CN102380170B - 植入式光电极采集调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植入式光电极采集调控装置，包括中央处理单元、位移调节单元及光电极采集调控单元；中央处理单元用于控制位移调节单元及光电极采集调控单元；位移调节单元用于调节光电极采集调控单元的植入深度；光电极采集调控单元用于对植入部位进行光调控及生理信号的采集，并将采集的生理信号反馈至中央处理单元。该植入式光电极采集调控装置将电极单元与光纤单元结合在一起构成光电极阵列，并且利用位移调节单元分别对电极单元和光纤单元进行操控，根据生物体内环境，调节二者植入的深度及位置，灵活度高，可以实现对植入部位更加精确、有效、高空间分辨率和长期的光调控和电生理记录，满足对神经系统和精神疾病的研究和治疗的要求。

Description

植入式光电极采集调控装置

【技术领域】

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种植入式光电极采集调控装置。

【背景技术】

癫痫、帕金森症、精神分裂症、神经性厌食、抑郁症、老年痴呆症、震颤、痉挛、强迫症、焦虑症、脑中风、以及毒瘾等众多的中枢神经系统和精神疾病一直威胁人类健康，困扰人类的正常生活。目前世界范围内的神经系统和精神疾病患者有约6亿人，其中我国约占四分之一。并且随着社会的老龄化发展以及经济、环境等多方面因素的影响，这些疾病的患者数量有逐年增加的趋势，对社会和经济的发展造成了巨大的障碍。因此，亟需一种方法来深入地研究神经回路的重塑与修复机制，进而揭示和阐明神经系统和精神疾病在细胞回路层面上的发病机理和探讨更加有效的临床调控靶点。光遗传学技术的出现让使得上述问题的解决成为可能。

光遗传学技术是近几年迅速发展的一项整合了光学、基因工程、电生理以及电子工程的全新的多学科交叉的生物技术，其主要使用植入式光电极(包括光纤和电极)作为调控器械。主要原理是首先采用基因工程技术将光感基因转入到神经系统中特定类型的细胞中进行表达，使其在细胞膜上形成特殊的离子通道。这些离子通道在不同波长的光照刺激下对不同阴阳离子的通过具有选择性，造成细胞膜两侧的膜电位发生变化，从而可以通过光纤达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。在光调控的同时，通过电极对目标神经元的生理信号的获取和分析，完成对光调控的监控和回馈。

然而，受限于目前的微电极和光纤的制造技术，传统的植入式光电极存在较多的缺点，如传统的光电极中光纤和电极的位置固定，无法根据实际的需要进行调节，无法适应复杂的生物体内环境的光调控和电生理测量等。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种能有效根据生物体内环境进行调节的植入式光电极采集调控装置。

一种植入式光电极采集调控装置，包括中央处理单元、位移调节单元及光电极采集调控单元；中央处理单元与位移调节单元及光电极采集调控单元相连，用于控制位移调节单元及光电极采集调控单元；位移调节单元与光电极采集调控单元相连，用于调节光电极采集调控单元的植入深度；光电极采集调控单元用于对植入部位进行光调控及生理信号的采集，并将采集的生理信号反馈至中央处理单元。

在优选的实施方式中，位移调节单元为微型步进电机。

在优选的实施方式中，光电极采集调控单元包括信号采集器、电极单元、电极接口单元、激光发生器、光纤单元、光纤接头及用于固定位移调节单元、电极单元、电极接口单元、光纤单元及光纤接头的底座固定板；信号采集器通过电极接口单元与电极单元相连，信号采集器接收电极单元采集的生理信号，并将生理信号反馈至中央处理单元；激光发生器通过光纤接头与光纤单元相连，激光发生器向光纤单元发送激光脉冲，对植入部位进行光调控。

在优选的实施方式中，电极接口单元包括固定在底座固定板上的电极座及开设在电极座上的插孔；信号采集器上设有与插孔适配的插头，信号采集器通过插头插入插孔与电极单元相连。

在优选的实施方式中，电极单元包括至少一个微电极，光纤单元包括至少一个光纤，电极单元与光纤单元平行设置。

在优选的实施方式中，电极单元为包括多个微电极的电极阵列。

在优选的实施方式中，微电极为表面设有绝缘层的针状电极或柱状电极，且所述微电极在远离所述底座固定板的一端裸露，光纤单元设在电极阵列的一侧、两侧或均匀分布在电极阵列中。

在优选的实施方式中，微电极的自由端距底座固定板的距离大于光纤的自由端距底座固定板的距离。

在优选的实施方式中，所述微电极为盘状，所述电极单元还包括微电极板，所述微电极设在所述微电极板上。

在优选的实施方式中，所述微电极的表面修饰有金属颗粒、金属氧化物、水凝胶、导电聚合物、碳材料、多肽及蛋白质中的至少一种修饰材料。

在优选的实施方式中，所述底座固定板上开设有固定孔，所述底座固定板通过所述固定孔固定在植入部位。

在优选的实施方式中，所述激光脉冲的频率为1～200Hz，所用激光的波长范围为450～600nm。

在优选的实施方式中，所述生理信号为神经元放电生理信号、局部场电位信号、脑生理信号及生化信号中的至少一种。

该植入式光电极采集调控装置通过位移调节单元对光电极采集调控单元进行操控，能根据生物体内环境，调节其植入的深度和位置，灵活度高，可以实现对植入部位更加精确、有效、高空间分辨率和长期的光调控和电生理记录，满足对神经系统和精神疾病的研究和治疗的要求。

【附图说明】

图1为一实施方式的植入式光电极采集调控装置的示意图；

图2为图1植入式光电极采集调控装置的细化模块示意图；

图3为实施例1中光电极采集调控单元的结构示意图；

图4为实施例1中单光纤与电极阵列的排布示意图；

图5为实施例1中单光纤与电极阵列的另一种排布示意图；

图6为实施例1中光纤阵列与电极阵列的排布示意图；

图7为实施例1中光纤阵列与电极阵列的一种排布示意图；

图8为实施例2中光电极采集调控单元的结构示意图；

图9为实施例2中包括多个电极固定板的光电极采集调控单元的结构示意图。

【具体实施方式】

下面主要结合附图及具体实施例对植入式光电极采集调控装置作进一步详细的说明。

如图1、图2所示，本实施方式的植入式光电极采集调控装置100用于对植入部位140(如脑组织等)进行光调控和生理信号的采集。植入式光电极采集调控装置100包括中央处理单元110、位移调节单元120及光电极采集调控单元130。

中央处理单元110与位移调节单元120及光电极采集调控单元130相连，用于对位移调节单元120及光电极采集调控单元130进行综合控制，并接收相应单元的反馈信息进行分析处理。

位移调节单元120与光电极采集调控单元130及中央处理单元110相连。位移调节单元120接收中央处理单元110的调节指令，调节光电极采集调控单元130的植入深度和位置，以便针对不同的生物体内的组织环境，达到光电极采集调控单元130针对性的采集和调控的目的。优选的，本实施方式的位移调节单元120采用微型步进电机，体积小，调节精度高。位移调控单元120可以包括多个微型步进电机。光电极采集调控单元130在长期植入过程中，植入部位的神经组织的组织反应会在光电极采集调控单元130的表面形成组织包囊，干扰光调控及生理信号的采集，此时，即可通过位移调控单元120调整光电极采集调控单元130的位置，从而达到最佳的光调控和生理信号的采集。

光电极采集调控单元130接收中央处理单元110的指令用于对植入部位进行光调控及生理信号的采集，并将采集到的生理信号反馈至中央处理单元110。请结合图2，本实施方式光电极采集调控单元130包括信号采集器111、电极单元112、电极接口单元113、激光发生器114、光纤单元115、光纤接头116及底座固定板(图未示)。位移调节单元110、电极单元112、电极接口单元113、光纤单元115及光纤接头116固定在底座固定板上。

信号采集器111通过电极接口单元113与电极单元112相连。信号采集器111接收电极单元112采集的生理信号，并将生理信号反馈至中央处理单元110。采集的生理信号可以为神经元放电生理信号、局部场电位信号、脑生理信号及生化信号中至少一种。

电极单元112包括至少一个微电极。微电极可以为金属针状电极、盘状电极或柱状电极等，表面涂覆有绝缘层，采集点的自由端(即远离底座固定板的一端)裸露。优选的，为获得更加稳定的电信号，可以对微电极进行表面修饰，用于修饰的材料可以为金属颗粒、金属氧化物、水凝胶、导电聚合物、碳材料、多肽及蛋白质中的一种或多种。当有多个微电极时，该多个微电极构成电极阵列，多个微电极同时使用，可以采集较大范围内的生理信号，且较之单一微电极的使用，精度及空间分辨率更高。

激光发生器114通过光纤接头116与光纤单元115相连。激光发生器114向光纤单元115发送激光脉冲，对植入部位进行光调控。在使用该植入式光电采集调控装置100之前，需要先将光敏感基因通过特异的启动子转入到相关回路的神经元内并表达。光敏感基因包括兴奋型通道蛋白基因和抑制型通道蛋白基因，其中，兴奋型通道蛋白基因如ChR2、ChETA、VChR1或SFOs中等，抑制型通道蛋白基因如NpHR、Arch或MAC等。优选的，激光发生器114激光脉冲的频率为1～200Hz，波长范围为450～600nm。进一步优选的，激光脉冲的波长选用473nm、530nm、550nm或590nm中的一种。当对植入部位的目标神经元进行光照刺激时，可以引起导入光敏感基因的神经元的兴奋或抑制，通过相关神经元的兴奋或者抑制来调控神经回路，从而对植入部位进行光调控。由于光照刺激只对导入光敏感基因的神经元细胞起作用，因此，光调控具有较高的时空分辨率。

光纤单元115包括至少一个用于传导激光脉冲的光纤。每个光纤接头116可以连接至少一个光纤。可以根据组织环境的变化，增加光纤的数量，当有多个光纤时，可以构成光纤阵列。

电极单元112与光纤单元115平行设置。优选的，微电极的自由端在植入部位的深度要大于光纤的植入深度，使得入射的激光散射后能覆盖到电极记录的区域。当微电极为针状或柱状电极时，微电极的自由端距底座固定板的距离大于光纤的自由端距底座固定板的距离。当微电极为盘状微电极时，盘状微电极可以设置在相应的微电极板上，电极固定板的长度大于光纤的长度，盘转微电极固定在电极固定板的末端，其在植入部位的深度大于光纤的植入深度。当电极单元112为多个微电极形成的电极阵列时，光纤可以设在该多个微电极的一侧、两侧或者位于该多个微电极的中心。当光纤单元115为光纤阵列时，多个光纤可以均匀分布在电极阵列中或者在电极阵列的一侧设置。

该植入式光电极采集调控装置100将电极单元112与光纤单元115结合在一起构成光电极阵列，并且利用位移调节单元分别对电极单元112和光纤单元115进行操控，根据生物体内环境，调节二者植入的深度及位置，灵活度高，可以实现对植入部位更加精确、有效、高空间分辨率和长期的光调控和电生理记录，满足对神经系统和精神疾病的研究和治疗的要求。

以下为光电极采集调控单元130的具体实施例部分：

实施例1：

请结合图1、图2和图3，本实施例的电极单元112为包括16个针状微电极310的电极阵列。光纤单元115包括光纤320。

电极接口单元113包括固定在底座固定板330上的电极座340及开设在电极座340上的插孔350。信号采集器111上设有与插孔350适配的插头(图未示)。信号采集器111通过插头插入插孔350与电极单元112相连。

底座固定板330为圆盘状，其上设有用于将光电极采集调控单元130固定在植入部位(如颅骨)的固定孔332。电极座340、光纤接头116及微型步进电机360固定在底座固定板330的一侧。两个微型步进电机360分别用于调节微电极310和光纤320。

微电极310与光纤320平行设置，且微电极310的自由端距底座固定板330的距离大于光纤320的自由端距底座固定板330的距离。其中，微电极310与光纤320的排列方式如图4所示，光纤320设在微电极310形成的电极阵列的一侧，电极阵列可以采集较大范围内的生理信号。

在其他实施例中，如图5所示，光纤320还可以设在微电极310形成的电极阵列的中心，此时，可以采集在相同光照条件下，神经组织的局部生理信号。

当有多个光纤320时，如图6和图7所示，图6中，4个光纤320分别设在电极阵列的两侧，图7中，4个光纤320均匀分布在电极阵列中。当光纤320排列在电极阵列的一侧时，微电极310可以采集较大空间范围内的生理信号；当光纤320均匀设在电极阵列中或两侧时，微电极310可以光纤320为中心呈同心圆排列，此时可以采集相通光照强度下神经组织的局部生理信号。

实施例2

请结合图1、图2和图8，本实施例的光电极采集调控单元130结构与实施例1基本相同，不同的是本实施例的微电极810为盘状电极。微电极810设在电极固定板820上，其距底座固定板830的距离大于光纤840的自由端距底座固定板830的距离。电极固定板820与光纤840平行设置。电极固定板820的末端采用尖端设置，便于植入。

在其他实施例中，为进一步增加采集信号的强度和精度，可以平行设置多个电极固定板820，如图9所示。

通过将微电极、光纤以及微型步进电机结合起来，形成具有步进功能的植入式光电极采集调控装置，在实际使用过程中，微电极、光纤以及微型步进电机三者可以相对独立，可以两两组合，或者与其它装置一起构成阵列。并且三者的数目可以根据植入部位的生理环境调节。为了达到最佳的采集和光调控效果，可以采用电极阵列、光纤阵列与微型步进电机的组合方式，达到对目标神经元更加精确、有效、高空间分辨率和长期的光调控和生理信号的采集记录，为神经系统和精神疾病的诊断和治疗提供了新的途径。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种植入式光电极采集调控装置，其特征在于，包括中央处理单元、位移调节单元及光电极采集调控单元；所述中央处理单元与所述位移调节单元及所述光电极采集调控单元相连，用于控制所述位移调节单元及所述光电极采集调控单元；所述位移调节单元与所述光电极采集调控单元相连，用于调节所述光电极采集调控单元的植入深度；所述光电极采集调控单元用于对植入部位进行光调控及生理信号的采集，并将采集的生理信号反馈至所述中央处理单元；

其中，所述位移调节单元为微型步进电机；

所述光电极采集调控单元包括信号采集器、电极单元、电极接口单元、激光发生器、光纤单元、光纤接头及用于固定所述位移调节单元、电极单元、电极接口单元、光纤单元及光纤接头的底座固定板；所述信号采集器通过所述电极接口单元与所述电极单元相连，信号采集器接收所述电极单元采集的生理信号，并将所述生理信号反馈至所述中央处理单元；所述激光发生器通过所述光纤接头与所述光纤单元相连，所述激光发生器向所述光纤单元发送激光脉冲，对植入部位进行光调控；

所述电极接口单元包括固定在所述底座固定板上的电极座及开设在所述电极座上的插孔；所述信号采集器上设有与所述插孔适配的插头，所述信号采集器通过所述插头插入所述插孔与所述电极单元相连；

所述电极单元包括至少一个微电极，所述光纤单元包括至少一个光纤，所述电极单元与所述光纤单元平行设置。

2.如权利要求1所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述电极单元为包括多个微电极的电极阵列。

3.如权利要求2所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述微电极为表面设有绝缘层的针状电极或柱状电极，且所述微电极在远离所述底座固定板的一端裸露形成自由端，所述光纤单元设在所述电极阵列的一侧、两侧或均匀分布在所述电极阵列中。

4.如权利要求3所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述微电极的自由端距所述底座固定板的距离大于所述光纤的自由端距所述底座固定板的距离。

5.如权利要求2所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述微电极为盘状，所述电极单元还包括微电极板，所述微电极设在所述微电极板上。

6.如权利要求4或5所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述微电极的表面修饰有金属颗粒、金属氧化物、水凝胶、导电聚合物、碳材料、多肽及蛋白质中的至少一种修饰材料。

7.如权利要求1所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述底座固定板上开设有固定孔，所述底座固定板通过所述固定孔固定在植入部位。

8.如权利要求1所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述激光脉冲的频率为1～200Hz，所用激光的波长范围为450～600nm。

9.如权利要求1所述的植入式光电极采集调控装置，其特征在于，所述生理信号为神经元放电生理信号、局部场电位信号、脑生理信号及生化信号中的至少一种。