CN102283742B

CN102283742B - 一种光刺激视网膜假体修复装置

Info

Publication number: CN102283742B
Application number: CN 201110232623
Authority: CN
Inventors: 王星; 侯文生; 郑小林; 彭承琳; 阴正勤; 姚军平
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2011-08-15
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-08-15
Also published as: CN102283742A

Abstract

本发明涉及一种光刺激视网膜假体修复方法及装置，该方法是通过直接对视网膜神经元进行光刺激来帮助盲人修复视觉的方法，该装置由图像采集及图像处理，LED阵列及其控制信号发生器组成。该方法能有效刺激视网膜神经元，恢复视盲患者的视觉感受，对改善盲人生活质量有重要的社会意义。

Description

一种光刺激视网膜假体修复装置

技术领域

本发明涉及视网膜神经组织的光刺激技术。

背景技术

青光眼、糖尿病性视网膜病变、老年黄斑变性、视网膜色素变性等疾病导致的神经性盲，目前尚无有效治疗手段，严重危害人们的生活质量，并形成了巨大的社会负担。自20 世纪 90 年代，随着电子技术及医学水平的进步，视网膜假体（人工视网膜）已成为视觉修复发展最快的领域和热点。视网膜假体通过微型图像采集系统获取外界图像，并将其转化为视网膜内层神经元可以识别的信号，从而恢复变性视网膜盲人的感光功能。

基于点刺激的视网膜假体是研究最深入的一种视觉假体技术。而近年来研究发现，神经电刺激视觉假体在神经电刺激接口方面遇到很多基础性的难题，包括：电刺激装置的侵入性大；电刺激方式能刺激神经元但无法关闭神经元；空间分辨率低，目前技术下不可能针对单个细胞或者视野进行操作；微电极阵列的数量不可能做得很大；因刺激器阵列变大引起的视网膜假体的功耗难题；电极-组织接口中神经电刺激信号的有效传递；微刺激电极材料的生物相容性等。

随着研究的深入，基于磁刺激、化学刺激和光刺激的视网膜修复方法逐渐引起研究者的注意。而由于光刺激损伤小，近年来光刺激在神经功能康复研究的报道出现较多，如红外线补充视网膜假体工作能量，红外线刺激躯体运动神经的功能修复等。

光刺激视网膜假体的视觉修复的基本原理是：采用光基因技术使RGC和/或双极细胞表达光敏感蛋白，从而使其具有光敏感性，然后通过头盔式微型LED阵列来刺激这些细胞使其触发动作电位，使原先由于病理原因导致阻断的视觉通路再次激活，从而修复视盲患者的视觉感受。

与传统电刺激方法相比，光刺激视网膜假体的视觉修复技术直接通过光线遥控离子通道，有很多优势：能激活神经元，也能关闭神经元；能针对单个神经元或者局部视野进行操作；光刺激装置完全安装在眼外，无需植入，容易更新，不存在能量供应难题。

在光刺激视网膜假体方面，现有的光刺激方法和装置没有专门针对视网膜修复，抑或是围绕电刺激方式的视网膜修复方面。中国专利CN200910190638.5提出一种光刺激系统及控制方法，需将光纤插入到光感基因所在的器官及部位中，具有侵入性。专利CN201010267248提出一种多通道光刺激器，用于修复听觉神经而非视网膜神经细胞。专利CN201010028941公开了一种光刺激装置，对生物样品进行操作，不适用于眼球视网膜的光刺激。德国蒂宾根大学曾在视网膜电刺激芯片上安装一组额外的光电二极管，来吸收外界红外光能量并转换成电能来供能视网膜电刺激芯片中的增益电路，而非进行光刺激视网膜。

发明内容

本发明的目的是克服现有电刺激视网膜视觉修复的不足，提出一种光刺激视网膜的视觉修复装置，该方法将光刺激装置完全置于体外，规避了电刺激视网膜修复中电极的生物相容性、线缆植入、能量补充等问题。

本发明的技术方案下：

本装置包括图像采集子系统、信号/图像处理子系统、LED控制信号发生器和微型LED阵列。该装置可安装在框架眼镜的镜架上。

图像采集子系统的输出端连接信号/图像处理子系统的输入端，信号/图像处理子系统的输出端连接LED控制信号发生器，LED控制信号发生器的输出端连接微型LED阵列的输入端。在外界图像刺激信号输入到该光刺激装置，经处理能激发微型LED阵列，照射经光敏性处理的视网膜神经细胞，使其触发动作电位，使原先由于病理原因导致阻断的视觉通路再次激活，从而修复视盲患者的视觉感受。

其中图像采集子系统实现光刺激视网膜假体的图像采集，其包括摄像头、FPGA和存储器等。首先，FPGA对摄像头进行硬件初始化，然后FPGA控制摄像头开始采集数据，并接收图像数据，最后输出到存储器中，有待后续的处理。

信号/图像处理子系统实现对视觉刺激图像的处理及压缩编码。其利用DSP芯片，针对图像采集子系统输出的图像数据，完成图像的灰度压缩编码处理。并将原图像分割成与微型LED阵列中LED相同数量的子区域，信号/图像处理子系统输出具有与微型LED阵列数量的特征电压信号。子区域的亮度不同，该子区域对应输出不同的特征电压。

LED控制信号发生器实现对每个微型LED的驱动，按微型LED阵列中LED的数量排列。LED控制信号发生器为独立的压控振荡器，每个LED控制信号发生器包括电流控制环形振荡器和脉宽控制单元。每个LED控制信号发生器输出恒流源，即驱动电流，该恒流源的强度受信号/图像处理子系统输出电压的控制。该LED控制信号选择脉宽调制（PWM）方波形式，通过改变PWM方波的占空比，等效于改变LED驱动电流的大小，从而实现对所驱动的LED光亮度调节。采用脉冲供电给LED，且该脉冲的频率须低于40Hz。驱动电流的幅值控制在30~40mA内，LED控制信号的占空比范围在0~100%。

微型LED阵列实现阵列分布的光刺激信号的发射，其通过LED控制信号发生器与信号/图像处理子系统连接。LED发射光信号的强度受LED驱动电流的调制。LED类型为GaN LED，发射可见光，波长范围在450nm~650nm。每个LED受一个LED驱动电流的单独控制，提高该驱动电流的占空比能提高LED发射的光强度，而且该LED驱动电流存在最大工作电流和脉冲电流。这样实现对视网膜光敏神经元的多位点光学刺激，具备一定的空间和时间分辨率。

利用上述的光刺激视网膜假体的视觉修复装置实现视网膜光刺激的方法如下：

首先，利用图像采集子系统对外界刺激图像进行采集，输出串行图像数据，暂存入存储器后输入到信号/图像处理子系统中进行图像处理及压缩编码，输出具有与微型LED阵列中LED数量相同的特征电压信号。每个特征电压信号输入到对应空间位置上LED控制信号发生器，输出该空间位置LED的PWM驱动电流。每个PWM驱动电流输入到微型LED阵列中的每个LED。最后，整个微型LED阵列被激发出光刺激信号。

其次，LED阵列发射光信号投射到眼球上，经角膜、房水、晶状体及玻璃体的折射，最终投射到视网膜黄斑附近的区域。黄斑区域的双极细胞、神经节细胞具有光敏感性，经光刺激的作用下，通过激活通道视蛋白及其派生物使载体神经感光过程中产生膜电势，使原先由于病理原因导致阻断的视觉通路再次激活，从而修复视盲患者的视觉感受。

本发明与已有的视网膜刺激方法相比，具有如下的技术优势：

（1）光刺激视网膜的视觉修复方法能对神经细胞的离子通道进行精细操作，分辨率高，能激活也能关闭视网膜神经元；而已有的神经电刺激视网膜的视觉修复方法只能对视网膜内神经网络操作，分辨率低，只能激活神经网络。

（2）光刺激视网膜的视觉修复硬件装置完全安装在眼外，无创；而已有的神经电刺激视网膜的视觉修复装置是侵入式的，微刺激电极阵列、集成电路芯片都需植入到眼内的，给组织带来创伤。

（3）光刺激视网膜的视觉修复硬件装置在眼外，可根据视觉修复需求来提高光刺激的强度、分辨率，无需考虑硬件装置的能耗问题、装置中软件的更新问题；而已有的神经电刺激视网膜的视觉修复装置由于植入到体内，当增大微刺激电极阵列时必须考虑植入电极和集成电路芯片的能耗问题、热效应、生物相容性等问题。

附图说明

图1光刺激视网膜假体视觉修复方法的结构示意图

图2光刺激视网膜假体的LED控制信号发生器的原理图。

具体实施方式

参见图1，光刺激视网膜假体装置由1眼镜框、2图像采集子系统、3数据线、4信号/图像处理子系统、5LED控制信号发生器、6微型LED阵列组成。7为眼球角膜、8为房水、9为晶状体，10为玻璃体，11为具有光敏感性的视网膜组织。

图像采集子系统2实现光刺激视网膜假体的图像采集，其包括摄像头、FPGA和存储器等。首先，FPGA对摄像头进行硬件初始化，然后FPGA控制摄像头开始采集数据，使其输出到存储器中，有待后续的处理。

信号/图像处理子系统4实现对视觉刺激图像的处理及压缩编码。其利用DSP芯片，针对图像采集子系统输出的图像信息，完成图像的灰度压缩编码处理。将原图像分割成与微型LED阵列中LED相同数量的子区域，信号/图像处理子系统4输出具有与微型LED阵列数量的特征电压信号。子区域的亮度不同，该子区域对应输出不同的特征电压。

LED控制信号发生器5实现对每个微型LED的驱动，按微型LED阵列的数量排列。LED控制信号发生器为独立的压控振荡器，每个LED控制信号发生器包括电流控制环形振荡器和脉宽控制单元。每个LED控制信号发生器输出恒流源，即驱动电流，该恒流源的强度受信号/图像处理子系统输出电压的控制。该LED控制信号选择脉宽调制（PWM）方波形式，通过改变PWM方波的占空比，等效于改变LED驱动电流的大小，从而实现对所驱动的LED光亮度调节。采用脉冲供电给LED，且该脉冲的频率须低于40Hz。驱动电流的幅值控制在30~40mA内，LED控制信号的占空比范围在0~100%。

微型LED阵列6实现阵列分布的光刺激信号的发射，其通过LED控制信号发生器与信号/图像处理子系统连接。LED发射光信号的强度受LED驱动电流的调制。LED类型为GaN LED，发射可见光，波长范围在450nm~650nm。每个LED受一个LED驱动电流的单独控制，提高该驱动电流的占空比能提高LED发射的光强度，而且该LED驱动电流存在最大工作电流和脉冲电流。这样实现对视网膜光敏神经元的多位点光学刺激，具备一定的空间和时间分辨率。

参见图2，LED控制信号发生器5实现对每个微型LED的驱动。LED控制信号发生器阵列的设计可采用ATERA公司Cyclone系列的EP1C6型FPGA。利用FPGA内部包括刺激脉冲发生器和多路选择器，刺激脉冲发生器产生各种形式的脉冲序列信号，输出振荡信号的频率受到图像处理模块输出电压的调控。多路选择器作为控制端实现对信号的选择，每一通道对应一个多路选择器，充分利用FPGA丰富的I/O资源，增加多路选择器即可实现通道的增加。FPGA输出的电压信号通过外围转换电路，转换为脉宽调制（PWM）电流信号驱动微型LED阵列。每个压控振荡器VCO的振荡像素输出高频脉冲能通过提高占空比来提高光学能量，不仅对于量化效率因素而且接口不同光敏生物，都是有利的。对于固定幅值A，现实中必须控制在一定范围内，提高占空比能提高LED阵列产生的光学能量。能实现多点光刺激光敏神经元，并具备合适的空间和时间分辨率。

通过病毒重组方法使RGC和/或双极细胞具有光敏感性（此为现有技术），刺激视网膜假体装置佩戴在动物的眼球前。由眼镜框1上安装的图像采集子系统2将外界的刺激图像信息采集，经数据线3输入到信号/图像处理子系统4中，输出含图像数据的电压信号。该电压信号输入到LED控制信号发生器5中，输出驱动信号来驱动微型LED阵列6，微型LED阵列发射光信号投射到眼球上，经角膜7、房水8、晶状体9及玻璃体10的折射，最终投射到具有光敏感性的视网膜组织11。该视网膜组织11在光刺激的作用下，通过激活通道视蛋白及其派生物使神经节细胞在感光过程中产生动作电位，经视神经传导，使原先由于病理原因导致阻断的视觉通路再次激活，从而修复视盲患者的视觉感受。

Claims

1.一种光刺激视网膜假体的视觉修复装置，其特征在于：包括图像采集子系统、信号/图像处理子系统、LED控制信号发生器和微型LED阵列；所述图像采集子系统的输出端连接信号/图像处理子系统的输入端，信号/图像处理子系统的输出端连接LED控制信号发生器，LED控制信号发生器的输出端连接微型LED阵列的输入端；

所述图像采集子系统实现光刺激视网膜假体的图像采集，其包括摄像头、现场可编程门阵列和存储器；摄像头的输出端连接现场可编程门阵列，现场可编程门阵列的输出端连接存储器，现场可编程门阵列对摄像头完成初始化，并将摄像头采集到的数据接收并输出到存储器中；

所述信号/图像处理子系统，实现对因光刺激视网膜假体而产生的视觉刺激图像之处理及压缩编码，其具有DSP芯片，针对图像采集子系统输出的图像信息，通过图像的灰度压缩编码处理，将原图像分割成与微型LED阵列中LED相同数量的子区域，信号/图像处理子系统输出特征电压信号，特征电压信号的数量与微型LED阵列中LED数量相同，子区域的亮度不同，该子区域对应输出不同的特征电压；

所述LED控制信号发生器实现对微型LED阵列中的每个微型LED的驱动，LED控制信号发生器为独立的压控振荡器，且按微型LED阵列中的LED的数量排列；每个LED控制信号发生器包括电流控制环形振荡器和脉宽控制单元，每个LED控制信号发生器输出恒流源，该恒流源的强度受信号/图像处理子系统输出特征电压的控制；所述LED控制信号发生器选择脉宽调制信号驱动LED，提供对LED的亮度控制；

所述微型LED阵列实现阵列分布的光刺激信号发射，其通过LED控制信号发生器与信号/图像处理子系统连接，其发射的光刺激信号的强度受LED控制信号的调制。

2.根据权利要求1所述的光刺激视网膜假体的视觉修复装置，其特征在于：所述微型LED阵列中的每一个LED采用GaN LED。

3.根据权利要求1所述的光刺激视网膜假体的视觉修复装置，其特征在于：所述LED控制信号发生器输出的LED控制信号的幅值控制在30~40mA内。

4.根据权利要求1、2或3所述的光刺激视网膜假体的视觉修复装置，其特征在于：所述LED控制信号的占空比范围在0~100%，频率控制在低于40Hz。

5.根据权利要求1、2或3所述的光刺激视网膜假体的视觉修复装置，其特征在于：所述装置安装在镜架上。