植入式视觉假体神经刺激器

摘要

植入式视觉假体神经刺激器，包括将外部图像信息采集、处理、调制、发射和存储的体外模块，接收体外模块发送的能量和数据信息且通过微电流刺激器芯片驱动电极刺激视神经的体内植入模块及由所述体外模块向所述体内植入模块传输能量和信号的无线射频经皮信道；所述体外模块包括高阶调制电路，所述微电流刺激器芯片包含模数混合高阶解调电路。本发明利用高阶体制电路解决了现有技术存在的数据的高传输速率、能量的高效传输和线圈体积三者之间的矛盾，在减小无线传输线圈体积的前提下，实现了数据的高传输速率和能量的高效传输两方面性能的同时优化。

说明书

技术领域

本发明属于生物医电领域，涉及一种修复盲人视觉功能的植入式视觉假体 神经刺激器。

背景技术

据世界卫生组织报告，全球视觉残疾患者约有1.4亿，其中盲人4500万。 中国是全世界盲人最多的国家，视力残疾患者近1300万，其中盲人约550万。 近年来，全世界科学家正在致力于研究、探索用视觉假体替代视网膜功能来修 复视觉功能的有效手段。其原理是利用视觉假体采集外界图像信息，进行编码 处理，通过微电流刺激器对视觉神经系统作用，从而在神经中枢产生视觉感受， 即光幻视，使盲人恢复视力。

基于不同工作原理的植入式视觉假体种类很多，但其基本组成部分大体相 同，主要包括：体外信息收集部分和信号处理部分；体内神经刺激器与电极部 分；其间通过射频无线传输进行信号与能量传递。为了实现体内、外的能量和 信号无线传输，传统的方法采用双线圈耦合，能量和数据通过各自的线圈采用 不同频率的载波进行传输。该方法一方面势必会增加体内植入部分的体积；另 一方面双线圈之间存在互感干扰，影响传输效果。为克服双线圈传输弊端，一 些研究团队采用单线圈同频率载波传递能量和信号。但是，新的问题又随之出 现：对于皮肤和生物组织作为信道的无线传输系统来说，高频载波被皮肤和生 物组织吸收明显，因此，要实现能量的高效率传输，希望采用较低的频率来传 输能量；而对于数据传输来说，为了获得高质量高分辨率视觉效果，必须提高 数据传输速率，希望采用较高的频率进行数据的传输。

发明内容

本发明的目的是提供一种植入式视觉假体神经刺激器，解决现有技术存在 的数据传输速率与能量传输效率之间的矛盾。

本发明所采用的技术方案是：植入式视觉假体神经刺激器，包括将外部图 像信息采集、处理、调制、发射和存储的体外模块，接收体外模块发送的能量 和数据信息且通过微电流刺激器芯片驱动电极刺激视神经的体内植入模块，及 由所述体外模块向所述体内植入模块传输能量和信号的无线射频经皮信道；所 述体外模块包括高阶调制电路，所述微电流刺激器芯片包含模数混合高阶解调 电路。

所述体外模块依次由CMOS摄像头、视频解码电路、DSP处理器、高阶调 制电路、射频发送电路以及存储单元连接组成；所述CMOS摄像头采集外部原 始图像，经所述视频解码电路处理后将转换的图像数据传送给所述DSP处理器， 所述DSP处理器再将采集的图像数据缓存在所述存储单元中，经所述高阶调制 电路对DSP处理器处理过的数据信息进行调制，最后由所述射频发送电路通过 射频通信经皮通道向所述体内植入模块同时传输能量和图像数据。

所述体内植入模块包含能量接收电路、数据接收电路、整流滤波稳压电路、 微电流刺激芯片和电极；所述能量接收电路和整流滤波稳压电路向所述微电流 刺激器芯片提供工作所需电压,所述数据接收电路接收图像数据信号并生成信号 传输给所述微电流刺激器芯片，所述微电流刺激器芯片将接收到的信号转换成 相应的脉冲信号驱动电极刺激视神经使盲人患者产生光幻视。

所述微电流刺激器芯片还包括电压调整器、数字控制电路、数模转换器、 电荷消除电路、以及正负相电流脉冲产生电路。

所述模数混合高阶解调电路包括采样保持电路、由神经元MOS器件构成的 混频电路、匹配滤波电路、差分译码器、幅度和相位判决器；输入信号经所述 采样保持电路后无需量化，直接与所述载波Cosω_ct、Sinω_ct产生电路产生的载 波经由所述神经元MOS器件构成的混频电路进行模拟混频，再经所述神经元 MOS器件构成的匹配滤波电路滤除高频信号之后由所述神经元MOS器件构成 的差分译码器完成差分译码，最后采用所述神经元MOS器件构成的幅度和相位 判决器进行幅度和相位判决，输出对应的数字解调信号。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用高阶体制电路解决了现有技术存在的数据的高传输速率、 能量的高效传输和线圈体积三者之间的矛盾，在减小无线传输线圈体积的前提 下，实现了数据的高传输速率和能量的高效传输两方面性能的同时优化。

2、高阶调制技术的引入，势必会增加解调电路的复杂度和功耗，这是视觉 假体微电流刺激器所不希望的，本发明采用模数混合解调电路实现低功耗的芯 片电路，通过低功耗模数混合解调电路，在接收端解调出差分幅值和相位，最 终映射出调制的数据。

3、本发明采用低功耗模数混合解调，减少了器件数目，降低了电路功耗， 实现了低载波频率下高效能量传输和高速数据传输。

附图说明

图1是本发明视觉假体的系统框图；

图2是本发明微电流刺激器芯片内部结构框图；

图3是本发明模数混合高阶解调电路原理框图；

图中，1.体外模块，2.体内植入模块，3.射频通信经皮通道，4.CMOS摄像 头，5.视频解码电路，6.DSP处理器，7.高阶调制电路，8.射频发送电路，9.存储 单元，10.能量接收电路，11.整流滤波稳压电路，12.数据接收电路，13.微电流 刺激器芯片，14.电极，15.电压调整器16.模数混合高阶解调电路，17.数字控制 电路，18.数模转换器，19.电荷消除电路，20.正负相电流脉冲产生电路，21. 采样保持电路，22.载波Cosω_ct产生电路，23.载波Sinω_ct产生电路，24.神经元 MOS器件构成的混频电路，25.神经元MOS器件构成的匹配滤波电路，26.神 经元MOS器件构成的差分译码器，27.神经元MOS器件构成的幅度和相位判 决器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

植入式视觉假体神经（微电流）刺激器。如图1所示，由体外模块1、体内 植入模块2和射频通信经皮通道3组成。体外模块1包括CMOS摄像头4、视 频解码电路5、DSP处理器6、高阶调制电路（MDAPSK）7、射频发射电路8 和存储单元（SDRAM）9。CMOS摄像头4采集外部原始图像，经视频解码电 路5处理后将转换的图像数据传送给DSP处理器6，DSP处理器6再将采集的 图像数据缓存在存储单元（SDRAM）9中，经高阶调制电路（MDAPSK）7调 制后由射频发送电路8通过射频通信经皮通道3向体内植入模块2同时传输能 量和图像数据。体内植入模块2包括能量接收电路10、整流滤波稳压电路11、 数据接收电路12、微电流刺激器芯片13和若干电极14。能量接收电路10和随 后的整流滤波稳压电路11负责向微电流刺激器芯片13提供工作所需电压V_DD, 数据接收电路12负责接收图像数据信号并生成信号V_Sig传输给微电流刺激器芯 片13。微电流刺激器芯片13将接收到的信号转换成相应的脉冲信号驱动电极 14刺激视神经使盲人患者产生光幻视。

微电流刺激器芯片13内部结构如图2所示，它是一个模数混合集成电路， 包含电压调整器15，模数混合高阶解调电路16，数字控制电路17，数模转换器 （DAC）18，电荷消除电路19以及正负相电流脉冲产生电路20。

考虑到经皮信道中皮肤和生物组织对无线射频传输信号的影响，利用高阶 调制电路（MDAPSK）7解决视觉假体微电流刺激器中数据的高传输速率、能 量的高效传输和线圈体积三者的矛盾。然而，高阶调制技术的引入，势必会增 加调制解调电路的复杂度和功耗，这是视觉假体微电流刺激器所不希望的，因 此本发明特将由神经元MOS器件构成的模数混合电路结构应用到高阶解调电路 16中从而实现低功耗芯片电路设计，模数混合高阶解调电路内部原理框图如图 3所示，包括采样保持电路21，载波Cosω_ct产生电路22，载波Sinω_ct产生电路 23，神经元MOS器件构成的混频电路24，神经元MOS器件构成的匹配滤波电 路25，神经元MOS器件构成的差分译码器26，神经元MOS器件构成的幅度和 相位判决器27。输入信号经采样保持电路21后无需量化，直接与载波Cosω_ct 产生电路22、载波Sinω_ct产生电路23产生的载波经由神经元MOS器件构成的 混频电路24模拟混频，经神经元MOS器件构成的匹配滤波电路25滤除高频信 号之后由神经元MOS器件构成的差分译码器26完成差分译码，最后采用神经 元MOS器件构成的幅度和相位判决器27进行幅度和相位判决，输出对应的数 字解调信号(D_n…D₀)。

采用由神经元MOS器件构成的模数混合解调电路（16），可以省去A/D变 换器，同时用离散模拟量的运算代替复杂的数字信号处理算法，将大量节省电 路元件数目，降低电路功耗，为低功耗的高阶解调电路实现提供一种新的途径。