一種用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統的製作方法

2023-06-17 17:54:01

一種用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統的製作方法
【專利摘要】本案為用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，包括：柔性光-電電極，其包括用於採集神經電信號的金屬電極和用於光刺激的LED；信號採集單元，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極採集到的脊髓神經傳導電信號；主控單元，其與所述信號採集單元通訊連接，且根據採集到的脊髓神經傳導電信號，調整LED驅動指令；LED驅動單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據所述LED驅動指令，驅動所述LED工作；供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號採集單元和LED驅動單元供電。本系統可自適應調控具備光敏特性的神經元所在的整個神經通路，更適應不同個體的差異性，從而達到更好的調控效果。
【專利說明】一種用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種閉環光刺激器，具體涉及一種用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統。

【背景技術】
[0002]脊髓是中樞神經系統中極易受損的部位，脊髓損傷的致殘率高，嚴重危及人類的健康。脊髓損傷後的修復一直是醫學領域的難點。脊髓損傷後神經生長因子(NGF)在一定的條件下，可促進未損傷神經元出芽，重建被破壞的神經迴路。但在沒有外界幹預的情況下，中重度損傷內源性NGF表達量不足以起到保護和修復的作用，且維持時間較短。
[0003]目前，細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，但離臨床應用還很遠。細胞移植治療所需的理想細胞量、移植效果的維持時間以及如何應用神經營養因子、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:⑴中樞神經系統排斥反應；⑵移植細胞在宿主體內不能長期存活；⑶遺傳修飾細胞移植後，轉基因表達隨時間延長而下降，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，脊髓電刺激技術在抑制疼痛、治療脊髓損傷和植物人喚醒等方面發展很快。這種治療方法是將電極直接放在脊髓相關位置，通過刺激器產生電刺激脈衝來治療相關疾病，已在臨床上取得了可喜的效果。
[0005]隨著近幾年光感基因調控技術的發展，人們發現光刺激可以更為精準地針對特定神經元進行刺激，將光遺傳學應用於脊髓刺激，有望取得比電刺激更好的效果。光遺傳學以光學和光遺傳基因工程學為基礎，將視蛋白基因加上特異啟動子通過病毒轉染導入特定的神經元類群，然後通過特定波長的光刺激來興奮或抑制該類神經元的生理活動。例如，藍光刺激可興奮帶光敏蛋白ChR2的神經元，而在黃光的刺激下，帶光敏蛋白NaHR的神經元活動將被抑制。相對於電刺激，光遺傳學實現了對特定神經元的精確靶向刺激，且避免了電流對人體組織的傷害。
[0006]現有技術中，對脊髓的單向光刺激無法根據脊髓狀態作出調節，故而調控效果受限。


【發明內容】

[0007]為克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種用於脊髓功能調控的閉環光刺激器系統，該系統旨在通過柔性光-電電極採集使用者的脊髓神經傳導電信號，對其進行分析以確定脊髓狀態，並根據相應算法驅動LED對移植入脊髓特定部位的帶光敏蛋白的神經元進行光調控，有針對性地修復損傷後的脊髓。
[0008]為實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現:
[0009]本發明所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，包括:
[0010]柔性光-電電極，其包括用於採集神經電信號的金屬電極和用於光刺激的LED ;
[0011]信號採集單元，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極採集到的脊髓神經傳導電信號；
[0012]主控單元，其與所述信號採集單元通訊連接，且根據採集到的脊髓神經傳導電信號，調整LED驅動指令；
[0013]LED驅動單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據所述LED驅動指令，驅動所述LED工作；
[0014]供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號採集單元和LED驅動單元供電。
[0015]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，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]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其中，還包括:
[0018]固定環，其為弧形彈片，環繞在受者的軀體上；
[0019]轉接座，其套設在所述固定環的中部，且所述轉接座的兩側設置有排線接口，所述排線接口處還分別設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接座上，另一端可卡接在轉接座上，以夾緊排線；
[0020]其中，所述柔性光-電電極通過排線連接至轉接座，信號採集單元和LED驅動單元也通過排線連接至轉接座。
[0021]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其中，所述柔性光-電電極設置在柔性電路板上，在所述柔性電路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的兩側分別伸出一個金屬微電極；
[0022]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其中，所述信號採集單元可米用雙電極輸入或三電極輸入。
[0023]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，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]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其中，柔性光-電電極通過手術植入體內，貼合於脊髓神經上，LED位於受損部位而金屬電極則位於受損部位前後兩端。
[0025]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，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]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其中，所述LED有兩個或兩個以上。
[0027]優選的是，所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，所述LED可統一發光模式或獨立可控。
[0028]本發明的有益效果是:本發明利用柔性材料製作的柔性光-電電極採集脊髓神經傳導電信號和LED進行光刺激，同時具備脊髓神經傳導電信號採集功能和光刺激功能，兩者通過算法實現對脊髓的閉環光刺激，主控單元分析採集到的多路信號並對刺激模式進行反饋，該系統解決了單向光刺激調控受限的問題，可自適應調控具備光敏特性的神經元所在的整個神經通路，更適應不同個體的差異性，從而達到更好的調控效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發明一實施例所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激器系統的結構框圖。
[0030]圖2為本發明一實施例所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激器系統中的轉接板結構示意圖。
[0031]圖3為本發明一實施例所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激器系統中的柔性光-電電極結構示意圖。

【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
[0033]本實施例針對的是小鼠的脊髓損傷修復，本發明所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，主要包括:
[0034]柔性光-電電極4，參閱圖3，為所述柔性光-電電極結構示意圖，包括用於採集神經電信號的金屬電極41和用於光刺激的LED42 ；
[0035]信號採集單元23，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極採集到的脊髓神經傳導電信號；
[0036]主控單元22，為控制器(STM32L151CBT6)，通過SPI接口與信號採集單元(ADS1292)通信，設置ADS1292的採樣頻率和工作模式，並獲取兩路24位數位訊號；通過特定算法對採集到的脊髓神經傳導電信號進行分析，從而實時調節刺激參數，包括刺激波形的周期、脈寬和幅度，按照參數調整LED驅動指令；
[0037]LED驅動單元24，為STM32L151CBT6內置DA加上運放AD8603，LED驅動單元根據LED驅動指令，以驅動所述LED工作；
[0038]供電單元25，包括鋰電池和電壓晶片ADP151，其向柔性光-電電極、主控單元22、信號採集單元和LED驅動單元供電。
[0039]本發明所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，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、光刺激參數及電池電量狀態通過無線通信單元傳輸至上位機顯示或保存。
[0041]本發明還可以包括:固定環，其為弧形彈片，環繞在受者的軀體上，這裡固定環是環繞在小鼠軀體上；
[0042]轉接座32，如附圖2所示，其套設在所述固定環的中部，且所述轉接座的兩側設置有排線接口，所述排線接口處還分別設置有翻蓋一 31和翻蓋二 34，所述翻蓋一和翻蓋二的一端均樞接在轉接座上，另一端可卡接在轉接座上，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接座，信號採集單元和LED驅動單元也通過排線連接至轉接座。
[0044]進一步的，所述柔性光-電電極設置在柔性電路板上，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，用點膠機將導電銀膠點到正負電極上，注意不要短路，然後將LED放置其上使正負端與電極對齊，放置一天，使導電銀膠固化，隨後附上一層聚對二甲苯作為絕緣層；
[0045]本發明還可以包括以下變形:所述信號採集單元可採用雙電極輸入或三電極輸入。即採用三電極輸入時，除了位於脊髓神經上LED的兩側的金屬電極(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，由於LED兩側電極放置的位置不同，輸入的信號也不一樣，所述信號採集單元所採集的信號是工作金屬電極相對於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，以達到更好的效果；也可以採用雙電級輸入，即省去上述共地電極，信號採集單元所採集的信號也是工作金屬電極相對於參比金屬電極的電位，該方法需要通過後端處理來保證輸入信號不超過電路板輸入範圍，該方法更容易實現；
[0046]本發明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-電電極通過手術植入體內，貼合於脊髓神經上，LED位於受損部位而金屬電極則位於受損部位前後兩端。
[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]本發明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可統一發光模式或獨立可控，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為例，本發明所述的用於脊髓功能調控實驗的閉環光刺激系統的使用方法如下:
[0052]步驟1:移植帶光敏蛋白的誘導多能幹細胞到脊髓損傷部位，待細胞分化後進行光調控。
[0053]步驟2:將柔性光-電電極前端植入體內，貼合於脊髓神經上，LED位於受損部位而金屬電極則位於受損部位前後兩端。
[0054]步驟3:連接柔性光-電電極和轉接板，固定轉接板，通過排線連接轉接板與閉環光刺激模塊。
[0055]步驟4:將閉環光刺激器置於背包內，背包由小鼠背負。
[0056]步驟5:打開閉環光刺激器電源開關，使用者通過上位機軟體發送「開始」命令，閉環光刺激器開始工作，軟體顯示採集到的波形和當前的刺激參數。
[0057]步驟6:使用者可通過上位機軟體發送「暫停」或「終止」命令。
[0058]儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。
【權利要求】
1.一種用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於，包括: 柔性光-電電極，其包括用於採集神經電信號的金屬電極和用於光刺激的LED ;信號採集單元，其與所述柔性光-電電極通訊連接，以接收所述金屬電極採集到的脊髓神經傳導電信號； 主控單元，其與所述信號採集單元通訊連接，且根據採集到的脊髓神經傳導電信號，調整LED驅動指令； LED驅動單元，其與所述主控單元通訊連接，且根據所述LED驅動指令，驅動所述LED工作； 供電單元，其向所述柔性光-電電極、主控單元、信號採集單元和LED驅動單元供電。
2.如權利要求1所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於，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.如權利要求1或2所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於，還包括: 固定環，其為弧形彈片，環繞在受者的軀體上； 轉接座，其套設在所述固定環的中部，且所述轉接座的兩側設置有排線接口，所述排線接口處還分別設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接座上，另一端可卡接在轉接座上，以夾緊排線； 其中，所述柔性光-電電極通過排線連接至轉接座，信號採集單元和LED驅動單元也通過排線連接至轉接座。
4.如權利要求3所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於， 所述柔性光-電電極設置在柔性電路板上，在所述柔性電路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的兩側分別伸出一個金屬微電極。
5.如權利要求4所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於， 所述信號採集單元可採用雙電極輸入或三電極輸入。
6.如權利要求5所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於，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.如權利要求6所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於， 柔性光-電電極通過手術植入體內，貼合於脊髓神經上，LED位於受損部位而金屬電極則位於受損部位前後兩端。
8.如權利要求7所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於，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.如權利要求8所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於，所述LED有兩個或兩個以上。
10.如權利要求9所述的用於脊髓功能調控的閉環光刺激系統，其特徵在於，所述LED可統一發光模式或獨立可控。
【文檔編號】A61B5/04GK104436447SQ201410534170
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月11日 優先權日:2014年10月11日
【發明者】趙曉東, 俞乾, 張雲鵬, 王守巖 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所