專利名稱：一種背包式無線光刺激裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種背包式無線光刺激裝置及其方法，尤其是涉及一種用于嚙齒類動物的背包式無線光刺激裝置及其方法。
背景技術：
在神經(jīng)工程學領域,腦機接口(Brain-Computer Interface, BCI)技術及其系統(tǒng)是重要的研究分支之一，其旨在建立生物腦與外部環(huán)境之間的直接的信息交互通道。在腦機接口技術中，外部設備或環(huán)境對于生物腦的信息反饋可以包括 多種模態(tài)方式，如視覺、聽覺、嗅覺、電/光刺激等。其中，光刺激與電刺激都能夠直接作用于生物腦特定的神經(jīng)結構，能夠模擬真實的觸覺傳入，是腦機接口中外部設備環(huán)境對生物腦反饋的重要模態(tài)。光刺激與電刺激相比，具有定向性強、精度控制好、損傷及副作用小的優(yōu)勢，已逐漸應用于各種范式的腦機接口系統(tǒng)。光刺激型腦機接口系統(tǒng)利用光基因(Optogenetics)技術，將特定神經(jīng)元或特定神經(jīng)元群轉染入光敏基因并表達，使其具有對特定波長光波敏感的特性。轉染光敏基因的神經(jīng)元在接受該特定波長的光照射時，會產(chǎn)生相應的神經(jīng)電位發(fā)放，從而引起特定的行為動作。另外，通過外部設備對該神經(jīng)電位進行檢測和處理，可實現(xiàn)特定的腦機接口系統(tǒng)。傳統(tǒng)的光刺激方式由激光器作為光源產(chǎn)生光信號，通過人工調節(jié)或計算機控制的方法控制激光器實現(xiàn)光信號參數(shù)的調控，并利用整根長直光纖或設置光纖轉接頭方式實現(xiàn)光路傳導并到達動物的光感基因腦區(qū)。上述光刺激方式從實現(xiàn)上講較為復雜，所需系統(tǒng)體積較大，難以滿足便攜需求，且由于刺激光源遠離動物體，光纖傳導的通信方式使得系統(tǒng)在空間距離等方面存在一定局限性。對于光纖傳導方式而言，整根長直光纖方式極易導致光纖的扭折；光纖轉接方案能夠從一定程度上緩解光纖扭折問題，但目前光纖轉接頭造價高昂，且光纖轉接技術并不成熟。此外，生物腦與外部設備通過光纖進行硬連接，也對于相應動物體的自由運動造成一定影響?；诖耍斜匾峁┮环N能夠實現(xiàn)無線通信和便攜式低功耗光源模塊的光刺激裝置及其控制方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種背包式無線光刺激裝置及其方法，本發(fā)明通過無線通信方式，將電信號轉換為光信號，實現(xiàn)對光感基因型動物的光刺激，從而彌補現(xiàn)有光刺激裝置笨重不能便攜的缺陷。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術手段是
本發(fā)明背包式無線光刺激裝置包括光纖、光纖耦合裝置、背包控制電路、激光LED、上位機、相互匹配的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊；所述背包控制電路包括相互電連接的微處理器和光源驅動電路，所述微處理器能夠將電信號轉換為電脈沖信號后發(fā)送給光源驅動電路；所述光纖耦合裝置包括外殼、LED連接件、光纖耦合透鏡組件和光纖準直器；光纖耦合透鏡組件的鏡筒與所述外殼緊密接觸，且LED連接件與外殼緊密接觸，LED連接件、光纖耦合透鏡組件的入射端面和外殼共同圍成一個密閉腔體；激光LED的燈頭置于該密閉腔體內，且激光LED的金屬導體桿穿出LED連接件并與光源驅動電路電連接；光纖準直器的入射端的端面與光纖耦合透鏡組件的出射端面緊密接觸，激光LED的發(fā)射光經(jīng)光纖耦合透鏡組件聚焦后會聚到光纖準直器的入射端并到達光纖的近光源末端；所述上位機與無線發(fā)射模塊電連接且由上位機向無線發(fā)射模塊發(fā)送刺激命令，無線接收模塊與背包控制電路的微處理器電連接；所述光纖植入到目標動物的光感基因腦區(qū)。進一步地，本發(fā)明還包括LED位置校正件，所述LED位置校正件包括環(huán)狀箍件和調節(jié)桿，所述環(huán)狀箍件置于所述密閉腔體內，環(huán)狀箍件的其中一個端面與光纖耦合透鏡組件固定連接，環(huán)狀箍件的另一個端面與激光LED的燈盤緊密接觸；外殼設有通孔，調節(jié)桿貫穿該通孔并能夠沿著該通孔往復移動，且調節(jié)桿的內端端面與環(huán)狀箍件的外壁緊密接觸，調
節(jié)桿的外端置于外殼外。進一步地，本發(fā)明所述調節(jié)桿與外殼的所述通孔螺紋配合，或者所述調節(jié)桿與外殼的所述通孔緊密滑動配合，或者所述調節(jié)桿通過螺母與外殼固定連接。進一步地，本發(fā)明所述光源驅動電路包括晶體三極管、可調電阻和固定電阻，所述晶體三極管分別與微處理器、可調電阻和固定電阻電連接。本發(fā)明利用其背包式無線光刺激裝置進行光刺激的方法如下上位機向無線發(fā)射模塊發(fā)送刺激命令信號，無線接收模塊接收到來自無線發(fā)射模塊的刺激命令信號后傳遞給微處理器，微處理器接收到該刺激命令信號后將其由電信號轉換生成電脈沖信號后傳遞給光源驅動電路，光源驅動電路將接收到的電脈沖信號放大，并將放大后的電脈沖信號傳遞至激光LED
當放大后的電脈沖信號為低電平時，激光LED關斷；當放大后的電脈沖信號為高電平時，激光LED導通，由激光LED出射的發(fā)射光經(jīng)過由LED連接件、光纖耦合透鏡組件的入射端面和外殼共同圍成的密閉腔體而到達光纖耦合透鏡組件的入射端，經(jīng)光纖耦合透鏡組件聚焦后再會聚到光纖準直器的入射端并到達光纖的近光源末端，然后經(jīng)由光纖到達目標動物的光感基因腦區(qū)而對目標動物進行光刺激。相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(I)本發(fā)明采用無線射頻通信技術，替代傳統(tǒng)的整根光纖長距離傳輸方式，突破傳統(tǒng)方式中因光纖長度限制導致的控制電路與上位機之間的距離限制；有效避免整根光纖傳導方式中動物運動自由度低、光纖易扭折等問題；光纖路徑縮短，有效減少光路傳導中發(fā)生的光強損耗。(2)本發(fā)明中的背包控制電路利用微處理器，將無線接收模塊傳遞的電信號轉換成一系列表征光刺激參數(shù)的光刺激信號，從而完成電信號到光信號的轉換；實現(xiàn)背包式無線光刺激系統(tǒng)方便、穩(wěn)定的運行與控制。(3)本發(fā)明采用便攜式的激光LED設備與光纖耦合裝置相結合的方式，替代傳統(tǒng)的激光器光源方式，使得背包控制電路、無線接收模塊、激光LED、光纖耦合裝置及光纖能夠與動物體綁定為一體，突破傳統(tǒng)激光器方法中光纖距離限制、光纖扭折等問題，實現(xiàn)便攜式光刺激。


圖I為本發(fā)明光刺激裝置的系統(tǒng)框架 圖2為本發(fā)明的光源驅動電路的原理 圖3為本發(fā)明的光纖耦合裝置的主視剖面圖；圖4為圖3的A-A剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。如圖I所示，本發(fā)明背包式無線光刺激裝置主要包括光纖、光纖耦合裝置、背包控制電路、激光LED、上位機、相互匹配的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊。背包控制電路包括微處理器和光源驅動電路，其中微處理器能夠將電信號轉換為電脈沖信號后發(fā)送給光源驅動電路；光纖耦合裝置包括外殼、LED連接件、光纖耦合透鏡組件和光纖準直器；上位機與無線發(fā)射模塊電連接，并且由上位機向無線發(fā)射模塊發(fā)送刺激命令；無線發(fā)射模塊將刺激命令發(fā)送至無線接收模塊，無線接收模塊與背包控制電路的微處理器電連接，微處理器與光源驅動電路電連接，光源驅動電路與激光LED電連接。激光LED的發(fā)射光經(jīng)光纖耦合透鏡組件聚焦后再會聚到光纖準直器的入射端并到達光纖的近光源末端。光纖的遠光源末端植入到目標動物的光感基因腦區(qū)。
相互匹配的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊共同構成無線通信模塊。無線通信模塊可采用藍牙通信模塊或基于兆赫級無線射頻波段的通信模塊。例如可采用基于TI公司生產(chǎn)的無線通信芯片CCllOl的微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊該無線通信模塊的工作電壓范圍為I. 8V-3. 6V,其主要利用433MHz無線電波頻段，最大傳輸距離可達200m (開闊地測試)，最大傳輸速率可達500Kbps，且具有無線喚醒功能，以實現(xiàn)低功耗工作。本發(fā)明中上位機可采用PC機或PDA (掌上電腦)設備。本發(fā)明的背包控制電路中，微處理器可采用低功耗MCU (微控制器)或低功耗DSP(數(shù)字信號處理器)。例如可采用C8051F020片上系統(tǒng)C8051R)20片上系統(tǒng)具有標準的8052的所有外設部件，包括5個16位的計數(shù)器/定時器、2個全雙工串口、256字節(jié)內部RAM、128字節(jié)特殊功能寄存器(SFR)地址空間及8/4個字節(jié)寬的I/O 口，它采用流水線結構，與標準的8051結構相比，指令執(zhí)行速度有很大的提高。微處理器與無線接收模塊通過串口連接，并根據(jù)從串口接收到的指令信號，在其數(shù)字輸出口輸出相應幅值、脈寬、周期、個數(shù)的電脈沖信號，如果沒有收到指令則處于低功耗的等待指令狀態(tài)；微處理器的數(shù)字輸出口與光源驅動電路連接。圖2示出了光源驅動電路的一種基本結構，包括晶體三極管Q1、可調電阻Rl和固定電阻R2，晶體三極管Ql分別與微處理器、可調電阻Rl和固定電阻R2電連接。晶體三極管Ql的基極接收微處理器發(fā)送的上述電脈沖信號，并利用晶體三極管Ql自身的電流放大功能，將激光LED與晶體三極管Ql的集電極相連接。當上述電脈沖信號為低電平時激光LED關斷，上述電脈沖信號為高電平時激光LED導通，從而利用光源驅動電路實現(xiàn)對激光LED的供電通斷控制，使激光LED生成具有一定光強大小、刺激脈寬、刺激頻率、光脈沖個數(shù)等光學信號特征的光刺激信號。可調電阻Rl通過對其自身電阻值的調節(jié)，實現(xiàn)對激光LED的電流限制以及功率控制作用，便于針對不同的刺激位點選用不同的刺激光強大小，以達到最優(yōu)的刺激效果。本發(fā)明中，激光LED可采用激光二極管(Laser Diode, LD)。例如可采用額定功率為1W，發(fā)射光為波長470nm藍光，發(fā)射光散角為30°、發(fā)光面為500 y m的LD器件。激光LED配有兩只相同的金屬導體桿3為激光LED供電并與光源驅動電路電連接。
光纖耦合裝置的結構如圖3所示，包括外殼I、LED連接件2、光纖耦合透鏡組件8以及光纖準直器12。外殼I是由不透光絕緣材質構成的中空圓筒構件。LED連接件2為剛性絕緣材質的圓盤構件，該圓盤構件上設有兩處直徑相同的通孔，以使激光LED4的金屬導體桿3由該通孔穿出LED連接件2后與光源驅動電路電連接。光纖耦合透鏡組件8是由球面鏡或非球面鏡組成的雙透鏡耦合組件，包括鏡筒11、第一透鏡9和第二透鏡10，其中第一透鏡9位于光纖耦合透鏡組件8的 入射端面處，第二透鏡10位于光纖耦合透鏡組件8的出射端面處。LED連接件2與外殼I緊密接觸，并且光纖耦合透鏡組件8的鏡筒11的外表面與外殼I緊密接觸，以使LED連接件2、光纖耦合透鏡組件8的入射端面和外殼I共同圍成一個密閉腔體。作為本發(fā)明的一種實施方式，可將外殼I套在光纖耦合透鏡組件8外，使外殼I的內表面與光纖耦合透鏡組件8的鏡筒11的外表面緊密地卡合在一起，從而使外殼I卡緊光纖耦合透鏡組件8的鏡筒11形成緊密接觸(參見圖3)。LED連接件2可與外殼I固定連接在一起或卡合在一起。激光LED4的燈頭置于由LED連接件2、光纖耦合透鏡組件8的入射端面和外殼I共同圍成一個密閉腔體內。光纖準直器12與光纖耦合透鏡組件8的鏡筒9可通過螺釘固定，以使光纖準直器12的入射端的端面與光纖耦合透鏡組件8的出射端面緊密接觸，并使激光LED4的發(fā)射光經(jīng)光纖耦合透鏡組件8聚焦后會聚到光纖準直器12的入射端。光纖準直器12的內部插入光纖13，光纖13的近光源末端與光纖耦合透鏡組件8同心，從而使由第二透鏡17出射的光線能夠由光纖13的近光源末端進入光纖13內。另外，作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，如圖3和圖4所示，光纖耦合裝置還可包括LED位置校正件5。LED位置校正件5包括環(huán)狀箍件7和調節(jié)桿6。其中，環(huán)狀箍件7置于由LED連接件2、光纖耦合透鏡組件8的第一透鏡9和外殼I共同圍成的密閉腔體內。環(huán)狀箍件7的其中一個端面(即圖3中的右端面)通過螺釘14與光纖耦合透鏡組件8固定連接，環(huán)狀箍件7的另一個端面(即圖3中的左端面)與激光LED4的燈盤緊密接觸，以便通過環(huán)狀箍件7的移動來對激光LED的位置進行微調。外殼I設有通孔，調節(jié)桿6貫穿該通孔，且調節(jié)桿6的外端置于外殼I之外，而調節(jié)桿6的內端端面則與環(huán)狀箍件7的外壁緊密接觸。由此，通過使調節(jié)桿6沿著該通孔往復移動，便能夠使環(huán)狀箍件7在密閉容腔內沿徑向調節(jié)位置，從而對激光LED的位置進行微調，進一步確保使激光LED4的發(fā)射光經(jīng)光纖耦合透鏡組件8聚焦后會聚到光纖準直器12的入射端，使本發(fā)明光刺激裝置使用更加靈活、可靠。為確保調節(jié)桿6的內端端面與環(huán)狀箍件7的外壁緊密接觸，可以采用但不限于以下各種方案例如，在調節(jié)桿6上設有外螺紋，外殼I的通孔則設有相匹配的內螺紋，由此調節(jié)桿6和通孔進行螺紋連接；或者，調節(jié)桿6與外殼I的所述通孔形成緊密滑動配合；或者，在調節(jié)桿6上設外螺紋，通過相匹配的螺母將調節(jié)桿6與外殼I固定連接在一起。本發(fā)明中光纖可采用單模光纖，例如可采用外徑lOOiim、內徑65iim的單模塑料光纖。光纖的近光源末端固定連接至光纖耦合裝置的光纖準直器12內，另一端(即遠光源末端)通過動物顱部手術方式埋植入目標動物的光感基因腦區(qū)。本發(fā)明的背包式無線光刺激裝置使用時，上位機向無線發(fā)射模塊發(fā)送控制命令信號(即刺激命令信號)，無線接收模塊接收到來自無線發(fā)射模塊的命令信號后傳遞給微處理器。微處理器接收到該命令信號后將其由電信號轉換生成一系列表征光刺激特征的電脈沖信號，并將該電脈沖信號傳遞給光源驅動電路。光源驅動電路將輸入的電脈沖信號放大，并將放大后的電脈沖信號傳遞至激光LED，從而使光源驅動電路控制激光LED的供電通斷，使得激光LED發(fā)射出具有一定脈寬、頻率、光強大小的光刺激信號。光刺激信號通過光纖耦合裝置和光纖，最終到達目標動物的光感基因腦區(qū)，從而完成對光感基因型動物的光刺激。本發(fā)明不僅適用于大鼠、小鼠等嚙齒類動物，還適用于其他的哺乳類動物。以上實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能 因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員而言，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種背包式無線光刺激裝置，其特征在于包括光纖、光纖耦合裝置、背包控制電路、激光LED、上位機、相互匹配的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊；所述背包控制電路包括相互電連接的微處理器和光源驅動電路，所述微處理器能夠將電信號轉換為電脈沖信號后發(fā)送給光源驅動電路；所述光纖耦合裝置包括外殼、LED連接件、光纖耦合透鏡組件和光纖準直器；光纖耦合透鏡組件的鏡筒與所述外殼緊密接觸，且LED連接件與外殼緊密接觸，LED連接件、光纖耦合透鏡組件的入射端面和外殼共同圍成一個密閉腔體；激光LED的燈頭置于該密閉腔體內，且激光LED的金屬導體桿穿出LED連接件并與光源驅動電路電連接；光纖準直器的入射端的端面與光纖耦合透鏡組件的出射端面緊密接觸，激光LED的發(fā)射光經(jīng)光纖耦合透鏡組件聚焦后會聚到光纖準直器的入射端并到達光纖的近光源末端；所述上位機與無線發(fā)射模塊電連接且由上位機向無線發(fā)射模塊發(fā)送刺激命令，無線接收模塊與背包控制電路的微處理器電連接；所述光纖植入到目標動物的光感基因腦區(qū)。
2.如權利要求I所述的背包式無線光刺激裝置，其特征在于還包括LED位置校正件，所述LED位置校正件包括環(huán)狀箍件和調節(jié)桿，所述環(huán)狀箍件置于所述密閉腔體內，環(huán)狀箍件的其中一個端面與光纖耦合透鏡組件固定連接，環(huán)狀箍件的另一個端面與激光LED的燈盤緊密接觸；外殼設有通孔，調節(jié)桿貫穿該通孔并能夠沿著該通孔往復移動，且調節(jié)桿的內端端面與環(huán)狀箍件的外壁緊密接觸，調節(jié)桿的外端置于外殼外。
3.如權利要求2所述的背包式無線光刺激裝置，其特征在于所述調節(jié)桿與外殼的所述通孔螺紋配合，或者所述調節(jié)桿與外殼的所述通孔緊密滑動配合，或者所述調節(jié)桿通過螺母與外殼固定連接。
4.如權利要求I所述的背包式無線光刺激裝置，其特征在于所述光源驅動電路包括晶體三極管、可調電阻和固定電阻，所述晶體三極管分別與微處理器、可調電阻和固定電阻電連接。
5.一種利用權利要求I的背包式無線光刺激裝置進行光刺激的方法，其特征在于上位機向無線發(fā)射模塊發(fā)送刺激命令信號，無線接收模塊接收到來自無線發(fā)射模塊的刺激命令信號后傳遞給微處理器，微處理器接收到該刺激命令信號后將其由電信號轉換生成電脈沖信號后傳遞給光源驅動電路，光源驅動電路將接收到的電脈沖信號放大，并將放大后的電脈沖信號傳遞至激光LED 當放大后的電脈沖信號為低電平時，激光LED關斷；當放大后的電脈沖信號為高電平時，激光LED導通，由激光LED出射的發(fā)射光經(jīng)過由LED連接件、光纖耦合透鏡組件的入射端面和外殼共同圍成的密閉腔體而到達光纖耦合透鏡組件的入射端，經(jīng)光纖耦合透鏡組件聚焦后再會聚到光纖準直器的入射端并到達光纖的近光源末端，然后經(jīng)由光纖到達目標動物的光感基因腦區(qū)而對目標動物進行光刺激。
全文摘要
本發(fā)明公開一種背包式無線光刺激裝置及其方法。其裝置包括光纖、光纖耦合裝置、背包控制電路、激光LED、上位機、相互匹配的無線發(fā)射模塊和無線接收模塊；背包控制電路包括相互電連接的微處理器和光源驅動電路；光纖耦合裝置包括外殼、LED連接件、光纖耦合透鏡組件和光纖準直器。上位機通過無線發(fā)射、接收模塊向背包控制電路發(fā)送刺激命令，背包控制電路接收刺激命令，并將其由電信號轉換成一系列表征光刺激特征的光信號，該光信號通過光纖耦合裝置和光纖傳入目標動物的光感基因腦區(qū)中，實現(xiàn)對光感基因腦區(qū)的光刺激作用。本發(fā)明為腦機接口系統(tǒng)提供了一種便攜、穩(wěn)定、低功耗、使用方便、距離限制小的光刺激方式，在神經(jīng)工程領域具廣泛的應用前景。
文檔編號A61F2/00GK102697578SQ20121016637
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月27日 優(yōu)先權日2012年5月27日
發(fā)明者張巧生, 張磊, 張韶岷, 楊怡, 趙挺, 鄭筱祥, 郝耀耀, 郭頌超 申請人:浙江大學