CN106267560B - 用于神经刺激的脉冲电流产生电路及人工视网膜系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于神经刺激的脉冲电流产生电路，包括：模拟信号接收装置，其用于接收模拟信号；模数转换器，其将所述模拟信号转换为数字控制信号；电流信号控制器，其根据所述数字控制信号产生用于生成双向脉冲电流信号的脉冲电流参数；以及电流发生器，其根据所述脉冲电流参数生成用于神经刺激的所述双向脉冲电流信号，所述电流发生器能够根据所述脉冲电流参数生成不同精度的脉冲电流。根据本发明所涉及的脉冲电流产生电路，能够产生更加有效的刺激效果，而且能够在硬件层面适应更高的处理要求例如刺激算法优化等。

Description

用于神经刺激的脉冲电流产生电路及人工视网膜系统

技术领域

本发明涉及一种用于神经刺激的脉冲电流产生电路及人工视网膜系统。

背景技术

在神经刺激领域中，通过刺激电极提供电刺激能够使神经组织产生反应，从而获得期望的功能。例如在现有的人工视网膜的视力修复系统中，为了给盲人恢复视觉感受，一般需要在盲人的眼球内放入植入体，这样的植入体替代了例如因视网膜色素变性(RP)或老年黄斑变性(AMD)等而受损的感光细胞的功能，在视觉通路的其他功能得到保留的情况下，可以通过植入体中的刺激电极来对视网膜保留完好的其他神经通路产生刺激从而让盲人恢复部分视力。在人工视网膜系统中，体外的摄像头捕捉视频图像，接着图像处理装置将视频图像转化为电信号并发送给植入体，然后，位于眼内的植入体将电信号转换为刺激信号，并通过植入体的刺激电极对视网膜的神经节细胞进行刺激，由此使盲人能够在大脑皮层上感受到光感，恢复部分视力。

发明内容

然而，在现有的人工视网膜或人工视网膜系统中，刺激电极所产生的刺激信号往往只能对视网膜表面的神经细胞(例如神经节细胞)进行刺激，无法有效地刺激到稍微远离视网膜表面的视网膜的双极细胞，因此，在刺激效果上往往并不理想，另外，在刺激的分辨率上还有很多方面有待改进。

本发明人等经过长期的研究发现，在视网膜中神经节细胞与多个双极细胞相连接，而在视网膜的黄斑区(通常是人工视网膜的植入部位)双极细胞与单个感光细胞一一对应连接，通过刺激视网膜的双极细胞能够有效地提高刺激的分辨率，产生更加精准和有效的光感。对于视网膜上的人工视网膜修复方式而言，植入体内的刺激电极常常贴合在视网膜上，刺激电极能够接触的部分主要是视网膜的神经节细胞(特别是神经节细胞的轴突)。为了让刺激电极所产生的刺激信号能够刺激到与刺激电极稍远的双极细胞，一般要求刺激电极能够提供例如宽的刺激脉冲的脉冲电流。另外，从刺激电极的安全电荷量的角度看，若脉冲电流的刺激脉冲较宽，则其脉冲电流的幅度要相应地缩小，以确保刺激电荷在安全电荷量的范围内。

为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供了一种能够提高有效刺激分辨率的用于神经刺激的脉冲电流产生电路、以及人工视网膜系统。

为此，本发明的第一方面提供一种用于神经刺激的脉冲电流产生电路，包括：模拟信号接收装置，其用于接收模拟信号；模数转换器，其将所述模拟信号转换为数字控制信号；电流信号控制器，其根据所述数字控制信号产生用于生成双向脉冲电流信号的脉冲电流参数；以及电流发生器，其根据所述脉冲电流参数生成用于神经刺激的所述双向脉冲电流信号，所述电流发生器能够根据所述脉冲电流参数生成不同精度的脉冲电流。

在本发明中，电流信号控制器根据数字控制信号产生用于生成双向脉冲电流信号的脉冲电流参数，并且电流发生器根据脉冲电流参数生成不同精度的用于神经刺激的双向脉冲电流信号。通过能够生成不同精度的脉冲电流的电流发生器，可以根据刺激需要生成不同脉冲宽度和不同精度的双向脉冲电流信号，由此不仅能够满足安全电荷的要求，而且还可以有效刺激到所需要刺激的神经细胞(例如双极细胞)，从而能够产生更加有效的刺激效果。另一方面，由于脉冲电流产生电路能够实现更宽的脉冲信号，因此，能够在硬件层面适应更高的处理要求例如刺激算法优化等。

另外，在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，在一个刺激周期内，所述双向脉冲电流信号的电荷总量在安全电荷量以内。由此，能够避免脉冲电流信号对人体神经组织(例如视网膜的神经节细胞或双极细胞)造成伤害，确保脉冲电流产生电路的安全性和可靠性。

在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，所述脉冲电流参数包括负向脉冲宽度、负向脉冲幅度、正向脉冲宽度、正向脉冲幅度、以及脉冲间隔。由此，通过控制所述脉冲电流参数，从而能够实现不同的刺激脉冲电流。

另外，在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，所述电流发生器根据所述脉冲电流参数生成低精度脉冲电流或高精度脉冲电流，所述电流发生器在接收所述脉冲电流参数之后，判断所要生成的双向脉冲电流信号是否小于临界值，并且当所要生成的双向脉冲电流信号小于或等于临界值时，生成所述高精度脉冲电流；当所要生成的双向脉冲电流信号大于临界值时，生成所述低精度脉冲电流。由此，电流发生器能够在不同的情形下产生对应的脉冲电流，以满足刺激信号的要求。

另外，在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，当所述双向脉冲电流信号的所述负向脉冲宽度大于所述预设时长且所述负向脉冲幅度小于或等于所述临界值时，所述电流发生器生成高精度脉冲电流。

另外，在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，所述高精度脉冲电流的脉冲幅度的精度大于所述低精度脉冲电流的脉冲幅度的精度。

另外，在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，所述双向脉冲电流信号的一个刺激周期内的正向脉冲电流或负向脉冲电流的电荷总量在安全电荷量以内。由此，能够确保刺激电极的长期安全性和可靠性。

另外，在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，还包括电荷补偿电路，其根据所述双向脉冲电流信号的一个刺激周期内的电荷总量决定是否对所述电流发生器进行电荷补偿，以确保由所述电流发生器所产生的所述电荷总量在安全电荷量以内。由此，能够进一步确保脉冲电流产生电路的安全性和可靠性。

另外，在本发明所涉及的脉冲电流产生电路中，可选地，所述电荷补偿电路包括：用于检测脉冲电流信号的检测电路、根据由所述检测电路所检测的脉冲电流信号来判断是否需要补偿的判断电路、以及基于所述判断电路的判断来产生补偿电荷的补偿电路。

此外，本发明的第二方面提供一种人工视网膜系统，包括：植入装置，其至少具有上述任一项所述的脉冲电流产生电路；摄像装置，其用于捕获视频图像，并且将所述视频图像转换成视觉信号；视频处理装置，其与所述摄像装置连接，并且将所述视觉信号进行处理而生成调制信号；以及模拟信号发射装置，其将所述调制信号发送给所述植入装置，所述植入装置将所接收的所述调制信号转换成作为电刺激信号的所述双向脉冲电流信号，从而对视网膜的神经节细胞或双极细胞发放所述双向脉冲电流信号来产生光感。

根据本发明，能够产生更加有效的刺激效果，而且能够在硬件层面适应更高的处理要求例如刺激算法优化等。

附图说明

图1是示出了本发明的第1实施方式所涉及的人工视网膜系统的结构示意图；

图2是示出了本发明的第1实施方式所涉及的人工视网膜系统的刺激电极结构植入到眼球内的示意图；

图3是示出了图2所示的刺激电极结构(刺激端)贴附在眼球内的视网膜上的局部示意图；

图4是示出了本发明的第1实施方式所涉及的用于神经刺激的脉冲电流产生电路100的电路模块的示意图；

图5是示出了本发明的第1实施方式所涉及的双向脉冲电流信号的示意图；

图6是示出了本发明的第1实施方式所涉及的电流发生器104的电路模块的示意图；

图7是示出了本发明的第1实施方式所涉及的不同脉冲电流幅度的精度的示意图；

图8a～图8d是示出了不同的双向脉冲电流的刺激波形的示意图；

图9是示出了发明的第2实施方式所涉及的脉冲电流产生电路的结构示意图；

图10是示出了本发明的第2实施方式所涉及的电荷补偿电路的结构示意图。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本发明的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

(第1实施方式)

图1是示出了本发明的第1实施方式所涉及的人工视网膜系统的结构示意图。图2是示出了本发明的第1实施方式所涉及的人工视网膜系统的刺激电极结构植入到眼球内的示意图。图3是示出了图2所示的刺激电极结构(刺激端)贴附在眼球内的视网膜上的局部示意图。

在本实施方式中，如图1所示，人工视网膜系统(有时也称“人工视网膜”)包括体内植入部分即植入装置1、以及体外部分即体外设备3。在本实施方式所涉及的人工视网膜系统中，植入装置1与体外设备3可以经由无线方式耦合。在一些示例中，植入装置1与体外设备3可以经由图1所示的接收天线11与发射天线33进行耦合。另外，在本实施方式中，植入装置1与体外设备3的耦合方式不限于此，例如植入装置1与体外设备3也可以经由红外接收的方式来实现。

在一些示例中，植入装置1主要包括基体(未图示)以及设置在基体上的电子封装体11、刺激电极结构12和接收天线13。另外，植入装置1中的基体可以经过例如缝合方式固定在眼球2上。

此外，如图2所示，植入装置1中的刺激电极结构12的刺激端12a(刺激电极阵列)可以经由眼球2的切口进入眼球2的玻璃体腔内，并且贴近于视网膜，以便能够对视网膜(特别是视网膜的神经节细胞或双极细胞)进行电刺激(例如发放双向脉冲电流)(参见图3)。

在一般情况下，例如对于视网膜色素变性(RP)或老年黄斑变性(AMD)等病患者而言，因视网膜色素变性(RP)或老年黄斑变性(AMD)而造成感光细胞的衰退或死亡，也即正常的视觉通路因感光细胞病的病变而受到阻碍，正常进入眼内的光无法被转变成视觉电信号，导致患者丧失视觉。在本实施方式中，刺激电极结构12的刺激端12a相当于替代了感光细胞的作用，刺激端12a通过产生电刺激信号例如发放双向脉冲电流信号，从而对视网膜神经节细胞或双极细胞进行刺激(参见图3)。由于大部分视网膜色素变性(RP)或老年黄斑变性(AMD)患者除了感光细胞外的其他视觉通路大多得到完好保留，因此，神经节细胞或双极细胞受到由刺激电极结构12产生电刺激信号刺激后，该电刺激信号经由保留完好的下游视觉通路(视神经)传递至大脑皮层并产生光感，从而能够部分恢复病人的视觉。

此外，需要说明的是，尽管本实施方式着眼于人工视网膜系统的视神经刺激进行描述，然而，本实施方式并不限于人工视网膜领域，相反，本实施方式所涉及的脉冲电流产生电路100也可以适用于其他神经刺激领域例如人工耳蜗、深脑部刺激、心脏起搏器、脊髓刺激器、等。

(体外设备)

在本实施方式中，如图1所示，体外设备3可以包括摄像装置31、视频处理装置32和发射天线33。在体外设备3中，摄像装置31可以用于捕获视频图像，并且将所捕获的视频图像转换成视觉信号。

在一些示例中，摄像装置31可以为具有摄像功能的设备例如摄像机、数字照相机、CCD相机等。通过该摄像装置31，从而能够捕获例如外界的影像。另外，为了方便使用，可以将体积较小的摄像机嵌在眼镜上。另外，也可以通过佩戴轻便的具有摄像功能的眼镜作为摄像装置31来捕获视频图像。再者，摄像装置31也可以用等来实现。另外，在本实施方式中也可以通过使用超声波成像(例如声呐)或电磁波成像(例如雷达)来获取图像，或者也可以使用其他能够生成范围和角度信息的设备。

如图1所示，视频处理装置32与摄像装置31连接，并且接收由摄像装置31提供的视觉信号。在由摄像装置31捕获的视觉信号传给视频处理装置32之后，视频处理装置32可以对该视觉信号进行处理。在一些示例中，视频处理装置32可以包括微处理器、专用集成电路(ASIC)、DSP等，以便对该视觉信号进行图像处理(例如采样、编码、调制、滤波等)。另外，视频处理装置32还具有供电电源，该供电电源可以例如经由无线传输的方式提供能量信号给的植入装置1，从而使植入在眼球2内的植入装置1得到供电。

模拟信号发射装置(即发射天线33)可以将包含由视频处理装置32提供的能量信号和处理后的视觉信号作为调制信号(例如RF调制信号)发送给人工视网膜的植入装置1。

另一方面，植入装置10用于接收由视频处理装置30经由例如发射天线33发射的调制信号，并且将该调制信号进行进一步处理，生成双向脉冲电流作为用于神经刺激的刺激电流(刺激信号)。具体而言，图1所示的接收天线11(即稍后描述的模拟信号接收装置101的具体实施例)接收该调制信号，并将其传输给后续的电子封装体12进行处理。最后，将由电子封装体12(具体是电子封装体12内的处理电路)根据该调制信号产生电刺激信号并且传送到刺激电极结构12的刺激端12a(例如刺激电极阵列)，从而能够对例如视网膜的神经节细胞或双极细胞进行刺激(参见图3)，神经节细胞或双极细胞接收脉冲电流后产生兴奋响应从而产生光感。在上述情况下，刺激电流有可能刺激到视网膜的神经节细胞或视网膜的双极细胞，也有可能同时刺激到视网膜的神经节细胞或双极细胞。

(脉冲电流产生电路)

图4是示出了本发明的第1实施方式所涉及的用于神经刺激的脉冲电流产生电路100的电路模块的示意图。图5是示出了本发明的第1实施方式所涉及的双向脉冲电流信号的示意图。

如图4所示，本实施方式所涉及的用于神经刺激的脉冲电流产生电路100包括模拟信号接收装置101、模数转换器102、电流信号控制器103和电流发生器104。在本实施方式中，脉冲电流产生电路100可以应用于图1所示的人工视网膜系统。在这种情况下，脉冲电流产生电路100可以位于图1所示的植入装置10内。在一些示例中，例如在植入装置10中，脉冲电流产生电路100可以产生用于刺激视网膜神经节细胞或双极细胞的双向脉冲电流信号。此外，在一些示例中，通过设置在植入装置10中的刺激电极结构12的刺激端12a(参考图2)，能够将由脉冲电流产生电路100产生的双向脉冲电流信号发放到例如视网膜的神经节细胞或双极细胞。

(模拟信号接收装置)

在本实施方式中，模拟信号接收装置101用于接收模拟信号，可以采用天线的形式。模拟信号接收装置101将所接收的模拟信号传送给模数转换器102。如上所述，模拟信号接收装置101可以是由接收线圈组成的接收天线11。这里，接收天线11的线圈可以由金等金属线绕制而成。另外，接收天线11的线圈的匝数没有特别限制，可以根据需要进行设置。

(模数转换器)

模数转换器102可以将由模拟信号接收装置101所接收的模拟信号转换为数字控制信号，并将数字控制信号传送给电流信号控制器103。在本实施方式中，模数转换器102的电路结构没有特别限制，可以根据需要使用4位、6位、8位、10位、14位、16位等不同分辨率的A/D转换器。另外，模数转换器102可以采用逐次逼近型A/D转换器，也可以采用并联比较型的A/D转换器，还可以采用积分型的A/D转换器。另外，数字控制信号可以是一串数字信号流，其指示了后续所要生成的双向脉冲电流信号的脉冲电流参数。

(电流信号控制器)

电流信号控制器103可以根据由模数转换器102输出的数字控制信号来产生用于生成双向脉冲电流信号的脉冲电流参数。这里，双向脉冲电流作为刺激信号可以包含正向脉冲电流和反向脉冲电流。对于神经刺激领域而言，双向脉冲电流的正向脉冲电流的电荷与反向脉冲电流的电荷一般需要保持相等，以确保对神经组织刺激时的安全性。关于双向脉冲电流对神经刺激的作用稍后更详细描述。

在一些示例中，双向脉冲电流可以采用方波型的双向脉冲电流。在这种情况下，双向脉冲电流的脉冲电流参数可以包括负向脉冲宽度t1、负向脉冲幅度I1、正向脉冲宽度t2、正向脉冲幅度I2、以及脉冲间隔t3(参见图5)。这里，脉冲间隔t3是指负向脉冲与正向脉冲之间的时间间隔。另外，时间T为稍后描述的刺激周期T。

如上所述，电流信号控制器103根据数字控制信号产生用于生成双向脉冲电流信号的脉冲电流参数。在一些示例中，数字控制信号可以指示电流控制器103生成负向脉冲宽度t1较宽(例如t1＞t2)的双向脉冲电流。在另一些示例中，数字控制信号可以指示电流控制器103生成负向脉冲幅度I1较小(例如I1＜I2)的双向脉冲电流。

(电流发生器)

电流发生器104可以根据脉冲电流参数生成用于神经刺激的双向脉冲电流信号。在本实施方式中，由于用于神经刺激的脉冲电流产生电路100能够在增加刺激脉冲电流的宽度的情况下保持脉冲电流的高精度，因此能够提供更有效的电流刺激效果，例如能够有效地刺激到视网膜的双极细胞。另一方面，由于能够实现更宽的脉冲调制范围，因此，能够在硬件层面适应更高的处理要求例如刺激算法优化等。

在本实施方式中，电流发生器104可以根据脉冲电流参数生成至少两种不同精度的脉冲电流。在一些示例中，电流发生器104能够生成两种不同精度的脉冲电流。在另一些示例中，电流发生器104能够生成3种、4种、5种或5种以上的不同精度的脉冲电流。另外，相邻不同脉冲电流之间的不同精度倍数可以为2倍，例如，在电流发生器生成第1脉冲电流、第2脉冲电流、第3脉冲电流、第4脉冲电流和第5脉冲电流5种不同精度的脉冲电流的情况下，第5脉冲电流的精度是第4脉冲电流精度的2倍，第4脉冲电流的精度是第3脉冲电流的精度的2倍，第3脉冲电流的精度是第2脉冲电流的精度的2倍，第2脉冲电流的精度是第1脉冲电流的精度的2倍。另外，本实施方式并不限于此，也可以采用其他不同精度的脉冲电流。

(阻抗负载)

如图4所示，电流发生器104对神经组织等进行神经刺激时相当于连接了阻抗负载110。例如，在本实施方式所涉及的电流产生电路100用于人工视网膜的神经刺激时，人体组织液内的视网膜的神经节细胞或双极细胞可以简化地等效为阻抗负载110。

以下，参考图6和图7对本实施方式所涉及的电流发生器104更详细地说明。图6是示出了本发明的第1实施方式所涉及的电流发生器的电路模块的示意图。图7是示出了本发明的第1实施方式所涉及的不同脉冲电流幅度的精度的示意图。图8a～图8d是示出了不同的双向脉冲电流的刺激波形的示意图

如图6所示，电流发生器104可以包括N个电流源。在一些示例中，N个电流源可以由1个基准电流源1041、以及(N-1)个镜像电流源(电流源阵列)构成，这些电流源例如分别受开关S1、开关S2、……、开关S(N)控制。这里，开关S1、开关S2、……、开关S(N)控制电流发生器104所产生的总脉冲电流的幅度大小，也即，总的脉冲电流的脉冲幅度(正向或负向脉冲幅度)与闭合的开关S(N)数目成正比。其中，开关S1控制基准电流源1041。在这种情况下，电流发生器104所产生的总的电流幅度I_total＝(闭合开关的数目+1)×基准电流源的电流幅度。

在电流发生器104由上述N个电流源组成的情况下，脉冲电流的大小可以由(N+1)个电流源的开闭来确定，并且该脉冲电流的精度可以由基准电流源1041的大小决定。具体而言，基准电流源1041的大小即为脉冲电流精度的大小。例如，如果基准电流源1041的大小为1μA(微安)，则脉冲电流精度为1μA，(N-1)个镜像电流源即电流源1042、电流源1043、……电流源104(N)中各个镜像电流源的电流值均与基准电流源1041的电流值相同。当基准电流源1041的大小设定好之后，电流源1042、电流源1043、……、电流源104(N)中的各个镜像电流源的电流值与基准电流源1041相等。

在一些示例中，如果基准电流源1041和(N-1)个镜像电流源的个数总共为N＝512个，并且设置基准电流源1041的精度为1μA，则电流发生器104可以生成精度为1μA的具有512种脉冲幅度的脉冲电流，也即，通过控制开关S1、开关S2、……、开关S(N)，电流发生器104可以生成1μA、2μA、3μA、……、512μA共512种不同的电流幅度。在另外一些示例中，如果基准电流源1041和(N-1)个镜像电流源的个数总共为N＝512个，并且设置基准电流源1041的精度为4μA，则电流发生器104可以生成精度为4μA的具有128种脉冲幅度的脉冲电流，也即，通过控制开关S1、开关S2、……、开关S(N)，电流发生器104可以生成4μA、8μA、12μA、...512μA总共128种不同的电流幅度。在其他一些示例中，如果基准电流源1041和(N-1)个镜像电流源的个数总共为N＝512个，并且设置基准电流源1041的精度为8μA，则电流发生器104可以生成精度为8μA的具有64种脉冲幅度的脉冲电流也即，通过控制开关S1、开关S2、……、开关S(N)，电流发生器104可以生成8μA、16μA、24μA、...512μA共64种不同的电流幅度。尽管在上述的描述中以电流精度为1μA、4μA和8μA作为示例进行介绍，但本实施方式并不限于此，本实施方式所涉及的脉冲电流产生电路也可以生成例如2μA、6μA、12μA等其他精度的电流。

如上所述，由于可以通过设置不同电流大小的基准电流源1041来实现不同的电流精度，因此，在本实施方式中，能够通过设置多种不同的基准电流源来设置所生成的脉冲电流的精度，从而能够生成多种不同精度的脉冲电流。在本实施方式中，可以设置两种不同基准电流源，在这种情况下，可以实现两种不同精度(高精度和低精度)的脉冲电流。

在一些示例中，电流发生器104可以生成第1脉冲幅度精度(高精度)和第2脉冲幅度精度(低精度)两种不同精度的双向脉冲电流。例如可以令第1脉冲幅度精度为1μA/步(step)，电流幅度的范围为0～8μA；令第2脉冲幅度精度为8μA/步，电流幅度的范围为8～512μA(参见图7)。这里，这里，高精度脉冲电流的脉冲幅度的精度(第1脉冲幅度精度1μA/步)大于低精度脉冲电流的脉冲幅度的精度(第2脉冲幅度精度为8μA/步)。另外，在其他一些示例中，电流发生器104能够提供更多不同精度的脉冲电流。

(双向脉冲电流信号)

在一些示例中，由电流产生器104生成的双向脉冲电流信号的一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内(例如电荷总量为零)。具体而言，在神经刺激领域中，为了防止脉冲电流信号对人体神经组织例如视网膜的神经节细胞或双极细胞产生净电荷而对人体神经组织造成伤害，需要保证双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内。这里，一个刺激周期T为产生一次刺激信号的周期时间。这里，电荷总量是指双向脉冲电流信号的一个刺激周期T内的净电荷的电荷总量。

另外，在本实施方式中，只要确保双向脉冲电流在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内即可，并不限定脉冲电流的波形。图8a～图8d示出了不同的双向脉冲电流的刺激波形的示意图。由于在神经刺激领域中，负向脉冲电流通常作为有效刺激信号，因此，在图8a～图8d中，以负向脉冲波形为例，列举了双向脉冲电流信号的变形例。

如图8a～图8d所示，作为刺激波形的双向脉冲电流信号，尽管其负向脉冲的波形和正向脉冲的波形并不一定相同，但是只要保证该双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内即可。作为例子，负向脉冲宽度t11、t12、t13和t14可以均大于正向脉冲宽度t2，由此可以实现宽的刺激脉冲。另外，双向脉冲电流可以是双向方波脉冲电流信号，也可以是余弦脉冲电流信号，还可以是方波与余弦脉冲电流信号的组合。

如上所述，电流发生器104可以根据脉冲电流参数生成双向脉冲电流信号。具体而言，该双向脉冲电流信号可以包括有效刺激电流信号和平衡电流信号。其中，有效刺激电流信号是对神经刺激对象例如神经节细胞或双极细胞有刺激作用的电流信号；平衡电流信号是用于平衡有效刺激电流信号所产生的电荷的电流信号。一般而言，若有效刺激信号为正向脉冲，则平衡电流信号为负向脉冲；若有效刺激信号为负向脉冲，则平衡电流信号为正向脉冲。由此，能够确保在一个刺激周期T内双向脉冲电流信号的电荷总量在安全电荷量以内。

在本实施方式中，如上所述，电流信号控制器103产生用于生成双向脉冲电流信号的脉冲电流参数。由此，可以通过设置脉冲电流参数来使电流发生器104理论上产生的双向脉冲电流信号在一个刺激周期内的电荷总量在安全电荷量以内。另外，为了抑制刺激电流信号可能积累的净电荷对人体造成的影响，双向脉冲电流信号通常被设置成正向脉冲和负向脉冲中只有一个是刺激信号，另外一个是平衡电流信号，由此，确保在一个刺激周期T内的双向脉冲电流信号的电荷总量在安全电荷量以内。

作为具体例子，在一个刺激周期T内，双向脉冲电流信号的负向脉冲信号在时间上的积分可以与双向脉冲电流信号的正向脉冲信号在时间上的积分的绝对值相等，由此，在一个刺激周期T内的双向脉冲电流信号的电荷总量在安全电荷量以内。另外，再参考图5，如图5所示，在一个刺激周期T内，负向脉冲信号的持续时长(负向脉冲宽度)为t1，正向脉冲信号的持续时长(正向脉冲宽度)为t2，则负向脉冲在t1时长内的积分的绝对值与正向脉冲在t2时长内的积分的绝对值相等，即双向脉冲电流信号的电荷总量在安全电荷量以内。

如上所述，电流发生器104提供了两种不同的脉冲幅度精度，第1脉冲幅度精度和第2脉冲幅度精度，其中，第1脉冲幅度精度为1μA/步，幅度范围为0～8μA(例如1μA、2μA、3μA、……、8μA)；第2脉冲幅度精度为8μA/步，幅度范围为8～512μA(例如8μA、16μA、24μA、……、512μA)(参见图7)。在一些示例中，如图7所示，当神经刺激对象例如视网膜的神经节细胞或双极细胞需要较低的脉冲电流刺激时，电流发生器104可以提供精度较高的脉冲幅度精度(例如1μA/步)，例如当神经节细胞或双极细胞需要的电流幅度小于或等于8μA时，生成脉冲幅度精度为1μA/步的电流，可以提供1μA、2μA、3μA、4μA、5μA、6μA、7μA、8μA共8种脉冲幅度的电流；当神经节细胞或双极细胞需要的电流大于8μA时，生成脉冲幅度精度为8μA/步的电流，可以提供16μA、24μA、32μA、40μA、...512μA共64种脉冲幅度的电流。在本实施方式中，电流发生器104能够提供至少两种不同的精度的脉冲幅度，生成至少两种不同精度的脉冲电流，由此能够提供更高效的电流刺激方式。

在一些示例中，电流发生器104可以根据脉冲电流参数生成低精度脉冲电流或高精度脉冲电流。具体而言，电流发生器104在接收脉冲电流参数之后，判断所要生成的双向脉冲电流信号的脉冲幅度是否小于临界值。当所要生成的双向脉冲电流信号的脉冲幅度小于或等于临界值时，电流发生器104生成高精度脉冲电流；当所要生成的双向脉冲电流信号的脉冲幅度大于临界值时，电流发生器104生成低精度脉冲电流。

在本实施方式中，临界值可以预先进行设定。另外，高精度脉冲电流的幅度精度和低精度脉冲电流的幅度精度也可以预先进行设定。例如，如图7所示，临界值可以设置为8μA，高精度脉冲电流的幅度精度为1μA/步，低精度脉冲电流的幅度精度为8μA/步。在这种情况下，当电流发生器104判断所要生成的双向脉冲电流信号的幅度小于或等于8μA时，电流发生器104生成高精度(1μA/步)脉冲电流；当电流发生器104判断所要生成的双向脉冲电流信号的幅度大于8μA时，电流发生器104生成低精度(8μA/步)脉冲电流。如此，电流发生器104可以提供两种不同精度的脉冲电流，当神经节细胞或双极细胞需要的脉冲电流较小时，提供高精度的脉冲电流，可以更加准确的刺激到视网膜的双极细胞，能够提供更加高效的刺激方式。

在一些示例中，当双向脉冲电流信号的正向脉冲宽度大于预设时长且正向脉冲幅度小于临界值时，或者当双向脉冲电流信号的负向脉冲宽度大于预设时长且负向脉冲幅度小于临界值时，电流发生器104产生高精度脉冲电流。

对于刺激脉冲电流的宽度(刺激时间)，尽管作用机理目前仍未完全明确，但是通过延长刺激脉冲宽度(例如负向脉冲宽度)，更有可能刺激到更深入的神经细胞，由此能够获得更加有效的神经刺激。例如对于人工视网膜系统而言，宽的刺激脉冲能够更有效地刺激到视网膜的双极细胞，由此能够提供更有效和更精准的神经刺激。具体而言，当双向脉冲电流信号的负向脉冲宽度大于预设时长且负向脉冲幅度小于临界值时，该双向脉冲电流信号能够更加精准的刺激到视网膜的双极细胞，由于双极细胞在视觉通路上的一一对应性比神经节细胞优越，因此精准的刺激双极细胞可以形成更加准确的光感。另外，也能够在硬件层面适应更高的处理要求例如刺激算法优化等。

如此，当双向脉冲电流信号的正向脉冲宽度大于预设时长且正向脉冲幅度小于临界值时，或者当双向脉冲电流信号的负向脉冲宽度大于预设时长且负向脉冲幅度小于临界值时，电流发生器104产生高精度脉冲电流，精准的刺激双极细胞，形成更加准确的光感，可以给盲人提供更加高效的刺激方式。

(第2实施方式)

图9是示出了本发明的第2实施方式所涉及的脉冲电流产生电路的电路结构示意图。图10是示出了本发明的第2实施方式所涉及的电荷补偿电路的电路结构示意图。第2实施方式所涉及脉冲电流产生电路200与第1实施方式所涉及的脉冲电流产生电流100的不同点在于，除了包括第1实施方式的模拟信号接收装置101、模数转换器102、电流信号控制器103和电流发生器104之外，还包括电荷补偿电路106。

在本实施方式中，电荷补偿电路106根据双向脉冲电流信号的一个刺激周期T内的电荷总量决定是否对电流发生器104进行电荷补偿，以确保由电流发生器104所产生的电荷总量在安全电荷量以内。

一般而言，双向脉冲电流信号的一个刺激周期T内的正向脉冲和负向脉冲的电荷总量在安全电荷量以内，而且由电流发生器104产生的双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内。另一方面，刺激电流积累的净电荷有可能会对人体造成影响，为了减少双向脉冲电流信号积累的净电荷对人体造成的影响，可以设置脉冲电流参数，以保证电流发生器104产生的双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内。然而，在实际工作中，电流发生器104产生双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量由于各种因素有可能会超出安全电荷量的情形，也即有可能在一个刺激周期T结束后在神经组织累积有净电荷。

因此，在本实施方式中，针对上述有可能存在的双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量超过安全电荷量的情形，通过设置电荷补偿电路106，能够可靠地使双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内，由此起到保护人体神经组织例如视网膜神经节细胞或双极细胞的作用。

在一些示例中，当电荷补偿电路106检测到电流发生器104生成的双向脉冲电流信号在一个刺激周期内的电荷总量为1×10^-7库伦(C)的负电荷时，电荷补偿电路106可以对电流发生器104进行正电荷补偿，以使电流发生器104再产生电荷总量为1×10^-7库伦的正电荷(例如，电流发生器104可以产生脉冲宽度为1ms(毫秒)、脉冲幅度为100μA的正向脉冲，或者电流发生器104可以产生脉冲宽度为10ms、脉冲幅度为10μA的正向脉冲)以抵消该负电荷的存在。在另一些示例中，当电荷补偿电路106检测到电流发生器104生成的双向脉冲电流信号在一个刺激周期内的电荷总量为1×10^-7库伦的正电荷时，电荷补偿电路106对电流发生器104进行负电荷补偿，以使电流发生器104再产生电荷总量为1×10^-7库伦的负电荷(例如，电流发生器104可以产生一个脉冲宽度为1毫秒，脉冲幅度为100μA的负向脉冲，或者电流发生器104可以产生一个脉冲宽度为10毫秒，脉冲幅度为10μA的负向脉冲)以抵消该正电荷的存在。

如图9所示，电荷补偿电路106可以包括：用于检测脉冲电流信号的检测电路1061、根据由检测电路1061所检测的脉冲电流信号来判断是否需要补偿的判断电路1062、以及基于判断电路1062的判断来产生补偿电荷的补偿电路1063。

在本实施方式中，检测电路1061可以用于检测由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量。在一些示例中，检测电路1061可以由积分电路构成。该积分电路可以对由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷进行积分，由此获得双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量。

判断电路1062可以判断由检测电路1061检测的双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量的是否超过安全电荷量。具体而言，如果由判断电路1062判断的电荷总量在安全电荷量以内，则补偿电路1063不工作；如果该电荷总量超过安全电荷量，则补偿电路1063对电流发生器104进行电荷补偿，以确保双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内。

在一些示例中，当判断电路1062判断双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量为正时，补偿电路1063对由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号进行负电荷补偿；当判断电路1062判断双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量为负电荷时，补偿电路1063可以产生正向电流脉冲对由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号进行正电荷补偿。在上述电荷补偿过程中，补偿电路1063优选可以采用逐次逼近电荷补偿方法，由此可以逐步进行电荷补偿，提高电荷补偿的精确性。例如，补偿电路1063可以生成小电流脉冲，对由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号进行多次电荷补偿。这里，由补偿电路1063生成的小电流脉冲的净电荷量可以为正或者为负。另外，部分电荷补偿可以为按比例电荷补偿，例如按照30％、40％、50％、60％、70％、80％等比例值进行电荷补偿。

另外，在一些示例中，当判断电路1062判断双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量例如为1×10^-7库伦的负电荷时，可以按照50％的比例进行正电荷补充，即补偿电路1063对由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号进行5×10^-8库伦的正电荷补偿。接着，检测电路1061继续检测由电流发生器104生成且补偿后的电荷总量。如果判断电路1062判断电流发生器104累计产生的电荷总量为6×10^-9库伦的负电荷，则补偿电路1063由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号进行3.6×10^-9库伦的正电荷补偿。接着，检测电路1061继续检测由电流发生器104生成且补偿后的电荷总量，并且重复上述步骤，直至双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内。另外，在上述电荷补偿过程中，也可以按照30％、40％、60％、70％、80％等比例值进行电荷补偿。

另外，在另一些示例中，当判断电路1062判断双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量例如为1×10^-7库伦的正电荷时，可以按照50％的比例进行负电荷补充，即补偿电路1063对由电流发生器104生成的双向脉冲电流信号进行5×10^-8库伦的负电荷补偿。接着，检测电路1061继续检测由电流发生器104生成且补偿后的电荷总量。如果判断电路1062判断电流发生器104累计产生的电荷总量为6×10^-9库伦的负电荷，则补偿电路1063继续对电流发生器104进行3.6×10^-8库伦的正电荷补偿。接着，检测电路1061继续检测由电流发生器104生成且补偿后的电荷总量，并且重复上述步骤，直至双向脉冲电流信号在一个刺激周期T内的电荷总量在安全电荷量以内。另外，在上述电荷补偿过程中，也可以按照30％、40％、60％、70％、80％等比例值进行电荷补偿。

虽然以上结合附图和实施例对本发明进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本发明。本领域技术人员在不偏离本发明的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本发明进行变形和变化，这些变形和变化均落入本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种用于神经刺激的脉冲电流产生电路，其特征在于，

包括：

模拟信号接收装置，其用于接收模拟信号；

模数转换器，其将所述模拟信号转换为数字控制信号；

电流信号控制器，其根据所述数字控制信号产生用于生成双向脉冲电流信号的脉冲电流参数；以及

电流发生器，其根据所述脉冲电流参数生成用于神经刺激的所述双向脉冲电流信号，

所述电流发生器根据所述脉冲电流参数生成低精度脉冲电流或高精度脉冲电流，

所述电流发生器在接收所述脉冲电流参数之后，判断所要生成的双向脉冲电流信号是否小于临界值，并且当所要生成的双向脉冲电流信号小于或等于所述临界值时，生成所述高精度脉冲电流；当所要生成的双向脉冲电流信号大于所述临界值时，生成所述低精度脉冲电流。

2.根据权利要求1所述的脉冲电流产生电路，其特征在于，

在一个刺激周期内，所述双向脉冲电流信号的电荷总量在安全电荷量以内。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲电流产生电路，其特征在于，

所述脉冲电流参数包括负向脉冲宽度、负向脉冲幅度、正向脉冲宽度、正向脉冲幅度、以及脉冲间隔。

4.根据权利要求3所述的脉冲电流产生电路，其特征在于，

当所述双向脉冲电流信号的所述负向脉冲宽度大于预设时长且所述负向脉冲幅度小于或等于所述临界值时，所述电流发生器生成高精度脉冲电流。

5.根据权利要求1所述的脉冲电流产生电路，其特征在于，

所述高精度脉冲电流的脉冲幅度的精度大于所述低精度脉冲电流的脉冲幅度的精度。

6.根据权利要求1所述的脉冲电流产生电路，其特征在于，

所述双向脉冲电流信号的一个刺激周期内的正向脉冲电流或负向脉冲电流的电荷总量在安全电荷量以内。

7.根据权利要求1所述的脉冲电流产生电路，其特征在于，

还包括电荷补偿电路，其根据所述双向脉冲电流信号的一个刺激周期内的电荷总量决定是否对所述电流发生器进行电荷补偿，以确保由所述电流发生器所生成的所述电荷总量在安全电荷量以内。

8.根据权利要求7所述的脉冲电流产生电路，其特征在于，

所述电荷补偿电路包括：用于检测脉冲电流信号的检测电路、根据由所述检测电路所检测的脉冲电流信号来判断是否需要补偿的判断电路、以及基于所述判断电路的判断来产生补偿电荷的补偿电路。

9.一种人工视网膜系统，其特征在于，

包括：

植入装置，其至少具有权利要求1至8中的任一项所述的脉冲电流产生电路；

摄像装置，其用于捕获视频图像，并且将所述视频图像转换成视觉信号；

视频处理装置，其与所述摄像装置连接，并且将所述视觉信号进行处理而生成调制信号；以及

模拟信号发射装置，其将所述调制信号发送给所述植入装置，

所述植入装置将所接收的所述调制信号转换成作为电刺激信号的所述双向脉冲电流信号，从而对视网膜的神经节细胞或双极细胞发放所述双向脉冲电流信号来产生光感。