CN103830847A

CN103830847A - 一种微型可遥控的光感基因刺激装置

Info

Publication number: CN103830847A
Application number: CN201410088380.9A
Authority: CN
Inventors: 汪洋; 李爱珍; 龚谦; 张永刚; 李耀耀
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: CN103830847B

Abstract

本发明提供了一种可以用于光感基因技术的微型遥控激光器，其内部集成了中央处理单元，通过无线射频模块接收外部指令，控制激光器的输出功率、脉冲频率和占空比等参数。同时，采用金属外壳封装，保证了其良好的散热特性，有效的延长了激光器的使用寿命。加入自动功率控制电路，使得激光器可以在较宽的温度范围内，实现稳定的功率输出。无线射频模块采用蓝牙技术，具有非常强的通用性和兼容性，可以用于连接多种设备，并很有效的控制了成本。内部的中央处理单元具有多路接口，可以外接多种传感器，也可以进行多路控制，具有很强的扩展能力，可实现智能监控。该装置具有功耗低、体积小、稳定性高、控制方便、应用面广、调节迅速的优点，非常适用于光感基因实验。

Description

一种微型可遥控的光感基因刺激装置

技术领域

本发明属光电子、微电子及基因光学技术领域，特别是涉及一种微型可遥控的光感基因刺激装置。

背景技术

用电刺激的方法来达到治疗的效果已在生物学和医学领域有着数百年的历史，而且该方法日渐成熟并已进入了临床医学的应用，其中最典型的应用是植入式心脏起博器。此类装置中采用了微型电子电路产生特定的激励，以刺激人体的特定区域来达到治疗的目的。近年来，对于治疗神经性疾病的需求日益强烈，其中所谓的“脑起搏器”用于治疗帕金森病等类型的大脑神经疾病，并已进入了临床应用，其装置的基本原理与心脏起博器十分相似，但对脉冲参数的可控性提出了更高的要求。随着研究的深入和分子生物技术的进步，通过采用基因技术在生物细胞及生物体中引入具有生物活性的光敏感物质，利用其光敏特性产生特定的生物功能引起了科学家们的重视[Boyden E S etal.Millisecond-timescale,genetically targeted optical control of neuralactivity.Nature Neuroscience,2005,8:1263-1268]。自然界经亿万年的发展，产生了一系列具有生物活性的光敏感物质，这些物质对太阳光谱中特定波长的光具有很强的特异性，但人类对其的了解尚不充分，亟待开展深入研究。此外，用光刺激来替代电刺激达到目前临床医学中的治疗效果也是医学界梦寐以求的。与电刺激相比，结合光基因技术的光刺激方法可以无需在特定区域植入微电极，甚至有可能在体外进行刺激，避免了对人体脑部的损伤和受刺激区域老化、疲劳问题[Chow B Y et al.High-performance geneticallytargetable optical neural silencing by light-driven proton pumps.Nature,2010,463:98–102]；利用对不同波长敏感的生物光敏物质还有可能发展出全新的作用、治疗和控制模式，具有非常广阔的前景。目前，这些基础和临床应用研究普遍采用通用的、较昂贵的实验仪器来构建所需要的光刺激功能。这显然不能满足生物研究，尤其是动物行为学研究的要求，从而一种微型可遥控的光感基因刺激装置便应运而生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微型可遥控的光感基因刺激装置。本发明所要解决的技术问题是提供一种微型可遥控的光感基因刺激装置，可以显著改善光感基因研究中的方便性，扩展光感基因研究的应用范围，同时降低开展此方面研究的门槛，促进技术的进步。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种微型可遥控的光感基因刺激装置，采用简单的特定电路拓扑实现微型化微功耗要求以满足人体植入的需要；脉冲宽度覆盖毫秒级至秒级范围，且占空比数字可调以适应光感基因细胞刺激的需要；实现远程无线遥控，通过传感器采集数据或由MCU处理控制，用于研究光感刺激对动物行为学的影响；具体电路拓扑由小规模集成电路、无线射频模块、半导体激光器、中央处理单元（MCU）、自动功率控制（APC）电路和开关驱动电路等构成，所述的小规模集成电路通过稳压模块与电源相连，并通过总线分别连接系统中的其它功能部分，以实现对各个功能部分的整合以及空间位置的设计。开关驱动电路连接半导体激光器，并由MCU控制频率和占空比，驱动半导体激光器发出的光脉冲经由光电检测装置输出给APC电路，通过反馈调节功率并输出至光纤。

本发明采用廉价通用小规模集成电路，并配以体积小、重量轻的半导体激光器的应用，通过无线遥控产生脉冲频率和占空比大范围可调的光脉冲，对光感神经元进行刺激。MCU一个端口产生的TTL电平用于触发开关驱动电路，通过软件延时控制高低电平的时间，实现频率和占空比的调节；MCU另一部分端口产生的可计数脉冲改变数字电位器的阻值以改变光敏二极管的静态工作电流，从而控制半导体激光器的输出功率；为得到较高的分辨率，由具有100抽头的10K和1K两个阻值的数字电位器串联至电路中，可以获得最高10μW的分辨率；APC电路连接激光二极管（LD）和光敏二极管（PD），LD可输出0～80mW的功率，其分别对应PD产生的光电流为0～1.2mA，以PD作为光反馈，可以在较宽的温度范围内实现稳定的功率输出，满足科学实验的要求。为方便使用，此装置的电源由能量体积比较高的可充电锂电池供给，鉴于常规锂电池的电压为3.7V且电压随放电时间波动，而电路部分希望由5V的稳定电压供电以保证脉冲参数稳定，故此锂电池须经稳压模块为装置提供稳定电压；该锂电池与普通7号电池体积一致，有良好的通用性，可以拆卸由外部充电器充电。

综上所述，1、本发明提供了一种可以用于光感基因技术的微型遥控激光器，其内部集成了中央处理单元（MCU），通过无线射频模块（RFID）接收外部指令，控制激光器的输出功率、脉冲频率和占空比等参数。同时，采用金属外壳封装，保证了其良好的散热特性，有效的延长了激光器的使用寿命。加入自动功率控制（APC）电路，使得激光器可以在较宽的温度范围内，实现稳定的功率输出。无线射频模块采用蓝牙技术，具有非常强的通用性和兼容性，可以用于连接多种设备，并很有效的控制了成本。内部的中央处理单元（MCU）具有多路接口，可以外接多种传感器，也可以进行多路控制，具有很强的扩展能力，可实现智能监控。该装置具有功耗低、体积小、稳定性高、控制方便、应用面广、调节迅速的优点，非常适用于光感基因实验。

2、本发明既适用于激光二极管LD，也适用于发光二极管LED，还可应用于激光二极管泵浦的固体激光器及光纤激光器等，其波长和功率可以根据实际应用需要选定；在本发明装置上稍加改动，装置的输出光波长可以方便地扩展到两种以上，不同波长的光脉冲可以由不同的光纤分别输出或同时输出，也可采用光纤合路器由一根光纤输出；不同波长的光脉冲可以由同一电脉冲发生器产生，也可以用不同的电脉冲发生器产生以方便设置成不同的脉冲参数；本装置可以外接多种传感器，并可由中央处理单元采集并处理数据，一方面可以将数据传输至无线终端（如计算机等），另一方面可以按照已设定好的程序自行处理；无线射频模块可以实现组网功能，用于研究生命群体的光刺激特性。在此方案的基础上装置还可以进一步向装置可植入、微功耗和非接触式充电等方向发展，具有很好的普适性和通用性，可以用相当灵活的方式实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明包括中央处理单元、小规模集成电路、稳压模块、无线射频模块、开关驱动电路、自动功率控制电路。所述的小规模集成电路与其它各模块之间通过总线连接，无线射频模块1通过串口将接收的指令传送给中央处理单元2，根据指令开启相应的I/O口，并由总线分配给各功能模块。MCU由特定的I/O口输出高低电平来驱动开关驱动电路3，从而实现半导体激光器的导通与断开，形成光脉冲，高低电平时间由软件延时来决定。同时，MCU通过相应的I/O口控制数字电位器6，通过改变数字电位器的阻值来改变PD9静态工作电流的大小，从而控制半导体激光器的初始功率。APC电路7同时连接激光器内部集成的LD引脚8和PD引脚9，可以对出光功率反馈调节并实现功率的稳定输出，从而弥补了激光器易受温度影响的不足。所述的电源部分5为常用的锂电池，配有相应的电池槽安装在激光器内部。但锂电池的电压较低而且电压会随放电时间降低，故须通过稳压模块4给整个系统供电，以保证整个系统正常稳定的运行。

本发明所述的一种微型可遥控的光感基因刺激装置具体实施步骤如下：

1.采用基于Atmel单片机的Arduino模块作为中央处理单元，具体型号为Arduino pro mini，该模块价格低廉、体积小、功耗低。无线射频模块1采用通用的蓝牙模块，型号为HC-06，通过串口连接MCU，外部指令通过蓝牙传送给中央处理单元，根据指令开启相应的I/O口，由总线分配给各功能模块。MCU的I/O口驱动以MOS管IRF520N为核心的开关驱动电路，从而实现半导体发光器件的导通与断开。同时，MCU通过相应的I/O口控制数字电位器X9C103，通过改变数字电位器的阻值来改变光敏二极管的静态工作电流，从而控制激光器的功率。该装置的激光器采用了Nichia公司的NUA202E半导体激光器，其内部集成了激光二极管（LD）和光敏二极管（PD）。将APC电路同时连接激光器内部集成的LD引脚和PD引脚，LD的背向输出光由PD接收后转换成光电流，然后反馈给APC电路进行调节，实现功率的稳定输出，从而弥补了激光器易受温度影响的不足。鉴于生物光感基因刺激时间常数的要求，重复频率一般要求覆盖数赫兹至上百赫兹范围，而以ATmega328p单片机为核心的Arduino模块最高可以达到兆赫兹的开关速度，完全可以满足光感基因刺激频率和占空比的要求。

2.此方案中激光器经光纤的最大输出功率为80mW，其对应的驱动电流为115.5mA，电压为5.64V。其能源部分由一节可充电的锂电池供给，其型号为10440，电压3.7V，容量600mAh。电池经电源开关送入升压型稳压模块，为装置提供所需电压的稳定电源，此装置采用的锂电池可以保证4小时以上的连续工作时间。该锂电池配有专用的电池槽，并有配套的充电设备，当电量用完后可以更换新电池，提高了系统的安全性和利用率。光感基因的最低刺激强度为1mW/mm²，而此方案中经40μm光纤输出的最高强度可以达到6.3×10⁴mW/mm²，所以此处采用锂电池供电的方案完全满足光感基因刺激光功率的要求。

3.此驱动电路可以配套市场上大多数带PD引脚的TO型封装和蝶型封装激光器。若改造为驱动无PD引脚的半导体发光器件，则驱动电路可改为双极型晶体管或效率更高的MOS开关器件，采用数字电位器控制其输出电流，可根据具体器件控制在数mA至数百mA。此装置中采用了中心波长为474.7nm的蓝光LD作为兴奋光源，经由40微米芯径、数值孔径0.2的石英光纤输出。鉴于光基因生物实验所用的光纤芯径多为200μm和300μm，所以采用40μm的光纤输出可以得到非常高的光纤耦合率，提高了对其它设备的可接入性。若采用LED时，发光波长可根据光感基因的敏感波长选取常用的450-480nm范围蓝光，560-590nm范围黄光及630-670nm范围红光等，可选的波长较多，基本可覆盖整个可见光谱范围，发光器件与带光纤接头的所需直径光纤的尾纤一端耦合后即可直接用于装置。

4.为方便使用，其能源由一节可充电的锂电池供给，其型号为10440，电压3.7V，容量600mAh。电池经电源开关送入升压型微型稳压模块，转换至5V的稳定电压，为装置提供所需电压的稳定电源，此装置采用的锂电池可以保证4小时以上的连续工作时间。

5.装置中配有专用的锂电池槽，并有配套的充电设备，当电量用完后可以更换新电池。该装置采用模块化设计，能针对要求升级并快速维修更换，电池的外置提高了系统的安全性和利用率。

由上面所述的实施步骤可见，所述的装置中采用了廉价、常规、通用的少量电子元器件，采用表面贴装方式使整个装置实现了微型化。采用模块化设计，能针对要求升级并快速维修更换，可以用于对生物研究及医学治疗中不同类型和作用的光感基因受体进行刺激使其产生相应的功能。

Claims

1.一种微型可遥控的光感基因刺激装置，其特征在于采用特定的电路拓扑实现微型化，包括中央处理单元MCU、小规模集成电路、稳压模块、无线射频模块、开关驱动电路和自动功率控制电路APC；

所述的小规模集成电路与其它各模块之间通过总线连接，通过稳压模块与电源连接，无线射频模块（1）通过串口将接收的指令传送给中央处理单元MCU（2），根据指令开启相应的I/O口，并由总线分配给各功能模块；MCU由特定的I/O口输出高低电平来驱动开关驱动电路（3），实现半导体激光器的导通与断开，形成光脉冲；同时，MCU通过相应的I/O口控制数字电位器（6），通过改变数字电位器的阻值来改变PD（9）静态工作电流的大小，从而控制半导体激光器的初始功率；APC电路（7）同时连接激光器内部集成的LD引脚（8）和PD引脚（9），对出光功率反馈调节并实现功率的稳定输出，弥补了激光器易受温度影响的不足；所述的电源部分（5）为常用的锂电池，配有相应的电池槽安装在激光器内部。

2.按权利要求1所述的装置，其特征在于：

①采用基于Atmel单片机的Arduino模块作为中央处理单元，型号为Arduino pro mini；

②无线射频模块（1）采用蓝牙模块，型号为HC-06，通过串口连接MCU，外部指令通过蓝牙传送给中央处理单元，根据指令开启相应的I/O口，由总线分配给各功能模块；

③MCU的I/O口驱动以MOS管IRF520N为核心的开关驱动电路，实现半导体发光器件的导通与断开；

④MCU通过相应的I/O口控制的数字电位器为X9C103，通过改变数字电位器的阻值来改变光敏二极管的静态工作电流，从而控制激光器的功率；

⑤所述的装置的激光器采用了Nichia公司的NUA202E半导体激光器，其内部集成了激光二极管（LD）和光敏二极管（PD）；将APC电路同时连接激光器内部集成的LD引脚和PD引脚，LD的背向输出光由PD接收后转换成光电流，然后反馈给APC电路进行调节，实现功率的稳定输出，弥补了激光器易受温度影响的不足。

3.按权利要求1所述的装置，其特征在于具有100抽头的10K和1K两个阻值的数字电位器串联至电路中，可以获得最高10μW的分辨率。

4.按权利要求1所述的装置，其特征在于LD的输出0-80mW的功率，对应PD产生的光电流为0-1.2mA。

5.按权利要求2或4所述的装置，其特征在于所述激光器的最大输出功率为80mW，相应的驱动电流为115.5mA，电压为5.64V。

6.按权利要求1所述的装置，其特征在于当锂电池的电压较低而且电压会随放电时间降低，需通过稳压模块（4）给整个系统供电，以保证整个系统正常稳定运行。

7.按权利要求1所述的装置，其特征在于所述装置的脉冲宽度覆盖毫秒级至秒级范围且占空比数字可调。

8.按权利要求1所述的装置，其特征在于：

①APC电路（7）同时连接的激光器内部集成的LD引脚和PD引脚，改造为驱动无PD引脚的半导体发光器件，则驱动电路可改为双极型晶体管或MOS开关器件，采用数字电位器控制其输出电流，器件控制在数mA至数百mA；

②采用了中心波长为474.7nm的蓝光LD作为兴奋光源，经由40微米芯径、数值孔径0.2的石英光纤输出；

③鉴于光基因生物实验所用的光纤芯径多为200μm和300μm；采用40μm的光纤输出得到非常高的光纤耦合率，提高了对其它设备的可接入性；

④采用LED时，发光波长根据光感基因的敏感波长选取的450-480nm范围蓝光，560-590nm范围黄光及630-670nm范围红光，所选的波长覆盖整个可见光谱范围，发光器件与带光纤接头的所需直径光纤的尾纤一端耦合后，直接用于装置。

9.按权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于装置的最低刺激强度为1mW/mm²。