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人造视网膜(Retinal Prosthesis)技术用于恢复因视网膜疾病(如视网膜色素变性(Retinitis Pigmentosa:RP)或年龄相关性黄斑病变(Age-related MacularDegeneration:AMD)而丧失视觉的失明人士的部分视觉,使其获得基木的视力,能够大致分辨物体,以改善视觉障碍者的日常生活质量。近年来,随着数字信号处理理论、微电子技术以及眼科手术学的不断发展,人造视网膜技术临床应用于失明者的可行性逐渐提高。但是,该技术仍然面临着巨大的技术挑战,如:如何构建视网膜对电刺激响应的模型以探索更为有效的视网膜神经刺激方式;如何利用实时有效的眼外图像处理方法提高电刺激模式下的视网膜成像质量;如何提高眼外对眼内植入芯片的能量供应;如何降低眼内微刺激器芯片的功耗以尽量减小对人眼的损伤;如何利用先进的微封装技术保证植入芯片在眼内环境的长期有效工作等。这些技术挑战很大程度上制约了人造视网膜技术的临床应用。
本论文首先对人造视网膜技术的发展现状进行了综述,基于目前主流的外层型人造视网膜系统方案,提出了本论义的人造视网膜系统实现框架及各个功能模块的参考设计方案,并重点对该系统中的无线数据传输方案和植入微刺激器模块的设计进行了研究,本论文的重点工作具体如下:
(1)系统框架设计。搭建了外层型人造视网膜的系统框架,并提出了外层型系统中各个功能模块的参考设计方案,重点提出了无线数据传输和微刺激器模块的设计指标。
(2)无线数据传输的设计。本系统选择了电感耦合式无线传输方案,基于此无线传输方案,土要对无线数据传输方案进行详细设计,对两种无线数据调制方案进行了比较研究和仿真实现,并确定FSK为本系统的调制方案。通过硬件测试实验对电感耦合式无线传输方案实现了功能验征。
(3)植入微刺激器模块的设计。本论文提出一种4×4植入微刺激器模块的框架结构并进行了仿真实现。基于植入芯片的无线供能面临的挑战,本论文提出了一种微刺激器模块的双阶段控制时序的内部产生方法,减少了眼外必须传输的数据量,从而在一定程度上减小了高数据率与高能量传输效率的矛盾;设计并优化了微刺激器的输出驱动电路结构,提高了微刺激器的输出阻抗,由此提高了其生物适应性;通过引入了一种电荷平衡机制,解决了植入芯片的电荷积累效应,从而提高了微刺激器模块的生物安全性。