老年性黃斑部病變（Age-related macular degeneration）是北美地區視力喪失的最主要原因，它會影響眼睛內部組織感光層的視網膜。視網膜是光穿過角膜之感光體以及眼睛的光學系統。長久以來，視網膜損壞所造成的視力減退一直都是無法逆轉的，直到最近才有改觀。

現今Nano-Retina公司正在開發生物視網膜—一種人造視網膜，旨在恢復患者因為退化性疾病所喪失的視覺功能，其尺寸僅有3×4毫米、可完全獨立，生物視網膜將透過眼睛微創手術（圖1）植入。

圖1 : 豬眼植入生物視網膜設備

生物視網膜可將眼睛光學系統接收到的光轉換為電子訊號，去刺激神經元細胞，如同被一健康的視網膜刺激一樣。Nano-Retina公司的第一代設備能夠顯示大約600像素的圖像，能恢復20/200視力。 我們預計第二代生物視網膜將提供更高的空間辨視率（圖2）。

圖2 : （左）第一代生物視網膜植入後所呈現的影像。（右）相同影像在第二代生物視網膜版上呈現的影像。

在進入硬體生產之前，我們需要對設計進行驗證，透過日常生活場景如開車、看電視，或者是走在走廊上進行測試，為了這個目的，我們在MATLAB和Simulink中建立了一個系統模型，內含了眼睛的光學及運動、環境因素，以及生物視網膜的類比和數位子系統。透過不同情境的模型模擬，我們獲得了比在單個組件或設計元素單獨模擬時，更為深入的系統行為的洞察與知識。

建立眼睛光學與運動之模型

我們完整的Simulink模型，包括成像器（眼球運動和光學行為）的受控體模型；以及類比模型的前端，包括生物視網膜的感光二極體（photo-diodes）模型；和數位處理子系統，它可產生刺激神經元活動的訊號（圖3）， 該模型還包括子系統分析模組，我們可用它來評估神經元的刺激訊號。

圖3 : 完整的Simulink模型，包括（從左至右）成像器、類比、數位子系統和分析器子系統等。

該系統的類比和數位模型，可以在將設計系統實現到晶片前運行大量的模擬；雖然其他的方案也能夠模擬這兩種模型，但是Simulink的環境為我們提供了能夠更大的通用性和靈活性，能結合其他非電子系統的模型，例如人眼、環境條件，和人類感知的刺激圖案模本等。

成像器模型可捕捉到影響光照射至感光二極體時，所有的生物和環境因素，其中最重要的一個因素是眼睛的運動。 在正常情況下，我們的眼睛會不斷地掃描在我們面前的對象，一種飛快掃視被稱為「移動」（saccade）的自主運動；甚至當我們的目光固定在某一個單一物體凝視時，眼睛顯現出微小的、被稱為microsaccades的不自主運動，這種行為可以透過觀看一個臉孔和記錄其眼動（圖4）時捕捉的到。

圖4 : 透過研讀一張臉孔來捕捉眼睛典型的移動運動。右側圖像上的線條記錄了眼球的運動。

像這種運動都可能會影響處理單元的激起頻率，其中一些我們希望保持，其他的則把它們抑制下來。我們的模型計算這些運動以及眼睛的較大運動，如當一個人四處掃視時，它也能允許圖像加入之管理處理等這些較徹底的特徵化運動。除了運動的效果，成像器模型也能捕獲光到達視網膜上的一些細微變化，如引起閃爍、光學條件比如近視，以及其他眼睛光學系統的特徵。

影響光到達眼睛之前的各種環境條件也可以在Simulink的模型中呈現，這些條件包括螢光燈的閃爍、電影和電視節目的視框率、LED顯示器的視訊刷新率，以及更大範圍的光強度（如介於月光及陽光間）。

模擬和驗證

模擬結果顯示了各種綜合環境因素、眼球運動和系統參數的不同組合，將會如何影響整體的性能，這些模擬可使我們更能瞭解生物視網膜的能力和可能的侷限。透過模擬的方式，也能在幾乎沒有數量限制的條件情境下來測試系統的性能。

我們也開發了能與銜接的MATLAB的介面，這樣能更容易配置參數、執行模擬，以及自動進行資料收集及處理（圖5）。

圖5 : 與MATLAB銜接的使用者介面圖，用於界定圖像相關的模擬參數。

在模擬中，我們提供靜止圖像或圖像視訊流到成像器的子系統中，成像器子系統的輸出端由類比子系統來進行處理，類比子系統的輸出端，接著由數位的處理子系統來進行處理，以產生適當的神經元刺激訊號。

為了評估植入接收者可能感知的這些神經刺激訊號的方式，我們依靠分析器子系—能將訊號脈衝轉換回圖像，該圖像能與原始圖像進行比對，並做為系統的輸入端。到了第二的驗證步驟中，我們使用了分析器子系統的Simulink模擬模型，來確認刺激的訊號振幅和頻率是界於規定的限度內。

硬體實現與測試

在我們研發第二代生物視網膜植入物時，則繼續使用Simulink來洞察設計的結果，透過眼睛的系統級模擬以及與我們的設備一起進行協同設計。當第二代設備可以開始進行測試中，也將會從我們的Simulink模擬結果去產生測試範例，並將模擬結果和硬體測試結果進行比較，用以驗證硬體實現的結果並改善未來的模擬模型。

（本文作者Ra’anan Gefen、Leonid Yanovitz任職於Nano-Retina公司）