1. 系统架构
1.1 概述
See U 神经植入系统由三个主要组件组成，它们共同捕获、处理视觉信息并将其直接发送到用户的初级视觉皮层。
外部元件
- • CMOS 相机 (16MP)
- • 处理单元
- • 外接电池（2500mAh）
- • 射频发射器
皮下成分
- • 射频接收器
- • 信号处理器
- • 植入式电池
- • 电极控制器
皮质内成分
- • 1024电极阵列
- • 柔性基板
- • 神经接口
- • 阻抗传感器
1.2 数据流向
图像捕捉
CMOS 摄像头以 1920x1080 的分辨率捕获 60 FPS 帧。高灵敏度传感器（高达 ISO 6400）支持弱光操作。
预处理
计算机视觉算法应用边缘检测、自适应对比度和降噪。图像被下采样为 32x32 贴图，同时保留关键信息。
视网膜专题图
空间图像坐标按照自然 V1 视网膜专题组织映射到视觉皮层中的相应位置。
刺激编码
根据相应的像素强度，为每个电极生成具有优化参数（幅度、频率、持续时间）的电脉冲图案。
射频传输
编码数据通过 13.56 MHz RF 通过皮肤发送到皮下接收器，端到端延迟低于 50 毫秒。
神经刺激
电极控制器向微电极施加双相脉冲，驱动特定的神经元并引发用户感知的光幻视。
2. 硬件规格
2.1 外部单元
相机
处理器
力量
2.2 植入装置
射频接收器
信号处理器
植入式电池
物理尺寸
3. 微电极阵列
3.1 电极规格
几何参数
材料和涂层
3.2 电气特性
刺激
安全
监控
3.3 生物相容性
组织反应
PEDOT：PSS 涂层可减少炎症和神经胶质疤痕。研究表明，体内阻抗可保持 2 年以上稳定。
机械灵活性
柔性聚酰亚胺（杨氏模量~2.5 GPa）可降低皮质组织的压力（~1 kPa），减少大脑运动造成的微创伤。
消毒
环氧乙烷 (EtO) 可保留材料和电气特性，并已通过 ISO 11135 验证。
4. 信号处理
4.1 处理管道
第 1 步：捕获和预处理
- • 捕获: RGB 帧 1920x1080 @ 60 FPS
- • 转换: RGB → 灰度（亮度加权）
- • 均衡: 对比度的自适应直方图 (CLAHE)
- • 去噪: 双边滤波器保留边缘
- • 延迟: <5毫秒
步骤2：特征提取
- • 边缘检测: 多尺度Sobel滤波器
- • 显着性: 基于对比的视觉注意力图
- • 分割: 具有自适应阈值的图形-背景
- • 优先事项: 移动的物体重量会增加
- • 延迟: <8毫秒
第三步：智能下采样
- • 目标分辨率: 32x32 像素（1024 点）
- • 方法: 自适应池保留关键信息
- • 加权: 中部地区得到更有效的解决
- • 量化: 每个像素 8 个强度级别
- • 延迟: <3毫秒
第 4 步：视网膜专题图
- • 转换: 笛卡尔坐标 → 对数极坐标
- • 皮质放大倍率: 更高的中心密度（中央凹）
- • 校准: 每用户调整
- • 赔偿: 皮质曲率畸变
- • 延迟: <2毫秒
第 5 步：刺激编码
- • 测绘: 像素强度→脉冲参数
- • 调制: 脉冲幅度和/或频率
- • 定时: 所有1024个通道同步
- • 优化: 自适应学习算法
- • 延迟: <2毫秒
⚡ 端到端管道延迟：<20ms（从捕获到刺激）
4.2 优化算法
适应性学习
该系统使用机器学习来调整来自用户反馈和性能指标的刺激。
- • 自动每电极振幅
- • 感知对比度调整
- • 阻抗漂移补偿
- • 个性化视网膜专题图
运动预测
光流和时间预测减少了感知滞后并改善了运动物体的感知。
- • 速度和方向估计
- • 未来位置推断
- • 轨迹平滑
- • 移动物体优先
5. 通讯
5.1 数据遥测
射频规格
通讯协议
5.2 链路安全
加密
用于实时数据的 AES-128。首次配对时创建的每设备密钥。会话密钥每 24 小时轮换一次。
验证
外部单元和植入物之间相互挑战-响应，阻止重放和劫持。空闲 5 分钟后会话超时。
干扰保护
跨 50 个通道的 FHSS、自动冲突处理以及高 RF 噪声环境的回退模式。
6. 电源管理
6.1 感应充电
工作原理
13.56 MHz 的谐振感应耦合可通过皮肤传输功率，无需经皮连接器。
- • 发射线圈: 直径 50 毫米，10 圈
- • 接收线圈: 直径 35 毫米，15 圈
- • 效率: 5 毫米间隙时为 60–70%
- • 供电量: 典型值 500 mW，最大值 1 W
- • 结盟: ±10 mm 横向公差
管理电路
专用 PMIC 负责管理所有植入子系统的充电和电源路由。
- • 整改: 肖特基桥
- • 规定: 降压 3.6V → 1.8V/3.3V
- • 收费: 带自动终止功能的 CC/CV
- • 保护: 过流、过压、温度
- • 监控: 用于充电状态的库仑计数器
6.2 功耗优化
功率预算分配
(60毫瓦)
(45毫瓦)
(30毫瓦)
(15毫瓦)
操作模式
连续 60 FPS 刺激，所有子系统均开启。
30 FPS，更轻的处理，更长的电池寿命。
刺激关闭； RF 和监控开启；快醒吧。
最小：仅时钟和充电检测；几个月的生命。
7. 安全性和生物相容性
7.1 标准和认证
生物相容性
- ISO 10993: 医疗器械生物学评价
- USP VI 级: 细胞毒性测试
- ASTM F756: 植入材料
用电安全
- IEC 60601-1: 医疗设备安全
- IEC 60601-2-40: 神经刺激器
- IEEE C95.1: 射频暴露限制
7.2 安全机制
硬件保护
- • 电流限制: 合规网络将输出上限限制为 200μA
- • 短路检测: <1ms内自动切断
- • 温度: 41°C 热关断
- • 看门狗: 固件挂起时重置
- • 能量缓冲器: 用于受控关断的电容器
软件保护
- • 正直: 固件和参数的 CRC
- • 刺激限制: 对每项更改进行验证
- • 事件日志: 故障和异常历史记录
- • 安全模式: 保守的默认值
- • OTA更新: 通过回滚确保安全
持续监控
- • 电极Z: 每 100 毫秒采样一次
- • 种植体温度: 四个分布式传感器
- • 电池: 实时 SOC 和 SOH
- • 射频链路: RSSI 和错误率
- • 注入电荷: 每电极积分器
7.3 安全测试
体外
- • 神经细胞培养
- • 细胞毒性
- • 腐蚀
- • 机械疲劳
- • 电气特性
体内
- • 动物模型
- • 组织反应
- • 功能测试
- • 长期跟踪
- • 组织学
临床
- • 可行性
- • 安全试验
- • 功效
- • 长期跟踪
- • 不良事件
8. 刺激方案
8.1 刺激参数
波形
对称双相脉冲：首先是阴极相，然后是阳极相。用于电容放电的 50 μs 脉冲间间隙。 <1% 电荷不平衡以避免电化学积聚。
阴极（刺激）相
- • 幅度：10–200 μA（可调）
- • 持续时间：100–500 μs
- • 极性：负极
- • 形状: 长方形
阳极（恢复）阶段
- • 振幅：匹配阴极
- • 持续时间：匹配阴极
- • 极性：正极
- • 形状: 长方形
感知强度控制
光幻视强度通过三种互补的方式进行调制：
电流范围 10–200 μA；与感知亮度近似成对数。八个独立的效率级别。
脉率 50–300 Hz；速率越高，读数越亮，可用于无需重新调整电流的精细控制。
100–500 微秒；较长的脉冲注入更多的电荷，看起来更亮，受到电化学安全性的限制。
8.2 编码策略
空间编码
从每个图像像素到其阵列电极的直接映射，与视网膜皮质布局对齐。
- • 解决: 32x32 → 1024 个电极
- • 皮质放大倍率: 密集中心
- • 转换: 对数极中心凹模型
- • 校准: 每用户调整
时间编码
刺激时间编码的不仅仅是强度——运动、深度和显着性。
- • 爆裂: 运送物品的火车
- • 同步: 各站点的相对相位
- • 时间模式: 纹理代码
- • 速率适配: 速率跟踪对比度
8.3 优化和个性化
初始校准
两到四个星期来设置每个站点的阈值和安全操作点：
- 感知阈值（典型值 10–50 μA）
- 舒适范围（典型值 100–150 μA）
- 定制视网膜主题图
- 时域调谐（速率、宽度）
- 简单的模式测试
持续适应
随着时间的推移，系统会学习：
- • 用户输入: 手动亮度/对比度
- • 任务成功: 导航和识别分数
- • Z轴漂移: 自动修正
- • 使用模式: 频繁场景调整
- • 神经可塑性: 长期重新校准
专业模式
预构建的常用配置文件：
高边缘对比度，低运动
运动、深度和障碍物
面孔、物体和形状线索
增益和自适应对比度