CN111032151A - 用于利用光生物调节的自动个人化脑部调节的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新颖的光生物调节(PBM)系统和方法，其将治疗光能从经颅(穿过头颅)和经鼻(经由鼻道)的位置组合完全地导入脑部内。优选地，本发明还提供一种系统及方法，由此本发明的PBM装置与诊断工具结合运作，以智能地、自动地、且不受地理距离限制地提供异常脑部功能的的增强治疗。
Description
技术领域
本发明涉及一种神经刺激疗法的系统及方法，并特别涉及一种用于利用光生物调节(photobiomodulation)进行自动个人化脑部调节的系统及方法。
背景技术
许多脑部治疗专家认为，用于许多神经疾病及脑部损伤的有效药物存在短缺。这些疾病可包含创伤性脑损伤(traumatic brain injury,TBI)、中风、多发性硬化症(multiple sclerosis,MS)、精神分裂症、自闭症、失眠、创伤后压力症候群(post-traumatic stress disorder,PTSD)、失智症及阿兹海默症(Alzheimer’s disease,AD)、帕金森氏症(Parkinson’s disease,PD)以及其他为数众多的神经疾病及损伤。有些意见认为可获得的药物亦未必优于安慰剂，甚至可能有害。因此，许多患有神经疾病及脑部损伤的患者寻求非药物的治疗。光生物调节崛起为可信的疗法的一。
光生物调节(PBM)：
光生物调节(PBM)，又称为低等级光治疗(low-level light therapy,LLLT)，是一种生物刺激技术，在治疗包含失智症及AD的一些疾病上已示出了预示。
PBM交互作用的生化机制可分为直接及间接效应。直接效应包含使离子通道的活性增加，所述离子通道例如钠钾ATP酶，而间接效应包含调节重要的次级消息传递者，例如钙、环腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)以及活性氧类(reactive oxygenspecies,ROS)──以上所述皆导致多样的生物级联反应。这些生物级联反应引起如维持体内平衡以及活化保护性、抗氧化性及增生性遗传因子的效应，以及引起系统性反应，例如在神经认知障碍症中不足的脑血流。
PBM作用中被研究得最透彻的机制是其在线粒体功能上的根本影响。PBM已被证实可以使线粒体的电子传递链中复合物的活性增加，包含复合物Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ及琥珀酸去氢酶。在复合物Ⅳ中，酵素细胞色素c氧化酶(cytochrome c oxidase,CCO)发挥光受体及换能器的作用。CCO特别能接受(accepts)及转换(transduces)处于红光(620～700纳米)以及近红外光(780～1110纳米)光谱中的光，这些波长的光可在PBM中处理。该处理增加产生的三磷酸腺苷(ATP)的数量、以及环腺苷酸(cAMP)与活性氧(ROS)的数量。ATP的增加改善调节cAMP与钙的离子通道的活性，这导致刺激多样的生物级联反应并活化多达110个基因用于转录，这引起治愈及修复活动、以及延展线粒体的能量的产生。对PBM最显著的反应之一是钠泵及钠钾ATP酶的活化，其引起更强的细胞膜稳定性及抗去极化性。
调节亦可被呈现在脑网络的变化中。观察这些变化的常见技术包含功能性核磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)、功能性近红外线光谱(functional near infrared spectroscopy,fNIRS)及脑电图(electroencephalography,EEG)。EEG用于测量涉及振荡网络的同步的电生理信号。这些信号依赖中间神经元的活性，而中间神经元的活性被认为受PBM影响。中间神经元具有广布的轴突神经丛，并且正是此广布的形态使得能够同步抑制它们的电路中的多个神经元。中间神经元间通过突触(synapses)相连接，突触可为化学性或电性，并且这些突触引发突触抑制，在整个网络中传输强大而同步的节律信号。将中间神经元及其功能分类的最重要的方式之一是按照它们的钙结合蛋白质及胜肽的表现。存在Ca2+结合中间神经元的两个主要类型：小清蛋白(parvalbumin,PV)结合中间神经元及胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)结合中间神经元。PV中间神经元能快速放电(spriking)且更加一贯，参与生成快速网络振荡；而CCK中间神经元则较慢且较不可靠，对于网络振荡的贡献较薄弱。PV中间神经元的功能异常会引起γ振荡活动减少。另一方面，CCK中间神经元在振荡中扮演的角色被假定与θ振荡期间的细胞开火(firing)有关。
除了使ATP及cAMP的等级增加以外，已经观察到PBM导致一氧化氮(nitric oxide,NO)的等级增加，其在光子被CCO吸收时从CCO分离。NO从CCO的分离引起ATP产量增加，并扮演血管扩张剂及淋巴液流扩张剂的作用，且可发出信号活化许多有益的细胞路径。
适合PBM疗法的神经疾病：
有许多潜在的神经疾病可得益于对活体内脑一个或多个区域的光照射。虽然目前尚未在大型人体随机控制试验中得到证实，但一些小型人体研究暗示了PBM疗法的可能性。
1.中风、神经创伤、认知及情绪心理状态的治疗
研究论文已经调查了对于中风及神经创伤的脑部照射。举例而言，近期论文已经论证了经过头颅(transcranially)传递的低能量光可以增加血流量30％。这样论证的利用光照射的有利结果已伴有一氧化氮产量的显著增加，这是一种与血管管壁松弛以达血液循环改善关联的机制。因此，脑血流量被示出在受治疗及未受治疗的脑半球两者中增加。而且，预先受到光照治疗的受试者在阻塞期间示出血流改善，且有稳定的体温、心率及呼吸速率。整体结果是在中风事件发生时细胞凋零的显著减少。规律的低能量近红外光(NIR)照射亦已被发现与中风事件后的显著神经复原相关联。此外，这些复原效应与脑室下区及海马齿状脑回中的增加的神经元增殖及干细胞形成及迁移相关联。
2.创伤性脑损伤的治疗
研究论文已提供活体内证据，显示低等级光照射对于细胞色素氧化酶以及一氧化氮的释放的效果在光照疗法的神经保护作用中扮演主要角色，不仅针对缺血，亦针对创伤性脑损伤。
3.神经退化性疾病的治疗
脑的光照射已被发现支持活体内的神经生成。因此，光能照射可能可以治疗一系列不同的神经退化性疾病，例如帕金森氏症(PD)、阿兹海默症(AD)以及慢性创伤性脑病变(Chronic Traumatic Encephalopathy,CTE)。在使用具有PD症状的小鼠的研究中，论证了670纳米波长的低等级光照射有助于预防黑质中多巴胺细胞的损失并改善行为及功能。通过动物研究中生物指标的改善以及人类案例研究中认知及功能的改善，支持AD症状的改善。
4.抑郁症及其他情绪缺陷的治疗
情感病症的表型表现如抑郁症及创伤后压力症候群(PTSD)已被示出与前额叶皮质区域的代谢能力下降相关联。因此，对前额叶皮质区域的光照射可促使此区域的代谢能力改善，以及提供对这些医学疾病的潜在的神经保护。一项先导研究示出，当患有严重抑郁及焦虑的人类患者的前额被以810纳米波长的低等级光照射时，流向额叶皮质的血流量增加并诱发抑郁指数的63％下降。
5.记忆缺陷的治疗
研究论文已经论证，以1072纳米波长的近红外光照射脑的前额叶皮质区域改善个体的功能性记忆。鉴于此种记忆缺陷疾病常见于较年长者，使用光照射方法来治疗脑的前额叶皮质区域可有助于改善老化相关的记忆缺陷问题。
6.失智症及阿兹海默症的治疗
神经退化可能引起认知障碍，这通常被医学标识为失智症。一种失智症的类型──血管性失智症用血流量不足来标识，并因此以PBM改善血流量具有治疗该疾病的潜力。最常见的失智症群组是阿兹海默症(AD)，其具有复杂的病理，至今仍难以被确立，其中涉及多种蛋白质的交互作用及多种基因。此神经退化性疾病的早期征兆(signs)/症状(symptoms)被揭示为脑局部性代谢缺陷，其形式为细胞色素氧化酶的活性降低，这是罹患阿兹海默症的潜在风险的明显征兆。由于对脑进行PBM可活化脑细胞中的细胞色素氧化酶，因此经颅的PBM处置可有助于减缓AD的发生。
阿兹海默症的类淀粉蛋白级联反应假说：
患有AD的患者具有β类淀粉蛋白(Aβ)堆积在其脑内，形成老年斑，这普遍被视为AD的病理特征。跨膜糖蛋白──前类淀粉蛋白(amyloid precursor protein,APP)经代谢处理以产生类淀粉蛋白(即，Aβ形成)或非类淀粉蛋白产物。APP基因中以及形成切割APP的产物的基因(即分泌酶酵素)中的突变在类淀粉蛋白级联反应假说中扮演重要的角色。若酵素α分泌酶水解切割APP，则形成名为sAPPα的神经保护片段，防止Aβ的形成。然而，如果APP依序被β分泌酶及γ分泌酶切割，则发生Aβ的形成。第4型载脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)已被标识为晚发性AD最重要的已知危险因子。类淀粉蛋白级联反应假说为AD提供许多药物靶点，但至今仍未成功。当药物能够除去一些类淀粉蛋白斑块载体时，它们不能转变为AD症状改善，而且仍有身具Aβ却未发展AD症状的人。尽管Aβ斑块已被识别为AD的病理特征，但是其对此疾病的贡献程度仍未完全获得厘清。
除了Aβ堆积所形成的老年斑的堆积之外，神经元纤维缠结(neurofibrillarytangles,NFT)亦是AD的病理特性。NFT是由过度磷酸化的微管相关tau蛋白所形成的细胞内结构。这些蛋白自行聚集以成为不可溶的型态，即所谓直丝及成对螺旋丝。tau在神经元中的堆积在NFT的形成之前开始，说明在AD中，蛋白激酶及磷酸酶的活性存在早期不平衡。已有几个药物试验致力于基于tau的标靶，包含tau蛋白、tau的磷酸化、tau的寡聚化、tau的降解以及基于tau的疫苗接种。至今为止，这些试验中尚无成功者。其间，其作为AD的病因理论在AD研究中继续被视为重要的。
阿兹海默症的线粒体级联反应假说：
近来，AD的线粒体级联反应假说作为解释AD病因的关键机制益加受到瞩目。线粒体对神经元功能至关重要，因为它们以三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的形式供应细胞能量。而且，线粒体为突触可塑性提供能量，所述突触可塑性是脑在突触级别适应体验或使用并将信息编码的机制。线粒体的功能异常被认为在AD中可见的突触可塑性的损伤中扮演关键的角色。其在突触末梢中被大量发现。线粒体功能的损伤与突触功能异常、突触及神经元生长的减缓以及细胞凋亡相关联。在AD患者的脑中的线粒体的功能异常被充分证实。其功能异常是导致发生于AD患者脑中的脑部葡萄糖代谢缺陷的主要原因，包含与记忆相关的脑区域，例如海马体及内嗅皮质。此缺陷发生远早于临床症状的出现。在AD中观察到的线粒体功能异常亦表现为线粒体酵素的活性降低、呼吸链复合物的活性降低、以及过多级别的活性氧族(ROS)，产生氧化压力增加。
已经论证了，线粒体的功能异常可推进APP处理形成Aβ产生，说明其是驱动类淀粉蛋白级联反应的因素。氧化压力的增加与归因于个体危险因素所造成的Aβ的些微增加的存在引起线粒体功能异常，其远早于Aβ沉积的形成。ROS随时间的增加导致对线粒体的进一步损伤，导致自给性反馈环路，引起Aβ产量增加以及进一步的线粒体损伤。此外，线粒体的功能异常已被发现会产生炎症并影响tau磷酸化。此理论假定线粒体功能异常是造成神经退化以及AD相关缺陷的主要病理机制。
若将线粒体损伤的参与视为潜藏于AD老化中可见的衰退的关键驱动力，则以PBM疗法抵消AD患者的线粒体功能异常有望成为此疾病的治疗。
缺省模式网络(Default Mode Network,DMN)：
脑的缺省模式网络(DMN)已引起许多关注，因为其与阿兹海默症、失智症、自闭症、精神分裂症、抑郁症、慢性疼痛、帕金森氏症、多发性硬化症(multiple sclerosis,MS)、创伤后压力症候群(PTSD)相关联。当个体从事于内在的专注性心理活动，包含记忆恢复、构思未来、以及想象他人的观点时，DMN是活跃的。关于脑部疾病，研究人员已于DMN中发现目标连接点，被称为DMN的“皮质枢纽”，通常被称为“节点”，或有时被标识为是构成“分区”不可或缺的一部分。这些枢纽/分区在DMN中高度连接，尽管其中一些可能位于网络之外。已有意见提出，皮质枢纽使相异的、功能性专精化的系统相互连接。这些枢纽/分区包含腹内侧前额叶皮质(ventral medial prefrontal cortex,vmPFC)、背内侧前额叶皮质(dorsalmedial prefrontal cortex,dmPFC)、后扣带回皮质(posterior cingulate cortex,PCC)、楔前叶(precuneus,PCu)、外侧顶叶皮质(lateral parietal cortex,LPC)和内嗅皮质(entorhinal cortex,EC)。通过正电子发射计算机断层扫描(positron emissiontomography,PET)，对这些枢纽的类淀粉蛋白成像示出了β-类淀粉蛋白高度沉积于与这些枢纽所在位置一致的位置，说明这些中枢在作为信息处理重要的中继站的同时，很可能亦增强AD的病理性级联反应。实验已经示出阿兹海默症中的Aβ沉积会优先发生在皮质枢纽的位置。vmPFC、dmPFC、PCC、PCu及LPC可以在头皮的特定位置上经由发光二极管(LEDs)以810纳米触及。EC(包含用于记忆处理的海马区域)可以在鼻腔中经由LED触及，大部分通过从位于鼻腔正上方的嗅球直接投射。
另一个重要的脑网络可以是突显网络(Salience Network,SN)。神经退化性疾病如AD及PD瞄准DMN，而行为变异疾病如额颞叶型失智症(frontotemporal dementia,FTD)则瞄准位于更前面的SN。尽管认为DMN与整个脑有关，SN着重于由前岛叶及前扣带回皮质锚定的额叶及前颞叶。尽管DMN及SN似乎可以彼此不同，但是它们在许多活动中彼此连接。SN在驱动DMN及中央执行网络(Central Executive Network,CEN)之间的切换中扮演重要的角色。
光生物调节(PBM)有可能可以刺激皮质枢纽中的病灶中的脑细胞愈合。研究人员已发现细胞会在暴露于低能量的红光时自我修复。调查数据显示，在氧化压力的情况下近红外光照射保护细胞的存活能力并且刺激轴突向外生长。患有AD的基因转殖小鼠利用经颅的PBM恢复了记忆功能及认知功能。对这些小鼠的脑所进行的尸检揭示了与AD生物标记、Aβ斑块以及神经元纤维缠结相关联的病变减少。
与皮质枢纽病变相关联的神经疾病：
已有意见提出，皮质枢纽的病变至少与下列脑部疾病相关联：精神分裂症、AD、FTD、PD、颞叶癫痫、妥瑞症、急性脑损伤(昏迷)以及偏头痛。缺血及氧化压力亦被认为与这些病变有关。
测量脑活动的诊断工具：
通过几项安全而间接的测量如功能性核磁共振成像(fMRI)、功能性近红外线光谱(fNIRS)、脑磁图(MEG)以及脑电图(EEG)，测量脑活动及功能已成为可能。
脑电图(EEG)：
脑电图(EEG)是在头皮表面测量脑电场的技术，多年来已被用于研究脑的功能。此电位场产生电压值的拓朴分布，其主要是同步神经元活动的结果。EEG装置包含沿着头皮放置的一个或多个电极。电极测量脑神经元中的离子电流所引起的电压波动。
EEG展示了可被分组为几个特性频带的振荡图案。EEG信号以其振幅、相位及其时空图案为特征。常用与新颖的先进分析技术揭露了EEG不同的特征，并且成功地将这些与特定的脑认知及神经功能进行链接，包括：知觉、记忆、情绪、语言、动作以及其他认知过程。异常的振荡已在许多神经退化及神经精神疾病中被观察到，并且甚至与症状的严重程度相关。神经振荡可被分类为5个典型的频带以描述不同的脑功能：δ、θ、α、β以及γ振荡。
δ振荡：δ振荡通常在1～3赫兹的范围中。这些节律在脑的视丘中发现，且与深度睡眠相关联。与其他振荡形成对照，δ波在中间神经元功能受损的不同神经退化性疾病中会增强。δ振荡的另一个与众不同的特性在于，其与其他振荡相比，对认知功能具有更为远程而间接的影响。几项证据推论δ波的角色是在心理任务期间使来自其他、外部神经网络的干扰沉寂。在是/否任务中，在参与者必须只回应一个刺激(最常见的是通过按压按钮)而必须忽略所有其他刺激的范例中，可在脑中区、顶区以及颞区域中发现δ功率增加。
θ振荡：θ波段具有大约为4～7赫兹的频率，其出现于海马体中，且与做梦睡眠相关联。一般而言，θ波段会在编码、保存及恢复的记忆处理期间被激活并增加。一些示例包含记忆任务期间的θ同步以及语意恢复期间的θ不同步。
α振荡：α波段具有范围在8～12赫兹的频率，且通常出现于脑的后部区域及中央区域。α波常见于放松但休息的状态下，通常双眼闭合。α振荡最有可能涉及神经网络抑制的时间波动。某些神经机制已示出会产生α振荡，例如丘脑皮质环路、节律性点火锥体细胞、局部中间神经元、以及最终不同时间限制下的突触输入的相互作用。由于多种不同的神经机制产生这些频率的事实，这说明脑中存在许多独立的α生成器。α活动的变化可见于测量长期及短期记忆的任务期间，亦可见于记忆处理：编码、恢复及保持中。
β振荡：β振荡位于神经振荡频带的中间范围某处，通常在13～30赫兹附近。β波出现在脑的额区，且与警觉及专心的状态相关联。在5种振荡类型中，β传统上被认为与记忆性能的相关性最低，除了一种任务──在视觉工作记忆任务期间，示出β功率降低，伴随θ功率增加。β振荡被认为只与运动及感觉处理相关联，研究指出它们与记忆及认知功能较无关联。然而，近期进一步的研究报告累积成果指出，β波实际上可能扮演辅助的角色。已有意见提出，β振荡根据当下任务的需求，在皮质区域内及之间协调整体的构成。与α、θ、γ波相似，β波似乎也在工作记忆维持时增加。β同步似乎与当下相关任务的规则以及刺激的种类相重合。具体而言，β波的典型变化可在工作记忆维持的延迟处理中的晚期出现──这指示β振荡引发由任务的改变需求所需的皮质代表区的“再活化”。
γ振荡：γ振荡具有更高的频率，位于30～50赫兹或以上的范围。γ波段出现于脑的体觉皮质中，且关联脑状态产生γ波段，其被视为突发性的活动。研究证据指出γ波段与记忆编码相关联。举例而言，在猴子的研究中，海马体中的γ功率以及放电γ相干性都在信息成功编码时示出为较高，与编码不成功时的情形相反。类似的效果亦可见于人类受试者，可见于海马体及皮质区域(体觉皮质)中。γ波段与工作记忆有关，因为研究已报告，在工作记忆任务期间，随着记忆中保持的物件数目的增加，γ功率也增加。
脑震荡的异常在神经、神经精神及神经退化性疾病中非常常见。研究已报告患有AD的患者θ及δ活动增加，而α及β活动降低。在休息期间，在患有AD的患者身上可观察到后部的α功率减少。此α功率的减少与AD及认知障碍的严重程度有关。此外，在检查相干性──测量两个频带之间相关程度时，α及β波段之间相干性的降低亦频繁发现于患有AD的患者身上。重要的是，这些异常皆与疾病的严重程度相关。
其他诊断工具：
功能性近红外线光谱(fNIRS)是一种非侵入性成像方法，其包含发色团浓度的量化，该发色团浓度是从近红外线(NIR)光的衰减或时间或相位变化的测量而解析的。fNIR对于脑中血氧相关的生理变化十分灵敏，且可有益于定位与其相关的异常。这些异常与认知功能的损伤相链接。
功能性核磁共振成像(fMRI)通过检测与血流相关联的变化来测量脑活动。此技术是凭借于脑血流与神经元活化耦接的事实。临床上已使用fMRI对脑的网络活动进行测绘，并检测肿瘤、中风、头部及脑部损伤、或如AD等疾病、以及如自闭症等发展障碍的影响。
各种不同的诊断工具正被用于检测指示神经、神经精神及神经退化性疾病的图案，例如通过EEG检测的异常脑部振荡。使用通过这些诊断工具所检测的该数据将是有利的，使得我们在调整各种干涉参数如脉冲频率及功率之后，通过PBM治疗这些疾病将更精确。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于对受试者的活体人脑进行非侵入性神经刺激治疗的系统，所述非侵入性神经刺激系统包含：
(A)一个或多个配置的照射单元，所述一个或多个配置的照射单元中的每一个均包含：便携式中空壳体，具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于受试者头颅的外表面配置，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；和至少一个光生成单元，其安装并容纳于每一配置的照射单元的所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以照射头颅并穿透头颅以进入脑内部的光能，由此所述一个或多个配置的照射单元在施加于头颅后发射光能，并达成使所述发射的光能进入并穿过头颅而进入活体内的脑的至少一部分；
(B)支架，适用于支撑所述一个或多个配置的照射单元，以及适用于将所述一个或多个配置的照射单元的所述光能透射外表面任意地放置于头颅上固定位置和期望照射方向处；
(C)配置的照射镜头，包含：便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积，以及适合活体内插入于鼻孔的鼻腔空间中的外表面配置，其不对受试者的呼吸能力造成实质的减损，也不侵入受试者的鼻组织，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；以及至少一个光生成单元，其安装并容纳于所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以穿透鼻组织而进入脑内部的光能，
由此所述配置的照射镜头在活体内插入后，以任何期望方向在鼻腔内发射光能，并达成使所述发射的光能从鼻腔进入活体内的脑的至少一部分；
(D)可自我管理的涂药器部件，适用于支撑所述配置的照射镜头，以及适用于将所述配置的照射镜头的所述便携式中空壳体的所述光能透射外表面任意地放置于受试者鼻孔中靠近鼻腔内衬的固定位置及期望照射方向处；
(E)可充电的直流电流电源；以及
(F)便携式控制器组件，能够控制光能从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头传送进入所述活体内的脑的至少一部分，所述便携式控制器组件包含：(i)接收电路，用于接收从所述电源传递至所述便携式控制器组件的直流电流；(ii)中央处理单元，用于控制和引导所述接收电路所接收的直流电流的流动；(iii)传送电路，用于将这样的直流电流从所述控制器组件传送至所述一个或多个配置的照射单元及所述配置的照射镜头；(iv)与所述电源电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流输送至所述中央处理单元；以及(v)与所述一个或多个配置的照射单元电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流从所述中央处理单元输送至所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头，其中所述便携式控制器组件根据一个或多个操作参数，控制从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头所发射的光能，所述一个或多个操作参数选自于由以下所列者所组成的群组：波长、相干性、能量、功率、辐射曝露、曝露时间、波型、脉冲频率、分数协议、占空比、光束点、以及光束穿透距离。
在另一方面，本发明提供了一种用于对受试者的活体人脑进行非侵入性神经刺激治疗的方法，所述非侵入性神经刺激方法包含以下步骤：
获得光能发射系统，包含：
(A)一个或多个配置的照射单元，所述一个或多个配置的照射单元中的每一个均包含：便携式中空壳体，具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于受试者头颅的外表面配置，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；和至少一个光生成单元，其安装并容纳于每一配置的照射单元的所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以照射头颅并穿透头颅以进入脑内部的光能，由此所述一个或多个配置的照射单元在施加于头颅后发射光能，并达成使所述发射的光能进入并穿过头颅而进入活体内的脑的至少一部分；
(B)支架，适用于支撑所述一个或多个配置的照射单元，以及适用于将所述一个或多个配置的照射单元的所述光能透射外表面任意地放置于头颅上固定位置和期望照射方向处；
(C)配置的照射镜头，包含：便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积，以及适合活体内插入于鼻孔的鼻腔空间中的外表面配置，其不对受试者的呼吸能力造成实质的减损，也不侵入受试者的鼻组织，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；以及至少一个光生成单元，其安装并容纳于所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以穿透鼻组织而进入脑内部的光能，由此所述配置的照射镜头在活体内插入后，以任何期望方向在鼻腔内发射光能，并达成使所述发射的光能从鼻腔进入活体内的脑的至少一部分；
(D)可自我管理的涂药器部件，适用于支撑所述配置的照射镜头，以及适用于将所述配置的照射镜头的所述便携式中空壳体的所述光能透射外表面任意地放置于受试者鼻孔中靠近鼻腔内衬的固定位置及期望照射方向处；
(E)可充电的直流电流电源；以及
(F)便携式控制器组件，能够控制光能从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头传送进入所述活体内的脑的至少一部分，所述便携式控制器组件包含：(i)接收电路，用于接收从所述电源传递至所述便携式控制器组件的直流电流；(ii)中央处理单元，用于控制和引导所述接收电路所接收的直流电流的流动；(iii)传送电路，用于将这样的直流电流从所述控制器组件传送至所述一个或多个配置的照射单元及所述配置的照射镜头；(iv)与所述电源电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流输送至所述中央处理单元；以及(v)与所述一个或多个配置的照射单元电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流从所述中央处理单元输送至所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头，其中所述便携式控制器组件根据一个或多个操作参数，控制从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头所发射的光能，所述一个或多个操作参数选自于由以下所列者所组成的群组：波长、相干性、能量、功率、辐射曝露、曝露时间、波型、脉冲频率、分数协议、占空比、光束点、以及光束穿透距离；
将所述一个或多个配置的照射单元的所述光能透射外表面放置于靠近受试者头颅的期望固定位置，使得所述一个或多个配置的照射单元所发射的光能将照射受试者的头颅并穿透受试者的头颅而进入活体内脑的至少一部分；
将所述配置的照射镜头的所述光能透射外表面放置于鼻孔内靠近受试者鼻腔内衬的期望固定位置，使得所述配置的照射镜头所发射的光能将穿透受试者鼻组织并进入活体内脑的至少一部分；
通过所述便携式控制器组件控制所述定位的配置的照射单元的所述光生成单元，以生成足以照射头颅并穿透受试者头颅而进入脑内部的光能；以及
通过所述便携式控制器组件控制所述定位的配置的照射镜头中的所述光生成单元，以生成足以穿透鼻组织并进入脑内部的光能。
附图说明
当结合附图时，可以更好地理解并且更容易地察觉本发明，其中：
图1是可用作本发明的系统的优选实施例的一部分的、施加于受试者的示例脑电图(EEG)装置的透视图；
图2是本发明的系统的优选实施例的组件的透视图，包含经颅光生物调节(PBM)头戴组、第二PBM头戴组、经鼻PBM涂药器单元、控制器组件、充电宝以及平板计算机；
图3是施加于受试者的图2的经颅光生物调节(PBM)头戴组、第二PBM头戴组、以及经鼻PBM涂药器单元的透视图；
图4是施加于受试者的图2的经颅光生物调节(PBM)头戴组、第二PBM头戴组、以及经鼻PBM涂药器单元的侧视图；
图5是指向受试者脑区域的本发明的系统的优选实施例的光生成单元的侧视图；
图6是图2的经颅光生物调节(PBM)头戴组的配置的照射单元的单独视图；
图7是图2的第二光生物调节(PBM)头戴组的配置的照射单元的单独视图；
图8是施加于受试者的图2的光生物调节(PBM)头戴组和第二PBM头戴组的俯视图；
图9是图2的平板计算机的单独视图；
图10是示出第1号研究的案例报告中失智症患者的迷你智力状态检查(Mini-Mental State Examination,MMSE)分数的自基线的平均变化的图表；
图11是示出第2号研究中患者的选定次序类别标称功能变量的变化的表格；
图12包含示出第2号研究中MMSE、阿兹海默症评估量表－认知(Alzheimer’sDisease Assessment Scale–cognitive,ADAS-cog)以及阿兹海默症合作研究－日常生活活动(Alzheimer’s Disease Cooperative Study–Activities of Daily Living,ADCS-ADL)分数的条形图；
图13包含示出第2号研究中在单一PBM疗程(session)后脑震荡的急性短期变化的条形图；
图14包含示出第3号研究中接收12周PBM治疗的失智症患者以及接受一般护理的患者的ADAS-cog及神经精神评估量表(Neuropsychiatric Inventory,NPI)行为改变的图表；
图15包含示出第3号研究中失智症患者在12周规律的PBM治疗之前和之后的ADAS-cog及NPI行为改变的图表；
图16A及16B包含第3号研究中失智症患者在12周规律的PBM治疗之前和之后的功能性核磁共振成像(fMRI)；
图17包含第4号研究中健康受试者在单一疗程后接收PBM治疗之前和之后的功率谱的变化的总结；
图18图示了第4号研究中与假性刺激组相对照的脑图中图示的健康受试者的功率谱的变化；和
图19包含第4号研究中使用图论来测量用于各种不同稀疏程度的集聚系数所得的连接性的显著变化。
具体实施方式
本发明涉及通过用光照射各种不同的脑部位(或神经刺激)来刺激治疗结果的新颖的系统、设备及方法。本发明提供一种新颖的PBM系统或设备，其通过容纳有发光二极管(LEDs)或其他但不限于如光纤、激光或有机发光二极管(OLEDs)的光传输装置的模块及涂药器，将治疗光能从经颅(穿过头颅)及经鼻(通过鼻道)的位置组合全面地导入脑中。照射光可是非标靶式(即，被广泛地引导以刺激整体脑区域)，或者优选地是有目的地瞄准特定的脑区域，以达到特定的治疗结果。通过选择合适参数，而影响光刺激的覆盖范围和深度，例如波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量或剂量或通量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz))、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束点(光束落点的面积)以及光束穿透(传送)距离。
另一方面，本发明提供一种系统及方法，由此本发明的PBM装置与诊断工具结合运作，以提供脑部功能异常的增强治疗。举例而言，诊断工具可以是例如脑电图(EEG)装置、功能性近红外线光谱(fNIRS)装置或功能性核磁共振成像(fMRI)仪器。作为具体示例，EEG装置可被用于检测患者的异常脑部功能。该患者特定数据由智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机、桌上型计算机或其他合适的计算装置上的一个软件应用处理。然后，本发明的系统被引导提供具有特定参数的光能，并且被瞄准在特定脑位置，该位置被认为适合于治疗该患者的特定异常。按照该方式，提供自动个人化的脑部调节。因此，本发明提供一种系统及方法，其结合：(i)诊断工具，其检测受试者的异常脑部功能；(ii)一个或多个计算机应用，其处理关于异常脑部功能的数据，并且利用该数据以设定要被引导至受试者的脑的光能的适当参数；以及(iii)用于将具有设定参数的光能引导至受试者脑的装置。本发明亦包含这样的方面，由此使用本发明的诊断工具和/或PBM装置时的特定参数可以被手动操纵用于选择性PBM。
本发明的标靶式经颅光照治疗：
本发明提供脑特定区域的标靶式治疗，例如缺省模式网络(DMN)或其他网络例如突显网络(SN)或中央执行网络(CEN)的皮质枢纽。由于皮质枢纽彼此高度地连接(有时被标识为“连接组”、“节点”或“分区”)，刺激这些主要枢纽中的少数可能会全面地刺激整体网络。这允许轻量、便携式的经颅NIR光照治疗装置被设计及指向少数选择位置，取代以往经颅式光照治疗研究中所使用的较不舒适的封闭式头盔。具体而言，本发明提供一种光照支架，其支撑一个或多个丛集(cluster)头，其中每个丛集头容纳一个或多个光生成单元。光能发射设备包含至少一个配置的照射单元，所述配置的照射单元包含便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积，以及适合施加于头颅的外表面配置。此系统和设备被设计为，使得通过使用易于施加于受试者头部且舒适、可长时间配戴的头戴组，传送光能经过头颅。每个配置的照射单元是被优选地定位在支架中，使得当受试者配戴头戴组时，光能可以被引导至特定的目标，例如DMN的皮质枢纽。
本发明优选瞄准DMN的选定位置，因为这些解剖区域与AD以及其他各式各样的脑部疾病相关联。在治疗中，本发明优选的经颅目标的集合包含但不限于：DMN的皮质枢纽，其包含腹内侧前额叶皮质(vmPFC)、背内侧前额叶皮质(dmPFC)、后扣带回皮质(PCC)、楔前叶(PCu)、外侧顶叶皮质(LPC)、内嗅皮质(EC)、背外侧前额叶皮质(dorsal-lateralprefrontal cortex,DLPC)、小脑和/或脑干。本发明的设备或装置亦可到达与帕金森氏症相关联的脑的相对较深的区域，例如基底核、黑质、视丘下核以及苍白球。针对特定的治疗，所选择的模块可被排他地开启，例如仅瞄准小脑。
本发明的经鼻光生物调节：
本发明亦优选通过位于贴近鼻腔处的组织向脑传送治疗光照。为此目的，光能发射设备包含配置的照射镜头，该配置的照射镜头包含便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积，以及适合插入于活体内鼻孔的鼻腔空间中的外表面配置。鼻腔插入设备组件被设计为小而舒适；并且避免对用户的呼吸能力造成重大或有意义的减损。插入后，设备可被调整或预设，以导向从设备发射的光的释放的照射角度，设定期望的功率电平，为发射的光生成脉冲频率，以及选择疗程的持续时间，以便达成预期的治疗效果。
插入鼻腔的光源将位于解剖学上极其接近嗅球(约1英寸)及中脑区域(约主要空气腔及软组织的3英寸)的位置。当位于该经鼻位置的光源被指向脑时，有效的光照几乎无需能量，因为通往脑组织的物理路径距离大多是鼻孔的空气腔。中脑区域包含杏仁体、海马体、下视丘、中隔区及扣带回皮质。被光源轻易照射到的新皮质区的一部分是前额叶皮质。在一个实施例中，优选的经鼻目标包含但不限于腹侧前额叶皮质、内嗅皮质以及海马旁区(包含海马体)。这些目标在AD治疗中可能至关重要。
该系统/设备的组件：
本发明的非侵入性系统和设备至少包含以下组件部分：
(i)便携式中空壳体；
(ii)光生成单元，其安装并容纳于中空壳体的内部空间体积；
(iii)电流源；
(iv)处理控制器组件；以及
(v)可选地，智能型手机、平板计算机或其他计算装置。
这些组件可优选地通过至少一个连接器彼此电链接以将直流电流从电流源传递到控制器组件，并通过至少一个连接器彼此电链接以将直流电流从控制器组件输送到光生成单元。
1.便携式中空壳体
本发明包含至少便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于头部和/或在活体内插入鼻孔的鼻腔空间中的外表面配置。便携式壳体的预定用途及目标是双重的：(i)用作容纳室，其被配置用于便于施加于头颅和/或在活体内插入鼻孔的鼻腔空间中；以及(ii)充当模制透镜，将发射的光波反射并引导至脑。
优选地，便携式壳体可由其外表面的至少一部分上的透光材料构成并形成，并且将包含与预期用于安装及容纳至少一个光生成单元的体积区域。根据定义，这些透光材料包含透明、半透明及不透明的物质。然而，在大多数情况下，优选为完全清晰而透明的物质。
对于本发明的经鼻光生物调节，便携式中空壳体必须具有足够微小的维度以允许其插入一个鼻孔，并将使得受试者呼吸能力的减损最小化，而又能将光粒子朝受试者鼻腔内壁的散射最大化。由于这些理由，非常期望将用于经鼻治疗的中空壳体塑造为可被有形的支架或固定装置支撑的尺寸及配置，其可由人类受试者用他的手指握持。因此，即便便携式壳体可被塑造为各种总体而言细且长的形状，如管状、或雪茄状、或圆柱状的样式，仍然认为较有用且合适的是便携式中空壳体的整体配置也提供用于支撑的结构性构件，该构件允许其可任意放置于鼻腔空间中。还由于该理由，“L”形的样式是非常期望的。
2.(多个)光生成单元
光生成单元能以包含但不必限于如下的波长传送治疗光：(i)可见色彩光谱范围中，约介于620～780纳米之间的可见红光波长；以及(ii)不可见光谱范围中，约介于780～1400纳米之间的近红外光波长。此外，所生成的光能波动及粒子可选择性地为：(i)相干(如同激光)或非相干(如同非激光发光二极管(LEDs))；(ii)以脉冲或非脉冲(连续波)传送；(iii)恒定或非恒定的强度；(iv)匀相或非匀相；(v)极化或非极化；和(vi)具有规则或不规则的通量。
任何公知的用于生成电磁辐射的部件或用于传播辐射能量的物品均可接受在本设备中使用。在大多数的实施例中，预期和期望低能量激光单元或LED将被用作(多个)光生成单元以达照射目的。
3.电流源
优选地是，存在按需供应的直流电流的便携式且可充电的电源，作为本发明的设备和系统的组件。本发明所提供的治疗系统及方法意欲传送特定的能量剂量(以焦耳为单位)，其是基于功率(瓦特)及时间(秒)的函数，并且其被认为对每个治疗均有效。
电源供应基本上是以直流电流的形式输送能量。足量的电流可从例如单一电池电源或数个串联或并联的干电池的组合重复地输送。在一些其他期望的实施例中，电源的形式可以是可充电的充电宝、直流电池单元(可由一般家用交流电插座充电)或经由功率适配器的交流电(AC)。可预期会存在具有这些组件的不同组合的若干个替代性实施例，且其会适合于不同的功率、能量剂量及治疗时间的配置。
关于定位，在一些优选的实施例中，电源是分立的实体，其被完整地持有并容纳于控制器组件的内部空间中。然而，在其他优选的实施例中，电流源可以是自成一体、分离且独立式的单元，其经由电缆及连接器模块链接与控制器组件电连通，例如便携式且可充电式的充电宝。在替代性实施例中，通过经由功率适配器将系统及设备插入当地电网而获得电流源。
4.处理控制器组件
处理控制器组件是便携式单元组件，其至少具有下列三项结构特征：
(i)接收电路，用于接收从电流源传递到控制器组件的电流；
(ii)中央处理单元(CPU)，用于控制及引导控制器组件随时间所接收到的电流的流动；和
(iii)传送电路，用于将直流电流从控制器组件传送到光生成单元。
可预期和期望该处理控制器组件将与设备的其他基本组件电链接，因此一般亦会具有：
(a)用于将直流电流从电流源传递到控制器组件的至少一个连接器；以及
(b)用于将直流电流从控制器组件输送到(多个)光生成单元的至少一个连接器。
这些连接器一般被形成为绝缘铜线电缆及插座模块，允许其与电流源及(多个)光生成单元二者迅速简便的链接以及电连通。
预期和期望任何公知且可互换的电缆及连接器将被用于将控制器组件链接到照射镜头。此也向用户提供显著的优势及益处，即将一个配置的照射镜头(其可以第一波长透射光)替换成另一个照射镜头(其可以第二或不同的波长透射光)的选项，并因而允许使用能够利用一个单一控制器组件传送不同波长的可见光及不可见光的、不同的激光及替代性发光二极管。
优选的处理控制器组件是在维度上尺寸小、重量轻且为可携式。在一个优选实施例中，其具有固定的维度，该维度不大于平均衬衫口袋(即，长约4.5英寸，宽约4.5英寸，深约1英寸)，且其是由弹性材料所制成，如可模塑的热塑性塑胶或其他材料。控制器组件的优选实施例一般包含电路板上的中央处理单元(CPU)，其可以控制并引导从电源流向配置的照射镜头的电流流动的剂量、功率、和时间。
在一些优选实施例中，电流源位于内部并容纳于控制器组件的内部空间体积中，且表现为电池(干电池或可充电式单元)。在此情况下，控制器组件亦具有插座，其适用于绝缘铜线电缆及模块化插座连接器的附接，其另一端连接于中空壳体内布置的光生成单元。
控制器组件的中央处理单元(“CPU”)优选能够根据许多不同的参数调节光能，该参数包含但不限于：波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz)、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束尺寸(光束落点的面积)、以及光束穿透(传送)距离。
处理控制器组件在无电流源时不运作。此外，控制器组件除了优选地在预定时间之后关闭单元之外，其是提供电力以正常地且有效地驱动(多个)光生成单元的电路。该控制器亦确保传送至(多个)光生成单元的电力是一致的。因此，期望监控电池强度，其中电源是充电宝或电池，并在充电宝或电池无法供应足够的电力以正常地驱动器电路时关闭单元。
5.智能型手机、平板计算机或其他计算装置
在替代性实施例中，控制器组件的功能可能被智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机、桌上型计算机或任何合适的计算装置整体地或部分地取代。以智能型手机为例，其可在最流行的移动平台之一上运作，且所述移动平台可包含来自AppleTM、AndroidTM、BlackberryTM以及WindowsTM的那些。(多个)光生成单元可经由线缆或无线地连接于智能型手机。智能型手机装载有可下载的软件应用，其将很大程度地复制控制器组件中的软件功能。在计算机芯片中包含界面处理软件的改良附件将提供介于现有涂药器及专属智能型手机平台之间的界面。通过此实施例，用户无须携带额外的或分离的控制器单元，而软件应用亦会包含更多软件控制及图形界面。智能型手机的替代方案包含智能型手表、平板计算机、膝上型计算机、桌上型计算机、或其上下载有软件应用的任何合适的计算装置。
而在另一替代性实施例中，控制器组件与智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机、桌上型计算机或任何合适的计算装置结合一同运作。特别是，计算装置已在其上下载软件应用，该软件应用能：(i)开启及关闭控制器组件；和/或(ii)向控制器组件传输指令，以调整每一个别光生成单元的光能参数，其包含但不限于波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量或剂量或通量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz))、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束尺寸(光束落点的面积)、以及光束穿透(传送)距离。
此外，计算装置可用作系统界面，其中用户通过界面键入指令以开启及关闭控制器组件、和/或调整每一个别光生成单元的光能参数。可通过任何已知的输入组件键入指令，例如触摸屏、鼠标、小键盘、键盘、麦克风、相机或录像机。一旦用户对系统界面输入指令，指令会被传输到控制器组件，控制器组件然后调整光生成单元所传递的光能的参数。
在这些实施例中，任何公知且可互换的电缆及连接器均可用于将计算装置链接到控制器组件。作为选择，计算装置可通过无线的方式与控制器组件通信。任何这些组件之间的连接均经由以下协议利用合适的有线或无线通信而实施，例如BLUETOOTHTM、Wi-Fi、近场通信(NFC)、射频标识(RFID)、3G、长期演进(LTE)、通用串行总线(USB)以及本领域技术人员已知的其他协议和技术。
作为本发明的组件的诊断工具：
本发明的系统及方法亦可包含一种用于检测异常脑部功能的工具。诊断工具可为，例如功能性核磁共振成像(fMRI)装置、功能性近红外线光谱(fNIRS)装置、脑磁图(MEG)装置、或脑电图(EEG)装置。
诊断工具执行从受试者收集有关脑功能的数据的功能。诊断工具耦接于智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机、桌上型计算机或任何合适的计算装置。这些组件经由协议利用合适的有线或无线通信而相互连接，例如BLUETOOTHTM、Wi-Fi、近距离通信(NFC)、射频标识(RFID)、3G、长期演进(LTE)、通用串行总线(USB)以及本领域技术人员已知的其他协议和技术。利用从诊断工具至计算装置的此连接来传输所收集的数据。
计算装置包含处理器，其执行操作装置时所必需的功能和操作。为了执行功能和操作，处理器使用储存于计算装置的存储组件的数据及应用。通信组件允许计算装置与外部装置及网络通信。计算装置优选包含显示组件，用于显示数据及信息供用户查看。计算装置亦优选地包含输入组件，允许用户键入信息及指令。举例而言，输入组件可优选地是触摸屏、鼠标、小键盘、键盘、麦克风、相机或录像机。触摸屏可优选地同时用作显示及输入组件。
储存于计算装置的应用之一是分析软件，其可以处理并分析所收集的数据。举例而言，EEG分析软件可用于处理及分析EEG装置所收集的数据。该应用的一项优选的功能可以是处理所收集的数据并以可观看的形式显示于计算装置的显示组件上。选择性地，分析应用可优选经由网络向不同或远端位置的另一计算装置传输所收集的数据，其中该所收集的数据以可观看的形式显示。网络可为无线或有线，例如以太网、局域网、城域网或光纤网络。
分析软件的另一项功能是将从受试者收集的数据与正常受试者的有关脑功能的数据进行比较。进行该比较时，分析软件产生受试者脑活动的分析数据，其可能包含在受试者中检测到异常脑部功能。在替代性实施例中，优选经由网络将所收集的数据传输到不同或远端位置的另一计算装置，于该处，将这些所收集的数据与正常受试者的脑功能相关数据进行比较，并产生受试者脑活动的分析数据，其中可能包含在受试者中检测到异常脑部功能。网络可为无线或有线，例如以太网、局域网、城域网或光纤网络。
另一应用，具体是PBM参数设定应用，被用于：(i)接收、处理并分析从受试者收集的数据和/或可能包含受试者异常脑功能的分析数据；(ii)根据该数据，选择合适的光能参数以施加于PBM治疗中的受试者；以及(iii)传送有关所选参数的指令至控制器组件。PBM参数设定应用可储存在与所述分析应用相同或不同的计算装置中。分析应用可将数据直接传输到PBM参数设定应用，或传输到数据库，其中，所述数据被储存并然后被PBM参数设定应用恢复。
选择性地，PBM参数设定应用可直接恢复来自分析应用或数据库的数据。数据库可优选地位于与所述任一软件应用相同或不同的计算装置。在任何情况下，受试者的收集的数据和/或包含受试者异常脑功能的分析数据由PBM参数设定应用接收。PBM参数设定应用选择合适的光能参数以施加于PBM治疗中的受试者，并然后传输有关所选参数的指令至控制器组件。通过控制器组件，合适的光能参数得以施加于受试者。
在另一优选方面中，可在数据库中存储受试者的个人病史，所述个人病史可能包含受试者的收集数据、以及包含受试者异常脑功能的分析数据和/或有关受试者PBM治疗例示的数据。数据库可优选地位于与所述任一软件应用相同或不同的计算装置。
在使用EEG装置作为诊断工具的一个优选实施例中，本发明的系统可包含例如：
1.包含盖帽的EEG装置，其包含一个或多个电极用于读取及记录受试者的脑电活动。电极连接到外部装置，并向外部装置发送关于受试者脑电活动的数据。
2.计算装置，其上下载有EEG分析软件，向所述计算装置发送上述EEG数据。EEG分析软件将受试者的EEG读值与正常EEG读值进行比较，并产生分析数据，其中可能包含所检测到的异常。
3.PBM参数设定应用，其被下载至与其上下载有EEG分析软件的计算装置相同或不同的计算装置。PBM参数设定应用可被用于：(i)使得下述控制器组件通电/断电；和/或(ii)调整系统的光能参数，其中所述调整优选根据EEG分析数据进行。
4.系统界面，向下述的控制器组件传输有关特定光能参数的指令。与其上下载有EEG分析软件和/或PBM参数设定应用的计算装置相同或不同的计算装置可优选地充当系统界面。优选地，系统界面具有输入组件，其可用于经由控制器组件而手动控制一个或多个照射单元。
5.一个或多个支架或头戴组，其优选支撑一个或多个照射单元，以使一个或多个照射单元可被定位以瞄准受试者上的特定位置。在一个优选实施例中，照射单元被定位在头颅上以瞄准以下位置：背内侧前额叶皮质(dmPFC)；后扣带回皮质(PCC)；楔前叶(PCu)加上外侧顶叶皮质(LPC)；左右背外侧前额叶皮质(DLPC)；在鼻腔内以瞄准腹侧前额叶皮质、内嗅皮质和/或海马旁区(包含海马体)；以及在枕下区以瞄准小脑和/或脑干。一个或多个照射单元可选择性地瞄准位置，诸如颈部的迷走神经、耳垂/耳道及眼睛(优选是设置于护目镜内侧)、或任何其他身体部位。
6.控制器组件，其传送电流及有关特定光能参数的指令至一个或多个照射单元，优选是自动地根据基于EEG的计算机分析或根据手动输入。优选地，控制器组件具有输入单元，可用于手动控制一个或多个照射单元。
7.电流源，例如可充电式充电宝或电池，其提供电流至控制器组件。可充电式充电宝是一个优选的实施例，因为其顾及系统的可携性。选择性地，控制器组件可通过功率适配器由直接来自电网的电力供电。
任何组件之间的连接均经由协议利用合适的有线或无线通信而实施，例如BLUETOOTHTM、Wi-Fi、近场通信(NFC)、射频标识(RFID)、3G、长期演进(LTE)、通用串行总线(USB)以及本领域技术人员已知的其他协议和技术。
该系统可优选地具有光能缺省参数的集合，其通常有效。前述缺省参数可考虑到分析数据自动修改。缺省参数亦可优选地通过系统界面手动修改。系统可优选地按照选定时间间隔生成负反馈环，以触发调制参数的传送。
本发明的优选系统及设备实施例：
如图2至4所示，本发明提供设备100的优选实施例，其结合经颅光照治疗头戴组102、第二光照治疗头戴组104以及经鼻光疗单元106。便携式控制器组件108可充当用于经颅头戴组102、第二头戴组104及经鼻单元106的中央处理单元。
头戴组102包含一个或多个配置的照射单元110、112、114、116、118及120，其可如图8所示放置。如图6中看到的，每一配置的照射单元110、112、114、116、118及120均包含便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于头颅200的外表面配置。便携式中空壳体包含光能透射材料，其形成用于所述中空壳体的配置的外表面的至少一部分。至少一个光生成单元被完全安装并容纳于所述中空壳体的所述内部空间体积中，并且能够生成足以穿透头颅并进入脑的光能。每一个配置的照射单元110、112、114、116、118及120也具有驱动器电路122，其与控制器组件106通信并控制(多个)光生成单元。
头戴组102中提供支架124，以支撑配置的照射单元110、112、114、116、118及120，以及适配头戴组102以将配置的照射单元110、112、114、116、118及120的透光外表面任意放置于头颅200上一固定位置及期望的照射方向。每一个配置的照射单元110、112、114、116、118及120均可通过沿着支架124滑动而移动。以此方式，配置的照射单元110、112、114、116、118及120可被设定在头颅200上许多不同的位置，以瞄准脑中的许多不同的位置。优选地提供支撑垫126以有助于将头戴组102固定于头颅200，并且使得头戴组102更加舒适用于患者配戴。
在图2至4和8所示的优选实施例中，支架124支撑六个配置的照射单元110、112、114、116、118和120，并且每一配置的照射单元110、112、114、116、118和120均具有至少一个光生成单元。所述六个单元被定位在头戴组102中，使其瞄准脑的特定区域。在图2至5和8所示的优选实施例中，这些单元被定位以瞄准以下脑部位：
(i)右外侧顶叶皮质(LPC)和/或后扣带回皮质(PCC)；
(ii)楔前叶(PCu)；
(iii)左外侧顶叶皮质(LPC)和/或后扣带回皮质(PCC)；
(iv)右背外侧前额叶皮质(DLPC)；
(v)背内侧前额叶皮质(dmPFC)；和
(vi)左背外侧前额叶皮质(DLPC)。
图2至4所示的第二头戴组104包含额外配置的照射单元130。如图7所示，配置的照射单元130也包含便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于头颅200的外表面配置。便携式壳体包含光能透射材料，其形成所述中空壳体的配置的外表面的至少一部分。至少一个光生成单元被完全安装并容纳于所述中空壳体的所述内部空间体积中，且能够生成足以穿透头颅并进入脑的光能。
第二头戴组104中提供第二支架132，以支撑配置的照射单元130，以及适配头戴组104以将配置的照射单元130的透光外表面放置在头颅200的枕下区上的固定位置及期望的照射方向。优选地提供支撑垫134以有助于将第二头戴组104固定于头颅200，并且使得头戴组104更加舒适用于患者配戴。
在图2至5所示的优选实施例中，配置的照射单元130在第二头戴组104中被定位在枕下区，使其瞄准小脑和/或脑干。
如图2至4所示，经鼻光疗单元106包含鼻夹140。鼻夹140是“L形”，且其在受试者的一个鼻孔内保持配置的照射镜头142。该配置的照射镜头142包含便携式中空壳体，其具有固定维度，一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于鼻孔内部的外表面构造。便携式中空壳体包含光能透射材料，其形成所述中空壳体的配置的外表面的至少一部分。至少一个光生成单元被完全安装并容纳于所述中空壳体的所述内部空间体积中，且能够生成足以穿透鼻组织并进入脑的光能。经鼻光疗单元104瞄准脑的腹侧或下侧区域，例如直接瞄准腹内侧前额叶皮质(vmPFC)、以及间接经由嗅球至内嗅皮质(EC)及海马旁区(包含海马体)。
第一连接器150经由驱动器电路122与经颅头戴组102的配置的照射单元110、112、114、116、118及120电连通。第二连接器152与第二头戴组104所配置的照射单元130电连通。第三连接器154与经鼻光疗单元106所配置的照射镜头142电连通。这允许直流电从便携式控制器组件108到经颅头戴组102的配置的照射单元110、112、114、116、118及120中的光生成单元、第二头戴组104所配置的照射单元130中的(多个)光生成单元、以及经鼻光疗单元106所配置的照射镜头142中的(多个)光生成单元的按需输送。
便携式充电宝160提供电流至设备100。充电宝160可以是标准的充电宝，其包含封装电池，该封装电池具有用以控制电流的电路。优选地，充电宝160可通过经由线缆插入电网而充电，使充电宝160吸收并储存电能。或者，充电宝160可通过其他方式进行充电，例如可使用光伏板，其利用太阳能为内部电池充电。第四连接器162提供充电宝160与控制器组件108之间的电连通。如此，充电宝160提供电流至控制器组件108，该控制器组件108接着提供电流至设备100的光生成单元。
图2和9所示的平板计算机170为设备100提供系统界面172。平板计算机170已在其上下载有PBM参数设定计算机应用，该应用可以：(i)开启及关闭控制器组件；和/或(ii)调整每一个别光生成单元的光能参数，其包含但不限于：波长、相干性/同步性、能量(以焦耳(J)计)、功率(以瓦特(W)或毫瓦(mW)计)、辐照度(W/cm2)、辐射曝露量或剂量或通量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束尺寸(光束落点的面积)以及光束穿透(传送)距离。优选地，每一个配置的照射单元110、112、114、116、118、120及130以及配置的照射镜头142可选择性地开启及关闭，因为每一个均具有其自己的光生成单元及其自己的驱动器电路122。在替代性实施例中，平板计算机170可被替代为智能型手机、智能型手表、膝上型计算机或桌上型计算机。
此外，平板计算机170用作系统界面172，其中用户选择触摸屏上的图表以开启及关闭控制器组件108、和/或调整每一个别光生成单元的光能参数。一旦用户对系统界面172输入指令，指令就被传送到控制器组件108，控制器组件108然后调整光生成单元所传送的光能的参数。在此实施例中，平板计算机170通过无线的方式与控制器组件108链接并通信。然而，可以使用任何合适的经由协议的有线或无线通信以将平板计算机170链接至控制器组件108，所述协议诸如：BLUETOOTHTM、Wi-Fi、近场通信(NFC)、射频标识(RFID)、3G、长期演进(LTE)、通用串行总线(USB)以及本领域技术人员已知的其他协议和技术。
图1图示了EEG装置1000，其可被优选地用作本发明的系统和设备的一部分。EEG装置1000包含盖帽1010，其包含一个或多个电极1012用于读取及记录受试者的脑电活动。图1所示的实施例具有19个电极1012。然而，EEG装置就电极的数量而言变化很大，32及64个电极亦为常见配置，而128及256个电极则用于研究中。电极1012连接至平板计算机170(或选择性地，另一计算装置)，并向平板计算机170(或选择性地，另一计算装置)发送受试者的脑电活动数据，平板计算机170上下载有EEG分析软件。
本发明优选的治疗方法：
上述系统及设备可被用于本发明的优选方法中。在优选的方法中，光能优选地被传送至脑的目标区域，例如DMN中的皮质枢纽。如前所述，这些皮质枢纽中的病变与许多脑部疾病相关，例如阿兹海默症及失智症。光有效地传送到这些受损区域的目的在于刺激愈合，通过优选为40赫兹的脉冲，将微胶细胞修饰成非炎性表型以增强其功效。在细胞等级，光受体呼吸酶细胞色素氧化酶对光谱中的可见红光区及近红外光区的光特别敏感，并且将所吸收到的红光及近红外光波长的光转换为三磷酸腺苷(ATP)的细胞能量分子。其结果引发ATP合成及氧气消耗的增加，从而改善活体内的线粒体代谢。这优选地促进神经细胞的生长及愈合，且意图通过基因转录的处理改善脑部疾病的症状。
用于执行非侵入性照射光疗以达成对活体哺乳类受试者的脑神经刺激的所述方法优选包含以下步骤及动作：
步骤1：获得本发明的光能发射装置100。
步骤2：将一个或多个配置的照射单元110、112、114、116、118、120及130的透明外表面放置在贴近受试者头颅200的期望固定位置，以使所述配置的照射单元110、112、114、116、118、120及130所发射的光能可以穿透受试者的头颅200而进入至少一部分的活体内脑；以及
将配置的照射镜头142的透明外表面放置在受试者鼻孔中贴近鼻腔内衬处的一期望的固定位置，以使所述配置的照射镜头142所发射的光能可以穿透受试者的鼻组织而进入至少一部分的活体内脑。
步骤3：使所述定位的配置照射单元110、112、114、116、118、120及130的光生成单元生成光能，该光能具有足以穿透受试者头颅200并进入脑的参数；以及
使所述定位的配置照射镜头142的光生成单元生成光能，该光能具有足以穿透受试者鼻组织并进入脑的参数。
在一个优选的实施例中，照射单元110、112、114、116、118、120、130及142被定位以瞄准以下部位：(i)右外侧顶叶皮质(LPC)和/或后扣带回皮质(PCC)；(ii)楔前叶(PCu)；(iii)左外侧顶叶皮质(LPC)和/或后扣带回皮质(PCC)；(iv)右背外侧前额叶皮质(DLPC)；(v)背前额叶皮质(PFC)；(vi)左背外侧前额叶皮质(DLPC)；(vii)经由鼻腔，瞄准腹内侧前额叶皮质(vmPFC)、内嗅皮质(EC)和/或海马旁区(包含海马体)；以及(viii)小脑和/或脑干。
如前所述，本发明的系统、设备及方法也可包含用于诊断异常脑功能的工具。所述诊断工具可以是，例如功能性核磁共振成像(fMRI)装置、功能性近红外线光谱(fNIRS)装置、脑磁图(MEG)装置、或脑电图(EEG)装置。
以下为本发明方法的优选实施例的描述，其使用EEG装置作为诊断工具。
1.将EEG装置1000，例如具有一个或多个电极1012的EEG盖帽1010，放置在受试者的头颅200上。检测出受试者中各种振荡的脑波。
2.将受试者脑波的相关数据传输到平板计算机170(或选择性地为另一计算装置)，其上下载有EEG分析软件。可分析受试者的脑波数据。具体地，将受试者的脑波属性与正常脑波属性进行比较，并产生受试者脑活动的分析数据。如果存在，会检测出异常的脑波属性，且优选是以脑特定区域标识。
3.受试者脑活动的分析数据，其中包含任何异常的脑波数据，被传输到PBM参数设定软件应用或被其恢复，优选地是下载于同一平板计算机170上。根据该分析数据，PBM参数设定软件应用为各个配置的照射单元110、112、114、116、118、120及130及配置的照射镜头142，针对波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz))、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束尺寸(光束落点的面积)以及光束穿透(传送)距离中的一个或多个，选择合适的光能参数。
4.将具有特定选择参数的合适光能的相关指令从平板计算机170传输到控制器组件108。
5.控制器组件108促使具有特定选择参数的光能被引导至使用一或多个照射单元的受试者，所述照射单元被策略性地定位在受试者的头皮、颈部、鼻、眼、耳或受试者身体的任何其他部位。在一个优选的实施例中，照射单元被定位以瞄准以下部位：(i)右外侧顶叶皮质(LPC)和/或后扣带回皮质(PCC)；(ii)楔前叶(PCu)；(iii)左外侧顶叶皮质(LPC)和/或后扣带回皮质(PCC)；(iv)右背外侧前额叶皮质(DLPC)；(v)背内侧前额叶皮质(dmPFC)；(vi)左背外侧前额叶皮质(DLPC)；(vii)通过鼻腔，瞄准腹内侧前额叶皮质(vmPFC)、内嗅皮质(EC)和/或海马旁区(包含海马体)；以及(viii)小脑和/或脑干。一个或多个照射单元可被添加以瞄准位置，如颈部的迷走神经、耳垂/耳道及眼睛(优选是设置于护目镜内侧)、肠道或任何其他身体部位。
将PBM的介入与内生性脑连接、相干及同步的诊断结合：
功能异常的脑网络通常与其脑波波形的异常连接、相干或同步相关联。退化性疾病及低活动性与缺乏这些属性相关联，或在较慢的δ及θ振荡中具有持续的过度相干/同步。所述现象可由EEG读值指出。在整个网络中重建常态的振荡功率可以缓和神经退化或其他精神疾病如注意力不足过动症(attention deficit hyperactivity disorder,ADHD)及双极性障碍的症状。其可被应用于更加精确的位置。举例而言，EEG诊断可指出过度相干，该过度相干可能被“锁定”在介于F3及F4或其他位置(依据10-20EEG系统)之间的θ振荡中，其可通过引起与内生性θ振荡异相的脉冲频率来打破。同样地，对于两个位置之间的低相干，在与内生性振荡同相的振荡中增加功率可增强其连接。使用与如EEG的诊断方法耦接的PBM介入以达成所述效果是新颖且有用的。此选择性介入方法的变化形式可用于达成正常脑或意识状态改变的增强表现。
在一个优选的实施例中，本发明的方法使用EEG装置以检测受试者脑中两个不同位置之间的神经振荡是否为彼此相干(同相或同步)或非相干(异相或不同步)。此亦可指示出连接性。异常的相干可能表示有神经疾病。举例而言，在注意力不足亚型的ADHD中，额叶或脑某些区域可能被锁定在过度相干且高功率的δ及θ的低频振荡中，可通过在这些区域引起不同相位的振荡来对其进行校正。相干/同步数据可被用于为使用本发明系统及设备的治疗选择操作参数。鉴于包含阿兹海默症的众多疾病存在异常的相干/同步，脉冲PBM可作为用以校正这些异常乃至症状的工具。实时的EEG读值可智能地要求对特定时间序列中的所选脑位置进行所选振荡的PBM，该振荡可与内生性脑震荡异相以中断过度相干，或同相以增强相干性。
在其中本发明的方法是使用功能性近红外线光谱(fNIRS)装置或功能性核磁共振成像(fMRI)的优选实施例中，可收集脑中血氧合相关的数据。该收集而得的数据优选是通过与正常血氧合数据相比较而受到分析，并且判断其是正常或异常。根据此数据分析，通过特定参数选择合适的光能，该特定参数与下列一个或多个相关：波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz))、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束点(光束落点的面积)以及光束穿透(传送)距离。具有特定选择参数的合适光能的相关指令被发送到控制器组件。控制器组件使具有特定选择参数的光能被引导至使用一个或多个照射单元的受试者，所述照射单元被策略性地定位在受试者的头皮、颈部、鼻、眼、耳或受试者身体的任何其他部位。
系统/设备/方法参数及剂量测定：
遵照本发明的有效且安全的系统及方法提供多种操作参数的选择及控制。这些操作参数包含但不限于以下(多个)选择：光波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz))、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束点(光束落点的面积)以及光束穿透(传送)距离。
1.治疗波长的选择
示出为在诱发活神经细胞中的活体有益效果时最有效的波长大致位于光谱的红光及近红外光(NIR)的光学窗口中(即介于620纳米至1400纳米之间的波长)。成功的脑部照射治疗不论在动物或人类身上，均通常以633～670纳米的波长或808～1072纳米(近红外光)的波长进行。据此，任何范围约介于620～700纳米及780～1400纳米之间的光波长均被认为对于本发明的治疗性使用是可接受的。
然而一般而言，光波长愈长，成功治疗所需的能量便愈低，且已可确定的是光波长愈长，进入并穿过活组织的光的穿透距离愈深。然而，在活体哺乳动物组织中，大于850纳米的波长会渐增地且按照指数地被身体中的水分吸收。光能穿透活组织不仅取决于所选择的波长，亦取决于目标组织的光学属性。以哺乳动物的活脑而言，光能在脑灰质及白质中的最大穿透距离出现于波长约介于620纳米～1400纳米之间的NIR光区域中。亦因此，总体而言优选是使用约介于620纳米～1400纳米的NIR光波长，且用于穿透及获得神经组织反应，具体而言优选是约810纳米。
2.连续波(CW)对脉冲频率
一般而言，PBM中，在高功率允许在不产生不期望的热量的情况下的更深穿透的假设中，脉冲已被用以冷却高功率的激光。此原理亦适用于LED。如关于兔子的研究中所论证的，其可活化更多细胞能量(ATP)。另一个作用机制假定脉冲的第一部分中所含有的光子将上层组织中所有发色团分子引向激发态，从而开放通路使更多光子在下个脉冲期间进入组织。在一项动物研究中，研究人员以810纳米的激光进行测试，发现10赫兹的脉冲比100赫兹对创伤性脑损伤产生更强的恢复。他们认为，光疗中的抗抑郁活动是促成因素。
可见光脉冲具有触发癫痫发作的风险。本发明优选是寻求仅不可见的近红外光脉冲以避免此问题。此外，癫痫仅会在光视觉处理中被触发，即光须由眼睛看见并且在视觉皮质中被处理。若本发明使用可见光波长的光线，则优选是避免在人体上使用脉冲模式，因为可能的光敏感性癫痫事件发生的风险。因此，本发明优选使用不可见近红外光脉冲，如波长约810纳米的光。此外，通过头皮及鼻腔的光的引导可降低光敏感性癫痫发作的风险。
3.脉冲频率
α脉冲频率是用以治疗创伤性脑损伤(TBI)的优选脉冲频率，优选为约10赫兹。α脉冲频率亦是用以治疗其他病症如抑郁症、焦虑症、缺氧及中风的优选脉冲频率，优选为约10赫兹。
阿兹海默症(AD)经常表现出短期记忆及情节记忆处理或编码上的缩减或异常。研究已发现，记忆编码于可能在似乎具有中和抑制效果的γ振荡不存在时，为功能异常且表达兴奋性毒性。此振荡可通过40赫兹的PBM引起。此外，调查揭示，40赫兹γ振荡的光亦将微胶细胞(其扮演除去AD相关蛋白斑块的角色)修饰为非炎性型态，该型态可有效且安全地解决AD的病理现象。本发明可将40赫兹的PBM介入引导到其中斑块堆积的病灶，以协助除去及预防更进一步的堆积。此脉冲实质上充实“具有脉冲频率的PBM可增强神经元的愈合”的理论。
γ脉冲频率是用以治疗AD的优选脉冲频率，优选为约40赫兹。此外，γ脉冲频率是用以治疗帕金森氏症的优选脉冲频率，优选为约40赫兹，因为此频率倾向于活化可吞噬脑中外来物质的非炎性吞噬性微胶细胞。另外，γ脉冲频率是用以治疗其他病症如注意力不足过动症(ADHD)、自闭症、精神分裂症的优选脉冲频率，这些病症中的内生性γ振荡普遍偏低。
发明人及其合作人使用以LEDs传送、脉冲频率40赫兹、810纳米的光进行最新的试验。先前已观察到，在小鼠模型中，海马体中网络兴奋性的异常增加及代偿抑制机制可能会导致Aβ诱发性神经缺陷。小鼠模型中的EEG记录指出网络的过度同步，其主要是在γ振荡活动减少期间。复原γ振荡可抑制过度活跃的突触活动并减少过度同步、记忆缺陷及过早死亡等AD相关病症。在患有AD的个体中，此现象和与AD相关的Aβ蛋白的形成增加所造成的风险关联。40赫兹的γ脉冲频率已经被证实可减少小鼠的视觉皮质中的Aβ蛋白产生，该小鼠处于所述脉冲频率的光照环境中。40赫兹的脉冲频率将微胶细胞修饰成非炎性状态，使其吞噬多余的Aβ蛋白沉积物，这已被理论化。当40赫兹的脉冲光在海马体中被光遗传性诱发时，该位置处的Aβ肽数量亦会显著地减少。根据该数据，Aβ在处理40赫兹的脉冲光的脑区域中可衰减，而且若40赫兹的脉冲光被引导至与DMN相关的正确区域，则其可为有影响力的AD治疗。
本发明的系统和设备亦可用于非医学治疗，例如整体地改善认知、运动表现及沉思。在所述情况下，脉冲频率是重要的参数。
就受试者认知能力的整体改善而言，所述认知能力包含获取知识并通过思考、经验及知觉来理解它的能力，以β和/或γ脉冲频率为优选，且优选是约40赫兹。
至于运动表现的改善，α脉冲频率对于需要运动员专注并冷静地考虑或进行一项心理任务的那些情形是优选的，优选为约10赫兹。γ脉冲频率对于需要运动员在时间压力下快速做决定的那些情形的是优选的，优选为约40赫兹。
沉思是其中人达到精神清醒及情绪平稳状态的做法。即使是长期的沉思者，达到高度的沉思状态亦可花上数小时。对于长期沉思者而言，γ或更高的脉冲频率对于帮助其更快达到高度沉思状态(一般约少于5分钟)是优选的，优选为约始自40赫兹或以上，优选为约于80、120、200赫兹或更高。
本发明的系统和设备可传输范围从0至1000赫兹或更高的脉冲频率，这允许介于其间的多个脉冲频率的实验。
4.相干对比非相干辐射的选择(激光对比非激光发光二极管)
激光提供单向的相干电磁辐射，因此使得与高能量输入耦接的更加集中的能量成为可能。现代激光光源通常被构造为低强度半导体格式而具有基于安全性的发散。如此的激光光源可能比LED更具有优势，所述优势包含：(i)更高程度的组织穿透；(ii)有效率的光学耦合；及(iii)高的单色性。当需求对活组织的更深穿透距离时，在假定相同的波长、能量剂量及强度的参数下，激光的相干光可能会比发光二极管(LEDs)所生成的非相干光更为优选。
然而，对于许多治疗性应用，对于临床功效并不需要如此的光相干性，而且在那些需要更大距离组织穿透的医疗情况下，使用发光二极管所发出的较长波长的非相干光通常被认为更能满足需求。近年来，发光二极管已成为替代激光作为光源的可行治疗方案。据推测，细胞的光受体(特别是细胞色素氧化酶)无法辨别其所接收的光子的相干性或非相干性。无论如何，光在组织内部时会散射。因此，给定相同波长的光，细胞光受体的接受器使用发光二极管(LEDs)所接收到的能量剂量及强度输入，会与激光光源的相干光所提供者产生类似或相同的治疗结果。虽然以LED的非相干光所进行的穿透通常较浅，但LED生成的非相干光却具有提供更广的光束落点的涵盖范围面积的优势。
本发明的系统、设备及方法可识别存在于激光光源及发光二极管光源的光之间的相干性与非相干性的差异，并且通过基于对特定应用目的而言最佳的条件，谨慎地于两者间选择(即待治疗的特定疾病状态或异常会决定以何种格式较佳)，而提供两者的可能性。
因此作为第一说明范例，当仅照射中脑区中的单一特定区域具有优势时，例如照射位于更深处的松果体及上视交叉核(suprachiasmatic nucleus,SCN)以复原正常昼夜节律并校正睡眠障碍，激光光源的相干光可以优选用于其更大的组织穿透距离。然而，作为有意义的替代方案，使用波长较长的非相干性LED光(优选在NIR范围内)结合较长的治疗时间，可充分地弥补激光光源的相干光所能提供的最大组织穿透距离的损失。然而，与激光相比，LED不具有伤害眼睛视网膜的风险。
作为对非激光的LED有利的第二说明范例，尽管来自NIR 810纳米的激光源的相干光可能因为其较深的组织穿透能力而受到青睐，但其不可见的特性具有更大的风险。810纳米的激光光对人眼是不可见的。因此，可见的激光会引发眨眼以作为自主防卫机制，而不可见的激光则不会这样。因此，若他或她长时间直视激光光源，则存在无意间对眼睛造成视网膜损伤的重大风险。这是对激光的使用进行监控限制的原因。因此，提供非激光LED的本发明更为安全，并且在无监控限制的情况下，去除在家中无人监督的使用下的安全风险。这并不排除NIR激光在临床或研究环境中的使用。在相同的论点下，低功率可见红光激光相较于不可见光激光更为安全。
非相干性LED所生成的光的另一个有利方面，是使用如此非相干光与激光所生成的光相比，相对而言产生较低的热能。此可允许活体脑组织在使用功率密度相对低的波长下，更长时间地曝露于非相干性LED所生成的光，进而允许更有效调节神经活动的时间。因此，如果延长治疗时间以达到医疗效果，例如创伤性脑损伤的治疗，则非相干性LED所生成的功率密度较低的光波长，在避免对脑组织造成非期望的热损伤的风险上，比起激光所生成的光更为优选。
因此，对于一般治疗性使用目的，本发明优选是使用NIR的LED光源及非相干光波长用于脑治疗及预防医学应用。此优选的使用总体上包含且涵盖有关人类认知功能、神经退化、血管性失智、偏头痛、疼痛及人类记忆缺陷的医学/临床/病理学病况。它也包含非医学的使用，其中包含认知增强及改变状态。
5.治疗性能量及其他参数
传统上，光能被测量为焦耳(J)＝功率(瓦)×时间(秒)。为了刺激脑部的目的，刺激线粒体活动所需的光能极少。现今正在使用中的医疗功效的一个参考点是历经时间检验的静脉光照技术，其中包含将光直接注入静脉(主要于俄罗斯、德国及世界上其他国家使用数十年，但在美国未经食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,FDA)的认证)，并且其一般遵循波长为632.8纳米、功率约为1.5毫瓦(或另一个非常低的数值)以及时间为每次疗程约30分钟的激光参数。在此基础上，在一般的治疗方案中，患者通常于前三个日历日接受一日一次的治疗，然后接受每两个日历日一次的治疗，直至达成总数为十的患者疗程。对于每个患者疗程，传送的光能约为2.7焦耳(1.5/1000W×30分钟×60秒)。
体外研究已经示出，具有1～3焦耳能量的可见红光对于培养皿中的细胞的细胞修复足以活化PBM机制。在本发明中，优选采用更高的功率(造成更高的剂量能量)以穿透组织层。
遥测仪：
进一步地，本发明的系统及方法使用遥测仪以记录及监控受试者的治疗相关数据。举例而言，本发明的系统和设备被用于治疗受试者并充当遥测仪。关于系统是否为开启或关闭的数据、以及本发明系统和设备所使用的操作参数的相关数据被传送至基地台，所述操作参数包含但不限于：波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz))、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束尺寸(光束落点的面积)以及光束穿透(传送)距离。在该基地台，数据被记录且可被监控。
数据可通过无线传递机制从遥测仪传输至基地台，所述无线传递机制包含但不限于无线电、超音波或红外线系统。选择性地，数据可经由媒体传输，其包含但不限于电话网络、计算机网络、光链路及其他有线通信系统。选择性地，网络可通过区块链技术连接以及更新。
在神经遥测的领域中，使用EEG装置作为遥测仪已为公知，其中EEG装置收集EEG数据并并将其传输至基地台以进行监控。举例而言，在某些患者病情有任何恶化皆可能需要及时协助的案例中，EEG数据可被传输至已登记的EEG技术人员，以进行连续地或间歇地监控。在本发明的一个优选方面中，所述系统及方法包含收集EEG数据以及本发明的系统和设备所使用的操作参数的相关数据两者，并将其至基地台。在此优选的实施例中，来自所述两组数据的信息均可用于提供患者增强治疗。对于大部分，用户端的系统参数可优选地自动调整，以提供身体病况的最佳治疗，且具有手动覆写的选项。
将PBM介入与诊断结合用于自动介入：
假设脑基本上可对各种PBM参数作出反应，通过脑机界面(brain-computerinterface,BCI)并根据EEG诊断，我们可将PBM参数的调整自动化，以使我们达成更正常的脑模式。对于正常脑，我们可能可以改善其精神表现。举例而言，我们在成功的记忆编码及认知中识别到内生性γ振荡的存在。通过引起γ，我们能够活络脑用于质量更佳的内生性γ振荡，并进而增强精神表现。
用于改善脑部功能的非侵入性脑部刺激的现有技术的状态，皆是使用某种形式的电刺激，例如经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)及经颅交流电刺激(transcranial alternating current stimulation,tACS)；或磁刺激，例如经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)或所述方法的一些变化。电刺激方法及磁刺激方法的性质包含下述仪器：其本质上并未能在没有不舒适的副作用的情况下，产生统计上显著的变化。PBM本质上对用户无机械效应及热效应，并且已论证了对脑图案产生显著的调节。因此其是容易刺激的更加合适的方法，且优异地作为例如根据所谓EEG读值来设计用于快速定制介入的系统的平台。本发明中系统的设计使得用于定制PBM介入的关键参数得以调整以达成期望的结果，这是新颖且有用的。除了提供解决许多神经及精神疾病的工具以外，其甚至可增强心理表现。这些参数对于每一选择的发光二极管(LED)，会涉及脉冲频率、功率输出、脉冲、占空比的改变。这些参数还包含所选择的“LED对LED”或“子网络对子网络”的脉冲相干性/同步性，以达成与内生性振荡同相或异相的振荡。
PBM系统的易用性可与计算机数据库耦接，用于闭环系统，其可自动选择并执行参数以校正异常的脑部振荡。数据库会根据持续更新的信息的用户社群共享而进行有机地成长。整体处理可为自动的。如此的系统的自动化，特别是在标准化数据库的有机成长的数据库上的介入指定(tapping)，也是新颖且有用的。
此外，系统的用户端可以具有以下选项，其在嵌入式无线遥测系统中被远程跟踪以监控其使用，并提供关于装置是否正在被使用、所使用的时间、位置以及其是否正常地运作等信息。该连接允许参数的远程调整改善介入或以介入进行实验以改善效果。除了安全的理由以及对治疗方案的遵循，该信息提供改善的理解，促成治疗的定制以及治疗效果的改善。此系统的可用性还改善临床试验的质量，其中装置可于家中使用。使用的另一区域是用于创伤后压力症候群(PTSD)。患有PTSD的退役军人有很高的自杀风险，因此假设PBM系统能有效地缓和PTSD症状，此遥测能力的结果可能是无价的。此系统特别对居住于远离医疗中心的乡下或偏远地区的退役军人是有用的。如果用户感觉其需要紧急的帮助，系统亦将合并紧急按钮。以此种方式进行远程跟踪，合并PBM参数的远程调整(其可为自动的)，是新颖且有用的。
本发明的性质与性能：
本发明提供一些正面的性质、属性及性能。其中包含：
1.本发明可针对许多不同的参数，传送涵盖范围广泛的光能，所述参数例如但不限于波长、相干性/同步性、能量(焦耳(J))、功率(瓦特(W)或毫瓦(mW))或辐照度(W/cm2)、辐射曝露量(J/cm2)、曝露时间(秒)、波型(连续或脉冲)、频率(赫兹(Hz))、占空比(百分比)、分数协议(患者疗程的数量)、光束尺寸(光束落点的面积)及光束穿透(传送)距离，以达成脑及神经系统的治疗效果。
2.本发明能够通过引导光线及光波长的方式，照射各种不同的脑目标区域。在此方面，光的波长已被预先选定，以达成对脑物质的期望的穿透。这促成对各种神经疾病及异常的结果改善。
3.本发明优选地瞄准缺省模式网络(DMN)或其他网络的特定皮质枢纽，从而力图治愈与脑部疾病相关的枢纽中的病变，所述脑部疾病例如阿兹海默症及失智症、以及其中DMN或其他网络功能异常为因素的其他病症。
4.本发明优选地结合经颅及经鼻的光疗，其中：(i)经颅头戴组引导光能至脑新皮质区的背侧/上侧区域；及(ii)经鼻单元引导光能至脑的腹侧或下侧。第二模块被优选地添加至枕下区域以到达小脑及脑干。经由组合，比起仅使用目前的经颅式方法以及仅使用目前的经鼻式方法，其提供更全面的涵盖范围。
5.本发明提供轻量的经颅头戴组，其比起其他经颅式光生物调节方法所使用的全罩式头盔，使用上更为舒适。
6.本发明提供易于使用的经鼻涂药器部件，其可被夹在鼻孔的外壁上，而封装的固态电子光源(例如发光二极管或低能量激光二极管)被插入于鼻腔中以传送光疗。
7.本发明具有相对较低的电力需求。
8.本发明将光能的传送与处理和电源控制器组件分离，以达成卫生及节省成本两个目的，并且以单一的处理控制器组件提供不同光生成单元间的互换及代换，所述处理控制器组件会输送合适的功率剂量以有助于该目的的达成，以及与智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机、桌上型计算机或其他计算装置接合。
9.本发明使用诊断工具，例如EEG，以检测受试者的脑数据。如此的数据对于为受试者的PBM治疗选择特定参数是有用的，并且特别对于选择最有可能有效治疗受试者的特定异常状况的特定PBM治疗参数，是有用的，从而提供个人化的治疗。
10.本发明智能地通过以下方式处理由诊断工具所检测到的受试者的脑数据：(i)将受试者的脑数据与被认为正常的脑数据进行比较；(ii)评估受试者的脑数据中是否有任何异常；及(iii)根据该异常，为受试者的PBM治疗选择特定的参数。
11.本发明可自动地调整用户端的参数，以实施经智能处理的最佳介入，且具有手动覆写的选项。
12.本发明可使用遥测仪来收集关于系统开启还是关闭的数据，以及收集本发明系统所使用的操作参数的相关数据，并将这些数据传输到基地台，其中，数据被记录并监控。
第1号研究：
第1号研究旨在评估近红外光PBM对于使用本发明优选装置的5位患有轻度至中度严重的失智症或可能患有AD的患者的影响。病例系列追踪参与者：(i)12周的积极治疗；及(ii)后续4周的无治疗时段。患者通过每日在家中使用经鼻式装置被施以PBM，并且每周于临床现场被施以经颅－经鼻PBM。近红外光(810纳米)通过发光二极管(LEDs)以10赫兹的频率脉动，并传送至缺省模式网络(DMN)的枢纽。
使用MMSE及ADAS-cog量表来评估认知障碍。在12周的PBM治疗后，可以观察到认知能力的显著改善，如通过使用MMSE(p<0.003)及ADAS-cog(p<0.023)所评估。MMSE的分数参见图10。12周的治疗亦促成功能增加、睡眠改善、焦虑减少及更少的暴怒。无不良效应的报告。此外，在4周无治疗期间观察到认知功能的显著下降，说明维持治疗会是重要的。此研究论证了PBM可使患有轻度至中度严重的失智症或可能患有AD的患者的认知能力产生显著的改善。
第2号研究：
对于第2号研究，对所述第1号研究的治疗方案进行某些修改，包含：(i)脉冲频率由10赫兹(α)改成40赫兹(γ)；(ii)向随机选择的患有中度阿兹海默症的患者给予头戴组，使其在家中每晚一次、每周6晚地使用；(iii)使用较少的LED，但以更多的功率更精确地瞄准DMN的枢纽。
其结果比起在第1号研究的参与者身上所观察到的更为显著。从治疗的第二日起已可观察到显著的行为改变，例如眼神接触由1/10改善为9.2/10。至第二日为止，患者停止沉默并且开始进行有意义的对话，且能够书写。至第三周为止，在沟通能力大幅改善的下，患者已恢复其大部分的生活质量。参见图11。
本研究的调查人员总共报告为期17周的数据。如图12所示，简易智能测验(MMSE)由基线处的21增加到第17周处的26，而阿兹海默症评估量表－认知量表(ADAS-cog)由35改善为25。这些涵盖3周的ADCS-ADL评分的数据，其示出从43到58的改善。
在每个PBM治疗期间，使用EEG来测量神经振荡，并观察到在较高频率的γ、β及α振荡的功率谱中有显著的上升。另一方面，θ及δ振荡的功率谱减弱。参见图13。应注意的是，本研究在第5周的测量中使用伪装置，并且γ及β功率谱密度并无任何改变，这支持脑对有效装置(而非伪装置)有反应的理论。部分表示有α振荡的变化，因为受试者在疗程中的休息状态中闭眼。
在第2号研究中，810纳米的近红外光以40赫兹脉动，传送至DMN的枢纽，可对以下所列者产生显著地改善：
-认知能力(测量17周)
-日常生活及生活要素的质量(测量3周)
-所有振荡的、3周内的电生理基线功率
-每次治疗后的急性短期同步化，其使γ、β及α振荡的功率上升；并使θ及δ振荡的功率衰减。
效果快而显著，持续且维持3周。在研究中的17周内，指标持续地改善。没有观察到负面的副作用。
综上所述，当传送40赫兹的810纳米脉冲时，调查人员能够显著地改善与AD相关的EEG特征，并产生由MMSE及ADAS-cog测量所提供的认知能力测量值的显著改善。
第3号研究：
在第3号研究中，向被随机分配至立即治疗(immediate treatment,IM)组的患者给予本发明的优选装置以在家中使用。被随机分配至等候列表(wait-list,WL)组的患者受到为期12周、对其常规(非PBM)护理的追踪。八名患有失智症的患者完成先导性试验，其中四名患者被随机分配至IM组，四名被随机分配至WL。两组在人口统计变量或基线处的MMSE上并无显著差异。不同于所述研究，PBM治疗的频率在12周中是每隔一日进行一次。
12周过后，被随机分配至IM组的患者在认知功能(使用ADAS-cog)及行为症状(使用神经精神评估量表(NPI)，参见图14)上经历显著的改善。相反地，在WL受试者中，认知及行为症状恶化。重复测量ANCOVA，其以组(IM对比WL)作为受试者间量测，以时间(基线、6周及12周)作为受试者内量测，并以年龄、教育程度及基线MMSE作为共变量，其揭示对于ADAS-cog(F1,3＝33.35,p＝0.01)与NPI(F1,3＝18.01,p＝0.02)，组与时间具有显著的交互作用。
WL受试者可选择在完成12周的常规护理后，接受12周的PBM治疗。认知及行为评估在18及24周进行再评估，但这些受试者并没有进行进一步的MRI。图15示出在12周的常规护理期间状况恶化的两名WL受试者，在开始使用本发明的装置之后在认知及行为上有所改善(图15中所示)。成对t测试揭示了这二名WL受试者在基线与12周(t＝-15.0,df＝1,p＝0.04)、12周与24周(t＝15.0,df＝1,p＝0.04)的NPI分数具有显著的差异，但在基线与24周(t＝0.0,df＝1,p＝1.0)的NPI分数没有差异。尽管成对t测试揭示了由基线至12周、12至24周、或由基线至24周的ADAS-cog分数并无显著的差异，但是图15说明此是因为女性WL受试者的ADAS-cog分数在24周内变化极小。然而，值得注意的是，她的ADAS-cog分数在使用装置12周后(24周时为30.67)低于(即好于)其在基线时的分数。
经过12周的PBM治疗后，在后扣带回皮质及双侧顶叶皮质下颞叶以及左额叶皮质中灌注增加。在四名IM患者的DMN中功能性连接亦有增加。特别是，IM组在12周时与基线时相比，在海马体、外侧顶叶皮质及后扣带回皮质间有更强的连接。图16A及16B包含失智症患者于12周规律的PBM治疗之前和之后的功能性核磁共振成像(fMRI)。
第4号研究：
使用本发明的优选装置对20名健康受试者进行双盲EEG研究，旨在观察电生理变化在健康的脑中是否被复制，并进而证实本发明的介入质量。该装置的有效版本和伪版本用于20分钟的疗程。执行功率谱及连接性分析，以评估有效介入及伪介入之间所诱导的变化间的差异。
图17包含健康受试者在经过单一疗程后接受PBM治疗之前和之后功率谱的变化总结。图18图示了与伪装置相比，健康受试者的以脑图展示的功率谱变化。图19包含通过使用图论测量第4号研究中各种不同稀疏级别的集聚系数所得的连接性的显著变化。
分析揭示了，由装置所传送的PBM对内生性脑活动产生频率依赖性影响。在有效刺激后观察到低频功率(即δ及θ)的减少及高频功率(即α、β及γ)的增加。有效刺激组及伪刺激组之间的比较论证了，在δ(1-4赫兹；t＝-2.53、p＝0.0203)、θ(4-7赫兹；t＝-3.18、p＝0.0049)、α(8-12赫兹；t＝4.26、p＝0.0004)、β(12-30赫兹；t＝3.02、p＝0.0070)及γ(30-50赫兹；t＝3.84、p＝0.0011)中存在显著的差异。加权相位滞后指数(weighted phase lagindex,wPLI)及图论的测量方法揭示了，有效刺激及伪刺激之间的显著的变化(p<0.001)，其限于α及γ频率。此研究的结果为下述事实提供证据：PBM调节皮质振荡，而所述皮质振荡以依赖脉冲频率的方式影响脑连接性。该研究证实，具有正确参数的近红外光可充分地穿透脑，以产生显著的电生理变化。
尽管已经分开描述了上述计算机应用，但是应该理解这里公开的应用中的任意两个或多个可按照任意组合结合。本文所描述的任何应用可包含机器可读的指令，用于由以下所列者执行：(a)处理器、(b)控制器、和/或(c)任何其他合适的处理装置。这里公开的任何应用、算法或软件可在非瞬时有形介质上存储的软件中实施，例如快闪存储器、CD-ROM、磁盘、硬盘、数字多功能盘(DVD)或其他存储装置，但本领域技术人员将容易地理解，整个应用和/或其部分可以可替换地按照公知的方式由除了控制器之外的装置执行和/或在固件或专用硬件中实施(例如，其可通过特定用途集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程逻辑器件(FPLD)、离散逻辑等实现)。进一步地，本领域技术人员将容易地理解，可以可替换地使用实现所述示例机器可读指令的其他许多方法。
Claims (44)
1.一种用于对受试者的活体人脑进行非侵入性神经刺激治疗的系统，所述非侵入性神经刺激系统包含：
(A)一个或多个配置的照射单元，所述一个或多个配置的照射单元中的每一个均包含：
便携式中空壳体，具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于受试者头颅的外表面配置，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；和
至少一个光生成单元，其安装并容纳于每一配置的照射单元的所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以照射头颅并穿透头颅以进入脑内部的光能，
由此所述一个或多个配置的照射单元在施加于头颅后发射光能，并达成使所述发射的光能进入并穿过头颅而进入活体内的脑的至少一部分；
(B)支架，适用于支撑所述一个或多个配置的照射单元，以及适用于将所述一个或多个配置的照射单元的所述光能透射外表面任意地放置于头颅上固定位置和期望照射方向处；
(C)配置的照射镜头，包含：
便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积，以及适合活体内插入于鼻孔的鼻腔空间中的外表面配置，其不对受试者的呼吸能力造成实质的减损，也不侵入受试者的鼻组织，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；以及
至少一个光生成单元，其安装并容纳于所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以穿透鼻组织而进入脑内部的光能，
由此所述配置的照射镜头在活体内插入后，以任何期望方向在鼻腔内发射光能，并达成使所述发射的光能从鼻腔进入活体内的脑的至少一部分；
(D)可自我管理的涂药器部件，适用于支撑所述配置的照射镜头，以及适用于将所述配置的照射镜头的所述便携式中空壳体的所述光能透射外表面任意地放置于受试者鼻孔中靠近鼻腔内衬的固定位置及期望照射方向处；
(E)可充电的直流电流电源；以及
(F)便携式控制器组件，能够控制光能从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头传送进入所述活体内的脑的至少一部分，
所述便携式控制器组件包含：
(i)接收电路，用于接收从所述电源传递至所述便携式控制器组件的直流电流；
(ii)中央处理单元，用于控制和引导所述接收电路所接收的直流电流的流动；
(iii)传送电路，用于将这样的直流电流从所述控制器组件传送至所述一个或多个配置的照射单元及所述配置的照射镜头；
(iv)与所述电源电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流输送至所述中央处理单元；以及
(v)与所述一个或多个配置的照射单元电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流从所述中央处理单元输送至所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头，
其中所述便携式控制器组件根据一个或多个操作参数，控制从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头所发射的光能，所述一个或多个操作参数选自于由以下所列者所组成的群组：波长、相干性、能量、功率、辐射曝露、曝露时间、波型、脉冲频率、分数协议、占空比、光束点、以及光束穿透距离。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个配置单元被定位以将光能引导至脑的一个或多个区域，所述脑的一个或多个区域选自于由以下所列者所组成的群组：腹内侧前额叶皮质(vmPFC)、背内侧前额叶皮质(dmPFC)、后扣带回皮质(PCC)、楔前叶(PCu)、外侧顶叶皮质(LPC)、内嗅皮质(EC)、右背外侧前额叶皮质(DLPC)、左背外侧前额叶皮质(DLPC)、小脑以及脑干；以及
其中所述配置的照射镜头被定位以将光能经由鼻腔引导至脑的一个或多个区域，所述脑的一个或多个区域选自于由以下所列者所组成的群组：腹侧前额叶皮质、内嗅皮质以及海马旁区。
3.如权利要求1所述的系统，进一步包含系统界面，用户通过所述系统界面向所述便携式控制器组件传输关于一个或多个操作参数的指令，其中所述系统界面由计算装置所提供，所述计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机。
4.如权利要求1所述的系统，进一步包含：
诊断工具，用于从受试者收集脑活动数据；以及
第一计算装置，可通信地耦接到所述诊断工具，所述第一计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机，其中所述计算装置具有安装于其上的分析软件应用；
其中所述诊断工具向所述第一计算装置传输所述收集的脑活动数据；以及
其中所述分析软件应用通过比较所述收集的脑活动数据和正常受试者的脑活动数据来分析所述收集的脑活动数据，并基于该比较，产生受试者脑活动的分析数据。
5.如权利要求4所述的系统，进一步包含光生物调节(PBM)参数设定软件应用，其安装于所述第一计算装置或与所述第一计算装置可通信地耦接的第二计算装置上，所述第二计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机；
其中所述受试者脑活动的分析数据被传输至所述PBM参数设定软件应用或被所述PBM参数设定软件应用恢复；
其中，基于所述受试者脑活动的分析数据，所述PBM参数设定软件应用调整所述光能的所述一个或多个操作参数；以及
其中向所述便携式控制器组件传输关于所述经调整的光能的一个或多个操作参数的指令。
6.如权利要求5所述的系统，其中自动化进行由所述PBM参数设定软件应用所进行的所述分析数据的传输或恢复、由所述PBM参数设定软件应用对所述光能的一个或多个操作参数的调整、以及关于所述经调整的光能的一个或多个操作参数的指令向便携式控制器组件的传输，以向受试者提供定制的神经刺激治疗。
7.如权利要求6所述的系统，进一步包含系统界面，用户可通过所述系统界面向便携式控制器组件传输指令以便手动覆写所述PBM参数设定软件应用的关于经调整的光能的一个或多个操作参数的指令，其中所述系统界面由计算装置提供，所述计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机。
8.如权利要求5所述的系统，进一步包含数据库，其与所述第一计算装置或所述第二计算装置可通信地耦接，其中所述数据库储存数据，所述数据选自于由以下所列者所组成的群组：所述所收集的脑活动数据、所述受试者脑活动的分析数据、以及关于所述经调整的光能的一个或多个操作参数的数据。
9.如权利要求4所述的系统，其中所述诊断工具选自于由以下所列者所组成的群组：功能性核磁共振成像(fMRI)装置、功能性近红外线光谱(fNIRS)装置、脑磁图(MEG)装置以及脑电图(EEG)装置。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述诊断工具是EEG装置；
其中，当EEG装置检测到受试者的脑波在脑中两个不同位置或两个不同的脑网络或子网络处异常同相时，所述配置的照射单元中的一个或多个被定位以所述脑中的这两个位置中的至少一个或这两个脑网络或子网络中的至少一个为目标，并且所述便携式控制器组件控制所述光能的一个或多个操作参数，以促使受试者的脑波在所述两个不同位置或所述两个不同的脑网络或子网络处彼此异相。
11.如权利要求9所述的系统，其中所述诊断工具是EEG装置；
其中，当EEG装置检测到受试者的脑波在脑中两个不同位置或两个不同的脑网络或子网络处异常异相时，所述配置的照射单元中的一个或多个被定位以所述脑中的这两个位置中的至少一个或这两个脑网络或子网络中的至少一个为目标，并且所述便携式控制器组件控制所述光能的一个或多个操作参数，以促使受试者的脑波在所述两个不同位置或所述两个不同的脑网络或子网络处趋近于彼此同相。
12.如权利要求1所述的系统，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在α脉冲频率，以用于治疗疾病，所述疾病选自于由以下所列者所组成的群组：创伤性脑损伤(TBI)、抑郁、焦虑、缺氧、中风、以及对α振荡的增加功率和连接性有反应的疾病。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述α脉冲频率是大约10赫兹。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在γ脉冲频率，以用于治疗疾病，所述疾病选自于由以下所列者所组成的群组：阿兹海默症、帕金森氏症、注意力不足过动症(ADHD)、自闭症以及精神分裂症。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述γ脉冲频率是大约40赫兹。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在α脉冲频率，用于改善受试者的运动表现。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述α脉冲频率是大约10赫兹。
18.如权利要求1所述的系统，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在γ脉冲频率，用于改善受试者的认知能力或受试者的运动表现。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述γ脉冲频率是大约40赫兹。
20.如权利要求1所述的系统，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在一脉冲频率，用于协助受试者达到高度的沉思状态。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述脉冲频率是大约40至1000赫兹或更高。
22.如权利要求1所述的系统，其中所述系统发挥遥测仪的功能，由此将关于所述光能的一个或多个操作参数的数据传输至一基地台、记录于所述基地台、并于所述基地台监控。
23.一种用于对受试者的活体人脑进行非侵入性神经刺激治疗的方法，所述非侵入性神经刺激方法包含以下步骤：
获得光能发射系统，包含：
(A)一个或多个配置的照射单元，所述一个或多个配置的照射单元中的每一个均包含：
便携式中空壳体，具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积、以及适合施加于受试者头颅的外表面配置，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；和
至少一个光生成单元，其安装并容纳于每一配置的照射单元的所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以照射头颅并穿透头颅以进入脑内部的光能，
由此所述一个或多个配置的照射单元在施加于头颅后发射光能，并达成使所述发射的光能进入并穿过头颅而进入活体内的脑的至少一部分；
(B)支架，适用于支撑所述一个或多个配置的照射单元，以及适用于将所述一个或多个配置的照射单元的所述光能透射外表面任意地放置于头颅上固定位置和期望照射方向处；
(C)配置的照射镜头，包含：
便携式中空壳体，其具有固定维度、一定尺寸的内部空间体积，以及适合活体内插入于鼻孔的鼻腔空间中的外表面配置，其不对受试者的呼吸能力造成实质的减损，也不侵入受试者的鼻组织，所述便携式中空壳体由光能透射材料构成，其形成所述便携式中空壳体的配置的外表面的至少一部分；以及
至少一个光生成单元，其安装并容纳于所述便携式中空壳体的所述一定尺寸的内部空间体积中，并且其能够生成足以穿透鼻组织而进入脑内部的光能，
由此所述配置的照射镜头在活体内插入后，以任何期望方向在鼻腔内发射光能，并达成使所述发射的光能从鼻腔进入活体内的脑的至少一部分；
(D)可自我管理的涂药器部件，适用于支撑所述配置的照射镜头，以及适用于将所述配置的照射镜头的所述便携式中空壳体的所述光能透射外表面任意地放置于受试者鼻孔中靠近鼻腔内衬的固定位置及期望照射方向处；
(E)可充电的直流电流电源；以及
(F)便携式控制器组件，能够控制光能从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头传送进入所述活体内的脑的至少一部分，
所述便携式控制器组件包含：
(i)接收电路，用于接收从所述电源传递至所述便携式控制器组件的直流电流；
(ii)中央处理单元，用于控制和引导所述接收电路所接收的直流电流的流动；
(iii)传送电路，用于将这样的直流电流从所述控制器组件传送至所述一个或多个配置的照射单元及所述配置的照射镜头；
(iv)与所述电源电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流输送至所述中央处理单元；以及
(v)与所述一个或多个配置的照射单元电连通的至少一个连接器，用于将这样的直流电流从所述中央处理单元输送至所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头，
其中所述便携式控制器组件根据一个或多个操作参数，控制从所述一个或多个配置的照射单元和所述配置的照射镜头所发射的光能，所述一个或多个操作参数选自于由以下所列者所组成的群组：波长、相干性、能量、功率、辐射曝露、曝露时间、波型、脉冲频率、分数协议、占空比、光束点、以及光束穿透距离；
将所述一个或多个配置的照射单元的所述光能透射外表面放置于靠近受试者头颅的期望固定位置，使得所述一个或多个配置的照射单元所发射的光能将照射受试者的头颅并穿透受试者的头颅而进入活体内脑的至少一部分；
将所述配置的照射镜头的所述光能透射外表面放置于鼻孔内靠近受试者鼻腔内衬的期望固定位置，使得所述配置的照射镜头所发射的光能将穿透受试者鼻组织并进入活体内脑的至少一部分；
通过所述便携式控制器组件控制所述定位的配置的照射单元的所述光生成单元，以生成足以照射头颅并穿透受试者头颅而进入脑的光能；以及
通过所述便携式控制器组件控制所述定位的配置的照射镜头中的光生成单元，以生成足以穿透鼻组织并进入脑内部的光能。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述一个或多个配置单元被定位以将光能引导至脑的一个或多个区域，所述脑的一个或多个区域选自于由以下所列者所组成的群组：腹内侧前额叶皮质(vmPFC)、背内侧前额叶皮质(dmPFC)、后扣带回皮质(PCC)、楔前叶(PCu)、外侧顶叶皮质(LPC)、内嗅皮质(EC)、右背外侧前额叶皮质(DLPC)、左背外侧前额叶皮质(DLPC)、小脑以及脑干；并且
其中所述配置的照射镜头被定位以将光能经由鼻腔引导至脑的一个或多个区域，所述脑的一个或多个区域选自于由以下所列者所组成的群组：腹侧前额叶皮质、内嗅皮质以及海马旁区。
25.如权利要求23所述的方法，其中所述光能发射系统进一步包含系统界面，用来向所述便携式控制器组件传输关于一个或多个操作参数的指令，其中所述系统界面由计算装置提供，所述计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机。
26.如权利要求23所述的方法，其中所述系统进一步包含：
诊断工具，用于从受试者收集脑活动数据；以及
第一计算装置，与所述诊断工具可通信地耦接，所述第一计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机，其中所述计算装置具有安装于其上的分析软件应用；
其中所述方法进一步包含以下步骤：
所述诊断工具从受试者收集脑活动数据，并向所述第一计算装置传输所述所收集的脑活动数据；并且
所述分析软件应用通过比较所述收集的脑活动数据和正常受试者的脑活动数据来分析所述收集的脑活动数据，并基于该比较，产生受试者脑活动的分析数据。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述系统进一步包含光生物调节(PBM)参数设定软件应用，其安装于所述第一计算装置或与所述第一计算装置可通信地耦接的第二计算装置上，所述第二计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机；
其中所述方法进一步包含以下步骤：
将所述受试者脑活动的分析数据传输至所述PBM参数设定软件应用或由所述PBM参数设定软件应用恢复；
基于所述受试者脑活动的分析数据，所述PBM参数设定软件应用调整所述光能的所述一个或多个操作参数；以及
向所述便携式控制器组件传输关于所述经调整的光能的一个或多个操作参数的指令。
28.如权利要求27所述的方法，其中自动化进行由所述PBM参数设定软件应用所进行的所述分析数据的传输或恢复、由所述PBM参数设定软件应用对所述光能的一个或多个操作参数的调整、以及关于所述经调整的光能的一个或多个操作参数的指令向便携式控制器组件的传输，以向受试者提供定制的神经刺激治疗。
29.如权利要求28所述的方法，其中所述系统进一步包含系统界面，用户可通过所述系统界面向便携式控制器组件传输指令以便手动覆写所述PBM参数设定软件应用的关于经调整的光能的一个或多个操作参数的指令，其中所述系统界面由计算装置提供，所述计算装置选自于由以下所列者所组成的群组：智能型手机、智能型手表、平板计算机、膝上型计算机以及桌上型计算机。
30.如权利要求27所述的方法，其中所述系统进一步包含数据库，其与所述第一计算装置或所述第二计算装置可通信地耦接，
其中所述方法还包括数据库储存数据的步骤，所述数据选自于由以下所列者所组成的群组：所述所收集的脑活动数据、所述受试者脑活动的分析数据、以及关于所述经调整的光能的一个或多个操作参数的数据。
31.如权利要求26所述的方法，其中所述诊断工具选自于由以下所列者所组成的群组：功能性核磁共振成像(fMRI)装置、功能性近红外线光谱(fNIRS)装置、脑磁图(MEG)装置以及脑电图(EEG)装置。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述诊断工具是EEG装置；
其中所述方法进一步包含以下步骤：
当EEG装置检测到受试者的脑波在脑中两个不同位置或两个不同的脑网络或子网络处异常同相时，所述配置的照射单元中的一个或多个被定位以所述脑中的这两个位置中的至少一个或这两个脑网络或子网络中的至少一个为目标；并且
所述便携式控制器组件控制所述光能的一个或多个操作参数，以促使受试者的脑波在所述两个不同位置或所述两个不同的脑网络或子网络处彼此异相。
33.如权利要求31所述的方法，其中所述诊断工具是EEG装置；
其中所述方法进一步包含以下步骤：
当EEG装置检测到受试者的脑波在脑中两个不同位置或两个不同的脑网络或子网络处异常异相时，所述配置的照射单元中的一个或多个被定位以所述脑中的这两个位置中的至少一个或这两个脑网络或子网络中的至少一个为目标；并且
所述便携式控制器组件控制所述光能的一个或多个操作参数，以促使受试者的脑波在所述两个不同位置或所述两个不同的脑网络或子网络处趋近于彼此同相。
34.如权利要求23所述的方法，其中，所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在α脉冲频率，以用于治疗疾病，所述疾病选自于由以下所列者所组成的群组：创伤性脑损伤(TBI)、抑郁、焦虑、缺氧、中风以及对α振荡的增加功率和连接性有反应的疾病。
35.如权利要求34所述的方法，其中所述α脉冲频率是大约10赫兹。
36.如权利要求23所述的方法，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在γ脉冲频率，以用于治疗疾病，所述疾病选自于由以下所列者所组成的群组：阿兹海默症、帕金森氏症、注意力不足过动症(ADHD)、自闭症以及精神分裂症。
37.如权利要求36所述的方法，其中所述γ脉冲频率是大约40赫兹。
38.如权利要求23所述的方法，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在α脉冲频率，用于改善受试者的运动表现。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述α脉冲频率是大约10赫兹。
40.如权利要求23所述的方法，其中，所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在γ脉冲频率，用于受试者的认知能力或受试者的运动表现。
41.如权利要求40所述的方法，其中所述γ脉冲频率是大约40赫兹。
42.如权利要求23所述的方法，其中所述便携式控制器组件将脉冲频率控制在一脉冲频率，用于协助受试者达到高度的沉思状态。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述脉冲频率是大约40至1000赫兹或更高。
44.如权利要求23所述的方法，其中所述系统发挥遥测仪的功能，由此将关于所述光能的一个或多个操作参数的数据传输至一基地台、记录于所述基地台、并于所述基地台监控。
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