咳嗽的治疗性管理的系统和方法与流程

本申请要求2014年3月27日提交的美国临时申请系列号61/971,426的优先权。上述申请日通过引用以其全部在此并入本申请中。

电子方式提交的材料通过引用并入

以其全部通过引用并入的是同时提交的计算机可读的核苷酸/氨基酸序列表，并确定为如下：121000字节的ASCII(文本)文件，命名为“20039_SeqList_ST25.txt”，创建于2015年3月27日。

技术领域

本发明一般涉及便于在体内对细胞和组织进行各种水平控制的系统、装置和方法，更具体地本发明涉及生理干预的系统和方法，在所述生理干预中调节迷走神经传入神经以治疗咳嗽。在本发明所设想的改变迷走神经传入神经活性的方法中，包括生物治疗，如基因疗法。基因疗法可以导入使迷走神经传入神经活性不受调控的、持续改变的基因，或者可以使用siRNA或其它遗传学方法阻断内源基因，以阻断内源基因表达，来改变神经传导并抑制咳嗽。基因疗法也可以导入使迷走神经传入神经对外源试剂(包括药理学或生物学试剂)或刺激(刺激如光，电，压力，辐射或超声)反应的活性受调控地改变的基因。在一个实施方案中，其中视蛋白是通过基因疗法递送的基因，可以将光利用为至已被修饰为光敏感的组织的输入。本申请一般涉及慢性咳嗽，特别地，涉及一种用于向迷走神经提供光的可植入装置，用于治疗慢性咳嗽，所述迷走神经已使用基因疗法转染以表达抑制性视蛋白。

背景技术：

咳嗽反射是若干防御性反射之一，其用于保护呼吸道免受吸入的颗粒物、空气过敏原、病原体、抽吸物和积聚的分泌物的潜在的损伤作用。在一些呼吸道疾病中，咳嗽可能变成过度和非生产性的，并且潜在危害呼吸道粘膜。

如在2002年Alyn Morice的标题为《咳嗽的流行病学》(Epidemiology of Cough)的综述(Chung,K.,W.JG等人编辑(2003).Cough:Causes,Mechanisms and Therapy.Malden,Mass,Blackwell Publishing Ltd.，通过引用以其全部并入)中描述的，咳嗽对我们所有人而言是普遍经历的。其也是寻求医疗咨询的最常见的症状。出于分类的目的，咳嗽可以分为明确的，急性，自限性发作和慢性持续性咳嗽。这种区分在临床上有用的，因为这两个综合征的病因非常不同。采取8周持续时间的公认截止值区分急性和慢性咳嗽。

慢性咳嗽的三个常见原因。

从三级转诊中心所有报道的系列中鉴别出相同的咳嗽的三个常见原因。该诊断三元素(triad)构成人群中所见的慢性咳嗽的绝大部分的原因。慢性咳嗽的高发病率问题是医生(全科医生和专科医生)没能认识到作为孤立症状的咳嗽可以从三个解剖区中的任意产生。

咳嗽为主的哮喘

引入术语咳嗽为主的哮喘以说明咳嗽可以是哮喘综合征的一个方面，所述哮喘综合症在个体患者中表现不同。可以证明在支气管收缩、和相反的对支气管扩张剂反应的典型哮喘中，咳嗽可能是一个附加的和重要的特征。然而，作为没有支气管收缩或呼吸急促、但是具有哮喘呼吸道炎症的特征性病理特征的孤立症状的咳嗽，是哮喘症状谱的另一端。这个所谓的咳嗽变异性哮喘仅仅是连续体的一端。术语咳嗽为主的哮喘可以是优选的，因为该术语包括主要问题是咳嗽但也表现出典型哮喘的一些或全部其它特征的患者。

来三级转诊中心的患有慢性咳嗽的患者的四分之一到三分之一患有咳嗽为主的哮喘。这种检出率可能不能反应咳嗽为主的哮喘的流行率，因为很多患者，尤其是有典型哮喘特点的那些患者，在社区诊断和治疗。事实上，在三级临床看到从未经历过不成功的吸入药物治疗的慢性咳嗽患者是不寻常的。即使基础诊断是咳嗽为主的哮喘，治疗失败的原因通常都是与哮喘控制不良有关的那些：顺应性、吸入技术差、设备选择不当等。另外咳嗽为主的哮喘还有其它特征，除非认识到它，否则将导致治疗失败。显然通常的可逆性测试或家庭峰流监测的诊断措施常常没有帮助。即使乙酰甲胆碱攻击可能也无法鉴别对皮质类固醇疗法充分反应的患者，因为那些患有嗜酸细胞性支气管炎的患者不是高敏感的。尽管专家指导的痰检查很明显有效果，但是方法的难度排除了其常规使用。最终，咳嗽为主的哮喘的诊断和因此的患病率依赖于使用抗哮喘药物的治疗性试验。这里再次(指出)咳嗽为主的哮喘和典型哮喘之间的差异可能会导致混乱。由于支气管痉挛可能只是一个小特征，甚至缺失，使用长效β-激动剂的附加治疗很少被证明是成功的，白三烯拮抗剂可能是优选的附加治疗。对白三烯拮抗剂的反应可能说明了在推定VR1咳嗽受体的直接调节中脂加氧酶产物的假定作用。最终，咳嗽为主的哮喘的诊断可能依赖于胃肠外类固醇反应的证实。

食道和咳嗽

出现慢性咳嗽的患者的相当一部分患有食道疾患。许多内科医生对这认识不足，但咳嗽作为胃-食道返流的唯一表现已被很好地描述了。除了返流，越来越明确，一些食道疾病可能会引起咳嗽，所述食道疾病大致分类为运动障碍并包括异常蠕动和异常食道下端括约肌张力。单独的酸返流不是食道疾病中咳嗽的原因，这解释了在许多使用甚至高剂量的质子泵抑制剂的患者中看到的部分反应。由于存在咳嗽的其它原因，诊断可能困难,因为从病史可能有极少的线索。然而，尽管有一些分歧，在个体患者中可能存在与其它症状很强的关联，特别是胃灼热。更不寻常的特征，如与声音嘶哑、窒息感和后鼻症状的关联正逐渐被耳鼻喉科专家视为返流现象的一部分。事实上，在睡眠中咳嗽显著减少(最初其被认为可能不利于食道咳嗽的诊断)可能表明食道源性。下食道括约肌压力在疾病的早期阶段在防止返流而斜卧时生理性地增加。可通过寻找食物、饮食和咳嗽之间的关联来获得食道源性咳嗽的诊断线索。

鼻炎和鼻后滴流

在系列报道的去咳嗽诊所的患者中在鼻炎和鼻后滴流的发病率中有显著的地域差异。在美洲具有鼻后滴流症状的患者高达病例的50％，而在大多数欧洲的经验中报道的鼻炎约10％。这种差异可能部分地是社会性的，因为北美的患者更可能将上呼吸道症状描述为鼻后滴流。此外，由于对使用广谱、中枢作用的抗组胺剂和系统的减充血剂的“特定疗法”的反应，鼻后滴流或鼻炎的诊断常常被接受。这种疗法可在上呼吸道疾病和哮喘中起作用。中枢作用的抗组胺剂可在咳嗽的中枢通路或者通过与咳嗽产生的解剖部位无关的镇静机制发挥作用。

直到鼻后滴流的定义及其之后的特定诊断中的问题解决之前，鼻炎或鼻窦炎可能是描述该综合征的优选术语。

癌症患者中的咳嗽

正如Ahmedazai和Ahmed的综述(Chung,JG等人2003)，在通常已负担了若干生理和心理症状的癌症患者中，咳嗽可以成为痛苦的主要来源。最常见与咳嗽相关的癌症是来自呼吸道、肺、胸膜和其它纵隔结构的癌症。然而，许多其它原发位点的癌症可以转移到胸部并产生相同的症状。

在情况介绍中，咳嗽是肺癌最常见的症状之一。进入英国医学研究中心的多中心肺癌临床试验的650例患者的累积的经验表明，总体而言，咳嗽是在情况介绍中报告的第四个最常见的症状。在小细胞肺癌(SCLC)中咳嗽的实际发生率是80％，在非小细胞肺癌(NSCLC)中是70％。

不幸的是，咳嗽是许多用于针对癌症本身的治疗的常见结果。癌症长期存活者的研究已经报道了咳嗽是长期患病的儿童和成人在疾病被治疗后的症状之一。儿童癌症存活者研究(其中调查了在美国的12,390位疾病后5年或以上的前患者(ex-patients))发现与兄弟姐妹相比，幸存者具有显著增加的慢性咳嗽的相对危险性，以及反复发生的肺炎、肺纤维化、胸膜炎和运动引起的呼吸急促。这些抗癌疗法引起肺损伤的倾向已经知道了很长时间，尽管环磷酰胺诱导的肺损伤是比较少见的。

迷走神经在咳嗽反射中的作用

迷走神经是第10颅神经。其是主要神经干，包含传入(感觉)和传出(运动)神经元。右和左迷走神经由颅腔下行通过颈椎间孔，穿过内部和外部颈动脉之间的颈动脉鞘，然后经过后外侧到颈总动脉。迷走神经的内脏传入纤维的细胞体两侧位于迷走神经的下神经节(节状神经节)。文中我们称迷走神经的这些方面为颈迷走神经。右迷走神经产生右喉返神经，其钩绕右锁骨下动脉和上升进入气管和食道之间的颈部。然后右迷走神经前方横穿右锁骨下动脉和运行到上腔静脉后和下降到右主支气管后，有助于心脏、肺、食道丛。其在食道下部形成后迷走神经干并通过食道裂孔进入膈。

左迷走神经进入左颈总动脉和左锁骨下动脉之间的胸部和下降至主动脉弓。它产生左喉返神经，其钩绕主动脉弓至动脉韧带的左侧，在气管和食道之间上升。左迷走神经进一步发出胸心脏分支，分成肺丛，继续进入食道丛，并进入腹部作为膈的食道裂孔中的前迷走神经干。

迷走神经为除了肾上腺(肾上腺)腺体以外的所有器官供应运动副交感纤维，从颈部下至横结肠的第二段。

无论是正常或病态，咳嗽是对增加的呼吸道感觉传入的反射反应。呼吸道内的感受器检测到刺激、粘液积聚或不适当的肺内拉伸，并启动通过感觉(传入)神经元传递到大脑的信号。这些肺传入神经元主要是C-纤维或A-δ纤维，在加入迷走神经的喉返神经内游走。

迷走神经的解剖和咳嗽反射的生理使得控制感觉流量的能力成为控制慢性非生产性咳嗽的靶标。组织的高敏感性或对气管和支气管内非伤害性刺激的不适当反应，导致来自上呼吸道过度的传入流量，引起非生产性慢性咳嗽。

视蛋白和超极化抑制靶标神经组织中的动作电位

已经表明，某些光激活的离子泵可用于诱导神经细胞的超极化，从而减弱这样的神经细胞中动作电位的传播。如在下面进一步详细描述的，这些技术可被用来减少呼吸道所产生的信号，该信号被传递到大脑的孤束核(NTS)区域，并在大脑内进一步处理以触发咳嗽反应。限制这些至大脑的感觉信号可以进而减少引发咳嗽反应的潜能。在光遗传学应用的上下文中，被称为“NpHR”(衍生自盐杆菌属(halobacterium)的盐碱古菌(Natronomonas pharaonis))的盐细菌视紫红质的表达增强版本，作为电源性氯化物泵发挥作用，来增加由黄光激活时横穿靶细胞质膜的电荷分离。NpHR是一个真正的泵，其需要恒定光穿过其光循环。自2007年以来，对NpHR已经做出了一些修饰，以改善其功能。DNA序列的密码子优化，随后增强其亚细胞运输(eNpHR2.0和eNpHR3.0)导致更适合用于哺乳动物组织中的改进的膜靶向和更高的电流。此外，质子泵古紫质-3(archaerhodopsin-3)(“Arch”)和“eARCH”、和ArchT，Leptosphaeria maculans真菌视蛋白(“Mac”)、增强的细菌视紫红质(“eBR”)和蓝隐藻(Guillardia theta)视紫红质-3(“GtR3”)已经开发作为光遗传学的工具。如在下面进一步详细描述的，通过光激活时，这些光遗传学蛋白质可以用于通过将氢离子泵出这样的细胞来超极化靶细胞。最近由Karl Deisseroth等人描述了一类新的通道，如在Science April 2014.344(6182):420-4中和Jonas Weitek等人在Science April 2014.344(6182):409-12中所描述的，其全部引入作为参考，其是基于CHR但是被修饰以允许阳离子通过，“抑制性”通道(作为非限制性的例子，也可以被称为，“iChR”、“iC1C2”、“ChloC”或“SwiChR”)将打开并允许大量Cl-离子通过，从而更有效地超极化神经元，从而以更高的效率和敏感性抑制细胞。通过这些机制产生的膜超极化将导致以类似于上述机制的方式降低收缩力，从而为咳嗽的光遗传学治疗管理提供又一选项。

对于治疗咳嗽需要更好的系统和方法。在本文中描述了各种配置，其中光敏蛋白可以用于控制肺传入来抑制咳嗽。

技术实现要素：

一个实施方案涉及一种用于在患者中可控地管理非生产性咳嗽的系统，所述患者具有已被遗传修饰的组织结构，以具有光敏蛋白，所述系统包括：被配置为直接辐射靶向组织结构的至少一部分的光递送元件；被配置为向光递送元件提供光的光源；和可操作地耦接到光源的控制器；其中，所述控制器被配置为由操作者操作，以用辐射照射靶向组织结构，使得包含所述靶向组织结构的细胞的膜电位由于光敏蛋白暴露于辐射而至少部分地被调节。靶组织结构可以是迷走神经的分支。可布置器以照射靶标组织结构，所述施加器至少包括光递送元件和传感器，其中所述传感器被配置成：产生代表靶标组织的状态或其环境的电信号；和向控制器递送该信号，其中所述控制器被进一步配置成解释来自传感器的信号，并且调节至少一个光源输出参数，使得信号维持在期望的范围内，其中，所述光源输出参数可选自如下组成的组：电流、电压、光功率、辐照度、脉冲持续时间、脉冲间隔时间、脉冲重复频率和占空比。传感器可选自如下组成的组：光学传感器、温度传感器、化学传感器和电传感器。控制器可以进一步被配置为以脉动的方式驱动光源。电流脉冲可以是1毫秒到100秒范围内的持续时间。电流脉冲的占空比可以在99％到0.1％的范围内。控制器可以对患者输入响应。患者输入可以触发电流的递送。电流控制器还可以被配置成控制选自如下组成的组的一个或多个变量：电流幅度、脉冲持续时间、占空比和递送的总能量。光递送元件可放置在神经或神经束的圆周的约至少60％。光敏蛋白可以是视蛋白蛋白质。视蛋白蛋白质可以选自如下组成的组：去极化视蛋白、超极化视蛋白、刺激性视蛋白、抑制性视蛋白、嵌合视蛋白和阶跃函数(step-function opsin)视蛋白。视蛋白蛋白质可以选自如下组成的组：NpHR，eNpHR 1.0，eNpHR 2.0，eNpHR 3.0，SwiChR，Mac,Mac 3.0,Arch,ArchT,iChR,ChR2,C1V1-T,C1V1-TT,CatCh,VChR1-SFO,ChR2-SFO,ChloC和iC1C2。光敏蛋白可利用病毒被递送到靶组织。病毒可以选自如下组成的组：AAV1，AAV2，AAV4，AAV5，AAV6，AAV7，AAV8，AAV9，慢病毒和HSV。病毒可以包含编码视蛋白蛋白质的多核苷酸。多核苷酸可以编码转录启动子。转录启动子可以选自如下组成的组：hSyn,CMV,Hb9Hb,Thy1和Ef1a。

附图说明

图1示出了基于光的神经调节疗法的配置的一个实施方案。

图2描绘了根据本发明的人的光遗传学治疗的系统水平元件部分配置的一个实施方案。

图3A和3B示出了可在本发明中使用的某些视蛋白蛋白质的视蛋白激活的不同方面。

图3C描绘了可在本发明的实施方案中使用的不同LED的LED规格表。

图4描绘了根据本发明的人的光遗传学治疗的照射配置的一部分的一个实施方案。

图5描绘了可以在本发明实施方案中使用的光强度密度的图。

图6描绘了可以在本发明的实施方案中使用的辐照度对几何图的图。

图7-25描绘了可以在根据本发明的人的光遗传学治疗中使用的光递送配置的实施方案的不同方面。

图26A-37描绘了可以在根据本发明的人的光遗传学治疗中使用的光递送系统元件部分和数据的实施方案的不同方面。

图38A-48M描绘了示例性视蛋白、信号肽、信号序列、ER输出序列、和运输序列的不同氨基酸序列，以及编码Champ的多核苷酸序列。

图49A-49J[注Arina：在这种情况下，该组以61J结尾]描绘了含有至少一些本文描述的视蛋白说明的表和图。

图50-54描绘了根据本发明的光和/或电连接器的实施方案的不同方面。

图55描绘了递送段和施加器配置的一个实施方案。

图56描绘了根据本发明的经皮穿通的一个实施方案。

图57A-59描绘了根据本发明的光穿通配置的实施方案的不同方面。

图60-62描绘了可以在根据本发明的人的光遗传学治疗中使用的光递送配置和相关问题和数据的实施方案的不同方面。

图63A-64描绘了可以在根据本发明的人的光遗传学治疗中使用的光递送应力消除配置和相关问题和数据的实施方案的不同方面。

图65-67描绘了可以在根据本发明的人的光遗传学治疗中使用的体内光收集配置和相关问题和数据的实施方案的不同方面。

图68描绘了根据本发明的安装外部充电装置的实施方案。

图69A-70描绘了在根据本发明的光遗传学疗法装置的手术植入中使用的伸长部件的实施方案。

图71描绘了配置为迷走神经双侧照射的咳嗽治疗系统的一个实施方案。

图72描绘了用于在患者中安装光遗传学神经调节系统的配置。

图73-78示出了与利用本发明主旨的不同方面的验证性动物实验有关的测试配置和数据的各方面。

具体实施方式

参照图1，从一个高层次的角度来看，基于光遗传学的神经调节干预包括测定期望的神经系统功能调节，该神经系统功能调节可以由光遗传学激发和/或抑制来促进(2)，接着在患者中选择神经解剖源以提供这种结果(4)，递送有效量的编码光反应性视蛋白蛋白质的多核苷酸，该光反应性视蛋白蛋白质在靶神经解剖结构(neuroanatomy)的神经元中表达(6)，等待一段时间，以确保暴露于光时靶神经解剖结构的足够部分将确实地表达光反应性视蛋白蛋白质驱动的电流(8)，和向靶神经解剖结构递送光以引起该神经解剖结构受控制的特定激发和/或抑制，该激发和/或抑制凭借其中光反应性视蛋白蛋白质的存在(10)，通过穿过膜运送离子，该光反应性视蛋白蛋白质可调节神经元或者其它细胞的膜电位。

如上所述，基于光遗传学的神经调节干预包括测定期望的神经系统功能调节，该神经系统功能调节可以由光遗传学激发和/或抑制来促进，接着在患者中选择神经解剖源以提供这种结果，递送有效量的编码光反应性视蛋白蛋白质的多核苷酸，该光反应性视蛋白蛋白质在靶神经解剖结构的神经元中表达，等待一段时间，以确保暴露于光时靶神经解剖结构的足够部分将确实地表达光反应性视蛋白蛋白质驱动的电流，和向靶神经解剖结构递送光以引起该神经解剖结构受控制的特定激发和/或抑制，该激发和/或抑制凭借其中光反应性视蛋白蛋白质的存在。

尽管已经利用了转基因动物的开发和使用来解决一些上述的挑战，但是这种技术不适合在人类医学中。需要在体内向细胞递送光反应视蛋白的手段；有许多可用于实现这一目标的潜在方法。这包括病毒介导的基因递送、电穿孔、光穿孔(optoporation)、超声、流体递送、或裸DNA导入，其通过直接注射或通过其他的辅助物(如阳离子脂质或聚合物)的完善而导入。

病毒表达系统具有快速和组合高拷贝数的灵活实施的双重优点，用于在靶神经解剖结构的稳健表达水平。如果启动子是小的、特异的，通过局部靶向，和通过限制特定细胞或细胞突起的视蛋白激活(即，通过靶照射)，凭借启动子的选择使用病毒可获得细胞特异性。在一个实施方案中，视蛋白是通过Yizhar等人2011,Neuron 71:9-34中描述的方法靶向。此外，病毒的不同血清型(由病毒衣壳或衣壳蛋白赋予)将表现出不同的组织嗜性。慢(Lenti)-和腺相关(“AAV”)病毒载体已被成功用于将视蛋白导入小鼠、大鼠和灵长类动物大脑。其它载体包括但不限于具有逆向转运蛋白(例如，狂犬病G蛋白)的马传染性贫血假病毒和单纯疱疹病毒(“HSV”)。

此外，这些在相对长的时间已经被很好地耐受和高度表达，没有报告的副作用，提供了长期治疗模式的机会。例如，慢病毒很容易用标准的组织培养和超速离心技术生产，而AAV可以由各别实验室或通过核心病毒设施可靠地生产。因为其安全性，AAV是优选的载体，AAV血清型1和6已显示在灵长类动物肌肉内注射后感染运动神经元。此外，AAV血清型2已显示在人患者中表达并耐受良好。

一般包括递送包装在重组病毒载体内的编码所需视蛋白和启动子/催化序列的DNA的病毒表达技术，已经被成功用于哺乳动物中以有效转染靶神经解剖结构和向靶神经元的核递送遗传物质，从而诱导这样的神经元产生光敏蛋白，所述光敏蛋白遍布神经元细胞膜迁移，在神经元细胞膜上其被干预系统的照射组分功能性地利用。典型地病毒载体将包装可称为“视蛋白表达盒”的内容，所述视蛋白表达盒包含视蛋白(例如，ChR2，NpHR，Arch等)和选择驱动特定视蛋白在靶细胞组内表达的启动子。在腺相关病毒(AAV)的情况下，目的基因(视蛋白基因)可以是只具有一个视蛋白表达盒的单链构型，或是具有序列上彼此互补、并通过发夹环连接的两个拷贝的视蛋白表达盒的自身互补结构。自身互补的AVV被认为是更稳定的并且表现出更高的表达水平，显示更快的表达。大量的血清型可用于表达目的基因，血清型在其衣壳蛋白和组织嗜性方面不同。潜在的AAV血清型包括但不限于：AAV1，AAV2，AAV4，AAV5，AAV6，AAV7，AAV8和AAV9。在盒中的启动子可以赋予靶组织特异性，如在人突触启动子(“hSyn”)或人Thy1启动子(“hThy1”)的情况下，其允许基因在其控制在神经元中表达蛋白质。或者，可以利用遍在启动子，如人巨细胞病毒(“CMV”)启动子，或鸡β-肌动蛋白(“CBA”)启动子，其中每一个都不是神经特异性的，并且其中每一个都已被安全地用在神经变性疾病的基因疗法试验中。另一个例子是人延伸因子1α启动子(EF1α)，其也允许该基因的普遍表达。对特定细胞群优化了携带视蛋白的病毒构建体，并且不限于这样的示例性例子。

包含在靶神经解剖结构的神经元中待表达的光反应性视蛋白蛋白质的病毒的递送可包括在一个或多个配置中的注射、滴注、吸入或雾化。通过非限制性示例的方式，在咳嗽疗法配置中，递送手段可以包括组织结构注射(即，直接进入气管和/或靶向肺传入)、束内注射(即，直接注射入靶神经或其束，如注射入迷走神经)、神经节注射(即，直接注射入神经节，其包括神经细胞体)、滴注和/或雾化(即，使用微型喷雾器或喷雾器将雾化液滴递送入气管和更深的肺结构)。这些配置中的每个将在下面进一步详细的探讨。

对于病毒注射可以特异性地靶向组织结构。例如，可能需要直接注射气管以靶向肺迷走神经传入神经。在这样的实施方案中，创建进入通路，如小的腹腔镜切口以允许腹腔镜工具(照相机、针、工具等)接近气管上皮后，针可以插入到气管中神经末梢附近。可选地，可以使用支气管镜从气管内腔进入气管相关区域，该支气管镜可以被修改以允许注射入气管壁。使用可获得的腹腔镜成像工具，如一个或多个照相机、超声波、荧光镜等，针可以被指引到相关的解剖结构。相关的载体溶液可以通过针注射，在那里其可遍布组织扩散并被神经末梢(即，传入纤维神经末梢)吸收。载体溶液可以作为单次推注剂量、遍布组织结构的多次注射、或缓慢地通过输注泵(0.01至1毫升/分钟)注射。一旦被神经末梢吸收，所述载体可以沿相关轴突长度逆行运送到一个或多个相关神经细胞体。注射数和注射到气管的病毒剂量可以从Towne等人(Gene Ther.2010Jan；17(1):141-6)进行的灵长类动物病毒逆行运输研究来估算，该文献通过引用在此整体引入。这项研究表明在灵长类动物中将含1.3×10¹²AAV6病毒基因组的1mL生理盐水溶液注射入约30cm³体积的腓肠肌后，有效的逆行运输。考虑到在实验物种如豚鼠中气管壁具有大约5cm²的平均表面积和大约1cm³的组织体积，有效的逆行运输可以使用含有约4×10¹⁰所需载体的病毒基因组的0.03mL生理盐水溶液实现。该0.03mL可在多个位点注射，以在气管表面积上均匀地分散载体。在人中气管的组织体积大约在35-90cm³的范围内。假设注射的病毒在气管肌肉层内的分布类似在灵长类动物腓肠肌中看到的那些分布，含有总共1.3×10¹²至3.9×10¹²病毒基因组的约1.0至3.0mL的体积，在多个位点注射以在气管的表面积上均匀分散载体，可以预期得到向迷走神经传入神经的有效的逆行运输。

在其它实施方案中，神经纤维可以通过直接注射(即，注射入神经本身)靶向。这种方法，可以被称为“束内”或“神经内”注射，包括将针放置入神经束的束。束内注射是一个有吸引力的方法，因为其允许通过一次注射特异地靶向那些可以支配相对大的靶(例如，横跨整个迷走神经的纤维)的神经元。相关载体溶液可以通过针注射，在那里其可遍布整个神经束扩散。然后载体可以通过主动(受体介导的)或被动(横跨完整膜的扩散或瞬时打乱膜的扩散)方式进入各轴突纤维。一旦其进入轴突，载体可以通过逆向运输机制被递送到细胞体，如上所述。注射数和注射到神经的病毒剂量依赖于神经的大小，并且可以从成功的转导研究中推断。例如，用含有1×10⁹vg AAV的0.002mL生理盐水注射小鼠坐骨神经(大约0.3mm直径)已显示导致有效的转基因递送至参与疼痛感测的感觉神经元。同样，用含有1-4×10¹⁰vg AAV的0.010mL生理盐水注射大鼠坐骨神经(1mm直径)也取得了所需的转染结果。在人中迷走神经直径约3mm，并且通过从这些相关研究的数据外推，使用含有1×10¹⁰-1×10¹⁴vg的0.1mL生理盐水直接注射入迷走神经束，可转染该神经以有效递送转基因到这些神经元。在所有情况下，该载体溶液可作为单次推注剂量、沿神经束的多次注射或缓慢地通过输注泵(0.001至0.1mL/分钟)注射。

如上所述，可利用注射到神经节来靶向外周神经的神经细胞体。神经节由外周神经系统的感觉神经元组成。针可以插入到包含细胞体的神经节，通过针注射载体溶液，在那里其可以遍布组织扩散，并通过细胞体吸收(细胞的100s至1000s)。在一个实施方案中，每个神经节可以使用包含1×10¹¹vg至1×10¹⁴vg AAV的约0.1mL生理盐水的剂量。可以靶向结状神经节或迷走神经的颈神经节，通过皮肤制作一个切口，然后通过分离肌肉、筋膜和肌腱暴露神经节。针可被引导入神经节(如通过照相机或其它成像设备，如荧光透镜直接可视化)。在所有情况下，载体溶液可作为单次推注剂量或缓慢地通过输注泵(0.001至0.1mL/分钟)注射。这些范围是示例性的，测试每个病毒-启动子-视蛋白构建体与靶神经元配对的剂量。

病毒的滴注或雾化也可用于特异性地靶向迷走神经感觉传入神经。对于滴注，可使用支气管镜将含有AAV的微型喷雾器插入气管，直接向气管粘膜喷入剂量为含有1×10¹⁰vg至1×10¹⁴vg AAV的0.1-2mL生理盐水。对于雾化，AAV可经由喷雾法递送。含有1×10¹⁰vg至1×10¹⁴vg AAV的1-5mL生理盐水可以通过使用喷雾器吸入，以特异性地靶向气管和肺的迷走神经传入神经。对于滴注或雾化，一旦被神经末梢吸收，载体可以沿着相关轴突的长度逆行运输到一个或多个相关的神经细胞体。

在雾化或滴注前，用全氟化合物(PFC)预处理可以改善肺神经末梢AAV的摄取。可以如Beckett等人(Human Gene Therapy Methods 2012 April；23:98-110)的研究中所述使用全氟化合物，该文献通过引用将其整体并入本文。该研究表明，AAV递送前6小时用PFC的预处理增加AAV摄取超过500％。从此推断，载体施用之前用PFC处理可用于增强基因表达。

递送基因到靶神经解剖结构后，通常需要表达期间，以确保在曝露于光时靶神经解剖结构的足够部分将表达光反应性视蛋白蛋白质。此等待期间可以包括约2周和6个月之间的期间。经过这段期间后，可将光递送到靶神经解剖结构，以促进所需的疗法。这样的光递送可以采取许多不同配置的形式，包括经皮配置、可植入配置、具有不同照射波长的配置、脉冲配置、组织接合等，如在下面进一步详细说明的。

参考图2，合适的光递送系统包括一个或多个施加器(A)，其被配置为向靶向组织结构提供光输出。光可以在施加器(A)结构本身内或在经由一个或多个递送段(DS)可操作地耦合到施加器(A)的壳体(H)内产生。当光不在施加器本身中产生时，一个或多个递送段(DS)用于将光传送或引导到施加器(A)。施加器和/或递送段可以被认为是光递送元件，或作为形成光递送元件的组件。在光在施加器中产生的情况下，在光源和靶标组织之间施加器的那部分可以被认为是光递送元件。在光在施加器(A)内产生的实施例中，递送段(DS)可以简单地包括电连接器以向光源和/或其它部件提供电力，所述其它部件可以位于壳体(H)的远端或远离壳体(H)。一个或多个壳体(H)优选地被配置为为光源提供电力并且操作其它电子电路，包括例如遥测、通信、控制和充电子系统。外部编程器和/或控制器(P/C)装置可以被配置为经由通信链路(CL)从患者外部可操作地耦接到壳体(H)，该通信链路(CL)可以被配置为诸如经由经皮电感线圈配置，促进在编程器和/或控制器(P/C)装置和壳体(H)之间的无线通信或遥测。编程器和/或控制器(P/C)装置可以包括输入/输出(I/O)硬件和软件、存储器、编程接口等，并且可以至少部分地由微控制器或处理器操作，该微控制器或处理器操作可以容纳在个人计算系统内，该个人计算系统可以是独立系统，或者被配置为可操作地耦合到其它计算或存储系统。

参考图3A和3B，如上所述，可获得各种视蛋白构型以提供响应于在各种波长下的光曝光的兴奋性和抑制性功能。图3A(1000)描绘了三种不同视蛋白的波长对激活(wavelength vs.activation)；图3B(1002)强调各种视蛋白也具有可在临床上使用的时域激活特征；例如，已知某些阶跃函数视蛋白(“SFO”)具有在用光刺激后持续到30分钟范围内的激活。

参考图3C(1004)，各种发光二极管(LED)可商购获得以在具有各种波长的相对低功率下提供照明。如上面参考图2所描述的，在一个实施例中，光可以在壳体(H)内产生并且经由递送段(DS)传送到施加器(A)。光也可以在各种配置中在施加器(A)处或施加器(A)内产生。在这种配置中，递送段(DS)可以由没有光传输能力的电引线或导线组成。在其它实施例中，光可以使用递送段(DS)来递送，以在施加器(A)的点处或在沿着递送段(DS)自身(例如，在一种情况下，DS可以是光纤激光器)的一个点或多个点处被递送到对象组织结构。再次参考图3C(1004)，LED(或可替代地，“ILED”，以表示该无机系统和有机LED之间的区别)通常是半导体光源，并且可获得具有横跨可见光、紫外光和红外波长的发射的具有相对高的亮度的各个版本。当发光二极管被正向偏置(接通)时，电子能够与器件内的电子空穴复合，释放以光子形式的能量。该效应被称为电致发光，并且光的颜色(对应于光子的能量)由半导体的能隙决定。LED通常面积小(小于1mm²)，并且集成光学部件可以用于形成其辐射图案。在一个实施例中，例如，由Cree Inc.制造并包括在20mA下提供24mW的碳化硅器件的LED变体可以用作照明源。

有机LED(或“OLED”)是发光二极管，其中发射性电致发光层是响应于电流而发光的有机化合物的膜。该有机半导体材料层位于两个电极之间，该两个电极可以制成柔性的。这些电极中的至少一个可以制成透明的。不透明电极可以制成为用作沿着光学施加器上的外表面的反射层，如稍后将解释的。OLED的固有柔性提供它们在光学施加器中的使用，诸如本文所描述的那些，其适应于它们的靶标或被耦合到柔性或可移动基底，如下文进一步详细描述。然而，应当注意，由于它们相对低的热传导性，OLED通常比无机LED发射更少的每面积的光。

用于在此所描述的本发明系统的实施例的其它合适的光源包括聚合物LED、量子点、发光电化学电池、激光二极管、垂直腔表面发射激光器和水平腔表面发射激光器。

聚合物LED(或“PLED”)以及发光聚合物(“LEP”)涉及当连接到外部电压时发光的电致发光导电聚合物。它们用作用于全光谱彩色显示器的薄膜。聚合物OLED是相当有效的，并且对于产生的光量需要相对少量的功率。

量子点(或“QD”)是具有独特光学特性的半导体纳米晶体。它们的发射颜色可以从可见光横跨红外光谱来调整。它们以类似于OLED的方式构造。

发光电化学电池(“LEC”或“LEEC”)是从电流产生光(电致发光)的固态器件。LEC通常可以由通过含有移动离子的有机半导体连接(例如“夹持”)的两个电极组成。除了移动离子，它们的结构非常类似于OLED的结构。LEC具有OLED的大部分优点，以及一些额外的优点，包括：

·器件不取决于电极的功函数的差异。因此，电极可以由相同的材料(例如，金)制成。类似地，器件在低电压下仍然可以操作；

·最近开发的材料诸如石墨烯或碳纳米管和聚合物的混合已被用作电极，消除了使用氧化铟锡作为透明电极的需要；

·有源电致发光层的厚度对于器件操作不是关键的，并且LEC可以用相对便宜的印刷工艺(其中难以控制膜厚度)印刷。

半导体激光器可用于各种输出颜色或波长。存在各种可用的不同配置，其也适用于本发明中的使用。氮化铟镓(In_xGa_1-xN或仅InGaN)激光二极管在405、445和485nm处具有高亮度输出，这适合于ChR2的激活。取决于材料的带隙，发射波长可以由GaN/InN比控制；对于0.2In/0.8Ga是紫蓝色420nm；并且对于0.3In/0.7Ga是蓝色440nm，对于较高比例是红色，并且也可以由通常在2-3nm范围内的InGaN层的厚度控制。

激光二极管(或“LD”)是其活性介质是半导体的激光器，该半导体类似于在发光二极管中发现的半导体。最常见类型的激光二极管由p-n结形成并由注入的电流供电。前面的器件有时被称为注入激光二极管，以将它们与光泵浦激光二极管区分开。可以通过在晶体晶片的表面上掺杂非常薄的层来形成激光二极管。可以掺杂晶体以产生n型区域和p型区域(一个在另一个上方)，产生p-n结或二极管。激光二极管形成半导体p-n结二极管的较大分类的子集。横跨激光二极管的正向电偏压导致两种电荷载流子-空穴和电子-从p-n结的相对侧“注入”到耗尽区。空穴从p掺杂的半导体注入，并且电子从n掺杂的半导体注入。由于n型和p型半导体之间的电势差(无论它们在何处物理接触)，形成没有任何电荷载流子的耗尽区。由于使用电荷注入为大多数二极管激光器供电，所以这类激光器有时被称为“注入激光器”或“注入激光二极管”(“ILD”)。由于二极管激光器是半导体器件，所以它们也可以被分类为半导体激光器。二者中的任一种指定都可以二极管激光器与固态激光器。为一些二极管激光器供电的另一种方法是使用光学泵浦。光学泵浦半导体激光器(或“OPSL”)使用III-V半导体芯片作为增益介质，并使用另一个激光器(通常是另一个二极管激光器)作为泵浦源。OPSL提供了胜于ILD的几个优点，特别是在波长选择和缺乏来自内部电极结构的干扰方面。当电子和空穴存在于相同区域中时，它们可以复合或“湮灭”，结果是自发发射-即，电子可以重新占据空穴的能量态，发射具有等于所涉及的电子态和空穴态之间的差异的能量的光子。(在常规的半导体结型二极管中，从电子和空穴的复合释放的能量作为声子被带走，即晶格振动，而不是作为光子)。自发发射使激光二极管具有低于与LED类似特性的激光阈值。自发发射对于引发激光振荡是必要的，但是一旦激光器振荡，它是低效的若干来源之一。光子发射半导体激光器和常规声子发射(非发光)半导体结二极管之间的差别在于使用不同类型的半导体，其物理和原子结构赋予光子发射的可能性。这些光子发射半导体是所谓的“直接带隙”半导体。为单一元素半导体的硅和锗的特性具有不以允许光子发射所需的方式对准并且不被认为是“直接”的带隙。其它材料，所谓的化合物半导体，具有与硅或锗实质上相同的晶体结构，但是使用以棋盘状图案的两种不同原子种类的交替布置以破坏对称性。在交替图案中的材料之间的过渡产生关键的“直接带隙”特性。砷化镓、磷化铟、锑化镓和氮化镓都是可用于产生发射光的结二极管的化合物半导体材料的示例。

垂直腔表面发射激光器(或“VCSEL”)具有沿着电流流动方向而不是如常规激光二极管中垂直于电流流动的光学腔轴。采用这种配置，有源区长度与横向尺寸相比非常短，使得辐射从腔的表面而不是从其边缘出射。在腔的端部处的反射器是由交替的高和低折射率的四分之一波厚度的多层制成的电介质镜。VCSEL允许制造单片的光学结构。

水平腔表面发射激光器(或“HCSEL”)将标准边缘发射激光二极管的功率和高可靠性与垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的低成本和易于封装相结合。它们也使得它们自己用于集成的片上光电或光子封装。

在光遗传学通道所在的神经膜所需的辐照度在0.05-2mW/mm²的量级，并且取决于许多要素，诸如视蛋白通道表达密度、激活阈值等。驻留在神经元内的修改的卤素视紫红质可以通过采用具有在约520nm和约600nm之间的波长(并且在一个示例中为约589nm)的绿色或黄色光并采用在约0.5mW/mm²和约10mW/mm²之间(诸如在约1mW/mm²和约5mW/mm²之间，并且在一个示例中为约2.4mW/mm²)的强度照射神经元而激活。虽然激发光谱可以不同，但是对于其它视蛋白也是类似的曝光值。例如，可以利用“抑制性”通道(诸如称为“iChR”或“SwiChR”的那些)打开并允许大量Cl-离子通过，从而更有效地超极化神经元，并且因此抑制细胞具有效率和灵敏度。这些视蛋白具有类似于ChR和ChR2的作用光谱，在约460nm处具有峰值响应。类似于针对抑制性泵所描述的辐照度水平也可以用于激活这些通道。然而，曝光的占空比可以远低于可以用来激活离子泵的那些占空比，因为通道寿命长，并且允许每个吸收的光子传输多个离子。可以使用在580-650nm波长范围内的红光和在约0.05mW/mm²和约10mW/mm²之间的强度来实现重置(闭合)抑制性通道。因为大多数表达视蛋白的靶标包含在组织或其它结构内，所以从施加器发射的光可能需要更高，以便在靶本身处达到必需的值。光强度或辐照度主要由于在为混浊介质的组织中的光学散射而损失。还存在内源发色团(诸如血液)的寄生吸收，其也可减少靶标曝光。由于这些效应，对于在此所述的大多数情况，在施加器的输出处所需的辐照度范围在1-100mW/mm²之间。参考图4，实验已经示出例如对于来自1mm直径神经束(N)的光纤(OF)的照射(I)的单侧曝光，测量的响应(以任意单位)对辐照度(或光功率密度，以为mW/mm²单位)是渐近的，如图5(1006)中所示的曲线所示。对于视蛋白的该特定构型、表达密度、照射几何形状和脉冲参数，超过20mW/mm²没有明显的改善。然而，我们可以使用该结果来将辐照度要求扩展到具有相似光学特性和视蛋白表达密度的其它靶标。图5(1006)中的数据可用于神经材料的扩散近似光学模型中，其中辐照度(I)服从以下关系：I＝I_oe^-(Qμz)。得到的表达式与以下实验数据很好地拟合，并且该结果在图6(1008)的图中给出。下面进一步讨论细节。

光穿透深度δ是使光衰减到其初始值的e^-1(约37％)的组织厚度，并且由以下扩散近似给出。

其中μ_a是吸收系数，μ_s’是减小的散射系数。减小的散射系数是包括散射系数μ_s和各向异性g的集总特性：μ_s'＝μ_s(1-g)[cm^-1]。μ_s'的目的是描述在步长为1/μ_s'[cm]的随机游走中光子的扩散，其中每个步涉及各向同性散射。如果在吸收事件之前存在许多散射事件，即μ_a<<μ_s'，则这种描述等同于使用许多小的步长1/μ_s的光子运动的描述，每一个步长仅涉及部分偏转角。散射的各向异性g实际上是散射角的期望值。此外，μ_eff是包含关于材料的吸收和散射的总体信息的集总参数，μ_eff＝Sqrt(3μ_a(μ_a+μ_s’))。大脑皮层构成灰质(高比例的神经细胞体)和内部的白质的表面层，其负责轴突之间的通信。白质呈现白色，这是因为由轴突周围的髓鞘形成的多个层，其是大脑的高、不均匀和各向异性散射性质的起源；并且是通过公开的光学属性用于神经组织光学计算中的合适的替代。

如早一些所描述的，组织中的一维辐射分布I符合以下关系：I＝I_oe^-(Qμz)，其中Q是被诸如间质液或生理盐水的光学神经物质所包围的表征材料的体积分数。在大多数神经的情况下，可以从横截面图像估计Q＝0.45。组织的光学传输特性产生通过靶标或靶标周围的组织的辐照度(忽略对于该应用无关紧要的时间扩展)的指数衰减。上面参考图6描述的曲线图示出了理论和模型之间良好的一致性，验证了该方法。还可以看出，如通过上述光学参数计算的光穿透深度与对于上述示例的测量响应对辐照度的实验观察结果符合相当好。

此外，如在本文所述的多方向照射的使用可用于减少该需求，并且因此靶标半径可以被认为是限制的几何形状，而不是直径。例如，如果从两个相对侧而不是仅一侧照射1mm神经的上述情况，我们可以看到，我们将仅需要约6mW/mm²的辐照度，因为靶标组织的有效厚度现在是它的1/2。应当注意，这不是简单的线性系统，或者辐照度值将是20/2＝10mW/mm²。差异在于光子传输过程的指数性质，其在辐射场的极端处产生入射功率的严重减小。因此，对于照射方向的数量存在实际限制，该照射方向为深的、厚的和/或嵌入的组织靶标提供效率优势。

通过非限制性示例的方式，当沿周向照射时，2mm直径的神经靶标可以被认为是1mm厚的靶标。颈部中的迷走神经的有效直径在约1.5和约3毫米之间。可以采用周向和/或宽照射来实现不能直接寻址的较大结构和/或封闭靶标的电学上和光学上有效的光遗传学靶标激活。这在图7中示出，其中光纤OF1和OF2现在分别通过照射场I1和I2从直径相对的侧面照射靶向组织结构(N)。可替代地，照射的物理长度可以延长以提供表达的视蛋白的更多的光活化，而没有与限制到更小面积的强照射相关联的相应的热累积。也就是说，能量可以扩展到更大的区域上以减少局部温度上升。在另一实施例中，施加器可以包含温度传感器，诸如电阻温度检测器(RTD)、热电偶或热敏电阻等，以向壳体中的处理器提供反馈，以确保温度升高不过度，如下面进一步详细讨论。

从上述示例中，借助于下文描述的光学施加器，使用≥5.3mW/mm²的外表面辐照度，可以名义上周向地照射2.5mm直径迷走神经内的神经元或神经元组的激活，如当如上所述考虑半径作为靶标组织厚度时使用上面参考图6描述的曲线可以看出的。然而，这比对于2.5mm靶标直径或厚度所需的28mW/mm²显著改善。在该情况下，随着靶标表面积增加，可以使用来自上述实施例的2组相对的照射系统，将系统配置为使用光纤OF3和OF4来提供照射场I3和I4，如图8所示出的。也存在在光遗传学系统的设计中需要理解和考虑的热关注点，并且过度的辐照度将引起成比例的大的温度上升。因此，由于适用于由deltaT≤2.0℃的常规电刺激(或“e-stim”)装置所允许的温度升高的调节限制，提供对嵌入在组织中的具有大于约2mm的有效深度的靶标的更直接光学访问可能是有益的。

如上所述，适于与本发明一起使用的光学施加器可以以多种方式配置。参考图9A-9C，描绘了具有弹簧状几何形状的螺旋形施加器。这种配置可以被配置为容易地与靶向组织结构(N)(诸如神经、神经束、血管或其临时或永久耦合到的其它结构)一起弯曲和/或顺应该靶向组织结构。这种配置可以通过将该结构“旋拧”到靶标上或围绕或耦合到靶标的一个或多个组织结构上而耦合到这种靶向组织结构(N)。如图9A的实施例中所示，波导可以连接到递送段(DS)或者是递送段(DS)的连续部分，并且可以与施加器(A)分离，因为它可以经由连接器C)连接到施加器。可替代地，它可以在没有连接器的情况下固定到施加器部分，并且不可移除。这两个实施例也相对于在此所述的外科手术来描述。连接器(C)可以被配置为用作滑动配合套筒，递送段(DS)的远端和施加器的近端都插入其中。在递送段是光导管(如光纤)的情况下，与施加器波导相比，其优选地应当稍微小尺寸以允许轴向未对准。例如，50μm芯直径光纤可以用作递送段(DS)以耦合到施加器(A)中的100μm直径的波导。这种50μm轴向公差完全在现代制造实践的能力之内，包括机械加工和模制工艺。术语波导在此用于描述限制光在其中名义上传播的光导管，尽管具有光的输出耦合的例外，特别是照射靶标。

图50示出了示例性实施例，其中连接器C可以包括由聚合物材料制成的单个柔性部件，以允许其与基本上圆形的横截面递送段DS1和施加器A紧密地配合。这些可以是波导，诸如光纤和施加器和/或递送段和/或壳体的类似配合结构，以产生基本上不透水的密封(示为密封件1和密封件2)，其基本上防止细胞、组织、流体和/或其他生物材料进入光接口(O-INT)。

图51示出了替代示例性实施例，其中连接器C可以包括示为密封件0至密封件4的一组密封件，而不是依赖于整个装置来密封光学连接。可以使用各种不同的密封机构，诸如通过非限制性示例的方式，O型环、单唇和双唇密封件以及刮片密封件。通过非限制性示例的方式，可以使用的材料是腈(NBR，诸如S1037)、氟橡胶、硅氧烷(VMQ，诸如V1039、S1083和S1146)、氯丁橡胶、氯丁二烯(CR)、乙烯丙烯(EPDM，诸如E1074和E1080)、聚丙烯酸(ACM)、苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)和氟硅氧烷(FVMQ)。密封件0至密封件4在示例性实施例中示出为驻留在密封套SB内。

可替代地，密封件可以是递送段和/或壳体和/或施加器的部件，从而消除具有固定密封件的一个插入密封件，这可以提高系统的稳健性。这种混合系统在图52中示出，其中密封件1被示为永久地连接施加器A与其子部件连接器C的集成密封件，使得通过将递送段DS1插入连接器C中来建立光学接口O-INT处的连接，并且使密封件：密封件2、密封件3和密封件4在递送段DS1周围产生基本上不透水的密封，而密封件1集成到连接器C。

可替代地，或除了其它实施例之外，生物相容性粘合剂(诸如通过非限制性示例的方式，Loctite 4601)可用于粘附所连接的部件。尽管其它粘合剂被认为在本发明的范围内，但是诸如Loctite 4601的氰基丙烯酸酯具有相对低的剪切强度，并且可以通过将柔性套筒从相配合的部件拉伸和分离以用于更换而克服，而没有患者伤害的不当风险。然而，必须注意保持光学接口O-INT处的清晰度。

图53示出了替代示例性实施例，其中连接器C可以进一步包括高精度套筒，分裂套筒SSL，其被配置为在光学接口O-INT处轴向对准光学元件。通过非限制性示例的方式，用于耦合和光纤套圈(未示出)的分裂氧化锆陶瓷套筒可用于提供精确对中，并且所有这些部件可从Adamant-Kogyo获得。类似地，可以使用与对接耦合光学元件(诸如光纤自身)的相同裂开套筒方法来容纳其它直径。

图54示出了替代示例性实施例，其中连接器C的图52-53的密封件已由包括密封件：密封件2至密封件4的集成密封机构代替，所述密封机构用于配合递送段DS1的圆周，并且产生间隙：间隙1和间隙2。不是使用单独的密封元件，而是将所示的密封元件制成为集成套筒的一部分。

可替代地，虽然未示出，但是密封机构可以配置成利用螺纹机构来向密封元件施加轴向压力，以产生基本上不透水的密封，其基本上防止细胞、组织、流体和/或其他生物材料进入光学接口。

如图9A-9C和50-54所示，通过连接器C连接的光学元件可以是光纤，如示例性实施例所示出的。它们也可以是治疗系统的其它部分，诸如递送段、来自壳体的光学输出，以及施加器本身。

生物相容的粘合剂可以施加到连接器(C)的端部以确保耦合的完整性。可替代地，连接器(C)可以被配置为施加器或递送装置的连续部分。连接器(C)也可以在光源位于施加器处的情况下提供气密电连接。在该情况下，它也可以用于容纳光源。光源可以被制成为对接耦合到施加器的波导以用于有效的光学传输。连接器(C)可以与递送段或施加器连续的。连接器(C)可以制成具有多个内叶的横截面形状，使得其可以更好地用于将递送段定中心到施加器。

在该实施例中的施加器(A)也包括限定施加器段的开始的近端接面(Proximal Junction，PJ)，所述施加器段的开始在光学上邻近靶标神经。也就是说，PJ是施加器光导管上的近端位置(相对于光行进到施加器中的方向)，其被良好定位并且适于提供光输出到靶标上。在该示例中，刚好在PJ之前的段是弯曲的，以便为整个装置提供更线性的方面，诸如当沿着神经展开施加器时可能需要，并且不一定非常适合于靶标照射。此外，该示例性实施例的施加器也包括远端接面(Distal Junction DJ)和内表面(IS)和外表面(OS)。远端接面(DJ)表示仍良好定位并适于照射靶标组织的施加器的最终位置。然而，施加器可以延伸超过DJ，没有照射超出DJ。DJ也可以被制成为反射元件，诸如反射镜、后向反射器、漫反射器、衍射光栅、光纤布拉格光栅(“FBG”-下面参考图11进一步描述的)或其任何组合。由BaSO₄或其它这种惰性非发色化合物的包封“泡”制成的积分球可以在例如位于施加器波导的远端处时用作漫反射器。这种散射元件也应该远离靶标区域放置，除非由于其空间和/或角度分布而不允许波导的光被期望用于治疗照射。

内表面(IS)描述了“面向”例如在图9B中示为神经(N)的靶标组织的施加器的部分。也就是说，N位于施加器的线圈内并且与IS光学通信。也就是说，离开IS的光被引导朝向N。类似地，外表面(OS)描述不与靶标光学通信的施加器的部分。也就是说，面向外而远离靶标(位于螺旋内的这种神经)的部分。外表面(OS)可以被制成为反射表面，并且因此将用于将光约束在波导内并允许经由内表面(IS)输出到靶标。OS的反射性可以通过使用沿其沉积的金属或电介质反射器，或简单地经由纤维光学下的固有机制(全内反射(“TIR”))来实现。此外，内表面(IS)可以被调节或影响，使得其提供约束在螺旋波导内的光的输出耦合。术语输出耦合在在此用于描述允许光以受控方式或期望的方式离开波导的过程。输出耦合可以以各种方式实现。一个这种方法可以是纹理化IS，使得被内部反射的光不再遇到平滑的TIR界面。这可以沿着IS连续地或者步进地进行。在图10A中以这种纹理化施加器的示意性表示示出了前者，如从IS看到的。表面纹理与表面粗糙或褶皱同义。在图10A的实施例中示出为各向同性的，并且因此缺乏确定的方向性。粗糙度与输出耦合效率成比例，或者从施加器去除的光的量与遇到纹理化区域的光的量成比例。在一个实施例中，该配置可以被设想为类似于所谓的“无光饰面(matte finish)”，而OS将被配置成具有更平坦和光滑的表面，类似于所谓的“光泽饰面(gloss finish)”。纹理化区域可以是沿着波导或在波导内的区域，其不仅仅是简单的表面处理。它还可能包括深度分量，该深度分量或者减小波导横截面面积，或者增加它以允许用于靶标照射的光的输出耦合。

在该非限制性示例中，IS包含采用与输出耦合器(OC)对应的纹理化区域TA的纹理化的区域，并且在它们之间是未纹理化区域(UA)。纹理化区域(TA)的纹理化可以通过例如机械手段(诸如磨蚀)或化学手段(诸如蚀刻)来实现。在光纤用作施加器的基础的情况下，可以首先剥离可以耦合到芯的缓冲层和包层，以暴露芯用于纹理化。波导可以平坦放置(相对于重力)用于表面蚀刻的更均匀深度，或者可以倾斜以提供更楔形的蚀刻。

参考图10B的示意表示图，从IS朝下的一侧看施加器，并且TA没有围绕施加器缠绕到外表面(OS)。实际上，在这种实施例中，它们不设置不需要缠绕半圈；因为纹理可以将耦合光输出到宽的立体角，纹理化区域(TA)不需要具有大的径向角度范围。

在任一情况下，耦合到靶标的光的比例也可以被控制为沿着施加器的位置的函数，以提供从IS到靶标的更均匀的照射输出耦合，如图10A-11和20-23所示出的。这可以通过考虑减少遇到后面(或远端)输出耦合区域的光的比例来进行。例如，如果我们考虑在图10B中示意性示出的本非限制性示例中由纹理区域(TA)表示的三个输出耦合区域，则我们现在具有TA1、TA2和TA3。为了提供输出耦合能量(或功率)的相等分布，输出耦合效率将如下：TA1＝33％，TA2＝50％，TA3＝100％。当然，其它这种分割方案可以使用，用于不同数量的输出耦合区TAx，或者在存在输出耦合效率的方向性以及在两通路配置中使用回复反射器的情况下，如下面进一步详细描述的。

参考图10C，在所描绘的替代实施例中，识别远端结合部(DJ)以清楚地区分TA相对于光传播方向的大小。

在另一个实施例中，如图10D所示，纹理化区域TA1、TA2和TA3具有增加的尺寸，因为它们随着施加器逐渐更远。同样，未纹理化区域UA1、UA2和UA3被示为逐渐变小，尽管它们也可以被制成恒定的。未纹理化区域(UAx)的范围(或分离、大小，面积等)决定了照射区域重叠的量，这是可以控制最终照射分布并使其在整体中更均匀的另一种手段。注意，如前所述，可以使外表面(OS)是反射的，以防止从TA散射的光经由OS逸出波导并增强装置的总体效率。涂层可以用于反射元件。这种涂层可能是例如金属涂层，诸如金、银、铑、铂、铝。可替代地，非发色物质(诸如但不限于BaSO₄)的漫射涂层可用作漫反射器。

以类似的方式，纹理化区域(TA)的表面粗糙度可以根据沿着施加器的位置而改变。如上所述，输出耦合的量与表面皱度或粗糙度成比例。特别地，它与表征表面皱度的分布的第一原始力矩(“平均”)成比例。其空间和角度发射的均匀性分别与第三和第四标准化力矩(或“偏斜度”和“峰度”)成比例。这些是可以调节或定制以适合特定实施例中的临床和/或设计需要的值。此外，大小、范围、间距和表面粗糙度可以每一个用于控制靶标照射的量和总体分布。

可替代地，可以采用定向地特定输出耦合，其优先输出依照其相对于IS的角度而在某些方向中行进的光。例如，当角度入射大于TIR所需的角度时，横向于IS的波导轴线的楔形槽将优先地耦合遇到它的光。如果不是，光将在内部反射并继续沿着施加器波导向下行进。

此外，在这种定向地特定输出耦合配置中，施加器可以利用DJ远端的上述回复反射部件。图11示出包括FBG回复反射器的示例。

诸如光纤的波导可以支持一个或甚至多个引导模式。模式是位于光纤纤芯处或紧邻光纤纤芯周围的强度分布，尽管一些强度可能在光纤包层内传播。另外，存在多种包层模式，其不限制在纤芯区域。包层模式中的光功率通常在传播一些中等距离后损失，但在一些情况下可以在更长的距离上传播。在包层外部，通常存在保护性聚合物涂层，其赋予光纤改善的机械强度和防潮性，并且还确定包层模式的损耗。这种缓冲涂层可以由丙烯酸酯、硅酮或聚酰亚胺组成。对于在身体中的长期植入，可能需要保持湿气远离波导以防止将改变靶标照射分布且产生其它相称损失的折射率变化。因此，对于长期植入，可以将缓冲层(或区域)应用于施加器波导的纹理化区域TAx。在一个实施例中，“长期”可以定义为大于或等于2年。湿气吸收对光波导的主要有害影响是产生在系统中引起传输损耗的羟基吸收带。这对于可见光谱是可忽略的，但对于波长长于约850nm的光是一个问题。其次，湿气吸收可能降低波导本身的材料强度并导致疲劳断裂。因此，因为湿气吸收是关注的，所以某些实施例中，更关注递送段，其比施加器更可能经历更多的运动和运动循环。

此外，施加器可以被夹套(诸如图9B所示的套筒S)包围或部分地封闭。套筒S也可以制成反射器，并且用于将光约束到预期靶标。反射材料(诸如Mylar、金属箔)或多层电介质薄膜片可位于套筒S的主体内或沿其内表面或外表面。虽然套筒S的外表面也可用于反射目的，但在某些实施例中，这种配置不是优选的，因为其与周围组织比内表面更紧密接触。这种夹套可以由聚合物材料制成，以提供围绕施加器的紧密配合所需的必要柔顺性。套筒S或者辅助件或替代件可以被配置成使得其端部在轻微的距离上稍微压缩靶标，但是周向地压缩，以防止轴向迁移，沿着靶标表面的渗透。套筒S也可以制成高度散射(白色，高反照率)以用作漫射性回复反射器，以通过将光重定向到靶标来提高总体光学效率。

流体压缩也可以用于使套筒接合在施加器上并且提供更紧密的配合以抑制可能降低到靶标的光学递送的细胞增殖和组织内生长。流体通道可以集成到套筒S中并在植入时填充。可以采用阀或夹断(pinch-off)来密封流体通道。在此描述了进一步的细节。

此外，套筒S也可以制备成洗脱抑制瘢痕组织形成的化合物。这可以提供光学辐射参数的增加的寿命，否则可能通过瘢痕的形成或组织在施加器和靶标之间的浸润来改变光学辐射参数。这种组织可以散射光并减少光学曝光。然而，也可以借助于邻近靶标或施加器放置的光学传感器来检测这种浸润的存在。这种传感器可以用于监视局部环境的光学属性以用于系统诊断目的。套筒S也可以配置成利用自给自足的连接部件，诸如图9C的横截面中所示的，其中施加器的至少一部分被示出为包围在横截面AA中。可替代地，套筒S可以使用缝合线或这种机械或几何附接手段来连接，如由图9C的简化示意图中由元件F所示出的。

在另一实施例中，输出耦合可以借助于施加器波导的局部应变诱导效应来实现，其用于改变其内的光的轨迹或波导材料本身上的体积折射率，诸如使用偏振或模态色散。例如，通过放置用于将波导内的光的轨迹改变为超过空间约束所需的临界角的形状诱导折射率变化和/或双折射的区域(或面积或体积)，和/或通过改变取决于折射率的临界角的值，可以实现输出耦合。可替代地，波导的形状可以改变以从波导输出耦合光，因为波导外围的入射角已经被修改为大于波导约束所需的临界角的角度。这些修改可以通过在期望用于靶标照射的输出耦合的那些区域中瞬时加热和/或扭转和/或夹紧施加器来实现。在图13中示出了非限制性示例，其中波导WG的截断部分在端点(EP)和中心点(CP)之间被修改。在横截面积和/或直径上，CP<EP。由于波导材料的机械改变，传播通过波导WG的光将在波导的外围处遭遇更高的入射角，导致在该示例性配置中在CP附近的光输出耦合。应当注意，入射在由EP和CP之间的锥形提供的相对倾斜的表面上的光可以在角度足够陡峭时直接从WG输出耦合，并且在其方向改变到从WG射出的程度之前可能需要与所述锥形的多于单个的相互作用。因此，如果它不是均匀地锥形化的，则可以考虑WG的哪一侧被锥形化，使得离开波导的输出耦合光被引导朝向靶标，或入射到替代结构上，诸如将其重定向到靶标的反射器。

参考图12和下面的描述，为了上下文的目的，描述了示例性方案，其中光线从折射率“n”的介质以最大接收角Theta_max入射在折射率“n_core”的芯上，其中适用介质-芯界面处的斯涅尔定律。从图12所示的几何形状，我们有：

sinθ_r＝sin(90°-θ_c)＝cosθ_c

其中

是全内反射的临界角。

在斯涅尔定律中用cosθ_c代替sinθ_r，我们得到：

通过平方两边我们得到：

求解，我们找到上面公式：

这具有与其它光学系统中的数值孔径(NA)相同的形式，因此变得通用的是，将任何类型的光纤的NA定义为

应当注意，不是所有以小于临界角入射的光能都将耦合出系统。

可替代地，可以使用暴露于紫外线(UV)光来改变折射率，这可以进行以产生光纤布拉格光栅(FBG)。体波导材料的这种改变将导致通过波导传播的光由于折射率变化而更大或更小程度地折射。通常，在这种折射率变化的制造中使用锗掺杂的二氧化硅光纤。锗掺杂光纤是光敏的，这意味着芯的折射率随着暴露于UV光而改变。

可替代地，和/或与本发明的上述方面和实施例组合，可以在波导内使用“回音壁模式”，以提供沿着波导的长度的光的增强的几何和/或应变诱导输出耦合。这种传播模式对折射率、双折射和临界约束角的小变化比典型的波导填充模式更敏感，因为它们集中在波导的外围周围。因此，它们更容易受到这种输出耦合手段的影响，并且提供在靶标组织处产生受控照射分布的更巧妙的手段。

可替代地，可以将多于单个的递送段DS从壳体(H)引到施加器(A)，如在图14中所示出的。在此，递送段DS1和DS2是分开的和不同的。在光在壳体(H)中产生的情况下，它们可以携载来自不同源(以及不同颜色，或波长或光谱)的光，或者，在光在施加器(A)处或附近产生的情况下，它们可以是单独的电线(或引线或电缆)。

在任一情况下，施加器可以可替代地进一步包括用于来自不同递送段DSx(其中x表示特定递送段的个体标号)的光的分开的光学通道，以便名义上照射靶标区域。另一个替代实施例可以利用回复反射部件的固有光谱灵敏度以提供一个通道相对于另一个的减小的输出耦合。例如，当使用FBG回复反射器时将是这种情况。在该示例性情况下，FBG将对单色或窄范围的颜色的光起作用。因此，它将仅回复反射来自给定光源的光以用于双向输出耦合，而来自另一个光源的光将大部分未受干扰地通过并且被发射到别处。可替代地，啁啾FBG可以用于提供更宽光谱的回复反射，允许多于单个的窄波长范围由FBG起作用并且用于双向输出耦合。当然，多于两个的这种通道和/或递送段(DSx)也在本发明的范围内，诸如当选择控制所激发的神经脉冲的方向性时可能是该情况，如将在后续部分中描述的。

可替代地，多个递送段也可以向单个施加器提供光，或者成为施加器本身，如下面进一步详细描述的。例如，部署到靶向组织结构的单个光纤是这种配置，尽管是简单的配置，其中通过光纤的端面实现照射。在该配置中，光纤的端面是输出耦合器，或者等效地为发射面，因为如在此所描述的术语是可互换的。

可替代地，单个递送装置可用于将来自多个光源的光引导到施加器。这可以通过在初始注入波导之前使用拼接的或结合的波导(诸如光纤)，或者借助于光纤切换器或束组合器来实现，如在图15中所示。

在该实施例中，光源LS1和LS2分别沿着路径W1和W2输出光。透镜L1和L2可以用于将光朝向束组合器(BC)重定向，该束组合器可以用于反射一个光源的输出，同时透射另一个光源的输出。LS1和LS2的输出可以具有不同的颜色或波长或光谱带，或者它们可以相同。如果它们不同，则BC可以是二向色镜或其它这种光谱鉴别光学元件。如果光源LS1和LS2的输出在光谱上相似，则BC可以利用偏振来组合束。透镜L3可以用于将W1和W2耦合到波导(WG)中。透镜L1和L2也可以由其它光学元件(诸如反射镜等)代替。该方法可扩展到更多数量的光源。

可以用作递送段或在施加器内的光纤的类型是变化的，并且可以选自如下组成的组：阶跃折射率(step-index)、GRIN(“梯度折射率”)、幂律指数等。可替代地，空芯波导、光子晶体光纤(PCF)和/或填充流体的通道也可以用作光导管。PCF意在包括具有将光约束在空芯中的能力或具有在常规光纤中不可能的约束特性的任何波导。PCF的更具体类别包括光子带隙光纤(PBG，通过带隙效应约束光的PCF)、多孔光纤(在其横截面中使用气孔的PCF)、空穴辅助光纤(通过由空气孔的存在改性的常规较高折射率芯引导光的PCF)和布拉格光纤(由多层膜的同心环形成的PBG)。这些也称为“微结构光纤”。端盖或其它外壳部件可以与开放的中空波导(诸如管和PCF)一起使用，以防止将破坏波导的流体填充。

PCF和PBG本身支持比标准玻璃光纤更高的数值孔径(NA)，如塑料和塑料包层玻璃光纤。这些提供了诸如LED、OLED等的较低亮度的源的递送。这对于某些实施例是值得注意的，因为这种较低的亮度源通常比激光光源更具电气效率，这与根据使用电池电源的本发明的可植入装置实施例相关。在此更详细地描述用于创建高NA波导通道的配置。

可替代地，可使用一束小和/或单模(SM)光纤/波导作为递送段和/或作为施加器结构来传输光，诸如在图16A中的非限制性示例性实施例中所示出的。在该实施例中，波导(WG)可以是递送段(DS)的一部分，或者是施加器(A)本身的一部分。如图16A的实施例中所示，波导(WG)分叉成多个后续波导BWGx。每一个BWGx的终端是治疗位置(TLx)。终端可以是施加/靶标照射的区域，或可替代地固定到用于靶标照射的施加器。这种配置对于在分布式身体组织内的植入是合适的，诸如借助于非限制性实例，肝脏、胰腺或者进入阴茎海绵体的海绵状动脉。

参考图16B，波导(WG)也可以被配置成包括波纹(U)，以便适应靶标组织或靶标组织周围的组织的可能的运动和/或拉伸/收缩，并且最小化从递送段传递到施加器的机械负载(或“应变”)，反之亦然。在组织伸展和/或拉伸期间，波纹(U)可以是直的。可替代地，波纹(U)可以与施加器本身成一体，或者它可以是供给施加器(A)的递送段(DS)的一部分。在实施例中，当波纹(U)位于施加器中时，可以使波纹(U)到输出耦合区域。这可以借助于与早先描述的那些过程类似的过程来实现，其中，早先描述的那些过程涉及调节用于固定在施加器中的输出耦合的波导的折射率和/或机械配置的手段。然而，在该情况下，输出耦合借助于引起这种变化的组织运动来实现。因此，输出耦合名义上仅在组织伸展和/或收缩和/或运动的条件期间提供。波纹(U)可以由一系列波或在波导中的弯曲配置，或者可以是线圈或其它这种形状。可替代地，可以将含有波纹(U)的DS封装在保护性护套或夹套中，以允许DS在不直接遇到组织的情况下伸展和收缩。

矩形板波导可以被配置为类似于上述螺旋型，或者其可以具有附接/嵌入的永久波导(WG)。例如，板可以形成为螺旋型施加器的限制外壳，诸如为了说明的目的在图17中示出，并且使得上述螺旋型施加器的属性和某些细节的说明也适合于该板状并且不需要重复。

在图17所示的实施例中，施加器(A)通过递送段(DS)馈送，并且有效半节距螺旋沿所示边缘(E)闭合，其中设置有封闭孔(CH)，但不是必需的。当然，这是先前讨论的几何形状的减化，并且意在传达此处和在待讨论的那些板式波导之间的基本概念的抽象和可互换性。

还应当理解，在此所述的螺旋型施加器也可以用作直的施加器，诸如可以用来沿着像神经等的线性结构提供照射。直的施加器也可以被配置为在此描述的螺旋状型施加器，诸如具有反射器以将杂散光重定向到靶标，如作为非限制性示例在图18A中所示出的。

在此，波导(WG)包含纹理化区域(TA)，以及至少部分地围绕靶标解剖结构(N)的反射器(M)的添加。该配置通过有目的地将暴露和散射的光重定向到靶标的与施加器相反的一侧来提供对靶标远侧的暴露。图18B示出了沿着图18A中的横截面AA的相同实施例，示意性地示出了围绕靶标(N)的反射镜(如反射器M)的使用。尽管未示出，但是WG和M可以固定到形成施加器的一部分的公共外壳(未示出)。反射器(M)被示为由多个线性面组成，但不是必需的。在一个实施例中，它可以被制成是平滑的曲线，或者在另一个实施例中，是两者的组合。

在另一个替代实施例中，借助于相同的螺旋型(“螺旋”)施加器将直的照明器固定到靶标或者围绕或邻近或靠近靶标的组织。然而，在该情况中，螺旋部分不是照明器，它是将另一照明器定位和保持在相对于靶标的位置的手段。图19中所示的实施例利用螺旋型施加器的靶标接合特征，以经由连接器元件CE1和CE2将直型施加器(A)定位在靠近靶标(N)的位置，所述连接器元件CE1和CE2接合支撑结构(D)以定位和保持光输出。输出照明被示出为经由纹理化区域(TA)发射，但是如已经讨论的，替代的输出耦合手段也在本发明的范围内。该方法的一般性和在此(甚至在本节之后)描述的不同的靶标接合手段的可互换性也适用于作为这种支撑结构(D)，并且因此它们的组合也在本发明的范围内。

施加器A的板型(“板状”)几何形状，诸如薄的平面结构，可以植入或安装在组织靶标或包含预期靶标的组织处、附近或周围。在图20A-20C中示出了这种板型施加器配置的实施例。它可以部署靠近或邻近靶标组织，并且其也可以绕着靶标组织或围绕靶标的组织卷起。它可以轴向地卷起，如在图20B中由元件AM1所示出的，(即，与靶标组织结构N的长轴线同心)，或者，如由立即手术情况所要求的，它可以纵向卷起，如在图20C中由元件AM2所示出的，(即沿着靶标N的长轴线)。可以使得一旦部署在靶标位置处就彼此接触的横向边缘具有互补特征，以确保完全覆盖并限制细胞渗透的量(即限制瘢痕组织或随时间推移的其它光学扰动，以更好地确保不变靶标辐照度，如在关于螺旋型施加器的前面部分中所描述的)。在该非限制性示例的图中为此目的提供封闭孔(CH)。封闭孔(CH)可以缝合在一起，以另外方式使用夹紧机构(未示出)耦合。也可以提供与上述特定螺旋型波导不同的输出耦合机构，但是应当理解，这种机构是可互换的，并且可以通用。反之亦然，输出耦合、光学再循环和波导结构的元件以及在板型部分中讨论的部署技术可适用于螺旋型和直波导。

图20A-20C中所示的板型施加器(A)由如下各种部件组成。按照光进入施加器“看到”的顺序，首先是与递送段(DS)的波导的接口。可替代地，在发射器被包括在施加器附近或内部的情况下，波导可以由电线代替。在界面之后可以存在光室(OP)结构，以使用分布面(DF)将光传播分割并引导到不同的通道CH，无论其来自递送段(DS)还是来自局部光源。光室(OP)也可以被配置为重定向进入其中的所有光，诸如当递送段(DS)应当处于主要沿着与施加器(A)相同的方向时可能是期望的。可替代地，可主要以提供施加器与递送段(DS)不同地定向的角度重定向光。沿着通道(CH)传播的光可遇到输出耦合部件，诸如部分输出耦合器(POC)和完全输出耦合器(TOC)。近端输出耦合器(POC)仅重定向部分导向的光，允许足够的光通过以向更远的靶标提供足够的照明，如先前所讨论的。可以使最终或最远端输出耦合器(TOC)名义上将所有的入射光重定向到靶标。本实施例也包含提供外表面反射器以将游移(errant)光重定向到靶标。也被配置为支持在施加器(A)的内表面(IS)上或附近的反射器(RE)，具有允许输出耦合光逸出的孔径(AP)，其用于更容易地将任何游移或散射光返回朝向靶标(N)。可替代地，这种反射器(RE)可以被构造成使得其在纵向卷起部署的情况下不覆盖输出耦合器区域，但是在其附近，使得其名义上覆盖期望的靶标接合区域(TEA)。如果反射器(RE)沿着施加器(A)的外侧设置，则反射器(RE)可以由诸如铂或金的生物相容性材料制成。可替代地，这种金属涂层可以被官能化以使它们生物惰性，如以下所讨论的。输出耦合器POC和TOC在图20A中示出为位于适于绕着靶标(N)(图20B)或围绕靶标(N)的组织的纵向卷曲的施加器(A)的区域中，但不必须这样，如使用展开和轴向卷起实施例(AM1)的部署的情况。任何这种表面(或子表面)反射器(RE)应当沿着(或贯穿)足以在施加器部署时提供至少完整的圆周覆盖的长度而存在。如在此所使用的，术语光导管和通道构件是等效的。

本实施例利用如下所述的PDMS或一些其它这种合格的聚合物作为形成施加器(A)的主体的基底(SUB)，例如如图20A中所示。例如，作为天然细胞外基质的组分的生物材料，诸如透明质酸、弹性蛋白和胶原蛋白，也可以单独使用或与无机化合物组合使用以形成基底(SUB)。也可以使用水凝胶，因为它是生物相容的，水凝胶可以制成为洗脱生物和/或药物化合物，并且具有低弹性模量，使其成为柔顺材料。同样，聚乙烯和/或聚丙烯也可用于形成基底SUB。

具有折射率低于基底(SUB)(在该非限制性示例中为PDMS)的折射率的材料可以用作填充物(LFA)以产生波导包层，其中PDMS本身用作波导芯。在可见光谱中，PDMS的折射率为约1.4。水，且甚至PBS和盐水具有约1.33的指数，使得它们适合于包层材料。即使施加器(A)的完整性受到妥协并且它们被释放到体内，它们用于在此所述的照射管理系统中也是生物相容的并且安全的。

可替代地，更高折射率的填充可用作波导通道。这可以被认为是与前述几何形状相反的，其中在包含基底(SUB)的聚合物的替代中，可以使得液体填充(LFA)充当波导核心介质，以及基底(SUB)材料充当包层。许多油具有约1.5或更高的折射率，使得它们适合于芯材料。

可替代地，可使用不同折射率的第二聚合物代替上述液体填充。高折射率聚合物(HRIP)是具有大于1.50的折射率的聚合物。折射率与单体的摩尔折射率、结构和重量有关。通常，高摩尔折射率和低摩尔体积增加聚合物的折射率。包含线性硫醚和砜的含硫取代基、环噻吩、噻二唑和噻蒽是在形成HRIP时用于增加聚合物的折射率的最常用的基团。具有富硫的噻蒽和四硫杂蒽部分的聚合物表现高于1.72的n值，这取决于分子堆积(molecular packing)的程度。这种材料可以适合用作较低折射率聚合物基底内的波导通道。诸如膦酸酯和磷腈的含磷基团在可见光区域中通常表现出高摩尔折射率和透光率。聚磷酸酯由于磷部分而具有高折射率，即使它们具有类似于聚碳酸酯的化学结构。此外，聚膦酸酯表现出良好的热稳定性和光学透明度；它们也适合于铸塑成塑料透镜。有机金属组分也导致具有良好的成膜能力和相对低的光学色散的HRIP。含有磷间隔基和苯基侧链的聚二茂铁硅烷和聚二茂铁也显示出非常高的n值(n＝1.74和n＝1.72)，并且也是波导的候选。

将有机聚合物基质与高折射无机纳米颗粒结合的混合技术可用于制备具有高n值的聚合物。因此，PDMS也可以用于制造可以集成到PDMS基底的波导通道，其中天然PDMS用作波导包层。影响HRIP纳米复合材料的折射率的因素包括聚合物基质、纳米颗粒的特性以及无机和有机成分之间的混合技术。也使用共价键实现连接无机相和有机相。混合技术的一个这种示例是使用特殊的双官能分子，诸如3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(Methacryloxypropyltrimethoxysilane)(MEMO)，其具有可聚合基团以及烷氧基团。这种化合物是可商购的，并且可以通过同时或随后的聚合反应用于获得具有共价键的均匀混合材料。

以下关系估计纳米复合材料的折射率，

n_comp＝φ_pn_p+φ_orgn_org

其中n_comp、n_p和n_org分别表示纳米复合材料、纳米颗粒和有机基质的折射率，而φ_p和φ_org分别表示纳米颗粒和有机基质的体积分数。

纳米颗粒负荷在设计用于光学应用的HRIP纳米复合材料中也是重要的，因为过度的浓度增加光学损失并降低纳米复合材料的可加工性。纳米颗粒的选择通常受其大小和表面特性的影响。为了增加光学透明度并降低纳米复合材料的瑞利散射，纳米颗粒的直径应当低于25nm。纳米颗粒与聚合物基质的直接混合经常导致纳米颗粒的不期望的聚集-这可以通过改性它们的表面或采用诸如二甲苯的溶剂来稀释液体聚合物的粘度来避免；该二甲苯稍后可以在固化之前在复合材料的超声混合期间通过真空去除。用于HRIP的纳米颗粒可以选自：TiO₂(锐钛矿，n＝2.45；金红石，n＝2.70)，ZrO₂(n＝2.10)，非晶硅(n＝4.23)，PbS(n＝4.20)和ZnS(n＝2.36)。另外的材料在下表中给出。根据上述关系，所得到的纳米复合材料可以表现出可调整的折射率范围。

在一个示例性实施例中，基于PDMS和PbS的HRIP制备，颗粒的体积分数需要为约0.2或更高，以产生n_comp≥1.96，这对应于至少0.8的重量分数(使用7.50g cm^-3的PbS和1.35g cm^-3的PDMS的密度)。这种HRIP可以支持高数值孔径(NA)，当耦合来自相对低亮度的源(诸如LED)的光时，这是有用的。以上给出的信息允许容易地确定其它替代制剂的配方。

纳米复合材料有许多合成策略。它们的大多数可以分为三种不同类型。制备方法都基于液体颗粒分散体，但在连续相的类型中不同。在熔融加工中，颗粒分散在聚合物熔体中，并且通过挤出获得纳米复合材料。浇注方法使用聚合物溶液作为分散剂，并且溶剂蒸发产生复合材料，如前所述的。单体中的颗粒分散体和随后的聚合在所谓的原位聚合途径中产生纳米复合材料。

以类似的方式，也可以制备低折射率复合材料。作为合适的填充材料，可以选择具有低于1的低折射率的金属，诸如金(在上表中示出)，并且所得的低折射率材料用作波导包层。

存在用于捕获光输入并创建多个输出通道的各种光室配置。如在图20A-20C和22中所示，刻面(facet)由线性面组成，但是其它配置也在本发明的范围内。面的相对于光的输入方向的角度决定数值孔径(NA)。可替代地，可以采用弯曲的面用于非线性角分布和强度均匀化。例如，可以使用抛物线表面轮廓。此外，面不必是平面的。可以类似地采用三维表面。这些室分配刻面DF的位置也可以用于决定作为输入捕获到通道的功率的比例。可替代地，室分配刻面DF可以根据输入光源的强度/辐照度分布在空间上定位。作为非限制性示例，在利用具有朗伯辐照度分布的输入(诸如可以由LED输出的辐照度分布)的配置中，可以调整分配刻面DF的几何形状，以将中间通道限制为具有1/3的发射光，并且外部通道均匀地分割剩余的2/3，诸如作为非限制性示例在图21中所示出的。

输出耦合可以通过许多方式实现，如前面所讨论的。继续那个讨论并且被认为是其一部分，可以利用在预期发射的区域中的散射表面。此外，也可以采用输出耦合刻面，诸如先前示出的POC和TOC。这些可以包括反射、折射和/或散射配置。刻面的高度可以被配置为与所拦截的光的量或比例成比例，而纵向位置决定输出位置。同样如前面所讨论的，对于采用多个串联OC的系统，可以使每一个的输出耦合程度成比例，以使整体照射均匀化。可以设置波导通道内的单侧刻面使得其主要捕获沿着波导通道(或芯)向下行进的光。可替代地，双侧刻面捕获沿着波导通道(或芯)的两个道路行进的光，以提供向前和向后输出耦合。这将主要通过远端回复反射器设计来使用。作为非限制性示例，这种刻面可以成形为；棱锥、斜坡、向上弯曲表面、向下弯曲表面等。图22示出了用于斜坡形刻面的输出耦合。

光线ER进入波导核心WG(或在波导核心WG内传播)。它入射到输出耦合刻面F并被重定向到相对的表面。它变为反射线RR1，从该反射线RR1产生输出耦合光OCR1和反射光RR2。OCR1指向靶标。OCR2和RR3同样从RR2产生。注意OCR2从与刻面相同的WG表面发射。如果在那一侧没有靶标或反射器，则光损失。F的深度为H，并且角度为θ。角度θ决定RR1及其后续光线的方向。可以提供角度α以便允许用于简化制备的脱模。也可以用于输出在与ER相反的方向穿过的耦合光，诸如当使用远端回复反射器时的情况。

可替代地，输出耦合刻面F可从波导突出，允许光在替代方向上重定向，但是通过类似的手段。

在此关于光学元件(诸如但限于施加器和递送段)的描述也可以由多于单个的光源或光的颜色使用，诸如可能是当使用SFO和/或SSFO视蛋白时的情况，如在本文中别处更详细描述的。

波导通道可以如上所述。如上文关于套筒S所描述的，流体的使用也可以用来扩张(或收缩)施加器以改变机械配合。当与诸如图20A-C中所描绘的施加器(A)一起使用时，其可以用于降低浸润的渗透性以及经由压力诱导的组织清除来增加光学穿透。组织清除或光学清除(如同样已知的)是指由于散射体和研磨物质的折射率匹配而导致的通过组织光学散射的可逆减少。通过非限制性示例的方式，这可以通过用诸如x射线造影剂(例如Verografin、Trazograph和Hypaque-60)、葡萄糖、丙二醇、聚丙二醇基聚合物(PPG)、聚乙烯二醇(PEG)、基于PEG的聚合物和甘油的物质(“清除剂”)浸渍组织来实现。也可以通过机械压缩组织来实现。

结合到施加器基底中的流体通道也可用于调整输出耦合刻面。可以使刻面下面的小储液囊膨胀，并且进而扩展刻面的位置和/或角度，以便调节光的量和/或该光的方向。

捕获的光也可以用于通过提供关于装置/组织状态的光学传输效率的信息来评估施加器和/或系统的效率或功能完整性。增加的光散射的检测可以指示组织和或装置的光学质量或特性的变化。这种变化可以通过由传感器收集的检测到的光的量的改变来证明。取决于传感器和发射器的相对位置，可以采取信号强度的增加或减小的形式。可以采用相对的光学传感器来更直接地对输出采样，如在图23中所示出的。在该非限制性实施例中，光场LF旨在经由来自施加器A内的波导的输出耦合来照射靶标(N)，并且杂散光由传感器SEN1收集。SEN1可以经由电线SW1电连接到壳体(未示出)，以向控制器提供关于检测到的光的强度的信息。也描绘了第二传感器SEN2。传感器SEN2可用于对施加器A的一个(或多个)波导内的光采样，并且其信息经由电线SW2传送到控制器(或处理器)。这提供了关于在施加器的波导内传播的光的量的附加信息。该附加信息可以用于借助于提供基准来更好地估计靶标曝光的光学质量，所述基准指示经由驻留输出耦合器发射的光能或功率的量，如与在波导内的传导光成比例。

可替代地，检测信号的时间特性可用于诊断目的。例如，较慢的变化可以指示组织变化或装置老化，而较快的变化可以是应变或温度相关性波动。此外，该信号可以通过随时间推移调节功率输出来用于闭环控制，以确保在靶标处更恒定的曝光。诸如SEN1的传感器的检测信号也可以用于确定靶标中存在的光遗传学蛋白质的量。如果这种检测难以对信号产生成比例的小的影响，则可以为此目的采用外差检测方案。这种曝光可能具有不充足的持续时间或强度来产生治疗效果，但仅仅出于整个系统诊断的目的。

可替代地，可以制备具有可单独寻址的光源元件的施加器，以使得能够调节光递送的强度和位置，如在图24(1010)的实施例中所示出的。这种施加器可以被配置为递送单个波长的光以激活或抑制神经。可替代地，它们可以被配置为递送两个或更多个不同波长的光或输出光谱，以在单个器件或多个器件中提供激活和抑制。

在图25中示出这种施加器的替代示例，其中施加器A由光源元件LSx组成，所述光源元件LSx可以包括安装在基座B上的发射器(EM)；元件“DS”xx表示相关递送段，作为在施加器(A)上的按行/列的每个它们的坐标；元件“SUB”表示基底，元件“CH”表示封闭孔，以及元件“TA”表示纹理区域，如上所描述的。

在此描述的光学传感器也称为光电检测器，并且具有不同的形式。通过非限制性示例的方式，这些可以包括光伏电池、光电二极管、热电体、光敏电阻、光电导体、光敏晶体管和光电器件。可以通过允许诸如不锈钢丝或铂丝的导体暴露在靶标组织上、靶标组织处或邻近靶标组织来构建光电传感器(也称为光电化学传感器)。从靶标组织释放的光入射在导体上将导致其经历相对于另一导体或导电元件产生电动力或“EMF”的光电反应，该另一导体或导电元件至少基本上在与传感器导体相同的电路中，诸如可以是如果其浸入相同的电解溶液中(诸如在体内发现的)。EMF构成检测器响应信号。该信号然后可以用作到系统控制器的输入，以便调节光源的输出以适应该变化。例如，如果传感器信号减小，则可以增加光源的输出，反之亦然。

在替代实施例中，也可以采用附加传感器SEN2来记录除了传感器SEN1的信号以外的信号，为了进一步诊断系统变化的可能原因。

例如，如果SEN2保持恒定水平，该恒定水平指示进入施加器的光功率是恒定的，而传感器SEN1显示降低的水平，则靶标不透明度和/或吸光度可能正在增加。响应于传感器SEN2的相应减小将指示到光源的电功率应当增加以适应输出和/或效率的下降，如在老化装置中可能经历的那样。因此，递送到施加器的光功率和/或脉冲重复率的增加可以减轻曝光不足的风险以保持治疗水平。

可以对光源的光输出进行改变，例如，输出功率、曝光持续时间、曝光间隔、占空比、脉冲方案、脉冲持续时间、脉冲间隔、辐照度和/或占空比。

对于在图23中所示的示例性配置，下表可用于描述对于传感器响应变化的每种情况下控制器的示例性编程。

应当理解，术语“恒定”不仅仅意味着信号或其电平没有变化，而是将其电平保持在允许的公差内。这种公差平均可以是±20％的量级。然而，也可能需要考虑患者和其他特性，并且基于每个患者调节公差带，其中监视主要和/或次要治疗结果和/或效果以确定可接受的公差带限制。如在图5中所示，过度曝光不期望导致功效降低。然而，在仍然确保治疗效果的同时节省能量的期望使得避免了过度曝光以增加电池寿命和再充电间隔，以改善患者的安全性和舒适性。

可替代地，SEN2可以是我们将称为被配置为直接或间接监视物理治疗结果的治疗传感器。通过非限制性示例的方式，这种治疗传感器可以是电传感器、电极、ENG探针、EMG探针、压力传感器、化学传感器、EKG传感器或运动传感器。直接传感器被认为是直接监视治疗结果的传感器，诸如上述化学和压力传感器的示例。间接传感器是监视治疗效果而不是最终结果的传感器。这种传感器是ENG、EKG和EMG探针的前述示例，如也在本文中其它地方所讨论的。

可替代地，治疗传感器可以是患者输入装置，其允许患者至少稍微决定光剂量和/或时序。通过非限制性示例的方式，这种配置可以在诸如肌肉痉挛的情况下使用，其中患者可以控制光剂量和/或时序以提供他们认为对于给定情况所需要的控制水平。

在替代实施例中，附加光学传感器可以位于靠近光源的递送段的输入端处。该附加信息可以通过允许评估递送段的光学效率来帮助诊断系统状态。例如，如果输出端传感器记录正递减的光量，而输入端传感器没有，则递送段和/或它们到施加器的连接可以被认为失效。因此，可以指示更换递送段和/或施加器。

在替代实施例中，SEN1可以进一步被配置为利用诸如光纤或施加器本身的至少一个方面的收集器，其用于将光信号从施加器收集和携带到远端位置或将邻近施加器的光收集和携带到远端位置。通过非限制性示例的方式，光可以在靶标组织处或附近采样，但是被传送到控制器用于检测和处理。这种配置在图55中示出，其中递送段DS向施加器A提供光，产生光场LF。通过收集元件(COL-ELEM)对光场LF采样，通过非限制性示例的方式，收集元件(COL-ELEM)可以是棱镜、棒、光纤、侧射光纤、腔、板、反射镜、衍射元件和/或刻面。收集的光(COL-LIGHT)由波导WG2传输到未示出的SEN1。

可替代地，递送段本身或其一部分可用于借助于在壳体中光谱分离光来将光传输到SEN1的远程位置。该配置可以类似于图15中所示的配置，其中改变的是，将LS2变为SEN1，并且将束组合器BC配置为使得其允许来自靶标组织的光被传输到SEN1，同时仍然允许基本上所有的光形式LS1注入到波导WG中用于治疗和诊断目的。例如，当SEN1可以是化学计量传感器时，可以部署这种配置，并且荧光信号可以是期望的被测量。

该系统可以在植入时或其后测试。测试可以通过单独地或组合地触发不同的光源以确定它们对患者的影响来为系统配置提供诸如施加器的哪些区域是最有效的或灵验的。这可以在使用多元件系统(诸如LED阵列)或多输出耦合方法时使用。这种诊断测量可以通过使用驻留在施加器上、施加器中或施加器附近的植入电极或者在别处植入的植入电极来实现，如将在另一部分中描述的。可替代地，可以使用向暴露的运动神经或肌肉组织提供电刺激并转而定位及确定神经以测试他们的兴奋性的装置，诸如以商标名从NDI和Checkpoint手术公司(NDI and Checkpoint Surgical,Inc)销售的刺激器/定位器，在植入时使用用于诱导刺激的局部神经电极和/或在术中查询神经脉冲的电探针，进行这种测量。一旦获得，可以使用外部编程器/控制器(P/C)经由遥测模块TM到控制器或系统壳体(H)的处理器/CPU中将施加器照射配置编程到系统中以获得最优治疗结果，如下面进一步定义的。

用于诸如光源被嵌入在施加器内、上或位于施加器附近的这些的装置的电连接可以集成到在此所述的施加器中。可以使用像由NanoSonics公司(NanoSonics,Inc)以商标名Metal Rubber^TM出售的产品的材料和/或mc10’的可延伸无机柔性电路平台可被用来在施加器上或之内制造电路。可替代地，由杜邦公司(DuPont，Inc)以商标名销售的产品或其它这种柔性和电绝缘材料(如聚酰亚胺)可用于形成柔性电路；包括用于连接的覆铜层压板。片状的允许这种电路被卷起。通过将电路材料切割成仅包含电极和聚酰亚胺的小围绕区域的形状，可以提供更大的柔性。

然后可以使用共形涂层来封装这种电路以用于电隔离。各种这种共形绝缘涂层是可获得的，包括通过非限制性示例的方式的parlene(聚对二甲苯)和parlene-C(每个重复单元添加一个氯基团的聚对二甲苯)，两者都是化学和生物惰性的。也可以使用硅氧烷和聚氨酯，并且硅氧烷和聚氨酯可以制成包括施加器本体或基底本身。涂覆材料可以通过各种方法施加，包括刷涂、喷涂和浸涂。Parylene-C是用于支架、除颤器、起搏器和永久植入体内的其它装置的生物接受涂层。

在特定实施例中，生物相容性和生物惰性涂层可用于减少异物反应，诸如可导致细胞在施加器上方或周围生长并改变系统的光学特性的异物反应。也可以使得这些涂层粘附到电极和阵列与形成施加器的气密性封装之间的界面。

通过非限制性示例的方式，聚对二甲苯-C和聚(乙二醇)(在此所描述的PEG)已示为生物相容性的，并且可用作用于施加器的封装材料。生物惰性材料非特殊地抑制或以其它方式改善生物反应。用于本发明实施例的这种生物惰性材料的示例是磷酰胆碱，磷脂的亲水头基(卵磷脂和鞘磷脂)，其在哺乳动物细胞膜的外包膜中占主导。另一个这种示例是聚环氧乙烷聚合物(PEO)，其提供天然粘膜表面的一些特性。PEO聚合物是高度亲水的、可移动的、长链分子，其可以捕获大的水合外层。它们可以增强对蛋白质和细胞脱落的抗性，并且可以施加到各种材料表面上，诸如PDMS或其它这种聚合物。用于实施本发明的生物相容性和生物惰性材料组合的替代实施例是可以涂覆在PDMS基底上的磷酰胆碱(PC)共聚物。可替代地，如前所述，也可以使用金属涂层，诸如金或铂。这种金属涂层可以进一步配置成提供由例如D-甘露醇封端的烷基硫醇的自组装单层(SAM)形成的生物惰性外层。这种SAM可以通过在室温下将要涂覆的装置浸入2mM链烷硫醇溶液(在乙醇中)过夜以允许在其上形成SAM而制备。然后可以取出该装置并用无水乙醇洗涤，并用氮气干燥以清洁该装置。

在此公开了光施加器的各种实施例。存在取决于光产生的位置(即，在施加器中或附近相对于壳体中或其它地方)的另外分支。图26A和26B示出了这两种配置。

参考图26A，在第一配置中，在壳体中产生光并且经由递送段传输到施加器。如前所述，递送段可以是选自由圆形光纤、中空波导、多孔光纤、光子带隙器件和/或板配置组成的组的光波导。多个波导也可以用于不同的目的。作为非限制性示例，传统的圆形横截面光纤可用于将光从源传输到施加器，因为这种光纤是普遍存在的并且可以被制造成鲁棒的和柔性的。可替代地，这种光纤可用作向另一波导的输入，其具有提供规则瓦片的多边形横截面。这种波导具有完全封装在一起的横截面形状，即它们借助于规则的全等多边形形成边缘到边缘的瓦片或镶嵌。也就是说，它们具有其横截面几何形状允许它们完全填充(封装)二维空间的特性。该几何形状产生可以使照射横跨这种波导的表面在空间上均匀的光学特性。完全均匀性对于其它几何形状是不可能的，尽管它们可以被制成具有相当均匀的照射分布。对于本申请，可以使用均匀的辐射分布，因为它可以提供靶标组织的均匀照射。因此，这种规则瓦片横截面波导可能是有用的。也应当理解，这是示意性表示，并且可以采用多个施加器及其相应的递送段。可替代地，单个递送段可以服务多个施加器。类似地，基于临床需要，也可以采用多种施加器类型。

参考图26B的配置，光在施加器中。产生光输出的功率包含在壳体内并且经由递送段被传送到施加器。应当理解，这是示意性表示，并且可以采用多个施加器及其相应的递送段。类似地，也可以使用多种施加器类型。

这些施加器的大小可以由靶标组织的解剖结构决定。通过非限制性示例的方式，流体通道板型(或等同地，“板状”)施加器可以被配置为包括在侧面上为200μm的3个矩形HRIP波导的平行阵列，施加器可以是宽度在1-10mm之间，并且长度在5-100mm之间，并且沿着每一个通道波导的长度提供多个输出耦合器，以提供靶标组织的分布式照射。

在光不在施加器中或附近产生的情况下，相关的递送段可以是光波导，诸如光纤。可替代地，当光在施加器处或附近产生时，递送段可以是电线。它们可以进一步包括流体导管以提供对施加器的流体控制和/或调节。如前面已经描述的，它们也可以是如所使用的具体实施例所决定的其任何组合。

本系统的实施例可以部分地或完全地植入患者的身体中。图27示出了这点，其中图示的左手侧示意性地描绘了部分植入的系统，并且图右手侧示出了完全植入的装置。随着用于包括递送段(如根据附图，DS或“DSx”的各种实施例/表示)的光学和/或电导管的经皮馈通或端口的使用，壳体H可以被植入、携带或佩戴在身体(B)上，所述递送段连接到被植入以辐射靶标组织N的施加器A。在该示例性实施例中，经皮光馈通COFT可以耦合到固定到位于体外空间ES的壳体H的递送段，而施加器A随着靶标组织一起处于体内空间IS中。

图56示出了经皮光馈通或端口的实施例，通过非限制性示例的方式，其包括外部递送段DSE，该外部递送段DSE进而路由通过密封件，该密封件由位于体外空间ES的外部密封元件SSE与位于体内空间IS中的内部密封元件SSI组成。这些密封元件可以借助于压缩元件COMPR保持在一起，以基本上保持用于经皮光馈通COFT的无感染密封。内部密封件SSI可以包括医用织物密封表面以及耦合到其上的更刚性的构件，以在形成经皮密封时更多地赋予来自压缩元件COMPR的压缩力。荣国非限制性示例的方式，医用织物/纺织物可以选自由如下组成的列表：涤纶、聚乙烯、聚丙烯、硅酮、尼龙和PTFE。织造和/或非织造纺织物可以用作内部密封SSI的组件。织物或其上的组件也可以制成洗脱化合物以调节伤口愈合并改善密封的特性。通过非限制性示例的方式，这种化合物可以选自如下组成的列表：血管内皮生长因子(VEGF)、糖胺聚糖(Gag)和其它细胞因子。适用的医用纺织品可以从供应商获得，诸如例如杜邦和ATEX技术公司(Dupont and ATEX Technologies)。递送段DS可以连接到未示出的施加器A的光学和/或电连接，为清楚起见未示出。外部传递段DSE可以连接到壳体H的光学和/或电输出，为了清楚起见未示出。患者的表面(在该示例中表示为皮肤SKIN)可以借助于密封件可以形成在其上的表皮提供自然元件。关于将穿过皮肤SKIN的外部递送段DES密封到压缩元件COMPR的手段的细节在本文中其它地方关于壳体H内的光馈通来讨论，诸如图57A-59中所示。

图57A和57B示出了包括光馈通OFT的可植入的气密密封壳体H的替代实施例，其中递送段DSx可以耦合到壳体H。该系统进一步可以包括如下配置，即，递送段DSx可以经由通过连接器的多个电连接和至少一个光学连接耦合到壳体H，该连接器C在该示例性实施例中被示为递送段DS的组件，但是替代配置在本发明的范围内。也示出了壳体H、递送段DSx和连接器C的隐藏线视图，其揭示了诸如电路板CBx、光源LSx、光学透镜OLx、递送段DSx的近端部分以及密闭屏障HBx的实施例的细节。光源LSx可以安装到电路板CBx并且由电路板CBx电递送到其上。光学透镜OLx可以是用于将光传输到递送段DSx的蓝宝石棒透镜。

图58示出了包括光学透镜OLx和法兰密封件(Flanged Seal)FSx的可植入壳体H和光馈通OFT的放大图。在示例性实施例中，蓝宝石透镜的外圆柱形表面可以涂覆有高纯度金，并且例如在钎焊炉中被钎焊到法兰密封件，诸如钛密封件。这可以在光学透镜OLx和法兰密封件FSx之间产生生物兼容的气密连接。然后可以将示例性透镜-密封件组合插入也可以由钛制成的壳体H的外表面中的孔中，并且法兰密封件FSx至少部分地围绕壳体H中的互补孔的外周焊接。这可以产生完全生物相容性的气密密封组件，来自光源LSx的光可以通过该组件从壳体H内耦合并且将光传输到壳体H外部以供递送段DS和/或施加器A使用，用于在靶标组织处治疗，如已在本文中其它地方所述的。

图59示出了本发明的实施例的等距视图，其中，光源LSx可以经由光学透镜OLx至少部分地光学耦合到光纤束FBx，所述光学透镜OLx介入在两者之间。光学折射率匹配的粘合剂可以用于将光学透镜OLx直接固定到光源LSx上。应当理解，光源可以包含在气密密封的可植入壳体内，为了清楚起见未示出，并且光学透镜OLx穿过气密密封的可植入壳体H的壁，其中光学透镜OLx的一部分位于壳体H内，并且光学透镜OLx的另一部分位于壳体H的外部并且在其外表面OS的至少一部分周围被气密密封，并且光纤束FB可以位于气密密封的可植入壳体H的外部，并且可以被耦合到光学透镜OLx。例如，如果使用单个源光源LS(诸如LED)，则可以使用7个光纤OFx的束来捕获光源LS的输出，该光源LS可以是例如1mm×1mm的LED。光纤束FB可以具有1mm的外径，以确保所有光纤OFx暴露于光源LS的输出。使用0.33mm外(包层)直径的光纤是使用六边形紧密堆积(HCP)配置将7个光纤封装成圆形横截面以接近1mm直径的圆的最有效的方式。最终的光学收集效率将从填充比、光纤纤芯/包层比的平方按比例缩放，并且在考虑数值孔径时，与光纤作用域(étendue)和LED输出的作用域的比率进一步成比例。视情况而定，这些子光纤或子束可以根据所需的配置被分离并进一步路由、修整、切割、抛光和/或透镜化。光学透镜OLx和法兰密封件FSx的钎焊应在使用粘合剂之前进行。

上表描述了以空间有效的方式将来自单个源的光耦合到多个光纤(一束)中的几种不同的可能性。对于圆形光纤，HCP配置具有约90.7％的最大填充率。应当理解，可以使用六边形或其它形状的单独光纤构造甚至更有效的束，并且所示的光纤束FBx仅用于示例性目的。多个光纤可以分离成更小的、更柔性的子束。光纤束FBx可以粘合在一起和/或容纳在护套(为清楚起见未示出)内。多个较小的光纤OFx可以用于提供最终更加柔性的光纤束FBx，并且可以被柔性地路由通过弯曲路径以访问靶标组织。另外，光纤OFx可以单独地或以子组的形式分开以被路由到多于一个的靶标组织部位。例如，如果使用七个光纤构造，则这七个光纤可以被路由到七个单独的靶标。类似地，如果使用7×7的结构，则7个光纤的单独束可以类似地路由到七个单独的靶标，并且可以比替代的1×7结构的光纤束更柔性，并且因此更容易地路由到靶标。

图60示出了本发明的实施例，其中施加器A可以用于通过使用至少一个光源LSx照射靶标组织N。光源LSx可以是LED或激光二极管。光源LSx可以位于靶标组织处或邻近靶标组织，并且至少部分地驻留在施加器A内，并且由递送段DS电连接到驻留在壳体H内部的它们的电源和控制器。

图61示出了这种示例性系统配置。在该说明性实施例中，通过非限制性示例的方式，将单个LED带包封在光学透明且柔性的硅树脂中，诸如来自NuSil的低硬度无限制级的可植入材料MED-4714或MED4-4420。这种配置提供了用于散热的相对大的表面积。例如，0.2mm x0.2mm的473nm波长的LED(诸如由Rohm在picoLED器件中使用的那些)或者可从Phillips公司获得的Luxeon Rebel产品的管芯可以产生约1.2mW的光。在所描述的示例性实施例中，使用25个LED，产生总共约30mW的光，并且进而产生约60mW的热量。它们是在30-50％之间的标称效率。由LED产生的热量可以被耗散在由本发明提供的15mm²的相对大的表面积上或者在施加器A的表面处的4mW/mm²的热通量。可植入(非限制性)等级的硅酮具有大约0.82Wm^-1K^-1的热导率和约0.22mm²s^-1的热扩散率，并且在该材料的更大面积和/或体积上分布热量降低了在组织表面处产生的峰值温度升高。

图62示出了图60的实施例的替代配置，其中利用了用于施加器A的螺旋或螺旋式设计的添加。这种配置可允许靶标组织的更大的暴露程度。如果纵向暴露长度大于用于靶标组织所期望的纵向暴露长度，并且施加器A的部署位置也以合理的裕度把靶标组织纳入，则这对于允许施加器相对于靶标组织略微错位也是有用的。大多数外围应用的合理裕度约为±2mm。施加器A必须为靶标组织提供至少稍微大于靶标组织的外径(OD)的内径(ID)，随着施加器A轴向移动而没有过度的应力。在大多数外周神经的情况下略大可以提供施加器A的ID比靶标组织OD大5-10％。

光纤和或在波导上或包含波导(诸如但不限于光纤)的保护覆盖物可以成形为提供应变消除几何形状，使得施加器上的力在被传输到靶标组织之前显著减小。通过非限制性示例的方式，用于柔性光纤以减小靶标组织上的力的形状包括：蛇形、螺旋形(helical)、螺旋形(spiral)、双重非重叠螺旋(或“蝴蝶结”)、苜蓿叶形或这些的任何组合。

图63A-63D示出了这些不同配置中的几个，其中波纹U被配置成在光波导递送段DS经由连接器C连接到施加器A之前产生光波导递送段DS的应变释放部分。图63A示出了用于在递送段DS和/或施加器A内产生应变释放部分的波纹U的蛇形部分。图63B示出了用于在递送段DS和/或施加器A内产生应变释放部分的波纹U的螺旋部分。图63C示出了用于在递送段DS和/或施加器A内产生应变释放部分的波纹U的螺旋部分。图63D示出了用于在递送段DS和/或施加器A内产生应变释放部分的波纹U的蝴蝶结部分。在这些示例性实施例中，靶标组织驻留在施加器内，但是如在此其它地方所述的其它配置也在本发明的范围内。

图64示出了替代实施例，其中施加器A可以被配置成使得其相对于递送段DS取向成一定角度，并且不与其正交，如在之前的示例性实施例中所示出的。这种角度可能是需要的，例如，以便适应解剖学限制，诸如位于缝隙或囊中的靶标组织，如对于某些外周神经的情况。如在本文中其它地方所描述的，在递送段DS中或者在施加器A的元件(诸如输出耦合器)中的另一个弯曲或者波纹U可以用于产生该角度。

在替代实施例中，光学特征可在递送段DS的远端或施加器A的光学输入的近端并入系统中，以相对于光纤的方向将光反射一个角度以产生该角度。

诸如来自Mitsubishi的100μm芯直径ESKA SK-10的塑料光纤可以在夹具中布线和/或成形，并且然后热定形以直接形成波纹U。可替代地，可以在波导上方使用覆盖物，并且可以制造覆盖物以间接地在波导中产生波纹U。替代示例性塑料光纤波导可以由具有THV(n-1.35)的包层的PMMA(n＝1.49)芯材料构成，以提供0.63的NA。聚乙烯管，诸如来自Instech Solomon的PE10，可以用作覆盖物，其在夹具中成形并热定形以产生波纹U，同时在管内使用石英光纤。这两个示例性实施例的热定形可以通过在夹具或工具中布线待成形的元件以保持期望的形状或接近它的形状，并且然后在70℃的烘箱中加热该组件30分钟来实现。可替代地，可以以更渐进的步骤产生弯曲，使得在每一个步骤中仅产生小的弯曲，并且最终加热(或退火)提供期望的形状。该方法可以更好地确保不产生应力诱导的光学变化，诸如折射率变化，其可能导致传输损失。尽管在前面的实施例中已经讨论了光纤，但是其它递送段和施加器配置也在本发明的范围内。

通过诸如皮肤的组织的光透射是漫射的，并散射主要过程。散射减少了照射组织的光的方向性和亮度。因此，高度定向和/或亮源的使用变得无意义。这可限制靶标可受影响的组织中的深度。在由于辐照度减少直接经皮照射不能用于充分辐射靶标的情况下，并且完全植入的系统可以被认为太具有侵入性，可以在患者的组织内使用体内光收集器。

在一个实施例中，用于从外部源收集光的至少部分植入的系统可以被体内和/或原位地放置在患者的皮肤内，以捕获和传输在外部光源和植入的施加器之间的光。这种施加器已经在此其它地方描述。

可替代地，用于收集来自外部光源的光的至少部分植入的系统可以体内和/或原位地放置在患者的皮肤内，以捕获和传输在外部光源之间的光，并将其直接地引导到靶标组织，而不使用单独的施加器。

该系统的光收集元件可以例如由具有名义上不同于主体或芯材料的折射率的折射率的外层的聚合物材料构成，诸如在光纤中所做的。虽然皮肤和其它组织的折射率大约等于水的折射率，对应于可见光谱中的1.33-1.40的范围，并且将提供功能性包层，其在使用PMMA作为未包覆的芯材料时可以产生高达0.56的NA。然而，在组织(诸如皮肤)内的天然生色团可以是来自外部光源(特别是可见光)的光的亲和吸收剂。这种天然生色团的示例是球蛋白(例如氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白和铁氧血红蛋白)、黑素(例如神经黑素、真黑素和棕黑素)和叶黄素(例如叶黄素素脂肪酸酯)。存在于未充分包层或未包层收集装置中的倏逝波可由这些天然颜料偶联成吸收，其可能引起非预期和/或并生加热，这不仅减少传导到靶标的光的量，而且可以在收集器上产生不断降低其性能的涂层。例如，可以存在驻留在皮肤-表皮连接处的黑色素，以及驻留在皮肤毛细血管床中的血液。

在一个实施例中，可植入光导体的表面的深度位于组织表面下方100和1000μm之间。在皮肤植入的情况下，这将该表面置于表皮下方。

可植入光收集器/导体可以由聚合物、玻璃或结晶材料制成。一些非限制性示例是：PMMA；有机硅，诸如来自NuSil的MED-4714或MED4-4420；PDMS和高折射率聚合物(HRIP)，如在本文中其它地方所描述的。

包层也可以用在可植入光收集器上以改善可靠性、鲁棒性和总体性能。通过非限制性示例的方式，THV(低折射率含氟聚合物共混物)、氟化乙烯丙烯(FEP)和/或聚甲基戊烯可用于在芯材料周围构造包层。这些材料是生物相容的并具有相对低的折射率(n＝1.35-1.4)。因此，它们提供在宽数值孔径(NA)上的光收集。

除了在可植入光导体/收集器上使用包层之外，可以在导体/收集器的外表面上设置涂层，以将光直接约束在导体内，和/或保持外表面的光学质量以避免由在收集器的外表面处或附近的组织中的天然生色团的吸收，因为存在于波导中的倏逝波仍然可与直接环境相互作用。这种涂层可以是例如金属涂层，诸如金、银、铑、铂、铝。也可以使用介电涂层。示例是：用于保护金属涂层的SiO₂、Al₂O₃，或用于改善反射率的分层介电堆叠涂层，或者同样也进行简单的单层涂层，诸如MgF₂的四分之一波长厚度。

可替代地，可植入光收集器的外表面可配置成利用导向构件用于将装置引入组织中。该导向构件可以被配置为切割工具和/或扩张器，可植入光导体可以从所述切割工具和/或扩张器可移除地耦合用于植入。

通过非限制性示例的方式，可以使用手术前和/或手术中成像来执行植入，诸如放射照相、荧光透视、超声、磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)、光学成像、显微术、共聚焦显微镜、内窥镜检查和光学相干断层扫描(OCT)。

可替代地，引导构件也可形成基座，在植入时可植入光收集器保持在所述基座中。因此，引导构件可以是围绕可植入光收集器的外表面并提供至少名义上的遮蔽环境的金属壳体。在这种情况下，通过将保持构件(如植入的导向构件可以是已知的)留在原位置并仅更换光收集器，可以使得光收集器的更换更容易。例如，这可以在慢性植入有问题并且光收集器的光学质量和/或效率降低的情况下进行。

可替代地，可以通过利用以下涂层可使得植入收集器的外表面更加生物惰性：金或铂、聚对二甲苯-C、聚(乙二醇)(PEG)、磷酰胆碱、聚环氧乙烷聚合物、例如D-甘露醇封端的烷基硫醇的自组装单层(SAM)，如在本文其它地方所描述的。

通过非限制性示例的方式，收集元件可以由光纤或波导、光管或多个这种元件组成。例如，仅考虑散射效应，位于皮肤表面下方300μm的具有固有数值孔径(NA)为0.5的单个500μm直径的光纤能够从入射在皮肤表面上的的准直光束捕获至多约2％的光。因此，可能需要1W功率的源以便捕获20mW，并且需要1.3W/mm²的表面辐照度。该效果对于包括在系统中的每一个这种光纤附加地改进。例如，4个这种光纤可以将所需的表面入射光功率降低相同的4倍，并且仍然捕获20mW。当然，这不增加在靶标处的递送亮度，而是可以提供在靶标处递送和分布的更多功率，诸如可能在周向照射中进行的。应当知道，物理学的基本定律是，在不向系统增加能量的情况下不能增加亮度。诸如所描述的那些的多个光纤可以用于经由多个递送段将光供应到施加器，如在此其它地方所述。

更多数量的光收集元件，诸如在上述实施例中描述的光纤波导，也在本发明的范围内。

类似于图34的实施例，在图65中示出了替代实施例。在说明性示例性实施例中示出了来自外部光源ELS的光线LR，光线LR退出外部光源ELS，遇到外部边界EB(诸如皮肤的角质层和/或表皮，并随后穿过真皮-表皮接面DEJ)到达可植入光收集器PLS的近端表面，其中近端收集表面被分成单独的部分，每一个部分提供用于可操作地耦合到施加器A的波导和/或递送段DSx的输入，以便照射靶标组织N。

图66示出了类似于图65的替代实施例，其中可植入光收集器PLS不被细分为单独的部分，而是替代地经由单个输入通道将光提供到施加器A。未示出递送段DSx，但是可以在另一实施例中使用。

表面冷却技术和设备可以用于本发明的另外实施例中，以减轻可能由位于真皮-表皮接面处的黑色素的光吸收引起的并生热损伤的风险。在其它地方已经描述了基本的皮肤冷却方法。诸如，通过非限制性示例的方式，由美国专利号5,486,172；5,595,568；和5,814,040描述的那些；其全部内容并入在此。

图67示出了类似于图66的本发明的替代实施例，但是添加了皮肤冷却元件SCE。皮肤冷却元件SCE被示出为与皮肤表面直接接触，但是并不是必须的，如在上述并入的专利参考文献中所描述的。与外部光源ELS类似，皮肤冷却元件SCE也可以连接到系统控制器和电源。用户可以编程皮肤冷却元件SCE的参数以通过调节冷却的量和/或温度以及其相对于来自外部光源ELS的照射光的持续时间和时序来改善舒适性和功效。外部被理解为等同于体外。

在替代实施例中，组织清除剂(诸如在此其它地方描述的那些)可用于改善通过组织的光的透射，用于由植入光收集装置收集。通过非限制性示例的方式，可以使用以下组织清除剂；甘油、聚丙二醇基聚合物、基于聚乙二醇的聚合物(例如PEG200和PEG400)、聚二甲基硅氧烷、1,4-丁二醇、1,2-丙二醇、某些不透射线的X射线造影剂(诸如Reno-DIP、泛影葡胺)。例如，以9:1的比率局部施用PEG-400和噻唑酮15-60分钟可以用于减少人皮肤中光的散射，以改善经由可植入光收集器的光的整体透射。

参考图28，描绘了示出示例性可植入壳体H的各种部件的框图。在该示例中，可植入刺激器包括处理器CPU、存储器MEM、电源PS、遥测模块TM、天线ANT和用于光刺激发生器(其可以或可以不包括如在本文其它地方所述的光源)的驱动电路DC。壳体H耦合到一个递送段DSx，尽管不不是必须的。在可以被配置为包括可以递送不同光学输出的多个光学路径(例如，多个光源和/或光波导或导管)的意义上，它可以是多通道装置，其中一些光学输出可以具有不同的波长。在不同的实施方式中可以使用更多或更少的递送段，诸如但不限于，可以提供一个、两个、五个或更多个光纤和相关联的光源。递送段可以从壳体可拆卸，或者固定。

存储器(MEM)可存储由处理器CPU执行的指令，由感测电路SC处理的光学和/或传感器数据，以及从在壳体内部的传感器和部署的壳体的外侧(可能在施加器内)的那些传感器(诸如光学和温度传感器)获得的数据，诸如电池电量、放电率等，和/或关于对患者的治疗的其它信息。处理器(CPU)可以根据存储在存储器(MEM)中的多个程序或程序组中选择的一个或多个来控制驱动电路DC以向光源(未示出)递送功率。光源可以在壳体H的内部，或远程地位于施加器(A)中或附近，如前所描述的。存储器(MEM)可以包括任何电子数据存储介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存等。存储器(MEM)可存储程序指令，所述程序指令当由处理器(CPU)执行时使处理器(CPU)执行归属于处理器(CPU)及其子系统的各种功能，诸如决定光源的脉冲参数。

电连接可以经由电馈通EFT(诸如通过非限制性示例的方式，来自Bal-SEAL的的可植入接触系统)通过壳体H。

根据本公开中描述的技术，存储在存储器(MEM)中的信息可以包括关于患者先前已经接受的治疗的信息。存储这种信息对于后续治疗可能是有用的，使得例如临床医生可以检索所存储的信息以确定在他/她上次访问期间施用于患者的治疗。处理器CPU可以包括一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、场可编程门阵列(FPGA)或其它数字逻辑电路。处理器CPU控制可植入刺激器的操作，例如，根据从存储器(MEM)检索的选定程序或程序组控制刺激发生器以递送刺激治疗。例如，处理器(CPU)可以控制驱动电路DC以递送具有由一个或多个刺激程序指定的强度、波长、脉冲宽度(如果适用)和速率的光信号，例如作为刺激脉冲。处理器(CPU)也可以控制驱动电路(DC)以经由递送段(DSx)的子集选择性地递送刺激，并且采用由一个或多个程序指定的刺激。如前所述，不同的递送段(DSx)可以被导向不同的靶标组织部位。

通过非限制性示例的方式，遥测模块TM可以包括射频(RF)收发器，以允许可植入刺激器与临床医生编程器模块和/或患者编程器模块(通常是临床医生或患者编程器，或“C/P”)中的每一个之间的双向通信。上面参考图2描述了更通用的形式作为控制器配置(P/C)的输入/输出(I/O)方面。遥测模块(TM)可以包括多种形式中的任何形式的天线(ANT)。例如，天线(ANT)可以由嵌入在与医疗装置相关联的壳体中的导电线圈或电线形成。可替代地，天线(ANT)可以安装在承载可植入刺激器的其它部件的电路板上，或者采取在电路板上的电路迹线的形式。以这种方式，遥测模块(TM)可以允许与编程器(C/P)的通信。考虑到能量需求和适度的数据速率要求，遥测系统可以被配置为使用电感耦合来提供遥测通信和用于再充电的功率，尽管为了说明的目的在图28中示出了单独的再充电电路(RC)。可替代的配置在图29中示出。

参考图29，175kHz的遥测载波频率与公共ISM频段对准，并且可以使用4.4kbps的开关键控，以良好地保持在规定限度内。在本文其它地方讨论了替代的遥测模态。上行链路可以是跨谐振调谐线圈的H桥驱动器。遥测电容器C1可以与较大的再充电电容器C2并联放置，以提供50-130kHz的调谐范围，用于优化RF功率再充电频率。由于槽路(tank)电压的大动态范围，开关S1的实施方式采用串联连接的nMOS和pMOS晶体管，以避免任何寄生泄漏。当开关断开时，pMOS晶体管的栅极连接到电池电压VBattery，并且nMOS的栅极接地。当开关导通时，pMOS栅极处于负电池电压-VBattery，并且nMOS栅极由电荷泵输出电压控制。开关的导通电阻设计为小于5Ω，以保持正确的槽路品质因数。采用大nMOS晶体管实现的限压器可以并入在电路中以将全波整流器输出设定为略高于电池电压。整流器的输出然后可以通过调节器对可再充电电池充电。

图30涉及驱动电路DC的实施例，并且可以形成到单独的集成电路(或“IC”)或专用集成电路(或“ASIC”)或它们的组合。

输出脉冲序列或脉冲串的控制可以由状态机本地管理，如该非限制性示例所示出的，其中参数从微处理器传递。大多数设计约束由输出驱动DAC施加。首先，需要稳定的电流用于系统的参照。在芯片上产生和修整的100nA的恒定电流用于驱动参考电流发生器，该参考电流发生器包括基于R-2R的DAC以产生具有5A的最大值的8位参考电流。参考电流然后在电流输出级中以设计为最大值40的R_o和R_ref的比率放大。为电流输出级选择基于芯片上感测电阻器的架构，以消除保持输出晶体管处于饱和的需要，降低了电压余量要求以提高功率效率。该架构在输出驱动器镜像中使用薄膜电阻(TFR)以增强匹配。为了实现精确的镜像，可以通过放大器的负反馈强制节点X和Y相同，这导致在R_o和R_ref上的相同的电压降。因此，输出电流I_o和参考电流I_ref的比率等于R_ref和R_o的比率。

电容器C保持在预充电阶段中获取的电压。当在节点Y处的电压正好等于在节点X处的较早电压时，在C上存储的电压适当地偏置P2的栅极，使得其平衡I_bias。例如，如果横跨R_o的电压低于原始R_ref电压，则P2的栅极被上拉，允许I_bias下拉P1上的栅极，导致更多的电流流向R_o。在本实施例的设计中，通过使用10pF的大保持电容器来最小化电荷注入。性能可能最终受到电阻器匹配、泄漏和有限放大器增益的限制。采用512个电流输出级，光刺激IC可以通过单独的源驱动两个输出用于激活和抑制(如在图30中所示)，其中每一个单独的源递送51.2mA的最大电流。

可替代地，如果光学元件上的最大后向偏置(back-bias)可以耐受另一个元件的下降，则器件可以以相反相(一个作为壑(sink)，一个作为源)驱动，并且最大电流超过100mA。刺激速率可以从0.153Hz调谐到1kHz，并且脉冲或脉冲串持续时间可以从100s调谐到12ms。然而，在刺激输出脉冲序列特性中的实际限制最终由电荷泵的能量传递来设定，并且这通常在配置治疗方案时考虑。

壳体H(或施加器或通过远程放置的系统)可进一步包含加速度计以向驻留在壳体中的控制器提供传感器输入。这可能对调制和精细控制有用。加速度计的远程放置可以在光遗传学控制下在解剖元件处或附近进行，并且可以驻留在施加器内或其附近。在显著检测到的运动的时候，系统可以改变其编程以适应患者的意图并且提供更多或更少的刺激和/或抑制，如对于手边的具体情况所需要的。

如在此先前所述，壳体H可以进一步包含用于与施加器一起使用的流体泵浦(未示出)。

用于患者和/或医生的外部编程装置可以用来改变植入壳体的设置和性能。类似地，植入的设备可以与外部装置通信以传送关于系统状态的信息和反馈信息。这可以被配置为基于PC的系统或独立系统。在任一情况下，系统通常应经由遥测模块(TM)和天线(ANT)的遥测电路与壳体通信。患者和医生可以使用控制器/编程器(C/P)来将刺激参数调整为合适的，该刺激参数诸如治疗持续时间、光强度或振幅、脉冲宽度、脉冲频率、脉冲串长度和脉冲串速率。

一旦建立了通信链路(CL)，在MMN编程器/控制器和壳体之间的数据传输可以开始。这种数据的示例有：

1.从壳体到控制器/编程器：

a.患者使用

b.电池寿命

c.反馈数据

i.装置诊断(诸如通过发射器-相对的光传感器的直接光学传输测量)

2.从控制器/编程器到壳体：

a.基于装置诊断的更新的照明级别设置

b.脉冲方案的改变

c.嵌入式电路的重新配置

i.诸如现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其它集成或嵌入式电路

通过非限制性示例的方式，可以使用近场通信(低功率和/或低频；诸如ZigBee)用于遥测。身体的组织具有明确限定的电磁响应。例如，肌肉的相对介电常数显示单调对数-对数(monotonic log-log)频率响应或色散。因此，有利的是，在≤1GHz的频率范围内操作嵌入式遥测装置。在2009年(然后在2011年更新)，美国FCC致力于在可植入系统中用于无线生物遥测的EM频谱的一部分，称为医疗装置无线电通信服务(称为“MedRadio”)。采用这种遥测的装置可以被称为“医疗微功率网”或“MMN”服务。当前保留的频谱在401-406、413-419、426-432、438-444和451-457MHz范围内，并且提供这些授权的带宽：

·401-401.85MHz：100kHz

·401.85-402MHz：150kHz

·402-405MHz：300kHz

·405-406MHz：100kHz

·413-419MHz：6MHz

·426-432MHz：6MHz

438-444MHz：6MHz

·451-457MHz：6MHz

规则不指定用于MedRadio装置的信道方案。然而，应当理解，FCC规定：

MMN不应对在413-419MHz、426-432MHz、438-444MHz和451-457MHz频段工作的其它授权站产生有害干扰。

MMN必须接受在413-419MHz、426-432MHz、438-444MHz和451-457MHz频段操作的其它授权站的干扰。

MMN装置可不用于使用413-419MHz、426-432MHz、438-444MHz和451-457MHz频段将信息中继到不是MMN一部分的其它装置。

MMN编程器/控制器可以与另一MMN的编程器/控制器通信，以协调无线链路的共享。

植入的MMN装置可仅与用于它们的MMN的编程器/控制器进行通信。

MMN植入装置可以不与另一个MMN植入装置直接通信。

MMN编程器/控制器只能控制在一个患者内的植入装置。

有趣的是，这些频段用于其它目的，主要基于诸如联邦政府和私人陆地移动无线电、联邦政府雷达和广播电台的远程广播。最近已经表明，更高的频率范围对于可植入医疗装置中的遥测和无线功率传输也是适用的和有效的。

可以借助于植入物本身中的磁开关使MMN不干扰外部磁场或不由外部磁场干扰。这种开关可以仅当MMN编程器/控制器紧邻植入物时被激活。由于仅当由磁开关触发时发射的限制，这也提供了改善的电效率。巨磁致伸缩(GMR)装置是可获得的，具有在5至150高斯之间的激活场强。这通常被称为磁操作点。在GMR装置中存在固有滞后，并且它们也表现出磁释放点范围，其通常为操作点场强度的大约一半。因此，利用接近操作点的磁场的设计将遭受对壳体和MMN编程器/控制器之间的距离的灵敏度，除非该场被成形为适应这种情况。可替代地，可以增加MMN编程器/控制器的场强以提供对它与植入物之间的位置/距离的降低的灵敏度。在另一实施例中，可以使MMN需要磁场的频率以改善装置的安全特征和电效率，使得其不易受到游移的磁性暴露的影响。这可以通过在开关的输出处提供调谐电路(诸如L-C或R-C电路)来实现。

可替代地，可以采用另一类型的磁性装置作为开关。通过非限制性示例的方式，可以使用MEMS装置。悬臂MEMS开关可以被构造为使得MEMS的一个构件可以被制成凭借其磁化率而与MEMS的另一方面物理接触，类似于微型化的磁簧开关。可以通过在支撑的悬臂构件的端部的顶部沉积铁磁材料(诸如但不限于Ni、Fe、Co、NiFe和NdFeB)来使悬挂悬臂具有磁敏感性。这种装置也可以借助悬臂长度进行调整，使得其仅当悬臂的振荡由超过悬臂的固有共振的频率的振荡磁场驱动时才进行接触。

可替代地，可能使用红外敏感开关。在本发明的该方面的该实施例中，光电二极管或光电导体可以暴露于壳体的外表面和红外光源，用于启动MMN的通信链路。由于其减少的散射，红外光比可见光更容易地穿透身体组织。然而，水和其它固有发色团具有亲和的吸收，在960、1180、1440和1950nm处具有峰，如在图31(1018)中的光谱所示出的，其中水谱从700nm至2000nm，而脂肪组织的谱从600nm至1100nm。

然而，组织中的穿透深度更受其光散射性质的影响，如在图32(1020)中的光谱所示，其显示对于人皮肤的光学散射光谱，包括来自Mie(对光的波长相似尺寸的元件)和瑞利(比光的波长更小尺寸的元件)散射效应的单独分量。

当避开上述峰时，光学散射的相对单调的减少远远超过吸收。因此，在800-1300nm的范围内操作的红外(或近红外)发射器可以是优选的。该光谱范围被称为皮肤的“光学窗口”。

这种系统可以进一步利用诸如在图33(1022)中所示的电子电路用于遥测，而不仅仅是感测开关。基于光学信号发送，这种系统可以以高数据吞吐率执行。

通常，链路的信噪比(SNR)被定义为，

其中I_s和I_N分别是由入射信号光功率和光电二极管噪声电流产生的光电流，P_s是接收的信号光功率，R是光电二极管响应度(A/W)，I_Nelec是用于接收器的输入参考噪声，以及P_Namb是由于干扰光源(诸如环境光)引起的入射光功率。

P_S可以进一步定义为

其中P_Tx(W)是发射脉冲的光功率，J_Rxλ(cm^-2)是在波长λ下组织的光空间脉冲响应通量，η_λ是说明在λ处在光学器件/光学滤波器中任何低效的的效率因子(η_λ≤1)，并且A_T表示接收器光学器件通过其整合信号的组织区域。

影响总信号光电流及它们对系统水平设计参数的关系的上述因素包括发射器波长、发射器光功率、组织效应、透镜尺寸、发射器-接收器未对准、接收器噪声、环境光源、光电二极管响应度、光域滤波、接收器信号域滤波、线路编码和光电二极管和发射极选择。这些参数中的每一个可以被独立地操纵以确保将实现对于给定设计的适当的信号强度。

大多数潜在干扰光源具有由相对低的频率(例如，日光：DC；荧光：高达几十或几百千赫兹的频率)组成的信号功率，并且因此可以通过在信号域中使用高通滤波器并使用用于数据传输的较高频率来去除。

通过非限制性示例的方式，发射器可以选自由VCSEL、LED、HCSEL组成的组。VCSEL通常比其它源具有更高的亮度和更高的能量效率，并且它们能够进行高频调制。这种光源的示例是以来自Finisar，Inc的在型号标识“HFE 4093-342”下出售的装置，其在860nm下操作并提供≤5mW的平均功率。其它源也是有用的，如各种接收器(检测器)。一些非限制性示例列于下表中。

遥测发射器到接收器的对准可以通过使用非接触配准(registration)系统来改进，诸如具有壳体的协作磁体阵列，其与控制器/编程器中的传感器相互作用以向用户提供单元被对准的位置信息。以该方式，可以降低整个系统的总体能量消耗。

尽管甘油和聚乙二醇(PEG)降低人皮肤中的光学散射，但其临床效用非常有限。甘油和PEG通过完整皮肤的渗透非常小并且极其缓慢，因为这些试剂是亲水的并且渗透亲脂性角质层不佳。为了增强皮肤渗透性，需要将这些试剂注射到真皮中或者必须机械地(例如胶带剥离，轻度磨蚀)或热地(例如铒：钇铝石榴石(YAG))激光烧蚀)等去除角质层。这种方法包括胶带剥离、超声、离子电渗疗、电穿孔、微晶磨皮、激光烧蚀、无针注射枪和光机械驱动的化学波(诸如称为“光穿孔”的过程)。可替代地，包含在阵列中或辊(roller)上的微针(诸如微针刺装置)可用于减小穿透屏障。微针刺装置被配置成使得其192个针中的每一个具有70μm直径和500μm高度。这些微针均匀地分布在2cm宽×2cm直径的圆柱形辊的顶部。微针辊的标准使用通常导致在相同皮肤区域上10至15次施用后的240个穿孔/cm²的穿孔密度。虽然这些微针方法肯定是功能性的和有价值的，但是如果清除剂可以简单地局部施用于完整皮肤上并且然后迁移横越角质层和表皮进入真皮中，则临床效用将得到改善。可单独使用或在预聚合物混合物如聚二甲基硅氧烷(PDMS)中使用美国食品药品管理局(FDA)批准的基于聚丙二醇的亲脂性聚合物(PP)和基于PEG的亲水性聚合物，二者均具有与皮肤胶原蛋白折射率(n＝1.47)密切匹配的折射率。PDMS是光学透明的，并且通常认为是惰性的，无毒的和不可燃的。它有时被称为聚二甲基硅氧烷，并且是几种类型的硅油(聚合硅氧烷)中的一种类型，如在前面的部分中详细描述的。PDMS的化学式为CH₃[Si(CH₃)₂O]_nSi(CH₃)₃，其中n为重复单体[SiO(CH₃)₂]单元的数量。这些光学透明化剂渗透到适当处理的皮肤中需要约60分钟以实现高度的散射减少和相当的光学传输效率。考虑到这一点，使用该方法的系统可以被配置成在足以建立光学透明的时间之后启动它的照明并且以足够的体积来在名义上贯穿治疗暴露或在治疗暴露期间保持它。可替代地，可以指示患者/用户在系统使用之前以足够的时间处理他们的皮肤。

可替代地，微针辊可以配置为具有添加的中心流体室，其可以包含与针连通的组织透明化剂。该配置可以通过允许经由微针直接注射组织透明化剂来提供增强的组织透明化。

在施加器佩戴在身体外侧的情况下，压缩绷带状系统可以将暴露的发射器和/或施加器推入包含表面下光遗传靶标的组织中，以经由压力诱发的组织透明化来提供增强的光学穿透；对于在此所述的一些临床适应症，如乳房过小、勃起功能障碍和神经性疼痛的情况下可能是这样。该配置也可以与组织透明化剂组合以提高效果。可容忍的压力程度当然是临床应用和其部署位置的函数。可替代地，光源压缩到靶标区域中的组合也可以与一个植入的递送段或多个递送段组合，这还起到收集来自外部源的光以递送到施加器的作用。这种示例在图34中示出，其中外部光源PLS(其可以是递送段的远端，或光源本身)被放置成与患者的外边界EB接触。PLS将光发射到身体中，其可以由收集装置CA(其可以是透镜、聚光器或收集光的任何其它装置)收集，用于沿着可以是光纤束或者其它这种配置的主干波导TWG传播，所述主干波导TWG然后分叉成单独的过渡递送段BNWGx，其进而将光递送到接近靶标N的施加器Ax。

图68示出了一个实施例，其中外部充电装置安装到衣服上以便患者简化使用，该外部充电装置包括安装装置(MOUNTING DEVICE)，其可以选自由如下组成的组但不限于：背心、吊带、皮带、衬衫和裤子。安装装置(MOUNTING DEVICE)进一步包括无线功率传输发射元件EMIT，诸如但不限于磁线圈或电流承载板，所述EMIT基本上位于植入的功率接收模块(诸如由壳体H的说明性示例表示)的附近，所述功率接收模块被配置为可操作地耦合到递送段DS。在壳体H内部，可以是电源、光源和控制器，使得控制器通过控制到其中的电流来激活光源。可替代地，功率接收模块可以位于施加器(未示出)处，特别是当施加器被配置为包含光源时。

神经刺激，诸如电刺激(“e-stim”)可在神经元中引起双向脉冲，其可被表征为逆向和/或顺向刺激。也就是说，动作电位可以触发沿着神经元在两个方向中传播的脉冲。然而，光遗传学抑制与刺激组合的协同使用可以通过使用光遗传学抑制来抑制或消除游移信号而仅允许预期的信号传播越过靶标位置。这可以使用我们将称为“多施加器装置”或“多区域装置”的多种方式来实现。在这种装置中利用的各个元件的功能和特性被较早地定义。

在第一实施例中，多施加器装置被配置为沿着靶标神经N对每个相互作用区域Zx利用单独的施加器Ax，如在图35中所示。一个示例是在两端(A1，A3)上使用光遗传学施加器，和在中间使用电刺激装置(A2)。选择该示例来表示一般情况，其中期望的信号方向可以在激励电极的任一侧上。允许的信号方向可以通过在中心施加器A2的相对侧上从施加器选择性地施加光遗传学抑制来选择。在该非限制性示例中，游移脉冲EI在刺激套箍A2的RHS上向右行进(如由箭头DIR-EI所示)，并且穿过由A3覆盖的靶标的部分f，并且期望的脉冲DI在A2的LHS上向左行进(如由箭头DIR-DI所示)，并且穿过由A1覆盖的靶标的部分f。A3的激活可用来不允许经由信号的光遗传学抑制的EI的传输，抑制它。类似地，A1而不是A3的激活将用来抑制期望脉冲DI的传输，并允许传播游移脉冲EI。因此，在该三重施加器配置中保持双向性，使其成为用于脉冲方向控制的灵活配置。这种灵活性可能不总是临床上需要的，并且可以使用更简单的设计，如在随后的段落中解释的。该禁止/抑制信号可以伴随或在电刺激之前，如由治疗靶标的特定动力学决定。也可以制造每一个光学施加器，使得其能够通过利用两个在光谱上不同的光源来激活在靶标中它们的相应视蛋白而提供光遗传学的激发和抑制。在该实施例中，每一个施加器Ax由其自身的递送段DSx服务。这些递送段DS1、DS2和DS3用作光和/或电的导管，如由存在的施加器的类型决定。如前所述，递送段连接到包含提供电源、处理、反馈、遥测等所需的电气部件和/或电光部件的壳体。可替代地，施加器A2可以是光遗传学施加器，并且施加器A1或A3可以用于抑制游移信号方向。

可替代地，如上所述，当治疗决定仅需要单个方向时，可能仅需要一对施加器。参考图36的实施例，保持上述期望脉冲DI和游移脉冲EI的方向性。然而，施加器A3不存在，因为期望的脉冲DI的方向性被视为固定的，如向左，并且施加器A2用于游移脉冲EI的光遗传学抑制，如前所述。

可替代地，参考图37的实施例，可以使用单个施加器，其中电和光激活区Z1、Z2和Z3在空间上分离，但仍然包含在单个施加器A内。

此外，在此所述的组合电刺激和光刺激也可用于术中抑制的测试，其中电刺激通过施加光来递送和抑制，以确认植入物和光遗传学抑制的正常功能。取决于医疗限制和/或患者的特异反应和/或治疗中的状况，这可以使用先前描述的用于在外科手术期间或之后测试的施加器和系统来执行。一个多施加器或多区域施加器或多个施加器的组合也可以限定所述一个施加器或多个施加器内的哪些单独的光源元件可以是抑制神经功能的最灵验和/或最有效的手段。也就是说，可以使用电刺激装置作为系统诊断工具，以通过使用发射器或一组发射器，借助于光遗传抑制来抑制或企图抑制诱导的刺激，并且确定或测量患者反应或靶标反应以观察最佳使用组合，测试一个多发射器或分布式发射器系统内部的不同发射器和/或施加器的效果。然后，该最优组合可以用作输入，以经由外部控制器/编程器借助到壳体的遥测链路来配置系统。可替代地，单个发射器或一组发射器的最优脉冲特性同样可以被确定并部署到植入系统。

在一个实施例中，可以如此配置系统，使得抑制性和兴奋性探针和/或施加器都是用于照射含有位于靶标组织内的可光激活离子通道的细胞的光学探针。在该配置中，可以使用光遗传学技术来修改细胞，诸如本文其它地方已经描述的。

这种系统的另一个实施例可以是将光学施加器或施加器附接在迷走神经上，以通过将兴奋性施加器放置在CNS的近端，并且将抑制性施加器放置到兴奋性施加器的远端，将递增刺激信号发送到大脑，同时抑制递降信号。例如，兴奋性施加器可以向神经束的表面提供在标称450±50nm光的10-100mW/mm²范围内的照射，以激活迷走神经内部的靶标细胞的细胞膜中的阳离子通道，同时抑制性施加器提供在标称590±50nm光的10-100mW/mm²范围中的照射，以激活靶标细胞的细胞膜中的Cl^-离子泵，以抑制游移性递降信号到达PNS。

在替代实施例中，可以在兴奋性探针之前激活抑制性探针以偏置神经来抑制游移信号。例如，在兴奋性探针之前至少5ms激活抑制性探针以为Cl^-泵浦对于诸如eNpHR3.0的视蛋白已循环至少一次分配之间，从而可能允许更稳健的游移信号抑制。其它视蛋白具有不同的时间常数，如在本文其它地方所描述的，以及随后不同的预激发激活时间。

可替代地，可以如此配置系统，使得只有抑制性或兴奋性探针和/或施加器是用于照射含有位于在靶标组织内部的可光活化离子通道的细胞的光学探针，而其它探针是电探针。在刺激施加器是电探针的情况下，可使用典型的神经刺激参数，诸如在美国专利申请No.13/707,376和13/114,686中描述的那些，其明确地通过引用并入在此。通过引用明确地并入在此的美国专利No.6,516,227和6,993,384中描述刺激探针的操作，包括合适输出电路的替代实施例，所述合适输出电路用于执行产生具有规定振幅和宽度的刺激脉冲的相同功能，。通过非限制性示例的方式，可使用用于驱动电神经抑制探针的参数，诸如在美国专利申请No.12/360,680中的那些，其通过引用明确地并入本文。当使用电探针完成神经抑制时，装置可以以称为“高频去极化阻断”的模式操作。通过非限制性示例的方式，对于关于用于驱动高频去极化阻断电探针的参数的细节，可以参考Kilgore KL和Bhadra N在IEEE第4971至4974页的2006年的第28届国际年会的EMBS‘06的医疗和生物工程学会的高频哺乳动物神经传导阻滞：模拟和试验(High Frequency Mammalian Nerve Conduction Block：Simulations and Experiments，Engineering in Medicine and Biology Society，2006.EMBS'06.28th Annual International Conference of the IEEE，pp.4971-4974)，其通过引用明确地并入在此。

在另外的实施例中，传感器可以用于以闭环方式确定游移信号抑制的量，以调节抑制系统参数。这种系统的一个示例在图23中示出，其中传感器SEN位于穿过抑制探针附近确定游移神经信号抑制的程度。传感器SEN可以被配置为例如通过使用ENG探针来测量神经信号。可替代地，它可以是被配置为直接或间接监视物理治疗结果的治疗传感器。通过非限制性示例的方式，这种治疗传感器可以是ENG探针、EMG探针、压力传感器、化学传感器、EKG传感器或运动传感器。直接传感器被认为是直接监视治疗结果的传感器，诸如上述化学和压力传感器的示例。间接传感器是监视治疗效果而不是最终结果的传感器。这种传感器是ENG、EKG和EMG探针的前述示例，如在本文其它地方已经描述的。

可替代地，治疗传感器可以是患者输入装置，其允许患者至少或多或少决定光剂量和/或时序。通过非示例性示例的方式，在诸如肌肉痉挛或咳嗽的情况下，可以利用这种配置，其中患者可以控制光剂量和/或时序以提供他们认为是对于给定情况的控制的必需水平。

如在此关于探针和/或施加器放置所描述的，远端是指更外围的放置，而近端是指沿着神经的更中央的放置。因此，位于激发探针远端的抑制探针可用于提供递增神经信号，同时抑制递降神经信号。等同地，该配置可以描述为位于抑制探针近端的激发探针。类似地，位于抑制探针远端的激发探针可用于提供递降神经信号，同时抑制递增神经信号。等同地，该配置可以被描述为位于激发探针近端的抑制探针。递降信号在离开CNS的传出方向中朝向PNS行进，反之亦然，递增信号在传入方向中行进。

在其中视蛋白遗传材料的光灵敏度极为重要的某些情况下，可能期望较少地关注波长(如以上所讨论的，由于相关联的辐射波长穿过诸如组织结构的材料的更大通透性，某些“红移”视蛋白可能是有利的)，并且更多地关注已经在响应时间和光灵敏度(或吸收横截面)之间显示的权衡。换句话说，在许多应用中最优视蛋白选择可以是系统动力学和光灵敏度的函数。参考图49A的曲线(252)，例如，针对50％响应电生理学剂量(或“EPD50”；较低EPD50意指对光更敏感)相对于时间精度(“tau-off”，其表示在照明已经中断之后视蛋白去激活(deactivate)的时间常数)绘图。这些数据来自Mattis等人2011年12月10日9(2)：159-172的Nat方法，其通过引用整体并入在此，并且说明了前述的权衡。除了EPD50和tau-off之外，影响视蛋白选择优化的其它重要因子可能包括暴光密度(“H-阈值”(“H-thresh”))和光电流水平。可以通过确定视蛋白的EPD50剂量来评估H-阈值；由视蛋白产生的通道需要“重置”越长，相关联的膜将保持极化越长，并且因此将阻断进一步的去极化。下表通过特征比较列出了几个示例性视蛋白。

因此，低暴露密度(H-阈值)、长光再生成时间(tau-off)和高光电流的组合导致视蛋白非常适合于不需要超高时间精度的应用，诸如在此所述的解决饱腹感、视力恢复和疼痛。如上所述，进一步的考虑仍然是负责激活视蛋白的光或辐射的光穿透深度。组织是混浊介质，并且主要通过Mie(尺寸与光的波长相似的元件)和瑞利(尺寸小于光的波长的元件)散射效应来衰减光的功率密度。这两种效均与波长成反比，即较短波长比较长波长散射更多。因此，对于组织间插在照射源和靶标之间的配置，较长的视蛋白激发波长是优选的，但不是必需的。可以在含有视蛋白的靶标组织处的最终辐照度(光功率密度和分布)与视蛋白本身的响应之间进行平衡。组织中的穿透深度(假设简单的λ^-4散射相关性)在上表中列出。考虑到所有上述参数，由于低曝光阈值、长光再生时间和光学穿透深度的组合，C1V1t和VChR1在许多临床情况下是期望的选择。图49B-49C和49E-49I表征了包含来自上述并入的Mattis等人参考文献的数据的进一步的曲线(254、256、260、262、264、266、268)，表明候选视蛋白的各种参数的相互作用/关系。图49D表征了类似于图3B中所示的曲线(258)，其包含通过引用整体并入在此的来自Yizhar等人，Neuron.2011年7月72：9-34的数据。图49J的表(270)表征了来自上述并入的Yizhar等人参考文献的数据，此外还有Wang等人2009年生物化学杂志284：5625-5696和Gradinaru等人2010年的细胞：141：1-12(Wang et al,2009,Journal of Biological Chemistry,284:5625-5696 and Gradinaru et al,2010,Cell:141:1-12)，，这两篇文献通过引用整体并入在此。

可用于本发明的兴奋性视蛋白可包括：红移去极化视蛋白，通过非限制性示例的方式，所述红移去极化视蛋白包括C1V1和C1V1变体C1V1/E162T和C1V1/E122T/E162T；蓝色去极化视蛋白，其包括ChR2/L132C和ChR2/T159C以及这些与ChETA取代E123T和E123A的组合；以及包括ChR2/C128T、ChR2/C128A和ChR2/C128S的SFO。使用去极化阻断策略，这些视蛋白也可用于抑制。通过非限制性示例的方式，可用于本发明的抑制性视蛋白可包括，NpHR、Arch、eNpHR3.0和eArch3.0。包括转运基序的视蛋白可以是有用的。通过非限制性示例的方式，抑制性视蛋白可以选自图49J中列出的那些。通过非限制性示例的方式，刺激性视蛋白可以选自图49J中列出的那些。通过非限制性示例的方式，视蛋白可以选自Opto-β2AR或Opto-α1AR。在图38A-48M中示出的序列涉及在此所描述的视蛋白、转运基序和编码视蛋白的多核苷酸。也包括如在此确定的天然存在序列的氨基酸变体。优选地，变体与所选视蛋白的蛋白质序列的同源性大于约75％，更优选大于约80％，甚至更优选大于约85％，最优选大于90％。在一些实施例中，同源性将高达约93％至约95％或约98％。同源性在上下文中是指序列相似性或等同性，等同性是优选的。该同源性将使用本领域已知的标准技术确定。本发明的组合物包括在此提供的蛋白质和核酸序列，其包括如下变体，与所提供的序列的同源性超过约50％，与所提供的序列的同源性超过约55％，与所提供的序列的同源性超过约60％，与所提供的序列的同源性超过约65％，与所提供的序列的同源性超过约70％，与所提供的序列的同源性超过约75％，与所提供序列的同源性超过约80％，与所提供的序列的同源性超过约85％，与所提供的序列的同源性超过约90％，或与所提供的序列的同源性超过约95％。

参考图71，在一个实施例中，例如，壳体(H)包括控制电路和电源；递送系统(DS)包括电引线，以在引线将壳体(H)可操作地耦合到施加器(A)时传递功率并且监视信号；施加器(A)优选地包括套箍型施加器，其可以类似于参考图20A-20C描述的那些。可替代地，可以使用诸如参考图9A-9B所描述那些配置。通常，响应于通过施加器的光施加，将选择视蛋白构型以促进在迷走神经内的相关联神经元的可控抑制性神经调节。因此，在一个实施例中，可以使用抑制性视蛋白，诸如NpHR、eNpHR 3.0、ARCH 3.0或ArchT或Mac 3.0。在另一个实施例中，抑制性模式可以通过在如上所述的超活化模式中利用刺激性视蛋白来实现。用于超活化抑制的合适的刺激性视蛋白可以包括ChR2、VChR1、某些阶跃函数蛋白(ChR2变体，SFO)、ChR2/L132C(CatCH)、在此列出的兴奋性视蛋白，或红移C1V1变体(例如C1V1)，后者可以帮助照射穿透穿过纤维组织，所述纤维组织可能相对于迷走神经的靶向神经解剖结构趋于蠕变在施加器中或包封施加器(A)。在另一个实施例中，可以使用SSFO。SFO或SSFO的不同之处在于它可以具有长达数分钟至数小时的时域效应，这可以在节省电池寿命方面有助于下游治疗(即，一个光脉冲可以获得更长持续时间的生理结果，导致通过施加器A施加的总体光较少)。如上所述，优选地，借助与注射模式相关的病毒转染递送相关联的遗传物质，如上所述。通过非限制性示例的方式，抑制性视蛋白可以选自图49J中列出的那些。通过非限制性示例的方式，刺激性视蛋白可以选自图49J中列出的那些。通过非限制性示例的方式，视蛋白可以选自Opto-β2AR或Opto-α1AR。可替代地，也可以选择抑制性通道，并且可以选择用于激活的单个蓝色光源，或者蓝色和红色光源的组合，以提供通道激活和去激活，如在本文其它地方所述，诸如关于图14。

可替代地，系统可以被配置为利用植入在患者体内的一个或多个无线功率传输电感器/接收器，所述无线功率传输电感器/接收器被配置为向植入式电源供应功率。

存在感应耦合和无线功率传输的各种不同模态。例如，存在非辐射谐振耦合，诸如可从Witricity获得，或者在许多消费者装置中看到的更常规的感应(近场)耦合。所有这些都被认为在本发明的范围内。所提出的感应接收器可以长时间植入患者体内。因此，电感器的机械柔性可能需要与人类皮肤或组织的机械柔性相似。已知生物相容的聚酰亚胺用于柔性基底。

通过非限制性示例的方式，可以使用柔性印刷电路板(FPCB)技术将平面螺旋电感器制造到柔性可植入装置中。存在许多种平面电感线圈，包括但不限于：环、螺旋、蜿蜒、和闭合配置。为了集中两个电感器之间的磁通量和磁场，芯材料的磁导率是最重要的参数。随着磁导率增加，更多的磁通量和磁场集中在两个电感器之间。铁氧体具有高磁导率，但与诸如蒸发和电镀的微细加工技术不兼容。然而，对于具有高磁导率的许多合金，可以采用电沉积技术。特别地，Ni(81％)和Fe(19％)组合物膜组合最大磁导率、最小矫顽力、最小各向异性场和最大机械硬度。使用这种NiFe材料制造的示例性电感器可以被配置为包括200μm宽度的迹线线宽，100μm宽度的迹线空间，并且具有40匝，用于在包括可以植入在患者的组织内部的柔性24mm正方形的装置中产生大约25μH的自感。功率速率直接与自感成比例。

在许多国家诸如日本和美国中的射频保护指南(RFPG)推荐在10kHz至15MHz的频率范围内的电磁场下对于由于未接地的金属物体引起的接触危险的电流极限。功率传输通常要求不高于几十MHz的载波频率，用于有效地穿透皮下组织。

在本发明的某些实施例中，植入式电源可以采取可充电微电池和/或电容器和/或超级电容器的形式，或以其它方式并入可充电微电池和/或电容器和/或超级电容器，以存储足够的电能来操作光源和/或在植入物内或与植入物相关联的其他电路，当与外部无线功率传输装置一起使用时。诸如可从VARTA获得的可充电NiMH纽扣电池的示例性微电池在本发明的范围内。超级电容器也称为电化学电容器。

通过非限制性实例的方式，抑制性视蛋白蛋白质可以选自由以下组成的组：NpHR、eNpHR 1.0、eNpHR 2.0、eNpHR 3.0、Mac、Mac 3.0、Arch、Arch3.0和ArchT。通过非限制性示例的方式，抑制性视蛋白可以选自图49J中列出的那些。通过非限制性示例的方式，刺激性视蛋白蛋白质可选自：ChR2、C1V1-E122T、C1V1-E162T、C1V1-E122T/E162T、CatCh、VChR1-SFO和ChR2-SFO。通过非限制性示例的方式，刺激性视蛋白可以选自图49J中列出的那些。通过非限制性示例的方式，视蛋白可以选自Opto-β2AR或Opto-α1AR。可以控制光源以递送约0.1至约20毫秒之间的脉冲持续时间、约0.1％至100％之间的占空比，以及约5毫瓦每平方毫米至约200毫瓦每平方毫米之间的表面辐照度。

图69A和69B示出了本发明的替代实施例，其中套管针和插管可以用于部署用于迷走神经的光遗传学控制的至少部分可植入的系统。套管针(TROCAR)可以用于产生穿过手术进入点之间的组织的通道，所述手术进入点可以对应于本发明的元件(诸如施加器和壳体)的近似预期部署位置。插管(CANNULA)可以与套管针的插入一起或之后插入患者的组织中。套管针可以在插管的插入和放置之后移除以为系统元件的引入提供开口腔。插管(CANNULA)的开口腔然后可以提供沿着壳体和施加器之间的路线定位递送段DS的部件。递送段DS的端部可以由端盖ENDC覆盖。端盖ENDC可以进一步被配置为包括不透射线的标记ROPM，以增强在荧光成像和/或引导下的装置的可见性。端盖ENDC可提供防水密封，以确保正被植入的递送段DS或其它系统部件的光学表面不会退化。可以在植入递送段DS之后移除插管。随后，递送段DS可以连接到设置到靶标组织和/或壳体的施加器，如在本文其它地方所述的。在另一实施例中，端盖ENDC或递送段DS本身可以被配置为也包括临时组织固定元件AFx，诸如但不限于：钩、尖齿和倒钩，所述临时组织固定元件AFx允许植入的装置安全地驻留在其位置，同时等待进一步操纵和连接到系统的其余部分。

图70示出了类似于图69A和B的替代实施例，进一步被配置为利用固定到端盖ENDC的带倒钩的组织固定元件AF。组织固定元件AF可以是有倒钩的，使得其在随着插管(CANNULA)一起插入之后将保持基本就位，在该示例中示为具有尖锐端(SHARP)的皮下注射针，所述尖锐端(SHARP)在其插入患者组织中时是该装置的前端。组织固定元件AF的有倒钩特征插入组织中，基本上不允许移除递送段DS。在又一实施例中，可以使组织固定元件AF响应于致动器，诸如触发机构(未示出)，使得其仅在该配置中在插入之后激活时肯定地保持基本就位，从而提供在初始植入期间更容易重新定位的能力，并且与递送段DS的向前运动结合使用以使端部从其已经捕获的组织释放。递送段DS可以基本上在插管(CANNULA)的中空中心腔内，或者基本上稍微在其前面，如说明性实施例中所示的。如在此所使用的，插管也指细长构件或递送导管。细长递送导管可以是插管。细长递送导管可以是导液管。导液管可以是可操纵的导液管。可操纵导液管可以是机器人可操纵的导液管，其被配置为具有机电元件，该机电元件响应于由操作者通过可操作地耦合到机电元件的电子主输入装置进行的命令而诱导转向到细长递送导管中。植入的手术方法进一步可以包括移除细长递送导管，将递送段留在第一解剖位置和第二解剖位置之间的位置。

本发明的替代实施例可以包括在靶标组织的细胞中SFO和/或SSFO视蛋白的使用，以影响靶向迷走神经传入的神经抑制，这种系统可以包括2色照明系统，以便激活并随后去激活光敏蛋白。如在本文其它地方所描述的，可以使用蓝色或绿色光(诸如标称450nm LED或激光光源)来激活阶跃函数视蛋白，并且可以使用黄色或红色光(诸如激光光源的标称600nm的LED)来去激活。可以对这些颜色进行时间协调以通过如下方式产生过渡刺激(去极化)阻断条件，即通过使用于激活的第一光源发送脉冲来产生持续时间在0.1和10ms之间的激活脉冲，然后使用于去激活的第二光源发送脉冲来在来自第一光源的激活脉冲完成之后在1和100ms之间的时间产生在0.1和10ms之间的持续时间的去激活脉冲。可替代地，某些抑制性视蛋白(诸如但不限于NpHR和Arch)可使用蓝光类似地被去激活。

应当理解，用于迷走神经抑制的系统可以从施加器、控制器/壳体、递送段和描述的其它系统元件的任意组合来配置，并利用在此定义的治疗参数。通过非限制性示例的方式，包括标称590nm LED光源的系统可以经由密封光馈通可操作地耦接到由一束37根100μm直径的光纤组成的波导递送段，以将来自植入式壳体内部并且受其中控制器控制的光传输到由多个输出耦合器组成并配有反射套管的轴向轧制的平板式施加器，所述反射套管可以设置在迷走神经的主干或分支的外部上或周围，以采用在0.1-10ms之间的脉冲持续时间、在20-50％之间或恒定的占空比以及在肾动脉表面处5-20mW/mm2之间的辐照度来照射靶组织内部含有NpHR视蛋白的细胞。

图71描绘了用于治疗咳嗽的系统的替代示例性实施例，其被配置用于迷走神经的双侧照射。施加器A1和A2，例如，当展开时，宽度为10mm且长度为40mm的绕卷平板式施加器分别部署在迷走神经分支N1和N2周围。施加器A1和A2每一个进一步包括内表面2A和外表面4，其中外表面4可以是被配置为将逸出的光再循环回到靶标组织中的至少一个部分反射表面，诸如关于图20B更详细描述的。施加器A1和A2进一步包括传感器SEN1和SEN2，诸如参考图23和图55更详细描述的。光经由递送段DS1传送到施加器A1，并且经由递送段DS2传送到施加器A2，诸如关于图9-20更详细描述的。连接器C1-2被配置为将来自递送段DS1的光可操作地耦合到施加器A1，诸如关于图9A和50-54更详细描述的。类似地，连接器C2-2被配置为将来自递送段DS2的光可操作地耦合到施加器A2。递送段DS1和DS2进一步分别包括波纹U1和U2，诸如关于图16B和63A-64更详细描述的。递送段DS1和DS2可以进一步被配置为包括在传感器SEN1和SEN2与壳体H的控制器CONT之间的信号线SW(未示出)。因此，连接器C1-2和C2-2可以进一步被配置为也提供电气连接。递送段DS分别经由光馈通OFT1和OFT2可操作地耦合到壳体H，诸如关于图57A-59更详细描述的。光馈通OFT1和OFT2也可以支持电连接，诸如，通过非限制性示例的方式，通过使用由Bal-Seal公司制造的密封连接器。光从光源LS1提供到递送段DS1，并且从壳体H内的光源LS2提供到递送段DS2，诸如关于图15更详细描述的。光源LS1和LS2可以被配置为LED和/或激光器，所述LED和/或激光器提供在光谱上不同的输出，以激活和/或去激活驻留在靶标组织的迷走神经分支N1和N2中的视蛋白，诸如在此其它地方更详细描述的。为了清楚起见，在壳体H内示出的控制器CONT是关于图28-30更详细地描述的控制器CONT的简化。外部临床医生编程器模块和/或患者编程器模块C/P可以经由通信链路CL经由天线ANT经由遥测模块TM与控制器CONT通信，诸如关于图27-28和71更详细描述的。患者编程器模块C/P或其子集可以进一步被配置为当患者期望时(诸如如当他们感觉到迫近的咳嗽时)患者激活的致动器。为了清楚起见未示出的电源PS可以是使用外部充电器EC无线地再充电的电池，诸如关于图27-30更详细描述的。此外，外部充电器EC可以被配置为位于在安装装置(MOUNTING DEVICE)内，诸如关于图68更详细描述的。安装装置(MOUNTING DEVICE)可以是衬衫或背心，如对于该示例性实施例特别良好配置的。外部充电器EC以及外部临床医生编程器模块和/或患者编程器模块C/P和安装装置(MOUNTING DEVICE)可以位于体外空间ESP内，而系统的其余部分被植入并且可以位于体内空间ISP内，诸如关于图27更详细描述的。向左侧和右侧迷走神经中的每一个提供每次1分钟、每天10次的5mW标称恒定590nm的光可能需要锂离子或锂聚合物电池，其具有800mAh的容量C，以便在再充电之前提供5天的治疗，而不降低低于该示例性系统的30％电荷存储。因此，它可能需要约12ml的植入体积，并需要2小时来充电，因为用于充电这种电池的推荐率为C/2，或对于这种情况为400mA。在容量降低到可以指示更换的程度之前，这些电池也可循环大约1000次。这对应于对于以上描述的使用情景的超过10年的植入时间。

图72示出了植入/安装配置的大体解剖位置的示例，其中控制器壳体(H)植入胸部中并且分别可操作地(经由递送段DS1和DS2)耦接到施加器A1和A2，所述施加器A1和A2定位成双侧刺激迷走神经20A和20B。

使用全身麻醉，可以沿着迷走神经使用三个切口植入双侧光遗传学或“OGx”装置-一个在患者颈部的每侧上，用于进入施加器将被放置的两个迷走神经，并且一个在胸壁或腋窝中的锁骨下面，用于壳体的植入。OGx系统可以放置在胸部的皮肤下方，例如，在手术创建的囊中，并且递送段被引导通过在颈部切口和壳体位置之间皮下建立的通道。以下是这种手术方法的示例。

植入程序可在全身麻醉下进行，其中在手术前患者接受预防性抗生素(例如庆大霉素和万古霉素)的输注。颈部可以通过抬高左肩延伸，而患者的头部可以在中线处，或者向右转动用于改善颈部左侧的暴露。皮肤可被清洁并准备用于手术。然后，可以在锁骨上方大约一厘米处的颈部侧面上恰恰横向于中线进行横向切口(测量约5-6cm)。然后可以在锁骨上方进行皮下(s.c.)解剖(在颈阔肌下)到锁骨下空间的横向部分中，以产生足够的空间来容纳壳体。然后可以解剖胸锁乳突肌，并横向缩回以暴露颈动脉鞘。然后，横向穿过颈动脉鞘的骨骼肌可以被解剖并且进行头侧牵引。如果需要，颈袢也可以被解剖并进行头侧牵引，以获得额外的暴露。然后可以打开颈动脉鞘，并且可以在颈动脉和颈静脉之间进行解剖以暴露迷走神经。迷走神经是在颈动脉鞘中最大的神经，并且可能位于深部。然后可以升高迷走神经以改善暴露和介入。然后，施加器可以固定到神经，并且递送段锚固到周围组织以提供机械支撑。当固定施加器时，外科医生可利用显微镜使迷走神经可视化，并且在植入期间可使用微型钳子以处理和操纵施加器。递送段的2-5cm部分可以尾部地环入到先前由到骨骼肌的解剖深度产生的空间中。该环不仅可以允许应变消除，而且也可以允许递送段的远端部分平行于神经取向。因此，这种配置可以最小化由于颈部的正常运动中导致的施加器移出或使神经紧张的机会。然后可以使用系紧件和/或小缝线将递送段锚固到周围组织。然后，开道工具、套管针或插管可以在该第一对切口之间穿过皮下脂肪，以提供施加器和壳体之间的路线。然后，递送段的远端通过插管可以被引导并且插管被移除。然后可以将递送段附接到壳体。类似地，右肩可以升高并且头部向左转用于改善颈部右侧的暴露，并且重复该过程以植入和连接双侧施加器。然后可以将壳体插入到切口远端的锁骨下的囊中并锚固到下面的组织。然后可以测试组装单元的机械完整性，必要时进行调节，并且一旦满意则闭合伤口。口服抗生素的状态可以在术后持续约10天。

可替代地，OGx装置可以被配置为使得其作为单个集成单元提供给用户。在这种情况下，将需要修改上述示例性植入手术，如基于先前示例的以下变型所表示的。因为在该替代配置中，施加器连接到递送段，该递送段进而连接到壳体，所以开道插管可在施加器植入之前使用。在该示例性情况下，施加器和递送段可以经由开道插管被引入颈部。然后，一旦达到递送段的需要长度，则可以在颈部切口处移除开道插管。可替代地，插管可制成为使得其提供允许递送段轴向移除的纵向开口。在该示例性情况下，插管可以从颈部或腋窝中移除。

返回参考图69A和69B，示出了本发明的替代实施例，其中套管针和插管可以用于部署用于迷走神经的光遗传学控制的至少部分可植入的系统。套管针(TROCAR)可以用于产生通过手术进入点之间的组织的通道，所述手术进入点可以对应于本发明的元件(诸如施加器和壳体)的近似预期部署位置。插管(CANNULA)可以在与套管针一起插入或之后插入患者的组织中。套管针可以在插管的插入和放置之后移除以为系统元件的引入提供开口腔。插管(CANNULA)的开口腔然后可以提供沿着壳体和施加器之间的路线定位递送段DS的装置。递送段DS的端部可以由端盖ENDC覆盖。端盖ENDC可以进一步被配置为包括不透射线的标记ROPM，以增强在荧光成像和/或引导下的装置的可见性。端盖ENDC可提供防水密封，以确保正被植入的递送段DS或其它系统部件的光学表面不会退化。可以在植入递送段DS之后移除插管。随后，递送段DS可以连接到设置到靶标组织和/或壳体的施加器，如在本文其它地方所述的。在另一实施例中，端盖ENDC或递送段DS本身可以被配置为也包括临时组织固定元件AFx，诸如但不限于：钩、尖齿和倒钩，所述临时组织固定元件AFx允许植入的装置安全地驻留在其位置，同时等待进一步操纵和连接到系统的其余部分。

图70示出了类似于图69A和69B的替代实施例，其进一步被配置为利用固定到端盖ENDC上的带倒钩的组织固定元件AF。组织固定元件AF可以是有倒钩的，使得其在随着插管(CANNULA)一起插入之后将保持基本就位，在该示例中示为具有尖锐端(SHARP)的皮下注射针，所述尖锐端(SHARP)在它插入到患者的组织时是该装置的前端。组织固定元件AF的有倒钩特征插入组织中，基本上不允许移除递送段DS。在另一实施例中，可以使组织固定元件AF响应于致动器，诸如触发机构(未示出)，使得其仅在该配置中在插入之后激活时肯定地保持基本就位，从而提供在初始植入期间更容易重新定位的能力，并且与递送段DS的向前运动结合使用以使端部从其已经捕获的组织释放。递送段DS可以基本上在插管(CANNULA)的中空中心腔内，或者基本上稍微在其前面，如在说明性实施例中所示的。如在此所使用的，插管也指细长构件或递送导管。细长递送导管可以是插管。细长递送导管可以是导液管。导液管可以是可操纵的导液管。可操纵导液管可以是机器人可操纵的导液管，其被配置为具有机电元件，该机电元件响应于由操作者通过可操作地耦合到机电元件的电子主输入装置进行的命令而诱导转向到细长递送导管中。植入的手术方法进一步可以包括移除细长递送导管，将递送段留在第一解剖位置和第二解剖位置之间的位置。

体内神经元的实验证实：

我们进行了两项研究，以使用豚鼠模型确认咳嗽的光遗传学控制-最初是麻醉/无意识的形式，并且然后是有意识的形式。

遗传物质的递送：

通过直接双侧注射到迷走神经中，将AAV编码视蛋白递送到在Dunkin Harley豚鼠中控制咳嗽的传入神经。

为了直接注射到迷走神经中，采用经由IM注射递送的50mg/kg氯胺酮，3.5mg/kg甲苯噻嗪的混合物麻醉动物。一旦麻醉并准备用于手术，颈部腹侧表面上通过皮肤进行切口，并使用钝性解剖来暴露颈动脉和迷走神经。将迷走神经与颈动脉隔离。通过将35g针直接放置在神经干上，在结节神经节下方约5mm处，注射病毒，其中针的倾斜端面向神经节。双侧进行注射。用缝合线缝合伤口，将动物放在其笼中的加热垫上，直到完全恢复。

体内神经元的实验确认：

我们使用豚鼠模型进行了两项研究，以确认咳嗽的光遗传学控制-最初是麻醉/无意识的形式，然后是有意识的形式。

遗传物质递送：

通过直接双侧注射到迷走神经中，将AAV编码视蛋白递送到Dunkin Harley豚鼠中调节咳嗽的传入神经。

对于向迷走神经中的直接注射，用通过IM注射递送的50mg/kg氯胺酮、3.5mg/kg甲苯噻嗪的混合物麻醉动物。一旦麻醉和做好手术准备，在颈部腹侧表面上通过皮肤做切口，使用钝性分离暴露颈动脉和迷走神经。从颈动脉分离迷走神经。通过将35g针直接放置在结神经节下方约5mm的神经干上，使针的倾斜端面向神经节，注射病毒。进行双侧注射。用缝合线关闭伤口，将动物放在其笼中的加热垫上，直到完全恢复。

对于麻醉的测试模型，开发了三个群。将15微升含有1.0×10¹⁴病毒颗粒/ml的溶液注射到两个迷走神经中。使用以下血清型-启动子-视蛋白-标记物组合，在结神经节下约5mm处注射：AAV6-hSyn-eNpHR3.0-EYFP(由Virovek提供)；AAV6-hSyn-GFP(由Virovek提供)；AAV1-CAG-ARCHt-EYFP(由Univ.of North Carolina提供)。注射6周后，通过用～10mW 594nm(NpHR)或532nm(ArchT)朝向神经的双侧光照射迷走神经来测试所有动物。

两个群类似地制备成有意识的测试模型，使用以下血清型-启动子-视蛋白-标记物组合：AAV6-hSyn-eNpHR3.0-EYFP(由Virovek提供)和AAV6-hSyn-GFP(由Virovek提供)。这些动物在病毒注射2周后进一步植入双侧袖带(cuff)，并在病毒注射后4、5和7周测试有和没有光(594nM，6-10mW)的咳嗽反应。

麻醉的咳嗽模型：

基因递送四至十六周后，通过腹膜内注射氨基甲酸乙酯(1mg/kg)将动物麻醉。通过颈部中线切口暴露胸外气管，并在其尾部最末端插管弯曲的路厄氏接头适配器(luer stub adaptor)。(Canning等人2004，(Identification of the tracheal and laryngeal afferent neurones mediating cough in anaesthetized guinea-pigs.The Journal of Physiology 557(2)：543-558)。将气管套管连接到小长度的管，其终端在连续充满温暖和潮湿的室内空气的水夹套器官浴中。然后通过腹侧气管壁中线切口暴露气管粘膜(插管的吻侧)，对该气管段连续地灌流加温、充氧的Krebs缓冲液。使用位于喉水平的温和抽吸源从气管中回收缓冲液。用连接到气管套管侧端口的压力传感器监测呼吸活动，并使用数据采集系统数字记录。计算呼吸速率并表示为每分钟呼吸次数。通过在短暂的、增强的吸气用力之后的特征性大的呼气用力来识别咳嗽，并由实验者目视确认。

通过气管粘膜的化学刺激诱发咳嗽，然后测试将光直接施用于迷走神经期间的咳嗽反应。

对于化学刺激，将柠檬酸(0.01-2M)的等分试样直接应用于气管粘膜。将柠檬酸等分试样在3-5s期间内邻近套管施用，并直接进入灌流气管的Krebs缓冲液中。构建浓度-反应曲线，以1分钟间隔以逐渐增加的浓度加入柠檬酸的等分试样，以确定咳嗽的累积数量。一旦建立浓度曲线作为基线，使用3mm长的袖带施用器，以不同的光强度、频率和脉冲持续时间(1-40mW、1-100Hz、1-20ms)，将为了表达视蛋白的适当波长的光直接照射到迷走神经神经上，以防止阈值刺激期间的咳嗽反射。观察到咳嗽反射减少，如由数据采集系统读取的，与基线反射相比，缺少伴随着呼气压力降低的呼气用力。

参照图73，来自数据采集计算机系统的样品读数显示在用AAV1-CAG-ArchT-EYFP两侧注射入迷走神经处理的样品动物中，呼气压力以及视觉确认的“咳嗽”或“无咳嗽”的图。在柠檬酸暴露期间没有施加光时，存在视觉和压力证实的咳嗽；在柠檬酸暴露期间施加光时，没有视觉或压力证实的咳嗽。参考图74，对研究中的动物绘图以显示测试方案的咳嗽的数量(每只动物由单个数据点表示，平均值±中位值的标准误显示为水平线)。“所有控制”栏显示来自测量的4-16周龄所有未处理动物的数据。“hSyn-GFP”栏描述来自AAV6-hSyn-GFP注射6周后测试动物的数据。在经受相同的柠檬酸挑战模式时，AAV6-hSyn-eNpHR3.0-EYFP或AAV1-CAG-ArchT-EYFP(“NpHR”，“ArchT”)6周后的测试动物显示比“hSyn-GFP”对照动物显著更少的咳嗽(P<0.05)。

有意识的咳嗽模型：

在其中光敏感性是至关重要的构型中，视蛋白构型可包括例如NpHR、Arch、ArchT。可以包装病毒颗粒，含有具有转录启动子(例如hSyn，CMV，Hb9Hb，Thy1或Ef1a)的DNA序列和编码所选择的视蛋白的遗传物质。在300g体重的麻醉雄性豚鼠(Dunkin Harley)中，病毒的注射可以通过颈部区域直接注入迷走神经，以及，或直接注入结神经节。图75示出了有意识的咳嗽模型的过程流程的各方面。

对于光递送，用通过IM注射递送的50mg/kg氯胺酮、3.5mg/kg甲苯噻嗪的混合物麻醉动物。一旦麻醉和做好手术准备，在颈部腹侧表面上通过皮肤做切口，并且小心地将袖带式施用器放置在迷走神经周围以确保放置在喉返神经加入迷走神经的近端。连接到袖带的是纤维光缆，其外置在颈部的后部。一旦动物恢复以及切口愈合，则如下所述评价动物对雾化柠檬酸的咳嗽反应。将植入的袖带/纤维光缆连接到外部激光器，以在其暴露于雾化柠檬酸的第7分钟至第10分钟期间将光递送至病毒转染的迷走神经。

如文中所示(图64)，连接到纤维光缆和套圈的定制的袖带施用器植入豚鼠，用于将光递送至迷走神经。

对于咳嗽的测量，用病毒注射300g体重的雄性豚鼠(Dunkin Harley)并植入光递送袖带，如上所述。在病毒注射之前和之后的规定间隔，在有意识的无限制动物中评价对吸入柠檬酸的咳嗽反应。

将动物置于Buxco体积描记器中(图76A和76B)，并暴露于雾化的柠檬酸(0.3M)10分钟。将雾化的柠檬酸溶液以5L/min的速率吸入室中。已发现该剂量的柠檬酸在豚鼠中始终诱导咳嗽。以三种方式检测个体咳嗽：(1)通过压力传感器监测体积描记器内的任何压力变化；(2)通过放置在体积描记器内的麦克风检测咳嗽声；以及(3)通过目视观察动物。麦克风和压力传感器都连接到Biopac数字记录系统，该系统运行认可的数据分析软件，记录体积描记器中的声音和压力变化。仅将记录声音信号和相应的压力都变化的情况计数为咳嗽。虽然麦克风是压力传感器，但是其在有限的频率范围上操作，更通用的“压力传感器”是宽带设备。因此，这两种感受器的同时使用提供了检测实际咳嗽更可靠的手段。

从第四分钟到第六分钟的3分钟期间内记录的咳嗽数作为基线。从第七分钟到第十分钟的3分钟期间作为测试期间，在此期间光被递送到迷走神经。在该模型中，随时间的治疗功效可以通过重复测试相同的动物来测试。测试有意识的动物也是用于评估任何潜在的咳嗽治疗的最临床相关的测定。

参考图77A，可以显示，在没有光遗传学治疗的对照动物中，通过声音和压力记录的咳嗽没有通过施用器施加光而中断。然而，如图77B所示，在如上所述已经将AAV6-hSyn-eNpHR3.0-EYFP直接施用到迷走神经的动物中，当通过施用器向迷走神经施加光时，通过声音和压力记录的咳嗽被中断。图78显示，在注射AAV6-hSyn-eNpHR3.0-EYFP 7周后，在动物暴露于雾化的柠檬酸和光施加到迷走神经的期间(第7分钟至第10分钟)，咳嗽数显著低于(P<0.01)动物暴露于雾化的柠檬酸但没有光施加到迷走神经的期间(第4分钟至第6分钟)所测量的咳嗽数。来自6只动物中每一只的数据一起显示为平均值±SEM。

本文描述了本发明的各种示例性实施方案。以非限制性的含义参考这些实施例。提供它们以说明本发明的更广泛适用的方面。在不脱离本发明的真正精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变并且可以做等同替换。此外，可以进行许多修改以使特定情况、材料、物质组成、工艺、工艺操作或步骤适应于本发明的目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的是，本文描述和示出的每个单独的变化具有离散的组件和特征，其可以容易地从其它几个实施方案的任何特征分离或与其组合，而不偏离本发明的范围或精神。所有这些修改均落入本公开相关的权利要求的范围内。

所描述的用于执行本发明诊断或介入过程的任何装置可以以包装组合的形式提供，以用于执行这样的干预。这些供应的“套组”可以进一步包括使用说明书并且包装在通常用于这些目的的无菌盘或容器中。

本发明包括可以使用本发明装置执行的方法。所述方法可以包括提供这样的合适装置的动作。这样的供应可以由终端用户来执行。换句话说，“提供”动作仅需要终端用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、通电或以其它方式动作以在本发明方法中提供必要的设备。本文所述的方法可以以所述事件的逻辑上可能的任何顺序进行，以及以事件的所述顺序进行。

本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节已经在上面阐述。关于本发明的其它细节，可以结合上述引用的专利和出版物以及本领域技术人员通常已知或了解的那些来理解这些细节。就通常或逻辑上采用的附加动作而言，其也适用本发明的基于方法的方面。

另外，尽管已经参考可选地并入各种特征的若干实施例描述了本发明，但是本发明不限于关于本发明的每个变型所描述或指示的那些。可以对所描述的本发明进行各种改变和等同替换，并且不脱离本发明的真实精神和范围的情况(无论是否在本文中列出或者为了简洁没有包括)。此外，在提供值的范围的情况下，应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值以及在所述范围内的任何其他陈述的或中间的值包括在本发明内。

此外，预期所描述的本发明变型的任何可选特征可独立地或与本文所述的任何一个或多个特征组合地阐述和要求保护。提及单数的项目，包括存在多个相同项目的可能性。更具体地，如本文和与其相关的权利要求中所使用的，除非另有明确说明，否则单数形式“一”，“一个”，“所述”和“该”包括复数指代。换句话说，冠词的使用允许上述说明书中以及与本公开相关的权利要求中的主题项目“至少一个”。还应注意，可以撰写这样的权利要求以排除任何可选元素。因此，本声明旨在用作与权利要求要素的叙述有关的如“单独”、“仅”等排他性术语或“否定”限制的使用的在先基础。

在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开相关的权利要求中的术语“包括”将允许包括任何附加要素，而不管在这样的权利要求中是否列举了给定数量的要素，或者附加特征是否可以被认为是对这些权利要求中提出的要素性质的改变。除了本文具体定义之外，本文使用的所有技术和科学术语应以通常理解的尽可能广泛的含义给出，同时尽可能保持权利要求的有效性。

本发明的宽度不限于所提供的实施例和/或本发明的说明书，而是仅由与本公开相关的权利要求语言的范围限定。