CN116981431A - 具有光学可配置电场限制的光伏视网膜假体 - Google Patents
具有光学可配置电场限制的光伏视网膜假体 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116981431A CN116981431A CN202280021018.2A CN202280021018A CN116981431A CN 116981431 A CN116981431 A CN 116981431A CN 202280021018 A CN202280021018 A CN 202280021018A CN 116981431 A CN116981431 A CN 116981431A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pixels
- video stream
- retinal
- pixel
- photovoltaic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000002207 retinal effect Effects 0.000 title claims abstract description 47
- 230000005684 electric field Effects 0.000 title claims abstract description 25
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 claims abstract description 32
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims abstract description 26
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims abstract description 18
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 10
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 claims description 10
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 210000001116 retinal neuron Anatomy 0.000 claims description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims description 3
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 claims description 2
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 9
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 description 8
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 241000700159 Rattus Species 0.000 description 4
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 206010064930 age-related macular degeneration Diseases 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 208000002780 macular degeneration Diseases 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 230000003190 augmentative effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 description 2
- 201000004569 Blindness Diseases 0.000 description 1
- 208000007014 Retinitis pigmentosa Diseases 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000000763 evoking effect Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000001537 neural effect Effects 0.000 description 1
- 208000015122 neurodegenerative disease Diseases 0.000 description 1
- 230000005043 peripheral vision Effects 0.000 description 1
- 210000000608 photoreceptor cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000016776 visual perception Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/18—Applying electric currents by contact electrodes
- A61N1/32—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents
- A61N1/36—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation
- A61N1/36046—Applying electric currents by contact electrodes alternating or intermittent currents for stimulation of the eye
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
- A61N1/00—Electrotherapy; Circuits therefor
- A61N1/02—Details
- A61N1/04—Electrodes
- A61N1/05—Electrodes for implantation or insertion into the body, e.g. heart electrode
- A61N1/0526—Head electrodes
- A61N1/0543—Retinal electrodes
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Ophthalmology & Optometry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Prostheses (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
光伏视网膜假体被提供可光学配置电场限制。视频流被投影到视网膜植入物上。光伏像素阵列被配置为响应于视频流而提供视网膜刺激。光伏像素具有公共返回电极。每个像素具有经由电容接口或法拉第接口耦合到视网膜组织的有源电极。每个像素包括串联连接在公共返回电极和对应的有源电极之间的(多个)光电二极管。所投影的视频流基于源视频流来配置，使得视网膜植入物的在所投影的视频流的下一帧中将变暗的一个或多个像素在前一帧期间被所投影的视频流光学预调(预充电)，以变得足够导电以在所投影的视频流的下一帧期间充当瞬态局部返回电极。
Description
技术领域
本发明涉及光伏视网膜假体。
背景技术
视网膜退行性疾病(诸如与年龄相关的黄斑变性(AMD)和视网膜色素变性)是导致无法治疗的视力损伤和法定盲(legal blindness)的主要原因。尽管感光细胞不可逆地丧失，但视网膜内部神经元在很大程度上存活下来。次级视网膜神经元(主要是双极细胞)的电刺激引发视觉感知，从而实现视力的电子恢复。具有100μm双极像素的光伏视网膜下植入物PRIMA(Pixium Vision，法国巴黎)的AMD患者的假体字母视力为1.17±0.13像素，对应于20/460–20/565的Snellen范围。尽管这是非常令人兴奋的概念证明，但为了使AMD患者广泛采用这种方法，假体视力肯定应该超过他们剩余的周边视力，其通常不低于20/400。20/200的敏度的采样限制对应于50μm像素，并且20/100-对应于25μm。
与自然视觉一样，假体视敏度从根本上不仅受到空间分辨率(即像素尺寸)的限制，而且还受到刺激图案的对比度的限制，刺激图案的对比度受到相邻电极之间串扰的影响。电场的横向传播可受每个像素中的局部返回电极(如在PRIMA植入物中)来限制，但是缩小这种双极像素是困难的，因为组织中电场的穿透深度也被约束在约像素半径内。因此，这种几何结构中的视网膜刺激阈值随着像素尺寸的减小而迅速增加，并且即使是对于像素尺寸低于40μm的最佳电极材料之一(SIROF)，该阈值也超过了安全电荷注入极限。
克服这个问题的一种方法是基于使用三维蜂窝形阵列将返回电极提升到内部核层的顶部，从而在阱内垂直定向电场。这种布置使场穿透深度与像素宽度解耦，并大大降低了刺激阈值，因为垂直场与视网膜中双极细胞的定向匹配。尽管最初的动物研究表明，视网膜迁移到视网膜下阱的结果很有希望，但迁移到三维阵列中的神经元的功能性仍有待证实。此外，具有局部返回电极的蜂窝结构的制造工艺远非易事，并且需要进一步发展。
发明内容
视网膜假体的空间分辨率受到像素尺寸和来自相邻电极的串扰的限制。双极像素中的局部返回电极有助于减少串扰，但它们过度限制了电场向组织中的穿透，从而限制了神经刺激的功效。对电容或法拉第耦合到电解质的有源电极充电，以及由相邻有源电极产生的电场的存在，提高了有源电极上的电势。光伏像素中跨光电二极管的电势增加使其更导电，从而有效地将其转变为瞬态返回电极。因此，如果有源电极变成下一图像中的暗像素，则对有源电极进行预充电使其成为下一脉冲的有效返回电极。有源电极与返回电极之间的距离限定了电场进入组织的穿透深度。像素在下一图像帧中变为瞬态返回的这种预调使得能够通过对投影到光伏阵列上的图像进行时空控制来灵活控制组织中电场的横向和轴向限制。取决于视网膜厚度及其与植入物的接近程度，这可以允许优化每个患者的刺激深度和横向选择性。
或者，通过用响应于不同波长范围的光敏晶体管对放电进行光学控制，可以将光伏像素转变为瞬态返回。这些可以是由次级光电二极管选通的光电晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。这种单独的光学控制元件可以帮助像素中的有源电极更快地放电，并且还能够优化视网膜中的电流转向以产生指定的电场。
在第一实施例中，本发明是一种向光伏视网膜假体提供照明的方法。该方法特征在于将视频流投影到视网膜植入物上。视网膜植入物包括光伏像素阵列，该光伏像素阵列被配置为响应于视频流而提供视网膜刺激。该光伏像素阵列具有公共返回电极。每个像素具有经由电容接口或法拉第接口耦合到视网膜组织的有源电极。每个像素包括串联连接在公共返回电极和对应的有源电极之间的一个或多个光电二极管。该方法进一步包括区分基于源视频流来配置所投影的视频流，使得视网膜植入物的在所投影的视频流的下一帧中将变暗的一个或多个像素被所投影的视频流光学预调(预充电)，以变得足够导电，使得它们可以在所投影的视频流的下一帧期间充当瞬态局部返回电极。
在该方法的进一步实施例中，该瞬态局部返回电极被预调，以通过来自所投影的视频流的照明而达到每个光电二极管在0.2V到0.7V范围内的偏置电压。
更优选地，对瞬态局部返回电极进行预调，以达到每个光电二极管0.3V到0.6V范围内的偏置电压。
在又另一实施例中，该方法特征在于，用于预调和刺激的图像处理持续时间不长于源视频流的帧持续时间。
在仍另一实施例中，该方法特征在于，预调算法定义每个电极处的电流的极性和幅度，并且在最小均方误差标准下被优化以近似生物组织中的目标电场。
在第二实施例中，本发明是一种视网膜假体系统，其具有用于将视频流投影到视网膜植入物上的近眼显示器。视网膜植入物具有光伏像素，该光伏像素将从显示器投影的近红外光(例如，850-915nm)转换成流过生物组织的电流以刺激视网膜神经元。视网膜植入物中的每个像素具有串联连接在有源电极和返回电极之间的一个或多个光电二极管。有源电极和返回电极经由电容接口或法拉第接口耦合到生物组织的电解质，并且像素的返回电极连接在一起。由近眼显示器投影到视网膜植入物上的视频流中的图像序列被设计为通过在这些像素中的电极-电解质界面处累积偏置电压来对指定像素进行光学预调，以变得足够导电以充当瞬态返回电极。
在该系统的进一步实施例中，光电二极管由晶体硅制成，并且其中偏置电压在每个光电二极管0.2-0.7V的范围内。更优选地，偏置电压超过每个光电二极管0.3V。
在该系统的又另一实施例中，通过控制当前视频帧中被照明的像素与在先前帧中预调但在当前视频帧中未被照明的像素之间的距离，针对患者的解剖结构来优化电场进入视网膜的穿透深度。
在该系统的又另一实施例中，光伏像素具有一个或多个光学控制晶体管以调节放电电流。
在第三实施例中，本发明是一种视网膜假体，其具有光伏像素阵列，该光伏像素阵列被配置为响应于接收到的视频流提供视网膜刺激。该光伏像素阵列具有公共返回电极。每个像素具有与视网膜组织电容或法拉第耦合的有源电极。每个像素包括串联连接在返回电极和对应的有源电极之间的一个或多个光电二极管。每个像素进一步包括光学可控的电导元件，其中，利用次级照明图案对光伏像素阵列的照明通过激活对应的电导元件来选择视网膜植入物的一个或多个像素充当局部返回电极。电导元件对NIR光不敏感，但对不同波长范围(例如可见波长范围)敏感。该次级照明图案是在影响电导元件的波长范围内传递的。
后一个实施例不需要对像素进行预调(预充电)，而是允许使用次级波长的光来直接控制像素的导电性。该实施例简化了对像素导电性的控制，从而简化了对视网膜中电场限制的控制。
附图说明
图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于视网膜假体的近眼投影系统，该近眼投影系统包括增强现实眼镜上的摄像机、图像处理器和投影仪，该投影仪使用近红外(例如850-915nm)光和视网膜下光伏阵列将由摄像机捕获的图像递送到视网膜植入物。
图2A-图2B示出了根据本发明的示例性实施例的具有40μm像素(图2A)的光伏阵列，其连接到周边中的公共返回电极(1)。阵列的更高放大率视图(图2B)示出了六边形阵列中的各个像素，其中有源电极(2)在中心并且它们周围有光敏区域(3)。
图3示出了根据本发明的示例性实施例的二极管的导电率随着正向偏置指数地增加。
图4A-图4B示出了根据本发明的示例性实施例的当在没有对相邻像素进行预调(preconditioning)的情况下中心像素注入1μA的阳极电流时(图4A)，视网膜中电极阵列上方的计算电势。顶部面板：电极阵列表面的自上而下视图，其中虚线圆圈指示六个相邻像素的电极。轮廓线示出了电势(以mV为单位)与放置在一定距离处的参考电极的关系。底部面 板：在y＝0处拍摄的侧视图。箭头指示局部电流的方向。电路图示意性地示出了光电二极管和光电像素的电容电极-电解质界面，其中它们的返回电极连接在一起。(图4B)相同地，但是6个相邻像素的光电二极管在激活中心像素之前被光学预调(预充电)到0.54V。
图5示出了根据本发明的示例性实施例的在没有(顶部面板)和有(底部面板)相邻像素的预调节的情况下电势的并排比较。当中心像素注入1μA电流时，计算介质中的所运算的电势。注意，底部面板中的电场限制要严格得多。
图6A-6B示出了根据本发明的示例性实施例的图6A中的用光栅图案照明的具有40μm像素的光伏阵列。在图6A)中，在具有预调(实线)和不具有预调(虚线)的情况下具有40μm像素的光伏阵列上方的电势的侧视图，该光伏阵列由具有宽度等于1像素的条纹的光栅图案照明。在有预调的情况下，亮条纹和暗条纹之间的对比度为100％，但在没有预调的情况下，照明条纹上方的电势仅比暗条纹上方高约25％。这种低对比度排除了对大鼠中的交替光栅的视觉反应的检测。
图7A-7B示出了根据本发明的示例性实施例，在具有20和40μm像素的光伏阵列的大鼠中，视觉诱发电势响应于交替光栅的幅度。交替光栅响应随着条纹宽度的减小而减小，并达到低于敏度极限的噪声水平(水平线)。对于40μm像素(图7A)，该极限与40μm的像素尺寸(由箭头指示)相匹配。对于20μm像素(图7B)，极限由大鼠中的自然空间分辨率设置，其约为27μm(也由箭头指示)。
图8A-图8B在图8A中示出了根据本发明的示例性实施例的具有光电晶体管的光伏像素的电路图，其放电电流可以由不同波长的光独立地控制。在图8A中，用由次级光电二极管控制的MOSFET代替图8A中的光电晶体管。
图9示出了根据本发明的示例性实施例的视频流的每一帧被划分为预调阶段和刺激阶段。在预调阶段期间，将在刺激阶段将变暗的像素以子阈值强度照射(图像1)，以在电极-电解质界面处积累电荷，从而使这些二极管导电。在较短的刺激阶段期间，亮像素被照射到刺激阈值以上(图像2)，而暗像素是导电的，因此起到局部返回电极的作用。
具体实施方式
光伏视网膜假体由从增强现实眼镜投影的近红外(NIR)光激活(图1)。图像由安装在眼镜上的相机捕获，在袖珍计算机中进行处理，并使用脉冲NIR光投影到眼睛中。植入物的每个像素(图2A-图2B)将该光转换成流过视网膜的脉冲电流，以刺激附近的视网膜内部神经元。
在这里，我们提出了一种使用平面视网膜下植入物实现高分辨率人工视觉的方法，其中通过光伏像素的时空调制，利用二极管在正向偏置下的导电性，实现组织中电场的高穿透深度和高对比度。在电极-电解质界面处的电荷积累和来自电解质中相邻像素的电势的耦合提高了有源电极上的电势。由于光电二极管的正向电导随电极电势指数地增加(图3)，一些像素可以变得足够导电，从而被转换为瞬态局部返回，从而有助于限制阵列中其他像素产生的电场。因此，如果有源电极中的一些有源电极在投影到阵列上的下一图像中变成暗像素，则对它们进行预充电使它们成为下一图像的有效返回电极。有源电极与返回电极之间的距离限定了电场进入组织的穿透深度。像素在下一图像帧中变为瞬态返回的这种预调使得能够通过对投影到光伏阵列上的图像进行时空调制来灵活控制组织中电场的横向和轴向限制。取决于视网膜厚度及其与植入物的接近程度，这可以允许优化每个患者的刺激深度和横向选择性。图2A-图2B中示出了这种单极光伏阵列。每个像素具有连接到有源电极(2)和位于植入物边缘处的公共返回电极(1)的光敏区域(3)。
这种操作的建模包括(a)使用静态有限元素建模来表征像素之间的空间耦合，然后(b)计算多维形式的光伏电路动力学，由此将电解质中的电势描述为空间和时间的函数。如图4A-图4B、图5和图6A-图6B中所示，计算建模表明，在具有预调的情况下，照明像素周围的场限制比不具有预调的情况下要好得多。通过与电解质中电势的测量值进行比较，验证了这些结果。最重要的是，对动物中的具有40μm像素的光栅视力的在体(in-vivo)测量表明，如计算建模(图6A-图6B)所预测的，这种方法能够实现像素尺寸受限的分辨率(图7A)，而在其他配置中，在像素小于55μm的情况下是不可能的。此外，在20μm像素的情况下，大鼠的视敏度受到其约27μm(1.2cpd)的自然空间分辨率的限制，如图7B中所示。
p-n结的电导随着其正向偏置电压指数地增加，并且只有当(a)由于电荷在电极-电解质界面处的积聚而产生的电压升高和(b)由于电解质中的相邻像素产生的电流而产生的电势增加之和超过二极管的导通电压时才变得显著，该导通电压对于硅基光电二极管来说是约0.5V。因此，一旦正向偏压下降到导通电压以下，电极的进一步放电就将变得低效。与光电二极管并联的分流电阻器可以加速有源电极的放电，然而，放电电流将随时间变化，并取决于跨像素耦合。
为了提供对像素放电和瞬态返回的更可靠和独立的控制，可以通过每个像素中的光敏晶体管响应于与用于初级光电二极管的NIR光不同的波长范围来集成光学控制。例如，图4A-图4B中的光伏像素可以用图8A中的那些替代，其中每个像素具有并联的初级光电二极管和用于控制放电的光电晶体管。光电晶体管由阻挡NIR波长的二向色涂层保护，NIR波长用于驱动初级光电二极管，同时通过次级波长(例如可见光)。为了防止由于环境光引起的意外放电，该波长应被眼镜阻挡。为了将像素转换为瞬态返回，光电晶体管被次级波长的光导通，并且它将在与初级光电二极管中的光电流流动相反的方向上传导电流。次级光的强度可以比初级NIR光束低得多，并且负电流的幅度由次级光的光强分布控制。对于更高的电流增益和更大的输入电阻，可以使用由次级光电二极管控制的MOSFET来代替光电晶体管(图8B)。
光学地配置各像素上的负电流使得能够优化用于视网膜中的场限制的电流转向。为了找到产生目标电场v的每个电极上的最优电流x＝[x1，x2，...，xN]，我们利用电场的线性，并将问题公式化为在最小均方误差(MMSE)标准下的实际场和目标场之间的差的最小化：
x*＝argminx||Ux-v||2， (1)
其中U是从每个电极处的电流到视网膜中的电场的变换矩阵。(1)的解可以用矩阵向量乘法的一个步骤实时高效地计算。然而，该解决方案可能涉及超过电极的电荷注入的安全极限的大幅度电流。我们提出了在优化中使用L-2正则化的方法，以避免过大的电流幅度：
x*＝argminx(||Ux-v||2+λ2||x|‖2)， (2)
其中λ2是确定正则化强度和与指定电场的相似性之间的权衡的岭参数。(2)的实时解也可以在一个矩阵向量乘法中通过以下公式计算：
x*＝(UTU+λ2I)-1UTv. (3)
信号处理、像素预调和刺激的序列可以如下实现：对于30Hz的典型帧速率，每帧持续约32ms。刺激像素的典型照明时间在1到10ms之间。一旦相机获取了图像帧，足够暗的像素就将(例如通过阈值化)被指定以作为瞬态返回。(1)在帧的预调阶段，这些像素将暴露在强度低于刺激阈值的光下达足够长的时间量，以积累所需的电荷，并在帧的刺激阶段变得导电。对于40μm宽的光伏像素，刺激电流的典型范围为0.01至1μA。如图3中所示，它对应于约0.4至0.6V的电压范围。由于在刺激阶段期间返回像素上方的电势中的部分将由相邻的有源像素提供，因此电极-电解质界面上的累积电压可以更低：0.2或0.3V。如果光伏像素包括串联的若干二极管，则该电压降是针对每个二极管指定的。由于电极附近的刺激电流密度对于所有尺寸的像素都应该是相同的，所以该电压范围不应该很大程度上取决于像素尺寸。(2)在刺激阶段期间，指定的亮像素暴露于具有强度和持续时间(通常为1-10ms)与所期望的电荷注入相对应的更亮的光，而暗像素将电流传导回返回电极。利用这样的布置，刺激相对于图像采集延迟不超过一个帧周期。
在预调阶段对刺激的避免限制了最大电流，从而限制瞬态返回的最大电荷积累，在高帧率下这可能不足以实现导电。用于像素预调和刺激的信号处理的替代性序列可以如下：默认情况下，所有像素都保持低照明度，因此准备转换为瞬态返回。一旦相机获取了图像帧，就会(例如通过阈值化)标识足够亮的像素。(1)在帧的预调阶段，这些亮的像素将保持在黑暗中，以让电极放电，而其他像素则继续以默认水平照明。(2)在刺激阶段期间，如上所述，指定的亮像素将暴露于更亮的光，而暗像素将保持在黑暗中以吸收电流作为瞬态返回。通过这样的布置，在预调阶段期间，被指定为变亮的像素上的电流是阴极的，因此刺激阈值在光电流的阳极模拟阶段期间的约5倍，这应当减少意外刺激的可能性。并且即使在预调阶段会发生这种阴极刺激，也不应该引起太多混乱，因为这些像素预期在几毫秒后被光电流激活。
上面描述的两种策略可以被结合，以平衡能量的最小化与避免意外刺激。
另一种方法可以基于图像复用。在30Hz的典型图像刷新率的情况下，每帧持续约32ms。光伏刺激脉冲通常在0.8到8ms的范围内，在每帧期间能够实现至少4个脉冲。因此，图像中的像素可以被分为4组，按顺序激活。通过这种方式，前一组中照亮的像素被充电，并且可以作为下一组中激活的像素的局部返回。这种方法的另一优点是，只有像素中的1/4被同时激活，如果图像是稀疏的，甚至比这更少。这大大减少了电势的积累，从而能够更好地定位刺激。利用脉冲持续时间在各种像素中变化的事实，像素可以被划分为更大数量的组，或者甚至被异步激活。
为了加快用于确定用于预调的暗像素的图像处理并减少延迟，可以利用自然视觉输入的连续性来基于视频序列中的先前图像预测下一帧。为此，可以应用预测跟踪算法，诸如卡尔曼滤波器或指数平滑。
Claims (11)
1.一种向光伏视网膜假体提供照明的方法，包括：
(a)将视频流投影到视网膜植入物上，其中，所述视网膜植入物包括光伏像素阵列，所述光伏像素阵列被配置为响应于所述视频流提供视网膜刺激，其中，所述光伏像素阵列具有公共返回电极，其中，每个像素具有经由电容接口或法拉第接口耦合到视网膜组织的有源电极，并且其中每个像素包括串联连接在所述公共返回电极和对应的有源电极之间的一个或多个光电二极管；以及
(b)基于源视频流来配置所投影的视频流，使得所述视网膜植入物的在所投影的视频流的下一帧中将变暗的一个或多个像素被所投影的视频流光学预调，以变得足够导电以在所投影的视频流的所述下一帧期间充当瞬态局部返回电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述瞬态局部返回电极被预调，以通过来自所投影的视频流的照明而达到每个光电二极管在0.2V到0.7V范围内的偏置电压。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述瞬态局部返回电极被预调，以达到每个光电二极管在0.3V到0.6V范围内的所述偏置电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用于预调和刺激的图像处理持续时间不长于所述源视频流的帧持续时间。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括预调算法，所述预调算法定义每个电极处的电流的极性和幅度，并且在最小均方误差标准下被优化以近似生物组织中的目标电场。
6.一种视网膜假体系统，包括：
用于将视频流投影到视网膜植入物上的近眼显示器，
其中所述视网膜植入物包括光伏像素，所述光伏像素将来自所述显示器的光转换成流过生物组织的电流以刺激视网膜神经元，
其中所述视网膜植入物中的每个像素包括串联连接在有源电极和返回电极之间的一个或多个光电二极管，
其中所述有源电极和返回电极经由电容接口或法拉第接口耦合到所述生物组织的电解质，
其中所述像素的所述返回电极连接在一起，并且
其中由所述近眼显示器投影到所述视网膜植入物上的所述视频流中的图像序列被设计为通过在这些像素中的电极-电解质界面处累积偏置电压来对指定像素进行光学预调，以变得足够导电以充当瞬态返回电极。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光电二极管由晶体硅制成，并且其中所述偏置电压在每个光电二极管0.2-0.7V的范围内。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述偏置电压超过每个光电二极管0.3V。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，通过控制当前视频帧中被照明的像素与在先前帧中预调但在所述当前视频帧中未被照明的像素之间的距离，针对患者的解剖结构来优化电场进入视网膜的穿透深度。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述光伏像素包括一个或多个光学控制晶体管以调节放电电流。
11.一种视网膜假体，包括：
光伏像素阵列，所述光伏像素阵列被配置为响应于接收的视频流而提供视网膜刺激，
其中所述光伏像素阵列具有公共返回电极，
其中每个像素具有与视网膜组织电容或法拉第耦合的有源电极，
其中每个像素包括串联连接在所述返回电极和对应的有源电极之间的一个或多个光电二极管，并且
其中每个像素进一步包括光学可控的电导元件，其中，利用次级照明图案对所述光伏像素阵列的照明通过激活对应的电导元件来选择所述视网膜植入物的一个或多个像素充当局部返回电极。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202163168786P | 2021-03-31 | 2021-03-31 | |
| US63/168,786 | 2021-03-31 | ||
| PCT/US2022/020498 WO2022212053A1 (en) | 2021-03-31 | 2022-03-16 | Photovoltaic retinal prosthesis with optically configurable confinement of electric field |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116981431A true CN116981431A (zh) | 2023-10-31 |
Family
ID=83459710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202280021018.2A Pending CN116981431A (zh) | 2021-03-31 | 2022-03-16 | 具有光学可配置电场限制的光伏视网膜假体 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240058607A1 (zh) |
| EP (1) | EP4312882A1 (zh) |
| JP (1) | JP2024511696A (zh) |
| CN (1) | CN116981431A (zh) |
| AU (1) | AU2022246751A1 (zh) |
| CA (1) | CA3205969A1 (zh) |
| WO (1) | WO2022212053A1 (zh) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5837995A (en) * | 1996-11-25 | 1998-11-17 | Alan Y. Chow | Wavelength-controllable voltage-phase photodiode optoelectronic switch ("opsistor") |
| US6389317B1 (en) * | 2000-03-31 | 2002-05-14 | Optobionics Corporation | Multi-phasic microphotodetector retinal implant with variable voltage and current capability |
| US7047080B2 (en) * | 2003-02-14 | 2006-05-16 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Self-sufficient retinal prosthesis powered by intraocular photovoltaic cells |
| US7610098B2 (en) * | 2005-12-20 | 2009-10-27 | Imi Intelligent Medical Implants Ag | Charge-integrating retinal prosthesis and method |
| CA2983355C (en) * | 2015-05-12 | 2023-09-26 | Pixium Vision Sa | Photosensitive pixel with shunt resistor |
-
2022
- 2022-03-16 JP JP2023547102A patent/JP2024511696A/ja active Pending
- 2022-03-16 CA CA3205969A patent/CA3205969A1/en active Pending
- 2022-03-16 AU AU2022246751A patent/AU2022246751A1/en active Pending
- 2022-03-16 EP EP22781857.2A patent/EP4312882A1/en active Pending
- 2022-03-16 WO PCT/US2022/020498 patent/WO2022212053A1/en active Application Filing
- 2022-03-16 CN CN202280021018.2A patent/CN116981431A/zh active Pending
- 2022-03-16 US US18/271,450 patent/US20240058607A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA3205969A1 (en) | 2022-10-06 |
| US20240058607A1 (en) | 2024-02-22 |
| AU2022246751A1 (en) | 2023-07-27 |
| AU2022246751A9 (en) | 2024-05-16 |
| WO2022212053A1 (en) | 2022-10-06 |
| EP4312882A1 (en) | 2024-02-07 |
| JP2024511696A (ja) | 2024-03-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Loudin et al. | Optoelectronic retinal prosthesis: system design and performance | |
| CA2639889C (en) | Charge-integrating retinal prosthesis and method | |
| Palanker et al. | Design of a high-resolution optoelectronic retinal prosthesis | |
| Corna et al. | Electrode-size dependent thresholds in subretinal neuroprosthetic stimulation | |
| EP3508248B1 (en) | Optical sensor array-based sub-type artificial retina device | |
| US20050131490A1 (en) | Neural prosthesis based on photomechanical deflectors and tactile sensory cells | |
| Kuo et al. | Improved charge pump design and ex vivo experimental validation of CMOS 256-pixel photovoltaic-powered subretinal prosthetic chip | |
| Palanker et al. | Restoring sight with retinal prostheses | |
| KR101912068B1 (ko) | 잉여 광 억제 서브형 인공 망막 장치 및 신호 생성 방법 | |
| Goetz et al. | Contrast sensitivity with a subretinal prosthesis and implications for efficient delivery of visual information | |
| US11517745B2 (en) | Artificial retina system for improving contrast sensitivity | |
| CN116981431A (zh) | 具有光学可配置电场限制的光伏视网膜假体 | |
| Butterwick et al. | Progress toward a high-resolution retinal prosthesis | |
| Shah et al. | Precise control of neural activity using dynamically optimized electrical stimulation | |
| US20220387786A1 (en) | High visual acuity, high sensitivity light switchable neural stimulator array for implantable retinal prosthesis | |
| Yousefi et al. | A Biologically-Informed Computational Framework for Pathway-Specific Spiking Patterns Generation and Efficacy Evaluation in Retinal Neurostimulators | |
| Al Yaman et al. | FPGA design of an even power distributor for optoelectronic neural stimulation | |
| Loudin et al. | Photovoltaic retinal prosthesis | |
| Palanker et al. | High-resolution opto-electronic retinal prosthesis: physical limitations and design | |
| KR20230089722A (ko) | 멀티-광다이오드 감지 기술을 이용한 서브형 인공망막장치 | |
| Jepson | Patterned electrical stimulation of primate retina for the development of retinal prostheses | |
| WO2018059568A1 (zh) | 用于神经刺激的脉冲电流产生电路、电荷补偿电路和方法及植入式视网膜电刺激器 | |
| Palanker et al. | Towards high-resolution optoelectronic retinal prosthesis | |
| Palanker et al. | Restoring sight to the blind | |
| KIYOYAMA et al. | A Photoreceptive Stimulator for A Retinal Prosthesis with 3D Stacked LSI |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |