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自然的奥秘与仿生学
课程论文
《浅谈仿生眼及其在现代医学中的应用》
姓名:王振国
学号:201300110089
专业:化学类
年级:2013级
班级:化学1班
浅谈仿生眼及其在现代医学中的应用
仿生眼简介
仿生眼,又称电子仿生眼(eyeclopsbioniceye)设备包括一
副装有摄像头和信号传送器的眼镜、一个视频处理器、一个信号接收
器和一个电极。佩戴这种眼镜前,患者首先要接受眼部手术,将一个
极薄的电子信号接收器和电极板植入视网膜上。电子仿生眼是运用仿
生学原理,模拟人眼的成像原理,帮助失明患者重新获得视觉能力的
仿生科技产品。
仿生学原理
一、人眼成像仿生原理
人眼成像原理图如下,所取的距离为250米,则人眼成像见下图:
自然界各种物体在光线的照射下,不同颜色可以反射出明暗不同
的光线,这些光线透过角膜、晶状体、玻璃体的折射,眼球中的角膜
和晶状体的共同作用,相当于一个“凸透镜”,在视网膜上形成倒立、
缩小的实像,构成光刺激。视网膜上的感光细胞(圆锥和杆状细胞)
受光的刺激后,经过一系列的物理化学变化,转换成神经冲动,由视
神经传入大脑层的视觉中枢,然后我们就能看见物体了,经过大脑皮层
的综合分析,产生视觉,人就看清了正立的立体像。
人的眼睛是个复杂的成像系统,而人的大脑像CPU处理这些图像,
让人能在视觉上感知到图像。人眼成像最主要的是晶状体和视网膜。
晶状体调整眼睛的焦距是光束集中到富有视锥细胞和视柱细胞的视网
膜上,在进行光电(生物电)变化,由视觉神经把信号传至大脑生成
图像。人类的目标就是能制造出能过可以和眼睛相媲美的视觉系统,
这是机器智能化的关键部分。
二、电子眼就是一套摄像系统
要了解电子眼的工作原理,我们首先要对人的视觉机理有一个清
晰的了解。人的视觉过程可以分成三个环节:接收信息,外界的光线
通过眼球的晶状体会聚在眼球后面的视网膜上成像;传递信息,视网
膜把接收到的,通过与它连接的视神经把信息传递到大脑的侧膝体,
再传递到大脑的视皮层;解读信息,大脑的视皮层将对接受到的各类
信息加工整理、去伪存真,还要与原来储存的信息进行比较,最后得
出结论。神经科学家告诉我们,人的视网膜上有1.3亿个光感受细胞,
而视网膜的信息输出要靠大约120万根神经纤维;在信息输出的过程
中还需要进行信息处理和变换。这是一个极其复杂而精致的过程。
“电子眼”的专业名字叫仿生眼(bioniceye)。据国外资料报道,
仿生眼的研究始于20世纪70年代,其原理是把摄像器获取的图像信
息变成电信号,传送到埋在盲人颅骨下的视皮层上的电极,使盲人获
得光感、闪光感和字母认知能力。20多年来,仿生眼的研究已经取得
了可喜的进步,英美科学家为几十名盲人安装了视网膜芯片仿生眼。
通常由于黄斑退行性病变或者色素视网膜炎,而导致这些患者眼球内
的光感受器受到损害。
仿生眼的具体构造是在一副太阳镜上置配微型摄像器和信号发射
器。摄像器会将它检测到的有关的图像信息传送到微处理器(微处理
器佩戴在盲人的腰带上),微处理器再把视频信号转换成电信号传送到
眼镜架上的信号发射器上。发射器则把无线信号发送到已植入眼球的
接收装置,并刺激神经细胞,通过视神经传入大脑。
三、仿生眼的两个关键装置
在仿生眼的整套电子系统里,有两个最关键的装置:一是摄像器。
现在的电子摄像器通常用电荷耦合装置(CCD)或CMOS器件来获取图
像,前者在技术上比较成熟,在市场上有优势,但是CCD器件的动态
范围不佳;后者是光二极管,它可以用对数方式压缩光电流(变成电
压)。二是植入视网膜里的芯片。在20世纪末国外已经制成了神经形
态视觉芯片,芯片的一面是光感受器,接收光信号,再把这块芯片集
成在一片小硅片上
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