CN101879348A - 经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统 - Google Patents

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阴正勤
侯文生
陈丽峰
胡宁
郑小林
姚军平
王星
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Abstract

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种视觉功能修复系统，与现有的基于视皮层刺激的视觉修复系统不同，本发明提出一种经硬脑膜对视皮层进行电刺激的视觉功能修复系统，由于其植入体置于硬脑膜上，手术中无须打开硬脑膜，能避免了手术感染、脑脊液漏等风险，包括图像采集模块；图像信息提取与压缩编码模块，利用图像采集模块采集图像信息，生成数字图像，通过压缩编码处理生成与图像信息相对应的控制信号；电刺激信号发生模块，根据图像信息提取与压缩编码模块输出的控制信号，控制微电极阵列输出相应电刺激信号；以及微电极阵列，用于输出电刺激信号。

Description

经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种视觉功能修复系统。
背景技术
世界卫生组织报告显示，世界范围内有超过1.6亿人视力受到不同程度的损害，其中，大约4500万人患盲症。临床资料表明，视网膜变性疾病，如视网膜色素变性(Rtinitis Pigmentosa，RP)、年龄相关性黄斑病变(Age-Related macular Degeneration，AMD)等，是致盲的主要疾病。人们尝试手术、药物等多种方法帮助患者恢复视力，但目前各种方法的效果均不理想。研究开发利用植入式神经电刺激技术重建视觉功能，正成为让失明或濒临失明的患者重新获得部分视觉功能的重要努力方向。
目前，基于植入式神经电刺激的视觉功能修复主要在视网膜、视神经传导通路、视觉皮层等三个层次展开。
人工视网膜是广泛开展的研究领域，国外起步较早，美国的南加州大学的Doheny视网膜研究所、北卡罗来纳州立大学、马里兰州的Wilmer眼科研究所等进行比较深入的研究，已经取得了实验室样本；美国FDA已经批准了2个临床试验项目将人工视网膜应用于患者，并取得了取得初步效果。国内开展人工视网膜研究的单位包括复旦大学、重庆大学、中国科学院/上海微系统所、上海交通大学、北京大学、上海理工大学、首都医科大学、中科院半导体所等，中科院、重庆大学项目组已经研制出了原理性样片。
在视神经传导通路方面，澳大利亚利用接触型的螺旋袖套电极对视网膜炎患者的视神经进行电刺激，并得到了光幻觉效应；国内，上海交通大学任秋实教授课题组提出使用特定外形的插入式多电极阵列植入视神经，并以此作为耦合编码电刺激与神经节细胞轴突的神经接口。
基于视皮层刺激的视觉功能修复的基本原理是将外界图像信息转换为电脉冲信息，通过电极对视皮层的直接刺激，以修复视觉功能，它旁路了视网膜和视神经传导通路。最早的视皮层刺激可以追述到20世纪60-70年代，Brindley等发现基于视皮层表面的刺激能引起受试者产生光幻视(Phosphene)；美国Utah大学成功研发了基于硅基底的高密度视皮层微电极阵列，西班牙、澳大利亚的研究组也研制了视皮层表面微电极阵列，并开展了动物实验。
综合分析上述三种视觉假体修复技术，基于视网膜的视觉修复需要失明患者视网膜具备30％以上的残存功能；基于视神经的视觉修复同样依赖于失明患者具有较好的视网膜残存功能，而且手术难度大；视皮层为视觉的最高级中枢，基于视皮层的视觉修复适用于除皮层病变外的其他各种类型失明患者的视觉功能修复，但由于现有的研究都采用微电极阵列直接刺激视皮层，存在手术感染、脑脊液漏等风险。
发明内容
有鉴于此，为了解决上述问题，针对现有基于视皮层的视觉修复技术中存在的不足，本发明提出一种经硬脑膜对视皮层进行电刺激的视觉功能修复系统，由于其植入体置于硬脑膜上，手术中无须打开硬脑膜，能避免了手术感染、脑脊液漏等风险。
本发明的目的是这样实现的：经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，包括
图像采集模块；
图像信息提取与压缩编码模块，利用图像采集模块采集图像信息，生成数字图像，通过压缩编码处理生成与图像信息相对应的控制信号；
电刺激信号发生模块，根据图像信息提取与压缩编码模块输出的控制信号，控制微电极阵列输出相应电刺激信号；以及
微电极阵列，用于输出电刺激信号。
进一步，所述图像信息提取与压缩编码模块为DSP芯片；
进一步，所述压缩编码处理包括对图像信息进行空间分辨率非均匀压缩；
进一步，所述压缩编码处理还包括对图像信息进行由0至255均匀划分的0、85、170、255共四个灰度级的灰度压缩；
进一步，所述电刺激信号发生模块为FPGA芯片及其外围转换电路；
进一步，所述电刺激信号发生模块为输出多通道电刺激信号；
进一步，所述FPGA芯片内部包括刺激脉冲发生模块和多路选择器，每一个通道对应一个多路选择器；
进一步，所述微电极阵列刺激范围为5mmX2.5mm；
进一步，所述微电极阵列中的微电极为凸点结构。
本发明的有益效果是：可通过微电极阵列刺激对应的视皮层区域，使患者产生光幻视，进而恢复患者的视觉功能；手术中无须打开硬脑膜，能避免了手术感染、脑脊液漏等风险，；在进一步的技术方案中，结合视皮层65％的区域对应着＜5°的视网膜窝区这一特性，进行空间分辨率的非均匀压缩，以及对图形信息进行由0至255均匀划分的0、85、170、255共四个灰度级的灰度压缩，将图像划分为八个或八个以上灰度级时，图像细节保留过多，干扰主要信息的表达；当图像为二值图时，信息丢失较多；而划分为0、85、170、255四个灰度级时，既较好的还原了原图信息，又减少了一些不必要的图像细节；微电极阵列中的微电极为凸点结构，可增大电极与组织间的接触面积，降低接触阻抗。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：
图1示出了经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参见图1，经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，包括图像采集模块、图像信息提取与压缩编码模块、电刺激信号发生模块和微电极阵列。
图像采集模块可采用ccd摄像装置；图像信息提取与压缩编码模块采用DSP芯片，利用图像采集模块采集图像信息，生成数字图像，并获取图像亮度、边缘轮廓灯信息，通过压缩编码处理生成与图像信息相对应的控制信号，压缩编码处理过程中包括对图像信息进行空间分辨率非均匀压缩以及行由0至255均匀划分的0、85、170、255共四个灰度级的灰度压缩的步骤；电刺激信号发生模块为FPGA芯片及其外围转换电路，电刺激信号发生模块输出多通道电刺激脉冲信号，所述FPGA芯片内部包括刺激脉冲发生模块和多路选择器，每一个通道对应一个多路选择器，根据图像信息提取与压缩编码模块输出的控制信号，控制微电极阵列输出相应电刺激脉冲信号；所述微电极阵列为利用FPC、IC等微加工工艺构建高密度的微电极阵列，微电极阵列由刺激微电极阵列、外围键合点微电极阵列和连接导线组成，微电极为凸点结构，微电极阵列刺激范围为5mmX2.5mm。微电极阵列将电刺激信号发生模块输出的电刺激脉冲信号经硬脑膜刺激视皮层，电刺激脉冲信号在电极阵列中的空间分布与视皮层对图像的响应模式相关。
在使用时，将微电极阵列的刺激端植入硬脑膜上方，每一通道的信号经过连接线引入到对应的刺激微电极，刺激硬脑膜下方对应的视皮层区域，使失明患者产生光幻视，进而恢复患者的视觉功能。由于无需将微电极阵列植入视皮层，因此可将微电极阵列和图像信息编码电路进行集成，提高系统的可靠性。
以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：包括
图像采集模块；
图像信息提取与压缩编码模块，利用图像采集模块采集图像信息，生成数字图像，通过压缩编码处理生成与图像信息相对应的控制信号；
电刺激信号发生模块，根据图像信息提取与压缩编码模块输出的控制信号，控制微电极阵列输出相应电刺激信号；以及
微电极阵列，用于输出电刺激信号。
2.如权利要求1所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述图像信息提取与压缩编码模块为DSP芯片。
3.如权利要求1或2所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述压缩编码处理包括对图像信息进行空间分辨率非均匀压缩。
4.如权利要求3所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述压缩编码处理还包括对图像信息进行由0至255均匀划分的0、85、170、255共四个灰度级的灰度压缩。
5.如权利要求1所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述电刺激信号发生模块为FPGA芯片及其外围转换电路。
6.如权利要求5所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述电刺激信号发生模块为输出多通道电刺激信号。
7.如权利要求6所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述FPGA芯片内部包括刺激脉冲发生模块和多路选择器，每一个通道对应一个多路选择器。
8.如权利要求1所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述微电极阵列刺激范围为5mmX2.5mm。
9.如权利要求8所述的经硬脑膜外电刺激的视觉功能修复系统，其特征在于：所述微电极阵列中的微电极为凸点结构。
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