人工视觉假体中能量与数据的无线传输装置研究

摘要

人工视觉系统的最终目标是对那些由于疾病或外伤导致失明的人通过人工产生视觉感觉,能够完成一些现在通过辅助技术还有重大局限性的活动,这些活动包括读课文、识别人脸以及应对不熟悉的环境。在完整的视觉系统中,完成这些活动的能力来自大量结构复杂的并行带反馈处理信息的神经网络。当这个系统因疾病或外伤而被破坏了,最终就会导致失明,视觉系统的神经元的再生或修复能力将会恶化。视觉假体就是通过绕开受损的视觉通路的神经元,连接视觉通路中未受损的部分并人工产生感知的过程。尽管存在方法上的差异,但所有视觉假体都有一系列相同的组成,不同之处只是其与神经系统的接口不同。这些相同的组成部分是:一个摄像机将光信号转换成电信号;一套信号处理系统将采集的图像信息按神经刺激需要的参数转换成可传输的编码信息;一套传输系统,为可植入体内的系统提供能量并传输外部采集的信号;可植入体内的神经刺激器系统,其将传入的视觉信息编码变换成电刺激信号刺激视觉神经以产生光幻视;以及电极阵列。本文提出一种适合人工视觉假体的能量与数据无线传输系统。本文的研究内容包括:第一,人工视觉假体中能量无线传输系统设计。这部分设计的目标是向植入微电子系统提供能量,确保植入微电子系统按照特定要求稳定工作。第二,人工视觉假体中数据无线传输系统设计。这部分设计的目标是将体外处理过的数字信号无线传输至体内神经刺激器系统。本文研究的创新之处在于:第一,采用新的无线能量传输方法,能实时调整对体内微电子系统提供的能量供给大小,这样做的优点在于能明显提高能量传输效率,节约电能,延长体外电源使用寿命,极大地方便了患者的使用。第二,采用Microchip PIC16F690单片机和TI Chipcon射频收发芯片CC1100实现无线数据传输功能,控制器PIC16F690和CC1100具有集成度高,体积小,功耗低等优点,十分适合生物医学植入体的应用。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 人工视觉

1.1.1 间接感觉补偿

1.1.2 视觉假体及其分类

1.2 能量与数据的无线传输系统的研究

1.3 研究意义及其前景

1.4 本文的研究内容

1.4.1 课题来源

1.4.2 本文的研究内容

1.4.3 本研究的重点与难点

1.5 本论文结构层次

第二章 人工视觉假体中能量和数据无线传输电路总体设计

2.1 总体设计概述

2.2 能量和数据无线传输总体设计

2.2.1 双频段传输

2.2.2 能量耦合传输

2.2.3 双向数据传输

第三章 人工视觉假体中能量无线传输装置设计与分析

3.1 能量无线传输装置构成概述

3.2 系统的稳定性分析

3.2.1 分析模型的建立

3.2.2 补偿传递函数F(s)

3.3 反向数据传输

3.3.1 反向数据传输方案设计和数据调制方式

3.3.2 反向传输环节和能量控制环节之间的信号串扰问题

3.3.3 反向数据传输协议

3.3.4 数据恢复

3.4 能量发射器和控制器

3.4.1 E 类功率放大器耦合连接

3.4.2 能量控制器

3.5 耦合线圈设计

3.5.1 线圈的等效电阻（Effective Series Resistance，ESR）

3.5.2 体内外电路分析

第四章 人工视觉假体中数据无线传输装置设计

4.1 人工视觉假体数据无线传输装置硬件设计验证方案

4.1.1 TI Chipcon CC1100 硬件设计

4.1.2 Microchip PIC16F690 硬件设计

4.2 人工视觉假体数据无线传输装置软件设计

4.2.1 CC1100 的寄存器

4.2.2 CC1100 关键参数的寄存器配置

4.2.3 软件设计流程

第五章 人工视觉假体中能量和数据无线传输装置的实现

5.1 人工视觉假体能量无线耦合传输装置的实现

5.1.1 能量无线耦合传输装置中E 类功率放大器的实现

5.1.2 感应线圈的制作

5.1.3 植入侧全波整流和稳压实验结果

5.2 人工视觉假体数据无线传输装置的实现

第六章 总结

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文