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建模与模拟眼动之眼神经行为支援视网膜植入术
 

【作者: Ra’anan Gefen 等】2015年11月20日 星期五

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老年性黄斑部病变(Age-related macular degeneration)是北美地区视力丧失的最主要原因,它会影响眼睛内部组织感光层的视网膜。视网膜是光穿过角膜之感光体以及眼睛的光学系统。长久以来,视网膜损坏所造成的视力减退一直都是无法逆转的,直到最近才有改观。


现今Nano-Retina公司正在开发生物视网膜—一种人造视网膜,旨在恢复患者因为退化性疾病所丧失的视觉功能,其尺寸仅有3×4毫米、可完全独立,生物视网膜将透过眼睛微创手术(图1)植入。


图1 : 猪眼植入生物视网膜设备
图1 : 猪眼植入生物视网膜设备


生物视网膜可将眼睛光学系统接收到的光转换为电子讯号,去刺激神经元细胞,如同被一健康的视网膜刺激一样。 Nano-Retina公司的第一代设备能够显示大约600像素的图像,能恢复20/200视力。我们预计第二代生物视网膜将提供更高的空间辨视率(图2)。


图2 : (左)第一代生物视网膜植入后所呈现的影像。 (右)相同影像在第二代生物视网膜版上呈现的影像。
图2 : (左)第一代生物视网膜植入后所呈现的影像。 (右)相同影像在第二代生物视网膜版上呈现的影像。

在进入硬体生产之前,我们需要对设计进行验证,透过日常生活场景如开车、看电视,或者是走在走廊上进行测试,为了这个目的,我们在MATLAB和Simulink中建立了一个系统模型,内含了眼睛的光学及运动、环境因素,以及生物视网膜的类比和数位子系统。透过不同情境的模型模拟,我们获得了比在单个组件或设计元素单独模拟时,更为深入的系统行为的洞察与知识。


建立眼睛光学与运动之模型

我们完整的Simulink模型,包括成像器(眼球运动和光学行为)的受控体模型;以及类比模型的前端,包括生物视网膜的感光二极体(photo-diodes)模型;和数位处理子系统,它可产生刺激神经元活动的讯号(图3), 该模型还包括子系统分析模组,我们可用它来评估神经元的刺激讯号。


图3 : 完整的Simulink模型,包括(从左至右)成像器、类比、数位子系统和分析器子系统等。
图3 : 完整的Simulink模型,包括(从左至右)成像器、类比、数位子系统和分析器子系统等。


该系统的类比和数位模型,可以在将设计系统实现到晶片前运行大量的模拟;虽然其他的方案也能够模拟这两种模型,但是Simulink的环境为我们提供了能够更大的通用性和灵活性,能结合其他非电子系统的模型,例如人眼、环境条件,和人类感知的刺激图案模本等。


成像器模型可捕捉到影响光照射至感光二极体时,所有的生物和环境因素,其中最重要的一个因素是眼睛的运动。在正常情况下,我们的眼睛会不断地扫描在我们面前的对象,一种飞快扫视被称为「移动」(saccade)的自主运动;甚至当我们的目光固定在某一个单一物体凝视时,眼睛显现出微小的、被称为microsaccades的不自主运动,这种行为可以透过观看一个脸孔和记录其眼动(图4)时捕捉的到。


图4 : 透过研读一张脸孔来捕捉眼睛典型的移动运动。右侧图像上的线条记录了眼球的运动。
图4 : 透过研读一张脸孔来捕捉眼睛典型的移动运动。右侧图像上的线条记录了眼球的运动。

像这种运动都可能会影响处理单元的激起频率,其中一些我们希望保持,其他的则把它们抑制下来。我们的模型计算这些运动以及眼睛的较大运动,如当一个人四处扫视时,它也能允许图像加入之管理处理等这些较彻底的特征化运动。除了运动的效果,成像器模型也能捕获光到达视网膜上的一些细微变化,如引起闪烁、光学条件比如近视,以及其他眼睛光学系统的特征。


影响光到达眼睛之前的各种环境条件也可以在Simulink的模型中呈现,这些条件包括萤光灯的闪烁、电影和电视节目的视框率、LED显示器的视讯刷新率,以及更大范围的光强度(如介于月光及阳光间)。


模拟和验证

模拟结果显示了各种综合环境因素、眼球运动和系统参数的不同组合,将会如何影响整体的性能,这些模拟可使我们更能了解生物视网膜的能力和可能的局限。透过模拟的方式,也能在几乎没有数量限制的条件情境下来测试系统的性能。


我们也开发了能与衔接的MATLAB的介面,这样能更容易配置参数、执行模拟,以及自动进行资料收集及处理(图5)。


图5 : 与MATLAB连结的使用者介面图,用于界定图像相关的模拟参数。
图5 : 与MATLAB连结的使用者介面图,用于界定图像相关的模拟参数。


在模拟中,我们提供静止图像或图像视讯流到成像器的子系统中,成像器子系统的输出端由类比子系统来进行处理,类比子系统的输出端,接着由数位的处理子系统来进行处理,以产生适当的神经元刺激讯号。


为了评估植入接收者可能感知的这些神经刺激讯号的方式,我们依靠分析器子系—能将讯号脉冲转换回图像,该图像能与原始图像进行比对,并做为系统的输入端。到了第二的验证步骤中,我们使用了分析器子系统的Simulink模拟模型,来确认刺激的讯号振幅和频率是界于规定的限度内。


硬体实现与测试

在我们研发第二代生物视网膜植入物时,则继续使用Simulink来洞察设计的结果,透过眼睛的系统级模拟以及与我们的设备一起进行协同设计。当第二代设备可以开始进行测试中,也将会从我们的Simulink模拟结果去产生测试范例,并将模拟结果和硬体测试结果进行比较,用以验证硬体实现的结果并改善未来的模拟模型。


(本文作者Ra’anan Gefen、Leonid Yanowitz任职于Nano-Retina公司)


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