專利名稱：近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于神經(jīng)功能修復(fù)的裝置及方法，具體涉及一種近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置及方法。
背景技術(shù)：
神經(jīng)功能受損會(huì)給病人帶來巨大痛苦，而目前又很難利用生物學(xué)方法治愈絕大部分的神經(jīng)系統(tǒng)損傷。從神經(jīng)功能信息傳導(dǎo)通路的角度看，神經(jīng)功能修復(fù)可以在感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)及效應(yīng)器等層次展開。大腦皮層是最高級(jí)的神經(jīng)中樞，是神經(jīng)修復(fù)效果最好的神經(jīng)假體方法，其刺激方法包括電刺激、磁刺激和光刺激等。隨著科學(xué)技術(shù)和臨床水平的提高，神經(jīng)電刺激修復(fù)一度成為研究熱點(diǎn)，其主要是利用神經(jīng)微電極與功能恢復(fù)集成電路完全集成或混合集成的、可植入人體內(nèi)的系統(tǒng)芯片，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能的修復(fù)。然而，隨著電刺激修復(fù)分辨率的提高、神經(jīng)電刺激臨床應(yīng)用的開展，傳統(tǒng)的電刺激逐漸暴露出以下局限性:
(1)電刺激方法存在偽跡，在組織液中需振蕩才會(huì)消失，且時(shí)間較長(zhǎng)；
(2)由于微電極尺寸受加工工藝的限制，且微電極在組織液中會(huì)被浸泡腐蝕，故電刺激分辨率的提高會(huì)受到微電極陣列的束縛；
(3)電刺激的實(shí)現(xiàn)是電荷流動(dòng)形式，生物組織中是離子流動(dòng)形式，需要兩種能量形式的轉(zhuǎn)換，故需考慮電刺激能量在生物組織中的傳遞與轉(zhuǎn)化，而且電刺激需要考慮植入電路以及植入電路的電源供應(yīng)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置及方法，能有效激活神經(jīng)組織并使之誘發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能的修復(fù)，且偽跡時(shí)程較短、分辨率較高、與神經(jīng)組織不直接接觸。本發(fā)明所述近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置，包括激光器、光纖、微電極陣列、電極轉(zhuǎn)接口、引線、多通道采集儀、傳輸光纜和計(jì)算機(jī)；
所述光纖與激光器連接，激光器產(chǎn)生近紅外激光，用于傳送到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織上；所述微電極陣列用于插入到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織中，并通過電極轉(zhuǎn)接口、引線與多通道采集儀連接，該多通道采集儀通過傳輸光纜與計(jì)算機(jī)連接，多通道采集儀將微電極陣列采集到的誘發(fā)電位放大、濾波和數(shù)字化處理，并通過計(jì)算機(jī)處理、顯示和存儲(chǔ)；
所述光纖的光纖長(zhǎng)軸與記錄微電極的軸線夾角為0 45° ;
所述激光器產(chǎn)生的近紅外的波 長(zhǎng)范圍為780 2526nm。還包括定位架，該定位架包括支撐架、第一固定棒、第二固定棒、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述第一固定棒通過角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與支撐架連接，光纖的輸出端固定在第一固定棒上，并通過角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)光纖輸出端的空間位置，所述微電極陣列固定在第二固定棒上，并通過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)微電極陣列的空間位置。
所述角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由第一螺釘、第二螺釘、連接件和金屬球組成，金屬球固定在支撐架上，連接件的一端與第一固定棒連接，且第一固定棒與連接件之間通過第一螺釘鎖緊，連接件的另一端與金屬球連接，且連接件與金屬球之間通過第二螺釘鎖緊；所述高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為第三螺釘。所述激光器為脈沖式激光器，其脈寬< 10ms，頻率< 100Hz，驅(qū)動(dòng)電流幅度為
<4A，閾值電流為< 999mA，步長(zhǎng)為10mA。所述微電極陣列能采集預(yù)修復(fù)神經(jīng)組織在近紅外激光照射下誘發(fā)的局部場(chǎng)電位和SPIKE信號(hào)。本發(fā)明所述的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)方法，其步驟如下:
步驟一、將光纖與激光器連接，將多通道采集儀通過電極轉(zhuǎn)接口、引線與微電極陣列連接，并將多通道采集儀通過傳輸光纜與計(jì)算機(jī)連接；
步驟二、將微電極陣列固定在定位架上，并將微電極陣列插入到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織區(qū)域中；
步驟三、將光纖的輸出端固定在定位架上，且光纖的輸出端對(duì)準(zhǔn)預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織區(qū)域，使激光器輸出的近紅外激光能照射在預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織區(qū)域上；
步驟四、調(diào)節(jié)激光器的驅(qū)動(dòng)電流、脈寬、頻率參數(shù)控制激光器輸出不同波長(zhǎng)的激光，微電極陣列采集預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織在近紅外激光照射下的誘發(fā)電位，并通過電極轉(zhuǎn)接口、弓丨線輸入多通道采集儀，多通道采集儀將微電極陣列采集到的誘發(fā)電位放大、濾波和數(shù)字化處理，并通過傳輸光纜輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。所述步驟二中，所述微電極陣列固定在定位架的第二固定棒上，并通過第三螺釘調(diào)節(jié)微電極陣列的空間位置。所述步驟三中，所述光纖的輸出端固定在定位架的第一固定棒上，并通過第一螺釘、第二螺釘和金屬球調(diào)節(jié)光纖輸出端的空間位置。上述所述的用近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置對(duì)神經(jīng)組織進(jìn)行修復(fù)的方法，
(1)由于光能量的吸收較快，故偽跡時(shí)程較短；
(2)由于不會(huì)受到微電極加工工藝、微電極材料生物相容性的限制，故光刺激神經(jīng)功能修復(fù)技術(shù)的分辨率較高；
(3)由于近紅外光在組織中的穿透深度可達(dá)5cm以上，能直接作用到皮膚、皮下組織的血管、淋巴管、神經(jīng)末梢，故采用近紅外激光刺激方法無需與組織直接接觸、無需在生物組織體內(nèi)安置電路，無需考慮植入電路的電源問題。綜上所述，本發(fā)明利用近紅外光照射神經(jīng)組織，能夠有效激活神經(jīng)組織并使之誘發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，從而達(dá)到神經(jīng)功能修復(fù)的目的，具有偽跡時(shí)程較短、分辨率較高、刺激方向性較好，并與神經(jīng)組織不直接接觸的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明:如圖1所示的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置，包括激光器1、光纖2、微電極陣列10、電極轉(zhuǎn)接口 8、引線4、多通道采集儀5、傳輸光纜6和計(jì)算機(jī)7 ;光纖2與激光器I連接，激光器I產(chǎn)生近紅外激光，用于傳送到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9上；微電極陣列10用于插入到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9中，并通過電極轉(zhuǎn)接口 8、引線4與多通道采集儀5連接，該多通道采集儀5通過傳輸光纜6與計(jì)算機(jī)7連接，多通道采集儀5將微電極陣列10采集到的誘發(fā)電位放大、濾波和數(shù)字化處理，并通過計(jì)算機(jī)7處理、顯示和存儲(chǔ)；光纖2的光纖長(zhǎng)軸與記錄微電極10的軸線夾角為0 45°。 該近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置通過光纖2取代電刺激中的電極，通過激光取代電刺激中的刺激信號(hào)發(fā)生源，將光纖2置于預(yù)修復(fù)的神經(jīng)細(xì)胞上方，傳導(dǎo)激光照射神經(jīng)細(xì)胞來激活或抑制神經(jīng)沖動(dòng)，從而修復(fù)皮層靶區(qū)域?qū)?yīng)的神經(jīng)功能。還包括定位架3，該定位架3包括支撐架3h、第一固定棒3a、第二固定棒3f、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述第一固定棒3a通過角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與支撐架3h連接,光纖2的輸出端用醫(yī)用膠帶包纏在第一固定棒3a上，并通過角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)光纖2輸出端的空間位置進(jìn)行精確調(diào)節(jié)(即:調(diào)節(jié)光纖2長(zhǎng)軸與預(yù)修復(fù)神經(jīng)組織9水平面的夾角以及光纖2輸出端與預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9的距離)，以確保激光器I輸出的近紅外激光能較好地照射在預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9區(qū)域上，所述微電極陣列10通過引線4用醫(yī)用膠帶包纏在第二固定棒3f上，并通過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)微電極陣列10的空間位置進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以確保調(diào)節(jié)微電極陣列10垂直插入預(yù)修復(fù)神經(jīng)組織9，并精確定位記錄微電極的插入深度。進(jìn)一步，角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由第一螺釘3b、第二螺釘3c、連接件3g和金屬球3d組成，金屬球3d固定在支撐架3h上,連接件3g的一端與第一固定棒3a連接,且第一固定棒3a與連接件3g之間通過第一螺釘3b鎖緊，連接件3g的另一端與金屬球3d連接，且連接件3g與金屬球3d之間通過第二螺釘3c鎖緊；所述高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為第三螺釘3e。所述激光器I為脈沖式激光器，包括激光二極管、電源和驅(qū)動(dòng)電路、光路系統(tǒng)、光纖接口。驅(qū)動(dòng)電路由定時(shí)電路、脈沖發(fā)生器、電子開關(guān)和供電電源組成。通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流、脈寬、頻率參數(shù)控制激光器I發(fā)出不同波長(zhǎng)的低能量激光(連續(xù)或不同脈寬、不同頻率的脈沖信號(hào))，該激光器I的脈寬< 10ms，頻率< 100Hz，驅(qū)動(dòng)電流幅度為< 4A，閾值電流為
<999mA，步長(zhǎng)為10mA。該激光器I產(chǎn)生的近紅外的波長(zhǎng)范圍為780 2526nm。所述微電極陣列10能采集預(yù)修復(fù)神經(jīng)組織9在近紅外激光照射下誘發(fā)的局部場(chǎng)電位和SPIKE信號(hào)。本發(fā)明所述的預(yù)修復(fù)神經(jīng)組織9包括視皮層、運(yùn)動(dòng)皮層及耳蝸等神經(jīng)組織。本發(fā)明所述的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)方法，其步驟如下:
步驟一、將光纖2與激光器I連接，將多通道采集儀5通過電極轉(zhuǎn)接口 8、引線4與微電極陣列10連接，并將多通道采集儀5通過傳輸光纜6與計(jì)算機(jī)7連接；
步驟二、將微電極陣列10固定在定位架3的第二固定棒3f上，并調(diào)節(jié)第三螺釘3e對(duì)微電極陣列10的空間位置進(jìn)行精確定位，并將微電極陣列10插入到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9區(qū)域；
步驟三、將光纖2的輸出端固定在定位架3的第一固定棒3a上，并通過第一螺釘3b、第二螺釘3c和金屬球3d調(diào)節(jié)光纖2輸出端的空間位置，以確保光纖2的輸出端對(duì)準(zhǔn)預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9區(qū)域，以確保激光器I輸出的近紅外激光能較好地照射在預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9區(qū)域上；
步驟四、調(diào)節(jié)激光器I的驅(qū)動(dòng)電流、脈寬、頻率參數(shù)控制激光器I輸出不同波長(zhǎng)的低能量激光(連續(xù)或不同脈寬、不同頻率的脈沖信號(hào))，當(dāng)近紅外激光照射預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9時(shí)，近紅外激光能使該區(qū)域的神經(jīng)組織9興奮，以達(dá)到修復(fù)不同神經(jīng)功能的目的，微電極陣列10采集預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織9在近紅外激光照射下的誘發(fā)電位，并通過電極轉(zhuǎn)接口 8、引線4輸入多通道采集儀5，多通道采集儀5將微電極陣列10采集到的誘發(fā)電位放大、濾波和數(shù)字化處理，并通過傳輸光纜6輸入計(jì)算機(jī)7進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)，通過計(jì)算機(jī)7觀察到光刺激誘發(fā)出的神經(jīng)響應(yīng)。以下以視皮層神經(jīng)為例，對(duì)本發(fā)明所述的修復(fù)方法做進(jìn)一步的說明:
剪開動(dòng)物頭部皮膚，暴露顱骨，準(zhǔn)確定位視皮層區(qū)域，從而定位出微電極陣列10的插入位置，后沿此區(qū)域開出骨窗，待硬腦膜完全暴露后，將微電極陣列10插入到視皮層神經(jīng)區(qū)域，并將光纖長(zhǎng)軸與記錄微電極的軸線夾角調(diào)整為20°，且光纖2的輸出端與視皮層神經(jīng)組織的垂直距離為廣2_，調(diào)節(jié)激光器I的驅(qū)動(dòng)電流、脈寬、頻率參數(shù)控制激光器I輸出特定波長(zhǎng)的低能量激光(連續(xù)或不同脈寬、不同頻率的脈沖信號(hào))，通過計(jì)算機(jī)7觀察所采集到的誘發(fā)電位，并記錄和存 儲(chǔ)以供后續(xù)詳細(xì)分析。
權(quán)利要求
1.一種近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置，其特征在于:包括激光器(I)、光纖(2)、微電極陣列(10)、電極轉(zhuǎn)接口(8)、引線(4)、多通道采集儀(5)、傳輸光纜(6)和計(jì)算機(jī)(7)； 所述光纖(2)與激光器(I)連接，激光器(I)產(chǎn)生近紅外激光，用于傳送到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織(9)上； 所述微電極陣列(10)用于插入到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織(9)中，并通過電極轉(zhuǎn)接口(8)、引線(4 )與多通道采集儀(5 )連接，該多通道采集儀(5 )通過傳輸光纜(6 )與計(jì)算機(jī)(7 )連接，多通道采集儀(5)將微電極陣列(10)采集到的誘發(fā)電位放大、濾波和數(shù)字化處理，并通過計(jì)算機(jī)(7)處理、顯示和存儲(chǔ)； 所述光纖(2)的光纖長(zhǎng)軸與記錄微電極(10)的軸線夾角為0 45° ; 所述激光器(I)產(chǎn)生的近紅外的波長(zhǎng)范圍為780 2526nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置，其特征在于:還包括定位架(3)，該定位架(3)包括支撐架(3h)、第一固定棒(3a)、第二固定棒(3f)、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，所述第一固定棒(3a)通過角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與支撐架(3h)連接,光纖(2)的輸出端固定在第一固定棒(3a)上，并通過角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)光纖(2)輸出端的空間位置，所述微電極陣列(10)固定在第二固定棒(3f)上,并通過高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)微電極陣列(10)的空間位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置，其特征在于:所述角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由第一螺釘(3b)、第二 螺釘(3c)、連接件(3g)和金屬球(3d)組成，金屬球(3d)固定在支撐架(3h)上，連接件(3g)的一端與第一固定棒(3a)連接，且第一固定棒(3a)與連接件(3g)之間通過第一螺釘(3b)鎖緊，連接件(3g)的另一端與金屬球(3d)連接，且連接件(3g)與金屬球(3d)之間通過第二螺釘(3c)鎖緊；所述高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為第三螺釘(3e)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置，其特征在于:所述激光器(I)為脈沖式激光器，其脈寬< 10ms，頻率< 100Hz，驅(qū)動(dòng)電流幅度為<4A，閾值電流為< 999mA，步長(zhǎng)為10mA。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置，其特征在于:所述微電極陣列(10)能采集預(yù)修復(fù)神經(jīng)組織(9)在近紅外激光照射下誘發(fā)的局部場(chǎng)電位和SPIKE信號(hào)。
6.一種用如權(quán)利要求1至5任一所述的近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置對(duì)神經(jīng)組織進(jìn)行修復(fù)的方法，其步驟如下: 步驟一、將光纖(2 )與激光器(I)連接，將多通道采集儀(5 )通過電極轉(zhuǎn)接口( 8 )、引線(4)與微電極陣列(10)連接，并將多通道采集儀(5)通過傳輸光纜(6)與計(jì)算機(jī)(7)連接；步驟二、將微電極陣列(10)固定在定位架(3)上，并將微電極陣列(10)插入到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織(9)區(qū)域中； 步驟三、將光纖(2)的輸出端固定在定位架(3)上，且光纖(2)的輸出端對(duì)準(zhǔn)預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織(9)區(qū)域，使激光器(I)輸出的近紅外激光能照射在預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織(9)區(qū)域上； 步驟四、調(diào)節(jié)激光器(I)的驅(qū)動(dòng)電流、脈寬、頻率參數(shù)控制激光器(I)輸出不同波長(zhǎng)的激光，微電極陣列(10)采集預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織(9)在近紅外激光照射下的誘發(fā)電位，并通過電極轉(zhuǎn)接口(8)、引線(4)輸入多通道采集儀(5)，多通道采集儀(5)將微電極陣列(10)采集到的誘發(fā)電位放大、濾波和數(shù)字化處理，并通過傳輸光纜(6)輸入計(jì)算機(jī)(7)進(jìn)行處理、顯示和存儲(chǔ)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置對(duì)神經(jīng)組織進(jìn)行修復(fù)的方法，其特征在于: 所述步驟二中，所述微電極陣列(10)固定在定位架(3)的第二固定棒(3f)上，并通過第三螺釘(3e)調(diào)節(jié)微電極陣列(10)的空間位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置對(duì)神經(jīng)組織進(jìn)行修復(fù)的方法，其特征在于: 所述步驟三中，所述光纖(2)的輸出端固定在定位架(3)的第一固定棒(3a)上，并通過第一螺釘(3b)、第二螺釘(3c)和金屬球(3d)調(diào)節(jié)光纖(2)輸出端的空間位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近紅外光刺激神經(jīng)的修復(fù)裝置及方法，光纖與激光器連接，將激光器產(chǎn)生的近紅外激光傳送到預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織上；微電極陣列插入預(yù)修復(fù)的神經(jīng)組織中，并通過電極轉(zhuǎn)接口、引線與多通道采集儀連接，該多通道采集儀通過傳輸光纜與計(jì)算機(jī)連接，多通道采集儀將微電極陣列采集到的誘發(fā)電位放大、濾波和數(shù)字化處理，并通過計(jì)算機(jī)處理、顯示和存儲(chǔ),光纖的光纖長(zhǎng)軸與記錄微電極的軸線夾角為0～45°；激光器產(chǎn)生的近紅外的波長(zhǎng)范圍為780～2526nm。本發(fā)明的裝置及方法，能夠有效激活神經(jīng)組織并使之誘發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能的修復(fù)，且偽跡時(shí)程較短、分辨率較高、與神經(jīng)組織不直接接觸。
文檔編號(hào)A61N5/067GK103071246SQ201310052800
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月19日
發(fā)明者王星, 侯文生, 鄭小林, 夏楠, 汪曼青, 萬小萍 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)