CN111973875B - 一种神经光电组合刺激装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种神经光电组合刺激装置及方法，包括脑电信号采集发送装置、电源、控制指令发送天线、刺激参数编程器、处理器和信号接收装置组成的控制设备，以及信号接收装置、脉冲发生器和水凝胶刺激电极组成的刺激设备，是一种基于脑电信号的光电组合刺激方式，将电刺激调整为亚阈值刺激状态，然后利用光刺激的高度选择性，既可以精确刺激目标神经，又可以降低单独光刺激时的能量，最终达到高选择性的安全刺激。电极设计时，利用水凝胶电极的生物相容性和导光导电特性，将水凝胶材料制成可导光导电的柔性电极，可实现生物相容的长期安全刺激。

Description

一种神经光电组合刺激装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，更具体的说是涉及一种神经光电组合刺激装置及方法。

背景技术

目前，脊髓损伤是常见的一种严重致残性疾病，无论是完全性损伤还是不完全性损伤，都会造成脊髓损伤截面以下的神经功能障碍，下肢运动功能障碍就是其中之一。由脊髓损伤造成的运动功能障碍会严重影响病人生活，致使生活不能自理，并且会造成病人心理健康疾病，给病人、病人家属以及社会带来巨大负担。

目前脊髓损伤神经功修复方式主要包括手术治疗、药物治疗、干细胞移植等，但由于脊髓损伤的临床情况复杂，通过常规的医学手段修复神经功能效果并不理想。近年来，基于脑/神经接口技术的脊髓刺激神经功能修复技术已成为国内外脊髓损伤修复领域内的研究热点，目前的刺激方式有电刺激、光刺激和磁刺激等。但目前的刺激技术存在以下缺点：1)现存的神经接口刺激技术中，单独利用电刺激会由于电流的流动而导致刺激位置不明确，容易引发多组肌肉颤动；单独利用光刺激时，虽然光有高度选择性，但光刺激受到损伤阈值/刺激阈值为2:1的限制，并且光的能量难以精确控制，很容易造成神经损伤。2)普通的刚性刺激电极容易引起电极和受体之间的相对移动，而造成刺激位置偏移，并且还容易引起阻止疤痕和炎症，不利于长期植入。

因此，如何实现人体神经的精确刺激，避免身体损伤，实现脊髓损伤神经修复是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种神经光电组合刺激装置及方法，是一种基于脑电信号的光电组合刺激方式，将电刺激调整为亚阈值刺激状态，然后利用光刺激的高度选择性，既可以精确刺激目标神经，又可以降低单独光刺激时的能量，最终达到高选择性的安全刺激。电极设计时，利用水凝胶电极的生物相容性和导光导电特性，将水凝胶材料制成可导光导电的柔性电极，可实现生物相容的长期安全刺激。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种神经光电组合刺激装置，包括控制设备和刺激设备；

所述控制设备包括处理器、刺激参数编程器、信号接收装置、控制指令发送天线、电源和脑电信号采集发送装置；所述脑电信号采集发送装置采集脑电信号发送至所述信号接收装置；所述信号接收装置连接所述处理器，向所述处理器发送所述脑电信号；所述电源连接所述处理器；所述处理器连接所述刺激参数编程器，向所述刺激参数编程器发送所述脑电信号；所述刺激参数编程器电连接所述控制指令发送天线，所述刺激参数编程器根据所述脑电信号生成的控制指令经过所述控制指令发送天线发射；

所述刺激设备包括水凝胶刺激电极、脉冲发生器和所述信号接收装置；所述控制指令发送天线无线连接所述刺激设备的所述信号接收装置，向所述信号接收装置发送所述控制指令；所述刺激设备的所述信号接收装置连接所述脉冲发生器，向所述脉冲发生器传输所述控制指令；所述脉冲发生器连接所述水凝胶刺激电极，所述脉冲发生器根据所述控制指令转化成刺激信号传输至所述水凝胶刺激电极。

优选的，所述脑电信号采集发送装置包括脑电采集装置、调理放大电路和脑电信号传输天线；所述脑电采集装置采集的所述脑电信号通过所述调理放大电路传输至所述脑电信号传输天线；所述脑电信号传输天线与所述控制设备的所述信号接收装置无线通讯，将所述脑电信号传输至所述信号接收装置。

优选的，所述脉冲发生器通过耦合光纤和导线连接所述水凝胶刺激电极。

优选的，所述水凝胶刺激电极为多触点针状电极，采用具备生物兼容、导光和导电想能的水凝胶材料制成；采用光电组合刺激，采用亚阈值但刺激的方式刺激目标区域，通过施加近红外光精确选择刺激目标神经，实现神经的高精度激活。所述水凝胶材料制备电极，能起到贴合密切、固定牢固、生物兼容、低炎症反应的作用，能持续选择性地作用于神经组织以降低诱发神经动作电位所需的刺激阈值，从而使电极在使用过程中不造成神经组织损伤，同时可以减少刺激器的能量消耗。

优选的，所述脑电采集装置为头盔式佩戴装置，固定到病人头部正确位置，采集所述脑电信号。

优选的，所述处理器设置有串口和蓝牙模块，通过所述串口或所述蓝牙模块连接上位机，实现上位机控制。

优选的，所述调理放大电路对所述脑电信号依次进行前置放大、高/低通滤波、50HZ陷波、后置放大和电平抬升处理。

优选的，所述刺激参数编程器设置有刺激模式系统和光电能量分配系统，所述刺激模式系统包含有不同的刺激模式，通过所述脉冲发生器控制所述水凝胶刺激电极的不同触点刺激对应的脊髓的不同区域；所述光电能量分配系统通过建立光电能量最优化权值分配矩阵，实现对神经的选择性兴奋或抑制。所述光电能量的最优化权值分配矩阵提高损伤阈值辐射曝光量与刺激阈值辐射曝光量的比值，降低神经的电损伤和热损伤，实现脊髓神经稿空间分辨率的安全刺激。

优选的，所述刺激设备还集成设置有无线供电模块，与所述电源无线连接，实现无线供电。

一种神经光电组合刺激方法，包括以下具体步骤：

步骤1：将控制设备和刺激设备安装好后，由所述控制设备的脑电采集装置采集脑电信号，通过脑电信号传输天线将所述脑电信号发送给所述控制设备中和处理器集成在一起的信号接收装置；

步骤2：所述信号接收装置将接收到的所述脑电信号传送给所述处理器，由所述处理器将所述脑电信号进行预处理和特征识别，识别出动作意图信号；

步骤3：在所述处理器中基于存储的动作数据库中的参数指标，将所述动作意图信号进行分类获得信号类型，并根据所述信号类型识别出动作幅度大小及速度等参数指标；

步骤4：基于所述参数指标，获得最终识别结果，将所述最终识别结果转换成具体的数据参数并由刺激参数编程器进行刺激方式编码获得控制指令，所述刺激方式编码包括获得基于不同所述数据参数的光电能量最优化权值分配矩阵；

步骤5：将最终编码后的所述控制指令通过控制指令发送天线传送给刺激设备的所述信号接收装置；

步骤6：所述刺激设备的所述信号接收装置将所述控制指令传输至脉冲发生器，所述脉冲发生器根据所述数据指标设定电刺激和光刺激的具体刺激参数，并通过导线和耦合光纤下发到水凝胶刺激电极，完成最终的神经刺激。

优选的，建立所述光电能量最优化权值分配矩阵的具体过程为：

步骤41：利用多物理场有限元仿真软件COMSOL建立被调控神经模型，并计神经周围的电场分布情况；

步骤42：基于蒙特卡罗模型Monte Carlo Model模拟光照射神经以及神经组织对光刺激的传输和吸收情况，以及热量的分布；

步骤43：采用神经元模型NEURON Model模拟在电刺激和近红外激光照射下神经的电生理变化，对光电刺激后神经的电行为进行分析；

步骤44：所述被调控神经模型提供电刺激时神经周围的电场信息，并传递给所述神经元模型作为细胞外刺激信号，所述蒙特卡罗模型给出所述光刺激的同时，神经不同位置的温度信息被输入到所述神经元模型中，在所述神经元模型中获得各种电刺激参数和光刺激参数下所述神经的电行为情况；

步骤45：通过建立各种所述电刺激参数和所述光刺激参数下所述神经的所述电行为的关系，确立不同调控神经的所述光电能量最优化权值分配矩阵。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种神经光电组合刺激装置及方法，控制设备对信号进行采集和处理，并生成刺激控制指令传输到刺激设备，采用刺激设备实现针对一片目标区域的精确神经刺激，尽量减少了刺激设备的数量及大小，控制设备中的处理器采用单片机，处理数据的过程中可能会产生一定的热量，采用体外设置避免了热量散发困难问题；在控制设备中设置刺激参数编程器，增加了光电能量权值分配矩阵，使得光电刺激的计算方式更加精确，对于某一动作的产生，可以更加精确地确定刺激电流和光能施加比例及具体能量大小，可以对动作实现精准控制，减小了刺激的总体能量；刺激设备中的刺激电极采用水凝胶材料的针状电极，直接作用于被刺激部位，由于水凝胶具有导光和导电的特殊性质，并且有很好的生物兼容性，所以不会产生严重的疤痕组织，引起炎症的概率也非常低，保证长期稳定的刺激效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的神经光电组合刺激装置模块结构示意图；

图2附图为本发明提供的神经光电组合刺激装置电路模块结构示意图；

图3附图为本发明提供的神经光电组合刺激装置安装示意图；

图4附图为本发明提供的水凝胶刺激电极安装示意图。

附图中：1-脑电信号采集发送装置，2-处理器，3-脉冲发生器，4-控制指令发送天线，5-水凝胶刺激电极，51-导线，6-腰膨大硬膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种神经光电组合刺激装置，包括控制设备和刺激设备；控制设备包括处理器2、刺激参数编程器、信号接收装置、控制指令发送天线4、电源和脑电信号采集发送装置1；脑电信号采集发送装置1采集脑电信号发送至信号接收装置；信号接收装置连接处理器，向处理器2发送脑电信号；电源连接处理器2；处理器2连接刺激参数编程器，向刺激参数编程器发送脑电信号；刺激参数编程器电连接控制指令发送天线4，刺激参数编程器根据脑电信号生成的控制指令经过控制指令发送天线4发射；

刺激设备包括水凝胶刺激电极5、脉冲发生器3和信号接收装置4；控制指令发送天线4无线连接刺激设备的信号接收装置，向信号接收装置发送控制指令；刺激设备的信号接收装置连接脉冲发生器3，向脉冲发生器3传输控制指令；脉冲发生器3连接水凝胶刺激电极5，脉冲发生器3根据控制指令转化成刺激信号传输至水凝胶刺激电极5。信号接收装置与脉冲发生器3集成设置。

为了进一步优化上述技术方案，脑电信号采集发送装置1包括脑电采集装置、调理放大电路和脑电信号传输天线；脑电采集装置采集的脑电信号通过调理放大电路传输至脑电信号传输天线；脑电信号传输天线与控制设备的信号接收装置无线通讯，将脑电信号传输至信号接收装置。

为了进一步优化上述技术方案，脉冲发生器3通过耦合光纤和导线51连接水凝胶刺激电极5。

为了进一步优化上述技术方案，水凝胶刺激电极5为多触点针状电极，采用具备生物兼容、导光和导电想能的水凝胶材料制成，作用于腰膨大硬膜6外；采用光电组合刺激，采用亚阈值但刺激的方式刺激目标区域，通过施加近红外光精确选择刺激目标神经，实现神经的高精度激活。水凝胶材料制备电极，能起到贴合密切、固定牢固、生物兼容、低炎症反应的作用，能持续选择性地作用于神经组织以降低诱发神经动作电位所需的刺激阈值，从而使电极在使用过程中不造成神经组织损伤，同时可以减少刺激器的能量消耗。

为了进一步优化上述技术方案，脑电采集装置为头盔式佩戴装置，固定到病人头部正确位置，采集脑电信号。

为了进一步优化上述技术方案，处理器设置有串口和蓝牙模块，通过串口或蓝牙模块连接上位机，实现上位机控制。

为了进一步优化上述技术方案，调理放大电路对脑电信号依次进行前置放大、高/低通滤波、50HZ陷波、后置放大和电平抬升处理。

为了进一步优化上述技术方案，刺激参数编程器设置有刺激模式系统和光电能量分配系统，刺激模式系统包含有不同的刺激模式，通过脉冲发生器控制水凝胶刺激电极的不同触点刺激对应的脊髓的不同区域；光电能量分配系统通过建立光电能量最优化权值分配矩阵，实现对神经的选择性兴奋或抑制。光电能量的最优化权值分配矩阵提高损伤阈值辐射曝光量与刺激阈值辐射曝光量的比值，降低神经的电损伤和热损伤，实现脊髓神经稿空间分辨率的安全刺激。由于神经的损伤和曝光量有关，当曝光量达到一定阈值时，神经会发生损伤该曝光量为损伤阈值辐射曝光量。但神经系统的激活还需要一定的曝光量，为刺激阈值辐射曝光量，如果采用传统的光刺激方式，引起神经激活的阈值很接近损伤阈值，容易引起神经损伤。因此，本发明通过合理分配光电能量的方式，在刺激阈值辐射曝光量很低的情况下就能激活神经，这样就避免了因曝光量过大而引起的神经损伤。

为了进一步优化上述技术方案，脉冲发生器3内设置电池，提高装置的便携性。

为了进一步优化上述技术方案，脑电信号采集发送装置1还集成了电源，实现自供电。

为了进一步优化上述技术方案，控制设备中的处理器2和信号接收装置集成设置。

为了进一步优化上述技术方案，刺激设备还集成设置有无线供电模块，与电源无线连接，实现无线供电。无线供电模块可采用电磁感应线圈，通过与电源的电磁感应进行磁生电，将电能转换成磁能进行传输和功能。

为了进一步优化上述技术方案，脑电采集装置采用植入式电极采集脑电信号，集成有天线和无线供电模块，通过天线传输脑电信号，通过无线供电模块实现无线电能供应。

一种神经光电组合刺激方法，包括以下具体步骤：

S1：将控制设备和刺激设备安装好后，由脑电采集装置采集脑电信号，通过脑电信号传输天线将脑电信号发送给控制设备中和处理器2集成在一起的信号接收装置；

S2：信号接收装置将接收到的脑电信号传送给处理器，由处理器2将脑电信号进行预处理和特征识别，识别出动作意图信号；

S3：在处理器2中基于存储的动作数据库中的参数指标，将动作意图信号进行分类获得信号类型，分类出运动意图，是某一行为动作种类，例如动左腿、动右腿。曲小腿、抬大腿等具体动作种类，并根据信号类型识别出动作幅度大小及速度等参数指标；

S4：基于参数指标，获得最终识别结果，最终识别结果包括信号类型和对应的参数指标，实现对动作进行更加精细的识别分类，精准到某一范围的动作幅度、角度或者速度及对应的肌肉力量的大小，将最终识别结果转换成具体的数据参数并由刺激参数编程器进行刺激方式编码获得控制指令，刺激方式编码包括获得基于不同数据参数的光电能量最优化权值分配矩阵；

S41：利用多物理场有限元仿真软件COMSOL建立被调控神经模型，并计神经周围的电场分布情况；

S42：基于蒙特卡罗模型Monte Carlo Model模拟光照射神经以及神经组织对光刺激的传输和吸收情况，以及热量的分布；

S43：采用神经元模型NEURON Model模拟在电刺激和近红外激光照射下神经的电生理变化，对光电刺激后神经的电行为进行分析；

S44：被调控神经模型提供电刺激时神经周围的电场信息，并传递给神经元模型作为细胞外刺激信号，蒙特卡罗模型给出光刺激的同时，神经不同位置的温度信息被输入到神经元模型中，在神经元模型中获得各种电刺激参数和光刺激参数下神经的电行为情况；

S45：通过建立各种电刺激参数和光刺激参数下神经的电行为的关系，确立不同调控神经的光电能量最优化权值分配矩阵；

S5：将最终编码后的控制指令通过控制指令发送天线4传送给刺激设备的信号接收装置；

S6：刺激设备的信号接收装置4将控制指令传输至脉冲发生器3，脉冲发生器3根据数据参数设定电刺激和光刺激的具体刺激参数，并通过导线51和耦合光纤下发到水凝胶刺激电极5，完成最终的神经刺激。

实施例

本发明的装置安装工作过程为：

控制设备中，脑电采集装置固定到病人头部正确位置，将采集的脑电信号通过脑电信号传输天线发送给处理器2前端的信号接收装置，然后将脑电信号传送至处理器2，由处理器2进行脑电信号的预处理和特征识别。然后基于识别结果，在刺激参数编程器编码刺激信息形成控制指令，将控制指令传送给控制指令发送天线4。

刺激设备中，将信号接收装置、植入式脉冲发生器集成到一起，并放置于和控制指令发送天线4对应的位置，以便于接收电能及刺激信号。集成后的脉冲发生器3与多触点水凝胶刺激电极5通过导线51和耦合光纤连接，并将水凝胶刺激电极5植入到腰膨大(L1-S2)硬膜外，用于靶向刺激神经组织。同时控制设备中的电源通过刺激设备中的无线供电模块进行无线供电。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种神经光电组合刺激装置，其特征在于，包括控制设备和刺激设备；

所述控制设备包括处理器、刺激参数编程器、信号接收装置、控制指令发送天线、电源和脑电信号采集发送装置；所述脑电信号采集发送装置采集脑电信号发送至所述信号接收装置；所述信号接收装置连接所述处理器，向所述处理器发送所述脑电信号；所述电源连接所述处理器；所述处理器连接所述刺激参数编程器，向所述刺激参数编程器发送所述脑电信号；所述刺激参数编程器电连接所述控制指令发送天线，所述刺激参数编程器根据所述脑电信号生成的控制指令经过所述控制指令发送天线发射；

所述刺激设备包括水凝胶刺激电极、脉冲发生器和所述信号接收装置；所述控制指令发送天线无线连接所述刺激设备的所述信号接收装置，向所述信号接收装置发送所述控制指令；所述刺激设备的所述信号接收装置连接所述脉冲发生器，向所述脉冲发生器传输所述控制指令；所述脉冲发生器连接所述水凝胶刺激电极，所述脉冲发生器根据所述控制指令转化成刺激信号传输至所述水凝胶刺激电极；所述水凝胶刺激电极为多触点针状电极，采用水凝胶材料制成；

所述刺激参数编程器设置有刺激模式系统和光电能量分配系统，所述刺激模式系统包含有不同的刺激模式，通过所述脉冲发生器控制所述水凝胶刺激电极的不同触点刺激对应脊髓的不同区域；所述光电能量分配系统通过建立光电能量最优化权值分配矩阵，实现对神经的选择性兴奋或抑制；

建立所述光电能量最优化权值分配矩阵的具体过程为：

步骤41：利用多物理场有限元仿真软件建立被调控神经模型，并计神经周围的电场分布情况；

步骤42：基于蒙特卡罗模型模拟光照射神经以及神经组织对光刺激的传输和吸收情况，以及热量的分布；

步骤43：采用神经元模型模拟在电刺激和近红外激光照射下神经的电生理变化，对光电刺激后神经的电行为进行分析；

步骤44：所述被调控神经模型提供电刺激时神经周围的电场信息，并传递给所述神经元模型作为细胞外刺激信号，所述蒙特卡罗模型给出所述光刺激的同时，神经不同位置的温度信息被输入到所述神经元模型中，在所述神经元模型中获得各种电刺激参数和光刺激参数下所述神经的电行为情况；

步骤45：通过建立各种所述电刺激参数和所述光刺激参数下所述神经的所述电行为的关系，确立不同调控神经的所述光电能量最优化权值分配矩阵；

处理器将脑电信号进行预处理和特征识别，识别出动作意图信号；在处理器中基于存储的动作数据库中的参数指标，将动作意图信号进行分类获得信号类型，并根据信号类型识别出参数指标；基于参数指标获得最终识别结果，最终识别结果包括信号类型和对应的参数指标，实现对动作进行精细的识别，精准到一个范围的动作幅度、角度或者速度，及对应的肌肉力量，将最终识别结果转换成具体的数据参数并由刺激参数编程器进行刺激方式编码获得控制指令，刺激方式编码包括获得基于不同数据参数的光电能量最优化权值分配矩阵。

2.根据权利要求1所述的一种神经光电组合刺激装置，其特征在于，所述脑电信号采集发送装置包括脑电采集装置、调理放大电路和脑电信号传输天线；所述脑电采集装置采集的所述脑电信号通过所述调理放大电路传输至所述脑电信号传输天线；所述脑电信号传输天线与所述控制设备的所述信号接收装置无线通讯，将所述脑电信号传输至所述信号接收装置。

3.根据权利要求1所述的一种神经光电组合刺激装置，其特征在于，所述脉冲发生器通过耦合光纤和导线连接所述水凝胶刺激电极。

4.根据权利要求1所述的一种神经光电组合刺激装置，其特征在于，采用光电组合刺激方式刺激神经，采用亚阈值电刺激的方式刺激目标区域，通过施加近红外光精确选择刺激目标神经，实现所述神经的高精度激活。

5.根据权利要求2所述的一种神经光电组合刺激装置，其特征在于，所述脑电采集装置为头盔式佩戴装置，固定到病人头部正确位置，采集所述脑电信号。

6.根据权利要求2所述的一种神经光电组合刺激装置，其特征在于，所述调理放大电路对所述脑电信号依次进行前置放大、高/低通滤波、50HZ陷波、后置放大和电平抬升处理。

7.根据权利要求1所述的一种神经光电组合刺激装置，其特征在于，所述刺激设备还集成设置有无线供电模块，与所述电源无线连接，实现无线供电。

Images