專利名稱：植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬 于生物醫(yī)電領(lǐng)域，涉及一種修復(fù)盲人視覺(jué)功能的植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器。
背景技術(shù)：
據(jù)世界衛(wèi)生組織報(bào)告，全球視覺(jué)殘疾患者約有I. 4億，其中盲人4500萬(wàn)。中國(guó)是全世界盲人最多的國(guó)家，視力殘疾患者近1300萬(wàn)，其中盲人約550萬(wàn)。近年來(lái)，全世界科學(xué)家正在致力于研究、探索用視覺(jué)假體替代視網(wǎng)膜功能來(lái)修復(fù)視覺(jué)功能的有效手段。其原理是利用視覺(jué)假體采集外界圖像信息，進(jìn)行編碼處理，通過(guò)微電流刺激器對(duì)視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)作用，從而在神經(jīng)中樞產(chǎn)生視覺(jué)感受，即光幻視，使盲人恢復(fù)視力?；诓煌ぷ髟淼闹踩胧揭曈X(jué)假體種類很多，但其基本組成部分大體相同，主要包括體外信息收集部分和信號(hào)處理部分；體內(nèi)神經(jīng)刺激器與電極部分；其間通過(guò)射頻無(wú)線傳輸進(jìn)行信號(hào)與能量傳遞。為了實(shí)現(xiàn)體內(nèi)、外的能量和信號(hào)無(wú)線傳輸，傳統(tǒng)的方法采用雙線圈耦合，能量和數(shù)據(jù)通過(guò)各自的線圈采用不同頻率的載波進(jìn)行傳輸。該方法一方面勢(shì)必會(huì)增加體內(nèi)植入部分的體積；另一方面雙線圈之間存在互感干擾，影響傳輸效果。為克服雙線圈傳輸弊端，一些研究團(tuán)隊(duì)采用單線圈同頻率載波傳遞能量和信號(hào)。但是，新的問(wèn)題又隨之出現(xiàn)對(duì)于皮膚和生物組織作為信道的無(wú)線傳輸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高頻載波被皮膚和生物組織吸收明顯，因此，要實(shí)現(xiàn)能量的高效率傳輸，希望采用較低的頻率來(lái)傳輸能量；而對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)，為了獲得高質(zhì)量高分辨率視覺(jué)效果，必須提高數(shù)據(jù)傳輸速率，希望采用較高的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的數(shù)據(jù)傳輸速率與能量傳輸效率之間的矛盾。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，包括將外部圖像信息采集、處理、調(diào)制、發(fā)射和存儲(chǔ)的體外模塊，接收體外模塊發(fā)送的能量和數(shù)據(jù)信息且通過(guò)微電流刺激器芯片驅(qū)動(dòng)電極刺激視神經(jīng)的體內(nèi)植入模塊，及由所述體外模塊向所述體內(nèi)植入模塊傳輸能量和信號(hào)的無(wú)線射頻經(jīng)皮信道；所述體外模塊包括高階調(diào)制電路，所述微電流刺激器芯片包含模數(shù)混合高階解調(diào)電路。所述體外模塊依次由CMOS攝像頭、視頻解碼電路、DSP處理器、高階調(diào)制電路、射頻發(fā)送電路以及存儲(chǔ)單元連接組成；所述CMOS攝像頭采集外部原始圖像，經(jīng)所述視頻解碼電路處理后將轉(zhuǎn)換的圖像數(shù)據(jù)傳送給所述DSP處理器，所述DSP處理器再將采集的圖像數(shù)據(jù)緩存在所述存儲(chǔ)單元中，經(jīng)所述高階調(diào)制電路對(duì)DSP處理器處理過(guò)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制，最后由所述射頻發(fā)送電路通過(guò)射頻通信經(jīng)皮通道向所述體內(nèi)植入模塊同時(shí)傳輸能量和圖像數(shù)據(jù)。所述體內(nèi)植入模塊包含能量接收電路、數(shù)據(jù)接收電路、整流濾波穩(wěn)壓電路、微電流刺激芯片和電極；所述能量接收電路和整流濾波穩(wěn)壓電路向所述微電流刺激器芯片提供工作所需電壓，所述數(shù)據(jù)接收電路接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)信號(hào)并生成信號(hào)傳輸給所述微電流刺激器芯片，所述微電流刺激器芯片將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電極刺激視神經(jīng)使盲人患者產(chǎn)生光幻視。所述微電流刺激器芯片還包括電壓調(diào)整器、數(shù)字控制電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電荷消除電路、以及正負(fù)相電流脈沖產(chǎn)生電路。所述模數(shù)混合高階解調(diào)電路包括采樣保持電路、由神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的混頻電路、匹配濾波電路、差分譯碼器、幅度和相位判決器；輸入信號(hào)經(jīng)所述采樣保持電路后無(wú)需量化，直接與所述載波Cos ω Jdin ω J產(chǎn)生電路產(chǎn)生的載波經(jīng)由所述神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的混頻電路進(jìn)行模擬混頻，再經(jīng)所述神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的匹配濾波電路濾除高頻信號(hào)之后由所述神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的差分譯碼器完成差分譯碼，最后采用所述神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的幅度和相位判決器進(jìn)行幅度和相位判決，輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字解調(diào)信號(hào)。本發(fā)明具有如下有益效果 I、本發(fā)明利用高階體制電路解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的數(shù)據(jù)的高傳輸速率、能量的高效傳輸和線圈體積三者之間的矛盾，在減小無(wú)線傳輸線圈體積的前提下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高傳輸速率和能量的高效傳輸兩方面性能的同時(shí)優(yōu)化。2、高階調(diào)制技術(shù)的引入，勢(shì)必會(huì)增加解調(diào)電路的復(fù)雜度和功耗，這是視覺(jué)假體微電流刺激器所不希望的，本發(fā)明采用模數(shù)混合解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)低功耗的芯片電路，通過(guò)低功耗模數(shù)混合解調(diào)電路，在接收端解調(diào)出差分幅值和相位，最終映射出調(diào)制的數(shù)據(jù)。3、本發(fā)明采用低功耗模數(shù)混合解調(diào)，減少了器件數(shù)目，降低了電路功耗，實(shí)現(xiàn)了低載波頻率下高效能量傳輸和高速數(shù)據(jù)傳輸。


圖I是本發(fā)明視覺(jué)假體的系統(tǒng)框圖；圖2是本發(fā)明微電流刺激器芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本發(fā)明模數(shù)混合高階解調(diào)電路原理框圖；圖中，I.體外模塊，2.體內(nèi)植入模塊，3.射頻通信經(jīng)皮通道，4. CMOS攝像頭，5.視頻解碼電路，6. DSP處理器，7.高階調(diào)制電路，8.射頻發(fā)送電路，9.存儲(chǔ)單元，10.能量接收電路,11.整流濾波穩(wěn)壓電路，12.數(shù)據(jù)接收電路,13.微電流刺激器芯片，14.電極，15.電壓調(diào)整器16.模數(shù)混合高階解調(diào)電路，17.數(shù)字控制電路，18.數(shù)模轉(zhuǎn)換器，19.電荷消除電路，20.正負(fù)相電流脈沖產(chǎn)生電路，21.采樣保持電路，22.載波Cos Coj產(chǎn)生電路，23.載波Sin ω ct產(chǎn)生電路，24.神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的混頻電路，25.神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的匹配濾波電路，26.神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的差分譯碼器，27.神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的幅度和相位判決器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。植入式視覺(jué)假體神經(jīng)(微電流)刺激器。如圖I所示，由體外模塊I、體內(nèi)植入模塊2和射頻通信經(jīng)皮通道3組成。體外模塊I包括CMOS攝像頭4、視頻解碼電路5、DSP處理器6、高階調(diào)制電路(MDAPSK)7、射頻發(fā)射電路8和存儲(chǔ)單元(SDRAM)9。CMOS攝像頭4采集外部原始圖像，經(jīng)視頻解碼電路5處理后將轉(zhuǎn)換的圖像數(shù)據(jù)傳送給DSP處理器6，DSP處理器6再將采集的圖像數(shù)據(jù)緩存在存儲(chǔ)單元(SDRAM)9中，經(jīng)高階調(diào)制電路(MDAPSK)7調(diào)制后由射頻發(fā)送電路8通過(guò)射頻通信經(jīng)皮通道3向體內(nèi)植入模塊2同時(shí)傳輸能量和圖像數(shù)據(jù)。體內(nèi)植入模塊2包括能量接收電路10、整流濾波穩(wěn)壓電路11、數(shù)據(jù)接收電路12、微電流刺激器芯片13和若干電極14。能量接收電路10和隨后的整流濾波穩(wěn)壓電路11負(fù)責(zé)向微電流刺激器芯片13提供工作所需電壓VDD，數(shù)據(jù)接收電路12負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)信號(hào)并生成信號(hào)Vsig傳輸給微電流 刺激器芯片13。微電流刺激器芯片13將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電極14刺激視神經(jīng)使盲人患者產(chǎn)生光幻視。微電流刺激器芯片13內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是一個(gè)模數(shù)混合集成電路，包含電壓調(diào)整器15，模數(shù)混合高階解調(diào)電路16，數(shù)字控制電路17，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 18，電荷消除電路19以及正負(fù)相電流脈沖產(chǎn)生電路20?？紤]到經(jīng)皮信道中皮膚和生物組織對(duì)無(wú)線射頻傳輸信號(hào)的影響，利用高階調(diào)制電路(MDAPSK) 7解決視覺(jué)假體微電流刺激器中數(shù)據(jù)的高傳輸速率、能量的高效傳輸和線圈體積三者的矛盾。然而，高階調(diào)制技術(shù)的引入，勢(shì)必會(huì)增加調(diào)制解調(diào)電路的復(fù)雜度和功耗，這是視覺(jué)假體微電流刺激器所不希望的，因此本發(fā)明特將由神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的模數(shù)混合電路結(jié)構(gòu)應(yīng)用到高階解調(diào)電路16中從而實(shí)現(xiàn)低功耗芯片電路設(shè)計(jì)，模數(shù)混合高階解調(diào)電路內(nèi)部原理框圖如圖3所示，包括采樣保持電路21，載波Cos ω J產(chǎn)生電路22，載波Sin ω J產(chǎn)生電路23，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的混頻電路24，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的匹配濾波電路25，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的差分譯碼器26，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的幅度和相位判決器27。輸入信號(hào)經(jīng)采樣保持電路21后無(wú)需量化，直接與載波Coso^t產(chǎn)生電路22、載波Sin GJj產(chǎn)生電路23產(chǎn)生的載波經(jīng)由神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的混頻電路24模擬混頻，經(jīng)神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的匹配濾波電路25濾除高頻信號(hào)之后由神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的差分譯碼器26完成差分譯碼，最后采用神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的幅度和相位判決器27進(jìn)行幅度和相位判決，輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字解調(diào)信號(hào)采用由神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的模數(shù)混合解調(diào)電路(16)，可以省去A/D變換器，同時(shí)用離散模擬量的運(yùn)算代替復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法，將大量節(jié)省電路元件數(shù)目，降低電路功耗，為低功耗的高階解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)提供一種新的途徑。
權(quán)利要求
1.植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，其特征在于包括將外部圖像信息采集、處理、調(diào)制、發(fā)射和存儲(chǔ)的體外模塊(1)，接收體外模塊(I)發(fā)送的能量和數(shù)據(jù)信息且通過(guò)微電流刺激器芯片(13)驅(qū)動(dòng)電極刺激視神經(jīng)的體內(nèi)植入模塊(2)，及由體外模塊(I)向體內(nèi)植入模塊(2)傳輸能量和信號(hào)的無(wú)線射頻經(jīng)皮信道(3);所述體外模塊(I)包括高階調(diào)制電路(7)，所述微電流刺激器芯片(13 )包含模數(shù)混合高階解調(diào)電路(16 )。
2.如權(quán)利要求I所述的植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，其特征在于所述體外模塊(I)依次由CMOS攝像頭(4)、視頻解碼電路(5)、DSP處理器(6)、高階調(diào)制電路(7)、射頻發(fā)送電路(8)以及存儲(chǔ)單元(9)連接組成；所述CMOS攝像頭(4)采集外部原始圖像，經(jīng)所述視頻解碼電路(5 )處理后將轉(zhuǎn)換的圖像數(shù)據(jù)傳送給所述DSP處理器(6 )，所述DSP處理器(6 )再將采集的圖像數(shù)據(jù)緩存在所述存儲(chǔ)單元(9)中，經(jīng)所述高階調(diào)制電路(7)對(duì)DSP處理器已處理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制，最后由所述射頻發(fā)送電路(8)通過(guò)射頻通信經(jīng)皮通道(3)向所述體內(nèi)植入模塊(2)同時(shí)傳輸能量和圖像數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，其特征在于所述體內(nèi)植入模塊(2)包含能量接收電路(10)、數(shù)據(jù)接收電路(12)、整流濾波穩(wěn)壓電路(11)、所述微電流刺激芯片(13)和電極(14);所述能量接收電路(10)和整流濾波穩(wěn)壓電路(11)向所述微電流刺激器芯片(13)提供工作所需電壓，所述數(shù)據(jù)接收電路(12)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)信號(hào)并生成信號(hào)傳輸給所述微電流刺激器芯片(13)，所述微電流刺激器芯片(13)將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電極(14)刺激視神經(jīng)使盲人患者產(chǎn)生光幻視。
4.如權(quán)利要求I或2所述的植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，其特征在于所述微電流刺激器芯片還包括電壓調(diào)整器(15)、數(shù)字控制電路(17)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(18)、電荷消除電路(19)及正負(fù)相電流脈沖產(chǎn)生電路(20)。
5.如權(quán)利要求I或2所述的植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，其特征在于所述模數(shù)混合高階解調(diào)電路(16)包括采樣保持電路(21 )、載波Cos ω J產(chǎn)生電路(22)，載波Sin ω J產(chǎn)生電路(23)，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的混頻電路(24)，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的匹配濾波電路(25)，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的差分譯碼器(26)，神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的幅度和相位判決器(27);輸入數(shù)據(jù)經(jīng)所述采樣保持電路(21)后無(wú)需量化，直接與載波Coso^t產(chǎn)生電路(22)、載波Sinco產(chǎn)生電路(23)產(chǎn)生的載波經(jīng)由神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的混頻電路(24)模擬混頻，經(jīng)神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的匹配濾波電路(25)濾除高頻信號(hào)之后由神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的差分譯碼器(26)完成差分譯碼，最后采用神經(jīng)元MOS器件構(gòu)成的幅度和相位判決器(27)進(jìn)行幅度和相位判決，輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字解調(diào)信號(hào)(D1^-Dci)。
全文摘要
植入式視覺(jué)假體神經(jīng)刺激器，包括將外部圖像信息采集、處理、調(diào)制、發(fā)射和存儲(chǔ)的體外模塊，接收體外模塊發(fā)送的能量和數(shù)據(jù)信息且通過(guò)微電流刺激器芯片驅(qū)動(dòng)電極刺激視神經(jīng)的體內(nèi)植入模塊及由所述體外模塊向所述體內(nèi)植入模塊傳輸能量和信號(hào)的無(wú)線射頻經(jīng)皮信道；所述體外模塊包括高階調(diào)制電路，所述微電流刺激器芯片包含模數(shù)混合高階解調(diào)電路。本發(fā)明利用高階體制電路解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的數(shù)據(jù)的高傳輸速率、能量的高效傳輸和線圈體積三者之間的矛盾，在減小無(wú)線傳輸線圈體積的前提下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高傳輸速率和能量的高效傳輸兩方面性能的同時(shí)優(yōu)化。
文檔編號(hào)A61N1/36GK102921103SQ201210402679
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月19日
發(fā)明者楊媛, 李學(xué)平, 高勇 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)