扩展视网膜假体工作环境的红外图像增强策略研究

发布时间：2020-06-08 02:33

【摘要】：随着全球人口老龄化加剧,视觉残疾人数逐年攀升,失明成为威胁人类生活质量最为严重的残疾之一。在众多致盲疾病中,老年黄斑病变和视网膜色素变性这类由视网膜的光感受器细胞退化引起的致盲疾病,目前还没有有效的治愈手段。视网膜假体的出现为此类患者的视觉功能修复提供了可能。目前现有的大多数视网膜假体都是通过一个外置的摄像头接收物体表面反射的光获取外界场景信息,然后通过图像处理单元对图像信息进行编码、整合,经无线传输至体内的微电流刺激器,驱动电极阵列刺激视觉神经通路,诱发光幻视,从而产生视觉。然而当外界光照不足或无光照时,摄像头将无法正常捕获图像信息,导致视网膜假体无法有效的工作。一个简单、可行的解决方案是采用双模态摄像头(根据外界光照的强弱具有在可见光模式和红外光模式间自动切换功能)代替普通的摄像头以扩展视网膜假体的工作环境。另外,考虑在红外光模式下的红外成像质量远不及可见光模式下的自然光成像质量,因此,本研究设计了仿真假体视觉下的心理物理学实验探究了两种成像模式下被试完成视觉任务的能力,结果表明在红外光模式下被试完成视觉任务的能力显著低于其在可见光模式下。鉴于图像处理单元允许通过图像处理算法潜在的改善假体植入者的视觉感知,本研究就针对红外光模式下的成像特点(对比度低、信噪比低)以及假体视觉的特点(灰度级有限,颜色、纹理等特征缺失)探究了适用于视网膜假体的红外图像增强算法,并在仿真假体视觉下验证了提出方法的有效性。本研究提出了一种基于自适应平台直方图均衡的红外图像增强策略,其借助一种成熟、有效的自适应平台直方图均衡算法实现对红外图像的灰度拉伸,提高图像的对比度;同时,使用导向滤波算法去除图像的背景噪声,而考虑到边缘轮廓信息对于假体植入者识别物体特征非常重要,因此,我们在导向滤波的基础上通过边缘检测算法提取图像的物体边缘;并将边缘轮廓叠加到灰度拉伸后的图像上,实现图像的边缘增强。本研究的目的是扩展视网膜假体的工作环境,并通过红外图像处理策略改善假体植入者在红外光模式下完成视觉任务的能力。借助仿真假体视觉下的心理物理学实验平台,我们得出,首先,双模态摄像头下被试可以在完全无外界可见光的环境下继续工作,且能够感知到两种摄像头模式间的转换。其次,在红外光模式下被试完成视觉任务的能力显著低于其在可见模式下完成视觉任务的能力,这暗示着我们需要一定的红外图像处理策略改善被试在假体视觉下的物体识别性能。最后,实验结果显示本研究提出的图像处理策略显著的提高了被试在红外光模式下完成视觉任务的能力。以上实验结果表明本研究提出的方案能够为未来视网膜假体的设计提供可靠的参考。
【图文】：

示意图,视觉传导,示意图

网膜色素上皮细胞（Retinal Pigment Epithelium, RPE），负责为视网膜和脉络给营养和运输代谢废物。向内是光感受器细胞，即视锥细胞（Rods）和视杆（Cones），两者中间夹杂的水平细胞负责对各种刺激进行整合。在整个视网，包含视锥细胞约 700 万个，主要集中在黄斑区（Macular），视杆细胞约 1.1~个，主要分布在远离黄斑区和中央凹（Foveal）的视网膜上。视锥细胞分布的黄斑区属于视觉的精细区，这一区域具有较高的空间分辨能力和光敏度良好的色觉，在白天较为敏感。视杆细胞不具有高的空间分辨率，也不参与，因此视杆细胞主要在夜晚较活跃。在视网膜与视神经的接壤处被称为视神头，此处由于没有视锥和视杆细胞，因此被称为视觉盲点。光感受器细胞向双极细胞和无长突细胞，其主要是整合电信号，形成视觉信息。再向内为神细胞，负责向视神经传递视觉信息。视神经接收来自经视网膜初步处理的视息，并向内延伸至两眼鼻侧形成视交叉。视觉信息经过外侧膝状体的神经位投射到初级视皮层，再到高级视皮层，具体的神经机制至今科学家也无法完全的解释。

数据来源,全球,视力残疾,盲人

1 绪论.1.2 视觉功能修复视觉是人类认识客观世界的有效途径，是人和动物最重要的感觉，，而视觉受损不仅会影响个人身心健康，也给家庭和社会带来巨大的经济负担。据 2世界卫生组织（World Health Organization, WHO）报道，全球视力残疾人数 2.53 亿，其中 3600 万为盲人[3]。我国人口众多，视力残疾人数约为 7500 人约 820 万。随着人口老龄化的加剧，不难预测未来盲人数量将会持续增众多致盲疾病中，白内障（Cataract）是首要原因，还有一些其他的致盲疾病糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy, DR）、青光眼（Glaucoma）、RP、AMD膜混浊（Corneal Opacities）等，其分布可见图 1.2。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;R318.18

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