本發(fā)明涉及一種用于神經刺激的脈沖電流產生電路及人工視網膜系統(tǒng)。
背景技術:
在神經刺激領域中,通過刺激電極提供電刺激能夠使神經組織產生反應,從而獲得期望的功能。例如在現(xiàn)有的人工視網膜的視力修復系統(tǒng)中,為了給盲人恢復視覺感受,一般需要在盲人的眼球內放入植入體,這樣的植入體替代了例如因視網膜色素變性(RP)或老年黃斑變性(AMD)等而受損的感光細胞的功能,在視覺通路的其他功能得到保留的情況下,可以通過植入體中的刺激電極來對視網膜保留完好的其他神經通路產生刺激從而讓盲人恢復部分視力。在人工視網膜系統(tǒng)中,體外的攝像頭捕捉視頻圖像,接著圖像處理裝置將視頻圖像轉化為電信號并發(fā)送給植入體,然后,位于眼內的植入體將電信號轉換為刺激信號,并通過植入體的刺激電極對視網膜的神經節(jié)細胞進行刺激,由此使盲人能夠在大腦皮層上感受到光感,恢復部分視力。
技術實現(xiàn)要素:
然而,在現(xiàn)有的人工視網膜或人工視網膜系統(tǒng)中,刺激電極所產生的刺激信號往往只能對視網膜表面的神經細胞(例如神經節(jié)細胞)進行刺激,無法有效地刺激到稍微遠離視網膜表面的視網膜的雙極細胞,因此,在刺激效果上往往并不理想,另外,在刺激的分辨率上還有很多方面有待改進。
本發(fā)明人等經過長期的研究發(fā)現(xiàn),在視網膜中神經節(jié)細胞與多個雙極細胞相連接,而在視網膜的黃斑區(qū)(通常是人工視網膜的植入部位)雙極細胞與單個感光細胞一一對應連接,通過刺激視網膜的雙極細胞能夠有效地提高刺激的分辨率,產生更加精準和有效的光感。對于視網膜上的人工視網膜修復方式而言,植入體內的刺激電極常常貼合在視網膜上,刺激電極能夠接觸的部分主要是視網膜的神經節(jié)細胞(特別是神經節(jié)細胞的軸突)。為了讓刺激電極所產生的刺激信號能夠刺激到與刺激電極稍遠的雙極細胞,一般要求刺激電極能夠提供例如寬的刺激脈沖的脈沖電流。另外,從刺激電極的安全電荷量的角度看,若脈沖電流的刺激脈沖較寬,則其脈沖電流的幅度要相應地縮小,以確保刺激電荷在安全電荷量的范圍內。
為了解決上述現(xiàn)有問題,本發(fā)明的目的在于提供了一種能夠提高有效刺激分辨率的用于神經刺激的脈沖電流產生電路、以及人工視網膜系統(tǒng)。
為此,本發(fā)明的第一方面提供一種用于神經刺激的脈沖電流產生電路,包括:模擬信號接收裝置,其用于接收模擬信號;模數轉換器,其將所述模擬信號轉換為數字控制信號;電流信號控制器,其根據所述數字控制信號產生用于生成雙向脈沖電流信號的脈沖電流參數;以及電流發(fā)生器,其根據所述脈沖電流參數生成用于神經刺激的所述雙向脈沖電流信號,所述電流發(fā)生器能夠根據所述脈沖電流參數生成不同精度的脈沖電流。
在本發(fā)明中,電流信號控制器根據數字控制信號產生用于生成雙向脈沖電流信號的脈沖電流參數,并且電流發(fā)生器根據脈沖電流參數生成不同精度的用于神經刺激的雙向脈沖電流信號。通過能夠生成不同精度的脈沖電流的電流發(fā)生器,可以根據刺激需要生成不同脈沖寬度和不同精度的雙向脈沖電流信號,由此不僅能夠滿足安全電荷的要求,而且還可以有效刺激到所需要刺激的神經細胞(例如雙極細胞),從而能夠產生更加有效的刺激效果。另一方面,由于脈沖電流產生電路能夠實現(xiàn)更寬的脈沖信號,因此,能夠在硬件層面適應更高的處理要求例如刺激算法優(yōu)化等。
另外,在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,在一個刺激周期內,所述雙向脈沖電流信號的電荷總量在安全電荷量以內。由此,能夠避免脈沖電流信號對人體神經組織(例如視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞)造成傷害,確保脈沖電流產生電路的安全性和可靠性。
在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,所述脈沖電流參數包括負向脈沖寬度、負向脈沖幅度、正向脈沖寬度、正向脈沖幅度、以及脈沖間隔。由此,通過控制所述脈沖電流參數,從而能夠實現(xiàn)不同的刺激脈沖電流。
另外,在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,所述電流發(fā)生器根據所述脈沖電流參數生成低精度脈沖電流或高精度脈沖電流,所述電流發(fā)生器在接收所述脈沖電流參數之后,判斷所要生成的雙向脈沖電流信號是否小于臨界值,并且當所要生成的雙向脈沖電流信號小于或等于臨界值時,生成所述高精度脈沖電流;當所要生成的雙向脈沖電流信號大于臨界值時,生成所述低精度脈沖電流。由此,電流發(fā)生器能夠在不同的情形下產生對應的脈沖電流,以滿足刺激信號的要求。
另外,在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,當所述雙向脈沖電流信號的所述負向脈沖寬度大于所述預設時長且所述負向脈沖幅度小于或等于所述臨界值時,所述電流發(fā)生器生成高精度脈沖電流。
另外,在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,所述高精度脈沖電流的脈沖幅度的精度大于所述低精度脈沖電流的脈沖幅度的精度。
另外,在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,所述雙向脈沖電流信號的一個刺激周期內的正向脈沖電流或負向脈沖電流的電荷總量在安全電荷量以內。由此,能夠確保刺激電極的長期安全性和可靠性。
另外,在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,還包括電荷補償電路,其根據所述雙向脈沖電流信號的一個刺激周期內的電荷總量決定是否對所述電流發(fā)生器進行電荷補償,以確保由所述電流發(fā)生器所產生的所述電荷總量在安全電荷量以內。由此,能夠進一步確保脈沖電流產生電路的安全性和可靠性。
另外,在本發(fā)明所涉及的脈沖電流產生電路中,可選地,所述電荷補償電路包括:用于檢測脈沖電流信號的檢測電路、根據由所述檢測電路所檢測的脈沖電流信號來判斷是否需要補償的判斷電路、以及基于所述判斷電路的判斷來產生補償電荷的補償電路。
此外,本發(fā)明的第二方面提供一種人工視網膜系統(tǒng),包括:植入裝置,其至少具有上述任一項所述的脈沖電流產生電路;攝像裝置,其用于捕獲視頻圖像,并且將所述視頻圖像轉換成視覺信號;視頻處理裝置,其與所述攝像裝置連接,并且將所述視覺信號進行處理而生成調制信號;以及模擬信號發(fā)射裝置,其將所述調制信號發(fā)送給所述植入裝置,所述植入裝置將所接收的所述調制信號轉換成作為電刺激信號的所述雙向脈沖電流信號,從而對視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞發(fā)放所述雙向脈沖電流信號來產生光感。
根據本發(fā)明,能夠產生更加有效的刺激效果,而且能夠在硬件層面適應更高的處理要求例如刺激算法優(yōu)化等。
附圖說明
圖1是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的人工視網膜系統(tǒng)的結構示意圖;
圖2是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的人工視網膜系統(tǒng)的刺激電極結構植入到眼球內的示意圖;
圖3是示出了圖2所示的刺激電極結構(刺激端)貼附在眼球內的視網膜上的局部示意圖;
圖4是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的用于神經刺激的脈沖電流產生電路100的電路模塊的示意圖;
圖5是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的雙向脈沖電流信號的示意圖;
圖6是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的電流發(fā)生器104的電路模塊的示意圖;
圖7是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的不同脈沖電流幅度的精度的示意圖;
圖8a~圖8d是示出了不同的雙向脈沖電流的刺激波形的示意圖;
圖9是示出了發(fā)明的第2實施方式所涉及的脈沖電流產生電路的結構示意圖;
圖10是示出了本發(fā)明的第2實施方式所涉及的電荷補償電路的結構示意圖。
具體實施方式
以下,參考附圖,詳細地說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。在下面的說明中,對于相同的部件賦予相同的符號,省略重復的說明。另外,附圖只是示意性的圖,部件相互之間的尺寸的比例或者部件的形狀等可以與實際的不同。
(第1實施方式)
圖1是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的人工視網膜系統(tǒng)的結構示意圖。圖2是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的人工視網膜系統(tǒng)的刺激電極結構植入到眼球內的示意圖。圖3是示出了圖2所示的刺激電極結構(刺激端)貼附在眼球內的視網膜上的局部示意圖。
在本實施方式中,如圖1所示,人工視網膜系統(tǒng)(有時也稱“人工視網膜”)包括體內植入部分即植入裝置1、以及體外部分即體外設備3。在本實施方式所涉及的人工視網膜系統(tǒng)中,植入裝置1與體外設備3可以經由無線方式耦合。在一些示例中,植入裝置1與體外設備3可以經由圖1所示的接收天線11與發(fā)射天線33進行耦合。另外,在本實施方式中,植入裝置1與體外設備3的耦合方式不限于此,例如植入裝置1與體外設備3也可以經由紅外接收的方式來實現(xiàn)。
在一些示例中,植入裝置1主要包括基體(未圖示)以及設置在基體上的電子封裝體11、刺激電極結構12和接收天線13。另外,植入裝置1中的基體可以經過例如縫合方式固定在眼球2上。
此外,如圖2所示,植入裝置1中的刺激電極結構12的刺激端12a(刺激電極陣列)可以經由眼球2的切口進入眼球2的玻璃體腔內,并且貼近于視網膜,以便能夠對視網膜(特別是視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞)進行電刺激(例如發(fā)放雙向脈沖電流)(參見圖3)。
在一般情況下,例如對于視網膜色素變性(RP)或老年黃斑變性(AMD)等病患者而言,因視網膜色素變性(RP)或老年黃斑變性(AMD)而造成感光細胞的衰退或死亡,也即正常的視覺通路因感光細胞病的病變而受到阻礙,正常進入眼內的光無法被轉變成視覺電信號,導致患者喪失視覺。在本實施方式中,刺激電極結構12的刺激端12a相當于替代了感光細胞的作用,刺激端12a通過產生電刺激信號例如發(fā)放雙向脈沖電流信號,從而對視網膜神經節(jié)細胞或雙極細胞進行刺激(參見圖3)。由于大部分視網膜色素變性(RP)或老年黃斑變性(AMD)患者除了感光細胞外的其他視覺通路大多得到完好保留,因此,神經節(jié)細胞或雙極細胞受到由刺激電極結構12產生電刺激信號刺激后,該電刺激信號經由保留完好的下游視覺通路(視神經)傳遞至大腦皮層并產生光感,從而能夠部分恢復病人的視覺。
此外,需要說明的是,盡管本實施方式著眼于人工視網膜系統(tǒng)的視神經刺激進行描述,然而,本實施方式并不限于人工視網膜領域,相反,本實施方式所涉及的脈沖電流產生電路100也可以適用于其他神經刺激領域例如人工耳蝸、深腦部刺激、心臟起搏器、脊髓刺激器、等。
(體外設備)
在本實施方式中,如圖1所示,體外設備3可以包括攝像裝置31、視頻處理裝置32和發(fā)射天線33。在體外設備3中,攝像裝置31可以用于捕獲視頻圖像,并且將所捕獲的視頻圖像轉換成視覺信號。
在一些示例中,攝像裝置31可以為具有攝像功能的設備例如攝像機、數字照相機、CCD相機等。通過該攝像裝置31,從而能夠捕獲例如外界的影像。另外,為了方便使用,可以將體積較小的攝像機嵌在眼鏡上。另外,也可以通過佩戴輕便的具有攝像功能的眼鏡作為攝像裝置31來捕獲視頻圖像。再者,攝像裝置31也可以用等來實現(xiàn)。另外,在本實施方式中也可以通過使用超聲波成像(例如聲吶)或電磁波成像(例如雷達)來獲取圖像,或者也可以使用其他能夠生成范圍和角度信息的設備。
如圖1所示,視頻處理裝置32與攝像裝置31連接,并且接收由攝像裝置31提供的視覺信號。在由攝像裝置31捕獲的視覺信號傳給視頻處理裝置32之后,視頻處理裝置32可以對該視覺信號進行處理。在一些示例中,視頻處理裝置32可以包括微處理器、專用集成電路(ASIC)、DSP等,以便對該視覺信號進行圖像處理(例如采樣、編碼、調制、濾波等)。另外,視頻處理裝置32還具有供電電源,該供電電源可以例如經由無線傳輸的方式提供能量信號給的植入裝置1,從而使植入在眼球2內的植入裝置1得到供電。
模擬信號發(fā)射裝置(即發(fā)射天線33)可以將包含由視頻處理裝置32提供的能量信號和處理后的視覺信號作為調制信號(例如RF調制信號)發(fā)送給人工視網膜的植入裝置1。
另一方面,植入裝置10用于接收由視頻處理裝置30經由例如發(fā)射天線33發(fā)射的調制信號,并且將該調制信號進行進一步處理,生成雙向脈沖電流作為用于神經刺激的刺激電流(刺激信號)。具體而言,圖1所示的接收天線11(即稍后描述的模擬信號接收裝置101的具體實施例)接收該調制信號,并將其傳輸給后續(xù)的電子封裝體12進行處理。最后,將由電子封裝體12(具體是電子封裝體12內的處理電路)根據該調制信號產生電刺激信號并且傳送到刺激電極結構12的刺激端12a(例如刺激電極陣列),從而能夠對例如視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞進行刺激(參見圖3),神經節(jié)細胞或雙極細胞接收脈沖電流后產生興奮響應從而產生光感。在上述情況下,刺激電流有可能刺激到視網膜的神經節(jié)細胞或視網膜的雙極細胞,也有可能同時刺激到視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞。
(脈沖電流產生電路)
圖4是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的用于神經刺激的脈沖電流產生電路100的電路模塊的示意圖。圖5是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的雙向脈沖電流信號的示意圖。
如圖4所示,本實施方式所涉及的用于神經刺激的脈沖電流產生電路100包括模擬信號接收裝置101、模數轉換器102、電流信號控制器103和電流發(fā)生器104。在本實施方式中,脈沖電流產生電路100可以應用于圖1所示的人工視網膜系統(tǒng)。在這種情況下,脈沖電流產生電路100可以位于圖1所示的植入裝置10內。在一些示例中,例如在植入裝置10中,脈沖電流產生電路100可以產生用于刺激視網膜神經節(jié)細胞或雙極細胞的雙向脈沖電流信號。此外,在一些示例中,通過設置在植入裝置10中的刺激電極結構12的刺激端12a(參考圖2),能夠將由脈沖電流產生電路100產生的雙向脈沖電流信號發(fā)放到例如視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞。
(模擬信號接收裝置)
在本實施方式中,模擬信號接收裝置101用于接收模擬信號,可以采用天線的形式。模擬信號接收裝置101將所接收的模擬信號傳送給模數轉換器102。如上所述,模擬信號接收裝置101可以是由接收線圈組成的接收天線11。這里,接收天線11的線圈可以由金等金屬線繞制而成。另外,接收天線11的線圈的匝數沒有特別限制,可以根據需要進行設置。
(模數轉換器)
模數轉換器102可以將由模擬信號接收裝置101所接收的模擬信號轉換為數字控制信號,并將數字控制信號傳送給電流信號控制器103。在本實施方式中,模數轉換器102的電路結構沒有特別限制,可以根據需要使用4位、6位、8位、10位、14位、16位等不同分辨率的A/D轉換器。另外,模數轉換器102可以采用逐次逼近型A/D轉換器,也可以采用并聯(lián)比較型的A/D轉換器,還可以采用積分型的A/D轉換器。另外,數字控制信號可以是一串數字信號流,其指示了后續(xù)所要生成的雙向脈沖電流信號的脈沖電流參數。
(電流信號控制器)
電流信號控制器103可以根據由模數轉換器102輸出的數字控制信號來產生用于生成雙向脈沖電流信號的脈沖電流參數。這里,雙向脈沖電流作為刺激信號可以包含正向脈沖電流和反向脈沖電流。對于神經刺激領域而言,雙向脈沖電流的正向脈沖電流的電荷與反向脈沖電流的電荷一般需要保持相等,以確保對神經組織刺激時的安全性。關于雙向脈沖電流對神經刺激的作用稍后更詳細描述。
在一些示例中,雙向脈沖電流可以采用方波型的雙向脈沖電流。在這種情況下,雙向脈沖電流的脈沖電流參數可以包括負向脈沖寬度t1、負向脈沖幅度I1、正向脈沖寬度t2、正向脈沖幅度I2、以及脈沖間隔t3(參見圖5)。這里,脈沖間隔t3是指負向脈沖與正向脈沖之間的時間間隔。另外,時間T為稍后描述的刺激周期T。
如上所述,電流信號控制器103根據數字控制信號產生用于生成雙向脈沖電流信號的脈沖電流參數。在一些示例中,數字控制信號可以指示電流控制器103生成負向脈沖寬度t1較寬(例如t1>t2)的雙向脈沖電流。在另一些示例中,數字控制信號可以指示電流控制器103生成負向脈沖幅度I1較小(例如I1<I2)的雙向脈沖電流。
(電流發(fā)生器)
電流發(fā)生器104可以根據脈沖電流參數生成用于神經刺激的雙向脈沖電流信號。在本實施方式中,由于用于神經刺激的脈沖電流產生電路100能夠在增加刺激脈沖電流的寬度的情況下保持脈沖電流的高精度,因此能夠提供更有效的電流刺激效果,例如能夠有效地刺激到視網膜的雙極細胞。另一方面,由于能夠實現(xiàn)更寬的脈沖調制范圍,因此,能夠在硬件層面適應更高的處理要求例如刺激算法優(yōu)化等。
在本實施方式中,電流發(fā)生器104可以根據脈沖電流參數生成至少兩種不同精度的脈沖電流。在一些示例中,電流發(fā)生器104能夠生成兩種不同精度的脈沖電流。在另一些示例中,電流發(fā)生器104能夠生成3種、4種、5種或5種以上的不同精度的脈沖電流。另外,相鄰不同脈沖電流之間的不同精度倍數可以為2倍,例如,在電流發(fā)生器生成第1脈沖電流、第2脈沖電流、第3脈沖電流、第4脈沖電流和第5脈沖電流5種不同精度的脈沖電流的情況下,第5脈沖電流的精度是第4脈沖電流精度的2倍,第4脈沖電流的精度是第3脈沖電流的精度的2倍,第3脈沖電流的精度是第2脈沖電流的精度的2倍,第2脈沖電流的精度是第1脈沖電流的精度的2倍。另外,本實施方式并不限于此,也可以采用其他不同精度的脈沖電流。
(阻抗負載)
如圖4所示,電流發(fā)生器104對神經組織等進行神經刺激時相當于連接了阻抗負載110。例如,在本實施方式所涉及的電流產生電路100用于人工視網膜的神經刺激時,人體組織液內的視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞可以簡化地等效為阻抗負載110。
以下,參考圖6和圖7對本實施方式所涉及的電流發(fā)生器104更詳細地說明。圖6是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的電流發(fā)生器的電路模塊的示意圖。圖7是示出了本發(fā)明的第1實施方式所涉及的不同脈沖電流幅度的精度的示意圖。圖8a~圖8d是示出了不同的雙向脈沖電流的刺激波形的示意圖
如圖6所示,電流發(fā)生器104可以包括N個電流源。在一些示例中,N個電流源可以由1個基準電流源1041、以及(N-1)個鏡像電流源(電流源陣列)構成,這些電流源例如分別受開關S1、開關S2、……、開關S(N)控制。這里,開關S1、開關S2、……、開關S(N)控制電流發(fā)生器104所產生的總脈沖電流的幅度大小,也即,總的脈沖電流的脈沖幅度(正向或負向脈沖幅度)與閉合的開關S(N)數目成正比。其中,開關S1控制基準電流源1041。在這種情況下,電流發(fā)生器104所產生的總的電流幅度Itotal=(閉合開關的數目+1)×基準電流源的電流幅度。
在電流發(fā)生器104由上述N個電流源組成的情況下,脈沖電流的大小可以由(N+1)個電流源的開閉來確定,并且該脈沖電流的精度可以由基準電流源1041的大小決定。具體而言,基準電流源1041的大小即為脈沖電流精度的大小。例如,如果基準電流源1041的大小為1μA(微安),則脈沖電流精度為1μA,(N-1)個鏡像電流源即電流源1042、電流源1043、……電流源104(N)中各個鏡像電流源的電流值均與基準電流源1041的電流值相同。當基準電流源1041的大小設定好之后,電流源1042、電流源1043、……、電流源104(N)中的各個鏡像電流源的電流值與基準電流源1041相等。
在一些示例中,如果基準電流源1041和(N-1)個鏡像電流源的個數總共為N=512個,并且設置基準電流源1041的精度為1μA,則電流發(fā)生器104可以生成精度為1μA的具有512種脈沖幅度的脈沖電流,也即,通過控制開關S1、開關S2、……、開關S(N),電流發(fā)生器104可以生成1μA、2μA、3μA、……、512μA共512種不同的電流幅度。在另外一些示例中,如果基準電流源1041和(N-1)個鏡像電流源的個數總共為N=512個,并且設置基準電流源1041的精度為4μA,則電流發(fā)生器104可以生成精度為4μA的具有128種脈沖幅度的脈沖電流,也即,通過控制開關S1、開關S2、……、開關S(N),電流發(fā)生器104可以生成4μA、8μA、12μA、...512μA總共128種不同的電流幅度。在其他一些示例中,如果基準電流源1041和(N-1)個鏡像電流源的個數總共為N=512個,并且設置基準電流源1041的精度為8μA,則電流發(fā)生器104可以生成精度為8μA的具有64種脈沖幅度的脈沖電流也即,通過控制開關S1、開關S2、……、開關S(N),電流發(fā)生器104可以生成8μA、16μA、24μA、...512μA共64種不同的電流幅度。盡管在上述的描述中以電流精度為1μA、4μA和8μA作為示例進行介紹,但本實施方式并不限于此,本實施方式所涉及的脈沖電流產生電路也可以生成例如2μA、6μA、12μA等其他精度的電流。
如上所述,由于可以通過設置不同電流大小的基準電流源1041來實現(xiàn)不同的電流精度,因此,在本實施方式中,能夠通過設置多種不同的基準電流源來設置所生成的脈沖電流的精度,從而能夠生成多種不同精度的脈沖電流。在本實施方式中,可以設置兩種不同基準電流源,在這種情況下,可以實現(xiàn)兩種不同精度(高精度和低精度)的脈沖電流。
在一些示例中,電流發(fā)生器104可以生成第1脈沖幅度精度(高精度)和第2脈沖幅度精度(低精度)兩種不同精度的雙向脈沖電流。例如可以令第1脈沖幅度精度為1μA/步(step),電流幅度的范圍為0~8μA;令第2脈沖幅度精度為8μA/步,電流幅度的范圍為8~512μA(參見圖7)。這里,這里,高精度脈沖電流的脈沖幅度的精度(第1脈沖幅度精度1μA/步)大于低精度脈沖電流的脈沖幅度的精度(第2脈沖幅度精度為8μA/步)。另外,在其他一些示例中,電流發(fā)生器104能夠提供更多不同精度的脈沖電流。
(雙向脈沖電流信號)
在一些示例中,由電流產生器104生成的雙向脈沖電流信號的一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內(例如電荷總量為零)。具體而言,在神經刺激領域中,為了防止脈沖電流信號對人體神經組織例如視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞產生凈電荷而對人體神經組織造成傷害,需要保證雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內。這里,一個刺激周期T為產生一次刺激信號的周期時間。這里,電荷總量是指雙向脈沖電流信號的一個刺激周期T內的凈電荷的電荷總量。
另外,在本實施方式中,只要確保雙向脈沖電流在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內即可,并不限定脈沖電流的波形。圖8a~圖8d示出了不同的雙向脈沖電流的刺激波形的示意圖。由于在神經刺激領域中,負向脈沖電流通常作為有效刺激信號,因此,在圖8a~圖8d中,以負向脈沖波形為例,列舉了雙向脈沖電流信號的變形例。
如圖8a~圖8d所示,作為刺激波形的雙向脈沖電流信號,盡管其負向脈沖的波形和正向脈沖的波形并不一定相同,但是只要保證該雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內即可。作為例子,負向脈沖寬度t11、t12、t13和t14可以均大于正向脈沖寬度t2,由此可以實現(xiàn)寬的刺激脈沖。另外,雙向脈沖電流可以是雙向方波脈沖電流信號,也可以是余弦脈沖電流信號,還可以是方波與余弦脈沖電流信號的組合。
如上所述,電流發(fā)生器104可以根據脈沖電流參數生成雙向脈沖電流信號。具體而言,該雙向脈沖電流信號可以包括有效刺激電流信號和平衡電流信號。其中,有效刺激電流信號是對神經刺激對象例如神經節(jié)細胞或雙極細胞有刺激作用的電流信號;平衡電流信號是用于平衡有效刺激電流信號所產生的電荷的電流信號。一般而言,若有效刺激信號為正向脈沖,則平衡電流信號為負向脈沖;若有效刺激信號為負向脈沖,則平衡電流信號為正向脈沖。由此,能夠確保在一個刺激周期T內雙向脈沖電流信號的電荷總量在安全電荷量以內。
在本實施方式中,如上所述,電流信號控制器103產生用于生成雙向脈沖電流信號的脈沖電流參數。由此,可以通過設置脈沖電流參數來使電流發(fā)生器104理論上產生的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期內的電荷總量在安全電荷量以內。另外,為了抑制刺激電流信號可能積累的凈電荷對人體造成的影響,雙向脈沖電流信號通常被設置成正向脈沖和負向脈沖中只有一個是刺激信號,另外一個是平衡電流信號,由此,確保在一個刺激周期T內的雙向脈沖電流信號的電荷總量在安全電荷量以內。
作為具體例子,在一個刺激周期T內,雙向脈沖電流信號的負向脈沖信號在時間上的積分可以與雙向脈沖電流信號的正向脈沖信號在時間上的積分的絕對值相等,由此,在一個刺激周期T內的雙向脈沖電流信號的電荷總量在安全電荷量以內。另外,再參考圖5,如圖5所示,在一個刺激周期T內,負向脈沖信號的持續(xù)時長(負向脈沖寬度)為t1,正向脈沖信號的持續(xù)時長(正向脈沖寬度)為t2,則負向脈沖在t1時長內的積分的絕對值與正向脈沖在t2時長內的積分的絕對值相等,即雙向脈沖電流信號的電荷總量在安全電荷量以內。
如上所述,電流發(fā)生器104提供了兩種不同的脈沖幅度精度,第1脈沖幅度精度和第2脈沖幅度精度,其中,第1脈沖幅度精度為1μA/步,幅度范圍為0~8μA(例如1μA、2μA、3μA、……、8μA);第2脈沖幅度精度為8μA/步,幅度范圍為8~512μA(例如8μA、16μA、24μA、……、512μA)(參見圖7)。在一些示例中,如圖7所示,當神經刺激對象例如視網膜的神經節(jié)細胞或雙極細胞需要較低的脈沖電流刺激時,電流發(fā)生器104可以提供精度較高的脈沖幅度精度(例如1μA/步),例如當神經節(jié)細胞或雙極細胞需要的電流幅度小于或等于8μA時,生成脈沖幅度精度為1μA/步的電流,可以提供1μA、2μA、3μA、4μA、5μA、6μA、7μA、8μA共8種脈沖幅度的電流;當神經節(jié)細胞或雙極細胞需要的電流大于8μA時,生成脈沖幅度精度為8μA/步的電流,可以提供16μA、24μA、32μA、40μA、...512μA共64種脈沖幅度的電流。在本實施方式中,電流發(fā)生器104能夠提供至少兩種不同的精度的脈沖幅度,生成至少兩種不同精度的脈沖電流,由此能夠提供更高效的電流刺激方式。
在一些示例中,電流發(fā)生器104可以根據脈沖電流參數生成低精度脈沖電流或高精度脈沖電流。具體而言,電流發(fā)生器104在接收脈沖電流參數之后,判斷所要生成的雙向脈沖電流信號的脈沖幅度是否小于臨界值。當所要生成的雙向脈沖電流信號的脈沖幅度小于或等于臨界值時,電流發(fā)生器104生成高精度脈沖電流;當所要生成的雙向脈沖電流信號的脈沖幅度大于臨界值時,電流發(fā)生器104生成低精度脈沖電流。
在本實施方式中,臨界值可以預先進行設定。另外,高精度脈沖電流的幅度精度和低精度脈沖電流的幅度精度也可以預先進行設定。例如,如圖7所示,臨界值可以設置為8μA,高精度脈沖電流的幅度精度為1μA/步,低精度脈沖電流的幅度精度為8μA/步。在這種情況下,當電流發(fā)生器104判斷所要生成的雙向脈沖電流信號的幅度小于或等于8μA時,電流發(fā)生器104生成高精度(1μA/步)脈沖電流;當電流發(fā)生器104判斷所要生成的雙向脈沖電流信號的幅度大于8μA時,電流發(fā)生器104生成低精度(8μA/步)脈沖電流。如此,電流發(fā)生器104可以提供兩種不同精度的脈沖電流,當神經節(jié)細胞或雙極細胞需要的脈沖電流較小時,提供高精度的脈沖電流,可以更加準確的刺激到視網膜的雙極細胞,能夠提供更加高效的刺激方式。
在一些示例中,當雙向脈沖電流信號的正向脈沖寬度大于預設時長且正向脈沖幅度小于臨界值時,或者當雙向脈沖電流信號的負向脈沖寬度大于預設時長且負向脈沖幅度小于臨界值時,電流發(fā)生器104產生高精度脈沖電流。
對于刺激脈沖電流的寬度(刺激時間),盡管作用機理目前仍未完全明確,但是通過延長刺激脈沖寬度(例如負向脈沖寬度),更有可能刺激到更深入的神經細胞,由此能夠獲得更加有效的神經刺激。例如對于人工視網膜系統(tǒng)而言,寬的刺激脈沖能夠更有效地刺激到視網膜的雙極細胞,由此能夠提供更有效和更精準的神經刺激。具體而言,當雙向脈沖電流信號的負向脈沖寬度大于預設時長且負向脈沖幅度小于臨界值時,該雙向脈沖電流信號能夠更加精準的刺激到視網膜的雙極細胞,由于雙極細胞在視覺通路上的一一對應性比神經節(jié)細胞優(yōu)越,因此精準的刺激雙極細胞可以形成更加準確的光感。另外,也能夠在硬件層面適應更高的處理要求例如刺激算法優(yōu)化等。
如此,當雙向脈沖電流信號的正向脈沖寬度大于預設時長且正向脈沖幅度小于臨界值時,或者當雙向脈沖電流信號的負向脈沖寬度大于預設時長且負向脈沖幅度小于臨界值時,電流發(fā)生器104產生高精度脈沖電流,精準的刺激雙極細胞,形成更加準確的光感,可以給盲人提供更加高效的刺激方式。
(第2實施方式)
圖9是示出了本發(fā)明的第2實施方式所涉及的脈沖電流產生電路的電路結構示意圖。圖10是示出了本發(fā)明的第2實施方式所涉及的電荷補償電路的電路結構示意圖。第2實施方式所涉及脈沖電流產生電路200與第1實施方式所涉及的脈沖電流產生電流100的不同點在于,除了包括第1實施方式的模擬信號接收裝置101、模數轉換器102、電流信號控制器103和電流發(fā)生器104之外,還包括電荷補償電路106。
在本實施方式中,電荷補償電路106根據雙向脈沖電流信號的一個刺激周期T內的電荷總量決定是否對電流發(fā)生器104進行電荷補償,以確保由電流發(fā)生器104所產生的電荷總量在安全電荷量以內。
一般而言,雙向脈沖電流信號的一個刺激周期T內的正向脈沖和負向脈沖的電荷總量在安全電荷量以內,而且由電流發(fā)生器104產生的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內。另一方面,刺激電流積累的凈電荷有可能會對人體造成影響,為了減少雙向脈沖電流信號積累的凈電荷對人體造成的影響,可以設置脈沖電流參數,以保證電流發(fā)生器104產生的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內。然而,在實際工作中,電流發(fā)生器104產生雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量由于各種因素有可能會超出安全電荷量的情形,也即有可能在一個刺激周期T結束后在神經組織累積有凈電荷。
因此,在本實施方式中,針對上述有可能存在的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量超過安全電荷量的情形,通過設置電荷補償電路106,能夠可靠地使雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內,由此起到保護人體神經組織例如視網膜神經節(jié)細胞或雙極細胞的作用。
在一些示例中,當電荷補償電路106檢測到電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期內的電荷總量為1×10-7庫倫(C)的負電荷時,電荷補償電路106可以對電流發(fā)生器104進行正電荷補償,以使電流發(fā)生器104再產生電荷總量為1×10-7庫倫的正電荷(例如,電流發(fā)生器104可以產生脈沖寬度為1ms(毫秒)、脈沖幅度為100μA的正向脈沖,或者電流發(fā)生器104可以產生脈沖寬度為10ms、脈沖幅度為10μA的正向脈沖)以抵消該負電荷的存在。在另一些示例中,當電荷補償電路106檢測到電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期內的電荷總量為1×10-7庫倫的正電荷時,電荷補償電路106對電流發(fā)生器104進行負電荷補償,以使電流發(fā)生器104再產生電荷總量為1×10-7庫倫的負電荷(例如,電流發(fā)生器104可以產生一個脈沖寬度為1毫秒,脈沖幅度為100μA的負向脈沖,或者電流發(fā)生器104可以產生一個脈沖寬度為10毫秒,脈沖幅度為10μA的負向脈沖)以抵消該正電荷的存在。
如圖9所示,電荷補償電路106可以包括:用于檢測脈沖電流信號的檢測電路1061、根據由檢測電路1061所檢測的脈沖電流信號來判斷是否需要補償的判斷電路1062、以及基于判斷電路1062的判斷來產生補償電荷的補償電路1063。
在本實施方式中,檢測電路1061可以用于檢測由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量。在一些示例中,檢測電路1061可以由積分電路構成。該積分電路可以對由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷進行積分,由此獲得雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量。
判斷電路1062可以判斷由檢測電路1061檢測的雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量的是否超過安全電荷量。具體而言,如果由判斷電路1062判斷的電荷總量在安全電荷量以內,則補償電路1063不工作;如果該電荷總量超過安全電荷量,則補償電路1063對電流發(fā)生器104進行電荷補償,以確保雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內。
在一些示例中,當判斷電路1062判斷雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量為正時,補償電路1063對由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號進行負電荷補償;當判斷電路1062判斷雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量為負電荷時,補償電路1063可以產生正向電流脈沖對由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號進行正電荷補償。在上述電荷補償過程中,補償電路1063優(yōu)選可以采用逐次逼近電荷補償方法,由此可以逐步進行電荷補償,提高電荷補償的精確性。例如,補償電路1063可以生成小電流脈沖,對由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號進行多次電荷補償。這里,由補償電路1063生成的小電流脈沖的凈電荷量可以為正或者為負。另外,部分電荷補償可以為按比例電荷補償,例如按照30%、40%、50%、60%、70%、80%等比例值進行電荷補償。
另外,在一些示例中,當判斷電路1062判斷雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量例如為1×10-7庫倫的負電荷時,可以按照50%的比例進行正電荷補充,即補償電路1063對由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號進行5×10-8庫倫的正電荷補償。接著,檢測電路1061繼續(xù)檢測由電流發(fā)生器104生成且補償后的電荷總量。如果判斷電路1062判斷電流發(fā)生器104累計產生的電荷總量為6×10-9庫倫的負電荷,則補償電路1063由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號進行3.6×10-9庫倫的正電荷補償。接著,檢測電路1061繼續(xù)檢測由電流發(fā)生器104生成且補償后的電荷總量,并且重復上述步驟,直至雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內。另外,在上述電荷補償過程中,也可以按照30%、40%、60%、70%、80%等比例值進行電荷補償。
另外,在另一些示例中,當判斷電路1062判斷雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量例如為1×10-7庫倫的正電荷時,可以按照50%的比例進行負電荷補充,即補償電路1063對由電流發(fā)生器104生成的雙向脈沖電流信號進行5×10-8庫倫的負電荷補償。接著,檢測電路1061繼續(xù)檢測由電流發(fā)生器104生成且補償后的電荷總量。如果判斷電路1062判斷電流發(fā)生器104累計產生的電荷總量為6×10-9庫倫的負電荷,則補償電路1063繼續(xù)對電流發(fā)生器104進行3.6×10-8庫倫的正電荷補償。接著,檢測電路1061繼續(xù)檢測由電流發(fā)生器104生成且補償后的電荷總量,并且重復上述步驟,直至雙向脈沖電流信號在一個刺激周期T內的電荷總量在安全電荷量以內。另外,在上述電荷補償過程中,也可以按照30%、40%、60%、70%、80%等比例值進行電荷補償。
雖然以上結合附圖和實施例對本發(fā)明進行了具體說明,但是可以理解,上述說明不以任何形式限制本發(fā)明。本領域技術人員在不偏離本發(fā)明的實質精神和范圍的情況下可以根據需要對本發(fā)明進行變形和變化,這些變形和變化均落入本發(fā)明的范圍內。