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(fù)技術(shù)已成為人工器官領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。根據(jù)刺激位置的不同,人工視覺功能修復(fù)可分為視皮層修復(fù)(Cortical Prosthesis)、視神經(jīng)修復(fù)(Optic Nerve Prosthesis)和視網(wǎng)膜修復(fù)(Retinal Prosthesis)三大類。相比較而言,視皮層修復(fù)和視神經(jīng)修復(fù)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(shù)復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)性較大。視網(wǎng)膜修復(fù)技術(shù)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(fù)(Epiretinal Prosthesis)和外層型視網(wǎng)膜修復(fù)(Subretinal Prosthesis)。外層型視網(wǎng)膜修復(fù)技術(shù)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(xì)胞對(duì)視覺信號(hào)進(jìn)行處理,并使電流刺激閾值降低,本質(zhì)上具有突出的優(yōu)勢(shì)。國外對(duì)

3、各種人工視覺功能修復(fù)技術(shù)都進(jìn)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(xué)仿生學(xué)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(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于我國龐大的盲患人群,國內(nèi)人工視網(wǎng)膜技術(shù)的研究起步較晚。針對(duì)目前外層型視網(wǎng)膜修復(fù)技術(shù)需要在眼外提供很強(qiáng)照明的不足,本文在自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.30470469)資助下,在電路層次上進(jìn)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(fù)技術(shù)的概念、分類及特點(diǎn),綜述了國際上在這一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,并分析了人工視覺修復(fù)技術(shù)的發(fā)展方向。總結(jié)和分析了進(jìn)行外層型CMOS人工視網(wǎng)膜微芯片設(shè)計(jì)的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù),包括神經(jīng)細(xì)胞電刺激產(chǎn)生動(dòng)作電位的原理、視網(wǎng)膜細(xì)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(duì)目前外層型人工視網(wǎng)膜修復(fù)技術(shù)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(jié)構(gòu)

5、。新方案中光電探測(cè)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(shí)現(xiàn)像元輸出脈沖頻率隨外界光強(qiáng)準(zhǔn)線性變化。電路仿真結(jié)果表明,與國外振蕩像元類方案相比,新方案具有像元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和輸出性能好的優(yōu)點(diǎn)。光電探測(cè)器是光控CMOS振蕩像元的信號(hào)源頭,論文分析了目前與CMOS工藝兼容的光電探測(cè)器類型,并進(jìn)行了性能比較。從半導(dǎo)體中載流子平衡方程出發(fā),詳細(xì)闡述了光電二極管感應(yīng)光電流的過程及電流的計(jì)算模型,建立了光電二極管的PSPICE仿真模型。