用于提高对比敏感度的人造视网膜系统技术方案

提供了一种用于提高对比敏感度的人造视网膜系统。根据本发明专利技术的一个实施例，该人造视网膜系统包括：人造视网膜(100)，其安装在视网膜之下并包括多个光电二极管单元(110)；微计算机(200)，其用于将从光电二极管单元(110)中的每个的光电二极管(111)输出的电信号的大小与至少一个参考值进行比较，并且根据比较结果来控制以放大或减少从光电二极管单元(110)中的每个输出的电信号，其中，可以利用由微计算机(200)控制的电信号来刺激与光电二极管单元(110)中的每个对应的视细胞。

Artificial retinal system for improving contrast sensitivity

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于提高对比敏感度的人造视网膜系统
本专利技术涉及一种与相关的人造视网膜相比具有提高的对比敏感度的人造视网膜系统。
技术介绍
视网膜是重要的神经组织，其将通过角膜和晶状体进入的外部图像转换成电信号并将电信号传送到大脑。视网膜的宽度大约是6.25cm2，并且在视网膜中存在大约1亿个视细胞。占据了视细胞层大部分的视杆细胞将图像转换成电信号，并且这些电信号进入视神经并且以大约480km/h的速度传送到大脑。大脑解读微弱的电信号，感知图像并确定物体。视网膜是每单位面积供血量最大的组织之一，并且需要顺利地去除作为化学作用的副产物而产生的废物。出于任何原因，当在视网膜血管或脉络膜血管中发生异常时，视网膜中就发生异常，从而引起各种疾病。作为一种视网膜疾病的色素性视网膜炎(RP)是由分布在视网膜中的光感受器功能障碍引起的进行性视网膜退行性疾病，其特征在于视网膜光感受器和视网膜色素上皮为主要病变并且在双眼中均有发生。据报道，全球每5000人中有1个患RP。老年性黄斑变性(AMD)是另一种类型的视网膜疾病，是三种主要致盲疾病中的一种，并且具有患病率由于人口快速老龄化而迅速上升的趋势。据报道与因RP疾病而视力低下的患者不同，AMD患者更可能在较短的时间内视力恶化，并且AMD患者因眼睛引起的实际生活受损和心理萎缩的程度大于其它疾病。为了治疗盲人患者，尝试了各种治疗，例如，基因治疗、干细胞和药物治疗。同时，在很多情况下，大多数盲人患者的视网膜视细胞层通常已经受损，并很可能得不到及时的基因治疗或药物治疗。然而，在例如RP和AMD的老年疾病中，因为只是作为视网膜外层的视细胞层受损，所以如果视细胞层的功能被替代，则有可能恢复视觉。因此，人造视网膜对视网膜的视细胞层进行电刺激以恢复盲人患者的视觉是有前景的新疗法。参照图1，人造视网膜可以根据安装的位置划分成视网膜前膜和视网膜下膜型。视网膜前膜型位于视网膜的前方，视网膜下膜型位于视网膜后面的视细胞上。视网膜前膜型人造视网膜刺激视网膜细胞中的神经节细胞层，视网膜下膜型人造视网膜刺激后侧中的双极细胞层。视网膜前膜型的人造视网膜具有位于视网膜前方的神经细胞刺激器，因此不进行内视网膜中的神经细胞的中间信号处理。因此，视网膜前膜型人造视网膜单独配备有外部摄像头。外部摄像头内置在眼镜中，并且摄像头获取的图像信息通过感应线圈无线地到达眼内微电极阵列并直接刺激视网膜神经节细胞而不进行内视网膜中的神经细胞的中间信号处理。同时，电刺激的响应阈值根据患者而不同，并且所采用的电刺激的强度也根据视网膜细胞受损区域而不同。视网膜前膜型人造视网膜具有独立控制外部图像处理器中的电极的方法。因此，具有可以根据患者或受损区域自由改变电脉冲的强度的优点。在现有技术中，可从美国第二视力(SecondSight)公司买到的ArgusII产品中能够独立地控制64个电极，并且由电极产生的电刺激的强度也是可控的。然而，在视网膜前膜型人造视网膜的情况下，考虑到视网膜非常薄且脆弱，具有很难固定电极的缺点。此外，位于视网膜内的电极，可能暴露于玻璃体，并且因为它还被纤维组织所包围，所以存在电刺激不能被传送的可能。此外，还具有的缺点是，当电刺激被施加到视网膜的上侧时，因为视网膜神经纤维层被刺激而传播信号或同时刺激视网膜的多个层的细胞，因此难于提高空间分辨率。因为视网膜前膜型人造视网膜可以不在视网膜内进行信号处理，刺激电极网格的形状和患者实际感知到的形状可能不同，这相应地需要针对每个患者定制图像处理。因此，与视网膜下膜型的人造视网膜相比，还具有需要各种元件以及用于连接这些元件的信号传输单元的缺点。在视网膜下膜型人造视网膜中，光电二极管阵列位于视网膜细胞层下方的感光细胞层上。视网膜下膜型人造视网膜被设计为简单替代光感受器的功能，并且双极细胞是主要的电刺激目标。为此，视网膜下膜型人造视网膜被设计为将用于感知光的光电二极管与用于刺激的电极集成，并且通过从光电二极管直接流到电极的电流刺激视网膜神经细胞。光电二极管阵列执行类似CMOS图像传感器的功能。每个光电二极管单元中所产生的暗电流的大小根据光的强度而不同，并且该电流通过转换电路转换成两相电流脉冲以作为激活电位。视网膜下膜型人造视网膜的优点在于通过双极细胞和视网膜内层的信息处理来使用现有的视觉传输路径，由此实现感知物体的自然感觉。此外，插入眼球的微电极阵列允许人眼的移动，相较于需要用户将他或她的头部而不是眼睛转向物体的方向以便看见并感知物体的、内置于眼镜的具有紧凑摄像头的系统而言，可以说在生理和自然方面具有优势。此外，因为在至今为止制造的人造视网膜中，视网膜下膜型的刺激方法产生的像素数量最大，所以这意味着可以实现高分辨率。在另一现有技术中，德国的视网膜植入公司(RetinaImplant)成功商业化的AlphaIMS模型具有1500个光电二极管阵列和与其匹配的两相电流生成阵列，但是据报道，根据临床试验，其实际分辨率低于63通道的视网膜前膜型人造视网膜的分辨率。当刺激视网膜前膜型人造视网膜时，摄像头捕获的图像通过图像处理转换成数字信号，并随后通过编码转换成串行数字信号并传送给人造视网膜。目前手术中可用的上述两种产品仅仅将视细胞上的光转换成电信号以生成电流并且使用现有的活性视网膜结构将信号传送到视神经。然而，虽然RP或AMD是一种主要视细胞层缺失然后丧失视力的疾病，在许多盲人患者的实际情况中，其次的变化是视网膜中的剩余神经传输层，例如，双极细胞、水平细胞等也缺失。在图2中，水平细胞不直接将视细胞中产生的电流刺激传送到视网膜神经节细胞的神经纤维层，而是用于控制传送过程中的电流强度来帮助更清楚地分辨物体的对比度，并用于增加大脑中物体的对比敏感度。对比敏感度之所以重要的原因是，其在从背景中更清楚地分辩和感知物体的形状(例如，诸如脸部形状的二维信息等，或包括阴影的三维立体形状)中起重要作用。即，存在生理回路，当激发神经细胞时，其将抑制性神经递质通过水平细胞传送到相邻神经细胞使得相邻神经细胞较少地活动，这被解释为清楚地感知边界的机制。这称为水平细胞的侧抑制。参照图2，水平细胞在视网膜的切向平面中与视神经纤维并排延伸。视杆细胞和视锥细胞轴突处的末端是细长树突，细的细胞体位于内颗粒层中。参照图3(a)，不接收周围的光的视锥细胞照常处于去极化状态，并分泌谷氨酸，谷氨酸通过OFF型双极细胞连续激发OFF型神经节细胞，使人感觉周围区域是暗的。在这个过程中，周围的去极化的视细胞激发区域中的水平细胞。激发的水平细胞接收相邻的光进一步超极化已经超极化的中心视细胞以抑制谷氨酸的分泌并通过ON型双极细胞连续激发ON型神经节细胞，使人感觉对应的中心区域是亮的。参照图3(b)，当光进入周围时，视细胞被超极化以抑制谷氨酸的分泌并通过连接的ON型双极细胞连续激发ON型神经节细胞，使人感觉对应的中心区域是亮的。在这个过程中，周围的超极化的视细胞不能激发周围的水平细胞，不接收相邻中心的光的视锥细胞照常处于去极化状态并对谷氨酸的分泌不造成影响。即，当通过连接的OFF型双极细胞连续激发OFF型神经节细胞时，人感觉中心区域是暗的。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，包括：/n人造视网膜(100)，其安装在视网膜之下并且包括多个光电二极管单元(110)；和/n微计算机(200)，其将从光电二极管单元(110)中的每个的光电二极管(111)输出的电信号的大小与至少一个参考值进行比较，并且根据比较结果来控制以放大或衰减从光电二极管单元(110)中的每个输出的电信号，/n其中，利用由微计算机(200)控制的电信号来刺激与光电二极管单元(110)中的每个对应的视细胞。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170323 KR 10-2017-00370351.一种用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，包括：
人造视网膜(100)，其安装在视网膜之下并且包括多个光电二极管单元(110)；和
微计算机(200)，其将从光电二极管单元(110)中的每个的光电二极管(111)输出的电信号的大小与至少一个参考值进行比较，并且根据比较结果来控制以放大或衰减从光电二极管单元(110)中的每个输出的电信号，
其中，利用由微计算机(200)控制的电信号来刺激与光电二极管单元(110)中的每个对应的视细胞。


2.根据权利要求1所述的用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，其中，所述光电二极管单元(110)中的每个包括：
光电二极管(111)，其将从外部引入的光转化成电信号并且输出该电信号；
复制器(112)，其复制从光电二极管(111)输出的电信号；
放大器(113)，其放大或衰减从复制器(112)输出的电信号；和
刺激电极(115)，其利用从放大器(113)输出的电信号刺激视细胞，
其中，所述微计算机(200)调节放大器(113)的增益来控制以放大或衰减从光电二极管单元(110)输出的电信号。


3.根据权利要求2所述的用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，其中，所述光电二极管单元(110)中的每个还包括转换器(114)，该转换器使从光电二极管单元(110)中的每个输出的电信号具有两相电信号的形式。


4.根据权利要求2所述的用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，其中，所述微计算机(200)存储与大于或等于所述至少一个参考值中的一个参考值且小于另一个参考值的值对应的增益值，并且
当所述至少一个参考值的数量是N时，增益值的数量是N+1。


5.根据权利要求4所述的用于提高对比敏感度的人造视网膜系统，其中，所述微计算机(200)包括：
跨阻抗放大器(210)，其将复制器(112)复制的电信号转换成电压信号；
比较器(220)，其将由跨阻抗放大器(210)转换的电压的大小与阈值进行比较；
控制器(230)，其根据比较器(220)的比较结果控制放大器(113)；和
存储器...

【专利技术属性】
技术研发人员：金成祐，金正锡，
申请(专利权)人：高丽大学校产学协力团，嘉泉大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国;KR