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视觉假体装置模型建立及视觉信息处理研究

李晟  
【摘要】:由各种视网膜病变导致的视觉丧失已经成为影响人类生活质量最为严重的一种残疾。而随着信息科学、微电子技术和生物医学等学科的迅猛发展与交叉,视觉假体的研究使由于视网膜色素变性(Retinitis pigmentosa)和老年性黄斑病变(Age-related macular degeneration)等其它一些眼球、视网膜、视神经和视觉皮层病变与损伤所造成失明的视觉修复成为可能。然而由于人类视觉系统复杂的结构,要在有限密度的微电流刺激器电极阵列下,对失明患者进行视神经的脉冲电流刺激而使之产生相应的光幻视,就产生了客观世界的场景图像复杂,与有限的微电极刺激阵列之间的矛盾。此外,由于微电极刺激阵列的工艺限制,现阶段的视觉假体的视野修复范围非常有限,从而要求视觉假体装置具有像人眼那样按照人的意志灵活转动的功能。 为了解决上述问题,本文分别从最小视觉信息需求入手,开展了视觉假体装置建模与视觉信息的研究,设计了视觉假体装置眼动机构的生物、机械、电子一体化模型,并通过心理物理学实验进行评估验证。本文主要研究内容如下: (1)本文通过仿人眼视觉系统的结构与性能,进行视觉假体装置的综合设计,从仿生的角度出发,建立了简化的视觉假体装置眼动机构,可以根据人的眼球运动而运动。此外,从机器人学的角度出发,对视觉假体装置眼动机构进行运动学数学建模。从而揭示了我们建立的简化的视觉假体装置眼动机构的运动学规律,并研究基于图形特征对准的视觉位置信息获取算法,获取视觉假体视觉位置信息。 (2)由于视觉假体微电极受到制造工艺及手术上的限制,所植入视神经的刺激阵列有限,从而需要将微型摄像机拍摄的图像经过最小视觉信息聚类分割后提取边缘轮廓,将尽可能少但足够的视觉信息映射到微电机刺激阵列。因此,我们提出从最小视觉信息入手,研究针对解决上述问题的图像分割算法,获取视觉形状信息。 (3)本文针对实际的仿真假体视觉中的像素点表示,提出了基于心理物理学实验评估方法,构建了假体视觉的心理物理学实验平台,对实验结果进行了评估。基于心理物理学实验不但可以在正常人或者部分视力剩余的人群中开展,研究他们对于视觉假体植入者所感受到的视觉环境适应程度,而且还可以用来描述早期时间假体植入者所感知的现象,更好地真实评估我们提出的视觉信息处理方法的有效性。 (4)本文构建了半物理仿真假体视觉信息处理系统,展示了半物理仿真假体视觉信息处理系统的整体框架和各个子系统模块的作用及模拟过程。此外,该系统中的仿真光幻视心理物理学实验子系统也同时被用于我们心理物理学实验研究,评估我们所获得的仿真光幻视的视觉信息对人的影响。 上述研究工作的开展,将为视觉假体在信息处理与编码理论奠定基础,并为基于生物、机械、电子一体化的视觉假体的进一步设计提供了创新的设计思路。


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