基于视觉信息处理的视觉假体研究与设计

由各种视网膜病变导致的视觉丧失已经成为影响人类生活质量最为严重的疾病之一。而随着信息科学、微电子技术、材料科学和生物医学等学科的迅猛发展与交叉,视觉假体的研究使由于视网膜色素变性(retinitis pig-mentosa)、老年性黄斑病变(age-related macular degeneration)以及其它一些眼球、视网膜、视神经和视觉皮层病变与损伤所造成失明情况下的视觉修复成为可能。随着技术的革新,视觉假体在未来发展的最大障碍已不再是假体的设计加工和手术技术,而是如何在假体与大脑之间进行有效信息传递。然而由于人类视觉系统复杂的结构,给视觉假体的制造以及视觉信息电信号映射带来困难。于是,我们将基于有限像素点模拟假体视觉信息,研究图像信息和微电极阵列刺激设计安装策略,通过对视觉假体的视觉信息处理研究,提出了一套基于生物、机械、电子一体化的视觉假体设计方案。     

视觉假体系统组成及关键技术

如何部分或完全恢复视觉功能是目前神经工程和组织工程领域研究的热门课题,采用神经接口和神经假体方案来部分恢复视觉功能是目前主要的手段.研究者们已经对视觉形成的生理机制有着较为深入的了解,且视觉电刺激假体的出现已经在恢复功能视觉的道路上迈出了重要的一步,但假体系统的设计仍然不成熟,制约着假体的临床应用.假体系统的设计受到研究者们的广泛重视.从假体的系统组成(图像获取和处理装置、能量供给和数据传输装置、刺激电极)和假体的关键技术(微电子技术、封装)两大方面介绍了其最新的研究进展.     

神经接口技术研究进展

神经接口研究是涉及神经生理学、计算科学、微电子技术等学科的交叉科学,在康复工程等领域具有重要研究价值,近年来发展迅猛。本文介绍神经接口系统的概念和研究意义,阐述了输入型(如人工耳蜗、视觉神经假体、触觉刺激器及深部脑刺激器等)与输出型两类神经接口系统应用,介绍了相关的动物实验,并讨论了神经接口技术的发展现状及发展趋势。     

人工视觉假体研究综述(Ⅰ)——视网膜假体研究现状

如何部分或完全恢复视觉功能是目前神经工程和组织工程领域研究的热门课题,采用神经接口和神经假体方案来部分恢复视觉功能是目前主要的手段.视网膜刺激方案是国内外研究较多和较为成熟的刺激方案.本文从技术角度出发,全面地综述了视网膜假体的机制、优缺点和国内外最新研究状况.     

视觉假体的发展与研究

目的:介绍国内外主要视觉假体研究小组的研究进展,讨论了视觉假体研究的重点与难点。方法:回顾并分析了植入在视皮层、视神经、视网膜的三种视觉假体的功能特点和其优缺点。结果:视觉假体在未来发展的最大障碍已不再是假体的设计加工和手术技术,而是如何在假体与大脑之间进行有效信息传递。结论:目前视觉假体仍未能满足失明患者日常需要,开发具有完整功能的视觉假体有着广阔的空间。     

基于在体阻抗测量的视神经假体反馈系统构建

目的:构建视神经视觉假体反馈系统,寻求在体测量刺激电极-视神经联合阻抗的方法,使之作为在体情况下评估刺激电极状态的依据.方法:分析电极-视神经的阻抗模型,利用刺激器的双向脉冲刺激电流作为电极-视神经阻抗的载体,采用三电极阻抗测量法对电极-视神经的阻抗进行在体测量.结果:在误差允许的范围内,本试验构建的反馈系统能够在视神经视觉假体刺激的同时,测量出刺激电极间的电极-视神经阻抗.结论:在不改变测量信号发生器的情况下,可以利用微电流刺激器产生的刺激电流作为阻抗的测量信号,此种方法既不增加假体装置的规模,又能取得较精确的测量结果.     

视觉功能修复方法

视网膜修复的研究与应用,将帮助因视网膜病变导致失明的盲人重见光明.对当今视觉修复的主要方法,如药物疗法、玻璃体视网膜手术、器官克隆(治疗性克隆)、细胞培养(组织工程)和人工视觉等进行了介绍和比较.在这些解决方案中,人工视觉假体是当今最热门的研究课胚之一,对不同的视觉假体方案进行介绍和比较.最后介绍刺入式多电极阵列的视神经假体的研究新进展.     

仿真假体视觉下的人脸识别研究进展

目的：综述基于仿真假体视觉的人脸识别研究的主要进展。方法：回顾了近年来各研究小组基于仿真假体视觉的人脸识别研究进展,讨论假体视觉下人脸识别的可能性,分析了假体视觉下人脸识别的影响因素。结果：在仿真假体视觉下,分辨率和缺失率是影响人脸识别的主要因素,分辨率增加或是缺失率减小,对人脸的识别率有显著提高;其它光幻视参数中,一定程度内的灰度提高对假体下的人脸识别率有显著提高,而点大小、点间隙、对比度对其影响稍小,正方形的光幻视阵列排布的识别率高于六边形和极坐标排布。另外,图像处理策略如基于感兴趣区域的放大和对比度增强等,能帮助被试进行人脸识别。结论：由心理物理学方法得出,在假体视觉下,仍能完成基本的人脸识别任务;改变光幻视的参数或图像处理策略,会影响识别率。这些结果将帮助研究者们优化视觉假体中的信息处理和图像处理策略,并为术后康复训练提供了实验理论依据。     

闭环植入式神经刺激器的现状与发展趋势

闭环植入式神经刺激器能根据患者生理信号的变化自适应地调整刺激参数的特性,使其成为研究的热点,患者的临床需求推动其设计开发的进展。介绍3种闭环植入式神经刺激器的作用机制和刺激参数评估的理论研究以及临床应用现状,这3种闭环植入式神经刺激器分别为代表中枢神经、外周神经及脊髓神经的脑刺激器,迷走神经刺激器以及脊髓神经刺激器。概括分析闭环植入式神经刺激器研究应用中未解决的问题和发展趋势,即闭环植入式神经刺激器的作用机制仍需要深入研究,刺激参数评估的有效性需要进一步提高,应用于临床的系统有待继续完善。     

视网膜假体专用集成电路研究进展

近些年来,人工视网膜假体的研究成为视觉修复领域的一个热点。文中根据不同的视网膜假体实现方案,概括介绍了视网膜假体专用集成电路的主要种类及实现方法;分析比较了视网膜上假体和视网膜下假体两种实现方式的优缺点。重点论述了视网膜假体专用集成电路中能量和数据收发、全局数字控制器以及神经驱动阵列等模块的基本原理及研究进展。最后讨论了视网膜假体专用集成电路设计上所面临的一些挑战及关注问题的展望。     

外部电场作用下的视神经纤维兴奋性的仿真研究

基于刺入式电极的视神经视觉假体,为盲人的视觉修复提供了新的可能性。为了对该视神经假体的电刺激策略和微电极设计提供理论支持,基于真实的电极结构,在COMSOL软件中建立刺入式微电极的外部电场仿真模型,并将其与利用NEURNO软件实现的神经纤维双层电缆模型结合,系统地研究电极与视神经纤维的相对位置、电刺激脉冲宽度以及电极几何结构的改变对视神经纤维兴奋阈值的影响。不同电极位置、刺激脉宽刺激下阈值变化规律的仿真结果,与以往报道的动物实验和仿真实验结果相符,证明了所建模型的有效性。 根据仿真结果,对刺入式视神经假体中刺激脉宽的选择和电极几何结构的设计,建议如下：窄脉宽刺激有利于降低能量消耗;电极锥度的设计要在满足电极力学特性及易于植入视神经的基础上,尽可能地减小,以降低纤维兴奋的阈值;电极的暴露面积越小,纤维兴奋所需的电流阈值越低,但电荷密度阈值越高;较低的电流阈值有利于减少能量消耗,但过高的电荷密度阈值却容易造成组织损伤,因此电极暴露面积的设计需要在耗能与安全性之间进行综合考虑。电极绝缘层厚度的改变对视神经纤维的兴奋阈值没有明显的影响,但从电极插入的难易考虑,应尽可能减小绝缘层厚度。以上结果对人体其他部位神经纤维的电刺激同样具有参考价值     

Artificial vision through neuronal stimulation

Introduction

The term visual prosthesis refers to any device capable of eliciting visual percepts in an individual through electrical stimulation of any part of the visual system.

Background

Blindness can be due to eye pathology or due to damage of the lateral geniculate or visual cortex. Eye pathology other than diseases that affect the cornea and lens are numerous and some of the leading causes are diabetic retinopathy, age-related macular degeneration, retinal detachment, glaucoma, and retinal vascular occlusions.The visual prosthesis can be divided into non-retinal and retinal approaches. Non-retinal approaches include cortical and optic nerve prosthesis. Retinal approaches are aimed at eye pathologies in which at least part of the optic nerve remains intact whereas when the optic nerve is nearly completely damaged and/or the eye itself is disfigured or degenerated then a non-retinal approach is warranted. The retinal prosthesis can be placed on the surface of the retina, in the subretinal space or in the suprachoroidal space.

Results

Several independent groups related variable degrees of success in promoting visual sensations through electrical stimulation of the visual system.Every technique, equipment and anatomical target has its advantages and disadvantages, and the biological/electrical–mechanical interface is still the aspect of the research towards a chronic, long term, reliable biomimetic implant.

Conclusions

The visual prostheses have achieved significant developments in recent years. We see continued improvement in visual acuity with increasing number and density of electrodes. Even though the visual acuity is still poor relative to normal vision, these subjects can read letters using their implants. Perhaps more importantly, blind patients can use these devices for mobility and orientation.     

神经刺激器在腰丛-坐骨神经联合阻滞的下肢手术中作用

目的观察神经刺激器定位腰丛-坐骨神经联合阻滞行下肢手术的麻醉效果。方法选择下肢手术患者20例,其中男性12例,女性8例;年龄18～76岁;美国麻醉医师协会(ASA)Ⅰ～Ⅲ级。使用神经刺激器定位腰丛-坐骨神经,并施行麻醉,观察和记录麻醉起效时间、麻醉效果和术后镇痛持续时间,观察不良反应。结果20例中18例神经阻滞效果满意(优),2例效果稍差(良)。麻醉前、麻醉后及术后收缩压(SBP)、舒张压(DBP)及心率(HR)差异无统计学意义(P0.05)。术中及术后随访未见不良反应发生。结论神经刺激器定位腰丛-坐骨神经联合阻滞行下肢手术时麻醉效果满意,并发症少。     

急性甲醇中毒患者的VEP分析

目的探讨急性甲醇中毒患者的视觉诱发电位（VEP）波形的异常变化及其与血甲醇浓度的相关性。方法对26例（52眼）甲醇中毒患者进行VEP检查及血甲醇浓度的测定。结果病程第一阶段共观察26人（52眼）,其中未引出VEP波形的有29只眼,波幅减低的有20只眼,波形P100潜伏期延长的有7只眼;病程第二阶段共观察17人（34眼）,其中未引出VEP波形的有10只眼,波幅减低的有22只眼,波形P100潜伏期延长的有11只眼;病程第三阶段共观察9人（18眼）,其中未引出VEP波形的有7只眼,波幅减低的有8只眼,波形P100潜伏期延长的有4只眼。未见血甲醇浓度与双眼P100潜伏期均值之间有明显相关性（P〉0.05）。结论VEP检查可以对甲醇中毒患者视神经功能损害提供可靠的诊断依据。急性甲醇中毒引起的视神经损害相对于异常甲醇浓度的降低以及其他临床症状消失具有滞后性与持续性。     

基于快速M变换的多焦视觉电生理检查系统的设计

多焦视觉电生理是一种客观的、无创的视功能检查方法,可以同时检查视网膜多个微小区域的视功能,在眼底疾病的早期诊断上有独特的优势。本文介绍了多焦视觉电生理检查系统的原理与设计,它利用Windows98以上的微软操作系统特有的多显示技术,控制图形刺激器产生特殊的六边形阵列,由m序列控制六边形阵列的黑白翻转来对视网膜的各个区域分别进行刺激。然后用特制的Burian-Allen电极把由视网膜多个区域产生的混合叠加信号提取出来。信号经过放大、A/D转换后送入计算机。计算机利用快速M变换对混合信号进行分离,从而得到视网膜各个区域的反应信号。快速M变换可以将互相关计算转换为FWT,从而大大节省了计算时间。     

Artificial vision by direct optic nerve electrode (AV-DONE) implantation in a blind patient with retinitis pigmentosa

The purpose of this study was to evaluate the efficacy and safety of artificial vision by using a direct optic nerve electrode (AV-DONE) in a blind patient with retinitis pigmentosa (RP). This device, comprising three wire electrodes (0.05 mm in diameter), was implanted into the optic disc of a patient with RP with no light perception vision and the device was left implanted. Six months later, visual sensations were elicited by electrical stimulation through each electrode and the thresholds for the phosphene perception elicited by pulses of 0.25-ms duration/phase and a pulse frequency of 320 Hz were 30, 5, and 70 μA for each electrode. The phosphenes, which ranged in size from that of a match head to an apple, were round, oval, or linear, primarily yellow, and focally distributed. The area of the phosphenes changed when the electrical stimulation was supplied from different electrodes. No complications arose during the follow-up period. Localized visual sensations were produced in a blind patient with advanced RP, suggesting that our system could lead to the development of a useful visual prosthesis system.     

Prediction of visual perceptions with artificial neural networks in a visual prosthesis for the blind

Within the framework of the OPTIVIP project, an optic nerve based visual prosthesis is developed in order to restore partial vision to the blind. One of the main challenges is to understand, decode and model the physiological process linking the stimulating parameters to the visual sensations produced in the visual field of a blind volunteer. We propose to use adaptive neural techniques. Two prediction models are investigated. The first one is a grey-box model exploiting the neurophysiological knowledge available up to now. It combines a neurophysiological model with artificial neural networks, such as multi-layer perceptrons and radial basis function networks, in order to predict the features of the visual perceptions. The second model is entirely of the black-box type. We show that both models provide satisfactory prediction tools and achieve similar prediction accuracies. Moreover, we demonstrate that significant improvement (25%) was gained with respect to linear statistical methods, suggesting that the biological process is strongly non-linear.     

An optic stimulator for mapping visual receptive fields of single neurons

This paper describes an optic stimulator suitable for mapping visual receptive fields of single neurons. This stimulator allows the presentation of stationary stimuli with different forms and orientation and of stimuli moving at different velocities along all possible directions in the visual field.