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基于无线能量和数据传输的视觉假体刺激器的测试与评估

黄伟昌  
【摘要】:视觉是人类认识客观世界的重要途径。由于各种原因在视通路上任何一段出现病变或损伤都会导致失明,约25%的盲人因视网膜疾患而致盲。老年黄斑变性和视网膜色素变性是不可治愈性视网膜疾病致盲的主要原因。随着生物医学、材料学、微电子等学科的发展,用来代替、控制功能已丧失的器官组织的神经假体逐渐成为恢复盲人视觉研究的重点。 视觉假体是一种进行视觉修复的人工装置,该人工装置采集外界图像信息,并进行编码处理,通过微电流刺激器将刺激微电流信号加载到微电极阵列,对视觉神经系统进行作用,从而在视觉中枢产生光幻视,实现视觉功能修复。视觉假体的核心是一个微电子集成电路芯片,这个芯片提供给视网膜、视神经和视皮层的电刺激信号,通常将该芯片称为视觉假体神经刺激器。 本文分析了国外视觉假体研究小组的视觉假体刺激器构造,论述了视觉假体刺激器所面临的挑战及未来的发展趋势,并基于我们研究小组所采用的视觉假体刺激器,开发出了用于神经刺激的刺激器系统。 在我们设计的方案中,采用的电流刺激芯片能够为17个刺激电极提供精确的电流脉冲刺激,同时具有一定的数据检错能力,可以满足一定的数据编码算法的需求。为了使芯片能够通过无线的方式进行工作,我们设计了整流滤波电路、时钟和数据恢复电路。前端发送电路采用了C8051F410单片机芯片和EM4094芯片搭建编码调制电路,通过线圈耦合的无线传输方式,利用同一对线圈进行能量和数据的传输,接收电路对信号进行整流滤波,获得电路工作所需的电源,并从信号中获得微电流刺激器芯片产生电脉冲所需要的时钟和数据帧,芯片根据数据帧包含的信息输出所需要的双相脉冲。 为了对刺激器芯片的性能进行测试,我们利用前端发送电路发送不同的数据帧,使刺激器芯片获得不同的脉冲幅度、宽度等参数,从而获得了刺激器芯片在不同参数下输出的脉冲幅度和宽度。从实验的结果来看,输出的脉冲幅度和输入的参数有着良好的线性关系,输出的脉冲幅度范围在0-2mA之间,而输出的脉冲宽度较小,最大值约为62μs,限制了刺激器的刺激强度。


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