TW201334768A - 人工視網膜系統及眼內植入晶片 - Google Patents

Abstract

一種人工視網膜系統，包含一眼外光學裝置及一眼內植入晶片。該眼外光學裝置包括一影像產生器及一背景光產生器。該影像產生器用以接收一外部影像，並進行影像處理以產生一目標影像輸出。該背景光產生器用於產生一背景光。該眼內植入晶片包括一太陽能電池、一背景光消除器及一影像感測刺激器。該太陽能電池設置用以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力提供至該影像感測刺激器。該背景光消除器以光學或電路方式協助該影像感測刺激器濾除該背景光，使得該影像感測刺激器產生一相關於該目標影像的電刺激信號以輔助視覺。

Description

人工視網膜系統及眼內植入晶片

本發明是有關於一種視覺輔助工具，特別是指一種人工視網膜系統及眼內植入晶片。

色素性視網膜退化(Retinitis Pigmentosa)與老年黃斑退化(Age-Related Macular Degeneration,AMD)為兩種因視網膜感光細胞退化而造成的疾病，AMD更為歐美國家成年人失明人口的主因之一。因這兩種疾病而失明的病患，目前沒有任何藥物可以醫治，於是用來取代感光細胞的人工視網膜成為這些病患最大的希望。以往的人工視網膜包含一太陽能晶片，用以接收光學影像並轉換為電流，利用電流刺激殘存神經細胞的方式，幫助因為視網膜退化而失明的病患恢復視覺。然而，太陽能晶片的供電能力不足是一大缺陷，而採用拉線、繞線等方式提供電源，卻有安全性上的疑慮。

於美國專利US7622702中，提出一種「分區供電」的概念，可以增加一影像感測陣列(pixel array)的輸出電流數倍。該影像感測陣列由多數個太陽能電池組成，將影像感測陣列分為N個區塊，同時間只啟動某一區塊，並輪流啟動各個區塊，只要輪流啟動的頻率超過保持視覺暫留需要的頻率(約30 Hz)，病患還是可以看到正常的影像。這樣做的優點是：假設該等太陽能電池可以提供的電力為ISC，則同時間只啟動某一區塊，該區塊可以獲得的電流供應為ISC，但是若是所有N個區塊都同時啟動，則每個區塊可以分得的電流就會變成ISC/N，所以使用分區供電的方法，可以使輸出電流變成N倍。

然而，照射到該影像感測陣列上的影像，一定有較亮或較暗的區域。實際應用「分區供電」技術時，如果只利用影像當作影像訊號與電力來源，可以想見的是暗的區域產生的光電流一定比亮的區域少。這樣的現象作為影像感測用是正常的，否則影像就失去了對比度，但是如果同時作為太陽能電池使用，比較暗的照光，產生較低的光電流，可以提供的功率就會變小。因此太陽能電池可以提供的電力仍受到影像的亮暗影響而不夠穩定。

美國專利US20050090875的方法是讓病患配帶一個頭戴式顯示與投射儀，把強光投射進入眼內，增加太陽能電池輸出的電流，但此方法卻又使得影像的對比度變差。

因此，本發明之第一目的，即在提供二種可以穩定供應充足電力且維持影像對比度的人工視網膜系統。

於是，本發明人工視網膜系統，包含一眼外光學裝置及一眼內植入晶片。

該眼外光學裝置包括一影像產生器及一背景光產生器。該影像產生器用以接收一外部影像，並將該外部影像進行影像處理以產生一相關於該外部影像的目標影像並以光學投影方式輸出。該背景光產生器用於產生一光學性質不同於該目標影像的背景光。

該眼內植入晶片包括一太陽能電池、一背景光消除器及一影像感測刺激器。該太陽能電池設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力。該背景光消除器設置於該目標影像照射範圍內，用於濾除該背景光以得到一相關於該目標影像的透射影像。該影像感測刺激器電連接於該太陽能電池以接收該電力，接收該透射影像，並將該透射影像轉換成一電刺激信號。

本發明另一人工視網膜系統，包含一眼外光學裝置及一眼內植入晶片。

該眼外光學裝置包括一影像產生器及一背景光產生器。該影像產生器，用以接收一外部影像，並將該外部影像進行影像處理以產生一相關於該外部影像的目標影像並以光學投影方式輸出。該背景光產生器用於產生一背景光。

該眼內植入晶片包括一太陽能電池、一背景光消除器及一影像感測刺激器。該太陽能電池設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力。該背景光消除器，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並轉換成一正比於該背景光的校正電流。該影像感測刺激器，電連接於該太陽能電池以接收該電力，且電連接於該背景光消除器以接收該校正電流，並接收該目標影像和該背景光，以該校正電流做校正，產生一正比於該目標影像的電刺激信號。

本發明之第二目的，即在提供二種可接收光能產生電力且維持影像對比度的眼內植入晶片。

本發明眼內植入晶片適用於接收光學性質不同的一目標影像及一背景光，且包含一太陽能電池、一背景光消除器及一影像感測刺激器。

該太陽能電池設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力。該背景光消除器設置於該目標影像照射範圍內，用於濾除該背景光以得到一相關於該目標影像的透射影像。該影像感測刺激器電連接於該太陽能電池以接收該電力，接收該透射影像，並將該透射影像轉換成一電刺激信號。

本發明另一眼內植入晶片適用於接收一影像及一背景光，且包含一太陽能電池、一背景光消除器及一影像感測刺激器。

該太陽能電池，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力。該背景光消除器設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並轉換成一正比於該背景光的校正電流。該影像感測刺激器電連接於該太陽能電池以接收該電力，且電連接於該背景光消除器以接收該校正電流，並接收該影像和該背景光，以該校正電流做校正，產生一正比於該影像的電刺激信號。

本發明藉由供應光能至眼內植入晶片產生足夠電力，再以該背景光消除器消除背景光對該影像感測刺激器的影響，以維持對比度。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1及圖2，本發明人工視網膜系統之第一較佳實施例包含一眼外光學裝置1及一眼內植入晶片2。

該眼內植入晶片2在實際應用上為一植入式的生醫晶片，藉由外科手術置於患者眼球的下視網膜區域，且該眼外光學裝置1包括一影像產生器11及一背景光產生器12。

該影像產生器11接收一外部影像31，將該外部影像31進行影像處理後，產生一相關於該外部影像31的目標影像32並以光學投影方式輸出。該外部影像31可以是可見光或自然界物體所發出的光線，而所進行的影像處理可包括影像增強、影像的時域及空間域處理。

該背景光產生器12用於產生一光學性質不同於該目標影像32的背景光41，該背景光41是做為該眼內植入晶片23的動力來源。

該眼內植入晶片2是設置於患者眼球外，且包括一太陽能電池21、一背景光消除器22及一影像感測刺激器23。

該太陽能電池21設置於該背景光41照射範圍內以接收該背景光41，並將該背景光41轉換成一電力42。

該影像感測刺激器23用以接收該目標影像32並轉換為一電刺激信號以輔助患者視覺。

該影像產生器11及該背景光產生器12可分別具有一光學裝置(圖未示)，用以將該目標影像32投射至該影像感測刺激器23上，而將該背景光41投射至太陽能電池21上。但由於視網膜可以植入晶片的區域只有數毫米寬，故該眼內植入晶片2之大小有限，無法把該影像感測刺激器23跟太陽能電池21的區域分隔太遠，要非常精準的在這樣小的晶片面積下對準到各自的區域不符合實際效益。因此，該目標影像32及該背景光41的照射區域難免會重疊。參閱圖2，本較佳實施例的眼內植入晶片2以該影像感測刺激器23為中心、太陽能電池21圍繞在旁的方式布局。投射出的背景光41完全覆蓋該目標影像32，此時背景光41也會照射在該影像感測刺激器23上面，會產生額外的光電流^，可能造成影像的對比度下降。而且背景光41並不是影像的訊號，不需要輸出背景光41的訊號至神經細胞，造成不必要的額外功率消耗。

本第一較佳實施例將該背景光消除器22設置於該目標影像32照射範圍內，使用光學方式濾除該背景光41以得到一相關於該目標影像32的透射影像33。此時，可投射不同波長(波段)的背景光41及目標影像32，該背景光消除器22可為一光濾鏡22，覆蓋於該影像感測刺激器23上。該光濾鏡22過濾背景光41並使目標影像32穿透，因此背景光41不會使該影像感測刺激器23產生光電流。該背景光41可使用非可見光，較佳地，可使用紅外光作為背景光41。原因是：該影像感測刺激器23通常由矽晶片製成，矽晶片對於紅外光的光電流轉換效率效佳，可產生較大的光電流，且因為人眼組織不會吸收紅外光，故人眼對於紅外光可以忍受的強度較強，所以可以使用比較強的紅外光作為供電用的光源。

此外，還可以投射不同偏振光極性的背景光41及目標影像32，而該背景光消除器22改為一覆蓋於該影像感測刺激器23上的偏振光濾鏡22，同樣可以達到濾除背景光41的效果。

因此，該透射影像33不含有背景光41。該影像感測刺激器23電連接於該太陽能電池21以接收該電力42，並接收該透射影像33。

參閱圖2與圖3，該影像感測刺激器23具有多數個像素(Pixel)230。每個像素230具有一影像感測元件231、一電流放大電路232與一刺激電極233。

該影像感測元件231接收該目標影像32的局部照射並轉換為一像素光電流I_p。

該電流放大電路232電連接該影像感測元件231，接收該像素光電流I_p並放大後輸出。

該刺激電極233電連接該電流放大電路232，接收該電流放大電路232的輸出並輸出一像素電刺激信號I_S，以電刺激患者的神經以產生視覺。所述之電刺激信號是由該等像素電刺激信號I_S組成。

參閱圖4及圖5，本發明人工視網膜系統之第二較佳實施例包含上述的一眼外光學裝置1及一眼內植入晶片2。與第一較佳實施例不同的是：本第二較佳實施例使用電路方法消除背景光41，因此該目標影像32及該背景光41可以具有相同的光學特性，也可以不同。

而該背景光消除器22，設置於該背景光41照射範圍內以接收該背景光41，並轉換成一正比於該背景光41的校正電流I_C。

該影像感測刺激器23還電連接於該背景光消除器22以接收該校正電流I_C，並接收該目標影像32和該背景光41，以該校正電流I_C做校正，產生一正比於該目標影像32的電刺激信號。

參閱圖5及圖6，該背景光消除器22具有一背景光感測器221及一電流鏡222。

該背景光感測器221設置於背景光41照射範圍內，並將感測到的背景光41轉換為一背景光電流I_bg。

該電流鏡222具有一電連接該背景光感測器221以接收該背景光電流I_bg的輸入端223，及至少一輸出該校正電流I_C的輸出端224，該校正電流I_C與該背景光電流I_bg大小相等。

該影像感測刺激器23具有多數個像素230，每個像素230內部包含一影像感測元件231、一運算元件234、一電流放大電路232及一刺激電極233。

該影像感測元件231接收該目標影像32及該背景光41的局部照射並轉換為一像素光電流I_p。

該運算元件234電連接該影像感測元件231及該電流鏡222的輸出端223，用以接收該像素光電流I_p及校正電流I_C，並將該像素光電流I_p減去校正電流I_C以輸出一差值電流I_D。因為該像素光電流I_p包含目標影像32及背景光41的訊號，減去校正電流I_C後，差值電流I_D僅有目標影像32的訊號。

該電流放大電路232電連接該運算元件234，接收該差值電流I_D並放大後輸出。

該刺激電極233電連接該電流放大電路232，接收該電流放大電路232的輸出並輸出一像素電刺激信號I_S，所述之電刺激信號是由該等像素電刺激信號I_S組成。該背景光消除器22運作所需之電力可直接取自該太陽能電池21或其他電源。

將該背景光感測器221設置於目標影像32的照射範圍外及背景光41照射範圍內，則即使該背景光41和該目標影像32使用相同波長或相同極化的光，該背景光消除器22亦可將背景光41對影像感測刺激器23的影響消除。若該背景光感測器221設置於目標影像32和背景光41的照射範圍重疊區域內，則該目標影像32和背景光41需具有不同的光學特性(波長或偏振光極性等)，搭配濾鏡或採用不同類型的感測器使得背景光感測器221僅感測該背景光41。

綜上所述，為改善舊有太陽能式人工視網膜效率不足之缺點，上述較佳實施例將偵測影像與提供動力的元件分開，並使用背景光消除器22避免背景光41干擾目標影像32訊號，而能提供穩定的供電並維持影像對比度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

I_bg．．．背景光電流

I_C．．．校正電流

I_D．．．差值電流

I_p．．．像素光電流

I_S．．．像素電刺激信號

1．．．眼外光學裝置

11．．．影像產生器

12．．．背景光產生器

2．．．眼內植入晶片

21．．．太陽能電池

22．．．背景光消除器

221．．．背景光感測器

222．．．電流鏡

223．．．輸入端

224．．．輸出端

23．．．影像感測刺激器

230．．．像素

231．．．影像感測元件

232．．．電流放大電路

233．．．刺激電極

234．．．運算元件

31．．．外部影像

32．．．目標影像

33．．．透射影像

41．．．背景光

42．．．電力

圖1是本發明人工視網膜系統之第一較佳實施例的系統方塊圖；

圖2是本發明人工視網膜系統之第一較佳實施例的架構示意圖；

圖3是本發明人工視網膜系統之第一較佳實施例的一像素的電路方塊圖；

圖4是本發明人工視網膜系統之第二較佳實施例的系統方塊圖；

圖5是本發明人工視網膜系統之第二較佳實施例的架構示意圖；及

圖6是本發明人工視網膜系統之第二較佳實施例的一背景光消除器及多數個像素的電路方塊圖。

1．．．眼外光學裝置

11．．．影像產生器

12．．．背景光產生器

2．．．眼內植入晶片

21．．．太陽能電池

22．．．背景光消除器

23．．．影像感測刺激器

31．．．外部影像

32．．．目標影像

33．．．透射影像

41．．．背景光

42．．．電力

Claims (14)

1. 一種人工視網膜系統，包含：一眼外光學裝置，包括：一影像產生器，用以接收一外部影像，並將該外部影像進行影像處理以產生一相關於該外部影像的目標影像並以光學投影方式輸出；及一背景光產生器，用於產生一光學性質不同於該目標影像的背景光；及一眼內植入晶片，包括：一太陽能電池，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力；一背景光消除器，設置於該目標影像照射範圍內，用於濾除該背景光以得到一相關於該目標影像的透射影像；及一影像感測刺激器，電連接於該太陽能電池以接收該電力，接收該透射影像，並將該透射影像轉換成一電刺激信號。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之人工視網膜系統，其中，該背景光照射範圍涵蓋該目標影像的照射範圍。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之人工視網膜系統，其中，該背景光消除器為一光濾鏡，且遮蓋該影像感測刺激器使得該影像感測刺激器僅接收光濾鏡輸出的該透射影像。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之人工視網膜系統，其中，該背景光以紅外線傳播，該目標影像以非紅外線傳播，而該光濾鏡為一可過濾紅外光的光濾鏡。
5. 根據申請專利範圍第3項所述之人工視網膜系統，其中，該背景光及該目標影像具有不同的偏振光極性，而該光濾鏡為一可過濾該背景光的偏振光濾鏡。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之人工視網膜系統，其中，該影像感測刺激器具有多數個像素，每個像素具有：一影像感測元件，接收該目標影像的局部照射並轉換為一信號光電流；一電流放大電路，電連接該影像感測元件，接收該信號光電流並放大後輸出；及一刺激電極，電連接該電流放大電路，接收該電流放大電路的輸出並輸出一像素電刺激信號；所述之電刺激信號是由該等像素電刺激信號組成。
7. 一種人工視網膜系統，包含：一眼外光學裝置，包括：一影像產生器，用以接收一外部影像，並將該外部影像進行影像處理以產生一相關於該外部影像的目標影像並以光學投影方式輸出；及一背景光產生器，用於產生一背景光；及一眼內植入晶片，包括：一太陽能電池，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力；一背景光消除器，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並轉換成一正比於該背景光的校正電流；及一影像感測刺激器，電連接於該太陽能電池以接收該電力，且電連接於該背景光消除器以接收該校正電流，並接收該目標影像和該背景光，以該校正電流做校正，產生一正比於該目標影像的電刺激信號。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之人工視網膜系統，其中，該背景光照射範圍涵蓋該目標影像的照射範圍。
9. 根據申請專利範圍第7項所述之人工視網膜系統，其中，該背景光消除器具有一背景光感測器，設置於背景光照射範圍內，並將感測到的背景光轉換為一背景光電流；一電流鏡，具有一電連接該背景光感測器以接收該背景光電流的輸入端，及至少一輸出該校正電流的輸出端，該校正電流與該背景光電流大小相等；該影像感測刺激器是電連接該電流鏡的輸出端以接收該校正電流。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之人工視網膜系統，其中，該背景光感測器是設置於該目標影像照射範圍外。
11. 根據申請專利範圍第9項所述之人工視網膜系統，其中，該影像感測刺激器具有多數個像素，每個像素具有：一影像感測元件，接收該目標影像及該背景光的局部照射並轉換為一像素光電流；一運算元件，電連接該影像感測元件及該電流鏡的輸出端，用以接收該像素光電流及校正電流，並將該像素光電流減去校正電流以輸出一差值電流；一電流放大電路，電連接該運算元件，接收該差值電流並放大後輸出；一刺激電極，電連接該電流放大電路，接收該電流放大電路的輸出並輸出一像素電刺激信號；所述之電刺激信號是由該等像素電刺激信號組成。
12. 根據申請專利範圍第7項所述之人工視網膜系統，該背景光以紅外線傳播，而該背景光感測器具有一紅外線感測二極體。
13. 一種眼內植入晶片，適用於接收光學性質不同的一目標影像及一背景光，且包含：一太陽能電池，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力；一背景光消除器，設置於該目標影像照射範圍內，用於濾除該背景光以得到一相關於該目標影像的透射影像；及一影像感測刺激器，電連接於該太陽能電池以接收該電力，接收該透射影像，並將該透射影像轉換成一電刺激信號。
14. 一種眼內植入晶片，適用於接收一影像及一背景光，且包含：一太陽能電池，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並將該背景光轉換成一電力；一背景光消除器，設置於該背景光照射範圍內以接收該背景光，並轉換成一正比於該背景光的校正電流；及一影像感測刺激器，電連接於該太陽能電池以接收該電力，且電連接於該背景光消除器以接收該校正電流，並接收該影像和該背景光，以該校正電流做校正，產生一正比於該影像的電刺激信號。