專利名稱：植入式視覺假體神經(jīng)刺激器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬 于生物醫(yī)電領域，涉及一種修復盲人視覺功能的植入式視覺假體神經(jīng)刺激器。
背景技術：
據(jù)世界衛(wèi)生組織報告，全球視覺殘疾患者約有I. 4億，其中盲人4500萬。中國是全世界盲人最多的國家，視力殘疾患者近1300萬，其中盲人約550萬。近年來，全世界科學家正在致力于研究、探索用視覺假體替代視網(wǎng)膜功能來修復視覺功能的有效手段。其原理是利用視覺假體采集外界圖像信息，進行編碼處理，通過微電流刺激器對視覺神經(jīng)系統(tǒng)作用，從而在神經(jīng)中樞產(chǎn)生視覺感受，即光幻視，使盲人恢復視力?；诓煌ぷ髟淼闹踩胧揭曈X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處理部分；體內(nèi)神經(jīng)刺激器與電極部分；其間通過射頻無線傳輸進行信號與能量傳遞。為了實現(xiàn)體內(nèi)、外的能量和信號無線傳輸，傳統(tǒng)的方法采用雙線圈耦合，能量和數(shù)據(jù)通過各自的線圈采用不同頻率的載波進行傳輸。該方法一方面勢必會增加體內(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，一些研究團隊采用單線圈同頻率載波傳遞能量和信號。但是，新的問題又隨之出現(xiàn)對于皮膚和生物組織作為信道的無線傳輸系統(tǒng)來說，高頻載波被皮膚和生物組織吸收明顯，因此，要實現(xiàn)能量的高效率傳輸，希望采用較低的頻率來傳輸能量；而對于數(shù)據(jù)傳輸來說，為了獲得高質量高分辨率視覺效果，必須提高數(shù)據(jù)傳輸速率，希望采用較高的頻率進行數(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假體神經(jīng)刺激器，解決現(xiàn)有技術存在的數(shù)據(jù)傳輸速率與能量傳輸效率之間的矛盾。本發(fā)明所采用的技術方案是植入式視覺假體神經(jīng)刺激器，包括將外部圖像信息采集、處理、調制、發(fā)射和存儲的體外模塊，接收體外模塊發(fā)送的能量和數(shù)據(jù)信息且通過微電流刺激器芯片驅動電極刺激視神經(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的無線射頻經(jīng)皮信道；所述體外模塊包括高階調制電路，所述微電流刺激器芯片包含模數(shù)混合高階解調電路。所述體外模塊依次由CMOS攝像頭、視頻解碼電路、DSP處理器、高階調制電路、射頻發(fā)送電路以及存儲單元連接組成；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)緩存在所述存儲單元中，經(jīng)所述高階調制電路對DSP處理器處理過的數(shù)據(jù)信息進行調制，最后由所述射頻發(fā)送電路通過射頻通信經(jīng)皮通道向所述體內(nèi)植入模塊同時傳輸能量和圖像數(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)接收電路接收圖像數(shù)據(jù)信號并生成信號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轉換成相應的脈沖信號驅動電極刺激視神經(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整器、數(shù)字控制電路、數(shù)模轉換器、電荷消除電路、以及正負相電流脈沖產(chǎn)生電路。所述模數(shù)混合高階解調電路包括采樣保持電路、由神經(jīng)元MOS器件構成的混頻電路、匹配濾波電路、差分譯碼器、幅度和相位判決器；輸入信號經(jīng)所述采樣保持電路后無需量化，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器件構成的混頻電路進行模擬混頻，再經(jīng)所述神經(jīng)元MOS器件構成的匹配濾波電路濾除高頻信號之后由所述神經(jīng)元MOS器件構成的差分譯碼器完成差分譯碼，最后采用所述神經(jīng)元MOS器件構成的幅度和相位判決器進行幅度和相位判決，輸出對應的數(shù)字解調信號。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，在減小無線傳輸線圈體積的前提下，實現(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優(yōu)化。2、高階調制技術的引入，勢必會增加解調電路的復雜度和功耗，這是視覺假體微電流刺激器所不希望的，本發(fā)明采用模數(shù)混合解調電路實現(xiàn)低功耗的芯片電路，通過低功耗模數(shù)混合解調電路，在接收端解調出差分幅值和相位，最終映射出調制的數(shù)據(jù)。3、本發(fā)明采用低功耗模數(shù)混合解調，減少了器件數(shù)目，降低了電路功耗，實現(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)部結構框圖；圖3是本發(fā)明模數(shù)混合高階解調電路原理框圖；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.高階調制電路，8.射頻發(fā)送電路，9.存儲單元，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.電壓調整器16.模數(shù)混合高階解調電路，17.數(shù)字控制電路，18.數(shù)模轉換器，19.電荷消除電路，20.正負相電流脈沖產(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器件構成的混頻電路，25.神經(jīng)元MOS器件構成的匹配濾波電路，26.神經(jīng)元MOS器件構成的差分譯碼器，27.神經(jīng)元MOS器件構成的幅度和相位判決器。
具體實施例方式下面結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。植入式視覺假體神經(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、高階調制電路(MDAPSK)7、射頻發(fā)射電路8和存儲單元(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)緩存在存儲單元(SDRAM)9中，經(jīng)高階調制電路(MDAPSK)7調制后由射頻發(fā)送電路8通過射頻通信經(jīng)皮通道3向體內(nèi)植入模塊2同時傳輸能量和圖像數(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負責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負責接收圖像數(shù)據(jù)信號并生成信號Vsig傳輸給微電流 刺激器芯片13。微電流刺激器芯片13將接收到的信號轉換成相應的脈沖信號驅動電極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)部結構如圖2所示，它是一個模數(shù)混合集成電路，包含電壓調整器15，模數(shù)混合高階解調電路16，數(shù)字控制電路17，數(shù)模轉換器(DAC) 18，電荷消除電路19以及正負相電流脈沖產(chǎn)生電路20。考慮到經(jīng)皮信道中皮膚和生物組織對無線射頻傳輸信號的影響，利用高階調制電路(MDAPSK) 7解決視覺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，高階調制技術的引入，勢必會增加調制解調電路的復雜度和功耗，這是視覺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器件構成的模數(shù)混合電路結構應用到高階解調電路16中從而實現(xiàn)低功耗芯片電路設計，模數(shù)混合高階解調電路內(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器件構成的混頻電路24，神經(jīng)元MOS器件構成的匹配濾波電路25，神經(jīng)元MOS器件構成的差分譯碼器26，神經(jīng)元MOS器件構成的幅度和相位判決器27。輸入信號經(jīng)采樣保持電路21后無需量化，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器件構成的混頻電路24模擬混頻，經(jīng)神經(jīng)元MOS器件構成的匹配濾波電路25濾除高頻信號之后由神經(jīng)元MOS器件構成的差分譯碼器26完成差分譯碼，最后采用神經(jīng)元MOS器件構成的幅度和相位判決器27進行幅度和相位判決，輸出對應的數(shù)字解調信號采用由神經(jīng)元MOS器件構成的模數(shù)混合解調電路(16)，可以省去A/D變換器，同時用離散模擬量的運算代替復雜的數(shù)字信號處理算法，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電路實現(xiàn)提供一種新的途徑。
權利要求
1.植入式視覺假體神經(jīng)刺激器，其特征在于包括將外部圖像信息采集、處理、調制、發(fā)射和存儲的體外模塊(1)，接收體外模塊(I)發(fā)送的能量和數(shù)據(jù)信息且通過微電流刺激器芯片(13)驅動電極刺激視神經(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)傳輸能量和信號的無線射頻經(jīng)皮信道(3);所述體外模塊(I)包括高階調制電路(7)，所述微電流刺激器芯片(13 )包含模數(shù)混合高階解調電路(16 )。
2.如權利要求I所述的植入式視覺假體神經(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)、高階調制電路(7)、射頻發(fā)送電路(8)以及存儲單元(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)緩存在所述存儲單元(9)中，經(jīng)所述高階調制電路(7)對DSP處理器已處理數(shù)據(jù)信息進行調制，最后由所述射頻發(fā)送電路(8)通過射頻通信經(jīng)皮通道(3)向所述體內(nèi)植入模塊(2)同時傳輸能量和圖像數(shù)據(jù)。
3.如權利要求I或2所述的植入式視覺假體神經(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)接收圖像數(shù)據(jù)信號并生成信號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)將接收到的信號轉換成相應的脈沖信號驅動電極(14)刺激視神經(jīng)使盲人患者產(chǎn)生光幻視。
4.如權利要求I或2所述的植入式視覺假體神經(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整器(15)、數(shù)字控制電路(17)、數(shù)模轉換器(18)、電荷消除電路(19)及正負相電流脈沖產(chǎn)生電路(20)。
5.如權利要求I或2所述的植入式視覺假體神經(jīng)刺激器，其特征在于所述模數(shù)混合高階解調電路(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器件構成的混頻電路(24)，神經(jīng)元MOS器件構成的匹配濾波電路(25)，神經(jīng)元MOS器件構成的差分譯碼器(26)，神經(jīng)元MOS器件構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器件構成的混頻電路(24)模擬混頻，經(jīng)神經(jīng)元MOS器件構成的匹配濾波電路(25)濾除高頻信號之后由神經(jīng)元MOS器件構成的差分譯碼器(26)完成差分譯碼，最后采用神經(jīng)元MOS器件構成的幅度和相位判決器(27)進行幅度和相位判決，輸出對應的數(shù)字解調信號(D1^-Dci)。
全文摘要
植入式視覺假體神經(jīng)刺激器，包括將外部圖像信息采集、處理、調制、發(fā)射和存儲的體外模塊，接收體外模塊發(fā)送的能量和數(shù)據(jù)信息且通過微電流刺激器芯片驅動電極刺激視神經(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的無線射頻經(jīng)皮信道；所述體外模塊包括高階調制電路，所述微電流刺激器芯片包含模數(shù)混合高階解調電路。本發(fā)明利用高階體制電路解決了現(xiàn)有技術存在的數(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，在減小無線傳輸線圈體積的前提下，實現(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優(yōu)化。
文檔編號A61N1/36GK102921103SQ201210402679
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月19日 優(yōu)先權日2012年10月19日
發(fā)明者楊媛, 李學平, 高勇 申請人:西安理工大學