（微电子学与固体电子学专业论文）视觉假体中视神经刺激器的电路设计.pdf

学科专业：微电子学与固体电子学 研究生：杨晓菲 指导教师：杨嫒教授 摘要 签名： 签名： 人类认识世界所需信息的7 0 以上都是来自视觉，所以视觉是人类很重要的感觉器 官，因此，失明通常被认为是最严重的残疾。根据世界卫生组织2 0 0 2 年的报告，全球有 1 4 亿人视觉有残疾，包括4 5 0 0 万盲人，在中国有5 5 0 万盲人。在各种残疾病患中，患有 色素性视网膜炎( i 冲) 和老年黄斑变性( 。州d ) 的人是不可治愈的。 随着现代科学技术的发展，对目前无法治愈的i 强和。w d 患者的治疗中，视觉假体 已经成为国际上的研究热点。视觉假体是人工修复视觉的一种电子装置，其核心是植入式 神经刺激器。根据国内外多个研究小组的研究成果，本文针对视神经假体的参数需求，提 出了其系统框图，并完成了一款神经刺激器的电路设计。 本文设计的神经刺激器使用双工作电压，高压电源1 2 v ，常压电源3 3 v ，主要由带 隙基准电路、a s k 解调电路、电荷泵锁相环、数模转换器、输出电路以及数字控制组成。 在数字控制端的控制下，该刺激器可以产生多路电荷平衡的双向电流脉冲。 基于t s m c0 3 5 岬b c d 工艺，使用h s p i c e 软件对设计的电路模块进行了仿真，使 用m o d e l s i m 和f p g a 对设计的数字控制电路进行了仿真及验证。为验证刺激器的功能， 针对6 4 个电极设计了驱动电路，完成了整体仿真，包括系统功能验证、电源电压变化及 负载波动的仿真。实验结果表明，该神经刺激器电路可以在较宽电源电压和电极阻抗变换 范围内工作，可以产生6 4 通道的双向刺激电流，电流的幅值和持续时间可变，幅值范围 1 0 i l a 1 0 2 2 a ，脉冲持续时间范围2 0 p s 0 0 0 肛s ，脉冲频率低于3 5 0 h z 。本文的电极驱动 电路的设计方案为高性能视神经假体系统的设计提供了参考方案。 关键词：视觉假体；视神经；神经刺激器：双向刺激；a s k 解调 本研究得到国家自然科学基金青年科学基金项目( n o 6 1 1 0 2 0 1 7 ) 的资助。 t i t i e ：t h ec i r c u i td e s i g no fo p t i cn e r v es t i m u l a t o ri n v i s u a lp r o s t h e s i s m a j o r ：m i c r o e i e c t r o n i c sa n ds o de i e c t r o n i c s n a m e ：x i a o f e iy a n g s i g n a t u 陀： s u p e n ，i s o r ：p r o f y u a ny a n g s j g n a t u r e ： a b s t r a c t a st 1 1 em o s ti m p o r t 柚th u m a i ls e n s e s ，v i s i o np r o v i d e sm o r en 1 锄7 0 i o n n a t i o no fm e o u t s i d ef o rh 啪a nt 0u n d e r s t a l l d i n ga n d 仃j m s f o 珊t h ew o r l d ，s ob l i n d n e s si su s u a l l yt l l o u g h tt 0 b et h em o s t r i o u sh 啪锄d i s a b l e d a c c o r d i n gt ot 1 1 ew 6 r l dh e a l mo r g ；m i z a t i o nr 印0 ni 1 1 2 0 0 2 ，m o r et l l 锄14 0m i l l i o np e o p l ea r ev i s u a l l yd a m a g e d ，4 5m i l l i o nb l i n di n c l u d e d c 1 1 i n ah a s a b o u t5 5m i l l i o n b l 砌p e o p l e r e t 觚t i sp i 肿e n t o s a ( r p ) 锄da g e - r e l a t e dm a c m a r d e g e n e e a l i o n ( a m d ) a r et l ：屺m a i ni n c u r a b l ed i s e a s e st 0t l l eb l i n d 剐o n g 晰t h 也ed e v e l o p m e n to fm o d e ms c i e n c ea i l dt e c l l i l o l o g 蜘n o w a d y sv i s u a lp r o s t l l e s i s l l a sb e c o m e 锄i n t e m a ：t i o n a lh o tt o p i co fs c i e n t i f i cr e s e a r c h0 nv i s 砌r e p a j rf o rr p 锄da m d p a t i e n t s v i s u a lp r o s t h e s i si s 锄e l e c 们1 1 i cd e v i c eb ya n i f i c i mv i s u mr 印a i r ，锄di t sc o r ei s t 1 1 e i r n p l a n t a b l en e u r a ls t i m u l a t o r a c c o r d i n gt om ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so fm a l l yr e s e a r c hg r o u p a th o m ea 1 1 da b r o a d ，s p e c i f i ct op 黜n e t e r sd e m a n do ft h eo p t i cn e n ，ep r o s t l l e s i s ，t 1 1 i sp 印e rp u t f o r v 限r dn l es y s t e mf h m eo fm eo p t i cn e 九，ep r o s t l l e s i s ，距dc o m p l e t e dt 1 1 ec i r c 吐d e s i g no ft h e n e r v e 负i m u l a t o l h 1 i sp 印e r ，t t l ed e s i g i l e dn c es t i m u l a t o ru s ed o u b l ew o t b n gv o l t a g e - _ t h e12v 1 1 i 曲 v o l t a g ep o w e rs u p p l y 觚d 也e3 3 vo r d i i l a d ，p o w e r t h es t i m u l a t o rm a i l l l yc o n s i s t so f l e b a l l d g a pr e f e r e n c ec i r c u i t ，a s kd e m o d u l a t i o nc i r c u i t ，t 1 1 ec h a 玛ep u m pp h a s e - l o c k e dl o o p ， d i g i t a j t o a n 甜o gc o n v e n e r ，o u t p u tc i r c u i ta i l dt l l ed 酶t a jc o n 仃0 1 u n d e rt 1 1 ec o n n 0 lo ft l l ed i g i t a l c o n 仃o l ，廿l es t i l i l u l a t o rc 锄g e n e r a t em u l t i c h 猢e lc l l a r g eb a l 锄c e d b i p h a s i cc 眦n t p u l s e s n ed e s i g n e dc i r c u i t sa r es t i m u l a t e d 谢t 1 1h s p i c es o n w 乏鹏b a s e do nt s m co 35 岬b c d p r o c e s s ，觚dt l l ed i g i t a lc o n 们lc i r c u i ti ss t i m u l a t e d 谢t l lm o d e l s i ma n dv e r i f i e db yf p g a t 0 v e r i 匆t h e 缸1 c t i o no f 雠s t i i i l u l a t o r ，t t l ep a p e rd e s i g n e da “v i i l gc 沁u i ta i 诚n ga t6 4e l e c 缸d d e s ， a n dc o m p l e t e dt h ew h o l es i i r l u l a t i o ni n c l u d i n gt h es y s t e mf i u n c t i o nv a l i d a t i o n ，t h ep o w e rs u p p l y v o l t a g ec h a n g ea l l de l e c t r o d ei m p e d a n c ec h a n g e t h ee x p e r i m e n 协lr e s u l t ss h o w 也a t 也en e r v e s t i m u l a t o rc i r c u i t sc a i l 、0 r ki nar e l a t i v e l yw i d et l l e p o w e rs u p p l yv o l t a g ea n de l e c t r o d e i m p e d a n c e 仃a 1 1 s f 0 1 m a t i o nr 觚g e ，觚dc a ng e n e r a t et h e “- c h a l l i l e lb i p h a u s i cs t i m u l u sc u 玎e n t i i i 西安理工大学硕甥位论文 埘t l l 锄锄p l i t u d eb 帆e nl o 她a n d1 0 2 2 衅，t h ep u l s e 、航d mb e 觚e e n2 0p sa l l d4 0 0 “sa n d t l l ec 啪e n t 叫s e 雠q u e n c yb e l o w35 0h z t h ee l e c 仃o d ed r i v i n gc i r c u i td e s i g n e di nm ep a p e r p r o v i d e sab e t t e rr e 衔e n c es 0 l u t i o nf o r 也eh i g h - p e 墒彻a i l c e0 p t i cn e ep r o 妯e s i ss y s t e m d e s i g n k e yw o r d s ：s “p r o 妯e s i s ；m 叫i cn e e ；n e es t i 姗l a t o r ；b i p h a s i cs t i i i l u l a t i o n ； a s kd e m o d u l a ：t i o n t l l er e s e 砌i ss u p p o n e db yt 1 1 en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef 1 1 n d sy 0 u ms c i e n c ef u n d p r o j e c t ( n o 6 11 0 2 0 17 ) 1 v 第一章绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 人类认识和改造世界的根本途径就是通过视觉系统获取信息，其中大约有7 0 以上 的信息都是需要眼睛提供的n 1 ，由此看来眼睛对人有多么的重要，而不幸的是有很多失 明的人，他们的生活、学习和工作都受到极大的影响，也给他们的精神造成压力和痛苦。 根据世界卫生组织2 0 0 2 年的报告，全球有1 4 亿人视觉有残疾，包括4 5 0 0 万盲人，在中 国有5 5 0 万盲人，而且盲人的数量还在以几乎一分钟一例的速度增加1 。 视觉感受主要是通过光信号作用于人眼产生的，视觉系统的生理机制可以总结为三个 阶段：( 1 ) 视觉信息的光学处理过程( 由屈光系统和视网膜完成) ；( 2 ) 视觉信息的神经 处理过程( 由视神经完成) ；( 3 ) 视觉信息的皮层整合定型过程( 由视皮层完成) 。各种因 素导致这三个过程中任意一个环节出现损伤，都会引起失明眈1 。在各种残疾病患中，患 有色素性视网膜炎( i 冲) 和老年性黄斑变性( w d ) 的人是不可治愈的。 今天，社会科技高度发达，但是对于盲人们，生活还是没有改善，他们在日常生活中 依然主要依靠的是探路棍和简单的触觉。各国政府都开始重视盲和视力损伤这个问题，它 已经对社会及公共卫生产生严重的影响。各国政府通过制定助盲政策和投入大量经费开展 治盲的研究等方式，积极响应w h o 于1 9 9 9 年发起的“视觉2 0 2 0 ：享有看见的权利 u 1 这一全球性行动，即到2 0 2 0 年在全世界根除可避免盲，所谓可避免盲就是指通 过预防或治疗而使患者不成为盲人或者复明，主要包括白内障、沙眼、河盲( 只存 在于某些非洲及少数拉美国家) 、儿童盲、低视力及屈光不正。同年九月，中国政府 负责人在这个活动宣言上面签了字，同时，在党的十七大报告上，也有一篇支持、，i s i o l l 2 0 2 0 活动的报告名为：“发扬人道主义精神，发展残疾人事业 。这是中国特色社会主义建设中 对残疾人关怀和对残疾人事业重视的重要体现。视觉功能修复的研究是符合社会的需求 的，将为盲人患者带来福音，使他们能公平享受社会带给他们的权利，能参与社会活动， 能够切身享受社会主义的优越性。 最近几年，专家学者们通过开展各种研究，如光动力学、基因、药等方式治疗盲患， 但是截止目前，对患有i 冲、刖d 疾病或者由于外伤而导致的视力受损患者依然没有有 效的措施使其复明。，4 1 。为了使盲人的视力得到一定的改善，延缓甚至达到治疗他们的 眼疾，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 功能的方法，其原理是利用视觉假体采集外界图像信息，进行编码处理，通过微电流微刺 激器对视觉神经组织施加一定幅度和频率的电流刺激，使视觉神经元兴奋，从而使病人产 生视觉感受，即光幻视。光幻视是指电极的定点电刺激所产生的视觉感受，它是点状或其 他简单形状的小光斑，其大小、亮度及颜色等由于电刺激参数等因素的影响而变化。因此， 所谓的视觉感受就是由视觉假体产生的像素化的图像，该图像由一些独立的光点构成。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 视觉假体的研究现状和发展趋势 1 2 1 视觉假体的分类 近年来，国内外有很多的研究小组都在致力于研究使用视觉假体修复视觉功能，他们 尝试了不同的办法，研制了各种不同的视觉假体装置，我们根据把微电极植入到体内位置 的不同，将视觉假体进行如图1 1 所示的分类巧，主要有三大类，即：视皮层假体、视网 膜假体、视神经假体。其中，根据植入到视网膜的位置不同，视网膜假体又可分为：视网 膜下假体和视网膜上假体。 ( v 视皮层假体 视神经假体 ( s u b r e t i i l a lp r 0 妯e s i s ) ( o p t i cn e r v e p m s t l l e s i s ) 图1 1 视觉假体的分类 f 皓l 一11 1 1 ec l 舔s i f i c a l i o no ft h ev i s u a lp r o s n l e s i s 视皮层假体的工作过程如下：首先，摄像机采集外界图像然后信号处理器对图像 信号进行处理，转化成为电信号，接着电信号被传输到植入皮层的电极阵列，最后在患 者的皮层产生刺激，产生光幻视6 1 。在视皮层假体中，刺激的是病人的视觉通路的最后 一步，跳过了视觉通路上其他组织的病变，是直接刺激皮层来恢复视觉感受的，因此可 以帮助多数失明病人恢复视力。但是，采用这种方法具有一定的手术风险，而且容易造 成颅内感染，可能使患者中风或者癫痫。 视网膜上假体方案中，微电极阵列被植入到患者的视网膜内表面，可以直接刺激尚有 功能的神经节细胞，产生视觉感受。该方案的优点是芯片散热可以通过玻璃体实现，只要 求患者的视神经和视网膜内层功能正常。这种假体方案主要的缺点就是可以刺激的视野 小，而且芯片不太好固定在眼内，电极与视网膜的接触不够紧密，植入患者眼睛之后，可 能使视网膜脱离或者产生裂孔。 视网膜下假体方案中，芯片以视网膜中光感受器的角色被植入到色素上皮层和外视网 膜之间的视网膜下空间，光信号经自然传送途径到达芯片，用光电转换的方式激活微电极， 从而产生刺激。该方案要求病人的视网膜功能完好，这样可以省略视觉假体的图像处理部 分，受损失的感光部分用微电极来替代。这种方案的主要缺点表现在手术难度大、对芯片 在体内的供能和散热问题不好解决，而且产生的视野范围也不够大，还需要迸一步深入研 究。 视神经假体是在眼球后的视神经部位进行功能电刺激的一种修复方法，与视皮层假体 及视网膜假体相比较，视神经假体的优点是手术的风险小，覆盖的视野范围大，而且需要 体惦 奉 榔绯 腓 掳l 兰 假 膜m 鞋 瞧删 噍嚣硼，几l d c 既 一d 吐 _ 辄 芝一 蚕 舢 删 网融 a 视暑 嘣 勋 第一章绪论 的刺激阂值低，不需要接触已经病变的组织。但是因为神经束尺寸是有限的，不能无限制 的植入很多的电极，这成为视神经假体的发展的一个瓶颈问题，因此微电极的材料、形状 及大小等的设计依旧是视神经修复的一大难题。 不管何种类型的视觉假体，它们的基本组成部分都是一样的，如图1 2 所示，主要包 括：体外图像信息采集以及处理部分；体内微电流刺激器与电极部分，体外和体内之间 通过射频无线传输的方式进行信号与能量传递6 。首先，信号收集部分通过微摄像头采 集图像信息，通过信号处理部分对采集的信息进行处理、编码成电信号，然后经过无线 传输方式传送到体内的刺激器，这时刺激器将信号进行解码，并产生电流脉冲施加到电 极上，刺激视觉神经系统以产生视觉圯1 。被称之为“视觉假体神经刺激器或“视觉假 体微电流刺激器”的集成电路芯片是视觉假体的核心部分，它的主要功能是给视觉通路上 的视网膜、视神经或者视皮层提供电刺激信号。刀。 电极1 电抛 蝴 电枷 图1 2 视觉假体框图 。 f i g 1 2t h ed i 昭锄o f s u a lp r o 妯e s i s 1 2 2 视觉假体刺激器的研究现状 - + 视觉假体的研究最早始于上世纪5 0 年代，1 9 5 6 年，美国科学家协s i k e r 发现在视网 膜下植入光敏硒电池，可产生光感。6 0 7 0 年代，科学家通过一系列实验观察到视觉系 统能被外界电刺激激活。对原发性视网膜色素变性研究发现，即使感光细胞受到破坏，视 网膜内层组织仍存在具有功能的神经细胞来传递和处理信息。研究视觉假体，从长远来看， 不仅具有科研价值，而且具有巨大的经济价值，国内外已经有多个国家都投入了人力和大 量的经费，集合微电子、材料、医学等学科的专家和学者进行科学研究，很多的科研团队 已经深入开展了对不同类型视觉假体的研究，且获得了宝贵的经验。 欧美国家于上世纪9 0 年代初兴起对使用视觉假体修复视觉功能的研究，而我国在这 方面的研究近几年才起步。视觉假体神经刺激器已经成为了科学与技术的重大前沿热点问 题。目前，按照电极刺激的位置的不同，可以将人工视觉刺激器划分为视网膜刺激器、视 皮层刺激器和视神经刺激器三种，其中以视网膜刺激器的发展最快。 a视网膜刺激器 视网膜刺激器是在视网膜下或视网膜表面植入不同微电极，视觉信息通过微电极序列 3 西安理工大学硕士学位论文 被转换成电脉冲来刺激临近的神经节细胞，这样信息就可以通过视神经传入人的大脑皮 层，患者就可以看到图像。根据植入到视网膜的位置的不同，又可以将视网膜刺激器分为 视网膜上和视网膜下两种刺激器。 视网膜上刺激器通过体外摄像机获取图像信息，微电极矩阵芯片将图像信息转换成 电信号刺激视网膜周围的神经细胞，使盲人病患产生视觉感受。视网膜上刺激器主要分为 两部分，即固定在眼睛外部的眼镜架上的摄像头和信号处理装置，以及通过手术而植入在 视网膜上的芯片j 美国s e c o n ds i g h t 公司设计了一种名为姆体1 的芯片，目的是治疗视 网膜色素变性患者，通过电刺激患者的视网膜而使病人产生视觉感知。这个系统外部设备 包括眼镜，视频处理单元( v p u ) 和电缆，体内是电极阵列，将视频通过小型摄像机拍 摄的图片，送到病人带的眼镜，成系列小电脉冲，以无线方式传输到体内电极表面上的 视网膜，这样就可以刺激视网膜的剩余细胞，产生视觉。病人需要学会一些视觉模式而获 得功能性视觉。第一代芯片有1 6 个电极，他们的第一代植入1 6 个电极，于2 0 0 4 年获得 f d a 的批准，将其植入到6 个受试者体内，这些受试者植入前均完全失明，植入后可以 辨别物体。第二代的芯片有6 0 个电极植入，临床试验目前正在进行中，正在等待美国f d a 的批准。第三代芯片也正在改善中，目前有2 4 0 电极。澳大利亚视觉假体研究小组9 1 设 计的芯片大小为2 8 姗4 6 m m ，拥有高电压模块和低电压模块，允许不同形状和大小的 电极配合这刺激芯片使用。该刺激器芯片具有电极数量可以增减，可以灵活的进行电极阵 列的搭配，但其明显的一个缺点是芯片的高压模块功耗比较大。 视网膜下刺激器由硅片和微电极及信号处理系统组成，植入到患者的视网膜神经上 皮下。它可以直接接受外界光线，然后经由微电极刺激器刺激视网膜，从而产生光幻视。 美国的研究小组砷( c h o w ) 带领的o p t o b i o i l i c s 团队，设计了一款刺激器，名为 a s r ( a n i f i c i a ls i l i c o nr c t i n a ) o l ，该芯片植入在患者视网膜下腔，通过刺激视网膜内仍有 功能的细胞，使视觉信号传送到大脑。a s r 芯片的直径约为2 毫米，厚度约为2 5 微米( 小 于人的头发丝的厚度) ，包含约5 0 0 0 个光电二极管，这些光电二极管将图像中所含的光能 转换成电脉冲，刺激患者眼内剩余的视网膜细胞，并通过视神经传送到大脑的信号而使患 者产生视觉感受。a s r 芯片是自成体系，仅由入射光供电，不需要使用外部电线，电池， 耳机或辅助计算机，己于2 0 0 0 年6 月通过f d a 验证。 视网膜刺激器具有能产生准确视觉感知、小电流强度、容易观察刺激器植入后植体的 反应、可以利用玻璃体散热等优点。到目前为止，已经有大量实验表明视网膜植入刺激器 的方法是可行的，且与生物体有很好的生物相容性和稳定性。这些进展使我们感到人工视 觉的实现已经离我们越来越近了。 b视皮层刺激器 视皮层刺激器是应用电极直接刺激枕叶皮层，可有光感的产生，但形成不了图像。最 早于1 9 2 9 年，德国神经医生f o s e r s t e r 指出电刺激皮质能产生视觉感受m j l ，l 刀。2 0 世纪 6 0 年代，b r i n n e y 等最早进行了视皮层长期电刺激的研究，通过人体试验证明了患者能够 4 第一章绪论 感受视野范围内不同位置的光点，验证了刺激电极长期植入的有效性h ，1 3 ，1 4 1 。还有好多研 究小组发表报道，如d o b e l l e 和n o m a n n 小组1 5 1 6 1 刀，指出他们的视皮层假体植入到盲 人的视皮层后，病人能够对物体的轮廓进行辨认，但是还不能对物体具有的颜色、物体是 否运动以及物体上面的线条等进行细致的辨别，而且对电极阵列植入后的安全性和与生物 组织的相容性还需要进一步的研究。视皮层假体的优点主要在于适应多种盲人患者，其缺 点在于不能修复视野中心，视野范围比较局限，植入时手术的风险也很大，而且植入后， 容易引起感染和排异的情况，使病人出现局部中风或者癫痫。 c 视神经刺激器 所谓视神经刺激器，就是将刺激器芯片和微电极植入到视神经，刺激患者尚有功能 的视神经来产生光幻视。十四年前，比利时的一个名为v e r 删的研究小组1 8 ，1 9 1 研制出一 款具有4 个平面电极的刺激器芯片，通过临床试验，将芯片植入到一个5 9 岁、患有r p 病症 的志愿者的视神经上面，实验结果证明在视神经植入假体可以帮助患者恢复一部分视觉， 而且他们设计的这个假体能让患者进行简单的物体识别。该假体具有使用少量电极进行视 觉修复的优点，但是因为使用的表面电极的刺激阈值比较高，而且分辨率低，有一定的不 足之处。 在国内，对视觉功能修复的研究起步晚，但是起点较高，已经有许多研究小组在视觉 假体的各个分支领域做了比较出色的工作。在国家“9 7 3 项目的支持下，2 0 0 5 年组织国 内优势研究单位，成立了我国首个视觉修复团队q s i 出研究团队，他们提出了采用 刺入式微电极刺激对视神经进行功能电刺激的方案，并且建立了有关的理论，搭建了实验 平台，经过多年精心研究，c s i 出小组在视神经、电极材料、视觉图像信息以及手术植 入等方面都获得了可喜的成果，使我国在视觉修复领域在国际上也占有了一席之地。上海 交通大学的c s i 出研究小组提出视神经视觉假体的创新方案，并且通过采用实验动物模 型，验证了可刺入式微电极阵列刺激视神经诱发视觉电位的可行性硒，2 0 ，2 。通过实验证明， 他们提出的这个方案具有很多优点，例如：可修复的视野大，刺激的阈值较低，分辨率高， 而且可以避免接触那些已经病变的组织。另外，由北大工学院开发出的c s i 出人工视觉 假体，由摄像头，微型芯片等构成，可完成视网膜的功能，对r p 、蝴d 患者以及其他 因视网膜损伤导致的视觉功能缺陷取得显著的视觉修复效果，使患者恢复视觉2 2 ，此项 技术在美国和中国都申请了专利保护，并通过了动物实验。 视觉假体的最终目标是利用人工方法修复盲人部分有用视觉，使患者能实现阅读、面 部识别和独立行走的能力，提高他们的生活质量。虽然国内外研究小组证实了电刺激视觉 系统能够产生人工视觉，并在临床试验中得到了验证，取得了一定的进展，但仍然存在许 多问题与挑战，最主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 分辨率有限：目前技术上电极数量和电极阵列的密度还很有限制，这使得视觉 假体所能产生的空间分辨率受到严重限制，尚不能达到帮助盲人恢复可用视觉的标准； 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 视野范围小：通过对视网膜组织和视皮层的研究发现，这两个位置植入假体时， 电极阵列的面积受到限制，所以其修复的视野范围也就小了，而视神经是视觉通路上传递 信息集中的部位，可以作为很好的刺激点； ( 3 ) 手术风险大：目前，从各种假体的动物和人体试验结果可以看到，视网膜假体 的研究已经取得了较好的效果，但是还存在对视网膜造成损伤或者脱离的危险。 1 2 3 视觉假体的发展趋势 目前，已有部分研究小组所研究的视觉假体已经进行了人体的临床试验，然而要达到 对患者身体安全，不造成后遗症，让患者可以独立行走、阅读等的要求，依然存在许多问 题有待解决，例如假体的设计、生物材料的选用、电极加工、封装、手术植入的方式及技 巧、长期植入的影响，以及视网膜本身复杂的演变、细胞与电极的接触面及芯片的散热问 题等川。 人工视觉的最终目标是提高患者的生活自理能力和生活质量，盲人病患失去的不仅是 视力，还失去了对物体的各种判断能力，比如对物体的位置、物体所处的高度、物体是否 运动以及其速度的判断。因而，对盲人患者植入视觉假体后，还需要帮助他进行专门的视 觉训练，重新建立视觉感受，使病人能尽快适应新的生活状态。 通过专家及学者多年的精心研究，总而言之，视觉假体己经取得很大的进展，但是仍 然不能满足盲人患者的日常生活需求，还需要进一步开发研究更加完善的视觉假体，需要 可以适用于患者重新获得视觉功能的专门的恢复训练。我们相信，随着时间的推移，对视 觉假体研究会越来越深入，技术会更加完善，终将使多数盲人患者重新看到这个世界。 1 3 论文主要研究内容和章节结构 1 3 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金青年科学基金项目高分辨率低功耗植入式视觉假体 神经刺激器的研究( n o 6 1 1 0 2 0 1 7 ) ，研究的主要内容是用于视觉假体的可植入视神经的 微电流刺激器的电路设计，该刺激器可以产生幅值和持续时间可变的电荷平衡的双向电流 脉冲。 1 3 2 论文主要研究内容 本文结合视神经假体的背景，完成了一款数模混合专用集成电路、适用于6 4 通道、双 向电流脉冲刺激方式的视觉假体系统的体内刺激驱动电路。主要研究内容包括： 首先，了解视觉假体的系统构成，确定以视神经刺激器为目标，根据已有研究的视神 经刺激所需参数，搭建电路框图。 其次，依据系统的设计指标和要求，对模拟部分的设计，结合t s m c0 3 5 p mb c d 工 6 第一章绪论 艺，在h s p i c e 软件中对各功能模块的晶体管级电路进行分析仿真；对数字控制部分的设计， 采用m o d e l s i m 仿真环境进行了仿真，用f p g a 进行了验证。 最终，对设计的电路进行了整体仿真和验证，确保系统的功能和稳定性。 1 3 3 论文的章节结构 本论文的各章节安排如下所述： 第一章：绪论。简述研究本课题的背景和重要意义，简要介绍了视觉假体的系统组成 与分类，同时，对视觉假体神经刺激器现有的研究现状做了介绍。 第二章：视觉假体中神经刺激器的介绍。包括神经刺激器的原理阐述，视神经假体刺 激模型及参数的介绍，以及刺激微电极的简要介绍。 第三章：视神经刺激器整体结构设计。明确系统的设计要点及要求，提出视神经刺激 器系统的整体结构，确定视神经刺激器电路模块及各电路功能。 第四章：各电路模块的详细设计与仿真。对所设计的带隙基准电路、a s k 解调电路、 电荷泵锁相环、数模转换器、以及输出电路进行了原理分析和设计，并且基于t s m c 0 3 5 p mb c d 工艺库，在h s p i c e 软件中进行电路仿真，确保电路满足设计指标。对设计的 数字控制模块用m o d e l s i i i l 仿真环境进行了仿真和f p g a 验证。 ，。 第五章：整体仿真。对设计的模拟电路进行整体的仿真，确保实现系统的功能。 第六章：总结与展望。对论文所做的工作做一个简单的总结和后续工作展望。一。 7 乞西安理工大学硕士学位论文 ： 一二二一 8 第二章视觉假体中神经刺激器的介绍 2 视觉假体中神经刺激器的介绍 2 1 植入式神经刺激器概述 在临床上，有很多患有与神经相关疾病的人，通常他们需要借助于长期或者终生服药 以减轻病症，这不可避免的会对病人的身体产生严重副作用。这些年，科学家一直致力于 研究可植入神经刺激器芯片，这成为这些病患得到被医治的希望。植入式神经刺激是用电 信号刺激病人的脑部、神经或者肌肉，达到缓解或者治愈病症的一种选择方案2 ”。 现在，对二十多种神经相关的疾病都可以采用植入式神经刺激器的方法进行治疗，即 通过电脉冲刺激，使患者恢复某种功能。最为耳闻能熟的就是人工耳蜗，用来恢复患者的 听觉；在欧美比较普及的脑深部电刺激，用来治疗患有帕金森病、肌张力问题以及患有强 迫症的人，还有骶神经刺激，用于治疗患有尿失禁的病人，另外，通过电刺激治疗癫痫、 抑郁、顽固性疼痛、痉挛、痉挛性斜颈、舞蹈病、强迫症、镇痛及戒毒等方面也有很多应 用圮，本文的视神经假体刺激器用于治疗视力损伤的患者。但是由于这些刺激器大部分 都是欧美发展国家研制和生产的，对我国的大部分患者来说，这种方案的价格比较昂贵， 无法得到普及。因此，我国要尽快研制具有自主知识产权的刺激器，缩小与国外的差距， 增强国际竞争力，为那些身患顽疾的人提供价钱可以接受而且优质的治疗，让他们摆脱病 痛的折磨。 2 2 视神经假体刺激参数及模型 2 2 1 视神经刺激参数 视觉假体的电刺激的参数需要通过大量的动物和人体试验结果来确定，主要包括刺激 电流的脉宽、电流大小和频率。各国研究小组的实验研究的结果如表2 1 所示，可以看出， 刺激参数与刺激的部位有关，刺激位置变化，刺激参数的值就会发生变化。 9 西安理工大学硕士案位论文 表2 1 电刺激参数 1 曲l e2 1p a r a m e t e r so fe l e c 们c a ls t i m u l a t i o n 研剜蛆 研究方向电刺激多数 美国犹他大学视皮层假 双向电流脉冲序列刺激，幅值：o 1 2 5 皿舢脉宽： 体o 妇，频率；l 2 壬z ，脉冲序列长度：l 一3 o m s 澳大利亚新南视皮层假先负后正双向电流单脉冲刺激，幅值： l v ，脉宽：o 2 麟，频率：随 验室体光照变化 比利时鲁汶大视神经假双向电流单串脉冲刺减，幅值：3 m a ，脉宽： 学 俸 o 0 2 5 卸钮璃频率：4 札1 6 佣 z 上海交通大学 视神经假双向电流刺激，幅值：l m 脉宽：2 0 t i 争蝴璐脉 俸冲频率： 1 5 0 舷 由于实验条件限制，本文主要是依据上海交通大学的实验结果确定刺激的参数的，出 于对生物组织安全性考虑，每个脉冲的幅值范围在1 0 雌至1n 认，脉冲持续时间范围为 2 0 邮至4 0 0 “s ，脉冲频率在3 5 0h z 以下旺1 。 为保持生物组织电中性，采用电荷平衡的负向在先的双相电流脉冲，通过微电极阵 列刺激视神经。光幻视是由负向电流对神经的刺激产生，这时会在人体组织产生电荷积累， 为恢复其电中性，所以必须有一个与负向电流等量电荷的正向电流。先负后正电荷平衡的 双向电流的波形7 1 如图2 1 所示，图中t d 代表延迟时间，t i 、t 2 分别代表负向、正向脉 冲的持续时间，t 3 代表负向和正向脉冲之间的延迟时间，1 1 、1 2 分别代表负向、正向脉冲 的幅度，根据电荷平衡原理，这些参数的满足如下关系式： i l t j21 2 t 2 ( 2 1 ) l o j l 一t l t dt 3 - t l 图2 1 刺激电流波形 f i g 2 1s t i m u l u sc u 盯e mw a v e f o 咖 第二章视觉假体中神经刺激器的介绍 2 2 2 视神经刺激模型 视神经刺激模型眨，2 4 1 如图4 所示，刺激是经过电极对神经作用的，因此存在一个电 极阻抗r e 。电极的末端周围必然存在组织液、细胞的碎片以及空气泡等多种因素，这些 也会引入阻抗，我们称这一阻抗为。通道阻抗是电极阻抗和附加阻抗的和，即 = & + 。膜阻抗是指通过细胞膜的阻抗，同时，生物实验表明细胞膜还具有容性， 图中用c l 表示，即可以用电阻r m 和电容c 1 并联表示细胞膜。更加仔细的考虑，当电极 和细胞接触时，会有极小部分的电流泄漏，把泄漏电流流经的时电阻记为旁路电阻凡。 c l 图2 2 视神经刺激模型 f i g 2 2t h em o d e lo f o p t i cn e r v es t i m u l a t i 7 各种临床试验表明，砜的值一般在g q 数量级，r m 和都在k q 级，c l 在几十一几 百i l f 2 。因此，刺激模型可以简化为如图5 所示。本文在进行电路的仿真时，采用了电 阻和电容串联的模型，电阻约为3l ( q 左右，电容取5 0 l 正。 嗽 c 1 图2 3 视神经刺激简化模型 f i g 2 - 3t h es i m p l i f i e dm o d e lo fo p t i cn e r v es t i m u l a t i o n 2 3 视神经假体微电极介绍 2 3 1 微电极介绍 微电极作为视神经假体系统与人体组织的重要接口，其研究越来越受到广泛的关注。 根据功能不同，微电极主要分为刺激微电极和记录微电极2 卯。通过微电极这个媒介，使 外界信号( 通常为电学信号) 对目标神经进行刺激或者抑制，其结果是将电学信号转化为 神经信号，并可以通过神经活动反映出来，这种微电极就被称作刺激微电极。与之功能相 反的是记录微电极，该电极是将神经信号转化为电学信号，并且可以传输到测量设备上方 西安理工大学硕士学位论文 便记录，从而分析神经的情况。这两种电极的工作机理不同，因而其电学特性要求也不相 同。通常，为了保证目标神经组织的安全，刺激微电极要求其阻抗低，一般为几l q ，当 刺激信号在通过低阻抗微电极时，不会产生太大的热量。而为了达到检测设备记录信号的 要求，记录微电极要求具有大阻抗，一般为1 0 0 k q 左右，因为较大的阻抗能够较好的将 微小的神经信号放大足够的倍数。 目前，从电极材料、加工工艺以及电极结构的不同，有多种微电极可以对组织进行刺 激或者记录，本文总结了目前现有的微电极的特点，如表2 2 所示。 表2 2 各种微电极的特点 t 乏出1 e2 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l lk i n d so fm i c r o e i e c 仃o d e s 徽电暌脚类材科结构 工艺应用 优缺点 微丝微电极常用a n 、p t - i f丝状，直径 物理和细胞外刺可选用材料多，但是必须考 合金、w 、一般在化学方激和记录 虑与组织的相容性好且机 硒c 台金等1 2 5 跳m 间法械强度高的材料 玻璃毛细管玻璃毛细管针状毛细物理和细胞内刺工艺简单，但是阻抗较高， 微电极管，宣径约化学方激和记录导致翼应用不多 为l u m法 箍型微柔性高聚物，箍状电极 x 匠n 塔 刺激外层对细胞损伤低，具有较好的 电极如p o 姆嫩工艺的神经细长期性。但是只能刺激外层 胞细胞，数量有限，对神经损 伤大 平面微柔性高聚物，平面电极猢踟刺激神经工艺最简单，有较好的生物 微 电极 如p o 毋i m i d e 工艺 细胞 相容性，但是实现高密度集 加成化和高效刺激，对神经损 工伤大 电 瘾裂愁 s i 或者其他微孑l 阵列，x 匠崦研究和记可以记录神经臼勺再生功能， 、 ， ， 极 电鼹 生物材料孔径工艺录神经的但是需要隔断神经柬，对人 剐如6 5 u m 再生功能体应用有禺b 昆性 针形微大多用硅基针形 醐踟 刺激和记具有高密度、有序排列砭可 电极 材料 工艺录大脑皮 实现三维阵列的优点，莲建 层或神经 搠质脆，易断，限制了翼 束 植入应用 本文的刺激器植入的部位是视神经，综合考虑以上电极的性能，由于针形微电极的高 密度、有序排列以及可以实现三维阵列的优点2 ，可以将针形微电极作为备选电极，但 是要植入到人体进行试验，还有一段距离，需要在材料的生物相容性、加工工艺和电极形 状方面做更多的研究和改进。 第二章视觉假体中神经刺激器的介绍 2 3 2 微电极阵列的控制方式 微电极的控制方式就是指电极和电流发生器的连接方式，通常包括图2 - 4 所示的两 种方式7 1 。方式1 ：一个电极对应一个双相电流发生器；方式2 ：几个电极共用一个电流 发生器，通过电极选通电路来选择具体哪个电极被刺激。由于刺激电流需要被数字信号控 制，所以电流发生器里面需要一个数模转换器( d a c ) 。视觉假体的模拟试验中提出： 要让盲人恢复视觉功能，可以阅读、进行人脸识别以及独立出行的目的，需要6 0 0 1 0 0 0 个电极订1 。对于具有如此高分辨率微电极阵列的视觉假体装置，如果采用方式1 的连接， 这样，刺激器的体积和功耗都会很大，而且电极和刺激芯片之间的连线数目会非常庞大。 假如采用方式2 进行连接，会减少d a c 的数量，可以较好的控制刺激器芯片的体积和功 耗，但是对方式2 这种连接，同一个电流发生器所带的电极中，在同一时刻只能有一个电 极产生刺激，这样刺激器的灵活性就有所降低。因此，设计的时候，需要在复杂性和灵活 性上进行折中。 电流：一一一一电极 图2 4 刺激电极的连接方式 f i g 2 4t h ec o 彻e c t i o no fs t i m u l a t i o ne l e c 仃o d e so 本课题将采用第二种连接方式验证6 4 个电极的驱动电路，一个d a c 控制八个电极， 在同一时刻，这八个电极只有一个产生刺激。 西安理工大学硕士学位论文 1 4 第三章视神经刺激器整体结构设计乞 3 视神经刺激器整体结构设计 3 1 系统的设计要求 视觉假体技术是一种实现视觉修复的人工装置，本文采用的视神经假体系统如图l 所示，主要包括：体外部分和植入体内部分，信号和能量在体内和体外的传递采用射频无 线传输的方式进行。首先，体外部分由摄像头采集图像，对图像进行处理、编码，然后采 用a s k 调制将能量和信号进行调制，经皮肤采用射频无线传输方式传输到体内的植入部 分，本课题中，为保证一定的数据传输率和有效的能量传输效率，采用5 | z 频率的载波 同时传输数据和能量旺6 ，跏。体内的传输能量解调模块为刺激驱动电路供电，同时，数据 接收模块将发送过来的数据传给电极驱动电路。电极驱动电路是视觉假体的核心部件，主 要功能是完成刺激电流的产生，该电流经电极传送到视神