For successful restoration of visual function by a visual neural prosthesis such as retinal implant, electrical stimulation should evoke neural responses so that the informat.ion on visual input is properly represented. A stimulation strategy, which means a method for generating stimulation waveforms based on visual input, should be developed for this purpose. We proposed to use the decoding of visual input from retinal ganglion cell (RGC) responses for the evaluation of stimulus encoding strategy. This is based on the assumption that reliable encoding of visual information in RGC responses is required to enable successful visual perception. The main purpose of this study was to determine the influence of inter-dependence among stimulated RGCs activities on decoding accuracy. Light intensity variations were decoded from multiunit RGC spike trains using an optimal linear filter. More accurate decoding was possible when different types of RGCs were used together as input. Decoding accuracy was enhanced with independently firing RGCs compared to synchronously firing RGCs. This implies that stimulation of independently-firing RGCs and RGCs of different types may be beneficial for visual function restoration by retinal prosthesis.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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v.13
no.1
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pp.79-86
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2013
We describe a neural stimulator front-end with arbitrary stimulation waveform generator and adaptive supply regulator (ASR) for visual prosthesis. Each pixel circuit generates arbitrary current waveform with 5 bit programmable amplitude. The ASR provides the internal supply voltage regulated to the minimum required voltage for stimulation. The prototype is implemented in $0.35{\mu}m$ CMOS with HV option and occupies $2.94mm^2$ including I/Os.
For successful visual perception by visual prosthesis using electrical stimulation, it is essential to develop an effective stimulation strategy based on understanding of retinal ganglion cell (RGC) responses to electrical stimulation. We studied RGC responses to repetitive electrical stimulation pulses to develop a stimulation strategy using stimulation pulse frequency modulation. Retinal patches of photoreceptor-degenerated retinas from rd1 mice were attached to a planar multi-electrode array (MEA) and RGC spike trains responding to electrical stimulation pulse trains with various pulse frequencies were observed. RGC responses were strongly dependent on inter-pulse interval when it was varied from 500 to 10 ms. Although the evoked spikes were suppressed with increasing pulse rate, the number of evoked spikes were >60% of the maximal responses when the inter-pulse intervals exceeded 100 ms. Based on this, we investigated the modulation of evoked RGC firing rates while increasing the pulse frequency from 1 to 10 pulses per second (or Hz) to deduce the optimal pulse frequency range for modulation of RGC response strength. RGC response strength monotonically and linearly increased within the stimulation frequency of 1~9 Hz. The results suggest that the evoked neural activities of RGCs in degenerated retina can be reliably controlled by pulse frequency modulation, and may be used as a stimulation strategy for visual neural prosthesis.
For the reliable transmission of meaningful visual information using prosthetic electrical stimulation, it is required to develop an effective stimulation strategy for the generation of electrical pulse trains based on input visual information. The characteristics of neuronal activities of retinal ganglion cells (RGCs) evoked by electrical stimulation should be understood for this purpose. In this study, for the development of an optimal stimulation strategy for visual prosthesis, we analyzed the neuronal responses of RGCs in rd1 mouse, photoreceptor-degenerated retina of animal model of retinal diseases (retinitis pigmentosa). Based on the in-vitro model of epiretinal prosthesis which consists of planar multielectrode array (MEA) and retinal patch, we recorded and analyzed multiunit RGC activities evoked by amplitude-modulated electrical pulse trains. Two modes of responses were observed. Short-latency responses occurring at 3 ms after the stimulation were estimated to be from direct stimulation of RGCs. Long-latency responses were also observed mainly at 2 - 100 ms after stimulation and showed rhythmic firing with same frequency as the oscillatory background field potential. The long-latency responses could be modulated by pulse amplitude and duration. From the results, we expect that optimal stimulation conditions such as pulse amplitude and pulse duration can be determined for the successful transmission of visual information by electrical stimulation.
Kim Eui tae;Oh Seung jae;Baac Hyoung won;Kim Sung june
Journal of Biomedical Engineering Research
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v.25
no.6
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pp.611-615
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2004
A neural prostheses can be designed to permit stimulation of specific sites in the nervous system to restore their functions, lost due to disease or trauma. This study focuses on the feasibility of optoelecronic stimulation into nervous system. Optoelectronic stimulation supplies, power and signal into the implanted optical detector inside the body by optics. It can be effective strategy especially on the retinal prosthesis, because it enables the non-invasive connection between the external source and internal detector through natural optical window 'eye'. Therefore, we designed an effective neural stimulating setup by optically based stimulation. Stimulating on the sciatic nerve of a rat with proper depth probe through optical stimulation needs higher ratio of current spreading through the neural surface, because of high impedance of neural interface. To increase the insertion current spreading into the neuron, we used a parallel low resistance compared to load resistance organic interface and calculated the optimized outer parallel resistance for maximum insertion current with the assumption of limited current by photodiode. Optimized outer parallel resistance was at a range of 500Ω-700Ω and a current was at a level between 580uA and 650uA. Stimulating current efficiency from initial photodiode induced current was between 47.5 and 59.7%. Various amplitude and frequency of the optical stimulation on the sciatic nerve showed the reliable visual tremble, and the action potential was also recorded near the stimulating area. These result demonstrate that optoelectronic stimulation with no bias can be applied to the retinal prosthesis and other neuroprosthetic area.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.11
no.11
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pp.2143-2149
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2007
Visual Cortex Stimulator is among artificial retina prosthesis for blind man, is the method that stimulate the brain cell directly without processing the information from retina to visual cortex. In this paper, we propose image construction and recognition model that is similar to human visual processing by recognizing the feature data with orientation information, that is, the characteristics of visual cortex. Back propagation algorithm based on Delta-bar delta is used to recognize after extracting image feature by Kirsh edge detector. Various numerical patterns are used to analyze the performance of proposed method. In experiment, the proposed recognition model to extract image characteristics with the orientation of information from retinal cells to visual cortex makes a little difference in a recognition rate but shows that it is not sensitive in a variety of learning rates similar to human vision system.
The technologies in medical electronic implant(MEI) devices are developing rapidly, and already, there are various kinds of the MEI devices in the current medical equipments market. Recently, the global market scale of MEI devices have been increased about 13% year by year, and the import amount of MEI devices in Korea is increasing rapidly. In the near future, the demands of MEI devices will be magnificently increasing by the continuous development of the biomedical electronics devices which coupled with neural, brain and other organs will bring us to tremendous effects, such as providing new therapeutic solutions to patients, extension and saving human life, and an important clue of medical development. However, the investment of the research and the activity of developments in this field are still very weak in the Korea. Consequently, this paper introduces about the research trends of MEI devices, and technological problems those must be solved, and then concludes with the suggestions in order to be the leading country in this field.
Park, Jeong Hoan;Shim, Shinyong;Jeong, Joonsoo;Kim, Sung June
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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v.17
no.1
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pp.35-41
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2017
We propose a novel multi-photodiode array (MPDA) based retinal implant IC with on/off stimulation strategy for a visual prosthesis with improved spatial resolution. An active pixel sensor combined with a comparator enables generation of biphasic current pulses when light intensity meets a threshold condition. The threshold is tuned by changing the discharging time of the active pixel sensor for various light intensity environments. A prototype of the 30-channel retinal implant IC was fabricated with a unit pixel area of $0.021mm^2$, and the stimulus level up to $354{\mu}A$ was measured with the threshold ranging from 400 lx to 13120 lx.
Ye, Jang-Hee;Ryu, Sang-Baek;Kim, Kyung-Hwan;Goo, Yong-Sook
Progress in Medical Physics
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v.21
no.2
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pp.209-217
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2010
Retinal prostheses are being developed to restore vision for the blind with retinal diseases such as retinitis pigmentosa (RP) or age-related macular degeneration (AMD). Since retinal prostheses depend upon electrical stimulation to control neural activity, optimal stimulation parameters for successful encoding of visual information are one of the most important requirements to enable visual perception. Therefore, in this paper, we focused on retinal ganglion cell (RGC) responses to different voltage stimulation parameters and compared threshold charge densities in normal and rd1 mice. For this purpose, we used in vitro preparation for the retina of normal and rd1 mice on micro-electrode arrays. When the neural network of rd1 mouse retinas is stimulated with voltage-controlled pulses, RGCs in degenerated retina also respond to voltage amplitude or voltage duration modulation as well in wild-type RGCs. But the temporal pattern of RGCs response is very different; in wild-type RGCs, single peak within 100 ms appears while in RGCs in degenerated retina multiple peaks (~4 peaks) with ~10 Hz rhythm within 400 ms appear. The thresholds for electrical activation of RGCs are overall more elevated in rd1 mouse retinas compared to wild-type mouse retinas: The thresholds for activation of RGCs in rd1 mouse retinas were on average two times higher ($70.50{\sim}99.87\;{\mu}C/cm^2$ vs. $37.23{\sim}61.65\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage amplitude modulation and five times higher ($120.5{\sim}170.6\;{\mu}C/cm^2$ vs. $22.69{\sim}37.57\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage duration modulation than those in wild-type mouse retinas. This is compatible with the findings from human studies that the currents required for evoking visual percepts in RP patients is much higher than those needed in healthy individuals. These results will be used as a guideline for optimal stimulation parameters for upcoming Korean-type retinal prosthesis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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