CN114628006A - 基于脑机接口的光刺激控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于脑机接口的光刺激控制装置及方法，装置包括FPGA控制模块、驱动模块以及Micro‑LED探针阵列模块；所述FPGA控制模块用于根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；所述驱动模块与所述FPGA控制模块的IO端口连接，用于接收所述控制指令生成指定条件的驱动信号；所述Micro‑LED探针阵列模块与所述驱动模块的输出端连接，用于接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束；其中，所述符合指定条件的目标光束为：符合指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束。本发明能够通过FPGA控制模块使Micro‑LED探针阵列模块产生符合指定波长、频率、强度等条件的光束，光束可用于对神经元进光照刺激，从而实现对神经元的精确刺激。

Description

基于脑机接口的光刺激控制装置及方法

技术领域

本发明涉及脑机接口技术领域，尤其涉及一种基于脑机接口的光刺激控制装置及方法。

背景技术

脑机接口(BCI)是一种连接大脑和外部设备的实时通信系统。BCI系统可以把大脑发出的信息直接转换成能够驱动外部设备的命令，并代替人的肢体或语言器官实现人与外界的交流以及对外部环境的控制。换言之，BCI系统可以代替正常外围神经和肌肉组织，实现人与计算机之间或人与外部环境之间的通信。BCI的主要目标是为因肌萎缩侧索硬化症、脑瘫、中风或脊髓损伤等神经肌肉疾病而致病致残的人替换或恢复有用的功能。BCI系统根据脑电信号获取的方式，可分为非侵入式、半侵入式和侵入式三种。

传统脑机接口系统的非侵入式、半侵入式和侵入式三种脑电信号获取方式中，存在脑电信号微弱、监控精度不够、会对大脑造成伤害等问题。因此，如何通过光调控产生符合指定波长、频率、强度等条件的光束，以实现对神经元的精确刺激，是当前课题亟需解决的问题。

发明内容

本发明提供一种基于脑机接口的光刺激控制装置及方法，用以解决现有技术中对神经元监测精度不够的缺陷，实现对神经元的精确刺激。

本发明提供一种基于脑机接口的光刺激控制装置，包括FPGA控制模块、驱动模块以及Micro-LED探针阵列模块；

所述FPGA控制模块用于根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；

所述驱动模块与所述FPGA控制模块的IO端口连接，用于接收所述控制指令生成指定条件的驱动信号；

所述Micro-LED探针阵列模块与所述驱动模块的输出端连接，用于接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束；

其中，所述符合指定条件的目标光束为：符合指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制装置，还包括：射频通信和供电模块；

所述射频通信和供电模块用于接收所述FPGA控制模块发送的控制指令，并将所述控制指令以无线传输的方式发送至所述驱动模块。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制装置，所述射频通信和供电模块还用于：

基于磁场均衡分布技术，通过FPGA控制模块和驱动模块之间的动态匹配和动态磁场耦合产生横向范围内均衡分布的磁场耦合系数，对所述FPGA控制模块和驱动模块进行无线供电。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制装置，所述Micro-LED探针阵列模块包括多个点位探针，所述驱动模块与每个点位探针连接，所述点位探针对应的Micro-LED光源基于所述驱动信号产生不同的符合指定条件的目标光束。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制装置，所述存储的光学参数包括Micro-LED光源的波长、光照强度、光源探针阵列的形状和相位中的至少一种。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制装置，还包括目标神经元确认模块和参数确认模块；

所述目标神经元确认模块，用于确定目标神经元的位置，并对所述目标神经元进行处理，使目标神经元感光；

所述参数确认模块分别与所述目标神经元确认模块、FPGA控制模块连接，用于确认Micro-LED探针阵列模块的点位探针阵列相位，针对单一的目标神经元或神经元特定运输通道设定光学参数。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制装置，还包括外围供电电路，所述外围供电电路与所述FPGA控制模块连接，所述外围供电电路用于与所述射频通信和供电模块共同作用，对整个装置进行供电。

本发明还提供一种基于脑机接口的光刺激控制方法，包括：

通过FPGA控制模块根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；

通过驱动模块接收所述控制指令生成指定条件的驱动信号；

通过Micro-LED探针阵列模块接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束；

其中，所述符合指定条件的目标光束为：符合指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制方法，还包括：

通过射频通信和供电模块接收FPGA控制模块发送的控制指令，并将所述控制指令以无线传输的方式发送至所述驱动模块。

根据本发明提供的一种基于脑机接口的光刺激控制方法，通过FPGA控制模块根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令之前，还包括：

确定目标神经元的位置，并对所述目标神经元进行处理，使目标神经元感光；

确认Micro-LED探针阵列模块的点位探针阵列相位，针对单一的目标神经元或神经元特定运输通道设定光学参数。

本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制装置及方法，将FPGA控制模块通过IO端口与所述驱动模块连接，用于根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；通过驱动模块基于所述控制指令生成指定条件的驱动信号；通过Micro-LED探针阵列模块接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束。本发明能够通过FPGA控制模块使Micro-LED探针阵列模块产生符合指定波长、频率、强度等条件的光束，光束可用于对神经元进光照刺激，从而实现对神经元的精确刺激。

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是本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制装置的结构示意图之一；

图2是本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制装置的结构示意图之二；

图3是本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制装置的结构示意图之三；

图4是本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法的流程示意图之一；

图5是本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法的流程示意图之二；

图6是本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法的流程示意图之三；

图7是本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法的流程示意图之四。

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3描述本发明的基于脑机接口的光刺激控制装置。

参照图1，本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制装置，包括以下模块：FPGA控制模块110、驱动模块120以及Micro-LED探针阵列模块130；

所述FPGA控制模块110用于根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；

所述驱动模块120与所述FPGA控制模块110的IO端口连接，用于接收所述控制指令生成指定条件的驱动信号；

所述Micro-LED探针阵列模块130与所述驱动模块120的输出端连接，用于接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束；

其中，所述符合指定条件的目标光束为：符合指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束。

本实施例中，通过FPGA控制器模块根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令，从而构建脑机接口体外控制系统。通过算法控制IO端口，进而通过IO端口来控制驱动模块，驱动模块可以根据控制指令生成指定条件的驱动信号。

本实施例中的FPGA控制器模块是一种可以重构电路的芯片，是一种硬件可重构的体系结构。它的英文全称是Field Programmable Gate Array，中文名是现场可编程门阵列。FPGA通过编程可以随时改变它的应用场景，它可以模拟CPU、GPU等硬件的各种并行运算。通过与目标硬件的高速接口互联，FPGA可以完成目标硬件运行效率比较低的部分，从而在系统层面实现加速。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路个数有限的缺点。本实施例中充分利用FPGA多通用输入输出接口和无指令、无需共享内存的高灵活度体系结构优势来高效运行光遗传脑机接口技术算法，从而有效控制微米级Micro-LED探针阵列投射系统模块。

本实施例中的驱动模块为TLC694x器件，是一款16通道、恒定电流阱LED驱动器，每个通道都有独立可调的65,536级PWM灰度控制。所有16个通道的最大恒定电流值由一个具有128级全局亮度控制的外部电阻设置，电流范围为0.3mA至25mA。TLC694x器件集成了增强型电路来解决小间距显示应用中的各种显示问题：低灰度均匀性问题、耦合问题、重影问题和卡特彼勒问题。TLC694x器件具有LED开路检测功能，错误检测结果可以通过串行数据接口读取。热关断和IREF电阻短路保护可确保实现更高的系统可靠性。TLC694x器件还具有智能省电模式，可以在所有输出关断的情况下将总电流消耗设置为1mA(典型值)。

本实施例中的Micro-LED探针阵列模块主要分为LED单极和LED矩阵。通过设计的LED单极光源实现10um神经元的有效刺激或者神经元中某个通道的有效精准控制，设计的LED矩阵通过LED的漏斗光导界面聚焦为10-50μm的微针MEMS“光极”实现多个神经元的刺激或监测某个神经元对其他神经元的影响，监测其中的参数变化，最终将刺激的结果反馈到外部设备。

需要说明的是，本实施例中的Micro-LED探针阵列模块以微米级Micro-LED阵列的刺激器进行精准刺激调控单个神经元，构建脑机接口体内植入系统。Micro-LED探针阵列模块在接收到驱动模块发送的驱动信号之后，生成指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束，从而利用这些光束对神经元进光刺激控制。

本实施例中的Micro-LED阵列可用于医学方面，针对光照处理后的病灶神经元进行输运通道级别的精准刺激，而且光刺激相较于电刺激更加高效可控，且不会对人体造成额外刺激创伤。相比只能刺激单一点位的电极，光刺激控制的另一大优势是具有高度并行性，通过漫射光刺激，使神经元做出反应，产生非侵入性的无线通讯。它对特定的神经元有内在的选择性，能尊重大脑的功能蓝图。

本实施例中，所述存储的光学参数包括Micro-LED光源的波长、光照强度、光源探针阵列的形状和相位中的至少一种。

本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制装置，将FPGA控制模块通过IO端口与所述驱动模块连接，用于根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；通过驱动模块基于所述控制指令生成指定条件的驱动信号；通过Micro-LED探针阵列模块接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束。本发明能够通过FPGA控制模块使Micro-LED探针阵列模块产生符合指定波长、频率、强度等条件的光束，光束可用于对神经元进光照刺激，从而实现对神经元的精确刺激。

基于以上实施例，参照图2，本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制装置，还包括：射频通信和供电模块210；

所述射频通信和供电模块210用于接收所述FPGA控制模块发送的控制指令，并将所述控制指令以无线传输的方式发送至所述驱动模块。

本实施例中的射频通信和供电模块连接于FPGA控制模块和驱动模块之间，用于两者之间的控制指令的传输。可以表现为，射频通信和供电模块在收到FPGA控制模块的控制指令之后，以无线传输的形式发送给驱动模块。也可以表现为FPGA控制模块直接控制驱动模块，不经过射频通信和供电模块。

所述射频通信和供电模块还用于：基于磁场均衡分布技术，通过FPGA控制模块和驱动模块之间的动态匹配和动态磁场耦合产生横向范围内均衡分布的磁场耦合系数，对所述FPGA控制模块和驱动模块进行无线供电。

具体地，本实施例中的射频通信和供电模块还可以用于对FPGA控制模块和驱动模块进行无线供电。射频通信和供电模块采用磁场均衡分布技术，通过发射端和接收端之间的动态匹配和动态磁场耦合产生横向范围内均衡分布的磁场耦合系数，保证了无线充电收发端与植入电路处于稳定均衡与的传输状态，从而成功实现立体空间内的安全无线供电和通信。

基于以上实施例，所述Micro-LED探针阵列模块包括多个点位探针，所述驱动模块与每个点位探针连接，所述点位探针对应的Micro-LED光源基于所述驱动信号产生不同的符合指定条件的目标光束。

具体地，本实施例中Micro-LED探针阵列模块的每个点位探针和驱动模块相连接，从而在每个点位探针接收到驱动信号之后，可生成不同的符合指定条件的目标光束。得到不同的波长、频率等参数的光束后，可对神经元进度不同的光照刺激，便于观测北侧生物体的行为变化，从而确定被测神经元的功能及运作规律。

基于以上实施例，参照图3，还包括目标神经元确认模块310、参数确认模块320、外围供电电路330，；

所述目标神经元确认模块310，用于确定目标神经元的位置，并对所述目标神经元进行处理，使目标神经元感光；

所述参数确认模块320分别与所述目标神经元确认模块310、FPGA控制模块330连接，用于确认Micro-LED探针阵列模块的点位探针阵列相位，针对单一的目标神经元或神经元特定运输通道设定光学参数。

所述外围供电电路330与所述FPGA控制模块连接，所述外围供电电路330用于与所述射频通信和供电模块共同作用，对整个装置进行供电。

具体地，在通过FPGA控制模块产生光刺激的控制指令之前，还需要通过目标神经元确认模块确定目标神经元的位置，并对目标神经元进行处理，使目标神经元感光。可选用的方式为，通过医学手段确定目标神经元的具体位置，目标神经元可以为病灶神经元。然后通过光敏即核黄素或经过接待光敏蛋白噬菌体侵染使得病灶神经元感光。根据目标神经元的病情情况，确认Micro-LED阵列相位，针对单一神经元或神经元特定运输通道设定相应光照波长和光照强度等参数。然后再将这些参数放入到FPGA控制模块中从而产生需要的控制信号。

外围供电电路与上述的射频通信和供电模块可以共同为系统进行供电。需要进一步说明的是，本实施例的供电系统为采用FPGA板载电源模块(即外围供电电路)和射频通信和供电模块共同作用的方式，对整个装置进行有效供电。FPGA板载1个外部电源输入口(DC_IN)，采用标准的直流电源插座，板载了DC-DC芯片(LM26420X)，用于给开发板提供高效、稳定的5V电源。

同时，由于开发板采用了DC-DC芯片，所以开发板的供电范围十分宽泛，输出范围在DC6～16V的基本都可以供电，通过DC-DC芯片驱动无线射频供电及通信模块，采用磁场均衡分布技术，通过发射端和接收端(即FPGA控制模块和驱动模块)之间的动态匹配和动态磁场耦合产生横向范围内均衡分布的磁场耦合系数，保证了无线充电收发端与植入电路处于稳定均衡与的传输状态，从而成功实现立体空间内的安全无线供电和通信。

下面对本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法进行描述，下文描述的基于脑机接口的光刺激控制方法与上文描述的基于脑机接口的光刺激控制装置可相互对应参照。

参照图4，本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法，包括以下步骤：

步骤410、通过FPGA控制模块根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；

步骤420、通过驱动模块接收所述控制指令生成指定条件的驱动信号；

步骤430、通过Micro-LED探针阵列模块接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束；

其中，所述符合指定条件的目标光束为：符合指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束。

本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法，将FPGA控制模块通过IO端口与所述驱动模块连接，用于根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；通过驱动模块基于所述控制指令生成指定条件的驱动信号；通过Micro-LED探针阵列模块接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束。本发明能够通过FPGA控制模块使Micro-LED探针阵列模块产生符合指定波长、频率、强度等条件的光束，光束可用于对神经元进光照刺激，从而实现对神经元的精确刺激。

基于以上实施例，本发明提供的基于脑机接口的光刺激控制方法还包括：通过射频通信和供电模块接收FPGA控制模块发送的控制指令，并将所述控制指令以无线传输的方式发送至所述驱动模块。

基于以上实施例，参照图5，步骤410、通过FPGA控制模块根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令之前，还包括以下步骤：

步骤510、确定目标神经元的位置，并对所述目标神经元进行处理，使目标神经元感光；

步骤520、确认Micro-LED探针阵列模块的点位探针阵列相位，针对单一的目标神经元或神经元特定运输通道设定光学参数。

参照图6，图6为基于脑机接口的光刺激控制方法用于探究神经元功能及运作规律的具体流程示意图，包括以下步骤：

步骤610、通过医学仪器对待研究神经元进行精确定位并植入体内硬件电路，根据研究的内容及要求对光刺激参数范围进行确定，包括微米级Micro-LED光源的波长、光照强度和光源探针阵列的形状和相位等。

步骤620、根据确定的光学参量范围，在不同的波长下光照强度依次由弱到强，并将这些参数写入到了FPGA控制模块中，在FPGA控制模块中编写控制算法，这些算法的核心思想是控制FPGA的IO端口，通过IO端口来进行下一步操作。

步骤630、在无线射频通信和供电模块的作用下，通过FPGA的IO端口来控制驱动模块来产生不同占空比的信号，驱动模块连接Micro-LED光源的每一个点位探针，控制不同的Micro-LED光源产生特定频率、波长等参数的光束。

步骤640、在Micro-LED光源探针阵列的每一个点位的不同波长、频率参数的调节下，观测被测生物体的行为变化，从而确定被测神经元的功能及运作规律。

参照图7，图7是基于脑机接口的光刺激控制方法的软件程序流程图。

程序开始后，判断设备硬件自检是否通过，若通过则将控制模块通过射频电路向驱动模块发送测试信号，若不通过则程序结束。

然后判断植入驱动模块是否工作正常，若正常则检测输出引脚是否连接Micro-LED光源探针阵列，若不正常则程序结束。

在确认输出引脚连接Micro-LED光源探针阵列之后，通过控制模块发出指定波长、光强的光束参数至驱动模块，驱动模块按照既定参数驱动LED探针阵列发出光源，直至程序结束。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

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)

1.一种基于脑机接口的光刺激控制装置，其特征在于，包括FPGA控制模块、驱动模块以及Micro-LED探针阵列模块；

所述FPGA控制模块用于根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；

所述驱动模块与所述FPGA控制模块的IO端口连接，用于接收所述控制指令生成指定条件的驱动信号；

所述Micro-LED探针阵列模块与所述驱动模块的输出端连接，用于接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束；

其中，所述符合指定条件的目标光束为：符合指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束。

2.根据权利要求1所述的基于脑机接口的光刺激控制装置，其特征在于，还包括：射频通信和供电模块；

所述射频通信和供电模块用于接收所述FPGA控制模块发送的控制指令，并将所述控制指令以无线传输的方式发送至所述驱动模块。

3.根据权利要求2所述的基于脑机接口的光刺激控制装置，其特征在于，所述射频通信和供电模块还用于：

基于磁场均衡分布技术，通过FPGA控制模块和驱动模块之间的动态匹配和动态磁场耦合产生横向范围内均衡分布的磁场耦合系数，对所述FPGA控制模块和驱动模块进行无线供电。

4.根据权利要求1所述的基于脑机接口的光刺激控制装置，其特征在于，所述Micro-LED探针阵列模块包括多个点位探针，所述驱动模块与每个点位探针连接，所述点位探针对应的Micro-LED光源基于所述驱动信号产生不同的符合指定条件的目标光束。

5.根据权利要求1所述的基于脑机接口的光刺激控制装置，其特征在于，所述存储的光学参数包括Micro-LED光源的波长、光照强度、光源探针阵列的形状和相位中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于脑机接口的光刺激控制装置，其特征在于，还包括目标神经元确认模块和参数确认模块；

所述目标神经元确认模块，用于确定目标神经元的位置，并对所述目标神经元进行处理，使目标神经元感光；

所述参数确认模块分别与所述目标神经元确认模块、FPGA控制模块连接，用于确认Micro-LED探针阵列模块的点位探针阵列相位，针对单一的目标神经元或神经元特定运输通道设定光学参数。

7.根据权利要求2所述的基于脑机接口的光刺激控制装置，其特征在于，还包括外围供电电路，所述外围供电电路与所述FPGA控制模块连接，所述外围供电电路用于与所述射频通信和供电模块共同作用，对整个装置进行供电。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的基于脑机接口的光刺激控制装置实现的基于脑机接口的光刺激控制方法，其特征在于，包括：

通过FPGA控制模块根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令；

通过驱动模块接收所述控制指令生成指定条件的驱动信号；

通过Micro-LED探针阵列模块接收所述驱动信号并生成符合指定条件的目标光束；

其中，所述符合指定条件的目标光束为：符合指定波长、指定频率、指定形状以及指定强度的光束。

9.根据权利要求8所述的基于脑机接口的光刺激控制方法，其特征在于，还包括：

通过射频通信和供电模块接收FPGA控制模块发送的控制指令，并将所述控制指令以无线传输的方式发送至所述驱动模块。

10.根据权利要求9所述的基于脑机接口的光刺激控制方法，其特征在于，通过FPGA控制模块根据存储的光学参数基于光遗传学脑机接口算法生成控制指令之前，还包括：

确定目标神经元的位置，并对所述目标神经元进行处理，使目标神经元感光；

确认Micro-LED探针阵列模块的点位探针阵列相位，针对单一的目标神经元或神经元特定运输通道设定光学参数。

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