外層型CMOS人工視網(wǎng)膜芯片的研究.pdf

1、目前,基于神經(jīng)電刺激的人工視覺功能修復技術已成為人工器官領域的研究熱點之一。根據(jù)刺激位置的不同,人工視覺功能修復可分為視皮層修復(Cortical Prosthesis)、視神經(jīng)修復(Optic Nerve Prosthesis)和視網(wǎng)膜修復(Retinal Prosthesis)三大類。相比較而言,視皮層修復和視神經(jīng)修復兩種方式需將刺激電極陣列植入大腦皮層或視神經(jīng)區(qū)域,手術復雜性和風險性較大。視網(wǎng)膜修復技術自從Humayun等人首次提

2、出以來,已經(jīng)歷了十多年的發(fā)展,并且研究方案主要分為兩種類型:表層型視網(wǎng)膜修復(Epiretinal Prosthesis)和外層型視網(wǎng)膜修復(Subretinal Prosthesis)。外層型視網(wǎng)膜修復技術將刺激器件植入在視網(wǎng)膜神經(jīng)感覺上皮和色素上皮層之間的區(qū)域(Subretinal Place),首先刺激的是外層視網(wǎng)膜表面,因此可以利用更多的受損視網(wǎng)膜中存活的細胞對視覺信號進行處理,并使電流刺激閾值降低,本質上具有突出的優(yōu)勢。國外對

3、各種人工視覺功能修復技術都進行了很深入的研究,特別是美國的第二視覺公司(Second Sight)和光學仿生學公司(Optobionics)已經(jīng)分別將自己研究的人工視網(wǎng)膜芯片植入盲患眼中進行臨床實驗。相對于我國龐大的盲患人群,國內人工視網(wǎng)膜技術的研究起步較晚。針對目前外層型視網(wǎng)膜修復技術需要在眼外提供很強照明的不足,本文在自然科學基金項目(No.30470469)資助下,在電路層次上進行適用于自然光照條件的外層型CMOS人工視網(wǎng)膜微芯片

4、的研究。論文首先介紹了人工視覺功能修復技術的概念、分類及特點,綜述了國際上在這一領域的研究現(xiàn)狀,并分析了人工視覺修復技術的發(fā)展方向?？偨Y和分析了進行外層型CMOS人工視網(wǎng)膜微芯片設計的理論和實驗依據(jù),包括神經(jīng)細胞電刺激產生動作電位的原理、視網(wǎng)膜細胞電刺激的有效性、安全性、刺激閾值、刺激電極材料以及電極-視網(wǎng)膜界面的電性能等。針對目前外層型人工視網(wǎng)膜修復技術的不足,提出了一種在自然光照條件下用于外層型視網(wǎng)膜電刺激的光控CMOS振蕩像元結構

5、。新方案中光電探測器工作在積分工作模式,利用光電流控制像元上電容的放電過程,實現(xiàn)像元輸出脈沖頻率隨外界光強準線性變化。電路仿真結果表明,與國外振蕩像元類方案相比,新方案具有像元結構簡單和輸出性能好的優(yōu)點。光電探測器是光控CMOS振蕩像元的信號源頭,論文分析了目前與CMOS工藝兼容的光電探測器類型,并進行了性能比較。從半導體中載流子平衡方程出發(fā),詳細闡述了光電二極管感應光電流的過程及電流的計算模型,建立了光電二極管的PSPICE仿真模型。