专利名称：一种高密度微电极阵列的外层型人造视网膜前端系统设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物医学工程技术领域的一种高密度微电极阵列的外层型人造视网
膜前端系统的设计方法，具体涉及一种面向高密度微电极阵列的外层型人造视网膜系统提 供视觉信息剌激电流脉冲的前端系统装置的设计方法。
背景技术：
人造视网膜技术的应用对象是因视网膜疾病，如视网膜色素变性(Retinitis Pigmentosa :RP)或年龄相关性黄斑病变(Age-related Macular Degeneration :AMD)而丧 失视觉的失明人士。依据微电极阵列在视网膜中植入位置的不同，其系统解决方案可分为 两种Sub-retinal型(安放于视网膜内的)和Epi-retinal型(安放于视网膜表面的)。无 论对于哪一种系统方案，人造视网膜系统都分为眼内和眼外系统两大部分，其主要原理如 下体外系统获取图像信息，并将之转换成适合视网膜神经系统的剌激模式；将剌激模式 和眼内系统所需能量采用无线方式传输给眼内系统，眼内剌激器电路将剌激模式转化成剌 激脉冲电流，用以剌激植入在视网膜上的微电极阵列，从而剌激视网膜神经，产生光幻视。
人造视觉技术文献检索研究发现，国内目前尚无完整人造视觉系统实现解决 方案专利，而国外则有一篇针对整个人造视觉系统提出的实现方法的专利，其专利号为 EP1702647A1，发布日期为2006年9月20日，名为"Visual Prothesis"("人造视觉")。 该发明专利中，人造视觉系统主要由感知外部图像系统，无线传输电路和视网膜组织的剌 激电路组成，其中感知外部图像系统实现图像数据到剌激信息向量(stimulus pattern)的 转换，无线传输电路实现剌激信息向量从眼外到眼内的无线传输，视网膜组织的剌激电路 则实现剌激信息向量到剌激电流脉冲的转换。另外，该专利中声明其眼内元件的供能直接 从接收到的图像信号中提取。分析该专利技术，我们发现该专利虽然描述了一个人造视觉 系统所需的各项功能组成，但没有针对高密度微电极阵列的人造视网膜系统提出具体的系 统设计方案。与低密度微电极阵列的人造视网膜系统相比，高密度微电极阵列的人造视网 膜系统设计主要需要注意以下关键问题(l)在有限的微电极阵列下，利用图像处理技术 尽可能增加图像的有效信息，从而为视觉障碍者提供较好的图像感知信息；(2)随着电极 数目增多，需要从眼外传输到眼内的数据量也随之增加，当采用一条链路进行数据和能量 传输时，难以同时实现既保证较大的数据带宽，也具有较高的能量传输效率；(3)高密度微 电极阵列的剌激器的电路面积问题；(4)眼内植入装置的生物因素问题，如生物适应性，生 物安全性等。以上问题，目前皆没有具体技术解决方案。
发明内容
本专利提供了一种为高密度微电极阵列的外层型人造视网膜系统提供剌激电流 脉冲的前端系统装置的设计方法，本发明针对上述需要注意的问题，分别研究和设计了图 像处理，无线传输以及植入式微剌激器三大模块。在图像处理模块中，提出了采用计算图像 ROI(Regionof interest)的策略和算法实现了高精度图像到低精度图像的有效映射，从而
4为视网膜障碍者提供有效的视觉信息；在无线传输模块中，采用两条链路分别进行数据和
能量的无线传输，使得在传输高数据量的情况下，能够达到较高的无线能量传输效率；在植
入式微剌激器模块中，采用驱动单元复用方法有效地减小微剌激器的面积，并采用高输出
阻抗的输出驱动电路和电荷平衡方案为微剌激器提供了较高的生物适应性和生物安全性。
上述设计方法和相应的系统装置为高密度微电极阵列外层型人造视网膜技术的实用化提
供了有效的技术解决方案。 本发明是通过以下技术方案实现的 本发明所涉及的高密度微电极阵列的人造视网膜前端系统，主要包括五个部分 图像获取模块，图像处理模块，编码模块，数据和能量无线传输模块，产生剌激电流脉冲的 微剌激器模块。这五个模块依次连接，其中 所述的图像获取模块是一个CCD (charge coupled device)摄像头，它将图像信息 转化成数字图像模式。 所述的图像处理模块，接收图像获取模块产生的高精度数字图像，采用先进的图 像去噪、ROI区域提取(将图像中人眼感兴趣或重要的区域提取出来)、图像增强、灰度化、 灰度级简化和图像尺度变换(以匹配植入微电极阵列的尺寸大小)等一系列图像处理算 法将原始图像转化成能够提供较多有用视觉图像信息的低精度图像，并输出给后端编码模 块。其中，ROI区域提取算法，具体为联合显著图(saliency m即SM)和视觉注意力图 (vision attention m即VA)提取原始图像中的ROI区域。其中，SM易于确定图像中显著 值最高的点，但是不易得到连续的受关注区域，因此不利于图像受关注区域的理解；VA则 擅长于将不同颜色但位置相近的区域聚集在一起，能够检测出较为连续的受关注区域，其 不足在于不易区别一些不受关注的区域。SM和VA方法的有效结合则可以提取出连续的受 关注区域。本发明提出首先利用SM算法得到图像中每个点的显著值，并找到显著值较大的 像素点，再利用VA算法确定几个连续的受关注的区域，再将两者得到的图像相与，获得显 著值大且连续的受关注区域。 所述的编码模块实现获得的低精度图像到剌激信息向量的格式转换，并在剌激信 息向量的基础上添加同步帧头和奇偶校验码，作为无线传输模块输入的剌激数据。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时间信息，其中剌激幅度信息是对 图像处理模块输出的灰度图像中每个像素点的亮度信息的二进制编码，它决定了微剌激器 解码后产生的剌激电流脉冲的幅度，剌激地址信息是对每个像素点的位置信息的编码，它 决定了剌激电极的地址，剌激时间信息是对剌激脉冲宽度，脉冲间隔信息的编码，可手动设 置。同步帧头可设置为数位连续的l，为了避免同步帧头与有效数据的混淆，需要在有效数 据中间插入0。奇(偶)校验中，计算一帧数据中有效剌激数据的比特1的个数，当个数为 奇数时，添一位O(l);反之添一位l(O)。 所述的数据和能量无线传输模块实现剌激数据从眼外到眼内的无线传输，并为眼 内植入装置提供能量。无线传输模块由数据无线传输链路和能量无线传输链路构成。其 中，数据无线传输链路实现剌激数据的无线传输，主要完成剌激数据的调制，发送，接收，解 调功能，为后端微剌激器模块提供剌激数据。对于高密度微电极阵列人造视网膜系统，剌激 数据的数据量较大，本发明采用能够提供更高数据带宽的FSK调制方法。数据的发送与接 收则通过一对近距离耦合的电感线圈实现，即两个电感线圈与各自的调谐电容构成互感
5谐振电路，调节调谐电容或电感值，使得互感谐振电路发送端和接收端的谐振频率点位于 两个FSK调制载波频率之间，使得调制数据在两个不同载波频率上都能够实现传输。接收 到的调制数据输出给FSK解调电路，恢复出剌激数据。FSK解调电路的实现方法是通过测 量调制波形正弦载波的周期长度，并与设定阈值比较，判定所测为长周期或短周期，从而判 断调制前的信号是0还是1，再提取调制信号中的同步时钟信号，根据同步时钟信号恢复出 调制前的数字信号。此外，本发明所述的能量无线传输链路则实现能量的无线传输，主要完 成直流能量到交流能量的转换，交流能量的发送和接收以及直流能量的恢复等功能，为整 个植入装置的工作提供直流电源电压。直流能量由眼外装置提供(电池等供电设备)，以保 证眼外装置的可移动性。直流能量到交流能量的转化由一个时钟产生电路和一个E类功率 放大器实现。时钟产生电路产生的时钟信号用于控制E类功放的开关管，E类功放在时钟 信号的控制下，将直流电源能量转换成交流能量，并通过一对近距离耦合的电感线圈实现 无线传输。E类功率放大器具有较高的能量利用率，可实现能量传输链路的较高的能量传输 效率。两个电感线圈中，一个是E类功放的元件，另一个在接收端与一个调谐电容构成谐振 电路，其谐振频率等于交流能量的频率，从而实现能量最大幅度的接收。接收到的交流能量 通过整流和稳压电路，实现直流转换，为整个植入装置提供稳定的直流工作电源电压。本发 明中，整流电路采用传统的桥式整流电路，可以充分利用整个周期的电能；稳压电路采用线 性低压差稳压结构，包括启动电路，带隙基准源产生电路，误差放大器和传输元件三部分， 其中采用PMOS管作为传递元件，具备较小的静态电流和较低的压差，带隙基准源产生电路 能够提供精度和温度系数较好的基准源，误差放大器采用简单的差分放大器，结构简单，低 功耗，占地面积小。为了减少采用两条链路实现无线数据和能量的传输带来的体积增大的 问题(特别是在植入端)，本发明中，植入端的两个电感线圈采用了一个线圈垂直缠绕在另 一个线圈上的方式， 一方面可减小线圈在眼内占用的体积，另一方面其垂直缠绕方式也保 证了数据和能量链路之间的干扰尽可能减小。 所述的微剌激器模块实现剌激数据到双阶段剌激电流脉冲的转换，产生的剌激电 流脉冲用于剌激植入视网膜中的微电极阵列，从而剌激与微电极阵列接触的视网膜神经， 产生视觉效果。微剌激器模块主要完成剌激信息向量的解码和剌激电流产生的功能，即将 剌激信息向量中的剌激地址，剌激幅度以及剌激时间信息分别解码，输出给输出驱动单元， 产生指定脉冲宽度，脉冲间隔及脉冲强度的双阶段剌激电流，对剌激地址指向的微电极产 生剌激。微剌激器模块主要包括数字控制电路，存储单元，同步检测电路，奇偶校验电路，数 字模拟转换电路(DAC)，双阶段时序产生电路，地址译码电路和输出驱动电路。其中，所述 的数字控制电路主要实现整个微剌激器工作状态的控制，剌激器的工作状态可以分为同步 检测，奇偶校验，存储和产生剌激，这四个状态之间的转换则通过一个状态机实现它将无 线传输模块解调恢复出的剌激数据进行同步检测，当检测到同步帧头时，判定接下来接收 的数据将为有用的剌激信息向量，开始进入奇偶校验状态，否则继续处于同步检测状态。奇 偶校验用于判断在无线传输过程中，传输的数据是否产生了错误，如果奇偶校验没有发现 错误，则进入存储状态，将从剌激数据中提取出来的剌激信息向量存储在微剌激器中的存 储单元中，否则返回同步检测状态，放弃该错误帧数据，进行下一正确帧数据的接收。根据 发送端定义的帧格式，从存储的剌激信息向量中分别提取出剌激幅度，剌激地址和剌激时 间信息，并分别传送给DAC电路，地址译码电路和双阶段时序产生电路，再通过输出驱动电
6路产生双阶段剌激电流脉冲，对微电极阵列产生剌激。此外，所述的存储单元用于存储接收 到的正确的剌激信息向量，主要分为地址存储单元，幅度存储单元和时间信息存储单元，分 别用于存储剌激地址信息，剌激幅度信息和剌激时间信息。所述的同步检测电路和奇偶校 验电路分别用于检测帧数据中的同步帧头和判断传输数据的正确性。同步帧头的检测使得 发送接收端的时序保持一致，从而保证了正确地进行发送和接收。按照发送端设置的同步 帧头，当检测到指定位数的连续1时，判定开始接收有用数据。根据发送端设置的奇(偶) 校验方法，当接收到一帧数据后，计算一帧数据中有效剌激数据比特1的个数，与校验位比 较，判断接收数据正确与否。所述的DAC电路则用于将存储在幅度存储单元中的剌激幅度 信息转化成对应幅度的电流脉冲，产生的电流脉冲输出给输出驱动电路。所述的双阶段时 序产生电路根据存储在时间信息存储单元中的剌激时间信息产生指定的脉冲宽度控制时 序，脉冲间隔控制时序，作为输出驱动电路的控制时序，具体可通过一个内部计数器实现。 所述的地址译码电路用于将存储在地址存储单元中的剌激地址信息转化成电极选通控制 信号，对相应的电极输出剌激脉冲电流。对于高密度电极阵列，如果采用一个输出驱动电路 驱动一个电极，植入装置的面积将会非常大，所以这种一对一剌激不适用于高密度微电极 人造视网膜系统。采用输出驱动电路复用的方法可以解决这一问题，即一个输出驱动电路 通过一个多路选择器与几个电极开关相连，并将剌激地址信息分为高位地址和低位地址两 个部分，高位地址用于选择一个输出驱动单元，也就是一个多路选择器，低位地址用于选择 与多路选择器相连的多个电极中的一个，有效减少了输出驱动电路和DAC电路的数目，从 而减小了植入式微剌激器模块的面积。所述的输出驱动电路在双阶段时序产生电路产生的 控制时序作用下，根据DAC电路转换的电流脉冲幅度，产生指定幅度，脉冲宽度，脉冲间隔 的双阶段剌激电流脉冲，输出给多路选择器，由地址信息判定双阶段剌激电流作用的电极。 在输出驱动电路中采用宽摆幅的共源共栅电路可以提高微剌激器的输出阻抗，从而适应多 变的生物环境，提高其生物适应性。为了避免各种电路失配引起的电荷积累，采用了电荷平 衡机制，即采用三相控制时钟分别控制阴极剌激，阳极剌激和平衡阶段，使得在每次剌激完 成后将输出节点接地放电，从而有效避免了电荷积累效应对人眼造成的伤害，提高了植入 式微剌激器模块的生物安全性。 本发明利用ROI算法提取图像中感兴趣的区域后再进行一般的图像处理，增加了 低精度图像可提供的信息量，为视觉障碍者提供了更好的图像质量；并采用独立的数据和 能量无线传输链路实现剌激数据和能量从眼外到眼内的传输，实现了高密度微电极阵列人 造视网膜系统的高数据量和高能量效率的传输；在植入微剌激器中采用驱动单元复用的方 法，减小了微剌激器的面积，同时引入高输出阻抗电路设计方法和电荷平衡方案，提高了植 入装置的生物适应性和生物安全性。
图1是本发明中外层型人造视网膜系统的结构框图 图2是本发明中人造视网膜系统图像处理算法的流程图 图3是本发明中人造视网膜系统数据和能量无线传输模块的结构框图 图4是本发明中FSK解调电路的结构框图 图5是本发明中人造视网膜系统微剌激器模块的结构框图
图6是本发明中微剌激器模块中数字控制电路的控制流程图
图7是本发明中微剌激器模块中驱动单元复用的原理图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例做详细说明本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。 如图1所示，首先通过图像获取模块获取外部图像信息，得到的图像信息经过图 像ROI提取和一些图像处理并编码后，输出给数据和能量无线传输模块进行调制，然后同 能量一起无线传输至眼内；微剌激器模块将接收到的剌激数据转化成双阶段剌激电流脉 冲，输出给微电极阵列产生剌激。 如图1所示的图像获取模块，由于CCD摄像头具有灵敏度高，抗震动，体积小等优 点，本发明中的图像获取模块采用了 CCD摄像头。该摄像头分辨率为720*576，支持多种格 式数据输出YUV/YcbCr(4:2:2)和RGB (4:2:2)，其图像采集速率为每秒25帧，具备±30° 的视角，使得可以涵盖了人眼的中心视野(±10° )，因此满足了人造视网膜图像采集的需 求。 如图1所示的图像处理模块采用的是合众达公司的基于TMS320匿642数字信号处 理芯片开发板SEED-VPM642，它的主处理器TMS320DM642，主频600MHz，具备较强的运算能 力，可以满足人造视网膜系统视频图像实时处理的需要；VPM642还具备丰富的存储资源和 视频接口 ，有4MX 64位的SDAM， 4MX 8位的flash, 512 X 8位的EEPROM和4路视频输入(标 准PAL或NTSC制模拟视频输入)和1路视频输出(标准PAL或NTSC制模拟视频输出)，为 各种图像采集设备的接入提供了便利。 如图2所示的人造视网膜图像处理算法的流程图中，CCD摄像头将采集的图像信 号视频输入图像信息处理系统，进行基于Salience m即和Vision attention m即的ROI 提取算法，其具体步骤为先提取原始RGB彩色图像中归一化的r， g， b， y值，并计算其颜色 相对特征(rg_bycolor opponent feature)和强度特征(intensity feature)，然后采用高 斯金字塔算法求得其颜色特征图(color feature m即)和强度特征图(intensity feature map);将得到的color feature map禾口 intensity feature map经过归一化处理后得到两 者的显著图(conspicuity m即)，最后按照一定的加权系数对两个conspicuity m即求和得 到最终的Saliency m即。得到的saliency m即表征了每个像素点显著值，根据显著值计算 出最受关注的像素点，作为ROI的参考点。然后进行Vision attention处理提取相对连续 的受关注区域，并将Saliency m即算法找到的区域与Vision attention m即找到的区域 相与，得到一个连续且最受关注的区域，即原始图像中的感兴趣区域(ROI)。得到了ROI之 后，对ROI区域的图像进行灰度化处理，得到其灰度图，然后采用基于直方图均匀的对比度 增强算法，使得ROI区域的图像特征更加明显；为了进一步降低图像分辨率减少后端需要 传输的数据量，本发明对增强后的灰度ROI图像进行灰度级简化，得到32个灰度级别(可 用5bit表示)；然后将得到的简化灰度图进行尺寸重新定义，以匹配32*32的微电极阵列 数目。 如图1所述的编码模块完成图像数据到剌激数据的转换。对于32*32微电极阵列
8的人造视网膜系统，32*32图像的每个像素点的亮度信息采用5bit剌激幅度码表示，每个 像素点的位置信息则由10bit的剌激地址码表示，这一帧图像在后端产生剌激的时间信息 则由10bit的剌激时间编码表示，包括脉冲宽度，脉冲间隔的编码，这三个部分构成了一帧 图像的剌激信息向量。在每一帧剌激信息向量的前端加入连续的lObit "l"，作为同步帧 头，同时在后面的剌激信息向量的比特流中每隔9bit插入一个0，以便于与同步帧头区分。 最后计算剌激信息向量和同步帧头中"1"的位数，在剌激信息向量的末端加入奇偶校验位 构成了后端无线传输的输入剌激数据。 如图3所示，人造视网膜系统的无线传输模块由数据传输链路和能量传输链路 构成，实现数据和能量从眼外到眼内的无线传输。数据传输链路完成数据的调制，发送， 接收和解调等功能。对于32*32微电极阵列的人造视网膜系统，其传输的数据量约为 32X32X25f/sX (Sbit+10bit+10bit+10bit) 1Mbps。对于这个高密度的人造视网膜系 统，由于其数据率较大，我们采用高数据带宽的FSK调制方式，在解调上，采用全数字的FSK 解调方法，解决了电容依赖问题，具体解调方法如图4所示比较器将接收到的FSK正弦调 制载波信号转化成方波调制信号CKin，作为周期测量的输入信号；Ftb作为计数器的时钟信 号，为了能够正确地区分两个载波的频率f。和^ (f。 = 2fn f。载波代表数字信号0， ^载波 代表数字信号1) ， Ftb的时钟频率设计为f。 > Ftb/2n > ^ (其中n为计数器的位数)。在 Ftb时钟下，计数器开始对CKin各个周期进行计数，当对长周期的调制载波进行计数时，计数 器会记满，从而产生一个高电平进位信号MSB ;当对短周期的调制载波进行计数时，计数器 不会记满，从而MSB始终为低电平。在数字模块中，以Ckin和MSB作为输入信号，当MSB为 高时，即Ckin出现长周期时，每遇到一个Ckin的低跳变沿则跳变一次；当MSB为低时，即 Ckin出现短周期时，每隔一个Ckin的低跳变沿则跳变一次，这样就得到了均匀的时钟输出 信号Clock_out ;在Clock_out时钟下，当MSB为高时，则判断输出数据Data_out为1，反 之，则判断输出数据Data_0ut为0。 如图3所示，能量传输链路主要完成能量的调制，能量的传输和能量的恢复等功 能。能量的调制即直流电源电压到交流电压的转换通过E类功率放大器和一个时钟产生电 路实现。时钟产生电路产生时钟的频率就是需要转换的交流电压的频率。E类功率放大器 由于其具备非常高的能量转换效率，因此适合于人造视网膜系统的无线传输模块，使得能 够充分利用眼外提供的有限的能量(电池供电)。E类功率放大器的开关管受到时钟的控 制，使得开关管的两端电压和流经的电流时钟保持180°的相差，从而使得损耗在开关管上 的能量接近0。交流能量的发送是通过E类功率放大器中的电感线圈输出的，该电感线圏与 接收端的电感线圈构成了能量无线传输链路。 在我们设计的系统中，摄像头按装在人体佩戴的太阳镜上，因此数据和能量无线 传输距离为5mm lOmm，所以数据和能量的传输可分别由一对近距离耦合的电感线圈完 成，具体可通过两对互感谐振电路实现， 一对用于传输数据，另一对用于传输能量。对于数 据传输链路。由于32*32的人造视网膜系统的传输数据率约为1Mbps，我们选择FSK调制的 载波频率为5MHz和lOMHz，根据谐振电路的频率响应特性的带通特性，传输数据的谐振电 路可调谐在8MHz左右的谐振频率，使得5MHz的调制载波和lOMHz的调制载波尽可能同等 程度通过谐振电路传播，从而使得两者在接收端的幅度尽可能一致。对于能量传输链路，由 于本发明中采用了独立的传输链路对能量进行传输，所以其传输的载波频率可以不同于数据链路，我们选择500KHz左右，并调节谐振电路的电路参数，使其在500KHz左右谐振，以保 证较高的能量传输效率。 如图3所示，接收端接收到数据和能量后，分别进行数据恢复和能量恢复。数据链 路接收端对接收到的调制数据进行解调恢复出剌激数据。能量链路接收端对接收到的交流 能量进行整流和稳压得到需要的直流电源电压。在本发明中，植入部分的工作电压分为两 种，数字控制部分的工作电压为5V，输出驱动电路的电源电压为士12V，以保证较宽的有效 工作电压范围。 如图5所示的微剌激器模块由数字控制电路，存储单元，同步检测电路，奇偶校验 电路，数字模拟转换电路(DAC)，双阶段时序产生电路，地址译码电路和输出驱动电路构成， 主要实现剌激数据到剌激电流脉冲的转换的功能，这一功能的实现是在数字控制电路的控 制下，通过一个状态机使得微剌激器在四个状态间切换实现的，具体流程如图6所示将无
线传输模块解调恢复出的剌激数据进行同步检测，当检测到同步帧头时，判定接下来接收 的数据将为有用的剌激信息向量，开始进入奇偶校验状态，否则继续处于同步检测状态。如 果奇偶校验没有发现错误，则进入存储状态，将剌激信息向量存储在微剌激器中的存储单 元中，否则返回同步检测状态，放弃该错误帧数据，等待下一帧数据。存储完成后，开始进 入剌激状态，即将存储在存储单元中的剌激幅度，剌激地址和剌激时间信息分别传送给DAC 电路，地址译码电路和双阶段时序产生电路，分别产生幅度，地址和控制时序，再通过输出 驱动电路产生双阶段剌激电流脉冲，从而实现对微电极阵列的剌激。 所述的同步检测电路和奇偶校验电路分别用于检测帧数据中的同步帧头和判断 接收的数据是否正确，使得发送接收端达到时序同步。在接收端接收到剌激数据比特流时， 检测是否出现连续的10bit "l"，以此判断是否开始接收数据，与发送端时序同步。当检测 到同步帧头后，将后面接收到的剌激数据存在缓存中，计算所有比特1的位数，并与奇偶校 验位比较，以此判断接收到的剌激数据是否正确。 所述的DAC电路用于将5bit的剌激幅度信息转化成对应幅度的电流脉冲，作为输 出驱动电路的输入。所述的双阶段时序产生电路是通过一个内部计数器产生三相控制时 序，其中两个控制时序作为产生双阶段剌激电流脉冲的控制时序，控制双阶段剌激脉冲的 阳极阶段脉冲宽度，阴极阶段脉冲宽度和阴极阳极间的间隔阶段宽度；另一个控制时序则 作为电荷平衡控制时序，即每次双阶段剌激完成后，将电极接地以平衡剌激过程中积累的 电荷。 所述的地址译码电路用于将存储在地址存储单元中的剌激地址信息转化成电极 选通控制信号，对相应的电极输出剌激脉冲电流。对于本发明中的32*32微电极阵列，为了 减小植入电路的面积，采用了输出驱动电路复用的方法，即一个输出驱动电路可以驱动多 个电极，具体可通过一个多路选择器实现，如图7所示，用一个8选1的多路选择器与8个 电极开关连接，一共有128个多路选择器。为了选中一个电极，将10bit的剌激地址信息 分为7bit高位地址和3bit低位地址两个部分，其中高位地址用于选择一个输出驱动单元 (或多路选择器)，3bit低位地址用于选择与多路选择器相连的8个电极中的一个，从而实 现了 128个驱动单元对1024个电极的驱动，有效减少了植入式微剌激器模块的面积。
所述的输出驱动电路利用DAC电路提供的电流脉冲和双阶段时序产生电路提供 的双阶段控制时序产生一个对应脉冲宽度，脉冲间隔以及脉冲幅度的双阶段剌激电流脉冲，驱动地址译码电路产生的电极选通控制信号选择的电极。在输出驱动电路中采用宽摆 幅的共源共栅结构可以提高微剌激器的输出阻抗，同时利用双阶段时序产生电路产生的三 相控制时钟进行电荷平衡，除去在剌激过程中积累的电荷，避免对人眼造成伤害。
权利要求
一种高密度微电极阵列的外层型人造视网膜前端系统的设计方法，包括图像获取模块，图像处理模块，编码模块，无线传输模块和微刺激器模块，这五个模块依次连接，其特征在于1)所述图像获取模块是一个CCD摄像头，它具有以15帧/秒以上速率采集视频图像的功能，输出为数字视频图像信息。2)所述图像处理模块由一个数字信号处理平台构成，它将图像获取模块输出的数字视频图像信息经过一系列图像处理算法，如感兴趣区域(ROI)提取，灰度化，图像增强，尺寸重新定义等，转化成能够提供感兴趣图像信息的低精度图像。3)所述编码模块依据图像处理模块输出的低精度图像信息，将每帧图像中各个像素点的亮度和地址信息按照一定格式编码成刺激幅度码和刺激地址码，并对每一帧图像添加刺激时间码，同步帧头和奇偶校验码，构成二进制编码的刺激信息向量，作为后端无线传输模块的调制数据。4)所述无线传输模块由数据无线传输链路和能量无线传输链路构成，其中数据无线传输链路对刺激信息向量进行调制，发送，接收，解调等处理，实现刺激信息向量从眼外到眼内的无线传输，而无线能量传输链路则将眼外直流能量经过直流转交流，交流能量发送和接收以及直流能量的恢复等处理，为整个植入装置的工作提供直流电源电压。5)所述微刺激器模块通过一个有限状态机实现刺激电流脉冲产生的功能，具体是在数字控制电路的控制下，将存储在内部存储器中的刺激信息向量经过同步检测和奇偶校验后，提取其中的刺激幅度码，刺激地址码和刺激时间码分别传送给数字模拟转换电路(DAC)，地址译码电路和双阶段时序产生电路，产生刺激幅度，刺激地址和刺激脉冲宽度控制时序和刺激脉冲间隔控制时序，并通过输出驱动电路对指定电极产生指定脉冲幅度和宽度的双阶段时序刺激。
2. 根据权利要求1中2)的图像处理模块，其特征为，融合显著图(saliency m即SM) 算法和视觉注意力图(vision attention m即VA)算法，以提取既包含图像显著像素点信 息又包含连续受关注区域信息的的感兴趣区域(ROI)为目标，并在此基础上，实现由高精 度图像向低精度图像的有效转换。
3. 根据权利要求1中3)所述的编码模块，其特征是，以图像处理模块输出的灰度图像 为目标信息，将每帧图像的剌激时间信息和每个像素点的亮度信息，地址信息进行二进制 编码，具体包括10位同步帧头、1位奇偶校验码、5位剌激幅度码、10位剌激时间码、剌激地 址码位数由剌激电极的数目决定。
4. 根据权利要求1中4)所述的无线传输模块，其特征是，采用两对电磁耦合线圈构成 两组互感谐振电路分别实现数据和能量的无线传输，所述的数据无线传输链路，在发送端， 以剌激信息向量数据为调制信号，采用可提供更高数据带宽的FSK调制，在接收端采用全 数字FSK解调。数据无线传输链路的谐振频率居于FSK两个载波频率之间。所述的能量无 线传输链路，采用一个时钟产生电路和一个E类功率放大器实现直流能量到交流能量的转 化，即时钟产生电路产生的时钟信号控制E类功放的开关管，使得E类功放的开关管两端电 压和流经的电流相位差始终为180° ，能量无线传输链路的谐振频率等于交流能量的频率。
5. 根据权利要求1中5)所述的微剌激器模块，其特征是，在所述的数字控制电路控制 下，实现在同步检测，奇偶校验，存储和产生剌激四个工作状态间的顺序切换。
6. 根据权利要求1中5)所述的微剌激器模块，其特征是，所述的双阶段时序产生电路 是通过一个内部计数器将存储在时间信息存储单元中的剌激时间信息转化成脉冲宽度控 制时序，脉冲间隔控制时序，不需要通过外部发送控制指令。
7. 根据权利要求1中5)所述的微剌激器模块，其特征是，在输出驱动电路中采用驱动 单元复用的方法，减小植入微剌激器模块的面积，即一个输出驱动电路通过一个多路选择 器与几个电极开关相连。与之相对应的，所述的地址译码电路将剌激地址信息分为高位地 址和低位地址两个部分，高位地址用于选择一个多路选择器，低位地址用于选择与多路选 择器相连的多个电极中的一个。
8. 根据权利要求1中5)所述的微剌激器模块，其特征是，所述的输出驱动电路，采用宽 摆幅共源共栅电路以提高微剌激器的输出阻抗；同时采用三相控制时钟的电荷平衡机制， 分别控制阴极剌激，阳极剌激和平衡阶段，使得在每次剌激完成后将输出节点接地放电，有 效避免了电荷积累效应对人眼造成的伤害，提高了植入式微剌激器模块的生物安全性。
全文摘要
一种高密度外层型人造视网膜系统的实现方法，属于生物工程领域。本发明方法如下采用CCD图像传感器获取眼外视频图像，对图像进行预处理，并联合显著图和视觉注意力图实现图像感兴趣区域(ROI)的提取，实现从高精度图像向低精度图像的有效映射。ROI图像经过编码和调制后，通过一对耦合线圈实现数据的无线传输，同时采用另一对线圈实现能量的无线传输，有效解决了无线传输单元高传输数据量和高传输能量效率的矛盾。在接收端，调制数据解调解码后，微刺激器采用驱动单元复用方法有效减小了面积，并采用宽摆幅共源共栅电路设计和电荷平衡机制，分别提高了其生物适应性和安全性。射频能量经过整流稳压为所有植入设备提供能量。
文档编号A61F9/08GK101791259SQ20101004262
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月7日 优先权日2010年1月7日
发明者邹月娴, 郑亚莉 申请人:北京大学深圳研究生院