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)電信號的金屬電極和用于光刺激的LED；信號采集單元，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；主控單元，其與所述信號采集單元通訊連接，且根據(jù)采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號，調(diào)整LED驅(qū)動指令；LED驅(qū)動單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據(jù)所述LED驅(qū)動指令，驅(qū)動所述LED工作；供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號采集單元和LED驅(qū)動單元供電。本系統(tǒng)可自適應(yīng)調(diào)控具備光敏特性的神經(jīng)元所在的整個神經(jīng)通路，更適應(yīng)不同個體的差異性，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。脊髓損傷后神經(jīng)生長因子(NGF)在一定的條件下，可促進未損傷神經(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)量不足以起到保護和修復(fù)的作用，且維持時間較短。
[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，在動物實驗中取得了好的效果，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)地針對特定神經(jīng)元進行刺激，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。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)元活動將被抑制。相對于電刺激，光遺傳學(xué)實現(xiàn)了對特定神經(jīng)元的精確靶向刺激，且避免了電流對人體組織的傷害。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，對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。
實用新型內(nèi)容
[0007]為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實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，對其進行分析以確定脊髓狀態(tài)，并根據(jù)相應(yīng)算法驅(qū)動LED對移植入脊髓特定部位的帶光敏蛋白的神經(jīng)元進行光調(diào)控，有針對性地修復(fù)損傷后的脊髓。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]本實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)電信號的金屬電極和用于光刺激的LED ；
[0011]信號采集單元，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；
[0012]主控單元，其與所述信號采集單元通訊連接，且根據(jù)采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號，調(diào)整LED驅(qū)動指令；
[0013]LED驅(qū)動單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據(jù)所述LED驅(qū)動指令，驅(qū)動所述LED工作；
[0014]供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號采集單元和LED驅(qū)動單元供電。
[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，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，信號采集單元和LED驅(qū)動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有兩個或兩個以上。
[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)光模式或獨立可控。
[0028]本實用新型的有益效果是:本實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)電信號和LED進行光刺激，同時具備脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號采集功能和光刺激功能，兩者通過算法實現(xiàn)對脊髓的閉環(huán)光刺激，主控單元分析采集到的多路信號并對刺激模式進行反饋，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)元所在的整個神經(jīng)通路，更適應(yīng)不同個體的差異性，從而達(dá)到更好的調(diào)控效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本實用新型一實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為本實用新型一實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為本實用新型一實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。

【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的詳細(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)以實施。
[0033]本實施例針對的是小鼠的脊髓損傷修復(fù)，本實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)電信號的金屬電極41和用于光刺激的LED42 ；
[0035]信號采集單元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；
[0036]主控單元22，為控制器(STM32L151CBT6)，通過SPI接口與信號采集單元(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；通過特定算法對采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號進行分析，從而實時調(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)動指令；
[0037]LED驅(qū)動單元24，為STM32L151CBT6內(nèi)置DA加上運放AD8603，LED驅(qū)動單元根據(jù)LED驅(qū)動指令，以驅(qū)動所述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、信號采集單元和LED驅(qū)動單元供電。
[0039]本實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]進一步的，還包括上位機1，其中的計算機11通過通訊單元12和21與所述主控單元通訊，將電信號、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顯示或保存。
[0041]本實用新型還可以包括: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，信號采集單元和LED驅(qū)動單元也通過排線連接至轉(zhuǎn)接座。
[0044]進一步的，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)分別伸出一個金屬微電極；其中，LED的放置過程全程在顯微鏡下進行，用點膠機將導(dǎo)電銀膠點到正負(fù)電極上，注意不要短路，然后將LED放置其上使正負(fù)端與電極對齊，放置一天，使導(dǎo)電銀膠固化，隨后附上一層聚對二甲苯作為絕緣層；
[0045]本實用新型還可以包括以下變形:所述信號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，除了位于脊髓神經(jīng)上LED的兩側(cè)的金屬電極(一個工作金屬電極，及其附近的參比金屬電極)，還包括一個共地的電極，由于LED兩側(cè)電極放置的位置不同，輸入的信號也不一樣，所述信號采集單元所采集的信號是工作金屬電極相對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平面上，以達(dá)到更好的效果；也可以采用雙電級輸入，即省去上述共地電極，信號采集單元所采集的信號也是工作金屬電極相對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不超過電路板輸入范圍，該方法更容易實現(xiàn)；
[0046]本實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]進一步的，所述柔性光-電電極可以是平面電極或三維多觸點金屬電極。
[0049]本實用新型還可以包括以下情況，所述LED可以有兩個或兩個以上。
[0050]進一步的，所述兩個或兩個以上的LED可統(tǒng)一發(fā)光模式或獨立可控，也就是說，幾個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，本實用新型所述的用于脊髓功能調(diào)控實驗的閉環(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軟件發(fā)送“暫?！被颉敖K止”命令。
[0058]盡管本實用新型的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本實用新型的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(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)電信號的金屬電極和用于光刺激的LED ；信號采集單元，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； 主控單元，其與所述信號采集單元通訊連接，且根據(jù)采集到的脊髓神經(jīng)傳導(dǎo)電信號，調(diào)整LED驅(qū)動指令； LED驅(qū)動單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據(jù)所述LED驅(qū)動指令，驅(qū)動所述LED工作； 供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號采集單元和LED驅(qū)動單元供電。
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，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，信號采集單元和LED驅(qū)動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有兩個或兩個以上。
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)光模式或獨立可控。
【文檔編號】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, 張云鵬, 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