CN105435379B - 基于二维面阵探头的视网膜刺激设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，包括：镜架和二维面阵探头，二维面阵探头安装在镜架的镜框中，镜架上设有摄像装置、集成电路和电源；二维面阵探头与眼睛之间设有耦合部件；摄像装置用于采集图像信息并将图像信息发送至集成电路；集成电路用于将图像信息转化为电信号并将电信号传输至二维面阵探头；二维面阵探头用于在电信号激励下产生超声，对视网膜进行超声刺激；电源用于给摄像装置和集成电路供电。视觉功能障碍者戴上该设备后，集成电路将摄像装置采集的图像信息转为电信号，利用电信号对二维面阵探头进行激励，形成多个焦点的聚焦声束，超声刺激作用在视神经细胞上，使视觉功能障碍者感受到图像信息，恢复视觉感知功能。

Description

基于二维面阵探头的视网膜刺激设备

技术领域

本发明涉及视觉代替技术领域，尤其涉及一种基于二维面阵探头的视网膜刺激设备。

背景技术

随着社会的发展，残疾人的健康受到越来越多的关注，现今发现的多种致盲疾病的情况是病人的晶状体模糊或视网膜表层细胞已经不能工作，但是表层以下细胞却还是健康存活。有许多盲人假肢使用电刺激的方法帮助盲人恢复视觉功能，但是电刺激需要经过手术在人体内植入芯片，在无创性和安全性方面远远落后于超声刺激。

人类眼睛的视觉成像过程是物体的反射光通过晶状体折射成像于视网膜上，再由视觉神经感知传给大脑。因此，致使失明的疾病有可能是晶状体模糊，如白内障；或是视网膜病变，如老年性黄斑变性(AMD)、糖尿病视网膜病变和色素性视网膜炎(RP)；还有可能是视神经传输受阻，如青光眼。其中视网膜病变的疾病AMD和RP只是视网膜表层感光细胞退化，如果利用设备将物体成像，然后转化为信号对视网膜深层神经进行刺激将能够恢复患者的视力，而糖尿病视网膜病变和青光眼等发生在视网膜的深层细胞以及视神经上的病变，则需要对视神经甚至更深层次的细胞进行刺激。

目前，为帮助盲人恢复视觉，出现了多种治疗方案，例如，在人体眼球表面植入人造视网膜，利用摄像机捕捉外部景象，然后图像经无线发射器传送到患者眼球表面的人造视网膜上，并转换为电脉冲信号。接着，人造视网膜上的微电极阵列会刺激人体视网膜的视觉神经，直接将信号由视神经传到大脑，无视视网膜表层感光细胞的病变。又如，使用激光代替无线发射器传输图像。再如，在微电极的排列或在人造视网膜的结构上做出改变。上述方案全部需要进行手术植入具有生物兼容性的人造视网膜，并且由于微电极阵列的大小和阵元的个数会严重制约成像的分辨率。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明提供了一种基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，以至少解决现有的恢复视觉感知功能的设备需要手术植入且成像质量易受影响的问题。

本发明实施例提供了一种基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，包括：镜架和二维面阵探头，所述二维面阵探头安装在镜架的镜框中，所述镜架上设置有摄像装置、集成电路和电源；所述二维面阵探头与用户的眼睛之间设置有耦合部件；所述摄像装置，用于采集图像信息，并将所述图像信息发送至所述集成电路；所述集成电路，连接至所述摄像装置，用于将所述图像信息转化为电信号，并将所述电信号传输至所述二维面阵探头；所述二维面阵探头，连接至所述集成电路，用于接收所述电信号，并在所述电信号的激励下产生超声，对用户的视网膜进行超声刺激；所述电源，连接至所述摄像装置与所述集成电路，用于给所述摄像装置和所述集成电路供电。

在一个实施例中，所述耦合部件包括：耦合膜，设置于所述镜框中，所述耦合膜与所述二维面阵探头之间具有耦合液腔，所述耦合液腔内充满耦合液；当用户佩戴所述视网膜刺激设备后，所述耦合膜与眼睛接触，被眼睛压成弧面。

在一个实施例中，所述二维面阵探头包括：从上至下依次粘接的背衬、压电层和匹配层；所述匹配层与所述耦合部件之间的距离小于所述背衬与所述耦合部件之间的距离；所述背衬内嵌有多个电路板，所述电路板从所述背衬的顶面露出预设长度，所述背衬的底面镀有电极；所述压电层的上表面和下表面均镀有电极，形成第一电极面和第二电极面，所述第一电极面作为所述压电层的正极，所述第二电极面作为所述压电层的负极；所述第一电极面与所述背衬的电极面对齐通过导电胶粘接；所述压电层的至少一侧面镀有电极，与所述第二电极面联通；所述电路板的内层电路与所述正极导通，所述电路板的最外层电路通过镀有电极的侧面与所述负极导通；所述压电层包括阵元阵列，各阵元之间的缝隙中填充有去耦材料，切割所述阵元的刀缝从所述第二电极面切至所述背衬的电极面下方预设距离处。

在一个实施例中，所述背衬使用声阻抗小于预设阈值的材料。

在一个实施例中，所述二维面阵探头中的电路板通过信号电缆与所述集成电路相连。

在一个实施例中，所述集成电路，具体用于控制所述电信号对各阵元的激励的时间延迟，使得阵元产生的声波组合成具有多个焦点的声场，对视网膜进行多点刺激。

在一个实施例中，所述基于二维面阵探头的视网膜刺激设备包括：两个摄像装置、两个集成电路和两个电源；所述两个摄像装置分别设置在两个镜框上；所述两个集成电路和两个电源分别对称设置在所述镜架的两个镜腿上。

在一个实施例中，所述二维面阵探头的形状是圆形、矩形或正多边形。

通过本发明的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，视觉功能障碍者戴上该设备后，摄像装置采集图像信息，集成电路将图像信息转化为电信号，利用该电信号对二维面阵探头进行激励，形成多个焦点的聚焦声束，超声刺激作用在健康的视网膜神经细胞或视神经细胞上，使视觉功能障碍者感受到图像信息，恢复视觉感知功能。该设备可以实现多点刺激，提高成像的质量。同时，该设备具有无创性且安全性较高。

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限定。在附图中：

图1是本发明实施例的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备的局部剖视图；

图3是本发明实施例的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备的连接示意图；

图4是本发明实施例的二维面阵探头的结构示意图；

图5是本发明实施例的二维面阵探头的聚焦示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。图中各种元器件的图示仅为示意图，并非按真实比例和形状，图中各种元器件排列位置并不按图中所示严格限定。

本发明实施例提供了一种基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，适用于视网膜表层感光细胞病变的病人。图1是本发明实施例的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备的结构示意图，如图1所示，该视网膜刺激设备包括：镜架100和二维面阵探头200，镜架100包括镜框101和镜腿102。

二维面阵探头200安装在镜框101中，二维面阵探头200与用户的眼睛之间设置有耦合部件(图1未示出)。镜架100上设置有摄像装置300、集成电路400和电源500。较优的，摄像装置300可以设置在镜框101上，便于以用户眼睛的视角采集图像。较优的，集成电路400和电源500可以设置在镜腿102上。二维面阵探头200、摄像装置300、集成电路400和电源500的数量均可以为两个，例如，可以在每个镜框101上分别设置一个摄像装置300，模拟用户两只眼睛查看周围环境；其中一个集成电路400和一个电源500设置在一个镜腿102上，另外的集成电路400和电源500设置在另一个镜腿102上，各自与对应侧的二维面阵探头200或摄像装置300配合工作。

摄像装置300，用于采集图像信息，并将图像信息发送至集成电路400。摄像装置300可以根据光线、天气、环境等情况进行更换，以便所采集的图像能达到最好的效果。

集成电路400，连接至摄像装置300(例如可以通过数据线连接)，用于将图像信息转化为电信号，并将电信号传输至二维面阵探头200。集成电路400具体用于控制电信号对各阵元的激励的时间延迟，使得阵元产生的声波组合成具有多个焦点的声场，对视网膜进行多点刺激，即实现了电子聚焦。集成电路400的具体结构可以根据视网膜刺激设备的实际结构和需要进行设置，只要能够实现将图像信息转换为电信号以及控制电信号的时间延迟。集成电路400控制电信号的电压大小不同，则阵元产生的声波强度不同，进而可以调节二维面阵探头200产生声场及其焦点的强度。

二维面阵探头200，连接至集成电路400，用于接收电信号，并在电信号的激励下产生超声，对用户的视网膜进行超声刺激。

电源500，连接至摄像装置300与集成电路400，用于给摄像装置300和集成电路400供电。电源500可以是电池或其他供电设备。

通过上述基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，视觉功能障碍者戴上该设备后，摄像装置采集图像信息，集成电路将图像信息转化为电信号，利用该电信号对二维面阵探头进行激励，形成多个焦点的聚焦声束，超声刺激作用在健康的视网膜神经细胞或视神经细胞上，使视觉功能障碍者感受到图像信息，恢复视觉感知功能。该设备可以实现多点刺激，提高成像的质量。同时，该设备具有无创性且安全性较高。

现有的二维面阵探头是结构聚焦，即将探头做成弧面或者增加声透镜，通过这样的结构，改变声波的路径，将声波聚在一起，实现聚焦。而本发明中的二维面阵探头为相控阵探头，是电子聚焦，即使用电子系统(如摄像装置和集成电路)控制实现多个焦点的聚焦声束；具体的，二维面阵探头可通过电子系统控制每个阵元激励时间的延迟，从而控制探头焦点的位置，实现多点聚焦。

如图2所示，耦合部件包括：耦合膜600，设置于镜框101中，耦合膜600与二维面阵探头200之间具有耦合液腔700，耦合液腔700内充满耦合液。耦合膜600可以选取收缩性能良好、声阻抗与耦合液相近的材料，且厚度做成很薄，例如橡胶。耦合膜600的常态为平面，当用户佩戴视网膜刺激设备后，耦合膜600与眼睛接触，被眼睛压成如图2所示的弧面。耦合液腔700内充满耦合液，保证二维面阵探头200工作时，声波能够低衰减地进入人体组织，刺激视网膜神经细胞。

图3是本发明实施例的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备的连接示意图，如图3所示，集成电路400连接至摄像装置300，二维面阵探头200连接至集成电路400，电源500连接至摄像装置300与集成电路400，二维面阵探头200刺激视网膜。

图4是本发明实施例的二维面阵探头的结构示意图，如图4所示，二维面阵探头200包括：从上至下依次粘接的背衬210、压电层220和匹配层230。其中，匹配层230与耦合部件之间的距离小于背衬210与耦合部件之间的距离，即匹配层230距离用户眼睛更近。

背衬210内嵌有多个等间距排列的电路板211，电路板211从背衬的顶面露出预设长度，背衬的底面镀有电极。每个电路板211上均具有电路212，电路212的形状可以是上下两端粗，中间细，便于连接压电层和焊接电缆。如图4所示的背衬210和电路板211的结构，可以通过夹具将电路板等间距排列并固定，再浇注背衬材料，固化后成型背衬块；也可以先成型背衬块并磨到同样厚度然后和电路板依次粘接。电路板中电路的间距、电路板之间的间距可以根据二维面阵探头的频率和声速等其他声学参数求得，具体参数的计算是本领域技术人员结合现有技术能够做到的，此处不做详细介绍。如果二维面阵探头所需的阵元数为M×N，则需要N块电路板，电路板中需含有M+2条电路。

压电层20可以是压电陶瓷、压电复合材料等。压电层220的上表面和下表面均镀有电极(或称为导电膜)，形成第一电极面和第二电极面，第一电极面作为压电层220的正极，第二电极面作为压电层220的负极。第一电极面与背衬的电极面通过导电胶对齐粘接，如图中的导电粘接层240所示。

压电层220的至少一侧面镀有电极，与第二电极面联通。

内层电路板211的电路212与正极导通，最外层的电路板211的电路212通过镀有电极的侧面与负极导通。

压电层220包括阵元阵列，各阵元之间的缝隙中填充有去耦材料，切割阵元的刀缝从第二电极面切至背衬的电极面下方预设距离处。

具体的，可以利用划片机按照电路板中电路的间距、电路板之间的间距，从压电层的第二电极面往下切，切穿压电层和导电粘接层并少量切入背衬块中。切割缝隙的宽度可以按照压电材料的声学性能确定。将去耦材料浇注到切割缝隙中，去耦材料主要起到分割阵元和减小阵元之间的声波干扰的作用。去耦材料固化后利用磨床将多余的去耦材料磨平并在压电层的至少一侧面和下表面镀上导电膜，侧面的导电膜将压电层的负极和压电层上表面最外排的导电膜联通，电路板中的电路通过导电粘接层和压电层的正负极导通，其中电路板最外层的电路因为与压电层上表面最外层阵元联通，所以与负极导通，内层的电路和正极导通。

匹配层可以为一层也可为多层，匹配层可以直接做在压电层上再磨削到一定厚度，也可以加工到一定厚度后利用有机材料与压电层粘接。匹配层的厚度、声阻抗与二维面阵探头的频率及压电材料的有关声学参数相关。

为突出刺激效果，背衬210可以使用声阻抗小于预设阈值(低声阻抗)且质量较轻的材料，例如，可在环氧树脂中填充微泡制成背衬。

二维面阵探头200中的电路板211通过信号电缆与集成电路400相连，从而可以实现集成电路300对二维面阵探头200中各阵元所产生的超声的控制，进而可以刺激视网膜。

图5是本发明实施例的二维面阵探头的聚焦示意图，如图5所示，二维面阵探头可通过电子系统分配阵元产生声波组合成具有多个焦点的声场，进行多点刺激。

二维面阵探头的频率可根据需要在1MHz～80MHz之间选择。二维面阵探头200的形状可以是圆形、矩形、正多边形或者其他形状。如果二维面阵探头为圆形，压电层可以看成圆柱体，压电层镀有电极的侧面可以是圆柱体侧面的一部分；如果二维面阵探头为矩形，压电层可以看成长方体，压电层镀有电极的侧面可以是长方体的某一或某几个侧面；如果二维面阵探头为其他形状，可以根据实际需求进行设置。

上述二维面阵探头200的制备方法如下：使用特制夹具将柔性电路板夹紧并在夹具内灌注绝缘胶凝固后打磨成二维面阵探头的背衬块；将背衬块的一面镀上电极，将极化好并一面已经镀上电极的压电材料的电极面和背衬的电极面用导电银浆粘接起来；使用划片机对压电材料进行切割，切穿压电材料和电极并切入背衬块，将电极分割开来，将压电材料划分为阵元；将去耦材料灌注在所切缝隙内，在压电材料的另一面镀上电极连出负极，使用电缆线连接柔性电路板将阵元引出，完成二维面阵探头的制作。

上述用于视网膜刺激的二维面阵探头，安装在贴合眼睛佩戴的特制眼镜中，辅以电子系统，能控制探头的焦点，使超声作用在健康的视网膜细胞上，用户带上眼镜即可对视网膜进行刺激。需要说明的是，上述视网膜刺激设备的外形可以是眼镜或类似眼镜，也可为头盔，还可以是戴在头上的环状设备等。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，包括：镜架和二维面阵探头，所述二维面阵探头安装在镜架的镜框中，所述镜架上设置有摄像装置、集成电路和电源；所述二维面阵探头与用户的眼睛之间设置有耦合部件；

所述摄像装置，用于采集图像信息，并将所述图像信息发送至所述集成电路；

所述集成电路，连接至所述摄像装置，用于将所述图像信息转化为电信号，并将所述电信号传输至所述二维面阵探头；

所述二维面阵探头，连接至所述集成电路，用于接收所述电信号，并在所述电信号的激励下产生超声，对用户的视网膜进行超声刺激；

所述电源，连接至所述摄像装置与所述集成电路，用于给所述摄像装置和所述集成电路供电。

2.根据权利要求1所述的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，所述耦合部件包括：耦合膜，设置于所述镜框中，所述耦合膜与所述二维面阵探头之间具有耦合液腔，所述耦合液腔内充满耦合液；当用户佩戴所述视网膜刺激设备后，所述耦合膜与眼睛接触，被眼睛压成弧面。

3.根据权利要求1所述的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，所述二维面阵探头包括：从上至下依次粘接的背衬、压电层和匹配层；所述匹配层与所述耦合部件之间的距离小于所述背衬与所述耦合部件之间的距离；

所述背衬内嵌有多个电路板，所述电路板从所述背衬的顶面露出预设长度，所述背衬的底面镀有电极；

所述压电层的上表面和下表面均镀有电极，形成第一电极面和第二电极面，所述第一电极面作为所述压电层的正极，所述第二电极面作为所述压电层的负极；所述第一电极面与所述背衬的电极面对齐通过导电胶粘接；

所述压电层的至少一侧面镀有电极，与所述第二电极面连通；

所述电路板的内层电路与所述正极导通，所述电路板的最外层电路通过镀有电极的侧面与所述负极导通；

所述压电层包括阵元阵列，各阵元之间的缝隙中填充有去耦材料，切割所述阵元的刀缝从所述第二电极面切至所述背衬的电极面下方预设距离处。

4.根据权利要求3所述的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，所述背衬使用声阻抗小于预设阈值的材料。

5.根据权利要求3所述的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，所述二维面阵探头中的电路板通过信号电缆与所述集成电路相连。

6.根据权利要求3所述的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，所述集成电路，具体用于控制所述电信号对各阵元的激励的时间延迟，使得阵元产生的声波组合成具有多个焦点的声场，对视网膜进行多点刺激。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，所述基于二维面阵探头的视网膜刺激设备包括：两个摄像装置、两个集成电路和两个电源；所述两个摄像装置分别设置在两个镜框上；所述两个集成电路和两个电源分别对称设置在所述镜架的两个镜腿上。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的基于二维面阵探头的视网膜刺激设备，其特征在于，所述二维面阵探头的形状是圆形、矩形或正多边形。