一种双闭环脑神经刺激装置和方法

本发明一般涉及颅内神经元调控和检测，具体涉及一种双闭环脑神经刺激装置和方法。

背景技术：

1、多年来，科学家将电、磁、光、声等技术与神经科学相结合，产生了脑深部电刺激、磁刺激、光遗传学、颈颅超声刺激等神经刺激与调控技术。其中，光遗传学与超声刺激则是近年来新生的刺激神经元的手段，两者对神经调节各有优点。

2、现在市面上所有的设备只是将光刺激或者低强度颈颅超声刺激作为单一的神经调控手段，并且，这两种神经调控手段都对神经调控刺激为开环控制，控制效果并不理想，容易对神经元造成不可逆的损伤，对神经调控手段正式进入医学界产生阻碍的作用。其中，控制效果不理想的原因主要包括，一方面是对神经元的控制不及时，需要人工调整；另一方面对控制刺激的强度把握不准，容易造成神经元的大部分损伤。若要单独购买两种刺激设备，需要花费的价钱十分高昂。因此，我们提出一种双闭环脑神经刺激装置和方法用以解决上述问题。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种一体化且精准、及时刺激神经元变化与调控神经元活动，成本低的双闭环脑神经刺激装置和方法。

2、第一方面，本发明提供一种双闭环脑神经刺激装置，包括：通信连接的激光发射单元、超声发射单元、检测模块、信号转换单元和数据处理模块；

3、所述激光发射单元，配置用于发射第一激光刺激信号，并将其作用于试验对象；

4、所述超声发射单元，配置用于发射第一超声刺激信号；

5、所述检测模块，配置用于接收所述第一超声刺激信号，并将其作用于试验对象；

6、所述检测模块，还配置用于采集所述试验对象的颅内神经元产生的荧光信号；

7、所述信号转换单元，配置用于将所述荧光信号转换为第一数字电信号；

8、所述数据处理模块，配置用于根据所述第一数字电信号，调整所述第一激光刺激信号和所述第一超声刺激信号的强度。

9、根据本发明提供的技术方案，所述激光发射单元包括：

10、激光发生模块，配置用于发出初始激光刺激信号；

11、调制模块，配置用于调节所述初始激光刺激信号的强度；

12、光路调整模块，配置用于改变所述初始激光刺激信号的传输方向，得到第一激光刺激信号；

13、光传导模块，配置用于传输所述第一激光刺激信号至试验对象。

14、根据本发明提供的技术方案，所述超声发射单元包括：

15、超声发生模块，配置用于发出初始超声刺激信号；

16、超声调整模块，配置用于调整所述初始超声刺激信号的输出方向，得到第一超声刺激信号。

17、根据本发明提供的技术方案，所述信号转换单元包括：

18、光电探测模块，配置用于将所述荧光信号转换为第一模拟电信号；

19、数据采集模块，配置用于将所述第一模拟电信号转换为第一数字电信号。

20、根据本发明提供的技术方案，所述信号转换单元还包括：

21、信号放大模块，其与所述光电探测模块、所述数据采集模块通信连接；所述信号放大模块配置用于放大所述第一模拟电信号并传输至所述数据采集模块。

22、根据本发明提供的技术方案，还包括：滤波模块，其与所述数据采集模块、所述数据处理模块通信连接；

23、所述滤波模块配置用于对所述第一数字电信号滤波处理，并传输至所述数据处理模块。

24、第二方面，本发明提供一种双闭环脑神经刺激方法，基于权利要求至任一项所述的一种双闭环脑神经刺激装置实现，所述刺激方法包括以下步骤：

25、采集试验对象产生的第一数字电信号；

26、根据所述第一数字电信号，确定所述试验对象当前的颅内神经元活动状态；

27、判断当前的颅内神经元活动状态为非预设状态时，调整作用于所述试验对象的第一激光刺激信号的波段以及第一超声刺激信号的强度。

28、根据本发明提供的技术方案，采集试验对象产生的第一数字电信号之前，还包括以下步骤：

29、响应于数据处理模块发出的神经刺激指令，向试验对象发射第一激光刺激信号和第一超声刺激信号，得到所述试验对象的颅内神经元产生的荧光信号；

30、将所述荧光信号转换为第一数字电信号。

31、根据本发明提供的技术方案，调整作用于所述试验对象的第一激光刺激信号的波段以及第一超声刺激信号的强度，具体包括以下步骤：

32、根据模糊pid控制算法，调整作用于所述试验对象的第一激光刺激信号以及第一超声刺激信号的强度。

33、根据本发明提供的技术方案，根据所述第一数字电信号，确定所述试验对象当前的颅内神经元活动状态，具体包括以下步骤：

34、提取所述第一数字电信号中的神经元频率和神经元幅值；

35、判断所述神经元幅值处于第一预设幅值区间时，判定所述试验对象当前的颅内神经元活动状态为兴奋状态；

36、判断所述神经元幅值处于第二预设幅值区间时，判定所述试验对象当前的颅内神经元活动状态为抑制状态。

37、综上所述，本发明公开了一种双闭环脑神经刺激装置的具体结构。本发明设计通信连接的激光发射单元、超声发射单元、检测模块、信号转换单元和数据处理模块；利用激光发射单元发射第一激光刺激信号，以及超声发射单元发射第一超声刺激信号，第一超声刺激信号经检测模块作用于试验对象，并且第一激光刺激信号和第一超声刺激信号同时作用于试验对象上，检测模块采集到试验对象的颅内神经元产生的荧光信号，利用信号转换单元将荧光信号转换为第一数字电信号，最后，数据处理模块根据第一数字电信号，调整第一激光刺激信号和第一超声刺激信号的强度。重复上述过程，直至最终得到的颅内神经元活动状态为试验所期望的反应状态；实现一体化且、准确、及时地检测和调控神经元活动状态。

技术特征：

1.一种双闭环脑神经刺激装置，其特征在于，包括：通信连接的激光发射单元(1)、超声发射单元(2)、检测模块(4)、信号转换单元(3)和数据处理模块(5)；

2.根据权利要求1所述的一种双闭环脑神经刺激装置，其特征在于，所述激光发射单元(1)包括：

3.根据权利要求1所述的一种双闭环脑神经刺激装置，其特征在于，所述超声发射单元(2)包括：

4.根据权利要求1所述的一种双闭环脑神经刺激装置，其特征在于，所述信号转换单元(3)包括：

5.根据权利要求4所述的一种双闭环脑神经刺激装置，其特征在于，所述信号转换单元(3)还包括：

6.根据权利要求4所述的一种双闭环脑神经刺激装置，其特征在于，还包括：滤波模块(14)，其与所述数据采集模块(12)、所述数据处理模块(5)通信连接；

7.一种双闭环脑神经刺激方法，基于权利要求1至6任一项所述的一种双闭环脑神经刺激装置实现，所述刺激方法包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种双闭环脑神经刺激方法，其特征在于，采集试验对象产生的第一数字电信号之前，还包括以下步骤：

9.根据权利要求7所述的一种双闭环脑神经刺激方法，其特征在于，调整作用于所述试验对象的第一激光刺激信号的波段以及第一超声刺激信号的强度，具体包括以下步骤：

10.根据权利要求7所述的一种双闭环脑神经刺激方法，其特征在于，根据所述第一数字电信号，确定所述试验对象当前的颅内神经元活动状态，具体包括以下步骤：

技术总结
本发明公开一种双闭环脑神经刺激装置和方法，涉及颅内神经元调控和检测技术领域。该刺激装置包括：通信连接的激光发射单元、超声发射单元、检测模块、信号转换单元和数据处理模块；激光发射单元，配置用于发射第一激光刺激信号，并将其作用于试验对象；超声发射单元，配置用于发射第一超声刺激信号；检测模块，配置用于接收所述第一超声刺激信号，并将其作用于试验对象；检测模块，还配置用于采集试验对象的颅内神经元产生的荧光信号；信号转换单元，配置用于将荧光信号转换为第一数字电信号；数据处理模块，配置用于根据第一数字电信号，调整第一激光刺激信号和第一超声刺激信号的强度；实现一体化检测神经元变化与调控神经元活动。

技术研发人员：袁毅,康健
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15