視網(wǎng)膜信息處理模型的建立.pdf

1、研究目的：
　　 視覺假體是用微電極陣列直接刺激視路徑上的結(jié)構(gòu)，為盲人提供重要的外界信息輸入。視網(wǎng)膜信息處理模型可取代生物視網(wǎng)膜功能，將刺激圖像轉(zhuǎn)化為攜帶有效視覺信息的鋒電位序列，驅(qū)動刺激電極陣列，是視覺假體研究的一個(gè)必要組成部分。本文通過理論分析視網(wǎng)膜內(nèi)電刺激產(chǎn)生視知覺的信號流程和各個(gè)階段傳遞函數(shù)，建立視網(wǎng)膜仿生模型，并以靜態(tài)灰度圖像為輸入進(jìn)行模擬。解決向視覺中樞輸入什么信息，如何有效輸入信息的問題，為設(shè)計(jì)研發(fā)切實(shí)可行的植入式

2、視覺微電子系統(tǒng)提供神經(jīng)計(jì)算的支持。
　　 研究方法：
　　 本研究從已知的視網(wǎng)膜生理機(jī)制出發(fā)：視覺神經(jīng)元功能聯(lián)系主要發(fā)生在突觸層。將外網(wǎng)狀層和內(nèi)網(wǎng)狀層看作兩個(gè)獨(dú)立的信息處理單元，建立兩層結(jié)構(gòu)的視網(wǎng)膜信息處理模型，并在Matlab平臺上以靜態(tài)灰度圖像為輸入進(jìn)行仿真研究。
　　 1.外網(wǎng)狀層視覺信息提取。根據(jù)神經(jīng)元感受野特點(diǎn)：中心-周邊結(jié)構(gòu)，空間分布范圍和時(shí)間軌跡不同。中央和周邊信號分別對應(yīng)不同的線性時(shí)空濾波器，所建

3、模型的空間組分是高斯函數(shù)，時(shí)間組分是級聯(lián)指數(shù)函數(shù)，最終由雙極細(xì)胞層整合相互拮抗的中央信號和周邊信號。
　　 2.內(nèi)網(wǎng)狀層視覺信息編碼。用一個(gè)簡化的突觸傳遞函數(shù)來表征人眼視覺系統(tǒng)的非線性調(diào)制功能，外界刺激強(qiáng)度通過相應(yīng)的放電率表示；在簡單齊次泊松模型的加入神經(jīng)元鋒電位產(chǎn)生的不應(yīng)期，獲取神經(jīng)元放電鋒鋒間隔，最終得到傳遞有效視覺信息的鋒電位序列。
　　 3.通過Matlab提供的圖形用戶界面集成開發(fā)環(huán)境GUIDE，根據(jù)模型結(jié)構(gòu)及

4、其所要實(shí)現(xiàn)的功能類型，設(shè)計(jì)開發(fā)圖形用戶界面。
　　 研究結(jié)果：
　　 1.所建立的視網(wǎng)膜外網(wǎng)狀層模型可實(shí)現(xiàn)視覺信息提取，得到清晰的邊緣輪廓對比信息；內(nèi)網(wǎng)狀層數(shù)學(xué)模型可實(shí)現(xiàn)視覺信息編碼，獲取傳遞視覺信息的鋒電位序列。
　　 2.輸入靜態(tài)灰度圖像，經(jīng)外網(wǎng)狀層時(shí)空濾波模型處理后，相比傳統(tǒng)空間高斯差分模型，圖像中的邊緣信息得到了保留，同時(shí)大面積的亮度對比信息也在一定程度上得到了保留。
　　 3.輸入靜態(tài)灰度圖像，

5、在外網(wǎng)狀層中央興奮性信號與周邊抑制性信號相對權(quán)值ω=0.95時(shí)，可得到清晰邊緣輪廓對比信息。
　　 4.內(nèi)網(wǎng)狀層靜態(tài)非線性整流函數(shù)，不同的亮度有不同的縮放因子，與其它實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本一致。
　　 5.圖形用戶界面：主界面顯示系統(tǒng)名稱和功能簡介；次界面四個(gè)子模塊依次實(shí)現(xiàn)刺激圖像載入、時(shí)空濾波、靜態(tài)非線性調(diào)整、非均勻徑向采樣和泊松鋒電位序列發(fā)生，最終以光點(diǎn)閃爍動畫形式模擬顯示視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞放電過程。
　　 研究結(jié)論

6、：
　　 1.本論文在Matlab7.7仿真平臺上構(gòu)建了視網(wǎng)膜信息處理模型，應(yīng)用該模型可完整仿真視網(wǎng)膜靜態(tài)視覺信息處理功能。
　　 2.外網(wǎng)狀層時(shí)空濾波模型實(shí)現(xiàn)了對低層次視覺要素的提取功能，與傳統(tǒng)高斯差分模型相比，在保留視覺圖像高空間頻率成分的同時(shí)，也在一定程度較好保留視覺圖像低空間頻率成分。
　　 3.Sigmoid型靜態(tài)非線性整流函數(shù)，與生物視覺系統(tǒng)的非線性特征契合，確保視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的放電率保持在合理范圍