CN105496643A - 后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置及其制造方法，包括：设于眼睛内部的微电极阵列；设于眼睛外部的智能眼镜、耳机和弹性带扣；设于微电极阵列与智能眼镜之间的刺激信号导引软带。外界图像由设在智能眼镜前方的微型摄像头摄入，经控制系统处理后，变成双向电子脉冲信号，由刺激信号导引软带送至设于视网膜最外层与脉络膜之间的微电极阵列，对神经节细胞进行电刺激；视神经将刺激生成的生物信号送到大脑皮层视觉区，经大脑识别后，使失明患者恢复对外界物体的部分视觉功能。本发明具有刺激效果好、使用安全、外表美观与穿戴方便的特点。

Description

后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置及其制造方法

技术领域

本发明属于仿生医疗设备领域，具体涉及一种后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置及其制造方法。

背景技术

眼睛是人类认识外部世界的重要途经和窗口，是人体视觉通路中最复杂的器官组织，人类认识世界70％以上信息来自于眼睛的视觉功能。由于各种原因导致眼睛视觉功能残疾，甚至丧失的患者，据世界卫生组织2002年报告，全球视觉残疾者1.4亿，其中超过4500万人为失明患者，并且每年还以新增700万失明患者的速度在扩大。失明患者在生活、学习和工作上存在极大的不便和巨大的痛苦。

人体的视觉通路为:光线→角膜→瞳孔→晶状体→玻璃体→视网膜(视锥细胞、视杆细胞→双极细胞、水平细胞、无长突细胞→神经节细胞)→视神经→枕叶皮质及其他皮质中枢→形成感觉，人脑再进一步识别、分析、判断、与记忆对比等复杂行为，最终在大脑中形成物体的形状、颜色、方位与速度等视觉概念。

在视觉通路上，视网膜、视神经、视皮层等损伤都会导致失明，但是，多数后天性失明患者致盲的原因为视网膜疾患，即视网膜色素变性和老年黄斑变性两种最主要的病变。虽然，患者的视网膜已坏死，但是与视网膜相连的视神经仍保持相当的活性。

医学专家早于1924年在患者视皮质区用电刺激时，发现患者产生了视幻觉，认为合适的电刺激是可以帮助患者产生图像的感觉。此后，研究人员将电极植入到失明患者志愿试验者视网膜的相应部位，通过刺激残存的视网膜细胞，最终部分恢复了患者的视觉，由此，进一步证实了电刺激神经的复明方式是可行的。

目前，基于电刺激神经的视觉假体大体可以分为三种:视皮层视觉假体,视神经束视觉假体和视网膜视觉假体。视皮层视觉假体和视神经束视觉假体，由于技术难度大，未知因素较多，开发过程中困难重重，特别是视皮层直接刺激，有可能诱发局部中风或癫痫，给患者带来健康风险。因此，其技术前景远不如视网膜视觉假体。

视网膜视觉假体的工作原理是利用植入的假体将外部视觉信号转化为电信号，直接刺激内层的视网膜神经细胞，以取代感光细胞，使患者恢复一定程度的视觉。依据刺激电极芯片的植入位置不同，视网膜视觉假体分为表层型人工视网膜假体(刺激电极和芯片位于眼内视网膜表层)、外层型人工视网膜假体(刺激电极和芯片在视网神经上皮与视网膜色素上皮之间)。

由于视网膜视觉假体中植入的芯片和刺激电极需要提供电能才能工作。目前，电能供给方式有二种：植入电池和无线供能。植入电池工作时间短，需要周期性手术将电池取出予以更换，易给患者带来二次伤害和痛苦。无线供能是利用电磁感应原理进行能量传输，通过高射频方式，由体外的发射线圈及体内的接收线圈所组成的电磁诱导线圈系统产生感应电来提供电能；无线供能在理论上是可行的，它解决了能量传输的技术途径难题，但实际操作的难度非常大：①由于线圈空间尺寸有限，供给的能量极其有限。②芯片和线圈在充电过程中会大量产热，对周围组织会带来损伤，易引起患者不适。③芯片和线圈材料与人体组织的生物相容性、长期的稳定性问题不易解决。

视网膜视觉假体技术，由于芯片的刺激电流强度和频率在植入前已调好与固化，植入后不能更改，为单一制式，难以适应成百上千失明盲人的个体差异的需求。

此外，还存在微电极阵列的电极对数量少、刺激效果差等难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种刺激效果好、使用安全、多功能、外表美观与穿戴方便的后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置及其制造方法。

本发明通过以下技术方案实现：包括设于眼睛内部的微电极阵列；设于眼睛外部的智能眼镜、耳机和弹性带扣；设于微电极阵列与智能眼镜之间的刺激信号导引软带；微电极由微电极阵列和刺激信号导引软带组成，为一体式结构；

所述耳机与左镜腿所设耳机插孔相连；所述弹性带扣设于后脑部位，为卡扣结构，通过将卡扣头插入两镜腿对应所设卡扣座内，智能眼镜即可固牢在失明患者的头部，可防止智能眼镜跌落地面和微电极插口连接松动。

外界图像由设在智能眼镜横梁前方U形凸台内的微型摄像头摄入，经图像处理单元、图像电子脉冲信号调制单元和中央微处理器处理后，变成双向电子脉冲信号，由设于横梁上方的刺激信号导引软带，经上眼睑、上直肌、巩膜，送至设于视网膜最外层与脉络膜之间的微电极阵列，对神经节细胞进行电刺激；视神经将刺激生成的生物信号送到大脑皮层视觉区，经大脑识别后，使失明患者恢复对外界物体的部分视觉功能。

所述智能眼镜，包括：镜框、设于镜框内的有色镜片；设于横梁内的微电极插口和软线路板；设于横梁前方U形凸台内的微型摄像头和微型LED灯；设于镜框后方的鼻托；

设于左镜腿外侧的电源开关、音乐播放开关，设于其上方的耳机插孔、SD内存卡插口和工作指示灯，设于其内部的GPS定位模块、音乐播放模块和内置电池；设于其下方的通信端口，设于其后方的卡扣座；

设于右镜腿外侧的微型LED灯开关，设于其内部的控制系统，设于其后方的卡扣座。

所述左镜腿与右镜腿通过铰链与横梁连接在一起，具有收放功能。

进一步，制激信号的电流强度和频率的调整，可由上位机通过设在左镜腿下方的通信端口进行修改，同时，所述通信端口还兼做内置电池的充电端口。

进一步，所述刺激信号导引软带与设于横梁的微电极插口的接口方式为插拨式结构。

进一步，所述控制系统由电源电路、图像采集单元、图像处理单元、微型LED灯控制电路、电子脉冲信号调制单元和中央微处理器组成；所述微型摄像头用于采集外部图像；所述微型LED灯用于照明。

进一步，所述GPS定位模块、音乐播放模块，通过设在横梁内的软连接板与控制系统相连；所述GPS定位模块用于失明患者外出遇到紧急情况时，方便救援人员进行定位。

进一步，所述微型摄像头为CCD或CMOS图像传感器。

进一步，所述内置电池为锂电池。

再进一步，所述电源开关和微型LED灯开关均为触摸开关；所述微型LED灯开关，设有人工和自动两种切换模式。

再进一步，所述微电极的刺激信号导引软带为五层结构，由底衬和依次设于底衬上的微电极正极、隔离层、微电极负极与保护层组成；所述微电极的微电极阵列为四层结构，由底衬和依次设于底衬上的微电极正极、隔离层与电极对组成。所述底衬、隔离层和保护层，为同一柔性材料，通过热复合工艺将微电极正极、微电极负极与电极对固定在一起；所述柔性材料为聚酰亚胺或聚对二甲苯，厚度为0.08～0.15mm。

再进一步，所述微电极阵列的外形为圆形，设有236个电极对，由六个阵列圈组成；第一阵列圈分布11个电极对，夹角为30°；第二阵列圈分布21个电极对，夹角为15°；第三阵列圈分布33个电极对，夹角为10°；第四阵列圈分布45个电极对，夹角为7.5°；第五阵列圈分布57个电极对，夹角为6°；第六阵列圈分布69个个电极对，夹角为5°；所述电极对是由半圆环负极和圆心点正极形成。

再进一步，所述正极微阵列的正极主电路向下折弯180度后，形成微电极正极；所述刺激信号导引软带电极宽度尺寸为1.2mm～1.5mm,封边尺寸为2.2mm～2.5mm，总厚度为0.5mm～0.6mm。

更进一步，所述弹性带扣由卡扣头和织带组成，织带由弹性化纤材料织成。

本发明的优点是：

1)刺激效果好、匹配性强与使用安全：单位面积电极对数多、刺激强度可调、色彩信号携带丰富，能满足不同群体的差异化需求。

2)功能多：集视觉恢复、娱乐与GPS定位于一体，方便失明患者出行。

3)穿戴方便与美观：外观结构能为患者增添美感，同时，当患者不需佩戴时，能很方便的将装置摘下，使患者的休息、洗漱和睡觉不受影响。

4)工作时间不受限制：当患者外出时，一旦发生电池电量不足时，可使用市场上的手机充电宝，通过通信端口继续给装置供电。

5)连接可靠：在镜腿的后部，设有弹性绑带，可避免智能眼镜掉落地面和微电极插口松动。

附图说明

图1为穿戴装置佩戴在头部的效果图；

图2为智能眼镜组装结构的前视图；

图3为智能眼镜组装结构的后视图；

图4为穿戴装置的原理方框图；

图5为微电极植入眼球位置示意图；

图6为微电极的平面结构示意图；

图7为图6的E-E剖视图；

图8为电极对的平面结构示意图；

图9为智能眼镜结构的俯视图；

图10为智能眼镜结构的仰视图；

图11为弹性带扣结构示意图。

图示：100-智能眼镜，101-镜框，102-有色镜片，103-横梁，104-微电极插口，105-SD内存卡插口，106-电源开关，107-音乐播放开关，108-耳机插孔，109-微型LED灯开关,110-左镜腿，111右镜腿，112-卡扣座，113-工作指示灯，114-鼻托，115-通信端口，铰链-116。

200-微电极，201-刺激信号导引软带，202-微电极阵列，203-微电极负极，204-微电极正极，203h-负极主电路，204z-正极主电路，205-电极对，206-保护层，207-隔离层，208-底衬；

300-摄像头，400-微型LED灯，500-电池，600-软连接板。

800-控制系统，801-GPS定位模块，802-音乐播放模块。

900-弹性带扣，901-卡扣头，902-织带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

1﹒如图1-5所示，所述一种后天性失明患者视觉复明电子穿戴装置，包括：设于眼睛内部的微电极阵列202；设于眼睛外部的智能眼镜100、耳机700和弹性带扣900；设于微电极阵列202与智能眼镜100之间的刺激信号导引软带201；所述耳机700与左镜腿110所设耳机插孔108相连；所述弹性带扣900设于后脑部位，为卡扣结构，通过将卡扣头901插入两镜腿对应所设卡扣座112内，智能眼镜100即可固牢在失明患者的头部，可防止智能眼镜100跌落地面和微电极插口104松动。

当患者有需要使用时，可在外人的帮助下，按照图1所示要求，将智能眼镜100在头部佩戴好，将微电极刺激信号导引软带插头插入横梁103上所设微电极插口104。开启电源开关106，这时，工作指标灯113会亮灯；所述工作指标灯113为双色灯，当外部连接或程序出现异常时，会亮红灯；当工作指标灯113显示绿灯亮时，表示装置的控制系统工作正常、外部连接正常，已进入正常工作状态。

所述控制系统由电源电路、图像采集单元、图像处理单元、微型LED灯控制电路、电子脉冲信号调制单元和中央微处理器组成。

工作时，外界图像由设在智能眼镜100横梁103前方U形凸台内的微型摄像头300摄入，经图像处理单元、图像电子脉冲信号调制单元和中央微处理器处理后，变成双向电子脉冲信号，由设于横梁103上方的刺激信号导引软带201，经上眼睑、上直肌、巩膜，送至设于视网膜最外层与脉络膜之间的微电极阵列202，对神经节细胞进行电刺激；视神经将刺激生成的生物信号送到大脑皮层视觉区，经大脑识别后，使失明患者恢复对外界物体的部分视觉功能。

当外部光线暗淡时，前方的微型LED灯400将自动开启照明功能。也可通过开启右镜腿111上所设微型LED灯开关109开启照明。

所述电源开关106和微型LED灯开关109均为触摸开关；所述微型LED灯开关109设有人工和自动两种切换模式。

当患者想听音乐时，可开启设在左镜腿110上的音乐播放开关107，进行音乐播放，音乐库则存储在左镜腿110内的SD内存卡插口105内的SD内存卡中。

2﹒如图6、图7所示，所述微电极200由微电极阵列202和刺激信号导引软带201组成，为一体式结构。

所述微电极200的刺激信号导引软带201为五层结构，由底衬208和依次设于底衬208上的微电极正极204、隔离层207、微电极负极203与保护层206组成；所述微电极200的微电极阵列202为四层结构，由底衬208和依次设于底衬208上的微电极正极204、隔离层207与电极对205组成。所述底衬208、隔离层207和保护层206，为同一柔性材料，通过热复合工艺彼此将微电极正极204、微电极负极203与电极对205固定在一起；所述柔性材料为聚酰亚胺或聚对二甲苯，优选地为聚酰亚胺材料，厚度为0.08～0.15mm。

3﹒如图6所示，所述微电极阵列200的外形为圆形，电极层外径尺寸为10.5mm，封边外径尺寸为11.5mm；正极主电路204z的宽度尺寸为250um、负极主电路203h的宽度尺寸为250um，所述微电极阵列由236个电极对205组成，分布在六个阵列圈内；第一阵列圈1C分布11个电极对，夹角a为30°；第二阵列圈2C分布21个电极对，夹角a为15°；第三阵列圈3C分布33个电极对，夹角a为10°；第四阵列圈4C分布45个电极对，夹角a为7.5°；第五阵列圈5C分布57个电极对，夹角a为6°；第六阵列圈6C分布69个个电极对，夹角a为5°；所述电极对205为单层平面分布结构。

4﹒如图6、图7所示，微电极阵列202的正极主电路204z折弯180度后，形成微电极正极204；所述刺激信号导引软带201电极宽度尺寸h为1.2mm～1.5mm,封边尺寸g为2.2mm～2.5mm，总厚度为0.5mm～0.6mm。

5﹒如图8所示，所述电极对205是由半圆环负极205h和圆心点正极205z形成；所述半圆环负极205h的内径为220um，外径为300um，圆心点正极205z直径为150um，电极对205正负极间距C尺寸为35um，支电路a的尺寸为80um；所述电极对采用厚度为100um～150um的铂金材料，经激光切割工艺加工制成。

6﹒如图6-8所示的微电极的制作方法，包括如下步骤：

a)将厚度为100um～150um铂金带，裁切成长度为80mm,宽度为25mm的长方形片，作为电极层；

b)将长方形片的底部贴上一片大小相等的离型纸；

c)将长方形用激光切割成图6、图8所示形状和尺寸，然后，进行清洗、镀金和烘干处理；

d)将电镀好的半成品与隔离层207进行第一次热复合；热复合完成后，将微电极阵列202的正极主电路204z向下折弯180度，紧贴在隔离层207表面，放上底衬208，然后将底衬208翻转朝下放置，剥去电极层上的离型纸，贴上保护层206，进行第二次热复合，使保护层206与底衬208热复合在一起；

e)用刀模将第二次热复合后的半成品冲裁成所需外形尺寸。

7﹒如图2、图3、图9、图10所示，所述智能眼镜100，包括：镜框101、设于镜框101内的有色镜片102；设于横梁103内的微电极插口104和软线路板600；设于横梁103前方U形凸台内的微型摄像头300和微型LED灯400；设于镜框101后方的鼻托114；

设于左镜腿110外侧的电源开关106、音乐播放开关107，设于其上方的耳机插孔108、SD内存卡插口105和工作指示灯113，设于其内部的GPS定位模块801、音乐播放模块802和内置电池500，设于其下方的通信端口115；设于其后方的卡扣座112；

制激信号的电流强度和频率的调整，可由上位机通过设在左镜腿110下方的通信端口115进行修改，同时，所述通信端口115还兼做内置电池500的充电端口；

设于右镜腿111外侧的微型LED灯开关109，设于其内部的控制系统800，设于其后方的卡扣座112。

所述左镜腿110与右镜腿111通过铰链116与横梁103连接在一起，具有收放功能。

8﹒如图11所示，所述弹性带扣900由卡扣头901和织带902组成，织带902由弹性化纤材料织成，卡扣头901采用高分子塑胶材料，经注塑工艺制成。

尽管上述实施例中对本发明已出示并进行了描述，但是本领域的技术人员应可以理解，在不脱离本发明总体构思的前提下，对本发明做出的修改及改型，应属本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置，其特征在于，包括设于眼睛内部的微电极阵列；设于眼睛外部的智能眼镜、耳机和弹性带扣；设于微电极阵列与智能眼镜之间的刺激信号导引软带；微电极由微电极阵列和刺激信号导引软带组成，为一体式结构；

所述耳机与左镜腿所设耳机插孔相连；所述弹性带扣设于后脑部位，为卡扣结构，通过将卡扣头插入两镜腿对应所设卡扣座内，智能眼镜即可固牢在失明患者的头部，可防止智能眼镜跌落地面和微电极插口连接松动；

所述智能眼镜，包括：镜框、设于镜框内的有色镜片；设于横梁内的微电极插口和软线路板；设于横梁前方U形凸台内的微型摄像头和微型LED灯；设于镜框后方的鼻托；

设于左镜腿外侧的电源开关、音乐播放开关，设于其上方的耳机插孔、SD内存卡插口和工作指示灯，设于其内部的GPS定位模块、音乐播放模块和内置电池，设于其下方的通信端口，设于其后方的卡扣座；设于右镜腿外侧的微型LED灯开关，设于其内部的控制系统，设于其后方的卡扣座；

所述左镜腿与右镜腿，通过铰链与横梁连接在一起，具有收放功能；

制激信号的电流强度和频率的调整，可由上位机通过设在左镜腿下方的通信端口进行修改，同时，所述通信端口还兼做内置电池的充电端口；

所述刺激信号导引软带与设于横梁的微电极插口的接口方式为插拨式结构；

所述控制系统由电源电路、图像采集单元、图像处理单元、微型LED灯控制电路、电子脉冲信号调制单元和中央微处理器组成；所述微型摄像头用于采集外部图像；

所述微型LED灯用于照明；所述GPS定位模块、音乐播放模块，通过设在横梁内的软连接板与控制系统相连；所述GPS定位模块用于失明患者外出遇到紧急情况时，方便救援人员定位时使用；所述微型摄像头为CCD或CMOS图像传感器；所述内置电池为锂电池；

所述电源开关和微型LED灯开关均为触摸开关；所述微型LED灯开关，设有人工和自动两种切换模式；

外界图像由设在智能眼镜横梁前方U形凸台内的微型摄像头摄入，经图像处理单元、图像电子脉冲信号调制单元和中央微处理器处理后，变成双向电子脉冲信号，由设于横梁上方的刺激信号导引软带，经上眼睑、上直肌、巩膜，送至设于视网膜最外层与脉络膜之间的微电极阵列，对神经节细胞进行电刺激；视神经将刺激生成的生物信号送到大脑皮层视觉区，经大脑识别后，使失明患者恢复对外界物体的部分视觉功能。

2.根据权利要求1所述的后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置，其特征在于：所述微电极的刺激信号导引软带为五层结构，由底衬和依次设于底衬上的微电极正极、隔离层、微电极负极与保护层组成；所述微电极的电极阵列为四层结构，由底衬和依次设于底衬上的微电极正极、隔离层与电极对组成；所述底衬、隔离层和保护层，为同一柔性材料，通过热复合工艺彼此将微电极正极、微电极负极与电极对固定在一起；所述柔性材料为聚酰亚胺或聚对二甲苯，厚度为0.08～0.15mm；

所述微电极阵列的外形为圆形，电极层外径尺寸为10.5mm，封边外径尺寸为11.5mm，共设有236个电极对，由六个阵列圈组成；第一阵列圈分布11个电极对，夹角为30°；第二阵列圈分布21个电极对，夹角为15°；第三阵列圈分布33个电极对，夹角为10°；第四阵列圈分布45个电极对，夹角为7.5°；第五阵列圈分布57个电极对，夹角为6°；第六阵列圈分布69个电极对，夹角为5°；

所述微电极阵列的正极主电路折弯180度后，形成微电极正极；所述刺激信号导引软带的电极宽度尺寸为1.2mm～1.5mm,封边尺寸为2.2mm～2.5mm，总厚度为0.5mm～0.6mm；

所述电极对是由半圆环负极和圆心点正极形成；所述半圆环负极的内径为220um，外径为300um，圆心点正极直径为150um，电极对正负极间距尺寸为35um，支电路的尺寸为80um；所述电极对采用厚度为100um～150um的铂金材质，经激光切割工艺加工制成。

3.根据权利要求1所述的后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置的制造方法，其特征在于，所述微电极的制造方法，包括如下步骤：

a)将厚度为100um～150um铂金带，裁切成长度为80mm,宽度为25mm的长方形片，作为电极层；

b)将长方形片的底部贴上一片大小相等的离型纸；

c)将长方形用激光切割成所需形状和尺寸，然后，进行清洗、镀镀和烘干处理；

d)将电镀好的半成品与隔离层进行第一次热复合；热复合完成后，将微电极阵列的正极主电路向下折弯180度，紧贴在隔离层表面；放上底衬，然后将底衬翻转朝下放置，剥去电极层上面的离型纸，贴上保护层，进行第二次热复合，使保护层与底衬热复合在一起；

e)用刀模将第二次热复合后的半成品冲裁成所需外形尺寸。

4.根据权利要求1所述的后天性失明患者视觉复明智能穿戴装置，其特征在于：所述弹性带扣由卡扣头和织带组成，织带由弹性化纤材料织成，卡扣头采用高分子塑胶材料，经注塑工艺制成。