用于视觉功能修复的人工视网膜电刺激像元电路

摘要

本发明提供一种用于视觉功能修复的人工视网膜电刺激像元电路，包括一个光电二极管、一个电容C1、一个施密特触发器、一个CMOS反相器、一个充放电控制回路和一个刺激电极；光电二极管的阳极接地，外界可见光照为光电二极管的输入，光电二极管的阴极连接控制回路的第一输出端，施密特触发器的输出为CMOS反相器的输入，反相器的输出端与刺激电极相连，刺激电极作为像元电路的输出端；CMOS反相器的输出端与充放电控制回路的控制端连接，控制回路的第二输出端为施密特触发器的输入端，在施密特触发器的输入端与地之间连接有电容C1。本发明的像元电路能够显著提高电路的动态范围，大幅度降低功耗，且像元电路输出脉冲信号的脉宽固定，像元面积减小，芯片集成度提高，实用性强。

说明书

技术领域

本发明属于人工视觉功能修复及光电技术领域，具体涉及一种动态范围大、脉宽固定、功耗很低的用于视觉功能修复的人工视网膜电刺激像元电路。

背景技术

许多外层视网膜疾病致盲患者，虽然其视网膜内的光感受器受损，但视神经和视觉传送的通路依然完好。若在这类患者眼中植入适当的光敏器件，替代视网膜中受损的光感受器，利用光敏器件产生的电信号去刺激视网膜内的神经细胞，视神经传递电刺激产生的神经冲动至视皮层(视神经中枢)，从而让视网膜疾病致盲患者产生对光的感受，就能在一定程度上恢复其视觉功能。它涉及医学、生物、光电技术、CMOS集成电路等学科的交叉领域。从视网膜芯片植入的位置可以将人工视网膜分成两大类：外层型人工视网膜和表层型人工视网膜，二者各有优缺点，但随着眼外科手术的发展，外层型人工视网膜技术的优势越发明显，现目前也以采用外层型人工视网膜技术为主。外层型人工视网膜芯片植入示意图如图1所示，图中，1为瞳孔，2为视网膜，3为植入眼内的人工视网膜芯片，4是入射光线，5是电刺激信号。该芯片主要完成两大功能：一是各像元要产生频率与入射光强度成比例的脉冲信号，以便去刺激视神经；二是接收并处理外部射频(RF)能量信号，为各像元提供稳定的电源。

近年来，许多国家都在进行人工视觉功能修复方面的课题研究，但这些人工视网膜电路都存在比较明显的缺点：一是电路的动态范围小，能够感受的光强范围小，实用性比较差；二是电路输出信号的脉宽随入射光强度的增大而增大，加剧了视神经刺激信号强度与入射光强度之间的非线性，引起视觉比较严重的失真；三是像元的功耗大、面积大，不利于人工视网膜电路朝着大规模集成和射频能源传输方式的方向发展。例如CN100391558C公开的“用于人工视觉修复的视网膜电刺激像元电路”，由于采用具有施密特触发器功能的CMOS反相器和简单的反馈回路，电路结构不尽合理，其动态范围小(只有约30dB)，光强大了就不能正常工作；输出信号的脉宽不固定，会引起人工视觉功能修复的盲人视觉的非线性失真；功耗较大(为2uW/像元)，用它构成160×120的阵列时的功耗为38.4mW，该阵列安装在盲人眼内工作时会发热，影响盲人的健康。由于存在以上问题，该电路的实用性比较差。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种能够显著提高电路的动态范围，像元电路输出脉冲信号的脉宽固定，大幅度降低电路功耗并减小像元面积，提高芯片集成度，更实用化的用于视觉功能修复的人工视网膜电刺激像元电路。

本发明的技术方案是：用于视觉功能修复的人工视网膜电刺激像元电路，包括一个光电二极管、一个电容C1、一个施密特触发器、一个CMOS反相器、一个充放电控制回路和一个刺激电极；光电二极管的阳极接地，外界可见光照为光电二极管的输入，光电二极管的阴极连接充放电控制回路的第一输出端，充放电控制回路的第二输出端为施密特触发器的输入端，在施密特触发器的输入端与地GND之间连接有电容C1，施密特触发器的输出为CMOS反相器的输入，反相器的输出端与刺激电极相连，刺激电极作为像元电路的输出端；本发明的创新点在于，巧妙地设计了一个充放电控制回路，CMOS反相器的输出端与充放电控制回路的控制端连接，在充放电控制回路的作用下，电源VDD和光电流分别对电容C1进行充电和放电，C1上形成的充放电波形经过施密特触发器处理后，在刺激电极上形成频率与入射光强度成比例、正脉冲宽度固定的脉冲信号，此脉冲信号经刺激电极输出给视神经，进而传递至视皮层形成视觉感知；

充放电控制回路由一个NMOS管M30和二个PMOS管M31、M32构成，M32起串联电阻的作用且栅极接地，M32的漏极与M31的源极相连构成控制回路的第二输出端，并接施密特触发器的输入端，M32的源极与M30的源极相连，M30的漏极连接电源VDD，M31的漏极为控制回路的第一输出端并连接光电二极管的阴极，M31和M30的栅极互连构成控制端，并与CMOS反相器的输出端连接，M31和M30工作在开关状态。

进一步的技术特征，所述施密特触发器是由三个NMOS管和四个PMOS管构成。所述CMOS反相器是由一个NMOS管和一个PMOS管构成。

所述光电二极管的结构是n+/n-well/p-sub型，面积为10μm×10μm＝100μm²，刺激电极的面积为20μm×20μm＝400μm²。像元电路的工作电压为1.3V，像元面积为40μm×40μm＝1600μm²。

相对于现有技术，本发明具有以下显著优点：

1、动态范围显著增大。由于充放电控制回路的巧妙设计，使视网膜刺激像元电路的动态范围显著增大。动态范围显著增大表示该电路能够感受的光强范围显著增大，即电路在有脉冲信号输出情况下允许的入射光强度的变化范围显著增大，对应于人工视觉功能修复的盲人能够看到的图像的光强范围也显著增大。本发明电路的动态范围可达72dB，比同类型电路提高了约50倍，具有更适用于自然光照条件下光强变化范围很大的应用特点。

2、输出信号的脉宽固定。由于本发明电路在充放电控制回路的控制下，充电电流是一个固定的值，所以像元输出信号的正脉冲宽度是固定的。脉宽固定为提高电路的动态范围创造了条件，而且更为重要的是，脉宽固定就减小了视神经刺激信号强度与入射光强度之间的非线性，也就减小了实施人工视觉功能修复的盲人的视觉失真。

3、电路的功耗很低。本人工视网膜像元电路仅由12个MOS管、一个光电二极管和一个小电容组成，采用0.35μm CMOS工艺设计，像元尺寸只有40μm×40μm，面积为1600μm²(低于同类型电路)，功耗小于0.4μW，远低于同类型电路的功耗，十分有利于视网膜电路大规模集成和无线能源供给的工作方式。

与现有的同类型电路比较，本发明的优点是像元电路的动态范围提高了约50倍、而功耗至少降低了80％以上。

附图说明

图1为外层型CMOS人工视网膜芯片植入示意图；

图2为本发明的像元电路结构框图；

图3为本发明像元电路的一种具体实施电路原理图；

图4为本发明像元电路输出信号的频率和脉冲宽度随光电流的变化曲线；

图5为本发明的像元电路构成人工视网膜芯片的结构框图。

图1中，1-瞳孔，2-视网膜，3-人工视网膜芯片，4-入射光线，5-电刺激信号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明用于视觉功能修复的人工视网膜电刺激像元电路，如图2所示，包括一个光电二极管、一个电容C1、一个施密特触发器、一个CMOS反相器、一个充放电控制回路和一个刺激电极；光电二极管的阳极接地，外界可见光照为光电二极管的输入，外界可见光图像通过眼球聚焦后，照射到光电二极管，在光电二极管上形成光电流，光电二极管的阴极连接充放电控制回路的第一输出端，充放电控制回路的第二输出端为施密特触发器的输入端，在施密特触发器的输入端与地GND之间连接有电容C1，施密特触发器的输出为CMOS反相器的输入，反相器的输出端与刺激电极相连，刺激电极作为像元电路的输出端，从刺激电极输出频率与入射光强成正比的电刺激信号给视网膜细胞；CMOS反相器的输出端还与充放电控制回路的控制端连接，在充放电控制回路的作用下，电源VDD和光电流分别对电容C1进行充、放电，C1上形成的充放电波形经过施密特触发器处理后，在刺激电极上形成频率与入射光强度成比例、正脉冲宽度固定的脉冲信号，此脉冲信号经刺激电极输出给视神经，进而传递至视皮层形成视觉感知。

充放电控制回路由一个NMOS管M30和二个PMOS管M31、M32构成，如图3所示，M32起串联电阻的作用且栅极接地，M32的漏极与M31的源极相连构成控制回路的第二输出端，并接入施密特触发器的输入端，M32的源极与M30的源极相连，M30的漏极连接电源VDD，M31的漏极为控制回路的第一输出端并连接光电二极管的阴极，M31和M30的栅极互连构成控制端并与CMOS反相器的输出端连接，M31和M30工作在开关状态。

本发明的像元电路如图3所示，所述施密特触发器是由三个NMOS管M12、M14、M16和四个PMOS管M11、M13、M15、M19构成，M11和M12的栅极互连，形成施密特触发器的输入端，Vfan节点为施密特触发器的输出端；所述CMOS反相器是由PMOS管M17和NMOS管M18构成，起波形反相、整形并使输出负载与信号源隔离的作用，CMOS反相器的输入端连接Vfan节点，其输出端Vout节点即为像元电路的输出端，Vout节点连接刺激电极；M30、M31和M32构成充放电控制回路，其中M30和M31的栅极互连构成充放电控制回路的控制端，且控制端与CMOS反相器的输出端Vout连接；电容C1连接在施密特触发器的输入端和地GND之间；调整C1的大小，可以控制输出脉冲的宽度在人工视网膜电刺激要求宽度的范围内。

本发明的工作原理如下：当光电二极管无光照时，像元电路的输出Vout为低电平，这时，M30截止而M31导通；当光照射到光电二极管时，光电二极管产生的光电流通过M31对电容C1放电，使得M11和M12的栅压不断下降，但开始时Vout仍保持为低电平不变，直到M11和M12的栅压下降至施密特触发器的反向阈值电压V_TL时，电路的状态发生反转，输出Vout变为高电平。此时，M30导通而M31截止，电路处于给电容C1充电状态，这时，电源VDD经M30和M32给C1充电，使M11和M12的栅压不断升高，但开始时Vout输出保持为高电平不变；而当M11和M12的栅压升高至施密特触发器的正向阈值电压V_TH时，电路状态又发生反转，Vout变为低电平，电路就进入下一个振荡周期。这样，电容C1上的电压在施密特触发器的正向阈值电压V_TH与反向阈值电压V_TL之间不停地往复变化，在输出端(电极处)就产生振荡的脉冲信号。

在充电状态时，M30导通而M31截止，电源VDD经M30和M32给附加电容C1充电，从理论上讲，充电电流与入射光强度没有任何关系，充电电流是一个固定的值，所以像元输出信号的正脉冲宽度是固定的，而放电电流也就是光电二极管产生的光电流，它与入射光强度之间是线性关系，放电电流决定了输出振荡信号的负脉冲宽度，并与入射光强度呈反比变化。像元电路在自然光照射情况下，输出信号的频率和脉冲宽度与光电流的变化情况如图4所示，可见，在很宽的光电流(5nA)范围(即本发明电路的动态范围)内，脉宽是固定的(这里为0.15ms)，而脉冲频率与光电流成近似的线性正比关系。输出脉冲信号通过电极接触视网膜，产生有效的电刺激信号。

本发明的像元电路是按照0.35μm 2P4M的标准CMOS工艺设计的，有关的性能参数如下：

光电二极管的结构：n+/n-well/p-sub；

光电二极管的面积：10μm×10μm＝100μm²；

刺激电极的面积：20μm×20μm＝400μm²；

像元的面积：40μm×40μm＝1600μm²；

电源VDD电压：1.3V；

像元的功耗：小于0.4μW(在电路的动态工作范围内)；

输出信号的脉冲宽度：0.15ms(可以根据需要调整)；

输出信号的频率：1.6Hz～6.326KHz(可以根据需要调整)；

像元的动态范围：约72dB。

如图5所示，由本像元电路构成的人工视网膜芯片是由m×n的像元阵列和射频能源接收及电源电路组成。人工视网膜芯片的能源由眼外的射频信号源通过无线传输方式输入射频能源接收电路，经过电源电路处理后，产生稳定的电源电压VDD。芯片中的每一个像元都具有独立的光敏器件(光电二极管)以及刺激信号输出单元(电极)，每个像元输出的刺激信号的频率都只与本身的光敏器件所受到的光照强度相关，从而可以形成m×n个独立的有效刺激点。由于本发明电路的像元尺寸更小，所以能提高有效的刺激点数，从而使实施人工视觉功能修复的盲人的视觉分辨率更高。

本人工视网膜电路的每个像元都是一个独立的光控振荡器，具有结构简单、适用于自然光照条件、像元面积小等特点。与现有的同类型电路比较，本发明的优点是像元电路的动态范围提高了约50倍，即采用本发明的人工视网膜芯片实施人工视觉功能修复的盲人，能够看到物体的自然光照强度比现有的同类型电路扩大了约50倍；而功耗至少降低了80％以上，即本人工视网膜芯片工作时，在盲人眼内的发热量可比的同类型电路降低80％以上，因而对盲人眼组织的发热危害可降低到安全范围内。