CN114466490A - 光源阵列单点控制装置 - Google Patents

光源阵列单点控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供光源阵列单点控制装置，涉及光遗传学技术领域。所述装置包括译码模块、单点调光模块、以及单点控制模块，译码模块用于将外部数字信号译码为开关控制信号和数模转换器控制信号；单点调光模块用于根据数模转换器控制信号，得到脉冲宽度调制信号；单点控制模块用于基于与门逻辑，根据开关控制信号和脉冲宽度调制信号，控制光源阵列中对应开关控制信号的目标单点光源的光亮状态。通过本发明提供的光源阵列单点控制装置控制光源阵列的目标单点光源的光亮状态，能够实现对特定位置的单个点或多个点的光刺激，提高对实验结果分析的准确性；还可以控制任意单点的光强，实现对多个神经元进行不同光强的光刺激，增加研究过程的灵活性和可控性。

Description

光源阵列单点控制装置
技术领域
本发明涉及光遗传学技术领域，尤其涉及一种光源阵列单点控制装置。
背景技术
目前的光遗传学研究方法多为使用辐射面积较大的LED或Micro-LED光源阵列进行光刺激，大范围光刺激同时作用在神经元群体上，可能使环路出现非生理性的活动模式，例如靶向特化的某些细胞时产生的能量沉积等问题。同时，接收光刺激的细胞过多也会阻碍对实验结果的分析，导致难以精确地确定对具体细胞刺激的影响。此外，目前的光遗传学研究方法多为固定光强、固定范围的照射，植入动物体后不能再对光刺激元器件进行调控，造成研究过程的困难以及治疗灵活性和可控性的降低。
发明内容
本发明提供一种光源阵列单点控制装置，用以解决现有的光遗传学研究技术使用辐射面积较大且固定光强的光源阵列进行光刺激，导致研究过程的困难以及治疗灵活性和可控性的降低的缺陷。
本发明提供一种光源阵列单点控制装置，包括译码模块、单点调光模块、以及单点控制模块，
所述译码模块用于将外部数字信号译码为开关控制信号和数模转换器控制信号；
所述单点调光模块用于根据所述数模转换器控制信号，得到脉冲宽度调制信号；
所述单点控制模块用于基于与门逻辑，根据所述开关控制信号和所述脉冲宽度调制信号，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述单点调光模块包括数模转换模块、三角波发生模块、以及比较模块；
所述数模转换模块用于将所述数模转换器控制信号转换为数模转换电压；
所述三角波发生模块用于产生三角波电压；
所述比较模块用于比较所述数模转换电压和所述三角波电压，以得到脉冲宽度调制信号。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述单点控制模块具体用于：
当所述开关控制信号输出“0”时，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态为光源关闭；
当所述开关控制信号输出“1”时，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态为光源开启，且根据所述脉冲宽度调制信号控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光强。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，还包括驱动模块，所述驱动模块用于为光源阵列供给恒定电流。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述驱动模块具体用于通过随光源阵列正向压降值变化而改变电压的恒流驱动方式为光源阵列供给恒定电流。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述单点调光模块还包括场效应管模块，所述场效应管模块的栅极用于接收所述脉冲宽度调制信号，以根据所述脉冲宽度调制信号控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光强。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述光源阵列为4×4的发光二极管阵列或4×4的垂直腔面发射激光器阵列。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述译码模块具体用于将外部数字信号译码为16位开关控制信号和3位数模转换器控制信号。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述译码模块为由16个触发器构成的移位寄存器。
根据本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，所述译码模块的信号输入端与外部通信设备信号连接，所述译码模块的信号输出端分别与所述单点调光模块的信号输入端和所述单点控制模块信号的信号输入端信号连接，所述单点调光模块的信号输出端与所述单点控制模块的信号输入端信号连接，所述单点控制模块的信号输出端与光源阵列电连接。
本发明提供的光源阵列单点控制装置，先通过译码模块将外部数字信号译码为开关控制信号和数模转换器控制信号，再通过单点调光模块得到脉冲宽度调制信号，然后通过单点控制模块基于与门逻辑根据开关控制信号和脉冲宽度调制信号的关系来控制目标单点光源的光亮状态，能够实现控制光源阵列中目标单点光源的开、关、以及光强。
在光遗传学研究中，通过本发明提供的光源阵列单点控制装置控制植入式光源阵列的目标单点光源的光亮状态，能够实现对特定位置的任意单个点或多个点的光刺激，减少对周边其他组织细胞的误刺激，能够提高对实验结果分析的准确性；还可以对任意单点的光强进行控制，实现对任意的多个神经元进行不同光强的光刺激，避免在实验过程中需要多次植入不同光源阵列的操作，优化了研究实验的步骤，节约了金钱和时间成本，增加了研究过程的灵活性和可控性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的光源阵列单点控制装置的模块示意图；
图2是本发明提供的光源阵列单点控制装置的驱动模块的电路原理示意图；
图3是本发明提供的光源阵列单点控制装置的译码模块的电路原理示意图；
图4是本发明提供的光源阵列单点控制装置的单点调光模块的电路原理示意图；
图5是通过本发明提供的光源阵列单点控制装置控制单点LED的电路原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
下面结合图1-图5描述本发明提供的一种光源阵列单点控制装置。
参照图1，本发明提供的一种光源阵列单点控制装置可以包括译码模块、单点调光模块、以及单点控制模块，
所述译码模块用于将外部数字信号译码为开关控制信号和数模转换器控制信号；
所述单点调光模块用于根据所述数模转换器控制信号，得到脉冲宽度调制信号；
所述单点控制模块用于基于与门逻辑，根据所述开关控制信号和所述脉冲宽度调制信号，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态。
进一步的，本发明提供的一种光源阵列单点控制装置还可以包括驱动模块，所述驱动模块用于为光源阵列供给恒定电流。
关于驱动模块、译码模块、单点调光模块、单点控制模块、以及光源阵列的连接关系，可以是：所述驱动模块与所述光源阵列供电连接，所述译码模块的信号输入端与外部通信设备信号连接，所述译码模块的信号输出端分别与所述单点调光模块的信号输入端和所述单点控制模块信号的信号输入端信号连接，所述单点调光模块的信号输出端与所述单点控制模块的信号输入端信号连接，所述单点控制模块的信号输出端与光源阵列电连接。本发明提供的光源阵列单点控制装置内部结构简易、合理、且紧凑，制作成本低。
需要说明的是，所述驱动模块具体用于通过随光源阵列正向压降值变化而改变电压的恒流驱动方式为光源阵列供给恒定电流。
具体的，驱动模块采用如图2所示的DC-DC电路，发光二极管(LED)驱动电路需要把提供的电源电压转换为特定的电压和电流用以驱动发光二极管发光，由于发光二极管为非线性器件，正向电压的微小变化会引起正向电流的大幅变化，而发光二极管的光输出正比于正向电流，为了保障光输出的稳定性，本发明优选采用可随发光二极管正向压降值变化而改变电压的恒流驱动。
本发明中的DC-DC电路采用工作在DCM模式下的Boost升压变换器，开关管(MOSFET)导通时，电源(Vin表示电源电压)给电感(L)线圈充电，电感电流在未饱和之前线性增加，此时电感可以视为一个左正右负、大小为VL的电压源，发光二极管阳极电压低，所以发光二极管关断，电容(C)释放上一个周期的储能为负载(发光二极管)提供电压；开关管关闭时，电感极性反转，此时VL和Vin同时为发光二极管和电容供电，并且当Vin高于Vo(Vo表示发光二极管两端的电压)时，电感向电容充电，当Vo减小时，电容向发光二极管充电以维持Vo恒定，由此向发光二极管提供稳定连续的恒定电流。在本发明中，具体设置为向负载(发光二极管)提供1.8mA的恒定电流。
需要说明的是，所述光源阵列为4×4的发光二极管(LED或Micro-LED)阵列或4×4的垂直腔面发射激光器(VCSELs)阵列。以及，外部数字信号(如SPI信号)可以由外部蓝牙设备传送。
需要说明的是，所述译码模块为由16个触发器构成的移位寄存器，所述译码模块具体用于将外部数字信号译码为16位开关控制信号和3位数模转换器控制信号。
具体的，移位寄存器以多个相同时间脉冲下的触发器为基础，实现数据在串行输入后依次向右移动一位，在输出端进行并行输出。一个触发器可以存储一位二级制编码，所以为了实现4×4光源阵列开关控制的16位并行输出，移位寄存器需要16个触发器来构成。本发明中的移位寄存器的结构如图3所示，由外部蓝牙发送SPI信号并传递给移位寄存器进行译码，通过D触发器的锁存来实现这一功能，其中CLK为时钟信号、DIN为数据信号、CS为片选信号。DIN信号按照CLK的周期依次被D触发器获取，最终D触发器的输出量Q会保持DIN在CS＝1的最后一个时钟周期上的状态值。当CS＝0时，CS和CLK的与运算会使得时钟信号置零，移位寄存器将会停止锁存操作。所以在正常工作状态下，CS＝1的状态在持续16个周期后置零，经过D触发器的锁存操作将DIN的16个数据传输给输出端Q1～Q16，CS＝0时输出端的值不随DIN变化，仅保留最后一个时钟周期的值，由此实现对4×4光源阵列中16个单点光源的开启或关闭的控制。
需要说明的是，所述单点调光模块包括数模转换模块、三角波发生模块、以及比较模块；
所述数模转换模块用于将所述数模转换器控制信号转换为数模转换电压；
所述三角波发生模块用于产生三角波电压；
所述比较模块用于比较所述数模转换电压和所述三角波电压，以得到脉冲宽度调制信号(PWM信号)。
所述单点调光模块还包括场效应管模块，所述场效应管模块的栅极用于接收所述脉冲宽度调制信号，以根据所述脉冲宽度调制信号控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光强。
具体的，本发明的单点调光模块采用脉冲宽度调制(PWM)，PWM通过控制电路中开关器件(MOS开关管)的关闭或者导通，使输出端得到一系列幅值相等、具有特定占空比的脉冲。在特定情况下，幅值为A、占空比为n的脉冲波就可以等效成值为A×n的恒定输出，通过改变n的值即可改变等效恒定输出的值。LED是二极管器件，可以实现快速开关，它可允许开关速度高达微秒以上，因此，通过改变恒流源脉冲宽度的方法就可以等效调整LED的亮度，以控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光强。PWM调光方式下的LED始终工作在幅值电流和0之间，所以LED不会产生色谱偏移。
本发明的单点调光模块的电路原理图如图4所示，生成PWM信号的部分主要包括3位数模转换器(DAC)、三角波发生器、比较器(CMP)，考虑到低频噪声和高频波形畸变的情况，本发明将三角波发生器的频率设置在25kHz，幅值为0-5V；3位DAC可以根据输入的3位数模转换器控制信号实现最小精度为625mV、幅值为0-5V的恒定电压输出，数字信号通过外部蓝牙设备输入。然后将三角波电压与数模转换电压(DAC电压)进行比较，由此可以通过数模转换器控制信号控制生成8种不同占空比的PWM信号。PWM信号控制部分是在LED负载中串联一个MOS开关管，驱动模块为LED的阳极供电，MOS管的栅极接收PWM信号，快速地开关LED所在的通路，从而根据不同占空比的PWM信号实现调节目标单点光源的光强。
需要说明的是，所述单点控制模块具体用于：
当所述开关控制信号输出“0”时，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态为光源关闭；
当所述开关控制信号输出“1”时，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态为光源开启，且根据所述脉冲宽度调制信号控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光强。
具体的，通过本发明提供的光源阵列单点控制装置控制单点LED的电路原理图如图5所示。首先，接收外部蓝牙设备发送的SPI信号(外部数字信号)，该信号由移位寄存器(shift register，即本发明的译码模块)进行译码得到19位数字信号，即16位开关控制信号和3位DAC控制信号(3位数模转换器控制信号)；16位开关控制信号决定点阵是否发光，如0000 0000 0001 0001则表示编号为1和5的点阵发光，其余点阵均不发光；DAC(数模转换模块)根据3位DAC控制信号输出对应的数模转换电压，信号111至信号000分别对应5V至0.625V的电压输出，如信号010则输出0.625×3＝1.875V电压，经过比较器(比较模块)与三角波电压比较后输出脉冲宽度调制信号(PWM信号)，即3位DAC控制信号决定了PWM信号的占空比；然后基于与门逻辑，只要开关控制信号为“0”就会输出“0”，此时LED或VCSEL与PWM信号无关，必定关断，当开关控制信号输出“1”时，则由PWM信号控制开关MOS管的开启和关断，以实现对光强的控制。
另外，可以将本发明提供的光源阵列单点控制装置制作成小巧的控制芯片。
本发明提供的光源阵列单点控制装置，先通过译码模块将外部数字信号译码为开关控制信号和数模转换器控制信号，再通过单点调光模块得到脉冲宽度调制信号，然后通过单点控制模块基于与门逻辑根据开关控制信号和脉冲宽度调制信号的关系来控制每个目标单点光源的光亮状态，能够实现控制光源阵列中目标单点光源的开、关、以及光强。
需要说明的是，光遗传学有着传统研究方法无可比拟的优点，它只需要利用转染、病毒注射或转基因动物等方法将具有特定特性的光敏蛋白的基因输入到靶细胞中，再以光作为刺激媒介，即可实现对神经细胞的毫秒级操控；利用光遗传技术观察神经投射；通过组织特异性启动子实现特定细胞的调控；对实验动物的创伤远远小于传统方法，且没有异物侵入组织。
本发明提供的一种光源阵列单点控制装置，从控制光斑大小的角度出发，形成10μm等级的光斑，从而实现单神经元控制，能够对Micro-LED阵列或垂直腔面发射激光器(VCSELs)阵列进行单点开关控制和单点发光强度控制。
在光遗传学研究中，通过本发明提供的光源阵列单点控制装置控制植入式光源阵列的目标单点光源的光亮状态，能够实现对特定位置的任意单个点或多个点的光刺激，减少对周边其他组织细胞的误刺激，能够提高对实验结果分析的准确性；还可以对任意单点的光强进行控制，实现对任意的多个神经元进行不同光强的光刺激，避免在实验过程中需要多次植入不同光源阵列的操作，优化了研究实验的步骤，节约了金钱和时间成本，增加了研究过程的灵活性和可控性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光源阵列单点控制装置，其特征在于，包括译码模块、单点调光模块、以及单点控制模块，
所述译码模块用于将外部数字信号译码为开关控制信号和数模转换器控制信号；
所述单点调光模块用于根据所述数模转换器控制信号，得到脉冲宽度调制信号；
所述单点控制模块用于基于与门逻辑，根据所述开关控制信号和所述脉冲宽度调制信号，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态。
2.根据权利要求1所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述单点调光模块包括数模转换模块、三角波发生模块、以及比较模块；
所述数模转换模块用于将所述数模转换器控制信号转换为数模转换电压；
所述三角波发生模块用于产生三角波电压；
所述比较模块用于比较所述数模转换电压和所述三角波电压，以得到脉冲宽度调制信号。
3.根据权利要求2所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述单点控制模块具体用于：
当所述开关控制信号输出“0”时，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态为光源关闭；
当所述开关控制信号输出“1”时，控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光亮状态为光源开启，且根据所述脉冲宽度调制信号控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光强。
4.根据权利要求3所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，还包括驱动模块，所述驱动模块用于为光源阵列供给恒定电流。
5.根据权利要求4所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述驱动模块具体用于通过随光源阵列正向压降值变化而改变电压的恒流驱动方式为光源阵列供给恒定电流。
6.根据权利要求5所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述单点调光模块还包括场效应管模块，所述场效应管模块的栅极用于接收所述脉冲宽度调制信号，以根据所述脉冲宽度调制信号控制光源阵列中对应所述开关控制信号的目标单点光源的光强。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述光源阵列为4×4的发光二极管阵列或4×4的垂直腔面发射激光器阵列。
8.根据权利要求7所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述译码模块具体用于将外部数字信号译码为16位开关控制信号和3位数模转换器控制信号。
9.根据权利要求7所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述译码模块为由16个触发器构成的移位寄存器。
10.根据权利要求1-6任一项所述的光源阵列单点控制装置，其特征在于，所述译码模块的信号输入端与外部通信设备信号连接，所述译码模块的信号输出端分别与所述单点调光模块的信号输入端和所述单点控制模块信号的信号输入端信号连接，所述单点调光模块的信号输出端与所述单点控制模块的信号输入端信号连接，所述单点控制模块的信号输出端与光源阵列电连接。
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