根据本发明，可以提供一种人造视网膜，其通过将光电二极管中产生的电流的大小进行比较并控制放大器的对应增益而具有提高的对比敏感度。

因为对比敏感度提高，因此具有以下优点：能够更清楚地感知背景图像和物体之间的界面并最少化串扰现象，从而为配有人造视网膜的患者提供优化的分辨率。

附图说明

图1和图2是用于解释视网膜结构的视图。

图3是用于解释水平细胞的侧抑制现象的视图，该现象提高了视网膜细胞的对比敏感度。

图4是说明根据本发明实施例的人造视网膜系统的框图。

图5是根据本发明实施例的人造视网膜的位置示意图。

图6是用于解释根据本发明实施例的人造视网膜的结构的概念图。

图7是用于解释根据本发明实施例的微计算机的配置的框图。

图8是用于解释根据本发明实施例的人造视网膜系统的操作的图。

图9是用于解释图8的人造视网膜系统的比较器的操作的图。

图10是用于解释根据本发明另一实施例的人造视网膜系统的操作的图。

图11用于解释根据本发明又一实施例的人造视网膜系统的操作的图。

具体实施方式

1、根据第一实施例的人造视网膜系统

首先，将参照图4描述根据本发明的第一实施例的人造视网膜系统。图4是说明人造视网膜系统的整体配置的图表。根据本发明的人造视网膜系统包括人造视网膜100、微计算机200、电池300、外部电源400、用户输入单元500和外部计算机600。

人造视网膜100是安装在视网膜的视细胞层上并将光转换成电信号以利用转换的电信号来刺激视细胞v的部件，并且将在下文进行详细描述。

微计算机200是一个部件，控制人造视网膜100的每个光电二极管单元110，特别地将从光电二极管111输出的电信号的大小与参考值r1和r2进行比较，并且根据比较结果来控制以放大或衰减从每个光电二极管单元110输出的电信号。在这个示例中，控制以放大或衰减电信号是通过调节光电二极管单元100的放大器113的增益来执行的，并且微计算机200的增益调节过程将在下文进行描述。

电池300是给人造视网膜100和微计算机200供电的部件。电池300被植入人体，并通过线缆连接到人造视网膜100和微计算机200，并通过位于人体外部的外部电源400通过共振充电。通过外部电源400对电池300的充电过程不是本发明的特征，所以省略其详细描述。

外部计算机600是从外部通过与微计算机200通信来控制人造视网膜100和微计算机200的部件。可以通过操作外部计算机600来打开/关闭人造视网膜100的每个光电二极管单元110，并可以操作开关s。

用户输入单元500是通过用户输入单元500将命令输入到外部计算机600的部件。通过用户输入单元500和外部计算机600输入的命令控制微计算机200。

然后，将参照图5对人造视网膜100进行详细描述。图5是解释人造视网膜100在视网膜中的植入位置的视图。

从外部引入眼球的光通过神经节细胞和双极细胞到达视细胞，视细胞v将光转换为电信号以刺激双极细胞b。随后，这些电信号通过双极细胞b和神经节细胞g，然后通过连接到神经节细胞g的视神经纤维被传送到感知视觉的大脑。然而，因为视细胞层受损而不能够正常工作，所以rp或amd疾病的患者不能够感知视觉。人造视网膜是替代受损视细胞并将从双极细胞引入的光转换成电信号以刺激视细胞以恢复视觉的设备。

参照图5，人造视网膜100安装到视细胞层上，并利用电信号电刺激对应于人造视网膜100的视细胞v。人造视网膜100以芯片的形式提供，并且在芯片上提供多个光电二极管单元110。植入的人造视网膜100的分辨率与光电二极管单元的像素数量成比例。即，光电二极管单元的数量越大，分辨率性能越高。

将参照图6对光电二极管单元110进行详细描述。参照图6，光电二极管单元110包括光电二极管111、复制器112、放大器113、转换器114和刺激电极115。

光电二极管111是感知从外部引入的光、将光转化成与其对应的电信号并且输出该电信号的部件。

由光电二极管111转换的电信号被复制器112复制。由复制器112复制的电信号之一流入放大器113，其他电信号流入将在下文中描述的微计算机200的跨阻抗放大器210。

流入放大器113的电信号由放大器113进行放大或衰减。放大器113的增益由下文描述的微计算机200调节，并可以通过控制放大器113的增益来电刺激视细胞v，从而提高对比敏感度。

转换器114是将放大器113放大或衰减的电信号转换成与电信号对应的两相电流脉冲的部件。该部件使从光电二极管单元110输出的电信号具有两相电信号的形式，因为经过放大器113的电信号不能够单独刺激视细胞v，因此需要通过转换器114将其转换成两相电流脉冲。转换器114产生与通过放大器113的电信号的大小和持续时间对应的两相电流脉冲。

刺激电极115是利用由转换器114产生的两相电流脉冲来刺激视细胞v的部件。该部件是利用从光电二极管单元110输出的电信号来刺激视细胞v的部件，使用人造视网膜100的患者能够通过刺激电极115刺激视细胞v而恢复视觉。

然后，将参照图7至9对微计算机200进行详细描述。

参照图7，微计算机200包括跨阻抗放大器210、比较器220、控制器230、存储器240和通信单元250。特别地，该部件将从光电二极管111流过的电信号的大小与参考值r1和r2进行比较，并根据比较结果通过放大器113的增益控制来控制以放大或衰减从每个光电二极管单元110输出的电信号。

参照图8和9，将描述将电信号的大小与参考值r1和r2进行比较并且调节放大器113的增益的过程。

当光从外部进入眼球时，光电二极管单元110中的每个光电二极管111输出对应于引入光的强度的电信号。

复制器112复制从光电二极管111输出的电信号，并且同时，复制的电信号之一流入放大器113，并且其他的流入跨阻抗放大器210。

跨阻抗放大器210将流入跨阻抗放大器210的电信号转换成电压信号vn。由跨阻抗放大器210转换的电压信号vn流入比较器220。

比较器220将电压信号vn和预定参考值r1和r2进行比较。在这个示例中，参考值r1和r2被预先存储在存储器240中。在本说明书的示例中，存在两个参考值，但参考值的数量不受限制。因为更大数量的参考值使得增益调节更精确从而能够进一步提高对比敏感度。参照图9，当存在两个参考值时，放大器113具有三个增益值。换句话说，当存在n个参考值时，放大器113具有n+1个增益值。

当电压信号vn大于0且小于r1时，增益值是g1；当电压信号vn大于r1且小于r2时，增益值是g2；当电压信号vn大于r2时，增益值是g3。

根据比较器220将电压信号vn和参考值进行比较的结果，通过控制器230调节放大器113的增益。即，控制器230通过由比较器220指定的增益值来调节每个光电二极管单元110的放大器113的增益。光电二极管单元110中的每个利用根据引入光的强度而具有不同大小的电信号来刺激视细胞v，使得能够提高使用人造视网膜100的患者的对比敏感度。

2、根据第二实施例的人造视网膜系统

将参照图10描述根据本发明第二实施例的人造视网膜系统。在根据第一实施例的人造视网膜系统中，将从每个光电二极管单元110的光电二极管111输出的电信号与参考值进行比较并将放大器113调节为具有与其对应的增益值，从而提高对比敏感度，但是在根据第二实施例的人造视网膜系统中，对比敏感度是通过将从光电二极管单元110的相邻光电二极管111a和111b输出的电信号进行比较并控制开关s1和s2而得到提高的。

虽然配置与根据第一实施例的人造视网膜系统的配置相同，但是用于提高对比敏感度的方法不同。与根据第一实施例的人造视网膜系统的元件相同的元件的描述将被省略，而仅描述不同元件。

首先，当光从外部进入眼球时，每个光电二极管单元110的光电二极管111a和111b输出对应于引入光的强度的电信号。

复制器112a和112b复制从相应光电二极管111a和111b输出的电信号，并且复制的电信号流入比较器220a。

比较器220a将两个电信号的大小进行比较，控制器230在输出较大电信号的一侧使开关s2闭合并在输出较小电信号的一侧使开关s1断开。在相邻的光电二极管单元110中，一个闭合而另一个断开使得能够提高对比敏感度。

3、根据第三实施例的人造视网膜系统

将参照图11描述根据本发明的第三实施例的人造视网膜系统。

虽然配置与根据第一实施例的人造视网膜系统的配置相同，但是不同的是还提供了电流生成器260。与根据第一实施例的人造视网膜系统的元件相同的元件将被省略，而仅描述不同元件。

首先，当光从外部进入眼球时，光电二极管111输出对应于引入光的强度的电信号。

从光电二极管111输出的电信号被跨阻抗放大器210转换成电压信号，比较器220b将转换后的电压信号与多个预定参考值进行比较。根据比较结果确定电流值，确定后的值被输入电流生成器260以选择预先存储的具有不同大小的两相电流，并且所选电流通过刺激电极150输出。与根据第一实施例的人造视网膜系统类似，根据第三实施例的人造视网膜系统能够通过将多个参考值和输出信号进行比较并根据比较结果调节从刺激电极150输出的信号来提高对比灵敏度。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明的保护范围应由权利要求确定。

附图标记列表

100：人造视网膜

111：光电二极管

112：复制器

113：放大器

114：转换器

115：刺激电极

200：微计算机

210：跨阻抗放大器

220：比较器

230：控制器

240：存储器

250：通信单元

260：电流生成器

300：电池

400：外部电源

500：用户输入单元

600：外部计算机

1000：人造视网膜系统。