CN112618964B - 一种光刺激微型化脑机接口装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光刺激微型化脑机接口装置，属于光敏蛋白的生物交叉科研领域。该装置包括光纤、固定装置、光纤耦合器、散热片、光源、主控装置、蓝牙和上位机。本发明通过光纤二次熔纤，使得光纤形成110°～140°的钝角，配合固定装置加以固定，在光源处通过锥形光纤耦合，并使用微控制器进行刺激光属性的调节，解决了现有装置形状凸出、体积大和不支持可编程调光等问题。另外，光源的可拆卸、可编程调光功能和多条独立的刺激通道，提高了普适性，适用于多种条件下的光刺激实验。
Description
技术领域
本发明属于光敏蛋白的生物交叉科研领域，涉及一种光刺激微型化脑机接口装置。
背景技术
光遗传学是一门整合了光电子学和基因工程学的学科，通过用病毒作为载体，将合适的外源光敏感蛋白靶向导入特定的活细胞中，用不同波长和强度的光源刺激光敏感蛋白，调控神经元的活性，进而控制细胞乃至动物行为的开关。随着光遗传学技术的出现与发展，光遗传学激励装置的设计与研制成为了一个重要的研究方向。
目前，对于光遗传学激励装置已经有一定的研究。专利CN202010795035.4提出一种颅内刺激记录系统及制备方法，使用柔性光纤与激光器连接，柔性深部脑部电极通过夹具固定于柔性光纤上。专利CN201910146688.7发明了一种光电复合电极光纤及其制作方法，属于光纤材料制备技术领域，其发明的光电复合电极光纤，能够同时实现光信号和电信号的高效传输，比传统的光电光纤材料导电性能大大增强。专利CN201811003774.4设计了一种面向光遗传学的LED插头、封装装置及方法，涉及LED封装技术，包括起支撑作用的管壳，管壳中的内芯，套于管壳外侧的套管和固定于内芯的LED芯片，从而适用于现有光遗传学实验开孔。专利CN201710261648.8发明公开一种光刺激装置，采用可植入式光遗传学双侧LED刺激针，配合对应的固定夹具，可以根据刺激对象头部的目标核团位置不同，任意调节两个刺激针的间距，减少由于距离导致光在光纤中的损耗。
当前基于光遗传学的植入式光激励装置都是在动物脑部开放创口，结构上垂直安装，进行光电激励，整体体积大、形状凸出，普遍用于短时测试目的，无法承担长时间、自然环境下的动物光遗传学激励测试实验。另外，目前使用的装置在功能上无法实现可编程调光，即对光的强度、脉冲串数量和光谱频率进行调节，无法承载精细化的光遗传学激励测试实验。
针对上述问题，本发明提出了一种基于光纤二次熔纤的弯折式埋入式植入式光电极及生物相容性支架结构。通过埋入式光纤光电极及微型化生物相容性支架结构解决现有装置不能在自然环境下长时间进行野外测试实验的问题。除此之外，设计了微型化背负式快速安装主控单元，可以通过编程实现对光源的强度、光刺激脉冲串数量和光谱频率进行调节，以此支撑精细化的光遗传学激励测试实验。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计了一种光刺激微型化脑机接口装置，通过光纤二次熔纤，使得光纤形成110°～140°的钝角，配合固定装置加以固定，在光源处通过锥形光纤耦合，并使用微控制器进行刺激光属性的调节，解决了现有装置形状凸出、体积大和不支持可编程调光等问题。
本发明的技术方案为：
一种光刺激微型化脑机接口装置，包括光纤、固定装置5、光纤耦合器8、散热片9、光源10、主控装置11、蓝牙12和上位机13。
所述光纤的前部进行如下处理：将光纤切割为两段，两段光纤反向连接后二次熔纤，使两段光纤间形成110°～140°的钝角，有利于刺激光在光纤中的传导，提高光的传导效率，降低光的损失；光纤前端2位于二次熔纤部位4的前端，整个光纤前端2利用真空镀膜工艺镀上钛合金3，并埋入受体动物脑部。光纤顶端1制作成斜面，用于集中刺激光。
光纤中部6进行弯曲，以适应动物体型，便于佩戴。光纤尾端7通过削尖处理，制成锥形光纤。
所述的固定装置5包括底座15和顶盖17。其中，底座15上平行设有多个光纤槽14，多路光纤的中部卡入其中加以固定；顶盖17置于底座15上，并通过螺钉18将二者固定。固定装置5利用真空镀膜工艺镀上钛合金，埋入到动物头部。
所述光纤耦合器8的一端中心处设有锥形凹槽，锥形光纤置于光纤耦合器8的锥形凹槽中；光纤耦合器8的另一端连接散热片9，散热片9固定在主控装置11上。所述光源10贴附在散热片9上，锥形光纤与光源10进行耦合。
所述主控装置11和上位机13通过蓝牙12实现无线通信。
进一步地，所述装置还包括数字电位器和DCDC升压电路；主控装置11调节数字电位器的输出电阻，进而改变DCDC升压电路的输出电压值，改变施加在光源两端的电压，进而改变光强，弥补光强损失。
进一步地，两段光纤间形成120°的钝角。
进一步地，所述光源10可拆卸，可以根据实际需要更换光源。
本发明的有益效果：本发明提供了一种光刺激微型化脑机接口装置，采用二次熔纤技术，配合固定装置，将光纤从受体动物头部后方水平引出，减小了佩戴在动物头上装置的体积，光源背负在动物后背上，远离动物大脑，避免了热量集中在动物头部；且钛合金生物相容性较好，真空镀钛工艺保证了植入到动物脑内的部分和动物融合得较好，降低了动物身体的排异性；另外，光源的可拆卸、可编程调光功能和多条独立的刺激通道，提高了普适性，适用于多种条件下的光刺激实验。
附图说明
图1是本发明所述装置的整体结构示意图。
图2是现有光激励装置的示意图。
图3是本发明光纤的二次熔纤示意图。
图4是本发明的固定装置示意图。
图5是本发明光纤尾端与光源耦合图。
图6是本发明系统的构成图。
图7是本发明的工作流程图。
图中：1光纤顶端；2光纤前端；3钛合金；4二次熔纤部位；5固定装置；6光纤中部；7光纤尾端；8光纤耦合器；9散热片；10光源；11主控装置；12蓝牙；13上位机；14光纤槽；15底座；16通孔；17顶盖；18螺钉。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图2所示，现有装置整体佩戴于动物头部，通过头部的光源、主控装置和植入式光纤对大脑刺激部位直接刺激，这种设计形状凸出，体积较大，重量集中于动物脑部，不利于佩戴，同时，光源的热量集中施加在动物头部，对动物有一定的损伤。
如图1所示，本发明提出一种光刺激微型化脑机接口装置，包括光纤、固定装置5、光纤耦合器8、散热片9、光源10、主控装置11、蓝牙12和上位机13。
将光纤的前部切割为两段，两段光纤二次熔接后，形成120°的钝角。光纤前端2位于二次熔纤部位4的前端，光纤前端2利用真空镀膜工艺镀有钛合金3；光纤顶端1制作成斜面，便于对刺激部位进行集中刺激。光纤的中部配有固定装置5，上述部分埋在动物头部，固定装置5的表面也有钛合金，钛合金较好的生物相容性可以保证埋入到动物皮下的部分和动物融合得较好，减少动物身体的排异性。光纤从动物头部后方水平引出，此处由于光纤的柔性进行适度弯曲，便于佩戴。光纤尾端7制作成锥形光纤，通过光纤耦合器8和光源10进行耦合，光源10贴合在散热片9上，散热片9有利于将光源的热量散发到空气中，减小热量的集中。散热片9固定在主控装置11上，主控装置11和上位机13通过蓝牙12的方式无线通信。
如图3所示，为本发明的二次熔纤示意图。为了配合不同的光源，本实施例选择多模光纤，将多模光纤利用光纤切割机切开，将切割后的一段光纤翻转180°后利用光纤热缩套管套在一起连接，再利用光纤熔接器融合成120°的钝角。光纤前端2位于二次熔纤部位4的前端，整个光纤前端2利用真空镀膜工艺镀上钛合金3；光纤顶端1制作成斜面，将光进行集中，从而进行集中的刺激。光纤中部6进行弯曲，可以提高光在光纤中的传递效率，另一方面，也可以降低装置的高度，减小装置的体积。
如图4所示，为本发明的固定装置示意图。固定装置5分包括底座15和顶盖17。底座15上设有四个光纤槽14，光纤卡入光纤槽14中加以固定，底座15和顶盖17两端均设有对应的通孔16，通过螺钉18加以固定。实际使用时，固定装置5和前端的二次熔纤的光纤表面都镀有钛合金，整体埋入受体动物头部，生物相容性较高的钛合金保证了装置和动物体内的生物组织融合较好，保证了动物埋入装置后的生存时间。
如图5所示，为本发明的光纤尾端耦合处理。光纤尾端7制作成锥形光纤，通过光纤耦合器8和光源10进行耦合。光纤耦合器8内部为凹槽结构，配合锥形光纤，可以将光源散射到周围的光进行集中，将光线集中传递到光纤中，减少了光源处光的损耗，提高了耦合效率。所述光源10贴合在散热片9上，散热片9有利于光源的散热，保护光源因为热量过高而无法工作，同时也降低了施加在动物身上的热量；散热片9固定在主控装置11上。实际使用过程中，光源10根据实际刺激的需要，更换任意波长的光源进行刺激，普适性好。
如图6所示，为本发明的系统构成。虚线框内部分为本发明的光刺激微型化脑机接口装置。上位机13通过蓝牙12的方式，下达刺激指令以及刺激参数。主控芯片选用的是STM32L471单片机，通过蓝牙接收控制指令，识别刺激参数。利用PWM脉冲调制的方式进行刺激光参数的调节，PWM调节的时候，会使得光的强度有所降低。因此，本发明加入了数字电位器和DCDC升压电路。通过主控芯片调节数字电位器的输出电阻，进而可以改变DCDC升压电路的输出电压值，改变施加在光源两端的电压，进而可以改变光强，弥补由于采用PWM脉冲调制而造成的光强损失。根据上位机下达的参数设置好刺激光后，刺激光通过四路独立的可植入式的二次熔接的光纤配合耦合固定装置，将光刺激施加到受体动物脑部对应的刺激区域，进行光刺激。
如图7所示，为本发明的系统的工作流程。系统上电后，进行初始化工作，之后便开始进入循环，等待接收上位机的刺激命令。接收到命令之后，根据刺激参数，通过PWM脉冲调制和DCDC升压电路进行调压，设置所需的刺激电压，施加在光源两端的刺激电压通过光源换成所需的刺激光，利用植入式光纤进行光刺激。
Claims (5)
1.一种光刺激微型化脑机接口装置，其特征在于，该装置包括光纤、固定装置(5)、光纤耦合器(8)、散热片(9)、光源(10)、主控装置(11)、蓝牙(12)和上位机(13)；
所述光纤的前部处理方式如下：将光纤切割为两段，两段光纤反向连接后二次熔纤，使两段光纤间形成110°～140°的钝角，以提高光在光纤中的传导效率；光纤前端(2)位于二次熔纤部位(4)的前端，整个光纤前端(2)利用真空镀膜工艺镀上钛合金(3)；光纤顶端(1)制作成斜面，用于集中刺激光；
光纤中部(6)进行弯曲；光纤尾端7通过削尖处理，制成锥形光纤；
所述的固定装置(5)包括底座(15)和顶盖(17)；其中，底座(15)上平行设有多个光纤槽(14)，多路光纤的中部卡入其中并通过顶盖(17)加以固定；固定装置(5)利用真空镀膜工艺镀上钛合金；
所述光纤耦合器(8)的一端中心处设有锥形凹槽，锥形光纤置于锥形凹槽内；光纤耦合器(8)的另一端连接散热片(9)，散热片(9)固定在主控装置(11)上；
所述光源(10)贴附在散热片(9)上，锥形光纤与光源(10)进行耦合；所述主控装置(11)和上位机(13)通过蓝牙(12)实现无线通信；
将光纤从动物头部后方水平引出，光源背负在动物后背上，避免热量集中在动物头部，并采用数字电位器和DCDC升压电路，通过主控装置(11)调节数字电位器的输出电阻，进而改变DCDC升压电路的输出电压值，改变施加在光源两端的电压，进而改变光强，弥补光强损失。
2.根据权利要求1所述的一种光刺激微型化脑机接口装置，其特征在于，所述的钝角为120°。
3.根据权利要求1或2所述的一种光刺激微型化脑机接口装置，其特征在于，所述光源(10)根据实际需要进行拆卸、更换。
4.根据权利要求1或2所述的一种光刺激微型化脑机接口装置，其特征在于，所述的光纤槽(14)共有4个。
5.根据权利要求3所述的一种光刺激微型化脑机接口装置，其特征在于，所述的光纤槽(14)共有4个。
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- 2021-01-08 CN CN202110023050.1A patent/CN112618964B/zh active Active
Patent Citations (4)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112618964A (zh) | 2021-04-09 |
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