一種用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本案為用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，包括：柔性光-電電極，其包括用于采集神經(jīng)電信號(hào)的金屬電極和用于光刺激的LED；信號(hào)采集單元，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)；主控單元，其與所述信號(hào)采集單元通訊連接，且根據(jù)采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)，調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)指令；LED驅(qū)動(dòng)單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據(jù)所述LED驅(qū)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)所述LED工作；供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號(hào)采集單元和LED驅(qū)動(dòng)單元供電。本系統(tǒng)可自適應(yīng)調(diào)控具備光敏特性的神經(jīng)元所在的整個(gè)神經(jīng)通路，更適應(yīng)不同個(gè)體的差異性，從而達(dá)到更好的調(diào)控效果。
【專利說明】一種用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種閉環(huán)光刺激器，具體涉及一種用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]脊髓是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中極易受損的部位，脊髓損傷的致殘率高，嚴(yán)重危及人類的健康。脊髓損傷后的修復(fù)一直是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的難點(diǎn)。脊髓損傷后神經(jīng)生長因子(NGF)在一定的條件下，可促進(jìn)未損傷神經(jīng)元出芽，重建被破壞的神經(jīng)回路。但在沒有外界干預(yù)的情況下，中重度損傷內(nèi)源性NGF表達(dá)量不足以起到保護(hù)和修復(fù)的作用，且維持時(shí)間較短。
[0003]目前，細(xì)胞移植和基因治療是脊髓損傷治療的重要手段，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得了好的效果，但離臨床應(yīng)用還很遠(yuǎn)。細(xì)胞移植治療所需的理想細(xì)胞量、移植效果的維持時(shí)間以及如何應(yīng)用神經(jīng)營養(yǎng)因子、免疫抑制藥物等一系列問題。脊髓損傷的基因治療也面臨著不少問題:(I)中樞神經(jīng)系統(tǒng)排斥反應(yīng)；(2)移植細(xì)胞在宿主體內(nèi)不能長期存活；(3)遺傳修飾細(xì)胞移植后，轉(zhuǎn)基因表達(dá)隨時(shí)間延長而下降，失去治療作用；(4)安全性問題，如外源基因的致癌性。
[0004]近年來，脊髓電刺激技術(shù)在抑制疼痛、治療脊髓損傷和植物人喚醒等方面發(fā)展很快。這種治療方法是將電極直接放在脊髓相關(guān)位置，通過刺激器產(chǎn)生電刺激脈沖來治療相關(guān)疾病，已在臨床上取得了可喜的效果。
[0005]隨著近幾年光感基因調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)光刺激可以更為精準(zhǔn)地針對(duì)特定神經(jīng)元進(jìn)行刺激，將光遺傳學(xué)應(yīng)用于脊髓刺激，有望取得比電刺激更好的效果。光遺傳學(xué)以光學(xué)和光遺傳基因工程學(xué)為基礎(chǔ)，將視蛋白基因加上特異啟動(dòng)子通過病毒轉(zhuǎn)染導(dǎo)入特定的神經(jīng)元類群，然后通過特定波長的光刺激來興奮或抑制該類神經(jīng)元的生理活動(dòng)。例如，藍(lán)光刺激可興奮帶光敏蛋白ChR2的神經(jīng)元，而在黃光的刺激下，帶光敏蛋白NaHR的神經(jīng)元活動(dòng)將被抑制。相對(duì)于電刺激，光遺傳學(xué)實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定神經(jīng)元的精確靶向刺激，且避免了電流對(duì)人體組織的傷害。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，對(duì)脊髓的單向光刺激無法根據(jù)脊髓狀態(tài)作出調(diào)節(jié)，故而調(diào)控效果受限。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激器系統(tǒng)，該系統(tǒng)旨在通過柔性光-電電極采集使用者的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析以確定脊髓狀態(tài)，并根據(jù)相應(yīng)算法驅(qū)動(dòng)LED對(duì)移植入脊髓特定部位的帶光敏蛋白的神經(jīng)元進(jìn)行光調(diào)控，有針對(duì)性地修復(fù)損傷后的脊髓。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]本實(shí)用新型所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，包括:
[0010]柔性光-電電極，其包括用于采集神經(jīng)電信號(hào)的金屬電極和用于光刺激的LED ；
[0011]信號(hào)采集單元，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)；
[0012]主控單元，其與所述信號(hào)采集單元通訊連接，且根據(jù)采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)，調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)指令；
[0013]LED驅(qū)動(dòng)單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據(jù)所述LED驅(qū)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)所述LED工作；
[0014]供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號(hào)采集單元和LED驅(qū)動(dòng)單元供電。
[0015]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，還包括:
[0016]上位機(jī)，其通過通訊單元與所述主控單元通訊，以保存其中的信息。
[0017]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，還包括:
[0018]固定環(huán)，其為弧形彈片，環(huán)繞在受者的軀體上；
[0019]轉(zhuǎn)接座，其套設(shè)在所述固定環(huán)的中部，且所述轉(zhuǎn)接座的兩側(cè)設(shè)置有排線接口，所述排線接口處還分別設(shè)置有翻蓋一和翻蓋二，所述翻蓋一和翻蓋二的一端均樞接在轉(zhuǎn)接座上，另一端可卡接在轉(zhuǎn)接座上，以夾緊排線；
[0020]其中，所述柔性光-電電極通過排線連接至轉(zhuǎn)接座，信號(hào)采集單元和LED驅(qū)動(dòng)單元也通過排線連接至轉(zhuǎn)接座。
[0021]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，所述柔性光-電電極設(shè)置在柔性電路板上，在所述柔性電路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的兩側(cè)分別伸出一個(gè)金屬微電極；
[0022]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)采集單元可米用雙電極輸入或三電極輸入。
[0023]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，所述柔性光-電電極中的金屬電極與LED電極可集成為同一部件，或分立為不同部件。
[0024]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，柔性光-電電極通過手術(shù)植入體內(nèi)，貼合于脊髓神經(jīng)上，LED位于受損部位而金屬電極則位于受損部位前后兩端。
[0025]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，所述柔性光-電電極可以是平面電極或三維多觸點(diǎn)金屬電極。
[0026]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其中，所述LED有兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0027]優(yōu)選的是，所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，所述LED可統(tǒng)一發(fā)光模式或獨(dú)立可控。
[0028]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型利用柔性材料制作的柔性光-電電極采集脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)和LED進(jìn)行光刺激，同時(shí)具備脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)采集功能和光刺激功能，兩者通過算法實(shí)現(xiàn)對(duì)脊髓的閉環(huán)光刺激，主控單元分析采集到的多路信號(hào)并對(duì)刺激模式進(jìn)行反饋，該系統(tǒng)解決了單向光刺激調(diào)控受限的問題，可自適應(yīng)調(diào)控具備光敏特性的神經(jīng)元所在的整個(gè)神經(jīng)通路，更適應(yīng)不同個(gè)體的差異性，從而達(dá)到更好的調(diào)控效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1為本實(shí)用新型一實(shí)施例所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0030]圖2為本實(shí)用新型一實(shí)施例所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激器系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施例所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激器系統(tǒng)中的柔性光-電電極結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。
[0033]本實(shí)施例針對(duì)的是小鼠的脊髓損傷修復(fù)，本實(shí)用新型所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，主要包括:
[0034]柔性光-電電極4，參閱圖3，為所述柔性光-電電極結(jié)構(gòu)示意圖，包括用于采集神經(jīng)電信號(hào)的金屬電極41和用于光刺激的LED42 ；
[0035]信號(hào)采集單元23，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)；
[0036]主控單元22，為控制器(STM32L151CBT6)，通過SPI接口與信號(hào)采集單元(ADS1292)通信，設(shè)置ADS1292的采樣頻率和工作模式，并獲取兩路24位數(shù)字信號(hào)；通過特定算法對(duì)采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)進(jìn)行分析，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)刺激參數(shù)，包括刺激波形的周期、脈寬和幅度，按照參數(shù)調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)指令；
[0037]LED驅(qū)動(dòng)單元24，為STM32L151CBT6內(nèi)置DA加上運(yùn)放AD8603，LED驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)指令，以驅(qū)動(dòng)所述LED工作；
[0038]供電單元25，包括鋰電池和電壓芯片ADP151，其向柔性光-電電極、主控單元22、信號(hào)采集單元和LED驅(qū)動(dòng)單元供電。
[0039]本實(shí)用新型所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，還可以包括下述情況。
[0040]進(jìn)一步的，還包括上位機(jī)1，其中的計(jì)算機(jī)11通過通訊單元12和21與所述主控單元通訊，將電信號(hào)、光刺激參數(shù)及電池電量狀態(tài)通過無線通信單元傳輸至上位機(jī)顯示或保存。
[0041]本實(shí)用新型還可以包括:固定環(huán)，其為弧形彈片，環(huán)繞在受者的軀體上，這里固定環(huán)是環(huán)繞在小鼠軀體上；
[0042]轉(zhuǎn)接座32，如附圖2所示，其套設(shè)在所述固定環(huán)的中部，且所述轉(zhuǎn)接座的兩側(cè)設(shè)置有排線接口，所述排線接口處還分別設(shè)置有翻蓋一 31和翻蓋二 34，所述翻蓋一和翻蓋二的一端均樞接在轉(zhuǎn)接座上，另一端可卡接在轉(zhuǎn)接座上，以夾緊排線35 ；
[0043]其中，所述柔性光-電電極通過排線連接至轉(zhuǎn)接座，信號(hào)采集單元和LED驅(qū)動(dòng)單元也通過排線連接至轉(zhuǎn)接座。
[0044]進(jìn)一步的，所述柔性光-電電極設(shè)置在柔性電路板上，在所述柔性電路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的兩側(cè)分別伸出一個(gè)金屬微電極；其中，LED的放置過程全程在顯微鏡下進(jìn)行，用點(diǎn)膠機(jī)將導(dǎo)電銀膠點(diǎn)到正負(fù)電極上，注意不要短路，然后將LED放置其上使正負(fù)端與電極對(duì)齊，放置一天，使導(dǎo)電銀膠固化，隨后附上一層聚對(duì)二甲苯作為絕緣層；
[0045]本實(shí)用新型還可以包括以下變形:所述信號(hào)采集單元可采用雙電極輸入或三電極輸入。即采用三電極輸入時(shí)，除了位于脊髓神經(jīng)上LED的兩側(cè)的金屬電極(一個(gè)工作金屬電極，及其附近的參比金屬電極)，還包括一個(gè)共地的電極，由于LED兩側(cè)電極放置的位置不同，輸入的信號(hào)也不一樣，所述信號(hào)采集單元所采集的信號(hào)是工作金屬電極相對(duì)于參比金屬電極的電位，共地電極是用來使電路板和被試者的地在一個(gè)平面上，以達(dá)到更好的效果；也可以采用雙電級(jí)輸入，即省去上述共地電極，信號(hào)采集單元所采集的信號(hào)也是工作金屬電極相對(duì)于參比金屬電極的電位，該方法需要通過后端處理來保證輸入信號(hào)不超過電路板輸入范圍，該方法更容易實(shí)現(xiàn)；
[0046]本實(shí)用新型還可以包括下述情況，所述柔性光-電電極中的金屬電極與LED電極可集成為同一部件，或分立為不同部件。
[0047]進(jìn)一步的，所述柔性光-電電極通過手術(shù)植入體內(nèi)，貼合于脊髓神經(jīng)上，LED位于受損部位而金屬電極則位于受損部位前后兩端。
[0048]進(jìn)一步的，所述柔性光-電電極可以是平面電極或三維多觸點(diǎn)金屬電極。
[0049]本實(shí)用新型還可以包括以下情況，所述LED可以有兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0050]進(jìn)一步的，所述兩個(gè)或兩個(gè)以上的LED可統(tǒng)一發(fā)光模式或獨(dú)立可控，也就是說，幾個(gè)LED可以以相同的頻率、亮度閃爍，也可以各自按照各自不同的頻率、亮度閃爍。
[0051]以小鼠的脊髓損傷修復(fù)為例，本實(shí)用新型所述的用于脊髓功能調(diào)控實(shí)驗(yàn)的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)的使用方法如下:
[0052]步驟1:移植帶光敏蛋白的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞到脊髓損傷部位，待細(xì)胞分化后進(jìn)行光調(diào)控。
[0053]步驟2:將柔性光-電電極前端植入體內(nèi)，貼合于脊髓神經(jīng)上，LED位于受損部位而金屬電極則位于受損部位前后兩端。
[0054]步驟3:連接柔性光-電電極和轉(zhuǎn)接板，固定轉(zhuǎn)接板，通過排線連接轉(zhuǎn)接板與閉環(huán)光刺激模塊。
[0055]步驟4:將閉環(huán)光刺激器置于背包內(nèi)，背包由小鼠背負(fù)。
[0056]步驟5:打開閉環(huán)光刺激器電源開關(guān)，使用者通過上位機(jī)軟件發(fā)送“開始”命令，閉環(huán)光刺激器開始工作，軟件顯示采集到的波形和當(dāng)前的刺激參數(shù)。
[0057]步驟6:使用者可通過上位機(jī)軟件發(fā)送“暫?！被颉敖K止”命令。
[0058]盡管本實(shí)用新型的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本實(shí)用新型的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本實(shí)用新型并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于，包括: 柔性光-電電極，其包括用于采集神經(jīng)電信號(hào)的金屬電極和用于光刺激的LED ；信號(hào)采集單元，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)； 主控單元，其與所述信號(hào)采集單元通訊連接，且根據(jù)采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號(hào)，調(diào)整LED驅(qū)動(dòng)指令； LED驅(qū)動(dòng)單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據(jù)所述LED驅(qū)動(dòng)指令，驅(qū)動(dòng)所述LED工作； 供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號(hào)采集單元和LED驅(qū)動(dòng)單元供電。
2.如權(quán)利要求1所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 上位機(jī)，其通過通訊單元與所述主控單元通訊，以保存其中的信息。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 固定環(huán)，其為弧形彈片，環(huán)繞在受者的軀體上； 轉(zhuǎn)接座，其套設(shè)在所述固定環(huán)的中部，且所述轉(zhuǎn)接座的兩側(cè)設(shè)置有排線接口，所述排線接口處還分別設(shè)置有翻蓋一和翻蓋二，所述翻蓋一和翻蓋二的一端均樞接在轉(zhuǎn)接座上，另一端可卡接在轉(zhuǎn)接座上，以夾緊排線； 其中，所述柔性光-電電極通過排線連接至轉(zhuǎn)接座，信號(hào)采集單元和LED驅(qū)動(dòng)單元也通過排線連接至轉(zhuǎn)接座。
4.如權(quán)利要求3所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于， 所述柔性光-電電極設(shè)置在柔性電路板上，在所述柔性電路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的兩側(cè)分別伸出一個(gè)金屬微電極；
5.如權(quán)利要求4所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于， 所述信號(hào)采集單元可采用雙電極輸入或三電極輸入。
6.如權(quán)利要求5所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于，所述柔性光-電電極中的金屬電極與LED電極可集成為同一部件,或分立為不同部件。
7.如權(quán)利要求6所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于， 柔性光-電電極通過手術(shù)植入體內(nèi)，貼合于脊髓神經(jīng)上，LED位于受損部位而金屬電極則位于受損部位前后兩端。
8.如權(quán)利要求7所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于，所述柔性光-電電極可以是平面電極或三維多觸點(diǎn)金屬電極。
9.如權(quán)利要求8所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于，所述LED有兩個(gè)或兩個(gè)以上。
10.如權(quán)利要求9所述的用于脊髓功能調(diào)控的閉環(huán)光刺激系統(tǒng)，其特征在于，所述LED可統(tǒng)一發(fā)光模式或獨(dú)立可控。
【文檔編號(hào)】A61B5/04GK204147437SQ201420588300
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】趙曉東, 俞乾, 張?jiān)迄i, 王守巖 申請人:中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所