视觉假体中视神经刺激器微电极驱动系统的研究

论文摘要

据世界卫生组织2002年报告,全球视觉残疾1.4亿,其中4500万为盲人。我国约有550万盲人。致盲的原因有多种,在视觉通路上任何一段:视网膜,视神经,视皮层等的损伤都会导致失明。通过神经电刺激视觉通路中各段可以产生视觉感觉,也被称为光幻视,它能够传递有限但是十分重要的视觉信息,帮助盲人恢复基本视觉。本篇论文提出一种适用于视神经刺激视觉假体的植入式多通道可编程神经刺激器的系统设计。本文的研究内容包括:第一,神经电刺激理论的研究:对视神经刺激参数进行需求分析与设计,为视神经刺激器中微电极驱动系统提供设计依据与参数,并建立适用于视神经刺激的模型;第二,可编程神经刺激器的研究:它是视觉假体的核心装置,按照其实现方式不同,在两个层面上提出微电极驱动电路的设计方案——(1)采用模拟集成电路,使用CMOS器件构造微电极驱动电路;(2)采用分立元器件:数字模拟转换集成电路、压流转换集成电路和模拟开关等器件,构成微电极驱动电路。视神经刺激器能够实现将CMOS摄像机拍摄的图像信息转化为用于有效刺激视神经的电刺激信号,即在数字控制端控制下,微电极驱动系统可以产生多路电荷平衡的双相微电流脉冲,脉冲幅值范围10μA至1 mA,脉冲宽度为20μsec至400μsec,脉冲频率在350 Hz以内。本研究的创新之处在于采用新的神经电刺激方法,即螺旋袖口式穿刺电极阵列植入视神经位于颅外眶内段的部分。这种刺激方法的主要优点是:(1)避免开颅,可降低手术风险;(2)可以校正视觉通路前端的功能障碍;(3)可以覆盖整个视野范围。主要难点是要研究视觉形成和传导机理及视觉信息编码方式,并通过信号处理实现上述功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 人工视觉
• 1.1.1 视觉修复的基础研究
• 1.1.2 视觉假体及其分类
• 1.2 神经刺激器的研究现状
• 1.3 研究意义与前景
• 1.4 本文的研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 本文的研究内容
• 2 视神经刺激的生理研究与刺激参数需求分析
• 2.1 视神经刺激的生理学基础
• 2.2 视神经生理学概述及微电极植入生理学考虑
• 2.2.1 视路
• 2.2.2 视网膜
• 2.2.3 视神经
• 2.2.4 拓扑分布
• 2.3 视神经刺激法
• 2.4 视神经刺激参数需求分析与设计
• 2.4.1 视神经刺激参数需求分析
• 2.4.2 视神经刺激参数设计
• 2.4.3 视神经刺激模型
• 2.5 本章小结
• 3 视觉假体中视神经刺激器的设计
• 3.1 视觉假体的基本组成
• 3.2 视觉假体中神经刺激器的总体设计
• 3.3 视神经刺激器微电极驱动系统的设计
• 3.4 视神经刺激器处理与控制部分的设计
• 3.5 本章小结
• 4 视神经刺激器微电极驱动系统的设计
• 4.1 采用CMOS 器件的植入式微电极驱动系统设计
• 4.1.1 系统设计
• 4.1.2 数字模拟转换DAC
• 4.1.3 基本镜像电流源（电流镜）与双极性电流的产生
• 4.1.4 可变电流放大倍数
• 4.1.5 电荷消除电路
• 4.1.6 多路复用与分时刺激
• 4.2 采用分立元器件的多通道程控微电极驱动系统设计
• 4.2.1 系统设计
• 4.2.2 数字模拟转换电路
• 4.2.3 双极性电压产生及压流转换电路
• 4.2.4 控制与选择开关电路
• 4.2.5 系统集成
• 4.3 本章小结
• 5 视神经刺激器微电极驱动系统电路的仿真测试
• 5.1 仿真方法概述
• 5.1.1 电路仿真简介
• 5.1.2 PSPICE 软件简介
• 5.2 采用CMOS 器件的植入式微电极驱动系统的仿真结果
• 5.2.1 双极性幅值可变电流脉冲波形
• 5.2.2 电荷消除电路
• 5.2.3 多路复用与分时刺激
• 5.3 采用分立元器件的多通道程控微电极驱动系统的仿真结果
• 5.3.1 双极性电流脉冲序列
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 参考文献
• 附录 微电极驱动系统原理图
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文