RU217662U1 - Головное устройство зрительного кортикального протеза с инфракрасной камерой - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к ассистивным устройствам, предназначенным для использования людьми с ограниченными возможностями по зрению, и может быть использована в системах зрительно-кортикального протезирования с целью восстановления зрительных функций у людей, полностью их потерявших.

Головное устройство зрительно-кортикального протеза выполнено в виде регулируемого обруча и оснащено встроенными в его фронтальную часть видеокамерами, блоком питания, передающей антенной, микроконтроллером, памятью и интерфейсом для подключения блока обработки видеосигнала. Новым является то, что одна из камер выполнена полноцветной, работающей в видимом диапазоне длин волн, а вторая - инфракрасная, что позволяет расширить функциональные возможности ассистивного устройства, а именно устройство обеспечивает ночное видение с возможностью ориентации пользователя в темноте, тогда как в известном решении это не предусмотрено. Кроме того, наличие инфракрасной камеры обеспечивает возможность невидящему пользователю идентифицировать в окружающем пространстве опасные для здоровья источники, например, источники возгорания.

Description

Полезная модель относится к ассистивным устройствам, предназначенным для использования людьми с ограниченными возможностями по зрению, и может быть использована в системах зрительного кортикального протезирования с целью восстановления зрительных функций у людей, полностью их потерявших.

Из уровня техники известны решения, направленные на восстановление зрительных функций пациентов путем стимуляции нейронов головного мозга.

Данная возможность обусловлена тем, что со зрительной зоной V1 коры головного мозга непосредственно соединены нейроны, посылающие зрительные сигналы от глаза человека. Зона коры V1 состоит из нейронов, которые отвечают за контраст, цвет, глубину, ориентацию, движение зрительного стимула. Прямое стимулирование указанных нейронов слабыми электрическими импульсами вызывает появление фосфенов, возникающих в поле зрения, что дает возможность так называемого фосфенного зрения, способного в некоторой степени заменить обычное зрение человеку, потерявшему такую способность.

Для стимуляции используют протезы, которые перманентно имплантируются в тело человека и стимулируют клетки зрительной коры головного мозга.

Например, известен кортикальный зрительный протез (US 2014222103 A1, 07.08.2014), представляющий собой размещенные на гибкой подложке внешнюю и внутреннюю части, внутренняя имплантируемая часть содержит стимулирующие электроды, а внешняя содержит катушку, предназначенную для приема и подачи сигнала на электроды.

Также известны устройство и способ зрительного протезирования (US 5159927 A, 03.11.1992). В данном решении сигнал с видеокамеры обрабатывается, преобразуется и поступает по проводному каналу в зрительный нерв. Данное решение обладает повышенной сложностью осуществления и доставляет большое неудобство пользователю при эксплуатации.

В источнике US 10052478 (B2, 21.08.2018) сигнал с внешней видеокамеры преобразуется процессором и передается на приемную катушку кортикального импланта посредством другой передающей катушки, причем катушки расположены в проекции друг друга в непосредственной близости.

Данное решение обладает низкой полезной функциональностью, поскольку не позволяет, в частности, осуществлять распознавание объектов, определять расстояние до распознанных объектов и снабжать пользователя информацией об окружающих объектах, что может быть, однако, необходимым в случае использования зрительных имплантов с низким разрешением.

Таким образом, общим недостатком уровня техники является низкая функциональность и эффективность воспроизведения объектов окружающей среды, приводящая к длительному времени адаптации пользователя к возможности малоэффективного распознавания зрительных образов фосфенного зрения.

Указанные проблемы частично решает система зрительного кортикального протезирования, известная из RU 2759125 (дата публикации 09.11.2021).

Согласно изобретению, система содержит внешнюю и внутреннюю части. Имплантируемая часть представляет соединенные между собой приемную антенну в биосовместимом силиконовом корпусе, чип управления электродами, заключенный в титановый корпус и матрицу электродов из проводящего полимера, погруженных в инертную гибкую основу, а внешняя часть состоит из первого устройства, предназначенного для размещения на голове пользователя в виде регулируемого обруча, и второго устройства - блока обработки видеосигнала, причем обруч оснащен двумя встроенными в его фронтальную часть видеокамерами, блоком питания, передающей антенной, микроконтроллером, памятью и интерфейсом для подключения блока обработки видеосигнала, а сам блок обработки видеосигнала представляет собой размещенные в корпусе микрокомпьютер, выполненный с возможностью дополнительной обработки видеосигнала с целью интеллектуальной идентификации объектов и выдачи сигналов по результатам обработки, а также: модули Wi-Fi, Bluetooth, питания, интерфейсы для заряда, подключения внешних аудиоустройств, подключения к обручу и блок функционального управления. Преимуществами известной системы является то, что она обеспечивает уменьшение времени адаптации пользователя к новому зрительному опыту, расширяет функциональные возможности системы, а также повышает безопасность использования.

Настоящая полезная модель является усовершенствованным решением RU 2759125 в части головного устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога.

Технический результат заключается в расширении функциональной возможности ассистивного устройства.

Новым является то, что предлагаемое устройство в носимой части кортикального зрительного протеза (обруча на голове), снабжено дополнительным модулем камеры, которая работает в инфракрасном диапазоне (она же тепловизор). Камера обеспечивает ночное видение с возможностью ориентации пользователя в темноте, тогда как в известном решении это не предусмотрено. Кроме того, наличие модуля обеспечивает возможность невидящему пользователю идентифицировать в окружающем пространстве опасные для здоровья источники, например, источники возгорания.

Суть полезной модели поясняется следующими иллюстрирующими материалами.

На фиг. 1 показан общий вид заявляемого головного устройства системы зрительного кортикального протезирования, снабженного тепловизором, где 1 - передающая антенна; 2 - регулируемый обруч; 3 - камера, работающая в видимом диапазоне; 4 - камера, работающая в инфракрасном диапазоне; 5 - интерфейс для подключения блока обработки видеосигнала.

Далее представлено более подробное описание заявленного решения. Головное устройство представляет собой регулируемый обруч 2 для размещения на голове пользователя. Антенна 1 является внешней передающей радиокатушкой, необходимой для передачи сигналов и питания на имплантируемую часть зрительной кортикальной протезной системы. В устройстве использовано две камеры, при этом камера 3 - полноцветная, работающая в видимом диапазоне длин волн, переназначена для преобразования изображений в видеосигнал. Вторая используемая камера 4 работает в инфракрасном диапазоне. Камеры 3 и 4 встроены во фронтальную часть обруча 2, что определяется их назначением - видеофиксацией изображений и карты глубины окружающего пространства.

Для обеспечения ожидаемой полезной функции в виде ночного видения, в конструкции используется инфракрасная камера 4 со следующими минимальными характеристиками, но не ограничивается ими:

Разрешение ИК-матрицы 32×24 пикселей

Среднеквадратичная разрешающая способность по температуре 0,1 градус при частоте обновления 1 Гц

Программируемая частота обновления 0,5 Гц…64 Гц

Напряжение питания 3,3 В

Потребляемый ток менее 23 мА

2 варианта угла обзора - 55 × 35 и 110 × 75

Рабочая температура -40°C ÷ 85°C

Диапазон измеряемых температур -40°C ÷ 300°C

Головное устройство оснащено также интерфейсом для подключения блока обработки видеосигнала 5, блоком питания, микроконтроллером и памятью.

Встроенный микроконтроллер предназначен для преобразования видеосигнала в линейно перекодированный в команды стимуляции электродов с помощью антенны 4, и для передачи видеосигнала с помощью кабеля (на фиг. условно не показан) на блок обработки видеосигнала 5, где преобразуется в персонализированные паттерны стимуляции, которые после возвращения на обруч для головы 1 с помощью вышеуказанной антенны 4 перенаправляются на имплантируемую часть зрительной кортикальной протезной системы.

В блоке обработки видео сигнала 5 сигнал с видеокамер преобразуется в понятный протезу набор стимулов, а также осуществляется дополнительная обработка и выдача сигналов. Блок имеет кнопки для функционального управления: питание, интеллектуальный поиск объектов и режим обработки видео сигнала для протеза для лучшего восприятия пространства в различных ситуациях.

Для более комфортного использования обруч 1 может быть оснащен радиаторами охлаждения.

Для автономного режима работы в течение определенного емкостью аккумулятора периода времени устройство снабжено блоком питания (на фиг. условно не показан) в виде двух аккумуляторов. Интерфейс связи - порт USB-С подключения к блоку обработки видеосигнала 5 и зарядки устройства, расположенный с обратной стороны обруча 2 (на фиг.1 местоположение показано условно).

Работа головного устройства осуществляется при расположении обруча 1 на голове пользователя, когда внешняя передающая и внутренняя принимающая катушки находятся в проекции друг друга и непосредственной близости, достаточной для передачи управляющего сигнала и питания.

В общем случае, изображение с одной из камер обруча проходит линейное кодирование микроконтроллером и преобразуется в сигналы (команды) стимуляции электродов, передаваемые передающей антенной, что вызывает появление фосфенов, возникающих в поле зрения пользователя. Данной функции может быть достаточно в случае идентификации крупных объектов. Однако если пользователю требуется идентификация средних и мелких объектов, то необходимо использование дополнительных интеллектуальных функций.

В связи с этим в изобретении предложено дополнительное направление видеосигнала в блок обработки видео сигнала.

В блоке обработки видео сигнала 5 изображение усредняется до 100 пикселей в паттерн стимуляции согласно одному из выбранных паттернов. Здесь же изображение подвергается анализу в реальном времени с помощью алгоритмов искусственного зрения для трансляции пользователю звукового описания наблюдаемой сцены (отдельных ее объектов). После обработки видеосигнала паттерн стимуляции направляется обратно напрямую в имплант через собственный радиопередатчик, чтобы посредством электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне транслировать информацию на принимающую антенну, связанную с чипом, запитанным от обруча путем беспроводной передачи энергии через специальную катушку и зафиксированным под скальпом к черепной коробке с помощью винтов. С принимающей катушки сигнал направляется в чип, где преобразуется в малые токи, имеющие свойства, необходимые для безопасной и эффективной стимуляции нейронов зрительной коры головного мозга. Конечным элементом устройства является электродная решетка, имеющая 100 электродных окончаний, погруженных в диэлектрический материал и располагающаяся на медиальной поверхности зрительной коры головного мозга в проекции шпорной борозды V1.

Например, сигнал с видеокамер преобразуется в понятный протезу набор стимулов: с камеры регистрируется поток цветных видеокадров с частотой 30 Гц и размером 640*480 пикселей, после чего преобразуется в паттерн усредненных сигналов с разрешением 10*10, которое соответствует матрице электродов.

В программном плане в блоке используются алгоритмы машинного зрения на основе алгоритмов искусственного интеллекта для идентификации конкретных объектов (людей, дорожных знаков, предметов обихода и т.д.). При обработке изображения параллельно используются 2 алгоритма, один для выделения силуэтов и масок существенных объектов и второй для выделения, очерчивающих границы помещения базовых структурных линий.

С каждым кадром осуществляется ряд преобразований и вычислений с помощью обученных алгоритмов машинного зрения (или прочих алгоритмов искусственного интеллекта), результатом чего является оповещение (путем озвучивания) пользователя протезной зрительной системы о наличии тех или иных объектов в наблюдаемой сцене. Этап не требует подключения к сети Интернет, при условии наличия в памяти обученных баз данных.

Прямая обработка видео сигнала с камер, выделение контуров, распознавание объектов и определение расстояний до физических объектов. Для данного метода с целью выделения контуров и распознавания объектов в зрительном протезе должно присутствовать одна или две видео камеры, работающие видимом и/или ИК диапазоне длин волн. В методе с целью определения расстояний до физических объектов синхронно анализируются данные с двух или более камер для создания карты глубины и вычисления расстояний до физических объектов. Пользователь может быть оповещен о расстоянии до объекта. Этап не требует подключения к сети Интернет и может быть использован в автономном режиме. Пользователь может быть одновременно оповещен как о наличии тех или иных объектов, так и о расстоянии до них.

Использование функции ночного видения. Для данного метода в зрительном протезе должна присутствовать камера, работающая в инфракрасном диапазоне длин волн. В методе изображение, получаемое с инфракрасной камеры, заменяет изображение, получаемое из камеры, работающей в видимом диапазоне длин волн, используемой по умолчанию, и обеспечивает пользователя возможностью идентифицировать объекты в условиях с низким уровнем освещенности. ИК камера способна идентифицировать источники повышенной температуры, благодаря чему пользователю становится доступной возможность идентифицировать опасные для здоровья высокотемпературные источники, например локализация места возгорания и т.п. ИК камера также используется в построении карты глубины, определения объектов с помощью машинного зрения и определении расстояния до объектов, как было описано выше. Пользователь сам активирует работу камеры путем нажатия на соответствующую кнопку, расположенную на блоке обработки видео сигнала.

Claims (1)

1. Головное устройство зрительного кортикального протеза для работы в видимом диапазоне и в инфракрасном диапазоне, характеризующееся тем, что выполнено в виде регулируемого обруча и оснащено встроенными в его фронтальную часть видеокамерами, блоком питания, передающей антенной, микроконтроллером, памятью и интерфейсом для подключения блока обработки видеосигнала, причем одна из камер выполнена полноцветной, работающей в видимом диапазоне длин волн, а вторая – инфракрасная.

Images