专利名称：一种背包式无线光刺激装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种背包式无线光刺激装置及其方法，尤其是涉及一种用于啮齿类动物的背包式无线光刺激装置及其方法。
背景技术：
在神经工程学领域,脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)技术及其系统是重要的研究分支之一，其旨在建立生物脑与外部环境之间的直接的信息交互通道。在脑机接口技术中，外部设备或环境对于生物脑的信息反馈可以包括 多种模态方式，如视觉、听觉、嗅觉、电/光刺激等。其中，光刺激与电刺激都能够直接作用于生物脑特定的神经结构，能够模拟真实的触觉传入，是脑机接口中外部设备环境对生物脑反馈的重要模态。光刺激与电刺激相比，具有定向性强、精度控制好、损伤及副作用小的优势，已逐渐应用于各种范式的脑机接口系统。光刺激型脑机接口系统利用光基因(Optogenetics)技术，将特定神经元或特定神经元群转染入光敏基因并表达，使其具有对特定波长光波敏感的特性。转染光敏基因的神经元在接受该特定波长的光照射时，会产生相应的神经电位发放，从而引起特定的行为动作。另外，通过外部设备对该神经电位进行检测和处理，可实现特定的脑机接口系统。传统的光刺激方式由激光器作为光源产生光信号，通过人工调节或计算机控制的方法控制激光器实现光信号参数的调控，并利用整根长直光纤或设置光纤转接头方式实现光路传导并到达动物的光感基因脑区。上述光刺激方式从实现上讲较为复杂，所需系统体积较大，难以满足便携需求，且由于刺激光源远离动物体，光纤传导的通信方式使得系统在空间距离等方面存在一定局限性。对于光纤传导方式而言，整根长直光纤方式极易导致光纤的扭折；光纤转接方案能够从一定程度上缓解光纤扭折问题，但目前光纤转接头造价高昂，且光纤转接技术并不成熟。此外，生物脑与外部设备通过光纤进行硬连接，也对于相应动物体的自由运动造成一定影响。基于此，有必要提供一种能够实现无线通信和便携式低功耗光源模块的光刺激装置及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种背包式无线光刺激装置及其方法，本发明通过无线通信方式，将电信号转换为光信号，实现对光感基因型动物的光刺激，从而弥补现有光刺激装置笨重不能便携的缺陷。为实现上述目的，本发明所采取的技术手段是
本发明背包式无线光刺激装置包括光纤、光纤耦合装置、背包控制电路、激光LED、上位机、相互匹配的无线发射模块和无线接收模块；所述背包控制电路包括相互电连接的微处理器和光源驱动电路，所述微处理器能够将电信号转换为电脉冲信号后发送给光源驱动电路；所述光纤耦合装置包括外壳、LED连接件、光纤耦合透镜组件和光纤准直器；光纤耦合透镜组件的镜筒与所述外壳紧密接触，且LED连接件与外壳紧密接触，LED连接件、光纤耦合透镜组件的入射端面和外壳共同围成一个密闭腔体；激光LED的灯头置于该密闭腔体内，且激光LED的金属导体杆穿出LED连接件并与光源驱动电路电连接；光纤准直器的入射端的端面与光纤耦合透镜组件的出射端面紧密接触，激光LED的发射光经光纤耦合透镜组件聚焦后会聚到光纤准直器的入射端并到达光纤的近光源末端；所述上位机与无线发射模块电连接且由上位机向无线发射模块发送刺激命令，无线接收模块与背包控制电路的微处理器电连接；所述光纤植入到目标动物的光感基因脑区。进一步地，本发明还包括LED位置校正件，所述LED位置校正件包括环状箍件和调节杆，所述环状箍件置于所述密闭腔体内，环状箍件的其中一个端面与光纤耦合透镜组件固定连接，环状箍件的另一个端面与激光LED的灯盘紧密接触；外壳设有通孔，调节杆贯穿该通孔并能够沿着该通孔往复移动，且调节杆的内端端面与环状箍件的外壁紧密接触，调
节杆的外端置于外壳外。进一步地，本发明所述调节杆与外壳的所述通孔螺纹配合，或者所述调节杆与外壳的所述通孔紧密滑动配合，或者所述调节杆通过螺母与外壳固定连接。进一步地，本发明所述光源驱动电路包括晶体三极管、可调电阻和固定电阻，所述晶体三极管分别与微处理器、可调电阻和固定电阻电连接。本发明利用其背包式无线光刺激装置进行光刺激的方法如下上位机向无线发射模块发送刺激命令信号，无线接收模块接收到来自无线发射模块的刺激命令信号后传递给微处理器，微处理器接收到该刺激命令信号后将其由电信号转换生成电脉冲信号后传递给光源驱动电路，光源驱动电路将接收到的电脉冲信号放大，并将放大后的电脉冲信号传递至激光LED
当放大后的电脉冲信号为低电平时，激光LED关断；当放大后的电脉冲信号为高电平时，激光LED导通，由激光LED出射的发射光经过由LED连接件、光纤耦合透镜组件的入射端面和外壳共同围成的密闭腔体而到达光纤耦合透镜组件的入射端，经光纤耦合透镜组件聚焦后再会聚到光纤准直器的入射端并到达光纤的近光源末端，然后经由光纤到达目标动物的光感基因脑区而对目标动物进行光刺激。相对于现有技术，本发明具有以下优点(I)本发明采用无线射频通信技术，替代传统的整根光纤长距离传输方式，突破传统方式中因光纤长度限制导致的控制电路与上位机之间的距离限制；有效避免整根光纤传导方式中动物运动自由度低、光纤易扭折等问题；光纤路径缩短，有效减少光路传导中发生的光强损耗。(2)本发明中的背包控制电路利用微处理器，将无线接收模块传递的电信号转换成一系列表征光刺激参数的光刺激信号，从而完成电信号到光信号的转换；实现背包式无线光刺激系统方便、稳定的运行与控制。(3)本发明采用便携式的激光LED设备与光纤耦合装置相结合的方式，替代传统的激光器光源方式，使得背包控制电路、无线接收模块、激光LED、光纤耦合装置及光纤能够与动物体绑定为一体，突破传统激光器方法中光纤距离限制、光纤扭折等问题，实现便携式光刺激。
图I为本发明光刺激装置的系统框架 图2为本发明的光源驱动电路的原理 图3为本发明的光纤耦合装置的主视剖面图；图4为图3的A-A剖视图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。如图I所示，本发明背包式无线光刺激装置主要包括光纤、光纤耦合装置、背包控制电路、激光LED、上位机、相互匹配的无线发射模块和无线接收模块。背包控制电路包括微处理器和光源驱动电路，其中微处理器能够将电信号转换为电脉冲信号后发送给光源驱动电路；光纤耦合装置包括外壳、LED连接件、光纤耦合透镜组件和光纤准直器；上位机与无线发射模块电连接，并且由上位机向无线发射模块发送刺激命令；无线发射模块将刺激命令发送至无线接收模块，无线接收模块与背包控制电路的微处理器电连接，微处理器与光源驱动电路电连接，光源驱动电路与激光LED电连接。激光LED的发射光经光纤耦合透镜组件聚焦后再会聚到光纤准直器的入射端并到达光纤的近光源末端。光纤的远光源末端植入到目标动物的光感基因脑区。
相互匹配的无线发射模块和无线接收模块共同构成无线通信模块。无线通信模块可采用蓝牙通信模块或基于兆赫级无线射频波段的通信模块。例如可采用基于TI公司生产的无线通信芯片CCllOl的微功率无线数据传输模块该无线通信模块的工作电压范围为I. 8V-3. 6V,其主要利用433MHz无线电波频段，最大传输距离可达200m (开阔地测试)，最大传输速率可达500Kbps，且具有无线唤醒功能，以实现低功耗工作。本发明中上位机可采用PC机或PDA (掌上电脑)设备。本发明的背包控制电路中，微处理器可采用低功耗MCU (微控制器)或低功耗DSP(数字信号处理器)。例如可采用C8051F020片上系统C8051R)20片上系统具有标准的8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、2个全双工串口、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及8/4个字节宽的I/O 口，它采用流水线结构，与标准的8051结构相比，指令执行速度有很大的提高。微处理器与无线接收模块通过串口连接，并根据从串口接收到的指令信号，在其数字输出口输出相应幅值、脉宽、周期、个数的电脉冲信号，如果没有收到指令则处于低功耗的等待指令状态；微处理器的数字输出口与光源驱动电路连接。图2示出了光源驱动电路的一种基本结构，包括晶体三极管Q1、可调电阻Rl和固定电阻R2，晶体三极管Ql分别与微处理器、可调电阻Rl和固定电阻R2电连接。晶体三极管Ql的基极接收微处理器发送的上述电脉冲信号，并利用晶体三极管Ql自身的电流放大功能，将激光LED与晶体三极管Ql的集电极相连接。当上述电脉冲信号为低电平时激光LED关断，上述电脉冲信号为高电平时激光LED导通，从而利用光源驱动电路实现对激光LED的供电通断控制，使激光LED生成具有一定光强大小、刺激脉宽、刺激频率、光脉冲个数等光学信号特征的光刺激信号。可调电阻Rl通过对其自身电阻值的调节，实现对激光LED的电流限制以及功率控制作用，便于针对不同的刺激位点选用不同的刺激光强大小，以达到最优的刺激效果。本发明中，激光LED可采用激光二极管(Laser Diode, LD)。例如可采用额定功率为1W，发射光为波长470nm蓝光，发射光散角为30°、发光面为500 y m的LD器件。激光LED配有两只相同的金属导体杆3为激光LED供电并与光源驱动电路电连接。
光纤耦合装置的结构如图3所示，包括外壳I、LED连接件2、光纤耦合透镜组件8以及光纤准直器12。外壳I是由不透光绝缘材质构成的中空圆筒构件。LED连接件2为刚性绝缘材质的圆盘构件，该圆盘构件上设有两处直径相同的通孔，以使激光LED4的金属导体杆3由该通孔穿出LED连接件2后与光源驱动电路电连接。光纤耦合透镜组件8是由球面镜或非球面镜组成的双透镜耦合组件，包括镜筒11、第一透镜9和第二透镜10，其中第一透镜9位于光纤耦合透镜组件8的 入射端面处，第二透镜10位于光纤耦合透镜组件8的出射端面处。LED连接件2与外壳I紧密接触，并且光纤耦合透镜组件8的镜筒11的外表面与外壳I紧密接触，以使LED连接件2、光纤耦合透镜组件8的入射端面和外壳I共同围成一个密闭腔体。作为本发明的一种实施方式，可将外壳I套在光纤耦合透镜组件8外，使外壳I的内表面与光纤耦合透镜组件8的镜筒11的外表面紧密地卡合在一起，从而使外壳I卡紧光纤耦合透镜组件8的镜筒11形成紧密接触(参见图3)。LED连接件2可与外壳I固定连接在一起或卡合在一起。激光LED4的灯头置于由LED连接件2、光纤耦合透镜组件8的入射端面和外壳I共同围成一个密闭腔体内。光纤准直器12与光纤耦合透镜组件8的镜筒9可通过螺钉固定，以使光纤准直器12的入射端的端面与光纤耦合透镜组件8的出射端面紧密接触，并使激光LED4的发射光经光纤耦合透镜组件8聚焦后会聚到光纤准直器12的入射端。光纤准直器12的内部插入光纤13，光纤13的近光源末端与光纤耦合透镜组件8同心，从而使由第二透镜17出射的光线能够由光纤13的近光源末端进入光纤13内。另外，作为本发明的优选实施方式，如图3和图4所示，光纤耦合装置还可包括LED位置校正件5。LED位置校正件5包括环状箍件7和调节杆6。其中，环状箍件7置于由LED连接件2、光纤耦合透镜组件8的第一透镜9和外壳I共同围成的密闭腔体内。环状箍件7的其中一个端面(即图3中的右端面)通过螺钉14与光纤耦合透镜组件8固定连接，环状箍件7的另一个端面(即图3中的左端面)与激光LED4的灯盘紧密接触，以便通过环状箍件7的移动来对激光LED的位置进行微调。外壳I设有通孔，调节杆6贯穿该通孔，且调节杆6的外端置于外壳I之外，而调节杆6的内端端面则与环状箍件7的外壁紧密接触。由此，通过使调节杆6沿着该通孔往复移动，便能够使环状箍件7在密闭容腔内沿径向调节位置，从而对激光LED的位置进行微调，进一步确保使激光LED4的发射光经光纤耦合透镜组件8聚焦后会聚到光纤准直器12的入射端，使本发明光刺激装置使用更加灵活、可靠。为确保调节杆6的内端端面与环状箍件7的外壁紧密接触，可以采用但不限于以下各种方案例如，在调节杆6上设有外螺纹，外壳I的通孔则设有相匹配的内螺纹，由此调节杆6和通孔进行螺纹连接；或者，调节杆6与外壳I的所述通孔形成紧密滑动配合；或者，在调节杆6上设外螺纹，通过相匹配的螺母将调节杆6与外壳I固定连接在一起。本发明中光纤可采用单模光纤，例如可采用外径lOOiim、内径65iim的单模塑料光纤。光纤的近光源末端固定连接至光纤耦合装置的光纤准直器12内，另一端(即远光源末端)通过动物颅部手术方式埋植入目标动物的光感基因脑区。本发明的背包式无线光刺激装置使用时，上位机向无线发射模块发送控制命令信号(即刺激命令信号)，无线接收模块接收到来自无线发射模块的命令信号后传递给微处理器。微处理器接收到该命令信号后将其由电信号转换生成一系列表征光刺激特征的电脉冲信号，并将该电脉冲信号传递给光源驱动电路。光源驱动电路将输入的电脉冲信号放大，并将放大后的电脉冲信号传递至激光LED，从而使光源驱动电路控制激光LED的供电通断，使得激光LED发射出具有一定脉宽、频率、光强大小的光刺激信号。光刺激信号通过光纤耦合装置和光纤，最终到达目标动物的光感基因脑区，从而完成对光感基因型动物的光刺激。本发明不仅适用于大鼠、小鼠等啮齿类动物，还适用于其他的哺乳类动物。以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能 因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种背包式无线光刺激装置，其特征在于包括光纤、光纤耦合装置、背包控制电路、激光LED、上位机、相互匹配的无线发射模块和无线接收模块；所述背包控制电路包括相互电连接的微处理器和光源驱动电路，所述微处理器能够将电信号转换为电脉冲信号后发送给光源驱动电路；所述光纤耦合装置包括外壳、LED连接件、光纤耦合透镜组件和光纤准直器；光纤耦合透镜组件的镜筒与所述外壳紧密接触，且LED连接件与外壳紧密接触，LED连接件、光纤耦合透镜组件的入射端面和外壳共同围成一个密闭腔体；激光LED的灯头置于该密闭腔体内，且激光LED的金属导体杆穿出LED连接件并与光源驱动电路电连接；光纤准直器的入射端的端面与光纤耦合透镜组件的出射端面紧密接触，激光LED的发射光经光纤耦合透镜组件聚焦后会聚到光纤准直器的入射端并到达光纤的近光源末端；所述上位机与无线发射模块电连接且由上位机向无线发射模块发送刺激命令，无线接收模块与背包控制电路的微处理器电连接；所述光纤植入到目标动物的光感基因脑区。
2.如权利要求I所述的背包式无线光刺激装置，其特征在于还包括LED位置校正件，所述LED位置校正件包括环状箍件和调节杆，所述环状箍件置于所述密闭腔体内，环状箍件的其中一个端面与光纤耦合透镜组件固定连接，环状箍件的另一个端面与激光LED的灯盘紧密接触；外壳设有通孔，调节杆贯穿该通孔并能够沿着该通孔往复移动，且调节杆的内端端面与环状箍件的外壁紧密接触，调节杆的外端置于外壳外。
3.如权利要求2所述的背包式无线光刺激装置，其特征在于所述调节杆与外壳的所述通孔螺纹配合，或者所述调节杆与外壳的所述通孔紧密滑动配合，或者所述调节杆通过螺母与外壳固定连接。
4.如权利要求I所述的背包式无线光刺激装置，其特征在于所述光源驱动电路包括晶体三极管、可调电阻和固定电阻，所述晶体三极管分别与微处理器、可调电阻和固定电阻电连接。
5.一种利用权利要求I的背包式无线光刺激装置进行光刺激的方法，其特征在于上位机向无线发射模块发送刺激命令信号，无线接收模块接收到来自无线发射模块的刺激命令信号后传递给微处理器，微处理器接收到该刺激命令信号后将其由电信号转换生成电脉冲信号后传递给光源驱动电路，光源驱动电路将接收到的电脉冲信号放大，并将放大后的电脉冲信号传递至激光LED 当放大后的电脉冲信号为低电平时，激光LED关断；当放大后的电脉冲信号为高电平时，激光LED导通，由激光LED出射的发射光经过由LED连接件、光纤耦合透镜组件的入射端面和外壳共同围成的密闭腔体而到达光纤耦合透镜组件的入射端，经光纤耦合透镜组件聚焦后再会聚到光纤准直器的入射端并到达光纤的近光源末端，然后经由光纤到达目标动物的光感基因脑区而对目标动物进行光刺激。
全文摘要
本发明公开一种背包式无线光刺激装置及其方法。其装置包括光纤、光纤耦合装置、背包控制电路、激光LED、上位机、相互匹配的无线发射模块和无线接收模块；背包控制电路包括相互电连接的微处理器和光源驱动电路；光纤耦合装置包括外壳、LED连接件、光纤耦合透镜组件和光纤准直器。上位机通过无线发射、接收模块向背包控制电路发送刺激命令，背包控制电路接收刺激命令，并将其由电信号转换成一系列表征光刺激特征的光信号，该光信号通过光纤耦合装置和光纤传入目标动物的光感基因脑区中，实现对光感基因脑区的光刺激作用。本发明为脑机接口系统提供了一种便携、稳定、低功耗、使用方便、距离限制小的光刺激方式，在神经工程领域具广泛的应用前景。
文档编号A61F2/00GK102697578SQ20121016637
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月27日 优先权日2012年5月27日
发明者张巧生, 张磊, 张韶岷, 杨怡, 赵挺, 郑筱祥, 郝耀耀, 郭颂超 申请人:浙江大学