视觉假体中能量与数据无线传输装置的研究

论文摘要

视觉是人类认识客观世界的重要途径。大脑认识世界所需信息70%以上来自视觉。失明不但给患者的生活、学习和工作带来极大的不便和痛苦,也给社会带来了沉重的负担。致盲的原因有多种,在视通路上任何一段:视网膜,视神经,视皮层等的损伤都会导致失明。在治盲研究中,尽管开展了光动力学、基因、药物等治疗研究,但有效的临床治疗措施还没有,特别是视网膜色素变性、老年黄斑变性等各种疾病目前都缺乏有效治疗措施。近年来,基于功能性电刺激帮助恢复视力的视觉假体成为了该领域内的热点问题,它有望为盲人复明开辟一条新的途径。视觉假体是一种可取代视网膜功能,将光信息进行人工处理、编码,通过植入的电子微刺激器对视觉神经系统作用,使盲人恢复视力的人造器官。视觉假体的植入部分正常工作离不开稳定的电能供应和实时的数据通讯。无线的能量和数据传输方式可以避免因有线传输带来的病人不适和感染风险,同时又满足这类医疗设备全植入式的要求。所以,体内外的无线传输通路是视觉假体研究的关键技术之一,其性能好坏直接影响到视觉修复的可靠性和有效性。本文介绍了国外视觉假体研究小组的无线传输方案,论述了无线能量传输的原理和不同数据调制的方法,分析了无线传输系统的需求以及各种方案的优缺点。结合合作单位研制的微刺激器CI0902,设计了基于EM4094的无线传输系统,通过单线圈同时传输能量和数据,并搭建和测试了从图像处理单元到刺激器输出的整个系统。测试结果表明,微刺激器芯片在基于EM4094的无线传输系统下能够很好工作,刺激器的输出性能良好。此外,针对EM4094系统的缺点,设计了基于E类功率放大器的无线传输系统,实验证明,在线圈距离为6mm左右的情况下,发射端电源电压为10V时,接收端可接收160mW的能量,能量传输效率最高可达30%,不归零码数据传输率为1M bps以上。最后,针对本课题中不完善和尚未实现的部分,提出了一些设想和建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 视觉假体
• 1.1.1 视觉假体研究现状
• 1.1.2 视觉假体的分类
• 1.2 能量与数据的无线传输
• 1.2.1 能量与数据的无线传输在视觉假体中的作用
• 1.2.2 无线传输系统在其他神经假体中的应用
• 1.3 研究内容和结构安排
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本文的研究内容
• 第二章 无线传输的总体设计
• 2.1 能量无线传输原理
• 2.2 数据无线传输原理
• 2.2.1 幅移键控调制
• 2.2.2 频移键控调制
• 2.2.3 相移键控调制
• 2.3 视觉假体中无线传输装置研究现状
• 2.3.1 Wentai Liu 和Humayun 小组
• 2.3.2 Troyk 小组
• 2.3.3 Piedade 小组
• 2.4 本文采用的无线传输方案
• 第三章 基于EM4094 无线传输系统的设计与测试
• 3.1 EM4094 芯片介绍
• 3.2 接收电路
• 3.2.1 能量恢复电路
• 3.2.2 数据解调电路
• 3.3 刺激芯片CI0902
• 3.4 系统测试
• 3.5 讨论
• 第四章 基于E 类功率放大器的无线传输系统
• 4.1 E 类功率放大器
• 4.2 信号调制与解调电路
• 4.3 线圈设计
• 4.4 实验结果
• 4.4.1 能量传输测试
• 4.4.2 数据传输测试
• 4.5 讨论
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 附录1: EM4094 发射板原理图
• 附录2: EM4094 发射板PCB 图
• 附录3: EM4094 配置字含义
• 附录4: 刺激器输出测试数据
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文