طراحي تراشه پروتز شبكيه چشم با توانايي تشخيص لبه درون پيكسلي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

الكترونيك

كارشناسي ارشد

رابط‌هاي مغز و ماشين (BMI) با اتصال به سيستم عصبي براي كنترل دستگاه‌ها و بازيابي فعاليت‌هاي عصبي استفاده مي‌شوند و تراشه‌هاي شبكيه با تحريك الكتريكي نورون‌ها بخشي از بينايي افراد نابينا را بازيابي مي‌كنند. پروتز شبكيه يك درمان اميدواركننده براي بيماري‌هاي شبكيه چشم است. تراشه‌هاي شبكيه مي‌توانند در سه محل مختلف شبكيه چشم (زير_شبكيه، روي_شبكيه و سوپراكرووئيدي-فراشبكيه‌اي) كاشته شوند. كاشت زير_شبكيه به دليل طراحي ساده و توليد تصاوير دقيق‌تر مورد توجه است، اما نياز به تقويت جريان و لايه‌هاي مياني سالم شبكيه دارد؛ همچنين در اين روش احتمال آسيب حرارتي وجود دارد. در كاشت زير_شبكيه بدون نياز به سخت‌افزار خارجي، تمام عمليات در تراشه مجتمع انجام مي‌گيرد. تراشه‌هاي روي_شبكيه با تحريك مستقيم سلول‌هاي گانگليوني وضوح بالاي تصوير را فراهم مي‌كنند، اما بيشتر آن‌ها نياز به دوربين خارجي دارند. در روش تحريك سوپراكرووئيدي-فراشبكيه‌اي (STS) الكترودها زير لايه مشيميه كاشته مي‌شوند و نيازي به جراحي داخل چشمي ندارند، اما اين روش به جريان تحريك بالاتر و حسگر تصوير خارجي نياز دارد. انتخاب مناسب فوتوديود و روش سنجش نور تاثير زيادي بر محدوده‌ي ديناميكي شبكيه دارد. براي جلوگيري از آسيب به شبكيه، توان مصرفي تراشه بايد كمتر از مقدار آن در شبكيه طبيعي باشد و از پالس‌هاي دوفازي و مستطيلي براي تحريك ايمن استفاده شود. تحريك دوقطبي با تعداد بيشتر الكترود وضوح بالاتري فراهم مي‌كند ولي نياز به فضاي بيشتري دارد. براي بهبود وضوح فضايي و جلوگيري از تحريك ناخواسته، مديريت سطح جريان و بار تزريقي به بافت ضروري است. براي ماندگاري و دوام تراشه در ساخت نيز از مواد زيست‌ سازگار استفاده مي‌شود. بخش حسگر نور در تراشه‌هاي شبكيه، نور تابشي را با مدولاسيون‌هاي مختلف به سيگنال الكتريكي تبديل مي‌كند و اين بخش مي‌تواند داخلي يا خارجي باشد. بخش مولد جريان محرك در اين تراشه‌ها پالس‌هاي الكتريكي براي تحريك سلول‌هاي عصبي توليد مي‌كند و الكترودهاي آن با مواد زيست‌ سازگار طراحي مي‌شوند. آزمايش‌هاي باليني نشان مي‌دهد كه بيماران با تحريك الكتريكي تنها مي‌توانند چندين مقياس خاكستري را با وضوح پايين تشخيص دهند. استفاده از تكنيك‌هاي پردازش تصوير در تراشه‌هاي شبكيه مي‌تواند دقت بينايي را افزايش و توان مصرفي را كاهش دهد. پردازش تصوير مي‌تواند آنالوگ، بر پايه‌ي فركانس و بر پايه‌ي زمان باشد. اين پايان نامه دو تراشه پروتز زير_شبكيه ارائه مي‌كند كه در فناوري CMOS 0.18µm طراحي شده است. در هر دو تراشه براي بهبود محدوده‌ي ديناميكي، سنجش فوتوديود بر اساس زمان است. تراشه اول شامل بخش‌هاي حسگر و محرك دوفازي، قادر به توليد محرك‌هاي شبكيه متناسب با نور تابشي در ولتاژ V1 است. محدوده تحريك ديناميكي تراشه dB 27.3 و مصرف توان آن nW/pixel4.9 است. تراشه دوم با هدف به حداكثر رساندن تفاوت‌هاي شدت روشنايي، افزايش شدت بينايي بيماران و كاهش اطلاعات اضافي داراي امكان تشخيص لبه درون پيكسلي است. تشخيص لبه با استفاده از دو الگوريتم متفاوت بر پايه‌ي زمان پياده‌سازي شده است. در هر دو الگوريتم لبه به درستي تشخيص داده مي‌شود و مصرف توان به صورت قابل توجهي كاهش مي‌يابد. براي بخش پردازش تصوير اين تراشه دو مدار مقايسه كننده عرض پالس ارائه شده است. براي كاهش پراكندگي جريان و بهبود وضوح تصاوير از روش بازگشت بار محلي بر اساس تحريك دو قطبي استفاده شده است. همچنين به منظور كاهش توان مصرفي از اشتراك گذاري الكترودها و طرح كنترل متوالي استفاده شده است. اين تراشه كليه سيگنال‌هاي كنترلي موردنياز را در درون تراشه توليد مي‌كند. در تراشه‌ داراي تشخيص لبه محدوده‌ي ديناميكي dB30 و توان حسگر nW/pixel1.18 است.

231867

مدارهاي مجتمع الكترونيك

مهندسي برق و كامپيوتر

دانشگاه صنعتي اصفهان