视觉假体中基于图像信息的能量可调节无线传输系统的研究

摘要

视觉假体是一种帮助视觉损伤人士修复视觉功能的植入式医疗装置。该类装置采集视觉图像,提取关键视觉信息并进行神经编码,通过植入体内的微刺激器对视皮层、视神经或者视网膜进行电刺激,诱发光幻视,实现被植入者的视觉感知。视觉假体的设计中必须考虑到视觉假体长期植入、随时携带的要求。相关装置对于视觉信息的处理、编码、传输的实时性也具有较高的要求。此外,植入装置的体积还受到严格限制。以上要求决定了视觉假体须采用无线传输的体内外供能和通信方案。
　　为了提高视觉感知效果,视觉假体设计中倾向增加电刺激电极数量,目前已知相关研究中最大电极数超过1000个。随着视觉假体电极数量的不断增多,体内装置的功耗也将大大增加,体内外无线传输方案也面临许多新的问题。一是视觉假体便携式电源容量有限,内部功耗增加将大大减少装置续航时间。因此需要高效率利用电源能量的无线传输方案。二是视觉假体工作中持续传输较大功率会增加使用局部生物组织的电磁辐射,对长期使用时的生物安全性构成潜在的威胁。
　　针对以上问题,本文提出了一种基于图像信息的能量可调节无线传输方案,能够根据视觉图像信息预测体内装置需要的功率,并及时调节无线传输的功率,实现体外发射功率和体内需要功率的动态匹配。
　　本文首先介绍了能量可调节无线传输系统的硬件设计方案,分析了功率放大器、数据调制和解调、能量可调节发射电路、接收电路等关键模块和功能的设计思路,比较了国内外相关研究,力求实现适合视觉假体特定应用背景的优化设计。其后,本文阐述了基于图像信息的能量可调节无线传输方法的流程,并进行了功率预测的相关仿真。应用仿真结果,验证了该方法的效果和意义。最后,本文对已实现的相关系统进行了测试,包括系统的传输能量、效率、执行时间等。

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第一章 绪论

1.1视觉修复与视觉假体

1.2能量和数据无线传输

1.3本文的研究内容和结构

1.4本章小结

第二章 能量可调节无线传输方案的优化设计

2.1无线能量传输原理

2.2系统总体结构

2.3便携式图像处理系统

2.4功率放大器的原理与实现

2.5数据调制

2.6发射功率的调节

2.7体内接收电路的实现

2.8本章小结

第三章 基于视觉图像信息的能量调节方法

3.1传输能量调节的必要性

3.2基于视觉图像信息的能量需求分析和调节方法

3.3视觉图像能量需求仿真

3.4本章小结

第四章 系统实现与测试

4.1 ARM-DSP图像处理平台

4.2基于E类功放的射频发射器

4.3神经微刺激器体内接收装置

4.4传输功率与效率评估

4.5系统实时性评估

4.6本章总结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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