CN101390789A - 基于电刺激的触觉-视觉替代系统 - Google Patents
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Abstract
一种医用器械技术领域的基于电刺激的触觉－视觉替代系统。本发明中，图像采集单元将获取的文字和图像信息传递给图像处理单元；图像处理单元对获取的图像进行图像信息预校正，改善图像质量，然后进行图像信息简化、增强、编码处理，使获取的图像信息转化为电信号以提供给刺激器；刺激器根据图像处理单元的刺激信息控制产生多路一定要求的刺激脉冲，通过刺激电极阵列作用于人体皮肤，产生触觉，并且刺激器为用户提供一定的调节功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗器械技术领域的系统，具体的说，涉及的是一种基于电刺激的触觉-视觉替代系统。
背景技术
随着我国经济发展和社会进步，盲人对于改善生活和生存质量的要求不断提高。大脑可塑性理论和感觉替代理论为视觉障碍人群的康复工程带来希望：人体的各种感觉，例如视觉、触觉、听觉等，可以相互替代。即当主要感觉输入通道有障碍时，该障碍感觉通道皮层中的神经元对来自其它感觉通道的信息输入也有反应，因此可以采用其他感觉通道来代替受损的感觉通道向大脑输入信息，进而提供一定程度的功能恢复。在上述理论的基础上，科学家在此领域进行了广泛的研究，试图用触觉来为有视觉障碍者传递图像信息。触觉-视觉替代系统(TactileVision Substitution System，TVSS)就是在此基础上发展起来的。TVSS主要包括图像采集、图像处理、刺激器和刺激电极阵列单元。其通过电刺激的形式将外界图像信息传递到大脑，产生类似视觉的感觉，从而替代受损的视觉通路。TVSS系统对视觉障碍人群的文字阅读和出行导航能起到很大帮助作用，极大地改善这一人群的生存和生活质量。
经过对现有技术的文献检索，国内专利(申请号200510094474.8、公开号CN1744152)记录了一种基于射流技术的触觉图文显示装置及显示方法。它采用射流刺激方式的触觉显示技术，将图像和文字信息以人工触觉的方式作用于操作者的背部或腹部的大面积皮肤表面。其选用的背部或腹部刺激区域触觉阈值高，空间分辨率低，射流技术功耗较大。
美国专利US005091865A记录了一种时间可调的图形阅读装置。该装置通过光电转化单元将光学信号转化为电信号后传递给图形显示单元，通过机械刺激作用于皮肤，使盲人能获得一定的视觉信息。其中的光电转化单元可设定阅读图形的时间，从而控制转换速率。该专利采用的机械刺激容易引起发热和疼痛，高频振动时噪声比较大，功耗高，因磨损而寿命短，适用范围有限。
另一美国专利US005878154A记载了一种用于舌头的为视觉障碍人群提供图像信息的系统。该系统通过将摄像头获取到的图像信息转化为电刺激作用于舌头，通过舌头识别图像信息。其不足在于影响语言交流，不够美观，适用性差。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于电刺激的触觉替代视觉的汉字阅读和图像显示系统，以弥补现有技术的不足，为盲人或是弱视等视力障碍人群提供文字阅读和图像识别。该系统将经光电转换后的汉字和图像信息通过电刺激作用于盲人的手指，使其获得一定的视觉信息，具有使用安全、舒适、功耗低、寿命长、携带方便等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括图像采集单元、图像处理单元、刺激器和刺激电极阵列单元，其中：
所述的图像采集单元获取的图像信息，并将获取的图像信息传递给图像处理单元；
所述的图像处理单元对获取的图像进行图像信息预校正，改善图像质量，然后进行图像信息简化、增强、编码处理，使获取的图像信息转化为电信号以提供给刺激器；
所述的刺激器包括处理控制模块、刺激电源模块、手动调节模块和电极驱动模块。处理控制模块与图像处理单元通讯，对信息进行分配，控制后端的电极驱动模块，产生需要的刺激脉冲。手动调节模块与处理控制模块相连接，外设按钮输入调节信息进入手动调节模块，手动调节模块处理后将之输送给处理控制模块，进行刺激参数的调节。刺激电源模块提供刺激脉冲相应的刺激强度；
所述的刺激电极阵列单元将电刺激作用于用户手指，产生触觉，实现将视觉信息通过触觉感受器向大脑的传递。
所述的图像处理单元包括数字信号处理芯片(DSP)、模拟/数字转换器、同步动态存储器(SDRAM)、闪速存储器(FLASH)和专用信息存储器。图像采集单元采集到的原始的图像信息存放在SDRAM中，DSP读取存放在SDRAM中的数字图像信号进行图像简化、增强、编码等处理，经过图像简化、增强处理后的图像信息存放在SDRAM中，经过图像压缩编码处理后的图像编码信息存放在专用信息存储器中，图像处理策略的程序以及DSP对图像传感器等单元的控制程序存放在FLASH中。
所述的处理控制模块包括传输控制、信号分配电路和参数控制电路。参数控制电路与手动调节模块连接，接收手动调节模块的指令，做出相应的处理；传输控制和信号分配电路连接电极驱动模块，控制电极驱动模块产生所需刺激电流。
所述的电极驱动模块包括多路复用和光电耦合电路，多路复用前端连接处理控制模块，后端连接光电耦合电路，光电耦合电路后端连接电极阵列。多路复用电路主要实现多路的刺激脉冲输出，降低系统的复杂性和占据空间。光电耦合电路隔绝刺激电源模块与前端多路复用和处理控制模块，以防止高压损坏前端电路。
所述的刺激电极阵列单元由导线和刺激电极阵列组成。电极具有抗腐蚀、稳定性好的特点。刺激电极将电刺激作用于用户手指，产生触觉，实现将视觉信息通过触觉感受器向大脑的传递。
本发明利用电刺激的触觉显示技术，将文字和图像信息以人工触觉的方式作用于视觉障碍人群的手指，使用户通过触觉感受到图像文字等视觉信息，实现对周围环境的感知。相对于已有的方案的优势在于：1、采用微型图像采集装置，它易于计算机、数字信号处理芯片(DSP)、单片机等连接通讯，且功耗低，尺寸小。2、刺激电源模块可根据需要采用电压源或电流源，适应不同需求。3、增加手动调节电路，实现刺激参数的用户可控，满足不同人群的要求。4、刺激电极阵列可选用柔性材料或印刷电路板，适用于人体不同部位。
本发明的系统功能完备，能满足视觉障碍人群的文字阅读和图像识别需求，实现触觉对视觉功能的替代。本发明对提高我国视觉功能障碍人群的生活质量，降低社会负担具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的系统构成框图；
图2为本发明的图像处理单元的构成框图；
图3为本发明的刺激器的构成框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：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，本实施例包括图像采集单元、图像处理单元、刺激器和刺激电极阵列。其中，图像采集单元获取图像信息，并将此信息传递给图像处理单元，图像处理单元对图像信息进行处理、编码成电信号，再传递给刺激器产生电刺激脉冲，然后通过电极阵列作用于皮肤感受器。
如图2所示，本实施例中的图像采集单元是一个微型图像传感器，可以选择CMOS或是CCD。CMOS图像传感器的最大优势在于与DSP等其它器件的亲和性，较容易地做成单芯片系统，并且功耗较低。而CCD图像传感器的优势在于获取图像噪声小，灵敏度高。
如图2所示，本实施例中的图像处理单元包括数字信号处理芯片(DSP)、模拟/数字转换器、同步动态存储器(SDRAM)、闪速存储器(FLASH)和专用信息存储器。DSP接收图像采集单元采集到的原始的图像信息并将其存放在SDRAM中；DSP读取存放在SDRAM中的数字图像信号进行图像简化、增强、编码等处理，将经过图像简化、增强处理后的图像信息存放在SDRAM中，同时，将经过图像压缩编码处理后的图像编码信息(即刺激点位置信息)存放在专用信息存储器中。
所述的数字信号处理芯片(DSP)是图像处理模块的主芯片，与前端的微型图像传感器通讯，与图像处理模块中的FLASH、SDRAM连接。前端图像采集单元的微型图像传感器将获取的图像信号输入图像处理模块，存放在SDRAM中；DSP读取存放在SDRAM中的数字图像信号进行图像简化、增强、编码等处理，将经过理后的图像信息存放在SDRAM中。
所述的模拟/数字转换器与前端图像采集单元采用的CCD图像传感器连接，主要负责将CCD采集到的模拟图像信息转换成数字图像信息，并将其存放在SDRAM中。该模块主要是实现对前端图像采集单元的CMOS或CCD图像传感器的兼容。
所述的同步动态存储器(SDRAM)与DSP连接，主要用来存储图像采集模块获取的图像信息以及经过DSP图像简化、图像增强处理后的图像信息。
所述的闪速存储器(FLASH)与DSP连接，主要存储用于图像处理策略的程序以及DSP对图像传感器等单元的控制程序。
所述的专用信息存储器主要负责存储经DSP处理后的图像编码信息。
如图3所示，本实施例中的刺激器包括处理控制模块、刺激电源模块、手动调节模块和电极驱动模块。处理控制模块与前端的图像处理单元通讯，接收DSP处理后的图像编码信息；处理控制模块接收手动调节模块的刺激参数调节信息，将刺激信息传递给电极驱动模块，控制产生刺激电流。
所述的处理控制模块主要用高级精简指令集微处理器(ARM)实现其功能。参数控制模块包括传输控制、信号分配和参数控制电路。参数控制电路接收手动调节模块的指令，做出相应的处理；根据图像处理单元获得的刺激信息，传输控制和信号分配电路分别将刺激数据传递给后端电极驱动模块，产生满足所需参数要求(刺激脉冲波形、脉冲持续时间、脉冲频率以及脉冲序列中的脉冲数目等)的刺激脉冲。
所述的手动调节模块接收用户的手动调节指令，包括对脉冲持续时间、脉冲频率以及脉冲序列中的脉冲数目的调节。手动调节模块与处理控制模块的参数控制电路连接，外设按钮输入调节信息，手动调节模块将调节信息处理后传递给处理控制模块，实现对刺激脉冲的调节。
所述的电极驱动模块包括多路复用和光电耦合电路。其中，多路复用前端与处理控制模块连接，后端与光电耦合电路连接。多路复用主要实现200-300路的刺激脉冲输出，降低系统的复杂性和占据空间。光电耦合电路连接刺激电源模块，其在多路复用的输出控制下，实现刺激电压或电流的输出，同时隔绝刺激电源模块与前端多路复用和处理控制模块，以防止高压损坏前端电路。
所述的刺激电源模块包括恒流源或是恒压源，可根据不同的刺激需求选择相应的刺激电源。刺激电源模块与多路光电耦合电路连接，通过多路复用的选择，实现相应刺激通道输出一定幅值的刺激脉冲。
本实施例中的刺激电极阵列单元由导线和刺激电极阵列组成。刺激电极采用半球型突起的电极，电极的直径约为的0.8-1.0mm，电极之间的间隔约为2.0-3.0mm之间。导线上面覆盖绝缘层。电极阵列基底可以选用柔性材料，或者制为印刷电路板。电极材料选择导电性能良好的金属，例如铜或不锈钢等，表面镀一层惰性金属。刺激电极数与前端电极驱动单元的输出通道数量匹配。电极阵列与刺激器的接口采用可插拔式接口，便于不同类型的电极阵列共用一套前端驱动系统。
Claims (7)
1、一种基于电刺激的触觉-视觉替代系统，其特征在于包括图像采集单元、图像处理单元、刺激器和刺激电极阵列单元，其中：
所述的图像采集单元获取的图像信息，并将获取的图像信息传递给图像处理单元；
所述的图像处理单元对获取的图像进行图像信息预校正，改善图像质量，然后进行图像信息简化、增强、编码处理，使获取的图像信息转化为电信号以提供给刺激器；
所述的刺激器包括处理控制模块、刺激电源模块、手动调节模块和电极驱动模块，处理控制模块与图像处理单元通讯，对信息进行分配，控制后端的电极驱动模块，产生需要的刺激脉冲，手动调节模块与处理控制模块相连接，外设按钮输入调节信息进入手动调节模块，手动调节模块处理后将之输送给处理控制模块，进行刺激参数的调节，刺激电源模块提供刺激脉冲相应的刺激强度；
所述的刺激电极阵列单元将电刺激作用于用户手指，产生触觉，实现将视觉信息通过触觉感受器向大脑的传递。
2、根据权利要求1所述的基于电刺激的触觉-视觉替代系统，其特征是，所述的图像处理单元包括数字信号处理芯片、模拟/数字转换器、同步动态存储器、闪速存储器和专用信息存储器，图像采集单元采集到的原始的图像信息存放在同步动态存储器中，数字信号处理芯片读取存放在同步动态存储器中的数字图像信号进行图像简化、增强、编码等处理，经过图像简化、增强处理后的图像信息存放在同步动态存储器中，经过图像压缩编码处理后的图像编码信息存放在专用信息存储器中，图像处理策略的程序以及数字信号处理芯片对图像传感器的控制程序存放在闪速存储器中。
3、根据权利要求1所述的基于电刺激的触觉-视觉替代系统，其特征是，所述的处理控制模块包括传输控制、信号分配和参数控制电路，参数控制电路与手动调节模块连接，接收手动调节模块的指令，做出相应的处理；传输控制和信号分配电路连接电极驱动模块，控制电极驱动模块产生所需刺激电流。
4、根据权利要求1所述的基于电刺激的触觉-视觉替代系统，其特征是，所述的电极驱动模块包括多路复用和光电耦合电路，多路复用前端连接处理控制模块，后端连接光电耦合电路，光电耦合电路后端连接电极阵列，多路复用电路主要实现多路的刺激脉冲输出，光电耦合电路隔绝刺激电源模块与前端多路复用和处理控制模块，以防止高压损坏前端电路。
5、根据权利要求1所述的基于电刺激的触觉-视觉替代系统，其特征是，所述的刺激电极阵列单元前端连接电极驱动模块，直接作用于人体皮肤产生电触觉，电极阵列与电极驱动模块的接口采用可插拔式接口。
6、根据权利要求1或5所述的基于电刺激的触觉-视觉替代系统，其特征是，所述的刺激电极为半球型突起的电极，电极的直径为0.8mm-1.0mm，电极之间的间隔为2.0-2.5mm之间。
7、根据权利要求1或5所述的基于电刺激的触觉-视觉替代系统，其特征是，所述刺激电极材料选择导电性能良好的金属，表面镀一层惰性金属。
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