ประสาทเทียม See U
เอกสารทางเทคนิคฉบับเต็มเกี่ยวกับอวัยวะเทียมในเปลือกตา รวมถึงข้อกำหนดด้านฮาร์ดแวร์ โปรโตคอลการกระตุ้น สถาปัตยกรรมระบบ และบันทึกการใช้งาน
1. สถาปัตยกรรมระบบ
1.1 ภาพรวม
ระบบประสาทเทียม See U ประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ส่วนซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อจับภาพ ประมวลผล และส่งข้อมูลภาพไปยังคอร์เทกซ์ภาพหลักของผู้ใช้โดยตรง
ส่วนประกอบภายนอก
- • กล้องซีมอส (16MP)
- • หน่วยประมวลผล
- • แบตเตอรี่ภายนอก (2500mAh)
- • เครื่องส่งคลื่นความถี่วิทยุ
ส่วนประกอบใต้ผิวหนัง
- • เครื่องรับคลื่นความถี่วิทยุ
- • ตัวประมวลผลสัญญาณ
- • แบตเตอรี่แบบฝังได้
- • ตัวควบคุมอิเล็กโทรด
ส่วนประกอบภายในเปลือก
- • อาร์เรย์อิเล็กโทรด 1024
- • พื้นผิวที่ยืดหยุ่น
- • อินเตอร์เฟซประสาท
- • เซ็นเซอร์ความต้านทาน
1.2 การไหลของข้อมูล
การจับภาพ
กล้อง CMOS จับภาพได้ 60 FPS ที่ความละเอียด 1920x1080 เซ็นเซอร์ความไวสูง (สูงถึง ISO 6400) รองรับการทำงานในสภาวะแสงน้อย
กำลังประมวลผลล่วงหน้า
อัลกอริธึมการมองเห็นของคอมพิวเตอร์ใช้การตรวจจับขอบ การปรับคอนทราสต์ และการลดสัญญาณรบกวน รูปภาพถูกลดขนาดลงเป็นแผนที่ขนาด 32x32 โดยยังคงเก็บข้อมูลสำคัญเอาไว้
การทำแผนที่จอประสาทตา
พิกัดภาพเชิงพื้นที่ถูกแมปกับตำแหน่งที่สอดคล้องกันในคอร์เทกซ์การเห็น ตามการจัดโครงสร้างเรติโนโทป V1 ตามธรรมชาติ
การเข้ารหัสกระตุ้น
รูปแบบพัลส์ไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นด้วยพารามิเตอร์ที่ได้รับการปรับปรุง (แอมพลิจูด ความถี่ ระยะเวลา) สำหรับอิเล็กโทรดแต่ละตัวตามความเข้มของพิกเซลที่สอดคล้องกัน
การส่งคลื่นความถี่วิทยุ
ข้อมูลที่เข้ารหัสจะถูกส่งผ่านความถี่ RF 13.56 MHz ผ่านผิวหนังไปยังตัวรับใต้ผิวหนัง โดยมีความหน่วงจากต้นทางถึงปลายทางต่ำกว่า 50 ms
การกระตุ้นประสาท
ตัวควบคุมอิเล็กโทรดใช้พัลส์แบบสองเฟสกับไมโครอิเล็กโทรด เพื่อขับเคลื่อนเซลล์ประสาทจำเพาะ และกระตุ้นการรับรู้ของฟอสฟีนโดยผู้ใช้
2. ข้อมูลจำเพาะของฮาร์ดแวร์
2.1 หน่วยภายนอก
กล้อง
โปรเซสเซอร์
พลัง
2.2 หน่วยปลูกถ่ายได้
เครื่องรับคลื่นความถี่วิทยุ
ตัวประมวลผลสัญญาณ
แบตเตอรี่แบบฝังได้
มิติทางกายภาพ
3. อาร์เรย์ไมโครอิเล็กโทรด
3.1 ข้อมูลจำเพาะของอิเล็กโทรด
พารามิเตอร์ทางเรขาคณิต
วัสดุและสารเคลือบ
3.2 ลักษณะทางไฟฟ้า
การกระตุ้น
ความปลอดภัย
การตรวจสอบ
3.3 ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
การตอบสนองของเนื้อเยื่อ
PEDOT:การเคลือบ PSS ช่วยลดการอักเสบและการเกิดแผลเป็น การศึกษาแสดงความต้านทานที่เสถียรนานกว่า 2 ปี ในสิ่งมีชีวิต
ความยืดหยุ่นทางกล
โพลีอิไมด์ที่ยืดหยุ่น (โมดูลัสของยัง ~2.5 GPa) ช่วยลดความเครียดต่อเนื้อเยื่อเยื่อหุ้มสมอง (~1 kPa) ลดการบาดเจ็บขนาดเล็กจากการเคลื่อนไหวของสมอง
การทำหมัน
เอทิลีนออกไซด์ (EtO) ช่วยรักษาวัสดุและคุณสมบัติทางไฟฟ้า ผ่านการตรวจสอบตามมาตรฐาน ISO 11135
4. การประมวลผลสัญญาณ
4.1 ไปป์ไลน์การประมวลผล
ขั้นตอนที่ 1: จับภาพและประมวลผลล่วงหน้า
- • การจับกุม: เฟรม RGB 1920x1080 @ 60 FPS
- • การแปลง: RGB → ระดับสีเทา (การถ่วงน้ำหนักความสว่าง)
- • การปรับสมดุล: ฮิสโตแกรมแบบปรับได้ (CLAHE) เพื่อความคมชัด
- • การปฏิเสธ: ตัวกรองทวิภาคีรักษาขอบ
- • เวลาแฝง: <5ms
ขั้นตอนที่ 2: การแยกคุณสมบัติ
- • การตรวจจับขอบ: ตัวกรอง Sobel หลายขนาด
- • ความโดดเด่น: แผนที่ความสนใจด้วยภาพแบบคอนทราสต์
- • การแบ่งส่วน: รูปพื้นดินพร้อมเกณฑ์การปรับตัว
- • ลำดับความสำคัญ: วัตถุที่เคลื่อนที่จะมีน้ำหนักมากขึ้น
- • เวลาแฝง: <8ms
ขั้นตอนที่ 3: การสุ่มตัวอย่างแบบอัจฉริยะ
- • ความละเอียดเป้าหมาย: 32x32 พิกเซล (1,024 จุด)
- • วิธี: การรวมกลุ่มแบบปรับเปลี่ยนได้เพื่อเก็บข้อมูลที่สำคัญ
- • การถ่วงน้ำหนัก: ภาคกลางได้รับการแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
- • การหาปริมาณ: 8 ระดับความเข้มต่อพิกเซล
- • เวลาแฝง: <3ms
ขั้นตอนที่ 4: การทำแผนที่จอประสาทตา
- • แปลงร่าง: คาร์ทีเซียน → พิกัดล็อกขั้ว
- • การขยายเยื่อหุ้มสมอง: ความหนาแน่นส่วนกลางที่สูงขึ้น (รอยบุ๋ม)
- • การสอบเทียบ: การปรับแต่งต่อผู้ใช้
- • ค่าตอบแทน: การบิดเบือนความโค้งของเยื่อหุ้มสมอง
- • เวลาแฝง: <2ms
ขั้นตอนที่ 5: การเข้ารหัสกระตุ้น
- • การทำแผนที่: ความเข้มของพิกเซล → พารามิเตอร์พัลส์
- • การปรับ: แอมพลิจูดและ/หรือความถี่ของพัลส์
- • เวลา: การซิงโครไนซ์ช่องสัญญาณทั้งหมด 1,024 ช่อง
- • การเพิ่มประสิทธิภาพ: อัลกอริธึมการเรียนรู้แบบปรับเปลี่ยนได้
- • เวลาแฝง: <2ms
⚡ เวลาแฝงไปป์ไลน์แบบ end-to-end: <20ms (ตั้งแต่การจับจนถึงการกระตุ้น)
4.2 อัลกอริธึมการเพิ่มประสิทธิภาพ
การเรียนรู้แบบปรับตัว
ระบบใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อปรับแต่งการกระตุ้นจากความคิดเห็นของผู้ใช้และการวัดประสิทธิภาพ
- • แอมพลิจูดต่ออิเล็กโทรดอัตโนมัติ
- • การปรับคอนทราสต์การรับรู้
- • การชดเชยดริฟท์อิมพีแดนซ์
- • แผนที่จอประสาทตาส่วนบุคคล
การทำนายการเคลื่อนไหว
การไหลของแสงและการทำนายเวลาช่วยลดความล่าช้าในการรับรู้และปรับปรุงการรับรู้วัตถุที่กำลังเคลื่อนที่
- • การประมาณความเร็วและทิศทาง
- • การคาดการณ์ตำแหน่งในอนาคต
- • วิถีเรียบ
- • ลำดับความสำคัญในการเคลื่อนย้ายวัตถุ
5. การสื่อสาร
5.1 การวัดและส่งข้อมูลทางไกลข้อมูล
ข้อกำหนด RF
โปรโตคอลการสื่อสาร
5.2 ความปลอดภัยของลิงค์
การเข้ารหัส
AES-128 สำหรับข้อมูลแบบเรียลไทม์ คีย์ต่ออุปกรณ์ที่สร้างขึ้นในการจับคู่ครั้งแรก การหมุนเวียนคีย์เซสชันทุกๆ 24 ชั่วโมง
การรับรองความถูกต้อง
ความท้าทายร่วมกัน – การตอบสนองระหว่างยูนิตภายนอกกับอุปกรณ์ปลูกถ่าย การปิดกั้นการเล่นซ้ำและการแย่งชิง หมดเวลาเซสชันหลังจากไม่ได้ใช้งาน 5 นาที
ป้องกันการรบกวน
FHSS ทั่วทั้ง 50 ช่อง การจัดการการชนอัตโนมัติ และโหมดทางเลือกสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีสัญญาณรบกวน RF สูง
6. การจัดการพลังงาน
6.1 การชาร์จแบบเหนี่ยวนำ
หลักการทำงาน
การมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำแบบเรโซแนนซ์ที่ 13.56 MHz ถ่ายโอนพลังงานผ่านผิวหนังโดยไม่ต้องใช้ขั้วต่อแบบเจาะผิวหนัง
- • ส่งคอยล์: เส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. 10 รอบ
- • รับคอยล์: เส้นผ่านศูนย์กลาง 35 มม. 15 รอบ
- • ประสิทธิภาพ: 60–70% ที่ช่องว่าง 5 มม
- • ส่งมอบพลังแล้ว: โดยทั่วไป 500 mW, สูงสุด 1 W
- • การจัดตำแหน่ง: พิกัดความเผื่อด้านข้าง ±10 มม
วงจรการจัดการ
PMIC เฉพาะควบคุมการชาร์จและการกำหนดเส้นทางพลังงานไปยังระบบย่อยของรากฟันเทียมทั้งหมด
- • การแก้ไข: สะพานชอตกี
- • ระเบียบข้อบังคับ: บั๊ก 3.6V → 1.8V/3.3V
- • กำลังชาร์จ: CC/CV พร้อมการยกเลิกอัตโนมัติ
- • การป้องกัน: กระแสไฟเกิน, แรงดันไฟเกิน, อุณหภูมิ
- • การตรวจสอบ: ตัวนับคูลอมบ์สำหรับสถานะการชาร์จ
6.2 การเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน
การแบ่งงบประมาณอำนาจ
(60มิลลิวัตต์)
(45มิลลิวัตต์)
(30มิลลิวัตต์)
(15มิลลิวัตต์)
โหมดการทำงาน
การกระตุ้น 60 FPS ต่อเนื่อง ระบบย่อยทั้งหมดเปิดอยู่
30 FPS, การประมวลผลที่เบากว่า, อายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น
ปิดการกระตุ้น; RF และการตรวจสอบ; ตื่นอย่างรวดเร็ว
น้อยที่สุด: ตรวจจับนาฬิกาและการชาร์จเท่านั้น เดือนแห่งชีวิต
7. ความปลอดภัยและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
7.1 มาตรฐานและการรับรอง
ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ
- ISO10993: การประเมินทางชีววิทยาของอุปกรณ์การแพทย์
- USP คลาส VI: การทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์
- มาตรฐาน ASTM F756: วัสดุปลูกถ่ายได้
ความปลอดภัยทางไฟฟ้า
- IEC 60601-1: ความปลอดภัยของอุปกรณ์การแพทย์
- IEC 60601-2-40: เครื่องกระตุ้นประสาท
- อีอีอี C95.1: ขีดจำกัดการสัมผัส RF
7.2 กลไกด้านความปลอดภัย
การป้องกันฮาร์ดแวร์
- • ขีดจำกัดปัจจุบัน: เอาต์พุตแคปเครือข่ายตามมาตรฐานที่200μA
- • ตรวจจับการลัดวงจร: ตัดไฟอัตโนมัติภายใน <1ms
- • อุณหภูมิ: ปิดเครื่องด้วยความร้อนที่ 41°C
- • สุนัขเฝ้าบ้าน: รีเซ็ตเฟิร์มแวร์ค้าง
- • บัฟเฟอร์พลังงาน: ตัวเก็บประจุสำหรับควบคุมการปิดเครื่อง
การป้องกันซอฟต์แวร์
- • ความซื่อสัตย์: CRC บนเฟิร์มแวร์และพารามิเตอร์
- • ขีดจำกัดการกระตุ้น: รับรองทุกการเปลี่ยนแปลง
- • บันทึกเหตุการณ์: ประวัติข้อผิดพลาดและความผิดปกติ
- • เซฟโหมด: ค่าเริ่มต้นแบบอนุรักษ์นิยม
- • อัพเดตโอตะ: ปลอดภัยด้วยการย้อนกลับ
การตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง
- • อิเล็กโทรด Z: สุ่มตัวอย่างทุกๆ 100ms
- • อุณหภูมิการปลูกถ่าย: เซ็นเซอร์แบบกระจายสี่ตัว
- • แบตเตอรี่: SOC และ SOH สด
- • ลิงค์อาร์เอฟ: RSSI และอัตราความผิดพลาด
- • ค่าธรรมเนียมการฉีด: ผู้รวมอิเล็กโทรดต่ออิเล็กโทรด
7.3 การทดสอบความปลอดภัย
ในหลอดทดลอง
- • การเพาะเลี้ยงเซลล์ประสาท
- • ความเป็นพิษต่อเซลล์
- • การกัดกร่อน
- • ความเหนื่อยล้าทางกล
- • ลักษณะทางไฟฟ้า
ในร่างกาย
- • โมเดลสัตว์
- • การตอบสนองของเนื้อเยื่อ
- • การทดสอบการทำงาน
- • การติดตามผลระยะยาว
- • มิญชวิทยา
คลินิก
- • ความเป็นไปได้
- • การทดลองด้านความปลอดภัย
- • ประสิทธิภาพ
- • การติดตามผลระยะยาว
- • เหตุการณ์ไม่พึงประสงค์
8. โปรโตคอลการกระตุ้น
8.1 พารามิเตอร์การกระตุ้น
รูปคลื่น
พัลส์ biphasic แบบสมมาตร: เฟสแคโทดก่อนแล้วจึงขั้วบวก ช่องว่างระหว่างพัลส์ 50 μs สำหรับการคายประจุแบบคาปาซิทีฟ ความไม่สมดุลของประจุ <1% เพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมทางเคมีไฟฟ้า
เฟสแคโทด (กระตุ้น)
- • แอมพลิจูด: 10–200 μA (ปรับได้)
- • ระยะเวลา: 100–500 μs
- • ขั้ว: ลบ
- • รูปร่าง: สี่เหลี่ยม
เฟสขั้วบวก (การกู้คืน)
- • แอมพลิจูด: ตรงกับแคโทด
- • ระยะเวลา: ตรงกับ cathodic
- • ขั้ว: บวก
- • รูปร่าง: สี่เหลี่ยม
การควบคุมความเข้มที่รับรู้
ความแรงของฟอสฟีนถูกปรับด้วยวิธีเสริมสามวิธี:
ช่วงกระแสไฟ 10–200 μA; ลอการิทึมโดยประมาณพร้อมความสว่างที่รับรู้ แปดระดับแยกเพื่อประสิทธิภาพ
อัตราชีพจร 50–300 เฮิรตซ์; อัตราที่สูงกว่าจะอ่านได้สว่างกว่า มีประโยชน์สำหรับการควบคุมอย่างละเอียดโดยไม่ต้องปรับกระแสใหม่
100–500 ไมโครวินาที; พัลส์ที่ยาวขึ้นจะปล่อยประจุมากขึ้นและดูสว่างขึ้น ล้อมรอบด้วยความปลอดภัยของเคมีไฟฟ้า
8.2 กลยุทธ์การเข้ารหัส
การเข้ารหัสเชิงพื้นที่
แผนผังโดยตรงจากพิกเซลภาพแต่ละพิกเซลไปยังอิเล็กโทรดอาเรย์ ซึ่งสอดคล้องกับโครงร่างเยื่อหุ้มสมองเรติโนโทปิก
- • ปณิธาน: 32x32 → 1,024 อิเล็กโทรด
- • การขยายเยื่อหุ้มสมอง: ศูนย์กลางหนาแน่น
- • แปลงร่าง: แบบจำลองรอยบุ๋มแบบขั้วล็อก
- • การสอบเทียบ: การปรับแต่งต่อผู้ใช้
การเข้ารหัสชั่วคราว
จังหวะการกระตุ้นจะเข้ารหัสมากกว่าความเข้มข้น เช่น การเคลื่อนไหว ความลึก และความนูน
- • ระเบิด: รถไฟสำหรับเคลื่อนย้ายสิ่งของ
- • ซิงค์: เฟสสัมพัทธ์ระหว่างไซต์
- • รูปแบบเวลา: รหัสพื้นผิว
- • การปรับอัตรา: อัตราการติดตามความคมชัด
8.3 การเพิ่มประสิทธิภาพและการปรับเปลี่ยนในแบบของคุณ
การสอบเทียบเบื้องต้น
สองถึงสี่สัปดาห์ในการกำหนดเกณฑ์และจุดปฏิบัติงานที่ปลอดภัยต่อสถานที่:
- เกณฑ์การรับรู้ (ทั่วไป 10–50 μA)
- ช่วงความสะดวกสบาย (ทั่วไป 100–150 μA)
- แผนที่เรติโนโทปิกที่กำหนดเอง
- การปรับโดเมนเวลา (อัตรา ความกว้าง)
- การทดสอบรูปแบบอย่างง่าย
การปรับตัวอย่างต่อเนื่อง
ระบบเรียนรู้เมื่อเวลาผ่านไปจาก:
- • ข้อมูลผู้ใช้: ความสว่าง/คอนทราสต์แบบแมนนวล
- • ความสำเร็จของงาน: คะแนนการนำทางและการจดจำ
- • ซีดริฟท์: แก้ไขอัตโนมัติ
- • ใช้รูปแบบ: การปรับฉากบ่อยครั้ง
- • ความเป็นพลาสติกของระบบประสาท: การสอบเทียบใหม่ในระยะยาว
โหมดพิเศษ
โปรไฟล์ที่สร้างไว้ล่วงหน้าสำหรับการใช้งานทั่วไป:
คอนทราสต์ขอบสูง การเคลื่อนไหวต่ำ
การเคลื่อนไหว ความลึก และอุปสรรค
ใบหน้า วัตถุ และรูปร่าง
ได้รับและปรับคอนทราสต์ได้