面向視神經(jīng)假體的目標(biāo)感知與編碼DSP系統(tǒng)*

孫 強(qiáng)，陳仁剛，趙洪星，高 勇

（西安理工大學(xué) 電子工程系，陜西 西安710048）

視覺是人們認(rèn)識(shí)世界的主要途徑之一，通常從外界獲取的信息90%是由視覺完成的。但是由于一些原因而導(dǎo)致的視力嚴(yán)重殘疾，給患者的學(xué)習(xí)、生活和工作帶來很大的不便和痛苦。對(duì)于視網(wǎng)膜等器官受到損傷或者發(fā)生病變的患者，目前臨床上還沒有有效的治療方案。隨著電子、生物技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)噲D尋求通過人工視覺假體對(duì)盲人進(jìn)行一定的視覺修復(fù)。在視網(wǎng)膜假體的研究領(lǐng)域，美國(guó)、德國(guó)的一些研究小組把視網(wǎng)膜假體植入到盲人的視覺神經(jīng)系統(tǒng)中代替受損組織,使患者產(chǎn)生光幻視,在視覺假體的研究中邁出了重要的一步。日本大阪Yasuo Tano領(lǐng)導(dǎo)的研究小組新近開發(fā)了一種在脈絡(luò)膜上層經(jīng)視網(wǎng)膜刺激的人工視覺方案,并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中證明了這種新方法可引發(fā)局部視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的興奮[1]。由于視神經(jīng)假體的植入手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小，同時(shí)在大多數(shù)眼科疾病中，視神經(jīng)的功能都沒有受到損傷，并且通過刺激視神經(jīng)可能刺激整個(gè)視覺區(qū)域，所以視神經(jīng)可以作為視覺修復(fù)的刺激點(diǎn)。在我國(guó)，人工視覺假體技術(shù)起步較晚，雖然取得了一些基礎(chǔ)性研究成果，但目前的研究工作對(duì)于實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距。

1 視覺假體簡(jiǎn)介

視覺假體是一種通過刺激視覺神經(jīng)系統(tǒng)使失明患者重新獲得視覺的人工器官，該人工裝置采集外界圖像信息，由微型芯片進(jìn)行處理、編碼成電信號(hào)，通過微電流刺激器將刺激微電流信號(hào)加載到微電極陣列，對(duì)視覺神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行作用進(jìn)而傳遞到盲人的大腦視皮層，從而實(shí)現(xiàn)視覺信息的感知。

在理論上,視覺假體的實(shí)現(xiàn)可通過對(duì)視覺通路上任意位置進(jìn)行神經(jīng)電刺激，以期產(chǎn)生視光感。按照植入位置的不同,視覺假體基本上可以分為視皮層假體、視神經(jīng)假體和視網(wǎng)膜假體。視神經(jīng)假體避免了對(duì)大腦造成的侵入性破壞,而且是一種更簡(jiǎn)便更容易操作的技術(shù)。與視皮層假體相比,視神經(jīng)假體植入的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較小,引起的并發(fā)癥較輕；但是目前視覺信息感知和編碼與視神經(jīng)刺激的對(duì)應(yīng)關(guān)系還不是很明確，視覺空間分辨率也有待提高[2]。

2 面向視神經(jīng)假體的目標(biāo)感知機(jī)理

圖1為視覺假體的目標(biāo)感知示意圖。首先微型攝像機(jī)拍攝圖像，將圖像傳輸?shù)綀D像處理器中，處理器利用預(yù)先設(shè)定的圖像處理方法，從拍攝到的圖像中提取重要的視覺信息，“神經(jīng)編碼器”將處理后的視覺信息編碼成特定時(shí)間和空間模式的電刺激脈沖序列；最后,這些電刺激脈沖由神經(jīng)刺激器直接作用于視神經(jīng)，進(jìn)而在人的大腦中重現(xiàn)圖像信息[1]。

隨著研究的深入，人們逐漸認(rèn)識(shí)到視覺假體最大的障礙在于如何建立假體與大腦之間的有效信息傳遞。吳開杰等人通過動(dòng)物視覺電生理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以視神經(jīng)為神經(jīng)接口的假體設(shè)計(jì)的可行性[1]。基于上述思路，本文著重于視覺假體前端的目標(biāo)感知與編碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 目標(biāo)感知與光幻視編碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

視覺假體視覺信息處理與編碼系統(tǒng)可分為CMOS攝像頭圖像采集、基于DSP平臺(tái)的實(shí)時(shí)圖像處理以及LCD顯示三個(gè)功能模塊，其流程圖如圖2所示。其中,圖像處理主要包括兩個(gè)重要處理過程：感興趣目標(biāo)的提取和基于目標(biāo)簡(jiǎn)化信息的視神經(jīng)生理學(xué)模式 (光幻視)編碼，后者直接對(duì)應(yīng)著微電極的刺激模式。

3.1 CMOS攝像頭的數(shù)據(jù)采集

選用低分辨率的CMOS攝像頭用于視覺假體的圖像采集。此外還需要通過視頻解碼器將CMOS攝像頭上的信號(hào)轉(zhuǎn)換為要求的圖像數(shù)據(jù)供DSP讀取。選用TI公司的超低功耗TVP5150視頻解碼器。

3.2 基于實(shí)時(shí)圖像處理算法的目標(biāo)提取

首先從攝像機(jī)捕捉的圖像中提取并盡可能簡(jiǎn)化出對(duì)盲人最有用的目標(biāo)信息，然后神經(jīng)編碼器將圖像信息轉(zhuǎn)換成電刺激信號(hào)。鑒于此，通過實(shí)時(shí)圖像處理算法從實(shí)際捕捉的場(chǎng)景中提取出目標(biāo)主體，是實(shí)現(xiàn)視覺假體臨床醫(yī)用的首要環(huán)節(jié)。

3.2.1 圖像的預(yù)處理

所采用的圖像處理算法只需要灰度圖像就可以很好地提取出感興趣目標(biāo)的輪廓。因此，首先需要對(duì)攝像頭獲取的彩色圖像進(jìn)行灰度圖像轉(zhuǎn)化預(yù)處理，轉(zhuǎn)化成灰度級(jí)數(shù)據(jù)。

3.2.2 感興趣目標(biāo)的提取

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，在確定了感興趣目標(biāo)所在的區(qū)域后，就可以通過經(jīng)典的圖像處理方法對(duì)這些感興趣目標(biāo)進(jìn)行提取。本文采用了圖像分割方式對(duì)圖像進(jìn)行處理，然后有針對(duì)性地選取感興趣的特定目標(biāo)。

3.3 基于目標(biāo)輪廓的神經(jīng)生理學(xué)光幻視編碼

3.3.1 光幻視模式

Veraart等人[3]用微電極刺激某一志愿者的視神經(jīng)，在其視覺皮層上呈現(xiàn)的真實(shí)光幻視模式如圖3所示。圖中的橫軸是眼睛的水平面，縱軸為視野的對(duì)稱軸。人類視覺信息的主要采集區(qū)域在左右視角30°，上方視角30°，下方視角 40°的范圍內(nèi)。

這些光幻視模式分別對(duì)應(yīng)著不同的微電極刺激方式。將利用這些基本的光幻視模式去表達(dá)感興趣目標(biāo)的輪廓。這樣，每一種特定的目標(biāo)輪廓就由不同的光幻視模式組成，也就對(duì)應(yīng)著某一特定的微電極刺激模式組合。因此，對(duì)該試驗(yàn)對(duì)象來說，通過特定的微電極刺激組合達(dá)到感知目標(biāo)的目的。

3.3.2 基于光幻視模式的目標(biāo)編碼

采用模式匹配的方法來完成這個(gè)環(huán)節(jié)的任務(wù)。在匹配的過程中，根據(jù)Veraart的研究成果[3]建立匹配模式的數(shù)據(jù)庫，并設(shè)置模式匹配時(shí)覆蓋度為80%：當(dāng)模式與目標(biāo)的匹配度高于80%時(shí)便接受，低于該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)便舍去。依據(jù)上述方法，可以對(duì)提取的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)良好的編碼。

3.4 基于DSP開發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

選用TI公司推出的DSP 6000系列中TMS320DM642專用視頻信號(hào)處理芯片作為人工視覺圖像處理系統(tǒng)的主芯片，用視頻解碼器TVP 5150將CMOS攝像頭采集的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)傳送給DSP DM642，DSP將采集的圖像緩存在SDRAM中，進(jìn)行處理和編碼，如圖4所示。

4 示例結(jié)果

對(duì)英語字母作出了編碼的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了編碼方案的可行性。圖5所示為字母E(圖5(a))的編碼結(jié)果。從圖5(b)可以看出，字母E的輪廓分別由不同的光幻視模式組合而成，整體上很好地表達(dá)了字母E所能傳遞的視覺信息。

本文首先介紹了視神經(jīng)視覺假體的工作原理，對(duì)視覺假體前端的目標(biāo)感知及編碼部分分別給出了解決方案，目標(biāo)編碼的可行性得到了驗(yàn)證。本文詳述了基于DSP硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程，展示了快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)感知和光幻視編碼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本系統(tǒng)經(jīng)過在DSP平臺(tái)上的調(diào)試，取得了初步的成果，能夠?yàn)楹蠖松窠?jīng)刺激器刺激方式的確定提供決策性的方案。

[1]吳開杰，柴新禹，李麗明，等.基于視神經(jīng)的視覺假體研究與設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科學(xué)，2005，37(增刊)：146-152.

[2]石萍，邱意弘，朱貽盛，等.人工視覺假體研究綜述(II)——視皮層、視神經(jīng)束、感覺替代假體的研究現(xiàn)狀[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)，2008，25(4)：945-949.

[3]VERAART C，RAFTOPOULOS C，MORTIMER J T，et al.Visual sensations produced by optic nerve stimulation using an mplanted self-sizing spiral cuff electrode[J].Brain Res.，1998(813)：181-186.