CN106955425B - 一种光刺激装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光刺激装置，包括两根刺激针，每根刺激针的两端分别为刺激端和电连接端，所述刺激端安装光刺激用的LED，所述电连接端设置接电并向所述LED供电的接电触点；还包括一固定架，该固定架具有间距可调的两个固定部，两根刺激针的电连接端各自安装在一个固定部上，且每个固定部上具有与接电触点配合形成电连接的供电触点。本发明采用可植入式光遗传学双侧LED刺激针，并可根据刺激对象头部的目标核团位置不同，任意调节两根LED刺激针的间距，减少由于距离导致光在光纤中的损耗；采用小功率的LED灯，延长使用时间；并能提高光的耦合效率。

Description

一种光刺激装置

技术领域

本发明涉及光遗传技术领域，尤其是涉及一种具有间距可调双侧刺激LED针的光刺激装置。

背景技术

在有线光遗传系统中，光纤连接器陶瓷插芯，又称陶瓷插针体。光纤连接器插头中精密对中的圆柱体，中心有一微孔，用作固定光纤。它是一种由纳米氧化锆(ZrO2)材料经一系列配方、加工而成的高精度特种陶瓷元件，其孔径、真圆度误差为0.5靘。所制成的连接器是可拆卸、分类的光纤活动连接器，使光通道的连接、转换调度更加灵活可供光通系统的调试与维护。

光通信技术领域发展势头强劲，光纤连接器陶瓷插芯作为光通信网络的一个重要部件，是陶瓷粉末注射成型产品，主要用于实现系统中设备间、设备与仪表间、设备与光纤间以及光纤与光纤间的非永久性两个端面精密地对接，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中，这是信息化建设的重要体现形式。

而在无线光遗传系统中，单/双侧刺激LED针以及无线接收端组成了一个无线光刺激系统。单/双侧LED针，通过无线接收器上的开关来控制LED灯，再以光纤耦合光源，将光源通过光纤刺激到动物大脑特定的脑细胞部分。可以由相应的控制器通过无线接收器来给动物大脑给予不同频率的光刺激。这种光遗传系统有长达10m的控制距离，可以并行控制2个接收器，360度发射接收信号，不受外部光源影响，外部触发实现闭环光遗传等优点。无线接收器与控制器通过蓝牙加密连接，负责接收控制器信号(刺激参数)，连接成功后接收器与埋植于动物头部的LED针通过物理连接，即可在控制器上实时给予光刺激。

现有无线光刺激系统主要存在的缺陷有：

1.LED灯发出的光通过光纤刺激动物脑部，光纤耦合效率太低；

2.两根LED针的间距无法调节；

3.由于LED灯与刺激位置距离较远，到达刺激位置光的强度降低；因此就需要功率较大的LED灯，这样一来，同样电量的电池，大功率的LED灯就会更耗电，导致电池使用时间减少，不能满足用户的需求。

发明内容

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种光刺激装置，采用可植入式光遗传学双侧LED刺激针(即两根LED刺激针)，并可根据刺激对象头部的目标核团位置不同，任意调节两根LED刺激针的间距。

为实现上述的发明目的，本发明所采用的具体技术方案如下：

一种光刺激装置，包括两根刺激针，每根刺激针的两端分别为刺激端和电连接端，所述刺激针内安装有光刺激用的LED，所述电连接端设置接电并向所述LED供电的接电触点，所述LED发出的光在刺激端向目标核团刺激；

还包括一固定架，该固定架具有间距可调的两个固定部，两根刺激针的电连接端各自安装在一个固定部上，且每个固定部上具有与接电触点配合形成电连接的供电触点。

上述的LED刺激针，在LED刺激针的光纤内部安装独立的LED光源，内置的光源通过光纤传导或者直接对动物头部的目标核团进行光刺激，相较于外置光源再利用光纤传导的方式，可减少由于距离导致光在光纤中的损耗，并能提高光的耦合效率。在本申请中，所述LED可植入安装在光纤的尖端，例如所述的刺激端，利用发出的光直接刺激目标核团；或者LED可植入设置在光纤的中部和电连接端，LED发出的光通过光纤传导至刺激端后，对目标核团进行刺激。

本申请采用小功率LED灯，例如红光LED功率为2.56mW～2.88mW，黄光或绿光LED功率为3.52mW～5.4mW，蓝光LED功率为5.12mW～5.50mW，具备功率小、能耗低和使用寿命长等优点。

LED刺激针的主体部分采用与现有产品相同的光纤，光纤芯径在100～500μm，长度2～20mm，LED和接电触点分别设置在光纤两端，光纤内植入有连接两者之间的导线，在上述的接电触点接电后通过导线点亮LED。

在本申请中并不限制LED灯的数量，也可以根据实验要求选择光源的类型，例如可选择波长在470nm～630nm的光源。

在另一个技术方案中，将LED灯垂直于刺激针的光纤轴向安装，光纤的尖端设计成一个聚焦透镜的形状，使LED灯发射出一束平行光。

上述的固定架用于两根刺激针的安装固定，刺激针的电连接端安装固定部上，通过调节两个固定部的间距，完成两根刺激针间的距离调节，满足不同实验的需求。

在所述的固定部内，刺激针的电连接端可通过包括但不仅限于插接、卡装或者其他部件配合固定等方式安装，其中至少一个固定部是活动的，移动其位置调节两根刺激针的间距；或者作为优选的，两个固定部都是可以调节的。

在所述的固定架内还设有供电触点，该供电触点与电连接端的接电触点贴合后可以点亮LED等；电源可安装在固定架内，例如电池；或者采用固定架连接电源的方式，在固定架的某一位置接电后通过供电触点向LED供电。

上述的固定架可以设置为多种结构，如所述的固定架包括一底座，至少有一个固定部在底座上可以移动，或可设置通过丝杆机构移动固定部，或者设置两个通过正反丝杆同步移动的固定部。

由于LED刺激针采用光纤，不利于安装在固定部上，作为优选的，所述的电连接端外设有套管，接电触点设置在套管的表面，且所述的接电触点通过刺激针内的导线与LED连接。

光纤的电连接端插入套管内，可以是套管的中心位置；或作为优选的，也可以偏心(偏移套管的中心)设置在套管内，能够使两根LED刺激针的间距更小。

通过上述的套管增加LED刺激针的端部直径，更便于安装在固定部上；套管的材质包括但不限于塑料、陶瓷或金属，由于增加套管，LED刺激针端部的接电触点移植到套管表面。接电触点可以是金属片，或者优选的，所述的接电触点包括正极接电触点和负极接电触点，且正极接电触点和负极接电触点均为嵌设在套管表面的环形电极。优选采用环形电极，确保在套管扭转的情况下电路也能正常工作。

所述的固定架包括一弹性板，该弹性板从中部弯曲，固定部设置在弹性板的两侧，且中部设有接电触片，该接电触片通过弹性板内的导线与所述供电触点连通。

本申请进一步对固定架的结构进行优化，固定架主要包含从中部弯曲的弹性板，例如呈U型或V型，固定部设置在弹性板的两侧；上述的弹性板由具有一定的弹性，在自由状态下，弹性板的两侧可自由向外扩张，使弹性板的两侧之间的距离增加，或者通过施加在弹性板两侧的压力，减小弹性板两侧的间隙。

上述的弹性板内也设置有接电触片用于接入电源或者后续所述的接收器，通过接电触片接通电路并通过弹性板内的导线连接固定部内的供电触点，为所述的LED刺激针供电。导线是植入弹性板内的，仅有接电触片和供电触点在弹性板表面，避免漏电。

在弹性板发生形变时，弯曲的中部保持位置不变，因此将接电触片设置在中部，避免调节距离而影响接电触片的正常工作。

作为优选的，所述弹性板的两侧具有卷曲呈环形的固定部，刺激针的电连接端插装在环内，且供电触点设置在环内壁上。

在本申请的固定部内，相当于在固定部内形成插孔，在刺激针的电连接端插入后固定，为实现刺激针的接电触点与固定部内供电触点的对位导通，应当对刺激针插入固定部内的长度进行限定，因此，作为改进的，在所述的环内壁上设置控制刺激针的电连接端插入位置的限位凸台。

所述的限位凸台可以抵住在套管的端部，来控制套管的进入长度；或者还可以在所述的套管表面设置配合限位凸台的凹槽，在套管插入后，限位凸台进入套管表面的凹槽内，抵住凹槽侧壁来限位套管的位置，使得刺激针的接电触点恰好与固定部内供电触点接触导通，同时在限位凸台进入凹槽后，两者进行圆周向限位，阻止内部的刺激针转动，利于维持工作电压的稳定。

上述的固定部至少卷曲呈半环，可以是向内卷曲或向外卷曲，刺激针的电连接端插装在环内或者卡装在板边缘卷曲形成的槽内。此处的供电触点可以为单点触点或嵌装的弧形触片，也应为间隔的两个，分别与正极接电触点和负极接电触点对应。

为实现弹性板两侧间的距离调节，所述的固定架还包括调节螺杆，该调节螺杆的一端连接在弹性板的一侧，另一端穿过弹性板的另一侧后配有螺母。

调节螺杆的一端与弹性板可以是固定连接或者活动连接。采用固定连接，可以是调节螺杆的端部与弹性板呈一体，或者调节螺杆的端部通过穿过弹性板的螺钉固定。也可以采用活动连接的方式，例如关节连接和转轴连接。

调节螺杆的另一端在穿过弹性板后配有螺母，通过拧动所述的螺母，弹性板在自身的弹性作用力，自动向外扩展，两侧固定部的距离增加，或者收螺母的挤压，两侧固定部的间距减少，以此来调节两根LED刺激针的间距。

本发明中，所述的光刺激装置还包括连接电源或内置有电源的接收器，该接收器上设有配合所述固定架的插装位和配合所述接电触片的供电触片，在固定架放置在接收器上的插装位后，接电触片与供电触片接触连通向刺激针尖端的LED灯供电。

本发明的接收器用于与控制器连接，控制器可以用于设置刺激参数，例如功率大小、脉冲时长、脉冲间隔、刺激时间等，控制器可以通过有线或无线向接收器发送刺激参数，也可以接收外部信号出发以后将预先设置的实验参数发送给接收器，实现闭环的光遗传实验。

优选采用无线连接的方式，控制器与接收器通过蓝牙连接，每个接收器具有唯一编码，每台控制器可以同事连接多个接收器，在接收器连接成功后，与埋植于动物头部的LED刺激针通过物理连接，即可在控制器上实时给予光刺激。

上述插装位为配合所述弹性板的插槽，插槽的底部设有限位块，该限位块与插槽的底面设有适应所述弹性板插装的间隙，且供电触片嵌设在限位块与弹性板贴合的表面。此处间隙的大小与弹性板的厚度相适应，弹性板放置在该间隙内。

此处的供电触片也可以采用类似环形电极的结构，应尽可能覆盖限位块与弹性板的贴合面，即使在弹性板的插装位置便宜，也能保证接电触片与供电触片间导通。

进一步的，所述刺激端还植入有温度传感器，能实时监控LED灯处的温度，便于控制装置的使用时间。(即温度高于正常的工作温度范围时，停止装置的使用。)

相较于现有技术，本发明的有益效果有：

1.将LED灯的位置调整到光纤的内部，减少由于外置光源距离导致光在光纤中的损耗；采用小功率的LED灯，延长使用时间；并能提高光的耦合效率。

2.本发明将两个LED针夹持在一个具有弹性的固定架两端，通过调节螺杆和螺母的配合，调节固定架两端距离，实现光纤间距的微调，具体调解范围满足不同需求。

3.采用环形电极和固定架连接，确保在套管扭转的情况下电路也能正常工作。

4.采用弹性的固定架实现距离调节，不用光纤传输光，这样二者协同提高光和光纤的耦合效率。

附图说明

图1为光刺激装置的整体结构图；

图2为LED刺激针的刺激端结构图；

图3为LED刺激针的电连接端剖视图；

图4为另一种LED刺激针的结构图；

图5为图4中LED刺激针的中部放大图；

图6为LED刺激针和固定架的装配图；

图7为固定架的结构图；

图8为LED刺激针插装固定架后的剖视图；

图9为固定架与接收器装配后的剖视图。

具体实施方式

如图1～9所示的光刺激装置，主要包括接收器100、固定架200和双侧LED刺激针300。

如图2和图3所示的LED刺激针结构，每根LED刺激针300包含光纤部分，光纤305的一端为刺激端302，另一端为电连接端306。

在刺激端302，安装有光刺激用的LED灯304，LED灯304直接布置在光纤305的尖端。本实施例中，光纤部分共分为五层，第一部分是一层较厚的PET材料，具有支撑作用，第二层是温度感应器，第三层是一层较薄的PET材料，第四层是4颗LED灯，最上面一层是PET材料。可参考现有文献：1.Fabrication and application of flexible,multimodallight-emitting devices for wireless optogenetics NATURE PROTOCOLS|VOL.8NO.12|2013|2413；2.Injectable,Cellular-Scale Optoelectronics with Applications forWireless Optogenetics www.sciencemag.org on April 12,2013)；本领域技术人员根据上述文献的记载，可制备出本实施例中的刺激针，本实施例不再赘述。

在另一个实施例中，如图4和图5所示，LED植入安装光纤305的中部。LED针的光纤部分共分为三层，第一部分是一层较厚的PET材料，起到一个支撑作用，第二层有4个LED灯304和温度感应器312，最上面一层是PET材料。本实施例中，光纤305全长10mm，光纤电连接端进入套管2mm，4个LED灯304安置在距离光纤电连接端3mm处，LED灯距光纤刺激端7mm，可剪裁LED灯与光纤前段之间的部分，做到可改变光纤长度的作用。4个LED304紧密排列，垂直地安置在光纤305上，发光面对向光纤的前端，另一面接出左电极311和右电极310。温度传感元件312安置在LED灯304后，中间隔着一层的PET材料313，用以绝缘。

在电连接端306，设置包裹在光纤305端部外的套管307，便于LED刺激针300安装在固定架200上。套管307的表面嵌设两个环形的接电触点308，接电触点308与植入光纤305内的两根导线303连接，导线303的另一端连接LED灯304，在接电触点308接电后通过导线传输至LED灯304。

本实施例中，光纤305的长度可以设置为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm或20mm，芯径为100μm、200μm、300μm或400μm，LED灯304的发光波长为470nm、488nm、528nm、590nm或630nm。双侧LED刺激针300均采用独立配置的光源，可根据实验需求选择光源类型。

图6为LED刺激针和固定架的装配示意图，双侧LED刺激针300的套管307插入固定架200内。

如图7所示的固定架200，包括从中部弯曲的弹性板202，弹性板202两端向内卷曲呈环形成用于插装LED刺激针300的固定部203。

本实施例中的弹性板202呈U型，材质为热塑性弹性体TPE。

固定部203的内壁设有供电触点204，与套管307上的接电触点308贴触后导通。如图6所示，供电触点204和接电触点308分别有两个，且供电触点204的宽度大于接电触点308的宽度，并在固定部203的内壁设置限位凸台209，与套管307表面的凹槽配合，控制套管307的插入位置，实现供电触点204和接电触点308的对位导通。

固定架200还包括用于调节弹性板202两侧距离的调节螺杆205和螺母206。调节螺杆205呈T型，一端连接有转轴207，弹性板202一侧设置有折边208，调节螺杆205的转轴207位于两侧的折边208间，转轴207的两端伸入折边208中的孔内。调节螺杆205的另一端穿过弹性板202的一侧后配合螺母206。

由于两根LED刺激针300插设在弹性板202两侧固定部203的环内；拧紧螺母206，挤压弹性板202的一侧，弹性板202两侧间的固定部203间距减小，从而缩减两根LED刺激针300的间距；松动螺母206，U型的弹性板202在自身弹性作用下向外扩张，外侧始终贴住螺母206，实现两根LED刺激针300的间距增大。

弹性板202的中部设有接电触片201，该接电触片201通过植入弹性板202内的导线与两侧固定部203内壁的供电触点204导通。

如图1和9所示，接收器100上设有配合固定架200的插装位100和配合接电触片201的供电触片103。

本实施例中，插装位100为设置在接收器100侧面的U型的插槽，与弹性板202的结构相似，恰好可容纳弹性板202装入。

在插槽内的底部设置有限位块102，该限位块102与插槽的底面留有间隙，间隙的尺寸与弹性板202的厚度相适应。限位块102的底面为弧面，可与弹性板202弯曲的中部贴合。

接收器100内置有电池作为点亮LED灯的电源，限位块102的弧面内嵌入有与电池连通的供电触片103，在弹性板202装入插槽内时，接电触片201与供电触片103贴触并导通，并通过固定部203内的供电触点204向LED刺激针300供电。

本实施例中光刺激装置的工作原理如下：

在无线控制的双侧刺激LED针300内置特定波长LED光源，通过光源与光纤耦合，使得该装置工作时能在光纤尖端产生一定强度的光照。光纤长度及两侧光纤中心间距可根据实验中目标核团的坐标进行调整。

实验前，根据目标核团间距及深度，将该装置两侧光纤中心间距调整为目标核团间距，光纤长度则与目标核团深度相同。通过LED针夹持器将该装置固定于脑立体定位仪，然后依据核团坐标，通过植入手术将双侧刺激LED针的光纤部分准确植入动物脑内。植入完成后使用自凝牙托粉与牙托水或强力胶将该装置牢固的固定于动物头部，然后撤去LED针夹持器。

植入完成后待实验动物恢复一周即可进行后续实验。实验时，将接收器100与动物头部的双侧刺激LED针300相连，接收器100内置充电电池，用于供能及接收刺激参数。通过蓝牙连接控制器与接收器，在控制器上设置实验参数，然后即可按照该参数控制双侧刺激LED针对目标核团进行光刺激。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光刺激装置，包括两根刺激针，其特征在于：每根刺激针的两端分别为刺激端和电连接端，所述刺激针内安装有光刺激用的LED，所述电连接端设置接电并向所述LED供电的接电触点，所述LED发出的光在刺激端向目标核团刺激；

还包括一固定架，该固定架具有间距可调的两个固定部，两根刺激针的电连接端各自安装在一个固定部上，且每个固定部上具有与接电触点配合形成电连接的供电触点；

所述的固定架包括一弹性板，该弹性板从中部弯曲，固定部设置在弹性板的两侧，且中部设有接电触片，该接电触片通过弹性板内的导线与所述供电触点连通。

2.如权利要求1所述的光刺激装置，其特征在于：所述的电连接端外设有套管，接电触点设置在套管的表面，且所述的接电触点通过刺激针内的导线与LED连接。

3.如权利要求2所述的光刺激装置，其特征在于：所述的接电触点包括正极接电触点和负极接电触点，且正极接电触点和负极接电触点均为嵌设在套管表面的环形电极。

4.如权利要求1所述的光刺激装置，其特征在于：所述弹性板的两侧具有卷曲呈环形的固定部，刺激针的电连接端插装在环内，且供电触点设置在环内壁上；并在所述的环内壁上设置控制刺激针的电连接端插入位置的限位凸台。

5.如权利要求1所述的光刺激装置，其特征在于：所述的弹性板呈U型或V型。

6.如权利要求1所述的光刺激装置，其特征在于：所述的固定架还包括调节螺杆，该调节螺杆的一端连接在弹性板的一侧，另一端穿过弹性板的另一侧后配有螺母。

7.如权利要求1所述的光刺激装置，其特征在于：所述的光刺激装置还包括连接电源或内置有电源的接收器，该接收器上设有配合所述固定架的插装位和配合所述接电触片的供电触片。

8.如权利要求7所述的光刺激装置，其特征在于：所述接收器上设有放置所述弹性板的插槽，插槽的底部设有限位块，该限位块与插槽的底面设有适应所述弹性板插装的间隙，且供电触片嵌设在限位块与弹性板贴合的表面。

9.如权利要求1所述的光刺激装置，其特征在于：所述刺激端还植入有温度传感器。