本发明实施例涉及神经诊疗技术，尤其涉及一种微型led探针。
背景技术：
微型神经探针是用于神经科学的重要工具。神经探针目前在医学领域主要用于脑疾病，如癫痫，偏头痛，阿尔茨海默氏症，痴呆等神经疾病。近年来，在微电子技术和光遗传学不断发展完善的背景下，神经探针的研究也取得了快速的进步和发展。通过将神经探针植入大脑的不同区域，以记录和刺激大脑中特定的位点，从而能够进行细胞级的检测、处理以及解释神经数据，从而帮助医学人员深入了解神经疾病并做出合理对策。
然而，现有的神经探针，虽然能够实现对大脑神经细胞的刺激和监测，但是需要对大脑进行解剖，以观察神经细胞中的荧光物质发出的光信号。在不解剖的情况下，无法将神经细胞的活动状况实时直观的表现出来，从而阻碍医学人员进一步了解神经疾病。
技术实现要素：
本发明提供一种微型led探针，以实现直接对神经细胞进行刺激和监测活动，在不进行人体解剖的情况下就能将神经细胞的活动状况实时成像。
第一方面，本发明实施例提供了一种微型led探针，该微型led探针包括探针头和与所述探针头连接的连接部；
所述探针头包括有源面板、驱动电路以及微型led阵列；所述驱动电路集成在所述有源面板上，包括多个呈阵列排布的驱动单元，所述微型led阵列位于所述驱动电路远离所述有源面板的一侧，包括多个呈矩阵排布的微型led；所述驱动单元与所述微型led一一对应，每个所述驱动单元用于驱动对应所述微型led；
所述驱动单元包括激发子单元和探测子单元，所述激发子单元用于在激发阶段驱动对应所述微型led发出第一可见光，所述探测子单元用于在探测阶段驱动所述微型led检测第二可见光；其中，所述第二可见光为待测物体在所述第一可见光的激发下发出的可见光。
具体地，所述激发子单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管和第一电容；
所述第一晶体管的栅极与所述激发子单元的第一控制端电连接，所述第一晶体管的第一极与所述激发子单元的输入端电连接，所述第一晶体管的第二极与所述第二晶体管的栅极和所述第一电容的第一极电连接；所述第二晶体管的第一极和所述第一电容的第二极与第一电压线电连接，所述第二晶体管的第二极与所述微型led的阳极电连接；所述微型led的阴极与所述第三晶体管的第一极电连接，所述第三晶体管的栅极与所述激发子单元的第二控制端电连接，第二极接地；
所述探测子单元包括第四晶体管、第五晶体管、第一电阻和存储元件；
所述第四晶体管和第五晶体管的栅极分别与所述探测子单元的第三控制端和第四控制端电连接，所述第四晶体管的第一极与第二电压线电连接，第二极与所述第一电阻的第一端电连接，第一电阻的第二端与所述微型led的阴极电连接；所述存储元件的第一极和第二极分别于所述微型led的阳极和阴极电连接；所述微型led的阳极与所述第五晶体管的第一极电连接，所述第五晶体管的第二极接地。
具体地，所述存储元件是第二电容。
具体地，该微型led探针还包括第一包覆层，所述第一包覆层等厚包覆所述微型led探针除所述微型led之外的区域。
具体地，所述第一包覆层的材料为聚对二甲苯parylenec。
或者，该微型led探针还包括第二包覆层以及第三包覆层，所述第二包覆层等厚包覆所述探针头除所述微型led之外的区域，所述第三包覆层等厚包覆所述连接部。
具体地，所述微型led的尺寸为5μm。
具体地，所述探针头的厚度为10μm。
具体地，该微型led探针包括衬底，所述衬底包括第一子部和第二子部，所述第一子部为所述有源面板的衬底，所述第二子部为所述连接部的衬底；所述衬底的材料为柔性材料。
具体地，所述柔性材料为parylenec。
本发明实施例的技术方案，通过在探针头中设置有源面板、驱动电路和微型led阵列，使微型led在激发阶段发出第一可见光刺激大脑神经细胞中的荧光物质发出第二可见光，在探测阶段微型led发出可见光与荧光物质发出的第二可见光相匹配，从而使探测子单元接收荧光物质发出的第二可见光并进行光电信号的转换，将荧光物质发出的第二可见光转换成电信号，传输至外部设备中进行图像显示，从而实现了对神经细胞的直接刺激和监测，在不对人体进行解剖的情况下就能够将神经细胞的活动状况实时成像。此外，由于每个微型led由对应驱动单元独立控制发光效果，因此可以实现对单个或多个神经细胞的刺激，进而得到神经细胞的三维视图效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种微型led探针的剖视图；
图2为本发明实施例提供的一种微型led探针的俯视图；
图3是本发明实施例提供的一种驱动单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种读出电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
图1为本发明实施例提供的一种微型led探针的剖视图，图2为本发明实施例提供的一种微型led探针的俯视图，本实施例可适用于不对人体进行解剖时直观观察细胞活动状况的场景。如图1和图2所示，该微型led探针包括探针头100和与探针头100连接的连接部200。探针头100包括有源面板110、驱动电路120和微型led阵列130；驱动电路120集成在有源面板110上，包括多个呈阵列排布的驱动单元121，微型led阵列130位于驱动电路120远离有源面板110的一侧，包括多个呈矩阵排布的微型led131；驱动单元121与微型led131一一对应，每个驱动单元121用于驱动对应微型led131。驱动单元121包括激发子单元和探测子单元，激发子单元用于在激发阶段驱动对应微型led131发出第一可见光，探测子单元用于在探测阶段驱动微型led131检测第二可见光；其中，第二可见光为待测物体在第一可见光的激发下发出的可见光。
具体地，微型led阵列130中的微型led可以呈矩阵排布，包括x行y列，共有x×y个微型led131，其中，x和y均为大于等于1的任意整数，且x和y可以相等也可以不相等。对应的，驱动电路120可以包括x×y个驱动单元121，每一个驱动单元121分别对应一个微型led131。示例性地，如图2所示，微型led阵列130包括5×5个阵列排布的微型led131，驱动电路120包括5×5个驱动单元121，每一个驱动单元121分别对应一个微型led131，且每一个驱动单元121驱动其对应的微型led131发光。图2仅是示例性地的对微型led阵列130的说明，而不是限定，微型led阵列130的行数和列数不限于图2所示。
驱动单元121与微型led131电连接，示例性地，可以通过焊盘150实现微型led阵列130与驱动电路120中的驱动单元121的电连接，使得驱动单元121中的驱动子电路能够驱动对应的微型led131发光。
具体地，驱动单元121包括激发子单元和探测子单元，激发子单元与对应的微型led构成激发回路，在激发子单元的驱动下，微型led可以实现正向导通。探测子单元与对应的微型led构成探测回路，在探测子单元的驱动下，微型led可以实现反向击穿导通。
具体地，在微型led探针的工作过程中，驱动单元121可以分为激发阶段和探测阶段。在激发阶段时，激发子单元接收外部的激发信号和第一控制信号，当第一控制信号有效时，激发子单元将激发信号作用在对应的微型led的阳极，使微型led发出第一可见光。需要说明的是，微型led发出的第一可见光的波长应能够满足使人体细胞中的待测物体(一般为荧光物质)发光的波长要求。例如，大脑组织内部细胞的荧光物质受波长范围在420mm-450mm范围内的可见光刺激后发光，则在激发阶段，微型led阵列130中微型led发出的第一可见光的波长范围是420mm-450mm。因此，当微型led发出第一可见光后，刺激大脑组织内部细胞的荧光物质发出第二可见光。在本实施例中，采用有源面板110进行微型led探针的集成，可以通过有源驱动方式来控制微型led阵列130发光，此时微型led阵列130可以通过第一控制信号控制激发子单元是否将激发信号作用在微型led上使微型led发出第一可见光，从而可以实现对大脑神经细胞中的荧光物质刺激的有效控制，实现了对神经细胞活动的监测。
在探测阶段时，探测子单元接收外部的第二控制信号，当第二控制信号有效时，探测子单元在有源面板110的有源驱动下使对应的微型led反向击穿，并进行发光。微型led发出的光的波长与荧光物质发射的第二可见光的的波长相匹配时，探测子单元接收荧光物质发射的第二可见光并将其转换成电信号，并对电信号进行存储，通过与探针头100连接的连接部200发送至大脑外部的设备中，从而在该设备中形成图像，反映出神经细胞的活动状况，从而实现了对神经细胞的直接刺激和监测，在不对人体进行解剖的情况下就能够将神经细胞的活动状况实时成像。
需要说明的是，在激发阶段和探测阶段时，微型led均发光，并且发光的波长既能满足使人体细胞中荧光物质发光的波长要求，又需要与荧光物质发出的第二可见光的波长相匹配，因此，激发荧光物质发光的激发信号(例如，第一可见光)的波长范围，以及探测荧光物质发出的第二可见光的探测信号的(例如，微型led在探测阶段发出的光)波长范围，两者有重合的波长部分，并使微型led发光的波长范围包括上述重合的波长部分，从而使微型led既能激发荧光物质发出第二可见光，又能探测荧光物质发出的第二可见光，从而使得微型led在不同的阶段有不同的作用。
还需要说明的是，连接部200与探针头100中的驱动电路120电连接，驱动电路120可以通过连接部200与外部设备电连接，实现对驱动电路120的电源供应，同时需要将探测子单元存储的电信号通过连接部200发送至外部设备，使其在外部设备中形成图像，从而观测大脑内神经细胞的活动状况。如图2所示，连接部200包括多个连接端121，用于探针头100与外部设备连接。具体的，连接部200包括探针头100与外部电源连接的连接端121，能够为探针头100上的驱动电路120持续提供电源。另外，驱动单元120通过连接部200将探测子单元存储的电信号传输至外部设备，因此，连接部200还包括传输信号的连接端121。
驱动电路120的多个驱动单元121可以分别驱动微型led阵列130中的多个微型led131，并且互相可以独立驱动对应的微型led131，因此可以任意的选择微型led阵列130中任意微型led131发光，在刺激大脑神经细胞中的荧光物质时可以实现单个或多个神经细胞的刺激，进而可以得到神经细胞的三维视图效果。另外，驱动电路120可以通过互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，coms)工艺集成在有源面板110上，实现驱动电路120和微型led阵列130的高度集成的单片式效果。
在微型led131的制程中，电极制造完毕后可以通过激光剥离技术除去微型led阵列130的衬底，示例性的，衬底可以是蓝宝石衬底。上述衬底的剥离操作使得当微型led阵列130中的微型led131发光后，微型led131发出的光可以直接射入大脑组织而避免微型led阵列130的衬底对光的吸收，使光源能够深入到大脑组织内部，从而实现对大脑组织内部的荧光物质的刺激，使荧光物质发光。其中，大脑组织内部的荧光物质可以是细胞内本身具备的，也可以是人为放入细胞的。
示例性地，本发明提供的微型led探针可用于转基因老鼠中进行试验，利用光遗传学技术在转基因老鼠表达的chr2作为荧光物质，并通过光遗传学技术使微型led探针插入转基因老鼠大脑组织中，对选定的脑区域中特定细胞的chr2荧光物质进行刺激。在激发阶段，当微型led阵列130在激发子单元的(通过有源驱动方式)驱动下发出的第一可见光的波长达到荧光物质chr2的激发波长时，chr2荧光物质将会被激发发出第二可见光；此时进入探测阶段，微型led阵列130在探测子单元的(通过有源驱动方式)驱动下发出的光的波长与chr2荧光物质被激发发出的第二可见光的波长相匹配，探测子单元接收chr2荧光物质发射的第二可见光，并将chr2荧光物质发射的第二可见光转换为电信号进行存储，通过与探针头100连接的连接部200发送至大脑外部的设备中，从而在设备中形成图像，观测神经细胞的活动状况。因激发子单元和探测子单元共用同一微型led131进行发光，因此微型led探针可以周期性的进行检测，在一个周期内，分为激发阶段和探测阶段，使微型led分时段的发光，并产生不同的效果。
本实施例的技术方案，通过在探针头中设置有源面板、驱动电路和微型led阵列，使微型led在激发阶段发出第一可见光刺激大脑神经细胞中的荧光物质发出第二可见光，在探测阶段发出可见光与荧光物质发出的第二可见光相匹配，从而使探测子单元接收荧光物质发出的第二可见光并进行光电信号的转换，将荧光物质发出的第二可见光转换成电信号，传输至外部设备中进行图像显示，从而实现了对神经细胞的直接刺激和监测，在不对人体进行解剖的情况下就能够将神经细胞的活动状况实时成像。此外，由于每个微型led由对应驱动单元独立控制发光效果，因此可以实现对单个或多个神经细胞的刺激，进而得到神经细胞的三维视图效果。
在上述技术方案的基础上，图3是本发明实施例提供的一种驱动单元的结构示意图。如图3所示，激发子单元包括第一晶体管t1、第二晶体管t2、第三晶体管t3和第一电容c1。
第一晶体管t1的栅极与激发子单元的第一控制端ctrl1电连接，第一晶体管t1的第一极与激发子单元的输入端in电连接，第一晶体管t1的第二极与第二晶体管t2的栅极和第一电容c1的第一极电连接；第二晶体管t2的第一极和第一电容c1的第二极与第一电压线vdd1电连接，第二晶体管t2的第二极与微型led的阳极电连接；微型led的阴极与第三晶体t3的第一极电连接，第三晶体管t3的栅极与激发子单元的第二控制端ctrl2电连接，第二极接地。
探测子单元包括第四晶体管t4、第五晶体管t5、第一电阻r1和存储元件c。
第四晶体管t4和第五晶体管t5的栅极分别与探测子单元的第三控制端ctrl3和第四控制端ctrl4电连接，第四晶体管t4的第一极与第二电压线vdd2电连接，第二极与第一电阻r1的第一端a电连接，第一电阻r2的第二端b与微型led的阴极电连接；存储元件c的第一极e和第二极f分别与微型led的阳极和阴极电连接；微型led的阳极与第五晶体管t5的第一极电连接，第五晶体管t5的第二极接地。
在激发阶段，激发子单元的第一控制端ctrl1和第二控制端ctrl2控制第一晶体管t1和第三晶体管t3导通，第一晶体管t1的第一极接收激发子单元的输入端in输入的信号，传输至第二晶体管t2的栅极。当激发子单元的输入端in输入的信号能够使微型led发出第一可见光的信号时，则控制第二晶体管t2导通，从而使第一电压线vdd1的电压加载在微型led的阳极上，一般情况下，第一电压线vdd1的电压大于零，而微型led的阴极通过第三晶体管t3接地，因此，当第二晶体管t2导通时，微型led发出第一可见光。微型led发出的第一可见光刺激大脑组织内部细胞的荧光物质发出第二可见光。
在探测阶段，探测子单元的第三控制端ctrl3和第四控制端ctrl4控制第四晶体管t4和第五晶体管t5导通，第四晶体管t4输入第二电压线vdd2的电压，经过第一电阻r1加载在微型led的阴极，微型led的阳极通过第五晶体管t5接地。微型led可以是一种单光子雪崩二极管，在外加电场的作用下，微型led中的自由载流子电子和空穴会在电场的作用下漂移，分别向微型led的两个电极运动，这样在外回路上形成光电流，产生一定的压降，从而探测出光信号。一般情况下，第二电压线vdd2的电压大于零，在探测阶段，微型led反向击穿，微型led由光信号产生的光电流可以倍增的得到放大，使微型led可以应用在弱光功率的场合。当探测子单元接收荧光物质发出的第二可见光后，微型led吸收第二可见光的能量，将第二可见光转换成光电流，形成电信号，并将电信号存储到存储元件c上。进一步的，存储于存储元件c中的电信号可以通过对应设置的读出电路传输至外部设备，该读出电路形成于连接部。
图4为本发明实施例提供的一种读出电路的结构示意图，读出电路与探测子单元中的存储元件c两端电连接，读取存储元件c上的电信号。读出电路采用列并行读取方式，以加快读出电路读取电信号的速度。
示例性的，如图3所示，存储元件c可以是第二电容c2。第一电阻r1与微型led串联，当微型led反向击穿时，电流骤增，此时第一电阻r1能够起到限流的作用，使得电路免受损害。
需要说明的是，第一电压线vdd1和第二电压线vdd2的电压值与微型led发光的亮度有关，而微型led发光的波长与荧光物质发光的发射波长有关，因此根据荧光物质的发射波长和微型led参数选择合适的电压值。
在上述各个实施例的基础上，微型led探针还可以包括第一包覆层，第一包覆层等厚包覆微型led探针除微型led之外的区域。
具体地，第一包覆层可以整体包覆探针头和连接部。第一包覆层为生物相容性的材料，使微型led探针具有较高的生物相容性和较强的亲和力，微型led探针能够在大脑组织中保持自由的浮动，从而可以对选定的脑区域中特定的细胞进行监测，并且不会造成很大的伤害。示例性地，第一包覆层的材料为聚对二甲苯parylenec。另外，在微型led探针工作过程中，需要微型led阵列中的微型led进行发光，因此，第一包覆层包覆微型led探针时需要将微型led除外，避免遮挡微型led发光。
与上述实施例并列的一种实施例是，微型led探针可以包括第二包覆层以及第三包覆层，第二包覆层等厚包覆探针头除微型led之外的区域，第三包覆层等厚包覆连接部。
具体地，第二包覆层和第三包覆层的材料均为生物相容性的材料，可以相同也可以不同。包覆微型led探针的过程可以分为两步进行，先采用第二包覆层对探针头进行包覆，其包覆过程与采用第一包覆层包覆微型led探针的过程一致，需要将微型led裸露在外，避免遮挡微型led发光；然后采用第三包覆层对连接部进行包覆。
需要说明的是，采用第一包覆层对微型led探针进行整体包覆，或者采用第二包覆层和第三包覆层分别对探针头和连接部进行包覆，只要各包覆层的材料为生物相容性的材料，就可以使微型led探针具有较高的生物相容性和较强的亲和力，微型led探针能够在大脑组织中保持自由的浮动，从而可以对选定的脑区域中特定的细胞进行监测，并且不会造成很大的伤害。
在上述各实施例的基础上，微型led的尺寸可以为5μm。探针头的厚度可以为10μm。
具体地，微型led的尺寸越小集成度越高。在本实施例中，微型led的尺寸为5μm，其尺寸与亚细胞尺寸相近，因此在相同大小的微型led阵列上可以集成更多的微型led，从而实现微型led探针的高分辨率。同样，探针头的厚度越薄，微型led探针的生物相容性和亲和力越好。在选择微型led的尺寸后，第一包覆层或者第二包覆层和第三包覆层的厚度在满足微型led探针的生物相容性和亲和力后尽可能的薄，示例性地，探针头的厚度为10μm，可以兼顾微型led探针的单片式结构和较高的生物相容性和亲和力。
在上述各实施例的基础上，微型led探针包括衬底，衬底包括第一子部和第二子部，第一子部为有源面板的衬底，第二子部为连接部的衬底；衬底的材料可选为柔性材料。
具体地，衬底包括作为有源面板110的衬底的第一子部和作为连接部200的衬底的第二子部。如图2所示，有源面板110应该包括衬底的第一子部和第一子部上的走线(图中未示出)。连接部200包括由探针头100的连接线引出的连接端201和衬底的第二子部。示例性地，衬底的第二子部可以是第一子部的延伸。连接端201和与连接端201连接的引出线印刷在衬底的第二子部上，固定连接端201和与连接端201连接的引出线，探针头100通过连接端201与外部设备实现电连接。微型led探针的探针头100和连接部200共用一个衬底，可以简化结构。
另外，衬底材料可以采用柔性材料，使微型led探针减少对大脑组织施加的牵引力，增加了生物相容性和亲和力，减少人体排异反应，从而增加了微型led探针的使用范围。示例性地，有源面板110的柔性材料为可以为parylenec。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。