视网膜假体中人工视觉最小信息需求及其优化研究

Retinal prosthesis is a way of restoring functional vision for the blind through electrically stimulating retinal ganglion cells. However, one of the most key problems, which are faced by retinal prosthesis at the clinical early stage, is how to provide the most useful visual information to prosthesis wearers under the premise that limited electrodes only can elicit limited discrete phosphenes. Therefore, it is significant to study the minimal information requirement and optimization of artificial vision based on the interdisciplinary study of cognitive science and information science. This project is proposing to study the simulated phosphenes characteristics and model optimization, to study objects and scenes recognition under simulated prosthetic vision, to study image processing strategies based on visual attention mechanism to improve the performance of prosthetic visual tasks for prosthesis wearers, to study the reading laws of Chinese paragraphs using irregular simulated phosphenes array and to optimize the display of Chinese characters to improve the Chinese reading performance, to compare the difference of visual selective attention mechanism between prosthetic and normal vision, and to explore cortical processing mechanism of visual selective attention and Chinese characters recognition under limited resolution. These researches are aimed at laying the theoretical foundations for information processing and coding of retinal prostheses.

视网膜假体是一种通过微电流刺激视网膜神经节细胞修复视觉功能的人工器官，为盲人复明带来了希望。但是，在目前的临床初期实验阶段，仍面临诸多问题亟待解决，最为关键的问题之一是在有限数量电极刺激只能诱发有限离散光幻视点的前提下，如何通过视网膜假体向植入者提供最有用的视觉信息、使盲人获得最佳的视觉感受？因此，基于认知科学和信息科学交叉研究人工视觉的最小信息需求及其优化具有非常重要的意义。本申请课题拟开展基于触觉感知的仿真光幻视空间特性研究及模型优化；在此基础上研究仿真假体视觉下的物体与场景图像识别，研究基于视觉注意机制的图像处理策略，提高假体视觉任务完成效率；研究不规则仿真光幻视阵列下的中文阅读规律及其汉字的最优表达方法，提高中文阅读效率；比较研究假体视觉与正常视觉下选择性注意机制的异同，探索有限像素下选择性注意和汉字识别的皮层加工机制。通过这些研究旨在为视网膜假体的信息处理与编码奠定理论基础。

视网膜假体是当今国际上对视网膜色素变性和老年黄斑变性患者进行视觉功能修复的研究热点。该人工装置使用体外摄像头和图像处理单元进行采集和处理图像信息，并经皮无线传输至体内植入的微电流刺激器中，经过解码后将携带外界图像信息的刺激脉冲加载到微电极阵列上，对视网膜神经元进行刺激，从而产生人工视觉。目前，最新临床表明：植入者能获得一定的视觉感知，完成一些简单的视觉任务。然而，由于受到制造工艺及生物安全性的限制，刺激电极数量十分有限，导致植入者仅能获得低视敏度的视觉感受。此外，由于视网膜解剖结构的复杂性、刺激电极之间的电场串扰等问题，视野中诱发的光幻视还存在不规则现象，影响了植入者的视觉感受。如何改善假体植入者的视觉感知，已成为当前视网膜假体研究中的关键问题之一。.本课题围绕人工视觉中的最小需求及其优化表达，相继开展了以下研究：1）不规则光幻视阵列下的汉字表达优化：针对光幻视扭曲对中文语段阅读有显著影响的问题，创新提出了能够显著改善被试阅读能力的扭曲校正算法，为视网膜假体中的中文信息处理编码提供了重要的理论基础；2）不规则光幻视阵列下的物体识别及眼手协调：研究发现：光幻视阵列的分辨率、灰度级、扭曲和缺失是影响假体植入者物体识别和眼手协调的主要因素，为视网膜假体的图像处理策略研究提供重要的实验依据；3）改善完成视觉任务的图像处理策略：针对不同的视觉任务，使用优化的图像处理（运动、人脸检测）策略能显著改善植入者的视觉感知，提高完成视觉任务的能力；4）基于视觉注意模型的图像处理策略：视觉注意模型能有效提取场景中的重要物体，通过不同的增强策略后能够改善被试的物体识别能力，为视网膜假体中的图像处理提供重要的理论基础；5）假体视觉的认知机制和皮层响应规律：视网膜电刺激的频率、脉宽能够显著影响皮层响应，研究首次发现了电刺激视网膜会引起视皮层负响应，为理解电刺激视网膜诱发的皮层响应规律奠定了重要的基础。