目前基于神经电刺激的视觉功能修复主要可以分为3种
[1-2] :视网膜修复、视神经修复和视皮质修复。图1显示了视皮质假体的视觉修复原理。
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视皮质修复是通过旁路已经发生病变的视网膜和视神经,利用MEMS技术研制的一种外电刺激的神经假体,利用置于硬脑膜外或颅骨外的微电极阵列刺激视皮质,从而达到视觉修复的目的。
首先,体外的图像传感器采集图像信息,将该信息传递至信号处理器,进行处理、编码成电信号,通过能量与信号传递装置传送到体内植入部件,使微电极阵列产生电脉冲刺激视皮质以产生视觉。其间信号传递装置作为视皮质假体的重要组成部分,主要是完成体内植入部分与体外装置间的信息交互。采用多通道无线传输与有线、单一通道传输相比具有以下优点:
无需外接导线、无感染风险。以往的生物体植入装置采用有线传输,创伤面积大,而且需在体内安装电池为其工作电路供电,不但需要手术更换电池,且有发生电池泄露的危险。而采用射频通信原理进行传输的方法却无上述顾虑,只需从体外对给初级线圈供能的电池进行定期更换和充电即可,安全系数比较高。
采集图像不同部位的数据,进行多路信号传输,能够增强刺激电极阵列与所采集图像间的空间方位对应,最终提高空间分辨率,从而增强刺激信号内容的独立性与丰富性,并对多靶位进行有效刺激,使患者产生更加形象的光幻视。
关于植入式多路信号无线传输的方法已经有一些相应的研究理论,如蒋琦等
[3]采用时分复用技术对多路神经控制信号进行并行传输的方法;郑小林等
[4]利用多个线圈对组成一一对应关系进行多路信号传输,即每路信号都有其独立的发射电路(含发射线圈)和接收电路(含接收线圈);前者需要在体内植入单片机协同工作,后者采用的线圈比较多,所以两者在尺寸上都难以满足植入式装置微型化的要求。此外,还有利用数字芯片进行电路设计的论著
[5-6] ,上海交通大学任秋实
[7]的课题组就提出将无线射频收发芯片CC1100运用到视网膜假体的信号传输中,但需可编程逻辑器件对射频芯片进行控制,这无疑增加了系统的复杂性。
由于射频芯片需可编程逻辑器件协同工作,电路构造繁复,不适合视皮质假体的植入环境,而模拟射频传输可以通过微细加工来缩小电路尺寸,并且设计的针对性比较强,因此,鉴于视皮质假体的一些特殊要求,如植入面积非常小,传输效率要求高等,本文拟采用模拟射频传输技术进行系统设计,为了进一步减少植入部分的尺寸,本文提出了一种在单一通道上实现多路信号无线传输的系统设计方案,即利用一组收发线圈完成多路信号的传输。该方案以两路信号为例,采用频分复用原理,在体外的发射端将两路信号用振幅调制的方式分别调制到不同频率的载波上,再经合路器合成一路信号进行发射,在体内采用无源的带通滤波器将两路信号分开,再通过二极管峰值包络检波最终解调出所需的两路信号,实现了体内的无源设计。