CN105662704A - 超声视网膜刺激设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声视网膜刺激设备，包括：镜架和镜片，镜片基体内设有超声换能器、第一数据收发装置、能量接收装置和集成芯片；镜架上设有摄像装置、集成电路、第二数据收发装置、能量传输装置和电源；摄像装置用于采集图像信息；集成电路用于将图像信息转换为图像数据，并通过数据收发装置传输至集成芯片；集成芯片用于将图像数据转换为刺激信号；超声换能器用于在刺激信号激励下对视网膜进行超声刺激；电源给摄像装置、集成电路和第二数据收发装置供电及通过能量传输装置和能量接收装置给集成芯片、第一数据收发装置供电。视觉功能障碍者戴上该设备后，通过对超声换能器进行激励形成多个焦点的聚焦声束，刺激视神经细胞，恢复视觉感知功能。

Description

超声视网膜刺激设备

技术领域

本发明涉及视觉代替技术领域，尤其涉及一种超声视网膜刺激设备。

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

本发明提供了一种超声视网膜刺激设备，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超声视网膜刺激设备，包括：镜架和镜片，佩戴时所述镜片与眼睛角膜接触，所述镜架架在用户的鼻子和耳朵上；所述镜片包括镜片基体，所述镜片基体内设有超声换能器、第一数据收发装置、能量接收装置和集成芯片；所述镜架上设置有摄像装置、集成电路、第二数据收发装置、能量传输装置和电源；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换为图像数据；所述第二数据收发装置，连接至所述集成电路，用于将所述图像数据传输至所述第一数据收发装置；所述第一数据收发装置，连接至所述第二数据收发装置，用于将所述图像数据传输至所述集成芯片；所述集成芯片，连接至所述第一数据收发装置，用于将所述图像数据转换为刺激信号；所述超声换能器，连接至所述集成芯片，用于接收所述刺激信号，并在所述刺激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、所述集成电路、所述第二数据收发装置和所述能量传输装置，用于给所述摄像装置、所述集成电路和所述第二数据收发装置供电，以及通过所述能量传输装置将能量输送给所述能量接收装置；所述能量接收装置，连接至所述能量传输装置、所述集成芯片和所述第一数据收发装置，用于给所述集成芯片和所述第一数据收发装置供电。

在一个实施例中，所述超声换能器包括：高频面阵换能器或电容微结构超声换能器。

在一个实施例中，所述高频面阵换能器包括：压电层和匹配层；所述匹配层与所述眼睛之间的距离小于所述压电层与所述眼睛之间的距离；所述压电层被划分为多个阵元，阵元之间的缝隙填充有去耦材料；所述集成芯片位于所述压电层一侧，各个阵元分别通过电缆线与所述集成芯片连接，所述电缆线之间填充绝缘材料。

在一个实施例中，所述电容微结构超声换能器从上至下依次包括：上电极、薄膜、多个支撑体、绝缘层和下电极；所述支撑体位于所述上电极与所述绝缘层之间且所述多个支撑体等间距排列，所述上电极被所述支撑体划分为多个等间距排列的阵元；所述上电极与所述下电极通过电缆线与所述集成芯片相连，在所述上电极与所述下电极之间施加直流偏置电压，当所述刺激信号送达所述电容微结构超声换能器时，薄膜振动，产生声波。

在一个实施例中，所述第一数据收发装置和所述第二数据收发装置通过无线方式进行数据的传输；所述能量传输装置和所述能量接收装置通过无线方式进行能量的传输。

在一个实施例中，所述集成芯片，具体用于控制所述刺激信号对所述超声换能器的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，所述镜架上设有两个摄像装置、两个集成电路、两个第二数据收发装置、两个能量传输装置和两个电源，其中，所述两个摄像装置分别安装在两个镜框上，所述两个能量传输装置分别设置在两个镜框内；所述两个集成电路、两个第二数据收发装置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，所述超声换能器的形状是圆形、矩形或正多边形。

通过本发明的超声视网膜刺激设备，视觉功能障碍者戴上该设备后，镜架上的摄像装置采集图像信息，集成电路将图像信息转化为图像数据，将图像数据传输给镜片，集成芯片将该图像数据转换为刺激信号对超声换能器进行激励，产生超声波，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，恢复视觉功能障碍者的视觉功能。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是本发明实施例的超声视网膜刺激设备的结构示意图；

图2是本发明实施例的镜片的示意图；

图3是本发明实施例的镜片的剖视图；

图4是本发明实施例的电容微结构超声换能器的结构示意图；

图5是本发明实施例的电容微结构超声换能器的剖视图；

图6是本发明实施例的超声视网膜刺激设备的连接示意图；

图7是本发明实施例的超声换能器的聚焦示意图。

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超声视网膜刺激设备，适用于视网膜表层感光细胞病变和晶状体模糊等病症的病人。图1是本发明实施例的超声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和镜片200，镜架100包括镜框110和镜腿120。镜片200并没有安装于镜架100的镜框110中，佩戴时镜片200与眼睛角膜接触，类似于隐形眼镜的佩戴；镜架100架在用户的鼻子和耳朵上，类似于普通眼镜的佩戴。镜片200可以使用生物兼容材料制作，如硅水凝胶。

图2是本发明实施例的镜片的示意图，图3是本发明实施例的镜片的剖视图，如图2和图3所示，镜片200包括镜片基体210，镜片基体210内设有超声换能器220、第一数据收发装置230、能量接收装置240和集成芯片250。如图1所示，超声视网膜刺激设备一般包括两个镜片200，分别对应于用户的两个眼睛，如果用户仅有一只眼镜需要使用该设备进行刺激，则可以只带一个镜片。

如图1所示，镜架100上设置有摄像装置130、集成电路140、第二数据收发装置150、能量传输装置160和电源170。较优的，摄像装置130可以设置在镜框110上，便于以用户眼睛的视角采集图像。较优的，能量传输装置160可以设置在镜框110内。较优的，集成电路140、第二数据收发装置150和电源170可以设置在镜腿120上。摄像装置130、集成电路140、第二数据收发装置150、能量传输装置160和电源170的数量均可以为两个，例如，可以在每个镜框110上分别设置一个摄像装置130，模拟用户两只眼睛查看周围环境；每个镜框110的镜片安装处分别设置一个能量传输装置160；其中一个集成电路140、第二数据收发装置150和一个电源170设置在一个镜腿102上，另外的集成电路140、第二数据收发装置150和电源170设置在另一个镜腿102上，各自与对应侧的镜片配合工作。

下面对各个器件的连接关系和功能进行说明。

摄像装置130，用于采集图像信息，并将图像信息发送至集成电路140。摄像装置130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140，连接至摄像装置130(例如可以通过数据线连接)，用于将图像信息转换为图像数据。

第二数据收发装置150，连接至集成电路140，用于将图像数据传输至第一数据收发装置230。

第一数据收发装置230，连接至第二数据收发装置150，用于将图像数据传输至集成芯片250。

集成芯片250，连接至第一数据收发装置230，用于将图像数据转换为刺激信号(电信号)。集成芯片250具体用于控制刺激信号对超声换能器220的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。集成芯片250的具体结构可以根据超声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数据转换为电信号以及控制电信号的时间延迟。集成芯片250控制刺激信号的电压大小不同，则阵元产生的声波强度不同，进而可以调节超声换能器220产生声场及其焦点的强度。

超声换能器220，连接至集成芯片250，用于接收刺激信号，并在刺激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170，连接至摄像装置130、集成电路140、第二数据收发装置150和能量传输装置160，用于给摄像装置130、集成电路140和第二数据收发装置150供电，以及通过能量传输装置160将能量输送给能量接收装置240。电源150可以是电池或其他供电设备。

能量接收装置240，连接至能量传输装置160、集成芯片250和第一数据收发装置230，用于给集成芯片250和第一数据收发装置230供电。

通过上述超声视网膜刺激设备，视觉功能障碍者戴上该设备后，镜架上的摄像装置采集图像信息，集成电路将图像信息转化为图像数据，将图像数据传输给镜片，集成芯片将该图像数据转换为刺激信号对超声换能器进行激励，产生超声波，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。

现有的超声换能器是结构聚焦，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。而本发明中的超声换能器为相控阵探头，是电子聚焦，即使用电子系统(如摄像装置、集成电路、数据收发装置、集成芯片等)控制实现多个焦点的聚焦声束；具体的，超声换能器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。

超声换能器220可以是高频面阵换能器或电容微结构超声换能器。高频面阵换能器的频率可根据需要在1MHz～80MHz之间选择。超声换能器220安装在贴合眼睛佩戴的镜片中，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。

如图3所示，高频面阵换能器包括：压电层221和匹配层222。匹配层222与眼睛之间的距离小于压电层221与眼睛之间的距离，即匹配层222距离用户眼睛更近。压电层221可以是压电陶瓷、压电复合材料等。压电层221被划分为多个阵元(例如M×N个阵元)，阵元之间的缝隙填充有去耦材料223。集成芯片250位于压电层221一侧，各个阵元分别通过电缆线260与集成芯片250连接，电缆线之间填充绝缘材料270。匹配层222可以为一层也可为多层，匹配层222可以直接做在压电层221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222的厚度、声阻抗与超声换能器的频率及压电材料的有关声学参数相关。

第一数据收发装置230置于集成芯片250的另一侧，将接收到的图像数据传输给集成芯片250。能量接收装置240和集成芯片250、第一数据收发装置230之间通过电路连接，并将接收到的能量通过电路提供给它们。

图4是本发明实施例的电容微结构超声换能器的结构示意图，图5是本发明实施例的电容微结构超声换能器的剖视图，如图4和图5所示，电容微结构超声换能器(简称为cMUT)从上至下依次包括：上电极224、薄膜225、多个支撑体226、绝缘层227和下电极228。

支撑体226位于上电极224与绝缘层227之间且多个支撑体226等间距排列，上电极224被支撑体226划分为多个等间距排列的阵元。上电极224与下电极228通过电缆线与集成芯片250相连，在上电极224与下电极228之间施加直流偏置电压，当刺激信号送达电容微结构超声换能器时，薄膜振动，产生声波。由于cMUT的低声阻抗结构，在其前端不需要匹配层。

超声换能器220的形状可以是圆形、矩形、正多边形或其他形状。

超声换能器220放置在具有生物相容性的镜片内，其各阵元可以部分工作也可同时工作，辅以对应的电子系统，专用于视网膜刺激，能够产生多个焦点进行刺激，并能控制焦点的位置和强度使其作用在健康的视网膜细胞上。

在一个优选实施例中，第一数据收发装置230和第二数据收发装置150通过无线方式进行数据的传输；能量传输装置160和能量接收装置240通过无线方式进行能量的传输。数据和电能采用无线传输方式使得连线减少，简化了超声视网膜刺激设备的结构。

图6是本发明实施例的超声视网膜刺激设备的连接示意图，如图6所示，集成电路140连接至摄像装置130，第二数据收发装置150连接至集成电路140，第二数据收发装置150还连接至第一数据收发装置230，以将图像数据传输到镜片中。集成芯片250连接至第一数据收发装置230，超声换能器220连接至集成芯片250，超声换能器220贴近视网膜。

电源170连接至摄像装置130、集成电路140和第二数据收发装置150，为其供电；电源170还连接至能量传输装置160，通过能量传输装置160将能量传输至镜片，为第一数据收发装置230和集成芯片250供电。

镜架100与镜片200之间主要包括数据的传递和电能的传递。其中，数据的传递是由摄像装置130采集图像信息经过集成电路140转化后由第二数据收发装置150发送给镜片200中的第一数据收发装置230，然后再经过集成芯片250处理转化为刺激信号，激励超声换能器220开始工作，产生超声信号。电能的传递是由电源170将电能经过能量传输装置160传递给能量接收装置240。电源170给摄像装置130、集成电路140、第二数据收发装置150供能，能量接收装置240给第一数据收发装置230和集成芯片250供能。即镜架100上的各器件由电源170直接供能，镜片200上的各器件通过能量传输装置160和能量接收装置240进行供能。

图7是本发明实施例的超声换能器的聚焦示意图，如图7所示，超声换能器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。即阵元可通过电子控制单独工作也可以联合工作，可以产生一个焦点，也可产生多个焦点实现多点聚焦。

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)

1.一种超声视网膜刺激设备，其特征在于，包括：镜架和镜片，佩戴时所述镜片与眼睛角膜接触，所述镜架架在用户的鼻子和耳朵上；

所述镜片包括镜片基体，所述镜片基体内设有超声换能器、第一数据收发装置、能量接收装置和集成芯片；所述镜架上设置有摄像装置、集成电路、第二数据收发装置、能量传输装置和电源；

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换为图像数据；

所述第二数据收发装置，连接至所述集成电路，用于将所述图像数据传输至所述第一数据收发装置；

所述第一数据收发装置，连接至所述第二数据收发装置，用于将所述图像数据传输至所述集成芯片；

所述集成芯片，连接至所述第一数据收发装置，用于将所述图像数据转换为刺激信号；

所述超声换能器，连接至所述集成芯片，用于接收所述刺激信号，并在所述刺激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、所述集成电路、所述第二数据收发装置和所述能量传输装置，用于给所述摄像装置、所述集成电路和所述第二数据收发装置供电，以及通过所述能量传输装置将能量输送给所述能量接收装置；

所述能量接收装置，连接至所述能量传输装置、所述集成芯片和所述第一数据收发装置，用于给所述集成芯片和所述第一数据收发装置供电。

2.根据权利要求1所述的超声视网膜刺激设备，其特征在于，所述超声换能器包括：高频面阵换能器或电容微结构超声换能器。

3.根据权利要求2所述的超声视网膜刺激设备，其特征在于，所述高频面阵换能器包括：压电层和匹配层；

所述匹配层与所述眼睛之间的距离小于所述压电层与所述眼睛之间的距离；

所述压电层被划分为多个阵元，阵元之间的缝隙填充有去耦材料；

所述集成芯片位于所述压电层一侧，各个阵元分别通过电缆线与所述集成芯片连接，所述电缆线之间填充绝缘材料。

4.根据权利要求2所述的超声视网膜刺激设备，其特征在于，所述电容微结构超声换能器从上至下依次包括：上电极、薄膜、多个支撑体、绝缘层和下电极；

所述支撑体位于所述上电极与所述绝缘层之间且所述多个支撑体等间距排列，所述上电极被所述支撑体划分为多个等间距排列的阵元；

所述上电极与所述下电极通过电缆线与所述集成芯片相连，在所述上电极与所述下电极之间施加直流偏置电压，当所述刺激信号送达所述电容微结构超声换能器时，薄膜振动，产生声波。

5.根据权利要求1所述的超声视网膜刺激设备，其特征在于，所述第一数据收发装置和所述第二数据收发装置通过无线方式进行数据的传输；所述能量传输装置和所述能量接收装置通过无线方式进行能量的传输。

6.根据权利要求1所述的超声视网膜刺激设备，其特征在于，所述集成芯片，具体用于控制所述刺激信号对所述超声换能器的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中任一项所述的超声视网膜刺激设备，其特征在于，所述镜架上设有两个摄像装置、两个集成电路、两个第二数据收发装置、两个能量传输装置和两个电源，其中，所述两个摄像装置分别安装在两个镜框上，所述两个能量传输装置分别设置在两个镜框内；所述两个集成电路、两个第二数据收发装置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中任一项所述的超声视网膜刺激设备，其特征在于，所述超声换能器的形状是圆形、矩形或正多边形。