CN105126258B - 一种无线程控光刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线程控光刺激装置，包括：上位机；无线发送模块；刺激器，其与所述无线发送模块无线连接，且所述刺激器固定在目标动物身上；光极，其包括基板、设置在所述基板一端的LED焊盘、设置在所述基板另一端的尾部接口，所述LED焊盘上焊接有若干个LED，所述光极焊有LED的一端植入到所述目标动物体内使得若干个所述LED到达目标光感脑区，所述光极另一端上的所述尾部接口暴露在所述目标动物的体外，所述尾部接口通过PFC接插件与所述刺激器导线连接。本发明的装置用于研究光遗传学神经调控技术的小动物身上，取消了光纤模块从而解决了刺激过程中光功率衰退、刺激效率不高的技术问题，整个装置实现微负荷无线控制、多点神经刺激。

Description

一种无线程控光刺激装置

技术领域

本发明涉及一种光刺激系统，特别是一种无线程控光刺激装置。

背景技术

光遗传学神经调控技术具有高特异性和高时空分辨率等优点，该技术所用到的传统光刺激器多是基于固定波长的激光器，再通过光纤将光传递到光感基因脑区的神经刺激靶点。激光器本身价格昂贵且体积大，这使得系统集成度不高，光纤的有线传导方式限制了活体动物的在体神经调控。解决动物在体神经调控的一个办法就是提供轻负荷的无线光刺激系统。

目前的无线光刺激系统一般包括上位机、无线通信模块、刺激控制模块、发光模块，光纤耦合模块以及光纤。用LED和光纤耦合代替了激光光源，如专利CN201210166377.5一种背包式无线光刺激装置及其方法，以及专利CN201310030139.6针对动物的无线遥控光刺激系统，上位机的指令通过无线方式发送，刺激控制模块无线接收到指令后，根据指令控制调整发光模块的LED发光，LED发出的光经过光纤耦合模块到达光纤管，然后沿光纤到达刺激靶点。这种光源方案虽然用LED摆脱了激光器的束缚，但需要光纤耦合部件和较短的可植入光纤，才能将LED发出的光导入到脑区。但光纤耦合部件的设计加工复杂而且存在光功率衰减，刺激器效率不高。再者一根光纤只能刺激一个靶点，不能实现不同深度多点刺激。

发明内容

针对上述技术问题，本发明公开了一种无线程控光刺激装置，采用FPC技术设计制作的可植入脑区的神经刺激光极，并配合焊接在光极尖端若干个微型LED实现多点光刺激，本发明的装置用于研究光遗传学神经调控技术的小动物身上，取消了光纤模块从而解决了刺激过程中光功率衰退、刺激效率不高的技术问题。

本发明还有一个目的在于，通过上位机无线发送模块和光刺激器的无线接收模块，实现无线程控调节刺激参数，具有多通道多点、微负荷、长时间在体刺激。

为了实现根据本发明的目的，提供了一种无线程控光刺激装置，包括：

上位机；

无线发送模块，其与所述上位机连接；

刺激器，其与所述无线发送模块无线连接，且所述刺激器固定在目标动物身上；以及

光极，其包括基板、设置在所述基板一端的LED焊盘、设置在所述基板另一端的尾部接口，所述LED焊盘和所述尾部接口通过铺设在所述基板上的导电铜线连接，所述LED焊盘上焊接有若干个亮度多阶可调的LED，所述光极焊有LED的一端植入到所述目标动物体内使得若干个所述LED到达目标光感脑区，所述光极另一端上的所述尾部接口暴露在所述目标动物的体外，所述尾部接口通过PFC接插件与所述刺激器导线连接。

优选的，所述无线发送模块中设置有串口转USB接口，所述无线发送模块通过所述串口转USB接口插接在所述上位机上。

优选的，所述刺激器中集成有阻抗匹配电路、天线、控制器、LED驱动电路以及电源，所述刺激器通过背包固定在所述目标动物背上，所述刺激器的尺寸为20mm×16mm。

优选的，所述尾部接口上设置有若干个焊锡引脚，所述LED焊盘上设置有与所述焊锡引脚相同个数的LED焊接引脚，每一个所述焊锡引脚分别通过一根所述导电铜线与每一个所述LED焊接引脚连接。

优选的，若干个所述LED焊接引脚中设置有一个正极端，其余若干个所述LED焊接引脚为负极端，若干个所述LED共正极焊接在所述LED焊接引脚上。

优选的，若干个所述LED排布成目标阵列，所述目标阵列中的每一个LED布置在每一个所述目标光感脑区。

优选的，所述尾部接口设置成插头结构，所述插头结构设置在所述目标动物的体外，所述LED驱动电路的输出端连接有引出导线，所述引出导线的另一端设置有所述FPC接插件，所述插头结构与所述FPC接插件插接。

优选的，所述光极采用柔性电路板印制加工而成。

优选的，所述光极表层通过真空气相镀膜方式镀有一层parylene C。

优选的，所述LED选用波长462nm的蓝光微型LED。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明可应用于自由活动小鼠等目标动物的在体神经刺激研究中，目标动物的活动范围不受设备的限制；

2、此外本发明具有很好的扩展性，可兼容用于脑深部、脑皮层、脊髓等处的光极，为光遗传技术在行为学相关的神经回路和疾病机理研究中提供一种有效的调控工具；

3、取消了传统刺激系统中的光纤传输模块，本发明直接采用LED植入到目标光感脑区，减小了光功率衰退，提高了刺激效率；

4、该装置结构紧凑、体积小、效率高、易于产品化；

5、设置有若干个LED，并同时驱动，在目标光感脑区实现了多区域多点的光刺激。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的无线程控光刺激装置的结构示意图；

图2是一种实施例中所述光极的结构示意图；

图3是另一种实施例中所述光极的结构示意图。

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。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1和2所示的是根据本发明的无线程控光刺激装置的一种实现形式，其中包括：上位机1、无线发送模块2、刺激器3以及光极4。

所述上位机1是运行在PC上的交互控制程序，是用户控制调整刺激模式的操作界面，可对光刺激的频率、占空比、幅度三个参数进行调节。

所述无线发送模块2集成了无线接收阻抗匹配24和天线23、控制器22、电源25以及串口转USB接口21，无线发送模块2通过串口转USB接口21实现和上位机1的通信，可将上位机1的交互指令数据包通过无线发送模块2发送至所述刺激器3。

所述刺激器3集成了无线接收阻抗匹配33和天线34、控制器32、LED驱动电路31以及电源35。所述刺激器3固定在目标动物身上，本实施例中，目标动物选为小鼠，刺激器3通过背包固定在小鼠背上，当无线接收模块2通过天线23将收到的上位机1的交互指令数据包之后，通过天线23无线发送出去，刺激器3中天线34接收所述交互指令数据包，将该数据包传至控制器32中，控制器32中依据指令数据包内容修改LED驱动电路31的参数设置，LED驱动电路31更新驱动模式。

所述光极4为神经刺激光极，包括采用FPC技术制作的微型植入式基板42、设置在所述基板42一端的LED焊盘43、设置在所述基板42另一端的尾部接口41，微型植入式基板42上铺有导电铜线44，所述LED焊盘43和所述尾部接口41通过铺设在所述基板42上的导电铜线44连接，所述LED焊盘43上焊接有若干个亮度多阶可调的LED，本发明中，实现了刺激强度，即LED亮度多阶可调，实现了光强度从1.5到4.5mW的调节，精度为0.1mW,光刺激器强度多阶精确可调，可以实现对神经元不同强度的刺激，对于探索神经元不同程度的激活有重要价值。

所述光极4焊有LED的一端植入到所述目标动物体内使得若干个所述LED到达目标光感脑区，所述光极4另一端上的所述尾部接口41暴露设置在所述目标动物的体外，所述尾部接口41通过PFC接插件与所述刺激器3中的LED驱动电路31导线连接，从而实现了LED驱动电路31与若干个所述LED的电连接，从而传导刺激器3中驱动所述LED的电信号。将光极4植入到目标脑区后，LED可依据上位机1无线传来的刺激参数闪烁，实现脑区光刺激。

本发明中刺激器3设置在小鼠身上，刺激器3与植入在小鼠脑内的光极4导电连接，无线发送模块2插设在上位机1上，无线发送模块2与刺激器3无线连接，从而使得小鼠等目标动物的在体神经刺激研究中可以自由移动，活动范围不受设备的限制；同时，本发明具有很好的扩展性，刺激器3可兼容用于设置在脑深部、脑皮层、脊髓等处的光极，刺激器3跟任意一个本发明中的光极连接，即可实现对光极所处位置的光刺激，为光遗传技术在行为学相关的神经回路和疾病机理研究中提供一种有效的调控工具；作为技术改进点之一，本发明采用的是微型刺激器，刺激器整体电路板尺寸：20mm×16mm，重量3g，现有技术中采用的刺激器都没这么小，导致限制了动物的行为能力，而本发明设置在动物身上的微型刺激器更加小巧、轻便，减轻动物负重比，避免因负重而影响动物行为学相关的实验结果。

本发明中，刺激器和无线发送模块的有效无线工作距离达到10m，现有的无线刺激器工作限制在无线供能场内，范围一般不超过一般1m，而本发明可以实现10m的工作距离，可以让实验动物实现长时、大范围活动等，对于相关的行为学研究有实际意义。

本发明中，取消了传统刺激系统中的光纤传输模块，本发明直接采用LED植入到目标光感脑区，取消了光纤耦合这一过程，减小了光功率衰退，提高了刺激效率；取消了光纤，而采用软质的光极，光极不易折断，使得光信号传输更稳定，不易中断。

本发明中，该装置中只由四部分组成，结构紧凑、体积小、效率高、易于产品化。

本发明中，采用LED作为刺激光源，功耗更小，使得本发明的光刺激装置能实现微负荷、长时间在体刺激。

上述技术方案中，所述尾部接口41上设置有若干个焊锡引脚411，所述LED焊盘43上设置有与所述焊锡引脚411相同个数的LED焊接引脚，每一个所述焊锡引脚411分别通过一根所述导电铜线44与每一个所述LED焊接引脚连接。本实施例中为了叙述方便，在尾部接口41上设置有4个焊锡引脚411，如图2所示，所述LED焊盘43上对应设置有4个LED焊接引脚，每一个LED焊接引脚通过一根导电铜线44分别与每一个焊锡引脚411导电连接。

上述技术方案中，若干个所述LED焊接引脚中设置有一个正极端，如图2和3中最下端的引脚所示，其余若干个所述LED焊接引脚为负极端，若干个所述LED共正极焊接在所述LED焊接引脚上。即所有LED都公用的一根正极端引脚作正极，每一个所述LED的正极分别与LED焊接引脚的正极端焊接，每一个所述LED的负极分别与LED焊接引脚的其中一个负极端焊接。从而实现了LED与LED驱动电路31的连接，LED驱动电路31可以单独控制每一个LED。本实施例中，焊接有一个LED，如图2所示，另一种实施例中，焊接有2个LED，如图3所示，可以理解的是，根据需要，可以设置有多个LED，通过LED驱动电流31同时驱动，LED设置在不同深度的目标区域，从而在目标光感脑区实现了多区域多点的光刺激，通过一次植入，可以实现多点同时或每个区域点的单独刺激，刺激效果更好，有利于更全面的观察小鼠的行为反应。

上述技术方案中，若干个所述LED在LED焊盘43上排布成所需的目标阵列，所述目标阵列中的每一个LED布置在每一个所述目标光感脑区。

上述技术方案中，所述尾部接口41设置成插头结构，所述插头结构设置在所述目标动物的体外，光极4与小鼠的颅骨用牙科水泥固定，插头结构外周设置有防护套管，防止小鼠误咬到尾部接口41，所述LED驱动电路31的输出端连接有引出导线，引出导线为带屏蔽的导线，所述引出导线的另一端设置有所述FPC接插件，所述插头结构与所述FPC接插件插接，从而方便刺激器3与光极4的连接，根据需要，刺激器3可以任意与小鼠头上的光极4进行连接，研究结束后，方便摘取刺激器3。

上述技术方案中，光极需要考虑生物兼容性和绝缘处理，在所述光极3表层通过真空气相镀膜方式镀有一层parylene C。

上述技术方案中，所述LED选用波长462nm的蓝光微型LED。

具体实现过程如下：

上位机1是运行在PC上的交互控制界面，实现光刺激的开启或停止以及频率、占空比、幅度的调节控制，实时显示光刺激波形，并将调节参数以指令包的形式通过串口传送至无线发送模块2。无线发送模块2主要包括和PC端通信的串口转USB接口21、控制器22、电源25以及无线发送天线23和阻抗匹配24，当接收到PC端传来的刺激参数指令包时，控制器22将改指令包通过天线23发送至刺激器3。刺激器3可固定在小鼠背上，主要包括控制器32、LED驱动电路31、电源35以及无线接收天线24和阻抗匹配33，刺激器3无线接收到刺激参数指令包后，控制器32依据指令数据包内容修改LED驱动电路31的参数设置，LED驱动电路31更新驱动模式。植入式光极4主要包括尾部接口41、微型植入式基板42以及LED焊盘和若干个LED，尾部接口41上的接口结构用来接插连通刺激器3中的LED驱动电路31的导线，微型植入式基板32上铺有导电铜线，一端通过尾部接口41与刺激器3的LED驱动电路31相接，另一端与LED焊盘43相接，从而传导刺激器驱动LED的电信号。将光极4植入到目标脑区后，LED可依据上位机1无线传来的刺激参数闪烁，实现脑区光刺激。

本发明中上位机软件可用LabVIEW或者C#等语言编写。

本发明中的无线发送模块和刺激器的无线接收模块相互匹配，可采用NRF51822自带的无线模块实现通信。

本发明中刺激器的控制器可选用NRF51822，该处理器可采用2.4G私有协议的无射频模式进行数据传输，空中速率最高可达到2Mbps，集成了无线模块所以减小电路尺寸和重量。

本发明中的天线选用陶瓷天线，选用NRF51822的专用阻抗匹配2450BM14E0003。

本发明中的LED驱动电路可选用恒流驱动芯片，如可采用聚积公司的MBI5036，有16路可调恒流源驱动输出，输出电流范围3～45mA。

本发明中电源模块采用锂电池供电，再通过线性稳压芯片稳压，可采用ADP151稳压输出。

本发明中微型植入式光极可采用柔性电路板印制技术加工，LED可选用波长462nm的蓝光微型LED。

本发明中的光极需要考虑生物兼容性和绝缘处理，可采用真空气相镀膜技术在光极表层镀上一层parylene C。

本发明不仅可以固定在小鼠背上，也可以固定在小鼠头上。

本发明不仅适用于小鼠，同样适用于大鼠等小型动物上。

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 (8)

1.一种无线程控光刺激装置，其特征在于，包括：

上位机；

无线发送模块，其与所述上位机连接；

刺激器，其与所述无线发送模块无线连接，且所述刺激器固定在目标动物身上；以及

光极，其包括基板、设置在所述基板一端的LED焊盘、设置在所述基板另一端的尾部接口，所述LED焊盘和所述尾部接口通过铺设在所述基板上的导电铜线连接，所述LED焊盘上焊接有若干个亮度多阶可调的LED，所述光极焊有LED的一端植入到所述目标动物体内使得若干个所述LED到达目标光感脑区，所述光极另一端上的所述尾部接口暴露在所述目标动物的体外，所述尾部接口通过PFC接插件与所述刺激器导线连接；

其中，所述尾部接口上设置有若干个焊锡引脚，所述LED焊盘上设置有与所述焊锡引脚相同个数的LED焊接引脚，每一个所述焊锡引脚分别通过一根所述导电铜线与每一个所述LED焊接引脚连接，若干个所述LED焊接引脚中设置有一个正极端，其余若干个所述LED焊接引脚为负极端，若干个所述LED共正极焊接在所述LED焊接引脚上。

2.如权利要求1所述的无线程控光刺激装置，其特征在于，所述无线发送模块中设置有串口转USB接口，所述无线发送模块通过所述串口转USB接口插接在所述上位机上。

3.如权利要求2所述的无线程控光刺激装置，其特征在于，所述刺激器中集成有阻抗匹配电路、天线、控制器、LED驱动电路以及电源，所述刺激器通过背包固定在所述目标动物背上，所述刺激器的尺寸为20mm×16mm。

4.如权利要求3所述的无线程控光刺激装置，其特征在于，若干个所述LED排布成目标阵列，所述目标阵列中的每一个LED布置在每一个所述目标光感脑区。

5.如权利要求4所述的无线程控光刺激装置，其特征在于，所述尾部接口设置成插头结构，所述插头结构设置在所述目标动物的体外，所述LED驱动电路的输出端连接有引出导线，所述引出导线的另一端设置有所述FPC接插件，所述插头结构与所述FPC接插件插接。

6.如权利要求1所述的无线程控光刺激装置，其特征在于，所述光极采用柔性电路板印制加工而成。

7.如权利要求6所述的无线程控光刺激装置，其特征在于，所述光极表层通过真空气相镀膜方式镀有一层parylene C。

8.如权利要求1所述的无线程控光刺激装置，其特征在于，所述LED选用波长462nm的蓝光微型LED。