本發(fā)明屬于神經(jīng)調(diào)控,尤其涉及一種利用近紅外光和光電轉(zhuǎn)換材料來實(shí)現(xiàn)的非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置。具體而言,本發(fā)明涉及神經(jīng)科學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域,旨在通過先進(jìn)的光電轉(zhuǎn)換技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的精確調(diào)控,提供一種在神經(jīng)研究和臨床治療中具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)解決方案。
背景技術(shù):
1、現(xiàn)有的神經(jīng)調(diào)控方法主要包括電刺激和光調(diào)控兩種途徑。電刺激技術(shù)通過直接向神經(jīng)系統(tǒng)傳遞電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)調(diào)控,其優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)快速、精確的神經(jīng)活動(dòng)操控。然而,電刺激方法通常需要植入電極,這不僅對(duì)電極的質(zhì)量提出了較高挑戰(zhàn),也會(huì)對(duì)腦組織造成損傷,導(dǎo)致患者接受度低和手術(shù)復(fù)雜性增加。
2、相比之下,光調(diào)控技術(shù)利用特定波長(zhǎng)的光來激活或抑制神經(jīng)元活動(dòng),具有非侵入性和高空間分辨率的特點(diǎn),對(duì)生物體無損傷且能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間采集。然而,光調(diào)控技術(shù)的主要缺點(diǎn)是短波長(zhǎng)光信號(hào)穿透性較差,常常需要植入光纖以減少入射光的損失,光纖的植入將引起類似電刺激中的腦組織損傷問題。近紅外光具有較強(qiáng)的穿透能力,常用于各種醫(yī)療應(yīng)用。
3、在神經(jīng)調(diào)控領(lǐng)域,現(xiàn)有技術(shù)存在以下主要問題:
4、1.侵入性操作的損傷風(fēng)險(xiǎn):傳統(tǒng)電刺激方法需要植入電極,通過直接向神經(jīng)系統(tǒng)傳遞電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)調(diào)控。這種方法不僅對(duì)電極的質(zhì)量和耐用性提出了較高要求,而且由于手術(shù)植入的侵入性,會(huì)對(duì)腦組織造成不可避免的損傷,增加了感染和其他并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)電極穩(wěn)定性也會(huì)隨著時(shí)間而降低,因此長(zhǎng)期穩(wěn)定性差?;颊呓邮芏鹊?,且手術(shù)的復(fù)雜性和恢復(fù)期較長(zhǎng)。
5、2.光調(diào)控方法的穿透性限制:光調(diào)控技術(shù)利用特定波長(zhǎng)的光來激活或抑制神經(jīng)元活動(dòng),具有非侵入性和高空間分辨率的特點(diǎn)。然而,短波長(zhǎng)光的穿透性較差,并且調(diào)控響應(yīng)速度變慢。
6、因此,通常需要植入光纖以提高穿透深度,減少入射光的損失。例如,通過植入光纖并通過病毒將外源光敏感蛋白基因?qū)牖罴?xì)胞中,在細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)上表達(dá)了光敏感通道蛋白;然后通過特定波長(zhǎng)光的照射,控制細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)上的光敏感通道蛋白的激活與關(guān)閉來控制神經(jīng)元激活。因?yàn)樾枰ㄟ^病毒引入外源蛋白基因這種方法具有一定潛在風(fēng)險(xiǎn)同時(shí)與植入電極類似,在腦組織中長(zhǎng)期存在的光纖同樣對(duì)腦組織有損傷,導(dǎo)致與電刺激方法類似的問題,如導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)受限,難以在臨床上廣泛應(yīng)用。
7、3.現(xiàn)有材料和技術(shù)的局限性:雖然上轉(zhuǎn)換材料和光生電材料在光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域已有一定應(yīng)用,但如何有效地結(jié)合這些材料,形成一種高效、穩(wěn)定的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng),并應(yīng)用于神經(jīng)調(diào)控中,仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。此外,如何確保光電轉(zhuǎn)換材料在體內(nèi)的穩(wěn)定性和安全性,以及如何精確控制光照和電信號(hào)的傳遞,也是亟需解決的問題。
8、4.系統(tǒng)集成和操作復(fù)雜性:現(xiàn)有的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)往往在材料和設(shè)備的集成方面存在不足,無法形成一個(gè)高效、穩(wěn)定、易操作的整體系統(tǒng)。這不僅影響了神經(jīng)調(diào)控的效果,還增加了操作的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)的不確定性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)上述問題,本發(fā)明提出了一種非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置,該裝置,實(shí)現(xiàn)了精確的神經(jīng)調(diào)控,同時(shí)避免了傳統(tǒng)方法中的腦組織損傷問題。
2、為了實(shí)現(xiàn)目的,本發(fā)明一種非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置,其特征在于,包括光纖、設(shè)于光纖的一端的光纖固定裝置、設(shè)于光纖的另一端的激光光源,以及與光纖分開設(shè)置的光電轉(zhuǎn)換材料定位與注入組件;
3、其中,所述光電轉(zhuǎn)換材料定位與注入組件用于將光電轉(zhuǎn)換材料注入指定的溶液注射點(diǎn);所述光電轉(zhuǎn)換材料為粉末狀,其包含可將近紅外光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的納米顆粒,其分散在生理鹽水中從而能夠被注入生物組織中;
4、所述激光光源設(shè)置為將近紅外波段的激光照射到溶液注射點(diǎn)所在的區(qū)域,使得激光通過所述光電轉(zhuǎn)換材料轉(zhuǎn)換為電信號(hào),使得電信號(hào)刺激溶液注射點(diǎn)所在的區(qū)域。
5、所述光電轉(zhuǎn)換材料的溶液注射點(diǎn)和注射量是在使用所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置之前,根據(jù)所需調(diào)控的神經(jīng)組織區(qū)域預(yù)先規(guī)劃確定的。
6、所述注射量在十幾納升到幾十微升之間,所述溶液注射點(diǎn)處于所需調(diào)控的神經(jīng)組織區(qū)域的范圍內(nèi)。
7、所述光電轉(zhuǎn)換材料的輸入光波長(zhǎng)在780nm-2526nm之間,且所述光電轉(zhuǎn)換材料具有光伏效應(yīng),所產(chǎn)生的電流強(qiáng)度在一納安到百毫安量級(jí)。
8、所述光電轉(zhuǎn)換材料定位與注入組件包括注射器、用于夾持固定所述注射器的主體的注射器夾持機(jī)構(gòu)、用于驅(qū)動(dòng)注射器的推頭部分的電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、以及用于使所述注射器夾持機(jī)構(gòu)移動(dòng)的手術(shù)定位儀。
9、所述注射器夾持機(jī)構(gòu)包括背板和注射器固定臂,通過注射器固定臂將注射器固定在背板上;所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括依次連接的控制器、控制線和電驅(qū)動(dòng)塊,電驅(qū)動(dòng)塊在背板上可滑動(dòng)并且與注射器的推頭部分固定連接。
10、所述光電轉(zhuǎn)換材料的溶液注射點(diǎn)的定位精度為0.01mm。
11、所述光纖固定裝置包括與光纖緊固連接的螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)、與所述螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)固定連接的支架;所述支架粘附在生物體表面或者支架包括頭盔或其他可穿戴設(shè)備,使得螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)和光纖均依靠支架固定于生物體表面;或者,所述光纖固定裝置僅僅包括移動(dòng)端與光纖固定連接的立體定位儀,使得光纖受立體定位儀驅(qū)動(dòng)。
12、所述的非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置,其特征在于,還包括一個(gè)非侵入式神經(jīng)調(diào)控規(guī)劃系統(tǒng);
13、所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控規(guī)劃系統(tǒng)包括:光電轉(zhuǎn)換材料注入規(guī)劃模塊,其設(shè)置為:在使用所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置之前,掃描獲取生物體的定位信息,根據(jù)生物體的定位信息和調(diào)控目標(biāo)預(yù)先規(guī)劃確定光電轉(zhuǎn)換材料的注入?yún)?shù);和光電轉(zhuǎn)換材料注入控制模塊,其設(shè)置為:在所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置工作時(shí),驅(qū)動(dòng)光電轉(zhuǎn)換材料定位與注入組件按照光電轉(zhuǎn)換材料注入規(guī)劃模塊提供的光電轉(zhuǎn)換材料的注入?yún)?shù)來工作;
14、和/或,所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控規(guī)劃系統(tǒng)包括:激光光源規(guī)劃模塊,其設(shè)置為:在使用所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置之前,根據(jù)調(diào)控目標(biāo)預(yù)先規(guī)劃確定激光光源的激光輸出參數(shù);所述激光光源的激光輸出參數(shù)例如包括激光照度、頻率和照射時(shí)間;和激光光源控制模塊,其設(shè)置為:在所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置工作時(shí),驅(qū)動(dòng)激光光源按照激光光源規(guī)劃模塊提供的激光輸出參數(shù)來工作。
15、在所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控規(guī)劃系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換材料注入規(guī)劃模塊和光電轉(zhuǎn)換材料注入控制模塊時(shí),所述光電轉(zhuǎn)換材料的注入?yún)?shù)包括光電轉(zhuǎn)換材料的溶液注射點(diǎn)和注射量;
16、在所述非侵入式神經(jīng)調(diào)控規(guī)劃系統(tǒng)包括激光光源規(guī)劃模塊和激光光源控制模塊時(shí),所述激光光源的激光輸出參數(shù)包括激光照度、激光功率、頻率、照射時(shí)間、和激光脈寬中的至少一種。
17、本發(fā)明的非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置具有以下特點(diǎn):
18、1.非侵入性:本發(fā)明通過利用近紅外光和光電轉(zhuǎn)換材料,實(shí)現(xiàn)了非侵入性的神經(jīng)調(diào)控,避免了傳統(tǒng)電刺激和光纖植入帶來的腦組織損傷問題。
19、2.高效性:通過光電轉(zhuǎn)換材料的光電效應(yīng)將近紅外光有效轉(zhuǎn)換為電信號(hào),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)神經(jīng)元的精確刺激,具有較高的調(diào)控效率。
20、3.系統(tǒng)獨(dú)特性:本發(fā)明的系統(tǒng)裝置將光電轉(zhuǎn)換材料、材料注入設(shè)備、光纖固定裝置和激光器有機(jī)結(jié)合,形成了一種獨(dú)特的神經(jīng)調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用各部件的特性,實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的神經(jīng)調(diào)控效果。
21、4.穩(wěn)定性:光纖固定裝置采用螺紋鎖緊機(jī)構(gòu)和支架結(jié)構(gòu),確保了光纖的穩(wěn)固性和照射位置的準(zhǔn)確性,避免了光纖位置偏移帶來的調(diào)控效果不穩(wěn)定問題。
22、5.可編程控制:激光光源裝置通過程序控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)激光強(qiáng)度、頻率和照射時(shí)間的精確控制,能夠根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行調(diào)整,具有較高的靈活性和適用性。
23、綜上所述,本發(fā)明提供了一種創(chuàng)新的非侵入式神經(jīng)調(diào)控裝置,結(jié)合了光電轉(zhuǎn)換材料、材料注入設(shè)備、光纖固定裝置和激光器,具備非侵入性、高效性、系統(tǒng)獨(dú)特性、穩(wěn)定性和可編程控制的優(yōu)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)神經(jīng)元的精確調(diào)控,具有廣泛的應(yīng)用前景。