CN114947869B - 具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统及方法，属于电极植入技术领域。本发明针对现有神经电极在植入过程中由于不具备对生物组织的精细感知辨别能力而影响植入精度的问题。系统包括：导杆设置于封装外壳内；导杆外表面设置引线镀层作为电连接端；致动机构依次连接导杆、石英晶振和微针，微针末端延伸至封装外壳以外；石英晶振的两个引脚分别连接两个电连接端；信号生成及采集模块的驱动电压输出至石英晶振的一个引脚，并由石英晶振的另一个引脚获得反馈电压；信号处理单元采用动态接触力学模型根据信号生成及采集模块输出的驱动电压以及采集的反馈电压，计算获得微针受到的交互作用力。本发明能够对生物组织的微结构实现静谧感知。
Description
技术领域
本发明涉及具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统及方法，属于电极植入技术领域。
背景技术
神经电极是连接生物信息系统和电子信息系统的接口，是一种记录神经电活动的重要工具。其中，植入式神经电极由于具备高时空分辨率，可对单个神经元的电活动实现精准测量，在脑环路研究、神经假体研究和脑机接口研究等领域具有重要的应用前景。
在部分应用场景中，需要将神经电极长期稳定地植入于生物组织中，具有与生物组织力学性能相匹配这一优势的柔性神经电极脱颖而出。所谓力学性能匹配，是指电极基底材料与生物组织具有数量级接近的杨氏模量，从而可使两者形成紧密的共形界面，减少微位移、摩擦的产生，从而降低生物组织的损伤及并发的免疫反应。然而，现有的机器人化植入方法如“缝纫机”植入机器人以及微流控植入机构均缺乏在植入过程中有效避免血管干涉的手段，容易破坏血脑屏障，对长期植入具有负面影响。另一方面，仅通过现有的成像技术无法实现活体生物组织解剖学结构的精细辨别，如脑皮层的神经元分层结构，限制了神经电极的植入精度。
发明内容
针对现有神经电极在植入过程中，由于不具备对生物组织的精细感知辨别能力而影响植入精度的问题，本发明提供一种具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统及方法。
本发明的一种具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，包括致动机构1-1，还包括集成针尖1-2、信号生成及采集模块3-1和信号处理单元3-2，
所述集成针尖1-2包括导杆2-1、石英晶振2-3、微针2-4和封装外壳2-5，
导杆2-1设置于封装外壳2-5内；导杆2-1的外表面设置两处引线镀层2-2作为两个电连接端；
致动机构1-1的输出末端连接导杆2-1首端，导杆2-1末端连接石英晶振2-3首端；石英晶振2-3末端连接微针2-4首端，微针2-4末端延伸至封装外壳2-5以外；石英晶振2-3的一个引脚连接一个电连接端，另一个引脚连接另一个电连接端；
信号生成及采集模块3-1的驱动电压输出端通过一个电连接端连接石英晶振2-3的一个引脚，石英晶振2-3的另一个引脚通过另一个电连接端连接信号生成及采集模块3-1的反馈电压输入端；信号处理单元3-2采用动态接触力学模型根据信号生成及采集模块3-1输出的驱动电压以及采集的反馈电压，计算获得微针2-4受到的交互作用力。
根据本发明的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，所述信号处理单元3-2根据交互作用力判断微针2-4末端是否与生物组织发生接触，并在发生接触时判断接触到的生物组织类别。
根据本发明的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，所述致动机构1-1包括直线电机，直线电机的轴出轴连接导杆2-1首端。
根据本发明的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，引线镀层2-2通过湿法转印或聚焦离子束沉积的方法设置于导杆2-1的外表面。
根据本发明的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，微针2-4沿石英晶振2-3的剪切振动方向与石英晶振2-3粘接或焊接固定；微针2-4的轴向与致动机构1-1的驱动方向平行。
根据本发明的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，微针2-4与外壳2-5之间有间隙。
根据本发明的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，所述信号生成及采集模块3-1输出的驱动电压频率与集成针尖1-2共振频率一致，所述驱动电压包括正弦驱动电压。
本发明还提供了一种具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统的神经植入方法，基于所述具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统实现，
在进入植入流程前，信号生成及采集模块3-1输出驱动电压信号，并获得反馈电压信号，通过信号处理单元3-2计算获得力传感植入微针装配体振动的幅值与相位，并作为基础参考信号；
然后进入植入流程，使致动机构1-1驱动集成针尖1-2，微针2-4连接的电极线1-3刺入目标组织，信号处理单元3-2根据信号生成及采集模块3-1实时获得的反馈电压信号计算获得当前反馈信号的幅值与相位；
信号处理单元3-2再根据基础参考信号和当前反馈信号的幅值与相位计算获得微针2-4受到的交互作用力，根据交互作用力判断微针2-4末端是否与生物组织发生接触，在判断结果为发生接触时继续判断接触到的生物组织类别。
根据本发明的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统的神经植入方法，
在进入植入流程前，需要获很集成针尖1-2的共振频率，方法包括：
使信号生成及采集模块3-1输出扫频驱动信号至石英晶振2-3，并记录接收到的反馈信号；信号处理单元3-2根据输出扫频驱动信号和接收到的反馈信号计算得到集成针尖1-2的共振频率。
本发明的有益效果：本发明在柔性神经电极植入机构的基础上增加了驱动传感的功能模块，从而有助于更精准的实现电极植入过程中的微操作，它可以在任意植入深度通过力感知能力实现接触感知及细胞层面的生物组织辨别。
本发明通过信号生成及采集模块和信号处理单元实现了柔性神经电极植入过程的力感知能力，为低侵袭准确植入提供了技术基础；本发明通过动态小幅振动的方法实现力感知，能够对生物组织的微结构实现静谧感知。
附图说明
图1是本发明所述具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统的致动机构与集成针尖的连接结构示意图；
图2是集成针尖的具体结构示意图；
图3是集成针尖的信号处理示意图；
图4是模拟实验中获得的集成针尖反馈信号曲线图。
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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图3所示，本发明的第一方面提供了一种具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，包括致动机构1-1，还包括集成针尖1-2、信号生成及采集模块3-1和信号处理单元3-2，
所述集成针尖1-2包括导杆2-1、石英晶振2-3、微针2-4和封装外壳2-5，
导杆2-1设置于封装外壳2-5内；导杆2-1的外表面设置两处引线镀层2-2作为两个电连接端；
致动机构1-1的输出末端连接导杆2-1首端，导杆2-1末端连接石英晶振2-3首端；石英晶振2-3末端连接微针2-4首端，微针2-4末端延伸至封装外壳2-5以外；石英晶振2-3的一个引脚连接一个电连接端，另一个引脚连接另一个电连接端；
信号生成及采集模块3-1的驱动电压输出端通过一个电连接端连接石英晶振2-3的一个引脚，石英晶振2-3的另一个引脚通过另一个电连接端连接信号生成及采集模块3-1的反馈电压输入端；信号处理单元3-2采用动态接触力学模型根据信号生成及采集模块3-1输出的驱动电压以及采集的反馈电压，计算获得微针2-4受到的交互作用力。
所述信号生成及采集模块3-1可以通过电流-电压放大器采集石英晶振2-3的另一个引脚反馈信号。驱动感知一体化集成针尖1-2可检测接触，例如与电极线1-3或生物组织的接触。刺入生物组织后，通过微针2-4的反馈信号可分辨生物组织结构，如脑皮层的分层结构。所述封装外壳2-5包裹导杆2-1、引线镀层2-2及石英晶振2-3，可避免生物组织与石英晶振2-3接触；微针2-4末端穿过封装外壳2-5的小孔与生物组织接触；石英晶振的信号回路如图3所示，所有信号的参考地与导杆2-1等势。信号处理单元3-2内部运行信号处理算法，可进行驱动信号生成、反馈信号采集以及通过动态接触力学模型实现反馈信号至力信号的解码转换。
所述石英晶振2-3通过微操作的方法连接至导杆2-1末端。石英晶振2-3的引脚与引线镀层2-2采用导电胶粘接或焊接的方式形成稳定电连接；
所述微针2-4伸出封装外壳2-5的长度需确保能够达到柔性神经电极的目标植入深度。
进一步，所述信号处理单元3-2根据交互作用力判断微针2-4末端是否与生物组织发生接触，并在发生接触时判断接触到的生物组织类别。
柔性神经电极可达到单神经元的记录精度，也具备与生物组织神经系统的长时记录谐存能力，对神经科学研究具有重要意义。然而，柔性神经电极作用的发挥离不开低创精准的植入手段，本实施方式中所述系统通过信号生成及采集模块3-1和信号处理单元3-2实现了力传感能力，采用驱动传感一体化力感知集成针尖1-2，它能够在柔性电极的植入过程中根据获取的力信号辨别接触的生物组织成分，实现血管检测、组织定位等功能。
主要包括致动机构、驱动感知一体化集成针尖、电流-电压放大器、信号生成及采集模块和信号处理单元，信号处理单元用于运行信号处理算法；在植入的过程中，集成针尖兼具电极线操作和脑组织感知功能，集成针尖与生物组织接触后，与其相连的电流-电压放大器输出反馈信号，反馈信号的频率、振幅与相位包含接触部分的力学信息，结合力学模型即可实现生物组织的精细感知辨别。
再进一步，结合图1所示，所述致动机构1-1包括直线电机，直线电机的轴出轴连接导杆2-1首端。
再进一步，结合图2所示，引线镀层2-2通过湿法转印或聚焦离子束沉积的方法设置于导杆2-1的外表面。
再进一步，结合图2所示，微针2-4沿石英晶振2-3的剪切振动方向与石英晶振2-3粘接或焊接固定，使得石英晶振2-3可驱动微针2-4；微针2-4的轴向与致动机构1-1的驱动方向平行。
再进一步，微针2-4与外壳2-5之间有间隙。
再进一步，所述信号生成及采集模块3-1输出的驱动电压频率与集成针尖1-2共振频率一致，所述驱动电压包括正弦驱动电压。
具体实施方式二、结合图1至图4所示，本发明的另一方面还提供了一种具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统的神经植入方法，基于具体实施方式一所述具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统实现，
在进入植入流程前，信号生成及采集模块3-1输出驱动电压信号，并获得反馈电压信号，通过信号处理单元3-2计算获得力传感植入微针装配体振动的幅值与相位，并作为基础参考信号；
然后进入植入流程，使致动机构1-1驱动集成针尖1-2，微针2-4连接的电极线1-3刺入目标组织，信号处理单元3-2根据信号生成及采集模块3-1实时获得的反馈电压信号计算获得当前反馈信号的幅值与相位；
信号处理单元3-2再根据基础参考信号和当前反馈信号的幅值与相位计算获得微针2-4受到的交互作用力，根据交互作用力判断微针2-4末端是否与生物组织发生接触，在判断结果为发生接触时继续判断接触到的生物组织类别。
进一步，在进入植入流程前，需要获很集成针尖1-2的共振频率，方法包括：
使信号生成及采集模块3-1输出扫频驱动信号至石英晶振2-3，并记录接收到的反馈信号；信号处理单元3-2根据输出扫频驱动信号和接收到的反馈信号计算得到集成针尖1-2的共振频率。
本实施方式的具体实现过程包括：
1、首先进行驱动感知一体化集成针尖1-2的制备：
采用包括但不限于湿法转印及聚焦离子束沉积的方法在导杆2-1上设置两处相分离的引线镀层2-2；采用微操作的方法将石英晶振2-3固定至设置引线镀层2-2的导杆2-1末端，石英晶振2-3表面的引脚与引线镀层2-2采用导电胶粘接或焊接的方式形成稳定电连接；微针2-4沿石英晶振2-3的剪切振动方向布置并粘接或焊接至石英晶振2-3外表面，使得石英晶振2-3可驱动微针2-4振动；采用封装外壳2-5包裹由导杆2-1、引线镀层2-2、石英晶振2-3及微针2-4装配后的整体，可避免生物组织与石英晶振2-3接触；微针2-4穿过封装外壳2-5末端微孔且与外壳间留有间隙，使微针2-4与生物组织直接接触后受到的力不被影响。
2、系统初始化，将集成针尖1-2安装至致动机构1-1上，将接线引脚与对应的设备进行电连接；
3、信号生成及采集模块3-1输出扫频驱动信号并记录对应的反馈信号，通过信号处理单元3-2计算获得集成针尖的共振频率、品质因子等固有参数，完成标定工作；
4、信号生成及采集模块3-1根据步骤3的标定结果输出频率与力传感植入集成针尖共振频率一致的正弦驱动信号，并通过反馈信号计算出此时集成针尖的幅值与相位，该幅值与相位作为基础参考信号；
5、进入植入流程，致动机构1-1内部的直线电机做直线运动，驱动集成针尖1-2拉动神经电极1-3刺入目标组织，保持信号生成及采集模块3-1的输出驱动信号不变，持续记录并计算该过程中反馈信号的幅值与相位；
同时，信号处理单元3-2通过动态接触力学模型根据反馈信号的幅值与相位在线计算交互作用力，判断微针2-4是否与生物组织发生接触，并判断所接触的生物组织类别。
实验验证：采用本发明系统和方法对质量分数分别为0.8％、0.6％、0.7％的三层琼脂假体进行模拟植入，得到的集成针尖反馈信号曲线如图4所示。随时间变化，植入深度逐渐增加，图4中曲线的I-III段振幅不随植入深度变化，因而可实现任意深度植入而不出现信号饱和现象，且I-III段振幅随琼脂假体的质量分数单调变化，可通过振幅对琼脂的成分进行区分。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。
Claims (5)
1.一种具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，包括致动机构（1-1），其特征在于，还包括集成针尖（1-2）、信号生成及采集模块（3-1）和信号处理单元（3-2），
所述集成针尖（1-2）包括导杆（2-1）、石英晶振（2-3）、微针（2-4）和封装外壳（2-5），
导杆（2-1）设置于封装外壳（2-5）内；导杆（2-1）的外表面设置两处引线镀层（2-2）作为两个电连接端；
致动机构（1-1）的输出末端连接导杆（2-1）首端，导杆（2-1）末端连接石英晶振（2-3）首端；石英晶振（2-3）末端连接微针（2-4）首端，微针（2-4）末端延伸至封装外壳（2-5）以外；石英晶振（2-3）的一个引脚连接一个电连接端，另一个引脚连接另一个电连接端；
信号生成及采集模块（3-1）的驱动电压输出端通过一个电连接端连接石英晶振（2-3）的一个引脚，石英晶振（2-3）的另一个引脚通过另一个电连接端连接信号生成及采集模块（3-1）的反馈电压输入端；信号处理单元（3-2）采用动态接触力学模型根据信号生成及采集模块（3-1）输出的驱动电压以及采集的反馈电压，计算获得微针（2-4）受到的交互作用力；
所述信号处理单元（3-2）根据交互作用力判断微针（2-4）末端是否与生物组织发生接触，并在发生接触时判断接触到的生物组织类别；
所述信号生成及采集模块（3-1）输出的驱动电压频率与集成针尖（1-2）共振频率一致，所述驱动电压包括正弦驱动电压。
2.根据权利要求1所述的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，其特征在于，所述致动机构（1-1）包括直线电机，直线电机的轴出轴连接导杆（2-1）首端。
3.根据权利要求1所述的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，其特征在于，引线镀层（2-2）通过湿法转印或聚焦离子束沉积的方法设置于导杆（2-1）的外表面。
4.根据权利要求1所述的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，其特征在于，微针（2-4）沿石英晶振（2-3）的剪切振动方向与石英晶振（2-3）粘接或焊接固定；微针（2-4）的轴向与致动机构（1-1）的驱动方向平行。
5.根据权利要求1所述的具有集成式传感针尖的柔性神经电极辅助植入系统，其特征在于，
微针（2-4）与外壳（2-5）之间有间隙。
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