Yapay görme sistemlerinde epiretinal implantlara yönelik görüntü işleme ve sinirsel uyartım modelinin geliştirilmesi

Abstract

Biyolojik retinanın modellenmesi görme fonksiyonunun restorasyonunu amaçlayan yapay görme sistemleri için oldukça önemlidir. Bunun yanında, retinanın elektriksel uyartımının uygun bir şekilde sağlanması da görsel algı kalitesinin iyileştirilmesi için gereklidir. Literatürde, görüntü içeriğini dikkate almayan, retinayı tek katmanlı bir yapı olarak modelleyen Gauss farkları (DOG) filtresi tabanlı retina modelleri ve klasik elektrot uyartımı için çeşitli yöntemler yer almaktadır. Bu tez çalışmasının ilk kısmında, bu yaklaşımlara alternatif olarak geliştirilen, görüntü verisinin istatistiksel özelliklerini kullanan ve uzaysal-zamansal filtreleme işlemi yapan lokal adaptif yapıya sahip iki aşamalı yapay retina modeli (3D-ADOG) sunulmuştur. Modelin performansı, ateşleme sayısı ve ateşleme aralıkları tabanlı görüntü oluşturma yaklaşımları kullanılarak istatistiksel parametreler açısından standart DOG filtre tabanlı retina modeli ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, 3D-ADOG modelinin normal gören katılımcılarla gerçek zamanlı olarak test edilebilmesi için DaVinci platformu tabanlı bir simülasyon sistemi geliştirilmiş ve elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Tez çalışmasının ikinci kısmında, retinanın elektriksel uyartımı sırasındaki elektrot etkileşimlerini en aza indirmek için Uzaysal-Zamansal Elektrot Eşleştirme ve Lokal Serpiştirmeli Uyartım (STEMLIS) yöntemi geliştirilmiştir. Geliştirilen elektrot uyartım yöntemi fosfen tabanlı görüntü oluşturma yaklaşımı kullanılarak klasik elektrot uyartım yöntemi ile görsel ve istatistiksel parametreler kullanılarak karşılaştırılmıştır. Sayısal karşılaştırmalara ilave olarak normal gören katılımcılar yardımı ile yöntemin performansı görsel kalite açısından değerlendirilmiştir. İmplant sistemlerinin bütünleyici bir parçası olarak düşünülen ve bu tez çalışmasında retina implant sistemleri için özgün olarak geliştirilen bir implant programlama arayüzüne de yer verilmiştir. Tez çalışmasındaki görsel ve sayısal sonuçlar değerlendirilerek 3D-ADOG yapay retina modeli ile STEMLIS yönteminin yapay görme sistemlerinin gelişimine katkı sağlayacağı sonucuna varılmıştır.

Modeling the biological retina is highly important for the visual prosthesis systems which aim to visual restoration. Beside this, providing the suitable electrical stimulation for the retina is also critical in terms of improvement of visual perception quality. In the literature, Difference of Gaussians (DOG) filter based retina models which do not consider local image characteristics by modeling the retina as a one-layered structure, and classical electrical stimulation methods have been presented. In this thesis, as an alternative model to those models, a local adaptive artificial retina model (3D-ADOG) that performs two-stage spatio-temporal filtering process according to the local characteristic of the image data was developed. Performance of the model was compared with standard DOG filter based retina model by using spike-count and spike-intervals based image reconstruction approaches in terms of some statistical parameters. Correspondingly, DaVinci platform based a real-time simulation system was also developed for performing visual tests with normal seeing subjects. In the second part of the thesis, in order to minimize the electrode interactions, during electrical stimulation of retina, Spatio-Temporal Electrode Mapping and Local Interleaved Stimulation (STEMLIS) method was developed. By simulation studies using statistical parameters, STEMLIS method was compared with classical electrode stimulation method in literature. In the simulations phosphene based image reconstruction approach was used. In addition to quantitative simulation studies, qualitative simulation studies with normal seeing subjects were also performed for evaluation of the performance of the method in terms of visual quality. Moreover, a novel implant programming interface which is considered as a supplementary part of the implant systems was also developed for retina implant systems. By considering the qualitative and quantitative results of the thesis, it is concluded that 3-D ADOG retina model and STEMLIS method could have significant contribution for visual restoration studies.