專(zhuān)利名稱(chēng)：基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體的說(shuō)，涉及的是一種基于電 刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，盲人對(duì)于改善生活和生存質(zhì)量的要求不斷提 高。大腦可塑性理論和感覺(jué)替代理論為視覺(jué)障礙人群的康復(fù)工程帶來(lái)希望人體 的各種感覺(jué)，例如視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等，可以相互替代。即當(dāng)主要感覺(jué)輸入通道 有障礙時(shí)，該障礙感覺(jué)通道皮層中的神經(jīng)元對(duì)來(lái)自其它感覺(jué)通道的信息輸入也有 反應(yīng)，因此可以采用其他感覺(jué)通道來(lái)代替受損的感覺(jué)通道向大腦輸入信息，進(jìn)而 提供一定程度的功能恢復(fù)。在上述理論的基礎(chǔ)上，科學(xué)家在此領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的
研究，試圖用觸覺(jué)來(lái)為有視覺(jué)障礙者傳遞圖像信息。觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)(Tactile Vision Substitution System, TVSS)就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。TVSS主要包 括圖像采集、圖像處理、刺激器和刺激電極陣列單元。其通過(guò)電刺激的形式將外 界圖像信息傳遞到大腦，產(chǎn)生類(lèi)似視覺(jué)的感覺(jué)，從而替代受損的視覺(jué)通路。TVSS 系統(tǒng)對(duì)視覺(jué)障礙人群的文字閱讀和出行導(dǎo)航能起到很大幫助作用，極大地改善這 一人群的生存和生活質(zhì)量。
經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索，國(guó)內(nèi)專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?00510094474.8、公開(kāi)號(hào) CN1744152)記錄了一種基于射流技術(shù)的觸覺(jué)圖文顯示裝置及顯示方法。它采用 射流刺激方式的觸覺(jué)顯示技術(shù)，將圖像和文字信息以人工觸覺(jué)的方式作用于操作 者的背部或腹部的大面積皮膚表面。其選用的背部或腹部刺激區(qū)域觸覺(jué)閾值高， 空間分辨率低，射流技術(shù)功耗較大。
美國(guó)專(zhuān)利US005091865A記錄了一種時(shí)間可調(diào)的圖形閱讀裝置。該裝置通過(guò) 光電轉(zhuǎn)化單元將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后傳遞給圖形顯示單元，通過(guò)機(jī)械剌激作
用于皮膚，使盲人能獲得一定的視覺(jué)信息。其中的光電轉(zhuǎn)化單元可設(shè)定閱讀圖形 的時(shí)間，從而控制轉(zhuǎn)換速率。該專(zhuān)利采用的機(jī)械刺激容易引起發(fā)熱和疼痛，高頻
振動(dòng)時(shí)噪聲比較大，功耗高，因磨損而壽命短，適用范圍有限。
另一美國(guó)專(zhuān)利US005878154A記載了一種用于舌頭的為視覺(jué)障礙人群提供圖 像信息的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)將攝像頭獲取到的圖像信息轉(zhuǎn)化為電刺激作用于舌 頭，通過(guò)舌頭識(shí)別圖像信息。其不足在于影響語(yǔ)言交流，不夠美觀，適用性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于電刺激的觸覺(jué)替代視覺(jué)的漢字閱 讀和圖像顯示系統(tǒng)，以彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為盲人或是弱視等視力障礙人群提 供文字閱讀和圖像識(shí)別。該系統(tǒng)將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的漢字和圖像信息通過(guò)電刺激作 用于盲人的手指，使其獲得一定的視覺(jué)信息，具有使用安全、舒適、功耗低、壽 命長(zhǎng)、攜帶方便等特點(diǎn)。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括圖像采集單元、圖像處理單 元、刺激器和刺激電極陣列單元，其中-
所述的圖像采集單元獲取的圖像信息，并將獲取的圖像信息傳遞給圖像處理 單元；
所述的圖像處理單元對(duì)獲取的圖像進(jìn)行圖像信息預(yù)校正，改善圖像質(zhì)量，然 后進(jìn)行圖像信息簡(jiǎn)化、增強(qiáng)、編碼處理，使獲取的圖像信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以提供 給刺激器；
所述的刺激器包括處理控制模塊、刺激電源模塊、手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊和電極驅(qū)動(dòng) 模塊。處理控制模塊與圖像處理單元通訊，對(duì)信息進(jìn)行分配，控制后端的電極驅(qū) 動(dòng)模塊，產(chǎn)生需要的刺激脈沖。手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊與處理控制模塊相連接，外設(shè)按鈕 輸入調(diào)節(jié)信息進(jìn)入手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊，手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊處理后將之輸送給處理控制模 塊，進(jìn)行刺激參數(shù)的調(diào)節(jié)。刺激電源模塊提供剌激脈沖相應(yīng)的刺激強(qiáng)度；
所述的刺激電極陣列單元將電刺激作用于用戶手指，產(chǎn)生觸覺(jué)，實(shí)現(xiàn)將視覺(jué) 信息通過(guò)觸覺(jué)感受器向大腦的傳遞。
所述的圖像處理單元包括數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、同 步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)、閃速存儲(chǔ)器(FLASH)和專(zhuān)用信息存儲(chǔ)器。圖像采集單 元采集到的原始的圖像信息存放在SDRAM中，DSP讀取存放在SDRAM中的數(shù)字圖 像信號(hào)進(jìn)行圖像簡(jiǎn)化、增強(qiáng)、編碼等處理，經(jīng)過(guò)圖像簡(jiǎn)化、增強(qiáng)處理后的圖像信 息存放在SDRAM中，經(jīng)過(guò)圖像壓縮編碼處理后的圖像編碼信息存放在專(zhuān)用信息存
儲(chǔ)器中，圖像處理策略的程序以及DSP對(duì)圖像傳感器等單元的控制程序存放在 FLASH中。
所述的處理控制模塊包括傳輸控制、信號(hào)分配電路和參數(shù)控制電路。參數(shù)控 制電路與手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊連接，接收手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊的指令，做出相應(yīng)的處理；傳輸 控制和信號(hào)分配電路連接電極驅(qū)動(dòng)模塊，控制電極驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生所需刺激電流。
所述的電極驅(qū)動(dòng)模塊包括多路復(fù)用和光電稱(chēng)合電路，多路復(fù)用前端連接處理 控制模塊，后端連接光電耦合電路，光電耦合電路后端連接電極陣列。多路復(fù)用 電路主要實(shí)現(xiàn)多路的刺激脈沖輸出，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和占據(jù)空間。光電耦合電 路隔絕刺激電源模塊與前端多路復(fù)用和處理控制模塊，以防止高壓損壞前端電 路。
所述的刺激電極陣列單元由導(dǎo)線和刺激電極陣列組成。電極具有抗腐蝕、穩(wěn) 定性好的特點(diǎn)。刺激電極將電刺激作用于用戶手指，產(chǎn)生觸覺(jué)，實(shí)現(xiàn)將視覺(jué)信息 通過(guò)觸覺(jué)感受器向大腦的傳遞。
本發(fā)明利用電刺激的觸覺(jué)顯示技術(shù)，將文字和圖像信息以人工觸覺(jué)的方式作 用于視覺(jué)障礙人群的手指，使用戶通過(guò)觸覺(jué)感受到圖像文字等視覺(jué)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì) 周?chē)h(huán)境的感知。相對(duì)于己有的方案的優(yōu)勢(shì)在于1、采用微型圖像采集裝置， 它易于計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)、單片機(jī)等連接通訊，且功耗低，尺寸
小。2、刺激電源模塊可根據(jù)需要釆用電壓源或電流源，適應(yīng)不同需求。3、增加 手動(dòng)調(diào)節(jié)電路，實(shí)現(xiàn)刺激參數(shù)的用戶可控，滿足不同人群的要求。4、刺激電極
陣列可選用柔性材料或印刷電路板，適用于人體不同部位。
本發(fā)明的系統(tǒng)功能完備，能滿足視覺(jué)障礙人群的文字閱讀和圖像識(shí)別需求， 實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)對(duì)視覺(jué)功能的替代。本發(fā)明對(duì)提高我國(guó)視覺(jué)功能障礙人群的生活質(zhì)量， 降低社會(huì)負(fù)擔(dān)具有重要意義。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)構(gòu)成框圖2為本發(fā)明的圖像處理單元的構(gòu)成框圖3為本發(fā)明的刺激器的構(gòu)成框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案
為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1所示，本實(shí)施例包括圖像采集單元、圖像處理單元、刺激器和刺激電 極陣列。其中，圖像采集單元獲取圖像信息，并將此信息傳遞給圖像處理單元， 圖像處理單元對(duì)圖像信息進(jìn)行處理、編碼成電信號(hào)，再傳遞給刺激器產(chǎn)生電刺激 脈沖，然后通過(guò)電極陣列作用于皮膚感受器。
如圖2所示，本實(shí)施例中的圖像采集單元是一個(gè)微型圖像傳感器，可以選 擇CMOS或是CCD。 CMOS圖像傳感器的最大優(yōu)勢(shì)在于與DSP等其它器件的親和性， 較容易地做成單芯片系統(tǒng)，并且功耗較低。而CCD圖像傳感器的優(yōu)勢(shì)在于獲取圖
像噪聲小，靈敏度高。
如圖2所示，本實(shí)施例中的圖像處理單元包括數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)、模 擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)、閃速存儲(chǔ)器(FLASH)和專(zhuān)用信息存 儲(chǔ)器。DSP接收?qǐng)D像采集單元采集到的原始的圖像信息并將其存放在SDRAM中；DSP 讀取存放在SDRAM中的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行圖像簡(jiǎn)化、增強(qiáng)、編碼等處理，將經(jīng)過(guò) 圖像簡(jiǎn)化、增強(qiáng)處理后的圖像信息存放在SDRAM中，同時(shí)，將經(jīng)過(guò)圖像壓縮編碼 處理后的圖像編碼信息(即刺激點(diǎn)位置信息)存放在專(zhuān)用信息存儲(chǔ)器中。
所述的數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)是圖像處理模塊的主芯片，與前端的微型 圖像傳感器通訊，與圖像處理模塊中的FLASH、 SDRAM連接。前端圖像采集單元的 微型圖像傳感器將獲取的圖像信號(hào)輸入圖像處理模塊，存放在SDRAM中；DSP讀取 存放在SDRAM中的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行圖像簡(jiǎn)化、增強(qiáng)、編碼等處理，將經(jīng)過(guò)理后 的圖像信息存放在SDRAM中。
所述的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器與前端圖像采集單元采用的CCD圖像傳感器連接，主 要負(fù)責(zé)將CCD采集到的模擬圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息，并將其存放在SDRAM 中。該模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)前端圖像采集單元的CMOS或CCD圖像傳感器的兼容。
所述的同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(SDRAM)與DSP連接，主要用來(lái)存儲(chǔ)圖像采集模塊獲 取的圖像信息以及經(jīng)過(guò)DSP圖像簡(jiǎn)化、圖像增強(qiáng)處理后的圖像信息。
所述的閃速存儲(chǔ)器(FLASH)與DSP連接，主要存儲(chǔ)用于圖像處理策略的程序 以及DSP對(duì)圖像傳感器等單元的控制程序。
所述的專(zhuān)用信息存儲(chǔ)器主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)經(jīng)DSP處理后的圖像編碼信息。
如圖3所示，本實(shí)施例中的刺激器包括處理控制模塊、刺激電源模塊、手動(dòng) 調(diào)節(jié)模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊。處理控制模塊與前端的圖像處理單元通訊，接收DSP 處理后的圖像編碼信息；處理控制模塊接收手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊的刺激參數(shù)調(diào)節(jié)信息， 將刺激信息傳遞給電極驅(qū)動(dòng)模塊，控制產(chǎn)生刺激電流。
所述的處理控制模塊主要用高級(jí)精簡(jiǎn)指令集微處理器(ARM)實(shí)現(xiàn)其功能。
參數(shù)控制模塊包括傳輸控制、信號(hào)分配和參數(shù)控制電路。參數(shù)控制電路接收手動(dòng) 調(diào)節(jié)模塊的指令，做出相應(yīng)的處理；根據(jù)圖像處理單元獲得的刺激信息，傳輸控 制和信號(hào)分配電路分別將刺激數(shù)據(jù)傳遞給后端電極驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生滿足所需參數(shù) 要求(刺激脈沖波形、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖頻率以及脈沖序列中的脈沖數(shù)目等) 的刺激脈沖。
所述的手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊接收用戶的手動(dòng)調(diào)節(jié)指令，包括對(duì)脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖 頻率以及脈沖序列中的脈沖數(shù)目的調(diào)節(jié)。手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊與處理控制模塊的參數(shù)控 制電路連接，外設(shè)按鈕輸入調(diào)節(jié)信息，手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊將調(diào)節(jié)信息處理后傳遞給處 理控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)剌激脈沖的調(diào)節(jié)。
所述的電極驅(qū)動(dòng)模塊包括多路復(fù)用和光電耦合電路。其中，多路復(fù)用前端與 處理控制模塊連接，后端與光電耦合電路連接。多路復(fù)用主要實(shí)現(xiàn)200-300路的 刺激脈沖輸出，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和占據(jù)空間。光電耦合電路連接刺激電源模塊， 其在多路復(fù)用的輸出控制下，實(shí)現(xiàn)刺激電壓或電流的輸出，同時(shí)隔絕刺激電源模 塊與前端多路復(fù)用和處理控制模塊，以防止高壓損壞前端電路。
所述的刺激電源模塊包括恒流源或是恒壓源，可根據(jù)不同的刺激需求選擇相 應(yīng)的刺激電源。刺激電源模塊與多路光電耦合電路連接，通過(guò)多路復(fù)用的選擇， 實(shí)現(xiàn)相應(yīng)刺激通道輸出一定幅值的刺激脈沖。
本實(shí)施例中的刺激電極陣列單元由導(dǎo)線和剌激電極陣列組成。刺激電極采用 半球型突起的電極，電極的直徑約為的0.8-1.Omm，電極之間的間隔約為 2.0-3.0mm之間。導(dǎo)線上面覆蓋絕緣層。電極陣列基底可以選用柔性材料，或者 制為印刷電路板。電極材料選擇導(dǎo)電性能良好的金屬，例如銅或不銹鋼等，表面 鍍一層惰性金屬。刺激電極數(shù)與前端電極驅(qū)動(dòng)單元的輸出通道數(shù)量匹配。電極陣 列與刺激器的接口采用可插拔式接口 ，便于不同類(lèi)型的電極陣列共用一套前端驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1、一種基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)，其特征在于包括圖像采集單元、圖像處理單元、刺激器和刺激電極陣列單元，其中所述的圖像采集單元獲取的圖像信息，并將獲取的圖像信息傳遞給圖像處理單元；所述的圖像處理單元對(duì)獲取的圖像進(jìn)行圖像信息預(yù)校正，改善圖像質(zhì)量，然后進(jìn)行圖像信息簡(jiǎn)化、增強(qiáng)、編碼處理，使獲取的圖像信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以提供給刺激器；所述的刺激器包括處理控制模塊、刺激電源模塊、手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊和電極驅(qū)動(dòng)模塊，處理控制模塊與圖像處理單元通訊，對(duì)信息進(jìn)行分配，控制后端的電極驅(qū)動(dòng)模塊，產(chǎn)生需要的刺激脈沖，手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊與處理控制模塊相連接，外設(shè)按鈕輸入調(diào)節(jié)信息進(jìn)入手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊，手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊處理后將之輸送給處理控制模塊，進(jìn)行刺激參數(shù)的調(diào)節(jié)，刺激電源模塊提供刺激脈沖相應(yīng)的刺激強(qiáng)度；所述的刺激電極陣列單元將電刺激作用于用戶手指，產(chǎn)生觸覺(jué)，實(shí)現(xiàn)將視覺(jué)信息通過(guò)觸覺(jué)感受器向大腦的傳遞。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)，其特征是，所 述的圖像處理單元包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、 閃速存儲(chǔ)器和專(zhuān)用信息存儲(chǔ)器，圖像采集單元采集到的原始的圖像信息存放在同 步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中，數(shù)字信號(hào)處理芯片讀取存放在同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中的數(shù)字圖像信 號(hào)進(jìn)行圖像簡(jiǎn)化、增強(qiáng)、編碼等處理，經(jīng)過(guò)圖像簡(jiǎn)化、增強(qiáng)處理后的圖像信息存 放在同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器中，經(jīng)過(guò)圖像壓縮編碼處理后的圖像編碼信息存放在專(zhuān)用信 息存儲(chǔ)器中，圖像處理策略的程序以及數(shù)字信號(hào)處理芯片對(duì)圖像傳感器的控制程 序存放在閃速存儲(chǔ)器中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)，其特征是，所 述的處理控制模塊包括傳輸控制、信號(hào)分配和參數(shù)控制電路，參數(shù)控制電路與手 動(dòng)調(diào)節(jié)模塊連接，接收手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊的指令，做出相應(yīng)的處理；傳輸控制和信號(hào) 分配電路連接電極驅(qū)動(dòng)模塊，控制電極驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生所需刺激電流。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)，其特征是，所 述的電極驅(qū)動(dòng)模塊包括多路復(fù)用和光電耦合電路，多路復(fù)用前端連接處理控制模 塊，后端連接光電耦合電路，光電耦合電路后端連接電極陣列，多路復(fù)用電路主 要實(shí)現(xiàn)多路的剌激脈沖輸出，光電耦合電路隔絕刺激電源模塊與前端多路復(fù)用和 處理控制模塊，以防止高壓損壞前端電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)，其特征是，所 述的刺激電極陣列單元前端連接電極驅(qū)動(dòng)模塊，直接作用于人體皮膚產(chǎn)生電觸 覺(jué)，電極陣列與電極驅(qū)動(dòng)模塊的接口采用可插拔式接口。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)，其特征是， 所述的刺激電極為半球型突起的電極，電極的直徑為0. 8 mm -1. 0mra,電極之間 的間隔為2.0-2. 5mm之間
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)，其特征是， 所述刺激電極材料選擇導(dǎo)電性能良好的金屬，表面鍍一層惰性金屬。
全文摘要
一種醫(yī)用器械技術(shù)領(lǐng)域的基于電刺激的觸覺(jué)-視覺(jué)替代系統(tǒng)。本發(fā)明中，圖像采集單元將獲取的文字和圖像信息傳遞給圖像處理單元；圖像處理單元對(duì)獲取的圖像進(jìn)行圖像信息預(yù)校正，改善圖像質(zhì)量，然后進(jìn)行圖像信息簡(jiǎn)化、增強(qiáng)、編碼處理，使獲取的圖像信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)以提供給刺激器；刺激器根據(jù)圖像處理單元的刺激信息控制產(chǎn)生多路一定要求的刺激脈沖，通過(guò)刺激電極陣列作用于人體皮膚，產(chǎn)生觸覺(jué)，并且刺激器為用戶提供一定的調(diào)節(jié)功能。
文檔編號(hào)A61F9/08GK101390789SQ200810200430
公開(kāi)日2009年3月25日 申請(qǐng)日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者任秋實(shí), 劉胡煒, 張竹茂, 柴新禹, 陸燕玉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)