CN104352303B - 电刺激形成人工视觉的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电刺激形成人工视觉的设备及方法，该设备包括：图像采集单元，用于采集图像；信号转换单元，用于将获取到的图像转换为电刺激信号；信号传输单元，用于将电刺激信号发送到电刺激阵列上面；电刺激阵列，用于使用电刺激信号对与该电刺激阵列接触的角膜、巩膜和/或眼睑进行电刺激，在角膜、巩膜和/或眼睑上形成电刺激图像。通过本发明，利用角膜、巩膜和/或眼睑电刺激形成人工视觉，将柔性电极阵列掩埋或者贴附于接触镜中，使用者直接佩戴接触镜，便可以在角膜上面感知到电刺激图像，形成人工视觉，从而感知外部世界的图像信息。

Description

电刺激形成人工视觉的设备

技术领域

本发明涉及医疗领域，具体而言，涉及一种电刺激形成人工视觉的设备及方法。

背景技术

随着我国经济的发展和科技的进步，对弱势群体关怀的要求越来越高，其中非常令人关注的便是帮助盲人恢复视觉，让他们重见光明。

人体大脑可塑性理论指出：人体的各种感觉之间，例如视觉、触觉、听觉、嗅觉等等可以相互替代。具体来说就是感觉的感受器于中枢神经之间可以交互使用。对于正常人来说，视觉感受器(眼镜)接受到的视觉信号会通过视觉神经中枢进行处理，触觉感受器(皮肤、眼角膜、粘膜等)接受到的触觉信号会通过触觉神经中枢进行处理。但是盲人由于其视觉感受器的缺失，视觉中枢无法接受其所传递来的视觉信号而形成空白，当触觉感受器接受视觉信息(如电刺激图像)时，其视觉神经中枢被激发，便可以形成视觉信息。在上述理论的基础上，科学家们进行了非常全面而又广泛的研究。触觉-视觉转换系统是基于以上的理论基础而产生的。该系统主要包括图像采集、图像处理、刺激器所形成的电极阵列组成。通过电极阵列刺激的形式将外界的图像信息传递到大脑的视觉神经，从而产生了类似视觉的感觉。该系统对盲人的阅读、出行以及生活中其他各个方面都有着极大的帮助，方便了盲人的生活。

目前国内、国外都有基于此项理论基础的方法出现，例如：其中一种为：基于射流技术的触觉图文显示装置及显示方法，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。还有另外一种，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。还有一种是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。上述方案提供了应用视觉替代原理帮助盲人解决或是阅读，或是生活中的问题。但是他们有着明显的不足，所有的触觉感受器要么是在皮肤上面，要么在舌头上面。盲人在使用时，该感受器的正常功能被剥夺，如：不能用手去抓东西，不能正常讲话等等，给盲人的生活带来不便。

除此之外，视网膜芯片也用于解决恢复盲人视力的问题。它是将感光的微电极阵列植入盲人的坏死的视网膜处。微电极代替人体视网膜的感光功能，感受外界带来的光刺激。同时将光信号转化为神经刺激信号，直接传入视觉神经系统。由此，植入式视网膜芯片可以帮助视网膜坏死的先天或者后天致盲的人们从某种程度上恢复视力。相关技术中有一种方案为：应用微电子技术设计的微电极阵列技术方法，从而解决了由于视网膜坏死而致盲的问题。但是，基于植入技术的视网膜芯片有着显而易见的不足，这些芯片都需要进行人工手术植入盲人体内，这无形给盲人的眼镜造成了很大的伤害，而且需要有丰富经验的医生，并且成本高昂，对于一般家庭难以承受。同时，植入芯片仅仅解决了由于视网膜问题造成失明的问题，没有解决其他原因导致失明的问题。

发明内容

针对相关技术中的上述问题，本发明提供了一种电刺激形成人工视觉的方法及装置，以至少解决该问题。

一方面，提供了一种电刺激形成人工视觉的设备，包括：图像采集单元，用于采集图像；信号转换单元，用于将所述获取到的图像转换为电刺激信号；信号传输单元，用于将所述电刺激信号发送到电刺激阵列上面；电刺激阵列，用于使用所述电刺激信号对与该电刺激阵列接触的角膜、巩膜和/或眼睑进行电刺激，在所述角膜、巩膜和/或眼睑上形成电刺激图像。

优选地，所述电刺激阵列为柔性基底或能够与角膜、巩膜和/或眼睑贴合的硬质基底。

优选地，所述电刺激阵列的电极材料为导电材料。

优选地，所述导电材料包括：金属、导电氧化物、导电聚合物或导电纳米材料。

优选地，所述电刺激阵列的电极材料为10微米到1毫米，电极间隔为10微米到1毫米。

另一方面，还提供了一种电刺激形成人工视觉的方法，包括：图像采集单元获取图像；信号转换单元将所述获取到的图像转换为电刺激信号；信号传输单元将所述电刺激信号发送到电刺激阵列上面；电刺激阵列，用于使用所述电刺激信号对与该电刺激阵列接触的角膜、巩膜和/或眼睑进行电刺激，在所述角膜、巩膜和/或眼睑上形成电刺激图像。

优选地，所述电刺激阵列为柔性基底或能够与角膜、巩膜和/或眼睑贴合的硬质基底。

优选地，所述电刺激阵列的电极材料为导电材料。

优选地，所述导电材料包括：金属、导电氧化物、导电聚合物或导电纳米材料。

优选地，所述电刺激阵列的电极材料为10微米到1毫米，电极间隔为10微米到1毫米。

通过上述技术方案，利用角膜/巩膜/眼睑电刺激形成人工视觉；通过将柔性电极阵列掩埋或者贴附于接触镜中，使用者直接佩戴接触镜，便可以在角膜上面感知到电刺激图像，形成人工视觉，从而感知外部世界的图像信息。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的电刺激形成人工视觉的设备的结构框图；

图2是根据本发明实施例的电刺激形成人工视觉的方法的流程图；

图3是根据本发明实施例的电刺激形成人工视觉原理图；

图4是根据本发明实施例的接触镜电刺激触觉阵列示意图；

图5是根据本发明实施例的使用原理图。

图中：1.图像采集单元，2.信号转换单元，3.信号传输单元，4.电刺激阵列，5.电极点，5’.高电位电极，5”.低电位电极，6.接触镜，7.眼球，8.眼角膜或结膜。

图中电极点的数量可以有4～10000个，图中画16个作为示意；图中高电位电极与低电位电极的分布仅为示意图，具体分布根据实际需求而定，电极形状可以为点状或条状，低电位电极也可以连接起来形成一个条状的低电位电极。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供了一种利用角膜或结膜电刺激形成人工视觉的设备，图1是根据本发明实施例的电刺激形成人工视觉的设备的结构框图如图1所示。

图像采集单元，用于采集图像；信号转换单元，用于将所述获取到的图像转换为电刺激信号；信号传输单元，用于将所述电刺激信号发送到电刺激阵列上面；电刺激阵列，用于使用所述电刺激信号对与该电刺激阵列接触的角膜、巩膜和/或眼睑进行电刺激，在所述角膜、巩膜和/或眼睑上形成电刺激图像。

优选地，图像采集单元、信号转换单元、信号传输单元的发送端集成在框架眼睛上，电极阵列在接触镜上，并将接触镜佩戴在眼睛上。

优选地，电刺激阵列可以为柔性基底，也可以为能与角膜贴合的硬质基底，电极材料为具有生物兼容性的金属(如Au、Pt)。电极的直径为10微米到1毫米，电极间隔为10微米到1毫米。

优选地，电刺激图像的电压大小根据实验的最低阈值电压测出，通常在1V以下，并且可以根据使用者的需求进行调节，不会对角膜或者结膜组织造成伤害。

本实施例提供一种直接放置于盲人眼角膜或者结膜上面的帮助盲人电刺激形成人工视觉的方法。图2是根据本发明实施例的电刺激形成人工视觉的方法的流程图，结合图1和图2进行说明，该方法包括如下步骤：

步骤S202，图像采集单元获取外界图像；

步骤S204，信号转换单元将图像信号转换成电刺激信号；

步骤S206，信号传输单元，利用有线或者无线传输的方式，将电刺激信号传到电刺激阵列上面；

步骤S208，电刺激阵列，对盲人的角膜或结膜进行电刺激，使盲人在角膜上面感受到电刺激图像，形成人工视觉。

作为一个较优的实施方式，电刺激阵列为柔性基底或能够与角膜、巩膜和/或眼睑贴合的硬质基底。

比较优的，电刺激阵列的电极材料可以为导电材料。导电材料包括：金属、导电氧化物、导电聚合物或导电纳米材料(比如碳纳米管、掺杂纳米金刚石)。例如：具有生物兼容性的金属，其可以包括：黄金或铂金。

优选地，所述电刺激阵列的电极材料为10微米到1毫米，电极间隔为10微米到1毫米。

优选实施例一

本实施例的技术方案在于将柔性电极阵列掩埋或者贴附于接触镜中，从而可以通过接触镜柔性电极阵列实现角膜或结膜电刺激形成人工视觉。包括如下步骤：

(1)将柔性电极电刺激阵列掩埋或者贴附于接触镜上，并佩戴到眼球上；

(2)电刺激的生成单元，将指定图像进行采集，并将采集的图像信息转化为电刺激信号；

(3)电刺激信号通过有线或者无线传输的方式传到电刺激阵列上面；

(4)电刺激阵列根据电刺激信号的不同，每个电刺激点形成电位不同的高低电位图像，由此盲人在角膜上面感受到电刺激图像，从而形成视觉。

电刺激阵列加工方法举例：(以Parylene为柔性衬底、以Pt为电极材料)

(1)将Al淀积到硅片上面，厚度1微米，用于硅片和接触镜柔性材料的隔离；

(2)在铝薄膜上面淀积接触镜柔性材料，厚度25微米；

(3)在接触镜柔性材料上面淀积Ti/Al,厚度分别为15纳米和400纳米，作为嵌入电极的牺牲层；

(4)按照所需要的电极的形状过腐蚀Ti/Al层，形成电极电路的镂空图像；

(5)溅射Ti/Au/Pt，厚度分别为15纳米/150纳米/150纳米，将电极材料填入镂空图像中，并洗去光刻胶隔离层；

(6)腐蚀掉步骤(3)中Ti/Al牺牲层；

(7)淀积接触镜柔性材料，厚度10微米，包裹住电极电路；

(8)将上层柔性材料按照电极阵列点的形状腐蚀，露出电极阵列点，从而使得电极点的刺激可以传递给眼角膜。

以上各条件参数以及所用的材料仅作为参考，实际加工过程中可以根据所需的接触镜的厚度和电学特性进行适当调整改变。

图1是利用角膜或结膜电刺激形成人工视觉的设备的框图，包括图像采集单元1、信号转换单元2、信号传输单元3、电刺激阵列4。图像采集单元1采集外部世界的图像，然后将图像信息传递给信号转换单元2。信号转换单元2将图像的信息进行处理，转换成高低电位信号，并将信号传递给信号传输单元3。信号传输单元3将电信号通过有线或者无线的方式传递给电刺激阵列4。电刺激阵列4在角膜或者结膜上面形成触觉刺激，从而实现电刺激形成人工视觉。

上述实施例的使用及测量原理由图4和图5所示。在图4中，电极点5阵列镶嵌于接触镜6上。使用时，将接触镜5佩戴于眼角膜或者结膜8上。从接触镜一侧引出的电信号传输线或者无线信号将图像处理单元2处理后的电位高低信号传入电极点5阵列中从而在角膜上面形成触觉图像。

在图5所示实例中，随着电信号传输线或者无线传输信号上面电位高低的变化，电极电5 阵列会形成不同的触觉图像，图5所示的为一个“口”，角膜的触觉神经细胞感受到电刺激，形成触觉图像，传入视觉中枢神经，盲人由此产生人工视觉。

以上方案原理如下：当微电极的电位由低变高时，电极和零电位点会产生一个电势差，由虹吸效应以及眼泪液体的导电性可知该电势差会在电极点处产生微小的电流，电流会刺激电极点处的触觉神经产生相应的触觉，所有的产生触觉的部分经过大脑合成，产生触觉图像，触觉图像通过大脑传递到视觉中枢神经，从而使得盲人产生人工视觉。

通过上述实施例提供的技术方案，利用盲人眼角膜或者结膜处的触觉神经来帮助盲人看到世界，方便和简化了电刺激形成人工视觉的过程。由于眼角膜触觉神经额敏感，以及集成电路方法的精确性，可以提高单位面积的像素数量，进而提高了触觉的分辨率。本发明便于盲人随时佩戴而不产生其他的影响，从而极大的方便了盲人的生活。本方法具有非侵入性，盲人只需佩戴接触镜，无需进行手术或植入器件。需要说明的是，这些技术效果并不是上述所有的实施方式所具有的，有些技术效果是某些优选实施方式才能取得的。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电刺激形成人工视觉的设备，其特征在于，包括：

图像采集单元，用于采集图像；

信号转换单元，用于将所述采集到的图像转换为电刺激信号；

信号传输单元，用于将所述电刺激信号发送到电刺激阵列上面；

电刺激阵列，用于使用所述电刺激信号对与该电刺激阵列接触的角膜、巩膜和/或眼睑进行电刺激，在所述角膜、巩膜和/或眼睑上形成电刺激图像；

所述电刺激阵列掩埋于接触镜上，并将所述接触镜佩戴在眼睛上；

所述电刺激阵列的加工方法包括：以Parylene为柔性衬底、以Pt为电极材料；

(1)将Al淀积到硅片上面，厚度1微米，用于硅片和接触镜柔性材料的隔离；

(2)在铝薄膜上面淀积接触镜柔性材料，厚度25微米；

(3)在接触镜柔性材料上面淀积Ti/Al,厚度分别为15纳米和400纳米，作为嵌入电极的牺牲层；

(4)按照所需要的电极的形状过腐蚀Ti/Al层，形成电极电路的镂空图像；

(5)溅射Ti/Au/Pt，厚度分别为15纳米/150纳米/150纳米，将电极材料填入镂空图像中；

(6)腐蚀掉步骤(3)中Ti/Al牺牲层；

(7)淀积接触镜柔性材料，厚度10微米，包裹住电极电路；

(8)将上层柔性材料按照电极阵列点的形状腐蚀，露出电极阵列点，从而使得电极点的刺激可以传递给角膜、巩膜和/或眼睑。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电刺激阵列的电极材料的直径为10微米到1毫米，电极间隔为10微米到1毫米。