CN117582607A - 一种无线充电型光遗传学元件、无线充电系统及控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及医疗系统领域，特别为一种无线充电型光遗传学元件、无线充电系统及控制系统。包括封装元件和LED发光单元,所述封装元件包括封装外壳、以及设置在封装外壳内的可充电锂电池、主控模块和无线电磁感应模块；所述主控模块连接LED发光单元，并控制其工作；所述可充电锂电池连接主控模块和LED发光单元，并为两者供电；所述无线电磁感应模块与可充电锂电池相连接，用于接收外部电磁场并转换为电流并向可充电锂电池进行充电。本申请能有效防止实验动物接触并损坏零部件的同时，实现在任意行为学笼具中对周围神经进行稳定的光刺激。

Description

一种无线充电型光遗传学元件、无线充电系统及控制系统

技术领域

本申请涉及医疗系统领域，特别为一种无线充电型光遗传学元件、无线充电系统及无线控制系统。

背景技术

相关技术中为了实现通过光刺激操纵周围神经系统对多种疾病如周围神经损伤、失神经性肌萎缩等疾病进行治疗，已经开发了多种对外周神经进行光学刺激的方法。其主要包括电池供电型或无电池供电型系统，分别对应头戴式或完全植入式。

电池供电的设备能够提供稳定的独立电源，需要头戴式配置电池设备，这样实验动物容易受到外部压力的影响，并且需要间歇性更换电池或进行有线充电才能连续运行。而具有小型射频(FR)能量收集电路的无电池植入物，由于它们通过蓝牙信号转导和电磁转换原理，允许它们完全植入体内来克服这一限制。然而，植入式设备工作需要配备射频功率传输系统的特殊箱体，进行光学刺激的过程中易受元件角度方向的影响，不支持自由活动中的多个实验动物之间进行控制变量实验。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种无线充电型光遗传学元件、无线充电系统及无线控制系统，其中光刺激元件可完全植入实验动物(小鼠)体内并提供稳定的电源，有效防止实验动物接触并损坏零部件的同时，实现在任意行为学笼具中对周围神经进行稳定的光刺激。还提供一种光无线充电系统，通过该系统可对光刺激元件进行无线充电。以及无线控制系统，可同时调节光刺激的参数(频率，脉宽及功率等)，从而按照实验需要对周围神经进行精确的光刺激。

为了实现上述目的，本申请通过如下技术方案实现：

一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：包括封装元件和LED发光单元，所述LED发光单元用于对神经进行光刺激；所述封装元件包括封装外壳、以及设置在封装外壳内的可充电锂电池、主控模块和无线电磁感应模块；所述主控模块连接LED发光单元，并控制其工作；所述可充电锂电池连接主控模块和LED发光单元，并为两者供电；所述无线电磁感应模块与可充电锂电池相连接，用于接收外部电磁场并转换为电流并向可充电锂电池进行充电。

在一些实施方式中，该无线充电型光遗传学元件还包括用于包裹在神经外周的袖套部件，所述LED发光单元固定在袖套部件上，所述袖套部件具有弹性并呈圆筒状，在袖套部件上还设有一缺口，神经通过该缺口可进入袖套部件中被包裹住。

在一些实施方式中，在层状结构上，所述袖套部件包括处于外侧的第一保护层、处于内侧的第二保护层、以及位于中间位置的反射层；所述LED发光单元固定在第一保护层上，所述反射层将LED发光单元的光线被反射层反射后可向四周扩散，从而进行全面光刺激。

在一些实施方式中，所述第一保护层采用聚二甲基硅氧烷和聚二甲苯C材质，反射层为金箔，第二保护层为硅胶材质。

在一些实施方式中，采用以下公式优化可充电锂电池的体积与质量；

ρV＝(C×3.6)/V；

其中ρV为体积能量密度，C为电池容量，V为体积；

ρM＝(C×3.6)/M；

其中ρM为质量能量密度，C为电池容量，M为电池重量。

在一些实施方式中，所述主控模块包括蓝牙芯片、和蓝牙芯片的周围电路，所述周围电路包括晶振电路和滤波电容电路，所述晶振电路为蓝牙芯片提供工作运行所需的时钟源，滤波电容电路为蓝牙芯片电源滤除杂波与干扰；

所述蓝牙芯片与LED发光单元之间连接有LED驱动电路，Led驱动电路由LED驱动芯片来实现，可以将蓝牙芯片提供的数字PWM信号转换为对应的线性电流信号，调整PWM占空比，实现LED驱动电流的0-100级调控；

所述蓝牙芯片还连接有FR天线，所述FR天线为蓝牙芯片通过与蓝牙主机通信提供可靠链路，FR天线工作于2.4GHZ，带宽增益整体大于3dBi；

所述无线电磁感应模块包括电磁感应线圈、和整流滤波电路，所述电磁感应线圈通过电磁耦合，接收发射线圈能量传输，所述整流滤波电路将电磁感应线圈感应的交流电流通过整流、滤波实现直流电源，供可充电锂电池使用。

在一些实施方式中，所述可充电锂电池的型号为LIR635，该锂电池的体积为：75-105mm²，质量为：0.25-0.45g；所述LED发光单元的型号为0201，所述蓝牙芯片采用低功耗蓝牙主控芯片，其型号为NIF5283。

本申请还提供一种无线充电系统，具有上述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：还包括充电盒，所述充电盒还包括谐振电路，以及串联在谐振电路中的基频信号源、功率放大电路、谐振线圈、和闭环自动电气开关，所述基频信号源为蓝牙芯片与蓝牙主机通信提供信号源；功率放大电路为蓝牙芯片与蓝牙主机通信提供稳定的信号源；谐振线圈与电磁感应线圈通过感应耦合无线传输电力；闭环自动电气开关用于使充电盒始终处于无线触发的待机状态，当电量低于15％时自动触发充电。

本申请还提供一种无线控制系统，具有上述权利要求8所述的一种无线充电系统，其特征在于：还包括用于与主控模块蓝牙连接的移动终端。

由上述技术方案可知，本申请至少具有如下优点和积极效果：

1、本申请一种无线充电的光刺激元件，其中光刺激元件可完全植入实验动物(小鼠)体内并提供稳定的电源，有效防止实验动物接触并损坏零部件的同时，实现在任意行为学笼具中对周围神经进行稳定的光刺激。无线充电系统，通过该系统可对光刺激元件进行无线充电。无线控制系统，可同时调节光刺激的参数(频率，脉宽及功率等)，从而按照实验需要对周围神经进行精确的光刺激。

2、本申请具有袖套部件，便于手术植入周围神经，并有效减少长期体内存留对神经的机械损伤。

3、本申请的控制系统采用无线电磁感应充电，充电快速方便，并且采用蓝牙传输，传输信号稳定。

4、本申请采用微型可充电锂电池，根据锂电池能量密度计算公式，最优化锂电池的体积与质量，在保证完全植入实验动物(小鼠)体内的同时，提供实验所需的供电能力。

附图说明

图1为实施例中无线充电型光遗传学元件的结构示意图；

图2为实施例中无线充电型光遗传学元件的原理框图；

图3为实施例中袖套部件的层状结构示意图；

图4为本申请实施例的使用状态示意图；

图5为实施例的电路图。

标号说明：1、无线充电型光遗传学元件；11、袖套部件；111、缺口；112、第一保护层；113、第二保护层；114、反射层；12、LED发光单元；13、封装外壳；14、可充电锂电池；15、电磁感应线圈；16、蓝牙芯片；17、FR天线；18、LED驱动电路；19、整流滤波电路；2、充电盒；21、基频信号源；22、功率放大电路；23、谐振线圈；24、闭环自动电气开关；3、移动终端。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。本申请的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。

参阅图1至图5，本申请实施例提供一种植入式的光遗传学控制系统，包括无线充电型光遗传学元件1、移动终端3和充电盒2；

其中光遗传学元件用于植入动物体内使用，该无线充电型光遗传学元件1，包括封装元件和LED发光单元12，所述LED发光单元12用于对神经进行光刺激；所述封装元件包括封装外壳13、以及设置在封装外壳13内的可充电锂电池14、主控模块、无线电磁感应模块；

所述主控模块连接LED发光单元12，并控制其工作；所述可充电锂电池14连接主控模块和LED发光单元12，并为两者供电；所述无线电磁感应模块与可充电锂电池14相连接，用于接收外部电磁场并转换为电流并向可充电锂电池14进行充电。

其中封装外壳13采用聚二甲基硅氧烷、聚二甲苯C和硅胶凝胶材质，这样能防止内部元件受体液腐蚀，也提供良好的生物相容性，同时减少元件植入后的不适感。

该无线充电型光遗传学元件1还包括用于包裹在神经外周的袖套部件11，所述LED发光单元12固定在袖套部件11上，所述袖套部件11具有弹性并呈圆筒状，在袖套部件11上还设有一缺口111，神经通过该缺口111可进入袖套部件11中被包裹住。增加袖套部件11便于手术植入周围神经，并有效减少长期体内存留对神经的机械损伤。

在层状结构上，所述袖套部件11包括处于外侧的第一保护层112、处于内侧的第二保护层113、以及位于中间位置的反射层114；所述LED发光单元12固定在第一保护层112上，所述反射层114将LED发光单元12的光线被反射层114反射后可向四周扩散，从而进行全面光刺激。

所述第一保护层112采用聚二甲基硅氧烷和聚二甲苯C材质，反射层114为金箔，第二保护层113为硅胶材质。其中第一保护层具有一定的透光性能，而且反射层采用金箔可能增加反射效果。

并且，采用以下公式优化可充电锂电池14的体积与质量；

ρV＝(C×3.6)/V；

其中ρV为体积能量密度，C为电池容量，V为体积；

ρM＝(C×3.6)/M；

其中ρM为质量能量密度，C为电池容量，M为电池重量。

其中M最大约为300Wh/kg，理论上该电池的最小重量为0.112g。

为了保证完全植入实验动物(小鼠)体内的同时，且能实验所需的供电能力。该锂电池的体积为：75-105mm2，质量为：0.25-0.45g。

所述主控模块包括蓝牙芯片16、和蓝牙芯片16的周围电路，所述周围电路包括晶振电路和滤波电容电路，所述晶振电路为蓝牙芯片16提供工作运行所需的时钟源，滤波电容电路为蓝牙芯片16电源滤除杂波与干扰；

所述蓝牙芯片16与LED发光单元12之间连接有LED驱动电路18，Led驱动电路由LED驱动芯片来实现，可以将蓝牙芯片16提供的数字PWM信号转换为对应的线性电流信号，调整PWM占空比，实现LED驱动电流的0-100级调控；

所述蓝牙芯片16还连接有FR天线，所述FR天线为蓝牙芯片16通过与蓝牙主机通信提供可靠链路，FR天线17工作于2.4GHZ，带宽增益整体大于3dBi；

所述无线电磁感应模块包括电磁感应线圈15、和整流滤波电路19，所述电磁感应线圈15通过电磁耦合，接收发射线圈能量传输，所述整流滤波电路19将电磁感应线圈15感应的交流电流通过整流、滤波实现直流电源，供可充电锂电池14使用。

所述可充电锂电池14的型号为LIR635，所述LED发光单元12的型号为0201，所述蓝牙芯片16采用低功耗蓝牙主控芯片，其型号为NIF5283。

所述充电盒2还包括谐振电路，以及串联在谐振电路中的基频信号源21、功率放大电路22、谐振线圈23、和闭环自动电气开关24，所述基频信号源21为蓝牙芯片16与蓝牙主机通信提供信号源；功率放大电路22为蓝牙芯片16与蓝牙主机通信提供稳定的信号源；谐振线圈23与电磁感应线圈15通过感应耦合无线传输电力；闭环自动电气开关24用于使充电盒2始终处于无线触发的待机状态，当电量低于15％时自动触发充电。

其中充电盒2的谐振线圈23工作于13.56Mhz，线圈6匝，电感5uH。谐振电路工作时，会在电磁感应线圈15产生交变电流，交变电流产生交变磁场，光遗传学元件的电磁感应线圈15通过电磁耦合，接收发射线圈能量传输，将感应的交流电流通过整流、滤波电路实现直流电源，供蓝牙芯片16、μLed驱动及充电电池充电使用。

所述移动终端3用于与主控模块的蓝牙芯片16蓝牙连接，并控制其工作。

以下简要说明上述实施例的工作过程和使用方法：

光刺激过程，通过基因工程技术，构建神经纤维特异性表达光敏感蛋白的基因小鼠，将光刺激元件植入小鼠体内，通过蓝牙连接移动终端3与蓝牙芯片16，调控LED发光单元12的光刺激参数，对相应的周围神经进行光刺激。光刺激过程中，小鼠可在任意行为学箱体中接受光刺激，当光刺激结束，将小鼠置于包绕充电盒2的笼具中进行无线充电。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本申请实施例的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请实施例进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：包括封装元件和LED发光单元(12)，所述LED发光单元(12)用于对神经进行光刺激；所述封装元件包括封装外壳(13)、以及设置在封装外壳(13)内的可充电锂电池(14)、主控模块和无线电磁感应模块；所述主控模块连接LED发光单元(12)，并控制其工作；所述可充电锂电池(14)连接主控模块和LED发光单元(12)，并为两者供电；所述无线电磁感应模块与可充电锂电池(14)相连接，用于接收外部电磁场并转换为电流并向可充电锂电池(14)进行充电。

2.根据权利要求1所述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：该无线充电型光遗传学元件(1)还包括用于包裹在神经外周的袖套部件(11)，所述LED发光单元(12)固定在袖套部件(11)上，所述袖套部件(11)具有弹性并呈圆筒状，在袖套部件(11)上还设有一缺口(111)，神经通过该缺口(111)可进入袖套部件(11)中被包裹住。

3.根据权利要求2所述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：在层状结构上，所述袖套部件(11)包括处于外侧的第一保护层(112)、处于内侧的第二保护层(113)、以及位于中间位置的反射层(114)；所述LED发光单元(12)固定在第一保护层(112)上，所述反射层(114)将LED发光单元(12)的光线被反射层(114)反射后可向四周扩散，从而进行全面光刺激。

4.根据权利要求3所述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：所述第一保护层(112)采用聚二甲基硅氧烷和聚二甲苯C材质，反射层(114)为金箔，第二保护层(113)为硅胶材质。

5.根据权利要1所述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：采用以下公式优化可充电锂电池(14)的体积与质量；

ρV＝(C×3.6)/V；

其中ρV为体积能量密度，C为电池容量，V为体积；

ρM＝(C×3.6)/M；

其中ρM为质量能量密度，C为电池容量，M为电池重量。

6.根据权利要求1所述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：所述主控模块包括蓝牙芯片(16)、和蓝牙芯片(16)的周围电路，所述周围电路包括晶振电路和滤波电容电路，所述晶振电路为蓝牙芯片(16)提供工作运行所需的时钟源，滤波电容电路为蓝牙芯片(16)电源滤除杂波与干扰；

所述蓝牙芯片(16)与LED发光单元(12)之间连接有LED驱动电路(18)，Led驱动电路由LED驱动芯片来实现，可以将蓝牙芯片(16)提供的数字PWM信号转换为对应的线性电流信号，调整PWM占空比，实现LED驱动电流的0-100级调控；

所述蓝牙芯片(16)还连接有FR天线，所述FR天线为蓝牙芯片(16)通过与蓝牙主机通信提供可靠链路，FR天线(17)工作于2.4GHZ，带宽增益整体大于3dBi；

所述无线电磁感应模块包括电磁感应线圈(15)、和与电磁感应线圈(15)连接的整流滤波电路(19)，所述电磁感应线圈(15)通过电磁耦合，接收发射线圈能量传输，所述整流滤波电路(19)与可充电锂电池(14)连接将电磁感应线圈(15)感应的交流电流通过整流、滤波实现直流电源，供可充电锂电池(14)使用。

7.根据权利要求6所述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：所述可充电锂电池(14)的型号为LIR635，该锂电池的体积为：75-105mm2，质量为：0.25-0.45g；所述LED发光单元(12)的型号为0201，所述蓝牙芯片(16)采用低功耗蓝牙主控芯片，其型号为NIF5283。

8.一种无线充电系统，具有上述权利要求1-7任意一项所述的一种无线充电型光遗传学元件，其特征在于：还包括充电盒(2)，所述充电盒(2)还包括谐振电路，以及串联在谐振电路中的基频信号源(21)、功率放大电路(22)、谐振线圈(23)、和闭环自动电气开关(24)，所述基频信号源(21)为蓝牙芯片(16)与蓝牙主机通信提供信号源；功率放大电路(22)为蓝牙芯片(16)与蓝牙主机通信提供稳定的信号源；谐振线圈(23)与电磁感应线圈(15)通过感应耦合无线传输电力；闭环自动电气开关(24)用于使充电盒(2)始终处于无线触发的待机状态，当电量低于15％时自动触发充电。

9.一种无线控制系统，具有上述权利要求8所述的一种无线充电系统，其特征在于：还包括用于与主控模块蓝牙连接的移动终端(3)。