CN104436447A - 一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统 - Google Patents

一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统 Download PDF

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Abstract

本案为用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，包括：柔性光-电电极，其包括用于采集神经电信号的金属电极和用于光刺激的LED；信号采集单元，其与所述柔性光-电电极通讯连接，以接收所述金属电极采集到的脊髓神经传导电信号；主控单元，其与所述信号采集单元通讯连接，且根据采集到的脊髓神经传导电信号，调整LED驱动指令；LED驱动单元，其与所述主控单元通讯连接，且根据所述LED驱动指令，驱动所述LED工作；供电单元，其向所述柔性光-电电极、主控单元、信号采集单元和LED驱动单元供电。本系统可自适应调控具备光敏特性的神经元所在的整个神经通路，更适应不同个体的差异性，从而达到更好的调控效果。

Description

一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统
技术领域
本发明涉及一种闭环光刺激器，具体涉及一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统。
背景技术
脊髓是中枢神经系统中极易受损的部位，脊髓损伤的致残率高，严重危及人类的健康。脊髓损伤后的修复一直是医学领域的难点。脊髓损伤后神经生长因子(NGF)在一定的条件下，可促进未损伤神经元出芽，重建被破坏的神经回路。但在没有外界干预的情况下，中重度损伤内源性NGF表达量不足以起到保护和修复的作用，且维持时间较短。
目前，细胞移植和基因治疗是脊髓损伤治疗的重要手段，在动物实验中取得了好的效果，但离临床应用还很远。细胞移植治疗所需的理想细胞量、移植效果的维持时间以及如何应用神经营养因子、免疫抑制药物等一系列问题。脊髓损伤的基因治疗也面临着不少问题：(1)中枢神经系统排斥反应；(2)移植细胞在宿主体内不能长期存活；(3)遗传修饰细胞移植后，转基因表达随时间延长而下降，失去治疗作用；(4)安全性问题，如外源基因的致癌性。
近年来，脊髓电刺激技术在抑制疼痛、治疗脊髓损伤和植物人唤醒等方面发展很快。这种治疗方法是将电极直接放在脊髓相关位置，通过刺激器产生电刺激脉冲来治疗相关疾病，已在临床上取得了可喜的效果。
随着近几年光感基因调控技术的发展，人们发现光刺激可以更为精准地针对特定神经元进行刺激，将光遗传学应用于脊髓刺激，有望取得比电刺激更好的效果。光遗传学以光学和光遗传基因工程学为基础，将视蛋白基因加上特异启动子通过病毒转染导入特定的神经元类群，然后通过特定波长的光刺激来兴奋或抑制该类神经元的生理活动。例如，蓝光刺激可兴奋带光敏蛋白ChR2的神经元，而在黄光的刺激下，带光敏蛋白NaHR的神经元活动将被抑制。相对于电刺激，光遗传学实现了对特定神经元的精确靶向刺激，且避免了电流对人体组织的伤害。
现有技术中，对脊髓的单向光刺激无法根据脊髓状态作出调节，故而调控效果受限。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激器系统，该系统旨在通过柔性光-电电极采集使用者的脊髓神经传导电信号，对其进行分析以确定脊髓状态，并根据相应算法驱动LED对移植入脊髓特定部位的带光敏蛋白的神经元进行光调控，有针对性地修复损伤后的脊髓。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
本发明所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，包括：
柔性光-电电极，其包括用于采集神经电信号的金属电极和用于光刺激的LED；
信号采集单元，其与所述柔性光-电电极通讯连接，以接收所述金属电极采集到的脊髓神经传导电信号；
主控单元，其与所述信号采集单元通讯连接，且根据采集到的脊髓神经传导电信号，调整LED驱动指令；
LED驱动单元，其与所述主控单元通讯连接，且根据所述LED驱动指令，驱动所述LED工作；
供电单元，其向所述柔性光-电电极、主控单元、信号采集单元和LED驱动单元供电。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，还包括：
上位机，其通过通讯单元与所述主控单元通讯，以保存其中的信息。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，还包括：
固定环，其为弧形弹片，环绕在受者的躯体上；
转接座，其套设在所述固定环的中部，且所述转接座的两侧设置有排线接口，所述排线接口处还分别设置有翻盖一和翻盖二，所述翻盖一和翻盖二的一端均枢接在转接座上，另一端可卡接在转接座上，以夹紧排线；
其中，所述柔性光-电电极通过排线连接至转接座，信号采集单元和LED驱动单元也通过排线连接至转接座。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，所述柔性光-电电极设置在柔性电路板上，在所述柔性电路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的两侧分别伸出一个金属微电极；
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，所述信号采集单元可采用双电极输入或三电极输入。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，所述柔性光-电电极中的金属电极与LED电极可集成为同一部件，或分立为不同部件。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，柔性光-电电极通过手术植入体内，贴合于脊髓神经上，LED位于受损部位而金属电极则位于受损部位前后两端。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，所述柔性光-电电极可以是平面电极或三维多触点金属电极。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其中，所述LED有两个或两个以上。
优选的是，所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，所述LED可统一发光模式或独立可控。
本发明的有益效果是：本发明利用柔性材料制作的柔性光-电电极采集脊髓神经传导电信号和LED进行光刺激，同时具备脊髓神经传导电信号采集功能和光刺激功能，两者通过算法实现对脊髓的闭环光刺激，主控单元分析采集到的多路信号并对刺激模式进行反馈，该系统解决了单向光刺激调控受限的问题，可自适应调控具备光敏特性的神经元所在的整个神经通路，更适应不同个体的差异性，从而达到更好的调控效果。
附图说明
图1为本发明一实施例所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激器系统的结构框图。
图2为本发明一实施例所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激器系统中的转接板结构示意图。
图3为本发明一实施例所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激器系统中的柔性光-电电极结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本实施例针对的是小鼠的脊髓损伤修复，本发明所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，主要包括：
柔性光-电电极4，参阅图3，为所述柔性光-电电极结构示意图，包括用于采集神经电信号的金属电极41和用于光刺激的LED42；
信号采集单元23，其与所述柔性光-电电极通讯连接，以接收所述金属电极采集到的脊髓神经传导电信号；
主控单元22，为控制器(STM32L151CBT6)，通过SPI接口与信号采集单元(ADS1292)通信，设置ADS1292的采样频率和工作模式，并获取两路24位数字信号；通过特定算法对采集到的脊髓神经传导电信号进行分析，从而实时调节刺激参数，包括刺激波形的周期、脉宽和幅度，按照参数调整LED驱动指令；
LED驱动单元24，为STM32L151CBT6内置DA加上运放AD8603，LED驱动单元根据LED驱动指令，以驱动所述LED工作；
供电单元25，包括锂电池和电压芯片ADP151，其向柔性光-电电极、主控单元22、信号采集单元和LED驱动单元供电。
本发明所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，还可以包括下述情况。
进一步的，还包括上位机1，其中的计算机11通过通讯单元12和21与所述主控单元通讯，将电信号、光刺激参数及电池电量状态通过无线通信单元传输至上位机显示或保存。
本发明还可以包括：固定环，其为弧形弹片，环绕在受者的躯体上，这里固定环是环绕在小鼠躯体上；
转接座32，如附图2所示，其套设在所述固定环的中部，且所述转接座的两侧设置有排线接口，所述排线接口处还分别设置有翻盖一31和翻盖二34，所述翻盖一和翻盖二的一端均枢接在转接座上，另一端可卡接在转接座上，以夹紧排线35；
其中，所述柔性光-电电极通过排线连接至转接座，信号采集单元和LED驱动单元也通过排线连接至转接座。
进一步的，所述柔性光-电电极设置在柔性电路板上，在所述柔性电路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的两侧分别伸出一个金属微电极；其中，LED的放置过程全程在显微镜下进行，用点胶机将导电银胶点到正负电极上，注意不要短路，然后将LED放置其上使正负端与电极对齐，放置一天，使导电银胶固化，随后附上一层聚对二甲苯作为绝缘层；
本发明还可以包括以下变形：所述信号采集单元可采用双电极输入或三电极输入。即采用三电极输入时，除了位于脊髓神经上LED的两侧的金属电极(一个工作金属电极，及其附近的参比金属电极)，还包括一个共地的电极，由于LED两侧电极放置的位置不同，输入的信号也不一样，所述信号采集单元所采集的信号是工作金属电极相对于参比金属电极的电位，共地电极是用来使电路板和被试者的地在一个平面上，以达到更好的效果；也可以采用双电级输入，即省去上述共地电极，信号采集单元所采集的信号也是工作金属电极相对于参比金属电极的电位，该方法需要通过后端处理来保证输入信号不超过电路板输入范围，该方法更容易实现；
本发明还可以包括下述情况，所述柔性光-电电极中的金属电极与LED电极可集成为同一部件，或分立为不同部件。
进一步的，所述柔性光-电电极通过手术植入体内，贴合于脊髓神经上，LED位于受损部位而金属电极则位于受损部位前后两端。
进一步的，所述柔性光-电电极可以是平面电极或三维多触点金属电极。
本发明还可以包括以下情况，所述LED可以有两个或两个以上。
进一步的，所述两个或两个以上的LED可统一发光模式或独立可控，也就是说，几个LED可以以相同的频率、亮度闪烁，也可以各自按照各自不同的频率、亮度闪烁。
以小鼠的脊髓损伤修复为例，本发明所述的用于脊髓功能调控实验的闭环光刺激系统的使用方法如下：
步骤1：移植带光敏蛋白的诱导多能干细胞到脊髓损伤部位，待细胞分化后进行光调控。
步骤2：将柔性光-电电极前端植入体内，贴合于脊髓神经上，LED位于受损部位而金属电极则位于受损部位前后两端。
步骤3：连接柔性光-电电极和转接板，固定转接板，通过排线连接转接板与闭环光刺激模块。
步骤4：将闭环光刺激器置于背包内，背包由小鼠背负。
步骤5：打开闭环光刺激器电源开关，使用者通过上位机软件发送“开始”命令，闭环光刺激器开始工作，软件显示采集到的波形和当前的刺激参数。
步骤6：使用者可通过上位机软件发送“暂停”或“终止”命令。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，包括：
柔性光-电电极，其包括用于采集神经电信号的金属电极和用于光刺激的LED；
信号采集单元，其与所述柔性光-电电极通讯连接，以接收所述金属电极采集到的脊髓神经传导电信号；
主控单元，其与所述信号采集单元通讯连接，且根据采集到的脊髓神经传导电信号，调整LED驱动指令；
LED驱动单元，其与所述主控单元通讯连接，且根据所述LED驱动指令，驱动所述LED工作；
供电单元，其向所述柔性光-电电极、主控单元、信号采集单元和LED驱动单元供电。
2.如权利要求1所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，还包括：
上位机，其通过通讯单元与所述主控单元通讯，以保存其中的信息。
3.如权利要求1或2所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，还包括：
固定环，其为弧形弹片，环绕在受者的躯体上；
转接座，其套设在所述固定环的中部，且所述转接座的两侧设置有排线接口，所述排线接口处还分别设置有翻盖一和翻盖二，所述翻盖一和翻盖二的一端均枢接在转接座上，另一端可卡接在转接座上，以夹紧排线；
其中，所述柔性光-电电极通过排线连接至转接座，信号采集单元和LED驱动单元也通过排线连接至转接座。
4.如权利要求3所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，
所述柔性光-电电极设置在柔性电路板上，在所述柔性电路板的一端的中部伸出LED，在所述LED的两侧分别伸出一个金属微电极。
5.如权利要求4所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在 于，
所述信号采集单元可采用双电极输入或三电极输入。
6.如权利要求5所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，所述柔性光-电电极中的金属电极与LED电极可集成为同一部件，或分立为不同部件。
7.如权利要求6所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，
柔性光-电电极通过手术植入体内，贴合于脊髓神经上，LED位于受损部位而金属电极则位于受损部位前后两端。
8.如权利要求7所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，所述柔性光-电电极可以是平面电极或三维多触点金属电极。
9.如权利要求8所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，所述LED有两个或两个以上。
10.如权利要求9所述的用于脊髓功能调控的闭环光刺激系统，其特征在于，所述LED可统一发光模式或独立可控。
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